基于SQUID三轴磁强计的预极化表面核磁共振技术在水体空间成像中的应用研究

推荐：为解决传统表面核磁共振(SNMR)技术仅能检测单分量磁场时间导数信号且缺乏横向分辨率的问题，研究人员采用超导量子干涉器件(SQUID)作为三轴B场传感器开展预极化PP-SNMR研究。实验证实SQUID可直接检测振荡(ωL )和非振荡(NO)信号分量，理论模型与实测ωL 信号在幅值和相位上高度吻合。该研究为三维地下水探测提供了新方法，特别适用于土壤水分等非均匀分布场景。

　　

核磁共振技术在地球物理勘探领域具有独特价值，特别是表面核磁共振(SNMR)作为目前唯一能直接探测地下水的非侵入式方法。然而传统SNMR采用感应线圈仅能测量磁场时间导数信号，且受限于单分量检测和线圈尺寸，存在横向分辨率低、无法获取纵向弛豫时间T₁
等关键参数的问题。针对这些技术瓶颈，中国科学院的研究团队创新性地将超导量子干涉器件(SQUID)引入SNMR领域，开展了具有里程碑意义的探索。

研究团队设计了一套完整的实验系统：采用预极化(PP)线圈产生1432A的强极化场，配合1m直径的发射/接收线圈构成地面装置；核心传感器选用德国Supracon公司的低温SQUID磁强计，其灵敏度达1.5fT/√Hz，可同步检测B场三轴分量；实验对象为4个规则排列的注水托盘箱，通过逐步排空箱体构建非均匀水体分布模型。关键技术包括：基于Bloch方程和Magnus展开的第五阶核函数计算、双指数信号拟合算法、谐波噪声消除技术，以及50kHz高速采样系统。

在"非振荡信号分析"部分，研究发现实测NO信号幅值(约100pT)远超理论预测(约0.1pT)，且呈现54ms和422ms的双指数衰减特征，这与水体T₁
弛豫无关，推测源于预极化场关闭引发的电磁瞬变。而在"振荡信号分析"章节，ω_L
信号(2114Hz)的检测取得突破：三轴分量中B_z
分量信号最强，B_x
和B_y
分量因对称分布抵消而较弱；当排空西北侧箱体时，B_y
分量幅值从3pT增至8pT，相位偏移47°，这与打破y-z平面对称性的理论预测完全一致。更引人注目的是，在双箱体排空实验中，B_x
分量相位产生82°特征偏移，证实了三轴检测对水体空间分布的解析能力。

这项发表于《Journal of Magnetic Resonance》的研究具有三重重要意义：首先，首次实验验证了SQUID在SNMR中检测三轴B场的可行性，ω_L
信号幅相特征与理论模型的高度吻合为后续定量反演奠定基础；其次，揭示出三轴检测对横向非均匀性的独特敏感性，为三维地下结构成像提供了新思路；最后，研究建立的PP-SNMR技术框架特别适合土壤水分等短弛豫场景，SQUID的快速复位特性(5ms)相比传统线圈可显著提升对快速衰减信号的捕获能力。尽管NO信号检测尚未成功，但该研究为发展便携式多探头SNMR系统指明了方向，对农业灌溉、地质灾害预警等应用领域具有重要价值。