(57)【要約】【課題】核磁気共鳴（ＮＭＲ）計測装置において、抵抗損失の小さいアンテナコイルが本来有する高いＱ値を低下させることなく、共振特性の同調整合を実現すること、および、ターン数を増大できるプローブアンテナの回路構成および実装方法を提供することである。【解決手段】アンテナコイルのほぼ中点より信号線を引き出し、アンテナコイルの両側に容量可変のトリマコンデンサを接続する。これにより、信号線を接続したアンテナコイルのほぼ中点を境として、片側のアンテナコイルＬ１とトリマコンデンサＣ１からなる直列共振回路１、および、もう一方の側のアンテナコイルＬ２とトリマコンデンサＣ２からなる直列共振回路２とが並列に接続された回路を構成する。直列共振回路１、２の共振周波数Ｆ１、Ｆ２の制御により、アンテナ回路全体の並列共振周波数Ｆ０を所望の周波数に同調し、かつインピーダンスを特定の値、例えば５０Ωに整合した共振特性を得る。【選択図】図６
2008122141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
均一磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ前記各信号を伝送する送信線と、
前記アンテナコイルを固着するステージと、
前記ステージを保持するプローブ筐体とを備え、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、
前記アンテナコイルの一端部より引き出された第１の引き出し線に第１のコンデンサが接続され、
前記アンテナコイルの他端部より引き出された第２の引き出し線に第２のコンデンサが接続され、
前記第１および第２のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線への第３の引き出し線が、前記一端部または前記他端部のいずれかから所定の距離を有する前記ターン部上に設けられた接続点に接続されていることを特徴とするＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項２】
前記所定の距離が、前記一端部から前記他端部までの距離の３０％から７０％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項３】
前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項４】
前記アンテナコイルの材質は、Ｃｕなどの常伝導体金属、もしくはＮｂ、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ａｌ、Ｐｂ、ＰｂＩｎなどの超電導体、もしくはＹＢＣＯなどの銅酸化物系超電導体、もしくは二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）などの超電導体のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項５】
前記アンテナコイルの両端部が開放されていることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項６】
前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材で形成されていることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項７】
前記アンテナコイルは、平坦基板もしくは曲面を有する基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項８】
前記アンテナコイルは、前記一端部から前記接続点との間に形成された前記ターン部が有する第１のインダクタＬ１と第１のコンデンサＣ１からなる直列共振回路Ａと、前記他端部から前記接続点との間に形成された前記ターン部が有する第２のインダクタＬ２と第２のコンデンサＣ２からなる直列共振回路Ｂとが並列に接続される回路を構成し、
前記直列共振回路Ａ、Ｂそれぞれの直列共振周波数を所定の共鳴周波数から正負逆方向にほぼ同程度ずらずことによって、前記所定の共鳴周波数でのインピーダンスが所望の値に整合されることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項９】
均一磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、
前記アンテナコイルへ前記各信号を伝送する送信線と、
前記アンテナコイルを固着するステージと、
前記ステージを保持するプローブ筐体とを備え、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、その一端部が第１の引き出し線を介して第１のコンデンサに接続され、その他端部は第２の引き出し線を介して接続端子に接続され、導電体からなる第１ターン部を有する第１のアンテナコイルと、その一端部が第３の引き出し線を介して第２のコンデンサに接続され、その他端部は第４の引き出し線を介して前記接続端子に接続され、導電体からなる第２ターン部を有する第２のアンテナコイルとから構成され、
前記第１および第２のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線へ接続された第５の引き出し線が、前記接続点に接続されていることを特徴とするＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１０】
前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項９記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１１】
前記アンテナコイルの材質は、Ｃｕなどの常伝導体金属、もしくはＮｂ、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ａｌ、Ｐｂ、ＰｂＩｎなどの超電導体、もしくはＹＢＣＯなどの銅酸化物系超電導体、もしくは二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）などの超電導体のいずれかであることを特徴とする請求項９記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１２】
前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材、または基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項９記載のＮＭＲ装置。
【請求項１３】
前記アンテナコイルは、ボビン側面上に巻きつけられた導電体からなるターン部を有し、その一端部が第１の引き出し線を介して第１のコンデンサに接続され、その他端部は第２の引き出し線を介して接続端子に接続され、導電体からなる第１ターン部を有する第１のアンテナコイルと、その一端部が第３の引き出し線を介して第２のコンデンサに接続され、その他端部は第４の引き出し線を介して前記接続端子に接続され、導電体からなる第２ターン部を有する第２のアンテナコイルとから構成され、
前記接続点は、前記ボビン側面上に設けられ、第５の引き出し線を介して前記信号線に接続されていることを特徴とする請求項９記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１４】
前記接続点が、前記ボビン側面から所定の距離だけ外側に離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１３記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１５】
前記第１の引き出し線と前記第１ターン部と前記第２の引き出し線とは、連続する同種の材料を用いて形成され、
前記第３の引き出し線と前記第２ターン部と前記第４の引き出し線とは、連続する同種の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１３記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１６】
前記第１の引き出し線、前記第１ターン部、前記第２の引き出し線、前記第３の引き出し線、前記第２ターン部、および前記第４の引き出し線は、連続する同種の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１３記載のＮＭＲ計測用プローブ。
【請求項１７】
中空部を有し、均一静磁場を発生させる少なくとも１つの超電導マグネットと、
前記均一静磁場中に置かれた試料に所定の共鳴周波数で高周波信号を送信し、前記試料からの自由誘導減衰（ＦＩＤ）信号を受信する両端部を有するアンテナコイルと、前記アンテナコイルを固着するステージと、前記ステージを保持するプローブ筐体とを具備してなり、前記マグネットの中空部に挿入されるＮＭＲ計測用プローブと、
前記アンテナコイルへの前記各信号を伝搬する送信線を介して信号を送受信する計測装置と、を有し、
前記アンテナコイルは、前記両端部の間に形成された導電体からなるターン部を有し、
前記アンテナコイルの一端部より引き出された第１の引き出し線に第１のコンデンサが接続され、
前記アンテナコイルの他端部より引き出された第２の引き出し線に第２のコンデンサが接続され、
前記第１および第２のコンデンサの他端は、いずれもグラウンドに接地され、
前記信号線への第３の引き出し線が、前記一端部または前記他端部のいずれかから所定の距離を有する前記ターン部上に設けられた接続点に接続されていることを特徴とするＮＭＲ装置。
【請求項１８】
前記所定の距離が、前記一端部から前記他端部までの距離の３０％から７０％の範囲にあることを特徴とする請求項１７記載のＮＭＲ装置。
【請求項１９】
前記アンテナコイルの形状は、ソレノイド型、もしくはサドル型であることを特徴とする請求項１７記載のＮＭＲ装置。
【請求項２０】
前記アンテナコイルは、常伝導金属もしくは超電導体の線材、または基板上に形成された常伝導金属もしくは超電導体からなる薄膜で構成されていることを特徴とする請求項１７記載のＮＭＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴装置（以下、ＮＭＲ装置と表記する）用プローブおよびそれを用いたＮＭＲ装置に係り、特に、均一磁場中に置かれた試料に対して所定の共鳴周波数で高周波信号を送信、および／もしくは自由誘導減衰信号（ＦＩＤ信号）を受信するために用いるプローブアンテナの回路構成および実装構造に特徴を有するＮＭＲ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計測は、物質の原子レベルの情報を得ることができ、化合物の構造を知るために優れた計測手法である。計測の基本原理は、均一な静磁場中に置かれた試料に高周波磁場を照射し、励起された原子核スピンからの応答信号を受信、解析する。高分解能の計測には、均一な高磁場（Ｂ０）を発生可能な超電導磁石を有するＮＭＲ装置が用いられる。現在、タンパク質の立体構造解析等を主要な目的として、２１．６Ｔ（９２０ＭＨｚ）のＮＭＲ装置が作られている。
【０００３】
タンパク質の解析においては、試料が少量であるため、発生する自由誘導減衰信号（ＦＩＤ信号）強度が微弱である。そのため、ＦＩＤ信号を受信するためのプローブには高い感度が必要である。ＮＭＲ計測の感度指標である信号雑音強度比（Ｓ／Ｎ）の向上には、信号検出時における熱雑音の低減が有効である。そのためにプローブを低温に冷却する方法が知られており、このようなプロ−ブを低温プロ−ブと称する。低温プローブの例は特許文献１（米国特許５２４７２５６号）に示されている。また、信号強度はプローブアンテナのＱ値（quality factor）に依存し、高感度のＮＭＲ計測実現のためにはアンテナに高いＱ値が要求される。Ｑ値はアンテナの抵抗損失に依存するため、Ｑ値向上にむけてはプローブアンテナを構成する導体に低抵抗の部材を用いるか、導体を低温に冷却し抵抗を低減するか、あるいはプローブアンテナの導体に常伝導金属と比べ極めて抵抗の低い超電導体を適用することが有効な手段である。プローブアンテナに超電導材料を用いた例は、特許文献２（米国特許５５８５７２３号）に示されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５２４７２５６号明細書
【特許文献２】米国特許第５５８５７２３号明細書
【特許文献３】特開２００５−１４０６５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プローブアンテナは、インダクタとキャパシタからなるＬＣ共振回路である。ＮＭＲ計測を行うためには、プローブアンテナの共振特性の同調と整合をとる必要がある。すなわち、アンテナの共振周波数を検出する核種の共鳴周波数に同調し、同時に共振周波数におけるインピーダンスを５０Ωなど特定のインピーダンスに整合する。さらに、上述したように高感度のＮＭＲ計測実現のためにはアンテナ回路に高いＱ値が要求される。例えば、低温プローブでは、アンテナコイルの抵抗を低減することでＱ値を向上する。
【０００６】
しかし、このような抵抗が極めて低いプローブアンテナは、常温での常伝導体アンテナと比べ共振特性の同調整合が難しく、低損失であるアンテナ本来の高いＱ値を引き出すことが難しい問題がある。
【０００７】
一般的なプローブアンテナの等価回路の例を図１（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１（Ａ）は、アンテナコイル５０に並列に容量可変のトリマコンデンサ４０を接続し、後段にローパス型の整合回路４８を接続した回路である。この回路では、アンテナコイル５０のインダクタンスとトリマコンデンサ４０のキャパシタンスにより所望の周波数Ｆ０に同調した共振ピークを得て、そのインピーダンスを後段の整合回路４８で５０Ωに変換する。しかし、アンテナコイル５０に付随する抵抗５１が極めて小さい場合、得られる共振ピークのインピーダンスは極めて大きくなる。その結果、整合回路における回路パラメータ（整合用キャパシタ４４のキャパシタンス、整合用インダクタ４６のインダクタンス）が実装困難な値となる。さらに、整合用キャパシタ４４や整合用インダクタ４６に付随する抵抗４５、４７によって、アンテナ回路全体の損失が増大しＱ値が低下する。
【０００８】
一方、図１（Ｂ）の回路構成の場合には、整合用キャパシタ４４のキャパシタンスが大きく、抵抗損失が増大する問題がある。一般的なプローブアンテナの材料と形状を想定すると、そのキャパシタンス値は数百ｐＦ以上となる。アンテナ回路に通常用いるチップコンデンサの場合、部品の特性としてキャパシタンスの大きさと共に誘電損失に起因した抵抗４５が増大する。よって、このようなキャパシタンスの大きい部品を使用するとアンテナ回路全体の抵抗損失が増大しＱ値の低下を招く。図１（Ｂ）の回路構成を基本とするプローブアンテナについては、例えば特許文献３に示されている。
【０００９】
アンテナコイル作製におけるもう一つの課題として、アンテナコイルの自己共振周波数の向上がある。一般にアンテナコイルのターン数が多いほど、検出する信号強度が増大しＮＭＲ計測感度を向上できる。しかし、アンテナコイルのターン数増大は、自己共振周波数の低下を招く。アンテナコイルの自己共振周波数が使用する周波数を下回る場合、アンテナコイルはインダクタとして機能せず、ＮＭＲ信号を検出できなくなる。
【００１０】
したがって、本発明の目的はアンテナコイルが本来有する高いＱ値を低下させることなく、共振特性の同調整合を実現するプローブアンテナの回路構成および実装方法を提供すること、および、自己共振周波数を使用周波数以上に保ちつつ、ターン数を増大できるプローブアンテナの回路構成および実装方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
目的のプローブアンテナを実現するために、本発明では、アンテナコイルのほぼ中点より信号線を引き出し、さらにアンテナコイルの両側に容量可変のトリマコンデンサを接続する。また、トリマコンデンサの他方の電極はグラウンドに接地する。以下の説明では、コンデンサを全て容量可変のトリマコンデンサとするが、調整が不要の場合、片側あるいは両側のコンデンサを固定コンデンサにできることは言うまでもない。従来のプローブアンテナではアンテナコイルの両端から給電したのに対し、本発明のアンテナコイルはアンテナコイルのほぼ中点から給電する点で回路構成が大きく異なる。
【００１２】
本アンテナ回路構成は、信号線を接続したアンテナコイルのほぼ中点を境として、片側のアンテナコイルＬ１とトリマコンデンサＣ１からなる直列共振回路１、および、もう一方の側のアンテナコイルＬ２とトリマコンデンサＣ２からなる直列共振回路２とが並列に接続された回路と等価である。この回路は、直列共振回路１の共振周波数Ｆ１と、直列共振回路２の共振周波数Ｆ２があり、Ｆ１とＦ２の間の周波数に直列共振回路１および直列共振回路２によって構成される並列共振回路の共振周波数Ｆ０が現れる共振特性を示す。これは、例えばＦ１＜Ｆ２の関係にあるとき、Ｆ１〜Ｆ２間では、直列共振回路１は誘導性に、また直列共振回路２は容量性になっていることから理解される。さらに、共振周波数Ｆ０の並列共振ピークはＦ１とＦ２の値によってそのインピーダンスを変化させることができる。後述するが、Ｆ１とＦ２の周波数間隔が広がる程、並列共振ピークのインピーダンスは増大し、逆にＦ１とＦ２の周波数間隔が狭まる程、並列共振ピークのインピーダンスは低下する。これは、直列共振回路１と直列共振回路２からなる回路を並列に接続した回路の解析を行うことによっても確認される。したがって、トリマコンデンサＣ１、Ｃ２の容量値を調整して直列共振周波数Ｆ１、Ｆ２を制御するだけで、並列共振周波数Ｆ０を所望の周波数に同調し、かつインピーダンスを特定の値、例えば５０Ωに整合した共振特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、基本的にはアンテナコイル以外に２つのコンデンサだけで構成可能であるため、超電導体などを用いた抵抗損失が極めて小さいアンテナコイルが本来有する高いＱ値を低下させることなく、アンテナ回路の共振特性の同調整合を実現することが可能となる。さらに、アンテナコイルの途中に信号線を接続することにより、アンテナコイルのインダクタンスを分割する。その結果、アンテナコイルの自己共振周波数が向上し、従来のアンテナコイルと比べてアンテナコイルのターン数増加が可能となるため、より高感度の信号検出を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
本発明によるアンテナ回路の等価回路図を図２（Ａ）に示す。アンテナコイル５０のほぼ中点から信号線を引き出し、アンテナコイル５０の両端に容量値可変のトリマコンデンサ４０、４１が接続される。抵抗５１はアンテナコイルの寄生抵抗、抵抗４２、４３はトリマコンデンサの誘電損失に起因した抵抗損失を表す。図２（Ａ）の等価回路図をより理解しやすいように書き直したのが図２（Ｂ）である。アンテナコイル５０の中点から信号線を引き出しているため、信号線の接続点からみるとアンテナコイル５０のインダクタンスが２つのインダクタ５０−１、５０−２に分割される構成となる。ここでは簡単のため、インダクタンス５０−１、５０−２間の相互インダクタンスは無視して説明する。抵抗５１−１、５１−２は、それぞれインダクタ５０−１、５０−２の寄生抵抗である。よって、このアンテナ回路は信号線の接続点からみて、インダクタ５０−１、トリマコンデンサ４０、抵抗５０−１、４２からなる直列共振回路７０と、インダクタ５０−２、トリマコンデンサ４１、抵抗５０−２、４３からなる直列共振回路７１とが並列に接続された共振回路となる。
【００１６】
本アンテナ回路の動作について説明する。図３（Ａ）、（Ｂ）に本アンテナ回路における共振特性の計算結果を示す。アンテナコイルのインダクタンスは１００ｎＨ、アンテナコイルの寄生抵抗は１００ｍΩとして計算した。図３（Ａ）はインピーダンスの絶対値の周波数依存性、図３（Ｂ）はインピーダンスの位相の周波数依存性である。図３（Ａ）の破線は直列共振回路７０と、直列共振回路７１がそれぞれ単独の状態で示すインピーダンスの周波数依存性である。実線は直列共振回路７０と７１を並列接続したアンテナ回路全体のインピーダンスである。これらのグラフから、アンテナ回路全体の共振特性として、周波数Ｆ１、Ｆ２に直列共振ディップがあり、それらのほぼ中間に共振周波数Ｆ０の並列共振ピークがあるとわかる。図３（Ａ）からわかるように、共振ディップの周波数Ｆ１、Ｆ２は直列共振回路７０、７１それぞれの直列共振周波数と一致しており、トリマコンデンサ４０、４１の容量値の調整によって独立に制御できる。直列共振周波数Ｆ１、Ｆ２の値によって並列共振周波数Ｆ０が変化するため、Ｆ１とＦ２の調整によってＦ０を所望の周波数に同調できる。また、Ｆ１〜Ｆ２間では、直列共振回路７０は誘導性に、また直列共振回路７１は容量性になっていることから、これらを並列接続したアンテナ回路全体としては、Ｆ１〜Ｆ２間の周波数Ｆ０で並列共振させることができる。
【００１７】
周波数Ｆ０の並列共振ピークのインピーダンスは、直列共振周波数Ｆ１、Ｆ２の差に依存する。図４は、Ｆ１とＦ２の周波数間隔ΔＦを変化させた場合のインピーダンスをプロットしたものである。ΔＦが広がるほど並列共振ピークのインピーダンスが増大し、逆にΔＦが狭まるほど並列共振ピークのインピーダンスが低下する。したがって、Ｆ１とＦ２の周波数間隔ΔＦを制御することにより、インピーダンスを特定の値、例えば５０Ωに整合することができる。
【００１８】
＜実施例１＞
図５は、本発明の対象であるＮＭＲ装置の主要構成部の概略と配置を示す斜視図である。２つに分割された超電導マグネット１０−１、１０−２により、一点鎖線で示す中心線に沿って均一磁場（静磁場）を発生させる。これを矢印Ｂ０で示す。試料管３０は内部に試料３１を収納して、静磁場に対して垂直な方向（図中ｘ軸方向）から挿入される。試料３１からの信号を検出するソレノイド型のプローブアンテナ２５を実装した低温プローブ２０は、静磁場と同じ方向から挿入されている。低温プローブ２０は、プローブアンテナ２５と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器２２と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ２６と、それらを接続するプローブ筐体２３により構成される。
【００１９】
図６（Ａ）は、実施例１のソレノイド型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。アンテナコイルのほぼ中点から信号線６０を引き出し、アンテナコイル５０の両端部に容量値可変のトリマコンデンサ４０、４１が接続される。トリマコンデンサの他方の電極はグラウンドに接地する。
【００２０】
図６（Ｂ）は、ソレノイド型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。２つの支持板２７−１、２７−２の間に円筒ボビン６１が固定され、その周りにアンテナコイル５０を巻きつける。アンテナコイル５０のほぼ中点には信号線６０が接続され、コイルの両端はトリマコンデンサ４０、４１に接続される。トリマコンデンサ４０、４１や信号線６０の外皮は金属材料で作製したプローブ先端ステージ２６と電気的、機械的に接続される。アンテナコイル５０は超電導体ＮｂＴｉの線材で作製し、支持板２７−１、２７−２と円筒ボビン６１はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）で作製する。本実施例では、ＮｂＴｉ線材の太さは１ｍｍ、アンテナコイルの直径は７ｍｍ、アンテナコイルの巻き数は４ターンとした。
【００２１】
プローブ先端ステージ２６は、図示していないが冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。さらに、プローブ先端ステージ２６と支持板２７−１、２７−２と円筒ボビン６１も互いに熱的に接続されている。よって、アンテナコイル５０は円筒ボビン６１、支持板２７−１、２７−２を介した伝熱で極低温に冷却される。
【００２２】
円筒ボビン６１、支持板２７−１、２７−２を取り除いた状態で、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中においてアンテナの共振特性を評価した。Ｑ値の周波数依存性の測定結果を図７に示す。３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、Ｑ＝１００００〜２０１００を得た。本発明のアンテナ構成を適用しない場合の超電導アンテナのＱ値は２０００以下であり、本発明の適用により超電導アンテナ本来の低損失性が引き出せることを確認できた。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００２３】
実施例１では、超電導材料としてＮｂＴｉを用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料に、他のＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎなど）や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、もしくはＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例１では、支持板２７−１、２７−２や円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。
【００２４】
さらに、実施例１では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例１で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例１の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００２５】
＜実施例２＞
実施例２は、超電導の薄膜を適用したアンテナを提案するものである。アンテナの形状は実施例１と同じくソレノイド型である。図８（Ａ）に、実施例２のプローブアンテナの構造を模式的に示す。実施例２のアンテナコイルは、基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４に形成された超電導薄膜コイル８１−１、８１−２、８１−３、８１−４と、それらを電気配線する常伝導金属箔８２−１、８２−２、８２−３、８２−４、８２−５で構成される。信号線６０は２段目と３段目の超電導薄膜コイルを接続する常伝導金属箔８２−３に接続する。トリマコンデンサ４０、４１は、アンテナコイルの端部となる常伝導金属箔８２−１、８２−５に接続する。
【００２６】
図８（Ｂ）は、ソレノイド型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。超電導薄膜コイル８１−１、８１−２、８１−３、８１−４が形成された基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３とを交互に積層し、２つの支持板２７−１、２７−２で挟み込む。支持板２７−１、２７−２と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３と、基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４には中央に穴を形成し、プローブアンテナとして組み上げると試料管を挿入できる構造となる。
【００２７】
以下、プローブアンテナの作製方法について説明する。まず、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）の基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４の上に、蒸着法によって膜厚３００ｎｍのＭｇＢ２超電導薄膜を成膜する。基板の材料はサファイアを使用する。次にホトリソグラフィーと電子サイクロトロン共鳴エッチングにより、ワッシャ形状に超電導薄膜をパターン加工する。コイルパターンの内径は１１ｍｍ、線幅は１ｍｍである。続いて、試料管挿入用の穴８３−１、８３−２、８３−３、８３−４、およびネジ留め用の穴８４−１、８４−２、８４−３、８４−４をレーザ光照射によって加工する。次に、超電導薄膜コイル８１−１、８１−２、８１−３、８１−４の端部に超音波ボンディング法により常伝導金属箔８２−１、８２−２、８２−３、８２−４、８２−５を接続する。
【００２８】
その後、超電導薄膜コイルの基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３とを交互に積層し、支持板２７−１、２７−２に挟みネジ留めで固定する。なお、基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３と、支持板２７−１、２７−２の間には、良好な熱的接続を得るために少量のインジウムを配置して組み立てる。また、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３と支持板２７−１、２７−２は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）で作製する。
【００２９】
実施例１と同様に、プローブ先端ステージ２６は冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。超電導薄膜コイル８１−１、８１−２、８１−３、８１−４は基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３と、支持板２７−１、２７−２を介した伝熱で極低温に冷却される。
【００３０】
作製した超電導体のプローブアンテナのＱ値を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において測定した結果、３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、Ｑ＝６５００〜１０１００を得た。本発明のアンテナ構成を適用する以前は、超電導体を用いたアンテナでもＱ値は２０００以下であり、本発明の適用により超電導アンテナ本来の低損失性が引き出せることを確認できた。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００３１】
実施例２では、超電導材料として硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料にＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉなど）やＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例２では、基板８０−１、８０−２、８０−３、８０−４と、スペーサ２８−１、２８−２、２８−３と、支持板２７−１、２７−２にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。
【００３２】
さらに、実施例２では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例２で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例２の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００３３】
＜実施例３＞
実施例３は、実施例２と同じく超電導の薄膜を適用したソレノイド型アンテナを提案するものである。図９は、実施例３のプローブアンテナの構造を模式的に示す斜視図である。プローブアンテナの基本的な構成は実施例１と同様である。実施例３においては、アンテナコイルは円筒ボビン６１上にパターニングされた超電導薄膜８１と、常伝導金属箔８２−１、８２−２で構成される。
【００３４】
以下、プローブアンテナの作製方法について説明する。まず、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）の円筒ボビン６１上に蒸着法によって膜厚３００ｎｍのＭｇＢ２超電導薄膜を成膜する。続いて成膜した超電導薄膜を機械的に研削し、円筒ボビン６１上に幅1ｍｍの超電導薄膜の螺旋パターンを形成する。その後、超電導薄膜の螺旋パターンのほぼ中点と両端部に、常伝導金属箔８２−１、８２−２、８２−３を超音波ボンディング法により接続し、アンテナコイルを作製する。アンテナコイルを支持板２７−１、２７−２を用いて固定し、常伝導金属配線８２−１、８２−２、８２−３をトリマコンデンサ４０、４１および信号線６０に接続してプローブアンテナを作製する。
【００３５】
実施例１と同様に、プローブ先端ステージ２６は冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。超電導薄膜８１は円筒ボビンと、支持板２７−１、２７−２を介した伝熱で極低温に冷却される。
【００３６】
作製した超電導体のプローブアンテナのＱ値を液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において測定した結果、３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、実施例２のプローブアンテナと同等のＱ値を得た。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００３７】
実施例３では、超電導材料として硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料にＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉなど）やＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例３では、円筒ボビン６１と支持板２７−１、２７−２にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。
【００３８】
さらに、実施例３では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例３で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例３の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００３９】
＜実施例４＞
実施例４は、アンテナコイルの両端を開放したソレノイド型プローブアンテナを提案するものである。図１０に実施例４のプローブアンテナの構成を模式的に示す。基本的な構成は実施例１と同様であるが、実施例４の場合、トリマコンデンサ４０、４１の接続位置より外側にもアンテナコイル５０の線が延び、その端部は開放されている。トリマコンデンサ４０、４１とアンテナコイル５０の接続点より外側にあるアンテナコイル線の長さは、使用する共鳴周波数における電磁波の波長の１／４程度あるいはその整数倍であることを特徴とする。
【００４０】
実施例４のプローブアンテナは、アンテナコイル５０単体で使用する共鳴周波数において自己共振させる。その状態でトリマコンデンサ４０、４１の容量値を調節し、信号線６０とアンテナコイル５０の接続点におけるインピーダンスを５０Ωに整合する。このアンテナ構成の利点は、アンテナコイルの線を試料管挿入方向に伸ばすことにより、アンテナ内に挿入される試料からの信号をより広い領域で検出できる点である。
【００４１】
低温プローブへの実装方法やアンテナコイルの冷却方法は実施例１に示したものと同様である。超電導体ＮｂＴｉの線材を用いてアンテナコイルを作製し、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において共振特性を評価した。結果、３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、実施例１のプローブアンテナと同等のＱ値を得た。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００４２】
実施例４では、超電導材料としてＮｂＴｉを用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料に、他のＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎなど）や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、もしくはＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。
【００４３】
さらに、実施例４では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例４で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例４の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００４４】
＜実施例５＞
実施例５は、アンテナコイルを複数のコイルを接続して構成するソレノイド型のプローブアンテナを提案するものである。図１１に、実施例５のプローブアンテナの構成を示す。基本的な構成は実施例１と同様である。二つの別々のアンテナコイル５０−１、５０−２を試料からの信号を検出できる位置に配置し、各コイルの片方の端に容量値可変のトリマコンデンサを接続する。さらに各コイルのもう片方の端を互いに電気的に接続し、その接続点から信号線６０を引き出す。
【００４５】
低温プローブへの実装方法やアンテナコイルの冷却方法は実施例１に示したものと同様である。超電導体ＮｂＴｉの線材を用いてアンテナコイルを作製し、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において共振特性を評価した。結果、３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、実施例１のプローブアンテナと同等のＱ値を得た。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００４６】
実施例５では、超電導材料としてＮｂＴｉを用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料に、他のＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎなど）や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、もしくはＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。
【００４７】
さらに、実施例５では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例５で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例５の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００４８】
＜実施例６＞
実施例６は、サドル型のプローブアンテナの構成を提案するものである。サドル型プローブアンテナは、円筒型マグネットを用いて垂直方向の静磁場（Ｂ０）を発生させるＮＭＲ装置に適用できる。図１２に垂直方向の静磁場を発生させるＮＭＲ装置の代表的な構成を示す。円筒型の超電導マグネット１０により、一点鎖線で示した中心線に沿って均一磁場を発生させる。低温プローブ２０および内部に試料３１を収納した試料管３０は、静磁場と同じ方向（図中ｚ軸方向）から挿入される。低温プローブ２０は、プローブアンテナ２５と、冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器２２と、熱交換器で冷却されるプローブ先端ステージ２６と、それらを接続するプローブ筐体２３により構成される。
【００４９】
図１３（Ａ）は、実施例６のサドル型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。アンテナコイルはサドル型でありそのほぼ中点から信号線６０を引き出し、アンテナコイル５０の両端部に容量値可変のトリマコンデンサ４０、４１が接続される。トリマコンデンサの他方の電極はグラウンドに接地する。
【００５０】
図１３（Ｂ）は、サドル型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。プローブ先端ステージ２６と同軸方向に円筒ボビン６１が固定され、その周りにアンテナコイル５０を巻きつける。アンテナコイル５０のほぼ中点には信号線６０が接続され、コイルの両端はトリマコンデンサ４０、４１に接続される。トリマコンデンサ４０、４１や信号線６０の外皮は金属材料で作製したプローブ先端ステージ２６と電気的、機械的に接続される。アンテナコイル５０は超電導体ＮｂＴｉの線材で作製し、円筒ボビン６１はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）で作製する。本実施例では、ＮｂＴｉ線材の太さは１ｍｍ、アンテナコイルの直径は７ｍｍ、アンテナコイルの高さは２０ｍｍとした。
【００５１】
図１３（Ａ）（Ｂ）では、サドルコイルとして１ターン×２の場合を図示したが、Ｎ（Ｎ＞１）ターン×２の構成のサドルコイルでも良い。この場合、Ｎターンのコイルの自己共振周波数が所望の直列共振周波数より高いことが前提である。
【００５２】
プローブ先端ステージ２６は、図示していないが冷熱源となる冷凍機先端部の熱交換器と熱的に接続され、極低温に冷却される。さらに、プローブ先端ステージ２６と円筒ボビン６１も互いに熱的に接続されており、アンテナコイル５０は円筒ボビン６１を介した伝熱で極低温に冷却される。
【００５３】
作製したサドル型プローブアンテナの共振特性を、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において評価した。３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、実施例１と同等のＱ値を得た。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００５４】
実施例６では、超電導材料としてＮｂＴｉを用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料に、他のＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎなど）や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、もしくはＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。また、実施例６では、円筒ボビン６１にはサファイアを用いたが、代わりに窒化アルミ（ＡｌＮ）を用いた場合でも、同様の結果が得られた。
【００５５】
さらに、実施例６では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例６で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例６の構成を適用した常温動作の４ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【００５６】
＜実施例７＞
実施例７は、１つのアンテナコイルを用いて異なる２つの共振周波数の高周波信号を送信、受信できる２重共鳴プローブアンテナを提案するものである。アンテナの等価回路を図１４に示す。アンテナコイル５０のほぼ中点から信号線６０を引き出し、アンテナコイル５０の端部にトリマコンデンサ４０、４１が接続される。さらに、アンテナコイル５０の端部にはインダクタ５２−１とキャパシタ５３−１からなるトラップ５６−１と、トリマコンデンサ５４が直列に接続される。トラップ５６−１とトリマコンデンサ５４と同じ構成は、もう一方のアンテナコイル端部にも形成される。
【００５７】
実施例７のアンテナ回路は、異なる２つの周波数ＦＡ、ＦＢで共振する回路である（ただしＦＡ＞ＦＢ）。トリマコンデンサ４０、４１は、共振周波数ＦＡの共振ピークを同調整合するために用いる。一方、トリマコンデンサ５４、５５は共振周波数ＦＢの共振ピークを同調整合するために用いる。トラップ５６−１は、共振周波数ＦＡの高周波信号を遮断するための要素回路であり、周波数ＦＡにおいてインダクタ５２−１とキャパシタ５３−１が並列共振し、極めて高いインピーダンスを示す。トラップ５６−２も同様の動作を示す。
【００５８】
周波数ＦＡにおいては、トラップ５６−１、５６−２があるために、破線で囲った要素回路５７−１、５７−２は無視でき、実質的にアンテナコイル５０、トリマコンデンサ４０、４１だけで構成した回路となる。そのため、トリマコンデンサ５４、５５の容量値を変化させた場合でも、共振周波数ＦＡにおける共振特性は影響を受けない。一方、周波数ＦＢにおいては、トラップ５６−１、５６−２はインダクタ的にふるまう。そのインダクタンス成分と、アンテナコイル５０、トリマコンデンサ４０、４１、５４、５５で回路が構成される。共振周波数ＦＢにおける共振特性は、トリマコンデンサ５４、５５だけでなく、共振周波数ＦＡの共振特性を同調整合するためのトリマコンデンサ４０、４１の影響も受ける。したがって本アンテナ回路では、はじめにトリマコンデンサ４０、４１の容量値を調整して周波数ＦＡの共振特性を５０Ω整合し、その後トリマコンデンサ５４、５５の容量値を調整して周波数ＦＢの共振特性を５０Ω整合する。以上の手順により共振周波数ＦＡ、ＦＢの２つの共振特性を同調整合する。
【００５９】
信号線６０後方にある分岐点の先にはフィルタ１、フィルタ２が設置されている。フィルタ１は周波数ＦＡのバンドパスフィルタであり、フィルタ２は周波数ＦＢのバンドパスフィルタである。アンテナで受信した周波数ＦＡ、ＦＢの高周波信号は信号線６０を伝達し後方の分岐点で分配されるが、これらフィルタにより一方の分岐先には周波数ＦＡの信号のみ、もう一方の分岐先には周波数ＦＢの信号のみが伝達される。この構成により、フィルタ後段にある信号検出器に異なる周波数の漏れ信号が混入するのを防ぐ。
【００６０】
図１５に、常伝導のＣｕ線を用い、共振周波数ＦＡ＝３０ＭＨｚ、ＦＢ＝７５ＭＨｚとして設計、作製した実施例７の２重共振アンテナ回路の共振特性を示す。図１５（Ａ）は信号線６０の先端からアンテナ側を見た入力インピーダンスの反射特性（Ｓ１１）である。周波数３０ＭＨｚと、７５ＭＨｚにおいて共振ピークが確認できる。図１５（Ｂ）、（Ｃ）は３０ＭＨｚ、７５ＭＨｚ近傍の周波数帯域において、信号線６０の先端からアンテナ側を見た入力インピーダンスの周波数依存性である。これらのグラフより、いずれの周波数でも共振ピークのインピーダンスを５０Ωに整合でき、１つのアンテナコイルを用いた２重共振回路の正常動作が確認された。
本実施例によれば、１つのアンテナコイルを２つの周波数で同時に使用可能であり、また、１本の信号線６０で接続可能であるので、プローブの小型化が可能になる。
【００６１】
また、アンテナ回路を構成する二つの直列共振回路におけるそれぞれの直列共振周波数Ｆ１、Ｆ２を、計測対象とする核種の共鳴周波数Ｆ０を中心として互いに正負逆方向にわずかにずらすのみで共振特性の同調整合を実現できるため、同調整合の調整が容易となる。さらに、共振特性のインピーダンス整合用にインダクタやキャパシタなどの余分な部品を実装する必要がないため、プローブ先端の狭い実装スペースでもアンテナ回路の作製が容易となる。
【００６２】
＜実施例８＞
実施例８は、１つのアンテナコイルを用いて異なる４つの共振周波数の高周波信号を送信、受信できる多重共鳴プローブアンテナを提案するものである。実施例８は、Ｈ、Ｄ、Ｃ、Ｎ核に対応する多重共鳴プローブアンテナとして使用できる回路構成である。アンテナの等価回路を図１６に示す。基本的な回路構成は実施例７と同様であるが、実施例８のアンテナ回路ではさらに多数のトラップとトリマコンデンサを配置することにより、４つの共振周波数において５０Ω整合した共振ピークを得ることができる。
【００６３】
アンテナコイル５０と、３００ＭＨｚの高周波信号を遮断するトラップ６５−１、６５−２と、７５ＭＨｚの高周波信号を遮断するトラップ６６−１、６６−２と、４６ＭＨｚの高周波信号を遮断するトラップ６７−１、６７−２を用いて図１６に示すアンテナ回路を作製した。フィルタ１、フィルタ２、フィルタ３、フィルタ４はそれぞれ、３００ＭＨｚ、７５ＭＨｚ、４６ＭＨｚ、３０ＭＨｚのバンドパスフィルタであり、これらフィルタにより実施例７と同様、後段の信号検出器に異なる周波数の漏れ信号が混入するのを防ぐ。信号線６０からアンテナ側を見た入力インピーダンスの周波数依存性を評価した結果、３００ＭＨｚ、７５ＭＨｚ、４６ＭＨｚ、３０ＭＨｚにおいて、インピーダンスを５０Ωに整合した共振ピークが得られた。
【００６４】
本実施例によれば、１つのアンテナコイルを４つの周波数で同時に使用可能であり、また、１本の信号線６０で接続可能であるので、プローブの小型化が可能になる。
【００６５】
＜実施例９＞
実施例９は、本発明のプローブアンテナを搭載したＮＭＲ計測装置を提案するものである。実施例９のＮＭＲ装置の構成を図１７に示す。図１７（Ａ）は、２つに分割された超電導マグネット１０−１、１０−２により、水平方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置であり、図１７（Ｂ）は、円筒型の超電導マグネット１０により、垂直方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置である。いずれの構成においても、ＮＭＲ装置は超電導マグネット１０、１０−１、１０−２と、低温プローブ２０と、低温プローブ２０を冷却する冷凍機２９と、プローブに高周波信号を送信しプローブからの信号を受信・解析を行う計測器３５と、測定結果を表示する表示器３６から構成される。冷凍機２９は、冷却したＨｅガスを冷却ガスライン３７中に循環させて低温プローブ２０先端の熱交換器２３およびプローブ先端ステージ２６を冷却する。計測器３５は信号線６０を介してプローブアンテナ２５に高周波信号を送信し、試料３１からの高周波信号を受信する。本実施例の構成により、均一な静磁場中に置かれた試料に高周波磁場を照射し、励起された原子核スピンからの応答信号を受信、解析できる計測装置が実現できる。
【００６６】
図１７（Ａ）に示す水平方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置では、ソレノイド型のプローブアンテナが適用できる。プローブアンテナに実施例１〜５のいずれかの構成を適用することで、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。一方、図１７（Ｂ）に示す水平方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置では、サドル型のプローブアンテナが適用できる。プローブアンテナに実施例６の構成を適用することで、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
＜実施例１０＞
実施例１０は、信号線がアンテナコイルのほぼ中点より離れて接続されるソレノイド型のプローブアンテナを提案するものである。図１８に、実施例１０のプローブアンテナの構成を示す。基本的な構成は実施例１と同様である。アンテナコイルのターン数は５ターンであり、信号線６０はアンテナコイルを２ターンと３ターンに分ける箇所に接続される。
【００６７】
低温プローブへの実装方法やアンテナコイルの冷却方法は実施例１に示したものと同様である。超電導体ＮｂＴｉの線材を用いてアンテナコイルを作製し、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中において共振特性を評価した。結果、３００〜６００ＭＨｚで５０Ω整合した共振特性を確認し、実施例１のプローブアンテナと同等のＱ値を得た。この構成のプローブアンテナをＮＭＲ装置に用いることにより、Ｓ／Ｎの大幅な向上が実現できる。
【００６８】
実施例１０では、超電導材料としてＮｂＴｉを用いた。同様の構成において、アンテナコイルの超電導材料に、他のＮｂ合金（Ｎｂ３Ｓｎなど）や二硼化マグネシウム（ＭｇＢ２）、もしくはＹＢＣＯなどの酸化物高温超電導体を用いた場合でも同様の結果が得られることは明らかである。また、超電導材料の代わりにＣｕ線などの常伝導材料を用いた場合にも、同様の構成が可能であることは明らかである。
【００６９】
さらに、実施例１０では低温動作のアンテナ構成を示したが、Ｃｕなどの常伝導金属を用いた常温動作のアンテナに本実施例の構成を適用した場合でも、従来の常温動作アンテナと比べてＮＭＲ計測感度の向上が実現できる。実施例１０で示した信号線の接続点をアンテナコイルの途中に設けるアンテナ構造は、信号線接続点がアンテナコイルの端部にある従来のアンテナと比べ、アンテナコイルの自己共振周波数を向上できる。そのため、アンテナコイルのターン数を増大でき、ＮＭＲ計測感度を向上できる。例えば、従来の構成では５ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用困難であったが、実施例１０の構成を適用した常温動作の５ターンのソレノイド型アンテナコイルは６００ＭＨｚでの計測に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、従来のプローブアンテナにおける等価回路の例を示す図である。
【図２】（Ａ）は、本発明のプローブアンテナの等価回路図であり、（Ｂ）は（Ａ）をより理解しやすいように書き直した等価回路図である。
【図３】（Ａ）は本発明のプローブアンテナにおけるインピーダンスの周波数依存性の計算結果であり、（Ｂ）はインピーダンスの位相の周波数依存性を計算した結果を示す図である。
【図４】本発明のプローブアンテナにおけるインピーダンスが、直列共振周波数Ｆ１とＦ２との差ΔＦによって変化する様子をプロットした計算結果を示す図である。
【図５】本発明の対象であるＮＭＲ装置の主要構成部の概略を、プローブアンテナ２５をスプリット型超電導マグネットのボアから挿入する方法で配置したものとした例を示す斜視図である。
【図６】（Ａ）は、実施例１のソレノイド型プローブアンテナの電気的接続を模式的に示した図である。（Ｂ）は、ソレノイド型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。
【図７】実施例１のソレノイド型プローブアンテナにおけるＱ値の周波数依存性を示す図である。
【図８】（Ａ）は、実施例２のソレノイド型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。（Ｂ）は、実施例２のソレノイド型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。
【図９】実施例３のソレノイド型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。
【図１０】実施例４のソレノイド型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。
【図１１】実施例５のソレノイド型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。
【図１２】垂直方向に静磁場を発生するＮＭＲ装置の代表的な構成を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、実施例６のサドル型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。（Ｂ）は、実施例６のサドル型プローブアンテナを低温プローブ２０に実装する形態を模式的に示した斜視図である。
【図１４】実施例７の２重共鳴プローブアンテナの等価回路図である。
【図１５】（Ａ）は、実施例７の２重共鳴プローブアンテナの反射係数（Ｓ１１）の周波数依存性である。（Ｂ）、（Ｃ）は実施例６の２重共鳴プローブアンテナのインピーダンスの周波数依存性である。
【図１６】実施例８の多重共鳴プローブアンテナの回路構成図である。
【図１７】（Ａ）は、実施例９における水平方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置の構成を模式的に示した図。（Ｂ）は、実施例１０における垂直方向に均一磁場を発生させるＮＭＲ装置の構成を模式的に示した図である。
【図１８】実施例１０のソレノイド型プローブアンテナの構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０，１０−１，１０−２…超電導マグネット、１１…均一磁場、２０…低温プローブ、２２…熱交換器、２３…プローブ筐体、２５…プローブアンテナ、２６…プローブ先端ステージ、２７−１, ２７−２…支持板、２８−１, ２８−２, ２８−３…スペーサ、２９…冷凍機、３０…試料管、３１…試料、３５…計測器、３６…表示器、３７…冷却ガスライン、４０,４０−１,４０−２,４０−３,４０−４,４１,４１−１,４１−２,４１−３,４１−４…トリマコンデンサ、４２,４３…トリマコンデンサの寄生抵抗、４４…コンデンサ、４５…コンデンサの寄生抵抗、４６…整合用コイル、４７…整合用コイルの寄生抵抗、４８…整合回路、５０, ５０−１, ５０−２…アンテナコイル、５１, ５１−１,５１−２…アンテナコイルの寄生抵抗、５２−１、５２−２…トラップのインダクタ、５３−１、５３−２…トラップのキャパシタ、５４,５５…トリマコンデンサ、５６−１,５６−２…トラップ、５７−１、５７−２…要素回路、６０…信号線、６１…円筒ボビン、６５−１,６５−２…３００ＭＨｚトラップ、６６−１,６６−２…７５ＭＨｚトラップ、６７−１,６７−２…４６ＭＨｚトラップ、７０…直列共振回路１、７１…直列共振回路２、８０−１, ８０−２, ８０−３, ８０−４…基板、８１−１, ８１−２, ８１−３, ８１−４…超電導薄膜コイル、８２−１, ８２−２, ８２−３, ８２−４, ８２−５…常伝導金属箔、８３−１, ８３−２, ８３−３, ８３−４…試料管挿入用の穴、８４−１, ８４−２, ８４−３, ８４−４, ８５…ネジ留め用の穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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