KR20160042944A

KR20160042944A - 조정가능한 보상비 피드백 시스템

Info

Publication number: KR20160042944A
Application number: KR1020167005938A
Authority: KR
Inventors: 컬트 알. 둔남
Original assignee: 리니어 리서치 어소시에이츠, 인코포레이티드
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2016-04-20
Also published as: US20150042392A1; US9692391B2; EP3030915A4; EP3030915A1; EP3030915B1; KR102228815B1; WO2015020729A1

Abstract

물리적 장(자기장, 전기장, 전자기장, 음장 등)의 조정가능한 보상비(ACR) 액티브 차폐 또는 제어를 구현하는 장치는 종래의 제 1 피드백 폐루프 토폴로지 내에 제 2 내부 피드백 루프의 부가를 포함한다. 보상비 전달함수의 차수와 계수 조정은, 시스템 필드 센서 또는 센서 어레이가 외부 장 간섭이 최적으로 상쇄되어야 하는 곳에 정확히 위치하지 않을 때, 보호 영역 내에서의 주파수-종속 및 주파수-독립 효과를 수용하는 것을 허용한다. 라플라스 다항식의 항은 다른 바람직한 제 1 폐루프 특성에 악영향을 미치지 않고 상호작용 매체의 주파수-종속 특성을 모델링함으로써 이 파라미터를 보조 피드백 링크 내에 정확하게 설정한다. 본 발명의 ACR은 자기 차폐 목적을 위한 진보된 액티브 상쇄에 이용될 수 있다.

Description

조정가능한 보상비 피드백 시스템{ADJUSTABLE COMPENSATION RATIO FEEDBACK SYSTEM}

본 발명은 조정가능한 보상비(Adjustable Compensation Ratio, ACR) 네거티브-피드백 루프 토폴로지(negative-feedback loop topology)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 정자기장, 정전기장, 전자기장, 음장, 또는 다른 종류의 물리적으로 영향력 있는 장(field)을 조정 또는 보상하기 위한 ACR 장치에 관한 것이다.

특정한, 과학 분야, 엔지니어링 분야 및 의학분야에서, 동작 영역(Operatioal Volume; OV) 내에 물리적 장(physical field)의 폐루프 파라미터 조정, 제어 또는 보상을 제공하는 것이 중요하다. 조정, 제어 또는 보상된 장은 동작 영역 내에서 보호 영역(Protected Volume; PV)으로 한정된 부분-공간(sub-space) 내에 존재할 수 있으며 보호 영역은 조정, 제어 또는 보상 장을 생성하는 요소로부터 부분적으로 차폐되며, 또한 장 파라미터 피드백 센서에 의해 매개, 상호작용 매체(Intervening, Interacting Medium; IM)로부터도 부분적으로 차폐된다. IM은 사이트 간섭 장 및 보상 장과 물리적으로 상호작용하거나, 그렇지 않으면 제어 장과 물리적으로 상호작용하는 고체, 액체, 기체, 또는 플라즈마와 같은 임의의 상(phase)의 물질 또는 그 상이 조합된 물질의 사이 또는 영역에 있다.

IM의 임의의 이방성, 근접-의존성 또는 주파수-도메인 효과를 보상하는 것이 가장 유익하며, 이는 PV 내의 제어 장 또는 보상 장의 공간적 시간적 응답(spatial and temporal response)에서 정밀도를 향상시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다.

예를 들어, 자기 공명 촬상(MRI) 장치와 관련된 자석의 등선량중심점(isocenter)(즉, 내부 또는 PV) 내에 유도된 사이트-특정 간섭 자기장에 대응하는 것은, 그 위치 내에서 가능한 최고 해상도에서 MRI 장치를 동작시키는 것이 가장 도움이 될 것이다. 역사상, 특정 기술은 문제가 있는 MRI 설비에서 이용되어 왔으며, 이는 이질적인 간섭 자기장의 보상(서브트랙티브 널링(subtractive nulling))을 위해 의도적으로 중첩된 이질적인 자기장을 이용하여 중심 장 제어(isocenter field control)를 달성하기 위해서이다. MRI 사이트에서, 간섭 및 보상 자기장을 MRI 자석 중심에 상대 결합(relative coupling)하는 행위는, 간섭 및 보상 자기장을 자석 권선 또는 권선 및 요크 외측에 위치한 필드 센서(프로브)에 상대 결합하는 행위와 실질적으로 다르다. 이 효과는 이질적인 간섭 소스(interfering source)의 보상 코일 및 기하학적 구성과 관련한 MRI 자석의 상이한 상호작용에 주로 기인한다.

일반적으로, 권선(초전도성 자석의 경우) 또는 권선과 요크(저항성, 또는 비초전도성 자석의 경우)로 구성되는 MRI 자석 구조는 IM으로 간주될 수 있으며 IM은 구별하여(differentially) 인터셉트하는 경향이 있으므로, 상당히 먼거리에 위치한 외부 소스로부터의 간섭 장에 비해 매우 근접해 위치된 활성 보상 차폐(Active Compensation Shielding; ACS) 구동코일로부터의 보상 장에 다른 감도를 도입한다. 종래의 네거티브-피드백 ACS 토폴로지에 의해 확립된 바와 같이, 프로브에서의 이들 장의 단위 비(unity ratio)에 대하여 MRI 중심(isocenter)은 보상이 부족하거나 과보상된 것으로 나타날 것이다. 전자의 경우, 잔류 장의 성분은 동일 위상이고, 간섭 장에 비례하며; 후자의 경우는 보다 흔한 경우이며, 간섭 장 성분의 분명한 극성은 액티브 보상 시스템의 작용에 의해 반전된다. 다른 경우에, 중심, 즉 PV 내의 간섭 장 감축에 대해 제한된 한정을 하게 되면, 프로브가 중심으로부터 떨어져 위치될 때 ACS의 유효성에 대해 근본적이고 심각한 제약을 일으킨다.

대부분의 MRI 장비 내부 또는 주변의 높은 정적 장(static field)은 PV 내부 또는 근접 위치에 피드백 센서를 위치시키는 것을 배제하고 있다. 결론적으로, 이러한 자석 내의 이질적인 장(extraneous fields)을 정밀하게 제어하거나 상쇄할 수 있는 능력은 표준 폐루프 네거티브-피드백 방법으로 이미 제한되어 있으며 표준 폐루프 네거티브-피드백 방법은 비록 실제 센서 위치에서의 장 상쇄 행위가 거의 이상적이기는 하지만, 매우 중요한 MRI 중심 영역 내에서는 단지 미미한 정도의 정밀한 근사치를 제공하고 있을 뿐이다.

피드백 센서가 PV의 외측에 반드시 위치되어야 한다면, PV의 외측에 위치된 센서와 PV 내측의 중심 사이의 베이스 라인을 따라 간섭 장 구배에 기인한 차이 오차(differential error)의 가능성을 보상하기 위한 2차적인 공간적 고려가 필요하다. 차이 오차는 보상 장이 최적의 시스템 성능을 위한 영역 전체의 공칭 상수(nominally constant)이기 때문에 발생한다. 따라서, 주어진 소스로부터의 간섭 장과 보상 장 사이의 차와 동일한 잔류 장은 베이스 라인을 따르는 장 구배(field gradient)가 존재할 때 필드 센서(field sensor)로부터의 거리에 따라 증가한다. 이러한 상황에서 규범적인 ACS 접근방식은 이상적인 간섭 장 보상을 달성할 수 없다.

상술한 공간적 고려 외에도, 규범적 ACS 피드백 시스템에 대한 제어 또는 보상 정밀도의 상당한 저하는, 센서가 위치되는 OV와 이상적인 장 제어 또는 보상이 바람직한 PV 사이에 물리적 상호작용 매체가 존재하는 어플리케이션에서 발생할 수 있다. MRI 장비에 있어서, 일시적 변경에 책임있는 물리적 상호작용 매체는 설비에 따라 저항성 전자석의 강자성 요크와 도전성 코일, 또는 초전도성 자석의 도전성 자석으로 대표된다. 자기장 센서는 IM-차폐 MRI 자석 중심의 외측에 위치되어야만 하기 때문에 종래기술에서 설명된 바와 같은 종래의 전반적인 제어 또는 보상 시스템은 가로지르는 장(traversing field)에 대한 IM 효과의 "인식"이 없으며, 결국 MRI의 IM 영역의 주파수-종속, 방향-종속 상호작용 효과에 대한 보상을 할 수 없다.

따라서 제어 또는 보상 시스템의 정밀도에 대한 MRI의 IM의 유해한 영향은 2배로 된다. 주로, IM은 소스의 방향 및 주파수의 함수에 따라 변하는 수정 계수(modification coefficient)로 IM을 가로지르는 자기장의 진폭과 위상을 수정한다. 문제가 되는 자기장 간섭에 놓여지는 설비의 상당한 부분에서, MRI의 IM은 자석 중심 내의 간섭 장의 적절한 보상을 달성하거나, 그렇지 않으면 중심 내의 보충 장(supplemental field)의 프로그래머블 제어(programmable control)를 달성하기 위해, 주파수-특정 보상(frequency-specific correction)이 필요한, 충분한 시간-종속의 장 상호작용을 보여준다. 따라서, PV 내의 잔류 장의 만족스러운 파라미터 제어를 달성하기 위해서는 이러한 일시적인 IM 효과에 대한 보상을 MRI 활성 보상 피드백 신호 처리 시스템에 통합할 필요가 있다.

그러므로, 제어되거나 보상될 물리적 장을 포함하는 이러한 MRI 어플리케이션 또는 다른 유사한 어플리케이션에 대한 제어 또는 보상 시스템을 창조해 낼 필요성이 있다. 이 시스템은 비록 OV 내에 위치한 센서와 PV의 외측 사이에 주목할 만한 거리가 있다 하더라도, 이러한 물리적 장의 정확한 제어나 보상을 PV 내에 제공할 수 있다.

필요한 ACR 구현의 기본적 원리는, 공간적 시간적 비율척도 오프셋 제어 또는 보상이, PV 내의 중첩 장에 대한 임의의 구배 또는 동적 IM 효과와 이론적으로 매치되거나 상쇄시키는 엄격하게 예측가능한 세트의 파라미터 계수에 의해 구현될 수 있는 것에 있다.

시스템 PV 내에서 동작하는 장을 물리적으로 수정하는 IM이 존재하는 장-보상 상황에 있어서, 아마도 IM은 간섭 및 보상 장에 상이하게 영향을 미칠 것이다. 이러한 유형의 상호작용 불일치(disparity)는 예를 들면, 간섭 소스와 보상 수단의 상대적 근접성 또는 간섭 소스와 보상 장 우세축(dominant axes)에 대한 IM 이방성 때문일 수 있다.

ACR 발명의 두 번째 기본 원리는 요구되는 보상을 정의하는 엄격하게 예측가능한 확장된 세트의 파라미터 계수를 이용함으로써 이러한 상호작용의 차이를 직접적으로 보상하는 것에 있다. 이들 계수는 측정된 데이터의 분석 또는 원 위치에서의 경험적 튜닝에 의해 결정될 수 있다. 일단 설정되면, 이들 계수는 IM 자신의 불변 특성에만 의존하기 때문에 보통 재조정을 필요로 하지 않는다.

예시적인 실시예에서, IM이 될 MRI 자석 어셈블리를 고려할 수 있다. 자석은 영구자석, 저항성 자석 또는 초전도 자석일 수 있다. 각 유형의 자석은 간섭 및 보상 자기장 소스로부터의 잔류 장에 약간 다른 방식으로 영향을 미칠 수 있다. 영구자석과 저항성 자석에 있어서, 자석 요크의 투자율(permeability)과 기하학적 자로(flux path)는 소스 방향에 대해 이방성으로 변화하므로 중심에서의 강도 차와 장 상쇄의 오차를 일으킨다. 저항성 자석에서, 분기된 권선 또한 상쇄 오차를 확대시키는 주파수-종속 진폭 및 위상 변화에 영향을 미칠 수 있다. 초전도성 자석은 렌즈의 법칙에 대하여 대부분 자기-차폐(self-shielding)하면서, 실질적으로 누설자속의 일부를 자석 중심으로 진입시킨다. 그 결과 간섭 장은 보통 자석 권선에 지속되는 전류의 유도된 재분포에 기인한 시간지연 장 변화를 나타낸다.

어떠한 자석 종류에 있어서도, 잔류 자속을 나타내는 뚜렷한 주파수-종속 진폭 및 위상 수정은, 충분히 강한 외부 자기장이 존재할 때 동작상 상당한 레벨에서 자석 중심 내에서 발견될 수 있다. 중심 외측의 필드 센서를 이용하는 폐루프 피드백 시스템에 의해 외부 보상 장이 인가되면, 중심의 잔류 자기장은 수정된 간섭 장과 수정된 보상 장 사이 또는 수정된 간섭 장과 상쇄 장 사이의 주파수-종속 및 방향-종속 차로 설명된다. 따라서, 문제가 있는 MRI 사이트 자기 간섭을 고려할 때, 높은 레벨의 간섭 신호 상쇄를 달성하기 위해 ACR 발명에 의해 독특하게 제공되는 주파수-종속 차이 보상이 필수적이다.

본 발명의 조정 가능한 보상 비 특징의 어플리케이션은 자석의 자기-차폐 전달 특성(self-shielding transfer characteristic)을 설명하는 파라미터 정보가 전체 ACR 피드백 루프에 통합된 제 2 피드백 수단에 의해 실현된다. 이 파라미터 정보는 오로지 내부 피드백 루프 파라미터 정밀도의 함수로서 자석 내에서 임의로 장의 정확한 상쇄를 가능하게 한다. 이들 파라미터는 보통 현장에서 실증적으로 결정되나, 이와 달리 특정 자석의 자기변환 특성을 설명하는 적합한 측정을 통해 분석적으로 유도될 수도 있다. 중요하게는 일단 주파수-종속 및 방향-종속 파라미터가 제 2 피드백 루프 내에서 설정되면, 자석 외측의 환경 변화에 대한 시스템의 파라미터 감도는 전체 ACR 시스템의 피드백 루프의 큰 오픈 루프 이득 때문에 낮아진다. 결국, 비록 자기장 센서가 자석 외측에 적절하게 위치하더라도, MRI 시스템 강자성 환경에서의 적절한 변화와는 상관없이 주기적인 시스템의 "튜닝(tuning)" 조정 없이도 중심 PV 내의 높은 초기 감쇠율은 유지될 수 있다.

다른 종류의 영향력 있는 장에 대한 추가적인 실시예는, 예를 들면, 독립된 유전 매체 내에서 정전기장을 차폐하거나 제어하는 것, 예를 들면, 부분적으로 도전성인 플라즈마 외장(plasma sheath) 내에서 OV에 전자기 에너지 조사를 차폐하거나 제어하는 것, 및 음향 에너지와 물리적으로 상호작용하는 매체로 둘러싸일 수 있는 OV 내에서 그 음향 에너지를 차폐하거나 제어하는 것을 포함한다.

다른 실시예들에서, 액티브 상쇄 시스템(Active Cancellation Systems; ACS)은 자기장 경우와 유사하게 제공되거나, 또는 제어의 영향으로부터 반-차폐된 영역 내에서 장의 절대적인 크기 또는 변화를 최소화거나 조정하기 위해 필요한 파라미터의 제어 또는 조정을 위해 제공될 수 있다.

본 발명은 이전의 자기 액티브-차폐 기술에 대해 개선된 간섭 장 상쇄에 대한 개발 분야에서 즉각적인 유용성을 발견하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 액티브 차폐 시스템의 자기센서와 자기 유도코일로부터 분리되고, 어느 정도 차폐된 임의의 영역에 대해 제로(null)의 잔류 자기 장 간섭에 대한 가능성을 부가하고 있다. 이 특정 어플리케이션에도 불구하고, 본 명세서에 설명된 발명은, 보호 영역(PV) 내에서 외부 장 소스의 영향을 완화 및/또는 제어하도록 의도되고, 센싱 수단이 PV 외측에 있으면, 어떠한 폐루프 네거티브-피드백 시스템에도 적용될 수 있다.

종래기술의 설명

Higham의 1968.9.10일자 등록 영국특허 제 1 285 694 호의 자속 안정화 자석(FLUX STABILIZED MAGNETS)은 각각이 픽업코일, 메인 버킹아웃 권선(bucking-out winding), 및 보조 버킹아웃 권선으로 구성되는 2개의 대칭 섹션을 구비함으로써, 단기 자속 교란(short-term flux disturbance)에 대해 안정화된, 핵 자기 공명 스펙트로미터에 이용된 자석 시스템을 개시하고 있다. 픽업코일에 의해 생성된 신호는, 안정화 작용의 완성을 위해 보조권선이 주권선에 공급된 에너지의 일부를 받는 방식으로, 출력을 권선에 공급하는 고이득 증폭기에 인가된다. 상기 에너지의 일부는, 두 권선의 직렬연결이 바람직한 실시예에서의 병렬연결로 치환되면, 권선을 분기할 수 있는 가변저항의 설정에 의해 결정된다. 두 권선의 간격은, 주 권선이 안정화의 대부분을 공급하고, 보조 권선이 자극편 사이의 등거리 자기장 상쇄를 위해 필요한 부족한 보상분을 공급하도록 선택된다. 이 시스템은 하나 보다 많은 필드센서와, 센싱 권선이 자석구조 내부에 위치되는 것을 필요로 한다.

Geisler의 1985.8.29일자 등록 영국특허 제 2 154 031 호의 표류장 제어 마그네틱 자기 보호(STRAY-FIELD-CONTROLLED MAGNETIC SELF-PROTECTION)는 자력계와 전력 증폭기에 의해 자기 통제되는 자기장을 이용하여 자화가능한 물체의 표류장을 보상하는 방법을 개시하고 있다. 자기장 보상은 장치의 자기장 차로부터, 필수적인 보상 권선 전류를 유도하고, 보상 코일 동작 영역의 외측에 위치된 센서로, 보상 코일 내의 물체의 자기 모멘트나 자화로부터 필수적인 보상 권선 전류를 유도하여 얻는다.

Buhler의 1991.12.17일자 등록 미국특허 제 5,073,744 호의 다이나믹 자기장 중화를 위한 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS FOR DYNAMIC MAGNETIC FIELD NEUTRALIZATION)는 외부환경의 자기장에 노출된 특정 영역 내의 자기장 값을 제어하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이 방법 및 장치는 복수의 자기장 센서와 관련된 복수의 코일과 함께 각 센서를 관련된 코일에 접속하는 전기 구동회로를 이용하며, 각 코일의 출력을 모든 상기 센서들에 결합하는 피드백을 포함한다.

Dunnam의 1995.11.7일자 등록 미국특허 제 5,465,012 호의 교번하는 자기장의 억제를 위한 액티브 피드백 시스템(ACTIVE FEEDBACK SYSTEM FOR SUPPRESSION OF ALTERNATING MAGNETIC FIELDS)은 공간의 큰 영역에서 교번 또는 시변하는 자기장을 억제하기 위한 자기장 보상 시스템을 개시하고 있다. 자기 센서는 소정 범위 내의 주파수를 검출하여 신호를 생성한다. 코일 또는 Helmholtz 구동 코일의 쌍은 자기센서를 포함하는 영역 내로 위치된다. 전치 증폭기(preamplifier)는 신호를 증폭하기 위해 자기센서에 연결된다. 신호 프로세서는 신호를 수신하고, 위상 보정 및 이득을 공급하기 위한 전치 증폭기에 접속된다. 신호 프로세서는 자기장 평균 및 피크 편위(peak excursion)를 결정하기 위한 평균화 및 절대 피크 검출기를 구비한다. 전력 증폭기는 처리된 신호를 수신하고 증폭하며, 상기 처리된 신호를 코일 또는 Helmholtz 구동 코일의 쌍에 인가하기 위해 상기 코일 또는 Helmholtz 구동 코일의 쌍과, 상기 신호 프로세서에 접속된다. 이 발명은 비율척도 오프셋 루프(ratiometric offset loop) 및 제 2 합산 노드를 포함하지 않는다.

Buschbeck 등의 2008.10.14일자 등록 미국특허 제 7,436,120 호의 자기장의보상(COMPENSATION OF MAGNETIC FIELDS)은 동작 영역을 에워싸는 보상코일의 배열과 다수의 자기장 센서를 개시하고 있다. 자기장은 동작 영역 외부의 상이한 위치, 바람직하게는 동작 영역의 대칭축에 대해 마주 보는 위치에 배치되며, 각각 센서 신호를 생성하는 적어도 2개의 센서로 측정된다. 센서의 센서신호는 피드백 신호에 중첩되며, 이 피드백 신호는 제어수단에 의해 구동신호로 변환되고, 적어도 하나의 보상 코일을 조종하기 위해 이용된다. 보다 향상된 보상을 위해, 구동신호는 또한 피드백 신호를 생성하기 위한 중첩 단계에서 추가의 입력신호를 유도하도록 이용될 수 있다. 이 추가의 입력신호는 주파수-종속 보상을 포함하지 않으며, 그 자체로 간섭 매체(IM)의 특정에 대한 보상을 하지 않는다. 교차결합 보상(cross-coupling compensation) 방법은 개시된 시스템에 대해서만 특정하여 설명되어 있다. 폐루프 물리 장 제어 또는 보상의 영역에서, 종래기술은 OV 내에서 축에 대한 단일 센서를 이용하여 OV를 가로지르는 장 구배를 보상하는 것과, PV와 OV 사이에 존재하는 IM에 기인한 간섭 장에 대한 정적이거나 주파수-종속적인 변경에 대해 독립적으로 보정하는 것을 모두 제공하는, 본 명세서에서 설명하고 있는 신규한 제 2 폐루프 개선사항에 대해 교시하고 있지 못하다. 종래 기술의 폐루프 액티브 보상 시스템으로는 구배 장(gradient field)과 장-존재 IM(field-significant IM)이 있을 때 ACR 발명으로 달성할 수 있는 임의의 고레벨 보상을 얻을 수 없다. 예시적인 MRI 실시예의 설명에서, MRI 자석은 자석 구조 중심을 투과하는 외부 자기장에 대한 중요한 IM 영향을 입증하고 있다. MRI 사이트의 대부분의 문제는 또한 상당한 구배가 존재하는 간섭 장에 놓여 있다는 점이다. 종래 기술은 상기 구배 조건, IM 조건, 또는 양 조건의 조합된 효과를 적절하게 설명할 수 없다.

본 발명에 따라, 예를 들면, 공간의 큰 동작 영역에서 자기장을 억제하기 위해, 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템이 제공된다. 축 서브시스템(axial subsystem)은 공간의 보호 영역 내의 제 1 자기장 센싱 프로브, 라플라스 변환 복합함수로 표시될 수 있는 전치-증폭 및 밴드형 필터들(pre-amplification and bandshaping filters), 제 1 합산 노드, 조정가능한 후치-증폭기(post-amplifier), 및 축에 대한 감쇠 계수를 공급하는 출력 전원 드라이버를 구비한다. 제 1 자기장 센싱 프로브로부터 소정 거리에 배치된 파라미터 센서는 제 1 비율척도 오프셋 신호를 생성한다. 보조 직접 루프는 제 1 합산 노드에 동작적으로 접속된다. 보조 직접 루프는 제 1 비율척도 오프셋 신호를 수신하여 보상 신호의 변경을 보정하기 위해 제 2 합산 노드를 포함한다. 매개 상호작용 매체는 공간의 보호 영역을 에워싼다. 가로지르는 장(traversing field)에서 동작하는 상호작용 매체에 기인한 물리적 영향력은 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 특징을 갖는다.

본 발명을 통합하는 ACR 제어 또는 보상 네거티브-피드백 루프의 중요한 특징은, 제 1 비율척도 오프셋 신호 처리루프와, 비율척도 보상신호를 주입하기 위한 관련 제 2 합산 노드를 부가하는 것에 있다. 모든 ACR 어플리케이션에서 이 신호는 피드백 루프에 의해 제어되나 보상수단의 크기와 직접 관련되며, 주파수-종속 전달함수에 의해 더 수정된다. 이 보조신호 또는 부가신호을 가산하는 효과는 피드백 루프센서에서, 예측가능하고, 매우 안정적인 주파수-종속 비율척도 오프셋을 도입하기 위한 것이다. 이 비율척도 신호 경로 전달함수가 수정 파라미터 계수와 동작하면, ACR 시스템은 센서에서만 보다는 PV 내의 임의의 지점에서 장 간섭을 최적으로 제로가 되도록 하고, 센서와 PV 사이에 매개 IM이 존재할 때도 장 간섭을 최적으로 제로가 되게 할 수 있다. 이 능력은, 예를 들면, MRI 내에서 이례적으로 높은 차폐성능이 필요하지만, 극도로 큰 크기의 정자기장 때문에 MRI 중심 (사상) 영역 내의 물리적 센서 설치가 비실용적인 자기 ACR 어플리케이션에서는 필수적이다. ACR의 다른 가능성 있는 자기 액티브 보상 어플리케이션은 NMR 분광기, 및 초전도 양자 간섭 장치(Superconducting Quantum Interference Device; SQUID) 어플리케이션을 포함하나, 그에 한정되는 것은 아니다.

자기 액티브-보상 차폐에 대한 조정가능한 보상비(ACR) 발명의 구현은 도 1 및 도 2의 비교로 예시된다. 도 1은 그 자기장 센싱 프로브의 .001~1000 hertz의 합리적 근사치인 공칭 ±1m의 동작 주파수 범위 내에서 약 30 dB(32의 인자)의 축당 최대 감쇠 계수를 제공하는 종래기술의 광대역 MACS 축 서브-시스템을 도시한 도면이다. 이 시스템은 자기장 센싱 프로브, 전치증폭 및 밴드형 필터들(라플라스 변환

), 조정가능한 후치 증폭, 및 출력 전원 드라이버로 구성된다. 전형적인 어플리케이션(예를 들면, 전자 현미경 검사에서의 액티브 차폐)에서, 이러한 서브시스템은 3개의 직교축 각각에 이용된다. 간섭 장 강도의 감쇠는 오차항 ε에 대한 개루프 값과 폐루프 값을 비교하여 측정된다. 이들 오차항의 비는 다음과 같다.

여기에서,

T_A는 프로세서/드라이버 증폭기 스칼라 이득 함수이며(S는 실제 시스템에 대해 대략 유니티(unity) 미 주파수-독립인 것으로 고려될 수 있음),

G_MAX는 가장 안정적인 폐루프 감쇠에 대응하는 개루프 이득이고,

Ψ_Bi는 센서위치에서의 비보상 간섭축 자기장 값이며,

Ψ'_B는 센서위치에서 보상 간섭축 자기장 값이고,

k는 센서위치에서 최대로 얻을 수 있는 자기장 감쇠계수임.

시스템 응답특성의 맨 끝(extreme edges)을 제외하고는, 임의의 주어진 자기 ACS 설비의 축 서스시스템 자기장 감쇠계수의 양호한 추정은 동작 주파수 범위에 대한(over) 개루프 이득 함수 G_MAX의 크기 대해 다음과 같이 주어진다.

제한된 경우, 규범적인 폐루프 자기 ACS 접근방식은, 간섭 자기장 구배가 의도된 PV 전체를 통해 낮거나, 또는 센싱 프로브에 대해 비교적 작은 영역에만 보호가 필요한 덜 중요한(non-critical) 어플리케이션에 대해 적절한 차폐를 제공한다. 그러나, a)구배가 주목할만 하고, 원하는 최대 장 감쇠의 영역이 센서위치로부터 벗어나 있을 때, 또는 b) 프로브와 PV 사이에 매개 IM이 존재하여 간섭 자기장과 국부적으로 발생한 보상 장 사이에 차이 전달 특성(differential transfer characteristic)이 존재할 때에는 훨씬 개선된 기술이 필요하다.

전자의 경우에 해당하는 예로는, 기계적 방해(예를 들면, 전자 현미경 검사에서와 같은 진공챔버), 또는 센서의 동적 범위를 초과하는 정자기장 강도(예를 들면, MRI 중심) 때문에 물리적으로 불가능한 것이 포함된다.

후자의 경우에 해당하는 예로는, 간섭 장과 보상 장 사이의 주파수-종속 차가 중심 내에 종종 상당한 잔류장을 생성하는, MRI의 높은 정자기 자석의 이방성 주파수-종속 IM 전달특성이 포함된다. 이들 상황에서는, 센싱 프로브로부터 분리된 전체 보호 영역 내의 임의의 지점에서 강한 제로에 대한 조정을 허용하면서도, 그 공간에 대해 높은 일정한 루프 감쇠계수

를 유지하는, 최소의 오프셋 파라미터 γ(감마)를 도입하는 것이 바람직하다. 더욱이, 간섭 장과 보상 장 사이에 동작적으로 상당한 주파수-종속 편차가 존재하는 대부분의 MRI 차폐 어플리케이션에서, 주파수-종속 잔류 신호의 적절한 감쇠가 주파수-종속 보상함수를 필요로 한다는 것은 명확하다. 주파수-종속 보상함수는, ACR 발명이 오프셋 파라미터 γ에 의해 축척된 항을 포함시킴으로서 제공할 수 있다. 센싱 프로브가 원하는 PV 외측에 위치되고, IM이 프로브와 PV 사이에 존재하는 경우, 사실상 이러한 배열이 액티브 보상 차폐의 문제점에 대한 최적의 해결책이 된다는 것은 분석적으로 입증될 수 있다.

본 발명의 완전한 이해는 첨부도면을 참조하고, 이어지는 상세한 설명과 관련하여 고려할 때 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술의 범용 단위-비 액티브 보상 시스템을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따르는 조정가능한 보상비(ACR) 범용 시스템을 도시한 개략도,
도 3은 파리미터 제어를 위해 구성된 본 발명의 ACR 시스템을 도시한 개략도.

조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템은, 예를 들면 공간의 큰 동작 영역 내에서 자기장을 억제하기 위해 구비된다. 축 방향 서브시스템(axial subsystem)은 공간의 보호 영역 내의 제 1 자기장 센싱 프로브를 구비한다. 제 1 자기장 센싱 프로브로부터 소정거리에 위치한 파라미터 센서는 제 1 비율척도 오프셋 신호를 생성한다. 보조 직접 루프는 작용상 제 1 합산 노드에 접속된다. 보조 직접 루프는 제 1 비율척도 오프셋 신호를 수신하여 보상신호의 변경을 보정하기 위한 제 2 합산 노드를 포함한다. 중간의 상호작용 매체는 공간의 보호 영역을 에워싼다. 트래벌싱 장(traversing field)에 작용하는 상호작용 매체에 기인한 물리적 영향력은 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 특징을 갖는다.

액티브 피드백 차폐를 위한 이들 특징을 구현하는 ACR 발명의 일반화된 폼은 도 2에서 설명된다. 이 일반화된 도면은 제 2 합산 노드(∑2)에 인젝션(injection)을 위한 보조 신호의 추출 및 주파수-영역 처리를 더한다는 점에서 도 1에 도시된 종래기술의 시스템과 다르다. 기능적으로, 보조 신호의 인젝션은 외부 폐루프가 센싱수단과 PV의 위치 사이의 IM 때문에 발생할 수 있는 장 구배 또는 별도의 물리적 상호작용에 기인한 보상신호의 변경에 대한 보정을 허용한다. 보조 루프 주파수-종속 부가신호에 의한 이러한 보정은, 보정 다항식(S 내)의 차수, 다항식 항 계수의 정밀도, 및 오프셋 축척 파라미터(offset scaling parameter) γ의 적절한 조정에 따라, 전술한 조건 하에서 간섭 장에 보상 장의 오차없는 공간적 시간적 매핑을 임의로 제공한다.

센싱수단으로부터 물리적으로 분리되고 부분적으로 고립된 PV 내의 잔류 장(예를 들면, 자기장, 전기장, 전자기장, 음향장)을 정확하게 최소화하거나 제어하는 것은, 보상 장 신호가 PV 내의 간섭 장을 정확하게 복제하게 하는 본 발명 특유의 방식으로 전 처리될 것을 필요로 한다. 도 2를 참조하면, PV 내의 간섭 장 ψ로부터 보상 장 ψ₀ 를 감산하는 것은, 생성수단에 의한 보상 장의 반전 또는 보상 장 생성 수단 전에 신호의 반전에 의해 달성된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 두 신호의 중첩은 크기 오차항 ε를 갖는 잔류 장을 생성하는 감산 처리이다. 실질적인 액티브-차폐 설비에서, PV를 통한 ε의 평균값은 특정 어플리케이션이 필요조건에 의해 설정된 유효 차폐계수를 정의하는 파라미터이다. 본 발명의 ACR 피드백 시스템의 핵심 특징은, 어플리케이션 성능 요구조건과 부합하도록 ε이 임의적으로 어떤 낮은 값으로 한정될 수 있다는 것이다.

보호 영역(PV)이 도 2에 도시된 바와 같이 상호작용 매체(IM)에 의해 동작 영역(OV)으로부터 분리될 수 있으며, 가로지르는 장에 대해 동작하는 주어진 IM에 기인한 물리적 영향력이 완전히 라플라스 변환식 S₁ 및 S₂의 특징을 가질 수 있다는 점을 관찰하면, 보조 루프 내에 필요한 최적의 라플라스 신호 변환함수 S₃를 분석적으로 결정할 수 있다. 더욱이, 분석형태는 모든 경우에 PV 내의 공간적 시간적으로 독립적인 제로에 대응하는 S₃에 대한 특정식이 실현가능함을 입증하고 있다. 이러한 조건 하에서, ε의 결과 평균값은 간섭 장 및 보상 장 사이의 PV 내의 구배 및 시간-종속 차이에 의해 단독으로 결정될 것이다.

라플라스 변환 항 S₃의 분석적 결정은 PV 내의 잔류 장 ε를 IM-수정 간섭 및 보상 신호에 관련시키는 기본 등식으로부터 유도된다. 검사에 의해 잔류 장은 다음과 같이 결정된다.

등가적으로,

여기에서,

ε₀ ⇒ 0,

ε₀ = 보호 영역(PV) 내의 잔류 간섭신호에 대응하는 오차항

ψ_i=간섭신호(정자기, 정전기, 전자기 또는 음향)의 주파수-도메인 표시

S₁=간섭신호에 대한 상호작용 매체의 전달 라플라스 변환

ψ_c=보상신호(상술한 ψ_i에 따르는 장 종류)의 주파수-도메인 표시

S₂=보상신호에 대한 상호작용 매체의 전달 라플라스 변환

또는,

= 최대 간섭 상쇄의 조건

이것은 PV 내의 간섭 장 효과를 최소화하거나, 그렇지 않으면 PV 내의 제어효과의 정밀도를 최적화하기 위한 필수적 보상 장 조건을 설명하는 시스템 방정식이다. 따라서, 최대 간섭 상쇄조건을 얻기 위한 ACR 시스템에 있어서, 주파수-종속 변환 함수

고유의 정보를 포함하는 보상 항을 도입하는 것은 필수적이다. 도 2에 도시된 ACR 토폴로지에서, 이 항은 파라미터 추출 모듈(parameter extraction module; PEM)는, 즉 감시되는 파라미터, 및 S₃신호 처리 섹션에 비례하는 신호를 만들어 내기 위한 변환기와 같은 파라미터 추출수단, 으로 구성되는 보조 피드백 루프의 수단에 의해 도입된다. 필요한 보조 피드백 변환함수의 결정은, 우선 PV 내의 한 지점에서 이상적인 간섭 장 상쇄 조건에 대응하는 2차의 또는 비율척도 오차항 ε₂를 유도함으로써, 분석적으로 처리된다.

여기에서,

ε₂=상호작용 매체(IM)에 대한 보상을 통합한 비율척도-조정 오차항이고,

ε₁=보호 영역(PV) 외측에 위치하나 보상수단의 유효 동작 영역으로 정의된 동작 영역(OV) 내에 있는 센서의 센서출력에서 측정된 장 보상 오차항이며,

R=ε₀⇒0의 조건에 필요한 비율척도 보상 라플라스 변환이고,

γ=사이트-튜닝 목적을 위해 이용된 비율척도 조정 파라미터임; 이것의 공칭값 범위는 ±＞1이고, 상호작용 매체(IM)의 통합에 기인한 S₃의 식에 고유한 비율척도 차의 범위와 시스템 변환 상수에 의해 결정된 조정의 유효범위를 가짐. 이 조정 파라미터는

에 대한 양의 크기와

에 대한 음의 크기를 가짐.

이상적인 간섭 장 상쇄 조건이나 제어 정밀도를 달성하기 위해 필요한 보상 여기(compensation excitation)는 다음의 등식을 확정하도록 ε₂를 검사 및 치환함으로써, 입력오차 및 비율척도 항과 관련하여 결정될 수 있다.

여기에서,

S4=콘트롤러 프로세서(특정 ACR 실시예에 대해 보통 주문제작되고 불변임)에 의해 정의된 신호전달 라플라스 변환이고,

T_A=증폭기 주파수-독립 전달 특성(즉, 이득계수)이며,

Y_c=보상수단 여기값이고,

ψ_c=보상수단 유도값이며,

k₂=보상수단 전달/변환 계수임.

표현된 시스템 메인 피드백 루프 파라미터를

의 항으로 재배열하면, 보충 루프 신호 처리함수는 다음과 같다.

최적의 비율척도 보상 인자 R의 유도에 있어서, 조정계수 γ는 단일한 것으로 설정된다. 이 조정계수는 일반적으로 사이트 조건의 예상된 범위와 편의상 주로 매칭되는 전체 축척계수(scaling factor)를 제공하지만, 주파수-결정 파라미터의 축척을 선택적으로 포함할 수 있으며, 비율척도 조정 라플라스 변환 S₃을 통합한 등가식이 도입된다.

여기에서,

S₃=필수적인 주파수-종속 비율척도 함수에 의해 정의된 이상적인 전달 라플라스 변환이고,

k₁=파라미터 추출모듈(parameter extraction module; PEM) 전달 계수임.

폐루프 분석 특성을 완성하기 위해, 센서 전달계수를 다음과 같이 특정할 필요가 있다.

여기에서,

k_p=센서 전달계수임(예를 들면, 자기 프로브에 대한 V/G).

치환 및 재정리하면,

상술한 식은 이상적인(즉,

) 비율척도 보상 인자 R에 대한 이전 식으로 치환될 수 있다.

또는, 등가적으로 다음과 같이 될 수 있다.

상술한 R을 등가식 (8)로 치환하면 다음과 같이 된다.

이 식은 직접적으로 원하는 보상 인자를 정의하는 다음의 식 S₃로 된다.

일 때

이고, 실질적으로 T_A가 통상적으로 30-40의 범위에 있는 것에 주목하면, 원하는 보상인자 S₃에 대한 등가식은 다음과 같이 간단히 표현된다.

여기에서, 제 1 항,

은 PV로의 전달함수 사이의 차에 대한 필요한 보상을 나타낸 라플라스 변환식이고, 제 2 항,

는 센서 프로브의 축척계수, 보상수단 전달/변환 계수, 및 파라미터 추출 모듈(PEM) 전달계수에 대해 필요한 보상의 크기를 나타낸 스칼라 식이다. 식 15는, 상호작용 매체를 통해 전개되는장에 의해 영향을 받으며, 상호작용 매체에 의해 영향을 받는, 임의의 정밀한 물리적 처리의 보상 또는 제어를 위해 이용되는 바와 같은 본 발명의 본질을 나타낸다.

도 2를 참조하면, ACR 시스템의 메인 또는 외부 루프는, 센서, 선택적 보정 주파수-종속 전달함수 S₄를 공급하는 신호 처리부, 및 전원 드라이버(T_A)로 구성되는 고전적 네거티브-피드백 루프를 정통적으로 구현한 것이다. 이러한 유형의 간단한 피드백 루프는 통상적으로 액티브 보상 차폐를 위한 종래기술에 이용되며, 동시에 장 종류(예를 들면, 자기장, 전기장, 전자기장, 음장)에 적합한 그의 주파수 응답 동작범위는 보상된다.

ACR 토포롤지에서는, 상기 영향을 미치는 피드백 양, 현재 예에서 보상 자기장,을 나타내는 보조 신호 전압은, 파라미터 추출 모듈(PEM)에 의해 전개되고, 식 15에서 유도된 주파수-종속 전달함수 S₃에 의해 수정되며, 제 1 합산 노드에 의해 생성된 오차신호 ε₁에 대한 스칼라 양으로서 가산된다.

오차신호ε₁를 생성하는 합산 노드는 사실상 다축 시스템의 경우에 필드센서 또는 단일 채널의 필드센서이다. 이 필드센서 또는 단일 채널의 필드센서는 대응하는 간섭 장 성분과 센서 위치에서의 보상 장 성분의 중첩과 등가인 신호를 생성한다.

합산 노드(∑2)를 부가함으로서, 간섭 장 구배조건이 존재하거나, 간섭 장과 보상 장에 상이한 영향을 미치는 IM이 존재한다고 가정하면, 간섭 장과 보상 장 사이의 최소 차의 지점을 센싱 프로브로부터 임의로 이동된 위치로 재배치할 수 있다.

전술한 바와 같이, 합산 노드(∑2)의 부가는 주파수-종속 보상 항이 도입되는 것을 허용하며, IM이 두 양 사이에 시간-종속 차를 도입하는 경우에는, 보상 장이 보상 장과 정확하게 매치되거나 또는 간섭 장으로부터 감산되는 것을 허용해 준다.

합산 노드(∑2)에 보조 추가 항을 도입하기 전에, 주파수 영역 전달 함수 S₃와 스칼라 비율척도 조정 파라미터 γ를 곱하여 보상 수단 구동신호로부터 유도된, 비례적 PEM 출력전압을 수정하는 것이 필수적이다. 이는 본질적으로 통상적인 사이트 설비에서 실질적으로 중요한 것으로 추정되는 "미세 튜닝(fine tuning)" 조정이다.

주된 수정 항에 따라, 라플라스 변환 S₃는 주파수-독립 공간 오프셋, 주파수-종속 보상 항, 또는 이 둘이 조합된 형태를 추정할 수 있다. 예를 들어, a)센서가 최대 간섭 장 감쇠의 원하는 PV 위치로부터 떨어져 위치되어야만 하는 경우, b) 평가할만한 간섭 장 구배가 존재하는 경우, c) 어떠한 주파수-종속 차이도 PV를 통해 간섭 장과 보상 장 사이에 존재하지 않는 경우와 같은 특별한 경우에, 상기 항은 센서 프로브와 최대 간섭 장 감쇠의 PV 위치 사이의 거리와, 장 구배의 곱에 비례하여 주파수-독립 상수로 된다.

간섭 장 구배가 무시할 수 있을 정도이나, 간섭 장 및 보상 장과 다르게 상호작용하는 OV 내부 또는 그 부근에서 물리적으로 영향력 있는 물체 또는 IM과 같은 환경적 요인 때문에, 간섭 장 및 보상 장의 환경변화가 존재하는 특수한 경우에는, S₃ 차수와 계수의 적절한 선택이 시변 간섭 장(time-varying interfering field)을 구성하는 주파수 스펙트럼의 범위에 응답하여 PV 내의 잔류 장의 크기가 크게 변화하는 것을 방지한다.

이러한 주파수-종속 보상 구조를 결여한 종래의 액티브 보상 시스템은, 만약 보상 장의 스펙트랄 전달함수가 정확하게 센서로부터 PV까지 간섭 장의 스펙트랄 전달함수라면, 간섭 장에 동시에 존재하는 2개의 분명한 스펙트럼을 적절하게 보상할 수 있을 뿐이다. 즉, 도 2에서, S₁=kS₂라면 보상이 발생한다. 여기에서, k는 장 구배와 프로브로부터 PV까지의 거리에 대응하는 임의의 상수이다. 그러나, 센서와 PV 사이 또는 그에 인접한 물리적 환경이 간섭 및 보상 성분(예를 들면, 전술한 바와 같은 MRI 자석)에 대해 상이한 주파수 응답을 생성하도록 장과 물리적으로 상호작용하는 IM을 포함한다면, 항 S₁ 및 S₂는 종래기술의 ACS 시스템이 만족할만한 상쇄를 제공할 수 없는 주파수, 조건들과 다르게 변화할 것이다.

ACR 시스템에서, 주파수-종속 정보는 상술한 식 15에 정의된 관계에 의해 라플라스 변환 항 S₃로 코딩되며, 결과적으로 보상 장 응답을 수정하여, 간섭 장 및 보상 장이 스펙트랄 콘텐트(spectral content)로 PV에서 일시적으로 매치되도록 한다. 이러한 특징 없이는 간섭 장 하나에 대해서만 양호한 보상이 이루어지고, 양자 모두에 대한 보상을 얻을 수 없다. 간섭 장 구배와 이방성 IM이 모두 존재하는 일반적인 경우, 수정항 S₃는 문제의 직교하는 2개의 축을 설명하는 구배 오프셋과 주파수-종속 정보의 선형 조합을 제공한다.

MRI 서비스에 대한 통상적인 ACR 자기 ACS 동작값은 다음과 같다:

동작 주파수 범위:.001 내지 1,000 Hz

개루프 이득

최적 조정에서의 폐루프 PV (중심) 장 감쇠: ＞46dB (200의 인수)

기본적인 ACR 발명의 원리는 또한 1 이상의 직교축에 대한 다중 센서 어레이에 의해, 방향성과 구배에 기초하여 이질적인 장 소스들을 차별화하는 이방성 적응 시스템의 형태로 구현될 수 있다. 이 센서 어레이는 각 구현 축에 대해 적어도 2개의 센서로 구성되어 구배 정보를 ACR 시스템으로 공급한다. ACR 시스템은 적절한 처리와 함께, 장 소스의 방향을 나타내는 벡터의 축 성분과 구배 크기, 또는 보다 일반적으로는, 축 방향으로 샘플링된 모든 장 소스들의 방향과 크기의 중첩을 나타내는 복합 벡터를 확인한다. 상호작용 매체(IM)가 없는 OV에 있어, 이 벡터의 구성 매트릭스 요소는 단일 축 채널의 보상 장 소스 중 각 요소에 필요한 구동신호를 나타내는 계산의 기초로서 이용된다. 따라서, 각 축에서 보상 소스에 의해 발생된 순수 장은 OV 전체를 통해 1 이상의 액티브 축에서 적응적 구배 보상을 제공한다.

상당한 영향력의 IM이 존재하는 경우, 벡터 장의 소스 방향과 구배 크기를 기술한 상술한 정보는, IM 이방성 상호작용 특성의 설명과 함께 IM의 모델을 포함하는 계산의 기초로서 이용된다. 계산의 중간 결과는 모든 액티브 소스 방향의 예측으로부터, 중첩된 IM 특성을 설명하는 라플라스 변환 항 성분의 매트릭스로 된다. 이 결과는 추가적인 계산에 이용될 수 있다. 상기 추가적인 계산은, 축 방향의 라플라스 변환 항 S₃의 실효값을 결정함으로써, OV 내의 이방성 IM을 가로지르는 상이한 소스 위치들로부터의 장에 대한 특유의 주파수-종속 및 구배-종속 보상을 제공하기 위한 것이다.

기본 ACR 발명의 추가적인 개량은 1개의 동작 축 이상으로 구성되는 ACR 시스템에 의해 발생할 수 있는 교차 축 결합의 효과에 대한 보상을 포함한다. 이러한 보상은, 예를 들어, 전술한 Buschbeck 등의 문헌에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 보정 축 교차 결합 항을 기술한 매트릭스를 보상 신호 계산 처리에 도입함으로써 ACR 시스템에서 제공될 수 있다. 원하지 않는 교차 결합 효과는, 예를 들어, 자기장의 경우 강자성 물체의 부근, 또는 전기장의 경우 높은 유전상수를 갖는 물체의 부근에서의 고정된 환경적 요인, 또는 보상 소스와 센서의 기하학적 오정렬로 인해 발생하기 때문에, 이들 효과는 시간에 대해 크게 변하는 것은 아니다. 중요하게도 이들 효과는 간섭 장 또는 보상 장의 크기나 방향을 크게 변경시키지도 않는다. 이러한 이유 때문에, 특정 사이트 또는 비직교 보상 소스 기하학에 대한 교차 결합 보정 항은 장기간을 기초로 ACR 시스템에 프로그램될 수 있다. ACR 시스템에 대한 적절한 축 교차 결합 보정의 결정은 OV 서베이 데이터 수집 및 분석에 의해 시스템 설치에 앞서서 행해지거나, 또는 후술하는 바와 같이, 축 센서 응답을 샘플링하는 동안 공지의 여기신호를 보상 소스 엘리먼트에 공급하는 것에 기초하여 동작하는 캘리브레이션 알고리즘(calibration algorithm)을 포함시키는 것에 의해 시스템 설치 후에 행해진다.

ACR 발명에 대한 두 번째 개량은, 축 센서 응답을 샘플링하는 동안 공지의 여기신호를 보상 소스 엘리먼트에 공급하는 캘리브레이션 알고리즘을 내포하는 것에 있다. 캘리브레이션 알고리즘은 각각의 축 채널에 대한 여기 전달 계수(Excitation Transfer Coefficient, ETC)의 값을 계산한다. 그 결과값은 특정 ACR 보상 신호 소스가 보호되거나 ACR-제어 장에 놓여질 OV의 크기와, 보상되거나 생성될 장의 최대값에 적당한지를 결정하기 위해 조사될 수 있다. 이 가능성의 변수는, 사이트 특정 축 교차 결합 계수를 결정하기 위해 1 이상의 직교 축에 유도된 ETC를 관찰하는 동안, 주어진 단일 축의 여기(excitation)를 이용하는 것을 허용한다.

제어 구성

매개 IM에 의해 센싱 수단 위치로부터 제거 및/또는 차폐된 PV 내의 중첩 장의 파라미터 제어는, 도 3에 예시된 바와 같은 ACR 발명의 채택으로 달성될 수 있다. 여기에서는 장 보상보다는 장 제어가 요구되는 능력이다.

외부 장 제어 기능을 구현하기 위해서는 다음의 도 2의 토폴로지의 2개의 수정이 필요하다. a) 제어신호 경로에서 선택적으로 주파수-종속 신호처리를 위해 합산 노드(∑2)에 제어부를 부가하는 것. b) 제어기능을 위한 보상 전달함수 S₃의 차수와 계수의 구성. ACR 루프의 동작은 일반적인 액티브 보상 기능에서 이미 설명된 바와 같다. 그러나, 보조 비율척도 보상 루프 전달 함수는 IM 상호작용에 대한 보정과 함께, 간섭 장과 보상 장 사이의 차를 보상하기보다는 제어 (또는 보상) 장의 수정을 제공한다.

항 S₃가 시스템 환경에 대해 정확하게 정의되면, 제어부에 인가된 제어신호 δ(t)는, 제어 통과대역의 주파수 범위에 걸치는 S₃에 의해 맞추어진 최적의 주파수 및 선형 그룹 위상 응답에 의해, PV 내의 제어 장을 비례적으로 변경시키므로, 지나치거나 미달, 또는 부족한 라이징 시간, 및 다른 주파수-종속 제어 부작용에 대한 계단 함수(step function)를 최소화한다. 제어 입력신호에 선택적으로 인가되는 신호 조건 전달함수 S₅는, 보정 전달 함수 S₃와 독립적으로, 임의의 주파수 응답이 PV 내에서 달성될 수 있도록 허용한다.

ACR 제어 구성의 가상의 예시적 어플리케이션은 강력하게 이온화된 의사-차폐 플라즈마 외장(quasi-shielding plasma sheath) 내에서 핵 융합 반응(core fusion reation)에 영향을 미치는 자기장, 전기장 또는 전자기장을 제어한다.

특정 동작 요구조건 및 환경에 부합하도록 변화되는 다른 수정 및 변경이 당업자에게 명확할 것이기 때문에, 본 발명은 개시의 목적을 위해 선택된 예로 한정되는 것으로 간주되어서는 안되며, 본 발명의 진정한 사상 및 범위에 속하는 것으로부터 벗어나는 것을 구성하지 않는 모든 변경 및 수정을 포함한다.

따라서, 본 발명을 기재하고 있는, 특허증에 의해 보호받고자 하는 것은 후속의 첨부된 특허청구범위에 존재한다.

- 도면 번역-

도 1에서

Operational Volume: 동작 영역(OV)

Protected Volume: 보호 영역(PV)

Interfering Signal: 간섭신호

Compensating Signal: 보상신호

Prior Art: 종래 기술

도 2에서

Operational Volume: 동작 영역(OV)

Interacting Medium: 상호작용 매체(IM)

Protected Volume: 보호 영역(PV)

External Source: 외부 소스

Sensor: 센서

Compensating Signal: 보상신호

도 3에서

Operational Volume: 동작 영역(OV)

Interacting Medium: 상호작용 매체(IM)

Protected Volume: 보호 영역(PV)

External Source: 외부 소스

Sensor: 센서

Compensating Signal: 보상신호

Claims

공간의 동작 영역 내에 위치된 공간의 보호 영역 내의 적어도 하나의 축에서 물리적 장들을 보상하기 위한, 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템으로서, 이러한 보상은 원하지 않는 물리적 장을 억제하기 위해 사용될 수 있으며, 상기 시스템은,
a) 상기 공간의 동작 영역 내에 제 1 합산 노드(summation node)로서 실행하는 제 1 물리적 장 센싱 수단, 라플라스 변환 함수로 표시될 수 있는 전치-증폭 및 밴드형 필터들(pre-amplification and bandshaping filters), 제 2 합산 노드, 조정가능한 후치-증폭기(post-amplifier), 및 축마다 보상 물리 장과, 대응하는 일정한 감쇠 계수를 공급하는 출력 전원 드라이버를 포함하는 축 서브시스템(axial subsystem);
b) 제 1 비율척도 오프셋 신호를 생성하는 파라미터 추출수단; 및
c) 상기 제 1 합산 노드에 동작적으로 접속되고, 보상 신호의 환경적 변경에 대해 보정하기 위해 상기 제 1 비율척도 오프셋 신호를 수신하기 위한 상기 제 2 합산 노드를 포함하는 보조 직접 루프,
를 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 비율척도 오프셋 신호는 주파수-종속되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 물리적 장 센싱 수단은 상기 공간의 보호 영역으로부터 소정거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공간의 보호 영역을 에워싸는 매개 상호작용 매체(IM)를 더 포함하며, 가로지르는 장(traversing field)에서 동작하는 상기 매개 상호작용 매체에 기인한 물리적 영향력은 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 특징을 갖는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 함수인 제 3 라플라스 변환식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 합산 노드는 보상신호를 생성하는 상기 제 3 라플라스 변환식에 의해 표현되는 신호를 합산하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 자기장, 전기장, 전자기장 및 음장의 그룹으로부터 선택된 적어도 한 세트의 장을 보상하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
다중 물리적 장 간섭 소스들의 적응적 물리적 장 보상을 위해, 축마다 다중 물리적 장 센싱 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
직교 축 채널로부터 교차결합 보상 항을 도입하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
각각의 축 채널에 대한 여기 전달 계수(Excitation Transfer Coefficient)를 직접 측정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
공간의 동작 영역 내에 위치된 공간의 보호 영역 내의 적어도 하나의 축에서 물리적 장들을 제어하기 위한, 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템으로서, 상기 제어는 미리 정해진 파라미터 값의 물리적 장을 설정하는 것이며, 상기 시스템은,
a) 상기 공간의 동작 영역 내에 제 1 합산 노드(summation node)로서 실행하는 제 1 물리적 장 센싱 수단, 라플라스 변환 함수로 표시될 수 있는 전치-증폭 및 밴드형 필터들(pre-amplification and bandshaping filters), 제 2 합산 노드, 조정가능한 후치-증폭기(post-amplifier), 및 축마다 보상 물리 장과, 대응하는 일정한 감쇠 계수를 공급하는 출력 전원 드라이버를 포함하는 축 서브시스템(axial subsystem);
b) 제 1 비율척도 오프셋 신호를 생성하는 파라미터 추출수단;
c) 상기 제 1 합산 노드에 동작적으로 접속되고, 보상 신호의 환경적 변경에 대해 보정하기 위해 상기 제 1 비율척도 오프셋 신호를 수신하기 위한 상기 제 2 합산 노드를 포함하는 보조 직접 루프; 및
d) 상기 공간의 보호 영역 내의 파라미터-정의된 물리적 장을 설정하기 위한 파라미터 제어신호를 수신하기 위해 상기 제 2 노드에 동작적으로 접속되는 외부 입력신호 채널,
을 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 외부 입력신호 채널은 라플라스 변환 함수들로 표시될 수 있는 적어도 하나의 밴드형 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 비율척도 오프셋 신호는 주파수-종속되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제 1 물리적 장 센싱 수단은 상기 공간의 보호 영역으로부터 소정거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 14 항에 있어서,
상기 공간의 보호 영역을 에워싸는 매개 상호작용 매체를 더 포함하며, 가로지르는 장(traversing field)에서 동작하는 상기 매개 상호작용 매체에 기인한 물리적 영향력은 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 특징을 갖는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 함수인 제 3 라플라스 변환식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 제 2 합산 노드는 보상신호를 생성하는 상기 제 3 라플라스 변환식에 의해 표현되는 신호를 합산하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 시스템은 자기장, 전기장, 전자기장 및 음장의 그룹으로부터 선택된 적어도 한 세트의 장을 생성하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 11 항에 있어서,
직교 축 채널들로부터 교차-결합 보상 항들을 도입하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 11 항에 있어서,
각각의 축 채널에 대한 여기 전달 계수를 직접 측정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
공간의 동작 영역 내에 위치된 공간의 보호 영역 내의 적어도 하나의 축에서 물리적 장들의 조합된 보상 및 제어를 위한, 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템으로서, 상기 보상 및 제어는 원하지 않는 물리적 장을 억제하고, 미리 정해진 파라미터 값의 물리적 장을 설정하는 것을 동시에 행하며, 상기 시스템은,
a) 상기 공간의 동작 영역 내에 제 1 합산 노드(summation node)로서 실행하는 제 1 물리적 장 센싱 수단, 라플라스 변환 함수로 표시될 수 있는 전치-증폭 및 밴드형 필터들(pre-amplification and bandshaping filters), 제 2 합산 노드, 조정가능한 후치-증폭기(post-amplifier), 및 축마다 보상 물리 장과, 대응하는 일정한 감쇠 계수를 공급하는 출력 전원 드라이버를 포함하는 축 서브시스템(axial subsystem);
b) 제 1 비율척도 오프셋 신호를 생성하는 파라미터 추출수단;
c) 상기 제 1 합산 노드에 동작적으로 접속되고, 보상 신호의 환경적 변경에 대해 보정하기 위해 상기 제 1 비율척도 오프셋 신호를 수신하기 위한 상기 제 2 합산 노드를 포함하는 보조 직접 루프; 및
d) 상기 공간의 보호 영역 내의 정의된 물리적 장을 설정하기 위한 파라미터 제어신호를 수신하기 위해 상기 제 2 노드에 동작적으로 접속되는 외부 입력신호 채널,
을 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 21 항에 있어서,
상기 외부 입력신호 채널은 라플라스 변환 함수들로 표시될 수 있는 적어도 하나의 밴드형 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
상기 제 1 비율척도 오프셋 신호는 주파수-종속되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
상기 제 1 물리적 장 센싱 수단은 상기 공간의 보호 영역으로부터 소정거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
상기 공간의 보호 영역을 에워싸는 매개 상호작용 매체를 더 포함하며, 가로지르는 장(traversing field)에서 동작하는 상기 매개 상호작용 매체에 기인한 물리적 영향력은 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 특징을 갖는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 25 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 라플라스 변환식의 함수인 제 3 라플라스 변환식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 26 항에 있어서,
상기 제 2 합산 노드는 보상신호를 생성하는 상기 제 3 라플라스 변환식에 의해 표현되는 신호를 합산하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
상기 시스템은 자기장, 전기장, 전자기장 및 음장의 그룹으로부터 선택된 적어도 한 세트의 장을 동시에 보상 및 제어하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
다중 물리적 장 간섭 소스들의 적응적 물리적 장 보상을 위해, 축마다 다중 센싱수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
직교 축 채널들로부터 교차-결합 보상 항들을 도입하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.
제 22 항에 있어서,
각각의 축 채널에 대한 여기 전달 계수를 직접 측정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조정가능한 보상비, 폐루프, 네거티브-피드백 시스템.