(57)【要約】【課題】共振型のＮＭＲ検出装置において検出信号強度を増大させる。【解決手段】複数の受信アンテナコイル２１，２２を設置し、それぞれのアンテナコイルとキャパシタ５１１，５１２および５２１，５２２との共振回路３１，３２でそれぞれ信号検出ユニット６１，６２を構成する。これらの信号検出ユニット６１，６２から取り出した信号をパワーコンバイナ４１等の信号合成手段４により合成し、検出信号を増大させる。全体のインダクタンスの増加を抑制するため、複数のアンテナコイル２１，２２は、互いに逆向きとなるように巻きまわす。【選択図】図１
2008020398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルからのＮＭＲ信号を受信するアンテナと、このアンテナのインダクタンスと共に共振回路を形成するキャパシタとを備え、前記共振回路から信号を取り出すＮＭＲ信号検出装置において、アンテナと共振回路から構成される信号検出ユニットを複数備え、前記複数の信号検出ユニットから取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項２】
サンプルからのＮＭＲ信号を受信するアンテナと、このアンテナのインダクタンスと共に共振回路を形成するキャパシタとを備え、前記共振回路から信号を取り出すＮＭＲ信号検出装置において、２組の前記共振回路と、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項３】
サンプルからのＮＭＲ信号を受信するアンテナと、このアンテナのインダクタンスと共に共振回路を形成するキャパシタとを備え、前記共振回路から信号を取り出すＮＭＲ信号検出装置において、２組の前記アンテナと、２組の前記キャパシタ及び２組の前記共振回路と、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記アンテナは、連続した１つのアンテナコイルの中間からタップを取り出し、このタップにより複数のアンテナコイルに分割したことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記信号合成手段は、差動増幅器を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、ＮＭＲ信号を受信するアンテナは、ソレノイド状コイルを備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記信号合成手段は、パワーコンバイナを備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項８】
請求項７において、前記パワーコンバイナは、ウィルキンソン・パワー・ディバイダであることを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、前記共振回路から取り出した信号を増幅する増幅器を備え、前記信号合成手段を、初段の増幅器よりも前段に接続したことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、前記信号合成手段を、ＮＭＲプローブに内蔵したことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１１】
サンプルからのＮＭＲ信号を受信するアンテナと、このアンテナのインダクタンスと共に共振回路を形成するキャパシタとを備え、前記共振回路から信号を取り出すＮＭＲ信号検出装置において、前記アンテナとして、逆向きに巻かれた２つのアンテナコイルと、これらのアンテナコイルのそれぞれとの間で２つの共振回路を形成する２組のキャパシタと、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１２】
請求項１１において、前記信号合成手段は、前記２組の共振回路の信号の位相差をλ／２とするように信号位相をシフトする位相シフト手段を備え、この位相シフト手段の出力と他方の前記共振回路から取り出した信号とを合成するように構成したことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記位相シフト手段は、トランスを備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１４】
請求項１２において、前記位相シフト手段は、２組の前記共振回路から前記信号合成手段までの伝送路長に差をつけたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれかにおいて、２つの前記アンテナコイルは、連続した１つのコイルの中点からタップを取り出し、このタップにより２つのコイルに分割して形成したことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかにおいて、ＮＭＲ信号を受信する前記アンテナは、ソレノイド状コイルを備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれかにおいて、前記信号合成手段は、差動増幅器を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１８】
請求項１１〜１７のいずれかにおいて、前記信号合成手段は、バラン（平衡−不平衡変換器）を備えたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかにおいて、前記共振回路の共振周波数を、３００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの範囲内としたことを特徴とするＮＭＲ信号検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載のＮＭＲ信号検出装置を備えたことを特徴とする核磁気共鳴分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象から発する電磁波を検出するＮＭＲ信号検出装置に関し、特に、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、磁気共鳴分光イメージング（ＭＲＳ）を含む核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号検出装置およびこれを利用した核磁気共鳴分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、水素、炭素１３などの核スピンが、磁場中で特定周波数の電磁波を吸収、放出する現象である。その周波数スペクトルは、試料の分子の化学構造を反映するため、分子構造の決定などに核磁気共鳴が利用される。
【０００３】
ＮＭＲ信号を得るためには、測定対象の試料を静磁場中に配置し、特定周波数の電磁波を照射し、放出される電磁波を検出する必要がある。
【０００４】
ＮＭＲ信号強度は、静磁場強度の増加とともに増加するため、高感度ＮＭＲ計測用の磁場発生源には、超電導磁石が利用される。磁場強度としては、凡そ、７テスラから２２テスラの超電導磁石がＮＭＲ計測に利用されている。プロトンの共鳴周波数に換算すると、凡そ、３００ＭＨｚから９３０ＭＨｚとなる。
【０００５】
また、ＮＭＲ共鳴周波数は、磁場強度に比例して大きくなる。共鳴周波数の増大により、ＮＭＲスペクトルの周波数分解能が向上するため、タンパク質計測など、高分解能の計測が必要とされる場合には、プロトン共鳴周波数が６００ＭＨｚ以上のものが利用される。
【０００６】
試料に近接するように、電磁波を照射するためのアンテナが配置される。所定の周波数の電磁波を効率良く照射できるように調整されている。一般には、照射用のアンテナは、ＮＭＲ信号を検出するための受信アンテナを兼ねる。
【０００７】
共鳴現象によって試料から発せられるＮＭＲ信号の強度は極めて小さいため、共鳴信号を検出する回路を共振回路とし、大きな電圧信号が得られるようにしてある。
【０００８】
特許文献１に開示されているように、ＮＭＲ信号検出装置は、試料から発するＮＭＲ信号を拾うためのアンテナ部のインダクタと、特定の周波数で共振させ、かつ、インピーダンスの整合を取るために調整されたキャパシタから構成されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平２−３０９２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＮＭＲ信号検出のためには、共振回路が不可欠である。直列共振の共振周波数は、共振回路のインダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとすれば、よく知られているように（１）式で表される。
【００１１】
ｆ＝１／２π√ＬＣ……………………………………………………………………（１）
直列共振回路の共振周波数と、ＮＭＲ信号の共鳴周波数は、等しくなるように構成する必要がある。ＮＭＲ共鳴周波数は、サンプルが置かれる磁場の磁場強度の大きさに比例するが、磁石がつくる磁場強度は一定であるため、共鳴周波数も一定である。
【００１２】
ＮＭＲ信号電圧を増加させるためには、ＮＭＲ信号を拾うアンテナ部の有効な長さを長くする必要がある。そのためには、例えば、サドル型コイルを用いたアンテナにおいては、サドル型コイルの軸長を増加させる方法がある。一方、ソレノイド型コイルを用いたアンテナにおいては、コイルの巻き数を増やすという方法がある。
【００１３】
アンテナ部の有効長を大きくすることにより、アンテナ部のインダクタンスＬが増加することとなる。一方、直列共振の条件を満たすためには、インダクタンスＬの増加に応じて、回路のキャパシタンスＣを小さくする必要がある。
【００１４】
共鳴周波数ｆを６００ＭＨｚとし、アンテナのインダクタンスＬを５０ｎＨとすると、キャパシタンスＣは、１．４ｐＦとなる。実際の共振回路のおいては、１ｐＦオーダの浮遊容量が存在するため、インダクタンスＬが５０ｎＨ以上のアンテナを用いて安定な共振回路を実現することは極めて困難である。
【００１５】
したがって、コイルの有効長さを増やすということによって、ＮＭＲ信号強度を増加させ、計測可能な試料体積を大きくすることが困難であった。
【００１６】
本発明の目的は、ＮＭＲ信号強度を増大させることである。
【００１７】
本発明の他の目的は、コイルの有効長さを増すことなく、ＮＭＲ信号強度を増大させることである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、コイルの有効長さを増すことなく、ＮＭＲ信号強度を増大させ、計測可能な試料体積を大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明はその一面において、ある観測核のＮＭＲ信号を受信するためのアンテナと、前記アンテナのコイル（インダクタ）と共振回路を構成するキャパシタを備えたＮＭＲ信号検出装置において、アンテナと共振回路から構成される信号検出ユニットを複数備え、前記複数の信号検出ユニットから取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は他の一面において、２組の前記共振回路と、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明はまた他の一面において、２組の前記アンテナと、２組の前記キャパシタ及び２組の前記共振回路と、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明はさらに他の一面において、前記アンテナとして、逆向きに巻かれた２つのアンテナコイルと、これらのアンテナコイルのそれぞれとの間で２つの共振回路を形成する２組のキャパシタと、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成する信号合成手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の望ましい実施態様においては、前記アンテナと共振回路から構成される信号検出ユニットは、測定対象核の共鳴周波数と同じ周波数で共振するように調整されている。検出ユニットのそれぞれは、完全に独立した共振回路の形態か、または、それぞれの検出ユニットの一部分が共用となって共振回路を構成する形態となっており、検出装置全体としては、複数の共振回路が存在する。
【００２４】
本発明の望ましい実施態様においては、検出ユニットの構成素子であるアンテナコイルは、検出装置全体としては複数個設置される。ここで、一つのコイルの中間部にタップがあることによってオートトランス型コイルとなっている場合でも、アンテナ素子の個数は複数とみなす。オートトランス型となっていることは、アンテナ部の小型化の点から好ましい。
【００２５】
本発明の望ましい実施態様においては、アンテナコイルは、ＮＭＲ共鳴を起こした試料から放出される電磁波を受信できるように、試料に接近した位置に設置される。アンテナコイルは、鞍型、鳥籠型コイル、ソレノイド型コイルなど任意の形状でよいが、ＮＭＲ検出信号強度を増大させるために、アンテナの有効体積あたりの受信信号強度が大きなソレノイド状のアンテナを用いる。
【００２６】
複数の信号検出ユニットの出力を合成する回路手段は、任意の素子、回路を用いて良く、その回路のひとつとしてはパワーコンバイナがある。前記パワーコンバイナとしては、受動素子によって構成されるウィルキンソン・パワー・ディバイダであることが好ましい。
【００２７】
本発明によるＮＭＲ信号検出装置は、複数の信号検出ユニットからの出力を合成することによって信号出力の増大を図るものである。信号の合成は、初段のアンプの入力以前に行われることがＳ／Ｎを向上させる上で有利なため、信号合成手段を初段アンプの前段に配置することが好ましい。
【００２８】
また、検出回路から初段アンプまでの伝送路における信号ロスや、雑音の混入をさけるため、信号合成手段は、アンテナ部に出来る限り近づけることが望ましく、信号合成手段はプローブ内部に内蔵されていることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の望ましい実施態様においては、信号検出ユニットは、サンプルからのＮＭＲ信号を受信するためのアンテナと、前記アンテナのコイルと共振回路を構成するキャパシタを備えたＮＭＲ信号検出ユニットを２つ設置する。そして、前記２つの信号検出ユニットから出力される信号の実質的な位相差がλ／２となるように、位相シフト手段（移相器）が設置され、前記λ／２の位相差をもつ２つの信号を合成する信号合成手段を備える。
【００３０】
また、信号合成手段は、λ／２の位相差がある２つの電圧信号の差分を取り、２つの電圧信号の振幅の和が回路から出力されるように構成することが望ましい。
【００３１】
さらに、２つの信号にλ／２の位相差をつけるための位相シフト手段が、信号検出ユニットを構成する共振回路と信号合成手段の間に設置される。この位相シフト手段としては、適切な長さを有する伝送線路もしくはトランスを用いることが出来る。
【００３２】
信号の合成の際には、差動入力のアンプもしくはバラン（Balun：平衡−不平衡変換器）を使って合成する。これら合成手段の入力ポートは、それぞれアイソレートされた入力ポートとなっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、複数の信号検出ユニットから取り出した信号を合成することにより、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
【００３４】
また、本発明の他の一面によれば、２組の共振回路から取り出した信号を合成することによって、コイルの有効長さを増すことなく、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
【００３５】
本発明のまた他の一面によれば、それぞれ２組のアンテナ、キャパシタ及び共振回路を備え、これらの共振回路から取り出した信号を合成することによって、コイルの有効長さを増すことなく、ＮＭＲ信号強度を増大させることができる。
【００３６】
本発明のさらに他の一面によれば、逆向きに巻かれた２つのアンテナコイルと、２組のキャパシタとの間で２つの共振回路を形成し、これら２組の共振回路から取り出した信号を合成することによって、コイルの有効長さを増やすことなく、ＮＭＲ信号強度を増大させ、計測可能な試料体積を大きくすることができる。
【００３７】
本発明の望ましい実施態様によれば、複数のアンテナコイルを逆巻きとし、これらによって形成した複数の信号検出ユニットからそれぞれ信号を取り出し、合成することにより、信号検出能力を増強しつつ、全体としてのインダクタンスを抑制できる。
【００３８】
これらにより、計測可能な試料体積を増大でき、検出されるＮＭＲ信号強度を大きくすることができる。
【００３９】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明に関わるＮＭＲ信号検出回路の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態については、測定対象核種として、１Ｈ核の一つのみを対象とするが、これは発明の概念を示すためであり、この核種や、１つの核種のみを計測対象と限定するものではない。
【００４１】
図１は、本発明の第１の実施形態のＮＭＲ信号検出装置の概略構成図である。試験管１内には試料１１があり、その周囲に、ＮＭＲ信号を検出する２つのアンテナコイル２１、２２が巻きまわされており、それぞれのアンテナで検出される信号は、それぞれの共振回路３１，３２を経て信号合成回路（手段）４に入力され合成される。アンテナコイル２１と２２の巻き方向は逆向きである。
【００４２】
図２は、本発明の第１の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の電気回路図である。図に示すように、２つのアンテナコイル２１（インダクタンスＬ１）、２２（同Ｌ２）が直列接続されている。これに対し、それぞれキャパシタ５１１（キャパシタンスＣＴ１）、５１２（同ＣＭ１）の直列体及び５２１（同ＣＴ２）、５２２（同ＣＭ２）の直列体が、それぞれ並列接続されている。これによって２つの共振回路３１，３２が形成され、それぞれが信号検出ユニット６１，６２を構成している。これらの信号検出ユニット６１，６２から取り出した信号を合成する信号合成手段として、パワーコンバイナ４１を備える構成である。増幅器７は、パワーコンバイナ４１の出力を増幅するために設けられている。
【００４３】
測定対象核種のＮＭＲ共鳴周波数と同じ周波数で共振し、かつ、伝送路とのインピーダンスの整合を取るために、アンテナコイル２１，２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２に対し、キャパシタ５１１，５１２（キャパシタンスＣＴ１，ＣＭ１）と５２１，５２２（同ＣＴ２，ＣＭ２）が配置される構成である。
【００４４】
本発明の第１の実施形態においては、ＮＭＲ信号を検出するアンテナとして、ソレノイド型のアンテナコイル２１，２２を採用した。アンテナコイル２１，２２は、常磁性金属と反磁性金属を適切な割合で混ぜ合わされた（組み合わされた）磁気的に透明な材料で構成されており、計測領域の磁場均一度へ影響を与えないようになっている。アンテナコイル２１，２２は、直径約７ｍｍのガラス製ボビンに巻きまわされている。
【００４５】
静磁場の強度によりＮＭＲ共鳴周波数は異なるが、１Ｈ核の共鳴周波数で３００ＭＨｚのＮＭＲの場合に適切なアンテナの巻き数は４−５回であった。共振回路において共振条件を満たす必要があるため、共鳴周波数が高くなるとともにコイルの巻数は減り、６００ＭＨｚのＮＭＲでは２−３回が適切となる。ひとつのコイルの高さは約５ｍｍであり、約３ｍｍの間隔をあけて２つのコイルを設置した。前述したように、２つのコイルは互いに逆向きとなるように巻きまわした。
【００４６】
パワーコンバイナ４１としては、ウィルキンソン・パワー・ディバイダを利用した。コンバイナは、マイクロストリップラインにより構成した。ウィルキンソン・パワー・ディバイダの構成は、マイクロストリップラインの使用を限定するものではなく、ストリップラインまたは同軸線路を使っても構成することができる。
【００４７】
ＮＦの観点からＳ／Ｎを良好に保ったまま、多段に結合された増幅器により信号を増幅するためには、増幅器の初段にはＮＦの小さい増幅器７を用いることが必須である。また、増幅器７に入力される信号は、ノイズに対して十分に大きいことが重要である。そのため、コンバイナ４は、ＮＭＲプローブ内部に実装し、また、これを初段の増幅器７の更に前段に組み込んで信号を合成し、合成された信号を初段増幅器７に入力した。
【００４８】
単位コイル体積あたりの信号検出能力に優れたソレノイド型のアンテナは、それよりも検出能力が劣る鞍型や鳥籠型アンテナに比べると、同じ検出感度を持たせるためのコイルは低くて済む。その反面、インダクタンスＬ１、Ｌ２は大きくなる傾向にあるため、アンテナ高さは共振条件を満たすように低く制限される。そのため、多量のサンプルの計測において、サンプル体積に比べるとアンテナの体積が小さく抑制されてしまうので、サンプル全体からのＮＭＲ信号を有効に拾えなくなる。
【００４９】
ＮＭＲプローブでは、同一核種の測定のために通常１個しかコイルを配置しない。これに対し、本実施形態では、２つのソレノイドアンテナコイル２１，２２を配置することにより、アンテナの有効体積を倍増させた。これにより、サンプルから、２倍弱のＮＭＲ信号を受信することが可能となった。
【００５０】
また、２つのコイル２１，２２の巻き方が反対向きとなっているため、巻き数は２倍でも、インダクタンス値としては、減少した形となっている。また、電気回路的には、２つの独立した共振回路３１，３２のそれぞれ一要素としてのインダクタとなる。したがって、アンテナとしての有効体積を増やしても、コイル全体としてのインダクタンスは増加していない。したがって、アンテナコイル２１，２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２の増加によるアンテナ全体での異常共振は発生しない。
【００５１】
それぞれのアンテナコイル２１，２２は、それらが単独で配置された場合とほぼ同じ信号検出能力を持つように、信号検出ユニット６１，６２が構成されている。したがって、２つの信号検出ユニット６１，６２によって、約２倍のＮＭＲ信号を試料から引き出せることになる。
【００５２】
２つの信号検出ユニット６１，６２は、同一位相かつ同一パワーでウィルキンソン・パワー・ディバイダ（信号合成手段）４に入力され、合成される。したがって、理想的には入力された電力の２倍の電力が出力される。
【００５３】
図３は、本発明の第１の実施形態の変形例による２つのアンテナコイルの結線図である。独立した２つのコイル２１，２２ではなく、図示するように一つのコイル２の中間からタップ２３を引き出したオートトランス型のコイルを使った実施例である。この場合、コイルから引き出される給電線本数が減るため実装スペースを少なくすることができる。
【００５４】
図４は、本発明の第１の実施形態の更に他の変形例による４つのアンテナコイルの結線図である。この実施例では、図３に示した構成と同様の２組のアンテナコイル２１，２２を備えている。図示するように、一つのコイル２１，２２の中間からタップ２３１，２３２を引き出し、４つのアンテナコイル２１１，２１２および２２１，２２２を構成したオートトランス型の実施例である。この実施例の場合には、４配分型のウィルキンソン・パワー・ディバイダなどを用いて信号電力を合成する。
【００５５】
なお、４個の同じ形状のコイル２１１，２１２，２２１，および２２２を図示しているが、コイルの形状は、計測空間に照射する電磁波の強度分布を均一化するために、サイズの異なるコイルを組み合わせても良い。このように、複数のコイルの場合には、各コイルから取り出される信号出力の大きさが異なるため、不等配分型のウィルキンソン・パワー・ディバイダを用いて信号を合成することが好ましい。
【００５６】
複数のコイルを実装し信号出力を合成することによって検出回路全体として信号出力を増大させる方法は、コイル高さを小さく実装できるソレノイド型コイルで効果的である。しかし、この方法は、ソレノイド型のアンテナのみに限定されるものでなく、鞍型および鳥籠型といったアンテナにおいても同様の概念にて検出信号強度の増大を実現することができる。
【００５７】
本実施例では、共鳴周波数が３００ＭＨｚというような、ＮＭＲ装置としては低い周波数のアンテナについて説明した。しかし、共鳴周波数が上がるほど、共振条件を満足させるためには、アンテナのインダクタンス、すなわち巻数を減らす必要が生じる。７５０ＭＨｚの共鳴周波数でソレノイド型アンテナを用い、試料からのＮＭＲ信号を有効に拾うためには、本実施例のように、複数アンテナを適切な間隔で、測定領域全体にわたって配置することが望ましい。
【００５８】
図５は、本発明の第２の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の電気回路図である。図１、図２に示した第１の実施形態と同様に、２つの検出用のアンテナコイル２１，２２が互いに逆向きとなるように巻きまわされており、それぞれのアンテナコイル２１，２２および共振回路３１，３２により信号検出ユニット６１，６２が構成されている。それぞれの信号検出ユニット６１，６２からは、同位相の検出信号が出力される。それぞれの出力が逆位相、すなわち、位相差がλ／２（λ：波長）となるように、移相器４２が設置され、位相差λ／２の信号が差動入力の増幅器４３によって増幅される。
【００５９】
本検出装置においても、アンテナコイル２１と２２の巻きまわし方が互いに逆向きとなるように構成され、それぞれが、信号検出ユニット６１，６２の構成要素としてのインダクタを形成しており、インダクタンスＬ１，Ｌ２の増加を抑えることができる。
【００６０】
差動入力の増幅器４３により、信号検出ユニット６１，６２はそれぞれアイソレートされており、それぞれの信号検出ユニット６１，６２は、独立の共振回路３１，３２を備え、独立に振舞う。それぞれの共振回路３１，３２は、単独コイルが設置されたときとほぼ同じ回路定数となるように構成することができ、したがって、２つの信号検出ユニット６１，６２により約２倍のＮＭＲ信号を試料から取り出すことができる。
【００６１】
信号検出ユニット６１，６２から出力された同位相の信号は、移相器４２によりλ／２の位相差がつけられ、差動増幅器４３によって差分がとられるため、信号電圧振幅が２倍となる。
【００６２】
図６は、本発明の第２の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の変形例電気回路図である。前述した図５では、λ／２の位相差を持たせるために、信号検出ユニット６１，６２の片側にのみ移相器４２を設置したが、図６に示すように、λ／４と−λ／４づつ位相をずらす移相器４４，４５をそれぞれ挿入することにより、位相差λ／２を達成できる。
【００６３】
本実施例においては、信号検出ユニット６１，６２と差動アンプ４３の間の伝送線路において、電気長λ／２の差がつくように移相器４４，４５を設けたが、位相シフト手段の具体例としては、伝送路長に差をつけることによっても実現できる。このための伝送路としては、セミリジッドケーブル（同軸ケーブル）を使用し、電気長λ／２だけ長い方の伝送路は、プローブ内部で螺旋状に引き回せば良い。
【００６４】
勿論、λ／２の伝送線路は、同軸ケーブルに限定されるものではなく、適切に設計されたマイクロストリップラインやストリップラインなどを使ってもよい。基板として誘電率を大きなものを使うことにより短縮率が大きくなり、物理長が短いλ／２伝送路を構成できる。このような伝送路を使うことにより、コンパクトなλ／２移相器を実現でき、１Ｈ共鳴周波数が６００ＭＨｚ以下の比較的低い周波数のＮＭＲにおいても、ＮＭＲプローブ内部にλ／２移相器を実装することができる。
【００６５】
図７は、本発明の第２の実施形態の他の変形例であり、λ／２移相器としてトランスを使った例である。図５の移相器４２に代えて、トランス４６を、λ／２移相器として挿入している。図は原理を示すものであり、必要な整合回路などについては記していない。
【００６６】
図８は、本発明の第３の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の電気回路図である。この実施形態は、信号合成手段として、λ／２伝送路４７、バラン（Balun：平衡−不平衡変換器）４８および増幅器４９を使ったものである。バラン４８は、平衡回路と不平衡回路との結合に使われるが、２つの信号検出ユニット６１，６２側が平衡回路、後段の増幅器４９側が不平衡回路となる。バラン４８を用いることにより、後段の増幅器としては、差動入力ではなく単入力の増幅器４９を使用することができる。
【００６７】
図９は、本発明の一実施形態によるＮＭＲ分析装置の概略構成図である。ＮＭＲ分析装置は、これまでの実施形態で説明した複数のアンテナコイル２１，２２および信号合成器を備えた検出装置を備えている。冷媒を納める容器９０内に、水平に磁場を発生するように、スプリット型超電導磁石の主コイル９１が配置されている。磁石には、その中心に計測空間を確保するために、十字の室温ボア９２が設けられる。ソレノイド型のアンテナコイル２１，２２を搭載したＮＭＲプローブ９３は、十字の室温ボア９２の水平方向から挿入される。計測用の試料１１は、スプリット磁石のスプリットギャップを通るように配置された十字のボア９２の垂直方向から挿入され、磁石中心のＮＭＲプローブ９３のアンテナコイル２１，２２内に配置される。
【００６８】
スプリット型超電導磁石には、超電導磁場調整コイル９４および室温調整コイル９５が設置されており、ＮＭＲ計測に必要な均一磁場空間が、磁石中心に形成される。均一磁場空間の形状は、概ね直径２０ｍｍの球状であった。
【００６９】
プローブ９３には、本発明の実施形態による２つのアンテナコイル２１、２２を備えた検出回路が搭載されている。単独アンテナにおける有効なＮＭＲ信号の観測領域は、ソレノイド型アンテナの軸方向に約１２ｍｍである。これに対して、２つのアンテナコイル２１，２２を組み合わせた本発明の実施形態によるアンテナでは、有効な観測領域が均一磁場空間一杯の２０ｍｍまで拡大されている。２つのアンテナコイル２１，２２の搭載により、観測領域が広がり、ＮＭＲ計測が可能な試料体積は、約１．７倍となった。その結果、計測される信号強度が増大した。
【００７０】
本発明によるNMR信号検出回路は、ＬＣ共振回路を備えた核磁気共鳴信号を検出する回路に適用できる。特に、核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ）においては、計測領域（磁場均一空間）を有効に利用するために本発明が効果的である。ＮＭＲ装置（１Ｈ共鳴周波数が３００ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚ）において、均一磁場空間の大きさは概ね２０ｍｍ程度である。共鳴周波数が３００ＭＨｚにおいては、共振条件を満たすアンテナの長さはおよそ１０ｍｍ以下となり、また、１０００ＭＨｚでは５ｍｍ以下となる。例えば、直径５ｍｍの試験管に入れられた試料をソレノイド型アンテナで検出しようとした場合、３００ＭＨｚでは概ね６ターンコイル、１０００ＭＨｚでは概ね２ターンコイルとなる。したがって、この共鳴周波数範囲のＮＭＲ装置において、計測空間を最大限利用して複数アンテナを配置することが、検出信号を増大するために有効となる。
【００７１】
以上説明したように、本発明の望ましい実施形態によれば、アンテナによって計測可能な試料体積を増大させることができた。また、複数のアンテナコイル２１，２２の組み合わせ、接続および設置位置により、個々のアンテナの共振回路３１，３２を、単独のアンテナの場合とほぼ同じとし、それぞれの信号検出能力を引き出している。しかも、複数のアンテナコイルは、全体としてのインダクタンスの増加を抑制でき、複数の信号検出ユニットから取り出した信号を合成することにより、検出信号を増大させることができる。
【００７２】
これらにより、計測可能な試料体積を増大し、検出されるＮＭＲ信号強度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態のＮＭＲ信号検出装置の概略構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の電気回路図。
【図３】本発明の第１の実施形態の変形例による２つのアンテナコイルの結線図。
【図４】本発明の第１の実施形態の更に他の変形例によるアンテナコイルの結線図。
【図５】本発明の第２の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の電気回路図。
【図６】本発明の第２の実施形態によるＮＭＲ信号検出装置の変形例電気回路図。
【図７】本発明の第２の実施形態のトランスを用いた他の変形例の概念図。
【図８】本発明の第３の実施形態により、バランを用いたＮＭＲ信号検出装置の電気回路の概念図。
【図９】本発明の一実施形態によるＮＭＲ分析装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００７４】
１…試験管、１１…試料、２，２１，２２…アンテナコイル、３１，３２…共振回路、４…信号合成手段、４１…パワーコンバイナ、４２…λ／２移相器、４３…差動増幅器、４４，４５…λ／４移相器、４６…トランス、４７…λ／２伝送路、４８…バラン（平衡−不平衡変換器）、４９…単入力増幅器、９０…容器、９１…超電導主コイル、９２…十字ボア、９３…ＮＭＲプローブ、９４…超電導シムコイル、９５…室温シムコイル。
【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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