JPH10510631A - 高周波磁場パルス発生器 - Google Patents

高周波磁場パルス発生器

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JPH10510631A JP9514075A JP51407597A JPH10510631A JP H10510631 A JPH10510631 A JP H10510631A JP 9514075 A JP9514075 A JP 9514075A JP 51407597 A JP51407597 A JP 51407597A JP H10510631 A JPH10510631 A JP H10510631A
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Abstract

(57)【要約】 NMR調査に使用するための高周波磁場パルスを生成する高周波磁場パルス発生器。本発生器は、1対の入力端子(18、19)間に並列に接続された2つの辺を備えているHブリッジ増幅器からなり、各辺は2つの直列接続されたソリッドステートスイッチ(20−23)からなる。送信器コイル(41)は、各対の直列接続されたソリッドステートスイッチ(20−23)の間の出力端子(24、25)の間に接続されている。電源(3)は、入力端子の一方、または両方に接続されている。制御手段は、各辺内の関連スイッチ(20−23)を使用中の所要無線周波数で交互に動作させるようになっており、それによって電源(3)を上記送信器コイル(41)にまたがって交互の極性で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】 高周波磁場パルス発生器 本発明は磁場パルス発生器に関し、詳しく述べれば、核磁気共鳴(NMR)調 査に使用する高周波パルスの生成に関する。本発明は特に、ダウンホール油井ロ ギング応用に使用する、このような発生器を提供することに関する。 普通のNMRパルス信号増幅器は、線形A/B級増幅器(典型的には真空管増 幅器)を使用している。 本発明によれば、NMR調査に使用する高周波磁場パルスを生成するための高 周波磁場パルス発生器が提供され、本発生器は、 1)1対の入力端子の間に並列に接続され、それぞれが2つの直列接続された ソリッドステートスイッチからなる2つの辺と、 2)直列接続されたソリッドステートスイッチの各対間にそれぞれ限定されて いる出力端子の間に接続され、交流高周波信号に応答して磁場パルスを出力端子 に送信するようになっている送信器コイルと、 3)入力端子の一方、または両方に接続されている電源と、そして 4)各辺内の関連スイッチを使用中の所要無線周波数で交互に動作させること によって電源を送信器コイルにまたがって交互の極性で接続し、出力端子に交流 高周波信号を生成させる制御手段と、 を備えている。 本発明によるスイッチの構成は、「Hブリッジ」として知られるものである。 典型的には、ソリッドステートスイッチはD/E級増幅器を構成している。この 構成は、信頼性が高く(ソリッドステートスイッチに加わる電圧応力が低い)、 必要なキャパシタの数が最小である(キャパシタは製造することが困難であり、 また 150°C程度の動作温度では信頼性に欠けることがあり得る)ことから、N MR調査(特に、ダウンホール井戸ロギングデバイス)に使用するのに適してい ることが知られている。 この設計は、A/B級増幅器を使用する従来設計よりも高い効率を呈する(即 ち、増幅器成分内の電力損失が低い)。またこの設計は、極めて簡単(数個の成 分)であり、サイズが小さく、頑丈であり、そして信頼性が高い(部分的に、ソ リッドステートデバイスを使用したことによる)。 典型的には、ソリッドステートスイッチはHEXFETのようなMOSFET 電力スイッチングトランジスタである。これらは、ダウンホールNMR応用の電 力及びスイッチング要求に適していることが知られている。更に、MOSFET は、電流定格は低下するにしても、150 °C程度の動作温度に耐えることができ る。 スイッチは、各々が単一のソリッドステートスイッチからなっていても、また は各々が並列に接続された複数のソリッドステートスイッチからなっていてもよ い。 典型的には、制御手段は、互いに 180°の相差を有し、Hブリッジ内の対角対 のスイッチのゲートを駆動する2つの制御信号を生成するようになっている回路 からなる。典型的には、制御回路は、高周波信号発生器によって制御される別の Hブリッジからなる。 典型的には、送信器コイルは、コイルと並列に、または直列に接続されたキャ パシタンス(典型的にはキャパシタ)を含む共振回路の一部である。 共振回路は、送信器コイルと直列接続されたキャパシタからなることが好まし い。(共振するとインピーダンスが高くなる並列同調回路ではなく)共振すると インピーダンスが低くなる直列同調回路を使用することによって、回路内の全て のノードは局部供給電圧(典型的には直流 250V)に、またそれ以下に維持され る。但し、送信器コイル(LT)とキャパシタンス(CT)との間の接続は同調回 路の質係数Q(=ωLT/RT)に依存して5kVを超えることがある。典型的に これは恒久的な接続であり、キャパシタンスは送信器コイルと共に油入中心区分 内に位置決めされる。もしサービス中にBOドリフト及び/またはCTもしくはLT のドリフトが原因で共振回路を同調させる必要が生じれば、パルス列の間に特 別な同調用キャパシタをスイッチインさせることができる。典型的には、キャパ シタスイッチは詳細指定された高電圧、大電流リレーである。 代替として、送信器は共振回路の一部を形成しなくともよい。この場合、もし その特性時定数が駆動周波数の周期よりも遥かに小さければ、同調用キャパシタ なしでコイルを直接駆動しただけでも動作する。共振周波数においては、直列同 調回路のインピーダンスは抵抗損失(RT)の値を減少させ、リアクティブ成分 (ωLT及びωCT)は消滅する。もし同調用キャパシタを省略すれば、送信器か ら見たインピーダンスはコイルの誘導性リアクタンス(ωLT)が支配的になる 。抵抗とリアクタンスの比(RT/ωLT)が、コイルの特性時定数(τ:これは 質係数Qの逆数である)を限定する。もしこれがオン時間(即ち、スイッチング 周期の半分)に比して小さければ、電流はオン半サイクル中にRTによって制限 されたその最大値まで上昇し、得られる「方形」形状電流パルスによって誘導さ れる高調波が原因で、スペクトル純度は貧弱で、電力を浪費はするもののシステ ムは動作する。もしτがオン時間に比して大きければ、駆動電圧が反転するまで に、電流は必要なオン値まで上昇しない。 典型的には、1またはそれ以上のスイッチを介して共振回路に接続された1ま たはそれ以上のダンピング抵抗、及び磁気パルスの後に1または複数のスイッチ を閉じるようになっている制御手段とからなる能動リングダウン回路を付加する ことによって、共振回路内のリングダウンは最小になる。その結果、この(これ らの)ダンピング抵抗は、共振回路を含む電流ループの一部を形成し、共振回路 内のリングダウンを制御するようにエネルギを消散させる。 リングダウン回路は単一の抵抗からなっていてもよいが、各々が関連するスイ ッチを有する2つの抵抗からなることが好ましい。典型的には、スイッチはMO SFETのようなソリッドステートスイッチである。 典型的には、電源は1またはそれ以上の電力蓄積キャパシタからなる。ダウン ホール井戸ロギング応用では、この(これらの)キャパシタは井戸内のプローブ と共に位置決めし、地表上の直流電源に接続することが好ましい。 本発明の第2の面によれば、本発明の第1の面による発生器を動作させる方法 が提供され、本方法は、あるパルス中に各対のスイッチの1つずつを動作させる 段階と、そのパルスの終わりに4つのスイッチを全て開いて共振回路内のリング ダウンを制御する段階とを備えている。 本発明のこの第2の面は、あるパルスの後に共振回路内のリングダウンを制御 する付加的な方法を提供する。典型的には、スイッチを所定の時間にわたって開 いた後に、低電圧リングダウンを制御するように、もし設けられていれば能動リ ングダウン回路をスイッチインさせる。 以下に添付図面を参照して本発明の幾つかの実施例を説明する。 図1は、本発明によるパルス発生器のブロック線図である。 図2は、図1の構成要素を詳細に示す回路図である。 図3a及び3bは、あるパルス中のゲート駆動信号G1及びG2の電圧を示す グラフである。 図4は、パルス変成器の出力から導出されたゲート駆動信号の実対を示すグラ フである。 図5は、本発明の第2の面によるリングダウン方法を用いない普通のパルス中 に送信器コイルを通る電流を示すグラフである。 図6は、パルスの終わりにスイッチは開くが能動ダンピング回路はスイッチイ ンしていない場合に送信器コイルLTを通る電流を示すグラフである。 図7は、スイッチQ5及びQ6に印加される能動リングダウン制御信号を示す 図である。 図8は、パルスの終わりに4つのスイッチが開き、能動ダンピング回路がスイ ッチインした場合に送信器コイルにまたがる電圧を示す図である。 図9は、代替タンク回路のトポロジを示す図である。 図10は、リングダウン回路がない場合の典型的なパルスを示す図である。 図11は、リングダウン回路がある場合の図10と同一の図である。 図12は、図10のパルスの終わり(リングダウン無し)をより詳細に示す図 である。 図13は、図11のパルスの終わり(リングダウン有り)をより詳細に示す図 である。 図14は、図10のパルスの終わり(リングダウン無し)を更に詳細に示す図 である。 図15は、図11のパルスの終わり(リングダウン有り)を更に詳細に示す図 である。 図16は、初期リングダウン相中の瞬時電流経路を示す図である。 図17は、能動ダンピングを行わない場合の最終リングダウン相中の瞬時電流 経路を示す図である。 図18は、能動ダンピング中の瞬時電流経路を示す図である。 図1を参照する。地表の直流電源1はケーブル2(井戸穴の長さに沿って通っ ている)を介して、エネルギ蓄積デバイス3を組み込んだプローブ8へ接続され ている。エネルギ蓄積デバイス3は増幅器4に接続され、増幅器4は制御回路7 の制御の下にパルス化された交流高周波信号5をタンク回路6に供給する。タン ク回路6は、プローブ8を取り囲む環境のNMR調査に使用される高周波磁気信 号9を送信する。 図2に発生器をより詳細に示す。地表電源1は直流電力電圧+Vs及び−Vsを 、ケーブル2を介してエネルギ蓄積キャパシタ14へ供給する。典型的には、Vs は 500Wの電力で 250乃至 500V(即ち、電圧差は 500−1000V)の範囲であ る。電圧は、部分的に、電力蓄積キャパシタ14の設計及びMOSFETの電圧 能力によって決定される。図示のように、ケーブル2は、関連ケーブル抵抗(抵 抗10、11、11’)及びインダクタンス(インダクタンス12、13)を有 している。ケーブル2は、2本の準平衡ケーブルからなっている。 250Jの絶対 最小蓄積エネルギをキャパシタ14内に蓄積する必要がある。キャパシタ14は 単一のキャパシタとして図示してあるが、典型的いは必要とされる大きい容量を 得るために並列キャパシタのバンクによって実現されている。エネルギ蓄積モジ ュール3のためにモジュラ構造が採用され、各ユニットは、発生器に特別なモジ ュールを取付けた時に調整された合計蓄積エネルギが、使用されるパルスシーケ ンスに、及び井戸ロギングツール環境に合わせることができるように 250Jを蓄 積できるキャパシタ14からなっている。 地表から使用可能な平均電力は 500Wに制限されており、これは約 10 kWの 必要ピークパルス電力よりも小さいから、エネルギ蓄積デバイス3が必要なので ある。キャパシタ14は、最長パルススピン・エコーシーケンス、及び最長受容 シーケンス間再充電時間の双子の制約に合致するように十分なエネルギを蓄積す るサイズである。第2の制約は、通常は、蓄積されたエネルギが第1の制約を満 足するのに必要なエネルギの2乃至5倍であることを意味する。従って、必要な エネルギが 250Jであり、電圧範囲が直流 500−1000Vである場合には、必要な キャパシタンスは 500−2000μFの範囲内にある。エネルギ蓄積デバイス3は、 関連コネクタインダクタンス16を有するコネクタ15、及びストッピングダイ オード16’を介して増幅器4と、増幅器の局部接地参照17とに接続されてい る。送信器増幅器の局部接地参照17は、地表接地に対して負に数百V浮かせる ことができる。 増幅器4は、4つのHEXFETモジュール(International Rectifier“HEX FETs”)20−23からなるHブリッジ共振変換器として構成されている。HE XFETモジュール20−23は、 IRFK6H450、IRFK6H350 または類似のモジュ ールであることができる。代替として、HEXFETモジュールは、HEXFET III デバイスのようなより小型のデバイスを多数並列接続したものに置換することが できる。エネルギ蓄積コネクタ15は、Hブリッジ入力端子18に接続されてい る。他の電力入力端子19は、増幅器接地17に接続されている。タンク回路6 は、出力端子24、25の間に接続されている(即ち、タンク回路6は「H」の 中央バーにまたがって接続されている)。 HEXFETスイッチ20−23は、大電流ドライバ回路7(図2には図示し てないが、それ自体は小型のHEXFETデバイスのHブリッジである)から、 パルス変成器(制御ゲートの対27、28及び26、29への入力である信号G 1及びG2を発生する)を介して駆動される。ドライバ回路7は、100 μs より 短い時間内にFET20−23をターンオンさせるように、十分な電流スルーレ ートを有していなければならない。ダイオード対30−37は、FETのそれ自 体の(低速の)ダイオード(図示してない)を分離するデュアル高速回復ダイオ ードモジュールであり、迅速なスイッチオフを保証する。 単一の 40 μs パルス中のゲート信号G1及びG2を、それぞれ図3a及び3 bに示す。図示のように、信号G1及びG2は互いに 180°の位相差を有してい る。その結果、G2によって駆動される対20、23、及びG1によって駆動 される対21、22は交互にスイッチオンされ、出力端子24、25には交流電 圧が供給されるようになる。 図示のために図3の水平スケールは十分に大きくないので分かり難いが、ドラ イバ回路7は、ある辺(スイッチの各対20、21及び22、23がHブリッジ の「辺」を構成している場合)内の両FETが同時にスイッチオンしないように 保護するために、ゲート信号G1とG2との間に不動作時間が存在するようにし ている。電流感知制御回路も組み込まれている(図示してない)。 上側のFET20、22への信号は、回路接地に対して浮かせなければならな い。従って、ゲートパルスはゲート駆動回路からパルス変成器を介して結合され ている。 供給ラインを局部的に「硬く」して局部蓄積キャパシタから浮遊ケーブルイン ダクタンスの効果を打ち消すために、バイパスキャパシタ40が必要である。 図4は、パルス変成器の出力から導出した実ゲート信号を示している。 図2に戻って、共振タンク回路6は送信器コイル41を備え、コイル41は直 列の同調用キャパシタ42と共にラーモア周波数に同調する。同調用キャパシタ 42は一連の並列キャパシタ43−46として構成されている。通常の動作中に は、第1のキャパシタ43だけが接続される。もしサービス中に、BOドリフト 及び/またはキャパシタ43もしくはコイル41のドリフトが原因で、送信器回 路を同調させる必要を生じれば、パルス列の間に特別同調用キャパシタ44−4 6をスイッチインさせることができる。関連スイッチ47−49は詳細指定され た高電圧、大電流リレーである。 典型的な構成要素の値は以下の通りである。 ダイオード30−37: BYT261PIV-600:Vrrm=600V、Ifrm= 800A、デ ュアル高速回復ダイオードパック、ISOTOPパッケージ。 送信器コイル:L≒ 22 μH、ピーク電圧 最大 10 kV、ピーク電流 100A 、抵抗50:注意深く設計し、リッツ線の使用等によって最小になっている。 キャパシタ43−46: 150°の能力を有する高電圧、高周波セラミックディ スクキャパシタ(典型値: 440kHzから 10 %の周波数変化に対して、キャパ シタ43: 5.9nF、キャパシタ44: 180pF、キャパシタ45: 360pF、 キャパシタ46: 710pF) スイッチ47−49:絶縁 10 kV、ピーク電流 100A、最小直流及び交流抵 抗、既知の浮遊インダクタンス及びキャパシタンス(スイッチング時間は重要で はない)。 抵抗50は、コイル41及びキャパシタ43−46の直流及び交流抵抗、及び プローブを取り囲む導体内の反射損失からなる合計損失抵抗を表す。Hブリッジ 4の質係数Qは、この損失と導通中のFETの対内の損失との合計によって決定 される。送信器の効率は、パルス中のコイル41内の損失とHブリッジ4及びド ライバ回路内の損失との比に関係がある。この効率は、温度の増加及びFETオ ン抵抗の増加と共に低下する。本発明の増幅器の長所は、パルス間には殆ど電力 を消費しないことであり、これは常にヒーター電力として数十ワットを消費する 真空管システムと対照的である。 典型的なNMR調査中、一連の高周波エネルギのパルス(これらのパルスの連 は「パルス列」として知られている)が送信器コイル41によって出力される。 図5は単一のパルスを示すものあるが、この図は0乃至 40 μsの間に出力端子 24、25に印加されるパルス中に送信器コイル41を通る電流を示しており、 このパルス中に能動「リングダウン」は使用されていない。即ち、このパルスの 終わりに、2つの下側スイッチ21、23が閉じ、2つの上側スイッチ20、2 2が開く。更に、リングダウン回路(後述)はスイッチインされていない。この 普通のパルスに見られるように、重大な「リングアップ」時間(ほぼ0と 40 μ sとの間)を経験する。更に、 40 μsと 60 μsとの間に(そして 60 μsの 後にも継続するが、図5には示してない)重大な「リングダウン」が示されてい る。リングアップ及びリングダウンは、共振回路6に不可避の結果である。リン グアップ及びリングダウン時間は、回路のQ係数に関係がある。コイル内の電力 損失を減少させるためにはパルス中にQ係数が高いことが望ましいが、関連する リングアップ及びリングダウン期間はパルスの望ましくない特色である。リング ダウンの問題は、以下に述べる2つの方法で制御される。 第1に、パルスが 40 μsにおいて終了した後に、スイッチ20−23を全て 開く。この状態ではタンク回路エネルギは、図16に示すように、FETダイオ ードの損失の多い経路及びバイパスキャパシタ40を介して転流し、始めに急速 なリングダウンが達成される。エネルギは、消散されるのではなく、バイパスキ ャパシタ40内へ有効にポンプバックされる。第1のリングダウン段階からのエ ネルギをバイパスキャパシタ40へ戻して蓄積させるために、ダイオード16’ が必要である。その結果としてのパルス形状を図6に示す。図6から明白なよう に、ほぼ 40 μsと 50 μsとの間で遥かに迅速なリングダウンが達成されてい る。しかしながら、回路動作のこのモードは、FETダイオードが導通を停止し た時に終了する。そこで、図17に示すように、電流がFETの浮遊キャパシタ ンス70−73及びバイパスキャパシタ40を介して転流し、リンギングの周波 数を増加させる。このリンギングは数十μsにわたって継続する。これを図6の 50 μsの後に示してある。この残された電流は受信器コイルを再リングさせる のに十分であり、従って、この点において抵抗性ダンピングループを導入するの が最良である。 ダンピング抵抗60及び61が、MOSFETスイッチ62、63を介して出 力端子24、25と入力端子19との間に接続されている。 スイッチ62、63の動作は、光カップラ67及び低域通過フィルタ68を介 して入力される制御信号66からなる制御回路65によって制御される。即ち、 スイッチ62、63はパルスの数μsの後に閉じて、アイテム41−42−63 −61−60−62−50を通る電流ループを完成させる。Qを低下させるこの 能動的な方法は、パルス中のシステムのQに影響を与えない。 スイッチ62、63に印加される制御信号を図7に示す。図7から明白なよう に、リングダウン回路はほぼ 45 μs(パルスが終わってから5μs後)にスイ ッチインされる。この時点には、4つのスイッチ20−23が開くことによって パルスはかなり減衰しており、図6で先に示したように 50 μsと 80 μsとの 間の高周波数リングダウン相に今将に入ろうとしている。残された蓄積エネルギ は抵抗60、61内で熱として失われる。抵抗60、61の値は、最適リングダ ウン時間が得られるように(即ち、将にアンダーダンプされるように)選択され ている。即ち、 (RT+RD1+RD2)/(CT 2T)=4 ここに、RT は、抵抗値50であり、 RD1は、抵抗60の抵抗値であり、 RD2は、抵抗61の抵抗値である、 CT は、キャパシタ42のキャパシタンスであり、そして LT は、コイル41のインダクタンスである。 コイル41にまたがって得られる電圧を図8に示す。図8から明白なように、 急速なリングダウンが達成されており、ほぼ 50 μs以降には観測可能なリンギ ングは存在しない。能動的にダンプされたリングダウン相中の電流経路を図18 に示してある。 図11、13、及び15は実リングダウン動作のオッシロスコーププロットで あり、一方図10、12、及び14は能動リングダウンを使用しない場合のパル スを示している。 図9に、代替タンク回路トポロジを示す。この場合、タンク回路は変成器90 を介してHブリッジ4(前述したようなブリッジ)に接続されている並列共振回 路6’からなっている。 4つの別々のHEXFETモジュール及びそれらのダイオードは、特注ハイブ リッド構造Hブリッジソリッドステートブリッジ(即ち、回路は同一であるが、 全てソリッドステートシリコンデバイスを大規模モジュール内のセラミックサブ ストレート上に組立てたもの、これは性能を改善し、サイズを減少させ、そして 同調回路への接続を容易にする)と置換することが可能である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1) NMR調査に使用するための高周波磁場パルスを生成する高周波磁場パルス 発生器であって、 1)1対の入力端子間に並列に接続され、各々が2つの直列接続されたソリ ッドステートスイッチからなる2つの辺と、 2)上記各対の直列接続されたソリッドステートスイッチの間にそれぞれ限 定され、交流高周波信号に応答して磁場パルスを出力端子に送信するようになっ ている送信器コイルと、 3)上記入力端子の一方、または両方に接続されている電源と、 4)上記各辺内の関連スイッチを使用中の所要無線周波数で交互に動作させ ることによって電源を上記送信器コイルにまたがって交互の極性で接続して交流 高周波信号を上記出力端子に生成させる制御手段と、 を備えていることを特徴とする高周波磁場パルス発生器。 (2) 上記各ソリッドステートスイッチは、電力MOSFETスイッチングトラン ジスタからなる請求項(1)に記載の発生器。 (3) 上記各スイッチは、並列の複数のソリッドステートスイッチからなる請求項 (1)または(2)に記載の発生器。 (4) 上記制御手段は、互いに 180°の相差を有する2 つの制御信号を入力し、上 記各辺内の関連スイッチのゲートを駆動するようになっているゲート駆動回路か らなる先行請求項の何れかに記載の発生器。 (5) 上記送信器コイルは、上記送信器コイルと並列の、または直列のキャパシタ ンスを含む共振回路の一部である先行請求項の何れかに記載の発生器。 (6) 上記キャパシタンスは各々が関連スイッチを有する複数の並列キャパシタか らなり、上記制御手段は上記キャパシタスイッチを制御して上記共振回路の共振 周波数を調査中のサンプルの所望のラーモア周波数に調整するようにようになっ ている請求項(5)に記載の発生器。 (7) 上記電源は、電力蓄積キャパシタを備えている先行請求項の何れかに記載の 発生器。 (8) 能動リングダウン回路を更に備え、上記能動リングダウン回路は、1または それ以上のスイッチを介して上記送信器コイルに接続されている1またはそれ以 上のダンピング抵抗と、磁気パルスの後に上記1またはそれ以上のスイッチを閉 じさせる制御手段とを備え、それによって上記1またはそれ以上のダンピング抵 抗は上記送信器コイルを含む電流ループの一部を形成し、上記送信器コイル内の リングダウンを制御するようにエネルギを消散させるようになっている先行請求 項の何れかに記載の発生器。 (9) 上記共振回路は、上記出力端子間に上記送信器コイルと直列に接続されてい るキャパシタンスを備えている請求項(5) に記載の発生器。 (10)先行請求項の何れかによる発生器を備えていることを特徴とするダウンホー ル井戸ロギングプローブ。 (11)先行請求項の何れかによる発生器を動作させる方法であって、あるパルス中 にソリッドステートスイッチの各対の関連するスイッチを動作させる段階と、上 記パルスの終わりに4つの全てのスイッチを開かせ、それによって送信器コイル 内のリングダウンを制御する段階とを備えていることを特徴とする方法。
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