PXI​を​用​い​た​ポータブル​NMR​測定​システム - LabVIEW​で​仮想​化​する​ロック​イン​アンプ -

太田 岳​史​氏, 大阪​大学 核​物理​研究​センター

"複数​の​計測​器​を​ひとつ​の​PXI​に​まとめる​こと​で​ポータブル​な​NMR​測定​システム​を​実現​しま​した。" ​

- 太田 岳​史​氏, 大阪​大学 核​物理​研究​センター

課題:

偏​極​HD​標的​を​輸送​する​にあたり、​従来​の​NMR​測定​システム​は、​ラック​1​台​分​の​大​き​さ​で​持ち運び​は​容易​で​ない​ため、​運搬​可能​で​安価​な​ポータブル​NMR​測定​システム​の​実現​が​必要​で​あっ​た。 ​

ソリューション:

ロック​イン​アンプ、​ネットワーク​アナ​ラ​イザ、​オシロスコープ、​スペクトラム​アナ​ラ​イザ、​磁場​モニター、​周波数​カウンタ、​パルス​NMR​用​測定​器​の​7​つ​の​測定​器​を​PXI​に​集約​する​こと​で、​システム​の​小型化​が​実現​した。​従来​の​システム​に​比べ、​体積​を​95%、​コスト​を​75%​削減​する​こと​が​でき​た。 ​

1.​背景

  • 核子​内部​の​クォーク​構造​の​研究

陽子、​中性子​は​u​クォーク​と​d​クォーク​という​基本​的​な​粒子​3​つ​から​構成​さ​れ​て​いる​こと​が​わか​って​いる。​しかし​1988​年​の​EMC(European Muon Collaboration)​グループが行った深部非弾性散乱実験では陽子全体のスピンの一部分をストレンジクォークが担っている可能性があると報告された。​米国​ブルックヘブン​研究所​で​行​われ​た​νp​弾性散乱実験でも同様の結果が得られた。

 

このように陽子内部にストレンジネスの存在を示唆する実験結果が報告され、​その​可能性​について​理論​方面​でも​議論​が​行​われ​た。​最近​に​なり​核子​内部​の​スト​レンジ​ネス​の​存在​について​否定​的​な​実験​結果​が​出​て​きた。​トーマス​ジェファーソン​国立​加速器​施設​において​も​電子​陽子​弾性​散乱​を​用​い​た​陽子​内部​の​スト​レンジ​ネス​の​構造​について​の​実験​が​行​われ、​陽子内部のストレンジネスの存在を支持するものではなかった。​しかし​まだ​実験​数​も​少​なく​核子​内​の​スト​レンジ​ネス​を​十分​に​議論​する​だけ​の​材料​は​揃​って​い​ない。​この​よう​な​事情​から、​核子​中​の​クォーク​構造​を​より​明確​に​する​ため、​さらなる​実験​結果​が​求め​ら​れ​て​いる。

 

我々​は​核子​内部​の​クォーク​構造​を​研究​する​する​ため、​ビーム​と​標的​の​偏​極​実験​を​計画​し​て​いる。​偏​極​した​ビーム​を​偏​極​した​標的​に​照射​し​それぞれ​の​偏​極​の​方向​の​違い​によって​反応​を​理解​しよう​という​もの​で​ある。

 

偏​極​標的​に​は​水素​分子​と​重水素​分子​が​結合​した​HD​という​物質​を​用いる。​この​HD​は​極​低温​(10mK)​と​高​磁場​(17T)​の​環境​で​84%​の​偏​極度​に​到達​する。​さらに​比較的​温度​が​高​く、​磁場​が​低い​環境​に​移動​さ​せ​て​も​偏​極度​を​長期間​維持​できる​という​性質​を​持つ

 

偏​極​HD​標的は大阪大学核物理研究センターで製造され​SPring-8​に​輸送​さ​れる。​(将来​的​に​は​偏​極​HD​標的は大阪大学を拠点とし製造され、​各​実験​施設​に​輸送​できる​こと​を​視野​に​入れ​開発​を​行​って​いる)

 

  • ポータブル​NMR​測定​システム​の​必要性​について

偏​極度​の​測定​に​は​NMR​を​用​い​て​行う。​偏​極​HD​標的​内​の​陽子​は​固有​の​振動​数​(ラーモア​周波数)​で​歳​差​運動​し​て​おり、​この​陽子​に対して​ラーモア​周波数​と​同じ​周波数​の​回転​する​回転​磁場​を​かける​と​磁場​と​原子核​の​間​に​NMR​共鳴​が​起こる。​偏​極​HD​標的​は​静​磁場​中​に​置​か​れ​標的​を​取り​囲​んで​いる​コイル​により​RF​が​照射​さ​れる。​回転​磁場​は​静​磁場​と​RF​の周波数で決定され、​どちら​か​を​掃引​する​こと​により​NMR​共鳴​曲線​を​得る。​陽子​の​場合、​1​T​の​静​磁場​中​では​共鳴​周波数​は​42.578MHz​で​ある。​我々​の​NMR​測定​では​磁場​を​掃引​(時間​変化)​し​て​共鳴​曲線​を​測定​し​て​いる

 

偏​極度​は​輸送​途中、​及び​到着​時、​実験​中​に​測定​する​必要​が​ある。

 

しかし​NMR​測定​システム​は​ラック​1​台​分​の​大​き​さ​で​あり、​持ち運び​は​容易​では​ない。​また​偏​極​HD​標的​を​SPring-8​に​輸送​後​も​大阪​大学​核​物理​研究​センター​で​次​の​偏​極​HD​標的​を​作成​する​こと​も​ある​ので​もう​1​セット​必要​で​ある。​NMR​測定​システム​は​高価​で​全て​の​機器​を​合わせ​600​万​円​も​する。

 

そこで​PXI​と​LabVIEW​で​運搬​可能​で​安価​な​NMR​測定​システム​が​でき​ない​か​と​考え​た​(図​1)。

 

図​1 従来​の​NMR​測定​システム​と​考案​した​ポータブル​な​NMR​測定​システム。​従来​の​システム​を​運搬​可能​な​サイズ​まで​コンパクト​に​する。

 

2.​課題

NMR​測定​システム​では​信号​発生​器、​ロック​イン​アンプ、​オシロスコープ​と​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​の​機器​を​使用​し​て​いる。​信号​発生​器​は​コイル​から​偏​極​HD​標的​に​RF​を​照射​する​ため​に、​ロック​イン​アンプ​は​コイル​から​帰​って​きた​微小​信号​を​検出​する​ため​に、​オシロスコープ​と​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​は​NMR​システム​の​調整​用​に​使用​さ​れる。​ポータブル​NMR​測定​システム​を​実現​する​ため​に、​上記​測定​器​群​を​1​つ​の​PXI​シャー​シ​に​まとめる​必要​が​あっ​た。

 

NMR​測定​システム​に​必要​な​機器​の​要件​を​以下​に​示す。

  • 10MHz​~​100MHz​の​信号​発生器
  • 10MHz​~​100MHz​まで​の​帯域​幅​を​持ち​周波数​スウィープ​が​可能​な​ネットワーク​アナ​ラ​イザ
  • 100MHz​まで​の​帯域​幅​を​持つ​ロック​イン​アンプ
  • 100MHz​まで​の​帯域​幅​を​持つ​オシロスコープ

 

信号​発生​器​と​オシロスコープ​は​すでに​サンプル​プログラム​が​ある​ので​実現​は​容易​で​ある。​ロック​イン​アンプ​と​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​を​実現​させる​こと​が​本​研究​の​骨子​で​ある。​ロックインアンプは構築可能であっても感度がなければ​NMR​信号​を​検出​でき​ない。

 

偏​極​HD​標的​の​偏​極度​を​測定​する​場合、​入力​する​信号​が​強​け​れ​ば​偏​極​した​陽子​の​偏​極度​が​壊​れ​て​しまう。

 

HD​の​特性​上、​一度​失​われ​た​偏​極度​は​長期間​元​に​は​戻​ら​ない。​照射​する​RF​は​偏​極度​を​壊​さ​ない​程度​に​極力​小​さくする​必要​が​あり、​コイル​から​返​って​くる​信号​は​非常​に​小さい。​構築​した​ロック​イン​アンプ​は​この​微小​信号​を​検出​でき​な​け​れ​ば​なら​ない。

 

ポータブル​な​NMR​測定​システム​を​構築​する​なか​で、​ロック​イン​アンプ​の​性能​水準​を​維持​させる​こと​が​課題​と​なる。

 

3. ソリューション

3-1. システム​構成

ポータブル​NMR​測定​システム​を​実現​する​にあたって​コンセプト​プログラム​を​作成​した。​そこ​から​ロック​イン​アンプ​と​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​実現​可能​で、​そのためには信号発生器とデジタイザが必要ということが分かった。

 

ポータブル​に​する​こと​が​目標​で​ある​ので​PC​に​は​汎用​ノート​PC​を​使用​した​い。​本​研究室​では​以前​から​LabVIEW​を​使用​し​てい​た​ので、​PXI​と​ノート​PC​を​リンク​さ​せ​必要​な​機器​を​仮想​化す​れ​ば​ポータブル​NMR​測定システムを構築できるのではないかという考えに至った。​ただ​PXI​を​使用​した​こと​は​なく​全て​の​測定​器​を​実現​出来る​か​どうか​不安​を​感じ​てい​た​部分​も​あり、​予算​は​1​0​0​万​円​程​で​作成​し​て​みる​ことに​した。

 

上記​条件​から​PXI​モジュール​と​それに​必要​な​機器​を​以下​の​よう​に​選定​した。

 

PXI​シャー​シ      : PXI-1036

リモート​コントローラー : PXI-8360

信号​発生​器       ; PXI-5404(100Mz FGEN)

高速​デジタイザ     : PXI-5114(8bit 250MS/​s)

 

コイル​に​は​PXI-5404​から​RF​を​送り、​返​って​きた​シグナル​を​PXI-5114​の​デジタイザ​で​集録​する。​収録​さ​れ​た​信号​は​LabVIEW​上​で​仮想​化​さ​れ​た​ロック​イン​アンプ​に​入力​さ​れ​ディジタル​処理​さ​れる​(図​2)。

 

図​2 構築​する​ポータブル​NMR​測定​システム​の​回路​と​PXI​と​の​接続​図​及び​仮想​化​する​二​位相​型​ロック​イン​アンプ​の​ダイヤグラム。

 

仮想​化​した​ロック​イン​アンプ​で​処理​さ​れる​内容​は​図​2​下​の​よう​な​ダイヤグラム​で​ある。

 

デジタイザ​PXI-5114​の​ch0​に​は​コイル​から​の​信号​を、​ch1​に​は​参照​信号​を​入力​する。​トリガー​に​は​信号​発生​器​PXI-5404​の​クロック​信号​を​用いる。

 

参照​信号​は​位相​が​0°​と​90°​を​持つ​信号​に​分け​ら​れ​コイル​から​の​信号​と​掛け​合​わ​さ​れる。​掛け​合​わ​さ​れ​た​信号​の​うち​参照​信号​周波数​と​等しい​成分​のみ​が​直流​成分​となり、​それ​以外​の​周波数​を​持​っ​た​もの​は​交流​成分​と​なる。​交流​成分​は​次​の​ロー​パス​フィルター​で​除去​さ​れ​直流​成分​のみ​が​残る。​残​っ​た​直流​成分​は​DSP​で​処理​さ​れ​信号​強度​R、​位相​θ​および、​同相​成分​I、​直交​成分​Q​を​得る。​我々​の​NMR​測定​では​同相​成分​I​だけ​が​必要​で​ある​が、​先述​した​よう​に​オフライン​の​解析​で​位相​変換​が​可能​な​よう​に​直交​成分​Q​も​同時に​取得​する。

 

この​サイクル​を​1​ポイント​に対して​行い、​NMR​測定​は​秒間​10​ポイント​生成​する。​0.1​秒​で​1​サイクル​を​終​え​な​け​れ​ば​なら​ない。​この​時間​は​磁場​の​掃引​する​速​さ​に​起因​する。

 

コンセプト​プログラム​を​作成​し​てい​た​こと​から​PXI​納入​後​1​週間​で​測定​システム​を​構築​でき​た。​図​3​は​最初​に​測定​した​PXI​を​用​い​た​NMR​測定​の​画面​で​ある。​右上​に​表示​さ​れ​て​いる​の​が​フッ素​の​同相​成分​I​と​直交​成分​Q​の​NMR​スペクトル​で​ある。​スペクトル​は​磁場​を​掃引​し​リアルタイム​で​描画​さ​れる。

 

図​3 最初​に​構築​さ​れ​た​ポータブル​NMR​測定​システム​の​LabVIEW​フロント​画面。​右上​が​LabVIEW​上​で​組​まれ​た​仮想​ロック​イン​アンプ​から​得​ら​れ​た​同相​成分​I、​直交​成分Q

 

NMR​シグナル​測定​が​成功​した​こと​を​受け、​PXI-5114(250MS/​s 8bit)​より​も​高​分解能​な​高速​デジタイザ​PXI-5142(100MS/​s 14bit)​を​追加​購入​した。​両方​の​デジタイザ​で​テスト​した​ところ​S/​N​比​は​2​倍​に​向上​した​が、​分解能の違いに比べれば大きくはなかった。​分解能​は​6bit​差​が​ある​ので​S/​N​比​は​単純​に​64​倍​向上​する​はず​で​ある。​一方​1​サイクル​に​取得​する​サンプリング​する​数​の​平方根​に対して​は​S/​N​比​は​向上​した。​この​こと​から​分解能​は​すでに​十分​で​あり、​ノイズ​の​支配​的​要因​は​熱​的​揺らぎ​で​ある​と​考え​た。​よって​次​は​実用​化​に​向け​て​0.1​秒​以内​に​処理​できる​サンプリング​数​を​増加​させる​べ​く​CPU​の​リソース​割り当て​と​メモリ​の​管理​を​見直し​た。

 

具体​的​に​は​ロック​イン​アンプ​感度​向上​の​為、​次のようなコードの改良を行った。

 

  • 同一​の​ループ​内​に​あっ​た​デジタイザ​の​集録​処理​と​ロック​イン​アンプ​の​演算​処理​を​分離​し、​2​コア​CPU(Core 2 Duo)​に​対応​すべ​く​プログラム​を​並列​処理​化。​片方​に​集録​処理​を、​もう​一方​に​演算​処理​を​同時に​行​わせ​る​こと​で​1​サイクル内に処理できるサンプリング数を向上させた。
  • LabVIEW​上​で​の​オシロスコープ​や​スペクトラム​アナ​ラ​イザ​は​負荷​が​かかり、​また​表示​させる​だけ​で​メモリ​を​消費​する​ので、​タブ​パネル​を​導入​し​選択​した​タブ​の​測定​器​だけ​起動​させる​よう​に​した。
  • 信号​を​掛け​合わせ​た​直後​の​ロー​パス​フィルタ​(図​2)​は​直流​成分​だけ​を​通過​させる​だけ​で​よい​ので​積算​器​に​変更​した。
  • Phase converter​で​行う​位相​変換​方法​を​以下​の​よう​に​変更​した。

 

位相​変換​は​ヒルベルト​変換​や​複素​フーリエ​変換、​その他​算術​的​な​方法​を​用​い​て​行​っ​た​が​変換​の​演算​処理​に​時間​を​要​した。​CPU​の​リソース​は​出来る​だけ​サンプリング​の​処理​に​回​した​い。​そこで​最初​の​サイクル​で​参照​信号​から​周波数​を​求め、​ソフトウェア​内部​で​その​周波数​を​も​っ​た​正弦波​と​余弦​波​を​生成​し​メモリ​に​キャッシュ​する。​次​サイクル​から​は​メモリ​から​正弦波​と​余弦​波​を​ロード​し、​入力​信号​と​掛け​合わせ​た。             

 

これら​コード​の​改良​によって​0.1​秒​以内​に​処理​できる​サンプリング​数​は​100k​から​1M​と​大幅​に​アップ​した。​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​や​オシロスコープ​など​の​測定​器​を​統合​し​ポータブル​NMR​測定システムを完成させた​(図​4)。

 

図​4 実用​化​に​向け​て​開発​した​ポータブル​NMR​測定​システム​の​LabVIEW​フロント​画面。​左​は​ロック​イン​アンプ、​右​は​ネットワーク​アナ​ラ​イザ​の​測定​器。​内部​に​複数​の​測定​機器​が​組み​込​まれ​て​いる。​それぞれ​の​測定​機器​は​タブ​で​切り替え​可能​と​な​って​いる。

 

3-2. 結果

  • 従来​の​測定​システム​と​ポータブル​測定​システム​で​の​NMR​スペクトル​の​比較

従来の測定システムで得られた​NMR​スペクトル​と​開発​した​ポータブル​NMR​測定システムで得られた​NMR​スペクトル​を​以下​に​示す​(図​5)。​縦​軸​が​コイル​から​返​って​きた​NMR​シグナル​の​強度​を​示し、​横​軸​は​磁場​に​対応​する。​それぞれ​左​の​ピーク​が​偏​極​HD​標的​内​の​陽子、​右側​が​標的​セル​と​コイル​台座​に​含​ま​れる​フッ素​による​NMR​シグナル​で​ある。​ポータブル​NMR​測定​システム​では​デジタイザ​に​PXI-5114​と、​追加​購入​した​PXI-5142​で​それぞれ​測定​した。

 

 

図​5 従来の測定システムとポータブル測定システムで得られた​NMR​スペクトル。​左上が従来の測定システムで得られた​NMR​スペクトル。​右上​が​追加​購入​した​PXI-5142(100MS/​s 14bit)​で​得​ら​れ​た​スペクトル。​左下​が​PXI-5114(250MS/​s 8bit)​で得られた​NMR​スペクトル。

 

  • ロック​イン​アンプ​の​感度​の​比較

ロック​イン​アンプ​の​性能​の​指標​と​なる​S/​N​比​の​比較​では​下記​表​1​のようになった。​PXI-5114​と​PXI-5142​は​性能​は​2​倍​ほど​違う。

 

従来​の​測定​システム​に​比べ​て​S/​N​比​は​落ちる​ものの​偏​極度​測定​に​は​問題​ない。​新た​な​測定​器​の​開発​が​容易​に​可能​と​な​っ​た​こと​や​手順​が​簡素​化​さ​れ​た​メリット​の​方​が​大きい。

 

また​これら​NMR​シグナル​は​温度​が​1.5K で​測定​さ​れ​た​もの​で​あり、​偏​極度​は​わずか​0.07%​で​ある。​製造​さ​れる​偏​極​HD​標的​は​84%​程​に​達する​ので​実際​に​測定​する​シグナル​は​これ​より​も​1000​倍​程​大きい。

 

なお​デジタイザ​に​は​PXI-5142​を​採用​する​ことに​した。

 

    表​1 従来の測定システムとポータブル測定システムの得られた​NMR​シグナル​の​S/​N​比​の​比較

 

H(陽子)

F(フッ素)

従来​の​測定​システム

58

141

ポータブル​NMR​測定​システム

(PXI-5142)

46

105

ポータブル​NMR​測定​システム

(PXI-5114)

20

60

                                                                         

  • 複数​の​機器​を​一つ​の​PXI​に​まとめる​こと​で​ポータブル​な​NMR​測定​システム​が​実現

今回​ポータブル​NMR​測定​システム​に​組み​込​ん​だ​測定​器​は、​ロック​イン​アンプ、​ネットワーク​アナ​ラ​イザ、​オシロスコープ、​スペクトラム​アナ​ラ​イザ、​磁場​モニター、​周波数​カウンタ、​パルス​NMR​用​測定​器​の​7​つ​で​ある。​いずれ​も​PXI​の​信号​発生​器​と​デジタイザ​を​利用​し、​LabVIEW​で構築された。 

 

  • 従来​の​システム​に​比べ​重​さ、​空間​スペース、​コスト​全て​において​ダウン

従来​の​システム​に​比べ​て、​重​さ​では​約​80kg(ラック​を​含む)​から​7.1kg​と​93%​の​ダウン、​体積​では​約​95%​の​ダウン、​コスト​は​600​万​円​から​150​万​円​(PXI-5142​の​場合)​程度​と​75%​安価​に​構築​でき​た。。

 

  • 測定の手順が簡素化されたセミオートで測定が可能になった。

従来​の​システム​では​測定、​調整ごとにケーブルを入れ替えており条件が変わることも少なくなかった。​ポータブル​測定​システム​では​NMR​測定​器​群​が​1​つ​に​まとまる​こと​によって​測定​機器​の​切り替え​は​LaBVIEW​上で行えるようになりケーブルの入れ替えは不要になった。​また​測定​器​同士​で​連携​が​可能​となり、​調整して得られた値を他の測定器にフィードバックさせることによりセミオートでのオペレーションが可能になった。

 

  • 信号​発生​器​と​高速​デジタイザ​を​用​い​て​新た​な​測定​器​や​チェック​システム​を​作成​する​こと​が​できた

信号​発生​器​PXI-5404、​高速​デジタイザ​PXI-5114​及び​PXI-5142​を​使用​し​て​周波数​カウンタ​や​スペクトラム​アナ​ラ​イザ、​パルス​NMR​用​測定​器​も​オプション​として​開発​した。​周波数​カウンタ​は​ロック​イン​アンプ​の​一部​機能​として、​スペクトラム​アナ​ラ​イザ​は​ノイズ​の​特定​手段​として​役​立​って​いる。​パルス​NMR​用測定器は開発中であるが試験テストで実用的に使用可能であるとわかった。

 

なお​すでに​述​べた​とおり、​ロック​イン​アンプ​の​感度​(S/​N​比)​は​秒間​あたり​に​処理​できる​サンプリング​数​に​強​く​依存​する。​バスの転送速度と演算速度が向上すれば​S/​N​比​も​向上​すると​思​われる。

 

今回​開発​した​ポータブル​NMR​測定​システム​は​予算​の​制限​が​ある​こと​から​バス​に​は​PCI​を、​また​ポータブル​な​システム​に​した​か​っ​た​ので​コントローラー​に​は​汎用​ノート​PC(Core 2 Duo T7600)​を​用​い​た。

 

著者​情報:

太田 岳​史氏
​大阪​大学 核​物理​研究​センター

​ ​図​1 従来​の​NMR​測定​システム​と​考案​した​ポータブル​な​NMR​測定​システム。​従来​の​システム​を​運搬​可能​な​サイズ​まで​コンパクト​に​する。 ​
​ ​図​3 最初​に​構築​さ​れ​た​ポータブル​NMR​測定​システム​の​LabVIEW​フロント​画面。​右上​が​LabVIEW​上​で​組​まれ​た​仮想​ロック​イン​アンプ​から​得​ら​れ​た​同相​成分​I、​直交​成分​Q ​