(57)【要約】【課題】プローブコイルからプリアンプまでの高周波ケーブルによる損失を低減し、ＮＭＲ信号の感度を向上した核磁気共鳴プローブを提供する。【解決手段】ＮＭＲプローブ用の切替スイッチ１は、スイッチ素子１４を持つスイッチ部２０と、スイッチ制御信号とＲＦ送信信号をフィルタリングするフィルタリング部１９に分割する。スイッチ部２０はプローブのマグネットに挿入されるプローブボディ２１内に配置する。フィルタリング部１９はプローブ外部の計測装置４の付近に配置される。スイッチ部２０はプローブボディ２１の細長形状に合わせ、厚みと幅の断面構造を減少している。プローブコイルからプリアンプまでの高周波ケーブルの長さを大幅に短縮して損失を低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信と受信を切り替える切替スイッチを有し、核磁気共鳴信号を励起するための電磁波（ＲＦ信号）を送信してサンプルに照射し、上記電磁波によってサンプル内で励起される核磁気共鳴の電磁波信号（ＮＭＲ信号）を受信する核磁気共鳴プローブにおいて、
前記切替スイッチはスイッチ素子を持つスイッチ部と、スイッチ制御信号とＲＦ送信信号をフィルタリングするフィルタリング部に分割して配置し、前記スイッチ部のみをＮＭＲ用マグネットに挿入されるプローブボディに配置したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項２】
請求項１において、
前記スイッチ部はその厚みと幅を前記プローブボディの形状に適応した細長形状としたことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記切替スイッチは前記受信した電磁波信号を増幅するプリアンプを備え、前記スイッチ部と前記プリアンプは同一基板上に配置したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項４】
請求項１−３の何れかにおいて、
前記フィルタリング部は前記プローブボディの外部に設置したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項５】
請求項１−４の何れかにおいて、
前記スイッチ部は、プローブコイルとプリアンプを結ぶ線路を直線状に配置し、該線路の任意の分岐点にパワーアンプと結ぶ線路が第１のスイッチ素子を介して接続し、前記直線状の線路の分岐点から前記プリアンプの方向に前記電磁波信号の波長の４分の１の長さ位置で、該線路とグランド間に第２のスイッチ素子を接続したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２のスイッチ素子の前記プリアンプ方向の線路に、前記第２のスイッチ地素子から前記電磁波信号の波長の４分の１の長さ位置で、該線路とグランド間に第３のスイッチ素子を接続したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２のスイッチ素子と第３のスイッチ素子の中央部で、前記直線状の線路とグラウンド間に第４のスイッチ素子を接続したことを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【請求項８】
請求項１−７の何れかにおいて、
前記スイッチ部が８０Ｋ以下に冷却されていることを特徴とする核磁気共鳴プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核磁気共鳴装置のプローブに係わり、特に切替スイッチの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置は、検出信号が微弱であり、タンパク質の構造解析の用途などでは、より高感度であることが求められている。ＮＭＲ装置は、静磁場強度が強いほど高分解能かつ高感度であり、静磁場を発生する超電導マグネットは大型化していく傾向となっている（非特許文献１）。これにより、プローブコイルと呼ばれる検出コイルを、静磁場の磁場中心に配置するプローブも長尺化が進んでいる。
【０００３】
プローブコイルで検出したＮＭＲ信号は非常に微弱なため、通常は低雑音の前置増幅器で増幅される。プローブコイルから初段の低雑音増幅器（プリアンプ）までは、高周波用の伝送ケーブルで接続されるが、この部分の損失は感度に大きな影響を与える。また、伝送ケーブルの損失は周波数が高いほど大きくなるので、高分解能のＮＭＲ装置ではプローブ長が長くなることと信号周波数が高くなることで、伝送ケーブルの損失は大きくなる傾向にある。
【０００４】
一般的な高周波の検出回路でもっとも簡単に損失を減らす方法は、初段のプリアンプまでの伝送ケーブルを短くすることであるが、この方法はＮＭＲプローブの場合は容易ではない。プローブコイルは試料へのＲＦ電磁波の照射とＮＭＲ信号の検出を行うため、プリアンプの前段に送受切替スイッチが挿入されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２０７０７２号公報
【非特許文献１】” Present Status of 920 MHz High-Resolution ＮＭＲ Spectrometers”（Kiyoshi et.al,IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.14 pp.1608-1612 (2004)）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
送受切替スイッチを持つＮＭＲプローブでは、送信時は＋５０dBm程度の電力を扱い、受信時にはせいぜい−４０dBm程度の信号電力である。プリアンプを飽和から保護するため、プリアンプの入力は−３０dBm以下に保たれる必要がある。よって、切替スイッチに求められる性能としては、少なくとも、＋５０dBmの電力に耐えることと、送信時の漏れ電力からプリアンプを保護するため８０dB程度のアイソレーションが必要となる。さらに、送信状態から受信状態への切替速度も重要であり、１０μs程度の切替速度が求められる。また、感度をよりよくするために、挿入損失を少なくする工夫が必要となる。
【０００７】
したがって、伝送ケーブルの損失を少なくするためにケーブルを短くしようとすると、送受切替スイッチを小型化して、プローブコイルの近くに設置することが必要となる。プローブコイルに対して、切替スイッチ及びプリアンプをさらに近づけようとすると、プローブのマグネットに挿入される細長の部分（以下、プローブボディと呼ぶ）に設置することになり、スイッチの形状と寸法をプローブボディに対応したものとする必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、プローブコイルからプリアンプまでのケーブルを短縮して損失を低減し、感度を向上できる核磁気共鳴プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、送信と受信を切り替える切替スイッチを有し、核磁気共鳴信号を励起するための電磁波（ＲＦ送信信号）を送信してサンプルに照射し、上記電磁波によってサンプル内で励起される核磁気共鳴の電磁波信号（ＮＭＲ信号）を受信する核磁気共鳴プローブにおいて、前記切替スイッチはスイッチ素子を持つスイッチ部と、スイッチ制御信号とＲＦ送信信号をフィルタリングするフィルタリング部に分割して配置し、ＮＭＲ用マグネットに挿入されるプローブボディに前記スイッチ部のみを配置したことを特徴とする。
【００１０】
前記プローブボディ内に切替スイッチを設置するために、切替スイッチを細長形状とする。また前記フィルタリング部は前記プローブボディの外部、望ましくは計測装置の近傍に配置する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プローブコイルからプリアンプまでの高周波ケーブルの長さを大幅に短縮でき、この部分の高周波ケーブルで発生する損失を従来よりも大幅に低減することができるので、高感度の核磁気共鳴プローブを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の複数の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ＮＭＲプローブ用の送受切替スイッチは、挿入損失やアイソレーション、耐電力、切替速度などの性能が求められる。切替スイッチは、一般的な送受一体コイル方式のプローブコイルの場合だけではなく、送受分離コイル方式のプローブコイルでもプローブ内にプリアンプを配置したような場合には必要となる。これは、プローブコイルのマッチング調整の際に、プリアンプを越えて調整することは難しく、切替スイッチを使う方がずっと容易だからである。
【００１３】
発明の課題に述べたように、プローブの細長部に配置するには、切替スイッチは細長形状でなくてはならない。つまり、従来のように幅と長さのなす実装面積ではなく、厚みと幅のなす断面積を小さくするような小型化が必要である。すなわち、厚み方向については基板の厚さや素子の大きさに制限されるものの、１０mm以下とするのは困難ではない。
【００１４】
本発明の最適の実施形態である核磁気共鳴プローブは、送信と受信を切り替える切替スイッチ１を有している。この切替スイッチ１によって、核磁気共鳴プローブは核磁気共鳴信号を励起するための電磁波（ＲＦ送信信号）を送信してサンプル６に照射し、上記電磁波によってサンプル内で励起される核磁気共鳴の電磁波信号（ＮＭＲ信号）を受信する。切替スイッチ１はスイッチ素子１４を持つスイッチ部２０と、スイッチ制御信号とＲＦ送信信号をフィルタリングするフィルタリング部１９に分割して配置される。スイッチ部２０はＮＭＲ用マグネット３に挿入されるプローブボディ２１内に配置される。プローブボディ２１内に切替スイッチ１を配置するために、切替スイッチ１は細長形状とする。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明を適用した実施例１によるＮＭＲ装置の概略図を示す。切替スイッチ１はプローブの細長部であるプローブボディ２１内に設置され、信号を処理するため外部の計測装置４と伝送ケーブル５を経て接続される。プローブ２をＮＭＲ用マグネット３に設置するとマグネットのクライオスタット内の領域に切替スイッチが収まることになる。
【００１６】
図２は実施例１のＮＭＲプローブと計測装置の詳細を示す構成図である。ここで、従来のＮＭＲプローブの構成図である図９Ａ、図９Ｂと対比しながら説明する。図２及び図９では、プローブコイル７と同調回路８が伝送路９により切替スイッチ１に接続される。パワーアンプ１２とプリアンプ１０への接続の選択が、スイッチ制御装置１１から発生する制御信号により行われる。計測するサンプル６はプローブコイル７の内部に設置される。
【００１７】
パワーアンプ１２からの信号でサンプル６にＮＭＲ信号を励起し、サンプル６からのＮＭＲ信号をプリアンプ１０で増幅する。この２つの動作の切替えに切替スイッチ１が用いられる。プリアンプ１０は計測装置４内の受信機１３へ接続される。受信機１３は周波数変換部やアナログデジタル変換部、デジタル信号処理部により構成されている。
【００１８】
従来は図９Ａ，Ｂに示すように、切替スイッチ１がプローブの外部に配置されていた。図９Ａは通常の構成であり、図９Ｂは低温プローブに見られる構成で、プローブの容器内２２ではあるがマグネット挿入部の外側に配置されている（特開１０−３０７１７５号公報）。これに対し、本発明の切替スイッチ１はプローブボディ２１内に設置している。
【００１９】
ただし、ここでの切替スイッチはスイッチ部２０とフィルタ部１９に分割されていて、スイッチ部２０がプローブボディ２１内に設置され、フィルタ部１９はケーブル５を介して計測装置４の付近に配置されている。フィルタ部１９にはスイッチングパワーアンプ１２とスイッチ制御電源１１が接続されている。
【００２０】
プローブコイル７は、複数の核種を検出対象とする場合が多いが、本実施例では最も感度を必要とする一つの核種を検出する系統について述べる。複数の核種で感度が必要となる場合は、空間が許す限り本発明の構成を複数の核種の系統に適用してプローブを構成してよい。
【００２１】
図２のように切替スイッチ１をプローブボディ２１内に配置するためには、従来とは異なる方法で切替スイッチ１を小型化する必要があった。従来のように、幅と長さのなす実装面積を最小化するのではなく、幅と厚みのなす断面積を最小化する方法である。以下に、その構成の詳細を述べる。
【００２２】
プローブボディ２１の太さは、電流制御により試料空間の均一磁場を調整するシムコイル（図示しない）により制限されており、多くの場合４０mm程度である。プローブボディ２１の内部は高周波の伝送ケーブルや同調回路８の部品である可変コンデンサ調整用のシャフトが配置されるので、実質的な空きスペースは限定されている。このように少ない空間に設置するために、切替スイッチの小型化について以下のような工夫をした。
【００２３】
図３は本実施例のＮＭＲプローブ用切替スイッチの構成を示す。図８は切替スイッチの等価回路を簡略化して示したもので、図３と図８の符号は同等のものをさしている。図３に示すように、切替スイッチ１は直流とＲＦ信号のフィルタリング部１９とスイッチ素子１４を含むスイッチ部２０とに分割され、両者を接続する伝送ケーブル５から構成されている。
【００２４】
スイッチ部２０にはプローブコイル７との接続ポート３０とプリアンプ１０との接続ポート３３が設けられ、フィルタリング部１９にはスイッチ制御信号との接続ポート３１とパワーアンプ１２との接続ポート３２が設けられている。また、フィルタリング部１９とスイッチ部２０のそれぞれに、両者を接続するポートが設けられている。
【００２５】
切替スイッチ１は両面プリント基板上にマイクロストリップラインを形成し、コンデンサやダイオードなどの素子を配置したものとなっている。基板の表面の銅箔は適宜切り取られ、伝送ライン１５とグランド１６が形成されている。基板の裏面は全面グランドとなっている。フィルタリング部１９とスイッチ部２０は、必要に応じて独立にアルミなどの金属を用いたケースに収められる。スイッチ部側の伝送ケーブルの接続は、コネクタなどを設けずに直接半田付けするほうが空間を節約できてよい。また、スイッチ部２０と同一基板上に配置されるプリアンプ１０には、プリアンプを駆動する直流電源（図示しない）が外部より接続されている。プリアンプ１０により増幅された信号は、外部の受信機１３に接続される。
【００２６】
スイッチ部２０のマイクロストリップラインはプローブコイル７とプリアンプ１０とパワーアンプ１２をそれぞれ結ぶ３つの線路が合流したものとなっている。分岐点３６aでは、プローブコイル７とプリアンプ１０を結ぶ線路が直線状に配置され、それに対してパワーアンプ１２とつながる線路が、スイッチ素子１４aを介して接続されている。スプリットライン上での伝送は直線の方が損失が少ないため、本実施例では受信信号の経路を優先して直線接続している。
【００２７】
スイッチ素子１４bが分岐点からプリアンプ１０側に、信号周波数における波長の４分の１（以下、λ／４と呼ぶ）の長さ２９の位置で、線路１５とグランド１６の間を接続するように構成されている。ここでの波長は、線路上の実効的な波長である。スイッチ素子１４ａ，ｂには、ＰＩＮダイオードを用いている。ガリウム砒素（GaAs）半導体を用いたＰＩＮダイオードがスイッチング特性やＲＦ信号に対する挿入損失の点でよい。さらに、プローブコイルへ７の接続ポート３０とプリアンプ１０への接続ポート３０付近には、それぞれキャパシタ１８が直列に挿入されている。キャパシタ１８は直流信号を遮断する役割があり、スイッチ制御信号がスイッチ部２０から漏れ出ないようにしている。
【００２８】
スイッチ部２０の動作は次のように行われる。スイッチ制御電圧を順方向にかけたときは、スイッチ素子１４ａ、１４ｂともにオンとなる。このときプローブコイル７から見ると、パワーアンプ１２はスイッチ素子１４ａがオンのため接続され、プリアンプ１０側はスイッチ素子１４ｂがオンのためグランドに短絡され、プリアンプ１０に信号は伝送されない。このスイッチ設定はプローブの送信時に用いられる。
【００２９】
スイッチ制御電圧を逆方向にかけたときは、スイッチ素子１４ａ，１４ｂともにオフとなる。先程と逆に、パワーアンプ１０側は開放され、プローブコイル７とプリアンプ１０が接続される。このスイッチ設定はプローブの受信時に用いられる。
【００３０】
スイッチ動作時のポート間の絶縁性や、損失については次のようになっている。プローブコイル７とパワーアンプ１２を接続したときは、スイッチ素子１４ｂは分岐点３６ａからλ／４の長さの位置で短絡されている。このため、分岐位置からは理想的には無限大のインピーダンスに見え、電力はプリアンプ１０には流入せず絶縁が保たれる。ＰＩＮダイオードなどの実際のスイッチ素子はオン時にいくらかのインピーダンスを持つため、完全な絶縁とはならない。この点を改善したのが図４のスイッチの構成である。
【００３１】
図４は図３の切替スイッチの変更図で、図３の構成でスイッチ素子１４ｂの後にλ／４の距離２９’を置いてスイッチ素子１４ｃを設け、接地をもう一度繰り返している。これにより、スイッチ素子のオン時の絶縁性を高めることができる。
【００３２】
図５は切替スイッチの更に他の変更図である。図５に示すように、図４におけるスイッチ素子１４ｂとスイッチ素子１４ｃの中央にスイッチ素子１４ｄを追加している。スイッチ素子１４ｂとスイッチ素子１４ｄの間の線路の距離はλ／４の距離の１／２で、信号周波数の波長の8分の１の長さ３５となる。実験によれば、この方法は図４の場合に比べさらに絶縁性を高めることができた。
【００３３】
このように、スイッチ素子１４ｂを使うだけでは、ＮＭＲ用の切替スイッチとしては十分な絶縁性を確保する上で問題が完全には解決されなかったが、図４や図５のように複数のスイッチ素子の配置を行うことにより、十分な絶縁性を確保することが可能となった。また従来は、絶縁性を確保することが難しいため、クロスダイオードを用いた保護回路をプリアンプの入力付近に設置することが多く、損失を増やすため感度を損ねる原因となっていた。しかし、本発明の構成によれば、送信時にプリアンプとパワーアンプ間の十分な絶縁性を確保できるので保護回路を不用にでき、プローブの感度をさらに向上できる効果がある。
【００３４】
受信時にプローブコイル７とプリアンプ１０を接続した場合には、スイッチ素子が完全に無限大のインピーダンスとならないため、完全な絶縁を得ることが出来ない場合がある。このため、スイッチ素子に逆電圧をかけることと、オフ時に残る容量性のインピーダンスを並列共振させて、インピーダンスを高くしてもよい。逆電圧をかけたときのインピーダンスは、一般的なＰＩＮダイオードでは、電圧をゼロとしたときよりいくらか高くなるので、絶縁性を得る上で有利となる。ＰＩＮダイオードとの並列共振はキャパシタやインダクタを追加して行う。これは、ＰＩＮダイオードのそれぞれについて行った方がよい。
【００３５】
フィルタリング部１９は、キャパシタ１８やインダクタ１７により、スイッチ制御信号とＲＦ信号の間がフィルタリングされる。パワーアンプ１２との接続ポート３２付近には、キャパシタ１８が直列に挿入され、スイッチング信号がパワーアンプ１２に対して遮断されている。キャパシタ１８は直流では絶縁し、高周波では低いインピーダンスとなる容量が選ばれる。一方、分岐点３６bとスイッチ電源との接続ポート３１の間には、直列にインダクタ１７、並列にキャパシタ１８が接続される。この組み合わせは、ＲＦ信号をグランドに落とし、直流信号は通過するように選ばれる。
【００３６】
さらにスイッチの切替速度が十分に確保できるような組み合わせを選ぶ必要がある。スイッチ制御信号側には、スイッチ制御電源を保護するため、直列に抵抗３４が挿入される。スイッチ素子のＰＩＮダイオードを電圧制御しようとすると、わずかに電圧を上げすぎただけでも突然大電流が流れ、電源が故障するなどの恐れがある。これを避けるため、適当な大きさの抵抗素子３４を直列に挿入し、流れる電流量を制限することで電源を保護する。
【００３７】
フィルタリング部１９では、ＲＦと直流の両者は十分にフィルタリングされているため、相互の信号の流れ込みは無視できる。また、従来の一体構造では、十分注意してスイッチ信号の入力ラインを設置しないと、ラインを介してプリアンプ側に信号の流れ込みなどが起きる。しかし、本発明の構成では、スイッチングのラインの引き回しは特に配慮しなくても切り離されており、不要な流れ込みは生じない。このように、フィルタリング部１９を分離して構成することは、送受の絶縁性でも利点となっている。このようにして、プリアンプを保護しながら大きな電力を扱うことが可能となっている。
【００３８】
図３〜５の構成では、λ／４の線路２９が直線状になっているので、シミュレーションと実際の対応がよく、設計を比較的容易に行うことができる。また実装時にもっとも絶縁性がよくなる位置にスイッチ素子の場所を調整できるなどの利点がある。
【００３９】
スイッチ部２０と接続される低雑音のプリアンプ１０は、スイッチ部２０の基板上に一体化して配置しても良い。図３〜５では同一基板上にプリアンプを設置する構成を示している。同一基板上に配置する利点は、コネクタを用いないことで損失要素を減らし、また線路の長さを最短にできることである。個別に設計すると直流分をカットするキャパシタを入れることになってしまうが、同一基板上に配置するとキャパシタ一個分の損失を減らすことができる。
【００４０】
フィルタリング部１９とスイッチ部２０は同軸ケーブル５により接続されている。同軸ケーブル５には、スイッチングのための直流信号と照射のためのＲＦ信号が流れる。従来の構成であれば、プローブ内でスイッチ用のケーブルとＲＦの同軸ケーブルの２つを引き回すことになるが、本発明は同軸ケーブル1本で済むので省スペースに有利である。
【００４１】
図１０は従来のＮＭＲプローブ用切替スイッチの構成図の一例である。従来よく見られる例で、“GHz時代の高周波回路設計”（CQ出版市川裕一他）、等価回路図は本発明の切替スイッチ（図８）と同じである。図１０では、λ／４の線路２９は蛇行して形成されている。この方法では実装面積は少なくなるものの、幅や長さの寸法は十分小さくはならず、プローブボディのような細長形状に設置するには困難がある。また、単純にλ／４の線路を直線としたのみでは、スイッチ制御電源やパワーアンプとの接続部がかさばり、十分に幅を狭くすることが出来ない。
【００４２】
切替スイッチは、小型化だけを考えると高誘電率のプリント基板を用いても達成できる。しかし、ラインの線幅が細くなるため、大電力の送信や線路の損失とのバランスを考えると必ずしも得ではない。基板の比誘電率は３程度で十分な小型化を達成できる。このようなプリント基板は、フッ素樹脂やガラスなどを混合して用いた基板が多数あり、選択肢は多い。
【００４３】
他部品との干渉がないようにプローブボディ２１内に収めるには、長さが２００mm、幅２０mm、厚み１０mm程度とできれば、実装の上で十分な大きさである。本発明は、従来のものに比べて多少長さは長くなるが、実装する空間は長さに対しては許容することができるので問題はない。本発明を適用した結果、プローブコイル７から切替スイッチ１のプローブコイル接続ポート３０までのケーブル長さは、プローブ長に相当する１m以上から０．３mに減らすことができ、ケーブルの損失を１／３以下に抑えることができた。
【００４４】
本発明は、信号の周波数が高い場合にいっそう有利となる。なぜなら、電磁波の波長の長さは周波数に反比例しており、周波数の増加とともに短くなり、プリアンプまでの長さを減らすことができるからである。また、マグネットの大型化のため、プローブも長くなるので、細長となる実装空間を容易に確保できる。
【実施例２】
【００４５】
本発明の切替スイッチ１は、プローブコイル７を冷却した低温プローブにも有効である。図６は本発明による低温プローブの概略構成と切替スイッチの配置構成を示す。低温プローブでは、プローブコイル７と同調回路８が熱交換器２３により冷却されている。もとの信号が持つ雑音が室温のプローブの場合よりずっと小さく、プリアンプ１０までのケーブル９の損失の影響はより大きくなる。冷却装置２５で冷却された冷媒が、冷媒輸送管２６とプローブ中の冷媒配管２４を通り熱交換器２３を冷却している。
【００４６】
実施例２は、冷却する構成のみが実施例１と異なるだけで、切替スイッチ１の実装構成や動作は同じである。冷却構成では、特にプローブコイル７の冷却を行う熱交換器２３や冷媒配管２４とともに、切替スイッチ１の冷却を保持する熱輻射シールド２７を有している。実施例１で述べたガリウム砒素を用いたＰＩＮダイオードスイッチ素子１４は、冷却した際にも特性の変化がほとんど無く、低温用スイッチ素子としても適している。
【００４７】
低温プローブの場合には、切替スイッチの小型化への要求はより高くなる。なぜなら、低温プローブの容器内部は真空断熱され、内部の構造物は温度が異なる層同士は適切にギャップが保たれなければならず、断熱的に支持されなければならないからである。最外層の許容される寸法は、常温のプローブの場合と同じである。しかしながら、本発明の方法であれば、プローブが十分に小型化されているので、低温プローブの場合にも設置することが可能である。
【００４８】
図７にプローブ断面の配置図を示す。プローブ断面内では、切替スイッチ１及びプリアンプ１０は熱輻射シールド２７内に配置され冷却される。切替スイッチ１は十分小型化されており、プローブ断面内でコンデンサ調整用のシャフトや冷媒配管を通す空間２８を確保できている。切替スイッチ１の冷却温度は典型的には８０K程度、望ましくは５０K以下がよい。温度の低い方が、ケーブルの損失は低減しかつアンプの特性は向上するため、より高い感度を得ることが出来る。
【００４９】
図６とは別に、プローブコイル７を冷却する系統で切替スイッチ１を直接冷却することもできる。この場合は、２０Kまたは、それ以下まで冷却することが可能になる。ただし、この方法では、切替スイッチ及びプリアンプでの発熱がプローブコイル７の温度を上げすぎて結果として感度を落とさないように、慎重に設計しなければならない。このとき切替スイッチ１は、熱輻射シールド２７に直接固定するのではなく断熱的に支持するか、あるいは接触しないようにすべきである。
【００５０】
プローブコイル冷却のラインは冷却能力が小さく、また物質の比熱も小さいので、冷却に対する条件が厳しい。上述した熱輻射シールドで冷却する方法ではプリアンプなどの発熱によりいくらかの熱負荷は発生するが、冷却源は冷却能力が高く熱負荷に余裕があるので、極端に雑音を増やすような温度上昇が発生することはない。
【００５１】
フィルタリング部を分離したことは、冷却の上でも有利となっている。フィルタリング部１９にはスイッチング制御を容易にするための抵抗が挿入されているが、これは極低温に冷却する際にはかなりの熱源となる。従来までの構成であると、スイッチ部と一緒に冷却せざるを得ず、冷却装置に対して熱負荷となっていた。本発明では、スイッチ部から切り離され、室温に配置されているので、もはや冷却装置の熱負荷とはなっていない。
【００５２】
切替スイッチの細長の構造は、従来構造よりも冷却の上で適している。プリント基板の絶縁層は、多くの場合熱伝導率がよくなく、冷却するのには適さない。また、良熱伝導性を謳っている基板も金属などの熱伝導の良い材料と比べるとかなり劣る。基板のグランドは銅箔であるため熱伝導が良いことに加えて、銅箔が冷却ステージと直接接触することができるため、比較的良好に冷却できる。一方、ＲＦ信号のみならず、常時直流電流が流れるため発熱が起きる信号ラインは、グランドプレーンに対して浮島のようになっており、冷却するのに適した構造とはなっていない。従来の蛇行する構造の信号ラインでは、外周からの冷却経路がうまく確保できないため、中央付近の熱はけが悪くなってしまう。細長の方式のほうが外周の冷却経路がうまく確保できているので、熱はけがよく温度を均一化できる。
【００５３】
このように、本発明の方法であれば、プリアンプをプローブに近づけることが容易に達成されるので、従来よりも検出感度を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のプローブを備えたＮＭＲ装置の概略図。
【図２】本発明の実施例１による切替スイッチを備えたプローブの配置図。
【図３】切替スイッチのスイッチ部とフィルタリング部の構成図。
【図４】実施例１のスイッチ部の変形例を示す構成図。
【図５】実施例１のスイッチ部の他の変形例を示す構成図。
【図６】本発明の実施例２による切替スイッチを備えたプローブの構成図。
【図７】実施例２のプローブ断面を示す断面配置図。
【図８】実施例１の切替スイッチの等価回路図。
【図９Ａ】従来のプローブの配置図。
【図９Ｂ】従来の他のプローブの配置図。
【図１０】従来の切替スイッチのスイッチ部とフィルタリング部の構成図。
【符号の説明】
【００５５】
１…切替スイッチ、２…プローブ、３…ＮＭＲ用マグネット、４…計測装置、５…伝送ケーブル、６…サンプル、７…プローブコイル、８…同調回路、９…切替スイッチまでの伝送線、１０…プリアンプ、１１…スイッチ制御電源、１２…パワーアンプ、１３…受信機、１４a…スイッチ素子、１４b…スイッチ素子、１４ｃ…スイッチ素子、１４d…スイッチ素子、１５…プリント基板上の信号ライン、１６…プリント基板上のグランド、１７…インダクタ、１８…キャパシタ、１９…フィルタ部、２０…スイッチ部、２１…プローブボディ、２２…プローブのマグネット外部容器、２３…熱交換器、２４…冷媒配管、２５…低温プローブの冷却装置、２６…冷媒輸送路、２７…熱輻射シールド、２８…シャフトなどを通す空間、２９，２９’…信号周波数の波長の１／４長さの線路、３０…プローブコイルとの接続ポート、３１…スイッチ制御電源との接続ポート、３２…パワーアンプとの接続ポート、３３…プリアンプとの接続ポート、３４…抵抗素子、３５…信号周波数の波長の１／８長さの線路、３６a，ｂ…分岐点。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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