JP3926111B2 - 共鳴信号検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＭＲ検出用共振器に係り、特に検出感度を高めるようにした共鳴信号検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図１４は従来のＮＭＲ検出器を説明する図である。
試験管１を収納したボビン２に線材等でコイル３を形成し、その両端にコンデンサ４を接続する。コイル３とコンデンサ４によりＬＣ共振回路を形成し、図示しない外部の同調整合回路に接続して、この共振回路で高周波磁場を発生して試験管１内の試料に照射し、コイル３で共鳴信号の検出を行う。
しかし、このような従来の検出器コイルでは、巻回した導線を通して電流が流れるため室温の場合Ｑ値が２００前後と低く、また、コイルが発生する高周波電場が大きいために誘電損失が大きく、Ｑ値がより低下してしまう。また、高周波電場により試料が誘電加熱されてしまう。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、室温でも高いＱ値が得られ、高周波電場の強度を減らして感度を向上させ、高周波電場の誘電加熱を軽減して試料の加熱を軽減しようとするものである。
そのために本発明は、検出器コイルを誘電材料、特に強誘電材料で覆ったり、中に埋め込んで、外部に電気回路を付加して、高感度検出コイルを得るようにしたものである。電磁波の定在波により共振する分布定数型コイルは高いＱ値が得られるが、ＮＭＲに利用するには共振周波数が高過ぎる。そこで、強誘電体材料でコイルを覆うことにより、コイル周囲の誘電率を大きくする。誘電率が大きくなると、電磁波の進行速度が低下するので、電磁波の波長が短くなり、定在波により共振する分布定数型コイルでＮＭＲで利用可能な共振周波数が得られる。
【０００４】
このような構造のコイルでは、共振モードが縮退して、実際には必要な高周波磁場分布を発生させることが困難であるが、共振器に電気回路を付加して縮退を避けて必要な高周波磁場分布を発生させることができる。電磁場の波長が短くなることは、電流を流す導体幅が同じで長さが短くなるので、電気抵抗成分が減りＱ値が高くなり、感度が向上する。また、強誘電材料によりコイルのインピーダンスが小さくなるため、同じ強度の高周波磁場を発生するために流す電流により発生する高周波電圧が小さくなる。それにより、試料に印加される高周波電場の強度が小さくなるので、誘電損失が軽減されて試料の加熱やＱ値の低下を防ぐことができ、試料の誘電損失率に依存しない高い感度が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の実施の形態の例（実施例１）を説明する図で、それぞれ図１（ａ）は透視図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は中心軸に沿った断面図、図１（ｄ）は下面図を示す。
図において、５，５′は一対の導体で、円筒形シールド８と円筒形空洞６で形成される環状空間に誘電体材料７を配置して、コイル集合体を形成している。誘電体７は空気より大きな誘電率をもつ材料を使用する。なお、図示していないが、円筒形空洞６に試料を配置する。そして、導体５，５′の上端部をａ，ａ′、下端部をｂ，ｂ′としたとき、それぞれの片側（図ではａ，ａ′側）を導線１１で短絡する。この導線１１は、誘電体７には覆われていない。導線１１は両端を開放した場合の自己共振周波数は、コイル集合体の目的とする自己共振周波数となるように、導線１１の長さを設定する。なお、同調、整合回路については公知の技術なので図示を省略している。
【０００６】
一対の導体５，５′、円筒形シールド８、誘電体材料７からなるコイル集合体のみの場合は、その自己共振周波数において縮退した２種類の共振モードまたは、接近した周波数の２つの共振モードが存在する。それぞれを図２、図３により説明する。
図２はコイル中心に高周波磁場を発生させて検出コイルとして使用できる共振モードの説明図で、図２（ａ）はコイル集合体、図２（ｂ）は円筒軸方向断面図、図２（ｃ）は円筒軸に垂直な断面図を示し、共振時、磁場と電場が最大になった瞬間のそれぞれの向きと分布を実線と破線で示している。
導体５，５′に流れる高周波電流の向きは矢印１０，１０′で示しており、導体５，５′のａ，ａ′、ｂ，ｂ′にはそれぞれ反対符号の電圧（横向きの矢印で表示）が発生し、導体５，５′に１／２波長の定在波がのり、共振周波数で導体５，５′に流れる高周波電流は矢印１０，１０′に示すように逆向きである。そのため、コイル中心９の位置に高周波磁場が発生して試料に照射されるので、検出コイルとして使用できる。
【０００７】
図３はコイル中心の高周波磁場が打ち消しあい、検出コイルとして使用できない共振モードの説明図であり、図３（ａ）はコイル集合体、図３（ｂ）は円筒軸方向断面図、図３（ｃ）は円筒軸に垂直な断面図を示し、共振時、磁場と電場が最大になった瞬間のそれぞれの向きと分布を実線と破線で示している。
図示するように、図２における共振モード（検出コイルとして使用可能）の共振周波数に近い周波数で導体５，５′に矢印１０，１０′のように同じ方向に高周波電流が流れるモードが存在する。導体５，５′のａ，ａ′、ｂ，ｂ′にはそれぞれ同符号の電圧（横向きの矢印で表示し、ａ，ａ′側を正とするとｂ，ｂ′側は負）が発生し、誘電体の誘電率が大きいほど図２、図３のモードの周波数は接近する。そして、図３の共振モードでは、導体５，５′に流れる高周波電流が同じ方向であるため、コイル中心９では高周波磁場が打ち消しあう。これでは、コイルに電力を入力しても高周波磁場は発生しないので、検出コイルとして動作しない。
【０００８】
ところが、図１に示す実施例１の場合、導線１１により導体５，５′が接続されているので、図３の共振モードは存在しなくなる。この点について図４により説明する。
図４はコイル集合体を構成する導体５′、導線１１、導体５（図１）を展開した図で、導体５，５′の向きはそれぞれ図１のａ，ｂとａ′，ｂ′に対応し、周波数の低い順に各共振時の電圧、電流の最大となった瞬間の向きを示している。そして、横軸を位置、縦軸を電圧、電流（上向きは展開図上で右向きの流れとする）とし、図４（１）、（２）、（３）は低い周波数順にそれぞれの共振モードを示している。なお、電圧は実線、電流は破線で示している。
【０００９】
このコイル集合体と導線１１は、導体５′、導線１１、導体５からなる両端を開放した伝送線路として動作する。この線路上に定在波が発生することで、共振状態になる。
この線路の特性インピーダンスを考えると、導線１１部分に比較すると、大きな誘電率を持つ誘電体７に囲まれている導体５，５′部分は、特性インピーダンスが非常に小さい。この特性インピーダンスは誘電体７の誘電率が大きいほど、誘電体のコイル集合体内での充填率が高いほど小さくなる。導線１１に比較して導体５，５′部分は低特性インピーダンスであるから、同じ高周波電流が流れても発生する高周波電圧が小さい。
【００１０】
図４（３）に示す３番目の共振モードがコイル集合体の自己共振とほぼ一致する。導線１１は半波長共振線となるので、導線１１の中点付近では、電圧振幅≒０、電流振幅が極大となる。また、導線１１の両端では、電圧振幅最大で符号がそれぞれ逆、電流振幅≒０となる。この時、導体５，５′のａ，ａ′に反対符号の電圧が加わるので、流れる電流はそれぞれｂ→ａ方向、ａ′→ｂ′方向となる。これにより、図３に示す共振モードは消え、図２に示す共振モードのみとなり、コイル９中心で高周波磁場の発生と検出を行うことができる。
【００１１】
このコイル集合体と導線１１で構成される共振器に高周波電力を入力すると、大半の電力がコイル集合体に集中するので、導体１１を接続することによる、入力した高周波電力に対する発生する高周波磁場強度の低下は問題にならないほど小さい。その理由は、導線１１は、導体５，５′よりも特性インピーダンスが高く、図４（３）に示すように、ａまたはａ′で同じ電圧が発生しても、導線１１に流れる電流が小さい。このため、電力の大半がコイル集合体５，５′導体側に分布する。したがって、図４（３）に示す３番目の共振モードで検出コイルとして利用する。
また、図４（１）に示す１番目の共振モードは導線１１部分の電力が大きく、低感度であるが、導体５，５′のａ，ａ′に反対符号の電圧が加わるので、流れる電流はそれぞれｂ→ａ方向、ａ′→ｂ′方向となり、３番目の共振モードと同様に検出コイルとして動作するので、重水ロック等として使用できる。
なお、図４（２）に示す２番目の共振モードは導体５，５′のａ，ａ′に同符号の電圧が加わるので、流れる電流はそれぞれａ→ｂ方向、ａ′→ｂ′方向となり、コイル９中心で高周波磁場が打ち消し合うため検出コイルとして動作しないが、図４（１）、図４（３）とは周波数が大きく異なるので問題はない。
【００１２】
本実施例のコイル集合体には、誘電体７が充填されているので、その誘電率により電磁波の波長が短縮され、そのため、誘電体７がない場合に比較して導体５，５′は幅が同じで短くなるので、電気抵抗損失が軽減されてＱ値が高くなり、感度が向上する。
また、強誘電体材料によりコイルのインピーダンスが小さくなるため、同じ強度の高周波磁場を発生するために流す電流により発生する高周波電圧が小さくなる。試料に印加される高周波電場の強度が小さくなると誘電損失が軽減されて試料の誘電加熱が低減し、Ｑ値の低下も防ぐことができ、試料の誘電損失率に依存しない高い感度を得られる。
【００１３】
図５は本発明の他の実施の形態の例（実施例２）を説明する図で、それぞれ図５（ａ）は透視図、図５（ｂ）は上面図、図５（ｃ）は中心軸に沿った断面図、図５（ｄ）は下面図を示す。なお、図１の実施例１と同一番号は同一内容であるのでその説明は省略する。
図５に示すものは、図１において導線１１をコイル１２としたもので、他の構成は図１の場合と同じである。導体５，５′間を接続するコイル１２は両端開放で、コイル集合体の自己共振周波数に近い周波数で自己共振を起こすようにように寸法を設定する。
【００１４】
図６に示すように、実施例１と同様に動作する。図６（３）の共振モードはコイル集合体の自己共振周波数と一致し、その際コイル１２は両端に反対符号の電圧が生じるので、図４（３）の場合と同様な動作となり、図６（１）、図６（２）は図４（１）、図４（２）と同様な動作となり、コイルを直線状に引き延ばせば電圧、電流の波形は図４と全く同じとなる。
【００１５】
図７は本発明の他の実施の形態の例（実施例３）を説明する図で、それぞれ図７（ａ）は透視図、図７（ｂ）は上面図、図７（ｃ）は中心軸に沿った断面図、図７（ｄ）は下面図を示す。なお、図１の実施例１と同一番号は同一内容であるのでその説明は省略する。
本実施例は、導体５，５′間を導線１４、コンデンサ１３、導線１５と接続してＬＣ共振回路を形成して図４（１）に相当する共振モードの共振周波数を上げるようにしたもので、実施例１と全く同様に動作する。
【００１６】
図８は本発明の他の実施の形態の例（実施例４）を説明する図で、実施例３に２ポートのダブルチューニング回路を組合わせたものである。
導体５′下側に容量の大きいコンデンサ１６、インダクタンスの大きいコイル１８からなるＬＣ回路と、バリコン２０，２１の直列回路がアース間に接続されて、ＨＦ（高周波）ポート２５がバリコン２０，２１間に接続されている。また、導体５下側にインダクタンスの大きいコイル１９と容量の大きいコンデンサ１７からなるＬＣ回路と、バリコン２２がアース間に接続され、コンデンサ１７に並列にバリコン２３を接続するとともに、バリコン２４を介してＬＦ（低周波）ポート２６がコンデンサ１７とコイル１９に接続されている。
【００１７】
高い共振周波数の場合、インダクタンスの大きいコイル１８、１９で高周波は遮断されるため、バリコン２１，２０、導体５′、導線１４、コンデンサ１３、導線１５、導体５、バリコン２２で共振回路を構成し、ＨＦポート２５で分光器に接続される。
【００１８】
低い共振周波数の場合は、バリコン２０、２１、２２がカットオフとなるので、コンデンサ１６、コイル１８、導体５′、導線１４、コンデンサ１３、導線１５、導体５、コイル１９、コンデンサ１７、バリコン２３，２４で共振回路を構成し、ＬＦポートで分光器に接続される。
【００１９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、いろいろな変形が可能である。例えば、コイル集合体の円筒形シールドは省略または変形させてよく、また、コイル集合体の形状は円筒状ではなく、直方体等に変形させてもよい。
【００２０】
図９はコイル集合体の導体をコイルバンドと電極で構成した例を示し、図９（ａ）は透視図、図９（ｂ）は縦断面図、図９（ｃ）は上面図、図９（ｄ）は横断面図、図９（ｅ）は下面図を示す。
図９において、誘電体７、導電性コイルバンド３１，３１′、電極３２，３２′，３３，３３′で構成される。誘電体７は図示するように円筒形で、軸方向に孔が貫通してリング状になっている。この孔の内面にコイルバンド３１，３１′が張りつけられていて、その上端にそれぞれ誘電体に張りつけられた扇状の電極３２，３２′に接続されている。また、コイルバンド３１，３１′の下端にも同様に扇状の電極３３，３３′が接続されている。そして、導線１１で電極３２，３２′を接続している。電極３２−コイルバンド３１−電極３３、電極３２′−コイルバンド３１′−電極３３′にそれぞれ逆向きの１／２波長の電圧が定在波としてのるとき、コイルバンドの中心部が最大の電流となり、その結果真ん中の孔部分における磁場を最大とすることができ、ＮＭＲ検出器コイルとして感度を高めることが可能となる。
【００２１】
図９に示すコイル集合体に対して、図１０は共振時の磁場と電場が最大になった瞬間のそれぞれの向きと分布を実線と破線で示す、図１０（ａ）は円筒軸方向断面図、図１０（ｂ）は円筒軸に垂直な断面図である。図示するように、電極３１、３２間、電極３１′、３２′間にかかる電圧の向きが逆方向であり、その結果、真ん中の孔部分に強い磁場が発生して検出コイルとして利用することができる。
【００２２】
上記したように、本発明のコイル集合体に付加される回路は、コイルの縮退状態を消すことと、ダブルまたはそれ以上のチューニング回路として兼用可能であり、この回路方式は各種の変形が可能である。また、コイル集合体の内部または外側、あるいは孔を開けて各種のコイルを組み合わせることも可能であり、また、コイル集合体を冷却することにより、導体内部の電気抵抗を低減してより高いＱ値を得てより感度を向上させることができる。
【００２３】
図１１はコイル集合体を導体と電極で構成した例を示す図で、図１１（ａ）は透視図、図１１（ｂ）は上面図、図１１（ｃ）は縦断面図、図１１（ｄ）は下面図である。
導体５、５′の上端にそれぞれ誘電体７に貼り付けられた電極３２、３２′が接続されている。導体５、５′の下端も同様に電極３３、３３′に接続されている。導線１１で電極３２、３２′を接続すると、図９の場合と同様に、図１０で説明したと同じように動作する。
【００２４】
図１２はコイル集合体の導体を上部で短絡した例を示す図で、図１２（ａ）は透視図、図１２（ｂ）は上面図、図１２（ｃ）は縦断面図、図１２（ｄ）は下面図である。
導体５、５′は、その上端にそれぞれ誘電体７に貼り付けられた導体板３５で短絡されている。この場合も図１０に説明したと同じ動作を行う。なお、導体３５はシールド８に接続してもよい。
【００２５】
図１２に示すこのコイル集合体は、図１３に示すように、導体５、５′下側に図８と同様のダブルチューニング回路を付加してダブルチューニングを行うことができる。ダブルチューニングの動作は図８の場合と全く同じであるのでその説明は省略する。もちろん、ダブルまたはそれ以上のチューニング回路としてもよい。
【００２６】
なお、本発明は上記の各例に限定されるものではなく、例えば、縮退を避けるための導体１１、導体１４、１５など付加する外部電気回路は、ダブルまたはそ以上のチューニング回路に、その機能を持たせることも可能である。例えば、図８の導体１４、１５、コンデンサ１３や、図１１、図１３の導体１１は省略してもよい。また、導体は一対でなく、２対またはそれ以上でコイル集合体を構成してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘電体によりコイルのインピーダンスが低くなり、電場強度が小さくなるので、試料による誘電損失が軽減され、Ｑ値の低下が抑えられて試料による感度低下を抑えることができる。
また、誘電体により電磁場の波長が短縮されるので、コイルの電流路は幅が同じで長さが短くなるため抵抗が減り、Ｑ値を向上させることができる。
また、付加された回路により縮退している不要な共振モードを消しているので、誘電体を使用してコイル集合体を検出コイルとして動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の例（実施例１）を説明する図である。
【図２】 検出コイルとして使用できる共振モードの説明図である。
【図３】 検出コイルとして使用できない共振モードの説明図である。
【図４】 実施例１の導線１１により縮退をなくす説明図である。
【図５】 本発明の他の実施の形態の例（実施例２）を説明する図である。
【図６】 実施例２のコイル１２により縮退をなくす説明図である。
【図７】 本発明の他の実施の形態の例（実施例３）を説明する図である。
【図８】 本発明の他の実施の形態の例（実施例４）を説明する図である。
【図９】 コイル集合体の導体をコイルバンドと電極で構成した例を示す図である。
【図１０】 図９の構成で、共振時の磁場と電場が最大になった瞬間の向きと分布を示す図である。
【図１１】 コイル集合体を導体と電極で構成した例を示す図である。
【図１２】 コイル集合体の導体を上部で短絡した例を示す図である。
【図１３】 図１２にダブルチューニング回路を付加した例を示す図である。
【図１４】 従来のＮＭＲ検出器コイルを説明する図である。
【符号の説明】
５，５′…一対の導体、６…円筒形空洞、７…誘電体、８…円筒形シールド、９…コイル中心、１０…高周波電流の向き、１１…導線。

Claims (3)

1. 円柱状誘電体と、
   該円柱状誘電体の軸芯に沿って穿設された試料挿入口と、
   該試料挿入口とほぼ平行に、該試料挿入口を挟んでほぼ対称に円柱状誘電体内または試料挿入口内に設けられた２本の共鳴信号検出用導体と、
   を備え、
   ２本の共鳴信号検出用導体の一端は、所定の長さの導体で高周波的に短絡されていることを特徴とする共鳴信号検出器。
2. 請求項１記載の共鳴信号検出器で、２種類以上の周波数で共鳴信号を検出可能にしたことを特徴とする共鳴信号検出器。
3. 請求項１記載の共鳴信号検出器を少なくとも１つ含む複数の共鳴信号検出器からなることを特徴とする共鳴信号検出器。

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