JP2007322361A - 核磁気共鳴装置用プローブ及び核磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送受分離式プローブコイルを用いたＮＭＲ装置用プローブにおいて、送信コイルと受信コイル間の電磁気的な結合の影響を抑え、受信コイルが本来持つ検出効率を引き出して、感度を高める。
【解決手段】試料に高周波電磁波を照射する送信コイルと、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルとを具備する核磁気共鳴装置用プローブにおいて、送信コイルに切替スイッチを配置し、照射時と検出時で送信回路の共振状態を切り替えて、送受間の電磁気的な結合が残っていたとしても受信コイルの感度の低下を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、核磁気共鳴装置に使用されるプローブと、そのプローブを備えた核磁気共鳴装置に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置は、マグネットによって形成される静磁場空間に設置された試料に高周波電磁波を照射し、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する分析装置であり、有機物の分子構造の解析などに好適とされている。この核磁気共鳴装置において、プローブコイルは試料に高周波磁場を照射する役割と、試料が放出する信号を検出する役割を併せ持つ。照射は送信コイルにより行い、検出は受信コイルにより行なう。両者は１つのコイルで兼用させるようにしても良いし、別々のコイルで行なうようにしてもよい。いずれにしても、照射の際には、送信コイルが発生する磁場が試料の領域で均一であることが望ましく、検出の際には、受信コイルが効率よく信号を検出できることが望ましい。

送受兼用の１つのコイルとした場合には、１つの送受用コイルに対して１つの同調整合回路が必要である。同調整合回路には、共振周波数の調整とインピーダンスのマッチングを行なうために、可変コンデンサが２つ以上配置される。コイルが一つであるため、マッチングを行なう回路は１組でよいが、受信機と送信機への接続を切り替える切替回路が別途必要である。特許文献１には、このような切替回路を用いて、送信と受信を１つのコイルで行なう方法が記載されている。

一方、送受（照射と検出）を別のコイルで行なう場合には、コイルは受信コイルと送信コイルの２つなので、マッチングを行なう同調整合回路は２組必要である。この方式では、それぞれのコイルの形を独立に最適化することができ、単一のコイルで行なう場合よりも、いろいろな面で有利となる。例えば、超電導体を用いたコイルでは抵抗が小さくなるので共振のＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ−ｆａｃｔｏｒ）値を高めることができ、感度がよくなる。しかし、送受分離式では、２つのコイルの間に起きる電磁気的な結合のために、受信コイルによる信号の検出感度が損なわれるという問題が起きる。従来は、それぞれのコイルが発生する磁場が直交するように厳密に配置したり、わずかに残る結合を試行錯誤的な相対位置の微調整をしたりすることで解決してきた。

特開２００２−２０７０７２号公報（特許請求の範囲）

ＮＭＲ装置を高感度化する方法としては、プローブコイルを冷却して感度を向上する手法がある。送受分離式のプローブコイルに、この方法を応用した場合、コイル間の結合を抑えるために従来行なわれてきた手法は適用しにくい。その理由は、プローブコイルを冷却するために、真空で断熱された容器の中に置かなければならないからである。このような環境下では、プローブコイルに外部から直接触れて微調整を行なうことは非常に難しい。また、冷却のため、熱抵抗が小さい伝熱経路を確保するという点でも微調整は期待できない。

本発明の目的は、送信コイルと受信コイルとの間に電磁気的な結合があったとしても、その影響を抑え、受信コイルが本来持つ検出効率を引き出すことができるようにしたＮＭＲ用プローブとそれを備えたＮＭＲ装置を提供することにある。

本発明は、試料に高周波電磁波を照射する送信コイルと、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルとを具備する核磁気共鳴装置用プローブにおいて、前記送信コイルに切替スイッチを備えたことを特徴とする。

送受分離式プローブの送信コイルに切替スイッチを配置したことで、照射時と検出時で送信回路の共振状態を切り替えることができ、送受間の電磁気的な結合が残っていたとしても受信コイルの感度の低下を抑えることができる。

切替スイッチには、超電導体又は半導体素子を用いることができるし、また、それは非常に好ましい。切替スイッチは送信コイルと直列または並列に挿入することができる。直列に挿入する場合には、切替スイッチが照射時に入、受信時に切と動作するようにする。また、並列に挿入する場合には、切替スイッチが照射時に切、受信時に入と動作するようにする。

超電導体を用いた切替スイッチは、臨界電流を閾値として送受の状態に応じ受動的に切り替わるもの、或いは、ヒータ加熱による温度上昇により能動的に切り替わるものが望ましい。更に、ヒータ加熱の制御電流は平常時と送信時に入であり、受信時と受信切り替え動作時のみ切と動作し、平常時と送信時に切替スイッチを入、受信時に切替スイッチを切と動作させることが望ましい。

本発明は、マグネットによって形成される静磁場空間に設置された試料に送受分離式プローブのコイルから高周波電磁波を照射し、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する核磁気共鳴装置において、前記プローブが試料に高周波電磁波を照射する送信コイルと、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルを備え、前記送信コイルに切替スイッチを有することを特徴とする。

送信コイルでのエネルギーの浪費を抑えることができ、受信コイルが本来持つ検出効率を引き出して、高感度なＮＭＲ計測を達成することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。但し、以下の形態に限定されるものではない。

本発明に係るＮＭＲ用プローブの概略構成図を図１に示し、プローブコイルの拡大図を図２に示す。プローブコイルの構成は送受分離式であり、受信コイル１と送信コイル２を有する。送受分離式の場合には、送受兼用のコイルのように、受信機６と送信機７の接続を切り替える切替回路は不要である。受信コイル１は感度を最適化したコイルであり、送信コイル２は照射磁場均一性に優れたコイルであることが望ましい。受信コイルの感度を高めるためにはＱ値を向上することが有効であり、コイルで発生する損失を抑えるために超電導体を用いた受信コイルがより高感度となる。金属などのコイルを冷却することでも、抵抗が減少するためＱ値が改善され、感度が向上する。受信コイル１には同調整合回路４が備えられ、送信コイル２には同調整合回路３が備えられている。また、同調整合回路３，４には、共振周波数の調整とインピーダンスのマッチングを行なうために、それぞれ可変コンデンサ８が２つずつ備えられている。同調整合回路４と受信機６及び同調整合回路３と送信機７は、それぞれ、同軸ケーブル５によって接続される。なお、一般的な受信機の構成では、最前段に前置増幅器１０が設置されている。

プローブコイルは、感度向上のために冷却されており、プローブ容器２２内は冷却のために真空に保たれている。プローブコイルを冷却すると熱雑音低減と共振のＱ値向上の効果を得ることができ、感度が向上する。冷却の効果を十分得るために、プローブコイルは４０Ｋ以下の温度まで冷却される。より安定して冷却するためには、独自の冷却源を持つ熱輻射シールド２３や積層断熱材を真空部分に配置して、室温のプローブ容器２２から低温のコイル部や回路部に輻射などによって熱が伝わるのを遮断することが望ましい。プローブコイル周辺には冷却のための熱交換器２４が設置されている。

プローブコイルは、図５に示すように受信コイル形状をソレノイド型にし、送信コイル形状をサドル型にすることが望ましく、より送受分離型の特徴を生かしたものとすることができる。

ソレノイド型受信コイルは、試料の磁化との結合が比較的強く検出効率に優れている。一方、サドル型送信コイルは、照射磁場の均一性に優れている。サドル型送信コイルのコイルの高さをソレノイド型受信コイルのコイルの高さよりも高くすることで、ソレノイド型受信コイルの有効検出領域において、試料の核スピンを同じ強さで倒すことができる。このことは、有機物の測定から、複雑なタンパク質の構造解析まで、あらゆるＮＭＲ計測において利点となる。

受信コイルは受信用の同調整合回路４で共振周波数とインピーダンスを整合され、雑音指数に優れた前置増幅器１０に接続されている。前置増幅器１０も雑音指数改善のため低温に冷却される。

送信コイルは送信用の同調整合回路３で共振周波数とインピーダンスを整合され、送信機７に接続されている。送信機７は、ラジオ波周波数のｋＷクラスのパワーアンプである。

送信コイルと受信コイルは、２つのコイルの相対位置をできるだけ正確に決めるために、両者の間にスペーサ１７を介して結合される。図５では、円筒状のスペーサ１７の内側にソレノイド型の受信コイル１がスペーサと接して設置され、スペーサ１７の外側にサドル型の送信コイル２がスペーサと接して設置されている。さらに、送信コイル２の高さは受信コイル１の高さよりも高いものとなっている。

スペーサ１７は熱交換器に接続され、コイルを冷却する熱伝導経路ともなっている。スペーサの材質は、電気絶縁性であり、且つ、コイルが冷却される低温で熱伝導のよい材料を選択することが望ましい。また、ＮＭＲ信号の周波数は数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚであるので、受信コイルのＱ値を高めるためには、コイル周辺の空間の高周波損失を抑える必要があり、この周波数帯での誘電損失が小さい材料が望ましい。スペーサ材料の候補としてはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などがあげられる。

受信コイルは円筒状のボビンに巻きつけられた形態または平板状の基板に薄膜として形成された形態が考えられる。いずれの形態であっても受信効率に優れた受信コイルを実現できるので、受信コイルの形状は任意でよい。

送受分離式プローブコイルでは、送信コイルと受信コイル間の電磁気的な結合が問題となる。双方のコイルがほぼ同じ周波数で共振するので、わずかな結合でもエネルギーの流れ込みが顕著に起こり、結果として受信コイルが本来持つ感度を損ねることとなる。取りうる対策の一つは、送信コイルと受信コイルの間の磁気的結合を抑えるために、それぞれのコイルに通電した際の発生磁場の方向を直行させ、鎖交磁束を極力小さくことである。しかしながら、２つのコイルの結合を完全に取り除くことは非常に難しい。なぜならば、２つのコイルの結合の度合いは冷却した動作状態でしか確認できない。例え室温で結合を取り除けたとしても、冷却すると物質は収縮するために位置関係が変わるようになり、その結果、冷却後に再度、結合が現れる。冷却状態では送信コイルと受信コイルは真空中に配置されているので、配置の微調整を行なおうとしても容易に触れることはできない。また、プローブコイルを十分安定に冷却するためには、コイルと伝熱経路であるスペーサが強固に固定されている必要がある。

本発明においては、受信時に送信コイル側の共振のバランスを崩すことにより、カップリングによる感度低下の問題を解決する。このために、図１では、送信コイル２と電気的に並列に超電導ブリッジ１１を挿入している。超電導ブリッジは基板１３上に配置されており、コイルの引き出し線１２と電気的に接続されている。この超電導ブリッジ１１は、送信時には開放、受信時には短絡と切り替わることができる。超電導ブリッジによるスイッチの切り替えは、次のようにして実現する。

ＮＭＲ計測では、送信時の信号の大きさと、受信時の信号の大きさは大きく違うという特徴がある。送信時には、数Ｗ〜数十Ｗ程度の信号強度であり、受信時にはせいぜいμＷ程度の信号強度である。よって、この間に閾値を設けて受動的に切り替わるように超電導ブリッジの臨界電流を設定すると良い。スイッチの切り替えの閾値となるブリッジの臨界電流は１ｍＡ程度が良い。また、切時の電気抵抗は数百Ω程度になるように設定する。臨界電流及び電気抵抗の設定はブリッジの断面積と長さにより可能である。臨界電流は断面積が大きいほど大きくなる。電気抵抗は、断面積が小さく、経路が長いほど大きくなる。ブリッジの形状は極力インダクタンスを小さくするように決める。インダクタンスは幅広で短いほど小さくできる。超電導ブリッジには臨界電流密度が高い材料を用い、また扁平な断面で短い形状にすることが好ましい。例えば、厚さ０．４μｍ、幅０．１ｍｍ程度の二ホウ化マグネシウムの薄膜形状では、長さを１０ｍｍ程度とすることで所望の臨界電流と抵抗を実現できる。また、ブリッジの形状は単純な直線状とするよりは、図３及び図４に示したように、蛇行形状などの発生磁場をキャンセルしインダクタンスを低くしたような形状がよい。図３及び図４では、往復の引き出し線１２の間を単純に直線で結ぶよりも長い距離で接続しているが、蛇行している隣り同士の線で発生磁場を打ち消したことで、インダクタンスを直線で結んだときとほぼ同程度にすることができる。これにより、高周波信号においても、より低いインピーダンスでコイル両端を接続することができ、スイッチオフ時にはより高い抵抗で接続することができ、スイッチとして優れたものとなる。

超電導ブリッジによるスイッチが開放となっている送信時の等価回路を図６に示す。スイッチは開放状態１４となっているため、回路動作上は無視できる。このときには、通常の送受分離型プローブコイルとして動作する。共振回路となっている送信用回路に流れる電流が磁場を発生し、試料に高周波磁場が照射される。このとき、送信コイルと受信コイルはわずかに結合しているので、受信コイルにも電流が流れる。しかし、送信コイルのＱ値は受信コイルのＱ値に対して小さいので、回路の特性を損なうことは無く、送信の機能においては問題とならない。受信コイルに流れる電流が大きく、受信回路の後段に設置される前置増幅器１０に大きな信号が入力され破損の可能性があるが、ダイオードなどを使用した保護回路を設置することで回避できる。

ブリッジによるスイッチが短絡となっている受信時の等価回路を図７に示す。このとき、受信回路は共振状態にあるが、送信コイルはコイル両端を短絡した短絡状態１５であるために共振を起こさないか、もしくは目的とする信号の周波数から大きく外れた周波数で共振を起こすことになる。ブリッジがない場合は、受信時に受信回路から送信回路へ信号が流れ込むために、受信回路が本来持つ感度を損ねることとなるが、ブリッジを有する本実施例に示す形態では、送信回路側の共振が崩れるので、信号の流れ込みが大きく抑えられる。

さらに詳しく説明すると、受信コイルが信号を検出すると、受信コイルの両端には電圧が誘起され、また、受信回路には電流が流れる。受信コイルには試料の回転磁化によって誘起される起電力１６が生じている。受信回路は共振状態であり、インピーダンスは非常に低く、抵抗成分のみとなっている。このときに、抵抗成分に流れる電流によって消費される電力が観測される信号となる。このときの、受信コイルと送信コイルの磁気的な結合を考えると、２つのコイルは変圧器のように振る舞い、送信コイルには受信コイルに生じる電圧と結合の度合いに応じて、送信コイルに電圧が誘起される。今、送信コイルの両端は超電導ブリッジにより短絡されているので、送信回路の共振周波数が目的とする信号の核磁気共鳴周波数からずれており、検出信号の核磁気共鳴周波数に対しては非常に高いインピーダンスとして感じられる。よって、電流はほとんど流れることができず、送信回路で浪費される電力はほんのわずかとなる。よって、送信回路での浪費を抑えることで、受信コイルの本来の検出効率を引き出すことが可能となり、その結果、より高い感度が得られることとなる。

回路シミュレーションにより１割ほどの磁気的な結合を仮定した場合のスイッチの効果を計算した。超電導ブリッジによるスイッチを配置しないときは５０％ほど受信信号を損なうが、超電導ブリッジによるスイッチを配置しスイッチを入としたときは、受信信号の損失が４％程度にまで低減される。従来のスイッチが無い場合と比べると、受信感度としては約２倍程度優れたものとなる。

プローブコイルを試作し、スイッチの効果をＱ値の測定により検証を行った。スイッチが切の場合には、双方が密に結合しているため、シミュレーションのように、受信コイルのマッチングを容易には取ることができず、Ｑ値の観測まで至らなかった。一方、スイッチを入りとした場合には、送信コイルの影響が排除され、容易にマッチングを取ることができ、送信コイルがない場合のＱ値から約１０％程度の低減に抑えられていることがわかった。

以上の構成により、送信コイルに対して並列に超電導のブリッジを挿入することで、結合のための受信感度の低下を抑え、ＮＭＲ用プローブの高感度化を得ることができた。

本実施例によるプローブの構成を図８に示す。実施例１の場合とはスイッチの切り替え方法が異なる。それ以外の部分は実施例１の構成と同様である。実施例１では超電導ブリッジの電流容量を決めて受動的に切り替える方式であったが、本実施例ではヒータ１８により加熱することで超電導ブリッジの温度を変化させて、入切を切り替える。ヒータの発熱は、外部においた直流もしくは低周波数の電源１９により制御する。臨界電流は受信に必要とされる量が十分に確保されていればよくなるが、切時の抵抗は数百Ω確保されなければならない。

入時及び切時の双方で高速に切り替えることは難しい。しかしながら、ＮＭＲ計測の特徴として、送信後の受信時、つまりスイッチの動作としては入時にのみ高速の切り替えが要求される。よって、入時に高速の切り替え動作ができるようにする。これを実現するためには、受信時のみスイッチが入となるようにヒータを動作させる。スイッチを高速で切り替えるためには、熱容量が小さい方がよい。そのためには、臨界温度が２０Ｋより小さい超電導材料をブリッジの材料として使用するのがよい。２０Ｋ程度の温度以上では、物質の比熱がある程度大きくなり、温度の制御性が良くなる。超電導材料を選択する際には、環境の温度と磁場強度の双方を考慮する必要がある。スイッチは試料の近傍にあり、数Ｔ以上の強い磁場に晒される。この条件で、２０Ｋ前後の臨界温度を有する超電導材料は二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_２）、ニオブ３スズ（Ｎｂ_３Ｓｎ）、ニオブ３アルミニウム（Ｎｂ_３Ａｌ）などであり、これらの材料を使用するのがよい。また、スイッチを載せる基板材料は、ブリッジに用いる超電導材料の臨界温度以下で大きく熱伝導率が低下する材料がよい。これを満たす材料であれば、ヒータで加熱した際に急激に温度が上昇し、スイッチが切となり、加熱を止めた際に温度が復帰しスイッチを入とすることができる。

基板材料としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミック材料が考えられる。いずれの材料でも低温での温度を下げたときの熱伝導率が急勾配で低下するため制御性に優れたものとなる。

ヒータは基材のブリッジとは逆面に接着などによって熱的に密着させる。ヒータの導体のパターンは、外部に磁場を作らない無誘導形状となるのが良い。

以上のように、超電導のブリッジとヒータを用いたスイッチを使うことで、コイル間の結合の問題を解決し、実施例１と同様の効果を得ることができる。

実施例１，２ではスイッチを送信コイルに対して並列に挿入したが、スイッチを直列に挿入することでもコイル間の結合の問題を解決できる。本実施例によるプローブの構造を図９に示す。半導体を用いたスイッチ２０により切り替えを行なうことで実現できる。スイッチの切り替え制御は、外部からの電源２１で行なう。極低温に冷却されるので、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたダイオード素子が望ましい。

直流電圧を別系統で供給し、スイッチ動作させる。ダイオードはオフ時の容量とオン時の抵抗を考慮する必要がある。オン時の抵抗は１Ωより十分小さければよい。オフ時の容量は通常１ｐＦよりも小さいので、送信回路はオン時の共振周波数よりも高い周波数で共振を起こすようになる。このとき、オフ時に共振する周波数が観測しようとしているほかの核種の共鳴周波数と一致しないように注意しなければならない。

以上のように、コイルと直列に半導体素子によるスイッチを挿入することで、コイルの結合の問題を解決し、感度低下の問題を解決することができる。

本発明に係るプローブの一実施例を示す概略構成図。 送受分離式プローブコイルを用いたプローブの構成図。 超電導ブリッジの一例を示した概略図。 超電導ブリッジ部の他の例を示した概略図。 送信コイルと受信コイルの配置の詳細を示す斜視図。 照射時の等価回路を示す回路図。 受信時の等価回路を示す回路図。 本発明に係るプローブの他の実施例を示した構成図。 本発明の他の実施例を示すプローブの構成図。

符号の説明

１…受信コイル、２…送信コイル、３…同調整合回路、４…同調整合回路、５…同軸ケーブル、６…受信機、７…送信機、８…可変コンデンサ、１０…前置増幅器、１１…超電導ブリッジ、１２…引き出し線、１３…基板、１４…開放状態、１５…短絡状態、１６…起電力、１７…スペーサ、１８…ヒータ、１９…電源、２０…スイッチ、２１…電源、２２…プローブ容器、２３…断熱材、２４…熱交換器。

Claims (13)

1. 試料に高周波電磁波を照射する送信コイルと、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルとを具備する核磁気共鳴装置用プローブにおいて、前記送信コイルに切替スイッチを備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
2. 請求項１において、前記切替スイッチが送信コイルと直列に挿入されていることを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
3. 請求項２において、前記切替スイッチが照射時に入、受信時に切と動作することを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
4. 請求項１において、前記切替スイッチが送信コイルと並列に挿入されていることを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
5. 請求項４において、前記切替スイッチが照射時に切、受信時に入と動作することを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
6. 請求項１において、前記切替スイッチに超電導体を用いたことを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
7. 請求項６において、前記超電導体を用いた切替スイッチが、臨界電流を閾値として送受の状態に応じ受動的に切り替わるものであることを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
8. 請求項６において、前記超電導体を用いた切替スイッチが、ヒータ加熱による温度上昇により能動的に切り替わるものであることを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
9. 請求項８において、前記ヒータ加熱の制御電流が平常時と送信時に入であり、受信時と受信切り替え動作時のみ切と動作し、平常時と送信時に前記切替スイッチを入、受信時に前記切替スイッチを切と動作させることを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
10. 請求項１において、前記切替スイッチに半導体素子を用いたことを特徴とする核磁気共鳴装置用プローブ。
11. 試料に高周波電磁波を照射する送信コイルと、試料が放出する核磁気共鳴信号を検出する受信コイルを備え、前記送信コイルに切替スイッチを有するプローブを備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置。
12. 請求項１１において、前記切替スイッチに超電導体を用いたことを特徴とする核磁気共鳴装置。
13. 請求項１１において、前記切替スイッチに半導体素子を用いたことを特徴とする核磁気共鳴装置。

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