JP5166491B2 - 高感度磁気検出装置 - Google Patents
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Description
一方、高周波(1kHz以上)の磁気信号を検出する手法として、例えば、MRIやNMR信号検出では、銅線の単線(素線)の検出コイルに共振回路を有する検出コイル手法が利用されている。またNMR信号検出として常磁性と反磁性の相反する磁気特性を持つ2つ以上の線材を撚り合わせる検出コイル構成が提案されている(例えば、特許文献3を参照)。
(1)多層巻きの検出コイルには、自己磁場によって検出コイル内に渦電流損失が現れる。
(2)渦電流損失によって抵抗(以下に、交流抵抗と呼ぶ)が増加する。
(3)交流抵抗成分の上昇によって検出コイルの磁気雑音が増加し、検出感度を低下させる。なお、この交流抵抗成分は周波数の2乗によって増加する成分のため、周波数が高いほど交流抵抗成分は増加する。
(1)測定周波数fが決まっている場合(例えば、MRIやNMRの磁場強度が決まっている場合)は、後述する式(10)で決定される層数nより小さい値にする。または式(10)で決定される層数nの2倍程度までとする。
(2)層数nが検出コイル全体の大きさの決定される場合は、後述する式(11)を用いて測定周波数fを式(11)で決定される周波数fより低い値と使用する。または式(11)で決定される周波数fの2倍程度までとする。
(3)さらに、(1)と(2)の手法と合わせて、検出コイルに素線径のなるべく小さいリッツ線(撚り線)を使用する。その理由は、交流抵抗成分はリッツ線(撚り線)の素線の直径(または半径)の2乗に比例して増加するためである。
(1)測定周波数が決まっている場合(例えば、MRIやNMRの磁場強度が決まっている場合)は、式(10)で決定される層数nより小さい値にする。racとrdcの比率が1より大きくなっていくと、式(10)で決定される層数nは大きな値となっていく。層数nの制限として、racとrdcの比率が2の場合までなら磁気雑音Bnが1.5倍程度しか増加しないため、許容することができる。そのため、式(10)で決定される層数nの2倍程度までを許容する。
(2)層数nが検出コイル全体の大きさで決定される場合は、式(11)を用いて測定周波数を式(11)で決定される周波数fより低い値と使用する。または式(11)で決定される周波数fの2倍程度までとする。
以上のように式(11)で計算される周波数fより高い高周波領域での高感度磁気検出には、式(10)で計算される層数nより小さい層数とする必要がある。
銅線で試算した時の表皮深さdsは、以下のようになる。なお、1)乃至3)は、それぞれ60Hz、10KHz、100kHzの周波数で、周囲温度が300Kと77Kの場合を示す。
1)60Hz:8.6mm(300K)、3.8mm(77K)
2)10kHz:0.7mm(300K)、0.3mm(77K)
3)100kHz:0.2mm(300K)、0.1mm(77K)
図5と図6で使用したコイルの素線は半径が0.1mmであり、上記の表皮深さの長さより短い。
Claims (12)
- 微弱な磁気を検出する高感度磁気検出装置において、
線材をボビンに複数層に巻き回してなる検出コイルと、
前記微弱な磁気の変化に応じて、前記検出コイルから発生する電気的情報を検出する検出部と、を有し、
前記線材に印加される周波数が固定されている時、前記検出コイル部を構成する線材の巻き数が、下記式(1)で算出される巻き数nの2倍より少ない巻き数であることを特徴とする高感度磁気検出装置。
n=ρ/f・√(1/AK)・・・(1)
(ここで、n=層数、ρ=抵抗率[Ω]、f=周波数[Hz]、A=線材の断面積[m2]、K=πA/6(gμ0Td/h)2、g=形状ファクタ、μ0=真空の透磁率[H/m]、d=線材幅(又は素線の直径)[m]、h=検出コイル高さ[m]、T=1層当たりのターン数である。) - 請求項1に記載の高感度磁気検出装置において、
前記検出コイル部を構成する線材の巻き数が、前記式(1)で算出される層数nより少ない巻き数であることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項1に記載の高感度磁気検出装置において、
前記検出部は、コンデンサと低雑音増幅器から構成された電圧検出手段であることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項1に記載の高感度磁気検出装置において、
前記検出部は、コイルと該コイルから誘導される磁気を感知する磁気検出手段から構成された電流検出手段であることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項4に記載の高感度磁気検出装置において、
前記磁気検出手段は、SQUID(超電導量子干渉素子)またはTMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)またはGMR素子(巨大磁気抵抗素子)で構成されていることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項1または2に記載の高感度磁気検出装置において、
前記線材に、リッツ線を用いることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項1に記載の高感度磁気検出装置において、
前記検出コイル部を構成するコイル中の渦電流損失に伴う交流抵抗成分が、前記検出コイル部が有する直流抵抗成分より小さいことを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 微弱な磁気を検出する高感度磁気検出装置において、
線材をボビンに複数層に巻き回してなる検出コイルと、
前記微弱な磁気の変化に応じて、前記検出コイルから発生する電気的情報を検出する検出部と、を有し、
前記検出コイルにおけるコイルの巻き数が一定の時、前記線材に印加される周波数が、下記式(1)で算出される周波数fの2倍より小さいことを特徴とする高感度磁気検出装置。
f=ρ/n・√(1/AK)・・・(1)
(ここで、n=層数、ρ=抵抗率[Ω]、f=周波数[Hz]、A=線材の断面積[m2]、K=πA/6(gμ0Td/h)2、g=形状ファクタ、μ0=真空の透磁率[H/m]、d=線材幅(又は素線の直径)[m]、h=検出コイル高さ[m]、T=1層当たりのターン数である。) - 請求項8に記載の高感度磁気検出装置において、
前記検出コイル部に印加される周波数が、前記式(1)で算出される周波数fより小さいことを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 微弱な磁気を検出する高感度磁気検出装置において、
線材をボビンに複数層に巻き回してなる検出コイルと、
前記微弱な磁気の変化に応じて、前記検出コイルから発生する電気的情報を検出する検出部と、を有し、
前記線材を流れる電流に対する抵抗成分が、渦電流損失を起因とする所定の周波数における交流抵抗成分racと、線材の抵抗率によって決定される直流抵抗成分rdcとからなるとき、
前記検出コイル部を構成する線材の巻き数が、前記所定の周波数における前記交流抵抗成分と前記直流抵抗成分との比、rac/rdcの値に基づいて決定されることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項10に記載の高感度磁気検出装置において、
前記rac/rdc比が1より大きい時の前記線材の巻き数が、前記rac/rdc比が1より小さい時の前記線材の巻き数より多くなるように設定されていることを特徴とする高感度磁気検出装置。 - 請求項10に記載の高感度磁気検出装置において、
基準とする周波数に対して前記所定の周波数が大きい時の前記線材の巻き数が、前記所定の周波数が小さい時の前記線材の巻き数より少なくなるように設定されていることを特徴とする高感度磁気検出装置。
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