(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲプローブ（２０）と断熱デバイス（１００）とを備えるＮＭＲ解析システム（３００）であって、
前記断熱デバイスが、
少なくとも第１の部材（２１）を熱放射から隔離するスクリーン（１０１；１０２；１０３；１０４）と、
前記スクリーンと流体の流れとの間で熱を交換する第１の熱交換要素（１１０）と、
前記流れを用いて前記第１の部材を案内する案内要素（２１１）、及び／又は前記流れを用いて前記第１の部材を駆動する駆動要素（２１２）、及び／又は前記流れを用いる前記第１の部材の第２の熱交換要素（２１３）と、
を備え、
前記ＮＭＲ解析システムが、プローブシステム（２００）と、クライオスタット（１０）と、前記ＮＭＲプローブを前記クライオスタットに対して接続する低温ライン（１６）と、を備え、
前記低温ライン（１６）が、真空障壁（１７）を備え、
前記第１の熱交換要素が、前記スクリーンに熱的に結合されること、又は、前記第１の熱交換要素が、前記スクリーンの二つの壁（１１１、１１２）の間に含まれることを特徴とするＮＭＲ解析システム。
【請求項２】
前記第１の熱交換要素が、螺旋状のストリップ（１１０）であることを特徴とする請求項１に記載のＮＭＲ解析システム。
【請求項３】
前記スクリーンが、前記第１の部材及び／若しくは前記第２の部材の重心から、又は前記第１の部材及び／若しくは前記第２の部材上の任意の点から見たとき、少なくともπステラジアン、又は少なくとも２πステラジアン、又は少なくとも３πステラジアン、又は実質的に４πステラジアンの立体角を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＭＲ解析システム。
【請求項４】
前記流体の流れを案内する案内要素を備え、前記案内要素は、
前記第１の熱交換要素（１１０）と、
前記流れを用いて前記第１の部材を案内する前記案内要素（２１１）、及び／又は前記流れを用いて前記第１の部材を駆動する前記駆動要素（２１２）、及び／又は前記流れを用いる前記第１の部材の前記第２の熱交換要素（２１３）と
の間で前記流体の流れを案内することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＮＭＲ解析システム。
【請求項５】
解析用のサンプル（２２）を受け入れることが可能なサンプルホルダ（２１）と、
前記流れを発生させるための高圧ガスの少なくとも一つの第１の供給源（１）と、
を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＮＭＲ解析システム。
【請求項６】
前記流体の流れは、ガスの流れであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＮＭＲ解析システム。
【請求項７】
前記第１の熱交換要素（１１０）は、前記スクリーンに固定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＮＭＲ解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱方法、又は断熱デバイスを動作させるための方法に関する。本発明はまた、断熱デバイス、とりわけ核磁気共鳴（ＮＭＲ）システム、特に物質のサンプルを解析するのに適したシステムのすべて又は一部を断熱するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲデバイスは、静磁場内で回転させ、且つ例えば無線周波数コイルによって生成される第１の磁場に垂直な第２の磁場に曝されるサンプルホルダを含むプローブを備え、無線周波数コイルは、サンプルホルダの中に入れられたサンプル、とりわけ固体サンプルに関する情報をそれから推定するために解析される信号を受け取る。従来技術の実施形態によれば、同一の供給源、すなわち昇圧ヘリウムシリンダなどの標準的な容器から得られる三つのガス流れが、サンプルホルダを備えるデバイスのプローブに向けて方向付けられる。第１の流れは、サンプルホルダを備えるロータ（又はスピナ）を駆動するタービンのブレード又は翼に作用することによって、このサンプルホルダを回転させる機能を有する。第２の流れは、サンプルをある特定の温度にする機能を有し、第３の流れは、固定子内のロータを支持する気体静力学的な支持体を生成する。
【０００３】
そうしたデバイスでは、低温の動作の場合に大気ガスがプローブ上で凝縮する危険性をなくすこと、及びサンプルホルダにおいて特別な温度が得られることを保証するプローブの設計を決めることが重要である。
【０００４】
これを実現するために満たす必要がある様々な条件が存在する、すなわち、
・ガスの凝縮及び対流からプローブを保護し、対流による外部からの熱の導入、及び結果としてのガス中での伝導をなくすために、プローブを周囲の大気から隔離する必要がある。
・プローブ、スピナ、及びそれに流体を供給するデバイスは、約３００Ｋの温度において周囲の熱放射から保護される必要がある。
【０００５】
プローブ、より広範にはＮＭＲデバイスは、きわめて低い温度で動作するので、所望の温度を達成し、且つ／又はこれらを冷却するのに過剰な量のエネルギーを消費しないために、これらを被覆する必要がある。
【０００６】
冷却されるデバイスを被覆又は断熱するための様々な技術が知られており、とりわけ、
−対流若しくは伝導による損失の回避を可能にする断熱材でデバイスを囲むこと、又は
−放射による損失の回避を可能にする放射阻害スクリーンを配置すること
がある。
【０００７】
放射阻害スクリーンの温度は、スクリーンに面する「高温」の構成要素及び「低温」の構成要素による影響を受ける。この影響は、高温の構成要素と低温の構成要素の温度差の４乗で変化するが、特にきわめて低い温度で動作するとき、スクリーンの温度は、主に「高温」の構成要素による影響を受ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一目的は、上記において言及した問題の克服を可能にし、従来技術によって知られている方法を改善する断熱デバイスを動作させるための方法を提供することである。特に、本発明は、効果的な断熱を可能にする、且つ／又はエネルギーとしてほとんど消費しない、断熱デバイスを動作させるための方法を提示する。本発明はまた、そうした方法に従って動作する断熱デバイスに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による方法は、第１の部材及び／又は第２の部材を熱放射から隔離するためのスクリーンを備える断熱デバイスの動作を制御する。前記方法は、
−流体、とりわけガスの流れと前記スクリーンとの間で熱を交換する熱交換ステップであって、とりわけ、熱を熱スクリーンから前記流れへ運ぶ、熱交換ステップと、
−前記流れを用いて、前記第１の部材を案内する、且つ／又は前記第１の部材の動きを駆動する、且つ／又は前記第１の部材と熱を交換する、とりわけ前記第１の部材を冷却する、使用ステップと、
を含む。
【００１０】
前記使用ステップを最初に実施し、次いで熱交換ステップを実施することができる。
【００１１】
前記第１の部材は、サンプルホルダを含むことができ、且つ／又は、
前記第２の部材は、ＮＭＲプローブ、及び／若しくは低温ライン（cryogenic line）、及び／若しくはクライオスタット（cryostat）、及び／若しくは電子回路を含むことができる。
【００１２】
本発明によれば、断熱デバイスは、第１の部材及び／又は第２の部材を熱放射から隔離するスクリーンを備える。前記断熱デバイスは、
−熱スクリーンと流体の流れ、とりわけガスの流れとの間で熱を交換する第１の熱交換要素、並びに
前記−流れを用いて前記第１の部材を案内する案内要素、及び／又は、前記流れを用いて前記第１の部材を駆動する駆動要素、及び／又は、前記流れを用いる前記第１の部材の第２の熱交換要素、
を備える。
【００１３】
前記第１の交換要素を、断熱スクリーンに熱的に結合すること、とりわけ断熱スクリーンに固定すること、又は前記第１の交換要素を、断熱スクリーンの二つの壁の間に含むことが可能である。
【００１４】
前記第１の交換要素は、螺旋状のストリップとすることができる。
【００１５】
熱スクリーンは、前記第１の部材及び／若しくは前記第２の部材の重心から、又は前記第１の部材及び／若しくは前記第２の部材上の任意の点から見たとき、少なくともπステラジアン、又は少なくとも２πステラジアン、又は少なくとも３πステラジアン、又は実質的に４πステラジアンの立体角を有することができる。
【００１６】
断熱デバイスは、流体の流れを案内する案内要素を備えており、前記案内要素は、
−第１の熱交換要素と、
−前記流れを用いて前記第１の部材を案内する案内要素、及び／又は前記流れを用いて前記第１の部材を駆動する駆動要素、及び／又は前記流れを用いる前記第１の部材の第２の熱交換要素と
の間で前記流体の流れを案内できる。
【００１７】
本発明によれば、ＮＭＲ解析用のプローブシステムは、上記において定義した断熱デバイス、及びＮＭＲ解析用のプローブを備える。
【００１８】
本発明によれば、ＮＭＲ解析システムは、上記において定義した断熱デバイス、及び上記において定義したＮＭＲプローブを備える。
【００１９】
解析システムは、プローブシステム、クライオスタット、及び前記プローブを前記クライオスタットに対して接続する低温ライン（cryogenic line）を備えることができる。
【００２０】
前記低温ラインは、真空障壁を備えることができる。
【００２１】
解析システムは、解析用のサンプルを受け入れることが可能なサンプルホルダと、前記流れを発生させるための高圧ガスの少なくとも一つの第１の供給源とを備えることができる。
【００２２】
本発明のこれらの目的、特徴及び利点について、添付図面を参照しながら、これに限定されない形で示される特定の一実施形態に関する以下の説明において詳しく述べる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態によるＮＭＲシステムを概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＮＭＲプローブを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、図１及び図２を参照しながら、ＮＭＲ解析システム３００に適用された断熱デバイス１００の一実施形態について説明する。しかしながら、断熱デバイスは、任意の他の用途に使用することが可能である。
【００２５】
ＮＭＲ解析システム３００は、断熱デバイス１００を備える。ＮＭＲ解析システム３００は、例えばサンプルをマジック角で回転させるマジック角回転ＮＭＲ解析システムである。例えば解析システムは、三つの高圧のガス流れ２、３、４を発生させることが可能な少なくとも一つの第１の高圧の供給源１を備える。別法として、それぞれが１以上の流れに割り当てられた複数の供給源を使用することももちろん可能である。この供給源１は、例えば周囲温度で２００バールに圧縮されたガスのシリンダから構成されてもよい。圧力は、調整弁に結合された流量計によって制御することができる。この第１の供給源１からの高圧ガスは、窒素又はヘリウムとすることができる。この第１の供給源１から得られる三つのガス流れは、クライオスタット１０を通過するが、クライオスタット１０において１以上の熱交換器１２で冷却された後、サンプル２２を受け入れるためのサンプルホルダ２１を備えるＮＭＲプローブ２０に達する。サンプルホルダは、静磁場の平行な軸と垂直な軸との間に形成される調節可能な角度で傾斜するように位置決めされる。また、引き替えに解析用のサンプルからの信号を受け取るように設計された、エミッタ／レシーバを形成する無線周波数の構成要素は、冷却ガスの流れに曝され、サンプルホルダ２１と同じ温度を受ける。きわめて低い温度に達することを可能にするために、熱交換器１２は、第１の供給源１のガスの温度より低い低温において、高圧の第１の供給源１から離れた１以上の第２の供給源（単数又は複数）から得られる、冷却剤として働く低圧の低温流体の供給を受ける。この冷却剤も、窒素又はヘリウムとすることができる。
【００２６】
熱交換器は、向流式の管状の流体／流体型のものとすることができる。それは、二つの流体間の熱の移動を可能にし、高圧のガス流れ２、３、４の冷却を生じさせる。この二つの流体間の熱交換は、ガス流れ２、３、４とそのそれぞれの高圧管の壁との間に対流を生じさせることによって、次いで、この壁を通した伝導の後、高圧管のこの壁の外面と冷却剤との間にさらに対流を生じさせることによって得られる。これらの管は、例えば低炭素ステンレス鋼と呼ばれるオーステナイトステンレス鋼のグレードなど、低温学に適した材料で製造することができる。
【００２７】
クライオスタット１０は、全体として、内部への進入を可能にする取り外し可能なプレートによって閉じられた真空チャンバの形をとる。クライオスタットは、有利には熱スクリーン１０４を備える。
【００２８】
次に、クライオスタット１０を出ると、有利にはすべて同じ温度まで冷却された三つのガス流れ２、３、４は、ＮＭＲプローブ２０に達し、上記において言及した三つの機能を実施する、すなわち、第１の高圧流れ２がサンプルを回転させ、第２の高圧流れ３がサンプルを冷却し、第３の高圧流れ４がサンプルホルダを支持する。
【００２９】
堅い低温ライン（cryogenic line）１６が、冷却された高圧のガス流れ２、３、４を、クライオスタット１０の出口からＮＭＲプローブデバイス２０まで運ぶ。このラインは短く、１メートル程度の長さのものであり、断熱され、高真空ポンプによって送り込まれ、熱スクリーン１０３を備える。ＮＭＲプローブ２０は、ＮＭＲ測定のための静磁場を確立する固定子（図示せず）内に位置決めされた、回転可能なサンプルホルダ２１を備える。
【００３０】
システムは、例えばプローブデバイス２００の領域に、電子的な構成要素３０、とりわけ無線周波数の構成要素を備える。接続部３１によって、電気回路３０をスピナに結合することが可能になる。
【００３１】
断熱デバイス１００は、第１の部材２１及び／又は第２の部材２０；３０；１６；１０；４０を熱放射から熱的に隔離するスクリーン１０１、１０２、１０３、１０４を備える。熱放射は、第１の部材又は第２の部材のすぐ周りの任意の要素、とりわけこうした周囲に位置する任意の物体によって引き起こされ得る。断熱デバイスは、
−熱スクリーンと流体の流れ、とりわけガスの流れとの間で熱を交換する第１の熱交換要素１１０
−前記流れを用いて第１の部材を案内する案内要素２１１、及び／又は前記流れを用いて第１の部材を駆動する駆動要素２１２、及び／又は前記流れを用いる第１の部材の第２の熱交換要素２１３
を備える。
【００３２】
案内要素２１１はガス流れ４の供給を受け、駆動要素２１２はガス流れ２の供給を受け、第１の部材の熱交換要素２１３は、ガス流れ３の供給を受ける。案内要素は、軸受、とりわけ静圧気体軸受（aerodynamic bearing）又は動圧気体軸受（aerodynamic bearing）とすることができる。したがって、一つの流れを用いて、第１の部材を案内することができる。駆動要素はタービンとすることができる。したがって、一つの流れを用いて、第１の部材の動きを駆動することができる。
【００３３】
第１の熱交換要素１１０は、１以上のスクリーンを冷却することができる。したがって、１以上のスクリーンの温度は、スクリーン外部の環境による影響をあまり受けない。１以上のスクリーンは、高い熱伝導度及び／又は低い熱放射吸収力を有するように、金属で製造されることが好ましい。
【００３４】
好ましくは、第１の部材はサンプルホルダを含み、且つ／又は、第２の部材は、ＮＭＲプローブ２０、及び／若しくは低温ライン１６、及び／若しくはクライオスタット１０、及び／若しくは電子回路３０を含む。したがって、デバイスは、サンプルホルダ２１及び物質のサンプル２２、より一般的にはプローブ２０、及び場合により電子回路を保護する第１の断熱スクリーン１０１、１０２を備えることができる。断熱デバイスは、低温ライン１６を保護する第２の断熱スクリーン１０３を備えることもでき、且つ／又は断熱デバイスは、クライオスタット１０を保護する第３の断熱スクリーン１０４を備えることができる。様々なスクリーンを、互いに熱的に結合することが可能である。
【００３５】
第１の交換要素１１０は、断熱スクリーンの二つの壁１１１及び１１２の間に含まれる。それは、螺旋状のストリップ１１０からなることができる。
【００３６】
流体の流れ２、３、４の一つ、二つ又は三つは、プローブ、とりわけサンプルホルダにおいてそれらの機能を果たした後、第１の交換要素の上を通る、又は第１の交換要素を通過する。それを実現するために、断熱デバイスは、流体の流れを案内する案内要素を備え、前記案内要素は、
−第１の熱交換要素１１０と、
−前記流れを用いて第１の部材を案内する案内要素２１１、及び／又は前記流れを用いて第１の部材を駆動する駆動要素２１２、及び／又は前記流れを用いる第１の部材の第２の熱交換要素２１３と
の間で前記流体の流れを案内する。
【００３７】
サンプルホルダを回転させるのにどの程度の流れが必要であるかを考えると、使用される低温流体は、サンプルを特別な温度にするのに、その熱エネルギー（エンタルピー）の一部を費やすだけである。また、依然として利用可能な熱エネルギーを回収し、有利には使用することができるように、サンプルスピナの出力部で放出される流れが集められる。それを行うために、スピナの排出部で除かれた「駆動」及び「熱制御」用のガス流れが、スピナがその内部に取り付けられたチャンバの中で直接集められる。したがって、スピナは、それを外部の放射から効果的に保護する、ガスの低温雰囲気中に保たれる。チャンバ自体は出口を備え、このガスは、その出口を通して放出され、ライン５を経て、能動的な熱保護スクリーン又は断熱スクリーンと熱的に結合された交換器、とりわけ、プローブを保護するスクリーン１０２と熱的に結合された交換器、低温の供給ラインを保護する能動的な熱スクリーン１０３と熱的に結合された交換器、及び場合により、冷熱源であるクライオスタットを保護する能動的な熱スクリーン１０４と熱的に結合された交換器に至る。ガスは、電子回路３０に熱的に結合された交換器を通過することもできる。その底部において環状であるチャンバ１０１の形状は、それが流体注入ラインに対して、きわめて低い温度の熱スクリーンとして働くようにする。放出されるガスに含まれるエネルギーから最大限の利益を得るために、このガスを、チャンバから放出する前に、これまでに理解されたような二重ジャケット内の螺旋状の経路に案内することができる。この配置によって、低温のガスとチャンバの壁との間の交換に対して、より大きい表面積がもたらされる。
【００３８】
場合により低い温度まで下げられるプローブの構成要素は、断熱材で製造された構成要素によって機械的に支持又は懸架される。同じ趣旨で、流体供給ラインのそれぞれが、熱をスピナに伝えないように二つの区画として製造される。サンプルホルダを含むスピナの中に流体を導入する、又はスピナから流体を取り出すための、閉じ込め用のチャンバジャケットを通過する上流部分は、伝導性が低い導体である金属材料で製造される。この領域は、温度傾斜領域と呼ばれる。従来技術では、ステンレス鋼管が使用されるが、本発明の状況では、銅で製造された管を使用することが可能である。
【００３９】
組立体は、「真空気密」式の貫通部を備えた真空チャンバの中に挿入され、プローブの動作において使用を補助するもの（流体、計測信号、動力、機械的な調節手段など）はそれら貫通部を通過する。
【００４０】
第１の交換要素１１０は、断熱スクリーンに熱的に結合され、とりわけ断熱スクリーンに固定される。
【００４１】
熱スクリーンは、第１の部材及び／若しくは第２の部材の重心から、又は第１の部材及び／若しくは第２の部材上の任意の点から見たとき、少なくともπステラジアン、又は少なくとも２πステラジアン、又は少なくとも３πステラジアン、又は実質的に４πステラジアンの立体角を有する。
【００４２】
本発明はまた、ＮＭＲ解析用のプローブシステム２００に関し、当該システムは、断熱デバイス１００及びＮＭＲ解析用のプローブ２０を備える。
【００４３】
クライオスタットからプローブへ提供される低温ラインは、きわめて低い消費量を有する。これまでに言及したように、低温ラインは、プローブから流出する流れに熱的に結合された能動的な熱スクリーン１０３を備える。１メートルの長さであり、多層の断熱材によってきわめて高度に断熱され、高真空ポンプによって送り込まれるこのラインにおける損失は、三つのプローブ供給ラインすべてに関して０．１１Ｗ程度である。こうした損失は、ＮＭＲプローブの低温の供給に一般的に使用される柔軟なラインの１０分の１である。具体的には、こうしたラインの消費量は３０Ｗ／ｍ、又は静的真空下で泡若しくは粉末によって断熱された最適なラインでは５Ｗ／ｍであり、動的真空下で高品質にきわめて高度に断熱されたラインでは、１Ｗ／ｍまで下がる。
【００４４】
有利には、低温ライン１６は、真空障壁１７を備える。したがって、ラインは、クライオスタットのスイッチを切る必要なしにプローブをクライオスタットから切り離すことができるように、「真空障壁」によって、並びに「高圧」ライン及び「低圧」ラインに取り付けられた一組の弁１８０によって、二つの独立した領域に分割される。これらの弁を用いて適切な温度の流体を、プローブの温度を変化させるように、とりわけ、プローブの温度を上昇させるように循環させることができる。
【００４５】
プローブシステム２００は、プローブ２０及び固定子を備える。プローブ及びその流体供給ラインは、真空チャンバ、放射阻害スクリーン及び断熱支持体の中に密閉するように封じ込められる。
【００４６】
システムはまた、中央ユニット（図示せず）を備え、その中央ユニットは、断熱デバイスを動作させる方法を実施するための、より一般的には、解析システムを動作させる方法を実行するためのハードウェア及びソフトウェアを含む。
【００４７】
以下では、第１の部材及び／又は第２の部材を熱放射から隔離する断熱スクリーンを備える、断熱デバイス１００を動作させるための方法の一実施形態について説明する。当該方法は、
−流体、とりわけガスの流れとスクリーンとの間で熱を交換する熱交換ステップであって、とりわけ、熱を熱スクリーンから前記流れへ運ぶ、熱交換ステップステップ、及び
−前記流れを用いて、前記第１の部材を案内する、且つ／又は前記第１の部材の動きを駆動する、且つ／又は前記第１の部材と熱を交換する、とりわけ前記第１の部材を冷却する、使用ステップ
を含む。
【００４８】
前記熱交換ステップでは、例えば前記流体の流れによってスクリーンを冷却することが可能である。
【００４９】
前記流れを用いて前記第１の部材と熱を交換するステップでは、例えば前記流体の流れによって前記第１の部材を冷却することが可能である。
【００５０】
好ましくは、前記使用ステップが最初に実施され、次いで前記熱交換ステップが実施される。
【００５１】
好ましくは、前記第１の部材は、サンプルホルダを含み、且つ／又は、前記第２の部材は、ＮＭＲプローブ２０、及び／若しくは低温ライン１６、及び／若しくはクライオスタット１０、及び／若しくは電子回路３０を含む。
【００５２】
そうした断熱デバイスによって、ガスをプローブで使用した後にガスを暖める必要性を限定することが可能になり、暖めることによって、人員の安全を保証し、人員がきわめて低温の構成要素と接触して火傷をした状態になるのを防止し、人員が溶けた凝縮物で滑ることによって落下する又は感電死するのを防止するようにする。暖めることによって、短絡回路又は金属性の構成要素の酸化によって引き起こされる設備劣化の危険性を低減することも可能になる。最後に、ヘリウムなど少なくとも最も高価な流体を、再使用のために回収デバイスによって回収することができる。閉ループのシステムを作り出すために、それらを、冷却機を介して向流式の交換器１２に直接注入することも可能であり、次いで、クライオスタット外部の「高温」の圧縮器又はクライオスタット内部の「低温」の圧縮器によって、循環がもたらされる。
【図１】
0006335123.tif 000002
【図２】
0006335123.tif 000003