JP3886764B2 - 核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブ - Google Patents
核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブに関し、特に、平衡動作することにより、ＲＦ電圧に対する耐圧性を高めた核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、核磁気共鳴装置における従来の複同調回路を説明する。尚、以下において、核磁気共鳴周波数が高い方をＨＦ（高周波数）、低い方をＬＦ（低周波数）とする。図１と図２は、従来の複同調回路を示す図であり、図２は図１のＨＦ核用高周波が共振している状態での同軸共振器ＲＦ電圧の振幅を同時に図示したものである。図１と図２に示す回路は、ＨＦ核（例えば１Ｈ核）の共鳴周波数に同調できる他、同時にＬＦ核（例えば１３Ｃ核）の共鳴周波数にも同調可能な回路で、図中１が、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイルである。ＨＦ核の共鳴周波数の１／４波長の長さを有する同軸共振器２、３は、外部導体を接地して使用される。サンプルコイル１の一端には開放同軸共振器２、他端には短絡同軸共振器３が接続され、ＨＦ入出力側、ＬＦ入出力側それぞれに同調バリコン４、６、整合バリコン５、７が接続されている。尚、コンデンサー８は、ＬＦ同調バリコン４の容量不足を補うためのものである。
【０００３】
次に、動作を説明すると、図２に示すように、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、開放同軸共振器２のＲＦ電圧は、入力端で最小振幅０、終端で最大振幅Ｖｍとなり、短絡同軸共振器３のＲＦ電圧は、入力端で最大振幅Ｖｍ、終端で最小振幅０となり、同調バリコン４で周波数調整することができる。このとき、開放同軸共振器２の入力端では電圧振幅が最小となるため、ＬＦ側へ流れるＨＦパワーは小さい。また、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては、開放同軸共振器２は関係しないが、短絡同軸共振器３は接地されたインダクタンスＬとして作用するため、サンプルコイル１、短絡同軸共振器３に対して並列に接続されている同調バリコン６で周波数調整することができる。こうして、このタイプの複同調回路は、ＨＦ、ＬＦに対してそれぞれ独立に周波数調整することができる。
【０００４】
図３は、従来の複同調回路の別の例を示すものである。尚、図１、図２と同一な要素には、同一の数字をあててある。図中１が、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイルである。ＨＦ核の共鳴周波数の１／４波長の長さを有する２本の導体３１と３２は、平行線伝送路を形成し、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１を介して接地して使用される。２本の導体３１と３２の間には、サンプルコイル１が接続され、２本の導体３１と３２の周囲は、接地された導電性の外管１４で包囲されている。ＨＦ核の同調コンデンサー９は導体３１に、ＨＦ核の同調バリコン４と整合バリコン５は導体３２にそれぞれ接続され、このときのＨＦ核の同調バリコン４とＨＦ核の同調コンデンサー９の容量は、同程度になるように設定される。また、ＬＦ核の同調バリコン６、整合バリコン７は、導体３１に接続される。
【０００５】
ＨＦ核の共鳴周波数では、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１は、容量が大きいため、インピーダンスが小さくなり、導体３１、３２はその端部が短絡した場合と等価になって、外管１４と共に接地される。その結果、導体３１、３２、および外管１４は、ＨＦ核の共鳴周波数での１／４波長平衡共振回路として動作する。即ち、導体３１、３２では、ＨＦ核の同調バリコン４の容量とＨＦ核の同調コンデンサー９の容量とが同程度に設定されているため、サンプルコイル１の両端に、振幅がほぼ等しく、逆極性のＲＦ電圧Ｖｍ／２、−Ｖｍ／２が生じる（導体３１と導体３２とは、一種の変圧器作用で逆極性の電流が流れる）。このＲＦ電圧は、図１、図２における電圧Ｖｍの半分の値であり、これがＨＦ核の同調バリコン４、整合バリコン５に対して印加される。
【０００６】
一方、ＬＦ核の共鳴周波数では、サンプルコイル１、導体３１、および導体３２に、それぞれ直列に接続されたＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１、およびＬＦ核の同調コンデンサー１０に並列に接続されたＬＦ核の同調バリコン６で、ＬＣ共振回路が形成され、ＬＦ核の同調バリコン６で周波数調整することができる。このとき、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１の容量を適当に設定することにより、サンプルコイル１の両端には、振幅がほぼ等しく、逆極性のＲＦ電圧が生じるため、ＬＦ核の同調バリコン６、整合バリコン７に加わるＲＦ電圧は、図１、図２の場合の半分に収めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１および図２の例では、サンプルコイル１の一端が、ＨＦ共振時に接地電位、ＬＦ共振時に接地電位に近い電位となるので、ＨＦ共振時には、バリコン４、５の両端にＨＦの最大振幅に相当する電位差が、またＬＦ共振時には、バリコン６、７およびコンデンサー８にＬＦの最大振幅に相当する電位差がそのまま印加されてしまうため、サンプルコイル１に高電力を印加した際に放電が起きて、それらの電気部品が損傷するという問題があった。
【０００８】
また、核磁気共鳴装置に実装した場合、サンプルコイル１からの引き出し線が長くなるため、ＬＦ共振時の電流経路に無駄を生じ、ＬＦ核の共振周波数を高くすることができないという問題があった。この場合、サンプルコイル１と並列にダミーコイルを付加してコイル全体としてのインダクタンスを下げることにより、共振周波数を上げる対策が考えられるが、このような対策を取ると、ダミーコイルにも電気が流れるため、電力損失が大きくなって不適当である。
【０００９】
一方、図３の例では、ＨＦ共振時に同調バリコン４と整合バリコン５に加わる電圧、および、ＬＦ共振時に同調バリコン６と整合バリコン７に加わる電圧は、ともに図１の例の場合の半分に収まるという長所があるものの、導体３１、３２はサンプルコイル１に直列接続されているから、ＬＦ共振時に引き出し線として働き、コイル全体のインダクタンスＬが上がり、その結果、ＬＦの共振周波数が低下するという問題があった。
【００１０】
また、図３の場合、導体３１、３２をＨＦの１／４波長平衡共振回路として動作させるためには、ある程度の大きさの容量を持ったコンデンサー１０、１１を接続することが必要であるが、コンデンサーの容量Ｃが大きくなると、それに伴ってＬＦの共振周波数が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、複同調回路の耐圧を向上させて高電力の注入を可能にすると共に、ＨＦ、ＬＦ共振時の共振周波数をも向上させた核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路は、
端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備え、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴としている。
【００１４】
また、前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００１５】
また、前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴としている。
【００１８】
また、第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００１９】
また、第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明にかかる核磁気共鳴装置のプローブは、
端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備えた複同調回路を構成要素とする核磁気共鳴装置のプローブであって、
該複同調回路の少なくとも電気回路部分の外側を包囲する筒状電極を設け、該筒状電極を該複同調回路の接地電極として用い、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴としている。
【００２３】
また、前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００２４】
また、前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴としている。
【００２５】
また、前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００２６】
また、第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴としている。
【００２７】
また、第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００２８】
また、第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００３０】
また、前記筒状電極は、所定の位置にプローブの内側と外側を連通させる窓を有することを特徴としている。
【００３１】
【発明の詳細な説明】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示したものである。
【００３２】
図中、４１と４２は導体である。本実施例では、導体４１、４２によって平行線路を構成する。そして、ＨＦ共振時、入力電力のサンプルコイルへの分配率の調整は、この導体４１、４２で構成される平行線路共振器の特性インピーダンスを調整することによって行なわれる。尚、この導体４１、４２は、伝送路として動作すれば良いので、必ずしも棒状体に限定されるものではなく、ヘリカルコイルや、外部導体を接地した同軸線なども使用可能である。
【００３３】
導体４１、４２の上端には、ＬＦ同調用のバリコン４７、４８を介して、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイル１が接続されている。導体４２の下端は直接接地され、導体４１の下端はコンデンサー４５を介して間接的に接地されている。尚、これは逆に、導体４１の下端が直接接地され、導体４２の下端がコンデンサー４５を介して間接的に接地されていても良いし、あるいは、図５のように、導体４１の下端と導体４２の下端の両方が、コンデンサー４５とコンデンサー９１を介して間接的に接地されていても良い。どちらも回路的には等価である。
【００３４】
導体４２の中途の任意の位置には、ＨＦ整合用のコンデンサー４３とバリコン４４とで構成されたＨＦ整合回路が接続されている。また、導体４１の中途の任意の位置には、ＨＦ同調用のバリコン４９が接続されている。尚、バリコン４９は、導体４２の中途の任意の位置に接続されていても良いし、あるいは、図６のように、導体４１の中途の任意の位置と導体４２の中途の任意の位置との間を結ぶ形に接続しても良い。また、導体４１、４２の長さと、バリコン４７、４８、コンデンサー４５の値とは、ＨＦ共振時に、全体で１／４波長共振器として動作するように、適切に設定されている。また、導体４１とコンデンサー４５との接続点には、ＬＦ整合用のバリコン４６が接続されている。
【００３５】
図７に、ＨＦ共振時の導体４１、４２におけるＲＦ電圧の振幅分布を示す。導体４１の下端はコンデンサー４５を介して間接的に接地され、導体４２の下端は直接接地されているので、導体４１、４２で構成される平行線路上に発生する定在波は、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、下端で最小振幅０、上端で最大振幅となり、その振幅の符号は、電圧振幅５１、５２で示すように、導体４１と導体４２とで、それぞれ逆符号となる。
【００３６】
このとき、ＬＦ同調用バリコン４７、４８は容量が大きいので、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、充分にインピーダンスが低くなり、サンプルコイル１のインピーダンスに対して無視できるので、サンプルコイル１と導体４１および導体４２とは、直接短絡接続されている場合と等価になる。従って、ＬＦ同調用バリコン４７、４８に加わる端子間電圧はきわめて小さくなり、ＲＦ電圧によってＬＦ同調用バリコン４７、４８が破損する心配はない。
【００３７】
ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、導体４１、サンプルコイル１、導体４２、およびコンデンサー４５で、伝送路と、インダクタンスＬと、容量Ｃとから成る共振回路が構成される。そして、回路外のＨＦ供給源と、導体４１、サンプルコイル１、導体４２、およびコンデンサー４５で構成される共振回路との間の同調はバリコン４９で、整合はバリコン４４で、それぞれ行なわせることができるようになっている。
【００３８】
サンプルコイル１で起きるＨＦ共振は、逆符号でＲＦ電圧の振幅が同じになる平衡共振なので、同じＲＦ電力で比較すると、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合と比べて、サンプルコイル１の両端に印加されるＲＦ電圧は半分の値になる。しかも、ＨＦ用同調整合回路の接続位置を、ＲＦ電圧の振幅が最大になる導体４１の上端および導体４２の上端（すなわち、サンプルコイル１の両端）ではなく、ＲＦ電圧の振幅が比較的小さい導体４１および導体４２の中途の任意の位置に設けたので、実際にコンデンサー４３、バリコン４４、バリコン４９に印加されるＲＦ電圧は、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合の半分の値よりも、更に小さく抑えることができる。
【００３９】
一方、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては、導体４１はコンデンサー４５を介して間接的に接地されているので、サンプルコイル１とサンプルコイル１の両端に接続されたＬＦ同調用バリコン４７および４８とでＬＣ共振回路を構成する。コンデンサー４５の容量は、ＬＦ同調用バリコン４７および４８の容量に対して、充分に大きな値に設定されているので、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては充分にインピーダンスが低くなり、サンプルコイル１やバリコン４７、４８のインピーダンスに対して無視できるので、バリコン４７とバリコン４８との間は、接地電位で直接短絡接続されている場合と等価になる。したがって、コンデンサー４５の容量を大きくしても、ＬＦの共振周波数が低下するという問題は発生しない。また、ＬＦ核の共鳴周波数帯域では、導体４１、４２の長さに対する波長の影響はほとんどないので、導体４１、４２のインピーダンスは無視できる程度に小さい。
【００４０】
ここで、バリコン４７とバリコン４８を等しい容量に設定すれば、サンプルコイル１の両端のＲＦ電圧の振幅は、ＨＦ共振時と同様に、逆符号で同じ電圧の振幅になる。そのため、バリコン４７とバリコン４８に印加されるＲＦ電圧は、同じＲＦ電力で比較すると、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合のＲＦ電圧に比べて半分の値で済む。
【００４１】
本回路は、導体４１、バリコン４７、サンプルコイル１、バリコン４８、導体４２を直列接続し、さらにコンデンサー４５を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２とコンデンサー４５のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、バリコン４７、４８の容量を可変することで、導体４１、４２、およびコンデンサー４５のインピーダンスに起因する共振周波数の低下を招くことなく、高いＬＦ周波数に同調させることができる。
【００４２】
尚、本発明には、さまざまな変形例が考えられる。図８は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。図中、６１、６２はコンデンサーである。ＬＦ同調用バリコン４７、４８にそれぞれ並列に、交換可能な形でＬＦ同調用コンデンサー６１、６２を取り付けることにより、複同調回路のＬＦ側周波数の同調可能範囲を広げることができる。尚、コンデンサーの代わりにコイルなどを取り付けても良い。
【００４３】
また、図９は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。図に示すように、ＬＦ同調用バリコン４７、４８は、導体４１、４２の中途の任意の位置に挿入しても良い。これは、ＬＦ周波数に対する導体４１、４２のインピーダンスが充分に小さいためである。
【００４４】
また、図１０は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。本実施例では、ＨＦ、第１のＬＦ、および第２のＬＦの三重同調を可能にするために、導体４１の下端に、第３の導体８３の一端が接続されるとともに、第３の導体８３の他端は、コンデンサー８１を介して接地されている。また、導体８３とコンデンサー８１との接続点には、第２のＬＦ整合用バリコン８２が接続されている。尚、第３の導体８３は、導体４１の下端ではなく、導体４２の下端に接続されていても良く、あるいは導体４１と導体４２の両方の下端に接続されていても良い。いずれも回路的には等価である。
【００４５】
コンデンサー４５の容量は、二重同調を行なう他の実施例の場合と同様に、充分に大きな値に設定し、コンデンサー８１の容量は、コンデンサー４５の容量よりも更に大きな値に設定する。導体８３は、ＨＦ共振時、コンデンサー４５で接地されているので、ＨＦ共振回路には悪影響を与えない。尚、ＨＦ共振回路の動作自体は、他の実施例の動作の場合と全く同じである。
【００４６】
一方、第１のＬＦの共振回路は、導体４２、バリコン４８、サンプルコイル１、バリコン４７、導体４１を直列接続し、さらにコンデンサー４５を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２とコンデンサー４５のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、バリコン４７、４８の容量を可変することで、導体４１、４２、およびコンデンサー４５のインピーダンスに起因する共振周波数の低下を招くことなく、高いＬＦ周波数に同調させることができる。
【００４７】
また、第２のＬＦの共振回路は、導体４２、バリコン４８、サンプルコイル１、バリコン４７、導体４１、導体８３を直列接続し、さらにコンデンサー４５とコンデンサー８１を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８と導体８３とコンデンサー８１とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、ＨＦ共振回路の共振周波数より低い共振周波数に同調させることができる。
【００４８】
尚、上記の各実施例における同調整合方式は一例であり、これに限定されない。更に静電結合を利用する方式に限定されるものではなく、誘電結合を利用する方式を採用しても良いことは言うまでもない。
【００４９】
以上、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路について説明したが、以下、これらの複同調回路を、実際の核磁気共鳴装置用プローブに実装した具体例について説明する。
【００５０】
図１１は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路を、プローブに実装した場合の電子部品の配置構造を示したものである。図１１（ａ）は、プローブの縦方向の断面図、（ｂ）は、プローブのカバーを取った様子を示す図、（ｃ）は、プローブの横方向の断面図である。尚、この実施例は、具体的には、外部磁場に対して所定の角度に傾斜させた試料管を高速回転させる、固体試料専用の核磁気共鳴測定プローブを想定している。
【００５１】
図中、１００はプローブのカバーである。カバー１００の内側には、中空で円筒形をした筒状電極１０１が設けられており、更に、筒状電極１０１の上部内側には、外部磁場に対して所定の角度だけ傾斜させた試料回転機構１０２が設けられている。また、試料回転機構１０２の内部にはサンプルコイル１、更にその内側には固体試料を封入した試料管１０３が設けられている。また、試料回転機構１０２には、試料管１０３を高速回転させるために、エアー配管１０４が接続されており、加圧された駆動用のエアー・ジェットが、試料管１０３に対して適宜吹き付けられる構成になっている。また、筒状電極１０１には、上部に、試料管１０３を試料回転機構１０２から出し入れするための、プローブの内側と外側を連通させた窓１０５が設けられている。
【００５２】
サンプルコイル１の両端には、ＬＦ同調用バリコン４７、４８が接続されており、シャフト１０６、１０７でその静電容量を可変させる構成になっている。そして、これらのＬＦ同調用バリコン４７、４８の外に、導体４１、４２を内部導体、筒状電極１０１を外部導体として利用することにより、全体でＨＦに共振する１／４波長共振器を構成させている。また、円筒電極１０１を共通の接地電極として利用することにより、円筒電極１０１の内側に、ＨＦ整合用バリコン４４、ＬＦ整合用バリコン４６、ＨＦ同調用バリコン４９、ＨＦ整合用コンデンサー４３、コンデンサー４５、同軸ケーブル１０８、１０９をコンパクトに実装している。
【００５３】
今回、中空の筒状電極１０１を接地電極として利用したことにより、従来の接地電極であった支柱と円板とから成るフレームが不要となり、電子部品を実装するための内部空間が広く取れるようになった。その結果、ＬＦ同調用バリコン４７、４８に外径の大きな高耐圧バリコンを設置することが可能になり、ＬＦ共振時、複同調回路が従来よりも高電圧に耐えられるようになった。また、筒状電極１０１を接地電極に採用して、接地インピーダンスを従来よりも小さくした結果、高周波の電力損失を低減させることが可能になると共に、従来よりも高い共振周波数のＨＦが得られるようになった。また、ＬＣ共振器の外部導体として、大型の筒状電極１０１を採用したので、ＬＣ共振器のＱ値自体も高まった。
【００５４】
尚、大型の容量素子４７、４８は、電極間の寸法が大きいので、導体４１、４２は、１／４波長の長さよりも短くして調整する必要がある。それゆえ、導体４１、４２は、必ずしも１／４波長の長さである必要はない。導体４１、４２の一端をサンプルコイル１に接続する容量素子４７、４８と、導体４１、４２の他端を接地する容量素子４５とを含めて、全体で１／４波長共振器として動作すれば良い。
【００５５】
また、上記筒状電極１０１の形状は、必ずしも円筒形に制限されるものではない。また、筒状電極１０１は、必ずしもプローブ全体を覆っている必要はない。複同調回路の電気回路部分を覆うのみであっても良い。
【００５６】
以上、代表例として、図４に示した複同調回路を実装した核磁気共鳴装置のプローブについて説明したが、筒状電極１０１を外部電極および接地電極として用いる実装方法が、図５から図１０に示した他の実施例に対しても、同様に適用できる実装方法であることは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブによれば、従来の不平衡回路の代わりに、平衡共振回路を使用し、平衡共振回路の中途にＨＦ用同調整合回路を接続するようにしたので、同じ電力を注入した場合に、電気回路部品に印加されるＲＦ電圧が半分、またはそれ以下に低下し、回路の耐圧性が向上した。また、平衡共振回路とサンプルコイルとの間、または平衡共振回路の中途に、ＬＦ用同調容量素子を挿入したので、ＨＦ、ＬＦともに、高い共振周波数を得ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図２】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図３】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図４】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図６】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図７】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図８】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図９】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図１１】本発明にかかる核磁気共鳴装置のプローブの一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・サンプルコイル、２・・・同軸共振器、３・・・同軸共振器、４・・・ＨＦ同調用バリコン、５・・・ＨＦ整合用バリコン、６・・・ＬＦ同調用バリコン、７・・・ＬＦ整合用バリコン、８・・・コンデンサー、９・・・ＨＦ同調用コンデンサー、１０・・・ＬＦ同調用コンデンサー、１１・・・ＬＨ同調用コンデンサー、１４・・・外管、３１・・・導体、３２・・・導体、４１・・・導体、４２・・・導体、４３・・・ＨＦ整合用コンデンサー、４４・・・ＨＦ整合用バリコン、４５・・・コンデンサー、４６・・・ＬＦ整合用バリコン、４７・・・ＬＦ同調用バリコン、４８・・・ＬＦ同調用バリコン、４９・・・ＨＦ同調用バリコン、５１・・・ＨＦ電圧振幅、５２・・・ＨＦ電圧振幅、６１・・・ＬＦ同調用コンデンサー、６２・・・ＬＦ同調用コンデンサー、８１・・・コンデンサー、８２・・・第２のＬＦ整合用バリコン、８３・・・導体、９１・・・コンデンサー、１００・・・カバー、１０１・・・筒状電極、１０２・・・試料回転機構、１０３・・・試料管、１０４・・・エアー配管、１０５・・・窓、１０６・・・シャフト、１０７・・・シャフト、１０８・・・同軸ケーブル、１０９・・・同軸ケーブル。
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブに関し、特に、平衡動作することにより、ＲＦ電圧に対する耐圧性を高めた核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、核磁気共鳴装置における従来の複同調回路を説明する。尚、以下において、核磁気共鳴周波数が高い方をＨＦ（高周波数）、低い方をＬＦ（低周波数）とする。図１と図２は、従来の複同調回路を示す図であり、図２は図１のＨＦ核用高周波が共振している状態での同軸共振器ＲＦ電圧の振幅を同時に図示したものである。図１と図２に示す回路は、ＨＦ核（例えば１Ｈ核）の共鳴周波数に同調できる他、同時にＬＦ核（例えば１３Ｃ核）の共鳴周波数にも同調可能な回路で、図中１が、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイルである。ＨＦ核の共鳴周波数の１／４波長の長さを有する同軸共振器２、３は、外部導体を接地して使用される。サンプルコイル１の一端には開放同軸共振器２、他端には短絡同軸共振器３が接続され、ＨＦ入出力側、ＬＦ入出力側それぞれに同調バリコン４、６、整合バリコン５、７が接続されている。尚、コンデンサー８は、ＬＦ同調バリコン４の容量不足を補うためのものである。
【０００３】
次に、動作を説明すると、図２に示すように、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、開放同軸共振器２のＲＦ電圧は、入力端で最小振幅０、終端で最大振幅Ｖｍとなり、短絡同軸共振器３のＲＦ電圧は、入力端で最大振幅Ｖｍ、終端で最小振幅０となり、同調バリコン４で周波数調整することができる。このとき、開放同軸共振器２の入力端では電圧振幅が最小となるため、ＬＦ側へ流れるＨＦパワーは小さい。また、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては、開放同軸共振器２は関係しないが、短絡同軸共振器３は接地されたインダクタンスＬとして作用するため、サンプルコイル１、短絡同軸共振器３に対して並列に接続されている同調バリコン６で周波数調整することができる。こうして、このタイプの複同調回路は、ＨＦ、ＬＦに対してそれぞれ独立に周波数調整することができる。
【０００４】
図３は、従来の複同調回路の別の例を示すものである。尚、図１、図２と同一な要素には、同一の数字をあててある。図中１が、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイルである。ＨＦ核の共鳴周波数の１／４波長の長さを有する２本の導体３１と３２は、平行線伝送路を形成し、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１を介して接地して使用される。２本の導体３１と３２の間には、サンプルコイル１が接続され、２本の導体３１と３２の周囲は、接地された導電性の外管１４で包囲されている。ＨＦ核の同調コンデンサー９は導体３１に、ＨＦ核の同調バリコン４と整合バリコン５は導体３２にそれぞれ接続され、このときのＨＦ核の同調バリコン４とＨＦ核の同調コンデンサー９の容量は、同程度になるように設定される。また、ＬＦ核の同調バリコン６、整合バリコン７は、導体３１に接続される。
【０００５】
ＨＦ核の共鳴周波数では、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１は、容量が大きいため、インピーダンスが小さくなり、導体３１、３２はその端部が短絡した場合と等価になって、外管１４と共に接地される。その結果、導体３１、３２、および外管１４は、ＨＦ核の共鳴周波数での１／４波長平衡共振回路として動作する。即ち、導体３１、３２では、ＨＦ核の同調バリコン４の容量とＨＦ核の同調コンデンサー９の容量とが同程度に設定されているため、サンプルコイル１の両端に、振幅がほぼ等しく、逆極性のＲＦ電圧Ｖｍ／２、−Ｖｍ／２が生じる（導体３１と導体３２とは、一種の変圧器作用で逆極性の電流が流れる）。このＲＦ電圧は、図１、図２における電圧Ｖｍの半分の値であり、これがＨＦ核の同調バリコン４、整合バリコン５に対して印加される。
【０００６】
一方、ＬＦ核の共鳴周波数では、サンプルコイル１、導体３１、および導体３２に、それぞれ直列に接続されたＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１、およびＬＦ核の同調コンデンサー１０に並列に接続されたＬＦ核の同調バリコン６で、ＬＣ共振回路が形成され、ＬＦ核の同調バリコン６で周波数調整することができる。このとき、ＬＦ核の同調コンデンサー１０、１１の容量を適当に設定することにより、サンプルコイル１の両端には、振幅がほぼ等しく、逆極性のＲＦ電圧が生じるため、ＬＦ核の同調バリコン６、整合バリコン７に加わるＲＦ電圧は、図１、図２の場合の半分に収めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１および図２の例では、サンプルコイル１の一端が、ＨＦ共振時に接地電位、ＬＦ共振時に接地電位に近い電位となるので、ＨＦ共振時には、バリコン４、５の両端にＨＦの最大振幅に相当する電位差が、またＬＦ共振時には、バリコン６、７およびコンデンサー８にＬＦの最大振幅に相当する電位差がそのまま印加されてしまうため、サンプルコイル１に高電力を印加した際に放電が起きて、それらの電気部品が損傷するという問題があった。
【０００８】
また、核磁気共鳴装置に実装した場合、サンプルコイル１からの引き出し線が長くなるため、ＬＦ共振時の電流経路に無駄を生じ、ＬＦ核の共振周波数を高くすることができないという問題があった。この場合、サンプルコイル１と並列にダミーコイルを付加してコイル全体としてのインダクタンスを下げることにより、共振周波数を上げる対策が考えられるが、このような対策を取ると、ダミーコイルにも電気が流れるため、電力損失が大きくなって不適当である。
【０００９】
一方、図３の例では、ＨＦ共振時に同調バリコン４と整合バリコン５に加わる電圧、および、ＬＦ共振時に同調バリコン６と整合バリコン７に加わる電圧は、ともに図１の例の場合の半分に収まるという長所があるものの、導体３１、３２はサンプルコイル１に直列接続されているから、ＬＦ共振時に引き出し線として働き、コイル全体のインダクタンスＬが上がり、その結果、ＬＦの共振周波数が低下するという問題があった。
【００１０】
また、図３の場合、導体３１、３２をＨＦの１／４波長平衡共振回路として動作させるためには、ある程度の大きさの容量を持ったコンデンサー１０、１１を接続することが必要であるが、コンデンサーの容量Ｃが大きくなると、それに伴ってＬＦの共振周波数が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、複同調回路の耐圧を向上させて高電力の注入を可能にすると共に、ＨＦ、ＬＦ共振時の共振周波数をも向上させた核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路は、
端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備え、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴としている。
【００１４】
また、前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００１５】
また、前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴としている。
【００１８】
また、第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００１９】
また、第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明にかかる核磁気共鳴装置のプローブは、
端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備えた複同調回路を構成要素とする核磁気共鳴装置のプローブであって、
該複同調回路の少なくとも電気回路部分の外側を包囲する筒状電極を設け、該筒状電極を該複同調回路の接地電極として用い、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴としている。
【００２３】
また、前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００２４】
また、前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴としている。
【００２５】
また、前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴としている。
【００２６】
また、第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴としている。
【００２７】
また、第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００２８】
また、第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴としている。
【００３０】
また、前記筒状電極は、所定の位置にプローブの内側と外側を連通させる窓を有することを特徴としている。
【００３１】
【発明の詳細な説明】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示したものである。
【００３２】
図中、４１と４２は導体である。本実施例では、導体４１、４２によって平行線路を構成する。そして、ＨＦ共振時、入力電力のサンプルコイルへの分配率の調整は、この導体４１、４２で構成される平行線路共振器の特性インピーダンスを調整することによって行なわれる。尚、この導体４１、４２は、伝送路として動作すれば良いので、必ずしも棒状体に限定されるものではなく、ヘリカルコイルや、外部導体を接地した同軸線なども使用可能である。
【００３３】
導体４１、４２の上端には、ＬＦ同調用のバリコン４７、４８を介して、ソレノイドコイルやサドルコイルなどから成るサンプルコイル１が接続されている。導体４２の下端は直接接地され、導体４１の下端はコンデンサー４５を介して間接的に接地されている。尚、これは逆に、導体４１の下端が直接接地され、導体４２の下端がコンデンサー４５を介して間接的に接地されていても良いし、あるいは、図５のように、導体４１の下端と導体４２の下端の両方が、コンデンサー４５とコンデンサー９１を介して間接的に接地されていても良い。どちらも回路的には等価である。
【００３４】
導体４２の中途の任意の位置には、ＨＦ整合用のコンデンサー４３とバリコン４４とで構成されたＨＦ整合回路が接続されている。また、導体４１の中途の任意の位置には、ＨＦ同調用のバリコン４９が接続されている。尚、バリコン４９は、導体４２の中途の任意の位置に接続されていても良いし、あるいは、図６のように、導体４１の中途の任意の位置と導体４２の中途の任意の位置との間を結ぶ形に接続しても良い。また、導体４１、４２の長さと、バリコン４７、４８、コンデンサー４５の値とは、ＨＦ共振時に、全体で１／４波長共振器として動作するように、適切に設定されている。また、導体４１とコンデンサー４５との接続点には、ＬＦ整合用のバリコン４６が接続されている。
【００３５】
図７に、ＨＦ共振時の導体４１、４２におけるＲＦ電圧の振幅分布を示す。導体４１の下端はコンデンサー４５を介して間接的に接地され、導体４２の下端は直接接地されているので、導体４１、４２で構成される平行線路上に発生する定在波は、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、下端で最小振幅０、上端で最大振幅となり、その振幅の符号は、電圧振幅５１、５２で示すように、導体４１と導体４２とで、それぞれ逆符号となる。
【００３６】
このとき、ＬＦ同調用バリコン４７、４８は容量が大きいので、ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、充分にインピーダンスが低くなり、サンプルコイル１のインピーダンスに対して無視できるので、サンプルコイル１と導体４１および導体４２とは、直接短絡接続されている場合と等価になる。従って、ＬＦ同調用バリコン４７、４８に加わる端子間電圧はきわめて小さくなり、ＲＦ電圧によってＬＦ同調用バリコン４７、４８が破損する心配はない。
【００３７】
ＨＦ核の共鳴周波数に対しては、導体４１、サンプルコイル１、導体４２、およびコンデンサー４５で、伝送路と、インダクタンスＬと、容量Ｃとから成る共振回路が構成される。そして、回路外のＨＦ供給源と、導体４１、サンプルコイル１、導体４２、およびコンデンサー４５で構成される共振回路との間の同調はバリコン４９で、整合はバリコン４４で、それぞれ行なわせることができるようになっている。
【００３８】
サンプルコイル１で起きるＨＦ共振は、逆符号でＲＦ電圧の振幅が同じになる平衡共振なので、同じＲＦ電力で比較すると、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合と比べて、サンプルコイル１の両端に印加されるＲＦ電圧は半分の値になる。しかも、ＨＦ用同調整合回路の接続位置を、ＲＦ電圧の振幅が最大になる導体４１の上端および導体４２の上端（すなわち、サンプルコイル１の両端）ではなく、ＲＦ電圧の振幅が比較的小さい導体４１および導体４２の中途の任意の位置に設けたので、実際にコンデンサー４３、バリコン４４、バリコン４９に印加されるＲＦ電圧は、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合の半分の値よりも、更に小さく抑えることができる。
【００３９】
一方、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては、導体４１はコンデンサー４５を介して間接的に接地されているので、サンプルコイル１とサンプルコイル１の両端に接続されたＬＦ同調用バリコン４７および４８とでＬＣ共振回路を構成する。コンデンサー４５の容量は、ＬＦ同調用バリコン４７および４８の容量に対して、充分に大きな値に設定されているので、ＬＦ核の共鳴周波数に対しては充分にインピーダンスが低くなり、サンプルコイル１やバリコン４７、４８のインピーダンスに対して無視できるので、バリコン４７とバリコン４８との間は、接地電位で直接短絡接続されている場合と等価になる。したがって、コンデンサー４５の容量を大きくしても、ＬＦの共振周波数が低下するという問題は発生しない。また、ＬＦ核の共鳴周波数帯域では、導体４１、４２の長さに対する波長の影響はほとんどないので、導体４１、４２のインピーダンスは無視できる程度に小さい。
【００４０】
ここで、バリコン４７とバリコン４８を等しい容量に設定すれば、サンプルコイル１の両端のＲＦ電圧の振幅は、ＨＦ共振時と同様に、逆符号で同じ電圧の振幅になる。そのため、バリコン４７とバリコン４８に印加されるＲＦ電圧は、同じＲＦ電力で比較すると、図１および図２に示した従来の不平衡回路の場合のＲＦ電圧に比べて半分の値で済む。
【００４１】
本回路は、導体４１、バリコン４７、サンプルコイル１、バリコン４８、導体４２を直列接続し、さらにコンデンサー４５を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２とコンデンサー４５のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、バリコン４７、４８の容量を可変することで、導体４１、４２、およびコンデンサー４５のインピーダンスに起因する共振周波数の低下を招くことなく、高いＬＦ周波数に同調させることができる。
【００４２】
尚、本発明には、さまざまな変形例が考えられる。図８は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。図中、６１、６２はコンデンサーである。ＬＦ同調用バリコン４７、４８にそれぞれ並列に、交換可能な形でＬＦ同調用コンデンサー６１、６２を取り付けることにより、複同調回路のＬＦ側周波数の同調可能範囲を広げることができる。尚、コンデンサーの代わりにコイルなどを取り付けても良い。
【００４３】
また、図９は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。図に示すように、ＬＦ同調用バリコン４７、４８は、導体４１、４２の中途の任意の位置に挿入しても良い。これは、ＬＦ周波数に対する導体４１、４２のインピーダンスが充分に小さいためである。
【００４４】
また、図１０は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の別の実施例を示したものである。本実施例では、ＨＦ、第１のＬＦ、および第２のＬＦの三重同調を可能にするために、導体４１の下端に、第３の導体８３の一端が接続されるとともに、第３の導体８３の他端は、コンデンサー８１を介して接地されている。また、導体８３とコンデンサー８１との接続点には、第２のＬＦ整合用バリコン８２が接続されている。尚、第３の導体８３は、導体４１の下端ではなく、導体４２の下端に接続されていても良く、あるいは導体４１と導体４２の両方の下端に接続されていても良い。いずれも回路的には等価である。
【００４５】
コンデンサー４５の容量は、二重同調を行なう他の実施例の場合と同様に、充分に大きな値に設定し、コンデンサー８１の容量は、コンデンサー４５の容量よりも更に大きな値に設定する。導体８３は、ＨＦ共振時、コンデンサー４５で接地されているので、ＨＦ共振回路には悪影響を与えない。尚、ＨＦ共振回路の動作自体は、他の実施例の動作の場合と全く同じである。
【００４６】
一方、第１のＬＦの共振回路は、導体４２、バリコン４８、サンプルコイル１、バリコン４７、導体４１を直列接続し、さらにコンデンサー４５を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２とコンデンサー４５のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、バリコン４７、４８の容量を可変することで、導体４１、４２、およびコンデンサー４５のインピーダンスに起因する共振周波数の低下を招くことなく、高いＬＦ周波数に同調させることができる。
【００４７】
また、第２のＬＦの共振回路は、導体４２、バリコン４８、サンプルコイル１、バリコン４７、導体４１、導体８３を直列接続し、さらにコンデンサー４５とコンデンサー８１を並列接続する構成になっているが、導体４１、４２のインピーダンスは無視できるので、バリコン４７、４８と導体８３とコンデンサー８１とサンプルコイル１とによるＬＣ共振回路と見なすことができ、ＨＦ共振回路の共振周波数より低い共振周波数に同調させることができる。
【００４８】
尚、上記の各実施例における同調整合方式は一例であり、これに限定されない。更に静電結合を利用する方式に限定されるものではなく、誘電結合を利用する方式を採用しても良いことは言うまでもない。
【００４９】
以上、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路について説明したが、以下、これらの複同調回路を、実際の核磁気共鳴装置用プローブに実装した具体例について説明する。
【００５０】
図１１は、本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路を、プローブに実装した場合の電子部品の配置構造を示したものである。図１１（ａ）は、プローブの縦方向の断面図、（ｂ）は、プローブのカバーを取った様子を示す図、（ｃ）は、プローブの横方向の断面図である。尚、この実施例は、具体的には、外部磁場に対して所定の角度に傾斜させた試料管を高速回転させる、固体試料専用の核磁気共鳴測定プローブを想定している。
【００５１】
図中、１００はプローブのカバーである。カバー１００の内側には、中空で円筒形をした筒状電極１０１が設けられており、更に、筒状電極１０１の上部内側には、外部磁場に対して所定の角度だけ傾斜させた試料回転機構１０２が設けられている。また、試料回転機構１０２の内部にはサンプルコイル１、更にその内側には固体試料を封入した試料管１０３が設けられている。また、試料回転機構１０２には、試料管１０３を高速回転させるために、エアー配管１０４が接続されており、加圧された駆動用のエアー・ジェットが、試料管１０３に対して適宜吹き付けられる構成になっている。また、筒状電極１０１には、上部に、試料管１０３を試料回転機構１０２から出し入れするための、プローブの内側と外側を連通させた窓１０５が設けられている。
【００５２】
サンプルコイル１の両端には、ＬＦ同調用バリコン４７、４８が接続されており、シャフト１０６、１０７でその静電容量を可変させる構成になっている。そして、これらのＬＦ同調用バリコン４７、４８の外に、導体４１、４２を内部導体、筒状電極１０１を外部導体として利用することにより、全体でＨＦに共振する１／４波長共振器を構成させている。また、円筒電極１０１を共通の接地電極として利用することにより、円筒電極１０１の内側に、ＨＦ整合用バリコン４４、ＬＦ整合用バリコン４６、ＨＦ同調用バリコン４９、ＨＦ整合用コンデンサー４３、コンデンサー４５、同軸ケーブル１０８、１０９をコンパクトに実装している。
【００５３】
今回、中空の筒状電極１０１を接地電極として利用したことにより、従来の接地電極であった支柱と円板とから成るフレームが不要となり、電子部品を実装するための内部空間が広く取れるようになった。その結果、ＬＦ同調用バリコン４７、４８に外径の大きな高耐圧バリコンを設置することが可能になり、ＬＦ共振時、複同調回路が従来よりも高電圧に耐えられるようになった。また、筒状電極１０１を接地電極に採用して、接地インピーダンスを従来よりも小さくした結果、高周波の電力損失を低減させることが可能になると共に、従来よりも高い共振周波数のＨＦが得られるようになった。また、ＬＣ共振器の外部導体として、大型の筒状電極１０１を採用したので、ＬＣ共振器のＱ値自体も高まった。
【００５４】
尚、大型の容量素子４７、４８は、電極間の寸法が大きいので、導体４１、４２は、１／４波長の長さよりも短くして調整する必要がある。それゆえ、導体４１、４２は、必ずしも１／４波長の長さである必要はない。導体４１、４２の一端をサンプルコイル１に接続する容量素子４７、４８と、導体４１、４２の他端を接地する容量素子４５とを含めて、全体で１／４波長共振器として動作すれば良い。
【００５５】
また、上記筒状電極１０１の形状は、必ずしも円筒形に制限されるものではない。また、筒状電極１０１は、必ずしもプローブ全体を覆っている必要はない。複同調回路の電気回路部分を覆うのみであっても良い。
【００５６】
以上、代表例として、図４に示した複同調回路を実装した核磁気共鳴装置のプローブについて説明したが、筒状電極１０１を外部電極および接地電極として用いる実装方法が、図５から図１０に示した他の実施例に対しても、同様に適用できる実装方法であることは言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の核磁気共鳴装置の複同調回路およびプローブによれば、従来の不平衡回路の代わりに、平衡共振回路を使用し、平衡共振回路の中途にＨＦ用同調整合回路を接続するようにしたので、同じ電力を注入した場合に、電気回路部品に印加されるＲＦ電圧が半分、またはそれ以下に低下し、回路の耐圧性が向上した。また、平衡共振回路とサンプルコイルとの間、または平衡共振回路の中途に、ＬＦ用同調容量素子を挿入したので、ＨＦ、ＬＦともに、高い共振周波数を得ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図２】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図３】従来の核磁気共鳴装置の複同調回路を示す図である。
【図４】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図６】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図７】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図８】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図９】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明にかかる核磁気共鳴装置の複同調回路の一実施例を示す図である。
【図１１】本発明にかかる核磁気共鳴装置のプローブの一実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・サンプルコイル、２・・・同軸共振器、３・・・同軸共振器、４・・・ＨＦ同調用バリコン、５・・・ＨＦ整合用バリコン、６・・・ＬＦ同調用バリコン、７・・・ＬＦ整合用バリコン、８・・・コンデンサー、９・・・ＨＦ同調用コンデンサー、１０・・・ＬＦ同調用コンデンサー、１１・・・ＬＨ同調用コンデンサー、１４・・・外管、３１・・・導体、３２・・・導体、４１・・・導体、４２・・・導体、４３・・・ＨＦ整合用コンデンサー、４４・・・ＨＦ整合用バリコン、４５・・・コンデンサー、４６・・・ＬＦ整合用バリコン、４７・・・ＬＦ同調用バリコン、４８・・・ＬＦ同調用バリコン、４９・・・ＨＦ同調用バリコン、５１・・・ＨＦ電圧振幅、５２・・・ＨＦ電圧振幅、６１・・・ＬＦ同調用コンデンサー、６２・・・ＬＦ同調用コンデンサー、８１・・・コンデンサー、８２・・・第２のＬＦ整合用バリコン、８３・・・導体、９１・・・コンデンサー、１００・・・カバー、１０１・・・筒状電極、１０２・・・試料回転機構、１０３・・・試料管、１０４・・・エアー配管、１０５・・・窓、１０６・・・シャフト、１０７・・・シャフト、１０８・・・同軸ケーブル、１０９・・・同軸ケーブル。
Claims (17)
- 端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備え、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴とする核磁気共鳴装置の複同調回路。 - 前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴とする請求項７記載の核磁気共鳴装置の複同調回路。
- 端部Ａ、Ｂを備えたサンプルコイルと、
一端がサンプルコイルの端部Ａに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第１の導体と、
一端がサンプルコイルの端部Ｂに接続され、他端が容量素子を介して、または直接接地された、第２の導体と、
（ i ）サンプルコイルの端部Ａと第１の導体との接続部、（ ii ）サンプルコイルの端部Ｂと第２の導体との接続部、および（ iii ）第１の導体の中間位置または第２の導体の中間位置、のうち、少なくとも１ヶ所に挿入された第２の高周波を同調させる同調容量素子と、
第１の高周波のための整合回路および同調回路と、
第２の高周波のための整合回路と
を備えた複同調回路を構成要素とする核磁気共鳴装置のプローブであって、
該複同調回路の少なくとも電気回路部分の外側を包囲する筒状電極を設け、該筒状電極を該複同調回路の接地電極として用い、
前記第１の導体および第２の導体は、導体の端部および導体の中間位置に接続された容量素子を含めた全体で、第１の高周波の１／４波長共振器を形成していることを特徴とする核磁気共鳴装置のプローブ。 - 前記第１の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴とする請求項９記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 前記第１の高周波のための同調回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置のうち、少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項９または１０記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 前記第２の高周波のための整合回路は、第１の導体の所定の位置、または第２の導体の所定の位置に設けられていることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 第２の高周波のための同調容量素子と並列に、容量素子や誘導素子などの電気回路を交換可能に増設したことを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 第１の高周波は、第２の高周波よりも周波数が高いことを特徴とする請求項９ないし１３のいずれかに記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 第１の導体の端部、または第２の導体の端部のうち、少なくとも一方に一端が接続され、他端が第３の高周波のための整合回路に接続されると共に容量素子を介して接地された、第３の導体を備えたことを特徴とする請求項９ないし１４のいずれかに記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 第１の高周波は、第２の高周波および第３の高周波よりも周波数が高いことを特徴とする請求項１５記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
- 前記筒状電極は、所定の位置にプローブの内側と外側を連通させる窓を有することを特徴とする請求項９ないし１６のいずれかに記載の核磁気共鳴装置のプローブ。
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