阅读说明：本技术 一种基于overhauser效应的新型射频激励系统 (Novel radio frequency excitation system based on overhauser effect ) 是由 张柏和 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于overhauser效应的新型射频激励系统,属于磁场测量传感器技术领域,包括射频信号源模块、射频功率放大模块及射频激励模块。射频激励模块采用Alderman-Grant线圈代替传统结构,线圈品质因数更高,输出信号灵敏度高,对overhauser磁力仪中的工作物质极化程度高。在线圈尺寸一定的情况下,仿真过程中,仅通过调节调谐电容值就可以获取线圈所需的谐振频率,使得线圈能够适应不同的工作物质。线圈等效电路结构简单,更容易将线圈调谐在所需的频率范围内。(The invention provides a novel radio frequency excitation system based on an overhauser effect, belongs to the technical field of magnetic field measurement sensors, and comprises a radio frequency signal source module, a radio frequency power amplification module and a radio frequency excitation module. The radio frequency excitation module adopts an Alderman-Grant coil to replace a traditional structure, the coil quality factor is higher, the output signal sensitivity is high, and the polarization degree of working substances in the overhauser magnetometer is high. Under the condition that the size of the coil is fixed, in the simulation process, the resonant frequency required by the coil can be obtained only by adjusting the tuning capacitance value, so that the coil can adapt to different working substances. The coil equivalent circuit has a simple structure, and the coil is easier to tune in a required frequency range.)

一种基于overhauser效应的新型射频激励系统

技术领域

本发明属于磁场测量传感器技术领域，尤其涉及一种基于overhauser效应的新型射频激励系统。

背景技术

质子磁力仪是一种测量地磁场的重要科学仪器，普通的质子磁力仪主要是采取静态极化的方式，通过对线圈通直流电，在一段时间后断开激励电流，此时线圈上感应到一种拉莫尔旋进信号，该信号的旋进频率与地球磁场强度存在一定的比例关系，测定质子的旋进频率即可算出地磁场总强度。但是在静态极化方式下，质子激发程度较低，使得输出信号的幅值极其微弱，经过放大器后的性噪比较低，因而质子磁力仪的精度与灵敏度不是特别高；而且静态极化的方式也会导致磁力仪功耗比较大，使用受到限制，不方便。

为了提高输出信号的精度，解决传统质子磁力仪极化方式低，提出了一种基于overhauser效应的overhauser磁力仪。近年来，中国地质大学与吉林大学在overhauser磁力仪研究方面位于国内领先水平，主要是在传感器信号处理、磁场梯度方面取得了相当大的进展，而对于输出信号的质量、传感器结构等方面与国外相比还是有一定的差距。由于国内在overhauser磁力仪和传感器方面研究的起步较晚，到目前为止还未自主研制出成熟的商用overhauser磁力仪，只有相应的样机。

对于overhauser磁力仪来说，射频激励系统是它的主要部分，包括射频信号源模块、射频功率放大模块、射频激励模块，目前的overhauser磁力仪的射频激励模块主要有两种结构，分别是电容加载型同轴谐振腔和笼式线圈。对于电容加载型同轴谐振腔而言，由于其谐振频率与谐振腔的尺寸、调谐电容值等多种参数有关，需要同时改变谐振腔尺寸以及调谐电容值等参数来进行各种仿真实验，工作量巨大，困难较多。对于笼式线圈而言，其品质因数太低，且功率损耗很大，射频激励所发送的功率大部分被笼式线圈消耗，而不是存储在笼式线圈内部，这种现象对自由基溶液的射频极化非常不利，会影响拉莫尔旋进信号的采集质量，对磁力仪的灵敏度造成影响。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于overhauser效应的新型射频激励系统，采用安德尔曼-格兰特(Alderman-Grant)线圈代替传统的射频激励结构，品质因数更高且功率损耗小，同时对工作物质的极化程度也更高，Alderman-Grant线圈的等效电路结构简单，对于线圈谐振频率的调节也更加简单方便。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于overhauser效应的新型射频激励系统，包括依次信号连接的射频信号源模块、射频功率放大模块及射频激励模块，射频激励模块为Alderman-Grant线圈；射频信号源模块产生射频激励信号，射频功率放大模块对射频激励信号进行功率放大，射频激励模块产生电磁波并对工作物质进行极化。

进一步地，所述工作物质为4-Oxo-TEMPO。

进一步地，所述射频信号源模块包括与AD9959连接的MCU、晶振，AD9959还与低通滤波器连接。

进一步地，所述射频功率放大模块包括依次连接的衰减器、A类功放、匹配网络、AB类功放、匹配网络，DC/DC电源为射频功率放大模块供电。

进一步地，所述Alderman-Grant线圈包括线圈体、保护环、线圈翼以及调谐电容。

进一步地，所述Alderman-Grant线圈的等效电路中，线圈保护环等效为电感L₁，线圈翼之间等效为电容C₁，线圈开槽部分等效为电感线圈保护环与线圈翼之间等效为电容C₂。

进一步地，所述调谐电容(4)的计算公式如下：

其中，w₀表示线圈角频率，且w₀＝2πf₀，f₀表示线圈谐振频率。

进一步地，所述线圈的尺寸参数计算公式如下：

其中，H表示线圈体的高度；μ₀表示真空中的磁导率；K(k)、K(k')均表示第一类完全椭圆积分，公式如下所示：其中，k、k'均表示积分的模；表示积分角度；θ表示线圈开槽的角度；

其中，D表示线圈的外径；W表示线圈翼的高度；

其中，ξ₀表示真空中的介电常数；ξ_r表示隔离层的相对介点常数，为2.55；δ表示隔离层的厚度，为0.1cm。

进一步地，所述线圈体的高度为11cm，线圈翼的高度为1cm，线圈的外径为2.3cm，隔离层的厚度为0.1cm，开槽的角度为100°。

进一步地，所述线圈谐振频率为59.8MHz时，回波损耗达到最小，回波损耗为-10dB对应的线圈谐振频率分别为59.70MHZ、60.10MHZ，则线圈的品质因数为：

其中，W₀表示线圈存储的总能量，P_L表示线圈消耗的能量；BW_f表示带宽。

本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明射频激励系统中的射频激励模块采用Alderman-Grant线圈，克服了电容加载型同轴谐振腔仿真参数难调的问题，在线圈尺寸一定的情况下，仿真过程中，仅通过调节调谐电容值就可以获取线圈所需的谐振频率，使得线圈能够适应不同的工作物质。本发明的射频激励模块极化方式简单，线圈品质因数更高，输出信号灵敏度高，对磁力仪中的工作物质极化程度高；线圈等效电路结构简单，更容易将线圈调谐在所需的频率范围内。

附图说明

图1为本发明所述射频信号源结构框图；

图2为本发明所述射频功率放大模块结构框图；

图3为本发明所述射频激励模块结构图；

图4为本发明所述线圈等效电路图；

图5为本发明所述线圈模型仿真图；

图6为本发明所述线圈谐振频率与回波损耗图。

图中：1-线圈体；2-保护环；3-线圈翼；4-调谐电容；5-开槽；6-隔离层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的基于overhauser效应的新型射频系统，包括依次信号连接的射频信号源模块、射频功率放大模块及射频激励模块。如图1所示，射频信号源模块包括与数字频率合成器(AD9959)连接的单片机(MCU)、25MHZ晶振，数字频率合成器(AD9959)还与200MHZ低通滤波器连接；MCU控制AD9959产生射频激励信号，射频激励信号经200MHZ低通滤波器滤波输出。如图2所示，射频功率放大模块包括依次连接的3db衰减器、A类功放、匹配网络、AB类功放、匹配网络，DC/DC电源为射频功率放大模块供电；滤波器滤波输出的射频激励信号输入到衰减器，最终经过匹配网络输出，经过射频功率放大模块处理的射频激励信号的功率在4W～5W之间。射频激励模块为Alderman-Grant线圈，如图3所示，线圈由线圈体1、保护环2、线圈翼3以及调谐电容4组成，线圈为圆柱形对称结构，线圈体1两端均对称设置有线圈翼3，线圈翼3之间设有调谐电容4，线圈体1之间对称设有两个开槽6，线圈体1两端均设置有保护环2；经匹配网络输出的射频激励信号加载到线圈上，线圈在特定频率下发生谐振，从而产生电磁波，对工作物质进行极化。

线圈的等效电路图如图4所示，其中，线圈保护环2等效为电感L₁，线圈翼3之间等效为电容C₁，线圈开槽5部分等效为电感线圈保护环2与线圈翼3之间等效为电容C₂。

线圈调谐电容4通过下式获得：

其中，w₀表示线圈角频率，w₀＝2πf₀且，f₀表示线圈谐振频率；L_a表示线圈开槽5部分的等效电感之和；L₁表示线圈保护环2等效电感；C₁表示线圈翼3之间的电容，即调谐电容4；C₂表示保护环2与线圈翼3之间的等效电容。

线圈的尺寸参数计算过程如下：

其中，H表示线圈体1的高度；μ₀表示真空中的磁导率；K(k)、K(k')均表示第一类完全椭圆积分，公式如下所示：

其中，k、k'均表示积分的模；表示积分角度；θ表示线圈开槽5的角度。

其中，D表示线圈的外径；W表示线圈翼3的高度；μ₀表示真空中的磁导率。

其中，ξ₀表示真空中的介电常数；ξ_r表示保护环2与线圈翼3之间隔离层6的相对介点常数，隔离层6一般填充聚四氟乙烯，ξ_r值一般取2.55；δ表示隔离层6的厚度，本实施例中取0.1cm。

Overhauser磁力仪中的工作物质极化所需的频率是已知的，本实施例中选用的工作物质是4-Oxo-TEMPO(4-羰基-四甲基哌啶氧自由基)，其极化频率约为60MHZ，则本发明的线圈谐振频率取60MHZ。线圈的整体高度(H+2W₁)是一定的，为了尽可能地保证线圈内部磁场均匀，H的取值要尽量大一点；线圈的外径D是根据信号接收线圈选定的，一般为2cm～3cm。本实施例中线圈尺寸参数的选择如下表1所示：

表1线圈参数表

依据表1所示的线圈相关参数数据建立如图5所示的线圈仿真模型，当工作物质改变时，只需调节线圈调谐电容的值使得线圈谐振频率适应工作物质极化频率即可，相对于传统的电容加载型同轴谐振腔，本发明仿真时的参数调节更加简单方便。

图6为线圈谐振频率与回波损耗图，由图中仿真结果可知，线圈谐振频率为59.8MHz时，线圈的回波损耗S11达到最低，为-23d B，通常情况下，回波损耗S11的值小于-10d B时，线圈对功率的损耗变化不大，S11为-10dB对应的谐振频率分别为59.70MHZ、60.10MHZ，因而本发明线圈的品质因数为：

其中，W₀表示线圈存储的总能量，P_L表示线圈消耗的能量；BW_f表示带宽。

传统的笼式线圈品质因数只能达到70左右，而本发明的线圈品质因数更高，损耗功率低，对工作物质的极化效果更好。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。