JP2017009579A - 吸引装置を備えるｍａｓステータ - Google Patents

Abstract

【課題】閉鎖手段を必要としない安定な回転のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドを提供する。【解決手段】少なくとも１つのノズルを有する下部軸受８と、少なくとも１つのラジアル軸受９ａ、９ｂとを備えており、測定物質を受け入れるように設けられた１つの略円筒形のＭＡＳロータ２１ｃをガス供給装置によってＭＡＳステータの内部の測定位置に圧縮ガスによって支持し、空気による駆動によってＭＡＳロータの円筒の軸を中心にして回転させることができる、ＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド用のＭＡＳステータ７は、吸引装置１００が、ガス供給装置によって導入されるガスを吸い出すためにラジアル軸受の下方の空間に設けられ、測定作業中にラジアル軸受の下方の空間にＭＡＳステータの周辺の大気に対する負圧を生み出すように設計されている。【選択図】図２

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）マジック角回転（ＭＡＳ）プローブヘッド用のＭＡＳステータに関し、少なくとも１つのノズルを有する下部軸受と、少なくとも１つ、特に正確には２つのラジアル軸受とを備えており、略円筒形のＭＡＳロータは測定物質を受け入れるように設けられ、ＭＡＳロータは、ＭＡＳステータの内部の測定位置において、ガス供給装置を用いて圧縮ガスによって支持され、空気による駆動によってＭＡＳロータの円筒の軸を中心にして回転され得るＭＡＳステータに関する。

この形式のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドは、特許文献１に開示されている。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光法は、特に試験サンプルの化学組成を決定するための計器による分析の方法である。ここで、高周波（ＲＦ）パルスが強力な静磁場内に配置された試験サンプルに照射され、サンプルの電磁反応が測定される。

固体ＮＭＲ分光法においては、異方性の相互作用に起因するスペクトル広がりを軽減するために、通常は、ＮＭＲサンプルが、分光測定の際に静磁場に対して約５４．７４°のいわゆる「マジック角」という位置において回転させられる（「ＭＡＳ」＝マジック角回転）。この目的のため、サンプルは、ＭＡＳロータに充てんされる。ＭＡＳロータは、１つ又は２つのキャップによって閉じられる円筒形の管であり、上側のキャップには、羽根要素（「小さなインペラ」）が設けられる。

ロータについて、２つの変種が存在する：
１．ロータは、止まり穴を有する。開いている側は、上述のキャップによって閉じられる。
２．ロータは、貫通穴を有する。これらは主として、いわゆる「小型システム」である。上部に上述のキャップを有し、（少なくとも本出願の出願人、すなわちＢｒｕｋｅｒグループ会社のロータの場合には）平坦な底部を有する下部用のキャップをさらに有する。

ＭＡＳロータはＭＡＳステータ内に配置され、ＭＡＳロータは、羽根要素を介してガス圧によって駆動されて回転する。ＭＡＳロータとＭＡＳステータとからなる物はＭＡＳタービンと呼ばれる。

ＮＭＲ測定の際に、ＭＡＳタービンは、ＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド内に配置される。プローブヘッドは円筒形の遮へい管（「管」とも略される）を備え、また通常は、ベースボックスを備える。管は、高周波（ＲＦ）電子部品、特にＲＦ共振コイルとＭＡＳタービンとを収容し、ＭＡＳタービンは、ベースボックスから遠ざかる方を向いた管の端部の領域に配置される。プローブヘッドの遮へい管は、一般的に、超電導磁石の垂直な室温ボアへと下方から挿入され、フック、支持体、ねじ、などを用いて位置決めされ、保持される。したがって、ＭＡＳタービンは、磁石の磁気中心に直接的に配置される。

単純なプローブヘッドを使用して測定対象の物質で満たされたＮＭＲプローブ又はＭＡＳロータを交換するためには、プローブヘッドを磁石から取り出す必要がある。すなわち、プローブヘッドを室温ボアから取り出さなければならない。この目的のために、ユーザは、磁石の下方で膝をつき、ホルダ及びケーブルの接続を外し、磁石から滑り出るプローブヘッドを回収する。プローブヘッドの取り出しも、あるいは磁石へのプローブヘッドの再挿入も、プローブヘッドの金属部分、特には遮へい管に誘起される渦電流、並びにプローブヘッドの自重のために、相当な力が必要とされうる。安全上の理由で、プローブヘッドの製造業者は、プローブヘッドの取り出しを２名の人間が協働して行うことを要求している。次いで、取り出したプローブヘッドにおいて、ロータを手作業で取り換えることができる。ロータを変更する際、したがって磁石内にプローブヘッドを新たに配置する際、通常は新たなシミングが必要であり、したがってこの全体としての手順は比較的複雑になる。

特許文献２が、磁石の内部からプローブヘッド又は試料マガジンを取り出すことなくガス圧の作用によってＭＡＳステータ内のサンプルの複数回の交換が可能であるように、プローブヘッドのＭＡＳステータの直近に位置する回転可能な試料マガジンを開示している。

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｔｙｎｍｒ．ｃｏｍ／ＰＤＦ／ＣｒｙｏＭＡＳ＿ＥＮＣ０５．ｐｄｆにおいて２００８年１０月９日にインターネット上でアクセス可能となったＥＮＣ ２００５，Ｐｒｏｖｉｄｅｎｃｅ，Ｒｈｏｄｅ Ｉｓｌａｎｄ，ＵＳＡにおいて提示されたＳｈｅｖｇｏｏｒらの技術ポスター「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ＣｒｙｏＭＡＳ（登録商標）ＨＲ−ＭＡＳ−ＭＡＧ ＮＭＲ Ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−ｆｉｅｌｄ ＷＢ Ｍａｇｎｅｔｓ」，Ｓｉｄ Ｓｈｅｖｇｏｏｒ ｅｔ ａｌ．，Ｄｏｔｙ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｃｏｌｕｍｂｉａ，ＳＣ，ＵＳＡ（非特許文献１）が、ＭＡＳロータのためのリフトシステムの使用を開示している。搬送ラインが、ベースボックスから遠ざかる方を向いているプローブヘッドの管の端部へと接続され、磁石の室温ボアを通って上方に、磁石の外へと導かれている。ガス圧を使用して、ＭＡＳロータを、搬送ラインを通って、磁石内に取り付けられたプローブヘッドのＭＡＳステータへと運ぶことができ、また、ＭＡＳロータを、ＭＡＳステータの外へと上方向にプローブヘッドから運び出すこともできる。

種々のＭＡＳロータの間の迅速な交換を可能にして、これによって、さらにＲＦ遮へいを容易にし、所定の極端な温度条件を保つために、特許文献３は、ベースボックスと、ベースボックスに取り付けられ、ベースボックスを越えて突き出している管を備えるプローブヘッドを開示している。ＭＡＳロータを受け入れるためのＭＡＳステータが、管内において、ベースボックスから遠ざかる方を向いた管の端部の領域に配置されている。搬送ラインが、ＭＡＳロータを空気圧によって移動させるために設けられ、搬送ラインは、管の内部においてベースボックスからＭＡＳステータへと延びている。しかしながら、この従来からの構成の前部軸受は、上述の形式の一般的なプローブヘッドと同様に、下部軸受と前部軸受との間の空間へとＭＡＳロータを挿入するための閉鎖装置を用いて閉じることができる開口を、有していない。この理由で、ロータの交換が、閉じられたプローブヘッドにおいては不可能である。

特には、直径が１．９ｍｍ以下（直径≦１．９ｍｍ）であるＭＡＳロータは、回転を安定にするために両側において閉じられる必要がある。

ロータの交換を自動化するために、上述の引用文献、すなわち特許文献１は、ロータをステータ内へと移動させることができる、ＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドのＭＡＳロータを移動させるための搬送ラインを提案している。やはり特許文献１に開示されているように、ステータは、回転を安定にするためにロータの上側に追加の閉鎖具を備えている。下部軸受のベルヌーイ力を、ロータを所定の位置に維持するうえで充分には当てにできないため、特には２．５ｍｍ未満の直径を有するＭＡＳロータにおいて、問題が生じる可能性がある。

特許文献４が、ガスによって駆動されるＮＭＲ ＭＡＳプローブロータ（プローブ回転部分）のためのアキシャル・ベルヌーイ・ガス軸受であって、回転成分の少ない流入物が円錐形のロータ端部を介して内部へと流れるガス軸受を開示している。円錐形の貫通流領域が、このロータ端部と円錐形のステータ軸受面との間に形成される。ここに示されているステータは、自動化されたロータの交換に特に適する。特許文献４は、直径が小さなロータに特に適するか否かを説明していない。ベルヌーイ軸受から排出されるガスも、開示されていない。

特許文献５が、測定コイルが冷却されたＨｅフィンガによって温度制御されるＣｒｙｏＭＡＳサンプルのためのステータを開示している。しかしながら、試験サンプルを、室温範囲の周辺の温度で測定することができる。これも空気による駆動であり、したがってスピナが気密に封止され、駆動及び軸受用のガスの供給が測定の電子機器の冷却領域へと到達することがないようにされる。これを防止するために、ステータへと吹き込まれるガスは、排気システムを介して再び排出される。ガスの排出を、０．５〜２ｂａｒの間の圧力において試験サンプルの回転挙動を最適化するように調節することができる（第６欄第３２行目〜第３７行目を参照）。しかしながら、システムが、３ｍｍ未満という極めて小さい直径を有するロータに適するのか否か、また、適する場合はどのように適するのかが説明されていない。２〜８ｋＨｚ又は３００Ｈｚ〜３０ｋＨｚの間の回転速度も言及されているが、これは「大型の」システムを示している。実際に、小型のロータほど高い周波数で回転させられ、制限因子はロータの外面において音速である。実際に、２．５ｍｍのロータは約３５ｋＨｚで、１．９ｍｍのロータは約４２ｋＨｚで、１．３ｍｍのロータは６７ｋＨｚで動作させられる。

ＮＭＲ測定中に、ＭＡＳロータは、一般的に、摩擦損失を少なくすることによって高い回転速度を達成するために、ガス軸受を用いてステータ内に支持される。少なくとも１つのラジアル軸受及びアキシャル軸受として設計された１つの下部軸受が、この目的のために用いられる。径方向における高いガス速度ゆえに、下部軸受は、高い動圧を静圧の低下と同時に生じさせ、これが軸方向の力、すなわちベルヌーイ力を生じさせ、これがロータをステータ内に保持し、エアクッション上で浮動させる。しかしながらこれは、実際には、直径が２．５ｍｍを超えるＭＡＳロータにおいてのみ生じる。これは実際に、すべてのＭＡＳシステムに理論的に当てはまる。しかしながら、より小さいシステムにおいては確実に機能しない。これはおそらくは、ロータの質量が小さいこと、及び下部軸受の表面が小さいために保持力が小さいことに起因し、したがって対向の軸受が閉鎖具として必要とされる。

この問題は、上述の文献、すなわち特許文献１において、スライド機構を介して操作することができる閉鎖具を設けることによって解決されている。しかしながら、この技術的解決策は、温度が変化するときの材料の特性に起因して、特には冷却されたサンプルに関して限られた程度しか適しておらず、さらには実行及び調節に関して非常に多くのことが要求される。さらには、この構成は、特にはＳＢ（「標準ボア」）に関して限られている空間を大量に必要とする。また、垂直位置へと裏返すときに邪魔になる。

独国特許第１０ ２０１３ ２０１ １１０号Ｂ３明細書 独国特許出願公開第３８ １８ ０３９号Ａ１明細書 独国特許第１０ ２００８ ０５４ １５２号Ｂ３明細書 独国特許出願公開第１１ ２００５ ００２ ５８２号Ｔ５明細書 米国特許第７，９１５，８９３号Ｂ２明細書

「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ＣｒｙｏＭＡＳ（登録商標）ＨＲ−ＭＡＳ−ＭＡＧ ＮＭＲ Ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−ｆｉｅｌｄ ＷＢ Ｍａｇｎｅｔｓ」，Ｓｉｄ Ｓｈｅｖｇｏｏｒ ｅｔ ａｌ．，Ｄｏｔｙ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｃｏｌｕｍｂｉａ，ＳＣ，ＵＳＡ

これと対照的に、本発明の根底にある目的は、上述の閉鎖手段を必要としない安定な回転の上述の形式のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドを提供することにある。このシステムは、自動化可能であり、すなわちステータの上端の機械的な閉鎖具を必要とせず／磁石からヘッドを取り外す必要なく、試験サンプルの交換を可能にする。

この目的は、上述の形式のＭＡＳステータであって、ガス供給装置によって導入されるガスを吸い出すための吸引装置が、ラジアル軸受の下方の空間に設けられ、測定作業中にラジアル軸受の下方の空間にＭＡＳステータの周辺の大気に対する負圧を生み出すことができるように設計されることを特徴とするＭＡＳステータによって達成される。

本発明は、ステータの上端に閉鎖具を有さず、したがってステータに容易且つ容易に自動化可能な方法でロータを供給することができるＮＭＲ−ＭＡＳ分光法のためのステータを提供する。

注入されたガス流の吸引による抽出は、下部軸受へと向かうロータへの軸方向の力を増大させる。吸引装置によってもたらされる技術的効果は、とりわけロータの回転特性が顕著に改善される点にある。したがって、特には、より小さいロータ（２．５ｍｍ、１．９ｍｍ、１．３ｍｍ、０．７ｍｍ、あるいは０．２ｍｍ）を、閉鎖具を備えずに、極端な場合にはまさに上端が閉鎖具を有さないがゆえにロータの放出につながりかねないロータの軸方向の移動を伴うことなく、恒久的に動作させることができる。

この理由で、閉鎖具を取り外すことなくサンプルを交換することができる。

ベルヌーイ効果に起因するアキシャル下部軸受への保持力は、理論的には、小さいロータについても充分なはずである。しかしながら、実際には、例えば不均衡、上昇時の過渡プロセス、又は干渉する周波数などの動的な作用が、役割を果たす。これらの作用は、下部軸受からのロータの分離に影響を有する。より大きなロータの場合、干渉の作用は、ロータの質量が大きいことによって補填され、すなわち軸受との力の均衡がより迅速に達成される。

本発明の好ましい実施の形態
ロータは、少なくとも１つのラジアル軸受によって心出しされる。ラジアル軸受は、外側からロータへと径方向にガス流を導く複数のガスノズル（一般的には、５〜８個のノズル）を備える。一般に、ガスノズルは、１５０〜３００μｍの直径を有する。

さらに、システムは、平坦なロータ端部又はロータ端部へと挿入された平坦な下部キャップへと軸方向にガス流を導く下部軸受を備える。このようにして、ロータの底面への当接が防止される。同時に、外部へと流れるガスに起因して、ベルヌーイ力によってロータが所定の位置に保持される。

本発明の利点が特に明白になる本発明のプローブヘッドの好ましい実施の形態において、ＭＡＳステータは、０．２ｍｍ〜２．５ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜１．９ｍｍの直径を有するＭＡＳロータを受け入れるように設計されている。これまでは、このサイズ範囲のＭＡＳステータの上端に閉鎖具を設けることが必須であった。

実際に、本発明の実施の形態は極めて有用であることが明らかになっている。本発明の実施の形態において吸引装置は、ガス供給装置によって導入されたガスを吸い出すためのガスラインを有し、ガスラインは０．２ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２、好ましくは１．５ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の断面を有する。これは一般に、抽出されるガス流の体積に対して充分である。

さらに、本発明のプローブヘッドの好ましい実施の形態において、吸引装置は、ＭＡＳステータの周辺の大気に対して−０．１ｂａｒ〜−１ｂａｒの負圧が測定動作中に加えられ得るような方法で設計される。好ましくは−０．２ｂａｒ〜−０．４ｂａｒの負圧である。この理由で、例えば１．３ｍｍのロータにとって望ましくない排出を伴わない安定な動作のために、充分に大きい保持力を達成することができる。小さな吸引圧力の利点は、吸引動作に必要な力が小さいことである。それでもなお、より大きなロータに関して、極めて滑らか且つ安定な回転挙動が得られる。

本発明の他の好ましい実施の形態においては、ＭＡＳロータのＭＡＳステータへの供給及びＭＡＳロータの排出のための搬送ラインを有する空気式のサンプル交換システムが設けられ、これも測定準備の自動化に貢献する。本発明の１つの利点は、とりわけ、特許文献３によるサンプル交換システムを、０．２ｍｍ〜２．５ｍｍの直径を有するロータについて同じ方法で使用できる点にある。これは、これまでは、上述の引用文献、すなわち特許文献１による閉鎖装置を用いなければ不可能であった。

別の好ましい実施の形態において、プローブヘッドは、管の領域においてデュワー瓶（Ｄｅｗａｒ ｆｌａｓｋ）として形成される。したがって管は、壁の間に真空を有する２重壁となるように設計される。これは、ＮＭＲ測定のためのプローブヘッド内の試験サンプルの温度制御又は冷却を容易にする。閉じられた設計ゆえに、望ましくない熱の仲立ちが存在しない。

本発明のＭＡＳステータの好都合な実施の形態の１つの種類において、下部軸受のノズルは、２５μｍ〜５００μｍの間、好ましくは８０μｍ〜２００μｍの間の内径を有する。

極めて簡潔且つコンパクトな設計を有する本発明の実施の形態のさらなる種類は、ガスを供給するための装置が、下部軸受にただ１つの単一のノズルを備え、このノズルが、圧力ガス軸受のためのガス及び動作時に前記ＭＡＳロータを回転させるための空気による駆動部のためのガスを共通に供給することを特徴とする。

本発明のＭＡＳステータのさらなる好ましい実施の形態においては、測定動作中に測定物質を所定の動作温度に保つことができるガスをＭＡＳロータへ供給するためのさらなる装置が設けられる。

別の好都合なさらなる実施の形態において、ＭＡＳステータは、ＭＡＳ角度を調節するために回転することができるように配置される。プローブヘッドにおいてステータを回転させることができることで、空間が限られている場合のＭＡＳロータの挿入及び取り出しがさらに容易になり、きつい曲がりが防止される。ステータを回転させることができるがゆえに、導入及び排出のために、ステータの軸受の軸の角度を、管の長手方向の延在の方向（多くの場合、ＮＭＲ磁石における静磁場の方向に少なくとも良好な近似にて一致する）及びマジック角に対して減らすことができる。

さらに本発明は、本発明による上述の形式のＭＡＳステータを備えるプローブヘッドを動作させるための方法に関し、ＭＡＳロータをＭＡＳステータ内に位置させた後で、最初に吸引装置がＭＡＳロータをステータ内にとどめてより振動のない方法で回転させることができるように圧縮ガスが下部軸受へと供給される前に始動させられることを特徴とする。

この方法の１つの特に好ましい変種においては、測定物質を有しているＭＡＳロータがＮＭＲ測定の終了後にＭＡＳステータ内の測定位置から取り出され、吸引装置の負圧の生成がオフにされる一方で、しかしながらガス供給装置は、ラジアル軸受の下方の空間にＭＡＳロータを測定位置から排出するための過圧が形成されるように下部軸受へと圧縮ガスを供給する。

本発明の利点は、上述の方法において０．２ｍｍ〜２．５ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜１．９ｍｍの直径を有するＭＡＳロータが使用される場合に、特に好ましい様相で効力を生じる。

本発明のさらなる利点は、明細書及び図面から引き出すことができる。上述及び後述の特徴を、本発明に従って、個別又は任意の組み合わせにて集合的に使用することができる。図示及び説明される実施の形態は網羅的に列挙されるものとして理解されるべきではなく、本発明を説明するための例示の性質を有する。

ＭＡＳロータがない状態の本発明のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドの実施の形態の概略を示す断面図である。 ＭＡＳロータが挿入されている状態の本発明のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドの実施の形態の概略を示す断面図である。 図２の、ノズルを有する下部軸受の領域における拡大詳細図である。 分岐を有する転換点装置を備える先行技術に係るＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッドの概略を示す断面図である。 図４のプローブヘッドの管の自由端の拡大図である。 本発明に係るプローブヘッドが磁石の室温ボアへと下方から挿入されている、先行技術に係るＮＭＲ装置の概略を示す断面図である。 上記定義の特徴と、ロータの出し入れのためにねじによって手作業で着脱できる前部軸受とを備える先行技術に係るプローブヘッドの概略を示す断面図である。

本発明は、図面に示され、実施の形態に関してさらに詳しく説明される。

本発明は、ＭＡＳ−ＮＭＲプローブヘッドのＭＡＳステータの下部軸受の新規な設計であって、サンプルの交換が極めて容易になるようにＭＡＳステータの上端にいかなる閉鎖具も設けられない設計に関する。代わりに、ラジアル軸受の下方の空間が、特別な装置によって吸引される。

よりよい理解のために、ここで本発明によって改善される以前の従来技術を、最初に説明する。

図４は、先行技術に係るＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド１を縦断面で示している。プローブヘッド１は、実質的に、ＮＭＲ測定のために磁石の室温ボアへと挿入される管２と、ベースボックス３とを備える。管２は、ベースボックス３に取り付けられている。管２は、（この場合には）ベースボックス３を越えて垂直に突き出している。ベースボックス３は、磁石の室温ボアの外側にとどまる。全体としてのプローブヘッド１が、一般的に、特には磁石又は磁石の基礎構造体上に、ベースボックス３を介して保持され、あるいは取り付けられる。

この場合には、管２が同時に（通常は室温である）周辺からの断熱のためのデュワー瓶としても設計されるように、管２は、間に真空が形成される（外壁４ａ及び内壁４ｂを有する）２重壁を有する。詳しくは示さないが、必要であれば、（この場合には）ＭＡＳロータ内の試験サンプル並びにＮＭＲ測定のための電子機器（特には、ＭＡＳロータの周辺のＲＦ共振器）を含む管２の内部を冷却すべく液体窒素などの冷却剤が循環する管２の内部に温度制御ラインを延ばすことができる。この代わりに、あるいはこれに加えて、搬送ライン１０内の搬送ガスの流れ及び／又は他の機能ガスの流れ（下記を参照）も冷却することができ、これも（管２の断熱が良好である場合に）管２の内部の良好な冷却をもたらす。

管２の少なくとも１つの壁４ａ、４ｂは、良好な電気伝導性を有するが強磁性ではない金属（例えば、銅）から作られる。金属製の管壁は、外側の交番する電磁場に対して管の内部の空間を遮へいする。この理由で、管２は、遮へい管とも呼ばれる。

管２は、ベースボックス３から遠ざかる方を向いた（図４における）上部の自由端５において閉じられるように設計されている。特には、ガスライン又は搬送ラインの貫通部が設けられていない。例えば電気ライン、ガスライン、及び搬送ラインのための管の内部へのアクセス地点は、もっぱらベースボックスに近い管２の端部６の領域に設けられている。

管２は、自由端５の領域に、ＭＡＳステータ７を収容する。ステータ７は、（図１、４、及び７には示されていない）ＭＡＳロータを（測定動作の際に静磁場に対して平行に整列した管２の長手方向の延在に対して）マジック角に保持し、ロータの軸を中心にして回転するように支持することができる。ステータ７は、その前面に下部軸受８を有し、下部軸受８においてステータ７内のロータを支持することができる（したがって、ステータ７内のロータは重力に応答して下方から支持される）。軸受のガス流及び排出のガス流のための２つのノズル（詳しくは示されていない）が、下部軸受８に形成される。さらに、ステータ７は、下部軸受８の近くの第１の下側ラジアル軸受９ａと、第２の反対側の上側ラジアル軸受９ｂとをさらに有し、ラジアル軸受９ａ、９ｂの各々に、ロータの貫通接続部のための開口が１つずつ形成されている。下部軸受８及び第１のラジアル軸受９ａは、ベースボックス３に面しており、第２のラジアル軸受９ｂは、ベースボックス３から遠ざかる方を向いている。ＮＭＲ測定における磁石装置の磁気中心は、第１及び第２のラジアル軸受９ａ、９ｂの間の中央に位置する。ステータ７は、挿入されたロータにガスの流れをもたらして回転させることができる、詳細には示されていないガスノズルを有する。

さらに、ＭＡＳロータのための搬送ライン１０が、管２の内部に延びている。搬送ライン１０の第１の部分１０ａは、ベースボックスに近い管２の端部６からステータ７を過ぎて転換点装置１１まで延びている。搬送ライン１０の第２の部分１０ｂは、転換点装置１１からステータ７まで延びている。転換点装置１１は、止まり穴部分１３と、搬送ライン１０の分岐部分１２とを備えている（この場合には、図４も参照）。搬送ライン１０は、一般に、可撓性ホース及び／又は硬質管によって形成され、ＭＡＳロータのサイズ及び搬送ライン１０におけるロータの遊びを考慮し、直線部分に加えて湾曲部分（カーブ）も含み得る。ロータは、搬送ライン１０においてガスの圧力及び／又は重力によって空気圧で前進させられる。

さらに、頑丈なフレーム１４が、管２の内部に形成されており、ステータ７及びステータ内に配置された試験サンプルのＮＭＲ測定のための多様な電子部品（個別には示さない）が、フレーム１４上に配置される。この場合、搬送ライン１０の第１の部分１０ａが、フレーム１４の安定性を向上させる硬質管として設計される。したがって、一部の電子部品（個別には示さない）は、部分１０ａに直接取り付けられる。

図５は、図１又は７に係るプローブヘッドのＭＡＳステータ７へのＭＡＳロータ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの挿入を詳細に示している。ロータの図２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、挿入の異なる段階を示している。

ガスの流れを使用して、最初にロータ２１ａは、転換点装置１１に向かって上方向に搬送ラインの第１の部分１０ａを通って前進させられる。したがって、ロータ２１ａのキャップ２２は、上方向を向いている。羽根要素（インペラ）が、このキャップ２２に形成されている（図６では見て取ることができない）。

下方から加えられるガス流が、ロータ２１ａを止まり穴部分１３へと上方向に押す。次いで、ガス流は、第１の部分１０ａから分岐部分１２を通って搬送ラインの第２の部分１０ｂへと流れ、ステータ７へと流れる。したがって、このガス流はロータ２１ｂに対して第２の部分１０ｂの方向に吹き、すなわちロータ２１ｂは、その下端が右側に向かって回転し、再び降下する。最後に、ロータ２１ｃは、ガス流によって第２の部分１０ｂの右下側へとＭＡＳステータ７に向かって押され、ステータ７へと押し込まれる。この動作において搬送ラインは反転（方向転換の動作）を含む。

ステータ７からロータ２１ｃを排出するために逆のガス流が加えられる。このガス流は最初に、ステータ７から第２の部分１０ｂを通って止まり穴部分１３へとロータ２１ｃを押し出す。次いで、搬送ラインの第２の部分１０ｂから分岐部分１２を通って搬送ラインの第１の部分１０ａへとガス流が形成される。このガス流は、ロータ２１ｂを第１の部分１０ａの方向に引き出し、最終的にロータ２１ａが搬送ラインの第１の部分１０ａを通って再びベースボックスへと移動させる。この場合においても搬送ラインは反転（方向転換の動作）を含む。

ベースボックスから見てＭＡＳステータ７の向こう側（背後）に位置する転換点装置１１は、方向転換の動作によって搬送ラインの１８０度カーブを置き換えることができ、同時に、ベースボックスから遠ざかる方を向いた側からの（図５における上方からの）第２のラジアル軸受９ｂを通過するＭＡＳステータ７へのアクセスを提供する。転換点装置１１がない場合、搬送ラインの垂直な第１の部分１０ａからマジック角に傾けられたステータ７へとロータを運び、及び戻せるように、ロータは少なくとも１８０°−５４．７°＝１２５．３°のきつい曲がりを曲がって案内されなければならない。搬送ラインについて可能な曲率半径はロータの寸法によって制限されるため、この種のきつい曲がりはプローブヘッドの管内にかなりの空間を必要とすると考えられる。きつい曲がりを避けることで、管は、内径ＩＤを小さくすることができ、したがって本発明のプローブヘッドは、磁石装置の小さな室温ボアにも挿入可能となる。図５に示される実施の形態においては、搬送ラインの第２の部分１０ｂの領域に５４．７°のわずかなカーブが存在するだけである。本発明によれば、管の外径を、通常の室温ボアに合わせて４０ｍｍ又は７３ｍｍへと容易に抑えることができる。

図６は、垂直な室温ボア５３を有する超電導磁石装置５２（この場合には、詳しくは示されていないソレノイド状の超電導磁石コイル）を備える改良型のＮＭＲ装置５１を示している。磁石装置５２は、頑丈な支持体５４上に支持されている。本発明のＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド１（図４を参照）は、室温ボア５３へと下方から挿入される。プローブヘッド１の管２の大部分が、室温ボア５３の内部に位置する一方で、プローブヘッド１のベースボックス３は、磁石装置５２の下方で室温ボア５３の外部に配置される。

図７は、上述の特徴を備えるが、正確には本発明に特有の特徴を備えておらず、下部軸受８と前部軸受９６ａとの間のＭＡＳステータ７内の空間にロータを出し入れするためにねじによる手作業での着脱が可能である前部軸受９６ａを備える先行技術に係る一般的なＭＡＳステータの概略の詳細断面図を示している。前部軸受９６ａがねじで取り付けられたとき、開口９６ｂは常に閉じられており、ロータの自動的な装てん及び取り出しは不可能である。むしろ、常に手作業でロータを導入し、あるいは取り出さなければならない。

図１〜図３が、本発明のプローブヘッドの実施の形態の種々の詳細を概略的に示している。

先行技術に係るステータと同様に、図示のＭＡＳステータ７は、少なくとも１つのノズルを備える下部軸受８と、少なくとも１つのラジアル軸受９ａ、９ｂとを備え、略円筒形のＭＡＳロータ２１ｃは測定物質を受け入れるために設けられ、ＭＡＳステータ７内の測定位置において、ガス供給装置を用いて圧縮ガスによって支持され、空気による駆動によってＭＡＳロータ２１ｃの円筒の軸を中心にして回転され得る。

本発明によれば、図１〜図３に示されるＭＡＳステータ７は、ガス供給手段によって導入されるガスを吸い出すための吸引装置１００が、ラジアル軸受９ａの下方の空間に設けられ、測定作業中にラジアル軸受９ａの下方の空間にＭＡＳステータ７の周辺の大気に対する負圧を生み出すことができるように設計されることを特徴とする。

ＭＡＳロータ２１ｃを受け入れるためのＭＡＳステータ７は０．２ｍｍ〜２．５ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜１．９ｍｍの直径を有する。

吸引装置１００は、ガス供給手段によって導入されるガスを吸い出すために使用されるガスライン１０１を有し、ガスライン１０１は０．２ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２、好ましくは１．５ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の断面を有する。

ラジアル軸受９ａ、９ｂ及び下部軸受８には、好ましくは共通の圧縮ガスラインを介して供給が行われる。代案として、複数のラインを使用してもよい。注入圧力は、周辺圧力に対して０〜５ｂａｒである。

タービンを駆動するために、さらなるガス流が、ロータ２１ｃの上端のロータ羽根へと向けられる。この流れは、好都合には、ロータ羽根を回転させるためにロータ羽根へと接線方向に向けられる。駆動ガスの流れは、周辺圧力に対して５ｂａｒに達し得る。

このシステムを直径が２．５ｍｍ以下（直径≦２．５ｍｍ）の小さなロータについても確実に使用できようにするために、システムは、ステータの下端に抽出ラインをさらに備える。このラインの機能は、低い相対圧力（約−０．１〜−１ｂａｒ）で導入されたガスを取り除くことにある。ベルヌーイ下部軸受のガス流は実質的に吸引されるが、下方のラジアル軸受のガス流の一部も下部へと排出される。この方法で、下部軸受の周辺のガス流が変更され、結果として下部軸受における改善された保持力がもたらされる。

試験サンプルの選択的な温度制御に用いられるさらなるガス流を、任意にロータへと供給することができる。ステータは、好都合には、ロータをさらに安定にする２つのラジアル軸受を備える。ラジアル軸受とロータとの間隔は、５〜５０μｍ、好都合には１０〜３０μｍである。下部軸受とロータとの間隔は、好都合には５〜２５μｍである。抽出ホースは、少なくとも０．５ｍｍの直径を有するべきである。

１ ＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド
２ 管
３ ベースボックス
４ａ 外壁
４ｂ 内壁
５ 自由端
６ 端部
７ ＭＡＳステータ
８ 下部軸受
９ａ 第１の下側ラジアル軸受
９ｂ 第２の上側ラジアル軸受
１０ 搬送ライン
１０ａ 第１の部分
１０ｂ 第２の部分
１１ 転換点装置
１２ 分岐部分
１３ 止まり穴部分
１４ フレーム
２１ａ ＭＡＳロータ
２１ｂ ＭＡＳロータ
２１ｃ ＭＡＳロータ
２２ キャップ
５１ ＮＭＲ装置
５２ 超電導磁石装置
５３ 室温ボア
５４ 支持体
９６ａ 前部軸受
９６ｂ 開口
１００ 吸引装置
１０１ ガスライン

Claims (13)

1. 少なくとも１つのノズルを有する下部軸受（８）と、少なくとも１つのラジアル軸受（９ａ，９ｂ）とを備えており、１つの略円筒形のＭＡＳロータ（２１ｃ）が測定物質を受け入れるように設けられ、前記ＭＡＳロータは、ＭＡＳステータ（７）の内部の測定位置において、ガス供給装置を用いて圧縮ガスによって支持され、空気による駆動によって前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）の円筒の軸を中心にして回転され得る、ＮＭＲ−ＭＡＳプローブヘッド（１）用のＭＡＳステータ（７）であって、
   吸引装置（１００）が、前記ガス供給装置によって導入されるガスを吸い出すために前記ラジアル軸受（９ａ）の下方の空間に設けられ、測定作業中に前記ラジアル軸受（９ａ）の下方の空間に当該ＭＡＳステータ（７）の周辺の大気に対する負圧を生み出すことを特徴とするＭＡＳステータ（７）。
2. ＭＡＳステータ（７）は、０．２ｍｍ〜２．５ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜１．９ｍｍの直径を有するＭＡＳロータ（２１ｃ）を受け入れるように設計されていることを特徴とする請求項１記載のＭＡＳステータ。
3. 前記吸引装置（１００）は、０．２ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２、好ましくは１．５ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の断面を有する前記ガス供給装置によって導入されたガスを吸い出すためのガスライン（１０１）を有することを特徴とする請求項１又は２記載のＭＡＳステータ。
4. 前記吸引装置（１００）は、当該ＭＡＳステータ（７）の周辺の大気に対する−０．１ｂａｒ〜−１ｂａｒの負圧が測定動作中に加えられることができるように設計されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ。
5. 前記下部軸受（８）のノズルは、２５μｍ〜５００μｍの間、好ましくは８０μｍ〜２００μｍの間の内径を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ。
6. 前記ガス供給装置は、前記下部軸受（８）にただ１つの単一のノズルを備えており、前記ノズルは、前記圧力ガス軸受のためのガス及び動作時に前記ＭＡＳロータを回転させるための空気による駆動部のためのガスを共通に供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ。
7. 測定動作中に測定物質を所定の動作温度に保つことができるガスを前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）へと供給するためのさらなる装置が設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ。
8. ＭＡＳステータ（７）は、ＭＡＳ角度を調節するために回転可能に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ（７）を備えるプローブヘッド（１）であって、
   ＭＡＳロータ（２１ａ〜２１ｃ）の前記ＭＡＳステータ（７）への供給及びＭＡＳロータ（２１ａ〜２１ｃ）排出のための搬送ライン（１０）を有している空気式のサンプル交換システムが設けられていることを特徴とするプローブヘッド（１）。
10. 前記吸引装置（１００）がオフにされているとき、前記下部軸受（８）のノズルは前記空気式のサンプル交換システムの構成要素であり、これによって前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）を前記ＭＡＳステータ（７）から排出することができることを特徴とする請求項９記載のプローブヘッド。
11. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＡＳステータ（７）を備えるプローブヘッド（１）を動作させるための方法であって、
    前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）を前記ＭＡＳステータ（７）内に位置させた後、はじめに前記吸引装置（１００）が、圧縮ガスが前記下部軸受（８）へと供給される前に始動させられ、前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）を前記ステータ内にとどめてより振動のない方法で回転させることを特徴とする方法。
12. 測定物質を有する前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）が、ＮＭＲ測定の終了後に前記ＭＡＳステータ（７）内の測定位置から取り出され、前記吸引装置（１００）の負圧の生成がオフにされるのに対し、前記ガス供給装置は前記下部軸受（８）へと圧縮ガスを供給し、前記ラジアル軸受（９ａ）の下方の空間において、前記ＭＡＳロータ（２１ｃ）を測定位置から排出するための過圧を形成することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. ０．２ｍｍ〜２．５ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜１．９ｍｍの直径を有するＭＡＳロータ（２１ｃ）が使用されることを特徴とする請求項１１又は１２記載の方法。