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技術 磁気共鳴測定装置

出願人 日本電子株式会社
発明者 保母史郎豊島克幸中村新治辻成悟田中良二末松浩人
出願日 2015年2月17日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-029000
公開日 2016年8月22日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2016-151488
状態 特許登録済
技術分野 マイクロ波、NMR等による材料の調査
主要キーワード 崩れ度合 照射時間帯 温調用配管 測定時間帯 チューニングモード パワースペクトルデータ 反射波レベル フロアノイズ
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この項目の情報は公開日時点(2016年8月22日)のものです。
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図面 (12)

課題

核磁気共鳴装置において、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られるようにする。

解決手段

検出回路28は、観測対象核種で生じたNMR信号を検出して分光計40に出力する回路である。検出回路28の共振周波数を観測対象核種に適合した周波数同調させるための段階、及び、電気的インピーダンス整合を図る段階において、分光計40の受信部50は、検出回路28で生じた熱雑音信号を受信する。分光計40では、その熱雑音信号が解析され、これにより、NMR信号を検出する受信期間における検出回路28の特性を示す情報(例えば、熱雑音信号のスペクトルデータ、検出回路28の共振周波数、Q値)が求められる。その情報を利用して検出回路28の同調及び整合が図られる。

概要

背景

磁気共鳴測定装置として、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)測定装置、及び、電子スピン共鳴ESR:Electron Spin Resonance)測定装置が知られている。NMR測定装置に類する装置として、磁気共鳴画像MRI:Magnetic Resonance Imaging)装置も知られている。以下、NMR測定装置について説明する。

NMRは、静磁場中におかれた原子核固有周波数をもった電磁波と相互作用する現象である。その現象を利用して原子レベル試料の測定を行う装置がNMR測定装置である。NMR測定装置は、有機化合物(例えば薬品農薬)、高分子材料(例えばビニールポリエチレン)、生体物質(例えば、核酸タンパク質)、等の分析において活用されている。NMR測定装置を利用すれば例えば試料の分子構造解明することが可能である。

NMR装置においては、静磁場を生じさせる超伝導磁石内に試料とともにNMRプローブNMR信号検出用プローブ)が配置される。NMRプローブは、送信用及び受信用コイルを備えている。コイルは、照射時間帯送信期間)には試料に対して変動磁場を与え、観測時間帯(受信期間)には試料のNMR信号を検出する機能を有する。観測対象となる核種によって共振周波数が異なるので、試料測定の際には、観測対象となった核種に適合する特定周波数をもった高周波信号がコイルに与えられる。一般に、NMRプローブ内検出回路は、コイルの他に、同調用可変コンデンサ及び整合用の可変コンデンサ等を含む。つまり、検出回路は、同調回路及び整合回路を備えている。

試料測定に先立って、検出回路に対するチューニング動作条件の調整)が実施される。すなわち、同調整合が実施される。一般的な同調整合方法として、transmission法とreflection法が知られている。transmission法では、目的の周波数をもった送信信号を検出回路に供給し、検出回路を通過した信号のレベル観測する。同調の崩れ度合い及び不整合度合いに応じて、そのレベルが変化する。従って、信号のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(容量)を変えることにより、検出回路の共振周波数が観測対象の核種に対応する共振周波数に適合され、検出回路のインピーダンスが送信側におけるインピーダンスに整合される。reflection法では、送信側から検出回路までの信号経路上に方向性結合器が設けられ、検出回路から送信側へ戻る反射波が観測される。同調の崩れ度合い及び不整合の度合いに応じて、反射波のレベルが変化する。従って、反射波のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変えることにより、検出回路の同調及び整合が図られる。

また、NMR信号を検出する方法として、ファラデー電磁誘導の法則を用いた方法が知られている。この方法では、ジョンソンノイズが支配的なノイズとなる。ジョンソンノイズは、コイルの温度の平方根や、コイルの電気抵抗の平方根に比例することが知られている。

非特許文献1には、超伝導材料検出コイルの材料として用いることが記載されている。超伝導材料は冷却下で電気抵抗がほぼゼロになるので、上記のノイズを低減して、NMR信号の検出感度を向上させることができる。

概要

核磁気共鳴装置において、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られるようにする。検出回路28は、観測対象核種で生じたNMR信号を検出して分光計40に出力する回路である。検出回路28の共振周波数を観測対象核種に適合した周波数に同調させるための段階、及び、電気的インピーダンスの整合をる段階において、分光計40の受信部50は、検出回路28で生じた熱雑音信号を受信する。分光計40では、その熱雑音信号が解析され、これにより、NMR信号を検出する受信期間における検出回路28の特性を示す情報(例えば、熱雑音信号のスペクトルデータ、検出回路28の共振周波数、Q値)が求められる。その情報を利用して検出回路28の同調及び整合がられる。

目的

本発明の目的は、磁気共鳴装置において、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られるようにすることである

効果

実績

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請求項1

磁気共鳴測定用の電気回路と、前記電気回路の動作条件調整段階において、前記電気回路で生じる熱雑音信号を解析することにより、前記電気回路の特性を示す特性情報を生成する特性情報生成手段と、を含むことを特徴とする磁気共鳴測定装置

請求項2

請求項1に記載の磁気共鳴測定装置において、前記調整段階は、観測対象核種適合した周波数に前記電気回路の共振周波数同調させるための段階、及び、電気的インピーダンス整合を図る段階であり、前記特性情報は、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を示す情報である、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項3

請求項1又は請求項2に記載の磁気共鳴測定装置において、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号のスペクトルデータを生成する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項4

請求項3に記載の磁気共鳴測定装置において、前記スペクトルデータを表示するスペクトル表示手段を更に含む、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項5

請求項3又は請求項4に記載の磁気共鳴測定装置において、前記特性情報生成手段は、前記スペクトルデータを解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項6

請求項1又は請求項2に記載の磁気共鳴測定装置において、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号の波形に含まれる周期成分を解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項7

請求項6に記載の磁気共鳴測定装置において、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して波形フィッティングを実行することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項8

請求項6に記載の磁気共鳴測定装置において、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して自己回帰法を適用することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項9

請求項5から請求項8のいずれか一項に記載の磁気共鳴測定装置において、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方に基づいて、前記電気回路の同調状態及び整合状態を調整する調整手段を更に含む、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

請求項10

請求項9に記載の磁気共鳴測定装置において、磁気共鳴測定段階において、磁気共鳴測定用の送信信号を前記電気回路に供給する送信期間と、観測対象の核種で生じた磁気共鳴信号を前記電気回路で検出する受信期間とで、前記電気回路の同調状態及び整合状態を動的に切り替える制御手段を更に含み、前記制御手段は、前記送信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記電気回路に信号が与えられて調整された同調状態及び整合状態に設定し、前記受信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記調整手段によって調整された同調状態及び整合状態に設定する、ことを特徴とする磁気共鳴測定装置。

技術分野

0001

本発明は、磁気共鳴測定装置に関し、特に、磁気共鳴測定用の電気回路の特性を検出する技術に関する。

背景技術

0002

磁気共鳴測定装置として、核磁気共鳴(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)測定装置、及び、電子スピン共鳴ESR:Electron Spin Resonance)測定装置が知られている。NMR測定装置に類する装置として、磁気共鳴画像MRI:Magnetic Resonance Imaging)装置も知られている。以下、NMR測定装置について説明する。

0003

NMRは、静磁場中におかれた原子核固有周波数をもった電磁波と相互作用する現象である。その現象を利用して原子レベル試料の測定を行う装置がNMR測定装置である。NMR測定装置は、有機化合物(例えば薬品農薬)、高分子材料(例えばビニールポリエチレン)、生体物質(例えば、核酸タンパク質)、等の分析において活用されている。NMR測定装置を利用すれば例えば試料の分子構造解明することが可能である。

0004

NMR装置においては、静磁場を生じさせる超伝導磁石内に試料とともにNMRプローブNMR信号検出用プローブ)が配置される。NMRプローブは、送信用及び受信用コイルを備えている。コイルは、照射時間帯送信期間)には試料に対して変動磁場を与え、観測時間帯(受信期間)には試料のNMR信号を検出する機能を有する。観測対象となる核種によって共振周波数が異なるので、試料測定の際には、観測対象となった核種に適合する特定周波数をもった高周波信号がコイルに与えられる。一般に、NMRプローブ内検出回路は、コイルの他に、同調用可変コンデンサ及び整合用の可変コンデンサ等を含む。つまり、検出回路は、同調回路及び整合回路を備えている。

0005

試料測定に先立って、検出回路に対するチューニング動作条件の調整)が実施される。すなわち、同調整合が実施される。一般的な同調整合方法として、transmission法とreflection法が知られている。transmission法では、目的の周波数をもった送信信号を検出回路に供給し、検出回路を通過した信号のレベル観測する。同調の崩れ度合い及び不整合度合いに応じて、そのレベルが変化する。従って、信号のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(容量)を変えることにより、検出回路の共振周波数が観測対象の核種に対応する共振周波数に適合され、検出回路のインピーダンスが送信側におけるインピーダンスに整合される。reflection法では、送信側から検出回路までの信号経路上に方向性結合器が設けられ、検出回路から送信側へ戻る反射波が観測される。同調の崩れ度合い及び不整合の度合いに応じて、反射波のレベルが変化する。従って、反射波のレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変えることにより、検出回路の同調及び整合が図られる。

0006

また、NMR信号を検出する方法として、ファラデー電磁誘導の法則を用いた方法が知られている。この方法では、ジョンソンノイズが支配的なノイズとなる。ジョンソンノイズは、コイルの温度の平方根や、コイルの電気抵抗の平方根に比例することが知られている。

0007

非特許文献1には、超伝導材料検出コイルの材料として用いることが記載されている。超伝導材料は冷却下で電気抵抗がほぼゼロになるので、上記のノイズを低減して、NMR信号の検出感度を向上させることができる。

0008

米国特許第5,565,778号明細書

先行技術

0009

“High Temperature Superconducting Radio Frequency Coils for NMRSpectroscopy and Magnetic Resonance Imaging”, Steven M. Anlage,“Microwave Superconductivity,” ed. by H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352.
D.E.Oates, Nonlinear behavior of superconducting devices,“Microwave Superconductivity,” ed. by H. Weinstock and M. Nisenoff, (Kluwer, Amsterdam, 2001), pp.337-352.

発明が解決しようとする課題

0010

上記のように、NMR法では、送信信号を検出回路に供給する照射時間帯(送信期間)と、NMR信号を検出する観測時間帯(受信期間)とがある。上記のtransmission法やreflection法は、送信信号を検出回路に供給することにより検出回路の同調及び整合を図る方法である。それ故、それらの方法は、照射時間帯における検出回路の同調及び整合を図る方法として適した方法であるといえる。しかし、観測時間帯は送信信号が検出回路に供給されない時間帯であるため、transmission法やreflection法を用いて調整された検出回路の同調状態及び整合状態は、観測時間帯における検出回路の動作条件として適しているとは限らず、理想の動作条件からずれてしまうという問題が生じ得る。

0011

また、超伝導材料からなる検出コイルを用いた場合、高周波伝導特性非線形となり、送信信号に応じて、共振特性Q値や共振周波数が変動することが知られている(例えば特許文献1、非特許文献2参照)。それ故、transmission法やreflection法を用いて検出回路の同調状態及び整合状態を調整したとしても、観測時間帯に適した動作条件が設定されるとは限らない。なお、金属製の検出コイルについても、観測条件によっては超伝導材料からなる検出コイルと同様の問題が生じ得る。

0012

本発明の目的は、磁気共鳴装置において、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られるようにすることである。あるいは、電気回路の同調及び整合を図るための情報が得られるようにすることである。

課題を解決するための手段

0013

本発明に係る磁気共鳴測定装置は、磁気共鳴測定用の電気回路と、前記電気回路の動作条件の調整段階において、前記電気回路で生じる熱雑音信号を解析することにより、前記電気回路の特性を示す特性情報を生成する特性情報生成手段と、を含むことを特徴とする。

0014

電気回路で生じた熱雑音信号は、その電気回路の特性を指標として評価できる。それ故、その熱雑音信号を解析することにより、電気回路の特性を示す特性情報を生成することができる。上記の構成によると、電気回路に対して何らかの信号やパワーを与えなくても、その特性情報が得られる。例えば、信号を電気回路に与えたときと与えていないときとで特性が変化する電気回路について、信号を与えていないときの特性情報が得られる。電気回路は、例えば観測対象核種で生じた磁気共鳴信号を検出する回路である。上記の構成によると、磁気共鳴信号を電気回路で検出する期間(受信期間)における特性情報が得られる。その特性情報を利用することにより、受信期間における電気回路の動作条件を適切に調整することが可能となる。

0015

望ましくは、前記調整段階は、観測対象の核種に適合した周波数に前記電気回路の共振周波数を同調させるための段階、及び、電気的インピーダンスの整合を図る段階であり、前記特性情報は、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を示す情報である。

0016

上記の構成によると、受信期間において観測対象核種に適合した共振周波数とQ値が得られる。これらの情報を利用することにより、受信期間における電気回路の同調及び整合が図られる。電気回路は、例えば、磁気共鳴信号を検出するための検出コイル、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサを含む。得られた共振周波数とQ値を参照して、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更することにより、電気回路の同調及び整合が図られる。各設定値は、作業者によるマニュアル作業によって変更されてもよいし、自動的に変更されてもよい。例えば、得られた共振周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値が変更される。

0017

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号のスペクトルデータを生成する。例えば、熱雑音信号に対してフーリエ変換が適用されることにより、スペクトルデータが生成される。このスペクトルデータを解析することにより、電気回路の特性が解析される。

0018

望ましくは、前記スペクトルデータを表示するスペクトル表示手段を更に含む。これにより、電気回路の同調状態及び整合状態を調整するための情報が、作業者等に提供される。例えば、作業者がスペクトルデータを参照することにより、電気回路の共振周波数やQ値を評価し、その評価結果に基づいて電気回路の同調状態及び整合状態を調整することができる。

0019

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記スペクトルデータを解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。例えば、熱雑音信号を示す理論式と電気回路の装置関数とから得られる理論式を利用することにより、スペクトルデータから共振周波数とQ値が得られる。

0020

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号の波形に含まれる周期成分を解析することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。

0021

望ましくは、前記特性情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して波形フィッティングを実行することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。

0022

望ましくは、前記情報生成手段は、前記熱雑音信号に対して自己相関法を適用することにより前記周期成分を抽出し、前記周期成分に対して自己回帰法を適用することにより、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方を演算する。

0023

望ましくは、前記電気回路の共振周波数及びQ値のうちの少なくとも一方に基づいて、前記電気回路の同調状態及び整合状態を調整する調整手段を更に含む。同調状態及び整合状態は、作業者によるマニュアル作業によって調整されてもよいし、自動的に調整されてもよい。

0024

望ましくは、磁気共鳴測定段階において、磁気共鳴測定用の送信信号を前記電気回路に供給する送信期間と、観測対象の核種で生じた磁気共鳴信号を前記電気回路で検出する受信期間とで、前記電気回路の同調状態及び整合状態を動的に切り替える制御手段を更に含み、前記制御手段は、前記送信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記電気回路に信号が与えられて調整された同調状態及び整合状態に設定し、前記受信期間では、前記電気回路の同調状態及び整合状態を、前記調整手段によって調整された同調状態及び整合状態に設定する。

0025

例えば、送信期間と受信期間とで、電気回路に含まれる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が動的に切り替えられる。具体的には、送信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数とQ値が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(送信時設定値)が決定される。また、受信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数とQ値が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(受信時設定値)が決定される。そして、磁気共鳴信号の測定段階において、送信期間では、送信時設定値が同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定され、受信期間では、受信時設定値が同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定される。上記の構成によると、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、電気回路の同調状態及び整合状態が理想的な状態に設定される。

発明の効果

0026

本発明によると、磁気共鳴測定用の電気回路に信号を与えなくても、その電気回路の特性を示す情報が得られる。

図面の簡単な説明

0027

本発明の実施形態に係るNMR装置を示すブロック図である。
試料室と検出コイルを模式的に示す拡大斜視図である。
検出回路を示す回路図である。
NMR信号測定時におけるシーケンスの一例を示す図である。
実施例1に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。
実施例1に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。
実施例2に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。
実施例2に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。
実施例3に係る回路特性情報生成処理を説明するためのフローチャートである。
実施例3に係る回路特性情報表示処理を説明するためのフローチャートである。
熱雑音パワースペクトル測定結果を示す図である。

実施例

0028

図1には、本実施形態に係るNMR装置10が示されている。このNMR装置10は、試料中の観測核により生じたNMR信号を測定する装置である。

0029

静磁場発生装置12は静磁場を発生する装置であり、その中央部には、垂直方向伸びる空洞部としてボア12Aが形成されている。NMRプローブ14は、大別して、挿入部16と基部18とによって構成されている。挿入部16は、それ全体として垂直方向に伸長した円筒形状を有し、静磁場発生装置12のボア12A内に挿入される。

0030

挿入部16におけるプローブヘッド内には検出回路28が設けられている。検出回路28は同調整合回路であり、NMR信号を検出するための検出コイル30、送受信用結合コイル34、同調用可変コンデンサ、及び、整合用可変コンデンサ等の電子部品を備えている。結合コイル34は、ピックアップコイル送受信コイルとも称され、照射時間帯(送信期間)において高周波磁場を発生させ、観測時間帯(受信期間)において、検出コイル30によって検出されたNMR信号を受信する。後に図3において具体例を示すように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値(容量)を変えることにより、検出回路28の特性が最適化される。つまり、同調及び整合が図られる。

0031

送信部42は、信号発生器及びパワーアンプ等を備えており、送信信号を生成して出力する。NMR測定モードにおいては、観測対象核種の固有周波数が送信信号の周波数として設定される。送信部42から出力された送信信号は、方向性結合器44とデュプレクサ46を介して、NMRプローブ14内の検出回路28に送られる。なお、方向性結合器44は、以下に説明するように反射波を検出する回路であり、デュプレクサ46は送受切替器である。それらは、NMRプローブ14内に配置されてもよい。

0032

検出コイル30で検出されたNMR信号(受信信号)は、デュプレクサ46を介して受信部50に送られる。受信部50は、直交検波回路やA/D変換器等を含む公知の回路構成を有し、受信信号に対して所定の処理を行う。受信部50で処理された受信信号は、スペクトル処理部52に送られる。スペクトル処理部52は、受信信号に対してFFT処理を実行することにより分光スペクトルを生成し、またそれに対して必要な解析等を実行する。表示部60には、スペクトル処理部52の処理結果が表示される。

0033

方向性結合器44は、送信信号を検出回路28に供給してチューニングを実行するモード(送信チューニングモード)において機能する回路であり、検出回路28で反射して送信側へ戻る反射波を観測(抽出)する回路である。反射波のレベルは、検出回路28の同調状態及び整合状態を指標する情報である。反射波レベル検出器48は、方向性結合器44で観測された反射波に対して検波等の処理を施した上でそのレベルを判定し、そのレベルを示す情報を生成する。検出回路28の特性の調整すなわちチューニングにあたって、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。オートチューニングにおいてはチューニング制御部56が利用され、反射波のレベルを示す情報は、チューニング制御部56に送られる。マニュアルチューニングにおいては、反射波のレベルは表示部60に表示される。作業者が、そのレベルを参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの設定値(容量)を変えることにより、検出回路28の同調及び整合が図られる。

0034

後述するように、NMR装置10は、受信チューニングモードを実行する機能を備えている。受信チューニングモードにおいては、方向性結合器44と反射波レベル検出器48は利用されず、送信信号を検出回路28に供給せずに検出回路28の動作条件が調整される。また、受信チューニングモードにおいても、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。つまり、本実施形態では、送信チューニングモード又は受信チューニングモードのいずれかを選択することが可能であり、それぞれのチューニングモードにおいて、マニュアルチューニング又はオートチューニングのいずれかを選択することが可能である。

0035

ノイズ解析部54は、検出回路28の動作条件の調整段階で、検出回路28で生じた熱雑音信号(熱ノイズ信号)を解析することにより、受信期間における検出回路28の特性を示す回路特性情報を生成する。例えば、検出回路28の共振周波数f0及びQ値のうちの少なくとも一方が、回路特性情報として求められる。ノイズ解析部54の処理内容については後で詳しく説明する。

0036

チューニング制御部56は、オートチューニングを制御するユニットであり、検出回路28の共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合するように、検出回路28に含まれる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を機械的に又は電気的に変更する。例えば、送信オートチューニングモード(送信チューニングモードにおいてオートチューニングが実行されるモード)においては、チューニング制御部56は、複数の設定値のセットを同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに試行的に順次設定し、複数の反射波レベルを順次観測する。そして、チューニング制御部56は、その観測結果に基づいて、共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合する設定値を設定する。また、受信オートチューニングモード(受信チューニングモードにおいてオートチューニングが実行されるモード)においては、チューニング制御部56は、複数の設定値のセットを同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに試行的に順次設定し、ノイズ解析部54によって得られた複数の共振周波数f0を順次観測する。そして、チューニング制御部56は、その観測結果に基づいて、共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合する設定値を設定する。

0037

表示部60には、NMR測定結果、検出回路28の特性を示す回路特性情報、等が表示される。入力部62は、測定対象核種の指定、オートチューニング実行指令の入力、等を行うために利用される。

0038

なお、スペクトル処理部52とノイズ解析部54はコンピュータによって構成されていてもよい。

0039

冷却システム70は、例えば、冷凍機を備え、その冷凍機により冷却したヘリウムガスをNMRプローブ14に供給し、これにより、NMRプローブ14内の被冷却部品を冷却するためのシステムである。例えば、被冷却部品が20K以下に冷却される。

0040

図2には、試料室と検出コイルが模式的に示されている。挿入部16において、試料温調用配管26を挟んで内側に試料室が設けられている。気密室22内は真空状態減圧されている。試料温調用配管26は例えばガラス管であり、ステージ19及びプローブキャップ20を貫通して設けられている。試料温調用配管26内には、試料が収容される試料管24が配置されている。試料及び試料管24の中心が磁場中心に一致するように、挿入部16が静磁場発生装置12のボア12A内に設置される。試料温調用配管26内は大気空間であり、試料温調用配管26内の温度は、例えば室温に維持されている。これにより、試料は大気空間内に設置され、その温度は室温に維持される。

0041

試料温調用配管26と挿入部16の外壁との間に気密室22が形成されている。気密室22内は真空状態に減圧されている。真空減圧下の気密室22内には、検出回路28(検出コイル30A,30B、結合コイル34、同調用可変コンデンサ、整合用可変コンデンサ)が設置されている。検出コイル30A,30Bは、試料及び試料管24を間にして、互いに平行となるように対向して配置されている。検出コイル30Aは、基板32A上に形成されており、検出コイル30Bは、図示されていないが、同様に、基板32B上に形成されている。一例として、検出コイル30A,30Bは、超伝導材料によって構成されている。もちろん、金属製の検出コイルが用いられてもよい。検出コイル30Aは、基板32A上においてコイルパターンとして形成され、インダクタンスLの要素とキャパシタンスCの要素とを内包している。図示されていないが、検出コイル30Bも同様に、リアクタンスLとキャパシタンスCとを内容する。この構成を採用することにより、LC共振回路が形成される。

0042

上記構成において、検出回路28は被冷却部品に相当し、極低温に冷却される。信号のS/Nを向上させるために、可変コンデンサも検出コイル30A,30B及び結合コイル34とともに冷却される。冷却機構として、例えば、特開2014−41103号公報に記載されている冷却システム(クライオスタット冷却システム)を利用することができる。具体的には、ステージ19に接続された熱交換器36に、冷却システム70から冷却されたヘリウムガスが導入され、熱交換器36は極低温(例えば20K以下)に冷却される。これにより、被冷却部品が冷却される。検出コイル30A,30Bが冷却されることにより、検出コイル30A,30Bの電気抵抗が低下してQ値が上昇する。また、電気的な熱ノイズが低減される。その結果、NMR測定時における検出感度を向上させることができる。なお、NMRプローブ14には、図示しない温度センサが取り付けられており、その温度センサによって被冷却部品等の温度が検知される。

0043

図3には、検出回路28の等価回路が示されている。コンデンサC1とコイルL1は検出コイル30Aによって形成されており、これらによってLC共振回路が形成されている。同様に、コンデンサC2とコイルL2は検出コイル30Bによって形成されており、これらによってLC共振回路が形成されている。コイルL1と結合コイル34(コイルL3)は誘導結合され、同様に、コイルL2とコイルL3は誘導結合される。コイルL3には、整合用可変コンデンサC4が接続されている。コンデンサC1の容量又はコンデンサC2の容量は、例えば検出コイル近傍に、高い誘電率を持った誘電体を近づけることにより、機械的に変更される。機械的に変更可能なコンデンサC1又はC2は、同調用可変コンデンサと呼ばれる。これにより、検出回路28の整合及び同調が図られる。整合用可変コンデンサC4にはプリアンプ47が接続されている。プリアンプ47は被冷却部品として挿入部16内に設置されており、極低温に冷却される。検出コイル30A,30Bで検出されたNMR信号(受信信号)は、誘導結合によって結合コイル34に伝達され、プリアンプ47によって増幅される。増幅後のNMR信号は、デュプレクサ46を介して受信部50に送られる。

0044

検出回路28で生じた熱ノイズは、検出回路28の特性を指標しているといえる。それ故、検出回路28で生じた熱ノイズを解析することにより、検出回路28の特性を示す情報が得られる。本実施形態では、プリアンプ47で生じるノイズも受信部50に送られる。プリアンプ47で生じるノイズは、一般的に白色であり、周波数特性が小さいため、フロアノイズみなすことができ、検出回路28で生じた熱ノイズとは区別することができる。それ故、受信部50によって受信されたノイズを周波数解析又は時間相関解析することにより、検出回路28で生じた熱ノイズを解析することが可能となる。なお、検出回路28で生じた熱ノイズも、プリアンプ47によって増幅され、解析対象のノイズの信号強度を高めることが可能となる。

0045

次に、検出回路28の回路特性情報(共振周波数f0とQ値)の具体的な生成処理について説明する。

0046

一般的に、整合された共振回路には、以下の式(1)で表されるJohnson-Nyquist雑音密度Pnが発生していることが知られている。

0047

上記の式(1)において、kBはボルツマン定数であり、Tは検出系の温度である。

0048

また、LC共振回路は、以下の式(2)で表される装置関数G(f)をもつモジュールであるとみなすことができる。一例として、以下の装置関数G(f)は、直列共振回路における装置関数である。

0049

上記の式(2)において、f0は共振周波数であり、Qは共振Q値である。

0050

図3に示されているように、LC共振回路を経た信号はプリアンプ47を介して受信部50に送られる。極めて高いQ値をもつLC共振回路とフロアノイズの小さい受信系を用いることにより、熱ノイズ信号(熱雑音信号)を直接観測することができる。熱ノイズの周波数依存性は、上記の式(2)で表される装置関数G(f)を反映している。それ故、熱ノイズを直接観測することができれば、ノイズスペクトルの解析によって、装置関数G(f)に含まれる共振周波数f0と共振Q値とを求めることが可能となる。つまり、検出回路28の特性を示す回路特性情報を得ることが可能となる。

0051

熱ノイズを用いる本実施形態に係る方法によると、励起源を用いずに検出回路28の回路特性情報が得られる。一般的なtransmission法やreflection法では、励起源によって何らかの高周波パワーを共振回路に供給する必要がある。これに対して、本実施形態では、検出回路28にて発生する熱ノイズを利用することにより回路特性情報が得られる。それ故、何らかのパワーを検出回路28に供給する必要がなく、励起源を用いずに回路特性情報が得られる。これにより、検出コイル30の材料として超伝導材料を用いた場合であっても、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことが可能となる。超伝導材料は、通電した状態では非線形の応答性を有しているため、超伝導材料が用いられた検出回路28の共振特性は通電状態に応じて変化してしまう。それ故、一般的に、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことは困難である。これに対して、本実施形態によると、検出回路28に対してパワーを供給せずに回路特性情報が得られるため、検出回路28に超伝導材料が用いられた場合であっても、検出回路28の同調及び整合を適切に行うことが可能となる。

0052

また、熱ノイズを用いる方法によると、送信源との応答を観測する必要がなく、熱ノイズを測定するだけで所望の周波数範囲のスペクトルを得ることが可能となる。送信源との応答を観測する従来の方法では、各周波数に対する応答を観測するにあたって、共振回路の時定数をQ/f0として、その10倍程度の時間間隔を設ける必要がある。これに対して、熱ノイズを用いる方法では、後述する実施例1(フーリエ変換を用いる方法)で説明するように、時定数の10倍程度の観測時間で所望帯域全域スペクトル情報が得られる。また、後述する実施例2,3(時間相関を観察する方法)では、時定数の数倍程度の観測時間で共振周波数f0やQ値を評価することができる。例えば、図4に示すように、送信パルス照射RFパルス照射)後の観測時間帯(受信期間)といった局所的な時間帯でも、共振周波数f0やQ値を短時間で測定することができる。

0053

以下、共振周波数f0及びQ値の具体的な演算方法(実施例1〜3)について説明する。以下の実施例1〜3に係る処理は、検出回路28の同調状態及び整合状態を調整する段階で実行される。このとき、送信部42から検出回路28に対して送信信号は送信されない。つまり、観測時間帯(受信期間)と同様の条件下で、実施例1〜3に係る処理が実行される。

0054

(実施例1)
図5を参照して、実施例1に係る回路特性情報生成処理について説明する。実施例1では、周波数空間上のデータが利用される。具体的には、フーリエ変換を適用することによりスペクトルデータが生成され、そのスペクトルデータに基づいて共振周波数f0とQ値が求められる。

0055

測定時間帯ΔT(FFT処理の時間窓)と積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例として5×Q/f0程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkBTQAとすると、積算回数は、一例としてkBTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。

0056

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S01)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S02)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する(S03)。スペクトル処理部52は、ノイズデータ(yk)に対してFFT処理を実行する(S04)。これにより、パワースペクトルデータ|Yk(f)|が得られる。パワースペクトルデータ|Yk(f)|は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S05)。k<nの場合(S06,No)、処理はステップS02に戻り、ステップS02以降の処理が実行される。k≧nの場合(S06,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のパワースペクトルデータ|Yk(f)|の列を積算する(S07)。つまり、n個のパワースペクトルデータ|Yk(f)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、上記の式(1)と式(2)とを乗算することにより得られた式(Pn×G(f))を理論式とし、ステップS07で得られた積算結果に対して最小二乗法を適用する(S08)。つまり、波形フィッティングが実行される。具体的には、ノイズ解析部54は、理論式(Pn×G(f))に含まれる共振周波数f0とQ値を変えて理論式を積算結果にマッチングさせることにより、理論式の値と積算結果との差が最小となる共振周波数f0とQ値(最適な共振周波数f0とQ値)を求める。

0057

上記の処理によって得られた最適な共振周波数f0とQ値は、例えば表示部60に表示される。受信マニュアルチューニングモードにおいては、作業者が、得られた共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合するように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS01〜S08の処理が実行され、これにより、設定値毎の共振周波数f0とQ値が得られる。そして、作業者は、得られた共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値を設定する。受信オートチューニングモードにおいては、チューニング制御部56が、各設定値を順次変更して複数の共振周波数f0を得て、得られた共振周波数f0が観測対象核種の共振周波数に適合するように、各設定値を設定する。

0058

以上の処理により、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数f0とQ値が求められる。また、受信マニュアルチューニングモードにおいて、得られた共振周波数f0とQ値を表示することにより、作業者に対して、同調及び整合のために有用な情報を提供することが可能となる。また、受信オートチューニングモードにおいて、自動的に検出回路28の同調及び整合が図られる。

0059

次に、図6を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S10)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S11)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する(S12)。スペクトル処理部52は、ノイズデータ(yk)に対してFFT処理を実行する(S13)。これにより、パワースペクトルデータ|Yk(f)|が得られる。パワースペクトルデータ|Yk(f)|は、k番目のデータとして分光計40に格納される。次に、flagが1の場合(S15,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のパワースペクトルデータ|Yk(f)|の平均を演算し、平均化されたパワースペクトルデータ|Yk(f)|のグラフを表示部60に表示させる(S16)。そして、処理はステップS11に戻る。一方、ステップS15において、flagが1ではない場合(S15,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のパワースペクトルデータ|Yk(f)|の平均を演算し、平均化されたパワースペクトルデータ|Yk(f)|のグラフを表示部60に表示させる(S17)。kがnの場合(S18,Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S19)。そして、処理はステップS11に戻る。一方、kがnではない場合(S18,No)、処理はステップS11に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。

0060

作業者は、パワースペクトルデータ|Yk(f)|のグラフを参照しながら、そのグラフのピーク位置を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS10〜S19の処理が実行され、これにより、設定値毎のパワースペクトルデータ|Yk(f)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。

0061

なお、パワースペクトルデータ|Yk(f)|のグラフとともに共振周波数f0やQ値が表示部60に表示され、作業者は、それらの情報を参照しながら、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更してもよい。

0062

(実施例2)
次に、図7を参照して、実施例2に係る回路特性情報生成処理について説明する。実施例2では、時間空間上のデータが利用される。具体的には、熱ノイズの波形に含まれる周期成分が自己相関法によって抽出され、その抽出結果に基づいて共振周波数f0とQ値が求められる。

0063

検出回路28にて発生する熱ノイズのデータをx(t)とすると、検出回路28の後段のプリアンプ47から出力される信号y(t)は、以下の式(3)で表される。

0064

上記の式(3)において、tは時間であり、g(τ)は検出回路28の装置関数、wn(t)は、プリアンプ47で加算されるノイズである。

0065

整合された直列共振回路の装置関数g(τ)は、以下の式(4)で表される。

0066

測定時間帯ΔTと積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例としてQ/f0程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkBTQAとすると、積算回数は、一例としてkBTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。

0067

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S30)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S31)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する(S32)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(yk)に対して自己相関処理を実行する(S33)。具体的には、ノイズ解析部54は、以下の式(5)に表されている自己相関関数gk(τ)を演算する。これにより、装置関数によって支配された成分である周期成分が抽出される。

0068

自己相関処理の演算結果gk(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S34)。k<nの場合(S35,No)、処理はステップS31に戻り、ステップS31以降の処理が実行される。k≧nの場合(S35,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|gk(τ)|の列を積算する(S36)。つまり、n個のデータ|gk(τ)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、式(Ag(τ)+B)を理論式とし、ステップS36で得られた積算結果に対して最小二乗法を適用する(S37)。つまり、波形フィッティングが実行される。ここで、係数A,Bは未知数であり、係数Aは振幅に相当し、係数Bオフセットに相当する。ノイズ解析部54は、理論式(Ag(τ)+B)に含まれる係数A,B、共振周波数f0及びQ値を変えて理論式を積算結果にマッチングさせることにより、理論式の値と積算結果との差が最小となる共振周波数f0とQ値(最適な共振周波数f0とQ値)を求める。

0069

実施例1と同様に、上記の処理によって得られた最適な共振周波数f0とQ値は、例えば表示部60に表示される。そして、受信マニュアルチューニングモード又は受信オートチューニングモードが実行される。これにより、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数f0とQ値が求められ、検出回路28の同調及び整合が図られる。

0070

次に、図8を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S40)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S41)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する(S42)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(yk)に対して自己相関処理を実行する(S43)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数gk(τ)を演算する。自己相関処理の演算結果gk(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S44)。次に、flagが1の場合(S45,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|gk(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|gk(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S46)。そして、処理はステップS41に戻る。一方、ステップS45において、flagが1でない場合(S45,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のデータ|gk(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|gk(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S47)。また、ノイズ解析部54は、図7に示されているステップS36,S37の処理(最小二乗法の適用)を実行することにより、最適な共振周波数f0とQ値を求め、それらの値を表示部60に表示させる(S48)。kがnの場合(S49、Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S50)。そして、処理はステップS41に戻る。一方、kがnではない場合(S49,No)、処理はステップS41に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。

0071

作業者は、データ|gk(τ)|のグラフ及び共振周波数f0を参照しながら、そのグラフのピーク値を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS40〜S50の処理が実行され、これにより、設定値毎のデータ|gk(τ)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。

0072

(実施例3)
次に、図9を参照して、実施例3に係る回路特性情報生成処理について説明する。実際例3では、時間空間上のデータが利用される。具体的には、熱ノイズの波形に含まれる周期成分が自己相関法によって抽出され、その抽出結果に対して自己回帰法を適用することにより、共振周波数f0とQ値が求められる。

0073

測定時間帯ΔTと積算回数nを予め決めておく。測定時間帯ΔTは、一例としてf0/2Q程度である。また、プリアンプ47の増幅率をAとし、受信時のフロアノイズのパワーをPfloorとし、受信時の熱ノイズをkBTQAとすると、積算回数は、一例としてkBTQA/Pfloor×(n)1/2>5である。

0074

まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定する(S60)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S61)。そして、観測時間帯(受信期間)において、つまり、送信信号が検出回路28に送られていない状態で、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(yk)に対して自己相関処理を実行する(S62)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数gk(τ)を演算する。これにより、装置関数によって支配された成分である周期成分が抽出される。

0075

自己相関処理の演算結果gk(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S64)。k<nの場合(S65、No)、処理はステップS61に戻り、ステップS61以降の処理が実行される。k≧nの場合(S65,Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|gk(τ)|の列を積算する(S66)。つまり、n個のデータ|gk(τ)|の総和が演算される。次に、ノイズ解析部54は、ステップS66で得られた積算結果に対して自己回帰法を適用する(S67)。これにより、最適な共振周波数f0とQ値が求められる。

0076

以下、自己回帰法について説明する。サンプリング時間をΔt、N=ΔT/(2Δt)とすると、積算結果の離散データ列は、以下の式(6)のように表される。
{gj}={g1、g2、・・・、gj、・・・、gn}・・・(6)

0077

ここで、以下の式(7)に表されるZ1,Z2を定義する。

0078

{gj}は、式(4)で表される理論式に熱ノイズが加算されたものであるとみなすことができ、公知のZ変換によって、以下の式(8)に表されている漸化式を満たしている。
(gj−wj)=(Z1+Z2)(gj−1−Wj−1)−Z1Z2(gj−2−Wj−2)・・(8)

0079

漸化式(8)によると、ノイズを含む点(gj−2,gj−1,gj)は、原点(0,0,0)を通り法線ベクトル(Z1,Z2,−(Z1+Z2),1)をもつ平面上に存在することが分かる。つまり、測定結果である時系列データ{gj}を点(gj−2,gj−1,gj)として三次元空間上にプロットしていき、データを最小二乗法によって平面でフィッティングすれば、Z1,Z2が一意的に決定される。具体的には、最小二乗法を適用するにあたって、時系列データを以下の式(9)で表し、以下の式(10)によって解xが求められる。

0080

ここで、y、x、Hは、以下の式(11)、式(12)及び式(13)によって定義される。

0081

そして、最終的に、上記の式(8)を変形し、Z1,Z2を用いることにより、以下の式(14)及び式(15)に表されているように、共振周波数f0とQ値が得られる。

0082

すなわち、平面を表す式(8)を理論式として、時系列データ{gj}に対して最小二乗法を適用することにより、平面が時系列データ{gj}に最もフィッティングするZ1,Z2、つまり、理論式と時系列データ{gj}との差が最小となるZ1,Z2が求められる。そして、求められたZ1,Z2を上記の式(14)及び式(15)に代入することにより、共振周波数f0とQ値が求められる。

0083

実施例1と同様に、上記の処理によって得られた最適な共振周波数f0とQ値は、例えば表示部60に表示される。そして、受信マニュアルチューニングモード又は受信オートチューニングモードが実行される。これにより、観測時間帯(受信期間)において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数f0とQ値が求められ、検出回路28の同調及び整合が図られる。

0084

次に、図10を参照して、受信マニュアルチューニングモードにおける処理の一例について説明する。まず、ノイズ解析部54は、実行された回路特性情報生成処理の回数をkとし、その処理回数kを0に設定し、flagを0に設定する(S70)。次に、ノイズ解析部54は、処理回数kに1を加算する(S71)。そして、観測時間帯(受信期間)において、受信部50がノイズデータ(yk)を受信信号として受信する(S72)。ノイズ解析部54は、ノイズデータ(yk)に対して自己相関処理を実行する(S73)。具体的には、ノイズ解析部54は、上記の式(5)に表されている自己相関関数gk(τ)を演算する。自己相関処理の演算結果gk(τ)は、k番目のデータとして分光計40に格納される(S74)。次に、flagが1の場合(S75、Yes)、ノイズ解析部54は、1番目からn番目までのn個のデータ|gk(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|gk(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S76)。そして、処理はステップS71に戻る。一方、ステップS75において、flagが1でない場合(S75,No)、ノイズ解析部54は、1番目からk番目までのk個のデータ|gk(τ)|の平均を演算し、平均化されたデータ|gk(τ)|のグラフを表示部60に表示させる(S77)。また、ノイズ解析部54は、図9に示されているステップS66,S67の処理(自己回帰法の適用)を実行することにより、最適な共振周波数f0とQ値を求め、それらの値を表示部60に表示させる(S78)。kがnの場合(S79,Yes)、ノイズ解析部54は、flagを1に設定し、処理回数kを0に設定する(S80)。そして、処理はステップS71に戻る。一方、kがnではない場合(S79,No)、処理はステップS71に戻る。以降についても同様に、処理が繰り返される。

0085

作業者は、データ|gk(τ)|のグラフ及び共振周波数f0を参照しながら、そのグラフのピーク値を示す周波数が観測対象核種の共振周波数に適合するように、また、そのグラフのピーク強度が最大となるように、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を変更する。つまり、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が変更される度に、上記のステップS70〜S80の処理が実行され、これにより、設定値毎のデータ|gk(τ)|のグラフが得られて表示される。そして、作業者は、そのグラフを参照しながら各設定値を変更する。これにより、マニュアル作業によって、観測時間帯(受信期間)における検出回路28の同調及び整合が図られる。

0086

次に、実施例1の実際の適用例について説明する。図11には、実施例1に係る処理によって実際に得られたグラフが示されている。このグラフは、熱ノイズのパワースペクトルデータを示すグラフである。図11において、横軸は周波数f(MHz)であり、縦軸は熱ノイズのパワースペクトルのパワー値dBm)である。この実験では、検出コイル30A,30Bの材料として、高温超伝導材料YBCOが用いられている。検出回路28は19Kに冷却され、インピーダンス整合が図られている。増幅率18dBのプリアンプ(別途経路による損失は1dB程度)と10dBのバッファアンプを経て、高精度デジタルオシロスコープによって熱ノイズのデータを直接観測した。このグラフにおいて、702.0MHzの付近に明瞭なピークが形成されている。グラフ中の実線は、上述した理論式(Pn×G(f))を測定結果のグラフにフィッティングした結果を示している。このフィッティングから、共振周波数f0は701.97±0.02であり、Q値は17420±230であった。このように、本実施形態に係る処理を実行することにより、共振周波数f0とQ値が得られる。これらの情報を利用することにより、検出回路28の同調及び整合を図ることが可能となる。

0087

(変形例)
次に、変形例に係る処理について説明する。変形例では、送信チューニングと受信チューニングが実行される。そして、NMR信号の測定段階の送信期間においては、送信チューニングの結果が利用されて検出回路28の動作条件が設定され、測定段階の受信期間においては、受信チューニングの結果が利用されて検出回路28の動作条件が設定される。以下、具体的な処理について説明する。

0088

送信マニュアルチューニング又は送信オートチューニングが実行され、これにより、送信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数f1とQ値(Q1)が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が決定される。各設定値は、送信期間における設定値として分光計40に記憶される。

0089

また、上述した実施例1〜3のいずれかの処理が実行され、これにより、受信期間において観測対象核種の共振周波数に適合する共振周波数f2とQ値(Q2)が求められ、それらの値が得られる同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値が決定される。各設定値は、受信期間における設定値として分光計40に記憶される。

0090

そして、NMR信号の測定段階においては、送信期間と受信期間とで検出回路28の動作条件が動的に切り替えられる。具体的には、チューニング制御部56は、送信期間と受信期間とで、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサの各設定値を動的に切り替える。より具体的には、チューニング制御部56は、送信期間では、共振周波数f1とQ値(Q1)とに対応する各設定値を同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定し、受信期間では、共振周波数f2とQ値(Q2)とに対応する各設定値を同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定する。これにより、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、観測対象核種の共振周波数に適合する理想的な共振周波数が得られる設定値が、同調用可変コンデンサ及び整合用可変コンデンサに設定される。すなわち、送信期間及び受信期間のそれぞれにおいて、検出回路28の同調状態及び整合状態が理想的な状態に設定される。

0091

10NMR装置、12静磁場発生装置、14NMRプローブ、16 挿入部、18 基部、28検出回路、30検出コイル、34結合コイル、40分光計、42 送信部、50 受信部、52スペクトル処理部、54ノイズ解析部、56チューニング制御部。

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