DE102012222253A1

DE102012222253A1 - Magnetische kernresonanzsonde mit infrarot-reflexionsflächen

Info

Publication number: DE102012222253A1
Application number: DE201210222253
Authority: DE
Inventors: Richard S. Withers
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US20130178366A1; JP2013140139A

Abstract

Eine magnetische Kernresonanzsonde (NMR-Sonde) weist ein Substrat, eine Sondenspule, die auf dem Substrat gebildet ist und ein superleitendes Material aufweist, und eine Mehrzahl von Infrarotreflexionsflächen (IR-Reflexionsflächen) auf, die auf dem Substrat um die Sondenspule gebildet sind.

Description

Magnetische Kernresonanztechniken (NMR-Techniken; NMR = Nuclear Magnetic Resonance), wie z. B. NMR-Spektrometer und -Bilderzeugungssysteme erlauben es Forschern, bestimmte magnetische Eigenschaften von Atomkernen zu beobachten. Diese Beobachtungen können verwendet werden, um grundlegende chemische und physikalische Eigenschaften von Molekülen oder anderen kleinen Objekten zu studieren. NMR-Techniken werden üblicherweise z. B. verwendet, um Forschung an organischen und anorganischen Molekülen auf dem Gebiet von Medizin, Chemie, Biologie und Pharmakologie auszuführen.
NMR-Messungen werden üblicherweise durch eine NMR-Sonde ausgeführt, die eine Probe empfängt, die untersucht werden soll. Die Probe wird in ein statisches Magnetfeld platziert, die die magnetischen Dipole ihrer Atomkerne ausrichtet. Nachfolgend legt die NMR-Sonde ein zeitlich veränderliches Hochfrequenz-(HF-)Magnetfeld an die Probe an, um die Ausrichtung der magnetischen Dipole zu stören. Als nächstes erfasst die NMR-Sonde das Magnetfeld, das durch die gestörten Kerne erzeugt wird, wenn sie in ihre ausgerichteten Positionen zurückkehren. Schließlich wird das erfasste Magnetfeld analysiert, um verschiedene Aspekte der Probe zu identifizieren, wie z. B. ihre Zusammensetzung, die Struktur ihrer Moleküle und andere wertvolle Informationen.
Die NMR-Sonde weist üblicherweise eine Sondenspule auf, die das zeitlich veränderliche Magnetfeld erzeugt, das an die Probe angelegt werden soll und/oder erfasst das Magnetfeld, das durch die gestörten Atomkerne erzeugt wird, wenn sie in ihre ausgerichteten Positionen zurückkehren. Diese Magnetfelder oszillieren üblicherweise in dem Hochfrequenzbereich (HF-Bereich). Dementsprechend kann die Sondenspule als eine HF-Senderspule, eine HF-Empfängerspule oder eine HF-Sender/Empfänger-Spule bezeichnet werden. Die Sondenspule ist üblicherweise abgestimmt, um das zeitlich veränderliche Magnetfeld bei der Resonanzfrequenz der Atomkerne zu erzeugen, und um magnetische Oszillationen bzw. Schwingungen bei der Resonanzfrequenz der Atomkerne zu erfassen.
Das Verhalten der Sondenspule kann gemäß ihrem Qualitätsfaktor (Q-Faktor) bewertet werden, der ihre Bandbreite relativ zu einer Resonanzfrequenz von Interesse anzeigt. Q ist umgekehrt proportional zu dem Widerstand der Spule. Somit weist eine Spule mit hohem Q niedrigeres thermisches Rauschen auf und kann somit, wenn sie auf die Frequenz der Kerne der Probe abgestimmt ist, ihre magnetischen Oszillationen mit großer Empfindlichkeit erfassen. Dementsprechend, wenn andere Dinge gleich sind, kann eine Sondenspule mit höherem Q-Faktor Messungen höherer Empfindlichkeit erzeugen als eine Sondenspule mit einem niedrigeren Q-Faktor.
Eine Möglichkeit, den Q-Faktor einer NMR-Sondenspule zu verbessern ist durch Bilden derselben mit einem superleitenden Material. Das superleitende Material kann die Empfindlichkeit der Spule verbessern, wodurch ihr erlaubt wird, auf relativ kleine Magnetfelder der Probe anzusprechen. Um jedoch Superleitfähigkeit zu erreichen, muss das superleitende Material in einer kryogen gekühlten Umgebung gehalten werden, wie z. B. einer kryogen gekühlten Vakuumkammer.
Die Vakuumkammer verhindert, dass die NMR-Sondenspule und andere kryogene bzw. tiefkalte Strukturen Wärme durch Leitung absorbieren. Nichtsdestotrotz erlaubt sie weiterhin, dass die NMR-Sondenspule und andere Strukturen Wärme durch Strahlung absorbieren, wie z. B. Schwarz-Körper-Strahlung aus der Probe, die gemessen wird. Leider kann diese Absorption von Schwarz-Körper-Strahlung zu Wärmegradienten in der Probe führen, was dazu neigt, Messungen zu verschlechtern, die durch die NMR-Sonde erhalten werden. Zusätzlich dazu trägt dies zu der Wärmelast bei, die durch das kryogene Kühlsystem beseitigt werden muss, um eine gleichbleibende und niedrige Temperatur beizubehalten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetische Kernresonanzsonde und ein Verfahren zum Bilden einer magnetische Kernresonanzsonde mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine magnetische Kernresonanzsonde gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Bilden einer magnetische Kernresonanzsonde gemäß Anspruch 20 gelöst.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel weist eine NMR-Sonde ein Substrat, eine Sondenspule, die über dem Substrat gebildet ist und ein superleitendes Material aufweist, und eine Mehrzahl von Flächen auf, die über dem Substrat und um die Sondenspule gebildet sind, wobei jede der Flächen ausgebildet ist, Infrarotstrahlung (IR) von einer Probenröhre innerhalb der NMR-Sonde zu reflektieren.
Bei einem anderen, darstellenden Ausführungsbeispiel weist eine NMR-Vorrichtung eine Mittelröhre auf, die ausgebildet ist, eine Probenröhre innerhalb eines ringförmigen Raums aufzunehmen, eine Gasquelle, die ausgebildet ist, einen Gasstrom zu einem Teil des ringförmigen Raums zwischen einer Wand der Mittelröhre und einer Wand der Probenröhre zu liefern, eine gekühlte Vakuumkammer, die die Mittelröhre umgibt und eine Sondenstruktur, die innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und ein Substrat aufweist, wobei eine superleitende NMR-Sonde über dem Substrat gebildet ist, und eine Mehrzahl von Flächen über dem Substrat und um die NMR-Sondenspule gebildet sind, wobei jede der Flächen ausgebildet ist, um IR-Strahlung zu reflektieren, die von der Mittelröhre zu der Vakuumkammer übertragen wird.
Bei einem wiederum anderen, darstellenden Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Bilden einer NMR-Sonde das Bilden einer ersten Schicht eines superleitenden Materials über einem Substrat, das Bilden einer zweiten Schicht eines normalen Metalls über der Schicht aus superleitendem Material, das Ätzen der ersten und zweiten Schicht, um eine spiralförmig oder interdigital geformte NMR-Sondenspule des superleitenden Materials und des normalen Materials zu bilden, und Ätzen der ersten und zweiten Schicht auf, um eine Mehrzahl von Flächen um die NMR-Sondenspule zu bilden, wobei die Flächen ausgebildet sind, IR-Strahlung von einer Probenröhre innerhalb der NMR-Sonde zu reflektieren.
Die verschiedenen Ausführungsbeispiele sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung am besten verständlich, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen beliebig vergrößert oder verkleinert sein, um die Erörterung klarer zu machen. Wo immer anwendbar und ausführbar, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm einer NMR-Sonde gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
2 ein schematisches Diagramm, das eine NMR-Sondenspulenstruktur gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel darstellt;
3 ein schematisches Diagramm, das einen Teil einer NMR-Sondenspule darstellt, gezeigt in 2, gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
4 ein schematisches Diagramm einer NMR-Sondenspulenstruktur gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
5 ein schematisches Diagramm, das Infrarot-(IR-)Reflexionsflächen in der NMR-Sondenspulenstruktur aus 4 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel darstellt; und
6 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt zum Bilden einer NMR-Sondenspulenstruktur gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung sind zu Zwecken der Erklärung und nicht der Einschränkung darstellende Ausführungsbeispiele ausgeführt, die spezifische Details offenbaren, um ein tiefgreifendes Verständnis der vorliegenden Lehren zu geben. Für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, der die vorliegende Offenbarung kennt, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den spezifischen, hierin offenbarten Lehren abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Ferner können Beschreibungen von bekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele nicht kompliziert zu machen. Solche Verfahren und Vorrichtungen liegen deutlich innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht einschränkend sein. Die definierten Ausdrücke gelten zusätzlich zu technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Ausdrücke, wie sie üblicherweise auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren verstanden werden und akzeptiert sind.
Wie in der Beschreibung und in den beiliegenden Ansprüchen verwendet, umfassen die Ausdrücke „einer, eine, eines” und „der, die, das” sowohl Singular- als auch Pluralbezüge, außer der Kontext gibt eindeutig anderweitiges vor. Somit umfasst z. B. „eine Vorrichtung” eine Vorrichtung und mehrere Vorrichtungen.
Wie in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet und zusätzlich zu ihrer üblichen Bedeutung bedeuten die Ausdrücke „wesentlich” oder „im Wesentlichen” bis zu akzeptablen Grenzen oder Graden.
Wie in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet und zusätzlich zu seiner üblichen Bedeutung bedeutet der Ausdruck „ungefähr” innerhalb einer akzeptablen Grenze oder Menge für einen Fachmann auf dem Gebiet. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr gleich”, dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet die Elemente, die verglichen werden, als die gleichen betrachtet.
Die darstellenden Ausführungsbeispiele beziehen sich allgemein auf NMR-Messtechniken, wie z. B. NMR-Spektrometer und -Bilderzeugungssysteme. Bestimmte Ausführungsbeispiele stellen eine NMR-Sonde bereit, die eine superleitende NMR-Sondenspule und eine Mehrzahl von IR-Reflexionsflächen aufweist, die auf einem Substrat gebildet sind. Die IR-Reflexionsflächen reflektieren Infrarotstrahlung, wie z. B. Schwarz-Körper-Strahlung, um zu verhindern, dass sie durch das Substrat absorbiert wird. Dies kann Wärmegradienten in einer Probe reduzieren oder beseitigen, die durch die NMR-Sonde gemessen werden, ohne einen HF-Qualitätsfaktor der NMR-Sondenspule wesentlich zu verschlechtern oder ein HF-Magnetfeld zu blockieren, das durch die Spule erzeugt wird.
1 ist ein Diagramm einer NMR-Sonde 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Dieses Diagramm wurde wesentlich vereinfacht, um bestimmte Konzepte klar darzustellen. Ferner stellt dieses Diagramm nur ein Beispiel einer NMR-Sondenkonfiguration dar und die darstellenden Ausführungsbeispiele sind nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Bezug nehmend auf 1 weist die NMR-Sonde 100 eine Probenröhre 105, eine Mittelröhre 110 und eine Vakuumkammer 115 auf, die als Zylinder gebildet sind, die konzentrisch um eine Längsachse angeordnet sind, wie durch einen gepunkteten Pfeil angezeigt ist. Die NMR-Sonde 100 weist ferner zumindest eine superleitende NMR-Sondenspule (hierin nachfolgend: „NMR-Sondenspule”) 120 auf, die verwendet wird, um NMR-Messungen einer Probe zu erzeugen, die in einer Probenröhre 105 platziert ist. Die Probe kann z. B. in einer kleinen Teströhre von einem Außendurchmesser von ungefähr 5 mm enthalten sein. Die NMR-Sondenspule 120 ist eine abgestimmte Schaltung und ist üblicherweise aus einem Hochtemperatur-Superleiter-(HTS-)Material gebildet.
Die Probenröhre 105 und Mittelröhre 110 sind durch einen ringförmigen Raum getrennt, und ein Gasstrom (z. B. Stickstoff oder Trockenluft) wird durch den ringförmigen Raum geleitet, um die Temperatur der Probenröhre 105 zu steuern. Die Temperatur wird üblicherweise so gesteuert, dass sie im Wesentlichen einheitlich von einem Ende der Probenröhre 105 zu dem anderen bleibt. Ferner wird die Temperatur der Probenröhre 105 und der Mittelröhre 110 üblicherweise nahe der Raumtemperatur gehalten und kann mit einem hohen Genauigkeitspegel gesteuert werden, z. B. innerhalb ungefähr einem Zehntel Grad Celsius.
Die Temperatur der Probenröhre 105 und der Mittelröhre 110 wird üblicherweise durch Verwendung eines Rückkopplungssteuerungssystems gesteuert. Dieses System pumpt den Gasstrom von einem Ende der Sonde, durch den ringförmigen Raum, und aus dem anderen Ende der Sonde. Bevor er in den ringförmigen Raum eintritt, passiert der Gasstrom einen Heizer, der ihn auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Der Gasstrom passiert dann einen Sensor, der die Temperatur des Gases bestimmt. Die erfasste Temperatur wird zurück zu dem Steuersystem geleitet, so dass es den Heizer einstellen kann, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
Die Vakuumkammer 115 ist hermetisch abgedichtet, um ein Vakuum zwischen der NMR-Sondenspule 120 und der Außenumgebung zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vakuumkammer kryogen gekühlt. Das Vakuum verhindert, dass Wärmeleitung oder Wärmekonvektion die Temperatur der NMR-Sondenspule 120 oder der Außenumgebung beeinflussen. Innerhalb dieses Vakuums ist die NMR-Sondenspule 120 kryogen auf eine Temperatur von ungefähr 20 K oder weniger gekühlt, um eine Superleitfähigkeit zu erreichen. Diese Kühlung kann z. B. erreicht werden durch Verbinden eines Wärmetauschers mit einem Substrat der NMR-Sondenspule 120.
Obwohl das Vakuum eine Wärmeleitung zwischen der NMR-Sondenspule 120 und der Außenumgebung verhindert, kann Wärmeenergie trotzdem in der Form von Strahlung übertragen werden, wie z. B. Infrarotstrahlung. Zum Beispiel kann Schwarz-Körper-Strahlung von der Probenröhre 105 oder Mittelröhre 110 hin zu der Vakuumkammer 115 ausstrahlen und dann durch die NMR-Sondenspule 120 absorbiert werden. Im Allgemeinen findet die Schwarz-Körper-Strahlung von einem Raumtemperaturobjekt ihre Spitze bei einer Wellenlänge von ungefähr 10 μm, was innerhalb eines Bereichs liegt, wo ein typisches Saphirsubstrat der NMR-Sondenspule 120 stark absorbierend ist.
Die Absorption der Schwarz-Körper-Strahlung durch die NMR-Sondenspule 120 und andere kryogene Strukturen kann eine graduelle Verringerung der Temperatur des Gasstroms entlang seiner Länge verursachen. Anders ausgedrückt kann der Gasstrom zwischen der Zeit, zu der er in den ringförmigen Raum zwischen der Probenröhre 105 und der Mittelröhre 110 eintritt und diesen verlässt, abkühlen. Diese Abkühlung kann die Temperatur der Probe beeinflussen, die in der Probenröhre 105 angeordnet ist, was potenziell Temperaturgradienten und/oder Konvektionsströme in der Probe erzeugt. Diese Temperaturgradienten und/oder Konvektionsströme können verhindern, dass die NMR-Sonde 100 NMR-Messungen mit guter Linienform erzeugt, und sie können einen komplizierteren Unterbau der NMR-Sonde 100 erfordern. Die Absorption der Schwarz-Körper-Strahlung durch die NMR-Sondenspule 120 und andere kryogene Strukturen trägt ferner zu der Wärmelast bei, die aus der Vakuumkammer 115 entfernt werden muss. Bei einer typischen Implementierung kann diese Last 5 bis 7 kW Wechselstrom-(AC-)Leitungsleistung erfordern, um die NMR-Sondenspule 120 auf einer gleichmäßigen und niedrigen Temperatur zu halten.
Im Hinblick auf diese und andere Wirkungen der Wärmeübertragung innerhalb der NMR-Sonde 100 kann es vorteilhaft sein, zu verhindern, dass die NMR-Sondenspule 120 Schwarz-Körper-Strahlung absorbiert. Eine Möglichkeit dies auszuführen, wie nachfolgend beschrieben wird, ist das Bilden von IR-Reflexionsflächen auf der NMR-Sondenspule 120. Diese IR-Reflexionsflächen können Schwarz-Körper-Strahlung reflektieren, um Wärmeübertragung zu verhindern, ohne die Übertragung von HF-Feldern zwischen der NMR-Sondenspule 120 und der Probe zu stören. Dies kann Wärmegradienten in der Probe reduzieren oder beseitigen und kann potenziell die abgestrahlte Last um einen Faktor von 3 oder mehr reduzieren, was die Verwendung von ökonomischeren Kühlsystemen ermöglicht.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine NMR-Sondenspulenstruktur 200 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel zeigt. Die NMR-Sondenspulenstruktur 200 ist üblicherweise in einer NMR-Sonde positioniert, wie in 1 dargestellt ist, und führt die Übertragung und/oder den Empfang von elektromagnetischen Signalen im Hinblick auf eine Probe in der Sonde aus. Anders ausgedrückt kann sie einer Probe ein HF-Magnetfeld bereitstellen, um deren Atomkerne zu stimulieren und/oder eine entsprechende Antwort von den Atomkernen zu umfangen.
Bezug nehmend auf 2 weist die NMR-Sondenspulenstruktur 200 eine Sondenspule 205 auf, die auf einem Substrat 210 gebildet ist. Die Sondenspule 205 weist eine Mehrzahl von interdigitalen Kondensatoren 215 auf, die an gegenüberliegenden Enden in Reihe geschaltet sind.
Die Konfiguration der Sondenspule 205 ist eine von verschiedenen alternativen Spulenkonfigurationen, die bei einer NMR-Sonde verwendet werden können. Für hohe Frequenzen, wie z. B. 400 bis 900 MHz zum Messen von 1H und 19F kann die Konfiguration mit interdigitalen Kondensatoren (oder ineinanderlaufenden Kämmen), wie in 2 gezeigt ist, mit 2 bis 4 Kondensatoren verwendet werden. Die Konfiguration in 2 ist ein interdigitaler 4-Kondensator-Entwurf. Für niedrigere Frequenzen, wie z. B. 40 bis 200 MHz zum Messen von ¹³C, ²H und ¹⁵N kann eine Spiralspulenkonfiguration verwendet werden.
Ferner sind diese NMR-Sondenspulen nicht auf diese Konfigurationen beschränkt und können auf verschiedene alternative Weisen gebildet sein.
Die Sondenspule 205 ist aus einem Dünnfilm aus HTS-Material mit einer Normalmetallüberschicht gebildet. Das HTS-Material und das Normalmetall werden auf das Substrat 210 aufgebracht und werden dann in der Form eines Rechtecks mit gekrümmten Ecken strukturiert. Bei einer typischen Konfiguration sind die Elemente der Sondenspule 205 voneinander um ungefähr 30 bis 100 μm getrennt. Das HTS-Material bildet eine abgestimmte Schaltung, die zum Ausführen eines Sendens und/oder Empfangs von elektromagnetischen Signalen im Hinblick auf die Probe verwendet wird. Die Normalmetallschicht verhindert ein Durchbrennen des HTS-Films unter Hochleistungsbedingungen, was z. B. ein „HF-Löschen” (RF quench) genannt wird. Es kann ferner eine Verschlechterung durch Umweltverschmutzungen vermeiden.
Das HTS-Material kann z. B. ein Ytrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) oder verschiedene Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxide (ReBCO) aufweisen. Das Substrat 210 weist üblicherweise ein Material auf, wie z. B. synthetischen Saphir. Das HTS-Material wird üblicherweise durch einen epitaxialen Wachstumsprozess gebildet, bei dem es auf das Substrat durch Sputtern, Verdampfen oder eine von verschiedenen anderen Aufbringungstechniken aufgebracht wird. Bei einigen Beispielen ist das Substrat 210 ungefähr 400 Mikrometer (μm oder Mikronen) dick und das HTS-Material ist ungefähr 0,3 Mikrometer dick. Das Normalmetall kann z. B. Gold, Silber oder eine andere nichtreaktive und elektrisch leitfähige Schicht aufweisen, oder eine Kombination aus Metallen, wie z. B. eine dünne Schicht aus Titan mit einer dickeren Schicht aus Gold auf derselben.
Die NMR-Sondenspulenstruktur 200 wird üblicherweise bei einer kryogenen Sonde in Verbindung mit einem Wärmetauscher oder einem anderen Temperatursteuerungsmechanismus verwendet. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind z. B. zwei Sondenspulen 205 auf gegenüberliegenden Seiten einer Probenröhre platziert und ein Substrat, das jede Spule stützt, ist an einen Wärmetauscher angebracht. Der Wärmetauscher stellt Kühlung und Temperatursteuerung jeder Sondenspule 205 bereit. Während der Operation werden die Sondenspulen 205 üblicherweise auf eine Temperatur von ungefähr 20 K oder niedriger gekühlt, was dazu neigt, elektrisches Rauschen („Johnson” oder „thermisches” Rauschen) in dem HTS-Material zu minimieren und dessen Amplitude und Leistungsempfindlichkeit wesentlich erhöhen kann.
Die Wicklungen der Sondenspule 205 können induktiv mit einer Kopplungsschleife gekoppelt sein, die elektrisch mit einem NMR-Spektrometer verbunden ist. Die Kopplungsschleife kann HF-Energie zu der Sondenspule 205 liefern, um NMR-Resonanz zu erregen, und kann eine Antwort von der Probe empfangen, die in der Sondenspule 205 induziert wird, und kann diese Antwort zu dem Spektrometer zur Verarbeitung, Aufzeichnung und Anzeige übertragen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Sondenspule 205 eine Spirale, die in einer Rücken-zu-Rücken-Konfiguration mit einer anderen Sondenspule angeordnet ist, die in der entgegengesetzten Richtung gewickelt ist. Anders ausgedrückt kann die Sondenspule 205 eine von zwei gegengewickelten Spiralen sein. Verschiedene Beispiele von gegengewickelten Spiralen sind beschrieben in der gemeinsam zugewiesenen US-Patentanmeldung Nr. 7,701,217 von Withers u. a., deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die gegengewickelten Spiralen ausgebildet, um bei ungefähr 150 MHz zu schwingen, um ¹³C in einem 14,1-T-Magneten zu erfassen. Eine Sonde mit diesen Spiralen kann entworfen sein, um Proben in Röhren z. B. mit einem Außendurchmesser von 1,5 mm zu akzeptieren.
Wie es vorangehend angezeigt wurde, ist ein freiliegender Abschnitt der Sondenspule 205 durch ein Normalmetall gebildet, wie z. B. Gold, das hoch reflektierend für IR-Strahlung ist. Wie jedoch in 2 dargestellt ist, ist ein Großteil des freiliegenden Bereichs der NMR-Sondenspulenstruktur 200 durch ein dielektrisches Substratmaterial gebildet, wie z. B. Saphir, das stark absorbierend für IR-Strahlung ist. Folglich kann die NMR-Sondenspulenstruktur 200 eine wesentliche Menge IR-Strahlung während der Operation absorbieren.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Teil einer Sondenspule 205 von 2 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel darstellt. Genauer gesagt zeigt 3 eine Nahaufnahme der interdigitalen Kondensatoren 215 an einem Ende der Sondenspule 205.
Bezug nehmend auf 3 weisen interdigitale Kondensatoren 215 einen ersten interdigitalen Kondensator 305 und einen zweiten interdigitalen Kondensator 310 auf, die in Reihe geschaltet sind. Diese Kondensatoren sind in den Wicklungen der Sondenspule 205 angeordnet, die einen planaren Induktor bildet. Wie in 2 dargestellt ist, gibt es zwei zusätzliche interdigitale Kondensatoren, die an einem anderen Ende der Sondenspule 205 angeordnet sind, und so umfasst diese insgesamt vier interdigitale Kondensatoren.
Wie durch die Großaufnahme von 3 dargestellt ist, umfassen sowohl der erste als auch zweite interdigitale Kondensator 305 und 310 und die Wicklungen der Sondenspule 305 mehrere Schlitze, die sie in mehrere Fingerchen teilen, die elektrisch voneinander entlang ihrer entsprechenden Längen getrennt sind. Diese Schlitze, obwohl dies nicht wesentlich ist, können das Verhalten der Sondenspule 205 wesentlich verbessern, durch Reduzieren der Stärke der statischen Magnetfelder, die durch dauerhafte Stromschleifen in dem HTS-Material erzeugt werden. Die Reduktion dieser Magnetfelder verhindert eine Verzerrung der Magnetfeldhomogenität in einer Probenregion in der Nähe der NMR-Sondenspulenstruktur 200. Bei einigen Anwendungen kann eine angemessene Reduktion erreicht werden durch Beschränken der Breite jedes Fingerchens auf ungefähr 10 μm oder weniger. Weitere Beispiele solcher Fingerchen und ihre potenziellen Konfigurationen sind beschrieben in der gemeinsam zugewiesenen US-Patentanmeldung Nr. 13/170,610, eingereicht am 28. Juni 2011, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
4 ist ein schematisches Diagramm einer NMR-Sondenspulenstruktur 400 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die NMR-Sondenspulenstruktur 400 ist ähnlich zu der NMR-Sondenspulenstruktur 200 aus 2, außer dass sie ferner IR-Reflexionsflächen aufweist, die konfiguriert sind, um eine Absorption von abgestrahlter Wärmeenergie zu verhindern.
Bezug nehmend auf 4 weist die NMR-Sondenspulenstruktur 400 eine Sondenspule 205 und IR-Reflexionsflächen 405 auf, die beide auf dem Substrat 210 gebildet sind. IR-Reflexionsflächen 405 reflektieren Infrarotenergie, um zu verhindern, dass sie durch das Substrat 210 absorbiert wird. Dies wiederum verhindert, dass die NMR-Sondenspulenstruktur verursacht, dass Wärmegradienten in einer NMR-Probe gemessen werden. Die Flächen können z. B. aus einer oberen Schicht aus Gold oder einem anderen Material gebildet sein, das ein hohes Reflexionsvermögen von IR-Energie aufweist.
Wie in 4 dargestellt ist, sind IR-Reflexionsflächen 405 in einem eingeschlossenen Mittelabschnitt der Sondenspule 205 gebildet und sie umgeben ferner einen Außenumfang. Wenn der Gesamtbereich des freiliegenden Substrats abnimmt, neigt die Reflexion der IR-Energie dazu, entsprechend zuzunehmen. Folglich können IR-Reflexionsflächen 405 mit der größten Abdeckung gebildet sein, die erreicht werden kann, ohne die elektromagnetischen Eigenschaften der Sondenspule 205 wesentlich zu stören. Um sicherzustellen, dass das HF-Verhalten der Sondenspule nicht negativ beeinträchtigt wird durch die IR-Reflexionsflächen kann z. B. eine Sondenspule von ungefähr 3 bis 5 mm × 15–20 mm von den IR-Reflexionsflächen um eine Distanz von 50 μm getrennt sein.
Die Sondenspule 205 und die IR-Reflexionsflächen 405 sind üblicherweise aus demselben Material und durch ähnliche Prozesse gebildet. Zum Beispiel können sie beide gebildet werden durch Aufbringen einer Schicht aus YBCO und dann einer Schicht aus Gold auf das Substrat 210 und dann Ätzen beider dieser Schichten unter Verwendung eines Ätzprozesses, wie z. B. Ionenstrahlätzen. Da die Bildung der Sondenspule 205 allein üblicherweise alle diese Schritte erfordert, können IR-Reflexionsflächen 405 mit minimalen zusätzlichen Kosten im Vergleich zu der Bildung der Sondenspule 205 selbst gebildet werden.
Bei dem Beispiel von 4 weist das Substrat 210 einen runden Wafer auf (z. B. einen Saphirwafer mit einem Durchmesser von 3 Zoll bzw. 7,62 cm), und die Sondenspule 205 und IR-Reflexionsflächen sind an einem Kantenabschnitt des Wafers gebildet, wie durch eine obere gekrümmte Linie angezeigt ist. Bei einer typischen Implementierung können mehrere NMR-Sondenspulenstrukturen auf unterschiedlichen Teilen desselben Wafers gebildet sein. Nichtsdestotrotz ist die NMR-Sondenspulenstruktur 400 nicht auf einen spezifischen Typ oder eine Konfiguration eines Wafers beschränkt oder darauf, dass sie auf einem bestimmten Teil eines Wafers gebildet ist.
5 ist ein schematisches Diagramm, das IR-Reflexionsflächen 405 in der NMR-Sondenspulenstruktur von 4 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel darstellt. Genauer gesagt zeigt 5 eine vergrößerte Ansicht einer rechteckigen Region von ungefähr 1 mm der IR-Reflexionsflächen 405 in 4.
Bezug nehmend auf 5 weisen IR-Reflexionsflächen 405 eine Mehrzahl von separaten geometrischen Formen auf, die jeweils aus einer Schicht eines superleitenden Materials gebildet sind, wie z. B. YBCO, die durch eine Schicht eines Normalmetalls abgedeckt ist, wie z. B. Gold. Diese Quadrate sind voneinander durch geätzte Bereiche getrennt, die Abschnitte des Substrats 210 freilegen. Zu Erklärungszwecken sei angenommen, dass jede der IR-Reflexionsflächen 405 ein Quadrat ist, das aus Gold über YBCO gebildet ist.
Im Allgemeinen ist Gold in dem Infrarotbereich sehr reflektierend, und so kann das Bilden der Flächen aus Gold die Wärmeabsorption der NMR-Sondenspulenstruktur 400 aufgrund der IR-Strahlung reduzieren. Gold kann jedoch HF-Energie auch blockieren, so dass es die Übertragung und den Empfang von Signalen durch die Sondenspule 205 stören kann. Dementsprechend sind die freiliegenden Abschnitte des Substrats 210 zwischen den IR-Reflexionsflächen 405 gebildet, um eine HF-Durchdringung bzw. -Penetration zu erlauben. Wie oben angezeigt ist, können diese Trennungen durch einen Ätzprozess gebildet werden, wie z. B. Ionenstrahlätzung, das verwendet wird, um die Sondenspule 205 zu bilden.
Die Abmessungen und die Geometrie der IR-Reflexionsflächen 405 können das Verhalten der Sondenspule 205 auf verschiedene Weisen beeinflussen. Wenn die Flächen z. B. zu groß sind, können anhaltende Ströme in dem Superleitermaterial entstehen. Diese anhaltenden Ströme erzeugen ihr eigenes Magnetfeld, das die Homogenität des statischen Magnetfeldes stören und die NMR-Messungen stören kann. Andererseits, wenn die Flächen zu klein sind, kann der proportionale Bereich, der durch die Flächen abgedeckt wird, oder der Füllfaktor abnehmen. Eine Reduktion des Füllfaktors neigt dazu, den Betrag der IR-Energie zu erhöhen, der durch das Substrat 210 absorbiert wird, was zu Wärmegradienten bei einer NMR-Probe beitragen kann.
Beständige Ströme können im Allgemeinen in einem akzeptablen Bereich beibehalten werden, durch Bilden von IR-Reflexionsflächen 405, derart, dass ihre größte Abmessung oder superleitende Struktur eine maximale Leitungsbreite weniger als oder ungefähr gleich 12 μm oder 10 μm aufweist. Als ein Beispiel zeigt 5 einen Abschnitt 505 aus IR-Reflexionsflächen 405, die durch Quadrate gebildet sind, die jeweils ungefähr 12 μm auf einer Seite messen und durch eine Distanz von ungefähr 3 μm getrennt sind. Die Abmessungen, die bei Abschnitt 505 gezeigt sind, können ferner einen akzeptablen Füllfaktor für verschiedene Anwendungen bereitstellen. Genauer gesagt erzeugen diese Abmessungen einen Füllfaktor von (12/15)² oder 64%, was bedeutet, dass die IR-Reflexionsflächen 405 den Großteil des Bereichs füllen, in dem sie vorhanden sind, und den Betrag der Wärme reduzieren können, der durch das Substrat 210 absorbiert wird, um annähernd 64%.
Obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, können IR-Reflexionsflächen 405 auch mit anderen Ansätzen kombiniert werden, zum Reduzieren einer Wärmeübertragung zwischen einer Probe und einer NMR-Sondenspulenstruktur 400. Zum Beispiel ist ein zusätzlicher Ansatz, die Außenseite der Mittelröhre 110, in dem Vakuumraum, mit Glasfasern einzuwickeln, die in der Lage sind, Infrarotstrahlung zu streuen oder zu reflektieren. Zusätzlich dazu können IR-Reflexionsflächen 405 auch modifiziert werden, um verschiedene alternative Geometrien aufzuweisen, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind. Zum Beispiel können sie als Rechtecke, längliche Streifen, verschiedene andere polygonale Formen, unregelmäßige Formen usw. gebildet sein.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 600 zum Bilden einer NMR-Sondenspule gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel zeigt. Zu Erklärungszwecken sei angenommen, dass das Verfahren 600 zum Bilden der NMR-Sondenspulenstruktur 400 aus 4 verwendet wird. Dieses Verfahren kann jedoch verwendet werden, um andere Typen von NMR-Sondenspulenstrukturen zu bilden.
Bezug nehmend auf 6 beginnt das Verfahren durch Bilden eines Films oder einer Schicht aus HTS-Material auf einem dielektrischen Substrat (S605). Das dielektrische Substrat weist üblicherweise Saphir auf und kann in er Form eines Wafers bereitgestellt sein, geeignet zum Herstellen mehrerer Sondenspulen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das HTS-Material gebildet durch Einfügen des Substrats in eine Co-Verdampfungskammer und gleichzeitiges Verdampfen von Yttrium, Barium und Kupfer, um eine Anfangsschicht auf dem Substrat zu bilden. Das Substrat wird dann in eine Sauerstoffatmosphäre platziert, um die Anfangsschicht zu oxidieren. Das Substrat weist ein Gitter entsprechend YBCO auf, was erlaubt, dass die aufgebrachten Elemente epitaxial wachsen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wächst YBCO bis zu einer Dicke von ungefähr 0,3 μm.
Nachdem das HTS-Material auf dem Substrat gewachsen ist, wird eine Schicht eines Normalmetalls auf dem Substrat über dem HTS-Material gebildet (S610). Unter anderem kann diese Schicht HTS gegen sogenanntes ”HF-Quenchen” und Umwelt-Verschmutzung oder -Verschlechterung schützen und kann verwendet werden, um IR-Reflexionsflächen zu bilden, wie jene, die in 4 dargestellt sind.
Als nächstes werden die Schichten aus Normalmetall und HTS-Material geätzt, um eine abgestimmte Schaltung in der Form einer Spirale zu bilden, wie z. B. in 4 dargestellt ist, und eine Mehrzahl von IR-Reflexionsflächen, wie z. B. jene, die in 4 dargestellt sind (S615). Dieses Ätzen kann z. B. durch einen photolithographischen Prozess erreicht werden. Bei dem photolithographischen Prozess wird eine Photomaske gebildet, um die Spirale und die IR-Reflexionsflächen zu definieren. Die Photomaske kann z. B. durch Aufbringen von Chrom auf Glas gebildet werden. Als nächstes wird ein Photoresist auf das HTS-Material geschleudert und das Photoresist wird unter Verwendung der Photomaske freigelegt. Nach der Freilegung wird das Photoresist teilweise entfernt, so dass es nur Teile des Normalmetalls und des HTS-Materials abdeckt, die der Spirale und den IR-Reflexionsflächen entsprechen. Dann werden das Normalmetall und das HTS-Material geätzt, um Teile zu entfernen, die nicht durch das Photoresist abgedeckt sind. Dieses Ätzen kann z. B. unter Verwendung eines Ionenstrahls mit Argonionen erreicht werden. Als Folge des Ätzens werden Teile des Substrats durch die Schichten aus Normalmetall und HTS-Material freigelegt. Nach dem Ätzen kann das Substrat (z. B. Saphirwafer) in einzelne Sondenspulen vereinzelt werden, die in eine NMR-Sonde platziert werden können.
Bei experimentellen Beispielen einer NMR-Sondenspulenstruktur 400 wurde bestimmt, dass das Vorhandensein von IR-Reflexionsflächen 405 den Q-Faktor oder die Empfindlichkeit der Sondenspulen 205 nicht wesentlich reduziert. Es wurde ferner bestimmt, dass die IR-Reflexionsflächen 405 HF-Magnetfelder nicht wesentlich blockieren, die durch die Sondenspulen 205 erzeugt werden, was ferner eine Reduktion der Empfindlichkeit der Sondenspulen 205 vermeidet.
Zum Beispiel wurde bei einigen Experimenten bestimmt, dass der Q-Faktor der Sondenspule 205 mit den IR-Reflexionsflächen 405 ähnlich zu dem der Sondenspule 205 ohne IR-Reflexionsflächen 405 ist. Es wurde ferner beobachtet, dass die Resonanzfrequenzen der Sondenspule 205 unbeeinflusst von IR-Reflexionsflächen 405 scheinen. Wenn die HF-Magnetfelder der Sondenspulen 205 durch die Flächen blockiert werden, wird die Spuleninduktivität reduziert und ihre Frequenz steigt.
Wo ein HF-Magnetfeld, wie z. B. das, das durch die Sondenspule 205 aus 4 erzeugt wurde, an ein leitfähiges Quadrat in IR-Reflexionsflächen 405 angelegt ist, wird ein Strom entgegengesetzt zu dem Magnetfeld in dem Quadrat induziert. Dieser Strom fällt mit einer Zeitkonstanten ab, gegeben durch ein Verhältnis der Induktivität L des Quadrats zu einem Widerstand R des Quadrats. Nach einer Zeit gleich mehreren dieser Zeitkonstanten ist der Strom annähernd null und das Magnetfeld durchdringt das Quadrat, so als ob das Quadrat nicht vorhanden wäre. Für ein Quadrat, das aus YBCO gebildet ist, abgedeckt mit Gold, ist diese L/R-Zeitkonstante ungefähr d/4 Sekunden, wobei d die Größe des Quadrats in Metern ist. Für Quadrate mit 12 μm ist dies 3 μs und daher durchdringen HF-Magnetfelder bei Frequenzen von Interesse bei NMR die Quadrate nicht. Experimentelle Messungen haben jedoch angezeigt, dass die HF-Magnetfelder die leeren Räume zwischen den Quadraten ausreichend ungehindert durchdringen, so dass die Spuleninduktivität nicht wesentlich reduziert wird. Es ist vernünftig zu folgern, dass die magnetische Kopplung zwischen Spule und Probe und daher Spulenempfindlichkeit minimal reduziert wird.
Während hierin beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart sind, erkennt ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, dass viele Variationen, die den vorliegenden Lehren entsprechen, möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Zum Beispiel, obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele in Bezug auf planare Spulen beschrieben sind, könnten diese Ausführungsbeispiele modifiziert werden, um zylindrische Spulen zu umfassen. Die Erfindung soll daher nicht eingeschränkt sein, außer auf den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche.

Claims

Magnetische Kernresonanzsonde (NMR-Sonde) (100), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (210); eine NMR-Sondenspule (205), die über dem Substrat (210) gebildet ist und ein superleitendes Material aufweist; und eine Mehrzahl von Flächen (405), die über dem Substrat (210) und um die Sondenspule (210) gebildet sind, wobei jede der Flächen (405) ausgebildet ist, um Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) von einer Probenröhre (105) innerhalb der NMR-Sonde (100) zu reflektieren.
NMR-Sonde (100) gemäß Anspruch 1, bei der jede der Flächen (405) eine Schicht aus Normalmetall aufweist, umgeben von einem freiliegenden Abschnitt des Substrats (205).
NMR-Sonde (100) gemäß Anspruch 2, bei der die Schicht aus Normalmetall über einer Schicht des superleitenden Materials gebildet ist, das von dem freiliegenden Abschnitt des Substrats (210) umgeben ist.
NMR-Sonde (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die NMR-Sondenspule (120) eine Schicht aufweist, die in einer spiralförmigen oder interdigitalen Konfiguration über dem Substrat (205) angeordnet ist.
NMR-Sonde (100) gemäß Anspruch 4, bei der das Substrat (210) Saphir aufweist.
NMR-Sondenspule gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Schicht Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) aufweist.
NMR-Sondenspule gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der jede der Mehrzahl von Flächen (405) eine Schicht aus Gold aufweist, umgeben von einem geätzten Abschnitt des Substrats.
NMR-Sonde gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die Flächen rechteckige Formen aufweisen.
NMR-Sonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der jede der Flächen (405) eine maximale Leitungsbreite kleiner oder gleich 12 Mikrometer aufweist.
NMR-Sonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine Mittelröhre (110), die ausgebildet ist, um die Probenröhre innerhalb eines ringförmigen Raums aufzunehmen; eine Gasquelle, die ausgebildet ist, um einen Gasstrom zu einem Teil des ringförmigen Raums zwischen einer Wand der Mittelröhre und einer Wand der Probenröhre (105) zu liefern; und eine gekühlte Vakuumkammer (115), die die Mittelröhre (110) umgibt; wobei das Substrat die Sondenspule aufweist und die Mehrzahl der Flächen innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.