(57)【要約】【課題】電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎをより低減することが可能な磁場の補正装置を提供する。【解決手段】電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出するための変動磁場検出手段と、この変動磁場検出手段により検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅するための増幅手段と、この増幅手段により振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信し、この補正信号に基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するための磁場補償手段とを有する定常磁場の補正装置において、前記変動磁場検出信号により検出された検出信号と、前記磁場補償手段により発信された補正信号との間の位相差を調整するための位相差調整手段を、前記増幅手段と前記磁場補償手段との間に設けることを特徴とする、補正装置。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出するための変動磁場検出手段と、この変動磁場検出手段により検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅するための増幅手段と、この増幅手段により振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信し、この補正信号に基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するための磁場補償手段とを有する定常磁場の補正装置において、
前記変動磁場検出信号により検出された検出信号と、前記磁場補償手段により発信された補正信号との間の位相差を調整するための位相差調整手段を、前記増幅手段と前記磁場補償手段との間に設けることを特徴とする、補正装置。
【請求項２】
前記位相調整手段は、第１抵抗と第２抵抗とにより、前記増幅手段からの入力信号と、前記磁場補償手段への出力信号との電位差を分圧して、反転入力端子に入力し、一方第３抵抗とコンデンサとにより、前記入力信号を分圧して、非反転入力端子に入力するオペアンプにより構成され、前記第３抵抗の抵抗値を変えることにより、前記入力信号と前記出力信号との位相差を調整する、請求項１に記載の補正装置。
【請求項３】
前記位相調整手段は、前記補正信号の卓越する周波数に応じて複数設けられ、互いに直列に接続される、請求項１または２に記載の補正装置。
【請求項４】
電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出する段階と、検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅する段階と、振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信し、この補正信号に基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生する段階とを有する定常磁場の補正方法において、
前記増幅段階の直後に、前記検出信号と前記補正信号との間の位相差を調整する段階を、さらに有することを特徴とする、補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の補正装置及び磁場の補正方法に関し、より詳細には、電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎをより低減することが可能な磁場の補正装置及び磁場の補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、核磁気共鳴（ＮＭＲ）の原理を利用した技術が、医療分野等で用いられている一方、その基礎研究も盛んに行われている。
このＮＭＲ技術の基礎研究において、数十テスラに及ぶ高い磁場を発生する磁石が必須であり、そのために電磁石が用いられている。しかしながら、電磁石を用いる場合、商用電源を整流することによって不可避的に発生するリップル成分に起因して定常磁場の時間的揺らぎが発生してしまう。
【０００３】
このような定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場の補正装置及び磁場の補正方法が、たとえば非特許文献１に開示されている。
この磁場の補正装置は、定常磁場の時間的揺らぎを検出するための変動磁場検出手段と、この変動磁場検出手段により検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅するための増幅手段と、この増幅手段により振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信するための磁場補償手段とを有する。このような構成により、磁場補償手段によって、定常磁場の時間的揺らぎを低減することがある程度可能である。
【０００４】
しかしながら、従来の磁場の補正装置には、以下のような技術的問題点が存する。
すなわち、定常磁場の時間的揺らぎを低減するためには、検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅することが必須であるところ、検出信号を増幅する際、磁場を検出するのに用いるコイルと機器との配線や増幅器素子に起因して、位相のずれが生じ、そのために定常磁場の時間的揺らぎの低減化には限度があった。より詳細には、変動磁場検出手段により検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号と、増幅手段により増幅された検出信号に基づいて、磁場補償手段により発信された補正信号との間には、位相差が生じるため、単に振幅の調整によっては、定常磁場の時間的揺らぎを有効に低減することは困難であった。
【非特許文献１】Reviewof Scientific Instruments  Vol.71(2000)、2882頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記技術的問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎをより低減することが可能な磁場の補正装置及び磁場の補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る磁場の補正装置は、
電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出するための変動磁場検出手段と、この変動磁場検出手段により検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅するための増幅手段と、この増幅手段により振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信し、この補正信号に基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するための磁場補償手段とを有する定常磁場の補正装置において、
前記変動磁場検出信号により検出された検出信号と、前記磁場補償手段により発信された補正信号との間の位相差を調整するための位相差調整手段を、前記増幅手段と前記磁場補償手段との間に設ける構成としている。
【０００７】
このような構成によれば、定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号と、定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するための補正信号との間で、位相差を調整することにより、位相差を調整しない場合に比べて、電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎをより低減することが可能である。
【０００８】
また、前記位相調整手段は、第１抵抗と第２抵抗とにより、前記増幅手段からの入力信号と、前記磁場補償手段への出力信号との電位差を分圧して、反転入力端子に入力し、一方第３抵抗とコンデンサとにより、前記入力信号を分圧して、非反転入力端子に入力するオペアンプにより構成され、前記第３抵抗の抵抗値を変えることにより、前記入力信号と前記出力信号との位相差を調整するのが好ましい。
さらにまた、前記位相調整手段は、前記補正信号の卓越する周波数に応じて複数設けられ、互いに直列に接続されるのがよい。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る磁場の補正方法は、
電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出する段階と、検出した定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号の振幅を増幅する段階と、振幅が増幅された検出信号に基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号を発信し、この補正信号に基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生する段階とを有する定常磁場の補正方法において、
前記増幅段階の直後に、前記検出信号と前記補正信号との間の位相差を調整する段階を、さらに有する構成としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図１は、本実施形態の磁場の補正装置を説明するための概略構成図である。
図１に示すように、本発明に係る磁場の補正装置１０は、電磁石の定常磁場の時間的揺らぎを検出するための変動磁場検出手段１２と、定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号Dの振幅を増幅するための増幅手段１４と、定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するための磁場補償手段１６と、変動磁場検出手段１２により検出された検出信号Dと、磁場補償手段１６により発信された補正信号Aとの間の位相差を調整するための位相差調整手段１８とから概略構成されている。
【００１１】
変動磁場検出手段１２は、電磁石の磁場発生空間S内に配置されたセンサコイルから構成され、コイルにより変動磁場を電圧の変化として検出し、定常磁場の時間的揺らぎに相当する検出信号Dを発生して、この検出信号Dを増幅手段１４に送るようにしている。
増幅手段１４は、変動磁場検出手段１２により検出した検出信号Dを増幅するものであり、たとえばオペアンプと抵抗とを組み合わせた回路により構成され、検出信号Dの振幅を増幅するようにしている。なお、増幅率を調整可能とするために、固定抵抗と可変抵抗とを組み合わせてもよい。
【００１２】
磁場補償手段１６は、変動磁場検出手段１２と同様に、電磁石の磁場発生空間S内に配置された補償コイルから構成され、増幅手段１４により振幅が増幅された検出信号Dに基づいて、定常磁場の時間的揺らぎを低減するような補正信号Aを発信し、この補正信号Aに基づいて定常磁場の時間的揺らぎを低減する磁場を発生するようにしている。
位相差調整手段１８は、増幅手段１４と磁場補償手段１６との間に設けられ、直列に接続された第１位相調整手段１８a と第２位相差調整手段１８bとから構成されている。それぞれの位相差調整手段１８a、１８bは、オペアンプ、抵抗及びコンデンサを組み合わせた回路より構成され、それにより、変動磁場検出手段１２により検出された検出信号Dと、磁場補償手段１６により発信された補正信号Aとの間の位相差を調整するようにしている。
【００１３】
図２に示すように、一つの位相差調整手段１８は、オペアンプCOMP6の反転入力端子には、入力信号Ｖｉｎと出力信号Ｖｏｕｔの電位差を抵抗Ｒ12，Ｒ14によって分圧した信号を入力するようにしている。一方、非反転入力端子には、入力信号ＶｉｎをコンデンサＣ3と抵抗Ｒ15によって分圧した信号を入力するようにしている。このとき、反転入力端子と非反転入力端子の電圧Ｖ−，Ｖ＋は以下のようになる。
Ｖ−＝（Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎ）×Ｒ１2／（Ｒ１2＋Ｒ14）＋Ｖｉｎ
Ｖ＋＝Ｖｉｎ×Ｒ15／（１／ｊｗＣ3＋Ｒ15）
（なお、ｊは虚数単位、ｗは入力信号の角振動数とする）
【００１４】
ここで、反転入力端子と出力端子が、抵抗Ｒ１４によって接続されているため、反転入力端子と非反転入力端子の電位が等しくなるようにオペアンプは動作する。また増幅度を１とするためにＲ12＝Ｒ14とし、簡単のためにＲ15＝ｒとすると、出力信号Ｖｏｕｔは入力信号Ｖｉｎを用いて次のように表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×（ｗ２Ｃ3２ｒ２＋２ｊｗＣ3ｒ−１）／（１＋ｗ２Ｃ3２ｒ２）
【００１５】
この回路において、以下に示すように、入力信号の角振動数ｗと抵抗値ｒ、コンデンサの容量Ｃ3との間の関係に応じて、入力信号Ｖｉｎ  と出力信号Ｖｏｕｔとの間の位相差が調整可能である。
すなわち、入力信号の角振動数ｗと抵抗値ｒ、コンデンサの容量Ｃ3との間に１／ｗＣ3＝ｒの関係がある場合、上式より、Ｖｏｕｔ＝ｊＶｉｎとなり、出力信号Ｖｏｕｔの位相は入力信号Ｖｉｎから９０度すすむ。また１／ｗＣ3＜＜ｒの場合、Ｖｏｕｔ≒Ｖｉｎとなり入出力間の位相差は０度に近付く。一方、１／ｗＣ3＞＞ｒの場合はＶｏｕｔ≒−Ｖｉｎとなり、入出力間の位相差は１８０度に近付く。
【００１６】
したがって、図２の回路は、角振動数ｗを中心として、角振動数がｗより小さい信号の位相を９０度より小さく進め、角振動数がｗより大きい信号の位相を９０度より大きく進める。よって、角振動数ｗを一定にした場合、抵抗値ｒを変化させることによって、角振動数ｗの信号の位相を０〜１８０度の範囲で変化させることができることを示している。
本実施形態では、周波数特性を変えた位相調整器の組を２組直列に接続したものを使用した。これにより、実施形態で採用した位相調整器は、原理的に、１つの周波数を中心として１８０度の位相変化を起こさせるものであるが、補正信号に相当する入力信号Ｖｉｎに含まれる卓越した周波数に応じて、それぞれの卓越周波数を含む信号の位相を変化させる自由度を増やすことが可能となる。
【実施例】
【００１７】
本発明者は、以上の構成を有する磁場の補正装置を用いて、実際に試験を行い、位相差調整手段が電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎを低減することに有効である点を確認した。
以下に、測定条件、測定装置の配置と構成、コイルの諸元、磁場の補正装置の構成及び測定結果を示す。
【００１８】
（測定条件およびケース）
電磁石用電源：商用電源５０Hｚを１２相整流
（ケース１）磁場の補正を行わない場合（図５）
（ケース２）磁場の補正を行うが、位相調整を行わない場合（図６）
（ケース３）磁場の補正を行い、位相調整を２回行う場合（図７）
（ケース４）磁場の補正を行い、位相調整を１回行う場合（図８）
【００１９】
（測定装置の配置と構成）
図３に示すように、電磁石の磁場発生空間内に、センサコイル、補正コイル、ピックアップコイルをそれぞれの軸線が直線状となるように挿入した。センサコイルと補正コイルはお互いに重ならないようにし、補正コイルの中にピックアップコイルを設置した。センサコイルを補正機の入力端子に接続し、補正コイルを補正機の出力端子にセンサコイルとは極性が逆になるように接続した。補正機の入力端子、出力端子はモニタするため、オシロスコープにも接続した。ピックアップコイルもモニタ用のオシロスコープに接続した。また電磁石の電源電圧のモニタ線もオシロスコープに接続した。オシロスコープのチャンネルについて、図３に示すように、Ｃｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３及びＣｈ４がそれぞれ、ピックアップコイル、補正機の出力端子、補正機の入力端子及び電源モニタに対応している。
なお、オシロスコープは各入力端子間がお互いに絶縁されているものを使用した。
【００２０】
（コイルの諸元）
センサコイル、補正コイル及びピックアップコイルは、パイプにホルマル被覆銅線を密に巻いたものを用いたものである点で共通であるが、パイプの材質、径及び巻き数が異なる。すなわち、センサコイルは、直径30ｍｍの亜鉛メッキを施した真鍮製パイプに直径0.4ｍｍφのホルマル被服銅線を約１００回、長さ40ｍｍになるまで密に巻いたものを使用した。補正コイルは、真鍮製パイプにセンサコイルとは30ｍｍ離した位置から直径0.4ｍｍφのホルマル被服銅線を約２００回、長さ80ｍｍになるまで密に巻いた。ピックアップコイルは直径20ｍｍのプラスチック製パイプに直径0.2ｍｍφのホルマル被服銅線を約１００回、長さ20ｍｍになるまで密に巻いたものを使用した。
【００２１】
（磁場の補正装置の構成）
図４に示すように、補正機は、初段増幅器、位相調整器、終段増幅器を直接に接続したものから構成した。ここで、図４において、位相調整器が本発明の特徴部分である実施形態の位相差調整手段に対応し、その上流側の初段増幅器が実施形態の増幅手段に相当する。
初段増幅器は、固定抵抗R1と可変抵抗器R2の比を変化させることによって、増幅率を１〜１０倍に可変することができるようにし、さらに切替スイッチSW1によって固定抵抗Ｒ３〜Ｒ５を切り替えることを可能とするとともに、固定抵抗Ｒ７との比を選択可能とすることによって、増幅率の倍率を０、１０，１００倍とすることができるようにした。よって、初段増幅器全体としては、０〜１０００倍まで増幅率を変化できるようにした。また雑音の影響を少なくするためにオペアンプＣＯＭＰ４によってLow-passフィルター構成し、５kHz以上の高い成分を通しにくくした。
【００２２】
位相調整器は、オペアンプCOMP5とコンデンサＣ３および可変抵抗R19によって位相を０〜１８０度ずらすことができるようにした位相可変調整器と、オペアンプCOMP6と抵抗Ｒ１２，Ｒ１６，Ｒ１８、コンデンサＣ４からなる９０度位相調整器およびオペアンプCOMP7と抵抗Ｒ１３，Ｒ１７からなる１８０度の位相調整に相当する反転増幅器を直列に接続することによって０〜３６０度の位相変化ができるようにした。
終段増幅器は、電圧電流変換増幅器とした。オペアンプＣＯＭＰ８の非反転入力端子には位相調整器からの信号を入れ、反転入力端子には出力端子間を流れた電流が固定抵抗Ｒ１０を通って接地することによって生じる電圧を入力した。出力端子から入力端子に帰還があるオペアンプは、反転入力端子と非反転入力端子の電位が等しくなるように動作するため、非反転入力端子に１Ｖの電位がある場合、オペアンプＣＯＭＰ８は反転入力端子に１Ｖの電位が生じる様に動作する。ここで、固定抵抗Ｒ１０の値を０．1Ωとすると、オペアンプＣＯＭＰ８の反転入力端子に１Ｖの電位が生じるように、出力端子間に１０Ａの電流が流れようとする。したがって、終段増幅器は位相調整器からの信号が１Ｖ変化すると、出力電流が１０Ａ変化するような電圧電流変換増幅器として動作する。
【００２３】
（測定結果）
図５ないし図８に測定結果を示す。図５ないし図８はそれぞれ、電圧の時間的変化を示すが、各図において、上から順に、オシロスコープのＣｈ１（ピックアップコイル）、Ｃｈ2（補正機出力端子）、Ｃｈ3（補正機入力端子）及びＣｈ4（電源モニタ）の測定結果が示されている。なお、Ｃｈ4（電源モニタ）の電圧の時間的変化が、問題とする磁場の時間的ゆらぎに相当するが、図５ないし図８において共通に、２００ｍVであり、またＣｈ１（ピックアップコイル）の電圧の時間的変化が、補正機による磁場の補償作用結果を示す。
【００２４】
ケース１に関し、図５に示されているように、電磁石電源が商用電源５０Ｈｚを１２相整流したことによって発生する６００Ｈｚのリップル成分に起因して揺らぐことによってＣｈ４のような磁場の不安定性を生じている。補正機の入力端子（Ｃｈ３）は、磁場の揺らぎによってセンサコイルに誘導させた電圧変化を検出しているが、補正機を動作させていないため補正機の出力端子（Ｃｈ２）には電圧は生じておらず、したがって補正コイルも補正磁場を発生していない。そのため、補正コイルの中にあるピックアップコイルの電圧（Ｃｈ１）もセンサコイルに誘導された電圧（Ｃｈ３）と同様の波形を示す。なお、Ｃｈ１とＣｈ３において振幅が異なるのは、コイルの直径や巻き数が異なるため誘導される電圧が異なるためである。
【００２５】
ケース２に関し、図６に示されているように、補正機入力端子（Ｃｈ３）に入力された電圧が、振幅のみを調整して、位相調整を行わないまま単に出力端子（Ｃｈ２）に出力されている。この意味において、ケース２は、従来技術で行われてきた磁場の補正技術に該当する。補正コイルは、センサコイルとは極性が逆になるように補正機の出力端子に接続されているため、両者の電圧が同位相であることが、逆位相に近い磁場を発生していることを示す。センサコイルが検出した磁場の揺らぎとは逆位相に近い磁場を補正コイルが発生していることによって、ピックアップコイル（Ｃｈ１）の電圧変化の振幅（32mV）は、補正機を全く動作させていない図５の場合の振幅（84mV）に比べて、およそ３８％にまで小さくなっており、磁場の時間的揺らぎが抑えられていることがわかる。しかしながら、コイルと機器の配線や増幅器の素子による位相の遅れのために、従来技術では磁場の揺らぎをこの３８％以下に抑えることはできなかった。
【００２６】
ケース３に関し、図７に示されているように、補正機入力端子（Ｃｈ３）に入力された電圧が、振幅調整のみならず位相調整まで行ったのちに、出力端子（Ｃｈ２）に出力されている。Ｃｈ２とＣｈ３の波形のピーク位置のズレが、図６のピーク位置のズレとは異なっていることが分かる。位相調整機能を動作させることによって、配線や増幅素子による位相のズレをキャンセルすることができ、ピックアップコイル（Ｃｈ１）の電圧変化の振幅はわずか5mVにまで小さくすることができた。これは従来技術の32mVのおよそ1/6である。
【００２７】
したがって、ケース３によれば、本発明による位相調整機能を備えた補正機が、従来技術に比べ、磁場の時間的揺らぎを低減するのに優れ、その結果磁場の安定化に有効であることが示されている。
ケース４に関し、図８に示されているように、図７と同様に補正機入力端子（Ｃｈ３）に入力された電圧が、振幅及び位相の調整を行ったのち、出力端子（Ｃｈ２）に出力されている。位相調整機能を動作させることによって、配線や増幅素子による位相のズレをある程度までキャンセルすることができているが、補正のための信号が複数の周波数を含むため、位相調整器を２つ接続した場合（図７）ほど位相のズレをキャンセルすることができなかった。しかし、ピックアップコイル（Ｃｈ１）の電圧変化の振幅は11mVにまで小さくなっており、これは従来技術の32mVのおよそ1/3である。
したがって、ケース４によれば、本発明による位相調整機能を備えた補正機が、たとえ位相調整器が１つであっても、従来技術に比べ、磁場の時間的揺らぎを低減するのに優れ、その結果磁場の安定化には有効であることが示されている。
【００２８】
以上の測定結果より、本発明者は、第１に、位相差調整手段が電磁石により形成される定常磁場の時間的揺らぎを低減することに有効であること、第２に、補正信号において卓越する周波数が複数ある場合に、それに応じて位相差調整手段を直列接続することが有効であること、を確認した。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない範囲で、当業者なら種々の修正あるいは変更が可能である。たとえば、本実施形態では、２つの位相調整器を直列に配置するものして説明したが、それに限定されることなく、３つ以上あるいは単一の位相調整器を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る磁場の補正装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る磁場の補正装置において、位相調整器の回路構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例における測定装置の配置と構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例における磁場の補正装置の回路構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例における測定結果（ケース１）を示す図である。
【図６】本発明の実施例における測定結果（ケース２）を示す図である。
【図７】本発明の実施例における測定結果（ケース３）を示す図である。
【図８】本発明の実施例における測定結果（ケース４）を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｓ  磁場発生空間
Ｄ  検出信号
Ａ  補正信号
10  磁場の補正装置
12  変動磁場検出手段
14  増幅手段
18a 第１位相差調整手段
18b  第２位相差調整手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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