50µm級磁性異物,医用磁気 マーカ検出のための新 …...Ahmed Lotfy Elrefai, Ichiro...
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50µm級磁性異物,医用磁気マーカ検出のための新技術
九州大学 笹田一郎 http://vega.ence.kyushu-u.ac.jp/wiki
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センサの真髄
見たいものだけを見る
磁気センサでは見える範囲を限定できる
2点間の磁場の差を取る=グラディオメータ
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磁場で見えるもの
磁場を出すもの,歪ませるものを捉えることができる
磁気微粒子集合体 小さな鉄片(強磁性化したステンレス破片)
漏洩電流 地中埋設物 不発弾 車などの通過とその方向 海底鉱物資源
サイズ大
→センチネルリンパ節の特定
→食品中異物検出 →漏電箇所検出 →地中埋設管の埋設箇所
見たいものがあるところに磁場を印加する
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マグネトメータとグラディオメータ
センサ回路
センサ回路
l
センサヘッド1
センサヘッド2 差動アンプ
出力
センサ回路
センサヘッド
マグネトメータ
従来の電子式グラディオメータ
FG 回路l
センサヘッド1
出力
センサヘッド2
提案技術のグラディオメータ
共通点 指向性を持つ
マグネトメータ:磁場に比例した電圧出力
グラディオメータ:2点間の磁場の差に比例した電圧出力
例えば,英Bartington社2つのセンサの特性を高精度で揃えることが難しい
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信号磁場=ダイポール磁場がどのように見えるか?
スキャンセンサ センサ
センサ=マグネトメータ 見える磁場成分はセンサの軸方向
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信号磁場=ダイポール磁場がどのように見えるか?
スキャンセンサ センサ
センサ=グラディオメータ 見える磁場成分はセンサの軸方向
ベースライン長=リフトオフ高さ
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特長は何処にあるのか1我々の住むところには地磁気がある 地磁気の中でセンサが揺れると偽信号が出る
グラディオメータは一様磁場に不感.揺れに対して高い耐性がある
磁力線で描いた地磁気中の小さな信号源
lift-off
m
v
θ
m
v
lift-off
m
v
θ
m
v
センサの揺れは不可避
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特長は何処にあるのか2我々の住むところには地磁気がある 地磁気の中でセンサが揺れると偽信号が出る
θ
m
v
検出対象:10 mT (100 G) の磁化を持つ直径1 mmの金属異物が地磁気の中にある
θ=0°
θ=0.2°
マグネトメータ
θ=0°
θ=1.5° θ=4°
98%整合 グラディオメータ
99%整合 グラディオメータ
θ=0°
ベースライン長=2 cm
グラディオメータは一様磁場に不感.揺れに対して高い耐性がある
リフトオフ高さ=2 cm
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θ
m
v
特長は何処にあるのか3我々の住むところには地磁気がある 地磁気の中でセンサが揺れると偽信号が出る
検出対象:10 mT (100 G) の磁化を持つ直径1 mmの金属異物が地磁気の中にある
マグネトメータ
θ=0°
θ=3° θ=5°
98%整合 グラディオメータ
99%整合 グラディオメータ
θ=0°θ=0°
θ=0.2°
グラディオメータは一様磁場に不感.揺れに対して高い耐性がある
ベースライン長=2 cmリフトオフ高さ=2 cm
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超低雑音基本波型直交フラックスゲート (fundamental-mode-orthogonal fluxgate= FM-OFG ※1)原理を利用する(室温動作センサでは世界最高性能)
1つの回路と2つのセンサヘッドを利用するのでベースライン長( l )の設定が容易
平行型,同一軸型の2つのグラディオメータが実現できる
グラディオメータの構成1
基本波型直交フラックスゲートの雑音 1pT/√Hz@1 Hz.
このセンサヘッドを2個用いる.L=30 mm.外径3 mm
L
l
平行型
l
L L
同一軸型
※1 Orthogonal fluxgate mechanism operated with dc biased excitation, I. Sasada, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol 91, No 10 pp. 7789- 7791 (2002)
Method for Offset Suppression in Orthogonal Fluxgate with Annealed Wire Core, M. Butta and I. Sasada, Sensor Lett. 12, 1295-1298 (2014)
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グラディオメータの構成2センサヘッドの感度が直流電流値で制御できるため,電流調整で高平衡化ができる(構造の精密調整は不要)
心磁計に用いているのと同じ回路
直流電流調整法
センサヘッド 1Iac
IacIac+Idc1
Idc2
R大
センサヘッド 2
全体の回路図Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Gradiometer, Ichiro Sasada and Shoumu Harada, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 50, NO. 11 (2014) 4007404
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研究室の”製品”例
回路基板
平行型センサヘッド 同一軸型センサヘッド
Idc2 1/supp. ratio Idc2 [mA] 1/supp. ratioHead 1 0 105 0.6 46000Head 2 0 62 1.72 12000Head 3 0 91 0.76 14200
平行型センサヘッドの高平衡化
Idc2 1/supp. ratio Idc2 [mA] 1/supp. ratio
Head 1 0 154 0.28 9300Head 2 0 61 1.84 14700Head 3 0 150 0.71 18500
同一軸型センサヘッドの高平衡化
一様磁界に対する不感度はIdc2の調整で最適化 Head1の例
コイル外径3 mm2つ目のセンサヘッドは内部に隠れている
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金属異物検出例
ベースライン長(l)=8 mm,リフトオフ高さ=5 mm 相対速度15 m/分
Magnetic particle detection in unshielded environment using orthogonal fluxgate gradiometer, Ahmed L. Elrefai and Ichiro Sasada, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117, 17C114 (2015)
実験装置.回転テーブルの鉄球の外径は(a)160 µm,(b)同120 µm,(c)同70 µm,(d)同50 µm.鉄球は永久磁石で事前に磁化する.グラディオメータは左側の黒い支持の下側.
磁気シールドは不要
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磁気微粒子検出例
デキストランでコーティングされたFe304 磁気微粒子懸濁溶液を水で希釈.グラディオメータのベースライン長=8 mm,リフトオフ高さ=5 mm. 直径10 cmのパーマロイ円板を磁気微粒子が通過する面の反対側に配置している.
パーマロイ円板の配置の効果に対しては Reduction of fluxgate gradiometer susceptibility to uniform magnetic fields using permalloy shielding disk Ahmed Lotfy Elrefai, Ichiro Sasada,日本磁気学会学術講演会, 8pD ︎-14 ︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎︎ (2015, 9 8-11名古屋大学)
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まとめ• 50 µm級磁性金属異物の検出を磁気シールド無しで行える.活物質をコーティングした電池電極に含まれる金属異物の検出や,繊維に付着した金属異物の検出に応用可能
• ベースライン長をcmにすれば食品中の金属異物検出に,数十cmに拡大すれば不発弾や地下埋設物の検知,1~数mに拡大すれば海底鉱物資源の探査に利用できる
• 抗原抗体反応を調べる磁気アッセイ検知用の磁気センサや,センチネルリンパ節の位置特定のためのセンサに利用できる
• センサは超低雑音FM-OFG原理に基づくグラディオメータで,室温で動作し,取り扱い容易で,低価格
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本技術に関する知的財産権
発明の名称:勾配磁界センサ出 願 番 号:PCT/JP2014/078090出 願 人:九州大学発 明 者:笹田 一郎、原田 翔夢