細長い誘電体内側電極を備えたＮＭＲ用可変容量チューブラコンデンサ
【課題】可変容量チューブラコンデンサの絶縁耐力を増大させる。
【解決手段】円筒状誘電体チューブ３と、円筒状チューブ３を包囲する金属製の外側電極１と、円筒状チューブ３の内孔中で軸方向に移動可能であると共に内孔に接する内側電極とを備え、内側電極が金属ロッド２を含むものであって、金属ロッド２の端部が軸方向に延び、誘電体ロッド９を用いて金属ロッドを円筒状チューブ３の内孔に配した可変容量チューブラコンデンサ。チューブラコンデンサは、絶縁耐力を増大し、ＮＭＲ分光計の解像度を向上させる。
【解決手段】円筒状誘電体チューブ３と、円筒状チューブ３を包囲する金属製の外側電極１と、円筒状チューブ３の内孔中で軸方向に移動可能であると共に内孔に接する内側電極とを備え、内側電極が金属ロッド２を含むものであって、金属ロッド２の端部が軸方向に延び、誘電体ロッド９を用いて金属ロッドを円筒状チューブ３の内孔に配した可変容量チューブラコンデンサ。チューブラコンデンサは、絶縁耐力を増大し、ＮＭＲ分光計の解像度を向上させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
円筒状誘電体チューブと、この円筒状チューブを包囲する金属製の外側電極と、円筒状チューブの内孔で軸方向に移動可能であると共に内孔に接する内側電極とを備え、内側電極が金属ロッドを含むものである可変容量チューブラコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の可変容量チューブラコンデンサは、非特許文献１に記載のように例えばＮＭＲ分光システムに用いられる。
【０００３】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光分析は最も有力な機器解析方法の１つであり、特に生物科学および材料研究に用いられる。無線（ＲＦ）周波数共振器はＦＲ磁場パルスを試料に照射し、試料の応答を計測して評価するものである。
【０００４】
そして、照射するＲＦ磁場パルスの長さが最小であると、ＮＭＲスペクトルの品質が良くなる。達成可能な最小長さは、ＲＦ共振器とくにその容量同調要素の放電開始電圧を高くせずに設定可能な最大ＲＦ磁場振幅値に依存する。このため、容量同調要素の電圧抵抗（すなわち絶縁耐力）によりＮＭＲスペクトルの品質が制約される。従来の容量同調要素は、上述のように可変容量チューブラコンデンサである。
【非特許文献１】会社案内 アブァンセ、 ザ・パルス・オブ・イノベーション、ブルーカー バイオシュピン アーゲー、スイス国フェーランデン、２００４年４月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の基礎的な目的は、可変容量チューブラコンデンサの絶縁耐力を増大させることにあり、特にその様なチューブラコンデンサを用いてＮＭＲ分光計の解像度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は上述のタイプのチューブラコンデンサにより達成され、チューブラコンデンサは、円筒状チューブの内孔に配置された金属ロッドの端部が誘電体ロッドにより軸方向に延びることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、従来のチューブラコンデンサにおける円筒状誘電体ロッドと内側電極に接する金属ロッドとの間の狭いギャップ領域では高電圧スパークが生起せず、むしろ金属ロッドの端部領域で生じることを示す。驚くべきことに、空気が介在する電極同士の間隔が比較的大きい部位で高電圧スパークが発生し、これは金属ロッドが丸みをつけた端部部分を有する場合にもあてはまる。
【０００８】
高電圧スパークのおそれが増大するチューブラコンデンサ領域において、絶縁耐力に乏しい空気を、空気その他のガスより絶縁耐力が相当高く（空気に比べて１０倍以上）そして堅固且つ電気的な絶縁性を有する誘電体で置換することにより、本発明はチューブラコンデンサの絶縁耐力を増大させるものである。破壊し易い金属ロッドの端部に誘電体ロッドが装着され、誘電体が常に正確に位置づけられる。誘電体ロッドの材料は例えばプラスチック材料とくにテフロン(登録商標)、ガラスあるいはセラミック材料とくに酸化アルミニウムでよい。
【０００９】
本発明のチューブラコンデンサの好適な実施形態では、誘電体ロッドは、金属ロッドに直接に接合する長手方向領域で特にその全長にわたり、金属ロッドと外径が同一である。誘電体ロッドの外径はその全長にわたって一定である必要はない。しかしながら、金属ロッドと誘電体ロッドとの環状移行線において両ロッドの外方側では両ロッドの外径を同一にすべきである。これにより絶縁耐力が高くなる。両ロッドおよび孔の断面を円形または楕円形にするのが好ましい。円形でない断面（特にコーナ断面）では、ロッド断面の外側輪郭が外径にかわる。この実施形態の更なる発展形態では、金属ロッドに直接続く長手方向領域において、好ましくはその全長にわたり、誘電体ロッドは金属ロッドと外径が同一である。この直接に接合する長手方向領域は、少なくとも、金属ロッドの直径の１．５倍と一般に用いられる金属ロッドの端部部分の軸方向延長部との和に対応することが好ましい。これにより金属ロッドの端部付近でのエアギャップの増大を回避し、チューブラコンデンサの絶縁耐力が確実に大きくなる。
【００１０】
本発明のチューブラコンデンサの特に好適な実施形態では、円筒状チューブの内孔に配置される金属ロッドの端部は丸みをつけた端部部分を有し、この端部部分は金属ロッドの端部における鋭い変化を回避することが好ましい。誘電体チューブの孔に配される金属ロッド端部領域の形状が円筒状形状と異なる部位すなわち直径が減少する部位で、金属ロッドの端部部分が始まる。丸みをつけた端部部分および金属ロッドは一体に形成される。端部部分に丸みをつけることにより金属ロッドの端部まわりでの電界強度が減少し、高電圧スパーク傾向が低減する。
【００１１】
上記実施形態の更なる発展形態では、誘電体ロッドの長さＬＤは、少なくとも、端部部分の軸方向長さＬＡと金属ロッドの直径ＤＭの１．５倍との和に相当する。すなわち、ＬＤ＝ＬＡ＋１．５ＤＭである。誘電体ロッドはこれにより特にスパークの影響を受け易い金属ロッドの端部領域をカバーして、絶縁耐力を向上する。
【００１２】
更なる発展形態では、金属ロッドの端部部分は１つ以上の円筒状段部を有する。円筒状段部は端部部分における長さ区間（または平坦領域）であり、同区間では非消滅長さにわたり外径が一定である（但し、端部部分から離間した円筒状領域での金属ロッドの直径より小さい）。これにより誘電体延長部（すなわち誘電体ロッド）と金属ロッドとの接続の機械的安定性が向上する。
【００１３】
更なる発展形態では、金属部分の端部部分は１以上の収縮部を有する。これにより誘電体延長部と金属ロッドとの機械的固定が更に安定かつ堅固になる。この収縮部により取付けとくに弾性的に係合および解除可能な取付けが容易になる。
【００１４】
上記実施の形態の特に好適な更なる発展形態では、金属ロッドの端部部分が概ね細長い回転楕円面形状を有する。この形状により、特に金属ロッドの外径寸法を円滑且つ一定に低減させることにより電界ピークが最小になり、絶縁耐力が最適になる。
【００１５】
更なる特に有利な発展形態では、誘電体ロッドが端部部分の全面に特に空気含有物なしにシールして接続される。換言すれば、端部部分および誘電体ロッドは両者の全面にわたって接触する。これにより接続表面での絶縁耐力が向上する。
【００１６】
本発明のチューブラコンデンサの更に有利な実施の形態では、円筒状チューブの誘電体の比誘電率およびロッドの誘電体の比誘電率が１．３ないし５であり、特に各誘電体がテフロン(登録商標)である。この材料は高電圧スパークを防止するのに好適である。
【００１７】
別の好適な実施の形態では、円筒状チューブの誘電体の比誘電率とロッドの比誘電率との差が１．０以下であり、好ましくは２つの比誘電率は同一である。これにより高電圧スパーク傾向が低減する。
【００１８】
本発明は、無線周波数（ＲＦ）共鳴器と該ＲＦ共鳴器を動作させる回路とを備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドであって、本発明のチューブラコンデンサを１つ以上備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドにも関連する。この種のプローブヘッドにより、絶縁耐力が向上し、ＲＦ共振器を用いて非常に短く且つ強いＲＦパルスを試料に照射することができ、関連するＮＭＲ分光計のスペクトル測定品質が向上する。
【００１９】
本発明の更なる利点は詳細な説明および図面から抽出することができる。上述のおよび下記の特徴は個々にあるいは任意に組み合わせて用いることができる。図示および記載される実施の形態は本発明を網羅するものではなく、例示的な性格をもつものと解すべきである。
【００２０】
本発明は図面により詳細に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
１．序論
現今のＮＭＲ分光計の多くは、短いＲＦパルスすなわち精密に区分されたＲＦパルス群を専ら使用して測定サンプル内の磁気スピンを励起するものになっている。結果として生じる信号はＦＩＤ（自由誘導減衰）と称され、その後、高速フーリエ変換を用いて同信号から所望のＮＭＲスペクトルが算出される。
【００２２】
測定サンプルは、これに近接配置されると共に所望の励起周波数ｆ０に同調されたＮＭＲプローブヘッド内のＲＦ共鳴器（ＲＦ＝無線周波数）を用いて励起される。現今のＮＭＲ分光計のプロトン励起周波数は１００ＭＨｚないし９００ＭＨｚである。
【００２３】
励起プロセス中（図１）、短いＲＦ電流パルスｉＬがＲＦ共振器に供給される。これによりスピン系を励起する短い磁気ＲＦ磁場パルスが発生する。
【００２４】
ＲＦ磁場パルスは、ＮＭＲスペクトル全体を励起するためにできる限り短くなければならず、できる限り均一でなければならない。また、スピン回転軸線が好ましくは約９０度のフリップ角だけ回転されるようにＲＦ磁場振幅が充分に大きくなければならない。一般に９０度の角度は最適感度すなわち受信ＮＭＲ信号に対し最適な信号対ノイズ比を保証する。
【００２５】
ＲＦ磁場パルスの最小長さは、ＲＦ共振器やその容量同調要素の放電開始電圧を高くすることなく設定可能なＲＦ磁場振幅値に依存する。
【００２６】
ＲＦ共振器では必ずしも放電は発生しないが、容量同調要素でしばしば発生する。このため、ＮＭＲ分光計製造業者は、容量同調要素の電圧抵抗を最適に高くするよう努めている。
【００２７】
スピン系を励起するＲＦパルスは、好ましくはインピーダンスが５０ΩのＲＦラインを介してＲＦ送信器からＲＦ共振器に供給される。
【００２８】
図２ａは、ＮＭＲでしばしば用いられるＲＦ共振器の典型的な回路を示す。ＲＦ送信器２１は、周波数ｆ０の、本例では６００ＭＨｚの内部正弦波電源電圧Ｕ０を発生し、同電圧は５０Ωの直列抵抗を介して外部へ供給される。これは送信器の出力抵抗と称されるが、エネルギの自由反射伝送を可能とするため出力抵抗はＲＦケーブルのインピーダンスと同一でなければならない。
【００２９】
ＲＦ共振器は点Ａに接続され（図２ａ参照）、Ｌ、ＣＴ、ＣＭおよびＲＬの発振回路からなる。ＲＬはＮＭＲコイルの損失抵抗である。ＣＭは５０Ωに整合し、ＣＴは回路を正確な共振周波数に同調する。同調中、容量同士が互いに影響を及ぼす。同調後、ＲＦエネルギ全体が反射することなくＲＦ共振器に到達するように（すなわち１００％）、ＲＦ共振器は、点ＡからＲＦ共振器に向かってみて５０Ωの抵抗の如きの挙動を呈する。受信されたパワーはコイル損失抵抗ＲＦで解放され、すなわちＮＭＲコイルが加熱され、これにより原子核スピンを励起する強いＲＦ磁場が発生する。
【００３０】
調査対象の溶媒（測定サンプル）がコイル内に導入されると、追加のエネルギを吸収可能になる。共振回路は、溶媒導入後の同回路の動作周波数に特に同調可能である。これが電子回路を変化させ、同回路の負荷になるからである。
【００３１】
簡易化のため、ここでは測定サンプルなしに動作し且つ反射なしの６００ＭＨｚに同調されたＲＦ回路を検討する。共振器全体が５０Ωの抵抗の如きの挙動を呈するとき、すなわち回路の点Ａで送信器の電源電圧の半分（Ｕ０／２）が測定され又はそこでの電圧がマイナス６ｄＢ（図３ａ）および位相位置が０度（図３ｂ）であるときに、ＲＦ回路が正確に同調される。従って、共振器は送信器の出力抵抗に対し５０Ωの直列抵抗として現れる。図２ｂは、同調されたＲＦ共振器２３を備えた送信器２２の等価回路図を示す。同調されていない場合、この等価回路図は有効ではない。
【００３２】
点ＢでのＮＭＲコイルの両端電圧（図２ａ）は、ＮＭＲコイルのＱ値によっては極めて高い値をとる。下記の例では図２ａの回路を以下の諸元で用いた。
【００３３】
ＣＭ＝０．１７２ｐＦ
ＣＴ＝０．８３３ｐＦ
Ｌ＝７０ｎＨ
ＲＬ＝１．５Ω
送信器出力電力が３００Ｗの場合、上記により
Ｐ＝ＵＡ２／ＲおよびＲ＝５０Ωが発生する。すなわち、点Ａでの電圧はＵＡ＝√（Ｐ＊Ｒ）＝１２２Ｖおよび送信器の電源電圧Ｕ０は２＊ＵＡ＝２４５Ｖである。このため、点ＢでのＮＭＲ試料の両端電圧（図２ａ）が非常に大きくなる。すなわち、ＵＢ＝２４ｄＢ＊Ｕ０．１６＊Ｕ０＝３．９ＫＶｅｆｆ又はUＢ＝５．５ｋＶ（ピーク値）である。
【００３４】
算出電圧および算出位相に従い図３ｃ及び図３ｄの曲線を得る。これは、ＲＦ共振器で極めて高いＲＦ電圧を発生できることを示す。
【００３５】
コイル回路で高電圧が発生するばかりではなく、原子核スピンを励起する強い磁場を最終的に発生させる非常に高い電流も考慮しなければならない。
【００３６】
図面に示した例示的な回路は、５０Ωまでの損失抵抗ＲＬを変換する変換器として理解することができる。すなわち、送信器の負荷は５０Ωであるが、エネルギが実際に入力する抵抗はこれよりも小さい。
【００３７】
２．先行技術
一般に、可変チューブラコンデンサは、共鳴を同調させると共にＲＦ共振器のパワーを整合させるために使用される。可変チューブラコンデンサはそのサイズが最小化され且つ磁化率が無視することができる値でなければならず、また極めて高いＲＦ電圧に耐えなければならない。商業的にいえば、その様な可変チューブラコンデンサは、非常に高品質で且つ大量生産することのできないすき間商品であり、従って、可変コンデンサの製造業者には興味のないものである。従って、ＮＭＲ分光計の製造者は、チューブラコンデンサを自ら設計製造しなければならない。
【００３８】
チューブラコンデンサは同軸でかつ円筒状（図４）に設計され、誘電体の円筒状チューブ３と、外側電極１として外側から固定して当接される金属チューブと、内側電極とから構成され、内側電極は、誘電体の円筒状チューブ３の内孔４１に密に接するが、軸方向に移動可能である。内側電極は金属ロッド２からなり、内孔４１に配置された同ロッドの端５’は鋭く変化しないように丸められている。
【００３９】
内側電極すなわち金属ロッド２は、例えば金属製の接触スリーブ４を介して接触している。好ましくは誘電体チューブ３にテフロン(登録商標)が使用され、その特徴は電圧抵抗およびＲＦのＱが高いことにある。容量同調可能範囲は通常は０．２ｐＦないし６ｐＦである。
【００４０】
チューブラコンデンサＣＴまたはＣＭ（図２ａ）をコイルＬの「ホット」ＲＦ端に直接に接続した場合、上記の如くに算出された高い電圧値がチューブラコンデンサの両端に直接発生し、従ってチューブラコンデンサをその様な高電圧に耐えるように設計する必要がある。
【００４１】
チューブラコンデンサCMをコイルLの「ホット」端に直接に接続しなくともよいが、共振周波数ｆ０の同調範囲を低減すると共に微細な同調を可能にするには固定の直列コンデンサを介して接続する。この場合、チューブラコンデンサの両端電圧は容量式電圧デバイダにより低減される一方、高電圧抵抗の問題が追加の直列コンデンサに伝達されるが、容量値が固定であるので重要性は低くなる。これは常にあてはまるわけではないが、プロトン分光法では望ましい。
【００４２】
コンデンサの電圧抵抗は第１に電極間隔に依存し、第２には電極形状そして部分的には誘電体に依存し、第３には誘電体の絶縁耐力に依存する。ここで、誘電体は空気、ガス、固体または液体である。
【００４３】
本発明の範囲において、エアギャップが最小であって破壊が最も生じやすいと思われる金属ロッド２の円筒状領域（例えば図５の部位６）では、通常、チューブコンデンサの破壊が生じることがないことが判明した。これに対し、エアギャップが最大であるロッド端５’付近の領域７で破壊が生じる。電場強度が追加的に増大しないよう端部を丸めて鋭い変化をなくした場合にも、これがあてはまる。この予期しない挙動を以下に説明する。
【００４４】
このため、ＲＦ誘電体強度を改良したチューブラコンデンサが直ちに必要になる。
【００４５】
３．本発明のチューブラコンデンサ
領域７（図５）での破壊は、空気の局所的なイオン化により発生し、これにより導電性のプラズマが発生する。このプラズマは高いピーク電流を伝達可能であり、ロッド端５’の領域において、内側電極の表面および誘電体チューブ３の内孔４１の表面に損傷を与える。
【００４６】
実験的調査によれば、金属ロッド２を丸い形状に変更することは、丸み形状に鋭い変化がなくなるよう丸み形状の半径が充分に大きいものでなければ、誘電体強度に大きく影響しないことが判明した。外側電極１の形状ならびに誘電体および電極材料の選択は、誘電体強度に対して副次的に影響するに過ぎない。
【００４７】
電圧実験によれば、通常はロッド端５’に近い領域７において空気中で破壊が生じ、固体の誘電体内で生じないことが判明した。これは、２つの平坦電極間のエアギャップに依存する空気に対する絶縁破壊電界強度の曲線によって説明される（図１０）。同曲線は、絶縁破壊電界強度ＥDがエアギャップの減少につれて増大すること、すなわち重要性が低くなることを示す。
【００４８】
チューブラコンデンサの２つの電極は電界強度Ｅが高く且つ線Ｅに沿う自由経路長ＳＬが長いが、両電極間の空気領域が重要でありスパークの影響を受けやすい。これは、内側電極が丸みを帯びた端５’を有する場合にあてはまり、従って当該部位（図５の領域７）で生じる電圧スパークを説明している。
【００４９】
しかしながら、内側電極の円筒状領域（例えば図５の領域６）においてエアギャップは非常に小さく（例えば０．１ｍｍ未満）、そしてエアギャップでの線Ｅが金属ロッド２および誘電体チューブ３の表面に対して垂直に延びているので、線Ｅに沿う自由経路長もまた非常に小さい。従って、この領域での電圧抵抗は大きく、これは当該領域で電圧スパークが何故発生しないのかその理由を説明している。
【００５０】
空気よりも絶縁耐力が相当に大きい誘電体が種々存在しており、そこで本発明の基本的な目的は、電界が大きい領域の全てのエアギャップを絶縁耐力の大きい誘電体で置換することにより最も小さく低減することである。これによる不利益の一つは、容量可変にするために内側電極を移動可能にする点である。
【００５１】
本発明によれば、この基礎的なアイデアは、誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃを用いて、内側電極の金属ロッド２、２ａ、２ｂを、内孔４１に配置された端部５’とくに当該部位に設けられるいわゆる端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃにおいて軸方向に延在させた点にある（図６ａ、図６ｂ、図７、図８、図９参照）。誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃは、好ましくは空気含有物なしに端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃの表面全体に対してシールされる。好ましくは、誘電体ロッド９，９ａ、９ｂ、９ｃは、金属ロッド２、２ａ、２ｂ、２ｃに接続される領域６２（図６ｂ参照）においてその全長にわたって金属ロッドと同一の外径を有する。
【００５２】
更に、端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃは鋭い変化とくに内側電極の円筒状部分への変化開始部分を有する必要はなく、また全ての丸み部分の半径寸法は最大でなければならない。金属ロッド２の端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃは、誘電体チューブ３の孔に配された金属ロッド２の端部５’の領域で始り、円筒状形状を異にし（すなわち直径が減じられ）、そして、金属ロッドの実際の端部５’に延びる。
【００５３】
図６ｂは、円形円筒形状の金属ロッド２を備えた本発明のチューブラコンデンサの断面図を示す。金属ロッド２は半球状の端部部分５を有する。誘電体ロッド９も円形円筒形状を有するが、この誘電体ロッドはその端面に半球状の凹部を有し、この凹部には端部部分５がその全面で接して装着される（例えば糊付け）。誘電体ロッド９の右縁（図６）は、（金属ロッド２と誘電体ロッド９を備える）内側電極のまわりに環状の線を形成する接続領域６２における端部部分５の右端（すなわち突部）と合致している。金属ロッド２は、チューブラコンデンサの容量を調節するため誘電体ロッド９と共に左右に移動可能である（図６）。
【００５４】
図６ｂは、内側電極と外側電極１との間に電圧ＵＣが印加されるときに形成される電気力線８を示す。チューブ３の（誘電率ε１を有する）誘電体内の電気力線区間Ｅ１と誘電体ロッド９の（誘電率ε２を有する）誘電体内の電気力線区間Ｅ２は、空気の絶縁強度が小さいことに起因して重要になる。エアギャップ６３内の電気力線の自由経路長ＳＬが大きいので、絶縁耐力は小さくなる。
【００５５】
しかしながら、本発明の誘電体ロッド９はエアギャップでの自由経路長ＳＬを最小にする。なお、図６ｂで更に左方の電気力線はエアギャップにおいて長い自由経路長ＳＬを有するが、電界強度は左方に向かって減少する。これを大きい電気力線間隔で示す。電界強度が小さいほど、破壊のおそれが低減する。
【００５６】
誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃの長さは任意であるが、以下は少なくともＬＤ＝ＬＡ＊１．５＊ＤＭの場合に成立する。ＬDは誘電体ロッドの全軸方向長さ、ＬＡは端部部分の軸方向長さ、ＤＭは金属ロッドの直径（たとえば図７を参照）である。換言すれば、誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃの突出長さＬＵＥは金属ロッドの直径ＤＭの１．５倍以上である。この最小条件により、誘電体ロッドの端部での電界ピークの発生を防止する。
【００５７】
誘電体延長部９ａと内側電極の金属ロッド２ａとの接続の機械的安定性を向上させるため、好適な実施の形態では、端部部分５ａの形状を当該部分が１つ以上の円筒状区間（図７の５ａ）を含むように選択可能である。図７の例では、２つの円筒状区間７１、７２が設けられている。端部部分５ａに沿って外側直径を円滑に低減すると、略半球状の端部部分（図６ｂの参照符号５）に比べ電界ピークの発生が低減するという点でも有利である。
【００５８】
特に好適な実施の形態では、端部部分５ｂの形状は１つ以上の収縮部８１を有し、好ましくは１以上の円筒状段部８２を有する（図８）。収縮部８１は誘電体延長部９ｂと金属ロッド２ｂとの機械的な固定をより安定且つ堅固にする点で有利である。
【００５９】
更なる実施の形態では、端部部分５ｃは概ね細長い回転楕円面を有する（図９）。これらの形状により電界ピークが最小になるが、誘電体延長部と端部部分との機械的固定の信頼度および堅固さが乏しいという不利益がある。
【００６０】
電界シミュレーションプログラムにより、変位可能なロッドと誘電体との間のエアギャップにおける電界の挙動が明確に示される。
【００６１】
以下、２つの用語を簡単に説明する。
【００６２】
軸方向電界およびその電界成分は、図６ｂに従ってチューブラコンデンサの対称軸線６１に平行に延びる。半径方向電界および電界成分は、空間の任意の点でチューブラコンデンサの対称軸線６１に対して垂直である。
【００６３】
以下の例では、エアギャップにおける電界が、電界延長部を有する楕円端部部分（図９における回転楕円面５ｃ）を具備した金属ロッド２について算出されるものとする。ロッド２ｃの誘電体延長部９ｃは、εｒ＝２．２と比誘電率がチューブ３の誘電体、本例ではテフロン(登録商標)と同一である。この計算では、励起はコンデンサに印加される１Ｖの電圧であるとする。電気力線の像が電圧に従属しないので、実際の場合につき、全ての電界値を１Ｖに基づき再度スケーリング可能である。
【００６４】
図１１は、種々の回転楕円面の半軸比について（図の右側において左から右に１：０．５、１：１、１：２、１：３、１：６）、半径方向電界成分を位置の関数で示したものである。横軸の原点はロッドの円筒状部分の何処かにあり（図９の２ｃ）、金属ロッド２と誘電体チューブ３との間のエアギャップにおける半径方向電界成分はロッドの金属部分の端を超えて観察される。金属ロッドの円筒状部分での電界が一定値３０００Ｖ／ｍであることが分かる（０＜ｘ＝ｘ０ｍｍ、図１１中、図の左側）。楕円状の移行部を介して金属部分が誘電体延長部に入りはじめる部位ｘ０では、エアギャップでの余分の電界を防ぐことはできない。ロッド端部の幾何学的構成によって、この余分の電界を最小にすることができる。
【００６５】
図１１は、軸線比が１：６の長い回転楕円面が残余電界を殆ど有せず、また電界がエアギャッに沿って連続的にかつ円滑に減少することを示す（図の右側ｘ＞ｘ０ｍｍ）。この誘電的に延在するロッドは、どの部位においてもスパークを形成することなく高電圧に耐える。チューブラコンデンサの最大電圧強度は、図１０に従いおおよそエアギャップの電圧強度により専ら決定される。
【００６６】
図１２は、回転楕円面の種々の半軸比（最大値に対して左から右に１：０．５、１：１、１：２、１：３、１：６）につき、幾何学的構成が同一の場合の軸方向電界成分を示す。軸方向電界成分は重要性が少なく、またエアギャップ内の任意の点での半径方向成分より常に相当小さい。しかしながら、軸方向成分は、粒子なだれに対する最大自由経路長の方向に、すなわち、破壊が最も生起し易く図１０に従って薄いエアギャップの利点がもはや有用でない方向に常に対向しているので、軸方向成分を無視すべきではない。
【００６７】
本発明による試料構造に係る実際の負荷測定は理論と合致している。すなわち、スパークを形成することなく、そしてチューブラコンデンサを破壊することなく、相当の高電圧を誘電的に延在するチューブラコンデンサに印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ＲＦパルス中のＲＦ共振器における電流（ＩＬ）の時間依存性（ｔ）の図を示す。
【図２】（ａ）はＮＭＲ分光計用のプローブヘッドの典型的なＲＦ共振器の回路図を示す。（ｂ）は同調状態における図２ａの回路の等価回路図を示す。
【図３ａ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ａにおける電圧Ｕの相対振幅の図を示す。
【図３ｂ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ａにおける電圧の相対位相の図を示す。
【図３ｃ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ｂにおける電圧Ｕの相対振幅の図を示す。
【図３ｄ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ｂにおける電圧Ｕの相対位相の図を示す。
【図４】先行技術による可変容量チューブラコンデンサの概略図を示す。
【図５】図４の位置に比べて変位した金属ロッドの端部の領域における図４の拡大断面を示す。
【図６ａ】本発明による可変容量チューブラコンデンサの概略図を示す。
【図６ｂ】金属ロッドを図６ａの位置に比べて若干変位させた金属ロッドの端部の領域における図６の拡大断面図を示す。
【図７】金属ロッドの丸みをつけた端部部分に２つの円筒状段部を具備した本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図８】金属ロッドの丸みをつけた端部部分に収縮部を備えた本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図９】細長い回転楕円面形状の丸みをつけた端部部分を有する本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図１０】２つの平面電極間のエアギャップにおける破壊電界強度ＥＤをエアギャップ幅ｄＬに対してプロットした図を示す。
【図１１】回転楕円面の種々の半軸比につき、図９ａのチューブラコンデンサにおける金属ロッドの端部領域におけるエアギャップの半径方向電界の図を示す。
【図１２】回転楕円面の種々の半軸比につき、図９に対応するチューブラコンデンサにおける金属ロッドの端部領域でのエアギャップにおける軸方向電界の図を示す。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外側電極
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 金属ロッド
３ 誘電体チューブ
４ 金属接点スリーブ
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 金属ロッドの端部部分
５’ チューブ３の内孔中に配される金属ロッド部分
６ 金属ロッド２の円筒状領域における誘電体チューブ３と金属ロッド２間のエアギャップ内の点
７ 金属ロッドの端部５’の領域におけるエアギャップ領域
８ 電気力線
９、９ａ、９ｂ、９ｃ 誘電体ロッド
４１ 誘電体チューブ３の内孔
６１ 誘電体チューブの対称軸線
６２ 接続領域
６３ エアギャップ
７１、７２ 円筒状段部
８１ 収縮部
８２ 円筒状段部
【技術分野】
【０００１】
円筒状誘電体チューブと、この円筒状チューブを包囲する金属製の外側電極と、円筒状チューブの内孔で軸方向に移動可能であると共に内孔に接する内側電極とを備え、内側電極が金属ロッドを含むものである可変容量チューブラコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の可変容量チューブラコンデンサは、非特許文献１に記載のように例えばＮＭＲ分光システムに用いられる。
【０００３】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光分析は最も有力な機器解析方法の１つであり、特に生物科学および材料研究に用いられる。無線（ＲＦ）周波数共振器はＦＲ磁場パルスを試料に照射し、試料の応答を計測して評価するものである。
【０００４】
そして、照射するＲＦ磁場パルスの長さが最小であると、ＮＭＲスペクトルの品質が良くなる。達成可能な最小長さは、ＲＦ共振器とくにその容量同調要素の放電開始電圧を高くせずに設定可能な最大ＲＦ磁場振幅値に依存する。このため、容量同調要素の電圧抵抗（すなわち絶縁耐力）によりＮＭＲスペクトルの品質が制約される。従来の容量同調要素は、上述のように可変容量チューブラコンデンサである。
【非特許文献１】会社案内 アブァンセ、 ザ・パルス・オブ・イノベーション、ブルーカー バイオシュピン アーゲー、スイス国フェーランデン、２００４年４月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の基礎的な目的は、可変容量チューブラコンデンサの絶縁耐力を増大させることにあり、特にその様なチューブラコンデンサを用いてＮＭＲ分光計の解像度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は上述のタイプのチューブラコンデンサにより達成され、チューブラコンデンサは、円筒状チューブの内孔に配置された金属ロッドの端部が誘電体ロッドにより軸方向に延びることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、従来のチューブラコンデンサにおける円筒状誘電体ロッドと内側電極に接する金属ロッドとの間の狭いギャップ領域では高電圧スパークが生起せず、むしろ金属ロッドの端部領域で生じることを示す。驚くべきことに、空気が介在する電極同士の間隔が比較的大きい部位で高電圧スパークが発生し、これは金属ロッドが丸みをつけた端部部分を有する場合にもあてはまる。
【０００８】
高電圧スパークのおそれが増大するチューブラコンデンサ領域において、絶縁耐力に乏しい空気を、空気その他のガスより絶縁耐力が相当高く（空気に比べて１０倍以上）そして堅固且つ電気的な絶縁性を有する誘電体で置換することにより、本発明はチューブラコンデンサの絶縁耐力を増大させるものである。破壊し易い金属ロッドの端部に誘電体ロッドが装着され、誘電体が常に正確に位置づけられる。誘電体ロッドの材料は例えばプラスチック材料とくにテフロン(登録商標)、ガラスあるいはセラミック材料とくに酸化アルミニウムでよい。
【０００９】
本発明のチューブラコンデンサの好適な実施形態では、誘電体ロッドは、金属ロッドに直接に接合する長手方向領域で特にその全長にわたり、金属ロッドと外径が同一である。誘電体ロッドの外径はその全長にわたって一定である必要はない。しかしながら、金属ロッドと誘電体ロッドとの環状移行線において両ロッドの外方側では両ロッドの外径を同一にすべきである。これにより絶縁耐力が高くなる。両ロッドおよび孔の断面を円形または楕円形にするのが好ましい。円形でない断面（特にコーナ断面）では、ロッド断面の外側輪郭が外径にかわる。この実施形態の更なる発展形態では、金属ロッドに直接続く長手方向領域において、好ましくはその全長にわたり、誘電体ロッドは金属ロッドと外径が同一である。この直接に接合する長手方向領域は、少なくとも、金属ロッドの直径の１．５倍と一般に用いられる金属ロッドの端部部分の軸方向延長部との和に対応することが好ましい。これにより金属ロッドの端部付近でのエアギャップの増大を回避し、チューブラコンデンサの絶縁耐力が確実に大きくなる。
【００１０】
本発明のチューブラコンデンサの特に好適な実施形態では、円筒状チューブの内孔に配置される金属ロッドの端部は丸みをつけた端部部分を有し、この端部部分は金属ロッドの端部における鋭い変化を回避することが好ましい。誘電体チューブの孔に配される金属ロッド端部領域の形状が円筒状形状と異なる部位すなわち直径が減少する部位で、金属ロッドの端部部分が始まる。丸みをつけた端部部分および金属ロッドは一体に形成される。端部部分に丸みをつけることにより金属ロッドの端部まわりでの電界強度が減少し、高電圧スパーク傾向が低減する。
【００１１】
上記実施形態の更なる発展形態では、誘電体ロッドの長さＬＤは、少なくとも、端部部分の軸方向長さＬＡと金属ロッドの直径ＤＭの１．５倍との和に相当する。すなわち、ＬＤ＝ＬＡ＋１．５ＤＭである。誘電体ロッドはこれにより特にスパークの影響を受け易い金属ロッドの端部領域をカバーして、絶縁耐力を向上する。
【００１２】
更なる発展形態では、金属ロッドの端部部分は１つ以上の円筒状段部を有する。円筒状段部は端部部分における長さ区間（または平坦領域）であり、同区間では非消滅長さにわたり外径が一定である（但し、端部部分から離間した円筒状領域での金属ロッドの直径より小さい）。これにより誘電体延長部（すなわち誘電体ロッド）と金属ロッドとの接続の機械的安定性が向上する。
【００１３】
更なる発展形態では、金属部分の端部部分は１以上の収縮部を有する。これにより誘電体延長部と金属ロッドとの機械的固定が更に安定かつ堅固になる。この収縮部により取付けとくに弾性的に係合および解除可能な取付けが容易になる。
【００１４】
上記実施の形態の特に好適な更なる発展形態では、金属ロッドの端部部分が概ね細長い回転楕円面形状を有する。この形状により、特に金属ロッドの外径寸法を円滑且つ一定に低減させることにより電界ピークが最小になり、絶縁耐力が最適になる。
【００１５】
更なる特に有利な発展形態では、誘電体ロッドが端部部分の全面に特に空気含有物なしにシールして接続される。換言すれば、端部部分および誘電体ロッドは両者の全面にわたって接触する。これにより接続表面での絶縁耐力が向上する。
【００１６】
本発明のチューブラコンデンサの更に有利な実施の形態では、円筒状チューブの誘電体の比誘電率およびロッドの誘電体の比誘電率が１．３ないし５であり、特に各誘電体がテフロン(登録商標)である。この材料は高電圧スパークを防止するのに好適である。
【００１７】
別の好適な実施の形態では、円筒状チューブの誘電体の比誘電率とロッドの比誘電率との差が１．０以下であり、好ましくは２つの比誘電率は同一である。これにより高電圧スパーク傾向が低減する。
【００１８】
本発明は、無線周波数（ＲＦ）共鳴器と該ＲＦ共鳴器を動作させる回路とを備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドであって、本発明のチューブラコンデンサを１つ以上備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドにも関連する。この種のプローブヘッドにより、絶縁耐力が向上し、ＲＦ共振器を用いて非常に短く且つ強いＲＦパルスを試料に照射することができ、関連するＮＭＲ分光計のスペクトル測定品質が向上する。
【００１９】
本発明の更なる利点は詳細な説明および図面から抽出することができる。上述のおよび下記の特徴は個々にあるいは任意に組み合わせて用いることができる。図示および記載される実施の形態は本発明を網羅するものではなく、例示的な性格をもつものと解すべきである。
【００２０】
本発明は図面により詳細に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
１．序論
現今のＮＭＲ分光計の多くは、短いＲＦパルスすなわち精密に区分されたＲＦパルス群を専ら使用して測定サンプル内の磁気スピンを励起するものになっている。結果として生じる信号はＦＩＤ（自由誘導減衰）と称され、その後、高速フーリエ変換を用いて同信号から所望のＮＭＲスペクトルが算出される。
【００２２】
測定サンプルは、これに近接配置されると共に所望の励起周波数ｆ０に同調されたＮＭＲプローブヘッド内のＲＦ共鳴器（ＲＦ＝無線周波数）を用いて励起される。現今のＮＭＲ分光計のプロトン励起周波数は１００ＭＨｚないし９００ＭＨｚである。
【００２３】
励起プロセス中（図１）、短いＲＦ電流パルスｉＬがＲＦ共振器に供給される。これによりスピン系を励起する短い磁気ＲＦ磁場パルスが発生する。
【００２４】
ＲＦ磁場パルスは、ＮＭＲスペクトル全体を励起するためにできる限り短くなければならず、できる限り均一でなければならない。また、スピン回転軸線が好ましくは約９０度のフリップ角だけ回転されるようにＲＦ磁場振幅が充分に大きくなければならない。一般に９０度の角度は最適感度すなわち受信ＮＭＲ信号に対し最適な信号対ノイズ比を保証する。
【００２５】
ＲＦ磁場パルスの最小長さは、ＲＦ共振器やその容量同調要素の放電開始電圧を高くすることなく設定可能なＲＦ磁場振幅値に依存する。
【００２６】
ＲＦ共振器では必ずしも放電は発生しないが、容量同調要素でしばしば発生する。このため、ＮＭＲ分光計製造業者は、容量同調要素の電圧抵抗を最適に高くするよう努めている。
【００２７】
スピン系を励起するＲＦパルスは、好ましくはインピーダンスが５０ΩのＲＦラインを介してＲＦ送信器からＲＦ共振器に供給される。
【００２８】
図２ａは、ＮＭＲでしばしば用いられるＲＦ共振器の典型的な回路を示す。ＲＦ送信器２１は、周波数ｆ０の、本例では６００ＭＨｚの内部正弦波電源電圧Ｕ０を発生し、同電圧は５０Ωの直列抵抗を介して外部へ供給される。これは送信器の出力抵抗と称されるが、エネルギの自由反射伝送を可能とするため出力抵抗はＲＦケーブルのインピーダンスと同一でなければならない。
【００２９】
ＲＦ共振器は点Ａに接続され（図２ａ参照）、Ｌ、ＣＴ、ＣＭおよびＲＬの発振回路からなる。ＲＬはＮＭＲコイルの損失抵抗である。ＣＭは５０Ωに整合し、ＣＴは回路を正確な共振周波数に同調する。同調中、容量同士が互いに影響を及ぼす。同調後、ＲＦエネルギ全体が反射することなくＲＦ共振器に到達するように（すなわち１００％）、ＲＦ共振器は、点ＡからＲＦ共振器に向かってみて５０Ωの抵抗の如きの挙動を呈する。受信されたパワーはコイル損失抵抗ＲＦで解放され、すなわちＮＭＲコイルが加熱され、これにより原子核スピンを励起する強いＲＦ磁場が発生する。
【００３０】
調査対象の溶媒（測定サンプル）がコイル内に導入されると、追加のエネルギを吸収可能になる。共振回路は、溶媒導入後の同回路の動作周波数に特に同調可能である。これが電子回路を変化させ、同回路の負荷になるからである。
【００３１】
簡易化のため、ここでは測定サンプルなしに動作し且つ反射なしの６００ＭＨｚに同調されたＲＦ回路を検討する。共振器全体が５０Ωの抵抗の如きの挙動を呈するとき、すなわち回路の点Ａで送信器の電源電圧の半分（Ｕ０／２）が測定され又はそこでの電圧がマイナス６ｄＢ（図３ａ）および位相位置が０度（図３ｂ）であるときに、ＲＦ回路が正確に同調される。従って、共振器は送信器の出力抵抗に対し５０Ωの直列抵抗として現れる。図２ｂは、同調されたＲＦ共振器２３を備えた送信器２２の等価回路図を示す。同調されていない場合、この等価回路図は有効ではない。
【００３２】
点ＢでのＮＭＲコイルの両端電圧（図２ａ）は、ＮＭＲコイルのＱ値によっては極めて高い値をとる。下記の例では図２ａの回路を以下の諸元で用いた。
【００３３】
ＣＭ＝０．１７２ｐＦ
ＣＴ＝０．８３３ｐＦ
Ｌ＝７０ｎＨ
ＲＬ＝１．５Ω
送信器出力電力が３００Ｗの場合、上記により
Ｐ＝ＵＡ２／ＲおよびＲ＝５０Ωが発生する。すなわち、点Ａでの電圧はＵＡ＝√（Ｐ＊Ｒ）＝１２２Ｖおよび送信器の電源電圧Ｕ０は２＊ＵＡ＝２４５Ｖである。このため、点ＢでのＮＭＲ試料の両端電圧（図２ａ）が非常に大きくなる。すなわち、ＵＢ＝２４ｄＢ＊Ｕ０．１６＊Ｕ０＝３．９ＫＶｅｆｆ又はUＢ＝５．５ｋＶ（ピーク値）である。
【００３４】
算出電圧および算出位相に従い図３ｃ及び図３ｄの曲線を得る。これは、ＲＦ共振器で極めて高いＲＦ電圧を発生できることを示す。
【００３５】
コイル回路で高電圧が発生するばかりではなく、原子核スピンを励起する強い磁場を最終的に発生させる非常に高い電流も考慮しなければならない。
【００３６】
図面に示した例示的な回路は、５０Ωまでの損失抵抗ＲＬを変換する変換器として理解することができる。すなわち、送信器の負荷は５０Ωであるが、エネルギが実際に入力する抵抗はこれよりも小さい。
【００３７】
２．先行技術
一般に、可変チューブラコンデンサは、共鳴を同調させると共にＲＦ共振器のパワーを整合させるために使用される。可変チューブラコンデンサはそのサイズが最小化され且つ磁化率が無視することができる値でなければならず、また極めて高いＲＦ電圧に耐えなければならない。商業的にいえば、その様な可変チューブラコンデンサは、非常に高品質で且つ大量生産することのできないすき間商品であり、従って、可変コンデンサの製造業者には興味のないものである。従って、ＮＭＲ分光計の製造者は、チューブラコンデンサを自ら設計製造しなければならない。
【００３８】
チューブラコンデンサは同軸でかつ円筒状（図４）に設計され、誘電体の円筒状チューブ３と、外側電極１として外側から固定して当接される金属チューブと、内側電極とから構成され、内側電極は、誘電体の円筒状チューブ３の内孔４１に密に接するが、軸方向に移動可能である。内側電極は金属ロッド２からなり、内孔４１に配置された同ロッドの端５’は鋭く変化しないように丸められている。
【００３９】
内側電極すなわち金属ロッド２は、例えば金属製の接触スリーブ４を介して接触している。好ましくは誘電体チューブ３にテフロン(登録商標)が使用され、その特徴は電圧抵抗およびＲＦのＱが高いことにある。容量同調可能範囲は通常は０．２ｐＦないし６ｐＦである。
【００４０】
チューブラコンデンサＣＴまたはＣＭ（図２ａ）をコイルＬの「ホット」ＲＦ端に直接に接続した場合、上記の如くに算出された高い電圧値がチューブラコンデンサの両端に直接発生し、従ってチューブラコンデンサをその様な高電圧に耐えるように設計する必要がある。
【００４１】
チューブラコンデンサCMをコイルLの「ホット」端に直接に接続しなくともよいが、共振周波数ｆ０の同調範囲を低減すると共に微細な同調を可能にするには固定の直列コンデンサを介して接続する。この場合、チューブラコンデンサの両端電圧は容量式電圧デバイダにより低減される一方、高電圧抵抗の問題が追加の直列コンデンサに伝達されるが、容量値が固定であるので重要性は低くなる。これは常にあてはまるわけではないが、プロトン分光法では望ましい。
【００４２】
コンデンサの電圧抵抗は第１に電極間隔に依存し、第２には電極形状そして部分的には誘電体に依存し、第３には誘電体の絶縁耐力に依存する。ここで、誘電体は空気、ガス、固体または液体である。
【００４３】
本発明の範囲において、エアギャップが最小であって破壊が最も生じやすいと思われる金属ロッド２の円筒状領域（例えば図５の部位６）では、通常、チューブコンデンサの破壊が生じることがないことが判明した。これに対し、エアギャップが最大であるロッド端５’付近の領域７で破壊が生じる。電場強度が追加的に増大しないよう端部を丸めて鋭い変化をなくした場合にも、これがあてはまる。この予期しない挙動を以下に説明する。
【００４４】
このため、ＲＦ誘電体強度を改良したチューブラコンデンサが直ちに必要になる。
【００４５】
３．本発明のチューブラコンデンサ
領域７（図５）での破壊は、空気の局所的なイオン化により発生し、これにより導電性のプラズマが発生する。このプラズマは高いピーク電流を伝達可能であり、ロッド端５’の領域において、内側電極の表面および誘電体チューブ３の内孔４１の表面に損傷を与える。
【００４６】
実験的調査によれば、金属ロッド２を丸い形状に変更することは、丸み形状に鋭い変化がなくなるよう丸み形状の半径が充分に大きいものでなければ、誘電体強度に大きく影響しないことが判明した。外側電極１の形状ならびに誘電体および電極材料の選択は、誘電体強度に対して副次的に影響するに過ぎない。
【００４７】
電圧実験によれば、通常はロッド端５’に近い領域７において空気中で破壊が生じ、固体の誘電体内で生じないことが判明した。これは、２つの平坦電極間のエアギャップに依存する空気に対する絶縁破壊電界強度の曲線によって説明される（図１０）。同曲線は、絶縁破壊電界強度ＥDがエアギャップの減少につれて増大すること、すなわち重要性が低くなることを示す。
【００４８】
チューブラコンデンサの２つの電極は電界強度Ｅが高く且つ線Ｅに沿う自由経路長ＳＬが長いが、両電極間の空気領域が重要でありスパークの影響を受けやすい。これは、内側電極が丸みを帯びた端５’を有する場合にあてはまり、従って当該部位（図５の領域７）で生じる電圧スパークを説明している。
【００４９】
しかしながら、内側電極の円筒状領域（例えば図５の領域６）においてエアギャップは非常に小さく（例えば０．１ｍｍ未満）、そしてエアギャップでの線Ｅが金属ロッド２および誘電体チューブ３の表面に対して垂直に延びているので、線Ｅに沿う自由経路長もまた非常に小さい。従って、この領域での電圧抵抗は大きく、これは当該領域で電圧スパークが何故発生しないのかその理由を説明している。
【００５０】
空気よりも絶縁耐力が相当に大きい誘電体が種々存在しており、そこで本発明の基本的な目的は、電界が大きい領域の全てのエアギャップを絶縁耐力の大きい誘電体で置換することにより最も小さく低減することである。これによる不利益の一つは、容量可変にするために内側電極を移動可能にする点である。
【００５１】
本発明によれば、この基礎的なアイデアは、誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃを用いて、内側電極の金属ロッド２、２ａ、２ｂを、内孔４１に配置された端部５’とくに当該部位に設けられるいわゆる端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃにおいて軸方向に延在させた点にある（図６ａ、図６ｂ、図７、図８、図９参照）。誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃは、好ましくは空気含有物なしに端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃの表面全体に対してシールされる。好ましくは、誘電体ロッド９，９ａ、９ｂ、９ｃは、金属ロッド２、２ａ、２ｂ、２ｃに接続される領域６２（図６ｂ参照）においてその全長にわたって金属ロッドと同一の外径を有する。
【００５２】
更に、端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃは鋭い変化とくに内側電極の円筒状部分への変化開始部分を有する必要はなく、また全ての丸み部分の半径寸法は最大でなければならない。金属ロッド２の端部部分５、５ａ、５ｂ、５ｃは、誘電体チューブ３の孔に配された金属ロッド２の端部５’の領域で始り、円筒状形状を異にし（すなわち直径が減じられ）、そして、金属ロッドの実際の端部５’に延びる。
【００５３】
図６ｂは、円形円筒形状の金属ロッド２を備えた本発明のチューブラコンデンサの断面図を示す。金属ロッド２は半球状の端部部分５を有する。誘電体ロッド９も円形円筒形状を有するが、この誘電体ロッドはその端面に半球状の凹部を有し、この凹部には端部部分５がその全面で接して装着される（例えば糊付け）。誘電体ロッド９の右縁（図６）は、（金属ロッド２と誘電体ロッド９を備える）内側電極のまわりに環状の線を形成する接続領域６２における端部部分５の右端（すなわち突部）と合致している。金属ロッド２は、チューブラコンデンサの容量を調節するため誘電体ロッド９と共に左右に移動可能である（図６）。
【００５４】
図６ｂは、内側電極と外側電極１との間に電圧ＵＣが印加されるときに形成される電気力線８を示す。チューブ３の（誘電率ε１を有する）誘電体内の電気力線区間Ｅ１と誘電体ロッド９の（誘電率ε２を有する）誘電体内の電気力線区間Ｅ２は、空気の絶縁強度が小さいことに起因して重要になる。エアギャップ６３内の電気力線の自由経路長ＳＬが大きいので、絶縁耐力は小さくなる。
【００５５】
しかしながら、本発明の誘電体ロッド９はエアギャップでの自由経路長ＳＬを最小にする。なお、図６ｂで更に左方の電気力線はエアギャップにおいて長い自由経路長ＳＬを有するが、電界強度は左方に向かって減少する。これを大きい電気力線間隔で示す。電界強度が小さいほど、破壊のおそれが低減する。
【００５６】
誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃの長さは任意であるが、以下は少なくともＬＤ＝ＬＡ＊１．５＊ＤＭの場合に成立する。ＬDは誘電体ロッドの全軸方向長さ、ＬＡは端部部分の軸方向長さ、ＤＭは金属ロッドの直径（たとえば図７を参照）である。換言すれば、誘電体ロッド９、９ａ、９ｂ、９ｃの突出長さＬＵＥは金属ロッドの直径ＤＭの１．５倍以上である。この最小条件により、誘電体ロッドの端部での電界ピークの発生を防止する。
【００５７】
誘電体延長部９ａと内側電極の金属ロッド２ａとの接続の機械的安定性を向上させるため、好適な実施の形態では、端部部分５ａの形状を当該部分が１つ以上の円筒状区間（図７の５ａ）を含むように選択可能である。図７の例では、２つの円筒状区間７１、７２が設けられている。端部部分５ａに沿って外側直径を円滑に低減すると、略半球状の端部部分（図６ｂの参照符号５）に比べ電界ピークの発生が低減するという点でも有利である。
【００５８】
特に好適な実施の形態では、端部部分５ｂの形状は１つ以上の収縮部８１を有し、好ましくは１以上の円筒状段部８２を有する（図８）。収縮部８１は誘電体延長部９ｂと金属ロッド２ｂとの機械的な固定をより安定且つ堅固にする点で有利である。
【００５９】
更なる実施の形態では、端部部分５ｃは概ね細長い回転楕円面を有する（図９）。これらの形状により電界ピークが最小になるが、誘電体延長部と端部部分との機械的固定の信頼度および堅固さが乏しいという不利益がある。
【００６０】
電界シミュレーションプログラムにより、変位可能なロッドと誘電体との間のエアギャップにおける電界の挙動が明確に示される。
【００６１】
以下、２つの用語を簡単に説明する。
【００６２】
軸方向電界およびその電界成分は、図６ｂに従ってチューブラコンデンサの対称軸線６１に平行に延びる。半径方向電界および電界成分は、空間の任意の点でチューブラコンデンサの対称軸線６１に対して垂直である。
【００６３】
以下の例では、エアギャップにおける電界が、電界延長部を有する楕円端部部分（図９における回転楕円面５ｃ）を具備した金属ロッド２について算出されるものとする。ロッド２ｃの誘電体延長部９ｃは、εｒ＝２．２と比誘電率がチューブ３の誘電体、本例ではテフロン(登録商標)と同一である。この計算では、励起はコンデンサに印加される１Ｖの電圧であるとする。電気力線の像が電圧に従属しないので、実際の場合につき、全ての電界値を１Ｖに基づき再度スケーリング可能である。
【００６４】
図１１は、種々の回転楕円面の半軸比について（図の右側において左から右に１：０．５、１：１、１：２、１：３、１：６）、半径方向電界成分を位置の関数で示したものである。横軸の原点はロッドの円筒状部分の何処かにあり（図９の２ｃ）、金属ロッド２と誘電体チューブ３との間のエアギャップにおける半径方向電界成分はロッドの金属部分の端を超えて観察される。金属ロッドの円筒状部分での電界が一定値３０００Ｖ／ｍであることが分かる（０＜ｘ＝ｘ０ｍｍ、図１１中、図の左側）。楕円状の移行部を介して金属部分が誘電体延長部に入りはじめる部位ｘ０では、エアギャップでの余分の電界を防ぐことはできない。ロッド端部の幾何学的構成によって、この余分の電界を最小にすることができる。
【００６５】
図１１は、軸線比が１：６の長い回転楕円面が残余電界を殆ど有せず、また電界がエアギャッに沿って連続的にかつ円滑に減少することを示す（図の右側ｘ＞ｘ０ｍｍ）。この誘電的に延在するロッドは、どの部位においてもスパークを形成することなく高電圧に耐える。チューブラコンデンサの最大電圧強度は、図１０に従いおおよそエアギャップの電圧強度により専ら決定される。
【００６６】
図１２は、回転楕円面の種々の半軸比（最大値に対して左から右に１：０．５、１：１、１：２、１：３、１：６）につき、幾何学的構成が同一の場合の軸方向電界成分を示す。軸方向電界成分は重要性が少なく、またエアギャップ内の任意の点での半径方向成分より常に相当小さい。しかしながら、軸方向成分は、粒子なだれに対する最大自由経路長の方向に、すなわち、破壊が最も生起し易く図１０に従って薄いエアギャップの利点がもはや有用でない方向に常に対向しているので、軸方向成分を無視すべきではない。
【００６７】
本発明による試料構造に係る実際の負荷測定は理論と合致している。すなわち、スパークを形成することなく、そしてチューブラコンデンサを破壊することなく、相当の高電圧を誘電的に延在するチューブラコンデンサに印加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ＲＦパルス中のＲＦ共振器における電流（ＩＬ）の時間依存性（ｔ）の図を示す。
【図２】（ａ）はＮＭＲ分光計用のプローブヘッドの典型的なＲＦ共振器の回路図を示す。（ｂ）は同調状態における図２ａの回路の等価回路図を示す。
【図３ａ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ａにおける電圧Ｕの相対振幅の図を示す。
【図３ｂ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ａにおける電圧の相対位相の図を示す。
【図３ｃ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ｂにおける電圧Ｕの相対振幅の図を示す。
【図３ｄ】送信周波数ｆの関数である図２ａの回路の点Ｂにおける電圧Ｕの相対位相の図を示す。
【図４】先行技術による可変容量チューブラコンデンサの概略図を示す。
【図５】図４の位置に比べて変位した金属ロッドの端部の領域における図４の拡大断面を示す。
【図６ａ】本発明による可変容量チューブラコンデンサの概略図を示す。
【図６ｂ】金属ロッドを図６ａの位置に比べて若干変位させた金属ロッドの端部の領域における図６の拡大断面図を示す。
【図７】金属ロッドの丸みをつけた端部部分に２つの円筒状段部を具備した本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図８】金属ロッドの丸みをつけた端部部分に収縮部を備えた本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図９】細長い回転楕円面形状の丸みをつけた端部部分を有する本発明の可変容量チューブラコンデンサの概略断面図を示す。
【図１０】２つの平面電極間のエアギャップにおける破壊電界強度ＥＤをエアギャップ幅ｄＬに対してプロットした図を示す。
【図１１】回転楕円面の種々の半軸比につき、図９ａのチューブラコンデンサにおける金属ロッドの端部領域におけるエアギャップの半径方向電界の図を示す。
【図１２】回転楕円面の種々の半軸比につき、図９に対応するチューブラコンデンサにおける金属ロッドの端部領域でのエアギャップにおける軸方向電界の図を示す。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外側電極
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 金属ロッド
３ 誘電体チューブ
４ 金属接点スリーブ
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 金属ロッドの端部部分
５’ チューブ３の内孔中に配される金属ロッド部分
６ 金属ロッド２の円筒状領域における誘電体チューブ３と金属ロッド２間のエアギャップ内の点
７ 金属ロッドの端部５’の領域におけるエアギャップ領域
８ 電気力線
９、９ａ、９ｂ、９ｃ 誘電体ロッド
４１ 誘電体チューブ３の内孔
６１ 誘電体チューブの対称軸線
６２ 接続領域
６３ エアギャップ
７１、７２ 円筒状段部
８１ 収縮部
８２ 円筒状段部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状誘電体チューブ（３）と、前記円筒状チューブ（３）を包囲する金属製の外側電極（１）と、前記円筒状チューブ（３）の内孔（４１）で軸方向に移動可能であると共に前記内孔（４１）に接する内側電極とを備え、前記内側電極が金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）を含む可変容量チューブラコンデンサであって、
前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部（５’）が軸方向に延び、誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）を用いて前記金属ロッドを前記円筒状チューブ（３）の前記内孔（４１）に配した可変容量チューブラコンデンサ。
【請求項２】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）は、前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）に直接に接合する長手方向領域で特にその全長（ＬＤ）にわたり前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）と同一の外径を有する請求項１記載のチューブラコンデンサ。
【請求項３】
前記円筒状チューブ（３）の前記内孔（４１）に配された前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部（５’）が丸みを帯びた端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）を有し、特に前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部が急激に変化しないようにした請求項１または２記載のチューブラコンデンサ。
【請求項４】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）の長さＬＤが、少なくとも、前記端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）の軸方向長さと前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の直径ＤＭの１．５倍との和に相当する請求項１ないし３のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項５】
前記金属ロッド（２ａ、２ｂ）の前記端部部分（５ａ、５ｂ）が１つ以上の円筒状段部（７１、７２、８２）を有する請求項１ないし４のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項６】
前記金属ロッド（２ｃ）の前記端部部分（５ｃ）が概ね細長い回転楕円面形状である請求項１ないし５のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項７】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）が、前記端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）の全面に特に空気含有物なしにシールして接続される請求項１ないし６のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項８】
前記円筒状チューブ（３）の誘電体の比誘電率および前記ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）の誘電体の比誘電率が１．３ないし５であり、両者の比誘電率の差が１．０以下であり、特に各前記誘電体がテフロン(登録商標)である請求項１ないし７のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項９】
無線周波数（ＲＦ）共鳴器と該ＲＦ共鳴器を動作させる回路とを備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドであって、前記回路が請求項１ないし８のいずれかに記載のチューブラコンデンサを１つ以上備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッド。
【請求項１】
円筒状誘電体チューブ（３）と、前記円筒状チューブ（３）を包囲する金属製の外側電極（１）と、前記円筒状チューブ（３）の内孔（４１）で軸方向に移動可能であると共に前記内孔（４１）に接する内側電極とを備え、前記内側電極が金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）を含む可変容量チューブラコンデンサであって、
前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部（５’）が軸方向に延び、誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）を用いて前記金属ロッドを前記円筒状チューブ（３）の前記内孔（４１）に配した可変容量チューブラコンデンサ。
【請求項２】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）は、前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）に直接に接合する長手方向領域で特にその全長（ＬＤ）にわたり前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）と同一の外径を有する請求項１記載のチューブラコンデンサ。
【請求項３】
前記円筒状チューブ（３）の前記内孔（４１）に配された前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部（５’）が丸みを帯びた端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）を有し、特に前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の端部が急激に変化しないようにした請求項１または２記載のチューブラコンデンサ。
【請求項４】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）の長さＬＤが、少なくとも、前記端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）の軸方向長さと前記金属ロッド（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）の直径ＤＭの１．５倍との和に相当する請求項１ないし３のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項５】
前記金属ロッド（２ａ、２ｂ）の前記端部部分（５ａ、５ｂ）が１つ以上の円筒状段部（７１、７２、８２）を有する請求項１ないし４のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項６】
前記金属ロッド（２ｃ）の前記端部部分（５ｃ）が概ね細長い回転楕円面形状である請求項１ないし５のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項７】
前記誘電体ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）が、前記端部部分（５、５ａ、５ｂ、５ｃ）の全面に特に空気含有物なしにシールして接続される請求項１ないし６のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項８】
前記円筒状チューブ（３）の誘電体の比誘電率および前記ロッド（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）の誘電体の比誘電率が１．３ないし５であり、両者の比誘電率の差が１．０以下であり、特に各前記誘電体がテフロン(登録商標)である請求項１ないし７のいずれかに記載のチューブラコンデンサ。
【請求項９】
無線周波数（ＲＦ）共鳴器と該ＲＦ共鳴器を動作させる回路とを備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドであって、前記回路が請求項１ないし８のいずれかに記載のチューブラコンデンサを１つ以上備える核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッド。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−９６３１９（Ｐ２００７−９６３１９Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−２６２５５３（Ｐ２００６−２６２５５３）
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【出願人】（５９１１４８０４８）ブルーカー バイオシュピン アー・ゲー (53)
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６２５５３（Ｐ２００６−２６２５５３）
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【出願人】（５９１１４８０４８）ブルーカー バイオシュピン アー・ゲー (53)
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