JP4299205B2

JP4299205B2 - Ｎｍｒ装置

Info

Publication number: JP4299205B2
Application number: JP2004208908A
Authority: JP
Inventors: 水野健太郎
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: JP2006029965A

Description

本発明は、ＮＭＲ装置に関し、特に、検出部を低温ヘリウムガスで極低温に冷却することによって、ＮＭＲ信号の検出感度を高めるようにしたＮＭＲ装置に関する。

ＮＭＲ装置は、試料に強力な静磁場を印加して、試料中の核スピンを持った原子核の磁気モーメントに静磁場方向を軸とする歳差運動を惹起させた上で、静磁場方向に直交する向きの高周波磁場を送信・印加して、原子核の磁気モーメントの歳差運動を励起し、その後、原子核の磁気モーメントの歳差運動が励起状態から基底状態に戻る際に放出されるＮＭＲ信号を、試料に固有な周波数を持った高周波磁界として受信・観測する装置である。

ＮＭＲ信号は、通常、きわめて微弱であるため、その検出感度を高めるため、検出部が組み込まれたＮＭＲプローブに、低温ガスを循環させる配管を設け、検出部を極低温に冷却することによって、ＮＭＲ装置の熱雑音を減らし、ＮＭＲ装置を高感度化することが行なわれている（特許文献１〜３）。

特開平１０−３０７１７５号公報特開平１０−３３２８０１号公報特開２００１−１５３９３８号公報従来のＮＭＲプローブと、静磁場を発生する超伝導磁石との位置関係を、図１に示す。図中、Ａは超伝導磁石である。超伝導磁石Ａの内部には、超伝導線により、主コイルＢが巻回されている。主コイルＢは、通常、液体ヘリウム等を蓄えることができる図示しない断熱容器中に置かれ、極低温に冷却されている。核磁気共鳴プローブＣは、このような磁石の外側に配置される鍔状のベース部と、磁石の内側に挿入される筒状部とで構成され、筒状部は、通常、この超伝導磁石Ａの中心軸に沿って貫通された筒状の穴Ｄの内部に向けて、下側の開口部から上方向に向けて挿入される。

次に、従来のＮＭＲプローブの構造を図２に示す。この例は、冷却プローブと呼ばれる、低温プローブの場合を示している。図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、冷凍機１４と、トランスファーライン９で接続されている。それぞれは、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。検出部１の温度制御を行なうため、検出部１の近傍には、ヒータ１００が設けられている。

検出部１で検出された核磁気共鳴の検出信号は、ケーブル６で前置増幅器内蔵送受信切換部３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。前置増幅器内蔵送受信切換部３は、熱交換器４と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度制御を行なうため、前置増幅器内蔵送受信切換部３の近傍には、ヒータ５が設けられている。

検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。

冷凍機１４には、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２２を持つ、例えば、ギフォード−マクマホン（ＧＭ）方式などの冷凍機本体１９が取り付けられている。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２２には、それぞれ熱交換器２１、熱交換器２３が設けられている。また、配管１５と配管１６の途中には、熱交換器２４、熱交換器２５が設けられている。また、冷凍機本体１９には、作業ガス供給用の配管１７、配管１８が接続されている。また、トランスファーライン９の内部には、配管１０、配管１１、配管１２、配管１３があり、それぞれ熱交換器２、熱交換器４に接続されている。

次に、動作を説明する。図示されていない外部のコンプレッサーから、配管１７、配管１８を介して、作業ガス（ヘリウムガス）が供給されて、冷凍機本体１９が作動する。それとは別に、配管１６から冷媒のヘリウムガスが供給されて、熱交換器２４を通過して、第１冷却ステージ２０の熱交換器２１で冷却される。更に、熱交換器２５を通過して、第２冷却ステージ２２の熱交換器２３で、ヘリウムガスは、一層冷却される。このときのガス温度は、１０Ｋである。

冷却されたヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１０で熱交換器２に供給されて、検出部１を冷却する。熱交換器２に入る直前のガス温度は、１５Ｋ、熱交換器２を出た直後のガス温度は、２３Ｋである。この温度上昇は、検出部１の熱を受け取ったためであると同時に、検出部１の温度制御のため、ヒータ１００が作動して、ヒータ１００により、熱せられたためでもある。

検出部１に収められた検出コイルおよび同調整合回路が冷却されることにより、Ｑ値の向上と熱雑音の低減が起こり、感度が向上する。ヘリウムガスは、配管１１を経由して、冷凍機１４に戻り、熱交換器２５で往路のヘリウムガスを予冷し、ガス温度が４０Ｋに上昇させられた後、配管１２により、熱交換器４に供給されて、前置増幅器内蔵送受信切換部３を冷却して、前置増幅器内蔵送受信切換部３のＮＦ（noise figure）を向上させる。

これにより、検出部１からの検出信号を、ケーブル７経由で、Ｓ／Ｎを劣化させることなく、図示しない分光器に伝えることができる。

前置増幅器内蔵送受信切換部３は、ヒータ５で、適度な温度に保たれる。熱交換器４に入る直前のガス温度は、４０Ｋ、熱交換器４を出た直後のガス温度は、９０Ｋである。この温度上昇は、前置増幅器内蔵送受信切換部３の熱を受け取ったためであると同時に、前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度制御のため、ヒータ５が作動して、ヒータ５により、熱せられたためでもある。

ヘリウムガスは、トランスファーライン９内の配管１３で冷凍機１４に戻り、熱交換器２４で往路のヘリウムガスを予冷した後、配管１５を通って、外部の図示しないコンプレッサーに戻り、循環される。

ところで、従来の低温冷却型ＮＭＲプローブには、１つの問題点があった。それは、ＮＭＲ装置においては、ＮＭＲ測定時、前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードによって、前置増幅器内蔵送受信切換部の消費電力が異なるため、前置増幅器内蔵送受信切換部自身の温度が、動作モード毎に変動してしまうことであった。

図３は、ＮＭＲのＲＦパルスシークエンスと、前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードとの関係を、概念的に表わしたものである。図中２６は、試料を励起する¹Ｈ核観測用ＲＦパルス、２７は、¹Ｈ核観測用ＲＦパルス印加後、試料から放出されるＦＩＤである。通常のＮＭＲ測定では、この２６と２７を交互に繰り返すことにより、ＮＭＲスペクトルの取り込みが行なわれる。

このとき、前置増幅器内蔵送受信切換部は、¹Ｈ核観測用ＲＦパルス２６が試料に印加されるタイミングで送信（transmit）モードになり、その後、試料からＦＩＤが放出されるタイミングで受信（receive）モードに切り換わる。

図４は、前置増幅器内蔵送受信切換部の動作概念図である。前置増幅器内蔵送受信切換部２８は、送信モードの時には、分光計の図示しないパワーアンプから供給されたパルス信号を、ＰＡポート２９からデュプレクサ３０経由で、ＰＲＯＢＥポート３１へ導いて、¹Ｈ核観測用ＲＦパルスを図示しないプローブ側へ伝達する。

一方、前置増幅器内蔵送受信切換部２８は、受信モードの時には、図示しないプローブ検出部が検出したＮＭＲ信号を、ＰＲＯＢＥポート３１より受け取り、デュプレクサ３０経由で、前置増幅器内蔵送受信切換部２８に内蔵された、第１の前置増幅器（1^stアンプ）３２と第２の前置増幅器（2^ndアンプ）３３で増幅した後、ＨＡポート３４から分光計へ伝達する。

このとき、実は、回路設計上の理由から、前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モード毎の発熱量には、それぞれ差がある。通常、前置増幅器内蔵送受信切換部の発熱量は、送信モード＞受信モードなので、前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わる毎に、熱の変化によって回路の特性が変化し、精密な測定を行なう際に、悪影響を及ぼしかねない。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、ＮＭＲ測定時に前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わっても、前置増幅器内蔵送受信切換部の特性がほとんど変化しないＮＭＲ装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるＮＭＲ装置は、
ＮＭＲ検出部に高周波を送信するとともに、ＮＭＲ検出部で検出したＮＭＲ信号を受信して前置増幅器で増幅するように構成された前置増幅器内蔵送受信切換部の近傍にヒータを配置し、該前置増幅器内蔵送受信切換部を低温に冷却しながら該ヒータで加熱し、該前置増幅器内蔵送受信切換部の温度をほぼ一定の低温に保つことにより、該前置増幅器内蔵送受信切換部のＮＦを改善するようにしたＮＭＲ装置において、
前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わるタイミングで、前置増幅器内蔵送受信切換部を加熱するヒータの電力を制御するようにしたことを特徴としている。

また、前記前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードは、送信モードと受信モードであって、送信モードの時のヒータ電力よりも、受信モードの時のヒータ電力の方が大きくなるように制御するようにしたことを特徴としている。

本発明のＮＭＲ装置によれば、
ＮＭＲ検出部に高周波を送信するとともに、ＮＭＲ検出部で検出したＮＭＲ信号を受信して前置増幅器で増幅するように構成された前置増幅器内蔵送受信切換部の近傍にヒータを配置し、該前置増幅器内蔵送受信切換部を低温に冷却しながら該ヒータで加熱し、該前置増幅器内蔵送受信切換部の温度をほぼ一定の低温に保つことにより、該前置増幅器内蔵送受信切換部のＮＦを改善するようにしたＮＭＲ装置において、
前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わるタイミングで、前置増幅器内蔵送受信切換部を加熱するヒータの電力を制御するようにしたので、ＮＭＲ測定時に前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わっても、前置増幅器内蔵送受信切換部の特性がほとんど変化しないＮＭＲ装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図５は、本発明にかかるＮＭＲ装置の一実施例である。図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、図示しない冷凍機と、トランスファーライン９で接続されている。プローブ容器８とトランスファーライン９は、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。トランスファーライン９の内側には、低温のヘリウムガスを流通させる配管１０、１１が設けられている。

プローブ容器８の内部には、検出コイルおよび同調整合回路から成る検出部１が置かれている。検出部１は、熱交換器２と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。尚、検出部１には、プローブ容器８の外部から試料を入れる構造があるが、冷却方式の説明には必要ないので、図示していない。

検出部１で検出されたＮＭＲの検出信号は、ケーブル６で前置増幅器内蔵送受信切換部３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。前置増幅器内蔵送受信切換部３は、熱交換器４と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度制御を行なうため、前置増幅器内蔵送受信切換部３の近傍には、主ヒータ５と副ヒータ５^’が設けられている。

尚、主ヒータ５と副ヒータ５^’については、主ヒータ５の方には、消費電力が大きい代わりに、オンオフの時定数が必ずしも小さくないものを用い、副ヒータ５^’の方には、消費電力が小さい代わりに、オンオフの時定数がきわめて小さなものを用いる。そして、副ヒータ５^’の方は、主ヒータ５よりも、前置増幅器内蔵送受信切換部３に対する熱抵抗を小さくしておく。

各部の動作は、以下の通りである。まず、配管１０を通って移送されてきた低温のヘリウムガスが、熱交換器２を介して、検出部１を低温に保つ。検出部１を冷却した低温のヘリウムガスは、戻りの配管１１の途中に設置された熱交換器４を介して、前置増幅器内蔵送受信切換部３を冷却する。そして、主ヒータ５が、前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度を予め設定された温度に保つ。

このときのＮＭＲシークエンス、前置増幅器内蔵送受信切換部動作モード、ヒータ動作の関係は、図６のようである。まず、前置増幅器内蔵送受信切換部３の発熱は、送信モード＞受信モードであるので、送信モードで¹Ｈ核観測用ＲＦパルス２６をプローブに送信するときには、副ヒータ５^’の電力を切っておく。一方、受信モードでＦＩＤ２７を受信するときには、副ヒータ５^’を点火して、前置増幅器内蔵送受信切換部３を加熱するようにした。この間、主ヒータ５は、常時、点火しておく。その結果、副ヒータ５^’の熱が、前置増幅器内蔵送受信切換部３の送信モードと受信モードの発熱量の差を打ち消す働きをする。これにより、送信モードの時のヒータ電力よりも、受信モードの時のヒータ電力の方が大きくなるように制御されるので、送信モードと受信モードの発熱量の差が補完され、前置増幅器内蔵送受信切換部３の熱平衡が維持される。

図７は、本発明にかかるＮＭＲ装置の一実施例である。図中、８は、プローブ容器である。プローブ容器８は、図示しない冷凍機と、トランスファーライン９で接続されている。プローブ容器８とトランスファーライン９は、外部との断熱のため、内部を真空排気されている。トランスファーライン９の内側には、低温のヘリウムガスを流通させる配管１０、１１が設けられている。

検出部１で検出されたＮＭＲの検出信号は、ケーブル６で前置増幅器内蔵送受信切換部３に入力され、増幅される。増幅された信号（ヘッドアンプ出力）は、ケーブル７により、図示しない分光器に送られる。前置増幅器内蔵送受信切換部３は、熱交換器４と熱接触されており、冷却可能な構成となっている。前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度制御を行なうため、前置増幅器内蔵送受信切換部３の近傍には、ヒータ５が設けられている。

各部の動作は、以下の通りである。まず、配管１０を通って移送されてきた低温のヘリウムガスが、熱交換器２を介して、検出部１を低温に保つ。検出部１を冷却した低温のヘリウムガスは、戻りの配管１１の途中に設置された熱交換器４を介して、前置増幅器内蔵送受信切換部３を冷却する。そして、ヒータ５が、前置増幅器内蔵送受信切換部３の温度を予め設定された温度に保つ。

このときのＮＭＲシークエンス、前置増幅器内蔵送受信切換部動作モード、ヒータ動作の関係は、図８のようである。まず、前置増幅器内蔵送受信切換部３の発熱は、送信モード＞受信モードであるので、送信モードで¹Ｈ核観測用ＲＦパルス２６をプローブに送信するときには、ヒータ５の出力を、適切な値まで低下させる。一方、受信モードでＦＩＤ２７を受信するときには、送信モードのときと同じ温度になるように、ヒータ５の出力を上げて、前置増幅器内蔵送受信切換部３を加熱するようにした。これにより、送信モードの時のヒータ電力よりも、受信モードの時のヒータ電力の方が大きくなるように制御されるので、送信モードと受信モードの発熱量の差が補完され、前置増幅器内蔵送受信切換部３の熱平衡が維持される。

冷却プローブを備えたＮＭＲ装置に、広く利用できる。

従来のＮＭＲ装置を示す図である。従来のＮＭＲ低温プローブの構造を示す図である。従来のＮＭＲ装置の動作モードの一例を示す図である。従来のＮＭＲ装置の前置増幅器内蔵送受信切換部の構造を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の一実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の動作モードの一実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるＮＭＲ装置の動作モードの別の実施例を示す図である。

符号の説明

Ａ：超伝導磁石、Ｂ：主コイル、Ｃ：核磁気共鳴プローブ、Ｄ：穴、１：検出部、２：熱交換器、３：前置増幅器内蔵送受信切換部、４：熱交換器、５：ヒータ（主ヒータ）、５^’：副ヒータ、６：ケーブル、７：ケーブル、８：プローブ容器、９：トランスファーライン、１０：配管、１１：配管、１２：配管、１３：配管、１４：冷凍機、１５：配管、１６：配管、１７：配管、１８：配管、１９：冷凍機本体、２０：第１冷却ステージ、２１：熱交換器、２２：第２冷却ステージ、２３：熱交換器、２４：熱交換器、２５：熱交換器、２６：¹Ｈ核観測用ＲＦパルス、２７：ＦＩＤ、２８：前置増幅器内蔵送受信切換部、２９：ＰＡポート、３０：デュプレクサ、３１：ＰＲＯＢＥポート、３２：1^stアンプ、３３：2^ndアンプ、３４：ＨＡポート

Claims

ＮＭＲ検出部に高周波を送信するとともに、ＮＭＲ検出部で検出したＮＭＲ信号を受信して前置増幅器で増幅するように構成された前置増幅器内蔵送受信切換部の近傍にヒータを配置し、該前置増幅器内蔵送受信切換部を低温に冷却しながら該ヒータで加熱し、該前置増幅器内蔵送受信切換部の温度をほぼ一定の低温に保つことにより、該前置増幅器内蔵送受信切換部のＮＦを改善するようにしたＮＭＲ装置において、
前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードが切り換わるタイミングで、前置増幅器内蔵送受信切換部を加熱するヒータの電力を制御するようにしたことを特徴とするＮＭＲ装置。
前記前置増幅器内蔵送受信切換部の動作モードは、送信モードと受信モードであって、送信モードの時のヒータ電力よりも、受信モードの時のヒータ電力の方が大きくなるように制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ装置。