(57)【要約】【課題】  運転中に圧縮機が破壊するおそれがなく、照射コイルおよび受信コイルを約５Ｋにまで冷却する。【解決手段】  移送管路収納管内に二重管状の第３移送管路３８を設け、その内部には第１移送管路、第２管路および第４移送管路４０が設置する。さらに、常温部分に圧力調整弁を設置することにより、侵入熱量を抑制し、冷媒温度を下げることが可能である。圧縮機を破壊することなく、プローブヘッド内の照射コイル、受信コイルおよび前置増幅器を極低温冷却することができ、低温プローブを実現することができる。【選択図】  図１
2005106633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第３移送管路、前記前置増幅器用熱交換器、前記第４移送管路、前記第１段熱交換器、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路の少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁を直列に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であることを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間の設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、核磁気共鳴装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１移送管路との間に少なくとも１個の冷媒タンクを設核磁気共鳴測定装置。
【請求項４】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第１段熱交換器、前記第３移送管路、前記前置増幅器用熱交換器、前記第４移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路の少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁を直列に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であることを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の核磁気共鳴測定装置において、前記圧力調整弁は、冷媒の前記経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項６】
請求項４に記載の核磁気共鳴測定装置であって、冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１移送管路の間に少なくとも１個の冷媒タンクを設けたことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項７】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第１段熱交換器、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第３移送管路、前記前置増幅器用熱交換器、前記第４移送管路、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路の少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁が直列に設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能である核磁気共鳴測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１移送管路の間に設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、核磁気共鳴装置の設置された環境温度より低い温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項９】
請求項７に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間の任意位置に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は前記核磁気共鳴測定装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の核磁気共鳴測定装置であって、冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１移送管路の間に少なくとも１個の冷媒タンクを設けた核磁気共鳴測定装置。
【請求項１１】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器、第３向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第１段熱交換器、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第１向流式熱交換器の順の第１経路と、前記第１経路における前記圧縮機と前記第１向流式熱交換器の間に設けた冷媒分岐点から前記第１経路から分岐し、前記第３向流式熱交換器、前期第１段熱交換器、前記第３移送管路、前記前置増幅器用熱交換器、前記第４移送管路、前記第３向流式熱交換器の順で冷媒が移送され、前記第１経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間に設けた冷媒合流点で前記第１経路に合流する順の第２経路において、前記第１経路と前記第２経路で並行して循環することができ、冷媒の循環する前記第１経路および前記第２経路のそれぞれの少なくとも１ヶ所に圧力調整弁を直列に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能なことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記第１経路における前記第２段熱交換器と前記第１向流式熱交換器の間、および前記冷媒の前記第２経路における前記前置増幅器用熱交換器と前記第３向流式熱交換器の間に設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、核磁気共鳴装置の設置された環境温度より低い温度で動作することを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記第１経路における前記第１向流式熱交換器と前記冷媒合流点の間の任意位置、および前記第２経路における前記第３向流式熱交換器と前記冷媒合流点の間に設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、核磁気共鳴装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作することを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記第１経路における前記冷媒合流点と前記圧縮機の間に設置され、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、核磁気共鳴装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記第１経路における前記第２段熱交換器と前記第１向流式熱交換器の間、および前記冷媒の前記第２経路における前記前置増幅器用熱交換器と前記第３向流式熱交換器の間に設置され、冷媒の前記第１経路における前記第２段熱交換器と前記第２向流式熱交換器の間に少なくとも１個の冷媒タンクが設けられ、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、核磁気共鳴装置の設置された環境温度より低い温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項１６】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路に少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁を直列に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能である核磁気共鳴測定装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１向流式熱交換器の間の任意位置に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、前記核磁気共鳴測定装置の設置された環境温度より低い温度で動作することを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は前記冷媒の前記経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間の任意位置に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は前記核磁気共鳴測定装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作することを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項１９】
請求項１６に記載の核磁気共鳴測定装置であって、冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第２向流式熱交換器の間の任意位置に少なくとも１個の冷媒タンクを設けたことを特徴とする核磁気共鳴測定装置。
【請求項２０】
ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第１段熱交換器、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路に少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁を設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能である核磁気共鳴測定装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は前記冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第１向流式熱交換器の間に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は前記核磁気共鳴測定装置の設置された環境温度より低い温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項２２】
請求項２０に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記圧力調整弁は、前記冷媒の前記経路における前記第１向流式熱交換器と前記圧縮機の間に設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能であり、前記圧力調整弁は、前記核磁気共鳴測定装置の設置された環境温度とほぼ同じ温度で動作する核磁気共鳴測定装置。
【請求項２３】
請求項２０に記載の核磁気共鳴測定装置であって、冷媒の前記経路における前記第２段熱交換器と前記第２向流式熱交換器の間の任意位置に少なくとも１個の冷媒タンクを設けた核磁気共鳴測定装置。
【請求項２４】
請求項２０に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記経路以外に前記極低温冷凍機とは別の第２冷凍機を設け、前置増幅器用熱交換器を介して前記第２冷凍機を用いて冷却した冷媒と前記前置増幅器を熱交換する核磁気共鳴測定装置。
【請求項２５】
請求項２０に記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記経路以外に前記冷媒タンクとは別の第２冷媒タンクを設け、前置増幅器用熱交換器を介して前記第２冷媒タンクに貯蔵した冷媒と前記前置増幅器を熱交換する核磁気共鳴測定装置。
【請求項２６】
請求項１、４，７，１１，２０のいずれか一つに記載の核磁気共鳴測定装置であって、前記第１移送管路、前記第２移送管路、前記第３移送管路および前記第４移送管路は単一の移送管路収納管の内部に収納した核磁気共鳴測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプローブヘッド内の照射コイル、受信コイルおよび前置増幅器を冷却することにより、照射コイルまたは受信コイルのＱ値とＳ／Ｎ比を高めることが可能な核磁気共鳴測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に核磁気共鳴測定装置（Nuclear Magnetic Resonance Measuring Apparatus,以下 ＮＭＲ装置と略称する）には連続的に無線周波数信号電磁波を試料に照射するＣＷ型（Continuing Wave Type）と、パルス状の電磁波を試料に照射するパルスフーリエ型（Pulse Fourier Type）が存在するが、最近では後者のパルスフーリエ型ＮＭＲを指すことが多くなっている。本願明細書においては、通常、パルスフーリエ型ＮＭＲ装置を指すものとする。
【０００３】
ＮＭＲ装置に関する基本的構成については「ＮＭＲの書」（荒田洋治著、丸善出版刊、２０００年）第III部測定技術に記載されている。同著によると、ＮＭＲ装置は静磁場を発生する超電導磁石、内部に収納した試料に高周波パルス磁場を照射する照射コイル、試料から発せられる自由誘導減衰信号（ＦＩＤ信号）を受信する受信コイル、上記コイルを内部に備えたプローブヘッド、照射コイルに高周波電流を供給する高周波電源、自由誘導減衰信号を増幅する増幅器、信号を検波する検波器、検波器によって検出した信号を解析する解析装置等から構成される。
【０００４】
照射コイルまたは受信コイルは、様々な核種や測定方法に対応するように複数のコイルを備えるプローブヘッドがある。照射コイルと受信コイルは、それらの機能を併せ持っているコイルもある。これらコイルを総称してここではプローブコイルと称する。
【０００５】
プローブヘッドの一種に低温プローブがある。前述の「ＮＭＲの書」によれば、低温プローブとは、プローブコイルを超電導化し、極低温のヘリウムガスによってプローブヘッド内部を冷却する方式のプローブヘッドをいい、超電導体としては一般的には酸化物超電導体が用いられる。
【０００６】
低温プローブの利点は二つある。ひとつは回路の電気抵抗が低くなるため、コイルの選択度Ｑの値を高めることができることである。コイルの選択度Ｑの値は式（１）で表すことができる。
【０００７】
【数１】
2005106633.tif 000003
【０００８】
ここで、Lは回路のインダクタンス、Cはキャパシタンス、Rは抵抗である。式（１）によると、電気抵抗Rが小さくなると、Ｑ値が高くなることがわかる。もうひとつは低温にしたために回路全体の熱雑音を減少させることができ、Ｓ／Ｎ比が向上することである。ノイズ電圧Vnは式（２）で表すことができる。
【０００９】
【数２】
2005106633.tif 000004
【００１０】
ここでkはボルツマン定数、Tは温度、Δfは周波数幅、Rは電気抵抗である。式（２）によれば、温度Tが低くなるとノイズ電圧Vnは小さくなることがわかる。一般的な金属では温度Tが低くなると、電気抵抗Rも小さくなる。したがって、プローブヘッド内部を冷却し、プローブコイルを超電導化することによりノイズ電圧VnはRの１／２乗以上の割合で小さくすることができる。
【００１１】
プローブヘッド内部を冷却し、低温プローブを実現するための冷却技術として特許第２９４７３４８号がある。これによれば、簡単な方法で、かつ、大きな技術的困難とコストの増加を伴わずに受信コイルの温度を３０Ｋ以下に冷却できる。
【００１２】
【特許文献１】特許第２９４７３４８号公報
【００１３】
【非特許文献１】「ＮＭＲの書」、（荒田洋治著、丸善出版刊、２０００年発行）第III部測定技術
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前述の特許文献１（特許第２９４７３４８号）においては以下述べるような課題がある。冷媒を圧縮機により循環させる場合、冷媒と冷媒流路の摩擦により圧力が低下する。これを圧力損失と呼ぶ。平滑な円管内における乱流状態の流体の圧力損失は、式（３）に示すブラジウスの抵抗公式を用いて計算できる。
【００１５】
【数３】
2005106633.tif 000005
【００１６】
ここでλは管摩擦係数、Reはレイノルズ数を示す。
【００１７】
圧力損失Δpは式４を用いて計算できる。
【００１８】
【数４】
2005106633.tif 000006
【００１９】
ここでρは流体の密度(kg/m3)、uは流体の平均流速(m/s)、Lは円管の長さ(m)、Dは円管の直径(m)を示す。平均流速uは式（５）を用いて計算する。
【００２０】
【数５】
2005106633.tif 000007
【００２１】
ここでｍは質量流量(kg/s)である。
【００２２】
例えば、流体をヘリウムとし、圧力1MPaが質量流量0.001kg/sで長さ10m、直径0.003mの円管内を流れたとすると、温度300Kと5Kの場合の圧力損失は表１で示される値となる。
【００２３】
【表１】
2005106633.tif 000008
【００２４】
表１における圧力損失は、円管の途中での圧力損失に伴う密度の低下を考慮していないので、圧力損失の実験値はこれより大きくなるが、5Kの圧力損失は300Kと比較して100分の1に低下していることがわかる。
【００２５】
表１に示した流体および円管の条件は、圧縮機により冷媒を循環させ低温プローブを冷却する方式である特許文献１（特許第２９４７３４８号）の装置において現実的な値であり、この値を適用する。
【００２６】
この装置が運転を開始し十分に時間が経過した後、5Kに冷却された冷媒流路の長さが10mであると仮定する。また、ここでは前後の5K以上の区間における圧力損失は無視する。この場合、圧縮機において1MPaで圧縮され吐出されたヘリウムは0.9958MPaで再び圧縮機に吸入されることとなる。
【００２７】
一方、上記の10mの流路が300Kであった場合は、圧縮機において1MPaで圧縮され吐出されたヘリウムは、0.45MPaで再び圧縮機に吸入されることとなる。後者の場合は特に大きな問題はない。
【００２８】
しかし、一般的に容積型と称する圧縮機では圧縮比を約２倍以上にしないと十分な流量を確保できないばかりか、運転中に圧縮機が破壊することが考えられ、前者の場合は問題がある。
【００２９】
特許文献１（特許第２９４７３４８号）は、質量流量を制御するための弁を流路に設けているが、これは冷媒が分岐して２ヶ所を同時に効率よく冷却するために、それぞれの経路を流れる冷媒の流量を調節する機能を果たすものであり、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力の比を調節することはできない。したがって、特許文献１（特許第２９４７３４８号）における装置では冷媒の流量を確保できないばかりか、運転中に圧縮機が破壊するおそれもある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明のひとつの課題解決手段は、ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルを備えたＮＭＲプローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルによって受信されるＮＭＲ信号を増幅する前置増幅器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記ＮＭＲ受信コイルおよび照射コイルと冷媒との間で熱交換するコイル冷却用熱交換器と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記前置増幅器と冷媒との間で熱交換する前置増幅器用熱交換器と、冷媒を冷却および圧縮できる冷却装置と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドへ移送する第１移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第２移送管路と、冷媒を前記冷却装置から前記プローブヘッドに移送する第３移送管路と、冷媒を前記プローブヘッドから前記冷却装置に移送する第４移送管路とを備え、前記冷却装置は、第１段熱交換器を有する第１冷却段と、第２段熱交換器を有する第２冷却段とを含む極低温冷凍機と、冷媒を圧縮する圧縮機、第１向流式熱交換器、第２向流式熱交換器を備え、前記第１冷却段は、前記第２冷却段の第２段温度より高い第１段温度を有し、前記圧縮機は、冷媒を前記第１向流式熱交換器、前記第１段熱交換器、前記第３移送管路、前記前置増幅器用熱交換器、前記第４移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第２段熱交換器、前記第１移送管路、前記コイル冷却用熱交換器、前記第２移送管路、前記第２向流式熱交換器、前記第１向流式熱交換器の順の経路で循環することができ、冷媒の循環する前記経路の少なくとも１ヶ所に冷媒の全量が通過する圧力調整弁を設置し、前記圧力調整弁を通過する冷媒の圧力を降下させることが可能とした核磁気共鳴測定装置である。
【発明の効果】
【００３１】
これにより、プローブヘッド内の照射コイル、受信コイルおよび前置増幅器を極低温冷却することができ、低温プローブを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、本発明の一実施の形態を示す簡略構成図である。極低温冷凍機10は、第１冷却段１２、第２冷却段１４を備え、極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動される。第１冷却段１２は、第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段１４は、第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第１段熱交換器１８は、冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は、冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。
【００３３】
第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は、真空容器２６内に収容される輻射シールド２８内に設置されている。向流式熱交換器は、互いに流れ方向が反対の熱交換器部を持っている。
【００３４】
輻射シールド２８は、極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。真空容器２６内は真空に保たれていて、輻射シールド２８の外側は、多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【００３５】
冷媒は圧縮機３１、第１向流式熱交換器２２、第３移送管路３８、前置増幅器用熱交換器４８、第４移送管路４０、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第１向流式熱交換器２２、圧力調整弁３０、圧縮機３１の順で循環する。
【００３６】
圧力調整弁３０は、冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。
【００３７】
移送管路収納管３２およびその内部は、図２の詳細図に示すような構造である。第１移送管路３４、第２移送管路３６、第３移送管路３８、第４移送管路４０は、単一の移送管路収納管３２内に設置されている。第３移送管路３８は、二重管であり、その外側管と内側管の間隙を冷媒が流れる構造である。
【００３８】
第３移送管路３８の内部には第１移送管路３４、第２移送管路３６および第４移送管路４０が設置されており、それぞれの移送管路の外部には移送管路への輻射侵入熱を低減できるよう、多層断熱層であるスーパーインシュレータ４２が巻回されている。
【００３９】
また、移送管路収納管３２内部は真空引きされており、気体の対流および熱伝導により移送管路への侵入熱を低減している。図１に示すプローブ４４の内部には輻射シールド４６が設置されている。プローブ４４内部は真空であり、図示しないが輻射シールド４６の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド４６内にある装置類への輻射熱を軽減している。輻射シールド４６は、前置増幅器用熱交換器４８と熱的に接続されている。
【００４０】
図１０にプローブ４４内部の構造の一例を示す。輻射シールド４６は、前置増幅器用熱交換器４８と熱的に接続されている。また、前置増幅器５０と前置増幅器用熱交換器４８の間はプローブコイル冷却用伝熱部５２を介して熱的に接続されている。
【００４１】
ＮＭＲプローブコイル５４とコイル冷却用熱交換器５６の間は熱的に接続されている。さらに好ましくは、前置増幅器用熱交換器４８は調整回路５８と熱的に接続するとよい。図１０においては、ＮＭＲプローブコイル５４を照射用と受信用を兼用としたタイプを図示している。
【００４２】
ＮＭＲプローブコイル５４は、照射用と受信用を分けて複数配置してもよい。ＮＭＲプローブコイル５４と調整回路５８、調整回路５８と前置増幅器５０、調整回路５８と高周波パルス入力端子６０、前置増幅器５０とＦＩＤ信号出力端子６２はそれぞれ電気的に接続されている。
【００４３】
高周波パルス磁場をサンプルに照射する場合、プローブの外部の高周波電源により発生された高周波パルス電流は、ＦＩＤ信号出力端子６２、調整回路５８を介してＮＭＲプローブコイル５４に与えられ、磁場としてサンプル管６４内のサンプルに照射される。
【００４４】
この際、高周波パルス電流が前置増幅器５０に入力されると前置増幅器５０を破壊するおそれがあるので、調整回路５８は高周波パルス電流が前置増幅器５０に入らないような回路を構成している。
【００４５】
サンプルの発するＦＩＤ信号はＮＭＲプローブコイル５４により受信され、調整回路５８に電気信号として入力され、前置増幅器５０により増幅され、ＦＩＤ信号出力端子６２を介してプローブ外部の増幅器、検波器、解析装置等に送られる。調整回路５８は高周波パルス電流が流れることにより受動的にスイッチングを行う回路でも、外部からのトリガー信号によりスイッチングを行う回路でもよい。
【００４６】
前者の場合、回路の一例としてクロスダイオードを用いた回路が挙げられる。また、後者の場合、ＰＩＮダイオードスイッチや機械的高速度スイッチ等を採用する方法が挙げられる。
【００４７】
調整回路５８にはＮＭＲプローブ内の回路の共鳴周波数やインピーダンス整合を行うための任意のキャパシタやインダクタ等を含むことが望ましい。さらに、一つのＮＭＲプローブコイル５４で多重共鳴、すなわち、一つのコイルで複数の核の共鳴周波数の高周波パルス磁場を発生できるよう、キャパシタやインダクタを含む回路を調整回路５８内に備えてもよい。
【００４８】
調整回路５８および前置増幅器５０は熱雑音を防ぐため低温に冷却されているが、特に熱雑音を考慮しない場合は常温環境に置いてもよい。図１０においては照射用と受信用を一つのＮＭＲプローブコイル５４で動作させているが、照射用コイルと受信用コイルを別に設置してもよい。
【００４９】
本実施の形態における移送管路収納管３２の長さは約３ｍ、直径は約１０ｃｍであり、スーパーインシュレータの厚さ、枚数等を最適化した結果、表２に示す侵入熱量であることがわかった。
【００５０】
【表２】
2005106633.tif 000009
【００５１】
上述した条件で本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図１内に示す。
【００５２】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合の温度測定結果である。図１からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。
【００５３】
また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【００５４】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を加えた場合は平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。
【００５５】
金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。
【００５６】
本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。次に、５Ｋまでの冷却を実現できた理由を説明する。
移送管路収納管３２の構造
本実施の形態では移送管路収納管３２内に冷媒温度が約５８〜８０Ｋ程度の二重管状の第３移送管路３８を設け、その内部には冷媒温度が約４．５〜４．９Ｋの第１移送管路３４、冷媒温度が約５．１〜５．４Ｋの第２管路３６および冷媒温度が８２〜８３Ｋの第４移送管路４０が設置されている。このような構成の場合、第３移送管路３８が輻射シールドの機能を果たすため、内部の第１移送管路３４、第２移送管路３６、第４移送管路４０への輻射侵入熱量をかなり低減することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では第３移送管路３８を二重管構造としたが、第４移送管路４０を２重管構造とし、その内部に第３移送管路３８を設けてもほぼ同様の効果を得られる。
【００５８】
しかしながら、例えば、それぞれの移送管路に別々にスーパーインシュレータ等を用いた極低温断熱を施した場合、輻射による侵入熱量が大きいため、５Ｋレベルの冷媒をコイル冷却用熱交換器５６に供給することは難しく、スーパーインシュレータの枚数および厚みを大きくすることが必要となり、移送管路をコンパクトにすることができない。
【００５９】
また、移送管路収納管３２を２本とし第１移送管路３４と第２移送管路３６、第３移送管路３８と第４移送管路４０をそれぞれの移送管路収納管に収納した場合も同様の理由により５Ｋレベルの冷媒を供給することは難しい。
【００６０】
一方、極低温冷凍機１０の第１冷却段１２の冷却性能は温度４０Ｋにおいて、約２５Ｗ、第２冷却段１４は温度４．５Ｋにおいて約１．５Ｗである。このように、第１段冷却段１２の冷却性能は第２冷却段１４と比較して高い。したがって、原理的には輻射熱等を極低温冷凍機１０により冷却する場合、第３移送管路３８を輻射シールドとして利用し、第１冷却段１２の冷却性能を効果的に使用することが望ましい。
圧力調整弁３０の位置
本実施の形態において圧力調整弁３０は室温環境に設置した。圧力調整弁３０により冷媒の圧力を降下させることの必要性は前述したが、圧力調整弁３０は、冷媒の循環経路のどこに設置してもよい。しかし、圧力調整弁３０を冷媒が極低温である部分に設置する場合には低温において弁の開閉が可能な低温バルブを使用する必要がある。
【００６１】
低温バルブは弁の部分は極低温であるものの、操作ハンドルは常温になるため、弁と操作ハンドルの間を連結する回転ロッドの長さを長くし、熱伝導による侵入熱量を低減している。しぁし、冷媒の圧力が大きい場合、圧力による破壊を防止するため回転ロッドも太くせざるを得ない。例えば冷媒温度５Ｋ、圧力１ＭＰａで使用可能な低温バルブの侵入熱量は数Ｗである。
【００６２】
したがって、このような構成で低温バルブを用いると冷媒の温度が上がってしまうという問題点がある。本実施の形態では常温部分に圧力調整弁３０を設置することにより、冷媒温度を約５Ｋにまで冷却することが可能である。
【００６３】
一方、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、点線で示すように圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【００６４】
図１１にその詳細な構成を示す。図１１においては圧力調整弁３０、冷媒タンク７０、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４およびコイル冷却用熱交換器５６等のみを図示しており、他の構成部品については図示することを省略している。図１１に示した場所の他、例えば図１で述べたように圧縮機３１の吸入側の常温部等にも別の圧力調整弁を付加してもよい。
【００６５】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。上記の条件であれば４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。
【００６６】
したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【００６７】
図３は、本発明の他の実施の形態を示す図である。
【００６８】
圧縮機３１は、冷媒を第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第３移送管路３８、前置増幅器用熱交換器４８、第４移送管路４０、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第１向流式熱交換器２２の順で循環する。極低温冷凍機１０は、極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第１冷却段１２は第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段１４，は第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。
【００６９】
第１段熱交換器１８は冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。
【００７０】
輻射シールド２８は極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【００７１】
圧力調整弁３０は、冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は前述した図２および表２と同じである。
【００７２】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図３内に示す。
【００７３】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。図３からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。
【００７４】
これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【００７５】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を加えた場合は、平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。
【００７６】
一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。しかし、金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。
【００７７】
したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。
【００７８】
一方、図１で述べたように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【００７９】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。上記の条件では４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。
【００８０】
したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【００８１】
図４は、本発明の他の実施の形態を示す図である。
【００８２】
圧縮機３１は冷媒を第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第３移送管路３８、前置増幅器用熱交換器４８、第４移送管路４０、第１向流式熱交換器２２の順で循環する。
【００８３】
極低温冷凍機１０は極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第１冷却段１２は第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段は第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第１段熱交換器１８は冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。
【００８４】
第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。輻射シールド２８は極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。
【００８５】
真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【００８６】
圧力調整弁３０は、冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は前述の図２および表２と同じである。
【００８７】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図４内に示す。
【００８８】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。
【００８９】
図４からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。
【００９０】
また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【００９１】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を加えた場合は、平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。
【００９２】
しかし、金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。
【００９３】
本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。
【００９４】
一方、図１で説明したように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【００９５】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。上記の条件では４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。
【００９６】
したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【００９７】
図５は、本発明の他の実施の形態を示す図である。圧縮機３１は冷媒を第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第１熱向流式交換器２２の順の第１経路の順で冷媒を循環する。
【００９８】
また、第１経路における圧縮機３１と第１向流式熱交換器２２の間に設けた冷媒分岐点において、第１経路から分岐し、第３向流式熱交換器７４、第１段熱交換器１８、第３移送管路３８、前置増幅器用熱交換器４８、第４移送管路４０、第３向流式熱交換器７４の順の第２経路で冷媒を循環する。
【００９９】
極低温冷凍機１０は極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第１冷却段１２は第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段は第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第１段熱交換器１８は冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。
【０１００】
第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は、真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。輻射シールド２８は極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【０１０１】
圧力調整弁３０ａおよび３０ｂは冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は図２および表２と同じである。
【０１０２】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図５内に示す。
【０１０３】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。
【０１０４】
図５からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。
【０１０５】
また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【０１０６】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を引加した場合は平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。
【０１０７】
一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。しかし、金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。
【０１０８】
したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。
【０１０９】
一方、図１説明で述べたように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【０１１０】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。上記の条件では４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。
【０１１１】
したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０等に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【０１１２】
図６は、本発明の他の実施の形態を示す図である。圧縮機３１は、冷媒を第１向流式熱交換器２２、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第１向流式熱交換器２２の順の経路で循環する。
【０１１３】
極低温冷凍機１０は極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第２冷却段は第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。第１向流式熱交換器２２、第２段熱交換器２０は真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。輻射シールド２８は、第１冷却段１２と熱的に接続されている。
【０１１４】
真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。圧力調整弁３０は、冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は図２および表２とほぼ同じであるが、本実施の形態の場合は第３移送管路３８、第４移送管路は存在しない。
【０１１５】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図６内に示す。
【０１１６】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。図６からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約２０Ｋにまで冷却することが可能であった。
【０１１７】
一方、図１の説明で述べたように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させることが可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【０１１８】
また、ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０をさらに冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【０１１９】
図７に本発明の他の実施の態様を示す。
【０１２０】
圧縮機３１は、冷媒を第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第１向流式熱交換器２２の順の経路で循環する。
【０１２１】
極低温冷凍機１０は極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第１冷却段１２は第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段１４は、第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第１段熱交換器１８は冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。
【０１２２】
第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。輻射シールド２８は極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【０１２３】
圧力調整弁３０は冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は図２および表２とほぼ同じであるが、本実施の形態の場合は、第３移送管路３８、第４移送管路は存在しない。
【０１２４】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図７内に示す。
【０１２５】
これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。
【０１２６】
図７からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。
【０１２７】
また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【０１２８】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を引加した場合は平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。
【０１２９】
しかし、金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。
【０１３０】
本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。
【０１３１】
一方、図１の説明で述べたように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【０１３２】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。
【０１３３】
上記の条件では４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能であった。
【０１３４】
図８は、本発明の他の実施の形態を示す図である。圧縮機３１は冷媒を第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０、第１移送管路３４、コイル冷却用熱交換器５６、第２移送管路３６、第２向流式熱交換器２４、第１向流式熱交換器２２の順の経路で循環する。
【０１３５】
さらに、第２冷媒タンク７６を設け、前置増幅器用熱交換器４８を介して第２冷媒タンク７６に貯蔵した冷媒、好ましくは液体窒素や１００Ｋ以下に冷却された窒素ガスまたはヘリウムガスと前置増幅器５０を熱交換する。図８には冷媒として液体窒素を用いた場合の温度を示している。また、第２冷媒タンク７６の代わりに、前置増幅器冷却装置７８を設置してもよい。
【０１３６】
前置増幅器冷却装置７８には、上記経路以外に極低温冷凍機とは別の第２冷凍機を設け、前置増幅器用熱交換器を介して第２冷凍機を用いて冷却した冷媒と前記前置増幅器を熱交換する。この場合の冷媒としては液体窒素、１００Ｋ以下に冷却された気体窒素、または気体ヘリウム等が望ましい。図８は、液体窒素の温度を示している。
【０１３７】
極低温冷凍機１０は、極低温冷凍機用圧縮機１６により駆動され、第１冷却段１２は第１段熱交換器１８と熱的に接続され、第２冷却段は第２段熱交換器２０と熱的に接続されている。第１段熱交換器１８は冷媒を４５Ｋ、第２段熱交換器２０は冷媒を４．５Ｋまで冷却することができる。
【０１３８】
第１向流式熱交換器２２、第１段熱交換器１８、第２向流式熱交換器２４、第２段熱交換器２０は真空容器２６内の輻射シールド２８内部に設置されている。輻射シールド２８は極低温冷凍機１０の第１冷却段１２と熱的に接続されている。真空容器２６内は真空であり、輻射シールド２８の外側は多層断熱層であるスーパーインシュレータが巻回されており、輻射シールド２８内にある装置類への輻射熱を軽減している。
【０１３９】
圧力調整弁３０は冷媒が圧縮機３１の吸入口側の室温環境に設置されており、開度は０％から１００％まで任意に調整できる。移送管路収納管３２およびその内部の構造、熱的特性は前記図２および表２とほぼ同じであるが、本実施の形態の場合は第３移送管路３８、第４移送管路４０は存在しない。
【０１４０】
本実施の形態を動作させた場合の各部温度の測定結果を図７内に示す。これは冷媒圧力を圧縮機３１の吐出口で１ＭＰａ、圧力調整弁３０の直後で０．３ＭＰａとし、冷媒の流量を０．１ｇ／ｓで運転した場合、の温度測定結果である。
【０１４１】
図８からわかるようにコイル冷却用熱交換器５６を約５Ｋにまで冷却することが可能であった。これにより、ＮＭＲプローブコイル５０を極低温に冷却することができ、Ｑ値とＳ／Ｎ比を向上することが可能であった。
【０１４２】
また、５Ｋという温度は常圧中での液体ヘリウムの温度である４．２Ｋに近く、照射コイルまたは受信コイルとしてはＹ−１２３系、Ｂｉ−２２２３系またはＢｉ−２２１２系酸化物系超電導体等はもちろん、ＭｇＢ２、Ｎｂ３Ａｌ、Ｎｂ３Ｓｎ、ＮｂＴｉ等の金属系超電導体の安定使用も可能な温度である。
【０１４３】
酸化物系超電導体では超電導膜に対して垂直方向に磁場を引加した場合は平行方向と比較して２桁程度輸送電流が減少するという問題があり、照射コイルおよび受信コイルの形状には制限がある。
【０１４４】
一方、金属系超電導体ではそのような異方性が小さいため、複雑な形状のコイルを簡単に作成できるというメリットがある。
【０１４５】
しかし、金属系超電導体は一般的に超電導転移温度が低く、また、超電導転移温度以下であっても、温度が高いと臨界電流が低下するという特性がある。したがって、複雑な形状のコイルを簡単に作成するためには金属系超電導体を用い、温度をできる限り下げるとよい。
【０１４６】
本実施の形態で実現できた５Ｋという温度は一般的な金属系超電導体をコイルとして用いるには十分低い温度であり、本実施の形態を採用することにより複雑な形状のコイルも実現可能となった。
【０１４７】
一方、図１の説明で述べたように、低温バルブを用いて極低温冷媒の圧力を降下させ、ジュール・トムソン効果を利用することにより、冷媒の温度をさらに低下させたり、液化させたりすることは可能である。この場合、圧力調整弁３０を第２段熱交換器２０と第１移送管路３４の間に設置することにより、その効果を得ることができる。
【０１４８】
ジュール・トムソン効果を効率よく得るためには、例えば、冷媒をヘリウムとした場合、圧力調整弁３０に流入する冷媒の温度は約７Ｋ、圧力は１ＭＰａ、圧力調整弁３０から流出する冷媒の圧力は０．１ＭＰａ程度が望ましい。上記の条件では４．２Ｋの液体ヘリウムを得ることができる。
【０１４９】
したがって、ここで得られた液体ヘリウムを冷媒タンク７０に一旦貯蔵し、必要量をコイル冷却用熱交換器５６に移送することにより、ＮＭＲプローブコイル５０を４．２Ｋにまで冷却することができ、Ｑ値やＳ／Ｎ比をさらに向上することが可能である。
【０１５０】
図９は、移送管路および移送管路収納管の他の実施形態を示す図である。第１移送管路３４、第２移送管路３６、第３移送管路３８、第４移送管路４０は単一の移送管路収納管３２内に設置されている。第４移送管路４０は、輻射シールド４１と熱的に接続されている。輻射シールド４１と接続するのは第３移送管路３８でもよい。
【０１５１】
輻射シールド４１の内部には第１移送管路３４、第２移送管路３６および第３移送管路３８が設置されており、それぞれの移送管路の外部には移送管路への輻射侵入熱を低減できるよう、多層断熱層であるスーパーインシュレータ４２が巻回されている。
【０１５２】
また、移送管路収納管３２内部は真空引きされており、気体の対流および熱伝導により移送管路への侵入熱を低減している。このような構成とすることにより、図１で示した移送管路収納管およびその内部構造の性能をそのままにしながら、構造を簡略化できる。
【０１５３】
また、輻射シールド４１を第３移送管路３８、または第４移送管路４０と接続するのではなく、極低温冷凍機１０とは別の極低温冷凍機を用いて冷却することも好ましい。
【０１５４】
以上説明したように本発明によれば、圧縮機を破壊することなく、プローブヘッド内の照射コイル、受信コイルおよび前置増幅器を極低温冷却することができ、低温プローブを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】第１の実施の形態を示す図である。
【図２】移送管路および移送管路収納管の実施形態を示す図である。
【図３】第２の実施の形態を示す図である。
【図４】第３の実施の形態を示す図である。
【図５】第４の実施の形態を示す図である。
【図６】第５の実施の形態を示す図である。
【図７】第６の実施の形態を示す図である。
【図８】第７の実施の形態を示す図である。
【図９】別の移送管路および移送管路収納管の実施形態を示す図である。
【図１０】プローブ内部の形態を示す図である。
【図１１】第１の実施の形態において低温バルブと冷媒タンクを設置した場合のそれらの位置を示す図である。
【符号の説明】
【０１５６】
１０…極低温冷凍機、１２…第１冷却段、１４…第２冷却段、１６…極低温冷凍機用圧縮機、１８…第１段熱交換器、２０…第２段熱交換器、２２…第１向流式熱交換器、２４…第２向流式熱交換器、２６…真空容器、３０、３０ａ、３０ｂ…圧力調整弁、３１…圧縮機、３２…移送管路収納管、３４…第１移送管路、３６…第２移送管路、３８…第３移送管路、４０…第４移送管路、４２…スーパーインシュレータ、４４…プローブ、４６…輻射シールド、４８…前置増幅器用熱交換器、５０…前置増幅器、５２…プローブコイル冷却用伝熱部、５４…プローブコイル、５６…コイル冷却用熱交換器、７４…第３向流式熱交換器、２８、４１、４６…輻射シールド、５８…調整回路、６０…高周波パルス入力端子、６２…ＦＩＤ信号出力端子、６４…サンプル管、７０…冷媒タンク、７６…第２冷媒タンク、７８…前置増幅器冷却装置。
【図１】
2005106633.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005106633.tif 000014
【図６】
2005106633.tif 000015
【図７】
2005106633.tif 000016
【図８】
2005106633.tif 000017
【図９】
2005106633.tif 000018
【図１０】
2005106633.tif 000019
【図１１】
2005106633.tif 000020