JPS58154645A - 高速核磁気共鳴測定用スピナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明ｒｉ杉磁気共鳴（ＮＭＲ）測定用スピナ、更に＃
しくは固体物性の研究に用いられる新規な又改良された
高速円筒型ＮＭＲスピナに関する。

ａ常、固体の核磁気共鳴の研究用［２つのタイプの高速
スピナが用いられている。纂−のタイプは軸受及び駆動
システムの両者に単一円錐面を採用している。このタイ
プのスピナは製造及び操作が容易であるが、不拘−サン
プルｔテストする場合にスピナの回転子か仲々安定化し
ないと云う欠点がある。

第二のタイプのスピナは別々の軸受と駆動システムを採
用している。このスピナは回転子が小さなナイロン製の
軸上を回転する設計のものを含む０この設計はバランス
と中）し性が１ｉｌｉｆｔｌｆに保たれ九固体回転子に
対してのみ満足すべＩ！ものである。

その他の設計としでに油潤滑の軸受のものがある。

この設計は軸受表面に生ずる過剰な熱を防止する友めＶ
Ｃ高流速の低粘度油を要するので通常は余り好筐しく　
ｆｔ　Ｖ−ｏ第三の設計、即ち本発Ｗｌｉに関連する設
計Ｖｉ空空気軸受１回回転る回転子を用いるものである
。典型的な設計の記述なジャーナルオブマグネチソクレ
ゾナンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＭａｇｎｅｔｉｃＲ
ｅｓｏｎａｎｃｅ）４２．４４０　１９８０に、１ツク
マン、了う、及びバインズ（Ｅｃｋｍａｎ　、　Ａ１１
ａ　ａｎｄ円ｎｅｓ　）に工っ一〇発表されている。本
発明に至る筐で、空気１ｆｆｌ　受’を用いるスピナは
回転子の安定性及び駆動効率の不足し友ものでおつ九。

本発明の目的は空気軸受によって支承され、回転子の安
定性の改良された固体の物性研究に用いられる高速ＮＭ
Ｒ測定測定ピナｋｌｌ造することにある。

更に本発明の目的は空気軸受によって支承され、駆動効
率の改善さｎた高速ＮＭＲ測足用足用スピナ供すること
にある。

史に本発明の他の目的は広い温度範囲にわ九っで作動ｉ
＋Ｊ龍な高速ＮＭＲ糊足用足用スピナ供することにある
〇 本発明のこれらの又その他の目的は圧カードの流体を分
配するためのハウジング、固定子及び回転子を含んでな
る高速円筒形核磁気共鳴測定用スピナであって、該固定
子は核磁気共鳴受信用コイルを受容する几めに前記ハウ
ジング内に取付けられ、且つ固定子内部の少なくとも２
ケ所に加圧流体を導入する友めの手段を含み、ｌ１ＩＩ
記回転子が＃１ｉ訛体によって固定子内に支承され、更
に固定子内の回転子の回転を生ぜしめるための駆動用噴
射孔によって導入された流体によって１勤する駆動手段
を含んでなる高速円面杉核磁気共鳴測足用スピナシてよ
って達成さ几る。

なお回転子の支持、駆動用に用いられる流体は空気が望
ましいが、窒素又はヘリウムのようなガスでもよい。

以下図面に泰いて本発明を更に詳細に説明する。

本発明にか−る核磁気共鳴測定用のスピナの好適な実施
ガは第１図及び紀２図に示す如く一対のプレート１２及
び１４によってその開放１１１１ｔ閉鎖さＡ７を円筒形
のハウジングＩＯＦ＠んでなる。複数の孔１６及び１８
がプレート１２．１４に夫々設けらｎ、ハウジング内［
存在する空気を大気中に排出する４能を果すうハウジン
グ１０は２気圧から５気圧の高圧下の空気又はガス等の
流体ｔホースの妬き手段／Ｃ工ってその内部に供給され
るよ　　・うに開口２ｏ及び２２に有している。

固定子２４１７、ウジ、グ、。８ンで、グ２６゜２７．
２８及び２９によって支承されている。該ＯＩＩ　ンｆ
ｕ未光填のヴイトン（Ｖｉ　ｔｏｎ　＋フルオロカーボ
ン）又１まシリコンラバのいず７Ｌかでｎａｇｎること
が好筐しいが、他のエラストマでもかまわない。シリコ
ンラバは非常な低温又は非常な高温下での操作に好まし
いが一般的にヴイトンが好ましい。０リング２８に開口
２０及び２２の間に取付けられ、これによって前記各開
口食通してノ・ウジングＩＯＫ供給された高圧空気を隔
絶していることが判る。この隔絶ｌｌＩは振動的不安定
性域を越える回転子の回転全可能にするＯｌ！に軸受用
空気のみｔ冷却又は加熱すればよいので各種温度の実験
が簡略に行なえる。このことはヘリウムガスを用いるこ
となしに低温での高速回転を可能にする。

固定子２４は通常均一な薄壁構造ｔなし、その肩部は膨
隆して厚壁区域２４ム及び２４ｙとな９ｍ！に厚い終点
区域２４見及び２４ｙになっている０該固定子は拳禿ア
ルミナ又は窒化硅素から作られる０もし固定子２４が高
強力、高剛性セラミックで作られるのならば固定子の中
央部の厚さは固定子の直径の約４％Ｋｔで減らすことが
できる。

固定子２４の中央部の外周には核磁気共鳴受信コイル３
０が取付けられている０最適な感度を得る之めに、コイ
ル３０の長さは中央部における固定子の１に匝の約１＆
び１．５倍であるべきである。

該コイル３０１ユその：置所に耐火モルタルによって固
定される。コイル３０の固定子上へのモルタル固定はコ
イルの撮動によって生ずるかも知れない偽せの効果を減
少し、又固定子２４にいくらかの強度１割注、及び電ｔ
ｔ−付加し、更により高い無線周波数のパルスパワを許
容するＯ ＩＡ定子２４の中央外周部に４つの孔３２が投けら几て
いる。鎖孔３２は固定子内に取付けらｆ’した回転子（
後述する）ｋ冷却するｔめのものである０該孔３２は固
定子内で上昇する温度を５℃以下に保つのに光分な空気
を供給し、文種々の温ｇＬ実験ｔするのに役立つ。

固定子２４の４壁区域２４ａ又は２４８′にはその外周
上ｖｃａ叔の空気軸受孔３４及び３６が犬々設けられて
いる。本発明の好適実施例によれば、各厚壁区域は１２
の′４間隔配置されｔ軸受孔及び一つのエアポケットを
固定子２４の円周面１Ｃ４ｒしている。空気軸受用孔の
好適形状ｋＪａ図に示す。

各孔３４及び３６は通′ｇその略々全長にわたって円形
断面であり、固定子の外周面から円周面に向って大径か
ら小径になるようなテーパを有する部分３４ａ又は３６
ａｋ含む。浅い凹穴即ちポケット３４ｂ又は３６ｂｒｉ
通常楕円９円又は方形の断面【なし、固定子の内周面上
に設けられている。

このポケットは回転子と固定子の間の関−内のその周辺
に沿って亜音速ａｔ維持するようＶｃ磯罷する。この結
果空気軸受の強度がＪＩＩ加しこｎによって［ｇ１転子
の共鳴周波数が上昇する。

固定子２４の厚壁区域２４ｂはその内ｆｆ１１周壁に沿
って４つの孔即ち空気噴射孔３８ｉ自°している。この
空気噴射孔３８の好４態様は第４図に示されている。こ
＼に示された如く、孔は比較的長い截頭円錐形部３８ｍ
と比較的短かい截頭円錐形部３８ｂを以って形成されて
おり、夫々約１５’のテーバ角を有する。拡開した部分
３８ｂは閉ムの潜在可能性及び該噴射孔を超＃迷で通過
する空気によって生ずるショックに減少せしめるｉｌｌ
きに７１す。該噴射孔３８は空気を固定子内部に接線方
向に導入するように配積されて込る０ 固定子２４内には好ましくＦｉｓ化アルミナ又は窒化硅
素のいずれかで製造された円筒形の回転子４０が取付け
られている０核磁気共鳴を測定されるべき固体は回転子
内に充填される酸化アルｉすで製作された１２ｆｆＩ１
１直径の回転子においては、壁厚は約０．７−である。

窒化硅素で作製され九回転子においてに壁厚は約０．５
Ｍである。固定子２４と回転子４０の間の半径方向の間
隙は回転子４０の回転周波数よりも大きい撮動周波数を
得るために非常に小さくなければならない。本発明者は
表面速度が０．５Ｃ即ち音速のｌ／２である１２−径の
回転子に対しては、半径方向の関１１ｒｉ０．０２５−
より大きくてはいけないことｔ見出し友。

回転子４０は端部キャップ４２によって、端部プレート
１４に相対する熾！Ｂを閉鎖されている。

端部キャップ４２０内ｌｌにはグラファイトを充填され
たポリイミド又ｒｆ横掩アルミナ又は窒化硅素の如き耐
摩耗性材料で製作さｎ九ボタン４４が取付けられている
。ボタン４４の中心は固定子の熾部プレート１４０内側
に取付けられた円錐形の軸受４６の突端と同一軸上にあ
り、且つこｎＫ係合している。軸受４６は固定子内部の
回転子４００軸位置を維持するＯ １転子４０の反対側の端部は衝撃タービンの形状ｔなす
回転子駆動用端部キャップ４８によって閉鎖されている
０即ち該端部キャップはその周面に設けらｆｔ７ｔ１２
の切割り又はパケット４９によって形成され丸興【有す
る。鎖員は固定子２４の厚壁区域２４ｂＫ形成された空
気噴射孔３８と協働する。このように構成されているの
で切割９４０は噴射孔３８から端部キャップ上に衝突す
る空気【偏向せしめ、高速で良好な反動を与える。

咳切割ｖ４９の最適深さは開口３８の拡開！１１３８ｂ
の直径の約０．９倍であることｔ本発明者は見出した０ 操作に当っては約４気圧の圧力を有する空気が開口２０
及び２１を通じて別々にノ・ウジフグ１０内供給される
。開口２０からの空気は空気軸受孔３４及び３６に介し
て固定子２４０内部へ導入される。回転子４０はこの加
圧空気によって固定子２４の内部で支承される。

開口２２’に通過した加圧空気は回転４の駆動側端部キ
ャップ４８の翼に供給され、該端部キャップを円周方向
に駆動する。−万、回転子に該１部キャップ４８によっ
て回転せしめられ、徐々に所望の回転周波数、典型的Ｖ
Ｃは４部Ｍｚ　　Ｖｃまで増速される０各種温度、各種
回転周波数に関する新規な実験を含む種々のタイプの核
磁気共鳴実験を行なうことができる。

第１〜４図に示す設計においては、固定子２４と回転子
４０の間の半径方向の間隙は小さく保之れ、空気軸受３
４に回転子４０？その幾何学的軸を中心に回転せしめる
ように制御するの番で必要な対称的な刀？支持するのに
充分な＃宜容量？有している。更に、回転周波数は回転
子４ｏの共鳴振動数よりも小さいことが多い。

最適な結果は谷部パラメータの適当な値によるものが大
きい。流体流れシステムの等温間解析によれば墳も重要
なパラメータは回転子４ｏと固定子２４閣の半径方向の
１ｕｌｌ！Ｉｒ、であつぇ。Ｍ適値Ｆ′ｉ久の刀根式に
よってｃｇｓ　Ｉｋ立で与えられる。

ここでμｒｉ流体、之とえば窒ス又はガスの動粘性、ｒ
ｌｆｌ：回転子の半径、Ｃは空気軸受内の条種下に一ン
ける一ｆＪ、更にρは空気軸受内のガスの平均密度であ
る。

空気咄是孔３４及び３６は円錐モードの共鳴局波数を増
７′ＪＯせしめるため回転子４ｏの端部近ｆ！ｌに配置
１さ几ている。孔と回転そ４ｏの４部との間の最適比ａ
１１に ’Ｉ　”　１１←πｒ２／ｎ こ＼でｒｕｓｔポケットのＩＰ均半径、ｎｙｊ各１部に
訃ける壁、ａ軸受の故である。

空気軸受孔３４．３６の最小断面における最適半径ｒ０
は ３　　と ｒｏ＝（２，８ｒｃ／ｃ）　　ＸＩＱ’５ｅｃ−’であ
る。

ポケット３４ｂ　、３６ｏの固定子２４の内周面におけ
る最適平均半径ｒ１は ｒ、＝２／３ｒ、ζｈｃ である。

ポケットの最１Ｍ深さｈｒｉ ｈ＝２／３ｒ。

である。

回転子４０の最適壁厚Ｗに小さな核磁気共鳴を有する異
方性の典型的な場合にはサンプルの密Ｋが回転子材料の
密度の０．２５倍から１．０＠ｉで変わるにつれて（１
，０８ｒ２から０．１１ｒ２ｔでの範囲にある。大きな
核Ｍｉ気共鳴紮有する異方性の余り一般的でない場合Ｖ
Ｃに、サンプルの密度が回転子材料の密質の０２５倍か
ら１０倍まで変わるにつれて最適壁厚さｒｉＩｔ、　ｌ
　２　ｒ２から０．１９ｒｌｌでの範囲にある。

第１表ＫＬ軸受流体として空気を使用する場合の典型的
な推奨条件が掲げられている。すべての寸法は情で承さ
れている。

以下余白 第　１　表 ｒ、　　　　　ｒｃｒ６　　　　　ｒ＋　　　　　　Ｗ
Ｏ，２５０，Ｌ１０２１　　　ｔ）、０１１　　０．０
２３　　０．０２〜０．０５０．４　　　０．００２４
　　０．０１３　　０．０３０　　０．０３２〜０．０
８０．６　　　０．（１０２７０，０１ｇ　　　０．０
３８　　０．０５〜０．１２本発明は特別の実施ｆｌｉ
ｌｒＣついて説明され九が、当然この他にも本発明の範
ｆ！ｌ′に越えることなく多くの改良、変形が可能であ
る□九とえば回転子の固定子内ての軸方向位置１維持す
るために、軸受４６を水力学的推力軸受に代えることも
できる。

水力学的推力軸受は南部キャップ４２の軸方向に砥びる
−に対面する固定子の端部区域２４ｂの内側面にカラ１
−［付けることによって形成することがで龜る。肩部キ
ャップ４２とカラの間に４人される軸受用空気は回転子
の軸方向位置を維持する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にか＼る高速円筒状核磁気共鳴測定用ス
ピナの貴所面図、纂２１！１１は纂１図の２−１線に沿
う断面を矢印の方向から見＊＊Ｗ＃Ａ、纂３図は第１図
の一部を構成する固定子内に形成された空気軸受開口の
一つの拡大断面図、及び嘱４図は纂１図の実施ψＭの一
部を形成する固定子に形成された空気噴射孔の一つの拡
大断面図である。 １０・・・・・・ハウジング、１６．１８・・・・・・
孔、２０．２２・・・・・・開口、３０・・・・・・コ
イル、３８・・・・・・空気噴射孔、４０・・・・・・
回転子。 特許出願人 ユニバーシティ　オノ　サウス キャロライナ 特許出願代理人 弁理士　青　木　　　　朗 弁理士　西　舊　和　之 弁理士　山　口　昭　−之 １４曲のＩ′？１身（内１”ｉに変Ｃなし）手続補正書
　Ｃ方式） 昭和５８年４　月づ日 特許庁長官若杉和夫殿 １、事件の表示 昭和５８年　特許顧　　第００００２４号２、発明の名
称 高速被磁気共鳴測定用スピナ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４、代理人 （外　２　名） ６、補正の対象 （１）願書の「出願人の代表者」の欄 （２）姿任状 （３）図　面 ７、補正の内容 （１１、（２１別紙の通り （３）図面の浄書（内容に変更なし） ８、添付書類の目録

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　圧力下の流体を分配する九めの７１ウジング、固定
   子及び回転子を含んでなる嵩速円筒形核磁気共鳴測定用
   スピナであって、該固定子は核磁気共鳴受信用コイルを
   受容する友めに前記ノ〜ウジング内に取付けられ、且つ
   固定子内部の少なくとも２ケ所に加圧流体を導入するた
   めに該固定子のＩ２１ｉＩＷ６近傍に形成され友軸方向
   に距九つ九纂ｌ及び纂２の流体軸受用孔群【含み、前記
   各流体軸受孔は固定子の内周面に拡開した開口部を有し
   、更に固定子内の第３の開所に加圧流体を導入するため
   に固定子の肩部に設けられた駆動用噴射孔を形成する艶
   に他の開孔群を含み、又前記回転子が！ＩＩｒ記第１及
   第１２の流体軸受用孔群によって導入さｆＬ九流体によ
   って固定子内に支承され、更に固定子内の回転子の回転
   を生ぜしめる友めの駆動用噴射孔によって導入された流
   体によって作動する駆動手段を含んでなる高速円筒形核
   磁気共鳴測定用スピナ２、回転子を支承し、駆動する流
   体が空気であり、且つ回転子が固定子と半径方向に僅か
   な距拳を以って離れて取付けられている特許請求の範囲
   第１項に記載され九スピナ ３、回転子の駆動手段が固定子に形成さｌｒ′Ｌｔ駆動
   用噴射孔と協働するａｔ有するタービンの形【した毫部
   キ今ノブを含んでなる特許請求の範１！！第２項に記載
   されたスピナ ４　固定子に形成された各駆動用噴射孔が小孔部同士が
   結合され九不等長の２つの截頭円錐状ｔなし、該截頭円
   錐区域の短かい方は固定子上の回転子に対面する情に形
   成されている特許請求の範ｔ！１ｇａ項に記載さｎ之ス
   ピナ ５、回転子′ｆ：固足子内で支承するために固定子に形
   成された開口部が小孔ｖｉ５同士が結合され九不等長の
   ２つの截頭円錐状ｔなし、該截頭円錐区域の短かい万は
   固定子上の回転子に対面する側に形成されている特許請
   求の範囲第３項に記載されたスビナ ６、固だ子に、軸方向に距九つｔｍｌ及び第２孔群の中
   間に更に冷却用空気孔として機能する孔が形成さ几てい
   る特許請求の範囲第３項に記載され九スピナ ７、　更に固定子を弾性的に支承するためにノ〜ウジン
   グ内に設けられ７ｔＯＩＪングを含む特許請求の範囲＠
   １項に記載されたスピナ ８、固定子内に回転子音軸方向に泣筐せしめる九めの手
   段ケ含み、該手段は回転子ｔその軸上に支承する定めに
   固定子の一端に取付けら１１７を円錐形状の軸受【含ん
   でい４％許請求の範囲第３項に、記載さｎたスピナ