JP4061191B2 - 複同調ｎｍｒコイルを最適化するための超伝導ネットワーク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）の分野に属し、特に、超伝導要素を有するＮＭＲプローブに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ＮＭＲデータは、物質の化学的構造の最も正確な性質の中で、時間／周波数測定値に基づいている。ＮＭＲ装置の感度係数Ｒは、信号チャンネルにおけるノイズに対する信号振幅の関係により制限される。ノイズが監視ノイズレベルのｒｍｓ値として扱われる場合、感度係数は、下記のように表される。
Ｒ＝Ｓ／（２Ｎ_rms）
そして、Ｓ／Ｎ_rms、すなわち信号対ノイズパラメータは、レシーバプローブコイルのＱ値の平方根に正比例し、プローブコイル抵抗を特徴付ける温度の平方根に反比例するように表すことができる。
【０００３】
ＮＭＲプローブのＲＦ回路の温度調整は、長年知られている。ＮＭＲプローブ感度は、Ｓｔｙｌｅｓ等著の「ｊ．Ｍａｇ．Ｒｅｓ．（１９８４）」の第３９７頁第６０行などにおいて、従来のプローブと比較して３つの要素について感度増加をもたらすことによって立証されているように、通常の金属製ＮＭＲコイルの冷却による温度ノイズの削減によりかなり促進されている。Ｒｏｌｌｗｉｔｚは、米国特許第３，７６４，８９２において、超伝導ＮＭＲコイルを提案したが、この装置は、実施されなかった。Ｂｌａｃｋ等は、高温超伝導（ＨＴＳ）材料を用いたＮＭＲイメージングプローブについて説明する。これらの材料の高分解ＮＭＲへの適用は、Ｈｉｌｌ著の「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（１９９７）」の第３７５０頁第７行、およびＡｎｄｅｒｓｏｎ等著の「Ｂｕｌｌ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．（１９９５）」の第９８頁第１７行において説明されている。
【０００４】
一定体積のサンプルのためのＮＭＲプローブの感度もまた、コイルの充填率ηに比例する。したがって、感度をよくするためにη、Ｑ、Ｔを操作してもよい。特に、超伝導コイルは、従来のコイルでは１０²以下のＱ値であるのに対して、１０⁴程度のＱ値を達成し得る。さらに、超伝導コイルは、従来のコイルでは３００°Ｋで動作するのに対して、約３０°Ｋの温度で動作する。ＮＭＲプローブコイルの温度調整は、コイルと観察対象との熱分離のための設備を必要とする。その結果、コイルの充填率が減少する。典型的な５ｍｍのサンプルチューブに適切な充填率の損失を考慮すれば、従来のＮＭＲプローブに対して、大規模な感度増加を達成できる。明らかに、室温で動作するコイルは、充填率の最大化を容易にする。
【０００５】
分析ＮＭＲ装置の送信（励起）パルスは、観察中の周波数レンジにおける全ての共鳴を励起するのに十分な程度のＲＦフィールドを供給しなければならない。異なる原子核と共に、共鳴状態の供給および／または検知がしばしば望まれる。この機能は、多重周波数における共鳴をサポートできるＲＦプローブ回路に提供される。そのような多重共鳴ＲＦプローブは、その技術分野において公知である。一般的に、そのようなプローブ回路は、２つのチャンネルがサンプルに結合される共通のインダクタンスを有する、それぞれ独立して同調できる２つの分離ＲＦチャンネルをサポートする。多重共鳴回路の実際の特性の１つは、各チャンネルにおける感度が、対応する単一共鳴プローブ回路で得られうる感度よりも若干小さいということである。さらに、多重共鳴回路では、残留共鳴は単一共鳴における回路感度よりもかなり小さい回路感度を生じる結果となるが、感度は複数の共鳴周波数のうちの１つで最適化できるだけである。したがって、多重共鳴ＮＭＲプローブの各ＲＦチャンネルの感度を増加させて、対応する単一共鳴プローブ回路において得られうる感度に近づけることが望ましい。
【０００６】
先行技術では、バランスのとれた２重共鳴回路が知られている。この回路では、同軸伝導ラインの高Ｑ値特性が、トラップインダクタンスを達成するために利用される。本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第４，８３３，４１２を参照。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の目的は、複数のＲＦチャンネルの感度が、そのようなチャンネルのための同等の単一同調回路の感度により近づいた多重共鳴ＮＭＲプローブ回路を提供することである。
本発明のさらなる利点および目的は、下記の説明に示し、一部は本発明の実施より明らかになるであろう。
【０００８】
上記目的は、研究の対象物に（典型的には、誘導要素または上記対象物を取り囲むサンプルコイルを介して）誘導結合される第１共鳴回路により実現され、上記第１共鳴回路は、上記対象物および上記第１共鳴回路の上記誘導要素から離れて配置された少なくとも１つの他の共鳴回路（トラップコイルを含む）に接続される多重同調回路により達成される。これらの第１共鳴回路および他の回路は、それぞれ、対応するＲＦ源へのＲＦチャンネルの接続、または各回路で作られた共鳴信号の処理をサポートする。上記２つの共鳴回路は、好ましくは、単純な直列接続を介して、他方に向けられた上記ＲＦチャンネルまたは直列接続でアースされたトラップ回路（通常は低周波数チャンネル）に接続される。高周波数ＲＦチャンネルは、上記２つの共鳴回路に対して並列に向けられている。上述したように、この多重同調回路は、従来技術である。しかしながら、後述するように、上記２つのＲＦチャンネルのために、各誘導要素におけるＱ値の比率の関数として、感度が比較的低減されている。もし、トラップコイルおよび／または（研究の対象物から離れて配置された）この共鳴回路の構成要素が超伝導相の超伝導体を組み込んだならば、対応するＱ値は、例えば約１０³から１０⁴の非常に大きな値となる。これに対して、上記対象物に誘導結合された非超伝導共鳴回路は、Ｑ値を約１０²に維持するので、上記第２共鳴回路のＱ値に対する上記第１共鳴回路のＱ値の比は、１よりも小さくなる。各ＲＦチャンネルの感度は、２重共鳴回路の１つのサブ回路にのみ超伝導体を用いることにより、独立した単一同調共鳴回路の感度により近い感度に適合されてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の概略は、図１に示す汎用のＮＭＲシステムにより最もよく理解できる。図１には、本発明の動作のための環境を形成する典型的なＮＭＲ装置が示されている。取得／制御プロセッサ１０は、ＲＦ送信器１２、変調器１４および受信器１６に接続されている。受信器１６は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１８と別のデジタルプロセッサ２０とを含む。変調されたＲＦパワーは、分極磁場２１において、プローブアセンブリ２２を介して対象物２３を照射し、対象物の応答は、受信器１６に接続されたプローブアセンブリ２２により遮断される。応答は、典型的に、過渡タイム・ドメイン波形（transient time domain waveform）または自由誘導減衰といった形で現れる。この過渡波形は、一定の間隔でサンプリングされ、それらのサンプルは、ＡＤＣ１８でデジタル化される。そして、デジタル化されたタイム・ドメイン波形は、プロセッサ２０においてさらなる処理の対象となる。そのような処理の本質は、類似する複数の波形にわたるタイム・ドメイン波形の平均化、および出力装置２４に向けて分光分布関数を生じる周波数ドメインへと平均タイム・ドメイン波形を変換することを含んでいてもよい。その代わりに、この手段は、ディスプレイまたはさらなる分析のための複数のアイデンティティのいずれかを呈するデータ・セットからの他のいくつかのパラメータおよび変換のバリエーションで繰り返されてもよい。
【００１０】
磁場２１は、Ｚ軸に対して平行に向けられている。Ｚ軸は、サンプルを分極し、ラーモア周波数を定めて、図示しない適切な手段により規定される。コイル１９は、磁場における所望の空間的および時間的相関関係を課すために用いられる。
次に、図２には、ＮＭＲに用いるための典型的な２重共鳴回路が示されている。第１共鳴回路４０は、第２共鳴回路５０に対して直列となっている。第１ＲＦチャンネル４８は、両共鳴回路４０、５０と並列に接続されている。第２ＲＦチャンネル５８は、共鳴回路４０、５０の直列コンビネーションに対して直列に接続されている。ＲＦチャンネル４８、５８は、各キャパシタ４６、５６を介して２重共鳴コンビネーションに容量的に結合されている。
【００１１】
ここで言及するのは、ＲＦチャンネルに関してである。なぜならば、通常のＮＭＲの使用では、ＲＦ源からの両ＲＦ励起は、インダクタ４２内に配置された対象に結合され、インダクタ４２内の対象から発するＲＦ信号は、同時ではないにしても存在するからである。第２ＲＦチャンネルは、インダクタ５２を備えた共鳴回路５０と関連付けられる。各チャンネルは、感度パラメータにより特徴づけられてもよい。なぜならば、各チャンネルは、互いに結合され、各チャンネルの感度は、他のチャンネルを備えた構成要素の存在により影響を受けるからである。Ｈｏｕｌｔ著の「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（１９７８）」第４１頁第１２行には、２つのチャンネルのそれぞれの感度は、下記のような因数ρにより減少されるということが示されている。
【００１２】
ρ₅₀＝[１＋(Ｑ₄₂／Ｑ₅₂)(Ｌ₅₂／Ｌ₄₂)]^-1/2 （式１）
ρ₄₀＝[１＋(Ｑ₄₂／Ｑ₅₂)(Ｌ₄₂／Ｌ₅₂)]^-1/2 （式２）
ここで、Ｑ_xは、対応するコイルのＱ値であって、Ｌ_xは、そのコイルに関連するインダクタンスであって、相互インダクタンスを含む。従来の方法では、Ｑ₄₂≒Ｑ₅₂（従来のコイルの両方）であって、高周波数共鳴に整調されたＬ₄₂については、Ｌ₄₂＜＜(Ｌ₅₂＋Ｌ₄₂)となっていることが分かる。したがって、ρ₅₀≒１に対してρ₄₀＜＜１となっている。Ｌ₄₂＝Ｌ₅₂の場合は、各チャンネルの感度が単一整調回路の感度の約７０％まで減少される結果、感度減少因数ρ≒１／√２を得る。
【００１３】
本発明では、インダクタ４２は、従来のＱ値を有する従来の（超伝導状態でない）導体を備えている（このコイルは、Ｓ／Ｎパラメータを増加するために冷却されてもよいが、あらゆる点で従来のコイルである。）。インダクタ５２は、インダクタ４２から比較的離れて配置された超伝導コイルであって、その結果、共鳴回路５０は、高Ｑ値（約１０⁴）で特徴づけられる。一方、共鳴回路４０は、室温で約１０²、実質的な環境下まで冷却されたときは１０³のＱ値で特徴付けられる。結果的に、比Ｑ₄₂／Ｑ₅₂は、１よりも非常に小さくなるように操作される。これに対して、対応するインダクタンスの値は、各回路の共鳴プロパティを最適化するのとは独立して選択できる。
【００１４】
通常の導体は、超伝導体ほどは、パワー操作能力に制限がないという点で、本発明の独自の有用性が認識される。ＮＭＲプローブ内のサンプルコイルは、その感受性について、磁気的不均一性を除去または最小限に抑えるための周囲の感受性に慎重に適合されなければならないとも考えられる。従来の感受性適合は、しばしば、特定の合金化方法や、種々の導体を導入して複合導体を作製することにより達成されるが、いずれも超伝導体の使用には不向きである。他方、超伝導体材料を含むＮＭＲサンプルコイルの充填率は、しばしば、そのようなコイルで実現可能な幾何学形状により制限される。そのようなコイルは、しばしば平面基板で形成される。さらに、超伝導コイルは、結果として生じる充填率の損失とともに熱分離を取り入れなければならない。したがって、通常の金属製導体のサンプル空間における使用によって上記のことに対処できる一方、サンプル空間外部への超伝導コイルの導入は、ここに示された２重共鳴回路のために非常に高い相対Ｑ値の利益を提供する。さらに、超伝導コイルは、サンプルコイルから離れて配置される。サンプルコイルの充填率が、絶縁ジャケットの必要性により悪影響を受けることはない。
【００１５】
プローブにおける超伝導体の使用は、分極磁場２１の均一性を混乱させる影響を有する。しかしながら、ここに示すようなリモート・トラップコイルによる混乱は、先行技術の超伝導レシーバコイルによってより容易に制御される。その結果、許容電流などの異なるタイプの超伝導材料の選択に、より自由度がある。
上述の回路は、本質的に単なる例示である。多重共鳴回路のサブ回路間で、誘導結合または変圧器結合を置換するのは簡単である。図２の並列共鳴サブ回路でなく、直列共鳴回路が用いられてもよい。
【００１６】
本発明について、特定の実施形態および具体例を参照して説明したが、上記観点から、当業者に他の修正および変形が生じ得る。本発明は、特許請求の範囲に記載の範囲内で、具体的に説明した上述のような方法とは別の方法で実施できるということを理解すべきである。
また、本発明は、種々の修正および変形が可能であり、添付図面は、例示および／または構造または現象を理解するための助けとして提出したに過ぎない。しかしながら、ここに説明したような特定された実施形態は、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、むしろ、特許請求の範囲に規定された発明の目的および範囲内で、全ての修正、同等物、代替物をカバーすることを意図するものであるということを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＮＭＲシステムの図解図である。
【図２】 本発明に係る代表的なタイプの２重共鳴回路を示す図である。

Claims (7)

1. 第１インダクタ、および第１共鳴キャパシタンスを有し、ＮＭＲ測定による研究の対象物に上記第１インダクタが誘導結合された第１共鳴回路と、
   第２インダクタ、および第２キャパシタンスを有し、上記第１共鳴回路から独立して同調できる第２共鳴回路とを含み、
   上記第１および第２共鳴回路は、第１ＲＦチャンネルに対して並列接続されていると共に、第２ＲＦチャンネルに対して直列接続されており、
   上記第２共鳴回路は、超伝導相にある超伝導要素を含み、
   上記第１共鳴回路は、上記第１共鳴回路を上記第１ＲＦチャンネルに容量的に結合させる第１カップリングキャパシタをさらに有し、
   上記第２共鳴回路は、上記対象物から離れて配置され、上記第２共鳴回路を上記第２ＲＦチャンネルに容量的に結合させる第２カップリングキャパシタをさらに有し、
   上記第２共鳴回路のＱ値に対する上記第１共鳴回路のＱ値の比が、１よりも小さいことを特徴とするＮＭＲプローブ。
2. 上記第１共鳴回路は、通常相導体の構成要素を含むことを特徴とする請求項１記載のＮＭＲプローブ。
3. 上記第２インダクタは、上記対象物と誘導結合しないように、上記対象物から離れて配置されていることを特徴とする請求項２記載のＮＭＲプローブ。
4. 上記第１共鳴回路と上記第２共鳴回路との間の上記並列接続は、それらの間の超伝導導体を含むことを特徴とする請求項１記載のＮＭＲプローブ。
5. 上記第２共鳴回路は、キャパシタを有し、
   上記キャパシタは、誘電体の両側に少なくとも２つの伝導表面を有していて、
   上記伝導表面は、超伝導相になっていることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲプローブ。
6. 第２ＲＦチャンネルに接続された第２共鳴回路に結合された第１共鳴回路であって、研究の対象物に誘導結合された第１インダクタを有する第１共鳴回路を含み、上記第１および第２共鳴回路は第１ＲＦチャンネルに対して接続され、上記第１および第２共鳴回路の各々は、それぞれのＱ値を有しており、上記第２共鳴回路は、上記対象物から離れて配置されると共に、上記第１共鳴回路から独立して同調でき、上記第２共鳴回路は超伝導要素を含むＮＭＲプローブ内において、上記第１ＲＦチャンネルおよび上記第２ＲＦチャンネルに対する相対的な感度を選択的に適合させる方法であって、
   上記第１共鳴回路をその通常相で動作させている間、上記第２共鳴回路を上記超伝導要素の超伝導相で動作させることにより、上記第１共鳴回路のＱ値に対して上記第２共鳴回路のＱ値を適合させることを含むことを特徴とする方法。
7. 対象物の研究のためのＮＭＲシステムであって、
   分極マグネットと、上記対象物に共鳴を励起させるためのＲＦ源と、上記対象物における共鳴を検知するためのＲＦ受信器と、上記対象物を上記ＲＦ源および上記ＲＦ受信器に誘導結合するためのプローブとを含み、
   上記プローブは、第１インダクタ、第１共鳴キャパシタンスおよび第１カップリングキャパシタを有する第１共鳴回路であって、上記第１インダクタがＮＭＲ測定による研究の対象物に誘導結合された第１共鳴回路と、上記対象物から離れて配置されると共に、上記第１共鳴回路から独立して同調でき、第２インダクタ、第２キャパシタンスおよび第２カップリングキャパシタを有する第２共鳴回路とを含んでいて、
   上記第１および第２共鳴回路は、第１ＲＦチャンネルに対して並列接続されていると共に、第２ＲＦチャンネルに対して直列接続されており、
   上記第２共鳴回路は、超伝導相の超伝導要素を含むことを特徴とするシステム。

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