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MoreSpin

Ziel des Projektes MoreSpin (Mobiler Magnet-Resonanz Sensor mit supraleitender Spule zur Präpolarisation im oberflächennahen Untergrund) ist die Entwicklung eines mobilen NMR Sensors der es erlaubt im oberflächennahen Bereich (bis 2 m) bodenphysikalische Parameter zu detektieren bzw. zu kartieren. Die Signalqualität soll mit Hilfe einer supraleitenden Präpolarisationsspule und adiabatischen Anregepulsen signifikant verbessert werden.

Die in Böden gespeicherte Feuchtigkeit ist für eine Vielzahl von ökologischen Prozessen entscheidend. Durch seine Funktion als Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Lithosphäre spielt der Boden eine wesentliche Rolle beim Transfer von Wasser, den darin gelösten Stoffen und der damit verbundenen Energie. Derzeit existieren keine adäquaten direkten Methoden zur Bestimmung der Bodenfeuchte für alle notwendigen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen, d.h. direkte Methoden sind auf der km-Skala mit unverhältnismäßigem Aufwand verbunden und gewöhnliche geophysikalische Methoden, die auf der km-Skala verfügbar sind, arbeiten indirekt und leiden damit unter Mehrdeutigkeiten. Als zerstörungsfreie von der Oberfläche aus einsetzbare direkte Methode hat Nuklear-Magnetische Resonanz (NMR) als Oberflächen-NMR (SNMR) Einzug in den geophysikalischen Methodenkanon gefunden. Das Standard SNMR-Verfahren eignet sich allerdings nicht, die oberflächennahen bodenphysikalischen Parameter flächenhaft (km-Skala) zu kartieren, da einerseits keine ausreichende Sensitivität innerhalb der ersten 2 m besteht, andererseits die Messungen zu zeitaufwendig sind.

An dieser Stelle setzen die Entwicklungen im Projekt MoreSpin an. Zum einen soll mit Hilfe einer supraleitenden Spule zur Präpolarisation (Px) und adiabatischer Anregepulse die Sensitivität im oberflächennahen Bereich signifikant erhöht werden. Zum anderen sollen Messkonzepte auf Basis von kompakten B-Feld Spulen erarbeitet werden, die eine detaillierte räumliche Auflösung der Bodenparameter erlauben.

In einer ersten numerischen Studie zur Performance der Präpolarisationsabschaltung konnten wir zeigen, dass die theoretisch erreichbare maximale Signalverstärkung stark von der verwendeten Abschaltcharakteristik abhängt. Die Abschalt-Performance selbst wird hierbei im Wesentlichen durch drei Parameter beeinflusst: 1) Stärke des Präpolarisationsfeldes (Abb. 1a); 2) relative Orientierung zwischen Erdmagnetfeld und Präpolarisationsfeld (Abb. 1b) und 3) Form und Dauer der Präpolarisationsabschaltrampe (Abb. 2). Die Qualität der Präpolarisationsabschaltung ist exemplarisch für vier verschiedene Abschaltrampen in Abb. 2a-d dargestellt. Die sogenannte „adiabatische Qualität p“ ist 1 (weiße Bereiche) wenn die Abschaltung adiabatisch, d.h. in diesem Fall ideal, war. Mit steigender Präpolarisationsfeldstärke und relativem Orientierungswinkel Theta nimmt die adiabatische Qualität in Abhängigkeit von der Abschaltrampe tendenziell ab. Hierbei ist anzumerken, dass bedingt durch die Inhomogenität des Präpolarisationsfeldes eine ideale Abschaltung praktisch nicht erreicht werden kann und es daher immer Bereiche im Untergrund geben wird die eine verminderte adiabatische Qualität aufweisen. Abbildung 2e+f zeigen den Effekt einer nicht optimalen Präpolarisationsabschaltung auf eine SNMR Sondierungskurve für zwei verschiedene Inklinationswinkel des Erdmagnetfeldes. Je nach Rampenform und Abschaltdauer können die Verluste im Vergleich zu einer idealen Abschaltung mehr als 80% betragen. Die Nichtberücksichtigung dieses Effektes hätte eine Unterschätzung des Wassergehaltes im Boden um den gleichen Betrag zur Folge.

Publikationen aus dem Projekt

  • Feasibility study on prepolarized surface nuclear magnetic resonance for soil moisture measurements. - Vadose Zone Journal , 000(0): 000-015.
    2021, HILLER, T., COSTABEL, S., RADIC, T., DLUGOSCH, R. & MÜLLER-PETKE, M.
  • Utilizing pre-polarization to enhance SNMR signals - effect of imperfect switch-off. - Geophysical Journal International, 222 (2): 815-826.
    2020, HILLER, T., DLUGOSCH, R. & MÜLLER-PETKE, M.
  • Enabling surface nuclear magnetic resonance at high noise environments using a pre-polarization pulse. - Geophysical Journal International, 212 (2), 1463–1467.
    2018, LIN, T., YANG, Y.,TENG,F., MÜLLER-PETKE, M.

Team

Projektleitung

Prof. Dr. Mike Müller-Petke
+49 511 643-3253

Projektbearbeitung

Dr. Thomas Hiller
+49 511 643-2593

Förderung

Förderkennzeichen MU 3318/4-1

Laufzeit

01.01.2018-31.12.2020