JP5323695B2 - 試料に磁界を印加するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に磁界を印加するための装置に関する。

試料内部の隠れた構造、特に、欠陥は、例えば、電子又は核スピン共鳴などの磁気共鳴法によって検出することができる。その場合、静止磁界が試料に印加される。その磁界は、試料内の量子力学的な状態の縮退を解除する、即ち、様々な状態が様々なエネルギーレベルに対応付けられるように作用する。更に、高周波磁界を試料に入力結合させて、共鳴させることによって、そのような状態間における遷移を生起させている。

特に、核スピン共鳴のためには、静止磁界は、非常に強く、かつ均一にしなければならない。移動式の用途では、内部に強く広い範囲で均一な磁界を発生させる、磁気リングを有する磁石の配置構成を使用することが、この目的に適っている。

端部にアクセスできない縦長の試料の内部に、そのような強く均一な磁界を印加するためには、そのようなリングを使用することができないことが不利である。そのような試料の例は、木の幹や配管系である。

J.M.D. Coey,"Permanent Magnet Applications", Jounal of Magnetism and Magnetic Materials 248, 441-456 (2002) H. Raich, P. Bluemler:"Design and Construction of a Dipolar Halbach Array with a Homogeneous Field from Identical Bar Magnets: NMR Mandhalas", Concepts in Magnetic Resonance B 23B(1), 16-25 (2004)

以上のことから、本発明の課題は、特に、端部にアクセスできない縦長の試料の内部に出来る限り強く、かつ出来る限り均一な磁界を印加することが可能な装置を提供することである。

本課題は、本発明にもとづき、主請求項と副請求項に記載の装置によって、並びに別の副請求項に記載の本発明による装置のスタック構成によって解決される。更に別の実施形態は、それぞれそれらを参照する従属請求項から明らかとなる。

本発明の範囲内では、試料に磁界を印加するための装置を開発している。そのような装置は、互いに回転可能な形に配置された、試料用の共通の貫通孔を備えた、少なくとも分割された、磁性を持つループ状の本体部を少なくとも二つ有する。

この試料は、特に、縦長であるとすることができる。縦長の試料の例は、磁気共鳴法により内部を検査しようとする、従って、磁界を印加しなければならない樹木又は配管系である。

本発明の意味におけるループ状の本体部とは、例えば、リング又は長方形のループなどの二次元構造以外に、例えば、一つの空間を少なくとも分割して取り囲む半球などの三次元構造であるとも理解する。

そのような二次元構造は、放射相称のリング又は円形からずれたリング、例えば、楕円形又は厳密な円形からずれた別の形状とすることができる。それ以外の多角形のリングを使用することもできる。同様の幾何学的な形状を三次元で実現することもできる。

当該の共通の貫通孔は、本装置が縦長の試料を完全に取り囲む、即ち、全ての側面に磁界を印加することができるようにするのに有利である。そのことは、特に、縦長の試料内に出来る限り均一な磁界を発生させる必要が有る場合に重要である。

これらの本体部は、それらの互いの相対的な位置によって、それらの相互作用の結果試料内に発生する磁界の方向と強度を制御することができるように、互いに回転可能な形に配置されている。これらの本体部は、通常同じ平面内で互いに回転される。

二つより多い、例えば、三つ又は四つの本体部を互いに回転可能な形に配置することもできる。そうすることによって、例えば、共通の貫通孔内に所望の磁界分布を実現するための精度を改善することができる。

これらの本体部は、例えば、一つの平面内を回転可能な形に軸支されるとともに、一方の本体部の最も大きい外径が他方の本体部の最も小さい内径よりも小さくすることによって、互いに回転することが可能となっている。

しかし、例えば、それぞれ回転可能な形に軸支されるとともに、互いに上下に重なり合った、有利には、同じサイズの二つのリングを互いに回転させることも可能である。

ここで、本発明では、これらの本体部は、それぞれ連結手段によって連結された少なくとも二つのセグメントから構成され、各本体部では、少なくとも一つの連結手段が解除可能な形に配備されるとともに、少なくとも一つの別の連結手段がフラップ運動を可能としている。

解除可能な形に配備された連結手段としては、例えば、バックル又はねじ込みプラグが好適である。

フラップ運動を可能とする連結手段としては、例えば、ヒンジが好適である。

本装置は、セグメントに分割されて、それらのセグメントが、連結手段によって連結されているので、端部にアクセスできない縦長の試料の周囲に設置して、それを完全に取り囲むことができる。そのような状態では、本装置は全ての側面から試料に磁界を印加することができる。端部にアクセスできない縦長の試料の例は、木の幹や配管系である。

この場合、本体部を互いに回転可能に保持する形で相互作用させることが重要であることが分かっている。そのように回転可能に保持することによって、発生する磁界が共通の貫通孔内、並びに解除可能な形に配備された連結手段において弱められる、或いは消失する相互位置に本体部を移動させることができる。そうすることによって、小さい力を加えるだけで、本装置を開閉することができる。試料の本来の検査のためには、解除可能な形に配備された連結手段をロックした後、発生する磁界が共通の貫通孔内とそのため試料内においても所定の有利な特性を持つ相互位置に本体部を移動させることができる。例えば、核スピン共鳴検査のために、出来る限り強く、かつ出来る限り均一な磁界を設定することができる。電子スピン共鳴検査のために、強度が出来る限り正確に所定の値と一致する磁界を設定することができる。電子スピン共鳴は、所定の固定的な周波数又は周波数帯域を有するソース（クライストロン）だけが供給可能なマイクロ波によって発生する。そのような固定的な周波数又は周波数帯域に磁界を適合させなければならない。

小さい力を加えるだけで開閉できることは、本装置の操作を楽にするだけでなく、本装置を取り扱う際の作業の安全性を向上することも可能である。解除可能な形に配備された連結手段によって連結された個々の本体部のセグメントは、それらの本体部の技術的に関連する磁化によって、指を切断するのに全く十分な力で引き合う、或いは反発し合う可能性が有る。

それに代わって、本発明による本体部は、連結手段によって連結された少なくとも二つのセグメントから構成されており、各本体部には、少なくとも二つの連結手段が、解除可能な形に配備されている。そして、連結手段を解除することによって、各本体部を少なくとも二つの部分に分解することができる。次に、これらの部分は、試料の周囲に設置して、連結手段をロックすることによって、再び連結することができる。これらの部分の分解又は連結前に、前述した場合と同様に、当該の相互位置に本体部を移動させることによって、共通の貫通孔内の磁界を最小化することができる。

本体部は、二つより多い、例えば、三つ又は四つのセグメントから構成することもできる。それは、その場合に個々のセグメントの重量が軽くなるために、それらを容易に取り扱うことが可能となるので、本体部が大きい場合に有利である。

本発明の特に有利な実施形態では、これらの本体部は、回転対称であり、この場合特に、リングであり、有利には、同心のリングである。それらは、小さい回転トルクで互いに回転させることができるとともに、試料用の共通の貫通孔を比較的大きく開けることができる。

これらのリングは、同じ平面内に配置することができる。それは、本装置が端部にアクセスできない縦長の試料の周囲を取り囲む必要が有る場合に有利である。その場合、通常同じ平面内又はほぼ同じ平面内でのみリングを互いに回転させることが可能である。また、本発明の意味における「ほぼ同じ平面内」とは、これらのリングが互いに１０度以内で傾斜していることであると理解する。

本発明の特に有利な実施形態では、ループ状の本体部は、例えば、アルミニウムなどの非強磁性材料から構成されるとともに、永久磁石を有する。この場合、永久磁石用の素材としては、特に、ＮｄＦｅＢ及び／又はＳｍ₂ Ｃｏ₇ が好適である。共通の貫通孔の内部に技術的に関連する磁界分布を発生させる完全に磁気材料から成るループを製作することは非常に難しい。そのようなループは、確かに各部分の製造誤差のために、十分な精度で所望の磁界分布を維持することができない程多くの相異なる形に磁化される部分に分割しなければならない。名目的に同形の永久磁石の磁界強度は、製造誤差のために、標準値の両側に５％までの変動幅で分散してしまう。

それに対して、非強磁性のループ状本体部の上、側又は中に永久磁石を配置することは、機械的に非常に正確に制御することが可能である。更に、ループの周囲に沿って全く異なる方向を向いた同形の永久磁石を使用することができる。従って、一種類の永久磁石だけを製作すれば良い。そのことは、所要の精度で実現することが可能である。

当業者は、例えば、有限要素計算法などの周知の方法により、内部に所要の磁界分布を発生させるためには、如何にして個々の永久磁石をループに渡って分散させなければならないかを計算することができる。

特に有利な実施形態では、永久磁石は、半軸の幾何的形状（非特許文献１参照）と、この場合特に、曼陀羅の幾何的形状（非特許文献２参照）に配置される。そうすることによって、共通の貫通孔の内部における磁界が特に均一となる。そのことは、核スピン共鳴検査にとって特に有利である。そのような検査に使用される狭い帯域幅の励起パルスは、磁気回転比に関して、それらの励起パルスに対応する狭い帯域の磁界強度とのみ適合するものである。磁界が十分に均一でない場合、そのようなパルスによって、試料の一部しか励起されず、測定が誤ったものとなる。永久磁石を半軸又は曼陀羅の幾何的形状に配置するためには、ループ状の本体部として、リングが特に有利である。

本発明の有利な実施形態では、永久磁石の横断面が多角形である、この場合特に、横断面は、偶数であるｎ個の磁石の使用に関して、ｎ／２個の頂点を有する。そうすることによって、共通の貫通孔の中心における磁界は、より強く、かつより均一となるとともに、磁界がそのような均一性を有する領域が拡大されることとなる。そのことは、磁界の均一性の要件が特に高い核スピン共鳴検査にとって有利である。

同心のリングは、電流が流れるコイルとすることもできる。しかし、永久磁石を有する非強磁性のリングの利点は、磁界を維持するために、エネルギー源を必要としないということである。

本発明の別の有利な実施形態では、各本体部の残留磁気は、その保磁力よりも小さい。その場合には、二つの本体部は、一方の本体部の磁化が他方の本体部の磁化によって持続的に変化（転極）してしまうという虞を生じさせこと無く、互いに隣接して配置することができる。

有利には、これらの本体部は、共通の貫通孔内の磁界に対して同じ、或いはほぼ同じ程度に寄与する。その場合には、二つの本体部を互いに回転させることによって、そこでの磁界をほぼ中和させることができる。その場合、ほとんど力を加えること無く、縦長の試料の周囲に本装置を閉じるとともに、再び開くことができる。本装置は、典型的には、共通の貫通孔内における最大磁界と最小磁界の間での切り換えのために、二つの本体部を互いに約１８０°回転させる必要が有るように構成される。

本発明の範囲内では、複数の本発明による装置から成るスタック構成を開発しており、そのような装置は、本体部として同心のリングを有する。そのような配置構成では、全ての装置は、一つの共通の貫通孔を有する。そうすることによって、より大きな体積の試料を一回で検査することができる。

一つの共通の貫通孔とは、特に、固定された縦長の試料が本スタック構成を貫通することができるものと理解する。例えば、木の幹や配管系に沿って、本スタック構成を案内することができる。

本発明の特に有利な実施形態では、本装置は、本装置の共通の対称軸に沿った磁界の変化がスタック構成の中心の周囲の出来る限り大きな範囲に渡って最小となるような相互間隔で配置される。そのような基準は、据え付ける際に対称軸に沿った磁界の計測によって実験的に検証することができる。しかし、本装置によって生じる磁界分布が分かっているので、コンピュータシミュレーションによって最適な間隔を事前に計算することも可能である。その場合、コンピュータシミュレーションで使用したモデルと実際の磁界分布との偏差だけを実験的に後調整すれば良い。

有利には、本装置の共通の対称軸に沿った磁界が一定又はほぼ一定である場合、対称軸の周囲の大きな半径内においても、磁界は均一となる。

共通の貫通孔内の磁界の均一性に関して、本装置をスタック構成の中心に対して鏡面対称に配置したスタック構成が特に有利であることが分かっている。

本発明の特に有利な実施形態では、そのような共通の貫通孔内に傾斜磁界を印加するための少なくとも一つのコイルが共通の貫通孔内に配置される。例えば、核スピン共鳴などの多くの磁気共鳴検査では、そのようなスタック構成によって生じる静止磁界以外に、通常そのような傾斜磁界が必要である。

当該のコイルが共通の貫通孔の中の出来る限り小さい空間しか使用しないようにするためには、少なくとも一つの板コイルとするのが有利である。

本発明の意味における板コイルは、必ずしも平坦である必要はなく、湾曲させることも可能である。それらは、特に、中空シリンダの外面上に取り付けることができる。その場合、特に、少なくとも二つの板コイルを有する中空シリンダが有利である。更に、特に、少なくとも二つの板コイルの幾何学的な中心点が中空シリンダの半径の１．３倍〜１．６倍に相当する距離だけ互いに離れて存在する場合に、中空シリンダが特に均一な傾斜磁界を内部に発生させることが実験的に分かっている。係数が２^0.5 の実施例が実現されている。

有利には、それぞれ少なくとも二つの板コイルを有する中空シリンダを同心に配置することによって、複数の空間方向に対する傾斜を調整することができる。この場合、そのような配置では、特に、磁界に傾斜を持たせるべき空間方向毎に一つの中空シリンダを配備することができる。この場合、リング面内の二つの空間方向に対して、互いの角度だけがずれた同形の中空シリンダを使用することができる。有利には、スタック構成の共通の回転軸に沿った空間方向をも検査するためには、そのような構成の一方の中空シリンダの板コイルは、他方の中空シリンダの板コイルを８０°〜１００°回転させたものと一致する。

以下において、図面にもとづき、本発明の対象を詳しく説明するが、それによって、本発明の対象を制限するものではない。

本発明による装置の実施例の図 本装置の本体部の実施例の部分図 スタック構成における複数の装置の間隔を最適化する実施例の図

図１は、本発明による装置の実施例を図示している。本装置は、二つに分割された、磁性を持つループ状の本体部であり、二つのセグメント１ａと１ｂから成る本体部１と、二つのセグメント２ａと２ｂから成る本体部２とを有する。一つの本体部の二つのセグメントは、それぞれ連結手段によって互いに連結されている。図１には、フラップ運動を可能とする連結手段としてのヒンジ３だけが図示されている。同じく本発明で規定されている解除可能な形に配備された連結手段は図示されていない。本体部１と２は、互いに回転可能な形に配置されるとともに、共通の貫通孔４を有する。これらの本体部は、同心の同じ平面内のリングである。

部分図ａでは、解除可能な形に配備された連結手段は開かれており、部分図ｂとｃでは、閉じられている。

部分図ｂとｃは、二つの本体部１と２の互いの回転による共通の貫通孔４内の磁界に対する影響を図解している。

部分図ｂでは、本体部１と２によって生じる磁界が、ほぼ完全に打ち消し合っている。それは、本装置を小さい負担で開閉することができる状態である。

部分図ｃでは、本体部１と２によって生じる磁界が強め合っている。それは、共通の貫通孔４内に最大の磁界が発生する状態である。部分図ｂとｃの間の遷移は、本体部１と２を共通の対称軸の周りに１８０°互いに回転させることに対応する。

図２は、本装置の本体部の実施例の一部を図示している。本体部は、１６個の名目的に同形の永久磁石から構成されており、それらの永久磁石は、曼陀羅の幾何的形状に配置されており、それぞれの横断面は、偶数個の頂点を持つ多角形となっている。永久磁石は、部分図ａに図示されている実施例では四つの頂点を有し、部分図ｂに図示されている実施例では八つの頂点を有する。左下には、貫通孔の面内における磁界が１０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ又は１０００ｐｐｍの所与の許容範囲内で均一である領域が、それぞれ図示されている。頂点が四つよりも八つの方で、磁界の明らかに改善された均一性が達成されているだけでなく、０．３２テスラよりも０．４１テスラの方で、２８％も強くなっている。円周を破線で表示した、共通の貫通孔として使用可能な、本体部によって取り囲まれた空間領域は、二つの実施例において、同じ大きさである。

図３は、スタック構成における複数の装置の間隔を最適化する実施例を図示している。この実施例では、本装置は、それぞれループ状の本体部として同心のリングを有する。スタック構成内に有る全てのリングは、一つの共通の対称軸を有する。縦座標には、スタック構成の中心からの距離が、リングの半径を単位として付与されており、リングの中心点から磁石の重心までの半径方向の距離がリングの半径として看做されている。横座標には、共通の対称軸上で測定した磁界が、任意の単位で付与されている。このスタック構成は、八つの装置ａ〜ｈを有し、曲線５ａ〜５ｈが、それらの装置によって共通の対称軸上の各点で生じる磁界の推移を表している。曲線６は、全ての曲線５ａ〜５ｈの合計であり、共通の対称軸上の各点で生じる磁界を表している。曲線５ａ〜５ｈの最大値間の間隔は、スタック構成内における本装置の相互間隔と一致する。ここで示した、コンピュータプログラムを用いて数値解析により最適化した間隔では、生じる磁界がスタック構成の中心の周囲の広い範囲に渡って均一であり、そのことは、そのような領域内における曲線６の平坦な推移で示されている。

以下において、共通の対称軸上における本装置の最適化された位置の例を提示し、図３の縦座標軸と同様に、これらの座標は、リング半径の単位で正規化されている。

２＋２＋２の装置：
−１．００１；−０．６５４；−０．２３４；０．２３４；０．６５４；１．００１

２＋４＋２の装置：
−１．４３５；−１．１０６；−０．６７５；−０．２２２；０．６７５；１．１０６；１．４３５

２＋６＋２の装置：
−１．８９１；−１．５４４；−１．１２５；−０．６６９；−０．２２５；０．２２５；０．６６９；１．１２５；１．５４４；１．８９１

Claims (22)

1. 磁気共鳴法により試料の内部を検査するために試料に静止磁界と傾斜磁界を印加するための装置であって、試料用の共通の貫通孔を備えた、少なくとも二つに分割された、静止磁界を印加するための磁性を持つループ状の本体部が互いに回転可能な形に配置されている装置において、
   共通の貫通孔に傾斜磁界を印加するための少なくとも一つのコイルが、共通の貫通孔内に配置されていることと、
   これらの本体部が、それぞれ連結手段によって連結された少なくとも二つのセグメントから構成され、各本体部には、少なくとも一つの連結手段が解除可能な形に配備されるとともに、少なくとも一つの別の連結手段がフラップ運動を可能としていることと、
   これらの本体部が、互いに回転可能な形に配置された少なくとも二つの同心のリングから構成されることと、
   を特徴とする装置。
2. 磁気共鳴法により試料の内部を検査するために試料に静止磁界と傾斜磁界を印加するための装置であって、試料用の共通の貫通孔を備えた、少なくとも二つに分割された、静止磁界を印加するための磁性を持つループ状の本体部が互いに回転可能な形に配置されている装置において、
   共通の貫通孔に傾斜磁界を印加するための少なくとも一つのコイルが、共通の貫通孔内に配置されていることと、
   これらの本体部が、それぞれ連結手段によって連結された少なくとも二つのセグメントから構成され、各本体部には、少なくとも二つの連結手段が解除可能な形に配備されていることと、
   これらの本体部が、少なくとも二つの同心のリング状に分割されて、互いに回転可能な形に配置されていることと、
   を特徴とする装置。
3. 当該の解除可能な形に配備された連結手段としてのバックル又はねじ込みプラグを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. フラップ運動を可能とする連結手段としてのヒンジを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の装置。
5. 回転対称形の本体部を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の装置。
6. 同じ平面内に配置されたリングを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の装置。
7. 永久磁石を有する、非強磁性材料から成る本体部を特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の装置。
8. ＮｄＦｅＢ及び／又はＳｍ₂ Ｃｏ₇ から成る永久磁石を特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 半軸の幾何的形状に配置された永久磁石を有するループ状の本体部を特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
10. 曼陀羅の幾何的形状に配置された永久磁石を有するループ状の本体部を特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 当該の永久磁石の横断面が多角形であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 当該の永久磁石の横断面が、偶数である２ｎ個（ｎ≧３）の永久磁石の使用に関して、ｎ個の頂点を有する多角形であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 各本体部の残留磁気が、その保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の装置。
14. 当該の共通の貫通孔内の磁界に対して同じ又はほぼ同じ程度に寄与する本体部を特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. 当該の傾斜磁界を印加するためのコイルが板コイルであることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の装置。
16. 当該の少なくとも二つの板コイルが、少なくとも一つの中空シリンダの外面上に取り付けられていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 当該の少なくとも二つの板コイルの幾何学的な中心点が、中空シリンダの半径の１．３倍〜１．６倍に相当する距離だけ互いに離れていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. それぞれ少なくとも二つの板コイルを有する中空シリンダが同心に配置されていることを特徴とする請求項１５から１７までのいずれか一つに記載の装置。
19. 当該の一方の中空シリンダ上の板コイルが、他方の中空シリンダ上の板コイルを８０〜１００°回転させたものと一致することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 請求項１から１９までのいずれか一つに記載の少なくとも二つの装置から成るスタック構成において、
    全ての装置が、一つの共通の貫通孔を有することを特徴とするスタック構成。
21. 当該の装置の共通の対称軸に沿った磁界の変化が最小となる相互間隔に配置された装置を特徴とする請求項２０に記載のスタック構成。
22. スタック構成の中心に対して鏡面対称に配置された装置を特徴とする請求項２０又は２１に記載のスタック構成。

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