WO2017056808A1

WO2017056808A1 - 電流測定装置およびそれを備えた磁気共鳴測定システム

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Publication number: WO2017056808A1
Application number: PCT/JP2016/074977
Authority: WO
Inventors: 智弘上野; 慎一浦山; 秀直福山
Original assignee: Corporation Kyoto Future Medical Instruments; Kyoto Future Medical Instruments; Kyoto University NUC
Current assignee: Corporation Kyoto Future Medical Instruments; Kyoto Future Medical Instruments; Kyoto University NUC
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2018-03-29
Also published as: JP2017067546A

Abstract

電流測定装置（２０）は、共振器（１２０）と、コイル（１１０）と、発振器（２１０）と、検波器（２６０）と、信号処理部（３２０）とを備える。共振器（１２０）の内部には、常磁性を示す標準物質（１２２）が設けられている。コイル（１１０）は、直流電源（１０）からの電流が流れることによって静磁場を発生し、その静磁場を共振器（１２０）に印加可能に構成される。検波器（２６０）は、コイル（１１０）により発生した静磁場が共振器（１２０）に印加され、かつ、発振器（２１０）からの電磁波が共振器（１２０）に照射された場合に、標準物質（１２２）の電子スピン共鳴により共振器（１２０）から出力される共鳴信号を検出する。信号処理部（３２０）は、共鳴信号に基づいて算出された標準物質（１２２）の共鳴周波数から、標準物質（１２２）の共鳴周波数とコイル（１１０）を流れる電流との対応関係を示すマップを用いて、コイル（１１０）を流れる電流を算出する。

Description

電流測定装置およびそれを備えた磁気共鳴測定システム

　本発明は、電流測定装置およびそれを備えた磁気共鳴測定システムに関する。

　近年、研究開発あるいは臨床診断の分野において、磁気共鳴測定システムが広く用いられている。磁気共鳴測定システムの例としては、ＮＭＲ（Nuclear　Magnetic　Resonance）測定システムまたはＭＲＩ（Magnetic　Resonance　Imaging）測定システム等が挙げられる。磁気共鳴測定システムでは、試料に印加するための強磁場を発生するために、一般に数百Ａ（アンペア）程度の励磁電流が直流電源から電磁石へと供給される。

J.　Krzystek　et　al,　"DDPH　as　a　Standard　for　High-Field　EPR",　Journal　of　Magnetic　Resonance　125,　207-211(1997). Robert　Diehl　et　al,　"The　Electromagnetic　Modes　of　a　Helical　Resonator",　Review　of　Scientific　Instruments　67(11),　November　1996. R.　deCarvalho　et　al,　"Buffer-gas　Loaded　Magnetic　Traps　for　Atoms　and　Molecules:　A　Primer",　The　European　Physical　Journal　D　7,　289-309(1999). D.M.　Ginsberg　and　M.J.　Melchener,　"Optimum　Geometry　of　Saddle　Shaped　Coils　for　Generating　a　Uniform　Magnetic　Field",　The　Review　of　Scientific　Instruments　47(1),　122-123,　January　1970.

　たとえば磁気共鳴測定システムにおいて、励磁電流を安定化することができれば、時間的な揺らぎが小さい直流磁場（静磁場）を発生することができる。静磁場の揺らぎが小さいほど、最終的に得られる測定結果の精度が向上し得る。つまり、励磁電流の安定度が高いほど静磁場の揺らぎが小さくなり、それによりＮＭＲスペクトルの精度を高めたり、ＭＲＩ画像の精細さを高めたりすることができる。

　上記の事情は一例に過ぎず、直流電源から供給される電流を安定化するための技術に対する要望は様々な技術分野において存在する。そのような技術を実現するためには、電流を高精度に測定する技術が求められる。

　本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電流を高精度に測定可能な技術を提供することである。

　本開示のある局面に従う電流測定装置は、直流電源から負荷へと供給される電流を測定する。電流測定装置は、共振器と、コイルと、光源と、検出器と、信号処理部とを、上記負荷とは異なる電流測定装置の内部に備える。共振器の内部には、常磁性を示す標準物質が設けられる。コイルは、直流電源からの電流が流れることによって磁場を発生し、発生した磁場を共振器に印加可能に構成される。光源は、電磁波を共振器に照射可能に構成される。検出器は、コイルにより発生した磁場が共振器に印加され、かつ、光源からの電磁波が共振器に照射された場合に、標準物質の電子スピン共鳴または電子常磁性共鳴により共振器から出力される電磁波を検出する。信号処理部は、検出器からの信号に基づいて、標準物質の共鳴周波数を算出する。信号処理部は、検出器からの信号に基づいて算出された共鳴周波数から、標準物質の共鳴周波数とコイルを流れる電流との対応関係を用いて、コイルを流れる電流を算出する。

　好ましくは、コイルの巻数は、１～３である。
　好ましくは、コイルは、サドルコイルであって、第１および第２の湾曲部と、第１および第２の連結部とを含む。第１および第２の湾曲部の各々は、共通の軸周りに湾曲するように形成される。第１および第２の連結部の各々は、上記軸の延在方向に沿って延び、第１の湾曲部と第２の湾曲部とを連結するように形成される。第１および第２の連結部は、上記軸に関して互いに対向するように配置される。共振器は、上記軸上に設けられる。

　好ましくは、コイルは、略同一形状を有する第１および第２の円形コイルが共通の中心軸を持つように配置されたヘルムホルツコイルである。共振器は、第１および第２の円形コイルの各々の中心から等距離の位置に設けられる。

　好ましくは、コイルは、共振器に印加される磁場が地磁気に対して略直交する方向になるように設けられる。

　好ましくは、電流測定装置は、磁気シールドをさらに備える。磁気シールドは、コイルを覆い、地磁気を遮蔽する。

　好ましくは、コイルは、高温超電導材料により形成される。電流測定装置は、コイルを冷却するための冷却液を保持可能に構成された断熱容器をさらに備える。

　好ましくは、電流測定装置は、断熱容器の内部に設けられたクライオポンプをさらに備える。クライオポンプは、自身の温度が低下するに従って気体の捕捉量が増加するように構成される。

　好ましくは、標準物質は、ＤＰＰＨ（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）である。
　本開示の他の局面に従う磁気共鳴測定システムは、上記直流電源と、上記電流測定装置と、磁気共鳴装置とを備える。磁気共鳴装置は、直流電源から供給される電流を用いて、試料に印加するための磁場を発生する他のコイルを上記負荷として含む。

　本開示によれば、電流を高精度に測定することができる。

電子スピン共鳴の原理を説明するための図である。自由誘導減衰法を説明するための図である。スピンエコー法を説明するための図である。実施の形態１における電流測定メカニズムを説明するための図である。共鳴周波数から電流を算出する手法の一例を説明するための図である。実施の形態１に係る電流測定装置を搭載したＮＭＲ測定システムの構成を概略的に示すブロック図である。電流測定装置の構成をより詳細に示すブロック図である。測定部の外観斜視図である。図８に示すＩＸ－ＩＸ線に沿う測定部の断面図である。実施の形態１に係る測定方法を説明するためのフローチャートである。実施の形態２におけるコイル構成を説明するための図である。実施の形態２に係る電流測定装置の測定部の構成を説明するための断面図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　以下に説明する実施の形態においては、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron　Spin　Resonance）または電子常磁性共鳴（ＥＰＲ：Electron　Paramagnetic　Resonance）を用いて直流電流の大きさが測定される。

　本開示の実施の形態において、「標準物質」との用語は、ＥＳＲスペクトル（またはＥＰＲスペクトル）と、磁気パラメータと等の各種特性が既知の物質を意味する。「標準物質」には、ある標準物質を用いて校正された他の物質を含み得る。つまり、ある標準物質の特性を基準にして他の物質の対応する特性を規定した場合には、その「他の物質」も「標準物質」に含み得る。

　＜電子スピン共鳴法の原理＞
　電子スピン共鳴および電子常磁性共鳴の原理は同等であるため、以下、電子スピン共鳴法の原理について代表的に説明する。

　図１は、電子スピン共鳴法の原理を説明するための図である。図１（ａ）を参照して、不対電子を持ち常磁性を示す物質（フリーラジカル）に静磁場Ｈが印加されると、不対電子のスピンのエネルギー状態は２つの準位に分裂する。この分裂はゼーマン分裂とも称される。２つの準位のうちエネルギーの高い準位にある電子スピン（αスピン）と、エネルギーの低い準位にある電子スピン（βスピン）とのエネルギー差ΔＥは、下記式（１）で表される。式（１）において、ｇは「ｇ値」とも呼ばれ、各フリーラジカルに固有の定数である。βは「ボーア磁子」とも呼ばれ、１つの不対電子がもつ磁気モーメントを示す定数である。

　ΔＥ＝ｇβＨ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
　図１（ｂ）において、横軸は静磁場Ｈを表し、縦軸はエネルギーを表す。図１（ｂ）には、式（１）から分かるように、ゼーマン分裂によるエネルギー差ΔＥが静磁場Ｈに比例することが示されている。ここでエネルギー差ΔＥに等しいエネルギーを有する電磁波がフリーラジカルに照射されると、βスピンをもつ電子は、電磁波を吸収してαスピンのエネルギー準位へと遷移する。すなわち、下記式（２）に示すように、電磁波のエネルギーがエネルギー差ΔＥに等しい場合に電磁波の吸収による共鳴現象が起こる。式（２）において、プランク定数をｈで表し、電磁波の周波数をνで表す。

　ｈν＝ｇβＨ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
　電子スピン共鳴法では、式（２）に示す共鳴条件が成立すると、フリーラジカルによるエネルギーの吸収を示す信号（共鳴信号）が観測される。この共鳴信号からＥＳＲスペクトルを取得し、さらに取得されたＥＳＲスペクトルを解析することによって、そのフリーラジカルについて、電子スピンの状態あるいは不対電子の密度等の各種特性（たとえばｇ値および超微細結合定数に代表される磁気パラメータ）を求めることができる。

　共鳴条件を成立させるためには、電磁波の周波数ν（言い換えるとエネルギーｈν）を一定にしつつ静磁場Ｈを変化させる手法と、静磁場Ｈを一定にしつつ電磁波の周波数νを変化させる手法とが考えられる。前者の手法は、連続波（ＣＷ：Continuous　Wave）－ＥＳＲ法により実現される。ＣＷ－ＥＳＲ法では一般に、一定の周波数を有する電磁波が連続波として試料に照射された状態において、電磁石の励磁電流を掃引することによって静磁場を掃引する。

　前者の手法に関し、静磁場の掃引は容易に実現可能である。これに対し、後者の手法に関し、一般に、共振器等を含む測定装置は周波数依存性を有する。よって、共鳴信号の周波数依存性を補正しなければならないため、電磁波の周波数掃引は敬遠される傾向にある。

　そこで、電磁波の周波数掃引に代えて、パルスＥＳＲ法を用いることができる。パルスＥＳＲ法では、一定の静磁場が試料に印加された状態において、パルス状の電磁波（以下「パルス波」と略す）が試料に照射される。実施の形態１では、パルスＥＳＲ法のより詳細な区分である、自由誘導減衰（ＦＩＤ：Free　Induction　Decay）法およびスピンエコー法のいずれかが用いられる。

　図２は、ＦＩＤ法を説明するための図である。図２（ａ）を参照して、ＦＩＤ法では、パルス波Ｐ１が静磁場中に設けられた試料に照射される。図２（ｂ）は、パルス波Ｐ１を拡大表示したものである。図２（ｂ）に示すように、パルス波Ｐ１は単一の周波数νｐを有する。パルス波Ｐ１のパルス幅はΔｔである。

　図２（ｃ）は、図２（ｂ）に時間領域表示されたパルス波Ｐ１をフーリエ変換することによって周波数領域にて表示したものである。図２（ｃ）には、パルス波Ｐ１のスペクトルが、周波数νｐを中心として、不確定性原理による拡がり（スペクトル幅）Δνを持つことが示されている。スペクトル幅Δνはパルス幅Δｔの逆数（１／Δｔ）にほぼ等しいので、パルス幅Δｔを制御することによってスペクトル幅Δν（言い換えれば周波数帯域）を調整することができる。このように、パルスＥＳＲ法では、パルス波Ｐ１，Ｐ２が単一の周波数νｐを有するものであっても、パルス幅Δｔを適切に設定することにより周波数帯域を調整して共鳴条件を成立させることができる。

　共鳴条件が成立している場合、電子は高エネルギー準位へと遷移し、パルス波Ｐ１の照射直後から応答信号Ｒ１が観測される。試料内部での応答信号Ｒ１の位相の乱れにより、応答信号Ｒ１の信号強度は時間とともに減衰する。応答信号Ｒ１の継続時間および強度は、試料の磁気パラメータに依存する。応答信号Ｒ１をフーリエ変換することにより、ＥＳＲスペクトルが取得される。

　図３は、スピンエコー法を説明するための図である。図３を参照して、パルスＥＳＲ法では、パルス波Ｐ１，Ｐ２が静磁場中に設けられた試料に時間間隔τで照射される。共鳴条件が成立している場合、スピンエコー法においても、パルス波Ｐ１の照射直後にＦＩＤによる応答信号Ｒ１が生じる。さらに、スピンエコー法では、パルス波Ｐ２の照射から時間τ経過後に応答信号Ｒ２が観測される。応答信号Ｒ２は、応答信号Ｒ１と、応答信号Ｒ１の最大値を通る中心軸について応答信号Ｒ１を反転させたものとを重ね合わせたような山型形状を有する。応答信号Ｒ２の強度は、試料の磁気パラメータに応じて変調する。応答信号Ｒ１，Ｒ２をフーリエ変換することにより、ＥＳＲスペクトルが取得される。

　ＦＩＤ法の利点は、パルス波Ｐ１の強度が比較的小さい場合にも使用可能な点にある。特に、一般的な高周波（たとえば、後述するように共鳴周波数νが数ＧＨｚから数百ＧＨｚまでの範囲）のＥＳＲでは強度の大きいパルスを生成することが難しいため、ＦＩＤ法は有用である。一方、スピンエコー法は、信号の位相情報を確定できるため、フーリエ変換後の応答信号Ｒ１，Ｒ２がシャープになる点に利点を有する。

　［実施の形態１］
　＜電流測定メカニズム＞
　実施の形態１に係る電流測定装置においては、以上で説明したパルスＥＳＲ法を用いて電流測定が行なわれる。

　図４は、実施の形態１における電流測定メカニズムを説明するための図である。図４を参照して、測定システムは、直流電源１０と、電流測定装置２０と、負荷３０とを備える。

　直流電源１０は、電流Ｉを負荷３０に供給する。直流電源１０は、典型的には安定度の高い直流電流を供給可能に構成された安定化電源であるが、これに限定されるものではなく、たとえば蓄電装置（バッテリ等）であってもよい。負荷３０は、直流電源１０から供給された電流Ｉを消費する機器であれば特に限定されない。

　電流測定装置２０は、直流電源１０と負荷３０との間に電気的に接続される。電流測定装置２０は、直流電源１０から負荷３０へと供給される電流Ｉを測定するための測定部１００を含む。測定部１００にはコイル１１０が設けられている。

　実施の形態１において、コイル１１０はサドルコイルである。すなわち、コイル１１０は、２つのサドル（鞍）形状のコイルの各々の盛り上がった部分（前橋または後橋）を互いに外側に配置することで、コイル１１０全体としては円筒形状になるように構成されている。

　より具体的には、コイル１１０は、湾曲部１１２，１１４と、連結部１１６，１１８とを含む。湾曲部１１２（第１の湾曲部）と湾曲部１１４（第２の湾曲部）とは、各々が共通の軸Ａｘの周りに円弧状に湾曲するように形成される。連結部１１６（第１の湾曲部）および連結部１１８（第２の湾曲部）の各々は、軸Ａｘの延在方向に沿って延び、湾曲部１１２と湾曲部１１４とを連結するように形成される。連結部１１６と連結部１１８とは、軸Ａｘに関して互いに対向するように配置される。

　電流Ｉが励磁電流としてコイル１１０を流れると、静磁場Ｈが発生する。静磁場Ｈの方向は、軸Ａｘに略垂直な方向である。共振器１２０は、湾曲部１１２と湾曲部１１４との間において、軸Ａｘ上に設けられる。

　一般的なＥＳＲ法において、共振器の内部には、ＥＳＲスペクトルおよび磁気パラメータ等の特性が未知の試料が用いられる。その試料について、ＥＳＲスペクトルを取得し、取得されたＥＳＲスペクトルを解析することによって、磁気パラメータ等の特性が求められる。

　一例として、電子スピン共鳴が起こる周波数（共鳴周波数）ν_０をＥＳＲスペクトルから求めることができる。一方、コイルを流れる励磁電流は測定可能であるため、励磁電流と静磁場との対応関係を予め取得しておけば、励磁電流から、電子スピン共鳴が起こるときの静磁場Ｈ_０を算出することができる。よって、たとえば共鳴周波数ν_０および静磁場Ｈ_０を上記式（２）に代入することにより、その試料のｇ値を求めることができる。

　ここで、本発明者らは、コイル１１０を流れる電流Ｉと、その電流Ｉにより発生する静磁場Ｈ（Ｈ_０）と、その静磁場Ｈが印加されることにより電子スピン共鳴が起こる際の共鳴周波数ν_０との間に対応関係が存在する点に着目した。この対応関係を予め規定しておくことにより、静磁場Ｈ_０および共鳴周波数ν_０から、測定対象のパラメータである電流Ｉを算出することができる。

　より詳細に説明すると、電流Ｉと静磁場Ｈとの対応関係は高精度に計算可能であるので、電流測定装置２０に含まれる各構成要素の加工精度または位置ずれ等による誤差を考慮して校正をさらに行なうことで、電流Ｉと静磁場Ｈとの対応関係を予め取得しておくことができる。そのため、静磁場Ｈ_０と共鳴周波数ν_０との対応関係を取得すれば、静磁場Ｈ_０および共鳴周波数ν_０から電流Ｉを算出することが可能になる。

　そこで、実施の形態１において、共振器１２０の内部には、ＥＳＲスペクトルおよび磁気パラメータ（たとえばｇ値）等の各種特性が既知の標準物質１２２が設けられる。電子スピン共鳴が起こるときの共鳴周波数ν_０は測定可能である。したがって、式（２）を用いることにより、共鳴周波数ν_０と標準物質１２２のｇ値とから、電子スピン共鳴が起こるときの静磁場Ｈ_０が算出される。すなわち、標準物質１２２を用いることにより、静磁場Ｈ_０と共鳴周波数ν_０との対応関係を取得することができる。

　このように標準物質１２２を用いると、電流Ｉと、静磁場Ｈ（Ｈ_０）と、共鳴周波数ν_０との間の対応関係を予め規定することによって、共鳴周波数ν_０から電流Ｉを算出することが可能になる。なお、装置構成（具体的にはコイル１１０の構成、およびコイル１１０と共振器１２０との位置関係）が変更されない限り、電流Ｉと静磁場Ｈとの対応関係は固定される。よって、より簡略的に、電流Ｉと共鳴周波数ν_０との対応関係を規定することができる。

　図５は、共鳴周波数ν_０から電流Ｉ_０を算出する手法の一例を説明するための図である。図５において、横軸は共鳴周波数νを表し、縦軸は電流Ｉを表す。図５の直線Ｌに示されるように、電流Ｉと共鳴周波数ν_０との対応関係は、基本的には原点を通る１次関数である。このような対応関係を、たとえば関数またはマップとして電流測定装置２０が予め有することによって、共鳴周波数ν_０から電流Ｉ_０を算出することができる。

　＜システム構成＞
　以下では、実施の形態１に係る電流測定装置２０がＮＭＲ測定システムに適用される構成を例に説明する。ただし、電流測定装置２０が適用可能な磁気共鳴システムはＮＭＲ測定システムに限定されず、たとえばＭＲＩ測定システムであってもよい。また、実施の形態１に係る電流測定装置の用途は、電流を高精度に測定する要望が存在するものであれば磁気共鳴測定システムに限定されない。

　図６は、実施の形態１に係る電流測定装置２０を搭載したＮＭＲ測定システムの構成を概略的に示すブロック図である。図６を参照して、ＮＭＲ測定システム１は、直流電源１０と、電流測定装置２０と、ＮＭＲ装置４０とを備える。ＮＭＲ装置４０は、負荷３０（図４参照）としての電磁石４１と、分光器４２と、信号処理装置４３とを含む。

　直流電源１０は、電流ＩをＮＭＲ装置４０に供給する。電流Ｉの大きさは、たとえば１００Ａ以上かつ５００Ａ以下の範囲であり、典型的には３００Ａである。

　電磁石４１は、超電導コイルを含んで構成され、直流電源１０から供給された電流Ｉにより強磁場を発生する。発生した強磁場は図示しない試料に印加される。電磁石４１には超伝導材料が用いられているものの、わずかな電流損失が生じるため、強磁場は時間の経過とともに減衰し得る。よって、強磁場の減衰を抑制するために、直流電源１０から電磁石４１へと電流Ｉが常に供給される。

　分光器４２は、試料から発せられた光を分光し、その分光結果を示す信号を信号処理装置４３に出力する。信号処理装置４３は、分光器４２から受けた信号に対して各種信号処理を行なうことにより、ＮＭＲスペクトルを取得する。さらに、信号処理装置４３は、ＮＭＲスペクトルを解析することにより、試料の特性を算出する。

　電流測定装置２０は、直流電源１０と電磁石４１との間に接続され、直流電源１０から電磁石４１に供給される電流Ｉを測定する。電流測定装置２０の構成について、図７～図９を用いて詳細に説明する。

　図７は、電流測定装置２０の構成をより詳細に示すブロック図である。図６および図７を参照して、電流測定装置２０は、発振器２１０と、結合器２２０と、ゲート２３０と、増幅器２４０と、サーキュレータ２５０と、検波器２６０と、測定部１００と、マイクロコンピュータ３００とを備える。測定部１００は、図４にて説明したように、コイル１１０と、共振器１２０とを含む。マイクロコンピュータ３００は、制御部３１０と、信号処理部３２０と、周波数発生部３３０とを含む。図７に示すように、共振器１２０と、コイル１１０と、発振器２１０と、検波器２６０と、マイクロコンピュータ３００とは、ＮＭＲ装置４０とは異なる電流測定装置２０の内部に設けられる。

　発振器（光源）２１０は、制御部３１０からの制御信号に応答して、所定の周波数の電磁波を発生し結合器２２０へと出力する。結合器２２０は、発振器２１０からの電磁波の一部をゲート２３０に出力する一方で、電磁波の他の一部を参照信号として検波器２６０に出力する。

　ゲート２３０および増幅器２４０は、所望のパルス幅およびパルス強度（波高）を持つパルス波を生成する。より具体的には、ゲート２３０は、制御部３１０からのゲート信号に応答して、電磁波を通過させたり遮断したりする。増幅器２４０は、制御部３１０からの制御信号に応答して、ゲート２３０を通過した電磁波を増幅する。

　サーキュレータ２５０は、ゲート２３０および増幅器２４０により生成されたパルス波を共振器１２０に出力する。なお、サーキュレータ２５０は、パルス波が増幅器２４０から検波器２６０へと直接的には伝搬しないように構成される。

　図４にて説明したように、コイル１１０は、直流電源１０からＮＭＲ装置４０へと供給される電流Ｉを励磁電流として静磁場Ｈを発生する。また、共振器１２０内部には標準物質１２２（図４参照）が収容される。静磁場Ｈが共振器１２０に印加され、かつパルス波が共振器１２０に照射されて共鳴条件が成立した場合、電子スピン共鳴による変調を受けた共鳴信号（図２（ａ）または図３に示す応答信号Ｒ１，Ｒ２）が生じる。この共鳴信号は、サーキュレータ２５０を介して検波器２６０へと出力される。

　検波器（検出器）２６０は、結合器２２０によって分岐された電磁波を参照信号として共鳴信号を検波し、その検波結果を示す信号を信号処理部３２０に出力する。

　マイクロコンピュータ３００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）と、メモリと、入出力バッファ等とを含んで構成される。

　制御部３１０は、電流測定装置２０の各構成要素を制御する。より具体的には、制御部３１０は、周波数発生部３３０からの周波数信号に基づいて、発振器２１０への制御信号、ゲート２３０へのゲート信号、および増幅器２４０への制御信号を出力する。

　信号処理部３２０は、検波器２６０からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。また、信号処理部３２０は、メモリに格納されたマップまたはプログラムに基づいて、上記デジタル信号に対してフーリエ変換などの各種信号処理を行なってＥＳＲスペクトルを取得し、取得されたＥＳＲスペクトルから共鳴周波数ν_０を算出する。そして、信号処理部３２０は、図５にて説明したように、標準物質１２２の共鳴周波数νとコイル１１０を流れる電流Ｉとの対応関係を用いて、共鳴周波数ν_０から電流Ｉ_０を算出する。

　周波数発生部３３０は、制御部３１０および信号処理部３２０の動作の基準となる周波数信号を発生する。制御部３１０および信号処理部３２０の動作精度が高くなるように、周波数発生部３３０としては、周波数精度ができるだけ高いもの（たとえば±５０ｐｐｂ（１０のマイナス９乗））よりも高いものを用いることが望ましい。

　＜測定部の構成＞
　図８は、測定部１００の外観斜視図である。図７および図８を参照して、ｘｙ平面方向は水平方向を表す。ｘ方向とｙ方向とは互いに直交する。ｚ方向は鉛直方向を表す。重力の向きはｚ方向下方である。

　測定部１００は、たとえば円筒形の筐体１０１を有する。筐体１０１の上面１０１Ｕには、ポート１０２～１０５と、方位磁石１０６と、方位マーク１０７とが設けられている。筐体１０１は、その下面１０１Ｌを免震台（図示せず）等に固定可能に構成される。

　ポート１０２は、直流電源１０から測定部１００への電流Ｉの入力端子である。ポート１０３は、測定部１００からＮＭＲ装置４０への電流Ｉの出力端子である。電流Ｉは、たとえば数百Ａ程度の大電流であるため、上記のように入力端子と出力端子とを別々に設けることが望ましい。

　ポート１０４は、サーキュレータ２５０から共振器１２０（いずれも図７参照）へのパルス波の入力、および、共振器１２０からサーキュレータ２５０への共鳴信号の出力を行なうための入出力端子である。サーキュレータ２５０を設けることにより、入力端子と出力端子とを共通化できるので、測定部１００の構造をシンプルにすることができる。

　ポート１０５は、後述する冷却液１５０を注入（または補充）したり、気化した冷却液１５０を逃がしたりするための開口である。

　方位磁石１０６は、磁石の作用を用いて北の方角を指し示す。方位マーク１０７としては、たとえば図８に示すような北の方角を示す記号が用いることができる。方位磁石１０６が指し示す北の方角（磁北）に、方位マーク１０７が示す北の方角を一致させることで、地磁気に対する測定部１００の設置方向を決めることができる。方位磁石１０６および方位マーク１０７の詳細については後述する。

　なお、図７では、電流測定装置２０がサーキュレータ２５０を備える構成を例に説明したが、サーキュレータ２５０は省略してもよい。この場合には、信号の伝達経路を、増幅器２４０から測定部１００への伝達経路と、測定部１００から検波器２６０への伝達経路とに分離しなければならない。つまり、ポート１０４に代えて２つのポートを設けることが必要になるので、図８に示す構造と比べて、測定部１００の構造が複雑化し得る。その一方で、共振器１２０への信号の入力および共振器１２０からの信号の出力を調整するための条件が増えるので、共鳴信号の最適化を行ないやすくなる。たとえば、入力の結合状態（カップリング）を高めて強度の高いパルス波（Ｐ１，Ｐ２）を送る一方で、出力の結合状態は低くして共鳴のＱ値を上げるなどの調整が可能になる。

　図９は、図８に示すＩＸ－ＩＸ線に沿う測定部１００の断面図である。図７～図９を参照して、測定部１００は、試料管１３０と、断熱容器１４０と、冷却液１５０と、磁気シールド１６０とを備える。試料管１３０は、コイル１１０（図２の湾曲部１１２，１１４および連結部１１６，１１８参照）ならびに共振器１２０に加えて、ホルダ１３２，１３４と、クライオポンプ１３６とをさらに含む。

　コイル１１０は、たとえば高温超電導材料により形成される。高温超電導材料としては公知の材料を用いることができる。実施の形態１では、超電導の転移温度が液体窒素の沸点よりも低い材料が用いられる。

　共振器１２０は、たとえばヘリカルレゾネータである。共振器１２０の内部には、ＤＰＰＨが標準物質１２２として設けられる。ただし、標準物質１２２の種類はこれに限定されるものではなく、たとえばＢＤＰＡ（1,3-bisdipheylene-2-phenylally）であってもよい。このように標準物質１２２としては、ＤＰＰＨまたはＢＤＰＡのような安定なフリーラジカルを用いることが好ましい。フリーラジカルの共鳴線の線幅は多くの物質の共鳴線の線幅よりも狭いので、図５にて説明したような対応関係を高精度に取得可能であるためである。

　ホルダ１３２はコイル１１０を保持する。ホルダ１３４は、共振器１２０と、サーキュレータ２５０からポート１０４を介して入力されるパルス波の伝送線路と、共振器１２０からポート１０４を介して出力される共鳴信号の伝送線路とを保持する。ホルダ１３２，１３４の各々は、たとえば強化樹脂により形成される。ホルダ１３２は、ホルダ１３４を挿入可能に構成される。ホルダ１３４がホルダ１３２に挿入された状態では、ホルダ１３２，１３４は互いに密着し、ホルダ１３２とホルダ１３４との間にはわずかな空間（隙間）しか生じない。

　クライオポンプ１３６は、ホルダ１３２とホルダ１３４との間の隙間に設けられる。クライオポンプ１３６は、クライオポンプ１３６自身の温度が低下すると、試料管１３０内部の気体分子を極低温面（図示せず）に凝縮または吸着させることによって捕捉する。

　断熱容器１４０は、試料管１３０を収容するとともに、試料管１３０を冷却するための冷却液１５０を保持可能に構成される。断熱容器１４０は真空断熱層（図示せず）を有するため、断熱容器１４０外部から冷却液１５０への熱伝導が抑制される。冷却液１５０の種類としては、コイル１１０に用いられる高温超電導材料の転移温度に応じて適宜選択することができるが、実施の形態１では液体窒素が用いられる。

　磁気シールド１６０は、筐体１０１の外壁を覆い（言い換えればコイル１１０を覆い）、地磁気を遮蔽する。磁気シールド１６０の材料としては透磁率の高い材料が好ましい。そのような材料としては、パーマロイまたはパーメンジュール等が挙げられる。

　以上のような構成を有する測定部１００において、電流Ｉの測定精度を向上させるための各構成要素の役割について、より詳細に説明する。

　＜試料管の冷却＞
　まず、冷却液１５０を用いて試料管１３０を冷却する理由について説明する。その理由としては主に以下の３点が挙げられる。

　第１に、コイル１１０の超電導状態を実現するためである。これにより、コイル１１０におけるジュール熱の発生による温度変化を低減するとともに、コイル１１０を構成する原子または分子の熱運動に伴うノイズ（熱雑音）を低減することができる。その結果、電流Ｉの測定精度の悪化を抑制することができる。

　第２に、共振器１２０の温度変化に伴い共振器１２０の熱膨張または熱収縮が起こると、共振器１２０のＱ値、共鳴周波数、および結合定数（カップリング）が変化するため、共振器１２０から出力される共鳴信号の波形も変化し得る。その結果、その共鳴信号をフーリエ変換することによって取得されるＥＳＲスペクトルが温度依存性を示すようになり得る。よって、共振器１２０の温度を一定に維持することが望ましい。一般に、液体窒素等の冷却液を用いて装置温度を極低温の一定値に維持することは、技術的に確立されており、装置温度を室温付近にて一定値に維持するよりもやさしい。したがって、実施の形態１では冷却液１５０を用いて共振器１２０の熱膨張または熱収縮を抑制することにより、室温変化に伴う電流Ｉの測定値の変動を低減することができる。また、様々な室温環境下において、季節にかかわらず同一温度条件で測定を行なうことができる。

　第３に、電子スピンのうちαスピンとβスピン（図１参照）との比率（占有率）はボルツマン分布則により定まるところ、共振器１２０の冷却により標準物質１２２の温度が低くなるに従って、βスピンの占有率が相対的に高くなる。つまり、βスピンのエネルギー準位からαスピンのエネルギー準位へと遷移可能な電子スピン数が大きくなるので、共鳴信号の強度を大きくすることができる。

　＜クライオポンプによる真空生成＞
　次に、クライオポンプ１３６の機能について、より詳細に説明する。断熱容器１４０に冷却液１５０が保持されておらず試料管１３０が冷却されていない状態（図示せず）では、クライオポンプ１３６は、試料管１３０内部における気体分子の存在を許容する。これは、冷却液１５０を用いて共振器１２０を冷却する際に、共振器１２０から冷却液１５０への熱伝導を生じさせるための媒質として気体分子が必要であるためである。一方で、断熱容器１４０に冷却液１５０が保持され試料管１３０（およびクライオポンプ１３６自身）が冷却された状態では、クライオポンプ１３６は、気体分子を捕捉し、試料管１３０内部を真空状態に保持する。

　なお、上述のように、ホルダ１３４がホルダ１３２に挿入された状態において、ホルダ１３２とホルダ１３４との間にはわずかな隙間しか生じない。このような構造は、クライオポンプ１３６によって生成された真空状態を維持するのに寄与する。また、ポート１０２～１０４の各々は、電磁波を通過させる一方で、空気の通過は許容せず真空状態を維持するように構成されている。

　共振器１２０内部に冷却液１５０が存在する場合、液体と気体との密度差あるいは気体の位置に応じて共鳴状態が変化し、ノイズの要因となり得る。また、共振器１２０内部に空気が含まれた状態では、空気中の水分子または酸素分子からフリーラジカルが生じ、共鳴信号におけるバックグランドノイズとなり得る。クライオポンプ１３６を用いて共振器１２０内部を真空状態にすることにより、このような要因を排除することができる。

　さらに、共振器１２０内部が真空状態の場合とそうでない場合とでは電磁波（パルス波）の波長が異なる（波長短縮率が異なる）ので、共振周波数νの測定誤差の要因となり得る。波長短縮率に関しては特に水分子の影響が大きい。共振器１２０内部を真空状態にすることによって、波長短縮率に起因する誤差を抑制することができる。

　また、冷却液１５０の沸騰による気泡が破裂する際に音波などの衝撃波が生じ得る。試料管１３０内部を真空状態にすることにより衝撃波の媒質がなくなるので、衝撃波が伝わりにくくなる。つまり、冷却液１５０から共振器１２０へと伝わる衝撃および振動を緩和することができる。

　＜測定部の方角＞
　測定部１００は、コイル１１０により発生する静磁場Ｈと地磁気Ｈｅとが略直交するように設置することが好ましい。このように測定部１００を設置するための手法について、以下に詳細に説明する。

　北磁極および南磁極を除く地球上のあらゆる場所において、地磁気Ｈｅは、方位磁石によって示される北の方角（磁北）のベクトルと、鉛直方向のベクトルとで張られる平面内に存在する。この平面内において、地磁気Ｈｅが水平方向となす角は、測定部１００の設置箇所の緯度によって異なり得る。地磁気Ｈｅが水平方向となす角は、たとえば沖縄では約４５°であり、北海道では約６０°である。さらに、地磁気Ｈｅは、上記平面内において、測定部１００が設置された建物の構造材の影響を受ける可能性がある。

　図９において、鉛直方向はｚ方向である。筐体１０１の上面１０１Ｕに設けられた方位磁石１０６によって示される磁北は、紙面に垂直な平面方向（ｙｚ平面方向）であるとする。地磁気Ｈｅが水平方向となす角は、電流測定装置２０の設置箇所の緯度によって異なり得るものの、いずれの緯度においてもｙｚ平面内である。よって、コイル１１０により発生する静磁場Ｈが紙面に平行な平面方向（ｘｚ平面方向、すなわち東または西方向）となるように電流測定装置２０を設置すれば、緯度によらず静磁場Ｈと地磁気Ｈｅとを略直交させることができる。

　実施の形態１では、測定部１００は、ユーザが測定部１００を設置する際に、方位磁石１０６によって示される磁北に方位マーク１０７の方角を一致させることで、静磁場Ｈの方向が東または西の方角となるように構成されている。これにより、上記のような直交関係を容易に成立させることができる。また、建物の構造材の影響を考慮しなくてもよいので、測定部１００の設置箇所における地磁気Ｈｅの詳細なデータを調査するための費用および時間を節約することができる。なお、北磁極または南磁極では、コイル１１０による静磁場Ｈが水平方向になるように電流測定装置２０を設置すれば、直交条件を成立させることができる。

　＜測定部の外形形状＞
　測定部１００の外形形状について説明する（図８参照）。測定部１００の外形形状にとしては様々な形状を採用することができるが、直方体形状を採用することが最も一般的と考えられる。しかしながら、直方体形状の場合、直方体の任意の面を底面として測定部１００を設置することが可能であるため、設置の仕方によっては静磁場Ｈと地磁気Ｈｅとが互いに直交しない可能性がある。

　実施の形態１においては、図８にて説明したように、測定部１００の外形形状として円筒形が採用される。これにより、測定部１００を設置する際に、円筒形の側面を底面とすることはできなくなる。また、円筒形の上面１０１Ｕにはポート１０２～１０５が設けられている。したがって、ユーザが特に意識しなくとも、測定部１００は円筒形の下面１０１Ｌが底面となるように設置されることになる。その結果、静磁場Ｈと地磁気Ｈｅとの直交関係を確実に確保することができる。なお、静磁場Ｈと地磁気Ｈｅとを互いに直交させることによる効果については後述する。

　また、測定部１００の外形形状が直方体形状の場合、大気圧と断熱容器１４０の真空断熱層の圧力との圧力差によって、時間の経過に伴い測定部１００が変形し得る。外形形状を円筒形にすることにより、そのような変形を生じにくくすることができる。

　＜コイル構成＞
　次に、コイル１１０の巻数について説明する。上記式（２）に示す共鳴条件が成立する場合、電磁波の共鳴周波数νと静磁場Ｈとは比例関係にあるため、静磁場Ｈが強くなるに従って共鳴周波数νも高くなる。一般的なＥＳＲ法において用いられるコイルの巻数は、数千以上である。そのため、発生する静磁場も比較的強く、１Ｔ（テスラ）程度（たとえば０．１Ｔから１０Ｔまでの範囲）であることが多い。したがって、式（２）より、電磁波の共鳴周波数νは、数ＧＨｚから数百ＧＨｚまでの範囲である。

　コイルの巻数が大きくなるにつれて、コイルのインダクタンスは大きくなる。実施の形態１において、コイル１１０のインダクタンスが過度に大きいと、コイル１１０を流れる電流Ｉが変動したとしても、静磁場Ｈがほとんど変化しない可能性がある。つまり、電流Ｉの微小な変動を測定することができなくなる可能性がある。したがって、電流Ｉの測定精度を向上させるためには、コイル１１０の巻数を小さくしてコイル１１０のインダクタンスをできるだけ小さくすることが望ましい。よって、実施の形態１では、１巻きから数巻き程度のコイル１１０を用いることが好ましく、１巻きから３巻きのコイル１１０を用いることがより好ましい。

　このように、実施の形態１では、コイル１１０の巻数が一般的なＥＳＲ法におけるコイルの巻数よりも少ないので、発生する静磁場Ｈも弱くなる。一例として、コイル１１０の巻数が１であり、かつ、コイル１１０の直径φが１０ｃｍであり、かつ、コイル１１０を流れる電流Ｉが３００Ａである場合、静磁場Ｈは約４０Ｇ（ガウス）である（１Ｔ＝１０，０００Ｇ）。すなわち、実施の形態１における静磁場Ｈは、一般的なＥＳＲ法における静磁場と比べて２桁～３桁程度も弱い。そのため、電磁波の共鳴周波数νも低くなり、たとえば数十ＭＨｚから数百ＭＨｚまでの範囲となることが多い。たとえば、静磁場Ｈが約５０Ｇであり、かつ標準物質１２２としてＤＰＰＨを用いる場合には、電磁波の共鳴周波数νは、たとえば１００ＭＨｚ～１２０ＭＨｚ程度になる。以上のように、実施の形態１に係る電流測定方法は、共鳴周波数νが一般的なＥＳＲ法における共鳴周波数よりも低い点において、「低周波ＥＳＲ法」と呼ぶことができる。

　＜標準物質の選択＞
　続いて、標準物質１２２としてＤＰＰＨを用いることが好ましい理由について説明する。その理由としては主に以下の２点が挙げられる。

　第１に、実施の形態１に係る電流測定装置２０においては、図５にて説明したように、標準物質１２２の共鳴周波数νとコイル１１０を流れる電流Ｉとの対応関係（関数またはマップ）を信号処理部３２０が予め有していることが必要である。ＤＰＰＨは、ＥＳＲ法における標準物質の代表的な材料であるため、ＥＳＲスペクトルおよび磁気パラメータが詳細に調べられている。よって、上記対応関係を容易かつ精密に規定することができる。

　第２に、ＤＰＰＨのｇ因子には異方性がないので共鳴線が１つであり、さらに、その共鳴線がシャープであるためである。つまり、ＤＰＰＨを用いることで、共鳴周波数ν_０を高精度に決定することができる。

　＜地磁気の影響の低減＞
　電流Ｉを高精度に測定するためには、共振器１２０に印加される磁場が、コイル１１０を流れる電流Ｉにより発生する静磁場Ｈのみであることが望ましい。したがって、測定部１００は、地磁気の影響ができるだけ低減されるように構成される。その低減効果について説明する。

　実施の形態１において電流Ｉにより発生する静磁場Ｈは、上述のように、たとえば約５０Ｇである。地磁気Ｈｅは場所によって異なるが、日本における平均値は約０．４６Ｇとされる。つまり、地磁気Ｈｅは、静磁場Ｈよりも２桁程度弱い。なお、磁北の日変化は非常に小さく、約０．１°である。また、地磁気Ｈｅの大きさに対する地磁気Ｈｅの日変化の大きさの比率も小さく、０．１％（通常時）から１％（磁気嵐発生時）までの範囲である。したがって、磁北の日変化、および地磁気Ｈｅの日変化の大きさのいずれも無視することができる。

　さらに、測定部１００では、磁気シールド１６０により地磁気Ｈｅが遮蔽される。磁気シールド１６０の材料としてパーマロイを用いると、地磁気Ｈｅを２桁程度さらに低減することができる。つまり、磁気シールド１６０を設けることにより、地磁気Ｈｅは、静磁場Ｈよりも４桁程度弱くなる。

　仮に、静磁場Ｈが地磁気Ｈｅに対して水平である場合、地磁気Ｈｅが静磁場Ｈに対してベクトル加算（またはベクトル減算）されるため、地磁気Ｈｅの影響は最も大きくなる。これに対し、実施の形態１において、コイル１１０は、静磁場Ｈが地磁気Ｈｅに対して略直交するように設けられる。この場合、地磁気Ｈｅと静磁場Ｈとのベクトル合成により、合成磁場が得られる。静磁場Ｈに対する合成磁場の増加率は、静磁場Ｈに対する地磁気Ｈｅの比率（すなわち１０のマイナス４乗）の２乗程度（すなわち１０のマイナス８乗）と見積もられ、非常に小さい。このように、図８および図９に示すように測定部１００を構成することによって、地磁気Ｈｅの影響を大きく低減することができる。

　＜電流測定方法＞
　図１０は、実施の形態１に係る電流測定方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、所定の条件成立時あるいは所定の期間経過毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。なお、このフローチャートの各ステップ（以下、Ｓと略す）は、基本的にはマイクロコンピュータ３００によるソフトウェア処理によって実現されるが、マイクロコンピュータ３００内に作製された電子回路を用いたハードウェア処理によって実現されてもよい。

　図７～図１０を参照して、Ｓ１０において、直流電源１０からの電流Ｉが電流測定装置２０を介してＮＭＲ装置４０へと供給される。電流Ｉがコイル１１０を流れることによって静磁場Ｈが発生し、発生した静磁場Ｈが共振器１２０に印加される。

　Ｓ２０において、制御部３１０は、発振器２１０、ゲート２３０および増幅器２４０を制御することによって、所望のパルス幅およびパルス強度を持つパルス波を生成させる。生成されたパルス波は、サーキュレータ２５０を介して共振器１２０へと供給される。静磁場Ｈとパルス波の周波数νとの間に共鳴条件が成立すると、共振器１２０にて電子スピン共鳴が起こる。電子スピン共鳴による変調を受けた共鳴信号は、共振器１２０から出力され、サーキュレータ２５０を介して検波器２６０へと送られる。

　Ｓ３０において、信号処理部３２０は、検波器２６０により検波された共鳴信号（アナログ信号）のアナログ－デジタル変換処理を行なうことにより共鳴信号（デジタル信号）を得る。さらに、信号処理部３２０は、時間領域の共鳴信号のフーリエ変換処理を行なうことにより、周波数領域のＥＳＲスペクトル（吸収スペクトルまたは分散スペクトル）を取得する（Ｓ４０）。そして、信号処理部３２０は、ＥＳＲスペクトルから共鳴周波数ν_０を算出する（Ｓ５０）。これらの手法は公知であるため、詳細な説明は繰り返さない。

　Ｓ６０において、信号処理部３２０は、算出された共鳴周波数ν_０から、標準物質１２２の共鳴周波数νとコイル１１０を流れる電流Ｉとの対応関係を用いて、コイル１１０を流れる電流Ｉ_０を算出する。この算出手法は図５にて詳細に説明したため、説明は繰り返さない。

　なお、マイクロコンピュータ３００は、たとえば所定の周期毎にＳ２０～Ｓ６０の処理を実行して電流Ｉ_０を算出することにより、直流電源１０から供給される電流Ｉの安定度を算出してもよい。安定度とは、電流Ｉの大きさに対する電流Ｉの変動量の比率を意味し、たとえば１ｐｐｍ（１０のマイナス６乗）のように表される。図８および図９にて説明した測定部１００の構成を採用することによって、測定部１００によれば、サブｐｐｍ（１０のマイナス６乗未満）のオーダーであっても電流Ｉの安定度を算出することができる。

　一般的な電流測定手法としては、分岐抵抗を用いる手法、またはホール素子を用いる手法が知られている。分岐抵抗は温度依存性を有するため、分岐抵抗の発熱によりその抵抗値が変化し、電流測定精度が低下する可能性がある。一方、多くのホール素子では、ホール素子に印加される磁場の均一性が低い。また、ホール素子の磁場感度を高めるためには電子の移動度が高いことが要求されるところ、その場合には磁場感度の温度依存性も高くなってしまう。さらに、ホール素子では磁場が印加されていない状態でもオフセット電圧が存在し、このオフセット電圧も温度依存性を有し得る。以上のような理由により、ホール素子を用いる手法でも、十分な電流測定精度を得ることができない可能性がある。

　実施の形態１に係る電流測定方法によれば、電子スピン共鳴または電子常磁性共鳴の原理を用いることにより、分岐抵抗またはホール素子を用いる手法と比べて、より高精度に電流を測定することができる。

　また、磁気共鳴測定システムにおいて、最終的に高精度のＮＭＲスペクトルが取得できたり、高精細なＭＲＩ画像が取得できたりした場合であっても、それが電流の安定度が高いことが要因となって実現されたものであるのか、あるいは他の要因によるものなのかを切り分けることができない可能性が考えられる。このような要因を特定することは、高精度のＮＭＲスペクトル等を継続的に取得したり、磁気共鳴測定システムの改善を図ったりするために重要である。実施の形態１によれば、電流の安定度を高精度に測定することができるので、電流の安定度の寄与の大きさを定量的に評価することが可能になる。

　［実施の形態２］
　実施の形態１では測定部１００にサドルコイルが用いられる例について説明したが、コイルの種類はこれに限定されない。実施の形態２においては、ヘルムホルツコイルが用いられる例を説明する。なお、実施の形態２に係る電流測定装置２０Ａにおいて、コイル以外の構成は、実施の形態１に係る電流測定装置２０の対応する構成と同等であるため、説明は繰り返さない。

　図１１は、実施の形態２におけるコイル構成を説明するための図である。図１１を参照して、コイル４１０は、ヘルムホルツコイルであり、図中左側に示されるコイル（第１の円形コイル）４１２と、図中右側に示されるコイル（第２の円形コイル）４１４とを含んで構成される。コイル４１２，４１４の各々は、直径φの円形コイルであり、共通の中心軸Ａｘを持つように配置される。また、コイル４１２とコイル４１４との間の距離は、各コイル４１２，４１４の半径φ／２に等しい。ヘルムホルツコイルの構成（巻き方）はサドルコイルの構成よりもシンプルであるため、ヘルムホルツコイルの方が製造しやすい。

　電流Ｉが励磁電流としてコイル４１０を流れると、静磁場Ｈが発生する。静磁場Ｈの方向は、コイル４１２からコイル４１４へと向かい、かつ、各コイル４１２，４１４の面に略垂直な方向である。コイル４１２とコイル４１４とで挟まれた円柱状の空間の中心近傍に共振器１２０が設けられる。言い換えると、共振器１２０は、コイル４１２の中心Ｃ１とコイル４１４の中心Ｃ２とから等距離の位置に設けられる。なお、コイル４１０の巻数が１であり、かつ、コイル４１０の直径φが１０ｃｍであり、かつ、コイル４１０を流れる電流Ｉが３００Ａである場合、中心の静磁場Ｈは約５０Ｇである。

　図１２は、実施の形態２に係る電流測定装置の測定部４００の構成を説明するための断面図である。図１２は図９と対比される。

　図１２を参照して、測定部４００は、サドルコイルであるコイル１１０に代えて、ヘルムホルツコイルであるコイル４１０が設けられている点において、測定部１００（図９参照）と異なる。

　共振器１２０およびコイル４１０は、ｘ軸方向に中心軸を持つ円筒形の筐体に設けられている。この筐体にコイル４１０を固定することで、コイル４１０を冷却液１５０に直接接触するように設置することができる。なお、筐体の材料は試料管１３０Ａの材料と同じであるため、図１２に示す断面図では、筐体は試料管１３０Ａと一体的に表される。試料管１３０Ａのｚ軸方向に延在する中心軸は、共振器１２０の円筒形筐体のｘ軸方向に延在する中心軸に直交し、かつ、上記筐体のｘｙ平面上での中心を通る。

　実施の形態２では、図１２に示されるように、試料管１３０Ａの共振器１２０の近くの位置での直径（図中下部での直径）は、試料管１３０Ａの共振器１２０から離れた位置での直径（図中上部での直径）よりも細い。これにより試料管１３０の構造が強固になる利点がある一方で、たとえば図９に示す構造と比べて、試料管１３０の構造が複雑になる。したがって、試料管１３０の直径を一定とすることで、試料管１３０の構造をより単純化することも可能である。なお、測定部４００のそれ以外の構成は、測定部１００の対応する構成と同等であるため、説明は繰り返さない。

　なお、実施の形態１，２では、パルスＥＳＲ法を用いる構成について説明したが、パルス光を用いることは必須ではない。本開示は、ＣＷ－ＥＳＲ法において電磁波の周波数を掃引する構成にも適用することができる。

　また、実施の形態１，２では方位磁石１０６と方位マーク１０７とを用いて測定部１００の方角合わせを行なう構成を説明したが、方位磁石１０６を設けない構成も可能である。方位磁石１０６は、ユーザが準備したものを用いてもよい。また、構造は若干複雑になるものの、コイル１１０またはコイル４１０に回転機構を設け、共鳴周波数が最も低くなる回転角から地磁気Ｈｅと静磁場Ｈとの直交条件を求めることもできる。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　ＮＭＲ測定システム、１０　直流電源、２０，２０Ａ　電流測定装置、３０　負荷、４０　ＮＭＲ装置、４１　電磁石、４２　分光器、４３　信号処理装置、１００，４００　測定部、１０１　筐体、１０１Ｌ　下面、１０１Ｕ　上面、１０２～１０５　ポート、１０６　方位磁石、１０７　方位マーク、１１０，４１０，４１２，４１４　コイル、１１２，１１４　湾曲部、１１６，１１８　連結部、１２０　共振器、１２２　標準物質、１３０，１３０Ａ　試料管、１３２，１３２Ａ，１３４，１３４Ａ　ホルダ、１３６　クライオポンプ、１４０　断熱容器、１５０　冷却液、１６０　磁気シールド、２１０　発振器、２２０　結合器、２３０　ゲート、２４０　増幅器、２５０　サーキュレータ、２６０　検波器、３００　マイクロコンピュータ、３１０　制御部、３２０　信号処理部、３３０　周波数発生部。

Claims

　直流電源から負荷へと供給される電流を測定するための電流測定装置であって、
　常磁性を示す標準物質が内部に設けられた共振器と、
　前記直流電源からの電流が流れることによって磁場を発生し、発生した磁場を前記共振器に印加可能に構成されたコイルと、
　電磁波を前記共振器に照射可能に構成された光源と、
　前記コイルにより発生した磁場が前記共振器に印加され、かつ、前記光源からの電磁波が前記共振器に照射された場合に、前記標準物質の電子スピン共鳴または電子常磁性共鳴により前記共振器から出力される電磁波を検出する検出器と、
　前記検出器からの信号に基づいて、前記標準物質の共鳴周波数を算出する信号処理部とを、前記負荷とは異なる前記電流測定装置の内部に備え、
　前記信号処理部は、前記検出器からの信号に基づいて算出された共鳴周波数から、前記標準物質の共鳴周波数と前記コイルを流れる電流との対応関係を用いて、前記コイルを流れる電流を算出する、電流測定装置。
　前記コイルの巻数は、１～３である、請求項１に記載の電流測定装置。
　前記コイルは、サドルコイルであって、
　　各々が共通の軸周りに湾曲するように形成された第１および第２の湾曲部と、
　　各々が、前記軸の延在方向に沿って延び、前記第１の湾曲部と前記第２の湾曲部とを連結するように形成された第１および第２の連結部とを含み、
　前記第１および第２の連結部は、前記軸に関して互いに対向するように配置され、
　前記共振器は、前記軸上に設けられる、請求項１または２に記載の電流測定装置。
　前記コイルは、略同一形状を有する第１および第２の円形コイルが共通の中心軸を持つように配置されたヘルムホルツコイルであり、
　前記共振器は、前記第１および第２の円形コイルの各々の中心から等距離の位置に設けられる、請求項１または２に記載の電流測定装置。
　前記コイルは、前記共振器に印加される磁場が地磁気に対して略直交する方向になるように設けられる、請求項１～４のいずれか１項に記載の電流測定装置。
　前記コイルを覆い、地磁気を遮蔽する磁気シールドをさらに備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の電流測定装置。
　前記コイルは、高温超電導材料により形成され、
　前記電流測定装置は、前記コイルを冷却するための冷却液を保持可能に構成された断熱容器をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の電流測定装置。
　前記断熱容器の内部に設けられ、自身の温度が低下するに従って気体の捕捉量が増加するクライオポンプをさらに備える、請求項７に記載の電流測定装置。
　前記標準物質は、ＤＰＰＨ（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）である、請求項１～８のいずれか１項に記載の電流測定装置。
　前記直流電源と、
　請求項１～９のいずれか１項に記載の電流測定装置と、
　磁気共鳴装置とを備え、
　前記磁気共鳴装置は、前記直流電源から供給される電流を用いて、試料に印加するための磁場を発生する他のコイルを前記負荷として含む、磁気共鳴測定システム。