JP4755652B2 - 核磁気共鳴プローブおよび核磁気共鳴装置 - Google Patents

Description

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イ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：Nuclear Magnetic Resonance）において、プローブコイルが基板上に形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。

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。

特開平１１−１３３１２７号公報

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く、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が、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。

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１１−１３３１２７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、高周波抵抗も小さく、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。

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、−１／４π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。

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が、いわゆる鳥かご型プローブコイルについ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が、サドル型、ソレノイド型プローブコイルは、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。

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。

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イ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。

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い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。

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。

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。

以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

（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が、ソレノイド型の方が鞍型や鳥か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から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。

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_１および４_２は静磁場を加えるための２分割されたソレノイドコイルであり、横方向に置かれたものである。５_１および５_２は、ソレノイドコイル４_１および４_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、液体ヘリウムが充填され、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_１および４_２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加える位置−には、プローブコイル２が設けられる。

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イル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_１および４_２の分割位置を利用して鉛直方向に挿入、引出する。従って、プローブコイル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。

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が、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、高いＱ値（Quality factor）を実現することが必要である。

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_１および４_２のボア径を小さくすることが望ましく、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、あるいは超電導体から構成することが有効である。

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化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から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。

１１_１〜１１_４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、酸化物超電導薄膜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と酸化物超電導薄膜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。

コイル１１_１およびコイル１１_２が、コイル１１_３およびコイル１１_４が、それぞれ、直列に接続され、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。

１８_１〜１８_１０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０．１ｍｍ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。送信用プローブコイルは、実質的に、コイル片１８_１、１８_３、１８_５および１８_８が構成する１ターンのコイルと、コイル片１８_２、１８_４、１８_６および１８_７が構成する１ターンのコイルとで受信用プローブコイルを取り囲む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_９および１８_１０から常伝導金属引き出し配線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。

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。

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_２Ｏ_３）基板であり、表面に酸化物超電導体ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７からなる超電導薄膜１１が成膜されて円形コイルを形成している。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_４から１８_７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。

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。

まず、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１２の上にバッファ層として膜厚１００ｎｍのＣｅＯ_２を成膜し、次に酸化物超電導体ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７からなる超電導薄膜１１を成膜した。ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の膜厚は、磁場侵入長の１００ｎｍより大きい値とした。
但し、膜厚が１μｍ以上に厚くなるとＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の表面の凹凸が大きくなるので、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以上１μｍ以下が適当であり、実施例１では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_２Ｃｕ_３Ｏ_７薄膜を加工し、一部は、開放されていて、外側方向に延伸されている円形状のパターンを形成した。

次に、シャドーマスクを用いて、膜厚２５０ｎｍのＣｅＯ_２を成膜し、層間絶縁膜３１１を形成した。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１０μｍとした。Ａｕは直接、ＣｅＯ_２膜に成膜すると剥離しやすいため、下地膜としてＮｂを用いた。実施例１ではＮｂを用いたが、下地膜としてＴｉまたはＰｔ／Ｔｉ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、所望のパターンを形成した。

これにより、２つの金属Ａｕ膜とＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７膜の間に、絶縁体である層間絶縁膜ＣｅＯ_２を挿入して、Ａｕ／ＣｅＯ_２／ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７構造のキャパシタを形成した。成膜した薄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。

次に、サファイア基板１２に孔あけ加工を行い、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。

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。

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と超電導薄膜コイルの支持板部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、熱交換器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か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。

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からなる１ターンコイルを形成したサファイア基板１２とスペーサ１４が交互に積層される。そのため、スペーサ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個設けられるが、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。

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ァイア基板１２とスペーサ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、前記超電導薄膜コイルの支持板部２１２、サファイア基板１２およびスペーサ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。超電導薄膜コイルの支持板部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とスペーサ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。

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およびスペーサ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およびスペーサ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およびスペーサ１４は、それぞれ、上下方向に２枚である。スペーサ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、最上段のスペーサ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およびスペーサ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およびスペーサ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１．５ｍｍ、サファイア基板１２が０．５ｍｍ、スペーサ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、スペーサ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。

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およびスペーサ１４の積層体を形成するとともに熱交換器２３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ペーサ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ペーサ１４の上面に、底辺部分は最下段のスペーサ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、窒化アルミスペーサ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。

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２３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。熱交換器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上の超電導薄膜コイルに伝える。

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）の左側面から見た側面図である。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およびスペーサ１４の積層体の上下面に設けた保護スペーサである。これらの保護スペーサにも、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が保護スペーサ２１６のネジ穴と係合するものとしているが、図６で示す最下段のスペーサ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を通して保護スペーサ２１５，２１６間を結合する。

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換器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には熱交換器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。

高い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が、超電導体は完全反磁性という性質を有し、−１／４π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とスペーサ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く、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。

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とスペーサ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、接触面積が大きく、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かったが、支持板部２１２と超電導薄膜コイル基板１２とスペーサ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。

実施例１によれば、静磁場を水平方向に印加した時の、Ｑ値が高く、磁場均一性が良く、占有空間の小さい、超電導体から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ペーサを積み重ね、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。

（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加したが、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。

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加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、液体ヘリウムが充填され、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加える位置−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か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。

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。受信用プローブコイル４２は高感度を実現できる酸化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の銅箔か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。

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。

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。

実施例２では、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。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、円柱から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。

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に超電導薄膜コイル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、窒化アルミからなるネジ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。

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５１２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、送信用プローブコイ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。

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の保護スペーサ２１５，２１６に対応する保護スペーサ６１〜６４が設けられる。

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。熱交換器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、４２ｂ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。

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ペーサである。これらの保護スペーサは、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。

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に保持されている熱交換器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。

高い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が、超電導体は完全反磁性という性質を有し、−１／４π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っ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イル基板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、低温プロー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く、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５１２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。

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、接触面積が大きく、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。

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。

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。 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。 （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。 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。 本発明の第１の実施例のプローブコイルの支持板部、基板およびスペーサの積層体の構成を説明する展開斜視図である。 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、基板およびスペーサの積層体と熱交換器との対応の概要を示す斜視図である。 （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。 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。 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。 （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）の上面から見た平面図である。

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…窒化アルミスペーサ、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…窒化アルミネジ、２０…送信回路、２１，５１…中心台、２２，５１２…支持板、２３，５３…熱交換器、２４，５４…トリマコンデンサ、２５，５５…トリマ台座、２６，５６…銅パイプ、２７…チューブ、１０１，１０２，１０４から１０７，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６，５１４，５１５，５１６，５１７，５１８，５１９…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…保護スペーサ、２１８，２１９…ネジ、２２０…構造材、３１１…絶縁膜。

Claims (11)

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であり、
   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から取り囲む形の常伝導金属の鞍型コイルであ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。
3. 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ペーサを挿入されたものである請求項１記載の核磁気共鳴プローブ。
4. 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、前記スペーサ、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３記載の核磁気共鳴プローブ。
5. 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２記載の核磁気共鳴プローブ。
6. 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、前記スペーサ、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ペーサが設けられ、該保護スペ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４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イルの保護スペーサが設けられる請求項２記載の核磁気共鳴プローブ。
8. 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、前記超電導薄膜コイ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。
9. 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８記載の核磁気共鳴プローブ。
10. 前記中心台およびスペーサは窒化アルミからなる請求項３記載の核磁気共鳴プローブ。
11. 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イ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り、
    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。

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