JP4328279B2 - 磁気共鳴検出器 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴装置用の検出器に関し、特に、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）装置や核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置などに用いられる磁気共鳴検出器に関する。

ＥＳＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料にマイクロ波を照射すると共に、照射したマイクロ波が被測定試料によって吸収される様子をスペクトルとして記録するようにした磁気共鳴装置の一種である。被測定試料中にフリーラジカルが存在すると、静磁場の掃引に伴ってマイクロ波の吸収が起こり、フリーラジカルの分子構造を反映した吸収スペクトルが記録計に記録される。この吸収スペクトルを解析することにより、フリーラジカルの分子構造に関する情報を得ることができる。

図１は、従来の反射型ＥＳＲ装置のマイクロ波回路のブロック線図である。図中、実線で結ばれている部分は導波管による接続を表わしている。マイクロ波発振器１から発振されたマイクロ波は、可変減衰器２で適当な電力に減衰された後、サーキュレータ３を通って磁極４の間隙に設置された空胴共振器５に送られる。空胴共振器５とマイクロ波線路の間には、結合度調整機構６が設けられており、空胴共振器５とマイクロ波線路の間のマッチングを取ることによって、空胴共振器５からの反射波がないように調整される。

空胴共振器５の内部には測定試料７がセットされている。対向する磁極４によって静磁場を掃引し、ＥＳＲ現象が起きれば、マイクロ波が吸収されて空胴共振器のＱ値が変化し、マッチングのバランスが崩れて、空胴共振器５からの反射波を生じる。この反射波は、サーキュレータ３を介してマイクロ波検出器８によって検出され、試料７によるマイクロ波の吸収信号として記録計に記録される。

マイクロ波発振器１のマイクロ波電力の一部は、方向性結合器９によって分岐され、移相器１０で位相を調整された後、方向性結合器１１を介して、サーキュレータ３からマイクロ波検出器８へ送られるマイクロ波に加え合わされる。このバイパス線路は、空胴共振器５へ供給するマイクロ波電力の大小に関わらず、マイクロ波検出器８の動作レベルを一定に保つ目的で設けられており、マイクロ波検出器８における一種のバイアス電力に相当する。

図２は、ＥＳＲ装置の検出器の一例を表わしたものである。検出器には、通常、空胴共振器が用いられるが、最近、誘電体を用いた誘電体共振器が開発された。

誘電体共振器１２は、誘電体で形成された円筒であり、図２に示すように、上下で蓋をした円筒容器状の電磁場シールド１３で囲まれた空間の中に、電磁場シールド１３と同軸状に配置される。そして、例えばフッ素樹脂で形成された円筒状の支持部材１４で支持された状態で、マイクロ波を共振させ、誘電体共振器１２の内孔部に挿入された試料管１５中の測定試料１６にマイクロ波磁界を印加することによって、測定試料１６にＥＳＲ現象を起こさせる。

マイクロ波は、導波管などの伝送路と結合孔などの結合機構とで構成されるマイクロ波導入機構１７により、電磁場シールド１３の側壁部から導入される。

誘電体共振器１２の共振モードには、さまざまな共振モードがあるが、良く知られている例としては、図３に示すような円筒ＴＥ₀₁₁モードがある。この共振モードでは、誘電体の円筒軸に沿ってマイクロ波磁界が発生するので、誘電体の円筒軸に沿って設けられた内孔部に測定試料をセットすれば、測定試料にマイクロ波磁界を効率良く印加することができる。

もし、測定試料にＥＳＲ現象が起きると、このマイクロ波磁界のエネルギーが、測定試料中の不対電子によって吸収される。その結果、誘電体共振器のインピーダンスが変化するので、静磁場を掃引しながらその変化を検出することで、ＥＳＲスペクトルを得ることができる。

尚、ＥＳＲスペクトルの信号強度は、飽和がない条件下においては、マイクロ波磁場強度に比例する。よって、測定試料に印加されるマイクロ波磁場強度が大きいほど、ＥＳＲの信号強度は強くなる。

米国特許第5,598,097号公報。

米国特許第5,781,011号公報。

手老省三「FT-EPR分光法―短寿命常磁性種の研究―」、雑誌「分光研究」、第43巻、第5号、270頁（1994）。

円筒ＴＥ₀₁₁モード誘電体共振器のマイクロ波磁界強度分布を、図４に示す。誘電体の円筒軸をＹ軸とすると、マイクロ波の電界成分が誘電体内部に集まるため、マイクロ波磁界１８は、Ｙ軸の中心付近に極大値を持つ分布となる。従って、十分に強いＥＳＲスペクトルを得るためには、測定試料を誘電体の内孔の中心付近にセットしなければならない。

しかし、図４からも分かる通り、誘電体共振器のマイクロ波磁界強度分布は、大きく湾曲しており、平坦な領域がない。そのため、測定試料中のＥＳＲ活性種を定量しようとすると、測定試料のセット位置によって、ＥＳＲスペクトルの強度が異なる結果となり、定量結果に誤差を生じる原因となっていた。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、平坦な高周波磁界分布範囲を有し、定量性に優れた磁気共鳴検出器を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる磁気共鳴検出器は、
電磁場シールドで囲まれた空間の中に配置された円筒状の誘電体共振器で高周波を共振させ、誘電体共振器の内孔にセットされた測定試料に高周波磁界を印加することによって、測定試料に磁気共鳴を起こさせる磁気共鳴検出器において、
前記磁気共鳴検出器は、電子スピン共鳴装置のＴＥ ₀₁₁ モード検出器であり、誘電体共振器の外壁部には、誘電体共振器の周に沿って円筒軸方向と直交する向きに溝が設けられていることを特徴としている。

また、電磁場シールドで囲まれた空間の中に配置された円筒状の誘電体共振器で高周波を共振させ、誘電体共振器の内孔にセットされた測定試料に高周波磁界を印加することによって、測定試料に磁気共鳴を起こさせる磁気共鳴検出器において、
前記磁気共鳴検出器は、電子スピン共鳴装置のＴＭ ₁₁₀ モード検出器であり、誘電体共振器の外壁部には、誘電体共振器の円筒軸と平行に、周方向と直交する向きに溝が設けられていることを特徴としている。

本発明の磁気共鳴検出器によれば、
電磁場シールドで囲まれた空間の中に配置された円筒状の誘電体共振器で高周波を共振させ、誘電体共振器の内孔にセットされた測定試料に高周波磁界を印加することによって、測定試料に磁気共鳴を起こさせる磁気共鳴検出器において、
誘電体共振器の外壁部に溝を設けたので、
平坦な高周波磁界分布範囲を有し、定量性に優れた磁気共鳴検出器を提供することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図５は、本発明にかかる磁気共鳴検出器の一実施例である。従来技術と同じ構成要素に対しては、同じ番号を付して説明する。

図中、１３は、上下で蓋をした円筒容器状の電磁場シールドである。本発明の誘電体共振器１２は、誘電体で形成された円筒であり、図５に示すように、電磁場シールド１３で囲まれた空間の中に、電磁場シールド１３と同軸状に配置される。そして、例えばフッ素樹脂で形成された円筒状の支持部材１４で支持された状態で、マイクロ波を共振させ、誘電体共振器１２の内孔部に挿入された試料管１５中の測定試料１６にマイクロ波磁界を印加することによって、測定試料１６にＥＳＲ現象を起こさせる。

マイクロ波は、導波管などの伝送路と結合孔などの結合機構とで構成されるマイクロ波導入機構１７により、電磁場シールド１３の側壁部から導入される。

誘電体共振器１２の外壁部には、溝１９が彫られている。この溝１９は、誘電体共振器１２の中央部に、誘電体共振器１２の周に沿って一周する形で、円筒軸方向と直交する向きに設けられている。

誘電体共振器１２の共振モードには、さまざまな共振モードがあるが、この実施例は、図６に示すような円筒ＴＥ₀₁₁モードである。この共振モードでは、マイクロ波磁界１８は、誘電体共振器１２の円筒軸に沿って発生する。

誘電体共振器１２の円筒軸をＹ軸とすると、マイクロ波の電界成分が誘電体内部に集まるため、マイクロ波磁界１８は、誘電体共振器１２の中心に極大値を持つ分布となる。このとき、誘電体共振器１２の中央部に、誘電体共振器１２の周に沿って、円筒軸方向と直交する向きに溝１９を設けたことにより、マイクロ波磁界の極大値付近には、マイクロ波磁界強度の平坦部が出現する。

そのため、測定試料中のＥＳＲ活性種を定量するときに、この平坦部に測定試料をセットするようにすれば、多少の位置ずれを生じても、ＥＳＲスペクトルの強度が変動しない結果となり、定量結果に誤差を生じない。これにより、誘電体共振器を用いて、定量性に優れたＥＳＲ検出器を提供することが可能になる。

尚、溝１９の部分の誘電体を完全に取り去って、上下を別体にした、対向する２つの円筒状誘電体共振器を用いても、誘電体共振器間の間隔をうまく調整してやれば、本実施例の場合に近いマイクロ波磁界の平坦部を作り出すことは可能であるが、誘電体の除去量を溝程度に留めた本実施例に較べれば、マイクロ波磁界の平坦性は劣る。

本実施例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）共振器にも、適用することができる。

図７は、本発明にかかる磁気共鳴検出器の別の実施例である。従来技術と同じ構成要素に対しては、同じ番号を付して説明する。

図中、１３は、上下で蓋をした円筒容器状の電磁場シールドである。本発明の誘電体共振器１２は、誘電体で形成された円筒であり、図５に示すように、電磁場シールド１３で囲まれた空間の中に、電磁場シールド１３と同軸状に配置される。そして、例えばフッ素樹脂で形成された円筒状の支持部材１４で支持された状態で、マイクロ波を共振させ、誘電体共振器１２の内孔部に挿入された試料管１５中の測定試料１６にマイクロ波磁界を印加することによって、測定試料１６にＥＳＲ現象を起こさせる。

マイクロ波は、導波管などの伝送路と結合孔などの結合機構とで構成されるマイクロ波導入機構１７により、電磁場シールド１３の側壁部から導入される。

誘電体共振器１２の外壁部には、内孔を挟んで対向する２つの溝１９が彫られている。この溝１９は、誘電体共振器１２の中央部に、誘電体共振器１２の円筒軸に沿って、周方向と直交する向きに設けられている。

誘電体共振器１２の共振モードには、さまざまな共振モードがあるが、この実施例は、図８に示すような円筒ＴＭ₁₁₀モードである。この共振モードでは、マイクロ波磁界１８は、誘電体共振器１２の円筒軸と直交する方向に発生する。

誘電体共振器１２の円筒軸と直交する方向をＸ軸とすると、マイクロ波の電界成分が誘電体内部に集まるため、マイクロ波磁界１８は、誘電体共振器１２の中心に極小値、中心からずれた２つの位置に極大値を持つ分布となる。このとき、誘電体共振器１２の外壁部に、誘電体共振器１２の円筒軸と平行に、周方向と直交する向きに、内孔を挟んで対向する２つの溝１９を設けたことにより、マイクロ波磁界の極大値が低減し、マイクロ波磁界強度の平坦部が出現する。

そのため、測定試料中のＥＳＲ活性種を定量するときに、この平坦部に測定試料をセットするようにすれば、多少の位置ずれを生じても、ＥＳＲスペクトルの強度が変動しない結果となり、定量結果に誤差を生じない。これにより、誘電体共振器を用いて、定量性に優れたＥＳＲ検出器を提供することが可能になる。

尚、溝１９の部分の誘電体を完全に取り去って、左右を別体にした、対向する２つの半月状の誘電体を用いても、誘電体間の間隔をうまく調整してやれば、本実施例の場合に近いマイクロ波磁界の平坦部を作り出すことは可能であるが、誘電体の除去量を溝程度に留めた本実施例に較べれば、マイクロ波磁界の平坦性は劣る。

本実施例は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）共振器にも、適用することができる。

磁気共鳴装置に、広く利用できる。

従来のＥＳＲ装置を示す図である。 従来のＥＳＲ検出器を示す図である。 従来のＥＳＲ検出器の共振モードの一例を示す図である。 従来のＥＳＲ検出器のマイクロ波磁界強度分布を示す図である。 本発明にかかる円筒ＴＥ₀₁₁モードＥＳＲ検出器の一実施例を示す図である。 本発明にかかる円筒ＴＥ₀₁₁モードＥＳＲ検出器のマイクロ波磁界強度分布を示す図である。 本発明にかかる円筒ＴＭ₁₁₀モードＥＳＲ検出器の一実施例を示す図である。 本発明にかかる円筒ＴＭ₁₁₀モードＥＳＲ検出器のマイクロ波磁界強度分布を示す図である。

符号の説明

１：マイクロ波発振器、２：可変減衰器、３：サーキュレータ、４：磁極、５：空胴共振器、６：結合度調整機構、７：測定試料、８：マイクロ波検出器、９：方向性結合器、１０：移相器、１１：方向性結合器、１２：誘電体共振器、１３：電磁場シールド、１４：支持部材、１５：試料管、１６：測定試料、１７：マイクロ波導入機構、１８：マイクロ波磁界、１９：溝

Claims (2)

1. 電磁場シールドで囲まれた空間の中に配置された円筒状の誘電体共振器で高周波を共振させ、誘電体共振器の内孔にセットされた測定試料に高周波磁界を印加することによって、測定試料に磁気共鳴を起こさせる磁気共鳴検出器において、
   前記磁気共鳴検出器は、電子スピン共鳴装置のＴＥ ₀₁₁ モード検出器であり、誘電体共振器の外壁部には、誘電体共振器の周に沿って円筒軸方向と直交する向きに溝が設けられていることを特徴とする磁気共鳴検出器。
2. 電磁場シールドで囲まれた空間の中に配置された円筒状の誘電体共振器で高周波を共振させ、誘電体共振器の内孔にセットされた測定試料に高周波磁界を印加することによって、測定試料に磁気共鳴を起こさせる磁気共鳴検出器において、
   前記磁気共鳴検出器は、電子スピン共鳴装置のＴＭ ₁₁₀ モード検出器であり、誘電体共振器の外壁部には、誘電体共振器の円筒軸と平行に、周方向と直交する向きに溝が設けられていることを特徴とする磁気共鳴検出器。

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