О возможности применения квантовых магнитометров в скважинной аппаратуре ЯМР

А.С. Александров, М.М. Дорогиницкий, М.С. Тагиров, В.Д. Скирда

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

Для цитирования: Александров А.С., Дорогиницкий М.М., Тагиров М.С., Скирда В.Д. О возможности применения квантовых магнитометров в скважинной аппаратуре ЯМР // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2018. – Т. 160, кн. 4. – С. 631–643.

For citation: Alexandrov A.S., Doroginzkii M.M., Tagirov M.S., Skirda V.D. Towards possible application of quantum magnetometers in nuclear magnetic logging tools. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2018, vol. 160, no. 4, pp. 631–643. (In Russian)

Аннотация

Одной из ключевых проблем ядерного магнитного каротажа (ЯМК) является низкая чувствительность. Уже в 1991 г. было предложено применить сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКИ) для повышения отношения сигнал/шум в проборах ЯМК, однако такая возможность до сих пор не была реализована по причинам сложности создания и удержания низких температур, требуемых для работы СКИ в скважинных условиях. В работе рассмотрены возможности повышения отношения сигнал/шум в аппаратуре ЯМК с учетом новых достижений в области СКИ ЯМР и разработанных в последнее время СКИ на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). Проведены оценки выигрыша в чувствительности за счёт использования СКИ в качестве предварительного усилителя для регистрации сигнала ЯМР. Показано, что на частотах резонанса до 700 кГц предварительный усилитель на основе СКИ может дать выигрыш в 100 и более раз.

Ключевые слова: ядерный магнитный резонанс, квантовый магнитометр СКВИД, каротаж, предварительный усилитель, приемная антенна

Литература

1. Casanova F., Perlo J., Blumich B. Single-sided NMR // Casanova F., Perlo J., Blumich B. (Eds.) Single-Sided NMR. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. – P. 1–10.
2. Пат. 2376588 C2 РФ. Антенная система для обнаружения ядерного магнитного резонанса, исключающая влияние наведенных помех и переходных процессов / Федотов В.В., Литвинов Ю.С., Нестерова Ж.Ю., Федотов А.В. - № 2007126500/28; заявл. 11.07.2007; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 28. – 3 с.
3. Clarke J., Braginski A.I. The SQUID Handbook Vol. I Fundamentals and technology of SQUIDs and SQUID systems. – Weinheim: Wiley-VCH, 2004. – 409 p.
4. Greenberg Ya.S. Application of superconducting quantum interference devices to nuclear magnetic resonance // Rev. Mod. Phys. – 1998. – V. 70, No 1. – P. 175–222. – doi: 10.1103/RevModPhys.70.175.
5. Patent US 023161 A. Low-noise SQUID / Dantsker E., Clarke J. – Apl. No. 09/032171; Filed Feb. 27, 1998.; Pud. Date: Feb. 8, 2000.
6. Patent US 2011/0210738 A1. Low field SQUID MRI devices, components and methods / Penanen K.I., Eom B.H., Hahn I. – Appl. No. 13/090931; Filed: Apr. 20, 2011; Pub. Date: Sep. 1, 2011.
7. Tesche C.D., Clarke J. dc SQUID: Noise and optimization // J. Low Temp. Phys. – 1977. – V. 29, No3–4 . – P. 301–331. – doi: 10.1007/BF00655097.
8. Augustine M.P., TonThat D.M., Clarke J. SQUID detected NMR and NQR // Solid State Nucl. Magn. Reson. – 1998. – V. 11, No 1–2. – P. 139–156. – doi: 10.1016/S09262040(97)00103-3.
9. Suzuki H., Higashino Y., Ohtsuka T. SQUID NMR Studies of TmPO4 // J. Low Temp. Phys. – 1980. – V. 41, No 5–6. – P. 449–461. – doi: 10.1007/BF00114358.
10. Meredith D.J., Pickett G.R., Symko O.G. Application of a SQUID Magnetometer to NMR at Low Temperatures // J. Low Temp. Phys. – 1973. – V. 13, No 5–6. – P. 607–615. – doi: 10.1007/BF00656548.
11. Clarke J. SQUIDS: Theory and Practice // Weinstock H., Ralston R.W. (eds.) The New Superconducting Electronics. – Dordrecht: Springer, 1993. – P. 123–180.
12. Webb R.A. New technique for improved low-temperature SQUID NMR measurements // Rev. Sci. Instrum. – 1977. – V. 48, No 12. – P. 1585–1594. – doi: 10.1063/1.1134950.
13. Chamberlin R.V., Moberly L.A., Symko O.G. High-sensitivity magnetic resonance by SQUID detection // J. Low Temp. Phys. – 1979. – V. 35, No 3–4. – P. 337–347. – doi: 10.1007/BF00115584.
14. Patent US 4987368. Nuclear magnetism logging tool using high-temperature superconducting SQUID detectors / Vinegar H.J. – Appl. No. 403042; Filed: Aug. 31, 1989; Pub. Date: Jan. 22, 1991.
15. Loren J.D., Robinson J.D. Relations between pore size fluid and matrix properties, and NML measurements // SPE J. – 1970. – V. 10, No 3. – P. 268–278. – doi: 10.2118/2529-PA.
16. Day E.P. Detection of NMR using a Josephson-junction magnetometer // Phys. Rev. Lett. – 1972. – V. 29, No 9. – P. 540–542. – doi: 10.1103/PhysRevLett.29.540.
17. Meredith D.J., Pickett G.R., Symko O.G. Detection of NMR at low temperatures using a superconductive quantum interference device // Phys. Lett. A. – 1972. –V. 42, No 1. – P. 13–14. – doi: 10.1016/0375-9601(72)90008-4.
18. Hirschkoff E.C., Symko O.G., Vant-Hull L.L., Wheatly J.C. Observation of the static nuclear magnetism of pure metallic copper in low magnetic fields // J. Low Temp. Phys. – 1970. – V. 2, No 5–6. – P. 653–665. – doi: 10.1007/BF00628281.
19. Bishop J.H., Hirschkoff E.C., Wheatley J.C. Very-low-temperature static magnetic properties of certain metals possibly useful as magnetic thermometers // J. Low Temp. Phys. – 1971. – V. 5, No 6. – P. 607–616. – doi: 10.1007/BF00628413.
20. Silver A.H., Zimmerman J.E. Quantum states and transitions in weakly connected superconducting rings // Phys. Rev. – 1967. – V. 157, No 2. – P. 317–341. – doi: 10.1103/PhysRev.157.317.
21. Pickens K.S., Bolef D.I., Holland M.R., Sundfors R.K. Superconducting quantum interference device detection of acoustic nuclear quadrupole resonance of Sb121 and Sb123 in antimony metal // Phys. Rev. В. – 1984. – V. 30, No 1. – P. 3644–3648. – doi: 10.1103/PhysRevB.30.3644.
22. Fan N.Q., Clarke J. Low-frequency nuclear magnetic resonance and nuclear quadrupole resonance spectrometer based on a dc superconducting quantum interference device // Rev. Sci. Instrum. – 1991. – V. 62, No 6. – P. 1453–1459. – doi: 10.1063/1.1142466.
23. Hurlimann M.D., Pennington C.H., Fan N.Q., Clarke J., Pines A., Hahn E.L. Pulsed Fourier-transform NQR of 14N with a dc SQUID // Phys. Rev. Lett. – 1992. – V. 69, No 4. – P. 684–687. – doi: 10.1103/PhysRevLett.69.684.
24. Thomasson S.L., Gould C.M. High slew rate bandwidth integrated dc SQUID magnetometer for NMR applications // IEEE Trans. Appl. Supercond. – 1995. – V. 5, No 2. – P. 3222–3225. – doi: 10.1109/77.403277.
25. Seton H.C., Bussell D.M., Hutchinson J.M.S., Nicholson I., Lurie D.J. DC SQUID based NMR detection from room temperature samples // Phys. Med. Biol. – 1992. – V. 37, No 11. – P. 2133–2138. – doi: 10.1088/0031-9155/37/11/010.
26. Kumar S., Thorson B.D., Avrin W.F. Broadband SQUID NMR with room-temperature samples // J. Magn. Reson. Ser. B. – 1995. – V. 107, No 3. – P. 252–259. – doi: 10.1006/jmrb.1995.1085.
27. Kumar S., Avrin W.F., Whitecotton B.R. NMR of room temperature samples with a flux-locked dc SQUID // IEEE Trans. Magn. – 1996. – V. 32, No 6.. – P. 5261–5264. – doi: 10.1109/20.545762.
28. Li J., Lusher C.P., Digby M.E., Cowan B., Saunders J., Drung D., Schurig T.   DC SQUID spectrometers for NMR // J. Low Temp. Phys. – 1998. – V. 110, No 1–2 . – P. 261–267. – doi: 10.1023/A:1022568213093.
29. Körber R., Casey A., Shibahara A., Piscitelli M., Cowan B. P., Lusher C. P., Saunders J., Drung D., Schurig Th. Nuclear magnetic resonance on room temperature samples in nanotesla fields using a two-stage dc superconducting quantum interference device sensor // Appl. Phys. Lett. – 2007. – V. 91, No 14. – Art. 142501, P. 1–3. – doi: 10.1063/1.2794028.

Поступила в редакцию

28.08.18

Александров Артём Сергеевич, ассистент кафедры физики молекулярных систем

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: alexandrov.artem.sergeyevich@gmail.com

Дорогиницкий Михаил Михайлович, инженер кафедры физики молекулярных систем

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: m_dorogin@bk.ru

Тагиров Мурат Салихович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой квантовой электроники и радиоспектроскопии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: murat.tagirov@gmail.com

Скирда Владимир Дмитриевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики молекулярных систем

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: kazanvs@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.