JP2008249350A - Ｎｍｒ装置の同調整合方法および回路 - Google Patents

Abstract

【課題】送信系の高調波の影響を受けることなく、ＮＭＲプローブの同調を取ることのできる、ＮＭＲ装置の同調整合方法を提供する。
【解決手段】ＮＭＲ送信系で作られた基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力する工程と、入力時に該入出力端子で反射された反射波を検出器で検出する工程と、該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分ける工程と、該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう工程とを備えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＮＭＲ装置とＮＭＲプローブの間の同調と整合を最適化するＮＭＲ装置の同調整合方法および回路に関する。

ＮＭＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料に高周波信号を照射し、その後、被測定試料から出る微小な高周波信号（ＮＭＲ信号）を検出し、その中に含まれている分子構造情報を抽出することによって分子構造を解析する装置である。

図１はＮＭＲ装置の概略構成図である。高周波発振器１から発振された高周波信号は、位相制御器２及び振幅制御器３によって位相と振幅を制御され、電力増幅器４に送られる。

電力増幅器４で、ＮＭＲ信号を励起するために必要な電力にまで増幅された高周波信号は、デュプレクサ５を介してＮＭＲプローブ６に送られて、ＮＭＲプローブ６内に置かれた図示しない検出コイルから被測定試料に照射される。

高周波照射後、被測定試料から出る微小なＮＭＲ信号は、ＮＭＲプローブ６内に置かれた図示しない検出コイルにより検出され、再びデュプレクサ５を介した後、前置増幅器７に送られ、受信可能な信号強度にまで増幅される。

受信器８は、前置増幅器７で増幅された高周波のＮＭＲ信号を、デジタル信号に変換可能なオーディオ周波数に周波数変換し、同時に振幅の制御を行なう。受信器８でオーディオ周波数に周波数変換されたＮＭＲ信号は、アナログ−デジタルデータ変換器９によってデジタル信号に変換され、制御コンピュータ１０に送られる。

制御コンピュータ１０は、位相制御器２及び振幅制御器３を制御すると共に、時間領域で取り込んだＮＭＲ信号をフーリェ変換処理し、フーリェ変換後のＮＭＲ信号の位相を自動的に補正した後、ＮＭＲスペクトルとして表示する。

ＮＭＲプローブ６には、さまざまなタイプのものが用意されており、測定の目的に応じてそれらが使い分けられている。そしてＮＭＲプローブ６を交換する際に必要となるのが、ＮＭＲ送受信系とＮＭＲプローブ６との間の同調と整合の調節である。

従来のＮＭＲ装置の同調整合回路を図２に示す。ＮＭＲ装置の同調整合回路では、ＮＭＲ送信系１１で作られ、目的となる観測核の共鳴周波数に合わせられた高周波信号は、方向性結合器１２を介してＮＭＲプローブ１６に入力される。そして、ＮＭＲプローブ１６の端子で反射された高周波信号は、再び方向性結合器１２を介して検波回路１３に入力される。

入力された高周波信号は検波回路でＤＣ信号に変換され、アンプ１４で増幅される。その信号の大きさがレベルメータ１５に表示される。レベルメータ１５は、ＬＥＤバー１７のような形でＮＭＲプローブ１６からの反射信号の大きさを表示することができる。

ＮＭＲプローブ１６からの反射が大きいとき、すなわち、ＮＭＲプローブ１６の同調が取れていない場合は、ＬＥＤバー１７の点灯が右に振り切れ、ＮＭＲプローブ１６からの反射が小さいとき、すなわち、ＮＭＲプローブ１６の同調が取れている場合は、ＬＥＤバー１７は点灯しない。

測定者は、ＬＥＤバー１７でＮＭＲプローブ１６の反射信号のレベルを確かめながら、ＮＭＲプローブ１６内部の同調整合回路に組み込まれている可変コンデンサーと連動している同調つまみ１８と整合つまみ１９を回してインピーダンスの整合を取ることで、ＮＭＲプローブ１６からの反射信号を最小にする。

発明協会公開技報２００５−５０１６２８ 発明協会公開技報２００４−５０４６８２ 発明協会公開技報２００３−５０５７８９

従来のＮＭＲ装置では、同調を取る場合、ＮＭＲ送信系で作られた高周波信号には、目的とする観測核の共鳴周波数に相当する基本波のほかに、その基本波に対してｎ倍の周波数を持つ高調波が現れる。高調波は、送信系内部の発振器の特性によって現れる余計な高周波信号であり、ＮＭＲ観測においてはこの高調波が利用されることもしばしばある。

しかしながら、ＮＭＲプローブの同調を取る際には、高調波はまったく不要の存在であり、高調波が存在することによって、目的とする観測核の共鳴周波数に相当する周波数と完全に同調させることが不可能になる。

その理由を、図３を用いて説明する。高周波信号（例）２０は、ＮＭＲ送信系１１で作られたＮＭＲプローブ同調のための信号である。従来の技術での問題点を分かり易くするために、横軸を周波数軸で表わす。目的となる観測核の共鳴周波数に相当する基本波をｆ₀とすると、前述したように、基本波ｆ₀のｎ倍周波数を持つ、第２高調波、第３高調波、……、第ｎ高調波が基本波といっしょになって表われる。

まず、ＮＭＲプローブ１６の同調がまったく取れていない時、その信号は反射信号となってＮＭＲプローブ１６から方向性結合器１２に返ってくる。その反射信号を全反射信号２１とここでは記述する。全反射信号２１は、その名の通り、高周波信号（例）２０と同じ信号そのものがすべて反射して返ってくるので、基本波ｆ₀およびその他の高調波が同じレベルで反射する。

次に、ＮＭＲプローブ１６の同調が取れている時、その信号は、基本波ｆ₀のみ無反射状態となって方向性結合器１２に返ってくる。その信号を無反射信号２２とここでは記述する。無反射信号２２の基本波ｆ₀のレベルは、限りなくゼロに近い値になっており、この状態の時に最も良いＮＭＲ信号を観測することができる。

しかし、従来の技術では、実際に無反射状態２２の基本波ｆ₀のような反射レベルにまで反射波を小さくすることはできない。なぜなら、従来の方法では、検波回路１３で反射信号をＤＣ信号に変換しているが、基本波ｆ₀以外の高調波も同じようにＤＣ変換してしまうため、高周波信号（例）２０の場合では、測定者がいくらがんばって同調を取っても、第２高調波成分のレベルまでしか見ることができないためである。

したがって、従来では、２３に示す状態のことを「ＮＭＲプローブの同調が取れている」と呼び、その状態でＮＭＲ観測を行なっている。

また、高調波は周波数が低ければ低いほどたくさん出る。そのため、共鳴周波数が低い観測核の場合、高調波のレベルが高すぎて、同調がほとんど取れない場合もある。

同調操作時の反射信号の変動を分かり易く説明するため、反射信号の波形と、それを検波した後のＤＣ電圧波形の変遷図を図４に示す。

ＮＭＲプローブ１６の同調がまったく取れていない時の反射信号が２４の波形である。このとき、その信号を検波した後のＤＣ波形が２５の波形である。この時点では基本波ｆ₀が支配的で、基本波ｆ₀の同調を取ることができる状態である。この状態から徐々に同調を取っていくと、２４が２６の波形に、２５が２７の波形に変わる。この時点でも、まだ基本波ｆ₀が支配的で、さらに基本波ｆ₀の同調を取ることができる状態が続く。

この状態からさらに同調を取っていくと、２６が２８の波形に、２７が２９の波形に変わり、基本波ｆ₀と第２高調波ｆ₀×２のレベルが同じとなる。その後、反射信号の波形がたとえ２８から３０の波形になったところで、測定者は３１のレベル（２９と同じレベル）までしか確認できず、反射波のレベルに変化がないと認識してしまう。つまり、実質的に２８以上に同調を取ることができない状態になる。高調波のレベルが支配的になるためである。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、送信系の高調波の影響を受けることなく、ＮＭＲプローブの同調を取ることのできる、ＮＭＲ装置の同調整合方法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装置の同調整合方法は、
ＮＭＲ送信系で作られた基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力する工程と、
入力時に該入出力端子で反射された反射波を検出器で検出する工程と、
該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分ける工程と、
該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう工程と
を備えたことを特徴としている。

また、前記ＮＭＲプローブの同調操作は、ＮＭＲプローブ内部の同調整合回路に組み込まれている可変コンデンサーと連動している同調つまみと整合つまみを回してインピーダンスの整合を取ることで、ＮＭＲプローブからの反射信号を最小にすることを特徴としている。

また、前記同調つまみと整合つまみは、ＰＣまたはＣＰＵによって制御されたモータによって駆動されることを特徴としている。

また、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路は、
基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号を送信するＮＭＲ送信系と、
該ＮＭＲ送信系から送信された高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力した時に、該入出力端子で反射された反射波を検出する検出器と、
該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分けるフーリエ変換手段と、
該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう同調整合手段と
を備えたことを特徴としている。

また、前記ＮＭＲプローブの同調操作は、ＮＭＲプローブ内部の同調整合回路に組み込まれている可変コンデンサーと連動している同調つまみと整合つまみを回してインピーダンスの整合を取ることで、ＮＭＲプローブからの反射信号を最小にすることを特徴としている。

また、前記同調つまみと整合つまみは、ＰＣまたはＣＰＵによって制御されたモータによって駆動されることを特徴としている。

本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合方法によれば、
ＮＭＲ送信系で作られた基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力する工程と、
入力時に該入出力端子で反射された反射波を検出器で検出する工程と、
該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分ける工程と、
該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう工程と
を備えたので、
送信系の高調波の影響を受けることなく、ＮＭＲプローブの同調を取ることのできる、ＮＭＲ装置の同調整合方法を提供することが可能になった。

また、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路によれば、
基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号を送信するＮＭＲ送信系と、
該ＮＭＲ送信系から送信された高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力した時に、該入出力端子で反射された反射波を検出する検出器と、
該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分けるフーリエ変換手段と、
該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう同調整合手段と
を備えたので、
送信系の高調波の影響を受けることなく、ＮＭＲプローブの同調を取ることのできる、ＮＭＲ装置の同調整合方法を提供することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図５は、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合方法の一実施例である。ＮＭＲ送信系４１で作られた、目的とする観測核の共鳴周波数にＮＭＲプローブ４６を同調させるための高周波信号（例）２０は、方向性結合器４２を介してＮＭＲプローブ４６の端子に入力される。そして、ＮＭＲプローブ４６の端子で反射された高周波信号は、方向性結合器４６の経路Ｂを通って高周波リレー５３に入力される。

尚、方向性結合器４２の経路Ａは、ＮＭＲ観測、すなわち本番測定を行なう際に高周波信号（この場合はＮＭＲ信号）が通る経路である。ＮＭＲプローブ４６の同調が取れていると、ＮＭＲ送信系４１で作られた高周波信号がＮＭＲプローブ４６内の送受信コイルに印加され、図示しない試料に高周波磁場が作用し、試料中の核スピンを励起させる。高周波信号が途切れると、励起されていた核スピンが基底状態に戻る際に高周波磁場から成るＮＭＲ信号を放出する。それをＮＭＲプローブ４６内の送受信コイルが検出して、最終的に目的のＮＭＲ信号を得ることができる。

すなわち、方向性結合器４２→前置増幅器５２→受信器５４→アナログ−デジタルデータ変換器５５→データ処理システム５６→ＰＣ５７の流れは、通常ＮＭＲ観測する際のデータの経路を表わしている。本発明となる点は、高周波リレー５３を追加し、反射信号がたどる経路ＢをＮＭＲ観測の経路Ａと切り替え、接続できるようにしたことである。

ＮＭＲプローブ４６の同調は、ＮＭＲ観測において、本番測定の前に行なわれる操作である。高周波リレー５３は、ＮＭＲプローブ４６の同調操作時には、経路Ｂが受信器５４に接続されるようになっている。また、同調操作が終了し、ＮＭＲ観測時になると、高周波リレー５３は経路Ａが受信器５４に接続されるように切り替わる。

ここでは本発明の核心部分であるＮＭＲプローブ同調操作時、つまり経路Ｂが受信器５４につながっている場合の動作について説明する。

まず、ＮＭＲ送信系４１から送信されたＮＭＲプローブ４６同調用の高周波信号（例）２０は、ＮＭＲプローブ４６の端子で反射され、方向性結合器４２、高周波リレー４３を介して、受信器５４に入る。反射信号は受信器５４でオーディオ周波数に変換され、その後アナログ−デジタルデータ変換器５５に入力される。

アナログ−デジタルデータ変換器５５で変換されたデジタルデータは、データ処理システム５６によってＦＦＴ（高速フーリエ変換）され、ＰＣ５７の画面で周波数ごとの反射信号を確認することができる。つまり、測定者は所望の周波数の反射信号のみを確認しながらＮＭＲプローブ４６の同調を取ることができる。

従来は、図４の２５→２７→２９→３１で示したように、第２高調波、第３高調波、……、第ｎ高調波すべてをＤＣ検波した反射信号を見ながら同調操作を行なっていたのが、本発明により、周波数ごとに分けて見ることができるようになったため、図４の２４→２６→２８→３０の状態を確認しながら同調を行なえるようになる。よって、今までは高調波のレベルまでしか反射波を下げることができなかった同調操作が、本発明の結果、基本波ｆ₀の反射が完全になくなるまで同調を取れるようになった。

また、従来は、共鳴周波数が低い観測核の場合、高調波のレベルが高すぎてＮＭＲプローブ４６の同調がほとんど取れない場合があったが、それについても、本発明の結果、高調波の反射と基本波ｆ₀の反射を分けて見ることができるようになったので、基本波ｆ₀の反射が完全になくなるまで同調を取れるようになった。

図６は、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合方法の別の実施例である。本発明は、実施例１の同調整合操作を行なう際に、同調つまみ４８と整合つまみ４９をモータ５８で駆動させる、いわゆるオートチューニング・プローブに対しても適用可能である。以下、図６に基づいて動作を説明する。

本実施例は、同調レベルの情報がＰＣ５７に届いていることを利用して、同調つまみ４８と整合つまみ４９を駆動させるモータ５８の制御をＰＣ５７上で行なえるようにしたものである。

実施例１では、ＮＭＲプローブ４６に取り付けられた同調つまみ４８と整合つまみ４９を、測定者が手で直接動かさなくてはならなかったが、本実施例では、ＰＣ５７の前から移動せずに同調を取ることができる。その後の本番測定であるＮＭＲ観測もその場で行なえるため、ＮＭＲプローブ４６の場所まで移動せずに済み、時間短縮になる。

図７は、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合方法の別の実施例である。本発明は、実施例２のＰＣ５７をＲＵＮケーブル５９でハブ６０と接続し、さらにハブ６０からＲＵＮケーブル５９で他のＰＣ６１に接続するといった構成である。以下、図７に基づいて動作を説明する。

本実施例は、同調レベルの情報がＰＣ５７に届いていることを利用して、同調つまみ４８と整合つまみ４９を駆動させるモータ５８の制御をＰＣ５７上で行なえるようにし、さらにＲＵＮケーブル５９とハブ６０を使って、その他の数多くのＰＣ６１からいろいろな場所で、ＮＭＲプローブ４６の同調からＮＭＲ測定完了までを操作できるようにした。これにより、ＮＭＲ装置が設置されている場所まで測定者が移動せずに済み、実施例２よりもさらに時間短縮になる。

図８は、本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合方法の別の実施例である。本発明は、実施例２のＰＣ５７をＲＵＮケーブル５９でハブ６０と接続し、さらにハブ６０からＲＵＮケーブル５９で他のＰＣ６１に接続するとともに、モータ５８にＣＰＵ６２を設けるといった構成である。以下、図８に基づいて動作を説明する。

モータ５８に設けられたＣＰＵ６２には、自動で同調を取れるようなプログラムが組み込まれており、測定者はＰＣ５７上、あるいはＰＣ６１上で同調つまみ４８、整合つまみ４９を操作することなく、ボタン１つで同調を取ることができ、実施例３よりもさらに時間短縮になる。

ＮＭＲ測定に広く利用できる。

従来のＮＭＲ装置の一例を示す図である。 従来のＮＭＲ装置の同調整合回路の一例を示す図である。 従来のＮＭＲ装置の同調整合回路の問題点を示す図である。 従来のＮＭＲ装置の同調整合回路の問題点を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路の一実施例を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路の別の実施例を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路の別の実施例を示す図である。 本発明にかかるＮＭＲ装置の同調整合回路の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１：高周波発振器、２：位相制御器、３：振幅制御器、４：電力増幅器、５：デュプレクサ、６：ＮＭＲプローブ、７：前置増幅器、８：受信器、９：アナログ−デジタルデータ変換器、１０：制御コンピュータ、１１：ＮＭＲ送信系、１２：方向性結合器、１３：検波回路、１４：アンプ、１５：レベルメータ、１６：ＮＭＲプローブ、１７：ＬＥＤバー、１８：同調つまみ、１９：整合つまみ、２０：高周波信号（例）、２１：全反射信号、２２：無反射信号、２３〜３１：反射信号の例、４１：ＮＭＲ送信系、４２：方向性結合器、４６：ＮＭＲプローブ、４８：同調つまみ、４９：整合つまみ、５２：前置増幅器、５３：高周波リレー、５４：受信器、５５：アナログ−デジタルデータ変換器、５６：データ処理システム、５７：ＰＣ、５８：モータ、５９：ＲＵＮケーブル、６０：ハブ、６１：ＰＣ、６２：ＣＰＵ

Claims (6)

1. ＮＭＲ送信系で作られた基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力する工程と、
   入力時に該入出力端子で反射された反射波を検出器で検出する工程と、
   該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分ける工程と、
   該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう工程と
   を備えたことを特徴とするＮＭＲ装置の同調整合方法。
2. 前記ＮＭＲプローブの同調操作は、ＮＭＲプローブ内部の同調整合回路に組み込まれている可変コンデンサーと連動している同調つまみと整合つまみを回してインピーダンスの整合を取ることで、ＮＭＲプローブからの反射信号を最小にすることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ装置の同調整合方法。
3. 前記同調つまみと整合つまみは、ＰＣまたはＣＰＵによって制御されたモータによって駆動されることを特徴とする請求項２記載のＮＭＲ装置の同調整合方法。
4. 基本波とその高調波から成るＮＭＲプローブ同調操作用高周波信号を送信するＮＭＲ送信系と、
   該ＮＭＲ送信系から送信された高周波信号をＮＭＲプローブの入出力端子に入力した時に、該入出力端子で反射された反射波を検出する検出器と、
   該検出器から得られた反射信号をフーリエ変換によって基本波成分とその高調波成分に分けるフーリエ変換手段と、
   該分けられた基本波の信号のみに基づいて前記反射波の電力が最小となるようにＮＭＲプローブの同調操作を行なう同調整合手段と
   を備えたことを特徴とするＮＭＲ装置の同調整合回路。
5. 前記ＮＭＲプローブの同調操作は、ＮＭＲプローブ内部の同調整合回路に組み込まれている可変コンデンサーと連動している同調つまみと整合つまみを回してインピーダンスの整合を取ることで、ＮＭＲプローブからの反射信号を最小にすることを特徴とする請求項４記載のＮＭＲ装置の同調整合回路。
6. 前記同調つまみと整合つまみは、ＰＣまたはＣＰＵによって制御されたモータによって駆動されることを特徴とする請求項５記載のＮＭＲ装置の同調整合回路。

Images