(57)【要約】    【課題】  受信コイルにおける最小で一定の絶対温度を保証することができるクライオヘッドを提供する。    【解決手段】  核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定用のクライオヘッド１は、ＮＭＲ信号を受信するための検出チャンネルと、送信及びデカプリング・チャンネルと、異なるチャンネルに対して設けられた異なる無線周波数（ＲＦ）コイル又は共振器１１，１２，１２ｂと、ヘリウムによって冷却できる熱交換器１４，１５とを備え、検出チャンネル及び送信又はデカプリング・チャンネルのＲＦコイル又は共振器１１，１２，１２ｂを極低温に冷却することができ、第１の熱交換器１４は検出チャンネルのＲＦコイル又は共振器１１を冷却し、第２の熱交換器１５は送信又はデカプリング・チャンネルのＲＦコイル又は共振器１２，１２ｂを冷却し、第１の熱交換器１４が第２の熱交換器１５から分離されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定用のクライオヘッド（１）であって、ＮＭＲ信号を受信するための少なくとも１つの検出チャンネルと、少なくとも１つの送信及びデカプリング・チャンネルと、前記異なるチャンネルに対して設けられた異なる無線周波数（ＲＦ）コイル又は共振器（１１，１２，１２ｂ）と、流通する流体、特にヘリウム、によって冷却可能な熱交換器とを備え、前記少なくとも１つの検出チャンネル及び前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記ＲＦコイル又は前記共振器（１１，１２，１２ｂ）を極低温に冷却することができるクライオヘッド（１）において、少なくとも２つの熱交換器（１４，１５）が設けられ、少なくとも１つの第１の熱交換器（１４）は前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記ＲＦコイル又は前記共振器（１１）を冷却し、少なくとも１つの第２の熱交換器（１５）は前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記ＲＦコイル又は前記共振器（１２，１２ｂ）を冷却し、前記少なくとも１つの第１の熱交換器（１４）が前記少なくとも１つの第２の熱交換器（１５）から分離されていることを特徴とするクライオヘッド（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）が流体冷却ループ（１０）によって冷却され、該流体冷却ループ（１０）が前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記１つ以上の第２の熱交換器（１５）の冷却ループ（９）から分離されていることを特徴とする請求項１記載のクライオヘッド（１）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）が共通の流体冷却ループ（１０）で冷却されることを特徴とする請求項１記載のクライオヘッド（１）。
【請求項４】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）が前記共通の流体冷却ループ（１０）の２つの並列分岐パスによって冷却されることを特徴とする請求項３記載のクライオヘッド（１）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）が、前記流体の前記共通の冷却ループ（１０）の直列に配置されたパスによって冷却されることを特徴とする請求項３記載のクライオヘッド（１）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）は前記流体が最初に通過し、前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）は前記流体がその後で通過することを特徴とする請求項５記載のクライオヘッド（１）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）が前記共通の流体冷却ループ（１０）の２つより多い並列パスによって冷却されることを特徴とする請求項３記載のクライオヘッド（１）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）が、前記共通の流体冷却ループ（１０）の直列に延びている２つより多いパスによって冷却されることを特徴とする請求項３記載のクライオヘッド（１）。
【請求項９】
前記流体が最初に前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）を通過し、次に前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）を通過することを特徴とする請求項８記載のクライオヘッド（１）。
【請求項１０】
前記共通の流体冷却ループ（１０）は前記少なくとも１つの検出チャンネルの前記第１の熱交換器（１４）と前記少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの前記第２の熱交換器（１５）を、並列及び直列に延びるパスの組み合わせで通過することを特徴とする請求項３記載のクライオヘッド（１）。
【請求項１１】
特に、いくつかの検出チャンネルが設けられており、単一の第１の熱交換器（１４）が設けられ、該第１の熱交換器（１４）が全ての検出チャンネルの前記ＲＦコイル又は前記共振器（１１）を冷却することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のクライオヘッド（１）。
【請求項１２】
特に、いくつかの送信又はデカプリング・チャンネルが設けられており、単一の第２の熱交換器（１５）が設けられ、該第２の熱交換器（１５）が全ての送信又はデカプリング・チャンネルの前記ＲＦコイル又は前記共振器（１２、１２ｂ）を冷却することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のクライオヘッド（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）測定のためのクライオヘッドに関し、特に、少なくとも１つのＮＭＲ信号を受信するための検出チャンネルと、少なくとも１つの送信又はデカプリング（decoupling）・チャンネルとを含み、種々のチャンネルに対して異なる無線周波数（ＲＦ）コイル又は共振器が設けられ、クライオヘッドは、本体を通って流れる流体、特にヘリウム、によって冷却され得る熱交換機を備え、少なくとも１つの検出チャンネル及び少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルのＲＦコイル又は共振器を極低温（cryogenic temperature）に冷却することができることを特徴とするクライオヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプのクライオヘッドは米国特許第５，８８９，４５６号明細書（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
ＮＭＲ測定用の装置では、いわゆるプローブ・ヘッドが、通常は超伝導磁石によって生成される強い静磁場の中に配置される。測定サンプルはこのプローブ・ヘッドに挿入される。プローブ・ヘッドは、無線周波数（ＲＦ）コイル又は共振器を含み、それが核スピンを励起させ、励起された核スピンが生成する信号を検出する。一般に核スピンの信号は非常に弱いので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が常に非常に重要であり、すなわち核磁気共鳴においては最も重要な性能規準とされている。受信コイルを最も低い温度に冷却し、それによって効率を高めると同時に熱雑音を最小にすることによって、このＳ／Ｎ比は非常に効率的に向上することができる。このようなプローブ・ヘッドはクライオヘッドと呼ばれる。本発明は、Ｓ／Ｎ比の不必要な低下やその他の測定結果の人為的要因(artefacts)を最小にするために、同時に別の核への無線周波数照射を行いつつ、冷却温度をできるだけ低く安定に保つことを目的とした受信コイルの冷却方法に関する。
【０００４】
大抵の極低温プローブ・ヘッドは検出チャンネル（例えば、１Ｈ（プロトン））と、１つ以上のいわゆるデカプリング・チャンネル（例えば、１３Ｃと１５Ｎ（炭素又は窒素の同位元素））とを含む。また、大抵の極低温プローブ・ヘッドは、通常、磁場を安定化するための、重水素（２Ｈ）を用いるロッキング・チャンネルを含む。この種のプローブ・ヘッドは三重共鳴インバース・ヘッド（ＴＸＩ）と呼ばれる。
【０００５】
この種のプローブ・ヘッドは、以下の実施の形態で詳しく説明するが、それは本発明を限定するものではなく、本発明の教示を説明する例である。教示した以外に、検出する核とデカプリングする核の他の全ての組み合わせが可能である。特に、同じ核を２つのチャンネルで調べることも可能である。つまり、一方は送信のためのチャンネルで、他方は受信のためのチャンネルとして、同じ周波数の２つのＲＦコイルで同じ核を調べることも可能である。
【０００６】
ＴＸＩヘッドの場合、検出チャンネル（１Ｈ）の感度を最大にすることが重要である。通常の動作では、デカプリングする核（１３Ｃと１５Ｎ）はデカプリングと磁化移動のためだけに用いられる。このようなプローブ・ヘッドは、通常、２つのＲＦコイルを備える。内側コイルには検出チャンネルが配置され、該内側チャンネルを囲繞する第２のコイルにはＸチャンネル（１３Ｃ及び１５Ｎ）が配置される。ロッキング核は、内側又は外側のコイルのどちらかに沿って巡回するようにできる。
【０００７】
従来のプローブ・ヘッドでは、感度（すなわち、信号）は、検出コイルをサンプルの可能な限り近傍に、すなわち、サンプルの周囲に接した装置の内側部分に、配置することによって最適化なものにされる。クライオヘッドは、ＲＦコイルを低温に、通常２５Ｋより低い温度に冷却することによってさらに最適化なものにされる。通常、受信コイルの非常に低い熱雑音に比べて前置増幅器（pre-amplifier）の雑音の寄与率が過大に大きくなるのを防止するために、前置増幅器も冷却される。前置増幅器は、例えば、７７Ｋ以下という温度で使用される。
【０００８】
クライオヘッドでは、通常、熱は低温のガス状のＨｅサイクルを介してコイル系から除去される。ある好ましい実施の形態ではGifford-McMahonクライオクーラを用いて低温Ｈｅサイクルを冷却する。このようなクーラは、通常、二段階で必要な低温を達成する。
【０００９】
従来技術の前置増幅器も、雑音の不必要な増加を防止するために冷却されることが有利である。前置増幅器はまた、従来より、ＲＦコイルと前置増幅器の間の信号線によるＳ／Ｎ比の低下を最小にするようにクライオヘッドに好適に設置される。前置増幅器はまた、従来より、クライオクーラによって冷却されている。
【００１０】
米国特許第５，８８９，４５６号明細書（米国特許第５，８８９，４５６明細書の図３ａ）には、大きい度合いの柔軟性をもたらす、図２に概略的に示す、特に好適な実施の形態が記載されている。そこでは二段階のGifford-McMahonクーラ（コールドヘッド）６の冷却パワーがステージ７及び８で引き出され、クライオヘッド１は異なる温度にある２つのコールド・シンク（熱交換器）３８及び３９を有する。通常、冷気（cold）が２つの冷却ループ９及び１０を循環する気体状ヘリウムによって、冷却システム５からクライオヘッド１に運ばれる。前置増幅器及びクライオヘッドの構造要素を冷却するには、通常、より暖かい(warmer)サイクルである冷却ループ９を用いてより暖かい温度（約７７Ｋ）が用いられ、それによって、より低温のサイクルのために必要な冷却パワーを減らすようにする。特に、コールドヘッド６のより暖かいステージ７における冷却パワーがより低温のステージ８における冷却パワーよりも実質的に大きいので、低温のサイクルのために必要な冷却パワーを減らすようにすることが可能となる。次に、コールド・サイクル１０（<２５Ｋ）を用いて、熱効率及び温度の損失を最小にしてＲＦコイル装置を冷却する。
【００１１】
測定サンプル２は、無線周波数電磁場を透過する、クライオヘッドを通って延びるいわゆる中心チューブ２２内に配置される。このチューブとサンプル２はほぼ室温にある。検出コイル１１とデカプリング・コイル１２は、熱交換器１３によって動作温度（<２５Ｋ）に冷却される。クライオヘッドの内部は真空３とされており、その真空３が中心チューブからの低温部品の、従って、サンプルの所要の熱絶縁、並びにクライオヘッドの外表面に対する所要の熱絶縁を確実にしている。
【００１２】
前置増幅器４も冷却される。コイル熱交換器１３は冷却ループ１０（「低温の冷却ループ」）によって冷却され、前置増幅器は、通常、冷却ループ９（「暖かい冷却ループ」）によって７７Ｋに冷却される。
【００１３】
冷気はコールドヘッド６の冷却システム５で生成され、同様に排気された移動ライン４０を介してクライオヘッドに連通される。コールドヘッド６は、通常、２つのステージを備え、第１のステージ７は温度が約４０〜７７Ｋであり、第２のステージ８は温度が２５Ｋより低い。冷却媒、この場合はＨｅガス、は室温で運転されるコンプレッサ（図示せず）によって駆動され、接続部４１によって冷却システムに連通される。Ｈｅガスは、最初は室温であり、カウンタフロー熱交換器３２によって予備冷却され、次に第１のコールドヘッド・ステージ７の多段式熱交換器３８によってさらに冷却される。次に、Ｈｅガスは、第２のカウンタフロー熱交換器３３を通過してそこでさらに予備冷却され、第２のコールドヘッド・ステージ８の多段式熱交換器３９に進む。
【００１４】
これによって最低の温度が達成される。Ｈｅガスはクライオヘッドに移動し、そこで熱交換器１３が上述のように冷却される。
【００１５】
Ｈｅガスは、冷却システムに戻った後、カウンタフロー熱交換器３３を通過し、冷却ループ９を通ってヘッドに至り、そこで電子部品を冷却する。冷却システム５に戻ると、Ｈｅガスはカウンタフロー熱交換器３２において流入ガスを冷却し、接続部４１において冷却装置を離れ、室温に戻り、さらにコンプレッサに運ばれる。
【００１６】
スロットル弁３４は、冷却ループ９の冷却パワーを任意的に調整するためのバイパスを形成する。
【００１７】
米国特許第５，８８９，４５６号明細書においてはこのようなシステムの正確な熱分析を開示している。このタイプのシステムは優れた機能を有し、冷却パワーを節約し、非常に堅牢であり、熱設計に関する要求があまり厳しくない。
【００１８】
また、ＲＦコイルと前置増幅器を１サイクルだけで冷却することも可能である。前置増幅器の電子部品における冷却の詳細は本発明と直接関連がないので、ここではその詳細な説明を省略する。
【特許文献１】米国特許第５，８８９，４５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来技術のシステムの問題点は次のようなものである：
２つのコイルの機能の間には内在する矛盾がある：第１に、検出コイル１１は熱雑音を最小に抑えるために常に最低の温度で作動しなければならない。しかし、デカプリング・コイル１２は、大きいＲＦ電磁場を発生し、したがって、高いＲＦパワーにさらされる。このＲＦパワーはコイル自身中に広く分散されるので、コイルは高い熱力にさらされる。デカプリングの場合、１０Ｗという大きさのオーダのパワーが長時間にわたって分散される。このパワーはクライオヘッドの主要な熱負荷を成すが、検出コイル（サンプルに対する比較的極く低い放射損失を除く）は、ほとんど全く冷却パワーを必要としないか、あるいは比較的小さな冷却パワーしか必要としない。デカプリング・パワーＰＤ（ｔ）は、通常、パルス状に印加される（図３）。（個々のパワー・パルス５０は、連続パワー（ＣＷ）から成るか、又は、更なる内部構造を有する、すなわち、一連の連続パルスから成る（例えば、ＣＰＤ＝複合パルス・デカプリング）。しかし、本願発明ではこれは重要ではない。時間区間５０の間に高いパワーが分散されることだけが重要である。）簡単な例（これは全てを列挙したものではない）を用いてこれらの実施の形態を説明する。それによれば、デカプリングは時間区間５０の間に２００ミリ秒の持続期間で行われ、すなわち、ＲＦパワーがデカプリング・コイルに印加され、０．８秒間の中断５１がスピン・システムが再び緩和するまで続く。これは１秒間の繰り返し周期を生じ、負荷サイクルＤは０．２、即ち２０％となる。他の多くのパルスシーケンスも用いられる。特に、負荷サイクルはかなり高くなる可能性がある。
【００２０】
検出コイルは、実験全体にわたって、できるだけ一定の温度で動作するようにして、動作中の雑音の変化又は増加を防止しなければならない。また、コイルの固有共振がある程度温度に依存し、温度がデカプリングのパルス動作の際にコイルに周波数変化を生じさせ、得られたスペクトルに擾乱的な位相変調の人為的要因(artefacts）を生ずる可能性がある。
【００２１】
検出コイル１１は、従来、デカプリング・コイル１２と同じ熱交換機１３によって熱的に冷却されている。コイル温度の変動を防止するために、熱交換器１３の温度は、従来、調節システム（図示せず）を介して、温度センサ３６とヒータ３７から成る能動調節によって一定に保たれる（図４）。この機能は一見すると十分満足すべきものであるが、詳しく分析すると一連の欠点があり、それは次の事実から生じている：
１．熱交換器１３の非効率性
２．Ｈｅガスの限られた熱輸送能力
３．温度制御は静的（平均値）であり、一般に動的な制御を行うことができない。
４．動的制御は、最大の、非常に高い温度に調節することを必要とするので、有意義な効果の程度は限られている。
５．ＲＦコイル自身の実際の温度を測定することは非常に難しく、したがって、その制御も困難であり、特に、大きい時間的変動がある場合は困難である。
【００２２】
上記の項目を以下で説明する。
【００２３】
制御は一定の温度を示していても、実際のＲＦコイルの温度依存性は、従来の装置について図５に示すように、それほど単純ではない。
【００２４】
デカプリング・パワーＰＤ（ｔ）の時間依存性が図５の上の部分に示されている。図５の下の部分は、両ＲＦコイルの温度増加ΔＴｃ（デカプリングしない場合と比較している）を示している。
【００２５】
いずれにしても、平均パワー{ＰＤ}は、ＴＡＶＥで示される平均温度の増加を生ずる。
【００２６】
これは或る平均温度ＴＡＶＥを生ずる。調節装置の制御点をこの温度以上に設定すれば、プローブ・ヘッドはデカプリングがあってもなくてもこの温度で一定に保たれる。
【００２７】
しかし、これは全体の状況を示していない。温度依存性が時間分解された動的な方法で観測される場合、破線ＴＤｙｎで示されるような結果が得られる。
【００２８】
ここで、非常に速い加熱のため、制御システムがこの時間中に再調整することはできない。もしも再調整が可能であれば、温度の変動だけは排除されるであろう。このためには、設定点を極く高い漸近温度ＴＡｓｙに移さなければならないが、この極く高い漸近温度ＴＡｓｙは絶対（最高）温度の向上に至らない（下記を参照）。
【００２９】
当該パルスの期間内で、平均（ＣＷ）パワーを大きく超える非常に高いパワーが印加されるので（因子１／Ｄ）、コイル・コンポーネントと熱交換器１３は急速に加熱される。
【００３０】
したがって、デカプリング・チャンネルに対するパルス・パワーの使用は、最初はかなりの温度上昇を引き起こし（図５下）、その温度上昇の勾配は熱交換器とコイル装置の比熱によって決まる。コイル・コンポーネントと熱交換器１３の比熱Ｃが大きい場合、ＴＤｙｎ（１）に示されるように、冷却段階が再び始まる前は、加熱は緩やかである。
【００３１】
Ｃが小さい場合、ＴＤｙｎ（２）に示されるように、温度は速やかに上昇する。温度は、デカプリング期間中に既に最高漸近温度ＴＡｓｙに達し、多かれ少なかれ安定する。この最高漸近温度ＴＡｓｙの値は平均温度ＴＡｖｅよりもはるかに高い（因子１／Ｄによる）。
【００３２】
したがって、丁度この時間区間５０中に、すなわち、検出コイルの雑音が最小となり、また検出コイルの温度が最小になる丁度そのときに取得（データ取得）が受信チャンネルで行われることは不利である。
【００３３】
従来の熱交換器の材料（金属）の比熱は、問題としている温度領域で温度が低下するとかなり減少する。低温で動作するシステムでは、この比熱Ｃがますます減少し、したがって、デカプリング・パルスの期間内にきわめて高い最高漸近温度ＴＡｓｙに近づく。
【００３４】
取得の際の温度がかなり高くなると、平均温度及び瞬時温度を大きく超える可能性がある。さらに、受信コイルの温度が動作中に大きく変化して、データ取得中にチューニング・エラーと位相変化を生ずる可能性があり、補正することができない重大なスペクトル位相エラーにつながる恐れがある。
【００３５】
したがって、従来の検出コイルの熱的挙動は調節システムの定常的平均制御温度よりも実際にはずっと悪く、理想的というにはほど遠いものであることは確実である。検出コイルの実際の温度は、特に、理論温度よりも実質的に高く、そのために実際の性能及びスペクトルの質は低下する。
【００３６】
本発明の目的は、従来技術の上記の問題を解消すること、特に、受信コイルにおける最小で一定の絶対温度を保証することができるＲＦコイル又は共振器を冷却する複数の熱交換器を備えたクライオヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記目的は、上述のタイプのクライオヘッドであって、少なくとも２つの熱交換器が設けられ、少なくとも１つの第１の熱交換器が少なくとも１つの検出チャンネルのＲＦコイル又は共振器を冷却し、少なくとも１つの第２の熱交換器が少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルのＲＦコイル又は共振器を冷却し、少なくとも１つの第１の熱交換器が少なくとも１つの第２の熱交換器からデカプリングされていることを特徴とするクライオヘッドによって、達成される。
【００３８】
上記の小さい、しかし深刻な問題は、本発明によれば、検出コイルとデカプリング・コイルの冷却を多少なりとも完全に分離することによって解消される。冷却は、本発明によれば、少なくとも２つの空間的に分離した熱交換器を用いて、すなわち、少なくとも１つの第１の熱交換器と少なくとも１つの第２の熱交換器を用いて分離される。利用できる全体の冷却パワーは、個々のチャンネルのＲＦコイル又は共振器に正確に分配される。本発明によれば、一定に保つことが容易な或る温度を、少なくとも１つの検出チャンネルのＲＦコイル又は共振器に設定することができ、その温度は、高いパルスＲＦパワーが印加される少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルのＲＦコイル又は共振器の温度よりも低い。送信又はデカプリング・コイルの領域における温度の変化は受信コイルの温度に影響を及ぼさない。これにより、検出されるＮＭＲ信号の質はかなり向上される。
【００３９】
従来の単一の熱交換器に代えて、本発明のプローブ・ヘッドは２つ以上の別個の熱交換器を有し、好ましくは、それらの熱交換器は熱的に分離される。１つの熱交換器は検出コイルを冷却し、他の熱交換器がデカプリング・コイルを冷却する。具体的な実施の形態では、以下で述べるように種々の実施形態の変形が可能である。
【００４０】
本発明のクライオヘッドのある好ましい実施の形態では、少なくとも１つの検出チャンネルの熱交換器は、少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの１つ以上の熱交換器の冷却ループとは別個の流体冷却ループによって冷却することができる。第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、その場合流体に関して完全に分離され、それぞれに調節される冷却パワーによって運転することができる。
【００４１】
別個の冷却ループは、各々がプローブ・ヘッド（クライオヘッド）における流体（冷却媒）のための供給ラインと放出ラインを有し、それぞれの冷却ループに供給される流体によって個々の冷却ループの各々が別個に絶対温度を設定することが可能になっていることを特徴とする。完全に独立した別個の冷却媒サイクルはプローブ・ヘッドの外側に、特に、両冷却ループに対して設けることができる。それによって、該２つのサイクルに２つの別個のクーラ装置（コールドヘッド）を用いることもできる。大抵の場合、単一のコールドヘッドを用いて両サイクルを冷却する。さらに、好ましくは、装置全体に唯１つの冷却媒サイクルを設けて、冷却媒の冷却はプローブ・ヘッドの外側でいくつかの熱交換器又は冷却ステージ（クーラ）によって冷却サイクルの異なる場所で行って、冷却サイクルの個々の部分で異なる絶対温度に調節できるようにする。その場合、プローブ・ヘッドの個々の冷却ループは、それぞれ、冷却サイクルのこのような個々の部分に一体化される。
【００４２】
別の好ましい実施の形態では、少なくとも１つの検出チャンネルの熱交換器と少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルの熱交換器は、共通の流体冷却ループによって冷却される。これによって冷却システムの構成が簡素化される。好ましくは、流体はまず少なくとも１つの検出チャンネルの熱交換器を通るようにして（クーラから直接流入する）効果的で一定の冷却パワーを確保する。次に、流体は、第１の熱交換器、又は、送信／デカプリング・チャンネルの第２の熱交換器を通って流れる。
【００４３】
全ての動作タイプに対する本発明のクライオヘッドの最適且つ単純な構成の実施の形態では、全てのチャンネルの送信又はデカプリング・コイル又は共振器は唯１つの熱交換器に、すなわち、第２の熱交換器に配置され、全てのチャンネルの検出コイル又は共振器も唯１つの熱交換器、すなわち、第１の熱交換器に配置される。
【００４４】
本発明によれば、少なくとも１つの送信又はデカプリング・チャンネルは、少なくとも１つの冷却された検出チャンネルと同じ核に対して、又は異なる核に対して設計することができる。例えば、送信／デカプリング・チャンネルは１３Ｃに対して設計し、検出チャンネルは１Ｈに対して設計することができる。本発明のシステムの別の実施の形態では、同じ核からの信号を送信し受信するために別個のコイル／共振器が設けられる。後者のシステムは医学的な用途で特に有利である。
【００４５】
本発明によれば、直交信号（quadrature signal）を送信又は受信するには共振器、特にクアドラチャ（quadrature）鳥篭型共振器、が適当である。その場合、２つのＲＦ信号は別個のＲＦケーブルを介して導かれる。
【００４６】
その他の好ましい実施の形態は、従属するクレームから引き出すことができる。
【００４７】
本発明のその他の利点は、以下の記述と図面から引き出すことができる。上記の特徴、及び以下で述べる特徴は、本発明にしたがって、個別に利用することも、任意の組み合わせで一緒にして利用することもできる。図示されて説明される実施の形態は、全てを列挙したものではなく、本発明を説明するための例示的な性質のものであると理解すべきである。
【００４８】
本発明を、図示され、その実施の形態に関して以下でさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明のいくつかの好ましい実施の形態を以下に詳しく説明する。
【００５０】
本発明の範囲内で、ＲＦコイルを用いる実施の形態は、共振器にも使用できるし、その逆も成り立つ。デカプリング・コイル又は共振器の実施の形態は、送信コイル又は共振器にも適用できるし、その逆も成り立つ。
【００５１】
第１の実施の形態；完全デカプリング
このクライオヘッドの構成は図６に示されている。簡単化のために、この実施の形態では、コールドヘッドは両方のサイクルを冷却するために用いられる。デカプリング・コイル１２は「温度が高い(warm)」サイクル９によって冷却され、検出コイル１１は「温度が低い(cold)」サイクル１０によって冷却される。この場合、検出コイル１１は２５Ｋより低い温度になり、デカプリング・コイルは、用いるコールドヘッドの詳細な状態やハードウエアの構造によるが、ほぼ４０〜７７Ｋの温度になる。熱交換器１５と前置増幅器の電子部品の間の冷却パワーの分配は、必要ならばバイパス・スロットル弁２３によって調整できる。
【００５２】
図６は、温度測定及び制御（本例では必ずしも必要とされない）を何も示しておらず、図７は、温度を最大３つの値に制御するフル・コントロールのクライオヘッドの構成を示している。（検出コイル１１；温度センサ１６；ヒータ１７；デカプリング・コイル１２；温度センサ１８；ヒータ１９；前置増幅器の電子部品；温度センサ２０，ヒータ２１）。ここでは詳しい説明を省略する２０及び２１による前置増幅器の電子部品の制御の他に、デカプリング・コイルも温度センサ１８とヒータ１９によって正確な平均温度に制御することができ、それはシステムの長期安定性にとって有利になる。
【００５３】
図６又は図７のクライオヘッドの構成は、デカプリング・コイル１２の熱的な負荷がコールド・サイクル１０に、したがって検出コイル１１に、非常に間接的な影響しか及ぼさないので、デカプリング・コイル１２の熱的な負荷を実際上無視できるという大きい利点を有する。さらに、２つのクライオクーラ・ステージ７及び８の２つの特性挙動（「温度」対「熱負荷」）は、通常、ほぼ分離されている。特に、第２のステージの冷却パワーは、しばしば、第１のステージの負荷とほぼ独立である。コールドヘッドの第１のステージは第２のステージよりもはるかに大きい冷却パワーを有する（第１のステージ７では通常２０Ｗを超えるが、これに対して第２のステージ８では１−５Ｗである）。これによって、従来技術と比べてきわめて高いパワーを分離することが可能になる。
【００５４】
第２の利点は、検出コイルとその冷却システムは不必要な熱負荷をかけずに運転することができ、それによって、検出コイルに可能な限り低い温度を実現できるということである。
【００５５】
第３の利点は、別の冷却ループ９と、ステージ７，８及びその熱交換器３８，３２，８，３３を含むコールドヘッド６の大きい質量及び高い比熱によって、パルス・パワーのピークがほぼ完全に濾過され除かれてしまうので、検出コイルの温度が時間的にきわめて一定であるということである。
【００５６】
このようなクライオヘッドの構成は検出コイル１１に理想的な条件となる；すなわち、可能な最低温度と絶対温度の安定性、である。同時に、デカプリング・コイル１２は非常に高い冷却パワーを有する。
【００５７】
このクライオヘッドの構成は大きい利点がある。しかし、特に、両方のサイクルに同じコールドヘッドを用いる場合、このクライオヘッドの構成には、また、いくつか問題があり、用途によってはそれがネガティブな影響を及ぼす可能性がある。
【００５８】
ａ）デカプリング・コイル１２は従来技術に比べて高い温度で動作する。これは、そのＲＦ抵抗が、一般に、より低い温度におけるときほど低くないので、同じコイル電流（同じＲＦ電磁場強度）に対してより大きいパワーを必要とすることになり、不利である。さらに、用途によってはデカプリング・コイルが受信器になる。非常に高い温度で使用されるこのようなコイルは、この場合、最適なＳ／Ｎ比を示さない。さらに、デカプリング・コイルの存在及び検出コイルとデカプリング・コイルの間の不可避的なＲＦ周波数結合から生ずる検出周波数でのＲＦ損失は、デカプリング・コイルが検出コイルと同じように温度が低い場合に比べてわずかに高くなる（ＲＦ抵抗の増加、したがって、より高い損失；検出コイルのあるＱ値損失での雑音が、よる高い物理的温度のために増加する）。
【００５９】
第２の実施の形態：直列冷却
第１の実施の形態の欠点が重大であって利用できないと考えられる場合、又は第２の冷却サイクルを用いないシステムでは、単純化された実施の形態を用いることができ、これは一見するとあまり合理的でも革新的でもないように見えるが、実際には詳しく分析してみると大きい利点がある。
【００６０】
図１はそのようなクライオヘッドの構成を示している。デカプリング・ループ１２の熱交換器１５は、第１の実施の形態におけるように「温度が高い」サイクル９によって冷却されず、検出コイル１１の熱交換器１４のように直接「温度が低い」サイクル１０によって冷却される。そのため、２つの熱交換器が熱的に直接結合されず、直列に接続され、好ましくは検出熱交換器１４に最初に温度の低いＨｅが供給されることが必須である。
【００６１】
このような構成の機能を以下に説明する。
ａ）クーラ・ステージ２（８）からの温度の低いＨｅはクライオヘッドの熱交換器１４に直接流入する。この熱交換器は、ヒータ１７と温度センサ１６によって一定の温度に任意に制御される。ヒータ１７は、熱交換器１４の上流に配置しても、熱交換器１４に配置してもよい。
ｂ）Ｈｅ冷却媒は、第１の熱交換器１４を通過した後、第２の熱交換器１５に入り、それを冷却する。その温度は自由（制御されない）であるか（図１に示される）又はやはりヒータ１９と温度センサ１８によって一定の平均温度に制御される（図８）。デカプリング熱交換器１５のこの所望の制御温度Ｔ２は、いずれにしても検出熱交換器１４の温度Ｔ１よりもわずかに高い。２０と２１による前置増幅器の電子部品の制御（これについては詳細な説明を省略する）の他に、デカプリング・コイルは、また、温度センサ１８とヒータ１９によって正確な平均温度に制御することができる。これはシステムの長期安定性にとって有利になる。
分析：
図１による本発明のクライオヘッドの構成の熱的な挙動を、以下に、従来技術によるシステム（図４）の熱的な挙動と比較する。
【００６２】
ここでは、簡単化のために図１のシステムを分析し検討する（図７の熱交換器１５が制御されるバージョンは、ここでは詳しく説明しないが、デカプリング・コイル１２の平均温度も一定のままであるということが唯一の違いである。デカプリングの際の可能な最低温度及び動的な温度の変動は実際上同じである。）。
【００６３】
先ず、従来技術によるシステムの分析について述べ、次いで、本発明のクライオヘッドの構成の分析を述べる。
１．従来技術によるクライオヘッドの構成の分析
理解を深めるためには、等価回路ダイアグラムが必要である。図１０は、図２による従来のクライオヘッドの構成の等価回路ダイアグラムを示す。
【００６４】
ＲＦコイルを冷却するサイクル１０のみを示す。サイクル１０は冷却システムで冷却されて、その冷気（cold）をクライオ・サンプルに放出してＲＦコイルを冷却する。冷却システムのコールドヘッド６の第２のステージ８の熱交換器３９のみを示す。簡単化のために、Ｈｅガスは円状に流れると仮定する。（実際には、Ｈｅガスはカウンタフロー熱交換器３３によって、室温にある循環コンプレッサに導かれ、戻ってくる。これは本観察には重要でなく、Ｈｅは、冷却システム５に入るとき、カウンタフロー熱交換器３３に到達せずに、直接にステージの熱交換器３９に再進入すると仮定することができる。カウンタフロー熱交換器はコールド・ステージからのコンプレッサの熱絶縁を生じているのみであり、カウンタフロー熱交換器３３から出てゆくヘリウムは入ってくるヘリウムとほぼ同じ温度を有するので、これは許容できる。
【００６５】
図面をもっと分かりやすく説明するために、温度が高いパーツは図１０において上方向にずらして示す。これは個々の部品にも、ガスの流れにもあてはまる。
【００６６】
Ｈｅは熱交換器３９によって冷却される。冷却システム５を出てゆくガスの流れの最初の温度ＴＦは、冷却サイクルにおける全分散パワーに依存する。コールドヘッドは熱負荷の増加による温度上昇を表すある特性挙動を有する。この特性挙動をできるだけ簡単に説明するために、コールドヘッド自身がある一定の（真正（intrinsic））温度ＴＣＨｉｎｔｒにあると仮定する。これはヘッドにおけるＲＦパワーの分散がないときのコールドヘッドの第２のステージ８の温度になると考えられる。
ＴＦ＝ＴＣＨｉｎｔｒ＋｛Ｐ｝＊（ＲＣＨ＋ＲＨＸＣＨ）      式１ａ
ここで、｛Ｐ｝は、クライオヘッドからの平均全時間平均熱負荷（実験の期間５２以上）である。
【００６７】
ＲＣＨはコールドヘッドの（ここでは第２のステージ８における）等価熱抵抗であり、これは分散されたパワーの関数としての温度増加を導き、したがってその特性挙動を表す。熱負荷ＲＨＸＣＨは熱交換器の内部熱抵抗であり、その非効率性を表す。以下の観察では、クーラにはほぼ１００％の効率の大きい熱交換器のための十分なスペースがあるので、ＲＨＸＣＨを無視することができ（又は、ＲＨＸＣＨをＲＣＨに加えることができ）、それにより次のようになる：
ＴＦ＝ＴＣＨｉｎｔｒ＋｛Ｐ｝＊ＲＣＨ            式１ｂ
コールドヘッドの特性挙動の線形化は、本発明の目的にとって十分である。
【００６８】
Ｈｅは次に送給ライン１０を通ってクライオヘッドに入る。Ｈｅは、移動ライン（３０で表される）において僅かに温められる。この効果は小さくて一定であり、ここでは無視される。
【００６９】
Ｈｅガスは次にプローブ・ヘッドに入り、熱交換器ＨＸ（１３）に流れ込み、両方のＲＦコイルを、すなわち、検出コイル１１とデカプリング・コイル１２を動作温度まで冷却する。
【００７０】
クーラへ戻る途中で、ガスはさらに若干加熱されるが（３１）、それもここでは無視される。
【００７１】
サイクルがこれで完結する。温度ＴＦからスタートし、クライオヘッドからの熱を吸収することによって通路で加熱されたＨｅは、温度ＴＲを有するようになり、コールドヘッドの熱交換器３９に戻り、そこで再び冷却されてサイクルが最初からスタートする。
【００７２】
熱交換器におけるＨｅガスの挙動はさらに分析するために重要であり、それを以下に簡単に説明する。
【００７３】
図１１は、単一の熱交換器を概略的に示す。
【００７４】
熱交換器２４の全体を破線で示す。熱交換器２４の内側は、効率１００％の仮想的な熱交換器２５に区分され、熱交換器２５が熱交換器の非効率性を表す熱抵抗２６ＲＨＸと直列になっている（下の式４と式１０を参照）。温度ＨＸｉｎを有するガスが左から流れ込む（２８）。熱交換器２４は冷却される物体２７に熱的に接続され、物体２７が熱負荷Ｐを放出する。冷却される物体２７は温度Ｔｌｏａｄまで冷却される。
【００７５】
他方、熱負荷Ｐはガスの流れを熱し、ガスは熱交換器を温度ＨＸｏｕｔで出てゆく、ここで
ＨＸｏｕｔ＝ＨＸｉｎ＋ｄＴｆｌｏｗ          式２
このシステム化によれば、ガスの流れは加熱されて温度が温度ｄＴｆｌｏｗだけ上昇する。
【００７６】
ｄＴｌｏａｄを、負荷の温度Ｔｌｏａｄと入ってくるガスの流れの温度ＨＸｉｎとの間の温度差として定義する。
ｄＴｌｏａｄ＝Ｔｌｏａｄ−ＨＸｉｎ          式３
効率１００％の熱交換器で、物体は出口温度ＨＸｏｕｔまで冷却される。この場合、ｄＴｌｏａｄ＝ｄＴｆｌｏｗである。効率が１００％よりも低い場合、ｄＴｌｏａｄ>ｄＴｆｌｏｗである。
【００７７】
熱交換器の効率Ｅは、一般に、式４のように定義される。
Ｅ＝ｄＴｆｌｏｗ／ｄＴｌｏａｄ            式４
与えられた負荷に対してｄＴｆｌｏｗの値を知ることが重要になる。
【００７８】
これは熱交換器を流れるガス・パケットの連続加熱として表すことができる。パワーＰに対して次の関係が得られる：
Ｐ＝（ｄｍ／ｄｔ）＊Ｃｐ＊ｄＴｆｌｏｗ          式５
ここでｄｍ／ｄｔは、単位時間当たりのガスの質量流量であり、Ｃｐは比熱である。
【００７９】
このエンタルピ・バランスが熱交換器の冷却パワーの基礎である。
【００８０】
式５の関係は新しい変数ＲＨｅを導入することによって次のように表される：
ｄＴｆｌｏｗ＝ＲＨｅ＊Ｐ            式６
ここで、ＲＨｅは次のように定義される：
ＲＨｅ＝１／（Ｃｐ＊ｄｍ／ｄｔ）          式７
他方、ＲＨＸでの温度低下は次式で与えられる
（ｄＴｌｏａｄ−ｄＴｆｌｏｗ）＝ＲＨＸ＊Ｐ        式８
式６と８を組み合わせて、以下の定量分析で非常に実用的な次の表現に導かれる。
ｄＴｌｏａｄ＝Ｐ＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）          式９
ここで、ＲＨｅは式７の質量流量によって与えられる。ＲＨＸは、式４，６，及び８を用いて熱交換器の効率Ｅの関数として次のように表すことができる：
ＲＨＸ＝ＲＨｅ（１／Ｅ−１）          式１０
式８は、関連温度差を容易に判定できる実際的な量で表すことを可能にする。
【００８１】
定量分析のために、これらの変数に関して典型的な値を用いる：
クーラの特性挙動として、第２のステージの動作温度での典型的な値を式１１のように仮定する。
ＲＣＨ＝０．６Ｋ／Ｗ          式１１
ループ１０における質量流量が、毎分約１００標準リットルＨｅ（１００ｎｌ）とし、
ＣｐＨｅ＝５２００Ｊ／（Ｋ＊ｋｇ）          式１２
という既知のヘリウム・ガスの比熱Ｃｐを用いると、式７からおよそ
ＲＨｅ＝０．６Ｋ／Ｗ          式１３
というヘリウムの等価熱抵抗ＲＨｅが得られる。
（式１１との数値の正確な対応は必要ではないが、単に以下の計算を例示している。不必要な熱伝達損失を小さく抑えるために、ＲＨｅがＲＣＨよりも大きくないことが適切である）。この等価抵抗ＲＨｅは、単に、あるパワーを放出するために気体ヘリウムが熱交換器で加熱されなければならない量を表しているだけである（式６）。ＲＨｅをできるだけ小さく抑えることが望ましい。ＲＨｅの値は質量流量を増加させることによってのみ減らすことができる。質量流量を増加させることは、技術的に困難であり、質量流量が過大になると摩擦及び圧力損失の増加が冷却ループ１０の効率を急速に低下させるのですぐに実際的な限界にぶつかる。したがって、実際にはＲＨｅには下限があり、伝達損失をある値以下に減少させることはできない。
【００８２】
以下の分析では、基本的に次の２つのパワー領域があるということを認識することが重要である：
１．｛Ｐ｝で表される平均パワーがあり、これは実質的にデカプリング・コイル１２によって発生され、排出され、その後熱交換器１３とヘリウムを介してコールドヘッドに堆積され(deposited)、そこから放出されなければならない。ここでの課題は、主として、この平均パワーが検出コイルの加熱をできる限り低くおさえることになることを確かめることである。
２．第２の問題は、パワーが連続ではなく、パルス状であり、パルス期間中のパワーは非常に高い（デカプリング・パルスでは通常、平均パワーの５倍も高い）という事実から生じる。難点は、信号の検出が丁度デカプリング中に行われるということである。したがって、何がデカプリングの時間中に起こるかが重要であり、システムはこの高いパワーに合わせて設計されなければならない。
【００８３】
一例として、パワーの正確な値を仮定する：
Ｐｐｅａｋ＝１０Ｗ          式１４
負荷サイクルＤは
Ｄ＝０．２                式１５
であるから、平均パワーとして次の値が得られる
｛Ｐ｝＝Ｄ＊Ｐｐｅａｋ＝２Ｗ          式１６
有利なことに、コールドヘッドが高い熱容量を有するという事実が少し問題を易しくする。したがって、それは（すなわち、その特性挙動は）平均負荷のみがかかり、第１近似で、冷却システムを出てゆくヘリウムの温度ＴＦは、個々のパルスの期間中でも当該パルス間でも大きく変動しないと仮定できる。したがって、ＴＦは平均パワー｛Ｐ｝によって定められると見なすことができ、短い期間に亘りきわめて一定であると見なすことができる。パルス・パワーのその他の効果はこれらの知見に基づいて調べることができる。
【００８４】
ＲＦコイルの温度をＴＣで定義する。式９を用いると次の関係が得られる：
ＴＣ＝ＴＦ＋Ｐ＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）          式１７
ＴＦに式１ｂからの式を用いると、次式が得られる
ＴＣ＝ＴＣＨｉｎｔｒ＋｛Ｐ｝＊ＲＣＨ＋Ｐ＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）        式１８
ΔＴＣを、デカプリングなしでの温度と比べた、デカプリング中のＲＦコイル１１と１２の温度の変化とすると、次式
ΔＴＣ＝ＴＣ−ＴＣＨｉｎｔｒ          式１９
によって、ΔＴＣについて次の式が得られる
ΔＴＣ＝｛Ｐ｝＊ＲＣＨ＋Ｐ＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）        式２０
この式を以下で評価する。ここで、Ｐは瞬時パワーを表し、｛Ｐ｝は平均パワー（実験の期間５２以上の時間に亘って平均化されたパワー）を表している。
Ａ．デカプリング・コイルの平均加熱
平均加熱｛ΔＴｃ｝では、式２０においてＰに平均化された｛Ｐ｝を代入しなければならない。
【００８５】
本明細書によれば、１００％の効率の熱交換器１３では、これは、式１０及び１３によって
ＲＨＸ＝ＲＨｅ（１／Ｅ−１）＝０          式２１
を生じ、式１１，１３，１６，及び２０によって、これは
｛ΔＴｃ｝＝２Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＋２Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＝２．４Ｋ        式２２
を与える。熱交換器の効率が１００％よりも低い場合、この値はもっと高くなる。Ｅ＝５０％では、項ＲＨＸはもはやゼロではなく式１０によって与えられるので、式２０でＲＨＸの新たな寄与があり、それにより
｛ΔＴｃ｝＝２Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＋２Ｗ＊（０．６Ｋ／Ｗ＋０．６Ｋ／Ｗ）
＝３．６Ｋ              式２３
となる。従来のクライオヘッドの構成のこの例においては、クライオヘッドにおいて５０％の効率の熱交換器を用いた場合はデカプリング及び検出コイルの平均加熱が３．６Ｋとなり、完全な熱交換器を用いた場合は２．４Ｋになることが分かる。
Ｂ．パルス期間中のデカプリング・コイルの加熱
デカプリング・パルスの期間中に発生するピーク温度Ｔｃｐｅａｋを決定する。これは式２０にしたがって、デカプリングがないときの温度に比べたデカプリング中の温度の変化ΔＴｃｐｅａｋによって与えられる：
ΔＴｃｐｅａｋ＝｛Ｐ｝＊ＲＣＨ＋Ｐｐｅａｋ＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）        式２４
｛Ｐ｝として、式１６の値を用い、パワーＰとしては式１４によるピーク・パワーＰｐｅａｋを用いる。効率が１００％の熱交換器では、これは（式２２と同様に）
ΔＴｐｅａｋ＝２Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＋１０Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＝７．２Ｋ        式２５
を生じ、効率が５０％の熱交換器では、これは（式２３と同様に）
ΔＴｃ＝２Ｗ＊０．６Ｋ／Ｗ＋１０Ｗ＊（０．６Ｋ／Ｗ＋０．６Ｋ／Ｗ）
＝１３．２Ｋ              式２６
を生ずる。
【００８６】
上記の結果は表１（Ａ）にまとめられている。
【００８７】
【表１】
2005077416.tif 000003
【００８８】
表１：種々の効率の熱交換器ＨＸを用いたときのパルス期間中の温度上昇（条件は本文で述べられている）。
【００８９】
対応する時間関係は図９に定量的に示されている（効率５０％の熱交換器の場合のみ。その他の効率の場合、対応する数字は表１から導出できる、又は与えられた式から計算できる。）
検出コイルの加熱
１Ｈコイル及びＸコイルが同じ熱交換器と共に用いられる場合、検出コイルも３．６Ｋという平均的な量（５０％の熱交換器の場合）だけ加熱され、さらに９．６Ｋだけ加熱される（これは残念ながら、ちょうどデータ取得のときに、漸次的に又はステップ的に生ずる）。これはセクション２．４で述べたような不利益を生ずる。
ａ）雑音温度が、デカプリングされていない場合と比べて１３．２Ｋまで上昇し、ＲＦコイルの雑音性能はその物理的温度に比例するので、これはＳ／Ｎ比をかなり悪くする。
ｂ）コイルが同調から外れて（デチューン(detune)されて）位相エラーを含むスペクトルを生ずる可能性がある。
【００９０】
さらに、表１はまた、効率が１００％の場合でも検出コイルの温度エクスカーション（temperature excursion）と最大温度は既に非常に高いことを示している。効率が５０％以下に低下すると、それらの値は、許容できないほど大きくなる。
２．本発明のクライオヘッドの構成の分析（第２の実施の形態による）
図１２は、図１による本発明のクライオヘッドの構成の等価回路ダイアグラムを示す。
【００９１】
２つの熱交換器：すなわち、検出コイル用のＨＸ１（１４）とデカプリング・コイル用のＨＸ２（１５）、を考察しなければならない。以下の考察のために、そして最適の機能のために、流れが示されている順序で起こることが重要である。検出コイル１１はパワーＰ１を分散し、デカプリング・コイル１２はパワーＰ２を分散する。
【００９２】
検出コイルの温度Ｔ１とデカプリング・コイルの温度Ｔ２として次の式が得られる
Ｔ１＝ＴＦ＋Ｐ１＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ１）                  式２７
Ｔ２＝ＴＦ＋Ｐ１＊ＲＨｅ＋Ｐ２＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ２）      式２８
ここで、ＴＦは式１ｂによって次のように与えられる：
ＴＦ＝ＴＣＨｉｎｔｒ＋｛Ｐ｝＊ＲＣＨ            式１ｂ
そして平均パワーは次式で与えられる
｛Ｐ｝＝｛Ｐ１＋Ｐ２｝              式２９
検出コイルの温度上昇ΔＴ１の評価は、上記のように、次のようになる
ΔＴ１＝Ｐ１＊（ＲＨｅ＋ＲＨＸ）＋｛Ｐ｝＊ＲＣＨ          式３０
次に、デカプリング・コイルの影響を考察し、したがってＰ１を無視する。Ｐ１＝０そして式２９において｛Ｐ｝＝｛Ｐ１｝であり、したがって式３０から次の式３１を得る
ΔＴ１＝｛Ｐ２｝＊ＲＣＨ            式３１
式３１は、デカプリング・パワーＰ２の平均値｛Ｐ２｝を含むだけで、瞬時値は（したがって、高いパルス・パワー値も）もはや寄与しない。温度はもはやＨｅエンタルピによって上昇しない（システムは、Ｈｅの流れが無限に大きいかのように挙動する）。熱抵抗ＲＨＸ２はもはや寄与せず、したがって、熱交換器（ＨＸ２）の効率も、もはや寄与しない。
【００９３】
検出コイルの加熱は、今度は、クーラにおける平均パワー｛Ｐ｝＝｛Ｐ２｝及びクーラの特性にしか依存しない。
【００９４】
表１と同様の式３１の評価を表２に示す。
【００９５】
【表２】
2005077416.tif 000004
【００９６】
表２：デカプリング・コイルの種々の効率の熱交換器ＨＸ２を用いたときのパルス期間中の温度上昇（条件は本文で述べられている）。
検討：
図１３は、検出コイルとデカプリング・コイルの温度を時間の関数として示している。図９は両コイルに共通の唯１つの温度ＴＣのみを示しているが、図９と対照的に、図１３は２つの検出及びデカプリング・コイルの２つの温度Ｔ１及びＴ２を別個に示している。ΔＴ１はここではまたΔＴＤｅｔとも表され、ΔＴ２はまたΔＴＤｅｃとも表され、検出コイル温度及びデカプリング・コイル温度を定める。
【００９７】
温度Ｔ１の変動は、今度は限りなくゼロに近く、ＷＴ２の効率とは無関係である。これは、本発明のクライオヘッドの構成ではデカプリング・コイルの熱の流れがＷＴ１に到達しないためである。ここで、このクライオヘッドの構成において発生するＴＦの変動は非常に小さくゆっくりしており、一般に、温度センサ１６とヒータ１７を有する上述のオプションとしての調節装置を用いて残留する変動が無視できるほど小さくなるように容易にコントロールできるということに留意されたい。
【００９８】
従来技術と比較したときのこの実施の形態の利点は次のように要約できる：
１．ヘッドにおける熱交換器の効率はもはや何の役割も演じない。
２．Ｈｅ質量流量の大きさはもはや何の役割も演じない。
３．検出コイルの短期的な温度変動は実際上ゼロである。これは、非常に大きい変動（例えば、効率５０％では１２Ｋという大きい変動）が生じ得る従来技術と大きく異なる。
４．負荷のない状態と比較した検出コイルの平均加熱は絶対最小である（効率５０％の熱交換器で３．６Ｋであるのに比較して１．２Ｋ）。調節装置（図１２のフロー・ヒータ３７又は温度センサ１６で温度測定がされる図１のプローブ・ヘッドのヒータ１７）を用いて、調節点を最初からそれに対応して（少なくとも無負荷状態から１．２Ｋ高い温度に）高くしておくと、この平均上昇（１．２Ｋ）は回避できる。この１．２Ｋという値は絶対の最小であり、クーラによって決定され、それ以上減らすことはできない。
【００９９】
本発明の２つの熱交換器に対する増強手段により、性能の予期しない非常に大きい向上が可能になり、熱交換器の最終的な効率と気体Ｈｅによる熱伝達によって課せられる限界のいくつかを上回って、それをほぼ理想的な方式で置き換えることができる。
【０１００】
第３の実施の形態；並列冷却
第２の実施の形態を若干変更した実施の形態は、デカプリング・コイルの熱交換器１５が検出コイルの熱交換器１４と直列ではなく、それと並列に配置されているものである。このタイプのクライオヘッドの構成が図１４に、全てのステージにおける温度測定と調節によって全面的に増強された構成（絶対に必要というわけではない）で示されている。これは、第２の実施の形態と同じ本発明の実質的な特性性能を有している。このクライオヘッドの構成の詳しい分析はここでは省略する。この可能なクライオヘッドの構成は、第２の実施の形態と比較して次のような異なる特性性能を有する。
ａ）全体の熱的バランスに関して第２の実施の形態と同じ式があてはまる。特に、ＴＦは同じく式１ｂで与えられる。Ｐ１とＰ２の負荷が同一である場合、ＴＦは常に第２の実施形態と同じにとどまる。
ｂ）２つの熱交換器を通る流れは、ここではループ１０のクーラからの流れと同じではない。Ｈｅの流れをコントロールして分岐させる必要があり、そのためにスロットル弁３５を図示するように熱交換器１４の下流に設けることが必要になる。他の場所、例えば、熱交換器１５の下流、又は一方の熱交換器の上流、も可能であり、妥当である。
ｃ）検出コイルの熱交換器ＨＸ１，１４は、（上記ａ）にしたがって）温度ＴＦのガスを受け入れるが、もはやＨｅの流れ全体にさらされない。したがって、式７によって質量流量が減少するとＲＨｅは増加するので、（ＲＨＸ＋ＲＨｅ）は第２の実施形態よりももっと高くなる。
ｄ）熱交換器ＨＸ２，１５は、もはやＨｅの流れ全体にさらされないので、（ＲＨＸ＋ＲＨｅ）も少し増加する。
ｅ）全体の効率は常に第２の実施形態における全体の効率より低くなる。さらに、電流の分配は予期されるパワーに依存するが、これは複雑である。このクライオヘッドの構成の利点は、起こりうる逆運転（第１のＲＦコイル１１でのデカプリング、したがって第１の熱交換器ＨＸ１，１４でのデカプリング、そしてコイル１２での検出）の場合、２つの温度Ｔ１とＴ２が依然として独立であることである（熱交換器１５及び今度は受信コイルとして働く第２のコイル１２の温度に何も影響がない）。
ｆ）第２の実施形態では、ｅ）項による逆運転でも、ＨＸ１（１４）の非効率性はガスの流れの加熱に影響を及ぼさず、単一の共通の熱交換器１３によるコイル１１の冷却に比較して受信コイル１８の加熱は小さくなるので、従来技術に比較して優れた性能を有する。第２の実施形態のレベルを超えて性能を高めるには流れの方向を全ての関連構成部分を含めて逆転させる必要がある。これは技術的に可能であるが、難しい。
【０１０１】
第４の実施の形態：ｎ個の熱交換器への一般化
第１乃至第３の実施形態は、任意の数のｎの個数の熱交換器に一般化できる。特に、例えば、３個の熱交換器を用いることができる。第３の熱交換器は、例えば、第２のデカプリング・チャンネルに用いることができる。熱交換器１４を検出コイルに用い、熱交換器１５及び１５ｂをデカプリング・コイル１２と１２ｂに用いる直列配置が図１５に、全てのステージの温度測定と制御のための完全装備（これは必要ではない）で、示されている。この配置は、コイル１１の他に、コイル１２による検出も、コイル１２ｂによる同時デカプリングによってそれを直接加熱せずに、可能であるという利点がある。
【０１０２】
図１６は、３つの熱交換器１４，１５，１５ｂの並列配置を、同様に全てのステージの温度測定と制御のための完全装備（これは必要ではない）で示している。冷却フローの各々は、必要ならばスロットル弁３５を介して個別に調整できる。このような配置では、ＲＦコイル１１，１２，又は１２ｂのいずれも、別のコイルのデカプリングによって直接加熱されない。加熱はまた、ここでは平均値｛Ｐ｝のみによって行われ、平均値｛Ｐ｝は全ての平均パワーの合計とクーラの特性性能から生ずる。現在の熱負荷がかかっていないコイルはゆっくりと式１ｂにしたがって最小の量で加熱される。
【０１０３】
直列及び並列接続のどのような組み合わせも可能であり、その配置は予期される用途の種類に応じて決めることができる。
【０１０４】
４つの実施の形態で得られる有利な特性を気体状ヘリウムから成る流体を用いて説明し、分析した。熱輸送のための別の気体も可能である、例えば、２つの相の流体の使用も可能である。クライオヘッドに入る流体は、流体又は流体と気相の混合物（特に液体／気体ヘリウム）であってよい。本明細書において述べた検討内容は、蒸発熱によって与えられるエネルギ・バランスを追加して実行できる。このような考察は、クライオヘッドを出てゆく流体が液相を含まない全ての場合における２相流体によって従来技術に比較して直接的な利点を生ずる。すなわち、従来のクライオヘッドの構成では、熱交換器１３は気相の比熱を利用しなければならないが、それは基本的に温度上昇と関連しており、検出コイルの最低温度を上昇させるからである。本発明のクライオヘッドの構成では、検出コイルのこの温度上昇は回避できる。また、出てゆく流体が常に流体相の部分を含んでいる場合、受信コイルの温度上昇及び受信コイルの温度の変動を減らすことが可能である。すなわち、本発明のクライオヘッドの構成は、従来技術においては常に存在する熱交換器１３の内部熱抵抗（非効率性）を回避し、したがって平均及びパルス熱負荷の結果としての望ましくない余分な検出コイルの温度上昇と変動を回避できるからである。
【０１０５】
上記の分析は、閉じた冷却サイクルで実行されたが、本発明はまた、開放冷却配置（例えば、バレルからのＬＨｅ）の使用に対しても適しており有利である。「冷却ループ」という用語は、開放的な一方向配置のみならず開放的な冷却サイクルをも意味する。
【０１０６】
尚、上記の説明では、送信／デカプリング・コイルは検出コイルとは異なる核を励起していた。しかし、本発明の分離（separation）は、両チャンネルに共通な核に対しても可能であり、適切である。同じ分離された核に関して、一方のチャンネルは検出コイルに至り、他方のチャンネルは送信コイルに導かれる。送信機能と受信機能は、これにより２つの異なる核の間だけでなく、同じ核を用いても、２つのＲＦコイル／共振器に、すなわち、検出のためのＲＦコイルのチャンネルと送信／デカプリングのためのＲＦコイルのチャンネルに分離される。このような構成は、送信コイルの一部又は全部を基本的に、例えば、他の（第２の）熱交換器にセットし、全ての検出コイルを第１の熱交換器にセットできるという利点がある。この構成は、第２の熱交換器でのみ熱を分散し、第１の熱交換器は分散から免れて、したがって、それぞれの動作モードに関わりなく最適な冷たい安定した温度に維持される。この意味で、「チャンネル」という用語は、一つのＲＦコイル又は各共振器を意味し、それがどの核に対して設けられているか、又はどんな周波数で動作するかということとは完全に無関係である。
【０１０７】
要約すると、ＲＦコイルを冷却するためのクライオヘッドの熱交換器を２つ以上の異なる熱交換器に分離することによって、クライオヘッドの特性は格段に向上することができる。これは、動作中の受信コイルの絶対温度を最小にすることにも、斯かる用途において典型的なパルス動作において生じる温度変動を実際上完全に除去する（ゼロにする）ことにも適用することができる。通常は非常に限られているクライオヘッドのスペースに複数の熱交換器を収納する構造を設計することは既知のテクノロジと方法によって解決できる構造的な課題である。本発明のクライオヘッドに必要とされる努力は、きわめて効率的で安定したシステムが得られるのであるから受容できるものである。
【０１０８】
なお、本発明のクライオヘッドは、動作中の検出コイルの絶対温度を最小にし、該検出コイルにおける温度変動をゼロにする。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器が直列に接続され、第１の熱交換器の温度を制御するための温度測定及び加熱エレメントを有するクライオヘッドの構成を示す図である。
【図２】従来の両方のＲＦコイルのための共通の熱交換器をもつ冷却システムを備えたクライオヘッドを示す図（overview）である。
【図３】従来のパルス・デカプリングのパワー−時間ダイアグラムを示す図である。
【図４】従来の両方のＲＦコイルのための調節される熱交換器を有するシステムを示す図である。
【図５】図４のシステムにおけるＲＦコイルの共通温度が時間の関数として定性的に示された、従来のパルス・デカプリングのパワー−時間ダイアグラム及び温度差−時間ダイアグラムを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る他の熱交換器を介してデカプリング・コイルを冷却するクライオヘッドの構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る温度制御のための温度測定及び加熱エレメントを含むクライオヘッドの構成を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器が直列に接続され、全ての熱交換器の温度を制御するための温度測定及び加熱エレメントを有するクライオヘッドの構成を示す図である。
【図９】従来の熱交換器の具体的例の定性的な説明を示すものとして、検出及びデカプリング・コイルの温度が別個に示された、パルス・デカプリングのパワー−時間ダイアグラム及び温度差−時間ダイアグラムを示す図である。
【図１０】従来のクライオヘッドの等価熱回路ダイアグラムを示す図である。
【図１１】等価回路ダイアグラムの基本的分析と単一の熱交換器の効率を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るクライオヘッドの等価熱回路ダイアグラムを示す図である。
【図１３】本発明のクライオヘッドの２つの熱交換器の具体的例の定性的な説明を示すものとして、検出及びデカプリング・コイルの温度が別個に示された、パルス・デカプリングのパワー−時間ダイアグラム及び温度差−時間ダイアグラムを示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る全ての熱交換器の温度制御のための温度測定及び加熱エレメントと並列に熱交換器が接続されているクライオヘッドの構成を示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係るクライオヘッドにおける直列に接続されている熱交換器の構成の詳細を示す図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係るクライオヘッドにおける並列に接続されている熱交換器の構成の詳細を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  クライオヘッド
２  サンプル
３  真空
４  低温前置増幅器
５  冷却システム
６  コールドヘッド
７  第１ステージ・コールドヘッド
８  第２ステージ・コールドヘッド
９  「温度が高い」冷却ループ
１０  「温度が低い」冷却ループ
１１  検出コイル
１２  デカプリング（decoupling）コイル
１２ｂ  別のデカプリング・コイル
１３  ＲＦコイル用熱交換器（検出及びデカプリング・コイルに共通）
１４  検出コイル用熱交換器
１５  デカプリング・コイル用熱交換器
１６  検出コイル用温度センサ
１７  検出コイル用ヒータ
１８  デカプリング・コイル用温度センサ
１８ｂ  別のデカプリング・コイル用温度センサ
１９  デカプリング・コイル用ヒータ
１９ｂ  別のデカプリング・コイル用ヒータ
２０  温度センサ・前置増幅器
２１  ヒータ・前置増幅器
２２  中心チューブ
２３  バイパス冷却電子部品
２４  熱交換器一般
２５  理想的熱交換器一般
２５ｂ  熱交換器１４の一部としての理想的熱交換器
２５ｃ  熱交換器１５の一部としての理想的熱交換器
２６  熱交換器一般の内部抵抗
２６ｂ  熱交換器１４の一部としての熱交換器の内部抵抗
２６ｂ  熱交換器１５の一部としての熱交換器の内部抵抗
２７  冷却される物体一般
２８  熱交換器への冷却媒入口
２９  熱交換器からの冷却媒出口
３０  熱損失（順方向の流れの温度上昇）
３１  熱損失（戻る方向の流れの温度上昇）
３２  クーラ内のカウンタフロー熱交換器（室温と第１ステージの間）
３３  クーラ内のカウンタフロー熱交換器（第１ステージと第２のステージの間）
３４  前置増幅器冷却のバイパス
３５  熱交換器の並列配置での冷却媒の流れを制御するスロットル弁
３６  ＲＦコイル用温度センサ
３７  ＲＦコイル用ヒータ
３８  第１のコールドヘッド・ステージのステージ熱交換器
３９  第２のコールドヘッド・ステージのステージ熱交換器
４０  移動ライン
４１  室温の循環ポンプ（コンプレッサ）の接合部
４２  等価熱抵抗で表されたクーラ特性挙動
４３  クーラ熱交換器の内部抵抗
４４  クーラの理想的熱交換器（第２ステージ）
５０  デカプリング・パルス
５１  デカプリング期間中の中断
５２  実験の繰り返し周期
５３  平均デカプリング性能
５４ａ  長い熱的時間定数の熱交換器の時間依存性
５４ｂ  短い熱的時間定数の熱交換器の時間依存性
５５  熱交換器における平均温度
５６  熱交換器における漸近最高温度
５７  熱交換器における最低温度
５８  検出コイルの温度
ＰＤ（ｔ）  時間依存的なデカプリング・パワー
｛ＰＤ｝  平均デカプリング・パワー（時間平均）
ＴＡｖｅ  コイルの平均温度（本文に基づく）
ＴＡｓｙ  デカプリング期間中に到達する漸近温度
Ｃ  コイル成分（熱交換器１３とコイル１１及び１２）の比熱
ＴＤｙｎ（１）  高い比熱Ｃでの動的温度依存性
ＴＤｙｎ（２）  低い比熱Ｃでの動的温度依存性
Ｔ１  検出熱交換器の温度
Ｔ２  デカプリング熱交換器の温度
ＴＦ  冷却システムの低温冷却ループ１０（順方向）の出力温度
ＴＣＨｉｎｔｒ  分散されるＲＦパワーからの熱負荷なしのコールドヘッドの第２ステージの真正（最低）温度
ＨＸ  両方のＲＦコイルを冷却するクライオヘッドの熱交換器
ＨＸｉｎ  熱交換器に入るＨｅ
ＨＸｏｕｔ  熱交換器を出てゆくＨｅ
Ｐ  冷却される物体の熱負荷
Ｔｌｏａｄ  （冷却される物体の）熱負荷の温度
ｄＴｆｌｏｗ  ガスの流れの加熱
ｄＴｌｏａｄ  入ってくるガスの流れの温度と比較した熱負荷の加熱
ｄｍ／ｄｔ  単位時間当たりのガスの質量流量
Ｃｐ  ガスの比熱
ＲＨＸ  熱交換器の非効率性を表す内部熱抵抗
ＴＣ  ＲＦコイル（検出及びデカプリング・コイルを合わせたもの）の温度
Ｐｐｅａｋ  デカプリングの際のピーク性能
Ｔｃｐｅａｋ  コイルのピーク温度
ＨＸ１  検出コイル（１１）の熱交換器（１４）
ＨＸ２  デカプリング・コイル（１２）の熱交換器（１５）
Ｐ１  検出コイルの熱入力
Ｐ２  デカプリング・コイルの熱入力
ΔＴ１＝ΔＴＤｅｔ  検出コイルの温度上昇
Δｔ２＝ΔＴＤｅｃ  デカプリング・コイルの温度上昇
ＲＨＸ１  熱交換器ＨＸ１の内部熱抵抗
ＲＨＸ２  熱交換器ＨＸ２の内部熱抵抗
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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