JP2009216578A - Low-temperature transmission/reception switching device and method of nmr low-temperature probe - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機物分子やタンパク質などの構造解析に有用な分析装置である核磁気共鳴(NMR)分光装置における低温プローブの低温送受切替装置および方法に関する。 The present invention relates to a low-temperature probe switching apparatus and method for a low-temperature probe in a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer, which is an analyzer useful for structural analysis of organic molecules, proteins, and the like.
核磁気共鳴(NMR)分光装置は、有機物分子やタンパク質などの構造解析に有用な分析装置である。NMRの信号強度は微弱であり、信号対雑音比を向上するためのいくつかの試みがなされてきた。その一つとして、検出するプローブアンテナや増幅回路を冷却して熱雑音を低減させた低温プローブが上げられる。現在、市販されている低温プローブでは、プローブアンテナを冷却しない常温プローブに対して3〜4倍程度の感度の向上が得られている。 A nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer is an analyzer useful for structural analysis of organic molecules and proteins. The signal strength of NMR is weak and several attempts have been made to improve the signal to noise ratio. One example is a low-temperature probe in which the probe antenna to be detected and the amplifier circuit are cooled to reduce thermal noise. At present, commercially available low-temperature probes have an improvement in sensitivity of about 3 to 4 times that of a room temperature probe that does not cool the probe antenna.
低温プローブの基本的な構成は以下のようになっている。真空断熱のため真空容器となっているプローブ容器と、その中にまず、プローブアンテナ,アンテナ共振回路,送受切替器,前置増幅器,および伝送ケーブルなどの電気部品を備えている。次に、共振周波数調整機構などの機械部品,熱交換器(冷却ステージ),冷媒配管,熱輻射シールド,積層断熱材,および断熱支持部品などの冷却部品などを持つ。冷却は、専用の冷却装置により冷媒を供給するか、もしくは液体ヘリウムなどの寒剤を直接供給して行う。また、プローブ容器内を真空に保つため、信号の取り出しや共振調整のための回転の伝達は特殊なコネクタや回転導入機構が用いられる。これらの技術は、特許文献1や特許文献2などに詳細が開示されている。
The basic configuration of the cryogenic probe is as follows. A probe container that is a vacuum container for vacuum insulation and an electrical component such as a probe antenna, an antenna resonance circuit, a transmission / reception switch, a preamplifier, and a transmission cable are first provided therein. Next, it has mechanical parts such as a resonance frequency adjusting mechanism, a heat exchanger (cooling stage), a refrigerant pipe, a heat radiation shield, a laminated heat insulating material, and a cooling part such as a heat insulating support part. Cooling is performed by supplying a refrigerant with a dedicated cooling device or directly supplying a cryogen such as liquid helium. Further, in order to keep the inside of the probe container in a vacuum, a special connector or a rotation introduction mechanism is used for signal rotation and transmission of rotation for resonance adjustment. Details of these techniques are disclosed in
以上のような技術により、NMR計測において熱雑音を低減し信号対雑音比を向上することが可能となるが、より一層の感度向上のためには低温送受切替器部に更なる工夫が必要となっている。 The technology as described above makes it possible to reduce the thermal noise and improve the signal-to-noise ratio in NMR measurement, but further improvements in the low-temperature transmission / reception switching unit are required to further improve the sensitivity. It has become.
熱雑音を低減するために最も効果的な方法は、より低い温度まで冷却することである。このとき、外部から混入する雑音は従来のシステムに対して相対的に大きくなる。 The most effective way to reduce thermal noise is to cool to a lower temperature. At this time, the noise mixed from the outside becomes relatively large compared to the conventional system.
受信機へもっとも雑音が混入しやすいのが、プローブアンテナに対し受信機と送信機との切替を行う送受切替器部である。プローブアンテナと受信機を接続した状態とする受信モードでは送信機は切り離された状態となるが、電気的な切断が不完全であるため送信側から信号が漏れ入る。その大きさは、およそ1/100程度まで低減された信号強度である。 It is the transmission / reception switching unit that switches between the receiver and the transmitter with respect to the probe antenna that is most likely to introduce noise into the receiver. In the reception mode in which the probe antenna and the receiver are connected, the transmitter is disconnected. However, since electrical disconnection is incomplete, a signal leaks from the transmission side. The magnitude is the signal intensity reduced to about 1/100.
プローブアンテナや前置増幅器の熱雑音は室温の雑音の1/10以下に低減されているため、室温から漏れ入る雑音は無視できない量となっていた。 Since the thermal noise of the probe antenna and the preamplifier has been reduced to 1/10 or less of the noise at room temperature, the noise leaking from the room temperature is a non-negligible amount.
受信機の保護のため送信時の送受アイソレーションは、従来においても十分考慮されていたが、受信時の送受間アイソレーションなどは従来は考慮されていなかった問題である。また、受信機の一部を冷却し熱雑音を著しく低減したシステムにおいて顕在化した問題である。 In order to protect the receiver, transmission / reception isolation at the time of transmission has been sufficiently considered in the past. However, isolation between transmission / reception at the time of reception is a problem that has not been conventionally considered. In addition, this problem has become apparent in a system in which a part of the receiver is cooled to significantly reduce thermal noise.
本発明は、低温送受切替器の送信端子から漏れ入る雑音を低減し、NMRプローブの感度をより向上することを目的とする。 An object of the present invention is to reduce noise leaking from a transmission terminal of a low-temperature transmission / reception switching device and to further improve the sensitivity of an NMR probe.
本発明はその一面において、受信時には、送信時に接続されていた送信機に代えて抵抗を接続するスイッチ回路を配置する。 In one aspect of the present invention, at the time of reception, a switch circuit for connecting a resistor is arranged instead of the transmitter connected at the time of transmission.
本発明の他の一面においては、さらに、受信時には、送信機の出力端を短絡するスイッチ回路を配置する。 In another aspect of the present invention, a switch circuit for short-circuiting the output terminal of the transmitter is further arranged during reception.
本発明の具体的実施形態においては、これらのスイッチ回路はPINダイオードを用いて構成され、送受切替えと同期して受信モードと送信モードを切替える。 In a specific embodiment of the present invention, these switch circuits are configured using PIN diodes, and switch between the reception mode and the transmission mode in synchronization with transmission / reception switching.
本発明の望ましい実施態様においては、サンプルへの電磁波の照射とNMR信号の検出を行うプローブアンテナと、このプローブアンテナの共鳴周波数を微調整する同調回路と、前記プローブアンテナを送信機または受信機へ接続切替を行う送受切替器と、前記受信機の前置増幅器と、前記送受切替器,前記前置増幅器,前記プローブアンテナ,並びに前記同調回路を冷却する冷却機構を備えたNMR低温プローブの送受切替装置において、前記送信機と前記送受切替器を結ぶ信号ライン間に、送信または受信指令を受けてオフまたはオンするスイッチング素子と冷却抵抗との直列体を接続したことを特徴とする。 In a preferred embodiment of the present invention, a probe antenna for irradiating a sample with an electromagnetic wave and detecting an NMR signal, a tuning circuit for finely adjusting the resonance frequency of the probe antenna, and the probe antenna to a transmitter or a receiver. Transmission / reception switching of NMR low-temperature probe having a cooling mechanism for cooling the transmission / reception switching unit for switching connection, the preamplifier of the receiver, the transmission / reception switching unit, the preamplifier, the probe antenna, and the tuning circuit In the device, a series body of a switching element and a cooling resistor which are turned off or on in response to a transmission or reception command is connected between signal lines connecting the transmitter and the transmission / reception switch.
本発明の他の望ましい実施態様においては、前記直列体の接続点よりも前記送信機側に、受信指令を受けて前記送信機の出力端子間を短絡する短絡回路を備えたことを特徴とする。 In another preferred embodiment of the present invention, a short circuit for short-circuiting between output terminals of the transmitter in response to a reception command is provided on the transmitter side of the connection point of the series body. .
送信機と切替えられた抵抗は、送受切替器と同じ温度まで冷却されており、室温水準の熱雑音を持つ送信機に代わって、より小さな熱雑音しか発生しない雑音源として働く。これによって、送信機側から受信機に漏れ入る雑音は1/10程度に低減され、低温プローブの感度向上が得られる。 The resistor switched to the transmitter is cooled to the same temperature as the duplexer and acts as a noise source that generates less thermal noise on behalf of the transmitter with room temperature thermal noise. As a result, the noise leaking from the transmitter side to the receiver is reduced to about 1/10, and the sensitivity of the low temperature probe can be improved.
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。 Other objects and features of the present invention will be clarified in the embodiments described below.
以下に、図面を参照して、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
検出するプローブアンテナや増幅回路を冷却して熱雑音を低減させた低温プローブは、市販されているもので、常温プローブに対し3〜4倍程度の感度の向上が得られている。 A low-temperature probe in which a probe antenna to be detected and an amplifier circuit are cooled to reduce thermal noise is commercially available, and an improvement in sensitivity of about 3 to 4 times that of a normal temperature probe is obtained.
送受切替器は、プローブアンテナとプリアンプの間に位置するため、低温プローブ内に配置され冷却されている。プローブアンテナと同調・整合回路は、概略10Kかそれ以下に冷却される。 Since the transmission / reception switch is located between the probe antenna and the preamplifier, it is arranged and cooled in the low temperature probe. The probe antenna and tuning / matching circuit are cooled to approximately 10K or less.
送受切替器部では、送信モード時は送信機とプローブアンテナを接続し、受信モード時は受信機(前置増幅器)とプローブアンテナを接続するスイッチ回路として働く。送受切替器とプリアンプは概略100K以下に冷却される。あまり冷却しすぎると電子部品の特性を損ねる懸念があるので40K程度が好適である。その制御は、外部からの信号でON/OFF切替える能動方式と照射信号の大電力を利用して切替える受動方式がある。能動方式ではPINダイオードを用いたスイッチ回路が、受動方式ではダイオードを逆方向に組合せたクロスダイオードを用いたスイッチ回路が用いられる。 In the transmission / reception switching unit, the transmitter and the probe antenna are connected in the transmission mode, and the transmission / reception switch unit functions as a switch circuit for connecting the receiver (preamplifier) and the probe antenna in the reception mode. The duplexer and the preamplifier are cooled to approximately 100K or less. About 40K is preferable because there is a concern that the characteristics of the electronic component may be impaired if the cooling is too much. The control includes an active method in which ON / OFF switching is performed by a signal from the outside and a passive method in which switching is performed using a large power of an irradiation signal. In the active system, a switch circuit using a PIN diode is used, and in the passive system, a switch circuit using a cross diode in which diodes are combined in the reverse direction is used.
図1に本発明の実施例1による低温プローブの送受切替装置を用いたNMR装置を示す。NMR装置は、超電導マグネット2と計測装置3とプローブ1を主要部として持つ。低温プローブ1は、先端部にプローブアンテナ5を持ち、その近傍に同調・整合回路6を持つ。RF(Radio Frequency)信号の送受の効率をよくするために、プローブアンテナ5は同調・整合回路6によって整合されている。プローブアンテナ5は、サンプル(図示しない)の外周を覆うように配置され、サンプルにNMR信号を励起する照射(送信)とNMR信号の検出(受信)を行う。送信信号は送信機34により作成され、受信信号は受信機36により処理される。複数の核種を測定する場合には、プローブアンテナ5は複数の周波数に対して整合される。
FIG. 1 shows an NMR apparatus using a low-temperature probe transmission / reception switching device according to
送受信機34,36とプローブアンテナ5の間には、プローブアンテナ5を、送信の場合には送信機34と、受信の場合には受信機36と接続するため、送受切替器7が配置される。低温プローブ1では、熱雑音低減のため、受信機36の初段のプリアンプ(前置増幅器)29が冷却されており、その前段に位置する送受切替器7も冷却される。プリアンプ29や送受切替器7は、低温プローブ1の筐体内に配置される。プリアンプ29と送受切替器7は、それぞれ隣り合っており、共通の冷却ステージ上に配置される。冷却装置4から冷媒輸送路9を通して冷媒を輸送し、プローブアンテナ5や送受切替器7は冷却される。
Between the
送信機34と送受切替器7を結ぶ信号ライン(同軸ケーブル)8の途上に、スイッチ回路10−1および10−2が分割して配置されている。スイッチ回路の抵抗部10−1は、送受切替器7の本体の近傍に配置され、一方、スイッチ回路の短絡部10−2は、前記抵抗部10−1からλ/4の奇数倍の伝送ライン8の長さを隔てた位置に配置している。ここで、λとは観測する信号周波数における伝送路中の実効的な電磁波の波長である。また、スイッチ回路の抵抗部10−1は、送受切替器7と同一基板上に配置し、同じ温度に冷却することが望ましい。
In the middle of a signal line (coaxial cable) 8 connecting the
計測装置3には、制御電源35を備えており、両スイッチ回路10−1,10−2を送受切替えに応じてON/OFFさせる。具体的には後述するが、送信機34と送受切替器7を結ぶ信号ライン間に、スイッチ回路10−1で冷却抵抗を接続したり、スイッチ回路10−2で短絡したりする。
The
図2は、本発明の実施例1における送信機,受信機,及び送受切替器の物理的配置と機能領域の関係を示す説明図である。送信機領域は、計測装置3中の送信機34のパワーアンプや波形制御器などである。低温プローブ容器1内のプリアンプ29は、受信機領域の一部に位置づけられる。低温送受切替器領域としては、プローブ容器1内部の送受切替器7の本体部分,スイッチ回路の抵抗部10−1,プローブ1と計測装置3の間にあるスイッチ回路の短絡部10−2,及び計測装置3中の制御電源35から成る。送信モードと受信モードの切替えは、制御電源35から、信号ライン(同軸ケーブル)8に与える正または負の直流電圧の極性(送受信指令)によって実行されるが、詳細は後述する。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the physical arrangement of the transmitter, the receiver, and the transmission / reception switch and the functional areas according to the first embodiment of the present invention. The transmitter area is a power amplifier or a waveform controller of the
図3は、本発明の実施例1によるスイッチ回路および制御電源の一部を含めた低温送受切替装置の電気回路図である。送受切替器7は、一般的にSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチと呼ばれる構成となっている。送受切替器領域の送信ポート11、受信ポート12、アンテナポート13は、直流を遮断するためのキャパシタ21が配置されている。送信ポート11には送信機34が、受信ポート12には、受信機36のプリアンプ29が、アンテナポート13にはプローブアンテナ5が、それぞれ適切な長さのケーブルを介して接続される。制御ポート14は、キャパシタ22とインダクタ23からなり、RF信号を遮断するフィルタが設置されており、ステップ状の直流電圧である制御信号を導入するように、送信または受信指令を発生する制御電源が接続される。RF信号系の接続にはセミリジッドケーブルなどの低損失な同軸ケーブルを、制御信号系にはツイストペア線や同軸ケーブルなど雑音が混入しにくいケーブルを用いる。送信・受信・アンテナのそれぞれの線路の合流点15より受信ポート側には、合流点15からλ/4の奇数倍の線路長を隔てた位置に、伝送信号ライン間(一方は接地)にPINダイオード16が接続されている。また、合流点15よりも送信ポート11側には、合流点15の近傍に、信号ラインに対し直列に、PINダイオード17が接続されている。
FIG. 3 is an electric circuit diagram of the low-temperature transmission / reception switching device including the switch circuit and a part of the control power supply according to the first embodiment of the present invention. The transmission /
このPINダイオード17よりも送信ポート11側には、スイッチ回路の抵抗部10−1として模擬負荷抵抗18とPINダイオード19の直列体が、信号ライン間に接続されている。さらに、スイッチ回路の抵抗部19−1から送信ポート11側に、λ/4の奇数倍の伝送路長を隔てた位置に、送信機34の出力を短絡するPINダイオード20がスイッチ回路の短絡部10−2として設置されている。
A series body of a
送受切替器7とスイッチ回路10からなる複合回路の動作を図4〜図7を用いて以下に説明する。
The operation of the composite circuit composed of the transmission /
図4は、本発明の実施例1における送信モードでのRF信号及び制御信号の流れを示す説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating flows of the RF signal and the control signal in the transmission mode according to the first embodiment of the present invention.
図4において、送信モードを指令する制御信号24は、制御ポート14に正の電圧(順電流)を与えることで導入され、送受切替器7中の2つのPINダイオード16、17を通過してアースに落ちる。このとき、アンテナポート13に対し、送信ポート11は接続、受信ポート12は遮断されるため、RF信号25は送信ポート11からアンテナポート13に向かって流れる。
In FIG. 4, the
図5は、本発明の実施例1における送信モードでのRF信号に注目して書き直した模式的な電気回路図である。スイッチ回路10は、その抵抗部10−1および短絡部10−2内のPINダイオード19および20が、逆バイアスされて動作しないため、通常の線路31として働く。プローブアンテナ5と送信機34が接続され、プローブアンテナ5とプリアンプ29の間が遮断されている。しかしながら、図中の破線で示す不完全な遮断部30が存在するため、受信ポート12側へ僅かに信号が漏れる。送信信号は数十W以上時には数kWの電力となることがあるため、プリアンプ29を破壊から保護するためにλ/4の線路の調整や、PINダイオードによる短絡回路を増やすことなどで対策する。
FIG. 5 is a schematic electric circuit diagram rewritten by paying attention to the RF signal in the transmission mode according to the first embodiment of the present invention. The
図6は、本発明の実施例1における受信モードでのRF信号及び制御信号の流れを示す説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the flow of the RF signal and the control signal in the reception mode according to the first embodiment of the present invention.
図6において、受信モードを指令する制御信号26は、制御ポート14に負の電圧−V(逆電流)を与えることで導入され、送受切替器領域中のスイッチ回路10の2つのPINダイオード19,20および模擬負荷抵抗18を通過してアースに落ちる。このとき、アンテナポート13に対し、送信ポート11は遮断、受信ポート12は接続されているため、RF信号27はアンテナポート13から受信ポート12に向かって流れる。
In FIG. 6, the
図7は、本発明の実施例1における受信モードでの電気回路を、RFに注目して書き直した模式的な電気回路図である。プローブアンテナ5と送信機34との間が遮断され、プローブアンテナ5と受信機36のプリアンプ29との間が接続されている。送受切替器7側は、スイッチ回路10の抵抗部10−1で接地され、送信機34側は、スイッチ回路10の短絡部10−2で短絡されている。このとき、図中の破線で示す2ヶ所32、33に不完全な遮断が存在するため、送信ポート11からの信号が受信ポート12に僅かに漏れる。このとき、送信ポート11から漏れてくる信号は雑音であるため、できうる限り除去しなければならない。スイッチ回路10の抵抗部10−1と短絡部10−2の間の遮断の不完全さは、PINダイオードのインピーダンスが完全にゼロとならないために発生する。しかしながら、スイッチ回路の抵抗部と短絡部の間の伝送路長をλ/4の奇数倍とすることで、抵抗部の抵抗に対し十分大きいインピーダンスと見えるように調整できる。抵抗部10−1の抵抗は、PINダイオードと抵抗素子の合計で50Ωとする。線路に直列のPINダイオードによる送受ポート11,12間の遮断はせいぜい−20dBのアイソレーションしか取れない。これは、PINダイオードのOFF時の特性が概ね1pF程度の容量を持つためである。しかしながら、本実施例のスイッチ回路により、アイソレーションを強化せずに漏れ雑音を低減させることが可能となった。送受切替器7側からスイッチ回路10を観測すると、40Kの温度で50Ωの抵抗と、室温で50Ωよりはるかに大きい抵抗の並列回路として観測され、実質上40Kで50Ωの抵抗として働く。
FIG. 7 is a schematic electric circuit diagram in which the electric circuit in the reception mode according to the first embodiment of the present invention is rewritten by paying attention to RF. The
本実施例に比べ、従来の回路構成の場合は、PINダイオードによる不完全な遮断の前に、室温の雑音に相当する300Kの雑音源を持つ。したがって、直列のPINダイオードを通して受信機に漏れ入る熱雑音は、本実施例の場合、スイッチ回路を用いない従来技術と比較して、少なくとも2/15程度まで低減されている。 Compared to the present embodiment, the conventional circuit configuration has a noise source of 300K corresponding to room temperature noise before incomplete blocking by the PIN diode. Therefore, the thermal noise that leaks into the receiver through the serial PIN diode is reduced to at least about 2/15 in the case of the present embodiment as compared with the conventional technique that does not use the switch circuit.
本実施例の効果をシミュレーションにより検討した。計算の際にプローブアンテナ5の雑音が20K、受信機36の雑音が20Kであり、理想的には40Kの雑音である系を仮定した。
The effect of this example was examined by simulation. In the calculation, it was assumed that the noise of the
まず、従来通り、スイッチ回路なしでは、44.2Kでの雑音であり、理想からの増分は4.2Kであった。 First, as before, without the switch circuit, the noise was 44.2K, and the increment from the ideal was 4.2K.
これに対して、本実施例のスイッチ回路によれば、40.3Kでの雑音となり、理想からの増分は0.3Kであった。 On the other hand, according to the switch circuit of the present embodiment, the noise was 40.3K, and the increment from the ideal was 0.3K.
このように、本実施例のスイッチ回路の適用により、3.9Kの雑音の改善があり理想的な状態にごく近づくことが明らかになった。 As described above, it has been clarified that the application of the switch circuit of this embodiment has an improvement in noise of 3.9 K and is very close to an ideal state.
この実施例では、NMR低温プローブ1の送受切替装置において、送信機34と送受切替器7を結ぶ信号ライン8間(一方は接地で良い)に、送信または受信指令を受けてオフまたはオンするスイッチング素子19と冷却抵抗18との直列体を接続している。具体的には、送受(切替)指令は、前記信号ライン8間に印加される正または負の直流電圧であり、前記スイッチング素子は、PINダイオード19である。
In this embodiment, in the transmission / reception switching device of the NMR low-
さらに、前記直列体の接続点よりも前記送信機34側に、受信指令を受けて前記送信機34の出力端子間を短絡する短絡回路10−2を備えている。具体的には、受信指令は、前記信号ライン8間(一方は接地で良い)に印加される負の直流電圧であり、前記スイッチング素子は、PINダイオード20である。
Furthermore, the short circuit 10-2 which receives a receiving command and short-circuits between the output terminals of the said
この実施例によれば、受信時に、送信機34と切替えられた抵抗18は、送受切替器7と同じ温度まで冷却されており、室温水準の熱雑音を持つ送信機34に代わって、より小さな熱雑音しか発生しない。このため、送信機34側から受信機36に漏れ入る雑音は、1/10程度に低減され、低温プローブの大幅な感度向上が得られる。
According to this embodiment, at the time of reception, the
PINダイオードは、OFF→ONの切換りは非常に高速であるが、ON→OFFの切換りはそれほど高速でないため、高周波信号に対する通過特性が良好であることが特徴である。PINダイオードをON状態にするためには、PINダイオードの両端に閾値以上の電圧をかけて十分な電流を流す必要がある。また、OFF状態にするためには、PINダイオードの遮断を高めるため十分に大きい逆電圧をかける。一般的に、ONのために必要な電流は50mA程度で、OFFのために必要な電圧は10V以下程度である。 The PIN diode is very fast in switching from OFF to ON, but is not so fast in switching from ON to OFF, and is characterized by good pass characteristics for high-frequency signals. In order to turn on the PIN diode, it is necessary to pass a sufficient current by applying a voltage higher than the threshold across the PIN diode. Further, in order to make the OFF state, a sufficiently large reverse voltage is applied in order to increase the cutoff of the PIN diode. Generally, the current required for turning on is about 50 mA, and the voltage required for turning off is about 10 V or less.
送受切替器の切替制御には、10μsec程度の高速で電流通電状態と電圧印加状態を切替できる制御電源が必要となる。 For switching control of the transmission / reception switch, a control power source that can switch between the current application state and the voltage application state at a high speed of about 10 μsec is required.
NMRの信号周波数の数百MHzの帯域で特性が特に良好であるのは、Si系半導体を用いたPINダイオードに限られる。特に、大電力を扱う点で化合物系(GaAs系など)の半導体はSi系半導体に及ばない。しかしながら、Si系半導体は低温で動作させるとキャリアが減少し特性が変化する。PINダイオードの場合には、ON状態にするため室温と比べると高い電圧と大きな電流が必要となる。室温の系統では送信機などと同期するためのトリガ信号を直接制御信号として用いることも可能であったが、PINダイオードを用いた低温送受切替器では、制御電源にずっと高性能で高価な電源が要求される。また、制御電源は外部からトリガ信号を受け取って高速に動作しなければならない。 The characteristics that are particularly good in the band of several hundred MHz of the NMR signal frequency are limited to PIN diodes using Si-based semiconductors. In particular, compound semiconductors (such as GaAs) do not reach Si semiconductors in terms of handling high power. However, when the Si-based semiconductor is operated at a low temperature, the number of carriers decreases and the characteristics change. In the case of a PIN diode, a high voltage and a large current are required as compared with room temperature in order to turn it on. In a room temperature system, a trigger signal for synchronizing with a transmitter or the like could be directly used as a control signal. However, in a low-temperature transmission / reception switch using a PIN diode, a control power supply has a much higher performance and an expensive power supply. Required. In addition, the control power supply must operate at a high speed by receiving a trigger signal from the outside.
本発明の実施例2による送受切替装置では、この種の問題が解決され電源のコストを抑えることができる。 In the transmission / reception switching device according to the second embodiment of the present invention, this type of problem is solved and the cost of the power supply can be reduced.
図8は、本発明の実施例2による低温プローブの送受切替装置の電気回路図である。図では、図3に示した実施例1の電気回路図に対応して図示しているため、図3と異なる点のみについて説明する。本実施例における回路構成は、スイッチ回路短絡部10−2のPINダイオードを複数直列20−1および20−2とした点が特徴である。あるいは図示しないが、直列と並列を組合せた回路としても構わない。このスイッチ回路の狙いは、送信モードと受信モードで流れる電流および印加される電圧を同じとすることである。図8の回路では送信モード時にPINダイオードが2個直列となるので、短絡部10−2を2個直列とすることで、最も簡単に目的を達成できる。 FIG. 8 is an electric circuit diagram of the low-temperature probe transmission / reception switching device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, since it is shown corresponding to the electric circuit diagram of the first embodiment shown in FIG. 3, only differences from FIG. 3 will be described. The circuit configuration in the present embodiment is characterized in that a plurality of PIN diodes of the switch circuit short-circuit portion 10-2 are connected in series 20-1 and 20-2. Alternatively, although not shown, a circuit combining series and parallel may be used. The aim of this switch circuit is to make the current flowing and the applied voltage the same in the transmission mode and the reception mode. In the circuit of FIG. 8, two PIN diodes are connected in series in the transmission mode. Therefore, the object can be achieved most simply by connecting two short-circuit portions 10-2 in series.
本実施例における送受切替装置は、送信モードと受信モードを切替えるための制御方式が非常に簡略化されている。図8の送受切替装置を動作させるためには、図9に示す簡単な制御電源回路でよい。 In the transmission / reception switching device according to the present embodiment, the control method for switching between the transmission mode and the reception mode is greatly simplified. In order to operate the transmission / reception switching device of FIG. 8, a simple control power supply circuit shown in FIG. 9 may be used.
図9は、本発明の実施例2に適用可能な制御電源図の回路は単一方向に電流を流す直流電源37と、正負の反転回路38により構成される。図8の回路は送信モードと受信モードでインピーダンスがほとんど変化しないので、図9中の直流電源そのものは高速動作を要求されない。 FIG. 9 is a circuit diagram of a control power supply applicable to the second embodiment of the present invention. Since the impedance of the circuit of FIG. 8 hardly changes between the transmission mode and the reception mode, the DC power supply itself in FIG. 9 is not required to operate at high speed.
このような構成でも、実施例1の場合と同様に、送信端子側からの雑音が低減されているので、NMRの感度を向上することが可能である。 Even in such a configuration, the noise from the transmission terminal side is reduced as in the case of the first embodiment, so that the NMR sensitivity can be improved.
1…低温プローブ(容器)、2…超電導マグネット、3…計測装置、34…送信機、35…制御電源、36…受信機、4…冷却装置、5…プローブアンテナ、6…同調・整合回路、7…送受切替器、8…信号ライン(同軸ケーブル)、9…冷媒輸送路、10…スイッチ回路、10−1…抵抗部、10−2…短絡部、15…合流点、16,19,20,20−1,20−2…PINダイオード、18…模擬負荷抵抗、21,22…キャパシタ、23…インダクタ、24,26…制御信号(送受指令)、25,27…RF信号、29…プリアンプ(前置増幅器)、30,32,33…不完全遮断部、31…通常の線路、37…直流電源、38…正負の反転回路。
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