JP3420737B2 - 温度可変磁気共鳴装置 - Google Patents
温度可変磁気共鳴装置Info
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Description
の温度に保持して磁気共鳴現象を測定する磁気共鳴装置
に関し、特に超臨界流体、または超臨界流体に溶存する
試料の物性測定を目的とする磁気共鳴装置に関するもの
である。
臨界流体の物性測定においては、測定試料は高圧、場合
によっては高温・高圧の環境下にあり、特定温度近傍の
微細な温度変化にともなって物性が大きく変化すること
が多い。例えば、図1は臨界点近傍における水の温度と
密度との関係である。水の臨界圧は22.1MPa、臨
界温度は374℃である。図1から明らかなように、圧
力10〜30MPa、特に25MPa以下の範囲で温度
に対する密度変化が非常に大きいことが示されている。
したがって超臨界環境にある流体試料の磁気共鳴測定に
おいては、高圧容器内の流体試料全般にわたり温度の精
密な制御が望まれるとともに、観測領域の試料温度偏差
を極限まで抑え得ることが望まれる。
わる従来技術の一例である。この温度可変装置はいわゆ
る送風二重管方式である。試料温度は、外部の空気ボン
ベ、工業用エア配管またはコンプレッサなどの送風源2
1から送られる空気または窒素等の不活性気体を通し、
気体温度を適切な温度に設定することで制御されてい
る。断熱槽22には、寒剤23が充填されており空気等
の冷却を行う。寒剤23は、試料温度を室温以下に設定
する場合、または、温度制御の精度を高めるために使用
する。低温あるいは室温の気体は加熱器25によって、
所要の低温または高温の一定温度に設定される。この温
度は、検出器20の直前に配置された熱電対26で電圧
として検知し、検出電圧を温度制御回路24によって増
幅後、加熱器25に負帰還することで、所要の一定温度
に保持されている。こうして一定温度に設定された気体
を試料の測定部に供給することで試料温度を定温に保持
している。
る直流高磁場中に配置されている。この高磁場は、超伝
導磁石、常伝導磁石または永久磁石によって印加される
(図示せず)。送風管は熱効率を低下させないよう断熱
材に包まれている。検出器20近傍では、さらに検出器
回路や分極磁場を形成する磁石回路に不要の温度変化を
与えないよう断熱性にすぐれた真空二重管27による熱
遮蔽を行い試料温度の漏洩を防止している。検出器20
近傍は高磁場にあるため強磁性材料を配置することがで
きない。
電対を試料の観測領域近くに配置することが必要である
が、これは磁気共鳴の高周波磁場を乱すことになる。図
2で熱電対26が検出器20外に置かれているのはこれ
を避けるためである。これらの結果、試料は熱電対26
をセンサーとする温度制御ループ外にあり、試料温度の
正確な制御は原理的に不能である。一定温度の熱冷風が
試料に供給されたとしても、送風圧によって送風熱量は
変わる。さらに試料の種類によって試料の熱容量は同一
でなく、試料ごとに温度が変わってしまうことも起こり
得る。
場合には、測定試料の温度をあらかじめ直接測定し校正
しておくことが必要であり、さらに、装置が設置されて
いる環境を、測定時にも校正時と同一に保たねばならな
いという困難を伴う。さらに、そのような校正を行った
としても、熱冷風は試料の上方もしくは下方の一方から
のみ供給されるため、試料全域にわたり温度偏差の発生
を防ぐことは実質上できない。
排気口30に別の熱電対を加え、熱冷風の送風口および
排気口両側における温度を測定し、試料温度を校正し、
前述の原因による試料温度の誤差を補正したとしても、
煩わしい操作となるわりには精度向上が期待できない。
これら事情により、特に超臨界環境における磁気共鳴測
定に従来の温度可変技法はとうてい用いることができな
い。
目的とする温度可変装置も提案されるようになった。図
3は、そのような温度可変装置を備えた検出器の例を示
す図である。この検出器は、論文「M.K.Hoffman and M.
S.Conradi;"Nuclear Magnetic Resonance Probe for Su
per-critical Water",Rev,Sci,Instrum.,68(1),p.159,
1997」に記載されたものである。この検出器100は、
試料管7中の試料の測定位置の上下に一対の上部加熱器
9および下部加熱器11を配置し、加熱源を二分割して
上下より試料を加熱している。けれども試料温度につい
ては、軸方向すなわち上下方向の試料温度の測定が容易
になると述べるにとどまっている。
圧の検出容器2内では気体の対流のため、上部は下部よ
りも高温の傾向にある。このため、上下に配置された上
部加熱器9および下部加熱器11は直列接続され、かつ
上部加熱器9には可変抵抗を並列に接続している。その
上で検出容器2内の熱電対を上下動させ、試料の温度差
を測定しながら、上部発熱量を下部発熱量よりも低くな
るように可変抵抗を調整する。また対流による試料域の
温度変化を減少するためとして、検出器100内部には
セラミックス片を充填している。このように、操作は煩
雑であり、試料領域の温度偏差を極小にする方法および
温度の均一度については記載されず、保証もされていな
い。
にかかわる温度可変装置の他の例を示すものである。こ
れは、論文「M.de Langen and K.0.Prins,"NMR probe f
or high pressure and high temperature",Rev.Sci.Ins
trum. 66(11),November 1995」に記載されたものであ
る。以下にその動作を要約する。
に、チタン合金からなる高耐圧のシリンダ42を配置
し、その内部空間に試料を導入する。全体は超伝導磁石
の軸方向に挿入され、磁場は図の上下方向にかかる。し
たがって、磁気共鳴信号検出の高周波コイル43は磁場
と直交する方向に配置されている。試料空間は底部プラ
グ44を締付ナット45によりシリンダ42に固定する
ことよって密封されている。シリンダ42の外壁には溝
が設けられ、加熱器46がその溝に埋め込まれている。
着するアルミニウムからなる底部ブロック48の側面に
巻かれている。検出器40の容器の底板51は銅製で、
過熱および外部の超伝導磁石への熱漏洩を避けるため冷
却水が流されている。容器底面の温度は、底部ブロック
48に配置された白金抵抗線49と標準抵抗とを比較し
て、所定の温度に制御される。さらに、検出器40の底
面と中央に設けられた差動熱電対50,50により、容
器中央部が底面と等温になるよう加熱器46に加熱電力
を供給する。なお、検出器40の側面は薄い銅材で包ま
れている。
48を所要温度に保ち、上部チタン合金のシリンダ42
をこれと等温に保つよう温度が制御されるが、なお幾つ
かの問題が残されている。
る。これは温度変動の平均化をチタン合金、アルミニウ
ムの金属ブロックに依存していることに基因する。金属
は熱伝導度は高いけれども、熱容量もまた大きい。金属
ブロックは比較的早い熱変動を平均化するには有用であ
るが、温度可変測定のときには、設定温度への到達時間
は長くなり、温度変更または掃引の周期の制限となる。
更時に平衡に達するまでには、熱流にともない、検出器
内部に温度勾配を生じている。しかも内部温度分布を確
認する手段が与えられていない。3次元温度拡散は媒体
の分布のみならず、初期条件にも影響され、その校正は
複雑・困難である。しかも磁気共鳴測定における前述の
事情から、試料の測定位置に温度センサーを配置できな
いので、このような場合、熱平衡に達したと見なされる
まで、必要以上に待ち時間を設けることになる。
られている温度可変磁気共鳴装置用の検出器では、それ
ぞれに問題点があり、超臨界状態の測定試料の物性測定
において、試料の温度の設定精度を十分に高精度にする
ことができず、また、試料の温度の均一性も十分ではな
く、さらに、試料温度を変更しながら測定を行う際に
も、温度が安定するまでに時間がかかりすぎ測定作業の
作業能率が悪かった。
制御するとともに観測領域の試料温度を均一に保持する
ことが可能であり、また、短時間に試料温度の変更を行
うことのできる温度可変磁気共鳴装置を提供する。
に、本発明の温度可変磁気共鳴装置は、試料の磁気共鳴
信号を検出するために上下方向の中心軸を有する筒状に
形成され、内部に加熱媒体としての流体を収納した検出
容器と、前記検出容器内の前記流体内に配置され、前記
試料を収納して測定するための測定試料収納部と、前記
検出容器内の前記測定試料収納部の上方位置に配置され
た上部加熱器と、前記検出容器内の前記測定試料収納部
の下方位置に配置された下部加熱器と、前記上部加熱器
またはその近傍の前記流体の温度を検出する上部温度検
出器と、前記下部加熱器またはその近傍の前記流体の温
度を検出する下部温度検出器と、前記上部温度検出器に
より検出した温度が所定の目標温度に一致するように前
記上部加熱器を駆動するとともに、前記下部温度検出器
により検出した温度が前記上部温度検出器により検出し
た温度に一致するように前記下部加熱器を駆動する温度
制御手段とを有するものである。この温度可変磁気共鳴
装置は、試料を測定試料収納部に密封収納した状態で測
定する場合に適用できる。理由は、以下の通りである。
流体試料を収納部に密封して、温度可変測定を行う場合
は、通常は、流体の対流により試料の上部が下部よりも
高温になる傾向がある。これを補償するには、(a)上
部温度は、目標値に等しくなるように制御する、(b)
下部温度は、上部温度に等しくなるように制御する、と
いう2点が必要である。
試料の磁気共鳴信号を検出するために上下方向の中心軸
を有する筒状に形成され、内部に加熱媒体としての流体
を収納した検出容器と、前記検出容器内の前記流体内に
配置され、前記試料を収納して測定するための測定試料
収納部と、前記検出容器内の前記測定試料収納部の上方
位置に配置された上部加熱器と、前記検出容器内の前記
測定試料収納部の下方位置に配置された下部加熱器と、
前記上部加熱器またはその近傍の前記流体の温度を検出
する上部温度検出器と、前記下部加熱器またはその近傍
の前記流体の温度を検出する下部温度検出器と、前記下
部温度検出器により検出した温度が所定の目標温度に一
致するように前記下部加熱器を駆動するとともに、前記
上部温度検出器により検出した温度が前記下部温度検出
器により検出した温度に一致するように前記上部加熱器
を駆動する温度制御手段とを有するものである。この温
度可変磁気共鳴装置は、高温試料を測定試料収納部の下
部から上部に貫流させて測定する場合に適用できる。理
由は、以下の通りである。試料を測定試料収納部の下部
から上部に貫流させる場合は、通常は、流路からの熱漏
洩により試料の上部が下部よりも低温になる傾向があ
る。これを補償するには、(a)下部温度は、目標値に
等しくなるように制御する、(b)上部温度は、下部温
度に等しくなるように制御する、という2点が必要であ
る。
て、前記上部温度検出器は前記上部加熱器と一体に設け
られ、前記下部温度検出器は前記下部加熱器と一体に設
けられていることが好ましい。
て、前記検出容器の内面には、上下方向の熱交換襞が設
けられていることが好ましい。
を参照して説明する。図5は、本発明の温度可変磁気共
鳴装置における温度制御部および磁気共鳴検出器の主要
部を示す図である。本発明における温度制御部は、図5
に示すように二重帰還方式となっている。図6は、温度
可変磁気共鳴装置における検出器1の構成を示す図であ
る。検出器1は、図3に示した超臨界磁気共鳴の検出器
100に対して、耐圧容器構造と加熱器の配置および検
出機能に関する同等の基本機能を備えており、さらに、
温度制御部を含めて、試料温度の設定精度および均一度
を格段に向上できるという新規な機能を備えている。以
下、図5および図6により、本発明の動作と構造を説明
する。
容器2に、上部プラグ3が上部ナット4により固定さ
れ、下部プラグ5が下部ナット6により固定されて構成
される。この検出器1では、試料は、検出容器2の下部
に設けられた導入口(図示せず)から試料管7内に導入
される。検出容器2の内部では、試料は、気密を保ちな
がら自由に摺動できる加圧ピストン72により試料管7
内に密閉されている。試料導入後、加圧ピストン72を
外部から不活性ガスやオイルなどによって加圧し、試料
をその臨界圧を超える圧力まで加圧できる。不活性ガス
にはアルゴン、窒素などが用いられる。なお、加圧ピス
トンにかえて加圧べローズを用いるようにしてもよい。
れた一対の加熱器、すなわち上部加熱器9および下部加
熱器11によって臨界温度以上の温度に加熱できる。圧
力、温度ともに臨界点を超えれば流体はいわゆる超臨界
状態に達する。ちなみに、水の場合では、臨界圧は2
2.1MPa(218気圧)、臨界温度は374℃であ
り、二酸化炭素ガスでは、臨界圧は7.37MPa(7
2.8気圧)、臨界温度は31.1℃である。検出容器
2は、臨界温度および臨界圧に充分耐える材質・強度に
設計されることはあらためていうまでもない。
する外部磁石の磁場に挿入される。多くの場合、外部磁
石は超伝導磁石であり、検出器1はソレノイド内の常温
空間に挿入される。常伝導磁石または永久磁石を用いる
場合は、検出器1は磁極間隙の中に挿入される。検出器
1の加熱熱量が超伝導磁石に漏洩するときは、冷媒とし
ての液体ヘリウムの消費量を増加させる。常伝導磁石の
磁極片に熱が漏洩する場合は、磁場の標動、磁場均一度
の変化など磁気共鳴測定に好ましくない影響を与える。
永久磁石使用の場合はこの傾向はいっそう大きい。
容器2外周に配水管を設け、これに常温あるいは恒温の
水を循環して検出器1内部からの熱漏洩を除去し、磁石
の温度変化を防止することも有効である。また、このこ
とは、検出容器2の内壁から外部に向かうほぼ均一な熱
伝導を促し、後述の上部加熱器9および下部加熱器11
の制御により試料温度を定温に保つことが可能になって
いる。
めて高くなることがあるので、試料管7は、それに充分
耐えられる特殊なセラミックス、アルミナ等、安定な材
料でつくられ、試料管台座71に固定配置されている。
試料管台座71は、通気窓を備えた接合部材によって下
部プラグ5に固定されている。また、試料管台座71の
外周面と検出容器2の内面との間には間隙が設けられて
いる。このため、下部プラグ5に設けられた導入孔52
から導入された高圧の不活性気体は、検出容器2内に一
様な圧力となるように拡散される。
が挿入されている。セラミックロッド73は、加圧ピス
トン72による加圧によって試料管7内をなめらかに摺
動でき、試料の大部分を温度が均一な観測領域に配置で
きるよう設計されている。一方、試料管台座71上部の
検出容器2内の空間には不活性気体が充填されている
が、試料管7に隔てられて測定試料と接することはな
い。
ら、不活性気体を高圧導入すれば、加圧ピストン72を
経由して、試料管7内の試料と検出容器2内の不活性ガ
スは等しく加圧される。このため、試料管7は高耐圧に
する必要はなく、管壁の厚さを適切に薄くして小型に仕
上げることができる。これにより、試料管7外面に配置
した磁気共鳴の検出コイル8を小型にすることができ、
試料容積に対するいわゆる占積率の低下を避けるのに有
効である。また、試料管7を薄く仕上げることにより、
試料管7の熱容量を小さくできる。試料管7の温度制御
は、熱容量の低い不活性気体によるので、試料管7の温
度を気体温度に充分に等しくするには試料管7の熱容量
は小さい方がよい。
は、磁場は検出器1の軸方向(上下方向)に印加される
ので、共鳴信号はこれと直交する方向に誘起する。した
がって、検出コイル8は試料管7の軸方向に直交した共
鳴による高周波磁場を検出するよういわゆるサドル型
(ヘルムホルツ型)に配置されている。検出された共鳴
信号は同軸ケーブルにより、上部プラグ3の貫通端子を
通し外部同調回路に伝送される。
定位置の試料の上下に上部加熱器9および下部加熱器1
1を配置している。そして、上部加熱器9には上部加熱
器9の温度を検出するための上部温度検出器10が、下
部加熱器11には下部加熱器11の温度を検出するため
の下部温度検出器12が設けられている。これらの加熱
器としては例えば電熱ヒーターが使用でき、温度検出器
としては熱電対による検出器が使用できる。
よび下部温度検出器12からの温度検出信号(熱電対起
電力)は上部プラグ3より外部に導かれ、それぞれ上部
加熱器9および下部加熱器11を制御する上部温度制御
部14および下部温度制御部15の信号入力端子に接続
される。試料管7に封入された試料の超臨界磁気共鳴を
測定するときは、前述のように、検出器1の上部が下部
よりも高温になる傾向がある。このため、上部温度検出
器10の温度検出信号を上部温度制御部14の信号入力
として入力し、この上部温度制御部14の基準入力に
は、温度制御の目標値となる基準電圧を加える。基準電
圧は、基準電圧発生部13で変更可能に発生され、試料
の目標温度に対応する値に設定されている。
幅し、これに比例する電力を上部加熱器9に供給し加熱
駆動する。この負帰還ループの制御動作によって、上部
温度を所定の温度に設定することができる。設定誤差す
なわち制御の定常偏差は、上部温度制御部14のループ
ゲインを高くする、あるいは積分制御を併用する等の通
常の制御技術を使用することで減少させることができ、
高精度で所定の温度に設定することが可能である。
部温度検出器10の温度検出信号を入力する。そして信
号入力には下部温度検出器12の温度検出信号を入力す
る。下部温度制御部15の制御動作は上部温度制御部1
4と同様であり、下部加熱器11には、上部温度検出器
10と下部温度検出器12の温度検出信号が等しくなる
ような駆動電力が供給される。こうして、本発明によれ
ば、検出容器2内の流体試料全般にわたり温度を制御で
きるとともに、観測領域を挟む上部および下部の温度が
等しくなるように制御することができる。その結果、測
定試料を含む適切に広い空間の温度勾配を著しく減少さ
せることができ、測定試料の温度もまた均一化される。
部に貫流させて測定する場合は、試料から周囲への熱の
漏洩により試料上部の温度が低下する傾向となる。その
場合は、前述の場合とは逆に、下部温度制御部15の基
準入力として基準電圧発生部13からの基準電圧を入力
し、上部温度制御部14の基準入力には下部温度検出器
12からの温度検出信号を入力する。これによって、試
料を挟む上方から下方にわたる領域を均一な温度分布で
高精度の設定温度に制御することができる。
熱媒体として流体を用いることにより、その流動性と対
流とによって伝熱速度は向上し、温度制御の時間遅れも
著しく減少する。また、容器内部には対流気体の流動に
適当な空間を設けるが、限られた空間内部では気体の撹
拌は充分ではないことも起こる。このような場合には、
容器内壁面に小さいが温度偏差が生じる。
ために、検出容器2の内壁面には熱伝導度の良い金属を
適切な厚みをもって配置し、かつ、外壁との間に適切な
厚さの熱絶縁層を挟むことが有効である。可能であれ
ば、容器の内部空間に、熱伝導度が高く且つ熱容量の大
きい金属層と熱絶縁層とを複数層重ねて配置してもよ
い。これによって、内壁表面における容器の内周方向お
よび軸方向の熱移動は、外壁方向への熱漏洩よりも容易
になり、内表面の温度偏差は平滑化される。
温度勾配に依存する気体の流動は減少し、気体流動によ
る温度偏差補正機能は低下する。これを補うのが前述の
容器内壁面の金属層である。この機能をさらに向上する
には、適切な厚みしたがって熱容量を備える金属壁に加
えて、その内面と熱媒体としての流体との接触面積を増
大することも有益である。内部金属層(金属壁)の内面
上下方向に、金属襞(フィン)を設けると、流体の熱対
流を促進するとともに、内壁と流体との熱交換機能を向
上させることができる。
び温度検出器の組を試料測定位置の上部と下部にそれぞ
れ設けるようにしたが、このように2組の加熱器および
温度検出器を設けるだけでなく、さらに多くの組の加熱
器および温度検出器を設けるようにしてもよい。例え
ば、3組あるいは4組の加熱器および温度検出器を設け
てもよい。そして、その複数組の加熱器および温度検出
器に対応させて温度制御部を設け、それぞれの位置の温
度が等しくなるように温度制御を行う。
検出器を加熱器と一体に設け、温度検出器によりそれぞ
れの加熱器の出力温度を検出するようにしているが、温
度検出器を加熱器の近傍位置に設け加熱器近傍の流体の
温度を検出するようにしてもよい。
ているので、以下のような効果を奏する。
配置された複数組の加熱器と温度検出器を設けるように
したので、試料の測定領域を含む広い領域を均一な温度
分布でかつ高精度の設定温度に制御することができる。
また、流体を介して加熱制御を行うようにしたので、温
度制御の時間遅れを著しく減少させることができ、試料
の設定温度を変更しながら行う測定も能率よく実行する
ことができる。
配置された2組の加熱器と温度検出器を設けるようにし
たので、最小限の加熱器と温度検出器を配置して、試料
の測定領域を含む広い領域を均一な温度分布でかつ高精
度の設定温度に制御することができる。また、流体を介
して加熱制御を行うようにしたので、温度制御の時間遅
れを著しく減少させることができ、試料の設定温度を変
更しながら行う測定も能率よく実行することができる。
配置された2組の加熱器と温度検出器のそれぞれに対し
て、温度制御手段により温度制御を行うようにしたの
で、試料の温度分布傾向に対して最適の制御方式を選択
でき、広範囲の磁気共鳴測定において均一な温度分布で
かつ高精度の試料温度の制御を行うことができる。
けるようにしたので、流体の熱対流を促進するととも
に、内壁と流体との熱交換機能を向上させることがで
き、さらに均一な温度分布を達成することができる。
の関係を示す図である。
従来技術の一例である。
る温度可変装置の従来技術の一例である。
る温度可変装置の従来技術の他の例である。
る温度制御部および磁気共鳴検出器の主要部を示す図で
ある。
の構成を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】試料の磁気共鳴信号を検出するために上下
方向の中心軸を有する筒状に形成され、内部に加熱媒体
としての流体を収納した検出容器(2)と、 前記検出容器(2)内の前記流体内に配置され、前記試
料を収納して測定するための測定試料収納部(7)と、 前記検出容器(2)内の前記測定試料収納部(7)の上
方位置に配置された上部加熱器(9)と、 前記検出容器(2)内の前記測定試料収納部(7)の下
方位置に配置された下部加熱器(11)と、 前記上部加熱器(9)またはその近傍の前記流体の温度
を検出する上部温度検出器(10)と、 前記下部加熱器(11)またはその近傍の前記流体の温
度を検出する下部温度検出器(12)と、 前記上部温度検出器(10)により検出した温度が所定
の目標温度に一致するように前記上部加熱器(9)を駆
動するとともに、前記下部温度検出器(12)により検
出した温度が前記上部温度検出器(10)により検出し
た温度に一致するように前記下部加熱器(11)を駆動
する温度制御手段(14,15) とを有する温度可変磁
気共鳴装置。 - 【請求項2】試料の磁気共鳴信号を検出するために上下
方向の中心軸を有する筒状に形成され、内部に加熱媒体
としての流体を収納した検出容器(2)と、 前記検出容器(2)内の前記流体内に配置され、前記試
料を収納して測定するための測定試料収納部(7)と、 前記検出容器(2)内の前記測定試料収納部(7)の上
方位置に配置された上部加熱器(9)と、 前記検出容器(2)内の前記測定試料収納部(7)の下
方位置に配置された下部加熱器(11)と、 前記上部加熱器(9)またはその近傍の前記流体の温度
を検出する上部温度検出器(10)と、 前記下部加熱器(11)またはその近傍の前記流体の温
度を検出する下部温度検出器(12)と、前記下部温度検出器(12)により検出した温度が所定
の目標温度に一致するように前記下部加熱器(11)を
駆動するとともに、前記上部温度検出器(10)により
検出した温度が前記下部温度検出器(12)により検出
した温度に一致するように前記上部加熱器(9)を駆動
する温度制御手段(14,15) とを有する温度可変磁
気共鳴装置。 - 【請求項3】請求項1,2のいずれか1項に記載した温
度可変磁気共鳴装置であって、 前記上部温度検出器(10)は前記上部加熱器(9)と
一体に設けられ、前記下部温度検出器(12)は前記下
部加熱器(11)と一体に設けられている 温度可変磁気
共鳴装置。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれか1項に記載した温
度可変磁気共鳴装置であって、 前記検出容器(2)の内面には、上下方向の熱交換襞が
設けられている 温度可変磁気共鳴装置。
Priority Applications (1)
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2000
- 2000-03-29 JP JP2000090226A patent/JP3420737B2/ja not_active Expired - Lifetime
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M.K.Hoffman and M.S.Conradi,Nuclear Magnetic Resonance Probe for Super−critical Water,Review of Scientific Instruments,1997年 1月,Vol.68 No.1,p.159−164 |
金久保光央 他,流通式高圧・高分解能NMRセルの製作,化学工学会年会研究発表講演要旨集,1999年 2月,Vol.64,p.17 |
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