JP4150825B2

JP4150825B2 - NMR probe

Info

Publication number: JP4150825B2
Application number: JP2003097327A
Authority: JP
Inventors: 秀明前田; 茂之横山; 安見大谷; 政彦高橋; 透栗山
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴スペクトロメータ（NMR）において、試料への高周波パルスの照射、およびNMR信号の検出を行うためのＮＭＲプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気共鳴スペクトロメータ（NMR）において、試料への高周波パルスの照射とNMR信号の検出を行うためのＮＭＲプローブの中にRFコイルとプリアンプを内蔵させ、小型冷凍機で冷却した冷媒ガスでこれらを冷却して熱ノイズを低減させることで、NMR検出感度（SN比）を向上させたＮＭＲプローブは公知となっている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図１０は従来のＮＭＲプローブの構成を示す図である。
【０００４】
冷凍機ユニット３９の圧縮機３７で圧縮されたヘリウムガスを，冷凍機用冷媒配管１６から分岐配管３８により分岐し、これを真空容器１７内のGM冷凍機かスターリング冷凍機などの２段の小型極低温冷凍機１８で冷却してから、断熱配管４０を介してプローブヘッド４１に輸送し、冷却ステージ６に固定されたＲＦコイル２７を１０から２０ケルビンに冷却する。ＲＦコイル２７を冷却後の冷媒ガスは、前記断熱配管４０を介して冷凍機ユニット３９に戻り、熱交換器１９，２０によって圧縮機３７からの冷媒ガスと熱交換される。
【０００５】
一方、小型冷凍機１８の1段ステージ１８ａで冷却した冷媒ガスの他の一部を熱シールド冷却用冷媒配管２２で分岐し、断熱配管４０の断熱シールド２３と冷却ステージ２４に固定されたプリアンプ２５を冷却する。２６は、ＲＦコイル２７からプリアンプ２５を介して外部に導出される計測ケーブルである。
【０００６】
プローブヘッド４１部には、ＲＦコイル発熱、熱輻射、熱伝導などにより、最大約５ワットの発熱や熱入力があるので、小型冷凍機１８としてGM冷凍機かスターリング冷凍機を用いる場合、１５ケルビンから２０ケルビンがＲＦコイル２７の冷却温度の限界である。NMR計測における熱ノイズを更に低減するためには、ＲＦコイル２７をこれより更に低い温度に冷却することが必要である
図９は従来のGM/JT冷凍機ユニットの概略構成を示す図である。
【０００７】
GM/JT冷凍機は公知である。この冷凍機ユニットは、GM/JT冷凍機用コンプレッサユニット１５からの圧縮ヘリウムガスを、JT（ジュール・トムソン）配管２をから小型冷凍機１８としてのGM冷凍機に供給して逆転温度まで予冷する。そして、この予冷ヘリウムガスをJT弁４に導き、このJT弁４によって等エンタルピー膨張して得られる４〜５ケルビンのヘリウムミストの蒸発潜熱により冷却能力を得る冷凍機ユニットであり、この温度領域で5ワット以上の高い冷凍能力を得ることが可能である。
【０００８】
GM冷凍機やスターリング冷凍機を単体で用いた冷凍機ユニットにおいて、４〜５ケルビンの温度領域で必要な冷凍能力が得られない場合は、GM/JT冷凍機が用いられ、既に４〜５ケルビンの温度領域で８ワット以上の冷却能力を持つ冷凍機も製造されている。
【０００９】
【非特許文献１】
山本昭彦、“NMR分光法―ハードウエアの最近の進歩―クライオプローブの現状―”、分析、６,p320-321(2002)
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＲＦコイル２７の発生する熱ノイズは、絶対温度の平方根に比例するので、その温度が低いほど熱ノイズを抑制してNMR感度を向上させることができる。プローブヘッド４１には、コイル発熱、輻射、熱伝導などにより最大５ワットの発熱や熱入力があるので、小型冷凍機１８としてGM冷凍機かスターリング冷凍機を用いた場合は、１５ケルビンから２０ケルビン程度の温度がＲＦコイル２７の冷却の限界であり、それ以下の温度までＲＦコイル２７を安定に冷却することは不可能である。
【００１１】
一方、GM/JT冷凍機による冷凍機ユニットを利用すれば、当該GM/JT冷凍機は４〜５ケルビンの温度領域で大きな冷凍能力を持つので、ＲＦコイル２７をより低い温度に冷却できる。ところが、このGM/JT冷凍機を用いた冷凍機ユニットは、図９で示したように、従来、冷媒をGM冷凍機(18)で予冷した後、JT弁４により該冷媒を大気圧程度に膨張させ、これにより生じた気液混相のミストで近接した冷却ステージ６を冷凍する構成をとっている。そして、ＮＭＲプローブの場合、空間的な制限や磁石の漏れ磁場のために、図１０で示したように、冷凍機ユニット３９をプローブヘッド４１側にある磁石から数ｍ離し、断熱配管４０を介してNMR磁石ボアに設置したプローブヘッド４１を冷却する構成となるので、冷凍機ユニット３９内のJT弁４で大気圧に膨張したヘリウムの気液混相のミストが、断熱配管４０内を数ｍにわたって流れる。このため、断熱配管４０の内面に液滴が付着し、冷媒は液体と気体の２相に分離してしまう。
【００１２】
さらに、ＲＦコイル２７は、プローブヘッド４１におけるNMR磁石の磁場中心に置かれるので、冷媒ガスは磁石下面付近から磁石中心に向かって約１ｍ上方に上るが、この高さに冷媒液を上昇させるには、輸送管の高さに相当するヘッド分圧損が生じ、冷凍効率の低下につながる。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、GM/JT冷凍機を使用した冷凍ユニットと断熱配管とプローブヘッドとからなり、ＲＦコイルやプリアンプを冷却することで熱ノイズの発生を抑制しNMR感度を向上させたＮＭＲプローブにおいて、より高い冷凍効率を実現してＲＦコイルを長時間にわたり安定に維持し、より高いNMR感度を得ることが可能になるＮＭＲプローブを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の請求項１に係るＮＭＲプローブは、ＪＴ冷凍機の冷媒ガスを、断熱配管を介してプローブヘッドに送り、当該プローブヘッド内のＲＦ送受信コイルを極低温に冷却して熱雑音を抑制することで、ＮＭＲ検出感度を向上させたＮＭＲプローブであって、前記ＪＴ冷凍機側に配置された第１のＪＴ（ジュール・トムソン）弁と、前記プローブヘッド側に配置された第２のＪＴ（ジュール・トムソン）弁とを具備し、前記断熱配管における熱シールド板は、前記ＪＴ冷凍機とは別の冷却手段により冷却された循環ガスにより冷却され、前記断熱配管における熱シールド板を冷却している循環ガスを用いて、前記プローブヘッド側のプリアンプを冷却することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、第１ＪＴ弁４での膨張圧力と、第２ＪＴ弁５での膨張圧力を適切に設定して高効率の冷却能力を得ることができるだけでなく、熱シールド板の冷却に加えてプローブヘッド側のプリアンプを冷却する構成としたので、プリアンプのノイズ指数を低減でき、ＮＭＲ感度をさらに向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は本発明の実施形態に係るＮＭＲプローブの構成を示す図である。
【００２０】
ここでは、予冷用小型冷凍機を２段GM冷凍機１８としたGM／JT冷凍機ユニット３９を用いている。
【００２１】
GM／JT冷凍機ユニット３９におけるGM／JT冷凍機用コンプレッサユニット１５のGM冷凍機用コンプレッサ１５ａで圧縮された冷媒ガスは、冷凍機用冷媒配管１６を介して２段GM冷凍機１８に供給される。また、同コンプレッサユニット１５のJT冷凍機用コンプレッサ１で圧縮されたヘリウムガスを、JT配管２を介して真空容器１７内の２段GM冷凍機１８で冷却してから、断熱配管４０を介してプローブヘッド４１に輸送し、冷却ステージ６に固定されたＲＦコイル２７を熱伝導により冷却する。ＲＦコイル２７を冷却後の冷媒ガスは、前記断熱配管４０を介して冷凍機ユニット３９に戻り、熱交換器１９，２０，２１によってJT冷凍機用コンプレッサ１からの冷媒ガスと熱交換される。
【００２２】
一方、２段GM冷凍機１８の1段ステージ１８ａで冷却した冷媒ガスの他の一部を熱シールド冷却用冷媒配管２２で分岐し、断熱配管４０の断熱シールド２３を冷却する。
【００２３】
前記２段GM冷凍機１８では、１段蓄冷材として銅、鉛等、あるいはそれらを積層した材料、２段蓄冷材として鉛、磁性蓄冷材、あるいはそれらを積層した材料が用いられており、１段ステージ１８ａの冷却は５０ケルビン〜１００ケルビン、２段ステージ１８ｂの冷却は４ケルビン〜２０ケルビンである。
【００２４】
JT配管２には、室温〜GM１段ステージ１８ａ間に向流式熱交換器１９、GM１段ステージ１８ａ〜２段ステージ１８ｂ間に向流式熱交換器２０、及びGM２段ステージ１８ｂ〜JT弁（以下「第1JT弁」）４間に向流式熱交換器２１が設けられており、低温側へ向かう冷媒は熱交換１９，２０，２１で段階的に冷却された後、膨張圧力を冷媒の超臨界圧力以上に調整設定した第1JT弁４により等エンタルピー膨張される構成とされる。
【００２５】
このような構成とすることにより、第1JT弁４から吐出した冷媒は超臨界圧ヘリウムの単相流となるので、断熱配管４０部分の長尺の高圧極低温配管７の中を安定に移送できる上、同配管７の内壁との粘性に起因する圧損を低減することができる。
【００２６】
断熱配管４０部分の高圧極低温配管７を通過したヘリウム冷媒は、プローブヘッド４１に配置した第2のJT弁（以下「第2JT弁」）５で再膨張させられる。
【００２７】
図２は前記ＮＭＲプローブの第２JT弁５の付近を抜き出して示す図である。
【００２８】
この第２JT弁５の流量調整は、第２JT弁調整つまみ１０により行われ、この第２JT弁５での膨張圧力は、気液混相の４〜５ケルビンのヘリウムミストが発生する圧力（１気圧以上２気圧未満）に設定される。
【００２９】
第２JT弁５により再膨張されたヘリウム冷媒（ヘリウムミスト）は、配管５ａにより、プローブヘッド４１内に配置されたNMRマグネット２８の中心を通して冷却ステージ６に導き、その内部流路を通過させることで冷却ステージ６を冷却し、これに固定されたＲＦコイル２７を熱伝導により間接的に冷却する。
【００３０】
ここで、冷却ステージ６は、銅やアルミニウムのうよな良熱伝導性の金属を使用しても良いし、サファイアや窒化ボロンなどのような極低温で良熱伝導性の絶縁体を使用しても良い。なお、金属を使用する場合は、NMR信号に与える影響を低減するために、数種類の材料を組み合わせた構造としても良い。
【００３１】
一方、ＲＦコイル２７は、前記冷却ステージ６に直接取り付ける構成としても良いし、サファイアや窒化ボロンのような良熱伝導性の絶縁体を介して冷却ステージ６に取り付ける構成としても良い。
【００３２】
また、冷却ステージ６の内部を貫く冷媒の流路は、ヘリウムミストと冷却ステージ６の熱交換が容易な構造、例えばメッシュ構造かジグザグ流路構造とする。この冷却ステージ６における冷媒流路は、冷媒配管を冷却ステージ６に溶接または接着する構成としても良い。
【００３３】
ここで、冷凍機ユニット３９による冷凍能力が冷却ステージ６に加わる熱量を上回ると、当該冷却ステージ６から出る冷媒は液体になる。この液体が冷却ステージ６からの戻り流路を満たすとその圧力損失が増加し、全体の冷凍効率が低下してしまう。これを防ぐために、冷却ステージ６にはヒータを接着し、ステージ温度を計測して、冷却が発熱を上回る場合には、該ヒータに必要な熱量を供給して、常に冷凍能力と発熱のバランスをとる構成とする。
【００３４】
冷却ステージ６で加熱されたヘリウムガスは、低圧極低温配管８を介してコンプレッサユニット１５のJT冷凍機用コンプレッサ１に戻るが、途中の例えば断熱配管４０部分において、前記高圧極低温配管７を通る冷凍機ユニット３９からの高圧冷媒と熱交換させる（図３参照）。
【００３５】
図３は前記ＮＭＲプローブのJT配管系における熱交換システムの概略構成を示す図である。
【００３６】
前記冷却ステージ６から低圧極低温配管８を介してJT冷凍機用コンプレッサ１に戻るヘリウムガスは、断熱配管４０部分に設けた熱交換器１２、および前記２段GM冷凍機１８に対応させた熱交換器３（１９〜２０）において熱交換させる。
【００３７】
ここで、熱交換器１２，３は、向流熱交換器として、例えば中央の高圧冷媒配管７の周りに戻りの低圧冷媒配管８を螺旋状に配置するような構成とする。
【００３８】
また、断熱配管４０部分に設けた熱交換器１２としては、図４に示すように、チューブ・イン・チューブ方式の熱交換器（１３，１４）として構成してもよい。
【００３９】
図４は前記ＮＭＲプローブの断熱配管４０部分に設けたチューブ・イン・チューブ方式の熱交換器を示す図である。
【００４０】
このチューブ・イン・チューブ方式の熱交換器は、第１JT弁４と第２JT弁５との間の高圧極低温配管７を熱交換器内管１３として配置し、熱交換器内管１３に対して、冷却ステージ１６からの戻りの低圧極低温配管８を熱交換器外管１４として配置した構造である。
【００４１】
このような、チューブ・イン・チューブ方式の熱交換器（１３，１４）にすることで、熱交換効率を向上させると共に、当該低温配管それ自体をコンパクトなものにできる利点がある。
【００４２】
高圧極低温配管７および低圧極低温配管８は、真空容器１７内で真空断熱されているだけでなく、断熱配管４０部分では、当該配管７（１３）および配管８（１４）のまわりに更に熱シールド板２３が設けられ輻射断熱される。この熱シールド板２３は、JT配管２におけるGM冷凍機１８の1段ステージ１８ａの下流から熱シールド冷却用冷媒配管２２により分岐したヘリウムガスにより冷却されている。
【００４３】
なお、本実施形態のＮＭＲプローブにおける冷凍機ユニットの予冷用冷凍機１８としては、２段のGM冷凍機の使用に限定するものではなく、さらに多段のGM冷凍機、多段のスターリング冷凍機、多段のパルスチューブ冷凍機を使用する構成としてもよい。
【００４４】
また、前記第２JT弁５の設置場所については、図1で示した位置に限定されるものではなく、断熱配管４０上のプローブヘッド４１側の末端に取り付ける構成としてもよい。さらに、同第２JT弁５は、図１で示したように、プローブヘッド４１の下部に設置されるだけでなく、プローブヘッド４１の上部、すなわち冷却ステージ６に対する冷媒上流部のステージ近傍に設置する構成としてもよい。
【００４５】
また、本実施形態における断熱配管４０の構成については、図１で示したように、直線状の配管に限定されるのではなく、当該配管４０（７，８）にフレキシブル性を持たせた構成としてもよい。これによれば、ＮＭＲ装置の設置が容易となり、例えばプローブヘッド４１の設置位置とは土台の異なる別の部屋へ冷凍機ユニット３９を設置することも可能となり、設置性、除振性に優れた極低温ＮＭＲプローブユニットとすることができる。
【００４６】
したがって、前記構成の第１実施形態のＮＭＲプローブによれば、GM/JT冷凍機ユニット３９、被冷却体であるＲＦコイル２７が収納されたプローブヘッド４１、両者を繋ぐ断熱配管４０からなるＮＭＲプローブであって、GM/JT冷凍機ユニット３９の第１JT弁４を当該冷凍機ユニット３９内で予冷用GM冷凍機１８の近隣に配し、一方、プローブヘッド４１の被冷却体（ＲＦコイル２７）の上流に第２JT弁５を取り付ける。そして、第１JT弁４の膨張圧力を超臨界圧力以上に設定して冷媒を超臨界圧ヘリウムとしたので、断熱配管４０内での圧力損失を低減できると共に、当該断熱配管４０内での気液分離を防ぐことができる。更に、第２ＪＴ弁５の膨張圧力を超臨界圧力未満になるように設定し、当該第２ＪＴ弁５により気液混相のヘリウムミストを生成するので、このミスト潜熱を利用して被冷却体であるＲＦコイル２７を４〜５ケルビンに冷却することができる。
【００４７】
これにより、GM／JT冷凍機ユニット３９のような予冷式冷凍機ユニットを用いて、効率良く安定にＲＦコイル２７を４〜５ケルビンに冷却でき、従来に比べて熱雑音がより少なく、さらにＮＭＲ感度のよいＮＭＲプローブを実現できる。
【００４８】
また、超予冷式JT冷凍機ユニット（３９）と第２JT弁５を組み合わせることで、冷媒の遠隔輸送が可能になり、NMR磁石磁場が高く、長い断熱配管４０が必要な場合にも、効率を落とさない冷却が可能になる。
【００４９】
また、予冷用冷凍機１８としてGM冷凍機だけでなく、２段のスターリング冷凍機、あるいは２段のパルスチューブ冷凍機など、用途に応じて幅広く冷凍機を選択することができる。
【００５０】
また、断熱配管４０の一部、あるいは全体にフレキシブル性を持たせた構成としたので、ＮＭＲ磁石（２８）を設置した部屋の形状に合わせて断熱配管４０を曲げることができ、当該配管４０の占有する面積を大幅に低減することができる。
【００５１】
また、断熱配管４０部分には、被冷却体（ＲＦコイル２７）を冷却した後の戻りの低圧冷媒との熱交換器１２（１３，１４）を設け、さらに断熱配管４０のまわりには、JT配管２から分岐された冷媒配管２２により冷却された熱シールド板２３を設け、しかも断熱用真空配管としたので、当該断熱配管４０への熱侵入を低減でき、ＲＦコイル２７を冷却するための冷凍効率をより向上することができる。
【００５２】
また、前記構成の第１実施形態のＮＭＲプローブによれば、液体ヘリウムで冷却する場合に必要な液体ヘリウム槽が不要であるだけでなく、冷却ステージ６を極低温で良熱伝導性の絶縁体としてＲＦコイル２７の絶縁耐力を高くすることで、当該ＲＦコイル２７に大きなパワーを供給できる。
【００５３】
（第２実施形態）
図５は前記ＮＭＲプローブの第２実施形態に係る第１JT弁４および第２JT弁５付近の概略構成を示す図である。
【００５４】
本第２実施形態では、前記第１実施形態において説明したように、第１JT弁４と第２JT弁５の両方を流量調整弁とするのではなく、第２JT弁５を固定流量の膨張弁とし、第１JT弁４のみを第１JT弁調整つまみ９による流量調節弁として、冷媒流量の調整を当該第１JT弁４により行う構成とする。
【００５５】
このような構成とすることにより、幾何学的な配置制限の大きいプローブヘッド４１側の第２JT弁５を簡素化することができるので、プローブヘッド４１をコンパクトにすることができる上、冷媒流量の調整は冷凍機ユニット３９側の第１JT弁４のみの調整だけで行うことができる効果がある。
【００５６】
したがって、前記構成の第２実施形態のＮＭＲプローブによれば、冷凍機ユニット３９の第１JT弁４を流量調整が可能な構成とし、プローブヘッド４１側の第２JT弁５を小型の固定オリフィスとして構成したので、全体の冷媒流量や圧力の調整を冷凍機ユニット３９の第１JT弁４の開度だけで制御でき、冷却システムの取り扱いが容易になる。
【００５７】
（第３実施形態）
図６は前記ＮＭＲプローブの第３実施形態に係る断熱配管４０付近の概略構成を示す図である。
【００５８】
本第３実施形態では、断熱配管４０の両端を着脱可能なコネクター１１ａ〜１１ｄにより構成し、各々の端部を冷凍機ユニット３９とプローブヘッド４１に着脱可能にする。
【００５９】
プローブヘッド４１は、NMRマグネット２８から度々着脱を繰り返す必要があるので、このような着脱可能なコネクター１１ａ〜１１ｄを設けた構成にすることにより、ＮＭＲプローブそれ自体の設置や維持が容易になる。
【００６０】
したがって、前記構成の第３実施形態のＮＭＲプローブによれば、ＮＭＲプローブのＮＭＲ磁石（２８）からの着脱の工程を大幅に簡略化できる。
【００６１】
（第４実施形態）
図７は前記ＮＭＲプローブの第４実施形態に係る断熱配管４０付近の概略構成を示す図である。
【００６２】
本第４実施形態では、冷凍機ユニット３９とプローブヘッド４１を結ぶ断熱配管４０に除振台３０を設置し、冷凍機ユニット３９の機械的振動や高圧冷媒の引き起こす配管振動をプローブヘッド４１側に伝えない構成とする。ここで、除振台３０の除振機構としては、単なる重り構成でも良いし、エアダンパ構成でも良い。また、除振台３０の台数は、図７で示すように、１箇所の１台に限定するのではなく、２台以上の複数箇所として設置しても良い。
【００６３】
（第５実施形態）
図８は前記ＮＭＲプローブの第５実施形態の構成を示す図である。
【００６４】
この第５実施形態のＮＭＲプローブでは、前記各実施形態と同様に、小型冷凍機１８の１段ステージ１８ａにより冷却されたヘリウムガスを熱シールド冷却用冷媒配管２２により分岐して断熱配管４０の熱シールド板２３を極低温に冷却するだけでなく、この熱シールド板２３の冷却に加えて、さらに、プローブヘッド４１側のプリアンプ冷却ステージ２４に設置されたプリアンプユニット２５を極低温に冷却する構成とする。
【００６５】
ここで、プリアンプユニット２５は、NMR信号の増幅機構と発信部からアンプを遮蔽するデュプレクサー機構とする。
【００６６】
なお、この場合に、ヘリウムガスを冷却する手段は、小型冷凍機１８の１段ステージ１８ａで冷却する方法に限定されるものではなく、別の小型冷凍機を設置して、これにより冷却する構成としてもよい。
【００６７】
したがって、前記構成の第５実施形態のＮＭＲプローブによれば、断熱配管４０の周辺の熱シールド板２３を冷却している循環ガスを用いて、当該ＮＭＲプローブのプリアンプ２５を冷却する構成としたので、当該プリアンプ２５のノイズ指数を低減でき、ＮＭＲ感度をさらに向上することができる。
【００６８】
なお、本願発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの構成要件が組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１に係るＮＭＲプローブによれば、ＪＴ冷凍機の冷媒ガスを、断熱配管を介してプローブヘッドに送り、当該プローブヘッド内のＲＦ送受信コイルを極低温に冷却して熱雑音を抑制することで、ＮＭＲ検出感度を向上させたＮＭＲプローブであって、前記ＪＴ冷凍機側に配置された第１のＪＴ（ジュール・トムソン）弁と、前記プローブヘッド側に配置された第２のＪＴ（ジュール・トムソン）弁とを備えて構成したので、第１ＪＴ弁４での膨張圧力と、第２ＪＴ弁５での膨張圧力を適切に設定して高効率の冷却能力を得ることができる。
しかも、熱シールド板の冷却に加えてプローブヘッド側のプリアンプを冷却する構成としたので、プリアンプのノイズ指数を低減でき、ＮＭＲ感度をさらに向上することができる。
【００７１】
よって、本発明のＮＭＲプローブによれば、より高い冷凍効率を実現してＲＦコイルを長時間にわたり安定に維持し、より高いNMR感度を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＮＭＲプローブの構成を示す図。
【図２】前記ＮＭＲプローブの第２JT弁５の付近を抜き出して示す図。
【図３】前記ＮＭＲプローブのJT配管系における熱交換システムの概略構成を示す図。
【図４】前記ＮＭＲプローブの断熱配管４０部分に設けたチューブ・イン・チューブ方式の熱交換器を示す図。
【図５】前記ＮＭＲプローブの第２実施形態に係る第１JT弁４および第２JT弁５付近の概略構成を示す図。
【図６】前記ＮＭＲプローブの第３実施形態に係る断熱配管４０付近の概略構成を示す図。
【図７】前記ＮＭＲプローブの第４実施形態に係る断熱配管４０付近の概略構成を示す図。
【図８】前記ＮＭＲプローブの第５実施形態の構成を示す図。
【図９】従来のGM/JT冷凍機ユニットの概略構成を示す図。
【図１０】従来のＮＭＲプローブの構成を示す図。
【符号の説明】
１…JT冷凍機用コンプレッサ、２…JT配管、３…熱交換器、４…第１JT弁、
５…第２JT弁、６…冷却ステージ、７…高圧（中間圧）極低温配管、
８…低圧極低温配管、９…第１JT弁調整つまみ、１０…第２JT弁調整つまみ、
１１ａ〜１１ｄ…着脱コネクター、１２…熱交換器、
１３…チューブ・イン・チューブ熱交換器内管、
１４…チューブ・イン・チューブ熱交換器外管、
１５…GM/JT冷凍機用コンプレッサユニット、１６…GM冷凍機用冷媒配管、
１７…真空容器、１８…GM冷凍機、１９…JT用第１向流式熱交換器、
２０…JT用第２向流式熱交換器、２１…JT用第３向流式熱交換器、
２２…熱シールド冷却用冷媒配管、２３…熱シールド板、
２４…プリアンプ冷却ステージ、２５…プリアンプ、２６…計測ケーブル、
２７…ＲＦコイル、２８…NMRマグネット、３０…除振台、
３９…GM/JT冷凍機ユニット、４０…断熱配管、４１…プローブヘッド。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an NMR probe for irradiating a sample with a high frequency pulse and detecting an NMR signal in a magnetic resonance spectrometer (NMR).
[0002]
[Prior art]
In a magnetic resonance spectrometer (NMR), an RF coil and a preamplifier are built in an NMR probe for irradiating a sample with high frequency pulses and detecting an NMR signal, and these are cooled by a refrigerant gas cooled by a small refrigerator. Thus, NMR probes with improved NMR detection sensitivity (S / N ratio) by reducing thermal noise are known (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0003]
FIG. 10 shows the structure of a conventional NMR probe.
[0004]
The helium gas compressed by the compressor 37 of the refrigerator unit 39 is branched from the refrigerant pipe 16 for the refrigerator by a branch pipe 38, and this is divided into two stages such as a GM refrigerator or a Stirling refrigerator in the vacuum vessel 17. After being cooled by the cryogenic refrigerator 18, it is transported to the probe head 41 through the heat insulation pipe 40, and the RF coil 27 fixed to the cooling stage 6 is cooled to 10 to 20 Kelvin. The refrigerant gas after cooling the RF coil 27 returns to the refrigerator unit 39 via the heat insulating pipe 40 and is heat-exchanged with the refrigerant gas from the compressor 37 by the heat exchangers 19 and 20.
[0005]
On the other hand, another part of the refrigerant gas cooled by the first stage 18 a of the small refrigerator 18 is branched by the heat shield cooling refrigerant pipe 22 and fixed to the heat shield 23 of the heat insulation pipe 40 and the cooling stage 24. Cool down. A measurement cable 26 is led out from the RF coil 27 via the preamplifier 25.
[0006]
Since the probe head 41 has heat generation and heat input of about 5 watts at maximum due to RF coil heat generation, heat radiation, heat conduction, etc., if a GM refrigerator or a Stirling refrigerator is used as the small refrigerator 18, 15 Kelvin 20 Kelvin is the limit of the cooling temperature of the RF coil 27. In order to further reduce the thermal noise in the NMR measurement, it is necessary to cool the RF coil 27 to a temperature lower than this. FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional GM / JT refrigerator unit.
[0007]
GM / JT refrigerators are known. In this refrigerator unit, the compressed helium gas from the compressor unit 15 for the GM / JT refrigerator is supplied from the JT (Joule Thomson) pipe 2 to the GM refrigerator as the small refrigerator 18 and precooled to the reverse temperature. . And this precooled helium gas is led to the JT valve 4, and is a refrigerator unit which obtains cooling capacity by the latent heat of vaporization of 4-5 Kelvin helium mist obtained by isoenthalpy expansion by this JT valve 4. It is possible to obtain a high freezing capacity of 5 watts or more.
[0008]
If a refrigeration unit using a GM refrigerator or a Stirling refrigerator alone does not provide the required refrigeration capacity in the temperature range of 4 to 5 Kelvin, a GM / JT refrigerator is already used. Refrigerators with a cooling capacity of 8 watts or more in the temperature range are also manufactured.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Akihiko Yamamoto, "NMR Spectroscopy-Recent Advances in Hardware-Current Status of Cryoprobe", Analysis, 6, p320-321 (2002)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Since the thermal noise generated by the RF coil 27 is proportional to the square root of the absolute temperature, the lower the temperature, the more the thermal noise can be suppressed and the NMR sensitivity can be improved. Since the probe head 41 has a heat generation and heat input of up to 5 watts due to coil heat generation, radiation, heat conduction, etc., when a GM refrigerator or a Stirling refrigerator is used as the small refrigerator 18, 15 to 20 Kelvin This temperature is the limit for cooling the RF coil 27, and it is impossible to stably cool the RF coil 27 to a temperature lower than that.
[0011]
On the other hand, if a refrigeration unit using a GM / JT refrigerator is used, the GM / JT refrigerator has a large refrigerating capacity in the temperature range of 4 to 5 Kelvin, so that the RF coil 27 can be cooled to a lower temperature. However, in the refrigerator unit using the GM / JT refrigerator, as shown in FIG. 9, conventionally, after the refrigerant is precooled by the GM refrigerator (18), the refrigerant is brought to about atmospheric pressure by the JT valve 4. The configuration is such that the cooling stage 6 which is expanded and frozen by the gas-liquid mixed phase mist generated thereby is frozen. In the case of the NMR probe, due to space limitations and magnet leakage magnetic field, the refrigerator unit 39 is separated from the magnet on the probe head 41 side by several meters as shown in FIG. Since the probe head 41 installed in the NMR magnet bore is cooled, the gas-liquid mixed phase mist of helium expanded to the atmospheric pressure by the JT valve 4 in the refrigerator unit 39 passes through the heat insulation pipe 40 over several meters. Flowing. For this reason, droplets adhere to the inner surface of the heat insulating pipe 40, and the refrigerant is separated into two phases of liquid and gas.
[0012]
Further, since the RF coil 27 is placed at the magnetic field center of the NMR magnet in the probe head 41, the refrigerant gas rises about 1 m from the vicinity of the lower surface of the magnet toward the center of the magnet. Causes a partial pressure loss of the head corresponding to the height of the transport pipe, leading to a decrease in refrigeration efficiency.
[0013]
The present invention has been made in view of such problems, and includes a refrigeration unit using a GM / JT refrigerator, a heat insulating pipe, and a probe head, and suppresses generation of thermal noise by cooling an RF coil and a preamplifier. It is an object of the present invention to provide an NMR probe that can achieve higher NMR sensitivity by realizing higher refrigeration efficiency and maintaining an RF coil stably for a long time in an NMR probe with improved NMR sensitivity. To do.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
That is, the NMR probe according to claim 1 of the present invention sends the refrigerant gas of the JT refrigerator to the probe head via the heat insulation pipe, cools the RF transmitting / receiving coil in the probe head to a cryogenic temperature, and generates thermal noise. An NMR probe with improved NMR detection sensitivity by suppressing a first JT (Joule Thomson) valve arranged on the JT refrigerator side and a second JT arranged on the probe head side A heat shield plate in the heat insulation pipe is cooled by a circulating gas cooled by a cooling means different from the JT refrigerator, and the heat shield plate in the heat insulation pipe is cooled. The preamplifier on the probe head side is cooled using the circulating gas .
[0015]
According to this , not only can the expansion pressure in the first JT valve 4 and the expansion pressure in the second JT valve 5 be appropriately set to obtain a highly efficient cooling capacity , but also in addition to the cooling of the heat shield plate. Since the preamplifier on the probe head side is cooled, the noise figure of the preamplifier can be reduced and the NMR sensitivity can be further improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an NMR probe according to an embodiment of the present invention.
[0020]
Here, a GM / JT refrigerator unit 39 in which a small precooler refrigerator is a two-stage GM refrigerator 18 is used.
[0021]
The refrigerant gas compressed by the GM refrigerator compressor 15a of the GM / JT refrigerator compressor unit 15 in the GM / JT refrigerator unit 39 is supplied to the two-stage GM refrigerator 18 through the refrigerator refrigerant pipe 16. The Further, the helium gas compressed by the JT refrigerator compressor 1 of the compressor unit 15 is cooled by the two-stage GM refrigerator 18 in the vacuum vessel 17 via the JT pipe 2 and then passed through the heat insulation pipe 40. The RF coil 27 transported to the probe head 41 and fixed to the cooling stage 6 is cooled by heat conduction. The refrigerant gas after cooling the RF coil 27 returns to the refrigerator unit 39 through the heat insulating pipe 40 and is heat-exchanged with the refrigerant gas from the JT refrigerator compressor 1 by the heat exchangers 19, 20, and 21.
[0022]
On the other hand, another part of the refrigerant gas cooled by the first stage 18a of the two-stage GM refrigerator 18 is branched by the heat shield cooling refrigerant pipe 22, and the heat insulation shield 23 of the heat insulation pipe 40 is cooled.
[0023]
The two-stage GM refrigerator 18 uses copper, lead, etc. as a first-stage regenerator, or a material obtained by laminating them, and lead, magnetic regenerator, or a material obtained by laminating them as a second-stage regenerator. The cooling of the stage 18a is 50 Kelvin to 100 Kelvin, and the cooling of the second stage 18b is 4 Kelvin to 20 Kelvin.
[0024]
The JT pipe 2 includes a countercurrent heat exchanger 19 between room temperature and the GM first stage 18a, a countercurrent heat exchanger 20 between the GM first stage 18a and the second stage 18b, and a GM second stage 18b to JT valve ( (Hereinafter referred to as “first JT valve”) 4 is provided with a counter-current heat exchanger 21, and the refrigerant going to the low temperature side is cooled in stages by heat exchange 19, 20, 21, and then the expansion pressure is reduced. The first JT valve 4 adjusted and set to a supercritical pressure or more is configured to have an isentropic expansion.
[0025]
By adopting such a configuration, the refrigerant discharged from the first JT valve 4 becomes a single-phase flow of supercritical pressure helium, so that it can be stably transferred through the long high-pressure cryogenic pipe 7 in the heat-insulating pipe 40 portion. In addition, the pressure loss due to the viscosity with the inner wall of the pipe 7 can be reduced.
[0026]
The helium refrigerant that has passed through the high pressure cryogenic pipe 7 in the heat insulating pipe 40 is re-expanded by a second JT valve (hereinafter referred to as “second JT valve”) 5 disposed in the probe head 41.
[0027]
FIG. 2 is a view showing the vicinity of the second JT valve 5 of the NMR probe.
[0028]
The flow rate of the second JT valve 5 is adjusted by a second JT valve adjustment knob 10, and the expansion pressure at the second JT valve 5 is a pressure (1 atm or more) generated by gas-liquid mixed phase 4-5 Kelvin helium mist. Less than 2 atm).
[0029]
The helium refrigerant (helium mist) re-expanded by the second JT valve 5 is guided to the cooling stage 6 through the center of the NMR magnet 28 arranged in the probe head 41 by the pipe 5a and passed through the internal flow path. The cooling stage 6 is cooled, and the RF coil 27 fixed thereto is indirectly cooled by heat conduction.
[0030]
Here, the cooling stage 6 may use a metal having a good heat conductivity such as copper or aluminum, or an insulator having a good heat conductivity at a very low temperature such as sapphire or boron nitride. May be. In addition, when using a metal, in order to reduce the influence which it has on an NMR signal, it is good also as a structure which combined several types of materials.
[0031]
On the other hand, the RF coil 27 may be directly attached to the cooling stage 6 or may be attached to the cooling stage 6 through an insulator having good thermal conductivity such as sapphire or boron nitride.
[0032]
In addition, the refrigerant flow path that penetrates the inside of the cooling stage 6 has a structure in which heat exchange between the helium mist and the cooling stage 6 is easy, for example, a mesh structure or a zigzag flow path structure. The refrigerant flow path in the cooling stage 6 may be configured to weld or bond the refrigerant pipe to the cooling stage 6.
[0033]
Here, when the refrigerating capacity of the refrigerator unit 39 exceeds the amount of heat applied to the cooling stage 6, the refrigerant coming out of the cooling stage 6 becomes liquid. When this liquid fills the return flow path from the cooling stage 6, the pressure loss increases, and the overall refrigeration efficiency decreases. In order to prevent this, a heater is bonded to the cooling stage 6, the stage temperature is measured, and if the cooling exceeds the heat generation, the necessary amount of heat is supplied to the heater to always balance the refrigerating capacity and the heat generation. It is set as the structure to take.
[0034]
The helium gas heated in the cooling stage 6 returns to the JT refrigerator compressor 1 of the compressor unit 15 via the low-pressure cryogenic pipe 8, but passes through the high-pressure cryogenic pipe 7 in the middle of the adiabatic pipe 40, for example. Heat exchange is performed with the high-pressure refrigerant from the refrigerator unit 39 (see FIG. 3).
[0035]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a heat exchange system in the JT piping system of the NMR probe.
[0036]
The helium gas returning from the cooling stage 6 to the JT refrigerator compressor 1 through the low pressure cryogenic pipe 8 is heat corresponding to the heat exchanger 12 provided in the heat insulating pipe 40 and the two-stage GM refrigerator 18. Heat is exchanged in the exchanger 3 (19 to 20).
[0037]
Here, the heat exchangers 12 and 3 are configured such that, for example, a low-pressure refrigerant pipe 8 that is returned around the central high-pressure refrigerant pipe 7 is spirally arranged as a countercurrent heat exchanger.
[0038]
Moreover, as shown in FIG. 4, as the heat exchanger 12 provided in the heat insulation piping 40 part, you may comprise as a tube-in-tube type heat exchanger (13,14).
[0039]
FIG. 4 is a view showing a tube-in-tube type heat exchanger provided in the heat insulating piping 40 of the NMR probe.
[0040]
In this tube-in-tube heat exchanger, the high-pressure cryogenic pipe 7 between the first JT valve 4 and the second JT valve 5 is arranged as a heat exchanger inner pipe 13, and the heat exchanger inner pipe 13 is Thus, the return low pressure cryogenic pipe 8 from the cooling stage 16 is arranged as the heat exchanger outer pipe 14.
[0041]
By using such a tube-in-tube heat exchanger (13, 14), there is an advantage that the heat exchange efficiency can be improved and the low-temperature pipe itself can be made compact.
[0042]
The high-pressure cryogenic pipe 7 and the low-pressure cryogenic pipe 8 are not only thermally insulated in the vacuum vessel 17, but in the insulated pipe 40, heat is further generated around the pipe 7 (13) and the pipe 8 (14). A shield plate 23 is provided for radiation insulation. The heat shield plate 23 is cooled by helium gas branched from the downstream of the first stage 18a of the GM refrigerator 18 in the JT pipe 2 by the heat shield cooling refrigerant pipe 22.
[0043]
The precooling refrigerator 18 of the refrigerator unit in the NMR probe of the present embodiment is not limited to the use of a two-stage GM refrigerator, and further includes a multistage GM refrigerator, a multistage Stirling refrigerator, a multistage The pulse tube refrigerator may be used.
[0044]
Further, the installation location of the second JT valve 5 is not limited to the position shown in FIG. 1, and may be configured to be attached to the end of the probe head 41 on the heat insulating pipe 40. Further, as shown in FIG. 1, the second JT valve 5 is installed not only at the lower part of the probe head 41 but also at the upper part of the probe head 41, that is, near the stage upstream of the refrigerant with respect to the cooling stage 6. It is good also as a structure.
[0045]
Moreover, about the structure of the heat insulation piping 40 in this embodiment, as shown in FIG. 1, it is not limited to linear piping, The structure which gave the said piping 40 (7, 8) flexibility. It is good. According to this, installation of the NMR apparatus is facilitated, and for example, the refrigerator unit 39 can be installed in another room having a different base from the installation position of the probe head 41, which is excellent in installability and vibration isolation. It can be a cryogenic NMR probe unit.
[0046]
Therefore, according to the NMR probe of the first embodiment having the above-described configuration, the NMR probe comprising the GM / JT refrigerator unit 39, the probe head 41 in which the RF coil 27 that is the object to be cooled is housed, and the heat insulating pipe 40 that connects the two. The first JT valve 4 of the GM / JT refrigerator unit 39 is disposed in the vicinity of the precooling GM refrigerator 18 in the refrigerator unit 39, while the object to be cooled (RF coil 27) of the probe head 41 is provided. A second JT valve 5 is installed upstream of the first. And since the expansion pressure of the 1st JT valve 4 was set more than the supercritical pressure and the refrigerant | coolant was supercritical pressure helium, while being able to reduce the pressure loss in the heat insulation piping 40, the gas-liquid in the said heat insulation piping 40 is included. Separation can be prevented. Furthermore, the expansion pressure of the second JT valve 5 is set to be less than the supercritical pressure, and the second JT valve 5 generates a gas-liquid mixed phase helium mist. The RF coil 27 can be cooled to 4-5 Kelvin.
[0047]
As a result, the RF coil 27 can be efficiently and stably cooled to 4 to 5 Kelvin using a precooling refrigerator unit such as the GM / JT refrigerator unit 39, and there is less thermal noise than in the past, and NMR A highly sensitive NMR probe can be realized.
[0048]
In addition, the combination of the ultra-precooled JT refrigerator unit (39) and the second JT valve 5 enables remote transport of the refrigerant, and the efficiency is improved even when the NMR magnet field is high and a long insulated pipe 40 is required. Cooling without dropping is possible.
[0049]
Further, as the precooling refrigerator 18, not only a GM refrigerator but also a two-stage Stirling refrigerator or a two-stage pulse tube refrigerator can be selected from a wide range of refrigerators depending on the application.
[0050]
Moreover, since it was set as the structure which gave flexibility to a part or whole of the heat insulation piping 40, the heat insulation piping 40 can be bent according to the shape of the room in which the NMR magnet (28) was installed, The occupied area can be greatly reduced.
[0051]
The heat insulation pipe 40 is provided with a heat exchanger 12 (13, 14) for returning low-pressure refrigerant after the object to be cooled (RF coil 27) is cooled. Since the heat shield plate 23 cooled by the refrigerant pipe 22 branched from the pipe 2 is provided and the heat insulating vacuum pipe is used, the heat intrusion into the heat insulating pipe 40 can be reduced, and the refrigeration for cooling the RF coil 27 is performed. Efficiency can be further improved.
[0052]
In addition, according to the NMR probe of the first embodiment having the above-described configuration, not only a liquid helium bath that is necessary for cooling with liquid helium is required, but also the cooling stage 6 is made of a highly heat-conductive insulator at an extremely low temperature. By increasing the dielectric strength of the RF coil 27, a large power can be supplied to the RF coil 27.
[0053]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of the first JT valve 4 and the second JT valve 5 according to the second embodiment of the NMR probe.
[0054]
In the second embodiment, as described in the first embodiment, both the first JT valve 4 and the second JT valve 5 are not flow rate adjusting valves, but the second JT valve 5 is a fixed flow rate expansion valve. Only the first JT valve 4 is used as a flow rate adjusting valve by the first JT valve adjusting knob 9, and the refrigerant flow rate is adjusted by the first JT valve 4.
[0055]
By adopting such a configuration, the second JT valve 5 on the probe head 41 side having a large geometrical restriction can be simplified, so that the probe head 41 can be made compact and the refrigerant flow rate can be reduced. The adjustment can be performed by adjusting only the first JT valve 4 on the refrigerator unit 39 side.
[0056]
Therefore, according to the NMR probe of the second embodiment configured as described above, the first JT valve 4 of the refrigerator unit 39 is configured to be capable of flow rate adjustment, and the second JT valve 5 on the probe head 41 side is configured as a small fixed orifice. Therefore, the overall refrigerant flow rate and pressure adjustment can be controlled only by the opening degree of the first JT valve 4 of the refrigerator unit 39, and the handling of the cooling system becomes easy.
[0057]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of the heat insulation pipe 40 according to the third embodiment of the NMR probe.
[0058]
In the third embodiment, both ends of the heat insulation pipe 40 are configured by detachable connectors 11a to 11d, and each end is detachable from the refrigerator unit 39 and the probe head 41.
[0059]
Since the probe head 41 needs to be repeatedly attached and detached from the NMR magnet 28, installation and maintenance of the NMR probe itself can be facilitated by providing such a detachable connector 11a to 11d.
[0060]
Therefore, according to the NMR probe of the third embodiment configured as described above, the process of attaching and detaching the NMR probe from the NMR magnet (28) can be greatly simplified.
[0061]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of the heat insulation pipe 40 according to the fourth embodiment of the NMR probe.
[0062]
In the fourth embodiment, the vibration isolation table 30 is installed in the heat insulating pipe 40 connecting the refrigerator unit 39 and the probe head 41, and mechanical vibration of the refrigerator unit 39 and pipe vibration caused by the high-pressure refrigerant are caused on the probe head 41 side. A structure that does not convey. Here, the vibration isolation mechanism of the vibration isolation table 30 may have a simple weight configuration or an air damper configuration. Further, as shown in FIG. 7, the number of vibration isolation tables 30 is not limited to one, but may be set as two or more locations.
[0063]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the NMR probe.
[0064]
In the NMR probe of the fifth embodiment, the helium gas cooled by the first stage 18a of the small refrigerator 18 is branched by the heat shield cooling refrigerant pipe 22 and the heat of the heat insulating pipe 40 is the same as in the above embodiments. In addition to cooling the shield plate 23 to a cryogenic temperature, in addition to cooling the heat shield plate 23, the preamplifier unit 25 installed on the preamplifier cooling stage 24 on the probe head 41 side is further cooled to a cryogenic temperature. To do.
[0065]
Here, the preamplifier unit 25 is an NMR signal amplification mechanism and a duplexer mechanism that shields the amplifier from the transmitter.
[0066]
In this case, the means for cooling the helium gas is not limited to the method of cooling by the first stage 18a of the small refrigerator 18, and another small refrigerator is installed and cooled by this. It is good.
[0067]
Therefore, according to the NMR probe of the fifth embodiment having the above configuration, the preamplifier 25 of the NMR probe is cooled using the circulating gas that cools the heat shield plate 23 around the heat insulating pipe 40. The noise index of the preamplifier 25 can be reduced, and the NMR sensitivity can be further improved.
[0068]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. Further, each of the embodiments includes inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in each embodiment or some constituent features are combined, the problems described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved. When the effects described in the column of the effect of the invention can be obtained, a configuration in which these constituent elements are deleted or combined can be extracted as an invention.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the NMR probe of the first aspect of the present invention, the refrigerant gas of the JT refrigerator is sent to the probe head via the heat insulation pipe, and the RF transmission / reception coil in the probe head is cooled to a cryogenic temperature. An NMR probe with improved NMR detection sensitivity by suppressing thermal noise, the first JT (Joule Thomson) valve arranged on the JT refrigerator side, and the probe head side Therefore, the expansion pressure in the first JT valve 4 and the expansion pressure in the second JT valve 5 are appropriately set to provide a highly efficient cooling capacity. Obtainable.
Moreover, since the preamplifier on the probe head side is cooled in addition to the cooling of the heat shield plate, the noise figure of the preamplifier can be reduced and the NMR sensitivity can be further improved.
[0071]
Therefore, according to the NMR probe of the present invention, higher refrigeration efficiency can be realized, the RF coil can be stably maintained for a long time, and higher NMR sensitivity can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an NMR probe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing the vicinity of a second JT valve 5 of the NMR probe.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a heat exchange system in a JT piping system of the NMR probe.
FIG. 4 is a view showing a tube-in-tube type heat exchanger provided in the heat insulating piping 40 of the NMR probe.
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of a first JT valve 4 and a second JT valve 5 according to a second embodiment of the NMR probe.
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of a heat insulating pipe 40 according to a third embodiment of the NMR probe.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration in the vicinity of a heat insulating pipe 40 according to a fourth embodiment of the NMR probe.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a fifth embodiment of the NMR probe.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional GM / JT refrigerator unit.
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a conventional NMR probe.
[Explanation of symbols]
1 ... JT refrigerator compressor, 2 ... JT piping, 3 ... Heat exchanger, 4 ... 1st JT valve,
5 ... 2nd JT valve, 6 ... Cooling stage, 7 ... High pressure (intermediate pressure) cryogenic piping,
8 ... Low pressure cryogenic piping, 9 ... First JT valve adjustment knob, 10 ... Second JT valve adjustment knob,
11a to 11d ... Detachable connector, 12 ... Heat exchanger,
13 ... Tube-in-tube heat exchanger inner tube,
14 ... Tube-in-tube heat exchanger outer tube,
15 ... Compressor unit for GM / JT refrigerator, 16 ... Refrigerant piping for GM refrigerator,
17 ... Vacuum container, 18 ... GM refrigerator, 19 ... First counter-current heat exchanger for JT,
20 ... JT second countercurrent heat exchanger, 21 ... JT third countercurrent heat exchanger,
22 ... Refrigerant piping for heat shield cooling, 23 ... Heat shield plate,
24 ... Preamplifier cooling stage, 25 ... Preamplifier, 26 ... Measurement cable,
27 ... RF coil, 28 ... NMR magnet, 30 ... vibration isolation table,
39 ... GM / JT refrigerator unit, 40 ... heat insulation piping, 41 ... probe head.

Claims

An NMR probe that improves the NMR detection sensitivity by sending the refrigerant gas of the JT refrigerator to the probe head through the heat insulation pipe and cooling the RF transmitter / receiver coil in the probe head to an extremely low temperature to suppress thermal noise. Because
A first JT (Joule Thomson) valve disposed on the JT refrigerator side;
A second JT (Joule Thomson) valve disposed on the probe head side ,
The heat shield plate in the heat insulation pipe is cooled by a circulating gas cooled by a cooling means different from the JT refrigerator,
An NMR probe characterized in that the preamplifier on the probe head side is cooled using a circulating gas that cools a heat shield plate in the heat insulating pipe .

2. The NMR probe according to claim 1 , wherein a two-stage GM refrigerator, a two-stage Stirling refrigerator, or a two-stage pulse tube refrigerator is used as a precooling refrigerator of the JT refrigerator.