超伝導プローブコイルの予測計測感度

表8-1に、第6章と第7章で述べたCu上MgB₂プローブコイル、Bi-2212プロー ブコイルのQ値（Q_C）をまとめる。さらに、それらから見積もった600 MHz NMR装 置上での予測Q_Cと、その常伝導プローブコイルに対する相対比を示す。磁場0 T、周 波数600 MHzにおけるMgB2プローブコイルのQCは、第6章の図6-13（p. 6-14参照）

で示したQC−周波数依存性（300〜500 MHz）をもとに、QC∝fで外挿した（QC=1220）。 また、600 MHz NMR装置の使用条件である磁場14 TでのQCは以下のように見積も った。Bi-2212 プローブコイルについては、第 7 章の図 7-8（p.7-8参照）に示したよ うに、Q_C−磁場依存性から外挿して、Q_C=6470（2ターン）、Q_C=15370（4ターン）と 算出した。これらの値は、0 TでのQC値の約70%に相当する。MgB₂プローブコイル においても、同様の QCの低下が起こると仮定して、磁場14 T でのQCを０Tでの値

の70%（Q_C=8520）とした。以上の値を用いて、600 MHz NMR装置上における、超

伝 導 プ ロ ー ブ コ イ ル と 常 伝 導 プ ロ ー ブ コ イ ル （ 低 温 冷 却 ） の QC の 相 対 比       

（Q _Spuer / Q _Normal）を算出した。その結果、表8-1に示すように、MgB₂プローブコイ

ルでは常伝導プローブコイルに対して 2.1 倍、Bi-2212 プローブコイルでは 3.2〜3.8 倍のQ_C向上が見込まれる。

表8-2に、これまでに報告されている、低温冷却の常伝導プローブコイルを用い

た600 MHz NMR計測のS/N評価試験結果を示す[1, 2]。2種類のプローブコイルを用

いた試験結果について、プローブコイルの Q 値（Q_C）や、信号検出時の雑音温度、

S/Nをまとめた。Type1は、一般的なソレノイド形状のプローブコイルであり、Type2 は、より高感度計測を実現するために形状を最適化したソレノイド型プローブコイル である。両者の大きな違いはサンプルの Q 値（Q_S）である。Q_Sは、プローブコイル に測定試料（S/N計測試験の標準試料は、クロロホルムを溶媒とした濃度0.1 %のエチ

ルベンゼン）を挿入した際、プローブコイル内に発生した電場によってもたらされる 試料内の抵抗損失・誘電損失を反映する値である（（式8-4）参照）。試料内の損失RS

が大きい（Q_S が小さい）と、試料と電気的に結合しているプローブコイルの負荷 Q 値（Q_L）が低下し、さらに、（式 8-3）で表される雑音温度 T_effが増大する。よって、

より高いS/Nを得るためには、QSを向上させ雑音温度Teffを抑制することが重要とな る。Type2のプローブコイルではこの点を改善し、Type1と比べて高いQ_Sを実現する 形状を採用した。これにより負荷 Q値(Q_L)の低下および雑音温度Teffを抑制し、結果 としてNMR計測の世界最高感度となるS/N=9850 を達成した[2]。

これらの試験結果と（式8-1）（式8-2）（式8-3）を基に、プローブコイルを超伝 導化した際に期待される600 MHz NMR計測のS/Nを見積もった。図8-1に、プロー ブコイルのQ_C向上比（Q _Super／Q _Normal）と、予想されるS/Nの関係を示す。常伝導プ ローブコイルに比べ2倍のQC向上が見込まれるMgB2プローブコイルの場合、Type1 ではS/N=6000、Type2では、S/N=13000が期待できる。また、常伝導プローブコイル

に比べ 3.2〜3.8 倍高い QCが見込まれる Bi-2212 プローブコイルの場合、Type1 では

S/N>6700、Type2ではS/N>15000が期待できる。

表8-1. 金属基材上超伝導プローブコイルのQ_C値と

常伝導プローブコイルに対する向上比

Q_C

f=500MHz B=0 T

Q_C

f=600MHz B=0 T

予測Q_C

f=600MHz B=14T

Q_{C_Super} Q_{C_Normal}

MgB₂/Cu

(4ターン) 10140 1220 8520 2.1

Bi-2212/Ag

(2ターン) 7190 8820 6470 3.2

Bi-2212/Ag

(4ターン) 23630 22390 15370 3.8

X 0.7 Q_C∝f で外挿した予測値

※1

Q_{C_Normal}=2000 (2ターン) Q_{C_Normal}=4000 (4ターン)

※2

※1

※2

表8-2. 低温冷却の常伝導プローブコイルを用いた 600 MHz NMR計測のS/N評価試験結果 [1,2]

16 K 16 K

T_ｒ

9850 5226

S/N

20 K 35 K

T_eff

15 K 15 K

T_Co

1650 1990

Q_L

97440 28400

Q_S

1680 2140

Q_C

最適形状ソレノイド 従来ソレノイド

コイル形状

Type2 Type1

16 K 16 K

T_ｒ

9850 5226

S/N

20 K 35 K

T_eff

15 K 15 K

T_Co

1650 1990

Q_L

97440 28400

Q_S

1680 2140

Q_C

最適形状ソレノイド 従来ソレノイド

コイル形状

Type2 Type1

Q_C: プローブコイルのQ値 Q_S: サンプルのQ値

(サンプル挿入による損失を反映) Q_L: サンプル挿入時のプローブコイルのQ値 T_Co: プローブコイルの温度

T_ｒ: 受信回路由来の雑音温度

T_eff: プローブコイルとサンプル由来の雑音温度

最後に、これら性能の従来技術に対する位置付けを示す。図8-2に、低温冷却の プローブコイルを用いた NMR装置のS/N と、共鳴周波数f との関係を示す。サドル 型プローブコイルを用いた従来方式NMR装置のS/N曲線に表されるように、NMR計 測のS/Nは共鳴周波数f（静磁場強度B0）の7/4乗に比例して増大する。NMR装置の 磁場発生に用いる超伝導マグネットは通常、金属系超伝導線材（NbTi、Nb3Sn）で作 製される。高い上部臨界磁場を有するNb3Snでも、その値は23 Tであり、それ以上 の高磁場を発生させることはできない。よって、金属系超伝導線材のマグネットを用 いるシステムでは、共鳴周波数1GHz（磁場強度24 T）以上のNMR計測は実現困難 である。そのため、図 8-2に示すように、サドル型プローブコイルを用いるNMR装 置では、共鳴周波数（静磁場強度）の増大で改善される S/N は 8000 程度が最高であ り、さらなる性能向上は難しい。

一方、ソレノイド型プローブコイルを搭載する新方式NMR装置は、同じ共鳴周 波数で比較して、従来方方式NMR装置（サドル型プローブコイル）よりも高感度で ある。図8-2に示すように、新方式NMR装置により、共鳴周波数 600 MHz（磁場強

度 14 T）でありながら、従来方式の世界最高性能 S/N=80000（900 MHz）を上回る

S/N=9850 が実証された[2]。本研究で開発した、金属基材を用いる超伝導プローブコ

イル作製技術は、ソレノイド型プローブコイルの Q 値（Q_C）のさらなる向上を可能 にする。これにより、図 8-1で示した予測のように、10000 を超えるS/Nを実現可能 と期待される。

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

0 1 2 3 4

Q

_C̲Super/

Q

_C̲Normal

S/N

MgB₂ Bi-2212

S/N=9850

S/N=5226 常伝導 (実験値)

Type1 Type2

S/N(600 MHz)

Q_{C_Super}/ Q_{C_Normal}

図8.1. 超伝導プローブコイルを用いた600 MHz NMR計測のS/N予測

(常伝導プローブコイルのS/N評価試験を基準にした予測計算)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

300 600 900

f (MHz)

S/N

従来：常伝導サドル型 新方式：ソレノイド型

（最適形状）

∝ f

^7/4

MgB₂（予測）

Bi-2212 （予測）

常伝導

7 14 21

静磁場強度B₀（T）

図8.2. 低温冷却プローブコイルを用いたNMR計測のS/Nと

共鳴周波数f・静磁場強度B0との関係

      （常伝導プローブコイル：実証値, 超伝導プローブコイル：予測値）

第8章のまとめ

超伝導プローブコイルの従来技術に対する優位性を検証するため、超伝導プロー ブコイルによるNMR計測感度S/Nの予測計算を行い、以下の結論を得た。

（1） MgB₂プローブコイルの適用により、S/N>13000（共鳴周波数：600 MHz）、Bi-2212 プローブコイルの適用により、S/N>15000（共鳴周波数：600 MHz）を達成可 能な見通しを得た。

（2） 本研究で開発した超伝導プローブコイル作製技術は、従来技術では到達困難な 超高感度NMR計測：S/N>10000を実現するために有効である。

第8章の参考文献

[1] K. Kawasaki, Y Fukuda, M. Tsuchiya, H. Yamamoto, K. Saitoh, H. Tanaka, M. Okada and H.

Kitaguchi, IEEE Trans. Supercond., 19, 2277-2280 (2009).

[2] 和久田毅, 川崎健司, 一木洋太, 朴ミンソク, 田中秀樹, 岡田道哉, 高妻孝光, 北口仁, 第48回NMR討論会, 講演番号3 L 7 (2009年11月)

[3] M. Okada and H. Kitaguchi, IEEE Trans. Supercond., 18, 878 (2008).

ドキュメント内 MgB2 およびBi2Sr2CaCu2Ox を用いた超伝導NMR プローブコイルに関する研究 (ページ 110-115)