JP4255794B2

JP4255794B2 - Ｎｍｒ装置

Info

Publication number: JP4255794B2
Application number: JP2003339107A
Authority: JP
Inventors: 氣田佳喜; 末松浩人; 根本暢明; 穴井孝弘
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005106565A

Description

本発明は、放射減衰を抑制したＮＭＲ装置に関する。

ＮＭＲ分光法は、試料中の核スピンを持った原子核に静磁場を印加して、静磁場方向を軸とするラーモア歳差運動を惹起させると共に、そのラーモア周波数に一致する周波数（共鳴周波数）を持った高周波磁場を、静磁場と直交する方向に印加して、磁気共鳴を起こさせることにより、その原子核が置かれた磁気的環境の違いを検出する分光法である。静磁場強度が強ければ強いほど、共鳴周波数が高くなり、ＮＭＲの検出感度が向上するため、強い静磁場を発生することができるＳＣＭを用いたＮＭＲ装置が開発されて、広く利用されている。

図１に、従来のＮＭＲ装置の動作を示す。図中１は、ＲＦソース（ＲＦ源）である。ＲＦソース１では、試料中の核の共鳴周波数と一致する周波数を持ったＲＦパルスが生成される。ＲＦソース１で生成されたＲＦパルスは、パワーアンプ（電力増幅器）２により電力増幅され、デュプレクサ（送受信切り換え器）３を通過して、マグネット（ＳＣＭ）４の磁場中に置かれたプローブ５に送られる。

プローブ５内には、試料７を取り囲むように配置され、パワーアンプ２から送られてくる強力なＲＦパルスを試料７に照射して試料７中の核を励起すると共に、試料７中の励起核から放出される微弱なＮＭＲ信号を検出するための検出コイル６が設けられている。検出コイル６からＲＦパルスが試料７に照射されると、試料７中の核が核磁気共鳴を起こし、弱いＲＦ磁界を放出する。これがＮＭＲ信号である。このＮＭＲ信号を、検出コイルに誘起される誘導電流として、検出コイルを用いて取り出すことにより、ＮＭＲ信号を観測することができる。

デュプレクサ３は、パワーアンプ２と検出コイル６との間の接続、および、前置増幅器８と検出コイル６との間の接続を、所定のタイミングでどちらか一方に切り換える動作を行なっている。

その結果、誘導電流として検出コイルにより取り出されたＮＭＲ信号は、切り換わったデュプレクサ３を介して前置増幅器８側に送られ、前置増幅器８により増幅された後、レシーバ（受信器）９に送られる。ＮＭＲ信号は、レシーバ９でオーディオ周波数に検波された後、Ａ／Ｄ変換器１０でデジタル化され、コンピュータ１１に取り込まれる。コンピュータ１１で、デジタル化されたＮＭＲ信号をフーリエ変換することにより、ＮＭＲスペクトルを得ることができる。

特開平１０−９０３８４号公報。

Ray Freeman著、坂口潮ほか訳、「ＮＭＲハンドブック」、共立出版株式会社、１９９２年３月刊。

ところで、ＮＭＲ装置で、水分子のような強いＮＭＲ信号を与える試料を測定すると、放射減衰と呼ばれる現象を引き起こし、スペクトルの質を劣化させることが知られている。放射減衰とは、非特許文献１によると、次のように説明される。

「ＮＭＲ現象は、エネルギー的に非常に小さい効果である。通常の条件では、核スピンによって吸収されるエネルギーは、励起に用いるラジオ波のエネルギーに比較して非常に小さい。しかし、いくつかの極限条件では必ずしもこうはならなくて、放射減衰と呼ばれる新しい現象が出現する。試料中の全ての核スピンが９０゜パルスによって励起され、位相をそろえて際差運動を始めると、レシーバーコイルに電流が誘起される。この電流が弱いラジオ波磁場を発し、これが核スピンと相互作用する。このラジオ波磁場は、磁化Ｍ_ＸＹを回転して＋Ｚ軸の方向にもどす向きに生じ、この結果、スピン系の平衡はスピン緩和から予想されるよりも早く達成される。すなわちＦＩＤの減衰が早まり、周波数領域におけるスペクトルの線幅が少し広がる。」
この効果を軽減するための方法として、特許文献１で提案されている方法がある。それは、静磁場方向をＺ軸方向とすると、Ｘ軸方向に軸心を持った検出コイルで、強いＮＭＲ信号を与える上述のような試料から、ＮＭＲ信号を前置増幅器で増幅して取り出した後、そのＮＭＲ信号の一部を、移相器を介して分離し、Ｙ軸方向に軸心を持つ別のコイルで、試料にフィードバックさせる、というものである。

この方法によれば、放射減衰を補償するために、
（i）フィードバック信号を導出するための分離回路。

（ii）フィードバック信号の位相を変えるための移相器。

（iii）フィードバック信号を試料に与えるフィードバックコイル。
が必要になる。

本発明は、上述した点に鑑み、フィードバック信号を導出するための分離回路、フィードバック信号の位相を変えるための移相器、フィードバック信号を試料に与えるフィードバックコイルを必要とせず、ＮＭＲ装置の基本構成だけで放射減衰を軽減することのできるＮＭＲ装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明のＮＭＲ装置は、
核励起用ＲＦを発生するＲＦ源と、
ＲＦ源で発生したＲＦを電力増幅する第１の増幅手段と、
試料を取り囲むように配置され、第１の増幅手段から送られてくる高電力ＲＦを試料に照射して試料中の核を励起すると共に、試料中の励起核から放出されるＮＭＲ信号を検出するコイル手段と、
コイル手段により検出されたＮＭＲ信号を電力増幅する第２の増幅手段と、
コイル手段を第１の増幅手段と第２の増幅手段のどちらか一方に接続するように切り換える切り換え手段と
を備えたＮＭＲ装置であって、
コイル手段で検出された試料中の水分子に由来する強いＮＭＲ信号が、切り換え手段を介して第２の増幅手段に伝搬された際に、一部のＮＭＲ信号が第２の増幅手段で反射され、コイル手段まで戻ってきたときに、反射波の位相が、検出時のＮＭＲ信号の位相と逆位相となり、放射減衰による効果が最も小さくなるような長さに、第２の増幅手段とコイル手段との間の電気長が設定されていることを特徴としている。

また、核励起用ＲＦを発生するＲＦ源と、
ＲＦ源で発生したＲＦを電力増幅する第１の増幅手段と、
試料を取り囲むように配置され、第１の増幅手段から送られてくる高電力ＲＦを試料に照射して試料中の核を励起すると共に、試料中の励起核から放出されるＮＭＲ信号を検出するコイル手段と、
コイル手段により検出されたＮＭＲ信号を電力増幅する第２の増幅手段と、
コイル手段を第１の増幅手段と第２の増幅手段のどちらか一方に接続するように切り換える切り換え手段と
を備えたＮＭＲ装置であって、
コイル手段で検出された試料中の水分子に由来する強いＮＭＲ信号が、切り換え手段を介して第１の増幅手段に伝搬された際に、一部のＮＭＲ信号が第１の増幅手段で反射され、コイル手段まで戻ってきたときに、反射波の位相が、検出時のＮＭＲ信号の位相と逆位相となり、放射減衰による効果が最も小さくなるような長さに、第１の増幅手段とコイル手段との間の電気長が設定されていることを特徴としている。

核励起用ＲＦを発生するＲＦ源と、ＲＦ源で発生したＲＦを電力増幅する第１の増幅手段と、試料を取り囲むように配置され、第１の増幅手段から送られてくる高電力ＲＦを試料に照射して試料中の核を励起すると共に、試料中の励起核から放出されるＮＭＲ信号を検出するコイル手段と、コイル手段により検出されたＮＭＲ信号を電力増幅する第２の増幅手段と、コイル手段を第１の増幅手段と第２の増幅手段のどちらか一方に接続するように切り換える切り換え手段とを備えたＮＭＲ装置であって、コイル手段で検出された試料中の水分子に由来する強いＮＭＲ信号が、切り換え手段を介して第１の増幅手段または第２の増幅手段に伝搬された際に、一部のＮＭＲ信号が第１の増幅手段または第２の増幅手段で反射され、コイル手段まで戻ってきたときに、反射波の位相が、検出時のＮＭＲ信号の位相と逆位相となり、放射減衰による効果が最も小さくなるような長さに、第１の増幅手段とコイル手段との間の電気長および第２の増幅手段とコイル手段との間の電気長を設定したので、フィードバック信号を導出するための分離回路、フィードバック信号の位相を変えるための移相器、フィードバック信号を試料に与えるフィードバックコイルを必要とせず、ＮＭＲ装置の基本構成だけで放射減衰を軽減することのできるＮＭＲ装置を提供することが可能になった。

図２に、本発明にかかるＮＭＲ装置を示す。図中１は、ＲＦソース（ＲＦ源）である。ＲＦソース１では、試料中の核の共鳴周波数と一致する周波数を持ったＲＦパルスが生成される。ＲＦソース１で生成されたＲＦパルスは、パワーアンプ（電力増幅器）２により電力増幅され、デュプレクサ（送受信切り換え器）３を通過して、図示しないマグネット（ＳＣＭ）の磁場中に置かれたプローブ５に送られる。

このような構成において、本発明の特徴は、ＮＭＲ装置の従来の構成をそのまま用い、特に新たな構成要素の付加を必要としないことである。必要なことは、検出コイル６から前置増幅器８までの電気的な距離（図中の経路Ａに相当する）、および、検出コイル６からパワーアンプ２までの電気的な距離（図中の経路Ｂに相当する）を、適切な長さに調節することである。

そこで、最初に、検出コイル６から前置増幅器８までの電気長（図中の経路Ａの長さ）を適切な長さにすると、なぜ放射減衰を軽減できるかを説明する。

ＮＭＲ装置がＮＭＲ信号を感度良く取り込むためには、前置増幅器の雑音指数を低くすることが重要である。そのためには、前置増幅器に用いられる半導体素子の整合やバイアス電流を調整し、雑音指数が最小となるような整合条件を決定する。このとき、雑音指数が最小になる整合条件は、回路のパワーゲインが最大になる整合条件とは異なっており、入力インピーダンスは５０Ωではない。

一方、ＮＭＲ装置を構成する検出コイル、デュプレクサなどのユニットや、それらを接続するコネクタやケーブルなどは、すべて特性インピーダンスが５０Ωになるように作られている。そのため、試料中の核スピンによって誘起された誘導電流が前置増幅器に到達すると、その一部は反射されて、検出コイルに戻ってくる。このとき、検出コイルに戻った反射波の位相が、もとの誘導電流の位相と１８０゜ずれて、逆位相になっていれば、誘導電流とその反射波は、相互に打ち消し合って、誘導電流は軽減される。すなわち、放射減衰が軽減される。

電気信号の位相を変化させる簡単な方法は、検出コイルと前置増幅器の間の電気的な長さを調節することである。よって、図２の経路Ａのケーブルの長さを変化させ、最も放射減衰による効果が小さくなるような長さを求めれば良い。

次に、検出コイル６からパワーアンプ２までの電気長（図中の経路Ｂの長さ）を適切な長さにすると、なぜ放射減衰を軽減できるかを説明する。

ＮＭＲ装置において、パワーアンプからのノイズが大きいと、不要な信号がスペクトル上に現れたり、意図に反した核スピンの励起が起きたりするので、不都合である。そこで、このような不都合を回避するために、核励起用のＲＦパルスを出力していない期間は、不要なノイズをブランキングする仕組みを持つパワーアンプが用いられる。このようなパワーアンプでは、ブランキングしている期間のアンプの出力インピーダンスが、５０Ωから変化するものもある。

このようなパワーアンプを用いたＮＭＲ装置では、試料中の核スピンによって誘起された誘導電流がパワーアンプに到達すると、その一部は反射されて、検出コイルに戻ってくる。このとき、検出コイルに戻った反射波の位相が、もとの誘導電流の位相と１８０゜ずれて、逆位相になっていれば、誘導電流とその反射波は、相互に打ち消し合って、誘導電流は軽減される。すなわち、放射減衰が軽減される。

電気信号の位相を変化させる簡単な方法は、検出コイルと前置増幅器の間の電気的な長さを調節することである。よって、図２の経路Ｂのケーブルの長さを変化させ、最も放射減衰による効果が小さくなるような長さを求めれば良い。

ＮＭＲ装置において、ＮＭＲ信号を積算している期間中は、デュプレクサ３は、検出コイル６と前置増幅器８を接続する経路Ａ側に切り換わっている。よって、この期間は、前置増幅器８からの反射波により、検出コイル６に誘起された誘導電流が打ち消される。

それ以外の期間では、デュプレクサ３は、検出コイル６とパワーアンプ２を接続する経路Ｂ側に切り換わっているので、パワーアンプ２からの反射波により、検出コイル６に誘起された誘導電流が打ち消される。

このように誘導電流が打ち消されることにより、放射減衰が軽減される。

尚、本発明には、変形例が可能である。すなわち、本発明では、誘起された誘導電流と反射波との位相関係が、１８０゜異なるように電気長を調節することに要点があるので、電気長を調節する方法として、ケーブル長を直接変える方法の他に、同じケーブル長でも、同軸線の絶縁材に誘電率の異なるものを用いることによって、電気的な波長を変化させる方法を採用しても良い。

放射減衰の軽減を目的とするＮＭＲ装置に、広く利用できる。

従来のＮＭＲ装置を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の一実施例を示す図である。

符号の説明

１：ＲＦソース、２：パワーアンプ、３：デュプレクサ、４：マグネット、５：プローブ、６：検出コイル、７：試料、８：前置増幅器、９：レシーバ、１０：Ａ／Ｄ変換器、１１：コンピュータ

Claims

核励起用ＲＦを発生するＲＦ源と、
ＲＦ源で発生したＲＦを電力増幅する第１の増幅手段と、
試料を取り囲むように配置され、第１の増幅手段から送られてくる高電力ＲＦを試料に照射して試料中の核を励起すると共に、試料中の励起核から放出されるＮＭＲ信号を検出するコイル手段と、
コイル手段により検出されたＮＭＲ信号を電力増幅する第２の増幅手段と、
コイル手段を第１の増幅手段と第２の増幅手段のどちらか一方に接続するように切り換える切り換え手段と
を備えたＮＭＲ装置であって、
コイル手段で検出された試料中の水分子に由来する強いＮＭＲ信号が、切り換え手段を介して第２の増幅手段に伝搬された際に、一部のＮＭＲ信号が第２の増幅手段で反射され、コイル手段まで戻ってきたときに、反射波の位相が、検出時のＮＭＲ信号の位相と逆位相となり、放射減衰による効果が最も小さくなるような長さに、第２の増幅手段とコイル手段との間の電気長が設定されていることを特徴とするＮＭＲ装置。
核励起用ＲＦを発生するＲＦ源と、
ＲＦ源で発生したＲＦを電力増幅する第１の増幅手段と、
試料を取り囲むように配置され、第１の増幅手段から送られてくる高電力ＲＦを試料に照射して試料中の核を励起すると共に、試料中の励起核から放出されるＮＭＲ信号を検出するコイル手段と、
コイル手段により検出されたＮＭＲ信号を電力増幅する第２の増幅手段と、
コイル手段を第１の増幅手段と第２の増幅手段のどちらか一方に接続するように切り換える切り換え手段と
を備えたＮＭＲ装置であって、
コイル手段で検出された試料中の水分子に由来する強いＮＭＲ信号が、切り換え手段を介して第１の増幅手段に伝搬された際に、一部のＮＭＲ信号が第１の増幅手段で反射され、コイル手段まで戻ってきたときに、反射波の位相が、検出時のＮＭＲ信号の位相と逆位相となり、放射減衰による効果が最も小さくなるような長さに、第１の増幅手段とコイル手段との間の電気長が設定されていることを特徴とするＮＭＲ装置。