JP2006047097A

JP2006047097A - Ｎｍｒプロ−ブコイル

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Publication number: JP2006047097A
Application number: JP2004228089A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Ochi; 久晃越智; Kazuo Saito; 和夫齊藤; Michiya Okada; 道哉岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】
超電導ソレノイドコイルの感度分布均一性を向上させたＮＭＲプロ−ブコイルを提供する。
【解決手段】
ソレノイドコイル５１を構成する平板ドーナツ状超電導薄膜５１−１〜５１−４が不等間隔で配置される。また、ソレノイドコイル５１を構成する平板ドーナツ状超電導薄膜のうちの、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置される。すなわち、長さ４１−２は、長さ４１−１と長さ４１−３よりも長くなるように配置されている。長さ４１−１と長さ４１−３は等しい長さである。
【選択図】図５

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置に係り、特に、水平型ＮＭＲ装置において、均一磁場中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するために用いられるＮＭＲプロ−ブコイルに関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光における分解能を高める目的で、均一な高磁場（Ｂ_０）下で、高い共鳴周波数の高周波信号を印加できるＮＭＲ装置が開発されている。１０テスラ（Ｔ）以上の高磁場を発生するために、超電導マグネットが一般的に使われる。現在では、タンパク質の構造解析を主要な目的とした高磁場ＮＭＲ装置が開発されており、２１.６Ｔ（９２０ＭＨｚ）のＮＭＲ装置が作られている。高精度に分析するためには、磁場強度の均一度は高くする必要があり、ＮＭＲ計測の対象となる測定試料の存在する領域におけるばらつきは１０^−９以下が望まれる。

一方、印加した高周波パルスに対応して発生する自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するプロ−ブには、高い感度が求められる。これはタンパク質のように、試料の量が少ない場合は、ＦＩＤ信号強度がとくに低く、測定に長時間を要してしまうためである。プロ−ブの主要なノイズは、共鳴器を構成するプロ−ブの電気抵抗に起因して発生し、温度と材料の高周波損失抵抗に依存する。

このノイズを下げるために、米国特許第５,２４７,２５６号明細書に記載されているように、低温下にプロ−ブコイルやプリアンプを設置する提案がなされている。その他に、最近では、高周波損失抵抗が銅などの通常金属に比較して２桁以上低い高温超電導体が使われている。高温超電導体をプロ−ブコイルに用いた例は、米国特許第５,５８５,７２３号明細書に示されている。超電導体としては薄膜が用いられ、膜面は静磁場の方向と水平に配置する必要がある。これは静磁場と直交する方向に超電導体の膜面があると、超電導体の完全反磁性の特性により静磁場強度の均一度を劣化させるためである。また、プロ−ブコイルに給電したときに、コイル中心に発生する高周波磁場は静磁場と直交するように、プロ−ブコイルを配置する必要がある。また、測定試料の入ったサンプル管は鉛直方向に挿入される。

米国特許第５,２４７,２５６号明細書米国特許第５,５８５,７２３号明細書

鉛直方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いたＮＭＲ装置は、「鉛直型ＮＭＲ装置」と呼ばれる。一方、水平方向に静磁場を発生する超電導マグネットを用いるＮＭＲ装置は、「水平型ＮＭＲ装置」と呼ばれ、「水平型ＮＭＲ装置」でプロ−ブコイルとして用いられる超電導ソレノイド型コイルの具体的構造が、本発明と同一出願人による特願２００３−１６５０９９号に示されている。

図１は、その具体的構造を示すもので、水平型ＮＭＲ装置でプロ−ブコイルとして用いられる超電導ソレノイド型コイルの一例の配置を示す斜視図である。静磁場の方向３が水平方向である水平型ＮＭＲ装置では、プロ−ブコイルとしては、図１に示すようなソレノイドコイル１１が用いられる。ソレノイドコイル１１は、４つの超電導薄膜１１−１〜１１−４から構成される。超電導薄膜１１−１〜１１−４は、平面基板上に形成した膜で作製した平板ドーナツ状超電導薄膜の面が均一磁場の方向３に平行になるように配置されている。膜面を静磁場に平行にするのは、反磁性である超電導体をコイルに用いてもＮＭＲ装置の均一磁場が乱れないようにするためである。平板ドーナツ状超電導薄膜は、円周上の一部が切り離されており、その両端にはキャパシタが形成されている。超電導薄膜はこれらキャパシタを介して金属リ−ドと容量性結合しており、複数の平板ドーナツ状超電導薄膜を金属リ−ドにより接続、ソレノイドコイルとして機能する。コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場はｘ方向であり、静磁場の方向３と直交する。

図２は、図１に示したソレノイド型コイルをｚ方向から見たときの、超電導薄膜１１−１〜１１−４を示す図である。長さ２１−１は超電導薄膜１１−１と１１−２の間の距離である。長さ２１−２は超電導薄膜１１−２と１１−３の間の距離である。長さ２１−３は超電導薄膜１１−３と１１−４の間の距離である。４つの超電導薄膜は等間隔に配置されている。すなわち、長さ２１−１と、長さ２１−２と、長さ２１−３は等しい長さとなるように配置されている。

ＮＭＲ計測の対象となる測定試料の存在する領域において、プロ−ブコイルの感度はできるだけ均一であることが望まれる。プロ−ブコイルとしてソレノイドコイルを用いる場合、ソレノイドコイルの巻数が十分多ければ、プロ−ブコイル内部の感度はほぼ均一となる。しかしながら、１４テスラ（Ｔ）以上の高磁場ＮＭＲ装置用プロ−ブコイルとして用いる場合、ソレノイドコイルの巻数を多くすることは現実的ではない。静磁場強度１４テスラ（Ｔ）における水素原子核の共鳴周波数は約６００メガヘルツである。コイルのインダクタンスと給電点に設けるキャパシタの容量との積は、原子核の共鳴周波数に対応させるが、給電点に設けるキャパシタの容量を３ｐＦ以下にすることは難しく、コイルのインダクタンスを下げることが、タンパク質の構造解析に用いられるような１４テスラ（Ｔ）以上の高磁場ＮＭＲ装置では、特に要求されるためである。

巻数が少ないソレノイドコイルでは、特にソレノイドコイルの軸方向（測定試料の入ったサンプル管の軸方向）の感度分布が不均一になるという問題がある。例えば、図１に示したソレノイドコイル１１の巻数は４であり、巻数が十分多くない。このときのソレノイドコイルの軸方向（ｘ方向）の感度分布を、図３に示す。なお、図３では、コイルの中心をｘ＝０ｍｍとして、ｘ軸上の正負の位置での感度分布（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ａ・ｍ^−１・Ｗ^−１/２］）を破線で示している。ここで、ＮＭＲにおける感度とは、単位体積中の磁化がコイルに誘起する電力であり、この値は相反定理より、１ワットの電力をコイルに与えたときに各位置に発生する磁界強度に等しい。図３からコイルの中心から離れるほど感度が低下することが分かる。

今、ソレノイドコイルのｘ軸方向で、ＮＭＲ計測の対象とする領域、例えば、−５ｍｍ＜ｘ＜５ｍｍの領域で、感度分布の均一性を図ることが望まれている。

そこで、本発明の目的は、均一磁場Ｂ_０中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するために用いられる超電導ソレノイドコイルの感度分布均一性を向上させたＮＭＲプロ−ブコイルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のＮＭＲプロ−ブコイルでは、感度分布均一性向上のため、以下の構成を有する。

ソレノイドコイルを構成する平板ドーナツ状超電導薄膜は、不等間隔で配置される。また、ソレノイドコイルを構成する平板ドーナツ状超電導薄膜のうちの、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置される。

以下、本発明のＮＭＲプロ−ブコイルについて、その代表的な構成例を述べる。

（１）静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰信号を受信するために、平面基板上に形成した複数の平板ドーナツ状超電導薄膜の面が前記静磁場の方向に略平行になるように配置されたソレノイドコイルで構成されるＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、隣接配置される２つの前記平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、前記管状容器の軸方向に不等間隔に配置された構成を有することを特徴とする。

（２）前記（１）のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記複数の平板ドーナツ状超電導薄膜のうち、コイル中心に最も近く隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離を、他の隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離よりも長くなるように配置してなることを特徴とする。

（３）前記（１）のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記複数の平板ドーナツ状超電導薄膜のうち、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置してなることを特徴とする。

（４）水平型ＮＭＲ装置にあって、静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰信号を受信するために、平面基板上に形成した複数の平板ドーナツ状超電導薄膜の面が前記静磁場の方向に略平行になるように配置されたソレノイドコイルを有し、かつ、隣接配置される２つの前記平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、前記管状容器の軸方向に不等間隔に配置された構成を有することを特徴とする。

本発明によれば、均一磁場中に置かれた試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信するために用いられる超電導ソレノイドコイルの感度分布均一性を向上させたＮＭＲプロ−ブコイルを実現することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。

（実施例１）
図４は、本発明の第１の実施例のプローブコイルを用いるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図である。

２つに分割された超電導マグネット３０−１、３０−２により、１４.１テスラ（Ｔ）の均一磁場Ｂ_０を水平方向に発生する。静磁場の向きをｚ方向とする。この静磁場内に本実施例のプロ−ブコイルを１０Ｋまで冷却できる低温プロ−ブ３３を設置して、低温プロ−ブの断熱された内側に試料を入れた内径５ｍｍのガラス管３２を挿入する。測定試料の入ったサンプル管は鉛直方向に挿入される。

プロ−ブコイルとしては、図５に示すように、４つの超電導薄膜５１−１〜５１−４から構成されるソレノイドコイル５１を用いる。図５は、ソレノイドコイル５１をｚ方向から見たときの、超電導薄膜５１−１〜５１−４を示す図である。超電導薄膜５１−１〜５１−４は、平面基板上に形成した膜で作成した平板ドーナツ状超電導薄膜の面が均一磁場の方向（ｚ方向）に平行（もしくは、略平行）になるように配置されている。膜面を静磁場に平行にするのは、反磁性である超電導体をコイルに用いてもＮＭＲ装置の均一磁場が乱れないようにするためである。平板ドーナツ状超電導薄膜は、円周上の一部が切り離されており、その両端にはキャパシタが形成されている。超電導薄膜は、これらキャパシタを介して金属リ−ドと容量性結合しており、複数の平板ドーナツ状超電導薄膜を金属リ−ドにより接続、ソレノイドコイルとして機能する。ソレノイドコイル５１の軸方向はｘ方向であり、測定試料の入ったサンプル管の軸方向と一致する。コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場はｘ方向である。長さ４１−１は、超電導薄膜５１−１と５１−２の間の距離である。長さ４１−２は超電導薄膜５１−２と５１−３の間の距離である。長さ４１−３は超電導薄膜５１−３と５１−４の間の距離である。

４つの超電導薄膜は、不等間隔に配置されている。すなわち、長さ４１−１と長さ４１−３は、長さ４１−２よりも短くなるように配置されている。長さ４１−１と長さ４１−３は等しい長さである。図５には、図２に示した従来型ソレノイドコイル１１を構成する超電導薄膜１１−１〜１１−４の位置４５−１〜４５−４を併せて示している。超電導薄膜１１−１の位置４５−１は、超電導薄膜５１−１と同じ位置である。同様に、超電導薄膜１１−４の位置４５−４は、超電導薄膜５１−４と同じ位置である。また、図５には、図２に示した従来型ソレノイドコイル１１を構成する超電導薄膜１１−１と１１−２の間の長さ２１−１と、超電導薄膜１１−２と１１−３の間の長さ２１−２と、超電導薄膜１１−３と１１−４の間の長さ２１−３を併せて示している。{(長さ４１−１)＋(長さ４１−２)＋(長さ４１−３)}と、{(長さ２１−１)＋(長さ２１−２)＋(長さ２１−３)}の長さは等しい。{(長さ２１−１)−(長さ４１−１)}の長さがｄである。同様に、{(長さ２１−３)−(長さ４１−３)}の長さがｄである。

ｄ＝０.５ｍｍの時のソレノイドコイル５１の軸方向（ｘ方向）の感度分布を、図６に実線で示す。なお、図６では、コイルの中心をｘ＝０ｍｍとして、ｘ軸上の正負の位置での感度分布（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ａ・ｍ^−１・Ｗ^−１/２］）を実線で示している。図６には、従来型ソレノイドコイル１１（ｄ＝０ｍｍ）の感度分布を併せて破線で示している。

図６から、ｄ＝０.５ｍｍにソレノイドコイル５１を設定することにより、ｘ軸方向の感度分布の均一性が大きく向上することが分かる。ＮＭＲ計測の対象となる測定試料の存在する領域が−５ｍｍ＜ｘ＜５ｍｍとすると、ｄ＝０.５ｍｍの時のソレノイドコイル５１の感度不均一性は約５％であり、従来型ソレノイドコイル１１の感度不均一性（約１４％）よりも小さい。

また、ｄ＝１ｍｍの時のソレノイドコイル５１の軸方向（ｘ方向）の感度分布を、図６に一点鎖線で示す。ＮＭＲ計測の対象となる測定試料の存在する領域−５ｍｍ＜ｘ＜５ｍｍにおける、ｄ＝１ｍｍの時のソレノイドコイル５１の感度不均一性は約９％である。ｄ＝０.５ｍｍの時のソレノイドコイル５１の感度不均一性（約５％）よりは大きいが、従来型ソレノイドコイル１１の感度不均一性（約１４％）よりは小さい。

上記のように、ｄの値には最適値がある。ｄの最適値は、超電導薄膜を等間隔に配置した従来型ソレノイドコイル１１の薄膜間隔（長さ２１−１）の５％〜２５％の長さの範囲にあることが望ましい。

（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例のプローブコイルであり、６つの超電導薄膜７１−１〜７１−６から構成されるソレノイドコイル７１をｚ方向から見たときの、超電導薄膜７１−１〜７１−６を示す図である。本実施例によるプローブコイルは、第１の実施例と同様に、図４に示されるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）において用いられる。

超電導薄膜７１−１〜７１−６は、平面基板上に形成した膜で作成した平板ドーナツ状超電導薄膜の面が均一磁場の方向(ｚ方向)に平行（もしくは、略平行）になるように配置されている。膜面を静磁場に平行にするのは、反磁性である超電導体をコイルに用いてもＮＭＲ装置の均一磁場が乱れないようにするためである。平板ドーナツ状超電導薄膜は円周上の一部が切り離されており、その両端にはキャパシタが形成されている。超電導薄膜はこれらキャパシタを介して金属リ−ドと容量性結合しており、複数の平板ドーナツ状超電導薄膜を金属リ−ドにより接続、ソレノイドコイルとして機能する。コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場はｘ方向である。長さ７２−１は超電導薄膜７１−１と７１−２の間の距離である。長さ７２−２は超電導薄膜７１−２と７１−３の間の距離である。長さ７２−３は超電導薄膜７１−３と７１−４の間の距離である。長さ７２−４は超電導薄膜７１−４と７１−５の間の距離である。長さ７２−５は超電導薄膜７１−５と７１−６の間の距離である。

６つの超電導薄膜は、不等間隔に配置されている。すなわち、長さ７２−３は、長さ７２−２よりも長い。長さ７２−１と長さ７２−２と長さ７２−４と長さ７２−５は等しい長さである。

このように、コイル中心に最も近くに隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離を、他の隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離よりも長くなるように配置することにより、ソレノイドコイルの軸方向の感度分布の均一性を向上させることができる。

（実施例３）
図８は、本発明の第３の実施例のプローブコイルであり、６つの超電導薄膜８１−１〜８１−６から構成されるソレノイドコイル８１をｚ方向から見たときの、超電導薄膜８１−１〜８１−６を示す図である。本実施例によるプローブコイルは、第１の実施例と同様に、図４に示されるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）において用いられる。

超電導薄膜８１−１〜８１−６は、平面基板上に形成した膜で作成した平板ドーナツ状超電導薄膜の面が均一磁場の方向（ｚ方向）に平行（もしくは、略平行）になるように配置されている。膜面を静磁場に平行にするのは、反磁性である超電導体をコイルに用いてもＮＭＲ装置の均一磁場が乱れないようにするためである。平板ドーナツ状超電導薄膜は、円周上の一部が切り離されており、その両端にはキャパシタが形成されている。超電導薄膜はこれらキャパシタを介して金属リ−ドと容量性結合しており、複数の平板ドーナツ状超電導薄膜を金属リ−ドにより接続、ソレノイドコイルとして機能する。コイルに給電したときにコイル中心に発生する高周波磁場はｘ方向である。長さ８２−１は超電導薄膜８１−１と８１−２の間の距離である。長さ８２−２は超電導薄膜８１−２と８１−３の間の距離である。長さ８２−３は超電導薄膜８１−３と８１−４の間の距離である。長さ８２−４は超電導薄膜８１−４と８１−５の間の距離である。長さ８２−５は超電導薄膜８１−５と８１−６の間の距離である。

６つの超電導薄膜は、不等間隔に配置されている。すなわち、長さ８２−１、長さ８２−２、長さ８２−３の長さの関係は、（長さ８２−１）＜（長さ８２−２）＜（長さ８２−３）と設定されている。また、長さ８２−４と長さ８２−２は等しい長さである。また、長さ８２−５と長さ８２−１は等しい長さである。

このように、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置することにより、ソレノイドコイルの軸方向の感度分布の均一性を向上させることができる。

以上、本発明を特定の形態について説明したが、上記以外の形態についても同様に、ソレノイドコイルを構成する平板ドーナツ状超電導薄膜のうちの、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置することにより、ソレノイドコイルの軸方向の感度分布の均一性を向上させることができる。例えば、平板ドーナツ状超電導薄膜の個数は７以上であってもよい。また、マグネットとして、１４．１テスラと異なる静磁場強度のマグネットを使用できることや、水素原子核以外の核種を計測対象とすることができることはいうまでもない。

以上詳述したように、本発明によれば、超電導ソレノイドコイルの感度分布均一性を向上させたＮＭＲプロ−ブコイルを実現できる。

水平型ＮＭＲ装置でプローブコイルとして用いられる従来型ソレノイドコイルを示す斜視図。図１に示したソレノイドコイルを構成する超電導薄膜の配置を示す図。図１に示したソレノイドコイルの感度分布を示す図。本発明のプローブコイルを用いるＮＭＲ装置（水平型ＮＭＲ装置）の概略構成を示す図。本発明の第１の実施例のプローブコイルを説明する図。第１の実施例のプローブコイルの感度分布を示す図。本発明の第２の実施例のプローブコイルを説明する図。本発明の第３の実施例のプローブコイルを説明する図。

符号の説明

３…均一磁場Ｂ_０、１１…ソレノイドコイル、１１−１、１１−２、１１−３、１１−４…ソレノイドコイル１１を構成する超電導薄膜、３０−１、３０−２…超電導マグネット、３２…ガラス管、３３…低温プロ−ブ、５１…ソレノイドコイル、５１−１、５１−２、５１−３、５１−４…ソレノイドコイル５１を構成する超電導薄膜、７１…ソレノイド、７１−１、７１−２、７１−３、７１−４、７１−５、７１−６…ソレノイドコイル７１を構成する超電導薄膜、８１…ソレノイドコイル、８１−１、８１−２、８１−３、８１−４、８１−５、８１−６…ソレノイドコイル８１を構成する超電導薄膜。

Claims

静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰信号を受信するために、平面基板上に形成した複数の平板ドーナツ状超電導薄膜の面が前記静磁場の方向に略平行になるように配置されたソレノイドコイルで構成されるＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、隣接配置される２つの前記平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、前記管状容器の軸方向に不等間隔に配置された構成を有することを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。
請求項１に記載のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記複数の平板ドーナツ状超電導薄膜のうち、コイル中心に最も近く隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離を、他の隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離よりも長くなるように配置してなることを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。
請求項１に記載のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記複数の平板ドーナツ状超電導薄膜のうち、隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、コイル中心に近いほど長くなるように配置してなることを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。
水平型ＮＭＲ装置にあって、静磁場中に置かれた管状容器内の試料に対して、所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰信号を受信するために、平面基板上に形成した複数の平板ドーナツ状超電導薄膜の面が前記静磁場の方向に略平行になるように配置されたソレノイドコイルを有し、かつ、隣接配置される２つの前記平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離が、前記管状容器の軸方向に不等間隔に配置された構成を有することを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。
請求項４に記載のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記複数の平板ドーナツ状超電導薄膜のうち、コイル中心に最も近く隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離を、他の隣接配置される２つの平板ドーナツ状超電導薄膜の間の距離よりも長くなるように配置してなることを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。
請求項１又は４に記載のＮＭＲプロ−ブコイルにおいて、前記ソレノイドコイルは、少なくとも４個以上の平板ドーナツ状超電導薄膜を有することを特徴とするＮＭＲプロ−ブコイル。