ハードウェア

NMRの装置概要
超電導磁石
（H = 9.4 T）
核磁気共鳴分光（I）
NMR分光器
磁石
7. ハードウェア
試料
（分子科学研究所）
NMRプローブ
飯島隆広
ブロック図
ワークステーション
NMR分光器
周辺機器
NMRプローブ
プローブ：構成
Spectrometer
構成要素
Pulse
Programmer
DDS
0±IF
DDS
IF
Duplexer
Mixer
BPF
AM
試料ホルダ
Probe
磁石の下
（上）端から
磁場中心ま
での距離
Amp
/4
Ref
Receiver
Amp
可変コンデンサ
DDS: Direct-digital synthesizer
BPF: Band pass filter
AM: Amplitude modulation
0: Resonance frequency
IF: Intermediate frequency
Amp: Amplifier
/4: Quarter wave length
: Crossed diodes
Work
Station
レジスタンス
＋
V (t )  L
dI (t )
,
dt
V (t )  V0 e jt
I (t ) 
1
j L
または
なら
V (t ) 
I (t )  I 0 e jt
Im
V (t ) 
V
となる（I(0)=0）。従って
I
Re
90°
遅れる
• ゴニオメータ
• 多重共振回路
• ロック用回路
• 光ファイバ
• マイクロ波共振回路
• 試料管回転装置
• 温度可変装置
• 圧力印加装置
• 勾配磁場印加装置
等々・・・
サンプル・コイル
Z0  j  0

1 
 jXC  

 jC 
X1
r1
なら
X2
Im
1
I 0 e jt
jC
r2
V
90°
進む
M
Re
Lp
Ls
2. キャパシタ
CM
• 共役なリアクタンスX1とX2のL
マッチにより、一般にインピー
ダンス変換が可能。
• 損失が大きいためNMRでは
ほとんど用いられない。
3. インダクタ
I
となる（V(0)=0）。従って
LC回路のインダクタとして働くととも
に、コイルに挿入したサンプルの核
スピンとエネルギーの送受信を行う。
r  j L
1. L型マッチング・ネットワーク
1
I (t )dt
C
1
V (t )
Z

I (t ) jC
L
r
？
コンデンサにおける電流と電圧の関係：
V0 e jt
V (t )
 j L
Z
I (t )
容量性リアクタンス:
1
V (t )dt
L
• 共振回路（LC回路）
プローブをシステムのインピーダンスZ0=50にマッチさせる
C
I (t ) 
オプショナル
各種つまみやコネクタ
インダクタンス: L
キャパシタンス: C
L
コイルにおける電流と電圧の関係：
2.
プローブ：インピーダンス・マッチング
リアクタンス
抵抗: r
誘導性リアクタンス: jXL( j L)
必須
Fig: 固体NMR用プローブ（右）とその
ヘッド部の拡大写真（左）.シールド管
は外してある. （プローブ工房社）
インピーダンス
インピーダンス（Z） ＝
1.
• 2つのキャパシタCTとCMによ
りインピーダンス変換が可能。
• 簡便で損失も少ないため
NMRで一般に用いられる。
CT
4. 伝送線路
• カップリング・コイルの相互イ
ンダクタンスを利用したイン
ピーダンス変換が可能。
• NMRでは特殊プローブで用
いられる。
l
Z1
ZC
Z2
• 伝送線路をインピーダンス変
換に用いることが可能。
• 電磁波の波長の長いNMRで
は特殊プローブで用いられる。
1
プローブ：キャパシタによるマッチング
プローブ：多重共鳴
CM
 Z AB 
r
Z AB  r  j ( XL  XC )
Zre = Z0になるのは
1 

 r  j  L 

C 

C  (Q  A) / B,
1

C
 LC 2  1
B  r (1  Q 2 ).
0
150
 1

1

 jC1  .
jC2  jL1

Z = 0となる をonとすると
2  2
C2  off 2 2on .
L1onoff
0
Z = Z0
1 200 2
250
on
簡略化分岐
0
-500
off
100
200
300
/4線路
（オープン）
L1 = 50 nH
C1 =12.7 pF
C2 =190 pF
/4線路
（ショート）
Fig: LC回路on/offスイッチの周波数特性.
• Offスイッチ。
• Onについては、Z = 0に
ならない。
NMRにおける強磁場の有効性
高パワー
1. 感度向上
Low Z
2. ダイオード特性
• 直列LCと同じ作用をし
得る。
• の奇数倍の波長に対
してもonスイッチになる。
• の偶数倍の波長には
offスイッチにもなる。
磁石：磁場とNMR
Amp
強磁場化
Probe
送信
低パワーの
NMR信号
• Onスイッチ。
• Offについては、“浮遊”
のLまたはCとなる。
直列LC
 (MHz)
Fig: 並列LCR回路におけるイ
ンピーダンスの周波数特性.
ケーブルとダイオードだけで構成される
送受信の切り替えスイッチ
高パワーの
RFパルス
LF
HF/LF
500
デュプレクサ
1. 送信・受信で異なるパワー
CMLF
CTLF
1
.
2
L1off
C1 
 (MHz)
Z im   Z 0 A.
r
LF/HF
Z = ±∞となる をoffとすると
L = 40 nH
C = 16 pF
r = 1
-1000
その時のZim は
の時、キャパシタがインダクタのリアクタンス
を補償する。
r
1000
A  ( B / Z 0 )  1,
1
Z
Re
Im
2000
Q  L / r ,
従って、 L
L
rXC 2
r 2  XL( XL  XC )
 jXC 2
r 2  ( XL  XC )2
r  ( XL  XC )2
Z ()
B
L
HF
T
C1
C
B
1
1
1


Z AB r  jXL jXC
C
C2
A
並列LCR回路
L
HF
CMHF
/4
直列LCR回路
A
二重共鳴回路
L1
/4
r
C
周波数分岐
キャパシタ2個を使い
1. 実部をZ0 (= 50 )に変換する。
2. 虚部を0 に変換する。
L
Z ()
CT
High Z
Low Z
Amp
2. 分解能向上
強磁場化
+I
低パワー
+V
-V
High Z
-I
Amp
Low Z
 /4 インピーダンス変換
Zin
Z in 
Zout
/4
Z 02
Z out
強磁場化
High Z
Amp
（Z0: 特性インピーダンス）
3. 二次の核四極相互作用による
線幅の減少（固体NMR）
Probe
Fig: NMR磁石の強磁場化の
歴史. （文献4）
受信
磁石：強磁場磁石の種類
磁石：超伝導磁石
パルス磁石
(IMS)
• 磁場の安定度・均一
度が極めて高い
• 磁場強度は<22 T
• 超伝導状態であれば
磁場が持続
• NMR用磁石の主流
• 磁場強度は～数百 T
• 磁場はマイクロ秒～ミリ秒程
度しか持続しない
• NMR用にはほとんど用いら
れていない
ハイブリッド磁石
液体ヘリウム層
超伝導
コイル
液体窒素層
（第二層）
液体窒素層
（第一層）
磁場 (T)
超伝導磁石
(NIMS)
時間 (s)
Fig: 強磁場磁石の特性
の概要図.
• 磁場強度は>30 T
• 数時間程度は磁場が
持続可能
• 磁場の安定度・均一
度は悪い
• これらを補償すれば
高分解能測定も可能
真空層
スーパー・イン
シュレータ
Fig: 300 MHz NMR用超伝導磁石
の内部.（歴史資料館収蔵資料）
• 磁場は液体ヘリウムに浸された超伝導
線材のソレノイドコイルに流れる超伝
導電流によって縦方向に発生。
• 液体ヘリウムは真空層、液体窒素層、
真空層の順に覆われ、外界から熱的
に遮断。
• 磁石の中心にボアと呼ばれる円筒形
空間。
• ボアの径は54 mmまたは89 mm。NMR
プローブにはワイドボア有利、磁石作
成にはナロー有利。
• 高い空間均一度（磁場に対して～10-9）
• 超伝導シムコイル（ヘリウム層の中）と
室温シムコイル（ボアの中）で調整。
• ドリフト（磁場の減少）にNMRロックで対
応。
• シールドタイプのものは、ヘリウム溜の
最外殻に別途コイルを設け、逆向き電
流を流す。
2
磁石：ハイブリッド磁石
文献
Fig: 水冷銅磁石に
使用するビッター盤.
細い孔に水を流し
冷却する.（NIMS）
Fig: ハイブリッド磁石の模式図.
（東北大学金材研）
• 超伝導磁石と水冷銅磁石を組み合わ
せた磁石。
• 水冷銅磁石を用いるため、空間的・時
間的均一度は高くない。
• 大電流（定格出力10 MW級の直流電
源）を流すため、運営コストが高い。
• 高分解能NMR測定を行うには、別途、
不均一性を補償することが必要。
1.
J. Mispelter, M. Lupu, A. Briquet, “NMR Probheads for Biophysical
and Biomedical Experiments”, Imperial College Press (2006).
2.
日本化学会編, “第5版 実験化学講座8 NMR・ESR”, 丸善 (2006).
3.
荒田洋治, “NMRの書”, 丸善 (2002).
4.
物質・材料研究機構 平成15年委託調査報告書, “強磁場固体NMRの
開発と利用に関する調査報告 －無機・有機先進材料の精密構造・機
能解析－”, 未踏科学技術協会 (2004).
3