JP2006105637A - Ｎｍｒプローブ、シム装置、および、ｎｍｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＭＲプローブのＱ値と勾配磁場の印加応答性を同時に高めたＮＭＲ装置を提供する。
【解決手段】試料に高周波磁場を印加すると共に、試料からのＮＭＲ信号を検出する検出コイル部と、該検出コイルに高周波電磁場を送信すると共に、該検出コイルからのＮＭＲ信号を受信する同調回路部とを備え、それらを金属製のカバーで覆ったＮＭＲプローブにおいて、前記検出コイル部のカバーを高抵抗の金属、前記同調回路部のカバーの少なくとも内面を低抵抗の金属で構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＮＭＲプローブ、シム装置、および、それらを具備したＮＭＲ装置に関し、特に、ＮＭＲプローブのＱ値と勾配磁場の印加応答性を高めたＮＭＲ装置に関する。

ＮＭＲ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ＮＭＲ信号を、試料に固有な周波数を持った高周波磁界として観測する分析装置である。

従来のＮＭＲ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、１は超伝導磁石である。超伝導磁石１の内部には、超伝導線により、図示しない主コイルが巻回されている。主コイルは、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。

ＮＭＲプローブ２は、このような超伝導磁石１の外側に配置される鍔状のベース部と、超伝導磁石１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１の中心軸に沿って貫通された筒状の室温ボア３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。

ＮＭＲプローブ２の測定部外周には、超伝導磁石１が発生する強い静磁場の歪みを補正し、均一度の高い静磁場に成形するシムコイルを巻回したシムボビン（シム型枠）４が設けられている。シムボビン４は、超伝導磁石１の室温ボア３内に挿入された室温シム５の先端に配置される。室温シム５は、ＮＭＲプローブ２の外周を取り囲むようにして、超伝導磁石１に設けられた室温ボア３の下側の開口部から上方向に向けて、ＮＭＲプローブ２と同軸状に挿入されている。

図２は、ＮＭＲプローブを拡大した図である。図中、６は、試料管に入ったＮＭＲ試料である。試料６を取り囲むようにして、ＮＭＲプローブ先端の検出コイル部７に、検出コイル８と磁場勾配（ＦＧ）コイル９が設置されている。検出コイル部７の下方は、ＮＭＲ周波数に対する同調コイルを内蔵した同調回路部１０になっていて、検出コイル部７と同調回路部１０の外側は、金属製のプローブカバー１１で頑丈に保護されている。

ＮＭＲ信号を測定する際には、検出コイル８からパルス状の高周波磁場が試料６に印加されると同時に、ＦＧコイル９からは、パルス状の勾配磁場が試料６に印加される。高周波磁場と勾配磁場を印加後、試料６から放出されるＮＭＲ信号を、所定のタイミングで、検出コイル８により検出する。検出されたＮＭＲ信号は、同調回路部１０に送られ、同調回路部１０に設けられた前置増幅器によって増幅されて、ＮＭＲプローブの外部に取り出される。

同調回路部１０は、検出コイル８の共振周波数を所望の周波数に設定すると共に、外部の接続ケーブルとの整合を取る働きをする。このとき、同調回路部１０には、可能な限り、高い信号雑音比（ＳＮＲ）を保持すること、すなわち、高いＱ値が求められる。

しかしながら、同調回路を流れる高周波電磁場は、その周辺の金属に高周波電流を誘起し、その結果、金属自身の電気抵抗に由来する高周波電流の減衰のため、Ｑ値の低下を招く。そのため、プローブカバー１１を含めた、同調回路部周辺の金属部分には、十分に電気抵抗の低い金属、例えば、金、銀、銅などを採用する必要がある。

また、プローブカバー１１を接地電極として使用する場合も多く、その場合も、プローブカバー１１は、十分に電気抵抗の低い金属で作られる必要がある。更に、ＥＭＩ対策も考慮して、現在のプローブカバーには、低抵抗金属製のものが広く採用されている。

特開平９−２６９３６４号公報。

ところで、検出コイル８の周囲には、通常、ＦＧコイル９を配置し、勾配磁場を試料６に印加して、ＳＮＲの向上や磁場分布の測定などに使用する。試料６に印加する勾配磁場は、多くの場合、矩形波パルスであり、立ち上がり、立ち下がりの鋭い時間応答を必要とする。

しかし、ＦＧコイル９が発生する勾配磁場パルスは、周囲に存在する金属、特に、プローブカバー１１に誘導電流を生じ、ＦＧコイル９が発生する磁場とは逆方向の磁場を誘起し、時間と共に減衰する。試料６が受け取る勾配磁場は、図３に示すように、ＦＧコイル９が発生する磁場と、プローブカバー１１などに誘起される誘導電流によって発生する磁場との和である。その結果、勾配磁場パルスの立ち上がり、立ち下がりは、鈍ったものとなってしまうという問題があった。

このため、ＦＧコイル９の発生する勾配磁場パルスが、鋭い立ち上がり、立ち下がりを維持できるようにするために、一般に、ＦＧコイル９は、傾斜磁場発生コイルとシールドコイルの組み合わせから成り、プローブカバー１１に対して、勾配磁場パルスの遮蔽を行ない、プローブカバー１１に誘導電流が発生しないようにしている。

しかし、誘導電流を全く発生させないような設計と実装は、容易ではなく、ある程度の誘導電流の発生は、容認せざるを得ない。

その結果、ＳＮＲなどの性能を犠牲にしても、ある程度の誘導電流を容認できるようなＮＭＲ測定方法を採用することになる。その場合でも、誘導電流の減衰時間を可能な限り短くし、ＮＭＲ測定に無用な制約条件を課さないようにしておくことが重要である。

現状のＮＭＲプローブでは、このような設計・製造上の制約条件に基づく、誘導電流の減衰時間を短くするような考慮は、行なわれておらず、同調回路のＱ値を低下させないため、電気伝導度の高い材料を用い、同調回路部と検出コイル部のカバーを一体加工で製造するか、もしくは、同一の材料で製造している。このため、誘導電流の減衰時間が長くなっているという問題があった。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、ＮＭＲプローブのＱ値と勾配磁場の印加応答性を同時に高めたＮＭＲ装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるＮＭＲプローブは、試料に高周波磁場を印加すると共に、試料からのＮＭＲ信号を検出する検出コイル部と、該検出コイルに高周波を送信すると共に、該検出コイルからのＮＭＲ信号を受信する同調回路部とを備え、前記検出コイル部と同調回路部を金属製のカバーで覆ったＮＭＲプローブにおいて、
前記検出コイル部のカバーを高抵抗の金属、前記同調回路部のカバーの少なくとも内面を低抵抗の金属で構成したことを特徴としている。

また、前記高抵抗の金属は、チタンまたはその合金であることを特徴としている。

また、本発明にかかるシム装置は、ＮＭＲプローブの外周に設置され、ＮＭＲプローブに印加される静磁場の歪みを補正するシムコイルを備えたシム装置において、
前記シムコイルのボビンを高抵抗の金属で構成したことを特徴としている。

また、前記高抵抗の金属は、チタンまたはその合金であることを特徴としている。

また、本発明にかかるＮＭＲ装置は、上記ＮＭＲプローブと上記シム装置を同時に備えたことを特徴としている。

本発明のＮＭＲ装置によれば、検出コイル部のカバーを高抵抗の金属または樹脂、同調回路部のカバーの少なくとも内面を低抵抗の金属で構成したＮＭＲプローブと、シムコイルのボビンを高抵抗の金属または樹脂で構成したシム装置を、同時に備えたので、
ＮＭＲプローブのＱ値と勾配磁場の印加応答性を同時に高めたＮＭＲ装置を提供することが可能になった。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

ＮＭＲプローブの同調回路部のＱ値を落とさず、しかも、勾配磁場パルスにより誘導される誘導電流の減衰時間を短くして、勾配磁場の印加応答性を高める１つの方法は、図４に示すように、プローブカバーを検出コイル部と同調回路部に分け、検出コイル部側のカバーに適当な電気抵抗を持たせることである。

発生する誘導電流を図５のような回路でモデル化し、外部から階段関数状に比例する磁場変動をコイルに加えた場合を考える。この回路を表わす微分方程式は式（１）、その解は式（２）のようになる。尚、ここで、δ(t)はデルタ関数、θ(t)は階段関数を表わす。

これらの式では、時定数τを最小にすることが、誘導電流の減衰時間の最短化につながる。そのためには、抵抗Ｒを大きくすれば良い。

しかし、式（２）の電流は、実際には、金属表面を流れる誘導電流であるため、表皮電流の考え方を適用しなければならない。一般に、表皮厚δは、式（３）に基づいて計算することができる。

式（２）の抵抗Ｒを大きくするために、電気伝導度σを小さくすると、式（３）の表皮厚δが増加する。プローブカバーの厚みは、通常、１ｍｍ程度であり、これを超える表皮厚δとなる場合には、パルス勾配磁場がプローブカバーの外側に洩れてしまい、ＮＭＲプローブの外側にある金属製のシムボビンに誘導電流を発生する。そのため、シムボビンでの誘導電流の発生を防ぐためには、使用可能な電気伝導度σの最小値が存在する。

ここで、プローブカバーの材質が銅であると仮定して、高周波の周波数毎の表皮厚δを求めると、図６のようになる。実質上、意味のある周波数は、約１／２τ以上の周波数と考えて良く、経験的にτ＝〜１０μｓであるため、５０ｋＨｚ以上の周波数を考慮するとすれば、プローブカバーが銅であるとした場合、磁束の洩れのない最低表皮厚は、０．３ｍｍとなる。

更に、図６に、銅以外の金属、すなわち、アルミニウム、チタン、真鍮、青銅について、銅の場合と同様に、表皮厚δを求めた結果を示す。また、これらの金属の体積抵抗率と、銅のτ値に対するこれらの金属のτ値の比を、図７に示す。ただし、Ｒ∝√σとした。

図６から明らかなように、５０ｋＨｚの高周波磁場を減衰させるには、プローブカバーの材料として、青銅やチタン（その合金も含む）が望ましいことが分かる。その場合、図７から、銅の場合に較べて、誘導電流の減衰時間は、１／３倍から１／５倍となる。また、プローブカバーの厚さが十分に得られず、パルス勾配磁場が洩れ出して、シムボビンに誘導電流が発生するような場合であっても、その漏洩量が小さければ、十分な効果を得られるため、必ずしも、図６に示すような厚みは必要ではない。

以上、プローブカバーを２つの部分に分けて、それぞれ異なる金属で構成する方法を示したが、それ以外にも、例えば、図８に示すように、高周波に対して体積抵抗率の大きい材料、例えば、チタン（その合金も含む）を用いて、プローブカバー全体を製作し、同調回路部近傍のプローブカバー内側のみに、金、銀、銅などの低い電気抵抗率を持つ金属薄膜を、メッキなどの方法で設置することも考えられる。

その場合、必要なメッキ厚は、ＮＭＲに使用される高周波の周波数が、通常、約１００ＭＨｚ以上であるため、表皮厚から判断して、１０μｍ程度で良く、実現可能である。メッキではなく、クラッド材などを用いて、同様の構成を実現しても良い。

以上の実施例を総括すれば、検出コイル部に高抵抗の金属、同調回路部の少なくとも内側表面に低抵抗の金属を配したプローブカバーを採用すれば、同調回路部のＱ値を落とさず、誘導電流の減衰時間を短くすることができ、磁場勾配コイルが作る勾配磁場の印加応答性を高めることができる。従って、使用可能な金属は、図６記載のもののみに留まらず、高抵抗の金属であれば、他の多くの金属も使用可能である。

従来のシム装置では、シムコイルのボビンに電気抵抗率の小さな金属、例えば銅を使用する場合が多いため、上記の議論では、シムコイルのボビンには、誘導電流を流させない条件を考えていた。しかし、シムコイルのボビンにも、適当な電気抵抗を持たせれば、ＮＭＲプローブから洩れ出したパルス勾配磁場を短時間で減衰させることができる。

その場合、プローブカバーの厚みと、シムボビンの厚みを合わせた厚みが、パルス勾配磁場の減衰に利用できるため、より高抵抗の金属を使用すれば、大きな効果が期待できる。特に、電気抵抗率の大きさ、軽量性、高強度の観点から、実施例１のプローブカバーの場合と同様に、チタンおよびその合金が有望であることは、言うまでもない。しかし、高抵抗の金属であれば、他の多くの金属も使用可能である。

上記の議論と逆の取り扱いも考えられる。すなわち、パルス勾配磁場を透過させる材料、例えば、合成樹脂でプローブカバーおよびシムボビンを製作し、高周波電磁場を遮蔽するために、低抵抗の金属薄膜、例えば、金、銀、銅などの薄膜を、プローブカバー内部の同調回路部の周囲に設置する方法である。

これにより、同調回路部からの高周波の洩れは防げ、Ｑ値を高く維持できると共に、プローブカバーおよびシムボビンでの勾配磁場パルスによる誘導電流の発生もなくなる。この場合、超伝導磁石の室温ボア壁に、勾配磁場パルス由来の誘導電流が発生するが、ＦＧコイルからの距離が遠いため、その影響は、比較的小さくて済む。

ＮＭＲプローブ、シム装置、および、それらを具備したＮＭＲ装置に、広く利用できる。

従来のＮＭＲ装置の検出部を示す図である。 従来のＮＭＲプローブを示す図である。 磁場勾配コイルが発生する磁場を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲプローブカバーの一実施例を示す図である。 誘導電流の簡易モデルを示す図である。 さまざまな金属材料における高周波の表皮厚を示す図である。 さまざまな金属材料における誘導電流の減衰時間を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲプローブカバーの別の実施例を示す図である。

符号の説明

１：超伝導磁石、２：プローブ、３：室温ボア、４：シムボビン、５：室温シム、６：試料、７：検出コイル部、８：検出コイル、９：磁場勾配コイル、１０：同調回路部、１１：プローブカバー

Claims (5)

1. 試料に高周波磁場を印加すると共に、試料からのＮＭＲ信号を検出する検出コイル部と、該検出コイルに高周波を送信すると共に、該検出コイルからのＮＭＲ信号を受信する同調回路部とを備え、前記検出コイル部と同調回路部を金属製のカバーで覆ったＮＭＲプローブにおいて、
   前記検出コイル部のカバーを高抵抗の金属、前記同調回路部のカバーの少なくとも内面を低抵抗の金属で構成したことを特徴とするＮＭＲプローブ。
2. 前記高抵抗の金属は、チタンまたはその合金であることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲプローブ。
3. ＮＭＲプローブの外周に設置され、ＮＭＲプローブに印加される静磁場の歪みを補正するシムコイルを備えたシム装置において、
   前記シムコイルのボビンを高抵抗の金属で構成したことを特徴とするシム装置。
4. 前記高抵抗の金属は、チタンまたはその合金であることを特徴とする請求項３記載のシム装置。
5. 請求項１記載のＮＭＲプローブと請求項３記載のシム装置を同時に備えたことを特徴とするＮＭＲ装置。
   

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