JP4034223B2 - Ｎｍｒ装置用超電導マグネットおよびｎｍｒ装置 - Google Patents
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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分析装置（ＮＭＲ装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴を利用した有機物の分析方法は、近年急速な進歩を遂げつつある。特に、強力な超電導磁石技術と組み合わされることによって、複雑な分子構造をもつタンパク質などの有機化合物を原子レベルで効率よく構造解析することが可能になってきた。
【０００３】
本発明は、物質の原子レベルの構造と相互作用を解析するためのＮＭＲ装置に関し、特に微量のタンパク質を溶解した水溶液中のタンパク質分子の原子レベルの構造と相互作用を解析する場合に適するものである。なお本発明のＮＭＲ装置は、いわゆるミリメートル級の画像分解能を必要とする人体の断層撮影を目的とした医療用ＭＲＩ画像診断装置に比べ、磁場強度で１桁以上高く、磁場均一度は４桁、安定度についても３桁高い性能が要求され、全く異なる設計技術、装置製作技術が要求される特殊なエネルギー分光装置である。
【０００４】
従来の高分解能核磁気共鳴分析装置に関する詳細は下記非特許文献１に記載されている。そしてＮＭＲ装置をタンパク質の解析に利用する場合の典型的な装置構成に関連する最近の技術のうち、超伝導磁石に関する技術としては下記特許文献１があり、信号検出技術に関連する技術としては下記特許文献２乃至４がある。これらの報告によれば、従来のタンパク質解析用の高感度な核磁気共鳴分析装置は、全て鉛直方向に主磁場を発生するソレノイドコイルの組み合わせによって構成された超電導磁石装置を用い、４００〜９００ＭＨｚの電磁波を試料に照射し、試料から発せられる共鳴波を鞍形または鳥籠型の検出コイルを利用して検出している。特に、下記特許文献２では、ＮＭＲ信号の受信時の熱ノイズを低減すべく、低温に冷却された検出器を利用し、Ｓ／Ｎ比を改善する技術についての記載が有る。
【０００５】
歴史的にみて高感度なＮＭＲ装置は、アンテナおよび磁石装置等のシステムの基本構成に改良を加えるのではなく、超電導磁石により発生する中心磁場の強度を高めることによって感度向上を果たしてきた。溶液を用いたタンパク質の解析において、中心磁場強度の向上は、感度の向上と、化学シフトの分離を明確にする効果があるためである。一方、現在迄に報告されているＮＭＲ測定の感度の最高値は９００ＭＨｚのＮＭＲ装置により得られているが、その具体的な構成は図８に示されるようなものである。図８に例示したＮＭＲ装置について説明する。図８のＮＭＲ装置は、ＮＭＲ装置の設置面に対して垂直な方向の軸を中心として同心に配置された複数の超電導コイルを有して構成されている。なお上記最高の感度をもつ９００ＭＨｚのＮＭＲ装置は中心磁場２１．１Ｔ（テスラ）の大型超電導磁石装置を利用しているが、装置の基本構成は従来の構成と何ら変わっていない。また、理解のしやすさのため超電導コイル部分のみの断面斜視図を仮想的な中心軸とともに図９に示す。図９のＮＭＲ装置において、超電導磁石装置において発生する磁場は上記仮想的な中心軸に沿った方向である。
【０００６】
中心磁場の強度向上を図る一方で、検出コイルの形状によって感度を向上する技術についても検討が加えられており、下記非特許文献１の３２６頁に記載がある。下記非特許文献１では検出コイルとしてのソレノイドコイルが、鞍形や鳥籠型に比較して様々な利点を有していることを開示している。この利点としては、インピーダンスのコントロール容易性、フィリングファクタ、ＲＦ磁場の効率などの点が挙げられている。
【０００７】
しかしながら、従来の超電導磁石の構成では、タンパク質を水溶液中に溶解させて計測する場合、磁場に対して垂直に置かれたサンプル管の周りにソレノイドコイルを巻くことは実際には不可能であり、一般には利用されない。極めて例外的に利用される場合があるが、その場合、特別にデザインしたミクロサンプル管を利用して、かつ特別のプローブを用いて計測する。なお特殊な例として、下記文献５では、高温超電導のバルク磁石を水平方向に着磁し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する技術が記載されており、また下記特許文献６では、装置の天井高さの制約を取り除くための一般的なＮＭＲ用途に適した超電導磁石と冷却容器の構成方法を開示している。
【０００８】
【非特許文献１】
荒田洋冶著、「タンパク質のＮＭＲ」、共立出版、１９９６年
【特許文献１】
特開２０００−１４７０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第６１２１７７６号明細書
【特許文献３】
特開２０００−２６６８３０号公報
【特許文献４】
特開平６−２６３７９１２号公報
【特許文献５】
特開平１１−２４８８１０号公報
【特許文献６】
特開平７−２４３４１０号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特に近年タンパク質の研究に対するニーズの高まり、タンパク質の水への溶解度が小さい試料の分析ニーズが高まり、ＮＭＲの測定感度を向上させる必要が生じている。このようなニーズに核磁気共鳴分析装置を適合させるには、従来同等の試料空間を維持したまま、測定感度の向上をはかる必要があるとともに、長時間のデータ積分時間中での超伝導磁場の安定性の確保も必須である。測定感度の向上は、同程度の溶解度の試料であれば、測定時間の短縮ばかりでなく、サンプル量の低減が可能になる利点が特に大きく、溶解度の小さなタンパク質の解析が可能になる効果がある。従い、タンパク質の解析に用いられるＮＭＲ分析装置は、従来のＮＭＲと比較して特段に優れた検出感度と安定性が要求されるほか、１週間以上の長時間にわたる正確で、かつ、安定的なＮＭＲシグナルの検出が必要となる。これは計測中に磁場が変動すると、ＮＭＲシグナルのピークが移動してしまうためであり、特に相互作用の計測では、ピークの移動が、相互作用によるものか、或いは、磁場の不安定性に起因するものか、判別ができなくなるためである。
【００１０】
また、磁場が不均一であれば、所望のピークが重なってしまい、相互作用の判別が困難になるなどの問題を生じる。よって、タンパク質の様々な解析を目的とした今後のＮＭＲ技術は、従来の一般的なＮＭＲ装置の単純な延長上にはない新たな技術開発が必要であることにまず留意しておく必要がある。
【００１１】
ここで例をあげて説明すると、一般的なＮＭＲ装置の磁場均一度の仕様は、試料空間で０．０１ppm、時間安定度で0.01ppm/hである。これを一般的な用途の６００MHｚのプロトンＮＭＲで換算すると、６Ｈｚの許容誤差になる。しかしながら、前述したタンパク質の相互作用解析の場合では、少なくとも、１．０Ｈｚ以下の空間、および、時間分解能が必要であり、望ましくは０．５Ｈｚ以下が必要である。
【００１２】
従って、これらの磁場均一度と磁場の時間的安定度を実現可能な方法で、超伝導磁石や検出コイルを最適に構成する必要がある。つまり従来一般的に利用されていたＮＭＲ装置の性能では不十分であり、従来より１桁以上高い磁場の安定性と磁場均一度が要求されるのである。
【００１３】
従来技術は、主として、磁場強度の向上に頼って感度向上したため、装置が大型化し、漏洩磁界の問題と床強度の問題から、専用の建物を必要とするなど、設置性の問題も新たに生じている。
【００１４】
さらに、超電導磁石のコストが増大するなどの課題を生じている。また、この方法による感度向上は、超電導材料の臨界磁界による制約で概ね２１Ｔの上限に達し、これ以上の感度向上のためには、磁場強度に頼ることのない新たな手段による検出感度向上技術が必要である。
【００１５】
また、前述したように、ソレノイドコイルを利用した高感度測定の方法は、極く微量の特別のサンプル管と特別の検出プローブで利用可能であったが、およそ10cc程度の一般的なタンパク質溶液による解析には簡単に適用できなかった。更に上記特許文献５にあるように、強力な磁石によって水平方向に磁場を発生し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する方式では、高温超電導体の表面で１０Ｔ未満の磁場を発生できるのみであって、試料部分の磁場は高々数テスラ程度であって、タンパク質の解析に必要な１１テスラ以上の磁場、好ましくは１４．１テスラ以上の磁場を所望の試料空間に発生することは、この方法では不可能である。
【００１６】
また、この方法では、タンパク質の解析に必要な時間安定度１．０Hz/時以下を達成することは、高温超電導体の磁束クリープ現象の効果で実質的に困難であった。また、タンパク質の解析に必要な磁場均一度についても、直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの空間でプロトン核磁気共鳴周波数で１．０Hz以内の磁場均一度を達成することは、高温超電導バルク体材料の製造プロセスに起因した不均質性から困難であった。
【００１７】
このように従来技術は、タンパク質の解析ニーズに対応するためのブレークスルー技術の開発が求められている一方で、磁場による感度向上の限界に達してしまった現在、さらなる感度向上のための新しい解決方法が求められている。
【００１８】
今後、ニーズが高まると考えられる溶液中におけるタンパク質と基質、リガンド等の低分子の相互作用を効率よく、かつ、精度良く解析する場合には、経験的には、６００〜９００ＭＨｚ、中心磁場で１４〜２１Ｔ程度で、適切なサンプル量で測定できることが望ましく、現状より計測感度を高め、スループットを高めることが望まれている。
【００１９】
また一般に、８００ＭＨｚ以上の装置では、超電導特性を極限まで利用するため、４．２Ｋの液体ヘリウムを減圧し、１．８Ｋと過冷却して運転する。このため、装置運転上の煩雑さが増すほか、メンテナンスも大変となる。また、磁石装置が大型化するため、漏洩磁界大きく、通常は専用の建物を必要とする。特に、装置の設置性の観点では、従来方式では、中心磁界の増大と共に、鉛直方向に漏洩磁界が増大し、たとえば、９００ＭＨｚ級の装置では高さ方向に５ｍもの漏洩磁界を生じるため、天井高さの高い建築物を必要とする。この場合、建築コストが増大する問題もある。従来の９００MHｚ超電導磁石の大きさは、アイ・トリプルイ−・トランザクションズ・アップライド・スーパーコンダクティビティー IEEE.Transactions on Applied Superconductivity Vol.11 No.1 p2438に記載されているように、磁石部分の大きさだけで幅直径１．８６ｍ高さは数メートルであった。
【００２０】
以上、本発明の目的は、上記課題を解決する、均一な磁場を発生させることができ、特にたんぱく質等の測定に適した高感度なＮＭＲ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を受け、発明者らは、主として通常の５〜１０ｍｍ径のサンプル管を用い試料溶液を概ね３０ｍｍ高さ充填した状態で、６００ＭＨｚ（１４．１Ｔ）程度でＮＭＲシグナルの計測感度を従来の少なくとも４０％以上高め、かつ、タンパク質の解析に必要な超伝導磁石の時間的安定度および空間的均一度を提供可能な新規な核磁気共鳴分析装置を提供することを想定した。但し、本発明の構成は、上記目的を達成する限りにおいて、上記スペックに限られるものではなく、本発明を応用して極限性能を目指すことも可能であり、用途によっては、従来の磁場限界であった２１．１Ｔすなわち９００ＭＨｚ、１．８Ｋで運転することがあってもよく、その場合、従来の方式と比較して４０％の感度向上が可能である。
【００２２】
発明者らは、磁場強度向上以外によっても、従来より著しく信号強度を高める方法が無いかについて鋭意検討を重ねてきた。その結果、以下に述べる新規な方法によれば、この問題を解決できることを見いだした。
【００２３】
そのポイントの一つは、試料空間として直径５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの溶液ＮＭＲに適する４００ＭＨｚ以上の磁場、好ましくは６００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚ程度で、検出コイルを通常のＮＭＲ研究用のサンプル管がそのまま利用できる５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度で、ソレノイド方式の検出コイルを適用することによって感度向上を図るものである。原理的には、検出コイルの形状因子の差によって少なくとも１．４（√２）倍の感度向上が期待できる筈であり、その他の因子によって更に向上が期待でき、データの積算時間は１／２以下に短縮することができる。溶液状のサンプルは直径５〜１０mmサンプル管に高さ２０〜３０mm程度、挿入され上部から鉛直方向に挿入される。鉛直方向を巻軸としたソレノイドコイルでＮＭＲ信号を感度よく検出するには、超電導磁石で発生する磁場を水平方向に配置し、その磁界中心に、容易に着脱できる溶液サンプルを配置できるようにすることが極めて有用である。そのため、超電導磁石の構成は、従来の単純なソレノイド磁石と異なり、左右に分割された一対のスプリットマグネットで構成する必要が生じる。ＮＭＲ装置用マグネットには、上述したように、サンプルを計測する空間にｐｐｂオーダーで非常に均一な磁場を発生する必要があり、従来、１４．１Ｔクラスの高磁場スプリットマグネットでこの磁場の均一性を達成する方法が見いだされていなかった。本発明の要点は、図１０に示すように、所定間隔を有して対向配置された１組の多層超電導コイルからなるスプリット型超電伝導マグネットであって、少なくとも最内層部分に、主磁場を発生する方向とは逆向きの電流を搬送するコイルを備えていることにある。
【００２４】
ここで図１０に示す矢印は、マグネットを構成する超電導コイル１乃至５および超電導コイル１’乃至５’の仮想的な中心軸である。超電導コイルは図１０では省略してある巻き枠（ボビン）に巻き回して構成するため、その断面形状は図１０に示す如く、おおむね矩形であることが多い。また同様に制作を容易にするため、コイルの巻き枠はできるだけ少なくしたい。そのため図１０の超電導コイル４および５のように、ほぼ同一の内径を持つ超電導コイルは同一の巻き枠に巻き回して構成することが多い。
【００２５】
本発明では、図１０の超電導コイル４，５のように、その断面形状において，ほぼ同一の内径、または，ほぼ同一の中心半径、あるいは、ほぼ同一の外径をもつ超電導コイルを、同一の層にあると呼称している。
【００２６】
以下に、本発明のようなスプリット型マグネットにおいて、サンプルを挿入するマグネット中心部に均一な磁場を発生するために、最内層に主磁場とは逆向きの磁場を発生するコイルが必要であることを説明する。
【００２７】
図１２は、軸対称２次元における電流分布の断面図である。よく知られているとおり、中心軸をｚ軸としたとき角度θ部分の電流I(θ)を次式のように、いわゆるコサインθ分布とすることにより、電流分布の内部空間に均一な磁場が発生する。
【００２８】
【数１】
Ｉ(θ)＝Ａｃｏｓ(θ)
ここに、Ａは比例常数である。有限個のコイルを用いて均一な磁場を発生することは、図１２の電流分布を離散化することにほかならない。ところが、図１２の同一方向の電流分布をスプリットしたコイル群で離散化しようとすると、図中２本の点線で挟まれた領域にある電流を点線で挟まれた領域の外に離散化することが困難であることが定性的に理解できる。このことは、円環電流が作る磁場の表式を検討することによって以下のように解決できる。図１３に示す円環電流Ｉが円環に内接する球の内部領域の点Ｐ(ｒ,θ)に作る磁場のｚ成分は以下のように表される。
【００２９】
【数２】
【００３０】
ここでＡｎはｎ次の磁場の強度である。本発明のマグネットは中央面に関して鏡面対称を有しているので、対称性から偶数次の磁場のみ考えればよい。コイルが発生するこれら２次以上の不整磁場の合計をゼロとすることにより、均一な磁場を発生することができる。
【００３１】
図１４から図１６に、それぞれＡ２、Ａ４およびＡ６をαに関してプロットしたグラフを示す。但しμ０Ｉ／２／ｆｎ＋１＝１と置いている。
【００３２】
図１５および図１６に示すように、高次の磁場はαに関して正負の値をとるため離散化したコイルの配置と起磁力を適正にすれば全コイルが作る値をゼロにし易い。
【００３３】
一方、図１４に示す２次の磁場はｔａｎα＝２の時ゼロになる。この位置はいわゆるヘルムホルツコイルとしてよく知られている。図１４から分かるように、ｔａｎα＝２なるα（≒６３．４度）よりαが小さいときには２次の磁場は正の値しか発生しない。
【００３４】
ところで、図１、図２および図１０から分かるように、スプリットしたコイル配置においてはコイルのほとんどの部分が上記のα（≒６３．４度）より小さい部分にあるため、主磁場を発生する電流方向と同方向（正方向）の電流を持つコイルだけでは、これらのコイルが作る２次の不整磁場の総和をゼロにできないことが分かる。
【００３５】
従って、主磁場を発生する電流方向と逆方向（負方向）のコイルが必須となるが、その配置位置はその半径が他のコイルより小さいことが望ましい。以下その理由を述べる。図１３に示す円環電流Ｉが作る不整磁場の強度は前述した式よりｆｎ＋１に反比例する。従って、Ａ０すなわち主磁場の強度を損なわずに負の２次の不整磁場を作るには、円環電流の半径ができるだけ小さい方が有利である。原理的には、半径の大きな負電流コイルを用いても２次の不整磁場をゼロにすることはできるが、前述した理由により主磁場の強度を大きく低下させるため、特に本発明が主な対象としているような高磁場発生マグネットの構成方法として現実的でない。
【００３６】
以上の理由により、その断面形状における内径、または中心半径、または外径を持つコイル群すなわち最内層を構成するコイル群に負方向のコイルが必須となる。以上により、従来の不可能であった磁場強度による検出感度限界を大きく打ち破ることが可能になる。
【００３７】
なお、上記目的を達成するために、本発明は具体的に以下の手段をとる。
【００３８】
第一の手段として、所定の間隔を有して対向し、かつ、ほぼ同一の中心軸で配置された第一および第二の多層超電導コイル群とを有し、該多層超電導コイル群の各層は少なくとも一つの超電導コイルを有して構成されるＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、主磁場を発生するため前記超電導コイルに流される電流をプラス方向の電流としたとき、該第一および該第二の多層コイル群の各最内層を構成するコイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、上記作用を達成することができ、ｐｐｂレベルの磁場の均一度を達成することができる。
【００３９】
また、第二の手段として、第一の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群における各最内層以外の層に配置される超電導コイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、複数層においてマイナス方向の電流を流し、中心軸半径方向からも磁場の調整が容易となり、より磁場の均一度を達成させることができる。
【００４０】
また、第三の手段として、第一又は第二の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層のみが複数のコイルから構成されていることとする。これにより、磁場の均一度を達成すると共に、ＮＭＲ装置用マグネットの製作性とのバランスをとることができる。
【００４１】
また、第四の手段として、第一又は第二の手段に加え、前記第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層とその隣接する外層のみが複数の超電導コイルから構成されていることとする。これにより、中心軸半径方向の配置によっても磁場の調整に寄与し、より磁場の均一度を達成することができ、ＮＭＲ装置用マグネットの政策性とのバランスをとることができる。
【００４２】
また、第五の手段として、第一乃至第四の手段のいずれかに加え、前記第１および該第２の多層コイル群は、対抗する面に関して鏡面対称に配置されていることとする。鏡面対称に配置することにより対象性を上げ、より磁場の均一性向上を図ることができる。
【００４３】
また第六の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするためのシールドコイルを備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４４】
第七の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするための強磁性体を備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４５】
第八の手段として、第一ないし第五の手段のいずれかに加え、円筒状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４６】
第九の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、円盤状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を説明するが、本発明の効果を奏する限りに於いて、本発明が実施例に限定されることはない。
【００４８】
〔実施例１〕
本実施例に係るＮＭＲ装置の概略図を図１１に示す。図１１におけるＮＭＲ装置は、水平方向（ＮＭＲ装置の設置面に対して平行な方向）に中心軸をもつスプリット型超電導マグネット３９を有し、スプリット型超電導マグネット３９には超電導接続４３が接続されている。そして超電導接続４３にはスプリット型超電導マグネット３９を永久電流モードに保つ永久電流スイッチ４２が接続されており、磁場の時間的な変動は１時間あたり０．５Ｈｚ以下に調整されている。スプリット型超電導マグネット３９、超電導接続４３、永久電流スイッチ４２は、液体窒素槽４５の内部に設けられる液体ヘリウム槽４４の内部に配置されており、液体ヘリウム槽４４の内部には液体ヘリウムが充填されている。これによりスプリット型マグネット３９等が浸漬され低温に保持（冷却）されている。なお液体ヘリウム槽４４の外側には液体窒素槽４５が配置されており、いわゆる二重構造となっている。
【００４９】
このため、液体窒素槽に液体窒素を充填することで更に内部の液体ヘリウムの蒸発量を低減することができる。また装置全体は防振支持脚４６によって支持されている。
【００５０】
本実施例におけるスプリット型超電導マグネット３９は二つの多層超電導コイル群が所定の間隔を有して対向配置された構成となっており、かつ、この多層超電導コイル群同士は同一の中心軸を有して配置されている。更に、上記の液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の間の間隔を貫く鉛直方向に第一の貫通孔が設けられており、例えばこの第一の貫通孔を通じて試料４０（例えばタンパク質を水溶液に溶解した試料）を挿入、測定するのに有用である。また同様に、液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の中心軸方向に沿った第二の貫通孔も設けられており、この第二の貫通孔からは光学測定、検出プローブ挿入（試料とは別の方向から挿入する）等、他の応用が様々考えられる。
【００５１】
なお、本実施例に係るＮＭＲ装置では、装置の上部から挿入した試料４０に水平方向から均一な静磁場を印加することができるため、ＮＭＲ信号の受信にソレノイドコイル４１を適用させることができる。ソレノイドコイル４１によると、従来の鞍型またはバードケージ型コイルを用いる場合に比べ、Ｓ／Ｎ感度が少なくとも４０％向上することとなる。なお本実施例におけるソレノイドコイル４１の巻き軸は鉛直方向である。なお本実施例では、ソレノイドコイルとして低温（１０〜２０Ｋ）に冷却された超電導材料（例えばＹ系、二ホウ化マグネシウム等）を用いているが、銅製のソレノイドコイルの適用も可能ではある。なお、本実施例に係るＮＭＲ装置の断面図を図１に示しておく。
【００５２】
以上この構成により、磁場を水平方向にして鉛直方向の漏洩磁場を押さえ、設置性を向上させることができ、また、スプリット型の超電導マグネットを採用しているため、試料をＮＭＲ装置鉛直方向上部から挿入でき、かつ、鉛直方向に保持される試料に対して鉛直方向に巻き軸を有するソレノイドコイルを配置することができるため、特殊な試料管を用いることなく通常の試料管が使用可能で、容易に、高感度にＮＭＲ測定を行うことができるようになる。
【００５３】
次に、複数の多層超電導コイル群を有してなる本実施例のスプリット型超電導マグネット３９の構成について図１０を用いて詳細に説明する。
【００５４】
図１０は、本実施例のスプリット型超電導マグネットの斜視断面図である（超電導コイル配置を固定するボビンについては図中省略してある）。多層超電導コイル群とは、同一の中心軸に対して同心に配置される複数層の超電導コイルの集合をいい、複数の超電導コイルが入れ子状に構成されているものを指す。ここで同一の中心軸とは、製作誤差の範囲程度までは十分含まれるものである。
【００５５】
図１０において、超電導コイル１，２，３，４，５は一つの多層超電導コイル群を形成しており、中心軸（図中矢印）に近い内側ほど、超電導臨界磁界の高い材料でコイルが形成されている。そして本実施例ではこの超電導コイル１、２、３、４、５と同様の配置で、かつ、この多層超電導コイル群と所定の間隔（ギャップ）を設け、他の多層超電導コイル群（超電導コイル１’，２’，３’，４’，５’からなる）を同一の中心軸を有するように構成されている。
【００５６】
更にいうと、これら多層超電導マグネットはギャップに対してほぼ鏡面対象となるよう対向配置されている。なお各超電導コイルは、水平方向を巻き軸としてソレノイド状に巻かれている。測定対象となる試料は装置上部から多層超電導コイル郡の間に形成される間隔（ギャップ）に鉛直方向から挿入および保持され、静磁場が試料に水平方向から印加される。
【００５７】
本実施例では、複数ある超電導コイルのなかで，最内層を構成する超伝導コイル４、５、４’、５’のうち、ギャップ側に近い超電導コイル５，５’の電流方向が他の超電導コイルに対して逆向きになっている。つまり、超電導コイル５，５‘がサンプル領域に作る磁場の方向は，他の超電導コイルが作る主磁場の方向（図１０中の矢印方向）と逆向きとなっている。
【００５８】
このような構成とすることで，図示したようなスプリット型マグネットにおいても，従来のＮＭＲ装置と同等以上の非常に均一な磁場を発生することが可能となる。
【００５９】
〔実施例２〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６０】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図２に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１１乃至１６を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１１’乃至１６’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図２では左右方向）の同一の中心軸を有するよう配置されている。
【００６１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ３つの超電導コイル１４，１５，１６又は１４’，１５’，１６’によって構成されており，このうち超電導コイル１５，１５’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００６２】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６３】
〔実施例３〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６４】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図３に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１７乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１７’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図３では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００６５】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’，２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０，２１，２２又は２０’，２１’，２２’によって構成されている。
【００６６】
そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００６７】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６８】
〔実施例４〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドを有している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００６９】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図４に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。
【００７０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図４では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７２】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル２５、２５’をそれぞれ設けている。
【００７３】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００７４】
〔実施例５〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例３におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、主として漏洩磁場シールドのための強磁性体を設けた点において構成が異なる。これについて以下説明する。
【００７５】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図５に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図５では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７６】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７７】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００７８】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３１、および円筒状強磁性体３１の開放部分を覆うよう配置される円盤状強磁性体３２をそれぞれ設けている。
【００７９】
この構成により円筒状強磁性体３１および円盤状強磁性体３２は磁路を形成し，超電導コイル群が発生する磁場が外部に漏れるのを抑制している。なお円筒状強磁性体３１においてもＮＭＲ装置上部から試料を挿入するための貫通孔が設けられている。なお、中心軸に沿った他の貫通孔を設ける場合は円盤状強磁性体３２に貫通孔に対応する孔を設けることは可能である（但し図示せず）。
【００８０】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ、漏洩磁場を押さえたＮＭＲ装置とすることができる。
【００８１】
〔実施例６〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例４におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体と多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８２】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図６に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ、多層超電導コイル群同士が水平方向（図６では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００８３】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００８４】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３４、３５、３４’、３５’と、中心軸に対して垂直方向に平面を有する円盤状強磁性体３３が設けられている。
【００８５】
超電導コイル３４、３５、３４’、３５’は磁場が半径方向外側に漏れることを防止し、円盤状強磁性体３３は磁場が軸方向に漏れることを抑制している。なお、円盤状強磁性体に必要に応じて孔を設けることができる点については実施例５と同様である。
【００８６】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００８７】
〔実施例７〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例６におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体の配置、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８８】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図７に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。
【００８９】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９１】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００９２】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００９３】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の中心軸方向外側（図７では超電導コイル１８，１８’，２０，２０’と同層）に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３７，３８，３７’，３８’と、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３６を有している。
【００９４】
超電導コイル３７，３８は磁場が軸方向に漏れることを抑制し，円筒状強磁性体３６は磁場が半径方向に漏れることを抑制している。なお、この場合、円盤状強磁性ではなく、超電導コイルにより中心軸方向の漏洩磁場を押さえているため、中心軸方向にもＮＭＲ装置に貫通孔を設けたい場合、あえて円盤強磁性体に孔を設けておく必要がなく製作性が向上するという点において利点がある。
【００９５】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえ設置性のよいＮＭＲ装置とすることができる。
【００９６】
以上に具体的な実施例を用いて本発明を説明してきたが、前述した各実施例ではマグネット内部のコイルは全て超電導コイルであるが、本発明の内容は超電導コイルのみに限定されるものではなく、例えば銅線などを用いたコイルであってもよく、更に電流を搬送するものであればいかなるものでも良い。また，静磁場発生源の起磁力源に永久磁石を使っても良い。
【００９７】
【発明の効果】
以上、本発明ＮＭＲ装置によれば、計測空間にｐｐｂオーダーで均一な磁場を発生させる高感度なＮＭＲ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るＮＭＲ装置の概略断面図。
【図２】実施例２係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図３】実施例３係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図４】実施例４係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図５】実施例５係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図６】実施例６係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図７】実施例７係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図８】従来のＮＭＲ装置の概略断面図。
【図９】従来のＮＭＲ装置を構成する超電導コイルの断面斜視図。
【図１０】実施例に係るＮＭＲ装置の多層超電導コイル群の概略斜視図。
【図１１】実施例に係るＮＭＲ装置の構成図。
【図１２】本発明の作用を説明するための軸対象２次元におけるコサインθ分布電流を示す図。
【図１３】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉとγ，θの位置関係の概略図。
【図１４】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る２次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１５】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る４次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１６】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る６次の不整磁場を角度αの関係図。
【符号の説明】
１〜３０，１’〜３０’…超電導コイル、３１…円筒状強磁性体、３２，３３…円盤状強磁性体、３４，３４’，３５，３５’…超電導コイル、３６…円筒状強磁性体、３７，３７’，３８，３８’…超電導コイル、３９…スプリット型超電導マグネット、４０…試料、４１…ソレノイドコイル、４２…超電導スイッチ、４３…超電導接続、４４…液体ヘリウム槽、４５…液体窒素槽、４６…防振支持脚。
【発明の属する技術分野】
本発明は核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴を利用した有機物の分析方法は、近年急速な進歩を遂げつつある。特に、強力な超電導磁石技術と組み合わされることによって、複雑な分子構造をもつタンパク質などの有機化合物を原子レベルで効率よく構造解析することが可能になってきた。
【０００３】
本発明は、物質の原子レベルの構造と相互作用を解析するためのＮＭＲ装置に関し、特に微量のタンパク質を溶解した水溶液中のタンパク質分子の原子レベルの構造と相互作用を解析する場合に適するものである。なお本発明のＮＭＲ装置は、いわゆるミリメートル級の画像分解能を必要とする人体の断層撮影を目的とした医療用ＭＲＩ画像診断装置に比べ、磁場強度で１桁以上高く、磁場均一度は４桁、安定度についても３桁高い性能が要求され、全く異なる設計技術、装置製作技術が要求される特殊なエネルギー分光装置である。
【０００４】
従来の高分解能核磁気共鳴分析装置に関する詳細は下記非特許文献１に記載されている。そしてＮＭＲ装置をタンパク質の解析に利用する場合の典型的な装置構成に関連する最近の技術のうち、超伝導磁石に関する技術としては下記特許文献１があり、信号検出技術に関連する技術としては下記特許文献２乃至４がある。これらの報告によれば、従来のタンパク質解析用の高感度な核磁気共鳴分析装置は、全て鉛直方向に主磁場を発生するソレノイドコイルの組み合わせによって構成された超電導磁石装置を用い、４００〜９００ＭＨｚの電磁波を試料に照射し、試料から発せられる共鳴波を鞍形または鳥籠型の検出コイルを利用して検出している。特に、下記特許文献２では、ＮＭＲ信号の受信時の熱ノイズを低減すべく、低温に冷却された検出器を利用し、Ｓ／Ｎ比を改善する技術についての記載が有る。
【０００５】
歴史的にみて高感度なＮＭＲ装置は、アンテナおよび磁石装置等のシステムの基本構成に改良を加えるのではなく、超電導磁石により発生する中心磁場の強度を高めることによって感度向上を果たしてきた。溶液を用いたタンパク質の解析において、中心磁場強度の向上は、感度の向上と、化学シフトの分離を明確にする効果があるためである。一方、現在迄に報告されているＮＭＲ測定の感度の最高値は９００ＭＨｚのＮＭＲ装置により得られているが、その具体的な構成は図８に示されるようなものである。図８に例示したＮＭＲ装置について説明する。図８のＮＭＲ装置は、ＮＭＲ装置の設置面に対して垂直な方向の軸を中心として同心に配置された複数の超電導コイルを有して構成されている。なお上記最高の感度をもつ９００ＭＨｚのＮＭＲ装置は中心磁場２１．１Ｔ（テスラ）の大型超電導磁石装置を利用しているが、装置の基本構成は従来の構成と何ら変わっていない。また、理解のしやすさのため超電導コイル部分のみの断面斜視図を仮想的な中心軸とともに図９に示す。図９のＮＭＲ装置において、超電導磁石装置において発生する磁場は上記仮想的な中心軸に沿った方向である。
【０００６】
中心磁場の強度向上を図る一方で、検出コイルの形状によって感度を向上する技術についても検討が加えられており、下記非特許文献１の３２６頁に記載がある。下記非特許文献１では検出コイルとしてのソレノイドコイルが、鞍形や鳥籠型に比較して様々な利点を有していることを開示している。この利点としては、インピーダンスのコントロール容易性、フィリングファクタ、ＲＦ磁場の効率などの点が挙げられている。
【０００７】
しかしながら、従来の超電導磁石の構成では、タンパク質を水溶液中に溶解させて計測する場合、磁場に対して垂直に置かれたサンプル管の周りにソレノイドコイルを巻くことは実際には不可能であり、一般には利用されない。極めて例外的に利用される場合があるが、その場合、特別にデザインしたミクロサンプル管を利用して、かつ特別のプローブを用いて計測する。なお特殊な例として、下記文献５では、高温超電導のバルク磁石を水平方向に着磁し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する技術が記載されており、また下記特許文献６では、装置の天井高さの制約を取り除くための一般的なＮＭＲ用途に適した超電導磁石と冷却容器の構成方法を開示している。
【０００８】
【非特許文献１】
荒田洋冶著、「タンパク質のＮＭＲ」、共立出版、１９９６年
【特許文献１】
特開２０００−１４７０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第６１２１７７６号明細書
【特許文献３】
特開２０００−２６６８３０号公報
【特許文献４】
特開平６−２６３７９１２号公報
【特許文献５】
特開平１１−２４８８１０号公報
【特許文献６】
特開平７−２４３４１０号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特に近年タンパク質の研究に対するニーズの高まり、タンパク質の水への溶解度が小さい試料の分析ニーズが高まり、ＮＭＲの測定感度を向上させる必要が生じている。このようなニーズに核磁気共鳴分析装置を適合させるには、従来同等の試料空間を維持したまま、測定感度の向上をはかる必要があるとともに、長時間のデータ積分時間中での超伝導磁場の安定性の確保も必須である。測定感度の向上は、同程度の溶解度の試料であれば、測定時間の短縮ばかりでなく、サンプル量の低減が可能になる利点が特に大きく、溶解度の小さなタンパク質の解析が可能になる効果がある。従い、タンパク質の解析に用いられるＮＭＲ分析装置は、従来のＮＭＲと比較して特段に優れた検出感度と安定性が要求されるほか、１週間以上の長時間にわたる正確で、かつ、安定的なＮＭＲシグナルの検出が必要となる。これは計測中に磁場が変動すると、ＮＭＲシグナルのピークが移動してしまうためであり、特に相互作用の計測では、ピークの移動が、相互作用によるものか、或いは、磁場の不安定性に起因するものか、判別ができなくなるためである。
【００１０】
また、磁場が不均一であれば、所望のピークが重なってしまい、相互作用の判別が困難になるなどの問題を生じる。よって、タンパク質の様々な解析を目的とした今後のＮＭＲ技術は、従来の一般的なＮＭＲ装置の単純な延長上にはない新たな技術開発が必要であることにまず留意しておく必要がある。
【００１１】
ここで例をあげて説明すると、一般的なＮＭＲ装置の磁場均一度の仕様は、試料空間で０．０１ppm、時間安定度で0.01ppm/hである。これを一般的な用途の６００MHｚのプロトンＮＭＲで換算すると、６Ｈｚの許容誤差になる。しかしながら、前述したタンパク質の相互作用解析の場合では、少なくとも、１．０Ｈｚ以下の空間、および、時間分解能が必要であり、望ましくは０．５Ｈｚ以下が必要である。
【００１２】
従って、これらの磁場均一度と磁場の時間的安定度を実現可能な方法で、超伝導磁石や検出コイルを最適に構成する必要がある。つまり従来一般的に利用されていたＮＭＲ装置の性能では不十分であり、従来より１桁以上高い磁場の安定性と磁場均一度が要求されるのである。
【００１３】
従来技術は、主として、磁場強度の向上に頼って感度向上したため、装置が大型化し、漏洩磁界の問題と床強度の問題から、専用の建物を必要とするなど、設置性の問題も新たに生じている。
【００１４】
さらに、超電導磁石のコストが増大するなどの課題を生じている。また、この方法による感度向上は、超電導材料の臨界磁界による制約で概ね２１Ｔの上限に達し、これ以上の感度向上のためには、磁場強度に頼ることのない新たな手段による検出感度向上技術が必要である。
【００１５】
また、前述したように、ソレノイドコイルを利用した高感度測定の方法は、極く微量の特別のサンプル管と特別の検出プローブで利用可能であったが、およそ10cc程度の一般的なタンパク質溶液による解析には簡単に適用できなかった。更に上記特許文献５にあるように、強力な磁石によって水平方向に磁場を発生し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する方式では、高温超電導体の表面で１０Ｔ未満の磁場を発生できるのみであって、試料部分の磁場は高々数テスラ程度であって、タンパク質の解析に必要な１１テスラ以上の磁場、好ましくは１４．１テスラ以上の磁場を所望の試料空間に発生することは、この方法では不可能である。
【００１６】
また、この方法では、タンパク質の解析に必要な時間安定度１．０Hz/時以下を達成することは、高温超電導体の磁束クリープ現象の効果で実質的に困難であった。また、タンパク質の解析に必要な磁場均一度についても、直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの空間でプロトン核磁気共鳴周波数で１．０Hz以内の磁場均一度を達成することは、高温超電導バルク体材料の製造プロセスに起因した不均質性から困難であった。
【００１７】
このように従来技術は、タンパク質の解析ニーズに対応するためのブレークスルー技術の開発が求められている一方で、磁場による感度向上の限界に達してしまった現在、さらなる感度向上のための新しい解決方法が求められている。
【００１８】
今後、ニーズが高まると考えられる溶液中におけるタンパク質と基質、リガンド等の低分子の相互作用を効率よく、かつ、精度良く解析する場合には、経験的には、６００〜９００ＭＨｚ、中心磁場で１４〜２１Ｔ程度で、適切なサンプル量で測定できることが望ましく、現状より計測感度を高め、スループットを高めることが望まれている。
【００１９】
また一般に、８００ＭＨｚ以上の装置では、超電導特性を極限まで利用するため、４．２Ｋの液体ヘリウムを減圧し、１．８Ｋと過冷却して運転する。このため、装置運転上の煩雑さが増すほか、メンテナンスも大変となる。また、磁石装置が大型化するため、漏洩磁界大きく、通常は専用の建物を必要とする。特に、装置の設置性の観点では、従来方式では、中心磁界の増大と共に、鉛直方向に漏洩磁界が増大し、たとえば、９００ＭＨｚ級の装置では高さ方向に５ｍもの漏洩磁界を生じるため、天井高さの高い建築物を必要とする。この場合、建築コストが増大する問題もある。従来の９００MHｚ超電導磁石の大きさは、アイ・トリプルイ−・トランザクションズ・アップライド・スーパーコンダクティビティー IEEE.Transactions on Applied Superconductivity Vol.11 No.1 p2438に記載されているように、磁石部分の大きさだけで幅直径１．８６ｍ高さは数メートルであった。
【００２０】
以上、本発明の目的は、上記課題を解決する、均一な磁場を発生させることができ、特にたんぱく質等の測定に適した高感度なＮＭＲ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を受け、発明者らは、主として通常の５〜１０ｍｍ径のサンプル管を用い試料溶液を概ね３０ｍｍ高さ充填した状態で、６００ＭＨｚ（１４．１Ｔ）程度でＮＭＲシグナルの計測感度を従来の少なくとも４０％以上高め、かつ、タンパク質の解析に必要な超伝導磁石の時間的安定度および空間的均一度を提供可能な新規な核磁気共鳴分析装置を提供することを想定した。但し、本発明の構成は、上記目的を達成する限りにおいて、上記スペックに限られるものではなく、本発明を応用して極限性能を目指すことも可能であり、用途によっては、従来の磁場限界であった２１．１Ｔすなわち９００ＭＨｚ、１．８Ｋで運転することがあってもよく、その場合、従来の方式と比較して４０％の感度向上が可能である。
【００２２】
発明者らは、磁場強度向上以外によっても、従来より著しく信号強度を高める方法が無いかについて鋭意検討を重ねてきた。その結果、以下に述べる新規な方法によれば、この問題を解決できることを見いだした。
【００２３】
そのポイントの一つは、試料空間として直径５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの溶液ＮＭＲに適する４００ＭＨｚ以上の磁場、好ましくは６００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚ程度で、検出コイルを通常のＮＭＲ研究用のサンプル管がそのまま利用できる５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度で、ソレノイド方式の検出コイルを適用することによって感度向上を図るものである。原理的には、検出コイルの形状因子の差によって少なくとも１．４（√２）倍の感度向上が期待できる筈であり、その他の因子によって更に向上が期待でき、データの積算時間は１／２以下に短縮することができる。溶液状のサンプルは直径５〜１０mmサンプル管に高さ２０〜３０mm程度、挿入され上部から鉛直方向に挿入される。鉛直方向を巻軸としたソレノイドコイルでＮＭＲ信号を感度よく検出するには、超電導磁石で発生する磁場を水平方向に配置し、その磁界中心に、容易に着脱できる溶液サンプルを配置できるようにすることが極めて有用である。そのため、超電導磁石の構成は、従来の単純なソレノイド磁石と異なり、左右に分割された一対のスプリットマグネットで構成する必要が生じる。ＮＭＲ装置用マグネットには、上述したように、サンプルを計測する空間にｐｐｂオーダーで非常に均一な磁場を発生する必要があり、従来、１４．１Ｔクラスの高磁場スプリットマグネットでこの磁場の均一性を達成する方法が見いだされていなかった。本発明の要点は、図１０に示すように、所定間隔を有して対向配置された１組の多層超電導コイルからなるスプリット型超電伝導マグネットであって、少なくとも最内層部分に、主磁場を発生する方向とは逆向きの電流を搬送するコイルを備えていることにある。
【００２４】
ここで図１０に示す矢印は、マグネットを構成する超電導コイル１乃至５および超電導コイル１’乃至５’の仮想的な中心軸である。超電導コイルは図１０では省略してある巻き枠（ボビン）に巻き回して構成するため、その断面形状は図１０に示す如く、おおむね矩形であることが多い。また同様に制作を容易にするため、コイルの巻き枠はできるだけ少なくしたい。そのため図１０の超電導コイル４および５のように、ほぼ同一の内径を持つ超電導コイルは同一の巻き枠に巻き回して構成することが多い。
【００２５】
本発明では、図１０の超電導コイル４，５のように、その断面形状において，ほぼ同一の内径、または，ほぼ同一の中心半径、あるいは、ほぼ同一の外径をもつ超電導コイルを、同一の層にあると呼称している。
【００２６】
以下に、本発明のようなスプリット型マグネットにおいて、サンプルを挿入するマグネット中心部に均一な磁場を発生するために、最内層に主磁場とは逆向きの磁場を発生するコイルが必要であることを説明する。
【００２７】
図１２は、軸対称２次元における電流分布の断面図である。よく知られているとおり、中心軸をｚ軸としたとき角度θ部分の電流I(θ)を次式のように、いわゆるコサインθ分布とすることにより、電流分布の内部空間に均一な磁場が発生する。
【００２８】
【数１】
Ｉ(θ)＝Ａｃｏｓ(θ)
ここに、Ａは比例常数である。有限個のコイルを用いて均一な磁場を発生することは、図１２の電流分布を離散化することにほかならない。ところが、図１２の同一方向の電流分布をスプリットしたコイル群で離散化しようとすると、図中２本の点線で挟まれた領域にある電流を点線で挟まれた領域の外に離散化することが困難であることが定性的に理解できる。このことは、円環電流が作る磁場の表式を検討することによって以下のように解決できる。図１３に示す円環電流Ｉが円環に内接する球の内部領域の点Ｐ(ｒ,θ)に作る磁場のｚ成分は以下のように表される。
【００２９】
【数２】
ここでＡｎはｎ次の磁場の強度である。本発明のマグネットは中央面に関して鏡面対称を有しているので、対称性から偶数次の磁場のみ考えればよい。コイルが発生するこれら２次以上の不整磁場の合計をゼロとすることにより、均一な磁場を発生することができる。
【００３１】
図１４から図１６に、それぞれＡ２、Ａ４およびＡ６をαに関してプロットしたグラフを示す。但しμ０Ｉ／２／ｆｎ＋１＝１と置いている。
【００３２】
図１５および図１６に示すように、高次の磁場はαに関して正負の値をとるため離散化したコイルの配置と起磁力を適正にすれば全コイルが作る値をゼロにし易い。
【００３３】
一方、図１４に示す２次の磁場はｔａｎα＝２の時ゼロになる。この位置はいわゆるヘルムホルツコイルとしてよく知られている。図１４から分かるように、ｔａｎα＝２なるα（≒６３．４度）よりαが小さいときには２次の磁場は正の値しか発生しない。
【００３４】
ところで、図１、図２および図１０から分かるように、スプリットしたコイル配置においてはコイルのほとんどの部分が上記のα（≒６３．４度）より小さい部分にあるため、主磁場を発生する電流方向と同方向（正方向）の電流を持つコイルだけでは、これらのコイルが作る２次の不整磁場の総和をゼロにできないことが分かる。
【００３５】
従って、主磁場を発生する電流方向と逆方向（負方向）のコイルが必須となるが、その配置位置はその半径が他のコイルより小さいことが望ましい。以下その理由を述べる。図１３に示す円環電流Ｉが作る不整磁場の強度は前述した式よりｆｎ＋１に反比例する。従って、Ａ０すなわち主磁場の強度を損なわずに負の２次の不整磁場を作るには、円環電流の半径ができるだけ小さい方が有利である。原理的には、半径の大きな負電流コイルを用いても２次の不整磁場をゼロにすることはできるが、前述した理由により主磁場の強度を大きく低下させるため、特に本発明が主な対象としているような高磁場発生マグネットの構成方法として現実的でない。
【００３６】
以上の理由により、その断面形状における内径、または中心半径、または外径を持つコイル群すなわち最内層を構成するコイル群に負方向のコイルが必須となる。以上により、従来の不可能であった磁場強度による検出感度限界を大きく打ち破ることが可能になる。
【００３７】
なお、上記目的を達成するために、本発明は具体的に以下の手段をとる。
【００３８】
第一の手段として、所定の間隔を有して対向し、かつ、ほぼ同一の中心軸で配置された第一および第二の多層超電導コイル群とを有し、該多層超電導コイル群の各層は少なくとも一つの超電導コイルを有して構成されるＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、主磁場を発生するため前記超電導コイルに流される電流をプラス方向の電流としたとき、該第一および該第二の多層コイル群の各最内層を構成するコイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、上記作用を達成することができ、ｐｐｂレベルの磁場の均一度を達成することができる。
【００３９】
また、第二の手段として、第一の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群における各最内層以外の層に配置される超電導コイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、複数層においてマイナス方向の電流を流し、中心軸半径方向からも磁場の調整が容易となり、より磁場の均一度を達成させることができる。
【００４０】
また、第三の手段として、第一又は第二の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層のみが複数のコイルから構成されていることとする。これにより、磁場の均一度を達成すると共に、ＮＭＲ装置用マグネットの製作性とのバランスをとることができる。
【００４１】
また、第四の手段として、第一又は第二の手段に加え、前記第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層とその隣接する外層のみが複数の超電導コイルから構成されていることとする。これにより、中心軸半径方向の配置によっても磁場の調整に寄与し、より磁場の均一度を達成することができ、ＮＭＲ装置用マグネットの政策性とのバランスをとることができる。
【００４２】
また、第五の手段として、第一乃至第四の手段のいずれかに加え、前記第１および該第２の多層コイル群は、対抗する面に関して鏡面対称に配置されていることとする。鏡面対称に配置することにより対象性を上げ、より磁場の均一性向上を図ることができる。
【００４３】
また第六の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするためのシールドコイルを備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４４】
第七の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするための強磁性体を備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４５】
第八の手段として、第一ないし第五の手段のいずれかに加え、円筒状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４６】
第九の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、円盤状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を説明するが、本発明の効果を奏する限りに於いて、本発明が実施例に限定されることはない。
【００４８】
〔実施例１〕
本実施例に係るＮＭＲ装置の概略図を図１１に示す。図１１におけるＮＭＲ装置は、水平方向（ＮＭＲ装置の設置面に対して平行な方向）に中心軸をもつスプリット型超電導マグネット３９を有し、スプリット型超電導マグネット３９には超電導接続４３が接続されている。そして超電導接続４３にはスプリット型超電導マグネット３９を永久電流モードに保つ永久電流スイッチ４２が接続されており、磁場の時間的な変動は１時間あたり０．５Ｈｚ以下に調整されている。スプリット型超電導マグネット３９、超電導接続４３、永久電流スイッチ４２は、液体窒素槽４５の内部に設けられる液体ヘリウム槽４４の内部に配置されており、液体ヘリウム槽４４の内部には液体ヘリウムが充填されている。これによりスプリット型マグネット３９等が浸漬され低温に保持（冷却）されている。なお液体ヘリウム槽４４の外側には液体窒素槽４５が配置されており、いわゆる二重構造となっている。
【００４９】
このため、液体窒素槽に液体窒素を充填することで更に内部の液体ヘリウムの蒸発量を低減することができる。また装置全体は防振支持脚４６によって支持されている。
【００５０】
本実施例におけるスプリット型超電導マグネット３９は二つの多層超電導コイル群が所定の間隔を有して対向配置された構成となっており、かつ、この多層超電導コイル群同士は同一の中心軸を有して配置されている。更に、上記の液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の間の間隔を貫く鉛直方向に第一の貫通孔が設けられており、例えばこの第一の貫通孔を通じて試料４０（例えばタンパク質を水溶液に溶解した試料）を挿入、測定するのに有用である。また同様に、液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の中心軸方向に沿った第二の貫通孔も設けられており、この第二の貫通孔からは光学測定、検出プローブ挿入（試料とは別の方向から挿入する）等、他の応用が様々考えられる。
【００５１】
なお、本実施例に係るＮＭＲ装置では、装置の上部から挿入した試料４０に水平方向から均一な静磁場を印加することができるため、ＮＭＲ信号の受信にソレノイドコイル４１を適用させることができる。ソレノイドコイル４１によると、従来の鞍型またはバードケージ型コイルを用いる場合に比べ、Ｓ／Ｎ感度が少なくとも４０％向上することとなる。なお本実施例におけるソレノイドコイル４１の巻き軸は鉛直方向である。なお本実施例では、ソレノイドコイルとして低温（１０〜２０Ｋ）に冷却された超電導材料（例えばＹ系、二ホウ化マグネシウム等）を用いているが、銅製のソレノイドコイルの適用も可能ではある。なお、本実施例に係るＮＭＲ装置の断面図を図１に示しておく。
【００５２】
以上この構成により、磁場を水平方向にして鉛直方向の漏洩磁場を押さえ、設置性を向上させることができ、また、スプリット型の超電導マグネットを採用しているため、試料をＮＭＲ装置鉛直方向上部から挿入でき、かつ、鉛直方向に保持される試料に対して鉛直方向に巻き軸を有するソレノイドコイルを配置することができるため、特殊な試料管を用いることなく通常の試料管が使用可能で、容易に、高感度にＮＭＲ測定を行うことができるようになる。
【００５３】
次に、複数の多層超電導コイル群を有してなる本実施例のスプリット型超電導マグネット３９の構成について図１０を用いて詳細に説明する。
【００５４】
図１０は、本実施例のスプリット型超電導マグネットの斜視断面図である（超電導コイル配置を固定するボビンについては図中省略してある）。多層超電導コイル群とは、同一の中心軸に対して同心に配置される複数層の超電導コイルの集合をいい、複数の超電導コイルが入れ子状に構成されているものを指す。ここで同一の中心軸とは、製作誤差の範囲程度までは十分含まれるものである。
【００５５】
図１０において、超電導コイル１，２，３，４，５は一つの多層超電導コイル群を形成しており、中心軸（図中矢印）に近い内側ほど、超電導臨界磁界の高い材料でコイルが形成されている。そして本実施例ではこの超電導コイル１、２、３、４、５と同様の配置で、かつ、この多層超電導コイル群と所定の間隔（ギャップ）を設け、他の多層超電導コイル群（超電導コイル１’，２’，３’，４’，５’からなる）を同一の中心軸を有するように構成されている。
【００５６】
更にいうと、これら多層超電導マグネットはギャップに対してほぼ鏡面対象となるよう対向配置されている。なお各超電導コイルは、水平方向を巻き軸としてソレノイド状に巻かれている。測定対象となる試料は装置上部から多層超電導コイル郡の間に形成される間隔（ギャップ）に鉛直方向から挿入および保持され、静磁場が試料に水平方向から印加される。
【００５７】
本実施例では、複数ある超電導コイルのなかで，最内層を構成する超伝導コイル４、５、４’、５’のうち、ギャップ側に近い超電導コイル５，５’の電流方向が他の超電導コイルに対して逆向きになっている。つまり、超電導コイル５，５‘がサンプル領域に作る磁場の方向は，他の超電導コイルが作る主磁場の方向（図１０中の矢印方向）と逆向きとなっている。
【００５８】
このような構成とすることで，図示したようなスプリット型マグネットにおいても，従来のＮＭＲ装置と同等以上の非常に均一な磁場を発生することが可能となる。
【００５９】
〔実施例２〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６０】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図２に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１１乃至１６を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１１’乃至１６’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図２では左右方向）の同一の中心軸を有するよう配置されている。
【００６１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ３つの超電導コイル１４，１５，１６又は１４’，１５’，１６’によって構成されており，このうち超電導コイル１５，１５’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００６２】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６３】
〔実施例３〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６４】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図３に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１７乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１７’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図３では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００６５】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’，２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０，２１，２２又は２０’，２１’，２２’によって構成されている。
【００６６】
そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００６７】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６８】
〔実施例４〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドを有している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００６９】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図４に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。
【００７０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図４では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７２】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル２５、２５’をそれぞれ設けている。
【００７３】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００７４】
〔実施例５〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例３におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、主として漏洩磁場シールドのための強磁性体を設けた点において構成が異なる。これについて以下説明する。
【００７５】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図５に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図５では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７６】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７７】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００７８】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３１、および円筒状強磁性体３１の開放部分を覆うよう配置される円盤状強磁性体３２をそれぞれ設けている。
【００７９】
この構成により円筒状強磁性体３１および円盤状強磁性体３２は磁路を形成し，超電導コイル群が発生する磁場が外部に漏れるのを抑制している。なお円筒状強磁性体３１においてもＮＭＲ装置上部から試料を挿入するための貫通孔が設けられている。なお、中心軸に沿った他の貫通孔を設ける場合は円盤状強磁性体３２に貫通孔に対応する孔を設けることは可能である（但し図示せず）。
【００８０】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ、漏洩磁場を押さえたＮＭＲ装置とすることができる。
【００８１】
〔実施例６〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例４におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体と多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８２】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図６に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ、多層超電導コイル群同士が水平方向（図６では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００８３】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００８４】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３４、３５、３４’、３５’と、中心軸に対して垂直方向に平面を有する円盤状強磁性体３３が設けられている。
【００８５】
超電導コイル３４、３５、３４’、３５’は磁場が半径方向外側に漏れることを防止し、円盤状強磁性体３３は磁場が軸方向に漏れることを抑制している。なお、円盤状強磁性体に必要に応じて孔を設けることができる点については実施例５と同様である。
【００８６】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００８７】
〔実施例７〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例６におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体の配置、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８８】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図７に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。
【００８９】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９１】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００９２】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００９３】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の中心軸方向外側（図７では超電導コイル１８，１８’，２０，２０’と同層）に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３７，３８，３７’，３８’と、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３６を有している。
【００９４】
超電導コイル３７，３８は磁場が軸方向に漏れることを抑制し，円筒状強磁性体３６は磁場が半径方向に漏れることを抑制している。なお、この場合、円盤状強磁性ではなく、超電導コイルにより中心軸方向の漏洩磁場を押さえているため、中心軸方向にもＮＭＲ装置に貫通孔を設けたい場合、あえて円盤強磁性体に孔を設けておく必要がなく製作性が向上するという点において利点がある。
【００９５】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえ設置性のよいＮＭＲ装置とすることができる。
【００９６】
以上に具体的な実施例を用いて本発明を説明してきたが、前述した各実施例ではマグネット内部のコイルは全て超電導コイルであるが、本発明の内容は超電導コイルのみに限定されるものではなく、例えば銅線などを用いたコイルであってもよく、更に電流を搬送するものであればいかなるものでも良い。また，静磁場発生源の起磁力源に永久磁石を使っても良い。
【００９７】
【発明の効果】
以上、本発明ＮＭＲ装置によれば、計測空間にｐｐｂオーダーで均一な磁場を発生させる高感度なＮＭＲ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るＮＭＲ装置の概略断面図。
【図２】実施例２係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図３】実施例３係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図４】実施例４係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図５】実施例５係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図６】実施例６係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図７】実施例７係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図８】従来のＮＭＲ装置の概略断面図。
【図９】従来のＮＭＲ装置を構成する超電導コイルの断面斜視図。
【図１０】実施例に係るＮＭＲ装置の多層超電導コイル群の概略斜視図。
【図１１】実施例に係るＮＭＲ装置の構成図。
【図１２】本発明の作用を説明するための軸対象２次元におけるコサインθ分布電流を示す図。
【図１３】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉとγ，θの位置関係の概略図。
【図１４】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る２次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１５】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る４次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１６】本発明の作用を説明するための位置f，αで表される電流Ｉが作る６次の不整磁場を角度αの関係図。
【符号の説明】
１〜３０，１’〜３０’…超電導コイル、３１…円筒状強磁性体、３２，３３…円盤状強磁性体、３４，３４’，３５，３５’…超電導コイル、３６…円筒状強磁性体、３７，３７’，３８，３８’…超電導コイル、３９…スプリット型超電導マグネット、４０…試料、４１…ソレノイドコイル、４２…超電導スイッチ、４３…超電導接続、４４…液体ヘリウム槽、４５…液体窒素槽、４６…防振支持脚。
Claims (10)
- 試料を挿入するための所定のギャップを有して対向し、かつ、ほぼ同一の中心軸で配置された第一および第二の多層超電導コイル群を有し、該多層超電導コイル群の各層は少なくとも一つの超電導コイルを有して構成され、該多層超電導コイル群の中空部分に、ソレノイドコイルを用いた検出プローブを挿入するためのＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、主磁場を発生するため該超電導コイルに流される電流をプラス方向の電流としたとき、主磁場を発生する該第一および該第二の多層超電導コイル群の、それぞれ最も外側の層を構成するコイル、および最も外側の層を構成するコイルの次に外側の層を構成するコイルに流される電流をプラス方向とし、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層を構成するコイルのうち、前記第一の多層超電導コイル群と前記第二の多層超電導コイル群との間に形成される前記ギャップに近い位置にある、少なくとも一つの超電導コイルの通電電流方向がマイナス方向であることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、該第一および該第二の多層超電導コイル群における各最内層以外の層に配置される超電導コイルのうち、少なくとも一つの超電導コイルの通電電流方向がマイナス方向であることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１または２に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層のみが複数の超電導コイルを含むことを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１または２に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層とその隣接する外層のみが複数の超電導コイルを含むことを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、該第一および該第二の多層コイル群が、対向面に関して鏡面対称に配置されていることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、漏洩磁場をシールドするためのシールドコイルを備えていることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、漏洩磁場をシールドするための強磁性体を備えていることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、円筒状強磁性体とシールドコイルとを備えていることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、円盤状強磁性体とシールドコイルとを備えていることを特徴とするＮＭＲ装置用超電導マグネット。
- 請求項１乃至９に記載のいずれか１項に記載のＮＭＲ装置用超電導マグネットを用いたことを特徴とするＮＭＲ装置。
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