(57)【要約】      （修正有）【課題】設計サイクルが短くてすみ、再現性が高く、低価格かつ修理が容易な、高性能な核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ回路アセンブリを提供する。【解決手段】ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、高周波（ＲＦ）エネルギーを対象となる試料に送出しかつ／又は対象となる試料から受け取るように構成された１つ又は複数のそれぞれのサンプルコイルと信号通信する、１つ又は複数のプローブ回路を有する。プローブ回路のうちの１つ又は複数は、可変コンデンサーが、接地面から空隙によって分離される共通の誘電体基板を共有する、浮遊基板構成を有する。各可変コンデンサーは、使用者が作動する調整機構によって移動可能な電極を有する。プローブ回路のうちの１つ又は複数は、多重共鳴構成又は広帯域構成を有することができ、１つ又は複数の個々のチャネルを有することができる。【選択図】図５
2012173286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ回路アセンブリであって、
接地面と、
前記接地面から空隙によって分離された誘電体基板と、
前記誘電体基板の、前記空隙とは反対側の面に配置され、静止コンデンサー電極を備える複数の導電性トレースと、
前記接地面と前記誘電体基板との間に挿入され、該接地面及び該誘電体基板と移動可能に接触し、前記静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な可動コンデンサー電極であって、該可動コンデンサー電極、前記誘電体基板及び前記静止コンデンサー電極は、該ＮＭＲプローブ回路アセンブリを共鳴周波数に同調させるように構成された可変コンデンサーを形成する、可動コンデンサー電極と、
作動に応じて、前記可動コンデンサー電極を前記静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成されたコンデンサー調整機構と、
を具備する、ＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項２】
前記静止コンデンサー電極は、第１の導電性トレース及び物理的に分離している第２の導電性トレースを含み、前記可動コンデンサー電極は、前記第１の導電性トレース及び第２の導電性トレースの両方とオーバーラップする関係で移動可能である、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項３】
前記接地面から電磁的に隔離して取り付けられ、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリとサンプルコイルとの間でＲＦ信号を移送するように構成された高周波（ＲＦ）ポートを具備し、該ＲＦポートは、前記第１の導電性トレースと信号通信する第１の端子と、前記第２の導電性トレースと信号通信する第２の端子とを備え、前記可変コンデンサーは、前記サンプルコイルに平行に結合された２つの同調コンデンサーを備える、請求項２に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項４】
前記可動コンデンサー電極は、前記接地面と移動可能に接触し、かつ該可動コンデンサー電極を前記誘電体基板に接触するよう付勢するように構成された導電性ばねを備える、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項５】
電気的に絶縁する構造層と、前記接地面と該構造層との間に挿入されたスペーサーとを具備し、前記誘電体基板は前記構造層に取り付けられ、前記構造層は前記スペーサーに取り付けられ、前記スペーサーは前記空隙の距離を画定する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項６】
前記導電性トレースは前記誘電体基板に取り付けられる、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項７】
前記誘電体基板の上に配置された回路基板を具備し、前記導電性トレースは該回路基板にかつ前記誘電体基板と接触して取り付けられる、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項８】
前記可変コンデンサーは、高周波数核と共鳴結合するように構成された、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリの第１のプローブチャネルの一部であり、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、低周波数核と共鳴結合するように構成された第２のプローブチャネルを更に具備する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項９】
前記第１のプローブチャネルの前記可変コンデンサーは第１の可変コンデンサーであり、前記第１のプローブチャネルの前記可動コンデンサー電極は第１の可動コンデンサー電極であり、前記第１のプローブチャネルの前記静止コンデンサー電極は第１の静止コンデンサー電極であり、前記第１の可動コンデンサー電極を移動させるように構成された前記コンデンサー調整機構は第１のコンデンサー調整機構であり、前記第２のプローブチャネルは、
前記接地面と前記誘電体基板との間に挿入され、該接地面及び該誘電体層と移動可能に接触し、前記複数の導電性トレースの第２の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な第２の可動コンデンサー電極であって、該第２の可動コンデンサー電極、前記誘電体基板及び前記第２の静止コンデンサー電極は、前記第２のプローブチャネルを前記低周波数核の共鳴周波数に同調させるように構成された第２の可変コンデンサーを形成する、第２の可動コンデンサー電極と、
作動に応じて、前記第２の可動コンデンサー電極を前記第２の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第２のコンデンサー調整機構と、
を備える、請求項８に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１０】
前記第２の可変コンデンサーは、重水素の共鳴周波数に同調可能である、請求項９に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１１】
前記接地面、前記誘電体基板、前記複数の導電性トレース、前記第１の可変コンデンサー、前記第１のコンデンサー調整機構、前記第２の可変コンデンサー及び前記第２のコンデンサー調整機構は、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリの第１のプローブ回路の一部であり、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、前記第１のプローブ回路から物理的に分離している第２のプローブ回路を更に具備し、前記第１のプローブ回路は第１のサンプルコイルと信号通信するように構成され、前記第２のプローブ回路は、第２のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、前記第２のプローブチャネルとは異なるタイプの低周波数核の共鳴周波数に同調可能である、請求項９に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１２】
前記第１のプローブ回路の前記接地面は第１の接地面であり、前記第１のプローブ回路の前記誘電体基板は第１の誘電体基板であり、前記第１のプローブ回路の前記複数の導電性トレースは第１の複数の導電性トレースであり、前記第２のプローブ回路は、
第２の接地面と、
前記第２の接地面から第２の空隙によって分離された第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板の前記第２の空隙とは反対側の面に配置され、第３の静止コンデンサー電極を備える第２の複数の導電性トレースと、
前記第２の接地面と前記第２の誘電体基板との間に挿入され、前記第２の接地面及び前記第２の誘電体基板と移動可能に接触し、前記第３の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な第３の可動コンデンサー電極であって、該第３の可動コンデンサー電極、前記第２の誘電体基板及び前記第３の静止コンデンサー電極は、前記第２のプローブ回路を前記異なるタイプの前記核の共鳴周波数に同調させるように構成された第３の可変コンデンサーを形成する、第３の可動コンデンサー電極と、
作動に応じて、前記第３の可動コンデンサー電極を前記第３の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第３のコンデンサー調整機構と、
を備える、請求項１１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１３】
前記可変コンデンサーは、プロトンの共鳴周波数及び１９Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能である、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１４】
前記可変コンデンサーは、少なくとも２つの異なる低周波数核のそれぞれの共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能である、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１５】
前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリを前記共鳴周波数に同調させるように構成された前記可変コンデンサーは第１の可変コンデンサーであり、該第１の可変コンデンサーの前記可動コンデンサー電極は第１の可動コンデンサー電極であり、前記第１の可変コンデンサーの前記静止コンデンサー電極は第１の静止電極であり、前記第１の可動コンデンサー電極を移動させるように構成された前記コンデンサー調整機構は第１のコンデンサー調整機構であり、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、
前記接地面と前記誘電体基板との間に挿入され、前記接地面及び前記誘電体層と移動可能に接触し、前記複数の導電性トレースの第２の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な第２の可動コンデンサー電極であって、該第２の可動コンデンサー電極、前記誘電体基板及び前記第２の静止コンデンサー電極は、サンプルコイルと、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリと通信する伝送ラインとの間のインピーダンス整合のために構成された第１の可変コンデンサーを形成する、第２の可動コンデンサー電極と、
作動に応じて、前記第２の可動コンデンサー電極を前記第２の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第２のコンデンサー調整機構と、
を更に具備する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１６】
前記接地面、前記誘電体基板、前記複数の導電性トレース、前記可変コンデンサー及び前記第１のコンデンサー調整機構は、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリの第１のプローブ回路の一部であり、前記ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、該第１のプローブ回路から物理的に分離している第２のプローブ回路を更に具備し、前記第１のプローブ回路は、第１のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、第１のタイプの核の共鳴周波数に同調可能であり、前記第２のプローブ回路は、第２のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、第２のタイプの核の共鳴周波数に同調可能である、請求項１に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１のプローブ回路の前記接地面は第１の接地面であり、前記第１のプローブ回路の前記誘電体基板は第１の誘電体基板であり、前記第１のプローブ回路の前記複数の導電性トレースは第１の複数の導電性トレースであり、前記第２のプローブ回路は、
第２の接地面と、
前記第２の接地面から第２の空隙によって分離された第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板の前記第２の空隙とは反対側の面に配置され、第２の静止コンデンサー電極を備える第２の複数の導電性トレースと、
前記第２の接地面と前記第２の誘電体基板との間に挿入され、前記第２の接地面及び前記第２の誘電体基板と移動可能に接触し、前記第２の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な第２の可動コンデンサー電極であって、該第２の可動コンデンサー電極、前記第２の誘電体基板及び前記第２の静止コンデンサー電極は、前記第２のプローブ回路を前記第２のタイプの前記核の共鳴周波数に同調させるように構成された第２の可変コンデンサーを形成する、第２の可動コンデンサー電極と、
作動に応じて、前記第２の可動コンデンサー電極を前記第２の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第２のコンデンサー調整機構と、
を備える、請求項１６に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１８】
前記第１のプローブ回路は、プロトンの共鳴周波数と、１９Ｆ核の共鳴周波数と、該プロトンの該共鳴周波数及び該１９Ｆ核の該共鳴周波数とを含む周波数帯域とからなる群から選択される周波数に同調可能であり、
前記第２のプローブ回路は、低周波数核の共鳴周波数、及び少なくとも２つの異なる低周波数核のそれぞれの共鳴周波数を含む周波数帯域からなる群から選択される周波数に同調可能である、請求項１６に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項１９】
前記可変コンデンサーは、高周波数核と共鳴結合するように構成された、前記第１のプローブ回路の第１のプローブチャネルの一部であり、前記第１のプローブ回路は、低周波数核と共鳴結合するように構成された第２のプローブチャネルを更に備える、請求項１６に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【請求項２０】
前記第１のプローブチャネルは、プロトンの共鳴周波数と、１９Ｆ核の共鳴周波数と、該プロトンの該共鳴周波数及び該１９Ｆ核の該共鳴周波数とを含む周波数帯域からなる群から選択される周波数に同調可能であり、
前記第２のプローブチャネルは重水素の共鳴周波数に同調可能であり、
前記第２のプローブ回路は、重水素以外の低周波数核の共鳴周波数、及び重水素以外の少なくとも２つの異なる低周波数核のそれぞれの共鳴周波数を含む周波数帯域からなる群から選択される周波数に同調可能である、請求項１９に記載のＮＭＲプローブ回路アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ及びＮＭＲプローブで利用される回路部、特にインピーダンス整合及び周波数同調に利用される回路部に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計では、試料が、（通常、超伝導）磁石のボアに位置するＮＭＲプローブに配置され、磁石によって生成される高強度（通常、数テスラの）静磁場Ｂ0に浸される。磁石ボアにおいて、試料は、１つ又は複数のサンプルコイルによって包囲される。これらのコイルは、高周波（ＲＦ）帯域（例えば４０ＭＨｚ〜９００ＭＨｚ）で発振するパルス磁場Ｂ1（通常、Ｂ0磁場に対して直交する）を、試料に印加する。コイルは、試料の１つ又は複数の所望のタイプのＮＭＲ活性核を共鳴励起するように同調される。共鳴状態は、印可されるＲＦエネルギーの周波数が照射されているＮＭＲ活性核の共鳴（又はラーモア（Larmor））周波数ν0に等しい場合に実現され、共鳴周波数は、核のタイプ及びＢ0磁場の強度によって決まる。共鳴時、Ｂ1磁場は、電磁エネルギーを核に効率的に伝達し、エネルギー状態を変化させる。パルス間の遅延間隔の間、核は、この摂動（perturbation）の結果として、自由誘導減衰（ＦＩＤ）として知られるＲＦ時間領域信号を放出する。ＦＩＤは、その間隔において、励起された核が緩和してその平衡状態に戻る際に減衰する。ＦＩＤは、コイル（励起に利用されたものと同じコイル又は異なるコイル）によってＮＭＲ応答信号として捕捉される。ＮＭＲ分光計の電子回路は、ＮＭＲ応答信号をフーリエ変換によって時間領域から周波数領域に変換することを含めて、該信号を増幅し処理して、周波数領域においてＮＭＲスペクトルをもたらす。スペクトルは、１つ又は複数のピークからなり、ピークの強度は、検出された各周波数成分の比率を表す。したがって、ＮＭＲスペクトルは、対象となる化学種、生化学種及び生物種における分子の構造、位置及び存在量を示す有用な情報を提供することができる。
【０００３】
ＮＭＲプローブは、コイル（複数の場合もあり）及びＮＭＲプローブ回路を有している。ＮＭＲプローブ回路は、コイル（複数の場合もあり）とＮＭＲ分光計の関連する電子回路（例えば、ＲＦ送受信回路部）との間のＲＦ通信を提供する。ＮＭＲプローブ回路を、各々が、種々のタイプの核を共鳴励起するように構成された、２つ以上のプローブチャネルを提供するように構成することができる。一般に、ＮＭＲプローブ回路は、１つ又は複数の共振周波数でサンプルコイルをインピーダンス整合し、これらの周波数に近い（前後の）狭帯域での同調を提供し、種々のプローブチャネルを互いに隔離する役割を果たす。ＮＭＲプローブは、通常、試料の周囲で同軸状に入れ子になっている２つのサンプルコイルを有する。１つの一般的な構成では、各サンプルコイルは二重共鳴し、その結果、プローブに合計４つの共鳴（チャネル）がもたらされるが、他の構成では、それより多いか又は少ないチャネルが可能である。上述したように、各共鳴は、試料に含まれる対象となる核のラーモア周波数に対応する。しかしながら、チャネルのうちの１つを、Ｂ0磁場のドリフトを相殺するために利用される基準信号を生成するために「ロック溶媒」の重水素（2Ｈ又は「Ｄ」）種を照射するように同調させることができる（重水素フィールド周波数ロック又は重水素ロック）。試料溶媒の誘電性、温度等の環境変数が、プローブの同調に影響を与える可能性がある。磁場強度もまた、磁石毎にわずかに変化し、それにより、同じ核が各磁石においてわずかに異なる周波数で共鳴する。これらの理由により、プローブ回路は、ＮＭＲ実験を行う直前にサンプルコイルの共振周波数を調整する（同調させる）何らかの手段を提供しなければならない。この同調は、通常、可変コンデンサーによって達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＮＭＲプローブ回路では、個々の回路コンポーネントは、一緒に直接はんだ付けされ、したがって、３次元自由形状構成で配置される。自由形状構成は、概して、高電圧を扱う能力を維持しながらインダクタンス、浮遊容量及び寄生損失を最小限にするため、有利であると考えられてきた。したがって、こうした構成によって高性能をもたらすことができるが、それは、長い設計サイクル（例えばプロトタイピングによる）、低い再現性、及び高価かつ時間のかかる修理を犠牲にしている。加えて、高密度の回路間の結合により、付加的な性能問題及び設計問題がもたらされる可能性がある。これらの回路を、適切に動作するように注意深く同調させ調整しなければならない。
【０００５】
いくつかのＮＭＲ分光計では、プローブの構成要素（サンプルコイル、回路コンポーネント及び／又はプリアンプ等）は、液体窒素又は液体／気体ヘリウム等の極低温流体（cryogenic fluid）を収容する熱交換器への熱伝導を介して極低温で（通常２０Ｋまで）冷却される。一方、ＮＭＲ試料は、室温又は他の非極低温で保持される場合がある。極低温プローブは、サンプルコイルの電気抵抗を低下させることによって熱雑音を低減し、したがって高いＱ値で動作することができる。従来の自由形式アーキテクチャを有するＮＭＲプローブ回路は、通常チップコンデンサーを採用し、それらは、極低温で構造破損（したがって動作故障）し易い。
【０００６】
上記を鑑みて、上述した問題に対処するＮＭＲプローブ回路が目下必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した問題に全体として若しくは部分的に、かつ／又は当業者が確認した可能性のある他の問題に対処するために、本開示は、後述する実施態様において例として説明する方法、プロセス、システム、装置、機器及び／又はデバイスを提供する。
【０００８】
１つの実施態様によれば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ回路アセンブリであって、接地面と、接地面から空隙によって分離された誘電体基板と、誘電体基板の空隙とは反対側の面に配置される複数の導電性トレースと、可変コンデンサーと、コンデンサー調整機構とを備える。導電性トレースは静止コンデンサー電極を備える。可動コンデンサー電極が接地面と誘電体基板との間に挿入され、該可動コンデンサー電極は、該接地面及び該誘電体基板と移動可能に接触し、静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能である。可動コンデンサー電極、誘電体基板及び静止コンデンサー電極は、ＮＭＲプローブ回路アセンブリを共鳴周波数に同調させるように構成することができる第２の可変コンデンサーを形成する。コンデンサー調整機構は、作動に応じて、可動コンデンサー電極を静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成される。
【０００９】
いくつかの実施態様では、可変コンデンサーを、例えばプロトン又は19Ｆ核等の単一の高周波数核の共鳴周波数に同調可能とすることができる。他の実施態様では、可変コンデンサーを、プロトンの共鳴周波数及び19Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。
【００１０】
他の実施態様では、可変コンデンサーを、例えば13Ｃ核、15Ｎ核又は31Ｐ核等、少なくとも２つの異なる低周波数核のそれぞれの共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。
【００１１】
いくつかの実施態様では、コンデンサー調整機構は、リニアガイドと、リニアガイドにおいて移動可能でありかつ対応する可動コンデンサー電極と連通するキャリッジと、使用者が作動させる回転可能要素とを有することができる。回転可能要素を、キャリッジ及び／又はリニアガイドに結合することができ、それにより回転可能要素の回転によって、キャリッジの移動、したがって可動コンデンサー電極の移動がもたらされる。いくつかの実施態様では、リニアガイド及びキャリッジは、接地面と誘電体基板との間に挿入される。いくつかの実施形態では、リニアガイドは接地面に取り付けられる。
【００１２】
いくつかの実施態様では、ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、接地面から電磁的に分離して取り付けられかつＲＦ伝送ラインに結合するように構成された高周波（ＲＦ）ポートを有する。ＲＦポートは、接地面の穴を通り、空隙を通り、ＲＦポートが導電性トレースのうちの１つと容量結合される位置において誘電体基板と接触するまで延在することができる。
【００１３】
いくつかの実施態様では、導電性トレースは誘電体基板に取り付けられる。
【００１４】
いくつかの実施態様では、ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、誘電体基板上に配置された回路基板を有する。導電性トレースを、回路基板にかつ誘電体基板と接触するように取り付けることができる。いくつかの実施態様では、ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、回路基板の導電性トレースとは反対の面に取り付けられかつ導電性トレースのうちの少なくとも２つと通信するインダクターを更に有する。
【００１５】
別の実施態様によれば、可変コンデンサーは、高周波数核と共鳴結合するように構成された、ＮＭＲプローブ回路アセンブリの第１のプローブチャネルの一部である。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、低周波数核と共鳴結合するように構成された第２のプローブチャネルを更に有することができる。
【００１６】
いくつかの実施態様では、第２のプローブチャネルは、接地面と誘電体基板との間に挿入され、該接地面及び該誘電体層と移動可能に接触し、複数の導電性トレースの第２の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能な第２の可動コンデンサー電極を備えることができる。該第２の可動コンデンサー電極、誘電体基板及び第２の静止コンデンサー電極は、第２のプローブチャネルを低周波数核の共鳴周波数に同調させるように構成された第２の可変コンデンサーを形成する。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、作動に応じて、第２の可動コンデンサー電極を第２の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第２のコンデンサー調整機構を更に備えることができる。
【００１７】
いくつかの実施態様では、第１のプローブチャネルは、第１のＲＦ伝送ラインと結合するように構成された第１の高周波（ＲＦ）ポートを有することができ、第２のプローブチャネルは、第２のＲＦ伝送ラインと結合するように構成された第２のＲＦポートを有することができる。
【００１８】
いくつかの実施態様では、第１のプローブチャネルの可変コンデンサーは、プロトンの共鳴周波数及び19Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能である。いくつかの実施形態では、第２のプローブチャネルの可変コンデンサーは、重水素の共鳴周波数に同調可能である。
【００１９】
別の実施態様によれば、接地面、誘電体基板、複数の導電性トレース、第１の可変コンデンサー、第１のコンデンサー調整機構、第２の可変コンデンサー及び第２のコンデンサー調整機構は、ＮＭＲプローブ回路アセンブリの第１のプローブ回路の一部である。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、第１のプローブ回路から物理的に分離している第２のプローブ回路を更に有することができる。第１のプローブ回路は第１のサンプルコイルと信号通信するように構成され、第２のプローブ回路は、第２のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、第１のプローブ回路の第２のプローブチャネルとは異なるタイプの低周波数核の共鳴周波数に同調可能である。
【００２０】
いくつかの実施態様では、第２のプローブ回路は、第２の接地面と、第２の接地面から第２の空隙によって分離された誘電体基板と、第２の誘電体基板の第２の空隙とは反対側の面に配置された第２の複数の導電性トレースと、第３の可変コンデンサーとを有することができる。第２の複数の導電性トレースは、第３の静止コンデンサー電極を有する。第３の可動コンデンサー電極は、第２の接地面と第２の誘電体基板との間に挿入され、第２の接地面及び第２の誘電体基板と移動可能に接触し、第３の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能である。第３の可動コンデンサー電極、第２の誘電体基板及び第３の静止コンデンサー電極は、第２のプローブ回路を第１のプローブ回路の第２のプローブチャネルとは異なるタイプの核の共鳴周波数に同調させるように構成することができる、第３の可変コンデンサーを形成する。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、作動に応じて第３の可動コンデンサー電極を第３の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第３のコンデンサー調整機構を更に有することができる。
【００２１】
いくつかの実施態様では、第１のプローブチャネルを、プロトンの共鳴周波数に、19Ｆ核の共鳴周波数に、又はプロトンの共鳴周波数及び19Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。第２のプローブチャネルを、重水素の共鳴周波数に同調可能とすることができる。第２のプローブ回路を、重水素以外の低周波数核の共鳴周波数に、又は重水素以外の少なくとも２つの異なる低周波数核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。
【００２２】
別の実施態様によれば、ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、第１のプローブ回路と、第１のプローブ回路から物理的に分離している第２のプローブ回路とを有する。第１のプローブ回路は、接地面と、誘電体基板と、複数の導電性トレースと、可変コンデンサーと、コンデンサー調整機構とを有する。第１のプローブ回路は、第１のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、第１のタイプの核の共鳴周波数に同調可能であり、第２のプローブ回路は、第２のサンプルコイルと信号通信するように構成されるとともに、第２のタイプの核の共鳴周波数に同調可能である。
【００２３】
いくつかの実施態様では、第２のプローブ回路は、第２の接地面と、第２の接地面から第２の空隙によって分離された第２の誘電体基板と、第２の誘電体基板の第２の空隙とは反対側の面に配置された第２の複数の導電性トレースと、第２の可変コンデンサーとを有することができる。第２の複数の導電性トレースは、第２の静止コンデンサー電極を有する。第２の可動コンデンサー電極が、第２の接地面と第２の誘電体基板との間に、第２の接地面及び第２の誘電体基板と移動可能に接触し、第２の静止コンデンサー電極と可変のオーバーラップ関係で移動可能に挿入される。第２の可動コンデンサー電極、第２の誘電体基板及び第２静止コンデンサー電極は、第２のプローブ回路を第２のタイプの核の共鳴周波数に同調するように構成することができる第２の可変コンデンサーを形成する。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、作動に応じて、第２の可動コンデンサー電極を第２の静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成された第２のコンデンサー調整機構を更に有することができる。
【００２４】
いくつかの実施態様では、第１のプローブ回路を、プロトンの共鳴周波数に、19Ｆ核の共鳴周波数に、又はプロトンの共鳴周波数及び19Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。第２のプローブ回路を、低周波数核の共鳴周波数に、又は少なくとも２つの異なる低周波数核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。
【００２５】
いくつかの実施態様では、第１のプローブ回路は、高周波数核と共鳴結合するように構成された第１のプローブチャネルと、低周波数核と共鳴結合するように構成された第２のプローブチャネルとを有する。いくつかの実施態様では、第１のプローブチャネルを、プロトンの共鳴周波数に、19Ｆ核の共鳴周波数に、又はプロトンの共鳴周波数及び19Ｆ核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。第２のプローブチャネルを、重水素の共鳴周波数に同調可能とすることができる。第２のプローブ回路を、重水素以外の低周波数核の共鳴周波数に、又は重水素以外の少なくとも２つの異なる低周波数核の共鳴周波数を含む周波数帯域にわたって同調可能とすることができる。
【００２６】
いくつかの実施態様では、ＮＭＲプローブ回路アセンブリ（又はＮＭＲプローブ回路アセンブリの特定のプローブ回路）は、サンプルコイルと、ＮＭＲプローブ回路アセンブリ（又はＮＭＲプローブ回路アセンブリのプローブ回路）と通信する伝送ラインとの間でインピーダンス整合するように構成された可変コンデンサーを有することができる。可変コンデンサーは、静止コンデンサー電極及び可動コンデンサー電極を有することができる。ＮＭＲプローブ回路アセンブリは、作動に応じて可動コンデンサー電極を静止コンデンサー電極に対して移動させるように構成されたコンデンサー調整機構を有することができる。
【００２７】
別の実施態様によれば、ＮＭＲプローブは、サンプルコイルと、サンプルコイルと信号通信するＮＭＲプローブ回路アセンブリとを有する。ＮＭＲプローブ回路アセンブリを、上で要約した又は本明細書に記載する実施態様のいずれかに従って提供することができる。
【００２８】
別の実施態様によれば、ＮＭＲ分光計は、磁石と、磁石のボア内に配置されたＮＭＲプローブと、制御／取得システムとを有する。ＮＭＲプローブは、サンプルコイルと、サンプルコイルとかつ制御／取得システムと信号通信するＮＭＲプローブ回路アセンブリとを有する。ＮＭＲプローブ回路アセンブリを、上で要約した又は本明細書に記載する実施態様のいずれに従って提供することができる。制御／取得システムは、例えば、高周波（ＲＦ）送信回路部、ＲＦ受信回路部、及びサンプルコイルによって受信されるＮＭＲ応答信号を処理又は解析する回路部を有することができる。
【００２９】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴及び利点は、以下の図及び詳細な説明を考察することにより当業者には明らかとなろう。こうしたすべての追加のシステム、方法、特徴及び利点は、本説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。
【００３０】
本発明を、以下の図を参照することによってより理解することができる。図の構成要素は、必ずしも一定比例尺にはなっておらず、本発明の原理を例証することに重きがおかれている。図では、各図を通して同様の参照数字は対応する部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計の一例の概略図である。
【図２】多重共鳴プローブ回路の一例の概略図である。
【図３】広帯域プローブ回路の一例の概略図である。
【図４】ＮＭＲプローブの一例の図である。
【図５】図４に示すＮＭＲプローブに含めることができる同調可能プローブ回路の一例の斜視図である。
【図６】図５に示す同調可能プローブ回路の側面図である。
【図７】図５及び図６に示す同調可能プローブ回路に含めることができる回路基板の一例の平面図である。
【図８】図７に示す回路基板の底面図である。
【図９】図５及び図６に示す同調可能プローブ回路に含めることができる接地面アセンブリの一例の平面図である。
【図１０】図５及び図６に示す同調可能プローブ回路に含めることができるばね式コンデンサー電極の一例の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本明細書において「サンプルコイル」という用語は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）サンプルコイル、すなわちＮＭＲ分光計においてＲＦエネルギーを試料へかつ／又は試料から伝達するように構成されたサンプルコイルを指す。さまざまなタイプのサンプルコイルの設計及び動作は、当業者には既知である。
【００３３】
本明細書において「核」という用語は、ＮＭＲ活性核を指す。ＮＭＲ活性核は、スピンの量子特性を有する核であり、磁気双極子として挙動し、したがって、ＮＭＲ分光計に対して有用であるようにＲＦ照射に応答する。「高共鳴周波数核」、「高周波数核」及び「ＨＦ核」等の用語は、所与の磁場強度の磁場における共鳴周波数が同じ磁場における他のタイプの核に対して高い核を指す。高周波数核の通常の例は、トリチウム（3Ｈ）、水素（又はプロトン、1Ｈ）及びフッ素同位体19Ｆである。「低共鳴周波数核」、「低周波数核」及び「ＬＦ核」等の用語は、概して、同じ所与の磁場強度の磁場において19Ｆより共鳴周波数が低い核を指す。当業者には理解されるように、多くの異なるタイプの核を低周波数核として特徴付けることができ、いくつかの一般的な例は、りん同位体31Ｐ、炭素同位体13Ｃ、重水素（2Ｈ）及び窒素同位体15Ｎである。
【００３４】
本明細書において用いられるとき、「共鳴周波数」（又は「ラーモア周波数」）という用語は、サンプルコイルに電磁結合することができる核の共鳴周波数を指す。
【００３５】
図１は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光計１００の一例の概略図である。ＮＭＲ分光計１００は、概して、静磁場Ｂ0を印加する（通常、超電導）磁石１０４と、磁石１０４のボアに配置されたＮＭＲプローブ１０８と、磁石１０４及びＮＭＲプローブ１０８と信号通信する制御／取得システム１１２とを有している。ＮＭＲプローブ１０８を、室温で若しくは可変温度で動作させることができるか、又はＮＭＲプローブ１０８の回路を、当業者には理解されるように極低温で（例えば２０Ｋまで）冷却することができる。極低温動作の場合、ＮＭＲプローブ１０８は真空内に密閉される。ＮＭＲプローブ１０８は、１つ又は複数の高周波（ＲＦ）サンプルコイル１１６と、それぞれのサンプルコイル１１６と信号通信する１つ又は複数のプローブ回路を含むＮＭＲプローブ回路アセンブリ１２０とを有している。２つ以上のサンプルコイル１１６が設けられる場合、サンプルコイル１１６は、通常同軸状に配置される（例えば、内側コイル及び外側コイル）。動作時に、照射される試料を収容するサンプル容器１２４が、サンプルコイル（複数の場合もあり）１１６によって同軸状に包囲されるように、ＮＭＲプローブ１０８に挿入される。サンプル容器１２４を、例えば、閉管又はフローセルとすることができる。プローブ回路アセンブリ１２０は、通常、コンデンサー、インダクター、及び、所与のサンプルコイル１１６と、プローブ回路アセンブリ１２０と通信する伝送ラインとの間の周波数同調及びインピーダンス整合に利用される他のコンポーネント等の電気コンポーネントを含む。プローブ回路アセンブリ１２０はまた、ＲＦ励起信号（周期的磁場Ｂ1）をサンプルコイル（複数の場合もあり）１１６に送信するとともに、サンプルコイル（複数の場合もあり）１１６からＲＦ測定信号（ＮＭＲ応答信号）を受信するようにも利用される。制御／取得システム１１２は、ＲＦ励起信号をプローブ回路アセンブリ１２０に送信し、プローブ回路アセンブリ１２０から結果としてのＲＦ測定信号を受信し、ＲＦ測定信号を調整して処理し、そこから周波数領域ＮＭＲスペクトルを生成する、プローブ回路アセンブリ１２０と信号通信する電子回路を有している。
【００３６】
当業者には理解されるように、制御／取得システム１１２は、通常、ＲＦ送信回路部、ＲＦ受信回路部、及び、ＲＦ受信回路部の損傷を受けやすい検出コンポーネントを保護するためにＲＦ受信回路部をＲＦ送信回路部から電磁的に分離する送信／受信アイソレーターを有している。ＲＦ送信回路部は、例えばＲＦ源（ＲＦ発生器、周波数合成器及び／又はパルスプログラマー）、ＲＦ信号をゲート制御し、減衰させかつ／又は整形する変調器、及びＢ1磁場強度を設定する増幅器等のコンポーネントを有することができる。ＲＦ受信回路部は、例えば、増幅器、ＲＦ受信器、直交アーキテクチャを有する位相検出器、及び時間領域ＲＦ測定信号を周波数領域信号に変換するフーリエ変換解析器等のコンポーネントを有することができる。制御／取得システム１１２は、ユーザー入力のための入出力インターフェース、ＮＭＲスペクトルのディスプレイ又は印刷出力等を有する、ＮＭＲ分光計１００のさまざまな機能を制御する電子プロセッサベースのコントローラーを更に有することができる。コントローラーは、ＲＦ励起パルス系列をプログラムする命令、ＮＭＲ測定データ解析ソフトウェア、既知のＮＭＲスペクトル情報のデータベース、及びＮＭＲスペクトルを解釈するのを支援する同様のもの等、種々のタイプのコンポーネントを含むメモリを有することができる。コントローラー並びに関連モジュール及び周辺機器のすべて又は一部を、コンピューター（例えばワークステーション又はコンソールで提供することができる）で実現することができる。
【００３７】
通常、ＲＦ励起信号はパルスで印加され、したがって、ＲＦ信号の送信及び受信の両方に対して所与のサンプルコイル１１６を利用することができる。さらに、プローブ回路アセンブリ１２０の所与のプローブ回路（及びその対応するサンプルコイル１１６）を多重共鳴とすることができ、それらは、この目的で多重チャネルを提供することができる。多重共鳴プローブ回路を、２つ以上のタイプのＮＭＲ活性核と同時に共鳴結合するように構成することもできるし、種々のタイプの選択されたＮＭＲ核と結合するように広範囲の共鳴周波数にわたって調整可能とすることもできる。しかしながら、プローブ回路アセンブリ１２０は、２つ以上の別個のプローブ回路を有することができ、すなわちＮＭＲプローブ１０８は２つ以上の対応するサンプルコイル１１６を有することができ、後述する例におけるように種々のチャネルの実施が容易になる。
【００３８】
図２は、多重共鳴同調可能プローブ回路２００、この場合は二重共鳴プローブ回路の一例の概略図である。インダクターＬSは、ＮＭＲプローブのサンプルコイルを表している。同調可能プローブ回路２００は、第１のチャネルに関連する第１のＲＦ入力ポート２０４と、第２のチャネルに関連する第２のＲＦ入力ポート２０６とを有している。入力ポート２０４、２０６を、例えば５０Ω同軸ケーブル等のそれぞれのＲＦ伝送ライン（図示せず）に接続することができる。例として、第１のチャネルを、水素（1Ｈ）核と共鳴結合するように同調させることができ、第２のチャネルを重水素（2Ｈ）核と共鳴結合するように同調させることができる。このタイプの構成は、プロトンロック又はＨＤ回路と呼ばれることが多い。例えば、所与の磁場強度において、プロトン及び重水素の共鳴周波数は、それぞれ５００ＭＨｚ及び７６ＭＨｚとすることができる。しかしながら、第１のチャネルを、フッ素同位体19Ｆ等の別の高共鳴周波数核に同調可能又は切換可能とすることができ、第２のチャネルを、炭素同位体13Ｃ等の別の低共鳴周波数核に同調可能又は切換可能とすることができる。プローブ回路２００は、（斜め矢印で示す）可変コンデンサー、固定コンデンサー及び（サンプルコイルＬSに加えて）インダクターの組合せを有することができる。Ｃmで示す可変コンデンサーは、インピーダンス整合に利用され、Ｃtで示す可変コンデンサーは、周波数同調に利用される。したがって、第１のチャネルを、概して高周波数（ＨＦ）チャネルと述べることができ、第２のチャネルを、概して低周波数（ＬＦ）チャネルと述べることができる。
【００３９】
特に図２に示す例では、可変コンデンサー２１２を利用して、第１の（プロトン）チャネルが整合され、すなわち、サンプルコイルと、プローブ回路２００と（第１のＲＦ入力ポート２０４において）通信する伝送ラインとの間のインピーダンス整合が行われる。第１のチャネルを同調させるために、サンプルコイルと平行に結合された可変コンデンサー２１４、２１６が利用され、第２の（ロック）チャネルを同調させるために可変コンデンサー２１８が利用される。この特定の例では、第２のチャネルのインピーダンス整合は固定されるが、代替的に、第２のチャネルのインピーダンス整合を、適切な可変コンデンサー（図示せず）を提供することによって調整可能とすることができる。インダクターＬ1及びＬ2は、それぞれの第１のチャネル及び第２のチャネルのＲＦ信号が接地に漏れないように、かつ２つのチャネルを互いから電気的に絶縁するように機能することができる。固定コンデンサーＣは、整合又は同調のために可変コンデンサーＣm又はＣtと協働すること、第２のチャネルを整合すること、又は絶縁のためにインダクターＬ1及びＬ2と協働すること等、さまざまな目的に役立つことができる。
【００４０】
図３は、多重共鳴同調可能プローブ回路３００、この場合は広帯域プローブ回路の別の例の概略図である。同調可能プローブ回路３００は、ＮＭＲプローブのサンプルコイルＬS、ＲＦ入力ポート３０４（通常、５０Ω同軸ケーブル等のＲＦ伝送ラインに接続されている）、インピーダンス整合に利用される可変コンデンサーＣm及び周波数同調に利用される可変コンデンサーＣtを有している。例として、可変コンデンサーＣtは、プローブ回路３００を、1Ｈ核及び19Ｆ核に関連する高い共鳴周波数より低い、複数の利用可能な共鳴周波数のうちの任意の１つに選択的に同調させることができる。共鳴周波数が相対的に低い、一般に研究されているＮＭＲ活性核の例には、限定されないが、炭素同位体13Ｃ、窒素同位体15Ｎ及びりん同位体13Ｐが挙げられる。当業者には理解されるように、更に多くのタイプのＮＭＲ活性核が存在する。一実施態様では、プローブ回路３００は、13Ｃ共鳴周波数と15Ｎ共鳴周波数との間で同調可能である。別の実施態様では、プローブ回路３００は付加的に、13Ｐ共鳴周波数に切換可能であるように構成することができる。他の実施態様では、プローブ回路３００を、種々のかつ／若しくはより広い帯域の周波数にわたって同調可能であるように、かつ／又は他の周波数に切換可能であるように構成することができる。
【００４１】
一例として、図２及び図３に示す同調可能プローブ回路２００、３００を、ともに、図１に示すプローブ回路アセンブリ１２０に提供することができ、それらは、それぞれのサンプルコイル１１６と通信することができる。更に、３つ以上の多重共鳴回路及び／又は広帯域プローブ回路を設けることができる。加えて、図２の例のように、所与の多重共鳴プローブ回路は二重共鳴とすることもできるし、当業者には理解されるように三重共鳴又はより一般的にはｎ共鳴とすることもできる。代替的に、所与のプローブ回路を、単一タイプのＮＭＲ活性核と共鳴結合するように構成された単一チャネル回路とすることができる。プローブ回路の任意の組合せを利用して、複数の別個の個々に整合されかつ同調されたチャネルによって特徴付けられるプローブ回路アセンブリ１２０を形成することができる。従来の表記を用いて、プローブ回路アセンブリ１２０のチャネルは、以下のチャネルのうちの１つ又は複数を含むことができる。すなわち、Ｈ、Ｆ、Ｄ、Ｘ、Ｙ、…ｎであり、Ｈは、1Ｈ核（プロトン）を励起する高周波数チャネルを示し、Ｆは、19Ｆ核を励起するそれより低周波数（それでもなお相対的に高周波数）のチャネルを示し、Ｄは、2Ｈ核（重水素ロック溶媒）を励起する低周波数チャネルを示し、Ｘ、Ｙ、…ｎは、低共鳴周波数を有する他のタイプの核（例えば、13Ｃ、15Ｎ、13Ｐ等）を励起する１つ又は複数の低周波数チャネルを示す。
【００４２】
ここで、本教示に従って構成されるＮＭＲプローブ及び関連プローブ回路アセンブリの一例を、図４〜図１０を参照して説明する。
【００４３】
図４は、ＮＭＲプローブ４００の一例の図である。ＮＭＲプローブ４００は、１つ又は複数のサンプルコイル４０４、４０６及びＮＭＲプローブ回路アセンブリ４１０を有し、それらの構成要素のすべてを枠又はシャーシ４１４に取り付ける（又はそれらによって支持する）ことができる。ＮＭＲプローブ４００を、室温、可変温度又は極低温動作に対して構成することができる。簡単のために、極低温動作に関連する熱交換システムの構成は特に示していない。プローブ回路アセンブリ４１０は、１つ又は複数の物理的に分離している同調可能プローブ回路を有することができる。本例では、プローブ回路アセンブリ４１０は、第１の同調可能プローブ回路４２０及び第２の同調可能プローブ回路４２２を有している。本例では、第１のプローブ回路４２０はＨＤプローブ回路（例えば、図２に概略的に示す同調可能プローブ回路２００）であり、第２のプローブ回路４２２は広帯域プローブ回路（例えば図３に概略的に示す同調可能プローブ回路３００）である。シャーシ４１４は、横方向に向けられた構造部材４２６を有することができ、その上でサンプルコイル４０４、４０６が直接的又は間接的に支持され、構造部材４２６が、サンプルコイル４０４、４０６をプローブ回路アセンブリ４１０から物理的に分離する。シャーシ４１４は、プローブ回路４２０、４２２が取り付けられる軸方向に向けられた構造部材４２８も有することができる。例として、軸方向に向けられた構造部材４２８は取付穴４３２を有することができる。プローブ回路４２０、４２２の取付穴（図示せず）を、軸方向に向けられた構造部材４２８の選択された取付穴４３２に位置合わせすることができ、取付穴４３２内に締結具（例えば図示しないねじ又はボルト）を挿入することにより、プローブ回路４２０、４２２を軸方向に向けられた構造部材４２８に固定することができる。したがって、ＮＭＲプローブ４００はモジュール式設計を有し、そこでは、サンプルコイル４０４、４０６及び個々のプローブ回路４２０、４２２を、必要に応じて迅速かつ容易に取り付け、取り外し、交換することができることがわかる。いくつかの実施態様では、軸方向に向けられた構造部材４２８はヒートシンクとしての役割を果たすことができ、締結具は熱接触部としての役割を果たし、該締結具を通して、プローブ回路４２０、４２２からの熱が軸方向に向けられた構造部材４２８に伝達される。サンプルコイル４０４、４０６は、対象となる試料が装填される中心管４３４を同軸状に包囲することができる。中心管４３４はまた、軸方向に向けられた構造部材４２８を通って延在することができる。
【００４４】
図５〜図１０は、一実施態様による第１の同調可能プローブ回路４２０の一例を示す。
【００４５】
図５及び図６は、組み立てられた形態の第１の同調可能プローブ回路４２０の斜視図及び側面図である。第１のプローブ回路４２０は浮遊（suspended）基板アーキテクチャを有し、そこでは、接地面５０４が、空間又は空隙５０８によっていくつかの回路コンポーネントから電気的に絶縁されている。接地面５０４を、導電性材料の層若しくは板、又は導電性材料でめっきされている任意の組成の基板とすることができる。１つの限定しない例では、接地面５０４は、金でめっきされた無酸素高伝導銅（ＯＦＨＣ）の板である。接地面５０４は、コンデンサー調整機構５４０、５４２、５４４及び後述するようなさまざまな回路コンポーネントを支持することができる。誘電体基板５１２（例えば層又は板）が、接地面５０４の上方に浮遊し、したがってそこから分離されている。誘電体基板５１２は、平面の第１の面６１４及び反対側の平面の第２の面６１６を有している。誘電体基板５１２を、ＮＭＲプローブ回路での使用に適している任意の誘電性、熱伝導性材料で構成することができる。限定しない例には、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ダイアモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（酸化アルミニウムすなわちＡｌ2Ｏ3）、べリリア（酸化ベリリウムすなわちＢｅＯ）等の熱伝導性セラミック、並びに回路基板に通常利用される誘電体材料が含まれる。単結晶サファイアが、極低温での優れた熱伝導性、高誘電率、低誘電損失、及びプローブ回路４２０において高いＱ値を実現する能力のために、特に有利であることが分かった。後述する説明から明らかとなるように、誘電体基板５１２は、いくつかの固定コンデンサー及び可変コンデンサーに対し共通する誘電体基板としての役割を果たす。
【００４６】
いくつかの実施態様では、回路基板５２０は誘電体基板５１２の上に配置される。回路コンポーネントを、後述するように回路基板５２０の片側又は両側に含めることができる。回路基板５２０は、平面の第１の面６２４及び反対側の平面の第２の面６２６を有している。回路基板５２０を、ＮＭＲプローブ回路での使用に適している高誘電率及び低誘電損失の任意の誘電体材料で構成することができる。回路基板５２０の１つの限定しない例は、Chandler、ArizonaのRogers Corporationから販売されているＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）５８８０積層板等のガラスマイクロファイバーで補強されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）複合材料で構成される。回路基板５２０を、第１の誘電体基板５１２に対して第２の誘電体基板とみなすことができる。
【００４７】
回路基板５２０の上に、外側の電気的に絶縁する構造層（板又はブロック）５２４を配置することができ、それにより、回路基板５２０が外側構造層５２４と誘電体基板５１２との間に挿入される。外側構造層５２４を、例えば、ＮＭＲプローブ回路での使用に適している高誘電率及び低誘電損失の任意の誘電体材料で構成することができる。外側構造層５２４の１つの限定しない例は、Philadelphia、PennsylvaniaのC-Lec Plastics, Inc.から販売されているＲｅｘｏｌｉｔｅ（登録商標）プラスチック等の半透明架橋ポリスチレンから構成される。外側構造層５２４は、回路基板５２０及び誘電体基板５１２の側縁を密閉することができるように凹部を有することができる。誘電体基板５１２及び回路基板５２０を、任意の手段（例えば締結具、接着又は接合）により外側構造層５２４に取り付けることができる。外側構造層５２４を、接地面５０４と外側構造層５２４との間に挿入された１つ又は複数のスペーサー６２８に固定することができる。スペーサー６２８を、接地面５０４から上方に延在する柱として設けることができる。例えば、外側構造層５２４の穴を、スペーサー６２８と位置合わせし、ねじ式締結具５３２を、穴を通してスペーサー６２８の相補的なねじ穴に挿入することができる。こうした構成により、回路基板５２０及び誘電体基板５１２は、接地面５０４と外側構造層５２４との間に挟装され、接地面５０４と誘電体基板５１２との間の空隙５０８が、スペーサー６２８により所望の距離（１つの限定しない例では、約０．１０インチすなわち約２．５ｍｍ）に設定され、すなわち、スペーサー６２８が空隙５０８の距離を画定する。
【００４８】
図７及び図８は、一実施態様による回路基板５２０の一例のそれぞれ平面図及び底面図である。２つのインダクター５５２、５５４が、第１の面６２４に取り付けられている。本例では、２つのインダクター５５２、５５４は、上述した図２に示すインダクターＬ1及びＬ2にそれぞれ対応している。第２の面６２６には、複数の導電性トレース（又は平面導電体）８１２〜８２０が形成されている。導電性トレース８１２〜８２０を、例えば第２の面６２６にメタライゼーション層を形成すること及びそれに続くパターニングプロセス等、任意の適切な技法によって形成することができる。導電性トレース８１２〜８２０を、パターン化導電層と呼ぶことも可能である。任意の適切な導電性材料を利用することができ、いくつかの限定されない例は、銅、並びにさまざまな銅酸化物、鉄系化合物及び他の高温超電導（ＨＴＳ）材料等のＨＴＳ材料である。導電性トレース８１２〜８２０のうちのいくつかは、固定コンデンサーの「上部」コンデンサー電極として、かつ可変コンデンサーの静止（「上部」）コンデンサー電極としての役割を果たす。他の導電性トレース８１２〜８２０は、インダクター５５２、５５４とコンデンサーとの間か、又はプローブ回路４２０のＲＦ出力端子（第１の端子５５６及び第２の端子５５８）と関連するサンプルコイル４０４又は４０６との間の電気的相互接続としての役割を果たすことができる。この例では、インダクター５５２及び５５４は、それぞれ、電気的接続を完了するためにはんだが付与され、回路基板５２０のビアを通して挿入されたインダクターリードを介して、選択された導電性トレース８１６、８１８及び８１２、８２０と通信する。第１のプローブ回路４２０が組み立てられると（図６）、回路基板５２０の第２の面６２６は誘電体基板５１２の第１の面６１４に面し、したがって、導電性トレース８１２〜８２０は、誘電体基板５１２の第１の面６１４に配置される。
【００４９】
代替実施態様では、導電性トレース８１２〜８２０は、真空蒸着及びそれに続くパターニング（例えばリソグラフィー、エッチング）等、任意の適切な技法によって誘電体基板５１２の第１の面６１４上に製造される（又は他の方法で取り付けられる）。この場合、回路基板５２０を省略することもできるし、適切な導電性トレース８１６、８１８及び８１２、８２０と通信してインダクター５５２、５５４を安定して位置決めするために、より小さい回路基板を利用することもできる。導電性トレース８１２〜８２０（パターン化導電層）を回路基板５２０上に製造しても誘電体基板５１２上に製造しても、いずれの場合も組立後に、導電性トレース８１２〜８２０は、誘電体基板５１２上の次に説明するような対応する「下部」コンデンサー電極とは反対側に配置される。更に、いずれの場合も、導電性トレース８１２〜８２０と誘電体基板５１２との間に優れた熱接触が形成される。
【００５０】
図９は、第１のプローブ回路４２０の接地面アセンブリ９００の平面図である。接地面５０４は、取付穴９３２を有することができ、それを、上述したように、プローブシャーシ４１４（図４）の軸方向に向けられた構造部材４２８の選択された取付穴４３２と位置合わせすることができ、それにより、接地面５０４は、締結具を介して軸方向に向けられた構造部材４２８に固定することができ、かつ該軸方向に向けられた構造部材４２８と熱連通することができる。接地面アセンブリ９００は、分路構成で固定コンデンサーを形成する（接地面５０４と通信する）１つ又は複数の「下部」コンデンサー電極９０４、９０６と、直列構成で固定コンデンサーを形成する（電気的に浮遊する）１つ又は複数の「下部」コンデンサー電極９１０と、可変コンデンサーを形成する１つ又は複数の可動（「下部」）コンデンサー電極９１４、９１６、９１８とを有している。本例では、可変コンデンサーのすべてが分路コンデンサーである。本例では、直列コンデンサー（複数の場合もあり）として実施される下部コンデンサー電極（複数の場合もあり）９１０を、誘電体材料の介在ブロック９２２により接地面５０４から電気的に絶縁することができる。下部コンデンサー電極９０４〜９１８は、誘電体基板５１２の第２の面６１６と接触するように取り付けられる。下部コンデンサー電極９０４〜９１８のいくつか又はすべてが、例えば、接地面５０４と同じ組成を有することもできるし、それらを他の適切な導電性材料で構成することもできる。第１のプローブ回路４２０が組み立てられると、各可変コンデンサー又は固定コンデンサーは、回路基板５２０の（又は誘電体基板５１２の）それぞれの上部コンデンサー電極（導電性トレース８１２〜８２０）と、接地面アセンブリ９００の下部コンデンサー電極９０４〜９１８と、介在する共通誘電体基板５１２の領域とによって形成される。したがって、結果としての固定コンデンサー及び可変コンデンサーは平行板構成を有する。いくつかの実施態様では、コンデンサーのうちの１つ又は複数は、共通の上部コンデンサー電極又は下部コンデンサー電極を共有することができる。本文脈では、「上部」及び「下部」という用語を、単に例示の目的で相対的な意味で用い、第１のプローブ回路４２０の向きに対するいかなる限定として用いるものでもない。
【００５１】
平行板コンデンサーの静電容量Ｃを、Ｃ＝εrε0Ａ／ｄとして表すことができ、ここで、εrは誘電体層の誘電率であり、ε0≒８．８５４×１０-12Ｆ・ｍ-1は電気的定数であり、Ａは板（２つのコンデンサー電極）の面積であり、ｄは板が分離されている距離である。したがって、平行板可変コンデンサーでは、静電容量Ｃを、板間の重なりの面積Ａを変化させることによって変更することができる。本実施態様では、面積Ａを変化させることは、所与の可変コンデンサーの可動コンデンサー電極９１４、９１６又は９１８を対応する静止コンデンサー電極（対応する導電性トレース８１２〜８２０）に対して移動させることによって達成される。各可動コンデンサー電極９１４、９１６、９１８は、接地面５０４に沿って順方向及び逆方向の両方において軸方向に並進可能（例えば摺動可能）である。コンデンサー調整機構５４０、５４２及び５４４は、使用者が、インピーダンス整合又は周波数同調のいずれかのために可変コンデンサーの移動、したがって調整を手動で作動させることを可能にするように、それぞれの可動コンデンサー電極９１４、９１６及び９１８と機械的に連通している。
【００５２】
本実施態様では、各コンデンサー調整機構５４０、５４２、５４４は、キャリッジ５６２の直線移動を支持するリニアガイド５６０を有している。リンク機構５６４（例えばシャフト）が、キャリッジ５６２を対応する可動コンデンサー電極９１４、９１６又は９１８と相互接続する。このリンク機構５６４を、回路設計の詳細に応じて、導電性材料又は絶縁性材料のいずれかとすることができる。使用者によって操作されるように構成された回転要素５６６が、キャリッジ５６２に接続され、キャリッジ５６２の穴の相補的なねじ山と嵌合するねじ山を有している。したがって、回転可能要素５６６の回転は、回転の方向に応じて順方向又は逆方向において、キャリッジ５６２、したがってリンク機構５６４及び可動コンデンサー電極９１４、９１６又は９１８の直線並進に変換される。回転可能要素５６６は、リニアガイド５６０の開口部（section）５７０に捕捉される大径部５６８を有することができ、それにより、回転可能要素５６６のみが回転することができ、いかなる方向においても並進が制限される。したがって、特定のコンデンサー調整機構５４０、５４２又は５４４に応じて、使用者は、その回転可能要素５６６を回転させて、プローブ回路４２０の所望のチャネルのインピーダンス整合又は周波数同調を行う。この例では、同調の分解能、すなわち回転量の関数としての直線並進の量はねじ山のピッチによって決まる。図９に示すように、回転可能要素５６６は、使用者によるアクセス及び扱いを容易にするように軸方向に細長い部材として構成される。
【００５３】
他の実施態様では、コンデンサー調整機構５４０、５４２、５４４を、可変コンデンサーの上部電極と下部電極との間の距離ｄを調整するように構成することができる。更に、圧電モーター、プッシュロッド等の回転並進変換機構の代りに、可動コンデンサー電極９１４、９１６、９１８を作動させる他の手段を実施することができる。コンデンサー調整機構５４０、５４２、５４４を、本例のように手動で作動するように構成することもできるし、代替的に自動的に作動するように構成することもできる。
【００５４】
上述したように、下部コンデンサー電極９０４〜９１８は、誘電体基板５１２の第２の面６１６（上部コンデンサー電極の反対側）と接触する。本実施態様では、下部コンデンサー電極９０４、９０６、９１４、９１６、９１８と誘電体基板５１２との間の間隙が、分路された下部コンデンサー電極９０４、９０６、９１４、９１６、９１８を誘電体基板５１２に向けて付勢する導電性ばねを提供することによって回避される。図１０は、ばね式下部コンデンサー電極１００４の一例の側断面図である。導電性ばね１００８は、下部コンデンサー電極１００４を誘電体基板５１２に向けて付勢するために、下部コンデンサー電極１００４の下側の凹部１０１２に取り付けられる。ばね１００８を、任意の適切な導電性材料で構成することができ、１つの限定しない例はベリリウム−銅合金（ＢｅＣｕ）である。ばね１００８は接地面５０４と接触する。可変コンデンサーの場合、ばね１００８は、接地面５０４に形成されたそれぞれの直線状溝又は軌道９７０（図９）に沿って移動する（例えば摺動する）ことができ、それにより、可動コンデンサー電極９１４、９１６及び９１８の直線の前後の動きを維持する。固定コンデンサーの場合、下部コンデンサー電極１００４は、下部コンデンサー電極１００４を接地面５０４に固定する取付機能１０１６を付加的に有することができる。
【００５５】
接地面アセンブリ９００は、各チャネル（本例では２つのチャネル）に対してＲＦ入力ポート６３２、６３４を更に有する。本例では、ＲＦ入力ポート６３２は、プロトンチャネルと通信し、ＲＦ入力ポート６３４は、ロックチャネルと通信する。本実施態様では、ＲＦ入力ポート６３２、６３４は、電気的絶縁取付具を介して接地面５０４の穴を通して延在する。接地面５０４の背面において、ＲＦ入力ポート６３２、６３４は、同軸ケーブル又はＲＦエネルギーの他の適切な導体に接続するように構成されている。図６では、ＲＦ入力ポート６３２に結合された同軸ケーブル６３６が見える。分路された下部コンデンサー電極９０４、９０６、９１４、９１６、９１８に類似する方法で、ＲＦ入力ポート６３２、６３４は、誘電体基板５１２の第２の面６１６との接触を確保するばねピン（図示せず）を有することができる。したがって、ＲＦ入力ポート６３２、６３４は、それらのそれぞれのプローブチャネルに容量結合される。
【００５６】
接地面アセンブリ９００はまた、端子５５６、５５８を有するＲＦ出力ポートも有している。ＲＦ出力端子５５６、５５８は、回路基板５２０（又は誘電体基板５１２）の導電性トレース８１８、８２０を導電性リードに相互接続し、そして、導電性リードは、プローブ回路４２０に関連するサンプルコイルと通信する。本実施態様では、ＲＦ出力端子５５６、５５８は、例えば接地面５０４に取り付けることができる電気的絶縁コンタクトブロック５７６に配置される。本実施態様では、信号通信はコンタクトピン７１４、７１６（図７及び図８）を介して行われ、コンタクトピン７１４、７１６は、回路基板５２０の穴を通過してブロック５７６と接触し、コンタクトブロック５７６から延在するそれぞれのＲＦ出力端子５５６、５５８と接触する。
【００５７】
本文脈では、便宜上、「ＲＦ入力」及び「ＲＦ出力」という用語は、概して、サンプルコイルに伝送されるＲＦ励起信号の方向を指す。しかしながら、応答するＲＦ測定信号は、「ＲＦ出力」端子５５６、５５８を介してサンプルコイルからプローブ回路４２０によって受け取られ、「ＲＦ入力」ポート６３２、６３４のうちの１つを介して制御／取得システム１１２に向けられることが理解されよう。したがって、「ＲＦ入力」及び「ＲＦ出力」と言う用語は、プローブ回路４２０を通るＲＦエネルギー伝達の全体的な方向に対する限定を意味するようには意図されていない。
【００５８】
図９に示す特定の実施態様では、可動コンデンサー電極９１４は、コンデンサー調整機構５４０の作動により第１の（プロトン）チャネルを整合させるために利用される可変コンデンサーの一部であり、図２に示す可変コンデンサー２１２に対応することができる。可変コンデンサー電極９１６は、別のコンデンサー調整機構５４２の作動により第１のチャネルを同調させるために利用される可変コンデンサー（２つの同調コンデンサー）の一部であり、図２に示す可変コンデンサー２１４及び２１６に対応することができる。この可動コンデンサー電極９１６は２つの可変コンデンサー２１４及び２１６に共通しており、それぞれの第１のコンデンサー電極は、図８に示す対応する物理的に分離している導電性トレース８１８及び８２０から明らかであるように別個である。したがって、これらの２つの可変コンデンサー２１４及び２１６は、第２のコンデンサー調整機構５４２によって合わせて調整可能であり、その構成を、図２においてもまた連動矢印により概略的に示す。可動コンデンサー電極９１８は、別のコンデンサー調整機構５４４の作動により第２の（ロック）チャネルを同調させるために利用される可変コンデンサーの一部であり、図２に示す可変コンデンサー２１８に対応することができる。図５〜図７に示すインダクター５５２、５５４は、図２に示すものに対応することができる。
【００５９】
上記から、図３に示すような広域プローブ回路を、図４〜図１０に示すプローブ回路４２０に類似する方法で、浮遊基板アーキテクチャで同様に実施することができることがわかる。例えば、図３に示す２つの可変コンデンサーＣtを、接地面に分路される２つの可変コンデンサーＣtに共通する可動コンデンサー電極を直線状に並進させるように１つのコンデンサー調整機構を回転させることにより、周波数を同調させるように調整することができる。この構成を、図３において、連動矢印により概略的に示す。図３に示す他の可変コンデンサーＣmを、別の可動コンデンサー電極を直線状に並進させるように別のコンデンサー調整機構を回転させることによって、インピーダンスを整合させるように調整することができる。広域プローブ回路はまた、共通の誘電体基板に配置される導電性トレースの適切な配置とともに、この実施態様を実現する必要に応じて１つ又は複数の固定コンデンサー及びインダクター（図示せず）を含むことができる。
【００６０】
図４に示す第２の同調可能プローブ回路４２２は、上述した広域回路とすることもできるし、第１のプローブ回路４２０に類似する構成を有する多チャネル回路とすることもできるし、単一チャネル回路とすることもできる。図４は、第２のプローブ回路４２２に含めることができるいくつかのコンポーネントの例、すなわち、パターン化導電層（第２の複数の導電性トレース）が配置される第２の誘電体層４４４から第２の空隙によって分離された第２の接地面４４２、第２の接地面４４２と第２の誘電体基板４４４との間の空隙に配置された、コンデンサー調整機構４４８によって並進する可動コンデンサー電極４４６、インダクター４５０等の例を示す。可動コンデンサー電極４４６を、第２のプローブ回路４２２において、利用可能となる広帯域における２つ以上の選択された共鳴周波数に同調させるように構成することができる。インピーダンス整合のために、別の可動コンデンサー電極及び関連するコンデンサー調整機構（図示せず）を設けることができる。
【００６１】
上述したような２次元トポロジー及び浮遊基板アーキテクチャを有するＮＭＲプローブ回路は、ソリッドモデリング、シミュレーション及び製造の応用に非常に役立つ。機械コンポーネントの物理的寸法、位置及び配置と周波数応答との間に相関性がある。機械的設計を変更し、回路シミュレーションを実行してこの変更がＲＦ応答に与える影響を確定し、新たなコンポーネントが作製されるようにし、これらの変更を組み込んだ新たなプロトタイプを再度組み立てることは簡単にすることができる。扱われている設計問題に応じて、シミュレーションで開始し、シミュレーションされた出力を利用して機械設計を駆動することが好ましい場合もある。
【００６２】
設計プロセスの一例では、設計で採用されるインダクターに対する回路モデルは、プローブレイアウトを模倣した試験装置を構築し、この装置でインダクターを測定し、測定値を取り出し、適切なモデルに適合させることによって開発された。このように開発されたコンポーネントモデルを結合して、設計を最適化しコンデンサーの形状を確定するように、利用されるプローブ回路のモデル全体を生成した。インダクターに対する測定されたモデルを、ブロードサイド結合ストリップライン（broadside coupled stripline）モデル（コンデンサー用）及びサンプルコイルのＳパラメーター表現と結合することにより、完全なプローブモデルをもたらした。容量素子もまた、電磁シミュレーションに適していた。
【００６３】
上記から、本明細書で開示した主題が、ＮＭＲプローブ回路に伴う問題、例えば低い再現性、高価な修理及び長い設計サイクルに有効に対処することが分かった。更に、本主題により、一般に利用されるシミュレーションパッケージの簡単な応用が可能である。回路コンポーネントがそれらのそれぞれの位置に限定され、それにより、個々のコンポーネント間及び各コンポーネントと接地との間の結合が安定化するため、再現性が向上する。プローブ回路全体又は更には回路アセンブリ全体を数分で交換するだけでよいため、修理がより簡単でありかつより安価である。大抵、通常のプロトタイピングプロセスよりはるかに高速であるシミュレーションを採用することができるため、設計サイクルが短くなる。現時点で開示した回路トポロジーにより、プロトタイピングの代りに確定的設計手法を採用することができ、それにより、回路及び関連するハードウェアの設計、製造及び修理のすべての段階が容易になる。更に、本実施態様により、セラミックチップコンデンサーを採用する必要がなくなる。チップコンデンサーは、従来、商用のコールドプローブ設計で利用されているが、極低温用途には評価されておらず、信頼性問題をもたらす可能性がある。本明細書に開示されるように構成される可変コンデンサーは、広範囲の静電容量値に対して調整可能である。
【００６４】
図面において、さまざまな層及び面（例えば、誘電体層、接地面、回路基板等）を平坦であるように示しているが、本教示は湾曲した層及び面を包含することが理解されよう。
【００６５】
概して、「連通する（通信する）（communicate）」及び「連通している（in...communication with）」（例えば、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントと「通信する」又は「連通している）等の用語を、本明細書では、２つ以上のコンポーネント又は要素間の構造的、機能的、機械的、電気的、信号上の、光学的、磁気的、電磁気的、イオンの又は流体の関係を示すように用いている。したがって、１つのコンポーネントが第２のコンポーネントと連通すると言われる事実は、第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとの間に追加のコンポーネントが存在し、かつ／又はそれらに動作的に関連するか若しくは関与する可能性を排除するようには意図されていない。
【００６６】
本開示の目的で、層（又はフィルム、領域、基板、コンポーネント、デバイス等）が別の層の「上に（on、over）」あると言う場合、その層が他方の層の上又は上方に直接又は実質的にある可能性があり、又は代替的に、介在する層（例えばバッファ層、遷移層、中間層、犠牲層、エッチストップ層、マスク、電極、相互接続、接点等）もまた存在する可能性があることが理解されよう。別の層の「上に直接」ある層とは、特に示さない限り、介在する層が存在しないことを意味する。また、層が別の層の「上に」又は「上方に」あるという場合、その層は、他方の層の表面全体又は他方の層の一部のみを覆う可能性があることも理解されよう。更に、「〜の上に形成され」又は「〜の上に配置され」等の用語は、材料の移送、堆積、製造、表面処理、又は物理的、化学的若しくはイオンによる接合若しくは相互作用の特定の方法に関連するいかなる限定も取り入れるようには意図されていないことが理解されよう。「挿入され（介在する）（interposed）」という用語は、同様に解釈される。
【００６７】
本発明のさまざまな態様又は詳細を、本発明の範囲から逸脱することなく変更することができることが理解されよう。さらに、上記説明は、単に例示の目的のものであって限定の目的のものではなく、本発明は特許請求の範囲によって規定される。
【符号の説明】
【００６８】
４００  ＮＭＲプローブ
４０４、４０６  サンプルコイル
４１０ＮＭＲプローブ回路アセンブリ
４１４  シャーシ
４２０  第１の同調可能なプローブ回路
４２２  第２の同調可能なプローブ回路
４２６  横方向に向けられた構造部材
４２８  軸方向に向けられた構造部材
４３２  取付穴
４３４  中心管
４４２  第２の接地面
４４４  第２の誘電体層
４４６  可動コンデンサー電極
４４８  コンデンサー調整機構
４５０  インダクター
５０４  接地面
５０８  空間又は空隙
５１２  誘電体基板
５２０  回路基板
５２４  外側構造層
５３２  ねじ式締結具
５４０、５４２、５４４  コンデンサー調整機構
５５２、５５４  インダクター
５５６  ＲＦ出力端子の第１の端子
５５８  ＲＦ出力端子の第２の端子
５６０  リニアガイド
５６２  キャリッジ
５６４  リンク機構
５６６  回転可能要素
５６８  大径部
５７０  開口部
５７６  電気的絶縁コンタクトブロック
【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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