時間・空間を制御した励起磁場からの微弱磁気信号イメージによる微小欠陥特定

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06467
• Research Institution: The University of Shiga Prefecture
• Principal Investigator: 作田 健 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (70221273)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 磁場制御 / SQUID / 磁気シールド / アーデュイーノ

Outline of Annual Research Achievements

励起磁場を空間的時間的に制御することにより対象とする物体に磁場を印加して，磁化された対象物から発する磁気信号を検出することで，磁性異物や欠陥を検出することを目的とする本研究課題において，微小な信号をいかに効率よくかつ高速に検出するかが課題となる．
これに対し，環境雑音対策が大きな問題となっていた．すなわち，環境雑音が大きいにもかかわらず，微小信号を検出するためSQUID磁束計の感度を高くすると，雑音磁場によって，フィードバック制御が効かなくなり，いわゆるSQUID　FLL回路の,ロックがはずれる状態が頻繁に起きる．そこで，引き続き効率よく雑音を抑制するシステムの構築を進めるとともに，ディジタル計測システムの構築を進めた．雑音抑制についてもディジタル化を進めることを念頭に，基本的な動作確認のため，リアルタイム性を考慮し，マイクロコントローラであるアーデュイーノによる，雑音制御システムの検討を実施した．アーデュイーノの出力がPWM方式なので，この信号をアナログ信号に復調し，信号調整を行うことで雑音を抑制するシステムを作製し，基本的な特性として，雑音を抑制できることを確認した．減衰量，信号帯域については，検討の余地があるが，この方式でも雑音抑制が実現できる可能性があった．
また，SQUID ディジタルFLL回路について，検討を行った．内部信号のビット幅の拡張を含め入力信号のダイナミックレンジの拡大は図れるが，レイテンシによる信号のずれの補償が必要であり，入力信号の性質によっては，十分なフラックスロックの性能が得られない場合があった．この点についても，さらに検討が必要と思われる．
低磁場核磁気共鳴システムについて，SQUIDの変更が予想され，システムの再検討が必要となり，レイアウト，電気回路定数などの設計手法の検討を行った．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

実験環境の再構築を実施していたが，メインの磁気センサであるSQUIDが破損しており，代替の入手に手間取られ，また，環境磁場測定に利用してフラックスゲート型磁気センサにも故障が発生し，システムの設計検討を十分行うことができなかった．このため，進捗状況は上記と判断した．
環境雑音対策について，産業用途を考えたときのコスト低減策として，より安価に信号処理ができるアーデュイーノによる動的雑音制御の実現の可能性を検討した．その結果，周辺機器はより必要になるが大まかな雑音対策として，商用電源に起因する磁気雑音を２０dB程度低減することができ，アーデュイーノでも対応できる可能性があることがわかった．
一方，SQUIDのディジタル化FLL回路について，内部信号のビット幅を広げることでダイナミックレンジの拡大を試みた．FLL回路は，内部で積分を実行しているので，積分値のオーバーフローを抑えることを目的としている．交流信号については，オーバーフローが発生する入力信号の最大値を拡大することができたが，懸念される通り，直流成分および極低周波では，やはりオーバーフローが生じてしまった．これらのケースについては，プログラム中で，信号レベルを判断し，オーバーフローを防ぐよう自身でリセットにより対応することとした．実際には，SQUIDのフラックスロックに影響がある場合があり，オーバーフローによるロック外れについては，さらに検討をする必要がある．
核磁気共鳴システムの併用については，予定していたSQUIDの破損により，システムの再設計が必要となった．SQUID特性にあわせて，コイル類の設計，電気電子回路の設計，DSPを含めたディジタル制御システムによる励起シーケンスの構成など，全体の再検討を行い，制御システムについては動作確認を行った．

Strategy for Future Research Activity

メインの磁気信号検出用センサとして想定していたSQUID磁気センサの破損が判明し，同性能の代替品の準備が遅れ，形式の異なるSQUIDセンサを用いて研究を進めることにする．そのため，様々なところで，調整が必要になるため，早急に調整を行い，実験を進めることとしたい．
微小磁気信号検出において，問題となる環境雑音について，一定レベルのめどがついたと判断して，信号検出技術について検討をすすめる予定である． SQUID FLL回路の高周波信号対応について，これまでアナログ方式で検討したが，この対応方法をFPGAによるディジタル化を含めて検討し，より好ましい信号検出を可能として，後の信号処理に適した信号抽出を可能としたい．
核磁気共鳴システムの構造設計および磁気画像イメージの再構築アルゴリズムの検討を実施する．磁気画像イメージや欠陥イメージの再構築に関して，逆問題解法のアルゴリズムを再検討し，磁場再構成に適したフーリエ変換等，また可能であれば独立成分分析といった信号分離を図った上での再構成手法を取り入れ，より高速・高精度のアルゴリズムの採用，より簡単な処理での推定手法を総合的に検討し，磁気イメージ像再構築の各手法について検討評価する．
また，位置検出手法として，機械学習による位置検出のプログラムを設計する．磁気イメージとシミュレーションによって作成した学習用データを用いて，AIによる機械学習を用いた位置検出の最適を図るとともに，信号の特徴から物質の特性評価が行えないか検討を進める．
実験データの収集をより効率よく行うためのディジタル計測システムの構築も実施する．特にボトルネックとなるDA変換速度と転送保存速度のトレードオフについて，できるだけ最適化されたアルゴリズムによるプログラムフローの検討を行う．

Causes of Carryover

当初予定していた追加のSQUID磁束計にかえて，環境磁場測定システムを購入することとしていた．しかし，現在使用中のSQUIDセンサの破損が判明し，当初の予定通りSQUIDセンサの変更することとした．この場合，納入に時間を要するため，次年度に購入することとした．