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JP4851265B2 - Cooled NMR probe head and NMR analyzer equipped with the same - Google Patents
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JP4851265B2 - Cooled NMR probe head and NMR analyzer equipped with the same - Google Patents

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Description

本発明は、化学分析などに用いられるNMR(Nuclear Magnetic Resonance:核磁気共鳴)分析装置においてNMR信号の検出を行うための冷却式NMRプローブヘッドに関するものである。   The present invention relates to a cooled NMR probe head for detecting an NMR signal in an NMR (Nuclear Magnetic Resonance) analyzer used for chemical analysis or the like.

NMR信号を検出する手段として、NMR用アンテナコイルを備えたNMRプローブヘッドが知られている。前記NMR用アンテナコイルは、一般に筒状をなし、その内側に挿入されたサンプルに高周波(RF:Radio Frequency)パルスを照射し、その照射から一定時間経過後に前記サンプルから放出される磁気共鳴信号をピックアップする。しかし、このようにして検出されるNMR信号は微弱なため、その検出感度の向上が要求される。   As means for detecting an NMR signal, an NMR probe head having an NMR antenna coil is known. The NMR antenna coil generally has a cylindrical shape, irradiates a sample inserted inside with a radio frequency (RF) pulse, and outputs a magnetic resonance signal emitted from the sample after a lapse of a certain time from the irradiation. Pick up. However, since the NMR signal detected in this way is weak, it is required to improve its detection sensitivity.

そのための方法として、前記アンテナコイルをヘリウム等の冷媒を用いて極低温まで冷却することにより熱雑音を減らす技術が開発されている。前記NMR信号のS/N比(SNR)は、次式(1)に示されるようにアンテナコイルの温度Tcと抵抗値Rcの積を含む値の平方根に反比例するので、前記アンテナコイルを冷却することはNMR信号の検出感度の著しい向上をもたらす。   As a method for this purpose, a technique for reducing thermal noise by cooling the antenna coil to a cryogenic temperature using a refrigerant such as helium has been developed. Since the S / N ratio (SNR) of the NMR signal is inversely proportional to the square root of the value including the product of the temperature Tc and the resistance value Rc of the antenna coil as shown in the following equation (1), the antenna coil is cooled. This significantly improves the detection sensitivity of the NMR signal.

SNR∝1/√[T+T+T(R+R] (1)
ここで、Tsは測定対象となるサンプルの温度、Rsは同サンプルの有効抵抗値、Taは信号を増幅させるためのプリアンプの温度である。
SNR∝1 / √ [T c R c + T s R s + T a (R c + R s ) 2 ] (1)
Here, Ts is the temperature of the sample to be measured, Rs is the effective resistance value of the sample, and Ta is the temperature of the preamplifier for amplifying the signal.

前記アンテナコイルを冷却する手段として、下記特許文献1は、前記アンテナコイルを支持する円筒状の熱伝導体と、GM冷凍機により冷却されたヘリウムガスが導入される熱交換器とを具備するプローブヘッドを開示する。具体的に、この特許文献1の図2は、前記熱伝導体の下端が前記熱交換器の上面に立直状態で結合された構造を示している。
米国特許出願公開第2004/0004478号明細書及び図面
As means for cooling the antenna coil, the following Patent Document 1 discloses a probe including a cylindrical heat conductor that supports the antenna coil and a heat exchanger into which helium gas cooled by a GM refrigerator is introduced. A head is disclosed. Specifically, FIG. 2 of Patent Document 1 shows a structure in which the lower end of the heat conductor is coupled to the upper surface of the heat exchanger in an upright state.
US Patent Application Publication No. 2004/0004478 and drawings

前記(1)式から明らかなように、NMR信号のS/N比の向上のためには、前記アンテナコイルの温度が極力低いことが望ましい。しかし、従来の冷却式NMRプローブヘッドでは、アンテナコイルを冷却するのに限界があった。   As apparent from the equation (1), it is desirable that the temperature of the antenna coil is as low as possible in order to improve the S / N ratio of the NMR signal. However, the conventional cooling type NMR probe head has a limit in cooling the antenna coil.

本発明は、このような事情に鑑み、アンテナコイルの温度を有効に低下させてNMR信号の検出感度を高めることが可能な冷却式NMRプローブヘッド及びこれを備えたNMR分析装置を提供することを目的としている。   In view of such circumstances, the present invention provides a cooled NMR probe head capable of effectively reducing the temperature of an antenna coil and increasing the detection sensitivity of an NMR signal, and an NMR analyzer including the same. It is aimed.

本件発明者は、アンテナコイルへ高周波電力を伝送するための給電線が、当該アンテナコイルの冷却を阻害する要因として働くことに想到した。   The present inventor has conceived that a feed line for transmitting high-frequency power to an antenna coil works as a factor that inhibits cooling of the antenna coil.

つまり、前記給電線は、アンテナコイルに比べて小さい断面積とされて電気抵抗が大きいため、伝送される電力の一部はジュール熱として給電線内で消費され、この給電線の温度さらには当該給電線を伝達してアンテナコイルの温度をも上昇させる。一方、アンテナコイルを形成する金属(例えば銅やアルミニウム)の比熱は、運転時における極低温の条件下では著しく小さいため、僅かなジュール熱も前記アンテナコイルの温度を著しく上昇させてしまう。しかも、前記アンテナコイルの材料である銅やアルミニウムの電気抵抗値は、当該材料の温度に伴って増大し、この電気抵抗の増大が前記給電線のジュール熱による温度上昇を促進する。   That is, since the feed line has a small cross-sectional area and a large electric resistance compared to the antenna coil, a part of the transmitted power is consumed in the feed line as Joule heat, and the temperature of the feed line The temperature of the antenna coil is also increased by transmitting the feeder line. On the other hand, the specific heat of the metal (for example, copper or aluminum) forming the antenna coil is extremely small under extremely low temperature conditions during operation, and therefore a slight Joule heat significantly increases the temperature of the antenna coil. In addition, the electrical resistance value of copper or aluminum, which is the material of the antenna coil, increases with the temperature of the material, and this increase in electrical resistance promotes the temperature rise due to Joule heat of the feeder line.

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、アンテナコイルを備え、このアンテナコイルが冷却された状態でNMR信号を検出する冷却式NMRプローブヘッドにおいて、前記アンテナコイルに接続され、当該アンテナコイルに高周波電力を伝送する給電線と、前記アンテナコイルを冷却するように当該アンテナコイルと熱的に接続された冷却用部材とを備え、前記給電線は、少なくとも一部が前記冷却用部材に対し熱的に接続され、前記冷却用部材は、冷媒が流通可能な冷却空間を形成する外壁を有する冷媒容器を備え、前記給電線は、前記冷媒容器の前記外壁に対し熱的に接続されていることを特徴とする冷却式NMRプローブヘッドを提供する。
Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention is provided with an antenna coil, and is connected to the antenna coil in a cooled NMR probe head that detects an NMR signal in a state where the antenna coil is cooled. And a cooling member thermally connected to the antenna coil so as to cool the antenna coil, and at least a part of the feeder line is connected to the cooling member. The cooling member includes a refrigerant container having an outer wall that forms a cooling space through which the refrigerant can flow, and the power supply line is thermally connected to the outer wall of the refrigerant container . A cooled NMR probe head is provided.

本発明によれば、給電線の少なくとも一部と冷却用部材とが熱的に接続された構成とされているので、アンテナコイルだけでなくこのアンテナコイルに接続された給電線についても、冷却用部材によって冷却することができる。   According to the present invention, since at least a part of the feed line and the cooling member are thermally connected, not only the antenna coil but also the feed line connected to the antenna coil is used for cooling. It can be cooled by the member.

そのため、アンテナコイルを形成する金属の比熱が著しく小さくなる極低温の運転条件下においても、給電線の温度上昇を抑制することにより、当該給電線からアンテナコイルへ伝達する熱量を低減することができるので、その分、アンテナコイルを有効に冷却することができる。   Therefore, even under extremely low temperature operating conditions where the specific heat of the metal forming the antenna coil is significantly reduced, the amount of heat transferred from the feeder line to the antenna coil can be reduced by suppressing the temperature rise of the feeder line. Therefore, the antenna coil can be effectively cooled correspondingly.

したがって、本発明によれば、給電線の温度上昇を抑制することによりアンテナコイルの温度を有効に低下させてNMR信号の検出感度を高めることができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively reduce the temperature of the antenna coil by suppressing the temperature rise of the feeder line, and increase the detection sensitivity of the NMR signal.

さらに、本発明では、前記冷却用部材は、冷媒が流通可能な冷却空間を形成する外壁を有する冷媒容器を備え、前記給電線は、前記冷媒容器の前記外壁に対し熱的に接続されている
Furthermore, in the present invention, the cooling member includes a refrigerant container having an outer wall that forms a cooling space through which the refrigerant can flow, and the power supply line is thermally connected to the outer wall of the refrigerant container. .

れにより、内部の冷却空間に冷媒が流通することにより冷却される冷媒容器の外壁に対し前記給電線を熱的に接続することにより、アンテナコイルの温度を有効に低下させることができる。 This ensures that by the refrigerant inside the cooling space the feed line to the outer wall of the refrigerant vessel is cooled thermally connected by circulation, can effectively reduce the temperature of the antenna coil.

前記冷媒容器と給電線との熱的な接続態様については特に限定されることはないが、前記冷媒容器には、前記外壁を貫通するとともに前記冷却空間と連通しない貫通孔が形成され、前記給電線は、少なくとも一部が前記貫通孔を通って配置されるとともに当該貫通孔の内側面に対し熱的に接続されていることが好ましい。   A thermal connection mode between the refrigerant container and the power supply line is not particularly limited, but the refrigerant container has a through-hole that penetrates the outer wall and does not communicate with the cooling space. It is preferable that at least a part of the electric wire is disposed through the through hole and is thermally connected to the inner surface of the through hole.

このようにすれば、冷媒容器に形成された貫通孔を通して給電線を配置することができるので、冷媒容器を避けるようにして当該冷媒容器の外側面に対し給電線を熱的に接続する場合と比較して、当該給電線の配索に要するスペースを低減することができ、全体としてコンパクトなプローブヘッドを形成することができる。   In this case, since the power supply line can be arranged through the through hole formed in the refrigerant container, the power supply line is thermally connected to the outer surface of the refrigerant container so as to avoid the refrigerant container; In comparison, it is possible to reduce the space required for the wiring of the power supply line and to form a compact probe head as a whole.

さらに、給電線を貫通孔内に配置する構成としているので、給電線と冷媒容器との間の熱交換を、当該給電線の外周面と貫通孔の内周面との間の比較的広い面積で行うことができる。   Further, since the power supply line is arranged in the through hole, heat exchange between the power supply line and the refrigerant container can be performed with a relatively large area between the outer peripheral surface of the power supply line and the inner peripheral surface of the through hole. Can be done.

前記のように冷媒容器の貫通孔内に給電線を配置する構成とした場合、給電線のうちアンテナコイルに近い部分と冷媒容器とを熱的に接続しようとすると、アンテナコイルとの距離が近づくにつれて当該アンテナコイルのレイアウト上の制限を受けて冷媒容器の形状が複雑となるおそれがあるが、前記冷却用部材は、前記冷媒容器から前記アンテナコイルまでの間に配置された給電線のうち前記冷媒容器に対し熱的に接続されていない部分の少なくとも一部の外周面を取り囲む被覆部材をさらに備え、この被覆部材は、少なくとも一部が前記冷媒容器の前記外壁に対し熱的に接続されている構成を採用することにより、冷媒容器とは別部材の被覆部材によって給電線を冷却することができるので、冷媒容器の形状を維持しながら給電線の冷却範囲を拡大することができる。   When the power supply line is arranged in the through hole of the refrigerant container as described above, the distance between the antenna coil and the portion close to the antenna coil in the power supply line and the refrigerant container is closer. As a result, the shape of the refrigerant container may be complicated due to restrictions on the layout of the antenna coil, but the cooling member is the power supply line arranged between the refrigerant container and the antenna coil. A covering member that surrounds at least a part of the outer peripheral surface of the portion that is not thermally connected to the refrigerant container; and the covering member is at least partially thermally connected to the outer wall of the refrigerant container. By adopting the configuration, the power supply line can be cooled by a covering member separate from the refrigerant container, so that the power supply line can be cooled while maintaining the shape of the refrigerant container. It is possible to expand the circumference.

前記冷却式NMRプローブヘッドにおいて、前記給電線は、当該給電線と前記冷却用部材とを電気的に絶縁可能な絶縁部材を介して前記冷却用部材に対し熱的に接続されていることが好ましい。   In the cooling type NMR probe head, it is preferable that the power supply line is thermally connected to the cooling member via an insulating member capable of electrically insulating the power supply line and the cooling member. .

この構成によれば、冷却用部材が導電性の部材により構成されている場合であっても短絡を防止することができるので、NMR信号の検出にほとんど影響を与えることなく、給電線と冷却用部材とを熱的に接続することができる。   According to this configuration, even if the cooling member is composed of a conductive member, it is possible to prevent a short circuit, so that there is almost no influence on the detection of the NMR signal, and the power supply line and the cooling member are not affected. The member can be thermally connected.

ここで、前記絶縁部材のうち少なくとも前記給電線と冷却用部材との間に介在する部分が、単結晶サファイア、ジルコニア、石英、ダイアモンドの中から選ばれる少なくとも一つの材料により構成されていることが特に好ましい。   Here, at least a portion of the insulating member interposed between the power supply line and the cooling member is made of at least one material selected from single crystal sapphire, zirconia, quartz, and diamond. Particularly preferred.

このようにすれば、前記給電線と冷却用部材との間に、特に熱伝導性の高い材料を介在させることができるので、給電線の冷却効率をより向上させることができる。   In this way, since a material with particularly high thermal conductivity can be interposed between the power supply line and the cooling member, the cooling efficiency of the power supply line can be further improved.

また、本発明は、上記冷却式NMRプローブヘッドと、この冷却式NMRプローブヘッドの周囲に設けられる超伝導コイルと、この超伝導コイルを収容する低温容器とを備えることを特徴とするNMR分析装置を提供する。   The present invention also provides an NMR analyzer comprising the above-described cooled NMR probe head, a superconducting coil provided around the cooled NMR probe head, and a low-temperature container that accommodates the superconducting coil. I will provide a.

本発明によれば、給電線の温度上昇を抑制することによりアンテナコイルの温度を有効に低下させてNMR信号の検出感度を高めることができる。このため、非常に検出感度に優れたNMR分析装置を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to effectively reduce the temperature of the antenna coil by suppressing the temperature rise of the feeder line, and increase the detection sensitivity of the NMR signal. For this reason, the NMR analyzer which was excellent in the detection sensitivity can be obtained.

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基いて説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、NMR(核磁気共鳴)分析装置の全体構成を示したものである。   FIG. 1 shows the overall configuration of an NMR (nuclear magnetic resonance) analyzer.

この装置は、液体ヘリウム等の冷媒を収容する低温容器1と、この冷媒中に浸漬される超伝導コイル2と、冷却式NMRプローブヘッド3とを備えている。   This apparatus includes a cryogenic container 1 that contains a refrigerant such as liquid helium, a superconducting coil 2 that is immersed in the refrigerant, and a cooled NMR probe head 3.

超伝導コイル2は、鉛直軸を中心とする筒状の巻枠と、その周囲に巻き付けられる超伝導線材とで構成され、この超伝導コイル2を径方向内側から覆うように前記低温容器1もドーナツ状をなしている。つまり、この低温容器1の中央には鉛直方向に延びる内側空間4が形成されている。前記冷却式NMRプローブヘッド3は、前記内側空間4内に下から挿入される。   The superconducting coil 2 is composed of a cylindrical winding frame centered on the vertical axis and a superconducting wire wound around the superconducting coil 2, and the cryocontainer 1 also covers the superconducting coil 2 from the inside in the radial direction. It has a donut shape. That is, an inner space 4 extending in the vertical direction is formed in the center of the cryogenic container 1. The cooled NMR probe head 3 is inserted into the inner space 4 from below.

この冷却式NMRプローブヘッド3は、電極部5と、この電極部5につながる円柱状のプローブ本体6とを有し、このプローブ本体6が前記内側空間4内に下側から挿入されている。   The cooled NMR probe head 3 has an electrode portion 5 and a cylindrical probe body 6 connected to the electrode portion 5, and the probe body 6 is inserted into the inner space 4 from below.

図2は、プローブ本体の上部の内部構造を示したものである。図3は、図2の要部を拡大して示す斜視図である。図4は、図2の要部を拡大して示す断面図である。   FIG. 2 shows the internal structure of the upper part of the probe body. FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a main part of FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of FIG.

プローブ本体6は、その中心軸J1(図4参照)上に位置するサンプル挿入管7と、このサンプル挿入管7を囲む略円筒状のアンテナコイル8と、このアンテナコイル8と図外の共振回路との間で高周波電力を伝送する給電線9及び給電線10と、前記アンテナコイル8を冷却するための冷却用部材11と、外筒12とを備えている。   The probe body 6 includes a sample insertion tube 7 positioned on the central axis J1 (see FIG. 4), a substantially cylindrical antenna coil 8 surrounding the sample insertion tube 7, and the antenna coil 8 and a resonance circuit (not shown). Are provided with a feeding line 9 and a feeding line 10 for transmitting high-frequency power between them, a cooling member 11 for cooling the antenna coil 8, and an outer cylinder 12.

前記サンプル挿入管7は、石英等からなり、その内側の空間14内は常温常圧に保たれている。この空間14内には、上からサンプル管15が挿入される。このサンプル管15は、NMR分析の対象となるサンプル16を収容する。   The sample insertion tube 7 is made of quartz or the like, and the inside space 14 is kept at normal temperature and pressure. A sample tube 15 is inserted into the space 14 from above. The sample tube 15 accommodates a sample 16 to be subjected to NMR analysis.

前記アンテナコイル8は、略円筒状の周壁を有し、この周壁は図3に示すように金属箔板を丸めることによって形成される。このアンテナコイル8の具体的な形状は限定されず、NMR検出に用いられるRFパルスの周波数その他の仕様に応じて適宜設定される。また、アンテナコイル8の下部の給電点9a及び給電点10aには、前記各給電線9、10がそれぞれ電気的に接続されている。   The antenna coil 8 has a substantially cylindrical peripheral wall, which is formed by rolling a metal foil plate as shown in FIG. The specific shape of the antenna coil 8 is not limited, and is appropriately set according to the frequency of the RF pulse used for NMR detection and other specifications. The feed lines 9 and 10 are electrically connected to the feed point 9a and the feed point 10a below the antenna coil 8, respectively.

前記冷却用部材11は、前記アンテナコイル8を支持するコイル支持部材17と、ヘリウムガス等の冷媒を流通させることが可能な冷媒容器18と、この冷媒容器18に冷媒を導入するための冷媒導入管19と、前記冷媒容器18から冷媒を導出するための冷媒排出管20とを備えている。   The cooling member 11 includes a coil support member 17 for supporting the antenna coil 8, a refrigerant container 18 capable of circulating a refrigerant such as helium gas, and a refrigerant introduction for introducing the refrigerant into the refrigerant container 18. A pipe 19 and a refrigerant discharge pipe 20 for extracting the refrigerant from the refrigerant container 18 are provided.

この冷却用部材11は、冷媒容器18によってコイル支持部材17を冷却することにより当該コイル支持部材17に支持されたアンテナコイル8を冷却するとともに、このアンテナコイル8に電気的に接続された各給電線9、10も前記冷媒容器18によって冷却することが可能とされている。その詳細は後述する。   The cooling member 11 cools the antenna coil 8 supported by the coil support member 17 by cooling the coil support member 17 with the refrigerant container 18, and each supply unit electrically connected to the antenna coil 8. The electric wires 9 and 10 can also be cooled by the refrigerant container 18. Details thereof will be described later.

前記外筒12は、前記コイル支持部材17及び冷媒容器18を前記プローブ本体6の中心軸J1回りに囲むように配置されている。この外筒12は、前記コイル支持部材17及び冷媒容器18を囲む高さ領域に設けられる上側筒部28と、それよりも下方の下側筒部29とを有している。下側筒部29は、例えば、アルミニウム合金、ステンレス鋼といった金属材料で構成されるのに対し、上側筒部28は、合成樹脂等の非金属材料で構成されている。この上側筒部28の上端からは、前記アンテナコイル8及びコイル支持部材17を上から覆いながら前記サンプル挿入管7の上端とつながる天井壁30が延び、この天井壁30の下側の空間S2が外部から隔離されている。この空間S2には、図略のポンプにより真空が形成される。すなわち、前記アンテナコイル8等は、真空空間S2内に収容される。   The outer cylinder 12 is disposed so as to surround the coil support member 17 and the refrigerant container 18 around the central axis J1 of the probe body 6. The outer cylinder 12 has an upper cylinder part 28 provided in a height region surrounding the coil support member 17 and the refrigerant container 18, and a lower cylinder part 29 below the upper cylinder part 28. For example, the lower cylinder portion 29 is made of a metal material such as an aluminum alloy or stainless steel, while the upper cylinder portion 28 is made of a nonmetal material such as a synthetic resin. A ceiling wall 30 connected to the upper end of the sample insertion tube 7 extends from the upper end of the upper cylindrical portion 28 while covering the antenna coil 8 and the coil support member 17 from above, and a space S2 below the ceiling wall 30 is formed. Isolated from outside. In this space S2, a vacuum is formed by a pump (not shown). That is, the antenna coil 8 and the like are accommodated in the vacuum space S2.

前記上側筒部28のうち、前記アンテナコイル8を含む高さ領域の部分は、PFGコイル31により構成される。このPFGコイル31は、前記サンプル管15内のサンプル16にパルス上の勾配磁場を印加するためのもので、本発明において必須ではない。このPFGコイル31は、前記樹脂製の上側筒部28とともにモールドされることが可能である。   A part of the height region including the antenna coil 8 in the upper cylindrical portion 28 is configured by the PFG coil 31. The PFG coil 31 is for applying a pulsed gradient magnetic field to the sample 16 in the sample tube 15, and is not essential in the present invention. The PFG coil 31 can be molded together with the resin-made upper cylindrical portion 28.

次に、前記冷却用部材11の具体的構造について図2〜図4を参照しながら説明する。   Next, a specific structure of the cooling member 11 will be described with reference to FIGS.

コイル支持部材17は、円筒状をなし、前記プローブ本体6の中心軸J1と同軸に配置されている。このコイル支持部材17の上部が前記アンテナコイル8を支持している。詳しくは、当該コイル支持部材17の上部の外周面に前記アンテナコイル8の内周面が接合されている。   The coil support member 17 has a cylindrical shape and is arranged coaxially with the central axis J1 of the probe body 6. The upper portion of the coil support member 17 supports the antenna coil 8. Specifically, the inner peripheral surface of the antenna coil 8 is joined to the upper outer peripheral surface of the coil support member 17.

このコイル支持部材17は、電磁波に対して透明な絶縁材料で形成されている。これは、当該コイル支持部材17の存在が前記アンテナコイル8によるNMR信号の検出に影響を与えるのを防ぐためである。このコイル支持部材17の材料は、さらに、熱伝導性に優れたものであることが好ましい。具体的には、単結晶サファイア、ジルコニア、石英、ダイアモンドが好適な例として挙げられる。特に、単結晶サファイアは、低温域での熱伝導率に優れていて前記アンテナコイル8の有効な冷却に大きく寄与する。ちなみに、4K付近での単結晶サファイアの熱伝導率は150[W/m/K]である。   The coil support member 17 is made of an insulating material that is transparent to electromagnetic waves. This is to prevent the presence of the coil support member 17 from affecting the detection of the NMR signal by the antenna coil 8. The material of the coil support member 17 is preferably further excellent in thermal conductivity. Specifically, single crystal sapphire, zirconia, quartz and diamond are preferable examples. In particular, single crystal sapphire has excellent thermal conductivity in a low temperature region, and greatly contributes to effective cooling of the antenna coil 8. Incidentally, the thermal conductivity of single crystal sapphire in the vicinity of 4K is 150 [W / m / K].

前記冷媒容器18は、全体が前記冷媒導入管19及び冷媒排出管20とともに銅等の金属材料により形成されている。この冷媒容器18は、冷媒が流通可能な冷却空間S1を形成する外壁を有し、この外壁は、前記サンプル挿入管7の周囲を取り囲むようにドーナツ状とされた中空容器を形成している。   The refrigerant container 18 is formed of a metal material such as copper together with the refrigerant introduction pipe 19 and the refrigerant discharge pipe 20. The refrigerant container 18 has an outer wall that forms a cooling space S <b> 1 through which the refrigerant can flow. The outer wall forms a hollow container that has a donut shape so as to surround the sample insertion tube 7.

具体的に、外壁は、外周壁21aと内周壁21bと上蓋21cと下蓋21dとを一体に有する。前記外周壁21aは、前記プローブ本体6の中心軸J1回りで冷却空間S1の径方向外側に配置されている。前記内周壁21bは、前記中心軸J1回りで冷却空間S1の径方向内側に配置されている。前記上蓋21c及び下蓋21dは、前記外周壁21aと内周壁21bとを上下に挟むように配置されている。   Specifically, the outer wall integrally includes an outer peripheral wall 21a, an inner peripheral wall 21b, an upper lid 21c, and a lower lid 21d. The outer peripheral wall 21a is disposed on the radially outer side of the cooling space S1 around the central axis J1 of the probe body 6. The inner peripheral wall 21b is disposed on the radially inner side of the cooling space S1 around the central axis J1. The upper lid 21c and the lower lid 21d are arranged so as to sandwich the outer peripheral wall 21a and the inner peripheral wall 21b vertically.

前記上蓋21cは、その上面に立設された連結筒22を一体に備えている。この連結筒22の内側に前記コイル支持部材17の下端部が挿入された状態で、連結筒22とコイル支持部材17とが連結されている。   The upper lid 21c is integrally provided with a connecting cylinder 22 standing on its upper surface. The connecting cylinder 22 and the coil supporting member 17 are connected in a state where the lower end portion of the coil supporting member 17 is inserted inside the connecting cylinder 22.

具体的に、前記連結筒22の内側面とコイル支持部材17の外側面との間には銀合金系のロウ剤が充填され、このロウ剤によって当該連結筒22とコイル支持部材17とが熱的に連結されている。したがって、前記アンテナコイル8は、前記ロウ剤及びコイル支持部材17を介して冷媒容器18に対し熱的に接続される。   Specifically, a silver alloy brazing agent is filled between the inner side surface of the connecting tube 22 and the outer surface of the coil support member 17, and the connecting tube 22 and the coil support member 17 are heated by the brazing agent. Connected. Therefore, the antenna coil 8 is thermally connected to the refrigerant container 18 via the brazing agent and the coil support member 17.

また、冷媒容器18は、前記外周壁21aを上下方向に貫通する8つの貫通孔23を備えている。つまり、これら貫通孔23は、前記冷却空間S1に連通しない状態で上下方向に形成されている。   The refrigerant container 18 includes eight through holes 23 that penetrate the outer peripheral wall 21a in the vertical direction. That is, these through holes 23 are formed in the vertical direction in a state where they do not communicate with the cooling space S1.

そして、前記各給電線9、10は、これら貫通孔23のうちの2つの貫通孔23a、23bをそれぞれ通って配置されている。これら給電線9、10の外側面と前記各貫通孔23a、23bの内側面とは、熱的に接続されている。具体的に、各給電線9、10の外側面と前記貫通孔23a、23bの内側面との間には絶縁部材24及び絶縁部材25がそれぞれ設けられている。そして、これら絶縁部材24、25を介して各給電線9、10の外側面と貫通孔23a、23bの内側面とは、熱的に接続されている。したがって、冷媒容器18内に冷媒が流通すると、当該冷媒容器18と各給電線9、10との間で絶縁部材24、25を介して熱交換が行われ、当該各給電線9、10が冷却される。   Each of the power supply lines 9 and 10 is disposed through two through holes 23 a and 23 b of the through holes 23. The outer side surfaces of the feeder lines 9 and 10 and the inner side surfaces of the through holes 23a and 23b are thermally connected. Specifically, an insulating member 24 and an insulating member 25 are provided between the outer side surfaces of the power supply lines 9 and 10 and the inner side surfaces of the through holes 23a and 23b, respectively. The outer surfaces of the power supply lines 9 and 10 and the inner surfaces of the through holes 23a and 23b are thermally connected via the insulating members 24 and 25. Therefore, when the refrigerant flows through the refrigerant container 18, heat exchange is performed between the refrigerant container 18 and the power supply lines 9 and 10 via the insulating members 24 and 25, and the power supply lines 9 and 10 are cooled. Is done.

前記絶縁部材24、25は、それぞれ絶縁性を有する材料で形成されている。これは、各給電線9、10同士が冷媒容器18を介して短絡するのを防止するためである。さらに、絶縁部材24、25の材料は、熱伝導性に優れたものであることが好ましい。具体的には、単結晶サファイア、ジルコニア、石英、ダイアモンドが好適な例として挙げられる。特に、単結晶サファイアは、上述したように低温域での熱伝導率に優れているため、各給電線9、10と冷媒容器18との間の有効な熱交換に大きく寄与する。   The insulating members 24 and 25 are each formed of an insulating material. This is to prevent the power supply lines 9 and 10 from being short-circuited via the refrigerant container 18. Furthermore, the material of the insulating members 24 and 25 is preferably excellent in thermal conductivity. Specifically, single crystal sapphire, zirconia, quartz and diamond are preferable examples. In particular, since single crystal sapphire is excellent in thermal conductivity in a low temperature region as described above, it greatly contributes to effective heat exchange between the feeders 9 and 10 and the refrigerant container 18.

ここで、絶縁部材24、25としてサファイアを採用した場合、前記熱的な接続状態をより強固なものとするために、前記貫通孔23a、23bの内側面及び各給電線9、10の外側面と、前記絶縁部材24、25との間に銀合金系のロウ剤をさらに介在させることができる。すなわち、このような接続構造を形成するためには、まず、貫通孔23a、23bの内側面及び各給電線9、10の外側面にそれぞれロウ剤の層を形成し、これら貫通孔23a、23b内に各給電線9、10を挿入する。次いで、これら貫通孔23a、23bの内側面と各給電線9、10の外側面との間(それぞれのロウ剤の層の間)に絶縁部材24、25をそれぞれ充填した仮組み品を形成する。そして、この仮組み品を真空炉内で加熱処理することにより前記ロウ剤が溶解し、これが冷却されることにより絶縁部材24、25と貫通孔23a、23bの内側面及び各給電線9、10の外側面との間がロウ剤で満たされた強固な接続状態を確立することができる。   Here, when sapphire is employed as the insulating members 24 and 25, the inner side surfaces of the through holes 23a and 23b and the outer side surfaces of the feeder lines 9 and 10 are used in order to make the thermal connection state stronger. And a silver alloy brazing agent may be further interposed between the insulating members 24 and 25. That is, in order to form such a connection structure, first, a brazing agent layer is formed on the inner side surfaces of the through holes 23a and 23b and the outer side surfaces of the power supply lines 9 and 10, respectively, and these through holes 23a and 23b are formed. The feeder lines 9 and 10 are inserted into the inside. Next, a temporary assembly is formed by filling the insulating members 24 and 25 between the inner side surfaces of the through holes 23a and 23b and the outer side surfaces of the power supply lines 9 and 10 (between the layers of the respective brazing agents). . Then, the temporary assembly is heated in a vacuum furnace to dissolve the brazing agent, and when cooled, the inner members of the insulating members 24 and 25 and the through holes 23a and 23b and the feeder lines 9 and 10 are cooled. It is possible to establish a strong connection state filled with the brazing agent between the outer surfaces of the two.

なお、図4では、貫通孔23a、23b内に配置される各給電線9、10の全範囲について円柱状の絶縁部材24、25を充填する構成について例示しているが、図5に示すように、円板状の絶縁部材26、27を間欠的に充填するようにしてもよい。このように構成した場合にも、各絶縁部材26、27を介して冷媒容器18と各給電線9、10とが熱的に接続されているので、これら冷媒容器18と各給電線との間の熱交換が行われ、当該各給電線9、10が冷却される。さらに、この構成とした場合には、前記円柱状の絶縁部材24、25を充填して各給電線9、10に伝送される高周波電流のインピーダンスが大幅に乱れる場合に、絶縁部材26、27を採用することによりインピーダンスの乱れを緩和することができる。   4 illustrates the configuration in which the cylindrical insulating members 24 and 25 are filled in the entire range of the feeders 9 and 10 disposed in the through holes 23a and 23b, as shown in FIG. In addition, the disk-shaped insulating members 26 and 27 may be filled intermittently. Even in such a configuration, since the refrigerant container 18 and the power supply lines 9 and 10 are thermally connected via the insulating members 26 and 27, the refrigerant container 18 and the power supply lines are not connected. The heat exchange is performed, and the feeders 9 and 10 are cooled. Further, in this configuration, when the impedance of the high frequency current transmitted to the feeder lines 9 and 10 is greatly disturbed by filling the cylindrical insulating members 24 and 25, the insulating members 26 and 27 are replaced. By adopting, the disturbance of impedance can be reduced.

以上説明したように、前記実施形態によれば、各給電線9、10と冷媒容器18とが熱的に接続された構成とされているので、アンテナコイル8だけでなくこのアンテナコイル8に接続された給電線9、10についても、冷媒容器18によって冷却することができる。   As described above, according to the embodiment, since the power supply lines 9 and 10 and the refrigerant container 18 are thermally connected, not only the antenna coil 8 but also the antenna coil 8 is connected. The supplied power lines 9 and 10 can also be cooled by the refrigerant container 18.

そのため、アンテナコイル8を形成する金属の比熱が著しく小さくなる極低温の運転状況下においても、給電線9、10の温度上昇を抑制することにより、当該給電線9、10からアンテナコイル8へ伝達する熱量を低減することができるので、その分、アンテナコイル8を有効に冷却することができる。   Therefore, even under extremely low temperature operating conditions in which the specific heat of the metal forming the antenna coil 8 is extremely low, the temperature increase of the power supply lines 9 and 10 is suppressed, so that the power is transmitted from the power supply lines 9 and 10 to the antenna coil 8. Therefore, the antenna coil 8 can be effectively cooled by that amount.

そして、前記実施形態のように、各給電線9、10が冷媒容器18に形成された貫通孔23a、23bを通して配置する構成とすることにより、冷媒容器18を避けるようにして当該冷媒容器18の外側面(外周壁21a)に対し各給電線9、10を熱的に接続する場合と比較して、当該給電線9、10の配索に要するスペースを低減することができ、全体としてコンパクトな冷却式NMRプローブヘッド3を形成することができる。   And like the said embodiment, by setting it as the structure which arrange | positions each feeder 9 and 10 through the through-holes 23a and 23b formed in the refrigerant | coolant container 18, the refrigerant | coolant container 18 of the said refrigerant | coolant container 18 is avoided. Compared with the case where the power supply lines 9 and 10 are thermally connected to the outer side surface (the outer peripheral wall 21a), the space required for the wiring of the power supply lines 9 and 10 can be reduced, and the overall size is compact. A cooled NMR probe head 3 can be formed.

さらに、給電線9、10を貫通孔23a、23b内に配置する構成としているので、給電線9、10と冷媒容器18との間の熱交換を、当該給電線9、10の外周面と貫通孔23a、23bの内周面との間の比較的広い面積で行うことができる。   Further, since the power supply lines 9 and 10 are arranged in the through holes 23a and 23b, heat exchange between the power supply lines 9 and 10 and the refrigerant container 18 is performed through the outer peripheral surface of the power supply lines 9 and 10 and the through holes 23a and 23b. It can be performed in a relatively wide area between the inner peripheral surfaces of the holes 23a and 23b.

なお、前記実施形態では、冷媒容器18の貫通孔23a、23b内に各給電線9、10を配置する構成としているが、図6及び図7に示すように、冷媒容器18に形成された溝32内に各給電線9、10を嵌め込むようにしてもよい。   In addition, in the said embodiment, although it is set as the structure which arrange | positions each feeder 9 and 10 in the through-holes 23a and 23b of the refrigerant | coolant container 18, as shown to FIG.6 and FIG.7, the groove | channel formed in the refrigerant | coolant container 18 is shown. Each of the feeder lines 9 and 10 may be fitted in 32.

具体的に、冷媒容器18の外周壁21aの外側面には、前記プローブ本体6の中心軸J1回りに8つの溝32が形成されている。これら溝32は、前記中心軸J1から離間する方向に開くとともに上下方向に延びるように、前記外周壁21aに凹設されている。   Specifically, eight grooves 32 are formed around the central axis J <b> 1 of the probe body 6 on the outer surface of the outer peripheral wall 21 a of the refrigerant container 18. These grooves 32 are recessed in the outer peripheral wall 21a so as to open in a direction away from the central axis J1 and to extend in the vertical direction.

そして、これら溝32のうち溝32a及び溝32bには、前記各給電線9、10が嵌め込まれている。これら各給電線9、10の外周面と各溝32a、32bの内側面との間には、絶縁部材33がそれぞれ設けられている。   Of the grooves 32, the feeder lines 9 and 10 are fitted in the grooves 32 a and 32 b. An insulating member 33 is provided between the outer peripheral surface of each of the power supply lines 9 and 10 and the inner surface of each of the grooves 32a and 32b.

この絶縁部材33は、前記絶縁部材24、25(図4参照)と同様の材料により構成されている。また、各絶縁部材33と、各給電線9、10の外周面及び溝32a、32bの内側面との間に前述したロウ剤を介在させることもできる。   The insulating member 33 is made of the same material as the insulating members 24 and 25 (see FIG. 4). Further, the above-described brazing agent can be interposed between each insulating member 33 and the outer peripheral surface of each of the power supply lines 9 and 10 and the inner surface of the grooves 32a and 32b.

この実施形態においても、冷媒容器18と各給電線9、10とを熱的に接続することができるので、これら冷媒容器18と各給電線9、10との間で熱交換が行われ、当該各給電線9、10を冷却することができる。   Also in this embodiment, since the refrigerant container 18 and the power supply lines 9 and 10 can be thermally connected, heat exchange is performed between the refrigerant container 18 and the power supply lines 9 and 10. Each feeder 9 and 10 can be cooled.

さらに、前記実施形態では、冷媒容器18に形成された溝32a、32b内に嵌めた状態で給電線9、10を配置することができるので、冷媒容器18の外側面(外周壁21a)にそのまま給電線9、10を接触させる場合と比較して、給電線9、10の配索に要するスペースが冷媒容器18の外側に嵩張るのを抑制することができ、全体としてコンパクトな冷却式NMRプローブヘッド3を形成することができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, since the feeder lines 9 and 10 can be arranged in a state of being fitted in the grooves 32a and 32b formed in the refrigerant container 18, the outer surface (the outer peripheral wall 21a) of the refrigerant container 18 is left as it is. Compared with the case where the power supply lines 9 and 10 are brought into contact with each other, it is possible to suppress the space required for the wiring of the power supply lines 9 and 10 from being bulky outside the refrigerant container 18 and to be a compact cooling NMR probe head as a whole. 3 can be formed.

そして、前記各実施形態のように冷媒容器18の貫通孔23a、23b又は溝32a、32b内に給電線9、10を配置する構成とした場合、給電線9、10のうちアンテナコイル8に近い部分と冷媒容器18とを熱的に接続しようとすると、アンテナコイル8との距離が近づくにつれて当該アンテナコイル8のレイアウト上の制限を受けて冷媒容器18の形状が複雑化するおそれがある。そこで、冷媒容器18に加えて、図8に示すような冷却ブーツ(被覆部材)35、36を備えた構成とすることもできる。   And when it is set as the structure which arrange | positions the feeders 9 and 10 in the through-holes 23a and 23b or groove | channels 32a and 32b of the refrigerant | coolant container 18 like said each embodiment, it is close to the antenna coil 8 among the feeders 9 and 10. If the portion and the refrigerant container 18 are to be thermally connected, the shape of the refrigerant container 18 may be complicated due to restrictions on the layout of the antenna coil 8 as the distance from the antenna coil 8 decreases. Therefore, in addition to the refrigerant container 18, a cooling boot (covering member) 35, 36 as shown in FIG.

これら冷却ブーツ35、36は、円柱がその軸線を含む平面で縦割りにされた形状を有する一対の半円柱体35a、35b、36a及び36b(以下半円柱体35a〜36bと称す)をそれぞれ備えている。これら半円柱体35a〜36bは、それぞれ前記絶縁部材24、25と同様の材料によって形成されている。   Each of the cooling boots 35 and 36 includes a pair of semi-cylindrical bodies 35a, 35b, 36a and 36b (hereinafter referred to as semi-cylindrical bodies 35a to 36b) each having a shape in which a cylinder is vertically divided by a plane including its axis. ing. These semi-cylindrical bodies 35a to 36b are formed of the same material as the insulating members 24 and 25, respectively.

また、半円柱体35a〜36bの合わせ面には、溝37a、37bがそれぞれ形成されている。これら溝37a、37bは、それぞれ半円柱体35a〜36bの軸線に沿って延びるとともに相手の半円柱体35a〜36b側に開いて形成されている。そして、これらの溝37aと溝37bとの間に、それぞれ各給電線9、10を配置することが可能とされている。   Grooves 37a and 37b are formed in the mating surfaces of the semi-cylindrical bodies 35a to 36b, respectively. These grooves 37a and 37b are formed so as to extend along the axis of the semi-cylindrical bodies 35a to 36b, respectively, and open to the other half-cylindrical bodies 35a to 36b. Each of the feeder lines 9 and 10 can be disposed between the groove 37a and the groove 37b.

このように各給電線9、10を挟み込んだ状態で、半円柱体35a〜36bの下面は、それぞれロウ剤39を介して冷媒容器18の上面(上蓋21c)に対し熱的に接続されている。また、各溝37a、37bの内側面と各給電線9、10の外側面との間にもロウ剤40を介在させることが好ましい。   In this manner, the lower surfaces of the semi-cylindrical bodies 35a to 36b are thermally connected to the upper surface (upper lid 21c) of the refrigerant container 18 via the brazing agent 39, with the power supply lines 9 and 10 being sandwiched therebetween. . Moreover, it is preferable to interpose the brazing agent 40 between the inner side surfaces of the grooves 37 a and 37 b and the outer side surfaces of the power supply lines 9 and 10.

この実施形態によれば、冷却ブーツ35、36によって覆われる分だけ、冷媒容器18と各給電線9、10との熱的な接続面積を大きくすることができるので、より有効に各給電線9、10を冷却することができる。   According to this embodiment, since the thermal connection area between the refrigerant container 18 and each of the power supply lines 9 and 10 can be increased by the amount covered by the cooling boots 35 and 36, each of the power supply lines 9 can be more effectively used. 10 can be cooled.

さらに、この実施形態のように冷媒容器18とは別に冷却ブーツ35、36を備えた構成とすれば、冷媒容器18の形状を維持しながら給電線9、10の冷却範囲を拡大することができる。   Furthermore, if the cooling boots 35 and 36 are provided separately from the refrigerant container 18 as in this embodiment, the cooling range of the feeder lines 9 and 10 can be expanded while maintaining the shape of the refrigerant container 18. .

NMR(核磁気共鳴)分析装置の全体構成を示したものである。1 shows the overall configuration of an NMR (nuclear magnetic resonance) analyzer. プローブ本体の上部の内部構造を示したものである。The internal structure of the upper part of a probe main body is shown. 図2の要部を拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the principal part of FIG. 図2の要部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the principal part of FIG. 本発明の別の実施形態を示す図4相当図である。FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態を示す図4相当図である。FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention. 図6の冷媒容器を示す平面図である。It is a top view which shows the refrigerant | coolant container of FIG. 本発明の別の実施形態を示す図3相当図である。FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 showing another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

3 冷却式NMRプローブヘッド
6 プローブ本体
8 アンテナコイル
9 給電線
10 給電線
11 冷却用部材
17 コイル支持部材
18 冷媒容器
21a 外周壁(外壁の一例)
21b 内周壁(外壁の一例)
21c 上蓋(外壁の一例)
21d 下蓋(外壁の一例)
23a、23b 貫通孔
24〜26、33 絶縁部材
32a、32b 溝
35 冷却ブーツ(被覆部材の一例)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Cooling type NMR probe head 6 Probe main body 8 Antenna coil 9 Feed line 10 Feed line 11 Cooling member 17 Coil support member 18 Refrigerant container 21a Outer wall (an example of outer wall)
21b Inner wall (example of outer wall)
21c Top lid (example of outer wall)
21d Lower lid (example of outer wall)
23a, 23b Through-holes 24 to 26, 33 Insulating members 32a, 32b Groove 35 Cooling boot (an example of a covering member)

Claims (6)

アンテナコイルを備え、このアンテナコイルが冷却された状態でNMR信号を検出する冷却式NMRプローブヘッドにおいて、
前記アンテナコイルに接続され、当該アンテナコイルに高周波電力を伝送する給電線と、
前記アンテナコイルを冷却するように当該アンテナコイルと熱的に接続された冷却用部材とを備え、
前記給電線は、少なくとも一部が前記冷却用部材に対し熱的に接続され
前記冷却用部材は、冷媒が流通可能な冷却空間を形成する外壁を有する冷媒容器を備え、前記給電線は、前記冷媒容器の前記外壁に対し熱的に接続されていることを特徴とする冷却式NMRプローブヘッド。
In a cooled NMR probe head that includes an antenna coil and detects an NMR signal in a state where the antenna coil is cooled,
A feed line connected to the antenna coil and transmitting high frequency power to the antenna coil;
A cooling member thermally connected to the antenna coil so as to cool the antenna coil;
At least a portion of the feeder is thermally connected to the cooling member ;
The cooling member includes a refrigerant container having an outer wall that forms a cooling space through which a refrigerant can flow, and the power supply line is thermally connected to the outer wall of the refrigerant container. Formula NMR probe head.
前記冷媒容器には、前記外壁を貫通するとともに前記冷却空間と連通しない貫通孔が形成され、前記給電線は、少なくとも一部が前記貫通孔を通って配置されるとともに当該貫通孔の内側面に対し熱的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却式NMRプローブヘッド。The refrigerant container is formed with a through hole that penetrates the outer wall and does not communicate with the cooling space, and at least a part of the power supply line is disposed through the through hole and is provided on an inner surface of the through hole. The cooled NMR probe head according to claim 1, wherein the cooled NMR probe head is thermally connected. 前記冷却用部材は、前記冷媒容器から前記アンテナコイルまでの間に配置された給電線のうち前記冷媒容器に対し熱的に接続されていない部分の少なくとも一部の外周面を取り囲む被覆部材をさらに備え、この被覆部材は、少なくとも一部が前記冷媒容器の前記外壁に対し熱的に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の冷却式NMRプローブヘッド。The cooling member further includes a covering member that surrounds at least a part of an outer peripheral surface of a portion of the feeder line disposed between the refrigerant container and the antenna coil that is not thermally connected to the refrigerant container. The cooled NMR probe head according to claim 2, wherein at least a part of the covering member is thermally connected to the outer wall of the refrigerant container. 前記給電線は、当該給電線と前記冷却用部材とを電気的に絶縁可能な絶縁部材を介して前記冷却用部材に対し熱的に接続されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の冷却式NMRプローブヘッド。The power supply line is thermally connected to the cooling member via an insulating member capable of electrically insulating the power supply line and the cooling member. The cooled NMR probe head according to any one of the above. 前記絶縁部材のうち少なくとも前記給電線と冷却用部材との間に介在する部分が、単結晶サファイア、ジルコニア、石英、ダイアモンドの中から選ばれる少なくとも一つの材料により構成されていることを特徴とする請求項4に記載の冷却式NMRプローブヘッド。Of the insulating member, at least a portion interposed between the power supply line and the cooling member is made of at least one material selected from single crystal sapphire, zirconia, quartz, and diamond. The cooled NMR probe head according to claim 4. 請求項1〜5の何れか1項に記載の冷却式NMRプローブヘッドと、この冷却式NMRプローブヘッドの周囲に設けられる超伝導コイルと、この超伝導コイルを収容する低温容器とを備えることを特徴とするNMR分析装置。A cooling-type NMR probe head according to any one of claims 1 to 5, a superconducting coil provided around the cooling-type NMR probe head, and a cryogenic container that accommodates the superconducting coil. A featured NMR analyzer.
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