JP2010151706A - 核磁気共鳴信号検出用プローブ及びそれを用いた核磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
リード線が引き起こす周辺導体および試料での損失を低減して、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善した核磁気共鳴用プローブを提供すること。
【解決手段】
静磁場を作る磁石装置の中に挿入されるＮＭＲ装置用のプローブであって、その内部に１つまたは複数のプローブコイルと、各コイルに接続される２つ以上のリード線を有し、前記２つ以上のリード線の一箇所もしくは複数の箇所が１つもしくは複数の方向から重なって見えるように配置した。
【選択図】図７

Description

本発明は、核磁気共鳴信号を検出するために使われるプローブ、及びそれを用いた各磁気共鳴装置に関する。

核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、以下、ＮＭＲ）装置は、強い静磁場（以下、Ｂ０）を作る磁石の中の検出空間に置かれた試料に一連の高周波の交流磁場パターンを照射し、試料（sample）内の核スピンに摂動を与え、その応答を測定する装置である。応答の測定には、主に電磁誘導を利用する方法が使われているが、他に磁力を利用する方法，光−磁気相互作用を利用する方法などが知られている。電磁誘導を利用する測定方法では、前記核スピンが作る磁束が通貨する位置に配置した、プローブコイルを用いる。前記摂動に核スピンが応答すると、コイルを通過する磁束が時間変動して、コイルに誘導起電力が生ずる。ＮＭＲ装置はコイルに生じた誘導起電力を増幅して信号処理を施した後、ＮＭＲ信号として出力する。電磁気誘導を利用するＮＭＲ装置は、以上のようにプローブコイルを用いて核スピンの応答を電気信号に変換する。

プローブコイルは２つ以上のリード（lead）により同調整合回路（tuning/matching circuit）に接続される。リードと同調整合回路との接続点を回路端子（circuit terminal）と呼ぶ。同調整合回路は、通常一つもしくは複数の可変コンデンサもしくは可変インダクタを有する。プローブコイルと同調整合回路は全体として共振回路を形成する。前記可変素子の値を変えることで、試料の誘電率（permittivity）や導電率（conductivity）によって生じる前記共振回路のインピーダンス変化を修正し、前記共振回路のインピーダンスを好適な状態に維持する。

ＮＭＲ信号の信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio、以下、ＳＮＲ）を上げるためには、損失を減らす必要がある。損失を減らすために、プローブコイルとリードは通常Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇなどの導電率の高い金属を用いて作られる。また、プローブコイルとリードを冷却して電気抵抗を減らすことで、損失を低減する低温プローブが知られている。

特開２００２−１６２４５５号公報（特許文献１）には、プローブコイルとリードを焼鈍した高純度の金属で作成し、不純物および結晶転位による残留抵抗を低くし、冷却による電気抵抗の低下効果を大きくすることが開示されている。

リードによる損失を減らす別の明らかな方法はリードの長さを短くする方法である。例えば、特開昭６１−１８６８４２号公報（特許文献２）には２本のリード線の一部を重ねて同調整合回路として用い、実質的にリード線の長さを短くする技術が開示されている。さらに、特許文献２によれば、重なったリード線の間に誘電体を挿入して同調整合回路のコンデンサを形成することで、リード線による損失を減らす。

試料による誘電損失（dielectric loss）もＳＮＲを低下させることが知られている。ＧＢ２４２６３４５号公報（特許文献３）によれば、試料の導電率（conductivity）が高いほど、試料の誘電損失が大きくなってＳＮＲが低下する。試料による誘電損失を減らす技術としてスクロールコイル（scroll coil）が知られている。スクロールコイルは平板状の線材を試料の周りにロールケーキ（swiss roll）のように巻くプローブコイルの一種であり、特許文献３にその一例が開示されている。特許文献３によれば、スクロールコイルは試料内に発生する電界強度を減らすことで試料の誘電損失を低減する。

特開２００２−１６２４５５号公報 特開昭６１−１８６８４２号公報 ＧＢ２４２６３４５号公報

以上の従来技術はＳＮＲを上げる上で課題を残す。特許文献１の技術はプローブコイルとリードの損失を低減したが、他の導体の損失は低減されていない。プローブコイルとリードの周囲には多くの導体が存在する。例えば、プローブコイルの収納筐体，電磁波シールド，接合用の半田がある。また、複数の核種に対応して複数のプローブコイルを実装したプローブでは、他のプローブコイルとそのリードも損失を引き起こす導体である。更に、低温プローブでは冷却および断熱構造でも損失が発生する。これら全ての導体を焼鈍した高純度の金属で作ることは、不可能ではないが、コストがかかる上で煩雑である。

特許文献２の技術はリード線の長さを減らす効果があるが、リード線の重なる部分に挿入する誘電体で発生する磁場によって試料中のＢ０磁場の均一度が低下するため、ＮＭＲ信号の分解能（resolution）が劣化する。また、リード線の磁化率も０ではないため、重なり部分の広いリード線は、リード線による磁場発生量を増やしＢ０磁場の均一度を低下させる。分解能の劣化を低減するためはリード線で形成するコンデンサを試料から遠く配置する必要があるが、コンデンサを遠くするとリード線の長さを減らす効果が少なくなる。

特許文献３の技術はコイルの形状と巻き方を替えることで試料の誘電損失を減らす効果があるが、リード線により発生する試料の誘電損失は減らしてない。

以上の点を鑑み、本発明はリード線が引き起こす周辺導体および試料での損失を低減して、ＳＮＲを改善したＮＭＲプローブを提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の特徴は、静磁場を作る磁石装置の中に挿入され、核磁気共鳴信号を検出するプローブであって、その内部に１つまたは複数のプローブコイルと、各コイルに接続される２つ以上のリード線を有し、リード線がプローブに対して垂直ではなく、軸方向、及び軸方向と垂直な方向より見て互いに接近する方向に設けられていることを特徴とする。特に、前記のリード線が１つもしくは複数の方向から一箇所もしくは複数の箇所が重なって見えるように配置したことにある。

また、プローブは回路端子を有し、前記リード線は前記回路端子に接続されている。前記プローブコイルは室温以下に冷却して使用される。

上記構成とすることにより、リード線が引き起こす周辺導体および試料での損失を低減し、ＳＮＲを改善する効果がある。

以下に、図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。

図１は、ＮＭＲ装置の一般的な構成として、プローブコイル５および同調整合回路６を含むＮＭＲ装置の構成図の一例を示す図である。静磁場を作る磁石装置１に室温ボア（bore）２が二方向より設けられ、プローブ３と試料（sample）４が挿入される。図１の白い矢印は磁石が作る静磁場の方向を示す。磁石装置１の中心部に近いプローブ３の先端部にはプローブコイル５が配置され、試料４はプローブコイル５を貫通して挿入される。試料４の、少なくともプローブコイル５を貫通する部分を柱状形状とされており、プローブコイルへの挿入を容易にすると共に、プローブコイル５から試料４までの距離を一定にする。柱状形状部分の断面は、円または正方形，長方形にする。柱状形状の長軸方向を試料４又はプローブコイルの軸または軸方向と呼ぶ。プローブコイル５には同調整合回路６が接続されている。同調整合回路６は高周波信号ケーブル７により計測装置８と接続される。計測装置８は、ＮＭＲ信号を取得する際に、高周波信号ケーブル７を経由して高周波の交流磁場パターンをプローブコイル５に送信し、プローブコイル５から高周波信号ケーブル７を経由して核スピンの応答信号を受信し、データ処理を行う。処理されたデータは、ユーザーコンピュータ９から、ユーザに提供される。

図２，図３に、他のＮＭＲ装置の構成の例を示す。本装置は、磁石装置１と室温ボア２と試料４とプローブコイル５および同調整合回路６を含み、静磁場を作る磁石装置１が室温ボア２を一方向に有する。室温ボア２を１つだけ持つ磁石装置１は、ＮＭＲ装置で広く使われている磁石装置である。図２は磁石装置１の作る静磁場（白い矢印）と試料４の軸が直交する例を示しており、例えば、プローブコイル５としてマイクロソレノイドコイル（micro solenoid coil）を用いるＮＭＲ装置が知られている。図３は磁石装置１の作る静磁場（白い矢印）と試料４の軸が成す角度が０度から９０度の間にある例を示す。このようなＮＭＲ装置には、例えば、固体高分解能ＮＭＲに用いられるＭＡＳ（magic-angle spinning）ＮＭＲ装置がある。

図４は、磁石装置１と室温ボア２と試料４とプローブコイル５および同調整合回路６を含むＮＭＲ装置の構成図である。他のＮＭＲ装置の例と異なる点は、磁石装置１の作る静磁場（白い矢印）と試料４の軸が平行な点である。なお、図４には磁石装置１が１つの室温ボア２を持つ例を示してあるが、複数の室温ボア２を有する磁石装置１であってもよい。ＮＭＲの測定原理によれば、プローブコイル５に流れる電流が作る磁場の主成分は磁石装置１が作る静磁場と直交することが好ましい。そのため、本ＮＭＲ装置例のように磁石装置１の作る静磁場と試料４の軸が平行な構成では、プローブコイル５が作る主磁場が試料４の軸と直交することが好ましい。

次に、上記のＮＭＲ装置に用いるプローブコイルの例を説明する。下記に記載されたプローブコイルは、上記のＮＭＲ装置のいずれとも適宜組み合わせて使用することができる。

図５は、本実施例のプローブコイル５とその付近を拡大した図である。プローブコイル収納容器３０１を貫通して試料４が挿入され、試料４の周りにプローブコイル５が巻かれる。リード線５０３がプローブコイル５の端部５０１と回路端子６０１を、もう１つのリード線５０４がプローブコイル５のもう１つの端部５０２ともう一つの回路端子６０２を、各々接続している。コイル軸方向に垂直な方向から見て、リード線５０３と５０４は交差点５０５で交差し、交差点５０５の右と左ではリード線５０３と５０４の軸方向上下が反転する。回路端子６０１と６０２は同調整合回路につながる。

なお、図５には説明のためワイヤ状の線を用いたプローブコイルを示すが、帯状の線材を用いたプローブコイルを使用することも可能である。また、ソレノイド型に巻いたプローブコイルを示しているが、プローブコイルに流れる電流が作る磁場の主成分と試料４の軸が直交する何れのプローブコイルも、本実施例のプローブコイル５に使える。本実施例で使用できるプローブコイルには、例えば特許文献３に開示されたスクロールコイルや、J. Mispelter，M. Lupu，A. Briguet，NMR Probeheads for Biophysical and Biomedical Experiments，Imperial College Press（2006）（非特許文献１）に開示されたHelmholtzコイル，ループ・ギャップコイル（loop-gap coil）がある。

図６はプローブコイル５と同調整合回路６が接続する一例を示す等価回路図である。プローブコイル５と同調整合回路６は、回路端子６０１と６０２で接続され、プローブコイル５と回路端子６０１および６０２を接続するリード線５０３および５０４は交差点５０５で交差する。同調整合回路６は更にケーブル接続点６０５で高周波信号ケーブル７に接続される。同調整合回路６に設けられた２つの可変コンデンサ６０３と６０４の静電容量は、プローブコイル５と同調整合回路６からなる共振回路のインピーダンスが好適な状態になるように調整される。インピーダンスの好適な状態とは、ＮＭＲ信号の周波数Ｆ_Sで前記共振回路のインピーダンスＺと高周波信号ケーブル７の特性インピーダンスＺ₀が一致する状態である。非特許文献１によれば、可変コンデンサ６０３の静電容量Ｃ_Tと可変コンデンサ６０４の静電容量Ｃ_Mを下記数式の如く設定すれば、ＺとＺ₀が一致する。

Ｃ_T＝（Ｑ−Ａ）／（２π×Ｆ_S×Ｂ）
Ｃ_M＝１／（２π×Ｚ₀×Ａ）
ここでＱ，Ａ，Ｂは、以下の数式で決まる量である。

Ｑ＝２π×Ｆ_S×Ｌ／ｒ
Ａ＝√(Ｂ／Ｚ₀−１）
Ｂ＝ｒ(１＋Ｑ²）
ここでＬはプローブコイル５のインダクタンスＬ_Cとリード線５０３，５０４のインダクタンスＬ_Lを加算した値である。またｒは、プローブコイル５の抵抗ｒ_Cとリード線５０３，５０４の抵抗ｒ_Lを加算した値である。

F. D. Doty，Probe Design and Construction，The Encyclopedia of NMR Vol. 6，Wiley，p.3753（1996）（非特許文献２）には、プローブコイル５と２つの回路端子で接続される同調整合回路の例が多数開示されており、何れの同調整合回路も本発明の交差する２本のリード線でプローブコイル５と接続することができる。プローブコイル５と２つの回路端子で接続される同調整合回路であれば、同調整合回路の詳細に関わらず何れの同調整合回路も、本発明の交差する２本のリード線でプローブコイル５と接続できることは明らかである。

図７に、本実施例の交差した２本のリード線の周囲の磁場の概念図を示す。リード線５０３と５０４の軸に垂直方向から見た上下位置は、図７に示すように、交差点５０５の左右で反転する。そのため、リード線５０３，５０４に流れる電流によって作られる磁場は、交差点５０５の左右で反対方向になる。例えば、図７の黒い矢印で示した方向に電流が流れると、交差点５０５の左側には紙面から手前に向かう磁場（点を入れた丸で表示）が発生し、交差点５０５の左側には紙面から奥に向かう磁場（Ｘで表示）が発生する。その結果、交差点５０５の右と左で反対方向を向く磁場が互いに打ち消しあうため、リード線５０３と５０４に流れる電流によって発生する磁場は実質的に減少する。

リード線５０３と５０４に流れる電流によって作られる磁場が実質的に減少することで、試料で発生する誘電損失の低減効果が得られる。磁場の減少によって、リード線５０３と５０４に流れる電流に対する磁束（magnetic flux）の比、即ちリード線５０３と５０４のインダクタンスＬ_Lが低下する。インダクタンスＬ_Lが低下すると、プローブコイル５とリード線５０３及び５０４のインピーダンスＺ_C、即ち、単位電流が作る電位差が減少し、電界強度が小さくなる。試料で発生する誘電損失は電界強度の２乗に比例するため、本実施例の２本のリード線を交差する構成によれば、試料で発生する誘電損失を低減する効果を持つ。

他の効果として、リード線５０３と５０４に流れる電流によって作られる磁場が実質的に減少することにより、周辺導体で発生する渦電流による損失が低減する。リード線５０３と５０４の周辺には、例えば図５に示したプローブコイル収納容器３０１のような導体の筐体がある。リード線５０３と５０４にはＮＭＲ信号周波数Ｆ_Sを持つ交流電流が流れるため、リード線５０３と５０４で発生する磁場も周波数Ｆ_Sを持って変化する。周辺の導体には磁場の変化を妨げる方向に渦電流が発生して、該導体の電気抵抗によって損失が起きるため、ＮＭＲ信号のＳＮＲが低下する。本実施例の２本のリード線を交差する構成は、リード線５０３と５０４に流れる電流が作る磁場を実質的に減少させるため、周辺導体で発生する渦電流を減らして損失を低減する効果がある。

さらに、リード線５０３と５０４を交差させることにより、リード線５０３と５０４から混入する外来雑音が低減される。図８にリード線の交差による外来雑音の低減効果を示す。図８の破線の矢印は、紙面の奥から手前方向に向かう外来雑音の磁場を表す。破線で示す外来雑音磁場に誘導されて、リード線５０３と５０４には実線の矢印で示す雑音電圧が発生する。交差点５０５を設けることにより、交差点５０５の右と左で発生する雑音電圧の位相が反対になるため、回路端子６０１と６０２から出力され雑音電圧は交差点５０５の右と左で混入した雑音電圧が平均化されるため、実質的に減少する。

リード線の引出位置，同調整合回路の位置を変更し、軸方向，軸の垂直方向のいずれか一方向から見た場合にのみ交差するようにリード線を配置してもよいが、立体的に交差させ、プローブコイルの軸に対して複数方向から見た場合にリードが交差しているようにしてもよい。図９は、本発明の実施例１のプローブコイル５とリード線５０３，５０４をコイル軸方向上から見た図である。リード線５０３と５０４は、軸方向から見て５０６で交差するように引き出されている。上から見た交差点５０６の右と左でリード線は位置関係が反転しており、発生する磁場の方向も交差点５０６の右と左で反対になる。図７のようにコイル軸方向垂直側から見た場合にのみ交差させた構成よりも、図９のようにリード線５０３と５０４を上から見ても交差するように配置することで、上記３つの効果は更に大きくなる。なお、交差点上から見た交差点５０６は、図７に示した横から見た交差点５０５と空間的に異なる位置にあるため、リード線５０３と５０４が接触することはない。

本実施例では、プローブコイルが３本のリード線を有する例について説明する。図１０は、実施例２のプローブコイルとリード線の構成を示す図である。プローブコイル５は、リード線５０３，５０４に加えて第３のリード線５１２を有する。第３のリード線５１２はプローブコイル５上の点５１１と回路端子６１１を接続する。実施例１と同様に、プローブコイル５および同調整合回路６を含むＮＭＲ装置の構成は図１、プローブコイル５の付近の構成は図５と同様であり、リード線５０３と５０４は、コイル軸に対して横から見た交差点５０５の右と左で上下位置が反転するように配置され、リード線５０３と５０４に流れる電流が作る磁場は交差点５０５の右と左で反対方向に向かう。

図１１は、実施例２のプローブコイルとリード線の構成を上から見た図である。上から見た交差点５０６の右と左でリード線５０３と５０４の位置関係が反転するため、交差点５０６の右と左で発生する磁場の方向が反対になる。第３のリード線５１２は、プローブコイルの軸方向より見て、リード線５０３と５０４に囲まれた領域の外に配置して、リード線５０３，５０４と交差しない位置とすることにより、リード線５０３と５０４に流れる電流が作る磁場が第３のリード線５１２に当たる強度を低減している。

図１２は、本発明の実施例２のプローブコイル５と同調整合回路６が接続する一例を示す等価回路図である。回路端子６０１と６０２には各々可変コンデンサ６０４と６１２が接続され、可変コンデンサ６０４と６１２はケーブル接続点６０５の接地側に接続される。同調整合回路６はケーブル接続点６０５で高周波信号ケーブル７に接続される。プローブコイル５上の点５１１と第３のリード線５１２によって接続される回路端子６１１は、ケーブル接続点６０５の信号側に接続される。可変コンデンサ６０４の静電容量Ｃ₁と可変コンデンサ６１２の静電容量Ｃ₂は、プローブコイル５と同調整合回路６からなる共振回路のインピーダンスＺと、高周波信号ケーブル７の特性インピーダンスＺ₀が一致するように調整させる。図１２の等価回路を回路理論に従って計算すると、以下数式の如くＣ₁とＣ₂を設定すればＺとＺ₀が一致する。

Ｃ₁＝１／［π×Ｆ_S(２π×Ｆ_S×Ｌ−ｇ×ｒ)］
Ｃ₂＝１／［π×Ｆ_S(２π×Ｆ_S×Ｌ＋ｇ×ｒ)］
ここでｇは以下の数式で定義される量である。

ｇ＝√(４Ｚ₀／ｒ−１)
ここでＬはプローブコイル５のインダクタンスＬ_Cとリード線５０３，５０４のインダクタンスＬ_Lを加算した値である。またｒは、プローブコイル５の抵抗ｒ_Cとリード線５０３，５０４の抵抗ｒ_Lを加算した値である。

本発明の実施例２において、前記共振回路のインピーダンスＺと高周波信号ケーブル７の特性インピーダンスＺ₀を一致させることで得られる重要な結果の一つは、リード線５０３と５０４に流れる電流に比べて、リード５１２に流れる電流が非常に小さいことである。図１２の等価回路でリード線５０３に流れる電流Ｉ₁，リード線５０４に流れる電流Ｉ₂，リード線５１２に流れる電流Ｉ₃を回路理論に従って計算すると、次の結果が得られる。

Ｉ₁／Ｅ＝−［ｒ(１−ｊｇ)＋４Ｚ₀］／（４ｒ×Ｚ₀）
Ｉ₂／Ｅ＝−［ｒ(１＋ｊｇ)＋４Ｚ₀］／（４ｒ×Ｚ₀）
Ｉ₃／Ｅ＝ｊｇ／（２Ｚ₀）
ここでＥは信号電圧であり、ｊは虚数記号である。

Ｉ₁とＩ₂がＩ₃に比べて大きいことを示す現実的な例を挙げる。現在のＮＭＲ装置で使われるプローブコイル５には、例えば次のような性能を持つものがある。即ち、Ｚ₀＝５０Ω，Ｆ_S＝６００ＭＨｚ，Ｌ＝２０ｎＨ，Ｑ＝２π×Ｌ／ｒ＝２０００である。これらの数値を用いて計算すると、｜Ｉ₁／Ｅ｜＝１３.２７，｜Ｉ₂／Ｅ｜＝１３.２７，｜Ｉ₃／Ｅ｜＝０.５１を得る。ここで｜…｜は絶対値を意味する。ここで示した例では、Ｉ₁とＩ₂がＩ₃に比べて２６倍大きい。リード線５０３に流れる電流Ｉ₁，リード線５０４に流れる電流Ｉ₂がリード線５１２に流れる電流Ｉ₃より大きいため、図１０および図１１に示したような本発明の実施例２は効果的である。即ち、より大きな電流が流れるリード線５０３と５０４を交差させることが、リード線に流れる電流によって発生する磁場を低減する目的を最も簡単で効果的に達成する方法である。

図１０および図１１に示すリード線の構成を用いることで、プローブコイル５が３つのリード線で同調整合回路６と接続するプローブでも、前記実施例１で示した種々の効果を得ることができる。

図１３は本発明の実施例３のプローブコイルとリード線の構成を示す図である。前記実施例２と同様、プローブコイル５はリード線５０３および５０４に加えて第３のリード線５１２を有する。実施例２と異なる点は、第３のリード線５１２がリード線５０３と５０４に囲まれた領域の内部に配置することである。このような構成は、第３のリード線５１２の長さが実施例２より短くなり、第３のリード線５１２の電気抵抗による損失が減る利点がある。一方で実施例３の構成は、リード線５０３と５０４に流れる電流によって発生する磁場が第３のリード線５１２に当たる強度が前記実施例２の構成より大きくなる。そのため、第３のリード線５１２に誘導される渦電流による損失が実施例２の構成より増える弱点がある。従って、実施例２と実施例３のどちらを採用するかは、第３のリード線５１２上に直接流れる電流による損失と渦電流による損失の中でどちらを優先的に低減させるべきかによって決めればよい。

図１４は実施例４の鞍型（saddle-type）のプローブコイルとリード線の構成を示す図である。本実施例のプローブコイル５は、試料４の軸と直交する主磁場を発生する。静磁場と試料４の軸が平行な構成では、プローブコイル５が作る主磁場が試料４の軸と直交することが好ましい。

プローブコイル収納容器３０１の中に挿入された試料４の周りに鞍型のプローブコイル５が巻かれている。リード線５０３と５０４は、各々、プローブコイルの端部５０１と回路端子６０１，プローブコイルの端部５０２と回路端子６０２を接続する。リード線５０３と５０４は交差点５０５で交差し、交差点５０５の上と下ではリード線５０３と５０４の左右位置が反転する。回路端子６０１と６０２は同調整合回路６につながる。同調整合回路６は、前記実施例１で説明したように２つの回路端子でプローブコイル５と接続される同調整合回路なら、詳細構成に関わらず使うことができる。なお、鞍型プローブコイルは一例であり、本実施例は試料４の軸と直交する主磁場を発生する全てのプローブコイルに適用できる。そのようなプローブコイルは、例えば非特許文献１に開示されたAlderman-Grant型，鳥籠型（birdcage-type），Litz型のプローブコイルがある。

図１４に示した本発明の実施例４の構成を用いれば、試料４の軸と直交する主磁場を発生するプローブコイル５でも、前記実施例１で示した種々の効果を得ることができる。

本発明の実施例５は、帯状（strip-like）の線材を用いるプローブコイルの例である。プローブの形状は上記実施例１〜４のいずれの形状としてもよい。

２つのリード線５０３と５０４を有するプローブコイル５の一例について、コイルの軸方向横側と上側から見た図を図１５，図１６に示す。また、図１７は、このプローブコイルの展開図である。プローブコイル部分は略平行四辺形の部材よりなり、リード線の部分は帯状線よりなる。

帯状のプローブコイル５，リード線５０３，リード線５０４が一体で作られるため、リード線とプローブコイルを接合する必要がない。プローブコイルとリード線を一体で作る１つの利点は、プローブの製作プロセスを簡単にすることである。また、プローブコイルとリード線を接合する場合に比べて、接合による電気抵抗の増加がない利点がある。電気抵抗の増加を実質的に０に近くすることも、例えば超電導接合技術を適用すれば不可能ではないが、製作プロセスとコストの面で実用的とは言えない。プローブコイルとリード線を一体で作る更に別の利点は、接合する場合に比べて試料中の静磁場強度への影響が少ない点である。接合を行うと、接合点の磁化率はプローブコイル５の磁化率、またリード線５０３と５０４の磁化率と異なる値を持つ。一つの例として、半田を用いる接合の場合、半田に使われる鉛の磁化率がプローブコイルおよびリード線の磁化率と異なる。別の例として、プローブコイルとリード線を加熱し圧着する場合でも、加熱によってプローブコイルやリード線が酸化されるため、表面に吸着された酸素の量により磁化率が変化する。試料中の静磁場強度へ影響しないことは、ＮＭＲスペクトルの分解能の面で利点を持つ。ＮＭＲ信号の周波数は静磁場の強度に比例することがＮＭＲの原理から知られている。そのため、静磁場強度が試料中で不均一になると、試料が放出するＮＭＲ信号も試料中の放出位置によって異なる周波数になって、ＮＭＲ信号の周波数が広い分布を持つため、ＮＭＲスペクトルの分解能が低下してしまう。従って、図１７に一例を示したプローブコイル５とリード線５０３，５０４が一体で作られたプローブコイルは、ＮＭＲスペクトルの分解能の面で利点を持つ。

また、上記２つのリード線５０３と５０４に加え、第３のリード線５１２を有するプローブコイル５の例を図１８と図１９に示す。このように本実施例を変形して使用することも可能である。

図２０は、帯状のプローブコイル５と、リード線５０３および５０４を組み合わせた構成の展開図を示す図である。帯状のプローブコイル５，リード線５０３，リード線５０４は、接合点５０１および５０２で接合されている。このような帯状のプローブコイル５とリード線５０３，５０４を分離された個体で作り、その後接合する構成は、プローブコイル５と回路端子６０１，６０２との位置関係の変化に対し、リード線５０３，５０４を変更するだけでプローブコイル５を実装できる利点がある。

接合点の電気抵抗はリード線又はプローブコイルの電気抵抗よりも充分に小さくする。プローブコイルとリード線との接合点５０１および５０２による電気抵抗の増加は、該増加分がプローブコイル５およびリード線５０３と５０４の本来の電気抵抗に比べて十分小さい条件を満たせば、実質的に無視できる。また、接合点は、試料から充分に離して配置することが好ましい。接合点５０１と５０２が試料中の静磁場強度に与える影響は、接合点５０１と５０２を試料４から十分遠い位置に置く条件が満たされれば実質的に無視できる。

図２１は、前記実施例５の帯状のプローブコイル５と、リード線５０３および５０４の変形例を示す展開図である。帯状のプローブコイル５と、リード線５０３および５０４が一体で作られており、プローブコイル５とリード線５０３、またプローブコイル５とリード線５０４との間に角度を設けた。この角度は、リード線の一端となるプローブコイル５上の点と、リード線の別の一端に接続される回路端子との相対的な位置により決まる角度である。図２１に示した本実施例７の構成は、プローブコイルの上端または下端部と、リード線とが角度を設けて接続されていることにより、図１７の構成に比べ、プローブコイル５の形状の歪みを低減する利点を持つ。図１７の構成では、リード線の一端となるプローブコイル５上の点の高さと、別のリード線と交差した該リード線の別の一端が接続される回路端子の高さとが一致しないため、リード線を回路端子に接続することにより試料４の周りに巻かれたプローブコイル５の形状に歪みが発生する。プローブコイル５の歪みは、プローブコイル形状の径時変形，感度分布の変化，試料中の静磁場強度の変化を引き起こす。図２１に示す本発明の実施例７の構成は、プローブコイル５の歪みを低減し、プローブコイル形状の径時変形，感度分布の変化，試料中の静磁場強度の変化を低減する効果を有する。

実施例７の変形例について図２２を用いて説明する。本実施例は、帯状のプローブコイル５と、リード線５０３および５０４を一体で作り、プローブコイル５とリード線５０３、またプローブコイル５とリード線５０４との間に角度を設ける例であり、実施例７との差異は２本のリード線をコイル軸に垂直な方向から見て交差しないよう配置した例である。

プローブコイルおよびリード線が１つの帯状の線で構成され、更にリード線の一端となるプローブコイル５上の点の高さと、該リード線の別の一端が接続される回路端子の高さとが一致しない場合には一般的にプローブコイルに歪みが発生する。

リード線の取り付け角度を回路端子の位置と合わせるよう調整することで、コイル軸に垂直な方向でのリードの交差による試料の誘電損失の低減効果は得られないものの、実施例７と同様にリード線を端子に接続することに起因するプローブコイル５の歪みを低減する効果を得られる。従って、プローブコイル形状の径時変形，感度分布の変化，試料中の静磁場強度の変化を低減する効果を有する。

本発明の実施例９は、他の何れかの実施例のＮＭＲ装置に、更にプローブコイル５およびリード線５０３，５０４を冷却する構造を追加した構成である。冷却構造の一例を図２３に示す。プローブコイル収納容器３０１の内部には、断熱層７０１を設ける。断熱層７０１は熱伝導を低減するため真空にし、更に、輻射による熱伝導を低減するため、熱輻射シールドを挿入することが好ましい。断熱層７０１を試料４の挿入空間を隔離するため、試料断熱壁７０４を設ける。プローブコイル５は、断熱層７０１の中に設けたプローブコイル冷却容器７０２の中に置かれる。プローブコイル５と断熱層７０１の間には、冷却容器断熱壁７０３を設ける。熱交換器７０５はプローブコイル冷却容器７０２の外部に設けられ、プローブ装置の外に置かれた冷却装置により冷却される。冷却装置および冷却装置から熱交換器７０５までの伝熱構造は本発明の範囲外であるため、その説明は省略する。熱交換器７０５は、プローブコイル冷却容器７０２とリード線を室温以下に冷却する。プローブコイル５は、プローブコイル冷却容器７０２とリード線を冷却することにより、冷却される。プローブコイルの冷却温度は熱雑音を低減するため、液体窒素の温度である７７Ｋ以下にすることが好ましい。プローブコイルを冷却するために、プローブコイル冷却容器７０２は熱伝導度の高い材質で作られることが好ましく、例えば純銅で作られる。プローブコイル冷却容器７０２は、プローブコイル収納容器３０１よりも、プローブコイル５に近い場所に配置されるため、リード線で発生する磁場によってプローブコイル冷却容器７０２の表面に渦電流が発生し渦電流による損失が増加する。本発明は、前記第１〜８の実施例で示したように周辺導体で発生する渦電流による損失を低減する効果があるため、プローブコイル５およびリード線を冷却する構成ではより高い効果を有する。また、プローブコイルとリード線を冷却することにより、ＳＮＲにおける試料中の誘電損失および周辺導体による損失および外来雑音の影響が相対的に増加する点からも、本発明の効果はプローブコイル５およびリード線を冷却する構成で高くなる。また、リード線が冷却されると、リード線の電気抵抗率が減少するため、本発明の構成を用いる上では更に好適である。リード線とリード線を交差させる本発明の構成では、交差のない構成に比べてリード線が長くなるため、リード線の電気抵抗による損失は増える。リード線を冷却する実施例９の構成では、リード線の電気抵抗率が減るため、リード線が長くなることによる損失増加分は実質的に無視できる。

測定対象の近くに配置したコイルで測定対象から放出される信号を検出し、２つ以上のリード線で前記コイルから信号処理装置に前記信号を伝送する装置であって、前記測定対象で発生する誘電損失、または前記リード線近傍に配置された導体表面で発生する渦電流損失、または前記リード線に混入する外来雑音によって前記信号の品質が劣化する装置に適用できる。

ＮＭＲ装置の構成図。 磁石装置と室温ボアと試料とプローブコイルおよび同調整合回路を含むＮＭＲ装置の構成図。 磁石装置と室温ボアと試料とプローブコイルおよび同調整合回路を含む別のＮＭＲ装置の構成図。 磁石装置と室温ボアと試料とプローブコイルおよび同調整合回路を含むＮＭＲ装置の構成図。 実施例１のプローブコイルおよびリード線とその周辺を拡大した構成図。 プローブコイルと同調整合回路が接続する一例を示す等価回路図。 交差する２本のリード線による磁場強度低減効果を示す概念図。 交差する２本のリード線による外来雑音の低減効果を示す概念図。 交差する２本のリード線による磁場強度低減効果を示す別の方向からの概念図。 実施例２のプローブコイルとリード線の構成を示す図。 実施例２のプローブコイルとリード線の構成を上から見た図。 実施例２のプローブコイルと同調整合回路が接続する一例を示す等価回路図。 実施例３のプローブコイルとリード線の構成を示す図。 実施例４のプローブコイルおよびリード線とその周辺を拡大した構成図。 実施例５のプローブコイルおよびリード線を横から見た図。 実施例５のプローブコイルおよびリード線を上から見た図。 実施例５のプローブコイルおよびリード線の展開図。 実施例５の別のプローブコイルおよびリード線を横から見た図。 実施例５の別のプローブコイルおよびリード線を上から見た図。 実施例６のプローブコイルおよびリード線の形状を示す展開図。 実施例７のプローブコイルおよびリード線の形状を示す展開図。 実施例８のプローブコイルおよびリード線の形状を示す展開図。 実施例９のプローブコイルおよびリード線とその周辺を拡大した構成図。

符号の説明

１ 磁石装置
２ 室温ボア
３ プローブ
４ 試料
５ プローブコイル
６ 同調整合回路
７ 高周波信号ケーブル
８ 計測装置
９ ユーザーコンピュータ
３０１ プローブコイル収納容器
５０１，５０２ リード線に繋がるプローブコイルの端部
５０３，５０４ リード線
５０５，５０６ リード線の交差点
５１１ 第３リード線に繋がるプローブコイル上の点
５１２ 第３リード線
６０１，６０２ 回路端子
６０３，６０４，６１２ 可変コンデンサ
６０５ ケーブル接続点
６１１ 第３リード線と接続される回路端子
７０１ 断熱層
７０２ プローブコイル冷却容器
７０３ 冷却容器断熱壁
７０４ 試料断熱壁
７０５ 熱交換器

Claims (14)

1. 静磁場を作る磁石装置の中に挿入され、核磁気共鳴信号を検出するプローブであって、前記プローブは、プローブコイルと、コイルに接続される少なくとも二本のリード線を有し、前記二本のリード線は少なくとも一の方向より見て交差していることを特徴とするプローブ。
2. 請求項１に記載されたプローブであって、前記プローブは回路端子を有し、前記リード線は前記回路端子に接続されていることを特徴とするプローブ。
3. 請求項１に記載されたプローブであって、前記プローブコイルは室温以下に冷却されていることを特徴とするプローブ。
4. 請求項１に記載されたプローブであって、前記プローブコイルと前記リード線は一体に構成されていることを特徴とするプローブ。
5. 請求項１に記載されたプローブであって、前記プローブコイルは、ソレノイド型，スクロール型，ヘルムホルツ型，ループ・ギャップ型，鞍型，Alderman-Grant型，鳥籠型のいずれかのコイルであることを特徴とするプローブ。
6. 請求項１に記載されたプローブであって、
   前記二本のリード線はプローブコイルの軸方向、及び軸方向と垂直な方向より見て交差していることを特徴とするプローブ。
7. 請求項１に記載されたプローブであって、
   前記二本のリード線の間で前記プローブコイルに接続された第三のリード線を有することを特徴とするプローブ。
8. 請求項７に記載されたプローブであって、前記第三のリード線は、前記プローブコイルの軸方向から見て前記二本のリード線と交差していないことを特徴とするプローブ。
9. 請求項４に記載されたプローブであって、
   前記プローブコイル部分は略平行四辺形の部材よりなり、前記リード線は帯状線よりなり、前記プローブコイルの上端または下端部と、前記リード線とが角度を設けて接続されていることを特徴とするプローブ。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載されたプローブを用いたことを特徴とする核磁気共鳴装置。
11. 静磁場を作る磁石装置と、静磁場内に配置されプローブコイルを備えたプローブと、プローブコイルと接続された計測装置と、を備えた核磁気共鳴装置であって、
    前記プローブコイルは、少なくとも二本のリード線を有し、前記二本のリード線は少なくとも一の方向より見て交差していることを特徴とする核磁気共鳴装置。
12. 請求項１１に記載された核磁気共鳴装置であって、
    前記リード線はプローブコイルと一体に形成されていることを特徴とする核磁気共鳴装置。
13. 請求項１１に記載された核磁気共鳴装置であって、
    前記磁石装置は、少なくとも一の方向に貫通した室温ボアを有することを特徴とする核磁気共鳴装置。
14. 請求項１１に記載された核磁気共鳴装置であって、
    前記プローブコイル及び前記リード線を冷却する冷却装置を有することを特徴とする核磁気共鳴装置。

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