JP2007263621A - Coil for magnetic resonance detection and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、NMR等に用いられる磁気共鳴検出用コイルとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a magnetic resonance detecting coil used for NMR and the like and a method for manufacturing the same.
一般に、NMR等の磁気共鳴の検出は、略筒状の磁気共鳴検出用コイルからその内側に挿入されたサンプルに高周波パルスを照射し、それから一定時間経過後に前記サンプルから放出される磁気共鳴信号を前記磁気共鳴プローブでピックアップするといった手段がとられる。さらに、前記磁気共鳴信号が微弱であることから、その検出感度を高めるべく、前記磁気共鳴プローブ内に冷却配管を設けてその冷却配管にヘリウム等の冷媒を流し、これにより前記磁気共鳴検出用コイルを極低温まで冷却して熱雑音を減らすといったことも行われている。 In general, magnetic resonance detection such as NMR is performed by irradiating a sample inserted inside a substantially cylindrical magnetic resonance detection coil with a high-frequency pulse, and then outputting a magnetic resonance signal emitted from the sample after a certain period of time. A means such as picking up with the magnetic resonance probe is taken. Further, since the magnetic resonance signal is weak, in order to increase the detection sensitivity, a cooling pipe is provided in the magnetic resonance probe and a refrigerant such as helium is allowed to flow through the cooling pipe, whereby the magnetic resonance detection coil It has also been carried out to reduce thermal noise by cooling to a very low temperature.
従来、このような磁気共鳴検出に好適なコイルとして、特許文献1には、内部層の表裏両面を外部層で覆った板材により成形されるNMRプローブ用RFコイルが提案されている。このRFコイルでは、前記外部層を構成する材料として、特に極低温状態において優れた比抵抗特性(比抵抗の磁界依存性が低い特性)を有する高純度アルミニウムが用いられる一方、前記内部層を構成する材料には、例えば銅のように、前記外部層を構成するアルミニウムの磁化率と反対の符号の磁化率をもつ材料すなわち反磁性材料が用いられている。
Conventionally, as a coil suitable for such magnetic resonance detection,
この構成によれば、前記外部層に高純度アルミニウムを用いることにより、極低温状態で強い磁界が形成される環境下においてもコイルの比抵抗を十分小さく抑えることができるとともに、前記内部層に反磁性材料を用いることにより、その反磁性を利用して前記アルミニウムの磁化率を打ち消すことができ、これによって磁気共鳴の検出精度をさらに高めることが可能になる。
前記特許文献1に記載されるコイルでは、その外部層を構成する高純度アルミニウムの表面が酸化しやすく、その酸化膜の形成によって良好な磁気特性に悪影響が与えられるおそれがある。
In the coil described in
また、このコイルを成形する手段として、前記特許文献1には、通常の合板成形と同様にアルミニウム板と銅板とをホットプレスで一体化する方法が記載されているが、通常の合板に比べると前記磁気共鳴検出用コイルの生産量はきわめて低く、また板厚もきわめて小さいことから、このようなコイルを前記ホットプレスを用いて低コストで生産することは困難である。
In addition, as a means for forming this coil,
本発明は、このような事情に鑑み、良好な磁気特性を安定して得ることが可能な磁気共鳴検出用コイルを提供し、さらに好ましくはその製造も容易に行うことができる磁気共鳴検出用コイル及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention provides a magnetic resonance detection coil capable of stably obtaining good magnetic characteristics, and more preferably, a magnetic resonance detection coil that can be easily manufactured. And it aims at providing the manufacturing method.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、略筒状の周壁を有し、その内側にサンプルが挿入される空間を形成する磁気共鳴検出用コイルにおいて、前記周壁が、アルミニウムからなる本体層と、この本体層の表面を覆う被覆層とを含み、この被覆層は前記本体層を形成するアルミニウムの磁化率と符号が反対の磁化率をもつ反磁性材料により構成されているものである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a magnetic resonance detection coil having a substantially cylindrical peripheral wall and forming a space into which a sample is inserted, and the peripheral wall is made of aluminum. And a covering layer covering the surface of the main body layer, and the covering layer is made of a diamagnetic material having a magnetic susceptibility opposite to that of aluminum forming the main body layer. .
この構成によれば、前記本体層を構成するアルミニウムの磁化率が前記被覆層を構成する反磁性材料により打ち消されることにより、コイル自身の磁化率を有効に低減して精度の高い磁気共鳴実験を行うことができる。しかも、前記被覆層はアルミニウムからなる本体層の表面を覆うように形成されているので、当該本体層の表面が大気に触れるのを阻止して当該表面にアルミニウムの酸化膜が形成されるのを防ぎ、この酸化膜の形成による磁気特性の影響を有効に抑止することができる。 According to this configuration, the magnetic susceptibility of the aluminum constituting the main body layer is canceled out by the diamagnetic material constituting the covering layer, so that the magnetic susceptibility of the coil itself is effectively reduced and a highly accurate magnetic resonance experiment is performed. It can be carried out. In addition, since the coating layer is formed so as to cover the surface of the main body layer made of aluminum, the surface of the main body layer is prevented from being exposed to the atmosphere, and an aluminum oxide film is formed on the surface. It is possible to effectively prevent the influence of the magnetic characteristics due to the formation of the oxide film.
さらに、前記本体層を構成するアルミニウムの磁化率と前記被覆層を構成する反磁性材料の磁化率とが相殺されるように当該本体層と被覆層の体積比率を設定すれば、より優れた磁気特性を実現することが可能になる。 Furthermore, if the volume ratio of the main body layer and the covering layer is set so that the magnetic susceptibility of the aluminum constituting the main body layer and the magnetic susceptibility of the diamagnetic material constituting the covering layer are offset, better magnetic properties It becomes possible to realize the characteristics.
前記被覆層を構成する反磁性材料としては、例えば銀、銅、ベリリウム等の使用も可能であるが、特に金は反磁性が高く、その体積比率を抑えながら優れた磁化率打消し効果を得ることが可能である。 As the diamagnetic material constituting the coating layer, for example, silver, copper, beryllium, and the like can be used. In particular, gold has high diamagnetism, and an excellent magnetic susceptibility canceling effect is obtained while suppressing the volume ratio. It is possible.
また、この金を用いた磁気共鳴検出用コイルは、前記本体層を構成するアルミニウムの表面に金を蒸着させ、または金メッキすることによって被覆層を形成する被覆工程と、この被覆工程の前または後に前記本体層を筒状に成形するコイル成形工程とを含む方法によって容易に製造することができる。 The coil for magnetic resonance detection using gold includes a coating step in which a coating layer is formed by vapor deposition or gold plating on the surface of aluminum constituting the main body layer, and before or after the coating step. It can be easily manufactured by a method including a coil forming step of forming the main body layer into a cylindrical shape.
特に、前記被覆工程で金の蒸着を行う場合、その蒸着時間の設定によって、前記本体層を構成するアルミニウムの磁化率と前記被覆層を構成する反磁性材料の磁化率とが相殺されるような本体層と被覆層の体積比率を正確かつ容易に得ることができる。 In particular, when gold is deposited in the coating step, the setting of the deposition time cancels out the susceptibility of the aluminum constituting the main body layer and the diamagnetic material constituting the coating layer. The volume ratio of the main body layer and the coating layer can be obtained accurately and easily.
以上のように、本発明によれば、アルミニウムからなる本体層の表面を反磁性材料からなる被覆層で被覆することにより、優れた磁気特性を得ることができるとともに、前記本体層の表面にアルミニウムの酸化膜が形成されるのを有効に抑止して当該酸化膜が前記磁気特性に影響を与えるのを回避することができる効果がある。 As described above, according to the present invention, by coating the surface of the main body layer made of aluminum with the coating layer made of the diamagnetic material, excellent magnetic properties can be obtained, and the surface of the main body layer is made of aluminum. Thus, it is possible to effectively prevent the oxide film from being formed and to prevent the oxide film from affecting the magnetic characteristics.
本発明の好ましい実施の形態を図1及び図2を参照しながら説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図2(a)は、この実施の形態に係るNMR(核磁気共鳴)装置の概略を示したものである。この装置は、液体ヘリウム等の冷媒を収容する容器30を備え、この容器30内の冷媒中に超電導コイル32が収容されている。この超電導コイル32は超電導線材が鉛直軸回りに筒状に巻回されたものであり、当該コイル32を径方向内側から覆うように前記容器30もドーナツ状に形成されている。すなわち、容器30の中央には鉛直方向に延びる内側空間34が形成されている。そして、この内側空間34内にNMRプローブ36が挿入されている。
FIG. 2A shows an outline of an NMR (nuclear magnetic resonance) apparatus according to this embodiment. This apparatus includes a
このNMRプローブ36は、電極部38と、この電極部38につながる筒状のプローブ本体40とを有し、このプローブ本体40が前記内側空間34内に下側から挿入されている。
The
このプローブ本体40は、図2(b)に示すように、その径方向の内側に配される内側管42と、径方向の外側に配される外側管44とを有しており、これらの管42,44は磁界に影響を与えない石英ガラス等の非磁性材料により構成されている。そして、前記内側管42の内側に試料挿入空間46が確保される一方、両管42,44の間に本発明にかかる磁気共鳴検出用コイル(この実施の形態ではNMR検出用コイル10)が径方向の内外から挟み込まれる構造となっている。
As shown in FIG. 2 (b), the
このNMR検出用コイル10は、図1(a)に示すように、金属薄板を丸めることによって略円筒状の周壁が形成されたもので、その上側に円筒部12を有する一方、下側には互いに周方向に分断された一対のスカート部14を有している。これらスカート部14と前記円筒部12とはそれぞれ連結部16を介して連結されており、これら連結部16同士の間に側方に開放された試料空間18が確保されている。そして、前記両スカート部14が前記電極部38を介して図略の電源に接続されるとともに、プローブ内に配設された図略の冷却用配管によって前記NMR検出用コイル10が極低温まで冷却されるようになっている。
As shown in FIG. 1 (a), the
なお、本発明では具体的なコイル形状を問わず、磁気共鳴検出に用いられる高周波パルスの周波数その他の仕様に応じて適宜設定が可能である。例えば前記特許文献1に記載される形状のコイルにも本発明を好適に適用することが可能である。
In the present invention, any specific coil shape can be set as appropriate according to the frequency of the high frequency pulse used for magnetic resonance detection and other specifications. For example, the present invention can be suitably applied to a coil having a shape described in
この実施の形態に係るNMR検出用コイル10の特徴として、その周壁を構成する板材が、図2(b)に示すように、本体層20と、この本体層20の表面を表裏両側から被覆する被覆層22とで構成されたものとなっている。
As a feature of the
前記本体層20は、高純度アルミニウムからなっている。この高純度アルミニウムは、特に極低温状態において優れた比抵抗特性を示すものであり、当該極低温状態では磁界の変化にかかわらず低い比抵抗を維持する。例えば銅と比較すると、銅の比抵抗は磁界が強くなるにつれて顕著に上昇するが、高純度アルミニウムは、磁界がある程度のレベルに達するとそれ以上は磁界が強くなっても比抵抗は低い値を維持する特性を有しており、その特性は純度が高いほど顕著になる。
The
従って、本発明では、本体層20に使用するアルミニウムの純度が高いほど特性的には好ましいものとなるが、コスト面も考慮すると、比較的入手が容易な99.99%純度レベルのものでも十分である。
Therefore, in the present invention, the higher the purity of the aluminum used for the
これに対して前記被覆層22は、前記高純度アルミニウムのもつ磁化率を相殺する役目を担うものであり、その関係から、当該被覆層22には前記高純度アルミニウムの磁化率(温度300Kで+21×10−6)と反対の符号(マイナス)の磁化率をもつ反磁性材料が用いられる。
On the other hand, the covering
この被覆層22の材質は、前記高純度アルミニウムの磁化率を打ち消す特性を有するものであればよく、例えば銀や銅、ベリリウム等の適用も可能であるが、特に金が好適である。この金には次のような利点がある。
The
1)特に反磁性が強い。例えば温度300Kでは、銅の磁化率が−9.8×10−6、銀の磁化率が−24×10−6であるのに対し、金の磁化率は−34×10−6となる。従って、本体層20を構成する高純度アルミニウムに対する体積比率を小さく抑えながらも、その高純度アルミニウムの磁化率を有効に打ち消すことが可能になる。いま、コイル径に比べて各層20,22の厚みが十分に小さく、各層20,22の体積比率が層の厚み比と同等であるとすると、両被覆層22に金を用いた場合、これらの被覆層22の厚みの総和はアルミニウム製の本体層20の約2/3あればよいことになり、片側の被覆層22については前記本体層20の1/3の厚みでよいことになる。極低温下で使用する場合には、その温度下での磁化率を考慮する必要があるが、いずれにせよ、銀や銅に比して金の層厚を小さく設定できることに変わりはない。
1) Particularly strong diamagnetism. For example, at a temperature of 300 K, the magnetic susceptibility of copper is −9.8 × 10 −6 and the magnetic susceptibility of silver is −24 × 10 −6 , whereas the magnetic susceptibility of gold is −34 × 10 −6 . Therefore, it is possible to effectively cancel the magnetic susceptibility of the high-purity aluminum while keeping the volume ratio with respect to the high-purity aluminum constituting the
ただし、本発明では、被覆層22の本体層20に対する体積比率が磁化率を相殺するように正確に設定されていなくてもよく、少なくとも、当該磁化率の絶対値を低減させることができるように層厚が設定されていればよい。
However, in the present invention, the volume ratio of the
2)被覆層22の形成が容易である。具体的には、金の蒸着や金メッキといったごく一般的な手法で本体層20の両面に被覆層22を形成することができる。特に蒸着を採用する場合、その蒸着時間の管理によって所望の層厚を正確にかつ容易に得ることが可能となる。
2) The
実際にコイルを成形するにあたっては、前記本体層20の表裏両面に前記被覆層22を形成する被覆層形成工程を行ってから、両層20,22をまとめて筒状(コイル状)に成形するコイル成形工程を行ってもよいし、逆に本体層20を筒状に成形しておいてからその表裏両面に被覆層22を積層するようにしてもよい。
When actually forming the coil, after performing the coating layer forming step of forming the
なお、出来上がったコイルの端面(例えば、前記図1(a)に示すNMR検出用コイル10の上端面11や側部開口を囲む縁面13)においては、本体層20を構成するアルミニウムが僅かに露出することになるが、その露出面積は極めて微小であるため磁性に影響はなく、本発明の効果を十分発揮することが可能である。また、この端面において露出する本体層20は他の面と同様に被覆層22によって覆うことも可能である。
Note that, on the end face of the completed coil (for example, the upper end face 11 of the
逆に、前記被覆層22は必ずしも本体層20の表裏を全面にわたって被覆するように形成されていなくてもよく、本体層20が一部露出した構造となっていてもよい。ただし、本体層20の表裏全面を覆うように被覆層22が形成されていれば、より高い磁化率相殺効果が得られるとともに、アルミニウム製の本体層20の表面に酸化膜が形成されるのをより有効に抑止して当該酸化膜の形成による磁気特性の変動をより確実に回避できる利点がある。
Conversely, the covering
前記図1(a)(b)に示すようなNMR検出用コイル10を製造するにあたり、次の各工程を実行する。
In manufacturing the
1)本体層形成工程
本体層20を構成する金属薄板として、99.99%のアルミニウムからなる厚み30μmのアルミフォイルを用意する。このフォイルは、最終的に50mm四方程度の大きさを有するものとなっていればよいが、当該フォイルを薄板材料からXY二軸NC加工機などで所定形状(例えば図1(a)に示すコイルを展開した形状)に切り出しする場合には、前記金属薄板の大きさに余裕をみて100mm四方程度の大きさのものを用意しておくのがよい。
1) Body layer forming step As a metal thin plate constituting the
2)被覆層形成工程
前記アルミフォイルの表裏両面に金を蒸着させて被覆層22を形成する。その前処理として、前記アルミフォイルの表面に形成されている酸化膜や付着物(空気中の有機物等)を除去すべく、当該フォイルの表裏両面をスパッタ処理等で5μmほど損耗させておく。その結果、前記アルミフォイルの厚みは30μm−5μm×2=20μmとなる。このアルミフォイルを構成する高純度アルミニウムの磁化率の絶対値と、被覆層22を構成する金の磁化率の絶対値との比は約2:3であるので、両磁化率を相殺すべく、この本体層20の表裏両面にはそれぞれ約6.7μm(表裏両側で約13.3μm)の厚みの被覆層22を形成するようにする。この被覆層22の厚みは前記金の蒸着時間の管理によって正確かつ容易に実現することが可能である。
2) Coating layer forming step Gold is vapor-deposited on both the front and back surfaces of the aluminum foil to form the
なお、前記高純度アルミニウムの磁化率と金の磁化率とを相殺するには、正確には両者の体積比率を設定する必要があるが、各層の厚みは一定であり、かつ、その厚み寸法は当該層の曲率(すなわちコイル径)に比べて十分小さいため、層厚比によって十分に近似することが可能である。 In order to cancel out the magnetic susceptibility of the high-purity aluminum and the magnetic susceptibility of gold, it is necessary to accurately set the volume ratio of the two, but the thickness of each layer is constant, and the thickness dimension is Since the curvature of the layer (that is, the coil diameter) is sufficiently small, it can be sufficiently approximated by the layer thickness ratio.
3)コイル成形工程
前記本体層20及び被覆層22が積層された板材を図1(a)に示すような筒状に丸めて磁気共鳴検出用コイル10とし、前記図2(b)に示すような内側管42と外側管44との間に挟み込む。
3) Coil forming step The plate material on which the
下記の各種金属リングを模擬コイルとしてサンプルの一部に巻き付け、その軸方向についての磁場強度分布を測定した。具体的には、NMR装置において前記模擬コイルを挿入する前の状態で前記磁場強度が軸方向に均一となるように超電導コイルを調整しておき、その後に各種コイルを挿入して磁場強度を測定するようにした。 The following various metal rings were wound around a part of the sample as a simulation coil, and the magnetic field strength distribution in the axial direction was measured. Specifically, in the NMR apparatus, the superconducting coil is adjusted so that the magnetic field strength is uniform in the axial direction before the simulation coil is inserted, and then various coils are inserted to measure the magnetic field strength. I tried to do it.
金属リング1(実施例):厚み30μmのアルミニウム製本体層の表裏両面を厚み10μmの金製被覆層で被覆。 Metal ring 1 (Example): Both front and back surfaces of an aluminum main body layer having a thickness of 30 μm are covered with a gold coating layer having a thickness of 10 μm.
金属リング2(実施例):厚み100μmのアルミニウム製本体層の表裏両面を厚み30μmの銅製被覆層で被覆。 Metal ring 2 (Example): The front and back surfaces of an aluminum main body layer having a thickness of 100 μm are covered with a copper coating layer having a thickness of 30 μm.
金属リング3(比較例):厚み100μmの銅板のみ。 Metal ring 3 (comparative example): Only a copper plate having a thickness of 100 μm.
その結果を図3に示す。同図において、曲線L1,L2,L3がそれぞれ前記金属リング1,2,3の特性を示している。 The result is shown in FIG. In the figure, curves L1, L2, and L3 indicate the characteristics of the metal rings 1, 2, and 3, respectively.
図の曲線L3(一点鎖線)に示されるように、金属リング3では銅の反磁性がそのまま磁気強度分布に現われ、負側に著しい磁場ひずみが生じている。この金属リング3に比べ、金属リング2では、前記銅の反磁性とアルミニウムの磁性とが相殺されて曲線L2(破線)に示されるように磁場ひずみが有効に低減しているが、本発明の実施例に相当する金属リング1によれば、曲線L1に示されるように前記磁場ひずみをさらに有効に低減させることが可能となっている。
As indicated by the curve L3 (dashed line) in the figure, in the metal ring 3, the diamagnetism of copper appears in the magnetic intensity distribution as it is, and a significant magnetic field distortion is generated on the negative side. Compared with this metal ring 3, in the metal ring 2, the diamagnetism of copper and the magnetism of aluminum cancel each other, and the magnetic field distortion is effectively reduced as shown by the curve L2 (broken line). According to the
10 NMR検出用コイル
20 本体層
22 被覆層
10 Coil for
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