(57)【要約】【課題】ＨＦ側に投入した電力が他方の回路網にリークするのを抑圧しＨＦの回路網の効率を向上させる。【解決手段】複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブにおいて、高域の周波数のリークを抑圧する回路ｐｏｓ１、ｐｏｓ２の全線路長を高域の周波数信号の波長のほぼ４分の１に合わせて形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブにおいて、前記高域の周波数のリークを抑圧する回路の全線路長を前記高域の周波数信号の波長のほぼ４分の１に合わせて形成したことを特徴とする核磁気共鳴用プローブ。
【請求項２】
前記全線路長に回路中に付随するコンデンサ部品の長さを含むことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用プローブ。
【請求項３】
前記コンデンサの容量値により波長短縮させることを特徴とする請求項２記載の核磁気共鳴用プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴装置（ＮＭＲ装置）において、異なる周波数で共振する複数の同調回路を備えた多核観測用の核磁気共鳴用プローブ（ＮＭＲ検出器）では、通常、例えば６００ＭＨｚの水素核（  １Ｈ核）などを測定する高域の周波数（ＨＦ周波数という）で共振するサンプルコイル（ＨＦコイル）と、例えば１５０ＭＨｚの炭素核（１３Ｃ核）などを測定する低域の周波数（ＬＦ周波数という）で共振するサンプルコイル（ＬＦコイル）とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２は多核観測用のＮＭＲ検出器を備えたＮＭＲ装置の構成概要を示す図、図３は従来のＮＭＲプローブ多重同調回路を示す図である。図中、１は試料管、２はマグネット、３は室温シム、４は多重共鳴用ＮＭＲプローブ、５は温度可変装置、６は磁場補正装置、７はコンピュータ、８は表示機、９はデュプレクサ、１１は復調検波器、１２はＡＤＣ、１３、１５、１６は電力増幅器、１４は発信器、２１はＮＭＲプローブ多重同調回路、２２はＨＦ入出力ポート、２４はＨＦ同調用バリコン、２５はＨＦ整合用コンデンサ、２６はＬＦ入出力ポート、２８はＬＦ同調用バリコン、２９はＬＦ整合用コンデンサ、３０はロック入出力ポート、３１はＨＦリジェクタ、３２はロック同調用バリコン、３３はロック整合用コンデンサ、Ｌ１，  Ｌ１００  はサンプルコイル、Ｌ２、Ｌ３はヘリカル共振器を示す。
【０００４】
図２に示すＮＭＲ装置では、試料を収容した試料管１をマグネット２の静磁場中にセットし、この試料に磁場強度に応じた共鳴周波数のＲＦパルス信号を照射する。その場合、ＲＦパルス信号は、発振器１４からのＮＭＲパルス信号としてその試料の核種に対応して複数の周波数バンド（図示例では３バンド、以下、３バンドで説明する）をそれぞれ電力増幅器１３、１５、１６で増幅し、入出力を切り替えるデュプレクサ９を介して多重共鳴用ＮＭＲプローブ４に入力され、多重共鳴用ＮＭＲプローブ４からそれぞれ試料管１中の試料に照射される。
【０００５】
多重共鳴用ＮＭＲプローブ４で検出された信号は、デュプレクサ９により増幅器１０を介して増幅された後、復調検波器１１でオーディオ周波数に変換され、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２でデジタル信号に変換されてコンピュータ７に取り込まれる。表示器８では、コンピュータ７で処理された試料の分析結果を表示する。温度可変装置ＶＴ５は、試料をある所定温度で測定する場合、多重共鳴用ＮＭＲプローブ４の温度を制御するものである。
【０００６】
多重共鳴用ＮＭＲプローブ４の中心部は、それぞれ固有の磁化率を有する種々の部品から構成されており、これらの部品固有の磁化率が形成する磁場分布でマグネット２が作り出す静磁場分布が歪みを受けるようになる。この多重共鳴用ＮＭＲプローブ４の中心部の各部品の形状構造および各部品の材料の特性に基づいて、マグネット２による静磁場分布と各部品による静磁場分布とからなるトータルの静磁場分布を室温シム３で補正することで、トータルの静磁場マップの歪みを補正している。具体的には、測定する試料と一緒に、ＮＭＲロックと呼ばれる、一般的には重水素核で置換された溶媒を試料管１に入れ、磁場補正装置６で重水素核のＮＭＲ信号をモニタしてその強度が高まるように室温シム３を調整することで、トータルの静磁場マップを補正している。
【０００７】
ＮＭＲプローブ多重同調回路は、図３に示すようにロック入出力ポート３０から周波数ｆ３のＮＭＲロック用高周波が入力されるロック系、ＨＦ入出力ポート２２からＨＦ高周波（ｆ１）が入力されるＨＦ系、ＬＦ入出力ポート２６からＬＦ高周波（ｆ２）が入力されるＬＦ系からなる。ヘリカル共振器Ｌ２、Ｌ３は、ＨＦ高周波の波長λの１／４の波長を有するものである。
【０００８】
ロック系は、一般的には  ２Ｈ核の重化された溶媒を測定対象試料に入れて（試料を重化溶媒に溶かしても同じ）、重水素核（  ２Ｈ核）でＮＭＲロックをかけて信号の安定度と分解能の補償管理を行う。ロック入出力ポート３０からの入力は、ヘリカル共振器Ｌ２があるため、その構成によるインダクタンスに近似したダミーコイルとサンプルコイルＬ１からなる見かけのサンプルコイルに対してロック同調用バリコン３２、ロック整合用コンデンサ３３等でチューニングをとるようになっている。
【０００９】
ＨＦ系は、一般的には水素核（  １Ｈ核：６００ＭＨｚ）を想定するが、ときにはフッ素核（１９Ｆ核：５６０ＭＨｚ）もあり、その核種での観測の場合と炭素核につながる水素核などの結合を切るためにＨＦ照射というというテクニックを使う。ＨＦ入出力ポート２２からの入力は、サンプルコイルＬ１のＨＦ同軸共振器Ｌ２により動作してＨＦ同調用バリコン２４、ＨＦ整合用コンデンサ２５等でチューニングをとっている。
【００１０】
ＬＦ系は、一般的には炭素核（１３Ｃ核：１５０ＭＨｚ）を想定するが、リン核（３１Ｐ核：２４０ＭＨｚ）、酸素核（１７Ｏ核：８０ＭＨｚ）、珪素核（２９Ｓｉ核：１２０ＭＨｚ）、窒素核（１５Ｎ核：６０ＭＨｚ）などもあり、分極移動や照射というテクニックを使って、その核種での観測の場合と水素核につながるその核などの結合の相関を見る。ＬＦ入出力ポート２６からの入力は、サンプルコイルＬ１００  に対してＬＦ同調用バリコン２８、ＬＦ整合用バリコン２９等でチューニングをとっている。
【００１１】
目的の周波数の合わせ込みは、サンプルコイルＬ１につながるコンデンサＣ０で主たる共振周波数に設定し、補助的にバリコンにてチューニングをあわせて行う。コンデンサＣ０にはＱ値が大きく耐電圧が高い市販のセラミックチップコンデンサや自作の機能を持つコンデンサを使う。水素核と重水素核の回路（ロック）を分離する回路はデカップル回路と呼ばれ、一般的には上記のようにヘリカルコイルと呼ばれる分布回路を形成して概略λ／４波長の共振回路をつくり、水素核側の回路と重水素核側の回路を分離している。
【００１２】
つまり、ＨＦ側からみると該デカップル回路が水素核の周波数でハイインピーダンスになっているためロック側へリークしないで高い効率で動作ができる。ロック側からみると該デカップル回路を含めたＬ２，Ｌ１，Ｌ３が共振回路のインダクタンスで実効効率は簡単な近似では概ねＳＱＲＴ（Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３））の電圧効率である。
【００１３】
仮に数値を入れるとＬ１＝１５ｎＨ、Ｌ２＝８０ｎＨ、Ｌ３＝８０ｎＨであるとき概ね３０％程度の効率になるものと予想できる。ＨＦ側は効率ができるだけ高く、しかしながら、ロック側は、磁場を固定し測定安定度を確保できれば良いのであるから、その機能が維持されている限りある程度の犠牲はやむをえないとの認識が一般的な解釈である。
【００１４】
炭素核などの核種を測定する場合などは、いわゆるＬＦ側回路として（ｘ）で示す上記の回路が一般的である。これ以外にもＬＦ側を２端子回路網などで構成し１３Ｃ／１５Ｎ核の回路構成を持つものなどがある。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００３−３５７５９号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように回路が水素核（  １Ｈ核）と炭素核（１３Ｃ核）を測定する場合や水素核と炭素核・窒素核（１５Ｎ核）を測定する場合（図は省略）であるとする。いずれも概念は同じであるので後者の場合で説明する。この場合、２つの回路を構成し、また、サンプルコイルも２つ用意する。仮に、例示で示すＨＦ／ロックの回路が水素（フッ素でも良い）と重水素（  ２Ｈ）で共鳴し、他の炭素と窒素がもう一方のコイルで共鳴している時、一般に、狭いスペースに両サンプルコイルが共存するため、これらの周波数は相互に干渉している。
【００１７】
とりわけ、ＬＦ側のサンプルコイルは、集中定数で動作する時の周波数と、構成する線路の長さに従った分布定数的な共振周波数を保有するため、近接し合うサンプルコイルでは、相互に干渉してしまう。この分布定数的な共振周波数が、用意したＨＦ周波数と近い場合が多く、干渉による、相互回路間のリークと回路Ｑの低下にからむことがある。
【００１８】
リークは、ＨＦ側に投入した電力が他方の回路網に逃げていくことを意味し、回路Ｑの低下は、他方の回路網の結合によってジュール損失項が増加し、本来のＨＦの回路網の効率を下げることを意味する。従来は、このように相互の効率を１００％引き出せない回路構成を組まざるを得ず大きな効率ダウンを甘んじなくてはならなかった。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、ＨＦ側に投入した電力が他方の回路網にリークするのを抑圧しＨＦの回路網の効率を向上させるようにするものである。
【００２０】
そのために本発明は、複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブにおいて、前記高域の周波数のリークを抑圧する回路の全線路長を前記高域の周波数信号の波長のほぼ４分の１に合わせて形成したことを特徴とし、前記全線路長に回路中に付随するコンデンサ部品の長さを含み、前記コンデンサの容量値により波長短縮させることを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る核磁気共鳴用プローブの実施の形態を説明するための図であり、ｐｏｓ１、ｐｏｓ２はＬＦ用バンドリジェクトフィルタ、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２はコンデンサ、Ｌ１１、Ｌ２１はコイル、Ｌ１００  はサンプルコイルを示す。
【００２２】
図１（Ａ）において、ポート１が炭素核（１３Ｃ核）の入出力ポート、ポート２が窒素核（１５Ｎ核）の入出力ポートであり、ＬＦ用バンドリジェクトフィルタｐｏｓ１、ｐｏｓ２は、ＨＦ周波数のリークを抑圧する回路として全線路長をＨＦ周波数信号の波長のほぼ４分の１に合わせて形成し、炭素核（１３Ｃ核）に対し窒素核（１５Ｎ核）との回路分離を行っている。ＬＦ用バンドリジェクトフィルタｐｏｓ２側を切断すると、単純に炭素核（１３Ｃ核）の単独回路となる。
【００２３】
次に、説明を簡単にするため窒素核（１５Ｎ核）側を省き、通過特性を見るために極めて小さなコンデンサでポート２に接続した図１（Ｂ）の回路により説明する。図１（Ｂ）において、ＬＦ用バンドリジェクトフィルタｐｏｓ１のコイルＬ１１、コンデンサＣ１１、Ｃ１２を実際にプローブに組み込むときの物理的な寸法（サイズ）も含めた線路長を６０ｍｍとして回路シミュレータで動作を見ると、水素核（  １Ｈ核）の６００ＭＨｚで共振し、ＨＦ側からのエネルギーがＬＦ側に流れ易くなっているが、この線路長を変えると、９０ｍｍ以上できれいにアイソレートするので、ＨＦ端子から炭素核（１３Ｃ核）の端子を見たときの６００ＭＨｚのアイソレーションは十分であり、リークは減少する。
【００２４】
この場合、ＬＦ用バンドリジェクトフィルタｐｏｓ２を構成するコイルＬ１１、コンデンサＣ１１、Ｃ１２の定数の違いにより線路長は異なる。合成容量が小さくなれば線路長はより長いものになり、浮遊容量値に近づくにつれて計算値の１２５ｍｍ（６００ＭＨｚでの波長λの１／４）に近づくが、逆に、容量が大きくなれば波長短縮でより短い長さで同様の効果が得られる。
【００２５】
分布定数回路系は、図１（Ｃ）に示すａ＋ｂのトータルで決まる。コイルは、ＨＦ周波数では無視してよく、コンデンサｄを考慮した線路長ａを考えればよい。コンデンサｄは、例えば３個の市販積層セラミックコンデンサを使っている例で示したものであり、当然１個でもよいが、耐圧をかせぐために複数用意するのが常套手段である。コンデンサｃも同様である。
【００２６】
上記シミュレータによる実験例において、コンデンサｄの容量は１５ｐＦを３個使って概略合成容量を５ｐＦ、コンデンサｃの容量は３９ｐＦ、３３ｐＦ、３３ｐＦの３個を使って概略合成容量を１２．３ｐＦとし、コイルＬ１１は２２０ｎＨとした。この条件でａ＋ｂの長さに対するＨＦ側の回路ＱとＨＦから炭素核（１３Ｃ核）側への通過特性（アイソレーション）を取ると、次の〔表１〕ような結果になった。
【００２７】
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上記の結果によれば、ＬＦ側がなく、単独でＨＦ側を構成するときのＨＦのＱは１９８〜２００程度であるので、概ね１００ｍｍ以上の長さにこの部分の線路長を決定すれば、干渉による影響を断ち切ることができる。
【００２８】
上記のように複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブにおいて、周波数は基本的に分布定数回路で波長共振する高域の周波数モード（例；水素、フッ素など）と集中定数回路でチューニングできる低域の周波数モード（例；炭素、窒素など）が少なくともあり、狭い領域に複数のサンプルコイルを構成する場合に派生し、相互に干渉する周波数に対して、本実施形態では、主として使用する回路側からコイルを介して相手側に漏れこんで行く信号を抑圧することで主とする回路側の回路効率を改良する。この場合、抑圧に必須の構成部分は、特性インピーダンスを形成する伝送路として回路構成し、その全線路長をほぼＨＦの波長λの１／４で形成し、回路中に付随するコンデンサ部品の長さもこれに含める。そして目的を達成する長さに線路長全体を合わせる。また、使う容量を波長短縮として考える。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態のように炭素核だけで示す回路例では、チューニング用のコンデンサの容量を変えることによりあらゆる周波数をチューニングできる。この場合、例えば変化する分をスティックと称する可変用の容量を変えることで実現する場合がある。このような場合には、この容量が上記実施形態の場合にコンデンサＣ１２に相当するわけであるから、スティックを結合するノードまでの距離が、これまで説明した実施形態の内容と同じになる。同様にフッ素核（１９Ｆ核）と炭素核（１３Ｃ核）など、高域と低域の周波数の構成の組み合わせに応じて同様に適用できることはいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数のサンプルコイルからなり低域と高域の異なる周波数で共振する複数の同調回路を備え互いに近接して配置した核磁気共鳴用プローブにおいて、高域の周波数のリークを抑圧する回路の全線路長を高域の周波数信号の波長のほぼ４分の１に合わせて形成するので、高域側（ＨＦ側）に投入した電力が他方の回路網にリークするのを抑圧しＨＦの回路網の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る核磁気共鳴用プローブの実施の形態を説明するための図である。
【図２】多核観測用のＮＭＲ検出器を備えたＮＭＲ装置の構成概要を示す図である。
【図３】従来のＮＭＲプローブ多重同調回路を示す図である。
【符号の説明】
ｐｏｓ１、ｐｏｓ２…ＬＦ用バンドリジェクトフィルタ、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１２、Ｃ２２…コンデンサ、Ｌ１１、Ｌ２１…コイル、Ｌ１００…サンプルコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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