JP5232379B2 - Nmr計測用プローブ、およびそれを用いたnmr装置 - Google Patents
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Description
図5は、本発明の対象であるNMR装置の主要構成部の概略と配置を示す斜視図である。2つに分割された超電導マグネット10−1、10−2により、一点鎖線で示す中心線に沿って均一磁場(静磁場)を発生させる。これを矢印B0で示す。試料管30は内部に試料31を収納して、静磁場に対して垂直な方向(図中x軸方向)から挿入される。試料31からの信号を検出するソレノイド型のプローブアンテナ25を実装した低温プローブ20は、静磁場と同じ方向から挿入されている。低温プローブ20は、プローブアンテナ25と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器22と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ26と、それらを接続するプローブ筐体23により構成される。
実施例2は、超電導の薄膜を適用したアンテナを提案するものである。アンテナの形状は実施例1と同じくソレノイド型である。図8(A)に、実施例2のプローブアンテナの構造を模式的に示す。実施例2のアンテナコイルは、基板80−1、80−2、80−3、80−4に形成された超電導薄膜コイル81−1、81−2、81−3、81−4と、それらを電気配線する常伝導金属箔82−1、82−2、82−3、82−4、82−5で構成される。信号線60は2段目と3段目の超電導薄膜コイルを接続する常伝導金属箔82−3に接続する。トリマコンデンサ40、41は、アンテナコイルの端部となる常伝導金属箔82−1、82−5に接続する。
実施例3は、実施例2と同じく超電導の薄膜を適用したソレノイド型アンテナを提案するものである。図9は、実施例3のプローブアンテナの構造を模式的に示す斜視図である。プローブアンテナの基本的な構成は実施例1と同様である。実施例3においては、アンテナコイルは円筒ボビン61上にパターニングされた超電導薄膜81と、常伝導金属箔82−1、82−2で構成される。
実施例4は、アンテナコイルの両端を開放したソレノイド型プローブアンテナを提案するものである。図10に実施例4のプローブアンテナの構成を模式的に示す。基本的な構成は実施例1と同様であるが、実施例4の場合、トリマコンデンサ40、41の接続位置より外側にもアンテナコイル50の線が延び、その端部は開放されている。トリマコンデンサ40、41とアンテナコイル50の接続点より外側にあるアンテナコイル線の長さは、使用する共鳴周波数における電磁波の波長の1/4程度あるいはその整数倍であることを特徴とする。
実施例5は、アンテナコイルを複数のコイルを接続して構成するソレノイド型のプローブアンテナを提案するものである。図11に、実施例5のプローブアンテナの構成を示す。基本的な構成は実施例1と同様である。二つの別々のアンテナコイル50−1、50−2を試料からの信号を検出できる位置に配置し、各コイルの片方の端に容量値可変のトリマコンデンサを接続する。さらに各コイルのもう片方の端を互いに電気的に接続し、その接続点から信号線60を引き出す。
実施例6は、サドル型のプローブアンテナの構成を提案するものである。サドル型プローブアンテナは、円筒型マグネットを用いて垂直方向の静磁場(B0)を発生させるNMR装置に適用できる。図12に垂直方向の静磁場を発生させるNMR装置の代表的な構成を示す。円筒型の超電導マグネット10により、一点鎖線で示した中心線に沿って均一磁場を発生させる。低温プローブ20および内部に試料31を収納した試料管30は、静磁場と同じ方向(図中z軸方向)から挿入される。低温プローブ20は、プローブアンテナ25と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器22と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ26と、それらを接続するプローブ筐体23により構成される。
実施例7は、1つのアンテナコイルを用いて異なる2つの共振周波数の高周波信号を送信、受信できる2重共鳴プローブアンテナを提案するものである。アンテナの等価回路を図14に示す。アンテナコイル50のほぼ中点から信号線60を引き出し、アンテナコイル50の端部にトリマコンデンサ40、41が接続される。さらに、アンテナコイル50の端部にはインダクタ52−1とキャパシタ53−1からなるトラップ56−1と、トリマコンデンサ54が直列に接続される。トラップ56−1とトリマコンデンサ54と同じ構成は、もう一方のアンテナコイル端部にも形成される。
本実施例によれば、1つのアンテナコイルを2つの周波数で同時に使用可能であり、また、1本の信号線60で接続可能であるので、プローブの小型化が可能になる。
実施例8は、1つのアンテナコイルを用いて異なる4つの共振周波数の高周波信号を送信、受信できる多重共鳴プローブアンテナを提案するものである。実施例8は、H、D、C、N核に対応する多重共鳴プローブアンテナとして使用できる回路構成である。アンテナの等価回路を図16に示す。基本的な回路構成は実施例7と同様であるが、実施例8のアンテナ回路ではさらに多数のトラップとトリマコンデンサを配置することにより、4つの共振周波数において50Ω整合した共振ピークを得ることができる。
実施例9は、本発明のプローブアンテナを搭載したNMR計測装置を提案するものである。実施例9のNMR装置の構成を図17に示す。図17(A)は、2つに分割された超電導マグネット10−1、10−2により、水平方向に均一磁場を発生させるNMR装置であり、図17(B)は、円筒型の超電導マグネット10により、垂直方向に均一磁場を発生させるNMR装置である。いずれの構成においても、NMR装置は超電導マグネット10、10−1、10−2と、低温プローブ20と、低温プローブ20を冷却する冷凍機29と、プローブに高周波信号を送信しプローブからの信号を受信・解析を行う計測器35と、測定結果を表示する表示器36から構成される。冷凍機29は、冷却したHeガスを冷却ガスライン37中に循環させて低温プローブ20先端の熱交換器23およびプローブ先端ステージ26を冷却する。計測器35は信号線60を介してプローブアンテナ25に高周波信号を送信し、試料31からの高周波信号を受信する。本実施例の構成により、均一な静磁場中に置かれた試料に高周波磁場を照射し、励起された原子核スピンからの応答信号を受信、解析できる計測装置が実現できる。
<実施例10>
実施例10は、信号線がアンテナコイルのほぼ中点より離れて接続されるソレノイド型のプローブアンテナを提案するものである。図18に、実施例10のプローブアンテナの構成を示す。基本的な構成は実施例1と同様である。アンテナコイルのターン数は5ターンであり、信号線60はアンテナコイルを2ターンと3ターンに分ける箇所に接続される。
Claims (20)
- 均一磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰(FID)信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ前記各信号を伝送する信号線と、
前記アンテナコイルを固着するステージと、
前記ステージを保持するプローブ筐体とを備え、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、
前記アンテナコイルの一端部より引き出された第1の引き出し線に第1のコンデンサが接続され、
前記アンテナコイルの他端部より引き出された第2の引き出し線に第2のコンデンサが接続され、
前記第1および第2のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線への第3の引き出し線が、前記一端部または前記他端部のいずれかから所定の距離を有する前記ターン部上に設けられた接続点に接続され、
前記接続点は、前記信号線を介して前記アンテナコイルに高周波信号を送信し前記アンテナコイルからの信号を受信および解析を行う計測器に直接に接続されることを特徴とするNMR計測用プローブ。 - 前記所定の距離が、前記一端部から前記他端部までの距離の30%から70%の範囲にあることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルの材質は、Cuを含む常伝導体金属、もしくはNb、NbTi、Nb3Al、Pb、PbInの何れかを含む超電導体、もしくはYBCOを含む銅酸化物系超電導体、もしくは二硼化マグネシウム(MgB2)を含む超電導体のいずれかであることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルの両端部が開放されていることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材で形成されていることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルは、平坦基板もしくは曲面を有する基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルは、前記一端部から前記接続点との間に形成された前記ターン部が有する第1のインダクタL1と第1のコンデンサC1からなる直列共振回路Aと、前記他端部から前記接続点との間に形成された前記ターン部が有する第2のインダクタL2と第2のコンデンサC2からなる直列共振回路Bとが並列に接続される回路を構成し、
前記直列共振回路A、Bそれぞれの直列共振周波数を所定の共鳴周波数から正負逆方向にほぼ同程度ずらすことによって、前記所定の共鳴周波数でのインピーダンスが所望の値に整合されることを特徴とする請求項1記載のNMR計測用プローブ。 - 均一磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰(FID)信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ前記各信号を伝送する信号線と、
前記アンテナコイルを固着するステージと、
前記ステージを保持するプローブ筐体とを備え、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、その一端部が第1の引き出し線を介して第1のコンデンサに接続され、その他端部は第2の引き出し線を介して接続端子に接続され、導電体からなる第1ターン部を有する第1のアンテナコイルと、その一端部が第3の引き出し線を介して第2のコンデンサに接続され、その他端部は第4の引き出し線を介して前記接続端子に接続され、導電体からなる第2ターン部を有する第2のアンテナコイルとから構成され、
前記第1および第2のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線へ接続された第5の引き出し線が、前記接続端子に接続され、
前記接続端子は、前記信号線を介して前記アンテナコイルに高周波信号を送信し前記アンテナコイルからの信号を受信および解析を行う計測器に直接に接続される
ことを特徴とするNMR計測用プローブ。 - 前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項9記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルの材質は、Cuを含む常伝導体金属、もしくはNb、NbTi、Nb3Al、Pb、PbInの何れかを含む超電導体、もしくはYBCOを含む銅酸化物系超電導体、もしくは二硼化マグネシウム(MgB2)を含む超電導体のいずれかであることを特徴とする請求項9記載のNMR計測用プローブ。
- 前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材、または基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項9記載のNMR装置。
- 前記アンテナコイルは、ボビン側面上に巻きつけられた導電体からなるターン部を有し、その一端部が第1の引き出し線を介して第1のコンデンサに接続され、その他端部は第2の引き出し線を介して接続端子に接続され、導電体からなる第1ターン部を有する第1のアンテナコイルと、その一端部が第3の引き出し線を介して第2のコンデンサに接続され、その他端部は第4の引き出し線を介して前記接続端子に接続され、導電体からなる第2ターン部を有する第2のアンテナコイルとから構成され、
前記接続端子は、前記ボビン側面上に設けられ、第5の引き出し線を介して前記信号線に接続され、
前記接続端子は、前記信号線を介して前記アンテナコイルに高周波信号を送信し前記アンテナコイルからの信号を受信および解析を行う計測器に直接に接続される
ことを特徴とする請求項9記載のNMR計測用プローブ。 - 前記接続端子が、前記ボビン側面から所定の距離だけ外側に離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項13記載のNMR計測用プローブ。
- 前記第1の引き出し線と前記第1ターン部と前記第2の引き出し線とは、連続する同種の材料を用いて形成され、
前記第3の引き出し線と前記第2ターン部と前記第4の引き出し線とは、連続する同種の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項13記載のNMR計測用プローブ。 - 前記第1の引き出し線、前記第1ターン部、前記第2の引き出し線、前記第3の引き出し線、前記第2ターン部、および前記第4の引き出し線は、連続する同種の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項13記載のNMR計測用プローブ。
- 中空部を有し、均一静磁場を発生させる少なくとも1つの超電導マグネットと、
前記均一静磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰(FID)信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、前記アンテナコイルを固着するステージと、前記ステージを保持するプローブ筐体とを具備してなり、前記マグネットの中空部に挿入されるNMR計測用プローブと、
前記アンテナコイルへの前記各信号を伝搬する信号線を介して信号を送受信する計測装置と、を有し、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、
前記アンテナコイルの一端部より引き出された第1の引き出し線に第1のコンデンサが接続され、
前記アンテナコイルの他端部より引き出された第2の引き出し線に第2のコンデンサが接続され、
前記第1および第2のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線への第3の引き出し線が、前記一端部または前記他端部のいずれかから所定の距離を有する前記ターン部上に設けられた接続点に接続され、
前記接続点は、前記信号線を介して前記アンテナコイルに高周波信号を送信し前記アンテナコイルからの信号を受信および解析を行う計測器に直接に接続される
ことを特徴とするNMR装置。 - 前記所定の距離が、前記一端部から前記他端部までの距離の30%から70%の範囲にあることを特徴とする請求項17記載のNMR装置。
- 前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項17記載のNMR装置。
- 前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材、または基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項17記載のNMR装置。
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