(57)【要約】【課題】低温での渦電流効果を抑制する。    【解決手段】ＮＭＲプローブは、サンプルの反対側に配置された２つの分離された導電ループを備えた共鳴器３２を含み、一方のループは駆動され、他方は、好ましい作動モードでフロートされる。スロット付きシールド３４は、スロットが、ループ間ギャップと整列された状態で、前記ループ内でサンプル外に同軸に配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流支持ループを形成する第１および第２の導体であって、それぞれの前記ループは１対の端子を含み、前記ループは円柱体積の外側面の反対側の対向する部分に配置されており、それぞれの前記ループは前記外側面のそれぞれの部分に開口を規定しており、前記第１および第２のループは前記外側面の第１および第２のすき間によって分離されている第１および第２の導体と、
１つの上記１対の端子を介して上記第１のループを励磁し、上記第１および第２のループの相互誘導結合を介して上記第２のループを励磁する高周波電源と、を備えた共鳴器構造を含むＮＭＲプローブ。
【請求項２】
１対の軸方向にずれて配置された円筒形の外郭構造をさらに含み、それぞれの前記外郭は、前記共鳴器内で同軸上に配置されており、それぞれの前記外郭は、前記ループの軸方向内側縁に実質的に軸整列しており、前記外郭構造の端部に対向する軸スロットを含む、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項３】
前記スロットは、前記ギャップと実質的に方位角方向に関して整列している、請求項２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項４】
前記共鳴器を収容するためのデュワーであって、周囲の温度にある前記サンプルを受け、前記共鳴器および前記シールドを低温に維持するための内壁を有するデュワーをさらに含む、請求項３に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項５】
前記デュワーの内壁の内面は、前記外郭に実質的に軸整列している１対の導電シリンダを支持している、請求項４に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項６】
１対の導電シリンダをさらに含み、前記導電シリンダは対称的に前記軸上に配置されているとともに、前記円筒形の外郭の内部に当該外郭から空間をあけて配置されており、前記導電シリンダはその軸上にサンプルを受けるようにされている、請求項３に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項７】
前記導電シリンダは、比較的低い導電性を示し、それによって、その表面で引き起こされる渦電流は急速に減衰される、請求項５または６に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項８】
前記サンプルの反対側に配置された第１および第２のループを備えた共鳴器構造を含み、それぞれの前記ループは、前記ループが閉鎖されないようにする１対の端子を含む、ＮＭＲプローブの操作方法であって、
ＲＦ出力を与えることによって、前記端子を介して、前記第１のループを駆動するステップと、
前記第２のループの端子をフロートし、前記第２のループを前記第１のループと誘導結合するステップとを含む、方法。
【請求項９】
均一磁場を供給するための磁石と、ＲＦ源と、ＲＦ検出器と、前記磁場内に配置され、前記ＲＦ源およびＲＦ検出器と選択的に通信するＮＭＲプローブとを含むサンプルの研究のためのＮＭＲシステムであって、前記プローブは、電流支持ループを形成する第１および第２の導体であって、
それぞれの前記ループは、１対の端子を含み、前記ループは円柱体積の外側面の反対側の対向する部分に配置されており、それぞれの前記ループは前記外側面のそれぞれの部分に開口を規定しており、前記第１および第２のループは、前記外側面上の第１および第２のギャップによって分離されており、１つの上記ループが駆動され、他の前記ループが電気的にフロートされるＮＭＲシステム。
【請求項１０】
４つの前記端子は、対応する異なる回路特性を実行するさまざまな方法で、ＲＦ源との伝達のためにアクセス可能である、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）の分野にあって、詳細にはＲＦプローブ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の高分解能の液体のサンプルＮＭＲプローブの中心的な構成要素は、ＲＦ（共鳴）放射を（少なくとも１つの）サンプルの核スピンの共鳴集合に結合するための少なくとも１つの共鳴器を含む。前記サンプルは、通常、静的分極磁場Ｂｏの方向と一致する軸に沿って、延びている。前記共鳴器は、Ｂｏに対する横方向のＲＦ磁場（Ｂ1）をサンプルに与える。Ｂｏの達成可能な均一性は空間的に制限され、有限のリードを介した共鳴器へのカップリングＲＦ出力の実用性は、共鳴器のリードとサンプルとの間に挿入されたＲＦシールド構造を使用する動機となる。前記ＲＦシールド構造は、理想的に、Ｂｏが均一である所定の軸領域中に位置する共鳴スピンにＲＦがカップリングするのを制限する。特に、リードからの照射による、注意深くシムされたＢｏが均一である望ましい領域外のサンプル部分の特定の励磁は、シールドによって最小にされる寄生的効果である。
【０００３】
前記ＲＦコイルおよびシールドは、勾配磁場などのように、急速に切り換えられた（スイッチングされた）独立磁場から起こる渦電流の有害な効果を受ける。前記コイルおよびシールドで引き起こされる渦電流は、渦電流を引き起こす、切り換えられた磁場に対して反対に一時的な磁場を生成する。特にサンプルの近くにこれらの寄生的磁場があるので、Ｂｏ磁場の均一性は低下し、また、好ましくない持続性を伴って、寄生的磁場は与えられたＮＭＲ試験と関連するステップの相対的なタイミングを低下させる。
【０００４】
ＲＦコイルにおける渦電流および室温で作動するシールド構造を制御／低減するために、従来技術では、スロットをこれら導体に組み入れている。例えば、本願と同一譲受人に譲渡されている下記特許文献１、下記特許文献２および下記特許文献３を参照されたい。同様の効果に対して、下記特許文献４を参照されたい。
【特許文献１】米国特許第６，００８，６５０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１９２，９１１号明細書
【特許文献３】国際公開第９２／１７７９９号パンフレット
【特許文献４】米国特許第４８７５０１３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
渦電流の問題が、室温でＲＦ共鳴器で経験されるものより、低温におけるＲＦ共鳴器でしばしば有害であることが認識される。この作業の目的のために、低温とは、実質的に周囲より低い温度を含むことが理解される。ＮＭＲの最近の進歩は、むしろ低温で作動する非常に高いＱ値を有するプローブを含む。そのような条件のもとでは、渦電流効果は高められ、それらの結果の有害な効果は、より厳しく抑制されることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで採用されるように、サドルコイル幾何学形状のＲＦ共鳴器はサンプルスペースを囲む対向する表面に配置される２つの電気的に分離したループを提供するために、縦に隣接する誘導部材間で完全に分割されている。前記サンプルに対してウィンドウを規定する各ループは２π（前記ループの周り）にわずかに満たないが、各ループの２つのリードを収容するように囲んでいる。両方のループからのリードは、ループの中央領域（ウィンドウ）から離れる縦の同じ方向に配置されている。好ましい実施形態でのコイルは、反対のループを対称的に励磁するために、相互誘導結合された１つのループへＲＦ出力を与えることによって励磁される。
【０００７】
前記シールドは、角度範囲でπに近づく方位角のシールド部を提供するために、スロット付の筒状の導体を含む。これらのシールドシリンダは、好ましくはＲＦコイルウィンドウの対応する外側縁と整列されている内側の軸の範囲でＲＦコイルと同軸である。ＲＦコイルのループ間の別々のギャップは、二重共鳴試験が意図される横向きのウィンドウを提供するために、シールドのスロットと整列されるのが好ましい。
【０００８】
本出願の内容は特に指摘され、この明細書の結論部分で明瞭に主張される。しかし、構成および操作方法の両方は、さらなる利点およびその目的と共に、同じ参照符号が同じ要素を参照する添付図面とともに以下の記述を参照することによりよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、図式化されたＮＭＲ機器によって表される本発明の状況を表す。取得／制御プロセッサ１１０は、ＲＦ源１１２、変調器１１４、アナログ・デジタル・コンバータ１１８を含むＲＦ受信機１１６およびデジタルプロセッサ１２０と通信する。変調されたＲＦ出力は、プローブ１２２を介して、磁場１２１中にある物体／サンプル１２３を照射し、前記サンプル／物体の応答は、受信機１１６と通信するプローブ１２２によって妨害される。前記応答は通常、一時的時間領域波形または自由誘導減衰の形態を取る。この一時的波形は、一定の間隔でサンプリングされ、サンプルは、アナログ・デジタル・コンバータ１１８でデジタル化される。デジタル化された時間領域波形は、次いで、プロセッサ１２０でさらに処理される。そのような処理の性質には、そのような波形と同様の数にわたって、時間領域波形を平均することを含んでもよく、周波数領域への平均した時間領域波形を周波数領域へ変換することは、出力装置１２４に向けられるスペクトル分配機能をもたらす。代わりに、この手順は、いくつかの他のパラメータの変換で繰り返されてもよく、データセットからの変換は、表示またはさらなる分析のために多くのアイデンティティを担う。
【００１０】
図２ａは、（室温）従来技術のスロット付き共鳴器構造１２を示し、図２ｂは、同様にサンプルと共鳴器との間に挿入されたシールド構造１４を示す。これらの図は使用中の筒状形態の平面図であり、共鳴器およびシールドの半径ａ、ｂが、ａ＞ｂであることを示していることが理解される。図２ａの中の矢印は、ＲＦ出力が端子部１６、１７間に与えられる実施形態において、瞬時のＲＦ電流方向を示す。ウィンドウ１８、１９は、コイルの２つのカレントループを規定する。いくつかの導体部分の矢印は、瞬間の電流方向を示す。ＲＦ磁束（Ｂ1）は、これらの対向するウィンドウの領域を介して理想的に一様に分配される。スロット２０ａ、２０ｂ（ハーフスロット２０ｂ”と２０ｂ’とを含む）は、共鳴器構造１２の電気的構造を決定するために役立つ。従来技術は、ＲＦウィンドウの内縁と軸方向に面一であり不要な励磁から前記サンプル（ウィンドウと関連する末端）のシールド部に軸方向に外側に延びる、導体外観が円筒状の形態を取るＲＦシールドを採用している。これらのシールドは、急速に切り換えられた勾配磁場による渦電流を支持する。シールド構造１４は、対称的にウィンドウ１８、１９およびスロット２１ａ、２１ｂ（２１ｂ’および２１ｂ”を含む）と並べられ、同様に、共鳴器スロット２０ａ、２０ｂと並べられる１対のスロット入りリングとして端的に述べられている。前記シールド構造は、通常電気的にフロートしており、サンプルからリード１６、１７を保護（シールド）し、励磁により前記ウィンドウ領域から離れたサンプル部を保護するために役立つ。これは、サンプル励磁をウィンドウ３８、３９から軸方向に突出し、分極磁場およびＲＦ磁場の両方が均一である領域に制限する。このようにして説明されるように、従来技術は、典型的な従来技術として、上記特許文献１で明らかにされる。
【００１１】
図３ａおよび３ｂに、本発明の好ましい実施形態を示しており、この実施形態では、前記共鳴器３２は、ウィンドウ３８、３９を囲む２つの完全に異なるカレントループを含む。前記ループの一方は、リード３６、３７から励磁され、他のループは、第１のループに結合された相互誘導を介して、完全に励磁される。２つのループのバランスおよび電気的対称性は、幾何学的な対称性の維持を介して保たれる。すなわち、誘導結合ループのファントム（フロートしている）リード３４、３５は、ウィンドウ３８を囲む駆動されるループに対するリード３６、３７のように、ウィンドウ３９を囲むループに同様の容量負担を示す。このようにして提供される電気的対称性に加えて、幾何学的対称性は、分極磁場において磁気的不均一を避けるのに役立つ。
【００１２】
前記シールド構造３４は、スロット４１ａおよびスロット４１ｂ（ハーフスロット４１ｂ’および４１ｂ”を含む）を示す。さらに、各ループに提供される容量は、凹凸領域４２によって調整されている。シールド３４のスロット４１ａ,４１ｂは、共鳴器のスロット４１ａ、４０ｂとともに、サンプルに対して開かれたもう１対のウィンドウを形成していることが認識される（用語を維持するために、ここで、用語「スロット（slot）」は、「ギャップ（gap）」と同義とする）。これらのスロットウィンドウは、ウィンドウ３８、３９の主たる方位角の方向と直交する。共鳴器３２の外部に配置される第２の同軸共鳴器を含む二重共鳴実験のためには、これらのスロットウィンドウが都合がよい。前記第２の共鳴器は、２つの独立した共鳴状態が同時に、対応するＲＦ磁場のための直交方向で利用可能である共鳴器３２のループ間のギャップによって形成された開口を介してサンプルを照射する。
【００１３】
図４は、図３ａ、３ｂの共鳴器およびシールドの斜視図である。斜視図の対応する部分には、図３ａ、３ｂの平面図と同様の符号を付している。
本発明の効力の１つの定量的測度は、急速に切り換えられた勾配磁場によって提供されるように急激な磁気インパルス後の回復時間である。図５は、本発明の反応と極低温環境を意図した従来技術の共鳴器の反応とを比較する。この従来技術は、例えば、図３ａとの性能比較のために、図３ｄでさらに示されるヴァリアン社の「チリ（商標）型」のＮＭＲプローブにおいて、極低温操作に適合された図２ａと同様である。前記２つの共鳴器構造（本発明および従来技術）は、同じ材料から構成され、同じ寸法によって特徴づけられる。図３ｄの装置は、スロットのないシールドを有する２つの端末のスロット付き共鳴器であることは明らかである。対照的に、本発明の装置は、完全に切り離されたカレントループ、スロット付きシールド、および唯一のループだけが駆動されることを特徴とする(以下の表１のモードａ)。このテストのために、２つの共鳴器が、約３０（ガウス／ｃｍ）の周囲をとり囲んでいる傾斜コイルによって供給される幅約１ｍｓの磁場パルスにさらされた。従来技術（曲線６２）の約２．５ｍｓと比較して、本発明（曲線６０）の共鳴器における最大ＮＭＲ振幅の９０％への回復のための測定された時間は、（約）２５０μ秒であった。典型的従来技術と比べて、実施例は、約１０分の１の改良された回復時間を表すことが明らかである。
【００１４】
表１は、ループ３９の端子３４、３５とループ３８の端子３６、３７との接続を介して、図２ｂのスロット付き／ギャップ共鳴器構造によって支持されるいくつかの様相を示す概要表である。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
モードａ）では、端子３４、３５がフロートしている状態で、端子３６、３７が駆動される（逆も同様）。均一なＲＦ双極子磁場は、主に、（大きい）ウィンドウ３８、３９を通る軸を有して励磁される。モードｂでは、端子３６（または３７）は、導体が直列に組み合わされた、より大きいインダクタンスに対応するモードａ）より低い周波数でＲＦ共鳴を生じさせるために、端子３４（または３５）とともに励磁される。
【００１７】
各ループの循環が主たる共鳴を生じさせている間、対向するループの隣接する誘導軸部材が、同方向の瞬時のＲＦ電流を支持するように、２つのループを並列に駆動し、励磁することによって、別の操作の可能性（表１のｄ）が確立される。［ギャップ４０ａ、４０ｂ（端子からの反対側の端で）に渡るループ間の容量結合は、通常、主な共鳴よりはるかに高い周波数にある別の共鳴を生じさせるために、ギャップ４０ａ、４０ｂの周りの、循環ＲＦ電流成分を支持する。］この選択は、図３ａにジャンパー４４を表す点線によって示されている。この操作（および端子間のジャンパリング）は、２つの異なるループに共鳴器を分離する主要スロット４０ａ、４０ｂによって取り除かれた渦電流のための経路を（ある程度）回復する。この操作的アプローチが、減衰された渦電流効果が許容される重水素ロックの維持を容易にするのがわかった。
【００１８】
別の操作モードで、それぞれのループの対応する端子は、反対のら旋に直列接続されてもよい。例えばループの隣接する軸誘導部材は、反対方向の瞬時のＲＦ電流を支持する。同様に、反対のら旋の、ループ３８、３９が並列に組み合わせることが選択されてもよい。これらの操作モードは、ある専門の実験で関心を持たれている、ラジアルＲＦ傾斜磁場を発生させる。
【００１９】
表１に示されているいくつかの操作モードが、同じ周波数で共鳴操作を支持しないのは明らかである。例えば、前記コイルループの直列結合は、同じループが平列に接続される場合と、同じ集中インダクタンスを示さない。同じループが、反対のら旋構造になるように接続されている場合と同様に、対向ループを同じら旋構造に接続することは、同じ相互誘導結合を付与しない。
【００２０】
図６に、ＲＦコイル３２とシールド３４とが低温の真空スペースに配置されている低温のＮＭＲプローブ構造に特に適する本発明の別の実施形態を示す。真空筺体の内側面は、管状構造５２の外側（半径方向）の表面であり、１対のＲＦの内側シールド５４を支持する。これらの内側シールド５４は、約１ミルの銅を含むことが好ましく、例えば、操作共振周波数での表皮の深さに比較して大きい。ウィンドウ３８、３９に集中しているこれらのシールド部材５４は、ウィンドウの軸方向の寸法の１００％から２００％の範囲の距離によって軸方向に分離されている。シールド５４の長さは重要でない。これらの内側シールドは、ウィンドウ領域から軸方向にずれているサンプル領域からの求められていない共鳴の励磁をさらに抑えるのに役立つ。これらのシールドのための比較的小さい伝導率は、付随の渦電流をより減少させるのに好ましいため、低温の場合においてこれらのスロットのないシールド部材５４は、一般的に、周囲に近い中間温度である。あるいは、これらの最も内側のシールドには、例えば、合金などの比較的導電性が低い導体を用いてもよく、また、これらのシールドは、非常に薄くてもよい。
【００２１】
本発明は、特定の実施形態および実施例について説明したが、上記教示の視点から、当業者により他の変更および変化形が出現しうる。本発明は、添付の特許請求の範囲内で、具体的に説明されたものとは異なる方法により行われうると理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を取り入れるＮＭＲシステムを示す図。
【図２ａ】従来技術のＲＦコイルを示す平面図。
【図２ｂ】図２ａの従来技術のためのＲＦシールドを示す平面図。
【図３ａ】本発明のＲＦコイルを示す平面図。
【図３ｂ】図３ａのＲＦコイルのためのＲＦシールドを示す平面図。
【図３ｃ】好ましい操作モードのための等価回路図。
【図３ｄ】比較テストの目的のための従来技術の低温ＲＦコイルおよびシールド。
【図４】図３ａおよび図３ｂの実施形態の斜視図。
【図５】本発明の渦電流反応性能を示す図。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す図。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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