(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲ調査において使用するための複数のｒｆ磁界パルスを有するパルス列を発生するｒｆ磁界パルス発生器であって、
(i) ｒｆ信号を発生する増幅器、前記増幅器は電源の電圧を受ける入力を有し、
(ii)前記増幅器の出力に接続された送信器コイル、前記送信機コイルは前記ｒｆ信号に応答して、ｒｆ磁界パルスを送信するために適合されており、
(iii)前記電源に接続されたスイッチと前記スイッチに接続された局部蓄積キャパシタを有する電圧レギュレータであって、前記局部蓄積キャパシタを充電することによって、前記電源の電圧を調整するための電圧レギュレータ、および
(iv)磁界パルスが送信されないときのみ、前記スイッチを閉じて、前記局部蓄積キャパシタを充電するようにするための制御器、
を有することを特徴とするｒｆ磁界パルス発生器。
【請求項２】
前記制御器は、ＮＭＲエコーが受信されていないときのみ、前記スイッチされる電圧レギュレータが前記局部蓄積キャパシタを充電することを特徴とする請求項１に記載の発生器。
【請求項３】
前記制御器は、エコーを受信し、パルス列における次のパルスを送信する間のみのパルス列中に、前記スイッチされる電圧レギュレータが前記局部蓄積キャパシタを充電するようにすることを特徴とする請求項２に記載の発生器。
【請求項４】
前記制御器は、隣り合ったパルス間に１回だけ前記スイッチされる電圧レギュレータがスイッチオンとスイッチオフを行うようにすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の発生器。
【請求項５】
前記電圧レギュレータは基準電圧を発生する手段を有し、前記制御器は、前記電源電圧を監視し、前記電源電圧を基準電圧と比較し、かつ前記基準電圧にリニアに関連したレベルに前記電源電圧を実質的に保持するために前記電圧レギュレータを制御するように適合されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の発生器。
【請求項６】
更に、前記基準電圧を調節するための手段を有し、それにより前記増幅器の電源電圧が制御されることを特徴とする請求項５に記載の発生器。
【請求項７】
前記電圧レギュレータはバッキング電圧レギュレータを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の発生器。
【請求項８】
前記増幅器は、そのＤＣ電源電圧に依存する出力ｒｆ電力を有するスイッチング増幅器であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の発生器。
【請求項９】
動作領域における制御された特性の静磁界を発生する手段、動作領域におけるｒｆ磁界パルスのパルス列を発生するための、先行請求項の何れかによるｒｆ磁界発生器、および動作領域からＮＭＲエコーを感知するための手段を有するＮＭＲ調査装置。
【請求項１０】
ＮＭＲ調査を行う方法であって、
増幅器の出力にｒｆ信号を発生し、
ｒｆ信号を送信コイルへ給電し、それにより前記送信コイルは、制御された特性の静磁界に従った動作領域へ複数のｒｆ磁界パルスを有するパルス列を送信し、
電源の電圧を前記増幅器に与え、
前記電源に接続されたスイッチと前記スイッチに接続された局部蓄積キャパシタを有する電圧レギュレータで前記電源の電圧を調整し、且つ
ｒｆ磁界パルスが送信されていないときのみ、前記スイッチを閉じて、前記局部蓄積キャパシタを選択的に充電することを特徴とする方法。
【請求項１１】
更に、ＮＭＲエコーが動作領域から受信されないときに前記局部蓄積キャパシタを充電するステップのみを有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
更に、動作領域からのＮＭＲエコーの受信後、次のパルス前にパルス列中に局部蓄積キャパシタを充電するステップのみを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、磁界パルス発生器、特に、核磁気共鳴（ＮＭＲ）調査に使用するｒｆパルスを発生するための磁界パルス発生器に関する。本発明は、ダウンホール・オイル・ウエル・ロギング・アプリケーション(down-hole oil well logging application)において使用するための発生器に関する。
【０００２】
【従来技術および解決すべき課題】
従来のＮＭＲロギングツールは、外部のＮＭＲの物理的現象により非常に高電力のｒｆ磁気パルス（数ｋＷ）を使用する。表面から供給される電力量はケーブルの電圧と電流の容量、およびケーブルの損失によって、５００Ｗ以下に制限される。
従って、コンデンサーバンクを用いて、ツールにエネルギーを蓄積するとが必要である。このエネルギーは、数百の個々の高電力ｒｆパルスを有するパルスシーケンス（即ち、パルス列）、各々は数ｍｓ離れた略６０μｓのパルス中に用いられる。バンクはパルス列（“リサイクル時間”、代表的には１秒）間で再充電される。
【０００３】
送信機の電力増幅器は、国際特許出願番号WO97/13159に記載されている。ｒｆパルスのピーク電力は、増幅器のＨブリッジに印加されたＤＣ電圧によって決められる。もし、エネルギー蓄積モジュールがＨブリッジに簡単に取り付けられるならば、蓄積されたエネルギーの消費割合が表面からの再生割合を越えると、問題が生じる。これは、パルスの繰り返し率が速い（短いインターエコーと等価な）ときに生じる。蓄積キャパシター上の電圧が降下する（エネルギーバンクが使い果たされる）にしたがって、個々のパルス列において続いて起こるパルスはエネルギーが殆どない（即ち、それらの振幅が減少される）。これは、“パルスドループ(pulse droop) ”として知られる減少であり、スピンシステムの再焦点化に不利な影響を及ぼすであろう。
【０００４】
【課題を解決する手段および動作モード】
本発明の第１の特徴によれは、ＮＭＲに使用するために複数のｒｆ磁界パルスを有するパルス列を発生するためのｒｆ磁界パルス発生器が提供される。この発生器は、
(i) ｒｆ信号を発生するための増幅器、この増幅器は電源電圧を受けるための入力を有する、
(ii)この増幅器の出力に接続された送信機コイル、該送信機コイルはｒｆ信号に応答して、ｒｆ磁界パルスを送信するのに適合されている、
(iii) 局部（ローカル）蓄積キャパシタを充電することによって、電源電圧を調節するためのスイッチされた電圧レギュレータ、および
(iv)磁界パルスが送信されないときのみ、スイッチされた電圧レギュレータが局部蓄積キャパシタを充電するするようにするための制御器、
を有する。
【０００５】
パルス列におけるパルスのエネルギーは、適当なスイッチされた電圧レギュレータを用いて、パルス振幅を制御することによって保たれることが見出された。これは、パルスの振幅が実質的に同じであることを保証する。
電源電圧は、代表的には、ＤＣ電源電圧である。
電圧レギュレータはパルス列と同期して局部蓄積キャパシタを充電するので、局部蓄積キャパシタはパルス中に充電されない。これは、電圧レギュレータが独立してスイッチされる従来のスイッチされる電圧レギュレータと対比される。
また、スイッチされた電圧レギュレータは、ＮＭＲのエコーが得られているときに、局部蓄積キャパシタは充電されないようにすることが好ましい。これは、小さなＮＭＲのエコー信号が局部蓄積キャパシタの充電からのいかなる干渉もなく、はっきりと受信されることを保証する。
【０００６】
局部蓄積キャパシタは、ＮＭＲエコーの前および／または後に充電される。しかし、好ましくはスイッチされる電圧レギュレータは、エコーの受信とパルス列における次のパルスの送信間にのみのパルス列中に局部蓄積キャパシタを充電するように適合される。これは、受信機システムが、高電力のｒｆパルス後の“リングダウン(ring-down)"期間中にパルスドループ・レギュレータ回路の動作によって再び励起されないことを保証する。
好ましくは、スイッチされた電圧レギュレータは隣り合ったパルス間に一度だけスイッチオンおよびスイッチオフをするように適合される。これは、レギュレータがキャパシタを再充電するために連続的にスイッチオンおよびスイッチオフされる従来のスイッチされる電圧レギュレータと対比されることができる。
【０００７】
パルスドループの問題は、増幅器によって見られる電源電圧がパルス列中に著しく変わらないことを保証する電圧レギュレータを用いることによって、より容易に扱われることが認められる。電源電圧がパルス進行中に変化することができることが認識されるであろう。しかし、電圧レギュレータは、電源電圧が次のパルスに対して合わせて正しいレベルに再び蓄積されることを保証する。
局部蓄積キャパシタは、幾つかの代表的なパルスに対して、充分なエネルギーを保つような大きさにされるのが好ましい。更に、発生器は、典型的には初期の電源電圧を与えるエネルギー蓄積モジュール（代表的にはキャパシタバンク）を有する。初期の電源電圧（代表的には増幅器の電源電圧より高い）は、キャパシタバンクがパルス列中に放電するにしたがって、ドループするが、電圧レギュレータは、この電圧ドループが増幅器へ与えられないことを保証する。
【０００８】
代表的には、電圧レギュレータは、基準電圧を発生手段を有し、電圧レギュレータは、この基準電圧のレベルに直線的に比例するするレベルに電源電圧を実質的に保持するように適合されている。この基準電圧は、代表的には設計を容易にするために数ボルトの範囲にあるが、しかし、電源電圧は、代表的には数百ボルトのオーダーである。好ましくは、更に、発生器は、基準電圧を調整する手段を有し、それにより、電源電圧が制御される。これは、ユーザーがパルス振幅を制御するという利点を与える。
本発明による適当な電圧レギュレータの例は、バッキング( 或いはステップダウン) スイッチング回路を有する。
単一パルスの時間スケールにわたって、電源電圧は著しく変化する。例えば、パルスが約４０μｓの間隔を有している場合に、電源電圧は“リングアップ(ring-up) ”回路によって、パルスの最初の１０μｓにおいてブーストされる。しかし、（代表的に数百のパルスを有する）パルス列の時間スケールにわたっては、増幅器の電源電圧は代表的には実質的に一定のままであろう。
【０００９】
増幅器回路はＡクラスからＥクラスまで広く分けられ、各クラスの定義は応用に依存する。更に、状況は出力負荷の型式（抵抗型、リアクタンス型、同調型等）に依存して複雑になる。しかし、増幅器は、一般に２つのカテゴリー、即ち、線形型（Ａ−Ｃクラス）およびスイッチング型（Ｄ／Ｅクラス）に分けられる。線形増幅器（Ａ−Ｃクラス）において、出力信号の周波数は入力の周波数と同じであるが、出力信号の振幅は入力信号の振幅に直線形に比例する（例えば、出力ｒｍｓ電圧＝利得×入力ｒｍｓ電圧）。スイッチング増幅器にとって、出力信号は入力信号と同じ周波数を有するが、出力振幅はＤＣ電源電圧に比例する。
増幅器は、代表的にその出力ｒｆ電力がそのＤＣ電源電圧に依存する増幅器を有している。例はＤ／Ｅクラスの共振スイッチング増幅器、例えばWO97/13159に記載されたＨ型ブリッジ増幅器である。その出力は、（コイル電圧以外の）Ｔｘコイル電流によって実際に特徴づけられるが、ｒｆを扱うとき、出力電力を参照することは慣用である。最終結果は、出力のｒｆ電力はＤＣ電源電圧の二乗に比例する（即ち、出力ｒｍｓ電力＝利得×ＤＣ電源電圧）。
【００１０】
代表的には、送信機のコイルは、送信機コイルと動作の要求された周波数に同調した、直列に接続された同調キャパシタを含むタンク回路の一部を形成する。代わりに、タンク回路は、トランスを介して増幅器に接続される、送信機のコイルと並列な同調キャパシタを有することができる。
本発明によるｒｆ磁界パルス発生器はあらゆるＮＭＲ調査に用いられることができる。しかし、発生器は、その本来的な効率により、制限された電源のみが利用できるＮＭＲ調査に特に適している。代表的には、本発明による発生器はダウンホール・ウエル・ロギング・プローブの一部として用いられる。
本発明は、増幅器の出力にｒｆ信号を発生するステップ；送信コイルにｒｆ信号を給電するステップ、それにより送信コイルは制御された特性の静磁界に支配された動作領域に、複数のｒｆ磁界パルスを有するパルス列を送信し；電源電圧を増幅器に与えるステップ；局部蓄積キャパシタを有するスイッチされた電圧レギュレータで電源電圧を調節するステップ；およびｒｆ磁界パルスが送信されていないときのみ局部蓄積キャパシタを選択的に充電するステップを含むＮＭＲ調査を行う方法に拡張する。
【００１１】
静磁界は動作領域いおいて実質的に均一であるか、或いは動作領域において、実質的に均一な放射あるいは軸の勾配を表すことができる。
【００１２】
【実施の形態】
本発明の多くの実施の形態は図面を参照して説明される。
図１の概略図を参照すると、面の直流（ＤＣ）電源１が（ウエルホールの長さに沿って通過する）ケーブル２を介してエネルギー蓄積装置３を内蔵するブローブ９へ接続される。エネルギー蓄積装置３は、局部蓄積キャパシタ１４を有する電圧レギュレータ４を介して増幅器５へ接続される。電力増幅器５は、パルスの交流（ＡＣ）高周波（ｒｆ）信号６を与えるをタンク回路７へ与え、システム動作は制御回路８、代表的にはＮＭＲスペクトロメータによって制御されている。増幅器の負荷、この場合同調されたタンク回路７は、プローブ９を取りまく環境のＮＭＲ調査に用いられるｒｆ磁気信号１０を送信する送信コイルを有する。図１に示された回路の例は（電圧レギュレータ４を除いて）、ここで参照によって取り込まれたWO97/13159に記載されている。
【００１３】
電圧レギュレータ４の特定の例は図に示されている。電圧レギュレータ４（一般に符号４で示される）は、（面ケーブル２を介して充電される）キャパシタバンク１１を有する主エネルギー蓄積装置３と増幅器５（代表的にはWO97/13159に記載されているＨブリッジである）間に接続されている。主蓄積キャパシタバンク１１は、代表的には５００−１０００Ｖに帯電され、２５０Ｊのエネルギーを蓄える。図２に示されるように、電圧レギュレータ４はパルスドロープの回復セクション１２と制御回路１３に概念的に分割されることをができる。この電圧レギュレータ４は、キャパシタバンク１１の電圧が降下してもＨブリッジの増幅器に現れる電圧は変化しないことを保証する。
小さな局部蓄積キャパシタ１４は、固体スイッチ１５（ＭＯＳＦＥＴスイッチ或いはＩＧＢＴスイッチ）と代表的には１−１０ｍＨの充電インダクタ１６によって主キャパシタバンク１１に接続される。基準電圧１７がＨブリッジ５の入力に必要な電圧を定める。基準電圧１７は、制御回路１３の設計を容易にするために、低いレベルの電圧（数ボルト）であるが、電圧分割器４０によって、代表的には１００−５００Ｖである、局部蓄積キャパシタ１４の高い電圧にリニアに関連する。キャパシタ１４は、充分大ききい（典型的なｒｆパルス電力に対して、約２００Ｖの増幅器の動作電圧に充電される場合、約１０−５０μＦである）のでおそらく最も長いパルス中に著しいドループは見られない。
【００１４】
キャパシタ１４の電圧は比較器１８によって基準電圧１７および電圧分割器ネットワーク４０と比較される。パルス後、キャパシタ１４の両端の電圧は、基準電圧１７によって必要とされる値に関して、降下され、論理エラー信号が比較器１８とＡＮＤゲート１９への入力によって発生される。スイッチ１５は、比較器１８の出力に接続された第１の入力２０、および図３に示された再充電可能な論理信号を発生する制御回路（図示せず）に接続された第２の入力２１を有するＡＮＤゲート１９によって動作される。結果として、パルス間で、スイッチ１５は閉じ、キャパシタ１４は、所望の電圧に達するまでインダクタ１６によって決められる速度で充電する。次に、スイッチ１５が開き、キャパシタ１４は次のパルスのためにエネルギーを保持する。
【００１５】
図３は、入力２１に印加された再充電論理信号２２、および増幅器５とタンク回路７による出力によって同時に発生されるｒｆ磁気パルスシーケンス２３を示す。スピン・エコー・パルス・シーケンス２３は、プローブによって送信される多くのｒｆパルス２４を有する。パルス２４は６０μｓのオーダーのパルス間隔を有する１８０°パルスである。１８０°パルス１４間の期間２６は代表的には１ｍｓ（ミリ秒）である。エコー２５（続いて起きるＮＭＲ解析に用いられる）は、各パルス２４の後に時間期間２７（代表的には０．５ｍｓ）を得る。もし、インターエコー時間が２τならば、エコー２５は前のパルスの開始後時間τを常に生じる。即ち１８０°パルス間の半分である。再充電動作は、パルス２４間で行われるだけであり、ＮＭＲエコーの獲得２５と一致する必要がない。従って、再充電する理想的な時間は、エコー２５が得られた丁度後である。制御回路１３は、必要な時間期間１２６の間高レベルにある再充電論理信号２２によって、この時間の間可能にされる。
【００１６】
基準電圧１７はユーザーによって調節され、パルス振幅に直接のリニアな制御を与える。これは、増幅器５がＤ／Ｅクラスの増幅器である場合、特に問題である。これは、パルス長が選択された後に全パルスエネルギーを同調するのに有用な方法を与える。再充電論理信号２２もユーザーによって制御され、再充電のタイミングに直接的な制御を与える。
図４は、シミュレートされたパルス列の間に、蓄積キャパシタバンク１１の電圧と局部キャパシタ１４の電圧を示すグラフである。図４のためのデータを発生するシミュレーションを好適に達成するために、キャパシタ１１の値は、２０００μＦから５０μＦへ減少される。従って、図４の時間スケールは、キャパシタに蓄積された殆ど減少されたエネルギーは実パルス列におけるより遙に少ないパルスで急速に消散されるので、シミュレーション速度のために効果的に加速される。約１．８ｍｓの後に、キャパシタ１１の電圧は２００Ｖの所望のＨブリッジ電圧近くに降下し、レギュレーションは機能しなくなる。実際の状況において（キャシタ１１と１４の値が正しい）、図４に示されたレギュレーションの損失は代表的なパルス列の時間スケール上で経験されないであろう。それは数百ミリ秒間続くであろう。
【００１７】
図５は、図１の回路に用いられることができる代表的な送信機の出力増幅器の概略図である。増幅器５はＨブリッジのスイッチモード共振コンバータである。増幅器はＤＣ電源電圧を受ける入力４０を有する。キャパシタ４１を有するタンク回路７とインダクタンス４２と抵抗４３によって示される送信コイルはそれぞれの出力４４、４５間に接続される。スイッチ対Ｑ１−Ｑ４は、タンク回路の共振周波数ｆ0 でスイッチされる。正弦電流Ｉが周波数ｆ0 で送信コイルに流れる増幅器の出力電力は、ＶS 2 （ここで、ＶS はＤＣ電源電圧である）に比例する。即ち、
Ｐ＝ＶS 2 ／（（√２）・ＲT ）
ここで、ＲT はＴX コイルの抵抗である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発生器の例を内蔵するダウンホール・ウエル・ロギング・プローブの概略図である。
【図２】図１の電圧レギュレータを示す回路図である。
【図３】再充電制御信号および同時のパルス列を示すタイミング図である。
【図４】テストパルス列中のテスト蓄積キャパシタの電圧のグラフである。
【図５】Ｈブリッジの概略図である。
【図１】
0004074688.tif 000002
【図２】
0004074688.tif 000003
【図３】
0004074688.tif 000004
【図４】
0004074688.tif 000005
【図５】
0004074688.tif 000006