JP5182742B2 - Ｎｍｒ検出器 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置に用いられるＮＭＲ検出器に関し、特に、共振周波数において生じる磁場がサンプルコイルの中央で極大となるＮＭＲ検出器に関する。

この種のＮＭＲ検出器は特許文献１に開示されている。図２５に同公報におけるＮＭＲ検出器の模式図を示す。このＮＭＲ検出器１００はサンプルコイル１０１と、５つのインピーダンス素子１０２、１０３、１０４、１０５、１０６を備えた共振回路を有する。このうち、直列に接続するインピーダンス素子１０２及び１０３はサンプルコイル１０１の一端に接続され、同様に直列に接続するインピーダンス素子１０４及び１０５はサンプルコイル１０１の他端に接続されている。また、インピーダンス素子１０６はサンプルコイル１０１と並列に接続されている。より具体的には、インピーダンス素子１０２、１０３、１０４、１０５は伝送線であり、インピーダンス素子１０６はコンデンサー又はインダクタである。

図２５において各インピーダンス素子１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のインピーダンスは可変であり、第１の高周波（周波数ｆ_１）および第２の高周波（周波数ｆ_２、但しｆ_２＜ｆ_１）において多重共振するような共振回路となっている。インピーダンス素子１０２、１０３、１０４、１０５が伝送線である場合は、各伝送線の線路長を調整する。この調整によって、共振回路が第１の高周波で共振した場合、サンプルコイル１０１の中心で電場が極小となる。

上記文献によれば、この共振回路において、ｆ_１およびｆ_２の２つの周波数が同時に共振する場合、共振周波数ｆ_１による電場（電界）の極小点がサンプルコイル１０１の中心に生じる。
米国特許７１８７１７６号公報

ＮＭＲの実質的な測定対象は高周波磁界（磁場）によって励起された測定試料から放出される磁場である。従って、検出される磁場強度が励起時の磁場強度に依存することを考慮すれば、サンプルコイルに印加する高周波に対して大きい磁場が効率良く生じるのが望ましい。

しかしながら、上記文献で述べられたようなサンプルコイルの中心に電場の最小点が生じさせることと、同コイル内の試料の位置で生じる高周波磁界がＮＭＲ信号検出に十分な強さを生じさせることは等価ではない。

これについては図２６及び図２７を用いて説明する。図２６は第１の高周波（周波数ｆ_１）と第２の高周波（周波数ｆ_２、但しｆ_２＜ｆ_１）で多重共振するＮＭＲ信号検出用共振回路の一例である。

図２６に示すように、共振回路２００は、サンプルコイル２０１と、２つの線路２０２、２０３と、３つのインピーダンス回路２０８、２０９、２１０と、第１の高周波用の整合回路２１１及びコネクタ２１２と、第２の高周波用の整合回路２１３及びコネクタ２１４と、を有する。

２つの線路２０２、２０３の一端はそれぞれ、サンプルコイル２０１の両端に接続する。２つの線路２０２、２０３の他端はそれぞれ、インピーダンス回路２０８、２０９に接続する。インピーダンス回路２０９は、線路２０２とインピーダンス回路２０８の接続点２２０と、線路２０３とインピーダンス回路２０９の接続点２２１との間を接続する。そして、第１の高周波用コネクタ２１１は、第１の高周波用の整合回路２１０を介して接続点２２０に接続し、第２の高周波用コネクタ２１４は、第１の高周波用の整合回路２１３を介して接続点２２１に接続する。３つのインピーダンス回路２０８、２０９、２１０は、２つの接続点２２０、２２１におけるインピーダンスを適切に保つ。

図２７は、サンプルコイル２０１内に生じた電場分布と磁場分布の解析結果である。この図に示すサンプルコイル２０１はソレノイドコイルとし、このコイルの軸に沿った断面を表している。サンプルコイル２０１の両端から伸びる点線は引出し線２１５、２１６を表す。

図２７において、実線で示したサイン波状の曲線２１７は周波数ｆ_１（６００ＭＨｚ）における共振時の磁場強度分布、点線で示したサイン波状の曲線２１８は同周波数での共振時における電場強度分布を示す。この図から分かるように、サンプルコイル２０１内では電場の極小点Ｅと磁場の極大点Ｂとは一致しない。

また固体ＮＭＲ検出回路では線路の軸に対してマジックアングルと呼ばれる角度にサンプルコイルおよびサンプルの軸を傾けて軸の周りに高速に回転させてＮＭＲ信号を取り出すことが効果的である。このためサンプルコイル左右の機械的な構造が異なることが普通である。サンプルコイルの左右の機械的な構造の違いは、サンプルコイル内部における電磁界分布に影響を与える。そのため、サンプルコイル内での電場の極小点と磁場の極大点は異なる位置に生じるようになる。

以上の説明からわかるように、電場の極小点をサンプルコイルの中心に生じさせるように回路を構成すると、サンプルの位置でＮＭＲ信号を適切に取り出すために必要となる均一で強い磁場が得られないという問題が起きる。

そこで本発明は、サンプルコイル内に配置したサンプルによって生じるＮＭＲ信号を得るための適当な磁場強度を生じるＮＭＲ検出器を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、第１の本発明のＮＭＲ検出器は、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が接地される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が接地される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、λ＋（ｎ−１）λ／２の定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルは磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とする。

第２の本発明のＮＭＲ検出器は、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が接地される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が開放される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、（３／４）λ＋（ｎ−１）λ／２の定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルは磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とする。

第３の本発明のＮＭＲ検出器は、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が開放される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が開放される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は（ｎ／２）λの定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルは磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とする。

第４の本発明のＮＭＲ検出器は、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が、前記第１端部に接続される第１伝送線と、
一端が、前記第２端部に接続される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記第１伝送線と前記第２伝送線のそれぞれの他端は互いに接続され、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、ｎλの定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルは磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とする。

本発明のＮＭＲ検出器によれば、高周波の印加時において、サンプルコイルの中央で極大となる磁場を生じさせることが可能となる。従って、サンプルに対して適切な磁場を生じ、且つ高感度なＮＭＲ測定が可能となる。

（第１実施形態）
本発明に係る一実施形態について図１〜図９を用いて説明する。

図１は第１実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。

図１に示すように、本実施形態のＮＭＲ検出器は第１の高周波（周波数ｆ_１、波長λ）で共振する共振回路３０を有する。この共振回路３０は、引き出し線２、３を含むサンプルコイル１と、第１の線路（第１の伝送線）６と、第２の線路（第２の伝送線）７を備える。サンプルコイル１の第１端部１ａには第１の線路６の一端が接続され、該サンプルコイル１の第２端部１ｂには第２の線路７の一端が接続される。さらに、第１の線路６と第２の線路７の他端は接地される。これら第１の線路６及び第２の線路７はリアクタンス素子（図示せず）を含めてもよい。なお、第１の高周波ｆ_１の周波数はＮＭＲ測定における水素核の共鳴周波数を想定している。従って、現実的には数百ＭＨｚの周波数である。

さらに本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の高周波を入出力する第１コネクタ１１と、第１コネクタと共振回路３０の間に設けられる第１整合回路１０を備える。共振回路３０と第１整合回路１０との接続方法には互いに直接結合する方法、または図２３に示すような磁気結合用コイル６２を用いて磁気的に結合する方法が挙げられる。

また、このＮＭＲ検出器は、開口部５５を有する電磁シールド５０を設けてもよい。この場合、第１・第２の線路６、７は平行となっている場合に限ることなく、直線状に配置されても良い。

サンプルコイル１の導体の線路長をＬ_Ｓ、第１の線路６の線路長をＬ_ａ、第２の線路７の線路長をＬ_ｂ、これらの合計線路長をＬ_ｎとする。引き出し線２の線路長は線路長Ｌ_ａに含め、引き出し線３の線路長は線路長Ｌ_ｂに含める。

合計線路長Ｌ_ｎは共振回路３０を第１の高周波ｆ_１で共振させるために、
Ｌ_ｎ＝λ＋（ｎ−１）×λ／２ （ ｎ ＝ １、 ２、 ３、・・・） ・・・（１）
を満たす値に設定される。ｎは正の整数である。

なお、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの算出に関して、サンプルコイル１がソレノイドコイルである場合、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓは３次元的にコイルの線に沿った長さとする。当該ソレノイドコイルの線路長に較べ線路の太さ又は幅が無視できない場合、若しくは線路が複数の経路に分かれている場合には、線路の導体の表面上の最短経路長とする。

図２（ａ）の上段に（１）式においてｎ＝１としたときの共振回路３０を示す。この図は図１に示した共振回路３０を一直線上に展開した図である。なお、第１整合回路１０及び第１コネクタ１１は省略した。この共振回路３０では線路長Ｌ_Ｓをλ／４、線路長Ｌ_ａと線路長Ｌ_ｂの和を３／８λとした。なお、線路長Ｌ_Ｓをλ／４としたが、これに限定されるものではない。

また図２（ａ）の下段は、ｎ＝１としたときの共振回路３０において第１の高周波ｆ_１を入力したときの磁場分布及び電場分布を示す。同図において磁場の強度分布を実線で、電場の強度分布を点線で示し、磁場の極大点Ｂを示した。この図に示した電場の強度分布から判るように、サンプルコイル１の一端が＋電位のとき、サンプルコイルの他端側は−電位となる。

上記の通り、共振回路３０には高周波ｆ_１の定在波が生じる。このとき、共振回路３０内には定常的に磁場の極大点が現れる。従って、サンプルコイル１内に適切な磁場を得るには、サンプルコイル１の中心を磁場の極大点に配置すればよい。

この磁場が極大点となる位置はＬ_ｎが定まれば容易に特定できる。例えば、ｎ＝１の場合、Ｌ_ｎはλとなるので、グランドに接地された点から（１／２）λの位置において磁場が極大となる。さらにｎが２以上になれば、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように共振回路３０における磁場の極大点は複数になる。従って、サンプルコイル１の配置可能な場所が増えることになる。

なお、図２（ａ）に示した磁場分布によれば、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４あるいはそれ以下にするとサンプルコイル内における磁場の変化が減少することがわかる。従って、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの調整によって、該サンプルコイル１内の磁場を一様な分布を近づけることも可能である。

図２（ｂ）、（ｃ）は（１）式を満たす共振回路３０において、それぞれｎ＝２の場合、ｎ＝３の場合の共振回路の構成と磁場分布を示したものである。上述したように共振回路３０における磁場の極大点はｎに比例して増加する。

（１）式を満たす共振回路３０において、磁場の極大点がサンプルコイル１の中央に位置するようにするためには、まず、合計線路長Ｌ_ｎを定めて、回路上において磁場が極大となる位置、即ちサンプルコイル１の中心位置を決定する。次に回路のサンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓを定めて、その後（１）式を満たすように第１の線路６、第２の線路７の各線路長を算出し、両線路６、７をサンプルコイル１の両端に接続する。

このように共振回路３０を構成すれば、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に適切な強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

以下、本実施形態の変形例を述べる。

上述した共振回路３０は、サンプルコイル１、第１の線路（第１の伝送線）６、第２の線路（第２の伝送線）７、グランドのそれぞれを直接接続した場合を想定して説明したが、これらを接続する結合回路やインピーダンス回路を設けても良い。

図３は本実施形態において、結合回路やインピーダンス回路を付加した構成図である。

図３に示すように、サンプルコイル１の第１端部１ａと第１の線路６の間には、それぞれを結合するための結合回路（第１結合回路）４が設けられ、一方、サンプルコイル１の第２端部１ｂと第２の線路７の間には、それぞれを結合するための結合回路（第２結合回路）５が設けられる。更に、第１の線路６はインピーダンス回路（第１インピーダンス回路）８を介して接地され、第２の線路７はインピーダンス回路９（第２インピーダンス回路）を介して接地される。

第１及び第２結合回路４、５は共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるための可変インピーダンス素子や、サンプルコイル１を接続するコネクタなどを含むものである。

また、２つのインピーダンス回路８、９は第１の高周波や第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に対し低いインピーダンスを有する。従って、第１の線路６や第２の線路７が直接接地される場合と実質的に等価である。なお、第１及び第２結合回路４、５は全て付加されるものであっても良く、また何れか１つが付加されるものであっても良い。

結合回路４、５やインピーダンス回路８、９が付加された共振回路３０の場合、それぞれの時間遅れ要素、インピーダンスなどの電気特性によって電気信号が通過する速度が変化する。このような場合は、その変化に応じた波長変化率に基づいて線路長Ｌ_Ｓ、Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。共振回路３０は（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎを有するので、第１の高周波ｆ_１で共振する。従って、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

また、本実施形態のＮＭＲ検出器において、第１の線路６と第２の線路７との間を接続する少なくとも１つのインピーダンス回路（第３インピーダンス回路）２０を付加しても良い。図３の点線で示したインピーダンス回路２０は、共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるためのインピーダンス素子を含む。この場合においてもインピーダンス回路２０による時間遅れ要素、インピーダンスなどの電気特性を考慮して、線路長Ｌ_Ｓ、Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

本実施形態のＮＭＲ検出器は、複数の高周波を共振させることも可能である。図３には第２の高周波ｆ_２が入力されるコネクタ１３と、コネクタ１３と共振回路３０の間に設けられる第２整合回路１２を示した。一般的なＮＭＲ測定で用いられる第２の高周波の周波数は、第１の高周波ｆ_１の周波数の数分の１程度であり、（１）式に従う共振回路３０の構成に影響を及ぼすことはない。従って、第１の高周波が共振している状態で第２の高周波の印加は可能であり、第１及び第２の高周波を重畳させることができる。なお、図３では第１整合回路１０が、第１の線路６とインピーダンス回路８の間の接続点に接続され、同様に第２整合回路１２が第２の線路７とインピーダンス回路９の間の接続点に接続されているが、各整合回路１０、１２が接続する箇所はこの限りではない。例えば、第１整合回路１０は第１の線路６、第２の線路７、インピーダンス回路８、インピーダンス回路９に接続しても良い。第２整合回路に関しても同様である。

また本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の線路６、第２の線路７が外部導体を有する同軸線を構成しても良い。図４は各線路６、７が同軸線である場合の構成図である。それぞれの同軸線の内部導体が第１の線路６及び第２の線路７に対応し、該同軸線の外部導体６ａ、７ａの両端５１、５２、５２、５４で接地される。このとき、外部導体と内部導体によって生じるインピーダンス等の電気特性を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正する。補正された線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（１）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

図４のようにコイルに接続される２つの同軸線６、７の内、片方から高周波を印加する場合は、同軸線路の外部導体６ａ、７ａによって線路６と線路７の間の結合が阻止され、共振回路３０の効率が上がりにくくなる。これを避けるため、外部導体６ａ、７ａはつなぎ目の無い通常の形状だけでなく、一部に穴あるいはスリットが開いている構造であっても良い。これら外部導体の構造の一例を図７及び図８に示す。

このように第１の線路６及び第２の線路７に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正すれば、第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成することが出来る。

従って同軸線を利用した他の例として、第１の線路６を内部導体とし、第２の線路７を外部導体とする同軸線を用いても良い。この実施形態の一例を図５に示す。第１の線路６及び第２の線路７の一端は同軸線の端部５２にて接地される。この例の場合も上記と同様に、外部導体と内部導体の間に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正する。補正された線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（１）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

同軸線の利用に併せて、複数の高周波を印加することも可能である。図６は本実施形態において、上述した第１の高周波ｆ_１、第２の高周波ｆ_２に加え、第３の高周波ｆ_３を入力可能にした例である。

この例では、第１の線路６及び第２の線路７をそれぞれ外部導体６ａ、７ａを有する同軸線とし、更に、第３の高周波ｆ_３が入力されるコネクタ１５と、該第３の高周波ｆ_３を共振回路３０に入力する第３整合回路１５と、第１の線路６に接続するインピーダンス回路（第４インピーダンス回路）４０と、第２の線路７に接続するインピーダンス回路（第５インピーダンス回路）４１と、インピーダンス回路１６とグランドの間を接続するインピーダンス回路（第６インピーダンス回路）４２と、インピーダンス回路１７とグランドの間を接続するインピーダンス回路（第７インピーダンス回路）４３と、第３の高周波ｆ_３が入力されるコネクタ１５と、該第３の高周波ｆ_３を共振回路３０に入力する第３整合回路１４が設けられている。

２つのインピーダンス回路４０、４１は第１の高周波が第２・３整合回路１２、１４へ侵入するのを防止する。第１・第２結合回路４、５は、第２の高周波ｆ_２及び第３の高周波ｆ_３が共振回路に印加されたとき、外部導体６ａ、７ａを通過するような構成にする。

さらに、第１整合回路は、第１コネクタ１１に対して第２の高周波ｆ_２及び第３の高周波ｆ_３の侵入を抑制するインピーダンスを有するような回路を構成しても良い。

図６に示す回路構成においても、第１の線路６及び第２の線路７に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正すれば、（１）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成することが出来る。

また図６の点線に示すように、第１コネクタ１１から整合回路１０を介して、線路６だけでなく線路７にも供給する構造としてもよい。この場合、印加される高周波は線路６及び線路７において略１８０°の位相差が生じるように供給される。

以上に述べた実施例において、サンプルコイル１の全体的な形状および導線の形状・材質は、線路長Ｌ_Ｓが求まるものであれば特に限定されない。サンプルコイル１の巻線の形状が円形あるいは楕円形状以外にも、例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、コイルの断面が四角形などの多角形であるものや、鞍形形状（サドルコイル、ヘルムホルツコイル）のものや、スクロールコイルであっても良い。

（第２実施形態）
本発明に係る一実施形態について図１０〜図１４を用いて説明する。

図１０は第２実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。

この図に示すように、本実施形態のＮＭＲ検出器は第１の高周波ｆ_１（波長λ）で共振する共振回路３０を有する。この共振回路３０は、サンプルコイル１と、第１の線路（第１の伝送線）６と、第２の線路（第２の伝送線）７を備える。サンプルコイル１の第１端部１ａには第１の線路６の一端が接続され、同コイル１の第２端部１ｂには第２の線路７が一端が接続される。さらに、第１の線路６の他端は接地され、第２の線路７の他端は電気的に開放される。これら第１の線路６及び第２の線路７はリアクタンス素子（図示せず）を含めてもよい。なお、第１の高周波ｆ_１の周波数はＮＭＲ測定における水素核の共鳴周波数を想定している。従って、現実的には数百ＭＨｚ程度の周波数である。

さらに本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の高周波ｆ_１が入力される第１コネクタ１１と、第１の高周波ｆ_１を共振回路３０に入力する第１整合回路１０を備える。共振回路３０と第１整合回路１０との接続方法は直接結合する方法、または図２３に示すような磁気結合用コイル６２を用いて磁気的に結合する方法が挙げられる。

また、このＮＭＲ検出器は第１実施形態と同様に、開口部５５を有する電磁シールド５０を設けてもよい。この場合、第１・第２の線路６、７は平行となっている場合に限ることなく、直線状に配置されても良い。

サンプルコイル１の導体の線路長をＬ_Ｓ、第１の線路６の線路長をＬ_ａ、第２の線路７の線路長をＬ_ｂ、これらの合計線路長をＬ_ｎとする。引き出し線２の線路長は線路長Ｌ_ａに含め、引き出し線３の線路長は線路長Ｌ_ｂに含める。

そして、この合計線路長Ｌ_ｎは共振回路３０を第１の高周波ｆ_１で共振させるために、
Ｌ_ｎ＝（３／４）×λ＋（ｎ−１）×λ （ｎ＝１、２、３、・・・） ・・・（２）
を満たす値に設定される。ｎは正の整数である。

なお、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの算出に関して、サンプルコイル１がソレノイドコイルである場合、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓは３次元的にコイルの線に沿った長さを考慮する。当該ソレノイドコイルの線路長に較べ線路の太さ又は幅が無視できない場合、若しくは線路が複数の経路に分かれている場合には、線路の導体の表面上の最短経路長を考慮する。

図１１（ａ）の上段に（２）式においてｎ＝１としたときの共振回路を示す。この図は図１０に示した共振回路３０を一直線上に展開した図である。なお、第１整合回路１０及び第１コネクタ１１は省略した。この回路では、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４とし、サンプルコイルに接続される線路の総線路長を１／２λとして、第１の線路６の一端を電気的に開放し、第２の線路７の一端を接地させている。なお、線路長Ｌ_Ｓをλ／４としたが、これに限定されるものではない。

また図１１（ａ）の下段は、ｎ＝１としたときの共振回路３０において第１の高周波ｆ_１を入力したときの磁場分布を示す。

上記の通り、共振回路３０には高周波ｆ_１の定在波が生じる。このとき、共振回路３０内には定常的に磁場の極大点が現れる。従って、サンプルコイル１の中心をこの磁場の極大点に配置するようにすればよい。

この磁場が極大点となる位置はＬ_ｎが定まれば容易に特定できる。例えば、ｎ＝１の場合、Ｌ_ｎはλとなるので、グランドに接地された点から（１／２）λの位置において磁場が極大となる。さらにｎが２以上になれば、共振回路における磁場の極大点は複数になる。従って、サンプルコイル１の配置可能な場所が増えることになる。

なお、図１１（ａ）に示した磁場分布によれば、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４あるいはそれ以下にするとサンプルコイル内における磁場の変化が減少することがわかる。従って、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの調整によって、該サンプルコイル１内の磁場を一様な分布を近づけることも可能である。

図１１（ｂ）、（ｃ）は（２）式を満たす共振回路３０において、それぞれｎ＝２の場合、ｎ＝３の場合の共振回路の構成と磁場分布を示したものである。上述したように共振回路３０における磁場の極大点の数はｎに比例して増加する。

（２）式を満たす共振回路３０において、磁場の極大点がサンプルコイル１の中央に位置するようにするためには、まず、合計線路長Ｌ_ｎを定めて、回路上において磁場が極大となる位置、即ちサンプルコイル１の中心位置を決定する。次に回路のサンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓを定めて、その後（２）式を満たすように第１の線路６、第２の線路７の各線路長を算出し、両線路６、７をサンプルコイル１の両端に接続する。

このように共振回路３０を構成すれば、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

上述した共振回路３０は、サンプルコイル１、第１の線路（第１の伝送線）、第２の線路（第２の伝送線）７、グランドのそれぞれを直接接続した場合を想定して説明したが、これらを接続する結合回路やインピーダンス回路を設けても良い。

図１２は本実施形態において、結合回路やインピーダンス回路を付加した構成図である。

図１２に示すように、サンプルコイル１の第１端部１ａと第１の線路６の間には、それぞれを結合するための第１結合回路４が設けられ、一方、サンプルコイル１の第２端部１ｂと第２の線路７の間には、それぞれを結合するための第２結合回路５が設けられる。更に、第１の線路６はインピーダンス回路（第１インピーダンス回路）８を介して接地される。

第１及び第２結合回路４、５は共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるための可変インピーダンス素子や、サンプルコイル１を接続するコネクタなどを含むものである。

また、インピーダンス回路８は第１の高周波や第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に対し低いインピーダンスを有する。従って、第１の線路６が直接接地される場合と実質的に等価である。なお、第１及び第２結合回路４、５は全て付加されるものであっても良く、また何れか１つが付加されるものであっても良い。

結合回路４、５が付加された共振回路３０の場合、各回路４、５のそれぞれのインピーダンスを考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

共振回路３０は（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎを有するので、第１の高周波ｆ_１で共振する。従って、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

また、本実施形態のＮＭＲ検出器において、第１の線路６と第２の線路７との間を接続する少なくとも１つのインピーダンス回路（第３インピーダンス回路）２０を付加しても良い。図１２の点線で示したインピーダンス回路２０は、共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるためのインピーダンス素子を含む。この場合においてもインピーダンス回路２０のインピーダンスを考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（１）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

本実施形態のＮＭＲ検出器は、第２の高周波ｆ_２が入力されるコネクタ１３と、該第２の高周波ｆ_２を共振回路３０に入力する第２整合回路１２を備えても良い。これらは図１２において点線で示した。一般的なＮＭＲ測定で用いられる第２の高周波の周波数は、第１の高周波ｆ_１の周波数の数分の１程度であり、（１）式に従う共振回路３０の構成に影響を及ぼすことはない。従って、第１の高周波が共振している状態で、第２の高周波を印加することは可能であり、共振回路３０に第１及び第２の高周波を重畳させることができる。

また、第１コネクタ１１から整合回路１０を介して、線路６だけでなく線路７にも供給する構造としてもよい。この場合、線路６及び線路７に印加される高周波は略１８０°の位相差をもたせるようにする。

また本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の線路６、第２の線路７が外部導体を有する同軸線であっても良い。図１３は各線路６、７が同軸線である場合の構成図である。それぞれの同軸線の内部導体が第１の線路６及び第２の線路７に対応し、該同軸線の外部導体６ａ、７ａの端部５１、５２、５３、５４は接地される。このとき、外部導体と内部導体によって生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正する。補正された線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（２）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

図１３のようにコイルに接続される２つの同軸線６、７の内、片方から高周波を印加する場合は、第１実施形態で述べたように、同軸線路の外部導体６ａ、７ａによって線路６と線路７の間の結合が阻止され、共振回路３０の効率が上がりにくくなる。これを避けるため、外部導体６ａ、７ａはつなぎ目の無い通常の形状だけでなく、一部に穴６０あるいはスリット６１を設けた構造であっても良い。これら外部導体の構造の一例は第１実施形態で示した図７及び図８と同様である。

また、第１コネクタ１１から整合回路１０を介して、線路６だけでなく線路７にも供給する構造としてもよい。この場合、印加される高周波は線路６及び線路７において略１８０°の位相差が生じるように供給される。

このように第１の線路６及び第２の線路７に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを求めれば、（２）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成することが出来る。

従って、同軸線を利用した他の例として、第１の線路６を内部導体とし、第２の線路７を外部導体とする同軸線を用いても良い。この実施形態の一例を図１４に示す。この場合、第１の線路６の一端はがサンプルコイル１に接続され、その他端は開放される。また、第２の線路７の一端は佐プルコイル１に接続され、その他端は同軸線の端部５２として接地される。この例の場合も上記と同様に、外部導体と内部導体の間に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを補正する。補正された線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（２）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

以上に述べた実施例において、サンプルコイル１の全体的な形状および導線の形状・材質は、線路長Ｌ_Ｓが求まるものであれば特に限定されない。サンプルコイル１の巻線の形状が円形あるいは楕円形状以外にも、例えば、第１実施形態で述べた図９（ａ）〜（ｃ）のように、コイルの断面が四角形などの多角形であるものや、鞍形形状（サドルコイル、ヘルムホルツコイル）のものや、スクロールコイルであっても良い。

（第３実施形態）
本発明に係る一実施形態について図１５〜図１９を用いて説明する。

図１５は第３実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。

この図に示すように、本実施形態のＮＭＲ検出器は第１の高周波ｆ_１（波長λ）で共振する共振回路３０を有する。この共振回路３０は、サンプルコイル１と、第１の線路（第１の伝送線）６と、第２の線路（第２の伝送線）７を備える。サンプルコイル１の第１端部１ａには第１の線路６の一端が接続され、同コイル１の第２端部１ｂには第２の線路７が一端が接続される。さらに、第１の線路６及び第２の線路７の他端は電気的に開放される。これら第１の線路６及び第２の線路７はリアクタンス素子（図示せず）を含めてもよい。なお、第１の高周波ｆ_１の周波数はＮＭＲ測定における水素核の共鳴周波数を想定している。従って、現実的には数百ＭＨｚ程度の周波数である。

さらに本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の高周波ｆ_１が入力される第１コネクタ１１と、第１の高周波ｆ_１を共振回路３０に入力する第１整合回路１０を備える。共振回路３０と第１整合回路１０との接続方法は直接結合する方法、または図２３に示すような磁気結合用コイル６２を用いて磁気的に結合する方法が挙げられる。

また、このＮＭＲ検出器は第１実施形態と同様に、開口部５５を有する電磁シールド５０を設けてもよい。この場合、第１・第２の線路６、７は平行となっている場合に限ることなく、直線状に配置されても良い。

サンプルコイル１の導体の線路長をＬ_Ｓ、第１の線路６の線路長をＬ_ａ、第２の線路７の線路長をＬ_ｂ、これらの合計線路長をＬ_ｎとする。引き出し線２の線路長は線路長Ｌ_ａに含め、引き出し線３の線路長は線路長Ｌ_ｂに含める。

そして、この合計線路長Ｌ_ｎは共振回路３０を第１の高周波ｆ_１で共振させるために、
Ｌ_ｎ＝ｎ×λ／２ （ｎ＝１、２、３、・・・） ・・・（３）
を満たす値に設定される。ｎは正の整数である。

なお、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの算出に関して、サンプルコイル１がソレノイドコイルである場合、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓは３次元的にコイルの線に沿った長さを考慮する。当該ソレノイドコイルの線路長に較べ線路の太さ又は幅が無視できない場合、若しくは線路が複数の経路に分かれている場合には、線路の導体の表面上の最短経路長を考慮する。

図１６の上段に（３）式においてｎ＝１としたときの共振回路を示す。この図は図１５に示した共振回路３０を一直線上に展開した図である。なお、第１整合回路１０及び第１コネクタ１１は省略した。この回路では、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４とし、サンプルコイルに接続される線路の総線路長を１／２λとして、第１の線路６及び第２の線路７の一端を電気的に開放している。なお、線路長Ｌ_Ｓをλ／４としたが、これに限定されるものではない。

また図１６（ａ）の下段は、上記共振回路おいて第１の高周波ｆ_１を入力したときの磁場分布を示す。

上記の通り、共振回路３０には高周波ｆ_１の定在波が生じる。このとき、共振回路３０内には定常的に磁場の極大点が現れる。従って、サンプルコイル１の中心をこの磁場の極大点に配置するようにすればよい。

この磁場が極大点となる位置はＬ_ｎが定まれば容易に特定できる。例えば、ｎ＝１の場合、Ｌ_ｎはλとなるので、第１の線路６或いは第２の線路の開放端から（１／２）λの位置において磁場が極大となる。さらにｎが２以上になれば、共振回路における磁場の極大点は複数になる。従って、サンプルコイル１の配置可能な場所が増えることになる。

なお、図１６（ａ）に示した磁場分布によれば、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４あるいはそれ以下にするとサンプルコイル内における磁場の変化が減少することがわかる。従って、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの調整によって、該サンプルコイル１内の磁場を一様な分布を近づけることも可能である。

図１６（ｂ）、（ｃ）は（３）式を満たす共振回路３０において、それぞれｎ＝２の場合、ｎ＝３の場合の共振回路の構成と磁場分布を示したものである。上述したように共振回路３０における磁場の極大点の数はｎに比例して増加する。

（３）式を満たすの共振回路３０において、磁場の極大点がサンプルコイル１の中央に位置するようにするためには、まず、合計線路長Ｌ_ｎを定めて、回路上において磁場が極大となる位置、即ちサンプルコイル１の中心位置を決定する。次に回路のサンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓを定めて、その後（３）式を満たすように第１の線路６、第２の線路７の各線路長を算出し、両線路６、７をサンプルコイル１の両端に接続する。

このように共振回路３０を構成すれば、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

上述した共振回路３０は、サンプルコイル１、第１の線路（第１の伝送線）、第２の線路（第２の伝送線）７のそれぞれを直接接続した場合を想定して説明したが、これらを接続する結合回路やインピーダンス回路を設けることも可能である。

図１７は本実施形態において、結合回路やインピーダンス回路を付加した構成図である。

図１７に示すように、サンプルコイル１の第１端部１ａと第１の線路６の間には、それぞれを結合するための第１結合回路４が設けられ、一方、サンプルコイル１の第２端部１ｂと第２の線路７の間には、それぞれを結合するための第２結合回路５が設けられる。

第１及び第２結合回路４、５は共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるための可変インピーダンス素子や、サンプルコイル１を接続するコネクタなどを含むものである。なお、第１及び第２結合回路４、５は全て付加されるものであっても良く、また何れか１つが付加されるものであっても良い。

このような回路４、５が付加された共振回路３０の場合、各回路４、５のそれぞれのインピーダンスを考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜調整する。そして、（３）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

共振回路３０は（３）式に従う合計線路長Ｌ_ｎを有するので、第１の高周波ｆ_１で共振する。従って、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

また、本実施形態のＮＭＲ検出器において、第１の線路６と第２の線路７との間を接続する少なくとも１つのインピーダンス回路（第３インピーダンス回路）２０を付加しても良い。図１７の点線で示したインピーダンス回路２０は、共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるためのインピーダンス素子を含むものである。この場合においても第３インピーダンス回路２０のインピーダンスを考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜調整する。そして、（３）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

本実施形態のＮＭＲ検出器は、第２の高周波ｆ_２が入力されるコネクタ１３と、該第２の高周波ｆ_２を共振回路３０に入力する第２整合回路１２を備えても良い。これらは図１７において点線で示した。一般的なＮＭＲ測定で用いられる第２の高周波の周波数は、第１の高周波ｆ_１の周波数の数分の１程度であり、（３）式に従う共振回路３０の構成に影響を及ぼすことはない。従って、第１の高周波が共振している状態で、第２の高周波を印加することは可能であり、共振回路３０に第１及び第２の高周波を重畳させることができる。

また、第１コネクタ１１から整合回路１０を介して、線路６だけでなく線路７にも供給する構造としてもよい。この場合、線路６及び線路７に印加される高周波は略１８０°の位相差をもたせるようにする。

また本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の線路６、第２の線路７が外部導体を有する同軸線であっても良い。図１８は各線路６、７が同軸線である場合の構成図である。それぞれの同軸線の内部導体が第１の線路６及び第２の線路７に対応し、該同軸線の外部導体６ａ、７ａはそれぞれの両端５１、５２、５３、５４で接地される。このとき、外部導体と内部導体によって生じるリアクタンスを考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを求める。求めた線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（３）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

図１８のようにコイルに接続される２つの同軸線６、７の内、片方から高周波を印加する場合は、第１実施形態で述べたように、同軸線路の外部導体６ａ、７ａによって線路６と線路７の間の結合が阻止され、共振回路３０の効率が上がりにくくなる。これを避けるため、外部導体６ａ、７ａはつなぎ目の無い通常の形状だけでなく、一部に穴６０あるいはスリット６１を設けた構造であっても良い。これら外部導体の構造の一例は第１実施形態で示した図７及び図８と同様である。或いは、第１コネクタ１１から整合回路１０を介して、線路６だけでなく線路７にも供給する構造としてもよい。この場合、印加される高周波は線路６及び線路７において略１８０°の位相差が生じるように供給される。

このように第１の線路６及び第２の線路７に生じるリアクタンスを考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを求めれば、（３）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成することが出来る。

従って、同軸線を利用した他の例として、第１の線路６を内部導体とし、第２の線路７を外部導体とする同軸線を用いても良い。この実施形態の一例を図１９に示す。第１の線路６及び第２の線路７のそれぞれの一端はサンプルコイル１に接続され、またそれぞれの他端は開放される。この例の場合も上記と同様に、外部導体と内部導体の間に生じる電気特性の変化を考慮して、第１の線路６及び第２の線路７の各線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂを求める。求めた線路長Ｌ_ａ、Ｌ_ｂに（３）式を適用して第１の高周波ｆ_１が共振する共振回路３０を構成すればよい。

以上に述べた実施例において、サンプルコイル１の全体的な形状および導線の形状・材質は、線路長Ｌ_Ｓが求まるものであれば特に限定されない。サンプルコイル１の巻線の形状が円形あるいは楕円形状以外にも、例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、コイルの断面が四角形などの多角形であるものや、鞍形形状（サドルコイル、ヘルムホルツコイル）のものや、スクロールコイルであっても良い。

（第４実施形態）
本発明に係る一実施形態について図２０〜図２４を用いて説明する。

図２０は第４実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。

この図に示すように、本実施形態のＮＭＲ検出器は第１の高周波ｆ_１（波長λ）で共振する共振回路３０を有する。この共振回路３０は、サンプルコイル１と、第１の線路（第１の伝送線）６と、第２の線路（第２の伝送線）７を備える。サンプルコイル１は、ソレノイドコイルや、鞍形形状のコイル（所謂サドルコイル、ヘルムホルツコイル）或いは箔状のサンプルコイル（所謂スクロールコイル）等が用いられる。

サンプルコイル１の第１端部１ａには第１の線路６の一端が接続され、同コイル１の第２端部１ｂには第２の線路７の一端が接続される。さらに、第１の線路６及び第２の線路７の他端は互いに接続され、サンプルコイル１、は第１の線路６、第２の線路７で環状回路を形成する。なお、第１の線路６及び第２の線路７はリアクタンス素子（図示せず）を含めてもよい。また、第１の高周波ｆ_１の周波数はＮＭＲ測定における水素核の共鳴周波数を想定している。従って、現実的には数百ＭＨｚ程度の周波数である。

さらに本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の高周波ｆ_１が入力される第１コネクタ１１と、第１の高周波ｆ_１を共振回路３０に入力する第１整合回路１０を備える。共振回路３０と第1整合回路１０との接続方法は、一例として、図２３に示すような磁気結合用コイル６２を用いて磁気的に結合する方法が挙げられる。他の接続方法としては、共振回路３０が第1の高周波ｆ_１で共振している状態で、図２３に示す方向Ｉ１、Ｉ２に電流が流れるようになる方法であればよい。つまり、共振回路３０において磁気結合用コイル６２が近接する箇所に流れる電流が、磁気結合用コイル６２両側で同じ方向に電流が流れるような接続方法であればよい。

なお、第１実施形態の説明で述べた開口部を有する電磁シールドを、共振回路３０の外周に設けても良い。

サンプルコイル１の導体の線路長をＬ_Ｓ、第１の線路６の線路長をＬ_ａ、第２の線路７の線路長をＬ_ｂ、これらの合計線路長をＬ_ｎとする。引き出し線２の線路長は線路長Ｌ_ａに含め、引き出し線３の線路長は線路長Ｌ_ｂに含める。

そして、この合計線路長Ｌ_ｎは共振回路３０を第１の高周波ｆ_１で共振させるために、
Ｌ_ｎ＝ｎ×λ （ｎ＝１、２、３、・・・ ） ・・・（４）
を満たす値に設定される。ｎは正の整数である。

なお、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの算出に関して、サンプルコイル１がソレノイドコイルである場合、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓは３次元的にコイルの線に沿った長さを考慮する。当該ソレノイドコイルの線路長に較べて、線路の太さ又は幅が無視できない場合、若しくは線路が複数の経路に分かれている場合には、線路の導体の表面上の最短経路長を考慮する。

図２１（ａ）に、（４）式においてｎ＝１としたときの共振回路３０を示す。この図の左図は図２０に示した共振回路３０を環状に展開した図である。なお、第１・第２整合回路１０、１２及び第１・第２コネクタ１１、１３は省略した。この回路では、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４とし、サンプルコイルに接続される線路の総線路長を（３／４）λとした。なお、線路長Ｌ_Ｓをλ／４としたが、これに限定されるものではない。

また図２１（ａ）の右図は、上記共振回路おいて第１の高周波ｆ_１を入力したときの磁場分布である。この図において一点鎖線は共振回路３０の位置を表し、磁場分布を実線で表した。

なお、図２１（ａ）に示した磁場分布によれば、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓをλ／４あるいはそれ以下にするとサンプルコイル内における磁場の変化が減少することがわかる。従って、サンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓの調整によって、該サンプルコイル１内の磁場を一様な分布を近づけることも可能である。

図２１（ｂ）、（ｃ）は（４）式を満たす共振回路３０において、それぞれｎ＝２の場合、ｎ＝３の場合の共振回路の構成と磁場分布を示したものである。このように、ｎが２以上になれば、共振回路における磁場の極大点は複数になる。

上記の通り、共振回路３０には第１の高周波ｆ_１の定在波が生じる。このとき、共振回路３０内には電場の極小点が現れ、この点では逆に磁場の極大点となる。従って、サンプルコイル１の中心をこの磁場の極大点に配置するようにすればよい。ただし、本実施形態の環状回路からなるので、磁場の極大点が定まらない。そこで共振回路３０内の所定の位置に磁場の極大点を固定させるためには、共振回路とグランドの間を接続するインピーダンス回路２７（第１インピーダンス回路）を接続すればよい。インピーダンス回路２７は時間遅れ要素を含む任意のインピーダンスを有し、例えば、リード線や容量素子等が用いられる。ただし、サンプルコイル１の中心で磁場の極大点が安定的に定まる場合、インピーダンス回路２７は不要である。

この磁場が極大点となる位置はＬ_ｎが定まれば容易に特定できる。例えば、ｎ＝１の場合、Ｌ_ｎはλとなるので、共振回路３０とインピーダンス回路２７との接続点から（１／２）λの位置において磁場が極大となる。さらにｎが２以上になれば、共振回路における磁場の極大点は複数になる。従って、サンプルコイル１の配置可能な場所は増加する。

（４）式を満たす共振回路３０において、磁場の極大点がサンプルコイル１の中心に位置するようにするためには、まず、合計線路長Ｌ_ｎを定めて、回路上において磁場が極大となる位置、即ちサンプルコイル１の中心位置を決定する。次に回路のサンプルコイル１の線路長Ｌ_Ｓを定めて、（４）式を満たすように第１の線路６、第２の線路７の各線路長を算出し、両線路６、７をサンプルコイル１の両端に接続する。さらに、第１の線路６、第２の線路７を互いに接続し、第１の線路６或いは第２の線路７と、グランドとの間にインピーダンス回路２７を接続する。

このように共振回路３０を構成すれば、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

上述した共振回路３０は、サンプルコイル１、第１の線路（第１の伝送線）、第２の線路（第２の伝送線）７のそれぞれを直接接続した場合を想定して説明したが、これらを接続する結合回路やインピーダンス回路を設けることも可能である。

図２２は本実施形態において、結合回路やインピーダンス回路を付加したＮＭＲ検出器の構成図である。図２２に示すように、サンプルコイル１の第１端部１ａと第１の線路６の間には、それぞれを結合するための第１結合回路４が設けられ、一方、サンプルコイル１の第２端部１ｂと第２の線路７の間には、それぞれを結合するための第２結合回路５が設けられる。更に、第１の線路６或いは第２の線路７とグランドの間にインピーダンス回路２７を接続する。

第１及び第２結合回路４、５は、共振回路３０を第１の高周波ｆ_１、又は第２・第３の高周波ｆ_２、ｆ_３（何れも後述）に同調させるための可変インピーダンス素子や、サンプルコイル１を接続するコネクタなどを含むものである。なお、第１及び第２結合回路４、５は全て付加されるものであっても良く、また何れか１つが付加されるものであっても良い。

第１及び第２結合回路４、５が付加された共振回路３０の場合、各結合回路４、５のそれぞれのインピーダンスを考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（４）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

共振回路３０は（４）式に従う合計線路長Ｌ_ｎを有するので、第１の高周波ｆ_１で共振する。従って、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

本実施形態のＮＭＲ検出器は、第２の高周波ｆ_２が入力されるコネクタ１３と、該第２の高周波ｆ_２を共振回路３０に入力する第２整合回路１２を備えても良い。これらを図２０において点線で示した。一般的なＮＭＲ測定で用いられる第２の高周波ｆ_２の周波数は、第１の高周波ｆ_１の周波数の数分の１程度であり（４）式に従う共振回路３０の構成に影響を及ぼすことはない。従って、第１の高周波ｆ_１が共振している状態で、第２の高周波ｆ_２を印加することは可能であり、共振回路３０に第１及び第２の高周波ｆ_１、ｆ_２を重畳させることができる。第２整合回路１２の共振回路３０に対する接続方法は前述した第１整合回路１０の接続方法を用いる。

また本実施形態のＮＭＲ検出器は、第１の線路６、第２の線路７が外部導体を有する同軸線であっても良い。図２４は各線路６、７が同軸線である場合の構成図である。それぞれの同軸線の内部導体が第１の線路６及び第２の線路７に対応する。第１の線路６の一端は第１結合回路４を介してサンプルコイルの第１端部１ａに接続する。一方、第２の線路７の一端は第２結合回路５を介してサンプルコイルの第２端部１ｂに接続する。更に第１の線路及び第２の線路７の各他端は互いに接続する。これらの接続により環状回路となる共振回路３０が形成される。

さらに、共振回路３０には第１の線路６と第２の線路の接続部１０ｃ或いはその近傍に第１の高周波ｆ_１を入出力させるための第１整合回路１０と該整合回路に接続する第１コネクタ１１が設けられる。第１整合回路１０は、インピーダンス変換を行って共振回路３０と第１コネクタ１１を整合させる。

共振回路３０と第1整合回路１０との接続方法は、図２３に示すような磁気結合用コイル６２を用いて磁気的に結合する方法が挙げられる。他の接続方法も、上述したように、共振回路３０において磁気結合用コイル６２近接する箇所に流れる電流が、磁気結合用コイル６２の両側で同じ方向に流れるような接続方法であればよい。

上記同軸線において外部導体６ａの一端は第１の高周波ｆ_１の通過を阻止する高周波素子回路３１を介して、インピーダンス回路１６に接続される。一方、外部導体７ａの一端は第１の高周波ｆ_１の通過を阻止する高周波素子回路３２を介して、インピーダンス回路１７に接続される。

第２の高周波ｆ_２は第２コネクタ１３及び第２整合回路１２を介してインピーダンス回路１６に接続される。第２の高周波ｆ_２が第２コネクタ１３から入力された場合、これらを介して高周波素子回路３１を通過し、外部導体７ａに至る。

第３の高周波ｆ_３は第３コネクタ１５及び第３整合回路１４を介してインピーダンス回路１７に接続される。第３の高周波ｆ_３が第３コネクタ１５から入力された場合、これらを介して高周波素子回路３２を通過し、外部導体６ａに至る。

第２整合回路１２とインピーダンス回路１６は、第２の高周波ｆ_２に対する第２コネクタ１５のインピーダンスが５０Ωになるように整合する。第３整合回路１４とインピーダンス回路１７は、第３の高周波ｆ_３に対する第３コネクタ１５のインピーダンスが５０Ωになるように整合する。

また、第１・第２の結合回路４、５はそれぞれ、第２の高周波ｆ_２を外部導体７ａに、第３の高周波ｆ_３を外部導体６ａに通過させる。

外部導体６ａ、７ａはつなぎ目の無い通常の形状だけでなく、一部に穴あるいはスリットが開いている構造であっても良い。これら外部導体の構造の一例を図７及び図８に示す。

上記の構成においても、第１・第２結合回路４、５のインピーダンスや、不連続になった線路の断面構造を考慮して、サンプルコイル１の導体の線路長Ｌ_Ｓ、第１の線路の線路長Ｌ_ａ、第２の線路長Ｌ_ｂを適宜補正する。そして、（４）式に従う合計線路長Ｌ_ｎにすれば良い。

共振回路３０は（４）式に従う合計線路長Ｌ_ｎを有するので、第１の高周波ｆ_１で共振する。従って、ＮＭＲ測定においてサンプルコイル１内に強い磁場を生じさせ、且つ試料から生じる磁場を感度良く検出することができる。

以上に述べた実施例において、サンプルコイル１の全体的な形状および導線の形状・材質は、線路長Ｌ_Ｓが求まるものであれば特に限定されない。サンプルコイル１の巻線の形状が円形あるいは楕円形状以外にも、例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、コイルの断面が四角形などの多角形であるものや、鞍形形状（サドルコイル、ヘルムホルツコイル）のものや、スクロールコイルであっても良い。

本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器の動作原理を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、結合回路、インピーダンス回路、整合回路が付加された構成図である。 本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第１実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、複数の高周波を多重共振させる構成の一例である。 本発明の全ての実施形態に係るＮＭＲ検出器において、該検出器に用いられる同軸線の形状の一変更例である。 本発明の全ての実施形態に係るＮＭＲ検出器において、該検出器に用いられる同軸線の形状の一変更例である。 本発明の全ての実施形態に係るＮＭＲ検出器において、該検出器に用いられるサンプルコイルの一例である。 本発明の第２実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。 本発明の第２実施形態に係るＮＭＲ検出器の動作原理を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、結合回路、インピーダンス回路、整合回路が付加された構成図である。 本発明の第２実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第２実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第３実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。 本発明の第３実施形態に係るＮＭＲ検出器の動作原理を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、結合回路、インピーダンス回路、整合回路が付加された構成図である。 本発明の第３実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第３実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 本発明の第４実施形態に係るＮＭＲ検出器の構成図である。 本発明の第４実施形態に係るＮＭＲ検出器の動作原理を示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、結合回路、インピーダンス回路、整合回路が付加された構成図である。 本発明の全ての実施形態に係るＮＭＲ検出器において、磁気結合による高周波の印加又は取出し方法を示す模式図である。 本発明の第４実施形態に係るＮＭＲ検出器であり、同軸線を用いた一例である。 従来のＮＭＲ検出器の構成図である。 従来のＮＭＲ検出器の構成図である。 従来のＮＭＲ検出器のサンプルコイル内に生じる電場及び磁場分布図である。

符号の説明

１：サンプルコイル
２、３：引き出し線
４、５：結合回路
６：第１の線路
７：第２の線路
６ａ、７ａ：外部導体
８、９：インピーダンス回路
１０、１２：整合回路
１１、１３：コネクタ
２０：インピーダンス回路
３０：共振回路
５０：電磁シールド
Ｌ_Ｓ：サンプルコイルの導体の線路長
Ｌ_ａ：第１の線路の線路長
Ｌ_ｂ：第２の線路の線路長

Claims (23)

1. ＮＭＲ検出器であって、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が接地される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が接地される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、λ＋（ｎ−１）λ／２の定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルはその線路長がλ／４以下となる長さに設定され、且つ、前記共振回路に発生する定在波によって生じる高周波磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とするＮＭＲ検出器。
2. ＮＭＲ検出器であって、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が接地される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が開放される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、（３／４）λ＋（ｎ−１）λ／２の定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルはその線路長がλ／４以下となる長さに設定され、且つ、前記共振回路に発生する定在波によって生じる高周波磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とするＮＭＲ検出器。
3. ＮＭＲ検出器であって、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が前記第１端部に接続され、他端が開放される第１伝送線と、一端が前記第２端部に接続され、他端が開放される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、（ｎ／２）λの定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルはその線路長がλ／４以下となる長さに設定され、且つ、前記共振回路に発生する定在波によって生じる高周波磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とするＮＭＲ検出器。
4. ＮＭＲ検出器であって、第１の高周波で共振する共振回路において、第１端部と第２端部を有し、導体からなるサンプルコイルと、一端が、前記第１端部に接続される第１伝送線と、一端が、前記第２端部に接続される第２伝送線と、を有する共振回路と、前記第１の高周波を入出力する第１コネクタと、前記第１コネクタと前記共振回路の間に設けられた第１整合回路と、を備え、前記第１伝送線と前記第２伝送線のそれぞれの他端は互いに接続され、前記共振回路に印加される前記第１の高周波の波長をλ、正の整数をｎとするとき、前記サンプルコイルの前記導体と、前記第１伝送線と、前記第２伝送線の線路長の総和は、ｎλの定在波が生じる値に設定され、前記サンプルコイルはその線路長がλ／４以下となる長さに設定され、且つ、前記共振回路に発生する定在波によって生じる高周波磁場が極大となる位置に設けられることを特徴とするＮＭＲ検出器。
5. 第１インピーダンス回路と、を更に備え、前記第１伝送線の前記他端は、前記第１インピーダンス回路を介して接地されることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
6. 第２インピーダンス回路と、を更に備え、前記第２伝送線の前記他端は、前記第２インピーダンス回路を介して接地されることを特徴とする請求項１に記載のＮＭＲ検出器。
7. 第１結合回路と、第２結合回路と、を更に備え、前記第１結合回路は、前記サンプルコイルの前記第１端部と前記第１伝送線の前記一端との間を結合し、前記第２結合回路は、前記サンプルコイルの前記第２端部と前記第２伝送線の前記一端との間を結合することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
8. 前記第１伝送線と前記第２伝送線の間を接続する少なくとも１つの第３インピーダンス回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
9. 前記第１伝送線と、前記第２伝送線の内の少なくとも１つは、リアクタンス素子を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
10. 第２の高周波を入出力する第２コネクタと、前記第２コネクタと前記共振回路の間に設けられた第２整合回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
11. 第３の高周波を入出力する第３コネクタと、前記第３コネクタと前記共振回路の間に設けられた第３整合回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載のＮＭＲ検出器。
    
12. 前記第１整合回路は磁気的結合によって接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
13. 前記第１整合回路と、前記第２整合回路のうち少なくとも１つは磁気的結合によって接続されることを特徴とする請求項１０に記載のＮＭＲ検出器。
14. 前記第１整合回路と、前記第２整合回路と、前記第３整合回路のうち少なくとも１つは磁気的結合によって接続されることを特徴とする請求項１１に記載のＮＭＲ検出器。
15. 前記サンプルコイルの前記導体の線路長は、前記第１の高周波の１／４波長以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
16. 前記第１伝送線と前記第２伝送線は平行線路であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
17. 前記第１伝送線と前記第２伝送線の少なくとも一方は外部導体を有する同軸線であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
18. 同軸線を備え、
    前記第１伝送線と前記第２伝送線の何れか一方が前記同軸線の内部導体であり、
    前記第１伝送線と前記第２伝送線の何れか他方が前記同軸線の外部導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
19. 前記サンプルコイルは、筒型コイルであることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
20. 前記サンプルコイルは、サドルコイルであることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
21. 前記サンプルコイルは、スクロールコイルであることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
22. 前記サンプルコイルの前記導体の断面は略円形であることを特徴とする請求項１８又は請求項１９の何れかに記載のＮＭＲ検出器。
23. 前記サンプルコイルの前記導体の断面は略四角形であることを特徴とする請求項１８又は請求項１９の何れかに記載のＮＭＲ検出器。

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