(57)【要約】      （修正有）【課題】ＥＳＲ測定とＮＭＲ測定を高速で切り替える。【解決手段】直流電源から供給される直流電流によって静磁場を発生させる磁場発生装置において、励磁コイルＬ１と、該励磁コイルＬ１に流れる電流を決める抵抗Ｒ１と、該励磁コイルＬ１と前記直流電源の正極との間に順方向に挿入された第１のダイオードＤ１とから成る第１の直流回路と、補助コイルＬ２と、該補助コイルＬ２に流れる電流を決める抵抗Ｒ２と、該補助コイルＬ２と前記直流電源の負極との間に挿入され、該補助コイルＬ２に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳ１とから成る第２の直流回路と、を備え、前記励磁コイルＬ１の前段側と、前記補助コイルＬ２の後段側でありかつ前記スイッチＳ１の前段側とは、前記第２の直流回路から前記第１の直流回路への方向を順方向とする第２のダイオードＤ２により接続される。【選択図】図３
2011099735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される励磁電流Ｉ１を励磁コイルＬ１に流すことにより、磁場を発生させる磁場発生装置において、
前記励磁コイルＬ１と並列接続される補助コイルＬ２と、前記補助コイルＬ２と直列接続され、前記直流電源から補助コイルＬ２に流れる電流を断続するスイッチ素子と、該スイッチ素子による電流の断続により前記補助コイルの両端に発生する電圧に基づく誘起電流Ｉ３を、前記励磁電流Ｉ１に重畳させて前記励磁コイルＬ１に流すため、前記補助コイルＬ２と前記励磁コイルＬ１の低電位側との間を接続するダイオードＤ２と、前記励磁コイルＬ１の低電位側から前記直流電源に前記誘起電流Ｉ３が逆流しないように前記励磁コイルＬ１の低電位側と直流電源の間に接続される逆流素子ダイオードＤ１とを備え、前記スイッチ素子を繰り返しＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＯＦＦ期間にＯＮ期間よりも大きな励磁電流を前記励磁コイルＬ１に流すように構成したことを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
正極と負極を備えた直流電源から供給される直流電流によって静磁場を発生させる磁場発生装置において、
励磁コイルＬ１と、該励磁コイルＬ１に流れる電流を決める抵抗Ｒ１と、該励磁コイルＬ１と前記直流電源の正極との間に順方向に挿入された第１のダイオードＤ１とから成る第１の直流回路と、
補助コイルＬ２と、該補助コイルＬ２に流れる電流を決める抵抗Ｒ２と、該補助コイルＬ２と前記直流電源の負極との間に挿入され、該補助コイルＬ２に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳ１とから成る第２の直流回路と、
を備え、
前記励磁コイルＬ１の前段側と、前記補助コイルＬ２の後段側でありかつ前記スイッチＳ１の前段側とは、前記第２の直流回路から前記第１の直流回路への方向を順方向とする第２のダイオードＤ２により接続されていることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の磁場発生装置を備え、前記スイッチＳ１がＯＮの場合はＥＳＲ測定装置、前記スイッチＳ１がＯＦＦの場合はＮＭＲ測定装置として使用されることを特徴とする磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＥＳＲ測定とＮＭＲ測定を高速に切り替えて行なう装置に使用される磁場発生装置の技術分野に属するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＳＲ（電子スピン共鳴）装置とＮＭＲ（核磁気共鳴）装置は、スピン磁気モーメントを有する電子や原子核に静磁場を印加し、該スピン磁気モーメントにラーモアの歳差運動を発生させて、そこに歳差運動と同じ周波数の高周波磁場を照射して共鳴させることにより、該スピン磁気モーメントを有する電子や原子核の信号を検出する分析装置である。
【０００３】
電子と原子核では、磁気モーメントの値が大きく異なるため、同じ強度の静磁場を与えても、発生するラーモアの歳差運動の周波数は大きく異なる結果となる。従って、ＥＳＲ現象とＮＭＲ現象を一緒に測定するためには、ＥＳＲ用がＧＨｚオーダー、ＮＭＲ用がＭＨｚオーダーと、周波数の大きく異なる高周波磁場を別々に発生させて試料に印加する方法が取られる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４６８６３７号公報
【特許文献２】特公昭６１−４９６２０号公報
【特許文献３】特開２００２−１８４５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような同じ強度の静磁場でＥＳＲとＮＭＲの測定を行なう方法では、例えばＥＳＲの測定周波数を生体試料に公的な１ＧＨｚ程度に設定すると、それに対応するＮＭＲ測定用高周波の周波数が低くなり、ＮＭＲ側の感度が大きく低下してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、ＥＳＲ測定時の静磁場強度を、ＮＭＲの測定の際には大きくジャンプさせて、ＮＭＲ測定用高周波の周波数をより高くして、ＮＭＲの測定感度を高めることが考えられる。
【０００７】
ところが、ＥＳＲに静磁場を提供している電磁石はインダクタンスであるため、ＥＳＲの測定モードからＮＭＲの測定モードに切り替えると同時に電磁石の静磁場強度をジャンプさせようとすると、電磁誘導現象のため、ジャンプしない方向に誘導力が働き、時間的に大きな遅れを発生するという問題があった。
【０００８】
従来、ＥＳＲの分野では、測定感度を高めるため、定点積分法という技術があって、静磁場の高速スイッチングを行なわせるために、主静磁場を発生するインダクタンスの大きな主コイルと、ジャンプ用の静磁場を発生するインダクタンスの小さな副コイルを重畳させ、両者の磁場を足し合わせることで、静磁場の高速スイッチングを達成していた（特許文献２）。
【０００９】
しかしながら、この方法により達成できる静磁場のジャンプ幅の大きさは、せいぜい数十ガウス程度であり、ＥＳＲ測定とＮＭＲ測定の切り替えの際に求められる２０００ガウスの高速ジャンプを達成することはできない。
【００１０】
また、直流電源を用いて励磁コイルに電流を流すとき、電源の電圧変化になるべく速く電流を追随させるため、電源と励磁コイルとの間に抵抗を入れ、電流が変化する際に、励磁コイルにかかる電圧の変化を大きくするという技術があることも広く知られている。
【００１１】
しかしながら、応答の速さをあまりに追い求めると、大きな抵抗値の抵抗を使用せざるを得ず、その結果、供給するほぼ全ての電力を抵抗で消費することとなり、静磁場を作るためのエネルギー以外に、膨大な電力が必要になってしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は、上述した点に鑑み、大きな差を有する２つの静磁場強度間を高速でスイッチングできる磁場発生装置および磁気共鳴装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するため、本発明にかかる磁場発生装置は、
直流電源から供給される励磁電流Ｉ１を励磁コイルＬ１に流すことにより、磁場を発生させる磁場発生装置において、
前記励磁コイルＬ１と並列接続される補助コイルＬ２と、前記補助コイルＬ２と直列接続され、前記直流電源から補助コイルＬ２に流れる電流を断続するスイッチ素子と、該スイッチ素子による電流の断続により前記補助コイルの両端に発生する電圧に基づく誘起電流Ｉ３を、前記励磁電流Ｉ１に重畳させて前記励磁コイルＬ１に流すため、前記補助コイルＬ２と前記励磁コイルＬ１の低電位側との間を接続するダイオードＤ２と、前記励磁コイルＬ１の低電位側から前記直流電源に前記誘起電流Ｉ３が逆流しないように前記励磁コイルＬ１の低電位側と直流電源の間に接続される逆流素子ダイオードＤ１とを備え、前記スイッチ素子を繰り返しＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＯＦＦ期間にＯＮ期間よりも大きな励磁電流を前記励磁コイルＬ１に流すように構成したことを特徴としている。
【００１４】
また、正極と負極を備えた直流電源から供給される直流電流によって静磁場を発生させる磁場発生装置において、
励磁コイルＬ１と、該励磁コイルＬ１に流れる電流を決める抵抗Ｒ１と、該励磁コイルＬ１と前記直流電源の正極との間に順方向に挿入された第１のダイオードＤ１とから成る第１の直流回路と、
補助コイルＬ２と、該補助コイルＬ２に流れる電流を決める抵抗Ｒ２と、該補助コイルＬ２と前記直流電源の負極との間に挿入され、該補助コイルＬ２に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳ１とから成る第２の直流回路と、
を備え、
前記励磁コイルＬ１の前段側と、前記補助コイルＬ２の後段側でありかつ前記スイッチＳ１の前段側とは、前記第２の直流回路から前記第１の直流回路への方向を順方向とする第２のダイオードＤ２により接続されていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明にかかる磁気共鳴装置は、
前記磁場発生装置を備え、前記スイッチＳ１がＯＮの場合はＥＳＲ測定装置、前記スイッチＳ１がＯＦＦの場合はＮＭＲ測定装置として使用されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の磁場発生装置および磁気共鳴装置によれば、
直流電源から供給される励磁電流Ｉ１を励磁コイルＬ１に流すことにより、磁場を発生させる磁場発生装置において、
前記励磁コイルＬ１と並列接続される補助コイルＬ２と、前記補助コイルＬ２と直列接続され、前記直流電源から補助コイルＬ２に流れる電流を断続するスイッチ素子と、該スイッチ素子による電流の断続により前記補助コイルの両端に発生する電圧に基づく誘起電流Ｉ３を、前記励磁電流Ｉ１に重畳させて前記励磁コイルＬ１に流すため、前記補助コイルＬ２と前記励磁コイルＬ１の低電位側との間を接続するダイオードＤ２と、前記励磁コイルＬ１の低電位側から前記直流電源に前記誘起電流Ｉ３が逆流しないように前記励磁コイルＬ１の低電位側と直流電源の間に接続される逆流素子ダイオードＤ１とを備え、前記スイッチ素子を繰り返しＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＯＦＦ期間にＯＮ期間よりも大きな励磁電流を前記励磁コイルＬ１に流すように構成したので、
大きな差を有する２つの静磁場強度間を高速でスイッチングできる磁場発生装置および磁気共鳴装置を提供することが可能になった。
【００１７】
また、正極と負極を備えた直流電源から供給される直流電流によって静磁場を発生させる磁場発生装置において、
励磁コイルＬ１と、該励磁コイルＬ１に流れる電流を決める抵抗Ｒ１と、該励磁コイルＬ１と前記直流電源の正極との間に順方向に挿入された第１のダイオードＤ１とから成る第１の直流回路と、
補助コイルＬ２と、該補助コイルＬ２に流れる電流を決める抵抗Ｒ２と、該補助コイルＬ２と前記直流電源の負極との間に挿入され、該補助コイルＬ２に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳ１とから成る第２の直流回路と、
を備え、
前記励磁コイルＬ１の前段側と、前記補助コイルＬ２の後段側でありかつ前記スイッチＳ１の前段側とは、前記第２の直流回路から前記第１の直流回路への方向を順方向とする第２のダイオードＤ２により接続されているとともに、
前記スイッチＳ１がＯＮの場合はＥＳＲ測定装置、前記スイッチＳ１がＯＦＦの場合はＮＭＲ測定装置として使用されるので、
大きな差を有する２つの静磁場強度間を高速でスイッチングできる磁場発生装置および磁気共鳴装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明にかかる磁気共鳴装置の測定条件の一例を示す図である。
【図２】本発明にかかる磁気共鳴装置の主要部の一実施例を示す図である。
【図３】本発明にかかる磁場発生回路の一実施例を示す図である。
【図４】本発明による磁気ジャンプ応答の改善を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる磁気共鳴装置の測定条件の一例を示す図である。本装置は、ＥＳＲとＮＭＲを高速スイッチングで切り替えて測定可能な構成を備えており、ＥＳＲ側、ならびにＮＭＲ側の測定条件は互いに大きく異なっている。
【００２１】
本装置の例では、ＥＳＲ側の測定条件は、静磁場強度が１０００ガウス、高周波の周波数が３ＧＨｚ、ＥＳＲ検出器がループギャップ共振器（ＬＧＲ）である。また、ＮＭＲ側の測定条件は、静磁場強度が３０００ガウス、高周波の周波数が１２０ＭＨｚ、ＮＭＲ検出器がサドル型共振器（ＳＲ）である。測定に際しては、この２つの条件の間で高速スイッチングを行なう。
【００２２】
図２は、本発明にかかる磁気共鳴装置の主要部の一実施例を示す図である。図中、１はＥＳＲ測定を行なわせるためのＬＧＲである。測定試料は、このＬＧＲ１の中にセットしてある。ＬＧＲ１を取り囲むようにして、ＮＭＲ測定を行なわせるためのＳＲ２がセットされている。ＬＧＲ１とＳＲ２の外側には、ＥＳＲ／ＮＭＲ兼用の静磁場発生装置３がセットされている。
【００２３】
ＬＧＲ１が発生する周波数３ＧＨｚのＥＳＲ用高周波磁界ＨL、ＳＲ２が発生する周波数１２０ＭＨｚのＮＭＲ用高周波磁界ＨS、およびＥＳＲ／ＮＭＲ兼用の静磁場発生装置３が発生する直流静磁場Ｈ0は、その発生軸の向きがお互いに直交し合っている。これによりＥＳＲとＮＭＲの磁気共鳴現象をそれぞれ独立して観測することができる。
【００２４】
図３は、本発明にかかる磁気共鳴装置に使用される磁場発生装置の一実施例を示す図である。
【００２５】
図中、Ｌ１が主コイル（空芯コイル）で、図２の静磁場発生装置３に対応している。そのインダクタンスの値は１０ｍＨ程度である。主コイルＬ１は、Ｌ１に流れる電流値Ｉ1を決めるための抵抗Ｒ１、電流Ｉ1の流れる方向を規制するダイオードＤ１、Ｌ１の内部抵抗Ｒ３とともに、１００Ｖの直流電源に対して第１の直列回路を構成している。Ｒ１の値は１０Ω程度、Ｄ１を流れる電流値は１０Ａ程度、Ｒ３の値は数Ω程度である。
【００２６】
また、この第１の直列回路と並列に、インダクタンスＬ２を中心とする第２の直列回路が構成されている。Ｌ２が補助コイル（空芯コイル）である。そのインダクタンスの値は１Ｈ程度である。補助コイルＬ２は、Ｌ２に流れる電流値Ｉ2を決めるための抵抗Ｒ２、電流Ｉ2の流れを瞬間的に遮断するスイッチＳ１とともに、１００Ｖの直流電源に対して第２の直列回路を構成し、Ｒ２の値は数Ω程度である。
【００２７】
さらに、これら２つの直列回路は、Ｌ２とＳ１の間とＤ１とＬ１の間を、ダイオードＤ２によって接続されており、ダイオードＤ２は、第１の直列回路から第２の直列回路に向けて電流が流れないようにしている。
【００２８】
ダイオードＤ２の役割は、スイッチＳ１が閉じているときに、直流電源の電流Ｉ1が第１の直列回路から第２の直列回路に向けて流れ出ないようにするというものである。また、ダイオードＤ１の役割は、スイッチＳ１が開いた瞬間に、補助コイルＬ２からの誘導電流Ｉ3が第２の直列回路から直流電源に向けて逆流することを防ぐようにするというものである。
【００２９】
なお、シミュレーションによって算出される電圧と電流のようすを実際の回路の動作に近づけるためには、主コイルＬ１と抵抗Ｒ３に並列な第１の浮遊容量Ｃ１（およそ１０００ｐＦを想定）を仮定するとともに、補助コイルＬ２と抵抗Ｒ２に並列な第２の浮遊容量Ｃ２（およそ１０００ｐＦを想定）を仮定する必要がある。
【００３０】
本発明にかかる磁場発生装置の動作について説明する。
【００３１】
１．最初にＳ１を閉じる。
【００３２】
２．直流電源から、電流を２つの直列回路に供給する。
【００３３】
３．主コイルＬ１には、Ｒ１、Ｄ１、Ｒ３で決まる電流が流れる。また、補助コイルＬ２には、Ｒ２で決まる電流が流れる。回路の電流が定常電流に達したら、主コイルＬ１によって作られる静磁場がＥＳＲ測定に提供される。
【００３４】
４．ＥＳＲ測定からＮＭＲ測定に切り替えるタイミングと同期させて、スイッチＳ１を開ける。この瞬間、補助コイルＬ２には、電流をこれまで通りに流し続けようとする誘導現象が起こり、５００Ｖ程度の高電圧が瞬時に発生する。
【００３５】
５．補助コイルＬ２に蓄積されたエネルギーのうち、Ｓ１を開けることで減少する電流分の磁気エネルギーがＤ２を通じて主コイルＬ１に移動し、主コイルＬ１の発生する静磁場の強度がきわめて速い速度で上昇する。
【００３６】
６．Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に応じた電流値で主コイルＬ１の電流は定常状態になり、Ｌ１の電流値は、Ｓ１を開ける前よりも増えた状態で定常状態になる。回路の電流が定常電流に達したら、主コイルＬ１によって作られる静磁場がＮＭＲ測定に提供される。
【００３７】
７．再びＳ１を閉じると、３の状態に戻る。
【００３８】
このように、Ｓ１を開けると、補助コイルＬ２から主コイルＬ１に磁気エネルギーの移動が起こり、主コイルＬ１の磁気エネルギーの増加が電源電圧を変更することなく可能となり、インダクタンス電流の変化をきわめて短時間に達成することができる。
【００３９】
本発明の回路に基づいて静磁場のスイッチングを行なった際に、従来と比べてどのように静磁場のジャンプ動作が改善されるかを示した模式図を図４に示す。図４に表わされた電圧Ｖと電流Ｉの値は、図３の＊印の地点で観測される値を想定している。
【００４０】
図４から明らかなように、Ｓ１のスイッチングＯＦＦとともに補助コイルＬ２から放出されるエネルギーによって、主コイルＬ１を流れる電流は急速に立ち上がり、従来の電磁誘導による立ち上がりの鈍り現象は大幅に改善されることが分かった。
【００４１】
本発明の効果としては、次のようなものが挙げられる。
（１）Ｌ２のインダクタンスに比べて直列に接続する抵抗Ｒ２の値を小さくしても、電流の変化を早くすることが可能なので、大幅な省エネになる。
（２）インダクターＬ２に蓄積されたエネルギーによって高電圧を発生させるために、高電圧の電源を必要としない。
（３）電源の電圧値を変更しなくても、Ｒ２を変えることでインダクタンスに流れる電流の値を変えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
ＥＳＲ／ＮＭＲ兼用測定装置に広く利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１：ループギャップ共振器、２：サドル型共振器、３：静磁場発生装置
【図１】
2011099735.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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