JP2016151488A - Magnetic resonance measurement device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to obtain information indicting the characteristic of an electric circuit for measuring magnetic resonance in a nuclear magnetic resonance device without having to give a signal to the electric circuit.SOLUTION: A detection circuit 28 detects an NMR signal generated from a nuclide to be measured and outputs the detected signal to a spectrophotometer 40. A reception unit 50 of the spectrophotometer 40 receives a thermal noise signal generated by the detection circuit 28 at a stage for making the resonance frequency of the detection circuit 28 tuned to a frequency appropriate for the nuclide to be measured, and at a stage for matching electrical impedances. In the spectrophotometer 40, the thermal noise signal is analyzed, and information indicating the characteristic of the detection circuit 28 in a reception period for detecting the NMR signal (for example, the spectrum data of the thermal noise signal, the resonance frequency of the detection circuit 28, a Q value) is thereby obtained. The tuning and matching of the detection circuit 28 is achieved utilizing the information.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁気共鳴測定装置に関し、特に、磁気共鳴測定用の電気回路の特性を検出する技術に関する。   The present invention relates to a magnetic resonance measuring apparatus, and more particularly to a technique for detecting characteristics of an electric circuit for magnetic resonance measurement.

磁気共鳴測定装置として、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)測定装置、及び、電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)測定装置が知られている。NMR測定装置に類する装置として、磁気共鳴画像(MRI:Magnetic Resonance Imaging)装置も知られている。以下、NMR測定装置について説明する。   As a magnetic resonance measuring apparatus, a nuclear magnetic resonance (NMR) measuring apparatus and an electron spin resonance (ESR) measuring apparatus are known. As an apparatus similar to the NMR measurement apparatus, a magnetic resonance imaging (MRI) apparatus is also known. Hereinafter, the NMR measurement apparatus will be described.

NMRは、静磁場中におかれた原子核が固有の周波数をもった電磁波と相互作用する現象である。その現象を利用して原子レベルで試料の測定を行う装置がNMR測定装置である。NMR測定装置は、有機化合物(例えば薬品、農薬)、高分子材料(例えばビニール、ポリエチレン)、生体物質(例えば、核酸、タンパク質)、等の分析において活用されている。NMR測定装置を利用すれば例えば試料の分子構造を解明することが可能である。   NMR is a phenomenon in which nuclei placed in a static magnetic field interact with electromagnetic waves having a specific frequency. An apparatus for measuring a sample at the atomic level using this phenomenon is an NMR measuring apparatus. The NMR measurement apparatus is utilized in the analysis of organic compounds (for example, medicines and agricultural chemicals), polymer materials (for example, vinyl, polyethylene), biological substances (for example, nucleic acids, proteins), and the like. If an NMR measuring apparatus is used, for example, the molecular structure of the sample can be clarified.

NMR装置においては、静磁場を生じさせる超伝導磁石内に試料とともにNMRプローブ(NMR信号検出用プローブ)が配置される。NMRプローブは、送信用及び受信用のコイルを備えている。コイルは、照射時間帯(送信期間)には試料に対して変動磁場を与え、観測時間帯(受信期間)には試料のNMR信号を検出する機能を有する。観測対象となる核種によって共振周波数が異なるので、試料測定の際には、観測対象となった核種に適合する特定周波数をもった高周波信号がコイルに与えられる。一般に、NMRプローブ内の検出回路は、コイルの他に、同調用の可変コンデンサ及び整合用の可変コンデンサ等を含む。つまり、検出回路は、同調回路及び整合回路を備えている。   In an NMR apparatus, an NMR probe (NMR signal detection probe) is placed together with a sample in a superconducting magnet that generates a static magnetic field. The NMR probe includes a transmission coil and a reception coil. The coil has a function of applying a varying magnetic field to the sample during the irradiation time period (transmission period) and detecting the NMR signal of the sample during the observation time period (reception period). Since the resonance frequency varies depending on the nuclide to be observed, a high frequency signal having a specific frequency suitable for the nuclide to be observed is given to the coil at the time of sample measurement. In general, the detection circuit in the NMR probe includes a variable capacitor for tuning and a variable capacitor for matching in addition to the coil. That is, the detection circuit includes a tuning circuit and a matching circuit.

試料測定に先立って、検出回路に対するチューニング(動作条件の調整)が実施される。すなわち、同調と整合が実施される。一般的な同調整合方法として、transmission法とreflection法が知られている。transmission法では、目的の周波数をもった送信信号を検出回路に供給し、検出回路を通過した信号のレベルを観測する。同調の崩れ度合い及び不整合の度合いに応じて、そのレベルが変化する。従って、信号のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(容量)を変えることにより、検出回路の共振周波数が観測対象の核種に対応する共振周波数に適合され、検出回路のインピーダンスが送信側におけるインピーダンスに整合される。reflection法では、送信側から検出回路までの信号経路上に方向性結合器が設けられ、検出回路から送信側へ戻る反射波が観測される。同調の崩れ度合い及び不整合の度合いに応じて、反射波のレベルが変化する。従って、反射波のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変えることにより、検出回路の同調及び整合が図られる。   Prior to sample measurement, tuning of the detection circuit (adjustment of operating conditions) is performed. That is, tuning and matching is performed. A transmission method and a reflection method are known as general tuning matching methods. In the transmission method, a transmission signal having a target frequency is supplied to a detection circuit, and the level of the signal that has passed through the detection circuit is observed. The level changes in accordance with the degree of loss of synchronization and the degree of mismatch. Therefore, by changing each setting value (capacitance) of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor while referring to the signal level, the resonance frequency of the detection circuit is adapted to the resonance frequency corresponding to the nuclide to be observed, The impedance of the detection circuit is matched to the impedance on the transmission side. In the reflection method, a directional coupler is provided on the signal path from the transmission side to the detection circuit, and a reflected wave returning from the detection circuit to the transmission side is observed. The level of the reflected wave changes in accordance with the degree of loss of synchronization and the degree of mismatch. Therefore, the tuning and matching of the detection circuit can be achieved by changing each setting value of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor while referring to the level of the reflected wave.

また、NMR信号を検出する方法として、ファラデーの電磁誘導の法則を用いた方法が知られている。この方法では、ジョンソンノイズが支配的なノイズとなる。ジョンソンノイズは、コイルの温度の平方根や、コイルの電気抵抗の平方根に比例することが知られている。   As a method for detecting an NMR signal, a method using Faraday's law of electromagnetic induction is known. In this method, Johnson noise becomes the dominant noise. Johnson noise is known to be proportional to the square root of the coil temperature and the square root of the electrical resistance of the coil.

非特許文献1には、超伝導材料を検出コイルの材料として用いることが記載されている。超伝導材料は冷却下で電気抵抗がほぼゼロになるので、上記のノイズを低減して、NMR信号の検出感度を向上させることができる。   Non-Patent Document 1 describes that a superconducting material is used as a material for a detection coil. Since the superconductive material has almost zero electric resistance under cooling, the noise can be reduced and the detection sensitivity of the NMR signal can be improved.

米国特許第5,565,778号明細書US Pat. No. 5,565,778

“High Temperature Superconducting Radio Frequency Coils for NMR Spectroscopy and Magnetic Resonance Imaging”, Steven M. Anlage,“Microwave Superconductivity,” ed. by H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352.“High Temperature Superconducting Radio Frequency Coils for NMR Spectroscopy and Magnetic Resonance Imaging”, Steven M. Anlage, “Microwave Superconductivity,” ed. By H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352 . D.E.Oates, Nonlinear behavior of superconducting devices,“Microwave Superconductivity,” ed. by H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352.D.E.Oates, Nonlinear behavior of superconducting devices, “Microwave Superconductivity,” ed. By H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352.

上記のように、NMR法では、送信信号を検出回路に供給する照射時間帯(送信期間)と、NMR信号を検出する観測時間帯(受信期間)とがある。上記のtransmission法やreflection法は、送信信号を検出回路に供給することにより検出回路の同調及び整合を図る方法である。それ故、それらの方法は、照射時間帯における検出回路の同調及び整合を図る方法として適した方法であるといえる。しかし、観測時間帯は送信信号が検出回路に供給されない時間帯であるため、transmission法やreflection法を用いて調整された検出回路の同調状態及び整合状態は、観測時間帯における検出回路の動作条件として適しているとは限らず、理想の動作条件からずれてしまうという問題が生じ得る。   As described above, the NMR method has an irradiation time period (transmission period) in which a transmission signal is supplied to a detection circuit and an observation time period (reception period) in which the NMR signal is detected. The transmission method and reflection method described above are methods for tuning and matching the detection circuit by supplying a transmission signal to the detection circuit. Therefore, these methods can be said to be suitable methods for achieving tuning and matching of the detection circuit in the irradiation time zone. However, since the observation time zone is a time zone during which no transmission signal is supplied to the detection circuit, the tuning state and matching state of the detection circuit adjusted using the transmission method and reflection method are the operating conditions of the detection circuit during the observation time zone. However, it is not always suitable, and a problem of deviating from an ideal operating condition may occur.

また、超伝導材料からなる検出コイルを用いた場合、高周波の伝導特性が非線形となり、送信信号に応じて、共振特性のQ値や共振周波数が変動することが知られている(例えば特許文献1、非特許文献2参照)。それ故、transmission法やreflection法を用いて検出回路の同調状態及び整合状態を調整したとしても、観測時間帯に適した動作条件が設定されるとは限らない。なお、金属製の検出コイルについても、観測条件によっては超伝導材料からなる検出コイルと同様の問題が生じ得る。   In addition, when a detection coil made of a superconductive material is used, it is known that high-frequency conduction characteristics become nonlinear, and the Q value and resonance frequency of the resonance characteristics vary according to the transmission signal (for example, Patent Document 1). Non-Patent Document 2). Therefore, even if the tuning state and the matching state of the detection circuit are adjusted using the transmission method or the reflection method, the operation conditions suitable for the observation time period are not always set. Note that the metal detection coil may have the same problem as the detection coil made of a superconductive material depending on the observation conditions.

本発明の目的は、磁気共鳴装置において、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られるようにすることである。あるいは、電気回路の同調及び整合を図るための情報が得られるようにすることである。   An object of the present invention is to enable a magnetic resonance apparatus to obtain information indicating characteristics of an electric circuit without giving a signal to the electric circuit for magnetic resonance measurement. Alternatively, information for tuning and matching of the electric circuit is obtained.

本発明に係る磁気共鳴測定装置は、磁気共鳴測定用の電気回路と、前記電気回路の動作条件の調整段階において、前記電気回路で生じる熱雑音信号を解析することにより、前記電気回路の特性を示す特性情報を生成する特性情報生成手段と、を含むことを特徴とする。   The magnetic resonance measurement apparatus according to the present invention analyzes the characteristics of the electric circuit by analyzing an electric circuit for magnetic resonance measurement and a thermal noise signal generated in the electric circuit in an adjustment stage of operating conditions of the electric circuit. Characteristic information generating means for generating characteristic information to be shown.

電気回路で生じた熱雑音信号は、その電気回路の特性を指標として評価できる。それ故、その熱雑音信号を解析することにより、電気回路の特性を示す特性情報を生成することができる。上記の構成によると、電気回路に対して何らかの信号やパワーを与えなくても、その特性情報が得られる。例えば、信号を電気回路に与えたときと与えていないときとで特性が変化する電気回路について、信号を与えていないときの特性情報が得られる。電気回路は、例えば観測対象核種で生じた磁気共鳴信号を検出する回路である。上記の構成によると、磁気共鳴信号を電気回路で検出する期間(受信期間)における特性情報が得られる。その特性情報を利用することにより、受信期間における電気回路の動作条件を適切に調整することが可能となる。   The thermal noise signal generated in the electric circuit can be evaluated using the characteristic of the electric circuit as an index. Therefore, characteristic information indicating the characteristics of the electric circuit can be generated by analyzing the thermal noise signal. According to the above configuration, the characteristic information can be obtained without giving any signal or power to the electric circuit. For example, with respect to an electric circuit whose characteristics change depending on whether or not a signal is applied to the electric circuit, characteristic information when no signal is applied can be obtained. The electric circuit is a circuit that detects a magnetic resonance signal generated in the observation target nuclide, for example. According to said structure, the characteristic information in the period (reception period) which detects a magnetic resonance signal with an electric circuit is obtained. By using the characteristic information, it is possible to appropriately adjust the operating conditions of the electric circuit during the reception period.

望ましくは、前記調整段階は、観測対象の核種に適合した周波数に前記電気回路の共振周波数を同調させるための段階、及び、電気的インピーダンスの整合を図る段階であり、前記特性情報は、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を示す情報である。   Preferably, the adjusting step is a step for tuning the resonance frequency of the electric circuit to a frequency suitable for the nuclide to be observed, and a step of matching the electric impedance, and the characteristic information is the electric information. It is information indicating at least one of the resonance frequency and Q value of the circuit.

上記の構成によると、受信期間において観測対象核種に適合した共振周波数とQ値が得られる。これらの情報を利用することにより、受信期間における電気回路の同調及び整合が図られる。電気回路は、例えば、磁気共鳴信号を検出するための検出コイル、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサを含む。得られた共振周波数とQ値を参照して、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更することにより、電気回路の同調及び整合が図られる。各設定値は、作業者によるマニュアル作業によって変更されてもよいし、自動的に変更されてもよい。例えば、得られた共振周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値が変更される。   According to the above configuration, the resonance frequency and the Q value suitable for the observation target nuclide can be obtained in the reception period. By using these pieces of information, the electric circuit can be tuned and matched during the reception period. The electric circuit includes, for example, a detection coil for detecting a magnetic resonance signal, a tuning variable capacitor, and a matching variable capacitor. The tuning and matching of the electric circuit can be achieved by changing the set values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor with reference to the obtained resonance frequency and Q value. Each set value may be changed by manual work by an operator, or may be automatically changed. For example, each set value is changed so that the obtained resonance frequency matches the resonance frequency of the observation target nuclide.

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号のスペクトルデータを生成する。例えば、熱雑音信号に対してフーリエ変換が適用されることにより、スペクトルデータが生成される。このスペクトルデータを解析することにより、電気回路の特性が解析される。   Preferably, the characteristic information generating unit generates spectral data of the thermal noise signal. For example, spectral data is generated by applying a Fourier transform to the thermal noise signal. By analyzing the spectrum data, the characteristics of the electric circuit are analyzed.

望ましくは、前記スペクトルデータを表示するスペクトル表示手段を更に含む。これにより、電気回路の同調状態及び整合状態を調整するための情報が、作業者等に提供される。例えば、作業者がスペクトルデータを参照することにより、電気回路の共振周波数やQ値を評価し、その評価結果に基づいて電気回路の同調状態及び整合状態を調整することができる。   Preferably, the apparatus further includes spectrum display means for displaying the spectrum data. Thereby, information for adjusting the tuning state and the matching state of the electric circuit is provided to an operator or the like. For example, the operator can evaluate the resonance frequency and the Q value of the electric circuit by referring to the spectrum data, and adjust the tuning state and the matching state of the electric circuit based on the evaluation result.

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記スペクトルデータを解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。例えば、熱雑音信号を示す理論式と電気回路の装置関数とから得られる理論式を利用することにより、スペクトルデータから共振周波数とQ値が得られる。   Preferably, the characteristic information generating unit calculates at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit by analyzing the spectrum data. For example, the resonance frequency and the Q value can be obtained from the spectrum data by using the theoretical formula obtained from the theoretical formula indicating the thermal noise signal and the device function of the electric circuit.

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号の波形に含まれる周期成分を解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。   Preferably, the characteristic information generating unit calculates at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit by analyzing a periodic component included in the waveform of the thermal noise signal.

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して波形フィッティングを実行することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。   Preferably, the characteristic information generating means extracts the periodic component by applying an autocorrelation method to the thermal noise signal, and performs waveform fitting on the periodic component, thereby At least one of the resonance frequency and the Q value is calculated.

望ましくは、前記情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して自己回帰法を適用することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。   Preferably, the information generating means extracts the periodic component by applying an autocorrelation method to the thermal noise signal, and applies an autoregressive method to the periodic component, thereby At least one of the resonance frequency and the Q value is calculated.

望ましくは、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方に基づいて、前記電気回路の同調状態及び整合状態を調整する調整手段を更に含む。同調状態及び整合状態は、作業者によるマニュアル作業によって調整されてもよいし、自動的に調整されてもよい。   Preferably, adjustment means for adjusting a tuning state and a matching state of the electric circuit based on at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit is further included. The synchronization state and the alignment state may be adjusted manually by an operator or may be automatically adjusted.

望ましくは、磁気共鳴の測定段階において、磁気共鳴測定用の送信信号を前記電気回路に供給する送信期間と、観測対象の核種で生じた磁気共鳴信号を前記電気回路で検出する受信期間とで、前記電気回路の同調状態及び整合状態を動的に切り替える制御手段を更に含み、前記制御手段は、前記送信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記電気回路に信号が与えられて調整された同調状態及び整合状態に設定し、前記受信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記調整手段によって調整された同調状態及び整合状態に設定する。   Preferably, in the magnetic resonance measurement stage, a transmission period for supplying a transmission signal for magnetic resonance measurement to the electric circuit, and a reception period for detecting the magnetic resonance signal generated in the observation target nuclide by the electric circuit, Control means for dynamically switching a tuning state and a matching state of the electric circuit, wherein the control means is configured to provide a signal to the electric circuit indicating the tuning state and the matching state of the electric circuit during the transmission period. In the reception period, the tuning state and the matching state of the electric circuit are set to the tuning state and the matching state adjusted by the adjusting unit.

例えば、送信期間と受信期間とで、電気回路に含まれる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が動的に切り替えられる。具体的には、送信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数とQ値が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(送信時設定値)が決定される。また、受信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数とQ値が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(受信時設定値)が決定される。そして、磁気共鳴信号の測定段階において、送信期間では、送信時設定値が同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定され、受信期間では、受信時設定値が同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定される。上記の構成によると、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、電気回路の同調状態及び整合状態が理想的な状態に設定される。   For example, the setting values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor included in the electric circuit are dynamically switched between the transmission period and the reception period. Specifically, a resonance frequency and a Q value that match the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the transmission period, and each setting value (setting value at the time of transmission) of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor from which these values are obtained. ) Is determined. Also, the resonance frequency and Q value that match the resonance frequency of the target nuclide are obtained during the reception period, and each setting value (setting value at the time of reception) of the tuning variable capacitor and matching variable capacitor from which these values are obtained is determined. Is done. In the measurement stage of the magnetic resonance signal, the set value at the time of transmission is set in the tuning variable capacitor and the variable capacitor for matching in the transmission period, and the set value at the time of reception is set in the tuning variable capacitor and the variable capacitor for matching in the reception period. Set to According to the above configuration, the tuning state and the matching state of the electric circuit are set to ideal states in each of the transmission period and the reception period.

本発明によると、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られる。   According to the present invention, information indicating the characteristics of an electrical circuit can be obtained without applying a signal to the electrical circuit for magnetic resonance measurement.

本発明の実施形態に係るNMR装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the NMR apparatus which concerns on embodiment of this invention. 試料室と検出コイルを模式的に示す拡大斜視図である。It is an expansion perspective view which shows a sample chamber and a detection coil typically. 検出回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a detection circuit. NMR信号測定時におけるシーケンスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sequence at the time of NMR signal measurement. 実施例1に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining circuit characteristic information generation processing according to the first embodiment; 実施例1に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining circuit characteristic information display processing according to the first embodiment; 実施例2に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining circuit characteristic information generation processing according to the second embodiment; 実施例2に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining circuit characteristic information display processing according to the second embodiment; 実施例3に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining circuit characteristic information generation processing according to the third embodiment. 実施例3に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。12 is a flowchart for explaining circuit characteristic information display processing according to the third embodiment; 熱雑音パワースペクトルの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of a thermal noise power spectrum.

図1には、本実施形態に係るNMR装置10が示されている。このNMR装置10は、試料中の観測核により生じたNMR信号を測定する装置である。   FIG. 1 shows an NMR apparatus 10 according to the present embodiment. This NMR apparatus 10 is an apparatus for measuring NMR signals generated by observation nuclei in a sample.

静磁場発生装置12は静磁場を発生する装置であり、その中央部には、垂直方向に伸びる空洞部としてボア12Aが形成されている。NMRプローブ14は、大別して、挿入部16と基部18とによって構成されている。挿入部16は、それ全体として垂直方向に伸長した円筒形状を有し、静磁場発生装置12のボア12A内に挿入される。   The static magnetic field generator 12 is a device that generates a static magnetic field, and a bore 12A is formed as a hollow portion extending in the vertical direction at the center thereof. The NMR probe 14 is roughly divided into an insertion portion 16 and a base portion 18. The insertion portion 16 has a cylindrical shape that extends in the vertical direction as a whole, and is inserted into the bore 12 </ b> A of the static magnetic field generator 12.

挿入部16におけるプローブヘッド内には検出回路28が設けられている。検出回路28は同調整合回路であり、NMR信号を検出するための検出コイル30、送受信用の結合コイル34、同調用可変コンデンサ、及び、整合用可変コンデンサ等の電子部品を備えている。結合コイル34は、ピックアップコイルや送受信コイルとも称され、照射時間帯(送信期間)において高周波磁場を発生させ、観測時間帯(受信期間)において、検出コイル30によって検出されたNMR信号を受信する。後に図3において具体例を示すように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(容量)を変えることにより、検出回路28の特性が最適化される。つまり、同調及び整合が図られる。   A detection circuit 28 is provided in the probe head in the insertion portion 16. The detection circuit 28 is a tuning matching circuit, and includes electronic components such as a detection coil 30 for detecting NMR signals, a coupling coil 34 for transmission and reception, a tuning variable capacitor, and a matching variable capacitor. The coupling coil 34 is also called a pickup coil or a transmission / reception coil, generates a high-frequency magnetic field in an irradiation time zone (transmission period), and receives an NMR signal detected by the detection coil 30 in an observation time zone (reception period). As shown in a specific example later in FIG. 3, the characteristics of the detection circuit 28 are optimized by changing the set values (capacitance) of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor. That is, tuning and matching are achieved.

送信部42は、信号発生器及びパワーアンプ等を備えており、送信信号を生成して出力する。NMR測定モードにおいては、観測対象核種の固有周波数が送信信号の周波数として設定される。送信部42から出力された送信信号は、方向性結合器44とデュプレクサ46を介して、NMRプローブ14内の検出回路28に送られる。なお、方向性結合器44は、以下に説明するように反射波を検出する回路であり、デュプレクサ46は送受切替器である。それらは、NMRプローブ14内に配置されてもよい。   The transmission unit 42 includes a signal generator, a power amplifier, and the like, and generates and outputs a transmission signal. In the NMR measurement mode, the natural frequency of the observation target nuclide is set as the frequency of the transmission signal. The transmission signal output from the transmission unit 42 is sent to the detection circuit 28 in the NMR probe 14 via the directional coupler 44 and the duplexer 46. The directional coupler 44 is a circuit that detects a reflected wave as described below, and the duplexer 46 is a transmission / reception switch. They may be placed in the NMR probe 14.

検出コイル30で検出されたNMR信号(受信信号)は、デュプレクサ46を介して受信部50に送られる。受信部50は、直交検波回路やA/D変換器等を含む公知の回路構成を有し、受信信号に対して所定の処理を行う。受信部50で処理された受信信号は、スペクトル処理部52に送られる。スペクトル処理部52は、受信信号に対してFFT処理を実行することにより分光スペクトルを生成し、またそれに対して必要な解析等を実行する。表示部60には、スペクトル処理部52の処理結果が表示される。   The NMR signal (reception signal) detected by the detection coil 30 is sent to the receiving unit 50 via the duplexer 46. The receiving unit 50 has a known circuit configuration including an orthogonal detection circuit, an A / D converter, and the like, and performs predetermined processing on the received signal. The received signal processed by the receiving unit 50 is sent to the spectrum processing unit 52. The spectrum processing unit 52 generates a spectrum by performing FFT processing on the received signal, and performs necessary analysis and the like on the spectrum. The display unit 60 displays the processing result of the spectrum processing unit 52.

方向性結合器44は、送信信号を検出回路28に供給してチューニングを実行するモード(送信チューニングモード)において機能する回路であり、検出回路28で反射して送信側へ戻る反射波を観測(抽出)する回路である。反射波のレベルは、検出回路28の同調状態及び整合状態を指標する情報である。反射波レベル検出器48は、方向性結合器44で観測された反射波に対して検波等の処理を施した上でそのレベルを判定し、そのレベルを示す情報を生成する。検出回路28の特性の調整すなわちチューニングにあたって、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。オートチューニングにおいてはチューニング制御部56が利用され、反射波のレベルを示す情報は、チューニング制御部56に送られる。マニュアルチューニングにおいては、反射波のレベルは表示部60に表示される。作業者が、そのレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの設定値(容量)を変えることにより、検出回路28の同調及び整合が図られる。   The directional coupler 44 is a circuit that functions in a mode (transmission tuning mode) in which a transmission signal is supplied to the detection circuit 28 to execute tuning, and a reflected wave reflected by the detection circuit 28 and returning to the transmission side is observed ( Circuit). The level of the reflected wave is information indicating the tuning state and matching state of the detection circuit 28. The reflected wave level detector 48 performs processing such as detection on the reflected wave observed by the directional coupler 44, determines its level, and generates information indicating the level. In adjusting the characteristic of the detection circuit 28, that is, in tuning, either manual tuning or auto tuning can be selected. In the auto tuning, the tuning control unit 56 is used, and information indicating the level of the reflected wave is sent to the tuning control unit 56. In manual tuning, the level of the reflected wave is displayed on the display unit 60. The operator adjusts the setting value (capacitance) of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor while referring to the level, so that the detection circuit 28 is tuned and matched.

後述するように、NMR装置10は、受信チューニングモードを実行する機能を備えている。受信チューニングモードにおいては、方向性結合器44と反射波レベル検出器48は利用されず、送信信号を検出回路28に供給せずに検出回路28の動作条件が調整される。また、受信チューニングモードにおいても、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。つまり、本実施形態では、送信チューニングモード又は受信チューニングモードのいずれかを選択することが可能であり、それぞれのチューニングモードにおいて、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。   As will be described later, the NMR apparatus 10 has a function of executing a reception tuning mode. In the reception tuning mode, the directional coupler 44 and the reflected wave level detector 48 are not used, and the operating condition of the detection circuit 28 is adjusted without supplying the transmission signal to the detection circuit 28. In the reception tuning mode, either manual tuning or auto tuning can be selected. That is, in this embodiment, it is possible to select either the transmission tuning mode or the reception tuning mode, and it is possible to select either manual tuning or auto tuning in each tuning mode.

ノイズ解析部54は、検出回路28の動作条件の調整段階で、検出回路28で生じた熱雑音信号(熱ノイズ信号)を解析することにより、受信期間における検出回路28の特性を示す回路特性情報を生成する。例えば、検出回路28の共振周波数f及びQ値のうちの少なくとも一方が、回路特性情報として求められる。ノイズ解析部54の処理内容については後で詳しく説明する。 The noise analysis unit 54 analyzes the thermal noise signal (thermal noise signal) generated in the detection circuit 28 at the stage of adjusting the operation condition of the detection circuit 28, thereby circuit characteristic information indicating the characteristics of the detection circuit 28 in the reception period. Is generated. For example, at least one of the resonance frequency f 0 and the Q value of the detection circuit 28 is obtained as circuit characteristic information. The processing content of the noise analysis unit 54 will be described in detail later.

チューニング制御部56は、オートチューニングを制御するユニットであり、検出回路28の共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合するように、検出回路28に含まれる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を機械的に又は電気的に変更する。例えば、送信オートチューニングモード(送信チューニングモードにおいてオートチューニングが実行されるモード)においては、チューニング制御部56は、複数の設定値のセットを同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに試行的に順次設定し、複数の反射波レベルを順次観測する。そして、チューニング制御部56は、その観測結果に基づいて、共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合する設定値を設定する。また、受信オートチューニングモード(受信チューニングモードにおいてオートチューニングが実行されるモード)においては、チューニング制御部56は、複数の設定値のセットを同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに試行的に順次設定し、ノイズ解析部54によって得られた複数の共振周波数fを順次観測する。そして、チューニング制御部56は、その観測結果に基づいて、共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合する設定値を設定する。 The tuning control unit 56 is a unit that controls auto-tuning, and a tuning variable capacitor and a matching variable included in the detection circuit 28 so that the resonance frequency f 0 of the detection circuit 28 matches the resonance frequency of the observation target nuclide. Each set value of the capacitor is changed mechanically or electrically. For example, in the transmission auto-tuning mode (a mode in which auto-tuning is executed in the transmission tuning mode), the tuning control unit 56 sequentially sets a set of a plurality of setting values on the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor sequentially. Then, several reflected wave levels are observed sequentially. Then, based on the observation result, the tuning control unit 56 sets a setting value at which the resonance frequency f 0 matches the resonance frequency of the observation target nuclide. In the reception auto-tuning mode (a mode in which auto-tuning is executed in the reception tuning mode), the tuning control unit 56 sequentially sets a set of a plurality of setting values to the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor sequentially. Then, the plurality of resonance frequencies f 0 obtained by the noise analysis unit 54 are sequentially observed. Then, based on the observation result, the tuning control unit 56 sets a setting value at which the resonance frequency f 0 matches the resonance frequency of the observation target nuclide.

表示部60には、NMR測定結果、検出回路28の特性を示す回路特性情報、等が表示される。入力部62は、測定対象核種の指定、オートチューニング実行指令の入力、等を行うために利用される。   The display unit 60 displays NMR measurement results, circuit characteristic information indicating the characteristics of the detection circuit 28, and the like. The input unit 62 is used for specifying a measurement target nuclide, inputting an auto tuning execution command, and the like.

なお、スペクトル処理部52とノイズ解析部54はコンピュータによって構成されていてもよい。   The spectrum processing unit 52 and the noise analysis unit 54 may be configured by a computer.

冷却システム70は、例えば、冷凍機を備え、その冷凍機により冷却したヘリウムガスをNMRプローブ14に供給し、これにより、NMRプローブ14内の被冷却部品を冷却するためのシステムである。例えば、被冷却部品が20K以下に冷却される。   The cooling system 70 includes, for example, a refrigerator, supplies helium gas cooled by the refrigerator to the NMR probe 14, and thereby cools the component to be cooled in the NMR probe 14. For example, the part to be cooled is cooled to 20K or less.

図2には、試料室と検出コイルが模式的に示されている。挿入部16において、試料温調用配管26を挟んで内側に試料室が設けられている。気密室22内は真空状態に減圧されている。試料温調用配管26は例えばガラス管であり、ステージ19及びプローブキャップ20を貫通して設けられている。試料温調用配管26内には、試料が収容される試料管24が配置されている。試料及び試料管24の中心が磁場中心に一致するように、挿入部16が静磁場発生装置12のボア12A内に設置される。試料温調用配管26内は大気空間であり、試料温調用配管26内の温度は、例えば室温に維持されている。これにより、試料は大気空間内に設置され、その温度は室温に維持される。   FIG. 2 schematically shows the sample chamber and the detection coil. In the insertion portion 16, a sample chamber is provided on the inner side of the sample temperature adjustment pipe 26. The inside of the airtight chamber 22 is decompressed to a vacuum state. The sample temperature adjustment pipe 26 is a glass tube, for example, and is provided through the stage 19 and the probe cap 20. A sample tube 24 in which a sample is accommodated is arranged in the sample temperature adjusting pipe 26. The insertion portion 16 is installed in the bore 12A of the static magnetic field generator 12 so that the center of the sample and the sample tube 24 coincides with the center of the magnetic field. The inside of the sample temperature adjusting pipe 26 is an atmospheric space, and the temperature in the sample temperature adjusting pipe 26 is maintained at room temperature, for example. As a result, the sample is placed in the atmospheric space, and its temperature is maintained at room temperature.

試料温調用配管26と挿入部16の外壁との間に気密室22が形成されている。気密室22内は真空状態に減圧されている。真空減圧下の気密室22内には、検出回路28(検出コイル30A,30B、結合コイル34、同調用可変コンデンサ、整合用可変コンデンサ)が設置されている。検出コイル30A,30Bは、試料及び試料管24を間にして、互いに平行となるように対向して配置されている。検出コイル30Aは、基板32A上に形成されており、検出コイル30Bは、図示されていないが、同様に、基板32B上に形成されている。一例として、検出コイル30A,30Bは、超伝導材料によって構成されている。もちろん、金属製の検出コイルが用いられてもよい。検出コイル30Aは、基板32A上においてコイルパターンとして形成され、インダクタンスLの要素とキャパシタンスCの要素とを内包している。図示されていないが、検出コイル30Bも同様に、リアクタンスLとキャパシタンスCとを内容する。この構成を採用することにより、LC共振回路が形成される。   An airtight chamber 22 is formed between the sample temperature adjusting pipe 26 and the outer wall of the insertion portion 16. The inside of the airtight chamber 22 is decompressed to a vacuum state. A detection circuit 28 (detection coils 30A and 30B, a coupling coil 34, a tuning variable capacitor, and a matching variable capacitor) is installed in the hermetic chamber 22 under a vacuum. The detection coils 30A and 30B are arranged to face each other so as to be parallel to each other with the sample and the sample tube 24 in between. The detection coil 30A is formed on the substrate 32A, and the detection coil 30B is similarly formed on the substrate 32B, although not shown. As an example, the detection coils 30A and 30B are made of a superconductive material. Of course, a metal detection coil may be used. The detection coil 30A is formed as a coil pattern on the substrate 32A, and includes an element of inductance L and an element of capacitance C. Although not shown, the detection coil 30B similarly includes a reactance L and a capacitance C. By adopting this configuration, an LC resonance circuit is formed.

上記構成において、検出回路28は被冷却部品に相当し、極低温に冷却される。信号のS/Nを向上させるために、可変コンデンサも検出コイル30A,30B及び結合コイル34とともに冷却される。冷却機構として、例えば、特開2014−41103号公報に記載されている冷却システム(クライオスタット冷却システム)を利用することができる。具体的には、ステージ19に接続された熱交換器36に、冷却システム70から冷却されたヘリウムガスが導入され、熱交換器36は極低温(例えば20K以下)に冷却される。これにより、被冷却部品が冷却される。検出コイル30A,30Bが冷却されることにより、検出コイル30A,30Bの電気抵抗が低下してQ値が上昇する。また、電気的な熱ノイズが低減される。その結果、NMR測定時における検出感度を向上させることができる。なお、NMRプローブ14には、図示しない温度センサが取り付けられており、その温度センサによって被冷却部品等の温度が検知される。   In the above configuration, the detection circuit 28 corresponds to a component to be cooled and is cooled to an extremely low temperature. In order to improve the S / N of the signal, the variable capacitor is also cooled together with the detection coils 30A and 30B and the coupling coil. As the cooling mechanism, for example, a cooling system (cryostat cooling system) described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-41103 can be used. Specifically, the helium gas cooled from the cooling system 70 is introduced into the heat exchanger 36 connected to the stage 19, and the heat exchanger 36 is cooled to an extremely low temperature (for example, 20K or less). Thereby, the component to be cooled is cooled. As the detection coils 30A and 30B are cooled, the electrical resistance of the detection coils 30A and 30B decreases and the Q value increases. In addition, electrical thermal noise is reduced. As a result, the detection sensitivity at the time of NMR measurement can be improved. The NMR probe 14 is provided with a temperature sensor (not shown), and the temperature of the component to be cooled is detected by the temperature sensor.

図3には、検出回路28の等価回路が示されている。コンデンサC1とコイルL1は検出コイル30Aによって形成されており、これらによってLC共振回路が形成されている。同様に、コンデンサC2とコイルL2は検出コイル30Bによって形成されており、これらによってLC共振回路が形成されている。コイルL1と結合コイル34(コイルL3)は誘導結合され、同様に、コイルL2とコイルL3は誘導結合される。コイルL3には、整合用可変コンデンサC4が接続されている。コンデンサC1の容量又はコンデンサC2の容量は、例えば検出コイル近傍に、高い誘電率を持った誘電体を近づけることにより、機械的に変更される。機械的に変更可能なコンデンサC1又はC2は、同調用可変コンデンサと呼ばれる。これにより、検出回路28の整合及び同調が図られる。整合用可変コンデンサC4にはプリアンプ47が接続されている。プリアンプ47は被冷却部品として挿入部16内に設置されており、極低温に冷却される。検出コイル30A,30Bで検出されたNMR信号(受信信号)は、誘導結合によって結合コイル34に伝達され、プリアンプ47によって増幅される。増幅後のNMR信号は、デュプレクサ46を介して受信部50に送られる。   FIG. 3 shows an equivalent circuit of the detection circuit 28. The capacitor C1 and the coil L1 are formed by the detection coil 30A, and an LC resonance circuit is formed by these. Similarly, the capacitor C2 and the coil L2 are formed by the detection coil 30B, and an LC resonance circuit is formed by these. Coil L1 and coupling coil 34 (coil L3) are inductively coupled, and similarly, coil L2 and coil L3 are inductively coupled. A matching variable capacitor C4 is connected to the coil L3. The capacitance of the capacitor C1 or the capacitance of the capacitor C2 is mechanically changed by bringing a dielectric having a high dielectric constant close to the detection coil, for example. The mechanically changeable capacitor C1 or C2 is called a tuning variable capacitor. Thereby, matching and tuning of the detection circuit 28 are achieved. A preamplifier 47 is connected to the matching variable capacitor C4. The preamplifier 47 is installed in the insertion portion 16 as a part to be cooled, and is cooled to an extremely low temperature. The NMR signals (reception signals) detected by the detection coils 30A and 30B are transmitted to the coupling coil 34 by inductive coupling and are amplified by the preamplifier 47. The amplified NMR signal is sent to the receiving unit 50 via the duplexer 46.

検出回路28で生じた熱ノイズは、検出回路28の特性を指標しているといえる。それ故、検出回路28で生じた熱ノイズを解析することにより、検出回路28の特性を示す情報が得られる。本実施形態では、プリアンプ47で生じるノイズも受信部50に送られる。プリアンプ47で生じるノイズは、一般的に白色であり、周波数特性が小さいため、フロアノイズとみなすことができ、検出回路28で生じた熱ノイズとは区別することができる。それ故、受信部50によって受信されたノイズを周波数解析又は時間相関解析することにより、検出回路28で生じた熱ノイズを解析することが可能となる。なお、検出回路28で生じた熱ノイズも、プリアンプ47によって増幅され、解析対象のノイズの信号強度を高めることが可能となる。   It can be said that the thermal noise generated in the detection circuit 28 indicates the characteristic of the detection circuit 28. Therefore, by analyzing the thermal noise generated in the detection circuit 28, information indicating the characteristics of the detection circuit 28 can be obtained. In the present embodiment, noise generated by the preamplifier 47 is also sent to the receiving unit 50. The noise generated in the preamplifier 47 is generally white and has a small frequency characteristic, so that it can be regarded as floor noise and can be distinguished from thermal noise generated in the detection circuit 28. Therefore, it is possible to analyze thermal noise generated in the detection circuit 28 by performing frequency analysis or time correlation analysis on the noise received by the receiving unit 50. The thermal noise generated in the detection circuit 28 is also amplified by the preamplifier 47, and the signal strength of the noise to be analyzed can be increased.

次に、検出回路28の回路特性情報(共振周波数fとQ値)の具体的な生成処理について説明する。 Next, specific generation processing of the circuit characteristic information (resonance frequency f 0 and Q value) of the detection circuit 28 will be described.

一般的に、整合された共振回路には、以下の式(1)で表されるJohnson-Nyquist雑音密度Pが発生していることが知られている。
In general, it is known that Johnson-Nyquist noise density P n represented by the following formula (1) is generated in a matched resonance circuit.

上記の式(1)において、kはボルツマン定数であり、Tは検出系の温度である。 In the above equation (1), k B is the Boltzmann constant, and T is the temperature of the detection system.

また、LC共振回路は、以下の式(2)で表される装置関数G(f)をもつモジュールであるとみなすことができる。一例として、以下の装置関数G(f)は、直列共振回路における装置関数である。
Further, the LC resonance circuit can be regarded as a module having a device function G (f) represented by the following formula (2). As an example, the following device function G (f) is a device function in a series resonant circuit.

上記の式(2)において、fは共振周波数であり、Qは共振Q値である。 In the above equation (2), f 0 is the resonance frequency, and Q is the resonance Q value.

図3に示されているように、LC共振回路を経た信号はプリアンプ47を介して受信部50に送られる。極めて高いQ値をもつLC共振回路とフロアノイズの小さい受信系を用いることにより、熱ノイズ信号(熱雑音信号)を直接観測することができる。熱ノイズの周波数依存性は、上記の式(2)で表される装置関数G(f)を反映している。それ故、熱ノイズを直接観測することができれば、ノイズスペクトルの解析によって、装置関数G(f)に含まれる共振周波数fと共振Q値とを求めることが可能となる。つまり、検出回路28の特性を示す回路特性情報を得ることが可能となる。 As shown in FIG. 3, the signal that has passed through the LC resonance circuit is sent to the receiving unit 50 via the preamplifier 47. By using an LC resonance circuit having an extremely high Q value and a receiving system with low floor noise, a thermal noise signal (thermal noise signal) can be directly observed. The frequency dependence of thermal noise reflects the device function G (f) expressed by the above equation (2). Therefore, if it is possible to observe the thermal noise directly, by analyzing the noise spectrum, it is possible to determine the resonance frequency f 0 contained in the device function G (f) and the resonance Q value. That is, circuit characteristic information indicating the characteristics of the detection circuit 28 can be obtained.

熱ノイズを用いる本実施形態に係る方法によると、励起源を用いずに検出回路28の回路特性情報が得られる。一般的なtransmission法やreflection法では、励起源によって何らかの高周波パワーを共振回路に供給する必要がある。これに対して、本実施形態では、検出回路28にて発生する熱ノイズを利用することにより回路特性情報が得られる。それ故、何らかのパワーを検出回路28に供給する必要がなく、励起源を用いずに回路特性情報が得られる。これにより、検出コイル30の材料として超伝導材料を用いた場合であっても、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことが可能となる。超伝導材料は、通電した状態では非線形の応答性を有しているため、超伝導材料が用いられた検出回路28の共振特性は通電状態に応じて変化してしまう。それ故、一般的に、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことは困難である。これに対して、本実施形態によると、検出回路28に対してパワーを供給せずに回路特性情報が得られるため、検出回路28に超伝導材料が用いられた場合であっても、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことが可能となる。   According to the method according to the present embodiment using thermal noise, circuit characteristic information of the detection circuit 28 can be obtained without using an excitation source. In a general transmission method or reflection method, it is necessary to supply some high frequency power to the resonance circuit by an excitation source. On the other hand, in this embodiment, circuit characteristic information is obtained by using thermal noise generated in the detection circuit 28. Therefore, it is not necessary to supply any power to the detection circuit 28, and circuit characteristic information can be obtained without using an excitation source. Thereby, even when a superconducting material is used as the material of the detection coil 30, the detection circuit 28 can be appropriately tuned and matched. Since the superconducting material has a non-linear response when energized, the resonance characteristic of the detection circuit 28 using the superconducting material changes depending on the energized state. Therefore, it is generally difficult to properly tune and match the detection circuit 28. On the other hand, according to the present embodiment, since circuit characteristic information can be obtained without supplying power to the detection circuit 28, even if a superconductive material is used for the detection circuit 28, the detection circuit 28 tuning and matching can be performed appropriately.

また、熱ノイズを用いる方法によると、送信源との応答を観測する必要がなく、熱ノイズを測定するだけで所望の周波数範囲のスペクトルを得ることが可能となる。送信源との応答を観測する従来の方法では、各周波数に対する応答を観測するにあたって、共振回路の時定数をQ/fとして、その10倍程度の時間間隔を設ける必要がある。これに対して、熱ノイズを用いる方法では、後述する実施例1(フーリエ変換を用いる方法)で説明するように、時定数の10倍程度の観測時間で所望帯域の全域のスペクトル情報が得られる。また、後述する実施例2,3(時間相関を観察する方法)では、時定数の数倍程度の観測時間で共振周波数fやQ値を評価することができる。例えば、図4に示すように、送信パルス照射(RFパルス照射)後の観測時間帯(受信期間)といった局所的な時間帯でも、共振周波数fやQ値を短時間で測定することができる。 In addition, according to the method using thermal noise, it is not necessary to observe the response with the transmission source, and it is possible to obtain a spectrum in a desired frequency range only by measuring thermal noise. In the conventional method of observing the response with the transmission source, when observing the response to each frequency, the time constant of the resonance circuit is set to Q / f 0 and it is necessary to provide a time interval of about 10 times the time constant. On the other hand, in the method using thermal noise, as described in Example 1 (method using Fourier transform), which will be described later, spectral information of the entire desired band can be obtained in an observation time about 10 times the time constant. . In Examples 2 and 3 (methods for observing the time correlation) described later, the resonance frequency f 0 and the Q value can be evaluated with an observation time that is several times the time constant. For example, as shown in FIG. 4, the resonance frequency f 0 and the Q value can be measured in a short time even in a local time zone such as an observation time zone (reception period) after transmission pulse irradiation (RF pulse irradiation). .

以下、共振周波数f及びQ値の具体的な演算方法(実施例1〜3)について説明する。以下の実施例1〜3に係る処理は、検出回路28の同調状態及び整合状態を調整する段階で実行される。このとき、送信部42から検出回路28に対して送信信号は送信されない。つまり、観測時間帯(受信期間)と同様の条件下で、実施例1〜3に係る処理が実行される。 Hereinafter, a specific calculation method (Examples 1 to 3) of the resonance frequency f 0 and the Q value will be described. The processes according to the following first to third embodiments are executed at the stage of adjusting the tuning state and the matching state of the detection circuit 28. At this time, a transmission signal is not transmitted from the transmission unit 42 to the detection circuit 28. That is, the processes according to the first to third embodiments are executed under the same conditions as the observation time period (reception period).

(実施例1)
図5を参照して、実施例1に係る回路特性情報生成処理について説明する。実施例1では、周波数空間上のデータが利用される。具体的には、フーリエ変換を適用することによりスペクトルデータが生成され、そのスペクトルデータに基づいて共振周波数fとQ値が求められる。
Example 1
With reference to FIG. 5, the circuit characteristic information generation processing according to the first embodiment will be described. In the first embodiment, data on a frequency space is used. Specifically, spectrum data is generated by applying Fourier transform, and the resonance frequency f 0 and the Q value are obtained based on the spectrum data.

測定時間帯ΔT(FFT処理の時間窓)と積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例として5×Q/f程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkTQAとすると、積算回数は、一例としてkTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。 The measurement time zone ΔT (FFT processing time window) and the number of integrations n are determined in advance. The measurement time zone ΔT is about 5 × Q / f 0 as an example. Further, assuming that the amplification factor of the preamplifier 47 is A, the power of floor noise at the time of reception is P floor, and the thermal noise at the time of reception is k B TQA, the number of integrations is, for example, k B TQA / P floor × (n ) 1/2 > 5.

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S01)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S02)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する(S03)。スペクトル処理部52は、ノイズデータ(y)に対してFFT処理を実行する(S04)。これにより、パワースペクトルデータ|Y(f)|が得られる。パワースペクトルデータ|Y(f)|は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S05)。k<nの場合(S06,No)、処理はステップS02に戻り、ステップS02以降の処理が実行される。k≧nの場合(S06,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のパワースペクトルデータ|Y(f)|の列を積算する(S07)。つまり、n個のパワースペクトルデータ|Y(f)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、上記の式(1)と式(2)とを乗算することにより得られた式(P×G(f))を理論式とし、ステップS07で得られた積算結果に対して最小二乗法を適用する(S08)。つまり、波形フィッティングが実行される。具体的には、ノイズ解析部54は、理論式(P×G(f))に含まれる共振周波数fとQ値を変えて理論式を積算結果にマッチングさせることにより、理論式の値と積算結果との差が最小となる共振周波数fとQ値(最適な共振周波数fとQ値)を求める。 First, the noise analysis unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, and sets the number of processes k to 0 (S01). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S02). Then, in the observation time zone (reception period), that is, in a state where the transmission signal is not sent to the detection circuit 28, the reception unit 50 receives the noise data (y k ) as the reception signal (S03). The spectrum processing unit 52 performs FFT processing on the noise data (y k ) (S04). Thereby, power spectrum data | Y k (f) | is obtained. The power spectrum data | Y k (f) | is stored in the spectrometer 40 as k-th data (S05). When k <n (S06, No), the process returns to step S02, and the processes after step S02 are executed. When k ≧ n (S06, Yes), the noise analysis unit 54 integrates the columns of n pieces of power spectrum data | Y k (f) | from the first to the n-th (S07). That is, the sum of n pieces of power spectrum data | Y k (f) | is calculated. Next, the noise analysis unit 54 uses the formula (P n × G (f)) obtained by multiplying the above formula (1) and formula (2) as a theoretical formula, and is obtained in step S07. The least square method is applied to the integration result (S08). That is, waveform fitting is executed. Specifically, the noise analysis unit 54 changes the resonance frequency f 0 and the Q value included in the theoretical formula (P n × G (f)) to match the theoretical formula with the integration result, thereby obtaining the value of the theoretical formula. And the resonance frequency f 0 and the Q value (optimal resonance frequency f 0 and Q value) that minimize the difference between the calculation result and the integration result are obtained.

上記の処理によって得られた最適な共振周波数fとQ値は、例えば表示部60に表示される。受信マニュアルチューニングモードにおいては、作業者が、得られた共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合するように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS01〜S08の処理が実行され、これにより、設定値毎の共振周波数fとQ値が得られる。そして、作業者は、得られた共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値を設定する。受信オートチューニングモードにおいては、チューニング制御部56が、各設定値を順次変更して複数の共振周波数fを得て、得られた共振周波数fが観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値を設定する。 It said optimum resonance frequency f 0 and Q values obtained by the process, for example, is displayed on the display unit 60. In receiving the manual tuning mode, the operator, so that the resonance frequency f 0 obtained conforms to the resonance frequency of the observation target species changes the set values of the tuning variable capacitor and the variable capacitor matching. In other words, obtained each time the set values of the tuning variable capacitor and a variable capacitor for matching is changed, the processing of steps S01~S08 are executed, thereby, the resonance frequency f 0 and Q values for each set value It is done. Then, the operator sets each set value so that the obtained resonance frequency f 0 matches the resonance frequency of the observation target nuclide. In the reception auto-tuning mode, the tuning control unit 56 sequentially changes each set value to obtain a plurality of resonance frequencies f 0, and the obtained resonance frequency f 0 matches the resonance frequency of the observation target nuclide. Set each setting value.

以上の処理により、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数fとQ値が求められる。また、受信マニュアルチューニングモードにおいて、得られた共振周波数fとQ値を表示することにより、作業者に対して、同調及び整合のために有用な情報を提供することが可能となる。また、受信オートチューニングモードにおいて、自動的に検出回路28の同調及び整合が図られる。 Through the above processing, the resonance frequency f 0 and the Q value that match the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the observation time zone (reception period). Further, by displaying the obtained resonance frequency f 0 and Q value in the reception manual tuning mode, it is possible to provide useful information for tuning and matching to the operator. In the reception auto-tuning mode, the detection circuit 28 is automatically tuned and matched.

次に、図6を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S10)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S11)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する(S12)。スペクトル処理部52は、ノイズデータ(y)に対してFFT処理を実行する(S13)。これにより、パワースペクトルデータ|Y(f)|が得られる。パワースペクトルデータ|Y(f)|は、k番目のデータとして分光計40に格納される。次に、flagが1の場合(S15,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のパワースペクトルデータ|Y(f)|の平均を演算し、平均化されたパワースペクトルデータ|Y(f)|のグラフを表示部60に表示させる(S16)。そして、処理はステップS11に戻る。一方、ステップS15において、flagが1ではない場合(S15,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のパワースペクトルデータ|Y(f)|の平均を演算し、平均化されたパワースペクトルデータ|Y(f)|のグラフを表示部60に表示させる(S17)。kがnの場合(S18,Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S19)。そして、処理はステップS11に戻る。一方、kがnではない場合(S18,No)、処理はステップS11に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。 Next, an example of processing in the reception manual tuning mode will be described with reference to FIG. First, the noise analysis unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, sets the number of processes k to 0, and sets flag to 0 (S10). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S11). Then, in the observation time zone (reception period), the receiving unit 50 receives the noise data (y k ) as a received signal (S12). The spectrum processing unit 52 performs FFT processing on the noise data (y k ) (S13). Thereby, power spectrum data | Y k (f) | is obtained. The power spectrum data | Y k (f) | is stored in the spectrometer 40 as k-th data. Next, when the flag is 1 (S15, Yes), the noise analysis unit 54 calculates an average of n power spectrum data | Y k (f) | A graph of the power spectrum data | Y k (f) | is displayed on the display unit 60 (S16). Then, the process returns to step S11. On the other hand, when the flag is not 1 in step S15 (S15, No), the noise analysis unit 54 calculates the average of the k power spectrum data | Y k (f) | A graph of the averaged power spectrum data | Y k (f) | is displayed on the display unit 60 (S17). When k is n (S18, Yes), the noise analysis unit 54 sets flag to 1 and sets the processing count k to 0 (S19). Then, the process returns to step S11. On the other hand, if k is not n (S18, No), the process returns to step S11. Similarly, the processing is repeated thereafter.

作業者は、パワースペクトルデータ|Y(f)|のグラフを参照しながら、そのグラフのピーク位置を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS10〜S19の処理が実行され、これにより、設定値毎のパワースペクトルデータ|Y(f)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。 The operator refers to the graph of the power spectrum data | Y k (f) | so that the frequency indicating the peak position of the graph matches the resonance frequency of the observation target nuclide, and the peak intensity of the graph is Each setting value of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor is changed so as to be maximized. That is, each time the setting values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor are changed, the processing of the above steps S10 to S19 is executed, whereby the power spectrum data | Y k (f) for each setting value. A graph of | is obtained and displayed. Then, the worker changes each set value while referring to the graph. Thereby, the tuning and matching of the detection circuit 28 in the observation time zone (reception period) is achieved by manual operation.

なお、パワースペクトルデータ|Y(f)|のグラフとともに共振周波数fやQ値が表示部60に表示され、作業者は、それらの情報を参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更してもよい。 The resonance frequency f 0 and the Q value are displayed on the display unit 60 together with the graph of the power spectrum data | Y k (f) |, and the operator refers to the information and adjusts the tuning variable capacitor and the matching variable. Each set value of the capacitor may be changed.

(実施例2)
次に、図7を参照して、実施例2に係る回路特性情報生成処理について説明する。実施例2では、時間空間上のデータが利用される。具体的には、熱ノイズの波形に含まれる周期成分が自己相関法によって抽出され、その抽出結果に基づいて共振周波数fとQ値が求められる。
(Example 2)
Next, circuit characteristic information generation processing according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment, data on time space is used. Specifically, the periodic component included in the thermal noise waveform is extracted by the autocorrelation method, and the resonance frequency f 0 and the Q value are obtained based on the extraction result.

検出回路28にて発生する熱ノイズのデータをx(t)とすると、検出回路28の後段のプリアンプ47から出力される信号y(t)は、以下の式(3)で表される。
Assuming that the data of thermal noise generated in the detection circuit 28 is x (t), the signal y (t) output from the preamplifier 47 subsequent to the detection circuit 28 is expressed by the following equation (3).

上記の式(3)において、tは時間であり、g(τ)は検出回路28の装置関数、w(t)は、プリアンプ47で加算されるノイズである。 In the above equation (3), t is time, g (τ) is a device function of the detection circuit 28, and w n (t) is noise added by the preamplifier 47.

整合された直列共振回路の装置関数g(τ)は、以下の式(4)で表される。
The device function g (τ) of the matched series resonant circuit is expressed by the following equation (4).

測定時間帯ΔTと積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例としてQ/f程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkTQAとすると、積算回数は、一例としてkTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。 The measurement time zone ΔT and the number of integrations n are determined in advance. The measurement time zone ΔT is about Q / f 0 as an example. Further, assuming that the amplification factor of the preamplifier 47 is A, the power of floor noise at the time of reception is P floor, and the thermal noise at the time of reception is k B TQA, the number of integrations is, for example, k B TQA / P floor × (n ) 1/2 > 5.

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S30)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S31)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する(S32)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(y)に対して自己相関処理を実行する(S33)。具体的には、ノイズ解析部54は、以下の式(5)に表されている自己相関関数g(τ)を演算する。これにより、装置関数によって支配された成分である周期成分が抽出される。
First, the noise analysis unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, and sets the number of processes k to 0 (S30). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S31). Then, in the observation time zone (reception period), that is, in a state where the transmission signal is not sent to the detection circuit 28, the reception unit 50 receives the noise data (y k ) as the reception signal (S32). The noise analysis unit 54 performs autocorrelation processing on the noise data (y k ) (S33). Specifically, the noise analysis unit 54 calculates an autocorrelation function g k (τ) expressed in the following equation (5). Thereby, a periodic component which is a component governed by the device function is extracted.

自己相関処理の演算結果g(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S34)。k<nの場合(S35,No)、処理はステップS31に戻り、ステップS31以降の処理が実行される。k≧nの場合(S35,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|g(τ)|の列を積算する(S36)。つまり、n個のデータ|g(τ)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、式(Ag(τ)+B)を理論式とし、ステップS36で得られた積算結果に対して最小二乗法を適用する(S37)。つまり、波形フィッティングが実行される。ここで、係数A,Bは未知数であり、係数Aは振幅に相当し、係数Bはオフセットに相当する。ノイズ解析部54は、理論式(Ag(τ)+B)に含まれる係数A,B、共振周波数f及びQ値を変えて理論式を積算結果にマッチングさせることにより、理論式の値と積算結果との差が最小となる共振周波数fとQ値(最適な共振周波数fとQ値)を求める。 The calculation result g k (τ) of the autocorrelation process is stored in the spectrometer 40 as k-th data (S34). If k <n (S35, No), the process returns to step S31, and the processes after step S31 are executed. When k ≧ n (S35, Yes), the noise analysis unit 54 integrates a column of n pieces of data | g k (τ) | from the first to the n-th (S36). That is, the sum of n pieces of data | g k (τ) | is calculated. Next, the noise analysis unit 54 uses the equation (Ag (τ) + B) as a theoretical equation, and applies the least square method to the integration result obtained in step S36 (S37). That is, waveform fitting is executed. Here, the coefficients A and B are unknown numbers, the coefficient A corresponds to the amplitude, and the coefficient B corresponds to the offset. The noise analysis unit 54 changes the coefficients A and B, the resonance frequency f 0, and the Q value included in the theoretical formula (Ag (τ) + B) to match the theoretical formula with the integration result, thereby integrating the value of the theoretical formula and the integration. The resonance frequency f 0 and Q value (optimal resonance frequency f 0 and Q value) that minimize the difference from the result are obtained.

実施例1と同様に、上記の処理によって得られた最適な共振周波数fとQ値は、例えば表示部60に表示される。そして、受信マニュアルチューニングモード又は受信オートチューニングモードが実行される。これにより、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数fとQ値が求められ、検出回路28の同調及び整合が図られる。 As in the first embodiment, the optimum resonance frequency f 0 and Q value obtained by the above processing are displayed on the display unit 60, for example. Then, the reception manual tuning mode or the reception auto tuning mode is executed. As a result, the resonance frequency f 0 and the Q value matching the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the observation time period (reception period), and the detection circuit 28 is tuned and matched.

次に、図8を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S40)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S41)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する(S42)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(y)に対して自己相関処理を実行する(S43)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数g(τ)を演算する。自己相関処理の演算結果g(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S44)。次に、flagが1の場合(S45,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|g(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|g(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S46)。そして、処理はステップS41に戻る。一方、ステップS45において、flagが1でない場合(S45,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のデータ|g(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|g(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S47)。また、ノイズ解析部54は、図7に示されているステップS36,S37の処理(最小二乗法の適用)を実行することにより、最適な共振周波数fとQ値を求め、それらの値を表示部60に表示させる(S48)。kがnの場合(S49、Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S50)。そして、処理はステップS41に戻る。一方、kがnではない場合(S49,No)、処理はステップS41に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。 Next, an example of processing in the reception manual tuning mode will be described with reference to FIG. First, the noise analyzing unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, sets the number of processes k to 0, and sets flag to 0 (S40). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S41). Then, in the observation time zone (reception period), the reception unit 50 receives the noise data (y k ) as a reception signal (S42). The noise analysis unit 54 performs autocorrelation processing on the noise data (y k ) (S43). Specifically, the noise analysis unit 54 calculates the autocorrelation function g k (τ) expressed in the above equation (5). The calculation result g k (τ) of the autocorrelation process is stored in the spectrometer 40 as k-th data (S44). Next, when flag is 1 (S45, Yes), the noise analysis unit 54 calculates the average of n pieces of data | g k (τ) | A graph of g k (τ) | is displayed on the display unit 60 (S46). Then, the process returns to step S41. On the other hand, if the flag is not 1 in step S45 (S45, No), the noise analysis unit 54 calculates the average of k data | g k (τ) | The graph of the data | g k (τ) | is displayed on the display unit 60 (S47). Further, the noise analysis unit 54 obtains the optimum resonance frequency f 0 and Q value by executing the processing of steps S36 and S37 (application of the least square method) shown in FIG. It is displayed on the display unit 60 (S48). When k is n (S49, Yes), the noise analysis unit 54 sets flag to 1 and sets the processing count k to 0 (S50). Then, the process returns to step S41. On the other hand, if k is not n (S49, No), the process returns to step S41. Similarly, the processing is repeated thereafter.

作業者は、データ|g(τ)|のグラフ及び共振周波数fを参照しながら、そのグラフのピーク値を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS40〜S50の処理が実行され、これにより、設定値毎のデータ|g(τ)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。 The operator refers to the graph of the data | g k (τ) | and the resonance frequency f 0 so that the frequency indicating the peak value of the graph matches the resonance frequency of the target nuclide, Each setting value of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor is changed so that the peak intensity becomes maximum. That is, each time the set values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor are changed, the processing of the above steps S40 to S50 is executed, whereby the data | g k (τ) | A graph is obtained and displayed. Then, the worker changes each set value while referring to the graph. Thereby, the tuning and matching of the detection circuit 28 in the observation time zone (reception period) is achieved by manual operation.

(実施例3)
次に、図9を参照して、実施例3に係る回路特性情報生成処理について説明する。実際例3では、時間空間上のデータが利用される。具体的には、熱ノイズの波形に含まれる周期成分が自己相関法によって抽出され、その抽出結果に対して自己回帰法を適用することにより、共振周波数fとQ値が求められる。
(Example 3)
Next, a circuit characteristic information generation process according to the third embodiment will be described with reference to FIG. In practical example 3, data on time space is used. Specifically, periodic components contained in the waveform of the thermal noise is extracted by the autocorrelation method, by applying an autoregressive method for the extraction result, Q value is obtained and the resonance frequency f 0.

測定時間帯ΔTと積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例としてf/2Q程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkTQAとすると、積算回数は、一例としてkTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。 The measurement time zone ΔT and the number of integrations n are determined in advance. The measurement time zone ΔT is about f 0 / 2Q as an example. Further, assuming that the amplification factor of the preamplifier 47 is A, the power of floor noise at the time of reception is P floor, and the thermal noise at the time of reception is k B TQA, the number of integrations is, for example, k B TQA / P floor × (n ) 1/2 > 5.

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S60)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S61)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(y)に対して自己相関処理を実行する(S62)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数g(τ)を演算する。これにより、装置関数によって支配された成分である周期成分が抽出される。 First, the noise analysis unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, and sets the number of processes k to 0 (S60). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S61). In the observation time period (reception period), that is, in a state where the transmission signal is not sent to the detection circuit 28, the reception unit 50 receives the noise data (y k ) as the reception signal. The noise analysis unit 54 performs autocorrelation processing on the noise data (y k ) (S62). Specifically, the noise analysis unit 54 calculates the autocorrelation function g k (τ) expressed in the above equation (5). Thereby, a periodic component which is a component governed by the device function is extracted.

自己相関処理の演算結果g(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S64)。k<nの場合(S65、No)、処理はステップS61に戻り、ステップS61以降の処理が実行される。k≧nの場合(S65,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|g(τ)|の列を積算する(S66)。つまり、n個のデータ|g(τ)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、ステップS66で得られた積算結果に対して自己回帰法を適用する(S67)。これにより、最適な共振周波数fとQ値が求められる。 The calculation result g k (τ) of the autocorrelation process is stored in the spectrometer 40 as k-th data (S64). If k <n (S65, No), the process returns to step S61, and the processes after step S61 are executed. When k ≧ n (S65, Yes), the noise analysis unit 54 integrates a column of n pieces of data | g k (τ) | from the first to the n-th (S66). That is, the sum of n pieces of data | g k (τ) | is calculated. Next, the noise analysis unit 54 applies the autoregressive method to the integration result obtained in step S66 (S67). Thus, 0 and Q values optimum resonance frequency f is determined.

以下、自己回帰法について説明する。サンプリング時間をΔt、N=ΔT/(2Δt)とすると、積算結果の離散データ列は、以下の式(6)のように表される。
{g}={g、g、・・・、g、・・・、g}・・・(6)
Hereinafter, the autoregressive method will be described. Assuming that the sampling time is Δt and N = ΔT / (2Δt), the discrete data string of the integration result is expressed as the following equation (6).
{G j } = {g 1 , g 2 ,..., G j ,..., G n } (6)

ここで、以下の式(7)に表されるZ,Zを定義する。
Here, Z 1 and Z 2 represented by the following formula (7) are defined.

{gj}は、式(4)で表される理論式に熱ノイズが加算されたものであるとみなすことができ、公知のZ変換によって、以下の式(8)に表されている漸化式を満たしている。
(g−w)=(Z+Z)(gj−1−Wj−1)−Z(gj−2−Wj−2)・・(8)
{Gj} can be regarded as a result of adding thermal noise to the theoretical formula represented by the formula (4), and the recurrence represented by the following formula (8) by a known Z transformation. The expression is satisfied.
(G j −w j ) = (Z 1 + Z 2 ) (g j−1 −W j−1 ) −Z 1 Z 2 (g j−2 −W j− 2 ) (8)

漸化式(8)によると、ノイズを含む点(gj−2,gj−1,g)は、原点(0,0,0)を通り法線ベクトル(Z,Z,−(Z+Z),1)をもつ平面上に存在することが分かる。つまり、測定結果である時系列データ{g}を点(gj−2,gj−1,g)として三次元空間上にプロットしていき、データを最小二乗法によって平面でフィッティングすれば、Z,Zが一意的に決定される。具体的には、最小二乗法を適用するにあたって、時系列データを以下の式(9)で表し、以下の式(10)によって解xが求められる。
According to the recurrence formula (8), the point (g j−2 , g j−1 , g j ) including noise passes through the origin (0, 0, 0) and the normal vector (Z 1 , Z 2 , − It can be seen that it lies on a plane with (Z 1 + Z 2 ), 1). That is, the time series data {g j } as a measurement result is plotted as a point (g j−2 , g j−1 , g j ) on a three-dimensional space, and the data is fitted on a plane by the least square method. For example, Z 1 and Z 2 are uniquely determined. Specifically, when applying the least square method, time series data is expressed by the following equation (9), and a solution x is obtained by the following equation (10).

ここで、y、x、Hは、以下の式(11)、式(12)及び式(13)によって定義される。
Here, y, x, and H are defined by the following equations (11), (12), and (13).

そして、最終的に、上記の式(8)を変形し、Z,Zを用いることにより、以下の式(14)及び式(15)に表されているように、共振周波数fとQ値が得られる。
Finally, the above equation (8) is modified and Z 1 and Z 2 are used, so that the resonance frequency f 0 is expressed as shown in the following equations (14) and (15). A Q value is obtained.

すなわち、平面を表す式(8)を理論式として、時系列データ{g}に対して最小二乗法を適用することにより、平面が時系列データ{g}に最もフィッティングするZ,Z、つまり、理論式と時系列データ{g}との差が最小となるZ,Zが求められる。そして、求められたZ,Zを上記の式(14)及び式(15)に代入することにより、共振周波数fとQ値が求められる。 That is, by applying the least square method to the time series data {g j } using the equation (8) representing the plane as a theoretical formula, Z 1 and Z that fit the plane most to the time series data {g j } 2 , that is, Z 1 and Z 2 that minimize the difference between the theoretical formula and the time series data {g j }. Then, by substituting the obtained Z 1 and Z 2 into the above equations (14) and (15), the resonance frequency f 0 and the Q value are obtained.

実施例1と同様に、上記の処理によって得られた最適な共振周波数fとQ値は、例えば表示部60に表示される。そして、受信マニュアルチューニングモード又は受信オートチューニングモードが実行される。これにより、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数fとQ値が求められ、検出回路28の同調及び整合が図られる。 As in the first embodiment, the optimum resonance frequency f 0 and Q value obtained by the above processing are displayed on the display unit 60, for example. Then, the reception manual tuning mode or the reception auto tuning mode is executed. As a result, the resonance frequency f 0 and the Q value matching the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the observation time period (reception period), and the detection circuit 28 is tuned and matched.

次に、図10を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S70)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S71)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(y)を受信信号として受信する(S72)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(y)に対して自己相関処理を実行する(S73)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数g(τ)を演算する。自己相関処理の演算結果g(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S74)。次に、flagが1の場合(S75、Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|g(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|g(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S76)。そして、処理はステップS71に戻る。一方、ステップS75において、flagが1でない場合(S75,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のデータ|g(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|g(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S77)。また、ノイズ解析部54は、図9に示されているステップS66,S67の処理(自己回帰法の適用)を実行することにより、最適な共振周波数fとQ値を求め、それらの値を表示部60に表示させる(S78)。kがnの場合(S79,Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S80)。そして、処理はステップS71に戻る。一方、kがnではない場合(S79,No)、処理はステップS71に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。 Next, an example of processing in the reception manual tuning mode will be described with reference to FIG. First, the noise analysis unit 54 sets the number of executed circuit characteristic information generation processes to k, sets the number of processes k to 0, and sets flag to 0 (S70). Next, the noise analysis unit 54 adds 1 to the processing count k (S71). Then, in the observation time zone (reception period), the reception unit 50 receives the noise data (y k ) as a reception signal (S72). The noise analysis unit 54 performs autocorrelation processing on the noise data (y k ) (S73). Specifically, the noise analysis unit 54 calculates the autocorrelation function g k (τ) expressed in the above equation (5). The calculation result g k (τ) of the autocorrelation process is stored in the spectrometer 40 as k-th data (S74). Next, when flag is 1 (S75, Yes), the noise analysis unit 54 calculates the average of n pieces of data | g k (τ) | from the 1st to the n-th, and the averaged data | A graph of g k (τ) | is displayed on the display unit 60 (S76). Then, the process returns to step S71. On the other hand, if the flag is not 1 in step S75 (S75, No), the noise analysis unit 54 calculates the average of the k pieces of data | g k (τ) | The graph of the data | g k (τ) | is displayed on the display unit 60 (S77). Further, the noise analysis unit 54 obtains the optimum resonance frequency f 0 and Q value by executing the processing of steps S66 and S67 (application of the autoregressive method) shown in FIG. It is displayed on the display unit 60 (S78). When k is n (S79, Yes), the noise analysis unit 54 sets flag to 1 and sets the processing count k to 0 (S80). Then, the process returns to step S71. On the other hand, if k is not n (S79, No), the process returns to step S71. Similarly, the processing is repeated thereafter.

作業者は、データ|g(τ)|のグラフ及び共振周波数fを参照しながら、そのグラフのピーク値を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS70〜S80の処理が実行され、これにより、設定値毎のデータ|g(τ)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。 The operator refers to the graph of the data | g k (τ) | and the resonance frequency f 0 so that the frequency indicating the peak value of the graph matches the resonance frequency of the target nuclide, Each setting value of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor is changed so that the peak intensity becomes maximum. That is, each time the setting values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor are changed, the processing of the above steps S70 to S80 is executed, whereby the data | g k (τ) | A graph is obtained and displayed. Then, the worker changes each set value while referring to the graph. Thereby, the tuning and matching of the detection circuit 28 in the observation time zone (reception period) is achieved by manual operation.

次に、実施例1の実際の適用例について説明する。図11には、実施例1に係る処理によって実際に得られたグラフが示されている。このグラフは、熱ノイズのパワースペクトルデータを示すグラフである。図11において、横軸は周波数f(MHz)であり、縦軸は熱ノイズのパワースペクトルのパワー値(dBm)である。この実験では、検出コイル30A,30Bの材料として、高温超伝導材料YBCOが用いられている。検出回路28は19Kに冷却され、インピーダンス整合が図られている。増幅率18dBのプリアンプ(別途経路による損失は1dB程度)と10dBのバッファアンプを経て、高精度デジタルオシロスコープによって熱ノイズのデータを直接観測した。このグラフにおいて、702.0MHzの付近に明瞭なピークが形成されている。グラフ中の実線は、上述した理論式(P×G(f))を測定結果のグラフにフィッティングした結果を示している。このフィッティングから、共振周波数fは701.97±0.02であり、Q値は17420±230であった。このように、本実施形態に係る処理を実行することにより、共振周波数fとQ値が得られる。これらの情報を利用することにより、検出回路28の同調及び整合を図ることが可能となる。 Next, an actual application example of the first embodiment will be described. FIG. 11 shows a graph actually obtained by the processing according to the first embodiment. This graph is a graph showing power spectrum data of thermal noise. In FIG. 11, the horizontal axis represents the frequency f (MHz), and the vertical axis represents the power value (dBm) of the power spectrum of thermal noise. In this experiment, a high-temperature superconducting material YBCO is used as a material for the detection coils 30A and 30B. The detection circuit 28 is cooled to 19K, and impedance matching is achieved. Thermal noise data was directly observed with a high-precision digital oscilloscope after passing through a preamplifier with an amplification factor of 18 dB (a loss due to a separate path was about 1 dB) and a buffer amplifier of 10 dB. In this graph, a clear peak is formed in the vicinity of 702.0 MHz. The solid line in the graph indicates the result of fitting the above-described theoretical formula (P n × G (f)) to the graph of the measurement result. From this fitting, the resonance frequency f 0 was 701.97 ± 0.02, and the Q value was 17420 ± 230. Thus, by executing the processing according to the present embodiment, the resonance frequency f 0 and the Q value are obtained. By using these pieces of information, the detection circuit 28 can be tuned and matched.

(変形例)
次に、変形例に係る処理について説明する。変形例では、送信チューニングと受信チューニングが実行される。そして、NMR信号の測定段階の送信期間においては、送信チューニングの結果が利用されて検出回路28の動作条件が設定され、測定段階の受信期間においては、受信チューニングの結果が利用されて検出回路28の動作条件が設定される。以下、具体的な処理について説明する。
(Modification)
Next, the process which concerns on a modification is demonstrated. In the modification, transmission tuning and reception tuning are performed. Then, in the transmission period of the NMR signal measurement stage, the transmission tuning result is used to set the operating condition of the detection circuit 28, and in the measurement stage reception period, the reception tuning result is used to detect the detection circuit 28. Operating conditions are set. Specific processing will be described below.

送信マニュアルチューニング又は送信オートチューニングが実行され、これにより、送信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数fとQ値(Q)が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が決定される。各設定値は、送信期間における設定値として分光計40に記憶される。 Transmission manual tuning or transmission auto-tuning is executed, whereby a resonance frequency f 1 and a Q value (Q 1 ) that match the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the transmission period, and these values are obtained. Each setting value of the capacitor and the variable capacitor for matching is determined. Each set value is stored in the spectrometer 40 as a set value in the transmission period.

また、上述した実施例1〜3のいずれかの処理が実行され、これにより、受信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数fとQ値(Q)が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が決定される。各設定値は、受信期間における設定値として分光計40に記憶される。 In addition, any one of the processes of the first to third embodiments described above is executed, whereby the resonance frequency f 2 and the Q value (Q 2 ) that match the resonance frequency of the observation target nuclide are obtained in the reception period. Each setting value of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor from which the value is obtained is determined. Each set value is stored in the spectrometer 40 as a set value in the reception period.

そして、NMR信号の測定段階においては、送信期間と受信期間とで検出回路28の動作条件が動的に切り替えられる。具体的には、チューニング制御部56は、送信期間と受信期間とで、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を動的に切り替える。より具体的には、チューニング制御部56は、送信期間では、共振周波数fとQ値(Q)とに対応する各設定値を同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定し、受信期間では、共振周波数fとQ値(Q)とに対応する各設定値を同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定する。これにより、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、観測対象核種の共振周波数に適合する理想的な共振周波数が得られる設定値が、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定される。すなわち、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、検出回路28の同調状態及び整合状態が理想的な状態に設定される。 In the NMR signal measurement stage, the operating conditions of the detection circuit 28 are dynamically switched between the transmission period and the reception period. Specifically, the tuning control unit 56 dynamically switches the setting values of the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor between the transmission period and the reception period. More specifically, in the transmission period, the tuning control unit 56 sets each set value corresponding to the resonance frequency f 1 and the Q value (Q 1 ) in the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor, and receives the reception period. Then, setting values corresponding to the resonance frequency f 2 and the Q value (Q 2 ) are set in the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor. As a result, in each of the transmission period and the reception period, set values for obtaining an ideal resonance frequency that matches the resonance frequency of the observation target nuclide are set in the tuning variable capacitor and the matching variable capacitor. That is, in each of the transmission period and the reception period, the tuning state and the matching state of the detection circuit 28 are set to ideal states.

10 NMR装置、12 静磁場発生装置、14 NMRプローブ、16 挿入部、18 基部、28 検出回路、30 検出コイル、34 結合コイル、40 分光計、42 送信部、50 受信部、52 スペクトル処理部、54 ノイズ解析部、56 チューニング制御部。   10 NMR apparatus, 12 static magnetic field generator, 14 NMR probe, 16 insertion section, 18 base, 28 detection circuit, 30 detection coil, 34 coupling coil, 40 spectrometer, 42 transmission section, 50 reception section, 52 spectrum processing section, 54 Noise analysis unit, 56 Tuning control unit.

Claims (10)

磁気共鳴測定用の電気回路と、
前記電気回路の動作条件の調整段階において、前記電気回路で生じる熱雑音信号を解析することにより、前記電気回路の特性を示す特性情報を生成する特性情報生成手段と、
を含むことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
An electrical circuit for magnetic resonance measurement;
Characteristic information generating means for generating characteristic information indicating characteristics of the electric circuit by analyzing a thermal noise signal generated in the electric circuit in the adjustment stage of the operating condition of the electric circuit;
A magnetic resonance measuring apparatus comprising:
請求項1に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記調整段階は、観測対象の核種に適合した周波数に前記電気回路の共振周波数を同調させるための段階、及び、電気的インピーダンスの整合を図る段階であり、
前記特性情報は、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を示す情報である、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
The magnetic resonance measuring apparatus according to claim 1.
The adjusting step is a step for tuning the resonance frequency of the electric circuit to a frequency suitable for the nuclide to be observed, and a step of matching the electric impedance,
The characteristic information is information indicating at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit.
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項1又は請求項2に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号のスペクトルデータを生成する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
In the magnetic resonance measuring apparatus according to claim 1 or 2,
The characteristic information generating means generates spectral data of the thermal noise signal;
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項3に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記スペクトルデータを表示するスペクトル表示手段を更に含む、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
The magnetic resonance measuring apparatus according to claim 3.
Further comprising spectrum display means for displaying the spectrum data.
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項3又は請求項4に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記特性情報生成手段は、前記スペクトルデータを解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
In the magnetic resonance measuring apparatus according to claim 3 or 4,
The characteristic information generating means calculates at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit by analyzing the spectrum data.
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項1又は請求項2に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号の波形に含まれる周期成分を解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
In the magnetic resonance measuring apparatus according to claim 1 or 2,
The characteristic information generating means calculates at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit by analyzing a periodic component included in the waveform of the thermal noise signal.
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項6に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して波形フィッティングを実行することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
The magnetic resonance measuring apparatus according to claim 6.
The characteristic information generating means extracts the periodic component by applying an autocorrelation method to the thermal noise signal, and performs waveform fitting on the periodic component to thereby obtain a resonance frequency of the electric circuit and Calculating at least one of the Q values;
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項6に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して自己回帰法を適用することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
The magnetic resonance measuring apparatus according to claim 6.
The characteristic information generating means extracts the periodic component by applying an autocorrelation method to the thermal noise signal, and applies an autoregressive method to the periodic component to thereby obtain a resonance frequency of the electric circuit. And calculating at least one of the Q value,
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項5から請求項8のいずれか一項に記載の磁気共鳴測定装置において、
前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方に基づいて、前記電気回路の同調状態及び整合状態を調整する調整手段を更に含む、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
In the magnetic resonance measuring apparatus according to any one of claims 5 to 8,
Adjusting means for adjusting a tuning state and a matching state of the electric circuit based on at least one of a resonance frequency and a Q value of the electric circuit;
A magnetic resonance measuring apparatus.
請求項9に記載の磁気共鳴測定装置において、
磁気共鳴の測定段階において、磁気共鳴測定用の送信信号を前記電気回路に供給する送信期間と、観測対象の核種で生じた磁気共鳴信号を前記電気回路で検出する受信期間とで、前記電気回路の同調状態及び整合状態を動的に切り替える制御手段を更に含み、
前記制御手段は、前記送信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記電気回路に信号が与えられて調整された同調状態及び整合状態に設定し、前記受信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記調整手段によって調整された同調状態及び整合状態に設定する、
ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
The magnetic resonance measuring apparatus according to claim 9.
In the magnetic resonance measurement step, the electric circuit includes a transmission period for supplying a transmission signal for magnetic resonance measurement to the electric circuit and a reception period for detecting the magnetic resonance signal generated in the nuclide to be observed by the electric circuit. Control means for dynamically switching the tuning state and the matching state of
The control means sets a tuning state and a matching state of the electric circuit in the transmission period to a tuning state and a matching state adjusted by a signal supplied to the electric circuit, and the electric circuit in the reception period. Setting the tuning state and the matching state to the tuning state and the matching state adjusted by the adjusting means,
A magnetic resonance measuring apparatus.
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