JPWO2010041712A1 - 核磁気共鳴装置用送受信切替回路および核磁気共鳴装置 - Google Patents
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Abstract
Description
VS:検出される核スピンに由来するNMRシグナルの起電力(電圧単位)
VN:検出コイル〜前置増幅器出力までの雑音起電力の総和(電圧単位)
M0:当該静磁場における核スピンの熱平衡磁化
θm:検出コイルの作る振動磁場と静磁場の為す角度
μ0:真空の透磁率
vs:試料体積
ω0:当該静磁場における核スピンのラーモア周波数
kB:ボルツマン定数
Δf:観測帯域幅
Qc:検出コイルのQ値
ηf:フィリングファクター。原則的には試料空間における磁場強度とコイルが感じる全体の磁場強度との比(ソレノイドコイルの場合、簡単に、試料体積とコイル内の円筒体積との比で表わす)
Tc:検出コイル導体温度
Ta:前置増幅器の雑音温度
検出部を低温に冷却して熱雑音を低減したMAS(Magic Angle Spinning)プローブは、試料を室温〜所望の温度範囲に温度制御しながら高速回転(現状で〜8kHz)させ、かつ磁化検出コイル(高周波パルス送信コイルを兼ねる)を極低温下(現状で〜20K以下)に置くことにより、以下の2項目、すなわち、
(1)検出コイル導体由来の熱雑音(導体温度Tcに依存)を低減すること。
(2)検出コイル導体自身の電気抵抗(導体温度Tcに依存)を低減し、高周波抵抗を下げることにより、コイルのQ(Qc)を向上させること。
について改善し、室温下に置かれた試料に対するNMRスペクトルの感度向上を目指すプローブである。
(1)検出コイル由来の熱雑音(Tcに由来する)。
(2)検出コイル〜前置増幅器の間(デュプレクサを含む)の挿入損失。
(3)前置増幅器の雑音指数(Taに関連する)。
(1)比較的に高温下に置かれたデュプレクサにおける挿入損失が、全体の雑音に比べて無視できなくないほど大きくなること。
(2)デュプレクサの設置箇所からの熱流入のために、コイル・前置増幅器の設置温度の到達限界が決定されてしまうこと。
の2つである。
2 位相制御器
3 振幅制御器
4 電力増幅器
5 デュプレクサ
6 NMRプローブ(検出コイル)
7 前置増幅器
8 受信器
9 A/D変換器
10 制御コンピュータ
11 駆動回路
12 同軸ケーブル
13 クロスダイオード
14 クロスダイオード
20 送受信切替回路基板
21 対電力増幅器入力端子
22 対NMRプローブ入出力端子
23 対前置増幅器出力端子
24 クロスダイオード
25−1 移相器
25−2 移相器
25−3 移相器
26 クロスダイオード・シャント
27 クロスダイオード・シャント
28 RF−MEMSスイッチ・シャント
29 スイッチ駆動用端子
31 低温用デュプレクサ
32 前置増幅器
33 輻射シールド
34 コールドステージ
35 第2熱交換器
36 液体ヘリウム溜め(第1熱交換器)
37 送受信コイル
38 同調整合用バリコン
39 液体ヘリウム注入口
40 ヘリウムガス出口
41 前置増幅器の出力端子
42 対電力増幅器入力端子
43 スイッチ駆動用端子
44 液体ヘリウム送液パイプ
45 ヘリウムガス戻りパイプ
51 検出部
52 中継部
53 電気回路部
54 冷媒導入導出部
(1)高出力高周波(RF)照射時(図5の場合):このときは、全てのクロスダイオードが導通状態となる。また、シャント28のRF−MEMSスイッチは、スイッチ駆動用端子29への入力信号により、能動的に導通状態にさせる。
(2)試料磁化検出時(図6の場合):このときは、NMR信号が電力レベルとしてきわめて小さいため、全てのクロスダイオード24、26、27が絶縁状態となる。また、シャント28のRF−MEMSスイッチは、スイッチ駆動用端子29への入力信号を切ることによって、能動的に絶縁状態にさせる。
(3)RF−MEMSスイッチ切替のタイミング
本発明にかかる低温デュプレクサの上記(1)〜(2)における動作の間、RF−MEMSスイッチがどのように切り替られるかを、図7のタイミング・チャートに示した。GaAs PINダイオード、GaAs ショットキバリアダイオードはピコ秒の切替速度を持つが、RF−MEMSスイッチの切替速度は機械的動作を伴うために、それよりもずっと遅い(10μs以内)。
Claims (10)
- 熱雑音を下げるために低温に冷却されて使用される核磁気共鳴装置用送受信切替回路において、
観測用の高電力の高周波パルスが入力される第1の端子と、
高周波パルスを試料に照射すると共に試料からの核磁気共鳴信号を検出するための核磁気共鳴検出器に接続される第2の端子と、
核磁気共鳴信号を外部の受信回路に向けて出力するための第3の端子と、
前記第1の端子から入力された高周波パルスを前記第2の端子へ供給するクロスダイオードと、
前記第2の端子から入力される核磁気共鳴信号を前記第3の端子へ伝送する伝送線路と、
該伝送線路に介挿される直列接続された複数段の移相器であって、前記高周波パルスの高周波の位相を(90°+180°×n)(ただし、nは0または自然数)で表わされる角度ずつそれぞれ移相させる移相器と、
前記複数段の移相器の各移相器の出力端と接地間にそれぞれ挿入されるシャントと
を備え、
観測用の高周波パルスが前記第1の端子に入力された場合には、前記クロスダイオードと前記シャントが導通状態になり高周波パルスが前記第1の端子から前記第2の端子を介して前記核磁気共鳴検出器へ供給され、
前記高周波パルスの照射後前記第2の端子から核磁気共鳴信号が入力される場合には、前記クロスダイオードと前記シャントが遮断状態となって核磁気共鳴信号が前記第2の端子から前記第3の端子へ伝送される
ように構成されていることを特徴とする核磁気共鳴装置用送受信切替回路。 - 前記複数のシャントは、前記第1の端子から前記第3の端子に向けて、前記第1の端子側に配置された、より耐入力性能の大きなシャントと、前記第3の端子側に配置された、よりリーク電力の小さなシャントとから構成されることを特徴とする請求項1記載の核磁気共鳴装置用送受信切替回路。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、初段の移相器の後段に置かれたシャントとして、GaAsPINダイオードで構成されたクロスダイオードが配設されていることを特徴とする請求項1または2記載の核磁気共鳴装置用送受信切替回路。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、前記GaAsPINダイオードで構成されたクロスダイオードが配設された段の次段の移相器の後段に置かれたシャントとして、GaAsショットキバリアダイオードで構成されたクロスダイオードが配設されていることを特徴とする請求項3記載の核磁気共鳴装置用送受信切替回路。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、前記GaAsショットキバリアダイオードで構成されたクロスダイオードが配設された段の次段の移相器の後段に置かれたシャントとして、観測用の高周波パルスが前記第1の端子に入力された期間にオンになり、高周波パルスの照射後前記第2の端子から核磁気共鳴信号が入力される期間にオフになるように制御されるRF−MEMSスイッチが配設されていることを特徴とする請求項4記載の核磁気共鳴装置用送受信切替回路。
- 請求項1記載の核磁気共鳴装置用送受信切替回路を組み込んだ検出コイル冷却式固体核磁気共鳴装置。
- 前記複数のシャントは、前記第1の端子から前記第3の端子に向けて、前記第1の端子側に配置された、より耐入力性能の大きなシャントと、前記第3の端子側に配置された、よりリーク電力の小さなシャントとから構成されることを特徴とする請求項6記載の検出コイル冷却式固体核磁気共鳴装置。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、初段の移相器の後段に置かれたシャントとして、GaAsPINダイオードで構成されたクロスダイオードが配設されていることを特徴とする請求項6または7記載の検出コイル冷却式固体核磁気共鳴装置。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、前記GaAsPINダイオードで構成されたクロスダイオードが配設された段の次段の移相器の後段に置かれたシャントとして、GaAsショットキバリアダイオードで構成されたクロスダイオードが配設されていることを特徴とする請求項8記載の検出コイル冷却式固体核磁気共鳴装置。
- 前記移相器は直列接続された複数段の移相器から成り、前記GaAsショットキバリアダイオードで構成されたクロスダイオードが配設された段の次段の移相器の後段に置かれたシャントとして、観測用の高周波パルスが前記第1の端子に入力された期間にオンになり、高周波パルスの照射後前記第2の端子から核磁気共鳴信号が入力される期間にオフになるように制御されるRF−MEMSスイッチが配設されていることを特徴とする請求項9記載の検出コイル冷却式固体核磁気共鳴装置。
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