JP2008233025A - Ｎｍｒ計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】超電導体を用いて高いＱ値を実現し、かつ試料空間における静磁場の均一度を劣化させないプローブアンテナを備えた、高感度核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測装置を提供する。
【解決手段】金属線の表面に数百ｎｍ〜数μｍの厚さの超電導層を形成した線材を用いてプローブアンテナを構成する。プローブアンテナは誘電体の円筒型ボビンに巻きつけて固定される。プローブアンテナはＬＣ共振回路であり、試料からの信号検出時に高周波電流がアンテナの導体に流れる。その際、表皮効果により流れる高周波電流はアンテナ導体の表面に集中する。したがって、アンテナ導体の表面に、低抵抗の超電導薄膜を形成することでアンテナ全体の抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。これにより、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナ導体の表面に低抵抗の超電導薄膜を形成することで、アンテナ全体の抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、核磁気共鳴装置（以下、ＮＭＲ装置と表記する）に係り、特に、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、及び／もしくは自由誘導減衰信号（ＦＩＤ信号）の受信に用いるプローブアンテナに特徴を有するＮＭＲ装置に関する。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計測は、物質の原子レベルの情報を得ることができ、化合物の構造を知るために優れた計測手法である。計測の基本原理は、均一な静磁場中に置かれた試料に高周波磁場を照射し、励起された原子核スピンからの応答信号を受信、解析する。高分解能の計測には、均一な高磁場（Ｂ0）を発生可能な超電導磁石を有するＮＭＲ装置が用いられる。現在、タンパク質の立体構造解析等を主要な目的として、２１．６Ｔ（９２０ＭＨｚ）のＮＭＲ装置が作られている。
タンパク質の解析においては、試料が少量であるため、発生する自由誘導減衰信号（ＦＩＤ信号）強度が微弱である。そのため、ＦＩＤ信号を受信するためのプローブには高い感度が必要である。ＮＭＲ計測の感度指標である信号雑音強度比（Ｓ／Ｎ）の向上には、信号検出時における熱雑音の低減が有効である。そのためにプローブを低温に冷却する方法が知られており、このようなプロ−ブを低温プロ−ブと称する。低温プローブの例は特許文献１（米国特許第５２４７２５６号）に示されている。また、信号強度はプローブアンテナのＱ値（Quality Factor）に依存し、高感度のＮＭＲ計測実現のためにはプローブアンテナに高いＱ値が要求される。Ｑ値はプローブアンテナの抵抗損失に依存するため、Ｑ値向上にむけてはプローブアンテナを構成する導体に低抵抗の部材を用いるか、導体を低温に冷却し抵抗を低減するか、あるいはプローブアンテナの導体に常伝導金属と比べ極めて抵抗の低い超電導体を適用することが有効な手段である。プローブアンテナに超電導材料を用いた例は、特許文献２（米国特許５５８５７２３号）、特許文献３（特開２００２−３２８１５６号公報）、特許文献４（特表２００３−５６５６３１号公報）などに示されている。
米国特許第５２４７２５６号明細書 米国特許第５５８５７２３号明細書 特開２００２−３２８１５６号公報 特表２００３−５６５６３１号公報
抵抗損失の極めて小さい超電導体でプローブアンテナを構成すると、アンテナのＱ値増大によりＮＭＲ計測感度を向上できる。しかしながら、超電導体を用いたプローブアンテナにおいては、超電導体特有の反磁性効果により測定試料空間の静磁場の均一度を乱すという大きな問題がある。試料空間における静磁場に歪みが生じると、得られるＮＭＲスペクトルの線幅が広がり、信号強度が低下する。その結果、計測感度（Ｓ／Ｎ）の低下を招く。したがって、超電導材料のバルク体や従来の超電導多芯線材などで作製するプローブアンテナは、超電導体の体積が大きく静磁場の均一度を著しく損ねるため高感度ＮＭＲ装置への適用は困難である。また、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示されているような超電導薄膜を用いたプローブアンテナの場合、超電導体の体積を小さくすることにより、超電導体による静磁場の歪みを抑制できる。しかしながら、超電導薄膜が形成されたサファイア等の誘電体基板の体積が大きく、基板が発生する磁気モーメントにより静磁場の均一度が劣化する問題がある。加えて、試料管を取り囲む立体的なアンテナ形状を実現するために、超電導薄膜パターンを形成した複数の誘電体の平面基板が試料近傍に離散的に配置される構造をとる。このような構成の場合、試料空間における誤差磁場の分布パターンが複雑になり、シミングによる磁場均一度確保が非常に難しい。
したがって本発明の目的は、高いＱ値を実現し、かつ試料空間における静磁場の均一度を劣化させない超電導プローブアンテナを備えた、高感度ＮＭＲ装置を提供することである。
本発明では高感度ＮＭＲ装置を実現するために以下の構成を適用する。
まず、均一な強磁場（Ｂ0）を発生させるために超電導マグネットを用いる。超電導マグネット内の均一な強磁場の領域に、原子核スピンの共鳴周波数で高周波信号を印加し、原子核スピンからの応答信号を受信するプローブアンテナを設ける。さらに、プローブアンテナを冷却するため、冷凍機、冷却ガスライン、熱交換器からなる冷却機構を設ける。冷凍機によって極低温に冷却したＨｅガスを、プローブ内部に設置した冷却ガスライン内に循環し、プローブ先端に設置された熱交換器を冷却する。プローブアンテナは熱交換器と熱的に接続されており伝熱によって冷却される。
本発明では、金属線の表面に数百ｎｍ〜数μｍの厚さの超電導層を形成した線材を用いてプローブアンテナを構成する。プローブアンテナは誘電体の円筒型ボビンに巻きつけて固定される。プローブアンテナはＬＣ共振回路であり、試料からの信号検出時に高周波電流がアンテナの導体に流れる。その際、表皮効果により流れる高周波電流はアンテナ導体の表面に集中する。したがって、アンテナ導体の表面に、低抵抗の超電導薄膜を形成することでアンテナ全体の抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
本発明では、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナ導体の表面に低抵抗の超電導薄膜を形成することで、アンテナ全体の抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
また、金属線の表面に形成する超電導層の体積は極めて小さいため、従来の超電導線材や超電導バルク体を用いて構成するアンテナに比べて、超電導体のもつ反磁性による静磁場の擾乱を著しく抑制できる。さらに、本発明では超電導体を金属線上に形成し、誘電体の円筒型ボビンに巻きつけてアンテナを構成するため、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナのような超電導薄膜形成用の誘電体基板が不要となる。これにより、使用する誘電体の体積を従来の超電導薄膜プローブアンテナに対して大幅に削減できる。
また、超電導体を形成する金属線の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、アンテナ構成に必要な体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナにおける誘電体基板と比べて小さくできる。結果として、本発明の構成では、従来の超電導薄膜プローブアンテナに比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを抑制できる。さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本発明では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上、使用する誘電体の体積低減と形状の改善により、超電導体以外のアンテナ構成部材による静磁場の擾乱を、高感度ＮＭＲ計測が実現可能なレベルに抑制できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因した極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。その結果、ＮＭＲ計測における信号検出感度向上を実現できる。
本発明のＮＭＲ装置におけるプローブアンテナは、金属線材もしくは金属箔からなるアンテナコイルの表面に超電導層を形成した構造を有することを特徴とする。以下に本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１（Ａ）は、本発明の対象であるＮＭＲ装置の主要構成部の概略と配置を示す斜視図である。２つに分割された超電導マグネット１０−１，１０−２により、中心線に沿って均一磁場（静磁場）１１を発生させる。これを矢印Ｂ0で示す。試料管３０は内部に試料３１を収納して、静磁場に対して垂直な方向（図中ｘ軸方向）から挿入される。試料３１からの信号を検出するソレノイド型のプローブアンテナ２５を実装した低温プローブ２０は、静磁場と同じ方向から挿入されている。低温プローブ２０は、プローブアンテナ２５と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器２２と、冷凍機２９で冷却されたＨｅガスを循環させ熱交換器を冷却する冷却ガスライン３７と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ２６と、それらを接続するプローブ筐体２３により構成される。また、計測器３５は信号線６０を介してプローブアンテナ２５に高周波信号を送信し、試料３１からの高周波信号を受信・解析し、測定結果を表示器３６に表示する。また、図示していないが、プローブアンテナ２５の外側には、試料空間において傾斜磁場を生成するための傾斜磁場コイルが配置される。
図１（Ｂ）は、本発明の対象であるＮＭＲ装置の主要構成部をより詳細に示した模式図である。超電導マグネット１０は、液体ヘリウムが充填されたクライオスタット９０内に設置され、その外側に静磁場の補正を行うための超電導シムコイル９１が設置される。マグネットのクライオスタット内には十字型のボア９３が設けられ、内側に常温シムコイル９２が設けられる。また、ボア９３の垂直方向からは試料管回転機構９４が設置され、その内側に試料管３０を保持したスピナー９５が挿入される。試料管回転機構９４は、スピナー９５にガスを噴きつけ試料管３０を回転させる。また、ボアの下側からは温調ガスを流して試料の温度を調整するための試料温調機構９６が設置される。
図２は、実施例１のプローブアンテナを構成する線材の断面構造を模式的に示した図である。線材は母材となる金属線６５と超電導層８１からなる二層構造を有する。金属線６５の材料はＣｕであり、それをソレノイド型のアンテナコイルに成型した後、表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法により形成した。
図３（Ａ）は、図２に示した線材を用いて作製したソレノイド型アンテナコイルを、低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。また、図３（Ｂ）は、プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。２つの支持板２７−１，２７−２の間に円筒ボビン６１が固定され、その周りにアンテナコイル５０が配置される。コイルの片端は整合用トリマコンデンサ４０及び信号線６０に接続され、もう一方の端は同調用トリマコンデンサ４１に接続される。トリマコンデンサ４０，４１のアンテナコイルと接続されていない側の電極、及び信号線６０の外皮はアースとなる金属のプローブ先端ステージ２６と電気的、機械的に接続される。２つのトリマコンデンサ４０，４１の容量値を調整することにより、所定の共鳴周波数においてアンテナの共振ピークのインピーダンスを５０Ωに整合する。また、支持板２７−１，２７−２と円筒ボビン６１はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）で作製する。本実施例では、アンテナコイルの線材の太さは１ｍｍ、アンテナコイルの直径は８ｍｍ、アンテナコイルの巻き数は４ターンとした。
プローブ先端ステージ２６は、図示していないが冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。さらに、プローブ先端ステージ２６と支持板２７−１，２７−２と円筒ボビン６１も互いに熱的に接続されている。よって、アンテナコイル５０は円筒ボビン６１、支持板２７−１，２７−２を介した伝熱で極低温に冷却される。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例１のプローブアンテナの共振特性を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中で評価した結果、周波数３００〜６００ＭＨｚにおいて、常伝導材料からなる従来のプローブアンテナと比べＱ値は２〜４倍に向上した。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例１では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例１では、支持板２７−１，２７−２や円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られることは明らかである。
＜実施例２＞
実施例２は、実施例１と同じくソレノイド型のプローブアンテナを備えたＮＭＲ装置を提案するものである。実施例２では実施例１と異なるアンテナ回路構成を用いる。装置の基本構成、及びアンテナコイル用線材の構造は実施例１において図１及び図２に示したものと同様である。
図４（Ａ）は、実施例２におけるソレノイド型アンテナコイルを、低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。また、図４（Ｂ）は、プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。直径１ｍｍのＣｕ線を４ターンのソレノイド型アンテナコイル５０に成型し、アンテナコイル５０のほぼ中点に直径１ｍｍのＣｕ線からなるタップ線４５をパルスヒート溶接で接続した。その後、アンテナコイル５０とタップ線４５の表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法で形成した。図４（Ａ）に示すように、実施例１と同様、２つの支持板２７−１，２７−２の間に円筒ボビン６１が固定され、その周りにアンテナコイル５０が配置される。アンテナコイル５０の中間点から延びるタップ線４５は信号線６０に接続され、アンテナコイル５０の両端はトリマコンデンサ４０，４１に接続される。トリマコンデンサ４０，４１のアンテナコイルと接続されていない側の電極、及び信号線６０の外皮はアースとなる金属のプローブ先端ステージ２６と電気的、機械的に接続される。２つのトリマコンデンサ４０，４１の容量値を調整することにより、所定の共鳴周波数においてアンテナの共振ピークのインピーダンスを５０Ωに整合する。また、支持板２７−１，２７−２と円筒ボビン６１はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）で作製する。本実施例では、アンテナコイルの直径は８ｍｍとした。
プローブ先端ステージ２６は、図示していないが冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。さらに、プローブ先端ステージ２６と支持板２７−１，２７−２と円筒ボビン６１も互いに熱的に接続されている。よって、アンテナコイル５０は円筒ボビン６１、支持板２７−１，２７−２を介した伝熱で極低温に冷却される。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例２のプローブアンテナの共振特性を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中で評価した結果、周波数３００〜６００ＭＨｚにおいて、常伝導材料からなる従来のプローブアンテナと比べＱ値は２〜４倍に向上した。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例２では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例２では、支持板２７−１，２７−２や円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られることは明らかである。
＜実施例３＞
実施例３は、複数のアンテナコイルを接続して構成されるソレノイド型のプローブアンテナを備えたＮＭＲ装置を提案するものである。装置の基本構成は実施例１，２と同様である。プローブアンテナに用いる線材は、実施例１，２と同じく、図２に示すように金属線の表面に超電導層を形成した構造を有する。
図５に、実施例３のソレノイド型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図を示す。アンテナコイル線材の母材である直径１ｍｍのＣｕ線を２ターンのソレノイド型コイルに成型し、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法で形成した。作製した２つの２ターンアンテナコイル５０−１，５０−２を試料からの信号を検出できる位置に配置し、各コイルの片方の端に容量値可変のトリマコンデンサ４０，４１を接続した。さらに各コイルのもう片方の端を互いに電気的に接続し、その接続点から信号線６０を引き出した。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例３のプローブアンテナの共振特性を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中で評価した結果、周波数３００〜６００ＭＨｚにおいて、常伝導材料からなる従来のプローブアンテナと比べＱ値は２〜４倍に向上した。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例３では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例３では、支持板２７−１，２７−２や円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られることは明らかである。
＜実施例４＞
実施例４は、サドル型のプローブアンテナを備えたＮＭＲ装置を提案するものである。プローブアンテナに用いる線材は、実施例１〜３と同じく、図２に示すように金属線の表面に超電導層を形成した構造を有する。本実施例では、金属線６５に直径１ｍｍのＣｕ線を用い、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法で形成した。
サドル型プローブアンテナは、円筒型マグネットを用いて垂直方向の静磁場（Ｂ0）を発生させるＮＭＲ装置に適用できる。図６（Ａ）に、垂直方向の静磁場を発生させるＮＭＲ装置の構成を示す。円筒型の超電導マグネット１０により、中心線に沿って均一磁場１１を発生させる。低温プローブ２０及び内部に試料３１を収納した試料管３０は、静磁場と同じ方向（図中ｚ軸方向）から挿入される。低温プローブ２０は、プローブアンテナ２５と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器２２と、冷凍機２９で冷却されたＨｅガスを循環させ熱交換器を冷却する冷却ガスライン３７と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ２６と、それらを接続するプローブ筐体２３により構成される。また、計測器３５は信号線６０を介してプローブアンテナ２５に高周波信号を送信し、試料３１からの高周波信号を受信・解析し、測定結果を表示器３６に表示する。また、図示していないが、プローブアンテナ２５の外側には、試料空間において傾斜磁場を生成するための傾斜磁場コイルが配置される。
図６（Ｂ）は、本発明の対象であるＮＭＲ装置の主要構成部をより詳細に示した模式図である。超電導マグネット１０は、液体ヘリウムが充填されたクライオスタット９０内に設置され、その外側に静磁場の補正を行うための超電導シムコイル９１が設置される。マグネットのクライオスタットの中央にはボア９３が設けられ、内側に常温シムコイル９２が設けられる。また、ボア９３内にはガスによって試料管を回転させ、かつ温調ガスで試料温度を制御するための、試料管回転・試料温調機構９７が設置される。試料管回転・試料温調機構９７の内側にスピナー９５に保持されて試料管３０が挿入される。
図７（Ａ）は、実施例４のサドル型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。図７（Ｂ）は、実施例４のサドル型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。プローブ先端ステージ２６と同軸方向に円筒ボビン６１が固定され、その周りにアンテナコイル５０を巻きつける。アンテナコイルの片端は整合用トリマコンデンサ４０及び信号線６０に接続され、もう一方の端は同調用トリマコンデンサ４１に接続される。トリマコンデンサ４０，４１のアンテナコイルと接続されない側の電極、及び信号線６０の外皮は金属材料で作製したプローブ先端ステージ２６と電気的、機械的に接続される。二つのトリマコンデンサ４０，４１の容量値を調整することにより、所定の共鳴周波数においてアンテナの共振ピークのインピーダンスを５０Ωに整合する。また、円筒ボビン６１はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）で作製する。本実施例では、アンテナコイルの直径は８ｍｍ、アンテナコイルの高さは２０ｍｍとした。
プローブ先端ステージ２６は、図示していないが冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。さらに、プローブ先端ステージ２６と円筒ボビン６１も互いに熱的に接続されており、アンテナコイル５０は円筒ボビン６１を介した伝熱で極低温に冷却される。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例４のプローブアンテナの共振特性を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中で評価した結果、周波数３００〜６００ＭＨｚにおいて、常伝導材料からなる従来のプローブアンテナと比べＱ値は２〜４倍に向上した。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例４では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例４では、円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られることは明らかである。
＜実施例５＞
実施例５は、バードケージ型のプローブアンテナを備えたＮＭＲ装置を提案するものである。実施例５のＮＭＲ装置の基本構成は実施例４と同様であり、円筒型マグネットを用いて垂直方向の静磁場を発生させる。図８は、実施例５のバードケージ型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。プローブアンテナに用いる線材は、実施例１〜４と同じく、図２に示すように金属線の表面に超電導層を形成した構造を有する。本実施例では、金属線６５に直径１ｍｍのＣｕ線を用い、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法で形成した。また、アンテナコイルの直径は８ｍｍ、アンテナコイルの高さは２０ｍｍとした。アンテナコイルを低温プローブ２０に実装する形態や冷却方法は実施例４と同様である。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例５のプローブアンテナの共振特性を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中で評価した結果、周波数３００〜６００ＭＨｚにおいて、常伝導材料からなる従来のプローブアンテナと比べＱ値は２〜４倍に向上した。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例５では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例５では、円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られることは明らかである。
＜実施例６＞
実施例６は、プローブアンテナコイルの磁気透明性をより向上できるＮＭＲ装置を提案するものである。
図９は、実施例６におけるアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示した図である。常磁性金属５４と反磁性金属５５の二種類の金属からなる複合金属線の表面に超電導層８１を形成してある。常磁性金属５４と反磁性金属５５を複合することにより両者の磁化を相殺し、線材の磁気透明性を向上できる。本実施例では、常磁性金属５４としてＡｌを、反磁性金属５５としてＣｕを、超電導層８１には超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を用いた。アンテナコイルの使用温度（約５Ｋ）において常磁性金属（Ａｌ）５４と反磁性金属（Ｃｕ）５５の磁化を相殺するため、両者金属の低温での磁化率を考慮し、常磁性金属（Ａｌ）５４の直径は０．３４ｍｍ、複合金属線全体の直径は１ｍｍとした。複合金属線の表面に厚さ１μｍのＭｇＢ2薄膜を蒸着法で形成した。
本実施例のアンテナコイル用線材は、実施例１〜５に具体的構成を示したソレノイド型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、サドル型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、及びバードケージ型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置に適用可能である。いずれのＮＭＲ装置でも、実施例６の線材を用いてアンテナコイルを作製することで計測感度の大幅な向上が実現できる。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例６では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の常磁性金属５４の材料として、Ａｌ以外の金属（Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、アンテナコイル線材の反磁性金属５５の材料として、Ｃｕ以外の金属（Ａｇ，Ａｕなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例６では常磁性金属５４と反磁性金属５５がそれぞれ１層ずつ複合され、表面に超電導層８１が形成された３層構造の線材を示したが、常磁性金属５４と反磁性金属５５をより多層に複合した金属体の表面に超電導層８１を形成する構造の線材（４層構造、５層構造など）も構成可能であることは言うまでもない。
＜実施例７＞
図１０は、実施例７におけるアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示した図である。線材は、母材となる金属線６５と、その表面に形成した超電導層８１と、さらにその表面に形成した絶縁層８２の３層構造を有する。金属線６５の材料としては直径１ｍｍのＣｕを用い、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法により形成した。さらに、ＭｇＢ2薄膜の表面に厚さ５００ｎｍのＡｌＮ絶縁膜をスパッタ法により形成した。最表面に形成したＡｌＮの絶縁層８２は超電導層８１の保護膜となるため、超電導層８１が外気に晒されることなく超電導特性の劣化を抑制することができる。
本実施例のアンテナコイル用線材は、実施例１〜５に具体的構成を示した、ソレノイド型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、サドル型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、及びバードケージ型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置に適用可能である。いずれのＮＭＲ装置でも、実施例７の線材を用いてアンテナコイルを作製することで計測感度の大幅な向上が実現できる。
本実施例のプローブアンテナは、信号検出時に高周波電流が集中して流れるアンテナコイル線材の表面に低抵抗の超電導薄膜を配置するため、常伝導体のアンテナコイルと比べ抵抗損失を低減しＱ値を向上できる。
さらに、本実施例で用いる誘電体（サファイアボビン）は、従来の超電導薄膜プローブアンテナで用いる誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）に比べて体積を大幅に低減できる。また、超電導体を形成する金属線（Ｃｕ）の磁化率は誘電体基板よりも小さく、かつ、金属線の体積は従来の超電導薄膜プローブアンテナの誘電体（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材）と比べて充分に小さい。以上の結果として、本実施例の構成（サファイアボビン、及びＣｕ線使用）では、従来の超電導薄膜プローブアンテナの構成（サファイア基板、及び基板を固定する支持部材使用）に比べて、アンテナ構成に必要な超電導体以外の部材が発生する磁気モーメントを大幅に抑制できる。
さらに、複数の誘電体基板が均一磁場空間に離散的に配置される従来の超電導薄膜プローブアンテナと異なり、本実施例では対称性に優れた単一の円筒型ボビンを用いてアンテナを構成できる。このようなアンテナ構造の場合、誘電体による誤差磁場の分布パターンが単純となり、シミングによる磁場均一度確保が容易となる。
以上の効果により、本実施例の構成では、従来の超電導薄膜を用いたプローブアンテナと比べ、試料空間における静磁場の均一度を一桁向上できる。したがって本発明により、超電導体特有の低損失性に起因する極めて高いＱ値を有し、かつ試料空間における静磁場の均一度を損なわないプローブアンテナを実現できる。
実施例７では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属線６５の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、絶縁層８２の材料として、ＡｌＮ以外の絶縁体（Ａｌ2Ｏ3など）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例７では線材の母材金属には単一種類の金属体（Ｃｕ）を用いたが、実施例６で示したように常磁性金属と反磁性金属の多層構造からなる金属複合体を用いても、同様の構成が可能であることは言うまでもない。
＜実施例８＞
実施例８は、金属箔をアンテナコイル線材に用いたＮＭＲ装置を提案するものである。図１１は、実施例８におけるアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示した図である。線材は、母材となる金属箔６６と、その両側の表面に形成した超電導層８１の３層構造を有する。金属箔６６の材料としては幅１ｍｍ、厚さ３０μｍのＣｕを用い、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法により形成した。
本実施例のアンテナコイル用線材は、実施例１〜５に具体的構成を示した、ソレノイド型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、サドル型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、及びバードケージ型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置に適用可能である。超電導層８１が形成された面（金属箔の幅のある面）を、サファイアボビンの表面にあてる形で金属箔６６をサファイアボビンに巻きつけ、アンテナコイルを形成する。なお、実施例４，５に示したサドル型アンテナ、バードケージ型アンテナに適用する場合は、あらかじめ金属箔６６をアンテナ形状に切り抜き加工しておき、その表面に超電導層６６を形成後、サファイアボビンに接着する方法でもアンテナコイルを形成できる。本実施例の線材を用いることで、ソレノイド型アンテナ、サドル型アンテナ、バードケージ型アンテナを有するいずれのＮＭＲ装置でも、実施例１〜５に説明した効果により計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例８では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属箔６６の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。
＜実施例９＞
実施例９は、実施例８と同じく金属箔をアンテナコイル線材に用い、かつプローブアンテナコイルの磁気透明性をより向上できるＮＭＲ装置を提案するものである。図１２は、実施例９におけるアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示した図である。常磁性金属箔５６と反磁性金属箔５７の二種類の金属箔からなる複合金属箔の表面に超電導層８１を形成してある。常磁性金属箔５６と反磁性金属箔５７を積層することにより両者の磁化率を相殺し、線材の磁気透明性を向上できる。本実施例では、常磁性金属箔５６としてＡｌを、反磁性金属箔５７としてＣｕを、超電導層８１には超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を用いた。アンテナコイルの使用温度（約５Ｋ）において常磁性金属箔（Ａｌ）５６と反磁性金属箔（Ｃｕ）５７の磁化を相殺するため、両者金属の低温での磁化率を考慮し、常磁性金属箔（Ａｌ）５６の厚みは８．７μｍ、反磁性金属箔（Ｃｕ）５７の厚みは２１．３μｍ、複合金属箔全体の厚さは３０μｍとした。また、複合金属箔の幅は１ｍｍとし、その表面に厚さ１μｍのＭｇＢ2薄膜を蒸着法で形成した。
本実施例のアンテナコイル用線材は、実施例１〜５に具体的構成を示した、ソレノイド型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、サドル型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、及びバードケージ型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置に適用可能である。超電導層８１が形成された面（複合金属箔の幅のある面）を、サファイアボビンの表面にあてる形で複合金属箔をサファイアボビンに巻きつけ、アンテナコイルを形成する。なお、実施例４，５に示したサドル型アンテナ、バードケージ型アンテナに適用する場合は、あらかじめ複合金属箔をアンテナ形状に切り抜き加工しておき、その表面に超電導層８１を形成後、サファイアボビンに接着する方法でもアンテナコイルを形成できる。本実施例の線材を用いることで、ソレノイド型アンテナ、サドル型アンテナ、バードケージ型アンテナを有するいずれのＮＭＲ装置でも、実施例１〜５に説明した効果により計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例９では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の常磁性金属箔５６の材料として、Ａｌ以外の金属（Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、アンテナコイル線材の反磁性金属箔５７の材料として、Ｃｕ以外の金属（Ａｇ，Ａｕなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例９では常磁性金属箔５６を挟んで反磁性金属箔５７が積層され、その表面に超電導層８１が形成された５層構造の線材を示したが、常磁性金属箔５６と反磁性金属箔５７をより多層に積層し、その表面に超電導層８１を形成する構造の線材（７層構造、９層構造など）も構成可能であることは言うまでもない。
＜実施例１０＞
実施例１０は、実施例８と同じく金属箔をアンテナコイル線材に用いたＮＭＲ装置を提案するものである。図１３は、実施例１０におけるアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示した図である。線材は、母材となる金属箔６６と、その表面に形成した超電導層８１と、さらにその表面に形成した絶縁層８２の５層構造を有する。金属箔６６の材料としては幅１ｍｍ、厚さ３０μｍのＣｕを用い、その表面に厚さ１μｍの超電導二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）薄膜を蒸着法により形成した。さらに、ＭｇＢ2薄膜の表面に厚さ５００ｎｍのＡｌＮ絶縁膜をスパッタ法により形成した。最表面に形成した絶縁層８２は超電導層８１の保護膜となるため、超電導層８１が外気に晒されることなく超電導特性の劣化を抑制することができる。
本実施例のアンテナコイル用線材は、実施例１〜５に具体的構成を示した、ソレノイド型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、サドル型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置、及びバードケージ型プローブアンテナを備えたＮＭＲ装置に適用可能である。超電導層８１及び絶縁層８２が形成された面（金属箔の幅のある面）を、サファイアボビンの表面にあてる形で金属箔６６をサファイアボビンに巻きつけ、アンテナコイルを形成する。なお、実施例４，５に示したサドル型アンテナ、バードケージ型アンテナに適用する場合は、あらかじめ金属箔６６をアンテナ形状に切り抜き加工しておき、その表面に超電導層８１及び絶縁層８２を形成後、サファイアボビンに接着する方法でもアンテナコイルを形成できる。本実施例の線材を用いることで、ソレノイド型アンテナ、サドル型アンテナ、バードケージ型アンテナを有するいずれのＮＭＲ装置でも、実施例１〜５に説明した効果により計測感度の大幅な向上が実現できる。
いずれのＮＭＲ装置でも、実施例１０の線材を用いてアンテナコイルを作製することで計測感度の大幅な向上が実現できる。
実施例１０では、アンテナコイル線材の超電導層８１にＭｇＢ2薄膜を用いた。同様の構成において、超電導材料に、Ｎｂ合金（Ｎｂ3Ｓｎなど）もしくは、ＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、アンテナコイル線材の金属箔６６の材料として、Ｃｕ以外の反磁性金属（Ａｇ，Ａｕなど）もしくは常磁性金属（Ａｌ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｒｈなど）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、絶縁層８２の材料として、ＡｌＮ以外の絶縁体（Ａｌ2Ｏ3など）を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例１０ではアンテナコイル線材の金属箔６６には単一種類の金属体（Ｃｕ）を用いたが、実施例９で示したように常磁性金属箔と反磁性金属箔の多層構造からなる金属体を用いても、同様の構成が可能であることは言うまでもない。
水平方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置の構成を模式的に示した図である。 アンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。 実施例１のソレノイド型プローブアンテナの模式図である。 実施例２のソレノイド型プローブアンテナの模式図である。 実施例３のソレノイド型プローブアンテナの模式図である。 垂直方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置の構成を模式的に示した図である。 実施例４のサドル型プローブアンテナの模式図である。 実施例５のバードケージ型プローブアンテナの模式図である。 実施例６のアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。 実施例７のアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。 実施例８のアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。 実施例９のアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。 実施例１０のアンテナコイル用線材の断面構造を模式的に示す図である。
符号の説明
１０，１０−１，１０−２…超電導マグネット、１１…均一磁場、２０…低温プローブ、２２…熱交換器、２３…プローブ筐体、２５…プローブアンテナ、２６…プローブ先端ステージ、２７−１， ２７−２…支持板、２９…冷凍機、３０…試料管、３１…試料、３５…計測器、３６…表示器、３７…冷却ガスライン、４５…タップ線、４０，４１…トリマコンデンサ、５０…アンテナコイル、５４…常磁性金属、５５…反磁性金属、５６…常磁性金属箔、５７…反磁性金属箔、６０…信号線、６１…円筒ボビン、６５…金属線、６６…金属箔、８１…超電導層、８２…絶縁層、９０…クライオスタット、９１…超電導シムコイル、９２…室温シムコイル、９３…ボア、９４…試料管回転機構、９５…スピナー、９６…試料温調機構、９７…試料管回転・試料温調機構

Claims (7)

  1. 均一磁場を発生するマグネットと、
    前記均一磁場中に置かれた試料に高周波信号を照射し、前記試料からの応答信号を受信するプローブアンテナと、
    前記プローブアンテナを固着するステージと、
    前記ステージを冷却し前記プローブアンテナを低温に保持する熱交換器と、
    前記プローブアンテナへ前記高周波信号を送信し、前記プローブアンテナが受信した応答信号を解析する計測器と、
    前記計測器と前記プローブアンテナとを接続する信号線とを有し、
    前記プローブアンテナは、表面に超電導体が形成された金属線材、もしくは、表面に超電導体が形成された金属箔を用いて構成されることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  2. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記プローブアンテナは、円筒部材の外周に配置されていることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  3. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記プローブアンテナのコイル形状はソレノイド型、サドル型、又はバードケージ型であることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  4. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記金属線材もしくは前記金属箔は、一種類の材料で構成されていることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  5. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記金属線材もしくは前記金属箔は、常磁性を有する金属材料と反磁性を有する金属材料とが組み合わされて構成されていることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  6. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記超電導体は、Ｎｂ系超電導体、銅酸化物系超電導体、又は二硼化マグネシウムであることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
  7. 請求項１記載のＮＭＲ計測装置において、前記超電導体の表面には絶縁体が形成されていることを特徴とするＮＭＲ計測装置。
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