(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の中で、プローブのサンプルコイルにより試料に高周波磁場を与えて試料を構成する原子核に共鳴現象を起こさせ、この共鳴現象で原子核が吸収する吸収エネルギを検出することで試料の構造スペクトルを得る核磁気共鳴装置において、
反磁性材料からなる第１所定数の第１のコイルと常磁性材料からなる第２所定数の第２のコイルとを、これらの第１および第２のコイルのいずれか一方のコイルが第１および第２のコイルのいずれか他方のコイルに空間を置いて寄り添うように別体に並設して基本コイルが構成され、前記基本コイルの磁化率がほぼ空気の磁化率となるようにコントロールされていることを特徴とする核磁気共鳴用サンプルコイル。
【請求項２】
前記基本コイルを所定数だけ互いに電気的に接続して同数のターンコイルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴用サンプルコイル。
【請求項３】
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、ともに線条材料またはフィルム条材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の核磁気共鳴用サンプルコイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料を構成する原子の原子核が磁場の中で起こす共鳴現象により、試料の構造解析を行う核磁気共鳴装置の技術分野に属し、特に、共鳴現象で原子核が吸収する吸収エネルギを検出するためのプローブに用いられ、共鳴周波数を原子核に与える核磁気共鳴用サンプルコイルの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、核磁気共鳴装置においては、磁場の中で試料を構成する原子の原子核に高周波磁場を与えてこの原子核に共鳴現象を起こさせると、原子核が外部エネルギを吸収するので、このエネルギ吸収をプローブで電気的に捕らえて試料の構造スペクトルを得ることにより、測定する試料の構造解析を行っている。
【０００３】
この核磁気共鳴装置のプローブには、原子核に共鳴現象を起こさせる高周波磁場を与えるためのサンプルコイルが用いられている。図８（ａ）に示すように、従来の一般的なサンプルコイルの一例として、１本の線条材料からなるコイル１′を用いたものがあり、例えば同図（ｂ）に示すようにこのコイル１′を２つ直列に電気的に接続して、サンプルコイル２′が構成されている。具体的には、同図（ｃ）に示すように２つの円形状のコイル１′が円筒状に配置されるとともに、これらのコイル１′が直列に接続されて、サンプルコイル２′が構成されている。なお、同図（ｃ）において説明の便宜上２つのコイル１′の間隔を図の正面側（実線部分）より裏面側（点線部分）を狭く示しているが、正面側と裏面側とでコイル１′の間隔を同じであっても、また正面側の間隔を裏面側より狭くしてもよいことは言うまでもない。このことは、後述する本発明の実施の態様においても同様である。
【０００４】
そして、このサンプルコイル２′に図に矢印で示すように高周波電流を供給することで、サンプルコイル２は図示しない試料を構成する原子の原子核に高周波磁場を与えるとともに、高周波電流の周波数をコントロールすることでこの原子核に共鳴現象を起こさせる。
なお、従来の一般的なサンプルコイルの他の例としてはフィルム状材料を用いたサンプルコイルもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来のサンプルコイルにおいては、高周波磁場を与えたとき、コイル自身が高周波磁場分布の歪みを造るようになる。そして、この歪みが発生すると、有効に試料の各スピンに高周波エネルギが作用しないため、感度が低下するようになる。
また、コイルに使用された材料は固有の磁化率を保有しているが、従来のサンプルコイルでは、このコイルの固有の磁化率によってコイル形状に依存した静磁場歪みが生じるという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コイルの静磁場歪みの発生および高周波磁場の不均一の発生をともに抑制して、より一層高感度でより一層高分解能を実現できる核磁気共鳴用サンプルコイルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、請求項１の発明は、磁場の中で、プローブのサンプルコイルにより試料に高周波磁場を与えて試料を構成する原子核に共鳴現象を起こさせ、この共鳴現象で原子核が吸収する吸収エネルギを検出することで試料の構造スペクトルを得る核磁気共鳴装置において、
反磁性材料からなる第１所定数の第１のコイルと常磁性材料からなる第２所定数の第２のコイルとを、これらの第１および第２のコイルのいずれか一方のコイルが第１および第２のコイルのいずれか他方のコイルに空間を置いて寄り添うように別体に並設して基本コイルが構成され、前記基本コイルの磁化率がほぼ空気の磁化率となるようにコントロールされていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２の発明は、前記基本コイルを所定数だけ互いに電気的に接続して同数のターンコイルが形成されていることを特徴としている。
更に、請求項３の発明は、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが、ともに線条材料またはフィルム状材料で形成されていることを特徴としている。
【０００９】
【作用】
このような構成をした本発明の核磁気共鳴用サンプルコイルにおいては、この核磁気共鳴用サンプルコイルを構成する基本コイルが、反磁性材料からなる第１のコイルと常磁性材料からなる第２のコイルとをこれらの第１および第２のコイルのいずれか一方のコイルが第１および第２のコイルのいずれか他方のコイルに空間を置いて寄り添うように別体に並設して基本コイルが構成されて、その磁化率がほぼ空気の磁化率となるようにコントロールされているので、静磁場内にあって、従来のような各コイルに使用した材料の固有の磁化率によってコイル形状に依存したコイル自身がつくる静磁場歪みはほとんど解消されて、分解能にとって問題な静磁場の不均一性が抑制される。また同時に、従来のようにラジアル方向に配置させられたコイルの各々の線条線分に高周波電流が流れることでつくられる高周波磁場分布は、線分に集中して電流が流れるため、線分に近接するほど高く、各々の線分の間は低く、全体的に見ると、総和としての高周波磁場分布は歪みをかかえていたが、この点でも、本発明はラジアル方向に近接して分配された少なくとも２本以上の線分で基本的な高周波電流路を構成しているため、集中して電流が流れることはなく、あたかも面電流のように流せるため、総和としての高周波磁場分布の歪みは著しく改善され、感度にとって問題な高周波磁場の不均一性が抑制される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施の形態を説明するにあたり、まず、本発明の核磁気共鳴用サンプルコイルの原理を説明する。図１は、本発明にかかる核磁気共鳴用サンプルコイルの原理を説明する図である。
【００１１】
図１に示すように、本発明の核磁気共鳴用サンプルコイルを構成するための基本コイル１は一対の第１および第２コイル２,３から、第２コイル３が第１コイル２の内側に並設されるようにして構成されている。第１および第２コイル２,３は、ともに円形状のコイル部２ａ,３ａと、これらのコイル部２ａ,３ａに接続された第１リード２ｂ,３ｂおよび第２リード２ｃ,３ｃとからなっている。
第１コイル２は、例えば銅、銀、金等の電気伝導度の高い反磁性材料から形成されており、また、第２コイル３は、例えばアルミニウム、パラジウム、白金等の常磁性材料から磁化率および電気伝導度を加味されて形成されている。
そして、第１および第２コイル２,３は、ともに１本の線条材料から湾曲させて形成されており、互いに接触されていてもよい。
【００１２】
この例の核磁気共鳴用サンプルコイル１では、第１および第２コイル２,３の各全磁化の目安が互いに等しく設定されている。いま、第１および第２コイル２,３のコイル径をそれぞれｄ1,ｄ2とし、第１および第２コイル２,３の体積磁化率をそれぞれκ1,κ2とすると、各コイル２,３の単位長さあたりの全磁化の目安は、それぞれ、
［数１］      πκ1ｄ12
［数２］      πκ2ｄ22
で与えられる。このように、各コイル２,３の全磁化の目安を等しくするために、第１および第２コイル２,３の各線条材料の太さは、それぞれの固有の磁化率に応じて調節されたサイズに設定されている。そして、これらの第１および第２コイル２,３を組み合わせることで、基本コイル１の全磁化率が空気にきわめて近い磁化率までコントロールされている。
【００１３】
図２は本発明にかかる核磁気共鳴用サンプルコイルの実施の形態の一例におけるコイルパターンを示す図であり、図３および図４はそれぞれ図２に示すコイルの接続方法を示す図、図５は第１および第２コイル２,３の相対位置の変形例を説明する図、図６および図７はそれぞれ図３および図４に示すコイルの実際の使用状態を模式的に示す図である。
【００１４】
図２に示すように、この例の核磁気共鳴用サンプルコイル４は図１に示す同じ基本コイル１からなり、そのうち１つの基本コイル１が反転されて、互いに対称的に並設されている。そして、核磁気共鳴用サンプルコイル４は、図３（ａ）に示すように２つの基本コイル１が互いに並列に電気的に接続された２ターンのコイルパターンに形成されるか、図４（ａ）に示すように２つの基本コイル１が互いに直列に電気的に接続された２ターンのコイルパターンに形成される。２つの基本コイル１を互いに並列に接続する場合は、図３（ａ）に示すように各基本コイル１の各第１リード２ｂ,３ｂどうしおよび各第２リード２ｃ,３ｃどうしをそれぞれ接続し、また、２つの基本コイル１を互いに直列に接続する場合は、図４（ａ）に示すように一方の基本コイル１の第１リード２ｂと他方の基本コイル１の第２リード２ｃを接続し、同様に一方の基本コイル１の第１リード３ｂと他方の基本コイル１の第２リード３ｃとを接続する。なお、図３（ａ）において、電流供給側のリードどうし、つまり第１コイル２の第１リード２ｂと第２コイル３の第１リード３ｂとが互いに接続され、また、第１コイル２の第１リード２ｂと第２コイル３の第１リード３ｂとが互いに接続されていてもよい。このことは、図４（ａ）に示す例の場合のも同様である。
【００１５】
その場合、図３（ｂ）および図４（ｂ）に○で示すように、第１および第２コイル２,３を反磁性ハンダ、融着あるいは圧接等により接続する接合処理を施してもよい。また、同様にリードどうしも反磁性ハンダ、融着あるいは圧接等により接続する接合処理を施してもよい。各線条材料の接続は、各線条材料の接続を先に円筒形状に整形してから行うようにしてもよいし、各線条材料を円筒形状に整形する前に行うようにしてもよい。また、コイル２,３を円筒形状に整形した場合、これらのコイル２,３は接していてもよいが、図５に示すようにラジアル方向の角度で数度以内であれば離れていてもよい。
【００１６】
実際に、２つの基本コイル１をそれぞれの接続方法で接続して形成された核磁気共鳴用サンプルコイル４を使用する場合は、図６および図７に示すように、各基本コイル１の各円形状のコイル部１ａを円筒状に配置し、それぞれのリードを接続するようにする。
【００１７】
このように構成されたこの例の核磁気共鳴用サンプルコイル４においては、従来と同様に図３ないし図７に矢印で示すように高周波電流で供給されることで、高周波磁場が形成される。このとき、この核磁気共鳴用サンプルコイル４を構成する基本コイル１が反磁性材料からなる第１コイル２と常磁性材料からなる第２コイル３とから構成されて、その全磁化率が空気にきわめて近い磁化率までコントロールされているので、従来のような、各コイルに使用した材料の固有の磁化率によるコイル形状に依存した静磁場歪みの発生が抑制される。同時に、コイル自身がつくる高周波磁場分布も、第１コイルと第２コイルに高周波電流が分配されて流れるため、著しく改善される。したがって、核磁気共鳴装置は高感度で高分解能を実現することが可能となる。
【００１８】
また、基本コイル１が反磁性材料の第１コイル２と常磁性材料の第２コイル３とを単に組み合わせるだけで構成されているので、核磁気共鳴用サンプルコイル４の製造が容易となる。
【００１９】
なお、前述の例では、基本コイル１の第２コイル３を第１コイル２の内側に配置するようにしているが、本発明は、逆に第１コイル２を第２コイル３の内側に配置するようにしてもよい。
また、前述の例では、核磁気共鳴用サンプルコイル４を２ターンコイルで構成するようにしているが、本発明は、これに限定されるものではなく、これ以上複数のターンコイルで構成することもできる。
【００２０】
更に、全磁化率が空気にきわめて近い磁化率までコントロールされると述べたが、この全磁化率は、使用する目的、環境によっては、例えば、窒素気流中あるいは水素気流中あるいは安定化ガス（アルゴン等）気流中あるいは測定者が望む環境等のそれぞれの環境に合致させる磁化率にコントロールしてもよい。
【００２１】
更に、前述の例では、第１および第２コイル２,３を線条の材料で形成するものとしているが、これらのコイル２,３をフィルム状の材料で形成することもできる。その場合は、フィルム状のコイル２,３は、おおむね同じサイズの幅で厚さを個々の固有の磁化率に合わせて調節したものを使い、それを互いに重ね合わせて核磁気共鳴用サンプルコイル４を構成するようにする。
【００２２】
更に、前述の例では、第１および第２コイル２,３に金属材料を用いるものとしているが、前述の原理を満足すれば、少なくとも一方のコイルにレジン等の人造材料等の非金属材料を用いることもできる。この場合、金属に劣らない電気伝導度を保有する材料はコイルとして高周波電流を流すことができる。また、絶縁体であっても、高周波損失の少ない材料であれば、金属製のコイルに融着あるいは圧接して使用することができる。つまり、積層型のプリント基板で構成することも可能である。同様に、導線の被覆を兼ねながら本件目的を達成することも可能である。
【００２３】
更に、前述の例では、基本コイル１に第１および第２コイル２,３の２つのコイルを組み合わせるものとしているが、本発明は、これに限定されるものではなく、第３、第４のコイル等、複数のコイルを組み合わせて基本コイル１を構成することもできる。その場合、常磁性材料および反磁性材料を適宜組み合わせることにより、基本コイル１を構成するようにすればよい。
更に、これらのコイル２,３にともに高周波電流を流すことで説明してきたが、高周波電流は一方のコイルのみに流して、他方のコイルにはまったく流さないでもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の核磁気共鳴用サンプルコイルによれば、核磁気共鳴用サンプルコイルを反磁性材料からなる第１のコイルと常磁性材料からなる第２のコイルとを、これらの第１および第２のコイルのいずれか一方のコイルが第１および第２のコイルのいずれか他方のコイルに空間を置いて寄り添うように別体に並設して、その全磁化率を空気にきわめて近い磁化率までコントロールされているので、静磁場内にあって、従来のような各コイルに使用した材料の固有の磁化率によってコイル形状に依存したコイル自身がつくる静磁場歪みをほとんど解消でき、分解能にとって問題な静磁場の不均一性を抑制できる。
【００２５】
また同時に、従来のようにラジアル方向に配置させられたコイルの各々の線条線分に高周波電流が流れることでつくられる高周波磁場分布は、線分に集中して電流が流れるため、線分に近接するほど高く、各々の線分の間は低く、全体的に見ると、総和としての高周波磁場分布は歪みをかかえていたが、この点でも、本発明はラジアル方向に近接して分配された少なくとも２本以上の線分で基本的な高周波電流路を構成しているため、集中して電流が流れることはなく、あたかも面電流のように流せるため、総和としての高周波磁場分布の歪みを著しく改善でき、感度にとって問題な高周波磁場の不均一性を抑制できる。したがって、高分解能が実現可能な核磁気共鳴装置を得ることができるとともに、核磁気共鳴装置感度を向上させることができる。
【００２６】
また、反磁性材料のコイルと常磁性材料のコイルとを、一方のコイルが他方のコイルに空間を置いて寄り添うように別体に並設するだけで、核磁気共鳴用サンプルコイルを構成しているので、核磁気共鳴用サンプルコイルの製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる核磁気共鳴用サンプルコイルの原理を説明する図である。
【図２】  本発明にかかる核磁気共鳴用サンプルコイルの実施の形態の一例におけるコイルパターンを示す図である。
【図３】  図２に示すコイルの接続方法を示す図である。
【図４】  図２に示すコイルの他の接続方法を示す図である。
【図５】  図２に示す第１および第２コイル２,３の相対位置の変形例を説明する図である。
【図６】  図３に示すコイルの実際の使用状態を模式的に示す図である。
【図７】  図４に示すコイルの実際の使用状態を模式的に示す図である。
【図８】  従来の核磁気共鳴用サンプルコイルの一例を示す図である。
【符号の説明】
１…基本コイル、２…第１コイル、３…第２コイル、４…核磁気共鳴用サンプルコイル
【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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