JP7022034B2 - メインコイル用電源装置およびｎｍｒシステム - Google Patents

Description

本発明は、メインコイル用電源装置およびＮＭＲシステムに関する。

従来のＮＭＲ（核磁気共鳴）システムにおける磁場の安定化は、ロック機構により、測定対象ではないロック用試料（例えば、重水素を含む溶液試料）のＮＭＲ信号の周波数を一定に維持することによって行われる。周波数を一定に維持するためには、ロック機構が、シムコイルの電流補正量を算出し、電流補正量に応じてシムコイルに供給する電流を制御する。

しかしながら、シムコイルによる補正範囲には許容限度があり、長期（例えば、１０日程度）にわたる測定中に温度変化や部品の経時変化などでメインコイルの磁場変動がシムコイルによる補正範囲を超えた場合、磁場を補正することができないという問題がある。

特開２００９－１８０６７７号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、比較的長期にわたり磁場を安定させることが可能なメインコイル用電源装置およびＮＭＲシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るメインコイル用電源装置は、
ＮＭＲ磁石のメインコイルに直流電流を供給する電源部と、
前記電源部を制御する制御部と、
を備えるメインコイル用電源装置であって、
前記制御部は、
前記ＮＭＲ磁石のシムコイルの電流補正量を取得し、前記電流補正量に応じて前記直流電流の補正値を設定する第１設定部と、
前記直流電流の電流設定値を設定する第２設定部と、
前記電流設定値および前記補正値に基づいて前記直流電流の目標電流値を設定する第３設定部と、
前記目標電流値と前記直流電流の実測値との差分に応じて前記電源部をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、シムコイルの電流補正量に応じてメインコイルに供給される直流電流の電流設定値を補正するため、シムコイルによる補正と併用することで、磁場の補正範囲が格段に広がる。その結果、比較的長期にわたり磁場を安定させることが可能になる。

上記メインコイル用電源装置において、
前記第１設定部は、
前記電流補正量をサンプリングして出力する第１サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路の出力と前記目標電流値の最小制御量とを比較する比較部と、
前記第１サンプルホールド回路の出力が前記最小制御量よりも大のときに前記補正値を設定する補正値設定部と、を備えるよう構成できる。

上記メインコイル用電源装置において、
前記第３設定部は、
前記電流設定値に前記補正値を加算して前記目標電流値を算出し、前記目標電流値をデジタル信号として出力する第１演算部と、
前記目標電流値の前記デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部と、を備え、
前記第２設定部は、
前記デジタル信号をサンプリングして出力する第２サンプルホールド回路と、
前記第２サンプルホールド回路の出力を前記電流設定値として設定する電流設定部と、を備えるよう構成できる。

上記メインコイル用電源装置において、
前記フィードバック制御部は、
前記目標電流値と前記実測値との差分を算出する第２演算部と、
前記差分に応じた制御信号を前記電源部に出力する制御信号出力部と、を備えるよう構成できる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係るＮＭＲシステムは、
メインコイルおよびシムコイルを備えるＮＭＲ磁石と、
前記シムコイルの電流補正量を算出し、前記ＮＭＲ磁石に設けたロック用試料のＮＭＲ信号の周波数を一定に維持するよう前記シムコイルに電流を供給するロック機構と、
請求項１～４のいずれか一項に記載のメインコイル用電源装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、比較的長期にわたり磁場を安定させることが可能なメインコイル用電源装置およびＮＭＲシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るメインコイル用電源装置およびＮＭＲシステムのブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るメインコイル用電源装置およびＮＭＲ（核磁気共鳴）システムの実施形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るＮＭＲシステム１を示す。ＮＭＲシステム１は、ＮＭＲ磁石１０と、ロック機構２０と、本発明の一実施形態に係るメインコイル用電源装置３０とを備える。

ＮＭＲ磁石１０は、メインコイル１１と、シムコイル１２と、プローブ１３とを備える。

メインコイル１１は、少なくとも１つの超伝導コイルで構成され、メインコイル用電源装置３０から電流が供給されると磁場を発生する。メインコイル１１は中心軸に沿って形成された穴部を有し、穴部にはシムコイル１２が設けられている。

シムコイル１２は、メインコイル１１で発生した磁場を補正するためのコイルであり、ロック機構２０から電流が供給されると磁場を発生する。シムコイル１２の内側には、プローブ１３が設けられている。

プローブ１３内には、測定用試料と、測定用試料のＮＭＲ信号を検出する第１検出手段と、ロック用試料と、ロック用試料のＮＭＲ信号を検出する第２検出手段とが設けられている（図示略）。ロック用試料は、例えば、重水素を含む溶液試料である。第２検出手段は、例えば、ソレノイドコイルである。

ロック機構２０は、ピーク周波数演算部２１と、基準周波数格納部２２と、周波数演算部２３と、補正量演算部２４と、電流供給部２５とを備える。ピーク周波数演算部２１、基準周波数格納部２２、周波数演算部２３および補正量演算部２４は、例えば、少なくとも１つのマイコンおよび／または専用のＩＣで構成される。

ピーク周波数演算部２１は、第２検出手段で検出されたロック用試料のＮＭＲ信号に基づいて、当該ＮＭＲ信号のピーク周波数を算出する。

基準周波数格納部２２は、ロック用試料の基準周波数（核磁気共鳴周波数）に関する数値データを格納している。例えば、ロック用試料が重水素を含む溶液試料の場合、基準周波数格納部２２には、重水素の核磁気共鳴周波数に関する数値データが格納される。

周波数演算部２３は、ピーク周波数演算部２１が算出したピーク周波数と基準周波数格納部２２に格納されている基準周波数との差分を算出する。

補正量演算部２４は、周波数演算部２３が算出した差分に応じたシムコイル１２の電流補正量を算出する。補正量演算部２４は、算出した電流補正量を電流供給部２５に出力するとともにメインコイル用電源装置３０にも出力する。

電流供給部２５は、直流電流を出力する電源装置であり、補正量演算部２４が算出した電流補正量に応じてシムコイル１２に供給する電流を制御する。具体的には、電流供給部２５は、周波数演算部２３で算出する差分がゼロに近づくように、シムコイル１２に電流を供給する。シムコイル１２による磁場変動の補正範囲は、本実施形態では、±０．５ｐｐｍである。

メインコイル用電源装置３０は、メインコイル１１に直流電流を供給する電源部４０と、電源部４０を制御する制御部５０とを備える。

電源部４０は、直流電圧源４１と、レギュレータ手段４２と、レギュレータ手段４２を駆動（スイッチング）させる駆動回路４３と、直列回路４４と、電流検出部４５とを備える。

直流電圧源４１は、所定の電圧値の直流電圧を出力する。なお、外部から直流電圧を供給する場合は、直流電圧源４１は省略してもよい。

レギュレータ手段４２は、例えば、トランジスタ等の半導体スイッチで構成される。レギュレータ手段４２の電流路の一端は、直流電圧源４１の一端（高電位側）に電気的に接続され、レギュレータ手段４２の電流路の他端は、メインコイル１１の一端に電気的に接続される。レギュレータ手段４２の制御端に接続される駆動回路４３は、制御部５０の制御下でレギュレータ手段４２をスイッチングさせる。

直列回路４４は、ダイオードＤ１と抵抗器Ｒ１とを直列接続したものである。ダイオードＤ１は異常時の磁石のエネルギーを抵抗器Ｒ１で消費させる還流用ダイオードであり、直列回路４４は磁石のエネルギーを吸収する回路を構成する。抵抗器Ｒ１の一端は、レギュレータ手段４２の電流路の他端に電気的に接続され、抵抗器Ｒ１の他端は、ダイオードＤ１のカソードに接続される。ダイオードＤ１のアノードは、直流電圧源４１の他端（低電位側）に電気的に接続される。

電流検出部４５は、例えばカレントトランスで構成され、メインコイル１１に供給される直流電流を測定する。電流検出部４５は、ダイオードＤ１のアノードとメインコイル１１の他端とを接続する電力ラインに設けられる。

制御部５０は、例えば、少なくとも１つのマイコンおよび／または専用のＩＣで構成される。制御部５０は、第１サンプルホールド回路５１、比較部５２および補正値設定部５３と、電流設定部５４および第２サンプルホールド回路５５と、第１演算部５６およびＤＡ変換部５７と、第２演算部５８および制御信号出力部５９とを備える。本実施形態では、第１サンプルホールド回路５１、比較部５２および補正値設定部５３が、本発明の「第１設定部」に相当し、電流設定部５４および第２サンプルホールド回路５５が、本発明の「第２設定部」に相当し、第１演算部５６およびＤＡ変換部５７が、本発明の「第３設定部」に相当し、第２演算部５８および制御信号出力部５９が、本発明の「フィードバック制御部」に相当する。

第１サンプルホールド回路５１は、補正量演算部２４で算出された電流補正量を、所定の時間間隔（例えば、数分間隔）でサンプリングして出力する。

比較部５２は、第１サンプルホールド回路５１の出力（電流補正量）の絶対値とＤＡ変換部５７の最小制御量とを比較する。ＤＡ変換部５７の最小制御量は、メインコイル１１に供給される直流電流の最小制御量に相当し、本実施形態では、ＤＡ変換部５７に入力可能な電流値の０．０６ｐｐｍである。なお、本実施形態の比較部５２は、電流補正量の絶対値と最小制御量とを比較しているが、最小制御量に代えて最小制御量よりも大きい制御量を用いてもよい。

補正値設定部５３は、第１サンプルホールド回路５１の出力（電流補正量）の絶対値がＤＡ変換部５７の最小制御量よりも大のときに、メインコイル１１に供給される直流電流の補正値を設定する。本実施形態の補正値設定部５３は、補正値としてＤＡ変換部５７の最小制御量（０．０６ｐｐｍ）を用いているが、最小制御量に代えて最小制御量よりも大きい制御量を用いてもよい。例えば、電流補正量の大きさに応じて、補正値設定部５３で設定する補正値（制御量）を変更してもよい。

電流設定部５４は、メインコイル１１に供給される直流電流の電流設定値を設定する。電流設定値の初期値は、上記直流電流の目標電流値の初期値に相当し、本実施形態では３００Ａである。電流設定部５４は、第２サンプルホールド回路５５の出力を受けて、電流設定値を更新する。

第１演算部５６は、電流設定部５４で設定された電流設定値に補正値設定部５３で設定された補正値を加算して、メインコイル１１に供給される直流電流の目標電流値を算出する。電流設定値が３００Ａの場合、第１演算部５６は、電流設定値３００Ａに、ＤＡ変換部５７に入力可能な電流の０．０６ｐｐｍ分を加算した値を目標電流値とする。第１演算部５６は、目標電流値をデジタル信号として出力する。

第２サンプルホールド回路５５は、第１演算部５６が算出した目標電流値を所定の時間間隔（例えば、数分間隔）でサンプリングして電流設定部５４に出力する。電流設定部５４は、第２サンプルホールド回路５５の出力（目標電流値）を新たな電流設定値として設定する。

ＤＡ変換部５７は、例えば分解能２４ｂｉｔのＤ／Ａコンバータで構成され、第１演算部５６が出力した目標電流値のデジタル信号をアナログ信号に変換する。ＤＡ変換部５７としては、分解能２４ｂｉｔのＤ／Ａコンバータに代えて、シムコイル１２による磁場変動の補正範囲（本実施形態では、±０．５ｐｐｍ）よりも高い分解能、好ましくは１桁以上高い分解能を有するＤ／Ａコンバータを用いることができる。

第２演算部５８は、ＤＡ変換部５７から出力された目標電流値と、電流検出部４５で測定したメインコイル１１に供給される直流電流の実測値との差分を算出する。第２演算部５８は、算出した差分を制御信号出力部５９に出力する。

制御信号出力部５９は、例えば、オペアンプ等の増幅器で構成される。制御信号出力部５９は、第２演算部５８で算出した差分を増幅し、それを制御信号としてレギュレータ手段４２の駆動回路４３に出力する。

駆動回路４３は、制御信号出力部５９の制御信号に基づいてレギュレータ手段４２を駆動（スイッチング）させ、メインコイル１１に供給される直流電流を制御する。すなわち、第２演算部５８および制御信号出力部５９からなるフィードバック制御部は、第２演算部５８で算出した差分がゼロになるように、電源部４０（駆動回路４３）をフィードバック制御する。

結局、本実施形態に係るメインコイル用電源装置３０およびＮＭＲシステム１では、シムコイル１２の電流補正量に応じて（シムコイル１２の電流補正量の絶対値がＤＡ変換部５７の最小制御量よりも大のときに）、メインコイル１１に供給される直流電流の電流設定値を補正する。つまり、ロック機構２０によるシムコイル１２の補正に、メインコイル用電源装置３０によるメインコイル１１の補正が加わるので、従来と比較して磁場の補正範囲が格段に広がる。

その結果、本実施形態に係るメインコイル用電源装置３０およびＮＭＲシステム１によれば、比較的長期（例えば、１０日程度）にわたり磁場を安定させることが可能になる。

以上、本発明に係るメインコイル用電源装置およびＮＭＲシステムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

メインコイル用電源装置３０の電源部４０は、ＮＭＲ磁石１０のメインコイル１１に所定の直流電流を供給できるのであれば、適宜構成を変更できる。

メインコイル用電源装置３０の制御部５０は、シムコイル１２の電流補正量に応じてメインコイル１１に供給される直流電流の補正値を設定する第１設定部と、メインコイル１１に供給される直流電流の電流設定値を設定する第２設定部と、電流設定値および直流電流の補正値に基づいてメインコイル１１に供給される直流電流の目標電流値を設定する第３設定部と、目標電流値とメインコイル１１に供給される直流電流の実測値との差分に応じて電源部４０をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備えるのであれば、適宜構成を変更できる。

ＮＭＲ磁石１０は、少なくともメインコイル１１およびシムコイル１２を備え、測定用試料と、ロック用試料と、ＮＭＲ信号を検出する検出手段とを配置できるのであれば、適宜構成を変更できる。

ロック機構２０は、シムコイル１２の電流補正量を算出し、ＮＭＲ磁石１０に設けたロック用試料のＮＭＲ信号の周波数を一定に維持するよう、シムコイル１２に電流を供給できるのであれば、適宜構成を変更できる。

１ ＮＭＲシステム
１０ ＮＭＲ磁石
１１ メインコイル
１２ シムコイル
１３ プローブ
２０ ロック機構
２１ ピーク周波数演算部
２２ 基準周波数格納部
２３ 周波数演算部
２４ 補正量演算部
２５ 電流供給部
３０ メインコイル用電源装置
４０ 電源部
４１ 直流電圧源
４２ レギュレータ手段
４３ 駆動回路
４４ 直列回路
４５ 電流検出部
５０ 制御部
５１ 第１サンプルホールド回路
５２ 比較部
５３ 補正値設定部
５４ 電流設定部
５５ 第２サンプルホールド回路
５６ 第１演算部
５７ ＤＡ変換部
５８ 第２演算部
５９ 制御信号出力部

Claims (5)

1. ＮＭＲ磁石のメインコイルに直流電流を供給する電源部と、
   前記電源部を制御する制御部と、
   を備えるメインコイル用電源装置であって、
   前記制御部は、
   前記ＮＭＲ磁石のシムコイルの電流補正量を取得し、前記電流補正量に応じて前記直流電流の補正値を設定する第１設定部と、
   前記直流電流の電流設定値を設定する第２設定部と、
   前記電流設定値および前記補正値に基づいて前記直流電流の目標電流値を設定する第３設定部と、
   前記目標電流値と前記直流電流の実測値との差分に応じて前記電源部をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備える
   ことを特徴とするメインコイル用電源装置。
2. 前記第１設定部は、
   前記電流補正量をサンプリングして出力する第１サンプルホールド回路と、
   前記第１サンプルホールド回路の出力と前記目標電流値の最小制御量とを比較する比較部と、
   前記第１サンプルホールド回路の出力が前記最小制御量よりも大のときに前記補正値を設定する補正値設定部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のメインコイル用電源装置。
3. 前記第３設定部は、
   前記電流設定値に前記補正値を加算して前記目標電流値を算出し、前記目標電流値をデジタル信号として出力する第１演算部と、
   前記目標電流値の前記デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部と、を備え、
   前記第２設定部は、
   前記デジタル信号をサンプリングして出力する第２サンプルホールド回路と、
   前記第２サンプルホールド回路の出力を前記電流設定値として設定する電流設定部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のメインコイル用電源装置。
4. 前記フィードバック制御部は、
   前記目標電流値と前記実測値との差分を算出する第２演算部と、
   前記差分に応じた制御信号を前記電源部に出力する制御信号出力部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のメインコイル用電源装置。
5. メインコイルおよびシムコイルを備えるＮＭＲ磁石と、
   前記シムコイルの電流補正量を算出し、前記ＮＭＲ磁石に設けたロック用試料のＮＭＲ信号の周波数を一定に維持するよう前記シムコイルに電流を供給するロック機構と、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のメインコイル用電源装置と、を備える
   ことを特徴とするＮＭＲシステム。

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