JP2002196056A - 高温用nmrプローブ - Google Patents

高温用nmrプローブ

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JP2002196056A
JP2002196056A JP2000392208A JP2000392208A JP2002196056A JP 2002196056 A JP2002196056 A JP 2002196056A JP 2000392208 A JP2000392208 A JP 2000392208A JP 2000392208 A JP2000392208 A JP 2000392208A JP 2002196056 A JP2002196056 A JP 2002196056A
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high temperature
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Takeyoshi Ikeda
池田武義
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Jeol Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】大口径NMR試料管や超臨界流体用の高温高圧
NMR試料管を用いて500℃以上の高温でNMRを測
定する際に発生するNMR試料管の下部と上部の間の温
度勾配を従来よりも小さく抑えることができ、また、測
定試料を加熱する際のエネルギー効率を従来よりも高め
ることができる高温用NMRプローブを提供する。 【解決手段】測定領域の直下ならびに測定領域の直上に
加熱手段を設け、該加熱手段からの熱を、試料のNMR
信号を検出するために試料の周囲に配置されたサンプル
コイルおよび該サンプルコイルを支持するコイルボビン
に伝えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能核磁気共
鳴(NMR)装置に用いられる高温用NMRプローブに
関する。
【0002】
【従来の技術】高温用NMRプローブは、NMR装置を
用いて物性の研究を行なう際に、無くてはならない重要
なアタッチメントである。とりわけ、測定試料の温度を
400℃以上の高温に維持する必要のある超臨界流体の
研究分野や、無機材料の研究分野などでは、高温用NM
Rプローブは不可欠の要素と言っても過言ではない。
【0003】図1に、従来の高温用NMRプローブの構
造を示す。図中1は、窒素ガスなどの流体を取り入れる
流体取り入れ口である。流体取り入れ口1から送り込ま
れた窒素ガスなどの流体は、高温用NMRプローブ内に
設けられた流路に沿って流れ、NMR試料管6が置かれ
た位置の上流側に設けられたヒーター3によって加熱さ
れる。ヒーター3には、電源コネクター2を介して、外
部の図示しない電源から加熱のための電力が供給され
る。
【0004】加熱された流体を、高温を維持したままの
状態でNMR試料管6の位置まで供給するために、流体
の流路は、真空二重管7などの断熱手段によって取り囲
まれ、外部から断熱された構造になっている。流体の温
度は、NMR試料管6の直下に設けられた温度測定点5
において、熱電対などの温度センサー4によって計測さ
れ、計測された温度の値に基づいて、ヒーター3に供給
される電力を制御している。すなわち、流体の温度が予
め設定された値よりも低い場合は、ヒーター3への電力
供給量を増やすようにし、流体の温度が予め設定された
値よりも高い場合は、ヒーター3への電力供給量を減ら
すようにする。このように構成することによって、窒素
ガスなどの流体を所望の温度に制御することができる。
【0005】加熱された流体は、高温用NMRプローブ
内の断熱された流路を通って、NMR試料管6に吹き付
けられ、NMR試料管6と流体との間の熱交換により、
NMR試料管6は高温に加熱される。NMR試料管6の
温度を400℃の高温に維持するためには、加熱された
流体を真空二重管7等の断熱手段で外界から充分に断熱
すると共に、ヒーター3として、高電力のものを採用す
る必要がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図1に示す
通り、従来の高温用NMRプローブは、加熱された流体
をNMR試料管6の下部から上部に向けて吹き上げる構
造になっているため、NMR試料管6の底部の温度が最
も高くなり、NMR試料管6の上部に行くほど温度が低
下して、NMR試料管6の高さ方向に温度勾配を生じる
という問題があった。このような温度勾配は、流体の設
定温度が高くなれば高くなるほど大きくなる。また、口
径が10φ以上の大口径試料管を使用する場合のよう
に、使用されるNMR試料管6の外径が太くなれば太く
なるほど大きくなるという傾向があり、NMR試料管内
の試料を均一な温度に加熱することを極めて困難にす
る。
【0007】特に、測定の対象が超臨界流体であるよう
な場合、試料に対して、高温のみならず高圧をも印加す
る必要があるため、高い圧力に耐えられるようにするた
めに、NMR試料管の管壁を肉厚に構成する必要があ
る。その結果、NMR試料管の外径が太くなり、温度勾
配の増大を招く。また、超臨界流体用のNMR試料管の
場合、NMR試料管の上部には、加圧用の金属製チュー
ブを結合するためのジョイントとホルダーが付属してい
るため、熱が特に逃げやすくなり、温度勾配の程度が非
常に大きくなる。温度勾配が大きくなると、NMR試料
管の下部と上部で異なった性質の超臨界流体が生成し、
得られるNMRデータが極めて複雑なものになってしま
うという問題を生じる。
【0008】また、従来の高温用NMRプローブは、ヒ
ーターの熱を窒素ガスなどの流体を介して測定試料に伝
える方式であるため、窒素ガスボンベなどの大がかりな
流体供給設備が必要となる上、流体に与えた熱エネルギ
ーは、ごく一部が測定試料の昇温に利用されているに過
ぎず、大部分の熱エネルギーは、流体と共に大気中に捨
てられていた。そのため、熱エネルギーのほとんどが無
駄になり、非常にエネルギー効率の悪い方式であった。
結果的に、測定試料の最高温度を500℃以上に上げる
ことさえ困難であるという問題があった。
【0009】また、従来の高温用NMRプローブでは、
熱効率が悪いことが原因で、大電力のヒーターが用いら
れていたため、ヒーターから発生する多量の熱が高温用
NMRプローブの周囲の電子部品に悪影響を及ぼす可能
性があった。そこで、その問題を回避するために、断熱
と冷却のための厳密な対策が不可欠であった。
【0010】本発明は、上述した点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、大口径NMR試料管や超臨界流
体用の高温高圧NMR試料管を用いて500℃以上の高
温でNMRを測定する際に発生するNMR試料管の下部
と上部の間の温度勾配を従来よりも小さく抑えることが
でき、また、測定試料を加熱する際のエネルギー効率を
従来よりも高めることができる高温用NMRプローブを
提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかる高温用NMRプローブは、測定領域
の直下ならびに測定領域の直上に加熱手段を設け、該加
熱手段からの熱を、試料のNMR信号を検出するために
試料の周囲に配置されたサンプルコイルおよび該サンプ
ルコイルを支持するコイルボビンに伝えるようにしたこ
とを特徴としている。
【0012】また、前記加熱手段はヒーターであること
を特徴としている。
【0013】また、前記ヒーターは無誘導巻で巻かれて
いることを特徴としている。
【0014】また、前記サンプルコイルで試料のNMR
信号を検出している時間帯には、ヒーターへの電力供給
を停止するようにしたことを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図2は、本発明にかかる高温用
NMRプローブの一実施例、図3(a)は、その主要部
分を拡大した断面図、図3(b)は、その側面図であ
る。
【0016】図2において、高温用NMRプローブの主
要部分8は、NMRを測定する際、図示しない超伝導磁
石の孔の奥深くに挿入される必要があるため、円筒状の
プローブケース9の上端付近に取り付けられている。
【0017】また、高温用NMRプローブの主要部分8
を拡大・図示した図3(a)および図3(b)におい
て、10はNMR試料管である。NMR試料管10の測
定領域の直下および直上付近には、白金あるいは白金ロ
ジウムなどの非磁性材料で作られたヒーター線を無誘導
巻に巻き付けたヒーターなどの加熱手段11が設けられ
ている。
【0018】ここで、ヒーター線を無誘導巻にしている
理由は、ヒーター線を流れる電流から発生する磁場が、
図示しない超伝導磁石の均一な静磁場強度分布を乱し、
NMRスペクトルの分解能を低下させるのを避けるため
である。また、加熱手段11をNMR試料管10の測定
領域の直下および直上の2ヶ所に分けて配置した理由
は、NMRの測定領域に現れやすい温度勾配をできるだ
け小さくするのが主なねらいである。
【0019】NMR試料管10と加熱手段11の狭い間
隙には、測定試料が出すNMR信号を検出するためのサ
ンプルコイル12が設けられている。このサンプルコイ
ル12は、例えば熱伝導性の高い金メッキされた銅箔な
どで作られ、図示しないコイルボビンにより支持されて
いる。また、NMR試料管10の直下には、測定試料近
傍の温度を検出するために、熱電対などの温度センサー
13が置かれている。また、加熱手段11の周囲には、
加熱手段11が設置されている領域全体を外界から断熱
するために、石英ガラスなどでできた真空二重管14が
置かれている。これらの部品は、従来型の高温用NMR
プローブにも基本的に備わっているものである。
【0020】次に、上記のような構造を持った本発明の
高温用NMRプローブがどのように動作するかを、図4
を用いて説明する。まず、円筒状のプローブケース8内
に設けられた上下2つの加熱手段11に対して、温度制
御ユニット15から電流(例えば交流電流)が供給さ
れ、上下2つの加熱手段11が加熱される。加熱手段1
1の熱は、加熱手段11のすぐ内側に位置するサンプル
コイル12および該サンプルコイル12を支持するコイ
ルボビンに熱伝導により伝達され、サンプルコイル12
およびコイルボビンに伝わった熱は、更にNMR試料管
10およびNMR試料管10の中の測定試料に対して
も、輻射熱として伝わる。
【0021】本発明の高温用NMRプローブの大きな特
徴は、測定試料の加熱の仕方を、従来のような窒素ガス
など多量の高温流体を流す大がかりな熱交換方式から、
サンプルコイル12および該サンプルコイル12を支持
するコイルボビンを介して熱を伝える熱輻射方式に変更
した点にある。従って、加熱手段11は、試料近傍を局
所的に加熱しているに過ぎないが、加熱のエネルギー効
率は従来に較べて極めて高く、用いられる加熱手段11
は、電力消費の比較的小さなものでも用が足りる。そし
て、10φ以上の大口径NMR試料管を用いた場合で
も、500℃以上の高温が比較的容易に得られる。ま
た、高温流体の流路が不要になったので、従来は大がか
りだった高温用NMRプローブの断熱構造を大幅に簡素
化することができ、従来は必要とされた窒素ガスボンベ
などの流体供給設備も全く不要になった。
【0022】さて、加熱手段11からの熱によって加熱
された測定試料の温度は、NMR試料管10の直下に設
けられた熱電対などの温度センサー13によってモニタ
ーされる。このモニター結果を、前述の温度制御ユニッ
ト15にフィードバックすることにより、測定試料の温
度コントロールが行なわれる。
【0023】尚、加熱手段11に電流を流すと、その電
流により電気的・磁気的な雑音が発生し、その雑音が、
サンプルコイル12によってピックアップされる可能性
がある。そこで、それを避けるために、本発明では、サ
ンプルコイル12で測定試料のNMR信号を検出してい
る時間帯(NMRアクイジッション時間)には、図示し
ないパルス発生器からパルス信号を発生させて、スイッ
チ回路16にパルス信号を供給し、温度制御ユニット1
5から加熱手段11に供給される電流が一時的にゼロに
なるように、スイッチ回路16をオン/オフ制御するよ
うに構成した。
【0024】これにより、サンプルコイル12で測定試
料のNMR信号を検出している時間帯(NMRアクイジ
ッション時間)には、加熱手段11への電力供給が停止
されるので、加熱手段11を流れる電流によって発生す
る雑音がNMR信号の中に混入する事態は避けられる。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の高温用NM
Rプローブによれば、加熱手段からの熱を、サンプルコ
イルを介した熱伝導によって、測定試料に伝えるように
したので、加熱のエネルギー効率が高まり、10φ以上
の大口径NMR試料管を用いた場合でも、500℃以上
の高温が容易に得られるようになった。また、従来は必
要だった窒素ガスボンベなどの流体供給設備も全く不要
になった。更に、測定領域の直下ならびに測定領域の直
上の2ヶ所に分けて加熱手段を設けたので、NMRの測
定に必要な範囲の試料の温度勾配を小さくすることがで
きた。更に、加熱手段のヒーター容量が小さくなり、高
温流体の流路も不要になったので、従来は大がかりだっ
た高温用NMRプローブの断熱構造を大幅に簡素化する
ことができた。更に、高温用NMRプローブの大きさを
小型化できるので、500MHz以上の高磁場NMR装
置に対しても、高温用NMRプローブを適用することが
容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の高温用NMRプローブを示す図である。
【図2】本発明にかかる高温用NMRプローブの一実施
例を示す図である。
【図3】本発明にかかる高温用NMRプローブの一実施
例を示す図である。
【図4】本発明にかかる高温用NMRプローブの一実施
例を示す図である。
【符号の説明】
1・・・流体取り入れ口、2・・・電源コネクター、3・・・ヒ
ーター、4・・・温度センサー、5・・・温度測定点、6・・・
NMR試料管、7・・・真空二重管、8・・・高温用NMRプ
ローブの主要部分、9・・・プローブケース、10・・・NM
R試料管、11・・・加熱手段、12・・・サンプルコイル、
13・・・温度センサー、14・・・真空二重管、15・・・温
度制御ユニット、16・・・スイッチ回路。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定領域の直下ならびに測定領域の直上に
    加熱手段を設け、該加熱手段からの熱を、試料のNMR
    信号を検出するために試料の周囲に配置されたサンプル
    コイルおよび該サンプルコイルを支持するコイルボビン
    に伝えるようにしたことを特徴とする高温用NMRプロ
    ーブ。
  2. 【請求項2】前記加熱手段はヒーターであることを特徴
    とする請求項1記載の高温用NMRプローブ。
  3. 【請求項3】前記ヒーターは無誘導巻で巻かれているこ
    とを特徴とする請求項2記載の高温用NMRプローブ。
  4. 【請求項4】前記サンプルコイルで試料のNMR信号を
    検出している時間帯には、ヒーターへの電力供給を停止
    するようにしたことを特徴とする請求項2または3記載
    の高温用NMRプローブ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005022183A1 (ja) * 2003-08-29 2005-03-10 Kyoto University 高温測定用nmrプローブ
US7262600B2 (en) 2005-07-11 2007-08-28 Hitachi, Ltd. NMR probe
CN106353354A (zh) * 2015-07-14 2017-01-25 艾斯拜克特成像有限公司 在高温高压下样品和过程的核磁共振成像的装置和方法

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