JP6549980B2

JP6549980B2 - Ｎｍｒ測定用スピナ装置

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Publication number: JP6549980B2
Application number: JP2015249866A
Authority: JP
Inventors: 由宇生遠藤; 昌秀西山
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: JP2017116322A

Description

本発明はＮＭＲ測定用スピナ装置に関し、特に、試料が収容された試料管を回転させる機構に関する。

磁気共鳴測定装置として、核磁気共鳴（NMR：Nuclear Magnetic Resonance）測定装置、及び、電子スピン共鳴（ESR：Electron Spin Resonance）測定装置が知られている。ＮＭＲ測定装置に類する装置として、磁気共鳴画像（MRI：Magnetic Resonance Imaging）装置も知られている。以下、ＮＭＲ測定装置について説明する。

ＮＭＲは、静磁場中におかれた原子核が固有の周波数をもった電磁波と相互作用する現象である。その現象を利用して原子レベルで試料の測定を行う装置がＮＭＲ測定装置である。ＮＭＲ測定装置は、有機化合物（例えば薬品、農薬）、高分子材料（例えばビニール、ポリエチレン）、生体物質（例えば、核酸、タンパク質）、等の分析において活用されている。ＮＭＲ測定装置を利用すれば例えば試料の分子構造を解明することが可能である。

ＮＭＲ測定装置は、一般的に、制御コンピュータ、ＲＦ信号送信部、ＮＭＲ信号検出器（プローブ）、静磁場発生装置（超伝導磁石）、ＮＭＲ信号受信部、等を含む。もっとも、それらの一部をＮＭＲ測定装置と称することもあり、例えば、制御コンピュータ、ＲＦ信号送信部及びＮＭＲ信号受信部を含む分光計（Spectrometer）の部分をＮＭＲ測定装置と称することもある。典型的なＮＭＲ測定では、送信部においてＮＭＲ測定用の高周波信号（ＲＦ送信信号）が生成され、その送信信号がプローブ内の送受信コイルに供給される。これにより生じた電磁波によって試料中の観測核において共鳴吸収現象が生じる。その後に、送受信コイルに誘起されるＮＭＲ信号（ＲＦ受信信号）が受信部に送られ、その受信信号のスペクトルが解析される。

固体試料に対するＮＭＲ測定においては、通常、固体試料が収容された試料管を、静磁場方向に対して所定角度（マジック角）をもって傾けつつ高速で回転させ、その状態において、試料管を取り囲む送受信コイルにより高周波磁場を生成し、送受信コイルによりＮＭＲ信号を検出する。試料管を回転させる装置として、一般的に、ＮＭＲ測定用スピナ装置（試料管回転機構）が用いられる。ＮＭＲ測定用スピナ装置においては、スピナハウジング内に試料室が形成され、その試料室内に試料管が収容される。試料管に軸受用ガスが供給され、空気軸受により試料管が保持され、試料管に回転制御用ガス（ドライブ用ガス）が供給され、これにより試料管が高速に回転する。

ＮＭＲ測定においては、試料温度が制御される場合がある。この場合、一般的に、温度操作されたＶＴガス（試料温度可変ガス）が試料管に供給され、これにより試料温度が制御される。

特許文献１に記載の可変温度試料スピン機構においては、軸受用ガスとＶＴガスとが分けて供給される。排気時に軸受用ガスとＶＴガスが混合しないように、独立した排気路が形成されており、軸受用ガスとＶＴガスはそれぞれの排気路により排気される。

特表平４−５０４３０８号公報

ところで、一般的に空気軸受特性は温度に依存するため、ＶＴガスを軸受用ガスとして兼用すると、ＶＴガスの温度の影響により、望ましくない空気軸受特性の大きな変化が生じてしまう。これに対処するために、軸受用ガスとＶＴガスとを分けて、スピナハウジングにそれぞれの専用排気路を形成すると、スピナハウジングの構造が複雑になる。

本発明の目的は、ＮＭＲ測定用スピナ装置において、空気軸受特性の大きな変化を防止し、かつ、スピナハウジングの構造の簡素化を実現することにある。あるいは、試料温度をできる限り均一に維持することにある。

本発明に係るＮＭＲ測定用スピナ装置は、ＮＭＲ測定の対象となる試料が収容される試料管と、前記試料管が収容される試料室を有するスピナハウジングと、前記スピナハウジングに形成されて前記試料室に連通し、前記試料の温度を制御するための温度制御用ガスを前記試料室へ供給する温度制御用ガス供給路と、前記スピナハウジングにおいて前記試料室に隣接して形成され、前記試料管の空気軸受のための軸受用ガスを前記試料管へ供給する軸受用ガス供給路と、前記スピナハウジングに形成され、前記試料管の回転を制御するための回転制御用ガスを前記試料管へ供給する回転制御用ガス供給路と、前記スピナハウジングに形成されて前記試料室に連通し、前記温度制御用ガスと前記試料室へ流入した前記軸受用ガスを前記試料室から排気する兼用排気路と、を含むことを特徴とする。

上記の構成によると、軸受用ガスによる空気軸受により試料管が保持され、回転制御用ガスにより試料管が回転する。温度制御用ガスは温度操作されたガスであり、このガスにより試料の温度が制御される。例えば、試料が加熱又は冷却される。試料室内に流入した温度制御用ガスは、兼用排気路を経由してスピナハウジングの外部へ排気される。供給後の軸受用ガスの一部又は全部が試料室内へ流入し、兼用排気路を経由してスピナハウジングの外部へ排気される。軸受用ガス専用の排気路をスピナハウジングに形成する必要がないので、スピナハウジングの構造を簡略化することが可能となる。温度制御用ガスとスピナハウジングとの間で熱交換が行われ、これにより、スピナハウジングの温度が温度制御用ガスの温度に近づけられる。軸受用ガスは、軸受用ガス供給路内の流通段階でスピナハウジングと熱交換し、これにより、軸受用ガスの温度が温度制御用ガスの温度に近づけられる。空気軸受には、この熱交換により加熱又は冷却された軸受用ガスが供給される。加熱又は冷却された軸受用ガスにより軸受特性に変化が生じたとしても、温度制御用ガスを軸受用ガスとして用いてそのまま空気軸受に供給する場合と比べて、軸受特性の変化を少なく抑えることが可能となる。また、軸受用ガスの温度は温度制御用ガスの温度に近づけられているので、軸受用ガスが試料室内に流入しても、試料温度分布に与える影響は皆無又は僅かである。それ故、試料温度をできる限り均一に維持することが可能となる。

望ましくは、前記スピナハウジングは、前記試料室が形成された第１部材と前記第１部材を両側から挟む一対の第２部材とを含み、前記第１部材の熱伝導率は前記第２部材の熱伝導率よりも高く、前記軸受用ガス供給路は前記第１部材に接触するように形成されている。

上記の構成によると、軸受用ガス供給路は、熱伝導率が相対的に高い第１部材に接触するように形成されているので、軸受用ガスと第１部材との間で効率良く熱が伝導し、軸受用ガスの温度が温度制御用ガスの温度に近づきやすくなる。

望ましくは、前記第１部材はセラミックスにより構成されており、前記第２部材は樹脂により構成されている。この構成によると、温度分布により第１部材に応力（歪み）が発生した場合であっても、その応力は、樹脂からなる第２部材により吸収される。それ故、第１部材に発生した応力が緩和され、その応力に起因するクラックや割れ等を防止することができる。

望ましくは、当該ＮＭＲ測定用スピナ装置は、前記第１部材と前記一対の前記第２部材とを貫通して設けられ、前記第１部材に対して前記一対の前記第２部材を固定するための複数のボルトを更に含み、前記各ボルトは、前記試料管の周りにおいて互いに対称の位置に均等に配置されている。

上記の構成によると、各ボルトは試料管の周りにおいて互いに対称の位置に均等に配置されているので、ＮＭＲ測定において試料管が静磁場中に配置された場合に、各ボルトによる静磁場への影響が相殺される。それ故、ボルトが静磁場の均一性に与える影響は皆無又は僅かである。金属製のボルトが用いられても、静磁場への影響が相殺されるので、静磁場の均一性をできる限り維持することができる。

望ましくは、前記兼用排気路は、前記温度制御用ガスと前記軸受用ガスを前記試料室から排気する複数の排気路により構成され、前記複数の排気路は分散して前記第１部材に形成されている。

本発明によると、空気軸受特性の大きな変化を防止し、かつ、スピナハウジングの構造の簡素化を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＮＭＲ測定装置を示す概念図である。スピナの外観を示す側面図である。スピナの外観を示す正面図である。スピナの内部構造を示す断面図である。スピナの内部構造を示す概念図である。

図１には、本発明の実施形態に係るＮＭＲ測定装置１０の一例が示されている。ＮＭＲ測定装置１０は、試料中の観測核により生じたＮＭＲ信号を測定する装置である。

静磁場発生装置１２は静磁場を発生させる装置であり、その中央部には、垂直方向に延びる空洞部としてのボア１４が形成されている。ＮＭＲプローブ１６は、大別して、挿入部１８と基部２０とにより構成されている。挿入部１８は、それ全体として垂直方向に伸長した円筒形状を有し、静磁場発生装置１２のボア１４内に挿入される。

スピナ２２は、ＮＭＲプローブ１６のヘッドを構成し、ＮＭＲプローブ１６の一部としてボア１４の内部に設置され、その状態でロータとしての試料管を高速で回転させる機構である。スピナ２２は、ＮＭＲ測定用スピナ装置の一例に相当する。試料管には固体試料が収容され、試料管の回転中心軸が静磁場方向に対して所定のマジック角をもって傾斜するように、試料管が設置される。例えば、その回転中心軸が静磁場方向に対してマジック角をもって傾斜するように、スピナ２２が設定される。

スピナ２２は、軸受用ガスによる空気軸受により非接触で試料管を保持し、回転制御用ガスにより試料管を高速で回転させる。スピナ２２には配管２４が接続されており、その配管２４を介して、軸受用ガスと回転制御用ガスがスピナ２２に供給される。軸受用ガスと回転制御用ガスは、図示しないコンプレッサによりそれぞれ所定圧力に加圧されて供給される。もちろん、軸受用ガスと回転制御用ガスは、それぞれ別々の配管によりスピナ２２に供給されてもよい。

スピナ２２には配管２６が接続されており、その配管２６を介して、試料の温度を制御するための温度制御用ガス（ＶＴガス、試料温度可変ガス）がスピナ２２に供給される。ＶＴガスの温度は、例えば、−１００℃〜２００℃の範囲内で操作される。もちろん、ＶＴガスの温度は、この範囲以外の温度であってもよい。温度操作されたＶＴガスが配管２６を介してスピナ２２に供給され、スピナ２２においてＶＴガスが試料管に供給される。これにより、試料管に収容されている試料の温度が制御される。

なお、図１においては、ＮＭＲ測定装置１０に含まれる送受信部や分光計等の図示が省略されている。

以下、スピナ２２について詳しく説明する。まず、図２及び図３を参照して、スピナ２２の外観について説明する。図２及び図３において、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交する方向である。図２はスピナ２２の側面図（Ｚ方向から見たときの外観図）であり、図３はスピナ２２の正面図（Ｘ方向から見たときの外観図）である。

スピナ２２はスピナハウジング２８を含む。スピナハウジング２８は、スピナ本体３０と、スピナ本体３０を両側から挟むように設けられた一対の樹脂板３２，３４と、を含む。スピナ本体３０が第１部材の一例に相当し、樹脂板３２，３４が第２部材の一例に相当する。樹脂板３２，３４はプレート状の部材である。スピナ本体３０内には、後述する試料室が形成されており、その試料室内に試料管が収容される。スピナ本体３０は樹脂板３２，３４よりも硬い部材により構成されており、スピナ本体３０の熱伝導率は樹脂板３２，３４の熱伝導率よりも高い。スピナ本体３０は、例えば窒化ケイ素やジルコニア等のセラミックスにより構成されている。樹脂板３２，３４は、例えばポリイミド等の耐熱性の良好な樹脂により構成されている。

スピナ本体３０と樹脂板３２，３４には、スピナ本体３０と樹脂板３２，３４とを貫通して４本のスルーホール３６が形成されている。各スルーホール３６にはネジ溝は形成されていない。各スルーホール３６には、スピナハウジング２８の一方側（例えば樹脂板３２側）から金属製のボルト３８が挿入され、他方側（例えば樹脂板３４側）にて、金属製のナット４０によりボルト３８が締め付けられる。ナット４０は、樹脂板３４に埋め込まれる埋め込み型のナットである。４本のボルト３８と４個のナット４０による締め付け作用により、スピナ本体３０と樹脂板３２，３４が一体化される。各スルーホール３６は、試料管の周りにおいて互いに対称の位置に均等に形成されている。それ故、各スルーホール３６に挿入された各ボルト３８は、試料管の周りにおいて互いに対称の位置に均等に配置される。図３に示す例では、４本のボルト３８（４個のナット４０）は、９０°の角度間隔で互いに対称の位置に均等に配置されている。金属製のボルト３８とナット４０が静磁場内に配置されることになるが、それらは互いに対称の位置に配置されているため、静磁場への影響が相殺される。

スピナ本体３０の側面には、ＶＴガス導入ポート４２と複数の排気ポート４４が設けられている。スピナ本体３０内には、試料室に連通するＶＴガス供給路が形成されており、ＶＴガス導入ポート４２は、そのＶＴガス供給路に連通している。温度操作されたＶＴガスは、ＶＴガス導入ポート４２から導入され、ＶＴガス供給路を経由して試料室内に供給される。また、スピナ本体３０内には、試料室に連通する兼用排気路が形成されており、排気ポート４４は、その兼用排気路に連通している。排気ポート４４の数は兼用排気路の数に対応している。図２に示す例では、３つの排気ポート４４が設けられており、これに対応して、３つの兼用排気路がスピナ本体３０内に形成されていることになる。兼用排気路は、試料室からＶＴガスを排気するための排気路であるとともに、試料室内に流入した軸受用ガスを排気するための排気路である。試料室内のガスは、兼用排気路を経由して排気ポート４４から外部に排気される。また、スピナ本体３０の側面には、軸受用ガスと回転制御用ガスをスピナハウジング２８内へ導入するためのガス導入ポートが設けられている。ＶＴガス供給路や兼用排気路については、図４を参照して後で詳しく説明する。

以下、図４を参照して、スピナハウジング２８の内部の構成について詳しく説明する。図４は、スピナ２２の内部を示すＸＹ断面図である。

スピナ本体３０の内部には、空洞としての試料室４６が形成されており、試料室４６内に試料管４８が収容される。このように、スピナ本体３０は試料管４８の周囲を取り囲む部材である。試料管４８は、固体試料が収容される円筒形状を有し、試料収容部５０とタービン（羽根車）５２とキャップ５４とからなる。試料管４８の直径は、一般的に数ｍｍ〜数十ｍｍ程度である。すなわち、高速回転を実現するために非常に細い試料管が用いられている。但し、本願明細書に記載されているいずれの数値も例示に過ぎない。試料収容部５０の一方端部にタービン５２が設けられており、他方端部にキャップ５４が設けられている。試料収容部５０の両端部にタービンが設けられてもよい。キャップ５４は、試料収容部５０に対する蓋として機能する。

試料収容部５０を取り囲むように送受信コイル５６が配置されている。試料管４８の高速回転状態において、送受信コイル５６により高周波磁場が生成される。その後の受信期間において送受信コイル５６によりＮＭＲ信号が検出される。その信号を解析することにより分光スペクトルが得られる。なお、固体試料のＮＭＲ測定においては、試料管４８の回転中心軸が静磁場方向に対してマジック角度をもって傾けられ、その角度を維持した状態で試料管４８が駆動される。

試料収容部５０内の全体に試料が収容されていてもよいし、一部に試料が収容されていてもよい。試料収容部５０において送受信コイル５６により囲まれているエリアが、励起対象エリア（アクティブボリューム）に相当し、そのエリア内に収容されている試料に対してＮＭＲ測定が行われる。

試料管４８は、例えばジルコニア等のセラミックスにより構成されている。

スピナ本体３０内には、複数のラジアル軸受５８とスラスト軸受６０が設けられている。複数のラジアル軸受５８は、試料管４８の回転中心軸方向に離れて設けられており、スラスト軸受６０は、試料管４８のキャップ５４側に設けられている。スピナ本体３０内には、軸受用ガス供給路６２が形成されている。つまり、軸受用ガス供給路６２は、スピナ本体３０に接するように形成されている。図示しないガス導入ポートから導入された軸受用ガス（矢印６４で示す方向から導入された軸受用ガス）が、軸受用ガス供給路６２を経由して複数のラジアル軸受５８とスラスト軸受６０に供給され、複数のラジアル軸受５８とスラスト軸受６０により、試料管４８が非接触で保持される。スピナ本体３０には排気路６６が形成されており、軸受用ガスの一部はその排気路６６を経由してスピナハウジング２８の外部（矢印６８で示す方向）へ排気される。後述するように、軸受用ガスの一部は、ＶＴガスとともに兼用排気路を経由して排気される。軸受用ガスとして、例えば、空気の他、窒素やヘリウム等の不活性ガスを用いることができる。軸受用ガスの温度は、例えば室温（２０℃〜２７℃程度）である。

スピナ本体３０と樹脂板３２内には、回転制御用ガス供給路７０が形成されている。図示しないガス導入ポートから導入された回転制御用ガス（矢印７２で示す方向から導入された回転制御用ガス）が、樹脂板３２内の回転制御用ガス供給路７０を経由してタービン５２に吹き付けられる。これにより、試料管４８を駆動する推進力が生成され、試料管４８が回転する。タービン５２に吹き付けられた回転制御用ガスは、タービン５２からスピナハウジング２８の外側へ排気される（矢印７４で示す方向）。回転制御用ガスとして、例えば、空気の他、窒素やヘリウム等の不活性ガスを用いることができる。回転制御用ガスの温度は、例えば室温（２０℃〜２７℃程度）である。

なお、ＶＴガス供給路と兼用排気路が形成されている位置は、図４の断面位置と異なるため、図４には、それらは図示されていない。

以下、図５を参照して、ＶＴガス供給路と兼用排気路について詳しく説明する。図５は、スピナ２２の内部を表す断面図である。図５は、ＶＴガス供給路と兼用排気路を説明するための概念図である。ＶＴガス供給路と兼用排気路の配置関係も概念的に示されている。

図４を参照して説明したように、軸受用ガス供給路６２は、試料室４６に隣接して形成されており、スピナ本体３０内においてスピナ本体３０と接触するように形成されている。矢印７６で示す方向から導入された軸受用ガスが、軸受用ガス供給路６２を経由してラジアル軸受５８とスラスト軸受６０へ供給される。これにより、試料管４８が非接触で保持される。回転制御用ガス供給路７０は、樹脂板３２内に形成されている。矢印７８で示す方向から導入された回転制御用ガスが、回転制御用ガス供給路７０を経由してタービン５２へ吹き付けられる。これにより、試料管４８が回転する。

スピナ本体３０内には、試料室４６に連通するＶＴガス供給路８０が形成されている。ＶＴガス供給路８０は、図２及び図３に示されているＶＴガス導入ポート４２に連通している。ＶＴガス導入ポート４２から導入されたＶＴガス（矢印８２で示す方向から導入されたＶＴガス）が、ＶＴガス供給路８０を経由して試料室４６内に供給され、試料管４８の試料収容部５０に吹き付けられる。これにより、試料収容部５０に収容されている試料の温度が、ＶＴガスにより制御される。例えば、試料の温度が、−１００℃〜２００℃の範囲内に制御される。

スピナ本体３０内には、試料室４６に連通する複数の兼用排気路８４が形成されている。図５に示す例では、３つの兼用排気路８４が分散して配置されており、各兼用排気路８４は、図２に示されている各排気ポート４４に連通している。兼用排気路８４と排気ポート４４の数は一例に過ぎず、１又は複数の兼用排気路８４と排気ポート４４が設けられていてもよい。兼用排気路８４は、試料室４６からＶＴガスを排気するための排気路であるとともに、試料室４６内に流入した軸受用ガスを排気するための排気路である。試料室４６内のガスは、兼用排気路８４を経由してスピナハウジング２８の外部（矢印８６で示す方向）へ排気される。

以下、図５を参照して、本実施形態に係るスピナ２２の作用について説明する。

軸受用ガスが軸受用ガス供給路６２を経由してラジアル軸受５８とスラスト軸受６０へ供給され、これにより、試料管４８が非接触で保持される。回転制御用ガスが回転制御用ガス供給路７０を経由してタービン５２へ吹き付けられ、これにより、試料管４８が高速で回転する。一例として、回転制御用ガスの圧力は０．２Ｍｐａ程度である。また、ＶＴガスがＶＴガス供給路８０を経由して試料室４６に供給され、これにより、試料収容部５０に収容されている試料の温度が制御される。一例として、ＶＴガスの圧力は数ｋＰａ〜数十ｋＰａ程度である。

試料室４６内に流入したＶＴガスは、兼用排気路８４を経由してスピナハウジング２８の外部へ排気される（矢印８６で示す方向）。タービン５２に吹き付けられた回転制御用ガスは、試料管４８の一方端側（タービン５２の端部側）からスピナハウジング２８の外部へ排気される（矢印８８で示す方向）。供給後の軸受用ガスの一部は、試料管４８の一方端側（タービン５２の端部側）と試料管４８の他方端側（キャップ５４の端部側）からスピナハウジング２８の外部へ排気される（矢印８８，９０で示す方向）。供給後の軸受用ガスの残りの一部は、試料室４６内へ流入する（矢印９２で示す方向）。なお、圧力差等の条件により、供給後の全軸受用ガスが試料室４６内へ流入することもあり得る。試料室４６内へ流入した軸受用ガスは、試料室４６内でＶＴガスと混合し、兼用排気路８４を経由してスピナハウジング２８の外部へ排気される（矢印８６で示す方向）。軸受用ガス専用の排気路をスピナハウジング２８に形成する必要がないので、スピナハウジング２８の構造を簡略化することが可能となる。

試料室４６内にＶＴガスが流入すると、試料室４６内のＶＴガスとスピナ本体３０との間で熱交換が行われる。また、ＶＴガス供給路８０はスピナ本体３０に形成されているため、ＶＴガス供給路８０内のＶＴガスとスピナ本体３０との間で熱交換が行われる。この熱交換により、スピナ本体３０自体の温度が、ＶＴガスの温度に近づく。例えば、ＶＴガスの温度が２００℃の場合、スピナ本体３０自体の温度が２００℃に近づく。なお、熱交換を促すために、ＶＴガスとスピナ本体３０との接触面積ができる限り大きいことが望ましい。例えば、試料室４６の表面積を大きくするほど、その接触面積は大きくなるので、熱交換が促される。冷却されたＶＴガスが供給された場合も同様に、スピナ本体３０の温度はＶＴガスの温度に近づく。

軸受用ガス供給路６２はスピナ本体３０内に形成されているので、軸受用ガスはその軸受用ガス供給路６２内における流通段階でスピナ本体３０と熱交換する。これにより、軸受用ガスの温度がスピナ本体３０の温度に近づけられる。上記のとおり、スピナ本体３０の温度はＶＴガスの温度に近づけられるので、軸受用ガスの温度はＶＴガスの温度に近づけられる。例えば、ＶＴガスの温度が２００℃であり、ガス導入ポートを経由して２７℃の軸受用ガスが軸受用ガス供給路６２へ導入された場合、軸受用ガスとスピナ本体３０との間の熱交換により、軸受用ガスの温度は２７℃から２００℃へ近づけられる。例えば、その温度は１００℃程度になる。ラジアル軸受５８とスラスト軸受６０には、加熱された軸受用ガスが供給される。この場合、軸受特性に変化が発生する可能性があるが、ラジアル軸受５８とスラスト軸受６０には、ＶＴガスの温度（例えば２００℃）までの過度の温度は及ばず、ある程度抑制された温度（例えば１００℃）の軸受用ガスが供給される。軸受特性に変化が発生した場合であっても、ＶＴガスを軸受用ガスとして用いてそのままラジアル軸受５８とスラスト軸受６０に供給する場合と比べて、軸受特性の変化を少なくすることが可能となる。冷却されたＶＴガスが供給された場合も同様に、軸受用ガスの温度がＶＴガスの温度に近づく。この場合も、ＶＴガスを軸受用ガスとして用いるよりも、軸受特性の変化を少なくすることができる。

軸受用ガスの温度はＶＴガスの温度に近づけられているので、軸受用ガスが試料室４６に流入しても、試料温度に与える影響は皆無又は僅かである。軸受用ガスは試料管４８の軸方向から試料室４６内に流入するため、ＶＴガスと軸受用ガスとの間の温度差が大きいほど、軸方向における試料温度分布の均一性に影響を与え、その分布が不均一になる。その温度差が大きいほど、例えば、試料管４８の中央部と端部（空気軸受に対応する部分）との間の温度勾配が大きくなり、これに起因して、軸方向における試料温度分布の不均一度が大きくなる。本実施形態では、軸受用ガスの温度はＶＴガスの温度に近づけられており、ＶＴガスと軸受用ガスとの間の温度差は小さくなっているので、軸方向における試料温度分布を不均一にする影響は皆無又は僅かである。それ故、試料温度（例えばアクティブボリューム内の試料温度）の分布をできる限り均一に維持することが可能となる。

また、スピナ本体３０の材料として、樹脂よりも熱伝導率の高いセラミックスを用いることにより、軸受用ガスとスピナ本体３０との間の熱交換をより促進することが可能となる。一方で、スピナハウジング２８の全体をセラミックスで構成すると、セラミックスにおける温度分布の影響により、スピナハウジング２８において応力（歪み）が発生し、これにより、スピナハウジング２８にクラックが発生したり、スピナハウジング２８が割れたりする可能性がある。本実施形態では、セラミックスからなるスピナ本体３０の両側に樹脂板３２，３４が設けられており、スピナ本体３０にて発生した応力は樹脂板３２，３４により吸収される。これにより、その応力が緩和され、クラックや割れ等の発生を防止することが可能となる。

回転制御用ガス供給路７０は、熱伝導率が低い樹脂板３２内に形成されているため、回転制御用ガスは、ＶＴガスやスピナ本体３０からの温度の影響をできる限り受けずに済む。それ故、回転制御用ガスの温度の変化は皆無又は僅かである。

樹脂板３２，３４は金属製のボルト３８とナット４０によりスピナ本体３０に固定されている。一般的に、金属製部材を静磁場内に配置すると、静磁場の均一性に影響を与え、静磁場が不均一になる。これに対処するために、本実施形態では、４本のボルト３８（４個のナット４０）は、試料管４８の周りにおいて９０°の角度間隔で互いに対称の位置に均等に配置されている。これにより、ボルト３８とナット４０による静磁場への影響は、対称の位置に配置された他のボルト３８とナット４０による静磁場への影響により相殺される。このように、互いに対称の位置に配置されたボルト３８とナット４０により、静磁場への影響が相殺されるので、静磁場の均一性に与える影響は皆無又は僅かである。

スピナ本体３０と樹脂板３２，３４にはスルーホール３６が形成されているが、このスルーホール３６には、ボルト３８用のネジ溝は形成されていない。仮に、スルーホール３６にネジ溝を形成し、そのネジ溝とボルト３８に形成されたネジ溝とを嵌合させた場合、スピナ本体３０における温度分布の影響により、その嵌合部分に応力が発生し、スピナ本体３０にクラックや割れが発生する可能性がある。本実施形態においては、スピナ本体３０とボルト３８は嵌合されないので、その嵌合に起因するクラックや割れ等の発生を防止することが可能となる。

本実施形態では、３つの兼用排気路８４が、試料管４８の軸方向に分散して配置されている。これにより、試料室４６内のＶＴガスが分散するので、１つの兼用排気路８４を用いてＶＴガスを排気する場合と比べて、試料室４６内の温度分布をより均一に維持することが可能となる。

２２スピナ、２８スピナハウジング、３０スピナ本体、３２，３４樹脂板、４６試料室、４８試料管、５０試料収容部、５２タービン、５４キャップ、５６送受信コイル、５８ラジアル軸受、６０スラスト軸受、６２軸受用ガス供給路、７０回転制御用ガス供給路、８０ＶＴガス供給路、８４兼用排気路。

Claims

ＮＭＲ測定の対象となる試料が収容される試料管と、
前記試料管が収容される試料室を有するスピナハウジングと、
前記スピナハウジングに形成されて前記試料室に連通し、前記試料の温度を制御するための温度制御用ガスを前記試料室へ供給する温度制御用ガス供給路と、
前記スピナハウジングにおいて前記試料室に隣接して形成され、前記試料管の空気軸受のための軸受用ガスを前記試料管へ供給する軸受用ガス供給路と、
前記スピナハウジングに形成され、前記試料管の回転を制御するための回転制御用ガスを前記試料管へ供給する回転制御用ガス供給路と、
前記スピナハウジングに形成されて前記試料室に連通し、前記温度制御用ガスと前記試料室へ流入した前記軸受用ガスを前記試料室から排気する兼用排気路と、
を含むことを特徴とするＮＭＲ測定用スピナ装置。
請求項１に記載のＮＭＲ測定用スピナ装置において、
前記スピナハウジングは、前記試料室が形成された第１部材と前記第１部材を両側から挟む一対の第２部材とを含み、
前記第１部材の熱伝導率は前記第２部材の熱伝導率よりも高く、
前記軸受用ガス供給路は前記第１部材に接触するように形成されている、
ことを特徴とするＮＭＲ測定用スピナ装置。
請求項２に記載のＮＭＲ測定用スピナ装置において、
前記第１部材はセラミックスにより構成されており、
前記第２部材は樹脂により構成されている、
ことを特徴とするＮＭＲ測定用スピナ装置。
請求項２又は請求項３に記載のＮＭＲ測定用スピナ装置において、
前記第１部材と前記一対の前記第２部材とを貫通して設けられ、前記第１部材に対して前記一対の前記第２部材を固定するための複数のボルトを更に含み、
前記各ボルトは、前記試料管の周りにおいて互いに対称の位置に均等に配置されている、
ことを特徴とするＮＭＲ測定用スピナ装置。
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のＮＭＲ測定用スピナ装置において、
前記兼用排気路は、前記温度制御用ガスと前記軸受用ガスを前記試料室から排気する複数の排気路により構成され、
前記複数の排気路は分散して前記第１部材に形成されている、
ことを特徴とするＮＭＲ測定用スピナ装置。