地下工程灾害水源的磁共振探测研究

地面磁共振探测(Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS)是近年来发展起来的一种地球物理新方法,这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术,不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价,还可以在地下水引起的堤坝渗漏、滑坡、海水入侵等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用.本文首次提出了地下磁共振探测方法(Underground Magnetic Resonance Sounding,UMRS),将SMRS方法引入到地下工程领域,实现隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间极端环境的探测.为应用UMRS方法,需要深入研究地下水超前探测理论、准全空间处理与反演方法、旋转多匝小线圈探测模式,强电磁干扰环境自适应噪声压制策略、以及复杂地质环境磁共振与瞬变电磁联合探测关键技术等难题.论文还简要介绍了超导磁探测技术和工程盾构及掘进实时探测等新技术在地下工程生产安全探测预警中的应用前景.

磁共振探测估算含水层渗透系数的原位试验研究

通过一个完整的磁共振探测(MRS)、钻探、抽水试验过程,开展了MRS估算含水层渗透系数的原位试验研究。在分析MRS估算渗透系数准确性的基础上,系统剖析了引起准确性差异的主要因素,并对进一步提高估算效果提出了建议。结果显示:(1)采用现阶段常用的参数设置,与抽水试验计算值相比,MRS估算渗透系数的差值为抽水试验计算值的17. 59%。(2) MRS推断的含水层顶板、底板埋深与钻孔揭示的信息相比,差值分别为4. 11m、1. 03m,表明其对估算渗透系数准确性的影响较小。(3) C_P值是影响估算准确性的重要因素,主要取决于地质条件,其值为10-9数量级符合大多数地层的特点。另外,通过在已知渗透系数的钻孔附近进行MRS,从而获取C_P参考值,应用该值估算的渗透系数准确性高于常用的参数设置。(4)指数a、b设置方面,应用Seevers公式(a=1、b=2)的估算效果优于Kenyon公式(a=4、b=2)。本成果有助于提高MRS估算渗透系数方法在野外条件下的适用性。

基于LabVIEW的核磁共振探测仪控制系统设计

针对现有的基于VB编程语言的控制系统代码过长、冗杂、不便修改,难以满足复杂多变的野外实验和后期扩展的需要,通过图形化编程语言LabVIEW设计核磁共振仪器的控制系统,采用自顶向下的设计方法,将各个需要实现的功能模块化,供顶层统一调用;通过本系统,设置仪器参数,检测仪器状态,控制仪器运行,并将采集到的数据处理、保存。同时详细研究了LabVIEW实现仪器控制的关键技术。经验证,系统能够满足控制仪器正常运行,实现所有功能的要求,且界面友好,操作简便,稳定可靠,便于修改和扩展。

坑道水核磁共振探测激发磁场计算与测试方法研究

提出一种测量激发场垂直于地磁场分量的测量方法:应用固定线圈电磁感应法测量激发场,应用磁通门传感器测量地磁场,通过矢量运算求解激发场垂直于地磁场的分量。制作了激发场测量装置,通过对比激发场的径向分量和轴向分量的理论计算值和实测值,验证测量装置有效性。分析固定点处激发场垂直于地磁场的分量受线圈布设方向的影响,推导出固定点处激发场垂直于地磁场的分量取最大值时线圈布设角度求解方法,为实际探测线圈布设方向提供理论指导。

地面磁共振探测技术在杨涧煤矿灾害水源探测中的应用

近年来,我国煤炭行业发展速度很快,但是煤层赋存的条件相对复杂,面临的安全生产问题相当严峻。而地面磁共振探测技术作为一种全新探水技术,能够实现对灾害水源进行直接探测,具有探测位置较为准确的优势,适合应用于煤矿灾害水源探测中。论文分析了地面磁共振探测应用理论,并对杨涧矿灾害水源探测应用进行了简要介绍,总结分析了地面磁共振探测技术在煤矿灾害水源探测应用的价值。

基于实例研究的磁共振探测估算含水层导水系数准确性提升方法

磁共振探测(MRS)是目前唯一直接找水的地球物理方法,常被用于估算含水层导水系数.与传统的通过抽水试验获取导水系数值相比,该方法具有低成本及非侵入等优点,但其估算误差较大,准确性有待提升.本文以蒙古国伊和塔拉盆地的MRS为具体实例,通过比较常用计算公式不同参数取值下MRS估算的导水系数与抽水试验计算值的差异,定量探讨了MRS推断含水层深度的准确性、计算公式中关键参数的取值等主要因素对估算结果的影响,并以此为基础在多个环节对原有方法进行了改进.结果显示:(1)MRS推断含水层深度的平均误差为4.85 m,存在随深度增加误差增大的现象.(2)C_P的正确取值是控制误差在合理范围的关键,C_P取最优值,估算的平均误差为15.53%,且其在取值范围内取最大值或最小值,误差均小于原有方法的常用取值.(3)计算公式中关键参数a、b的取值,Seevers公式(a=1、b=2)的估算效果优于Kenyon公式(a=4、b=2).通过比较发现,改进后的方法较原有方法能明显提升估算结果的准确性,具有很好的适用性.

基于双通道参考技术的磁共振地下水探测电磁噪声分布规律研究

磁共振地下水探测(MRS)技术能直接测量水中氢质子的拉莫尔进动,可表征地下水含水量和介质孔隙度等信息,因而获得了广泛应用.然而,MRS信号微弱,实际探测中电磁噪声强度大,若噪声未被有效去除,会导致后续水文参数解释不准确,采用“8”字形线圈或运用带参考线圈的噪声抵消等方法可抑制噪声干扰,但这些方法消噪效果的好坏取决于电磁噪声的空间分布.另外,在强噪声或多噪声源环境下应用MRS方法,选择恰当的探测位置对提高探测效率以及增加探测结果的有效性具有重要意义.因此,本文使用双通道噪声采集装置在实验前记录环境中的电磁噪声,通过双通道参考技术推导同一时刻不同测点的噪声强度,再得到测区电磁噪声分布结果,该噪声分布情况对MRS方法探测方式的选取具有指导性的作用.同时,可根据噪声分布情况为探测线圈选择最佳测点以避开噪声强度大的区域,进而提高采集信号的信噪比.最后,通过采集室外环境下的电磁噪声,验证本文提出的基于双通道参考技术的电磁噪声分布规律研究方法的有效性,为可靠高效地开展磁共振地下水探测提供了新的技术手段.

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.

四极子共振分析技术探测炸药的研究和应用前景

近年来,对炸药探测技术的研究已引起国内外各界的密切关注。四极子共振分析技术通过对具有四极子核的物质的特征跃过频率和弛豫时间进行探测,能有效地识别包括塑性炸药、薄片炸药和氯酸盐类炸药在内的危险品,是一种新型的炸药探测技术,有着较好的应用前景。此外,该技术还可用于毒品探测。

基于卷积神经网络的地下水磁共振数据随机噪声压制方法

磁共振探测(magnetic resonance sounding,MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,具有定量、准确和高效等优点,广泛应用于水资源调查等领域.MRS信号的质量对于磁共振数据的解释具有重要作用.本文针对强环境干扰情况下MRS信号的随机噪声压制问题展开研究.基于卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)框架,采用监督学习的训练方式,得到含噪信号的时频谱与原始无噪声信号的时频谱间的非线性映射关系,进而实现磁共振信号噪声的压制.仿真结果表明,CNN方法对含噪MRS信号的信噪比提升可达15dB以上.并对比分析了CNN方法与时频峰值滤波(time-frequency peak filtering,TFPF)方法的噪声压制效果,证明了该方法的有效性和优越性.最后,使用该方法对野外实测数据的噪声压制,进一步证明了本方法的有效性和实用性.

快速响应的NV色心微波传感器实现及测量

高精度微波快速测量技术是电磁频谱分析监测的核心,微波测量技术为微波传感器的高精度测量提供了可能。通过建立NV色心空间磁场能级响应频率精密调谐模型,结合NV色心光学宽场成像技术,实现了高精度、响应快可调的微波测量。首先,通过连续光探测磁共振(ODMR)技术,结合宽场成像技术,通过像素级磁场强度-微波频率转化关系,实现宽场成像的微波测量;进而将连续扫频技术转变为施加定频进行检测,通过同步监测频点不同的响应特性,验证了测试结果的有效性。以上结果为高精度固态量子频谱分析仪、高瞬时带宽频谱微波传感器提供了重要技术基础。

基于金刚石氮-空位色心的新型钢筋检测方法

针对传统混凝土钢筋探测仪检测深度大多在100 mm以下且误差较大的问题,基于量子精密测量中金刚石氮-空位(NV)色心体系搭建了新型钢筋检测实验平台。金刚石NV色心因其优异的自旋性质和光学特性,对磁场有极高的分辨率。使用532 nm波长激光和微波对金刚石进行激光激发及微波调控,金刚石中的NV色心探测被测磁场,通过扫描光探测磁共振谱(ODMR)得到反射的微波功率,从而计算钢筋的尺寸及位置信息。结果表明自制的微波天线在2.87 GHz谐振频率下的回波损耗(S11)为-9.297 dB,在150 mm深度完成混凝土中钢筋位置、个数和直径的检测,钢筋位置平均误差≤4.3 mm,钢筋直径误差≤2.7 mm。

金刚石氮-空位色心连续式温度测量灵敏度分析

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV-)色心系综在温度测量原理上具有超高灵敏、微纳米级空间分辨率的特点,该方法利用色心最外层2个未成对电子自旋相互作用产生的零场分裂能实现温度测量,通常采用灵敏度分析方法来衡量其温度敏感信号的信噪比。为有效提高灵敏度,推导了无外加磁场时连续式温度测量灵敏度的理论模型,分析了影响信噪比的主要因素;优化了微波天线直径、激光和微波功率对光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)谱线线宽和荧光对比度的影响。在303~318 K范围内标定了零场分裂能D与温度T的关系,得到系统所用高浓度色心样品的d D/d T为-73.42 kHz/K,标定结果的相对标准偏差为5.3%。最终对不同温度的灵敏度进行测量,低频段平均灵敏度达到0.50 K/Hz 1/2(<10 Hz)的水平。

金刚石氮—空位色心温度测量激发激光误差抑制

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术,通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。由于金刚石稳定性高,抗干扰能力强,可制成不同尺寸,NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径,具有良好的应用前景。实验测量中,首先使用激光对色心进行电子自旋极化,然后使用微波对电子自旋进行调控,进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱,对谱线进行拟合分析获得D值。激光功率波动是重要的实验噪声来源之一,为了获得较高的极化率,需要足够的激光功率,然而较大激光功率下,光功率波动会影响电子自旋极化率,从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性,增加光谱的噪声,最终增大数据测量的误差。在常规测量中,不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。为降低激光功率波动产生的误差,提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法,可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值,对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化,从而输出归一化光谱。在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验,考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化,确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。在不同的激光功率下,分别采用直接拟合法、数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。数据分析结果表明,相较于直接拟合法和数学归一化法,脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%,得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径,提高D值测量分辨力,为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

基于金刚石NV色心的微角度测量方法

微角度检测在超高精密测量技术中有着重要的作用。研发了一种基于金刚石氮空位(NV)色心的微角度测量方法,其中NV色心作为微角度检测敏感单元,共轴磁铁作为传感单元,由于共轴磁铁和金刚石NV轴之间不同夹角下的磁场强度变化引起金刚石NV色心自旋能级波动,从而使得光学探测磁共振(ODMR)信号漂移,通过闭环频率锁定技术的实时追踪实现微角度的检测。并对微角度测量进行了理论分析和实验测试,理论和实验结果基本一致。同时,通过该方法获得了微角度传感检测的灵敏度为200 mV/deg,分辨率为10 mdeg,系统的等效角度均方根噪声为0.69 mdeg/Hz^(1/2)。该方法为高灵敏度、高分辨率的微角度检测提供了新的手段,同时实时追踪金刚石多个NV轴,可实现姿态矢量微角度检测。

碳化硅色心高压量子精密测量

高压下的量子精密测量对于研究极端环境下的物质结构及演化具有重要意义。针对传统方法难以实现高压下原位高分辨率磁探测的难题,近年来提出了基于固态色心的高压量子精密测量技术,并取得了一系列重要进展,对于推动极端条件下的物质研究具有重要意义。本文主要聚焦基于碳化硅色心的高压量子精密测量,回顾了碳化硅中硅空位色心和双空位色心在高压下的光学和自旋性质,介绍了利用碳化硅色心光探测磁共振技术进行的高压量子传感,包括Nd_(2)Fe_(14)B的磁性相变、YBa_(2)Cu_(3)O_(6.6)超导体的超导转变温度-压力相图等,展示了基于碳化硅色心的高压量子精密测量在压力传感、压致磁性相变以及压致超导转变方面的应用。

金刚石NV色心系综内14N核自旋测量与调控

金刚石内氮空位(NV)色心中的氮核自旋是一个原子级别磁结构,无法如同NV电子自旋一样在任意磁场下受光泵浦极化。随机指向的氮核自旋缩短了NV色心电子自旋的相干时间,限制了NV色心电子自旋的传感测量能力。通过激光、微波和射频脉冲共同作用完成NV色心中氮核自旋的磁共振测量和调控,表明其可以被调控和初始化。研究结果表明,NV色心中的14N核自旋在2.79、4.95和7.11 MHz处具有共振信号。测量得到的核自旋系综Rabi信号在11个π脉冲的脉冲宽度射频作用后仍然具有明显相干性,而电子自旋系综在7个π脉冲的脉冲宽度微波作用后已经完全退相干,表明其具有远优于NV电子自旋的相干性质。引入单个π脉冲脉冲宽度的射频信号后,14N核自旋在一个态上的布居数降低了50%。这项工作可为在基于NV色心的传感测量应用中引入核自旋调控提升传感能力提供技术支撑。

集群金刚石NV色心量子自旋定向激发磁传感增强方法

为满足工业磁传感器高灵敏度、高信噪比(SNR)测量需求,基于自制的共聚焦磁检测系统,提出一种基于脉冲幅度调制技术的集群金刚石氮空位(NV)色心量子自旋定向激发(QSDE)方法。利用任意波形发生器构建sin型QSDE脉冲光探测磁共振序列,抑制传感体系中对微波敏感的Ns杂质与NV色心产生耦合效应带来的线宽展宽与噪声,提升谱线对比度的同时降低了线宽与噪声,突破微波强度对灵敏度和SNR的限制。经实验验证,相较连续波光探测磁共振(CW-ODMR)方法,该方法可将磁传感灵敏度和信噪比分别大约提升5倍和20 dB,为量子精密测量领域开辟了全新的技术路径和研究思路。

面向固态电子自旋操控的紧凑Ω形微波辐射结构设计

设计了一种面向金刚石中氮空位(NV)电子自旋调控的紧凑Ω形印制电路板(PCB)表面贴装微波辐射结构,通过计算PCB上2.87 GHz微波的1/2波长长度限制整体结构尺寸,完成设计后加工,并进行测试表征。制备的微波辐射结构尺寸为20 mm×29 mm×0.16 mm,辐射强度高,能够方便地在金刚石附近放置射频线圈等部件进行核自旋调控。在测量过程中,不同磁场下的光探测磁共振谱表明,在2.7~2.87 GHz的范围内,光探测磁共振(ODMR)谱均具有很好的信噪比和对比度。使用Rabi信号表征了辐射结构的微波辐射能力,测量得到的Rabi频率可达3.5 MHz。最后在两个不同的磁场条件下,测量了金刚石样品的自旋回波信号。实验测试结果表明,设计的PCB上紧凑Ω形微波辐射结构具有很好的电子自旋操控能力,可为核自旋调控部件提供安装空间,能很好地应用在基于固态电子自旋的精密测量中。

基于金刚石NV色心的弱磁场测量

从选题背景、实验原理、实验设计方案、实验结果与讨论、教学应用与展望等方面入手,介绍了基于金刚石NV色心的弱磁场测量相关的实验教学研究.重点阐述了金刚石NV色心的制备、共聚焦光路系统的搭建、通电线圈和圆柱形磁铁磁场的测量以及三维亥姆霍兹线圈的应用.该成果转化应用到全国大学生物理实验竞赛中,通过竞赛、教学、科研的有机结合,培养学生的综合素质和实践创新能力,并丰富大学物理实验的前沿教学内容.