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

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