JP5170686B2 - Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method - Google Patents
Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method Download PDFInfo
- Publication number
- JP5170686B2 JP5170686B2 JP2008537406A JP2008537406A JP5170686B2 JP 5170686 B2 JP5170686 B2 JP 5170686B2 JP 2008537406 A JP2008537406 A JP 2008537406A JP 2008537406 A JP2008537406 A JP 2008537406A JP 5170686 B2 JP5170686 B2 JP 5170686B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic field
- current
- sample
- coil
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 121
- 238000001225 nuclear magnetic resonance method Methods 0.000 title claims description 10
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 claims description 241
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 232
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 165
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 85
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 72
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 53
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 51
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 claims description 50
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 41
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 34
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 31
- 239000003586 protic polar solvent Substances 0.000 claims description 31
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 19
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 16
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 221
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 145
- 230000008859 change Effects 0.000 description 72
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 60
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 40
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 40
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 40
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 39
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 34
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 32
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 30
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 27
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 16
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 15
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 15
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 12
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 11
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 10
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- YJLUBHOZZTYQIP-UHFFFAOYSA-N 2-[5-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]-1,3,4-oxadiazol-2-yl]-1-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethanone Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C1=NN=C(O1)CC(=O)N1CC2=C(CC1)NN=N2 YJLUBHOZZTYQIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 5
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 5
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 4
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 4
- CONKBQPVFMXDOV-QHCPKHFHSA-N 6-[(5S)-5-[[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]methyl]-2-oxo-1,3-oxazolidin-3-yl]-3H-1,3-benzoxazol-2-one Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)C[C@H]1CN(C(O1)=O)C1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 CONKBQPVFMXDOV-QHCPKHFHSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241001272720 Medialuna californiensis Species 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005370 electroosmosis Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- KZEVSDGEBAJOTK-UHFFFAOYSA-N 1-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)-2-[5-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidin-5-yl]-1,3,4-oxadiazol-2-yl]ethanone Chemical compound N1N=NC=2CN(CCC=21)C(CC=1OC(=NN=1)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)=O KZEVSDGEBAJOTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JQMFQLVAJGZSQS-UHFFFAOYSA-N 2-[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]-N-(2-oxo-3H-1,3-benzoxazol-6-yl)acetamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)N1CCN(CC1)CC(=O)NC1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 JQMFQLVAJGZSQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 2
- 229920006264 polyurethane film Polymers 0.000 description 2
- 238000000264 spin echo pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 238000000685 Carr-Purcell-Meiboom-Gill pulse sequence Methods 0.000 description 1
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000544 Gore-Tex Polymers 0.000 description 1
- YDSAHPJPXFRWET-UHFFFAOYSA-N acetic acid;phenol Chemical compound CC(O)=O.CC(O)=O.OC1=CC=CC=C1.OC1=CC=CC=C1 YDSAHPJPXFRWET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 description 1
- 239000008274 jelly Substances 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000011527 polyurethane coating Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
- G01R33/341—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
- G01R33/3415—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/3808—Magnet assemblies for single-sided MR wherein the magnet assembly is located on one side of a subject only; Magnet assemblies for inside-out MR, e.g. for MR in a borehole or in a blood vessel, or magnet assemblies for fringe-field MR
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/383—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using permanent magnets
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
- G01R33/48—NMR imaging systems
- G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
- G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
- G01R33/561—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution by reduction of the scanning time, i.e. fast acquiring systems, e.g. using echo-planar pulse sequences
- G01R33/5615—Echo train techniques involving acquiring plural, differently encoded, echo signals after one RF excitation, e.g. using gradient refocusing in echo planar imaging [EPI], RF refocusing in rapid acquisition with relaxation enhancement [RARE] or using both RF and gradient refocusing in gradient and spin echo imaging [GRASE]
- G01R33/5617—Echo train techniques involving acquiring plural, differently encoded, echo signals after one RF excitation, e.g. using gradient refocusing in echo planar imaging [EPI], RF refocusing in rapid acquisition with relaxation enhancement [RARE] or using both RF and gradient refocusing in gradient and spin echo imaging [GRASE] using RF refocusing, e.g. RARE
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Description
本発明は、核磁気共鳴法を用いた測定装置および測定方法に関し、特に、核磁気共鳴法を用いて試料の特定箇所の電流を測定する技術に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method using a nuclear magnetic resonance method, and more particularly to a technique for measuring a current at a specific portion of a sample using the nuclear magnetic resonance method.
試料の面方向電流分布を計測する従来の方法として、非特許文献1および2に記載の方法がある。
As conventional methods for measuring the surface current distribution of a sample, there are methods described in
非特許文献1には、燃料電池の面方向電流分布を計測する際に、電極を分割して「分割電極」とし、個々を絶縁して、一つの分割電極ごとに流れる電流を計測する方法が記載されている。
Non-Patent
また、非特許文献2には、ホール素子を利用して磁場の強度を計測する方法が記載されている。ここで、ホール素子は、素子に印加された磁場強度に応じて素子の電気抵抗が変化する特性を持つ素子である。非特許文献2においては、このホール素子を燃料電池に近づけ、空間的に走査することで、磁場強度の空間マップを計測し、それを逆問題として解析して、電流分布を求める方法が提案されている。
ところが、上述した非特許文献1および2に記載の方法は、それぞれ、以下の点で改善の余地があった。
However, the methods described in
まず、非特許文献1に記載の分割電極法においては、分割電極を組み込んだ燃料電池セルを製作する必要があり、計測するための装置で実測するため、分割電極を用いていない実機とは異なる計測結果となる可能性があり、実験データの信頼性の点で改善の余地があった。また、新しいセルを設計、製作するごとに、分割電極も設計、製作し直さなければならず、開発コストが増加する点でも、実用的ではなかった。
First, in the split electrode method described in Non-Patent
また、非特許文献2に記載のホール素子を用いた方法では、電極中に電流が流れることで発生する磁場を計測しているが、この磁場強度は地磁気の強さにほぼ等しく、微弱な値である。このような微弱な磁場強度を正確に計測するには、ホール素子が高い分解能と高い再現性を持つことを要求される。
In the method using the Hall element described in
また、たとえば燃料電池の計測にホール素子を用いようとした場合、ホール素子は温度変化にも敏感であり、発熱を伴う燃料電池の内部やその周囲に設置してホール素子で磁場を計測するには、各温度で計測されたホール素子に流れる電流または抵抗値と印加した磁場強度との関係を予め校正曲線として素子の非線形性を補正できるように準備し、燃料電池に適用した際のホール素子自体の温度を非常に高い精度で計測した上で、校正曲線から磁場を算出するという非常に手間がかかる手法をとらねばならない。さらに、真のホール素子温度を計測することが困難であるという問題もあった。 For example, if a Hall element is used to measure a fuel cell, the Hall element is sensitive to temperature changes, and is installed in and around a fuel cell that generates heat to measure the magnetic field with the Hall element. Is prepared in advance so that the nonlinearity of the element can be corrected with the relationship between the current or resistance value flowing through the Hall element measured at each temperature and the applied magnetic field strength as a calibration curve, and applied to the fuel cell. It is necessary to take a very time-consuming method of calculating the magnetic field from the calibration curve after measuring its own temperature with very high accuracy. Furthermore, there is a problem that it is difficult to measure the true Hall element temperature.
これらのことから、ホールセンサを用いる方法は、検討されてはいるものの、未だ研究段階にあり、実用化には遠い水準のものであった。 For these reasons, the method using the Hall sensor has been studied, but it is still in the research stage and is far from practical use.
以上のように、従来技術では、試料の面内の電流分布を局所的に測定することは困難であった。 As described above, with the conventional technique, it is difficult to locally measure the current distribution in the surface of the sample.
本発明によれば、
核磁気共鳴法を用いて試料の特定箇所の電流を局所的に測定する装置であって、
前記試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記試料の特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する、前記試料よりも小さい小型RFコイルと、
前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の前記特定箇所の電流を算出する電流算出部と、
を備える測定装置が提供される。According to the present invention,
An apparatus for locally measuring a current at a specific portion of a sample using a nuclear magnetic resonance method,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the sample;
A small RF coil smaller than the sample, which applies an oscillating magnetic field for excitation to the sample and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated at a specific location of the sample;
Calculating a difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and from the difference, a current calculation unit that calculates a current at the specific portion of the sample;
A measuring device is provided.
また、本発明によれば、
核磁気共鳴法を用いて燃料電池の固体高分子電解質膜の面内の電流の分布を取得する装置であって、
前記固体高分子電解質膜に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記固体高分子電解質膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜の特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する、前記固体高分子電解質膜よりも小さい、複数の小型RFコイルと、
前記複数の小型RFコイルについて、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記固体高分子電解質膜の面内の電流分布を取得する電流分布取得部と、
を備える測定装置が提供される。Moreover, according to the present invention,
An apparatus for acquiring a current distribution in a plane of a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a nuclear magnetic resonance method,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane;
Applying an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at a specific location of the solid polymer electrolyte membrane, a plurality of smaller than the solid polymer electrolyte membrane, A small RF coil;
For the plurality of small RF coils, the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is calculated, and the surface of the solid polymer electrolyte membrane is calculated from the difference. A current distribution acquisition unit for acquiring the current distribution in
A measuring device is provided.
また、本発明によれば、
核磁気共鳴法を用いて試料の特定箇所の電流を局所的に測定する方法であって、
静磁場に置かれた前記試料の特定箇所に対し、前記試料より小さい小型RFコイルを用いて、励起用振動磁場を印加するとともに、前記特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する第一ステップと、
前記第一ステップで取得した前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の前記特定箇所の電流を求める第二ステップと、
を含む、測定方法が提供される。Moreover, according to the present invention,
A method for locally measuring a current at a specific portion of a sample using a nuclear magnetic resonance method,
A first step of applying an oscillating magnetic field for excitation to a specific location of the sample placed in a static magnetic field using a small RF coil smaller than the sample and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at the specific location When,
Calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired in the first step and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and from the difference, a second step of obtaining the current at the specific location of the sample;
A measurement method is provided.
本発明においては、試料より小さい小型RFコイルを用いて、局所的に励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場を印加した箇所から発せられる核磁気共鳴信号を取得し、得られた核磁気共鳴信号から試料の特定箇所における電流を求める。小型RFコイルにより測定対象となる部位を限定して励起用振動磁場を与えることにより、試料の所定の領域における局所的な電流を短時間で測定することができる。 In the present invention, an excitation oscillating magnetic field is locally applied using a small RF coil smaller than the sample, and a nuclear magnetic resonance signal emitted from a location where the excitation oscillating magnetic field is applied is obtained. The current at a specific location of the sample is obtained from the magnetic resonance signal. A local current in a predetermined region of the sample can be measured in a short time by limiting the portion to be measured with a small RF coil and applying an excitation oscillating magnetic field.
また、電流を求める際に、周波数分解能の高い核磁気共鳴信号を用いることにより、測定精度を向上させることができる。また、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、差分から電流を求めることにより、非特許文献2を参照して前述したホール素子を用いた測定のような絶対値を用いる方法に比べて、温度環境などの素子周囲の環境変化による影響や、校正曲線の必要性を低減させることができるため、測定精度をより一層向上させることができる。
In addition, the measurement accuracy can be improved by using a nuclear magnetic resonance signal with high frequency resolution when obtaining the current. Also, by calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation and obtaining the current from the difference, absolute measurement such as the measurement using the Hall element described above with reference to
ここで、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分は、具体的には、下記(i)に対する下記(ii)として求めることができる。
(i)励起用振動磁場としてRF発振器が持っている(記憶している)「電流が流れていない時の基準となる周波数」
(ii)「電流が流れて形成される磁場により核磁気共鳴信号の周波数が増減する量」
上記(ii)は、たとえば位相の変化量として計測される。Here, the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation can be specifically obtained as (ii) below with respect to (i) below.
(I) The RF oscillator has (stores) an oscillating magnetic field for excitation, which is a “reference frequency when no current is flowing”.
(Ii) “amount by which the frequency of the nuclear magnetic resonance signal is increased or decreased by the magnetic field formed by the flow of current”
The above (ii) is measured, for example, as a phase change amount.
このとき、電流が流れていない時に磁石のみで作られる静磁場の下での核磁気共鳴信号の周波数に等しく合わせた励起用振動磁場の周波数がまずあり、電流が流れたことで作られた磁場と磁石によってもともと印加されている静磁場の両方の磁場の下で計測された核磁気共鳴信号の周波数との間に差が生ずることを利用して、電流が流れた場合と流れていない場合の位相差から周波数差を計測する。 At this time, the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is equal to the frequency of the nuclear magnetic resonance signal under the static magnetic field created only by the magnet when no current is flowing, and the magnetic field created by the current flowing The difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal measured under both the magnetic field and the static magnetic field originally applied by the magnet. The frequency difference is measured from the phase difference.
なお、本明細書において、「静磁場」は、核磁気共鳴信号および電流の取得を安定的に行うことが可能な程度に時間的に安定な磁場であれば、完全に安定な磁場でなくてもよく、その範囲内で多少の変動があってもよい。 In the present specification, the “static magnetic field” is not a completely stable magnetic field as long as it is a temporally stable magnetic field capable of stably acquiring nuclear magnetic resonance signals and currents. There may be some variation within that range.
また、本発明において、求められた電流を空間的な分布として表現するために、電流が流れている面積で除して、電流密度として表現することもできる。 In the present invention, in order to express the obtained current as a spatial distribution, it can be expressed as a current density by dividing by the area where the current flows.
本発明の測定装置は、前記核磁気共鳴信号の実部および虚部を検波する検波部をさらに備えてもよく、前記電流算出部が、前記検波部で検波された前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出してもよい。
また、本発明の測定方法において、前記第二ステップにおいて、前記核磁気共鳴信号の実部および虚部を検波し、前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出することもできる。
これにより、周波数の差分をより簡便で確実に求められる。The measurement apparatus of the present invention may further include a detection unit that detects a real part and an imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal, and the current calculation unit detects the real part and the imaginary part detected by the detection part. May be used to calculate the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field.
In the measurement method of the present invention, in the second step, the real part and the imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal are detected, and the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the excitation are detected using the real part and the imaginary part. It is also possible to calculate a difference from the frequency of the oscillating magnetic field.
Thereby, the difference in frequency can be obtained more simply and reliably.
なお、ある時間間隔での位相の変化量を単位時間あたりに換算すると周波数の差となる観点では、検波された実部および虚部を用いて、励起用振動磁場を基準とした時の核磁気共鳴信号のある時間間隔での位相の変化量、または、両者の周波数の差を算出してもよい。 In terms of the difference in frequency when the amount of phase change at a certain time interval is converted per unit time, the detected magnetic real part and imaginary part are used to determine the nuclear magnetic field when the excitation vibration magnetic field is used as a reference. The amount of phase change in a certain time interval of the resonance signal or the difference between the frequencies of the two may be calculated.
本発明において、試料の種類毎に、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分と電流との相関関係を示す情報、たとえば検量線データを保有する記憶部を備え、前記電流算出部が、前記記憶部から測定対象の試料に対応する前記情報を取得し、該情報に基づいて電流を算出する構成としてもよい。 In the present invention, each sample type includes a storage unit that stores information indicating a correlation between the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field and the current, for example, calibration curve data, and the current The calculation unit may acquire the information corresponding to the sample to be measured from the storage unit and calculate a current based on the information.
本発明において測定対象となる試料は、たとえば膜とすることができる。このとき、膜中の局所的な電流を把握することが可能となる。 In the present invention, the sample to be measured can be a film, for example. At this time, the local current in the film can be grasped.
また、本発明の測定装置が複数の前記小型RFコイルを備え、前記複数の小型RFコイルが、前記試料の複数箇所に対し、前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記核磁気共鳴信号を取得し、前記電流算出部が、前記試料の前記複数箇所における電流を算出するように構成されていてもよい。 The measurement apparatus of the present invention includes a plurality of the small RF coils, and the plurality of small RF coils apply the oscillating magnetic field for excitation to a plurality of locations of the sample and acquire the nuclear magnetic resonance signal. And the said current calculation part may be comprised so that the electric current in the said several places of the said sample may be calculated.
こうすることにより、簡易な構成で電流の多点同時測定が可能となる。また、たとえば試料が膜であれば、膜の電流分布に関する情報が得られる。複数の小型RFコイルの配置は任意であり、測定対象の形状等に応じてアレイ化することができる。 By doing so, it is possible to simultaneously measure multiple points of current with a simple configuration. For example, if the sample is a film, information on the current distribution of the film can be obtained. Arrangement | positioning of a some small RF coil is arbitrary, and can be arrayed according to the shape etc. of a measuring object.
ここで、小型RFコイルは、たとえばパルス状の前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するFID(Free Induction decay:自由誘導減衰)信号を取得し、前記電流算出部が、前記FID信号の実部および虚部を取得することができる。また、このとき、ノイズに比べて有意なFID信号が取得できる程度の励起パルスで磁化ベクトルが励起されていればよく、励起パルスが磁化ベクトルを励起させる角度(静磁場方向を基準として傾ける角度)は任意である。
この角度を任意とすることで、T1緩和時定数に関わる磁化ベクトルの回復時間を短くすることもでき、より短時間の繰り返し時間で励起パルスを照射できて、電流分布の短時間計測が可能となる。Here, the small RF coil applies, for example, the pulsed oscillating magnetic field, obtains an FID (Free Induction decay) signal corresponding to the oscillating magnetic field for excitation, and the current calculation unit The real part and the imaginary part of the FID signal can be acquired. At this time, it is only necessary that the magnetization vector is excited with an excitation pulse that can obtain a significant FID signal compared to noise, and the angle at which the excitation pulse excites the magnetization vector (the angle that is tilted with respect to the static magnetic field direction). Is optional.
By making this angle arbitrary, it is possible to shorten the recovery time of the magnetization vector related to the T 1 relaxation time constant, and it is possible to irradiate the excitation pulse with a shorter repetition time and to measure the current distribution in a short time. It becomes.
また、小型RFコイルは、たとえば励起用振動磁場を以下のシーケンスで印加するとともに、当該励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得することもできる。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス。Further, the small RF coil can apply an excitation oscillating magnetic field in the following sequence, for example, and can also acquire an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field.
(A) a 90 ° pulse, and
(B) A 180 ° pulse applied after elapse of time τ of the pulse in (a).
励起用振動磁場を上記(a)および(b)を含むパルスシーケンスとし、電流算出部が、エコー信号の実部および虚部を取得するスピンエコー法を用いることにより、エコー信号の位相を収束させることができる。また、後述するように磁場の不均一性に起因する測定誤差を効果的に低減させることができる。このため、核磁気共鳴信号の実部および虚部の測定精度をさらに向上させることができる。たとえば、前記第二ステップにおいて、前記エコー信号の実部および虚部を検波し、前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出してもよい。 The excitation oscillating magnetic field is a pulse sequence including the above (a) and (b), and the current calculation unit converges the phase of the echo signal by using the spin echo method of acquiring the real part and the imaginary part of the echo signal. be able to. Further, as will be described later, measurement errors due to magnetic field inhomogeneities can be effectively reduced. For this reason, the measurement accuracy of the real part and the imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal can be further improved. For example, in the second step, the real part and the imaginary part of the echo signal are detected, and the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field is calculated using the real part and the imaginary part. It may be calculated.
なお、本明細書において、「FID信号」および「エコー信号」は、励起用振動磁場に対応するとともに実部および虚部の検波が可能な核磁気共鳴信号として機能する信号であればよい。 In the present specification, the “FID signal” and the “echo signal” may be signals that correspond to the excitation oscillating magnetic field and function as nuclear magnetic resonance signals capable of detecting the real part and the imaginary part.
また、本発明における「パルスシーケンス」とは、励起用振動磁場を印加する時刻とその間隔とを設定するタイミングダイアグラムを規定するシーケンスである。ここで、タイミングダイアグラムは、時系列的に必要な操作を行う手順表も含んでいる。 In addition, the “pulse sequence” in the present invention is a sequence that defines a timing diagram for setting the time and interval for applying the excitation oscillating magnetic field. Here, the timing diagram also includes a procedure table for performing necessary operations in time series.
また、上記パルスシーケンスに加え、90°パルス(a)より時間τだけ前の時刻に、180°パルスを印加するステップを加えた別のシーケンスを実行するようにしてもよい。90°パルス(a)で取得したNMR信号の強度と、180°パルス(b)での時間τを適宜選んで取得したNMR信号の強度とを比較することで、RFコイルから照射する励起用振動磁場の強度が、正確に90°、180°に対応しているかを判断することができる。二つのパルスの強度が1対2の関係、または照射エネルギが1対4、またはパルス印加時間が1対2の関係にあり、磁化ベクトルをそれぞれ90°および180°に励起することが測定値の確からしさと再現性を向上させる重要な要因となる。この結果、装置の異常または調整の未熟さにより二つのパルスの関係が不適切になった場合でも、測定を行う前の段階で異常を検知でき、測定値をより確からしいものとすることができる。 In addition to the above pulse sequence, another sequence in which a step of applying a 180 ° pulse is added at a time τ before the 90 ° pulse (a) may be executed. By comparing the intensity of the NMR signal acquired by the 90 ° pulse (a) and the intensity of the NMR signal acquired by appropriately selecting the time τ at the 180 ° pulse (b), the vibration for excitation irradiated from the RF coil It can be judged whether the intensity of the magnetic field corresponds to 90 ° or 180 ° accurately. It is measured that the intensity of the two pulses is 1 to 2, or the irradiation energy is 1 to 4 or the pulse application time is 1 to 2, and the magnetization vector is excited to 90 ° and 180 °, respectively. It is an important factor to improve the accuracy and reproducibility. As a result, even if the relationship between the two pulses becomes inappropriate due to device abnormality or immature adjustment, the abnormality can be detected before the measurement is performed, and the measured value can be made more probable. .
また、本発明において、前記小型RFコイルに前記励起用振動磁場を発生させるRF信号を生成するRF信号生成部と、前記小型RFコイルにより取得されたエコー信号を検出するとともに、該エコー信号を前記電流算出部に送出するエコー信号検出部と、前記小型RFコイル、前記RF信号生成部および前記エコー信号検出部を接続する分岐部に設けられ、前記小型RFコイルと前記RF信号生成部とが接続された状態と、前記小型RFコイルと前記エコー信号検出部とが接続された状態とを切り替えるスイッチ回路と、をさらに備える構成とすることができる。 Further, in the present invention, an RF signal generation unit that generates an RF signal for generating the excitation oscillating magnetic field in the small RF coil, and an echo signal acquired by the small RF coil are detected, and the echo signal is An echo signal detection unit that is sent to a current calculation unit and a branch unit that connects the small RF coil, the RF signal generation unit, and the echo signal detection unit are connected to connect the small RF coil and the RF signal generation unit. And a switch circuit that switches between a state in which the small RF coil and the echo signal detection unit are connected to each other.
こうすることにより、小型RFコイルから試料に印加される励起用高周波パルス信号の損失を低減し、この結果、90°パルスおよび180°パルスのパルス角を正確に制御することが可能となる。 By doing so, the loss of the high frequency pulse signal for excitation applied to the sample from the small RF coil is reduced, and as a result, the pulse angles of the 90 ° pulse and the 180 ° pulse can be accurately controlled.
また、励起用振動磁場のパルスシーケンスは、以下の(a)(b)および(c)を含む構成とすることもできる。
(a)90°パルス、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス。
なお、nは自然数である。The pulse sequence of the oscillating magnetic field for excitation can also be configured to include the following (a), (b), and (c).
(A) 90 ° pulse,
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). pulse.
Note that n is a natural number.
上記(a)〜(c)からなるパルスシーケンスを用いることにより、(b)または(c)のパルスに対応するエコー信号を用いて試料の特定箇所の電流を測定するとともに、(b)および(c)のパルスに対応する複数のエコー信号を用いて当該特定箇所における試料中のプロトン性溶媒量を測定することができる。 By using the pulse sequence comprising the above (a) to (c), the current at a specific portion of the sample is measured using an echo signal corresponding to the pulse of (b) or (c), and (b) and ( The amount of protic solvent in the sample at the specific location can be measured using a plurality of echo signals corresponding to the pulse c).
このとき、本発明の測定装置が、小型RFコイルで取得された核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒の量を算出する溶媒量算出部と、前記試料の電流を測定する第一測定モードと前記試料中のプロトン性溶媒の量を測定する第二測定モードとを切り替える切替部と、をさらに備え、前記第一測定モードにあるとき、前記電流算出部が、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分に基づく前記試料の前記特定箇所の電流の算出を実行し、前記第二測定モードにあるとき、前記溶媒量算出部が、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号に基づく前記試料中の前記特定箇所におけるプロトン性溶媒の量の算出を実行する構成とすることができる。 At this time, the measuring apparatus of the present invention measures the amount of the protic solvent in the sample based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, and the current of the sample. A switching unit that switches between a first measurement mode and a second measurement mode for measuring the amount of the protic solvent in the sample. When in the first measurement mode, the current calculation unit is configured to switch the small RF Calculation of the current at the specific location of the sample based on the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and when in the second measurement mode, the solvent A quantity calculation part can be set as the structure which calculates the quantity of the protic solvent in the said specific location in the said sample based on the said nuclear magnetic resonance signal acquired with the said small RF coil.
このようにすれば、第一および第二測定モードの切り替えにより、電流の測定に加えて試料中の局所的なプロトン性溶媒量を短時間で測定することが可能となる。 In this way, by switching between the first and second measurement modes, it becomes possible to measure the amount of local protic solvent in the sample in a short time in addition to the current measurement.
さらに具体的には、第二測定モードにおいて、前記小型RFコイルが、前記励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得し、前記溶媒量算出部が、前記エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出し、算出した前記T2緩和時定数から、前記試料中の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を算出することもできる。More specifically, in the second measurement mode, the small RF coil acquires an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field, and the solvent amount calculation unit calculates the T 2 relaxation time from the intensity of the echo signal. A constant can be calculated, and the amount of the protic solvent at a specific location in the sample can be calculated from the calculated T 2 relaxation time constant.
このように、本発明の測定方法において、一つの測定装置における一度のパルスシーケンスにより、試料の特定箇所について二つの物理量を測定することもできる。たとえば、本発明において、前記第一ステップにおいて、前記小型RFコイルが、前記(a)、(b)および(c)を含むパルスシーケンスで、前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記(a)のパルスに対応するFID信号または前記(b)もしくは前記(c)のパルスに対応するエコー信号を取得し、前記第二ステップにおいて、前記(a)のパルスに対応するFID信号または前記(b)もしくは前記(c)のパルスに対応するエコー信号の実部および虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出するとともに、前記(b)および前記(c)のパルスに対応する複数のエコー信号の強度から、前記T2緩和時定数を算出し、算出した前記T2緩和時定数から、前記試料中の前記特定箇所におけるプロトン性溶媒の量を算出することもできる。さらに具体的には、上記(b)における1回目のパルス対応信号で電流を測定し、その後の(c)におけるn回のパルス対応信号群を利用して水分量を測定することができる。
なお、二つの物理量の測定は、同時に行われる構成であってもよいし、交互等の異なるタイミングで行われる構成であってもよい。たとえば、前記第二ステップにおいて、前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分の算出のためのエコー信号の取得と、T2緩和時定数の算出のためのエコー信号の取得とを、交互に行ってもよい。また、前記第二ステップにおいて、前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分の算出のためのエコー信号の取得と、T2緩和時定数の算出のためのエコー信号の取得とを、同時に行ってもよい。As described above, in the measurement method of the present invention, two physical quantities can be measured for a specific portion of the sample by a single pulse sequence in one measurement apparatus. For example, in the present invention, in the first step, the small RF coil applies the excitation oscillating magnetic field in a pulse sequence including the (a), (b) and (c), and (a) The FID signal corresponding to the pulse of (b) or the echo signal corresponding to the pulse of (c) is acquired, and in the second step, the FID signal corresponding to the pulse of (a) or (b) Alternatively, the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is calculated using the real part and the imaginary part of the echo signal corresponding to the pulse of (c), and (b) and The T 2 relaxation time constant is calculated from the intensities of a plurality of echo signals corresponding to the pulse of (c), and the calculated T 2 relaxation time constant is applied to the specific location in the sample. The amount of the protic solvent can also be calculated. More specifically, the current can be measured with the first pulse corresponding signal in (b) above, and the water content can be measured using the n-th pulse corresponding signal group in (c).
The measurement of the two physical quantities may be performed at the same time, or may be performed at different timings such as alternating. For example, in the second step, the acquisition of an echo signal for calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and the echo signal for calculating the T 2 relaxation time constant Acquisition may be performed alternately. In the second step, the acquisition of an echo signal for calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and the echo signal for calculating the T 2 relaxation time constant Acquisition may be performed simultaneously.
上記構成においては、小型RFコイルを用いて、(i)局所的に励起用振動磁場を印加するとともに、(ii)励起用振動磁場を印加した箇所から発せられるエコー信号を取得し、得られたエコー信号からT2緩和時定数(横緩和時定数)を求め、これに基づいて水分量を測定する。小型RFコイルにより測定対象となる部位を限定してパルスエコー法を適用しているため、局所的水分量を短時間で測定することができる。In the above configuration, a small RF coil was used to obtain (i) an excitation oscillating magnetic field locally and (ii) an echo signal emitted from a location where the excitation oscillating magnetic field was applied. The T 2 relaxation time constant (transverse relaxation time constant) is obtained from the echo signal, and the moisture content is measured based on this. Since the pulse echo method is applied by limiting the part to be measured with a small RF coil, the local water content can be measured in a short time.
また、本発明において、90°パルスが第1位相にあり、n個の前記180°パルスが、前記第1位相と90°ずれた第2位相にあるようにすることができる。実際の測定系においては、静磁場および励起用振動磁場の磁場不均一性が発生し、これがT2緩和時定数の測定誤差の要因となることがある。上記構成のパルスシーケンスは、180°パルスとして上記第1位相と90°ずれた第2位相にあるものを用いているため、180°パルスを印加することで、核磁化が回転座標系において反転し、これにより、上記磁場不均一性に由来する測定誤差要因が解消される。第2位相180°パルスは、周期的に印加されるので、そのたびに測定誤差要因が解消されるので、正確なT2緩和時定数を確実に得ることができる。In the present invention, the 90 ° pulse may be in the first phase, and the n number of 180 ° pulses may be in the second phase shifted by 90 ° from the first phase. In an actual measurement system, magnetic field inhomogeneities of the static magnetic field and the excitation oscillating magnetic field occur, which may cause a measurement error of the T 2 relaxation time constant. The pulse sequence having the above configuration uses a 180 ° pulse that is in a second phase that is 90 ° shifted from the first phase. By applying the 180 ° pulse, the nuclear magnetization is reversed in the rotating coordinate system. This eliminates the measurement error factor derived from the magnetic field inhomogeneity. Since the
本発明において、複数の前記小型RFコイルを設け、前記第二測定モードにおいて、試料の複数箇所に対し、励起用振動磁場を印加するとともに前記励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得し、前記試料の複数箇所に対しT2緩和時定数を算出し、前記T2緩和時定数に基づいて、前記試料の前記複数箇所における水分量を求める構成としてもよい。さらに、上記複数箇所における水分量を求めた後、前記試料の前記複数箇所における水分量に基づいて前記試料の水分量分布を提示する構成としてもよい。In the present invention, a plurality of the small RF coils are provided, and in the second measurement mode, an excitation oscillating magnetic field is applied to a plurality of locations of the sample and an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field is acquired, The T 2 relaxation time constant may be calculated for a plurality of locations on the sample, and the moisture content at the plurality of locations on the sample may be obtained based on the T 2 relaxation time constant. Furthermore, it is good also as a structure which shows the moisture content distribution of the said sample based on the moisture content in the said several places of the said sample, after calculating | requiring the moisture content in the said several places.
さらに、本発明の測定装置において、試料に対して勾配磁場を印加する勾配磁場印加部と、前記小型RFコイルで取得された核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒の易動性を算出する易動性算出部と、前記試料の電流を測定する第一測定モードと前記試料中のプロトン性溶媒の易動性を測定する第三測定モードとを切り替える切替部と、をさらに備え、前記第三測定モードにおいて、前記小型RFコイルが、前記試料に前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場および前記勾配磁場に対応する核磁気共鳴信号を取得し、前記易動性算出部が、異なる勾配磁場に対応して得られた前記核磁気共鳴信号の情報に基づいて、前記試料の前記特定箇所の前記易動性を算出してもよい。 Further, in the measurement apparatus of the present invention, the easy movement of the protic solvent in the sample based on the gradient magnetic field application unit that applies a gradient magnetic field to the sample and the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil. A mobility calculation unit for calculating the mobility, and a switching unit for switching between a first measurement mode for measuring the current of the sample and a third measurement mode for measuring the mobility of the protic solvent in the sample. In the third measurement mode, the small RF coil applies the excitation oscillating magnetic field to the sample, acquires a nuclear magnetic resonance signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field, and A mobility calculation unit may calculate the mobility of the specific portion of the sample based on information of the nuclear magnetic resonance signal obtained corresponding to different gradient magnetic fields.
また、本発明の測定方法において、前記試料の特定箇所に対して励起用振動磁場および勾配磁場を印加するとともに、前記特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する第三ステップと、前記第一ステップで得られた核磁気共鳴信号の情報と、前記第三ステップで得られた核磁気共鳴信号の情報とに基づいて、前記試料の前記特定箇所の易動性を算出する第四ステップと、をさらに含み、前記第一ステップおよび前記第三ステップにおいて、前記小型RFコイルを用いて前記試料の特定箇所に局所的な磁場を印加するとともに、前記特定箇所から核磁気共鳴信号を取得し、前記第一ステップにおいて、前記試料に対する勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行し、前記第三ステップにおいて、前記第一ステップと異なる大きさの前記勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行することもできる。 In the measurement method of the present invention, a third step of applying an excitation oscillating magnetic field and a gradient magnetic field to a specific location of the sample and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at the specific location; A fourth step of calculating the mobility of the specific portion of the sample based on the information of the nuclear magnetic resonance signal obtained in the step and the information of the nuclear magnetic resonance signal obtained in the third step; In the first step and the third step, a local magnetic field is applied to a specific location of the sample using the small RF coil, and a nuclear magnetic resonance signal is acquired from the specific location, In the first step, a gradient magnetic field is applied to the sample according to a predetermined pulse sequence, and the third step is different from the first step. It may be performed according to the gradient magnetic field a predetermined pulse sequence applied in the.
このようにすれば、第一および第三測定モードの切り替えにより、電流の測定に加えて試料中の特定箇所におけるプロトン性溶媒の易動性についても測定することが可能となる。 In this way, by switching between the first and third measurement modes, it is possible to measure not only the current but also the mobility of the protic solvent at a specific location in the sample.
また、上記構成においては、小型RFコイルを用いて、(i)局所的に励起用振動磁場および勾配磁場を印加するとともに、(ii)励起用振動磁場および勾配用磁場を印加した箇所から発せられる核磁気共鳴信号を取得し、異なる勾配磁場に対応して得られたNMR信号から試料の特定箇所における易動性を測定する。小型RFコイルにより測定対象となる部位を限定してスピンエコー法および勾配磁場NMR法を適用しているため、試料の所定の領域におけるプロトン性溶媒の局所的な易動性を短時間で測定することができる。 Further, in the above configuration, using a small RF coil, (i) the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field are locally applied, and (ii) the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field are applied. A nuclear magnetic resonance signal is acquired, and the mobility at a specific location of the sample is measured from the NMR signal obtained corresponding to different gradient magnetic fields. The spin-echo method and the gradient magnetic field NMR method are applied with a small RF coil to limit the area to be measured, so the local mobility of the protic solvent in a predetermined region of the sample can be measured in a short time be able to.
なお、本発明により測定される「易動性」とは、試料中におけるプロトン性溶媒の移動のしやすさを表す物性値をいう。こうした物性値としては、自己拡散係数、および移動度(移動速度)等のパラメータが挙げられる。本発明によれば、これらのいずれかのパラメータが得られる。 The “mobility” measured by the present invention refers to a physical property value indicating the ease of movement of a protic solvent in a sample. Such physical property values include parameters such as self-diffusion coefficient and mobility (movement speed). According to the present invention, any of these parameters can be obtained.
また、本発明において、「異なる勾配磁場」とは、一方の勾配磁場がゼロ、つまり勾配磁場を印加せずに行った測定である場合も含む。たとえば、前記第一ステップを勾配磁場を印加せずに行ってもよい。 In the present invention, the “different gradient magnetic field” includes a case where one gradient magnetic field is zero, that is, a measurement performed without applying a gradient magnetic field. For example, the first step may be performed without applying a gradient magnetic field.
また、本発明において、勾配磁場印加部は、種々の態様を採り得る。たとえば、小型RFコイルから離間して配置された勾配磁場印加コイルとすることができ、小型RFコイルと同一平面内に設けられた平面型コイルとしてもよい。また、小型RFコイルを挟んで配置された一対の勾配磁場印加コイルとしてもよい。あるいは、これらの構成を任意に組み合わせたものとしてもよい。 Moreover, in this invention, a gradient magnetic field application part can take a various aspect. For example, it can be a gradient magnetic field application coil disposed away from the small RF coil, or a planar coil provided in the same plane as the small RF coil. Moreover, it is good also as a pair of gradient magnetic field application coil arrange | positioned on both sides of a small RF coil. Alternatively, these configurations may be arbitrarily combined.
たとえば、本発明において、前記一対の勾配磁場印加コイルの平面形状が略半月状であって、半月の弦同士を前記小型RFコイル側に向けて対向配置された構成としてもよい。こうすることにより、省スペース化を図りつつ、高精度の局所的測定が可能となる。なお、本明細書において、略半月状とは、一対の平面コイルが弦状の直線領域を有し、これらを対向配置することにより、直線領域に垂直な方向に傾斜する勾配磁場を試料に印加することが可能な構成であることをいい、このような勾配磁場の印加が可能であれば、コイルの月型の平面形状が半月より大きくても小さくてもよい。 For example, in the present invention, the planar shape of the pair of gradient magnetic field application coils may be approximately a half-moon shape, and the half-moon strings may be arranged to face each other toward the small RF coil side. By doing so, high-accuracy local measurement can be performed while saving space. In this specification, “substantially meniscus” means that a pair of planar coils has a string-like linear region, and a gradient magnetic field that is inclined in a direction perpendicular to the linear region is applied to the sample by arranging them in opposition to each other. If the gradient magnetic field can be applied, the planar shape of the moon shape of the coil may be larger or smaller than half a month.
本発明において、試料は固体またはゲルからなるマトリクスを含んでいてもよい。このとき、溶媒量算出部および易動性算出部は、それぞれ、マトリクス中に含まれるプロトン性溶媒の量および易動性を算出する構成とすることができる。このような試料として、水分を含有する膜、たとえば、燃料電池等に用いられる固体電解質膜等が挙げられる。 In the present invention, the sample may contain a matrix made of a solid or a gel. At this time, the solvent amount calculation unit and the mobility calculation unit can be configured to calculate the amount and mobility of the protic solvent contained in the matrix, respectively. Examples of such a sample include a film containing moisture, for example, a solid electrolyte film used for a fuel cell or the like.
また、本発明において、電流に加えて試料中の特定箇所におけるプロトン性溶媒の量もしくは易動性が測定可能な構成とすることにより、試料の特定箇所で生じている現象を多角的に把握することが可能となる。特に、燃料電池の固体電解質膜の測定に適用した場合、発電状態における電流とプロトン性溶媒の存在状態を的確に把握することができる。 In addition, in the present invention, by adopting a configuration in which the amount of protic solvent or mobility at a specific location in the sample in addition to the current can be measured, the phenomenon occurring at the specific location of the sample can be grasped from various perspectives. It becomes possible. In particular, when applied to measurement of a solid electrolyte membrane of a fuel cell, it is possible to accurately grasp the current in the power generation state and the presence state of the protic solvent.
また、本明細書において、プロトン性溶媒とは、自分自身で解離してプロトンを生じる溶媒をいう。プロトン性溶媒としては、たとえば、水;
メタノールおよびエタノール等のアルコール;
酢酸等のカルボン酸;
フェノール;および
液体アンモニアが挙げられる。このうち、水やアルコールは本発明における易動性または溶媒量をさらに安定的に測定可能な溶媒である。Moreover, in this specification, a protic solvent means the solvent which dissociates itself and produces a proton. Examples of protic solvents include water;
Alcohols such as methanol and ethanol;
Carboxylic acids such as acetic acid;
Phenol; and liquid ammonia. Among these, water and alcohol are solvents that can more easily measure the mobility or the amount of solvent in the present invention.
なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of these components, or a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, and the like is also effective as an aspect of the present invention.
以上説明したように、本発明によれば、試料の特定箇所の電流を局所的に測定することができる。 As described above, according to the present invention, the current at a specific portion of the sample can be measured locally.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
(測定原理)
はじめに、後述する実施形態における電流の測定方法の測定原理について、例を挙げて説明する。なお、電流の測定モードを、以下、第一測定モードとも呼ぶ。(Measurement principle)
First, a measurement principle of a current measurement method in an embodiment described later will be described with an example. Hereinafter, the current measurement mode is also referred to as a first measurement mode.
(A)電流の測定
図1は、電流の測定手順の概要を示すフローチャートである。図1においては、以下のステップを順次行い、核磁気共鳴(NMR)法を用いて試料の特定箇所の電流を局所的に測定する。NMR法においては、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出することができる。小型表面コイル(小型RFコイル)を用いてNMR信号を計測すれば、コイル周辺部の局所NMR計測が可能となる。
ステップ301:試料を磁石が配置された空間に置き、試料に静磁場を印加する、
ステップ303:静磁場に置かれた試料の特定箇所に対し、試料より小さい小型RFコイルを用いて、励起用振動磁場を印加するとともに、特定箇所で発生した核磁気共鳴(NMR)信号を取得する、
ステップ305:ステップ303で取得した核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、
ステップ307:ステップ305で得られた差分から、試料の特定箇所の電流を求める、および
ステップ309:その後、結果を出力する。
以下、ステップ303〜307をそれぞれ詳細に説明する。(A) Current Measurement FIG. 1 is a flowchart showing an outline of a current measurement procedure. In FIG. 1, the following steps are sequentially performed, and a current at a specific portion of the sample is locally measured using a nuclear magnetic resonance (NMR) method. In the NMR method, the motion of nuclear magnetization can be detected as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. If an NMR signal is measured using a small surface coil (small RF coil), local NMR measurement of the coil periphery can be performed.
Step 301: Place the sample in a space where a magnet is arranged, and apply a static magnetic field to the sample.
Step 303: Applying an excitation oscillating magnetic field to a specific location of a sample placed in a static magnetic field using a small RF coil smaller than the sample, and acquiring a nuclear magnetic resonance (NMR) signal generated at the specific location. ,
Step 305: Calculate the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired in
Step 307: Obtain the current at a specific part of the sample from the difference obtained in
Hereinafter, steps 303 to 307 will be described in detail.
(i)ステップ303(励起用高周波パルスの印加およびNMR信号の取得)
本ステップでは、励起用振動磁場として、試料内の計測対象核に照射する高周波パルスを印加する。また、励起用振動磁場による核磁気共鳴現象によって試料内の計測対象核から放出されるNMR信号を取得する。(I) Step 303 (Application of excitation high-frequency pulse and acquisition of NMR signal)
In this step, a high frequency pulse applied to the measurement target nucleus in the sample is applied as the excitation oscillating magnetic field. Further, an NMR signal emitted from the measurement target nucleus in the sample is acquired by the nuclear magnetic resonance phenomenon caused by the excitation oscillating magnetic field.
NMR信号は、具体的には、励起用高周波パルスに対応するエコー信号である。エコー信号は、ステップ305における周波数の差分を確実に求めることができるように、位相が収束していることが好ましい。また、高周波パルスを、エコー信号の位相がそろうようなパルスシーケンスで印加することが好ましい。
このようなパルスシーケンスの具体例については、図4を参照して後述する。Specifically, the NMR signal is an echo signal corresponding to the high frequency pulse for excitation. The phase of the echo signal is preferably converged so that the frequency difference in
A specific example of such a pulse sequence will be described later with reference to FIG.
また、NMR信号は、位相敏感検波方式により、実部と虚部とを分離して検波される。これにより、ステップ305における周波数の差分の算出が簡便に行われる。
The NMR signal is detected by separating the real part and the imaginary part by a phase sensitive detection method. Thereby, the calculation of the frequency difference in
(ii)ステップ305(周波数変化の算出)
本ステップでは、ステップ303で取得したNMR信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分(周波数シフト)を求める。(Ii) Step 305 (Calculation of frequency change)
In this step, the difference (frequency shift) between the frequency of the NMR signal acquired in
具体的には、位相敏感検波方式により取得されたエコー信号の実部と虚部のarctanを算出することにより位相差Δφを求める。そして、周波数シフトΔωを、単位時間あたりの位相差Δφとして換算する。 Specifically, the phase difference Δφ is obtained by calculating the arctan of the real part and the imaginary part of the echo signal acquired by the phase sensitive detection method. Then, the frequency shift Δω is converted as a phase difference Δφ per unit time.
(iii)ステップ307(電流の算出)
本ステップでは、ステップ305で取得した周波数の差分Δωから、電流を算出する。以下、電流の算出原理を説明する。(Iii) Step 307 (calculation of current)
In this step, the current is calculated from the frequency difference Δω acquired in
計測対象に電流が流れれば、ビオ・サバールの法則から電流jに正比例した磁場Hjが発生する。そして、その磁場強度は電流が流れた位置と計測位置との距離rn(nはべき数)に反比例する。When a current flows through the measurement target, a magnetic field H j that is directly proportional to the current j is generated from Bio-Savart's law. The magnetic field strength is inversely proportional to the distance r n (where n is a power) between the position where the current flows and the measurement position.
一方、核磁気共鳴現象では、核磁化の共鳴周波数ωが磁場強度Hに正比例する。小型検出コイルで磁気共鳴信号を取得している場合には、小型検出コイルが計測している領域の磁場強度Hを磁気共鳴周波数ωとして間接的に計測していることになる。 On the other hand, in the nuclear magnetic resonance phenomenon, the resonance frequency ω of nuclear magnetization is directly proportional to the magnetic field strength H. When the magnetic resonance signal is acquired by the small detection coil, the magnetic field intensity H in the region measured by the small detection coil is indirectly measured as the magnetic resonance frequency ω.
磁石が作る空間的にも時間的にも安定した磁場ベクトルH0の中で、電流jを流して磁場ベクトルHjを作れば、ある位置での磁場強度Hjは、両者の合成ベクトル(H0+Hj)で表される。磁場ベクトルH0は一定であるから、核磁化の共鳴周波数ωがΔωだけ増減した場合には、ある位置での磁場強度Hjは電流jと距離rnに関係することになる。If the current j is made to flow in the spatially and temporally stable magnetic field vector H 0 created by the magnet to create the magnetic field vector H j , the magnetic field strength H j at a certain position is the combined vector (H 0 + H j ). Since the magnetic field vector H 0 is constant, if the resonance frequency ω of the nuclear magnetization was increased or decreased by Δω, the magnetic field intensity H j at a certain position it will be related to the current j and the distance r n.
よって、たとえば試料の特定箇所に流れる電流jと周波数の差分Δωとの関係を実験的な方法等で予め取得しておくことにより、ステップ305で得られた周波数の差分Δωから試料に流れた電流jを求めることができる。
Therefore, for example, by acquiring in advance an experimental method or the like the relationship between the current j flowing in a specific location of the sample and the frequency difference Δω, the current flowing in the sample from the frequency difference Δω obtained in
さらに、複数の小型コイルを試料に配置して、試料中の複数の位置について核磁化の共鳴周波数の増減Δωを計測すれば、電流jとそれが流れた位置rを逆問題解析によって求めることができる。 Furthermore, by arranging a plurality of small coils on the sample and measuring the increase / decrease Δω of the resonance frequency of the nuclear magnetization at a plurality of positions in the sample, the current j and the position r through which it flows can be obtained by inverse problem analysis. it can.
この際、NMRの検波方式では、ppmオーダの周波数分解能を持ち、これにより高分解能、高感度で磁場強度の変化を捉えることができる。たとえば、励起用振動磁場の周波数が43MHzである場合、10Hz程度の分解能は充分に得られる。 At this time, the NMR detection method has a frequency resolution on the order of ppm, and this makes it possible to capture changes in magnetic field strength with high resolution and high sensitivity. For example, when the frequency of the excitation oscillating magnetic field is 43 MHz, a resolution of about 10 Hz is sufficiently obtained.
以下、上記(i)ステップ303で印加する励起用高周波パルスの具体例を示す。
実際の測定においては、試料や装置特性に起因する磁場の不均一が生じ、周波数の差分が正確に得られないことがある。そこで、以下の実施形態においては、スピンエコー法を用い、励起用高周波パルスを、たとえば以下の(a)および(b)を含む複数のパルスからなるパルスシーケンスとする。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルスHereinafter, a specific example of the high frequency pulse for excitation applied in step (i) above will be described.
In actual measurement, magnetic field non-uniformity due to sample and device characteristics occurs, and the frequency difference may not be obtained accurately. Therefore, in the following embodiment, the spin echo method is used, and the excitation high-frequency pulse is a pulse sequence including a plurality of pulses including, for example, the following (a) and (b).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) 180 ° pulse applied after elapse of time τ of the pulse of (a)
上記(a)および(b)のパルスシーケンスに従う励起用振動磁場を印加することにより、エコー信号の位相が収束し、こうした磁場の不均一に起因する測定誤差が効果的に低減される。また、対応するエコー信号の位相のばらつきを抑制することができるため、電流をさらに正確に求めることができる。以下、この理由について図4を参照して説明する。 By applying the excitation oscillating magnetic field according to the pulse sequences (a) and (b) above, the phase of the echo signal converges, and the measurement error due to such magnetic field inhomogeneity is effectively reduced. Moreover, since the variation in the phase of the corresponding echo signal can be suppressed, the current can be obtained more accurately. Hereinafter, the reason will be described with reference to FIG.
図4において、共鳴励起された磁化ベクトルM-yは時間と共に緩和してゆく。この際に実際に観測される磁気共鳴信号の時間変化は、スピン−格子緩和時定数T1、スピン−スピン緩和時定数T2のみでは表すことができない別の時定数のT2 *により緩和していく。この様子が図4の最下段に信号強度の時間変化として90°励起パルスの直後から示されている。一般的に、この波線で示された実際に計測される磁気共鳴信号強度は急速に減衰し、その時定数T2 *はT2よりも短い。T2緩和による減衰曲線よりも実際に観測される減衰信号が速く減衰してしまう原因は、静磁場マグネットの作る外部静磁場の不均一性、試料の磁気的性質や形状による試料内磁場の不均一性などにより試料の全体に渡って均一な磁場が確保されていないことによる。このような実際に計測される磁気共鳴信号の時間変化を自由誘導減衰、英語表記では「Free Induction decay」、略した英語表記では「FID」と呼ぶ。4, the resonance excited magnetization vector M -y is slide into relaxation over time. The time change of the magnetic resonance signal actually observed at this time is relaxed by the spin-lattice relaxation time constant T 1 and another time constant T 2 * that cannot be expressed by the spin-spin relaxation time constant T 2 alone. To go. This state is shown at the bottom of FIG. 4 immediately after the 90 ° excitation pulse as a change in signal intensity with time. In general, the actually measured magnetic resonance signal intensity indicated by the wavy line is rapidly attenuated, and its time constant T 2 * is shorter than T 2 . The reason why the decay signal actually observed decays faster than the decay curve due to T 2 relaxation is because of the non-uniformity of the external static magnetic field created by the static magnetic field magnet and the non-uniformity of the magnetic field in the sample due to the magnetic properties and shape of the sample. This is because a uniform magnetic field is not ensured over the entire sample due to uniformity or the like. Such a time change of the actually measured magnetic resonance signal is referred to as free induction decay, “Free Induction decay” in English notation, and “FID” in abbreviated English notation.
この試料や装置特性としての磁場の不均一性による位相のずれを補正する方法として「スピンエコー」がある。これは、90°励起パルスのτ時間後に、その2倍の励起パルス強度を持つ180°励起パルスを印加して、磁化ベクトルMの位相がxy平面上で乱れていく途中でその位相の乱れを反転させ、2τ時間後には位相を収束させてT2減衰曲線上にのるエコー信号を得るという手法である。There is a “spin echo” as a method for correcting a phase shift due to magnetic field inhomogeneity as a sample or device characteristic. This is because, after τ time of the 90 ° excitation pulse, a 180 ° excitation pulse having twice the excitation pulse intensity is applied, and the phase of the magnetization vector M is disturbed on the xy plane. This is a method of reversing and converging the phase after 2τ time to obtain an echo signal on the T 2 attenuation curve.
なお、静磁場に沿った方向を便宜上Z方向としたとき、上記(b)で印加する180°励起パルスとしては、X方向でもY方向でもどちらの180°励起パルスでも使用できる。
なお、上記(b)の時間2τ経過後にさらに180°パルスを印加し、これに対応するエコー信号を用いて電流計測を行ってもよい。ただし、複数回目のエコー信号を用いて電流計測を行う際には、できるだけ強いエコー信号を観測できるように、Y軸方向の180度励起パルスを複数回照射することが有効である。その理由は、後述する図2(a)〜図2(d)の磁化ベクトルの動きに示されている。When the direction along the static magnetic field is the Z direction for convenience, the 180 ° excitation pulse applied in the above (b) can be used in either the X direction or the Y direction.
Note that a 180 ° pulse may be further applied after the elapse of time 2τ in (b) above, and current measurement may be performed using an echo signal corresponding thereto. However, when current measurement is performed using a plurality of echo signals, it is effective to irradiate the 180-degree excitation pulse in the Y-axis direction a plurality of times so that the strongest possible echo signal can be observed. The reason is shown in the movement of the magnetization vector in FIGS. 2A to 2D described later.
これらの方法を採用することによって、磁化ベクトルの位相を収束させ、できるだけ強いエコー信号を取得することができる。このようなエコー信号であれば、NMR信号をより高い精度で実部、虚部を検波し、基準周波数からの位相の変化量を確実に求めることができる。 By adopting these methods, the phase of the magnetization vector can be converged and an echo signal as strong as possible can be obtained. With such an echo signal, the NMR signal can be detected with higher accuracy in the real part and the imaginary part, and the amount of phase change from the reference frequency can be reliably obtained.
以上、電流の測定原理を説明した。
つづいて、NMR法を用いた試料中のプロトン性溶媒量およびプロトン性溶媒量の移動のしやすさ(易動性)の分布の測定原理について、プロトン性溶媒が水である場合を例に挙げて説明する。これらは、第四および第五の実施形態において後述するように、電流の測定装置を用いて測定することができる。なお、以下の説明において、前述した電流測定と共通のステップについては、詳細な説明を適宜省略する。The principle of current measurement has been described above.
Next, the measurement principle of the protic solvent amount in the sample using the NMR method and the ease of movement of the protic solvent amount (mobility) is taken as an example when the protic solvent is water. I will explain. These can be measured using a current measuring device, as will be described later in the fourth and fifth embodiments. In the following description, detailed description of steps common to the above-described current measurement will be omitted as appropriate.
まず、水分量の測定方法を説明する。なお、水分量の測定モードを、以下、第二測定モードとも呼ぶ。
(B)水分量の測定
以下の実施形態では、後述するCPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)法により、T2(横)緩和時定数を算出し、その後、「T2と水分量」の換算表を用いて試料の局所的な水分量を算出し、水分量の分布を把握する。First, a method for measuring the amount of moisture will be described. Hereinafter, the moisture amount measurement mode is also referred to as a second measurement mode.
(B) Measurement of water content In the following embodiment, the T 2 (lateral) relaxation time constant is calculated by the CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) method described later, and then “T 2 and water content” The local moisture content of the sample is calculated using the conversion table, and the moisture content distribution is grasped.
図3は、水分量測定の概要を示すフローチャートである。
図3に示した水分量測定においても、上述した電流測定と同様に、まず、試料を磁石が配置された空間に置き、試料に静磁場を印加する(S102)。この状態で、試料に対して小型RFコイルを介して励起用振動磁場(高周波パルス)を印加し、これに対応するNMR信号(エコー信号)を取得する(S104)。FIG. 3 is a flowchart showing an outline of moisture content measurement.
Also in the moisture content measurement shown in FIG. 3, as in the current measurement described above, first, the sample is placed in the space where the magnet is arranged, and a static magnetic field is applied to the sample (S102). In this state, an excitation oscillating magnetic field (high frequency pulse) is applied to the sample via a small RF coil, and an NMR signal (echo signal) corresponding to this is acquired (S104).
次いで、このエコー信号からT2緩和時定数を算定する(S106)。そして、得られたT2緩和時定数から、試料中の局所的水分量を測定する(S108)。具体的には、試料中の水分量とT2緩和時定数との相関関係を示すデータを取得し、このデータと上記T2緩和時定数とから、試料中の特定箇所における局所的な水分量を求める。その後、結果を出力する(S110)。以上の手順(ステップ104〜ステップ110)を、各小型RFコイルを介して行なうことで、水分量の分布を把握することができる。Next, a T 2 relaxation time constant is calculated from this echo signal (S106). Then, the local moisture content in the sample is measured from the obtained T 2 relaxation time constant (S108). Specifically, data indicating the correlation between the amount of water in the sample and the T 2 relaxation time constant is acquired, and the local amount of water at a specific location in the sample is obtained from this data and the T 2 relaxation time constant. Ask for. Thereafter, the result is output (S110). By performing the above procedure (step 104 to step 110) through each small RF coil, the distribution of moisture content can be grasped.
以下、ステップ104〜ステップ108を具体的に説明する。
(i)ステップ104(励起用高周波パルスの印加およびNMR信号の取得)
ステップ104における励起用高周波パルスは、複数のパルスからなるパルスシーケンスとし、これに対応するエコー信号群を取得するようにすることが好ましい。こうすることにより、T2緩和時定数を正確に求めることができる。Hereinafter, step 104 to step 108 will be specifically described.
(I) Step 104 (Application of excitation high-frequency pulse and acquisition of NMR signal)
The excitation high frequency pulse in
パルスシーケンスは、以下の(a)、(b)および(c)を含むものとすることが好ましい。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス(nは自然数である。)
上記(a)および(b)は、(A)電流の測定と共通である。The pulse sequence preferably includes the following (a), (b) and (c).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). Pulse (n is a natural number)
The above (a) and (b) are common to (A) current measurement.
上記(a)〜(c)のパルスシーケンスに従う励起用振動磁場を印加することにより、エコー信号の位相が収束し、こうした磁場の不均一に起因する測定誤差が効果的に低減される。また、対応するエコー信号の位相のばらつきを抑制することができるため、水分量をさらに正確に求めることができる。以下、この理由について図2(a)〜図2(d)を参照して説明する。 By applying the excitation oscillating magnetic field according to the pulse sequences (a) to (c) above, the phase of the echo signal converges, and the measurement error due to such magnetic field inhomogeneity is effectively reduced. In addition, since the variation in the phase of the corresponding echo signal can be suppressed, the amount of moisture can be obtained more accurately. Hereinafter, this reason will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d).
静磁場中に置かれた水素原子核は、静磁場に沿った方向(便宜上、Z方向とする)に正味の磁化ベクトルを持ち、特定の周波数(これを共鳴周波数と呼ぶ)のRF波をZ軸に垂直なX軸方向で外部から照射することで磁化ベクトルはY軸の正方向に傾斜し、核磁気共鳴信号(NMR信号と呼ぶ)を観測することができる。この際、最大強度のNMR信号を取得するために照射されたX軸方向の励起パルスを90°パルスと呼ぶ。そして、磁化ベクトルを90°パルスによってY軸の正方向に傾斜させた後、τ時間後に「Y軸方向」に外部から180°励起パルスを照射して、磁化ベクトルを「Y軸を対称軸として」反転させる。この結果、2τ時間後には磁化ベクトルがY軸の「正の方向」上で収束し、大きな振幅を持つNMR信号が観測される。 A hydrogen nucleus placed in a static magnetic field has a net magnetization vector in a direction along the static magnetic field (for convenience, the Z direction), and an RF wave having a specific frequency (referred to as a resonance frequency) is transmitted along the Z axis. By irradiating from the outside in the X-axis direction perpendicular to the magnetic field, the magnetization vector is tilted in the positive direction of the Y-axis, and a nuclear magnetic resonance signal (referred to as NMR signal) can be observed. At this time, the excitation pulse in the X-axis direction irradiated to acquire the maximum intensity NMR signal is referred to as a 90 ° pulse. Then, after the magnetization vector is tilted in the positive direction of the Y axis by the 90 ° pulse, a 180 ° excitation pulse is irradiated from the outside in the “Y axis direction” after τ time, and the magnetization vector is set to “Y axis as the symmetry axis”. "Invert. As a result, after 2τ time, the magnetization vector converges on the “positive direction” of the Y axis, and an NMR signal having a large amplitude is observed.
このように磁化ベクトルを「Y軸を対称軸として」反転させるため、以下の補償機能が発現する。図2(a)〜図2(d)は、スピンエコー法の補償機能を説明する図である。なお、図で示される座標は、回転座標系である。 Thus, since the magnetization vector is inverted “with the Y axis as the axis of symmetry”, the following compensation function appears. FIG. 2A to FIG. 2D are diagrams for explaining the compensation function of the spin echo method. The coordinates shown in the figure are a rotating coordinate system.
試料の中に、静磁場の不均一性が無視できるような小さな領域の核磁化として、PとQを考える。Pにおける磁場がQにおける磁場より強いものとする。このとき、図2(a)に示すように、90°パルスをx'軸方向へ印加すると、P、Qの核磁化は、回転座標系で同じ場所(y'軸)から歳差運動を始め、時間の経過とともに、Pの位相がQの位相より進んだものとなる(図2(b))。 Consider P and Q as nuclear magnetization in a small region in the sample where the inhomogeneity of the static magnetic field is negligible. Let the magnetic field at P be stronger than the magnetic field at Q. At this time, as shown in FIG. 2A, when a 90 ° pulse is applied in the x′-axis direction, the nuclear magnetization of P and Q starts precession from the same location (y′-axis) in the rotating coordinate system. As time passes, the phase of P advances from the phase of Q (FIG. 2B).
そこで、90°パルスから時間τ経過した時点でy'軸方向に180°パルスを印加すると、P、Qの核磁化はy'軸の周りに180°回転し、パルスを印加する前とy'軸に関して対称な配置になる(図2(c))。 Therefore, when a 180 ° pulse is applied in the y′-axis direction after a time τ has elapsed from the 90 ° pulse, the nuclear magnetization of P and Q rotates 180 ° around the y′-axis, and before the pulse is applied, y ′ The arrangement is symmetric with respect to the axis (FIG. 2C).
この配置では、より進んだ位相をもっていた核磁化Pが、逆にQより遅れた位相をもつため、これからさらに時間τ経過した時刻では、どちらの核磁化も同時にy′軸に達することになる(図2(d))。 In this arrangement, since the nuclear magnetization P having a more advanced phase has a phase delayed from Q, both nuclear magnetizations simultaneously reach the y ′ axis at the time when the time τ has passed since then ( FIG. 2 (d)).
このような関係は、試料の中のあらゆる領域の核磁化について成り立つため、すべての核磁化は、この時刻にy'軸に集まり、その結果、大きなNMR信号が得られる。 Since such a relationship holds for the nuclear magnetization of all regions in the sample, all the nuclear magnetization gathers on the y ′ axis at this time, and as a result, a large NMR signal is obtained.
以上のように、はじめにx'軸方向へ90°パルスを印加し、次いでy'軸方向に180°パルスを印加することにより、図2(c)で示したように、P、Qの核磁化はx'y'平面内で反転する。この核磁化の反転により、補償機能が良好に発現する。たとえば、(a)磁場の不均一性、(b)RFコイルが照射する励起パルス強度の不均一性等の原因により、P、Qの位置がx'y'平面上方または下方の位置にずれた場合でも、x'y'平面内で核磁化が反転することにより、位相のずれが補償される。 As described above, by first applying a 90 ° pulse in the x′-axis direction and then applying a 180 ° pulse in the y′-axis direction, as shown in FIG. Reverses in the x'y 'plane. The compensation function is satisfactorily exhibited by the reversal of the nuclear magnetization. For example, the positions of P and Q have shifted to positions above or below the x'y 'plane due to (a) non-uniformity of the magnetic field and (b) non-uniformity of the excitation pulse intensity irradiated by the RF coil. Even in this case, the phase shift is compensated by reversing the nuclear magnetization in the x′y ′ plane.
以上より、2τ時間後には磁化ベクトルがY軸の「正の方向」上で収束し、大きな振幅を持つエコー信号が観測される。さらに、上記(c)では、3τ時間後に磁化ベクトルに「Y軸方向」に外部から180°励起パルスを照射して、再度、Y軸の「正の方向」上で収束させて、4τ時間後に大きな振幅を持つエコー信号を観測する。さらに、同様の2τ間隔で、180°パルスを照射し続ける。この間、2τ,4τ,6τ,・・・の偶数番目のエコー信号のピーク強度を抽出し、ステップ106において指数関数でフィッティングすることで、CPMG法によるT2(横)緩和時定数を算出することができる。As described above, after 2τ time, the magnetization vector converges on the “positive direction” of the Y axis, and an echo signal having a large amplitude is observed. Furthermore, in the above (c), the magnetization vector is irradiated with a 180 ° excitation pulse from the outside in the “Y-axis direction” after 3τ hours, and converged again on the “positive direction” of the Y-axis, and after 4τ hours. An echo signal with a large amplitude is observed. Further, irradiation with 180 ° pulses is continued at the same 2τ interval. During this time, the peak intensity of the even-numbered echo signals of 2τ, 4τ, 6τ,... Is extracted and fitted with an exponential function in
(ii)ステップ106(T2緩和時定数の算出)
T2緩和時定数は、図4を参照して前述したスピンエコー法を利用することにより的確に測定することができる。スピンエコーを使用した際のエコー信号の強度SSEは、TR>>TEの場合には、以下の式(A)で表される。(Ii) Step 106 (calculation of T 2 relaxation time constant)
The T 2 relaxation time constant can be accurately measured by using the spin echo method described above with reference to FIG. The intensity SSE of the echo signal when using the spin echo is expressed by the following equation (A) in the case of TR >> TE.
上記式(A)において、ρは位置(x,y,z)の関数としての対象核種の密度分布、TRは90°励起パルスの繰り返し時間(100msから10s程度)、TEはエコー時間(2τ、1msから100ms程度)、AはRFコイル検出感度やアンプ等の装置特性を表す定数である。 In the above formula (A), ρ is the density distribution of the target nuclide as a function of the position (x, y, z), TR is the 90 ° excitation pulse repetition time (about 100 ms to 10 s), and TE is the echo time (2τ, A is a constant representing device characteristics such as RF coil detection sensitivity and an amplifier.
ステップ106では、前述のように、ステップ104で取得されたT2減衰曲線上にのる複数のエコー信号群(2τ,4τ,6τ,・・・)を指数関数でフィッティングすることで、上記式(A)よりT2緩和時定数を求めることができる。In
(iii)ステップ108(水分量の算出)
図3に戻り、ステップ108では、T2緩和時定数から水分量を算出する。試料中の水分量とT2緩和時定数とは、正の相関を持ち、水分量の増加につれてT2緩和時定数が増大する。この相関関係は、試料の種類や形態等により異なるので、あらかじめ、水分濃度がわかっている測定対象試料と同種の試料について検量線を作成しておくことが望ましい。すなわち、水分量が既知の複数の標準試料に対して水分量とT2緩和時定数との関係を測定し、この関係を表す検量線をあらかじめ求めておくことが望ましい。このようにして作成した検量線を参照することで、T2緩和時定数測定値から試料中の水分量を算出することができる。(Iii) Step 108 (calculation of water content)
Returning to FIG. 3, in
次に、易動性の算出について説明する。なお、易動性の測定モードを、以下、第三測定モードとも呼ぶ。
(C)易動性の算出
以下の実施形態では、勾配磁場を印加してPGSE(Pulsed-Gradient Spin-Echo)法による水分子の自己拡散係数を計測することにより、試料の局所的な水分子の易動性を算出し、水分子の易動性の分布を把握する。Next, calculation of mobility will be described. The mobility measurement mode is hereinafter also referred to as a third measurement mode.
(C) Calculation of mobility In the following embodiment, by applying a gradient magnetic field and measuring the self-diffusion coefficient of water molecules by the PGSE (Pulsed-Gradient Spin-Echo) method, local water molecules of the sample are measured. The mobility of water molecules is calculated and the distribution of the mobility of water molecules is grasped.
液体分子内の特定の核スピンを磁気共鳴により励起させた後、数10msの間隔をおいて、一対の勾配磁場パルス(パルス状の勾配磁場)を印加すると、その間に個々の原子核がブラウン運動や、拡散により、移動して、核スピンの位相が収束しなくなるため、NMR信号の強度が低下する。段階的に変化させた勾配磁場パルスとNMR信号の強度の低下とを関連させることで、特定分子種の自己拡散係数を測定することができる。これがPGSE法による自己拡散係数の測定原理である。 After exciting a specific nuclear spin in a liquid molecule by magnetic resonance and applying a pair of gradient magnetic field pulses (pulsed gradient magnetic field) at intervals of several tens of ms, individual nuclei move in a Brownian motion or The phase of the nuclear spin does not converge due to the movement due to diffusion, so that the intensity of the NMR signal decreases. The self-diffusion coefficient of a specific molecular species can be measured by associating the gradient magnetic field pulse changed stepwise with the decrease in the intensity of the NMR signal. This is the principle of measuring the self-diffusion coefficient by the PGSE method.
図5は、自己拡散係数を計測するために用いるPGSEシーケンスの例を示す図である。図5におけるシーケンスでは、図4を参照して前述したスピンエコーシーケンスに、180°励起パルスを対称軸として、印加時間と強度が等しい一対の勾配磁場パルスGzをz方向に加えて、NMR信号として、たとえばスピンエコー信号を取得する。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a PGSE sequence used for measuring the self-diffusion coefficient. In the sequence shown in FIG. 5, a pair of gradient magnetic field pulses Gz having the same intensity as the application time are applied in the z direction to the spin echo sequence described above with reference to FIG. For example, a spin echo signal is acquired.
得られるNMR信号のピーク強度Sは、印加するパルス勾配磁場強度Gz[gauss/m]、印加時間d、パルス間隔Δに依存し、以下のような関係式でz方向の自己拡散係数Dz[m2/s]と関係付けられる。
ln(S/S0)=−γ2DzΔ2dGz2 (II)The peak intensity S of the obtained NMR signal depends on the applied pulse gradient magnetic field intensity Gz [gauss / m], the application time d, and the pulse interval Δ, and the self-diffusion coefficient Dz [m in the z direction is expressed by the following relational expression. 2 / s].
ln (S / S 0 ) = − γ 2 DzΔ 2 dGz 2 (II)
上記式(II)において、S0は、Gz=0とした時の通常のNMR信号強度を示す。また、d、ΔおよびGzは、それぞれ、勾配磁場パルスのパルス幅、一対の勾配磁場パルスの時間間隔、および勾配磁場パルスの磁場勾配(z方向)を示す。また、γは、磁気回転比を示し、核に固有の値である。たとえば、水素原子核1Hの場合、磁気回転比42.577×102[1/gauss・s]である。In the above formula (II), S 0 represents a normal NMR signal intensity when Gz = 0. D, Δ, and Gz represent the pulse width of the gradient magnetic field pulse, the time interval between the pair of gradient magnetic field pulses, and the magnetic field gradient (z direction) of the gradient magnetic field pulse, respectively. Γ represents the gyromagnetic ratio and is a value specific to the nucleus. For example, in the case of the hydrogen nucleus 1H, the magnetic rotation ratio is 42.577 × 10 2 [1 / gauss · s].
なお、図5には、d=1.5ms、Δ=34.5msの場合のシーケンスが例示されている。たとえばこのようなパルスシーケンスで試料に磁場を印加することにより、NMR信号のピーク強度Sを用いて、自己拡散係数Dzを安定的に算出することができる。 FIG. 5 illustrates a sequence when d = 1.5 ms and Δ = 34.5 ms. For example, by applying a magnetic field to the sample in such a pulse sequence, the self-diffusion coefficient Dz can be stably calculated using the peak intensity S of the NMR signal.
図6は、以上のようなPGSE法を用いて試料の特定箇所の易動性を測定するフローチャートであり、以下のステップを含む。
はじめに、試料を磁石などによって作られた静磁場中に置き、試料に静磁場を印加する。この状態で、小型RFコイルを介して、試料に対して所定のパルスシーケンスに従って励起用振動磁場を印加し、小型RFコイルを介してこれに対応するNMR信号を取得する(S202)。FIG. 6 is a flowchart for measuring the mobility of a specific portion of the sample using the PGSE method as described above, and includes the following steps.
First, a sample is placed in a static magnetic field created by a magnet or the like, and a static magnetic field is applied to the sample. In this state, an excitation oscillating magnetic field is applied to the sample according to a predetermined pulse sequence through the small RF coil, and an NMR signal corresponding to the excitation magnetic field is acquired through the small RF coil (S202).
次に、試料中の同じ領域について、励起用振動磁場および勾配磁場を印加し、小型RFコイルを介してこれに対応するNMR信号を取得する(S204)。 Next, an oscillating magnetic field for excitation and a gradient magnetic field are applied to the same region in the sample, and an NMR signal corresponding to this is acquired via a small RF coil (S204).
なお、図6は、ステップ202において勾配磁場は無印加とした場合のフローであるが、ステップ202においてステップ204と異なる大きさの勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行してもよい。このとき、たとえば、ステップ202における勾配磁場の大きさをゼロに近い値とすることが好ましい。
FIG. 6 is a flow when no gradient magnetic field is applied in
つづいて、パルス勾配磁場の勾配を段階的に変えて得られた複数のNMR信号から自己拡散係数Dを算定する(S206)。なお、ステップ206の後、ステップ206で算出された自己拡散係数Dに基づいて、試料中の水の他の易動性を示すパラメータを算出してもよい。その後、結果を出力する(S208)。
このような操作(ステップ202〜ステップ208)を、各小型RFコイルを介して行なうことで、自己拡散係数の分布を把握することができる。Subsequently, the self-diffusion coefficient D is calculated from a plurality of NMR signals obtained by changing the gradient of the pulse gradient magnetic field stepwise (S206). In addition, after
By performing such an operation (step 202 to step 208) through each small RF coil, the distribution of the self-diffusion coefficient can be grasped.
以下、各ステップの詳細について説明する。
(i)ステップ202およびステップ204(励起用振動磁場の印加、勾配磁場の印加およびNMR信号の取得)
ステップ202およびステップ204では、試料に対し励起用振動磁場および勾配磁場を所定のパルスシーケンスにしたがって印加する。励起用振動磁場は、複数のパルスからなるパルスシーケンスであり、勾配磁場は、励起用振動磁場に対応する一対のパルスシーケンスである。Details of each step will be described below.
(I)
In
勾配磁場については、前述したように、ステップ202では勾配磁場をゼロまたはゼロに近い値とし、ステップ204では所定の勾配磁場を印加する。
Regarding the gradient magnetic field, as described above, in
また、パルスシーケンスは、以下の(a)〜(d)からなるものとすることが好ましい。
(a)励起用振動磁場の90°パルス、
(b)(a)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス、
(c)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される励起用振動磁場の180°パルス、および、
(d)(c)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス。
ただし、ステップ202で勾配磁場をゼロとする場合は、上記(b)のシーケンスを行わない。Moreover, it is preferable that a pulse sequence shall consist of the following (a)-(d).
(A) a 90 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation,
(B) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (a) and is applied for a fixed time d,
(C) a 180 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation applied after elapse of time τ of the pulse of (a), and
(D) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (c) and is applied for a predetermined time d.
However, when the gradient magnetic field is set to zero in
さらに具体的には、前述した図5に示したように、(b)の勾配磁場パルスを印加し終える時間と、(d)の勾配磁場パルスを印加し始める時間とが、(c)の180°パルス(パルスといっても、120マイクロ秒の幅がある。その中心の60マイクロ秒を対称軸と考える)から、等しい時間((34.5ms−1.5ms)/2=16.5ms)だけ離れた距離となるようにし、さらに、(b)の勾配磁場パルスの印加時間dと、(d)の勾配磁場パルスの印加時間dとを共に等しくする(d=1.5ms)。 More specifically, as shown in FIG. 5 described above, the time when the application of the gradient magnetic field pulse (b) is completed and the time when the application of the gradient magnetic field pulse (d) is started are 180 in (c). ° Pulse (the pulse has a width of 120 microseconds. The central 60 microseconds is considered as the axis of symmetry), and equal time ((34.5 ms-1.5 ms) /2=16.5 ms) Further, the application time d of the gradient magnetic field pulse (b) and the application time d of the gradient magnetic field pulse (d) are both equal (d = 1.5 ms).
そして、パルスシーケンスに対応するNMR信号を測定する。NMR信号のピーク強度Sは、スピンエコー法により測定される。具体的には、図5に示したように、2τ時間に現れるエコー信号のピーク強度Sを計測する。ピーク強度Sは、2τ時間のNMR信号強度のみではなく、その周辺の時間で計測されたNMR信号強度の平均値としてもよい。この方法により、NMR信号に含まれるノイズを原因とした測定値のばらつきを低減することができる。 Then, an NMR signal corresponding to the pulse sequence is measured. The peak intensity S of the NMR signal is measured by a spin echo method. Specifically, as shown in FIG. 5, the peak intensity S of the echo signal that appears at 2τ time is measured. The peak intensity S may be not only the NMR signal intensity for 2τ hours, but also the average value of the NMR signal intensity measured in the surrounding time. By this method, it is possible to reduce variations in measured values caused by noise included in the NMR signal.
このように、勾配磁場を段階的に印加して、磁場勾配を大きくした場合に対応したNMR信号の低下の程度を検出することにより、試料中のプロトンの自己拡散係数Dが算出される。 In this way, by applying a gradient magnetic field stepwise and detecting the degree of decrease in the NMR signal corresponding to an increase in the magnetic field gradient, the self-diffusion coefficient D of protons in the sample is calculated.
なお、ステップ204では、励起用振動磁場および勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行するステップ、および、このパルスシーケンスに対応するNMR信号を取得するステップを、一回または複数回実行する。 In step 204, the step of applying the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field according to a predetermined pulse sequence and the step of acquiring the NMR signal corresponding to this pulse sequence are executed once or a plurality of times.
(ii)ステップ206(自己拡散係数Dの測定)
ステップ206では、ステップ202およびステップ204で得られたNMR信号のピーク強度から、試料の特定箇所における水の自己拡散係数Dを求める。プロトンの自己拡散係数Dは、PGSE法で取得されたNMR信号のピーク強度Sを用いて、前述した式(II)で表される。(Ii) Step 206 (Measurement of self-diffusion coefficient D)
In
勾配磁場Gを印加しなかった時のNMR信号のピーク強度S0と勾配磁場Gを印加した場合のNMR信号のピーク強度Sとから、上記式(II)を用いて、試料中のプロトンの自己拡散係数Dを求めることができる。たとえば、試料中の同じ箇所について勾配磁場Gの大きさを変えて測定を行い、ln(S/S0)と−γ2DΔ2dG2との関係をプロットすることにより、プロットの勾配から自己拡散係数Dを求めることができる。From the peak intensity S 0 of the NMR signal when the gradient magnetic field G is not applied and the peak intensity S of the NMR signal when the gradient magnetic field G is applied, the self of protons in the sample is obtained using the above formula (II). A diffusion coefficient D can be obtained. For example, by measuring the same location in the sample while changing the magnitude of the gradient magnetic field G and plotting the relationship between ln (S / S 0 ) and -γ 2 DΔ 2 dG 2 , the gradient of the plot is self- A diffusion coefficient D can be obtained.
なお、以上に説明した(B)水分量の測定と(C)易動性の測定とは、測定モードを切り替えて計測してもよい。また、各測定モードで算出された水分量および水の易動性に基づいて、水分子の移動量の分布を算出することもできる。 Note that (B) measurement of moisture content and (C) mobility measurement described above may be measured by switching measurement modes. Further, the distribution of the amount of movement of water molecules can be calculated based on the amount of water calculated in each measurement mode and the mobility of water.
以下、上述の測定原理を用いて局所的な電流を測定する方法およびこの方法を実現する装置をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, a method for measuring a local current using the above-described measurement principle and an apparatus for realizing the method will be described in more detail.
(第一の実施形態)
図7は、本実施形態に係る測定装置300の概略構成を示す図である。なお、測定装置300の各構成要素は、CPU、メモリ、メモリにロードされた本図の構成要素を実現するプログラム等を中心に、ハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置にはいろいろな変形例があることは、当業者には理解されるところである。(First embodiment)
FIG. 7 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
測定装置300は、NMR法を用いて試料115の特定箇所の電流を局所的に測定する装置であって、
試料115を載置する試料載置台116、
試料115に対して静磁場を印加する静磁場印加部(磁石113)、
試料115に対して励起用振動磁場を印加するとともに、試料115の特定箇所で発生したNMR信号を取得する、試料115より小さい小型RFコイル114、および、
小型RFコイル114で取得されたNMR信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分Δωを算出し、当該差分から、試料115の特定箇所の電流を算出する電流算出部303を備える。The measuring
A sample mounting table 116 on which a
A static magnetic field application unit (magnet 113) for applying a static magnetic field to the
A
A
また、測定装置300は、他に、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、プリアンプ112、検波器301、A/D変換器118、スイッチ部161、パルス制御部108、計時部128、シーケンステーブル127、演算部130、データ受付部131、記憶部305、出力部135等を備える。
また、測定装置300は、図41を参照して後述する構造を備えていてもよい。In addition, the
Moreover, the measuring
試料115は、測定対象となる試料である。試料115は、膜、塊状物質等の固体、液体、寒天、ゼリー状物質等のゲル等、種々の形態のものとすることができる。膜状物質の場合、局所的水分量の測定結果が安定的に得られる。特に、固体電解質膜等のように、膜中に水分を保持する性質の膜を試料とした場合、測定結果が一層、安定的に得られる。
The
試料載置台116は、試料115を載置する台であり、所定の形状、材質のものを用いることができる。
また、磁石113は、試料115に対して静磁場を印加する(図1のS301)。この静磁場が印加された状態で励起用振動磁場が試料に印加され、電流の測定がなされる。The sample mounting table 116 is a table on which the
The
小型RFコイル114は、試料115の特定箇所に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するNMR信号を取得する(図1のS303)。NMR信号は、具体的には、励起用振動磁場が核磁気共鳴を発生させるための高周波パルスである。
The
試料内部、試料表面または試料近傍に配置される小型RFコイル114は、単数でも複数でもよい。小型RFコイル114を複数個配置する構成については、第二の実施形態で後述する。
There may be a
小型RFコイル114は、試料全体の大きさの1/2以下とすることが好ましく、1/10以下とすることがより好ましい。このようなサイズとすることにより、試料中のプロトン性溶媒の局所的易動性を短時間で正確に測定することが可能となる。なお、試料の大きさとは、たとえば、試料を載置したときの投影面積とすることができ、小型RFコイル114の専有面積を、上記投影面積の好ましくは1/2以下、より好ましくは、1/10以下とすることで、短時間で正確な測定が可能となる。小型RFコイル114の大きさは、たとえば、直径10mm以下とすることが好ましい。
The
小型RFコイル114は、たとえば実施例にて後述する図33(a)に示すようなものを用いることができる。図示したような平面型コイルを用いることで、計測領域を限定し、局所的な測定を行うことができる。このような渦巻き型のコイルの計測領域は、たとえば幅がコイルの直径程度、深さがコイル半径程度である。また、このコイルは、通常のソレノイド型コイルと異なり、平面状であるために、平面状の試料の上に貼り付けるだけで、NMR信号を取得することができる。
As the
また、小型RFコイル114は、平面型の渦巻き型コイルに限られず、種々の形態のものを用いることができる。たとえば、平面型の8の字コイル(バタフライコイル、Double−D型コイル等と呼ばれることもある。)等も利用可能である。8の字コイルは、二つの渦巻き型コイルを含むものであり、磁石の主磁場方向にコイルの渦巻きの軸が平行である場合でも、または、両者に角度がある場合でも、試料からのNMR信号を検知することができる。また、渦巻き型コイルは巻いたコイルの軸方向に感度を有するのに対し、8の字コイルは巻いたコイルと同じ平面内で感度を有する。
Further, the
図7に戻り、小型RFコイル114により印加される振動磁場(励起用振動磁場)は、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、パルス制御部108、スイッチ部161、および小型RFコイル114の連携により生成される。また、本実施形態において、小型RFコイル114に励起用振動磁場を発生させるRFパルスを生成するRFパルス生成部は、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106を含んで構成される。RF発振器102から発振した励起用振動磁場は、パルス制御部108による制御に基づいて変調器104にて変調され、パルス形状となる。生成されたRFパルスはRF増幅器106により増幅された後、小型RFコイル114へ送出される。
Returning to FIG. 7, the oscillating magnetic field (exciting oscillating magnetic field) applied by the
なお、基準の周波数は、電流が流れていない状態でのNMR信号の共鳴周波数に合わせておく。この共鳴周波数は、RF発振器102に記憶されている。
The reference frequency is set to the resonance frequency of the NMR signal in a state where no current flows. This resonance frequency is stored in the
また、パルス制御部108は、小型RFコイル114が試料115に印加する励起用振動磁場が上述のパルスシーケンスに従って実行するように、上記の連携を制御する。
Further, the
パルス制御部108は、シーケンステーブル127および計時部128に接続されており、シーケンステーブル127から取得したシーケンスデータと計時部128での計測時間とに基づいて、高周波パルスを発生させる。シーケンステーブル127には、電流を測定する際の高周波パルスのシーケンスデータが記憶されている。シーケンステーブル127には、具体的には、高周波パルスの発生時刻とその間隔が設定されたタイミングダイアグラムと、タイミングダイアグラムに基づいて印加する高周波パルスの強度が記憶されている。
The
小型RFコイル114は、このRFパルスを試料載置台116上に載置される試料115の特定箇所に印加する。そして、印加されたRFパルスのNMR信号を小型RFコイル114が取得する。NMR信号は、たとえば励起用振動磁場に対応するエコー信号である。エコー信号の周波数は、電流が流れて形成される磁場により、上述した基準の周波数から変化する。このため、周波数の変化量(差分)と電流値との関係を予め取得しておくことにより、測定されたエコー信号の周波数の差分から、試料115を流れる電流が求められる。周波数の差分は、ある時間間隔での位相の変化量を単位時間あたりに換算することにより求められる。
The
小型RFコイル114が試料115に印加する励起用振動磁場は、たとえば、
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス
からなるパルスシーケンスとする。An oscillating magnetic field for excitation applied to the
(A) a 90 ° pulse, and
(B) A pulse sequence composed of 180 ° pulses applied after the elapse of time τ of the pulses in (a).
なお、小型RFコイル114を用いる場合、上記(a)および(b)の励起パルス強度の調整が困難となる場合がある。たとえば、測定対象の領域、つまり小型RFコイル114で囲まれた領域のうち、中央部と周縁部とで励起のされかたに差異が生じてしまい、全体を均一の励起角度となるように、つまり(a)および(b)における励起磁場の強度比が一定となるように励起することが困難となる場合がある。(a)および(b)における励起角度比がばらつくと、適切なスピンエコー信号の取得ができず、電流の正確な計測が困難となる。
In the case where the
そこで、このような場合には、パルス制御部108が、上記パルスシーケンスに加え、90°パルス(a)より時間τだけ前の時刻に、180°パルスを印加するステップを加えた別のシーケンスを実行するようにする。そして、これら2つのシーケンスに対応する180°パルス(b)の減衰曲線の挙動を比較することにより、90°パルス(a)および180°パルス(b)の励起パルス強度が正確であるか否かを判別できる。この結果、装置の異常等により励起パルス強度がずれた場合でも、測定を行う前の段階で異常を検知でき、測定値をより正確なものとすることができる。また、(a)90°パルスが第1位相にあり、(b)180°パルスが、第1位相と90°ずれた第2位相にある構成とすることもできる。
Therefore, in such a case, in addition to the above pulse sequence, the
次に、NMR信号の検出について説明する。
NMR信号検出部は、小型RFコイル114で取得したNMR信号を検出し、このNMR信号を演算部130に送出する。NMR信号検出部は、プリアンプ112、検波器301およびA/D変換器118を含んで構成される。検出されたNMR信号は、プリアンプ112により増幅された後、検波器301へ送出される。Next, detection of NMR signals will be described.
The NMR signal detection unit detects the NMR signal acquired by the
検波器301は、位相敏感検波法により、NMR信号の実部および虚部を検波するよう構成されている。検波器301において取得したNMR波形が実部と虚部に正確に分離するために、復調の元となる基本波のsin波とcos波の位相差が正確に90度になるように、厳密に調整することが好ましい。二つの基本波が厳密に90度の位相差となるように調整することにより、後述する実部と虚部のtan-1を用いた位相差の算出をさらに正確に行うことができる。なお、復調の元となる基準波は、たとえば図41を参照して後述する90°ハイブリッドによって作られる。The
検波器301は、検波した実部と虚部をA/D変換器118へ送出する。A/D変換器118はNMR信号をA/D変換した後、データ受付部131に送出する。電流算出部303を備える演算部130は、データ受付部131に送出されたデータを取得する。
The
以上、励起用振動磁場の印加およびNMR信号の検出について述べたが、これらは、小型コイルを含むLC回路により実現することができる。
図8は、このようなLC回路の一例を示す図である。図8においては、共振回路のコイル部(インダクタンス部)は、直径1.4mmの小型RFコイルとしている。核磁気共鳴(NMR)法においては、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出することで原子数密度とスピン緩和時定数を計測することができる。1Teslaの磁場中でのスピン共鳴周波数は約43MHzであり、その周波数帯を高感度に選択的に検出するために、図8に示すようなLC共振回路が用いられる。The application of the excitation oscillating magnetic field and the detection of the NMR signal have been described above. However, these can be realized by an LC circuit including a small coil.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of such an LC circuit. In FIG. 8, the coil portion (inductance portion) of the resonance circuit is a small RF coil having a diameter of 1.4 mm. In the nuclear magnetic resonance (NMR) method, the atomic number density and the spin relaxation time constant can be measured by detecting the movement of nuclear magnetization as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. The spin resonance frequency in a magnetic field of 1 Tesla is about 43 MHz, and an LC resonance circuit as shown in FIG. 8 is used to selectively detect the frequency band with high sensitivity.
図7に戻り、スイッチ部161は、小型RFコイル114、RF増幅器106およびプリアンプ112を接続する分岐部に設けられており、
小型RFコイル114とRF信号生成部(RF増幅器106)とが接続された第1状態、および、
小型RFコイル114とNMR信号検出部(検波器301)とが接続された第2状態を切り替える機能を有する。つまり、スイッチ部161は、「送受信切り替えスイッチ」の役目を果たす。この役目は、RF power−ampで増幅された励起パルスを小型RFコイル114に伝送する際には、受信系のプリアンプ112を切り離して大電圧から保護し、励起後にNMR信号を受信する際には、RF増幅器106から漏れてくる増幅用大型トランジスタが発するノイズを受信系のプリアンプ112に伝送しないように遮断することである。小型RFコイル114を用いて計測する場合には、微弱な信号を取り扱うため、以下の理由でスイッチ部161が必要となる。一方、小型RFコイル114を用いない大型計測システムでは、「クロスダイオード」を用いれば充分に対処ができる。なお、クロスダイオードは、所定値以上の電圧が印加された際にオン状態となり、所定値未満の場合にはオフ状態となるダイオードである。Returning to FIG. 7, the
A first state in which the
It has a function of switching the second state in which the
小型RFコイル114を用いる場合に特に「送受信切り替えスイッチ」すなわちスイッチ部161が必要な理由は以下の通りである。
(i)本計測システムの小型コイルで検出できる試料体積は、大型コイルに比べて小さくなる。この検出可能な試料体積は、おおよそ、(コイルの内側面積×コイル半径の深さ)である。体積に比例して減少する微弱なNMR信号を、低ノイズ、高感度で計測するためには、送信系において、RF増幅器106の増幅用大型トランジスタから漏れてくるノイズを遮断することが必要となる。また、受信系では高感度のプリアンプ112を使用する必要がある。高感度のプリアンプ112の使用に当たっては、送信時に小型コイルに送られる大電圧の励起パルスからプリアンプ112を保護できるように、プリアンプ112を切断しなければならない。
(ii)試料体積内の核磁化を励起する際に、適切な励起パルスパワーで、具体的には、90度パルスと180度パルスの強度が1対2の関係、または照射エネルギーが1対4、またはパルス印加時間が1対2の関係になるように、核磁化を励起する必要がある。励起パルスパワーの調整を適切に行うことができないと、目標としているスピンエコー法のパルス系列とならず、その結果、適切なスピンエコー信号の取得ができないために、易動度の計測の信頼性が低下する。この現象は、従来のクロスダイオードを用いて、小型コイルの送受信切り替えを行う際には顕著に現れる。大型コイルでは、励起パルス強度が非常に大きく、クロスダイオードでの損失が無視できるほど小さいとみなせるが、小型コイルの場合には、励起パルス強度が大型コイルのそれよりも小さいために、クロスダイオードでの損失が無視できない。このため、適切な励起パルス強度とするためには損失が極力少ない「送受信切り替えスイッチ」が必要となる。The reason why the “transmission / reception switching switch”, that is, the
(I) The sample volume that can be detected by the small coil of this measurement system is smaller than that of the large coil. This detectable sample volume is approximately (coil inner area × coil radius depth). In order to measure a weak NMR signal that decreases in proportion to the volume with low noise and high sensitivity, it is necessary to block noise leaking from the large amplification transistor of the
(Ii) When exciting the nuclear magnetization in the sample volume, with a suitable excitation pulse power, specifically, the relationship between the intensity of the 90-degree pulse and the 180-degree pulse is 1: 2, or the irradiation energy is 1: 4. Alternatively, it is necessary to excite nuclear magnetization so that the pulse application time has a one-to-two relationship. If the excitation pulse power cannot be adjusted properly, the target spin echo pulse sequence will not be obtained, and as a result, an appropriate spin echo signal cannot be acquired. Decreases. This phenomenon is prominent when switching between transmission and reception of a small coil using a conventional cross diode. In the case of a large coil, the excitation pulse intensity is very large and the loss in the cross diode can be considered to be negligibly small, but in the case of a small coil, the excitation pulse intensity is smaller than that of the large coil, so The loss of can not be ignored. For this reason, in order to obtain an appropriate excitation pulse intensity, a “transmission / reception selector switch” with as little loss as possible is required.
上記分岐部にスイッチ部161を設けることにより、小型RFコイル114から試料115に印加される励起用振動磁場信号の損失を低減し、この結果、90°パルスおよび180°パルスのパルス角を正確に制御することが可能となる。パルス角の正確な制御は、スピンエコー法における補償効果を確実に得る上で重要な技術的課題であり、本実施形態では、かかる課題をスイッチ部161の配設により解決している。
By providing the
また、局所計測のためのRF検出コイルは微小化し、NMR受信時の低ノイズ化が、計測の確からしさを確実なものとするためには重要な因子となる。NMR信号を受信する際に、プリアンプ112に入り込むノイズには、RF波の送信系が主にあり、励起用パルスを増幅するRF増幅器106からの「RF波の漏れ」や「大電力増幅器が発するノイズ」がある。NMR信号の受信時には、送信側から漏れてくる励起波をスイッチ部161で確実に遮断し、低ノイズでNMR信号を受信する必要がある。本実施形態では、かかる課題についても、スイッチ部161の配設により解決している。
In addition, the RF detection coil for local measurement is miniaturized, and the reduction in noise during NMR reception is an important factor for ensuring the accuracy of measurement. When receiving an NMR signal, noise that enters the
スイッチ部161は、種々の構成を採用することができる。図9はスイッチ部161の構成の一例を示す回路図である。
The
以上、試料周辺の装置構成について説明した。つづいて、NMR信号の処理ブロックについて説明する。
図7に戻り、検波器301で検波されたNMR信号(エコー信号)の実部および虚部は、データ受付部131により取得されて、演算部130に送出される。演算部130は、電流算出部303を有する。電流算出部303は、検波器301で検波されたエコー信号の実部および虚部を取得し、これらを用いてエコー信号と励起用振動磁場との位相差を算出し、この位相差から、エコー信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分(周波数シフト量)Δωを算出する(図1のS305)。The apparatus configuration around the sample has been described above. Next, an NMR signal processing block will be described.
Returning to FIG. 7, the real part and the imaginary part of the NMR signal (echo signal) detected by the
具体的には、検波された実部と虚部よりtan-1(Re/Img)を算出する。この値は、NMR信号の位相差ΔΦ[rad]に相当する。ΔΦは、図10に示すように、時間的に変化しない周波数で進行する基準波(位相Φ0)と、計測したNMR信号との位相の差である。ここで、基準の周波数は、電流が流れていない状態でのNMR信号の共鳴周波数に予め設定しておく。Specifically, tan −1 (Re / Img) is calculated from the detected real part and imaginary part. This value corresponds to the phase difference ΔΦ [rad] of the NMR signal. As shown in FIG. 10, ΔΦ is a phase difference between a reference wave (phase Φ 0 ) traveling at a frequency that does not change with time and the measured NMR signal. Here, the reference frequency is set in advance to the resonance frequency of the NMR signal when no current flows.
電流算出部303は、得られた位相差ΔΦの単位時間あたりの変化量から、Δωを得る。そして、Δωと電流との関係を参照することにより、測定箇所における試料115の電流の値を算出する(図1のS307)。なお、電流算出部303は、得られた電流値を電流が流れている面積で除して、電流密度を算出してもよい。
The
ここで、測定装置300は、試料115の種類毎に、電流と周波数の差分との相関関係を示す情報を保有する記憶部305を備えている。記憶部305には、たとえば、実験的に得られた周波数の差分Δωと電流との対応付けのデータが格納されている。これは、さらに具体的には周波数の差分Δωと電流との検量線データである。演算部130中の電流算出部303は、記憶部305から測定対象の試料に対応する検量線データを取得し、これに基づいて周波数の差分Δωに対応する電流を算出する。
Here, the
電流算出部303にて算出された電流は、出力部135によりユーザに提示される(図1のS309)。提示の形式は様々な態様が可能であり、ディスプレイ上の表示、プリンタ出力、ファイル出力等、特に制限はない。
The current calculated by the
図41は、図7に示した測定装置300におけるRF発振器102、変調器104、RF増幅器106、パルス制御部108、スイッチ部161、小型RFコイル114、プリアンプ112、検波器301およびA/D変換器118の連携についてさらに詳細な構成の例を示す図である。なお、この構成は、後述する図13および図16に示す測定装置にも適用できる。
41 shows the
図41において、変調器104は、ミキサー177、ミキサー179および合成器181を含んで構成される。検波器301は、ミキサー183、ミキサー185および分配器187を含んで構成される。A/D変換器118は、第一A/D変換器189および第二A/D変換器191を備える。
41, the
また、図41においては、RF発振器102と変調器104との間に、90°ハイブリッド171および分配器173がさらにこの順に配置され、90°ハイブリッド171と検波器301との間にさらに分配器175が配置されている。
In FIG. 41, a 90 ° hybrid 171 and a
この構成において、RF発振器102から出力される波形を90°ハイブリッド171によって、同一周波数だが90°だけ位相が異なる二つの波形とする。この二つの基準波形を元にして、NMR信号が検波され、RealとImaginary成分となる。
In this configuration, the waveforms output from the
ここで、90°ハイブリッド171から出力されている二つの波形は、具体的にはsin波、cos波であり、二つの波形が精度良く直交していることが位相を求める上で重要な点である。 Here, the two waveforms output from the 90 ° hybrid 171 are specifically a sine wave and a cosine wave, and it is important for obtaining the phase that the two waveforms are accurately orthogonal to each other. is there.
なお、図41において、A/D変換器118での信号の名前がRealおよびImaginaryと付けられているが、これは便宜上の表現であり、ImaginaryとRealと逆になっていても構わない。逆になった場合は、arctanで求められる位相が±90°だけずれるだけであり、時間と共に増減する「位相の変化量」を求める際には問題とはならない。
In FIG. 41, the names of the signals in the A /
また、第四および第五の実施形態で後述する水分量や易動性を求める際に必要となる「NMR信号の強度」は、取得されたRealとImaginaryの成分を基に、
(Real^2+Imaginary^2)^−1/2
によってその強度に変換すればよい。すなわち、この演算は図10の円の半径を求めていることに相当する。Further, the “NMR signal intensity” required when determining the moisture content and mobility described later in the fourth and fifth embodiments is based on the acquired Real and Imaginary components.
(Real ^ 2 + Imaginary ^ 2) ^-1/2
Can be converted to that intensity. That is, this calculation corresponds to obtaining the radius of the circle in FIG.
次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態のように小型表面コイルを用いると、計測領域が小さいために、計測領域内での静磁場均一性が高くなり、エコー信号が非常に長い時間に渡って観測できる。これにより、高い周波数分解能で周波数シフト量を計測することができる。Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
When a small surface coil is used as in this embodiment, since the measurement region is small, the static magnetic field uniformity in the measurement region is high, and the echo signal can be observed over a very long time. Thereby, the frequency shift amount can be measured with high frequency resolution.
また、スピンエコー法を用いてNMR信号の位相を収束させることにより、エコー信号の位相を収束させて小型RFコイル114で取得することができる。これにより、エコー信号の実部と虚部の検波およびこれらを用いた位相差ΔΦの算出をさらに正確に行うことができる。なお、本実施形態および本明細書の他の実施形態における周波数シフト量の測定には、スピンエコー法を用いなくてもよく、周波数シフト量は、単純なFID(Free Induction Decay)から算出することもできる。スピンエコー法の方が、FIDよりも計測領域が小さく制限されるので、FIDよりも静磁場の均一性をさらに高めることができる。
Further, by converging the phase of the NMR signal using the spin echo method, the phase of the echo signal can be converged and acquired by the
また、電流の計測の際に、小型RFコイル114に代えて大きなソレノイドコイルで試料全体を計測することを試みると、静磁場の均一性が悪くなり、FIDは短く、エコーは短く、鋭いピークの形となる。このため、大きなソレノイドコイルで行うのには、磁場の均一性から困難が伴う。これに対し、本実施形態では小型RFコイル114を用いるため、充分な磁場の均一性が得られる。
In addition, when attempting to measure the entire sample with a large solenoid coil instead of the
また、化学シフト法において、大きなソレノイドコイルを用い、勾配磁場を印加して特定の局所のみを励起して、NMR信号の周波数シフト量を計測することも可能ではある。これに対し、小型表面コイルでは、計測領域がコイルの形状によって制限されているので、局所励起のために勾配磁場を用いる必要はない。このため、装置構成を簡略化できる。 In the chemical shift method, it is also possible to measure the frequency shift amount of the NMR signal by using a large solenoid coil and applying a gradient magnetic field to excite only a specific local area. On the other hand, in the small surface coil, since the measurement region is limited by the shape of the coil, it is not necessary to use a gradient magnetic field for local excitation. For this reason, an apparatus structure can be simplified.
また、非特許文献2を参照して前述したホール素子を用いる場合、センサの抵抗値と温度の二つの物理量を測定する必要があるのに対し、本実施形態の方法では、核磁気共鳴信号から得られる周波数を取得すればよいため、一つの物理量の計測で済む点で、簡便な方法である。
Further, when using the Hall element described above with reference to
また、小型表面コイルを用いたNMR計測では、棒状磁石を用いて静磁場を作ってもよく、センサ部が小さく、装置内に容易に設置できる電流計測プローブとして用いることもできる。また、第四および第五の実施形態で後述するように、高分子膜等の試料内の「含水量」「水分子の易動度」についても、ほぼ同時に、同じ場所で局所計測することができる。 Further, in NMR measurement using a small surface coil, a static magnetic field may be created using a rod-shaped magnet, and the sensor unit is small and can be used as a current measurement probe that can be easily installed in the apparatus. In addition, as will be described later in the fourth and fifth embodiments, “water content” and “mobility of water molecules” in a sample such as a polymer film can be locally measured at the same place almost simultaneously. it can.
本実施形態および以降の実施形態は、たとえば、燃料電池の固体電解質膜の局所的な電流の測定に適用することができる。
なお、以上の実施形態の方法で測定される電流jが燃料電池が発電している状態で流れる電流であっても、直流電圧を印加して水電解運転している場合の電流であっても、磁場を形成させる原理は同じである。よって、共鳴周波数の増減Δωを計測することで、燃料電池の発電時と水電解運転時の空間的な電流を把握することができる。This embodiment and the following embodiments can be applied to, for example, local current measurement of a solid electrolyte membrane of a fuel cell.
In addition, even if the current j measured by the method of the above embodiment is a current that flows in a state where the fuel cell is generating power, or a current when a direct current voltage is applied and a water electrolysis operation is performed The principle of forming a magnetic field is the same. Therefore, by measuring the increase / decrease Δω of the resonance frequency, it is possible to grasp the spatial current during power generation and water electrolysis operation of the fuel cell.
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、ガスの供給状態や触媒の劣化、高分子電解質膜のイオン伝導性によって発電状態が変化する。水素利用率を高くした場合には、ガス供給口近くでは水素濃度が高く、その場所での発電電流が大きいが、一方、ガス出口近くでは水素濃度が低く、発電電流も小さくなる。これは「物質輸送損失」が大きくなるためである。 In a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane, the power generation state changes depending on the gas supply state, catalyst deterioration, and ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. When the hydrogen utilization rate is increased, the hydrogen concentration is high near the gas supply port and the generated current at that location is large, while the hydrogen concentration is low near the gas outlet and the generated current is also small. This is because the “mass transport loss” increases.
また、燃料電池の触媒が劣化すれば、「活性化損失」が大きくなり、発電電流が低下する。Pt触媒は燃料電池の起動、停止などの過渡変動時によって劣化し、それには空間的な不均一性を生ずる。また、高分子電解質膜の含水量に依存してイオン伝導性は増減し、「オーム損失」が変化して、発電電流が増減する。この損失は含水量の空間的な分布に依存するために、電流も一枚の高分子電解質膜の中であっても空間的な分布を持つことになる。 In addition, if the catalyst of the fuel cell deteriorates, the “activation loss” increases and the generated current decreases. The Pt catalyst deteriorates due to transient fluctuations such as starting and stopping of the fuel cell, which causes spatial non-uniformity. Further, depending on the water content of the polymer electrolyte membrane, the ionic conductivity increases and decreases, the “ohm loss” changes, and the generated current increases and decreases. Since this loss depends on the spatial distribution of moisture content, the current also has a spatial distribution even within a single polymer electrolyte membrane.
燃料電池発電では、上記の「物質輸送損失」、「活性化損失」、「オーム損失」が重なって最終的に出力される電流と電圧が決まり、電池の性能となる。燃料電池の出力端子から出力される電流は電流計によって容易に計測できるが、その電流値は、平面状の「MEA(Membrane Electrode Assembly)の総和」であり、空間的な分布を持つ電流を平面全体で積分した値である。電池性能を向上させる際に必要な電池内部の情報は、場所ごとに異なってしまう発電状態であり、場所ごとに異なる電流である。さらに、場所ごとに含水量や水分子の移動性や、ガス濃度をも計測できれば、電池内部で生じている現象をより詳細に把握することができる。 In fuel cell power generation, the above-mentioned “material transport loss”, “activation loss”, and “ohm loss” overlap to determine the current and voltage that are finally output, which is the battery performance. The current output from the output terminal of the fuel cell can be easily measured with an ammeter, but the current value is a planar “total of MEA (Membrane Electrode Assembly)”, and the current with a spatial distribution is planar. This is the integrated value. The information inside the battery necessary for improving the battery performance is a power generation state that varies from place to place, and a current that varies from place to place. Furthermore, if the water content, the mobility of water molecules, and the gas concentration can be measured for each location, the phenomenon occurring inside the battery can be grasped in more detail.
電流のMEA面内での空間分布が計測できれば、場所ごとの発電状態が分かり、空間的に「物質輸送損失」、「活性化損失」、「オーム損失」がどのような状態にあるのか、具体的には、ガス供給濃度や水素利用率、ガス供給圧力、加湿量、膜の含水量を変えたときにどの場所での発電状態が増減して、その結果としての電池性能が増減したのかを詳細に調べることができる。これによって、電池性能を向上させるための技術的指針を得ることができる。電流のMEA面内での空間分布を計測することは、高性能の燃料電池を開発する上で必要とされている。 If the spatial distribution of the current in the MEA plane can be measured, the power generation state at each location can be determined, and the state of “material transport loss”, “activation loss”, and “ohm loss” in space can be determined. Specifically, it can be seen where the power generation state increased or decreased when the gas supply concentration, hydrogen utilization rate, gas supply pressure, humidification amount, or moisture content of the membrane was changed, and the resulting battery performance increased or decreased. You can investigate in detail. Thus, technical guidelines for improving battery performance can be obtained. Measuring the spatial distribution of current in the MEA plane is required for developing high-performance fuel cells.
本実施形態によれば、共鳴周波数の増減Δωを計測することで、燃料電池の空間的な電流を把握することができる。 According to this embodiment, the spatial current of the fuel cell can be grasped by measuring the increase / decrease Δω of the resonance frequency.
なお、測定装置300においては、電流の測定に加えて、CPMG法を用いてT2緩和時定数を得ることができ、これにより試料中の水分量を算出できる。
また、測定装置300に、勾配磁場コイルをさらに設け、試料に適宜勾配磁場を印加することにより、勾配磁場を印加したPGSE法を用いることで対象分子の易動度を計測することができる。
これらの測定については、後述する第四および第五の実施形態においてそれぞれ説明する。Note that, in the measuring
Further, by providing the measuring
These measurements will be described in fourth and fifth embodiments described later.
(第二の実施形態)
第一の実施形態に記載の測定装置300は、複数の小型RFコイル114を有していてもよい。本実施形態では、複数の小型RFコイル114は、試料115の複数箇所に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、核磁気共鳴信号を取得する。また、電流算出部303は、試料115の複数箇所における電流を算出するように構成される。
図11は、複数の小型RFコイル114の配置例を示す斜視図である。(Second embodiment)
The measuring
FIG. 11 is a perspective view showing an arrangement example of a plurality of small RF coils 114.
装置内に複数の小型RFコイル114を設けることにより、試料115中の電流分布を測定することが可能となる。この場合、試料115の表面に沿って2次元的に配置すれば、試料表面における2次元の電流分布を求めることができる。また、試料115中に3次元的に配置すれば、試料中における3次元の電流分布を求めることができる。
By providing a plurality of small RF coils 114 in the apparatus, the current distribution in the
たとえば、演算部130が、電流算出部303における電流の算出結果に基づき、試料115中の電流分布を算出する電流分布算出部(不図示)を備えていてもよい。これにより、試料の複数箇所に対して、励起用振動磁場の印加およびこれに対応するNMR信号の取得を行うことができる。電流分布算出部(不図示)は、試料中の複数箇所における電流に基づき、試料中の電流分布を算出する。出力部135は、この分布を出力する。
For example, the
また、本実施形態において、出力部135を図12の構成としてもよい。図12において、出力部135は、電流算出部303で算出した、複数の小型RFコイル114(図11)の測定領域毎の電流を取得する測定データ取得部135Aと、取得した電流を同一画面の区画された領域に表示する表示部135Bとを有する。
In the present embodiment, the
表示部135Bでは、図11に示すように、小型RFコイル114の配置位置に応じて、画面が複数の領域に区画されている。各領域は、各小型RFコイル114の測定領域の電流に応じて、所定の色が表示される。
In the
このように、表示部135Bの各領域に各小型RFコイル114の測定領域の電流に応じた色を表示することで、各小型RFコイル114での計測位置と、電流との関係を直感的に把握することができる。これにより、使用者にとって使い勝手のよい測定装置とすることができる。
In this way, by displaying the color corresponding to the current in the measurement region of each
さらに、表示部135Bの複数の領域を、それぞれ、上下二つに分割し、一方(たとえば上半分)に電流を示すとともに、下半分に該当箇所における試料115中の水分量を示してもよい。試料115中の水分量の測定については、第四の実施形態で後述する。
Furthermore, the plurality of regions of the
また、第一の実施形態に記載の測定装置300は、核磁気共鳴法を用いて燃料電池の固体高分子電解質膜の面内の電流の分布を取得する装置であってもよい。このとき、試料115は、燃料電池の固体高分子電解質膜である。また、電流分布取得部(電流分布算出部)が、複数の小型RFコイル114について、小型RFコイル114で取得された核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分(周波数シフト量Δω)を算出し、Δωから、固体高分子電解質膜の面内の電流分布を取得する。
Moreover, the measuring
また、測定装置300が燃料電池用の測定装置である場合、固体高分子電解質膜またはMEA(Membrane Electrode Assembly)の面内の複数の領域について、Δωを取得することにより、燃料電池の動作状態の診断が可能となる。たとえば、各領域において、Δωを測定し、理論的な解析値と比較したときに、特定の測定箇所でのみΔωの測定値が解析値と異なる挙動を示した場合には、当該特定の箇所において、MEAに不具合が生じている可能性がある。また、複数の測定箇所について、Δωを所定の時間間隔で測定したとき、複数の測定箇所全体でΔωの測定値と解析値とのずれが大きくなった場合には、MEA全体における出力の低下が生じている可能性がある。
なお、MEAの面内の複数の領域におけるΔωの取得方法については、後述する実施例でさらに具体的に示す。Further, when the measuring
Note that a method for obtaining Δω in a plurality of regions in the MEA plane will be described more specifically in an example described later.
(第三の実施形態)
測定装置300(図7)において、複数の小型RFコイル114を設けることにより、以下の手順で周波数シフト量Δωの計測精度をさらに高めることができる。(Third embodiment)
In the measurement apparatus 300 (FIG. 7), by providing a plurality of small RF coils 114, the measurement accuracy of the frequency shift amount Δω can be further increased by the following procedure.
ここで、第一の実施形態で前述した電流計測法を用いる場合、たとえば実施例で後述するように、始めに「電流なし(電流を流さない状態)での水分子の核磁気共鳴の周波数(これを基準周波数と呼ぶ)」を決め、その後に「電流を流した場合の核磁気共鳴周波数のシフト量」を求めている。 Here, when the current measurement method described above in the first embodiment is used, for example, as described later in the examples, first, “the frequency of nuclear magnetic resonance of water molecules without current (a state in which no current flows) ( This is referred to as a reference frequency), and then “the amount of shift of the nuclear magnetic resonance frequency when a current is passed” is obtained.
この方法では、基準周波数が時間的に変動しない(一定の)場合(たとえば、磁石として超伝導磁石や電磁石などを用いた場合)には基準周波数は計測の一番初めに取得するだけでよく、その後は電流を流した場合の計測のみを行っていればよい。この場合には、電流の時間変動や過渡応答が計測しやすいという利点がある。 In this method, when the reference frequency does not change (constant) over time (for example, when a superconducting magnet or an electromagnet is used as a magnet), the reference frequency only needs to be acquired at the beginning of the measurement. Thereafter, it is only necessary to perform measurement when a current is passed. In this case, there is an advantage that it is easy to measure time fluctuation and transient response of current.
一方、磁石として永久磁石を用いた場合には、磁石の温度が変動することによって磁場強度が時間的に変動してしまう場合がある。磁場強度が変動する場合には、基準周波数が時間的に一定とはいえない。 On the other hand, when a permanent magnet is used as the magnet, the magnetic field strength may fluctuate with time due to fluctuations in the temperature of the magnet. When the magnetic field strength fluctuates, the reference frequency cannot be said to be constant over time.
このような変動する磁場(基準周波数)の場合には、「基準周波数が変わらないと見なせる程度に短い時間間隔で、電流なしとありの場合でのNMR信号を計測して、両者の差から、周波数シフト量を求める」という方法が考えられる。たとえば、後述する実施例においては、この方法を選択し、その時間間隔は10秒とした。 In the case of such a fluctuating magnetic field (reference frequency), “measure the NMR signal with and without current at a time interval that is short enough to assume that the reference frequency does not change, and from the difference between the two, A method of “determining the amount of frequency shift” is conceivable. For example, in the examples described later, this method is selected and the time interval is set to 10 seconds.
ところが、たとえば以上の実施形態を燃料電池の計測に用いる場合、燃料電池は発電を始めて電流を流し始めても、直ちに定常状態にはならず、定常状態に達するまでに数秒から数分程度を要することがある。また、負荷が変動したり、ガス供給が変動したり、ガス拡散層での水分凝縮が起きるような「ゆっくり生ずる現象」での電流計測には適用が難しい場合がある。その理由は、上述した「基準周波数が一定と見なせる程度の短い時間間隔での、電流なしとありのNMR計測」ができなくなるからである。 However, for example, when the above embodiment is used for measurement of a fuel cell, the fuel cell does not immediately enter a steady state even if it starts power generation and starts flowing current, and it takes several seconds to several minutes to reach a steady state. There is. In addition, it may be difficult to apply current measurement in a “slowly occurring phenomenon” in which the load varies, the gas supply varies, or moisture condensation occurs in the gas diffusion layer. This is because the above-described “NMR measurement with no current at a short time interval at which the reference frequency can be regarded as constant” cannot be performed.
そこで、本実施形態においては、下記(i)および(ii)を組み合わせて、電流なしの場合の基準周波数を推算し、それによって周波数シフト量を算出する。
(i)複数のRFコイルを用いる。一つのコイルは計測したい位置に、もう一つのRFコイルは、「電流が作る磁場の影響が無視できる程度に燃料電池から離れた位置」に置く。
(ii)「永久磁石内での磁場分布(核磁気共鳴周波数)は空間全体で一様に上下するだけであり、ある一点の場所で核磁気共鳴周波数の変動を計測していれば、他の場所の核磁気共鳴周波数はその変動分だけ上下させれば推測可能である。」という現象を用いる。Therefore, in the present embodiment, the following (i) and (ii) are combined to estimate the reference frequency when there is no current, thereby calculating the frequency shift amount.
(I) A plurality of RF coils are used. One coil is placed at a position where measurement is desired, and the other RF coil is placed at a "position away from the fuel cell so that the influence of the magnetic field generated by the current can be ignored".
(Ii) “The magnetic field distribution (nuclear magnetic resonance frequency) in the permanent magnet only rises and falls uniformly in the entire space. If the variation of the nuclear magnetic resonance frequency is measured at a certain point, It is possible to estimate if the nuclear magnetic resonance frequency of the place is raised or lowered by the fluctuation amount.
また、本実施形態では、複数の小型RFコイル114を以下のように配置する。ここでは、燃料電池の発電についての測定の場合を例に示すが、以下の方法は、試料115の種類に特に制限なく適用できる。
(コイル1)一つ目の小型RFコイル114:燃料電池から少し離れた場所(電流による磁場の影響が無視できる場所)にRFコイルを置き、コイルがNMR信号を受信できる場所に基準周波数を計測するための試料115を置いて、磁石内での核磁気共鳴周波数を計測する。これは「基準周波数のモニター用RFコイルとサンプル」の役目をする。
(コイル2)残りの複数の小型RFコイル114:試料115の計測したい位置に配置する。Moreover, in this embodiment, the some
(Coil 1) First small RF coil 114: An RF coil is placed at a location slightly away from the fuel cell (where the influence of the magnetic field due to current can be ignored), and the reference frequency is measured at a location where the coil can receive NMR signals. The
(Coil 2) A plurality of remaining small RF coils 114: arranged at positions where the
そして、複数コイルでのNMR信号受信が可能なシステムを用いて測定を行う。
(i)始めに「電流を流さない状態」でのNMR信号を、すべての小型RFコイル114(コイル1およびコイル2)で受信し、磁場分布(核磁気共鳴周波数分布ω)を得ておく。
(i−1)上記コイル1での共鳴周波数をωmonitor(t=0)とする。tは時刻である。
(i−2)上記コイル2が置かれた位置xでの核磁気共鳴関数をω(t=0,x)とする。
(ii)燃料電池での発電を始め、「電流を流した状態」でのNMR信号をすべての小型RFコイル114(コイル1およびコイル2)で受信する。その時刻はt1である。
(iii)(i)で取得したNMR信号から、基準周波数の変動量Δωを求める。
時刻t1での変動量Δω(t1)は、
ωmonitor(t1)−ωmonitor(t=0)
である。
(iv)この変動量Δω(t1)を用いて、コイル2のコイル位置での「電流がない場合の基準周波数」を、下記式より推算する。
ωno-current(t1,x)=ω(t1,x)+Δω(t1)
(v)「電流がある場合に実際にコイル2で計測されたNMR信号の周波数」をωcurrent(t1,x)とする。
電流がある場合の周波数シフト量Δω(t1,x)は、
Δω(t1,x)=ωcurrent(t1,x)−ωno-current(t1,x)
で算出できる。以上により得られたΔω(t1,x)を基に、電流分布を解析すればよい。Then, measurement is performed using a system capable of receiving NMR signals with a plurality of coils.
(I) First, NMR signals in a “state in which no current flows” are received by all the small RF coils 114 (
(I-1) The resonance frequency in the
(I-2) The nuclear magnetic resonance function at the position x where the
(Ii) The power generation in the fuel cell is started, and the NMR signal in the “current flowing state” is received by all the small RF coils 114 (
(Iii) A fluctuation amount Δω of the reference frequency is obtained from the NMR signal acquired in (i).
The fluctuation amount Δω (t1) at time t1 is
ω monitor (t1) −ω monitor (t = 0)
It is.
(Iv) Using this fluctuation amount Δω (t1), the “reference frequency when there is no current” at the coil position of the
ω no-current (t1, x) = ω (t1, x) + Δω (t1)
(V) “The frequency of the NMR signal actually measured by the
The frequency shift amount Δω (t1, x) when there is current is
Δω (t1, x) = ω current (t1, x)-ω no-current (t1, x)
It can be calculated by The current distribution may be analyzed based on Δω (t1, x) obtained as described above.
本実施形態により、第一の実施形態に加えて、以下の作用効果が得られる。
すなわち、コイル1とコイル2についてNMR信号を同時刻に計測することで、基準周波数をより正確に推算することができる。これにより、周波数シフト量Δω(t1,x)の計測精度を高めることができる。このため、たとえば燃料電池の測定に用いる際に、燃料電池を「短時間で電流なしとあり」とを切り替えて計測する必要がなくなる。これにより、より実際的な発電状況での計測ができる。According to this embodiment, in addition to the first embodiment, the following operational effects can be obtained.
That is, by measuring the NMR signals for
なお、コイル1とコイル2について、同時に計測しなくてもよい。たとえばコイル1およびコイル2を交互に切り替えて、計測してもよい。コイルの置かれた位置に依存した「電流なし」の場合の基準周波数ωno-current(t1,x)をある程度の精度で推測できればよい。Note that
以上、第一〜第三の実施形態では、試料の局所的な電流の測定について説明した。
以下の実施形態では、試料の局所的な電流に加えて、試料中のプロトン性溶媒の量または易動性を測定する方法および装置について説明する。なお、以下の実施形態は、第一〜第三の実施形態のいずれにも適用可能である。As described above, in the first to third embodiments, the measurement of the local current of the sample has been described.
In the following embodiments, a method and apparatus for measuring the amount or mobility of a protic solvent in a sample in addition to the local current of the sample will be described. The following embodiments are applicable to any of the first to third embodiments.
(第四の実施形態)
本実施形態においては、小型検出コイルで取得した局所の磁気共鳴信号を用いて、電流および水分量を測定する。(Fourth embodiment)
In the present embodiment, current and water content are measured using a local magnetic resonance signal acquired by a small detection coil.
図13は、本実施形態の測定装置の概略構成を示す図である。図13に示した装置の基本構成は、図7に示した測定装置300と同様であるが、演算部130に、溶媒情報算出部309が設けられている点が異なる。また、図7のパルス制御部108に代えて制御部307が設けられている点が異なる。
FIG. 13 is a diagram illustrating a schematic configuration of the measurement apparatus of the present embodiment. The basic configuration of the apparatus shown in FIG. 13 is the same as that of the measuring
溶媒情報算出部309は、試料115中に含まれる溶媒に関する情報を算出し、本実施形態では、水分量算出部132を含む。水分量算出部132は、小型RFコイル114で取得されたNMR信号に基づいて、試料115中のプロトン性溶媒(水)の量を算出する。
The solvent
図14は、図13に示した装置の制御部307の構成を示す図である。
図14において、制御部307は、前述したパルス制御部108に加えて、試料115の電流を測定する第一測定モードと試料115中の水分量を測定する第二測定モードとを切り替える切替部(モード切替制御部169)を含む。モード切替制御部169に接続された操作信号受付部129は、作業者の測定モードの要求を受け付ける。そして、操作信号受付部129が、この要求をモード切替制御部169に送出する。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of the
In FIG. 14, in addition to the
第一測定モードにおいては、以上の実施形態で前述した手順で、試料115の電流測定が行われる。つまり、電流算出部303が、小型RFコイル114で取得されたNMR信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分に基づく試料115の特定箇所の電流の算出を実行する。
In the first measurement mode, the current of the
また、第二測定モードにおいては、小型RFコイル114が、励起用振動磁場に対応するNMR信号(エコー信号)を取得し、溶媒量算出部132(水分量算出部132)が、小型RFコイル114で取得されたエコー信号に基づく試料115中のプロトン性溶媒(水)の量の算出を実行する。水分量算出部132は、具体的には、エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出し、算出したT2緩和時定数から、試料115中の特定箇所におけるプロトン性溶媒の量を算出する。In the second measurement mode, the
本実施形態では、たとえば、第一および第二測定モードに共通のパルスシーケンスが用いられる。
すなわち、小型RFコイル114は、以下の(a)〜(c)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加する。
(a)90°パルス、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス(nは自然数である。)In the present embodiment, for example, a common pulse sequence is used for the first and second measurement modes.
That is, the
(A) 90 ° pulse,
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). Pulse (n is a natural number)
そして、第一測定モードにおいては、小型RFコイル114が、上記(b)または(c)のパルスに対応するエコー信号を取得する。このとき、上記(b)のパルスに対応するエコー信号が最も大きい強度となるため、このエコー信号を用いることが好ましい。また、電流算出部303が、エコー信号の実部および虚部を取得して、電流を算出する。
In the first measurement mode, the
一方、第二測定モードにおいては、小型RFコイル114が、上記(b)および(c)のパルスに対応する複数のエコー信号を取得する。また、水分量算出部132が、これらの複数のエコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出する。On the other hand, in the second measurement mode, the
図15は、電流および水分量の測定手順の例を示すフローチャートである。この測定方法は、以下のステップを含む。
ステップ301(ステップ102):試料115に静磁場を印加する、
ステップ303(ステップ104):小型RFコイル114を介して、上記(a)〜(c)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加し、これに対応するエコー信号を取得する、
ステップ305:ステップ303で取得した上記(b)または(c)のパルスに対応するエコー信号の実部および虚部を用いて、エコー信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、
ステップ307:ステップ305で得られた差分から、試料の特定箇所の電流を求める、
ステップ106:ステップ303で取得した上記(b)および(c)のパルスに対応する複数のエコー信号の強度からT2緩和時定数を算定する、
ステップ108:ステップ106で算出したT2緩和時定数から、試料中の局所的水分量を測定する、
ステップ309(ステップ110):その後、結果を出力する。FIG. 15 is a flowchart illustrating an example of a procedure for measuring current and water content. This measurement method includes the following steps.
Step 301 (Step 102): Applying a static magnetic field to the
Step 303 (Step 104): Applying an excitation oscillating magnetic field via the
Step 305: Using the real part and the imaginary part of the echo signal corresponding to the pulse (b) or (c) acquired in
Step 307: From the difference obtained in
Step 106: Calculate a T 2 relaxation time constant from the intensities of a plurality of echo signals corresponding to the pulses (b) and (c) acquired in
Step 108: Measure the local water content in the sample from the T 2 relaxation time constant calculated in
Step 309 (Step 110): Thereafter, the result is output.
ステップ303(ステップ104)において、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分の算出のためのエコー信号の取得と、T2緩和時定数の算出のためのエコー信号の取得とを、同時に行ってもよい。たとえば、周波数の差分の算出とT2緩和時定数を算定に、いずれも上記(b)のパルスを使うとき、ステップ303(ステップ104)において、上記(b)および(c)のパルスに対応するエコー信号を取得する。そして、ステップ305では、上記(b)のパルスに対応するエコー信号の実部および虚部を用いて周波数の差分を算出する。ステップ307では、上記(b)および(c)のパルスに対応する複数のエコー信号の強度からT2緩和時定数を算定する。なお、周波数の差分の算出とT2緩和時定数を算定に、いずれも上記(c)のパルスを使うこともできる。In step 303 (step 104), obtaining an echo signal for calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field, obtaining an echo signal for calculating the T 2 relaxation time constant, May be performed simultaneously. For example, when using the above pulse (b) for calculating the frequency difference and calculating the T 2 relaxation time constant, in step 303 (step 104), the pulse corresponds to the pulses (b) and (c). Acquire an echo signal. In
本実施形態によれば、共通のパルスシーケンスを用いた一連の測定により、一つの装置で膜等の試料115の局所的な電流だけでなく、含水量を合わせて計測できる。このため、発電または水電解運転時の試料115の状態をより一層詳細に把握することができる。
According to the present embodiment, by a series of measurements using a common pulse sequence, it is possible to measure not only the local current of the
なお、本実施形態において、小型RFコイル114は、電流測定(第一測定モード)のパルスと、水分量測定(第二測定モード)のパルスとを交互に複数回繰り返すパルスシーケンスで励起用振動磁場を印加することもできる。つまり、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分の算出のためのエコー信号の取得と、T2緩和時定数の算出のためのエコー信号の取得とを、交互に行うこともできる。このようにすれば、試料115の局所的な電流および含水量の測定をさらに安定的に行うことができる。In the present embodiment, the
(第五の実施形態)
本実施形態においては、小型検出コイルで取得した局所の磁気共鳴信号を用いて、電流、水分量ならびに水の易動性を測定する。(Fifth embodiment)
In the present embodiment, current, moisture content, and water mobility are measured using local magnetic resonance signals acquired by a small detection coil.
図16は、本実施形態の測定装置の概略構成を示す図である。図16に示した装置の基本構成は、図13に示した測定装置と同様であるが、演算部130の溶媒情報算出部309が、さらに易動性算出部133を備え、また、演算部130中に移動量算出部134が設けられている点が異なる。また、図16に示した装置は、図7および図13に示した装置に加えて、試料115に対して勾配磁場を印加する勾配磁場印加部(一対のGコイル151)および一対のGコイル151にパルス電流を供給する電流駆動用電源159をさらに備える。
FIG. 16 is a diagram illustrating a schematic configuration of the measurement apparatus of the present embodiment. The basic configuration of the apparatus illustrated in FIG. 16 is the same as that of the measurement apparatus illustrated in FIG. 13, but the solvent
一対のGコイル151は、小型RFコイル114から離間して配置された勾配磁場印加コイルである。一対のGコイル151は、図17に示すように、試料115に勾配磁場を印加できるように配置される。Gコイル151は、一つの小型RFコイル114に対して、2つ配置され、小型RFコイル114を挟んで対向配置されている。
The pair of G coils 151 are gradient magnetic field application coils that are spaced apart from the
Gコイル151の形状は、種々のものを採用し得るが、本実施形態では平板状コイルを用いる。Gコイル151は、本実施形態では、図17に示すように半月状である。なお、図17では、一つの試料115に複数の小型RFコイル114を設け、各小型RFコイル114に対して一対のGコイル151を配置する場合が例示されている。Gコイル151は、試料115の表面に対し平行に配置される。
Various shapes can be adopted for the
また、Gコイル151は、小型RFコイル114よりも上方に配置されている。これにより、小型RFコイル114の中心軸上に、y軸方向に磁場の勾配を持つ勾配磁場を形成することができる。
The
小型RFコイル114と一方のGコイル151との間、小型RFコイル114と他方のGコイル151との間には、図示しない遮蔽シールドが設けられている。この遮蔽シールドにより、Gコイル151からのノイズが、小型RFコイル114に影響するのを防止している。遮蔽シールドは、ノイズの通過を防止し、かつ、磁場が通過できるような厚さとなっている。
A shielding shield (not shown) is provided between the
なお、電流、水分量および自己拡散係数を計測する際には、小型RFコイル114のみを試料115に接触させる。
Note that only the
図16に戻り、易動性算出部133は、異なる勾配磁場に対応して得られた小型RFコイル114で取得されたNMR信号に基づいて、試料115中のプロトン性溶媒(水)の易動性を算出する。
Returning to FIG. 16, the
また、移動量算出部134は、水分量算出部132にて算出した水分量、易動性算出部133にて算出した自己拡散係数に基づいて、水分子の移動量を算出する。移動量算出部134は、たとえば、水分子の移動量を算出するためのパラメータが記憶されたパラメータ記憶部と、このパラメータ記憶部に記憶された算出式を読み出して、水分子の移動量を算出する移動量計算部とを備える。
Further, the movement
パラメータ記憶部には、各試料115の種類ごとに、自己拡散係数と、水分量とから水分子の移動量を算出するための算出式が記憶されている。この算出式に基づいて、移動量計算部にて、移動量を算出することができる。
The parameter storage unit stores a calculation formula for calculating the amount of movement of water molecules from the self-diffusion coefficient and the amount of water for each
また、本実施形態において、制御部307中のモード切替制御部169が、試料115の電流を測定する第一測定モード、試料115中の水分量を測定する第二測定モード、および試料115中の水の易動性を測定する第三測定モードを切り替える。
In the present embodiment, the mode switching control unit 169 in the
第三測定モードにおいては、小型RFコイル114が、試料115に励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場および勾配磁場に対応する核磁気共鳴信号を取得する。また、易動性算出部133が、異なる勾配磁場に対応して得られた核磁気共鳴信号の情報に基づいて、試料115の特定箇所の易動性を算出する。
In the third measurement mode, the
また、第三測定モードにおいては、小型RFコイル114は、以下の(a)〜(d)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加する。
(a)励起用振動磁場の90°パルス、
(b)(a)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス、
(c)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される励起用振動磁場の180°パルス、および、
(d)(c)のパルス時間の経過後からはじまり、一定時間d印加される、勾配磁場パルス。In the third measurement mode, the
(A) a 90 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation,
(B) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (a) and is applied for a fixed time d,
(C) a 180 ° pulse of an oscillating magnetic field for excitation applied after elapse of time τ of the pulse of (a), and
(D) A gradient magnetic field pulse that starts after the elapse of the pulse time of (c) and is applied for a predetermined time d.
なお、上記(b)で印加される勾配磁場がゼロであってもよい。また、(a)90°パルスが第1位相にあり、(c)180°パルスが、第1位相と90°ずれた第2位相にある構成として、スピン−スピンに基づくNMR信号のピーク強度と試料115中の水の自己拡散係数Dとの相関関係を取得することもできる。
Note that the gradient magnetic field applied in (b) may be zero. Further, (a) the 90 ° pulse is in the first phase, and (c) the 180 ° pulse is in the second phase that is 90 ° shifted from the first phase, the peak intensity of the NMR signal based on spin-spin A correlation with the self-diffusion coefficient D of water in the
図18は、電流および易動性の測定手順の例を示すフローチャートである。図18は、上記パルスシーケンスのうち、(b)で印加する勾配磁場をゼロとした例であり、以下のステップを含む。
ステップ301(ステップ102):試料115に静磁場を印加する、
ステップ303(ステップ202):勾配磁場をゼロとし、上記(a)〜(d)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加し、これに対応するエコー信号を取得する(第一ステップ)、
ステップ305:ステップ303で取得した(d)のパルスに対応するエコー信号の実部および虚部を用いて、エコー信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、
ステップ307:ステップ305で得られた差分から、試料の特定箇所の電流を求める(第二ステップ)、
ステップ204:勾配磁場をゼロでない所定の大きさとし、上記(a)〜(d)を含むパルスシーケンスで、励起用振動磁場を印加し、これに対応するエコー信号を取得する(第三ステップ)、
ステップ206:ステップ202およびステップ204で得られたNMR信号のピーク強度から、上記式(II)を用いて、試料115の特定箇所の水の自己拡散係数Dを求める(第四ステップ)、
ステップ309(ステップ208):その後、結果を出力する。FIG. 18 is a flowchart illustrating an example of a procedure for measuring current and mobility. FIG. 18 shows an example in which the gradient magnetic field applied in (b) in the pulse sequence is zero, and includes the following steps.
Step 301 (Step 102): Applying a static magnetic field to the
Step 303 (Step 202): The gradient magnetic field is set to zero, the excitation oscillating magnetic field is applied in a pulse sequence including the above (a) to (d), and an echo signal corresponding to this is acquired (first step),
Step 305: Using the real part and the imaginary part of the echo signal corresponding to the pulse of (d) acquired in
Step 307: Obtain the current at a specific location of the sample from the difference obtained in Step 305 (second step),
Step 204: The gradient magnetic field is set to a non-zero predetermined magnitude, the excitation oscillating magnetic field is applied in a pulse sequence including the above (a) to (d), and an echo signal corresponding to this is obtained (third step).
Step 206: From the peak intensity of the NMR signal obtained in
Step 309 (Step 208): Thereafter, the result is output.
この手順においては、ステップ202の勾配磁場をゼロとすることにより、一連の測定で電流と自己拡散係数Dを求めることができる。
In this procedure, the current and self-diffusion coefficient D can be obtained by a series of measurements by setting the gradient magnetic field in
なお、図16に示した装置においても、たとえば図15を参照して前述した手順により、一度の測定で試料115の電流と水分量とを求めることができる。
In the apparatus shown in FIG. 16 as well, the current and moisture content of the
本実施形態においては、膜等の試料115の局所的な電流に加えて、含水量と水分子の易動度も合わせて計測できる。このため、発電または水電解運転時の膜内の状態をより一層詳細に把握することができる。
In this embodiment, in addition to the local current of the
また、以上の三つの計測方法を組み合わせることで、たとえば、燃料電池内の「電流分布」と、高分子電解質膜内の「水分量」と「水分子の易動度」とを同時または交互に計測することができる。これらを統合させた計測は、燃料電池の統合モニタリング方法として有用であり、燃料電池の性能向上を目指した開発現場に新たな計測量を提供し、NMRセンサの適用範囲を拡大させる装置として効果的である。 In addition, by combining the above three measurement methods, for example, the “current distribution” in the fuel cell, the “water content” in the polymer electrolyte membrane, and the “mobility of water molecules” can be changed simultaneously or alternately. It can be measured. Measurement that integrates these is useful as an integrated monitoring method for fuel cells, and is effective as a device that provides new measurement quantities to development sites aimed at improving fuel cell performance and expands the application range of NMR sensors. It is.
以上の実施形態によれば、たとえば以下の作用効果を得ることも可能となる。
小型検出コイルが受信するNMR信号の周波数シフト量から、燃料電池などの試料に流れる電流量を換算することができる。その際、一つの小型検出コイルであっても、試料に流れる電流が均一であれば、周波数シフト量から容易に電流量を換算することができる。
また、実機の単セルに小型検出コイルを複数組み込み、高分子膜からのNMR信号を取得して、電流が流れた時に生ずるNMR信号の周波数シフト量Δωから、電流分布を換算することが可能となる。これにより、複数コイルで電流分布を効果的に計測することが可能となる。
また、燃料電池用高分子膜の「局所水分量」と「水分子の局所易動度」と「電流分布」を同一の装置で、同一の場所で、同一センサで局所計測する。三つの量を数秒ごとに交互に計測することでほぼ同時刻に両者の値を取得することができる(同一装置、同一位置、ほぼ同時刻)。
また、水分量と水分子の移動度と電流を数秒以内に計測する短時間計測が可能となる。
また、高分子膜の表面に貼り付けるだけで、かつ電磁波を用いた非侵襲計測を行う。
また、燃料電池の発電を行いながらでも、水分量と水分子の易動度と電流分布を計測できる。
また、高分子膜の状態を「水分含有量」と「水分子の易動度」と「電流分布」の多様な情報から把握でき、燃料電池内での発電状態または水電解状態を監視し、最も発電効率が高くなるように制御するためのモニタリングが可能となる。
また、「磁石・勾配磁場コイル一体型の棒状局所計測センサ」では、燃料電池セル内に容易にセンサを設置でき、しかも、RF検出コイル部のみが被計測領域にあればよく、ガス供給などを阻害することなく、計測することができる(図19)。
また、磁石とコイルを一体型にすることで装置構成によるNMR法の適用性の制限が解決され、高分子膜の計測以外の食品管理やプロセス管理などにも適用範囲を広げることができる。According to the above embodiment, for example, the following effects can be obtained.
The amount of current flowing in a sample such as a fuel cell can be converted from the frequency shift amount of the NMR signal received by the small detection coil. At that time, even with one small detection coil, if the current flowing through the sample is uniform, the amount of current can be easily converted from the amount of frequency shift.
In addition, it is possible to incorporate multiple small detection coils in a single cell of an actual machine, acquire NMR signals from the polymer film, and convert the current distribution from the frequency shift amount Δω of the NMR signals generated when current flows. Become. This makes it possible to effectively measure the current distribution with a plurality of coils.
In addition, the “local moisture content”, “local mobility of water molecules”, and “current distribution” of the polymer membrane for fuel cells are locally measured by the same device at the same location with the same device. By alternately measuring the three quantities every few seconds, both values can be acquired at substantially the same time (same device, same position, almost same time).
In addition, it is possible to perform a short-time measurement in which the water content, the mobility of water molecules, and the current are measured within a few seconds.
Moreover, non-invasive measurement using electromagnetic waves is performed only by sticking on the surface of the polymer film.
In addition, the amount of water, the mobility of water molecules, and the current distribution can be measured while generating power from the fuel cell.
In addition, the state of the polymer membrane can be grasped from various information such as “water content”, “mobility of water molecules” and “current distribution”, and the power generation state or water electrolysis state in the fuel cell is monitored. Monitoring for controlling the power generation efficiency to be the highest is possible.
In addition, in the “bar-shaped local measurement sensor integrated with a magnet and a gradient magnetic field coil”, the sensor can be easily installed in the fuel cell, and only the RF detection coil section needs to be in the region to be measured. Measurement can be performed without obstruction (FIG. 19).
Further, by integrating the magnet and the coil, the limitation of applicability of the NMR method due to the apparatus configuration is solved, and the application range can be expanded to food management and process management other than the measurement of the polymer film.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
たとえば、以上の実施形態においては、電流を計測する際にスピンエコー法を用いて周波数シフト量を測定する場合を例に説明したが、実施例で後述するように、周波数シフト量は、単純なFID(Free Induction Decay)から算出することもできる。FIDを用いる場合、たとえば小型RFコイル114が、
(a)90°パルス
を印加してこれに対応するFID信号を取得し、電流算出部303が、FID信号の実部および虚部を取得して、位相の変化量から電流を求めてもよい。こうすれば、90°パルスのみで計測できるため、励起パルスの繰り返し時間を短くでき、短時間で位相の変化量を求められる。また、90°よりも小さくてももしくは大きくてもFID信号自体は観測できるため、スピンエコー法に比べて調整を簡略化することができる。
また、電流とともに水分量または水の易動性を測定する場合にも、上記(a)を含むパルスシーケンスを用ることにより、(a)に対応するFID信号から電流を算出することができる。For example, in the above embodiment, the case where the frequency shift amount is measured using the spin echo method when measuring the current has been described as an example. However, as described later in the embodiment, the frequency shift amount is simple. It can also be calculated from FID (Free Induction Decay). When using FID, for example, a
(A) A 90 ° pulse may be applied to obtain a FID signal corresponding to the 90 ° pulse, and the
Moreover, also when measuring the moisture content or the water mobility together with the current, the current can be calculated from the FID signal corresponding to (a) by using the pulse sequence including the above (a).
(実施例1)
本実施例では、狭い隙間に水を入れ、その試料に密着させて銅板を置き、銅板に電流を流した際のNMR信号の周波数変化を計測した。
図20は、本実施例の概要を説明する図である。図20に示したように、本実施例では、銅板に電流jを流して、磁場Hjを形成させ、その横に置いた水からのNMR信号の周波数変化を計測する実験を行った。この実験により、電流jと周波数シフト量Δωとの関係を取得する。銅板は燃料電池を模擬しており、水は燃料電池内の高分子膜を模擬している。Example 1
In this example, water was poured into a narrow gap, a copper plate was placed in close contact with the sample, and the change in frequency of the NMR signal when current was passed through the copper plate was measured.
FIG. 20 is a diagram for explaining the outline of the present embodiment. As shown in FIG. 20, in this example, an experiment was performed in which a current j was passed through a copper plate to form a magnetic field H j, and the frequency change of the NMR signal from water placed on the side was measured. By this experiment, the relationship between the current j and the frequency shift amount Δω is acquired. The copper plate simulates a fuel cell, and the water simulates a polymer film in the fuel cell.
試料は、寸法が18mm×18mm、厚さ0.12mmのカバーガラスを2枚用い、隙間0.5mmの間隔を空けて密閉容器とし、その中に2.5mmol/LのCuSO4水溶液を封入した。図21は、本実施例で用いた試料(CuSO4aq.2.5mmol/L)を示す図である。試料のすぐ下に、寸法が20mm×20mm、厚さ0.05mmの銅板を置いた。この銅板には、直流安定化電源を用いて定常的な電流jを流すことができる。銅板では電流jは面内を一様に流れるとみなすことができる。As a sample, two cover glasses having dimensions of 18 mm × 18 mm and a thickness of 0.12 mm were used to form a sealed container with a gap of 0.5 mm, and a 2.5 mmol / L CuSO 4 aqueous solution was enclosed therein. . FIG. 21 is a diagram showing a sample (CuSO 4 aq. 2.5 mmol / L) used in this example. A copper plate having dimensions of 20 mm × 20 mm and a thickness of 0.05 mm was placed immediately below the sample. A steady current j can be passed through the copper plate using a DC stabilized power supply. In a copper plate, the current j can be regarded as flowing uniformly in the plane.
NMR信号は90度励起パルスと180度励起パルスの間隔を5msに設定し、エコー時間が10msとしてエコー信号を計測した。このシーケンスでは、180度励起パルスの前後には1msの時間だけ勾配磁場を印加して、90度および180度励起パルス直後のNMR信号が、エコー信号と干渉しないようにした。 The NMR signal was measured by setting the interval between the 90 degree excitation pulse and the 180 degree excitation pulse to 5 ms and the echo time being 10 ms. In this sequence, a gradient magnetic field was applied for 1 ms before and after the 180 degree excitation pulse so that the NMR signals immediately after the 90 degree and 180 degree excitation pulses did not interfere with the echo signal.
電流jがゼロの時のエコー信号を図22に示す。NMR信号は位相敏感検波方式で検波され、実部、虚部の二つの信号を取得した。図22では、実部および虚部を、それぞれ「Real」と「Imag」で示した。90度励起パルスはtime=5msで照射した。図中の「Power」は実部と虚部から信号強度を算出したものである。この「Power」の形から、time=15msでエコーがピークをとることが分かる。 An echo signal when the current j is zero is shown in FIG. The NMR signal was detected by a phase sensitive detection method, and two signals of a real part and an imaginary part were obtained. In FIG. 22, the real part and the imaginary part are indicated by “Real” and “Imag”, respectively. The 90-degree excitation pulse was irradiated at time = 5 ms. “Power” in the figure is a signal intensity calculated from a real part and an imaginary part. From the form of “Power”, it can be seen that the echo takes a peak at time = 15 ms.
実部Reと虚部Imgを基にtan-1(Re/Img)をとって、NMR信号の位相差ΔΦ[rad]を算出した。位相の基準はNMR装置が持つ発振器からの基準波であり、この周波数はNMR信号の共鳴周波数に予め合わせた。時間的に変化しない基準波(位相Φ0)と、計測したNMR信号との位相の差をΔΦとした。この実部と虚部と位相差ΔΦの関係を図10に示した。Based on the real part Re and the imaginary part Img, tan −1 (Re / Img) was taken to calculate the phase difference ΔΦ [rad] of the NMR signal. The phase reference is a reference wave from an oscillator included in the NMR apparatus, and this frequency is adjusted in advance to the resonance frequency of the NMR signal. The phase difference between the reference wave (phase Φ 0 ) that does not change with time and the measured NMR signal was defined as ΔΦ. The relationship between the real part, the imaginary part, and the phase difference ΔΦ is shown in FIG.
また、図23には、図22の上記tan-1(Re/Img)から算出した位相差ΔΦを示した。ただし、この図では、エコー信号が観測される時間の13msから17msの間だけが示されている。FIG. 23 shows the phase difference ΔΦ calculated from tan −1 (Re / Img) in FIG. However, in this figure, only the time from 13 ms to 17 ms during which the echo signal is observed is shown.
図23から、位相差ΔΦが時間的にほぼ一定(真横の線)であり、電流jがゼロの場合には、基準波と一定の位相差でNMR信号が回転していることが分かる。 From FIG. 23, it can be seen that when the phase difference ΔΦ is substantially constant in time (straight line) and the current j is zero, the NMR signal rotates with a constant phase difference from the reference wave.
次に、電流jが0.80Aの時に計測されたエコー信号を図24に、これを基に計算した位相差ΔΦを図25に示す。パルスシーケンスは電流jがゼロの時と同じである。 Next, FIG. 24 shows an echo signal measured when the current j is 0.80 A, and FIG. 25 shows a phase difference ΔΦ calculated based on the echo signal. The pulse sequence is the same as when the current j is zero.
図24のエコー信号では、図22とは異なり、NMR信号の実部と虚部が振動し、周波数が基準波からずれている様子が分かる。エコー信号の領域では、実部が先で、その後に虚部が振動している。 In the echo signal of FIG. 24, unlike FIG. 22, it can be seen that the real part and the imaginary part of the NMR signal vibrate and the frequency deviates from the reference wave. In the area of the echo signal, the real part comes first and the imaginary part vibrates thereafter.
図25には、図24のtan-1(Re/Img)を求めることにより算出した位相差ΔΦを示した。この図では、時間が経過すると共に、位相差ΔΦが増加(右上がりの直線)し、基準波からNMR信号の位相が時間の経過と共に進んでいく様子を見ることができる。本来、位相差ΔΦは時間と共に増加するような右上がりの一本の直線になると思われるが、位相は-πから+πまでの2πの範囲で表現されるため、その範囲を超えてしまうと、2πだけずれた不連続な線として見える。これがtime=14.6msのところで+πから−πへ不連続に移行する理由である。FIG. 25 shows the phase difference ΔΦ calculated by obtaining tan −1 (Re / Img) in FIG. In this figure, as time elapses, the phase difference ΔΦ increases (upward straight line), and it can be seen that the phase of the NMR signal advances from the reference wave as time elapses. Originally, the phase difference ΔΦ seems to be a single straight line that increases with time, but the phase is expressed in the range of 2π from -π to + π. It appears as a discontinuous line shifted by 2π. This is the reason for the discontinuous transition from + π to −π at time = 14.6 ms.
さらに、電流jを逆方向に流して、−0.80Aの時に計測されたエコー信号を図26に、これを基に計算した位相差ΔΦを図27に示す。 Further, FIG. 26 shows an echo signal measured at −0.80 A when current j is applied in the reverse direction, and FIG. 27 shows a phase difference ΔΦ calculated based on this echo signal.
図26のエコー信号では、図24とは実部、虚部のNMR信号が反転して(虚部が先に下方向へ)振動し、逆方向に周波数が基準波からずれている様子が分かる。 In the echo signal of FIG. 26, it can be seen that the NMR signal of the real part and the imaginary part is inverted (vibrated first downward) and oscillates, and the frequency is shifted from the reference wave in the reverse direction. .
図27には、図26のtan-1(Re/Img)を求めることにより算出した位相差ΔΦを図示した。この図では、図25とは全く逆に、時間の経過と共に位相差ΔΦが減少(右下がりの直線)し、基準波からNMR信号の位相が時間の経過と共に遅れていく様子を見ることができる。FIG. 27 shows the phase difference ΔΦ calculated by obtaining tan −1 (Re / Img) in FIG. In this figure, contrary to FIG. 25, it can be seen that the phase difference ΔΦ decreases (straight-down straight line) with the passage of time, and the phase of the NMR signal delays with the passage of time from the reference wave. .
銅板に流す電流jを−0.80Aから+0.80Aとして、0.20A刻みで実験した結果を図28に示す。この図の縦軸では、1msの間に変化するNMR信号の位相差ΔΦを「NMR信号の周波数シフト量Δω[rad/ms]」として定義して示した。この「周波数シフト量Δω[rad/ms]」は、図23、図25、および図27の「位相差ΔΦの傾き」に相当し、位相差ΔΦのグラフを最小自乗法で直線近似して、その勾配から算出した。 FIG. 28 shows the results of an experiment conducted in increments of 0.20 A with the current j flowing through the copper plate being changed from −0.80 A to +0.80 A. On the vertical axis of this figure, the phase difference ΔΦ of the NMR signal that changes during 1 ms is defined as “frequency shift amount Δω [rad / ms] of the NMR signal”. This “frequency shift amount Δω [rad / ms]” corresponds to the “slope of the phase difference ΔΦ” in FIGS. 23, 25, and 27, and the graph of the phase difference ΔΦ is linearly approximated by the method of least squares. It was calculated from the gradient.
このグラフより、銅板に流した電流jと周波数シフト量Δω[rad/ms]は正比例の関係にあることが分かる。この結果を用いれば、シフト量Δω[rad/ms]を計測することで銅板に流した電流jを逆算することができる。 From this graph, it can be seen that the current j flowing through the copper plate and the frequency shift amount Δω [rad / ms] are in a directly proportional relationship. By using this result, the current j flowing through the copper plate can be calculated backward by measuring the shift amount Δω [rad / ms].
NMR信号の周波数を時間の経過に従って増減させる要因は、銅板に流す電流jのみではなく、永久磁石の場合には磁場強度の増減もある。永久磁石の温度が増減すれば、それに反比例するように、磁場強度も増減する。このため、周波数シフトの計測には、時間的に安定した磁場が必要である。 The factor that increases or decreases the frequency of the NMR signal over time is not only the current j flowing through the copper plate, but also the increase or decrease of the magnetic field strength in the case of a permanent magnet. If the temperature of the permanent magnet increases or decreases, the magnetic field strength also increases or decreases in inverse proportion to it. For this reason, a time-stable magnetic field is required for frequency shift measurement.
しかし、永久磁石は熱容量が大きく、急激な温度変化による周波数変化は1分程度の時間であれば、無視できる。このため、NMR信号の周波数シフト量を精度良く計測するには、電流がゼロの時のNMR信号を取得して、その際の基準波との位相差ΔΦ(j=0)を予め求めておき、その後(本実験では10秒後)に、電流jを印加して、電流が流れた時の位相差ΔΦ(j)を求めて、電流により実質的に生じた位相差をΔΦ(j)−ΔΦ(j=0)で求めれば良い。燃料電池の計測では、負荷を変えて、電流を変化させたときの位相差を計測すればよい。この方法により、位相差をより高精度で計測することができる。 However, the permanent magnet has a large heat capacity, and a frequency change due to a rapid temperature change can be ignored if the time is about 1 minute. Therefore, in order to accurately measure the frequency shift amount of the NMR signal, the NMR signal when the current is zero is acquired, and the phase difference ΔΦ (j = 0) with the reference wave at that time is obtained in advance. Then (after 10 seconds in this experiment), the current j is applied to obtain the phase difference ΔΦ (j) when the current flows, and the phase difference substantially caused by the current is expressed as ΔΦ (j) − What is necessary is just to obtain | require with (DELTA) (PHI) (j = 0). In the measurement of the fuel cell, the phase difference when the current is changed by changing the load may be measured. By this method, the phase difference can be measured with higher accuracy.
また、この方法は、基準波の周波数がNMR信号の真の共鳴周波数から少しずれた状態に設定されてしまった場合にも、引き算をすることで、この「ずれ」を相殺できる特徴がある。 In addition, this method has a feature that even when the frequency of the reference wave is set to be slightly deviated from the true resonance frequency of the NMR signal, this “deviation” can be canceled by subtraction.
(実施例2)
本実施例では、MEA(Membrane Electrode Assembly)を用いた水電解運転時の電流jと周波数シフト量ΔΦ(j)との関係を検証した。
MEAはPEM(Polymer Electrolyte Membrane)に電極を接合したものである。ここで用いたMEAは、旭硝子社製の高分子電解質膜に、アノード側にPtとIrを、カソード側にPtを無電解めっきして製作した。MEAの寸法は17mm×15mm角、500μm厚さである。(Example 2)
In this example, the relationship between the current j and the frequency shift amount ΔΦ (j) during water electrolysis operation using MEA (Membrane Electrode Assembly) was verified.
The MEA is obtained by joining an electrode to a PEM (Polymer Electrolyte Membrane). The MEA used here was manufactured by electrolessly plating Pt and Ir on the anode side and Pt on the cathode side on a polymer electrolyte membrane manufactured by Asahi Glass. The dimensions of the MEA are 17 mm × 15 mm square and 500 μm thickness.
MEAは標準化処理をして、実験直前にイオン交換水から引き上げ、適度に水を拭き取った。水電解運転直前のMEAのT2(CPMG)緩和時定数からMEAの含水量は約10[H2O/SO3 -H+]であった。The MEA was standardized, pulled up from the ion exchange water just before the experiment, and wiped off the water appropriately. From the T 2 (CPMG) relaxation time constant of MEA immediately before the water electrolysis operation, the water content of MEA was about 10 [H 2 O / SO 3 − H + ].
小型表面コイルとPt電極がついたポリカーボネイトセルにMEAを挟み、通電した。両電極間に印加した電圧は2〜3.5Vで、電流jは0.10〜0.30Aであった。この通電で、MEAはPEM内に含まれる水を分解し、水素と酸素を放出する。この実験では、水電解中に水は供給していない(無加湿条件)。セルの温度は24℃であった。 The MEA was sandwiched between a polycarbonate cell with a small surface coil and a Pt electrode and energized. The voltage applied between both electrodes was 2 to 3.5 V, and the current j was 0.10 to 0.30 A. With this energization, the MEA decomposes water contained in the PEM and releases hydrogen and oxygen. In this experiment, water is not supplied during water electrolysis (non-humidified condition). The cell temperature was 24 ° C.
MEAに電流jを0.30A流した時に計測されたエコー信号を図29に、これを基に計算した位相差ΔΦを図30に示す。図29および図30より、MEAから取得されたエコー信号では、位相差が時間と共に僅かであるが、進んでいくことが分かる。 FIG. 29 shows an echo signal measured when 0.30 A of current j is passed through the MEA, and FIG. 30 shows a phase difference ΔΦ calculated based on the echo signal. From FIG. 29 and FIG. 30, it can be seen that the echo signal acquired from the MEA progresses although the phase difference is slight with time.
MEAに流す電流jを0.0Aから+0.30Aとして、0.10A刻みで実験し、MEAに流した電流jと周波数シフト量Δω[rad/ms]の関係を図31に示す。この結果の整理の方法は図28と同じである。 The experiment is performed in increments of 0.10 A with the current j flowing through the MEA being 0.0 A to +0.30 A, and FIG. 31 shows the relationship between the current j flowing through the MEA and the frequency shift amount Δω [rad / ms]. The method of organizing the results is the same as in FIG.
図31より、MEAに流した電流jと周波数シフト量Δω[rad/ms]はほぼ正比例の関係にあることが分かる。この結果を用いれば、シフト量Δω[rad/ms]を計測することでMEAに流した電流jを逆算することができる。 It can be seen from FIG. 31 that the current j flowing through the MEA and the frequency shift amount Δω [rad / ms] are in a substantially direct relationship. If this result is used, the current j flowing through the MEA can be calculated backward by measuring the shift amount Δω [rad / ms].
なお、図28と図31を比較すると、同じ電流jを流しても、銅板の場合とMEAの場合ではその周波数シフト量が約4分の1程度に小さいことが分かる。この理由は、銅板を通電する場合には、電流は一様に流れていると考えられるが、MEAでは表面にめっきされたPt触媒電極、(Pt+Ir)触媒電極の電気伝導率が不均一であるために、電流は一様に流れていないと推測される。このため、MEAの電流が小さい部分を小型表面コイルが計測しており、周波数シフト量が小さくなったと推察される。 In addition, comparing FIG. 28 and FIG. 31, it can be seen that even when the same current j is applied, the frequency shift amount is small to about 1/4 in the case of the copper plate and the case of the MEA. The reason for this is that when the copper plate is energized, it is considered that the current flows uniformly, but in MEA, the electrical conductivity of the Pt catalyst electrode plated on the surface and the (Pt + Ir) catalyst electrode is non-uniform. For this reason, it is estimated that the current does not flow uniformly. For this reason, the small surface coil is measuring the part where the current of MEA is small, and it is guessed that the amount of frequency shift became small.
この計測方法の計測精度をさらに向上させる方法としては、均一な電気伝導率のMEAを使用して、電流と周波数シフト量を計測し、校正曲線を作成する方法が挙げられる。また、複数の小型表面コイルをMEAの複数の位置に設置して、周波数シフト量の面内分布を計測し、これを基に電流分布を逆問題として解くことでより正確な電流分布を取得してもよい。 As a method for further improving the measurement accuracy of this measurement method, there is a method of creating a calibration curve by measuring a current and a frequency shift amount using an MEA having a uniform electrical conductivity. In addition, by installing multiple small surface coils at multiple locations on the MEA, measuring the in-plane distribution of the frequency shift amount, and solving the current distribution as an inverse problem based on this, obtains a more accurate current distribution. May be.
(実施例3)
本実施例では、近接した領域に2つの小型コイルを配置して測定を行った際に、それぞれの領域に対応した周波数シフト量が測定され、それぞれの領域に対応した電流値が測定可能であることを確認した。(Example 3)
In the present embodiment, when two small coils are arranged in adjacent areas and measurement is performed, the amount of frequency shift corresponding to each area is measured, and the current value corresponding to each area can be measured. It was confirmed.
具体的には、二つの小型RFコイルを用い、二つの銅板の上に置かれた水試料のNMRを計測した。この際、二つの銅板に流す電流値I1、I2を個別に変え、二つのコイルで同時に取得したNMR信号の周波数シフト量Δωが電流値I1、I2とどのような関係にあるかを実験的に求めた。Specifically, NMR of water samples placed on two copper plates was measured using two small RF coils. At this time, the current values I 1 and I 2 flowing through the two copper plates are individually changed, and the relation between the frequency shift amount Δω of the NMR signal acquired simultaneously by the two coils and the current values I 1 and I 2 . Was experimentally determined.
装置の全体概要を図32に示す。計測対象の水が2枚のカバーガラス(15mm×15mm)に挟まれ、0.5mmの厚さで密封されている。その下に2枚の銅板が密着して置かれ、それらの寸法は19mm×9mmである。銅板はそれぞれ定電流電源につながれており、個別に電流量I1、I2(図中j1、j2)を制御することができる。An overall outline of the apparatus is shown in FIG. The water to be measured is sandwiched between two cover glasses (15 mm × 15 mm) and sealed with a thickness of 0.5 mm. Two copper plates are placed in close contact with each other, and their dimensions are 19 mm × 9 mm. Each of the copper plates is connected to a constant current power source, and the current amounts I 1 and I 2 (j 1 and j 2 in the figure) can be individually controlled.
試料の上には直径1.3mm、3回巻きの小型表面コイルが2つ置かれ、二つのコイルの中心間隔は6mmである。二つのコイルは共に試料に密着している。これらを1Teslaの永久磁石内に挿入し、二つのコイルで同時に励起パルスを照射して、同時にNMR信号を取得した。 Two small surface coils with a diameter of 1.3 mm and three turns are placed on the sample, and the center distance between the two coils is 6 mm. Both coils are in close contact with the sample. These were inserted into a 1 Tesla permanent magnet and irradiated with excitation pulses simultaneously with two coils, and NMR signals were simultaneously acquired.
本実施例で用いたコイルや装置を図33(a)〜図33(c)に示す。図33(a)は、本実施例で用いた小型表面コイルを示す図である。図33(b)は、本実施例で用いた一組のポリカーボネイト製ホルダーを示す図である。また、図33(c)は、本実施例で用いたRFコイルホルダーを示す図である。 The coils and devices used in this example are shown in FIGS. 33 (a) to 33 (c). Fig.33 (a) is a figure which shows the small surface coil used in the present Example. FIG. 33B is a view showing a pair of polycarbonate holders used in this example. FIG. 33C shows the RF coil holder used in this example.
また、図34は、永久磁石が試料に印加している静磁場H0と、銅板に電流を流して作られる磁場H1の方向を示す図である。銅板に正の方向(図中矢印の方向)に電流I1、I2が流れれば、静磁場H0と同じ方向の磁場Hjが試料に印加され、周波数シフト量Δωは増加する。FIG. 34 is a diagram showing the direction of the static magnetic field H 0 applied to the sample by the permanent magnet and the direction of the magnetic field H 1 created by passing a current through the copper plate. If the currents I 1 and I 2 flow in the positive direction (the direction of the arrow in the figure) through the copper plate, the magnetic field H j in the same direction as the static magnetic field H 0 is applied to the sample, and the frequency shift amount Δω increases.
この際、電流I1を流すことで、小型コイル1よりも離れた位置にある小型コイル2の周囲にも弱い磁場が形成され、小型コイル2の周波数も若干だけシフトする。同様に、電流I2を流せば、小型コイル1の周囲に弱い磁場ができて、周波数がシフトする。このように、電流によって形成される磁場は、電流が流れている銅板の周囲だけでなく、離れた位置にある小型表面コイルでも周波数をシフトさせうる。そこで、図32に示した寸法でコイルが置かれた時、電流I1、I2と周波数シフト量とがどのような関係にあるのかを把握し、周波数シフト量を計測することで、電流I1、I2が逆算できるかどうかを検証する必要がある。
そこで、電流I1、I2をそれぞれ独立に変えてNMR信号を取得し、周波数シフト量Δωが電流I1、I2によってどのような依存性を持つのかを計測した。At this time, by passing the current I 1 , a weak magnetic field is also formed around the
Therefore, acquires NMR signals by changing the current I 1, I 2 are each independently a frequency shift amount Δω is measured whether with any dependency by the current I 1, I 2.
本実施例で用いたNMR信号の計測パルスシーケンスと、周波数シフト量の算出方法は、実施例1の方法に準じた。 The NMR signal measurement pulse sequence and the frequency shift amount calculation method used in this example were in accordance with the method of Example 1.
(電流I2=0.0Aの際の電流I1と二つのコイルでの周波数シフト量)
電流I2=0.0Aとした場合に、電流I1を0.2A刻みで変えて計測した二つのコイルでの周波数シフト量を図35に示す。この結果より、コイル1の周波数シフト量は電流I1に正比例し、一定の正の勾配で増加することが分かる。一方、コイル2の周波数シフト量は電流I1と逆比例し、一定の負の勾配で減少し、その勾配の大きさはコイル1の勾配よりも小さな値であることが分かる。この結果は、コイル2から遠い位置にある電流I1に対しても周波数シフトを生じるが、コイル2の周波数シフト量は「鈍感である」と言える。(Current I 1 when current I 2 = 0.0 A and frequency shift amount between two coils)
When the current I 2 = 0.0 A, shows the frequency shift amount in the two coils is measured by changing the current I 1 in increments of 0.2A in Figure 35. From this result, it can be seen that the frequency shift amount of the
(電流I2=0.4Aの際の電流I1と二つのコイルでの周波数シフト量)
次に、電流I2を0.4Aとした場合に、コイル1と2での周波数シフトがどのようになるかを計測した。電流I1を0.2A刻みで変えて計測した二つのコイルでの周波数シフト量を図36に示す。この結果より、コイル1の周波数シフト量は、図35とほぼ等しい結果となり、電流I1に正比例し、その勾配は図35と同じであるが、グラフでは、0.7だけ下にずれた直線となっている。つまり、周波数シフトの絶対値は約0.7rad/msだけ小さな値となった。一方、コイル2の周波数シフト量は、図35に比べて、約3.92rad/msだけ大きな値となっているが、電流I1と逆比例し、その勾配が負で、しかもその勾配がほぼ同じあることが分かる。このコイル2の周波数シフト量は、図35での電流I1=0.4Aでのコイル1の周波数シフト量(4.02rad/ms)にほぼ等しい。(Current I 1 when current I 2 = 0.4 A and frequency shift amount between two coils)
Next, when the current I 2 was set to 0.4 A, the frequency shift in the
この結果から、電流I2を流したことで、コイル1の周波数シフトは0.7rad/msだけ小さく、コイル2の周波数シフト量は約3.92rad/msだけ大きくなったと言える。それ以外の相違はない。From this result, it can be said that by passing the current I 2 , the frequency shift of the
(電流I2=−0.4Aの際の電流I1と二つのコイルでの周波数シフト量)
次に、電流I2を負の値、−0.4Aとした場合に、コイル1と2での周波数シフトがどのようになるかを計測した。図36と同様に、電流I1を0.2A刻みで変えて計測した二つのコイルでの周波数シフト量を図37に示す。(Frequency shift amount of a current I 1 and the two coils during the current I 2 = -0.4A)
Next, the frequency shift in the
この結果は、図36で見られた上下のズレが逆になっただけである。−0.4Aの電流I2を流したことで、コイル1の周波数シフトは0.7rad/msだけ大きく、コイル2の周波数シフト量は約3.8rad/msだけ小さくなったことが分かる。それ以外の相違はない。The result is only that the vertical shift seen in FIG. 36 is reversed. It can be seen that the frequency shift of the
(電流I1=0.0Aの際の電流I2と二つのコイルでの周波数シフト量)
今度は、電流I1をゼロとし、電流I2を0.4A刻みで変えて計測した。二つのコイルでの周波数シフト量を図38に示す。
銅板の形状は1、2で対称であり、コイル1、2の位置もポリカーボネイトセルの中心軸から等しい距離にあるため、計測結果(図38)は図35のコイル1と2を入れ替えた結果と一致する。(Current I 2 when current I 1 = 0.0 A and frequency shift amount between two coils)
This time, the current I 1 was set to zero and the current I 2 was changed by 0.4 A step. The frequency shift amount in the two coils is shown in FIG.
The shape of the copper plate is symmetric between 1 and 2, and the positions of the
(電流I1=0.4Aの際の電流I2と二つのコイルでの周波数シフト量)
次に、電流I1=0.4Aとし、電流I2を0.4A刻みで変えて計測した。二つのコイルでの周波数シフト量を図39に示す。この計測結果(図39)も図36のコイル1と2を入れ替えた結果と一致する。(Current I 2 when current I 1 = 0.4 A and frequency shift amount between two coils)
Next, the current I 1 was set to 0.4 A, and the current I 2 was changed in increments of 0.4 A for measurement. FIG. 39 shows frequency shift amounts in the two coils. This measurement result (FIG. 39) also agrees with the result of replacing
(電流I1=−0.4Aの際の電流I2と二つのコイルでの周波数シフト量)
次に、電流I1を負の−0.4Aとし、電流I2を0.4A刻みで変えて計測した。二つのコイルでの周波数シフト量を図40に示す。この計測結果(図40)も図37のコイル1と2を入れ替えた結果と一致する。(Frequency shift amount of a current I 2 and the two coils during the current I 1 = -0.4A)
Next, the current I 1 was set to negative −0.4 A, and the current I 2 was changed by 0.4 A step. The frequency shift amount in the two coils is shown in FIG. This measurement result (FIG. 40) also agrees with the result of replacing
(周波数シフト量から電流量の換算方法)
以上の実験結果から、一つの試料に複数のコイルを配置した際に、それぞれの領域に対応した周波数シフト量が測定され、それぞれのコイルにおける周波数シフト量から、電流分布の逆算が可能であることがわかる。
なお、計測対象に電流分布があり、複数個所の小型表面コイルを用いてNMR信号の周波数シフト量から電流量を換算する方法は、以下の二通りがあると考える。
(i)第ゼロ近似として「周波数シフト量はコイルが置かれた近傍の電流量に比例する」と見なして算出する方法
(ii)電流分布を仮定し、電流と磁場の関係(ビオ・サバールの法則)を用いて、複数個所の周波数シフト量がすべてつじつまの合うように電流分布を「逆問題」として解く方法(Conversion method of current amount from frequency shift amount)
From the above experimental results, when multiple coils are arranged in one sample, the frequency shift amount corresponding to each region is measured, and the current distribution can be calculated backward from the frequency shift amount in each coil. I understand.
It should be noted that there is a current distribution in the measurement target, and there are two methods for converting the current amount from the frequency shift amount of the NMR signal using a plurality of small surface coils.
(I) Method of calculating by assuming that “the frequency shift amount is proportional to the amount of current in the vicinity of the coil” as the zero approximation (ii) Assuming a current distribution, the relationship between the current and the magnetic field (Bio Savart's To solve the current distribution as an "inverse problem" so that the frequency shifts at multiple locations are all consistent.
上記(i)は、上記の計測結果から、コイル近くの電流量に周波数シフト量が強く依存することを利用する方法である。
また、上記(ii)において逆問題を解く際には、全電流量の値、たとえば、I1+I2が必要であるが、これは容易に計測できる。この方法によれば、より一層正確な電流分布の算出が期待できる。The above (i) is a method using the fact that the frequency shift amount strongly depends on the current amount near the coil from the measurement result.
Further, when solving the inverse problem in the above (ii), the value of the total current amount, for example, I 1 + I 2 is necessary, but this can be easily measured. According to this method, a more accurate calculation of the current distribution can be expected.
(実施例4)
上述した実施例3では、スピンエコー法を用いて2つの小型コイルを配置した時の電流値を測定した。具体的には、ある時間間隔でのエコー信号の位相変化量(周波数シフト量Δωと同等)から電流を求めていた。Example 4
In Example 3 described above, the current value was measured when two small coils were arranged using the spin echo method. Specifically, the current is obtained from the phase change amount (equivalent to the frequency shift amount Δω) of the echo signal at a certain time interval.
しかし、NMR信号はエコー信号に限るわけではなく、FID信号からであっても、全く同様な方法により、電流を計測することができる。 However, the NMR signal is not limited to the echo signal, and even from the FID signal, the current can be measured by the same method.
そこで、本実施例では、2つの小型コイルを配置した時の電流値をFID信号により測定できることを確認した。 Therefore, in this example, it was confirmed that the current value when two small coils are arranged can be measured by the FID signal.
本実施例においても、実施例3と同様に、図32および図34を参照して前述した装置を用いた。 Also in this example, as in Example 3, the apparatus described above with reference to FIGS. 32 and 34 was used.
なお、本実施例では、図32および図34中左側の銅板にのみ電流量I1を流し、もう一方の右側の銅板には電流を流さない状態(電流量I2=0)で計測を行った。そして、電流I2をゼロとし、電流値I1のみを変えてNMR信号(FID)を取得し、周波数シフト量Δωが電流I1によってどのような依存性を持つのかを計測した。In this embodiment, the current amount I 1 is supplied only to the left copper plate in FIGS. 32 and 34, and the current is not supplied to the other right copper plate (current amount I 2 = 0). It was. Then, the current I 2 was set to zero, and only the current value I 1 was changed to obtain an NMR signal (FID), and the dependence of the frequency shift amount Δω on the current I 1 was measured.
本実施例で用いたNMR信号の計測パルスシーケンスでは、40μsの幅を持つ矩形波状の励起パルスを10秒間に1度照射し、その励起パルスの強度は磁化ベクトルを90度だけ励起するように調整されている。
以下、図中左側の小型表面コイル1で取得したFID信号の解析結果を示す。In the NMR signal measurement pulse sequence used in this example, a rectangular wave excitation pulse having a width of 40 μs is irradiated once every 10 seconds, and the intensity of the excitation pulse is adjusted so as to excite the magnetization vector by 90 degrees. Has been.
Hereinafter, the analysis result of the FID signal acquired by the
(電流I1=0.0Aの際のFID波形と位相の変化量(周波数シフト量))
電流I1=0.0Aの際に取得されたFID波形を図42に示す。この際のFIDは、T2 *緩和時定数によって減衰する波形を示す。FIDは横軸のtime=20msまで有意に観測できていることが分かる。(FID waveform and phase change amount (frequency shift amount) when current I 1 = 0.0 A)
FIG. 42 shows an FID waveform acquired when the current I 1 = 0.0 A. The FID at this time shows a waveform that attenuates due to the T 2 * relaxation time constant. It can be seen that FID can be observed significantly until time = 20 ms on the horizontal axis.
図42を基に、arctan(Real/Imaginary)を算出して得られたFIDの位相を図43に示す。time=15msまでのFIDからは、位相がそれほど分散することなく算出できることが分かる。 The phase of the FID obtained by calculating arctan (Real / Imaginary) based on FIG. 42 is shown in FIG. It can be seen from the FID up to time = 15 ms that the phase can be calculated without much dispersion.
また、図43を基にして、FIDの位相(5点の平均値)の時間経過を横軸の5.4msから8.3msまで図示したものが図44である。図44より、電流I1=0.0Aでは、位相は時間に対してほとんど一定の値をとることがわかる。FIG. 44 shows the time course of the FID phase (average value of five points) from 5.4 ms to 8.3 ms on the horizontal axis based on FIG. From FIG. 44, it can be seen that when the current I 1 is 0.0 A, the phase has a substantially constant value with respect to time.
(電流I1=0.40Aの際のFID波形と位相の変化量(周波数シフト量))
電流I1=0.40Aの際に取得されたFID波形を図45に示す。この場合に観測されるFIDは、電流を流したことにより静磁場の不均一性が強くなり、横軸がtime=12ms辺りでほとんど信号が見えなくなる。これより、図42に比べて、図45のFIDはより短いT2 *緩和時定数によって減衰する波形となる。(FID waveform and phase change amount (frequency shift amount) when current I 1 = 0.40A)
FIG. 45 shows the FID waveform obtained when the current I 1 = 0.40A. In the FID observed in this case, the non-uniformity of the static magnetic field becomes strong due to the current flow, and the signal is hardly visible when the horizontal axis is around time = 12 ms. Thus, compared to FIG. 42, the FID of FIG. 45 has a waveform that decays with a shorter T 2 * relaxation time constant.
図45を基に、arctan(Real/Imaginary)を算出して得られたFIDの位相を図46に示す。図46を見ると、time=10msあたりまでは位相が有意に計算できているが、それ以降の位相は分散が大きく、有意な位相が算出できているとは言えない。電流を流すことにより、静磁場の不均一性が増し、FID信号が強く観測できる時間が短くなっていることが分かる。 FIG. 46 shows the FID phase obtained by calculating arctan (Real / Imaginary) based on FIG. As shown in FIG. 46, the phase can be calculated significantly until time = 10 ms, but it cannot be said that the phase after that has a large variance and a significant phase can be calculated. It can be seen that by applying a current, the non-uniformity of the static magnetic field increases, and the time during which the FID signal can be observed strongly is shortened.
FID信号とエコー信号で観測し、位相変化量を算出する際の相違は以下の点にある。すなわち、FIDではT2 *緩和時定数の増減によって「位相が有意に算出できるNMR信号の観測時間が電流量によって増減」し、一方、エコー信号の場合には、それがほぼ一定である。得られたNMR信号を解析する観点からは、エコー信号のように「位相が解析できるようなNMR信号が観測できている時間が一定である」方が好ましい。Differences in calculating the phase change amount observed with the FID signal and the echo signal are as follows. That is, in the FID, the “observation time of the NMR signal whose phase can be calculated significantly increases / decreases depending on the amount of current” by increasing / decreasing the T 2 * relaxation time constant, whereas in the case of an echo signal, it is almost constant. From the viewpoint of analyzing the obtained NMR signal, it is preferable that “the time during which the NMR signal that can analyze the phase can be observed is constant” like the echo signal.
図46を基にして、電流I1=0.40Aの際のFID波形の位相の変化量を図47に示す。図44に示した電流I1=0.0Aの位相の変化に比較して、図47では位相の変化量の勾配が大きくなっていることが分かる。Based on FIG. 46, FIG. 47 shows the amount of change in the phase of the FID waveform when the current I 1 is 0.40 A. Compared to the phase change of the current I 1 = 0.0 A shown in FIG. 44, it can be seen that the gradient of the phase change amount is larger in FIG.
図43と図46を基にして、実施例1の方法に準じてFIDの位相の時間経過から「ある時間の間で位相が変化する量(周波数シフト量Δω)」を算出した。電流I1=0.40Aの際のFID波形から算出された「ある時間間隔での位相の変化量」つまりΔωは4.17rad/msであった。Based on FIGS. 43 and 46, the “amount of phase change during a certain time (frequency shift amount Δω)” was calculated from the lapse of time of the FID phase according to the method of Example 1. The “phase change amount at a certain time interval” calculated from the FID waveform when the current I 1 = 0.40 A, that is, Δω was 4.17 rad / ms.
(電流I1=0.80Aの際のFID波形と位相の変化量(周波数シフト量))
電流I1を0.80Aに増加させた際に取得されたFID波形を図48に示す。この場合に観測されるFIDは、さらに大きい電流を流したことにより静磁場の不均一性がより一層強くなり、横軸がtime=9ms辺りでほとんど信号が見えなくなる。これより、図42や図45に比べて、図48のFIDはより短いT2 *緩和時定数によって減衰する波形となる。(FID waveform and phase change amount (frequency shift amount) when current I 1 = 0.80 A)
FIG. 48 shows the FID waveform obtained when the current I 1 is increased to 0.80 A. In the FID observed in this case, the non-uniformity of the static magnetic field is further increased by flowing a larger current, and almost no signal is visible when the horizontal axis is around time = 9 ms. Thus, the FID of FIG. 48 has a waveform that attenuates with a shorter T 2 * relaxation time constant than FIG. 42 and FIG.
また、先の方法と同様に、図48を基にarctan(Real/Imaginary)を算出して得られたFIDの位相を図49に示す。図49では、time=8.5ms程度までしか位相が有意に計算できないことが分かる。それ以降の位相は分散が大きく、有意な位相が算出できていない。 Similarly to the previous method, FIG. 49 shows the FID phase obtained by calculating arctan (Real / Imaginary) based on FIG. In FIG. 49, it can be seen that the phase can be calculated significantly only up to about time = 8.5 ms. The phase after that has a large variance, and a significant phase cannot be calculated.
図49を基にして、電流I1=0.80Aの際のFID波形の位相の変化量を図50に示す。図44および図47の位相の変化量に比較して、図50では位相の変化量の勾配が大きくなっていることが分かる。Based on FIG. 49, FIG. 50 shows the amount of change in the phase of the FID waveform when the current I 1 is 0.80 A. It can be seen that the gradient of the phase change amount is larger in FIG. 50 than the phase change amount of FIGS. 44 and 47.
図50のFIDの位相の時間経過を基にして、電流I1=0.80Aの際のFID波形から算出された「ある時間間隔での位相の変化量」つまりΔωは8.01rad/msであった。Based on the time course of the FID phase in FIG. 50, the “phase change amount at a certain time interval” calculated from the FID waveform when the current I 1 is 0.80 A, that is, Δω is 8.01 rad / ms. there were.
(電流I1=−0.40Aの際のFID波形と位相の変化量(周波数シフト量))
次に、電流を流す方向を逆にして、電流I1=−0.40Aの際に取得されたFID波形を図51に示す。この場合に観測されるFIDは、電流が逆方向に流れ、磁場方向が逆になったことで、RealとImaginary波形の進行が、図45と比べて、逆転していることが分かる。(FID waveform and phase change amount (frequency shift amount) when current I 1 = −0.40 A)
Next, FIG. 51 shows the FID waveform obtained when the direction of current flow is reversed and the current I 1 = −0.40 A. In the FID observed in this case, it can be seen that the progress of the Real and Imaginary waveforms is reversed as compared with FIG. 45 because the current flows in the reverse direction and the magnetic field direction is reversed.
図51を基に、arctan(Real/Imaginary)を算出して得られたFIDの位相を図52に示す。この図では、位相が時間と共に後退(負の勾配で進行)していくことが分かる。 FIG. 52 shows the FID phase obtained by calculating arctan (Real / Imaginary) based on FIG. In this figure, it can be seen that the phase reverses (progresses with a negative gradient) with time.
図52を基にして、電流I1=−0.40Aの際のFID波形の位相の変化量を図53に示す。図47の電流I1=0.40Aの位相の変化量の勾配が正で進行していくのに比較して、図53では位相の変化量の勾配が負になっていることが分かる。Based on FIG. 52, FIG. 53 shows the amount of change in the phase of the FID waveform when current I 1 = −0.40 A. It can be seen from FIG. 53 that the slope of the phase change amount is negative in FIG. 53, compared to the case where the slope of the phase change amount of current I 1 = 0.40 A in FIG.
図53のFIDの位相の時間経過を基にして、電流I1=−0.40Aの際のFID波形から算出された「ある時間間隔での位相の変化量」つまりΔωは−4.19rad/msであった。Based on the passage of time of the FID phase in FIG. 53, the “phase change amount at a certain time interval” calculated from the FID waveform when the current I 1 = −0.40 A, that is, Δω is −4.19 rad / ms.
(電流I1と「ある時間間隔での位相の変化量(周波数シフト量)」の関係)
電流I2=0.0Aとした場合に、電流I1を0.2A刻みで変えて計測した小型表面コイル1での周波数シフト量を図54に示す。この結果より、コイル1の周波数シフト量は電流I1に正比例していることが分かる。(Relationship between current I 1 and “phase change amount (frequency shift amount) at a certain time interval”)
When the current I 2 = 0.0 A, shows the frequency shift amount of a
また、本実施例および実施例3の結果より、電流による「ある時間間隔での位相の変化量(周波数シフト量)」は、電流値に対してFIDでもエコー信号でもほぼ同じ変化量となることが分かる。
具体的には、図35のコイル1での周波数シフト量と図54のそれとを比較すれば、両者の直線はほぼ同じ勾配で、縦軸との交点の値も同じであることが分かる。これより、FIDであっても、エコー信号であっても、電流に対する周波数シフト量はほぼ同じであり、どちらか一方の方法で電流と周波数シフト量との関係式(校正式)を作成しておけば、方法に区別なく、周波数シフト量から電流値を算出する際に用いることができる。Further, from the results of the present embodiment and the third embodiment, the “phase change amount at a certain time interval (frequency shift amount)” due to the current is substantially the same change amount for the FID and echo signal with respect to the current value. I understand.
Specifically, if the frequency shift amount in the
(実施例5)
本実施例では、一枚の銅板に電流を流した際に形成される磁場と、それによって生ずるNMR信号の周波数シフト量を解析した。そして、解析で得られた周波数シフト量と、実測された周波数シフト量がよく一致していることを確認した。(Example 5)
In this example, the magnetic field formed when a current was passed through one copper plate and the frequency shift amount of the NMR signal generated thereby were analyzed. Then, it was confirmed that the frequency shift amount obtained by the analysis and the actually measured frequency shift amount were in good agreement.
(実施例5−1)
以下の方法で、一枚の銅板に電流を流した際に形成される磁場と、それによって生ずるNMR信号の周波数シフト量を解析した。なお、試料は1Hの水とした。(Example 5-1)
With the following method, the magnetic field formed when a current was passed through one copper plate and the frequency shift amount of the NMR signal generated thereby were analyzed. The sample was 1 H water.
はじめに、解析原理を説明する。
導電体に電流Iが流れると、ビオ・サバールの法則から導電体の周囲に磁場Hiが形成される。その磁場強度は電流Iに比例する。この磁場を解析によって求める。First, the analysis principle will be described.
When the current I flows through the conductor, a magnetic field H i is formed around the conductor according to Bio-Savart's law. The magnetic field strength is proportional to the current I. This magnetic field is obtained by analysis.
NMR計測では、磁石によって、試料に静磁場H0を印加する。図55は、静磁場H0および後述する磁場Hiの方向を示す図である。
また、導電体はその静磁場内に置かれ、電流Iが、図55中、左から右に流れるとする。この電流により、導電体の周囲には磁場H1が形成される。
この結果、試料に印加される磁場は、磁石による静磁場H0と電流により形成されるHiとの和となる。In NMR measurement, a static magnetic field H 0 is applied to a sample by a magnet. FIG. 55 is a diagram showing directions of a static magnetic field H 0 and a magnetic field H i described later.
Further, it is assumed that the conductor is placed in the static magnetic field, and the current I flows from left to right in FIG. Due to this current, a magnetic field H 1 is formed around the conductor.
As a result, the magnetic field applied to the sample is the sum of the static magnetic field H 0 by the magnet and H i formed by the current.
さらに、NMR信号の周波数ω[Hz]は、次式のように、磁場強度H[gauss]に比例する。
ω=γH
=γ(H0+Hi)
上記式中、γは核磁気回転比[Hz/gauss]であり、水素原子核1Hの場合には、4260Hz/gaussである。Furthermore, the frequency ω [Hz] of the NMR signal is proportional to the magnetic field strength H [gauss] as shown in the following equation.
ω = γH
= Γ (H 0 + H i )
In the above formula, γ is the nuclear gyromagnetic ratio [Hz / gauss], and in the case of the hydrogen nucleus 1 H, it is 4260 Hz / gauss.
上記式より、本実施例では、導電体に電流Iが流れることによって増減する磁場Hiを、周波数シフト量Δω[Hz]として求める。The above equation, in the present embodiment, the magnetic field H i to increase or decrease by the current I flowing in the conductors, determined as the frequency shift amount [Delta] [omega [Hz].
図56は、本実施例の磁場解析における銅板、RF検出コイルおよび水試料の位置を示す斜視図である。
図56において、導電体に流れる電流Iが作る磁場Hiは、ビオ・サバールの法則に基づいて算出することができる。具体的には、導電体が真空中(透磁率が4π×10-7N/A2)に置かれた場合に、導電体が位置(xp,yp,zp)に作る磁場Hi(xp,yp,zp)は、下記式で表される。なお、図57は、下記式における座標系を示す図である。FIG. 56 is a perspective view showing the positions of the copper plate, the RF detection coil, and the water sample in the magnetic field analysis of this example.
In FIG. 56, the magnetic field H i created by the current I flowing through the conductor can be calculated based on Bio-Savart's law. Specifically, when the conductor is placed in a vacuum (the permeability is 4π × 10 −7 N / A 2 ), the magnetic field H i that the conductor creates at the position (x p , y p , z p ). (X p , y p , z p ) is represented by the following equation. FIG. 57 is a diagram showing a coordinate system in the following equation.
上記式中の記号は、それぞれ、以下を示す。
Hi:位置rでの磁場の強さ[A/m](ベクトル)
r:空間中の点Pの位置(xp,yp,zp)[m](ベクトル)
r':コイル上の点Qの位置(xq,yq,zq)[m](ベクトル)
I:電流[A](スカラー)
t:電流が流れる方向を表す単位ベクトル(銅板では一様に図中上向きである。)[−](ベクトル)The symbols in the above formulas respectively indicate the following.
H i : Magnetic field strength at position r [A / m] (vector)
r: position (x p , y p , z p ) [m] (vector) of point P in space
r ′: position of the point Q on the coil (x q , y q , z q ) [m] (vector)
I: Current [A] (scalar)
t: a unit vector representing the direction in which the current flows (the copper plate is uniformly upward in the figure) [-] (vector)
また、上記式の積分を実行する際には、以下のような近似計算法を用いて数値的に算出した。
すなわち、銅板は長方形であり、電流は銅板内を一様に流れるとして、銅板を小さな要素に分割し、その要素には等しく分割された電流量が流れると仮定した。具体的には、点Qの小さな要素があり、その要素ごとに電流が流れ、それら複数の点Qの要素が点Pに磁場を作ることになる。この点Pの磁場は、上記式を用いて、点Qのすべての要素を積分することで計算した。
本解析では、銅板の長手方向(図57中、L方向)を均等に64分割、幅方向(図57中、W方向)を均等に32分割した。Further, when the integration of the above formula was executed, it was numerically calculated using the following approximate calculation method.
That is, assuming that the copper plate is rectangular and the current flows uniformly in the copper plate, the copper plate is divided into small elements, and it is assumed that an equally divided amount of current flows through the elements. Specifically, there is an element having a small point Q, a current flows for each element, and the elements at the plurality of points Q create a magnetic field at the point P. The magnetic field at this point P was calculated by integrating all the elements at point Q using the above formula.
In this analysis, the longitudinal direction (L direction in FIG. 57) of the copper plate was equally divided into 64, and the width direction (W direction in FIG. 57) was equally divided into 32.
以上の前提に基づき、電流I[A]が流れる際に、銅板中心(xp=0mm、yp=0mm)上に形成されるx方向の磁場Hxのz方向分布を解析した。Based on the above assumption, when the current I [A] flows, the z direction distribution of the magnetic field H x in the x direction formed on the center of the copper plate (x p = 0 mm, y p = 0 mm) was analyzed.
図58は、解析結果を示す図である。図58では、電流Iを、−1[A]、−0.5[A]、0[A]、0.5[A]および1[A]と変化させた際の結果を示している。また、図58において、縦軸の周波数シフト量Δωの単位は、[rad/ms]である。さらに、後述する実施例5−2の実験結果と対照するため、Hzに2πを掛けてradに換算し、sを1000で除してmsに換算した。
また、図58中に矢印で示した「計測位置」は、RF検出コイルが計測する水試料の位置であり、zp=0.45mmである。図58より、この位置の周波数シフト量Δωの分布はほとんど平らになっている。銅板近傍は非常に急峻な分布であるが、銅板からわずかに離れるだけで、その分布はほぼ平らになっていることが分かる。この平らな領域が計測領域となる。この領域の周波数シフト量Δωが電流の大きさによって増減する。この周波数シフト量Δωを計測することで、電流を逆算することができる。FIG. 58 is a diagram showing an analysis result. FIG. 58 shows the results when the current I is changed to −1 [A], −0.5 [A], 0 [A], 0.5 [A], and 1 [A]. In FIG. 58, the unit of the frequency shift amount Δω on the vertical axis is [rad / ms]. Furthermore, in order to contrast with the experimental result of Example 5-2 mentioned later, 2π was multiplied by 2π and converted to rad, and s was divided by 1000 and converted to ms.
Further, the “measurement position” indicated by the arrow in FIG. 58 is the position of the water sample measured by the RF detection coil, and z p = 0.45 mm. From FIG. 58, the distribution of the frequency shift amount Δω at this position is almost flat. It can be seen that the vicinity of the copper plate has a very steep distribution, but the distribution is almost flat just by moving slightly away from the copper plate. This flat area becomes the measurement area. The frequency shift amount Δω in this region increases / decreases depending on the magnitude of the current. By measuring this frequency shift amount Δω, the current can be calculated backward.
図59は、RF検出コイルが計測する水試料の位置での周波数シフト量Δωと電流Iとの関係を示す図である。図59より、両者の関係は正比例の関係にあることがわかる。また、周波数シフト量Δωから電流Iが容易に換算できることがわかる。 FIG. 59 is a diagram showing the relationship between the frequency shift amount Δω and the current I at the position of the water sample measured by the RF detection coil. As can be seen from FIG. 59, the relationship between the two is directly proportional. It can also be seen that the current I can be easily converted from the frequency shift amount Δω.
(実施例5−2)
本実施例では、小型表面コイルを用いて周波数シフト量を計測し、実施例5−1の結果と比較した。(Example 5-2)
In this example, the amount of frequency shift was measured using a small surface coil and compared with the result of Example 5-1.
銅板、RF検出コイル、水試料(純水)を、図55に示した位置関係となるように配置して、銅板に流れる電流Iと周波数シフト量Δωとの関係を計測した。
なお、小型表面コイルとして、ポリウレタン皮膜の線径50μmの銅線を用い、これを外径1.3mmで渦巻状に3回平面状に巻いて製作した。図60は、本実施例で作製した小型表面コイルを示す図である。
NMR計測システムとしては、エム・アール・テクノロジー社製のベースシステムを高感度化して用いた。また、磁石は、NEOMAX社製の磁場強度1.0Tesla、エアギャップ45mmの改良ハルバッハ型磁気回路を用いた。A copper plate, an RF detection coil, and a water sample (pure water) were arranged so as to have the positional relationship shown in FIG. 55, and the relationship between the current I flowing through the copper plate and the frequency shift amount Δω was measured.
In addition, as a small surface coil, a copper wire with a polyurethane film wire diameter of 50 μm was used, and this was manufactured by winding it three times in a spiral shape with an outer diameter of 1.3 mm. FIG. 60 is a diagram showing a small surface coil produced in this example.
As the NMR measurement system, a base system manufactured by MRL Technology was used with high sensitivity. As the magnet, a modified Halbach type magnetic circuit having a magnetic field strength of 1.0 Tesla and an air gap of 45 mm manufactured by NEOMAX was used.
図61は、銅板に流した電流I[A]と、計測した周波数シフト量Δω[rad/ms]との関係を示す図である。なお、図61には、図59の磁場解析の結果から求められた関係(実線)も合わせて示した。
図61より、本実施例の計測値が、実施例5−1の解析値によく一致しているのが分かる。従って、銅板の電流値(−1A〜1A)に対応したNMR信号の周波数シフト量Δωが実験で計測できており、両者の関係が正比例の関係にあることが分かる。FIG. 61 is a diagram showing the relationship between the current I [A] flowing through the copper plate and the measured frequency shift amount Δω [rad / ms]. FIG. 61 also shows the relationship (solid line) obtained from the magnetic field analysis results of FIG.
From FIG. 61, it can be seen that the measured values of the present example are in good agreement with the analysis values of Example 5-1. Therefore, the frequency shift amount Δω of the NMR signal corresponding to the current value (−1A to 1A) of the copper plate can be experimentally measured, and it can be seen that the relationship between the two is directly proportional.
(実施例6)
本実施例では、MEAを水電解運転する際の周波数シフト量の多点計測を行った。(Example 6)
In this example, multipoint measurement of the frequency shift amount when the MEA was water electrolyzed was performed.
(実施例6−1)
本実施例では、後述する実施例6−2における実測に先立ち、MEAを一次元的な等価回路でモデル化した際の磁場の解析を行った。(Example 6-1)
In this example, prior to actual measurement in Example 6-2, which will be described later, the magnetic field was analyzed when the MEA was modeled with a one-dimensional equivalent circuit.
図62は、本実施例における解析に用いたMEAの概略構成を示す断面図である。図62に示したように、MEAは、電極と高分子電解質膜の集合体であり、高分子電解質膜(PEM)が上下の集電体で挟まれた構造である。 FIG. 62 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the MEA used for the analysis in this example. As shown in FIG. 62, the MEA is an assembly of an electrode and a polymer electrolyte membrane, and has a structure in which a polymer electrolyte membrane (PEM) is sandwiched between upper and lower current collectors.
本実施例の解析では、MEAの寸法を23mm×20mm角、厚さ356μmとした。また、集電体は、厚さ300μmのカーボンメッシュとした。
高分子電解質膜の一方の面に、PtとIrを無電解めっきしてアノード側触媒層とした。また、高分子電解質膜の他方の面に、触媒としてPtを無電解めっきして、カソード側触媒層とした。
本実施例の磁場解析では、電気抵抗の大きい触媒層には電流が流れず、電流は集電体を流れると仮定した。In the analysis of this example, the dimensions of the MEA were 23 mm × 20 mm square and the thickness was 356 μm. The current collector was a carbon mesh having a thickness of 300 μm.
One side of the polymer electrolyte membrane was electrolessly plated with Pt and Ir to form an anode side catalyst layer. Further, Pt as a catalyst was electrolessly plated on the other surface of the polymer electrolyte membrane to form a cathode side catalyst layer.
In the magnetic field analysis of this example, it was assumed that no current flows through the catalyst layer having a large electric resistance, and the current flows through the current collector.
RF検出コイルは内径0.6mm、5回巻きのものを用いた。コイルの位置は、MEAの中心を原点として、x=−4.4mmおよび2.1mmの二箇所である。コイルの間隔は6.5mmである。コイルの深さ方向の計測領域はコイル直径の5分の1程度であり、PEM表面から0.1mm程度の円盤状の領域内である。 An RF detection coil having an inner diameter of 0.6 mm and five turns was used. There are two coil positions, x = −4.4 mm and 2.1 mm, with the center of the MEA as the origin. The distance between the coils is 6.5 mm. The measurement region in the coil depth direction is about one-fifth of the coil diameter, and is within a disk-shaped region of about 0.1 mm from the PEM surface.
図62において、RF検出コイルは、カーボンメッシュの下側(電解質膜側)に埋め込まれ、MEAの内部にある触媒付きPEMに接している。また、RF検出コイルはすぐ上部のカーボンメッシュと、下部のもう一つのカーボンメッシュに挟まれている。このような二枚の導電体が作る磁場は、図55で扱ったような、一枚の導電体の場合とは異なる。 In FIG. 62, the RF detection coil is embedded on the lower side (electrolyte membrane side) of the carbon mesh and is in contact with the PEM with catalyst inside the MEA. Also, the RF detection coil is sandwiched between the upper carbon mesh and the lower carbon mesh. The magnetic field created by such two conductors is different from the case of one conductor as shown in FIG.
すなわち、図62において、MEAを水電解運転で動作させる状態を考える。MEAのアノード側集電極(集電体)を陽極に、カソード側集電極を陰極として、直流電圧を印加し、電流Iを流す。アノード側集電極に流れる電流をI1、カソード側集電極に流れる電流をI2とする。That is, in FIG. 62, consider a state in which the MEA is operated in the water electrolysis operation. With the anode side collector (current collector) of the MEA as the anode and the cathode side collector as the cathode, a DC voltage is applied and current I flows. The current flowing through the anode side collector electrode is I 1 , and the current flowing through the cathode side collector electrode is I 2 .
この状態で集電極とPEMを流れる電流を図63のように仮定した。すなわち、アノード側集電極の左端部に電流が供給され、カソード側ではアノード側と逆側端から電流が流れ出ると仮定した。
さらに、PEM内をプロトンが一様に透過し、PEM面内の全領域で等しい抵抗値を持つと仮定した。
この仮定に基づくと、アノード側集電極およびカソード側集電極に流れる電流分布はx方向に対してどちらも共に直線的に減少または増加する分布となる。これをMEAの等価回路と仮定した。In this state, the current flowing through the collector electrode and the PEM was assumed as shown in FIG. That is, it was assumed that current was supplied to the left end portion of the anode-side collector electrode, and current flowed out from the anode side and the opposite end on the cathode side.
Furthermore, it was assumed that protons permeate uniformly through the PEM and have the same resistance value in all regions within the PEM plane.
Based on this assumption, the distribution of current flowing through the anode-side collector electrode and the cathode-side collector electrode is a distribution that decreases or increases both linearly with respect to the x direction. This was assumed to be an MEA equivalent circuit.
以上の前提のもと、本実施例では、電源から供給される電流Iが1.2Aの時に、PEM内に形成される磁場を実施例5に記載された方法によって解析し、小型表面コイルが置かれた位置でのNMR信号の周波数シフト量を算出した。
Based on the above premise, in this embodiment, when the current I supplied from the power source is 1.2 A, the magnetic field formed in the PEM is analyzed by the method described in
図64は、図63に示した断面a−aと断面b−bの位置に対して解析した周波数シフト量Δωを示す図である。図64において、横軸は、周波数シフト(rad/ms)を示し、縦軸は、PEMの厚さ方向の位置z(mm)を示す。コイルは最上端に置かれており、縦軸のz位置は、z=−178μmでPEMの最上端(Pt+Ir側)となり、z=178μmで最下端(Pr側)となる。 FIG. 64 is a diagram showing the frequency shift amount Δω analyzed with respect to the positions of the cross section aa and the cross section bb shown in FIG. 63. In FIG. 64, the horizontal axis indicates the frequency shift (rad / ms), and the vertical axis indicates the position z (mm) in the thickness direction of the PEM. The coil is placed at the uppermost end, and the z position on the vertical axis is the uppermost end (Pt + Ir side) of the PEM when z = −178 μm, and the lowermost end (Pr side) when z = 178 μm.
図64より、RF検出コイルAが置かれた位置(x=2.1mm)でのz軸方向(PEMの厚さ方向)の周波数シフト量Δω(実線)、および、RF検出コイルBが置かれた位置(x=−4.4mm)でのz軸方向の周波数シフト量Δω(破線)がわかる。
図64より、RF検出コイルAが置かれた位置での周波数シフト量、すなわち断面a−a(図63)での周波数シフト量は、上側から下側に向かって約6rad/msから約1rad/msへと減少していく。断面a−aでは、上側集電極に流れる電流I1(at section a−a)が、下側集電極に流れる電流I2(at section a−a)よりも大きい(I1>I2)。From FIG. 64, the frequency shift amount Δω (solid line) in the z-axis direction (PEM thickness direction) at the position (x = 2.1 mm) where the RF detection coil A is placed, and the RF detection coil B are placed. The frequency shift amount Δω (broken line) in the z-axis direction at the position (x = −4.4 mm) is found.
64, the frequency shift amount at the position where the RF detection coil A is placed, that is, the frequency shift amount in the section aa (FIG. 63) is from about 6 rad / ms to about 1 rad / ms from the upper side to the lower side. It decreases to ms. In cross-section a-a, the current I 1 flowing through the upper current electrode (at section a-a) is larger than the current I 2 flowing through the lower collecting electrode (at section a-a) ( I 1> I 2).
一方、RF検出コイルBが置かれた位置、すなわち断面b−b(図63)では、反対に、下側集電極に流れる電流I2(at section b−b)が、上側集電極に流れる電流I1(at section b−b)よりも大きい(I2>I1)。その結果、断面b−bでの周波数シフト量は、断面a−aでの周波数シフト量とは逆符号となる。また、断面b−bでの周波数シフト量は、PEMの上側から下側に向かって約0rad/msから約−4rad/msへと減少していく。On the other hand, at the position where the RF detection coil B is placed, that is, the cross-section bb (FIG. 63), on the contrary, the current I 2 (at section bb) flowing through the lower collector electrode is the current flowing through the upper collector electrode. It is larger than I 1 (at section bb) (I 2 > I 1 ). As a result, the frequency shift amount in the cross section bb is opposite in sign to the frequency shift amount in the cross section aa. Further, the frequency shift amount in the cross section bb decreases from about 0 rad / ms to about -4 rad / ms from the upper side to the lower side of the PEM.
(実施例6−2)
本実施例では、図62に示したMEAを水電解運転した際の周波数シフト量分布を計測し、実施例6−1の解析結果と比較した。
(MEA)
旭硝子社製の高分子電解質膜の一方の面(アノード側)にPtとIrを無電解めっきし、他方の面(カソード側)にPtを無電解めっきして、MEAを製作した。MEAの寸法は23mm×20mm角、厚さ356μmとした。(Example 6-2)
In this example, the frequency shift amount distribution when the MEA shown in FIG. 62 was water electrolyzed was measured and compared with the analysis result of Example 6-1.
(MEA)
An MEA was manufactured by electrolessly plating Pt and Ir on one surface (anode side) of a polymer electrolyte membrane manufactured by Asahi Glass Co., and electrolessly plating Pt on the other surface (cathode side). The dimensions of the MEA were 23 mm × 20 mm square and the thickness was 356 μm.
図62に示したように、得られたMEAを、厚さ300μmのカーボンメッシュ(ジャパンゴアテックス社製)で挟み込んだ。なお、カーボンメッシュとMEAを挟む際には、厚さ0.03mmのPt電極箔も共に挟みつけた。 As shown in FIG. 62, the obtained MEA was sandwiched between carbon meshes having a thickness of 300 μm (manufactured by Japan Gore-Tex). In addition, when sandwiching the carbon mesh and MEA, a 0.03 mm thick Pt electrode foil was also sandwiched.
電源からの電流は、導線からPt電極箔、カーボンメッシュ、MEA、カーボンメッシュ、Pt電極箔、導線をこの順に流れて、電源に戻る。
水電解運転時の印加電圧は約3V、電流密度は0.26A/cm2であった。水電解運転時のMEAの温度は室温程度であった。なお、本実施例では、MEAへの水蒸気供給は行っていない。The current from the power source flows from the conducting wire through the Pt electrode foil, carbon mesh, MEA, carbon mesh, Pt electrode foil, and conducting wire in this order, and returns to the power source.
The applied voltage during the water electrolysis operation was about 3 V, and the current density was 0.26 A / cm 2 . The temperature of the MEA during the water electrolysis operation was about room temperature. In the present embodiment, water vapor is not supplied to the MEA.
(小型表面コイル)
本実施例では、NMR計測用表面コイルとして、内径0.6mmのものを用いた。カーボンメッシュに小さな穴を開けて、そこにコイルのリード部を通して、コイルをカーボンメッシュの上に固定させた。
図65は、本実施例で用いたコイルを示す図である。小型表面コイルは、ポリウレタン皮膜の線径40μmの銅線を内径0.6mmで渦巻状に5回平面状に巻いて製作した。このコイルはスターエンジニアリング社で製作された。
また、図66は、本実施例でカーボンメッシュ上に置かれたコイルを示す図である。(Small surface coil)
In this example, a NMR measuring surface coil having an inner diameter of 0.6 mm was used. A small hole was made in the carbon mesh, and the coil lead was passed through the hole to fix the coil on the carbon mesh.
FIG. 65 is a diagram showing a coil used in this example. The small surface coil was manufactured by winding a copper film having a polyurethane film diameter of 40 μm in a spiral shape with an inner diameter of 0.6 mm five times in a flat shape. This coil was manufactured by Star Engineering.
FIG. 66 is a diagram showing the coil placed on the carbon mesh in this embodiment.
本実施例においても、実施例6−1と同様に、コイルAの中心位置をx=2.1mmとし、コイルBの中心位置x=−4.4mmとした。位置xの原点はMEAの中心とした。 Also in this example, as in Example 6-1, the center position of the coil A was set to x = 2.1 mm, and the center position of the coil B was set to x = −4.4 mm. The origin of the position x is the center of the MEA.
(計測結果)
周波数シフト量は、実施例1に記載の方法に準じて求めた。図67に、電流値を1.2Aとした時にコイルAおよびBで計測された周波数シフト量を示した。
図67中、コイルAでの周波数シフト量を白抜きの四角(□)で示し、コイルBでの周波数シフト量を白抜きの三角(△)で示した。コイルの深さ方向の計測領域はコイル直径の5分の1程度であるから、PEM表面から0.1mm程度の幅を持った領域となる。この幅は図67中にバーとして記した。(Measurement result)
The frequency shift amount was determined according to the method described in Example 1. FIG. 67 shows the frequency shift amount measured by coils A and B when the current value is 1.2A.
In FIG. 67, the frequency shift amount in the coil A is indicated by a white square (□), and the frequency shift amount in the coil B is indicated by a white triangle (Δ). Since the measurement area in the coil depth direction is about one fifth of the coil diameter, it is an area having a width of about 0.1 mm from the PEM surface. This width is shown as a bar in FIG.
また、図67より、コイルAおよびBで計測された周波数シフト量は、それぞれ、実施例6−1での解析結果と同符号となった。また、実施例6−1と同様に、コイルAおよびBで計測された周波数シフト量は、互いに逆符号となり、解析値と計測値で同一の関係が得られた。
本実施例により、運転中の燃料電池に対応する系においても、周波数シフト量を多点測定することができた。この方法を用いることにより、燃料電池のMEA中の電流の局所分布を知ることが可能となる。In addition, from FIG. 67, the frequency shift amounts measured by the coils A and B have the same signs as the analysis results in Example 6-1. Further, similarly to Example 6-1, the frequency shift amounts measured by the coils A and B were opposite to each other, and the same relationship was obtained between the analysis value and the measurement value.
According to this example, the frequency shift amount could be measured at multiple points even in the system corresponding to the operating fuel cell. By using this method, it is possible to know the local distribution of current in the MEA of the fuel cell.
(実施例7)
(水電解運転時の周波数シフト量の計測)
NMRによる電流計測法を、PEMに電極を接合したMEA(Membrane Electrode Assembly)に適用し、水電解運転時のPEMでNMR信号の周波数シフト量を計測した。また、その妥当性を確認するために磁場解析もあわせて行い、計測結果と比較を行った。(Example 7)
(Measurement of frequency shift during water electrolysis operation)
The current measurement method by NMR was applied to MEA (Membrane Electrode Assembly) in which an electrode was joined to PEM, and the frequency shift amount of NMR signal was measured by PEM during water electrolysis operation. In order to confirm its validity, magnetic field analysis was also performed and compared with the measurement results.
(MEAの等価回路)
計測値と比較して計測の妥当性を確認するために、MEA内の磁場解析を行い、その磁場によって増減するNMR信号の周波数シフト量を算出した。磁場解析は、図68に示すように、MEAのアノード端部に電流が供給され、カソード逆側端から電流が流れ出る電極配置で行った。この解析では、PEM内をプロトンが一様に透過し、PEM内の全領域で等しい抵抗値を持つとし、さらに、PEMのアノード側、カソード側にある電極に電流が流れて、閉回路を構成すると仮定した。この仮定に基づくと、アノード側電極に流れる電流I1は位置xと共に直線的に減少する電流分布に、反対に、カソード電極を流れる電流I2は位置xと共に直線的に増加する電流分布となる。アノード電極とカソード電極に流れる電流がPEM内部に磁場を形成する。この磁場強度分布Hiをビオ・サバールの法則を用いて解析し、さらに、その磁場強度からNMR信号の周波数シフト量を算出した。位置xの原点はPEMの中心とした。(MEA equivalent circuit)
In order to confirm the validity of the measurement in comparison with the measured value, the magnetic field analysis in the MEA was performed, and the frequency shift amount of the NMR signal that increased or decreased by the magnetic field was calculated. As shown in FIG. 68, the magnetic field analysis was performed with an electrode arrangement in which current was supplied to the anode end of the MEA and current flowed from the cathode opposite end. In this analysis, protons permeate uniformly through the PEM and have the same resistance value in the entire region of the PEM, and a current flows through the electrodes on the anode side and cathode side of the PEM to form a closed circuit. I assumed that. Based on this assumption, the current I 1 flowing through the anode electrode has a current distribution that linearly decreases with the position x, whereas the current I 2 flowing through the cathode electrode has a current distribution that increases linearly with the position x. . The current flowing through the anode and cathode electrodes forms a magnetic field inside the PEM. The magnetic field strength distribution H i analyzed using Biot-Savart law, was further calculates the frequency shift amount of the NMR signal from the field strength. The origin of the position x is the center of the PEM.
4つのセンサー位置で解析された周波数シフト量のz方向分布を図69に示す。センサーAの位置(x=−7.5mm)ではアノード側の電流I1が、カソード側の電流I2よりも大きく、その結果として、周波数シフト量は正の値となる。反対に、センサーDの位置(x=7.5mm)では、カソード側の電流I2が、アノード側の電流I1よりも大きく、その場合の周波数シフト量はセンサーAとは逆の負の値となる。両者の中間に位置するセンサーB、Cはその中間の周波数シフト量なる。FIG. 69 shows the z-direction distribution of the frequency shift amount analyzed at the four sensor positions. At the position of the sensor A (x = −7.5 mm), the anode-side current I 1 is larger than the cathode-side current I 2 , and as a result, the frequency shift amount becomes a positive value. On the contrary, at the position of the sensor D (x = 7.5 mm), the current I 2 on the cathode side is larger than the current I 1 on the anode side, and the frequency shift amount in this case is a negative value opposite to that of the sensor A. It becomes. Sensors B and C located in the middle of both have an intermediate frequency shift amount.
(MEAの水電解運転とセンサー位置)
水電解運転に用いたMEAは、高分子電解質膜のアノード側にPtとIrを、カソード側にPtを無電解めっきして製作した。MEAの寸法は23mm×20mm角、356μm厚さである。(MEA water electrolysis operation and sensor position)
The MEA used for the water electrolysis operation was manufactured by electroless plating Pt and Ir on the anode side of the polymer electrolyte membrane and Pt on the cathode side. The dimensions of the MEA are 23 mm × 20 mm square and 356 μm thickness.
このMEAを、図70に示すようにGDL(Gas Diffusion Layer)として厚さ300μmのカーボンメッシュで挟み込み、Pt電極を通して安定化電源から電流を供給する。GDLとMEA間の接触抵抗を均一に近づけるために、GDLとMEAが均一に接触するようにクッション材を用いて正負の電極両側から圧力をかけて接触させる構造とした。印加電圧は約3Vで電流密度は0.26A/cm2であった。As shown in FIG. 70, the MEA is sandwiched between carbon meshes having a thickness of 300 μm as GDL (Gas Diffusion Layer), and current is supplied from the stabilized power source through the Pt electrode. In order to bring the contact resistance between GDL and MEA closer to uniform, a structure is adopted in which pressure is applied from both sides of the positive and negative electrodes using a cushioning material so that GDL and MEA are in uniform contact. The applied voltage was about 3 V and the current density was 0.26 A / cm 2 .
NMR計測用表面コイルは内径0.6mm、線径0.04mmの銅線を5回巻いたものを用い、MEAとカーボンメッシュ間に5mm間隔で4個配置した。表面コイルの線材にはポリウレタンコーティングがほどこされており、カーボンメッシュとは絶縁された状態にある。コイルの深さ方向の計測領域はコイル直径の5分の1程度であり、PEM表面から0.1mm程度の深さの円盤状の領域である。このコイルが計測しているNMR信号の周波数の代表値はこの円盤の中心であるとみなし、その深さは0.05mmと考えた。 The surface coil for NMR measurement was obtained by winding a copper wire having an inner diameter of 0.6 mm and a wire diameter of 0.04 mm five times, and four coils were arranged between the MEA and the carbon mesh at 5 mm intervals. The surface coil wire is coated with a polyurethane coating, and is insulated from the carbon mesh. The measurement area in the coil depth direction is about one fifth of the coil diameter, and is a disk-shaped area having a depth of about 0.1 mm from the PEM surface. The representative value of the frequency of the NMR signal measured by this coil was considered to be the center of this disk, and its depth was considered to be 0.05 mm.
(周波数シフト量の計測結果)
計測された周波数シフト量と、解析から求められた周波数シフト量のx方向分布を図71に示す。この図の横軸は位置xとし、各センサーの位置に対応する。また、縦軸は周波数シフト量を表す。図中の■(黒塗りの四角)が、センサーA〜Dの位置xでの周波数シフト量の計測値を示す。また、実線は、(MEAの等価回路)の項で示した解析方法を用い、さらにGDLの厚みまで考慮して算出した周波数シフト量を示している。この際、周波数シフト量は、アノード表面位置(z=178μm)からコイルの計測中心までの距離0.05mmだけPEM内部に入った位置(z=128μm)での値とした。(Measurement result of frequency shift amount)
FIG. 71 shows the measured frequency shift amount and the x-direction distribution of the frequency shift amount obtained from the analysis. The horizontal axis of this figure is the position x, which corresponds to the position of each sensor. The vertical axis represents the frequency shift amount. A black square in the figure indicates a measured value of the frequency shift amount at the position x of the sensors A to D. The solid line shows the frequency shift amount calculated using the analysis method shown in the section (MEA equivalent circuit) and considering the thickness of the GDL. At this time, the frequency shift amount was a value at a position (z = 128 μm) inside the PEM by a distance of 0.05 mm from the anode surface position (z = 178 μm) to the measurement center of the coil.
図71より、センサーAからDに向けて周波数シフト量は順次低下し、実線の解析値と■の計測値はほぼ一致していることが分かる。また、AとDでは周波数シフト量が逆符号になっていることが分かる。これより、MEA表面に流れる電流分布に対応したNMR信号の周波数シフト量を捉えることができていることがわかる。
また、センサーC、Dでは解析値よりも実験値が僅かに大きいが、この原因は、カーボンメッシュとMEAが空間的に均一な接触抵抗で接合しておらず、電流分布に僅かな偏りがあったためであると考えている。From FIG. 71, it can be seen that the frequency shift amount gradually decreases from the sensor A to the sensor D, and the analysis value of the solid line and the measurement value of ■ are almost coincident. Further, it can be seen that the frequency shift amounts have opposite signs in A and D. From this, it can be seen that the frequency shift amount of the NMR signal corresponding to the current distribution flowing on the MEA surface can be captured.
In addition, the experimental values for the sensors C and D are slightly larger than the analytical values, but this is because the carbon mesh and the MEA are not joined with a spatially uniform contact resistance, and there is a slight bias in the current distribution. I think this is because of this.
(実施例8)
本実施例では、燃料電池内のGDLとPEMの間に小型表面コイルを挿入して、燃料電池を水電解運転した際の電流値をNMRの周波数シフト量から計測するとともに、PEM内含水量も計測した。水を供給せずに水電解運転すれば、PEMは徐々に乾燥し、電流は徐々に低下する。本実施例では、この場合の電流と含水量の空間分布を時系列的に計測した。(Example 8)
In this embodiment, a small surface coil is inserted between the GDL and the PEM in the fuel cell, and the current value when the fuel cell is water electrolyzed is measured from the NMR frequency shift amount, and the water content in the PEM is also measured. Measured. If the water electrolysis operation is performed without supplying water, the PEM is gradually dried and the current is gradually decreased. In this example, the spatial distribution of current and water content in this case was measured in time series.
周波数シフト量と含水量を交互に計測するための実験として、ここでは、実施例7と同様のMEAと小型コイルを用いて、水電解運転時の周波数シフト量と含水量の計測を行った。図72は、本実施例におけるMEAと小型コイルの配置を示す図である。図72に示したように、小型コイルはPEMとGDLとの間に挿入されており、その数はアノード側に3つ、カソード側に1つである。 As an experiment for alternately measuring the frequency shift amount and the water content, the frequency shift amount and the water content during the water electrolysis operation were measured using the same MEA and small coil as in Example 7. FIG. 72 is a diagram showing the arrangement of MEAs and small coils in the present embodiment. As shown in FIG. 72, the small coils are inserted between the PEM and the GDL, and the number thereof is three on the anode side and one on the cathode side.
なお、本実施例では、静磁場H0の向きが実施例7とは逆である。磁石内にセルを設置する際に、静磁場の方向が逆向きになるように、セルの向きを反転させて設置した。これにより、実施例7で計測された周波数シフト量の符号は逆転する。たとえば、センサーAの場合の周波数シフト量の絶対値は同じであるが、符号がマイナスとなる。In this embodiment, the direction of the static magnetic field H 0 is opposite to that in the seventh embodiment. When the cell was installed in the magnet, the cell direction was reversed so that the direction of the static magnetic field was reversed. Thereby, the sign of the frequency shift amount measured in the seventh embodiment is reversed. For example, the absolute value of the frequency shift amount in the case of the sensor A is the same, but the sign is negative.
MEAは実験直前まで蒸留水に浸されており、実験直前にキムワイプで表面の水をふき取って、適度な含水量とした。このように処理された際のMEAの含水量は、実施例2で前述したように、10[H2O/SO3 -H+]程度である。本実験でも、含水量は10[H2O/SO3 -H+]程度と考えられる。The MEA was immersed in distilled water until immediately before the experiment, and the surface water was wiped off with Kimwipe immediately before the experiment to obtain an appropriate water content. The water content of MEA when treated in this way is about 10 [H 2 O / SO 3 − H + ] as described in Example 2. Also in this experiment, the water content is considered to be about 10 [H 2 O / SO 3 − H + ].
(水電解運転と計測手順)
周波数シフト量の計測は、実施例7と同様のPGSE法で、含水量はCPMG法で計測した。図73は、水電解運転を開始した(電圧を印加した)時間をゼロとした時の、本実施例におけるPGSEとCPMGの計測タイミングを示す図である。(Water electrolysis operation and measurement procedure)
The frequency shift amount was measured by the same PGSE method as in Example 7, and the water content was measured by the CPMG method. FIG. 73 is a diagram showing the measurement timings of PGSE and CPMG in the present example when the time for starting the water electrolysis operation (applying voltage) is zero.
図73に示したように、本実施例では、PGSE計測とCPMG計測とを交互に繰り返した。具体的には、PGSE計測では1回でスピンエコー信号を取得した。CPMGでは5回の同じ計測を行って、エコー信号を得た。CPMG計測では5回計測を行い、得られた2番目のエコー信号強度を5回分平均して、それを計測値とした。1回のPGSEと5回のCPMGを一つのセットとして、このセットを繰り返した。TRは5秒とし、この一つのセットの計測に要する時間は30秒である。電圧を印加してから、6セット分の計測を行った。CPMG計測では2τ=20msとした。1回の計測でエコー信号を取得している時間は1秒とした。 As shown in FIG. 73, in this example, PGSE measurement and CPMG measurement were repeated alternately. Specifically, the spin echo signal was acquired once in the PGSE measurement. In CPMG, the same measurement was performed five times to obtain an echo signal. In CPMG measurement, measurement was performed five times, and the obtained second echo signal intensity was averaged for five times to obtain a measured value. This set was repeated with one PGSE and five CPMGs as one set. TR is 5 seconds, and the time required for measurement of this one set is 30 seconds. After applying the voltage, measurement for 6 sets was performed. In CPMG measurement, 2τ = 20 ms. The time for acquiring the echo signal in one measurement was 1 second.
ここで、PGSEで得られたエコー信号から周波数シフト量を算出するためには、MEAに電圧を印加する前に取得されたエコー信号が必要である。そこで、本実施例では、図73に示したように、電圧を印加する前から一連の計測を開始し(図中の「Off」)、基準のエコー信号として用いた。この際、磁石の温度が時間とともに上昇または降下して、静磁場強度が増減し、NMR信号の周波数が変化する場合がある。本計測では、その周波数の変化量は1時間で約100Hzであった。今回行った150秒という実験時間で変化する周波数は数Hz程度であり、電流によって増減する周波数シフト量(約1kHz)に比べて、十分に小さい。このため、基準の周波数は電圧を印加する前に取得された値(エコー信号波形)と同様であるとみなすことができる。ここでは、この仮定を置いて、周波数シフト量を求めた。 Here, in order to calculate the frequency shift amount from the echo signal obtained by PGSE, the echo signal acquired before applying a voltage to the MEA is required. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 73, a series of measurements was started before applying a voltage (“Off” in the figure) and used as a reference echo signal. At this time, the temperature of the magnet may rise or fall with time, the static magnetic field strength may increase or decrease, and the frequency of the NMR signal may change. In this measurement, the amount of change in the frequency was about 100 Hz in one hour. The frequency that changes in the experiment time of 150 seconds performed this time is about several Hz, which is sufficiently smaller than the frequency shift amount (about 1 kHz) that increases or decreases depending on the current. For this reason, it can be considered that the reference frequency is the same as the value (echo signal waveform) acquired before the voltage is applied. Here, the frequency shift amount was obtained with this assumption.
なお、上述の実験状態とは異なり、周波数が時間的に増減する場合には、MEAに電流が流れることで形成される磁場の影響を受けない場所にNMR検出コイルを設置し、このNMR周波数を計測して、これを基準周波数として用いることで、静磁場強度の時間変化を相殺することができる。 In contrast to the experimental state described above, when the frequency increases or decreases with time, an NMR detection coil is installed in a place that is not affected by the magnetic field formed by the current flowing through the MEA. By measuring and using this as a reference frequency, it is possible to cancel the time change of the static magnetic field strength.
MEAに印加する電圧は最大で3.4V、電流の最大値は1.2Aと直流電源を設定して、MEAを水電解運転した。図74は、MEAを流れた電流の時間変化を示す図である。また、図75は、MEAに印加された電圧の時間変化を示す図である。 The voltage applied to the MEA was 3.4 V at the maximum, the maximum value of the current was 1.2 A, and the DC power supply was set, and the MEA was operated in water electrolysis. FIG. 74 is a diagram showing the time change of the current flowing through the MEA. FIG. 75 is a diagram showing the change over time of the voltage applied to the MEA.
図74および図75に示したように、MEAに電圧を印加した直後から約10秒程度は1.2Aの電流が流れた。この際の電流密度は0.25A/cm2であった。約10秒が経過した後には、MEAへの印加電圧が3.4Vに達し、それと同時に電流が0.8A程度まで減少した。そして、その後、徐々に電流が0.5A程度まで降下した。As shown in FIGS. 74 and 75, a current of 1.2 A flowed for about 10 seconds immediately after the voltage was applied to the MEA. The current density at this time was 0.25 A / cm 2 . After about 10 seconds, the voltage applied to the MEA reached 3.4V, and at the same time, the current decreased to about 0.8A. After that, the current gradually dropped to about 0.5A.
本実施例では、約30秒の時間間隔でPGSE計測が6回行われており、それは図74中に矢印で示した時間(PGSE#1〜#6)に対応する。このように、電流が降下して行く状態での周波数シフト量の計測を行った。一方、CPMGはPGSEの間で5回計測された。
In this embodiment, PGSE measurement is performed six times at a time interval of about 30 seconds, which corresponds to the times (
(計測結果と磁場解析から求められた周波数シフト量との比較)
図76は、PGSE#1と#4(図74)での計測から3つのセンサーA、CおよびDで求められた周波数シフト量を示す図である。図76は、前述の実施例7で示した図71と同様に、横軸をセンサーの位置x、縦軸を周波数シフト量として記述されている。図76において、■(黒塗りの四角)のプロットは、PGSE#1(電流は1.2A)で計測された周波数シフト量を示している。また、▲(黒塗りの三角)のプロットは、PGSE#4(電流は0.6A)で計測された周波数シフト量を示している。また、図中の実線と一点鎖線は、実施例7と同様の磁場解析によって算出した解析値である。(Comparison between measurement results and frequency shift obtained from magnetic field analysis)
FIG. 76 is a diagram showing the frequency shift amounts obtained by the three sensors A, C and D from the measurements at
図76に示した結果は、図71の結果と比較して、周波数シフト量の符合が異なっているが、この理由は、静磁場方向を逆方向にしたためである。GDLを流れる電流の方向は同じでありながら、静磁場方向が逆になれば、周波数シフト量の符号は逆転する。静磁場の方向を計測者が把握できていれば、問題とはならない。 The result shown in FIG. 76 differs from the result of FIG. 71 in the sign of the frequency shift amount because the static magnetic field direction is reversed. Although the direction of the current flowing through the GDL is the same, if the direction of the static magnetic field is reversed, the sign of the frequency shift amount is reversed. If the measurer knows the direction of the static magnetic field, it will not be a problem.
図76より、計測値と解析値は1.2Aと0.6Aの両方共に良く一致していることが分かる。電流が減少すれば、それだけ周波数シフト量が低下し、それがセンサーの位置に依存していることがわかる。また、計測値と解析値が一致することから、解析で仮定したように、この水電解実験ではMEAにはほぼ一様に電流が流れている状態が達成できていると推測することができる。 From FIG. 76, it is understood that both the measured value and the analyzed value are in good agreement with both 1.2A and 0.6A. It can be seen that if the current decreases, the amount of frequency shift decreases accordingly, which depends on the position of the sensor. In addition, since the measured value and the analyzed value coincide with each other, as assumed in the analysis, it can be inferred that in this water electrolysis experiment, a state where a current flows almost uniformly in the MEA can be achieved.
また、図77は、PGSE#1から#6までの計測によって得られた周波数シフト量の時間変化を示す図である。図77においても、3つのセンサーA、C、Dの計測値と解析値を示した。この図からも、計測値と解析値とが良く一致している。よって、MEAを流れる電流が1.2Aから0.6Aに過渡的に減少していく状況であっても、MEAには一様に電流が流れている状態が保たれていると推測できる。
FIG. 77 is a diagram showing a time change of the frequency shift amount obtained by the measurement from
(PEM内の含水量の計測結果)
次に、CPMG計測によってPEM内の含水量を計測した結果を説明する。
MEAに直流電圧を印加した時間をゼロとし、アノード側(センサーA、C、D)で取得されたエコー信号強度の時間変化を図78に、カソード側(センサーE)で取得されたエコー信号強度の時間変化を図79に示す。ここで、エコー信号強度は、CPMG法を用いて2番目に観測されたエコー信号の強度であり、さらに、5回のCPMG計測を行った際の平均信号強度である。また、縦軸の値は、電流印加前に計測した4セットの平均信号強度で規格化されている。(Measurement result of water content in PEM)
Next, the result of measuring the water content in the PEM by CPMG measurement will be described.
The time change of the echo signal intensity acquired on the anode side (sensors A, C, D) is set to zero when the DC voltage is applied to the MEA, and the echo signal intensity acquired on the cathode side (sensor E) is shown in FIG. FIG. 79 shows the change with time. Here, the echo signal intensity is the intensity of the echo signal observed second using the CPMG method, and is the average signal intensity when five CPMG measurements are performed. Moreover, the value on the vertical axis is normalized by four sets of average signal intensities measured before current application.
図80に示すように、別の実験からPEM内の含水量が多いほど信号強度は強くなるが、両者の関係は、厳密には、単純な正比例の関係にはない。しかし、本実施例では、簡単のために、両者が正の相関にあり、ほぼ信号強度が含水量に正比例していると仮定する。 As shown in FIG. 80, the signal intensity increases as the water content in the PEM increases from another experiment, but the relationship between the two is not strictly a direct proportional relationship. However, in this embodiment, for the sake of simplicity, it is assumed that both are positively correlated and that the signal intensity is almost directly proportional to the water content.
図78に示したように、電流を流して水電解を開始するとアノード側のセンサーAでは含水量が減少し、電流をゼロに戻すと元の含水量に戻った。一方、センサーCおよびDではほぼ一定の含水量であった。 As shown in FIG. 78, when water electrolysis was started by supplying an electric current, the water content decreased in the sensor A on the anode side, and when the current was returned to zero, the original water content was restored. On the other hand, in the sensors C and D, the water content was almost constant.
これに対し、カソード側では一旦含水量が増加して、その後はゆっくりと減少していく様子が見られた。センサーAおよびEは、図72に示したように、ほぼ相対する位置にある。 On the other hand, the water content once increased on the cathode side and then gradually decreased. As shown in FIG. 72, the sensors A and E are in substantially opposite positions.
図81は、MEAの水電解運転時にPEM内で生じている現象を説明する図である。図81に示したように、PEM内では電気浸透流によって水がカソード側に移動し、さらにアノード側では電気分解によって水が分解しているために、アノード側の含水量が減少する。一方、カソード側では、電気浸透流によって一旦は含水量が増加する。しかし、水電解が継続すれば、電気分解によってPEM全体の含水量が減少するために、結局はカソード側であっても時間と共に徐々に含水量が減少していくと考えられる。 FIG. 81 is a diagram for explaining a phenomenon occurring in the PEM during the water electrolysis operation of the MEA. As shown in FIG. 81, water moves to the cathode side by electroosmotic flow in the PEM, and further water is decomposed by electrolysis on the anode side, so the water content on the anode side decreases. On the other hand, on the cathode side, the water content once increases due to the electroosmotic flow. However, if water electrolysis continues, the water content of the entire PEM decreases due to electrolysis, so that the water content gradually decreases with time even on the cathode side.
本実施例では150秒の水電解運転を行ったが、この電流量で分解された水の量はPEM内に含まれている水の量の数%程度と計算された。このため、アノード側、カソード側の含水量の増減は主に電気浸透流によって起きていると考えられる。また、水電解を停止した後には、PEM内の含水量は僅かに減少した含水量の状態になると考えられる。 In this example, a 150-second water electrolysis operation was performed, and the amount of water decomposed by this amount of current was calculated to be about several percent of the amount of water contained in the PEM. For this reason, it is considered that the increase or decrease in the water content on the anode side or the cathode side is mainly caused by the electroosmotic flow. In addition, after the water electrolysis is stopped, the water content in the PEM is considered to be a slightly reduced water content state.
ここで得られた図78と図79の結果から、センサーは上述の現象を捉えて、アノード側では減少し、カソード側では一旦増加し、その後、減少して、水電解停止後にはほぼ元の含水量と同じ程度に戻ったという結果を示したと言える。 From the results of FIGS. 78 and 79 obtained here, the sensor captures the phenomenon described above, decreases on the anode side, increases once on the cathode side, then decreases, and is substantially the original after the water electrolysis is stopped. It can be said that the result returned to the same level as the water content.
なお、本実施例では、PGSE法による周波数シフトの測定とCPMG法による水分量の測定を交互に行う例を示したが、周波数シフトの測定と水分量の測定とを共通のパルスシークエンスにより同時に行ってもよい。
また、本実施例では、周波数シフトの測定装置により水分量の測定を行った例を示したが、周波数シフトの測定装置により、水の易動性を測定することもできる。In the present embodiment, the frequency shift measurement by the PGSE method and the water content measurement by the CPMG method are alternately shown. However, the frequency shift measurement and the water content measurement are simultaneously performed by a common pulse sequence. May be.
Moreover, although the example which performed the measurement of the moisture content with the frequency shift measuring apparatus was shown in the present Example, the mobility of water can also be measured with the frequency shift measuring apparatus.
Claims (14)
前記試料に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記試料に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記試料の特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する、前記試料よりも小さい小型RFコイルと、
前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の前記特定箇所の電流を算出する電流算出部と、
を備える測定装置。An apparatus for locally measuring a current at a specific portion of a sample using a nuclear magnetic resonance method,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the sample;
A small RF coil smaller than the sample, which applies an oscillating magnetic field for excitation to the sample and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated at a specific location of the sample;
Calculating a difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and from the difference, a current calculation unit that calculates a current at the specific portion of the sample;
A measuring apparatus comprising:
前記核磁気共鳴信号の実部および虚部を検波する検波部をさらに備え、
前記電流算出部が、前記検波部で検波された前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、測定装置。The measuring apparatus according to claim 1,
A detector for detecting a real part and an imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal;
The measurement apparatus, wherein the current calculation unit calculates a difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field using the real part and the imaginary part detected by the detection part.
複数の前記小型RFコイルを備え、
前記複数の小型RFコイルが、前記試料の複数箇所に対し、前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記核磁気共鳴信号を取得し、
前記電流算出部が、前記試料の前記複数箇所における電流を算出するように構成された、測定装置。The measuring apparatus according to claim 1 or 2 ,
A plurality of the small RF coils,
The plurality of small RF coils apply the oscillating magnetic field for excitation to a plurality of locations of the sample, and acquire the nuclear magnetic resonance signal,
The measurement apparatus configured to calculate the current at the plurality of locations of the sample, the current calculation unit.
前記小型RFコイルが、パルス状の前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するFID信号を取得し、
前記電流算出部が、前記FID信号の実部および虚部を取得する、測定装置。 In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 4 ,
The small RF coil applies the pulsating oscillating magnetic field and obtains an FID signal corresponding to the oscillating magnetic field for excitation,
The measurement apparatus in which the current calculation unit acquires a real part and an imaginary part of the FID signal.
前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒の量を算出する溶媒量算出部と、
前記試料の電流を測定する第一測定モードと前記試料中のプロトン性溶媒の量を測定する第二測定モードとを切り替える切替部と、
をさらに備え、
前記第一測定モードにあるとき、前記電流算出部が、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分に基づく前記試料の前記特定箇所の電流の算出を実行し、
前記第二測定モードにあるとき、前記溶媒量算出部が、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号に基づく前記試料中の前記特定箇所におけるプロトン性溶媒の量の算出を実行する、測定装置。 In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 5 ,
Based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, a solvent amount calculation unit that calculates the amount of protic solvent in the sample;
A switching unit that switches between a first measurement mode for measuring the current of the sample and a second measurement mode for measuring the amount of the protic solvent in the sample;
Further comprising
When in the first measurement mode, the current calculation unit determines the specific location of the sample based on the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil and the frequency of the excitation oscillating magnetic field. Perform a current calculation,
When in the second measurement mode, the solvent amount calculation unit performs calculation of the amount of the protic solvent in the specific location in the sample based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil. measuring device.
前記試料に対して勾配磁場を印加する勾配磁場印加部と、
前記小型RFコイルで取得された核磁気共鳴信号に基づいて、前記試料中のプロトン性溶媒の易動性を算出する易動性算出部と、
前記試料の電流を測定する第一測定モードと前記試料中のプロトン性溶媒の易動性を測定する第三測定モードとを切り替える切替部と、
をさらに備え、
前記第三測定モードにおいて、
前記小型RFコイルが、前記試料に前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場および前記勾配磁場に対応する核磁気共鳴信号を取得し、
前記易動性算出部が、異なる勾配磁場に対応して得られた前記核磁気共鳴信号の情報に基づいて、前記試料の前記特定箇所の前記易動性を算出する、測定装置。The measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6 ,
A gradient magnetic field application unit for applying a gradient magnetic field to the sample;
Based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, a mobility calculator for calculating the mobility of the protic solvent in the sample,
A switching unit that switches between a first measurement mode for measuring the current of the sample and a third measurement mode for measuring the mobility of the protic solvent in the sample;
Further comprising
In the third measurement mode,
The small RF coil applies the excitation oscillating magnetic field to the sample, and acquires a nuclear magnetic resonance signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field,
The measurement apparatus in which the mobility calculation unit calculates the mobility of the specific portion of the sample based on information of the nuclear magnetic resonance signal obtained corresponding to different gradient magnetic fields.
前記固体高分子電解質膜に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記固体高分子電解質膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜の特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する、前記固体高分子電解質膜よりも小さい、複数の小型RFコイルと、
前記複数の小型RFコイルについて、前記小型RFコイルで取得された前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記固体高分子電解質膜の面内の電流分布を取得する電流分布取得部と、
を備える測定装置。An apparatus for acquiring a current distribution in a plane of a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a nuclear magnetic resonance method,
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane;
Applying an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at a specific location of the solid polymer electrolyte membrane, a plurality of smaller than the solid polymer electrolyte membrane, A small RF coil;
For the plurality of small RF coils, the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is calculated, and the surface of the solid polymer electrolyte membrane is calculated from the difference. A current distribution acquisition unit for acquiring the current distribution in
A measuring apparatus comprising:
静磁場に置かれた前記試料の特定箇所に対し、前記試料より小さい小型RFコイルを用いて、励起用振動磁場を印加するとともに、前記特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する第一ステップと、
前記第一ステップで取得した前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出し、前記差分から、前記試料の前記特定箇所の電流を求める第二ステップと、
を含む、測定方法。A method for locally measuring a current at a specific portion of a sample using a nuclear magnetic resonance method,
A first step of applying an oscillating magnetic field for excitation to a specific location of the sample placed in a static magnetic field using a small RF coil smaller than the sample and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at the specific location When,
Calculating the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal acquired in the first step and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation, and from the difference, a second step of obtaining the current at the specific location of the sample;
Including a measuring method.
前記第二ステップにおいて、前記核磁気共鳴信号の実部および虚部を検波し、前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、測定方法。The measurement method according to claim 9 ,
In the second step, the real part and the imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal are detected, and the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field is determined using the real part and the imaginary part. The measurement method to calculate.
前記第一ステップにおいて、前記小型RFコイルがパルス状の前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するFID信号を取得し、
前記第二ステップにおいて、前記FID信号の実部および虚部を検波し、前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、測定方法。The measurement method according to claim 9 or 10 ,
In the first step, the small RF coil applies the pulsed oscillating magnetic field and obtains an FID signal corresponding to the exciting oscillating magnetic field,
In the second step, a real part and an imaginary part of the FID signal are detected, and a difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field is calculated using the real part and the imaginary part. ,Measuring method.
前記第一ステップにおいて、前記小型RFコイルが、
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス
を含むパルスシーケンスで、前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得し、
前記第二ステップにおいて、前記エコー信号の実部および虚部を検波し、前記実部および前記虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出する、測定方法。The measurement method according to claim 9 or 10 ,
In the first step, the small RF coil is
(A) a 90 ° pulse, and
(B) Applying the excitation oscillating magnetic field in a pulse sequence including a 180 ° pulse applied after the elapse of time τ of the pulse of (a), obtaining an echo signal corresponding to the oscillating magnetic field for excitation,
In the second step, a real part and an imaginary part of the echo signal are detected, and a difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field is calculated using the real part and the imaginary part. ,Measuring method.
前記試料の特定箇所に対して励起用振動磁場および勾配磁場を印加するとともに、前記特定箇所で発生した核磁気共鳴信号を取得する第三ステップと、
前記第一ステップで得られた核磁気共鳴信号の情報と、前記第三ステップで得られた核磁気共鳴信号の情報とに基づいて、前記試料の前記特定箇所の易動性を算出する第四ステップと、
をさらに含み、
前記第一ステップおよび前記第三ステップにおいて、前記小型RFコイルを用いて前記試料の前記特定箇所に局所的な磁場を印加するとともに、前記特定箇所から核磁気共鳴信号を取得し、
前記第一ステップにおいて、前記試料に対する勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行し、
前記第三ステップにおいて、前記第一ステップと異なる大きさの前記勾配磁場の印加を所定のパルスシーケンスにしたがって実行する、測定方法。The measurement method according to any one of claims 9 to 12 ,
A third step of applying an excitation oscillating magnetic field and a gradient magnetic field to a specific location of the sample, and acquiring a nuclear magnetic resonance signal generated at the specific location;
4th which calculates the mobility of the said specific location of the said sample based on the information of the nuclear magnetic resonance signal obtained by said 1st step, and the information of the nuclear magnetic resonance signal obtained by said 3rd step Steps,
Further including
In the first step and the third step, a local magnetic field is applied to the specific location of the sample using the small RF coil, and a nuclear magnetic resonance signal is acquired from the specific location,
In the first step, applying a gradient magnetic field to the sample according to a predetermined pulse sequence,
In the third step, the application of the gradient magnetic field having a magnitude different from that in the first step is performed according to a predetermined pulse sequence.
前記第一ステップにおいて、前記小型RFコイルが、
(a)90°パルス、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス(nは自然数である。)
を含むパルスシーケンスで、前記励起用振動磁場を印加するとともに、前記(a)のパルスに対応するFID信号または前記(b)もしくは前記(c)のパルスに対応するエコー信号を取得し、
前記第二ステップにおいて、
前記(a)のパルスに対応するFID信号または前記(b)もしくは前記(c)のパルスに対応するエコー信号の実部および虚部を用いて前記核磁気共鳴信号の周波数と前記励起用振動磁場の周波数との差分を算出するとともに、
前記(b)および前記(c)のパルスに対応する複数のエコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出し、算出した前記T2緩和時定数から、前記試料中の特定箇所におけるプロトン性溶媒の量を算出する、測定方法。 In the measuring method in any one of Claims 9 thru | or 13 ,
In the first step, the small RF coil is
(A) 90 ° pulse,
(B) 180 ° pulse applied after the time τ of the pulse of (a), and (c) n 180 ° pulses applied at intervals of the time 2τ, starting after the time 2τ of the pulse of (b). Pulse (n is a natural number)
And applying the oscillating magnetic field for excitation and obtaining an FID signal corresponding to the pulse of (a) or an echo signal corresponding to the pulse of (b) or (c),
In the second step,
The frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the oscillating magnetic field for excitation using the real part and the imaginary part of the FID signal corresponding to the pulse (a) or the echo signal corresponding to the pulse (b) or (c) While calculating the difference with the frequency of
A T 2 relaxation time constant is calculated from the intensities of a plurality of echo signals corresponding to the pulses of (b) and (c), and from the calculated T 2 relaxation time constant, the proticity at a specific location in the sample is calculated. A measurement method for calculating the amount of a solvent.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008537406A JP5170686B2 (en) | 2006-09-29 | 2007-09-28 | Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method |
Applications Claiming Priority (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006268976 | 2006-09-29 | ||
JP2006268976 | 2006-09-29 | ||
JP2007126039 | 2007-05-10 | ||
JP2007126039 | 2007-05-10 | ||
JP2007200654 | 2007-08-01 | ||
JP2007200654 | 2007-08-01 | ||
JP2008537406A JP5170686B2 (en) | 2006-09-29 | 2007-09-28 | Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method |
PCT/JP2007/001055 WO2008041361A1 (en) | 2006-09-29 | 2007-09-28 | Measurement device and measurement method using nuclear magnetic resonance method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2008041361A1 JPWO2008041361A1 (en) | 2010-02-04 |
JP5170686B2 true JP5170686B2 (en) | 2013-03-27 |
Family
ID=39268227
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008537406A Expired - Fee Related JP5170686B2 (en) | 2006-09-29 | 2007-09-28 | Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5170686B2 (en) |
WO (1) | WO2008041361A1 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5337569B2 (en) * | 2008-05-13 | 2013-11-06 | 学校法人慶應義塾 | Fuel cell system |
JP5513783B2 (en) * | 2009-06-17 | 2014-06-04 | 学校法人慶應義塾 | Measuring device and fuel cell system |
JP5680110B2 (en) * | 2010-02-01 | 2015-03-04 | クリア−カット メディカル エル・ティー・ディー | Stump evaluation of in vitro samples |
FI128224B (en) * | 2010-08-31 | 2020-01-15 | Vaisala Oyj | A low-field nuclear magnetic resonance apparatus for measuring the water content of solids and slurries |
JP2014098716A (en) * | 2014-02-19 | 2014-05-29 | Keio Gijuku | Measurement instrument and fuel battery system |
JP6864291B2 (en) * | 2017-07-14 | 2021-04-28 | 三菱重工業株式会社 | Deterioration evaluation method for separation membrane equipment |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60190846A (en) * | 1984-03-10 | 1985-09-28 | Jeol Ltd | Nuclear magnetic reasonance apparatus |
JP2007051990A (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Keio Gijuku | Measuring device and measuring method for measuring permeation characteristic of membrane by using nuclear magnetic resonance method |
JP2007121037A (en) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Keio Gijuku | Measuring instrument for measuring distribution of behavior of protonic solvent in sample using magnetic resonance method, measuring method and program |
-
2007
- 2007-09-28 JP JP2008537406A patent/JP5170686B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2007-09-28 WO PCT/JP2007/001055 patent/WO2008041361A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60190846A (en) * | 1984-03-10 | 1985-09-28 | Jeol Ltd | Nuclear magnetic reasonance apparatus |
JP2007051990A (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Keio Gijuku | Measuring device and measuring method for measuring permeation characteristic of membrane by using nuclear magnetic resonance method |
JP2007121037A (en) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Keio Gijuku | Measuring instrument for measuring distribution of behavior of protonic solvent in sample using magnetic resonance method, measuring method and program |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
JPN6012062992; G.C.Scott et al.: 'Sensitivity of Magnetic-Resonance Current-Density Imaging' Journal of Magnetic Resonance Vol.97, 1992, pp.235-254 * |
JPN6012062994; WEICHUAN CHIAO et al.: 'The Absolute Measurement of the Ampere by Means of NMR' IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT Vol.IM-29 No.4, 1980, pp.238-242 * |
JPN7012004960; 小川邦康 他: 'マルチNMRセンサーによる固体高分子電解質膜内含水量分布のリアルタイム計測' 第10回NMRマイクロイメージング研究会 講演要旨集 , 200607, pp.32-35 * |
JPN7012004961; 小川邦康 他: 'マルチNMRセンサーによる水電界運転時のPEM内含水量の分布計測' 熱工学コンファレンス講演論文集 No.06-2, 20061123, pp.245-246 * |
JPN7012004962; 小川邦康 他: '小型表面コイルによる燃料電池用固体高分子電解質膜内の水分子の局所自己拡散係数' 熱工学コンファレンス講演論文集 No.05-17, 20051102, pp.237-238 * |
JPN7012004963; 畑田寛久 他: 'FEMに基づいたMRI撮像時の脳内RF電磁界分布' 日本応用磁気学会誌 Vol.29 No.3, 20050301, pp.364-367 * |
JPN7012004964; Bogdan Buhai et al.: 'Dissimilar Electro-Osmotic Flow and Ionic Current Recirculation Patterns in Porous Media Detected by' Physical Review Letters Vol.96 No.17, 2006, pp.174501-1〜174501-4 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPWO2008041361A1 (en) | 2010-02-04 |
WO2008041361A1 (en) | 2008-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4997380B2 (en) | Method for locally measuring the mobility of a protic solvent in a sample, apparatus for locally measuring the mobility of a protic solvent in a sample | |
Liimatainen et al. | MRI contrast from relaxation along a fictitious field (RAFF) | |
JP5170686B2 (en) | Measuring apparatus and measuring method using nuclear magnetic resonance method | |
Minard et al. | Magnetic resonance imaging (MRI) of PEM dehydration and gas manifold flooding during continuous fuel cell operation | |
JP4798350B2 (en) | Measuring apparatus, measuring method and program for measuring distribution of behavior of protic solvent in sample using magnetic resonance method | |
Siaw et al. | A versatile and modular quasi optics-based 200 GHz dual dynamic nuclear polarization and electron paramagnetic resonance instrument | |
Britton | Magnetic resonance imaging of electrochemical cells containing bulk metal | |
Vashaee et al. | Mapping B1-induced eddy current effects near metallic structures in MR images: A comparison of simulation and experiment | |
Xu et al. | Construction and applications of an atomic magnetic gradiometer based on nonlinear magneto-optical rotation | |
JP4849623B2 (en) | Method and apparatus for locally measuring the amount of protic solvent in a sample | |
Liu et al. | Pulsed-field nuclear magnetic resonance: Status and prospects | |
Tamski et al. | Electrochemical Overhauser dynamic nuclear polarization | |
Koppe et al. | Frequency-swept ultra-wideline magic-angle spinning NMR spectroscopy | |
JP5337569B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4997620B2 (en) | MEASURING DEVICE AND MEASURING METHOD FOR MEASURING TRANSMISSION CHARACTERISTICS OF MEMBRANES USING NUCLEAR RESONANCE | |
Tsushima et al. | Magnetic resonance imaging of water in operating polymer electrolyte membrane fuel cells | |
JP5212972B2 (en) | Measuring device and measuring method | |
JP2016145723A (en) | Cell model, measurement system and simultaneous measurement method | |
Ramírez Aguilera et al. | Optimization of a parallel‐plate RF probe for high resolution thin film imaging | |
JP6917251B2 (en) | Measurement analysis device, fuel cell system and measurement analysis method | |
JP5337413B2 (en) | Fuel cell measuring apparatus and fuel cell system | |
Ogawa et al. | Development of an eight-channel NMR system using RF detection coils for measuring spatial distributions of current density and water content in the PEM of a PEFC | |
JP5257994B2 (en) | Measuring apparatus and measuring method | |
JP5513783B2 (en) | Measuring device and fuel cell system | |
Schatz et al. | Workflow for Systematic Design of Electrochemical In Operando NMR Cells by Matching B 0 and B 1 Field Simulations with Experiments |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100927 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100928 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121204 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121220 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5170686 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |