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利用高度敏感磁强计 给地球做个核磁共振

行业聚焦点中国仪表网2014年09月11日 15:10人气:5592

   【中国仪表网 行业聚焦点】最终探测器可以用于定义整个钻孔环境,而目前的设备只能够对几英尺深处进行成像。将地磁学和通用的感知技术相结合将提供更好的解决办法。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。


        地球磁场,作为人们熟悉的长距离方向指示器,常在从地理学到考古学的一系列应用中受到研究调查。现在,它提供了一种新技术的基础,后者或可以用于定义自然环境里流体混合物的化学组成成分。
  
  核磁共振检测化学组成成分所需的异常敏感性
  
  美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员进行了一项概念验证的核磁共振(NMR)实验,也就是利用高度敏感的磁强计和可以与地球磁场相比拟的磁场分析碳氢化合物和水的混合物。这项实验是在世界上最重要的核磁共振权威人士之一亚历山大·派因斯(Alexander Pines)教授的核磁共振实验室内进行的。这项研究是美国加州大学伯克利分校的物理学家德米特里·布德科尔(Dmitry Budker)教授与国家标准和技术研究所(NIST)的其它研究人员进行的长期合作的一部分。研究结果被发表在期刊《应用化学》并作为封面展示。研究联席作者有派因斯实验室的博士研究生保罗·甘瑟尔(Paul Ganssle)。
  
  “这个基础研究项目旨在解答一个更宽泛的问题:我们是否能够在无需采样或者包封物体的前提下,远距离感知这个物体的内部化学和物理特性?”美国加州大学伯克利分校派因斯研究小组的首席调查员维克拉姆·巴贾杰(VikramBajaj)这样说道。“核磁共振的一个尤为美妙的方面在于它能够温柔地窥探完整物体内部,但从远距离窥探则相对比较困难。”
  
  高场和低场核磁共振
  
  核磁共振检测化学组成成分所需的异常敏感性,以及它在医疗应用方面所能提供的空间分辨率等都要求大型精确的超导磁体。这些磁铁非常昂贵且是不可移动的。此外,研究样本必须放置在磁铁内部,使得整个样本能够暴露在均匀磁场内。这种完好发展的方法被称为高场核磁共振,而它的敏感性与磁场强度成正比。
  
  然而,对于无法放置在磁铁内部的物体而言,对它进行化学特性描述则要求另一种不同的方法。在非原位核磁共振测量中,一个典型高场实验的几何原理被翻转使用,探测器探测到样本表面,然后磁场被投射到这个物体上。这种情景的一个重大挑战在于在足够大的样本区域里产生均匀磁场:产生足够的磁场强度以进行传统的高分辨率核磁共振测量是不可行的。
  
  因此,放弃选择超导磁体,磁场核磁共振测量可以依赖地球的磁场,前提是有一个足够敏感的磁强计。“地球磁场的一个优势在于它是均匀的,”甘瑟尔解释道。“而地球磁场被用于诱导检测的核磁共振成像(MRI,是NMR技术的一个同类)的问题在于你需要一个足够强且均匀的磁场,因此你需要将整个物体包裹上超导线圈,这在某些应用领域,例如石油测井,是不可能实现的。”
  
  “磁共振的敏感性取决于磁场,因为磁场会导致被检测到的旋转略微对齐。应用的场越强,信号越强,它的频率也越高,这些都有助于检测的敏感性。”巴贾杰解释道。地球的磁场的确很弱,但光学磁强计可以作为没有任何永久磁铁的背景场里进行超低场核磁共振测量的探测器。这意味着非原位测量会仅因磁场强度就丢弃化学敏感性,但这种方法也具有其它优势。
  
  弛豫和扩散
  
  在高场核磁共振里,样本的化学特性是从它们的共振光谱里确定的,但如果没有超高场或者极其长久的一致信号(这两种情况都需要永久磁铁),这也是不可能的。相比之下,低场核磁共振的弛豫和扩散测量对于确定散装材料特性来说绰绰有余。
  
  “低场(你可以使用永久磁铁或者地球磁场)的方法便是测量自旋弛豫,”甘瑟尔解释道。弛豫是指极化的自旋回归均衡的速率,这是基于系统的化学和物理特性。此外,核磁共振实验会基于化合物的不同扩散系数而溶解它,而扩散系统取决于分子的大小和形状。
  
  这种实验和传统实验的一个关键区别在于弛豫和扩散特性是通过光学探测的核磁共振来确定,而后者即使在较低磁场里也能敏感的操作。“我们之前取得的合作成果便是发展了检测核磁共振的磁强计,”巴贾杰说道。“这个实验代表了磁强计首次被用于对多成分混合物的弛豫和扩散测量。”
  
  弛豫和/或扩散测量已经被广泛应用于石油工业的地下核磁共振测量,尽管传统的探测会使用永久的磁铁以增强本地磁场。早在20世纪50年代就曾有人试图用地球背景场进行石油测井,但探测性敏感度不足导致不得不引入磁铁,后者现在各种测井工具里普遍存在。
  
  “现在概念的新颖之处在于利用了磁强计,我们终于具备一定的科技以满足地球磁场有效探测所需的敏感性,这可能最终有助于实现远距离探测,”研究合作作者斯考特·塞尔泽尔(Scott Seltzer)解释道。
  
  科学家们对这一设计在实验室内进行了测试,首先测量不同碳氢化合物和水的弛豫系数,然后测量均匀混合物的弛豫系数,以及利用磁强计和代表地球磁场的外加磁场进行二维相关性实验。“这一概念的证据或可以大量应用于石油工业,”甘瑟尔说道。“我们将碳氢化合物与水相混合,利用磁铁将它们先极化,然后外加一个类似地球磁场的磁场。随后我们利用磁强计进行测量,继而基于弛豫光谱我们可以确定是否具备足够的敏感性以分离油和水的组成部分。”
  
  这一技术可以帮助石油工业定义岩石里的流体,因为水和油的弛豫速率是不同的。其它应用领域还包括测量输油管里流过的水和油的容量,这主要是通过测量随着时间的推移输油管里的化学组成成分来实现;以及检测食物的质量以及任何类型的聚合物固化过程,例如水泥固化和干燥。下一步则涉及理解地质构造的深度,后者可以利用这种技术进行成像。“我们的下一项研究将专门回答这个问题,”巴贾杰说道。“我们希望这种技术能够穿透1米甚至更多以了解地质构造并阐明内部的化学特性。”
  
  最终探测器可以用于定义整个钻孔环境,而目前的设备只能够对几英尺深处进行成像。将地磁学和通用的感知技术相结合将提供更好的解决办法。这项研究的其他合作作者还包括申铉栋(Hyun DougShin)、迈卡·莱德贝特(Micah Ledbetter)、斯文亚·克纳佩(Svenja Knappe)和约翰·苛金(John Kitching)。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。
(本文来源:科技日报转载请注明出处
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