JP2004029004A

JP2004029004A - Superconducting magnet for NMR device and NMR device

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Publication number: JP2004029004A
Application number: JP2003120226A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kadokawa; 角川　　滋; Michiya Okada; 岡田　道哉; Katsuzo Aihara; 相原　勝蔵; Yutaka Morita; 森田　　裕; Takeshi Wakuta; 和久田　毅
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP4034223B2

Abstract

【課題】溶液分析用高感度ＮＭＲ装置用スプリット型マグネットにおいて，サンプルを計測するマグネット中央部に非常に均一な磁場を発生する方向を提供。
【解決手段】所定の間隔を有して対向配置され、かつ、中心軸に関してほぼ同軸な第１および第２の多層コイル群からなり、各多層コイル群の各層は少なくとも１つのコイルから構成されているＮＭＲ装置用マグネット装置において、マグネット装置中央付近にＮＭＲ計測をするための主磁場を発生するためのコイルの通電方向をプラス方向の電流としたとき、該第１および該第２の多層コイル群の各最内層を構成するコイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向をマイナス方向にする。
【選択図】　図１An object of the present invention is to provide a direction for generating a very uniform magnetic field in the center of a magnet for measuring a sample in a split type magnet for a high sensitivity NMR apparatus for solution analysis.
The first and second multilayer coil groups are opposed to each other at a predetermined interval, and are substantially coaxial with respect to a central axis. Each layer of each multilayer coil group includes at least one coil. In the magnet device for an NMR device, when the energizing direction of a coil for generating a main magnetic field for performing NMR measurement near the center of the magnet device is a positive current, the first and second multilayer coil groups are used. Of at least one of the coils constituting each innermost layer is set to the minus direction.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴を利用した有機物の分析方法は、近年急速な進歩を遂げつつある。特に、強力な超電導磁石技術と組み合わされることによって、複雑な分子構造をもつタンパク質などの有機化合物を原子レベルで効率よく構造解析することが可能になってきた。
【０００３】
本発明は、物質の原子レベルの構造と相互作用を解析するためのＮＭＲ装置に関し、特に微量のタンパク質を溶解した水溶液中のタンパク質分子の原子レベルの構造と相互作用を解析する場合に適するものである。なお本発明のＮＭＲ装置は、いわゆるミリメートル級の画像分解能を必要とする人体の断層撮影を目的とした医療用ＭＲＩ画像診断装置に比べ、磁場強度で１桁以上高く、磁場均一度は４桁、安定度についても３桁高い性能が要求され、全く異なる設計技術、装置製作技術が要求される特殊なエネルギー分光装置である。
【０００４】
従来の高分解能核磁気共鳴分析装置に関する詳細は下記非特許文献１に記載されている。そしてＮＭＲ装置をタンパク質の解析に利用する場合の典型的な装置構成に関連する最近の技術のうち、超伝導磁石に関する技術としては下記特許文献１があり、信号検出技術に関連する技術としては下記特許文献２乃至４がある。これらの報告によれば、従来のタンパク質解析用の高感度な核磁気共鳴分析装置は、全て鉛直方向に主磁場を発生するソレノイドコイルの組み合わせによって構成された超電導磁石装置を用い、４００〜９００ＭＨｚの電磁波を試料に照射し、試料から発せられる共鳴波を鞍形または鳥籠型の検出コイルを利用して検出している。特に、下記特許文献２では、ＮＭＲ信号の受信時の熱ノイズを低減すべく、低温に冷却された検出器を利用し、Ｓ／Ｎ比を改善する技術についての記載が有る。
【０００５】
歴史的にみて高感度なＮＭＲ装置は、アンテナおよび磁石装置等のシステムの基本構成に改良を加えるのではなく、超電導磁石により発生する中心磁場の強度を高めることによって感度向上を果たしてきた。溶液を用いたタンパク質の解析において、中心磁場強度の向上は、感度の向上と、化学シフトの分離を明確にする効果があるためである。一方、現在迄に報告されているＮＭＲ測定の感度の最高値は９００ＭＨｚのＮＭＲ装置により得られているが、その具体的な構成は図８に示されるようなものである。図８に例示したＮＭＲ装置について説明する。図８のＮＭＲ装置は、ＮＭＲ装置の設置面に対して垂直な方向の軸を中心として同心に配置された複数の超電導コイルを有して構成されている。なお上記最高の感度をもつ９００ＭＨｚのＮＭＲ装置は中心磁場２１．１Ｔ（テスラ）の大型超電導磁石装置を利用しているが、装置の基本構成は従来の構成と何ら変わっていない。また、理解のしやすさのため超電導コイル部分のみの断面斜視図を仮想的な中心軸とともに図９に示す。図９のＮＭＲ装置において、超電導磁石装置において発生する磁場は上記仮想的な中心軸に沿った方向である。
【０００６】
中心磁場の強度向上を図る一方で、検出コイルの形状によって感度を向上する技術についても検討が加えられており、下記非特許文献１の３２６頁に記載がある。下記非特許文献１では検出コイルとしてのソレノイドコイルが、鞍形や鳥籠型に比較して様々な利点を有していることを開示している。この利点としては、インピーダンスのコントロール容易性、フィリングファクタ、ＲＦ磁場の効率などの点が挙げられている。
【０００７】
しかしながら、従来の超電導磁石の構成では、タンパク質を水溶液中に溶解させて計測する場合、磁場に対して垂直に置かれたサンプル管の周りにソレノイドコイルを巻くことは実際には不可能であり、一般には利用されない。極めて例外的に利用される場合があるが、その場合、特別にデザインしたミクロサンプル管を利用して、かつ特別のプローブを用いて計測する。なお特殊な例として、下記文献５では、高温超電導のバルク磁石を水平方向に着磁し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する技術が記載されており、また下記特許文献６では、装置の天井高さの制約を取り除くための一般的なＮＭＲ用途に適した超電導磁石と冷却容器の構成方法を開示している。
【０００８】
【非特許文献１】
荒田洋冶著、「タンパク質のＮＭＲ」、共立出版、１９９６年
【特許文献１】
特開２０００−１４７０８２号公報
【特許文献２】
米国特許第６１２１７７６号明細書
【特許文献３】
特開２０００−２６６８３０号公報
【特許文献４】
特開平６−２６３７９１２号公報
【特許文献５】
特開平１１−２４８８１０号公報
【特許文献６】
特開平７−２４３４１０号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特に近年タンパク質の研究に対するニーズの高まり、タンパク質の水への溶解度が小さい試料の分析ニーズが高まり、ＮＭＲの測定感度を向上させる必要が生じている。このようなニーズに核磁気共鳴分析装置を適合させるには、従来同等の試料空間を維持したまま、測定感度の向上をはかる必要があるとともに、長時間のデータ積分時間中での超伝導磁場の安定性の確保も必須である。測定感度の向上は、同程度の溶解度の試料であれば、測定時間の短縮ばかりでなく、サンプル量の低減が可能になる利点が特に大きく、溶解度の小さなタンパク質の解析が可能になる効果がある。従い、タンパク質の解析に用いられるＮＭＲ分析装置は、従来のＮＭＲと比較して特段に優れた検出感度と安定性が要求されるほか、１週間以上の長時間にわたる正確で、かつ、安定的なＮＭＲシグナルの検出が必要となる。これは計測中に磁場が変動すると、ＮＭＲシグナルのピークが移動してしまうためであり、特に相互作用の計測では、ピークの移動が、相互作用によるものか、或いは、磁場の不安定性に起因するものか、判別ができなくなるためである。
【００１０】
また、磁場が不均一であれば、所望のピークが重なってしまい、相互作用の判別が困難になるなどの問題を生じる。よって、タンパク質の様々な解析を目的とした今後のＮＭＲ技術は、従来の一般的なＮＭＲ装置の単純な延長上にはない新たな技術開発が必要であることにまず留意しておく必要がある。
【００１１】
ここで例をあげて説明すると、一般的なＮＭＲ装置の磁場均一度の仕様は、試料空間で０．０１ｐｐｍ、時間安定度で０．０１ｐｐｍ／ｈである。これを一般的な用途の６００ＭＨｚのプロトンＮＭＲで換算すると、６Ｈｚの許容誤差になる。しかしながら、前述したタンパク質の相互作用解析の場合では、少なくとも、１．０Ｈｚ以下の空間、および、時間分解能が必要であり、望ましくは０．５Ｈｚ以下が必要である。
【００１２】
従って、これらの磁場均一度と磁場の時間的安定度を実現可能な方法で、超伝導磁石や検出コイルを最適に構成する必要がある。つまり従来一般的に利用されていたＮＭＲ装置の性能では不十分であり、従来より１桁以上高い磁場の安定性と磁場均一度が要求されるのである。
【００１３】
従来技術は、主として、磁場強度の向上に頼って感度向上したため、装置が大型化し、漏洩磁界の問題と床強度の問題から、専用の建物を必要とするなど、設置性の問題も新たに生じている。
【００１４】
さらに、超電導磁石のコストが増大するなどの課題を生じている。また、この方法による感度向上は、超電導材料の臨界磁界による制約で概ね２１Ｔの上限に達し、これ以上の感度向上のためには、磁場強度に頼ることのない新たな手段による検出感度向上技術が必要である。
【００１５】
また、前述したように、ソレノイドコイルを利用した高感度測定の方法は、極く微量の特別のサンプル管と特別の検出プローブで利用可能であったが、およそ１０ｃｃ程度の一般的なタンパク質溶液による解析には簡単に適用できなかった。更に上記特許文献５にあるように、強力な磁石によって水平方向に磁場を発生し、ソレノイドコイルでＮＭＲ信号を検出する方式では、高温超電導体の表面で１０Ｔ未満の磁場を発生できるのみであって、試料部分の磁場は高々数テスラ程度であって、タンパク質の解析に必要な１１テスラ以上の磁場、好ましくは１４．１テスラ以上の磁場を所望の試料空間に発生することは、この方法では不可能である。
【００１６】
また、この方法では、タンパク質の解析に必要な時間安定度１．０Ｈｚ／時以下を達成することは、高温超電導体の磁束クリープ現象の効果で実質的に困難であった。また、タンパク質の解析に必要な磁場均一度についても、直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの空間でプロトン核磁気共鳴周波数で１．０Ｈｚ以内の磁場均一度を達成することは、高温超電導バルク体材料の製造プロセスに起因した不均質性から困難であった。
【００１７】
このように従来技術は、タンパク質の解析ニーズに対応するためのブレークスルー技術の開発が求められている一方で、磁場による感度向上の限界に達してしまった現在、さらなる感度向上のための新しい解決方法が求められている。
【００１８】
今後、ニーズが高まると考えられる溶液中におけるタンパク質と基質、リガンド等の低分子の相互作用を効率よく、かつ、精度良く解析する場合には、経験的には、６００〜９００ＭＨｚ、中心磁場で１４〜２１Ｔ程度で、適切なサンプル量で測定できることが望ましく、現状より計測感度を高め、スループットを高めることが望まれている。
【００１９】
また一般に、８００ＭＨｚ以上の装置では、超電導特性を極限まで利用するため、４．２Ｋの液体ヘリウムを減圧し、１．８Ｋと過冷却して運転する。このため、装置運転上の煩雑さが増すほか、メンテナンスも大変となる。また、磁石装置が大型化するため、漏洩磁界大きく、通常は専用の建物を必要とする。特に、装置の設置性の観点では、従来方式では、中心磁界の増大と共に、鉛直方向に漏洩磁界が増大し、たとえば、９００ＭＨｚ級の装置では高さ方向に５ｍもの漏洩磁界を生じるため、天井高さの高い建築物を必要とする。この場合、建築コストが増大する問題もある。従来の９００ＭＨｚ超電導磁石の大きさは、アイ・トリプルイ−・トランザクションズ・アップライド・スーパーコンダクティビティー　ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　Ｖｏｌ．１１　Ｎｏ．１　ｐ２４３８に記載されているように、磁石部分の大きさだけで幅直径１．８６ｍ高さは数メートルであった。
【００２０】
以上、本発明の目的は、上記課題を解決する、均一な磁場を発生させることができ、特にたんぱく質等の測定に適した高感度なＮＭＲ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を受け、発明者らは、主として通常の５〜１０ｍｍ径のサンプル管を用い試料溶液を概ね３０ｍｍ高さ充填した状態で、６００ＭＨｚ（１４．１Ｔ）程度でＮＭＲシグナルの計測感度を従来の少なくとも４０％以上高め、かつ、タンパク質の解析に必要な超伝導磁石の時間的安定度および空間的均一度を提供可能な新規な核磁気共鳴分析装置を提供することを想定した。但し、本願発明は本発明の構成は、上記目的を達成する限りにおいて、上記スペックに限られるものではなく、本発明を応用して極限性能を目指すことも可能であり、用途によっては、従来の磁場限界であった２１．１Ｔすなわち９００ＭＨｚ、１．８Ｋで運転することがあってもよく、その場合、従来の方式と比較して４０％の感度向上が可能である。
【００２２】
発明者らは、磁場強度向上以外によっても、従来より著しく信号強度を高める方法が無いかについて鋭意検討を重ねてきた。その結果、以下に述べる新規な方法によれば、この問題を解決できることを見いだした。
【００２３】
そのポイントの一つは、試料空間として直径５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍの溶液ＮＭＲに適する４００ＭＨｚ以上の磁場、好ましくは６００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚ程度で、検出コイルを通常のＮＭＲ研究用のサンプル管がそのまま利用できる５〜１０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度で、ソレノイド方式の検出コイルを適用することによって感度向上を図るものである。原理的には、検出コイルの形状因子の差によって少なくとも１．４（√２）倍の感度向上が期待できる筈であり、その他の因子によって更に向上が期待でき、データの積算時間は１／２以下に短縮することができる。溶液状のサンプルは直径５〜１０ｍｍサンプル管に高さ２０〜３０ｍｍ程度、挿入され上部から鉛直方向に挿入される。鉛直方向を巻軸としたソレノイドコイルでＮＭＲ信号を感度よく検出するには、超電導磁石で発生する磁場を水平方向に配置し、その磁界中心に、容易に着脱できる溶液サンプルを配置できるようにすることが極めて有用である。そのため、超電導磁石の構成は、従来の単純なソレノイド磁石と異なり、左右に分割された一対のスプリットマグネットで構成する必要が生じる。ＮＭＲ装置用マグネットには、上述したように、サンプルを計測する空間にｐｐｂオーダーで非常に均一な磁場を発生する必要があり、従来、１４．１Ｔクラスの高磁場スプリットマグネットでこの磁場の均一性を達成する方法が見いだされていなかった。本発明の要点は、図１０に示すように、所定間隔を有して対向配置された１組の多層超電導コイルからなるスプリット型超電伝導マグネットであって、少なくとも最内層部分に、主磁場を発生する方向とは逆向きの電流を搬送するコイルを備えていることにある。
【００２４】
ここで図１０に示す矢印は、マグネットを構成する超電導コイル１乃至５および超電導コイル１’乃至５’の仮想的な中心軸である。超電導コイルは図１０では省略してある巻き枠（ボビン）に巻き回して構成するため、その断面形状は図１０に示す如く、おおむね矩形であることが多い。また同様に制作を容易にするため、コイルの巻き枠はできるだけ少なくしたい。そのため図１０の超電導コイル４および５のように、ほぼ同一の内径を持つ超電導コイルは同一の巻き枠に巻き回して構成することが多い。
【００２５】
本発明では、図１０の超電導コイル４，５のように、その断面形状において，ほぼ同一の内径、または，ほぼ同一の中心半径、あるいは、ほぼ同一の外径をもつ超電導コイルを、同一の層にあると呼称している。
【００２６】
以下に、本発明のようなスプリット型マグネットにおいて、サンプルを挿入するマグネット中心部に均一な磁場を発生するために、最内層に主磁場とは逆向きの磁場を発生するコイルが必要であることを説明する。
【００２７】
図１２は、軸対称２次元における電流分布の断面図である。よく知られているとおり、中心軸をｚ軸としたとき角度θ部分の電流Ｉ（θ）を次式のように、いわゆるコサインθ分布とすることにより、電流分布の内部空間に均一な磁場が発生する。
【００２８】
【数１】
Ｉ（θ）＝Ａｃｏｓ（θ）
ここに、Ａは比例常数である。有限個のコイルを用いて均一な磁場を発生することは、図１２の電流分布を離散化することにほかならない。ところが、図１２の同一方向の電流分布をスプリットしたコイル群で離散化しようとすると、図中２本の点線で挟まれた領域にある電流を点線で挟まれた領域の外に離散化することが困難であることが定性的に理解できる。このことは、円環電流が作る磁場の表式を検討することによって以下のように解決できる。図１３に示す円環電流Ｉが円環に内接する球の内部領域の点Ｐ（ｒ，θ）に作る磁場のｚ成分は以下のように表される。
【００２９】
【数２】

【００３０】
ここでＡｎはｎ次の磁場の強度である。本発明のマグネットは中央面に関して鏡面対称を有しているので、対称性から偶数次の磁場のみ考えればよい。コイルが発生するこれら２次以上の不整磁場の合計をゼロとすることにより、均一な磁場を発生することができる。
【００３１】
図１４から図１６に、それぞれＡ２、Ａ４およびＡ６をαに関してプロットしたグラフを示す。但しμ０Ｉ／２／ｆｎ＋１＝１と置いている。
【００３２】
図１５および図１６に示すように、高次の磁場はαに関して正負の値をとるため離散化したコイルの配置と起磁力を適正にすれば全コイルが作る値をゼロにし易い。
【００３３】
一方、図１４に示す２次の磁場はｔａｎα＝２の時ゼロになる。この位置はいわゆるヘルムホルツコイルとしてよく知られている。図１４から分かるように、ｔａｎα＝２なるα（≒６３．４度）よりαが小さいときには２次の磁場は正の値しか発生しない。
【００３４】
ところで、図１、図２および図１０から分かるように、スプリットしたコイル配置においてはコイルのほとんどの部分が上記のα（≒６３．４度）より小さい部分にあるため、主磁場を発生する電流方向と同方向（正方向）の電流を持つコイルだけでは、これらのコイルが作る２次の不整磁場の総和をゼロにできないことが分かる。
【００３５】
従って、主磁場を発生する電流方向と逆方向（負方向）のコイルが必須となるが、その配置位置はその半径が他のコイルより小さいことが望ましい。以下その理由を述べる。図１３に示す円環電流Ｉが作る不整磁場の強度は前述した式よりｆｎ＋１に反比例する。従って、Ａ０すなわち主磁場の強度を損なわずに負の２次の不整磁場を作るには、円環電流の半径ができるだけ小さい方が有利である。原理的には、半径の大きな負電流コイルを用いても２次の不整磁場をゼロにすることはできるが、前述した理由により主磁場の強度を大きく低下させるため、特に本発明が主な対象としているような高磁場発生マグネットの構成方法として現実的でない。
【００３６】
以上の理由により、その断面形状における内径、または中心半径、または外径を持つコイル群すなわち最内層を構成するコイル群に負方向のコイルが必須となる。以上により、従来の不可能であった磁場強度による検出感度限界を大きく打ち破ることが可能になる。
【００３７】
なお、上記目的を達成するために、本発明は具体的に以下の手段をとる。
【００３８】
第一の手段として、所定の間隔を有して対向し、かつ、ほぼ同一の中心軸で配置された第一および第二の多層超電導コイル群とを有し、該多層超電導コイル群の各層は少なくとも一つの超電導コイルを有して構成されるＮＭＲ装置用超電導マグネットであって、主磁場を発生するため前記超電導コイルに流される電流をプラス方向の電流としたとき、該第一および該第二の多層コイル群の各最内層を構成するコイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、上記作用を達成することができ、ｐｐｂレベルの磁場の均一度を達成することができる。
【００３９】
また、第二の手段として、第一の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群における各最内層以外の層に配置される超電導コイルのうち、少なくとも一つのコイルの通電電流方向がマイナス方向であることとする。これにより、複数層においてマイナス方向の電流を流し、中心軸半径方向からも磁場の調整が容易となり、より磁場の均一度を達成させることができる。
【００４０】
また、第三の手段として、第一又は第二の手段に加え、該第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層のみが複数のコイルから構成されていることとする。これにより、磁場の均一度を達成すると共に、ＮＭＲ装置用マグネットの製作性とのバランスをとることができる。
【００４１】
また、第四の手段として、第一又は第二の手段に加え、前記第一および該第二の多層超電導コイル群の各最内層とその隣接する外層のみが複数の超電導コイルから構成されていることとする。これにより、中心軸半径方向の配置によっても磁場の調整に寄与し、より磁場の均一度を達成することができ、ＮＭＲ装置用マグネットの政策性とのバランスをとることができる。
【００４２】
また、第五の手段として、第一乃至第四の手段のいずれかに加え、前記第１および該第２の多層コイル群は、対抗する面に関して鏡面対称に配置されていることとする。鏡面対称に配置することにより対象性を上げ、より磁場の均一性向上を図ることができる。
【００４３】
また第六の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするためのシールドコイルを備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４４】
第七の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、漏洩磁場をシールドするための強磁性体を備えていることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４５】
第八の手段として、第一ないし第五の手段のいずれかに加え、円筒状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。これにより、磁場の均一度を挙げるだけでなく、漏洩磁場をも押さえて設置性を向上させることができる。
【００４６】
第九の手段として、第一乃至第五の手段のいずれかに加え、円盤状強磁性体とシールドコイルとを備えることとする。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施例を説明するが、本発明の効果を奏する限りに於いて、本発明が実施例に限定されることはない。
【００４８】
〔実施例１〕
本実施例に係るＮＭＲ装置の概略図を図１１に示す。図１１におけるＮＭＲ装置は、水平方向（ＮＭＲ装置の設置面に対して平行な方向）に中心軸をもつスプリット型超電導マグネット３９を有し、スプリット型超電導マグネット３９には超電導接続４３が接続されている。そして超電導接続４３にはスプリット型超電導マグネット３９を永久電流モードに保つ永久電流スイッチ４２が接続されており、磁場の時間的な変動は１時間あたり０．５Ｈｚ以下に調整されている。スプリット型超電導マグネット３９、超電導接続４３、永久電流スイッチ４２は、液体窒素槽４５の内部に設けられる液体ヘリウム槽４４の内部に配置されており、液体ヘリウム槽４４の内部には液体ヘリウムが充填されている。これによりスプリット型マグネット３９等が浸漬され低温に保持（冷却）されている。なお液体ヘリウム槽４４の外側には液体窒素槽４５が配置されており、いわゆる二重構造となっている。
【００４９】
このため、液体窒素槽に液体窒素を充填することで更に内部の液体ヘリウムの蒸発量を低減することができる。また装置全体は防振支持脚４６によって支持されている。
【００５０】
本実施例におけるスプリット型超電導マグネット３９は二つの多層超電導コイル群が所定の間隔を有して対向配置された構成となっており、かつ、この多層超電導コイル群同士は同一の中心軸を有して配置されている。更に、上記の液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の間の間隔を貫く鉛直方向に第一の貫通孔が設けられており、例えばこの第一の貫通孔を通じて試料４０（例えばタンパク質を水溶液に溶解した試料）を挿入、測定するのに有用である。また同様に、液体窒素槽４５および液体ヘリウム槽４４には多層超電導コイル群の中心軸方向に沿った第二の貫通孔も設けられており、この第二の貫通孔からは光学測定、プローブ挿入（試料とは別の方向から挿入する）等、他の応用が様々考えられる。
【００５１】
なお、本実施例に係るＮＭＲ装置では、装置の上部から挿入した試料４０に水平方向から均一な静磁場を印加することができるため、ＮＭＲ信号の受信にソレノイドコイル４１を適用させることができる。ソレノイドコイル４１によると、従来の鞍型またはバードケージ型コイルを用いる場合に比べ、Ｓ／Ｎ感度が少なくとも４０％向上することとなる。なお本実施例におけるソレノイドコイル４１の巻き軸は鉛直方向である。なお本実施例では、ソレノイドコイルとして低温（１０〜２０Ｋ）に冷却された超電導材料（例えばＹ系、二ホウ化マグネシウム等）を用いているが、銅製のソレノイドコイルの適用も可能ではある。なお、本実施例に係るＮＭＲ装置の断面図を図１に示しておく。
【００５２】
以上この構成により、磁場を水平方向にして鉛直方向の漏洩磁場を押さえ、設置性を向上させることができ、また、スプリット型の超電導マグネットを採用しているため、試料をＮＭＲ装置鉛直方向上部から挿入でき、かつ、鉛直方向に保持される試料に対して鉛直方向に巻き軸を有するソレノイドコイルを配置することができるため、特殊な試料管を用いることなく通常の試料管が使用可能で、容易に、高感度にＮＭＲ測定を行うことができるようになる。
【００５３】
次に、複数の多層超電導コイル群を有してなる本実施例のスプリット型超電導マグネット３９の構成について図１０を用いて詳細に説明する。
【００５４】
図１０は、本実施例のスプリット型超電導マグネットの斜視断面図である（超電導コイル配置を固定するボビンについては図中省略してある）。多層超電導コイル群とは、同一の中心軸に対して同心に配置される複数層の超電導コイルの集合をいい、複数の超電導コイルが入れ子状に構成されているものを指す。ここで同一の中心軸とは、製作誤差の範囲程度までは十分含まれるものである。
【００５５】
図１０において、超電導コイル１，２，３，４，５は一つの多層超電導コイル群を形成しており、中心軸（図中矢印）に近い内側ほど、超電導臨界磁界の高い材料でコイルが形成されている。そして本実施例ではこの超電導コイル１、２、３、４、５と同様の配置で、かつ、この多層超電導コイル群と所定の間隔（ギャップ）を設け、他の多層超電導コイル群（超電導コイル１’，２’，３’，４’，５’からなる）を同一の中心軸を有するように構成されている。
【００５６】
更にいうと、これら多層超電導マグネットはギャップに対してほぼ鏡面対象となるよう対向配置されている。なお各超電導コイルは、水平方向を巻き軸としてソレノイド状に巻かれている。測定対象となる試料は装置上部から多層超電導コイル郡の間に形成される間隔（ギャップ）に鉛直方向から挿入および保持され、静磁場が試料に水平方向から印加される。
【００５７】
本実施例では、複数ある超電導コイルのなかで，最内層を構成する超伝導コイル４、５、４’、５’のうち、ギャップ側に近い超電導コイル５，５’の電流方向が他の超電導コイルに対して逆向きになっている。つまり、超電導コイル５，５‘がサンプル領域に作る磁場の方向は，他の超電導コイルが作る主磁場の方向（図１０中の矢印方向）と逆向きとなっている。
【００５８】
このような構成とすることで，図示したようなスプリット型マグネットにおいても，従来のＮＭＲ装置と同等以上の非常に均一な磁場を発生することが可能となる。
【００５９】
〔実施例２〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６０】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図２に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１１乃至１６を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１１’乃至１６’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図２では左右方向）の同一の中心軸を有するよう配置されている。
【００６１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ３つの超電導コイル１４，１５，１６又は１４’，１５’，１６’によって構成されており，このうち超電導コイル１５，１５’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００６２】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６３】
〔実施例３〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、超電導コイルの構成が異なる。これについては以下説明する。
【００６４】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図３に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１７乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１７’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図３では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００６５】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’，２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０，２１，２２又は２０’，２１’，２２’によって構成されている。
【００６６】
そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００６７】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができる。
【００６８】
〔実施例４〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例１におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドを有している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００６９】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図４に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。
【００７０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図４では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７１】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７２】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル２５、２５’をそれぞれ設けている。
【００７３】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００７４】
〔実施例５〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例３におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、主として漏洩磁場シールドのための強磁性体を設けた点において構成が異なる。これについて以下説明する。
【００７５】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図５に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図５では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００７６】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００７７】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００７８】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３１、および円筒状強磁性体３１の開放部分を覆うよう配置される円盤状強磁性体３２をそれぞれ設けている。
【００７９】
この構成により円筒状強磁性体３１および円盤状強磁性体３２は磁路を形成し，超電導コイル群が発生する磁場が外部に漏れるのを抑制している。なお円筒状強磁性体３１においてもＮＭＲ装置上部から試料を挿入するための貫通孔が設けられている。なお、中心軸に沿った他の貫通孔を設ける場合は円盤状強磁性体３２に貫通孔に対応する孔を設けることは可能である（但し図示せず）。
【００８０】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ、漏洩磁場を押さえたＮＭＲ装置とすることができる。
【００８１】
〔実施例６〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例４におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体と多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８２】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図６に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル２６乃至３０を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル２６’乃至３０’を有して構成されている。ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ、多層超電導コイル群同士が水平方向（図６では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００８３】
各多層超電導コイル群における最内層は，それぞれ複数（３つ）の超電導コイル２８，２９，３０又は２８’、２９’、３０’によって構成されており，このうち超電導コイル３０，３０’が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００８４】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３４、３５、３４’、３５’と、中心軸に対して垂直方向に平面を有する円盤状強磁性体３３が設けられている。
【００８５】
超電導コイル３４、３５、３４’、３５’は磁場が半径方向外側に漏れることを防止し、円盤状強磁性体３３は磁場が軸方向に漏れることを抑制している。なお、円盤状強磁性体に必要に応じて孔を設けることができる点については実施例５と同様である。
【００８６】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえたＮＭＲとすることができる。
【００８７】
〔実施例７〕
本実施例に係るＮＭＲ装置は、実施例６におけるＮＭＲ装置とほぼ同様の構成であるが、漏洩磁場シールドのための強磁性体の配置、多層超電導コイル群の外側にアクティブシールドとを併用している点において主に差異がある。これについて以下説明する。
【００８８】
本実施例に係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置断面を図７に示す。第一の多層超電導コイル群は超電導コイル１８乃至２４を有して構成されており、第二の多層超電導コイル群は超電導コイル１８’乃至２４’を有して構成されている。
【００８９】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９０】
ここで第一の多層超電導コイル群、第二の多層超電導コイル群は所定の間隔を置いて鏡面対象となるよう対向配置され、かつ多層超電導コイル群同士が水平方向（図７では左右方向）の同一の中心軸を有するように配置されている。
【００９１】
各多層超電導コイル群における最内層は、それぞれ２つの超電導コイル２３，２４又は２３’、２４’によって構成されており、更にその半径側の外層（中心軸に対して垂直な方向の外側の層）は、複数の（３つの）超電導コイル２０、２１、２２又は２０’、２１’、２２’、によって構成されている。そしてこのうちの超電導コイル２２、２３又は２２’、２３’、が他の超電導コイルによって中央部に発生する主磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。
【００９２】
即ち、スプリット型超電導マグネットが中央部に発生させる磁場と逆向きの磁場を発生するように通電されている。この様に複数層にわたり主磁場と逆の磁場を発生させる超電導コイルを有する構成とすることで、より磁場の均一性を高めることができる。
【００９３】
そして更に、本実施例に係るＮＭＲ装置では、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の中心軸方向外側（図７では超電導コイル１８，１８’，２０，２０’と同層）に漏洩磁場をシールドする超電導コイル３７，３８，３７’，３８’と、第一の多層超電導コイル群、第二の多層コイル群の外側にスプリット型超電導マグネットを覆うよう配置され、漏洩磁場をシールドする円筒状強磁性体３６を有している。
【００９４】
超電導コイル３７，３８は磁場が軸方向に漏れることを抑制し，円筒状強磁性体３６は磁場が半径方向に漏れることを抑制している。なお、この場合、円盤状強磁性ではなく、超電導コイルにより中心軸方向の漏洩磁場を押さえているため、中心軸方向にもＮＭＲ装置に貫通孔を設けたい場合、あえて円盤強磁性体に孔を設けておく必要がなく製作性が向上するという点において利点がある。
【００９５】
以上、本実施例により、スプリット型超電導マグネットの中央部にｐｐｂオーダーで均一な磁場を形成することができ、かつ漏洩磁場を押さえ設置性のよいＮＭＲ装置とすることができる。
【００９６】
以上に具体的な実施例を用いて本発明を説明してきたが、前述した各実施例ではマグネット内部のコイルは全て超電導コイルであるが、本発明の内容は超電導コイルのみに限定されるものではなく、例えば銅線などを用いたコイルであってもよく、更に電流を搬送するものであればいかなるものでも良い。また，静磁場発生源の起磁力源に永久磁石を使っても良い。
【００９７】
【発明の効果】
以上、本発明ＮＭＲ装置によれば、計測空間にｐｐｂオーダーで均一な磁場を発生させる高感度なＮＭＲ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るＮＭＲ装置の概略断面図。
【図２】実施例２係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図３】実施例３係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図４】実施例４係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図５】実施例５係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図６】実施例６係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図７】実施例７係るＮＭＲ装置の超電導コイルの配置の概略断面図。
【図８】従来のＮＭＲ装置の概略断面図。
【図９】従来のＮＭＲ装置を構成する超電導コイルの断面斜視図。
【図１０】実施例に係るＮＭＲ装置の多層超電導コイル群の概略斜視図。
【図１１】実施例に係るＮＭＲ装置の構成図。
【図１２】本発明の作用を説明するための軸対象２次元におけるコサインθ分布電流を示す図。
【図１３】本発明の作用を説明するための位置ｆ，αで表される電流Ｉとγ，θの位置関係の概略図。
【図１４】本発明の作用を説明するための位置ｆ，αで表される電流Ｉが作る２次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１５】本発明の作用を説明するための位置ｆ，αで表される電流Ｉが作る４次の不整磁場を角度αの関係図。
【図１６】本発明の作用を説明するための位置ｆ，αで表される電流Ｉが作る６次の不整磁場を角度αの関係図。
【符号の説明】
１〜３０，１’〜３０’…超電導コイル、３１…円筒状強磁性体、３２，３３…円盤状強磁性体、３４，３４’，３５，３５’…超電導コイル、３６…円筒状強磁性体、３７，３７’，３８，３８’…超電導コイル、３９…スプリット型超電導マグネット、４０…試料、４１…ソレノイドコイル、４２…超電導スイッチ、４３…超電導接続、４４…液体ヘリウム槽、４５…液体窒素槽、４６…防振支持脚。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nuclear magnetic resonance analyzer (NMR device).
[0002]
[Prior art]
In recent years, a method of analyzing an organic substance using nuclear magnetic resonance has been rapidly advanced. In particular, when combined with powerful superconducting magnet technology, it has become possible to efficiently analyze the structure of organic compounds such as proteins having complex molecular structures at the atomic level.
[0003]
The present invention relates to an NMR apparatus for analyzing the atomic structure and interaction of a substance, and is particularly suitable for analyzing the atomic structure and interaction of protein molecules in an aqueous solution in which a trace amount of protein is dissolved. is there. The NMR apparatus of the present invention has a magnetic field strength higher by at least one order of magnitude and a magnetic field uniformity of 4 orders, as compared to a medical MRI image diagnostic apparatus for tomography of a human body requiring a so-called millimeter-level image resolution. It is a special energy spectrometer that requires a performance three orders of magnitude higher in stability and requires completely different design techniques and device manufacturing techniques.
[0004]
Details of a conventional high-resolution nuclear magnetic resonance analyzer are described in Non-Patent Document 1 below. Among the recent technologies related to a typical device configuration when an NMR device is used for protein analysis, there is the following Patent Document 1 as a technology relating to a superconducting magnet, and the following technology as a signal detection technology is described below. There are Patent Documents 2 to 4. According to these reports, conventional high-sensitivity nuclear magnetic resonance analyzers for protein analysis use a superconducting magnet device composed of a combination of solenoid coils that generate a main magnetic field in the vertical direction, and a frequency of 400 to 900 MHz. Electromagnetic waves are applied to the sample, and a resonance wave emitted from the sample is detected using a saddle-shaped or birdcage-shaped detection coil. In particular, Patent Literature 2 below describes a technique for improving an S / N ratio by using a detector cooled at a low temperature in order to reduce thermal noise at the time of receiving an NMR signal.
[0005]
Historically, high-sensitivity NMR apparatuses have achieved improvement in sensitivity by increasing the intensity of a central magnetic field generated by a superconducting magnet, rather than by improving the basic configuration of a system such as an antenna and a magnet apparatus. This is because, in the analysis of a protein using a solution, the improvement of the central magnetic field strength has the effect of improving the sensitivity and clarifying the separation of the chemical shift. On the other hand, the highest value of the sensitivity of the NMR measurement reported to date has been obtained by a 900 MHz NMR apparatus, and the specific configuration is as shown in FIG. The NMR apparatus illustrated in FIG. 8 will be described. The NMR apparatus shown in FIG. 8 includes a plurality of superconducting coils arranged concentrically about an axis perpendicular to the installation surface of the NMR apparatus. Although the 900 MHz NMR apparatus having the highest sensitivity uses a large superconducting magnet apparatus having a central magnetic field of 21.1 T (tesla), the basic configuration of the apparatus is not different from the conventional configuration. In addition, FIG. 9 shows a sectional perspective view of only the superconducting coil portion together with a virtual center axis for easy understanding. In the NMR apparatus shown in FIG. 9, the magnetic field generated in the superconducting magnet apparatus is in a direction along the virtual central axis.
[0006]
A technique for improving the sensitivity by the shape of the detection coil while improving the intensity of the central magnetic field has been studied, and is described in Non-Patent Document 1 below at page 326. Non-Patent Document 1 below discloses that a solenoid coil as a detection coil has various advantages as compared with a saddle type or a bird cage type. The advantages include ease of impedance control, filling factor, RF magnetic field efficiency, and the like.
[0007]
However, with a conventional superconducting magnet configuration, when dissolving a protein in an aqueous solution and measuring, it is actually impossible to wind a solenoid coil around a sample tube placed perpendicular to the magnetic field, Not generally used. It can be used in very exceptional cases, in which case the measurement is made using a specially designed micro sample tube and with a special probe. As a special example, Patent Literature 5 below describes a technique in which a high temperature superconducting bulk magnet is magnetized in a horizontal direction and an NMR signal is detected by a solenoid coil. Disclosed is a method of constructing a superconducting magnet and a cooling container suitable for general NMR applications in order to remove restrictions on the size.
[0008]
[Non-patent document 1]
Yoji Arata, "NMR of Proteins", Kyoritsu Publishing, 1996
[Patent Document 1]
JP 2000-147082 A
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 6,121,776
[Patent Document 3]
JP 2000-266830 A
[Patent Document 4]
JP-A-6-2637912
[Patent Document 5]
JP-A-11-248810
[Patent Document 6]
JP-A-7-243410.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In particular, in recent years, the need for protein research has increased, the need for analyzing samples having low solubility of proteins in water has increased, and there has been a need to improve the sensitivity of NMR measurement. In order to adapt the nuclear magnetic resonance analyzer to such needs, it is necessary to improve the measurement sensitivity while maintaining the same sample space as before, and to increase the superconducting magnetic field during the long data integration time. Ensuring stability is also essential. The improvement of the measurement sensitivity is particularly significant in the case of a sample having the same degree of solubility, in which not only the measurement time can be shortened but also the amount of the sample can be reduced. . Therefore, NMR analyzers used for protein analysis require particularly superior detection sensitivity and stability compared to conventional NMR, and are accurate and stable over a period of one week or more. NMR signal detection is required. This is because when the magnetic field fluctuates during the measurement, the peak of the NMR signal moves. Particularly in the measurement of the interaction, the movement of the peak is caused by the interaction or due to the instability of the magnetic field. This is because it is not possible to determine whether the object is the same.
[0010]
In addition, if the magnetic field is non-uniform, desired peaks overlap, causing problems such as difficulty in determining the interaction. Therefore, it is necessary to first note that future NMR techniques aimed at various analyzes of proteins require the development of new technologies that are not simple extensions of conventional general NMR equipment. .
[0011]
Here, for example, the specification of the magnetic field uniformity of a general NMR apparatus is 0.01 ppm in the sample space and 0.01 ppm / h in the time stability. If this is converted by a proton NMR of 600 MHz for general use, a tolerance of 6 Hz is obtained. However, in the case of the protein interaction analysis described above, at least a space of 1.0 Hz or less and a time resolution are required, and preferably 0.5 Hz or less.
[0012]
Therefore, it is necessary to optimally configure the superconducting magnet and the detection coil by a method capable of realizing the uniformity of the magnetic field and the temporal stability of the magnetic field. That is, the performance of the NMR apparatus generally used conventionally is not sufficient, and the stability of the magnetic field and the magnetic field uniformity higher by one digit or more than the conventional one are required.
[0013]
In the conventional technology, the sensitivity has been improved mainly by improving the magnetic field strength, so the equipment has become larger, and due to the problems of the leakage magnetic field and the floor strength, a special building has been required. ing.
[0014]
Further, there are problems such as an increase in cost of the superconducting magnet. In addition, the sensitivity improvement by this method generally reaches the upper limit of 21 T due to the restriction by the critical magnetic field of the superconducting material, and in order to further improve the sensitivity, a detection sensitivity improvement technology by a new means that does not rely on the magnetic field strength is used. is necessary.
[0015]
As described above, the method of high sensitivity measurement using a solenoid coil can be used with a very small amount of a special sample tube and a special detection probe. It could not be easily applied to the analysis. Further, as described in Patent Document 5, in a method in which a magnetic field is generated in a horizontal direction by a strong magnet and an NMR signal is detected by a solenoid coil, a magnetic field of less than 10 T can be generated only on the surface of the high-temperature superconductor. The magnetic field of the sample portion is at most about several Tesla, and it is impossible with this method to generate a magnetic field of 11 Tesla or more, preferably 14.1 Tesla or more, required for protein analysis in a desired sample space. It is possible.
[0016]
Further, in this method, it was substantially difficult to achieve the time stability of 1.0 Hz / hour or less required for protein analysis due to the effect of the magnetic flux creep phenomenon of the high-temperature superconductor. As for the magnetic field homogeneity required for protein analysis, achieving a magnetic field homogeneity of 1.0 Hz or less at a proton nuclear magnetic resonance frequency in a space of 10 mm in diameter × 20 mm in length can be achieved by manufacturing a high-temperature superconducting bulk material. Difficult due to heterogeneity caused by the process.
[0017]
As described above, while the conventional technology has been required to develop breakthrough technology to meet the needs of protein analysis, now that the limit of sensitivity improvement due to magnetic fields has been reached, new solutions to further improve sensitivity are being developed. A method is needed.
[0018]
In the future, when efficiently and accurately analyzing the interaction between a protein and a small molecule such as a substrate or a ligand in a solution that is expected to increase in needs, it is empirically determined that the interaction between a protein and a central magnetic field is 600 to 900 MHz. It is desirable that the measurement can be performed with an appropriate sample amount at about 21 T, and it is desired to increase the measurement sensitivity and to increase the throughput from the current state.
[0019]
In general, an apparatus of 800 MHz or higher is operated by depressurizing 4.2 K of liquid helium and supercooling the liquid helium to 1.8 K in order to utilize the superconductivity to the maximum. For this reason, the complexity of the operation of the apparatus is increased, and the maintenance is also difficult. In addition, since the size of the magnet device is increased, the leakage magnetic field is large and usually requires a dedicated building. In particular, from the viewpoint of installation of the apparatus, in the conventional method, the leakage magnetic field increases in the vertical direction with the increase of the central magnetic field. For example, in a 900 MHz class apparatus, a leakage magnetic field as high as 5 m is generated in the height direction. Requires tall buildings. In this case, there is also a problem that the construction cost increases. The size of the conventional 900 MHz superconducting magnet is the same as that of the I Triple-E Transactions Update Superconductivity IEEE. Transactions on Applied Superconductivity Vol. 11 No. As described in 1p2438, the width of the magnet was 1.86 m and the height was several meters only by the size of the magnet part.
[0020]
As described above, an object of the present invention is to provide a high-sensitivity NMR apparatus which can solve the above-mentioned problems, can generate a uniform magnetic field, and is particularly suitable for measurement of proteins and the like.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above-mentioned object, the inventors mainly measured the NMR signal measurement sensitivity at about 600 MHz (14.1 T) in a state where a sample solution was filled at a height of approximately 30 mm using a normal sample tube having a diameter of 5 to 10 mm. It is assumed that a novel nuclear magnetic resonance analyzer capable of increasing the superconducting magnet by at least 40% or more and providing temporal stability and spatial uniformity required for protein analysis is provided. However, the present invention is not limited to the above specifications as long as the configuration of the present invention achieves the above objects.It is also possible to aim at the ultimate performance by applying the present invention. It may be operated at the magnetic field limit of 21.1T, that is, 900MHz, 1.8K, in which case the sensitivity can be improved by 40% as compared with the conventional method.
[0022]
The inventors have intensively studied whether there is a method of significantly increasing the signal intensity as compared with the conventional method other than the improvement of the magnetic field intensity. As a result, they found that the new method described below can solve this problem.
[0023]
One of the points is a magnetic field of 400 MHz or more, suitable for solution NMR with a diameter of 5 to 10 mm and a height of 20 mm as a sample space, preferably about 600 MHz to 900 MHz. The sample tube for ordinary NMR research uses the detection coil as it is The sensitivity is improved by applying a solenoid type detection coil with a possible 5 to 10 mm and a height of about 20 mm. In principle, an improvement in sensitivity of at least 1.4 (） 2) should be expected due to the difference in the shape factor of the detection coil, and further improvement can be expected due to other factors. It can be shortened to the following. The solution sample is inserted into a sample tube having a diameter of 5 to 10 mm and a height of about 20 to 30 mm, and is inserted vertically from above. In order to detect NMR signals with a solenoid coil with a vertical axis as the winding axis, the magnetic field generated by the superconducting magnet is arranged in the horizontal direction, and a solution sample that can be easily attached and detached can be arranged at the center of the magnetic field It is extremely useful. Therefore, unlike a conventional simple solenoid magnet, the superconducting magnet needs to be constituted by a pair of split magnets divided into left and right. As described above, it is necessary for a magnet for an NMR apparatus to generate a very uniform magnetic field on the order of ppb in a space where a sample is measured. There was no way to achieve this. The gist of the present invention is, as shown in FIG. 10, a split-type superconducting magnet composed of a pair of multilayer superconducting coils arranged to face each other at a predetermined interval, and a main magnetic field is applied to at least the innermost layer. The point is to provide a coil that carries a current in a direction opposite to the direction in which the current is generated.
[0024]
Here, the arrows shown in FIG. 10 are virtual central axes of superconducting coils 1 to 5 and superconducting coils 1 ′ to 5 ′ that constitute a magnet. Since the superconducting coil is formed by winding it around a bobbin (bobbin) not shown in FIG. 10, its cross-sectional shape is often substantially rectangular as shown in FIG. Similarly, in order to facilitate the production, it is desirable to reduce the number of winding frames of the coil as much as possible. Therefore, like the

superconducting coils

4 and 5 in FIG. 10, superconducting coils having substantially the same inner diameter are often wound around the same winding frame.
[0025]
In the present invention, superconducting coils having substantially the same inner diameter, substantially the same center radius, or substantially the same outer diameter in the cross-sectional shape as in the

superconducting coils

4 and 5 in FIG. It is called that there is.
[0026]
In the following, in a split type magnet such as the present invention, in order to generate a uniform magnetic field at the center of the magnet into which the sample is inserted, a coil that generates a magnetic field in the innermost layer in a direction opposite to the main magnetic field is required. Will be described.
[0027]
FIG. 12 is a sectional view of a current distribution in two-dimensional axisymmetric. As is well known, when the central axis is the z-axis, the current I (θ) in the angle θ portion is a so-called cosine θ distribution as in the following equation, so that a uniform magnetic field is generated in the internal space of the current distribution. appear.
[0028]
(Equation 1)
I (θ) = Acos (θ)
Here, A is a proportional constant. Generating a uniform magnetic field using a finite number of coils is nothing but discretizing the current distribution in FIG. However, when the current distribution in the same direction in FIG. 12 is to be discretized by the split coil group, the current in the region between the two dotted lines in the drawing is discretized outside the region between the dotted lines. Can be qualitatively understood to be difficult. This can be solved as follows by examining the expression of the magnetic field generated by the annular current. The z component of the magnetic field created at the point P (r, θ) in the inner region of the sphere in which the ring current I shown in FIG. 13 is inscribed in the ring is expressed as follows.
[0029]
(Equation 2)

[0030]
Here, An is the intensity of the n-th magnetic field. Since the magnet of the present invention has mirror symmetry with respect to the central plane, only the even-numbered magnetic field need be considered from the symmetry. A uniform magnetic field can be generated by setting the sum of the irregular magnetic fields of the second order or higher generated by the coil to zero.
[0031]
FIGS. 14 to 16 show graphs in which A2, A4 and A6 are plotted with respect to α, respectively. However, μ0I / 2 / fn + 1 = 1 is set.
[0032]
As shown in FIGS. 15 and 16, the higher-order magnetic field takes positive and negative values with respect to α, so that if the arrangement of the discretized coils and the magnetomotive force are properly set, the value created by all the coils can be easily set to zero.
[0033]
On the other hand, the secondary magnetic field shown in FIG. 14 becomes zero when tan α = 2. This position is well known as a so-called Helmholtz coil. As can be seen from FIG. 14, when α is smaller than α (≒ 63.4 degrees) where tan α = 2, the secondary magnetic field generates only a positive value.
[0034]
By the way, as can be seen from FIGS. 1, 2 and 10, in the split coil arrangement, since most of the coil is located at a portion smaller than the above α (≒ 63.4 degrees), the current for generating the main magnetic field is reduced. It can be seen that the sum of the secondary irregular magnetic fields generated by these coils cannot be reduced to zero only with coils having the same direction (positive direction) as the current.
[0035]
Accordingly, a coil in the direction opposite to the current direction for generating the main magnetic field (negative direction) is essential, but it is desirable that the radius of the coil be smaller than that of the other coils. The reason will be described below. The intensity of the irregular magnetic field generated by the ring current I shown in FIG. 13 is inversely proportional to fn + 1 from the above-described equation. Therefore, in order to produce A0, that is, a negative secondary irregular magnetic field without deteriorating the strength of the main magnetic field, it is advantageous that the radius of the ring current is as small as possible. In principle, the secondary irregular magnetic field can be made zero even by using a negative current coil having a large radius. However, since the strength of the main magnetic field is greatly reduced for the above-described reason, the present invention is particularly applicable to the main object. This is not practical as a method for configuring a high magnetic field generating magnet as described above.
[0036]
For the above reasons, a coil in the negative direction is indispensable for a coil group having an inner diameter, a center radius, or an outer diameter in the cross-sectional shape, that is, a coil group constituting the innermost layer. As described above, it is possible to greatly defeat the detection sensitivity limit due to the magnetic field intensity, which was impossible in the related art.
[0037]
In order to achieve the above object, the present invention specifically takes the following measures.
[0038]
As a first means, there are first and second multilayer superconducting coil groups opposed to each other at a predetermined interval, and arranged at substantially the same central axis, and each layer of the multilayer superconducting coil group is A superconducting magnet for an NMR apparatus having at least one superconducting coil, wherein a current flowing through the superconducting coil for generating a main magnetic field is a current in a positive direction, the first and the second It is assumed that, among the coils constituting each innermost layer of the multilayer coil group, the direction of the current flowing through at least one of the coils is the minus direction. As a result, the above operation can be achieved, and the uniformity of the ppb level magnetic field can be achieved.
[0039]
Further, as a second means, in addition to the first means, a current flowing through at least one of the superconducting coils arranged in layers other than the innermost layer in the first and second multilayer superconducting coil groups The direction is a minus direction. This allows a current in a negative direction to flow in the plurality of layers, thereby making it easy to adjust the magnetic field also from the radial direction of the central axis, thereby achieving more uniform magnetic field.
[0040]
Further, as a third means, in addition to the first or second means, only the innermost layer of each of the first and second multilayer superconducting coil groups is constituted by a plurality of coils. As a result, the uniformity of the magnetic field can be achieved, and the balance with the manufacturability of the magnet for the NMR apparatus can be achieved.
[0041]
In addition, as a fourth means, in addition to the first or second means, only the innermost layer of the first and second multilayer superconducting coil groups and the outer layer adjacent thereto are constituted by a plurality of superconducting coils. It shall be. As a result, the arrangement in the radial direction of the central axis contributes to the adjustment of the magnetic field, so that the uniformity of the magnetic field can be more achieved, and the balance with the policy of the magnet for an NMR apparatus can be balanced.
[0042]
Further, as a fifth means, in addition to any one of the first to fourth means, the first and second multilayer coil groups are arranged mirror-symmetrically with respect to an opposing surface. By arranging them in mirror symmetry, the symmetry can be increased, and the uniformity of the magnetic field can be further improved.
[0043]
As a sixth means, in addition to any one of the first to fifth means, a shield coil for shielding a leakage magnetic field is provided. Thereby, not only the uniformity of the magnetic field can be improved, but also the leakage magnetic field can be suppressed to improve the installation property.
[0044]
As a seventh means, in addition to any of the first to fifth means, a ferromagnetic material for shielding a leakage magnetic field is provided. Thereby, not only the uniformity of the magnetic field can be improved, but also the leakage magnetic field can be suppressed to improve the installation property.
[0045]
As an eighth means, a cylindrical ferromagnetic material and a shield coil are provided in addition to any of the first to fifth means. Thereby, not only the uniformity of the magnetic field can be improved, but also the leakage magnetic field can be suppressed to improve the installation property.
[0046]
As ninth means, in addition to any of the first to fifth means, a disk-shaped ferromagnetic material and a shield coil are provided.
[0047]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the examples as long as the effects of the present invention are exhibited.
[0048]
[Example 1]
FIG. 11 is a schematic diagram of an NMR apparatus according to the present embodiment. The NMR apparatus in FIG. 11 has a split superconducting magnet 39 having a central axis in a horizontal direction (a direction parallel to the installation surface of the NMR apparatus), and a superconducting connection 43 is connected to the split superconducting magnet 39. I have. A permanent current switch 42 for keeping the split superconducting magnet 39 in a permanent current mode is connected to the superconducting connection 43, and the temporal fluctuation of the magnetic field is adjusted to 0.5 Hz or less per hour. The split type superconducting magnet 39, the superconducting connection 43, and the permanent current switch 42 are arranged inside a liquid helium tank 44 provided inside a liquid nitrogen tank 45, and the liquid helium tank 44 is filled with liquid helium. ing. Thus, the split type magnet 39 and the like are immersed and kept (cooled) at a low temperature. A liquid nitrogen tank 45 is disposed outside the liquid helium tank 44, and has a so-called double structure.
[0049]
Therefore, by filling the liquid nitrogen tank with the liquid nitrogen, the evaporation amount of the liquid helium inside can be further reduced. Further, the entire apparatus is supported by anti-vibration support legs 46.
[0050]
The split superconducting magnet 39 in the present embodiment has a configuration in which two multilayer superconducting coil groups are arranged to face each other at a predetermined interval, and the multilayer superconducting coil groups have the same central axis. Is arranged. Further, the liquid nitrogen tank 45 and the liquid helium tank 44 are provided with a first through-hole in the vertical direction penetrating the space between the multilayer superconducting coil groups. For example, it is useful for inserting and measuring a sample obtained by dissolving a protein in an aqueous solution. Similarly, the liquid nitrogen tank 45 and the liquid helium tank 44 are also provided with a second through-hole along the central axis direction of the multilayer superconducting coil group, and optical measurement and probe insertion are performed from the second through-hole. There are various other applications such as (inserting from a different direction from the sample).
[0051]
In the NMR apparatus according to the present embodiment, since a uniform static magnetic field can be applied to the sample 40 inserted from the top of the apparatus from the horizontal direction, the solenoid coil 41 can be applied to receive NMR signals. According to the solenoid coil 41, the S / N sensitivity is improved by at least 40% as compared with the case where a conventional saddle type or birdcage type coil is used. The winding axis of the solenoid coil 41 in the present embodiment is in the vertical direction. In this embodiment, a superconducting material (for example, Y-based, magnesium diboride, etc.) cooled to a low temperature (10 to 20 K) is used as the solenoid coil. However, a copper solenoid coil can also be used. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the NMR apparatus according to the present embodiment.
[0052]
With this configuration, the magnetic field can be set in the horizontal direction to suppress the leakage magnetic field in the vertical direction and improve the installability.In addition, since the split-type superconducting magnet is adopted, the sample can be transferred from the top of the NMR apparatus in the vertical direction. Since a solenoid coil having a winding axis in the vertical direction can be arranged for a sample that can be inserted and held in the vertical direction, a normal sample tube can be used without using a special sample tube. Then, the NMR measurement can be performed with high sensitivity.
[0053]
Next, the configuration of the split superconducting magnet 39 of this embodiment having a plurality of multilayer superconducting coil groups will be described in detail with reference to FIG.
[0054]
FIG. 10 is a perspective sectional view of the split superconducting magnet of this embodiment (the bobbin for fixing the superconducting coil arrangement is omitted in the figure). The multilayer superconducting coil group refers to a set of a plurality of layers of superconducting coils arranged concentrically with respect to the same central axis, and refers to a coil in which a plurality of superconducting coils are nested. Here, the same central axis is sufficiently included to the extent of a manufacturing error.
[0055]
In FIG. 10, the superconducting coils 1, 2, 3, 4, and 5 form one multilayer superconducting coil group, and the coil is formed of a material having a higher superconducting critical magnetic field toward the center axis (arrow in the figure). Have been. In this embodiment, the same arrangement as the

superconducting coils

1, 2, 3, 4, and 5 is provided, and a predetermined interval (gap) is provided between the multilayer superconducting coil group and another multilayer superconducting coil group (superconducting coil 1). , 2 ', 3', 4 ', 5') having the same central axis.
[0056]
More specifically, these multilayer superconducting magnets are disposed so as to be almost mirror-symmetrical with respect to the gap. Each superconducting coil is wound in a solenoid shape with the horizontal axis as the winding axis. A sample to be measured is vertically inserted and held in a gap (gap) formed between the upper portion of the apparatus and the multilayer superconducting coil group, and a static magnetic field is applied to the sample in a horizontal direction.
[0057]
In this embodiment, the current direction of the superconducting coils 5, 5 'near the gap side among the

superconducting coils

4, 5, 4', 5 'constituting the innermost layer among the plurality of superconducting coils is the other superconducting coil. It is opposite to the coil. In other words, the direction of the magnetic field created in the sample area by the superconducting coils 5, 5 'is opposite to the direction of the main magnetic field created by the other superconducting coils (the direction of the arrow in FIG. 10).
[0058]
With such a configuration, it is possible to generate a very uniform magnetic field equal to or more than that of a conventional NMR apparatus even in the split type magnet as illustrated.
[0059]
[Example 2]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the first embodiment, but differs in the configuration of the superconducting coil. This will be described below.
[0060]
FIG. 2 shows an arrangement cross section of the superconducting coil of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group has superconducting coils 11 to 16, and the second multilayer superconducting coil group has superconducting coils 11 ′ to 16 ′. Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged to face each other at predetermined intervals so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (left-right direction in FIG. 2). They are arranged to have the same central axis.
[0061]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is composed of three

superconducting coils

14, 15, 16 or 14 ', 15', 16 ', of which the superconducting coils 15, 15' are centrally located by other superconducting coils. It is energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated in the section.
[0062]
As described above, according to the present embodiment, a uniform magnetic field on the order of ppb can be formed at the center of the split superconducting magnet.
[0063]
[Example 3]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the first embodiment, but differs in the configuration of the superconducting coil. This will be described below.
[0064]
FIG. 3 shows an arrangement cross section of the superconducting coil of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group has superconducting coils 17 to 24, and the second multilayer superconducting coil group has superconducting coils 17 'to 24'. Here, the first multi-layer superconducting coil group and the second multi-layer superconducting coil group are arranged to face each other at a predetermined interval so as to be mirror-finished, and the multi-layer superconducting coil groups are arranged in the horizontal direction (the horizontal direction in FIG. 3). They are arranged to have the same central axis.
[0065]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is constituted by two

superconducting coils

23, 24 or 23 ', 24', respectively, and further has an outer layer on the radial side thereof (an outer layer in a direction perpendicular to the central axis). Are constituted by a plurality (three) of superconducting coils 20, 21, 22 or 20 ', 21', 22 '.
[0066]
The superconducting coils 22, 23 or 22 ', 23' are energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated at the center by the other superconducting coils. That is, electricity is supplied so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field generated by the split type superconducting magnet in the center. By using a superconducting coil that generates a magnetic field opposite to the main magnetic field over a plurality of layers, the uniformity of the magnetic field can be further improved.
[0067]
As described above, according to the present embodiment, a uniform magnetic field on the order of ppb can be formed at the center of the split superconducting magnet.
[0068]
[Example 4]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the first embodiment, but differs mainly in that an active shield is provided outside the multilayer superconducting coil group. This will be described below.
[0069]
FIG. 4 shows an arrangement cross section of the superconducting coil of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group includes superconducting coils 26 to 30, and the second multilayer superconducting coil group includes superconducting coils 26 'to 30'.
[0070]
Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged to face each other at predetermined intervals so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (left-right direction in FIG. 4). They are arranged to have the same central axis.
[0071]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is constituted by a plurality (three) of superconducting coils 28, 29, 30 or 28 ', 29', 30 ', of which the superconducting coils 30, 30' are the other. The superconducting coil is energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated in the center.
[0072]
Further, in the NMR apparatus according to the present embodiment, superconducting coils 25 and 25 ′ for shielding a leakage magnetic field are provided outside the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer coil group, respectively.
[0073]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a uniform magnetic field in the order of ppb at the center of the split type superconducting magnet, and it is possible to obtain an NMR in which the leakage magnetic field is suppressed.
[0074]
[Example 5]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the third embodiment, but differs in that a ferromagnetic material for providing a leakage magnetic field shield is mainly provided. This will be described below.
[0075]
FIG. 5 shows an arrangement cross section of the superconducting coils of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group has superconducting coils 18 to 24, and the second multilayer superconducting coil group has superconducting coils 18 'to 24'. Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged to face each other at a predetermined interval so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (horizontal direction in FIG. 5). They are arranged to have the same central axis.
[0076]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is constituted by two

superconducting coils

23, 24 or 23 ', 24', respectively, and further has an outer layer on the radial side thereof (an outer layer in a direction perpendicular to the central axis). Is constituted by a plurality of (three) superconducting coils 20, 21, 22 or 20 ', 21', 22 '. The superconducting coils 22, 23 or 22 ', 23' are energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated at the center by the other superconducting coils.
[0077]
That is, electricity is supplied so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field generated by the split type superconducting magnet in the center. By using a superconducting coil that generates a magnetic field opposite to the main magnetic field over a plurality of layers, the uniformity of the magnetic field can be further improved.
[0078]
Further, in the NMR apparatus according to the present embodiment, the cylindrical ferromagnetic material 31 disposed outside the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer coil group so as to cover the split superconducting magnet and shields a leakage magnetic field. , And a disc-shaped ferromagnetic body 32 arranged to cover the open portion of the cylindrical ferromagnetic body 31.
[0079]
With this configuration, the cylindrical ferromagnetic material 31 and the disc-shaped ferromagnetic material 32 form a magnetic path, and suppress the leakage of the magnetic field generated by the superconducting coil group to the outside. Note that the cylindrical ferromagnetic material 31 is also provided with a through hole for inserting a sample from above the NMR apparatus. When another through-hole is provided along the central axis, it is possible to provide a hole corresponding to the through-hole in the disk-shaped ferromagnetic material 32 (however, not shown).
[0080]
As described above, according to this embodiment, it is possible to form a uniform magnetic field on the order of ppb at the center of the split type superconducting magnet, and to provide an NMR apparatus in which the leakage magnetic field is suppressed.
[0081]
[Example 6]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the fourth embodiment, except that a ferromagnetic material for a leakage magnetic field shield and an active shield are used outside the multilayer superconducting coil group. There are mainly differences in This will be described below.
[0082]
FIG. 6 shows an arrangement cross section of the superconducting coils of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group includes superconducting coils 26 to 30, and the second multilayer superconducting coil group includes superconducting coils 26 'to 30'. Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged to face each other at predetermined intervals so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (horizontal direction in FIG. 6). Are arranged so as to have the same central axis.
[0083]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is constituted by a plurality (three) of superconducting coils 28, 29, 30 or 28 ', 29', 30 ', of which the superconducting coils 30, 30' are the other. The superconducting coil is energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated in the center.
[0084]
Further, in the NMR apparatus according to the present embodiment, the first multilayer superconducting coil group, the superconducting coils 34, 35, 34 ', 35' for shielding the leakage magnetic field outside the second multilayer coil group, On the other hand, a disk-shaped ferromagnetic body 33 having a plane in the vertical direction is provided.
[0085]
The superconducting coils 34, 35, 34 'and 35' prevent the magnetic field from leaking outward in the radial direction, and the disc-shaped ferromagnetic material 33 suppresses the magnetic field from leaking in the axial direction. It is to be noted that holes can be provided in the disk-shaped ferromagnetic material as necessary, as in the fifth embodiment.
[0086]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a uniform magnetic field in the order of ppb at the center of the split type superconducting magnet, and it is possible to obtain an NMR in which the leakage magnetic field is suppressed.
[0087]
[Example 7]
The NMR apparatus according to the present embodiment has substantially the same configuration as the NMR apparatus according to the sixth embodiment. There is a major difference in that This will be described below.
[0088]
FIG. 7 shows an arrangement cross section of the superconducting coil of the NMR apparatus according to the present embodiment. The first multilayer superconducting coil group has superconducting coils 18 to 24, and the second multilayer superconducting coil group has superconducting coils 18 'to 24'.
[0089]
Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged facing each other at a predetermined interval so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (left-right direction in FIG. 7). They are arranged to have the same central axis.
[0090]
Here, the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer superconducting coil group are arranged facing each other at a predetermined interval so as to be mirror-finished, and the multilayer superconducting coil groups are arranged in a horizontal direction (left-right direction in FIG. 7). They are arranged to have the same central axis.
[0091]
The innermost layer in each multilayer superconducting coil group is constituted by two

superconducting coils

23, 24 or 23 ', 24', respectively, and further has an outer layer on the radial side thereof (an outer layer in a direction perpendicular to the central axis). Is constituted by a plurality of (three) superconducting coils 20, 21, 22 or 20 ', 21', 22 '. The superconducting coils 22, 23 or 22 ', 23' are energized so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field generated at the center by the other superconducting coils.
[0092]
That is, electricity is supplied so as to generate a magnetic field in the opposite direction to the magnetic field generated by the split type superconducting magnet in the center. By using a superconducting coil that generates a magnetic field opposite to the main magnetic field over a plurality of layers, the uniformity of the magnetic field can be further improved.
[0093]
Further, in the NMR apparatus according to the present embodiment, the first multilayer superconducting coil group and the outside of the second multilayer coil group in the center axis direction (the same layer as the superconducting coils 18, 18 ', 20, 20' in FIG. 7). The superconducting coils 37, 38, 37 ', 38' for shielding the leakage magnetic field and the split type superconducting magnet are arranged outside the first multilayer superconducting coil group and the second multilayer coil group to shield the leakage magnetic field. And a cylindrical ferromagnetic material 36.
[0094]
The superconducting coils 37 and 38 prevent the magnetic field from leaking in the axial direction, and the cylindrical ferromagnetic material 36 suppresses the magnetic field from leaking in the radial direction. In this case, since the leakage magnetic field in the central axis direction is suppressed by the superconducting coil instead of the disk-shaped ferromagnetic, if it is desired to provide a through hole in the NMR apparatus also in the central axis direction, a hole is intentionally formed in the disk ferromagnetic material. There is an advantage in that there is no need to provide them and the productivity is improved.
[0095]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a uniform magnetic field on the order of ppb at the center of the split type superconducting magnet, to suppress the leakage magnetic field, and to obtain an NMR apparatus with good installability.
[0096]
Although the present invention has been described above using the specific embodiments, in each of the above-described embodiments, the coils inside the magnet are all superconducting coils, but the present invention is not limited to only superconducting coils. Instead, for example, a coil using a copper wire or the like may be used, and any coil may be used as long as it carries current. Further, a permanent magnet may be used as the magnetomotive force source of the static magnetic field generation source.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the NMR apparatus of the present invention, a high-sensitivity NMR apparatus that generates a uniform magnetic field on the order of ppb in the measurement space can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an NMR apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic sectional view of an arrangement of a superconducting coil of an NMR apparatus according to a second embodiment.
FIG. 3 is a schematic sectional view of an arrangement of a superconducting coil of an NMR apparatus according to a third embodiment.
FIG. 4 is a schematic sectional view of an arrangement of a superconducting coil of an NMR apparatus according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a schematic sectional view of an arrangement of a superconducting coil of an NMR apparatus according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a schematic sectional view of an arrangement of superconducting coils of an NMR apparatus according to a sixth embodiment.
FIG. 7 is a schematic sectional view of an arrangement of a superconducting coil of an NMR apparatus according to a seventh embodiment.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a conventional NMR apparatus.
FIG. 9 is a sectional perspective view of a superconducting coil included in a conventional NMR apparatus.
FIG. 10 is a schematic perspective view of a multilayer superconducting coil group of the NMR apparatus according to the embodiment.
FIG. 11 is a configuration diagram of an NMR apparatus according to an embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a cosine θ distribution current in two-dimensional axial symmetry for explaining the operation of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a positional relationship between currents I and γ and θ represented by positions f and α for explaining the operation of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between an angle α and a second-order irregular magnetic field generated by a current I represented by positions f and α for explaining the operation of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between an angle α and a fourth-order irregular magnetic field generated by a current I represented by positions f and α for explaining the operation of the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating a relationship between an angle α and a sixth-order irregular magnetic field generated by a current I represented by positions f and α for explaining the operation of the present invention.
[Explanation of symbols]
1-30, 1'-30 ': superconducting coil, 31: cylindrical ferromagnetic material, 32, 33: disk-shaped ferromagnetic material, 34, 34', 35, 35 ': superconducting coil, 36: cylindrical ferromagnetic Body, 37, 37 ', 38, 38' ... superconducting coil, 39 ... split type superconducting magnet, 40 ... sample, 41 ... solenoid coil, 42 ... superconducting switch, 43 ... superconducting connection, 44 ... liquid helium tank, 45 ... liquid Nitrogen tank, 46: anti-vibration support legs.

Claims

It has a first and a second multilayer superconducting coil group facing each other at a predetermined interval, and arranged at substantially the same central axis, and each layer of the multilayer superconducting coil group has at least one superconducting coil. A superconducting magnet for an NMR apparatus, comprising:
When a current flowing through the superconducting coil for generating a main magnetic field is a current in a positive direction, at least one of the coils constituting each innermost layer of the first and second multilayer coil groups is energized. Superconducting magnet for NMR spectrometer with negative current direction.

2. The superconducting magnet for an NMR apparatus according to claim 1, wherein a current flowing direction of at least one of the superconducting coils arranged in layers other than the innermost layer in the first and second multilayer superconducting coil groups is different. Superconducting magnet for NMR equipment in the minus direction.

The superconducting magnet for an NMR apparatus according to claim 1 or 2, wherein only the innermost layer of each of the first and second multilayer superconducting coil groups comprises a plurality of coils.

3. The superconducting magnet for an NMR apparatus according to claim 1, wherein only the innermost layer of the first and second multilayer superconducting coil groups and an outer layer adjacent to the innermost layer are constituted by a plurality of superconducting coils. Superconducting magnet for NMR equipment.

5. The superconducting magnet for an NMR apparatus according to claim 1, wherein the first and second multilayer coil groups are arranged mirror-symmetrically with respect to an opposing surface. 6.

The superconducting magnet for an NMR apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a shield coil for shielding a leakage magnetic field.

The superconducting magnet for an NMR apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a ferromagnetic material for shielding a leakage magnetic field.

The superconducting magnet for an NMR apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a cylindrical ferromagnetic material and a shield coil.

The superconducting magnet for an NMR apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising a disk-shaped ferromagnetic material and a shield coil.

An NMR apparatus comprising the superconducting magnet for an NMR apparatus according to any one of claims 1 to 9.