共振器及び電子スピン共鳴分光装置
【課題】 ＥＳＲ分光装置に用いるマイクロ波共振器をより高効率にすることで、ＥＳＲ分光装置の検出感度を改善すること。
【解決手段】 コイルＬとキャパシタＣ１による並列共振回路１は、平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３を含む共振周波数調整回路２を介して、平衡伝送線路４の一端に接続される。平衡伝送線路４の他端は、平衡伝送線路４を駆動するための平衡不平衡変換器（バラン）５と接続される。キャパシタＣＭを含むインピーダンス整合回路３は、バラン５との接続部に並列に接続されている。また、高周波線路６は、インピーダンス整合回路３の一端に接続される。
【解決手段】 コイルＬとキャパシタＣ１による並列共振回路１は、平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３を含む共振周波数調整回路２を介して、平衡伝送線路４の一端に接続される。平衡伝送線路４の他端は、平衡伝送線路４を駆動するための平衡不平衡変換器（バラン）５と接続される。キャパシタＣＭを含むインピーダンス整合回路３は、バラン５との接続部に並列に接続されている。また、高周波線路６は、インピーダンス整合回路３の一端に接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器及び電子スピン共鳴装置に係り、特に、電子スピン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＳＲ）分光装置（ＥＳＲ測定装置）において、試料にマイクロ波を照射し、ＥＳＲ現象による共鳴吸収スペクトルを測定するマイクロ波共振器及びその共振器を用いた電子スピン共鳴分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＥＳＲ法は、電子が有する磁気モーメントの運動を利用して、不対電子を持った原子や分子を直接検出することができる有効な測定方法である。ＥＳＲ法には、主に、パルスＥＳＲ法と連続波ＥＳＲ法（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ−ＥＳＲ法、ＣＷ−ＥＳＲ法）がある。
ＥＳＲ法により測定するためのＥＳＲ分光装置においては、計測対象である試料を内部に又は近接して配置することによりＥＳＲ信号を計測するために、共振器が使用される。
生体を対象としたＥＳＲ分光装置で使用するサーフェイスコイル共振器は、例えば、以下の非特許文献１、２に記載されているような共振器が知られている。さらに、非特許文献３、４、特許文献１に記載されているように、サーフェイスコイル及び平衡伝送線路を用いたサーフェイスコイル型の共振器が、ＥＳＲ計測に使用されている。いずれも、一回か複数回巻きのコイルを試料表面に当てることにより、マイクロ波を試料に印加している。
また、非特許文献５には、円筒状のブリッジ・ループ・ギャップ共振器の片端に、試料の表面を接近させることにより、サーフェイスコイル同様に試料の表面付近を計測する共振器が報告されている。さらに、非特許文献６には、キャビティー共振器にピンホールを設け、そこからの漏洩マイクロ波を試料表面に印加する共振器が報告されている。また、非特許文献７には、核磁気共鳴（ＮＭＲ）用のプローブ共振器が報告されている。さらに、非特許文献８には、ＥＳＲ分光装置の自動周波数制御について開示されている。さらに、特許文献２には、共振器を駆動するためにバランを用いて平衡不平衡変換を行うことが有効であることが記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】Ｎｉｓｈｉｋａｗａ， Ｈ． Ｆｕｊｉｉ， Ｌ． Ｊ． Ｂｅｒｌｉｎｅｒ， Ｈｅｌｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｉｌｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＳＲ ａｎｄ ＥＰＲ Ｉｍａｇｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． ６２， ｐｐ． ７９−８６ （１９８５）．
【非特許文献２】Ｍ． Ｏｎｏ， Ｋ． Ｉｔｏ， Ｎ． Ｋａｗａｍｕｒａ， Ｋ． Ｃ． Ｈｓｉｅｈ， Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｎ． Ｔｓｕｃｈｉｈａｓｈｉ， ａｎｄ Ｈ． Ｋａｍａｄａ， Ａ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｉｌ−Ｔｙｐｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＳＲ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｓｅｒｉｅｓ Ｂ， Ｖｏｌ． １０４， ｐｐ． １８０−１８２ （１９９４）．
【非特許文献３】Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｈ． Ｉｗａｉ， ａｎｄ Ｍ． Ｏｎｏ， Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｉｌ−ｔｙｐｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｖｏｌ． ６６， Ｎｏ． ９， ｐｐ． ４５２９−４５３４ （１９９５）．
【非特許文献４】Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｔ． Ｗａｌｃｚａｋ， ａｎｄ Ｈ． Ｍ． Ｓｗａｒｔｚ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｉｌ−Ｔｙｐｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ Ｌ−ｂａｎｄ ＥＰＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． １４２， Ｎｏ． １， ｐｐ． １５９−１６７ （２０００）．
【非特許文献５】Ｓ． Ｐｅｔｒｙａｋｏｖ， Ｍ． Ｃｈｚｈａｎ， Ａ． Ｓａｍｏｕｉｌｏｖ， Ｇ． Ｈｅ， Ｐ． Ｋｕｐｐｕｓａｍｙ， Ｊ． Ｌ． Ｚｗｅｉｅｒ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． １５１， ｐｐ． １２４−１２８ （２００１）．
【非特許文献６】三木俊克、池谷元伺、「走査型ＥＳＲイメージンング」， 大野桂一編著「ＥＳＲイメージング」（株式会社アイピーシー、平成２年５月２０発行）第９章
【非特許文献７】Ｊ． Ｍｕｒｐｈｙ−Ｂｏｅｓｃｈ， Ａ． Ｐ． Ｋｏｒｅｔｓｋｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． ５４， ｐｐ． ５２６−５３２ （１９８３）．
【非特許文献８】Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｈｉｒａｔａ ａｎｄ Ｚｈｉ−Ｗｅｉ Ｌｕｏ， Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＰＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ， Ｖｏｌ． ４６， ｐｐ． １２０９−１２１５ （２００１）．
【特許文献１】特許３４４３０１０号公報 「共振器及び電子スピン共鳴測定装置」（２００３年６月２０日登録）
【特許文献２】実開昭６０−１４９２６３号公報 「核磁気共鳴装置の整合回路」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＥＳＲ分光装置では、試料にマイクロ波を照射し、試料中に存在する不対電子のＥＳＲ現象による共鳴吸収スペクトルを測定している。生体を計測するＥＳＲ分光法では、８ｍＴから４５ｍＴ程度の低磁場が用いられている。この磁場でＥＳＲ現象が生じるマイクロ波の周波数は、例えば、２５０ＭＨｚから１２００ＭＨｚ程度である。低磁場を用いるＥＳＲ分光装置は、分析化学用として広く用いられているＸバンド ＥＳＲ分光装置（磁場０．３５Ｔ、マイクロ波周波数９．５ＧＨｚ程度）に比べ、ゼーマン分裂のエネルギー・ギャップが小さいことから、高感度でスペルトルを検出することが容易ではない。そのため、分光装置の検出感度を向上し、より小さい信号でも検出できる分光装置の開発が望まれている。ＥＳＲ分光装置の検出感度を支配する主な要因は、分光装置の雑音、マイクロ波電力、マイクロ波共振器の高周波磁場発生効率、共振器中にある不対電子の数などである。
本発明は、以上の点に鑑み、ＥＳＲ分光装置に用いるマイクロ波共振器をより高効率にすることで、ＥＳＲ分光装置の検出感度を改善することを目的とする。
また、これまで、ＥＳＲ分光装置において用いられる、生体の表面を計測するサーフェイスコイル共振器は、サーフェイスコイル、伝送線路、共振回路の組み合わせにより構成されていた。従って、試料に接するサーフェイスコイル以外の部分にも高周波エネルギーが蓄えられていた。
そこで、本発明は、サーフェイスコイルに蓄える高周波エネルギーの割合を向上させることにより、ＥＳＲ分光装置の検出感度を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の解決手段によると、
測定対象に近接又は接触して配置される一つまたは複数のコイルと、前記コイルと並列に接続された第１キャパシタとを有する並列共振回路と、
第１及び第２の一端及び第１及び第２の他端を有する平衡伝送線路と、
前記並列共振回路の両端と前記平衡伝送線路の第１の一端及び第２の一端とをそれぞれ直列に接続する第２及び第３キャパシタを有し、共振周波数を調整するための第１の共振周波数調整回路と、
前記平衡伝送線路の第１及び第２の他端に接続された平衡不平衡変換器と、
前記平衡伝送線路と前記平衡不平衡変換器との接続部で、前記平衡伝送線路の第１の他端と第２の他端との間に並列に接続された第４キャパシタを有し、インピーダンス整合をするためのインピーダンス整合回路と
を備え、
測定用信号が前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に入力されて前記並列共振回路から測定対象へ供給され、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出し前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するため共振器が提供される。
【０００６】
また、本発明の第２の解決手段によると、
上述のような共振器と、
前記共振器の前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に測定用信号を入力し、電子スピン共鳴信号を出力するための高周波線路と
を備え、
前記高周波線路から入力された測定用信号を前記共振器の前記並列共振回路から、前記並列共振回路と近接又は接触した測定対象へ供給し、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出し前記高周波線路の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するための電子スピン共鳴分光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、以下のような特有の効果を奏することができる。
（１） コイル部に高周波エネルギーが蓄えられる割合が大きな共振器を備えたＥＳＲ分光装置を提供することができる。
（２） インピーダンス整合を調整するキャパシタがコイルから離れた位置にあり、マグネットの中心部からは離れているため、手動でキャパシタの容量を調整することが容易である。また、試料から調整用のキャパシタの位置が離れているため、試料に印加される変調磁場に暴露される程度が低く、可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧が変調磁場に影響されることを防ぐことができる。
（３） キャパシタを試料から離れた位置に設けることで、上記（２）に記載のインピーダンス整合の調整と同様に、試料から離れて共振周波数を調整することができる。さらに、可変容量コンデンサを用いることにより、共振周波数を電圧で調整できる共振器を提供することができる。
（４） 動物、生物等の測定対象を計測する際に、動物の動きによる共振周波数とインピーダンス整合の変化を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
１．第１の実施の形態の共振器
図１に、共振器の第１の実施の形態の構成図を示す。
共振器は、並列共振回路１、共振周波数調整回路２、インピーダンス整合回路３、平衡伝送線路４、平衡・不平衡変換器（バラン）５、高周波線路６を備える。
第１の実施の形態の共振器は、並列共振回路を構成する一つまたは複数のコイルＬと並列に接続されたキャパシタＣ１を備える。コイルＬとキャパシタＣ１による並列共振回路１は、平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３を含む共振周波数調整回路２を介して、平衡伝送線路４の一端に接続される。平衡伝送線路４の他端は、平衡伝送線路４を駆動するための平衡不平衡変換器（バラン）５と接続される。キャパシタＣＭを含むインピーダンス整合回路３は、バラン５の両端（バラン５と平衡伝送線路４との接続部）に並列に接続されている。また、高周波線路６は、インピーダンス整合回路３の一端に接続される。
並列共振回路１は共振時のインピーダンスが高く、そのままでは平衡伝送線路４とインピーダンス整合することが難しいため、並列共振回路１と平衡伝送線路４の間に直列にキャパシタＣ２及びＣ３を接続し、ある程度のインピーダンス整合を行う。平衡伝送線路４は、例えば、平行に配置された一対の同軸ケーブルを用いることができ、その長さを半波長あるいはその整数倍、あるいは任意の長さに設定することにより、インピーダンス整合を調整するキャパシタＣＭを試料に印加される変調磁場から遠ざけることができる。コイルＬとキャパシタＣ１で構成する並列共振回路２はバランス回路のため、バランス駆動を実現するために平衡不平衡変換を行うバラン５を使用する。例えば、バラン５は同軸線路による半波長バランを用いることができる。
平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３のみではインピーダンス整合が完全ではない又は十分ではないため、バラン５と平衡伝送線路４に接続されたキャパシタＣＭにより、さらに、マイクロ波電力を供給する高周波線路６（同軸ケーブル、導波路等）とのインピーダンス整合を実現する。キャパシタＣＭは、例えば、予め定められた固定容量のキャパシタ及びトリマキャパシタ及び可変容量ダイオードを組み合わせることにより、構成することができる。固定容量の場合、例えば、所定ＥＳＲ装置を用いて、実際の測定やシミュレーション等により予め求めた所望の値に、その容量を予め設定することができる。
また、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量を調整することにより、共振周波数を調整することが可能である。このとき、例えば、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に可変容量ダイオードを接続するか、置き換え、各可変容量ダイオードの両端の電圧を調整する回路を設けて、その回路から各可変容量ダイオードに印加する電圧を変えることにより、共振周波数を調整することが可能となる。
【０００９】
２．第２の実施の形態の共振器
図２に、共振器の第２の実施の形態の構成図を示す。
この実施の形態は、共振周波数及びインピーダンス整合を調整できる共振器である。この実施の形態は、第１の実施の形態に、さらに、バラン５と平衡伝送線路４間に直列に、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２を含む共振周波数調整回路７を接続したものである。この実施の形態では、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２の容量を調整すること等によっても共振周波数を調整することができる。その場合、共振周波数調整回路７は、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２として、可変容量ダイオード、又は、トリマキャパシタと固定容量のキャパシタとの組み合わせ等により、共振周波数を変化させる範囲を調整することができる。
【００１０】
３．共振周波数及びインピーダンス整合の調整
図３に、可変容量ダイオードを含む共振周波数チューニング回路とインピーダンスマッチング回路の構成図を示す。
この図は、一例として、キャパシタＣＴ１、ＣＴ２に、２つの固定容量コンデンサと可変容量ダイオードを含む可変容量コンデンサを用いた回路の例を示した。共振周波数調整回路（チューニング回路）７は、共振周波数調整用の電圧Ｖ１を変化させることにより共振周波数を調節できる。また、インピーダンス整合回路（マッチング回路）３は、インピーダンスマッチング用の電圧Ｖ２を変化させることによりインピーダンス整合を調整できる。なお、インピーダンス整合は、トリマコンデンサＣＭによっても調節できる。図示のような構成を用いると、電圧により調整できることから、遠隔操作により周波数とインピーダンス整合を調整することができる。この場合、共振器の共振周波数及びマッチング制御を実行する自動制御回路を設けることで、自動にこれらを調整制御することができる（詳細は後述）。
なお、図１の共振周波数調整回路２についても、上述のような可変容量コンデンサを適用して、共振周波数を調整するようにしてもよい。
【００１１】
４．電子スピン共鳴分光装置
図４に、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図を示す。
本ＥＳＲ測定装置は、マイクロ波発振器１０１、共振器１０２、ブリッジ１０３、位相検波器１０５、コンピュータ１０７、低周波発振器１０９、自動周波数制御回路１１０、増幅器１１１、電源１１２、マグネット１１６、変調コイル１１７を備える。
ＥＳＲ分光装置においては、搬送波周波数（例えば、連続波）が、高周波線路６（例えば、同軸ケーブル、導波管等）を介して共振器１０２本体に入射される。共振器１０２は、電子スピン共鳴が起こらないときにマッチングが取れている状態に調整しておく。このとき、共振器１０２のマッチングが取れていると反射は起こらない。一方、共振器１０２のサーフェイスコイルＬに接している測定対象（試料）において電子スピン共鳴が起こると、共振器１０２の入力インピーダンスが変化する。すると、マッチングが崩れ、共振器１０２からの反射波が生じることになる。この反射波をＥＳＲ分光装置で受信することにより、ＥＳＲ信号の測定が行われる。
【００１２】
以下、動作の詳細について説明する。
共振器１０２が、第１及び第２の実施の形態に示した共振器に相当する。マイクロ波発振器１０１から出力されたマイクロ波は、図１又は図２に示す高周波線路６を介してブリッジ１０３から共振器１０２に印加される。共振器１０２のインピーダンス整合は調整されており、反射したマイクロ波は共振器１０２から再びブリッジ１０３へ戻り、ブリッジ１０３内部で包落線検波される。低周波発振器１０９から出力された変調信号は増幅器１１１により増幅され変調コイル１１７に印加される。電子スピン共鳴現象が生じていると、変調コイル１１７により発生した変調磁場の摂動により、共振器１０２から反射されるマイクロ波は振幅変調される。包落線検波された信号を位相検波器１０５により検波することにより、電子スピン共鳴吸収曲線の一次微分スペクトルを得ることができる。コンピュータ１０７は、位相検波器１０５から一次部分スペクトルを取得するとともに、低周波発振器１０９の振幅やマグネット１１６に供給する電流を制御する電源１１２をコントロールする。
自動周波数制御回路１１０の内部にある発振器の正弦波信号をマイクロ波発振器１０１に印加し、マイクロ波発振器１０１から出力される信号を周波数変調する。この周波数変調によってもマイクロ波は共振器１０２で反射される。ブリッジ１０３の内部で検波された信号は自動周波数制御回路１１０へ送られ、位相検波される。自動周波数制御回路１１０内の位相検波回路の出力がマイクロ波発振器１０１に印加される変調信号（正弦波）に重畳される。マイクロ波周波数（マイクロ波発振器１０１の周波数）と共振器１０２の共振周波数の差が小さくなるように自動周波数制御回路１１０の位相を調整すると、ネガティブフィードバック制御が実現し、マイクロ波発振器１０１の周波数を共振器１０２の共振周波数に同期することができる。自動周波数制御の技術は公知のものであり、例えば、非特許文献８に記載されている。
【００１３】
図５に、自動チューニング制御（ＡＴＣ）と自動マッチング制御（ＡＭＣ）を含む電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図を示す。
このＥＳＲ分光装置は、図４及びその説明箇所で示したＥＳＲ分光装置に、さらに、自動チューニング制御回路１２１、自動マッチング制御回路１２２を備えたものである。自動チューニング制御回路１２１は、周波数調整用電圧Ｖ１を出力し、自動マッチング制御回路１２２は、マッチング調整用電圧Ｖ２を出力する。また、共振器１０２としては、例えば、図３に示したものを用いることができる。
このようなＥＳＲ分光装置において、ブリッジ１０３から分岐された検波信号は、自動チューニング制御回路１２１に入力される。自動チューニング制御回路１２１の利得及び位相特性は、共振器１０２の共振周波数がマイクロ波発信器１０１の周波数に同期するように調整されており、ネガティブフィードバック制御が実現する。同様にブリッジ１０３から分岐された検波信号は、自動マッチング制御回路１２２に入力され、共振器１０２のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合するように、ネガティブフィードバック制御が行われる。この際、自動チューニング制御回路１２１及び自動マッチング制御回路１２２から出力される電圧は、それぞれ、共振器１０２のチューニング回路７及びマッチング回路３の一部として使用される各可変容量ダイオードに印加される（図３及びその説明箇所等参照）。
【００１４】
５．本発明・本実施の形態の有利性
本実施の形態によると、以下のような顕著な効果を奏する。
（１） コイル部に高周波エネルギーが蓄えられる割合が大きな共振器を備えたＥＳＲ分光装置を提供することができる。直径１０ｍｍの一回巻のコイルを用いた共振器（共振周波数１１８０ＭＨｚ、無負荷Ｑ ３８０）、平衡伝送線路の長さを半波長として図１の構成で共振器を試作した。金属球による摂動法により高周波磁場の発生効率を求めたところ、１２６μＴ／Ｗ１／２の効率であった。また、非特許文献４に記載のサーフェイスコイル共振器（共振周波数１１３０ＭＨｚ、無負荷Ｑ ２６２、一回巻コイルの直径１０ｍｍ）の効率を測定したところ、高周波磁場の発生効率は４４μＴ／Ｗ１／２であった。高周波磁場の発生効率は約２．９倍改善された。ＥＳＲスペクトルの信号強度は、高周波磁場の発生効率の二乗に比例するので、８倍程度スペクトルの信号強度が大きくなることが予想される。この実験結果から、共振器の高効率化により、損失の少ない試料ではＥＳＲ分光装置の検出感度が８倍程度改善されることを示している。
（２） インピーダンス整合を調整するキャパシタＣＭがコイルから離れた位置にあり、マグネットの中心部からは離れているため、手動でキャパシタＣＭの容量を調整することが容易である。キャパシタＣＭあるいは、キャパシタＣＭの一部として可変容量コンデンサを用いる場合には、試料からキャパシタＣＭの位置が離れているため、試料に印加される変調磁場に暴露される程度が低く、可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧が変調磁場に影響されることを防ぐことができる。
（３） キャパシタを試料から離れた位置に設けることで、上記に記載のインピーダンス整合の調整と同様に、試料から離れた位置で共振周波数を調整することができる。さらに、可変容量コンデンサを用いることにより、共振周波数を電圧で調整できる共振器を提供することができる。
（４） 動物等を計測する際に、動物の動きによる共振周波数とインピーダンス整合の変化を補償することが可能なＥＳＲ分光装置を提供することができる。
次に、本発明の実施の形態と、非特許文献７に記載された核磁気共鳴（ＮＭＲ）用のプローブ共振器とを、以下に比較する。非特許文献７に記載のプローブ共振器は、実施の形態はＦｉｇ．１ａに記載されており、その等価回路としてＦｉｇ．３ｂとＦｉｇ．３ｃが示されている。直列に接続されたキャパシタ（非特許文献Ｆｉｇ．３ではＣ２）はインピーダンス整合の調整に用いられており、サンプルコイルＬに並列に接続されたキャパシタＣ１は共振周波数の調整に用いられている。一方、本実施の形態では、平衡伝送線路とバランの間に並列に接続されたキャパシタＣＭを用いてインピーダンス整合の調整を行うところが、非特許文献７と異なる点である。
また、本願図２に示すキャパシタＣＴ１とＣＴ２は、共振周波数を調整する目的で平衡伝送線路を介してキャパシタＣ２、Ｃ３に接続されている。非特許文献７に記載のプローブ回路では、サンプルコイルと並列に接続されたキャパシタを調整することで共振周波数の調整を行っている。電子スピン共鳴分光装置では、使用するマイクロ波周波数がＮＭＲに比べ高いために、コイルに近接した場所で調整作業を行うと共振周波数及びインピーダンス整合に影響を与えてしまう。そのため、コイルから離れた場所で共振周波数とインピーダンス整合を調整できることが実用的に望ましい。特に図２に示す本発明の実施の形態の構成は、そのような問題を解決できる共振器を提供することができる。なお、図１に示す本発明の実施の形態の構成では、主に、インピーダンス整合をコイルから離れた場所で調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＳＨＦ等を含むマイクロ波に適宜適用することができる。また、スピン共鳴信号を検出する際、磁場掃引又は周波数掃引を用いる場合等に、本発明を適用することができる。
さらに、本発明は、化学、物理学、生物学、医学など広範囲のＥＳＲ法の分野に応用することができる。また、パルスＥＳＲ法及び連続波ＥＳＲ法などの各種ＥＳＲ法に、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】共振器の第１の実施の形態の構成図。
【図２】共振器の第２の実施の形態の構成図。
【図３】可変容量ダイオードを含む共振周波数チューニング回路とインピーダンスマッチング回路の構成図。
【図４】電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図。
【図５】自動チューニング制御と自動マッチング制御を含む電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図。
【符号の説明】
【００１７】
１ 並列共振回路
２、７ 共振周波数調整回路
３ インピーダンス整合回路
４ 平衡伝送線路
５ 平衡・不平衡変換機（バラン）
６ 高周波線路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器及び電子スピン共鳴装置に係り、特に、電子スピン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＳＲ）分光装置（ＥＳＲ測定装置）において、試料にマイクロ波を照射し、ＥＳＲ現象による共鳴吸収スペクトルを測定するマイクロ波共振器及びその共振器を用いた電子スピン共鳴分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＥＳＲ法は、電子が有する磁気モーメントの運動を利用して、不対電子を持った原子や分子を直接検出することができる有効な測定方法である。ＥＳＲ法には、主に、パルスＥＳＲ法と連続波ＥＳＲ法（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ−ＥＳＲ法、ＣＷ−ＥＳＲ法）がある。
ＥＳＲ法により測定するためのＥＳＲ分光装置においては、計測対象である試料を内部に又は近接して配置することによりＥＳＲ信号を計測するために、共振器が使用される。
生体を対象としたＥＳＲ分光装置で使用するサーフェイスコイル共振器は、例えば、以下の非特許文献１、２に記載されているような共振器が知られている。さらに、非特許文献３、４、特許文献１に記載されているように、サーフェイスコイル及び平衡伝送線路を用いたサーフェイスコイル型の共振器が、ＥＳＲ計測に使用されている。いずれも、一回か複数回巻きのコイルを試料表面に当てることにより、マイクロ波を試料に印加している。
また、非特許文献５には、円筒状のブリッジ・ループ・ギャップ共振器の片端に、試料の表面を接近させることにより、サーフェイスコイル同様に試料の表面付近を計測する共振器が報告されている。さらに、非特許文献６には、キャビティー共振器にピンホールを設け、そこからの漏洩マイクロ波を試料表面に印加する共振器が報告されている。また、非特許文献７には、核磁気共鳴（ＮＭＲ）用のプローブ共振器が報告されている。さらに、非特許文献８には、ＥＳＲ分光装置の自動周波数制御について開示されている。さらに、特許文献２には、共振器を駆動するためにバランを用いて平衡不平衡変換を行うことが有効であることが記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】Ｎｉｓｈｉｋａｗａ， Ｈ． Ｆｕｊｉｉ， Ｌ． Ｊ． Ｂｅｒｌｉｎｅｒ， Ｈｅｌｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｉｌｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ−Ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＳＲ ａｎｄ ＥＰＲ Ｉｍａｇｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． ６２， ｐｐ． ７９−８６ （１９８５）．
【非特許文献２】Ｍ． Ｏｎｏ， Ｋ． Ｉｔｏ， Ｎ． Ｋａｗａｍｕｒａ， Ｋ． Ｃ． Ｈｓｉｅｈ， Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｎ． Ｔｓｕｃｈｉｈａｓｈｉ， ａｎｄ Ｈ． Ｋａｍａｄａ， Ａ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｉｌ−Ｔｙｐｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＳＲ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｓｅｒｉｅｓ Ｂ， Ｖｏｌ． １０４， ｐｐ． １８０−１８２ （１９９４）．
【非特許文献３】Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｈ． Ｉｗａｉ， ａｎｄ Ｍ． Ｏｎｏ， Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｉｌ−ｔｙｐｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｖｏｌ． ６６， Ｎｏ． ９， ｐｐ． ４５２９−４５３４ （１９９５）．
【非特許文献４】Ｈ． Ｈｉｒａｔａ， Ｔ． Ｗａｌｃｚａｋ， ａｎｄ Ｈ． Ｍ． Ｓｗａｒｔｚ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｉｌ−Ｔｙｐｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｆｏｒ Ｌ−ｂａｎｄ ＥＰＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． １４２， Ｎｏ． １， ｐｐ． １５９−１６７ （２０００）．
【非特許文献５】Ｓ． Ｐｅｔｒｙａｋｏｖ， Ｍ． Ｃｈｚｈａｎ， Ａ． Ｓａｍｏｕｉｌｏｖ， Ｇ． Ｈｅ， Ｐ． Ｋｕｐｐｕｓａｍｙ， Ｊ． Ｌ． Ｚｗｅｉｅｒ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． １５１， ｐｐ． １２４−１２８ （２００１）．
【非特許文献６】三木俊克、池谷元伺、「走査型ＥＳＲイメージンング」， 大野桂一編著「ＥＳＲイメージング」（株式会社アイピーシー、平成２年５月２０発行）第９章
【非特許文献７】Ｊ． Ｍｕｒｐｈｙ−Ｂｏｅｓｃｈ， Ａ． Ｐ． Ｋｏｒｅｔｓｋｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ， Ｖｏｌ． ５４， ｐｐ． ５２６−５３２ （１９８３）．
【非特許文献８】Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｈｉｒａｔａ ａｎｄ Ｚｈｉ−Ｗｅｉ Ｌｕｏ， Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｎ Ｖｉｖｏ ＥＰＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ， Ｖｏｌ． ４６， ｐｐ． １２０９−１２１５ （２００１）．
【特許文献１】特許３４４３０１０号公報 「共振器及び電子スピン共鳴測定装置」（２００３年６月２０日登録）
【特許文献２】実開昭６０−１４９２６３号公報 「核磁気共鳴装置の整合回路」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＥＳＲ分光装置では、試料にマイクロ波を照射し、試料中に存在する不対電子のＥＳＲ現象による共鳴吸収スペクトルを測定している。生体を計測するＥＳＲ分光法では、８ｍＴから４５ｍＴ程度の低磁場が用いられている。この磁場でＥＳＲ現象が生じるマイクロ波の周波数は、例えば、２５０ＭＨｚから１２００ＭＨｚ程度である。低磁場を用いるＥＳＲ分光装置は、分析化学用として広く用いられているＸバンド ＥＳＲ分光装置（磁場０．３５Ｔ、マイクロ波周波数９．５ＧＨｚ程度）に比べ、ゼーマン分裂のエネルギー・ギャップが小さいことから、高感度でスペルトルを検出することが容易ではない。そのため、分光装置の検出感度を向上し、より小さい信号でも検出できる分光装置の開発が望まれている。ＥＳＲ分光装置の検出感度を支配する主な要因は、分光装置の雑音、マイクロ波電力、マイクロ波共振器の高周波磁場発生効率、共振器中にある不対電子の数などである。
本発明は、以上の点に鑑み、ＥＳＲ分光装置に用いるマイクロ波共振器をより高効率にすることで、ＥＳＲ分光装置の検出感度を改善することを目的とする。
また、これまで、ＥＳＲ分光装置において用いられる、生体の表面を計測するサーフェイスコイル共振器は、サーフェイスコイル、伝送線路、共振回路の組み合わせにより構成されていた。従って、試料に接するサーフェイスコイル以外の部分にも高周波エネルギーが蓄えられていた。
そこで、本発明は、サーフェイスコイルに蓄える高周波エネルギーの割合を向上させることにより、ＥＳＲ分光装置の検出感度を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の解決手段によると、
測定対象に近接又は接触して配置される一つまたは複数のコイルと、前記コイルと並列に接続された第１キャパシタとを有する並列共振回路と、
第１及び第２の一端及び第１及び第２の他端を有する平衡伝送線路と、
前記並列共振回路の両端と前記平衡伝送線路の第１の一端及び第２の一端とをそれぞれ直列に接続する第２及び第３キャパシタを有し、共振周波数を調整するための第１の共振周波数調整回路と、
前記平衡伝送線路の第１及び第２の他端に接続された平衡不平衡変換器と、
前記平衡伝送線路と前記平衡不平衡変換器との接続部で、前記平衡伝送線路の第１の他端と第２の他端との間に並列に接続された第４キャパシタを有し、インピーダンス整合をするためのインピーダンス整合回路と
を備え、
測定用信号が前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に入力されて前記並列共振回路から測定対象へ供給され、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出し前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するため共振器が提供される。
【０００６】
また、本発明の第２の解決手段によると、
上述のような共振器と、
前記共振器の前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に測定用信号を入力し、電子スピン共鳴信号を出力するための高周波線路と
を備え、
前記高周波線路から入力された測定用信号を前記共振器の前記並列共振回路から、前記並列共振回路と近接又は接触した測定対象へ供給し、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出し前記高周波線路の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するための電子スピン共鳴分光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、以下のような特有の効果を奏することができる。
（１） コイル部に高周波エネルギーが蓄えられる割合が大きな共振器を備えたＥＳＲ分光装置を提供することができる。
（２） インピーダンス整合を調整するキャパシタがコイルから離れた位置にあり、マグネットの中心部からは離れているため、手動でキャパシタの容量を調整することが容易である。また、試料から調整用のキャパシタの位置が離れているため、試料に印加される変調磁場に暴露される程度が低く、可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧が変調磁場に影響されることを防ぐことができる。
（３） キャパシタを試料から離れた位置に設けることで、上記（２）に記載のインピーダンス整合の調整と同様に、試料から離れて共振周波数を調整することができる。さらに、可変容量コンデンサを用いることにより、共振周波数を電圧で調整できる共振器を提供することができる。
（４） 動物、生物等の測定対象を計測する際に、動物の動きによる共振周波数とインピーダンス整合の変化を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
１．第１の実施の形態の共振器
図１に、共振器の第１の実施の形態の構成図を示す。
共振器は、並列共振回路１、共振周波数調整回路２、インピーダンス整合回路３、平衡伝送線路４、平衡・不平衡変換器（バラン）５、高周波線路６を備える。
第１の実施の形態の共振器は、並列共振回路を構成する一つまたは複数のコイルＬと並列に接続されたキャパシタＣ１を備える。コイルＬとキャパシタＣ１による並列共振回路１は、平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３を含む共振周波数調整回路２を介して、平衡伝送線路４の一端に接続される。平衡伝送線路４の他端は、平衡伝送線路４を駆動するための平衡不平衡変換器（バラン）５と接続される。キャパシタＣＭを含むインピーダンス整合回路３は、バラン５の両端（バラン５と平衡伝送線路４との接続部）に並列に接続されている。また、高周波線路６は、インピーダンス整合回路３の一端に接続される。
並列共振回路１は共振時のインピーダンスが高く、そのままでは平衡伝送線路４とインピーダンス整合することが難しいため、並列共振回路１と平衡伝送線路４の間に直列にキャパシタＣ２及びＣ３を接続し、ある程度のインピーダンス整合を行う。平衡伝送線路４は、例えば、平行に配置された一対の同軸ケーブルを用いることができ、その長さを半波長あるいはその整数倍、あるいは任意の長さに設定することにより、インピーダンス整合を調整するキャパシタＣＭを試料に印加される変調磁場から遠ざけることができる。コイルＬとキャパシタＣ１で構成する並列共振回路２はバランス回路のため、バランス駆動を実現するために平衡不平衡変換を行うバラン５を使用する。例えば、バラン５は同軸線路による半波長バランを用いることができる。
平衡伝送線路４に直列に接続されたキャパシタＣ２及びＣ３のみではインピーダンス整合が完全ではない又は十分ではないため、バラン５と平衡伝送線路４に接続されたキャパシタＣＭにより、さらに、マイクロ波電力を供給する高周波線路６（同軸ケーブル、導波路等）とのインピーダンス整合を実現する。キャパシタＣＭは、例えば、予め定められた固定容量のキャパシタ及びトリマキャパシタ及び可変容量ダイオードを組み合わせることにより、構成することができる。固定容量の場合、例えば、所定ＥＳＲ装置を用いて、実際の測定やシミュレーション等により予め求めた所望の値に、その容量を予め設定することができる。
また、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量を調整することにより、共振周波数を調整することが可能である。このとき、例えば、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３に可変容量ダイオードを接続するか、置き換え、各可変容量ダイオードの両端の電圧を調整する回路を設けて、その回路から各可変容量ダイオードに印加する電圧を変えることにより、共振周波数を調整することが可能となる。
【０００９】
２．第２の実施の形態の共振器
図２に、共振器の第２の実施の形態の構成図を示す。
この実施の形態は、共振周波数及びインピーダンス整合を調整できる共振器である。この実施の形態は、第１の実施の形態に、さらに、バラン５と平衡伝送線路４間に直列に、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２を含む共振周波数調整回路７を接続したものである。この実施の形態では、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２の容量を調整すること等によっても共振周波数を調整することができる。その場合、共振周波数調整回路７は、キャパシタＣＴ１及びＣＴ２として、可変容量ダイオード、又は、トリマキャパシタと固定容量のキャパシタとの組み合わせ等により、共振周波数を変化させる範囲を調整することができる。
【００１０】
３．共振周波数及びインピーダンス整合の調整
図３に、可変容量ダイオードを含む共振周波数チューニング回路とインピーダンスマッチング回路の構成図を示す。
この図は、一例として、キャパシタＣＴ１、ＣＴ２に、２つの固定容量コンデンサと可変容量ダイオードを含む可変容量コンデンサを用いた回路の例を示した。共振周波数調整回路（チューニング回路）７は、共振周波数調整用の電圧Ｖ１を変化させることにより共振周波数を調節できる。また、インピーダンス整合回路（マッチング回路）３は、インピーダンスマッチング用の電圧Ｖ２を変化させることによりインピーダンス整合を調整できる。なお、インピーダンス整合は、トリマコンデンサＣＭによっても調節できる。図示のような構成を用いると、電圧により調整できることから、遠隔操作により周波数とインピーダンス整合を調整することができる。この場合、共振器の共振周波数及びマッチング制御を実行する自動制御回路を設けることで、自動にこれらを調整制御することができる（詳細は後述）。
なお、図１の共振周波数調整回路２についても、上述のような可変容量コンデンサを適用して、共振周波数を調整するようにしてもよい。
【００１１】
４．電子スピン共鳴分光装置
図４に、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図を示す。
本ＥＳＲ測定装置は、マイクロ波発振器１０１、共振器１０２、ブリッジ１０３、位相検波器１０５、コンピュータ１０７、低周波発振器１０９、自動周波数制御回路１１０、増幅器１１１、電源１１２、マグネット１１６、変調コイル１１７を備える。
ＥＳＲ分光装置においては、搬送波周波数（例えば、連続波）が、高周波線路６（例えば、同軸ケーブル、導波管等）を介して共振器１０２本体に入射される。共振器１０２は、電子スピン共鳴が起こらないときにマッチングが取れている状態に調整しておく。このとき、共振器１０２のマッチングが取れていると反射は起こらない。一方、共振器１０２のサーフェイスコイルＬに接している測定対象（試料）において電子スピン共鳴が起こると、共振器１０２の入力インピーダンスが変化する。すると、マッチングが崩れ、共振器１０２からの反射波が生じることになる。この反射波をＥＳＲ分光装置で受信することにより、ＥＳＲ信号の測定が行われる。
【００１２】
以下、動作の詳細について説明する。
共振器１０２が、第１及び第２の実施の形態に示した共振器に相当する。マイクロ波発振器１０１から出力されたマイクロ波は、図１又は図２に示す高周波線路６を介してブリッジ１０３から共振器１０２に印加される。共振器１０２のインピーダンス整合は調整されており、反射したマイクロ波は共振器１０２から再びブリッジ１０３へ戻り、ブリッジ１０３内部で包落線検波される。低周波発振器１０９から出力された変調信号は増幅器１１１により増幅され変調コイル１１７に印加される。電子スピン共鳴現象が生じていると、変調コイル１１７により発生した変調磁場の摂動により、共振器１０２から反射されるマイクロ波は振幅変調される。包落線検波された信号を位相検波器１０５により検波することにより、電子スピン共鳴吸収曲線の一次微分スペクトルを得ることができる。コンピュータ１０７は、位相検波器１０５から一次部分スペクトルを取得するとともに、低周波発振器１０９の振幅やマグネット１１６に供給する電流を制御する電源１１２をコントロールする。
自動周波数制御回路１１０の内部にある発振器の正弦波信号をマイクロ波発振器１０１に印加し、マイクロ波発振器１０１から出力される信号を周波数変調する。この周波数変調によってもマイクロ波は共振器１０２で反射される。ブリッジ１０３の内部で検波された信号は自動周波数制御回路１１０へ送られ、位相検波される。自動周波数制御回路１１０内の位相検波回路の出力がマイクロ波発振器１０１に印加される変調信号（正弦波）に重畳される。マイクロ波周波数（マイクロ波発振器１０１の周波数）と共振器１０２の共振周波数の差が小さくなるように自動周波数制御回路１１０の位相を調整すると、ネガティブフィードバック制御が実現し、マイクロ波発振器１０１の周波数を共振器１０２の共振周波数に同期することができる。自動周波数制御の技術は公知のものであり、例えば、非特許文献８に記載されている。
【００１３】
図５に、自動チューニング制御（ＡＴＣ）と自動マッチング制御（ＡＭＣ）を含む電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図を示す。
このＥＳＲ分光装置は、図４及びその説明箇所で示したＥＳＲ分光装置に、さらに、自動チューニング制御回路１２１、自動マッチング制御回路１２２を備えたものである。自動チューニング制御回路１２１は、周波数調整用電圧Ｖ１を出力し、自動マッチング制御回路１２２は、マッチング調整用電圧Ｖ２を出力する。また、共振器１０２としては、例えば、図３に示したものを用いることができる。
このようなＥＳＲ分光装置において、ブリッジ１０３から分岐された検波信号は、自動チューニング制御回路１２１に入力される。自動チューニング制御回路１２１の利得及び位相特性は、共振器１０２の共振周波数がマイクロ波発信器１０１の周波数に同期するように調整されており、ネガティブフィードバック制御が実現する。同様にブリッジ１０３から分岐された検波信号は、自動マッチング制御回路１２２に入力され、共振器１０２のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合するように、ネガティブフィードバック制御が行われる。この際、自動チューニング制御回路１２１及び自動マッチング制御回路１２２から出力される電圧は、それぞれ、共振器１０２のチューニング回路７及びマッチング回路３の一部として使用される各可変容量ダイオードに印加される（図３及びその説明箇所等参照）。
【００１４】
５．本発明・本実施の形態の有利性
本実施の形態によると、以下のような顕著な効果を奏する。
（１） コイル部に高周波エネルギーが蓄えられる割合が大きな共振器を備えたＥＳＲ分光装置を提供することができる。直径１０ｍｍの一回巻のコイルを用いた共振器（共振周波数１１８０ＭＨｚ、無負荷Ｑ ３８０）、平衡伝送線路の長さを半波長として図１の構成で共振器を試作した。金属球による摂動法により高周波磁場の発生効率を求めたところ、１２６μＴ／Ｗ１／２の効率であった。また、非特許文献４に記載のサーフェイスコイル共振器（共振周波数１１３０ＭＨｚ、無負荷Ｑ ２６２、一回巻コイルの直径１０ｍｍ）の効率を測定したところ、高周波磁場の発生効率は４４μＴ／Ｗ１／２であった。高周波磁場の発生効率は約２．９倍改善された。ＥＳＲスペクトルの信号強度は、高周波磁場の発生効率の二乗に比例するので、８倍程度スペクトルの信号強度が大きくなることが予想される。この実験結果から、共振器の高効率化により、損失の少ない試料ではＥＳＲ分光装置の検出感度が８倍程度改善されることを示している。
（２） インピーダンス整合を調整するキャパシタＣＭがコイルから離れた位置にあり、マグネットの中心部からは離れているため、手動でキャパシタＣＭの容量を調整することが容易である。キャパシタＣＭあるいは、キャパシタＣＭの一部として可変容量コンデンサを用いる場合には、試料からキャパシタＣＭの位置が離れているため、試料に印加される変調磁場に暴露される程度が低く、可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧が変調磁場に影響されることを防ぐことができる。
（３） キャパシタを試料から離れた位置に設けることで、上記に記載のインピーダンス整合の調整と同様に、試料から離れた位置で共振周波数を調整することができる。さらに、可変容量コンデンサを用いることにより、共振周波数を電圧で調整できる共振器を提供することができる。
（４） 動物等を計測する際に、動物の動きによる共振周波数とインピーダンス整合の変化を補償することが可能なＥＳＲ分光装置を提供することができる。
次に、本発明の実施の形態と、非特許文献７に記載された核磁気共鳴（ＮＭＲ）用のプローブ共振器とを、以下に比較する。非特許文献７に記載のプローブ共振器は、実施の形態はＦｉｇ．１ａに記載されており、その等価回路としてＦｉｇ．３ｂとＦｉｇ．３ｃが示されている。直列に接続されたキャパシタ（非特許文献Ｆｉｇ．３ではＣ２）はインピーダンス整合の調整に用いられており、サンプルコイルＬに並列に接続されたキャパシタＣ１は共振周波数の調整に用いられている。一方、本実施の形態では、平衡伝送線路とバランの間に並列に接続されたキャパシタＣＭを用いてインピーダンス整合の調整を行うところが、非特許文献７と異なる点である。
また、本願図２に示すキャパシタＣＴ１とＣＴ２は、共振周波数を調整する目的で平衡伝送線路を介してキャパシタＣ２、Ｃ３に接続されている。非特許文献７に記載のプローブ回路では、サンプルコイルと並列に接続されたキャパシタを調整することで共振周波数の調整を行っている。電子スピン共鳴分光装置では、使用するマイクロ波周波数がＮＭＲに比べ高いために、コイルに近接した場所で調整作業を行うと共振周波数及びインピーダンス整合に影響を与えてしまう。そのため、コイルから離れた場所で共振周波数とインピーダンス整合を調整できることが実用的に望ましい。特に図２に示す本発明の実施の形態の構成は、そのような問題を解決できる共振器を提供することができる。なお、図１に示す本発明の実施の形態の構成では、主に、インピーダンス整合をコイルから離れた場所で調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＳＨＦ等を含むマイクロ波に適宜適用することができる。また、スピン共鳴信号を検出する際、磁場掃引又は周波数掃引を用いる場合等に、本発明を適用することができる。
さらに、本発明は、化学、物理学、生物学、医学など広範囲のＥＳＲ法の分野に応用することができる。また、パルスＥＳＲ法及び連続波ＥＳＲ法などの各種ＥＳＲ法に、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】共振器の第１の実施の形態の構成図。
【図２】共振器の第２の実施の形態の構成図。
【図３】可変容量ダイオードを含む共振周波数チューニング回路とインピーダンスマッチング回路の構成図。
【図４】電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図。
【図５】自動チューニング制御と自動マッチング制御を含む電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光装置の構成図。
【符号の説明】
【００１７】
１ 並列共振回路
２、７ 共振周波数調整回路
３ インピーダンス整合回路
４ 平衡伝送線路
５ 平衡・不平衡変換機（バラン）
６ 高周波線路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に近接又は接触して配置される一つまたは複数のコイルと、前記コイルと並列に接続された第１キャパシタとを有する並列共振回路と、
第１及び第２の一端及び第１及び第２の他端を有する平衡伝送線路と、
前記並列共振回路の両端と前記平衡伝送線路の第１の一端及び第２の一端とをそれぞれ直列に接続する第２及び第３キャパシタを有し、共振周波数を調整するための第１の共振周波数調整回路と、
前記平衡伝送線路の第１及び第２の他端に接続された平衡不平衡変換器と、
前記平衡伝送線路と前記平衡不平衡変換器との接続部で、前記平衡伝送線路の第１の他端と第２の他端との間に並列に接続された第４キャパシタを有し、インピーダンス整合をするためのインピーダンス整合回路と
を備え、
測定用信号が前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に入力されて前記並列共振回路から測定対象へ供給され、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出して前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するため共振器。
【請求項２】
前記インピーダンス整合回路は、第４キャパシタに並列に可変容量ダイオードをさらに有し、前記可変容量ダイオードに印加する電圧を調整することによりインピーダンスを整合する請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記第１の共振周波数調整回路の第２及び第３キャパシタの容量を調整することにより共振周波数を調整する請求項１又は２に記載の共振器。
【請求項４】
前記平衡伝送線路の他端と前記インピーダンス整合回路との間に直列に、共振周波数を調整するための第２の共振周波数調整回路をさらに備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の共振器。
【請求項５】
前記第２の共振周波数調整回路は、可変容量ダイオードとコンデンサを含む可変容量キャパシタを有し、前記可変容量ダイオードに印加する電圧を調整することにより、前記可変容量キャパシタの容量を調整し、共振周波数を調整する請求項４に記載の共振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の共振器と、
前記共振器の前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に測定用信号を入力し、電子スピン共鳴信号を出力するための高周波線路と
を備え、
前記高周波線路から入力された測定用信号を前記共振器の前記並列共振回路から、前記並列共振回路と近接又は接触した測定対象へ供給し、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出して前記高周波線路の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するための電子スピン共鳴分光装置。
【請求項７】
前記共振器の前記共振周波数調整回路を調整するための周波数調整用電圧を出力する自動チューニング制御回路をさらに備えた電子スピン共鳴分光装置。
【請求項８】
前記共振器の前記インピーダンス整合回路を調整するためのマッチング調整用電圧を出力する自動マッチング制御回路をさらに備えた電子スピン共鳴分光装置。
【請求項１】
測定対象に近接又は接触して配置される一つまたは複数のコイルと、前記コイルと並列に接続された第１キャパシタとを有する並列共振回路と、
第１及び第２の一端及び第１及び第２の他端を有する平衡伝送線路と、
前記並列共振回路の両端と前記平衡伝送線路の第１の一端及び第２の一端とをそれぞれ直列に接続する第２及び第３キャパシタを有し、共振周波数を調整するための第１の共振周波数調整回路と、
前記平衡伝送線路の第１及び第２の他端に接続された平衡不平衡変換器と、
前記平衡伝送線路と前記平衡不平衡変換器との接続部で、前記平衡伝送線路の第１の他端と第２の他端との間に並列に接続された第４キャパシタを有し、インピーダンス整合をするためのインピーダンス整合回路と
を備え、
測定用信号が前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に入力されて前記並列共振回路から測定対象へ供給され、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出して前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するため共振器。
【請求項２】
前記インピーダンス整合回路は、第４キャパシタに並列に可変容量ダイオードをさらに有し、前記可変容量ダイオードに印加する電圧を調整することによりインピーダンスを整合する請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記第１の共振周波数調整回路の第２及び第３キャパシタの容量を調整することにより共振周波数を調整する請求項１又は２に記載の共振器。
【請求項４】
前記平衡伝送線路の他端と前記インピーダンス整合回路との間に直列に、共振周波数を調整するための第２の共振周波数調整回路をさらに備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の共振器。
【請求項５】
前記第２の共振周波数調整回路は、可変容量ダイオードとコンデンサを含む可変容量キャパシタを有し、前記可変容量ダイオードに印加する電圧を調整することにより、前記可変容量キャパシタの容量を調整し、共振周波数を調整する請求項４に記載の共振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の共振器と、
前記共振器の前記平衡伝送線路の第１又は第２の他端に測定用信号を入力し、電子スピン共鳴信号を出力するための高周波線路と
を備え、
前記高周波線路から入力された測定用信号を前記共振器の前記並列共振回路から、前記並列共振回路と近接又は接触した測定対象へ供給し、前記測定対象でのエネルギー吸収を前記並列共振回路により検出して前記高周波線路の入力インピーダンスが変化することにより、電子スピン共鳴信号を測定するための電子スピン共鳴分光装置。
【請求項７】
前記共振器の前記共振周波数調整回路を調整するための周波数調整用電圧を出力する自動チューニング制御回路をさらに備えた電子スピン共鳴分光装置。
【請求項８】
前記共振器の前記インピーダンス整合回路を調整するためのマッチング調整用電圧を出力する自動マッチング制御回路をさらに備えた電子スピン共鳴分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１８０５１０（Ｐ２００８−１８０５１０Ａ）
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２１５３（Ｐ２００７−１２１５３）
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【出願人】（３０４０３６７５４）国立大学法人山形大学 (59)
【公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２３日（２００７．１．２３）
【出願人】（３０４０３６７５４）国立大学法人山形大学 (59)
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