JP4118850B2 - Ｎｍｒプローブの放電保護装置 - Google Patents

Description

本発明は過負荷時の絶縁破壊に伴う放電で生じる破壊からアンテナを保護するＮＭＲプローブの放電保護装置に関する。

ＮＭＲ装置に用いられるプローブのアンテナを過負荷から保護する一つの方法が、特許文献１（特開平５−１１３４７４号公報）に記載されている。この方法は、プローブのアンテナが破損しない範囲の出力条件を予めテーブル化しておき、アンテナに供給するパワーがその範囲内に止まるように制御する方法である。

また特許文献２（日本特許第３４８７７１７号公報）にはアンテナの電位分担を調整して、対地最高電位を低減する方法が記載されている。一方、一般の電気機器においては、その絶縁の状態を評価する方法の一つとして、部分放電を測定する方法が用いられており、その一例が特許文献３（特開２００３−２３２８２９公報）に記載されている。

特開平５−１１３４７４号公報 日本特許第３４８７７１７号公報号公報 特開２００３−２３２８２９公報

特許文献１（特開平５−１１３４７４公報）に記載されているように、プローブのアンテナが破損しない範囲の出力条件を予めテーブル化しておき、その範囲内の負荷条件で使用する方法では、アンテナの配置された環境条件、すなわち、絶縁破壊電圧を支配する温度、気圧、雰囲気ガス成分の変化に対しても常に同じ条件を与えることが必要になる。このために想定される最悪の条件でも放電が生じないように余裕を持った設定を行う必要があり、装置の性能を十分に引き出せないという問題がある。

特許文献２（特許第３４８７７１７号公報）に記載されたアンテナの電位分担を調整して、対地最高電位を低減する方法は絶縁に必要な距離を小さくできるが、絶縁が破壊するとアンテナは破壊されてしまい、保護機能は有しない。

特許文献３（特開２００３−２３２８２９公報）に記載されている方法は電気機器の絶縁の劣化を診断するものであり、過負荷から機器を保護するシステム構成には思慮が至っていない。

本発明は、ＮＭＲプローブにおいて、絶縁性能を越えた過負荷を出力しようとした時に、放電による破壊からアンテナを保護するシステムを提供するところにある。

本発明の課題を解決する一つの手段は、プローブの先端部に取付けるアンテナの近傍に放電電極を設け、その放電電極が放電を開始する電圧時間積を、アンテナが放電を開始する電圧時間積より小さく設定することである。そして、アンテナに流れる電流をアンテナの給電線に設けた電流検出機構により監視し、放電電極での放電を検出した時にアンテナに供給する電力を抑制する。

本発明によれば、絶縁性能を越えた過負荷を出力しようとした時に、放電による破壊からアンテナを保護することができる。

図１は、本発明の一実施形態示すＮＭＲ装置１０の全体構成図である。プローブ１２は、分析の対象となる試料１４とともに電磁石１６が作る直流磁場中におかれる。図では説明の都合上、円筒形状の電磁石を半割にして示している。プローブ１２は、中継器１８を介して制御装置２０に接続される。この制御装置２０は分析のための信号を送受信する。

図２は、プローブ１２の詳細な構造を示す部分断面図である。プローブ１２の先端部に配置されている、破線で示した試料１４を囲んで、高周波信号を送受信するためのアンテナ２２が設けられる。プローブ１２と試料１４が同一の軸２４上に配置された構造の例を示している。この構造では試料１４に誘起される電磁波を感度良く受信するために、アンテナ２２の形状はいわゆる鞍型となっている。

アンテナ２２の近くにはアンテナ２２のインダクタンスと共振系を構成するためのトリマコンデンサ２６が設けられる。アンテナ２２には外部と信号を送受信するためのケーブル２８が接続される。トリマコンデンサ２６には静電容量調整用の操作棒３０が取付けられる。

図２にはアンテナ２２が１個の例を示したが、用途によっては複数のアンテナが設けられる。これらのアンテナ２２と関連構成物は、上下方向に延びる円筒形状の容器３２の内側に収納される。容器３２の上部には試料１４を出し入れするための開口３４が設けられている。容器３２の内部はＮＭＲ装置の仕様により常温のものや、超伝導クラスの低温のものがある。低温の場合には、温度管理の関係で内部を真空としたり、ヘリウムガスを流すことも可能である。

次にＮＭＲプローブ１２の電気的な機能を説明する。ＮＭＲの計測では磁場中に置かれた試料１４に所定の時間、所定の振幅の高周波の磁界を加え、その直後に試料１４から放射される磁界を取込んで、スペクトルを分析する。

図３は、アンテナ２２の動作の一例を示す波形図である。計測を開始して所定の時間ｔ1経過後、時間ｔ2の期間高周波の送信電力Ｐ1をアンテナ２２から試料１４へ向けて放射する。この周波数は、例えば、数百ＭＨｚであり、その電圧は最高数百Ｖである。

アンテナ２２は、中継器１８の中のスイッチ３６を介して制御装置２０の一部である電源３８に接続されている。このとき、接点３６ｂを経て、電源３８からアンテナ２２へ高周波電力が供給される。その後、アンテナ２２は、スイッチ３６により信号収録装置４０に接続され、試料１４から放射される電磁波Ｐ２を受信する。

この場合には、接点３６ａを通してアンテナ２２の信号が信号収録装置４０へ供給される。この時の電磁波Ｐ２の周波数は、送信電力Ｐ1とほぼ同じであるが、電圧はｍＶ級以下と微小である。

このような動作をするアンテナ２２には相反する仕様が求められる。すなわち、送信電力Ｐ1の高電圧に対して必要な絶縁特性が要求される。一方、試料１４から放射される電磁波Ｐ2は微小なため、アンテナ２２と試料１４の距離はできるだけ短いことが望ましい。これは結果的にアンテナ２２とそれを収納する容器３２や、トリマコンデンサ２６およびケーブル２８の接地電位部との距離を絶縁的に許される限界まで縮めることになる。

このようにアンテナ２２の周囲には絶縁的な余裕はほとんどない。通常、装置の仕様内で運転する際には絶縁破壊することはない設計とするが、装置の使用者が誤って過大な出力を指定したり、制御装置２０の故障などで想定外の電圧が加わった場合には、絶縁が破壊して放電が生じる。

また、アンテナ２２の周辺環境、具体的には温度、湿度、圧力、媒体の成分によっても絶縁耐力が変化し、際どい設計となっている絶縁が破壊する場合もある。周辺環境が変化する要因としてはＮＭＲ装置の設置場所の空調の不十分、放射線など荷電粒子を誘起する環境条件、プローブ１２の経時運転に伴う構造体の変化などがある。

図４にアンテナ２２の周辺で絶縁破壊する可能性のある部分を星印で示している。なお、図２と同じ符号で示すものは、説明を省略するが同じ機能を有する。アンテナ２２は、基本的にはインダクタンス素子であり、高圧端子４２と低圧端子４４の間に送信時に最大数百Ｖの電圧が加わる。そこで高圧端子４２付近とその周囲の接地電位構造体との間隙４６で放電することが多い。またアンテナ２２自体が微細な構造でターン間の絶縁距離が小さいため、その線間４８で放電する場合もある。

そしてアンテナ２２は、微細構造のため構成する導体が細く、絶縁破壊で流れる大電流の熱で最悪の場合には導体が溶断する。たとえ溶断しないまでも高熱で一部が溶けて変形したり、異物となるガスが放出されたりする。もしこれらの事態に至らない場合でも適正な信号を得ることは出来ず、ＮＭＲ装置としての機能は果たさない。

アンテナ２２は、微小信号を検出することが必須の要件であることから、低温として熱雑音を抑制し、かつ導体の抵抗を下げてインダクタンスとしての機能を相対的に強化する方法を用いる場合もある。この極限としては、電気抵抗が０の超伝導で動作させることである。

この超伝導アンテナを形成する方法の一つに薄膜アンテナがある。薄膜アンテナでは精密な超伝導アンテナを形成できる一方で、絶縁破壊による放電の熱には極めて弱く、放電が生じると,たちまち破壊する。このため、低温プローブのアンテナ、特に薄膜アンテナでは絶対に放電を起こしてはならない。

またプローブ１２は、複雑な精密構造物であり、アンテナが破損しても簡単には修理できない。特に低温プローブは冷却のために密閉構造となり、修理に多大な時間とコストがかかり、放電による破損は極力避けなければならない。

図５に本発明の実施形態によるプローブアンテナの放電保護装置を示す。なお、図２と同じ符号で示すものは、説明を省略するが同じ機能を有する。プローブ１２のアンテナ２２の近傍に予備放電電極５０を形成している。そしてプローブ１２の外部に電流検出器５２を設けている。予備放電電極５０に生じる放電を電流検出器５２でモニタしている。

電流信号は、制御装置２０の一部である制御回路部５４に送られ、ここで予備放電電極５０で放電が生じたと判断すると、電源３８に出力を抑制、または停止する等の指令を送り、放電を止める。なお、電流検出器５４は中継器１８に収納するのが適当である。

図６は、予備放電電極５０の詳細構造の一例を示す部分的な断面図である。高圧リード線６０の周囲に、誘電体で形成されたスペーサ６２ａと６２ｂを介して所定の距離ｄ隔てて、低圧電極６４を配置している。低圧電極６４はリード線６６により低圧リード線６８に接続されている。スペーサ６２aと６２bには空隙が形成されていて、低圧電極６４の内部と外部の温度や圧力などの環境条件を同じにしている。

このように形成された予備放電電極５０は次の特徴と機能を有する。まず、アンテナ２２で放電する電圧よりも低い電圧時間積で放電するように、放電電極間距離ｄを調整している。すなわち、アンテナ２２で放電するよりも低い電気的負荷で放電するように構成するのである。また、この電極は非磁性金属、一例としては銅のバルク材で形成している。

放電電極の材質をバルク材とするのは、熱容量を大きくして、放電が生じても直ちに焼損するのを防ぎ、繰り返しの放電にも耐えられるようにするためである。また非磁性材料を用いるのは、計測時に試料１４に印加、または試料１４から放射される電磁波に影響するのを防ぐためである。

図７に予備放電電極５０の他の構成例を示す。本実施形態ではアンテナ２２につながる高圧リード線６０と低圧リード線６８を、スペーサ７０aと７０bにより所定の距離を隔てて引回すことにより、他に導体を付加することなく予備放電電極５０を形成している。狭隘なプローブ１２内において簡素な構造で必要な機能を実現するための構成である。必要によってはスペーサ７０aと７０bの一方、または両方を省略することも可能である。

次に予備放電電極５０で生じる放電を電流検出器５２（図５）で検出する方法を図８により説明する。アンテナ２２は誘導性の負荷であるため、正常な運転時に流れる負荷電流ｉLは電圧Ｅに対して遅れ位相となる。一方、予備放電電極５０は容量性で、実際に放電するのは電圧が高い時なので、放電電流ｉgは負荷電流ｉLとはほぼ90度位相がずれる。

さらに、負荷電流ｉLは時間的に連続波であるのに対して、初期段階の放電電流ｉgは通常、パルス状である。これらは実際に観測される時間波形として、図９のようになる。すなわち電圧に対する位相と、時間的な連続、非連続性から予備放電電極５０の放電電流を識別することが出来る。

一般に放電の有無は電圧値と継続時間の積に支配される。すなわち、電圧が高いほど短時間で放電し、電圧が低くても長時間継続すると放電が始まる。以上に説明した方法で、アンテナ２２から放電するよりも低い電圧時間積で予備放電電極５０の放電を検知し、制御装置２０で負荷の電力を抑制するか、遮断することで、アンテナ２２での放電を防ぐことができる。

非磁性金属のバルク材で形成した予備放電電極５０は、初期の放電を検知して短時間で抑制すれば、ほとんど損傷することはなく、何らの対策を行うことなく元の状態に戻る。従って次に同様な過負荷が加わった場合でも同じように機能する。アンテナ２２は微細構造であるため、一度放電するとほとんどの場合、大掛かりな修理が必要になるのに対して、予備放電電極５０は何も対策することなく引き続き使用することができる。

アンテナ２２および予備放電電極５０が放電を開始する電圧と時間は周囲の環境に大きく依存する。すなわち気圧、温度、湿度、ガスの種類、浮遊塵埃の量、放射線の強度などである。本実施形態ではアンテナ２２と予備放電電極５０を近接して配置していることで、両者の放電開始条件は相対的に一定に保たれる。

予備放電電極５０はアンテナ２２よりも常に低い負荷条件で放電することになり、環境条件が変化してもアンテナ２２は確実に保護される。また、環境条件によりアンテナ２２が放電せずに動作する最大負荷条件が異なるが、本発明によれば常にその時点の許容最大条件で運転することができる。

図10は、本発明の他の実施形態を示す部分断面図である。プローブ１２の軸７２と、試料１４および開口３４の軸２４が直交しているのが特徴である。この形式のＮＭＲ装置は多くの長所が期待できる。この形式では試料１４から発生する電磁波をより高感度で検出することができるソレノイド型のアンテナ２２を用いることができる。この形式のプローブについても予備放電電極５０を設け、前述した方法を適用することで、アンテナ２２を放電による破壊から保護することができる。

以上説明したように本発明によれば、放電で破損することのない、信頼性の高いＮＭＲ装置用プローブのアンテナを提供することができるとともに、運転される環境条件下で許容される最大の出力を得ることができる。

本発明の適用対象であるＮＭＲ装置の全体構成を示す簡略図である。 本発明の適用対象であるＮＭＲ装置のプローブの詳細な構成を示す部分断面図である。 本発明の適用対象であるＮＭＲ装置のアンテナの電気的な動作を示す概念図である。 本発明の適用対象であるＮＭＲ装置のプローブアンテナの放電危惧部を示す部分断面図である。 本発明の適用対象であるＮＭＲ装置のプローブアンテナの放電保護方法を説明するシステム構成図である。 本発明の一実施形態を示すプローブの部分放電電極の構成図である。 本発明の他の実施形態を示すプローブの部分放電電極の構成図である。 本発明の放電検出原理を説明するベクトル図である。 本発明の一実施形態例である電流検出器で測定した電流波形の一例を示す波形図である。 本発明の一実施形態例である直交軸型プローブの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１２…プローブ、１４…試料、１６…電磁石、１８…中継器、２０…制御装置、２２…アンテナ、２６…トリマコンデンサ、３６…スイッチ、３８…電源、４０…信号収録装置、５０…予備放電電極、５２…電流検出器、５４…制御回路部、６０…高圧リード線、６２a,６２b,７０a,７０b…スペーサ,６４…低圧電極、６８…低圧リード線。

Claims (2)

1. アンテナを有するプローブと、前記アンテナに高周波を供給する電源を有するＮＭＲ装置において、前記プローブのアンテナ近傍に、非磁性バルク導体により構成され、その放電開始電圧時間積がアンテナから周囲へ、あるいはアンテナ内部の放電開始電圧時間積よりも低く設定された電極を設け、前記アンテナと電源を接続する回路上に電流検出器を設け、前記電流検出器で検出した電流の位相および時間特性から、前記アンテナに流れる負荷電流と前記電極の放電電流を識別し、放電電流が検出された時に前記アンテナに供給する電力を抑制することを特徴とするＮＭＲプローブの放電保護装置。
2. 請求項１において、前記プローブのアンテナが薄膜で形成されているＮＭＲプローブの放電保護装置。

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