JP2002525637A

JP2002525637A - Ｎｍｒスペクトロメーター用プローブヘッド

Info

Publication number: JP2002525637A
Application number: JP2000572681A
Authority: JP
Inventors: ヴィルフリードベルグマン
Original assignee: ヴィルフリードベルグマン
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-08-13
Also published as: WO2000019228A3; DE59912903D1; EP1131647A2; IL142344A0; AU1262200A; DE19844895C2; EP1131647B1; WO2000019228A2; ATE312359T1; US6617851B1; RU2001111886A; CN1328645A; DE19844895A1; AU768008B2; CA2348635A1

Abstract

(57)【要約】少なくとも１つの励起高周波を発生する送信器と該励起高周波により励起された試料の測定信号を増幅する前置増幅器Vからなり、また少なくとも１つの第一アンテナと少なくとも１つの第一導波管からなる低温に冷却された一次測定回路を備え、該第一アンテナは、第一導波管を介し該前置増幅器Vに接続されており、この時少なくとも１つの該第一導波管は、異常表皮効果の領域で作動し、なお該第一導波管内の電荷キャリアの平均自由行程は、電磁的表皮厚さよりも大きく、かつ該一次測定回路がその特性インピーダンスに対応する手段を持つことを特徴とするNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、励起高周波を発生する少なくとも１つの送信器と該励起高周波によ
り励起された試料の測定信号を増幅する少なくとも１つの前置増幅器からなり、
また少なくとも１つの一次アンテナと少なくとも１つの第一導波管からなる低温
に冷却された一次測定回路を備え、該一次アンテナは、第一導波管を介し該前置
増幅器に接続されていることを特徴とするNMRスペクトロメーター用プローブヘ
ッドに関する。

【０００２】 NMR実験の目的は、時間的、空間的に均一な磁場B₀内で周波数ω₀の高周波磁場
B₁に励起されその反応として起こる試料の電子及び／又は原子核のエネルギー転
移を電磁放射として観察することである。高周波磁場B₁の周波数ω₀は、好まし
くはHF領域又はそれを超す領域にありその値は、約300MHzから3GHzである。電磁
放射は、一次測定回路や試料又は周囲の温度変化などにより発生する一般的なバ
ックグラウンド電磁ノイズに対する相対値として測定される。

【０００３】 NMR実験における主な問題点は、試料から放射される信号の弱さにある。しか
も信号は、試料内の反応や試料内の一部により吸収されより弱くなることもしば
しばである。このような問題点に基づき、プローブヘッドの感度を上げ信号対雑
音比(S/N比)を向上する努力がなされてきた。

【０００４】従来S/N比を最良のものとするため、安定均一磁場B₀と高周波磁場B₁を可能な
限り高めることに努力してきた。また同時に一次測定回路を超伝導体に至る抵抗
の少ない材料で構成しできるだけ低温で使用し伝導ロスと電磁ノイズを最小限に
止める努力も為されてきた。周囲変化に伴うノイズから一次測定回路を隔離保護
する方法も考案されている。

【０００５】上記の如きプローブヘッドとしてはUS5,258,710がある。このプローブヘッド
は、一次共振器とこれに接続された二次共振器を有し、該二次共振器は送信器と
接続され、試料は、該一次共振器に導入される。試料の励起は、ラジオ波信号が
二次共振器から一次共振器に伝えられ、該一次共振器に保持されている試料が該
信号に照射されることにより行われる。該一次共振器は、この後受信器として作
動し受信した測定信号を二次共振器に伝える。S/N比を向上するため、プローブ
ヘッドを低温に冷却し温度変化によるノイズを減少させる一方、信号強度を向上
するため超伝導体を使用しプローブヘッドの伝導率を高めている。

【０００６】他の例として、US5,751,146が知られている。このNMR実験用プローブヘッドは
、高い伝導率をもつ物質からなる一方が開放された表面コイルを使用している。
ここでは、伝導体の高周波抵抗が伝導体の厚みの影響を受けないよう、伝導体の
厚みを電磁的表皮厚さの最低3倍から5倍としている。このようにS/N比を向上するために様々な努力がなされているにもかかわらず
、放射力の小さい試料を満足に測定できるS/N比を持つNMRスペクトロメーターは
、現在まで知られていない。

【０００７】本発明の目的は、アンテナと前置増幅器の効率を最適化し、信号対雑音比(S/N
比)を有意に向上した前記プローブヘッドを提供することである。

【０００８】この目的は、本発明によれば、少なくとも第一導波管を、異常表皮効果の領域
で作動させ、なお該第一導波管内の電荷キャリアの平均自由行程を、電磁的表皮
厚さよりも大きくし、かつ一次測定回路にその特性インピーダンスに速やかに対
応することのできる手段を取り付けることにより達成される。

【０００９】特徴的な電磁的表皮厚さδ_effにおける異常表皮効果は、伝導電子の自由行程l
が電磁場の進入の深さδ_em'よりも大きくなると、すなわちl>δ_em'になると起こ
る。伝導電子の平均自由行程が、特に低温においてミリメートルあるいはセンチ
メートルの領域に達する。この領域では、導波管の原料に関しては、ほぼ抵抗無
しで導波が可能となり、アンテナで受信された測定信号を信号の強度を損なうこ
となく前置増幅器へ伝導し、該前置増幅器が該信号を処理することができる。

【００１０】このような非常に伝導抵抗の小さい導波管を共振器として、できるだけ短時間
に電磁波でチャージするには、特性インピーダンスを即座に対応させる必要があ
る。この対応は、励起波のエネルギーを試料励起後、測定前に散逸させるために
も必要である。これは、例えばアンテナをピン・ダイオードで発生するインピー
ダンスで特性インピーダンスに変換することにより可能である。異常表皮効果領
域で作動する導波管の最大の利点は、超伝導体導波管に比べ、特に磁束量子化な
どの問題も起こらないので、伝導特性が良いことである。

【００１１】異常表皮効果領域で導波を可能にする導波物質を一次アンテナや他のアンテナ
に使用することも長所をもたらす。好ましくは、少なくとも第一導波管は、導波ロスを最低限に押さえるために、
異常表皮効果領域で作動させるべきである。

【００１２】固有抵抗比r_i ≧ 10³、好ましくはr_i ≧ 10⁴の金属製導波物質が、上記目的を
達成することが判明した。固有抵抗比r_i = ρ_RT/ρ_LTは、室温における物質の固有抵抗値ρ_RTと低温、好
ましくは≦20K、における物質の固有抵抗値ρ_LTの比として定義される。このような金属の固有抵抗値は、周囲の磁場に影響を受けにくいことが望まし
い。よって比 Δρ/ρ= (ρ(r_i, T, B≠0) - ρ(r_i, T, B = 0)) / ρ(r_i, T, B = 0) (式中、ρは固有抵抗比r_i、絶対温度T及び磁場Bにおける固有抵抗値をあらわす)
が、小さければ小さいほど好ましい。通常は、絶対温度≦ 20K、固有抵抗比r_i
≧10³においてΔρ/ρ≦5を大幅に超えないことが望ましい。

【００１３】特に好ましい金属の例として、純度の非常に高いアルミニウムをあげることが
できる。特に、純度>99.9999%(6N-アルミニウム)で欠損濃度の低いアルミニウム
が好ましい。

【００１４】通常、アルミニウムの純度が≒99.9%以上であれば、導波管の原料として使用
できる。しかし伝導体の表面抵抗R_sが、異常表皮効果から電磁的表皮効果へ移行
するとき、桁違いに変化することに注意する必要がある。

【００１５】少なくとも第一導波管の伝導体の内部及び外部表面が伝導体内部と同じ固有抵
抗を持つことも好ましい。

【００１６】基本的には、一次測定回路全体に対して上記事項が有効である。これは、伝導
体原料を焼きなましして応力除去を施し、伝導体表面を電解研摩などで処理し、
導波管作成時に冷間加工された表層を完全に除去することで実現できる。なお伝
導体表面をパッシベーションすることも有効である。

【００１７】このような処理を施すことにより、絶対温度T ≦ 4Kの使用条件で、表面抵抗1
0⁻⁷Ωの領域及び磁力11.744Tもしくはそれ以上を達成することができる、特に
純度の限りなく高いアルミニウムを使用すれば抵抗比r_iも10⁵の領域を達成する
ことができる。

【００１８】他の有効な実施形態は、前置増幅器とアンテナとをスイッチを介して接続する
ことである。試料の励起時に接続を切断することで、この間前置増幅器がアンテ
ナで受信される励起信号のパルスを受けない。このことで励起された試料の測定
されるべき信号に比べ強い励起電磁波の信号に前置増幅器が影響を受けなくする
ことが可能である。

【００１９】基本的には、励起信号の伝達方向をアンテナで受信される測定信号に対して直
角となるな構造を持つ実施形態も考案することができる。このようにする事で、
前置増幅器とアンテナの接続を励起中切断しなくてもアンテナがこの間励起信号
を受信しなくすることが可能である。好ましい冷媒の例としてヘリウムIIをあげることができる。ここ言うヘリウム
IIとはλライン以下の液体ヘリウムを示す。ヘリウムIIとヘリウムIの違いは、
例えば沸騰しにくいことである。これはヘリウムIIが超流体であり超熱伝導性を
持つことに由来する。よってヘリウムIIを冷媒として使用することにより沸騰に
よるノイズを回避することができノイズのレベルを全体的に下げることが可能と
なる。

【００２０】ヘリウムIIの温度こう配は、4.3・10^-4K/m換算して6・10^-4W/m²の熱を運搬す
ることができる、これは室温における銅の実質的熱伝導率の3・10⁵倍に及ぶもの
である。プローブヘッドの作動温度は、好ましくはヘリウムIIの熱流密度が最大となる
1.85Kである。

【００２１】ヘリウムIIの誘電率 ε≒1.055と固有抵抗ρ≦10¹³は、ほぼ真空のそれと近い
値であるため、第一導波管だけでなくその他の導波管やアンテナに対して絶縁体
としても使用できる。よってヘリウムIIは、冷媒としてだけではなく絶縁体とし
ての2つの働きを持つ。しかし絶縁体として真空を使用することを否定したわけではない。

【００２２】好ましい実施形態として、NMRスペクトロメーターにおいて、アンテナを導波
管の下部に設置することをあげることができる。このような実施形態を取ること
で、起動時の作動温度への冷却工程において、一次測定回路で発生したヘリウム
ガスが第一導波管沿いに上方に逸脱し、アンテナ部分に残留するのを避けること
ができる。

【００２３】第二導波管を好ましくは少なくとも一つの開口部により第一導波管と連結しま
た送信器と接続し、第二導波管の励起波を第一導波管にカップリングするための
手段を設け励起波が前置増幅器への方向に導波されることを回避することにより
、はじめに述べたようなプローブヘッドにおいても上記問題は解決することがで
きる。

【００２４】このようにして第一導波管内の励起波は、アンテナの方向にカップリングされ
、アンテナがこのような実施形態においては試料信号の受信器としての役割だけ
ではなく、試料を励起するためのB₁磁場を作り出す役割も果たすことができる。

【００２５】第二導波管の励起波を第一導波管にカップリングするための手段により、前置
増幅器が測定信号よりも強力な励起信号に影響されることを回避することができ
、前置増幅器が励起後、できるだけ短時間で測定を開始することが可能となる。

【００２６】このようにして、弱い高周波信号の受信用に調節された前置増幅器が強い励起
信号に妨害され、この障害が試料励起後も測定に支障を来さない様にすることが
可能となる。障害無く測定信号を受信できないアイドル時間が短く、試料励起後
短時間で或いは即座に前置増幅器を作動状態にすることができる。

【００２７】前置増幅器の方向に励起波が到達するのを回避するには様々な方法がある。励起波のカップリング手段としては、λ/2副導波管をあげることができ、これ
は方向性結合器としての機能を持つ。

【００２８】この様な実施形態おいては、第二導波管から第一導波管にカップリングされる
励起波が分離される。この部分波の一方は、1/4波長の奇数倍の間隔(2n+1)・λ/
4(n=0, 1, 2...)で第一導波管にカップリングされアンテナの方向に位相で導波
される。部分波の他の一方は、前置増幅器の方向にλ/2位相変位して導波される
。第一の部分波は、励起波として特定の変換、インピーダンスの調整を受けた後
アンテナに送られ試料を励起する。アンテナからの反射波は、前置増幅器の方向
に向かう第二の部分波との干渉によりほぼ相殺される。

【００２９】他の実施形態として、第一導波管に、第二導波管が第一導波管にカップリング
する領域と前置増幅器の間に短絡手段、好ましくは少なくとも1つのピン・ダイオ
ードを設ける方法をあげることができる。

【００３０】短絡は、第一導波管の特定領域、すなわち第一導波管で現れる定在波がポテン
シャル・ノードを示す領域で行うことが有意である。なぜならこの領域で振動電
流が最大であり、短絡することで前置増幅器に向かう励起波を効果的に押さえる
ことができるからである。

【００３１】更に好ましい実施形態においては、第二導波管から第一導波管への励起波のカ
ップリングを入り切りできるような手段を設ける。この実施形態においては送信
器を、随時一次測定回路から隔離することが可能である。

【００３２】第二導波管を末端部が開放された共振器とし、第二導波管から一時導波管への
カップリングのために設けられた開口部から送信器のn・λ/2の位置に放電ギャ
ップを一次的に設け短絡することで、好ましいスイッチとすることができる。

【００３３】この実施形態において放電ギャップは、第二導波管の開放された末端部の伝導
層と伝導層の間に設けることができる。このようにすると末端をへリウムプラス
マやアーク放電により放電ギャップ間際で短絡させることが可能となる。

【００３４】第二導波管の末端の伝導層同士を短絡させておくこともできる。この場合、両
伝導層のうち、1つの伝導層の短絡個所間際を放電ギャップで開放しておく必要
がある。また放電ギャップの間隔は、放電ギャップが開放されている場合、この
個所で第二導波管が開放状態で終了するような間隔にする必要がある。

【００３５】このスイッチは、第二導波管の末端の短絡或いは開放と励起波を第二導波管か
ら第一導波管にカップリングするためにλ/2の間隔で設けられた開口部との相互
作用として作動する。第二導波管で導波された波は短絡した第二導波管の末端で
反射され定在波が現れる。開口部付近にポテンシャル・ノード、すなわち第一導
波管にカップリングされる磁場振動の最大（アンチ・ノード）がある。短絡が開
放されると第二導波管に導波された波は、開放されている末端で反射し、定在波
がλ/4だけ移動する。この時、第二導波管の開口部付近にポテンシャル・アンチ
ノードが現れ、絶縁度が高まる。

【００３６】この好ましいスイッチは、ヘリウムプラスマを利用する場合レーザーにより、
アーク放電を利用する場合励起波により制御される。このスイッチの好ましい実施形態においては、放電ギャップの少なくとも1つ
の電極をヘリウムIIで冷却する。この時電極は、ヘリウムIIの少なくとも1つの
流入管と少なくとも1つの排出管と接触し、該排出管は半浸透性ダイアフラムで
形成されている。

【００３７】超流体であるヘリウムIIは、即座に熱源に向かう。この時、ヘリウムIIの流れ
る方向は半浸透性ダイアフラムにより制限されているため、発生した熱を迅速に
排出することができる。

【００３８】他の好ましいスイッチの実施形態では、第二導波管を2つの導波路に分割する
。双方の導波路は、互いに好ましくは(2n+1)・λ/4の間隔で第一導波管にカップ
リングされ、双方の導波路の末端は短絡されており、短絡スイッチによりその長
さを(2n+1)・λ/4短くすることが出来るようになっている。

【００３９】特に好ましい該スイッチ構成の実施形態では、双方の導波路の末端を長さ(2n+
1)・λ/4の範囲で少なくとも1つのピン・ダイオードにより短絡できるようにな
っている。ピン・ダイオードで短絡されている間は、励起波のポテンシャル・ノードが空
洞の入り口に現れ、励起波が第一導波管にカップリングされる。ピン・ダイオー
ドが開放すると、ポテンシャル・ノードが(2n+1)・λ/4移動するので励起波が第
一導波管にカップリングされなくなる。

【００４０】該導波路のうち1つの導波路を他の導波路に対するλ/2副導波路とし方向性結
合器として機能させることもできる。

【００４１】スイッチの前記2通りの好ましい実施形態は、ナノ秒の速さで機能するので、
送信器を非常に短い時間で一次測定回路から隔離することができる。これは、第
二導波管あるいは一方の導波路にできるだけ短時間に特性インピーダンスを持た
せることで導波管の減衰係数を有限とし、即座に励起波でチャージできるように
することで実現できる。他の好ましい実施形態では、少なくとも１つの導波管を同軸導体とする。

【００４２】シリンダー型内管とシリンダー型外管から形成される同軸導体は、他の空洞型
導波管に比べHF領域で長所を発揮し、シースの厚さに対し薄い表皮厚さを持って
いる。電磁場のほぼ全体が、内管と外管の間の絶縁体に形成されるので、漏洩磁
場が発生しない。同軸導体外管の外部表面は、外部からの電磁波を遮蔽する役割も果たす。

【００４３】複数の同軸導波管を同じ軸上で組み合わせ多重同軸導体とすることもできる。
この同軸導体においては、内管の更に内側に1つ或いは複数の同軸、シリンダー
型導体を設ける。導体と導体の間には、絶縁体をはさむ。内側の導体の外面は、
１階層上の導体内側のシースとして機能する。このようにして、同じ軸上にn・λ/4の長さの二重、三重、多重同軸導波線を
形成することができる。それぞれの層は、互いに影響を受けることなく高周波を
導波できる。

【００４４】この実施形態においては、簡単にコンパクトな構成で、NMR実験にと共に必要
となる陽子周波数、好ましくは低めの周波数の電磁波をプローブ・ヘッドへ送る
ことが可能となる。周波数の低いを励起波を外側の同軸導体から内側の同軸導体
へ導波する場合、好ましくは、インピーダンスのゼロ点を応用する。これは同時
に内側の導体における励起波のポテンシャル・ノードである。ポテンシャル・ノ
ード付近では、周波数の低い波と周波数の高い波のチャンネル間で高い絶縁性が
示される。他の周波数の波を導波する場合、対応する開口部とインピーダンスの設定によ
り行うことができる。

【００４５】パルス・シークエンスによって試料を励起する場合、試料の種類、構造などに
合った設定をする必要がある。高周波のチャンネルを、多くの場合陽子周波数を
、交差偏波や双極子カップリングに使用し、周波数の低い波のチャンネルは二相
化や干渉トランスファーの観察に使用する。

【００４６】この見地に基づき、第一導波管と第二導波管が多重同軸導体として形成されて
いることが有利となることは明らかである。このような実施形態では、導波管を
場所をとらないコンパクトなものとすることができる。この実施形態は、絶縁体
としてヘリウムIIを使用する場合特に有利である。適切な位置に半浸透性ダイア
フラムを設置すると、噴水効果によりヘリウムIIが循環し熱を効率よく運搬する
ことができる。また導波管をコンパクトにすることでプローブ・ヘッドもできる
だけ小さくすることができ、超伝導磁石内の限られた容積を効率よく使用するこ
とが可能となる。

【００４７】特に同軸導波管を、異常表皮効果の領域での導波を可能にする原料で作成する
ことにより、減衰定数α ≦ 10^-8Np/mを達成できる。このような同軸導波管の損
失率はほぼゼロである。

【００４８】 S/N比を更に向上するため、本発明の別の実施形態においては、第二アンテナ
を取り付ける。この実施形態においては各アンテナを第一アンテナが赤道方向の
短距離場の測定信号とノイズ信号を受け、第二アンテナが軸方向のノイズ信号だ
けを受けるように配置する。 NMR-測定の試料は励起波により励起され自らが放射する。これはヘルツの双極
子でうまく説明できる。このヘルツの双極子は、高周波のB₁-磁場をx軸方向に発
生する第一アンテナの中心に位置する。この時、B₁-磁場もヘルツの双極子もz軸
に対し垂直な第一アンテナの軸方向に配向している。

【００４９】ヘルツの双極子の短距離場は、励起により放射されるエネルギーのため赤道面
で最大となる。この時軸方向には、エネルギーは放射されない。一方、熱を原因
とするジョンソン雑音は、全ての方向に等方的に放射される。この短距離場のパ
ターンを利用し、短距離場を赤道面と軸方向に放射されたエネルギーを個別に測
定することにより、試料から放射される信号を互いに影響されることなく受信す
ることが可能となる。

【００５０】第一アンテナは、好ましい実施形態において共振器としても使用できる。そし
てその形状は、両面から縦方向にスリットのある短絡可能な末端を持つ管の形状
である。このような形態を持つ第一アンテナは最近の高分解能を有するNMRスペ
クトロメーターで使用されるものと同等のスリット付き、サドル型のUHF-単巻ヘ
ルムホルツ・コイルとして機能する。

【００５１】一次測定回路のチャージとディスチャージをできるだけ短時間で行うため、一
次的に短絡し短時間インピーダンスをかけ、特性インピーダンスに変換する。

【００５２】この時第一アンテナを、周波数依存性を補償したλ/4位相変位で第一導波管に
カップリングすることもできる。こうすることで、ほぼ損失無しに第一導波管の
インピーダンスをアンテナのインピーダンスに適合することができ、妨害となる
反射波を相殺することが可能となる。

【００５３】第二アンテナは、例えば単純な電気的或いは磁気的双極子アンテナ、特に前置
されたリューネブルグ・レンズを持つアンテナが好ましく使用できる。このアン
テナは、試料の短距離場の範囲内で、B₁-磁場の軸方向に沿って設置される。

【００５４】以上様々なS/N比を向上するための方法を述べた。これらの方法、「異常表皮
効果の応用」、「励起波のカップリングの入り切り及び発振器と前置増幅器の隔
離」、「ヘリウムIIの冷媒と絶縁体としての利用」、「励起された試料の短距離
場の特性を応用」は、それぞれ個別なS/N比を向上するための方法として実施す
ることができる。

【００５５】しかし、上記全ての方法を考慮した方法により前記課題が有効に解決されるこ
とは言うまでもない。以上詳述したように、この発明によれば、NMR実験におい
て放射の非常に弱い試料を従来の室温におけるプローブヘッドを使用するのに比
べ50以上も改善されたS/N比で測定することを達成することができる。

【００５６】以下において、本発明はいくつかの好ましい実施例を示す図面に基づいて説明
される。図面の簡単な説明図１：図1は、本発明のいくつかの可能な好ましい実施例の等価回路図である。図２：図2は、本発明のいくつかの可能な好ましい実施例の縦断面図である。図３：図3は、図2のIII-III線に沿ったこれらの実施例の断面図である。図４：図４は、図2のIV-IV線に沿ったこれらの実施例の断面図である。図５：図５は、図2のV-V線に沿ったこれらの実施例の断面図である。図６：図６は、図2のVI-VI線に沿ったこれらの実施例の断面図である。図７：図７は、これらの好ましい実施例のアンテナおよび第一導波管への該アン
テナのλ/4-結合を含む等角図である。

【００５７】図1には、本発明に基づくプローブヘッドのいくつかの可能な実施例に対する
等価図が示されている。該プローブヘッドは第1のアンテナ1を有するが、それは第1の導波管２の矢印
Ｖで示された端部により図示されていない前置増幅器Ｖと接続される。

【００５８】さらに、アンテナ1は２つの送信器と接続されている。等価図では、アンテナ
１をこれらの送信器に接続するための２種類の構成が示されているが、「‘」で
示された参照記号は一方の構成に、また「“」で示された参照記号は他方の構成
に対応している。これらの構成の違いは、第1導波管２への励起電磁波の結合方
法にある。

【００５９】両方の構成において、第1導波管２への励起電波の結合は第２の導波管３‘，
３“により行われるが、これらの導波管へは送信器の励起電磁波は第３の導波管
４‘，４“及び第４の導波管５‘，５“から第２導波管３‘，３“の各電圧波節
（最小インピーダンス）において結合される。その際に、例えばｕｈｆ周波数を
持つパルスシーケンスは第３導波管４‘，４“ により、また低い（ｈｆ）周波
数のいくつかのパルスシーケンスは第４導波管５‘，５“により送られる。

【００６０】第３導波管４‘，４“及び第４導波管５‘，５“から第２導波管３‘，３“へ
のインピーダンス適合は、例えばマインケ／グルントラッハ著、高周波技術手帳
、５版、２巻、Ｌ３ページ以降に記載されているように、λ/10変成器６’，６
”，７‘，７“により行われる。

【００６１】これらの全導波管は、その他の記載された導波管と同様に、電流を通す２つの
導体層を持つ同軸導波管として構成される。

【００６２】これらの導波管の違いは、第２導波管３‘，３“から第１導波管２への励起電
磁波の結合方法にある。

【００６３】図１の左側に記載された構成では、第２導波管３‘からの送信器の励起電磁波
は電磁波分配器へ結合するが、この分配器により励起電磁波は２つの部分波に区
分される。該電磁波分配器は第１の導線８‘及び第２の導線９‘を含むが、ここ
で第２導線９‘はλ/2-迂回回路として構成されており、また両導線８‘，９‘
はλ/4だけ離れて第１導波管２に結合する。該電磁波分配器において、一方の部
分波の位相は他方の部分波に対して前置増幅器Ｖの方向にλ/2だけずれるため、
第１導波管２において生じる静止波は前置増幅器Ｖの方向に上がる。したがって
、この構成は方向性結合器の機能を有しており、励起電磁波はアンテナ１方向へ
のみ通過できる。

【００６４】電磁波分配器への励起電磁波の結合は切換え可能である。そのために、第２導
波管３‘は電磁波分配器への結合区域からλ/2だけ離れた所に放電ギャップ11'
を有するが、該放電ギャップは実施例に応じてヘリウムプラズマ放電又はアーク
放電により短絡できる。ここで放電ギャップの大きさは、第２導波管３‘に対し
て非短絡状態において開いた導線端の特性を付与するように定められる。それに
より第２導波管３‘では静止波が生じるが、それは電磁波分配器への結合開口区
域において電圧波腹を有するため、電磁波分配器への電磁波の結合が阻止される
。放電ギャップ11'での放電は高周波励起電磁波自体により、あるいはヘリウム
プラズマ放電の場合にはレーザーによっても惹起される。試料が励起電磁波により励起される間、第２導波管３‘は放電ギャップ11'の
直後でピンダイオード10'により短絡されている。

【００６５】試料の励起の開始及び終了時に短時間のみピンダイオード10'が起動し、それ
により第２導波管３‘は特徴的なインピーダンスフォイル12'により適合される
が、該フォイルはピンダイオード10'の背後にλ/4離れて設置される。これによ
り、第２導波管３‘は無限導波管の特徴を帯びるため、励起電磁波の負荷は極め
て迅速に、つまり数ナノ秒のオーダで実施できる。同時に、インピーダンスフォ
イル12'の前側で反射された電磁波はλ／4離れて短絡された導波管の端により反
射された電磁波により無効となる。

【００６６】試料を励起する際には、放電ギャップ11'が短絡される。それにより、電磁波
分配器への結合区域からλ／4離れた第２導波管３‘が短絡されるため、第２導
波管３‘において生じる静止波は電磁波分配器への信号の結合区域に電圧波節を
有し、それにより電磁波分配器へ結合できる。

【００６７】放電が終了すると、励起電磁波の静止波は励起電磁波の反射により第２導波管
３‘の開放端でλ／４だけずれるため、結合区域には電圧波腹が生じて、励起電
磁波はもはや電磁波分配器へ結合できなくなる。

【００６８】図１の右側に記載された構成では、第２導波管３‘からの励起電磁波は第１の
導線13"及び第２の導線14"を有する電磁波分配器へ結合するが、この分配器によ
り励起電磁波は２つの部分波に区分される。両部分波はλ／４離れた第１導波管
２に結合されるが、ここで第１導波管２に結合された部分波の位相は第１導波管
２に結合された他方の部分波に対して前置増幅器Ｖの方向にλ/2だけずれるため
、第１導波管２において生じる静止波は破壊的妨害のために前置増幅器Ｖの方向
に上がる。このために、両導線13"，14"は第１導波管２への部分波の結合のため
に設けられた開口部区域にピンダイオード17"，18"を有しており、これらのピン
ダイオードにより開口部区域では部分波の電圧波節が得られる。したがって、こ
の構成も方向性結合器の機能を有しており、励起電磁波はアンテナ方向へのみ通
過できる。

【００６９】導線13"は結合開口部後に短絡されたλ／4回路長さ15"で終わるが、前記開口
部には励起電磁波の結合及び分割のための電圧波節の精確な調整用のバラクター
19" が設置されている。導線14"は結合開口部後に短絡されたλ／2回路長さ16"
で終わるが、前記開口部の中央には励起電磁波の最速の負荷及び放電中の第２導
波管３‘の短時の適合のための特徴的なインピーダンスとして形成されたフォイ
ル20"が設けられている。

【００７０】両導線13"，14"がそれらのピンダイオード17"，18"により短絡されないならば
、静止波の電圧波節は短絡された導線端方向へλ／４だけずれる。それにより、
部分波の結合区域に電圧波腹が生じるため、部分波は第１導波管２へ結合できな
い。

【００７１】バラクター19" により、両導線13"，14"に生じる励起電磁波の静止波の位相は
精確に調整できる。ピンダイオード18"により短時に起動できる特徴的なインピ
ーダンス20"は、前記の方法において、導波管への励起電磁波の迅速な負荷及び
放電を実行する。

【００７２】励起電磁波からの前置増幅器Ｖの付加的な分離も、第１導波管２への励起電磁
波の結合区域の上側に設置されたピンダイオード21により第１導波管２が短時に
短絡されることにより実行される。このために、ピンダイオード21は第１導波管
２において生じる静止波の電圧波節区域に設置される。

【００７３】第１導波管２への部分波の結合用開口部は、好ましくは規則的な周回スリット
として形成される。

【００７４】種々の送信器の異なる励起電磁波と前置増幅器との間の望ましくない相互作用
を回避するために、それらの出力部及び入力部における同軸構造の適切な帯域消
去フィルターにより防護すべきである。

【００７５】第１導波管２の下端には、アンテナ１が設置される。そのインピーダンスは、
前掲のマインケ／グルントラッハの資料において記載された方法にしたがって、
周波数依存性の補償機能を持つλ／４変成器回路22,23,24を介して第１導波管２
のインピーダンスに適合される。

【００７６】アンテナ１は共振器として構成されている。該アンテナは誘導結合された遮蔽
部25を有する。無効終端抵抗26は、アンテナにおいて電圧波節を持つ静止波が試
料個所に精確に形成されるべく機能するが、それにより試料の誘電結合が大幅に
低減される。さらに、ピンダイオード27 により起動できるインピーダンス28が
設けられているため、特徴的な終端インピーダンスが生じる。したがって、一方
では第１導波管は最短時間で励起電磁波を負荷できる。それにより他方では、ア
ンテナに存在する励起電磁波の残留エネルギーが測定工程を始める際に最短時間
で分散できる。

【００７７】同様に代案的に提供できるのは、一次測定回路用に極めて迅速に起動できる特
徴的な終端インピーダンスとして、サファイア基質上に塗布されたNbN又は Nb3S
nなどの硬質のタイプII超伝導体からなる非誘導性表面被膜38，39である。この
被膜はギンツブルク−ランダウ干渉長さにほぼ等しい厚みを持ち、その表面はB0
に対して平行に向いており、また第１導波管の実用的に完全な伝導性を有する
導体層に超伝導的に問題なく挿入できる。それは半導体レーザーを用いて適切な
サイズで使用すればナノ秒で標準伝導性を発揮するのであり、したがって特徴的
なインピーダンスに変換できる。

【００７８】アンテナは第１導波管２に設けられた可変コンデンサ29,30により共振に対し
て調整でき、またバラン31により前置増幅器Ｖに適合できる。いずれも、第１導
波管２の誘導的に機能する区域において行われる。

【００７９】図２には、図１に基づくプローブヘッドのひとつの実施例が示されている。こ
こでは、縦軸の左横に記載された内容は図１の左部分に対応し、また縦軸の右横
に記載された内容は基本的に図１の右部分に対応している。

【００８０】特にこの実施例の横断面に関連して示された図３，４，５，６から明らかなよ
うに、すべての導波管２，３‘，３“，４‘，４“，５‘，５“，６‘，６“，
７‘，７“，８‘，９‘，13",14",15",16"は共通軸を持つ同軸導体として構成
されている。該同軸導体には完全にヘリウムIIガスが充填されるが、それは誘電材及び冷却材
としての二重機能を果たす。

【００８１】左側に示された実施例では、多同軸導波管の最内導体が中空円筒として構成さ
れており、この円筒は放電ギャップ11'を形成する水晶又はサファイアからなる
ヘリウムプラズマ容器により閉鎖される。ヘリウムプラズマ放電は、中空円筒内
を通る光導体32'により導かれるレーザー光線により制御される。

【００８２】放電ギャップ11'の電極は、ヘリウムプラズマ放電時に放出される熱を排出す
るために、第１導波管２から、及び第１導波管２へヘリウムIIを出入りさせるた
めの入り口33'及び出口34'を備えた管路により被覆されている。出口34'は図示
されてはいない例えばAl2O3粉末製の半浸透性ダイアフラムを備えているため、
ヘリウムIIにおける噴水作用による熱交換が行われる。それにより、プローブヘ
ッドにおけるヘリウムII回路の形成が保証されるが、その際にヘリウムIIは排出
熱をクライオスタットで放出する。

【００８３】図示されていない実施例では、管路に設ける出口の代わりに、第２導波管３‘
，３“が噴水作用による出口として使用されるが、それは該導波管がクライオス
タットと接続されているからである。

【００８４】プローブヘッドのすべての導波管要素は、電磁波の反射が回避されるように、
相互の適合及び接続が注意深く行われている。すべてのピンダイオード10',17",
18",21,27も片面が適切なコンデンサにより分離されているため、高周波により
阻害されることなく、数ミリアンペアの直流により制御できる。特に適用可能な
ピンダイオードとして挙げられるのは、ヒ化ガリウム製ピンダイオードである。

【００８５】アンテナ１は、図７において立体的に示されている。該アンテナは縦軸方向に
両側でその下端直前までスリットされたパイプ35からなるが、これらのスリット
はそれぞれパイプ外周のおよそ100°に及んでいる。

【００８６】スリット付きパイプ35は、容量性盲栓により閉鎖できる（マインケ／グルント
ラッハ著、高周波技術手帳、５版、１巻、C21参照）。

【００８７】前記スリットにより形成された縦方向に延びるウェブ37の一方は、特に図２に
おいて示された損失のないドルフ・シェビシェフ回路40によって第１導波管２の
外側導線の内側導体面と接続している。他方のウェブ36はパイプ軸に対して同心
的に延びる円筒形パイプ導体と直列に接続されており、このウェブは第１導波管
２の方向へ延びている。

【００８８】円筒形パイプ導体は、その上端で開いたλ／4変成器回路24である。この円筒
形パイプ導体の外面は、スリット状に形成されたλ／4回路23に対する内部導体
として機能する。λ／4回路23はその下端で短絡されており、またその上端で第
１導波管２の内側に接続している。

【００８９】ドルフ・シェビシェフ回路40はおよそ177°の円セグメント上に延びるが、λ
／4回路23はおよそ35°の円セグメント上に延びており、これらの円セグメント
は相互に対置している。

【００９０】ウェブ36をλ／4変成器回路24の内部導体と接続する接続回路も、またλ／4回
路23の下端を短絡する接続回路も、有利にドルフ・シェビシェフ回路として構成
することができる。

【００９１】したがって、第１導波管２へのアンテナ１の結合は、前掲のマインケ／グルン
トラッハにおいて記載されているように、周波数依存性の補償を備えたλ／4変
成器の方式で構成される。

【００９２】図示されたレイアウトでは、対向するウェブ間に静止電磁波磁場がパイプ軸に
垂直に形成されるが、その際に試料があるその中心には電圧波節が、したがって
極めて均質な高周波磁場が存在する。そのため、アンテナ１は最近の高分解能を
有するNMRスペクトロメーターで使用されるものと同等のスリット付きの単巻ヘ
ルムホルツ・コイルとして機能する。

【００９３】同様の方法において、第１導波管における勾配磁場付き又は無しでの高分解能
性、「魔法角スピン」、「クロス偏極」又は「減結合」実験のために、単一又は
複数の周波数に対してアンテナを適合させることができる。

【００９４】試料は、下側から超伝導性高磁場磁石のパイプへ挿入される。該試料は低温冷
却されたアンテナ要素からデューアびんにより分離されるため、試料は常温又は
別の独立した温度で調査できる。

【００９５】好ましいプローブヘッドでは、この範囲でも温度ノイズによる信号対雑音比の
劣化を回避するために、低温冷却された前置増幅器Ｖが使用される。使用可能な
前置増幅器として挙げられるのは、特にＲ．Ｊ．プランス等により記載された物
理学誌「科学装置、15巻、101-104ページ、1982年１月付き、ＵＨＦ超低ノイズ
式超低温ＦＥＴ前置増幅器」に基づく増幅器である。

【００９６】アンテナ１を含むプローブヘッド全体は、1.85Kでの閉鎖された循環稼働用の
低温発生器を備えた図示されていない貫流型クライオスタットにより包囲される
。プローブヘッドは、クライオスタットと共に上から垂直に設けられた穴を持つ
超伝導磁石へ挿入できるが、穴の区域は常温である。試料用空間は、上方へ延び
るクライオスタットへの折り返し部として形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図1は、本発明のいくつかの可能な好ましい実施例の等価回路図である。

【図２】図2は、本発明のいくつかの可能な好ましい実施例の縦断面図である。

【図３】図3は、図2のIII-III線に沿ったこれらの実施例の断面図である。

【図４】図４は、図2のIV-IV線に沿ったこれらの実施例の断面図である。

【図５】図５は、図2のV-V線に沿ったこれらの実施例の断面図である。

【図６】図６は、図2のVI-VI線に沿ったこれらの実施例の断面図である。

【図７】図７は、これらの好ましい実施例のアンテナおよび第一導波管への該アンテナ
のλ/4-結合を含む等角図である。

【符号の説明】１・・・第１アンテナ；２・・・第１導波管；３’、３”・・・第２導波管４’、４”・・・第３導波管；５’、５”・・・第４導波管；６’、６”、７’、７”：λ/10変成器；８’・・・第１導線；９’・・・第２導線； 10’・・・ピンダイオード；11’・・・放電ギャップ； 12’・・・インピーダンスフォイル；13”・・・第１導線； 14”・・・第２導線；17”、18”・・・ピンダイオード； 19”・・・バラクター；20”・・・フォイル； 21・・・ピンダイオード；22、23、24・・・λ／４変成器回路； 25・・・遮蔽部；26・・・無効終端抵抗； 27・・・ピンダイオード；28・・・インピーダンス； 29、30・・・可変コンデンサ；31・・・バラン；32・・・光導体； 33’・・・入り口；34’・・・出口；35・・・スリット付きパイプ； 36・・・ウェブ；37・・・ウェブ；38、39・・・非誘導性表面被膜； 40・・・ドルフ・シェビシェフ回路；

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１１月２７日（２０００．１１．２７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起電磁高周波を発生する少なくとも１つの送信器と該励
起高周波により励起された試料の測定信号を増幅する少なくとも１つの前置増幅
器（V）からなり、また少なくとも１つの第１アンテナ（１）と第１の導波管（
２）からなる低温に冷却された一次測定回路を備え、前記第１アンテナ（１）は
第１導波管（２）を介して前記前置増幅器（V）に接続されているNMRスペクトロ
メーター用プローブヘッドにおいて、少なくとも第１導波管（２）は異常表皮効
果領域で作動し、しかも少なくとも第１導波管（２）における荷電担体の自由行
程は電磁的表皮深さよりも大きいこと、また、前記一次測定回路はその特徴的な
インピーダンスへ短時に適合する手段を具備することを特徴とするNMRスペクト
ロメーター用プローブヘッド。
【請求項２】少なくとも第１導波管（２）は極度の異常表皮効果の領域
において作動することを特徴とする請求項１記載のNMRスペクトロメーター用プ
ローブヘッド。
【請求項３】少なくとも第１導波管（２）はｒｉ≧１０４のできるかぎ
り高い固有抵抗比を有する金属からなることを特徴とする請求項１又は２記載の
NMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項４】少なくとも第１導波管（２）に対して、導体材料として最
高純度のアルミニウムが使用されることを特徴とする請求項３記載のNMRスペク
トロメーター用プローブヘッド。
【請求項５】第１導波管（２）の少なくとも内側及び外側の導体表面は
導体内部と同等の固有伝導度を有することを特徴とする請求項３又は４記載のNM
Rスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項６】前置増幅器（V）及びアンテナ（１）は切換え可能に相互
に接続されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のNMRスペクト
ロメーター用プローブヘッド。
【請求項７】低温材としてヘリウムIIが使用されることを特徴とする前
記請求項のいずれかに記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項８】稼働温度が1.85Kであることを特徴とする請求項７記載のN
MRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項９】少なくとも第１導波管（２）におけるヘリウムIIは誘電体
として使用されることを特徴とする請求項７又は８記載のNMRスペクトロメータ
ー用プローブヘッド。
【請求項１０】 NMRスペクトロメーター内のアンテナ（１）は第１導波
管（２）の下側に設置されることを特徴とする請求項９記載のNMRスペクトロメ
ーター用プローブヘッド。
【請求項１１】特に第２の導波管（３‘，３“）は少なくとも１つの開
口部により結合され、かつ送信器により第１導波管（２）と接続されていること
、また第２導波管（３‘，３“）からの励起電磁波を第１導波管（２）へ結合す
る手段を具備し、それにより前置増幅器（V）方向への励起電磁波の伝搬が抑制
されることを特徴とする請求項１の上位概念又は前記請求項のいずれかに記載の
NMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１２】励起電磁波を結合する手段はλ／2迂回回路（９‘）を
含み、かつ方向性結合器を有することを特徴とする請求項11記載のNMRスペクト
ロメーター用プローブヘッド。
【請求項１３】第１導波管（２）は、第２導波管（３‘，３“）を第１
導波管（２）へ結合する領域と前置増幅器（V）との間に、短絡用手段特に少な
くともひとつのピンダイオード(21)を有することを特徴とする請求項11又は12記
載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１４】第２導波管（３‘，３“）から第１導波管（２）への励
起電磁波の結合は切換え可能であることを特徴とする請求項11ないし13のいずれ
かに記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１５】第２導波管（３‘）は開閉式回路共振器として構成され
ており、該共振器は送信器とは反対の方向に第１導波管（２）へ結合するための
その開口部からn・λ／2離れて一時的に放電ギャップ（11'）上で短絡できるこ
とを特徴とする請求項14記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１６】電極として形成された放電ギャップ（11'）の端の少な
くとも一方はヘリウムIIにより冷却され、しかも前記電極は少なくとも１つの入
り口（33'）と１つの出口（34'）とを有するヘリウムII用管路と接触しており、
前記出口（34'）は半浸透性ダイアフラムを有することを特徴とする請求項15記
載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１７】第２導波管（３‘）は２つの導体経路（13",14"）に分
岐しており、それらは互いに好ましくは（2n+1）・λ／4離れて第１導波管（２
）へ結合し、しかも両者は短絡された端を有しており、短絡回路により（2n+1）
・λ／4だけ短縮できることを特徴とする請求項14記載のNMRスペクトロメーター
用プローブヘッド。
【請求項１８】両導体経路（13",14"）はそれらの端において（2n+1）
・λ／4の長さを持つ短絡された導体長さ（15",16"）を有し、特にそれらの入力
は少なくとも１つのピンダイオード（17",18"）により短絡できることを特徴と
する請求項17記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項１９】導波管の少なくともひとつは同軸導体として構成される
ことを特徴とする請求項11ないし18のいずれかに記載のNMRスペクトロメーター
用プローブヘッド。
【請求項２０】いくつかの同軸導波管は共通軸を持つ１つの多重同軸導
体を形成することを特徴とする請求項19記載のNMRスペクトロメーター用プロー
ブヘッド。
【請求項２１】第２のアンテナを具備すること、しかも両アンテナは第
1アンテナ（１）がヘルツ双極子として放射する試料の赤道近磁場における測定
信号及び雑音信号を、また第２アンテナのみが試料の軸方向近磁場における雑音
信号を測定することを特徴とする請求項１の上位概念又は前記請求項のいずれか
に記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項２２】第１アンテナ（１）は両側において縦方向にスリットを
持つ形状の短絡端を有する共振器として構成されることを特徴とする請求項21記
載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項２３】第１アンテナ（１）は周波数依存性の補償機能を備えた
λ／４変成器回路（22,23,24）を介して第１導波管（２）に結合されていること
を特徴とする請求項21又は22記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項２４】第２アンテナは、試料の近傍磁場においてB1磁場の方向
へ軸方向に調整された、特に前置されたリューネブルクレンズを備えた簡略で、
短い電気式又は磁気式双極アンテナであることを特徴とする請求項21ないし23の
いずれかに記載のNMRスペクトロメーター用プローブヘッド。
【請求項２５】特に1.85Kの稼働温度における低温材としての請求項１
の上位概念に基づくプローブヘッドでのヘリウムIIの使用。
【請求項２６】導波管における誘電体としての請求項１の上位概念に基
づくプローブヘッドでのヘリウムIIの使用。