核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术是一种能够从物质微观层面来分析其功能和性质的方法,自发现伊始就很快发展成为一项功能强大的技术,在物理化学等领域得到了广泛的应用,在石油探测及岩石性质分析研究中也获得了巨大的发展。20世纪80年代,用于大型粒子加速器的Halbach永磁体结构出现,为核磁共振技术提供了一种新型永磁体结构。结合石油领域岩心分析与Halbach核磁共振传感器研究,本论文研究了一种可以用于岩心分析的低场Halbach核磁共振永磁体结构和梯度匀场线圈设计方法,具体内容包括以下几个方面:(1)Halbach核磁共振磁体结构设计及优化。本研究利用电磁仿真软件对传统Halbach磁体结构进行了设计优化,经过两步设计和两步优化,最终设计出由三段Halbach环构成的核磁共振磁体。为进一步减小由于加工误差引起的主磁场不均匀性,本文还通过在Halbach磁体内壁粘贴铁磁性匀场片的方法对主磁场进行了无源匀场。并利用自制的核磁共振高斯计探头对目标区域内主磁场分布进行了精确测量。最终得到Halbach核磁共振磁体尺寸为Φ300mm×H176mm,无源匀场后,在磁体中心直径40mm的球形目标区域内主磁场均匀度由2418ppm提高到350ppm。(2)Halbach核磁共振传感器系统中线圈设计。由于Halbach磁体主磁场方向沿垂直于轴向的特殊性,传统目标场法设计的用于超导核磁共振系统的匀场梯度线圈不再适用。因此,本文讨论了Halbach匀场梯度线圈目标场设计方法和离散流函数目标场设计方法,并利用第一种方法设计了梯度线圈和部分匀场线圈,用第二种方法设计了部分匀场线圈,并对梯度线圈实物产生的梯度磁场进行了测量。同样由于Halbach磁体磁场方向的特殊性,射频线圈可以利用简单的螺线管线圈,本文还对螺线管线圈进行了优化设计。(3)实验研究。利用最终设计得到的Halbach核磁共振传感器进行了如下实验:1)CuSO4·5H2O溶液T2测量。利用本文设计的Halbach核磁共振传感器对不同浓度的CuSO4·5H2O溶液进行了T2的测量,对信噪比和测量准确度进行测试。2)孔隙介质的T2测量。本研究将装满不同尺寸石英砂的玻璃瓶内注满水,来模拟孔隙介质样品,并利用Halbach核磁共振传感器对这些孔隙介质进行了横向弛豫时间T2测量。通过CuSO4·5H2O溶液T2测量实验可以得出,本论文研制的Halbach传感器信噪比为66.2。并且随着溶液浓度的升高,横向弛豫时间T2逐渐降低,但是具体数值与标准值相差较大。对由不同尺寸的石英砂制作的孔隙介质样品的T2测量实验可以得出,随着石英砂尺寸的逐渐增大,即样品的孔隙尺寸的增大,所测T2也逐渐增大。该测量结果满足核磁共振测井中对岩石样品孔隙度评估的理论。表明本论文研制的2MHz Halbach核磁共振传感器能够对岩心等孔隙介质进行简单分析。但仍有许多有待改进的地方,例如,进一步提高Halbach磁体的均匀度,进一步优化梯度线圈和射频线圈结构,对Halbach传感器性能进一步测试以及对岩心样品孔隙和扩散系数进行测量实验等。