JP5513783B2 - Measuring device and fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、測定装置および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a fuel cell system.

従来、核磁気共鳴法を用いて、試料中の溶媒量や、溶媒分子の易動性等を測定する測定装置が提案されている(特許文献1、2参照)。
このような測定装置では、たとえば、静磁場におかれた試料の特定箇所に対し、試料より小さい小型RFコイルを用いて、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に応じたNMR(核磁気共鳴)信号を取得している。そして、小型RFコイルで取得したNMR信号に基づき、試料中の溶媒量や、溶媒分子の易動性等を算出している。
Conventionally, a measuring apparatus for measuring the amount of solvent in a sample, the mobility of solvent molecules, and the like using a nuclear magnetic resonance method has been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
In such a measuring apparatus, for example, an excitation oscillating magnetic field is applied to a specific portion of a sample placed in a static magnetic field using a small RF coil smaller than the sample, and an NMR ( Nuclear magnetic resonance) signal is acquired. Based on the NMR signal acquired by the small RF coil, the amount of solvent in the sample, the mobility of solvent molecules, and the like are calculated.

このような測定装置では、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出することで溶媒量等を計測することができる。   In such a measuring apparatus, the amount of solvent and the like can be measured by detecting the movement of nuclear magnetization as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field.

国際公開2006/109803のパンフレットPamphlet of International Publication 2006/109803 国際公開2008/041361のパンフレットPamphlet of International Publication 2008/041361

以上のような測定装置では、以下のような課題が生じることがわかった。
はじめに第一の課題について説明する。
以上のような測定装置では、図64に示すように、静磁場印加部からの静磁場Hの方向と、小型RFコイルの軸の方向とが直交するように小型RFコイル、静磁場印加部が配置されている。
It has been found that the following problems occur in the measuring apparatus as described above.
First, the first problem will be described.
In the measuring apparatus as described above, as shown in FIG. 64, the small RF coil and the static magnetic field application unit are arranged so that the direction of the static magnetic field H 0 from the static magnetic field application unit and the direction of the axis of the small RF coil are orthogonal to each other. Is arranged.

これは、静磁場H方向と、小型RFコイルから印加される励起用振動磁場Hの方向とを直交させる必要があるためである。
より詳細に説明すると、上述した測定装置において測定を行う際には、核磁化の励起を行う必要がある。核磁化の励起を行い、核磁化が静磁場に対し一定角度傾いた状態で回転運動する、すなわち核磁化が歳差運動することで、小型RFコイルを貫く磁束の時間変化が生じ、小型RFコイルによりNMR信号として検出することができる。
熱平衡状態にある核磁化は静磁場H方向を向き、小型RFコイルを貫く磁束に時間変化は生じない。小型RFコイルがNMR信号を受信するためには、核磁化を励起させ、静磁場H方向を回転中心として歳差運動をさせる必要がある。核磁化を励起するには、静磁場H方向と直交する励起用振動磁場を印加して、核磁化を静磁場H方向に対し傾ける必要がある。すなわち、核磁化の励起には、静磁場H方向を向く核磁化ベクトルと、励起用振動磁場ベクトルとの外積が十分に大きく、有意な値を持つ必要がある。
そのため静磁場H方向と、小型RFコイルが作る励起用振動磁場Hの方向とを直交させる必要がある。
静磁場H方向と、小型RFコイルからの励起用振動磁場Hの方向とを直交させるためには、静磁場H方向と、小型RFコイルの軸方向とを直交させなければならない。従って、たとえば、図65に示すように、膜状の試料511を計測する場合には、一対の磁極113A,113Bの表面と、試料511の表面とが直交するように配置する必要がある。そのため、大きな面積を有する試料を計測しようとした場合には、一対の磁極間の寸法を大きくする必要があり、測定装置の大型化を招く。
なお、図65において、符号914は、小型RFコイルを示す。
This is because the direction of the static magnetic field H 0 and the direction of the oscillating magnetic field H 1 applied from the small RF coil must be orthogonal to each other.
More specifically, it is necessary to excite nuclear magnetization when performing measurement with the above-described measurement apparatus. Exciting the nuclear magnetization and rotating in a state where the nuclear magnetization is tilted at a constant angle with respect to the static magnetic field, that is, the nuclear magnetization precesses, so that the time change of the magnetic flux passing through the small RF coil occurs, and the small RF coil Can be detected as an NMR signal.
Nuclear magnetization in thermal equilibrium is directed in the direction of the static magnetic field H 0, and there is no time change in the magnetic flux passing through the small RF coil. In order for a small RF coil to receive an NMR signal, it is necessary to excite nuclear magnetization and cause precession about the direction of the static magnetic field H 0 as the center of rotation. To excite nuclear magnetization by applying excitation oscillating magnetic field perpendicular to the static magnetic field H 0 direction, it is necessary to tilt the nuclear magnetization to the static magnetic field H 0 direction. That is, for excitation of nuclear magnetization, the outer product of the nuclear magnetization vector facing the static magnetic field H 0 direction and the oscillating magnetic field vector for excitation must be sufficiently large and have a significant value.
Therefore, the direction of the static magnetic field H 0 and the direction of the oscillating magnetic field H 1 for excitation generated by the small RF coil need to be orthogonal to each other.
Static and the magnetic field H 0 direction, in order to orthogonal to the direction of the excitation oscillating magnetic field H 1 from small RF coil, a static magnetic field H 0 direction, it must be perpendicular to the axial direction of the small-sized RF coils. Therefore, for example, as shown in FIG. 65, when measuring a film-like sample 511, it is necessary to arrange the surfaces of the pair of magnetic poles 113A and 113B and the surface of the sample 511 to be orthogonal to each other. Therefore, when trying to measure a sample having a large area, it is necessary to increase the dimension between the pair of magnetic poles, resulting in an increase in the size of the measuring apparatus.
In FIG. 65, reference numeral 914 indicates a small RF coil.

次に、第二の課題について説明する。
上述した従来の測定装置にて、測定を行う際、非常に厚みの薄い試料を計測する場合がある。そして、この非常に厚みの薄い膜の表面側の状態や、裏面側の状態を計測することが要求されることがある。たとえば、試料が、燃料電池に使用される固体高分子電解質膜であり、水素極側における固体高分子電解質膜の含水量と、酸素極側における固体高分子電解質膜の含水量との計測が要求される場合がある。このとき、小型RFコイルの内径が大きく、小型RFコイルの計測深度が深い場合、固体高分子電解質膜の水素極側、酸素極側のいずれもが計測領域に含まれてしまい、酸素極側における含水量、水素極側における含水量の区別を行うことができなくなる。
そこで、このような問題を解決するために、小型RFコイルの内径を小さくすることが考えられる。計測深度は、小型RFコイルの内径に比例して浅くなるからである。しかしながら、この場合には、NMR信号強度が低下し、正確な計測が難しくなる。
Next, the second problem will be described.
When performing measurement with the above-described conventional measuring apparatus, a very thin sample may be measured. And it may be required to measure the state on the front surface side or the state on the back surface side of this very thin film. For example, the sample is a solid polymer electrolyte membrane used in fuel cells, and it is required to measure the water content of the solid polymer electrolyte membrane on the hydrogen electrode side and the water content of the solid polymer electrolyte membrane on the oxygen electrode side May be. At this time, when the small RF coil has a large inner diameter and the small RF coil has a deep measurement depth, both the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side of the solid polymer electrolyte membrane are included in the measurement region. It becomes impossible to distinguish the water content and the water content on the hydrogen electrode side.
In order to solve such problems, it is conceivable to reduce the inner diameter of the small RF coil. This is because the measurement depth becomes shallower in proportion to the inner diameter of the small RF coil. However, in this case, the NMR signal intensity decreases, and accurate measurement becomes difficult.

はじめに、第一の課題を解決するための第一の発明について述べる。
第一の発明によれば、プロトン性溶媒を含んだ膜状あるいは平板状の試料に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出する測定装置であって、
対向配置された極性の異なる一対の磁極を有し、前記磁極間に配置された前記膜状あるいは平板状の試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイルとを備え、
前記静磁場印加部の前記一対の磁極間には、前記一対の磁極により形成される静磁場の方向が前記試料の表裏面を垂直に貫くように、前記試料が配置され、
前記平面RFコイルは、一つの軸の周りを囲むように環状に巻かれたものであり、その軸が前記試料表裏面と直交するように前記試料に対して前記平面RFコイルが配置されるとともに、前記平面RFコイルの軸は、前記静磁場印加部により形成される静磁場の方向と平行である測定装置が提供される。
First, the first invention for solving the first problem will be described.
According to the first aspect of the present invention, there is provided a measuring apparatus that applies an excitation oscillating magnetic field to a film-like or flat plate-like sample containing a protic solvent and detects an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field. And
A pair of magnetic poles having different polarities arranged opposite to each other, and a static magnetic field applying unit that applies a static magnetic field to the film-like or flat sample arranged between the magnetic poles;
A planar RF coil for applying an excitation oscillating magnetic field to the sample and acquiring an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
Between the pair of magnetic poles of the static magnetic field application unit, the sample is arranged so that the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles penetrates the front and back surfaces of the sample vertically,
The planar RF coil is wound in an annular shape so as to surround one axis, and the planar RF coil is disposed on the sample so that the axis is orthogonal to the sample front and back surfaces. A measuring apparatus is provided in which the axis of the planar RF coil is parallel to the direction of the static magnetic field formed by the static magnetic field application unit.

この発明によれば、一対の磁極間には、一対の磁極により形成される静磁場の方向が試料の表裏面を垂直に貫くように、前記試料が配置される。そして、平面RFコイルは、その軸が試料表裏面と直交するように前記試料に対して配置されるとともに、前記平面RFコイルの軸は、前記静磁場印加部により形成される静磁場方向と平行である。
試料の表面が、一対の磁極と対向するように配置されるので、一つの磁極間の距離は、少なくとも、試料の厚み以上であればよい。従って、表裏面の面積の大きな試料を計測する場合であっても、一対の磁極間の距離を大きくする必要がなく、測定装置の大型化を抑制することができる。
ここで、試料の表裏面とは、試料の厚み方向と直交する面のことである。
According to this invention, the sample is disposed between the pair of magnetic poles so that the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles penetrates the front and back surfaces of the sample vertically. The planar RF coil is arranged with respect to the sample so that its axis is orthogonal to the sample front and back surfaces, and the axis of the planar RF coil is parallel to the direction of the static magnetic field formed by the static magnetic field application unit. It is.
Since the surface of the sample is disposed so as to face the pair of magnetic poles, the distance between one magnetic pole may be at least the thickness of the sample. Therefore, even when measuring a sample having a large area on the front and back surfaces, it is not necessary to increase the distance between the pair of magnetic poles, and an increase in the size of the measuring apparatus can be suppressed.
Here, the front and back surfaces of the sample are surfaces orthogonal to the thickness direction of the sample.

次に、第二の課題を解決するための第二の発明について述べる。
第二の発明によれば、
プロトン性溶媒を含んだ試料に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出する測定装置であって、
前記試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイルとを備え、
前記平面RFコイルは、互いに略平行に延在する一対の第一の部分と、この一対の第一の部分の対向する端部間を結ぶ第二の部分とを有し、
前記一対の第一の部分間の距離をDsとし、
前記第一の部分と平行に延在し、前記一対の第一の部分間の距離の中心点を通る直線が前記一対の第二の部分と交わる一対の交点間の距離をDlとした場合、
Dl/Dsが2以上である測定装置が提供される。
Next, a second invention for solving the second problem will be described.
According to the second invention,
A measurement device that applies an excitation oscillating magnetic field to a sample containing a protic solvent and detects an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the sample;
A planar RF coil for applying an excitation oscillating magnetic field to the sample and acquiring an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
The planar RF coil has a pair of first portions extending substantially parallel to each other, and a second portion connecting between opposing ends of the pair of first portions,
The distance between the pair of first parts is Ds,
When the distance between a pair of intersections extending in parallel with the first part and passing through a center point of the distance between the pair of first parts intersects with the pair of second parts is Dl,
A measuring device having Dl / Ds of 2 or more is provided.

この発明では、平面RFコイルのDl/Dsを2以上としている。これにより、計測深度を浅くしつつ、かつ、信号強度の低下を抑制することができる。
さらに、本発明では、プロトン性溶媒を含んだ固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の側に配置される燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の側に配置される酸化剤極とを有する燃料電池と、
測定装置とを含む燃料電池システムであって、前記測定装置が上述したいずれかの測定装置である燃料電池システムも提供できる。
In the present invention, Dl / Ds of the planar RF coil is set to 2 or more. As a result, it is possible to reduce the signal strength while reducing the measurement depth.
Furthermore, in the present invention, a solid polymer electrolyte membrane containing a protic solvent, a fuel electrode disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a solid polymer electrolyte membrane disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell having an oxidizer electrode;
A fuel cell system including a measuring device, wherein the measuring device is any of the measuring devices described above.

第一の発明によれば、測定装置の大型化を抑制することができる測定装置が提供される。
第二の発明によれば、計測深度を浅くしつつ、かつ、信号強度の低下を抑制することができる測定装置が提供される。
According to 1st invention, the measuring apparatus which can suppress the enlargement of a measuring apparatus is provided.
According to the second aspect of the invention, there is provided a measuring apparatus that can reduce the signal strength while reducing the measurement depth.

本発明の第一実施形態の燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system of 1st embodiment of this invention. 燃料電池を示す図である。It is a figure which shows a fuel cell. 小型RFコイルの平面図である。It is a top view of a small RF coil. 磁石と、燃料電池とを示す図である。It is a figure which shows a magnet and a fuel cell. 測定装置の制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control part of a measuring device. 実施形態における測定装置の一部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a part of measuring device in embodiment. 実施形態における測定装置の励起用振動磁場の印加およびNMR信号の検出を行うLC回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of LC circuit which performs the application of the oscillating magnetic field for excitation of a measuring apparatus in embodiment, and the detection of a NMR signal. Gコイルの配置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows arrangement | positioning of G coil. NMR信号の位相差のずれを説明する図である。It is a figure explaining the shift | offset | difference of the phase difference of a NMR signal. ソレノイドコイルを使用して計測したスピンエコー信号の強度を示す図である。It is a figure which shows the intensity | strength of the spin echo signal measured using the solenoid coil. 本発明の第二実施形態の要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態の要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of 3rd embodiment of this invention. 本発明の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of this invention. 実施例1の実験例1で使用した小型RFコイル(トラック形状コイル)を示す図である。4 is a diagram showing a small RF coil (track-shaped coil) used in Experimental Example 1 of Example 1. FIG. トラック形状コイルと水の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a track shape coil and water. トラック形状コイルの軸と、静磁場とがなす角度θを0°、45°、90°とした場合に取得されるスピンエコー信号強度を示す図である。It is a figure which shows the spin echo signal intensity | strength acquired when the angle (theta) which the axis | shaft of a track-shaped coil and a static magnetic field make is 0 degree, 45 degrees, and 90 degrees. 実施例1の実験例1で使用した円形コイルの図である。6 is a diagram of a circular coil used in Experimental Example 1 of Example 1. FIG. 円形コイルの軸と、静磁場とがなす角度θを0°、45°、90°とした場合に取得されるスピンエコー信号強度を示す図である。It is a figure which shows the spin echo signal intensity | strength acquired when the angle (theta) which the axis | shaft of a circular coil and a static magnetic field make is 0 degree, 45 degrees, and 90 degrees. トラック形状コイルと水の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a track shape coil and water. θ=90°、励起パルス出力TX=7.0のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 90 degrees and excitation pulse output TX = 7.0. θ=90°、励起パルス出力TX=8.0のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 90 degrees and excitation pulse output TX = 8.0. θ=90°、励起パルス出力TX=8.6のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 90 degrees and excitation pulse output TX = 8.6. トラック形状コイルと水の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a track shape coil and water. θ=0°、励起パルス出力TX=7.0のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 0 degree and excitation pulse output TX = 7.0. θ=0°、励起パルス出力TX=8.0のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 0 degree and excitation pulse output TX = 8.0. θ=0°、励起パルス出力TX=9.0のMR画像を示す図である。It is a figure which shows the MR image of (theta) = 0 degree and excitation pulse output TX = 9.0. トラック形状コイルと、座標とを示す図である。It is a figure which shows a track shape coil and a coordinate. θ=90°、試料表面(z=zs)での励起角度αを90°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す図である。It is a figure which shows yz distribution of the spin-echo signal intensity | strength at the time of (theta) = 90 degrees and the excitation angle (alpha) in a sample surface (z = zs) being 90 degrees. θ=90°、試料表面(z=zs)での励起角度αを180°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す図である。It is a figure which shows yz distribution of the spin echo signal intensity | strength when the excitation angle (alpha) in the sample surface (z = zs) is 180 degrees (theta) = 90 degrees. θ=0°、試料表面(z=zs)での励起角度αを90°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す図である。It is a figure which shows yz distribution of the spin echo signal intensity | strength at the time of (theta) = 0 degree and the excitation angle (alpha) in a sample surface (z = zs) being 90 degrees. θ=0°、試料表面(z=zs)での励起角度αを180°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す図である。It is a figure which shows yz distribution of the spin echo signal intensity | strength when (theta) = 0 degree and the excitation angle (alpha) in a sample surface (z = zs) is 180 degrees. 実施例2で使用したトラック形状コイルの図である。It is a figure of the track shape coil used in Example 2. FIG. 燃料電池の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of a fuel cell. 固体高分子電解質膜の含水量と、スピンエコー信号の強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the water content of a solid polymer electrolyte membrane, and the intensity | strength of a spin echo signal. 水素極側のコイルで取得し、規格化したスピンエコー信号強度を示す。The normalized spin echo signal intensity obtained by the coil on the hydrogen electrode side is shown. 酸素極側のコイルで取得し、規格化したスピンエコー信号強度を示す。The normalized spin echo signal intensity obtained by the coil on the oxygen electrode side is shown. 水素極側のコイルで取得し、規格化したスピンエコー信号強度を示す。The normalized spin echo signal intensity obtained by the coil on the hydrogen electrode side is shown. 酸素極側のコイルで取得し、規格化したスピンエコー信号強度を示す。The normalized spin echo signal intensity obtained by the coil on the oxygen electrode side is shown. 実施例3で使用した燃料電池システムを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a fuel cell system used in Example 3. トラック形状コイルと円形コイルとを示す図である。It is a figure which shows a track shape coil and a circular coil. コイルと水の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of a coil and water. 各コイルで取得したスピンエコー信号強度を示す図である。It is a figure which shows the spin echo signal strength acquired with each coil. コイルの計測深度と、スピンエコー信号強度とを示す図である。It is a figure which shows the measurement depth of a coil, and a spin echo signal strength. ID0.6mmの円形コイルを基準として、換算した信号強度と、コイルの計測体積との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the converted signal strength and the measurement volume of a coil on the basis of ID0.6mm circular coil. ID0.6mmの円形コイルを基準として、換算した信号強度と、コイルの計測深度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the converted signal strength and the measurement depth of a coil on the basis of ID0.6mm circular coil. 円形コイルの内径と、トラック形状コイルのDs,Dlを示す図である。It is a figure which shows the internal diameter of a circular coil, and Ds and Dl of a track shape coil. トラック形状コイルと、座標とを示す図である。It is a figure which shows a track shape coil and a coordinate. トラック形状コイルがxz平面に作る磁場Hz(x, 0, z)の空間分布を示す図である。It is a figure which shows the spatial distribution of the magnetic field Hz (x, 0, z) which a track shape coil produces in xz plane. トラック形状コイルがyz平面に作る磁場Hz(0, y, z)の空間分布を示す図である。It is a figure which shows the spatial distribution of the magnetic field Hz (0, y, z) which a track shape coil produces in a yz plane. トラック形状コイルがxy平面に作る磁場Hz(x, y, 0)の空間分布を示す図である。It is a figure which shows the spatial distribution of the magnetic field Hz (x, y, 0) which a track shape coil produces in an xy plane. xz平面でのFID信号強度の空間分布SFID(x, 0, z)を示す図である。It is a figure which shows the spatial distribution SFID (x, 0, z) of the FID signal strength in xz plane. z軸上のFID信号強度の分布SFID (0, 0, z)を示す図である。It is a figure which shows distribution FID (0, 0, z) of the FID signal strength on az axis. x軸上のFID信号強度の分布SFID(x, 0, 0)を示す図である。It is a figure which shows distribution SFID (x, 0, 0) of the FID signal strength on the x-axis. xz平面でのスピンエコー信号強度の空間分布SSpinEcho(x, 0, z)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a spatial distribution S SpinEcho (x, 0, z) of spin echo signal intensity in the xz plane. z軸上のスピンエコー信号強度の分布SSpinEcho (0, 0, z)を示す図である。It is a figure which shows distribution S SpinEcho (0, 0, z) of the spin echo signal intensity on az axis. x軸上のスピンエコー信号強度の分布SSpinEcho (x, 0, 0)を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a spin echo signal intensity distribution S SpinEcho (x, 0, 0) on the x-axis. スピンエコー信号のxy平面での強度分布SSpinEcho(x, y, 0.16mm)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an intensity distribution S SpinEcho (x, y, 0.16 mm) in the xy plane of a spin echo signal. y軸方向のスピンエコー信号の強度分布を示す図である。It is a figure which shows intensity distribution of the spin echo signal of a y-axis direction. x軸方向のスピンエコー信号の強度分布を示す図である。It is a figure which shows intensity distribution of the spin echo signal of a x-axis direction. スピンエコー信号のxy平面での強度分布SSpinEcho(x, y, 0.16mm)を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an intensity distribution S SpinEcho (x, y, 0.16 mm) in the xy plane of a spin echo signal. y軸方向のスピンエコー信号の強度分布を示す図である。It is a figure which shows intensity distribution of the spin echo signal of a y-axis direction. FID信号のz軸方向分布を示す図である。It is a figure which shows z-axis direction distribution of a FID signal. スピンエコー信号のz軸方向分布を示す図である。It is a figure which shows z-axis direction distribution of a spin echo signal. 従来の測定装置における静磁場方向と、励起用振動磁場方向とを示す図である。It is a figure which shows the static magnetic field direction in the conventional measuring apparatus, and the oscillating magnetic field direction for excitation. 従来の測定装置における磁石と、試料との配置関係を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning relationship between the magnet and sample in the conventional measuring apparatus. 本発明の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of this invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。
(第一実施形態)
図1には、本実施形態の燃料電池システム1を示す。
この燃料電池システム1は、燃料電池5と、この燃料電池5の運転状態を計測する測定装置100とを備える。
(燃料電池の構成)
燃料電池5は、図2に示すように、固体高分子電解質膜511を有する膜電極接合体51と、一対の拡散層52、53と、セパレータ54,55とを有する。
膜電極接合体51は、固体高分子電解質膜511と、この固体高分子電解質膜511の両側に設けられた触媒層512、513とを有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a fuel cell system 1 of the present embodiment.
The fuel cell system 1 includes a fuel cell 5 and a measuring device 100 that measures the operating state of the fuel cell 5.
(Configuration of fuel cell)
As shown in FIG. 2, the fuel cell 5 includes a membrane electrode assembly 51 having a solid polymer electrolyte membrane 511, a pair of diffusion layers 52 and 53, and separators 54 and 55.
The membrane electrode assembly 51 includes a solid polymer electrolyte membrane 511 and catalyst layers 512 and 513 provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 511.

固体高分子電解質膜511は、プロトン性溶媒(本実施形態では水)を含有しており、この水を含有した状態でイオンを伝導することができる膜である。固体高分子電解質膜511としては、たとえば、ナフィオン(登録商標)等を使用することができる。
一対の触媒層512、513のうち、一方の触媒層512は、固体高分子電解質膜511の一方の面に接触するように設けられ、他方の触媒層513は、固体高分子電解質膜511の他方の面に接触するように設けられる。触媒層512、513は、たとえば、カーボン粒子の表面に白金触媒を担持させたものを固体高分子電解質膜511の表面に積層することで形成される。
一方の触媒層512は、酸化剤極(酸素極、カソード)として機能する。他方の触媒層513は、燃料極(水素極、アノード)として機能する。燃料電池5の運転中は、電流は、電気回路(電子負荷装置)57を通って水素極(触媒層513)から酸素極(触媒層512)に移動する。
The solid polymer electrolyte membrane 511 contains a protic solvent (water in this embodiment), and is a membrane capable of conducting ions in a state containing this water. For example, Nafion (registered trademark) can be used as the solid polymer electrolyte membrane 511.
Of the pair of catalyst layers 512 and 513, one catalyst layer 512 is provided so as to be in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 511, and the other catalyst layer 513 is the other of the solid polymer electrolyte membrane 511. It is provided so as to be in contact with the surface. The catalyst layers 512 and 513 are formed, for example, by laminating a surface of the solid polymer electrolyte membrane 511 with a platinum particle supported on the surface of carbon particles.
One catalyst layer 512 functions as an oxidant electrode (oxygen electrode, cathode). The other catalyst layer 513 functions as a fuel electrode (hydrogen electrode, anode). During operation of the fuel cell 5, the current moves from the hydrogen electrode (catalyst layer 513) to the oxygen electrode (catalyst layer 512) through the electric circuit (electronic load device) 57.

拡散層52は、触媒層512の固体高分子電解質膜511側の面と反対の面側に設けられる。同様に、拡散層53は、触媒層513の固体高分子電解質膜511側の面と反対の面側に設けられる。拡散層52,53としては、たとえば、撥水処理されたカーボンペーパとすることができる。膜電極接合体51内に存在する水は、拡散層52,53を伝わって外部に排出される。
なお、拡散層52,53には、燃料電池5で発電した電流を取り出すための集電用の電極(集電体)56がそれぞれ取り付けられている。
The diffusion layer 52 is provided on the surface of the catalyst layer 512 opposite to the surface on the solid polymer electrolyte membrane 511 side. Similarly, the diffusion layer 53 is provided on the surface of the catalyst layer 513 opposite to the surface on the solid polymer electrolyte membrane 511 side. As the diffusion layers 52, 53, for example, water-repellent carbon paper can be used. The water present in the membrane electrode assembly 51 is discharged to the outside through the diffusion layers 52 and 53.
Note that current collecting electrodes (current collectors) 56 for taking out the current generated by the fuel cell 5 are attached to the diffusion layers 52 and 53, respectively.

セパレータ54,55は流路541,551を有している絶縁材料、本実施形態では、ポリカーボネート製の板状体である。セパレータ54,55の流路を通るガスは、拡散層52,53を介して触媒層512,513と接触する。
なお、セパレータ54,55は、導電性の材料で構成してもよい。
The separators 54 and 55 are insulating materials having flow paths 541 and 551, which are plate-like bodies made of polycarbonate in this embodiment. The gas passing through the flow paths of the separators 54 and 55 contacts the catalyst layers 512 and 513 through the diffusion layers 52 and 53.
In addition, you may comprise the separators 54 and 55 with an electroconductive material.

(測定装置)
はじめに、図1を参照して、本実施形態の測定装置の概要について説明する。
本実施形態の測定装置100は、プロトン性溶媒を含んだ膜状あるいは平板状の試料(本実施形態では、膜状の試料である固体高分子電解質膜511)に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出するものである。
この測定装置100は、対向配置された極性の異なる一対の磁極113A,113Bを有し、磁極113A,113B間に配置された試料511に対して静磁場を印加する静磁場印加部113と、
試料511に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイル(以下、小型RFコイルという場合もある)114とを備える。
静磁場印加部113の前記一対の磁極113A,113B間には、一対の磁極113A,113Bにより形成される静磁場Hの方向が前記試料の表裏面を垂直に貫くように、前記試料511が配置される。
また、平面RFコイル114は、一つの軸の周りを囲むように環状に巻かれたものであり、その軸Axが前記試料表裏面と直交するように前記試料511に対して配置されるとともに、平面RFコイル114の軸Axは、前記静磁場印加部113により形成される静磁場H方向と平行である。
(measuring device)
First, with reference to FIG. 1, the outline | summary of the measuring apparatus of this embodiment is demonstrated.
The measuring apparatus 100 of this embodiment applies an oscillating magnetic field for excitation to a film-like or flat plate-like sample containing a protic solvent (in this embodiment, a solid polymer electrolyte membrane 511 which is a film-like sample). In addition, an NMR signal corresponding to the oscillating magnetic field for excitation is detected.
The measuring apparatus 100 includes a pair of magnetic poles 113A and 113B having different polarities arranged opposite to each other, and a static magnetic field applying unit 113 that applies a static magnetic field to a sample 511 disposed between the magnetic poles 113A and 113B.
A planar RF coil (hereinafter also referred to as a small RF coil) 114 that applies an excitation oscillating magnetic field to the sample 511 and acquires an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field is provided.
Said pair of magnetic poles 113A of the static magnetic field applying unit 113, between 113B, a pair of magnetic poles 113A, so that the direction of the static magnetic field H 0 formed by 113B penetrates vertically the front and back surfaces of the sample, the sample 511 Be placed.
The planar RF coil 114 is wound in an annular shape so as to surround one axis, and is arranged with respect to the sample 511 so that the axis Ax is orthogonal to the front and back surfaces of the sample. An axis Ax of the planar RF coil 114 is parallel to the static magnetic field H 0 direction formed by the static magnetic field application unit 113.

さらに、平面RFコイル114は、図3に示すように、互いに略平行に延在する一対の第一の部分1140,1141と、この一対の第一の部分1140,1141の対向する端部間を結ぶ第二の部分1142,1143とを有する。一対の第一の部分1140,1141間の距離をDsとし、一対の第一の部分1140,1141間の距離の中心点を通るとともに、第一の部分1140,1141と平行にのびる直線の第二の部分1142,1143との交点間の距離をDlとした場合、Dl/Dsが2以上である。
なお、第一の部分1140,1141は、完全に平行でなくてもよく、計測深度が正確に把握できれば、平行から若干ずれていてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the planar RF coil 114 has a pair of first portions 1140 and 1141 extending substantially in parallel with each other and between the opposing ends of the pair of first portions 1140 and 1141. And second portions 1142 and 1143 to be connected. A distance between the pair of first portions 1140 and 1141 is Ds, and a second straight line extending in parallel with the first portions 1140 and 1141 while passing through the center point of the distance between the pair of first portions 1140 and 1141. When the distance between the intersections with the portions 1142 and 1143 is Dl, Dl / Ds is 2 or more.
Note that the first portions 1140 and 1141 may not be completely parallel, and may be slightly deviated from parallel if the measurement depth can be accurately grasped.

また、測定装置100は、他に、勾配磁場印加部251、RF発振器102、変調器104、RF増幅器(RF増幅部)106、プリアンプ112、検波器140、A/D変換器118、スイッチ部170、制御部150、計時部128、シーケンステーブル127、データ受付部120、出力部135等を備える。   In addition, the measuring apparatus 100 includes a gradient magnetic field application unit 251, an RF oscillator 102, a modulator 104, an RF amplifier (RF amplification unit) 106, a preamplifier 112, a detector 140, an A / D converter 118, and a switch unit 170. , A control unit 150, a timing unit 128, a sequence table 127, a data reception unit 120, an output unit 135, and the like.

次に、本実施形態の測定装置100について詳細に説明する。
測定装置100は、固体高分子電解質膜511の特定箇所の電流の測定、水分量の測定、易動性の測定を行うものである。
Next, the measuring apparatus 100 of this embodiment will be described in detail.
The measuring device 100 measures the current at a specific location of the solid polymer electrolyte membrane 511, measures the amount of water, and measures the mobility.

静磁場印加部113は、固体高分子電解質膜511に対して静磁場を印加するものである。この静磁場が印加された状態で励起用振動磁場が固体高分子電解質膜511に印加され、電流の測定、水分量の測定、易動性の測定がなされる。
本実施形態では、静磁場印加部113は、所定の間隔をあけて対向配置された一対の磁極(磁石)113A,113Bを含んで構成される。磁石113A、113Bは、それぞ平板状の永久磁石であり、その表面(磁石の厚み方向と直交する面)が対向するように配置されている。図4に示すように磁石113A,113Bの表面の大きさ形状は、燃料電池5よりも大きく、磁石113A,113B間のスペースから燃料電池5がはみ出さないように燃料電池5が配置されている。
また、磁石113A,113Bの表面と、燃料電池5の表面(裏面)とが対向するように燃料電池5が配置される。すなわち、磁石113A,113Bにより形成される静磁場方向が、燃料電池5表裏面(すなわち、固体高分子電解質膜511表裏面)を垂直に貫くように、燃料電池5が配置される。
The static magnetic field application unit 113 applies a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane 511. An excitation oscillating magnetic field is applied to the solid polymer electrolyte membrane 511 in a state where the static magnetic field is applied, and current measurement, moisture content measurement, and mobility measurement are performed.
In the present embodiment, the static magnetic field application unit 113 is configured to include a pair of magnetic poles (magnets) 113A and 113B arranged to face each other with a predetermined interval. Each of the magnets 113A and 113B is a plate-like permanent magnet, and is arranged so that the surfaces thereof (surfaces orthogonal to the magnet thickness direction) face each other. As shown in FIG. 4, the surface shape of the magnets 113A and 113B is larger than that of the fuel cell 5, and the fuel cell 5 is arranged so that the fuel cell 5 does not protrude from the space between the magnets 113A and 113B. .
Further, the fuel cell 5 is arranged so that the surfaces of the magnets 113A, 113B and the surface (back surface) of the fuel cell 5 face each other. That is, the fuel cell 5 is disposed so that the direction of the static magnetic field formed by the magnets 113A and 113B penetrates the front and back surfaces of the fuel cell 5 (that is, the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511) vertically.

小型RFコイル114は、固体高分子電解質膜511の特定箇所に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するNMR信号を取得する。励起用振動磁場とは、具体的には、小型RFコイルから周囲に放出された高周波パルスである。   The small RF coil 114 applies an excitation oscillating magnetic field to a specific portion of the solid polymer electrolyte membrane 511 and acquires an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field. Specifically, the excitation oscillating magnetic field is a high-frequency pulse emitted from a small RF coil to the surroundings.

小型RFコイル114は、平面RFコイルであり、図2にも示すように、固体高分子電解質膜511の面方向に沿って複数配置されている。なお、図1では、一つの小型RFコイル114のみを図示し、他の小型RFコイルについては記載を省略している。さらに、図1においては、燃料電池5の固体高分子電解質膜511、拡散層52,53のみを示し、他の部材については記載を省略している。
小型RFコイル114の軸Axが固体高分子電解質膜511の表裏面と直交するように配置される。
小型RFコイル114は、拡散層52と固体高分子電解質膜511との間、拡散層53と固体高分子電解質膜511との間に配置される。
小型RFコイル114の軸Axが、磁石113A,113Bにより形成される静磁場方向と平行となるように、複数の小型RFコイル114が固体高分子電解質膜511の表裏面に沿って配置される。
小型RFコイル114の計測領域は、固体高分子電解質膜511の表面から、固体高分子電解質膜511の厚みの途中位置までである。そして、拡散層52と固体高分子電解質膜511との間に配置された小型RFコイル114の計測領域と、拡散層53と固体高分子電解質膜511との間に配置された小型RFコイル114の計測領域とは重なっていない。さらに、隣接する小型RFコイル114同士の計測領域も重なっていない。
The small RF coils 114 are planar RF coils, and a plurality of small RF coils 114 are arranged along the surface direction of the solid polymer electrolyte membrane 511 as shown in FIG. In FIG. 1, only one small RF coil 114 is shown, and the description of the other small RF coils is omitted. Furthermore, in FIG. 1, only the solid polymer electrolyte membrane 511 and the diffusion layers 52 and 53 of the fuel cell 5 are shown, and the description of the other members is omitted.
The small RF coil 114 is arranged such that the axis Ax is orthogonal to the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511.
The small RF coil 114 is disposed between the diffusion layer 52 and the solid polymer electrolyte membrane 511 and between the diffusion layer 53 and the solid polymer electrolyte membrane 511.
A plurality of small RF coils 114 are arranged along the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511 so that the axis Ax of the small RF coil 114 is parallel to the direction of the static magnetic field formed by the magnets 113A and 113B.
The measurement region of the small RF coil 114 is from the surface of the solid polymer electrolyte membrane 511 to the middle position of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 511. And the measurement area | region of the small RF coil 114 arrange | positioned between the diffusion layer 52 and the solid polymer electrolyte membrane 511, and the small RF coil 114 arrange | positioned between the diffusion layer 53 and the solid polymer electrolyte membrane 511 are shown. It does not overlap with the measurement area. Furthermore, the measurement areas of adjacent small RF coils 114 do not overlap.

小型RFコイル114は、固体高分子電解質膜511全体の大きさの1/2以下とすることが好ましく、1/10以下とすることがより好ましい。このようなサイズとすることにより、固体高分子電解質膜511中の電流値や、プロトン性溶媒(水)量、易動性を短時間で正確に測定することが可能となる。
なお、固体高分子電解質膜511の大きさとは、固体高分子電解質膜511の表面の大きさである。小型RFコイル114の専有面積を、上記固体高分子電解質膜511の好ましくは1/2以下、より好ましくは、1/10以下とすることで、短時間で正確な測定が可能となる。小型RFコイル114の大きさは、たとえば、直径10mm以下とすること
が好ましい。
The small RF coil 114 is preferably ½ or less, more preferably 1/10 or less of the entire size of the solid polymer electrolyte membrane 511. With such a size, the current value, the amount of protic solvent (water), and mobility in the solid polymer electrolyte membrane 511 can be accurately measured in a short time.
The size of the solid polymer electrolyte membrane 511 is the size of the surface of the solid polymer electrolyte membrane 511. By setting the exclusive area of the small RF coil 114 to preferably 1/2 or less, more preferably 1/10 or less of the solid polymer electrolyte membrane 511, accurate measurement can be performed in a short time. The size of the small RF coil 114 is preferably, for example, 10 mm or less in diameter.

小型RFコイル114は、図2,3に示したように、導線を一つの軸Axの周りを囲むように環状に巻くことで形成されたものである。すなわち、小型RFコイル114は、平面型の8の字コイル(バタフライコイル、Double−D型コイル等と呼ばれることもある。)等の2以上の軸の周りをそれぞれ囲むコイルを複数有するものではない。
小型RFコイル114は、互いに略平行に延在する一対の第一の部分1140,1141と、この一対の第一の部分1140,1141の対向する端部間を結ぶ第二の部分1142,1143とを有する。一対の第一の部分1140,1141間の距離(ここでは、一対の第一の部分1140,1141を結ぶ最も短い直線である第一直線の長さ)をDsとし、第一直線の中心を通るとともに、第一の部分1140,1141と平行に延在する第二直線Lが第二の部分1142,1143と交差す交点間の距離をDlとした場合、Dl/Dsが2以上、好ましくは3以上である。
また、Dl/Dsは、小型RFコイル114の成形性、形状保持性、取り扱い性観点から、15以下、さらには10以下、特に7以下であることが好ましい。コイルにフィルム等を貼り、形状を保持するように工夫すれば(たとえば、コイル全体をポリイミドフィルム等で挟み形状を保持しやすくする)、Dl/Dsは、100以下とすることもできる。しかしながら、コイルにより、ガスの透過が抑制されてしまう可能性があるので、燃料電池の計測においては、フィルム等を貼ることは好ましくなく、Dl/Dsを10以下とすることが好ましい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the small RF coil 114 is formed by winding a conducting wire in an annular shape so as to surround one axis Ax. In other words, the small RF coil 114 does not have a plurality of coils each surrounding around two or more axes such as a planar-type 8-shaped coil (sometimes referred to as a butterfly coil, a double-D coil, or the like). .
The small RF coil 114 includes a pair of first portions 1140 and 1141 extending substantially parallel to each other, and second portions 1142 and 1143 connecting between the opposing ends of the pair of first portions 1140 and 1141. Have The distance between the pair of first portions 1140 and 1141 (here, the length of the first straight line that is the shortest straight line connecting the pair of first portions 1140 and 1141) is Ds, and passes through the center of the first straight line. When the distance between the intersections at which the second straight line L extending in parallel with the first portions 1140 and 1141 intersects the second portions 1142 and 1143 is D1, Dl / Ds is 2 or more, preferably 3 or more. is there.
In addition, Dl / Ds is preferably 15 or less, more preferably 10 or less, and particularly preferably 7 or less, from the viewpoint of moldability, shape retention, and handleability of the small RF coil 114. If a film or the like is applied to the coil and the shape is maintained (for example, the entire coil is sandwiched between polyimide films or the like so that the shape can be easily maintained), Dl / Ds can be set to 100 or less. However, since there is a possibility that gas permeation may be suppressed by the coil, it is not preferable to attach a film or the like in the measurement of the fuel cell, and it is preferable to set Dl / Ds to 10 or less.

ここで、Dl/Dsを2以上とすることの効果について説明する。
小型RFコイルによる計測領域(計測体積)は、小型RFコイルに囲まれた領域の面積×小型RFコイルの計測深度に依存する。外形が円形状の小型RFコイルを使用した場合には、計測体積は、IDに依存する(IDは円形状の小型RFコイルの内径である)。計測深度を浅くするためには、IDを小さくすればよいが、計測体積が小さくなり、信号強度が低下して信号対雑音比が低下する。
一方、本実施形態の小型RFコイル114を使用した場合においても、計測体積は、小型RFコイル114で囲まれた領域の面積×小型RFコイル114の計測深度に依存する。
ここで、本発明者らが鋭意検討を行った結果、小型RFコイル114の形状を、互いに略平行に延在する一対の第一の部分1140,1141と、この一対の第一の部分1140,1141の対向する端部間を結ぶ第二の部分1142,1143とを有するものとし、Dl/Dsを2以上とすることで、計測深度を浅くしつつ、かつ、信号対雑音比の低下を防止できることがわかった。計測深度は、小型RFコイル114のDsに比例することがわかった(詳しくは後述する実施例3参照)ため、Dlを大きくしつつ、Dsを小さくすることで、計測深度を浅くしつつ、かつ、信号対雑音比の低下を防止できることがわかたのである。
ここで、Dlは成形性、形状保持性、取り扱い性という観点から、0.1mm以上、20mm以下程度が好ましく、Dsは計測深度の観点から、0.01mm以上、10mm以下程度が好ましい。
Here, the effect of setting Dl / Ds to 2 or more will be described.
The measurement region (measurement volume) by the small RF coil depends on the area of the region surrounded by the small RF coil × the measurement depth of the small RF coil. When a small RF coil having a circular outer shape is used, the measurement volume depends on ID 3 (ID is the inner diameter of the circular small RF coil). In order to reduce the measurement depth, the ID may be reduced, but the measurement volume is reduced, the signal intensity is reduced, and the signal-to-noise ratio is reduced.
On the other hand, even when the small RF coil 114 of the present embodiment is used, the measurement volume depends on the area of the region surrounded by the small RF coil 114 × the measurement depth of the small RF coil 114.
Here, as a result of intensive studies by the present inventors, the shape of the small RF coil 114 is changed to a pair of first portions 1140 and 1141 extending substantially parallel to each other, and the pair of first portions 1140, It has a second portion 1142 and 1143 connecting the opposite ends of 1141, and by setting Dl / Ds to 2 or more, the measurement depth is reduced and the signal-to-noise ratio is prevented from being lowered. I knew it was possible. Since it was found that the measurement depth is proportional to Ds of the small RF coil 114 (see Example 3 described later in detail), while increasing Dl and decreasing Ds, the measurement depth is reduced, and It was found that the signal-to-noise ratio can be prevented from decreasing.
Here, Dl is preferably about 0.1 mm or more and 20 mm or less from the viewpoint of moldability, shape retention, and handleability, and Ds is preferably about 0.01 mm or more and 10 mm or less from the viewpoint of measurement depth.

なお、小型RFコイル114の外形形状は、偏平形状であり、たとえば、長方形やトラック形状があげられる。
トラック形状とは、図3に示すように、第一の部分1140,1141が直線状であり、第二の部分1142,1143が湾曲し、弧を描く形状である。
The external shape of the small RF coil 114 is a flat shape, and examples thereof include a rectangle and a track shape.
As shown in FIG. 3, the track shape is a shape in which the first portions 1140 and 1141 are linear and the second portions 1142 and 1143 are curved to draw an arc.

次に、小型RFコイル114による励起用振動磁場の印加に関して説明する。
小型RFコイル114により印加される振動磁場(励起用振動磁場)は、図1に示すように、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、制御部150中のパルス制御部151(図5参照)、スイッチ部170、および小型RFコイル114の連携により生成される。また、本実施形態において、小型RFコイル114に励起用振動磁場を発生させるRFパルスを生成するRFパルス生成部は、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106を含んで構成される。RF発振器102から発振した励起用振動磁場は、制御部150中のパルス制御部151による制御に基づいて変調器104にて変調され、パルス形状となる。生成されたRFパルスはRF増幅器106により増幅された後、小型RFコイル114へ送出される。
なお、図示しないがRFパルス生成部は、各小型RFコイル114それぞれに対応して設けられ、複数のRFパルス生成部は、制御部150に接続される。
Next, application of an oscillating magnetic field for excitation by the small RF coil 114 will be described.
As shown in FIG. 1, the oscillating magnetic field (exciting oscillating magnetic field) applied by the small RF coil 114 is an RF oscillator 102, a modulator 104, an RF amplifier 106, and a pulse controller 151 in the controller 150 (see FIG. 5). ), The switch unit 170, and the small RF coil 114 in cooperation. In the present embodiment, the RF pulse generation unit that generates an RF pulse for generating an oscillating magnetic field for excitation in the small RF coil 114 includes the RF oscillator 102, the modulator 104, and the RF amplifier 106. The excitation oscillating magnetic field oscillated from the RF oscillator 102 is modulated by the modulator 104 based on the control by the pulse control unit 151 in the control unit 150 to become a pulse shape. The generated RF pulse is amplified by the RF amplifier 106 and then transmitted to the small RF coil 114.
Although not shown, an RF pulse generator is provided corresponding to each small RF coil 114, and the plurality of RF pulse generators are connected to the controller 150.

励起用振動磁場の周波数は、静磁場における電流が流れていない状態でのNMR信号の共鳴周波数と略一致する。RF発振器102には、この共鳴周波数が記憶されている。   The frequency of the oscillating magnetic field for excitation substantially coincides with the resonance frequency of the NMR signal in a state where no current flows in the static magnetic field. The RF oscillator 102 stores this resonance frequency.

制御部150は、図5に示すように、パルス制御部151と、固体高分子電解質膜511の電流を測定する第一測定モードと、固体高分子電解質膜511中の水分量を測定する第二測定モードと、固体高分子電解質膜511中の水の移動のしやすさ(易動性)を測定する第三測定モードとを切り替える切替部(モード切替制御部152)とを含む。
モード切替制御部152に接続された操作信号受付部129は、作業者の測定モードの要求を受け付ける。そして、操作信号受付部129が、この要求をモード切替制御部152に送出する。
As shown in FIG. 5, the control unit 150 includes a pulse control unit 151, a first measurement mode for measuring the current of the solid polymer electrolyte membrane 511, and a second for measuring the water content in the solid polymer electrolyte membrane 511. A switching unit (mode switching control unit 152) that switches between a measurement mode and a third measurement mode for measuring the ease of movement (movability) of water in the solid polymer electrolyte membrane 511;
The operation signal accepting unit 129 connected to the mode switching control unit 152 accepts the operator's request for the measurement mode. Then, the operation signal receiving unit 129 sends this request to the mode switching control unit 152.

パルス制御部151は、小型RFコイル114が固体高分子電解質膜511に印加する励起用振動磁場が上述のパルスシーケンスに従って実行するように、上記の連携を制御する。   The pulse control unit 151 controls the above cooperation so that the excitation oscillating magnetic field applied to the solid polymer electrolyte membrane 511 by the small RF coil 114 is executed according to the above pulse sequence.

パルス制御部151は、シーケンステーブル127および計時部128に接続されており、シーケンステーブル127から取得したシーケンスデータと計時部128での計測時間とに基づいて、高周波パルスを発生させる。シーケンステーブル127には、電流を測定する際の高周波パルスのシーケンスデータが記憶されている。シーケンステーブル127には、具体的には、高周波パルスの発生時刻とその間隔が設定されたタイミングダイアグラムと、タイミングダイアグラムに基づいて印加する高周波パルスの強度、位相が記憶されている。   The pulse control unit 151 is connected to the sequence table 127 and the time measuring unit 128, and generates a high frequency pulse based on the sequence data acquired from the sequence table 127 and the measurement time in the time measuring unit 128. The sequence table 127 stores high-frequency pulse sequence data when current is measured. Specifically, the sequence table 127 stores a timing diagram in which the generation time and interval of the high frequency pulse are set, and the intensity and phase of the high frequency pulse applied based on the timing diagram.

小型RFコイル114は、このRFパルスを固体高分子電解質膜511の特定箇所に印加する。そして、印加されたRFパルスのNMR信号を小型RFコイル114が取得する。NMR信号は、たとえば励起用振動磁場に対応するエコー信号である。   The small RF coil 114 applies this RF pulse to a specific portion of the solid polymer electrolyte membrane 511. Then, the small RF coil 114 acquires the NMR signal of the applied RF pulse. The NMR signal is, for example, an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field.

第一測定モードにおいて、小型RFコイル114が固体高分子電解質膜511に印加する励起用振動磁場は、たとえば、
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス
からなるパルスシーケンスとする。
In the first measurement mode, the excitation oscillating magnetic field applied by the small RF coil 114 to the solid polymer electrolyte membrane 511 is, for example,
(A) a 90 ° pulse, and
(B) A pulse sequence composed of 180 ° pulses applied after the elapse of time τ of the pulses in (a).

また、第二測定モードにおいて、小型RFコイル114が固体高分子電解質膜511に印加する励起用振動磁場は、たとえば、
(a)90°パルス、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス(nは自然数である。)
である。
In the second measurement mode, the excitation oscillating magnetic field applied by the small RF coil 114 to the solid polymer electrolyte membrane 511 is, for example,
(A) 90 ° pulse,
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). Pulse (n is a natural number)
It is.

さらに、第三測定モードにおいて、小型RFコイル114が固体高分子電解質膜511に印加する励起用振動磁場は、小型RFコイル114は、以下の(a)〜(d)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加する。
(a)励起用振動磁場の90°パルス、
(b)(a)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス、
(c)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される励起用振動磁場の180°パルス、および、
(d)(c)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス。
Further, in the third measurement mode, the excitation oscillating magnetic field applied to the solid polymer electrolyte membrane 511 by the small RF coil 114 is excited by the pulse sequence including the following (a) to (d). Apply oscillating magnetic field.
(A) a 90 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation,
(B) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (a) and is applied for a fixed time d,
(C) a 180 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation applied after elapse of time τ of the pulse of (a), and
(D) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (c) and is applied for a predetermined time d.

次に、NMR信号の検出について説明する。
NMR信号検出部は、小型RFコイル114で取得したNMR信号を検出し、このNMR信号を演算部130に送出する。NMR信号検出部は、プリアンプ112、検波器140およびA/D変換器118を含んで構成される。検出されたNMR信号は、プリアンプ112により増幅された後、検波器140へ送出される。
なお、図示しないがNMR信号検出部は、各小型RFコイル114それぞれに対応して設けられ、複数のNMR信号検出部は、データ受付部120に接続される。
Next, detection of NMR signals will be described.
The NMR signal detection unit detects the NMR signal acquired by the small RF coil 114 and sends the NMR signal to the calculation unit 130. The NMR signal detector includes a preamplifier 112, a detector 140, and an A / D converter 118. The detected NMR signal is amplified by the preamplifier 112 and then sent to the detector 140.
Although not shown, an NMR signal detection unit is provided corresponding to each small RF coil 114, and a plurality of NMR signal detection units are connected to the data receiving unit 120.

検波器140は、位相敏感検波法により、NMR信号の実部および虚部を検波するよう構成されている。検波器140において取得したNMR波形が実部と虚部に正確に分離するために、復調の元となる基本波のsin波とcos波の位相差が正確に90度になるように、厳密に調整することが好ましい。二つの基本波が厳密に90度の位相差となるように調整することにより、後述する実部と虚部のtan-1を用いた位相差の算出をさらに正確に行うことができる。なお、復調の元となる基準波は、たとえば図6を参照して後述する90°ハイブリッドによって作られる。 The detector 140 is configured to detect a real part and an imaginary part of the NMR signal by a phase sensitive detection method. In order to accurately separate the NMR waveform acquired by the detector 140 into a real part and an imaginary part, the phase difference between the sine wave and the cosine wave of the fundamental wave that is the source of demodulation is strictly 90 degrees. It is preferable to adjust. By adjusting so that the two fundamental waves have a phase difference of exactly 90 degrees, the phase difference can be calculated more accurately using tan −1 of the real part and the imaginary part described later. The reference wave that is the source of demodulation is generated by a 90 ° hybrid described later with reference to FIG. 6, for example.

検波器140は、検波した実部と虚部をA/D変換器118へ送出する。A/D変換器118はNMR信号をA/D変換した後、データ受付部120に送出する。演算部130は、データ受付部120に送出されたデータを取得する。   The detector 140 sends the detected real part and imaginary part to the A / D converter 118. The A / D converter 118 A / D converts the NMR signal and then sends it to the data receiving unit 120. The calculation unit 130 acquires data sent to the data reception unit 120.

以上、励起用振動磁場の印加およびNMR信号の検出について述べたが、これらは、小型コイルを含むLC回路により実現することができる。   The application of the excitation oscillating magnetic field and the detection of the NMR signal have been described above. However, these can be realized by an LC circuit including a small coil.

図7は、このようなLC回路の一例を示す図である。図7においては、共振回路のコイル部(インダクタンス部)は、小型RFコイルで構成される。核磁気共鳴(NMR)法においては、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出する。1Teslaの磁場中でのスピン共鳴周波数は約43MHzであり、その周波数帯を高感度に選択的に検出するために、図7に示すようなLC共振回路が用いられる。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of such an LC circuit. In FIG. 7, the coil portion (inductance portion) of the resonance circuit is configured by a small RF coil. In the nuclear magnetic resonance (NMR) method, the motion of nuclear magnetization is detected as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. The spin resonance frequency in a magnetic field of 1 Tesla is about 43 MHz, and an LC resonance circuit as shown in FIG. 7 is used to selectively detect the frequency band with high sensitivity.

図1に戻り、スイッチ部170は、小型RFコイル114、RF増幅器106およびプリアンプ112を接続する分岐部に設けられており、
小型RFコイル114とRF信号生成部(RF増幅器106)とが接続された第1状態、および、
小型RFコイル114とNMR信号検出部(プリアンプ112)とが接続された第2状態を切り替える機能を有する。
つまり、スイッチ部170は、「送受信切り替えスイッチ」の役目を果たす。この役目は、RF power−ampで増幅された励起パルスを小型RFコイル114に伝送する際には、受信系のプリアンプ112を切り離して大電圧から保護し、励起後にNMR信号を受信する際には、RF増幅器106から漏れてくる増幅用大型トランジスタが発するノイズを受信系のプリアンプ112に伝送しないように遮断することである。小型RFコイル114を用いて計測する場合には、微弱な信号を取り扱うため、スイッチ部170が必要となる。スイッチ部170は各小型RFコイル114に対応して複数設けられている。
Returning to FIG. 1, the switch unit 170 is provided in a branch unit that connects the small RF coil 114, the RF amplifier 106, and the preamplifier 112.
A first state in which the small RF coil 114 and the RF signal generator (RF amplifier 106) are connected; and
It has a function of switching the second state in which the small RF coil 114 and the NMR signal detector (preamplifier 112) are connected.
That is, the switch unit 170 serves as a “transmission / reception switching switch”. The role is to transmit the excitation pulse amplified by RF power-amp to the small RF coil 114 to separate the preamplifier 112 of the receiving system and protect it from a large voltage, and to receive the NMR signal after excitation. In other words, the noise generated by the large amplification transistor leaking from the RF amplifier 106 is blocked from being transmitted to the preamplifier 112 of the receiving system. When measurement is performed using the small RF coil 114, the switch unit 170 is necessary to handle a weak signal. A plurality of switch units 170 are provided corresponding to each small RF coil 114.

さらに、測定装置100は、固体高分子電解質膜511に対して勾配磁場を印加する勾配磁場印加部(一対のGコイル251)および一対のGコイル251にパルス電流を供給する電流駆動用電源159をさらに備える。   Furthermore, the measuring apparatus 100 includes a gradient magnetic field application unit (a pair of G coils 251) that applies a gradient magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane 511 and a current driving power source 159 that supplies a pulse current to the pair of G coils 251. Further prepare.

一対のGコイル251は、小型RFコイル114から離間して配置された勾配磁場印加コイルである。一対のGコイル251は、図1に示すように、固体高分子電解質膜511に勾配磁場を印加できるように配置される。Gコイル251は、一つの小型RFコイル114に対して、2つ配置され、小型RFコイル114を挟んで対向配置されている。   The pair of G coils 251 are gradient magnetic field application coils that are spaced apart from the small RF coil 114. As shown in FIG. 1, the pair of G coils 251 are arranged so that a gradient magnetic field can be applied to the solid polymer electrolyte membrane 511. Two G coils 251 are arranged with respect to one small RF coil 114, and are opposed to each other with the small RF coil 114 interposed therebetween.

Gコイル251の形状は、種々のものを採用し得るが、本実施形態では平板状コイルを用いる。また、図1では、Gコイル251が固体高分子電解質膜511の表裏面を挟むようにして、配置されているが、これに限られるものではない。図66に示すように、Gコイル251を配置してもよい。さらに、Gコイル251は、たとえば、図8のような半月状のものであってもよい。なお、図8では、一つの固体高分子電解質膜511に対し複数の小型RFコイル114を配置し、複数の小型RFコイル114に対して一対のGコイル251を配置する場合が例示されている。また、図8には、各小型RFコイル114に対して、一対のGコイル251が配置される場合が例示されている。
なお、各小型RFコイル114に対して、一対のGコイル251が配置されていなくてもよく、たとえば、一対のGコイルにより、燃料電池5全体が挟まれるように配置されていてもよい。
Various shapes can be adopted for the G coil 251, but a flat coil is used in this embodiment. In FIG. 1, the G coil 251 is disposed so as to sandwich the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511, but is not limited thereto. As shown in FIG. 66, a G coil 251 may be arranged. Furthermore, the G coil 251 may be, for example, a half moon as shown in FIG. FIG. 8 illustrates the case where a plurality of small RF coils 114 are arranged for one solid polymer electrolyte membrane 511 and a pair of G coils 251 are arranged for the plurality of small RF coils 114. FIG. 8 illustrates a case where a pair of G coils 251 is arranged for each small RF coil 114.
Note that the pair of G coils 251 may not be arranged for each small RF coil 114, and may be arranged such that the entire fuel cell 5 is sandwiched between the pair of G coils, for example.

以上、固体高分子電解質膜511周辺の装置構成について説明した。つづいて、NMR信号の処理ブロックについて説明する。
図1に戻り、検波器140で検波されたNMR信号(エコー信号)の実部および虚部は、データ受付部120により取得されて、演算部130に送出される。演算部130は、電流値を算出する第一算出部130Aと、水分量を算出する第二算出部130Bと、易動性を算出する第三算出部130Cとを有する。
第一測定モードにおいては、第一算出部130Aは、検波器140で検波されたエコー信号の実部および虚部を取得し、これらを用いてエコー信号と励起用振動磁場との位相差を時系列で算出し、この位相差の時間変化から、エコー信号の周波数と励起用振動磁場の周波数とに基づく周波数の差分(周波数シフト量)Δωを算出する。
エコー信号の周波数は、電流が流れて形成される磁場により、基準の周波数となる励起用振動磁場の周波数から変化する。このため、周波数の変化量(差分)と電流値との関係を予め取得しておくことにより、測定されたエコー信号の周波数の差分から、固体高分子電解質膜511を流れる電流が求められる。周波数の差分は、ある時間間隔での位相の変化量を単位時間あたりに換算することにより求められる。
The apparatus configuration around the solid polymer electrolyte membrane 511 has been described above. Next, an NMR signal processing block will be described.
Returning to FIG. 1, the real part and the imaginary part of the NMR signal (echo signal) detected by the detector 140 are acquired by the data receiving unit 120 and sent to the calculation unit 130. The calculation unit 130 includes a first calculation unit 130A that calculates a current value, a second calculation unit 130B that calculates a moisture content, and a third calculation unit 130C that calculates mobility.
In the first measurement mode, the first calculation unit 130A acquires the real part and the imaginary part of the echo signal detected by the detector 140, and uses them to calculate the phase difference between the echo signal and the excitation oscillating magnetic field. The frequency difference (frequency shift amount) Δω based on the frequency of the echo signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field is calculated from the time change of the phase difference.
The frequency of the echo signal changes from the frequency of the excitation oscillating magnetic field, which is the reference frequency, due to the magnetic field formed by the flow of current. For this reason, the current flowing through the solid polymer electrolyte membrane 511 is obtained from the difference in frequency of the measured echo signal by acquiring the relationship between the frequency change amount (difference) and the current value in advance. The frequency difference is obtained by converting the amount of phase change at a certain time interval per unit time.

具体的には、検波された実部と虚部の信号よりtan-1(Re/Img)によって位相を算出する。この値は、時系列として得られたNMR信号の各時刻の位相差ΔΦ[rad]として算出される。ΔΦは、図9に示すように、時間的に変化しない周波数で進行する基準波(ある時刻での位相がΦ0)と、それと同時刻で計測したNMR信号の位相との差である。ここで、基準の周波数は、電流が流れていない状態でのNMR信号の共鳴周波数に予め設定しておく。 Specifically, the phase is calculated by tan −1 (Re / Img) from the detected real part and imaginary part signals. This value is calculated as a phase difference ΔΦ [rad] at each time of the NMR signal obtained as a time series. As shown in FIG. 9, ΔΦ is a difference between a reference wave traveling at a frequency that does not change with time (the phase at a certain time is Φ 0 ) and the phase of the NMR signal measured at the same time. Here, the reference frequency is set in advance to the resonance frequency of the NMR signal when no current flows.

演算部130の第一算出部130Aは、時系列で得られた位相差ΔΦを基に単位時間あたりの変化量として換算することでΔωを得る。そして、Δωと電流との関係を参照することにより、測定箇所における固体高分子電解質膜511の電流の値を算出する。Δωと電流との関係を得る具体的な方法の一例としては、燃料電池の形状と流れる電流の分布を仮定して、コイル位置に形成される磁場強度を理論解析し、さらに、磁場強度とNMR信号の周波数が正比例の関係にあることを用いて、周波数シフト量に換算する方法がある。もちろん、両者の関係を予め実験的に求めておいても良い。なお、第一算出部130Aは、得られた周波数シフト量から、電流が流れている面積で除した値としての電流密度として算出してもよい。
Δωと電流との関係は、記憶部190の第一記憶部191に記憶されている。第一記憶部191には、たとえば、実験的に得られた周波数の差分Δωと電流との対応付けのデータが格納されている。これは、さらに具体的には周波数の差分Δωと電流との検量線データである。演算部130中の第一算出部130Aは、記憶部190の第一記憶部191から検量線データを取得し、これに基づいて周波数の差分Δωに対応する電流を算出する。
The first calculation unit 130A of the calculation unit 130 obtains Δω by converting the amount of change per unit time based on the phase difference ΔΦ obtained in time series. Then, the value of the current of the solid polymer electrolyte membrane 511 at the measurement location is calculated by referring to the relationship between Δω and the current. As an example of a specific method for obtaining the relationship between Δω and current, the magnetic field strength formed at the coil position is theoretically analyzed assuming the shape of the fuel cell and the distribution of the flowing current. There is a method of converting to a frequency shift amount using the fact that the frequency of the signal is directly proportional. Of course, the relationship between the two may be obtained experimentally in advance. The first calculation unit 130A may calculate the current density as a value obtained by dividing the obtained frequency shift amount by the area in which the current flows.
The relationship between Δω and current is stored in the first storage unit 191 of the storage unit 190. The first storage unit 191 stores, for example, data on the correlation between the frequency difference Δω obtained experimentally and the current. More specifically, this is calibration curve data of the frequency difference Δω and the current. The first calculation unit 130A in the calculation unit 130 acquires calibration curve data from the first storage unit 191 of the storage unit 190, and calculates a current corresponding to the frequency difference Δω based on the calibration curve data.

第二算出部130Bでは、試料511に対し、励起振動磁場を印加することにより得られるNMR信号の強度から、試料511の特定箇所における水分量を算出する。第二算出部130Bでは、受信したNMR信号から、T緩和時定数を算出し、算出したT緩和時定数から、水分量を算出する。
第二算出部130Bでは、T緩和時定数が算出し、算出したT緩和時定数に対応する水分量を第二記憶部192に記憶されたデータから読み出し、水分量を算出する。
第二記憶部192には、T緩和時定数と、このT緩和時定数に対応する水分量とが記憶されているのである。
ここで、プロトン性溶媒(水)の量の算出する際に、必要となる「NMR信号の強度」は、検波器140にて取得されたRealとImaginaryの成分を基に、
(Real^2+Imaginary^2)^1/2
によってその強度に変換すればよい。すなわち、この演算は図9の円の半径を求めていることに相当する。
In the second calculation unit 130B, the amount of moisture at a specific location of the sample 511 is calculated from the intensity of the NMR signal obtained by applying an excitation oscillating magnetic field to the sample 511. In the second calculation unit 130B, a T 2 relaxation time constant is calculated from the received NMR signal, and a moisture content is calculated from the calculated T 2 relaxation time constant.
In the second calculation unit 130B, the T 2 relaxation time constant is calculated, the moisture amount corresponding to the calculated T 2 relaxation time constant is read from the data stored in the second storage unit 192, and the moisture amount is calculated.
The second storage unit 192 stores a T 2 relaxation time constant and a water amount corresponding to the T 2 relaxation time constant.
Here, when calculating the amount of the protic solvent (water), the necessary “intensity of the NMR signal” is based on the Real and Imaginary components acquired by the detector 140.
(Real ^ 2 + Imaginary ^ 2) ^ 1/2
Can be converted to that intensity. That is, this calculation corresponds to obtaining the radius of the circle in FIG.

第三算出部130Cでは、易動性を算出する。易動性とは、試料中におけるプロトン性溶媒の移動のしやすさを表す物性値であり、例えば、自己拡散係数、移動度等があるが、本実施形態では、易動性として自己拡散係数を算出する。
第三算出部130Cは、試料511に対し、励起用振動磁場の印加を行うことにより得られたNMR信号及び異なる勾配磁場の印加を行うことにより得られたNMR信号に基づいて、試料511の特定箇所における水分子の自己拡散係数を算出する。
第三算出部130Cでは、取得したNMR信号から、以下の式(I)を用いて、自己拡散係数を算出する。
NMR信号のピーク強度Sは、印加するパルス勾配磁場強度Gz[gauss/m]、印加時間d、パルス間隔Δに依存し、以下のような関係式でz方向の自己拡散係数Dz[m2/s]と関係付けられる。
ln(S/S0)=−γ2DzΔ2dGz2 (I)
The third calculation unit 130C calculates mobility. The mobility is a physical property value indicating the ease of movement of the protic solvent in the sample, and includes, for example, a self-diffusion coefficient, mobility, etc. In this embodiment, the self-diffusion coefficient is used as the mobility. Is calculated.
The third calculation unit 130C specifies the sample 511 based on the NMR signal obtained by applying the excitation oscillating magnetic field to the sample 511 and the NMR signal obtained by applying a different gradient magnetic field. Calculate the self-diffusion coefficient of water molecules at the location.
The third calculation unit 130C calculates a self-diffusion coefficient from the acquired NMR signal using the following formula (I).
The peak intensity S of the NMR signal depends on the applied pulse gradient magnetic field intensity Gz [gauss / m], the application time d, and the pulse interval Δ, and the self-diffusion coefficient Dz [m 2 / s].
ln (S / S 0 ) = − γ 2 DzΔ 2 dGz 2 (I)

上記式(I)において、d、ΔおよびGzは、それぞれ、勾配磁場パルスのパルス幅、一対の勾配磁場パルスの時間間隔、および勾配磁場パルスの磁場勾配を示す。Sは勾配磁場を印加しないGz=0の時のNMR信号のピーク強度、γは計測対象とする核、ここでは、水素原子核Hの磁気回転比42.577×10[1/gauss・s]である。この式(I)を用い、第三算出部130Cでは取得したNMR信号から自己拡散係数を算出するのである。 In the above formula (I), d, Δ, and Gz represent the pulse width of the gradient magnetic field pulse, the time interval between the pair of gradient magnetic field pulses, and the magnetic field gradient of the gradient magnetic field pulse, respectively. S 0 is the peak intensity of the NMR signal when Gz = 0 when no gradient magnetic field is applied, γ is the nucleus to be measured, here the magnetorotation ratio of the hydrogen nucleus 1 H is 42.577 × 10 2 [1 / gauss · s]. Using this formula (I), the third calculation unit 130C calculates the self-diffusion coefficient from the acquired NMR signal.

次に、図6を参照して、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、パルス制御部151、スイッチ部170、小型RFコイル114、プリアンプ112、検波器140およびA/D変換器118の連携について説明する。   Next, referring to FIG. 6, the RF oscillator 102, modulator 104, RF amplifier 106, pulse control unit 151, switch unit 170, small RF coil 114, preamplifier 112, detector 140, and A / D converter 118 Explain the cooperation.

図6において、変調器104は、ミキサー177、ミキサー179および合成器181を含んで構成される。検波器140は、ミキサー183、ミキサー185および分配器187を含んで構成される。A/D変換器118は、第一A/D変換器118Aおよび第二A/D変換器118Bを備える。   In FIG. 6, the modulator 104 includes a mixer 177, a mixer 179, and a synthesizer 181. The detector 140 includes a mixer 183, a mixer 185, and a distributor 187. The A / D converter 118 includes a first A / D converter 118A and a second A / D converter 118B.

また、図6においては、RF発振器102と変調器104との間に、90°ハイブリッド171および分配器173がさらにこの順に配置され、90°ハイブリッド171と検波器140との間にさらに分配器175が配置されている。   In FIG. 6, a 90 ° hybrid 171 and a distributor 173 are further arranged in this order between the RF oscillator 102 and the modulator 104, and a distributor 175 is further provided between the 90 ° hybrid 171 and the detector 140. Is arranged.

この構成において、RF発振器102から出力される波形を90°ハイブリッド171によって、同一周波数だが90°だけ位相が異なる二つの波形とする。この二つの基準波形を元にして、NMR信号が検波され、RealとImaginary成分となる。   In this configuration, the waveforms output from the RF oscillator 102 are made into two waveforms having the same frequency but different phases by 90 ° by the 90 ° hybrid 171. Based on these two reference waveforms, the NMR signal is detected and becomes Real and Imaginary components.

ここで、90°ハイブリッド171から出力されている二つの波形は、具体的にはsin波、cos波であり、二つの波形が精度良く直交していることが位相を求める上で重要な点である。   Here, the two waveforms output from the 90 ° hybrid 171 are specifically a sine wave and a cosine wave, and it is important for obtaining the phase that the two waveforms are accurately orthogonal to each other. is there.

なお、図6において、A/D変換器118での信号の名前がRealおよびImaginaryと付けられているが、これは便宜上の表現であり、ImaginaryとRealと逆になっていても構わない。逆になった場合は、arctanで求められる位相が±90°だけずれるだけであり、時間と共に増減する「位相の変化量」を求める際には問題とはならない。   In FIG. 6, the names of the signals in the A / D converter 118 are given as Real and Imaginary, but this is a representation for convenience and may be opposite to Imaginary and Real. In the opposite case, the phase obtained by arctan is merely shifted by ± 90 °, and this is not a problem when obtaining the “phase change amount” that increases and decreases with time.

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
一対の磁極113A,113B間には、一対の磁極113A,113Bにより形成される静磁場Hが試料511の表裏面を垂直に貫くように、試料511が配置される。そして、平面RFコイル114は、その軸Axが試料511表裏面と直交するように試料511に対して配置されるとともに、平面RFコイル114の軸Axは、静磁場印加部113により形成される静磁場H方向と平行である。
試料511の表面が、一対の磁極113A,113Bと対向するように配置されるので、一つの磁極113A,113B間の距離は、少なくとも、試料511の厚み以上であればよい。従って、表裏面の面積の大きな試料511を計測する場合であっても、一対の磁極113A,113B間の距離を大きくする必要がなく、測定装置100の大型化を抑制することができる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
A pair of magnetic poles 113A, the inter-113B, a pair of magnetic poles 113A, the static magnetic field H 0 is formed by 113B so as to penetrate the front and back surfaces of the sample 511 vertically, the sample 511 is placed. The planar RF coil 114 is disposed with respect to the sample 511 so that its axis Ax is orthogonal to the front and back surfaces of the sample 511, and the axis Ax of the planar RF coil 114 is statically formed by the static magnetic field applying unit 113. it is parallel to the magnetic field H 0 direction.
Since the surface of the sample 511 is disposed so as to face the pair of magnetic poles 113A and 113B, the distance between the magnetic poles 113A and 113B may be at least the thickness of the sample 511. Therefore, even when measuring the sample 511 having a large area on the front and back surfaces, it is not necessary to increase the distance between the pair of magnetic poles 113A and 113B, and an increase in the size of the measuring apparatus 100 can be suppressed.

ここで、従来の技術水準について説明する。
背景技術の項でも説明したが、従来の測定装置では、静磁場印加部からの静磁場の方向と、小型RFコイルの軸の方向とが直交するように小型RFコイル、静磁場印加部が配置されている。
このように配置しているのは、NMR信号を検出するためには、静磁場方向と、小型RFコイルから印加される励起用振動磁場の方向とを直交させる必要があるためである。そのため、静磁場印加部からの静磁場の方向と、小型RFコイルの軸の方向とが直交するように小型RFコイル、静磁場印加部を配置することが通常であった。これは、固体高分子膜等の水分量等を計測するための測定装置に限らず、一般的なNMR装置においても同じである。すなわち、NMR信号を検出するため、コイルの軸と、静磁場印加部からの静磁場の方向とを直交配置することが行われている。たとえば、「コロナ社、医用画像診断装置−CT、MRIを中心として−」の第144頁、第148頁にも、静磁場の向きと、コイルの軸とを直交させて配置することが開示されている。
核磁化を励起させるためには、静磁場方向と直交する方向から励起用振動磁場をかけて、核磁化を静磁場方向に対し傾ける必要があるため、静磁場方向と、コイルから印加される励起用振動磁場の方向とを直交させなければならず、静磁場方向と、コイルの軸とを平行に配置した場合には、核磁化を静磁場方向に対し傾けることが効果的にできず、NMR信号は得られないと考えられていた。
Here, the conventional technical level will be described.
As explained in the background art section, in the conventional measuring apparatus, the small RF coil and the static magnetic field application unit are arranged so that the direction of the static magnetic field from the static magnetic field application unit and the direction of the axis of the small RF coil are orthogonal to each other. Has been.
The reason for this arrangement is that the direction of the static magnetic field and the direction of the oscillating magnetic field for excitation applied from the small RF coil must be orthogonal to detect the NMR signal. Therefore, it has been usual to arrange the small RF coil and the static magnetic field application unit so that the direction of the static magnetic field from the static magnetic field application unit and the direction of the axis of the small RF coil are orthogonal to each other. This is not limited to a measuring device for measuring the moisture content of a solid polymer film or the like, and is the same for a general NMR device. That is, in order to detect NMR signals, the axis of the coil and the direction of the static magnetic field from the static magnetic field application unit are arranged orthogonally. For example, pages 144 and 148 of “Corona Corp., Medical Image Diagnostic Equipment-Centering on CT and MRI-” also disclose that the direction of the static magnetic field is orthogonal to the axis of the coil. ing.
In order to excite nuclear magnetization, it is necessary to apply an excitation oscillating magnetic field from a direction orthogonal to the static magnetic field direction and tilt the nuclear magnetization with respect to the static magnetic field direction. If the direction of the oscillating magnetic field has to be orthogonal, and the static magnetic field direction and the axis of the coil are arranged in parallel, the nuclear magnetization cannot be effectively tilted with respect to the static magnetic field direction. It was thought that no signal could be obtained.

図10に、ソレノイドコイルを使用して、スピンエコー信号を検出した例を示す。
これは、図1に示した測定装置100の小型RFコイル114をソレノイドコイルとし、試料を外形2mmのポリプロピレン円管に水を封入したものとして測定したものである。
ソレノイドコイルは、線径0.1mm、巻き数19回であり、ポリプロピレン円管の周囲を囲むように配置されている。ソレノイドコイルの軸と、静磁場の方向とがなす角度をθとし、静磁場Hと励起磁場H(ソレノイドコイルの軸)とがなす角度θを90°、45°、0°とした場合に取得されるスピンエコー信号強度を図10に示す。
FIG. 10 shows an example in which a spin echo signal is detected using a solenoid coil.
This is measured by using a small RF coil 114 of the measuring apparatus 100 shown in FIG. 1 as a solenoid coil, and a sample in which water is sealed in a polypropylene tube having an outer diameter of 2 mm.
The solenoid coil has a wire diameter of 0.1 mm and a winding number of 19 turns, and is arranged so as to surround the circumference of the polypropylene circular tube. When the angle between the solenoid coil axis and the direction of the static magnetic field is θ, and the angle θ between the static magnetic field H 0 and the excitation magnetic field H 1 (solenoid coil axis) is 90 °, 45 °, and 0 ° FIG. 10 shows the spin echo signal intensity obtained in FIG.

横軸のTXは、送信機が出力する励起パルス出力を示す値であり、出力調整用ダイアルの読み値をそのまま示した。ダイアルの読み値TXが大きいほど、励起パルス出力は大きく、TXに対して出力は指数関数的に増加する。縦軸の値は、エコー信号の強度であり、受信信号の電圧を16bitのAD変換機で読んだ値をそのまま示した。   TX on the horizontal axis is a value indicating the excitation pulse output output from the transmitter, and shows the reading value of the output adjustment dial as it is. The greater the dial reading TX, the greater the excitation pulse output, and the power increases exponentially with respect to TX. The value on the vertical axis is the intensity of the echo signal, and the value obtained by reading the voltage of the received signal with a 16-bit AD converter is shown as it is.

計測条件は以下の通りである。
第一励起パルスの照射時間は40μs、第二励起パルスの照射時間は80μs、第一励起パルス、第二励起パルスの振幅は等しい。第一励起パルスと第二励起パルスの間隔は5ms(スピンエコー時間TEは10 msに相当)、第一励起パルスの繰返し時間TRは20秒、ダミー計測は4回、信号の積算回数は1回、第二励起パルスの照射後に1msの勾配磁場を印加して、FID信号をスポイルした。全ての計測で、受信機のアンプゲイン(増幅率)は同一とした。
The measurement conditions are as follows.
The irradiation time of the first excitation pulse is 40 μs, the irradiation time of the second excitation pulse is 80 μs, and the amplitudes of the first excitation pulse and the second excitation pulse are equal. The interval between the first excitation pulse and the second excitation pulse is 5 ms (the spin echo time TE is equivalent to 10 ms), the repetition time TR of the first excitation pulse is 20 seconds, the dummy measurement is 4 times, and the signal is integrated once. The FID signal was spoiled by applying a gradient magnetic field of 1 ms after irradiation of the second excitation pulse. The amplifier gain (amplification factor) of the receiver was the same for all measurements.

図10より、静磁場Hと励起磁場Hの角度θが90°の場合にはスピンエコー信号は大きく、一方、角度θが0°の場合には、信号は非常に小さく、ノイズレベルと同等で、信号は明確には観測できないことが分かる。そして、角度θが45°では、θが90°よりも信号強度は小さく、角度θが小さくなるにつれて、エコー信号強度は小さくなることが分かる。また、角度θが90°の場合に、スピンエコー信号が最大となる励起パルス出力TXは7.0程度であるが、角度θが45°の場合には7.8程度と増加する。これは、角度θが小さくなったことで、H×Hの値が減少し、言い換えれば、Hに対してHの垂直な成分が減少して、より大きな励起パルスを照射しないと、磁化ベクトルがスピンエコー信号を強く放出する条件まで励起されない状態にあると言える。
この結果からも、静磁場方向と、コイルから印加される励起用振動磁場の方向とを直交させなければならず、静磁場方向と、コイルの軸とを平行に配置した場合には、核磁化を静磁場方向に対し傾けることはできないと考えることが通常であることがわかる。
From FIG. 10, the spin echo signal is large when the angle θ between the static magnetic field H 0 and the excitation magnetic field H 1 is 90 °, while the signal is very small when the angle θ is 0 °, It can be seen that the signal is not clearly observable. It can be seen that when the angle θ is 45 °, the signal intensity is smaller than that of 90 °, and the echo signal intensity decreases as the angle θ decreases. When the angle θ is 90 °, the excitation pulse output TX at which the spin echo signal is maximum is about 7.0, but increases to about 7.8 when the angle θ is 45 °. This is because the value of H 0 × H 1 decreases as the angle θ decreases, in other words, the component perpendicular to H 1 decreases with respect to H 0 , and a larger excitation pulse must be applied. In other words, it can be said that the magnetization vector is not excited up to the condition of strongly emitting the spin echo signal.
Also from this result, the direction of the static magnetic field and the direction of the excitation oscillating magnetic field applied from the coil must be orthogonal, and if the static magnetic field direction and the axis of the coil are arranged in parallel, the nuclear magnetization It can be seen that it is normal to think that can not be tilted with respect to the direction of the static magnetic field.

これに対し、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、小型RFコイル114の軸と、静磁場方向とを平行にした場合であっても、NMR信号を検出することができることを見出したのである(詳しくは後述する実施例1,2参照)。これにより、表裏面の面積の大きな試料を計測する場合であっても、一対の磁極間の距離を大きくする必要がなく、測定装置の大型化を抑制することができる。   In contrast, as a result of intensive studies, the present inventors have found that an NMR signal can be detected even when the axis of the small RF coil 114 is parallel to the static magnetic field direction. (For details, see Examples 1 and 2 described later). Thereby, even when measuring a sample having a large area on the front and back surfaces, it is not necessary to increase the distance between the pair of magnetic poles, and an increase in the size of the measuring apparatus can be suppressed.

次に、本実施形態の第二の効果について説明する。
測定対象となる試料の表面側、裏面側の水分量等の測定が要求される場合がある。
たとえば、燃料電池5の運転においては、固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側の水分量、易動性、発電量が非常に重要な因子となる。燃料電池5においては、水素を加湿し、固体高分子電解質膜511に送る。そして、固体高分子電解質膜511中では水素極側からの水素と、酸素極側からの酸素とが反応し水が生成する。この水は、酸素極側から排出されるため、酸素極側に水がたまり過ぎると、水が触媒を覆ってしまい酸素が固体高分子電解質膜511に到達しなくなる。一方で、水素極側に供給される水素の加湿量が少なすぎる場合には、水素イオンと共に酸素極側に移動する水分子によって、固体高分子電解質膜511が乾燥してしまい、固体高分子電解質膜511におけるイオン伝導性が悪化する。
燃料電池5を効率よく運転するためには、酸素極側の水分量と、水素極側の水分量とを一定程度に保つ必要があり、固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側の水分量、さらには、易動性、発電量を正確に把握する必要がある。
ここで、固体高分子電解質膜511は、非常に薄いものであり、その厚みは、20μm〜50μm程度である。このように非常に薄い固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側の水分量等を正確に計測することは非常に難しい。
Next, the second effect of this embodiment will be described.
In some cases, measurement of the moisture content and the like on the front side and the back side of the sample to be measured is required.
For example, in the operation of the fuel cell 5, the moisture content, mobility, and power generation amount on the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511 are very important factors. In the fuel cell 5, hydrogen is humidified and sent to the solid polymer electrolyte membrane 511. In the solid polymer electrolyte membrane 511, hydrogen from the hydrogen electrode side reacts with oxygen from the oxygen electrode side to generate water. Since this water is discharged from the oxygen electrode side, if water accumulates too much on the oxygen electrode side, the water will cover the catalyst and oxygen will not reach the solid polymer electrolyte membrane 511. On the other hand, when the humidification amount of hydrogen supplied to the hydrogen electrode side is too small, the solid polymer electrolyte membrane 511 is dried by water molecules moving to the oxygen electrode side together with hydrogen ions, and the solid polymer electrolyte is dried. The ion conductivity in the film 511 is deteriorated.
In order to operate the fuel cell 5 efficiently, it is necessary to keep the water content on the oxygen electrode side and the water content on the hydrogen electrode side at a certain level. It is necessary to accurately grasp the amount, mobility, and power generation amount.
Here, the solid polymer electrolyte membrane 511 is very thin, and its thickness is about 20 μm to 50 μm. Thus, it is very difficult to accurately measure the moisture content and the like on the front and back sides of the very thin solid polymer electrolyte membrane 511.

この理由を以下に説明する。
従来、小型RFコイルとしては、円形コイルが使用されてきた。その理由は以下の点にあると考えられる。
(i)製造の歩留まりや、製造しやすさを考慮すると、円形が最も作成しやすい。
(ii)円形のコイルは、計測領域となる部分、すなわち、円形コイルで囲まれた部分が円形であるため、円形コイルの配置方向等を考慮せずに、配置することができ、取り扱い性に優れている。
(iii)円形コイルは、円形であるがために、変形に対する機械的強度が大きく、形状保持性が高い。
従って、従来小型RFコイルとしては、外形が円のものが使用されており、製造誤差等を考慮しても、長径と短径との比が、1.1〜0.9程度の円形コイルが使用されていると考えられる。
しかしながら、このような円形コイルを使用して、固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側の水分量等を計測しようとすると、円形コイルの径を小さくする必要がある。円形コイルの径を小さくすると、計測体積が非常に小さくなるため、信号対雑音比が低下してしまい、正確な計測を行うことができない。
従って、従来の技術では、非常に薄い固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側の水分量等を正確に計測することは非常に難しかったのである。
これに対し、本発明者らは、小型RFコイル114を互いに略平行に延在する一対の第一の部分1140,1141と、この一対の第一の部分1140,1141の対向する端部間を結ぶ第二の部分1142,1143とを有するものとし、Dl/Dsを2以上とした。これにより、計測深度を浅くしつつ、かつ、信号対雑音比の低下を防止でき、固体高分子電解質膜511の表面側、裏面側とでの水分量、水分子の易動性、発電量を確実に計測することができる(詳しくは、後述する実施例3参照)。
The reason for this will be described below.
Conventionally, circular coils have been used as small RF coils. The reason is considered to be as follows.
(I) Considering the manufacturing yield and ease of manufacturing, a circular shape is most easily created.
(Ii) A circular coil can be arranged without considering the arrangement direction of the circular coil and the like because the part that becomes the measurement region, that is, the part surrounded by the circular coil is circular. Are better.
(Iii) Since the circular coil is circular, it has high mechanical strength against deformation and high shape retention.
Therefore, as a conventional small-sized RF coil, a circular coil having an outer shape is used, and a circular coil having a ratio of a major axis to a minor axis of about 1.1 to 0.9 is considered even if manufacturing errors are taken into consideration. It is thought that it is used.
However, when such a circular coil is used to measure the moisture content and the like on the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511, the diameter of the circular coil needs to be reduced. If the diameter of the circular coil is reduced, the measurement volume becomes very small, so that the signal-to-noise ratio is lowered and accurate measurement cannot be performed.
Therefore, with the conventional technique, it is very difficult to accurately measure the moisture content and the like on the front side and the back side of the very thin solid polymer electrolyte membrane 511.
In contrast, the inventors of the present invention have a pair of first portions 1140 and 1141 that extend the small RF coil 114 substantially in parallel with each other and between the opposing ends of the pair of first portions 1140 and 1141. It has the 2nd part 1142 and 1143 to connect, and Dl / Ds was set to 2 or more. This makes it possible to reduce the measurement depth and prevent a decrease in the signal-to-noise ratio, and to reduce the water content, the mobility of water molecules, and the power generation amount on the front and back sides of the solid polymer electrolyte membrane 511. It can be measured reliably (for details, see Example 3 described later).

さらに、小型RFコイル114を一対の平行な第一の部分1140,1141を備えるものとすることで、小型RFコイル114の長手方向における計測深度のばらつきを抑制することができる。   Further, by providing the small RF coil 114 with a pair of parallel first portions 1140 and 1141, variation in measurement depth in the longitudinal direction of the small RF coil 114 can be suppressed.

(第二実施形態)
図11を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。
前記実施形態では、静磁場印加部113は、一対の磁極113A,113Bを有するものであり、静磁場印加部113は、永久磁石であった。これに対し、本実施形態の静磁場印加部213は、電磁石で構成され、対向配置される一対の磁極213A,213Bと、対向配置される他の一対の磁極214A,214Bとを備えている。他の点は前記実施形態と同様である。なお、本実施形態の測定装置も前記実施形態と同様、小型RFコイルを複数備えているが、図11には、小型RFコイル114を一つのみ示している。また図11には、燃料電池5の固体高分子電解質膜511、拡散層52,53のみを示し、他の部材については記載を省略している。
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the embodiment, the static magnetic field application unit 113 has a pair of magnetic poles 113A and 113B, and the static magnetic field application unit 113 is a permanent magnet. On the other hand, the static magnetic field application unit 213 according to the present embodiment is composed of an electromagnet, and includes a pair of magnetic poles 213A and 213B arranged to face each other and another pair of magnetic poles 214A and 214B arranged to face each other. Other points are the same as in the above embodiment. Note that the measurement apparatus of this embodiment also includes a plurality of small RF coils as in the above embodiment, but only one small RF coil 114 is shown in FIG. FIG. 11 shows only the solid polymer electrolyte membrane 511 and the diffusion layers 52 and 53 of the fuel cell 5, and the other members are not shown.

磁極213A,213B、214A,241Bは平板状であり、一対の磁極213A,213B間には、一対の磁極213A,213Bにより形成される静磁場H01の方向が試料511の表裏面を垂直に貫くように、試料511が配置される。一方、一対の214A,214B間には、一対の磁極214A,214Bにより形成される静磁場H02の方向が前記試料の表裏面に平行となるように試料511が配置されている。
換言すると、小型RFコイルの軸Axは、磁極213A,213Bにより、形成される静磁場H01方向と平行であり、磁極214A,214Bにより形成される静磁場H02の方向と直交する。
このような測定装置では、一対の磁極213A,213B間に静磁場H01を発生させるタイミングと、一対の磁極214A,214B間に静磁場H02を発生させるタイミングとを切り替える切り替え手段を備え、対の磁極213A,213B間に静磁場H01を発生させるタイミングと、一対の磁極214A,214B間に静磁場H02を発生させるタイミングとを切り替えて測定を行う。静磁場H01と、静磁場H02とは交互に試料511に印加され、同時には印加されない。
詳しくは実施例で後述するが、一対の磁極213A,213Bで静磁場H01を発生させて計測した場合の小型RFコイル114の計測領域と、一対の磁極214A,214B間で静磁場H02を発生させた場合の小型RFコイル114の計測領域とは異なっている。
そのため、本実施形態によれば、一つの小型RFコイル114において、異なる領域を計測することができる。
Pole 213A, 213B, 214A, 241B is flat, a pair of magnetic poles 213A, the inter-213B, a pair of magnetic poles 213A, the direction of the static magnetic field H 01 which is formed by 213B through the front and back surfaces of the sample 511 vertically Thus, the sample 511 is arranged. On the other hand, a pair of 214A, the inter-214B, a pair of magnetic poles 214A, a sample 511 such that the direction of the static magnetic field H 02 is parallel to the front and back surfaces of the sample formed by 214B is disposed.
In other words, the axis Ax of the small-sized RF coils, pole 213A, by 213B, is parallel to the static magnetic field H 01 direction is formed, the magnetic poles 214A, perpendicular to the direction of the static magnetic field H 02 which is formed by 214B.
Such a measuring apparatus includes switching means for switching between the timing for generating the static magnetic field H 01 between the pair of magnetic poles 213A and 213B and the timing for generating the static magnetic field H 02 between the pair of magnetic poles 214A and 214B. The measurement is performed by switching between the timing for generating the static magnetic field H 01 between the magnetic poles 213A and 213B and the timing for generating the static magnetic field H 02 between the pair of magnetic poles 214A and 214B. The static magnetic field H 01 and the static magnetic field H 02 are alternately applied to the sample 511 and are not applied simultaneously.
Although details will be described later in the Examples, a pair of magnetic poles 213A, and the measurement area of the small-sized RF coil 114 when measured by generating a static magnetic field H 01 in 213B, a pair of magnetic poles 214A, the static magnetic field H 02 among 214B This is different from the measurement region of the small RF coil 114 when it is generated.
Therefore, according to the present embodiment, different areas can be measured in one small RF coil 114.

なお、本実施形態では、電磁石を使用し、静磁場の印加方向を切り替えたが、これに限らず、試料511および小型RFコイル114を移動させて、静磁場の印加方向を切り替えてもよい。また、電磁石に限らず、永久磁石を回転させて、試料に印加される静磁場方向を変えても良い。
さらに、Gコイル251を第一実施形態と同様に、固体高分子電解質膜511を表裏面側から挟むようにして、配置してもよい。
In the present embodiment, the application direction of the static magnetic field is switched using an electromagnet. However, the present invention is not limited to this, and the application direction of the static magnetic field may be switched by moving the sample 511 and the small RF coil 114. In addition to the electromagnet, the direction of the static magnetic field applied to the sample may be changed by rotating a permanent magnet.
Further, the G coil 251 may be arranged so that the solid polymer electrolyte membrane 511 is sandwiched from the front and back sides as in the first embodiment.

(第三実施形態)
図12を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。
第一実施形態では、静磁場印加部113は、一対の磁極113A,113Bを有するものであった。これに対し、本実施形態の静磁場印加部313は、複数対の磁極113A,113Bを備える。その他の点は、第一実施形態と同様である。
複数対の磁極113A,113Bにおいて一方の磁極113Aが試料511の表面側に試料511の表面に沿って配置され、他方の磁極113Bが試料の裏面側に試料511の裏面に沿って配置される。磁極113A同士、磁極113B同士は、離間配置されている。
各磁極113A,113Bは、平板状であるが、試料511の表面または裏面よりも大きさ(試料511と対向する側の面の面積)が小さい。
このようにすることで、非常に大きな試料511であっても、試料511面内の水分量等を計測することができる。
従来の測定装置では、静磁場方向と、試料の面方向とが平行となるように、試料を配置する必要があったため、一対の磁極のスペース間に、試料の面方向の幅が入るように一対の磁極のスペースを大きくとる必要があった。従って、静磁場印加部が非常に大きなものとなり、装置が大型化するとともに、装置が高価なものとなってしまう。
これに対し、本実施形態のように、試料511が非常に大きなものであっても、複数対の磁極113A,113Bを使用すればよいので、非常に大きな静磁場印加部を用意する必要が無く、装置の大型化、さらには、コストの増加を抑制することができる。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the first embodiment, the static magnetic field application unit 113 has a pair of magnetic poles 113A and 113B. On the other hand, the static magnetic field application unit 313 of this embodiment includes a plurality of pairs of magnetic poles 113A and 113B. Other points are the same as in the first embodiment.
In the plurality of pairs of magnetic poles 113A and 113B, one magnetic pole 113A is disposed on the front surface side of the sample 511 along the surface of the sample 511, and the other magnetic pole 113B is disposed on the rear surface side of the sample along the back surface of the sample 511. The magnetic poles 113A and the magnetic poles 113B are spaced apart.
Each of the magnetic poles 113 </ b> A and 113 </ b> B has a flat plate shape, but is smaller in size (area of the surface facing the sample 511) than the front surface or the back surface of the sample 511.
By doing in this way, even if it is the very big sample 511, the moisture content etc. in the sample 511 surface can be measured.
In the conventional measuring apparatus, since it is necessary to arrange the sample so that the direction of the static magnetic field and the surface direction of the sample are parallel, the width in the surface direction of the sample is inserted between the space of the pair of magnetic poles. It was necessary to make a large space between the pair of magnetic poles. Therefore, the static magnetic field application unit becomes very large, the apparatus becomes large, and the apparatus becomes expensive.
On the other hand, even if the sample 511 is very large as in this embodiment, it is only necessary to use a plurality of pairs of magnetic poles 113A and 113B, so there is no need to prepare a very large static magnetic field application unit. The increase in the size of the apparatus and the increase in cost can be suppressed.

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、測定装置100により、固体高分子電解質膜511一枚の測定を行っていたが、これに限らず、燃料電池5をスタックさせて、各固体高分子電解質膜511に対応させて小型RFコイル114を用い、各固体高分子電解質膜511の測定を行ってもよい。
また、固体高分子電解質膜511が、静磁場印加部の磁石113A,113Bよりも非常に大きな場合には、図13に示すように、静磁場印加部の磁石113A,113Bにより形成される静磁場が固体高分子電解質膜511の表裏面を垂直に貫通する状態を保ちながら、試料511,すなわち燃料電池を図13(A)の矢印方向に上下させたり、図13(A)の奥行き方向(図13(B)の矢印方向)に燃料電池5を移動させたりして、固体高分子電解質膜511の特定箇所の水分量等を測定してもよい。
また、静磁場印加部の磁石113A,113Bにより形成される静磁場が固体高分子電解質膜511の表裏面を垂直に貫通する状態を保ちながら、磁石113A,113Bを、固体高分子電解質膜511に対し相対的に移動させてもよい。
いずれの場合も、測定装置は、固体高分子電解質膜511や、磁石113A,113Bを移動させる移動手段を備えるものとなる。
図13(A)は、試料511の側面方向から見た図であり、図13(B)は、試料511の表面側から見た図である。
さらに、前記実施形態では、測定装置による測定対象を燃料電池5の固体高分子電解質膜511としたが、これに限られるものではない。プロトン性溶媒を含む試料であればよい。
以下、参考形態の例を付記する。
1. プロトン性溶媒を含んだ膜状あるいは平板状の試料に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出する測定装置であって、
対向配置された極性の異なる一対の磁極を有し、前記一対の磁極間に配置された前記膜状あるいは平板状の試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイルとを備え、
前記静磁場印加部の前記一対の磁極間には、前記一対の磁極により形成される静磁場の方向が前記試料の表裏面を垂直に貫くように、前記試料が配置され、
前記平面RFコイルは、一つの軸の周りを囲むように環状に巻かれたものであり、その軸が前記試料表裏面と直交するように前記試料に対して前記平面RFコイルが配置されるとともに、前記平面RFコイルの軸は、前記静磁場印加部により形成される静磁場の方向と平行である測定装置。
2. 1.に記載の測定装置において、
前記平面RFコイルは、互いに略平行に延在する一対の第一の部分と、この一対の第一の部分の対向する端部間を結ぶ第二の部分とを有し、
前記一対の第一の部分の距離をDsとし、
前記第一の部分と平行に延在し、前記一対の第一の部分間の距離の中心点を通る直線が前記一対の第二の部分と交わる一対の交点間の距離をDlとした場合、
Dl/Dsが2以上である測定装置。
3. 1.または2.に記載の測定装置において、
複数の平面RFコイルを備え、
前記平面RFコイルは前記試料の表面に沿って離間配置されている測定装置。
4. 1.乃至3.のいずれかに記載の測定装置において、
前記一対の磁極により形成される静磁場の方向が前記試料の表裏面を垂直に貫通する位置関係を保った状態で、前記試料と、前記静磁場印加部の前記一対の磁極とを相対的に移動させる移動手段を備える測定装置。
5. 1.乃至4.のいずれかに記載の測定装置において、
前記静磁場印加部からの静磁場の方向が前記平面RFコイルの軸と直交するように、静磁場の印加方向あるいは、前記静磁場印加部に対する前記試料の配置方向を切り替える切り替え手段を備える測定装置。
6. 1.乃至5.のいずれかに記載の測定装置において、
前記静磁場印加部は、前記一対の磁極を複数対有しており、
前記複数対の磁極において、一方の磁極が前記試料表面側に前記試料表面に沿って離間配置され、前記一方の磁極と極性の異なる他方の磁極が試料裏面側に前記試料裏面に沿って配置される測定装置。
7. プロトン性溶媒を含んだ試料に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出する測定装置であって、
前記試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイルとを備え、
前記平面RFコイルは、互いに略平行に延在する一対の第一の部分と、この一対の第一の部分の対向する端部間を結ぶ第二の部分とを有し、
前記一対の第一の部分間の距離をDsとし、
前記第一の部分と平行に延在し、前記一対の第一の部分間の距離の中心点を通る直線が前記一対の第二の部分と交わる一対の交点間の距離をDlとした場合、
Dl/Dsが2以上である測定装置。
8. 7.に記載の測定装置において、
Dl/Dsが10以下である測定装置。
9. 7.または8.に記載の測定装置において、
前記平面RFコイルの外形がトラック形状である測定装置。
10. 7.乃至9.のいずれかに記載の測定装置において、
複数の平面RFコイルを備え、
前記平面RFコイルは前記試料の表面に沿って離間配置されている測定装置。
11. 1.乃至10.のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料は、固体高分子電解質膜である測定装置。
12. 1.乃至11.のいずれかに記載の測定装置において、
前記平面RFコイルで取得した核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒量を算出する算出部を有する測定装置。
13. 1.乃至12.のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料に対して、勾配磁場を印加する勾配磁場印加部と、
前記勾配磁場および前記励起用振動磁場の印加を所定のパルスシーケンスに従って実行させる制御部と、
第二算出部とを有し、
前記平面RFコイルは、励起用振動磁場および勾配磁場に対応するNMR信号を取得し、
前記第二算出部では、異なる勾配磁場に対応して得られ、前記平面RFコイルで取得したNMR信号に基づいて、前記固試料の特定箇所におけるプロトン性溶媒の易動性を算出する測定装置。
14. 1.乃至13.のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料は、試料中で電流が発生するものであり、
前記平面RFコイルで取得された前記NMR信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の特定箇所の電流を算出する第三算出部を有する測定装置。
15. プロトン性溶媒を含んだ固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の側に配置される燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の側に配置される酸化剤極とを有する燃料電池と、
測定装置とを含む燃料電池システムであって、
前記測定装置が1.乃至14.のいずれかに記載の測定装置である燃料電池システム。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the embodiment, the measurement apparatus 100 measures one piece of the solid polymer electrolyte membrane 511. However, the present invention is not limited to this, and the fuel cell 5 is stacked to correspond to each solid polymer electrolyte membrane 511. Then, each solid polymer electrolyte membrane 511 may be measured using the small RF coil 114.
If the solid polymer electrolyte membrane 511 is much larger than the magnets 113A and 113B of the static magnetic field application unit, as shown in FIG. 13, the static magnetic field formed by the magnets 113A and 113B of the static magnetic field application unit While maintaining the state of vertically penetrating the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511, the sample 511, that is, the fuel cell is moved up and down in the direction of the arrow in FIG. 13A, or the depth direction in FIG. Alternatively, the fuel cell 5 may be moved in the direction of the arrow 13 (B) to measure the water content or the like at a specific location of the solid polymer electrolyte membrane 511.
Further, the magnets 113A and 113B are moved to the solid polymer electrolyte membrane 511 while maintaining the state in which the static magnetic field formed by the magnets 113A and 113B of the static magnetic field application unit vertically penetrates the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 511. You may move relatively.
In any case, the measuring apparatus includes a solid polymer electrolyte membrane 511 and moving means for moving the magnets 113A and 113B.
13A is a diagram viewed from the side surface direction of the sample 511, and FIG. 13B is a diagram viewed from the surface side of the sample 511.
Furthermore, in the said embodiment, although the measuring object by the measuring apparatus was set as the solid polymer electrolyte membrane 511 of the fuel cell 5, it is not restricted to this. Any sample containing a protic solvent may be used.
Hereinafter, examples of the reference form will be added.
1. A measurement device that applies an excitation oscillating magnetic field to a film-like or flat sample containing a protic solvent and detects an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field,
A pair of magnetic poles having different polarities arranged opposite to each other, and a static magnetic field applying unit that applies a static magnetic field to the film-shaped or flat-shaped sample disposed between the pair of magnetic poles;
A planar RF coil for applying an excitation oscillating magnetic field to the sample and acquiring an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
Between the pair of magnetic poles of the static magnetic field application unit, the sample is arranged so that the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles penetrates the front and back surfaces of the sample vertically,
The planar RF coil is wound in an annular shape so as to surround one axis, and the planar RF coil is disposed on the sample so that the axis is orthogonal to the sample front and back surfaces. The measuring device in which the axis of the planar RF coil is parallel to the direction of the static magnetic field formed by the static magnetic field application unit.
2. 1. In the measuring apparatus described in
The planar RF coil has a pair of first portions extending substantially parallel to each other, and a second portion connecting between opposing ends of the pair of first portions,
The distance between the pair of first portions is Ds,
When the distance between a pair of intersections extending in parallel with the first part and passing through a center point of the distance between the pair of first parts intersects with the pair of second parts is Dl,
A measuring device having Dl / Ds of 2 or more.
3. 1. Or 2. In the measuring apparatus described in
Comprising a plurality of planar RF coils;
The planar RF coil is a measurement device that is spaced apart along the surface of the sample.
4). 1. To 3. In the measuring apparatus according to any one of
In a state where the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles maintains a positional relationship perpendicularly penetrating the front and back surfaces of the sample, the sample and the pair of magnetic poles of the static magnetic field application unit are relatively A measuring apparatus comprising moving means for moving.
5). 1. To 4. In the measuring apparatus according to any one of
A measuring apparatus comprising switching means for switching a static magnetic field application direction or an arrangement direction of the sample with respect to the static magnetic field application unit so that a static magnetic field direction from the static magnetic field application unit is orthogonal to an axis of the planar RF coil. .
6). 1. To 5. In the measuring apparatus according to any one of
The static magnetic field application unit has a plurality of pairs of the pair of magnetic poles,
In the plurality of pairs of magnetic poles, one magnetic pole is spaced apart along the sample surface on the sample surface side, and the other magnetic pole having a polarity different from that of the one magnetic pole is disposed along the sample back surface on the sample back surface side. Measuring device.
7). A measurement device that applies an excitation oscillating magnetic field to a sample containing a protic solvent and detects an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the sample;
A planar RF coil for applying an excitation oscillating magnetic field to the sample and acquiring an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
The planar RF coil has a pair of first portions extending substantially parallel to each other, and a second portion connecting between opposing ends of the pair of first portions,
The distance between the pair of first parts is Ds,
When the distance between a pair of intersections extending in parallel with the first part and passing through a center point of the distance between the pair of first parts intersects with the pair of second parts is Dl,
A measuring device having Dl / Ds of 2 or more.
8). 7). In the measuring apparatus described in
A measuring apparatus having Dl / Ds of 10 or less.
9. 7). Or 8. In the measuring apparatus described in
A measuring apparatus in which an outer shape of the planar RF coil is a track shape.
10. 7). To 9. In the measuring apparatus according to any one of
Comprising a plurality of planar RF coils;
The planar RF coil is a measurement device that is spaced apart along the surface of the sample.
11. 1. To 10. In the measuring apparatus according to any one of
The measurement apparatus is a solid polymer electrolyte membrane.
12 1. To 11. In the measuring apparatus according to any one of
A measuring apparatus having a calculating unit that calculates the amount of protic solvent in the sample based on a nuclear magnetic resonance signal acquired by the planar RF coil.
13. 1. To 12. In the measuring apparatus according to any one of
A gradient magnetic field application unit for applying a gradient magnetic field to the sample;
A controller that executes application of the gradient magnetic field and the excitation oscillating magnetic field according to a predetermined pulse sequence;
A second calculation unit,
The planar RF coil acquires NMR signals corresponding to the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field,
The second calculation unit is a measurement device that calculates the mobility of the protic solvent at a specific location of the solid sample based on NMR signals obtained corresponding to different gradient magnetic fields and acquired by the planar RF coil.
14 1. Thru 13. In the measuring apparatus according to any one of
The sample is one in which current is generated in the sample,
A measurement apparatus having a third calculation unit that calculates a difference between the frequency of the NMR signal acquired by the planar RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and calculates a current at a specific location of the sample from the difference. .
15. A solid polymer electrolyte membrane containing a protic solvent; a fuel electrode disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane; and an oxidant electrode disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell having
A fuel cell system including a measuring device,
The measuring apparatus is 1. To 14. A fuel cell system, which is the measuring device according to any one of the above.

次に、本発明の実施例について説明する。
以下の実施例では、
I.小型RFコイルの軸と、静磁場方向とを平行とした場合の検討
II.小型RFコイルの外形形状に関する検討
の2つの検討を行った。
はじめに、Iについて説明する。
Next, examples of the present invention will be described.
In the examples below,
I. Examination when the axis of a small RF coil is parallel to the static magnetic field direction
II. Two studies were conducted on the external shape of the small RF coil.
First, I will be described.

<I.小型RFコイルの軸と、静磁場方向とを平行とした場合の検討>
(実施例1)
実施例1では、以下の実験例1,2を実施するとともに、MR画像の解析、磁場分布の解析を行った。
(1)実験例1
図1に示した測定装置を使用し、スピンエコー信号の検出を行った。
<I. Study when the axis of a small RF coil is parallel to the static magnetic field direction>
Example 1
In Example 1, the following Experimental Examples 1 and 2 were performed, and MR image analysis and magnetic field distribution analysis were performed.
(1) Experimental example 1
The spin echo signal was detected using the measuring apparatus shown in FIG.

(小型RFコイル(トラック形状コイル))
図14には、用いた小型RFコイルの写真を示した。小型RFコイルは、外形がトラック形状であり、線径0.04 mmのポリウレタン被膜の銅線を、一つの軸の周りに3回巻きしたものである。この小型RFコイル(以下、トラック形状コイルという場合もある)は、Dsが0.5 mm、Dlが3.5 mmである平面コイルである。
(Small RF coil (track shape coil))
FIG. 14 shows a photograph of the small RF coil used. The small RF coil has a track shape and is formed by winding a polyurethane-coated copper wire having a wire diameter of 0.04 mm three times around one axis. This small RF coil (hereinafter sometimes referred to as a track-shaped coil) is a planar coil having Ds of 0.5 mm and Dl of 3.5 mm.

(測定試料)
蒸留水を試料容器に入れて、容器表面にトラック形状コイルをカプトンテープで貼り付けて固定した。
試料容器の水を封入できる領域は、直方体形状であり、平面視において正方形で一辺の長さが14mmである。また、深さは5mmである。試料容器のトラック形状コイルが接する面に、厚さ0.16 mmのカバーガラスを貼り付けて、容器とした。容器内には蒸留水を封入した。図15には、トラック形状コイルと水の位置関係を示した。水はトラック形状コイルから0.16 mmだけ離れた位置zsにある。
(Measurement sample)
Distilled water was put into a sample container, and a track-shaped coil was attached to the surface of the container with Kapton tape and fixed.
The region in which the water in the sample container can be enclosed is a rectangular parallelepiped shape, is square in plan view and has a side length of 14 mm. The depth is 5 mm. A cover glass having a thickness of 0.16 mm was pasted on the surface of the sample container where the track-shaped coil was in contact, thereby forming a container. Distilled water was sealed in the container. FIG. 15 shows the positional relationship between the track-shaped coil and water. Water is at position zs, 0.16 mm away from the track-shaped coil.

(トラック形状コイルの軸方向と静磁場Hとがなす角度θ)
トラック形状コイルでLC共振回路を組み、共振周波数を44.2MHzとした。この測定装置では、トラック形状コイルと試料を共に静磁場Hに対して回転させることができる。
(An angle θ formed by the axial direction of the track-shaped coil and the static magnetic field H 0 )
The LC resonance circuit was assembled with a track-shaped coil, and the resonance frequency was 44.2 MHz. In this measuring device, you can rotate the track shape coil and the sample to the static magnetic field H 0 in both.

(スピンエコー信号の取得結果)
トラック形状コイルの軸と、静磁場の方向とがなす角度θを0°とした場合に取得されるスピンエコー信号強度を図16に示す。
計測条件は以下の通りである。
第一励起パルスの照射時間は40μs、第二励起パルスの照射時間は80μs、第一励起パルス、第二励起パルスの振幅は等しい。第一励起パルスと第二励起パルスの間隔は5ms(スピンエコー時間TEは10 msに相当)、第一励起パルスの繰返し時間TRは20秒、ダミー計測は4回、信号の積算回数は1回、第二励起パルスの照射後に1msの勾配磁場を印加して、FID信号をスポイルした。全ての計測で、受信機のアンプゲイン(増幅率)は同一とした。
なお、参考までに角度θが45°、90°の場合の測定結果も示す。
図16より、角度θが0°の場合でもスピンエコー信号は取得され、その強度が90°の時よりも大きくなることが分かる。角度θが小さくなるにつれて、スピンエコー信号が最大となる励起パルス出力TXは大きくなり、スピンエコー信号の強度も大きくなる。
小型RFコイルを用いると、角度θが変わってもH×Hの値はゼロとはならず、スピンエコー信号が取得できることを示している。
(Spin echo signal acquisition result)
FIG. 16 shows the spin echo signal intensity obtained when the angle θ formed by the axis of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field is 0 °.
The measurement conditions are as follows.
The irradiation time of the first excitation pulse is 40 μs, the irradiation time of the second excitation pulse is 80 μs, and the amplitudes of the first excitation pulse and the second excitation pulse are equal. The interval between the first excitation pulse and the second excitation pulse is 5 ms (the spin echo time TE is equivalent to 10 ms), the repetition time TR of the first excitation pulse is 20 seconds, the dummy measurement is 4 times, and the signal is integrated once. The FID signal was spoiled by applying a gradient magnetic field of 1 ms after irradiation of the second excitation pulse. The amplifier gain (amplification factor) of the receiver was the same for all measurements.
For reference, measurement results when the angle θ is 45 ° and 90 ° are also shown.
From FIG. 16, it can be seen that even when the angle θ is 0 °, the spin echo signal is acquired and its intensity is larger than that when it is 90 °. As the angle θ decreases, the excitation pulse output TX that maximizes the spin echo signal increases, and the intensity of the spin echo signal also increases.
When a small RF coil is used, the value of H 0 × H 1 does not become zero even when the angle θ changes, indicating that a spin echo signal can be acquired.

(2)実験例2
実験例1では、小型RFコイルとして外形がトラック形状であるものを使用したが、ここでは、小型RFコイルとして、平面円形コイル(以下、円形コイルという場合もある)を使用した。
図17には、用いた円形コイルの写真を示した。円形コイルは、内径1.0mmとして、線径0.04 mmのポリウレタン被膜の銅線を平面状に10回巻いて製作した。
他の点は、実験例1と同じである。
角度θが0°の場合のスピンエコー信号強度を図18に示す。また、参考までに角度θが45°、90°の場合の測定結果も示す。図18より、角度θが0°の場合でもスピンエコー信号は取得され、その強度は角度θによらず、どの角度でもほぼ同じ値となることがわかる。ただし、角度θが小さくなるにつれて、スピンエコー信号が最大となる励起パルス出力TXは大きくなることがこの円形コイルでの特徴である。
(2) Experimental example 2
In Experimental Example 1, a small RF coil having a track shape was used, but here, a planar circular coil (hereinafter also referred to as a circular coil) was used as the small RF coil.
FIG. 17 shows a photograph of the circular coil used. The circular coil was manufactured by winding a polyurethane coated copper wire with an inner diameter of 1.0 mm and a wire diameter of 0.04 mm 10 times in a plane.
The other points are the same as in Experimental Example 1.
The spin echo signal intensity when the angle θ is 0 ° is shown in FIG. For reference, the measurement results when the angle θ is 45 ° and 90 ° are also shown. As can be seen from FIG. 18, the spin echo signal is acquired even when the angle θ is 0 °, and the intensity thereof is almost the same at any angle regardless of the angle θ. However, it is a feature of this circular coil that the excitation pulse output TX at which the spin echo signal becomes maximum increases as the angle θ decreases.

以上の実験例1,2より、角度θを0°とした場合であっても、トラック形状コイル、円形コイルのような平面RFコイルを使用することで、NMR信号が検出できることが確認された。   From the above experimental examples 1 and 2, it was confirmed that even when the angle θ was 0 °, NMR signals could be detected by using a planar RF coil such as a track-shaped coil or a circular coil.

(3)MR画像の解析
実験例1の小型RFコイル(トラック形状コイル)を使用して、角度θを0、90°とした際のMR画像を取得した。MR画像はNMR信号強度の空間分布を表しており、この画像によってどの領域からNMR信号がどの程度の強さで放出されているかが分かる。MR計測の典型例としては、水の濃度の空間分布が挙げられよう。
励起パルスが90°―180°条件(核磁化ベクトルが第一励起パルスによって静磁場H方向からの角度α [deg]が90°だけ倒れた状態に励起され、その後、第二励起パルスによってさらに180度だけ励起されるような条件)を満たして、スピンエコー信号を取得した場合には、スピンエコー信号の強度SSE(α=90°)は、以下の式(A)で示される。
(3) Analysis of MR Image Using the small RF coil (track-shaped coil) of Experimental Example 1, MR images were obtained when the angle θ was 0 and 90 °. The MR image represents the spatial distribution of the NMR signal intensity, and it can be seen from which region the NMR signal is emitted with what intensity. A typical example of MR measurement is the spatial distribution of water concentration.
Excitation pulse is 90 ° -180 ° condition (nuclear magnetization vector is excited by the first excitation pulse so that the angle α [deg] from the static magnetic field H 0 direction is tilted by 90 °, and then further by the second excitation pulse. In the case where the spin echo signal is acquired by satisfying the condition of being excited only by 180 degrees, the intensity S SE (α = 90 °) of the spin echo signal is expressed by the following equation (A).

ここで、Aは装置定数、ρ(x, y, z)は水の濃度のx, y, z方向分布、TRは90°励起パルスの繰返し時間、TEはエコー時間、T1はスピンー格子緩和時定数、T2はスピンースピン緩和時定数である。
A、TR、TE、T1、T2が同一となる条件で計測すれば、スピンエコー信号強度の空間分布は水の濃度の空間分布を表すこととなる。
Where A is a device constant, ρ (x, y, z) is the x, y, z direction distribution of water concentration, TR is the 90 ° excitation pulse repetition time, TE is the echo time, and T1 is the spin-lattice relaxation time. The constant, T2, is a spin-spin relaxation time constant.
If measurement is performed under the same conditions of A, TR, TE, T1, and T2, the spatial distribution of the spin echo signal intensity represents the spatial distribution of the water concentration.

一方、励起パルスが90°―180°条件とはなっていない場合(第一励起パルスと第二励起パルスの出力が1対2の関係ではあるが、第一励起パルスによって静磁場Hに対して核磁化ベクトルが角度α [deg]だけ倒れ、αが90°とは限らない場合)には、スピンエコー信号の強度はSSEは、
SSE (α)= B sin3(α) 式(B)
によって表される。Bは装置定数、試料体積、コイルの受信感度などによって決まる定数である。
試料として水を用いて、空間的に一様な濃度で分布(ρが一様)しており、TR、TE、T1、T2が同一となる条件でMR画像を取得した時、MR画像に信号強度の空間分布が現れれば、その空間分布は、式(B)によって示される、核磁化ベクトルの励起角度αの空間分布である。(これに対し、空間的に一様な励起角度αで核磁化ベクトルを励起できるソレノイドコイルでMR画像を取得した場合には、ソレノイドコイルの中に挿入された水のMR画像は空間的に一様な信号強度となる。)
これより、小型RFコイルを用いて水試料のMR画像を取得すれば、励起角度αの空間分布を知ることができる。すなわち、小型RFコイルの軸方向と静磁場Hの方向とがなす角度θを90°と0°としてそれぞれのMR画像を取得し、その信号強度の空間分布を見ることによって、角度θが変わった際の小型RFコイルの励起角度αの空間分布を知ることができる。
On the other hand, when the excitation pulse is not in a 90 ° -180 ° condition (although the output of the first excitation pulse and the second excitation pulse has a one-to-two relationship, the first excitation pulse causes a static magnetic field H 0 to If the nuclear magnetization vector falls by an angle α [deg] and α is not necessarily 90 °), the intensity of the spin echo signal is S SE
S SE (α) = B sin 3 (α) Formula (B)
Represented by B is a constant determined by the apparatus constant, the sample volume, the reception sensitivity of the coil, and the like.
When water is used as a sample and the distribution is uniform (ρ is uniform) at a spatially uniform concentration and MR images are acquired under the same conditions of TR, TE, T1, and T2, signals are output to the MR image. If a spatial distribution of intensity appears, the spatial distribution is a spatial distribution of the excitation angle α of the nuclear magnetization vector, which is represented by the equation (B). (On the other hand, when an MR image is acquired with a solenoid coil that can excite a nuclear magnetization vector at a spatially uniform excitation angle α, the MR image of water inserted into the solenoid coil is spatially uniform. (The signal strength will vary.)
Thus, if an MR image of a water sample is acquired using a small RF coil, the spatial distribution of the excitation angle α can be known. That is, the angle θ between the axial direction of the small RF coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 90 ° and 0 °, and each MR image is acquired, and the angle θ is changed by looking at the spatial distribution of the signal intensity. It is possible to know the spatial distribution of the excitation angle α of the small RF coil at the time.

MR画像は以下の条件で計測した。
第一励起パルスと第二励起パルスとの時間間隔は7ms(エコー時間TEは14ms)、第一励起パルスと第二励起パルスとの出力は1対2の関係、第一励起パルスの繰返し時間は5秒、積算回数は1回、MR画像のピクセルサイズは一辺が0.0625 mmの正方形、スライスはせずに厚さ方向に積分されたMR画像である。励起パルスの出力TXを変え、3つのTXにおいてMR画像を取得した。
MR images were measured under the following conditions.
The time interval between the first excitation pulse and the second excitation pulse is 7 ms (echo time TE is 14 ms), the output of the first excitation pulse and the second excitation pulse is one-to-two, and the repetition time of the first excitation pulse is The MR image is integrated in the thickness direction without slicing for 5 seconds, the number of integration is one, the pixel size of the MR image is a square of 0.0625 mm on a side. MR images were acquired at three TXs by changing the output TX of the excitation pulse.

MR画像は、図19で示す位置関係で画像を表示した。MR画像には、水試料の領域から放出されるNMR信号のみが画像化される。カバーガラスは映らない。
また、図16に示したスピンエコー信号強度は、取得されたMR画像の信号強度を全空間で積分した値に対応すると考えて良い。ただし、両者は完全には一致しない。その理由は、MR画像の取得では、TEが14msと長いこと、周波数・位相エンコードを行う際に印加された勾配磁場の印加時間(約3倍)と強度(約2倍)が大きく異なるために水の自己拡散による位相分散が生じて信号が低下していることなどに因っている。
MR images were displayed in the positional relationship shown in FIG. In the MR image, only the NMR signal emitted from the region of the water sample is imaged. The cover glass is not reflected.
Further, it can be considered that the spin echo signal intensity shown in FIG. 16 corresponds to a value obtained by integrating the signal intensity of the acquired MR image in the entire space. However, they do not match completely. The reason is that in MR image acquisition, TE is as long as 14 ms, and the gradient magnetic field applied time (about 3 times) and strength (about 2 times) applied when performing frequency / phase encoding are greatly different. This is due to the fact that phase dispersion is caused by water self-diffusion and the signal is lowered.

(3−1)角度θが90°の場合で、励起パルス出力TXが7.0の場合
トラック形状コイルの軸Ax方向と静磁場Hの方向とがなす角度θを90°として、励起パルス出力TXを7.0とした場合に取得されたMR画像を信号強度の等値線図として図20に示す。TX=7.0という励起パルス出力は、図16で示した、全空間で積分したスピンエコー信号強度が最大となるTX(約8.0)よりも小さい場合である。また、図中にはコイルの位置を加筆して、位置関係をわかり易くした。
(3-1) When the angle θ is 90 ° and the excitation pulse output TX is 7.0, the angle θ formed by the axis Ax direction of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 90 °, and the excitation pulse output TX FIG. 20 shows an MR image obtained when the value is set to 7.0 as an isoline diagram of signal intensity. The excitation pulse output of TX = 7.0 is a case where the spin echo signal intensity integrated in the whole space is smaller than TX (about 8.0) shown in FIG. In the figure, the position of the coil is added to make the positional relationship easy to understand.

図20から、TXが8よりも小さい値で計測されたMR画像では、トラック形状コイルの内側領域で信号強度が強く、それは半円状となることが分かる。そして、トラック形状コイルの中心軸上で、かつ、トラック形状コイル平面に近い領域で信号強度は最大値をとる。信号強度は、中心軸から離れて、トラック形状コイルの導線に近づくにつれて低下し、また一方で、トラック形状コイルの平面から離れるにしたがって低下していく。この信号強度と式(B)を基に考えれば、トラック形状コイルの中心軸上でトラック形状コイル平面に近い領域での励起角度αは90°に近く、中心軸から離れて、トラック形状コイルの導線に近づくにつれて励起角度αは小さく、さらに、トラック形状コイル平面から離れるにしたがって、励起角度αが小さくなることが分かる。   From FIG. 20, it can be seen that in the MR image in which TX is measured with a value smaller than 8, the signal intensity is strong in the inner region of the track-shaped coil, and it is semicircular. The signal intensity has a maximum value in a region on the central axis of the track-shaped coil and close to the track-shaped coil plane. The signal strength decreases with distance from the central axis and closer to the track-shaped coil conductors, and on the other hand, with decreasing distance from the track-shaped coil plane. Considering this signal intensity and the formula (B), the excitation angle α in the region near the track-shaped coil plane on the central axis of the track-shaped coil is close to 90 °, and away from the central axis, It can be seen that the excitation angle α decreases as the conductor is approached, and the excitation angle α decreases as the distance from the track-shaped coil plane increases.

(3−2)角度θが90°の場合で、励起パルス出力TXが8.0の場合
励起パルス出力TXを8.0(図16での信号強度の最大値)とした場合に取得されたMR画像を図21に示す。図20と同様に、トラック形状コイルの内側領域で信号強度が強いが、全体として、信号強度の強い領域は遠くに押されたような形状になっている。詳しく見ると、トラック形状コイルの中心軸上で、かつ、トラック形状コイル平面に近い領域(図中の領域Aとして示した部分)での信号強度は小さくなっており、トラック形状コイル平面から少し離れた位置で信号が最大値となっている。この理由は、領域Aでの励起パルス出力が大きくなりすぎ、核磁化ベクトルの励起角度αが90°を超えて、式(B)の値が小さくなり、信号強度が低下したためであると考えられる。このように、励起パルス出力の増減が、NMR信号を主として放出する領域を変化させることとなる。
(3-2) When the angle θ is 90 ° and the excitation pulse output TX is 8.0 The MR image obtained when the excitation pulse output TX is 8.0 (maximum value of signal intensity in FIG. 16) 21. Similar to FIG. 20, the signal intensity is strong in the inner area of the track-shaped coil, but as a whole, the area where the signal intensity is strong is shaped to be pushed away. If you look in detail, the signal intensity is small on the central axis of the track-shaped coil and in the region close to the track-shaped coil plane (the portion shown as region A in the figure), and it is a little away from the track-shaped coil plane. The signal is at the maximum value at that position. The reason for this is considered to be that the excitation pulse output in the region A becomes too large, the excitation angle α of the nuclear magnetization vector exceeds 90 °, the value of the equation (B) becomes small, and the signal intensity decreases. . Thus, the increase / decrease in the excitation pulse output changes the region where the NMR signal is mainly emitted.

(3−3)角度θが90°の場合で、励起パルス出力TXが8.6の場合
さらにTXを増加させた場合のMR画像を図22に示す。領域Aの部分では、大きな励起パルスの照射によって、さらに励起角度は大きくなり、ついには、270°近くに達して、再度、信号強度が大きくなる。トラック形状コイルの中心軸上ではトラック形状コイルから離れるに従い、励起角度が順次低下して、信号強度は増減を繰り返す分布となる。
このように、トラック形状コイルの軸方向と静磁場Hの方向とがなす角度θが90°の場合には、コイルの内側領域が励起され、その領域からNMR信号が取得されていることが分かる。また、励起パルス出力TXを変えることで主たるNMR信号の放出領域がトラック形状コイル平面から遠くなったり、近くなったりすることが分かる。
(3-3) When the angle θ is 90 ° and the excitation pulse output TX is 8.6 MR images when TX is further increased are shown in FIG. In the area A, the excitation angle is further increased by irradiation with a large excitation pulse, and finally reaches 270 °, and the signal intensity increases again. On the central axis of the track-shaped coil, the excitation angle gradually decreases as the distance from the track-shaped coil increases, and the signal intensity has a distribution that repeatedly increases and decreases.
Thus, when the angle θ formed by the axial direction of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 90 °, the inner region of the coil is excited and the NMR signal is acquired from that region. I understand. It can also be seen that by changing the excitation pulse output TX, the emission region of the main NMR signal becomes far from or near the track-shaped coil plane.

(3−4)角度θを0°とした場合のMR画像
トラック形状コイルと水試料を回転させ、図23に示すように、トラック形状コイルの軸Axと静磁場Hの方向とがなす角度θを0°として、MR画像を取得した。
(3-4) MR image when the angle θ is 0 ° As shown in FIG. 23, the angle formed between the axis Ax of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 as shown in FIG. MR images were acquired with θ being 0 °.

(3−4−1)角度θが0°の場合で、励起パルス出力TXが7.0の場合)
トラック形状コイルの軸Axと静磁場Hの方向とがなす角度θを0°として、励起パルス出力TXを7.0とした場合に取得されたMR画像を信号強度の等値線図として図24に示す。TX=7.0という励起パルス出力は、図16で示した、全空間で積分したスピンエコー信号強度が最大となるTX(約8.4)よりもかなり小さい場合である。また、図中にはトラック形状コイルの位置を加筆して、位置関係をわかり易くした。
図24より、角度θが0°になると、トラック形状コイルの導線近くの二つの領域からNMR信号が放出され、トラック形状コイル中心軸近くからの信号が弱いことが分かる。図24の信号強度分布は、図20で示した半円状の分布とは大きく異なり、角度θを変えることで信号放出領域を変えることができることが分かる。
(3-4-1) When the angle θ is 0 ° and the excitation pulse output TX is 7.0)
The MR image obtained when the angle θ formed by the axis Ax of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 0 ° and the excitation pulse output TX is 7.0 is shown as an isoline diagram of signal intensity in FIG. Show. The excitation pulse output of TX = 7.0 is a case where it is considerably smaller than TX (about 8.4) in which the spin echo signal intensity integrated in the entire space is maximized as shown in FIG. In addition, the position of the track-shaped coil is added in the figure to make the positional relationship easy to understand.
From FIG. 24, it can be seen that when the angle θ is 0 °, NMR signals are emitted from two regions near the conductor of the track-shaped coil, and the signal near the center axis of the track-shaped coil is weak. The signal intensity distribution in FIG. 24 is significantly different from the semicircular distribution shown in FIG. 20, and it can be seen that the signal emission region can be changed by changing the angle θ.

(3−4−2)角度θが0°の場合で、励起パルス出力TXが8.0の場合
励起パルス出力TXを8.0とした場合のMR画像を図25に示す。励起される領域が広がり、さらにトラック形状コイル平面から少し遠くの領域で信号が最大となることが分かる。すなわち、トラック形状コイル近くの領域では励起角度が90°を超え、信号が小さくなっていると推測される。
(3-4-2) When the angle θ is 0 ° and the excitation pulse output TX is 8.0 FIG. 25 shows an MR image when the excitation pulse output TX is 8.0. It can be seen that the region to be excited spreads and the signal is maximized in a region slightly further from the track-shaped coil plane. That is, it is presumed that the excitation angle exceeds 90 ° and the signal is small in the region near the track-shaped coil.

(3−4−3)角度θが0°の場合で、励起パルス出力TXが9.0の場合
励起パルス出力TXを9.0とした場合のMR画像を図26に示す。NMR信号を放出している領域はさらに広がり、コイル平面から遠ざかっていることが分かる。
これより、トラック形状コイルの軸方向と静磁場Hの方向とがなす角度θが0°の場合には、コイル導線近傍の領域が励起され、この領域からのNMR信号が強く計測される。トラック形状コイル中心軸Ax上の領域からの信号は弱い。
(3-4-3) When the angle θ is 0 ° and the excitation pulse output TX is 9.0 An MR image when the excitation pulse output TX is 9.0 is shown in FIG. It can be seen that the region emitting the NMR signal is further widened and away from the coil plane.
Accordingly, when the angle θ formed by the axial direction of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 0 °, the region near the coil conductor is excited, and the NMR signal from this region is strongly measured. The signal from the region on the track-shaped coil central axis Ax is weak.

以上より、トラック形状コイルの軸方向と静磁場Hの方向とがなす角度θを0°と90°に変えることで、トラック形状コイルが励起・取得するNMR信号の領域が変わることが分かった。また、その領域は励起パルス出力にも依存し、弱くするとトラック形状コイル平面近傍の領域から、強くするとトラック形状コイル平面から離れた領域から主にNMR信号を取得すると言える。 From the above, it was found that the region of the NMR signal excited and acquired by the track-shaped coil is changed by changing the angle θ formed by the axial direction of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 to 0 ° and 90 °. . The region also depends on the excitation pulse output, and it can be said that the NMR signal is mainly acquired from the region near the track-shaped coil plane when weakened and the region away from the track-shaped coil plane when strengthened.

(4)角度θを0、90°と変えた際のトラック形状コイルが作る磁場分布の解析
次に、角度θをかえた場合のトラック形状コイルが作る磁場分布の解析を行った。
(4) Analysis of magnetic field distribution generated by track-shaped coil when angle θ is changed to 0, 90 ° Next, the magnetic field distribution generated by the track-shaped coil when angle θ is changed was analyzed.

解析手法
コイルの幾何学形状については以下の仮定をおいた。
・コイルの線径はゼロとする。(無限小の線径)
・導電時に表皮効果はないとする。(線径がゼロとしたことから、コイルの表面のみで電流が流れる効果も無視したこととなる。)
・三回巻きコイルでは、直径の異なる三つの円を同心円状に配置する。(渦巻状にはしない。)
・コイルは導線のみでできており、被覆膜は無視する。(誘電率、透磁率は真空の値を使用する。)
・試料はない。(空間全域で誘電率、透磁率は真空の値を使用する。)
・リード部(円形コイル以外の配線部)は無視する。
Analysis method The following assumptions were made about the coil geometry.
・ The coil wire diameter shall be zero. (Infinitely small wire diameter)
・ There is no skin effect during conduction. (Because the wire diameter was zero, the effect of current flowing only on the coil surface was ignored.)
-In a three-turn coil, three circles with different diameters are arranged concentrically. (Do not spiral.)
-The coil is made of only conductive wire, and the coating film is ignored. (The dielectric constant and permeability use vacuum values.)
・ There is no sample. (Vacuum values are used for permittivity and permeability throughout the space.)
・ Lead parts (wiring parts other than circular coils) are ignored.

小型RFコイルが作る励起磁場Hz(xp, yp, zp)の解析方法
ビオ・サバールの法則に基づいた理論解析
導電体に流れる電流Iが作る磁場Hはビオ・サバールの法則に基づいて算出することができる。表面コイルが真空中(透磁率が4π×10-7 N/A2)に置かれた場合に、表面コイルが位置(xp, yp, zp)に作る磁場H(xp, yp, zp)は式(1)で表される。この式での座標系は図27にようにとった。振動磁場Hzはコイルのz軸方向の磁場強度である。
Small RF coils produce magnetic excitation field H z (x p, y p , z p) magnetic field H analysis method current flowing in the theoretical analysis conductor based on Biot-Savart law I make of the basis of the Biot-Savart law Can be calculated. When the surface coil is placed in a vacuum (permeability 4π × 10 -7 N / A 2 ), the magnetic field H (x p , y p ) created by the surface coil at the position (x p , y p , z p ) , z p ) is expressed by equation (1). The coordinate system in this equation is as shown in FIG. The oscillating magnetic field Hz is the magnetic field strength in the z-axis direction of the coil.

H :位置rでの磁場の強さ [A/m](ベクトル)
r:空間中の点Pの位置 (xp, yp, zp) [m](ベクトル)
r':コイル上の点Qの位置 (xq, yq, zq) [m](ベクトル)
I:電流 [A](スカラー)
t:電流が流れる方向を表す単位ベクトル(点Qでのコイルの形状を表す。図27において、点Qとx軸との角度αとするとき、tはt =(sinα, cosα, 0)である。) [-](ベクトル)
積分の意味:コイル全周に渡って線積分を行う。(点Pに生ずる磁場は、コイル上にある点Qをコイルに沿って移動させ、各点Qの位置で作られる磁場をコイル全周に渡って積分する(総和を取る)ことで求められる。)
H: Magnetic field strength at position r [A / m] (vector)
r: Position of point P in space (x p , y p , z p ) [m] (vector)
r ': Position of point Q on the coil (x q , y q , z q ) [m] (vector)
I: Current [A] (scalar)
t: unit vector representing the direction of current flow (representing the shape of the coil at the point Q. In FIG. 27, when the angle α between the point Q and the x-axis is assumed, t is t = (sin α, cos α, 0) Yes.) [-] (Vector)
Meaning of integration: Line integration is performed over the entire circumference of the coil. (The magnetic field generated at the point P is obtained by moving the point Q on the coil along the coil and integrating the magnetic field generated at the position of each point Q over the entire circumference of the coil (taking the sum). )

トラック形状コイル(実験例1で使用したトラック形状のコイル)の中心をカーテシアン座標(xyz座標系)の原点とした。トラック形状コイルの軸方向をz軸方向に、小型RFコイルの長軸方向をx軸方向に、短軸方向をy軸方向にとった。静磁場をHで、コイルに電流を流して作られる磁場をHと記した。それらの記号の後にx, y, z方向を示した。また、この解析では、x=0のyz平面上のみで行った。その理由は、yz平面がトラック形状コイルの励起現象を代表する平面であると考えたからである。
図27(A)、(B)に示すように、トラック形状コイルの軸方向はz軸方向に固定し、静磁場Hの印加方向を、角度θが0°と90°の二つの場合によって変えた。小型RFコイルの軸方向(z)と静磁場Hの角度θが90°の場合には、静磁場Hはy軸方向を向き、H_yのみが印加されるとした。もう一方の角度θが0°の場合には、静磁場Hはz軸方向を向き、H_zのみが印加されるとした。
The center of the track-shaped coil (track-shaped coil used in Experimental Example 1) was used as the origin of Cartesian coordinates (xyz coordinate system). The axial direction of the track-shaped coil was taken as the z-axis direction, the long-axis direction of the small RF coil was taken as the x-axis direction, and the short-axis direction was taken as the y-axis direction. The static magnetic field is H 0 , and the magnetic field created by passing a current through the coil is H 1 . The x, y and z directions are shown after those symbols. This analysis was performed only on the yz plane where x = 0. The reason is that the yz plane is considered to be a plane representing the excitation phenomenon of the track-shaped coil.
As shown in FIGS. 27A and 27B, the axial direction of the track-shaped coil is fixed in the z-axis direction, and the application direction of the static magnetic field H 0 depends on two cases where the angle θ is 0 ° and 90 °. changed. When the angle θ between the axial direction (z) of the small RF coil and the static magnetic field H 0 is 90 °, the static magnetic field H 0 is directed in the y-axis direction and only H 0 _y is applied. When the other angle θ is 0 °, the static magnetic field H 0 is directed in the z-axis direction, and only H 0 — z is applied.

(4−1)角度θが90°の場合のスピンエコー信号強度の分布
トラック形状コイルの軸方向(z)と静磁場Hの角度θが90°の場合に、コイルに電流Iを流した際に形成される磁場強度を理論解析した。この際、核磁化ベクトルの励起に関わる振動磁場方向は、H0_yに垂直な方向のH1_zである。x方向は短軸方向であり、小型RFコイル内部の大部分においてH1_zに比べて、H1_xは小さく、スピンエコー信号に対する寄与は小さいとして、無視した。
図28に、試料表面(z=zs)での励起角度αを90°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す。この図では、最大信号強度の領域を基準にして規格化されている。この図の分布は、図20のMR画像の信号強度分布と非常に似ていることが分かる。(図の表示法が異なるために、図20と図28では90度だけ回転している。)
次に、励起パルス出力を増加させたことに対応する、試料表面(z=zs)での励起角度αを180°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を図29に示す。この図から、励起パルス出力を増加させると、信号強度が強くなる領域がコイルの平面から遠くに離れた領域となることが分かる。この結果は、励起パルス出力を増大させて取得したMR画像の図21と同じ結果である
以上の結果から、トラック形状コイルの軸方向と静磁場Hの方向との角度θが90°の場合には、核磁化ベクトルはコイルが作るz方向の磁場H1_zによって励起され、NMR信号(スピンエコー信号)が観測されることが分かる。
(4-1) Distribution of spin echo signal intensity when the angle θ is 90 ° When the angle θ between the axial direction (z) of the track-shaped coil and the static magnetic field H 0 is 90 °, a current I was passed through the coil. The magnetic field strength formed during the theoretical analysis was analyzed. At this time, the oscillating magnetic field direction related to the excitation of the nuclear magnetization vector is H1_z in a direction perpendicular to H0_y. The x direction is the short axis direction, and in most of the small RF coil, H1_x is small compared to H1_z, and the contribution to the spin echo signal is small.
FIG. 28 shows the yz distribution of the spin echo signal intensity when the excitation angle α on the sample surface (z = zs) is 90 °. In this figure, it is standardized with reference to the region of maximum signal intensity. It can be seen that the distribution of this figure is very similar to the signal intensity distribution of the MR image of FIG. (Because the display method of the figure is different, it is rotated by 90 degrees in FIGS. 20 and 28.)
Next, FIG. 29 shows the yz distribution of the spin echo signal intensity when the excitation angle α on the sample surface (z = zs) is 180 °, corresponding to the increase in the excitation pulse output. From this figure, it can be seen that when the excitation pulse output is increased, the region where the signal intensity becomes strong becomes a region far away from the plane of the coil. This result is the same result as FIG. 21 of the MR image obtained by increasing the excitation pulse output. From the above results, the angle θ between the axial direction of the track-shaped coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 90 °. It can be seen that the nuclear magnetization vector is excited by the magnetic field H1_z in the z direction created by the coil, and an NMR signal (spin echo signal) is observed.

(4−2)角度θが0°の場合のスピンエコー信号強度の分布
トラック形状コイルの軸方向(z)と静磁場Hの角度θが0°の場合に、核磁化ベクトルの励起に関わる振動磁場方向は、H0_zに垂直な方向のH1_yである。前節と同様に、H1_xは小さく、スピンエコー信号に対する寄与は小さいとして、無視した。
図30に、試料表面(z=zs)での励起角度αを90°とした際のスピンエコー信号強度のyz分布を示す。また、図31には、励起角度αを180°とした際の結果も示した。
図30はMR画像の図24に、図31はMR画像の図25に、信号強度の空間分布と共に、励起パルス出力に対する分布形状の変化(コイル平面から信号強度が強い領域が遠くに離れて行く現象)も非常に良く似ている。
これより、トラック形状コイルの軸方向(z)と静磁場Hの角度θが0°の場合には、核磁化ベクトルはコイルの軸方向に垂直なy方向の振動磁場H1_yによって励起されることがわかった。
以上の解析結果とMR画像との比較から、以下のことが分かった。
・小型RFコイルの軸方向(z)と静磁場Hの方向との角度θが90°の場合には、核磁化ベクトルはコイルが作るz方向の磁場H1_zによって励起される。
・小型RFコイルの軸方向(z)と静磁場Hの角度θが0°の場合には、核磁化ベクトルはコイルの軸方向に垂直なy方向の振動磁場H1_yによって励起される。
(4-2) Distribution of spin echo signal intensity when the angle θ is 0 ° When the angle θ between the axial direction (z) of the track-shaped coil and the static magnetic field H 0 is 0 °, it is related to the excitation of the nuclear magnetization vector. The direction of the oscillating magnetic field is H1_y in the direction perpendicular to H0_z. As in the previous section, H1_x is small and the contribution to the spin echo signal is small and ignored.
FIG. 30 shows the yz distribution of the spin echo signal intensity when the excitation angle α on the sample surface (z = zs) is 90 °. FIG. 31 also shows the results when the excitation angle α is 180 °.
FIG. 30 shows the MR image in FIG. 24, and FIG. 31 shows the MR image in FIG. 25, together with the spatial distribution of the signal intensity, the change in the distribution shape with respect to the excitation pulse output (the region where the signal intensity is strong from the coil plane goes far away. The phenomenon is very similar.
Thus, when the angle θ between the axial direction (z) of the track-shaped coil and the static magnetic field H 0 is 0 °, the nuclear magnetization vector is excited by the oscillating magnetic field H1_y in the y direction perpendicular to the axial direction of the coil. I understood.
From the comparison of the above analysis results and the MR image, the following was found.
When the angle θ between the axial direction (z) of the small RF coil and the direction of the static magnetic field H 0 is 90 °, the nuclear magnetization vector is excited by the magnetic field H1_z in the z direction created by the coil.
When the angle θ between the axial direction (z) of the small RF coil and the static magnetic field H 0 is 0 °, the nuclear magnetization vector is excited by the oscillating magnetic field H1_y in the y direction perpendicular to the axial direction of the coil.

(実施例2)
図1に示す燃料電池システムを使用して、固体高分子電解質膜中の含水量を計測した。
図32に、用いた平面状のトラック形状コイル(小型RFコイル)の写真を示す。このトラック形状コイルは、Dsが0.3mm、Dlが1.5mm、線径が0.06mm、3回巻きである。このコイルをGDL(拡散層)とPEM(固体高分子電解質膜)の間に挿入した。トラック形状コイルは等間隔で一列に並び、8個ある。水素極側に8個、空気極側に8個の合計16個である(図2参照)。
GDLは、400μm厚さのカーボンメッシュを用いた。発電電流はこのGDLを流れて、集電極を流れ、電子負荷装置で消費される。セパレータにつけられたガス流路は、水素側、空気側共に幅1.5mm、深さ2mm、ピッチ3.5mm、サーペンタイン型(一筆書き)の流路である。セパレータには温水を流して、燃料電池の温度を50℃とした。
PEM(固体高分子電解質膜)は178μm厚さのNafion 117膜を用いた。このPEMに白金触媒をホットプレス法で融着して、MEAとした。白金触媒の面積は50mm×50mmである。この寸法が発電面積である。
(Example 2)
Using the fuel cell system shown in FIG. 1, the water content in the solid polymer electrolyte membrane was measured.
FIG. 32 shows a photograph of the planar track-shaped coil (small RF coil) used. This track-shaped coil has Ds of 0.3 mm, Dl of 1.5 mm, a wire diameter of 0.06 mm, and three turns. This coil was inserted between GDL (diffusion layer) and PEM (solid polymer electrolyte membrane). There are eight track-shaped coils arranged in a line at equal intervals. There are a total of 16 on the hydrogen electrode side and 8 on the air electrode side (see FIG. 2).
For GDL, a carbon mesh having a thickness of 400 μm was used. The generated current flows through this GDL, flows through the collector electrode, and is consumed by the electronic load device. The gas flow path attached to the separator is a serpentine type (single stroke) flow path of 1.5 mm wide, 2 mm deep, 3.5 mm pitch on both the hydrogen and air sides. Hot water was allowed to flow through the separator so that the temperature of the fuel cell was 50 ° C.
As the PEM (solid polymer electrolyte membrane), a Nafion 117 membrane having a thickness of 178 μm was used. A platinum catalyst was fused to this PEM by a hot press method to obtain an MEA. The area of the platinum catalyst is 50 mm x 50 mm. This dimension is the power generation area.

図2に、本実験で用いた燃料電池のセル構造を示す。トラック形状コイルは、MEAとGDLの間に挿入された。これらのトラック形状コイルの軸方向(平面に垂直な方向)はz軸方向である。静磁場Hの方向は、z軸方向とした。トラック形状コイルの軸Axと静磁場H0の方向の角度θはゼロとした。 FIG. 2 shows the cell structure of the fuel cell used in this experiment. A track-shaped coil was inserted between the MEA and GDL. The axial direction (direction perpendicular to the plane) of these track-shaped coils is the z-axis direction. Direction of the static magnetic field H 0 is set to the z-axis direction. The angle θ between the axis Ax of the track-shaped coil and the static magnetic field H0 was set to zero.

水素ガスは流量を60ml/minとし、45℃のバブラーに通して加湿してセルに供給した。空気は流量を150ml/minとし、45℃のバブラーに通して加湿してセルに供給した。燃料電池は発電前にこの状態で維持され、十分に定常状態となってから、計測した。   Hydrogen gas was supplied at a flow rate of 60 ml / min, passed through a bubbler at 45 ° C. and humidified. The air was supplied at a flow rate of 150 ml / min, humidified through a bubbler at 45 ° C., and supplied to the cell. The fuel cell was maintained in this state before power generation and measured after it was in a steady state.

(1)セルの温度を上昇させ、乾燥過程でのPEMの含水量変化の測定結果
燃料電池の初期温度を50℃とし、温調用温水を60℃まで上昇させて(図33参照)、燃料電池の相対湿度を低下させた際のPEMの信号強度を計測した。供給ガスの水蒸気濃度はバブラー温度の45℃で決定され、それは一定であるが、供給ガスの相対湿度はセル温度で決定され、セル温度が50℃の時の相対湿度は79%、セル温度が60℃の時の相対湿度は50%となる。セル温度を上昇させることで燃料電池の相対湿度は低下する。この過程では、PEMは時間と共に徐々に乾燥していく。本実験では、乾燥過程でのPEMの含水量を計測した。ここで、PEMのスピンエコー信号の強度と含水量はほぼ正比例の関係にある(図34参照)ため、信号強度の低下によって、PEMの含水量の低下が見られると考えている。
NMR信号の計測条件は次の通りである。エコー時間(TE)は10ms、90度励起パルスの繰返し時間(TR)は10秒、180度励起パルスの前後に1msの勾配磁場を印加してFID信号をスポイルした。また、エコー信号強度は、ばらつきを低減させるために、連続した三つの時刻(10秒間隔で3点)での平均値とした。
(1) Measurement result of change in water content of PEM during drying process by increasing the cell temperature The initial temperature of the fuel cell was set to 50 ° C, and the temperature control water was increased to 60 ° C (see Fig. 33). The signal intensity of PEM was measured when the relative humidity was reduced. The water vapor concentration of the feed gas is determined at the bubbler temperature of 45 ° C, which is constant, but the relative humidity of the feed gas is determined by the cell temperature, and when the cell temperature is 50 ° C, the relative humidity is 79% and the cell temperature is The relative humidity at 60 ° C. is 50%. Increasing the cell temperature reduces the relative humidity of the fuel cell. In this process, the PEM gradually dries over time. In this experiment, the water content of PEM during the drying process was measured. Here, since the intensity of the spin echo signal of the PEM and the water content are in a substantially direct relationship (see FIG. 34), it is considered that the water content of the PEM is decreased due to the decrease of the signal intensity.
The measurement conditions of the NMR signal are as follows. The echo time (TE) was 10 ms, the 90-degree excitation pulse repetition time (TR) was 10 seconds, and a 1-ms gradient magnetic field was applied before and after the 180-degree excitation pulse to spoil the FID signal. The echo signal intensity was an average value at three consecutive times (three points at 10-second intervals) in order to reduce variation.

図35には水素極側のコイルで、図36には酸素極側のコイルで取得した規格化したスピンエコー信号強度を示す。
図35のCoil Bは、図2の小型RFコイル114Bであり、Coil Dは、図2の小型RFコイル114Dであり、Coil Fは、図2の小型RFコイル114Fであり、Coil Hは、図2の小型RFコイル114Hである。また、図36のCoil Jは、図2の小型RFコイル114Jであり、Coil Lは、図2の小型RFコイル114Lであり、Coil Nは、図2の小型RFコイル114Nであり、Coil Pは、図2の小型RFコイル114Pである。
FIG. 35 shows the normalized spin echo signal intensity obtained with the coil on the hydrogen electrode side and FIG. 36 with the coil on the oxygen electrode side.
Coil B in FIG. 35 is the small RF coil 114B in FIG. 2, Coil D is the small RF coil 114D in FIG. 2, Coil F is the small RF coil 114F in FIG. 2, and Coil H is in FIG. 2 small RF coil 114H. In addition, Coil J in FIG. 36 is the small RF coil 114J in FIG. 2, Coil L is the small RF coil 114L in FIG. 2, Coil N is the small RF coil 114N in FIG. 2, and Coil P is This is the small RF coil 114P of FIG.

図35,36より、多少のばらつきはあるものの、ぼぼすべてのコイルにおいて、燃料電池の温度がほぼ60℃に達した700秒以降の信号強度は、それより以前の信号強度よりも小さくなっており、PEMの含水量は低下し、乾燥したと言える。
これより、小型RFコイルの軸方向と静磁場の方向との角度θが0°としても、燃料電池内のPEMの含水量を計測でき、乾燥過程においてPEMの含水量が低下していく様子を捉えられることが分かった。
35 and 36, although there is some variation, the signal strength after 700 seconds when the temperature of the fuel cell has reached approximately 60 ° C is lower than the signal strength before that in almost all coils. It can be said that the water content of PEM was lowered and dried.
As a result, even if the angle θ between the axial direction of the small RF coil and the direction of the static magnetic field is 0 °, the moisture content of the PEM in the fuel cell can be measured, and the moisture content of the PEM decreases during the drying process. I understood that it was captured.

(2)発電時のPEMの含水量変化
燃料電池の温度を50℃(相対湿度79%)とし、発電電流を3Aとした際の水素極側と空気極(酸素極)側でのPEMの含水量を計測した。ここでも、前述の(1)と同様に、エコー信号強度を取得し、エコー信号強度と含水量が正比例の関係にあるとして、PEMの含水量の増減とする。ガス流量、バブラー温度、NMR計測条件等は全て前述の実験(1)と同一である。
発電時のエコー信号は、GDLに電流が流れることで周波数シフトが生じ、これがスピンエコー信号強度に影響を与えることが懸念された。そのため、発電と停止を50秒間隔で繰返し、発電停止時のスピンエコー信号強度のみを抽出して、測定結果を整理した。図37には、水素極側での、図38には、空気極側での規格化したスピンエコー信号を示す。 図37のCoil Bは、図2の小型RFコイル114Bであり、Coil Dは、図2の小型RFコイル114Dであり、Coil Fは、図2の小型RFコイル114Fであり、Coil Hは、図2の小型RFコイル114Hである。また、図38のCoil Jは、図2の小型RFコイル114Jであり、Coil Lは、図2の小型RFコイル114Lであり、Coil Nは、図2の小型RFコイル114Nであり、Coil Pは、図2の小型RFコイル114Pである。
水素極側の含水量を示す図37から、発電時間が長くなるにしたがって、含水量は徐々に低下していくように見える。
もう一方の空気側極の含水量を示す図38から、発電時間が長くなるにしたがって、上流(コイルJ,L)では乾燥が、下流(コイルN,P)では湿潤が進んで行く様にも見える。
なお、図37,38において、含水量の変化が明確にならなかった理由としては、相対湿度が79%と高い状態で発電したためであると考えている。その根拠は、他の実験において、相対湿度が30%程度というPEMが乾燥した状態で発電すると水素極側と酸素極側でのPEM内含水量の相違が見られたが、70%程度では相違が見られなかったことからである。
(2) Change in water content of PEM during power generation When the fuel cell temperature is 50 ° C (relative humidity 79%) and the power generation current is 3A, the PEM content on the hydrogen electrode side and air electrode (oxygen electrode) side The amount of water was measured. Here, similarly to the above (1), the echo signal intensity is obtained, and the echo signal intensity and the water content are directly proportional to each other, and the water content of the PEM is increased or decreased. The gas flow rate, bubbler temperature, NMR measurement conditions, etc. are all the same as in the above experiment (1).
There was a concern that the echo signal during power generation caused a frequency shift due to the current flowing through the GDL, which affected the spin echo signal intensity. Therefore, power generation and stoppage were repeated at 50 second intervals, and only the spin echo signal intensity at the time of power generation stoppage was extracted to organize the measurement results. FIG. 37 shows a normalized spin echo signal on the hydrogen electrode side, and FIG. 38 shows a normalized spin echo signal on the air electrode side. Coil B in FIG. 37 is the small RF coil 114B in FIG. 2, Coil D is the small RF coil 114D in FIG. 2, Coil F is the small RF coil 114F in FIG. 2, and Coil H is 2 small RF coil 114H. Further, Coil J in FIG. 38 is the small RF coil 114J in FIG. 2, Coil L is the small RF coil 114L in FIG. 2, Coil N is the small RF coil 114N in FIG. 2, and Coil P is This is the small RF coil 114P of FIG.
From FIG. 37 showing the water content on the hydrogen electrode side, it seems that the water content gradually decreases as the power generation time becomes longer.
From FIG. 38 showing the water content of the other air side electrode, it can be seen that as the power generation time becomes longer, drying progresses upstream (coils J, L), and wetting progresses downstream (coils N, P). appear.
In FIGS. 37 and 38, it is considered that the reason why the change in the water content was not clear is that the power was generated with a relative humidity as high as 79%. The basis for this is that, in other experiments, when the PEM with a relative humidity of about 30% is generated in a dry state, the water content in the PEM is different between the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side. This is because the was not seen.

<II.小型RFコイルの外形形状に関する検討>
次に、上述したIIの小型RFコイルの外形形状に関する検討を行った。
<II. Study on external shape of small RF coil>
Next, the external shape of the small RF coil II described above was examined.

(実施例3)
ここでは、円形コイルに比べた小型RFコイル114(以下トラック形状コイルという)の優位性について検討した。
測定装置としては、図39に示す装置を使用した。この装置では、小型RFコイル114の軸方向と、静磁場方向とが直交している。他の点は、前記実施形態の測定装置100と同じである。
図40に用いたトラック形状コイルと円形コイルの写真を示す。トラック形状コイルは2種類、円形コイルは3種類(内径0.6mm、0.8mm、1.0mm)を用いた。表1、2には、コイルの詳細な寸法、巻き数等をまとめた。
図40(A)はトラック形状コイルであり、線径0.04 mmのポリウレタン被膜の銅線を3回巻き、Dsを0.5 mm、Dlを3.5 mmとした。
図40(B)もトラック形状コイルであり、線径0.06mmのポリウレタン被膜の銅線を3回巻き、Dsを0.39mm、Dlを1.29 mmとした。
一方、図40(C)は円形コイルであり、線径0.04 mmのポリウレタン被膜の銅線を5回巻き、内径IDが0.6 mmであるものを示す。
ここで、トラック形状コイルは3回巻き、円形コイルは5回巻きであり、この巻き数の差は、NMR信号の受信感度に相違を与える。巻き数が多いほど、受信感度は高い。これは、コイルに同一の電流を流した際に形成される磁場強度について考えれば理解できる。巻き数の多いコイルの方が、それが作る磁場強度は大きくなる。定量的な議論をするには、コイルに決められた電流(例えば、1A)を流した際に作られる磁場強度を理論解析して、受信感度に換算すれば良い。同様に、受信感度はコイル形状も依存する。コイル形状と巻き数を与えて、理論解析を行うことで、形状と巻き数に依存した受信感度を定量的に評価できる。
(Example 3)
Here, the superiority of the small RF coil 114 (hereinafter referred to as a track-shaped coil) over the circular coil was examined.
As a measuring apparatus, the apparatus shown in FIG. 39 was used. In this apparatus, the axial direction of the small RF coil 114 and the static magnetic field direction are orthogonal to each other. Other points are the same as those of the measurement apparatus 100 of the above embodiment.
FIG. 40 shows photographs of the track-shaped coil and the circular coil used. Two types of track-shaped coils and three types of circular coils (inner diameter 0.6 mm, 0.8 mm, 1.0 mm) were used. Tables 1 and 2 summarize the detailed dimensions and number of turns of the coil.
FIG. 40A shows a track-shaped coil, in which a copper wire with a wire diameter of 0.04 mm is wound three times, Ds is 0.5 mm, and Dl is 3.5 mm.
FIG. 40B is also a track-shaped coil, in which a copper wire with a polyurethane film having a wire diameter of 0.06 mm is wound three times, Ds is 0.39 mm, and Dl is 1.29 mm.
On the other hand, FIG. 40C shows a circular coil in which a polyurethane coated copper wire having a wire diameter of 0.04 mm is wound five times and an inner diameter ID is 0.6 mm.
Here, the track-shaped coil is wound three times and the circular coil is wound five times, and the difference in the number of turns gives a difference in the reception sensitivity of the NMR signal. The higher the number of turns, the higher the reception sensitivity. This can be understood by considering the strength of the magnetic field formed when the same current is passed through the coil. A coil with a large number of turns has a higher magnetic field strength. In order to make a quantitative discussion, it is only necessary to theoretically analyze the strength of the magnetic field generated when a predetermined current (for example, 1 A) is passed through the coil and convert it to reception sensitivity. Similarly, the reception sensitivity depends on the coil shape. By giving the coil shape and the number of turns and conducting a theoretical analysis, the reception sensitivity depending on the shape and the number of turns can be quantitatively evaluated.

(計測試料)
水を試料容器に入れて、容器表面にコイルをカプトンテープで貼り付けて固定した。容器は厚さ0.16 mmのカバーガラスを2枚用い、その隙間を0.58 mmとして製作し、その隙間に水を入れた。図41には、コイルと水の位置関係を示した。水はコイルから0.16 mmだけ離れた位置zsにある.
表1、2のコイルと図41の水試料を用いて、スピンエコー信号を取得した。計測条件は以下の通りである。静磁場強度は1 T、90度励起パルスの繰返し時間TRは20秒、エコー時間TEは10 ms、勾配磁場を180度励起パルスの前後に3msだけ印加した。計測前のダミー回数は4回、積算なしのワンショット計測である。NMR信号をRFコイルで受信した後のアンプゲイン、フィルター周波数帯域などは全て同一の信号取得条件とした。
各コイルで取得したスピンエコー信号強度を図42に示す。縦軸はAD変換機の読み値そのものの値である。(アンプゲインにより増減するため、任意の単位で記載したが、上述したように、信号取得条件はすべて同一であるため、相互の比較は可能である。)
図43は、図42の横軸を「計測深度」に換算して示したグラフである。計測深度は、円形コイルでは、その内径IDに0.32を掛けた値である。トラック形状コイルの場合にはDsに0.37を掛けた値とした(0.32,0.37という数値の説明については、後述する)。
これらの図より、トラック形状コイルのDsは、内径が0.6mm、0.8mmの円形コイルよりも小さく、計測深度は浅いが、信号強度は大きいことが分かる。
(Measurement sample)
Water was put into a sample container, and a coil was attached to the surface of the container with Kapton tape and fixed. The container was manufactured using two cover glasses with a thickness of 0.16 mm, with a gap of 0.58 mm, and water was put into the gap. FIG. 41 shows the positional relationship between the coil and water. Water is at position zs, 0.16 mm away from the coil.
Spin echo signals were obtained using the coils shown in Tables 1 and 2 and the water sample shown in FIG. The measurement conditions are as follows. The static magnetic field strength was 1 T, the 90-degree excitation pulse repetition time TR was 20 seconds, the echo time TE was 10 ms, and a gradient magnetic field was applied for 3 ms before and after the 180-degree excitation pulse. The dummy count before the measurement is four times, and one-shot measurement without integration. The amplifier gain, the filter frequency band, etc. after receiving the NMR signal by the RF coil were all set to the same signal acquisition conditions.
The spin echo signal intensity acquired by each coil is shown in FIG. The vertical axis is the value of the AD converter reading itself. (Because it increases or decreases depending on the amplifier gain, it is described in an arbitrary unit. However, since the signal acquisition conditions are all the same as described above, they can be compared with each other.)
FIG. 43 is a graph in which the horizontal axis of FIG. 42 is converted into “measurement depth”. The measurement depth is a value obtained by multiplying the inner diameter ID of the circular coil by 0.32. In the case of a track-shaped coil, a value obtained by multiplying Ds by 0.37 was used (the explanation of numerical values of 0.32 and 0.37 will be described later).
From these figures, it can be seen that Ds of the track-shaped coil is smaller than that of the circular coil having an inner diameter of 0.6 mm and 0.8 mm, the measurement depth is shallow, but the signal intensity is large.

(1)コイル形状、巻き数などによる受信感度の補正法
表1、2に示したように、トラック形状コイルの巻き数と、円形コイルの巻き数とは異なっているため、コイルの計測感度は等しくない。トラック形状コイルの巻き数を5回にすれば、さらに受信信号強度が増加する可能性がある。また、コイルの形状によっても受信感度は増減する。さらに、コイルの電気抵抗値によっても受信感度は増減する。このため、コイルの形状や巻き数、電気抵抗による受信感度の効果をなくして、同一の基準によって信号強度を比較する必要がある。同一の基準で比較することで、円形コイルとトラック形状コイルの信号強度の差が、コイルの巻き数などに因らずに評価でき、結果として、計測体積に依存していることを示すことができる。以下では、同一の基準によって信号強度を比較するために用いた補正係数を説明する。
基準は、内径IDが0.6mmの円形コイルとした。
(1) Receiving sensitivity correction method based on coil shape, number of turns, etc. As shown in Tables 1 and 2, the number of turns of the track-shaped coil is different from the number of turns of the circular coil. Not equal. If the number of turns of the track-shaped coil is set to 5, the received signal strength may further increase. Also, the reception sensitivity increases or decreases depending on the shape of the coil. Furthermore, the reception sensitivity increases and decreases depending on the electric resistance value of the coil. For this reason, it is necessary to eliminate the effect of the reception sensitivity due to the shape, number of turns, and electrical resistance of the coil, and to compare the signal strength based on the same reference. By comparing with the same standard, the difference in signal strength between the circular coil and the track-shaped coil can be evaluated regardless of the number of turns of the coil, etc., and as a result, it shows that it depends on the measurement volume it can. Below, the correction coefficient used in order to compare signal strength by the same reference | standard is demonstrated.
The standard was a circular coil with an inner diameter ID of 0.6 mm.

(1−1)コイルの電気抵抗値による補正係数(これを補正係数1と呼ぶ)
NMR信号は、試料中の励起された磁化ベクトルが作る変動磁場によってコイルに電流が誘起されて受信される。この際、コイルの形状や巻き数によってコイルの導線の長さが異なってコイルの電気抵抗値が増減し、それに応じて、誘起される電流値も増減する。このコイルの電気抵抗値と受信感度の関係は、以下の関係に依存するとした。
コイルの受信感度はコイルの電気抵抗値の比の平方根に依存する
すなわち、ID0.6mm円形コイルの電気抵抗値を基準として用いた時の補正係数1は、以下の式で表されるとした。
補正係数1=(コイルの電気抵抗値)/(基準のID0.6mm円形コイルの電気抵抗値)の平方根
補正係数1が上式で表される理由を以下に示す。
変動磁場によってコイルに電流が誘起され、それはコイルを含むLC共振回路を共振させるエネルギーEとなる。このLC共振回路において、コイルを形成する細い導線部分の電気抵抗値が最も大きく、共振エネルギーEはコイルの電気抵抗によって消費されるとする。この際、コイルに流れる実効的な電流をI、コイルの両端に印加される実効的な電圧をVとすれば、共振エネルギーEはVIとなる。これを電気抵抗値R=V/Iで書き直せば、E=RI2となる。
コイル1の電気抵抗値をR1と書き、コイルに誘起される電流をI1とするとき、その共振エネルギーはE=R1 I1 2となる。同様に、コイル2の時は、E=R2 I2 2となる。
磁化ベクトルが作る変動磁場によってLC共振回路に与える共振エネルギーEが決まり、Eがコイル1と2で等しいと仮定すると、R1 I1 2= R2 I2 2となり、コイル1と2に誘起される電流の比は次式となる。
I2 / I1 = (R2/ R11/2
ここで、コイル1を基準のID0.6mm円形コイルとすれば、補正係数1の式となる。
(1-1) Correction coefficient based on the electrical resistance value of the coil (this is called correction coefficient 1)
An NMR signal is received by inducing a current in a coil by a fluctuating magnetic field generated by an excited magnetization vector in a sample. At this time, the length of the conductive wire of the coil varies depending on the shape and the number of turns of the coil, and the electrical resistance value of the coil increases and decreases, and the induced current value also increases and decreases accordingly. The relationship between the electrical resistance value of the coil and the reception sensitivity depends on the following relationship.
The reception sensitivity of the coil depends on the square root of the ratio of the electrical resistance values of the coils. That is, the correction coefficient 1 when the electrical resistance value of the ID 0.6 mm circular coil is used as a reference is expressed by the following equation.
The reason why the square root correction coefficient 1 of the correction coefficient 1 = (electric resistance value of the coil) / (electric resistance value of the reference ID 0.6 mm circular coil) is expressed by the above equation is shown below.
A current is induced in the coil by the fluctuating magnetic field, which becomes energy E for resonating the LC resonance circuit including the coil. In this LC resonance circuit, it is assumed that the electric resistance value of the thin conductor portion forming the coil is the largest, and the resonance energy E is consumed by the electric resistance of the coil. At this time, if the effective current flowing in the coil is I and the effective voltage applied to both ends of the coil is V, the resonance energy E is VI. If this is rewritten with the electric resistance value R = V / I, E = RI 2 is obtained.
When the electric resistance value of the coil 1 is written as R 1 and the current induced in the coil is I 1 , the resonance energy is E = R 1 I 1 2 . Similarly, E = R 2 I 2 2 for the coil 2.
Assuming that the resonance energy E given to the LC resonance circuit is determined by the variable magnetic field generated by the magnetization vector, and E is equal in coils 1 and 2, R 1 I 1 2 = R 2 I 2 2 The current ratio is
I 2 / I 1 = (R 2 / R 1 ) 1/2
Here, if the coil 1 is a reference ID 0.6 mm circular coil, the equation of the correction coefficient 1 is obtained.

(1−2)コイルが作る磁場強度による補正係数(これを補正係数2と呼ぶ)
コイルの形状、巻き数によって、コイルが作る磁場強度は異なる。コイルに1Aの電流を流す時、コイルの巻き数が多いほど、コイルが作る磁場は強くなる。このことは、コイルが強い磁場を作ることができるような形状と巻き数であるほど、変動磁場によってコイルに電流が強く誘起され、コイルの受信感度も高いことを意味する。
コイルの受信感度は、43MHz程度の低周波であるならば、定常電流を流した時に形成される磁場強度に比例すると考えられる。そこで、コイルの形状を模擬し、それに1Aの定常電流を流した際に形成されたコイル中心軸上の試料表面(z=zs)での磁場強度Hzを理論解析して、磁場強度Hz(z=zs)に補正係数2が比例するとした。すなわち、内径0.6mmの円形コイルが作る磁場強度を基準として、補正係数2は以下の式で表されるとした。
補正係数2=(z=zsでコイルが作る磁場強度Hz) / (基準のID0.6mm円形コイルがz=zsで作る磁場強度Hz)
(1-2) Correction coefficient based on the magnetic field intensity generated by the coil (this is called correction coefficient 2)
The strength of the magnetic field generated by the coil varies depending on the shape and number of turns of the coil. When a current of 1 A is passed through the coil, the more turns the coil has, the stronger the magnetic field it creates. This means that the more the shape and the number of turns the coil can create a strong magnetic field, the stronger the current is induced in the coil by the varying magnetic field, and the higher the receiving sensitivity of the coil.
If the reception sensitivity of the coil is a low frequency of about 43 MHz, it is considered that it is proportional to the strength of the magnetic field formed when a steady current is passed. Therefore, by simulating the shape of the coil and theoretically analyzing the magnetic field strength Hz at the sample surface (z = zs) on the central axis of the coil formed when a steady current of 1 A was passed through it, the magnetic field strength Hz (z = zs) is assumed that the correction coefficient 2 is proportional. In other words, the correction coefficient 2 is expressed by the following equation based on the magnetic field strength created by the circular coil having an inner diameter of 0.6 mm.
Correction factor 2 = (Magnetic field strength Hz created by coil at z = zs) / (Magnetic field strength Hz created by z = zs by standard ID 0.6mm circular coil)

以上より、二つの補正係数1、2を用いて、換算した信号強度Iは、次式で表される。
I = Iexp×(補正係数1)×(補正係数2)/(ID0.6mm円形コイルの信号強度Iexp)・・・式(A)
ここで、Iexpは計測されたスピンエコー信号強度を示す。
As described above, the converted signal intensity I using the two correction coefficients 1 and 2 is expressed by the following equation.
I = Iexp × (correction coefficient 1) × (correction coefficient 2) / (signal intensity Iexp of ID 0.6 mm circular coil) Expression (A)
Here, Iexp indicates the measured spin echo signal intensity.

上式(A)の解釈としては、補正係数1はコイルに誘起される電流値の相違を電気抵抗値によって補正する係数であり、補正係数2はコイル形状・巻き数によって形成される磁場強度の相違を補正する係数であると考えてよい。この補正によって、コイルの形状・巻き数・電気抵抗値の相違を補正している。   As an interpretation of the above formula (A), the correction coefficient 1 is a coefficient for correcting the difference in the current value induced in the coil by the electric resistance value, and the correction coefficient 2 is the magnetic field strength formed by the coil shape and the number of turns. It may be considered that the coefficient corrects the difference. This correction corrects differences in the shape, number of turns, and electrical resistance value of the coil.

(1−3)受信感度の補正係数で換算した信号強度の比較
図42,43の信号強度を式(A)によって換算した際の結果を図44,45に示す。
また、この図には、次式で算出される計測体積の曲線も合わせて示した。
(1-3) Comparison of Signal Intensity Converted with Reception Sensitivity Correction Factor FIGS. 44 and 45 show the results when the signal intensities in FIGS. 42 and 43 are converted by equation (A).
This figure also shows the measurement volume curve calculated by the following equation.

円形コイルの計測体積=(コイルの内側面積=ID2/4)×(計測深度=ID×0.32)・・・式(B1)
トラック形状コイルの計測体積=(コイルの内側面積=Ds×(Dl−Ds)+Ds2/4)
×(計測深度=Ds×0.37)・・・・・式(B2)
ここで、ID,Ds、Dlについては図46に示す。
Measurement volume of the circular coil = (inner area of the coil = ID 2/4) × (measurement depth = ID × 0.32) · · · formula (B1)
Measurement volume of track shape coil = (inner area of the coil = Ds × (Dl-Ds) + Ds 2/4)
× (Measurement depth = Ds × 0.37) Expression (B2)
Here, ID, Ds, and Dl are shown in FIG.

また、式(B2)の0.32,0.37は、後述する表3から導き出されたものである(詳しくは後述する)。
また、これらの計測体積を図44,45に示す際には、内径0.6mmの円形コイルの計測体積を基準の1として示した。
Further, 0.32 and 0.37 in the formula (B2) are derived from Table 3 described later (details will be described later).
Further, when these measurement volumes are shown in FIGS. 44 and 45, the measurement volume of a circular coil having an inner diameter of 0.6 mm is shown as a reference 1.

式(B1)より、円形コイルの場合は、内径の3乗で計測体積は増加し、一方、式(B2)より、トラック形状コイルの場合は、Dsの2乗で増加していくことがわかる。そして、トラック形状コイルの場合には、計測体積として、Dlをもう一つの形状パラメータとして持つこととなる。   From the formula (B1), in the case of a circular coil, the measurement volume increases with the cube of the inner diameter, while from the formula (B2), in the case of a track-shaped coil, it increases with the square of Ds. . In the case of a track-shaped coil, D1 is provided as another shape parameter as the measurement volume.

図44から、円形コイルの換算信号強度の増加倍率は、破線で示した計測体積の増加倍率に一致していることが分かる。従って、信号強度の増加は、計測体積の増加に比例していると言える。
一方、トラック形状コイルでは、トラック形状コイルの形状パラメータとして、DsとDlの二つがある。図44には、両者の比Dl/Dsを2、3、7とした時の計測体積の増加倍率を示した。実験で用いたトラック形状コイルはDl/Ds=7、3.3であり、Dl/Ds=7、3.3の換算信号強度と、Dl/Ds=7、3.3として算出した際の計測体積の実線とがよく一致していることが分かる。この図から、トラック形状コイルでも、円形コイルと同様に、計測体積に信号強度が比例していることが分かる。
From FIG. 44, it can be seen that the increase rate of the converted signal intensity of the circular coil coincides with the increase rate of the measurement volume indicated by the broken line. Therefore, it can be said that the increase in signal intensity is proportional to the increase in measurement volume.
On the other hand, in the track shape coil, there are two shape parameters of the track shape coil, Ds and Dl. FIG. 44 shows the increase ratio of the measurement volume when the ratio Dl / Ds between them is 2, 3, and 7. The track-shaped coil used in the experiment is Dl / Ds = 7, 3.3. The converted signal strength of Dl / Ds = 7, 3.3 and the measurement when calculated as Dl / Ds = 7, 3.3 It can be seen that the solid volume line is in good agreement. From this figure, it is understood that the signal intensity is proportional to the measurement volume in the track-shaped coil as well as the circular coil.

図45は、図43の結果を、図44と同様に縦軸を換算信号強度とし、横軸を計測深度で整理し直した図である。この図から、トラック形状コイルは計測深度が0.2mm程度と、内径0.6mmの円形コイルと同程度であるにもかかわらず、換算信号強度は円形コイルに比べて、非常に大きな値となっていることが分かる。
また、Dl/Dsを2以上とすれば、トラック形状コイルは計測深度を浅く保ちつつも、信号強度を大きくできる効果が顕著であることががわかる。
以上の結果より、トラック形状コイルは計測深度を浅く保ちつつも、信号強度を増加させることができると言える。
FIG. 45 is a diagram in which the result of FIG. 43 is rearranged with the measurement depth, with the vertical axis representing the converted signal intensity, similarly to FIG. From this figure, although the track-shaped coil has a measurement depth of about 0.2 mm, which is similar to the circular coil with an inner diameter of 0.6 mm, the converted signal strength is very large compared to the circular coil. I understand that.
It can also be seen that when Dl / Ds is 2 or more, the track-shaped coil has a remarkable effect of increasing the signal intensity while keeping the measurement depth shallow.
From the above results, it can be said that the track-shaped coil can increase the signal intensity while keeping the measurement depth shallow.

(2)磁場と信号強度の解析方法
ここでは、表面コイルを用いた際の計測領域と計測深度を解析し、前述した式(B2)を導く方法について説明する。
(2) Method for Analyzing Magnetic Field and Signal Strength Here, a method for deriving the above-described equation (B2) by analyzing the measurement region and measurement depth when using a surface coil will be described.

解析手法
コイルの幾何学形状については以下の仮定をおいた。
・コイルの線径はゼロとする。(無限小の線径)
・導電時に表皮効果はないとする。(線径がゼロとしたことから、コイルの表面のみで電流が流れる効果も無視したこととなる。)
・三回巻きコイルでは、直径の異なる三つの円を同心円状に配置する。(渦巻状にはしない。)
・コイルは導線のみでできており、被覆膜は無視する。(誘電率、透磁率は真空の値を使用する。)
・試料はない。(空間全域で誘電率、透磁率は真空の値を使用する。)
・リード部(コイル以外の配線部)は無視する。
Analysis method The following assumptions were made about the coil geometry.
・ The coil wire diameter shall be zero. (Infinitely small wire diameter)
・ There is no skin effect during conduction. (Because the wire diameter was zero, the effect of current flowing only on the coil surface was ignored.)
-In a three-turn coil, three circles with different diameters are arranged concentrically. (Do not spiral.)
-The coil is made of only conductive wire, and the coating film is ignored. (The dielectric constant and permeability use vacuum values.)
・ There is no sample. (Vacuum values are used for permittivity and permeability throughout the space.)
・ Lead parts (wiring parts other than coils) are ignored.

上記仮定の下、導電体に流れる電流Iが作る磁場Hをビオ・サバールの法則に基づいて算出した。表面コイルが真空中(透磁率が4π×10-7 N/A2)に置かれた場合に、表面コイルが位置(xp, yp, zp)に作る磁場H(xp, yp, zp)は式(1)で表される。この式での座標系は図47にようにとった。振動磁場Hzはコイルのz軸方向の磁場強度である。 Under the above assumption, the magnetic field H generated by the current I flowing through the conductor was calculated based on Bio-Savart's law. When the surface coil is placed in a vacuum (permeability 4π × 10 -7 N / A 2 ), the magnetic field H (x p , y p ) created by the surface coil at the position (x p , y p , z p ) , z p ) is expressed by equation (1). The coordinate system in this equation is as shown in FIG. The oscillating magnetic field Hz is the magnetic field strength in the z-axis direction of the coil.

H :位置rでの磁場の強さ [A/m](ベクトル)
r:空間中の点Pの位置 (xp, yp, zp) [m](ベクトル)
r':コイル上の点Qの位置 (xq, yq, zq) [m](ベクトル)
I:電流 [A](スカラー)
t:電流が流れる方向を表す単位ベクトル(点Qでのコイルの形状を表す。図47において、点Qとx軸との角度αとするとき、tはt =(sinα, cosα, 0)である。) [-](ベクトル)
積分の意味:コイル全周に渡って線積分を行う。(点Pに生ずる磁場は、コイル上にある点Qをコイルに沿って移動させ、各点Qの位置で作られる磁場をコイル全周に渡って積分する(総和を取る)ことで求められる。)
図47に示すように、小型RFコイル(トラック形状のコイル)の中心をカーテシアン座標(xyz座標系)の原点とした。小型RFコイルの軸方向をz軸方向に、小型RFコイルの長軸方向をx軸方向に、短軸方向をy軸方向にとった。
H: Magnetic field strength at position r [A / m] (vector)
r: Position of point P in space (x p , y p , z p ) [m] (vector)
r ': Position of point Q on the coil (x q , y q , z q ) [m] (vector)
I: Current [A] (scalar)
t: unit vector representing the direction of current flow (representing the shape of the coil at point Q. In FIG. 47, when the angle α between point Q and the x-axis is taken, t is t = (sin α, cos α, 0) Yes.) [-] (Vector)
Meaning of integration: Line integration is performed over the entire circumference of the coil. (The magnetic field generated at the point P is obtained by moving the point Q on the coil along the coil and integrating the magnetic field generated at the position of each point Q over the entire circumference of the coil (taking the sum). )
As shown in FIG. 47, the center of the small RF coil (track-shaped coil) is the origin of Cartesian coordinates (xyz coordinate system). The axial direction of the small RF coil was taken as the z-axis direction, the long axis direction of the small RF coil was taken as the x-axis direction, and the short axis direction was taken as the y-axis direction.

(2−1)信号強度の解析結果
(2−1−1)トラック形状コイルに電流1 Aが流れた場合に形成される磁場Hz(x, y, z)分布
図48には、トラック形状コイルに電流を1A流した際に、トラック形状コイルがxz平面に作る磁場Hz(x, 0, z)の空間分布を示す。この図から、長軸(x)方向の磁場Hzはほぼ一様であることが分かる。すなわち、トラック形状コイルの内側の範囲では長軸(x)方向にほぼ一様にNMR信号を励起し、取得することができる。
図49に yz平面での磁場Hz(0, y, z)を、図50にxy平面での磁場Hz(x, y, 0)の空間分布を示す。
図51に、xz平面でのFID信号強度の空間分布SFID(x, 0, z)を示す。図52には、z軸上のFID信号強度の分布SFID (0, 0, z)を、図53には、x軸上のFID信号強度の分布SFID(x, 0, 0)を示す。
図54に、xz平面でのスピンエコー信号強度の空間分布SSpinEcho(x, 0, z)を示す。図55には、z軸上のスピンエコー信号強度の分布SSpinEcho (0, 0, z)を、図56には、x軸上のスピンエコー信号強度の分布SSpinEcho (x, 0, 0)を示す。
図49から図56より、x軸方向の信号強度はトラック形状コイルの内側の範囲でほぼ一様であり、また、z軸方向の信号強度はFID信号よりもスピンエコー信号の方が狭いことが分かる。
(2-1) Signal Strength Analysis Results (2-1-1) Magnetic Field Hz (x, y, z) Distribution Formed When Current 1 A Flows through the Track-Shaped Coil FIG. Shows the spatial distribution of the magnetic field Hz (x, 0, z) created by the track-shaped coil in the xz plane when a current of 1 A is applied. From this figure, it can be seen that the magnetic field Hz in the major axis (x) direction is almost uniform. That is, the NMR signal can be excited and acquired almost uniformly in the long axis (x) direction in the range inside the track-shaped coil.
FIG. 49 shows the magnetic field Hz (0, y, z) in the yz plane, and FIG. 50 shows the spatial distribution of the magnetic field Hz (x, y, 0) in the xy plane.
FIG. 51 shows the spatial distribution S FID (x, 0, z) of the FID signal intensity on the xz plane. 52 shows the FID signal intensity distribution S FID (0, 0, z) on the z-axis, and FIG. 53 shows the FID signal intensity distribution S FID (x, 0, 0) on the x-axis. .
FIG. 54 shows the spatial distribution S SpinEcho (x, 0, z) of the spin echo signal intensity in the xz plane. 55 shows the spin echo signal intensity distribution S SpinEcho (0, 0, z) on the z axis, and FIG. 56 shows the spin echo signal intensity distribution S SpinEcho (x, 0, 0) on the x axis. Indicates.
From FIG. 49 to FIG. 56, the signal intensity in the x-axis direction is almost uniform in the range inside the track-shaped coil, and the signal intensity in the z-axis direction is narrower in the spin echo signal than in the FID signal. I understand.

(2−1−2)トラック形状コイルが取得する信号強度の空間分布(試料表面で励起角度が90度の場合)
試料の表面が位置z=0.16mmにあるとし、その位置での励起角度を90度とした際のスピンエコー信号のxy平面での強度分布SSpinEcho(x, y, 0.16mm)を図57に示す。図58,59には、y軸方向とx軸方向の信号強度分布を示す。図57〜59から、トラック形状コイルの内側の範囲内で、ほぼ一様の信号強度でNMR信号が取得できることが分かる。
(2-1-2) Spatial distribution of signal intensity acquired by track-shaped coil (when excitation angle is 90 degrees on sample surface)
FIG. 57 shows the intensity distribution S SpinEcho (x, y, 0.16 mm) in the xy plane of the spin echo signal when the surface of the sample is at position z = 0.16 mm and the excitation angle at that position is 90 degrees. Show. 58 and 59 show signal intensity distributions in the y-axis direction and the x-axis direction. 57 to 59, it can be seen that the NMR signal can be acquired with a substantially uniform signal intensity within the range inside the track-shaped coil.

(2−1−3)円形コイルが取得する信号強度の空間分布(試料表面で励起角度が90度の場合)
比較として、内径0.6 mmの円形コイルの解析も行った。円形コイルにおいて試料の表面が位置z=0.16mmにあるとし、その位置での励起角度を90度とした際のスピンエコー信号のxy平面での強度分布SSpinEcho(x, y, 0.16mm)を図60に示す。図61には、y軸方向の信号強度分布を示す。
(2-1-3) Spatial distribution of signal intensity acquired by circular coil (when excitation angle is 90 degrees on sample surface)
As a comparison, a circular coil with an inner diameter of 0.6 mm was also analyzed. In the circular coil, assuming that the surface of the sample is at position z = 0.16 mm, and the intensity distribution S SpinEcho (x, y, 0.16 mm) on the xy plane of the spin echo signal when the excitation angle at that position is 90 degrees As shown in FIG. FIG. 61 shows a signal intensity distribution in the y-axis direction.

(2−1−4)トラック形状コイルと円形コイルとの比較
トラック形状コイルと円形コイルでの計測深度を比較するために、コイル周囲の全域に試料があるとし、コイル中心での励起角度を90度とした時の信号強度分布を解析した。図62には、FID信号のz軸方向分布を、図63にはスピンエコー信号のz軸方向分布を示す。本解析では、幾何学的相似性が成り立つため、これらの図では、トラック形状コイルではDsで、円形コイルでは内径IDで規格化して示した。
図62,63において、信号強度が半分となる位置を計測深度と定義する。これらの図から、計測深度を読み取り、表3にトラック形状コイルと円形コイルでの計測深度をまとめた。
この結果より、計測深度は、トラック形状コイルのDsを基準の1として、FID信号取得時で0.46、スピンエコー信号取得時で0.37となる。円形コイルの場合には、内径IDを基準の1として、FID信号取得時で0.38、スピンエコー信号取得時で0.32となる。円形コイル(内径ID=0.6mm、線径0.08mm、5回巻き)の計測深度(FIDで0.38、SEで0.32)に比べて、トラック形状コイルではわずかに深くなることが分かる。
(2-1-4) Comparison between track-shaped coil and circular coil In order to compare the measurement depth between the track-shaped coil and the circular coil, it is assumed that there is a sample in the entire area around the coil, and the excitation angle at the coil center is 90. The signal intensity distribution was analyzed. 62 shows the z-axis direction distribution of the FID signal, and FIG. 63 shows the z-axis direction distribution of the spin echo signal. In these analyses, geometrical similarity holds, so these figures are normalized by Ds for track-shaped coils and by ID for circular coils.
62 and 63, a position where the signal intensity is halved is defined as a measurement depth. From these figures, the measurement depths were read, and Table 3 summarizes the measurement depths for the track-shaped coil and the circular coil.
From this result, the measurement depth is 0.46 when the FID signal is acquired and 0.37 when the spin echo signal is acquired, with D s of the track-shaped coil as a reference. In the case of a circular coil, the inner diameter ID is 1 as a reference, and is 0.38 when the FID signal is acquired and 0.32 when the spin echo signal is acquired. It can be seen that the track-shaped coil is slightly deeper than the measurement depth (0.38 for FID, 0.32 for SE) of the circular coil (inner diameter ID = 0.6mm, wire diameter 0.08mm, 5 turns).

この結果から前述した式(B2)において、スピンエコー信号検出時の計測深度がDs×0.37、あるいは、ID×0.32となることがわかる。
そして、前述したように、図44,45から、算出式(B2)で算出した値と、実験データとは略一致することがわかった。
From this result, it can be seen that in the above-described equation (B2), the measurement depth at the time of detecting the spin echo signal is Ds × 0.37 or ID × 0.32.
As described above, it was found from FIGS. 44 and 45 that the value calculated by the calculation formula (B2) and the experimental data substantially coincide.

なお、この表3には、コイル内側の面積(コイルにより囲まれた部分の面積)も示した。全空間に試料がある場合には、信号強度はおおよそコイルの内側面積に比例すると考えられるため、面積の比率で信号強度を推測することができる。トラック形状コイルで取得される信号強度は、円形コイルのそれの約6倍であると推測される。   Table 3 also shows the area inside the coil (the area surrounded by the coil). When there is a sample in the entire space, the signal intensity is considered to be approximately proportional to the inner area of the coil, and therefore the signal intensity can be estimated by the ratio of the areas. The signal strength obtained with the track-shaped coil is estimated to be about 6 times that of the circular coil.

表4には、試料表面の位置z=0.16 mmで励起角度を90度とした際に取得されるスピンエコー信号強度のxy平面分布の図57,60の結果を基に、計測面積を算出した結果を示す。トラック形状コイルでの計測面積と円形コイルでのそれとの面積比率は4.8倍であり、実際の計測においても、この程度の信号強度の相違があると推測される。   In Table 4, the measurement area was calculated based on the results of FIGS. 57 and 60 of the xy plane distribution of the spin echo signal intensity obtained when the excitation angle was 90 degrees at the sample surface position z = 0.16 mm. Results are shown. The area ratio between the measurement area of the track-shaped coil and that of the circular coil is 4.8 times, and it is presumed that there is a difference in signal intensity of this level even in actual measurement.

1 燃料電池システム
5 燃料電池
51 膜電極接合体
52,53 拡散層
54,55 セパレータ
100 測定装置
102 RF発振器
104 変調器
106 RF増幅器
112 プリアンプ
113 静磁場印加部
113A,113B 磁極
114 小型RFコイル(平面RFコイル)
114A〜114P 小型RFコイル
118 A/D変換器
118A 変換器
118B 変換器
120 データ受付部
127 シーケンステーブル
128 計時部
129 操作信号受付部
130 演算部
130A 第一算出部
130B 第二算出部
130C 第三算出部
135 出力部
140 検波器
150 制御部
151 パルス制御部
152 モード切替制御部
159 電流駆動用電源
170 スイッチ部
171 ハイブリッド
173 分配器
175 分配器
177 ミキサー
179 ミキサー
181 合成器
183 ミキサー
185 ミキサー
187 分配器
190 記憶部
191 第一記憶部
192 第二記憶部
213 静磁場印加部
213A,213B 磁極
214A,214B 磁極
251 勾配磁場印加部
251 Gコイル
313 静磁場印加部
511 固体高分子電解質膜
512,513 触媒層
541,551 流路
914 小型RFコイル
1140,1141 第一の部分
1142,1143 第二の部分
Ax 軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 5 Fuel cell 51 Membrane electrode assembly 52, 53 Diffusion layer 54, 55 Separator 100 Measuring apparatus 102 RF oscillator 104 Modulator 106 RF amplifier 112 Preamplifier 113 Static magnetic field application part 113A, 113B Magnetic pole 114 Small RF coil (plane RF coil)
114A to 114P Small RF coil 118 A / D converter 118A Converter 118B Converter 120 Data receiving unit 127 Sequence table 128 Timing unit 129 Operation signal receiving unit 130 Operation unit 130A First calculation unit 130B Second calculation unit 130C Third calculation Unit 135 output unit 140 detector 150 control unit 151 pulse control unit 152 mode switching control unit 159 current drive power supply 170 switch unit 171 hybrid 173 distributor 175 distributor 177 mixer 179 mixer 181 combiner 183 mixer 185 mixer 187 distributor 190 Storage unit 191 First storage unit 192 Second storage unit 213 Static magnetic field application unit 213A, 213B Magnetic pole 214A, 214B Magnetic pole 251 Gradient magnetic field application unit 251 G coil 313 Static magnetic field application unit 511 Solid polymer electrolyte membrane 512 513 catalyst layer 541 and 551 flow path 914 sized RF coils 1140 and 1141 the first portion 1142 and 1143 second portion Ax axis

Claims (11)

プロトン性溶媒を含んだ膜状あるいは平板状の試料に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するNMR信号を検出する測定装置であって、
対向配置された極性の異なる一対の磁極を有し、前記一対の磁極間に配置された前記膜状あるいは平板状の試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に応じたNMR信号を取得する平面RFコイルとを備え、
前記静磁場印加部の前記一対の磁極間には、前記一対の磁極により形成される静磁場の方向が前記試料の表裏面を垂直に貫くように、前記試料が配置され、
前記平面RFコイルは、一つの軸の周りを囲むように環状に巻かれたものであり、その軸が前記試料表裏面と直交するように前記試料に対して前記平面RFコイルが配置されるとともに、前記平面RFコイルの軸は、前記静磁場印加部により形成される静磁場の方向と平行である測定装置。
A measurement device that applies an excitation oscillating magnetic field to a film-like or flat sample containing a protic solvent and detects an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field,
A pair of magnetic poles having different polarities arranged opposite to each other, and a static magnetic field applying unit that applies a static magnetic field to the film-shaped or flat-shaped sample disposed between the pair of magnetic poles;
A planar RF coil for applying an excitation oscillating magnetic field to the sample and acquiring an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
Between the pair of magnetic poles of the static magnetic field application unit, the sample is arranged so that the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles penetrates the front and back surfaces of the sample vertically,
The planar RF coil is wound in an annular shape so as to surround one axis, and the planar RF coil is disposed on the sample so that the axis is orthogonal to the sample front and back surfaces. The measuring device in which the axis of the planar RF coil is parallel to the direction of the static magnetic field formed by the static magnetic field application unit.
請求項1に記載の測定装置において、
前記平面RFコイルは、互いに略平行に延在する一対の第一の部分と、この一対の第一の部分の対向する端部間を結ぶ第二の部分とを有し、
前記一対の第一の部分の距離をDsとし、
前記第一の部分と平行に延在し、前記一対の第一の部分間の距離の中心点を通る直線が前記一対の第二の部分と交わる一対の交点間の距離をDlとした場合、
Dl/Dsが2以上である測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1,
The planar RF coil has a pair of first portions extending substantially parallel to each other, and a second portion connecting between opposing ends of the pair of first portions,
The distance between the pair of first portions is Ds,
When the distance between a pair of intersections extending in parallel with the first part and passing through a center point of the distance between the pair of first parts intersects with the pair of second parts is Dl,
A measuring device having Dl / Ds of 2 or more.
請求項1または2に記載の測定装置において、
複数の平面RFコイルを備え、
前記平面RFコイルは前記試料の表面に沿って離間配置されている測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1 or 2,
Comprising a plurality of planar RF coils;
The planar RF coil is a measurement device that is spaced apart along the surface of the sample.
請求項1乃至3のいずれかに記載の測定装置において、
前記一対の磁極により形成される静磁場の方向が前記試料の表裏面を垂直に貫通する位置関係を保った状態で、前記試料と、前記静磁場印加部の前記一対の磁極とを相対的に移動させる移動手段を備える測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 3,
In a state where the direction of the static magnetic field formed by the pair of magnetic poles keeps a positional relationship perpendicularly penetrating the front and back surfaces of the sample, the sample and the pair of magnetic poles of the static magnetic field application unit are relatively A measuring apparatus comprising moving means for moving.
請求項1乃至4のいずれかに記載の測定装置において、
前記静磁場印加部からの静磁場の方向が前記平面RFコイルの軸と直交するように、静磁場の印加方向あるいは、前記静磁場印加部に対する前記試料の配置方向を切り替える切り替え手段を備える測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 4,
A measuring apparatus comprising switching means for switching a static magnetic field application direction or an arrangement direction of the sample with respect to the static magnetic field application unit so that a static magnetic field direction from the static magnetic field application unit is orthogonal to an axis of the planar RF coil. .
請求項1乃至5のいずれかに記載の測定装置において、
前記静磁場印加部は、前記一対の磁極を複数対有しており、
前記複数対の磁極において、一方の磁極が前記試料表面側に前記試料表面に沿って離間配置され、前記一方の磁極と極性の異なる他方の磁極が試料裏面側に前記試料裏面に沿って配置される測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 5,
The static magnetic field application unit has a plurality of pairs of the pair of magnetic poles,
In the plurality of pairs of magnetic poles, one magnetic pole is spaced apart along the sample surface on the sample surface side, and the other magnetic pole having a polarity different from that of the one magnetic pole is disposed along the sample back surface on the sample back surface side. Measuring device.
請求項1乃至のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料は、固体高分子電解質膜である測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 6 ,
The measurement apparatus is a solid polymer electrolyte membrane.
請求項1乃至のいずれかに記載の測定装置において、
前記平面RFコイルで取得した核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒量を算出する算出部を有する測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 7 ,
A measuring apparatus having a calculating unit that calculates the amount of protic solvent in the sample based on a nuclear magnetic resonance signal acquired by the planar RF coil.
請求項1乃至のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料に対して、勾配磁場を印加する勾配磁場印加部と、
前記勾配磁場および前記励起用振動磁場の印加を所定のパルスシーケンスに従って実行させる制御部と、
第二算出部とを有し、
前記平面RFコイルは、励起用振動磁場および勾配磁場に対応するNMR信号を取得し、
前記第二算出部では、異なる勾配磁場に対応して得られ、前記平面RFコイルで取得したNMR信号に基づいて、前記試料の特定箇所におけるプロトン性溶媒の易動性を算出する測定装置。
The measuring apparatus according to any one of claims 1 to 8 ,
A gradient magnetic field application unit for applying a gradient magnetic field to the sample;
A controller that executes application of the gradient magnetic field and the excitation oscillating magnetic field according to a predetermined pulse sequence;
A second calculation unit,
The planar RF coil acquires NMR signals corresponding to the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field,
Wherein in the second calculation unit, different gradient field obtained corresponding, on the basis of the plane NMR signal acquired by the RF coil, prior Ki試 charge measuring device for calculating the mobility of the protic solvent in a specific portion .
請求項1乃至のいずれかに記載の測定装置において、
前記試料は、試料中で電流が発生するものであり、
前記平面RFコイルで取得された前記NMR信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の特定箇所の電流を算出する第三算出部を有する測定装置。
The measuring apparatus according to any one of claims 1 to 9 ,
The sample is one in which current is generated in the sample,
A measurement apparatus having a third calculation unit that calculates a difference between the frequency of the NMR signal acquired by the planar RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and calculates a current at a specific location of the sample from the difference. .
プロトン性溶媒を含んだ固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の側に配置される燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の側に配置される酸化剤極とを有する燃料電池と、
測定装置とを含む燃料電池システムであって、
前記測定装置が請求項1乃至10のいずれかに記載の測定装置である燃料電池システム。
A solid polymer electrolyte membrane containing a protic solvent; a fuel electrode disposed on one side of the solid polymer electrolyte membrane; and an oxidant electrode disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell having
A fuel cell system including a measuring device,
The fuel cell system wherein the measuring device is a measuring device according to any one of claims 1 to 10.
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