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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeld-Stabilisierer in
einem Kernmagnetresonanz-Spektrographen (nachstehend als „NMR-Spektrograph" bezeichnet) und
ein Verfahren zur Stabilisierung eines NMR-Magnetfelds mit dem Stabilisierer.
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NMR-Spektrographen
werden zur Messung verschiedener Proben, einschließlich organischer
Materialien, Feststoffmaterialien und biologischer Makromoleküle, verwendet.
Wie in einem Nicht-Patentdokument 1 beschrieben ist (Gerhard Wider,
Technical aspect of NMR spectroscopy with biological macromolecules
and studies of hydration in solution, Progress in Nuclear Magnetic
Resonance Spectroscopy, Bd. 32, S. 225, 1998), misst eine Vorrichtung
dieser Art eine Resonanzfrequenz einer in ein statisches Magnetfeld
platzierten Probe, und es ist erforderlich, dass dieses statische
Magnetfeld stabil ist und eine Änderungsrate
von 1 ppb/h oder weniger bezüglich
der Zeit aufweist. Zur Herstellung eines stabilen statischen Magnetfelds
sind die meisten vorhandenen NMR-Spektrographen mit einem supraleitenden
Magneten ausgestattet. Jedoch ist es selbst in einem supraleitenden
Magneten praktisch unmöglich,
eine Stabilität
von 1 ppb/h zu erreichen. Eine Sperrvorrichtung zur Stabilisierung
eines statischen Magnetfelds durch Regelung ist wichtig, damit NMR-Spektrographen
die gewünschte
Leistung erbringen können.
Mit dem Ausbau von Studien an Proteinen, die Langzeit-Messvorgänge erfordern,
nimmt die Bedeutung einer solchen Sperrvorrichtung zu.
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Ein
Nicht-Patentdokument 2 (Benedict W. Bangerter, Field/frequency lock
monitor for signal averaging with high resolution NMR spectrometers,
Review of Scientific Instruments, Bd. 46, S. 617, 1975) offen bart
eine Technik, die für
die Sperrvorrichtung verwendet wird. Ein Wechselmagnetfeld mit einer
Radiofrequenz wird von einem Sperr-Sender auf eine in einen Magneten platzierte
Probe zur Verwendung in einer NMR-Vorrichtung gestrahlt, um einen
Magnetisierungsvektor in der Probe zu erregen. Die Bewegung des
erregten Magnetisierungsvektors wird durch eine Erfassungsantenne
empfangen und unter Verwendung einer Empfangsschaltung erfasst.
Eine als Dispersionssignal (SD) bezeichnete Komponente wird durch
Einstellen der Phase eines Referenzsignals, das zur Erfassungszeit
verwendet wird, erhalten.
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Das
Dispersionssignal SD wird mit einer vorgegebenen Proportionskonstante
G multipliziert und das Ergebnis dieser Multiplikation wird an eine
Sperr-Spannungsversorgung gesendet. Die Sperr-Spannungsversorgung
bewirkt, dass ein Strom, der proportional zu G × SD (Korrektursignal SC) ist,
durch eine Spule fließt, die
um die Probe herum vorgesehen ist (nachstehend als „Sperr-Spule" bezeichnet), um
ein Korrekturmagnetfeld um die Probe herum zu bilden, das proportional
zu dem Korrektursignal SC ist. Die Proportionskonstante G ist so
bestimmt, dass die Dispersion SD, die nach Hinzufügung des
Korrekturmagnetfelds erhalten wird, nahe Null ist, wodurch das statische
Magnetfeld stabilisiert wird.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die im Nicht-Patentdokument 2 offenbarte
Technik gekennzeichnet durch Stabilisieren des statischen Magnetfelds
durch Steuern des durch die Sperr-Spule fließenden Stroms und der Sperr-Korrigierer
kann leicht umgesetzt werden, beispielsweise durch Verwendung von
nur einer analogen Schaltung. Der oben beschriebene Sperr-Detektor
ist auch imstande, ein Absorptionssignal SA mit einer 90°-Phasendifferenz
zum Dispersionssignal SD zu erhalten, aber dieses Signal wird nicht
zur Berechnung des Korrektursignals SC verwendet. 5 zeigt
ein Beispiel des idealen Dispersionssignals SD und des Absorptionssignals
SA. Eine detaillierte Beschreibung des Dispersionssignals SD und
des Absorptionssignals SA folgt nachstehend.
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Ein
Patentdokument 1 (
JP-B-2504666 )
offenbart eine Technik für
die Sperrvorrichtung, die sich von der im Nicht-Patentdokument 2
offenbarten dadurch unterscheidet, dass das Absorptionssignal SA
zusammen mit dem Dispersionssignal SD verwendet wird, um die Ausgabe
des Korrektursignals SC aus dem Sperr-Korrigierer zu berechnen.
Das Korrektursignal SC im Patentdokument 1 ist eine gewichtete Kombination
aus SD/SA und (1/SA)(dSD/dt).
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Gemäß Patentdokument
1 ist SD/SA perfekt proportional zu einem Frequenzversatz DF = ω – ω0 aufgrund einer Störung im statischen Magnetfeld,
wenn die Frequenz der Störung
niedrig ist und die Proportionskonstante 1/T2 ist.
T2 ist eine Zeitdauer, die sich auf die
Dämpfungsrate
des Erfassungssignals VD bezieht, und wird als Seitenrelaxationszeit
bezeichnet. Gemäß Patentdokument
1 kann T2 auch in der Regelschleife erhalten
werden und DF = (1/T2)(SD/SA) kann daher
als das Korrektursignal SC im Sperr-Steuerabschnitt berechnet und
verwendet werden.
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Gemäß Patentdokument
1 ist der Frequenzversatz DF ebenfalls gleich (1/T2) × (SD/SA)
+ (1/SA) × (dSD/dt).
Diese Gleichung ist präzise
und hat den Vorteil, dass sie zu keiner Bedingung in Beziehung steht, und
den Vorteil, eine Rauschkomponente zu beinhalten. Daher ist die
im Patentdokument 1 offenbarte Technik zur Verwendung in einem Fall
geeignet, in dem die Störungsamplitude
vergleichsweise groß ist.
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Die
im Patentdokument 1 offenbarte Technik hat gegenüber der im Nicht-Patentdokument
2 offenbarten Technik den Vorteil, dass das Magnetfeld durch eine
kleinere Zahl von Regelschleifen im Vergleich mit der Technik auf
einen stabilen Wert zurückgeführt werden
kann wegen der proportionalen Beziehung zwischen dem Frequenzversatz
DF und dem Korrektursignal SC und guter Monotonie.
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Die
im Nicht-Patentdokument 2 offenbarte Technik hat noch ein Problem
hinsichtlich der Monotonie des Korrektursignals. Wie aus der Kurve
in 5 ersichtlich ist, die das Dispersionssignal SD
zeigt, ist das Dispersionssignal SD in drei Bereiche aufgeteilt,
welche Grenzen aufweisen, die den Maximal- und Minimalwerten des
Dispersionssignals SD entsprechen, und das Vorzeichen der Änderungsrate
dSC/dDF wird zwischen zwei benachbarten Bereichen umgekehrt. Dementsprechend
sind mehrere Frequenzversatze DF einem Dispersionssignal SD zugeordnet.
Da das Korrektursignal SC im Nicht-Patentdokument 2 G × SD ist,
fehlt dem Korrektursignal offensichtlich die Monotonie. Daher ist
es schwierig, die gewünschte
Konstante G zu erhalten und es sind eine Anzahl Regelschleifen erforderlich,
um das statische Magnetfeld auf einen stabilen Wert zurückzuführen, was
zu einer Verringerung der Steuergeschwindigkeit führt.
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Die
im Patentdokument 1 offenbarte Technik erhöht die Steuergeschwindigkeit
durch Lösen
des Monotonieproblems mit der im Nicht-Patentdokument 2 offenbarten Technik.
Da jedoch die Teilung durch das Absorptionssignal SA eingeführt wird,
besteht die Möglichkeit,
dass das Korrektursignal SC instabil wird, wenn der Frequenzversatz
erhöht
wird und wenn das Absorptionssignal SA kleiner wird. Dies liegt
daran, dass, wenn die Größe des Absorptionssignals
SA ungefähr
gleich der Größe des Rauschens
wird, das Vorzeichen des Korrektursignals SC durch den Einfluss
des Rauschens umgekehrt werden kann. Auch ist das Ausmaß der Schwankung,
die im Korrektursignal SC aufgrund eines Fehlers α in der Empfangsphase
auftritt, größer als derjenige
im Fall der im Nicht-Patentdokument 2 offenbarten Technik. Dementsprechend
ist der Bereich des Frequenzversatzes DF, der mit der im Nicht-Patentdokument
1 offenbarten Technik gesteuert werden kann, schmaler als derjenige
im Fall der im Nicht-Patentdokument
2 offenbarten Technik. Die im Patentdokument 1 offenbarte Technik
ist hinsichtlich der Monotonie von Vorteil, weist aber das Problem
auf, dass Rauschen und Instabilität bezüglich eines Fehlers in der
Empfangsphase zunehmen, und weist das Problem auf, dass der steuerbare
Berech reduziert ist.
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US 5 302 899 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren von Feldstörungen in Magnetfeldern.
Ein Dispersionssignal des Kernsignals einer Vergleichssubstanz wird
aufgenommen und zur Kompensation durch die Erzeugung eines von dem
Dispersionssignal abhängenden
Stroms in einer Feldkorrekturspule des Elektromagneten herangezogen.
Zusätzlich
wird das Absorptionssignal der Vergleichssubstanz aufgenommen und
die Kompensation wird in Abhängigkeit
von der Größe o
x/o
y ausgeführt, wobei
o
x für das
Dispersionssignal steht und o
y für das Absorptionssignal
steht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Hochleistungs-NMR-Vorrichtung
durch Umsetzung einer Sperr-Vorrichtung mit verbesserter Monotonie
ohne Reduzierung des Steuerbereichs.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Als
Mittel zur Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung
eine Sperr-Vorrichtung für
eine NMR-Vorrichtung bereit, die aus einem Sperr-Sender, einem Sperr-Empfänger, einem
Sperr-Detektor, einem Sperr-Korrigierer, einer Sperr-Spannungsversorgung
und einer Sperr-Spule besteht, wobei der Sperr-Detektor die komplexe Erfassung eines
Erfassungssignals durchführt
und an den Sperr-Korrigierer ein Absorptionssignal SA ausgibt, das ein
Realteil des Erfassungssignal ist, und ein Dispersionssignal SD,
das ein Imaginärteil
des Erfassungssignals ist; der Sperr-Korrigierer ermittelt einen
Wert SC durch Multiplizieren von SD/(SD2 +
SA2) und einer vorbestimmten Konstante G;
und die Sperr-Spannungsversorgung führt eine Einstellung so durch,
dass ein durch die Sperr-Spule
fließender
Strom proportional zu SC ist.
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Eine
Sperr-Vorrichtung mit verbesserter Monotonie ohne Reduzierung des
Steuerbereichs wird dadurch umgesetzt, um die Bereitstellung einer
Hochleistungs-NMR-Vorrichtung zu ermöglichen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das die Gesamtkonfiguration einer Sperr-Vorrichtung
in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Sperr-Korrigierers
zeigt;
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3 ist
ein Flussdiagramm, das die Betätigung
des Sperr-Korrigierers zeigt;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Betätigung
der Sperr-Vorrichtung zeigt;
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5 ist
eine Kurve, die ein ideales Dispersionssignal SD und Absorptionssignal
SA zur Erläuterung der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Kurve eines Korrektursignals, das unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung und der Einstellung G = 1 erhalten wird;
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7 ist
eine Kurve eines Korrektursignals, das unter Verwendung der im Nicht-Patentdokument
2 offenbarten Technik und der Einstellung G = 1 erhalten wird;
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8 ist
eine Kurve eines Korrektursignals, das unter Verwendung der im Patentdokument
1 offenbarten Technik und der Einstellung G = 1 erhalten wird; und
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9 ist
ein Flussdiagramm, das die Betätigung
eines Sperr-Korrigierers in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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(Ausführungsform
1)
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform
einer Sperr-Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Ein Sperr-Sender 10 sendet einen Wechselstrom
mit einer Frequenz f an einen Schalter 12. Die Frequenz
f beträgt
zum Beispiel 92 MHz. Der Schalter 12 ist eine aktive oder
passive elektrische Schaltung mit der Funktion des Verbindens/Abschaltens
von zwei Schaltungen: einer Schaltung zum Verbinden für das Senden
vom Sperr-Sender 10 an einen Tester 14 und einer
Schaltung zum Verbinden für
das Senden von dem Tester 14 an den Sperr-Empfänger 16.
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Wenn
der Sperr-Sender 10 arbeitet, fließt der Strom durch die Schaltung
zum Senden von dem Sperr-Sender 10 an den Tester 14.
Der Tester 14 ist in einen Magneten 18 zur Verwendung
in einer NMR-Vorrichtung
eingefügt.
Eine (nicht gezeigte) Probe, an der eine Messung durchgeführt wird,
wird in den Magneten 18 platziert. Das Wechselstromsignal,
das über
den Schalter 12 in den Tester 14 eingetreten ist,
erzeugt ein Wechselmagnetfeld mit der Frequenz f durch eine (nicht
gezeigte) Strahlungsantenne, die im Tester 14 vorgesehen
ist. Das Magnetfeld wird auf die im Tester 14 platzierte
Probe gestrahlt.
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Die
Frequenz f ist eine Resonanzfrequenz, die ein vorgegebener Referenzatomkern
auf einer statischen Zielmagnetfeldintensität trägt. Als Referenzatomkern wird
normalerweise schwerer Wasserstoff verwendet. In einigen Fällen wird
anstelle von schwerem Wasserstoff ein Atomkern von beispielsweise
Fluor verwendet. Der Spin des Referenzatomkerns in der Probe wird
durch das Wechselmagnetfeld erregt, um eine Bewegung zu erzeugen.
Die mikroskopische Spinbewegung erscheint als die Bewegung eines
makroskopischen Magnetisierungsvektors und induziert eine Spannung
der Frequenz f (nachstehend als „Erfassungssignal VD" bezeichnet) in einer
in dem Tester 14 vorgesehenen Erfassungsantenne.
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Die
Strahlungsantenne kann auch als die Erfassungsantenne verwendet
werden. Das Erfassungssignal VD wird von der Erfassungsantenne über den
Schalter 12 an den Sperr-Empfänger gesendet. Der Sperr-Empfänger 16 führt eine
oder beide von einer Frequenzumwandlung und einer Amplitudenumwandlung an
dem Erfassungssignal VD durch und sendet das umgewandelte Signal
(nachstehend als das Empfangssignal VR bezeichnet) an einen Sperr-Detektor 20.
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Der
Sperr-Detektor 20 führt
eine komplexe Erfassung durch Multiplizieren des Empfangssignals
VR mit einem Referenzsignal VF (nachstehend als VF bezeichnet) mit
einer vorgegebenen Frequenz, Phase und Amplitude durch und bildet
dadurch zwei Signale, die als Dispersionssignal SD und Absorptionssignal
(SA) bezeichnet werden, und sendet diese Signale an einen Sperr-Korrigierer 22.
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Der
Sperr-Korrigierer 22 multipliziert SD2/(SD2 + SA2) mit einer
vorgegebenen Konstante G, um einen Wert als Korrektursignal SC zu
ermitteln, und sendet das Korrektursignal SC an die Sperr-Spannungsversorgung 24.
Die Sperr-Spannungsversorgung 24 bewirkt, dass ein Strom,
der proportional zu dem Korrektursignal SC ist, durch eine um die
Probe herum vorgesehene Sperr-Spule 26 fließt, wodurch
ein zu dem Korrektursignal SC proportionales Korrekturmagnetfeld
um die Probe herum angelegt wird. Dementsprechend wird die Größe des durch
die Sperr-Spule 26 fließenden Stroms als Funktion
des Dispersionssignals SD und des Absorptionssignals SA eingestellt.
Die Betätigungen
des Sperr-Senders 10, des Schalters 12, des Sperr-Empfängers 16, des
Sperr-Detektors 20 und des Sperr-Korrigierers 22 werden durch
eine Sperr-Steuerung 27 gesteuert.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das eine konkrete Konfiguration des Sperr-Korrigierers 22 zeigt.
Der Sperr-Korrigierer 22 besteht aus einem Berechnungsabschnitt 28,
in dem das Korrektursignal SC unter Verwendung des Dispersionssignals
SD und des Absorptionssignals SA, die von dem Sperr-Detektor 20 zugeführt werden,
erhalten wird, und einem Korrekturabschnitt 30, aus dem
das in dem Berechnungsabschnitt 28 ermittelte Korrektursignal
SC an die Sperr-Spannungsversorgung 24 ausgegeben wird.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das die Betätigung
des Berechnungsabschnitts 28 zeigt. Die in 3 gezeigte
Betätigung
wird gestartet, wenn der Berechnungsabschnitt 28 eine Steuerstartanweisung
von der Sperr-Steuerung 27 empfängt. Wenn die Steuerung gestartet
wird, wird ein Register im Berechnungsabschnitt initialisiert und
eine Regelschleife wird gestartet. Anschließend werden eine Schleifenverstärkung G
und ein Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert J auf der Basis
eines von der Sperr-Steuerung 27 zugeführten Werts aktualisiert. Standardwerte
für die
Schleifenverstärkung
G und den Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert J werden zum
Zeitpunkt der Registerinitialisierung gesetzt. Wenn kein von der
Sperr-Steuerung 27 zugeführter Eingang
vorhanden ist, bleiben die Anfangswerte unverändert.
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Anschließend werden
das Dispersionssignal SD und das Absorptionssignal SA auf Werte
aktualisiert, die von dem Sperr-Detektor 20 zugeführt werden,
und es wird eine Gewichtsmittelung unter Verwendung des aktualisierten
Dispersionssignals SD und Absorptionssignals SA durchgeführt. Die
Folge von Gewichtsmittelung und Gewichtskoeffizienten wird von einem
Benutzer durch die Sperr-Steuerung 27 gesetzt. Die Folge kann
auf 1 gesetzt werden, um die Gewichtsmittelung unwirksam zu machen.
Wenn der Rauschabstand des Sperr-Signals hoch ist, kann die Gewichtsmittelung
unwirksam gemacht werden, um die Antwort der Sperr-Vorrichtung zu
verbessern.
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Wenn
ein gewichtsgemitteltes Dispersionssignal SD' und ein gewichtsgemitteltes Absorptionssignal SA' erhalten sind, werden
nacheinander A2 = SD'2 + SA'2 und
SC = G × SD'/A2 erhalten.
A2 wird mit dem Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert
J verglichen. Wenn A2 kleiner als der Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert
J ist, wird bestimmt, dass eine Schwankung außerhalb des Steuerbereichs
liegt, und es wird ein Übergang
zur Regelschleifenbeendigungsverarbeitung durchgeführt. Wenn
A2 gleich oder größer als der Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert
J ist, wird das Korrektursignal SC durch den Korrigierer 30 an die
Sperr-Spannungsversorgung 24 ausgegeben. Der Vergleich
zwischen A2 und J kann unmittelbar nach
dem Erhalt von A2 erfolgen.
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Anschließend wird
eine Überprüfung vorgenommen,
ob eine Steuerbeendigungsanweisung von der Sperr-Steuerung 27 vorgesehen
worden ist oder nicht. Die während
des Steuerns ausgegebene Steuerbeendigungsanweisung wird gespeichert,
indem beispielsweise ein Warteschlangenspeicher verwendet wird,
um während
des Steuerns nicht verloren zu gehen, und wird nach der Ausgabe
des Korrektursignals SC ausgeführt.
Wenn die Steuerbeendigungsanweisung nicht vorgesehen worden ist,
kehrt der Vorgang zum Anfangspunkt in der Regelschleife zurück, um die
Regelschleife zu wiederholen. Wenn die Steuerbeendigungsanweisung
vorgesehen worden ist, wird ein Übergang
zur Schleifenbeendigungsverarbeitung vorgenommen, und die Steuerung
wird beendet, wenn die Beendigungsverarbeitung abgeschlossen ist.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Das
Senden (TX) des Wechselstromsignals vom Sperr-Sender 10,
die Empfangsbetätigung
(RX) des Sperr-Empfängers 16,
die Sende-/Empfangsänderung
(TR-SW) durch den Schalter 12, die Betätigung (ADC) eines Analog/Digital-Wandlers, der
zum Sperr-Detektor 20 gehört, und die Zeitsteuerung (LCC)
der Betätigung
der Sperr-Spannungsversorgung 24 sind
in dieser Reihenfolge von oben gezeigt.
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Die
Abszisse der 4 stellt die Zeit und die Ordinate
der 4 stellt die Spannung eines Triggersignals zur
Bezeichnung der Zeitsteuerung jeder Betätigung dar. Die Abszisse und
die Ordinate sind jede von zufälligem
Maßstab.
In 4 wird LCC in Intervallen einer TX-RX-Dauer durchgeführt. Jedoch
kann eine Zeitsteuerungseinstellung leicht so ausgewählt werden,
dass LCC einmal in mehreren TX-RX-Dauern durchgeführt wird.
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Es
wird ein Verfahren zur Berechnung des Korrektursignals SC in der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Atomkernspin der in dem
Magnetfeld platzierten Probe ist ausgerichtet, um einen makroskopischen
Magnetisierungsvektor M zu bilden. Es ist gut bekannt, dass unter
einem statischen Magnetfeld (0, 0, B0),
das in Richtung der z-Achse angelegt ist, und einem Hochfrequenz-Magnetfeld
(2B1cos(ft), 0, 0), das in Richtung der
x-Achse angelegt ist, der Magnetisierungsvektor M = (Mx, My, Mz)
eine Bewegung zeigt, die durch die unten gezeigten Gleichungen ausgedrückt wird.
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In
den Gleichungen (1) ist γ ein
intrinsischer physikalischer Eigenschaftswert des Referenzatomkerns, der
als gyromagnetisches Verhältnis
bezeichnet wird; T2 ist die oben angeführte Seitenrelaxationszeit;
und T1 ist die Längsrelaxationszeit in Bezug
auf die Dämpfungsrate
des Erfassungssignals VD wie T2. Magnetfeldintensitäten B0 und B1 sind durch ω0 und ω1 ausgedrückt,
wie in Gleichung (1) in der letzten Zeile gezeigt, da sie stets
zusammen mit dem gyromagnetischen Verhältnis γ auftreten.
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Aus
einem elektromagnetischen Gesetz ist es gut bekannt, dass das Erfassungssignal
VD, das durch die Bewegung des Magnetisierungsvektors M in die Erfassungsspule
induziert wird, VD = –C × dMx/dt
ist, wenn die Erfassungsspule auf der x-Achse platziert ist. C ist
eine Proportionskonstante, die durch die Eigenschaften der Erfassungsspule,
die Positionsbeziehung zwischen der Erfassungsspule und der Probe
und anderen Faktoren bestimmt wird. Wenn die Gleichungen (1) gelöst werden
können,
kann das Erfassungssignal VD durch die Zeitdifferenzierung der Mx-Lösung erhalten
werden.
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Da
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer
Sperr-Vorrichtung ist, die zur Stabilisierung der Intensität B0 des statischen Magnetfelds verwendet wird,
ist es gewünscht,
dass die Gleichungen (1) unter einer Bedingung gelöst werden,
in der ω0 sich im Lauf der Zeit zufällig ändert. Jedoch
ist es unmöglich,
die Gleichungen (1) unter einer Bedingung zu ändern, der ω0 sich
im Lauf der Zeit zufällig ändert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird daher eine Annäherung
so vorgenommen, dass sich der Magnetisierungsvektor M in einem Beharrungszustand
befindet. Um eine Lösung
zu erhalten, werden die Gleichungen (1) unter Verwendung eines Drehkoordinatensystems
mit einer Drehgeschwindigkeit von ω umgeschrieben. Mx und My,
die die x- und y-Komponenten des Magnetisierungsvektors M in dem
festen Koordinatensystem sind, weisen von den Gleichungen (2) unten
gezeigte Beziehungen mit u und v auf, die die x- und y-Komponenten von M in dem oben
beschriebenen Drehkoordinatensystem sind.
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[Ausdruck 2]
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Mx =
u cosωt – v sinωt
My = –u
sinωt – v cosωt (2)
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Die
Gleichungen (1) werden unter Verwendung des Drehkoordinatensystems
umgeschrieben, um die Gleichungen (3) zu erhalten.
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Wenn
eine Annäherung
so vorgenommen wird, dass der Magnetisierungsvektor M in einem Beharrungszustand
ist, ist jeder der Differenzialausdrücke auf der linken Seite der
Gleichungen (3) Null. Die Gleichungen (4) sind das Ergebnis der
Lösung
der Gleichungen (3) unter einer Bedingung du/dt = dv/dt = dMz/dt =
0.
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Die
Gleichungen (2) und das Gesetz der elektromagnetischen Induktion
werden angewendet, um ein ideales Erfassungssignal VD0 zu
erhalten, wie unten gezeigt, das in die Erfassungsantenne induziert
wird, die in Richtung der x-Achse platziert ist.
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[Ausdruck 5]
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VD0 = –ωC[u sin(ωt) + v cas(ωt)]
= ωCA0cos(ωt
+ ϕ) (5)
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In
der Gleichung (5) ist C eine Proportionskonstante, die durch die
Eigenschaften der Erfassungsspule, die Positionsbeziehung zwischen
der Erfassungsspule und der Probe und anderen Faktoren bestimmt
wird, A0 2 = u2 + v2 und Tan(φ) = –u/v. Im
tatsächlichen
Erfassungssignal VD werden das Rauschen η und eine Phasenabweichung φ in der
Schaltung von der Erfassungsantenne zum Sperr-Detektor zu VD0 addiert.
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Wenn
der Sperr-Detektor 20 eine Erfassung durchführt, wird
die Phase des Referenzsignals VF eingestellt, so dass die Phasenabweichung φ ausgelöscht wird.
Theoretisch ist es möglich,
die Phasenabweichung φ vollständig aufzuheben.
In der Praxis ist dies jedoch unmöglich und es wird zugelassen,
dass ein kleiner Phasenfehler α übrig bleibt.
Daher werden das von dem Sperr-Detektor 20 ausgegebene
Dispersionssignal SD und Absorptionssignal SA von dem Phasenfehler α und dem
Rauschen η begleitet,
wie in Gleichung (7) gezeigt.
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In
der Gleichung (6) ist C' ein
Wert, der durch Multiplizieren von C in der Gleichung (5) durch
eine Änderung
der Signalamplitude aufgrund der Verstärkung der Empfangsschaltung
erhalten wird. Um den gewünschten
Ausdruck des Korrektursignals SC zu erhalten, wird die Gleichung
(6) in die unten gezeigte Gleichung (7) umgeschrieben, indem u und
v in der Gleichung (6) ersetzt werden und eine Matrix verwendet
wird.
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Die
Gleichung (7) wird unter einer Bedingung w1 2T1T2 << 1 betrachtet. Dann ist f(ω0) = 1 in der Gleichung (7). Die Abhängigkeit
des Dispersionssignals SD und des Absorptionssignals Sa von ω0 ist nur u0(ω0) und v0(ω0). Wenn zum Beispiel kein Phasenfehler und
kein Rauschen vorhanden ist, ist (ω – ω0)
= ωC'M0ω1 × SD/(SD2 + SA2) und es ist
möglich,
sofort eine Korrektur des statischen Magnetfelds durch Ausgleichen
der Schleifenverstärkung
G auf 1/(ωC'M0ω1) zu erreichen und das Korrektursignal SC
durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu erhalten. 5 ist
eine Kurve, die das ideale Dispersionssignal SD und Absorptionssignal
SA zeigt. 6 zeigt ein Beispiel des Korrektursignals
SC gemäß der vorliegenden
Erfindung. SC0 auf der Ordinate ist der Wert des Korrektursignals
SC, wenn die Schleifenverstärkung
G 1 ist.
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7 und 8 zeigen
die Werte des Korrektursignals SCO, die mittels der im Nicht-Patentdokument 2
und Patentdokument 1 offenbarten Techniken erhalten werden. Aus
dem Vergleich zwischen 6 und den 7 und 8 ist
offensichtlich, dass das durch die vorliegende Erfindung erhaltene
Korrektursignal SC0 durch einen breiten ω – ω0-Bereich
eine verbesserte Monotonie hat. Das heißt, dass sich gemäß der vorliegenden
Erfindung das Korrektursignal SC linear durch einen breiten Bereich ändert.
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Wenn
der Phasenfehler α nicht
Null ist, ist das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
erhaltene Korrektursignal SC wie nachstehend gezeigt.
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In
der letzten Zeile der Gleichung (8) ist das Korrektursignal SC ausgedrückt durch
die Annahme, dass der Phasenfehler α ausreichend klein ist, und
durch Anwenden von Cosinus und Sinus auf den durch die Taylor-Erweiterung
erweiterten primären
Ausdruck bezüglich
des Phasenfehlers α.
Wie durch Verwendung der Gleichung (8) gezeigt ist, stellt das Verfahren
zur Berechnung des Korrektursignals SC gemäß der vorliegenden Erfindung
eine stabile Steuerung sicher, selbst wenn der Empfangsphasenfehler α nicht Null
ist.
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(Ausführungsform
2)
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Eine
weitere Ausführungsform
der Sperr-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme
auf das in 9 gezeigte Flussdiagramm beschrieben.
In der Sperr-Vorrichtung mit der in den 1 und 2 gezeigten
Konfiguration empfängt
der Berechnungsabschnitt 28 eine Steuerstartanweisung von
der Sperr-Steuerung 27 und startet die Steuerung, und startet
die Regelschleife nach dem Initialisieren des Registers in dem Berechnungsabschnitt 28.
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Anschließend werden
eine Tabelle GA und eine Tabelle J für die Schleifenverstärkung auf
der Basis eines von der Sperr-Steuerung 27 zugeführten Werts
aktualisiert. Wenn kein von der Sperr-Steuerung 27 zugeführter Eingang
vorhanden ist, werden zum Zeitpunkt der Registerinitialisierung
gesetzte Standardwerte für die
Tabelle GA und die Tabelle J zur anschließend durchgeführten Berechnung
des Korrektursignals SC verwendet. Das Dispersionssignal SD und
das Absorptionssignal SA werden dann auf Werte aktualisiert, die
von dem Sperr-Detektor zugeführt
werden, und eine Gewichtsmittelung wird mittels der Werte des aktualisierten Dispersionssignals
SD und des aktualisierten Absorptionssignals SA durchgeführt.
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Die
Folge von Gewichtsmittelung und Gewichtskoeffizienten wird von einem
Benutzer durch die Sperr-Steuerung 27 gesetzt. Die Folge
kann auf 1 gesetzt werden, um die Gewichtsmittelung unwirksam zu machen.
Wenn der Rauschabstand des Sperrsignals hoch ist, kann die Gewichtsmittelung
unwirksam gemacht werden, um die Antwort der Sperr-Vorrichtung zu
verbessern. Wenn ein gewichtsgemitteltes Dispersionssignal SD' und ein gewichtsgemitteltes
Absorptionssignal SA' erhalten
werden, werden A2 = SD'2 + SA'2 und SC0
= SD'/A2 nacheinander
erhalten. Nach dem Erhalt von SC0 wird ein geeigneter Schleifenverstärkungswert G
aus der Tabelle GA für
die Schleifenverstärkung
nach Maßgabe
des Werts von SC0 ausgewählt.
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Die
entsprechende Beziehung zwischen der Schleifenverstärkung G
und dem Korrektursignal SC0 ist zum Beispiel G = X – X/(SC02 + Y). X und Y sind vom Benutzer bezeichnete
Konstanten. Ein geeigneter Wert kann als die Schleifenverstärkung G
aus GA nach Maßgabe
einer Korrespondenzbeziehung, wie etwa derjenigen, die oben angegeben
ist, ausgewählt
werden, oder die Schleifenverstärkung
G kann direkt ohne Verwendung von GA berechnet werden. Nach Erhalt
der Schleifenverstärkung
G wird das Korrektursignal SC = G × SC0 erhal ten. Anschließend wird
A2 mit dem Steuerbereichsdiskriminierungs-Schwellwert J verglichen.
Wenn A2 kleiner als J ist, wird bestimmt, dass eine Schwankung außerhalb
des Steuerbereichs liegt, und es wird ein Übergang zur Regelschleifenbeendigungsverarbeitung
vorgenommen. Wenn A2 gleich oder größer als
J ist, wird das Korrektursignal SC durch den Korrigierer 30 an
die Sperr-Spannungsversorgung 24 ausgegeben. Der Vergleich
zwischen A2 und J kann in jedem Stadium
zwischen dem Schritt des Erhalts von A2 und
dem Schritt des Ausgebens des Korrektursignals SC erfolgen.
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Anschließend wird
eine Überprüfung vorgenommen,
ob eine Steuerbeendigungsanweisung von der Sperr-Steuerung 27 vorgesehen
worden ist oder nicht. Die während
des Steuerns ausgegebene Steuerbeendigungsanweisung wird unter Verwendung
von zum Beispiel einem Warteschlangenspeicher gespeichert, um während des
Steuerns nicht verloren zu gehen, und wird nach dem Ausgeben des
Korrektursignals SC ausgeführt.
Wenn die Steuerbeendigungsanweisung nicht vorgesehen worden ist,
kehrt der Vorgang zum Anfangspunkt in der Regelschleife zurück, um die
Regelschleife zu wiederholen. Wenn die Steuerbeendigungsanweisung
vorgesehen worden ist, wird der Übergang
zur Schleifenbeendigungsverarbeitung vorgenommen und die Steuerung
wird beendet, wenn die Beendigungsverarbeitung abgeschlossen ist.
Wenn das Verfahren zum Berechnen des Korrektursignals SC in dieser
Ausführungsform
verwendet wird, kann das Korrektursignal SC mit hoher Genauigkeit
ungeachtet der Bedingung w1 2T1T2 << 1 erhalten werden.
