JP2010500603A - 極低温ｎｍｒプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】極低温NMRプローブの熱性能及び真空特性を改善する。
【解決手段】選択された作動温度未満に熱交換器７８により冷却されるコールドヘッドへの伝導性熱移動により熱制御を実施する。パルス状RF電源と連動して、より一定に近い熱負荷を生成するような位置に加熱器８８を配置することにより熱負荷を操作する。加熱電力は共通の熱経路を介して移動される。あるいは、加熱電力は熱交換器７８に対して直接に、伝導により移動される。
【選択図】図２ｂ

Description

本発明はNMR装置の分野におけるものであり、特に、極低温で作動するNMRプローブに関する。

本出願は、Thomas Barbara及びAlexander M.J. Hudsonを発明者とする、「Efficiently Cryo-pumped NMR Cryogenic Probe」と題する米国特許出願に関連する。同出願は本出願と共に出願され、本出願の譲受人に譲渡された。
NMRプローブコイルはRF送信機／受信機を試料核に結合する。RFコイルを極低温で作動させることで、共鳴回路のQが高まり、ジョンソンノイズが大幅に低下するため、非常に高い効果が得られる。これらの要因はNMRスペクトルへの感度を高めるものであり、改善された極低温NMRプローブを実現するための努力に大きな動機を与えてきた。

極低温プローブ内の中心的な構成要素は、「コールドヘッド」（RFコイルに熱的な、及び構造的な支持を与えるプローブ構造内の部分）である。本明細書中において使用されているように、この用語はRFコイル、熱交換器、構造的要素など、選択された作動温度に維持することを意図したものすべてを含んでいる。コールドヘッドは、この選択された作動温度を維持するよう熱調整されていることが望ましい。コールドヘッドの一部を備える熱交換器はコールドヘッドを作動温度よりやや低い温度に冷却し、一方、RF電力をコイルに付与することで環境に熱が加えられ、結果として生じる温度上昇により、熱交換器に対する熱負荷を増加させる。温度調整を可能にするため、冷却剤加熱器を設けて、コールドヘッドにおいて熱交換器に流入する冷却剤の温度を上げる。加熱器の電力を調節することで（あるいは、冷却剤流量を調整することで）、動的な熱平衡を実現する。コールドヘッドの温度調整を狭い範囲で行うことが、多くの理由で必要である。このうち顕著なのが、コールドヘッドの環境中で使用される材料の磁気感度の温度による変化であり、これは、試料の近隣における磁界の乱れや、長時間にわたるデータ取得中の温度の、及び機器の種々のパラメータの安定性の、一時的な変動につながる。こうした乱れの程度によっては、NMRデータの精度が低下する。NMRは、パルスシーケンスに付与されるRF電力が時間変動する状況で、（第2の）分離コイルから実質的なRF電力の付与を受けている状態で、実施する必要がある。磁場不均一性の熱依存により、共鳴線形(resonant lineshape)が拡大する。

また、極低温ポンピングの機構が、冷表面における吸着により残留気体を安定させるために、冷却器内で作動できることも知られている。「冷却板」への残留気体の蓄積が、少なくとも一時的な安定を与え、また励起／脱励起工程からの除去を実現する先行技術において、低温ポンピング機構の有用性が公知である。この工程は飽和可能であり、他のポンピング様式によるポンピングのためにこれらの気体を発散するために、冷却板ポンピング表面を保全の間隔ごとに暖めることができる。これらの残留気体を除去するために、ターボ分子ポンプ、ケミカルゲッター（chemical getters）又はイオンポンピング装置を設けることが一般的である。低温ポンピングの効果は、他の重要な項目の中でも、残留気体と低温ポンピング表面の性質とに依存している。こうした事項は本発明の範囲外である。

上記記載の例示となる先行技術装置の主要部を、図2aに模式的に示す。コールドヘッド70は、熱調整される支持構造及びRFコイル71、コイル形成体（coil former）（図示せず）及び取り付けフランジ70aを備えている。コールドヘッド70は、熱交換器78により、公称の望ましい作動温度であるT₁K（例えば25K）よりやや低い温度T₁−ΔTに冷却される。RF回路へのRFコイル71の連結の詳細は示されていない。また、プローブ冷却器ハウジング80は、室温で試料が導入されるべき壁又は孔82を区画する、環状の形状を有している。

冷却剤流入管84は熱交換器78に冷却剤を供給し、暖められた冷却剤は流出管85を介して廃棄される。コールドヘッドを熱調整するために、熱交換器をT₁Kよりわずかに低い温度ΔTに維持するのに十分な量で冷却剤を流すこと、及び、熱交換器の作動温度をT₁に上昇させるのに十分なように、流入する冷却剤を暖めるために、流入管84の一部と熱交換器78との間に加熱器88を設けることが、先行技術において公知である。このようにして、RF電力の輻射によって生じる熱がコールドヘッド70から除去され、適切な熱センサーに反応して冷却剤を加熱することにより（あるいは、冷却剤流量を減少させることにより）、作動温度が回復される。この先行技術の一例が下記特許文献１に開示されている。

米国特許第2005/0046423A1号公報

発明者は、低温ポンピング機能性の度合いをこの流入管の外部表面において検知したが、この機能性は本発明において改善されている。熱交換器78による冷却剤の受け入れに先立って、流入する冷却剤に熱が加えられる。これは、管84の外部表面で行われる低温ポンピングに対して不利に作用する。低温ポンプされた蒸気（主に水素）はある程度放出されるが、その結果、RFノイズを増加させるという有害な影響を及ぼす。

本発明はこれらの望ましくない特徴の改善に向けられている。

本発明によれば、NMR線形が熱変動から受ける影響を最小にしたいという要望は、コールドプローブ構成要素の熱安定性を改善することにより実現される。この目的のために、コールドヘッド熱交換器に熱を供給する加熱器が、この熱交換器にごく接近して、好ましくは、熱交換器構造それ自体又はコールドヘッドのRFコイル支持構造に伝導可能に接触して、配置される。プローブ冷却器中の残留気体の頑丈で信頼できる低温ポンピング及びコールドヘッドの改善された熱調整が、熱交換器について、加熱器を巧みに配置することにより実現される。

本発明の一実施態様において、加熱器が熱交換器の近傍に配置されており、それによりいくつかの結果が得られる。（a）冷却剤流入管が、加熱器と熱連絡する点の（流入方向の）前で、入口毛管をより一定に近い温度にし、それにより、残留気体の低温安定のために実質的により大きな等温表面が得られる。（b）時間変動するRF負荷をプローブに対して加えたときに、磁気均一性がより安定に保たれる。（c）熱偏移を補正するための反応時間が減少する。

本発明の一実施態様において、非誘導加熱器が、伝導により熱を直接に熱交換器に供給する。別の実施態様において、加熱器と熱交換器との間の流入管の実質的な広がりなしに、実質的に熱交換器の流入口において、熱交換器に流入する冷却剤に熱を移動する。別の実施態様において、適切な電力能力の加熱器が、RFコイルフランジ又は支持構造と直接に（伝導性の）熱連絡という形で、コールドヘッドに直接配置されている。コールドヘッドに適切に配置された熱センサーが、加熱器の制御用の信号を供給する。

本発明の概要を示す模式図である。 先行技術の極低温プローブの模式図である。 本発明の特徴を示す図である。 表1の構成の熱的な違いを示す熱経路図である。 表1の構成の熱的な違いを示す熱経路図である。 表1の構成の熱的な違いを示す熱経路図である。 入口管の低温ポンピング効果を示すグラフである。

図1に、本発明の概要を便宜的に示す。いくつかの実施形態及び図において、同一の参照符号を使用することがある。
図１において、超伝導磁気冷却器（superconducting magnet cryostat）10は孔11を含んでいる。プローブ冷却器20は、孔11と同軸の、同様の外部環状形状を有しており、冷却器20の中央の同軸孔は、図2aに示す試料孔82を区画している。試料（図示せず）は通常、室温又はある選択した温度で検査される。試料は、プローブ冷却器20の内部の低温から熱分離され、z軸に沿って導入される。磁気冷却器10及びプローブ冷却器20は通常、分離され独立した構造であるが、そうでなくてもよい。プローブ冷却器20の冷却は、RF及びDC電力、ならびに制御のための信号とともに、孔11を介してプローブ冷却器20に伝達される。プローブ冷却装置ユニット26は、RF受信-送信ユニット27と同様、公知の設計である。

通常のNMRプローブが分離コイル、及び試料とより密接に結合される受信／送信コイルを含むことを、当業者は理解している。実際、分離コイルは、はるかに大きなRF熱負荷を生成し、極低温プローブの作動における熱特性を限定するのに貢献する。本明細書の目的のために、これらのコイルの間でRF熱負荷源を特定する必要はない。
図2bは、全体として、より改善された極低温プローブ性能を提供するための特徴を示している。ここで、加熱器88はコールドヘッド熱交換器78の近傍に配置されている。プローブ冷却器ハウジング8 0が熱分離用の真空環境を支持している。本発明の特徴は加熱器88の所在であり、それは伝導路によって熱交換器78に熱を直接に供給するために配置されるのが好ましい。一構成において、加熱器88により供給されるエネルギーと、（主に）暖かい冷却剤流出によって熱交換器78から除去される熱との間で、熱平衡が確立される。

好ましい実施形態では、極低温プローブのために、25Kの設計温度での熱平衡が、閉鎖回路He冷却装置及び約4ワットの静止（quienscent）加熱電力により、確立される。熱平衡のこの静止状態は、RFコイル71に加わるRF電力の付与及び除去により乱される。温度センサー79は、RF加熱増分が除去されたときの熱交換器78の温度の低下を検知して、電力を供給し、測定された増分だけ加熱器電流を上昇させることによって熱調整のために反応するよう、調整制御器75に信号を供給する。実際、分離コイルが主要な電力輻射を維持しているのに対し、観測コイルに加えられるRF電力は比較して最小である。

本目的のためには、プローブのコイル中で輻射されるRF電力が非連続の熱源であることを認識するだけでよい。RF電力の付与により、静的熱作動状態へのより速い、非振動の回帰を実現するために熱調整状況に組み込まれるべき予測信号が供給される。予測信号の使用に関するより詳細な考察が、共同譲受した米国特許出願第SN11/260,988号に示されている。

熱交換器78に対する加熱器88の異なる配置を検討した。先行技術の極低温プローブにおいて、加熱器88（この場合、流入する冷却剤を暖めるため）が、図2bでDによって示される位置に、冷却剤流入管に沿って、熱交換器78から約60cmのところに置かれた。流入管84は、0.032インチの内径（i.d.）及び0.050インチの外径（o.d.）のステンレス鋼管である。これにより、非常に高い熱インピーダンスが得られる。

考察される第2の位置（Cと表記）は好都合なことに、コールドヘッド78から約2.35インチ変位され、熱交換器78と熱接触している回路基板102上であった。回路基板102が支持信号調節回路として機能し、また、コールドヘッドの温度に維持される。
図2bに示す第3の位置（Bと表記）は、熱交換器の頂面にある非伝導のチップ抵抗の密接な熱接触で表現される。

第4の位置（Aと表記）はRF（分離）コイル71の支持フランジ70aに位置しており、そこには一対のチップ抵抗がフランジ70aと緊密に熱（伝導）接触して配置されていた。
これらの配置のそれぞれについて、プロトン共鳴が、熱調整の乱れが最小の状態で、600MHｚで観察された。第2の観察は、1.1ワットのCW-RF電力をC¹³共鳴周波数に加えて行われ、熱平衡が再確立され、プロトンピークの半値幅（the width of the proton peak at half height）が補正のフィールドシミングなしに再び記録された。

熱平衡で分離電力を加えた状態で、上述した理由により、共鳴ピーク（600MHｚでの）が拡大される。この拡大は、プローブ構造において熱変化が最小となるように、加熱器が最も直接的に位置するところで最小となる。位置Aにおいて、チップ抵抗中の加熱器電流が拡大にいくらか貢献することがあり得る。このような効果を、チップ抵抗の方位の調節、対又は特別な設計により補正してもよい。

位置A及びB（又はC）は、熱交換器78の、RFコイル（分離器）への／からの伝導熱移動により、それぞれ特徴付けられている。位置Aは、RF（分離器）コイルと同一の熱経路、より正確には同一の熱インピーダンス（図3aのR_fx）を共有していることに特徴がある。位置Bにより熱交換器88への直接の効果的な熱移動が提供されるが、RFコイル71の機械的支持により与えられる有限の熱インピーダンスR_fxは、熱交換器78よりもわずかに高い温度にコイルを維持する。この構成により、熱交換器への熱源の熱連結用の最小の熱インピーダンスが与えられる。以下により詳しく述べるように、位置A及びBにより表される熱源用の手法には微妙な違いがあることに注意されたい。つまり、位置Aにおいて熱負荷の一時的な均一性は不可欠であるが、加熱器88はRF電力が輻射しない間隔中も稼動している。位置Bでは、熱交換器78の直接的な熱調整が作動の特徴であり、コールドヘッド構成要素は熱調整された熱交換器78に単に伝導可能に連結されている。

熱交換器88の直接の温度測定は、この目的に特化した別体の温度センサー99（フィードバックセンサー79と混合しないこと）により、加熱器配置Dにおいて特別なセンサー99で0.25Kの温度変化が生じたことを示している。加熱器配置Aを使用すると、測定される温度変化は0.01Kであった。コールドヘッドの熱交換器への、又はコールドヘッド自体への直接の伝導熱移動は、プローブ構成要素を熱平衡に維持するのに非常に効果的な態様である。

これらの熱構成の比較は、図3a〜図3cの簡略で模式的な見取り図により、よりよく理解される。極低温プローブの熱挙動は、図3a〜図3cに示すように、貯蔵部jとkとの間の実効熱インピーダンスR_jkにより接続される、一連の等温貯蔵部として形成してもよい。貯蔵部jから貯蔵部kへの熱流の量dQ/dtにより、それらの間の温度差ΔT=d/dt(Q)・R_jkが生じる。

本発明の好ましい構成を図3aに（明瞭な表記で）示すが、そこでは熱交換器78に対する直接の熱負荷は、インピーダンスR_AFを介した加熱器88からの（ヌル値に近づく）熱入力Q_DCと、（NMR作動からの）インピーダンスR_CFを介したRF加熱Q_RFとの組み合わせであり、この組み合わされた熱量がR_FXを介して熱交換器78へ流れる。センサー79は別のインピーダンスR_SX（ヌル値に近づく）を介して熱交換器78に連結されてその温度を検知し、従来設計の調整PID制御器を介して加熱器88へのループが閉じられる。

図3bにおいて、構成B（又はC）は、熱交換器78へのインピーダンスR_BX（ヌル値に近づく）を介した加熱器88への伝導性の熱接触という点での相違により、構成Aと区別される。位置Cは単に、ある状況下での設計の利便性のための代替案に過ぎず、そのC配置において熱交換器78と加熱器88との間に別の熱インピーダンスを導入している。
先行技術構成Dは図3cに示すように、加熱器88から実効インピーダンスR_DHを介した流入する冷却剤への、次いでこの暖められた冷却剤からR_XHを介した熱交換器78への、熱交換を特徴としている。インピーダンスR_DHは、追加の熱交換器を必要とする流れる冷却剤への熱交換器を含んでいなければならないであろう。これは、位置A及びB（又はC）の伝導実施形態には必要でない。この場合、閉ざされた調整ループは、冷却剤流による追加の熱移動遅れを包含する。

加熱器の配置は流入管84の外部表面で観察される低温ポンピング機能に影響する。図2aの先行技術装置において、加熱器88は、流入管84を二つの部分（位置Dにおける加熱器88の上方及び下方）に分割する中間位置である、位置Dを占めている。加熱器の上方の位置は上昇された温度に維持されており、ゆえに流入管84の低温ポンピング効能は低下する。RF熱負荷の変化はこの流入管の温度の変化につながり、その際、プローブ作動中に管86及び加熱器本体からの気体が凝縮又は放出される。

図4はこの効果の大きさの例を示すグラフであり、冷却器エンクロージャに連結された残留気体分析器により得られるものである。プローブ真空の継続的な外部ポンピング中、位置Dに対して加えられ維持される加熱電力により、加熱器及び管表面から発散される気体からの強い圧力過剰（a strong pressure transient）が生じる。（この例において、真空の回復は真空コンダクタンスにより制限される。）本発明は、加熱器88を熱交換器と直接に伝導接触させることにより、管84の大部分が、冷却器内にゆきわたっている最低温度において、実質的に等温を維持することを可能にし、それにより追加の低温ポンピング機能を提供し、凝縮された気体を蒸発させる温度過剰（temperature transients）を除去する。

加熱器をプローブの感度の高い領域にごく近接して配置するには、加熱器構成要素に非伝導特性が求められる。例えば、位置A又はBに置かれた加熱器として、Portsmouth Rhode IslandのInternational Manufacturing Services社が提供するIMS026-ｃ-50Jなどの簡単なセラミック基板厚膜チップ抵抗を使用することができる。コールドヘッドから離れた熱源の先行技術配置により、誘導性の熱源が許容されるかもしれないが、利点がないことにも注意されたい。本明細書に記載したように配置された熱源（位置A、B又はC）は非誘導でなければならない。

要約すれば、構成をDからAに変更すれば、熱源と熱交換器78の被加熱体（heated mass）との熱接触が実現し、プローブの熱性能によりよい影響を及ぼす。すなわち、流れる冷却剤という媒体を介した熱移動（構成D）と比べると、伝導関係（特に構成A）により、調整された作動中にプローブコールド構成要素の温度の変化をはるかに少なくできる。
加熱器88をチップ抵抗として記載した。これは本目的のための十分な熱源の排他的な例ではなく、簡単な変形例が認められる。同等の加熱器88（位置A用）が複合体として形成され、（好ましくは）サファイア基板70aに設けられる、分割された加熱器であってもよい。

他の実施形態では、上述したように配置され加熱器88として機能する光吸収体に対して光学的放射を集中させるレーザーなどの光源を利用することができる。別の非共鳴RFコイルを使用することによって、又はコイル71が共鳴に対して活性でない（not active on resonance）ときに同じコイル71（共鳴から比較的離れて調整）を熱源として使用することによってさえ、別の実施形態（位置A又はその同等物用）を容易に実現できる。これらの代替的な熱源が作動して、より一定に近い平均熱負荷を提供し、この熱負荷が、例えばコイル支持フランジ70aなどの、コイル71aと同じ熱インピーダンスによる伝導により、熱交換器に移動される。

本明細書に記載した伝導構成の形状には、（加熱されていない）冷却剤の低温に対する入口管の表面域が大きくなり、ゆえにこの作用による低温ポンピング能力が向上するという、さらなる利点が伴う。
本発明を特定の実施形態及び実施例を参照しながら記述したが、上記教示に鑑みて、当業者であれば他の修正及び変形を考案できるであろう。添付の請求項の範囲内で、特記したのと異なる仕方で本発明を実施してもよいことを理解すべきである。

Claims (14)

1. A) 検査する試料を収容する孔を備える冷却器エンクロージャ（cryostatic enclosure）と、
   B) 前記試料と結合するための共鳴RFコイルと、
   C) 前記RFコイルを熱支持するための手段を備える前記エンクロージャ内に配置され、前記RFコイル用に所望の温度T₁-ΔTを確立する熱交換器を含むコールドヘッドと、
   D) 前記RFコイルの温度をT₁に調節するために、十分な熱量を供給する加熱器とを備える、NMR極低温プローブ。
2. 前記コールドヘッドに対する瞬間的な熱負荷を測定するセンサーと、
   前記センサーに反応して前記加熱器を制御するための調整装置とをさらに備える、請求項１に記載のNMRプローブ。
3. 前記加熱器を、前記熱交換器に直接、伝導熱を伝えるよう配置した、請求項２に記載のNMRプローブ。
4. 熱を、実質的に同一の前記熱支持手段を介して前記熱交換器に移動させるために、前記加熱器を前記共鳴RFコイルの近傍に配置した、請求項２に記載のNMRプローブ。
5. 前記加熱器が、少なくとも一つのチップ抵抗と直流電源とを備える、請求項３に記載のNMRプローブ。
6. 前記加熱器が光吸収器を照明するための光電源を備え、熱を、実質的に同一の前記熱支持手段を介して前記熱交換器に移動するために、前記光吸収器を前記共鳴RFコイルの近傍に配置した、請求項４に記載のNMRプローブ。
7. 前記加熱器が光吸収器を照明するための光電源を備え、前記光吸収器が前記熱交換器に対して伝導関係に配置される、請求項４に記載のNMRプローブ。
8. 前記加熱器がRF電力を輻射するための第2のRFコイルを備え、前記第2のコイルは前記試料に結合されていない、請求項４に記載のNMRプローブ。
9. 前記加熱器が、前記共鳴RFコイルと、前記共鳴RFコイルをオフ共鳴に整調するための離調手段とを備える、請求項２に記載のNMRプローブ。
10. 前記RFコイルが前記コールドヘッドにより機械的に支持される、請求項２に記載のNMRプローブ。
11. RF電力輻射からの熱偏移を受ける極低温NMRプローブの改善された熱制御のための方法であって、
    a）前記NMRプローブのハウジングの内部を吸引するステップと、
    b）前記NMRプローブのコールドヘッドの熱交換器を、その選択された作動温度T₁を下回る温度T₁−ΔTに冷却するステップと、
    c）前記コールドヘッドの温度を継続的に検知し、その際、前記熱偏移に応じて、前記温度がT₁−ΔTからT₁より高い温度までの範囲で変動するステップと、
    d）前記検知ステップに応じて、選択された熱量を加熱器に供給し、前記選択された熱量は、前記コールドヘッドの前記温度を前記その選択された作動温度に上昇させるステップと、
    e）前記選択された熱量を前記加熱器から前記コールドヘッドに伝導により移動させて前記温度上昇を実現し、それにより、改善された熱制御により前記コールドヘッドの磁気感度の安定性が改善されるステップとを備える、方法。
12. 前記移動ステップｅ）が、前記熱偏移を受ける前記同一の熱インピーダンスを介して前記熱交換器に前記熱量を伝導することを含み、その際、前記コールドヘッドの熱負荷の変動が最小化される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記移動ステップｅ）が、前記熱量を直接に前記熱交換器に伝導することを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記冷却ステップｂ）が、前記吸引されるハウジング内の残留気体にさらされる外部表面を有する管を介して、冷却剤をコールドヘッドに流すことを含み、その際、前記表面の大部分が、低温ポンピングにより前記気体の一部を安定させるために伝導性の温度を維持する、請求項１３に記載の方法。