JP6622081B2 - 核磁気共鳴測定装置及び排ガス処理方法 - Google Patents

Description

本発明は核磁気共鳴測定装置に関し、特に、排ガスの処理に関する。

核磁気共鳴測定装置（ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）測定装置）は、固体、液体又は気体の試料にて生じる核磁気共鳴を測定する装置である。その測定中において、試料の温度を所定温度（例えば高温又は低温）にするために、温度制御用のガスが利用される。具体的には、試料を入れた試料管の周囲に対して、そのガスが供給され、ガスと試料管との間の熱交換により、試料の温度が所定温度に制御される。

ガスの温度を可変すれば、試料の温度を所望の温度にすることが可能である。そのようなガスは、試料用ガス、試料温度可変ガス、試料温度制御ガス、ＶＴ(Variable Temperature)ガス、等と呼ばれる。以下においては、そのガスをＶＴガスと呼ぶ。

特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、固体試料を測定対象とする核磁気共鳴測定装置が開示されている。その核磁気共鳴測定装置では、回転機構（スピナ）によって、試料を入れた試料管が所定角度傾けられた姿勢をもって回転駆動される。特許文献１及び特許文献３に開示された回転機構は、ＶＴガス供給路、試料室、及び、ＶＴガス排出路を有する。試料室内には、検出コイルと共に、試料管における試料部分が収容されている。その試料室内にＶＴガスが導入され、試料の温度がＶＴガスの温度に制御される。特許文献４には、気体又は液体の試料を測定する核磁気共鳴測定装置が開示されている。かかる装置においても、試料を入れた試料管の周囲にＶＴガスが供給されている。

特表平４−５０４３０８号公報 特開２０００−８１４７２号公報 特開２００３−１７７１７２号公報 特開２００４−２１２３５４号公報

回転機構から排出されたＶＴガスは、プローブヘッド容器内の空間に放出された上で、プローブヘッド上部開口及びそれに連通する排気管を介して排気される。ＶＴガスの温度は、例えば、−３５〜＋１２０°Ｃの間である。つまり、ＶＴガスの温度は、室温に対して、かなり低い又は高い温度になり得る。回転機構から高温のＶＴガス（排ガス）が排出されると、その排ガスによって、回転機構周囲に存在する又は回転機構よりも下流側に存在する構造物が高温となる。それにより、例えば、シムコイル、Ｏリング、接着剤、その他の部材が劣化しあるいは損傷する。一方、冷たい排ガスによって、回転機構周囲に存在する又は回転機構よりも下流側に存在する構造物が冷却されると、その表面上で凍結又は結露が生じる。それはプローブの電気的特性を悪化させるものである。

以上のような問題から、ＶＴガスの温度可変範囲を無造作に拡大できないという制約が生じている。あるいは、上記問題を回避するために特別な断熱構造を採用しなければならないという別の問題が生じている。なお、この問題は、高温又は低温の排ガスが生じる核磁気共鳴測定装置全般に対して指摘され得るものである。

本発明の目的は、試料温度の制御にガスを利用する場合において、そのガスの利用後に生じる排ガスによる熱的影響を緩和し又は解消することにある。あるいは、核磁気共鳴測定装置内部で生じる排ガスについての新たな熱的処理法を実現することにある。

本発明に係る核磁気共鳴測定装置は、核磁気共鳴の測定対象としての試料を収容する空間であって前記試料の温度を所定温度にするための試料用ガスが導入される試料空間を有する構造体と、前記試料空間から出た試料用ガスである排ガスに対して添加ガスを混合し、これにより前記所定温度よりも室温に近い温度をもった混合排ガスを生じさせる排ガス処理機構と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、試料空間から出た排ガスに対して排ガス温度制御用の添加ガスが混合され、排ガスの温度よりも室温に近い温度をもった混合排ガスが生成される。その混合排ガスが排気される。例えば、高温の排ガスに対して室温の又は室温より低い温度の添加ガスが混合される。あるいは、低温の排ガスに対して室温の又は室温よりも高い温度の添加ガスが混合される。このようなガス混合という簡易な方法によって、排ガスの温度を操作することが可能である。コンプレッサ等により室温の圧縮ガスを生成し、それを添加ガスとして利用してもよい。

上記の構造体は、望ましくは、固体試料の測定で用いられる回転機構である。但し、試料用ガスを利用する核磁気共鳴測定装置一般に上記構成を適用することが可能である。例えば、液体又は気体の試料に対して測定を行う核磁気共鳴測定装置に対して上記構成を適用することも可能である。その場合において、上記構造体は、例えば試料管を収容する筒状部材である。ガス混合は、構造体の外部において実施されるのが望ましいが、構造体の内部であって試料室から排出開口まで延びる排出路上において実施されてもよい。構造体の外部においてガス混合が実施される場合、構造体を収容したプローブヘッドの内部においてガス混合が実施されるのが望ましいが、プローブヘッドに連なる排気用配管内においてガス混合が実施されてもよい。プローブ内外に存在する構造物に対する過度の加熱又は冷却を回避するには、構造体における排気口近くにおいてガス混合を生じさせるのが望ましい。

上記の排ガス処理機構は、望ましくは、添加ガス生成器、添加ガスの供給システム等を含む。望ましくは、供給システムは、添加ガス用配管、複数の添加ガス噴出孔、等により構成される。なお、添加ガスは、排気温度を操作するものであるから、試料用ガスの流量に匹敵するあるいは温度緩和という目的に適う流量をもって流されるものである。そのような意味において、添加ガスは、回転機構の空気軸受に供給されるベアリングガスや、回転機構において試料管のタービンに吹き付けられるドライブガスとは、区別される。望ましくは、添加ガスは、専用の配管（流路）を介して、構造物又はその付近に供給され、その流量は、独立して設定又は制御される。

望ましくは、前記構造体を収容した中空部材を含み、前記構造体は前記中空部材内へ前記排ガスを排出する排出口を有し、前記中空部材内において前記排出口から排出された前記排ガスに対して前記添加ガスが混合される。

上記の中空部材は、例えば、プローブ容器であり、あるいは、プローブ容器及び排気用配管、である。前者の場合、プローブ容器内でガス混合が実施される。後者の場合、排気用配管内においてガス混合が実施される。一般に、前者を採用するのが望ましいが、排気ポートの出口（排気口）が排気用配管の入口近くまで伸びている又はその内部まで伸びている場合には、後者が採用され得る。

望ましくは、前記中空部材は核磁気共鳴測定用プローブの容器であり、前記構造体は前記試料を入れた試料管を回転させる回転機構である。望ましくは、前記回転機構には、前記試料用ガスを送る第１の配管と、前記試料管を回転させるためのガスを送る第２の配管と、が連結され、前記排ガス処理機構は、前記第１の配管及び前記第２の配管とは別の配管であって、前記添加ガスを前記容器内へ送る第３の配管を含む。試料管を回転させるためのガスの概念には、上記のベアリングガス及びドライブガスの両者が含まれる。第３の配管がボア上側開口からボア内に挿入されてもよいし、あるいは、第３の配管がプローブ内に形成されてもよい。

望ましくは、前記排ガス処理機構は、前記第３の配管に連なり、前記容器内に前記添加ガスを噴出する少なくとも１つの噴出孔を含む。容器内において、添加ガスが排ガスに衝突して滞留を生じさせないように（２つの流れが完全に正面衝突しないように）、容器内において添加ガスの還流路（強制対流）を生じさせるのが望ましい。

望ましくは、前記排ガス処理機構は、前記回転機構の周囲に向けて前記添加ガスを噴出する複数の噴出孔を含む。この構成によれば、排出口を避けて添加ガスの噴出方向を定めることができる。望ましくは、添加ガスの各噴流が容器内面に沿って下向きで進行した上で、底面で折り返し、回転機構を包み込むように上方に上がってくる。そのような添加ガスの流路を形成するように、複数の噴出孔の位置や向きを定めるのが望ましく、またその流れを支援する仕切り部材を設けるのが望ましい。

望ましくは、前記容器内において前記排出口から延びる前記排ガスの流れに対して前記複数の噴出孔から延びる前記添加ガスの流れが合流する。このように、合流箇所において排ガスの流れ方向に添加ガスの流れ方向を適合させる、つまり、両方の流れが衝突し合わないようにする、のが望ましい。

望ましくは、前記中空部材内には偏向板が設けられ、前記偏向板によって前記排出口から出た前記排ガスが排気出口側へ導かれる。偏向板は容器とは別の部材であり、排ガス（及び添加ガス）の流れを操作するための部材である。例えば、排出口が容器のコーナー部分の方を向く場合、排ガスがそのコーナー部分に直接的に当たって当該部分を高温（又は低温）にしてしまう。その手前側に偏向板を設置すれば、排ガスの流れの向きを操作して（望ましくは排気用配管側へ誘導して）、排ガスが直接的にコーナー部分に到達することを防止できる。

望ましくは、前記偏向板によって前記排ガスの流れと前記添加ガスの流れとが仕切られる。この構成によれば、偏向板の第１面によって排ガスの流れが形成され、その第２面によって添加ガスの流れが形成される。

望ましくは、前記偏向板における前記排出口に向いた面は凹型湾曲面である。この構成によれば、排ガスを効果的に捕獲、誘導することが可能である。

望ましくは、前記構造体は前記混合排ガスの流出方向へ突出した排気ポートを有し、前記排気ポートの端が前記排出口である。この構成によれば、排ガスの排気方向を直接的に規定することが可能である。

望ましくは、前記容器に接続された配管構造を含み、前記配管構造は、前記混合排ガスが流れる第１の流路と、前記添加ガスが流れる第２の流路と、前記第１の流路と前記第２の流路との間に設けられ、前記混合排ガスと前記添加ガスとの間での熱交換を防止又は低減するシールドガスが流れる第３の流路と、を含む。シールドガスによって、混合排ガスと添加ガスとの間の熱交換又は熱伝導を抑制できるから、添加ガスの作用を十分に発揮させることが可能である。第３の流路に代えて断熱構造（真空層）又は断熱部材を設けてもよい。

望ましくは、前記配管構造は、前記第１の流路内にその下流側へ向けて前記シールドガスを流すシールドガス噴出孔を含む。この構成によれば、第１の流路における混合排ガスの流速を上げて、プローブ側の気圧を低くし、混合排ガスの排気を促進させることが可能である。

本発明に係る方法は、核磁気共鳴の測定対象としての試料を収容する試料空間に対して、前記試料を加熱又は冷却するための試料用ガスを導入し、これにより前記試料の温度を所定温度にする工程と、前記試料空間から出た試料用ガスである排ガスに対して添加ガスを混合し、前記所定温度よりも室温に近い温度をもった混合排ガスを生じさせる工程と、前記混合排ガスを排気する工程と、を含む。

この方法は核磁気共鳴測定装置において実行されるものである。既存の核磁気共鳴測定装置に対して排ガス処理機構を付加してもよい。

本発明によれば、排ガスによる熱的影響を緩和し又は解消できる。あるいは、核磁気共鳴測定装置内部で生じる排ガスについての新たな熱的処理法を実現できる。

本発明に係る核磁気共鳴測定装置を示す図である。 プローブヘッド内におけるガス混合を説明するための断面図である。 偏向板を示す斜視図である。 第１実施例を示す断面図である Ａ−Ａ断面を示す断面図である。 Ｂ−Ｂ断面を示す断面図である。 変形例を示す図である。 第２実施例を示す断面図である。 添加ガスの流路を説明するための図である。 突出した排出ポートを有する回転機構を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定装置の好適な実施形態が示されている。図示されたＮＭＲ測定装置は固体試料で生じる核磁気共鳴を測定するものである。

図１において、ＮＭＲ測定装置は、簡略的又は模式的に表現されており、それは、静磁場発生装置１０、ＮＭＲ測定用プローブ（ＮＭＲプローブ）１４、試料温度可変用ＶＴガス生成部１６、排ガス温度緩和用添加ガス生成部１８、添加ガスの供給システム４０、等を有している。後に説明するように、供給システム４０の下流端が添加ガス供給口（複数の噴出孔）を構成している。添加ガス生成部１８及び供給システム４０は排ガス処理機構を構成するものである。以下に各構成について具体的に説明する。

静磁場発生装置１０は、超伝導磁石等で構成され、静磁場を発生する。その磁場の中心に試料が設けられる。静磁場発生装置１０は、図示の例において、上下方向に貫通した円形通路としてのボア１２を有している。

ＮＭＲプローブ１４は、ボア１２内に挿入される挿入部２２と、それに連なる基部２０と、からなる。挿入部２２は、ボア１２の下側開口からボア１２の内部に挿入されている。基部２０は、静磁場発生装置１０の下側に位置している。

ＮＭＲプローブ１４の挿入部における上端部分はプローブヘッド２４である。プローブヘッド２４は、プローブ容器の一部としてのヘッド容器（以下単に「容器」という。）２５を有している。容器２５は中空部材であり、その内部には構造体あるいはスピナとしての回転機構２６が設けられている。回転機構２６は、試料を入れた試料管２８を所定角度（マジック角度）傾けた状態で、試料管２８を高速で回転させる機能である。プローブヘッド２４の内部空間は、挿入部本体の内部空間に対して、隔壁２７によって仕切られている。

回転機構２６はハウジングを有し、その内部には空洞としての試料室が存在する。試料室内には、試料管の主要部分が収容され、また、その主要部分を取り囲むように検出コイルが設けられている。回転機構２６の内部において、試料管は複数の空気軸受によってハウジングから非接触で保持される。試料管に設けられたタービンへのジェット流（エア）の吹き付けによって、試料管が回転駆動される。試料室にはＶＴガス（試料温度可変用ガス）が導入される。ＶＴガスは、本実施形態において、−１００℃から＋２００℃まで温度範囲内から選択された温度を有する。本実施形態では、排気温度を緩和する（室温に近付ける）排ガス処理機構を採用したため、ＶＴガスについての温度範囲が従来の温度範囲よりも大幅に拡大されている。つまり、より低温のＶＴガス又はより高温のＶＴガスを利用することが可能である。これは今まで実現困難であった温度下で試料を測定できることを意味する。

回転機構２６には、３つの配管が接続されている。具体的には、ＶＴガス用配管、ベアリングガス用配管（図示省略）、及び、ドライブガス用配管（図示省略）、が接続されている。図１においては、ＶＴガス用配管に対して符号３０ａ，３０ｂが付されている。符号３０ａは、基部２０とＶＴガス生成部１６との間の配管を示している。符号３０ｂは、ＮＭＲプローブ１４内に設けられた配管である。その途中に、必要に応じて、ヒーター３２が設けられてもよい。ＶＴガス生成部１６は、ポンプ、ガス冷却器、ガス加熱器、流量計、流量制御器、等からなるものである。上記ヒーター３２はガス加熱器であり、それが設けられる場合、ヒーター３２は事実上、ＶＴガス生成部１６の一部を構成する。ＶＴガスは、エア、窒素ガス、等により構成される。図１には、基部２０に設けられた２つのポートとして、ベアリングガスが導入されるポート３４と、ドライブガスが導入されるポート３６と、が示されている。

次に、排ガス処理機構について詳述する。排ガス処理機構は、上記のように、添加ガス生成部１８、供給システム４０、等を有し、プローブヘッド２４内に、室温（常温）の添加ガスを送り込み、それを高温又は低温の排ガスと混合し、これによって排気温度を緩和するものである。排ガス処理機構をガス混合機構と称することも可能である。

添加ガス生成部１８は、ポンプ、流量計、流量制御器等を有する。そこにガス加熱器及びガス冷却器を設けるようにしてもよい。つまり、室温以外の温度をもった添加ガスを利用して、より効果的に排気温度を制御するようにしてもよい。通常、ＮＭＲ測定システムには、圧縮空気を生成するコンプレッサが含まれる。そのようなコンプレッサによって添加ガス生成部を構成してもよい。望ましくは、添加ガス生成部１８内に、添加ガスを乾燥ガス（乾燥エア）とするための乾燥器が設けられる。

供給システム４０は、プローブヘッド２４へ添加ガスを供給する機構であり、それは配管４２及び配管４３を含む。配管４２は、ボア１２内の配管構造と添加ガス生成部１８との間に設けられ、配管４３はボア１２内に挿入された配管構造の一部を構成している。配管構造は、複数の流路を有する機械的なアセンブリ又はユニットである。図１に示す概念図において、配管構造は、中心軸を一致させつつ設けられた内側の配管３８と外側の配管４３とからなる。これにより配管構造においては、排気用流路４１と添加ガス用流路４６とが形成される。流路４６の出口が添加ガス噴出部４４を構成している。本実施形態では、その添加ガス噴出部４４は例えば４つの噴出孔により構成されている。添加ガス噴出部４４は供給システム４０の一部を構成する。

回転機構２６にはＶＴガスが連続的に供給される。そのＶＴガスは、回転機構２６内の試料室に入り、試料管（及び試料）と熱交換し、その後、試料室に連通した排出路を介して排出口から排出される。つまり、プローブヘッド２４内へ排ガスが排出される。一方、プローブヘッド２４内には、添加ガスが連続的に供給されている。プローブヘッド２４内において、回転機構２６から出た（高温又は低温の）排ガスに対して、添加ガス噴出部４４から出た（室温の）添加ガスが混合される。これにより混合排ガスが生じる。混合排ガスの温度は、ＶＴガスの温度よりも室温に近い。本実施形態では、室温をもったエアが添加ガスとして利用されているが、ＶＴガスが室温よりも低い温度の場合、室温よりも高い温度をもった添加ガスを利用し、一方、ＶＴガスが室温よりも高い温度の場合、室温よりも低い温度をもった添加ガスを利用してもよい。ＶＴガスの温度及び流量に応じて、添加ガスの流量を制御するのが望ましい。ガス混合により生じた混合排ガスは流路４１を介して外部へ放出される。

図１に示す構成では、添加ガスがボア１２の上側開口を経由してプローブヘッド２４へ供給されているが、ＮＭＲプローブ１４を経由して、つまりボア１２の下側開口を経由して、プローブヘッド２４へ供給されてもよい。

従来、排ガスからプローブヘッド２４内外の構造物を熱的に保護するために、真空二重ガラス構造をもった容器や水冷ジャケット構造が採用されていたが、上記構成によれば、そのような特殊な構造を利用しなくてもよくなる。もっとも、例えば、ＶＴガスの温度可変範囲をより拡大するために、上記のガス混合方式と共に、それらの特殊な構造を併せて採用してもよい。

図２には、図１に示したプローブヘッド２４が拡大断面図として示されている。但し、同図においては、ガス混合作用の理解を促進するため、各部材や各ガスの流れ等が模式的に描かれている。

プローブヘッド２４の内部空間６２には、既に説明したように、回転機構２６が設けられている。回転機構２６は、容器２５とは別の構造体であり、それは図示されていない支持部材によって容器２５内に固定されている。回転機構２６は、それ全体としてブロック状又は円柱状の形態を有し、その中心軸は試料管２８の回転軸に一致している。中心軸は所定角度傾斜している。図２に示す態様において、中心軸に直交する２つの側面２６ａ，２６ｂは斜面であり、具体的には、側面２６ａが斜め上方を向いており、側面２６ｂが斜め下方を向いている。上面２６ｃは例えば平面あるいは円筒面として構成され、それは斜め上方を向いた斜面である。下面２６ｄは例えば平面あるいは円筒面として構成され、それは斜め下方を向いた斜面である。回転機構２６の周囲には一定の隙間が存在する。つまり、回転機構２６は容器２５の内壁面から離されて設けられている。隔壁２７は、回転機構２６を支持するベースとして機能し、また、内部空間６２の底面側（図２において下方側）を閉じる仕切りとして機能する。

回転機構２６は、試料管２８の主要部（つまり試料を入れた部分）を収容した空洞としての試料室２００を有する。試料室２００には、ＶＴガス用の供給ポートが連結されているが、それは図示されていない。供給ポートの入口には、ＶＴガス用の配管が接続されている。その入口は、回転機構２６のハウジングにおける上部、下部又は側面に設けられる。ＶＴガス用の配管が容器２５内におけるガスの流れを必要以上に妨げないように、供給ポートの入口の位置及びＶＴガス用配管の取り回し経路を定めるのが望ましい。

試料室２００は、ガス溜りとして機能し、そこには連続的にＶＴガスが供給される。これにより、試料室２００内にＶＴガスが充満する。ＶＴガスと試料管２８（つまり試料）との間で熱交換が生じ、これによって試料が所定温度に加熱され又は冷却される。但し、室温下で試料を測定する場合、当然ながらＶＴガスは利用されない。試料室２００には、複数の排気ポート（排気路）が連結されており、それらの端をなす複数の開口２０２から、内部空間６２へＶＴガスつまり排ガスが排出される。複数の開口２０２はそれ全体として排ガスの排出口として機能する。

図２に示す例では、複数の開口２０２から、回転機構２６の中心軸に直交する方向で、斜め上方の方向に、つまり容器２５の一部であるコーナー部分２５ａに向けて、排ガスが排出される。複数の開口２０２とコーナー部分２５ａとの間には、後に詳述する偏向板５０が設けられている。

プローブヘッド２４の上側には配管構造が設けられている。それは、図２に示す例では、内側の配管３８と、外側の配管４３と、からなる。つまり、同軸二重管構造が採用されている。配管３８の内部は、排気用の流路４１であり、そこに混合排ガスが流れる。流路４１において、プローブヘッド２４に近い側が上流側であり、プローブヘッド２４から遠い側が下流側である。配管３８と配管４３との間が流路４６である。添加ガスは、流路４６を経由して、プローブヘッド２４の内部空間６２へ供給される。流路４６の出口は図示の例において複数の噴出孔（添加ガス噴出部）４４を構成している。複数の噴出孔４４から、内部空間６２へ垂直下向きに添加ガスが放出される。

図２において、内部空間６２の一方側（回転機構２６の両端部の内で下がった端部が存在する側）に放出された添加ガスの内で主な部分は、偏向板５０の後面５０Ｒと容器２５の内壁面との間の隙間を通って流れ、続いて回転機構２６の周囲の隙間を通って底面２７ａの方へ流れる。底面２７ａの作用で折り返した添加ガスが回転機構２６の上側に、特に偏向板の前面５０Ｆ側に、回り込むように流れる。そのような流れの全体が符号５２によって示されている。一方、内部空間６２の他方側（回転機構２６の両端部の内で上がった端部が存在する側）に放出された添加ガスの内で主な部分は、容器２５の内壁面に沿って下方へ流れ、続いて回転機構２６の周囲の隙間を通って底面２７ａの方へ流れる。底面２７ａの作用で折り返した添加ガスが回転機構２６の上側に回り込むように流れる。そのような流れの全体が符号５４によって示されている。

排出口を構成する３つの開口２０２から出た排ガス５６の内で主な部分が偏向板に捕獲されつつ流路４１側へ案内される。残りの部分も流路４１側へ向けて流れる。その際、回転機構２６の下側から回転機構２６を回り込みながら上昇してきた添加ガス５２，５４が排ガス５６に混合され、これにより混合排ガス５８が生じる。排ガス５６は、例えば、高温又は低温の所定温度をもったガスであり、一方、添加ガス５２，５４は室温のガスであるから、両ガスの混合によって、排ガス５６の温度が所定温度から室温側へ緩和される。つまり、熱的に緩和された混合排ガス５８が生じる。これにより、プローブヘッド内外に存在する部材、特に熱に弱い部材、が過度に高温又は低温となることを防止できる。

以上の説明では、代表的な流れを説明したが、内部空間６２における実際のガスの流れは複雑である。いずれにしても、複数の開口２０２から出た排ガス５６に対して複数の噴出孔４４から出た添加ガスが直接的に衝突しないように、換言すれば、排ガス５６の流路に対して添加ガス５２，５４の流路が自然に合流するように、シミュレーションや実験等を利用して、複数の噴出孔４４の位置や向きを最適化し、更に偏向板５０の位置及び形状を最適化するのが望ましい。上記実施形態では、プローブヘッド２４内においてガス混合が実行されていたが、その一部又は全部が配管３８内において実行されてもよい。実際には、プローブヘッド２４の内部空間６２から流路４１にかけて温度勾配が生じるものと理解される。

図２に示す構成では、偏向板５０の前面５０Ｆによって排ガスが捕獲、案内されており、つまり、コーナー部分２５ａへの排ガス５６の直接的な吹き付けが回避されている。これにより、そのコーナー部分２５ａの温度上昇又は温度下降に伴う問題を防止又は緩和できる。特に、コーナー部分２５ａと偏向板５０の後面５０Ｒとの間に、室温の添加ガスが流されているので、コーナー部分２５ａの温度変化が効果的に抑制されている。

なお、回転機構２６内の試料室２００内にベアリングガスやドライブガスの一部が流れ込んだとしても、その流入ガスの量は一般に僅かである。それらのガスの一部が内部空間６２に放出されても、それらの量は一般に僅かであるから、それらは排ガス温度を有意に操作するものではない。添加ガスの流量Ａ（l/min）は、排ガスの流量Ｂ（l/min）に応じて定められ、本実施形態では、流量Ａは流量Ｂよりも大きい。

図３には、偏向板５０の形態が斜視図として示されている。偏向板５０の前面５０Ｆの形態は、凹型の湾曲形状である。そのような形態によれば排ガス５６の捕獲作用、案内作用を高められる。排ガスの排気条件に応じてその形態を定めるのが望ましい。図３に示す例では、偏向板５０の後面５０Ｒの形態は、凸型の湾曲形状である。そのような形態によれば、添加ガス５２の流れを回転機構の両側に自然に振り分けることが可能である。もっとも、図３に示した態様は例示に過ぎないものである。

以下に、上述した排ガス処理機構についての具体例として第１実施例及び第２実施例を説明する。

図４乃至図６には排ガス処理機構の第１実施例が示されている。添加ガス源については図示省略されている。プローブヘッド７０の内部空間７２には、回転機構７４が設けられている。その斜め上方（排気口から出た排ガス７６が向かう方向）には偏向板７８が設けられている。それは上記のように湾曲した形態を有する。

プローブヘッド７０の上側には、円板状又はリング状のプレート９４が設けられている。図示の例では、プレート９４はプローブヘッド７０の容器の一部をなす。プローブヘッド７０には、ジョイント部材９６を介して、配管構造８０が連結されている。ジョイント部材９６も、図示の例では、プローブを構成する一部品である。ジョイント部材９６が配管構造８０の一部であってもよい。ジョイント部材９６は、内部空間７２に臨む４つの噴出孔１００を有する。それらの配列は後に図５を用いて説明する。４つの噴出孔１００から内部空間７２へ添加ガスが勢いよく送出される。符号９８は排気口を示している。

プローブ上側に設けられた配管構造８０は、この例では、同軸三重管構造を有している。具体的には、配管構造８０は、第１配管（内配管）８２、第２配管（中配管）８４及び第３配管（外配管）８６からなる。第２配管８４と第３配管８６との間は、添加ガス９２が流れる流路であり、第１配管８２の内部は、混合排ガス（熱処理済み排ガス）８８が流れる流路である。第１配管８２と第２配管８４との間はシールドガス９０が入れられる流路である。混合排ガス用の流路と添加ガス用流路との間に、シールドガス層（断熱層）を形成することにより、それら２つの流路間（２つのガス間）での熱交換を低減することが可能であり、特に、添加ガスが冷却又は加温されてしまってガス混合の作用が弱まってしまうことを防止できる。シールドガスは、室温をもったエアや窒素ガス等である。断熱作用が高まるように、シールドガスの温度を可変するようにしてもよい。

第１実施例においては、シールドガスを排ガス用流路に噴出する噴出部１０２が設けられている。それはシールドガスを混合排ガス流路の下流側へ勢いよく噴出するものである。これにより、混合排ガスの流速が上げられる結果、噴出部１０２よりも上流側におけるガス圧が下がり、プローブヘッド７０からの排気が促進される。複数の噴出部を設けるようにしてもよい。シールドガスではなく他のガスを噴出させて上記同様の作用を得るようにしてもよい。なお、混合排ガスの下流側で吸引を行うことも考えられる。図４において、配管構造８０の上部を構成するＴ字状ジョイント部はボアの外側に設けられる。

図５には、図４に示すＡ−Ａの位置での断面が示されている。そこには、リング状のプレート９４と同じくリング状のジョイント部材９６とが現れている。一点鎖線１０３は、回転機構が有する中心軸（回転軸）に相当しており、その中心軸を断面上に投影したものである。例えば、図５における左側において回転機構の一方端部が下がっており、図５における右側において回転機構の他方端部が上がっている。一方端部の両側（紙面上下方向の両側）に向けて、中心線を跨いで、添加ガスが噴出するように、２つの噴出孔１００が設けられている。同じく、他方端部に両側に向けて、中心線を跨いで、添加ガスが噴出するように、２つの噴出孔１００が設けられている。このような噴出孔レイアウトにより、プローブヘッド内において、添加ガスについての望ましい流路を形成することが可能である。もっとも、図５に示したレイアウトは一例であり、プローブヘッド内の構造その他に応じて、他の噴出孔レイアウトを採用してもよい。

図６には、図４に示すＢ−Ｂの位置での断面が示されている。但し図６は構造理解のための模式図であり、個々の配管の直径等は正確ではない。上記のように、配管構造８０は同心円状に設けられた３つの配管８２，８４，８６からなる。符号１０４は混合排ガスの流路を示しており、符号１０６はシールドガスの流路（貯留層）を示しており、符号１０８は添加ガスの流路を示している。流路１０４に入り込むように噴出部１０２が設けられている。

図７には変形例が示されている。配管構造８０Ａは同心円状に設けられた２つの配管８２，８６を含む。符号１０４は混合排ガスの流路を示しており、符号１０８Ａは添加ガスの流路を示している。それらの流路１０４、１０８Ａの間には断熱材１１０が設けられている。この断熱材１１０は中空円筒形を有し、その中心軸は配管８２等の中心軸に一致している。図７に示す例では、配管８２の外皮のように断熱材１１０が設けられている。配管８２の内部に断熱材を設けることも可能である。真空二重管構造を採用するようにしてもよい。

図８及び図９には排ガス処理機構の第２実施例が示されている。第２実施例でも、添加ガス源については図示省略されている。第２実施例は、第１実施例に対して構造上、簡素化されており、第２実施例はより実用的な実施例である。図８中、左側には配管構造の上部１２０が示されており、右側には配管構造の中間部及び下部１２２が示されている。右側には、プローブヘッド１２４も示されている。

プローブヘッド１２４の内部空間１２６には、回転機構１２８が設けられている。その斜め上方（排気口から出た排ガスが向かう方向）には偏向板１２９が設けられている。それは湾曲した形態を有する。

プローブヘッド１２４の上側には、それぞれ中空部材である第１ジョイント部材１３０及び第２ジョイント部材１３２を介して、配管構造が連結されている。第１ジョイント部材１３０は、図示の例では、プローブの一部品を構成している。但し、第１ジョイント部材１３０がプローブ外の部品を構成してもよい。第２ジョイント部材１３２は、この例では、配管構造の下側に連結されている。それを配管構造の一部とみなしてもよい。

第１ジョイント部材１３０は上方に突出した中空の筒状部を有する。一方、第２ジョイント部材１３２は、中空形状を有する。第２ジョイント部材１３２が有する開口部内へ、第１ジョイント部材１３０が有する筒状部が挿入される。その挿入状態で、プローブに対して配管構造が連結される。筒状部の外面には上下方向に離れた２つのＯリングもしくはシール部材が設けられている。それらは上記挿入状態においてシール機能を発揮する。

第１ジョイント部材１３０は、添加ガスが流し込まれる空隙を構成する環状凹部１４８を有し、その空隙にはそれぞれ垂直方向に伸びた４つの貫通孔１５０が連通している。４つの貫通孔１５０の出口が内部空間１２６に臨んでおり、それらは４つの噴出孔である。噴出孔レイアウトは図５に示したものと同様である。

配管構造は、排気流路１３６を構成する配管１３８と、その外側に設けられた配管１４６と、を有する。配管１４６の内部が添加ガスを流す流路である。配管１４６の上端にはポート１４２が連結されている。そのポート１４２内には別の配管から添加ガス１４４が送り込まれる。排気流路１３６の下流側つまり配管１３８の上端には第３ジョイント部材１４０が設けられている。第３ジョイント部材１４０及びポート１４２はボアの外部に位置するものである。

図９は、２つのジョイント部材１３０，１３２の連結部を示す模式図である。第１ジョイント部材１３０は、上方に突出した筒状部を有し、その上端部分には上下方向に離れて２つのリング溝１５２，１５６が形成されている。それらには２つのＯリング１５４，１５８が収容されている。添加ガスは、配管１４６を介して、環状凹部１４８によって画定される隙間に送り込まれる。その隙間には４つの貫通孔１５０が連通しており、それらを介して添加ガス１５７がプローブヘッド内に送り込まれる。上記の２つのＯリング１５４，１５８によって上記隙間空間の上側及び下側は密封されており、そこから添加ガスがリークすることはない。

この第２実施例においては、同軸多重管構造を採用しなくてもよいので、構成を簡易化できる。また、２つのジョイント部材１３０，１３２の連結によって添加ガス流路を簡便に形成できるという利点を得られる。すなわち、ボア内の下側開口から挿入された、第１ジョイント部材１３０を備えるプローブに対して、ボアの上側から、第２ジョイント部材１３２を備える配管構造を挿入することにより、添加ガス流路及び排気ガス流路を簡便に形成することが可能である。

ガス混合を利用した排ガス処理機構によれば、プローブヘッド内部空間において、排ガスに対して添加ガスを混合して混合排ガスを生じさせることができる。つまり、熱的に処理された排ガスを生成することができる。それに加えて、排ガスの流れを操作する偏向板を利用したので、プローブ内の構造物（シムコイル、樹脂、弾性体、接着剤、等）に熱的なダメージが及んでしまうことを効果的に防止できる。あるいは、ＶＴガスの温度可変範囲を拡大できるという利点を得られる。例えば、その範囲を−１００℃から＋２００℃まで拡大することが可能である。これは核磁気共鳴測定における試料温度をより広範に制御できることを意味する。すなわち、上記の排ガス処理機構によれば、従来装置では観測できなかった物質状態を観測できる。

図１０には、回転機構の変形例が示されている。プローブヘッド１６０の内部空間１６２内には回転機構１６４が設けられている。回転機構１６４は、既に説明した回転機構と基本的に同じ構造を有するが、この回転機構１６４は煙突のように上方へ突出した排気ポート１７０を有している。排気ポート１７０の出口が排ガス１７２を排気する排出開口に相当する。添加ガス流路１６８から内部空間１６２へ送り込まれた添加ガス１７４，１７６がその内部空間を還流した上で排ガス１７２に対して混合される。これにより混合排ガス１７８が生じる。混合排ガス１７８の温度は、回転機構１６４に送り込まれたＶＴガスの温度よりも室温に近い。

図１０に示す構成では偏向板は設けられていないが、排気ポート１７０によって排ガス１７２の流れ方向を規定することができる。つまり、排気路の下流側に向けて排ガスが排出されている。その流路の途中において添加ガスが混合されている。混合エリアは、プローブヘッド１６０内から配管構造（中空部材としてのジョイント部材を含む）の下部にまで及ぶ。図１０に示す構成でも、プローブヘッド内の構造物が過度に高温又は低温となることを防止できる。基本的に、排ガスの流れに対して添加ガスの流れが衝突せず、２つのガス流路が自然に合流するので、滞留を防止しつつ、円滑なガス混合を期待できる。混合排ガスや混合前の排ガスが内部空間１６２に還流したり、そこで滞留したりしないように、個々のガスの流れを形成するのが望ましい。

上記のガス混合を用いた排ガス処理機構は、ＶＴガスを利用する核磁気共鳴測定装置一般に適用することが可能である。もっとも、固体試料を測定する核磁気共鳴測定装置においては、回転機構から排ガスがプローブヘッド内に排出され、プローブヘッド内外の部材に熱的に影響を与え易いので、そのような装置に上記の排ガス処理機構を搭載するのが特に望ましい。

１０ 静磁場発生装置、１４ ＮＭＲプローブ、１６ 試料温度可変用ＶＴガス生成部、１８ 排ガス温度緩和用添加ガス生成部、２４ プローブヘッド、２６ 回転機構、４０ 供給システム、４４ 噴出孔、５０ 偏向板、５６ 排ガス、５２，５４ 添加ガス、５８ 混合排ガス、２００ 試料室。

Claims (12)

1. 核磁気共鳴の測定対象としての試料を収容する空間であって前記試料の温度を所定温度にするための試料用ガスが導入される試料空間を有する構造体と、
   前記試料空間から出た試料用ガスである排ガスに対して添加ガスを混合し、これにより前記所定温度よりも室温に近い温度をもった混合排ガスを生じさせる排ガス処理機構と、
   を含み、
   核磁気共鳴測定用プローブの容器内に前記構造体が収容されており、
   前記構造体は前記試料を入れた試料管を回転させる回転機構であり、
   前記回転機構は前記容器内へ前記排ガスを排出する排出口を有し、
   前記容器内において前記排出口から排出された前記排ガスに対して前記添加ガスが混合される、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記回転機構には、
   前記試料用ガスを送る第１の配管と、
   前記試料管を回転させるためのガスを送る第２の配管と、
   が連結され、
   前記排ガス処理機構は、前記第１の配管及び前記第２の配管とは別の配管であって、前記添加ガスを前記容器内へ送る第３の配管を含む、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
3. 請求項２記載の装置において、
   前記排ガス処理機構は、前記第３の配管に連なり、前記容器内に前記添加ガスを噴出する少なくとも１つの噴出孔を含む、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
4. 請求項３記載の装置において、
   前記排ガス処理機構は、前記回転機構の周囲に向けて前記添加ガスを噴出する複数の噴出孔を含む、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
5. 請求項４記載の装置において、
   前記容器内において前記排出口から延びる前記排ガスの流れに対して前記複数の噴出孔から延びる前記添加ガスの流れが合流する、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
6. 請求項１記載の装置において、
   前記容器内には偏向板が設けられ、
   前記偏向板によって前記排出口から出た前記排ガスが排気出口側へ導かれる、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
7. 請求項６記載の装置において、
   前記偏向板によって前記排ガスの流れと前記添加ガスの流れとが仕切られる、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
8. 請求項６記載の装置において、
   前記偏向板における前記排出口に向いた面は凹型湾曲面である、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
9. 請求項１記載の装置において、
   前記構造体は前記混合排ガスの流出方向へ突出した排気ポートを有し、
   前記排気ポートの端が前記排出口である、
   ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
10. 請求項１記載の装置において、
    前記容器に接続された配管構造を含み、
    前記配管構造は、
    前記混合排ガスが流れる第１の流路と、
    前記添加ガスが流れる第２の流路と、
    前記第１の流路と前記第２の流路との間に設けられ、前記混合排ガスと前記添加ガスとの間での熱交換を防止又は低減するシールドガスが流れる第３流路と、
    を含む、ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
11. 請求項１０記載の装置において、
    前記配管構造は、前記第１の流路内にその下流側へ向けて前記シールドガスを流すシールドガス噴出孔を含む、
    ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
12. 核磁気共鳴の測定対象としての試料を収容する試料空間に対して、前記試料を加熱又は冷却するための試料用ガスを導入し、これにより前記試料の温度を所定温度にする工程と、
    前記試料空間から出た試料用ガスである排ガスに対して添加ガスを混合し、前記所定温度よりも室温に近い温度をもった混合排ガスを生じさせる工程と、
    前記混合排ガスを排気する工程と、
    を含み、
    核磁気共鳴測定用プローブの容器内に、前記試料空間を有する構造体が設けられ、
    前記構造体は前記試料を入れた試料管を回転させる回転機構であり、
    前記回転機構は前記容器内へ前記排ガスを排出する排出口を有し、
    前記容器内において前記排出口から排出された前記排ガスに対して前記添加ガスが混合される、
    ことを特徴とする核磁気共鳴測定装置における排ガス処理方法。

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