JP2009079932A

JP2009079932A - 電磁探査装置

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Publication number: JP2009079932A
Application number: JP2007247828A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Arai; 英一荒井; Hiroyuki Katayama; 弘行片山; Kazuo Masuda; 一夫増田; Toshihiko Hayashi; 歳彦林; Tatsuoki Nagaishi; 竜起永石; Hajime Ota; 肇太田
Original assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Current assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】ＳＱＵＩＤを用いた電磁探査装置において、高周波ノイズの影響を除去する。
【解決手段】検出部２は、ＳＱＵＩＤを超電導状態に維持するための冷却媒体を格納する容器部２４と、冷却媒体に浸漬されたＳＱＵＩＤ２０と、熱侵入を防ぐ蓋部２８と、蓋部２８を貫通しＳＱＵＩＤ２０と接続されたＦＬＬ回路２２とを含む。容器部２４および蓋部２８は、代表的にガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成されており、容器外部からの熱侵入を抑制するために、その外周には真空層２６が形成されている。容器部２４および蓋部２８の外表面は、高周波ノイズを遮蔽するためのシールド部材３０と、該シールド部材３０を保護するための樹脂部材３２とにより被覆される。シールド部材３０は、銀ペーストを容器部２４および蓋部２８の外表面に塗布することにより形成される。
【選択図】図３

Description

この発明は、代表的に地質調査や地下資源探査などに用いられる電磁探査装置に関し、より特定的には超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた構成に関する。

従来から、地質調査や地下資源探査などに用いられる電磁探査技術が実用化されている。この電磁探査技術では、代表的に地質の電気的物性（比抵抗）が測定される。このような地質の電気的物性を測定する方法として、地表面から地下の探査対象に向けて、周期的に変化する１次磁場を発生するとともに、この１次磁場によって発生する２次磁場を測定する方法が知られている（たとえば、特許文献１や非特許文献１）。

より詳細には、１次磁場が時間的に変動することによって、地表面にはその変動を妨げる方向に誘導電流が発生する。この誘導電流は、伝播経路にある地質の比抵抗の大きさに応じて減衰するが、この減衰に伴う誘電電流の時間的変化を妨げる方向に新たな誘導電流が発生する。このような誘導電流の発生プロセスが繰返されて、あたかも誘導電流が地下深部に伝播していくような現象を生じる。このような現象は「スモークリング」とも称されている。このような誘導電流は、伝播経路の比抵抗に応じて減衰するため、この誘電電流が発生する磁場を時間の関数として測定することにより、地下地質の比抵抗分布（主に断面図）を取得することができる。すなわち、誘導電流は、時間の経過とともに、その半径を広げながら深部方向に拡散する。送信ループに流していた一定電流を瞬間的に遮断した場合、深部方向に拡散する誘導電流の深度である拡散深度δは、電流を遮断してからの経過時間ｔを用いてδ＝（２ｔ／σμ）^１／２（σ：地下の導電率、μ：地下の透磁率）と表すことができる。したがって、測定時間をより長くすることによって、より深部までの比抵抗分布を取得することができる。

従来、このような２次磁場の測定には、金属導線からなる受信コイルを用いた誘導コイル型磁力計が用いられてきた。この誘導コイル型磁力計は、原理的に、磁場の大きさではなくその時間微分を測定する。これに対して、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下、「ＳＱＵＩＤ」とも称す）を用いて、磁場の大きさを直接測定する構成が提案されている。磁場の時間的変化は、磁場の時間微分の時間的変化に比較して緩やかであり、かつその値も大きい。さらに、ＳＱＵＩＤによれば、より微小な磁場を検出できるので、誘導コイル型磁力計よりもより遅い時間までデータを取得することができる。したがって、ＳＱＵＩＤを用いることにより誘導コイル型磁力計より深部についての比抵抗分布を取得することができる。
特開平７−１１０３８２号公報内田利弘、斎藤章、「電磁法探査システムの開発動向」、物理探査、社団法人物理探査学会、第４７巻第６号、ｐｐ４７２−５００

しかしながら、上述したように２次磁場の測定にＳＱＵＩＤを用いた場合には、調査地域において高周波の電波が電磁気的なノイズとなってＳＱＵＩＤ出力信号が不安定になるという問題がある。したがって、高周波ノイズによる誤検出を防止して高い検出精度を維持するためには、高周波ノイズの影響を除去する必要がある。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高周波ノイズの影響を除去することができる電磁探査装置を提供することである。

この発明のある局面に従う電磁探査装置は、探査対象に向けて磁場を発生する送信部と、ＳＱＵＩＤを含み、探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部と、検出部による検出結果を収集するデータ処理装置と、検出部の外表面を被覆するように配置され、探査対象に応じて発生する磁場の周波数よりも高周波領域における電磁波を遮蔽するためのシールド部材とを備える。

好ましくは、検出部は、ＳＱＵＩＤおよびＳＱＵＩＤを冷却するための冷却媒体を格納する容器部および蓋部を含む。シールド部材は、容器部および蓋部の外表面に塗布された導体である。

より好ましくは、導体は、容器部の外表面に向けて吹き付けられた、導電性粉末を含む導体ペーストである。

この発明によれば、高周波ノイズの影響を除去することにより、高精度に電磁探査を行なうことができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

（全体構成）
図１は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１の概略構成図である。

図２は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１を用いた電磁探査方法の概略を示す図である。

図１および図２を参照して、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１は、代表的に地質調査や地下資源探査などに用いられ、探査対象の電気的物性（比抵抗）の３次元分布などを測定することができる。

より具体的な構成として、電磁探査装置１は、検出部２と、データ処理装置３と、コントローラ４０と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換部４２と、パルス発振部４４と、送信機４６と、送信ループコイル４８とを含む。

送信機４６は、パルス発振部４４で発生するパルス信号（周期信号）に応じて、送信ループコイル４８に所定の送信電流（交替直流）を流すことで、送信ループコイル４８から探査対象に向けて磁場（以下、「１次磁場」とも称す）を発生する。送信ループコイル４８への送信電流を瞬時に遮断することにより、地表面にはその変動を妨げる方向に誘導電流が発生する。この誘導電流は、伝播経路にある地質の比抵抗の大きさに応じて減衰するが、この減衰に伴う誘電電流の時間的変化を妨げる方向に新たな誘導電流が発生する。このような誘導電流の発生プロセスが繰返されて、あたかも誘導電流が地下深部に伝播していくような現象（スモークリング）を生じる。

地表付近に配置された検出部２は、このような誘導電流によって発生する２次磁場を検出し、その検出結果をＡ／Ｄ変換部４２を介して、データ処理装置３へ出力する。この２次磁場は、誘導電流の減衰状態、すなわち伝播経路にある探査対象の比抵抗に応じた値を示す。また、２次磁場は誘導電流の伝播に伴って発生するので、２次磁場の時間的変化における経過時間は、深度に対応する。そのため、２次磁場の時間的変化に基づいて、比抵抗の地下方向のプロファイルを取得することができる。

検出部２は、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device；以下「ＳＱＵＩＤ」とも称す。）２０と、ＦＬＬ回路２２とを含み、探査対象に応じて発生する磁場を検出する。検出部２からはＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束に応じた電圧値が測定信号として出力される。なお、本実施の形態では、１個の検出部２を含む電磁探査装置１を例示するが、検出部２の個数は２個まで可能である。また、１個のＳＱＵＩＤ２０から構成される検出部２を例示するが、その検出面をたとえば水平方向と垂直方向とにそれぞれ向けた複数のＳＱＵＩＤ２０によって検出部を構成してもよい。

Ａ／Ｄ変換部４２は、検出部２で検出された電圧値（アナログ値）をデジット値に逐次変換して、データ処理装置３へ出力する。

データ処理装置３は、Ａ／Ｄ変換部４２から出力される検出部２における検出結果を収集する。特に、データ処理装置３は、後述するようなデータ処理を行なって探査結果を取得する。なお、取得された探査結果は、データ処理装置３のディスプレイなどに表示される。

パルス発振部４４は、送信機４６を駆動するための発振信号（代表的に、周期パルス信号）を出力し、データ処理装置３からの送信指令に応答して、周期、波形および信号強度などを変更可能に構成される。

送信機４６と送信ループコイル４８とは、探査対象に向けて磁場を発生する送信部であり、送信機４６は、パルス発振部４４からの発振信号を増幅し、送信ループコイル４８に当該増幅した送信電流を流すとともに、送信ループコイル４８はこの電流に応じて、１次磁場を発生する。

（検出部）
図３は、この発明の実施の形態に従う検出部２の一部断面側面図である。

図３を参照して、検出部２は、ＳＱＵＩＤ２０を超電導状態に維持するための冷却媒体を格納する容器部２４と、冷却媒体に浸漬されたＳＱＵＩＤ２０と、熱侵入を防ぐ蓋部２８と、蓋部２８を貫通しＳＱＵＩＤ２０と接続されたＦＬＬ回路２２とを含む。

ＳＱＵＩＤ２０としては、ニオブ化合物などからなる低温超電導体、もしくはセラミックスなどからなる高温超電導体のいずれで構成してもよいが、本実施の形態に従う電磁探査装置１では、高温超電導体を用いる場合について説明する。高温超電導体は、約７７Ｋで超電導状態となるため、冷却媒体として液体窒素ＬＮ２（沸点：７７．３Ｋ）が用いられる。なお、低温超電導体を用いる場合には、冷却媒体として液体ヘリウム（沸点：４．２Ｋ）を用いる必要がある。

容器部２４は、代表的にガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成されており、容器外部からの熱侵入を抑制するために、その外周には真空層２６が形成されている。また、蓋部２８も同様に、ガラスエポキシなどの非導電性の材料で構成されており、ネジなどによって容器部２４と密着する。

検出部２は、さらに、容器部２４および蓋部２８の外表面を被覆するように配置されたシールド部材３０と、シールド部材３０の外表面に塗布された樹脂部材３２とを含む。

シールド部材３０は、代表的には銀などの導電性金属からなり、装置外部からの高周波ノイズを遮蔽する。本実施の形態では、シールド部材３０は、たとえば、銀ペーストを容器部２４および蓋部２８に塗布することにより形成される。

より具体的には、樹脂に導電性粉末を含ませて成る導体ペースト（たとえば銀ペースト）をスプレーガンにより容器部２４および蓋部２８の外表面に吹き付けることにより、該外表面に銀ペーストが塗布される。これによれば、容器部２４および蓋部２８の外表面に凹凸がある場合であっても、作業性良く、該外表面に対して均一に銀ペーストを塗布することができる。その結果、所望のシールド性能を確保することができる。なお、容器部２４および蓋部２８に、真空蒸着、スパッタリング等により銀ペーストの被膜を形成するようにしてもよい。

シールド部材３０の厚みは、高周波ノイズに対して良好なシールド性能を示すとともに、所望の周波数（１００ｋＨｚ程度）においてシールド部材３０内部での渦電流の発生を抑制するように決定される。

樹脂部材３２は、代表的にはエポキシ樹脂からなり、シールド部材３０を被覆することにより、シールド部材３０が外部との接触などによって剥離するのを防止する。なお、樹脂部材３２の一部は開口されており、この開口部分を介してシールド部材３０をＦＬＬ回路２２のグランドに短絡させている。

図４は、ＳＱＵＩＤ２０による磁場検出の原理を説明するための図である。
図５は、ＳＱＵＩＤ２０へ入力する磁束と出力電圧との関係を示す図である。

図４を参照して、ＳＱＵＩＤ２０は、ループ状に形成された超電導材料からなり、そのループ上に２個のジョセフソン接合ＪＪが形成される。このジョセフソン接合ＪＪは、絶縁材料を２つの超電導材料で積層した構造を有し、他の部分に比較して超電導材料としての特性が低い。そのため、ジョセフソン接合ＪＪは、ＳＱＵＩＤ２０の中で、最も早く超電導状態から常電導状態に移行する。すなわち、ループを流れる電流が所定の制限値を超えると、ＳＱＵＩＤ２０には常電導状態の部分が生じるが、この制限値はジョセフソン接合ＪＪによって制限されることになる。

ところで、ＳＱＵＩＤ２０は、超電導状態においては、自身を貫く磁束を排除するような現象（マイスナー効果）を生じる。より具体的には、外部からの磁束がＳＱＵＩＤ２０を貫通しようとすると、この磁束を打ち消すための遮蔽電流が流れる。そこで、ジョセフソン接合ＪＪが超電導状態を維持できる制限値にほぼ等しいバイアス電流を外部から与えておくと、外部からの磁束を打ち消すための遮蔽電流が流れることで、ジョセフソン接合ＪＪは常電導状態に部分的に移行し、電気抵抗が発生する。この電気抵抗は、遮蔽電流の大きさ、すなわち入力する磁束の大きさに依存するので、電気抵抗に起因して生じる出力電圧を測定することで、検出部２に生じる磁場を検出することができる。

このＳＱＵＩＤ２０に生じる磁束は、磁束量子φ_０（＝２．０７×１０^−１５Ｗｂ）の単位で量子化される。そのため、図５に示すように、入力する磁束に対するＳＱＵＩＤ２０の出力電圧は、磁束量子φ_０の単位で同様の特性が繰り返し表れることになる。これは、マイスナー効果がＳＱＵＩＤ２０に侵入する磁束を排除するに作用する一方で、ＳＱＵＩＤ２０内に一旦侵入すると、磁束量子φ_０の単位でその磁束を閉じ込めるように作用するからである。

図５に示すように、同一の出力電圧に複数の磁束が対応することになるので、量子化状態が既知でなければ、ＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束の大きさを出力電圧に基づいて一意に決定することはできない。そこで、以下に述べるようなＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路２２を用いて、磁場を検出する。

図６は、この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路２２の概略の回路構成を示す図である。

図６を参照して、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０を特定の量子化状態に維持するとともに、ＳＱＵＩＤ２０の出力電圧を測定する。より具体的には、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０の両端に発生する電圧を積分して出力するとともに、ＳＱＵＩＤ２０に近接して配置されたフィードバックコイル２１から、この積分電圧に応じたバイアス磁束をＳＱＵＩＤ２０に与える。このようなバイアス磁束によって、検出対象の磁束（磁場強度）に応じた測定信号を出力するとともに、ＳＱＵＩＤ２０に入力する磁束を実質的にゼロに維持し、量子化状態の遷移による誤差発生を抑制する。

より具体的な構成として、ＦＬＬ回路２２は、ＳＱＵＩＤ２０の両端に生じる電圧を差動増幅する差動増幅器２２１と、演算増幅器２２２，２２６と、コンデンサ２２３と、抵抗器２２４，２２５と、可変抵抗器２２７とを含む。

演算増幅器２２２とコンデンサ２２３とは積分器を構成し、演算増幅器２２２の増幅率およびコンデンサ２２３の容量によって定まる時定数τをもつ。この時定数τは、ＦＬＬ回路としての応答速度（スルーレート）を定めるものであり、時定数τが小さいほど、その応答速度は高くなるが、安定性が低下するので、応答速度および安定性を考慮して適切に設定される。この積分器（演算増幅器２２２およびコンデンサ２２３）からＳＱＵＩＤ２０についての測定信号（電圧信号）が出力される。演算増幅器２２２の出力には、抵抗器２２４を介してフィードバックコイル２１が接続されており、測定信号に応じた電流がフィードバックコイル２１へ供給される。

また、抵抗器２２４とフィードバックコイル２１との間には、電源ラインから可変抵抗器２２７、演算増幅器２２６、および抵抗器２２５が直列に接続されており、ＳＱＵＩＤ２０の電圧出力のゼロレベルを調整するために、フィードバックコイル２１へ供給される電流の微調整が可能になっている。

以上のような構成によって、検出部２は、１次磁場を受けて、検出対象に応じて発生する２次磁場の大きさを直接的に測定することができる。

そして、本構成において、検出部２の容器部２４および蓋部２８をシールド部材３０で被覆することにより、高周波ノイズの影響が除去されるため、検出部２の動作が不安定になるのを回避することができる。

さらに、以下に述べるように、シールド部材３０の有り無しによって電磁探査を行なった場合に取得されるデータに違いがないことが確認されている。

図７は、検出部２の検出結果におけるシールド部材の影響度を説明するための図である。図７（Ａ）は、この発明の実施の形態に従う電磁探査装置１を用いて電磁探査を行なった場合の測定信号の時間波形である。図７（Ｂ）には、比較のために、検出部２がシールド部材３０を有しない電磁探査装置を用いて電磁探査を行なった場合の測定信号の時間波形を示す。なお、いずれの時間波形も、送信ループコイル４８のサイズを１００ｍ×１００ｍとし、送信電流値を０．３Ａ、送信周波数を２５Ｈｚとした場合に、検出部２から測定信号として取得されたものである。

図７（Ａ）および（Ｂ）を比較して、測定信号の時間波形が略同じであることが分かる。特に、影響が懸念された早い時期での結果には、全く相違が観察されない。したがって、シールド部材３０が高周波ノイズの影響を除去するのに有効であると言える。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従う電磁探査装置の概略構成図である。この発明の実施の形態に従う電磁探査装置を用いた電磁探査方法の概略を示す図である。この発明の実施の形態に従う検出部の一部断面側面図である。ＳＱＵＩＤによる磁場検出の原理を説明するための図である。ＳＱＵＩＤへ入力する磁束と出力電圧との関係を示す図である。この発明の実施の形態に従うＦＬＬ回路２２の概略の回路構成を示す図である。検出部の検出結果におけるシールド部材の影響度を説明するための図である。

符号の説明

１電磁探査装置、２検出部、３データ処理装置、２０ＳＱＵＩＤ、２１フィードバックコイル、２２ＦＬＬ回路、２４容器部、２６真空層、２８蓋部、３０シールド部材、３２樹脂部材、４０コントローラ、４２Ａ／Ｄ変換部、４４パルス発振部、４６送信機、４８送信ループコイル、２２１差動増幅器、２２２，２２６演算増幅器、２２３コンデンサ、２２４，２２５抵抗器、２２７可変抵抗器、ＪＪジョセフソン結合、ＬＮ２液体窒素。

Claims

探査対象に向けて磁場を発生する送信部と、
ＳＱＵＩＤを含み、前記探査対象に応じて発生する磁場を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果を収集するデータ処理装置と、
前記検出部の外表面を被覆するように配置され、前記探査対象に応じて発生する磁場の周波数よりも高周波領域における電磁波を遮蔽するためのシールド部材とを備える、電磁探査装置。
前記検出部は、前記ＳＱＵＩＤおよび前記ＳＱＵＩＤを冷却するための冷却媒体を格納する容器部および蓋部を含み、
前記シールド部材は、前記容器部および蓋部の外表面に塗布された導体である、請求項１に記載の電磁探査装置。
前記導体は、前記容器部の外表面に向けて吹き付けられた、導電性粉末を含む導体ペーストである、請求項２に記載の電磁探査装置。