WO2007049426A1

WO2007049426A1 - 核磁気共鳴プローブおよび核磁気共鳴装置

Info

Publication number: WO2007049426A1
Application number: PCT/JP2006/319424
Authority: WO
Inventors: Haruhiro Hasegawa; Noboru Moriya; Hiroyuki Yamamoto; Kazuo Saitoh
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-05-03
Also published as: JP4755652B2; JPWO2007049426A1

Abstract

　磁場均一性、冷却性、支持性が良く、Ｑ値の高い超電導薄膜からなるソレノイド型プローブコイルを提供すること。円柱形状部と支持板部をつなぎ合わせた一体もので中心台を形成し、この中心台を用いてプローブコイルを構成する。

Description

明細書

核磁気共鳴プローブおよび核磁気共鳴装置

技術分野

[0001] 本発明は、試料に静磁場を加える手段である超電導磁石と先端部にプローブコィルを備えた低温プローブとから少なくとも構成される核磁気共鳴装置 (NMR： Nuclea r Magnetic Resonance)において、プローブコイルが基板上に开成された超電導薄膜からなる核磁気共鳴プローブおよびこれを利用した核磁気共鳴装置の構成に関する

背景技術

[0002] 従来、超電導薄膜からなる核磁気共鳴プローブコイルの構成については、特開平 11— 133127号公報において論じられている。この従来例は、いわゆる鳥かご型プローブコイルに関するものであり、超電導薄膜を形成した基板を試料に同軸の円筒状面上に配置し、プローブコイルを構成している。

[0003] 特許文献 1 :特開平 11 133127号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 高分解能、高感度の核磁気共鳴装置を実現するためには、試料に大きな静磁場を印加すること、および高感度のプローブコイルを用いることが有効である。均一な強磁場を発生するためには、磁場を発生する超電導磁石のボア径を小さくすることが望ましぐボアの中に配置するプローブコイルは占有空間を小さくする必要がある。プローブコイルは共振回路を形成する力高感度のプローブコイルを実現するためには

、プローブコイルの Q値（Quality factor)を高めることが有効であり、高い Q値を実現するためには共振回路を形成するプローブコイル内に含まれる抵抗を低減することが有効である。

[0005] 従来、超電導薄膜を用いてプローブコイルを作製する試みは、上記特開平 11—1 33127号公報において論じられている。超電導体は直流抵抗が零であると共に、高周波抵抗も小さぐプローブコイルの構成要素として有用である。実際、この場合、共振回路内に含まれる抵抗は、構成要素の抵抗と構成要素の接続部の接触抵抗の和としてのみ表され、超電導薄膜自体の構成要素としての寄与は無視できる。

[0006] 超電導薄膜からなるプローブコイルは、高い Q値を実現するために有用であるが、一方、超電導体は完全反磁性という性質を有し、 ΐΖ4 πという大きな磁化率を有する。従って、プローブコイルの設計に際しては、静磁場を乱さないように、静磁場の均一性を保つことが必要である。さらに、超電導薄膜を形成した基板を超電導臨界温度以下に冷却すること、超電導薄膜を形成した基板を堅固に支持する構造であることが必要であり、これらの 3つの条件を満足することが必要である。

[0007] 上記従来例は、超電導薄膜からなるプローブコイルに関するものである力いわゆる鳥力ご型プローブコイルにっ、て論じたものである。超電導薄膜を形成した基板の支持構造は、試料に同軸の円筒状面上に配置した構成である。プローブコイルには鳥かご型以外にサドル型、ソレノイド型がある力サドル型、ソレノイド型プローブコィルは、超電導薄膜を形成した基板を 2枚以上概ね平行に配置する。従って、上記従来例の構成をサドル型またはソレノイド型プローブコイルに適用することは難しい。

[0008] 本発明の目的は、サドル型またはソレノイド型プローブコイルの構成を提供することであり、特に、静磁場の均一性を保ちながら、超電導薄膜を形成した基板を熱伝導により十分冷却でき、かつ超電導薄膜基板を堅固に支持できる構成を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] 上記目的を達成するために、本発明の核磁気共鳴プローブコイルは、円柱形状部と該円柱形状部に一端が固着された円柱の長さ方向に延伸された超電導薄膜コィルの支持板部とを有する中心台を備える。前記超電導薄膜コイルの支持板部に基板上に形成された超電導薄膜コイルを保持し、前記円柱形状部を外部から冷熱を供給される熱交換器に接続する。前記超電導薄膜コイルの支持板部は、核磁気共鳴プローブコイルが置かれる場所に作用している磁場と平行の関係になるように形成する。

[0010] すなわち、前記中心台は円柱形状部を介在させて前記超電導薄膜コイルの支持板部を強固に保持するとともに、熱交換器の冷熱を前記超電導薄膜コイルの支持板部を介して前記超電導薄膜コイルに効率よく伝えるものとする。さらに、前記超電導薄膜コイルの支持板部は、核磁気共鳴プローブコイルが置かれる場所に作用してヽる磁場と平行の関係になるように形成して、静磁場の均一性を保持する。

[0011] なお、前記中心台の円柱形状部と超電導薄膜コイルの支持板部とは、一体構造に切り出されるものとすると、より冷却効果を増大できる。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、前記超電導薄膜コイルを強固に保持し、且つ、冷却効果が大きく、磁場の乱れを防止した核磁気共鳴プローブコイルを実現できる。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

[0014] (実施例 1)

一般に、プローブコイルには鳥かご型、鞍型とソレノイド型がある力ソレノイド型の方が鞍型や鳥力ご型よりも感度が高い。実施例 1は、高感度の核磁気共鳴装置を実現するために、静磁場を水平方向に印加し、水平方向に棒状に延伸したプローブに用いるものである。プローブの先端に超電導薄膜コイル力もなるソレノイド型の受信用プローブコイルを備えている。本実施例は、このプローブコイルの構成に関するものである。

[0015] 図 1は実施例 1のプローブコイルを実装した核磁気共鳴装置の全体構成を断面図の形で示す図である。 4および 4は静磁場をカ卩えるための 2分割されたソレノイドコィ

1 2

ルであり、横方向に置かれたものである。 5および 5は、ソレノイドコイル 4および 4

1 2 1 2 の外周に設けられた 2分割されたソレノイドコイルであり、磁場の補正のために設けられる。これらのコイルは、 2重化されたタンク 6、 7の中に実装される。内側のタンク 6には、液体へリウムが充填され、外側のタンク 7には液体窒素が充填される。ソレノイドコィル 4および 4のボア部は空間とされ、この空間を利用してプローブ 1が実装される

1 2

。プローブ 1は水平方向に棒状に延伸しており、プローブ 1の先端部被測定試料に静磁場をカ卩える位置一には、プローブコイル 2が設けられる。

[0016] 実施例 1のプローブコイルはソレノイド型である。プローブ 1の先端部のプローブコィル 2はコイルの中空の軸方向が試料の移動方向と同じ方向になるように配置され、計測試料を入れる試料管 3が挿入可能である。試料管 3は 2分割されたソレノイドコイル 4および 4の分割位置を利用して鉛直方向に挿入、引出する。従って、プローブコ

1 2

ィル 2は試料から出力された磁気モーメントのうち鉛直方向の成分を検出することになる。なお、図 1の下段に示した X、 Yおよび Z軸の方向は、以下の図面においても、同じ基準で示される。

[0017] 実施例 1では感度を高めるために受信用プローブコイルは鳥かご型や鞍型ではなくソレノイドコイルを用いた力そのために超電導磁石を 2つに分割して配置する必要が生じた。高感度のプローブコイルを実現するためには、上記、ソレノイド型を用いることのほかに、磁場均一性を確保する、プローブコイルの占有空間を小さくする、高 V、Q値（Quality factor)を実現することが必要である。

[0018] 均一な強磁場を発生するためには、磁場を生成するソレノイドコイル 4および 4の

1 2 ボア径を小さくすることが望ましぐボアの中に配置するプローブコイル 2の占有空間も小さくする必要がある。実施例 1では 2つに分割した超電導磁石を用いているため、分割していない超電導磁石を用いる従来例に比べて、均一な磁場空間を生成するため、試料空間を小さくする必要がある。また、高い Q値を実現するためには、ソレノイドコイル 2を低抵抗の材料から形成すること、ある、は超電導体から構成することが有効である。

[0019] 図 2は、実施例 1のプローブコイル 2の構成を模式的に示す斜視図である。試料に高周波数の信号を送信する送信用プローブコイルと、試料の出力信号を検出する受信用プローブコイルとからなる。受信用プローブコイルは、送信用プローブコイルよりも高い感度を必要とするため、高感度を実現できる酸ィ匕物超電導薄膜で形成したソレノイドコイルとした。これに対して、送信用プローブコイルは常伝導金属で、受信用プローブコイルを外側力取り囲む鞍型コイルとした。静磁場は水平方向に印加し、ソレノイドコイルは試料から出力した磁気モーメントのうち鉛直方向の成分を検出する

[0020] 11〜11は、酸化物超電導薄膜で形成され、それぞれ、一部が開放された 1ター

1 4

ンの受信用コイルである。実施例 1では、 1ターンの受信用コイルが平行して 4個設けられる。 13は常伝導金属膜であり、酸ィ匕物超電導薄膜 11の両端部で、酸化物超電導薄膜 11との間に絶縁体を挿入してキャパシタを形成するように設けられる。 15は常伝導金属接続配線であり、常伝導金属膜 13と接続される。これにより、常伝導金属接続配線 15と酸ィ匕物超電導薄膜 11がキャパシタを介して接続されることとなり、必要な回路が形成できる。

[0021] コイル 11およびコイル 11 1S コイル 11およびコイル 11 1S それぞれ、直列に接

1 2 3 4

続され、これらが、並列に接続された 2ターン、 2パラレルの回路を形成した受信用プローブコイルとなっている。図の例では、受信用プローブコイルには、常伝導金属引き出し配線 17を介して検出回路 10が接続される 4個の平行した受信用コイル 11の空間部に試料管 3が挿入される。

[0022] 18〜18 は送信用プローブコイルのコイル片であり、常伝導金属、例えば厚さ 0.

1 10

lmmの銅箔、で鞍型コイルを形成するように組み立てられている。送信用プローブコィルは、実質的に、コイル片 18、 18、 18および 18が構成する 1ターンのコイルと、

1 3 5 8

コイル片 18、 18、 18および 18が構成する 1ターンのコイルとで受信用プローブコ

2 4 6 7

ィルを取り囲む 1ターンのコイルの 2個並列接続とされている。送信用プローブコイル 18には、それぞれの 1ターンのコイルを接続するコイル片 18および 18 から常伝導

9 10 金属引き出し配線 17'を介して送信回路 20から大きなパルス電流を印加し、受信用プローブコイルの形成する空間部に挿入されている試料に静磁場と直交する成分の磁気モーメントを生じさせる。この静磁場と直交する成分の磁気モーメントは次第に緩和するが、その時、試料から出力される信号を受信用プローブコイルにより受信する。

[0023] 受信用プローブコイルは、プローブ 1の中に置かれたトリマコンデンサ 9とコイル 11 のインダクタ (L) 常伝導金属接続配線 15と酸化物超電導薄膜 11との間のキャパシタ (C)共振回路を構成するが、検出感度を高めるためには、その LC共振回路の Q 値を高める必要がある。 Q値を高めるためには LC共振回路に含まれる寄生抵抗を低減する必要があり、本発明ではソレノイドコイルを超電導体で構成した。

[0024] 図 3 (A)、（B)は、サファイア基板 12上に超電導薄膜 11からなる 1ターンコイルを形成した例を説明する図である。図 3 (A)は基板の上面から見た平面図である。 12はサファイア (Al O )基板であり、表面に酸化物超電導体 YBa Cu Oからなる超電導

2 3 2 3 7

薄膜 11が成膜されて円形コイルを形成してヽる。円形コイルの超電導薄膜 11の一部は、開放されていて、外側方向に延伸されている。 101は孔であり、試料管 3が挿入される部分である。 102は孔であり、サファイア基板 12の四隅に設けられ、 1ターンコイルを積層してプローブコイルを形成した後、構造的に連結するネジ止め用の孔となる。 104〜107は孔であり、それぞれ、送信用プローブコイル 8のコイル辺 18から

4

18を通すために設けられる。 13は Auからなる常伝導金属膜であり、超電導薄膜 11 の開放されてヽる端部と、ここ力外側方向に延伸されてヽる部分に対応する位置に形成されている。図 3 (B)は、図 3 (A)の A— A位置で矢印方向に見た断面図である。超電導薄膜 11の開放されている端部と、ここから外側方向に延伸されている部分に対応する位置に常伝導金属膜 13とが層間絶縁膜 311を挟んでキャパシタを形成していることが分かる。

[0025] 図 3 (A)、（B)を参照して説明した超電導薄膜 11からなる 1ターンコイルの形成方法の概要を以下に説明する。

[0026] まず、サファイア（Al O )基板 12の上にバッファ層として膜厚 lOOnmの CeOを成

2 3 2 膜し、次に酸化物超電導体 YBa Cu Oからなる超電導薄膜 11を成膜した。 YBa C

2 3 7 2 u O薄膜の膜厚は、磁場侵入長の lOOnmより大きい値とした。

3 7

但し、膜厚が 1 m以上に厚くなると YBa Cu O薄膜の表面の凹凸が大きくなるの

2 3 7

で、 YBa Cu O薄膜の膜厚は、 lOOnm以上 1 μ m以下が適当であり、実施例 1では

2 3 7

150nmとした。次に、レジスト塗布、ホトリソグラフィ、 Arエッチングの通常の作製プロセスにより、 YBa Cu O薄膜を加工し、一部は、開放されていて、外側方向に延伸さ

2 3 7

れて、る円形状のパターンを形成した。

[0027] 次に、シャドーマスクを用いて、膜厚 250nmの CeOを成膜し、層間絶縁膜 311を

2

形成した。次に、下地膜として Nbを形成した後、 Auからなる常伝導金属膜 13を成膜した。 Auの膜厚は表皮深さより厚いことが必要であり、実施例 1では Auの膜厚は 10 mとした。 Auは直接、 CeO膜に成膜すると剥離しやすいため、下地膜として Nbを

2

用いた。実施例 1では Nbを用いた力下地膜として Tほたは PtZTiの 2層膜を用いても良い。次に、レジスト塗布、ホトリソグラフィ、 Arエッチングの通常の作製プロセスにより、 Au膜を加工し、所望のノターンを形成した。

[0028] これにより、 2つの金属 Au膜と YBa Cu O膜の間に、絶縁体である層間絶縁膜 Ce Oを挿入して、 Au/CeO /YBa Cu O構造のキャパシタを形成した。成膜した薄

2 2 2 3 7

膜は十分密着しているので、キャパシタを構成する金属間距離は変化せず、従って

、再現性良く容量値を実現することができる。

[0029] 次に、サファイア基板 12に孔あけ力卩ェを行い、試料管用の孔 101、固定ネジ用の孔 102および送信コイル用の孔 104〜 107を開けた。

[0030] 実施例 1では、図 2のプローブコイルを実現するために、図 3で説明した超電導薄膜コイルを形成したサファイア基板 12を積み重ね、ソレノイドコイルを作製する。この際、特に、静磁場の均一性を乱さない、超電導薄膜基板を超電導臨界温度以下に冷却する、超電導薄膜基板を支持するという 3つの条件を満足するように配慮した構造とする。

[0031] 図 4は、これら 3つの条件を満足するために工夫された本発明の第 1の実施例の中心台の構成を示す斜視図である。中心台 200は円柱形状部 211と超電導薄膜コィルの支持板部 212とが接続された形状である。該超電導薄膜コイルの支持板部 212 は前記円柱形状部 211の直径方向の中央位置で、円柱の長さ方向に延伸された形状である。円柱形状部 211の上半分部の右側の大部分は切り欠かれていて、後述するように、熱交^^ 23およびトリマコンデンサ台座を備える保持板との結合に利用される。 213は保護部であり、円柱形状部 211の上部の残された部分であり、円柱形状部 211の左端面と同じ端面を持つ。保護部 213には孔 226が設けられる。この孔は、後述するように、電気配線の導出用に利用される。もちろん、円柱形状部 211と超電導薄膜コイルの支持板部 212とは一体構造として円柱カゝら切り出されたものであって良い。円柱形状部 211は、後述するように、外部から冷熱を供給される熱交換器 23 に接続する。前記超電導薄膜コイルの支持板部 212は、核磁気共鳴プローブコイルが置かれる場所に作用している磁場と平行の関係になるように形成する。なお、中心台 200は熱伝導度が大きいが、電気的には絶縁物である窒化アルミによるのが良い。そうすれば、電気的には絶縁をしながら、効率よく超電導薄膜を冷却することができる。また、機械的な強度も大きい。

[0032] 前記超電導薄膜コイルの支持板部 212には、図 5を参照して説明するように、超電導薄膜 11力もなる 1ターンコイルを形成したサファイア基板 12とスぺーサ 14が交互に積層される。そのため、スぺーサ 14にもサファイア基板 12と同様に各種の孔が設けられる。 221は試料管用の孔 101に対応する孔である。 222はサファイア基板 12 の固定ネジ用の孔 102に対応する孔である。この孔は、孔 102と同様に試料管用の孔 221の周りに 4個設けられる力図が煩雑になるので、他の参照符号の表示は省略した。 223はサファイア基板 12の送信用プローブコイル用の孔 104に対応する孔である。この孔は、サファイア基板 12の孔 104〜107と同様に試料管用の孔 221の周りに 4個設けられるが、図が煩雑になるので、他の参照符号の表示は省略した。

[0033] 前記超電導薄膜コイルの支持板部 212には、さらに、周辺部に 4個の孔 224と円柱形状部 211との接合部に孔 225が設けられる。孔 224は交互に積層されたサフアイァ基板 12とスぺーサ 14の積層体を固定するための固定ネジ用の孔である。孔 225 は図 2で説明した常伝導金属接続配線 15、常伝導金属引き出し配線 17, 17'等を設けあるいは外部に導出するために使用される孔である。これら、前記超電導薄膜コィルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14の積層体の試料管用の孔 221に対応する孔には、図 1で説明したように、試料管 3が挿入されるから、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212は、 Z—X面と平行である必要がある。超電導薄膜コィルの支持板部 212の幅は図 3で説明した超電導薄膜コイルのサファイア基板 12とほぼ同じとする。長さは超電導薄膜コイルのサファイア基板 12の両側に積層されたサファイア基板 12とスぺーサ 14の積層体を固定するための固定ネジ用の孔 224を設けるための余裕を持ったものとする。

[0034] 図 5は、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14の積層体の構成を説明する展開斜視図である。中心台 200の超電導薄膜コイルの支持板部 212を中心に、上下方向に、サファイア基板 12およびスぺーサ 14を交互に積層する。図 2で説明したように、実施例 1では超電導薄膜コイルは 4ターンとされているから、サファイア基板 12およびスぺーサ 14は、それぞれ、上下方向に 2枚である。スぺーサ 14は超電導薄膜コイルの支持板部 212と同一サイズとされるとともに、同じ孔が形成される。図が煩雑になるので、最上段のスぺーサ 14に、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212に付した孔の参照符号と他の主要な参照符号を付すのみで、他の孔の参照符号は省略する。図に示すように、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14のそれぞれの孔を対応する位置に設ける。ここで、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14の厚さのサイズの例を示すと、超電導薄膜コイルの支持板部 212が 1. 5 mm、サファイア基板 12が 0. 5mm、スぺーサ 14が 1. 5mmである。この例によれば、超電導薄膜コイル間の距離が 2mm、積層体全体の厚さが 9. 5mmとなる。なお、スぺーサ 14も、中心台 200と同様、熱伝導度が大きいが、電気的には絶縁物である窒化アルミによるのが良い。そうすれば、電気的には絶縁をしながら、効率よく超電導薄膜を冷却することができる。

[0035] 図 6は、図 5に示した展開斜視図に従って前記超電導薄膜コイルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14の積層体を形成するとともに熱交との対応の概要を示す斜視図である。中心台 200の超電導薄膜コイルの支持板部 212の上下に超電導薄膜コイルを形成したサファイア基板 12と窒化アルミからなるスぺーサ 14を交互に積み重ねる。この状態で、図 2で説明した各超電導薄膜コイル間の電気的な接続を孔 225を通して行う。さらに、孔 227を通して送信用プローブコイル 18を組み立てて、必要な電気的配線を孔 225を通して行う。送信用プローブコイルの上辺部分は最上段のスぺーサ 14の上面に、底辺部分は最下段のスぺーサ 14の下面に位置するように配置される。 19は窒化アルミからなるネジであり、孔 222を通して、サファイア基板 12、窒化アルミスぺーサ 14を中心台 200の超電導薄膜コイルの支持板部 212に固定するために使用される。

[0036] 22は支持板であり、下面に中心台 200の円柱形状部 211と結合される熱交換器 2 3を備え、上面にトリマ台座 25を備える。支持板 22は、図 7で説明するように、核磁気共鳴装置の適宜の構造材で支持される。 24はトリマコンデンサであり、図 2で説明した検出回路 10と超電導薄膜コイルとを接続する電気配線に設けられるものであり、トリマ台座 25に保持される。熱交翻 23と中心台 200の円柱形状部 211とは、機械的に結合され、図に点線で示すように、冷熱をサファイア基板 12上の超電導薄膜コィノレに伝える。

[0037] 図 7 (A)は実施例 1の低温プローブの全体構造の概要を示す断面図である。中心台 200が中心となっていることを示すために、これにハッチングを付し、サファイア基板 12にドットの模様を付したのみで他の部分のハッチングは省略して示す。図 7 (B) は、図 7 (A)の左側面力も見た側面図である。 215, 216は超電導薄膜コイルの支持板部 212、サファイア基板 12およびスぺーサ 14の積層体の上下面に設けた保護スぺーサである。これらの保護スぺーサにも、試料孔 221がそれぞれの試料孔 221に対応する位置に設けられる。また、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212の周辺部の 4個の孔 224に対応する位置にネジ穴が設けられる。ここでは、ネジ 19が保護スぺーサ 216のネジ穴と係合するものとしている力図 6で示す最下段のスぺーサ 14で支持されるナットにより固定されるものとしても良い。 217はネジであり、前記超電導薄膜コイルの支持板部 212の周辺部の 4個の孔 224を通して保護スぺーサ 215, 21 6間を結合する。

[0038] 支持板 22はネジ 218により中心台 200の円柱形状部 211に結合されるとともに、核磁気共鳴装置の構造材 220に支持される。支持板 22に保持されている熱交 23 はネジ 219により中心台 200の円柱形状部 211に結合される。熱交換器 23には熱交 23に冷媒を供給する銅パイプ 26が接続される。トリマコンデンサ 24は孔 226 を通して必要な配線が行われるとともに、チューブ 27で保護された図示しない操作片により操作される。

[0039] 高、感度を実現するためには、磁場の均一度を高める必要がある力超電導体は完全反磁性という性質を有し、—ΐΖ4 πという大きな磁化率を有する。従って、超電導体と静磁場が鎖交する部分が大きくなるほど、静磁場は大きく乱れる。実施例 1は、中心台 200の円柱形状部 211の長さ方向の中心軸に沿って超電導薄膜コイルの支持板部 212を延伸し、これを基礎に超電導薄膜コイルのサファイア基板 12とスぺーサ 14とを交互に積層するものとした。したがって、低温プローブの中心軸と平行なサファイア基板 12と静磁場とは精度よく平行が維持でき、これより、超電導体と静磁場が鎖交する部分は超電導薄膜の厚さという小さい部分のみとなり、従って、静磁場の乱れは小さぐ均一な磁場を実現できる。さらに、この超電導薄膜コイルの支持板部 212を中心とする積層体の面の法線方向を静磁場の法線方向とし、試料管 3の導入方向と合わせた。

[0040] 超電導薄膜コイル基板を十分に冷却するためには、冷却のために熱伝導経路上に置く構成要素を少なくし、構成要素の接続をできるだけ避けることが望ましい。止むを得ず構成要素同士を繋げる場合には、 Inのような熱接触用材料を介在させ、接触面積をできるだけ大きくすることが望ましい。また、熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。図 6に示すように、実施例 1の中心台 200は、円柱形状部 211と支持板部 212とを一体的に接続した構造であるとともに、支持板部 212に超電導薄膜コイル基板 12とスぺーサ 14とを交互に積み重ねた。従って、積み重ねた超電導薄膜コイル基板 12を支持板部 212を通じて冷却する際、図 6の点線の矢印で示すように、熱の伝導方向が基板の法線方向になるので、接触面積が大きぐ効率よく冷却できることになる。なお、図 6では、熱接触用材料 Inについては言及しな力つた力支持板部 212 と超電導薄膜コイル基板 12とスぺーサ 14のそれぞれの接触部に適宜 Inの粒子を置いて、図 6に示す状態で、適宜、加温および加圧することにより、より熱伝達の効果をあげることができる。

[0041] 実施例 1によれば、静磁場を水平方向に印加した時の、 Q値が高ぐ磁場均一性が良ぐ占有空間の小さい、超電導体力もなるソレノイドコイルが実現できる。すなわち、円柱形状部と支持板部をつなぎ合わせた一体ものの構成で中心台を形成し、この円柱形状部の長さ方向の中心軸が低温プローブの中心軸と概ね平行となるように配置する。また、支持板部に超電導薄膜基板とスぺーサを積み重ね、支持板部の法線が超電導薄膜基板の法線と概ね平行の関係になるように配置する。これにより、静磁場の均一性を乱さない、超電導薄膜基板を超電導臨界温度以下に冷却する、超電導薄膜基板を支持するという 3つの条件を満足したプローブコイルを実現することができた。

[0042] (実施例 2)

次に、本発明の実施例 2を説明する。実施例 1の核磁気共鳴装置は静磁場を水平方向に印力!]したが、実施例 2の核磁気共鳴装置は静磁場を鉛直方向に印加するものである。プローブは鉛直方向に棒状に延伸しており、プローブの先端に超電導薄膜コイル基板を対向して形成したプローブコイルを備えている。実施例 2は、このプローブコイルの構成に関するものである。

[0043] 図 8は実施例 2のプローブコイルを実装した核磁気共鳴装置の全体構成を断面図の形で示す図である。 4は鉛直方向に静磁場をカ卩えるためのソレノイドコイルである。 5は、ソレノイドコイル 4の外周に設けられたソレノイドコイルであり、磁場の補正のために設けられる。これらのコイルは、 2重化されたタンク 6、 7の中に実装される。内側のタンク 6には、液体へリウムが充填され、外側のタンク 7には液体窒素が充填される。ソレノイドコイル 4のボア部は空間とされ、この空間を利用してプローブ 1が実装される。プローブ 1は鉛直方向に棒状に延伸しており、プローブ 1の先端部被測定試料に静磁場をカ卩える位置一には、プローブコイル 2が設けられる。実施例 2のプローブコイルは鞍型である。プローブ 1の先端部のプローブコイル 2は 2枚の対向する超電導薄膜基板から構成される受信用プローブコイルと、 2枚の対向する常伝導金属膜カゝら構成される送信用プローブコイルとを備える。受信用プローブコイルの面と送信用プローブコイルの面とは直行する。超電導薄膜基板の面は鉛直方向であり、計測試料を入れる試料管 3は 2枚の超電導薄膜基板と送信用プローブコイルとの間に挿入され、鉛直方向が試料の移動方向となる。試料管 3はソレノイドコイル 4のボア部を鉛直方向に挿入され、引出される。従って、プローブコイル 2は試料から出力された磁気モーメントのうち水平方向の成分を検出することになる。なお、図 8の下段に示した X、 Yおよび Z軸の方向は、以下の図面においても、同じ基準で示される。

[0044] 図 9は、実施例 2のプローブコイル 2の構成を模式的に示す展開図である。試料に高周波数の信号を送信する常電導材料からなる送信用プローブコイル 48と、試料の出力信号を検出する受信用プローブコイル 42とからなる。送信用プローブコイル 48 の面と受信用プローブコイル 42の面とは直交する関係にある。受信用プローブコィル 42は高感度を実現できる酸ィ匕物超電導薄膜で形成した鞍型コイルとし、基板 42a 、 42b上に形成される。送信用プローブコイル 48は厚さ 0. 1mmの銅箔カゝらなる鞍型コイルとした。静磁場は鉛直方向に印加し、受信用プローブコイル 42は試料から出力した磁気モーメントのうち水平方向の成分を検出する。

[0045] 受信用プローブコイル 42は、対向する 2枚の基板 42a、 42bから構成され、基板上には酸化物超電導薄膜コイルが形成されている。対向する 2枚の基板の間に試料管 3が挿入される。

[0046] 送信用プローブコイル 48には、送信回路から大きなパルス電流を印加し、試料に静磁場と直交する成分の磁気モーメントを生じさせる。この静磁場と直交する成分の磁気モーメントは次第に緩和するが、その時、試料から出力される信号を受信用プローブコイルにより受信する。

[0047] 実施例 2では、特に、静磁場の均一性を乱さな、、超電導薄膜基板を超電導臨界温度以下に冷却する、超電導薄膜基板を支持するという 3つの条件を満足するように配慮した。これら 3つの条件を満足するために、実施例 2では図 9に示すように中心台 51を用いた。中心台 51は、円柱形状部 511と円柱形状部 511の長さ方向に延伸された超電導薄膜コイルの支持板部 512とを接続した形状である。円柱形状部 511 と超電導薄膜コイルの支持板部 512とは、円柱力も切り出されたものとしても良いことはいうまでも無い。中心台 51は窒化アルミで作成される。円柱形状部 511の長さ方向の中心軸と支持板部の外面は概ね平行である。 513は、実施例 1の保護部 213と同様の保護部である。

[0048] 図 9に示すように、中心台 51の超電導薄膜コイルの支持板部 512に超電導薄膜コィル 42を形成したサファイア基板 42a, 42bを密着するように配置し、さらに、窒化ァルミからなるネジ 49を用いて中心台 51の超電導薄膜コイルの支持板部 512に固定してプローブコイルを構成した。窒化アルミは熱伝導度は大きいが、電気的には絶縁物である。したがって、電気的には絶縁をしながら、効率よく超電導薄膜コイルを冷却することができる。この際、サファイア基板 42a, 42bと超電導薄膜コイルの支持板部 512との間には、実施例 1と同様、 Inのような熱接触用材料を介在さて、熱伝導を良くすることができる。

[0049] 超電導薄膜コイルの支持板部 512には試料管 3を導入するための孔 514が円柱形状部 511の長さ方向の中心軸と同軸に形成される。超電導薄膜コイルの支持板部 5 12と円柱形状部 511の結合部の超電導薄膜コイルの支持板部 512にはサファイア基板 42bの超電導薄膜コイル 42の接続線を通すための孔 515、送信用プローブコィルの接続線を通すための孔 516が設けられる。ここで、超電導薄膜コイル 42の接続線は実施例 1の図 2で説明したと同様に形成される。保護部 513には、実施例 1の保護部 213と同様、後述するトリマコンデンサとの接続線を通すための孔 517が設けられる。円柱形状部 511には試料管 3を導入するための孔 514と連通する孔 518が形成される。

[0050] 中心台 51に超電導薄膜コイル 42を形成したサファイア基板 42a, 42bおよび送信コイル 48が配置された後、後述するように、実施例 1の保護スぺーサ 215, 216に対応する保護スぺーサ 61〜64が設けられる。

[0051] 52は支持板であり、下面に中心台 51の円柱形状部 511に結合される熱交換器 53 を備え、上面にトリマ台座 55を備える。支持板 52は、図 10で説明するように、核磁気共鳴装置の適宜の構造材で支持される。 54はトリマコンデンサであり、図 2で説明した検出回路 10と超電導薄膜コイルとを接続する電気配線に設けられるものであり、トリマ台座 55に保持される。熱交翻 23と中心台 51の円柱形状部 511とは、機械的に結合され、超電導薄膜コイルの支持板部 512に固定されたサファイア基板 42a、 4 2b上の超電導薄膜コイルに冷熱を伝える。 519は円柱形状部 511と熱交換器 53が結合されたとき連通する孔である。

[0052] 図 10 (A)は実施例 2の低温プローブの全体構造の概要を示す断面図である。中心台 51が中心となっていることを示すために、これにハッチングを付し、サファイア基板 12にドットの模様を付したのみで他の部分のハッチングは省略して示す。図 10 (B) は

、図 10 (A)の上面から見た平面図である。 61〜64は、超電導薄膜コイルの支持板部 512に固定された基板 42a、 42bおよび送信用プローブコイル 48の外面に設けた保護スぺーサである。これらの保護スぺーサは、図 9では表示を省略したが、実施例 1と同様に、ネジ 217により前記サファイア基板 42a、 42bを超電導薄膜コイルの支持板部 512に押し付けて固定する。もちろん、送信用プローブコイル 48に対しても同様である。

[0053] 支持板 52は核磁気共鳴装置の構造材 220に保持されるとともに、ネジ 218により中心台 200の円柱形状部 211に結合される。支持板 22に保持されてヽる熱交換器 53はネジ 219により中心台 51の円柱形状部 511に結合される。熱交換器 53には冷媒を供給する銅パイプ 56が接続される。トリマコンデンサ 54は孔 517を通して必要な配線が行われるとともに、チューブ 57で保護された、図示しない操作片により、操作される。 [0054] 高、感度を実現するためには、磁場の均一度を高める必要がある力超電導体は完全反磁性という性質を有し、—ΐΖ4 πという大きな磁化率を有する。従って、超電導体と静磁場が鎖交する部分が大きくなるほど、静磁場は大きく乱れる。実施例 2は、中心台 51の円柱形状部 511の長さ方向の中心軸に沿つて超電導薄膜コイルの支持板部 512を延伸し、超電導薄膜コイルの支持板部 512の外面に超電導薄膜コィル基板 12と送信用プローブコイル 48を固定するものとした。したがって、低温プロ一ブの中心軸と静磁場とは精度よく平行が維持でき、これより、超電導体と静磁場が鎖交する部分は超電導薄膜の厚さという小さい部分のみとなる。その結果、静磁場の乱れは小さぐ均一な磁場を実現できる。さらに、この超電導薄膜コイルの支持板部 51 2の中心軸を静磁場の法線方向とし、試料管 3の導入方向とあわせた。

[0055] 超電導薄膜コイル基板を十分に冷却するためには、冷却のために熱伝導経路上に置く構成要素を少なくし、構成要素の接続をできるだけ避けることが望ましい。止むを得ず構成要素同士を繋げる場合には、 Inのような熱接触用材料を介在させ、接触面積をできるだけ大きくすることが望ましい。また、熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。実施例 2の中心台 51は、円柱形状部 511と超電導薄膜コイルの支持板部 512とを一体的に接続した構造であるとともに、超電導薄膜コイルの支持板部 512の外面に超電導薄膜コイル基板 12と送信用プローブコイル 48固定した。従って、超電導薄膜コイル基板 12を超電導薄膜コイルの支持板部 512を通じて冷却する際、熱の伝導方向が基板の法線方向になるので、接触面積が大きぐ効率よく冷却できることになる。なお、実施例 2でも、熱接触用材料 Inを超電導薄膜コイル基板 12と超電導薄膜コイルの支持板部 512の組み立て過程で接触部に適宜 Inの粒子を置いて、適宜、加温および加圧することにより、より熱伝達の効果をあげることができる。

産業上の利用可能性

[0056] 本発明により、静磁場の均一性を乱さない、超電導薄膜基板を超電導臨界温度以下に冷却する、超電導薄膜基板を支持するという 3つの条件を満足したソレノイド型の核磁気共鳴プローブコイルを実現できる。

図面の簡単な説明

[0057] [図 1]本発明の第 1の実施例の核磁気共鳴装置の全体構成の概略図である。 [図 2]実施例 1のプローブコイルの構成を模式的に示す斜視図である。

[図 3] (A) - (B)は、本発明の第 1の実施例の基板上に形成した超電導薄膜からなる

1ターンコイルを説明する図である。

[図 4]本発明の第 1の実施例の中心台の構成を示す斜視図である。

[図 5]本発明の第 1の実施例のプローブコイルの支持板部、基板およびスぺーサの積層体の構成を説明する展開斜視図である。

[図 6]図 5に示した展開斜視図に従って本発明の第 1の実施例のプローブコイルの支持板部、基板およびスぺーサの積層体と熱交^^との対応の概要を示す斜視図である。

[図 7] (A)は本発明の実施例 1の低温プローブの全体構造の概要を示す断面図、 (B )は、図 7 (A)の左側面から見た側面図である。

[図 8]本発明の実施例 2のプローブコイルを実装した核磁気共鳴装置の全体構成を断面図の形で示す図である。

[図 9]本発明の実施例 2のプローブコイルの構成を模式的に示す展開図である。

[図 10] (A)は本発明の実施例 2の低温プローブの全体構造の概要を示す断面図、 ( B)は、図 10(A)の上面力も見た平面図である。

符号の説明

1…低温プローブ、 2…プローブコイル、 3…試料管、 4…超電導磁石、 5…補正用超電導磁石、 6, 7···タンク、 10…検出回路、 11···超電導薄膜の受信用コイル、 12, 42a, 42b…サファイア基板、 13···常伝導金属膜、 14···窒化アルミスぺーサ、 15··· 常伝導金属接続配線、 17···常伝導金属線、 18, 48···鞍型送信用プローブコイル、 19, 49, 217···窒ィ匕アルミネジ、 20···送信回路、 21, 51···中心台、 22, 512···支持板、 23, 53···熱交^^、 24, 54···トリマコンデンサ、 25, 55···トリマ台座、 26, 5 6···銅ノィプ、 27…チューブ、 101, 102, 104力ら 107, 221, 222, 223, 224, 2 25, 226, 514, 515, 516, 517, 518, 519···孔、 51, 200···中心台、 211, 511 …円柱形状部、 212

, 512···支持板部、 213···保護部、 61〜64, 216, 217···保護スぺーサ、 218, 21 9…ネジ、 220…構造材、 311…絶縁膜。

Claims

請求の範囲

[1] 核磁気共鳴装置の所定の静磁場に置かれるとともに、基板上に形成した超電導薄膜コイルよりなる受信用プローブコイルと送信用プローブコイルとを有するプローブコィルと、前記超電導薄膜コイルを冷却する手段とを備える核磁気共鳴プローブにおいて、

前記超電導薄膜コイルは、円柱形状部と該円柱形状部の直径方向の中央位置で、円柱の長さ方向に延伸された超電導薄膜コイルの支持板部とが接続された中心台の前記超電導薄膜コイルの支持板部に保持され、前記超電導薄膜コイルを冷却する手段は前記中心台と結合されたものであり、

前記円柱形状部の円柱の長さ方向に延伸された超電導薄膜コイルの支持板部は前記静磁場と概ね平行の関係あることを特徴とする核磁気共鳴プローブ。

[2] 前記超電導薄膜コイルを形成した基板は、前記超電導薄膜コイルの支持板部の両側に積層して保持されたものであり、前記送信用プローブコイルは積層された前記超電導薄膜コイルを外側カゝら取り囲む形の常伝導金属の鞍型コイルである請求項 1記載の核磁気共鳴プローブ。

[3] 前記超電導薄膜コイルを形成した基板は、前記超電導薄膜コイルの支持板部の両側面に保持されたものであり、前記送信用プローブコイルは前記超電導薄膜コイルの支持板部の前記両側面と直交する両側面に保持された常伝導金属の鞍型コイルである請求項 1記載の核磁気共鳴プローブ。

[4] 前記超電導薄膜コイルの支持板部に積層された前記超電導薄膜コイルを形成した基板と前記超電導薄膜コイルの支持板部とによる積層構造は、前記基板間に所定のスぺーサを挿入されたものである請求項 2記載の核磁気共鳴プローブ。

[5] 前記静磁場は水平方向に向くものとされるとともに、前記超電導薄膜コイルの支持板部に積層された前記超電導薄膜コイルを形成した基板、前記スぺーサ、および、前記超電導薄膜コイルの支持板部よりなる積層構造は、前記超電導薄膜コイルの中心部を貫く前記静磁場と鉛直方向の孔を備える請求項 4記載の核磁気共鳴プローブ

[6] 前記静磁場は鉛直方向に向くものとされるとともに、前記超電導薄膜コイルの支持板部の中心部には前記静磁場と同じ方向の孔を備える請求項 3記載の核磁気共鳴プローブ。

[7] 前記超電導薄膜コイルの支持板部に積層された前記超電導薄膜コイルを形成した基板、前記スぺーサ、および、前記超電導薄膜コイルの支持板部よりなる積層構造の両方の最外面には、前記積層構造の保護スぺーサが設けられ、該保護スぺーサには前記超電導薄膜コイルの中心部を貫く前記静磁場と鉛直方向の孔を備える請求項 5記載の核磁気共鳴プローブ。

[8] 前記超電導薄膜コイルの支持板部の側面に保持された前記超電導薄膜コイルを形成した基板および常伝導金属の鞍型コイルの外面には前記基板および鞍型コィルの保護スぺーサが設けられる請求項 3記載の核磁気共鳴プローブ。

[9] 前記超電導薄膜コイルを冷却する手段は、前記核磁気共鳴装置の構造物に片端が保持された支持板の一面に保持されるとともに、前記支持板の他面には前記受信用プローブコイルと共振回路を構成するトリマコンデンサが保持され、前記支持板の他端は円柱形状部に形成された切り欠き部と結合されるとともに、前記超電導薄膜コィルを冷却する手段の端面が前記円柱形状部の前記超電導薄膜コイルの支持板部が形成された端面と反対の端面に結合されたものである請求項 1記載の核磁気共鳴プローブ。

[10] 前記超電導薄膜コイルを冷却する手段は、前記支持板に沿って延伸されるパイプを介して冷媒を供給される請求項 9記載の核磁気共鳴プローブ。

[11] 前記中心台およびスぺーサは窒化アルミからなる請求項 4記載の核磁気共鳴プローブ。

[12] 前記中心台の円柱形状部と前記超電導薄膜コイルの支持板部は窒化アルミからなる円柱状の材料から切り出されたものである請求項 1記載の核磁気共鳴プローブ。

[13] 静磁場を発生する磁石と、該静磁場の中に試料を搬送する手段と、前記静磁場に置かれるとともに、基板上に形成した超電導薄膜コイルよりなる受信用プローブコィルと送信用プローブコイルとを有するプローブコイルと、前記超電導薄膜コイルを冷却する手段とを備える核磁気共鳴装置において、

前記円柱形状部の円柱の長さ方向に延伸された超電導薄膜コイルの支持板部は前記静磁場と概ね平行の関係あり、

前記試料は前記超電導薄膜コイルの支持板部に積層された前記超電導薄膜コィルを形成した基板、および、前記超電導薄膜コイルの支持板部よりなる積層構造に設けられた、前記超電導薄膜コイルの中心部を貫く前記静磁場と鉛直方向の孔に導入されることを特徴とする核磁気共鳴装置。

静磁場を発生する磁石と、該静磁場の中に試料を搬送する手段と、前記静磁場に置かれるとともに、基板上に形成した超電導薄膜コイルよりなる受信用プローブコィルと送信用プローブコイルとを有するプローブコイルと、前記超電導薄膜コイルを冷却する手段とを備える核磁気共鳴装置において、

前記試料は前記超電導薄膜コイルの支持板部に設けられた前記静磁場と平行方向の孔に導入されることを特徴とする核磁気共鳴装置。