JP2010190591A - Nmr probe and design method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an NMR probe which can detect two-mode resonance frequencies by one terminal and a design method of the same. <P>SOLUTION: Two different cylindrical inductances are placed concentrically and coaxially, and the values of capacitance coupling and magnetic coupling between the inductances are selected, thereby achieving resonance at two frequencies. In that case, the cylindrical inductances are two Helmholtz type sample coils having different diameters or lengths. The magnitude of the magnetic coupling between both coils is selected by differentiating the directions of the generation axes of high-frequency magnetic fields generated by both coils by a predetermined angle. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の核種の共鳴周波数に多重同調できるNMRプローブおよびその設計方法に関し、特に、近接した共鳴周波数に多重同調できるNMRプローブおよびその設計方法に関する。   The present invention relates to an NMR probe that can be tuned to resonance frequencies of a plurality of nuclides and a design method thereof, and more particularly to an NMR probe that can be tuned to close resonance frequencies and a design method thereof.

NMR装置は、試料に強力な磁場を印加して、試料中の核スピンを持った原子核の磁気モーメントに静磁場方向を軸とする歳差運動を惹起させた上で、静磁場方向に直交する向きの高周波磁場を印加して、原子核の磁気モーメントの歳差運動を励起し、その後、原子核の磁気モーメントの歳差運動が励起状態から基底状態に戻る際に放出されるNMR信号を、試料に固有な高周波磁界として観測する装置である。   The NMR device applies a strong magnetic field to the sample, causes precession about the static magnetic field direction to occur in the magnetic moment of the nucleus with the nuclear spin in the sample, and is orthogonal to the static magnetic field direction. A high frequency magnetic field is applied to excite the precession of the nuclear magnetic moment, and then the NMR signal emitted when the precession of the nuclear magnetic moment returns from the excited state to the ground state is applied to the sample. It is a device that observes as a unique high frequency magnetic field.

従来のNMRプローブを含むNMR装置を図1に示す。図1のNMR装置では、観測対象の核種として、1H核と19F核や1H核と13C核の組み合わせを想定しているが、他の核種の組み合わせの場合も同様である。 An NMR apparatus including a conventional NMR probe is shown in FIG. In NMR apparatus of FIG. 1, a nuclide to be observed, it is assumed that the combination of the 1 H nuclei and 19 F nuclei and 1 H nucleus and 13 C nuclei is the same case of a combination of other nuclides.

このNMR装置は、試料を格納する試料管1にほぼ一様な静磁場を印加するマグネット2と、室温においてマグネット2による静磁場の不均一を補正する室温シム3と、試料管1およびNMRプローブ4を格納して試料の温度を変化させる温度可変(VT)装置5と、を有している。   This NMR apparatus includes a magnet 2 for applying a substantially uniform static magnetic field to a sample tube 1 for storing a sample, a room temperature shim 3 for correcting non-uniformity of a static magnetic field by the magnet 2 at room temperature, a sample tube 1 and an NMR probe. 4 and a temperature variable (VT) device 5 that changes the temperature of the sample.

前記NMRプローブ4は、単独または複数のサンプルコイルを有し、少なくとも2つの核種を含む試料からNMR信号を検出することができるようなものである。このNMRプローブ4については、後に詳細に説明する。   The NMR probe 4 has a single or a plurality of sample coils, and can detect an NMR signal from a sample containing at least two nuclides. The NMR probe 4 will be described in detail later.

また、このNMR装置は、室温シム3による静磁場の補正を制御する磁場補正装置6と、このNMR装置の全体を制御するコンピュータ7と、このNMR装置の稼動状態や観測したNMR信号を表示するLCDなどの表示器8と、NMRプローブ4に送受する信号のタイミングの切換を行なうデュプレクサ9と、NMRプローブ4からデュプレクサ9を介して送られたNMR信号を増幅する増幅器10と、増幅器10で増幅されたNMR信号に復調および検波を施す復調検波器11と、復調検波器11からの信号にアナログ・デジタル変換を施すアナログ・デジタル変換器(ADC)12と、を有している。   The NMR apparatus also displays a magnetic field correction apparatus 6 that controls the correction of the static magnetic field by the room temperature shim 3, a computer 7 that controls the entire NMR apparatus, the operating state of the NMR apparatus, and the observed NMR signals. Display 8 such as an LCD, duplexer 9 for switching the timing of signals sent to and received from NMR probe 4, amplifier 10 for amplifying NMR signals sent from NMR probe 4 through duplexer 9, and amplification by amplifier 10 A demodulation detector 11 for demodulating and detecting the NMR signal, and an analog-to-digital converter (ADC) 12 for performing analog-to-digital conversion on the signal from the demodulation detector 11.

さらに、このNMR装置は、NMRプローブ4にデュプレクサ9を介して送る第1の振動数f1の信号を電力増幅する第1の電力増幅器13と、同じく第2の振動数f2の信号を電力増幅する第2の電力増幅器15と、同じく第3の振動数f3の信号を電力増幅する第3の電力増幅器16と、第1の電力増幅器13、第2の電力増幅器15、および第3の電力増幅器16にそれぞれ第1、第2、および第3の振動数f1、f2、f3の信号を供給する発振器14と、を有している。   Furthermore, this NMR apparatus amplifies the power of the first power amplifier 13 that amplifies the signal of the first frequency f1 sent to the NMR probe 4 via the duplexer 9, and the signal of the second frequency f2. Second power amplifier 15, third power amplifier 16 that similarly amplifies the signal of third frequency f 3, first power amplifier 13, second power amplifier 15, and third power amplifier 16 And an oscillator 14 for supplying signals of the first, second, and third frequencies f1, f2, and f3, respectively.

ここで、第1および第2の振動数f1、f2は、1H核と19F核や1H核と13C核の組み合わせの共鳴周波数に対応している。発振器14は、復調検波器11から送られた観測信号に基づいて、これら第1および第2の振動数f1、f2の信号を生成する。第3の周波数f3は、前記核種以外の第3の核種、例えばNMRロックに用いられる2D核のNMR信号に対応している。 Here, the first and second frequencies f1 and f2 correspond to resonance frequencies of a combination of 1 H nucleus and 19 F nucleus, or 1 H nucleus and 13 C nucleus. The oscillator 14 generates signals of the first and second frequencies f1 and f2 based on the observation signal sent from the demodulation detector 11. Third frequency f3 corresponds to NMR signals of 2 D nucleus used in the third species, e.g. NMR lock other than the radionuclide.

図2には、メインコイルが1つあり、そこにRF回路が付随する1モードの共振回路を有するNMR検出器を示す。Ct1とCt2は同調コンデンサである。同調コンデンサCt1あるいはCt2のいずれかを調整して、所望するNMR周波数にチューニングを設定する。その際のRFインピーダンスを仮に50Ωシステム系とすると、整合コンデンサCm1でそのシステムインピーダンスに整合させている。   FIG. 2 shows an NMR detector having a single mode resonant circuit with one main coil and an RF circuit associated therewith. Ct1 and Ct2 are tuning capacitors. Tuning is set to the desired NMR frequency by adjusting either tuning capacitor Ct1 or Ct2. If the RF impedance at that time is assumed to be a 50Ω system system, it is matched to the system impedance by a matching capacitor Cm1.

メインコイルは、シンプルなヘルムホルツコイルである。×印で示すガードリングは金属板の電極であり、同じく金属板でできたメインコイルの下側のアーク(ウィングとも言う)で絶縁体(通常はガラス製ボビン)をサンドイッチ状に挟んで、キャパシタを構成する。このキャパシタはメインコイルと並列に配線される構造になっている。   The main coil is a simple Helmholtz coil. A guard ring indicated by a cross is an electrode of a metal plate, and an insulator (usually a glass bobbin) is sandwiched between arcs (also called wings) on the lower side of the main coil, which is also made of a metal plate. Configure. This capacitor has a structure wired in parallel with the main coil.

図3は、1つのメインコイルに2モード回路を形成する場合の標準的な例である。外部回路に分離回路を設け、分離回路の先にf2周波数を得る回路を付設するのが一般的である。該分離回路には、LC並列共振回路や波長共振回路やレゾネータが用いられる。Cd1あるいはCd2のいずれかがf2周波数のチューニング用、Cd3はインピーダンス整合用のコンデンサである。   FIG. 3 is a standard example when a two-mode circuit is formed in one main coil. In general, a separation circuit is provided in the external circuit, and a circuit for obtaining the f2 frequency is attached to the tip of the separation circuit. As the separation circuit, an LC parallel resonance circuit, a wavelength resonance circuit, or a resonator is used. Either Cd1 or Cd2 is a f2 frequency tuning capacitor, and Cd3 is an impedance matching capacitor.

一般的に言えば、1H核と19F核の組み合わせでは、同調整合回路は1つしかない場合が多く、逆に1H核と13C核の組み合わせでは、同調回路が1つで整合回路を2つ用意して切り替える場合と、分離回路を設けて同調整合回路を2つ持つ場合とがある。 Generally speaking, the combination of 1 H nucleus and 19 F nucleus often has only one tuning matching circuit, and conversely, the combination of 1 H nucleus and 13 C nucleus has only one tuning circuit. There are a case where two are prepared and switched, and a case where a separation circuit is provided and two tuning matching circuits are provided.

特許第3914735号公報Japanese Patent No. 3914735 特許第4156646号公報Japanese Patent No. 4156646

図3に示すような、メインコイル1つにf1、f2の2モード周波数共振回路を形成する場合、分離回路を付設することによる回路効率の低下が大きくなり、少しでも検出感度を高めたいとする本来の目的を満たせなくなる。両者はトレードオフの関係にあるので、最適な構成を駆使しても、従来はせいぜい50〜60%程度の運転効率に甘んじていた。   When a two-mode frequency resonance circuit of f1 and f2 is formed in one main coil as shown in FIG. 3, the circuit efficiency decreases due to the addition of the separation circuit, and it is desired to increase the detection sensitivity as much as possible. The original purpose cannot be met. Since the two are in a trade-off relationship, even if the optimum configuration is used, conventionally, the operation efficiency is at most about 50 to 60%.

また、図3でも分かるように、f1、f2を実現するために端子が1つ追加される。そのため、そこにNMR分光器からの高周波伝送路が追加され、装備が大きくなる。   As can be seen from FIG. 3, one terminal is added to realize f1 and f2. Therefore, a high-frequency transmission line from the NMR spectrometer is added there, and the equipment becomes large.

f1、f2を得るための別の方法として、もう1つのサンプルコイルをメインコイルの内側か外側に配置し、そのコイルにも同様にRF回路を形成することで実現する方法がある。この場合、従来技術では、両者のサンプルコイルが互いに干渉してそれぞれの効率が低下することがないように、数mm、例えば両者のコイル径で表現すると内側コイルの径〜6mmに対し、外側コイルの径11mm、のように大きく空間を開けて配置するのが常識であった。   As another method for obtaining f1 and f2, there is a method realized by arranging another sample coil inside or outside the main coil and forming an RF circuit in the coil in the same manner. In this case, in the prior art, the outer coil is smaller than the inner coil diameter of ~ 6 mm when expressed in terms of several mm, for example, both coil diameters, so that both sample coils do not interfere with each other and their respective efficiency decreases. It was common sense to arrange a large space such as 11 mm in diameter.

この例は、測定対象の試料管が5mm径の場合を想定しているので、上記の例では、外側コイルの回路で形成される周波数の核種の検出効率は、内側コイルの回路で形成される周波数の核種の検出効率の〜6/11程度(56%)以下に低下してしまうという欠点を有する方式であることを覚悟しなければならない。   In this example, it is assumed that the sample tube to be measured has a diameter of 5 mm. Therefore, in the above example, the detection efficiency of the nuclide of the frequency formed by the circuit of the outer coil is formed by the circuit of the inner coil. It must be prepared that this method has the disadvantage that the detection efficiency of the frequency nuclide is reduced to about 6/11 (56%) or less.

このように、トレードオフとなる理由がそれぞれに内在しているので、簡単に2モードの検出機能を持ち、しかも互いの効率が70〜80%程度以上である1端子2モード検出器への要望は強く、その実現のためのアイディア開示が待ち望まれていた。   As described above, since the reason for the trade-off is inherent, there is a demand for a one-terminal two-mode detector having a simple two-mode detection function and a mutual efficiency of about 70 to 80% or more. There was a strong demand for the disclosure of ideas for its realization.

本発明は、上述した点に鑑み、1端子で2モードの共振周波数を検出できるNMRプローブの設計方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for designing an NMR probe capable of detecting a two-mode resonance frequency with one terminal in view of the above points.

この目的を達成するため、本発明にかかるNMRプローブの設計方法は、
2つの異なる円筒状インダクタンスを同心同軸上に配置して、該インダクタンス間の静電容量結合と磁気結合の値を選定することにより、2つの異なる周波数に共振させるようにしたことを特徴としている。
In order to achieve this object, a method for designing an NMR probe according to the present invention includes:
It is characterized in that two different cylindrical inductances are arranged concentrically and are resonated at two different frequencies by selecting values of capacitance coupling and magnetic coupling between the inductances.

また、前記2つの円筒状インダクタンスは、径または長さの異なる2つのヘルムホルツ型サンプルコイルであることを特徴としている。   Further, the two cylindrical inductances are two Helmholtz type sample coils having different diameters or lengths.

また、前記ヘルムホルツ型サンプルコイルは、円筒状絶縁体製ボビンを挟んで金属製のリング電極と対向配置されることにより、所望の周波数にLC共振させることを特徴としている。   The Helmholtz-type sample coil is characterized in that it is LC-resonated at a desired frequency by being disposed opposite to a metal ring electrode with a cylindrical insulator bobbin interposed therebetween.

また、前記2つのヘルムホルツ型サンプルコイルは、共振の結果発生する高周波磁場の発生軸の向きを所定角φだけ異ならせることにより、両コイル間の磁気結合の大きさを選定していることを特徴としている。   The two Helmholtz type sample coils are characterized in that the magnitude of the magnetic coupling between the two coils is selected by changing the direction of the generation axis of the high-frequency magnetic field generated as a result of resonance by a predetermined angle φ. It is said.

また、前記所定角φは、0<φ≦20°であることを特徴としている。   The predetermined angle φ is 0 <φ ≦ 20 °.

また、前記2つのヘルムホルツ型サンプルコイルは、メインコイルとサブコイルに対応づけられ、そのうち、メインコイル側のコイル端は高周波入出力手段に接続され、サブコイル側のLC共振回路は外部回路とつながっていないことを特徴としている。   The two Helmholtz-type sample coils are associated with the main coil and the subcoil, of which the coil end on the main coil side is connected to the high frequency input / output means, and the LC resonance circuit on the subcoil side is not connected to the external circuit. It is characterized by that.

また、前記リング電極と対向するヘルムホルツ型サンプルコイルの対向部位の面積を変えることにより、前記静電容量結合の大きさを選定していることを特徴としている。   Further, the size of the capacitive coupling is selected by changing the area of the facing portion of the Helmholtz type sample coil facing the ring electrode.

また、前記ヘルムホルツ型サンプルコイルとリング電極が前記円筒状絶縁体製ボビンを挟んで対向配置されて成る共振コイル複合体を50Ω系で動作させるために、該共振コイル複合体の共振周波数ごとにインピーダンス整合を取るための容量素子を切り換える切換手段を設けたことを特徴としている。   In addition, in order to operate a resonant coil complex in which the Helmholtz type sample coil and the ring electrode are opposed to each other with the cylindrical insulator bobbin sandwiched between them, an impedance is set for each resonant frequency of the resonant coil complex. It is characterized in that switching means for switching the capacitive element for matching is provided.

また、本発明にかかるNMRプローブは、請求項1記載の設計方法で設計されたことを特徴としている。   The NMR probe according to the present invention is designed by the design method according to claim 1.

本発明のNMRプローブの設計方法によれば、
異なる2つの円筒状インダクタンスを同心同軸上に配置して、該インダクタンス間の静電容量結合と磁気結合の値を調整することにより、異なる2つの周波数に共振させるようにしたので、
1端子で2モードの共振周波数を検出できるNMRプローブを提供することが可能になった。
According to the NMR probe design method of the present invention,
Since two different cylindrical inductances are arranged concentrically on the same axis and the values of the capacitance coupling and the magnetic coupling between the inductances are adjusted to resonate at two different frequencies.
It has become possible to provide an NMR probe capable of detecting a two-mode resonance frequency with one terminal.

従来のNMR装置を示す図である。It is a figure which shows the conventional NMR apparatus. 従来のNMRプローブの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional NMR probe. 従来のNMRプローブの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the conventional NMR probe. 本発明にかかるNMRプローブの一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの立体組立図を示す図である。It is a figure which shows the three-dimensional assembly drawing of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの立体組立図を示す図である。It is a figure which shows the three-dimensional assembly drawing of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの各部の名称を示す図である。It is a figure which shows the name of each part of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの電磁解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic analysis result of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの電磁解析結果を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic analysis result of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの電磁特性を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic property of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの電磁特性を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic property of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the NMR probe concerning this invention. 本発明にかかるNMRプローブの別の実施例の電磁解析結果である。It is an electromagnetic analysis result of another Example of the NMR probe concerning this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図4に本発明にかかるNMRプローブの検出コイルの一実施例を示す。図示されていない部分は従来技術の図2または図3と同じである。本検出コイルは、ガラス製ボビンを挟んで内側コイル(coil1)と外側コイル(coil2)がほぼ同心状に配置されており、共振によって発生する高周波磁界の軸が互いにごくわずかな角度φだけずらされている点に特徴がある。この角度φのずれにより、2つのコイルはほぼ等しい共振周波数を有するにも関わらず、わずかながら共振周波数にずれを生じる。   FIG. 4 shows an embodiment of the detection coil of the NMR probe according to the present invention. The parts not shown are the same as those in FIG. 2 or FIG. 3 of the prior art. In this detection coil, the inner coil (coil 1) and the outer coil (coil 2) are arranged substantially concentrically with a glass bobbin interposed therebetween, and the axes of the high-frequency magnetic field generated by the resonance are shifted by a very small angle φ. There is a feature in that. Due to the deviation of the angle φ, although the two coils have substantially the same resonance frequency, a slight deviation occurs in the resonance frequency.

図5に検出部を構成しているボビンの立体組立図を示す。ガラス製ボビンは最も内側のボビン1、ボビン1の外側を同心同軸状に取り囲むボビン2、ボビン2の外側を同心同軸状に取り囲むボビン3から成る3重構造になっている。   FIG. 5 shows a three-dimensional assembly drawing of the bobbin constituting the detection unit. The glass bobbin has a triple structure including an innermost bobbin 1, a bobbin 2 that concentrically surrounds the outside of the bobbin 1, and a bobbin 3 that concentrically surrounds the outside of the bobbin 2.

図6にボビンとコイルとの立体関係を示す。ボビン1の外周面にはコイル1、内周面にはリング電極1が取り付けられている。また、ボビン2の外周面にはコイル2が取り付けられている。また、ボビン3の外周面にはリング電極2が取り付けられている。   FIG. 6 shows a three-dimensional relationship between the bobbin and the coil. A coil 1 is attached to the outer peripheral surface of the bobbin 1, and a ring electrode 1 is attached to the inner peripheral surface. A coil 2 is attached to the outer peripheral surface of the bobbin 2. A ring electrode 2 is attached to the outer peripheral surface of the bobbin 3.

このような構造体をMと名づければ、図10は、構造体Mの回路構成を等価回路で表わしたものである。構造体Mを構成するメインコイル、およびサブコイルの各部位の名称を図7に示す。図8に示すように、構造体Mにおいて、メインコイルは、コイル端が高周波入出力手段と接続されている。一方、サブコイルは、メインコイルに寄り添うことで高周波の入出力を行ない、サブコイル自身のコイル端は解放されていて、いかなる高周波の入出力端子とも接続されていない。   If such a structure is named M, FIG. 10 represents the circuit configuration of the structure M with an equivalent circuit. FIG. 7 shows names of the main coil and the subcoil constituting the structure M. As shown in FIG. 8, in the structure M, the main coil has a coil end connected to the high-frequency input / output means. On the other hand, the subcoil performs high-frequency input / output by snuggling up to the main coil, and the coil end of the subcoil itself is released and is not connected to any high-frequency input / output terminal.

基本的には、図9の断面図に示すように、最も内側に金属製のリング1が置かれ、そのすぐ外側に内側コイル用の円筒状ガラス製ボビン、そのすぐ外側に金属製の内側コイル、そのすぐ外側に外側コイル用の円筒状ガラス製ボビン、そのすぐ外側に金属製の外側コイル、そのすぐ外側にリング2用の円筒状ガラス製ボビン、そして最も外側に金属製のリング2が配置されている。   Basically, as shown in the cross-sectional view of FIG. 9, a metal ring 1 is placed on the innermost side, a cylindrical glass bobbin for an inner coil just outside it, and a metal inner coil just outside it. A cylindrical glass bobbin for the outer coil just outside it, a metal outer coil just outside it, a cylindrical glass bobbin for ring 2 just outside it, and a metal ring 2 on the outermost side Has been.

図7、9、10に示した名称に基づいて、図8の構造体MにおけるC1とC2を説明すれば、C1はcoil1のarc部aおよびarc部Aの領域とbobbin1とring1とで構成されるキャパシタ、C2はcoil2のarc部aおよびarc部Aの領域とbobbin3とring2とで構成されるキャパシタである。   If C1 and C2 in the structure M of FIG. 8 are described based on the names shown in FIGS. 7, 9, and 10, C1 is composed of the arc part a and the area of the arc part A of coil1, bobbin1 and ring1. C2 is a capacitor constituted by the regions of arc part a and arc part A of coil 2 and bobbin 3 and ring 2.

また、構造体Mは、2つのコイルで構成されたトランス結合と静電結合を含んだ2モード共振を生む構造体と定義され、概ね同一同心軸を持ち、概ね近い径で高周波磁場発生軸をわずかにずらして(角度φ≠0)配置された2つのコイルにより実現される。   The structure M is defined as a structure that generates a two-mode resonance including a transformer coupling and an electrostatic coupling composed of two coils. The structure M has substantially the same concentric axis and a high-frequency magnetic field generating axis with a substantially close diameter. This is realized by two coils arranged slightly shifted (angle φ ≠ 0).

本実施例の動作を図11に示す。図11の下側に示されているのが、電磁解析に用いた回路構成である。このうち、右側の線で囲んだ部分は、本発明にかかるサンプルコイル部分、また左側の線で囲んだ部分は、本発明の通過特性を測定する際の必要性から付加した部分である。従って、左側の線で囲んだ回路部分は、本発明の必須要素ではない。   The operation of this embodiment is shown in FIG. The circuit configuration used for electromagnetic analysis is shown on the lower side of FIG. Of these, the portion surrounded by the right line is a sample coil portion according to the present invention, and the portion surrounded by the left line is a portion added due to the necessity for measuring the pass characteristic of the present invention. Therefore, the circuit portion surrounded by the left line is not an essential element of the present invention.

図11の上側に示したネットワークアナライザによる解析図から説明すると、本構成に基づく回路では、ポート1からポート1への反射特性測定では、470.64MHz(−31.98dB)と500.16MHz(−31.85dB)に共振点のあることが示された。また、ポート1からポート2への通過特性測定では、前記2つの共振点の間に488.05MHz(−85.11dB)のアイソレーションポイントのあることが示された。   Referring to the analysis diagram by the network analyzer shown on the upper side of FIG. 11, in the circuit based on this configuration, in the reflection characteristic measurement from port 1 to port 1, 470.64 MHz (−31.98 dB) and 500.16 MHz (− It was shown that there is a resonance point at 31.85 dB). Further, in the pass characteristic measurement from the port 1 to the port 2, it was shown that there is an isolation point of 488.05 MHz (−85.11 dB) between the two resonance points.

図12の上側は、図11の500MHz付近(f1、1H核の共鳴周波数)の拡大図であり、同時に30WのRF電力を注入したときの共振位置でのQ値とコイル両端での共振電圧の値を示したものである。また、図12の下側は、図11の470MHz付近(f2、19F核の共鳴周波数)の拡大図であり、同時に30WのRF電力を注入したときの共振位置でのQ値とコイル両端での共振電圧の値を示したものである。 The upper side of FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of 500 MHz (resonance frequency of f1, 1 H nucleus) in FIG. 11, and simultaneously, the Q value at the resonance position and the resonance voltage at both ends of the coil when 30 W RF power is injected. The value of is shown. The lower side of FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of 470 MHz (resonant frequency of f2, 19 F nucleus) in FIG. 11. At the same time, the Q value at the resonance position when 30 W RF power is injected and the both ends of the coil This shows the value of the resonance voltage.

図12から、500MHzでは、Q値が206.3、コイル両端での共振電圧が1089Vとなった。また、470MHzでは、Q値が389.8、コイル両端での共振電圧が1145Vとなった。   From FIG. 12, at 500 MHz, the Q value was 206.3, and the resonance voltage at both ends of the coil was 1089V. At 470 MHz, the Q value was 389.8, and the resonance voltage at both ends of the coil was 1145V.

通常、メインコイルだけで個々にf1を設定して動作させるとき、100%の効率であると仮定すると、同条件で30WのRF電力を注入すると、そのときの発生電圧は〜1400Vとなる。従って、この値から図12で示された誘起電圧を判定すると、本発明の場合は100%効率の場合の〜70%を超え、1つのサンプルコイルに2モードを入れた場合の理論効率が50%(50%電力max)、電圧換算で〜70%であることを考慮すると、本発明では、ほぼ理論値に近い値まで効率が高められていることが分かった。   Normally, assuming that the efficiency is 100% when the operation is performed by setting the f1 individually with only the main coil, when 30 W of RF power is injected under the same conditions, the generated voltage at that time is ˜1400V. Therefore, when the induced voltage shown in FIG. 12 is determined from this value, in the case of the present invention, it exceeds .about.70% in the case of 100% efficiency, and the theoretical efficiency in the case where two modes are put in one sample coil is 50. % (50% power max), considering that it is ˜70% in terms of voltage, in the present invention, it was found that the efficiency was increased to a value almost close to the theoretical value.

コイル間結合に関係する電磁気的要素には、結合キャパシタCとトランスの結合定数Kとがあり、それらは図13と図14に示すような特性にあるので、その最適値を採用することで、本発明は実現される。   The electromagnetic elements related to the coupling between the coils include a coupling capacitor C and a coupling constant K of the transformer. Since these have characteristics as shown in FIGS. 13 and 14, by adopting the optimum value, The present invention is realized.

図13は、ガラス製ボビンの厚みを変えることで静電容量C(コイル間の結合キャパシタ)を変化させた場合の共振特性を示す。図の横軸が結合キャパシタCの値(pF)、左の縦軸が2つのコイルそれぞれの共振周波数(MHz)、右の縦軸が2つのコイル間の共振周波数差(MHz)である。図から共振特性を見ると、f1、f2とも、結合キャパシタCの値が大きくなるほど周波数が低くなる傾向がある。また、f1とf2のギャップは、結合キャパシタCが2pF付近のときに極小値を示すことが分かった。これらの結果から、結合キャパシタCは、f1を1H核(=500MHz)、f2を19F核(=470MHz)に割り当てた場合、1.5pFが最適であることが分かった。 FIG. 13 shows resonance characteristics when the capacitance C (coupling capacitor between the coils) is changed by changing the thickness of the glass bobbin. In the figure, the horizontal axis represents the value (pF) of the coupling capacitor C, the left vertical axis represents the resonance frequency (MHz) of each of the two coils, and the right vertical axis represents the resonance frequency difference (MHz) between the two coils. Looking at the resonance characteristics from the figure, both f1 and f2 tend to decrease in frequency as the value of the coupling capacitor C increases. Further, it was found that the gap between f1 and f2 shows a minimum value when the coupling capacitor C is near 2 pF. From these results, it was found that 1.5 pF is optimal for the coupling capacitor C when f1 is assigned to 1 H nucleus (= 500 MHz) and f2 is assigned to 19 F nucleus (= 470 MHz).

図14は、2つのコイルの角度φを変えることでトランスの結合定数Kを変化させた場合の共振特性を示す。図の横軸が結合定数Kの値、左の縦軸が2つのコイルそれぞれの共振周波数(MHz)、右の縦軸が2つのコイル間の共振周波数差(MHz)である。結合定数Kとは、コイル間の誘導結合の強さを表わすパラメータであり、誘導されるインダクタンスをμとおくと、μ=K√(L1×L2)なる式で表わされる定数である。変圧器のような密結合の場合、K≒1となることが知られている。 FIG. 14 shows the resonance characteristics when the coupling constant K of the transformer is changed by changing the angle φ of the two coils. In the figure, the horizontal axis represents the value of the coupling constant K, the left vertical axis represents the resonance frequency (MHz) of each of the two coils, and the right vertical axis represents the resonance frequency difference (MHz) between the two coils. The coupling constant K is a parameter representing the strength of inductive coupling between the coils, and is a constant represented by the equation: μ = K√ (L 1 × L 2 ) where the induced inductance is μ. In the case of tight coupling such as a transformer, it is known that K≈1.

図から共振特性を見ると、f1は、結合定数Kの値が0.18〜0.19のときに極小値を示し、f2は、結合定数Kの値が0.18〜0.19のときに極大値を示す。また、f1とf2のギャップは、結合定数Kの値が0.18〜0.19のときに極小値を示すことが分かった。これらの結果から、結合定数Kは、f1を1H核(=500MHz)、f2を19F核(=470MHz)に割り当てた場合、0.24が最適であることが分かった。 Looking at the resonance characteristics from the figure, f1 shows a minimum value when the value of the coupling constant K is 0.18 to 0.19, and f2 is when the value of the coupling constant K is 0.18 to 0.19. Shows the maximum value. It was also found that the gap between f1 and f2 showed a minimum value when the value of the coupling constant K was 0.18 to 0.19. From these results, it was found that the coupling constant K is optimally 0.24 when f1 is assigned to 1 H nucleus (= 500 MHz) and f2 is assigned to 19 F nucleus (= 470 MHz).

尚、図14から判断すると、Kの最適値には、0.18〜0.19を挟んで高い方(K=0.24)と低い方(K=0.13)の2つが存在しているが、本実施例があえて高い方のK値を選んだ理由は、K=0.13側の場合、性能が限界値に近く、設計的な余裕が乏しいのに対して、K=0.24側の場合、性能が限界値でないために設計的な余裕があり、設計の際に大きな自由度が取れるためである。   Judging from FIG. 14, there are two optimum values of K, a higher one (K = 0.24) and a lower one (K = 0.13) across 0.18 to 0.19. However, the reason why the higher K value is selected in this embodiment is that when K = 0.13 side, the performance is close to the limit value and the design margin is poor, whereas K = 0. In the case of the 24 side, since the performance is not a limit value, there is a design margin, and a large degree of freedom can be taken in the design.

図15に本発明にかかるNMRプローブの検出コイルの別の実施例を示す。本実施例では、実施例1に較べて共振によって発生する高周波磁界の軸が互いにより大きな角度φだけずらされている点に特徴がある。適切な角度φは±20°以下である。   FIG. 15 shows another embodiment of the detection coil of the NMR probe according to the present invention. This embodiment is characterized in that the axes of the high-frequency magnetic field generated by resonance are shifted from each other by a larger angle φ as compared with the first embodiment. A suitable angle φ is ± 20 ° or less.

図16に本発明にかかるNMRプローブの検出コイルの別の実施例を示す。本実施例では、実施例1と異なり、共振によって発生する高周波磁界の軸を角度φだけずらす方法ではなく、縦軸方向の長さを異ならせる方法によって、近接した2つの周波数f1、f2への二重共振を実現させるものである。   FIG. 16 shows another embodiment of the detection coil of the NMR probe according to the present invention. In the present embodiment, unlike the first embodiment, it is not a method of shifting the axis of the high-frequency magnetic field generated by resonance by the angle φ, but a method in which the lengths in the vertical axis direction are different, so This realizes double resonance.

1H核と19F核の組み合わせではなく、1H核と13C核の組み合わせのような、f1とf2が互いに離れている場合には、図17および図18のように、コイルのインダクタンスL値を異ならせる方法によって、2つの周波数f1、f2への二重共振を実現させることもできる。 When f1 and f2 are separated from each other, such as a combination of 1 H nucleus and 13 C nucleus, instead of a combination of 1 H nucleus and 19 F nucleus, an inductance L of the coil as shown in FIGS. The double resonance to the two frequencies f1 and f2 can also be realized by the method of different values.

図17は、f1に13C核などのLFを割り当て、f2に1H核などのHFを割り当てた例であり、L1>>L2となるようにコイルのインダクタンスL値を設定する。また、図18は、f1に1H核などのHFを割り当て、f2に13C核などのLFを割り当てた例であり、L2>>L1となるようにコイルのインダクタンスL値を設定する。 FIG. 17 shows an example in which LF such as 13 C nucleus is assigned to f1, and HF such as 1 H nucleus is assigned to f2, and the inductance L value of the coil is set so that L1 >> L2. FIG. 18 shows an example in which HF such as 1 H nucleus is assigned to f1, and LF such as 13 C nucleus is assigned to f2, and the inductance L value of the coil is set so that L2 >> L1.

図19に示したネットワークアナライザによる解析図の一例から判断すると、本構成に基づく回路の一例では、125.71MHz(Q〜65)と500MHz(Q〜269)にそれぞれ共振点のあることが示された。また、30WのRF電力を注入した場合のコイル両端での共振電圧の値は、それぞれ1387Vと1651Vと解析された。   Judging from the example of the analysis diagram by the network analyzer shown in FIG. 19, the example of the circuit based on this configuration shows that there are resonance points at 125.71 MHz (Q to 65) and 500 MHz (Q to 269), respectively. It was. In addition, the values of the resonance voltage at both ends of the coil when 30 W RF power was injected were analyzed as 1387V and 1651V, respectively.

尚、上記のデータは、整合用コンデンサを1H核の場合と13C核の場合でそれぞれ再調整することによって得たものである。そこで、整合用コンデンサを1H核の場合と13C核の場合で切り換える切換器を含む変形例や、それをリモートセンシングする機能を備えた変形例なども、本発明の範囲内であることは言うまでもない。 The above data was obtained by re-adjusting the matching capacitor for 1 H and 13 C nuclei, respectively. Therefore, a modification including a switching device for switching the matching capacitor between the case of 1 H nucleus and the case of 13 C nucleus, and a modification having a function of remotely sensing it are also within the scope of the present invention. Needless to say.

NMR装置に広く利用できる。   Can be widely used in NMR apparatus.

1:試料管、2:マグネット、3:室温シム、4:NMRプローブ、5:温度可変装置、6:磁場補正装置、7:コンピュータ、8:表示器、9:デュプレクサ、10:増幅器、11:復調検波器、12:アナログ・デジタル変換器、13:第1の電力増幅器、14:発振器、15:第2の電力増幅器、16:第3の電力増幅器 1: Sample tube, 2: Magnet, 3: Room temperature shim, 4: NMR probe, 5: Temperature variable device, 6: Magnetic field correction device, 7: Computer, 8: Display, 9: Duplexer, 10: Amplifier, 11: Demodulation detector, 12: analog-digital converter, 13: first power amplifier, 14: oscillator, 15: second power amplifier, 16: third power amplifier

Claims (9)

2つの異なる円筒状インダクタンスを同心同軸上に配置して、該インダクタンス間の静電容量結合と磁気結合の値を選定することにより、2つの異なる周波数に共振させるようにしたことを特徴とするNMRプローブの設計方法。 An NMR characterized in that two different cylindrical inductances are arranged concentrically and resonated at two different frequencies by selecting the value of capacitive coupling and magnetic coupling between the inductances. Probe design method. 前記2つの円筒状インダクタンスは、径または長さの異なる2つのヘルムホルツ型サンプルコイルであることを特徴とする請求項1記載のNMRプローブの設計方法。 2. The NMR probe design method according to claim 1, wherein the two cylindrical inductances are two Helmholtz type sample coils having different diameters or lengths. 前記ヘルムホルツ型サンプルコイルは、円筒状絶縁体製ボビンを挟んで金属製のリング電極と対向配置されることにより、所望の周波数にLC共振させることを特徴とする請求項2記載のNMRプローブの設計方法。 3. The NMR probe design according to claim 2, wherein the Helmholtz-type sample coil is arranged to face a metal ring electrode across a cylindrical insulator bobbin so as to resonate at a desired frequency. Method. 前記2つのヘルムホルツ型サンプルコイルは、共振の結果発生する高周波磁場の発生軸の向きを所定角φだけ異ならせることにより、両コイル間の磁気結合の大きさを選定していることを特徴とする請求項2記載のNMRプローブの設計方法。 The two Helmholtz type sample coils are characterized in that the magnitude of the magnetic coupling between the two coils is selected by changing the direction of the generation axis of the high-frequency magnetic field generated as a result of resonance by a predetermined angle φ. A method for designing an NMR probe according to claim 2. 前記所定角φは、0<φ≦20°であることを特徴とする請求項4記載のNMRプローブの設計方法。 The NMR probe design method according to claim 4, wherein the predetermined angle φ is 0 <φ ≦ 20 °. 前記2つのヘルムホルツ型サンプルコイルは、メインコイルとサブコイルに対応づけられ、そのうち、メインコイル側のコイル端は高周波入出力手段に接続され、サブコイル側のLC共振回路は外部回路とつながっていないことを特徴とする請求項2記載のNMRプローブの設計方法。 The two Helmholtz type sample coils are associated with the main coil and the subcoil, of which the coil end on the main coil side is connected to the high frequency input / output means, and the LC resonance circuit on the subcoil side is not connected to the external circuit. The method for designing an NMR probe according to claim 2, wherein: 前記リング電極と対向するヘルムホルツ型サンプルコイルの対向部位の面積を変えることにより、前記静電容量結合の大きさを選定していることを特徴とする請求項3記載のNMRプローブの設計方法。 4. The method of designing an NMR probe according to claim 3, wherein the magnitude of the capacitive coupling is selected by changing the area of the facing portion of the Helmholtz type sample coil facing the ring electrode. 前記ヘルムホルツ型サンプルコイルとリング電極が前記円筒状絶縁体製ボビンを挟んで対向配置されて成る共振コイル複合体を50Ω系で動作させるために、該共振コイル複合体の共振周波数ごとにインピーダンス整合を取るための容量素子を切り換える切換手段を設けたことを特徴とする請求項3記載のNMRプローブの設計方法。 In order to operate the resonant coil complex in which the Helmholtz type sample coil and the ring electrode are opposed to each other with the cylindrical insulator bobbin sandwiched between them, impedance matching is performed for each resonant frequency of the resonant coil complex. 4. The method for designing an NMR probe according to claim 3, further comprising switching means for switching a capacitive element to be taken. 請求項1記載の設計方法で設計されたNMRプローブ。 An NMR probe designed by the designing method according to claim 1.
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