Transcript 磁性流体性状計測に用いる針状磁気プローブの オフセット電圧の低減

A-4
磁性流体性状計測に用いる針状磁気プローブの
オフセット電圧の低減に関する研究
磁気応用工学研究室
戸塚 聡文
1.研究背景( 誘導加温法)
体内の癌患部に磁
性流体を注入
癌細胞付近滞留
癌細胞は正常細胞に比べて熱に弱い
腫瘍局所を一定時間42.5℃以上に加温する事で癌細
胞が死滅する
磁性流体はヒステリシス損により発熱
Qk f DB
m
w
k
m
2
[W/cc]
：実験係[W/Hz/[mgFe]/T/ml]
f ： 周波数 [Hz]
均一交流磁界を照射
D ： 磁性流体の重量濃度[mgFe/ml]
B ： 磁束密度 [T]
w
磁性流体が発熱
癌細胞の加熱
癌細胞が局所的に加
熱される
(1)
均一交流磁界下に磁性流体を置いた時
Dw
∝ ( B2  B1) / B1
磁性流体の内外の磁束密度を磁気センサで計測
磁性流体
B1
B2
磁性流体
均一交流磁界
2.プローブの構成とオフセット電圧
感度方向
極低濃度での測定が困難
y
z
x
SV-GMRセンサ (高分解能)
Vｃｃ
(均一に近い磁界下)
オフセット電圧 : 磁性流流体による信号
80
:
1
磁気抵抗係数K1,K2の違いが原因と考察
R1(GMR1)
R3=R0
Vref
R1  R0  K1B1
30 mm
Vout
R2(GMR2)
R2  R0  K2 B2
R4=R0
プローブからの出力( K 2  K1  k )
V K
V
Vout  Vref  cc 1 ( B2  B1)  k cc B2 (2)
2 R0
2 R0
必要な信号
0
z
y
x
0.5 mm
オフセット電圧
・磁気抵抗係数K1,K2の算出
・オフセット電圧の低減方法を検討
・オフセット電圧による影響の評価
3. 検出部の磁気抵抗係数K2の算出方法
Vcc
B1  0
ソレノイドコイル
B2
R1(GMR1)
R1  R0
R3  R0
Vout
R2 (GMR2)
Vref
R2  R0  K2 B2
半径
15 mm
長さ
80 mm
巻数
80巻
周波数
100 Hz
内部の磁束密度
0µT～24μT
R4  R0
磁界
0
プローブからの出力
Vout  Vref 
K 2 B2
Vcc
4 R0
Vout  Vref
4 R0
K2  (
)
B2
Vcc
(3)
(4)
4. リファレンス部の磁気抵抗係数K1の
算出方法
磁界方向
Vcc
(0 µT～75μT)
プローブ
B1  B
B2  B
R1(GMR1)
R1  R0  K1B 磁界
Vout
R2 (GMR2)
磁界
R2  R0  K2 B
R3  R0
Vref
R4  R0
0
ヘルムホルツコイル
ヘルムホルツコイル
半径 125mm
巻き数 106巻
中心磁束密度
0 µT～75 μT
プローブからの出力
V B
Vout  Vref  cc ( K 2  K1)
4 R0
Vout  Vref 4 R0
K1  K 2 

B
Vcc
(5)
(6)
5. 磁気抵抗係数K1 ,K2 の算出
90
80
80
70
Vout-Vref = 3.40× B
Vout-Vref [µV]
Vout-Vref [µV]
70
60
50
40
60
Vout-Vref = 0.96 ×B
50
40
30
30
20
20
10
10
0
0
0
5
10
15
20
25
0
Vout  Vref
 3.4 µV/µT
B
式(4)から
Vout  Vref
4R
K2  (
)  0  0.928 Ω/mT
B
Vcc
40
60
B [µT]
B [µT]
ソレノイドコイルを用いた計測
20
ヘルムホルツコイルを用いた計測
Vout  Vref
 0.96 µV/µT
B
式(6)から
K1  K 2 
Vout  Vref 4 R0

 0.666 Ω/mT
B
Vcc
80
6. オフセット電圧の低減方法
検出部とリファレンス部の磁気抵抗係数
K1  0.666Ω/mT
K2  0.928Ω/mT
均一磁束密度を照射時の
ブリッジ回路を平衡状態にするため
R x
R1  K1 B
 3
R2  K 2 B
R4
x  5.2 Ω
しかし，自分で付け加えることが出来なく行うことができなかった。
模擬的に磁気抵抗係数の差分を照射される磁束密度
に差をつけオフセット電圧を低減し重量濃度計測をおこなった。
Vout  Vref 
オフセット電圧低減前
ヘルムホルツコイルの中心に
磁性流体が入った容器を固定
B1  B2
Vcc
| B2 K 2  B1 K1 |
2 R0
オフセット電圧低減
ヘルムホルツコイルの中心から-65mmの不
均一部に磁性流体が入った容器を固定
検出部
B2

リファレンス部
B1
80.5
50.5
80
50
79.5
49.5
79
49
出力[µV]
出力[µV]
7. 重量濃度計測でのオフセット電圧の影響比較
78.5
48.5
78
48
77.5
47.5
77
47
76.5
46.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0
0.1
0.2
重量濃度[wt%]
中心部
(オフセット電圧 77µV)
B1  B2
ヘルムホルツコイル
半径
125 mm
周波数
100 Hz
中心磁束密度 75 µT
0.3
0.4
0.5
重量濃度[wt%]
中心から-65 mm
(オフセット電圧 47.8µV)
B1  B2
磁性流体重量濃度0％～0.58%の５点
を容器に入れ測定
B1>B2とすることでオフセット電圧が低減され
オフセット電圧を低減することでより高精度な重量濃度測定
ができる
0.6
8. まとめ・今後の課題
・プローブの2つの磁気抵抗係数の算出
2つの磁気抵抗係数の算出を行った。その値から均一磁界照射時に
オフセット電圧を低減させるために
R3→+5.2 Ω加える必要がある
・重量濃度測定におけるオフセット電圧の影響
オフセット電圧を低減することで極低濃度での重量濃度測定が可能とな
る
今後の課題
算出した固定抵抗値を利用し均一磁界下でプローブ内
のブリッジ回路が平衡になるように調整しオフセット電圧
を低減する
ご清聴ありがとうございました
現在の癌治療法
三大治療法
外科療法
化学療法
放射線治療
副作用による身体的
影響が大きい
現在併用して行われている
温熱療法
誘電加温法
正常な細胞も
火傷をおってし
まう
誘導加温法
・癌細胞を局所的にアポトーシスによって死滅
させる事が出来き、身体的負荷が少ない。
Dw（重量濃度）と
計測した磁束密度の関係
磁性流体の発熱量
Qk f DB
m
2
w
[W/cc]
クラスタ構造を成している磁性微粒子が均一に分散した磁性流体の比透磁率は
(Dvが非常に小さい場合)
  1  4D  1  4D /(h  )
*
v
w
s
(1)
f
D
；磁性流体の体積濃度
v
；磁性流体の重量濃度
D
；微粒子の比重（マグネタイトの場合
=4.56）

；クラスタ構造の占有率
h
w
f
s
と表す事が出来る．
磁性流体を注入した楕円体に均一な磁束密度を印加すると，その磁性流体内の磁界は均一
で磁束密度は
B
B 
(2)
1  N (   1)
N;反磁界係数
この(1)と(2)より
 ( B1  B0 ) / B0  4(1  N ) Dw /(hs f) (3)
*
0
1

*

オフセット電圧
プローブから発生するオフセット電圧が測定に影響を及ぼす
オフセット電圧を低減する事でオフセット電圧の変化を抑える
磁性流体の重量濃度を測定することが出来る
得たい出力
プローブから
の出力
変化するオフセット電圧
数µV
オフセット電圧
80 µV程度
低減
得たい出力
オフセット電圧
ヘルムホルツコイル磁束密度分布
250
ヘルムホルツコイル中心
検出部
(0,0)
→
リファレンス部
(0,3)
→
75.015 µT
75.01 µT
200
150
100
50
0
ヘルムホルツ不均一部
検出部
(0,-7) → 72.6 µT
リファレンス部
(0,-4) → 75.0 µT
-50
-100
-150
ソレノイドコイル磁束密度シュミレーション
y軸
+30mm
y軸
シュミレーション範囲
z軸
X軸 z軸
0
ソレノイド
コイル
シュミレーション範囲
ソレノイドコイルの中心(0,0,0)
(0,0,-50)～(0,0,+50)
(0,30,-50)～(0,30,+50)
ソレノイドコイル
長さ
80mm
巻数
80巻
励磁電流
24mA
周波数
100Hz
シュミレーション結果
35
30
25
内部の磁束密度
磁束密度[µT]
20
15
10
外部の磁束密度
5
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-5
Ｘ軸[mm]
ソレノイドコイルの内部の中心では磁束密度が生まれ、根元のGMRセンサには
ほぼ磁束密度が存在しない。 → 先端のＧＭＲセンサのみに磁界を照射する
50
重量濃度測定装置
透
125 mm
125 mm
ヘルムホルツコイル
半径 125 mm
楕円形の容器
ヘルムホルツコイル 直径5.5mm
高さ3mm
測定風景
周辺機器
ヘルムホルツコイル
電流プローブ
ファンクション
ジェネレータ
電力増幅器
針状磁気プ
ローブ
DC
ロックインアンプ
PC
周波数変化での時間的な
オフセットのばらつき
1.280E-04
GMRセンサ[V]
1.270E-04
1.260E-04
80Hz
1.250E-04
90Hz
1.240E-04
100Hz
110Hz
1.230E-04
120Hz
1.220E-04
130Hz
1.210E-04
140Hz
1.200E-04
150Hz
1.190E-04
170Hz
1.180E-04
190Hz
1.170E-04
0
5
10
15
20
25
時間[分]
周波数を変化させそれぞれ2分間隔で30分計測
GMRセンサをヘルムホルツコイルの中心に設置
磁界 75μT (100mA)
時定数300ms
周波数 80Hz～200Hzで10Hz間隔
30
35
200Hz
交流磁界照射時磁性流体の発熱量
Qk f DB
m
2
(1)
w
磁性流体の内外の磁束密度を磁気センサで測定
  ( B  B ) / B  4(1  N ) D /(h  )
1
0
0
w
：実験係数
[W/Hz/[mgFe]/T /ml]
f ： 周波数 [Hz]
Dw ： 磁性流体の重量濃度
[mgFe/ml]
B ： 磁束密度 [T]
N ：反磁界係数
 f ：微粒子の比重
hs ：クラスタ構造の占有率
k
s
f
(2)
m
B
0
低濃度 → 大きくばらついたオフセット電圧で測定が困難
B
1
磁性流体
オフセットの原因と低減方法の調査する
均一交流磁界
磁気抵抗係数大小関係
ヘルムホルツコイル
磁束密度
Vout  Vref
Vcc

| B2 K 2  B1K1 |
2R0
大
z
ヘルムホルツコイル
半径
125 mm
周波数
100 Hz
中心磁束密度
75µT
小
r
小
プローブ
移動
磁気抵抗係数大小関係結果
140
120
出力[µV]
100
80
60
40
20
0
-15
-10
-5
0
5
10
ヘルムコイル位置[cm]
Vout  Vref 
B1  B2
に出力が増え、B1
 B2
Vcc
| B2 K 2  B1K1 |
2R0
に出力減少
K 2  K1