JPH05188125A - 磁場中の磁界の乱れを補償する方法とその装置 - Google Patents

磁場中の磁界の乱れを補償する方法とその装置

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JPH05188125A
JPH05188125A JP4184147A JP18414792A JPH05188125A JP H05188125 A JPH05188125 A JP H05188125A JP 4184147 A JP4184147 A JP 4184147A JP 18414792 A JP18414792 A JP 18414792A JP H05188125 A JPH05188125 A JP H05188125A
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    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/389—Field stabilisation, e.g. by field measurements and control means or indirectly by current stabilisation

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高均一磁界を有する電磁石の磁場中、特に磁
気共鳴の測定用の超伝導電磁石の試料室中の時間的に変
動する磁界の乱れを補償する方法とその装置を提供す
る。 【構成】 この補償方法では、比較物質の核信号の分散
信号 uX を検出し、分散信号に応じた電流を電磁石の磁
場補正コイルに発生させて補償に利用する。更に、比較
物質の吸収信号 uY を検出して、量 uX/uY や (1/uY)(d
uX/dt)に応じて補償を行う。これ等のことは多数の影響
量に無関係である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、比較物質の核信号の
分散信号 uX を検出し、分散信号に依存する電流を磁界
補正コイルに発生させて補償に利用する、磁界の高い一
様性を有する電磁石の磁場中、特に磁気共鳴測定用の超
伝導電磁石の試料室中の時間的に変化する磁界の乱れを
補償する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のＮＭＲ磁場の安定化では、核磁気
共鳴信号の分散信号ｕX を利用する。この分散信号は、
核磁気共鳴信号が目標周波数からずれた場合、補償をど
の方向に行うべきかの符号を直接与える。吸収信号ｕY
は、ＮＭＲ磁場の安定化のため、つまり所謂ＮＭＲ Loc
k （ＮＭＲロック）のために利用されず、磁場を所謂
"Shimmen" (シーメン、詰め物を入れること）によって
均一にするため、ロックされた制御状態を表示するのに
のみ使用される。この吸収信号は、周知のように、分散
信号に対して 90 °位相がずれている。
【０００３】磁場をできる限り一定に維持するため、Ｎ
ＭＲ磁場の安定化をできる限り正確に行う努力をしてい
る。その場合、比較物質の小さな周波数変化となる小さ
な擾乱振幅や、かなり大きな外部磁場擾乱振幅を補償す
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、Ｎ
ＭＲ磁場の安定化に対する新しい可能性を提供すること
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、比較物質の核信号の分散信号 uX を検出し、分
散信号に依存する電流を磁界補正コイルに発生させて補
償に利用する、磁界の高い一様性を有する電磁石の磁場
中、特に磁気共鳴測定用の超伝導電磁石の試料室中の時
間的に変化する磁界の乱れを補償する方法の場合、更に
比較物質の吸収信号を検出し、重要な量 uX/uY と (1/u
Y)(duX/dt)の組み合わせに応じて補償を行うことによっ
て解決されている。
【０００６】更に、上記の課題は、この発明により、比
較物質の核信号の分散信号 uX を検出し、分散信号に依
存する電流を電磁石の磁界補正コイル（２）に発生させ
て補償し、特に請求項１〜６の何れか１項の方法を行う
装置を備え、磁界の高い一様性を有する電磁石の磁場
中、特に磁気共鳴測定用の超伝導電磁石の試料室中の時
間的に変化する磁界の乱れを補償する装置の場合、核信
号の分散信号 uX と吸収信号 uY を与える位相に敏感な
整流器（６０，６２）を備え、 uX/uY や (1/uY)(duX/d
t)に依存する少なくとも一つの量を発生させる装置（６
４，６６）を備えていることによって解決されている。
【０００７】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【０００８】
【作用】その場合、この発明の利点は、上記量、 uX/u
Y と(1/uY )(duX/dt) が、以下に説明するように、多く
の影響量に全く無関係であるため、正確な磁場補償が容
易になる点にある。上記のことは、この発明により、分
散信号が比較物質の吸収信号に組み合わされることによ
って可能になる。前記の適切に選択すべきウェイトは、
個々の場合、補償に対する上記の量のただ一つしか使用
しないことになる。
【０００９】この発明の一つの実施例では、補償が量、
1/T2 ・ uX/uY に応じて行われている。ここで T2 は
比較物質のスピン・スピン緩和時間である。この場合の
利点は、擾乱周波数が低く、 T2 が既知の場合、上記の
量が、つまり擾乱振幅（乱れによる比較物質の核磁気信
号の周波数のずれに相当する）が直接求まる点にある
（式１.38 を参照）。この量は、擾乱振幅が小さい場
合、正規な運転状態で磁場の乱れをもっぱら制御するの
に適している。何故なら、この量は比較的少ない雑音成
分を含むため、正確な微調整が行えるからである。既存
の雑音成分を更に抑制するため、実際上一定に維持され
ている量 uY を低域濾波器で濾波すると効果的である。
【００１０】この発明の一つの実施例では、補償が量、
1/T2・uX/uY ＋ 1/uY・duX/dtに応じて行われている。
この利点は、上記の等式が正確に当てはまり、条件なし
である点にある。この量によって、擾乱振幅が比較的大
きい場合、粗い制御を良好な動特性で行える。微調整の
ためには、この量は必然的に使用されない。何故なら、
上記量が粗い制御の場合重要性のすくない雑音成分を含
むからである。これには反して、上記の粗い制御では、
大きな擾乱振幅を計算し、直ちに補償できると言う大き
な利点がある。補償のためにこの量を使用することは、
制御のロックイン範囲を改善し、それ故に、多くの場
合、制御の補足範囲を見過ごすことを防止する。
【００１１】この発明の一つの実施例では、上記の諸量
と好ましくはこれ等の量から導かれる制御信号もデジタ
ル計算で求めている。この利点は、簡単なプログラムの
変更で調節が行える点にある。しかし、制御はこの発明
によれば、市販の電子回路を使用しても行えることを明
確に指摘しておく。
【００１２】この発明による方法を実行する装置とその
実施例には、上に説明した種々の利点がある。この発明
の一つの実施例では、少なくとも一個の測定変換器の後
に制御器が後続し、この制御器の出力端に制御特性に応
じて修正された当該制御器の入力信号が出力する。これ
によって、測定変換器から出力された信号が補正され
る。
【００１３】この発明の一つの実施例では、一方の量、
あるいは他方の量、あるいは両方の量の組み合わせを選
ぶ切換装置が設けてあり、これによって所望の信号を選
択できる。
【００１４】この発明の一つの実施例では、分散信号 u
X と吸収信号 uY に応じて、制御器や切換装置を制御す
る制御装置が設けてある。これにより、分散信号と吸収
信号を計算に入れて、一方あるいは他方の測定変換器の
出力信号や両方の出力信号の組み合わせを磁界の変化を
補償するために使用できる。
【００１５】この発明の一つの実施例では、上記の諸量
を求めるデジタル電算機が設けてある。この発明の一つ
の実施例では、外部擾乱源の早い磁界変動を補償するた
め、電磁石の外に配設された磁場センサが使用されてい
る。
【００１６】
【実施例】以下に、この発明を図面に示す実施例に基づ
きより詳しく説明する。図１には、この発明を理解する
のに必要なＮＭＲ分光計の要素とこの発明による安定化
装置が示してある。ＮＭＲ分光計には磁界コイル１があ
る。このコイルでは、１個の超伝導コイルを使用してい
る。このコイルは磁界Ｈ0 を発生させるために使用され
ている。上記磁界は非常に磁場均一性の高いもので、好
ましくは10 -5以下にすべきである。磁界コイル１１に
対して同心状に（しかし図１では理解を良くするため、
間隔を設けて示してある）一個の非超伝導の磁界補償コ
イル２が設けてある。このコイルには磁界Ｈ0 の時間変
動を補償するために電流を流す。この磁界補償コイル２
から発生する磁界をここでは記号ΔＨreg と表す。通常
のように、核磁気共鳴を励起する高周波パルスを導入
し、この核磁気信号を検出するプローブヘッド５が設け
てある。プローブヘッド５に電力を供給するため、高周
波送信器６が使用される。この送信器の入力端は高周波
発生器８に接続している。この場合、高周波パルスの発
生は後で述べる二つの部材の間に接続されているスイッ
チ１０で象徴的に示してある。スイッチ１０には、制御
導線１２を介して切換パルスが供給される。これ等のパ
ルスは低周波発生器１４によって発生する。切換パルス
は、この実施例では、同極で繰返周波数（角周波数）ω
m の矩形波パルスである。
【００１７】低周波発生器１４は制御導線１６に交番極
性でパルス繰返周波数ωm /2を有する矩形パルスから成
る他の制御信号を発生する。更に、この低周波発生器は
制御導線１８に同じように周波数ωm /2の基準信号を出
力し、クロック導線２０にクロック信号を出力する。最
後に述べた二つの信号は、デジタル動作する計算機２５
に導入される。高周波発生器８と低周波発生器１４はベ
ース発振器２８によって制御される。
【００１８】プローブヘッド５の出力信号、つまり核ス
ピン信号Ｕi は増幅器３０と制御スイッチ３２を介して
二つの混合器３４と３６に導入される。前記スイッチの
制御入力端は制御導線１６に接続している。スイッチ３
２はこのスイッチに導入される制御信号（関数 m(t))に
応じて極性切換を行う。これ等の混合器は高周波発生器
から同じであるが位相が 90 °ずれた高周波周波数の電
力を供給される。この場合、この実施例では、両方の混
合器の出力信号は低周波領域にある。それにも係わら
ず、低周波への変換は、一つまたはそれ以上の中間周波
数回路を介しても行われる。両方の混合器３４と３６の
出力信号を Re(Ｕ 2) と Im(Ｕ 2)、 つまりU2 の実部と
虚部と表す。これ等の信号はそれぞれ低周波フィルター
３７と３８を介してアナログ・デジタル変換器４０の二
つの入力端に導入される。この変換器の出力端には、計
算機２５の入力端が接続している。計算機２５の出力信
号がデジタル・アナログ変換器４２に導入される。この
変換器のアナログ出力信号は増幅器４４を介して磁界補
正コイル２に導入される。デジタル・アナログ変換器４
２と増幅器４４は制御可能な電流源を形成する。
【００１９】外部擾乱（例えば、隣接する電気通路の導
線の強い電流変動）による急激な磁界変動は磁場センサ
４６によって検出され、アナログ・デジタル変換器４８
を介して計算機２５に導入され、適当な補正信号を発生
し、デジタル・アナログ変換器４２に導入される。図２
に示す補償装置８０は上記の擾乱の補償に周波数に応じ
た影響を与える。
【００２０】計算機２５の中では、低域濾波器３７と３
８のデジタル出力信号が、図１のパルス波形である信号
導線１８に供給される基準信号を使用して、同期整流さ
れる。これは機能ブロック６０と６２で示してある。整
流された信号 uX と uY はそれぞれ、対応する測定変換
器１と測定変換器２によって象徴的に暗示されている第
一測定変換部６４の第一測定変換値と第二測定変換部６
６の第二測定変換値にそこに記入されている公式に応じ
て変換される。この場合、信号 uY は低域フィルターを
介して測定変換部６６に導入され、この低域フィルター
の出力信号に記号(uY ) が付けてある。これ等の測定変
換器の出力信号は、純粋に数値計算を行う制御器６８と
７０を介して制御されるスイッチ７２に導入される。こ
のスイッチは制御器１、制御器２の出力信号あるいは両
方の出力信号の組み合わせを選択し、選択した信号をデ
ジタル・アナログ変換器４２に導入する。
【００２１】図２に示す機能ブロックは、機能様式をよ
り良く理解するために使用され、純粋な数値計算的で示
してある。互いに直交している核磁気信号 uX と uY は
測定変換器と制御器から成る二つの平行する計算群中で
演算処理され、スイッチ中で個々に接続されるか、ある
いは適当な重みを付けて先ず加算して、次いで接続され
る。
【００２２】記憶された表に基づき信号 uX と uY を計
算して、両方の制御器６８と７０の制御パラメータとス
イッチ７２の切換指令を発生する制御器制御部７４が設
けてある。
【００２３】図１と図２に記入した信号と電圧値は以下
の式と計算に関係している。図３と図４に示すベクトル
および図５と図６に示す切換関数 m(t) は既知であり、
以下の記載に使用される。
【００２４】ＮＭＲ磁界安定器は、磁界に比例する測定
量を導くため、核磁気共鳴信号を利用する。この測定量
によってＨ0 の磁界強度を一定値に調節できる。以下で
は、核磁気共鳴信号を数学的に導く。核スピン系を特徴
付けるブロッホの式から出発して、受信コイルに誘起す
る信号を計算する。この信号の変調は受信器の開閉によ
って行われ、接続されている同期整流部を有する直交検
出器が一緒に使用され、次いで両方の直交チャンネルの
出力信号 uX と uY が求まる。
【００２５】提唱する方法を洗練した方法で容易に修正
できるように行うため、機能ユニットの大分は数値的に
表してある。従って、柔軟性に関して最大限が達成さ
れ、標準的なパラメータと操作がソフトウェヤで行わ
れ、容易に変更できる。
【００２６】充分小さい擾乱振幅Δω（即ち、 (Δω)2
T2 2 ≪ 1) と擾乱周波数ωs を有するある与えられた
磁界の乱れ、γΔH0 cosωst ＝Δωcos ωst を出発点
として、この擾乱が核スピン信号 uX と uY への影響を
計算すると、等式（1. 32)と (1.33) になる。このこと
から、上記磁界の乱れが uY に影響を与えず、 uX にの
み現れることが判る。 uX は等式 (1.36) にもう一度複
素平面のベクトルとして記述される。括弧の式は低域フ
ィルターの伝達特性を正確に表し、非常に早い磁界変動
に殆ど反応しない核スピン系の慣性を表す。
【００２７】等式（1.36) から、更に uX が受信増幅度
ktot,送信振幅 H1,飽和パラメータγ2 H1 2 T1 T2 等の
ような非常に多くのパラメータに依存することが判る。
これに反して、Ｕ X を uY で割算すると、これ等の全て
のパラメータを除去でき、非常に簡単な等式 (1.37) と
なる。
【００２８】この割算処理は、種々の異なったパラメー
タの影響を計算に入れて、この場合は補償する適合処理
と既に見なされている。他の重要な関係式は等式 (1.3
9) である。この式はΔωの値がおおきい場合でも、擾
乱振幅の正確な値を直接与える。しかし、これには、
(1.38)あら既に知られている量 uX /(T2uY) の外に、微
分商 duX /dt.しかし、この微分は一緒に欠点も与え、
雑音信号の周波数スペクトルが周波数に比例するように
なるため、Δωの計算が不正確になる。
【００２９】擾乱振幅に対して、Δωを一定と見做す
と、等式（1.39) は線型の微分方程式になる。この式は
フィルターによって実現できる。このフィルターの振幅
特性は周波数ω＝１/T2 まで平坦に推移し、そこから 2
0 db/ デケードで上昇する。このフィルターの複素伝達
関数Ｅは、Ｅ ＝ 1＋iωST2 で与えられ、このフィルターが uX の低域フィルター特
性（等式1.37を参照) を正確に補償し、Δωほど正確に
比例する量を与える。
【００３０】しかし、等式 (1.39) は上記のフィルター
より大きく、 uY が一定でない場合、大きな擾乱振幅の
影響下でも、値Δωを正しく与える。 uY が一定でなく
なると、この等式は非線型の微分方程式になるので、核
スピン系の既知の非線型特性も表せることが判る。
【００３１】１．測定変成器６４は擾乱周波数ωs に無
関係な量Δωを出力するので、つまり平坦な振幅特性を
有するので、安定化判定基準を最も簡単な実施例で満た
すのに１．制御器６８を低域フィルター特性を有する増
幅器で構成するだけで充分である。２．測定変成器６６
は既に低域フィルター特性の信号を出力するので、最も
簡単な実施例では、２．制御器７０を平坦な振幅特性を
有する増幅器として設計できる。
【００３２】両方の場合、両方の制御器に更に積分回路
あるいは二重積分回路を使用すると改善された特性が得
られる。しかし、これ等の回路は制御技術上の安定性の
ため、制御帯域の下部周波数領域でのみ積分特性を実現
する。
【００３３】１．測定変成器６４と１．制御器６８を備
えた１．チャンネルは、優れた動特性を有し、大きな擾
乱振幅Δωの場合、特に粗い制御に適している。何故な
ら、その場合、このチャンネルの強い雑音の難点が、Δ
ωを正確に計算すると言う利点に比べて重要でないから
である。この１．チャンネルは制御のホールド範囲と検
出範囲も改善するため、この制御が遮断状態になるのを
更に防止する。
【００３４】２．測定変成器６６と２．制御器７０を備
えた２．チャンネルは、 T2 によって制限される動特性
を有し、正規動作状態で小さい擾乱振幅の場合に適して
いる。何故なら、このチャンネルは雑音が少なくいため
正確な微調節ができるからである。この場合、 uY は小
さい擾乱振幅で実際上一定であるから、この信号は先ず
低域フィルター７５を経由して導入され、次いで２．測
定変成器６６が利用される。こうして、既存の雑音成分
が更に除去される。
【００３５】制御器の制御部７４は二つの核スピン信号
uX と uY から制御器６８と７０に対する最適パラメー
タと、制御回路の測定変換の二つの方法をどんな重みを
付けて行うかを算出する。正規動作状態であり、しかも
僅かな擾乱振幅しか存在していない場合、制御部は２．
チャンネルを主に、そして１．チャンネルを止める。大
きな擾乱が生じると、直ぐ特にこのことが信号 uX で確
認され、擾乱が再び消えるまで、制御器の制御部が１．
チャンネルを動作させるか、あるいは１．チャンネルに
完全に切り換える。次いで、再び２．チャンネルに切り
換える。より大きい擾乱が常時存在するなら、両方のチ
ャンネルが動作し、擾乱を抑制することと擾乱を最小に
することの間 の最適な妥協が達成されるように、これ
等両方のチャンネルの間の重み付け配分が選択される。
これ等の過程が全て数値的に行われるので、他の重み付
け方法を使用することも非常に簡単である。特に、制御
パラメータを変更することによって、両方の制御器の周
波数特性も擾乱振幅の大きさに応じて可変でき、最適に
することもできる。
【００３６】両方の測定変成器６４と６６で計算に必要
とする緩和時間 T2 は、第一近似で予測値として採用さ
れる。しかし、制御を更に最適化するため、 T2 をより
正確に知る必要がある。これは、制御回路の適当な場所
で信号 (uX)M を加算して所定の分散信号 uX が生じる
ようにする特別な測定過程によって達成される。この加
算に適当な場所はｘチャンネルの同期整流器６０の出力
端である（図２を参照）。磁場安定子はこれ等の介入に
反応し、２．制御器７０を経由して電流源４２，４４と
磁場補正コイル２に磁界変化を発生させる。この磁界変
化は分散信号uX となり、この信号を用いて磁場安定子
は供給された信号(uX)M を補償する。このことは、２．
制御器７０と電流源の増幅率が大きくなればなるほど正
確になる。充分大きな増幅率で、定常状態に達したら、 uX ＝−(uX)M となる。
【００３７】定常状態では、更にωs ＝ 0で uY ＝(uY)
2となり、等式 (1.38) は
【００３８】
【外２】
【００３９】
【外３】
【００４０】となる。この式の右辺は周波数変化Δω＝
γΔH0にいたるまで全て既知である。しかし、前記周波
数変化は磁場補正コイル２に発生する磁界変化ΔH0によ
って検出される。ΔH0は、つまり信号変化Δuaus によ
って生じ、この変化は計算機25の出力端で求まる（図２
を参照）。そして、関係式ΔH0/Δuaus ＝ g0 が既知で
あるから、Δωに対して、 ΔH0＝ g0 Δuaus Δω＝γΔH0 ＝γg0Δuaus が得られる。
【００４１】T2の式に代入すると、
【００４２】
【外４】
【００４３】となる。この測定では、後で説明する補償
器８０（図２を参照）を遮断することが判る。更に、上
に説明したT2の測定は磁場安定子の動作状態で、つまり
閉じた制御回路で行われることが判る。
【００４４】図７には、更に理解を良くするため、信号
(uX)M, uX, uY と uaus が記入してある。信号Δuaus
は二つの信号レベルを引き算して求まる。これ等の信号
レベルは、磁界の乱れと雑音の影響を低減するため、充
分長い測定時間 TM にわたって測定する必要がある。
【００４５】外部擾乱源の急激な磁界の乱れは、説明し
た制御回路で確実に抑制することができない。高い動特
性を有する１．チャンネルは、原理的にこのような乱れ
を排除するのに適しているが、このチャンネルの付加的
な雑音がダイナミックレンジを制限している。そのた
め、他のセンサ、つまり磁場センサ４６を導入してい
る。このセンサは全磁石系の外にある磁界の乱れを検出
する。そこでは、上記磁界の乱れがＮＭＲプローブのと
ころより何倍も強い。何故なら、クライオスタットの導
電性金属部品や、超伝導コイルによってシールドされて
いなく、部分的に補償されていないからである。そし
て、そこでこれ等の乱れが簡単で早く反応する測定検出
器（例えば、フォルスタプローブやホールプローブのよ
うな検出器）で検出される。しかし、その場合の難点
は、外部磁界の乱れに対する試料のところの磁界の乱れ
が周波数に依存する（電磁石コイルやクライオスタット
の金属構造体への侵入深さが周波数に依存するため）こ
と、および、それ故に磁場補正コイルに達する前に、望
ましい早い磁界の乱れを補償するため、検出された外部
信号に先ず周波数特性補正を加える必要がある（図２の
補償器８０の中で行われる）点にある。この補償方法で
の問題点は、測定技術と数学的なデータ処理方法の補助
手段の下で行われる正しい周波数特性の補正を見出すこ
とにある。磁場センサ４６によって検出された擾乱磁界
は一様と見做すことができ、高々 H0 磁界の方向に進む
擾乱磁界の成分のみを計算する必要があるので、大抵た
だ一個の磁場センサで充分である。
【００４６】ブロッホの式に基づき、既に上で部分的に
引用した検出ＮＭＲ信号に対する等式を求める。核スピ
ン系は、磁界ベクトルＨに影響されている磁化ベクトル
Ｍで特徴付けることができる。ＨとＭは直交座標系で定
義される（図３と図４を参照）。
【００４７】Ｍの運動状態を決めるブロッホの式は（"H
andbuch der Physik", S. Fluegge,Band XXXVIII/1,第
130頁、式 2.6を参照) 、
【００４８】
【外５】
【００４９】
【外６】
【００５０】
【外７】
【００５１】となる。ｘｙ平面を複素平面と新たに定義
し、ｘを実数軸、ｙを虚数軸とすると、 Ｆ＝ Hx ＋iHy (1.4) Ｇ＝ Mx ＋iMy (1.5) となる。
【００５２】等式 (1.2)に iを掛け、これを等式 (1.1)
に加え、更にこれに両方の等式 (1.4)と (1.5)を代入す
れば、三つのブロッホの式は二つになる。
【００５３】
【外８】
【００５４】
【外９】
【００５５】Ｇと MZ は未知である。「Im (ＧＦ *)」は
ＧにＦの複素共役を掛けた積の複素数成分である。磁界
ベクトルＨを段階的により正確に決めることにする。第
一段階では、一定のｚ成分 H0 のみ決め、ｘ成分とｙ成
分を零にする。これは、核スピンの自由歳差運動の状態
に対応する。即ち、
【００５６】
【外１０】
【００５７】等式 (1.6)に代入すると、
【００５８】
【外１１】
【００５９】となる。この微分方程式の解は、
【００６０】
【外１２】
【００６１】となる。ｘｙ平面の磁化成分Ｇは時定数 T
2 と共に減少する。そして、これは他の計算に重要であ
り、この成分は角周波数ω0 ＝γH0 で時計方向に回転
する。第二段階では、ｚ成分に HZ ＝ H0 ＝ω0/γに加
えてｘｙ平面の回転磁界Ｆを導入する。この回転磁界は
核スピン系を励起するために使用されるので、自由に歳
差運動するスピンと同じ向きに回転する。つまり時計方
向に回転するが、ω0 とは幾分異なった角周波数ωで回
転する。即ち、
【００６２】
【外１３】
【００６３】となる。等式 (1.6)と (1.7)に代入し、 H
Z ＝ω0/γを用いて、
【００６４】
【外１４】
【００６５】
【外１５】
【００６６】となる。上記両方の微分方程式からＧの解
は、原理的に時間的な振幅変化 a(t) と位相変化φ(t)
で表せる。つまり、
【００６７】
【外１６】
【００６８】となる。ＮＭＲ分光計の受信コイルはｙ方
向を向いているので、成分 My のみが受信コイルに誘起
する核共鳴信号 ui に対して重要になる。つまり、
【００６９】
【外１７】
【００７０】となり、ここで、 MY ＝ a(t) sin(ωt ＋φ(t)) である。そうすると、
【００７１】
【外１８】
【００７２】あるいは、
【００７３】
【外１９】
【００７４】になる。ＮＭＲ分光では、一般に二つの条
件、
【００７５】
【外２０】
【００７６】が満たされるので、 ui に対する等式の第
一加算部のみが重要である。つまり、 ui ＝ k1 ω a(t) cos(ωt ＋φ(t)) である。
【００７７】複素記載法を維持するため、複素ＮＭＲ信
号Ｕ i を定義し、実数部のみ考慮する。つまり、
【００７８】
【外２１】
【００７９】交番極性の受信器を（ドイツ特許第 22 37
891号明細書から公知のように) 切換動作させて、Ｕ i
に周期的な切換関数 m(t) を掛ける (図５と図６を参
照）。こうして、Ｕ 3 が生じる。つまり、
【００８０】
【外２２】
【００８１】この受信器中では、信号Ｕ 3 が直交混合回
路で低周波領域に二回混合される。しかも、信号Ｕ 3 と
同じ周波数ωであるが、 90 °ずれた位相の二つの局所
発振器で混合される。数学的には、この二つの混合過程
はＵ 3 に二つの指数g2・exp(iωt)と−g2・exp(iωt)を
掛けることに相当する。これ等の指数は互いに 90°位
相がずれ、Ｕ 3 とは反対の向きに回転する。第一混合部
はＵ X2を出力する。つまり、
【００８２】
【外２３】
【００８３】第二混合部は、
【００８４】
【外２４】
【００８５】を出力する。実際の直交信号は定義により
複素信号Ｕ X2とＵ Y2の実数部によって与えられる。つま
り、 uX2＝ Re(Ｕ X2) uY2＝ Re(Ｕ Y2) ＝ Re(− iＵ X2) ＝ Im(Ｕ X2) 従って、複素信号Ｕ X2のみを計算するだけで充分であ
り、その場合、二つの直交チャンネルの信号 uX2と uY2
がＵ X2の実数部と虚数部によって与えられることに注意
すべきである。Ｕ X2の代わりに、より簡単な関係式Ｕ 2
を利用すべきである。つまり、
【００８６】
【外２５】
【００８７】そして、等式 (1.12) から関係式
【００８８】
【外２６】
【００８９】を導くことができるので、Ｕ 2 に対して、
【００９０】
【外２７】
【００９１】を得る。切換関数 m(t) は図５と図６に示
してある。そして、図１にも記入されていて、ωm の間
隔の個々の周波数成分から合成される。その場合、第一
成分はωm/2にある。
【００９２】選択性の低周波フィルター３７，３８（図
１を参照）を介して、第一成分 m1 sin(ωmt/2)のみが
伝達される。従って、m(t)は上の関数で置き換えること
ができ、低周波フィルター３７，３８の出力端の信号に
対して、
【００９３】
【外２８】
【００９４】が得られる。これに続く同期整流器６０，
６２の中では、sin(ωmt/2)の負の半波を正の領域に折
り返し、それから整流電流成分 g3 が求まる。従って、
sin(ωmt/2)を g3 で置き換えることができ、同期整流
器６０，６２の出力端の信号に対して、
【００９５】
【外２９】
【００９６】あるいは、
【００９７】
【外３０】
【００９８】を得る。ここで、 ktot ＝ k2 ω g2 m1 g3 であり、 uX と uY は両方の直交チャンネルの信号であ
る。
【００９９】等式 (1.17) をＧによって解くと、
【０１００】
【外３１】
【０１０１】となり、これを等式 (1.19) と (1.11) に
代入すると、検出されたＮＭＲ信号に対して求める微分
方程式、
【０１０２】
【外３２】
【０１０３】
【外３３】
【０１０４】となる。等式 (1.18) にＵ＝ uX ＋iuY を
代入すると、上記二つの微分方程式から以下の三つの微
分方程式が得られる。即ち、
【０１０５】
【外３４】
【０１０６】
【外３５】
【０１０７】
【外３６】
【０１０８】若干の特殊例の研究 ケース１ ω ＝一定 ω0 ＝一定 核スピンがこの状態になると、定常状態になり、時間に
依存する成分duX/dt ,duY/dt, MZ/dt は無視できる。即
ち零にできる。従って、
【０１０９】
【外３７】
【０１１０】
【外３８】
【０１１１】
【外３９】
【０１１２】となる。これは、三つの等式と三つの未知
数を有する等式系になる。その解は、
【０１１３】
【外４０】
【０１１４】
【外４１】
【０１１５】
【外４２】
【０１１６】であって、ここで uX は分散信号を表し、
u Y が吸収信号を表す。 ケース２ ω0 ＝ω＋γΔH0 cosωst ＝ω＋Δω cosωst この場合は、ＮＭＲ磁場安定子がロックされ、核スピン
のラーマー周波数ω0 が磁界強度 H0 を可変して励起周
波数ωの値に制御された状態に相当する。その場合、擾
乱周波数ωs の周期的な磁界変動γΔH0 cosωst も存
在している。小さい擾乱振幅Δωの場合にのみ簡単な解
が存在することが判る。
【０１１７】等 式 （ω0 −ω）＝Δω cosωst （が与えられている） uX ＝ A cosωst ＋ B sinωst (1.26)
【０１１８】
【外４３】
【０１１９】
【外４４】
【０１２０】uY と MZ の式は、 (ω0 −ω）＝０を代
入した時の等式 (1.24) および (1.25) の値になる。上
記の式はロックされた状態に当てはまる。微分方程式
(1.20), (1.21) と (1.22) に代入すると、これ等は以
下の三つの式になる。即ち、
【０１２１】
【外４５】
【０１２２】
【外４６】
【０１２３】
【外４７】
【０１２４】三番目の等式は正確に満たされる。第二の
式も同じように、以下の条件
【０１２５】
【外４８】
【０１２６】が当てはまれば、満たされる。Aと Bが算
出されると、上記の不等式は新たに定式化される必要が
あり、使用する式の有効範囲を規定する利用可能な条件
が導かれる必要がある。
【０１２７】一番目の等式から Aと Bが算出される。即
ち、 − Aωs ＋（B/T2) ＝ 0
【０１２８】
【外４９】
【０１２９】から、
【０１３０】
【外５０】
【０１３１】
【外５１】
【０１３２】となる。条件 (1.29) に代入して、
【０１３３】
【外５２】
【０１３４】
【外５３】
【０１３５】（ΔωT2)2≪ 1 となる。(1.30) と (1.31) を (1.26) に代入すると、
求める結果、
【０１３６】
【外５４】
【０１３７】
【外５５】
【０１３８】
【外５６】
【０１３９】となる。その場合、（ΔωT2)2≪ 1でなく
てはならない。ここで、磁界の変動Δω cosωst は u
X にのみ影響を与え、 uY や MZ に影響を与えないこと
が判る。
【０１４０】cosωst ＋ωsT2 sinωst を指数 1− iω
sT2に置換して、 uX を複素平面内の指数としても表せ
る。即ち、
【０１４１】
【外５７】
【０１４２】こうして、 uX に対する非常に簡単な式が
得られる。即ち、
【０１４３】
【外５８】
【０１４４】ここで、（ΔωT2)2≪ 1 括弧の式は限界周波数 1/T2 ( 角周波数として表現され
る) と伝送周波数としてのωs を有する低域フィルター
の伝達関数に一致する。
【０１４５】興味のある量は、
【０１４６】
【外５９】
【０１４７】である。ここで、（ΔωT2)2≪ 1 この式は非常に利用価値がある。何故なら、この式は受
信増幅率 ktot, 送信振幅 H1 および飽和パラメータγ2
H1 2 T1 T2のような多数のパラメータに無関係であるか
らである。低い擾乱周波数ωs （即ち、ωs 2T2 2 ≪ 1)
に対して、しかも既知の T2 でこれから直接擾乱振幅Δ
ωが求まる。即ち、
【０１４８】
【外６０】
【０１４９】 ここで、（ΔωT2)2≪ 1および（ωsT2)2 ≪ 1である。 他の興味ある量はω0 −ωに対して式Δω
【０１５０】
【外６１】
【０１５１】を使用すると、(1.20)から直接導くことが
できる。この式は正確で、条件に結び付いていない。第
一加算部の中に等式（1.38) をみることができる。微分
商dux /dt を有する第二加算部は、両方の条件（Δω
T2)2≪ 1と（ωsT2)2 ≪ 1の独立性を保証するため、必
要な量を与える。
【０１５２】
【発明の効果】上記の説明で明らかなように、この発明
による方法では磁気共鳴測定用の電磁石の磁場、特に試
料室の高均一磁場の時間に依存する磁界変動を補償して
いる。比較物質の核信号の分散信号 uX が捕捉され、分
散信号に依存する電流を電磁石の磁界補正コイルに発生
させて補償が行われる。更に、比較物質の吸収信号 uY
も捕捉され、補償は量 uX/uY および・または (1/uY)(d
uX/dt)に応じて行わ、多数の影響量に無関係となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】安定化装置の全体構成を示すブロック図であ
る。
【図２】図１の計算機の機能構成を示すブロック図であ
る。
【図３】直交座標系で磁界ベクトルＨを示す図面であ
る。
【図４】直交座標系で磁化ベクトルＭを示す図面であ
る。
【図５】切換機能部の時間関数を示すグラフである。
【図６】図５と同じ切換機能部の周波数スペクトルを示
すグラフである。
【図７】T2 を求める測定量を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 磁場コイル（測定変成器） ２ 磁場補正コイル（測定変成器） ５ 試料ヘッド ６ 高周波送信器 ８ 高周波発生器 １０ 切換器 １２ 制御導線 １４ 低周波発生器 １６ 制御導線 １８ 信号導線 ２０ タイミング導線 ２５ 計算機 ２８ ベース発振器 ３０，４４ 増幅器 ３２，７２ 切換器 ３４，３６ 混合器 ３７，３８ 低周波フィルター ４０，４８ アナログ・デジタル変換器 ４２ デジタル・アナログ変換器 ４６ 磁場センサ ６０，６２ 機能ブロック ６４，６６ 測定変成器 ６８，７０ 制御器 ７４ 制御器の制御部 ７５ 低域フィルター ８０ 補償装置

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 比較物質の核信号の分散信号 uX を検出
    し、分散信号に依存する電流を磁界補正コイルに発生さ
    せて補償に利用する、磁界の高い一様性を有する電磁石
    の磁場中、特に磁気共鳴測定用の超伝導電磁石の試料室
    中の時間的に変化する磁界の乱れを補償する方法におい
    て、更に比較物質の吸収信号を検出し、重要な量 uX/u
    Y と (1/uY)(duX/dt)の組み合わせに応じて補償を行う
    ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 補償は量 1/T2・uX/uY に応じて行わ
    れ、ここで T2 は比較物質のスピン・スピン緩和時間で
    あることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 低域フィルターを行った吸収信号 uY が
    使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 補償は量 1/T2・uX/uY ＋ 1/uY・duX/dt
    に応じて行われることを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 外部の早い磁界の乱れを補償するため、
    電磁石の外の磁界の乱れを検出し、周波数特性の補正に
    利用し、次いで補償電流を発生させるために使用するこ
    とを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 制御回路中の T2 を求めるために、磁界
    の乱れをシュミレートする所定の電気信号 (uX)M を供
    給し、シュミレートした磁界の乱れを補償した後、 T2
    を公式 【外１】 に従い求め、その場合、Δω＝γΔH0はシュミレートし
    た乱れによって生じる核スピンの周波数変化で、γはギ
    ャイロマグネット比で、ΔH0は補償時に発生する磁界の
    変化であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項
    に記載の方法。
  7. 【請求項７】 比較物質の核信号の分散信号 uX を検出
    し、分散信号に依存する電流を電磁石の磁界補正コイル
    （２）に発生させて補償し、特に請求項１〜６の何れか
    １項の方法を行う装置を備え、磁界の高い一様性を有す
    る電磁石の磁場中、特に磁気共鳴測定用の超伝導電磁石
    の試料室中の時間的に変化する磁界の乱れを補償する装
    置において、核信号の分散信号 uX と吸収信号 uY を与
    える位相に敏感な整流器（６０，６２）を備え、 uX/u
    Y や (1/uY)(duX/dt)に依存する少なくとも一つの量を
    発生させる装置（６４，６６）を備えていることを特徴
    とする装置。
  8. 【請求項８】 量 1/T2・uX/uY を形成する測定変成器
    （６６）を備えていることを特徴とする請求項７に記載
    の装置。
  9. 【請求項９】 量 1/T2・uX/uY ＋ 1/uY・duX/dt を形
    成する測定変成器（６４）を備えていることを特徴とす
    る請求項７または８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１個の測定変成器（６４，
    ６６）に制御器（６８，７０）が後続し、この制御器の
    出力端に制御特性に応じて修正された当該制御器の入力
    信号が出力することを特徴とする請求項７または８に記
    載の装置。
  11. 【請求項１１】 一方の量または他方の量あるいは両方
    の量の組み合わせを選択する切換装置（７２）を備えて
    いることを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記
    載の装置。
  12. 【請求項１２】 分散信号 uX と吸収信号 uY に応じて
    制御器（６８，７０）や切換装置（７２）を制御する制
    御装置（７４）を備えていることを特徴とする請求項１
    ０または１１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１個の制御器が、集積され
    た、あるいは二重に集積された増幅器を備えていること
    を特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】 量 1/T2・uX/uY を形成する測定変成
    器（６６）のｙ入力端に、低域フィルター（７５）が接
    続されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 電磁石の外にある急激な外部磁界の乱
    れを補償するため、磁場センサ（４６）が設けてあるこ
    とを特徴とする請求項７〜１４の何れか１項に記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】 装置の動作の少なくとも一部を純粋に
    数値計算で行うデジタル計算機（２５）を備えているこ
    とを特徴とする請求項７〜１５の何れか１項に記載の装
    置。
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