JP2004219361A - 核磁気共鳴プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】トランスファーラインの内部構造が単純で、しかも冷凍機の冷凍能力を無駄遣いせずに済むような核磁気共鳴プローブを提供する。
【解決手段】真空断熱容器内に置かれた、冷却目標温度が異なる複数の冷却対象を、冷凍機から送られてくる冷媒を配管に流通させて成る、複数の熱交換器で冷却することにより、核磁気共鳴信号の検出感度を高めるようにした核磁気共鳴プローブにおいて、前記冷却対象と熱交換器との間に、温度勾配が発生するような部材を挟むことにより、熱交換器を通った後の冷媒の温度を、該部材を挟まない場合の温度よりも、低く維持するとともに、前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものから、冷却目標温度がより高いものへと、順番に、前記熱交換器を直列に接続して冷媒を流通させることにより、冷却対象を、それぞれの冷却目標温度に冷却するようにした。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴プローブに関し、特に、検出部を低温ヘリウムガスで極低温に冷却することによって、核磁気共鳴信号の検出感度を高めるようにした核磁気共鳴プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴装置は、試料に強力な静磁場を印加して、試料中の核スピンを持った原子核の磁気モーメントに静磁場方向を軸とする歳差運動を惹起させた上で、静磁場方向に直交する向きの高周波磁場を印加して、原子核の磁気モーメントの歳差運動を励起し、その後、原子核の磁気モーメントの歳差運動が励起状態から基底状態に戻る際に放出される核磁気共鳴信号を、試料に固有な高周波磁界として観測する装置である。
【０００３】
核磁気共鳴信号は、通常、きわめて微弱であるため、その検出感度を高めるため、検出部が組み込まれた核磁気共鳴プローブに、低温ガスを循環させる配管を設け、検出部を極低温に冷却することによって、核磁気共鳴装置の熱雑音を減らし、核磁気共鳴装置を高感度化することが行なわれている（特許文献１〜３）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３０７１７５号公報
【特許文献２】
特開平１０−３３２８０１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５３９３８号公報
従来の核磁気共鳴プローブと、静磁場を発生する超伝導磁石との位置関係を、図１に示す。図中、Ａは超伝導磁石である。超伝導磁石Ａの内部には、超伝導線により、主コイルＢが巻回されている。主コイルＢは、通常、液体ヘリウム等を蓄えることができる図示しない断熱容器中に置かれ、極低温に冷却されている。核磁気共鳴プローブＣは、このような磁石の外側に配置される鍔状のベース部と、磁石の内側に挿入される筒状部とで構成され、筒状部は、通常、この超伝導磁石Ａの中心軸に沿って貫通された筒状の穴Ｄの内部に向けて、下側の開口部から上方向に向けて挿入される。
【０００５】
次に、従来の核磁気共鳴プローブの構造を図２に示す。図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ４１が設けられている。
【０００６】
検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６でヘッドアンプ３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。ヘッドアンプ３は、熱交換器４と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。ヘッドアンプ３の温度制御を行なうため、ヘッドアンプ３の近傍には、ヒータ５が設けられている。
【０００７】
検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。
【０００８】
冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ＧＭ方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４、熱交換器２５が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作動ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管１０、配管１１、配管１２、配管１３があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。
【０００９】
次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作動ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、熱交換器２５を通過して、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。
【００１０】
冷却されたヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１０で熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、１５Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、２３Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ４１が作動して、ヒータ４１により、熱せられたためでもある。
【００１１】
検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、配管１１を経由して、冷凍機１４に戻り、熱交換器２５で往路のヘリウムガスを予冷し、ガス温度が４０Ｋに上昇させられた後、配管１２により、熱交換器４に供給されて、ヘッドアンプ３を冷却して、ヘッドアンプ３のＮＦを向上させる。
【００１２】
これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。
【００１３】
ヘッドアンプ３は、ヒータ５で、適度な温度に保たれる。熱交換器４に入る直前のガス温度は、４０Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、９０Ｋである。この温度上昇は、ヘッドアンプ３の熱を受け取ったためであると同時に、ヘッドアンプ３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。
【００１４】
ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１３で冷凍機１４に戻り、熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。
【００１５】
次に、従来の核磁気共鳴プローブの別の例を、図３に示す。この例は、前に述べた従来技術の例を、簡略化したものである。図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ４１が設けられている。
【００１６】
検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６でヘッドアンプ３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。ヘッドアンプ３は、熱交換器４と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。ヘッドアンプ３の温度制御を行なうため、ヘッドアンプ３の近傍には、ヒータ５が設けられている。
【００１７】
検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。
【００１８】
冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ＧＭ方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作動ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管１０、配管１３があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。
【００１９】
次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作動ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。
【００２０】
冷却されたヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１０で熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、１５Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、２３Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ４１が作動して、ヒータ４１により、熱せられたためでもある。
【００２１】
検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、その後、熱交換器４に供給されて、ヘッドアンプ３を冷却して、ヘッドアンプ３のＮＦを向上させる。
【００２２】
これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。
【００２３】
ヘッドアンプ３は、ヒータ５で、適度な温度に保たれる。熱交換器４に入る直前のガス温度は、２３Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、９０Ｋである。この温度上昇は、ヘッドアンプ３の熱を受け取ったためであると同時に、ヘッドアンプ３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。
【００２４】
ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１３で冷凍機１４に戻り、熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の低温冷却型核磁気共鳴プローブの１番目に示した例（図２の例）には、１つの問題点があった。それは、低温のヘリウムガスを、検出部１とヘッドアンプ３に、別々の配管で送っているため、トランスファーライン９の内部構造が、複雑になることであった。
【００２６】
また、従来の低温冷却型核磁気共鳴プローブの２番目に示した例（図３の例）にも、１つの問題点があった。この例では、検出部１とヘッドアンプ３への配管を直列に接続して、冷却目標温度が２５Ｋで、より低温の検出部１から、冷却目標温度が１００Ｋで、より高温のヘッドアンプ３へと、配管を１系統に簡略化しているが、ヘッドアンプ３の温度が下がり過ぎないようにするために、図２の例の場合よりも、ヒータ５でより多く加熱する必要があるので、せっかく、２３Ｋの低温を保持している冷却ガスを、ヒータ５で加熱して、９０Ｋまで、温度上昇させてしまい、冷却ガスの冷凍能力を無駄遣いしてしまうことであった。
【００２７】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、トランスファーラインの内部構造が単純で、しかも冷凍機の冷凍能力を無駄遣いせずに済むような核磁気共鳴プローブを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる核磁気共鳴プローブは、
真空断熱容器内に置かれた、冷却目標温度が異なる複数の冷却対象を、冷凍機から送られてくる冷媒を配管に流通させて成る、複数の熱交換器で冷却することにより、核磁気共鳴信号の検出感度を高めるようにした核磁気共鳴プローブにおいて、
前記冷却対象と熱交換器との間に、温度勾配が発生するような部材を挟むことにより、熱交換器を通った後の冷媒の温度を、該部材を挟まない場合の温度よりも、低く維持するとともに、
前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものから、冷却目標温度がより高いものへと、順番に、前記熱交換器を直列に接続して冷媒を流通させることにより、冷却対象を、それぞれの冷却目標温度に冷却するようにしたことを特徴としている。
【００２９】
また、前記部材は、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、接触面積を小さくした部材であることを特徴としている。
【００３０】
また、前記冷却対象は、検出部とヘッドアンプであることを特徴としている。
【００３１】
また、前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものは、検出部、冷却目標温度がより高いものは、ヘッドアンプであることを特徴としている。
【００３２】
また、前記配管の途中に、ジュール−トムソン弁を設けたことを特徴としている。
【００３３】
【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４は、本発明にかかる核磁気共鳴プローブの一実施例を表わしたものである。
【００３４】
図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ４１が設けられている。
【００３５】
検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６でヘッドアンプ３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。ヘッドアンプ３は、熱交換器４と、スペーサー３３を介して熱接触されており、冷却可能な構成となっている。ヘッドアンプ３の温度制御を行なうため、ヘッドアンプ３の近傍には、ヒータ５が設けられている。
【００３６】
スペーサー３３は、ヒータ５によるヘッドアンプ４の加熱を最小限に抑えるため、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に設けられたものであり、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に適切な温度差が生じるように、その熱伝導度を、材質、寸法、形状を制御することにより、調整してある。これにより、ヒータ５をあまり稼働させずに済み、熱交換器４を通過した後の冷媒の温度を、スペーサー３３を挟まない場合の冷媒の温度よりも、低く維持することができる。
【００３７】
具体的には、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材などが、スペーサー３３として採用される。
【００３８】
検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。
【００３９】
冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ＧＭ方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作動ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管３１、配管３２があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。
【００４０】
次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作動ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。
【００４１】
冷却されたヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管３１で熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、１５Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、２３Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ４１が作動して、ヒータ４１により、熱せられたためでもある。
【００４２】
検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、その後、配管３２を経由して、熱交換器４に供給されて、ヘッドアンプ３を冷却して、ヘッドアンプ３のＮＦを向上させる。
【００４３】
これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。
【００４４】
ヘッドアンプ３は、ヒータ５で、適度な温度に保たれる。その際、スペーサー３３の存在により、ヘッドアンプ５と熱交換器４との間には、適度な熱抵抗があるので、温度勾配が発生し、ヘッドアンプ５の冷却温度が高めに制御され、ヒータ５による温度制御は、必要最小限に抑えられる。
【００４５】
すなわち、熱交換器４に入る直前のガス温度は、２３Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、５０Ｋである。この温度上昇は、ヘッドアンプ３の熱を受け取ったためであると同時に、ヘッドアンプ３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。しかしながら、図３の例で、冷却ガスが、２３Ｋから９０Ｋまで、温度が上昇していたのと比較すると、冷却ガスの温度上昇は、５０Ｋに抑制され、冷却余力を、より多く残している。
【００４６】
その結果、熱交換器４を通過したヘリウムガスの温度は、従来の場合よりも低温に保たれるため、図３の場合には設けることができなかった、熱交換器２５を設け、戻りガスを、往路のヘリウムガスの冷却に利用することが可能になった。ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管３２で冷凍機１４に戻り、熱交換器２５と熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。
【００４７】
冷却目標温度が２５Ｋで、より低温の検出部１から、冷却目標温度が１００Ｋで、より高温のヘッドアンプ３へと、順番に、熱交換器を直列に接続して、それらの部材を冷却するとともに、ヒータ５によるヘリウムガスの温度上昇を、最小限に抑えているので、検出部１とヘッドアンプ３の冷却に必要な冷凍能力を低く抑えることができ、小型の冷凍機で冷却が可能となる。
【００４８】
図５は、本発明にかかる核磁気共鳴プローブの、別の実施例を表わしたものである。
【００４９】
図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、スペーサー３５を介して、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ４１が設けられている。
【００５０】
スペーサー３５は、ヒータ４１による検出部１の加熱を最小限に抑えるため、検出部１と熱交換器２との間に設けられたものであり、検出部１と熱交換器２との間に適切な温度差が生じるように、その熱伝導度を、材質、寸法、形状を制御することにより、調整してある。これにより、ヒータ４１をあまり稼働させずに済み、熱交換器２を通過した後の冷媒の温度を、スペーサー３５を挟まない場合の冷媒の温度よりも、低く維持することができる。
【００５１】
具体的には、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、検出部１や熱交換器２に対して、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、検出部１や熱交換器２に対して、接触面積を小さくした部材などが、スペーサー３５として採用される。
【００５２】
検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６でヘッドアンプ３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。ヘッドアンプ３は、熱交換器４と、スペーサー３３を介して熱接触されており、冷却可能な構成となっている。ヘッドアンプ３の温度制御を行なうため、ヘッドアンプ３の近傍には、ヒータ５が設けられている。
【００５３】
スペーサー３３は、ヒータ５によるヘッドアンプ４の加熱を最小限に抑えるため、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に設けられたものであり、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に適切な温度差が生じるように、その熱伝導度を、材質、寸法、形状を制御することにより、調整してある。これにより、ヒータ５をあまり稼働させずに済み、熱交換器４を通過した後の冷媒の温度を、スペーサー３３を挟まない場合の冷媒の温度よりも、低く維持することができる。
【００５４】
具体的には、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材などが、スペーサー３３として採用される。
【００５５】
検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。
【００５６】
冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ＧＭ方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。熱交換器２３の出口の後段で、冷凍機１４内の配管３１の途中には、ジュール−トムソン弁３６が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作動ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管３１、配管３２があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。
【００５７】
次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作動ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。
【００５８】
冷却されたヘリウムガスは、冷凍機１４内に設けられたジュール−トムソン弁３６で、さらに冷却されてから、トランスファーライン９内の配管３１で熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、１０Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、２０Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ４１が作動して、ヒータ４１により、熱せられたためでもある。しかしながら、図３の例で、冷却ガスが、１５Ｋから２３Ｋまで、温度が上昇していたのと比較すると、冷却ガスの温度上昇は、２０Ｋに抑制され、冷却余力を、より多く残している。
【００５９】
検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、その後、配管３２を経由して、熱交換器４に供給されて、ヘッドアンプ３を冷却して、ヘッドアンプ３のＮＦを向上させる。
【００６０】
これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。
【００６１】
検出部１は、ヒータ４１で、また、ヘッドアンプ３は、ヒータ５で、それぞれ適度な温度に保たれる。その際、スペーサー３５、３３の存在により、検出部１と熱交換器２との間、および、ヘッドアンプ５と熱交換器４との間には、適度な熱抵抗があるので、温度勾配が発生し、検出部１、および、ヘッドアンプ５の冷却温度が高めに制御され、ヒータ４１、および、ヒータ５による温度制御は、必要最小限に抑えられる。
【００６２】
すなわち、熱交換器４に入る直前のガス温度は、２０Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、５０Ｋである。この温度上昇は、ヘッドアンプ３の熱を受け取ったためであると同時に、ヘッドアンプ３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。しかしながら、図３の例で、冷却ガスが、９０Ｋまで、温度が上昇していたのと比較すると、冷却ガスの温度上昇は、５０Ｋに抑制され、冷却余力を、より多く残している。
【００６３】
その結果、熱交換器２、および、熱交換器４を通過したヘリウムガスの温度は、従来の場合よりも低温に保たれるため、図３の場合には設けることができなかった、熱交換器２５を設け、戻りガスを、往路のヘリウムガスの冷却に利用することが可能になった。ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管３２で冷凍機１４に戻り、熱交換器２５と熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。
【００６４】
冷却目標温度が２５Ｋで、より低温の検出部１から、冷却目標温度が１００Ｋで、より高温のヘッドアンプ３へと、順番に、熱交換器を直列に接続して、それらの部材を冷却するとともに、ヒータ４１、および、ヒータ５によるヘリウムガスの温度上昇を、最小限に抑えているので、検出部１とヘッドアンプ３の冷却に必要な冷凍能力を低く抑えることができ、小型の冷凍機で冷却が可能となる。
【００６５】
図６は、本発明にかかる核磁気共鳴プローブの、別の実施例を表わしたものである。
【００６６】
図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、スペーサー３５を介して、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ４１が設けられている。
【００６７】
スペーサー３５は、ヒータ４１による検出部１の加熱を最小限に抑えるため、検出部１と熱交換器２との間に設けられたものであり、検出部１と熱交換器２との間に適切な温度差が生じるように、その熱伝導度を、材質、寸法、形状を制御することにより、調整してある。これにより、ヒータ４１をあまり稼働させずに済み、熱交換器２を通過した後の冷媒の温度を、スペーサー３５を挟まない場合の冷媒の温度よりも、低く維持することができる。
【００６８】
具体的には、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、検出部１や熱交換器２に対して、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、検出部１や熱交換器２に対して、接触面積を小さくした部材などが、スペーサー３５として採用される。
【００６９】
検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６でヘッドアンプ３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。ヘッドアンプ３は、熱交換器４と、スペーサー３３を介して熱接触されており、冷却可能な構成となっている。ヘッドアンプ３の温度制御を行なうため、ヘッドアンプ３の近傍には、ヒータ５が設けられている。
【００７０】
スペーサー３３は、ヒータ５によるヘッドアンプ４の加熱を最小限に抑えるため、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に設けられたものであり、ヘッドアンプ３と熱交換器４との間に適切な温度差が生じるように、その熱伝導度を、材質、寸法、形状を制御することにより、調整してある。これにより、ヒータ５をあまり稼働させずに済み、熱交換器４を通過した後の冷媒の温度を、スペーサー３３を挟まない場合の冷媒の温度よりも、低く維持することができる。
【００７１】
具体的には、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、ヘッドアンプ３や熱交換器４に対して、接触面積を小さくした部材などが、スペーサー３３として採用される。
【００７２】
検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。
【００７３】
冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ＧＭ方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。熱交換器２３の出口の後段で、プローブ容器８内の配管３１の途中には、ジュール−トムソン弁３６が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作動ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管３１、配管３２があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。
【００７４】
次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作動ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。
【００７５】
冷却されたヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管３１で、プローブ容器８に供給される。そして、プローブ容器８内に設けられたジュール−トムソン弁３６で、さらに冷却されてから、熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、５Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、１５Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ４１が作動して、ヒータ４１により、熱せられたためでもある。しかしながら、図３の例で、冷却ガスが、１５Ｋから２３Ｋまで、温度が上昇していたのと比較すると、冷却ガスの温度上昇は、５Ｋから１５Ｋまでに抑制され、冷却余力を、より多く残している。
【００７６】
図６の例では、ジュール−トムソン弁３６が、図５の例よりも、検出部１やヘッドアンプ３に一層近い、プローブ容器８内に置かれているので、図５の場合よりも効率良く、検出部１とヘッドアンプ３を冷却することができる。
【００７７】
検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、その後、配管３２を経由して、熱交換器４に供給されて、ヘッドアンプ３を冷却して、ヘッドアンプ３のＮＦを向上させる。
【００７８】
これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。
【００７９】
検出部１は、ヒータ４１で、また、ヘッドアンプ３は、ヒータ５で、それぞれ適度な温度に保たれる。その際、スペーサー３５、３３の存在により、検出部１と熱交換器２との間、および、ヘッドアンプ５と熱交換器４との間には、適度な熱抵抗があるので、温度勾配が発生し、検出部１、および、ヘッドアンプ５の冷却温度が高めに制御され、ヒータ４１、および、ヒータ５による温度制御は、必要最小限に抑えられる。
【００８０】
すなわち、熱交換器４に入る直前のガス温度は、１５Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、４５Ｋである。この温度上昇は、ヘッドアンプ３の熱を受け取ったためであると同時に、ヘッドアンプ３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。しかしながら、図３の例で、冷却ガスが、９０Ｋまで、温度が上昇していたのと比較すると、冷却ガスの温度上昇は、４５Ｋに抑制され、冷却余力を、より多く残している。
【００８１】
その結果、熱交換器２、および、熱交換器４を通過したヘリウムガスの温度は、従来の場合よりも低温に保たれるため、図３の場合には設けることができなかった、熱交換器２５を設け、戻りガスを、往路のヘリウムガスの冷却に利用することが可能になった。ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管３２で冷凍機１４に戻り、熱交換器２５と熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。
【００８２】
冷却目標温度が２５Ｋで、より低温の検出部１から、冷却目標温度が１００Ｋで、より高温のヘッドアンプ３へと、順番に、熱交換器を直列に接続して、それらの部材を冷却するとともに、ヒータ４１、および、ヒータ５によるヘリウムガスの温度上昇を、最小限に抑えているので、検出部１とヘッドアンプ３の冷却に必要な冷凍能力を低く抑えることができ、小型の冷凍機で冷却が可能となる。
【００８３】
尚、本発明には、さまざまな変形が可能である。例えば、冷凍機本体１９は、２段ＧＭ方式に限らない。１段ＧＭ方式でも、パルス管方式でも、ソルベント方式でも良い。
【００８４】
また、ヒータは、検出部１、ヘッドアンプ３に直接取り付けられている必要はない。スペーサー３５、３３に取り付けられていても良いし、熱交換方式であっても良い。
【００８５】
また、ジュール−トムソン弁は、配管３１の途中であれば、どこに設けられていても良い。
【００８６】
また、プローブ容器８と冷凍機１４は、両者を同じ真空ポンプで同時に真空引きしても良いし、プローブ容器８と冷凍機１４を結ぶトランスファーライン９の内側に隔壁を設けて、プローブ容器８と冷凍機１４を別々の真空ポンプで真空引きしても良い。
【００８７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の核磁気共鳴プローブによれば、真空断熱容器内に置かれた、冷却目標温度が異なる複数の冷却対象を、冷凍機から送られてくる冷媒を配管に流通させて成る、複数の熱交換器で冷却することにより、核磁気共鳴信号の検出感度を高めるようにした核磁気共鳴プローブにおいて、前記冷却対象と熱交換器との間に、温度勾配が発生するような部材を挟むことにより、熱交換器を通った後の冷媒の温度を、該部材を挟まない場合の温度よりも、低く維持するとともに、前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものから、冷却目標温度がより高いものへと、順番に、前記熱交換器を直列に接続して冷媒を流通させることにより、冷却対象を、それぞれの冷却目標温度に冷却するようにしたので、トランスファーラインの内部構造が単純になり、しかも冷凍機の冷凍能力を無駄遣いせずに済むようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の核磁気共鳴装置を示す図である。
【図２】従来の核磁気共鳴プローブを示す図である。
【図３】従来の核磁気共鳴プローブを示す図である。
【図４】本発明にかかる核磁気共鳴プローブの一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる核磁気共鳴プローブの別の実施例を示す図である。
【図６】本発明にかかる核磁気共鳴プローブの別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
Ａ・・・超伝導磁石、Ｂ・・・主コイル、Ｃ・・・核磁気共鳴プローブ、Ｄ・・・穴、１・・・検出部、２・・・熱交換器、３・・・ヘッドアンプ、４・・・熱交換器、５・・・ヒータ、６・・・ケーブル、７・・・ケーブル、８・・・プローブ容器、９・・・トランスファーライン、１０・・・配管、１１・・・配管、１２・・・配管、１３・・・配管、１４・・・冷凍機、１５・・・配管、１６・・・配管、１７・・・配管、１８・・・配管、１９・・・冷凍機本体、２０・・・第１冷却ステージ、２１・・・熱交換器、２２・・・第２冷却ステージ、２３・・・熱交換器、２４・・・熱交換器、２５・・・熱交換器、３１・・・配管、３２・・・配管、３３・・・スペーサー、３５・・・スペーサー、３６・・・ジュール−トムソン弁、４１・・・ヒータ。

Claims (5)

1. 真空断熱容器内に置かれた、冷却目標温度が異なる複数の冷却対象を、冷凍機から送られてくる冷媒を配管に流通させて成る、複数の熱交換器で冷却することにより、核磁気共鳴信号の検出感度を高めるようにした核磁気共鳴プローブにおいて、
   前記冷却対象と熱交換器との間に、温度勾配が発生するような部材を挟むことにより、熱交換器を通った後の冷媒の温度を、該部材を挟まない場合の温度よりも、低く維持するとともに、
   前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものから、冷却目標温度がより高いものへと、順番に、前記熱交換器を直列に接続して冷媒を流通させることにより、冷却対象を、それぞれの冷却目標温度に冷却するようにしたことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
2. 前記部材は、銅などの良導体に比べて熱伝導率の小さい、燐青銅や真鍮でできた箔や、銅などの良導体であっても、接触面積を小さくした部材、あるいは燐青銅や真鍮で作られ、しかも、接触面積を小さくした部材であることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴プローブ。
3. 前記冷却対象は、検出部とヘッドアンプであることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴プローブ。
4. 前記冷却対象のうち、冷却目標温度がより低いものは、検出部、冷却目標温度がより高いものは、ヘッドアンプであることを特徴とする請求項１または３記載の核磁気共鳴プローブ。
5. 前記配管の途中に、ジュール−トムソン弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴プローブ。

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