JP7369733B2 - Ｎｍｒプローブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定に用いられるＮＭＲプローブ装置に関し、特に、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出する技術に関する。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）装置は、スピン磁気モーメントを有する原子核に静磁場を印加し、そのスピン磁気モーメントにラーモアの歳差運動を発生させて、そこに歳差運動と同じ周波数を有する高周波を照射して共鳴させることで、そのスピン磁気モーメントを有する原子核の信号を検出する装置である。

固体試料に対するＮＭＲ測定においては、通常、ＭＡＳ（Magic Angle Spinning）法が採用される。ＭＡＳ法においては、固体試料が収容された試料管を、静磁場方向に対してマジック角（概ね５４．７°）をもって傾けつつ高速で回転させ、その状態においてＮＭＲ信号を検出する。

ＭＡＳ法を実施するためのＮＭＲプローブ装置は、超伝導磁石に代表される磁場発生装置の細長い穴状の測定空間に挿入されることで、ＮＭＲ測定に供される。ＭＡＳプローブ装置では、固体試料が収容された試料管は、試料管支持装置において磁場に対してマジック角に傾いた状態で配置される。試料管支持装置は、測定に際し試料管を支持し、その姿勢や運動を精密に規定する装置である。

固体用のＮＭＲプローブ装置は、超伝導磁石等の磁場発生装置の中心にある室温のボアの中に下方から挿入され、ねじ等によって固定される。このとき、試料管は、磁場発生装置によって形成される磁場の中心に正確に配置される必要がある。このような装置では、通常、試料を取り換えるためには、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置から取り外す必要がある。金属製のＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置から取り外すこと、及び、このような重量物を静かに外すこと等の作業は、作業者にとって負担となる。また、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置から取り外した後、ＮＭＲ測定を行うために、ＮＭＲプローブ装置に試料管を挿入し、再び、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置のボアに設置する必要がある。その設置後、測定に関する準備を再び行う必要がある。このように、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置から取り外す方式では、試料の交換に手間を要し、作業者の負担となる。

上記のように、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置から取り外して試料管を交換する方法の他に、ＮＭＲプローブ装置を磁場発生装置に設置したまま、室温のボアを通じて試料管を磁場発生装置の外部に排出する方法が知られている。例えば、固体用のＮＭＲプローブ装置から試料管を排出する方法として、試料管の後ろ側からガスを噴出することで試料管をＮＭＲプローブ装置の外部に押し出す方法が知られている。また、ＮＭＲプローブ装置の上部からＮＭＲプローブ装置の内部にガスを噴出することで、試料管をＮＭＲプローブ装置の外部に排出する方法が知られている。

上述したように、試料管はマジック角に傾いた状態で配置されているため、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出するためには、マジック角に傾いた試料管の向きを、ＮＭＲプローブ装置から試料管を取り出す方向（つまり、試料管をＮＭＲプローブ装置内に出し入れするための投入口が設置されている方向（例えば垂直方向））に変える必要がある。そのため、ＮＭＲプローブ装置内において、試料管の向き（試料管の向きは、試料管の姿勢ともいえる）を変えるためのスペースを設ける必要がある。一般的に、固体ＮＭＲの試料管の全長は２０ｍｍ程度であり、このような方法は、外径の大きい（例えば７０ｍｍ程度の）ＮＭＲプローブ装置（ワイドボアプローブと称されることがある）に適用される。

一方、外径の小さいＮＭＲプローブ装置（ナローボアプローブと称されることがある）では、空間的な制約があるため、試料管の向きを変えるためのスペースをＮＭＲプローブ装置内に設けることができない。そのため、ＮＭＲプローブ装置自体をＮＭＲ装置から取り外して、ＮＭＲプローブ装置から試料管を取り出す必要がある。

また、試料管の向きを変える機構として、試料管の排出時に、試料管支持装置を垂直に設置する方法が知られている。この方法では、垂直方向を向いた試料管支持装置への試料管の挿入、及び、試料管支持装置からの排出を行う。測定時には、試料管支持装置はマジック角に傾斜される。この方法では、試料管の交換後、試料管支持装置の傾斜角をマジック角に維持する機構等の工夫を施す必要がある。

特許文献１，２には、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出する構成が記載されている。特許文献１に記載されているＮＭＲプローブ装置内には、試料管の向きを変えるためのスペースが形成されている。そのスペース内にガスを噴出することで試料管の向きを変えて、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出する。特許文献２には、供給される圧力を制御することで試料管の方向を変えることが記載されている。

特許第６０１６３７３号 特許第５８７５６１０号

本発明の目的は、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出するために必要なスペースを小さくすることにある。

本発明の１つの態様は、ＮＭＲ測定中にＮＭＲ測定用の試料管を支持する試料管支持装置と、前記試料管を前記試料管支持装置に出し入れするための投入口と、前記試料管支持装置と前記投入口との間において前記試料管が通る経路上に設置され、円弧状の形状を含む形状を有し、前記試料管が通る方向転換機構と、を含み、前記方向転換機構は、前記試料管が前記試料管支持装置から前記投入口に移動して前記投入口から排出されるときに、前記方向転換機構の内壁の少なくとも２点に前記試料管を接しさせながら円弧に沿って前記投入口に向けて前記試料管の向きを変えさせる形状を有する、ことを特徴とするＮＭＲプローブ装置である。

上記の構成においては、方向転換機構の内壁は、円弧状の形状を含む形状を有する。試料管がＮＭＲプローブ装置から排出されるときに、試料管は、方向転換機構の内壁の少なくとも２点に接しながら円弧に沿って投入口に向けて向きを変える。つまり、試料管の少なくとも２点が方向転換機構の内壁に接した状態で、試料管は、円弧に沿って投入口に向けて向きを変える。これにより、試料管の方向転換に要するスペースを小さくすることができる。例えば、投入口がＮＭＲ装置の上部に設置されている場合、試料管の方向は垂直方向に転換される。また、上記の構成によれば、従来技術に係る方法（例えば、試料管支持装置の向きを変える方法等）を採用しなくても試料管を取り出すことができる。それ故、従来技術に係る方法を実現するための機構を採用する必要がない。

上記のＮＭＲプローブ装置は、前記試料管支持装置から前記投入口にかけて前記試料管を吸引することで、前記試料管を前記投入口から排出させる装置を更に含んでもよい。

例えば、負圧を発生させる装置（例えば、ポンプ、バッファータンク、又は、ベンチュリポンプ等）を投入口に接続し、その装置によって吸引することで、試料管を試料管支持装置から投入口に移動させて投入口から排出させることができる。このように試料管を投入口側から吸引することで、試料管の排出時に、試料管の先端（つまり、試料管の移動の前方側の端部）を方向転換機構の内壁に衝突させずに、試料管の方向を転換することができる。その結果、その衝突に起因して試料管の先端（例えば、タービン翼が形成されている部分）が破損することを防止することができる。

前記試料管支持装置は、静磁場に対してマジック角に傾斜した状態で前記試料管を支持し、前記円弧は、アステロイド曲線をマジック角に合わせて変更された曲線の一部の形状を有してもよい。その円弧は、アステロイド曲線に近似する円の一部の形状を有してもよい。

前記試料管支持装置から前記試料管の全部が排出されたときの前記試料管の先端の位置よりも前記試料管支持装置側の位置に、前記投入口が設置されてもよい。

前記方向転換機構と前記試料管支持装置は接触せずに設置され、前記方向転換機構と前記試料管支持装置との間に隙間が形成されてもよい。

本発明によれば、ＮＭＲプローブ装置から試料管を排出するために必要なスペースを小さくすることができる。

本実施形態に係るＮＭＲ装置を示す図である。 本実施形態に係るＮＭＲプローブ装置を示す図である。 試料管、Ｘ軸及びＹ軸を示す図である。 アステロイド曲線を示す図である。 変換アステロイド曲線を示す図である。 試料管の移送を説明するための図である。 試料管の移送を説明するための図である。 方向転換機構の構成を示す図である。 方向転換機構の構成を示す図である。 方向転換機構の構成を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係るＮＭＲ装置の一例が示されている。図２には、本発明の実施形態に係るＮＭＲプローブ装置の一例が示されている。ＮＭＲ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プローブ装置１６は、それ全体として垂直方向に延びる円筒形状を有し、静磁場発生装置１２のボア１４内に挿入される。本実施形態に係るＮＭＲプローブ装置１６は、ＭＡＳ法を実施するための装置であり、試料管支持装置１８と、ボア１４の上端部に設置されている投入口２０と、投入口２０と試料管支持装置１８との間で試料管２８が通る経路を形成する試料管用通路２２と、試料管用通路２２と試料管支持装置１８との間に設置された方向転換機構２４と、送信用及び受信用の検出コイルと、を含む。試料管支持装置１８は、試料管をマジック角に傾斜して支持する装置である。また、投入口２０には、負圧発生装置２６が接続されている。負圧発生装置２６は、例えば、ポンプ、バッファータンク、又は、ベンチュリポンプ等である。試料管２８は例えば円柱状の形状を有し、固体試料を収容する。試料管２８は、試料管支持装置１８内にて、静磁場に対してマジック角を持って傾斜した回転軸上で、その周囲を精密な気体軸受によって支持され、測定中は高速で回転する。

試料管用通路２２及び方向転換機構２４は、内部が空洞の通路であり、試料管支持装置１８から投入口２０まで試料管が通る経路を形成する。試料管用通路２２は、ボア１４に沿って垂直方向に延在する通路であり、方向転換機構２４は、その経路を通る試料管２８の向きを変える機構である。具体的には、方向転換機構２４は、投入口２０から試料管用通路２２に導入された試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）を試料管支持装置１８の回転軸に平行な方向に転換して、試料管２８を試料管支持装置１８に導入する。また、方向転換機構２４は、試料管支持装置１８から排出された試料管２８の向きを投入口２０に向けて、試料管２８の円柱軸の方向を転換する。例えば、方向転換機構２４は、試料管２８の円柱軸の方向を垂直方向に転換する。試料管２８は、投入口２０と試料管支持装置１８との間を、試料管用通路２２及び方向転換機構２４を介して相互に移動することができる。

図２に示すように、方向転換機構２４は、試料管用通路２２において投入口２０とは反対側の端部に接続されている。方向転換機構２４と試料管支持装置１８は接触せずに設置され、方向転換機構２４と試料管支持装置１８との間に隙間３０が形成されている。隙間３０については後で詳しく説明する。

試料が収容された試料管２８は、投入口２０に投入され、試料管用通路２２及び方向転換機構２４を通って試料管支持装置１８に移動され、測定が行われる。また、測定が終わると、試料管２８は、試料管支持装置１８から試料管用通路２２及び方向転換機構２４を通って投入口２０から取り出される。試料管２８を取り出す場合、負圧発生装置２６によって吸引することで、試料管支持装置１８、試料管用通路２２及び方向転換機構２４内に負圧を発生させる。この負圧によって、試料管支持装置１８内に支持されている試料管２８が、方向転換機構２４及び試料管用通路２２を通って投入口２０まで移動し、投入口２０からＮＭＲプローブ装置１６の外部に排出される。

方向転換機構２４は、円弧状の形状を含む形状を有し、試料管２８が試料管支持装置１８から投入口２０に移動して投入口２０から排出されるときに、方向転換機構２４の内壁の少なくとも２点に試料管２８を接しさせながら投入口２０に向けて試料管２８の向きを変えさせる形状を有する。その円弧状の形状は、アステロイド曲線をマジック角に合わせて変更された曲線の一部の形状を有する。

以下、方向転換機構２４の形状について詳しく説明する。

図３には、試料管２８、Ｘ軸及びＹ軸が示されている。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交する軸である。Ｙ軸は、ＮＭＲ装置１０の垂直方向の軸であり、試料管用通路２２が延在する方向に平行な軸である。Ｙ軸は、静磁場の方向に平行な軸であるともいえる。Ｘ軸は、Ｙ軸に直交する軸である。また、図３には、Ｘ１軸は、Ｙ軸からマジック角θ（５４．７度）傾いた軸である。

試料管支持装置１８においては、試料管２８はマジック角θを持って傾斜しており、方向転換機構２４は、マジック角θを持って傾斜している試料管２８の向きを垂直方向（Ｙ軸方向に平行な方向）に向けるためのスペースを有する。ここで、長さＬは、試料管２８の長さ（つまり試料管２８の長手方向の長さ）であり、直径Ｄは、試料管２８の直径である。

符号３１が指し示す試料管２８の状態は、試料管支持装置１８から排出されて方向転換機構２４によって方向が垂直方向に転換される前の状態である。この状態の試料管２８はマジック角θを持って傾斜しており、このときの試料管２８の先端部２８ａの一方の頂点ＳＡの位置に、Ｘ軸及びＹ軸の原点（０，０）が定義される。また、この状態の試料管２８の後端部２８ｂの一方の頂点ＳＣの座標は（Ｌｓｉｎθ，Ｌｃｏｓθ）であり、後端部２８ｂの他方の頂点ＳＤの座標は、（Ｌｓｉｎθ＋Ｄｃｏｓθ，Ｌｃｏｓθ－Ｄｓｉｎθ）である。

符号３２が指し示す試料管２８の状態は、試料管支持装置１８から排出された後、方向転換機構２４によって方向が垂直方向に転換された後の状態である。この状態の試料管２８は、Ｙ軸（つまり垂直方向）に平行に配置されており、試料管２８の先端部２８ａの一方の頂点ＳＡの座標は（０，Ｌ）であり、他方の頂点ＳＢの座標は（Ｄ，Ｌ）である。また、後端部２８ｂの一方の頂点ＳＣの座標は（０，０）であり、他方の頂点ＳＤの座標は（Ｄ，０）である。

図４には、Ｘ軸及びＹ軸によって定義される座標系上で表現されるアステロイド曲線３４が示されている。

図５には、マジック角θに従って座標変換された後の座標系（Ｘ１軸、Ｙ１軸）が示されている。図５に示す例では、座標変換後のＹ１軸は、座標変換前のＹ軸（図３，４に示すＹ軸）と同じ軸である。座標変換後のＸ１軸は、Ｙ１軸（＝Ｙ軸）からマジック角θ傾いた軸である。図５に示されている変換アステロイド曲線３６は、その座標変換に従って、図４に示されているアステロイド曲線３４を変換することで得られる曲線である。つまり、Ｘ軸をマジック角θだけ傾斜させることでＸ１軸が形成され、その座標変換に従って、アステロイド曲線３４が変換されることで変換アステロイド曲線３６が形成される。

理想的には、方向転換機構２４において、変換アステロイド曲線３６に沿って試料管２８の方向を転換させることで、試料管２８の方向転換に要する経路が最短となり、試料管２８が通るスペースの容積が最小になると考えられる。しかし、試料管２８が通る通路を加工してアステロイド曲線を形成することは、技術的に困難である。そこで、変換アステロイド曲線３６に近似した円（以下、「近似円」と称する）を演算し、その近似円３８に含まれる円弧に沿って試料管２８の方向を転換させることで、その方向転換に要する経路をできるだけ短くし、試料管２８が通るスペースの容量をできるだけ少なくすることができる。変換アステロイド曲線３６から近似円３８を演算する方法は、公知の方法を採用することができる。

図６には、方向転換機構２４によって試料管２８の方向が転換される様子が示されている。図６に示す例では、方向転換機構２４は、上述した近似円３８の一部を構成する円弧３８ａの形状を有する通路である。試料管２８の排出時に、試料管支持装置１８から排出された試料管２８は、その円弧３８ａの形状を有する通路（つまり方向転換機構２４）を通って試料管用通路２２まで移動し、その後、試料管用通路２２を通って投入口２０まで移動し、投入口２０からＮＭＲプローブ装置１６の外部に排出される。つまり、方向転換機構２４においては、試料管２８は、円弧３８ａに沿って移動する。

図６に示されている構成によれば、変換アステロイド曲線３６に近い形状を有する通路によって試料管２８の方向を転換することができ、それによって、方向転換に要する経路をできるだけ短くし、試料管２８が通るスペースの容量をできるだけ少なくすることができる。

ところで、図６に示されている構成を採用した場合、試料管２８が試料管支持装置１８から排出された位置（Ｘ軸上の位置）又は試料管支持装置１８の位置（Ｘ軸上の位置）と、投入口２０の位置（Ｘ軸上の位置）との間の距離が長くなり、その制約の下で、投入口２０の位置を決める必要がある。その距離をより短くする方法が図７に示されている。図７に示す方法では、円弧３８ａに沿って試料管２８を移動させた後、試料管２８の向きを反対の向きに変えることで、Ｘ軸上において、試料管支持装置１８により近い位置に投入口２０を設置することができる。この場合、試料管２８の方向転換を２回行う必要がある（図７中の符号Ａ，Ｂ参照）。

以下、図８を参照して、上述した距離をより短くすることと、試料管２８の方向転換を１回で済ませることを両立させる構成について説明する。

図８には、試料管支持装置１８の一部、投入口２０、試料管用通路２２、方向転換機構２４、負圧発生装置２６、及び、試料管２８が示されている。符号４０は、試料管２８の移動の軌跡を指し示している。方向転換機構２４の内部には、試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）を垂直方向（つまりＹ軸に平行な方向）に転換させるためのスペース４２が形成されている。負圧発生装置２６によって、試料管用通路２２及び方向転換機構２４内に負圧が形成されると、試料管支持装置１８によって支持されていた試料管２８は、投入口２０に向けて吸い上げられる。

符号４４，４６，４８，４９は、各段階における試料管２８の位置を指し示している。符号４４は、試料管支持装置１８から排出された直後の試料管２８を指し示している。符号４６は、スペース４２に到着し、方向が転換される前の試料管２８を指し示している。符号４６が指し示す試料管２８は、Ｙ軸に対してマジック角θを持って傾斜している。符号４８は、方向転換機構２４によって方向が垂直方向に転換された後の試料管２８を指し示している。符号４９は、試料管用通路２２内を移動して投入口２０の近くまで到着した状態の試料管２８を指し示している。

方向転換機構２４の内部に形成されたスペース４２は、試料管支持装置１８の軸に平行な方向（つまりＸ１軸に平行な方向）に試料管２８を収容することができる長さ（符号４６が指し示す試料管２８の長さ）と、垂直方向（つまりＹ軸に平行な方向）に試料管２８を収容することができる長さ（符号４８が指し示す試料管２８の長さ）とを有する。また、スペース４２は、それら２つの状態の間で、試料管２８の向き（つまり試料管２８の姿勢）を相互に転換することができるように、Ｘ軸方向に方向転換用の空間を有する。

また、図８には、近似円３８が示されている。方向転換機構２４の内部の一部は、近似円３８の一部を構成する円弧（例えば図６に示す円弧３８ａ）の形状を有する。負圧発生装置２６によって吸引が行われて試料管２８が吸い上げられると、試料管２８は、その円弧に沿って方向転換機構２４の内部を、符号４４が指し示す位置から符号４６が指し示す位置まで移動する。試料管２８は、方向転換機構２４の内部において、その円弧の形状を有する内壁に沿って移動する。そして、スペース４２にて、試料管２８が円弧に沿った状態で、試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）が垂直方向に転換され（符号４８参照）、その状態で、試料管２８は、試料管用通路２２内を通って投入口２０まで吸い上げられる（符号４９参照）。

投入口２０から試料管２８をＮＭＲプローブ装置１６内に導入するときは、それとは逆に、スペース４２にて、試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）が垂直方向からマジック角θに対応する方向に転換され、試料管２８は、試料管支持装置１８まで移動させられる。

近似円３８の位置と大きさを変えることで、投入口２０の位置を変えることができる。近似円３８を小さくした場合も、試料管２８は、方向転換機構２４の内部において、その小さくした近似円３８の形状を有する内壁に沿って移動する。近似円３８を小さくした分、Ｘ軸上において、方向転換機構２４の位置を、より試料管支持装置１８側に近づけることができる。それに応じて、方向転換機構２４に接続される試料管用通路２２、及び、試料管用通路２２に接続される投入口２０を、Ｘ軸上において、より試料管支持装置１８側に近づけることができる。これにより、試料管支持装置１８の位置（Ｘ軸上の位置）と、投入口２０の位置（Ｘ軸上の位置）との間の距離を、短くすることができる。

また、試料管２８を、近似円３８の一部を構成する円弧に沿って移動させることで、スペース４２内にて、試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）を垂直方向に転換させ、その転換後、試料管２８を、試料管用通路２２内を移動させて投入口２０からＮＭＲプローブ装置１６の外部に排出することができる。このように、１回の方向転換によって、試料管２８を投入口２０からＮＭＲプローブ装置１６の外部に排出することができる。図７に示す構成では、２回の方向転換が必要であるが、図８に示す構成では、２回の方向転換は不要であり、１回の方向転換によって、試料管２８を投入口２０から外部に排出することができる。このように、方向転換の数を減らすことで、方向転換に必要な全空間の容積を減らすことができる。

以下、図９及び図１０を参照して、方向転換機構２４の構成について更に詳しく説明する。特に、スペース４２について詳しく説明する。図９及び図１０には、Ｙ軸、Ｙ１軸、Ｘ軸、Ｘ１軸、試料管用通路２２、方向転換機構２４内のスペース４２、試料管２８、及び、円Ｃｔが示されている。

変数ｘは、投入口２０の位置を決める変数である。上述したように、長さＬは試料管２８の長さであり、直径Ｄは試料管２８の直径であり、角度θはマジック角である。

変数ｘは、以下の式（１）の条件を満たす変数である。
ｘ＜ｘ＿ｌｉｍｉｔ・・・（１）
ｘ＿ｌｉｍｉｔ＝Ｌｓｉｎθ＋Ｄ（ｃｏｓθ－１）

ここで、マジック角θに沿ったＸ１軸について考えてみる。

Ｙ１軸及びＸ１軸は、座標変換後の軸である。Ｘ１軸は、Ｙ軸及びＹ１軸からマジック角θ傾いた軸である。Ｘ軸及びＹ軸で構成される直交座標系において、Ｙ軸に対してマジック角θ傾いたＸ１軸を形成する。Ｙ軸及びＸ１軸で構成される座標系を、Ｘ軸上にて位置ｘまでスライドさせた座標系が、Ｙ１軸及びＸ１軸で構成される座標系である。

試料管２８をＸ１軸に沿って配置し、試料管２８の頂点ＳＡを、（Ｘ軸，Ｙ軸）座標系の原点に重ねる。このときの試料管２８の位置は、試料管２８の排出時に試料管２８が試料管支持装置１８から射出されて、方向転換用のスペース４２内に入ったときの位置である。このときの頂点ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤをそれぞれ、頂点ＳＡ０，ＳＢ０，ＳＣ０，ＳＤ０と定義する。

上述したように、スペース４２内にて、試料管２８の方向が垂直方向に転換される。このときの頂点ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤをそれぞれ、頂点ＳＡＦ，ＳＢＦ，ＳＣＦ，ＳＤＦと定義する。また、頂点ＳＣＦは、（Ｘ１軸，Ｙ１軸）座標系の原点に配置される。

仮想の円Ｃｔが定義される。円Ｃｔは、上述した近似円３８に相当する円である。具体的には、円Ｃｔは、試料管２８がスペース４２内に入って試料管２８の方向が転換される前に、試料管２８の頂点ＳＤ０と接し、かつ、スペース４２内にて試料管２８の方向が転換された後に、試料管２８の線分（ＳＢＦ－ＳＤＦ）と接する円である。また、円Ｃｔの中心を、Ｃｔ０と定義する。

円Ｃｔの半径Ｒは、以下の式（２）で表現される。
Ｒｔ＝（Ｌ－ｘ／ｓｉｎθ）ｔａｎ（π／２－θ／２）
Ｒ＝（Ｌ－ｘ／ｓｉｎθ）ｔａｎ（π／２－θ／２）－Ｄ・・・（２）
Ｒｔは、中心Ｃｔ０とＹ１軸との間の距離である。

以下、スペース４２内にて試料管２８の円柱軸の方向（つまり試料管２８の向き）を転換するときの試料管２８の動きについて説明する。ここで、試料管２８の方向が転換されるときに、試料管２８の頂点ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤのそれぞれが描く軌跡を、ＣＳＡ，ＣＳＢ，ＣＳＣ，ＣＳＤと定義する。試料管２８がスペース４２内にて方向転換するとき、頂点ＳＣは、常にＸ１軸に沿ってＸ１軸の原点まで動き、試料管２８の線分（ＳＢ－ＳＤ）は、円Ｃｔに接している。つまり、試料管２８の線分（ＳＢ－ＳＤ）が円Ｃｔに接した状態で、頂点ＳＣがＸ１軸に沿ってＸ１軸の原点まで動きながら、試料管２８は方向転換する。頂点ＳＣのＸ１軸上での軌跡が、方向転換機構２４の内壁の一部を構成し、円Ｃｔにおいて線分（ＳＢ－ＳＤ）が接する部分が、方向転換機構２４の内壁の一部を構成する。このように、試料管２８の少なくも２点（つまり、頂点ＳＣと線分（ＳＢ－ＳＤ））が方向転換機構２４の内壁に接しながら、方向転換機構２４にて試料管２８の方向が転換する。つまり、方向転換機構２４は、その円弧状の内壁に少なくとも２点に試料管２８を接しさせながら投入口２０に向けて試料管２８の向きを変えさせる形状を有する。試料管２８が、座標変換前のＹ軸に当たるときの頂点ＳＣの位置、つまり、試料管２８の頂点ＳＡが、Ｘ軸及びＹ軸で構成される座標系の原点（（Ｘ，Ｙ）＝（０，０））に配置されるときの頂点ＳＣの位置は、頂点ＳＣ０の位置である。

方向転換中の試料管２８と円Ｃｔとの接点を、接点ＳＥと定義する（図１０参照）。接点ＳＥと中心Ｃｔ０とによって形成される線分と、頂点ＳＣ０と中心Ｃｔ０とによって形成される線分と、がなす角度を、角度（２α）と定義する。

試料管２８の方向転換中、角度αは、０＜α＜（θ／２）の範囲を動く。

試料管２８の方向転換中の頂点ＳＡの軌跡ＣＳＡと頂点ＳＢの軌跡ＣＳＢは、以下の式（３）で表現される。
CSA(X,Y)=（Lsinθ－(L－x/sinθ)tan(π/2－θ/2)tanαsinθ－Lsin（θ－2α）,
－｛Lcosθ－(L－x/sinθ)tan(π/2－θ/2)tanαcosθ－Lcos（θ－2α）｝)
CSB(X,Y)=（Lsinθ－｛(L－x/sinθ)tan(π/2－θ/2)－Ｄ｝tanαsinθ
－(L－Ｄtanα)sin（θ－2α）+Ｄsin(π/2－θ),
－｛Lcosθ－｛(L－x/sinθ)tan(π/2－θ/2)－Ｄ｝tanαcosθ
－(L－Ｄtanα) cos（θ－2α）｝+Ｄcos(π/2－θ)）・・・（３）

上記の式（３）では、ｘ／Ｌが変数となり、各軌跡は、実際に試料管２８を動かすことで求められる。

上記の軌跡に従って方向転換機構２４を加工することで、上記の軌跡に従った形状を有するスペース４２を形成することができる。なお、上記の軌跡を円によって近似することで、スペース４２の形状を簡略化してもよい。

本実施形態に係る方向転換機構２４によれば、１回の方向転換によって、試料管２８をＮＭＲプローブ装置１６から排出することができる。同様に、１回の方向転換によって、投入口２０から投入された試料管２８を試料管支持装置１８に移送することができる。

また、図８に示すように、近似円３８の大きさを小さくし、その大きさ及び形状に応じて方向転換機構２４の大きさ及び形状を形成することで、投入口２０の位置を、Ｘ軸上にて試料管支持装置１８に近づけることができる。その結果、Ｘ軸上にて投入口２０と試料管支持装置１８との間の距離を短くすることができるので、ナローボアプローブ等のように空間的に制約のあるＮＭＲプローブ装置に、本実施形態に係る方向転換機構２４を適用することができる。

また、試料管２８の排出時に方向転換機構２４によって試料管２８の方向を転換するときに、試料管支持装置１８から排出された試料管２８の先端部２８ａが、方向転換機構２４の内壁に接触せずに（つまり、先端部２８ａが内壁に衝突せずに）、試料管２８の方向を転換させることができる。先端部２８ａには、試料管２８を回転させるためのタービン翼が設けられている。先端部２８ａが内壁に衝突することを防止することで、その衝突によってタービン翼が破損することを防止することができる。

また、負圧発生装置２６によって試料管２８を吸い上げることで、試料管２８を方向転換させるためのガスを方向転換機構２４に供給する必要がない。それ故、ガスを供給するための吹き出し口を設ける必要がない。また、ガスを供給しないことで、試料管支持装置１８内の雰囲気を維持することができる。

また、試料管の回転や温度制御のために、空気、窒素又はヘリウム等のガスが用いられる。負圧発生装置２６による吸い上げの方式を採用することで、他の方式に比べてガスのロスを減らすことができ、その結果、ガスの消費量を減らすことができる。また、試料管２８を排出するためにガスを用いないため、試料管２８の交換に伴うＮＭＲプローブ装置１６内の温度変化を抑制することができる。

なお、試料管支持装置１８から排出された試料管２８が初めて突き当たる通路の付近に、ガスを供給することで、試料管２８の方向転換を補助してもよい。例えば、図８に示されている符号５０が指し示すように、試料管２８の排出時に試料管２８の後方から試料管２８に対してガスを噴出することで、試料管２８の方向転換を補助する。また、投入口２０から試料管２８を投入して試料管支持装置１８に試料管２８を導入するときに、符号５２が指し示すように、試料管２８に対してＸ軸の方向からガスを噴出することで、試料管２８の方向転換を補助してもよい。

以下、方向転換機構２４と試料管支持装置１８との間に形成された隙間３０について説明する。

方向転換機構２４は試料管用通路２２に接続されており、試料管用通路２２は、ＮＭＲプローブ装置１６の外部の部品に接続されている。したがって、仮に、方向転換機構２４と試料管支持装置１８とを接続する場合、ＮＭＲプローブ装置１６の外部の部品も一緒に動かす必要がある。また、仮に、方向転換機構２４と試料管支持装置１８とが接続されていると、試料管支持装置１８の傾きをマジック角θに調整するときに、ＮＭＲプローブ装置１６の外部の部品も一緒に動かす必要がある。また、試料管２８が通る部分の部材をフレキシブルな部材を用いる必要があり、用いる材料が制約される。例えば、常温以外ではゴム系の材料を用いることができない。

試料管支持装置１８と方向転換機構２４とを分離し、これらの間に隙間３０を形成することで、これらの課題を解決することができる。つまり、試料管支持装置１８と方向転換機構２４とを接続する必要がないため、方向転換機構２４及び試料管用通路２２を動かす必要がない。また、試料管支持装置１８と方向転換機構２４とが分離しているため、試料管支持装置１８の傾きをマジック角θに調整するときに、方向転換機構２４及び試料管用通路２２を動かす必要がない。

例えば、直径が３．２ｍｍや４ｍｍ程度の試料管２８を移送する場合、内径（直径）が５ｍｍの通路では、隙間３０の距離は、０．０１ｍｍ～０．８ｍｍ程度である。隙間３０が大きくなるほど、試料管２８を移送し難くなるので、より大きな差圧が必要となる。差圧は、負圧発生装置２６による負圧によって生成される。なお、投入口２０へ試料管２８を排出するときに試料管２８の後方からコンプレッサーによって圧力を加える方式が採用される場合、差圧はコンプレッサーによって生成される。

試料管２８が、試料管用通路２２、方向転換機構２４及び隙間３０を通るときに（つまり、通路の全域に）、試料管２８の周囲に０．２ｍｍ～１．０ｍｍ程度の隙間があることが好ましい。このような隙間を形成することで、通路の全域にて試料管２８をスムーズに移動させることができる。例えば、試料管支持装置１８の位置と方向転換機構２４の位置とを合わせて、試料管２８を試料管支持装置１８と方向転換機構２４との間でスムーズに移動させることができる。

隙間３０の形状は、例えば、平行平板、試料管支持装置１８の回転軸を中心とした円弧状の形状、又は、ラビリンスシール等である。

方向転換機構２４の材料は、例えば、金属、セラミック系の材料、又は、樹脂である。

金属として、例えば、硬さが４０～３１０ＨＶの銅系の材料が用いられる。

セラミック系の材料として、例えば、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、又は、炭化ケイ素等のように、研磨することで表面粗さがＲａ１．６μｍ以下にすることが可能な材料が用いられる。硬さ（Ｎ／ｍｍ^２）が８４０～３０００ＨＶのセラミック系の材料が用いられる。

樹脂として、例えば、ＰＣＴＦＥやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂、又は、ＰＥＥＫやＶＥＳＰＥＬ（登録商標）等のポリイミド樹脂等が用いられる。

上記の材料を用いることで、ＮＭＲプローブ装置１６が冷却又は加熱されたときに、収縮又は膨張によって試料管支持装置１８が引っ張られることが抑制され、安定してマジック角を調整することができる。

１０ ＮＭＲ装置、１６ ＮＭＲプローブ装置、１８ 試料管支持装置、２０ 投入口、２２ 試料管用通路、２４ 方向転換機構、２６ 負圧発生装置、２８ 試料管、３０ 隙間。

Claims (4)

1. ＮＭＲ測定中にＮＭＲ測定用の試料管を支持する試料管支持装置と、
   前記試料管を前記試料管支持装置に出し入れするための投入口と、
   前記試料管支持装置と前記投入口との間において前記試料管が通る経路上に設置され、円弧状の形状を含む形状を有し、前記試料管が通る方向転換機構と、
   を含み、
   前記方向転換機構は、前記試料管が前記試料管支持装置から前記投入口に移動して前記投入口から排出されるときに、前記方向転換機構の内壁の少なくとも２点に前記試料管を接しさせながら円弧に沿って前記投入口に向けて前記試料管の向きを変えさせる形状を有し、
   前記方向転換機構は、前記投入口に向けて前記試料管の向きを変えるときに、前記試料管の側面を前記円弧に接触させた状態で前記試料管の向きを変えさせ、
   前記円弧は、前記方向転換機構において、静磁場に対するマジック角を規定する面に対向する面に形成されている、
   ことを特徴とするＮＭＲプローブ装置。
2. 請求項１に記載のＮＭＲプローブ装置において、
   前記試料管支持装置から前記投入口にかけて前記試料管を吸引することで、前記試料管を前記投入口から排出させる装置を更に含む、
   ことを特徴とするＮＭＲプローブ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＮＭＲプローブ装置において、
   前記試料管支持装置は、静磁場に対してマジック角に傾斜した状態で前記試料管を支持し、
   前記円弧は、アステロイド曲線をマジック角に傾斜させることで得られる曲線の一部の形状を有する、
   ことを特徴とするＮＭＲプローブ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＮＭＲプローブ装置において、
   前記方向転換機構と前記試料管支持装置は接触せずに設置され、前記方向転換機構と前記試料管支持装置との間に隙間が形成されている、
   ことを特徴とするＮＭＲプローブ装置。

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