JP4971685B2 - 核磁気共鳴プローブコイル - Google Patents

Description

本発明は、試料に静磁場を加える手段である超電導磁石と先端部にプローブコイルを備えた低温プローブとから少なくとも構成される核磁気共鳴装置（NMR： Nuclear Magnetic Resonance）において、プローブコイルを基板上に形成した超電導薄膜からなる核磁気共鳴プローブの構成に関する。

従来、超電導薄膜からなる核磁気共鳴プローブコイルの構成については、例えば、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｖｏｌ．６９，１９９８年、第２７０８頁から第２７１２頁（非特許文献１）、あるいは、米国特許第６、５５６、０１３号明細書（特許文献１）に論じられている。これらは、超電導薄膜からなるプローブコイルに関するものであり、基板上に超電導薄膜を形成し、プローブコイルを構成している。さらに、例えば、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ ＥＮＩＮＥＥＲＩＮＧ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２，１９９６年、第１１９７頁から第１１９９頁（非特許文献２）には、基板上に形成したインターディジタルキャパシターを持った超電導薄膜リングが開示されている。

Review of Scientific Instruments、Vol.69、１９９８年、第２７０８頁から第２７１２頁 IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENINEERING, Vol.43, No.12、１９９６年、第１１９７頁から第１１９９頁 米国特許第６，５５６，０１３号明細書

高分解能、高感度の核磁気共鳴装置を実現するためには、試料に大きな均一な静磁場を印加すること、または高感度のプローブコイルを用いることが有効である。均一な強磁場を発生するためには、磁場を発生する線材のコイル径を小さくすることが望ましく、コイルの中に配置するプローブコイルは占有空間を小さくする必要がある。プローブコイルは共振回路を形成するが、高感度のプローブコイルを実現するためには、プローブコイルのＱ値（Quality factor）を高めることが有効であり、高いＱ値を実現するためには共振回路を形成するプローブコイル内に含まれる抵抗を低減することが有効である。

従来、超電導薄膜を用いてプローブコイルを作製する試みは、上記文献において論じられている。超電導体は直流抵抗が零であると共に、ラジオ周波数に対しても抵抗が小さく、プローブコイルの構成要素として有用である。

超電導薄膜からなるプローブコイルは、高いＱ値を実現するために有用であるが、一方、超電導体は完全反磁性という性質を有し、−１／４πという大きな磁化率を有する。従って、プローブコイルの設計に際しては、静磁場を乱さないように、静磁場の均一性を保つことが必要である。

上記非特許文献１は、水平方向に静磁場を印加し、基板の表面と裏面に超電導薄膜リングを形成し、プローブコイルを構成した例である。基板面の法線は鉛直方向であり、超電導薄膜リングの中に試料が入るように配置されている。基板面の法線と静磁場の方向が直交するため、静磁場と超電導体が鎖交する体積は小さく、大きな磁化率を有する超電導体による静磁場の乱れは小さい。超電導薄膜リングの中に試料が入る配置であるため、試料から生成された磁気モーメントを捕捉する効率が高い、すなわち、コイルが磁気モーメントを捕捉できる空間に対する試料の占める充填率が高く、高感度のプローブコイルを実現するために好適な構成となっている。しかしながら、非特許文献１は、１つのコイルしか有しておらず、多核種を計測するために必要な複数のコイルを配置する好適な構成については考慮がなされていない。また、コイルと信号を伝達する手段とは、磁気的に結合しているが、結合を強め、信号の強度を向上させる考慮がなされていない。

上記特許文献１は、鉛直方向に静磁場を印加し、基板表面に超電導薄膜からなるパターンを形成し、プローブコイルを構成した例である。複数のコイルを配置し、多核種を計測するための構成について論じている。しかしながら、静磁場の方向は鉛直方向であり、静磁場の方向が水平方向である核磁気共鳴装置において複数のコイルを配置する構成については考慮がなされていない。

本発明の目的は、静磁場の方向が水平方向である核磁気共鳴装置において、受信用プローブコイルと、受信用プローブコイルが検出した信号を該受信用プローブコイルと磁気的に結合している検出ループにより導出できる構成を提供するとともに、容易に多核種の計測可能なプローブコイルを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の核磁気共鳴プローブコイルは、静磁場を水平方向に印加する核磁気共鳴装置に用いる。プローブコイルは、基板上に形成されたインターディジタルキャパシターを持った複数の超電導薄膜リングからなり、これらの複数の超電導薄膜リングは超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向であり、かつ超電導薄膜リング面が所定の面間距離を有して互いに離れて位置した対の超電導薄膜リングからなる受信コイルと、該受信コイルの超電導薄膜リングの中に入れるように配置される試料を、所定の周波数で励起するための送信コイルをコイル面の法線が水平方向として、前記受信コイルを包囲する形で配置する。前記超電導薄膜リングには、これと磁気的に結合する信号を伝達する手段を配置し、これを介して前記超電導薄膜リングから得られる信号を外部に取り出すものとする。

本発明の核磁気共鳴プローブコイルは、静磁場を水平方向に印加し、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向のプローブコイルを用いる。これより、試料を超電導薄膜リングの中に入れるように配置することができ、高い充填率を実現できる。また、複数の超電導薄膜リングよりなるコイルを有し、コイルと信号を伝達する手段とは、磁気的に結合させる。これより、多核種を高感度に計測できる核磁気共鳴プローブコイルを実現できることになる。

以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

（実施例１）
実施例１は、高感度の核磁気共鳴装置を実現するために、静磁場を水平方向に印加し、水平方向に棒状に延伸したプローブを用いるものである。プローブの先端に超電導薄膜コイルからなる受信用プローブコイルを備えている。実施例１は、このプローブコイルの構成に関するものである。

図１は実施例１のプローブコイルを実装した核磁気共鳴装置の全体構成を断面図の形で示す図である。４_１および４_２は静磁場を加えるための２分割されたソレノイドコイルであり、横方向に置かれたものである。５_１および５_２は、ソレノイドコイル４_１および４_２の外周に設けられた２分割されたソレノイドコイルであり、磁場の補正のために設けられる。これらのコイルは、２重化されたタンク６、７の中に実装される。内側のタンク６には、液体ヘリウムが充填され、外側のタンク７には液体窒素が充填される。ソレノイドコイル４_１および４_２のボア部は空間とされ、この空間を利用してプローブ１が実装される。

プローブ１は水平方向に棒状に延伸しており、プローブ１の先端部には、プローブコイル２が設けられる。プローブコイル２には、測定試料を入れる試料管３が置かれ、測定試料の位置には水平方向に静磁場が印加されている。試料管３は２分割されたソレノイドコイル４_１および４_２の分割位置を利用して鉛直方向に挿入、引出する。従って、プローブコイル２は試料から出力された磁気モーメントのうち鉛直方向の成分を検出することになる。なお、図１の下段に示したＸ、ＹおよびＺ軸の方向は、以下の図面においても、同じ基準で示される。

実施例１は、プローブコイル２の主要な構成要素である受信用プローブコイルを超電導薄膜リング状のコイルから構成した。試料は超電導薄膜リング状のコイルの中に置き、コイル面が試料を横断する配置とした。これにより、コイルが磁気モーメントを捕捉できる空間に対する試料の占める充填率を高めることができ、従って、試料から生成した磁気モーメントを効率よく捕捉することができ、高感度のプローブコイルを実現できることになる。試料は鉛直方向に挿入、引出するので、試料がコイル内に入出できるように、コイルは超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向となるように配置した。

超電導薄膜リングは、基板上に形成した超電導薄膜から構成したが、大きな磁化率を有する超電導体による静磁場の乱れを小さく抑えるためには、静磁場と超電導体が鎖交する体積を小さくする必要がある。超電導薄膜リング面の法線は鉛直方向であるので、従って、静磁場は水平方向に印加する必要がある。試料を鉛直方向に挿入、引出し、静磁場を水平方向に印加するために超電導磁石を２つに分割して配置した。高感度のプローブコイルを実現するためには、さらに、磁場均一性を確保する、プローブコイルの占有空間を小さくする、高いＱ値（Quality factor）を実現することが必要である。

均一な強磁場を発生するためには、磁場を生成するソレノイドコイル４_１および４_２のコイル径を小さくすることが望ましく、コイルの中に配置するプローブコイル２の占有空間も小さくする必要がある。実施例１では２つに分割した超電導磁石を用いている。従って、鉛直磁場を生成する分割していない超電導磁石を用いる特許文献１に比べて、均一な磁場空間を生成するためには、試料空間はより小さいことが望ましい。また、高いＱ値を実現するためには、プローブコイル２を低抵抗の材料から形成すること、あるいは超電導体から構成することが有効である。

図２は、実施例１のプローブコイル２の構成を模式的に示す斜視図である。試料の出力信号を検出する受信用プローブコイル１１と、試料に高周波数の信号を送信する送信用プローブコイル１２、および、受信用プローブコイル１１の信号を導出するための検出ループ１３とからなる。静磁場は水平方向に印加し、受信用プローブコイル１１は試料から出力された磁気モーメントのうち鉛直方向の成分を検出する。試料管３は受信用プローブコイル１１内に挿入、引出される。

受信用プローブコイル１１は高い感度を必要とするため、高感度を実現できる酸化物超電導薄膜ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７から形成した。１１_１および１１_２は超電導薄膜リングであり、それぞれは、インターディジタルキャパシター４１_１，４１_２を備える。２つの超電導薄膜リング１１_１および１１_２は、共振器を形成しており、高周波数の信号で励振された試料の発する磁気モーメントの高周波数の信号に共振する。２つの超電導薄膜リング１１_１および１１_２は、それぞれ、リング内にインターディジタルキャパシター４１_１，４１_２を備えるから、超電導薄膜で形成されていても、永久電流が流れることは無く、所定の時定数で減衰する。

２つの超電導薄膜リング１１_１および１１_２の形成する共振器から生成された信号は、共振器の直上に配置され、磁気的に結合した検出ループ１３により検出され、ケーブル１９を介して外部に導出され、トリマコンデサ９よりなる共振回路および検出回路１０により検出される。これにより、２つの超電導薄膜リング１１_１および１１_２の形成する共振器は高いＱ値を実現できる。ここで、検出ループ１３は超電導薄膜リング１１_１および１１_２の直下に置かれるとともに、ループ面と超電導薄膜リング面が平行となるように配置されるから、超電導薄膜リング１１_１および１１_２と検出ループ１３とは、磁気的に強く結合することができ、信号の強度を向上させることができる。また、検出ループ１３は一部が開放されていて、開放端に外部に信号を導出するためのケーブル１９が接続される。

送信用プローブコイル１２は常伝導金属であるＣｕから形成し、コイル面の法線が鉛直方向および静磁場方向に直交するように配置した。１２_１〜１２_１０は送信用プローブコイルのコイル片であり、常伝導金属、例えば厚さ０．１ｍｍの銅箔、で鞍型コイルを形成するように組み立てられている。送信用プローブコイル１２は、実質的に、コイル片１２_１、１２_３、１２_５および１２_８が構成する１ターンのコイルと、コイル片１２_２、１２_４、１２_６および１２_７が構成する１ターンのコイルとで受信用プローブコイルを取り囲む１ターンのコイルが２個並列接続とされている。送信用プローブコイル１２には、それぞれの１ターンのコイルを接続するコイル片１２_９および１２_１０から常伝導金属の引き出し配線を内蔵するケーブル１９’を介して送信回路２０から大きなパルス電流を印加し、受信用プローブコイル１１の形成する空間部に挿入されている試料に静磁場と直交する成分の磁気モーメントを生じさせる。この静磁場と直交する成分の磁気モーメントは次第に緩和するが、その時、試料から出力される信号を受信用プローブコイル１１により受信する。

図３（ａ），（ｂ）は、実施例１のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。ただし、平面図では、構成を分かりやすくするために、超電導薄膜リング１１_１を形成したサファイア基板１６_１を取り除いた形で示す。

受信用プローブコイル１１は、表面に超電導薄膜リング１１_１を形成したサファイア基板１６_１と超電導薄膜リング１１_２を形成したサファイア基板１６_２とをサファイアスペーサ１７をはさむ形で重ねられる。サファイア基板１６_１，１６_２の法線は鉛直方向である。２つの超電導薄膜リングは、サファイアスペーサ１７を介して対向しており、超電導薄膜リング１１_１，１１_２を、面間距離がサファイアスペーサ１７の厚さで定まる間隔で互いに離れて位置している。サファイア基板１６_１，１６_２およびサファイアスペーサ１７は、中央に穴１５が開いており、この穴を通じて試料管３が挿入される。

検出ループ１３は、先にも述べたように、超電導薄膜リング１１_１および１１_２の直上に置かれるとともに、ループ面と超電導薄膜リング面が平行となるように配置される。さらに、検出ループ１３は一部が開放されていて、開放端に外部に信号を導出するためのケーブル１９が接続され、検出ループ１３に得られた信号はケーブル１９を介して外部に導出されている。

送信用プローブコイル１２のコイル片１２_２、１２_４、１２_６および１２_７が構成する１ターンのコイルが、図３（ａ）では長方形状のコイルに見える。コイル片１２_６に接続されているコイル片１２_１０およびコイル片１２_７に接続されているコイル片１２_９に接続される常伝導金属の引き出し配線を内蔵するケーブル１９’が、図３（ａ）ではコイル片１２_６、コイル片１２_７に接続されているように見える。

図３（ａ），（ｂ）では、サファイア基板１６_１、１６_２およびサファイアスペーサ１７には送信用プローブコイル１２のコイル片１２_３、１２_４、１２_５および１２_６を通すための開口２１_１、２１_２、２１_３および２１_４が形成されていることがわかる。これにより、送信コイル１２は、受信コイル１１と所定の位置関係を保持するように強固に保持できる。

実施例１では、超電導体として酸化物超電導薄膜ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７を用いたが、超電導薄膜を形成する基板は、磁場均一性を確保するために非磁性材料を用いる必要がある。さらに、超電導薄膜の冷却を確保するために熱伝導率の高い材料を用いる必要がある。実施例１では両者の条件を満足する基板としてサファイア基板１６_１，１６_２を用いた。

図４（ａ）、（ｂ）は、実施例１の受信用プローブコイル１１を形成する超電導薄膜リングの構成を、超電導薄膜リング１１_２について説明する平面図、断面図である。図４（ｂ）に示す断面図は図４（ａ）に示す平面図のＡ−Ａ位置で、矢印方向に見た断面図である。超電導薄膜リング１１_１も同じ構成である。

サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１６_２は、表面に酸化物超電導体ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７からなる超電導薄膜１１_２を成膜し、リングを形成しているが、一部にインターディジタルキャパシター４１_２が形成されている。１５は開口であり、試料管３が挿入される部分である。他のサファイア基板を積層して締め付けるためのボルトの挿入穴４５_１，４５_２，４５_３および４５_４が設けられるとともに、送信コイル１２に接続される配線の通路となる開口４６が設けられている。

図４（ａ）、（ｂ）に示す超電導薄膜１１_２からなるリングは、以下のようにして作製した。

まず、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１６_２の上にバッファ層として膜厚１００ｎｍのＣｅＯ_２を成膜し、次に酸化物超電導体ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７からなる超電導薄膜１１_２を成膜した。ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の膜厚は、磁場侵入長の１００ｎｍより大きい値とした。但し、膜厚が１μｍ以上に厚くなるとＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面の凹凸が大きくなるので、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以上１μｍ以下が適当であり、実施例１では１５０ｎｍとした。次に、レジスト塗布、ホトリソグラフィ、Ａｒエッチングの通常の作製プロセスにより、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を加工し、円状のパターンを形成した。その後、所定のマスクを用いて超電導薄膜リングの一部にインターディジタルキャパシター４１_２を形成した。

次に、サファイア基板１６_２に穴あけ加工を行い、試料管用の穴１５を開け、図４（ａ）、（ｂ）に示す超電導薄膜リングを作製した。

実施例１では、水平方向に静磁場を印加する核磁気共鳴装置において、コイルを形成する超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向の受信用プローブコイル１１と、コイル面の法線が鉛直方向および静磁場方向に直交する送信用プローブコイル１２の２つのコイルを配置した。受信用プローブコイル１１の方が送信用プローブコイルよりも高感度であることが望ましいので、高い感度が期待できるコイルを形成する超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向のコイルを受信用プローブコイル１１とした。受信用プローブコイル１１を超電導薄膜コイルから形成すると共に、試料を受信用プローブコイル１１の中に置き、コイル面が試料を横断する配置とし、また、受信用プローブコイル１１と信号を伝達する手段としての検出ループ１３を磁気的に結合させることにより、高感度のプローブコイル２を実現できた。これより、高い感度を得られる水平静磁場の核磁気共鳴装置を実現できた。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２を説明する。実施例２は、核磁気共鳴装置の全体構成は、実施例１と同じ図３の構成であり、図３における受信用プローブコイル１１の構成が実施例１と異なる点を除けば、同じ構成である。図５（ａ），（ｂ）は、実施例２のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。ただし、平面図では、構成を分かりやすくするために、超電導薄膜リング１１_１を形成したサファイア基板２６_１、および、これより上にあるサファイア基板２６_３，２６_５を取り除いた形で示す。

図３と図５と対比して容易に分かるように、実施例１では、一対の超電導薄膜リング１１_１，１１_２を用いて、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向のコイルを形成したが、実施例２では、サファイアスペーサ２７を中心として積層された超電導薄膜リング１１_１，１１_３，１１_５および超電導薄膜リング１１_２，１１_４，１１_６の６個からなる多数の超電導薄膜リングを用いて、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向の受信用コイルを形成する。その他の点では、実施例1と同じである。２６_１，２６_３，２６_５および、２６_２，２６_４，２６_６は、それぞれ、表面に超電導薄膜リング１１_１，１１_３，１１_５および超電導薄膜リング１１_２，１１_４，１１_６を形成されたサファイア基板である。

実施例２では、多数の超電導薄膜リングを用いることにより、受信用コイル１１が磁気モーメントを捕捉できる空間に対する試料の占める充填率を高めることができ、従って、試料から生成した磁気モーメントを効率よく捕捉することができ、高感度のプローブコイル２を実現できることになる。コイルは超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向となるように配置されているので、試料管３は試料空間１５を通じて鉛直方向に挿入、引出しできる。

実施例２でも、超電導薄膜リング１１は、サファイア薄板表面に酸化物超電導薄膜ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７で形成した。静磁場は水平方向に印加し、超電導薄膜リング面の法線は鉛直方向であるので、静磁場と超電導体が鎖交する体積は小さく、大きな磁化率を有する超電導体による静磁場の乱れを小さく抑えることができる。プローブコイル内に挿入、引出される。

（実施例３）
次に、本発明の実施例３を説明する。実施例３は、核磁気共鳴装置の全体構成は、実施例１と同じ図３の構成であるが、プローブコイル２が２つの核種の計測に対応できる構成とされた点において実施例１とは異なる。図６（ａ），（ｂ）は、実施例３のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。ただし、平面図では、構成を分かりやすくするために、超電導薄膜リング１１を形成したサファイア基板を無視した形で示す。

図３と図６と対比して容易に分かるように、実施例１では、一対の超電導薄膜リング１１_１，１１_２を用いて、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向のコイルを形成したが、実施例３では、サファイアスペーサ３７を中心として積層されたサファイア基板３６_１，３６_２および、３６_３，３６_４に形成された一対の超電導薄膜リング１１_１，１１_３および一対の超電導薄膜リング１１_２，１１_４の４個からなる２組の一対の超電導薄膜リングを用いて、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向の受信用プローブコイル１１を形成する。超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向の受信用プローブコイル１１を形成する。また、受信用プローブコイル１１の各対の超電導薄膜リング信号を導出するための検出ループ１３_１，１３_２とこれに接続されるケーブル１９_１，１９_２からなる。受信用プローブコイル１１の各対の超電導薄膜リングのそれぞれの共振周波数は測定対象となる核種に応じた値となるように設計される。積層されたサファイアスペーサ３７、サファイア基板３６_１，３６_２および、３６_３，３６_４の中央には穴１５が開いており、この穴１５を通じて試料管３が挿入される。

さらに、受信用プローブコイル１１のそれぞれの一対の超電導薄膜リングに対応する２組の一対の送信用コイル１２を形成する。各対の送信用コイル１２の送信パルスは測定対象となる核種に応じたものとされる。送信用コイル１２は、図３と同様に、送信コイル片から構成されるが説明は省略する。また、図３と同様に、各対の送信用コイル１２の送信コイル片の一部が、サファイア基板に形成された開口を通してサファイア基板に保持される。さらに、各対の送信用コイル１２には、それぞれ、常伝導金属の引き出し配線を内蔵するケーブル１９_１’，１９_２’を介して大きなパルス電流が印加される。

上記の点の他は、実施例1と同じである。

３６_１，３６_２および、３６_３，３６_４は、それぞれ、表面に超電導薄膜リング１１_１１，１１_１２、および、超電導薄膜リング１１_２１，１１_２２を形成されたサファイア基板である。それぞれの、超電導薄膜リング１１_１１，１１_１２、および、超電導薄膜リング１１_２１，１１_２２は一対の超電導薄膜リングを構成するものであり、それぞれが、測定対象となる核種に対応する構成とされていて、二つの核種を測定できる核磁気共鳴プローブコイルを実現できる。試料管３は試料空間１５を通じてプローブコイル内に挿入、引出される。

実施例１では、一対の超電導薄膜リングリング１組を用いて、超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向のコイルを形成したが、実施例３では、さらに、受信用プローブコイル１１のそれぞれの一対の超電導薄膜リングに対応する２組の検出ループ１３を備え、受信用プローブコイル１１のそれぞれの一対の超電導薄膜リングに得られる信号を導出する。

サファイア基板３６_１、３６_２の上に形成された一対の超電導薄膜リングは直径が等しく、超電導薄膜リング面間距離がサファイアスペーサ３７の厚さで定まる間隔で互いに離れて位置し、共振器を形成する。また、サファイア基板３６_３、３６_４の上に形成した超電導薄膜リングは、サファイア基板３６_１、３６_２の上に形成された一対の超電導薄膜リングの直径よりも大きい直径で等しい直径である。サファイア基板３６_３、３６_４の上に形成した超電導薄膜リングは、サファイアスペーサ３７の厚さおよびサファイア基板３６_１、３６_２の厚さだけ離れて位置して、共振器を形成する。それぞれの共振器は異なった共振周波数であり、それぞれの測定対象の核種に対応したものである。

実施例３の超電導薄膜リング１１_１１，１１_１２，１１_２１、および、１１_２２の作成手順は図4を参照して説明した実施例1の場合と同じであるので、説明は省略する。

（実施例４）
実施例４では、実施例１で説明した受信用プローブコイルの実装のための構造の概念を図７、図８を参照して説明する。

図７は、受信用プローブコイルの実装のための支持体１００を示す斜視図であり、図３で説明した実施例１のプローブコイル２のサファイアスペーサ１７に円柱形状部５１と保護部５２を一体化してサファイアで構成される。サファイアスペーサ１７には、ここでは、他のサファイア基板を積層して締め付けるためのボルトの挿入穴４５_１，４５_２，４５_３および４５_４が設けられるとともに、送信コイル１２に接続される配線の通路となる開口４６が設けられているが、その他については、図３で説明した通りである。保護部５２には、検出ループ１３から延伸されケーブル１９に連なる配線の通路となる開口５４および送信コイル１２に接続されケーブル１９’に連なる配線の通路となる開口５５が設けられる。

図８は、支持体１００を使用して図３に示すプローブコイル２を構成した全体構造の概要を示す断面図である。ここでは、図を分かりやすくするために、サファイアスペーサ１７、円柱形状部５１および保護部５２のみにハッチングを付し、超電導薄膜リング１１_１，１１_２にドットの模様を付したのみで他の部分のハッチングは省略して示す。１６_１，１６_２は、表面に超電導薄膜リング１１_１，１１_２が形成されたサファイア基板であり、超電導薄膜リング１１_１，１１_２が対向するように、サファイアスペーサ１７に重ねられる。サファイア基板１６_１の背面に検出ループ１３とこれに接続される配線が配置され、配線はさらに開口５５を通して外部に引き出されケーブル１９に接続される。

サファイア基板１６_１，１６_２の背面には、サファイアスペーサ４８_１，４８_２が積層され、これらサファイアスペーサ４８_１，４８_２の外面を利用して、送信コイル１２を組み立てる。送信コイル１２には常伝導金属の引き出し配線が接続され、配線はさらに開口４６，５４を通して外部に引き出されケーブル１９’に接続される。サファイアスペーサ４８_１，４８_２の外面には保護用のサファイアカバー４９_１，４９_２が積層される。サファイアカバー４９_１，４９_２をボルト５０_１，５０_２で締め付けて一体化することにより、サファイアスペーサ１７、表面に超電導薄膜リング１１_１，１１_２が形成されたサファイア基板１６_１，１６_２、検出ループ１３および送信コイル１２は図３に示す状態に結合される。

支持板５６はネジ５７により円柱形状部５１に結合されるとともに、図示しない核磁気共鳴装置の構造材に支持される。支持板５６に保持されている熱交換器５８はネジ５９により円柱形状部５１に結合される。熱交換器５８には熱交換器５８に冷媒を供給する銅パイプ６０が接続される。支持板５６には、さらに、ケーブル１９，１９’を保持するための保持部６１が設けられ、これにより、ケーブル１９，１９’は堅固に指示される。

なお、図７、図８では、一対の超電導薄膜リングよりなる受信コイルと送信コイルよりなるプローブコイルについて説目したが、図６に示す二対の場合、さらにはより多くの場合にも同様に構成できることは明らかであるので、説明しない。

実施例４によれば、静磁場を水平方向に印加した時の、Ｑ値が高く、磁場均一性が良く、占有空間の小さい、超電導体からなるプローブコイルが実現できる。すなわち、円柱形状部５１とサファイアスペーサ１７とを一体した形とし、この円柱形状部５１を熱交換器５８で冷却して低温を確保するものとしたから小型化と冷却効果の大きいプローブコイルを実現することができた。

なお、実施例４では支持体１００をサファイアとしたが、熱伝導度が大きいとともに電気的には絶縁物である窒化アルミに置換してもよ。そうすれば、電気的には絶縁をしながら、効率よく超電導薄膜リングを冷却することができる。また、機械的な強度も大きい。

本発明により、静磁場の方向が水平方向である核磁気共鳴装置において、複数のコイルを配置し、コイルと信号を伝達する手段とを磁気的に結合することにより、多核種を高感度に計測できる核磁気共鳴プローブコイルを実現できる。

本発明の第１乃至第３の実施例の核磁気共鳴装置の全体構成の概略図である。 実施例１のプローブコイル２の構成を模式的に示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、実施例１のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例１の受信用プローブコイル１１を形成する超電導薄膜リングの構成を、超電導薄膜リング１１_２について説明する平面図、断面図である。 （ａ），（ｂ）は、実施例２のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。 （ａ），（ｂ）は、実施例３のプローブコイル２の構成を模式的に示す側面図および平面図である。 受信用プローブコイルの実装のための支持体１００を示す斜視図である。 図７に示す支持体１００を使用して図３に示すプローブコイル２を構成した全体構造の概要を示す断面図である。

符号の説明

１…プローブ、２…プローブコイル、３…試料管、４_１，４_２…２分割された超電導磁石、５_１，５_２…ソレノイドコイル、６，７…２重化されたタンク、９…トリマコンデサ、１０…検出回路、１１…受信用プローブコイル、１２…送信用プローブコイル、１３…検出ループ、１５…穴、１６_１，１６_２…サファイア基板、１７…サファイアスペーサ、１９，１９’…ケーブル、２０…送信回路、２１_１，２１_２，２１_３，２１_４，２１_１１，２１_１２，２１_１３，２１_１４，２１_２１，２１_２２，２１_２３，２１_２４…開口、２６_１，２６_２，２６_３，２６_４，２６_５，２６_６…サファイア基板、２７…サファイアスペーサ、３６_１，３６_２，３６_３，３６_４…サファイア基板、３７…サファイアスペーサ、４１_１，４１_２…インターディジタルキャパシター、４５_１，４５_２，４５_３，４５_４…ボルトの挿入穴、４６，５４，５５…開口、５１…円柱形状部，５２…保護部、５６…支持板、５８…熱交換器、５７，５９…ネジ、６０…銅パイプ、６１…保持部、１００…支持体。

Claims (2)

1. 水平方向に静磁場を印加する手段と、試料を鉛直方向に移動して装置内の所定の位置に搬送する手段と、試料にラジオ周波数（RF）信号を加える送信用プローブコイルと、試料から出力した信号を検出する受信用プローブコイルを先端に備えたプローブと、から少なくとも構成される核磁気共鳴装置において、
   前記受信用プローブコイルは、
   インターディジタルキャパシターを有する超電導薄膜リングが表面に形成された一対の基板を複数組有し、各組ごとに前記超電導薄膜リングの直径を異にし、
   前記超電導薄膜リングが所定の面間距離を有して互いに離れて位置するためのスペーサと、
   前記超電導薄膜リングと磁気的に結合する検出ループを前記超電導薄膜リングの組数と同じ数だけ備えるとともに、
   前記超電導薄膜リング面の法線が鉛直方向であり、
   前記送信用プローブコイルは、
   コイル面の法線が水平方向で、且つ、前記受信用プローブコイルと所定の位置関係で配置され、前記超電導薄膜リングの組数と同じ数だけ備える、ことを特徴とする核磁気共鳴装置。
2. スペーサと
   前記スペーサの一端に一体的に形成された円柱形状部および保護部と、
   それぞれの超電導薄膜リングが前記スペーサに接するように配置された、インターディジタルキャパシターを有する超電導薄膜リングが表面に形成された一対の基板を複数組有し、各組ごとに前記超電導薄膜リングの直径を異にし、
   前記超電導薄膜リングと磁気的に結合する検出ループを前記超電導薄膜リングの組数と同じ数だけ備えるとともに、
   コイル面の法線が水平方向で、且つ、前記超電導薄膜リングと所定の位置関係で配置されている送信用プローブコイルを、前記超電導薄膜リングの組数と同じ数だけ備え、
   前記超電導薄膜リング面の法線が、鉛直方向であることを特徴とするプローブ。

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