JP2010513924A - 電界シールドを有し、冷却された常伝導金属およびｈｔｓｎｍｒプローブコイル - Google Patents

Abstract

【課題】試料を貫通する電界を低減することができるNMRプローブおよび核磁気共鳴方法を提供する。
【解決手段】NMRプローブコイル巻き線内の電位差により生じるRF電界は、NMR試料および試料管を貫通し、NMR分光において、感度を損ない、ノイズを増加させる場合がある。NMRプローブコイルの巻き線のごく近傍にあり、横断するコイル巻き線の方向に直角に向けられた導電片は、RF電界に無視できるほどの影響しか与えずに、これらの電界に代替的な経路を提供し、それによりNMRプローブの感度を向上させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、極低温のプローブコイルを用いた極低温の核磁気共鳴（NMR）プローブを使用するNMR技術に関し、特に、高温超伝導（HTS）材料を使用するものに関する。

NMRは、分子構造を分析するための効果的な技術である。しかし、構造分析用の他の技術に比べて、感度の低い技術でもある。最大の感度を得るために、NMR磁石および分光器は、高い磁場強度で作動するように設計されており、冷却された常伝導金属の送信／受信コイル、または、好ましくはHTS材料で形成された送信／受信コイルを使用した、極低温で作動する、低ノイズのプリアンプおよびRFプローブコイルを使用している。送信／受信コイルは、核を励起して試料からのNMR反応を検知するプローブコイルであり、それゆえに、高感度を提供するために、試料の非常に近くに置かれる。HTSコイルは、最も高い品質係数Qを有しており、最も優れた感度を生み出す。

米国特許第6,411,092号明細書

¹³C、¹⁵Nおよび³¹Pなどの低ガンマ核を検知するために使用される多重巻きらせんコイルに関して、試料付近のらせんコイルのターン（巻き）からの電界が試料を貫通し、誘電損失を引き起こし、ノイズを増加させる場合がある。試料を貫通する電界はまた、コイルの離調と、試料位置の関数としての共鳴周波数とを引き起こす。スピンしている試料では、この離調が、擬似的なスピンの側波帯につながる場合がある。

本発明は、コイルが試料の最近傍にある領域に置かれた冷却された金属またはHTSシールドの使用に関する。RF電界は、HTSコイルの隣接するターンと近くのターンとの間の電位差から生じる。本発明は、NMR反応を引き起こすRF磁場に対する影響を最小化しながら、試料をこれらの電界から遮断（シールド）することにより、この問題を低減または回避する。シールドは、電界線用に代替的な経路を提供する。この経路は、試料の容積と交差しない。

先行技術に係るHTS NMRプローブコイルアセンブリを示す。 本発明に係るNMRプローブコイルアセンブリの要部を覆うRF電界シールドを示す。 NMRプローブコイル巻き線とシールドとの空間的関係を示す図である。 HTSプローブコイルアセンブリおよび関連する電界シールドアセンブリを使用した極低温に冷却されたNMRプローブを示すブロック図である。 NMRプローブコイル巻き線の全領域を覆うRF電界シールドの図である。 図5のシールドとNMRプローブコイル巻き線との空間的関係を示す図である。 電界シールド片を有する極低温の常伝導金属NMRプローブコイルの斜視図である。

本発明の上記の局面および利点は、以下の詳細な説明を、添付図面とともに参照することにより、よりよく理解されるであろう。
NMRプローブコイルは、試料にRF磁場を印加して、核スピンを励起し、核スピンの反応を検知する。
RF電流がNMRプローブコイルの巻き線を通って流れるとき、RF磁場が試料に発生する。コイルに発生したRF送信電流は、試料中で共鳴を励起するRF磁場を生成する。このRF磁場Bは、関連するRF電界Eを有している。このRF電界Eは、マクスウェルの方程式curl E = -dB/dtを使用して計算することができる。このRF電界からの損失を最小化するために、NMRプローブは、このRF電界が最小になる、またはゼロを通過する領域に試料が存在するように設計されている。

RFコイルの巻き線の間の電位により発生する、電界の別の成分がある。このいわゆる保存電界は、RFコイル巻き線のターンの電位差から生じる。電界のこの成分Ecは、条件curl Ec = 0に従う。これは、生成するのに時間導関数を必要としないため、静電界と呼ばれることがある。電界のこの成分は、試料または試料管を貫通すると、エネルギー損失を引き起こす場合がある。送信中およびスピン分離実験中に、これらの損失は、試料の望ましくない加熱を引き起こす場合がある。受信段階で、NMR信号により誘導された電流もまた、RFコイルプローブの巻き線の間に電位を生じさせ、試料の容積を貫通する電界を引き起こすため、Qの損失が生じ、感度が低下する。試料は通常、室温またはその近くであり、プローブコイルは非常な低温であるため、この電界結合を通じて、ノイズ電力もまた、RFプローブコイルに導入される。この損失は、試料とRFプローブコイルとの間の電界結合に比例しており、試料の誘電正接損失または放散係数および試料管の材料およびイオン性の試料の導電率に依存している。

上述した実施形態は、NMR試料および試料管を貫通する保存電界成分を除去または最小化することにより、これらの損失を最小化する。電界シールドは、電界成分のために代替的な好ましい経路を提供することにより、電界のこの成分を最小化する。本発明の電界シールドは、RFプローブコイルの巻き線付近に配置された導電片であって、コイルの巻き線に垂直に向けられた一連の導電片を備えている。これらの片は、プローブコイルの隣接したおよび隣り合った巻き線の間の電位差から生じるRF電界成分のために、代替的な経路を提供する。試料を貫通するRF磁場に片が与える影響は、無視できるほどのものである。本発明の第2の利点は、試料の誘電率により導入される周波数偏移が減少することである。試料がスピンしている場合、これは重要である。本発明を、HTSプローブコイルおよび冷却された常伝導金属のプローブコイルに適したシールド設計を有するものとして、以下に説明する。

実施形態を、極低温プローブ用として記載する。すなわち、試料にRF磁場を印加し、試料により生成される応答RF場を受信するRFプローブコイルが、極低温まで冷却されるプローブである。現在の超伝導体にとって、これは必要である。なぜなら、それらは、室温に近い温度で超伝導特性を失うからである。将来、室温付近で作動するHTS材料が発見されるかもしれない。本発明は、極低温でないコイルであって、超伝導材料だけでなく常伝導金属からなるものをも含むことを意図している。

図1は、試料にRF場を印加して核スピンを励起し、次いで試料中の核スピンの反応を受信する、先行技術のHTS NMRプローブコイルアセンブリ100を示している。通常、コイル巻き線102は、イットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）などの高温超伝導（HTS）材料からなっている。HTS材料は、サファイアなどの電気的に絶縁された平面基板104上に、スパッタ、蒸着または他の方法により堆積される。NMRプローブでは、2つのプローブコイルアセンブリが、試料管の両側において1つずつ使用される。各基板は、平面基板の領域106において、熱交換器に取り付けられている。熱交換器（図4に示す143）は、プローブコイルアセンブリ100の冷却および温度制御を行う。磁力によりコイル巻き線と結合され、NMR分光計に電気的に接続されている結合ループ（図示せず）は、RFエネルギーを供給してNMR共鳴を励起し、試料材料からコイルへ誘導された反応を受けて、それを、処理、記録および表示するために分光計へ送信する。

HTS NMRプローブでは、試料管は通常、平面基板104の各端面と平行な管の長軸を有する円筒管である。試料管は、点線枠108で示した領域において、コイル巻き線102に非常に近接して延びている。この領域において、隣接したおよび隣り合った巻き線の間の電位差が、隣り合った試料管およびNMR試料を貫通する電界を生成し、損失を生じさせる。コイル巻き線102と試料管との間であろうと、またはコイル巻き線102に隣接した試料管と反対の側であろうと、この感度のよい領域に電界シールド片（図2の123）を配置することで、NMR試料および試料管を貫通する保存電界が低減または除去されることになる。

図2は、本発明に係る電界シールドアセンブリ120を示している。これは、平面誘電体基板124上に堆積されたHTS材料からなる一連のシールド片123を備えている。シールドは、領域126において、熱交換器に熱的に結合されるよう設計されている。図3に示すように、シールドアセンブリ120は、プローブコイルアセンブリ100に隣接して取り付けられている。アセンブリ100もしくは120もしくはその両方の誘電体基板または他の不導体が、シールド導電体を巻き線から絶縁している。あるいは、シールド片123は、HTS巻き線として、同じ基板（ただし、当該基板の反対側）に形成されていてもよい。

図4は、試料管141とNMR試料142とを有する極低温冷却プローブ140のブロック図である。プローブ140は、アルミニウムなどの非強磁性材料からなる外部シェル144と、例えば石英ガラスからなる内部誘電管145とを有している。外部シェル144および誘電内部管145は、真空密封空間146を形成している。この空間は排気されていて、暖かい試料および試料管から、冷却コイルアセンブリ100およびシールドアセンブリ120を良好に断熱している。RFプローブコイルアセンブリ100は、試料管141の各側に取り付けられており、それぞれが熱交換器143と熱接触している。熱交換器143は、内部管145を囲んで、試料管141の両側でコイルアセンブリを冷却している。RFプローブコイルアセンブリおよび電界シールドアセンブリの冷却は、冷却ガス源147によって行われる。HTSプローブコイルアセンブリ100および電界シールドアセンブリ120は通常、20Kの範囲の温度に冷却される。冷却ガスは、冷却ガス移送管148により、熱交換器143へと、および熱交換器143から、流れる。冷却ガスを冷却ガス源147から供給する管は、プリアンプおよびT／R（送信／受信）スイッチ149から断熱されているが、部分的に消費されたガスを戻す管は、プリアンプおよびT／Rスイッチ149と熱接触しており、それを通常80Kの範囲の低温に冷却している。あるいは、2つの冷却ガス連結ループを使用してもよく、1つはRFコイルアセンブリ100、120および152を冷却し、1つはプリアンプおよびT／Rスイッチ149を冷却する。

試料管141の各側には、シールドアセンブリ120が、プローブコイルアセンブリ100に隣接して取り付けられている。図では、シールドアセンブリ120は、試料管141に対してプローブコイルアセンブリ100の反対側に示されているが、代わりに、試料管とプローブコイルアセンブリ100との間に配置されていてもよい。上述したように、代わりに、コイル巻き線およびシールド片123が、いずれかの側を試料に向けた状態で、同じ基板上に設けられていてもよい。

RFプローブケーブル150は、RF電力をコイル巻き線102へ、そしてNMR反応信号をプリアンプおよびT／Rスイッチ149へ送信する。プリアンプおよびT／Rスイッチは、ケーブル153を介して分光計（図示せず）から伝送電力を受け取り、ケーブル151を介して分光計（図示せず）へと、増幅されたNMR信号を送る。
追加のHTSコイルアセンブリ152は、関連する電界シールドを有していてもよく、複数種の核についての能力を提供する。分光計から追加のコイルアセンブリへと信号を送信するために、追加のケーブルを使用してもよい。

いくつかの場合、特に、試料および試料管が大きく、図1の巻き線102と同程度の幅の場合、試料および試料管を貫通する望ましくない電界が、上部および底部からだけでなく、巻き線102の側方からも発生することがある。こうした場合、巻き線102の周囲全体に電界完全シールドを設けることが有利である。図5は、完全電界シールドアセンブリ160を示している。このシールドアセンブリは、図1の巻き線102全体を試料および試料管から遮断（シールド）する一連のHTS片162を備えている。図6に示すように、これらの片は、横断している巻き線の部分（セグメント）に直角な向きとされている。片は、平面誘電体基板164に取り付けられている。シールドアセンブリ120について上述したのと同様に、シールドアセンブリ160は、そのコイルアセンブリ100に対して異なる位置において、プローブ140（図4）中に取り付けることができる。あるいは、完全シールドアセンブリのHTS片162は、図1の同じ平面基板104に対して、巻き線102の反対側に取り付けてもよい。

図7は、円筒管181の形状の基板に取り付けられたサドル（鞍型）コイル巻き線182を有する、極低温冷却NMRプローブコイルアセンブリ180の斜視図である。サドルコイル巻き線182は、ワイヤ、または銅もしくはアルミニウムもしくは米国特許第6,411,092号に記載の被覆金属箔などの金属箔のいずれかで形成されている。コイルボンディングパッド183に接続されたワイヤにより、コイルは、チューニングおよびマッチング構成要素（図示せず）に電気的に結合されている。円筒管181は、サファイアなどの熱伝導性の高い材料で形成されており、ブラケット186を介して熱交換器（図4の143）に取り付けられている。ブラケット186は、円筒管181に熱的に結合された垂直部材187と、熱交換器（図4の143）に熱的に結合された水平部材188とを備えている。電界シールド184は、横断している巻き線182の方向に直角に向けられたワイヤまたは箔の短片からなっている。シールドは、サドル巻き線の2つの側の水平方向の縁と重なり合っている。通常、サドルコイル巻き線182は、円筒管181の外側に取り付けられており、電界シールド184は、円筒管181の内径に取り付けられている。あるいは、サドルコイル巻き線182が円筒管181の内側に、電界シールド184が円筒管181の外側に取り付けられていてもよい。

本発明の精神および範囲内で、多数の変更が可能であることを、当業者は理解するであろう。本発明の範囲は、上述した具体例によってではなく、添付の特許請求の範囲によって限定される。

100 プローブコイルアセンブリ
102 コイル巻き線
104 平面基板
106 熱交換領域
108 点線枠
120 電界シールドアセンブリ
123 シールド片
124 誘電体基板
125 熱交換領域
140 極低温冷却プローブ
141 試料管
142 NMR試料
143 熱交換器
144 外部シェル
145 内部管
146 真空密封空間
147 冷却ガス源
148 冷却ガス移送管
149 プリアンプおよびT／Rスイッチ
150 RFプローブケーブル
151 RF分光計ケーブル
152 追加のHTSコイルアセンブリ
153 RF送信ケーブル
160 完全な電界シールドアセンブリ
162 シールド片
164 平面基板
180 極低温冷却プローブアセンブリ
181 円筒管
182 サドル（鞍型）コイル巻き線
183 ボンディングパッド
184 電界シールド
186 ブラケット
187 垂直部材
188 水平部材

Claims (10)

1. 平面基板の表面にパターン形成され、NMR試料管に近接している複数の巻き線RFコイルを有するNMRプローブであって、
   導電性の材料の複数の片により形成されたRF電界シールドであって、前記平面基板の反対表面に、またはそれに隣接した別の平面基板に配置され、RF電磁場を生成する前記RFコイルの少なくとも一対の隣り合った巻き線に隣接する領域に位置しているRF電界シールドを備え、
   前記片の縦方向の軸は、前記少なくとも一対の隣り合った巻き線の方向に対して実質的に垂直な方向に向いている、NMRプローブ。
2. 前記RF電界シールドが、前記RFコイルと前記NMR試料管との間に位置している、請求項1に記載のNMRプローブ。
3. 前記RFコイルが、前記RF電界シールドと前記NMR試料管との間に位置している、請求項1に記載のNMRプローブ。
4. 前記RFコイルの前記巻き線および前記RF電界シールドが、HTS材料で形成されている、請求項1に記載のNMRプローブ。
5. NMR試料管に近接している複数の巻き線RFコイルを有するNMRプローブであって、
   常伝導金属からなる複数の片で形成され、円筒形の誘電体基板の外面に固定されたRF電界シールドであって、RF電磁場を生成する前記RFコイルの少なくとも一対の隣り合った巻き線に隣接する領域に位置しているRF電界シールドを備え、
   前記片の縦方向の軸は、前記少なくとも一対の隣り合った巻き線の方向に対して、実質的に垂直な方向に向いている、NMRプローブ。
6. 前記RFコイルの前記巻き線が、前記円筒形の誘電体基板の内面に取り付けられたサドルコイルを形成している、請求項5に記載のNMRプローブ。
7. NMR試料管の近傍に位置する第1の平面基板の一方側にパターン形成された複数の巻き線RFコイルを有するNMRプローブ内に配置された前記NMR試料管を貫通する電界を減少させる核磁気共鳴法であって、
   前記RFコイルの少なくとも一対の隣り合った巻き線が前記NMR試料管の近傍で電界を発生させる領域において、前記第1の平面基板の反対側に、または、前記第1の平面基板に隣接して配置された第2の平面基板に、一連の導電片を配置することにより、かつ、前記片を前記少なくとも一対の隣り合った巻き線の方向に垂直な方向に向けることにより、RF電界シールドを形成するステップを含み、
   前記巻き線により生成された前記電界は、前記RF電界シールドに沿って、前記NMR試料管から離れるように案内され、
   前記片の縦方向の軸を、前記RFコイルの前記少なくとも一対の隣り合った巻き線の方向に垂直な方向に向けるステップをさらに含む、核磁気共鳴方法。
8. 前記片および前記RFコイルを、HTS材料から製造するステップをさらに含む、請求項7に記載の核磁気共鳴方法。
9. 前記RF電界シールドを、前記RFコイルと前記NMR試料管との間に配置するステップをさらに含む、請求項8に記載の核磁気共鳴方法。
10. 前記RFコイルを、前記RF電界シールドと前記NMR試料管との間に配置するステップをさらに含む、請求項8に記載の核磁気共鳴方法。

Images