(57)【要約】【課題】マイクロ波磁界、変調磁界、勾配磁場を効率良く試料に印加できるようなＥＳＲ用高感度空胴共振器を提供する。【解決手段】共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、（ｃ）円筒壁とで囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけた。【選択図】  図３
2005274167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、
（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、
（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、
（ｃ）円筒壁と
で囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけたことを特徴とするＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項２】
共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、
（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、
（ｂ）円筒壁と
で囲まれた、２つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から矩形に近づけたことを特徴とするＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項３】
前記切り取られた扇状空間に、磁場変調コイルまたは磁場勾配コイルを配置したことを特徴とする請求項１または２記載のＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項４】
前記空胴共振器の壁部は、電気伝導性の高い金属でめっきされたセラミックで作られていることを特徴とする請求項１、２、または３記載のＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項５】
前記空胴共振器の壁部は、電気伝導性の高い金属で作られていることを特徴とする請求項１、２、または３記載のＥＳＲ用空胴共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＳＲ装置の検出器に用いられるＥＳＲ用空胴共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＳＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料にマイクロ波を照射すると共に、照射したマイクロ波が被測定試料によって吸収される様子をスペクトルとして記録するようにした磁気共鳴装置の一種である。被測定試料中にフリーラジカルが存在すると、静磁場の掃引に伴ってマイクロ波の吸収が起こり、フリーラジカルの分子構造を反映した吸収スペクトルが記録計に記録される。この吸収スペクトルを解析することにより、フリーラジカルの分子構造に関する情報を得ることができる。
【０００３】
図１は、従来の反射型ＥＳＲ装置のマイクロ波回路のブロック線図である。図中、実線で結ばれている部分は導波管による接続を表わしている。マイクロ波発振器１から発振されたマイクロ波は、可変減衰器２で適当な電力に減衰された後、サーキュレータ３を通って磁極４の間隙に設置された空胴共振器５に送られる。空胴共振器５とマイクロ波線路の間には、結合度調整機構６が設けられており、空胴共振器５とマイクロ波線路の間のマッチングを取ることによって、空胴共振器５からの反射波がないように調整される。
【０００４】
空胴共振器５の内部には測定試料７がセットされている。対向する磁極４によって静磁場を掃引し、ＥＳＲ現象が起きれば、マイクロ波が吸収されて空胴共振器のＱ値が変化し、マッチングのバランスが崩れて、空胴共振器５からの反射波を生じる。この反射波は、サーキュレータ３を介してマイクロ波検出器８によって検出され、試料７によるマイクロ波の吸収信号として記録計に記録される。
【０００５】
マイクロ波発振器１のマイクロ波電力の一部は、方向性結合器９によって分岐され、移相器１０で位相を調整された後、方向性結合器１１を介して、サーキュレータ３からマイクロ波検出器８へ送られるマイクロ波に加え合わされる。このバイパス線路は、空胴共振器５へ供給するマイクロ波電力の大小に関わらず、マイクロ波検出器８の動作レベルを一定に保つ目的で設けられており、マイクロ波検出器８における一種のバイアス電力に相当する。
【０００６】
図２は、従来のＥＳＲ用円筒ＴＥ011モード空胴共振器を表わしたものである。一般に、円筒モード共振器１２では、導波管（図示せず）を通じて外部から供給されたマイクロ波が、楕円ループ１３で示したような、縦方向の定在波磁界として共振し、これが、円筒モード共振器１２の中心軸に沿って配置されたＥＳＲ試料１４の不対電子を効果的に励起する。それと同時に、マイクロ波電流は、円筒壁表面を横方向に向けて流れる。
【０００７】
円筒モード共振器１２と導波管は、結合孔１５を介して接続されるが、接合部には、可動金属片を用いた結合度調整機構を取り付けることが可能であり、これにより、マイクロ波のインピーダンスの整合を取ることができる。
【０００８】
このタイプの空胴共振器は、現在、Ｘバンド（９ＧＨｚ帯）用のＥＳＲ共振器に採用されている。その寸法は、円筒ＴＥmnpモードの円筒の半径をａ（ｃｍ）、円筒の高さをｄ（ｃｍ）とすると、次のような式（１）、
【０００９】
【数１】
2005274167.tif 000003
で表わされる（非特許文献１）。ここで、ｋは共振マイクロ波の波数（ｃｍ-1）、(ｋcａ)mnは、ベッセル関数の根である。
【００１０】
円筒ＴＥ01pモードの場合、ベッセル関数の根、(ｋcａ)mnの値は、3.832であるから、円筒ＴＥ011モード共振器では、ｐ＝１となり、共振するマイクロ波の波数ｋは、円筒の半径ａ（ｃｍ）と高さｄ（ｃｍ）の各値から、次の式（２）に基づいて、容易に決定することができる。
【００１１】
【数２】
2005274167.tif 000004
この式は、円筒ＴＥ011モード共振器の形状を設計する上で、きわめて重要な式である。
【００１２】
【非特許文献１】Charles P. Poole, Jr., ”Electron Spin Resonance, Second Edition, A Comprehensive Treatise on Experimental Techniques”, pp.135〜143, John Wiley & Sons (1983).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、ＸバンドのＥＳＲ測定においては、円筒型空胴共振器内に設置した試料に、空間的に均一で、かつ、十分に強いマイクロ波磁界と変調磁界を印加する必要がある。また、ＥＳＲイメージング測定を実施する際には、それらに加えて、更に、均一で強力な勾配磁場をも印加する必要がある。
【００１４】
ところが、一般的な円筒型空胴共振器では、円筒の外壁部は、試料が配置される中心軸から離れているために、マイクロ波のエネルギーが円筒空間いっぱいに拡がって、エネルギー密度が低下し、試料位置付近でのマイクロ波磁界の磁束密度の減少をもたらすという問題があった。
【００１５】
また、変調磁界を試料に印加するために、変調コイルを空胴外部に設置した場合、試料までの距離が離れているために、磁場変調効率が低下する。この問題を回避するために、従来の空胴共振器では、空胴内部に変調コイルを設置して、試料までの距離を短縮しているが、空胴内部に金属製のコイルを設置するため、空胴のＱ値の低下を招くという問題があった。
【００１６】
更に、イメージング用の磁場勾配コイルは、現状では、空胴の外部に置かざるを得ないため、試料までの距離が長くなり、必然的に勾配効率が低下するという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、マイクロ波磁界、変調磁界、勾配磁場を効率良く試料に印加できるようなＥＳＲ用高感度空胴共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的を達成するため、本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器は、
共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、
（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、
（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、
（ｃ）円筒壁と
で囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけたことを特徴としている。
【００１９】
また、共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、
（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、
（ｂ）円筒壁と
で囲まれた、２つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から矩形に近づけたことを特徴としている。
【００２０】
また、前記切り取られた扇状空間に、磁場変調コイルまたは磁場勾配コイルを配置したことを特徴としている。
【００２１】
また、前記空胴共振器の壁部は、電気伝導性の高い金属でめっきされたセラミックで作られていることを特徴としている。
【００２２】
また、前記空胴共振器の壁部は、電気伝導性の高い金属で作られていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のＥＳＲ用空胴共振器によれば、共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、（ｃ）円筒壁と
で囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から矩形に近づけたので、マイクロ波磁界、変調磁界、勾配磁場を効率良く試料に印加できるようなＥＳＲ用空胴共振器を提供することが可能になった。
【００２４】
また、共振モードが円筒ＴＥ011モードのＥＳＲ用空胴共振器であって、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）円筒壁とで囲まれた、２つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけたので、マイクロ波磁界、変調磁界、勾配磁場を効率良く試料に印加できるようなＥＳＲ用空胴共振器を提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器の一実施例である。図２の従来技術と同じ構成要素に対しては、同じ番号を付して説明する。
【００２６】
図中１６は、本発明にかかる十字型空胴共振器である。十字型空胴共振器１６は、円筒ＴＥ011モード空胴共振器から、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、（ｃ）円筒壁との３者で囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけた形状を持つ。
【００２７】
もともとの円筒形状は、式（２）に基づいて、設計されたものである。
【００２８】
十字型空胴共振器１６では、導波管（図示せず）を通じて外部から供給されたマイクロ波が、楕円ループ１３で示したような、縦方向の定在波磁界として共振し、これが、十字型空胴共振器１６の中心軸に沿って配置されたＥＳＲ試料１４の不対電子を効果的に励起する。それと同時に、マイクロ波電流は、十字型の壁の表面を横方向に向けて流れ、４つの扇形空間を切り取っても、ＴＥ011モードのマイクロ波電磁界が発生する。
【００２９】
十字型空胴共振器１６と導波管は、結合孔１５を介して接続されるが、接合部には、可動金属片を用いた結合度調整機構を取り付けることが可能であり、これにより、マイクロ波のインピーダンスの整合を取ることができる。
【００３０】
図４は、十字型空胴共振器１６を上方向から見た図である。切り取られた扇状空間に、磁場変調コイルまたは磁場勾配コイル１７を配置し、コイル１７と試料１４との間の距離を、従来の円筒ＴＥ011モード空胴共振器の場合よりも、短くしている。これにより、試料１４に対して、従来よりも均一で強力な変調磁場、および勾配磁場を印加することができる。
【００３１】
また、これらのコイル１７は、空胴の外部に置かれるため、共振器のＱ値の低下を回避することができる。
【００３２】
また、十字型空胴共振器１６の空胴壁は、通常、電気伝導性の高い金属（例えば銅など）で作られるが、変調磁界を外部から試料に印加できるようにしたい場合は、交流磁場が容易に透過できるようにするために、空胴壁を電気伝導性の高い金属（例えば金など）でめっきされたセラミックで作っても良い。
【００３３】
また、従来の円筒モードの場合、円筒の直径２ａ（ｃｍ）は、使用するマイクロ波の共振周波数で一意的に決まってしまうため、円筒モードを使用する限り、空洞部の体積は規定されてしまっていたが、十字型空胴共振器１６の場合、マイクロ波を導入すると、通常の円筒モードの場合とは異なり、円筒の四隅を切り落とした後の十字の凸部に沿って磁束が発生する。この場合、空胴の共振周波数に影響を与えることなく、任意の大きさで空洞部の四隅を切り落とすことが可能なので、空胴の体積を意図的に任意の大きさで減少させることができ、マイクロ波の磁束密度と試料の充填率を高め、感度の向上を図ることができる。
【００３４】
この共振器は、通常のＥＳＲ測定で用いられるＸバンド（９ＧＨｚ帯）だけに留まらず、Ｑバンド（３５ＧＨｚ帯）やＬバンド（１ＧＨｚ帯）でのＥＳＲ測定にとっても有効である。とりわけ、Ｌバンドにおいては、通常、ループギャップ共振器が使用されているが、十字型空胴共振器を使用することにより、インピーダンス整合が精密に取れるようになるほか、十字型空胴共振器が本来備えている、高いＱ値がそのまま利用できるようになるため、感度の向上に有効である。
【００３５】
更に、均一なマイクロ波磁界分布範囲が、ループギャップ共振器に較べて広いため、従来、３００ＭＨｚまで共振周波数を下げなければ共振器内に納めることができなかった、ラットなどのやや大型な動物を、十字型空胴共振器では、１ＧＨｚのまま収容することが可能である。このため、十字型空胴共振器は、ラジカルの生体内イメージングにも有用である。
【００３６】
最後に、電磁界計算で得られた十字型空胴共振器の電気特性とマイクロ波磁界分布を図５に示しておく。計算に用いたパラメータは、ａが２５．０ｃｍ、ｄが１５．８ｃｍ、切り取られる四隅の半径方向の厚みが、ａ／２＝１２．５ｃｍである。
【００３７】
十字型空胴共振器のＱ値は、ループギャップ共振器のＱ値の５倍であり、これは、ＥＳＲ共振器として使用したときに、十字型空胴共振器の方が、ループギャップ共振器よりも感度が５倍高いことを意味している。
【００３８】
また、図の濃淡の薄いところが、マイクロ波磁束密度の低い領域、濃淡の濃いところが、マイクロ波磁束密度の高い領域である。図から明らかなように、十字型空胴共振器の中心部では、広い範囲に渡って、均一で強いマイクロ波磁界が分布している。これにより、高感度でコントラスト歪みの少ないＥＳＲイメージング測定を行なうことができる。
【００３９】
尚、本発明には、さまざまな変形例が可能である。例えば、上記実施例では、円筒ＴＥ011モード空胴共振器から、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）該２つの平面に直交し該２つの平面の間隔と等間隔な別の２つの平面と、（ｃ）円筒壁との３者で囲まれた、４つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から十字形に近づけたが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００４０】
例えば、図６に示すように、円筒ＴＥ011モード空胴共振器から、（ａ）円筒軸から等距離にあり該円筒軸と平行な２つの平面と、（ｂ）円筒壁との２者で囲まれた、２つの扇状空間を切り取ることにより、空胴の断面形状を円形から矩形に近づけても良い。この場合、凸部は４つではなく、２つということになる。このように、対向する凸部が４つ、または、２つであれば、空胴内にマイクロ波を導入して共振させた際に、反射波が相殺され、ＥＳＲ測定にふさわしい定在波が立ってくれる。
【００４１】
また、凸部の端面は、円筒壁の一部であるから、所定の丸みを帯びていることが望ましいが、凸部の端面に丸みを持たせることは、機械加工上、高度な加工技術を必要とする。そこで、加工コストを抑えるために、凸部の端面を平坦な平面で、近似的に加工するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
ＥＳＲ装置に、広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来のＥＳＲ装置を示す図である。
【図２】従来の円筒ＴＥ011モード空胴共振器を示す図である。
【図３】本発明にかかる十字型空胴共振器の一実施例を示す図である。
【図４】本発明にかかる十字型空胴共振器の一実施例を示す図である。
【図５】電磁界計算による十字型空胴共振器の計算結果の一例を示す図である。
【図６】本発明にかかる空胴共振器の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：マイクロ波発振器、２：可変減衰器、３：サーキュレータ、４：磁極、５：空胴共振器、６：結合度調整機構、７：測定試料、８：マイクロ波検出器、９：方向性結合器、１０：移相器、１１：方向性結合器、１２：円筒ＴＥ011モード空胴共振器、１３：マイクロ波磁界、１４：試料、１５：結合孔、１６：十字型空胴共振器、１７：磁場変調コイルまたは磁場勾配コイル
【図１】
2005274167.tif 000005
【図２】
2005274167.tif 000006
【図３】
2005274167.tif 000007
【図４】
2005274167.tif 000008
【図５】
2005274167.tif 000009
【図６】
2005274167.tif 000010