JP2009180677A - Magnetic field stabilizing mechanism, magnetic resonance apparatus, and electron spin resonance apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an externally-locking magnetic field stabilization technology for accurately stabilizing the magnetic field of an NMR apparatus, or the like. <P>SOLUTION: In a magnetic field stabilization mechanism for measuring the magnetic field from a NMR signal of a locking sample, disposed separated from a measurement sample and stabilizing the magnetic field generated from an NMR magnet, based on the measured magnetic field, a correction quantity calculating section, is provided so as to calculate the correction current values required for the magnetic field correction coil for suppressing the magnetic field fluctuations in a NMR measurement sample position, based on the strength of the magnetic field in a locking sample position. Since stabilization can be obtained, even if the magnetic field fluctuation is large, the magnetic field can be stabilized accurately, even if a current is carried from an external power supply to the NMR magnet. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置の磁場を安定化させるためのロック機構に関する。   The present invention relates to a lock mechanism for stabilizing a magnetic field of a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus.

NMR(核磁気共鳴)装置は、静磁場中に置かれた試料が持つ共鳴周波数を測定する装置であり、有機物や固体から生体高分子に至る幅広い試料の測定に用いられる。NMR装置では、高磁場化によって、高感度、高分解能なスペクトルを得ることができる。特に、固体NMRでは、原理的にほぼ全ての元素の分析が可能であるものの、感度や分解能が足りないために、四極子核の計測が困難であった。高磁場化によって四極子核計測の感度や分解能が向上すれば、従来分析対象にならなかった多くの元素や材料についての分析が可能となるため、高磁場化は固体NMRにおいて特に有効である。   An NMR (nuclear magnetic resonance) apparatus is an apparatus for measuring the resonance frequency of a sample placed in a static magnetic field, and is used for measuring a wide range of samples ranging from organic substances and solids to biopolymers. In the NMR apparatus, a high-sensitivity and high-resolution spectrum can be obtained by increasing the magnetic field. In particular, in solid-state NMR, almost all elements can be analyzed in principle, but due to lack of sensitivity and resolution, it is difficult to measure quadrupole nuclei. If the sensitivity and resolution of quadrupole nucleus measurement are improved by increasing the magnetic field, it becomes possible to analyze many elements and materials that have not been analyzed in the past. Therefore, increasing the magnetic field is particularly effective in solid-state NMR.

ところで、従来のNMR装置の磁石には、NbTiやNbSbのような低温超伝導線材が用いられている。このような磁石は、数十個のコイルからなり、コイル間は超伝導接続で接続される。そして、励磁後に永久電流スイッチでショートされ、励磁電源から切り離した永久電流モードで運転される。このような超電導磁石は、永久電流モードで10−8/hの磁場安定度を持つ。溶液NMR装置では10−10/h以下の磁場安定度が要求されるので、通常は、この水準を実現するために磁場ロック装置が備えられている。 By the way, a low-temperature superconducting wire such as NbTi or Nb 3 Sb is used for a magnet of a conventional NMR apparatus. Such a magnet is composed of several tens of coils, and the coils are connected by superconductive connection. Then, after excitation, the circuit is short-circuited by a permanent current switch and operated in a permanent current mode separated from the excitation power source. Such a superconducting magnet has a magnetic field stability of 10 −8 / h in the permanent current mode. Since a solution NMR apparatus requires a magnetic field stability of 10 −10 / h or less, a magnetic field lock apparatus is usually provided to achieve this level.

溶液NMRでは、内部ロックが用いられる。内部ロックは、測定用の試料をロック用の核種(Hが用いられることが多い)が入った溶媒に溶かし、ロック用核種のNMR信号を測定用試料のNMR信号とは別に観測する。そして、ロック用のNMR信号の周波数が一定となるようにロック用の磁場補正コイルの電流を調整する。これにより、磁場が安定化する。この方式は、測定用試料の位置と同じ場所でロック用試料の測定を行うため、内部ロックと呼ばれている。 In solution NMR, an internal lock is used. Internal lock dissolved in containing the species for locking the sample for measurement (2 H is often used) solvent, it observed separately from the NMR signal of the measurement sample an NMR signal of the locking nuclide. Then, the current of the magnetic field correction coil for locking is adjusted so that the frequency of the NMR signal for locking becomes constant. Thereby, the magnetic field is stabilized. This method is called an internal lock because the lock sample is measured at the same location as the measurement sample.

内部ロック装置では、検波器を用いている。検波器は、参照信号と測定信号との間の周波数の差をみることができる装置である。この方式は非常に鋭敏で高精度に周波数の差を検知することができる。そして、このずれを常時補正することで、超電導磁石の磁場を高精度に安定化させることができる。   The internal lock device uses a detector. A detector is a device that can see the difference in frequency between a reference signal and a measurement signal. This method is very sensitive and can detect a frequency difference with high accuracy. And by always correcting this deviation, the magnetic field of the superconducting magnet can be stabilized with high accuracy.

なお、ロック用試料の測定を測定試料の場所とは異なる場所で行う方式は外部ロックと呼ばれている。外部ロックは、固体NMRのように内部ロックが利用できない場合に用いる方法である。固体NMRでは、溶液NMRに比べてスペクトルの線幅が太い(つまり、周波数解像度が低い)ので、溶液NMR程の磁場安定度は必要とされない。そのため、永久電流モードで実現される10−8/hの磁場安定度で十分であり、より高度な安定度が
得られる外部ロック方式についての研究はあまりなされていない。
米国特許第4110681号明細書 米国特許第4171511号明細書 特開昭62−222179号公報 米国特許第6037775号明細書 特開2006−38570号公報 特開2007−3458号公報
A method of measuring the lock sample at a place different from the place of the measurement sample is called an external lock. The external lock is a method used when the internal lock cannot be used as in solid state NMR. In solid-state NMR, since the line width of a spectrum is thicker than that in solution NMR (that is, frequency resolution is low), the magnetic field stability as high as solution NMR is not required. Therefore, a magnetic field stability of 10 −8 / h realized in the permanent current mode is sufficient, and there has not been much research on an external lock system that can obtain a higher degree of stability.
U.S. Pat. No. 4,101,681 U.S. Pat. No. 4,171,511 JP 62-222179 A US Pat. No. 6,037,775 JP 2006-38570 A Japanese Patent Laid-Open No. 2007-3458

1GHzを超えるNMR(磁場の大きさをHの核磁気共鳴周波数で表す。23.5Tに相当)を実現しようとした場合、高磁場部分には低温超伝導線は利用することはできない。なぜならば、20Tを超えるような高磁場中では、低温超伝導線の臨界電流密度が小さくなるためである。この低温超伝導線の臨界電流の問題により、従来の方法では1GHz程度以上の高磁場化は難しい。 When trying to realize NMR exceeding 1 GHz (the magnitude of the magnetic field is expressed by a nuclear magnetic resonance frequency of 1 H. Corresponding to 23.5 T), the low-temperature superconducting wire cannot be used in the high magnetic field portion. This is because the critical current density of the low-temperature superconducting wire is small in a high magnetic field exceeding 20T. Due to the problem of the critical current of this low-temperature superconducting wire, it is difficult to achieve a high magnetic field of about 1 GHz or more by the conventional method.

したがって、NMR装置の磁石の高磁場部に、高温超伝導線材を用いることが必要となる。高温超伝導線を超流動ヘリウム温度で使用すると、高磁場中でも高い臨界電流が得られるため、1GHz以上の高磁場化が可能となる。ただし、高温超伝導線は、大きな電流を流すと僅かではあるものの抵抗が発生する。また、コイル間の接続を超伝導接続で行うことは不可能であるために、接続部にわずかな抵抗が発生する。このため低温超伝導線を用いたNMR磁石のように永久電流モードで使用すると、この抵抗により10−4/hから10−6/hの速度で電流が減衰してしまい、NMRで必要とされる十分な磁場安定度を実現することができない。 Therefore, it is necessary to use a high-temperature superconducting wire for the high magnetic field part of the magnet of the NMR apparatus. When a high-temperature superconducting wire is used at a superfluid helium temperature, a high critical current can be obtained even in a high magnetic field, so that a high magnetic field of 1 GHz or more can be achieved. However, the high-temperature superconducting wire generates a small amount of resistance when a large current flows. In addition, since it is impossible to connect the coils by superconducting connection, a slight resistance is generated at the connection portion. For this reason, when used in a permanent current mode like an NMR magnet using a low-temperature superconducting wire, this resistance attenuates the current at a rate of 10 −4 / h to 10 −6 / h, which is required for NMR. Sufficient magnetic field stability cannot be achieved.

そこで、高温超伝導線からなるNMR磁石を、永久電流モードで使用するのではなく、外部電源から電流を常に供給する必要がある。これにより、磁場減衰を抑えることができる。しかしながら、外部電源を用いると、外部電源の電流変動を受けて磁場が変動してしまうという問題が生じる。この電流変動量は電源の性能にも依存するが、高安定化電源を用いた場合であっても10−6から10−5程度と、従来のNMR装置で使われている永久電流通電に比べれば遙かに大きく、これによりNMRスペクトルが変調され精密な測定が不可能となる。 Therefore, it is necessary to always supply current from an external power source instead of using an NMR magnet made of a high-temperature superconducting wire in the permanent current mode. Thereby, magnetic field attenuation can be suppressed. However, when an external power source is used, there arises a problem that the magnetic field fluctuates due to current fluctuation of the external power source. Although the amount of current fluctuation depends on the performance of the power source, even when a highly stabilized power source is used, it is about 10 −6 to 10 −5 , which is in comparison with the permanent current energization used in the conventional NMR apparatus. This is much larger, which modulates the NMR spectrum, making it impossible to make precise measurements.

このように、NMR磁石に外部電源から電流を通電する場合、磁場の安定化が必須となる。   Thus, when a current is supplied to the NMR magnet from an external power source, it is essential to stabilize the magnetic field.

内部ロック方式は、永久電流モードのように比較的磁場変動の割合が少ない場合には有効であるが、外部電源通電モードのように磁場が大きく変動する場合には、対応できない場合がある。検波器によって周波数差を検出する際に、分散信号の出力が周波数差に比例するのは周波数差が小さい場合のみであり、周波数差(磁場変動)が大きくなる場合には修正精度が悪化してしまう。また、固体試料を用いる固体NMRでは測定用試料にロック用試料(H等)を混入することが難しく、固体NMRに内部ロック方式を適用できない。 The internal lock method is effective when the rate of magnetic field fluctuation is relatively small as in the permanent current mode, but may not be able to cope with a large fluctuation in magnetic field as in the external power supply energization mode. When the frequency difference is detected by the detector, the output of the dispersion signal is proportional to the frequency difference only when the frequency difference is small. When the frequency difference (magnetic field fluctuation) increases, the correction accuracy deteriorates. End up. In solid NMR using a solid sample, it is difficult to mix a lock sample (such as 2 H) into the measurement sample, and the internal lock method cannot be applied to solid NMR.

一方、従来の外部ロック方式は、対応できる磁場変動の許容幅は大きいものの、高精度の安定化には限界があった。   On the other hand, the conventional external lock method has a large allowable range of magnetic field fluctuations, but there is a limit to high-accuracy stabilization.

つまり、高温超伝導線に外部電源を通電する場合のように磁場変動が大きいときに、これをNMR測定の要求精度で安定化する手段は今まで存在していなかった。   That is, until now, there has been no means for stabilizing the high-temperature superconducting wire with the required accuracy of NMR measurement when the magnetic field fluctuation is large, such as when an external power source is energized.

本発明はこのような問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置の磁場を安定化する外部ロック方式の磁場安定化技術を提供することにある。   The present invention has been made in consideration of such problems, and an object thereof is to provide an external lock type magnetic field stabilization technique for stabilizing the magnetic field of a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus. .

上記目的を達成するために、本発明に係る磁場安定化機構は、以下の手段によって磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置の磁場生成手段が生成する磁場を安定化する。   In order to achieve the above object, the magnetic field stabilization mechanism according to the present invention stabilizes the magnetic field generated by the magnetic field generation unit of the magnetic resonance apparatus or the electron spin resonance apparatus by the following means.

本発明に係る磁場安定化機構は、測定用試料の近傍に配置されたロック用試料と、これに高周波を照射して、共鳴信号を受信するロック用共鳴信号受信部と、磁場生成手段の作
る磁場を補正する磁場補正コイルを有する。本発明に係る磁場安定化機構は、測定用試料とは異なる位置にあるロック用の試料から得られる共鳴信号に基づいて磁場を補正する、いわゆる外部ロック方式による磁場安定化機構である。
The magnetic field stabilization mechanism according to the present invention includes a locking sample disposed in the vicinity of a measurement sample, a locking resonance signal receiving unit that receives a resonance signal by irradiating the locking sample, and a magnetic field generation unit. A magnetic field correction coil for correcting the magnetic field is included. The magnetic field stabilization mechanism according to the present invention is a magnetic field stabilization mechanism based on a so-called external lock method that corrects a magnetic field based on a resonance signal obtained from a lock sample located at a position different from the measurement sample.

本発明に係る磁場安定化機構では、ロック用共鳴信号受信部から得られる共鳴信号の変動に基づいて、測定用試料の位置における磁場変動を抑制するために印加する磁場補正コイルへの電流値を算出する補正量演算部を有する。   In the magnetic field stabilization mechanism according to the present invention, the current value to the magnetic field correction coil to be applied to suppress the magnetic field fluctuation at the position of the measurement sample is calculated based on the fluctuation of the resonance signal obtained from the resonance signal receiver for locking. A correction amount calculation unit to calculate is included.

本発明に係る磁場安定化機構によれば、外部ロック方式において、磁場補正コイルが生成する磁場の不均一性を考慮して磁場の安定化を行っているため、磁場測定位置(ロック用試料位置)ではなく測定用試料位置での磁場をより高精度に安定化させることができる。これによって、高精度な測定が可能となる。   According to the magnetic field stabilization mechanism according to the present invention, in the external lock method, the magnetic field is stabilized in consideration of the non-uniformity of the magnetic field generated by the magnetic field correction coil. ), But the magnetic field at the measurement sample position can be stabilized with higher accuracy. Thereby, highly accurate measurement is possible.

補正量演算部は、例えば、以下のような処理によって印加する補正電流値を算出することができる。すなわち、まず、補正コイルに印加する電流値と、ロック用試料位置及び測定用試料位置における磁場の強さとの関係(磁場補正コイルの特性)をあらかじめ取得しておく。そして、ロック用共鳴信号受信部から得られる共鳴信号から、ロック用試料位置における磁場の値を測定し、この測定値、磁場補正コイルの特性及び現在印加中の補正電流値から、測定用試料位置における磁場の強さを算出(推定)する。そして、測定用試料位置における磁場の強さが一定となるように、フィードバック制御等によって磁場補正コイルに印加する補正電流値を算出する。   The correction amount calculation unit can calculate a correction current value to be applied by the following process, for example. That is, first, the relationship between the current value applied to the correction coil and the strength of the magnetic field at the lock sample position and the measurement sample position (characteristics of the magnetic field correction coil) is acquired in advance. Then, the magnetic field value at the lock sample position is measured from the resonance signal obtained from the lock resonance signal receiver, and the measurement sample position is calculated from the measured value, the characteristics of the magnetic field correction coil and the correction current value currently applied. Calculate (estimate) the strength of the magnetic field at. Then, a correction current value applied to the magnetic field correction coil is calculated by feedback control or the like so that the strength of the magnetic field at the measurement sample position is constant.

磁場補正コイルの特性は、例えば、種々の電流値をコイルに印加してそのときに生成される磁場の強さをロック用試料位置と測定用試料位置の両方で測定することで得られる。あるいは、代表的な電流値について測定し、その間の電流値については補間によって求めてもよい。あるいは、磁場強度が電流値に比例することを利用(仮定)し、磁場補正コイルに単位電流を印加した場合の磁場変動量を、ロック用試料位置及び測定用試料位置で求めてもよい。   The characteristics of the magnetic field correction coil are obtained, for example, by applying various current values to the coil and measuring the strength of the magnetic field generated at that time at both the lock sample position and the measurement sample position. Alternatively, representative current values may be measured, and current values during the measurement may be obtained by interpolation. Alternatively, by utilizing (assuming) that the magnetic field intensity is proportional to the current value, the magnetic field fluctuation amount when the unit current is applied to the magnetic field correction coil may be obtained at the lock sample position and the measurement sample position.

このようにすれば、ロック用試料位置における磁場強度に基づいて、測定用試料位置での磁場強度を安定化させることが可能である。   In this way, it is possible to stabilize the magnetic field strength at the measurement sample position based on the magnetic field strength at the lock sample position.

また、補正量演算部は、ロック用共鳴信号受信部から得られる共鳴信号の周波数を周波数カウンタを用いて計測することで、ロック用試料位置における磁場の強さを測定することが好ましい。周波数カウンタに入力する信号は、ロック用共鳴信号受信部が受信した信号をそのまま入力しても良いし、低周波に変換してから入力しても良い。   The correction amount calculation unit preferably measures the strength of the magnetic field at the lock sample position by measuring the frequency of the resonance signal obtained from the lock resonance signal receiving unit using a frequency counter. As the signal input to the frequency counter, the signal received by the lock resonance signal receiving unit may be input as it is, or may be input after being converted to a low frequency.

このように周波数カウンタを用いることで、測定する磁場の変動が大きい(共鳴信号の周波数変動が大きい)場合であっても、正確にその変動量を測定することができる。したがって、磁場補正コイルに印加する補正電流値を精度良く求めることができ、磁場の安定度が高まる。   By using the frequency counter in this way, even when the magnetic field to be measured has a large fluctuation (the frequency fluctuation of the resonance signal is large), the fluctuation amount can be accurately measured. Therefore, the correction current value applied to the magnetic field correction coil can be obtained with high accuracy, and the stability of the magnetic field is increased.

本発明に係る磁場安定化機構は、磁場変動が大きい場合であっても対応可能である。したがって、磁場変動が大きい磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置に対して適用することが好適である。このような磁場変動が大きい測定装置には、高温超伝導線材や常伝導線材のコイルに外部電源からの電流を印加した磁石を磁場生成手段として有する磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置が含まれる。   The magnetic field stabilization mechanism according to the present invention is applicable even when the magnetic field fluctuation is large. Therefore, the present invention is preferably applied to a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus having a large magnetic field fluctuation. Such a measuring apparatus with a large magnetic field variation includes a magnetic resonance apparatus and an electron spin resonance apparatus having a magnet that applies a current from an external power source to a coil of a high-temperature superconducting wire or a normal conducting wire as a magnetic field generating means.

また、本発明に係る磁場安定化機構は、内部ロック方式を採用できない固体NMR装置に適用することが好適である。もっとも、溶液NMR装置であっても磁場変動が大きく、
従来のロック方式が利用できないNMR装置に適用することも好適である。
In addition, the magnetic field stabilization mechanism according to the present invention is preferably applied to a solid-state NMR apparatus that cannot employ an internal lock method. However, even with a solution NMR apparatus, the magnetic field fluctuation is large,
It is also suitable to apply to an NMR apparatus in which a conventional lock method cannot be used.

なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む磁気共鳴装置又は電子スピン共鳴装置の磁場安定化機構として捉えることができる。また、本発明は、上記磁場安定化機構を含む磁気共鳴装置又は電子スピン装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む、磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置の磁場安定化方法またはこれらの装置における測定方法、又は、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることができる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。   The present invention can be understood as a magnetic field stabilization mechanism of a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus including at least a part of the above means. Further, the present invention can be understood as a magnetic resonance apparatus or an electron spin apparatus including the magnetic field stabilization mechanism. Further, the present invention can be understood as a magnetic field stabilization method of a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus, a measurement method in these apparatuses, or a program for realizing such a method, including at least a part of the above processing. it can. Each of the above means and processes can be combined with each other as much as possible to constitute the present invention.

本発明によれば、外部ロック方式によって磁気共鳴装置や電子スピン共鳴装置の磁場をより高精度に安定化させることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to stabilize the magnetic field of the magnetic resonance apparatus or the electron spin resonance apparatus with higher accuracy by the external lock method.

(第1の実施形態)
図1を参照して、本実施形態に係るNMR装置について説明する。本実施形態におけるNMR磁石は、複数(数個〜数十個)の超伝導コイルから構成されている。そして、最内層のコイルにはBi2223のような高温超伝導線材を利用し、その他の層にはNbTiやNbSnのような低温超伝導線材を利用する。これは図2に示すように、高磁場中では低温超伝導線材の臨界電流密度が小さくなるためである。一方、高温超伝導線材を超流動ヘリウム温度(4K)で用いると高磁場中でも高い臨界電流密度が得られる。なお、高温超伝導線材は、テープの形で市販されておりこれを用いれば良い。また、磁場の強さに応じて、最内層のコイルだけでなくその他の層のコイルにも高温超伝導線材を使っても良い。
(First embodiment)
The NMR apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIG. The NMR magnet in this embodiment is composed of a plurality (several to several tens) of superconducting coils. A high-temperature superconducting wire such as Bi2223 is used for the innermost layer coil, and a low-temperature superconducting wire such as NbTi or Nb 3 Sn is used for the other layers. This is because the critical current density of the low-temperature superconducting wire becomes small in a high magnetic field as shown in FIG. On the other hand, when a high-temperature superconducting wire is used at a superfluid helium temperature (4K), a high critical current density can be obtained even in a high magnetic field. The high-temperature superconducting wire is commercially available in the form of a tape and may be used. Depending on the strength of the magnetic field, high-temperature superconducting wires may be used not only for the innermost coil but also for other layers.

高温超伝導線材は、大きな電流を流すと僅かではあるが抵抗が発生する。また、線材の形状や性質のために、超伝導コイル間を超伝導接続することも困難である。したがって、永久電流モードで使用すると、抵抗によって10−6/hから10−4/hの速度で電流が減衰してしまう。そこで、本実施形態ではNMR磁石1に外部電源2から電流を常に供給し、磁場の減衰を抑える構成にする。 The high-temperature superconducting wire generates a slight resistance when a large current is passed. In addition, because of the shape and properties of the wire, it is difficult to make a superconducting connection between the superconducting coils. Therefore, when used in the permanent current mode, the current is attenuated at a speed of 10 −6 / h to 10 −4 / h by resistance. Therefore, in this embodiment, the current is always supplied from the external power source 2 to the NMR magnet 1 to suppress the attenuation of the magnetic field.

プローブ3内には測定試料4を入れる測定試料管があり、その周囲にはNMR信号を検出するための測定用コイル5が設けられている。固体NMRでは異方的な相互作用を打ち消すために、測定試料4をマジックアングル(54.74°)で回転させる。   Inside the probe 3 is a measurement sample tube into which a measurement sample 4 is placed, and a measurement coil 5 for detecting an NMR signal is provided around the measurement sample tube. In solid state NMR, the measurement sample 4 is rotated at a magic angle (54.74 °) in order to cancel the anisotropic interaction.

NMR分光計6は、通常用いられるものであり、NMR信号を励起するための高周波パルスを測定用コイル5に出力し、測定試料4からのNMR信号を測定用コイル5によって受信する。そして、NMR信号の化学シフトなどにより測定試料4の化学的性質を観測する。   The NMR spectrometer 6 is normally used, and outputs a high-frequency pulse for exciting the NMR signal to the measurement coil 5 and receives the NMR signal from the measurement sample 4 by the measurement coil 5. Then, the chemical property of the measurement sample 4 is observed by a chemical shift of the NMR signal.

NMR信号を精度良く観測するためには、測定試料4にかける磁場を一定にする必要がある。本実施形態のように外部電源2を用いる場合、その電流変動による影響を受けてしまう。外部電源の特性を図3に示す。図3(A)は、通常用いられる励磁用の電源の電流変動を表したものであり、30分で約15ppmの変動幅がある。図3(B)は、高安定化電源の電流変動を表したものであり、30分で約1ppmの変動幅がある。この電流変動幅はいずれも、通常のNMR磁石で使われている永久電流モードでの変動幅(10−8)に比べてはるかに大きく、これによりNMRスペクトルは変調され精密な測定が不可能になる。 In order to accurately observe the NMR signal, it is necessary to make the magnetic field applied to the measurement sample 4 constant. When the external power supply 2 is used as in this embodiment, it is affected by the current fluctuation. The characteristics of the external power supply are shown in FIG. FIG. 3A shows the current fluctuation of a normally used power source for excitation, and has a fluctuation width of about 15 ppm in 30 minutes. FIG. 3B shows the current fluctuation of the highly stabilized power supply, and there is a fluctuation width of about 1 ppm in 30 minutes. All of these current fluctuations are much larger than the fluctuations in the permanent current mode (10 −8 ) used in ordinary NMR magnets, which modulates the NMR spectrum and makes it impossible to make precise measurements. Become.

そこで、本実施形態では以下に示す外部ロック機構によって、外部電源通電時の磁場をNMR計測に必要なレベルまで安定化させる。なお、外部電源2として、図3(B)に示すような変動幅1ppm程度の高安定化電源を用いることが好ましいが、図3(A)のような15ppm程度の変動のある電源を用いても構わない。   Therefore, in the present embodiment, the magnetic field during energization of the external power supply is stabilized to a level necessary for NMR measurement by the external lock mechanism described below. As the external power source 2, it is preferable to use a highly stabilized power source having a fluctuation range of about 1 ppm as shown in FIG. 3B, but a power source having a fluctuation of about 15 ppm as shown in FIG. It doesn't matter.

NMR磁石1が生成する磁場を測定可能なように、測定試料4とは別に磁場測定用のロック核試料(ロック用試料)7から生じるNMR信号を、磁場測定用コイル8で検出する構成とする。本実施形態では、ロック核試料7として塩化リチウム溶液などのLi核を含む溶液サンプルを採用する。ロック核試料7は、H,H,F等の核を含む溶液サンプルであっても良い。なお、測定用のNMR信号との干渉を避けるために、測定試料4との共鳴周波数の差が大きい核種を用いることが好ましい。 In order to be able to measure the magnetic field generated by the NMR magnet 1, the NMR signal generated from the magnetic field measurement lock nucleus sample (lock sample) 7 is detected by the magnetic field measurement coil 8 separately from the measurement sample 4. . In the present embodiment, a solution sample containing 7 Li nuclei such as a lithium chloride solution is employed as the lock nucleus sample 7. The lock nucleus sample 7 may be a solution sample containing nuclei such as 2 H, 1 H, and F. In order to avoid interference with the NMR signal for measurement, it is preferable to use a nuclide having a large difference in resonance frequency from the measurement sample 4.

ロック核試料7の場所は磁石中心から離れており磁場の均一度が十分ではないので、その影響でNMR信号がブロードになりやすい。これを防ぐためと、設置空間の制約(プロ
ーブは直径40mm程度であり内部は狭い)から、ロック核試料7、磁場測定用コイル8
はできるだけ小さいのが望ましい。逆に余り小さいと、感度が悪くなる。本発明では、ロック核試料7は直径1mm程度のPTFE系のチューブ又はガラスチューブに納め、その周囲に磁場測定用コイル8を巻く。磁場測定用コイル8は、ロック核試料7に励起用の高周波パルスをかけるためと、ロック核試料7から励起されたNMR信号を受信するための両方の目的で使われる。磁場測定用コイル8は1.5mm径以下でターン数40ターン以下のソレノイドコイルとする。また、ソレノイドコイルの線材は、銅やアルミ又はこれらに銀か金をメッキしたものとする。あるいは、残留磁性をキャンセルするために、銅表面にアルミをコートしたものや、アルミ表面に銅か金をコートしたものであっても良い。線材は表面絶縁しても良いし、絶縁しなくても良い。サンプルを収めるのはチューブが望ましいが、中空の球や回転楕円体でも良い。
Since the location of the lock core sample 7 is far from the center of the magnet and the uniformity of the magnetic field is not sufficient, the NMR signal tends to be broad due to the influence. In order to prevent this, the lock nuclear sample 7 and the magnetic field measuring coil 8 are limited because of the limitation of the installation space (the probe is about 40 mm in diameter and the inside is narrow).
Is as small as possible. Conversely, if it is too small, the sensitivity will deteriorate. In the present invention, the lock core sample 7 is placed in a PTFE tube or glass tube having a diameter of about 1 mm, and a magnetic field measuring coil 8 is wound around the PTFE tube. The magnetic field measuring coil 8 is used for both the purpose of applying a high frequency pulse for excitation to the lock nuclear sample 7 and for receiving the NMR signal excited from the lock nuclear sample 7. The magnetic field measuring coil 8 is a solenoid coil having a diameter of 1.5 mm or less and a number of turns of 40 or less. The solenoid coil wire is assumed to be copper, aluminum, or silver or gold plated on these. Alternatively, in order to cancel the residual magnetism, the copper surface may be coated with aluminum, or the aluminum surface may be coated with copper or gold. The wire may be surface-insulated or not insulated. A tube is desirable for containing the sample, but a hollow sphere or spheroid may be used.

試料管にソレノイドを巻いただけでは磁場が不均一になってロック核のNMR信号スペクトルがブロードになる場合は、ソレノイド全体をグリス又はオイルで浸漬することが好ましい。この処理によりソレノイドコイルのQ値が大きくでき、NMR信号のスペクトルがよりシャープになる。   If the magnetic field becomes non-uniform only by winding the solenoid around the sample tube and the NMR signal spectrum of the lock nucleus becomes broad, the entire solenoid is preferably immersed in grease or oil. By this processing, the Q value of the solenoid coil can be increased, and the spectrum of the NMR signal becomes sharper.

ロック核試料7を納めた試料管は、NMR測定用試料4の位置(NMR磁石1の磁場中心)から15mm下の位置に設置した。この試料管は、測定用試料4と同じくNMR磁石1および磁場補正コイル9の中心軸上に設置されることが好ましいが、中心軸と異なる位置に設置されても構わない。ロック核試料7を納めた試料管は、NMR測定用試料4の位置から5mm以上30mm以下の位置でも良い。   The sample tube containing the lock core sample 7 was installed at a position 15 mm below the position of the NMR measurement sample 4 (the magnetic field center of the NMR magnet 1). Although this sample tube is preferably installed on the central axis of the NMR magnet 1 and the magnetic field correction coil 9 as in the measurement sample 4, it may be installed at a position different from the central axis. The sample tube containing the lock core sample 7 may be at a position not less than 5 mm and not more than 30 mm from the position of the NMR measurement sample 4.

パルス送信器10、パワーアンプ11等から構成されるロック用NMR信号励起回路は、磁場測定用コイル8を介してロック核試料7を励起するための励起パルスを発生させる。この励起パルスにより、ロック核試料7から核種と静磁場に応じたラーモア周波数(共鳴周波数)のNMR信号が生じる。ロック核の核種は既知あるので、NMR信号のラーモア周波数を測定することと、ロック核にかかっている静磁場の強さを測定することは同値である。   The locking NMR signal excitation circuit including the pulse transmitter 10, the power amplifier 11, and the like generates an excitation pulse for exciting the lock nuclear sample 7 via the magnetic field measurement coil 8. By this excitation pulse, an NMR signal having a Larmor frequency (resonance frequency) corresponding to the nuclide and the static magnetic field is generated from the lock nuclear sample 7. Since the nuclide of the lock nucleus is known, measuring the Larmor frequency of the NMR signal is equivalent to measuring the strength of the static magnetic field applied to the lock nucleus.

磁場補正コイル9は、室温シム内に設けられており、磁場測定用コイル8で測定された磁場に基づいて、測定試料4位置での磁場が一定となるように磁場の補正を行う。具体的な補正の量(磁場補正コイル9に印加する電流値)については、この後詳しく説明する。   The magnetic field correction coil 9 is provided in the room temperature shim, and corrects the magnetic field based on the magnetic field measured by the magnetic field measurement coil 8 so that the magnetic field at the position of the measurement sample 4 is constant. A specific correction amount (current value applied to the magnetic field correction coil 9) will be described in detail later.

スイッチ12は、高周波パルスの出力と、NMR信号の入力を定期的に切り替える。ロック核試料7から発生したNMR信号は、低雑音アンプ(LNA)13で増幅され、局所
発振器14及びミキサ15で以降の処理がしやすいように低周波にし、バンドパスフィルタ(BPF)16でフィルタ処理を加える。
The switch 12 periodically switches between high-frequency pulse output and NMR signal input. The NMR signal generated from the lock nuclear sample 7 is amplified by a low noise amplifier (LNA) 13, is made low frequency so that the local oscillator 14 and the mixer 15 can be easily processed later, and is filtered by a band pass filter (BPF) 16. Add processing.

低周波に落とされたNMR信号は周波数カウンタ17に入力され、その周波数が測定される。周波数カウンタ17としては、短いゲート時間で周波数を精度良く計測するために、レシプロカルカウンタを用いる。局所発振器14の周波数と周波数カウンタ17の測定結果とから、元のNMR信号の周波数(共鳴周波数)が得られる。   The NMR signal dropped to a low frequency is input to the frequency counter 17 and its frequency is measured. A reciprocal counter is used as the frequency counter 17 in order to accurately measure the frequency with a short gate time. From the frequency of the local oscillator 14 and the measurement result of the frequency counter 17, the frequency (resonance frequency) of the original NMR signal is obtained.

周波数カウンタ17の測定値はPC(パーソナルコンピュータ)18に入力される。PC18はNMR磁石1の磁場変動を安定化するための電流値をフィードバック制御により算出する。このPC18が、補正コイル電流の大きさを制御する演算回路に相当する。もっとも、この演算回路は専用の回路で実現しても良い。以下、PC18を演算部18と称する。   The measured value of the frequency counter 17 is input to a PC (personal computer) 18. The PC 18 calculates the current value for stabilizing the magnetic field fluctuation of the NMR magnet 1 by feedback control. The PC 18 corresponds to an arithmetic circuit that controls the magnitude of the correction coil current. However, this arithmetic circuit may be realized by a dedicated circuit. Hereinafter, the PC 18 is referred to as the calculation unit 18.

補正電流の算出処理では、周波数カウンタ17の測定値に基づいて、測定試料4の位置での磁場が一定となるように補正電流の値を求める。周波数カウンタ17の測定値が一定となるように補正電流を求めるわけではない。つまり、ロック核試料7磁場測定位置での磁場の強さを一定にするのではない。   In the correction current calculation process, the value of the correction current is obtained based on the measurement value of the frequency counter 17 so that the magnetic field at the position of the measurement sample 4 is constant. The correction current is not calculated so that the measured value of the frequency counter 17 is constant. That is, the magnetic field strength at the magnetic field measurement position of the lock nuclear sample 7 is not made constant.

比較例として、磁場測定位置の磁場を一定とするよう補正電流を求めた場合のロックの結果を図4に示す。図4は、測定試料4のNMR信号スペクトルの変動を示している。図に示すように、磁場測定位置(ロック核試料7+磁場測定用コイル8)での磁場を一定とするように補正電流を算出した場合、測定試料4の共鳴周波数、すなわち測定試料4位置での磁場強度が約0.2ppmの変動幅で変動してしまうことが分かる。   As a comparative example, FIG. 4 shows the result of locking when the correction current is obtained so that the magnetic field at the magnetic field measurement position is constant. FIG. 4 shows the fluctuation of the NMR signal spectrum of the measurement sample 4. As shown in the figure, when the correction current is calculated so that the magnetic field at the magnetic field measurement position (the lock nuclear sample 7 + the magnetic field measurement coil 8) is constant, the resonance frequency of the measurement sample 4, that is, the measurement sample 4 position. It can be seen that the magnetic field strength fluctuates with a fluctuation range of about 0.2 ppm.

このように測定試料4位置での変動幅が大きくなるのは、磁場補正コイル9の磁場の不均一性に原因があると考えられる。つまり、外部電源による変動が大きいため、磁場補正コイル9による補正磁場も大きくする必要があり、補正磁場の不均一性の影響が無視できなくなるのである。図5に、磁場補正コイル9の生成する磁場の強度分布を示す。図に示すように、磁場補正コイル9の中心位置(測定試料4の位置)で磁場が最も強く、中心位置から離れるほど小さくなる。   It is considered that the fluctuation range at the position of the measurement sample 4 is increased due to the magnetic field inhomogeneity of the magnetic field correction coil 9 as described above. That is, since the fluctuation due to the external power source is large, it is necessary to increase the correction magnetic field by the magnetic field correction coil 9, and the influence of the nonuniformity of the correction magnetic field cannot be ignored. FIG. 5 shows the intensity distribution of the magnetic field generated by the magnetic field correction coil 9. As shown in the figure, the magnetic field is strongest at the center position of the magnetic field correction coil 9 (position of the measurement sample 4) and decreases as the distance from the center position increases.

以上の比較例での結果から分かるように、演算部18では、補正コイル9の磁場不均一性の影響を考慮して、補正電流を求める必要がある。この演算部18が行う、補正電流値の算出処理を図6、図7を参照して説明する。図6は補正電流値算出処理のフローチャートであり、図7は補正電流値の求め方を説明する図である。なお、以下では共鳴周波数を対象に処理を行っているが、既知のロック核サンプルの共鳴周波数なので、すなわち磁場強度を対象にして処理を行っていることと同じである。   As can be seen from the results in the above comparative example, the calculation unit 18 needs to obtain the correction current in consideration of the influence of the magnetic field nonuniformity of the correction coil 9. The correction current value calculation process performed by the calculation unit 18 will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a flowchart of the correction current value calculation process, and FIG. 7 is a diagram for explaining how to obtain the correction current value. In the following description, processing is performed on the resonance frequency, but since it is the resonance frequency of a known lock nucleus sample, that is, it is the same as processing on the magnetic field strength.

まず、あらかじめ補正コイル9の特性を調べておく。ここでは、補正電流1mAあたり、共鳴周波数が何Hz変動するかを、NMR測定位置(以下、中心位置と称す)と外部ロック用磁場測定位置(以下、外部ロック位置と称す)のそれぞれについて調べておく。中心位置での変化量をΔFc[Hz/mA]、外部ロック位置での変化量をΔFb[Hz/mA]とする。これらあらかじめ調べられた変化量は、演算部18に格納される。   First, the characteristics of the correction coil 9 are examined in advance. Here, how many Hz the resonance frequency fluctuates per 1 mA of the correction current is examined for each of the NMR measurement position (hereinafter referred to as the center position) and the external lock magnetic field measurement position (hereinafter referred to as the external lock position). deep. The amount of change at the center position is ΔFc [Hz / mA], and the amount of change at the external lock position is ΔFb [Hz / mA]. These changes that have been examined in advance are stored in the calculation unit 18.

次に、外部ロック位置での共鳴周波数Fb[Hz]を測定する(S1)。そして、外部ロック位置での共鳴周波数Fbと、現在の補正電流値I[mA]と、補正コイルの特性(ΔFc,ΔFb)に基づいて、中心位置での共鳴周波数Fcを算出する(S2)。すなわち、Fc=Fb+I×(ΔFc−ΔFb)によって、中心位置での共鳴周波数Fcを算出する(図7参照)。   Next, the resonance frequency Fb [Hz] at the external lock position is measured (S1). Based on the resonance frequency Fb at the external lock position, the current correction current value I [mA], and the correction coil characteristics (ΔFc, ΔFb), the resonance frequency Fc at the center position is calculated (S2). That is, the resonance frequency Fc at the center position is calculated by Fc = Fb + I × (ΔFc−ΔFb) (see FIG. 7).

そして、このFcをつかってフィードバック制御を行う(S3)。ここで、一定に保ちたい共鳴周波数の目標値をFtarget[Hz]とする。そして、補正電流の変更量dI[mA]をPI制御にしたがって決定する。具体的には、dI=kp×(Ftarget−Fc)/ΔFc によってdIが決定される(ここで、kpは制御パラメータであり
、0<kp<1)。このようにして、新しい補正電流Inewが、Inew=I+dIとして求められる。
Then, feedback control is performed using this Fc (S3). Here, the target value of the resonance frequency to be kept constant is assumed to be Ftarget [Hz]. Then, the correction current change amount dI [mA] is determined according to the PI control. Specifically, dI is determined by dI = kp × (Ftarget−Fc) / ΔFc (where kp is a control parameter and 0 <kp <1). In this way, a new correction current Inew is obtained as Inew = I + dI.

なお、上記の説明では、磁場補正コイル9の特性として単位電流あたりの磁場変動量(ΔFc、ΔFb)を求めているが、これに限られるものではない。例えば、様々な補正電流値について、磁場補正コイルが作る中心位置と外部ロック位置での磁場強度を求めてもよい。つまり、中心位置での磁場強度の分布Fc(I)と、外部ロック位置での磁場強度の分布Fb(I)を求めておく。そして、ステップS1における中心位置での磁場計算(推定)は、Fc=Fb−Fb(I)+Fc(I)によって行えばよい。   In the above description, the magnetic field fluctuation amount (ΔFc, ΔFb) per unit current is obtained as the characteristic of the magnetic field correction coil 9, but the present invention is not limited to this. For example, the magnetic field strength at the center position created by the magnetic field correction coil and the external lock position may be obtained for various correction current values. That is, the magnetic field strength distribution Fc (I) at the center position and the magnetic field strength distribution Fb (I) at the external lock position are obtained. The magnetic field calculation (estimation) at the center position in step S1 may be performed by Fc = Fb−Fb (I) + Fc (I).

演算部18によって求められた補正電流量は、DA変換器19を介して、磁場補正コイル9に流される。   The correction current amount obtained by the calculation unit 18 is supplied to the magnetic field correction coil 9 via the DA converter 19.

このように本実施形態に係る外部ロック機構によって磁場を安定化させたときの、測定試料4位置(中心位置)での磁場の変動を図8に示す。図8は、測定試料4のNMR信号スペクトルの変動を示している。図から分かるように、上記の外部ロック機構を用いることで、中心位置での磁場が精度良く安定化されていることが分かる。磁場の変動幅は、固体NMRに要求される10−8(0.01ppm)以下に抑えられている。 FIG. 8 shows the fluctuation of the magnetic field at the position of the measurement sample 4 (center position) when the magnetic field is stabilized by the external lock mechanism according to this embodiment. FIG. 8 shows the fluctuation of the NMR signal spectrum of the measurement sample 4. As can be seen from the figure, the magnetic field at the center position is stabilized with high accuracy by using the above external locking mechanism. The fluctuation range of the magnetic field is suppressed to 10 −8 (0.01 ppm) or less required for solid-state NMR.

図9は、図8に示した測定の間の、中心位置の共鳴周波数を周波数カウンタで計測した測定値、演算回路による中心位置の磁場推定値、及び、補正電流値の時間変化を示した図である。補正電流をかけることで、中心位置の磁場が安定化されていることが分かる。   FIG. 9 is a diagram showing the time change of the measured value obtained by measuring the resonance frequency at the center position with the frequency counter, the estimated magnetic field value at the center position by the arithmetic circuit, and the correction current value during the measurement shown in FIG. It is. It can be seen that the magnetic field at the center position is stabilized by applying the correction current.

本実施形態に係る外部ロック機構によれば、NMR磁石を外部通電モードで使う場合であっても、外部電源の電流変動に伴う磁場変動を抑制することが可能となる。これにより、外部通電モードの高温超伝導線材をNMR磁石として使用することが可能となり、高磁場化が可能となる。   According to the external lock mechanism according to the present embodiment, even when the NMR magnet is used in the external energization mode, it is possible to suppress the magnetic field fluctuation accompanying the current fluctuation of the external power source. As a result, the high-temperature superconducting wire in the external energization mode can be used as an NMR magnet, and a high magnetic field can be achieved.

特に、外部ロック用の試料位置での磁場を一定化させるのではなく、外部ロック用試料位置での磁場の測定値に基づいて、中心位置での磁場を推定する演算を加えているので、高精度に中心位置での磁場を安定化することができる。これにより、上記の比較例のように単にロック用試料位置での測定磁場を安定化させるだけでは得られない高度な安定化が可能となる。中心位置(NMR測定位置)での磁場の安定度がNMR測定の精度に寄与するため、これにより精度良くNMR測定を行うことができる。   In particular, instead of making the magnetic field at the sample position for external locking constant, the calculation to estimate the magnetic field at the center position based on the measured value of the magnetic field at the sample position for external locking is added. The magnetic field at the center position can be stabilized with high accuracy. As a result, it is possible to achieve a high degree of stabilization that cannot be obtained simply by stabilizing the measurement magnetic field at the sample position for locking as in the comparative example described above. Since the stability of the magnetic field at the center position (NMR measurement position) contributes to the accuracy of NMR measurement, NMR measurement can be performed with high accuracy.

上記の利点は、補正コイルによる磁場が広い空間で均一にする必要がないと捉えることもできる。すなわち、補正コイルが生成する磁場を均一にする必要がない、補正コイルの設計・製造が容易になる。   The above advantages can also be understood as the magnetic field generated by the correction coil does not need to be uniform in a wide space. That is, it is not necessary to make the magnetic field generated by the correction coil uniform, and the correction coil can be easily designed and manufactured.

また、従来の検波器を用いる内部ロック機構は、磁場の変動が大きくなると適用が難しくなる場合がある。これは、分散信号の出力と周波数差が比例する範囲は比較的狭いため、永久電流モードのような比較的変動の少ない磁場の場合には有効であるものの、大きな磁場変動には対応できない場合があるからである。つまり、本実施形態における外部ロック機構は、上記で説明した外部通電モードの高温超伝導線材を用いる固体NMR装置のみに適用可能なわけではなく、外部電源を用いるなど磁場変動が大きいNMR装置全般に適
用可能である。例えば、常伝導線材(銅線など)と超伝導線材を組み合わせたハイブリッド磁石に外部通電を行うNMR装置にも適用可能である。また、20T以上の高磁場(低温超伝導線材を利用できない)を扱うNMR装置だけでなく、より低い磁場を扱う外部通電を行うNMR装置にも適用可能である。
Moreover, the internal lock mechanism using the conventional detector may become difficult to apply when the fluctuation of the magnetic field increases. This is effective in the case of a magnetic field with relatively small fluctuations such as a permanent current mode because the range in which the output of the dispersion signal and the frequency difference are proportional is relatively narrow, but may not be able to cope with large magnetic field fluctuations. Because there is. In other words, the external locking mechanism in the present embodiment is not only applicable to the solid-state NMR apparatus using the high-temperature superconducting wire in the external energization mode described above. Applicable. For example, the present invention can also be applied to an NMR apparatus that externally energizes a hybrid magnet that combines a normal conducting wire (such as a copper wire) and a superconducting wire. Further, the present invention is applicable not only to an NMR apparatus that handles a high magnetic field of 20 T or more (a low-temperature superconducting wire cannot be used), but also to an NMR apparatus that performs external energization that handles a lower magnetic field.

なお、上記の説明ではNMR装置を例に説明したが、MRI(磁気共鳴画像)装置やESR(電子スピン共鳴)装置も、NMR装置と基本的に同様の構成を有するため、本実施形態の磁場安定化機構を適用可能である。   In the above description, the NMR apparatus is described as an example. However, since the MRI (magnetic resonance imaging) apparatus and the ESR (electron spin resonance) apparatus have basically the same configuration as the NMR apparatus, the magnetic field of this embodiment is used. A stabilization mechanism can be applied.

(第2の実施形態)
上記第1の実施形態では周波数カウンタを用いて磁場強度(共鳴周波数)を求めているが、本実施形態では異なる方法によって磁場強度を求める。本実施形態では、単一周波数の高周波(NMR励起信号)を用い、その周波数を周期的に上下に(たとえば三角波状に)変化させる。そして、検波器の参照信号又はミキサのLO周波数をそれに連動させる。この方法では、NMR励起信号の周波数がロック核サンプルの共鳴周波数に一致したときのみNMR信号が発生するので、NMR信号が発生したときのNMR励起信号の周波数に基づいて、磁場測定センサ位置における磁場を測定できる。このようにしても同様の効果が得られる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the magnetic field strength (resonance frequency) is obtained using a frequency counter. In the present embodiment, the magnetic field strength is obtained by a different method. In the present embodiment, a single-frequency high frequency (NMR excitation signal) is used, and the frequency is periodically changed up and down (for example, in a triangular wave shape). Then, the reference signal of the detector or the LO frequency of the mixer is linked to it. In this method, since the NMR signal is generated only when the frequency of the NMR excitation signal matches the resonance frequency of the lock nuclear sample, the magnetic field at the magnetic field measurement sensor position is determined based on the frequency of the NMR excitation signal when the NMR signal is generated. Can be measured. Even if it does in this way, the same effect is acquired.

第1の実施形態に係る外部ロックシステムを設けたNMR装置の構成の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of a structure of the NMR apparatus provided with the external lock system which concerns on 1st Embodiment. 高温超伝導線材と低温超伝導線材の磁場の強さと臨界電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the strength of the magnetic field of a high-temperature superconducting wire, and a low-temperature superconducting wire, and a critical current density. 安定化電源((a)通常の励磁用電源、(b)高安定化電源)の電流変動を示す図である。It is a figure which shows the electric current fluctuation | variation of the stabilized power supply ((a) normal excitation power supply, (b) highly stabilized power supply). ロック核位置での磁場の強さを一定とするように補正電流をかけた場合の、測定試料位置での磁場強度(共鳴周波数)の変動を示すための図である。中心位置のNMR信号スペクトルの時間変化を示している。It is a figure for showing the fluctuation | variation of the magnetic field intensity (resonance frequency) in a measurement sample position at the time of applying correction | amendment electric current so that the strength of the magnetic field in a lock | rock nucleus position may be made constant. The time change of the NMR signal spectrum at the center position is shown. 磁場補正コイルにより生成される磁場強度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the magnetic field intensity produced | generated by a magnetic field correction coil. 補正電流算出処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a correction current calculation process. 補正電流を算出する処理を説明する図である。It is a figure explaining the process which calculates correction | amendment electric current. 本実施形態による外部ロックによって補正電流をかけた場合の、測定試料位置での磁場強度(共鳴周波数)の変動を示すための図である。中心位置のNMR信号スペクトルの時間変化を示している。It is a figure for showing the fluctuation | variation of the magnetic field intensity (resonance frequency) in the measurement sample position at the time of applying correction | amendment electric current by the external lock by this embodiment. The time change of the NMR signal spectrum at the center position is shown. 図8の測定における、中心位置の磁場の測定値、中心位置の磁場の推定値、及び補正電流値の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the measured value of the magnetic field of a center position, the estimated value of the magnetic field of a center position, and a correction electric current value in the measurement of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 NMR磁石
2 外部電源
4 測定試料
5 NMR測定用コイル
6 NMR分光計
7 ロック核試料
8 磁場測定用コイル
9 磁場補正コイル
17 周波数カウンタ
18 PC(演算部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 NMR magnet 2 External power supply 4 Measurement sample 5 NMR measurement coil 6 NMR spectrometer 7 Lock nuclear sample 8 Magnetic field measurement coil 9 Magnetic field correction coil 17 Frequency counter 18 PC (calculation part)

Claims (6)

磁気共鳴装置又は電子スピン共鳴装置の磁場生成手段が生成する磁場を安定化するための磁場安定化機構であって、
測定用試料の近傍に配置されるロック用試料と、
前記ロック用試料に高周波を照射し、該ロック用試料からの共鳴信号を受信するロック用共鳴信号受信部と、
前記磁場生成手段による磁場を補正するための磁場補正コイルと、
前記ロック用共鳴信号受信部から得られる共鳴信号の変動に基づいて、測定用試料の位置における磁場変動を抑制するために印加する前記磁場補正コイルへの電流値を算出する補正量演算部と、
を有する磁場安定化機構。
A magnetic field stabilization mechanism for stabilizing a magnetic field generated by a magnetic field generation unit of a magnetic resonance apparatus or an electron spin resonance apparatus,
A locking sample arranged in the vicinity of the measurement sample;
A locking resonance signal receiving unit that irradiates the locking sample with a high frequency and receives a resonance signal from the locking sample;
A magnetic field correction coil for correcting the magnetic field by the magnetic field generation means;
A correction amount calculation unit that calculates a current value to the magnetic field correction coil to be applied in order to suppress magnetic field fluctuations at the position of the measurement sample based on fluctuations in the resonance signal obtained from the resonance signal reception unit for locking;
A magnetic field stabilization mechanism.
前記補正量演算部は、
磁場補正コイルに印加する電流値と、そのとき生成されるロック用試料位置及び測定用試料位置における磁場の強さとの関係(以下、磁場補正コイルの特性という)をあらかじめ取得しておき、
前記ロック用共鳴信号受信部から得られる共鳴信号から、前記ロック用試料位置における磁場の強さを測定し、
前記測定されたロック用試料位置における磁場の強さと、前記磁場補正コイルの特性と、現在印加中の補正電流値と、から前記測定用試料位置における磁場の強さを算出し、
該測定用試料位置における磁場の強さが一定となるように、前記磁場補正コイルへ印加する電流値を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の磁場安定化機構。
The correction amount calculation unit includes:
The relationship between the value of the current applied to the magnetic field correction coil and the strength of the magnetic field generated at that time at the lock sample position and the measurement sample position (hereinafter referred to as the characteristics of the magnetic field correction coil) is acquired in advance.
From the resonance signal obtained from the lock resonance signal receiver, the magnetic field strength at the lock sample position is measured,
From the measured magnetic field strength at the lock sample position, the characteristics of the magnetic field correction coil, and the correction current value currently applied, the magnetic field strength at the measurement sample position is calculated,
2. The magnetic field stabilization mechanism according to claim 1, wherein a current value to be applied to the magnetic field correction coil is calculated so that a magnetic field strength at the measurement sample position is constant.
前記補正量演算部は、周波数カウンタを用いて前記ロック用試料位置における磁場の強さを測定する
ことを特徴とする請求項2に記載の磁場安定化機構。
The magnetic field stabilization mechanism according to claim 2, wherein the correction amount calculation unit measures the strength of the magnetic field at the lock sample position using a frequency counter.
前記磁場生成手段は、コイルに外部電源からの電流を印加したものである
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の磁場安定化機構。
The magnetic field stabilization mechanism according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field generation unit is a unit in which a current from an external power source is applied to the coil.
請求項1〜4のいずれかに記載の磁場安定化機構を備えた磁気共鳴装置。   The magnetic resonance apparatus provided with the magnetic field stabilization mechanism in any one of Claims 1-4. 請求項1〜4のいずれかに記載の磁場安定化機構を備えた電子スピン共鳴装置。   An electron spin resonance apparatus comprising the magnetic field stabilization mechanism according to claim 1.
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