JP4575950B2 - Ｎｍｒ用コンデンサスイッチ - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光法、特に、ＮＭＲ測定回路の共鳴周波数の調整システム及びその方法に関するものである。

関連出願についてのデータ
本出願は、２００４年３月３１日に出願された米国仮特許出願番号６０／５５８，３３９の優先権を主張するものである。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計は一般的に、静磁界Ｂ₀を発生させるために超電導磁石を、及び磁界Ｂ₀に対して垂直で経時変化する磁界Ｂ₁を発生させ且つ加えた磁界に対するサンプルの反応を検知するために一つ以上の専用無線周波（ＲＦ）コイルを含む。各ＲＦコイル及び関連回路は、サンプル内に存在する目的とする核のラーモア周波数で共鳴することができる。ＲＦコイルはＮＭＲプローブの一部として典型的に設けられ、試料管又はフローセル内にあるサンプルを分析するのに用いられる。静磁界Ｂ₀の方向は一般にｚ軸として示され、ｚ軸に垂直な平面は一般にｘ−ｙ面又はθ面と呼ばれる。

目的とする周波数は、目的とする核及び印加した静磁界Ｂ₀の強さにより決定される。ＮＭＲ測定の精度を最大限に上げるために、励起／検出回路の共鳴周波数は目的とする周波数と等しい数値に設定する。励起／検知回路の共鳴周波数は、一般的に

であり、Ｌ及びＣはそれぞれ励起／検知回路の実効インダクタンス及び実効静電容量である。
更に、ＲＦコイルへのＲＦエネルギーの伝達量を最大にするために、各コイルのインピーダンスは、コイルへのＲＦエネルギーの結合に用いられる伝送線及び関連構成部品のインピーダンスに整合（マッチング）させる。各コイルのインピーダンスが整合されていない場合、コイルに送られたＲＦエネルギーの最適量には及ばないエネルギー量が実際にはコイルに入ることとなる。残りのエネルギーは外部にそらされＮＭＲ測定に貢献しない。

ＮＭＲ分光計の回路を調整して、所望する共鳴周波数への同調又はインピーダンスの整合を実現するために、幾つかの方法が提起されている。例えば、下記特許文献１（発明者Triebe外）では、プローブ共振子の共鳴周波数を同調させるための可動調整ロッドを含むＮＭＲプローブについて記述している。プローブは、可変抵抗器、インダクタやトリマコンダクタ等の電気装置又は機械装置を遠隔操作で調整するためのアクチュエータも含む。下記特許文献２（発明者Magnuson）では、制御可能なスイッチで同調回路に切り換えることができる複数のコンデンサを含む同調装置について記述している。下記特許文献３（発明者Hayes外）では、コイルの一部分を接地接続させることによって無線周波コイルを同調させる方法について記述している。
米国特許第６，２０４，６６５号明細書 米国特許第５，９８６，４５５号明細書 米国特許第５，０８１，４１８号明細書

ＮＭＲ測定回路の共鳴周波数の帯域を調整することを可能にする。

本発明の１つの局面によると、核磁気共鳴サンプルコイル及びサンプルコイルに電気的に接続されたスイッチングアセンブリを含む核磁気共鳴装置であって、スイッチングアセンブリは、縦溝に沿って配置され少なくとも１つの接点がサンプルコイルに電気的に接続された第１の一対の接点と、第１の一対の接点に対して縦に間隔をあけて縦溝沿って配置された第２の一対の接点であって、少なくとも１つの接点がサンプルコイルに電気的に接続された第２の一対の接点と、縦に間隔をあけて配置された複数のコンデンサを備え、縦方向に移動可能なスイッチング部材と、を備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置が提供される。スイッチング部材は、複数のコンデンサからなる異なるコンデンサを第１の一対の接点と第２の一対の接点との間に挿入することが可能となるように、縦溝に配置されている。スイッチング部材の縦方向運動は、第１の一対の接点及び第２の一対の接点に対する複数のコンデンサのうちの少なくとも２つの接続状態を変更し、それによってサンプルコイルを含む核磁気共鳴測定回路の共鳴周波数を調整する。

本発明の他の局面によると、サンプルコイルに電気的に接続されたスイッチングアセンブリは、直列接続された複数の第１のコンデンサと、第１のコンデンサ間に規定される複数のコンデンサ間インターフェースに対応して接続された複数の横方向に突出した第１の接点とを含む第１のコンデンサ縦列と、直列接続された複数の第２のコンデンサと、第２のコンデンサ間に規定される複数のコンデンサ間インターフェースに対応して接続された複数の横方向に突出した第２の接点とを含み、第１のコンデンサ列に対し横に間隔をあけて整列された第２のコンデンサ縦列と、第１のコンデンサ列と第２のコンデンサ列との間に規定されたスイッチング溝に配置され縦方向に移動可能なスイッチング部材とを備えている。スイッチング部材は、選択された第１の接点と選択された第２の接点との間に配置されるとき、選択された第１の接点と選択された第２の接点との間に電気接続を確立する。

前述の本発明の局面及び効果は、以下の詳細な説明を読み図面を参照することにより、よりよく理解されるであろう。

以下の説明において、構成要素の組合せは、一つ以上の構成要素を含む。構成要素への言及はいずれも一つ以上の構成要素を含むと理解される。詳述された構成要素又は構造はいずれも、モノリシック構造から作られる若しくはモノリシック構造の一部である、又は複数の区別される構造体から作られ得る。サンプルに対して核磁気測定を行うのにコイルが用いられるとの記述は、コイルがトランスミッタ、レシーバー又はその両方として用いられることを意味すると理解される。電気的接続又は機械的接続の記載はいずれも、中間回路構成要素又は中間構造体を経ての直接接続又は間接接続であり得る。

以下の説明では、本発明の実施形態は一例として示されるものであり、必ずしも限定するものではない。
図１は、本発明の実施形態による例示的ＮＭＲ分光計１２を図示した概略図である。分光計１２は、磁石１６、磁石１６の円筒穴に挿入されたＮＭＲのプローブ２０、及び磁石１６とプローブ２０とに電気接続された制御／取得システム１８を備えている。プローブ２０は、一つ以上の無線周波（ＲＦ）コイル２４と関連電気回路構成部品とを含む。話を簡単にするため、以下の説明では単一のコイル２４に焦点を当てるが、本システムは他の同様なコイルを含んでもよいと理解される。サンプルに対して測定が行われている間、サンプル容器２２は、目的とするＮＭＲサンプルをコイル２４内に保持するためプローブ２０内に配置される。サンプル容器２２は、試料管又はフローセルであってもよい。コンデンサ（キャパシタ）、インダクタ及び他の構成部品といった多くの電気回路構成部品がプローブ２０の回路領域２６に配置され、コイル２４に接続されている。コイル２４及びコイル２４に接続されている種々の構成部品が、一つ以上のＮＭＲ測定回路を形成している。回路領域２６は、コイル２４の真下に、コイル２４に隣接して配置されている。

測定を実行するには、コイル２４内に規定された測定領域にサンプルを挿入する。磁石１６は、サンプル容器２２内で保持されるサンプルに静磁界Ｂ₀を生じさせる。制御／取得システム１８は、プローブ２０に所望の無線周波パルスを加えるよう構成された電子部品と、プローブ２０内のサンプルの核磁気共鳴特性を示すデータを得るよう構成された電子部品とを備えている。コイル２４は、サンプルに無線周波磁界Ｂ₁を生じさせるのに用いられ且つ／又は印加された磁界に対するサンプルの反応を測定するのに用いられる。ＲＦ磁界は、静磁界に対して垂直である。ＲＦ磁界を印加するため、及び印加された磁界に対するサンプルの反応を測定するための両方に、同じコイルを用いてもよい。これに代えて、ＲＦ磁界を印加するために１つのコイルを、そして印加された磁界に対するサンプルの反応を測定するために別のコイルを用いてもよい。

コイルを含むＮＭＲ測定回路の共鳴周波数を同調させることによって、複数の周波数で測定を行うのに単一のコイルを用いてもよい。例示的なＮＭＲシステムにおいて、¹³Ｃ核は、約１２５ＭＨｚの周波数に対応し、³¹Ｐ核は２０２ＭＨｚの周波数に対応する。そのようなシステムで¹³Ｃ核と³¹Ｐ核との両方を測定するのに適したＮＭＲプローブは、その共鳴周波数を、１２５ＭＨｚから２０２ＭＨｚまでの周波数スパンを含む帯域で同調できるようにしてもよい。ＮＭＲ利用において共通して重要なもう一つの核は、¹⁵Ｎ核である。

図２−Ａは、本発明の実施形態による例示的なスイッチング構成における可変同調型（チューニング可能な）ＮＭＲ測定回路３０の概略図を示す。測定回路３０は、ＮＭＲサンプルコイル２４、及び補助インダクタとサンプルコイル２４に接続される多くのコンデンサとを含む関連構成部品を含む。回路３０の共鳴周波数を所望帯域内にする必要がある場合、コンデンサ３４をサンプルコイル２４と並列接続してもよい。入力端子３６は、外部励起パルスを受ける。連続可変インピーダンス整合（マッチング）コンデンサ３８は、入力端子３６とサンプルコイル２４の入力（近位）側との間に接続されている。回路３０のインピーダンス整合を最適化するためコンデンサ３８の静電容量を調整してもよい。２つの連続可変コンデンサ４０及び４４は、それぞれ接地とサンプルコイル２４の入力側との間、及び接地（グランド）とサンプルコイル２４の出力側との間に接続されている。回路３０の少なくとも幾つかのスイッチング構成では、更に２つの固定値の動的に置き替え可能なコンデンサ５２ａ及び５２ｂを、それぞれサンプルコイル２４の入力側、及びサンプルコイル２４の出力側に接続してもよい。第１のコンデンサ５２ａはコイル２４の近位側と二次（補助）コイル５４との間に接続される。第２のコイル５４は接地接続される。幾つかのスイッチング構成では、回路３０の総インダクタンスを減らす為に二次コイルを用いてもよい。総インダクタンスの減少は、例えば³¹Ｐ ＮＭＲ測定を行うのに望ましいかもしれない。第２のコンデンサ５２ｂは、コイル２４の遠位側と接地との間に接続されている。図２−Ａで図示される以外のスイッチング構成では、コンデンサ５２ａ及び５２ｂは、以下に説明するように他のコンデンサ又は短絡に置き換えてもよい。

一つの実施形態では、図３を用いて以下に説明するように、コンデンサ５２ａ及び５２ｂは、３つ以上のコンデンサを含む移動可能なスイッチング部材の一部である。コイル２４には常に、スイッチング部材のコンデンサが２つだけ接続されている。コンデンサ５２ａ及び５２ｂは、スイッチング部材の単一並進運動を用いる他のコンデンサと置き換えてもよい。スイッチング部材の運動は、ノード／接点５０ａ〜５０ｄのセットの間に挿入されるコンデンサの値を変更する。破線５３で図示される様に、２つのノード５０ａ及び５０ｃは回路３０の幾つかのスイッチング構成において共通に接地接続されることがある。そのような構成において、第二のインダクタ５４は、回路３０の他の部分に実質的な影響を及ぼさないかもしれない。

図２−Ａで示される種々の構成部品に適したインダクタンス値及び静電容量値は所望のＮＭＲ利用により選択され得る。例示的な実現例では、サンプルコイル２４は、およそ数百ｍＨ程度（例えば約２５０ｍＨ）のインダクタンス値を有する。可変コンデンサ４０及び４４は、１ｐＦないし数十ｐＦ（例えば１〜１５ｐＦ）の連続可変値をとり得る。コンデンサ３４は、ｐＦのオーダー（例えば約１．５ｐＦ）の値をとり得る。コンデンサ３８の静電容量は、インピーダンスが５０Ωに整合するよう調整されてもよい。以下に更に詳細に説明するように、コンデンサ５２ａ及び５２ｂは１ｐＦないし数百ｐＦの静電容量値を有してもよい。例示的な実現例では、図２−Ａで示される種々のコンデンサは、２５００Ｖ以上の電圧定格を有する。

図２−Ｂは図２−Ａに図示された回路３０の種々の構成部品のＮＭＲプローブ内の構成としてとり得る例を示す。可変コンデンサ４０及び４４は横長の導電性支持体５１に取り付けられ、導電性支持体５１は接地接続されている。インピーダンス整合コンデンサ３８は、もう一つの横方向の導電性支持体５１’に取り付けられている。接点８２ａ〜８２ｄの組合せは図２−Ａに図示されるノード５０ａ〜５０ｄに対応している。第１の対の接点８２ａ及び８２ｂは第１の高さに配置され、第２の対の接点８２ｃ及び８２ｄは接点８２ａ及び８２ｂの上方に整列して第２の高さに配置されている。接点８２ａと接点８２ｂとの間、及び接点８２ｃと接点８２ｄとの間に必要に応じて、短絡又は異なる値を有するコンデンサを挿入するのに移動可能なコンデンサスイッチング部材が用いられる。

図３−Ａは、本発明の実施形態による移動可能なコンデンサスイッチング部材６０の等角投影図である。スイッチング部材６０は大略的に細長い形状で、ＮＭＲプローブの他の構成部品に対して縦方向（ｚ軸に沿って）に移動することが可能である。スイッチング部材６０は、幾つかの部品、すなわち、剛性スライダ６２、スライダ６２に取り付けられる複数のチップコンデンサ５２ａ〜５２ｄ、及びコンデンサ５２ａ〜５２ｄ上に配置される保護コンデンサカバー７２、のアセンブリによって作られる。コンデンサ５２ａ〜５２ｄは、スライダ６２に縦に均等に間隔をあけて配置されている。スイッチング部材６０は、コンデンサ５２ａ〜５２ｄを保持し、コンデンサ５２ａ〜５２ｄが複数の接点位置に滑り込めるようにするコンデンサラックの役割を果たす。

スライダ６２は、大略的に縦長の支持板６４、支持板６４の最上部で支持板６４に接続されている横方向の接触（短絡）突起６６、及び支持板６４に接続されＮＭＲプローブ内で支持板６４の下に配置される円筒状縦長延長部６８を含む。一つの実施形態では、支持板６４、接触突起６６及び延長部６８は、剛性の導電性材料である単一のモノリシック体から作られる。

延長部６８は、スイッチング部材６０を幾つかの所望する縦方向の位置に配置することができるコンピュータ制御の位置調整機構を含んでもよく、当該機構に連結されてもよい。一つの実施形態においては、延長部６８は外螺旋ねじ山を含み、その外螺旋ねじ山に整合する螺旋ねじ山と縦長の長孔（スロット）とを有するアウターチューブに挿入される。延長部６８に接続されるピンは、長孔を貫通して延びる。アウターチューブがコンピュータ制御のモータを用いて回転されても、スイッチング部材６０は突出するピン及び／又は支持板６４（矩形の横断面を有する）とその外部との間の接触により回転が防止される。その結果、スイッチング部材６０は、縦方向に移動する。スイッチング部材６０を幾つかの位置間で縦方向に移動させるのに他の種々の機構を用いてもよいことを当業者は理解するであろう。

カバー７２は、カバー７２の外面に沿って規定される複数の横長の導電性接触板７４ａ〜７４ｅを含む。各接触板７４ａ〜７４ｄは対応するコンデンサ５２ａ〜５２ｄに電気接続され、接触板７４ｅは接触突起６６に電気接続される。接触板７４ａ〜７４ｄ間の領域は、電気絶縁性を有する。領域は、カバー７２に沿う銅製の表面層を化学エッチングにより除去処理することにより形成され得る。カバー７２の縦方向両端部７６ａ及び７６ｂは、スイッチング部材６０の縦方向の滑り運動を容易にする為に支持板６４に向かって内側に屈曲されている。内側への屈曲は、カバー７２の端部が他のプローブ構成部品に引っかかるリスクを低下させる。カバー７２は、コンデンサ５２ａ〜５２ｄにもたらされる機械的損傷のリスクを低下させる。

図３−Ｂは、スイッチング部材６０及びそのＮＭＲプローブ環境の一部を示す。スイッチング部材６０は、2つの大略的に縦長の外部導体アセンブリ７８ａ及び７８ｂの間に規定される縦溝又は開口６１に配置される。スイッチング部材６０は、外部導体アセンブリ７８ａ及び７８ｂ間で規定される溝内で縦方向に滑ることができる。外部導体アセンブリ７８ａ及び７８ｂは、それぞれに対応する絶縁性支持板８０ａ及び８０ｂ、支持板８０ａ及び８０ｂにそれぞれ対応する下部接点スプリング８２ａ及び８２ｂ、並びに支持板８０ａ及び８０ｂにそれぞれ対応する上部接点８２ｃ及び８２ｄを含み、接点スプリング８２ａ〜８２ｄはそれぞれ対応する締結具８６ａ及び８６ｂ並びに締結具８６ｃ及び８６ｄを用いて支持板８０ａ及び８０ｂに取り付けられている。接点スプリング８２ａ〜８２ｄは片側が開いている「Ｄ」字形のクリップで作られてもよい。クリップの片側は、クリップに加えられる側方からの圧力に応じて反対側に滑り得る。下部接点スプリング８２ａ及び８２ｂは、同じ高さに配置されている。同様に、上部接点スプリング８２ｃ及び８２ｄは、同じ高さに配置されている。下部接点スプリング８２ａ及び８２ｂと、上部接点スプリング８２ｃ及び８２ｄとの間の縦間隔は、コンデンサ５２ａ〜５２ｄの相互間隔と同じである。

図３−Ｃは、カバー７２の接触表面に面するスイッチング部材６０の縦側面図を示す。複数のめっきスルーホール９８が、接触板７４ａ〜７４ｅに沿ってカバー７２の絶縁性基板を貫通して規定されている。一つの実現形態では、２つのスルーホール９８が各接触板７４ａ〜７４ｅに沿って規定される。スルーホール９８は、接触板７４ａ〜７４ｄと、各接触板に対応するコンデンサ５２ａ〜５２ｄとの間（図３−Ａに図示されている）、及び接触板７４ｅと導電性突起６６との間（図３−Ａに図示）に電気接続を確立させるために用いられる。

幾つかの実施形態では、スライダ６２はパラジウムコート又は金コートされた銅から作られる。他の導電性材料（例えば金属）もスライダ６２に適しているかもしれない。幾つかの実施形態では、スライダ６２は複合組立部品から作られてもよい。接点スプリング８２ａ〜８２ｄは、比較的弾力性があり非磁性であるパラジウムコート又は金コートのベリリウム銅から作られてもよい。他の材料（例えばばね鋼）も接点スプリング８２ａ〜８２ｄに用いられてもよい。カバー７２は銅で被覆されているプリント回路基板（ＰＣＢ）部分で作られてもよい。例示的な実施形態において、コンデンサ５２ａ〜５２ｄの寸法はおよそ１ｃｍでありスイッチング部材６０の縦寸法はおよそ１０ｃｍ〜２０ｃｍである。

スイッチング部材６０は、コンデンサ５２ａ〜５２ｄをそれぞれスライダ６２に規定される対応する溝上に取り付け、コンデンサ５２ａ〜５２ｄをスライダ６２にはんだ付けし、カバー７２をコンデンサ５２ａ〜５２ｄ上にはんだ付けすることで作られてもよい。１回のはんだ付けステップで、コンデンサ５２ａ〜５２ｄをスライダ６２及びカバー７２に接続させてもよい。これに代えて、２回以上のはんだ付けステップを用いてもよい。カバー７２は、導電性接触板７４ａ〜７４ｅ間に絶縁性の条片をエッチング除去処理で作り、導電性接触板７４ａ〜７４ｅを貫通するスルーホール９８を穿孔し、接触板７４ａ〜７４ｅに沿って、カバー７２の反対側との間に電気接続を確立するためにスルーホール９８にめっきを施すことで作られてもよい。スイッチング部材６０はそれから駆動機構上に取り付けられ、接点８２ａ〜８２ｄの間に規定される領域で縦方向に滑らせる。

回路３０の作動は、スイッチング部材６０の７つの連続するスイッチング構成を図示する図４−Ａ〜図４−Ｇを用いてよりよく理解されるかもしれない。図４−Ｈは、スイッチング部材６０用の静電容量値の構成としてとり得る一例を示す。表１は、図４−Ｈで示される静電容量値を用いたＮＭＲ回路において、図４−Ａ〜図４−Ｇで示される構成で計測された共鳴周波数及び理論モデル化された共鳴周波数を一覧にしている。表１はまた、図４−Ａ〜図４−Ｇで示されるスイッチング部材６０の各位置における上部接点８２ｃと上部接点８２ｄとの間及び下部接点８２ａと下部接点８２ｂとの間の静電容量値を一覧にしている。

図４−Ａは、スイッチング部材６０が接点８２ａ〜８２ｄに触れていないシステム構成を示す。表１に一覧表記されているように、可変コンデンサ４０及び４４を調整する結果得られる共鳴周波数帯域は、８２ＭＨｚ〜１３０ＭＨｚであると観測された。対応する理論計算では、９３ＭＨｚ〜１８０ＭＨｚの帯域を得られた。図４−Ｂは、スイッチング部材６０が下部接点端子８２ａと下部接点端子８２ｂとを短絡させ、且つスイッチング部材６０が上部接点端子８２ｃ及び８２ｄに触れていないシステム構成を示す。図４−Ｃは上部接点８２ｃと上部接点８２ｄとを短絡させ、且つ下部接点８２ａ及び８２ｂ間には静電容量値６８ｐＦの静電容量が導入されている構成を示す。図４−Ｄの構成では、６８ｐＦ及び５６ｐＦの静電容量値を有するコンデンサがそれぞれ上部接点８２ｃ及び８２ｄ間並びに下部接点８２ａ及び８２ｂ間に挿入されている。図４−Ｅ及び図４−Ｆの構成では、外部接点間に導入されたコンデンサ値の組合せは、それぞれ（５６ｐＦ、３９ｐＦ）及び（３９ｐＦ、１５ｐＦ）である。図４−Ｇは、静電容量値が１５ｐＦであるコンデンサが上部接点８２ｃ及び８２ｄ間に配置され、且つスイッチング部材６０が下部接点８２ａ及び８２ｂに触れていない構成を示す。

図５−Ａは、本発明のもう一つの実施形態による可変同調型（チューニング可能な）ＮＭＲプローブ回路１３０の概略図である。回路1３０は、図２−Ａを用いて上述したように接続されたサンプルコイル２４、可変コンデンサ４０及び４４、インピーダンス整合コンデンサ３８を含む。回路１３０の幾つかのスイッチング構成では、サンプルコイル２４と同じ回路ノードの間に二次コイル１５４を接続してもよい。回路１３０の種々のスイッチング構成において図５−Ａで示す回路ノード１５０ａ〜１５０ｅ間に確立される接続は、図５−Ｂ、図６−Ａ〜図６−Ｄ及び図７−Ａ〜図７−Ｆを用いた以下の説明を考察することにより、よりよく理解することができる。

図５−Ｂに、本発明の実施形態に係る図５−Ａの回路の幾つかの構成部品の構成の側面図を示す。支持板５１及び５１’への可変コンデンサ４０及び４４とインピーダンス整合コンデンサ３８の物理的配置は、図２−Ｂを用いて上述したのと同様である。第１の接点１８２ａは接地接続され第１の高さに配置される。接点１８２ａは、以下に説明する対応するコンデンサスイッチング部材の背面（後）側に面している。一対の接点１８２ｂ及び１８２ｃが第１の高さより上方にある第２の高さに配置され、もう一対の接点１８２ｄ及び１８２ｅが第２の高さより上方にある第３の高さに配置されている。補助インダクタ１５４は、接点１８２ｂと接点１８２ｄとの間に接続されている。接点１８２ｂ及び１８２ｃ間と、接点１８２ｄ及び１８２ｅ間に短結線及び／又は異なる値を有するコンデンサを挿入し、接点１８２ａを通してスイッチング部材主軸を接地させるのに、移動可能なコンデンサスイッチング部材が用いられる。

図６−Ａは、本発明の実施形態による図５−Ａの回路に用いるのに適した移動可能な静電容量スイッチング部材１６０の等角投影図である。図６−Ｂは、スイッチング部材１６０の縦側面図である。スイッチング部材１６０は、幾つかの部品、すなわち、剛性スライダ１６２、スライダ１６２に取り付けられる複数のチップコンデンサ１５２ａ〜１５２ｃ、及びスライダ１６２に取り付けられコンデンサ１５２ａ〜１５２ｃの上方に配置される横長の導体延長部１７２、のアセンブリによって作られる。コンデンサ１５２ａ〜１５２ｃは、スライダ１６２に縦に均等に間隔をあけて配置される。スイッチング部材１６０は、コンデンサ１５２ａ〜１５２ｃを保持し、コンデンサ１５２ａ〜１５２ｃが複数の接点位置に滑り込めるようにするコンデンサラックの役割を果たす。スライダ１６２は、大略的に縦長の支持板１６４、支持板１６４の最上部で支持板１６４に接続されている横方向への接触（短絡）突起１６６、支持板１６４の最下部で支持板１６４に接続されている近位の横方向への接触（短絡）突起１６５、近位突起１６５に接続されＮＭＲプローブ内で支持板１６４の下に配置される円筒状縦長延長部１６８を含む。スライダ１６２の各種部品は、図３−Ａを用いて上述したように、パラジウムめっき又は金めっきされた銅の単一のモノリシック体から作られてもよい。

延長部１７２はスライダ１６２に取り付けられる絶縁性支持体１７４、及び支持体１７４に取り付けられる縦方向に間隔をあけた２つの横長の導電性接触クリップ１７６ａ及び１７６ｂを含む。接触クリップ１７６ａ及び１７６ｂはそれぞれ、スイッチング部材１６０の背面側と正面側との間に電気接続を確立する。図６−Ｃは、支持体１７４の等角投影図であり、図６−Ｄは、本発明の実施形態による例示的な接触クリップ１７６ａの等角投影図である。支持体１７４は、接触クリップ１７６ａ及び１７６ｂをそれぞれ受けとめるようにサイズ設定され、縦に間隔をあけた２つの平行な横方向の溝（溝形）１７８ａ及び１７８ｂを含む。溝１７８ａ及び１７８ｂは中央の隆起１８０により分離され、それぞれ、スライダ接続部１８２及び軸最上部１８４により外部と連結される。スライダ接続部１８２は、延長部１７２をスライダ１６２（図６−Ａ及び図６−Ｂに図示）に固定する。支持体１７４はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）として周知）等の絶縁性材料から作られてもよい。接触クリップ１７６は、パラジウムめっき又は金めっきされた銅から作られてもよい。スイッチング部材１６０は、図３−Ａ〜図３−Ｃで示すように、コンデンサカバーを更に含んでもよい。

図７−Ａ〜図７−Ｅは、本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の幾つかの連続する配置及びスイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路構成の概略図である。図７−Ｆは、本発明の実施形態による図７−Ａ〜図７−Ｅに図示されるスイッチング部材用に選択されたコンデンサ値の組合せを示す。表２は、図７−Ｆで示される静電容量値を用いたＮＭＲ回路において、図７−Ａ〜図７−Ｅで示される構成で計測された共鳴周波数を一覧にしている。表２はまた、図７−Ａ〜図７−Ｅで示されるスイッチング部材１６０の各位置における上部接点１８２ｂと上部接点１８２ｃとの間及び中間接点１８２ｄと中間接点１８２ｅとの間の静電容量値を一覧にしている。例示的な実現例では、図７−Ａの構成が¹³Ｃ核 ＮＭＲ測定を実行するのに用いられ、図７−Ｂの構成が³¹Ｐ核測定に用いられ、図７−Ｅの構成が¹⁵Ｎ核測定に用いられる。

図７−Ａは、スイッチング部材１６０が接点１８２ａ〜１８２ｅに触れていないシステム構成を示す。表２に一覧表記されているように、可変コンデンサ４０及び４４を調整する結果得られる共鳴周波数帯域は、１３９ＭＨｚ〜１８４ＭＨｚであると観測された。図７−Ｂは、スイッチング部材１６０が一対の接点１８２ｂ及び１８２ｃ、並びに一対の接点１８２ｄ及び１８２ｅを短絡させている（すなわち、図５−Ａで示すノード１５０ｂとノード１５０ｃとを短絡させ、ノード１５０ｄとノード１５０ｅとを短絡させる）構成を示す。図７−Ｂの構成では、ＮＭＲ測定回路に、補助インダクタ１５４が、サンプルコイル２４と同じ電圧ノードの間に導入されている。図７−Ｂで示すように補助インダクタ１５４を回路に導入することにより、回路の総インダクタンスを減らし、得られる最大共鳴周波数を増大させる。結果として得られる共鳴周波数帯域は、１３７〜２０２ＭＨｚであると観測された。図７−Ｃは上部接点１８２ｄと上部接点１８２ｅとを短絡させ且つ下部接点１８２ａを経て接地させ、更に中間接点１８２ｂ及び１８２ｃ間、すなわちコイル２４の近位側と接地との間に静電容量値２ｐＦの静電容量が導入されている構成を示す。図７−Ｄの構成では、２ｐＦ及び４７ｐＦの静電容量値を有するコンデンサがそれぞれ上部接点１８２ｄと上部接点１８２ｅとの間、及び中間接点１８２ｂと中間接点１８２ｃとの間に挿入され、且つ接点１８２ａがスライダ１６０を接地させるのに用いられている。図７−Ｅの構成では、４７ｐＦ及び４７ｐＦの静電容量値を有するコンデンサがそれぞれ上部接点１８２ｄと上部接点１８２ｅとの間、及び中間接点１８２ｂと中間接点１８２ｃとの間に挿入され、且つ接点１８２ａがスライダ１６０を接地させるのに用いられている。

図８は、本発明のもう一つの実施形態による静電容量スイッチング部材２６０の縦断面図である。静電容量スイッチング部材２６０は、スライダ６４、及び図３−Ａを用いて上述したようにスライダ６４に取り付けられたコンデンサ５２ａ〜５２ｄを含む。複数の絶縁性のコンデンサ間ブロック１６５ａ〜１６５ｅがコンデンサ５２ａ〜５２ｄとスライダ６４との間の領域に配置されている。コンデンサ間ブロック１６５ａ〜１６５ｅは、保護カバー７２（図３−Ａに図示）と同様の保護機能を果たす。コンデンサ間ブロック１６５は、ウルテムの商標名でゼネラルエレクトリック社から売られているアモルファス熱可塑性ポリエーテルイミド等のプラスチック又は樹脂から作られてもよい。

図９−Ａは、本発明のもう一つの実施形態によるスイッチング回路３３０の概略図である。回路３３０は、サンプルコイル２４、外部励起パルスを受けるための入力端子３６、入力端子３６とサンプルコイル２４の入力（近位）側との間に接続される可変インピーダンス整合コンデンサ３８、接地（グランド）とサンプルコイル２４の入力側との間に接続される可変コンデンサ４０、及び回路３３０の得られる共鳴周波数帯域を切り換えるためサンプルコイル２４にわたって接続される静電容量スイッチングアセンブリ３６０、を含む。回路３０のインピーダンス整合を最適化するためコンデンサ３８の静電容量を調整してもよい。

静電容量スイッチングアセンブリ３６０は、コイル２４の入力側と接地との間で直列接続された第１のコンデンサ連鎖（チェーン）を備えた入力側コンデンサ列３５０ａ、及びコイル２４の出力側と接地との間で直列接続された第２のコンデンサ連鎖（チェーン）を備えた出力側コンデンサ列３５０ｂを含む。図中３５３で概略的に図示されるスイッチは、コイル２４の出力側を直接接地接続させることができる。図９−Ａに示すように、２つの列３５０ａ及び３５０ｂのそれぞれ対応するコンデンサ間ノードの対の間で複数のスイッチング接続３５４を確立してもよい。幾つかの実施形態では、同じ高さに規定された対となる２つのコンデンサは同一の静電容量値を有してもよく、一方、異なる高さにあるコンデンサの対は相互に異なる静電容量値を有してもよい。

図９−Ｂは、本発明の実施形態によるスイッチング回路３３０で用いるのに適した静電容量スイッチングアセンブリの縦側面図を示す。スイッチングアセンブリ３６０は、大略的に縦長の、平行な２つのコンデンサ列３５０ａ及び３５０ｂを含む。各列３５０ａ及び３５０ｂは、複数の積み重ねてはんだ付けされたチップコンデンサを含み、各コンデンサ間インターフェースには接触クリップが取り付けられている。上述のコンデンサが４つ（３５２ａ〜３５２ｄ）ある場合を考察する。コンデンサ３５２ａ及び３５２ｂは、コンデンサ３５２ｃ及び３５２ｄとは異なる同一の静電容量値を有し得る。コンデンサ３５２ａ及び３５２ｃははんだ接続部３５５ａで接続され、コンデンサ３５２ｂ及び３５２ｄははんだ接続部３５５ｂで接続されている。２つの接点スプリング（クリップ）３５７ａ及び３５７ｂもはんだ接続部３５５ａ及び３５５ｂにそれぞれ結合されている。接触クリップ３５７ａ及び３５７ｂは、２つの列３５０ａと列３５０ｂとの間に、対応するコンデンサ間インターフェースの高さで横方向に突出している。スライド可能な接触部材３５９は列３５０ａと列３５０ｂとの間に配置され、列３５０ａと列３５０ｂとの間を縦方向に移動することができる。接触部材３５９は、２つの相互に電気接続された接点スプリング（クリップ）３６１ａ及び３６１ｂを含み、各接点スプリング３６１ａ，３６１ｂは、接触部材３５９が列３５０ａと列３５０ｂとの間で適切な高さに配置された際に、それぞれ対応するクリップ３５５ａ及び３５５ｂに接触することができる。接触部材３５９により確立される電気接続は、図９−Ａに３５４として図示されるスイッチ接続に対応する。

接触部材３５９がサンプルコイル２４近傍に配置される際には、比較的高い等価の静電容量がサンプルコイル２４にわたって確立される。接触部材３５９が低い位置に配置される際には、直列接続された複数のコンデンサではより低い等価の静電容量がサンプルコイル２４にわたって確立される。接触部材３５９の各スイッチング位置に望ましい周波数同調帯域を得るため、当業者は列３５０ａ及び３５０ｂのコンデンサに適した静電容量値を選択し得る。

上述の好適なシステム及び方法は、個々に異なる静電容量値を有するコンデンサをＮＭＲ回路に挿入すること、又はＮＭＲ回路から切り離すことによって、ＮＭＲ回路の共鳴周波数帯域のコンピュータ制御による同調を可能にする。上述のようにスイッチング部材の一つの縦方向運動を用いて２つの異なるコンデンサの接触状態を確立すること、又は変更することにより、ＮＭＲ回路の構成部品を比較的密接にまとめることができる。このことは領域に制約のあるＮＭＲプローブ環境においては特に重要である。利用可能な領域の確保はより大きなコンデンサを収めるのにも用いることができ、その結果、より高い電圧定格を有し得る。コンデンサカバー又はコンデンサ間保護ブロックはスイッチングアセンブリの信頼性を改善するのに用いることができる。実際の適用では、明白な性能劣化なしで何千回も開閉（スイッチング）サイクルが機能する必要があるかもしれない。更に、１つ以上のはんだ面上で摺動による電気接続を確立することで、スイッチが異なる位置間を反復すると、スイッチ性能に重大な性能低下をもたらし得ると観測された。上述の好適なスイッチングアセンブリの考案は、比較的丈夫で信頼できる導電性接触面の使用を可能にする。

図２−Ａで図示される様な幾つかの実施形態では、サンプルコイルと接地との間に補助インダクタを接続してもよい。図５−Ａで図示される様な他の実施形態では、サンプルコイルと同じノードにわたって補助インダクタを接続してもよい。サンプルコイルと同じノードにわたって補助インダクタを接続することにより、優れたＮＭＲ測定性能（パルス幅の改善）を得ることができると観測された。幾つかの実施形態では、所望する利用次第では補助インダクタを用いる必要はない。

上記の実施形態は、発明の範囲を逸脱することなく、種々に変更され得る。例えば、コンデンサカバー又は一つ以上のコンデンサ間保護ブロックは、上述した特定の形状を含め、種々の形状のスイッチング部材とともに用いることができる。上述したようなＮＭＲ回路は、補助インダクタを含んでもよく含まないでもよい。スイッチング部材を縦方向に移動させるために種々の駆動機構を用いてもよい。スライダは、相互に絶縁された幾つかの導電性部分を含んでもよく、スライダに沿って配置された異なるコンデンサは共通のノードに接続される必要はない。従って、発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその法的均等物で定められるべきものである。

本発明の実施形態による例示的ＮＭＲ分光計の概略図である。 本発明の実施形態による可変同調型ＮＭＲプローブ回路の概略図である。 本発明の実施形態による図２−Ａの回路の幾つかの構成部品の配列の側面図を示す。 本発明の実施形態による図２−Ａの回路に適した移動可能な静電容量スイッチング部材の等角投影図を示す。 は、本発明の実施形態による図３−Ａのスイッチング部材及びそのプローブ環境の縦側面図を示す。 図３−Ａのスイッチング部材を図３−Ｂとは直角をなす方向からみた別の縦側面図を示す。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図３−Ａ〜図３−Ｃのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図４−Ａ〜図４−Ｇに図示されるスイッチング部材用に選択されたコンデンサ値の組合せを示す。 本発明の他の実施形態による可変同調型ＮＭＲプローブ回路の概略図である。 本発明の実施形態による図５−Ａの回路の幾つかの構成部品の配列の側面図を示す。 本発明の実施形態による図５−Ａの回路に適した移動可能な静電容量スイッチング部材の等角投影図を示す。 本発明の実施形態による図６−Ａのスイッチング部材の縦側面図を示す。 本発明の実施形態による図６−Ａのスイッチング部材の絶縁性延長部の等角投影図を示す。 本発明の実施形態による図６−Ｃの絶縁性延張部に取り付けることのできる導電性接触クリップの等角投影図を示す。 本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図６−Ａ及び図６−Ｂのスイッチング部材の配置及び当該スイッチング部材の配置に対応するスイッチング回路を概略的に図示する。 本発明の実施形態による図７−Ａ〜図７−Ｅに図示されるスイッチング部材用に選択されたコンデンサ値の組合せを示す。 本発明の他の実施形態による静電容量スイッチング部材の縦側面図を示す。 本発明の更に他の実施形態によるスイッチング回路の縦側面図を示す。 本発明の実施形態による図９−Ａの回路に適した静電容量スイッチングアセンブリの概略図である。

Claims (12)

1. 核磁気共鳴サンプルコイルと
   上記サンプルコイルに電気的に接続されたスイッチングアセンブリとを備え、
   上記スイッチングアセンブリは、縦溝に沿って配置され少なくとも１つの接点がサンプルコイルに電気的に接続された第１の一対の接点と、
   上記第１の一対の接点に対して縦に間隔をあけて上記縦溝に沿って配置された第２の一対の接点であって、少なくとも１つの接点が上記サンプルコイルに電気的に接続された第２の一対の接点と、
   縦に間隔をあけて配置され、３つ以上のコンデンサを含む複数のコンデンサを備え、縦方向に移動可能なスイッチング部材であって、このスイッチング部材は、複数のコンデンサから選択される異なるサブセットの２つのコンデンサを上記第１の一対の接点と上記第２の一対の接点との間に挿入することが可能であるように、上記縦溝に配置され、上記スイッチング部材の縦方向運動は、上記第１の一対の接点及び上記第２の一対の接点に対する上記複数のコンデンサのうちの少なくとも２つの接続状態を変更し、それによって上記サンプルコイルを含む核磁気共鳴測定回路の共鳴周波数を調整するスイッチング部材と、
   を含むことを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. 上記第１の一対の接点の間に配置されるとき、上記第１の一対の接点を短絡させるようなサイズに設定された横方向への短絡突起を含む主軸であって、導電性を有する剛性の主軸を、上記スイッチング部材が含むことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
3. 上記スイッチング部材が、上記複数のコンデンサが取り付けられた剛性の主軸と、
   上記剛性の主軸の反対側に配置された上記コンデンサに取り付けられた保護カバーとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
4. 上記保護カバーが、絶縁性領域によって分離された複数の横方向の導電性接触板を含む外面を有し、少なくとも１つの上記横方向の導電性接触板が上記複数のコンデンサの１つに電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の核磁気共鳴装置。
5. 上記スイッチング部材が、上記複数のコンデンサ間に配置された複数の絶縁性を有する保護コンデンサ間ブロックを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
6. 上記スイッチング部材が、上記複数のコンデンサに対して縦方向に間隔をあけた縦長の延長部を更に備え、上記縦長の延長部が、絶縁性の支持部材と、この絶縁性の支持部材上に取り付けられた横長の短絡コンデンサとを備え、上記横長の短絡コンデンサが上記第１の一対の接点の間に配置されるとき、上記第１の一対の接点を短絡させるようなサイズに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
7. 上記第１の一対の接点及び上記第２の一対の接点から選択された少なくとも１つの接点に接続された補助インダクタを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
8. 上記第１の一対の接点及び上記第２の一対の接点の各接点が、上記スイッチング部材に接触するよう配置された導電性クリップスプリングを含むことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
9. 上記サンプルコイルの第１端子とグランドとの間に接続された第１の可変コンデンサと、
   上記サンプルコイルの第２端子とグランドとの間に接続された第２の可変コンデンサとを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の核磁気共鳴装置。
10. 上記第１の一対の接点の接点と上記第２の一対の接点の接点との間、且つ上記第１の一対の接点及び上記第２の一対の接点に対し上記サンプルコイルの反対側に接続された補助インダクタを更に備えたことを特徴とする請求項９に記載の核磁気共鳴装置。
11. 第１の一対の接点と第２の一対の接点との間に規定された縦溝に配置されたスイッチング部材の縦方向運動を行うことにより、上記第１の一対の接点の少なくとも１つの接点と上記第２の一対の接点の少なくとも１つの接点がサンプルコイルに電気的に接続されており、上記スイッチング部材が、縦に間隔をあけて配置され、３つ以上のコンデンサを含む複数のコンデンサを含み、上記縦方向運動が、上記複数のコンデンサから選択される異なるサブセットの２つのコンデンサを、上記第１の一対の接点の間及び上記第２の一対の接点の間に挿入して、上記縦方向運動が上記第１の一対の接点及び上記第２の一対の接点に対する上記複数のコンデンサの少なくとも２つのコンデンサの接続状態を変更し、核磁気共鳴測定回路の共鳴周波数を調整することと、
    上記サンプルコイルに挿入されたサンプルに対し核磁気共鳴測定を行うことと、
    を含むことを特徴とする核磁気共鳴方法。
12. 核磁気共鳴サンプルコイルと
    上記サンプルコイルに電気的に接続されたスイッチングアセンブリとを備え、
    上記スイッチングアセンブリは、直列接続された複数の第１のコンデンサと、この第１のコンデンサ間に規定される複数のコンデンサ間インターフェースに対応して接続された複数の横方向に突出した第１の接点とを含む第１のコンデンサ縦列と、
    直列接続された複数の第２のコンデンサと、この第２のコンデンサ間に規定される複数のコンデンサ間インターフェースに対応して接続された複数の横方向に突出した第２の接点とを含み、上記第１のコンデンサ列に対し横に間隔をあけて整列された第２のコンデンサ縦列と、
    上記第１のコンデンサ列と上記第２のコンデンサ列との間に規定されたスイッチング溝に配置され縦方向に移動可能なスイッチング部材であって、このスイッチング部材は、選択された上記第１の接点と選択された上記第２の接点との間に配置されるとき、上記選択された第１の接点と上記選択された第２の接点との間に選択的に電気的な接続を確立するスイッチング部材と、
    を備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置。

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