JP2003202367A - 超伝導ｎｍｒ装置用ｒｆ受信コイル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 超伝導導体構造を備えた新しいタイプの超伝
導ＮＭＲ装置用ＲＦ受信コイル装置を提供する。 【解決手段】 測定サンプルから所望の共振周波数でＲ
Ｆ信号を受信するＮＭＲ共振器は、超伝導導体構造が測
定サンプルから平行移動不変な表面上に配置され、ＲＦ
共振器からＲＦ分離された別の超伝導導体構造を含み、
補償装置及びＲＦ共振器の導体構造が、それぞれ補償装
置及びＲＦ共振器の導体構造のｚ方向の全長にわたって
延伸する超伝導構造を含む個別表面セクション（“Ｚ構
造"）から構成され、それらの超伝導構造は、該Ｚ構造
の表面を複数の小さな等しいサイズの表面エレメントに
分解して均一テスト磁場を各表面エレメントの表面法線
方向に印加したときに同じ強度の磁気双極子モーメント
が互いにｚ位置に関してのみ異なるそれら全ての表面エ
レメントに誘導されるように配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｚ軸方向に均一な
磁場Ｂ₀を生成する手段を有するＮＭＲ（核磁気共鳴）
装置の座標原点（ｘ，ｙ，ｚ＝０）を中心に配置された
研究容積内の測定サンプルへ及び／又は測定サンプルか
ら、一つ以上の所望の共振周波数でＲＦ（無線周波数）
信号を放射及び／又は受信する少なくとも一つのＲＦ共
振器を備えるＮＭＲ共振器デバイスであって、誘導的に
作用しかつ部分的には容量的にも作用する該ＲＦ共振器
の超伝導導体構造がｚ＝−|ｚ₁|とｚ＝＋|ｚ₂|との間で
測定サンプルから半径方向（ｘ，ｙ）間隔にありｚ方向
に平行移動不変（＝ｚ不変）である表面上に実質的に配
置されていることを特徴とするＮＭＲ共振器デバイスに
関する。

【０００２】

【従来の技術】このタイプの装置は、米国特許第５，５
８５，７２３号明細書で知られている。

【０００３】本発明は、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）
の分野に関し、特にＮＭＲ測定サンプルからのＮＭＲ信
号を受信する超伝導共振器の構成に関する。

【０００４】ＮＭＲは、化学的な化合物の構造解析のた
めの非常に有用な方法であるが、あまり感度が高くな
い。感度を高めるために、最近の従来技術では冷却され
た常伝導体の共振器、及び特に超伝導体の共振器が用い
られ、Ｓ／Ｎ比はそれらによってかなり大きくなる。例
えば、特許文献１はそのような共振器を記述している。

【０００５】ＮＭＲ共振器の製造における超伝導体の使
用での大きな問題は静的磁化である。第２種超伝導体で
はこの磁化は超伝導体内で閉路を流れる誘導電流によっ
て生じ、その超伝導体の履歴に依存する（特許文献
２）。上記電流は測定サンプルの活性領域における均一
磁場に強い擾乱を生じ、それがＮＭＲスペクトルの共鳴
線に歪みを引き起こす可能性がある。外部条件が変化し
ない限り超伝導体の抵抗はゼロであるから上記電流はほ
ぼ限りない時間にわたって流れ続ける。

【０００６】この磁化を小さくする方法が公開されてい
る（特許文献２，３，４）。それらはいずれも複雑であ
り、さらに後述するような欠点を有する。常伝導結合エ
レメントを用いて活性測定領域を制限することによって
擾乱磁場を小さくする超伝導コイル装置も開示されてい
る（特許文献５）。特許文献５のコイル装置は、充填因
子及び達成可能なＲＦ電磁場の強度に関しては上記特許
文献１〜３の方法のやり方よりも優れているが、常伝導
コンポーネントを使用しなければならないのでＲＦ共振
器のＱ値が著しく小さくなるという欠点がある。

【０００７】磁化の影響を小さくする公知の手段には次
の手段１〜３がある。

【０００８】手段１．超伝導体の幅をｎ個の長手方向の
ストリップに分割する手段（特許文献１，５）。ここで
ｎはできるだけ大きくなければならない。これによっ
て、これらの長手方向のストリップに流れうる最大電
流、ひいては超伝導体のとりうる最大磁化が１／ｎに減
少する。

【０００９】手段２．超伝導体を磁石の静磁場内に定位
したとき最初にそれを冷却して磁化を完全に排除する手
段。特許文献４では、さらにゆっくり冷却するように付
加的に勧告している。

【００１０】手段３．消磁プロセス方法によって既存の
磁化を大部分排除する手段（特許文献２，３）。これは
一連の減少する横方向磁場を超伝導体に作用させること
によって達成される。反対方向の電流領域を含む電流構
造がこれによって超伝導体内に誘導され、個々の磁場寄
与成分は良い近似で打ち消し合う。

【００１１】

【特許文献１】米国特許第５，６１９，１４０号明細書

【特許文献２】国際公開第９９／２４８４５号パンフレ
ット

【特許文献３】国際公開第９９／２４８２１号パンフレ
ット

【特許文献４】米国特許第５，５７２，１２７号明細書

【特許文献５】独国特許発明第１９７ ３３ ５７４
Ａ１号明細書

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記公知の方法には次
のような著しい欠点１〜３がある。

【００１３】欠点１．上記手段１で述べた方法は、磁化
をかなり減少させるが、残る残留磁化は依然として大き
すぎて、高分解能ＮＭＲ用途において十分な性能を得る
ことができない。

【００１４】欠点２．上記手段２，３で述べた方法は、
静磁場に関して超伝導体の位置が測定プロセスの全体に
わたって同じままである場合であって、静磁場自体もこ
の間変化しないままであるときにしか満足に機能するこ
とができない。大きな問題は角位置の一定性にあり、そ
れは実際にはたいてい不十分である。静磁場に対してわ
ずか０．１度でも傾斜があると、磁場の均一性を許容で
きないほど低下させる強度の遮蔽電流が超伝導体に生じ
得る。

【００１５】傾斜は、静磁場から超伝導体の表面に向い
た新たな横方向磁束を生じ、超伝導体は前から存在する
磁束を維持しようとするので、超伝導体を通る全磁束が
再び元の値に相当するように新たな表面電流によって対
抗する。該表面電流は、測定サンプルの場所に不均一磁
場を生じ、もって必要なスペクトル分解能を大きく低下
させる。

【００１６】欠点３．特許文献２，３，４の方法は、実
行することが困難であると共に、ＮＭＲ共振器の重要な
領域にデバイスを追加する必要がある 。

【００１７】上記に対し、本発明の目的は、実際のＲＦ
共振器から最適に分離され超伝導体の磁化によって生ず
る擾乱的影響を最適に補償する追加的な超伝導導体構造
を備えた新しいタイプの超伝導ＮＭＲ装置用ＲＦ受信コ
イル装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
って、追加補償装置が少なくともｚ＜−|ｚ₁|−０．５|
ｒ|かつｚ＞＋|ｚ₂|＋０．５|ｒ|（ただし、|ｒ|は測定
サンプル及び補償装置間の最小間隔）という値まで延伸
し、ｚ不変な表面上に設けられ、ＲＦ共振器からほぼＲ
Ｆ分離された別の超伝導導体構造をさらに含み、補償装
置及びＲＦ共振器の導体構造が、各々が補償装置及びＲ
Ｆ共振器の導体構造のｚ方向の全長にわたって延伸する
超伝導構造を含み、かつｚ不変な表面上に配置された個
々の表面セクション（“Ｚ構造"）から構成され、それ
らの超伝導構造は、Ｚ構造の表面を複数の小さな等しい
サイズの表面エレメントに適当に概念的に分解して均一
テスト磁場を各表面エレメントの表面法線方向に概念的
に印加したときに、本質的に等しい強度で互いにｚ位置
に関してのみ異なる磁気双極子モーメントが全ての表面
エレメントに誘導されるように配置されるという形で上
述の特徴を有するＮＭＲ共振器において達成される。

【００１９】本発明の共振器は次のような多くの利点１
〜３を有する。

【００２０】利点１．超伝導体の消磁のための複雑な方
法（特許文献２，３，４）がもはや必要ない。

【００２１】利点２．外部擾乱磁場及び静磁場に対する
共振器の機械的な運動が超伝導体に生ずる磁化は、上記
の補償によって、測定サンプルの活性領域における静磁
場の均一性に最小限度の影響しか及ぼさない。これは、
超伝導体が強く磁化されている場合にもあてはまる。

【００２２】利点３．公知のコイル構造（特許文献５）
をはるかに自由に設計できるので、効果的に設計でき
る。

【００２３】本発明の共振器では、無線周波数（ＲＦ）
電流が流れ、したがってＲＦ共振器を形成する個別超伝
導導体部が、ＲＦ共振器内に準連続的に配置されｚ方向
でそれを超えて延伸し、ＲＦ電流が流れないように可能
な限りＲＦ共振器から分離された追加の超伝導導体部に
よって補われる。図１５はこの原理にしたがって構成さ
れた装置を示し、ＲＦ共振器はハッチングつきの線で示
され、活性測定領域におけるＢ₀磁場を均一化するだけ
が役目の追加導体部は黒で示されている。明らかに、超
伝導物質はＲＦ共振器表面の全体と追加導体部にわたっ
てかなり均一に分布しており、これにより一般に全表面
にわたって一様な双極子モーメントの分布とすることが
できる。超伝導体に誘導される電流によって生ずる双極
子モーメントのこの一様な分布は、測定容積内にほぼ均
一な擾乱磁場を生じ、したがってＮＭＲスペクトルにも
はや顕著な影響を及ぼさなくなる。

【００２４】共振器全体を、最小幅（図２０（ａ））、
すなわちリソグラフィー製造方法を用いることによって
可能な最小幅の導体セクションから組み立てることが好
ましい。なお、それらの導体セクションを束で配置して
もよい（図２０（ｂ），図１９（ｃ），（ｄ））。

【００２５】これにより、超伝導体内の磁化電流及びそ
れら電流によって生ずる磁場擾乱を活性測定領域で最小
にすることができる。

【００２６】水平に向いて束にならずにｚ方向に周期的
に連続して配置されている導体セクション（図２０
（ａ））は、それらが束になっていたとした場合（図２
０（ｂ））に比べてｚ方向により高い周期性を有する。
したがって前者の場合、超伝導体の磁化は活性測定領域
内に生ずる磁場擾乱が後者の場合よりも小さくなる（図
８も参照）。個々の導体セクションを束ねることは、構
成上の理由によって、特にＲＦ共振器の容量部を生成す
るために有利になることがある。

【００２７】以下の説明において、横方向磁場、長手方
向磁場、ＮＭＲ共振器、ＲＦ受信コイル装置、及びＲＦ
共振器という用語を何回も用いるので、下に詳しく定義
しておく。

【００２８】横方向磁場とは、静磁場Ｂ₀に対して垂直
方向に向いた磁場であり、長手方向磁場とは、Ｂ₀と平
行な磁場である。

【００２９】ＮＭＲ共振器とは、共振器装置全体を指
す。それは、測定容積のまわりに配置された互いにＲＦ
結合された１つ以上の、好ましくは２つ又は４つのＲＦ
受信コイル装置から構成される。ＲＦ受信コイル装置自
体はＲＦ共振器と補償装置とを含み、ＲＦ共振器は実質
的にＲＦ受信コイル装置のうちでＲＦ電流が流れる部分
を表す。

【００３０】以下、上記の定義を考慮に入れながらいろ
いろな実施の形態を明らかにする。

【００３１】本発明のＲＦ受信コイル装置の特に好まし
いある実施の形態では、互いにｚ位置に関してのみ異な
る全ての表面エレメントが実質的に同じ量の超伝導物質
を含む。これにより、表面エレメントの設計を容易にし
て、所望のＲＦ性質及び磁気的性質を簡単な方法で近似
的に得ることができる。

【００３２】超伝導構造の構成エレメントを小さくする
ほど、ＲＦ受信コイル装置の表面全体をできるだけ等し
い双極子モーメントを有する同一の小さな表面エレメン
トに細分することをより細かく行うことができる。これ
らの表面エレメントの最小寸法は構造エレメントの最小
寸法より小さくあってはならない。構造エレメントの最
小寸法より小さくなると、個々の表面エレメントが超伝
導体を含むことが全くできなくなり、もって表面エレメ
ント当たりの双極子モーメントが同一であるという条件
が満たされなくなるからである。個々の表面エレメント
の超伝導物質の磁気双極子モーメントによって生ずる活
性測定領域内の擾乱磁場の揺動を小さくするためには、
できるだけ細かく表面を細分することが必要である。表
面エレメントの総数が５０よりも大きいとき、好ましく
は２００より大きいときに、十分に細かい細分が得られ
る。

【００３３】この細分の最も重要な側面は、互いにｚ位
置に関してのみ異なる同一の表面エレメントの数、すな
わちｚ軸と平行な向きのストリップに配置される表面エ
レメントの数である。この数は、２０よりも大きく、好
ましくは５０よりも大きくすべきである。

【００３４】本発明のＲＦ受信コイル装置の特に好まし
いある実施の形態では、補償装置の超伝導導体構造はＲ
Ｆ共振器の両側から、ｚ方向のＲＦ共振器の拡がりの少
なくとも半分、好ましくは約２倍突出する。これによっ
て、活性測定領域における擾乱的影響の主因である補償
装置のエッジ領域が活性測定領域から空間的にできるだ
け遠くに移動されてその場所に著しい影響を及ぼすこと
がなくなる。

【００３５】ＮＭＲ共振器は、通常、充填因子を最適化
するためにいくつかのＲＦ受信コイル装置から構成され
る。したがって、本発明のある有利な実施の形態では、
ＮＭＲ共振器は、ｚ不変な表面の異なる部分領域にある
いくつかの、好ましくは２つ又は４つの結合されたＲＦ
受信コイル装置を含む。

【００３６】幾何形状及び生産の点で特に簡単な本発明
のある実施の形態では、誘導的に作用しかつ部分的には
容量的にも作用する１つ以上のＲＦ共振器の超伝導導体
構造、及び１つ以上の補償装置の超伝導導体構造は、ど
ちらも互いに平行かつｚ軸と平行な平坦基板エレメント
に配置される。

【００３７】製造するのが特に簡単な本発明のＲＦ受信
コイル装置のある実施の形態では、誘導的に作用しかつ
部分的には容量的にも作用するＲＦ共振器の超伝導導体
構造、及び関連する補償装置の超伝導導体構造は、同じ
平面上に配置される。この実施の形態及び前の実施の形
態は、作用点が磁化曲線の直線領域にとどまっていると
き、すなわち超伝導体の磁化があまり大きくないときに
最適に機能する。特別に選ばれた、例えばジグザグ形の
導体構造は直線領域の外側でも最適に機能することがで
きる。

【００３８】ある別の実施の形態は、ＲＦ共振器及び関
連する補償装置の超伝導構造が２つ以上の互いに平行に
並べられた平坦な部分表面に配置され、誘導的に作用し
かつ部分的には容量的にも作用するＲＦ共振器の超伝導
導体構造及び関連する補償装置の超伝導導体構造の一部
は、第１の部分表面に配置され、補償装置の超伝導導体
構造の残りの部分は別の部分表面に配置されるというこ
とを特徴とする。多少複雑なこの配置によって別の物理
的な自由度が得られ、超伝導体の磁力によって生ずる擾
乱的な影響を非常に正確に補償することを可能にする
が、最適な結果は作用点が磁化曲線の直線領域の外にあ
るときにも達成される。

【００３９】この実施の形態の別の発展例では、部分表
面に垂直な方向で測られる部分表面の間隔は６００μｍ
以下であり、好ましくは５０〜２００μｍの範囲内にあ
る。磁気補償のエラーを最小にするためにこれらの間隔
はできるだけ小さく保たなければならない。

【００４０】充填因子を平坦配置の場合よりもさらに高
くすることができる本発明のＲＦ受信コイル装置のある
実施の形態では、誘導的に作用しかつ部分的には容量的
にも作用する１つ以上のＲＦ共振器の超伝導導体構造、
及び１つ以上の補償装置の超伝導導体構造は、ｚ方向に
関して円筒状に曲がった平坦基板エレメント上に配置さ
れる。なお、これを生産するのは多少困難である。

【００４１】本発明のある簡単な実施の形態は、補償装
置及びＲＦ共振器の導体構造がｚ不変な表面の同じ部分
領域上に配置されるものであって特に好ましい。簡単な
構成を特徴とする複数の別の実施の形態がこの実施の形
態から導かれる。

【００４２】本発明のある特に好ましい非常に簡単な別
の実施の形態では、導体構造の超伝導セクションの少な
くとも一部はｚ軸と平行又は垂直なストリップ状に配置
される。この実施の形態は単純な幾何形状を有し、いろ
いろなｚ構造を生成するための出発点として役立つ。

【００４３】変形例のオプションを増加させるある実施
の形態では、ｚ不変な表面上の超伝導構造が異なる幾何
形状を有する。例えば、異なる方向及び幅のストリッ
プ、正方形、円形、台形等である。これによって全体的
な幾何形状の設計の柔軟性を向上させることができ、エ
ラーの補償をさらに最適化することができる。

【００４４】本発明のＲＦ受信コイル装置で個別に又は
複数で使用できる非常に有用なＺ構造は、１つの個別導
体又はグループで配置される導体から形成される同一の
狭い超伝導構造エレメントであり、これらはｚ方向に狭
い間隔で、周期的に及び連続的に配置され、隣接する構
造エレメント間の間隔は研究容積の中心からの間隔に比
べて小さい。

【００４５】本発明のＲＦ受信コイル装置に個別に又は
複数で適用できるより非常に有用なＺ構造では、１つの
個別導体又はグループで配置される導体を有する構造エ
レメントが、ｚ軸と平行に向き、同一又は異なる相互間
隔を有する導体セクションを有する。

【００４６】本発明のＲＦ受信コイル装置で個別に又は
複数で使用できるＺ構造の別の実施の形態は、いくつか
の、好ましくは各幅がＺ構造の幅に等しい長方形の部分
領域に分割され、それらの部分領域はｚ軸に対して所望
の角度傾斜した真っ直ぐな超伝導体ストリップで充填さ
れ、ある部分領域内でこの角度が正又は負であり、傾斜
したストリップは部分領域内でｚ方向に狭い間隔で周期
的且つ連続的に配置され、隣接するストリップの間隔は
研究下の容積の中心からの間隔に比べて小さく、傾斜し
たストリップは部分領域間の境界線で互いに連続的に融
合していることを特徴とする。このＺ構造は、構造とし
ては少し複雑であるが、単一の表面上にあり、その作用
点が磁化曲線の直線領域の外にあるほど超伝導体が磁化
されるときでも完全な補償を与えるという点で有利であ
る。

【００４７】本発明のＲＦ受信コイル装置のある実施の
形態では、ＲＦ共振器に属さない超伝導体構造がいくつ
かの狭い中断部を有し、それらは個々の超伝導導体セク
ションの部分又は全長にわたって分布している。これに
より、導体構造に通常生ずる渦電流が中断部によって小
さくなるか又は抑制されるので、ＲＦ共振器と補償装置
との間のＲＦ分離を著しく改善する。

【００４８】本発明の別の実施の形態では、ＲＦ共振器
はＺ構造の所望の領域から生成されること、すなわち超
伝導体若しくはその部分がＺ構造の小さな表面エレメン
ト内部で回転又は移動されること、及び／又は導体間の
狭い間隔が超伝導的に結合されること、及び／又は狭い
中断部が導体に導入されること、及び／又は傾斜してい
ると共にジグザグな形のＺ構造が用いられること、及び
／又はＺ構造が２つ以上の部分表面にわたって分布され
ることが行われる。

【００４９】比較的単純な幾何的構造を有する非常に具
体的な特に好ましい実施の形態は、ＲＦ受信コイル装置
が３つのＺ構造、すなわち、２つは垂直なストリップを
左と右とに有し、１つは中央に水平で真っ直ぐなストリ
ップを有する３つのＺ構造から形成されることを特徴と
する。

【００５０】ＲＦ受信コイル装置が３つのＺ構造、すな
わち、２つは傾斜していると共に部分的にジグザグ形の
横方向ストリップを左と右とに有し、中央構造はｚ方向
に周期的に配置された横方向ストリップを有する３つの
Ｚ構造から形成される実施の形態から別の可能な幾何的
配置が生ずる。この実施の形態は、構成が少し複雑であ
るが、単一の表面上にあり超伝導体の磁化が十分に強く
作用点が磁化曲線の直線領域の外へ移るほどになっても
完全な補償を与えるという点で有利である。

【００５１】非常に正確な補償と、多くの変形例の可能
性とを与える本発明の別の実施の形態では、ＲＦ受信コ
イル装置全体が２つの平面に配置され、３つのＺ構造か
ら構成される。すなわち、第１及び第２の構造はストリ
ップがｚ軸と平行に配置され相互間隔が定められてお
り、第３の構造はストリップがｚ軸と垂直でｚ方向に周
期的に配置され、第３のＺ構造は最初の２つの構造の上
方に位置してそれらを正確に覆い、ＲＦ共振器と補償装
置が生成される。すなわち、３つのＺ構造は、部分的に
分解され、１つ又は２つの基板に属する２つの別々の部
分表面に分配され、第１の部分表面はＲＦ共振器全体を
補償構造の主な部分と共に含み、第２の部分表面は補償
構造の残りの部分を含み、このように生成された構造が
２つの部分表面上に互いに重なり合って定位されてそれ
らの構造の和が元の３つのＺ構造の和と再び等しくなっ
て作動するＮＭＲ共振器を生成する。

【００５２】本発明の別の好ましい実施の形態では、超
伝導導体構造の少なくとも一部が高温超伝導（ＨＴＳ）
物質を含むことができる。エピタキシャル法によって製
造されるＨＴＳ物質の導体は、超伝導ＮＭＲ共振器で一
般に用いられる約４．２Ｋから３０Ｋまでの温度範囲
で、非常に高い磁場強度を伴う臨界電流密度が非常に高
いので、ＮＭＲ共振器を製造するのにきわめて適してい
る。

【００５３】最後に、本発明のある実施の形態ではま
た、超伝導導体構造が薄い層、好ましくは０．１〜１μ
ｍまでの厚さの層から形成される。これは従来の生産技
術の範囲内にあって有利である。

【００５４】その他の利点は図面及び以下の記述から明
らかになる。上記の特徴及び以下で述べる特徴は、本発
明に従って、個々にも、任意の形で組み合わせても利用
できる。図示され説明される実施の形態は、全てを列挙
したものとしてでなく、本発明を説明するための例示的
なものであると理解すべきである。

【００５５】以下では、図面を参照して本発明の実施の
形態を更に詳しく説明する。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の機能
を説明する。

【００５７】Ｂ₀磁場と正確に平行に向いており、別の
磁場にさらされたことがなかった１つの超伝導体ストリ
ップは、ただ１つの長手方向磁化だけを有する（図
７）。Ｂ _Z成分はストリップの両端だけに生じ、ストリ
ップの中央領域では無視できるほど小さい。

【００５８】長手方向磁化は、正方形断面の細い超伝導
体ストリップを囲み、密に当接する閉電流ループによっ
て表されうる。正方形断面の長さと幅はストリップの幅
ｂ又は厚さｗに等しい。超伝導体の厚さｗはきわめて小
さいので（約０．１〜１μｍ）、断面積（ｂ・ｗ）もき
わめて小さく、したがって生ずる擾乱磁場は無視できる
ほど小さい。

【００５９】超伝導体が長手方向にしか磁化されないの
であれば、ＮＭＲ応用に関する磁化の問題は無視できる
であろう。Ｂ₀磁場に対するストリップのきわめて小さ
な傾斜も、超伝導体に横方向磁化を生じさせる。Ｂ₀磁
場はきわめて強いので、０．１度未満の傾斜でも十分で
ある。これは、超伝導体ストリップの表面を流れ（図
２）、超伝導体を通る磁束の変化を補償しようとする閉
電流ループによって表されうる。この補償が正確に働く
のは、上記ループの電流が臨界電流、すなわち超伝導体
における可能な最大の超伝導電流に到達するまでであ
る。

【００６０】横方向磁化の閉電流ループに利用できる表
面積は長手方向磁化のそれよりもずっと大きいので、Ｎ
ＭＲスペクトルへの影響も何桁も大きいものになる可能
性がある。したがって、本発明の目的は、活性測定領域
におけるＢ₀磁場の均一性に対するこの横方向磁化の影
響を最小にすることにある。以下、超伝導体の磁化に言
及する場合、それは横方向磁化を意味する。

【００６１】本発明によって、次の７つの所見１〜７が
実質的に導かれ、それらは、以下の順序で用いられる。

【００６２】所見１．静磁場Ｂ₀と平行な磁場成分だけ
を考慮に入れなければならない。

【００６３】ＮＭＲ分光においては、共鳴周波数は測定
サンプルの場所における磁場の絶対値に依存し、 |Ｂ|²＝（Ｂ₀＋ΔＢ_Z）²＋ΔＢ_X ²＋ΔＢ_Y ²＝（Ｂ₀＋Δ
Ｂ_Z）²＋ΔＢ_XY ² で表される。

【００６４】静磁場Ｂ₀に比べて擾乱成分ΔＢ_X，Δ
Ｂ_Y，ΔＢ_Zが小さい限り、相対均一性に関して次の近似
が成り立つ（ｚ軸はＢ₀と平行にとられる）。 |Ｂ|／Ｂ₀≒１＋ΔＢ_Z／Ｂ₀＋１／２（ΔＢ_XY／Ｂ₀）² 磁場Ｂ₀と平行な成分ΔＢ_Zだけが相対均一性に強い影響
を及ぼすということはただちに認められるであろう。こ
れに対してＢ₀と垂直な成分ΔＢ_XYは何桁も小さな影響
しか及ぼさない。

【００６５】高分解能ＮＭＲでは、磁場の相対エラー
（ΔＢ_Z／Ｂ₀＋１／２（ΔＢ_XY／Ｂ₀）²）は１０^-10〜
１０^-11という桁であってもよく、したがって、ΔＢ_Z／
Ｂ₀及びΔＢ_XY／Ｂ₀に対して次のような２つの許容限界
が得られる。

【００６６】ΔＢ_Z／Ｂ₀ ＜１０^-10〜１０^-11 ΔＢ_XY／Ｂ₀＜１０^-5 〜１０^-6 したがって、超伝導体の磁化によって生ずる、Ｂ₀と平
行な擾乱成分ΔＢ_Zは、ＮＭＲスペクトルに対してＢ₀と
垂直な成分ΔＢ_XYに比べて約５桁も大きな影響を及ぼ
す。

【００６７】一般に、超伝導物質の非常に薄い層だけが
ＮＭＲ共振器に用いられるので、必要な条件（ΔＢ_XY／
Ｂ₀＜１０^-5〜１０^-6）は容易に満たされうる。要する
に、これは擾乱磁場のｚ成分ΔＢ_Zだけを考慮に入れな
ければならないということを意味する。他の２つの成分
ΔＢ_X，ΔＢ_Yは安心して無視できる。

【００６８】所見２．ｚ軸と平行な電流は無視できる。

【００６９】ｚ軸と平行、すなわち静磁場Ｂ₀と平行に
流れる電流は、マクスウェルの式によればいかなるＢ_Z
成分をも生じないので無視できる。しかし、静磁場と垂
直に向いた電流、例えばｘｙ平面内で流れる電流はＢ_Z
成分を生ずることができるので考慮に入れなければなら
ない。

【００７０】所見３．静磁場Ｂ₀と平行な超伝導体スト
リップはそれらの両端でのみＢ_Z成分を生ずる。

【００７１】長さがａ、幅がｂ、及び厚さがｗであり
（ただし、ｂ≪ａかつｗ≪ｂ）、長手方向軸がｚ軸と平
行である非常に薄い超伝導体ストリップは、ｚ軸と垂直
に流れる電流のみを有し、それによってストリップの両
端でＢ_Z成分を生ずる（図２，図３）、すなわち、そこ
では電流がｚ軸と垂直に流れてそれによってＢ_Z成分を
生ずる（図２，図３）。ストリップが十分に長い場合、
すなわち、ａがストリップと測定容積の中心の間の間隔
ｓ（図３）に比べて大きい場合、両端は活性測定領域か
ら遠く離れており、したがって測定容積内のＢ_Zの均一
性にもはや著しい影響を及ぼすことができない。ストリ
ップは磁化したままにとどまり、超伝導体の臨界電流に
よって与えられるその最大値まで磁化される可能性があ
る。Ｂ_Zの均一性に対するその影響はそれでも小さいま
まにとどまる。

【００７２】所見４．静磁場Ｂ₀と垂直な向き又は傾斜
した向きであるが長い距離にわたってＢ₀磁場の方向に
周期的にかつ連続的に繰り返される超伝導体ストリップ
は、ｚ方向に延伸した均一な構造を有し、その構造の両
端でのみＢ_Z成分を生ずる。

【００７３】長さがｃ、幅がｄ（ただし、ｄはｃに比べ
て小さい）でｚ軸と垂直な長手方向軸を有する超伝導体
ストリップは、ｚ軸に対して垂直に流れる実質的な電流
成分を有し、それによりＢ_Z成分を生ずる（図５，図
６）。これらの電流は活性測定領域におけるＢ_Zの均一
性を大きく擾乱する可能性がある。

【００７４】多数のこのようなストリップがｚ方向に均
一に配置されて十分に長い周期的でかつ連続的な構造が
生成される場合（図９（ｃ））、このストリップ構造の
中央領域には実際上ｚ成分は何も存在しない。図８は、
ｚ軸と平行な平面上で等間隔で互いに重なり合って配置
された１１個のこのようなストリップを有するストリッ
プ構造の一例を示す。ストリップ間の間隔ｈがストリッ
プ構造と活性測定容積の中心との間隔ｓに比べて小さ
く、かつｚ方向のストリップ構造の長さｋが間隔ｓに比
べて大きい限り、個々のストリップによって生ずるｚ成
分の不均一性は活性測定容積の領域ではほぼ完全に互い
に打ち消し合い、その場所には、不規則性が許容できる
ほど小さい非常に均一な容積が生ずる。これに対して大
きなＢ_zの不均一性はストリップ構造の上端と下端にし
か存在しない。

【００７５】この後者の結果は、ｚ軸と垂直に向いたス
トリップ（図９（ｃ））だけでなく、ｚ軸に対して傾斜
したストリップ（図９（ｄ），（ｅ））についても、つ
まりｚ方向に周期的な他のいかなる構造についても得ら
れる。

【００７６】所見５．超伝導体部を小さな表面エレメン
ト内で回転又は移動させても、それらが生ずる磁場は活
性測定領域の場所でほとんど変わらないままである。

【００７７】平坦な基板上のいかなる超伝導体構造も、
一辺の長さが活性測定領域の中心からの間隔に比べて小
さい、等しい正方形の表面エレメントのネットワークに
分けることができる。

【００７８】個々の表面エレメントの超伝導体は、磁化
していると仮定すると、横方向の磁化を有する。それは
超伝導体内の閉電流ループによって生じる。上記電流ル
ープの幾何的寸法は活性測定領域の中心からの間隔に比
べて小さいので、それらを磁気双極子によって全く置き
換えることができる。これを代用双極子と呼ぶ。代用双
極子は関連する電流ループとほぼ同じ磁場を活性測定領
域に生ずる。

【００７９】個々の表面エレメントにおいて超伝導体を
回転させたり、移動させたり、さらにはその幾何形状を
変えたりしても活性測定領域における磁場は変化しない
ｌｐとが可能であるから、唯一の条件は、それらの変化
の後でも代用双極子が同じにとどまるということにあ
る。

【００８０】所見６．超伝導体ストリップにおける間欠
的な狭い中断部の影響は無視できる。

【００８１】超伝導体ストリップにおける間欠的な中断
部は、活性測定領域でのｚ成分の均一性に認められるほ
どの影響を及ぼさない。中断部は、超伝導体における通
常の電流ループと逆に流れる電流ループによって置き換
えることができる。それらは非常に小さな領域に局限さ
れるので非常に小さな磁場しか生じることができない。

【００８２】所見７．ある超伝導導体構造と静磁場Ｂ₀
と平行なある平面に関するその鏡映とは同一の磁気的挙
動を示す。

【００８３】ある超伝導導体構造がｚ軸と平行なある平
面に関して鏡映されても、ｚ軸、つまりＢ₀磁場に対す
る全ての角度が維持されるので、超伝導体の臨界電流密
度及び臨海電流分布は変化しない。

【００８４】したがって、図９（ｄ），（ｅ）の導体構
造は磁気的に同一である。また、図９（ｆ）は両方の構
造から構成されているので、これも図９（ｄ），（ｅ）
と磁気的にほぼ同一な大きさである。

【００８５】幸いなことに、ＮＭＲスペクトルは、活性
測定領域においてＢ_Z成分だけに依存し（所見１）、そ
れは横方向磁化から生ずる。Ｂ₀磁場と平行な長い超伝
導体ストリップの場合、ｚ成分はそのストリップの両端
でのみ現れるが、これらは活性測定領域において無視で
きるほど小さい（図２）。これは、図２のサンプル領域
１においてＢ₀磁場と平行な超伝導体の閉電流ループに
おける電流の方向が、トリップの端でのＢ₀磁場と垂直
であるということによる。上記所見２で示したように、
Ｂ₀磁場と平行な電流は何もｚ成分を生じないので無害
である。

【００８６】図４は、ＮＭＲスペクトルが横方向磁化の
ｘ成分及びｙ成分に依存するとしたら何が起こるかをは
っきりと示している。明らかに強い不均一性が活性測定
領域１に存在し、それがＮＭＲスペクトルに強く影響す
るであろう。本発明は、ＮＭＲがＢ_Z成分の考察だけを
有り難いことに要求しているということによってのみ実
際に実現可能になる。

【００８７】Ｂ₀磁場の方向と垂直である超伝導体スト
リップは（図５）、電流の大部分がＢ₀磁場の方向と垂
直に流れるので基本的にｚ成分を生ずる。それでもこれ
らのストリップを効果的に利用することが可能である
（所見４）。唯一の条件は、これらのストリップがｚ方
向に周期的かつ連続的に反復され（図９（ｃ））、それ
によってｚ方向に十分に長い導体構造が効率的に生成さ
れるということである。そうなっていれば、横方向電流
が生ずる磁場は、導体構造の中央領域、すなわち活性測
定領域で互いに補償し合って、ｚ成分はこの補償が不完
全である導体構造の上端と下端でしか生じない(図８)。

【００８８】以上の所見１〜７が示していることは、幅
が一定であり、長さが活性測定領域に比べて大きい導体
構造であって、長手方向軸がＢ₀磁場と平行に向き、超
伝導部の分布が巨視的にｚ方向に均一であるものは、導
体構造の上端と下端でＢ_Z成分を生じるだけであって、
測定サンプルがある中央領域では実際上何も生じないと
いうことである。導体構造の端で生ずる磁場が活性測定
領域で無視できるほど小さな擾乱磁場しか生じないよう
にするためには、上記導体構造は十分長くなければなら
ない。

【００８９】巨視的にｚ方向に均一な超伝導部の分布
は、導体構造の表面を、一辺の長さが活性測定領域の中
心からの間隔に比べて小さい同一の正方形表面エレメン
トの格子に分割し、個々の表面エレメントで、各表面エ
レメントにおける横方向磁化ができるだけ等しい強度の
磁気双極子で置き換えることができるように超伝導体を
分布させるということで得られる。これにより、活性測
定領域に何も擾乱磁場を生じない導体構造であって、例
えば異なる幾何形状、例えば異なる向き及び幅のストリ
ップ、並びに正方形、円形、台形等のストリップから構
成されたものを生成することができる。

【００９０】超伝導部のｚ方向で巨視的に均一な分布は
また、これらの超伝導部が互いに密接に配置される周期
的かつ連続的な同一の狭い導体セクションから成るよう
にしても得られる。導体セクションは、それらが生ずる
擾乱磁場の揺動が活性測定領域で無視できるほど小さく
なるように互いに十分密接していなければならない。図
９（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそのような導体構造の例を
示している。

【００９１】超伝導体コンポーネントは、必ずしも同一
である必要はなく、図９（ｆ）の例に示され、上記所見
７でより詳細に説明したように、鏡映対称像のコンポー
ネントで補うこともできる。

【００９２】さらになお、超伝導部がＢ₀磁場と平行に
向いた狭い真っ直ぐな導体セクションから成る特別な場
合には、それらは周期的かつ連続的な反復である必要は
なく、互いにどんな間隔であってもよい。個々の導体セ
クション自体がどれも活性測定領域でＢ_z磁場を生じな
いからである。

【００９３】上記後者の導体構造をＺ構造と呼ぶことに
する。本発明は、互いに密接して及び／又は互いに重な
合って配置されるいくつかのこのようなＺ構造に基づい
て、所望のＲＦ共振器をこれらの導体構造の所定領域か
ら構築する。これらの導体構造の残りの部分は超伝導体
の磁力の補償にのみ寄与し、理想的な場合、ＲＦ電流が
何も流れない。ＲＦ電流はＲＦ共振器でしか流れないの
で、他の導体からのＲＦ分離が最適である。

【００９４】Ｚ構造からＲＦ共振器を構築するには、個
々の選ばれた小さな表面の導体部を所見５にしたがって
回転又は移動させ、個々の導体セクションを結合したり
分離したりする。

【００９５】Ｚ構造のＲＦ共振器に属さない残りの部分
も所見５にしたがって変更することができ、例えば垂直
配置を水平配置に変更することによって共振器に対する
ＲＦ結合を減少させることができる。

【００９６】完全を期するために、Ｚ構造に関して次の
２点の指摘１，２を述べておかなければならない。

【００９７】指摘１．Ｚ構造は一つの平面に配置する必
要はなく、ｚに関して不変であればどんな表面で実現し
てもよく、特には円筒面でも実現することができる。

【００９８】指摘２．Ｚ構造はｚと交差する一定の幅を
有しなければならないが、長方形である必要はない。す
なわち、それらの長手方向の拡がりの端で２つの終端は
所望のいかなる形、例えば傾斜があったり曲がっていて
もよい。これらの端は活性測定領域から遠く離れている
ので、測定領域の磁場の均一性に何も影響を及ぼさな
い。

【００９９】上述の原理は多数の実施の形態を可能にす
るが、それらのうちのほんのいくつかについて説明す
る。以下の実施の形態は全て３つのＺ構造だけに基づい
ており、それらの２つは垂直な（ｚ軸と平行な）又は傾
斜した導体セクションであり、１つは水平な（ｚ軸と垂
直な）導体セクションである。

【０１００】本発明の概念に係る第１の実施の形態で
は、第１のＺ構造はＢ₀磁場に平行なストリップであ
り、第１のＺ構造に続く第２の構造はＢ₀磁場と垂直な
ストリップであり、その後に再びＢ₀磁場に平行なスト
リップで第３の構造が続く。図１０はその一例を示して
おり、３つのＺ構造は、独国特許発明第１０１ １８
８３５．８−３３号明細書（特許文献６）における図１
０ａのタイプのＲＦ共振器をそれから生成できるように
選ばれている。ＲＦ共振器が生成すべきＺ構造の領域は
図１０においてハッチングで示されている（領域７
ａ）。主に磁場を発生する導体は、左Ｚ構造８ａから生
成され、測定サンプルに最も近いものである。上と下の
横方向導体は中央構造９ａから生成され、容量部は右構
造１０ａから生成される。右導体構造１０ａは、左導体
構造８ａの２倍も多くの導体を有し容量部の生成を可能
にしている。

【０１０１】主要な問題は、導体構造８ａ，１０ａにあ
るＲＦ共振器の角部の生成である（図１０）。これは、
超伝導体の個別電流路のいくつかの領域を、隣接する電
流路の間の接触している線での電流が等しく向きが逆で
ある小さな閉電流路Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６で置
き換えることによって解決される（図１３（ａ））。こ
れらの小さな電流路の寸法は所見５の条件を満たしてい
るので、これらを表面エレメントＡ２，Ｂ２，Ｃ２（図
１３（ａ））の内部で回転又は移動させても、それによ
って活性測定領域のＢ₀磁場には影響しないようにする
ことができる。以下、上記問題を解くための個々のステ
ップをより詳しく説明する。

【０１０２】図１２は、導体構造８ａの一部を示し、３
つの垂直な超伝導体ストリップから成っている。各スト
リップに１つの個別閉電流路が示されている。それは上
と下で切られ、電流の方向は矢印で表されている。

【０１０３】５つの電流路Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ
６が、関連する表面エレメントの中心のまわりで９０°
回転される（図１３（ａ））。これは、表面エレメント
Ｂ３，Ｃ３の小さな電流路でも行われる。その結果は、
各１つの角部を有する電流路となる（図１３（ｂ））。

【０１０４】この変換は、図１２のそれぞれの超伝導体
ストリップ内の１つの個別電流路について説明された。
それはそれぞれのストリップに流れ込むことができる可
能性がある全ての電流路にあてはまる。それぞれのスト
リップの内部の可能性がある全ての電流路について上述
の変換を実行すると、図１３（ｂ）に示された超伝導構
造となる。

【０１０５】上述の変換にしたがって全ての角部を生成
すると、ＲＦ共振器の全体構造を得ることができる（図
１４のハッチングされた表面）。それは図１０のハッチ
ングのない明るく示された表面と磁気的にほぼ同一であ
り、したがって活性測定領域に擾乱的なＢ_Z成分を何も
生じない。

【０１０６】図１４の導体構造は、磁力線の通過に対し
て小さな間隙しかないので、ＲＦ共振器のＲＦ磁力線が
密に隣接する水平なストリップの構造９ａを貫通して強
い抵抗に会わなければならないという欠点がある。特
に、ＲＦ共振器によって囲まれた水平なストリップは、
きわめて高い密度の磁力線の通過を許さなければならな
いので、最大の障害を形成する。

【０１０７】このような理由により、本発明の概念に係
る第２の実施の形態では、図１０の中央導体構造９ａ
は、図１１のより透明な導体構造９ｂに置き換えられて
いる。上述の変換を実行すると、図１５の構造が生成さ
れ、これはＲＦ磁力線に対して実質的により透明であ
り、したがってより良いＲＦ性質を有する。

【０１０８】上述の２つの実施の形態で残されたエラー
の源を検討すると次の２つの所見８，９が得られる。

【０１０９】所見８．超伝導体に作用する外部擾乱磁場
は十分小さく、作用点が磁化曲線の直線領域内に収まら
なければならない。すなわち、超伝導体と擾乱磁場との
電流間に直線関係がなければならない。そうなっていな
い場合、超伝導体のとりうる異方性を考慮に入れなけれ
ばならない。異方性とは、Ｂ₀磁場と平行な電流はＢ₀磁
場と垂直な電流とは異なる臨界電流密度を有するという
ことを意味する。これは、超伝導体を回転させたときに
異なる電流分布を生じるので、超伝導体における異なる
積分電流値を生ずる。したがって、活性測定領域におけ
るＢ₀がこの積分電流値の変化に正比例して変化する。

【０１１０】所見９．以下のことから別のエラーが生ず
る。閉電流路の回転又は移動の後、いくつかの表面エレ
メントのエッジ部に電流が集中するエッジ領域が生ずる
可能性があるが（図１３（ｂ）の表面エレメントＡ１，
Ｂ１，Ｃ１の下方エッジ部上の電流参照）、もちろんこ
れは実際には起こり得ない。エッジ部における無限大の
電流密度を避けるために物理的理由によって要求されて
いるような所定面積にわたって上記エッジ電流が分布す
ると小さなエラーが発生する。

【０１１１】第２の実施の形態の利点は、導体構造の多
くの変形例が可能であるということと、全ての導体構造
が単一の基板上にあるということである。

【０１１２】第２の実施の形態の欠点は、超伝導体が異
方性を有すると、正確な補償は磁化曲線の直線領域での
み、すなわち小さな擾乱磁場についてしか保証されない
ということと、小さな電流ループの回転はいくつかの超
伝導体ストリップのエッジ領域で小さなエラーを生ずる
ことがあるということである。

【０１１３】主に超伝導体の異方性が著しい擾乱を生ず
る可能性があるので、本発明の概念に係る第３の実施の
形態は、電流路の回転や移動を排除する変形例を提供す
る。この場合も３つのＺ構造が用いられる。外側の２つ
の構造は図９（ｆ）による傾斜したストリップで構成さ
れ、１つの中央構造は図９（ｃ）による水平のストリッ
プで構成される。外側の２つの導体構造は、導体の一部
が電気的にコーヒーレントな構造を生成してｚ方向に延
伸し、同時に２つの導体構造のエッジ部での結合を可能
にしているという利点がある。これらの結合の可能性に
よって、中央導体構造の水平なストリップに直接結合す
ることができ、前のように電流路を回転又は移動させる
必要がない。

【０１１４】図１６はその一例を示す。ここで導体構造
は、世界公開第９６／３９６３６号パンフレット（特許
文献７）の図２ｃのタイプのＮＭＲ共振器を生成できる
ように選ばれている。ＲＦ共振器は３つの導体ループを
有し、それらは完全に閉じておらず、すなわちそれぞれ
小さな間隔で中断されており、それによって共振器の容
量部を作り出している。第１及び第３の導体ループは下
方の横方向導体に中断部があり、中央の導体ループは上
方の横方向導体に中断部がある。この第３の実施の形態
は、超伝導体の異方性に無関係であるという点で非常に
有利である。

【０１１５】第３の実施の形態の利点は、補償は超伝導
体の異方性と無関係であるということと、導体構造全体
が単一の基板上にあるということである。

【０１１６】第３の実施の形態の欠点は、導体の一部は
関連する補償される導体構造のエッジ部で結合が可能な
ジグザグ構造でなければならないので、共振器の変形例
の可能性が限定されるということである。

【０１１７】第３の実施の形態は変形例の可能性が限定
されるので、超伝導体の異方性に無関係であるという利
点をしっかり確保し、なおかつより多数の変形例が可能
である本発明の概念に係る第４の実施の形態が提供され
る。この実施の形態では、Ｚ構造は２つの異なる基板に
適当に配分されている。２つの基板は、互いに重なり合
って、それらの上に配置される導体構造が互いに近く位
置することができるように、例えば電気的に絶縁する薄
いシートだけで隔離されるように位置する。このよう
に、全ての導体構造は実際には１つの平面上に配置され
る。

【０１１８】２つの基板は、導体構造が直接互いに重な
り合うことができないように、すなわち２つの基板の一
方によって隔離されるように重なり合って配置されるこ
とも可能である。この場合、全ての導体構造が実際には
単一の平面上にあることが上記同様確保されるように、
隔離機能を果たす基板はできるだけ薄くなければならな
い。

【０１１９】一例として、特許文献６の図１０ａのタイ
プのＮＭＲ共振器が構成される。これも３つのＺ構造、
すなわち図１７（ａ）による第１及び第２の垂直構造と
図１７（ｂ）による第３の水平構造とに基づく。なお、
第３の構造は別に示されているが、最初の２つの構造の
上に、これらを正確に覆うように配置されている。

【０１２０】このＲＦ共振器のうちで、磁場を発生する
主要部は図１７（ａ）の左側にある第１の導体構造に由
来する部分であり、これが測定サンプルに最も近く位置
している。容量部は右側構造に由来し、右側構造は容量
部を実現するために左側構造の２倍も多くの導体を有し
ている。

【０１２１】このＲＦ共振器の横方向結合は第３のＺ構
造から得られる（図１７（ｂ））。このＺ構造の幅Ｌ_B
は、図１７（ａ）の２つのＺ構造の幅Ｌ_Aと等しい。す
なわち３つのＺ構造は互いに正確に重なる。

【０１２２】３つのＺ構造を分解し２つの基板上に分配
して、各個別基板上で導体が互いに重なったり交差した
りせず、全体として共振的なＲＦ共振器が生成されるよ
うにする。第１の基板は、図１８（ａ）の構造、すなわ
ちＲＦ共振器と磁化を補償する導体構造の主要部とを有
し、第２の基板は、磁化の残りの部分を補償する図１８
（ｂ）の構造を有する。それに関しては、図１８
（ａ），（ｂ）の構造の和が、図１７（ａ），（ｂ）の
Ｚ構造の和にできるだけ近いことが重要である。その場
合にのみ、この２つの基板の共振器が、活性測定領域に
何もＢ_Z成分を生じない元の図１７（ａ），（ｂ）の３
つのＺ構造と磁気的に同一になるからである。

【０１２３】第４の実施の形態の利点は、補償は超伝導
体の異方性に依存しないということと、多くの導体構造
の変形例が可能であるということである。

【０１２４】第４の実施の形態の欠点は、２つの個別基
板又は両側が覆われる１つの基板が必要であり、それら
の構造は正確に重なり合って配置しなければならないと
いうことである。

【０１２５】次に、ＲＦ共振器をＺ構造の所望の領域か
ら構築しうる全ての手順１〜５を要約する。以下の手順
１〜５は、個々にも、グループでも、又は全部同時にも
適用できる。

【０１２６】手順１．小さな表面エレメント内部で超伝
導部を回転又は移動させる。

【０１２７】手順２．小さな間隙を超伝導体で架橋す
る。

【０１２８】手順３．小さな中断部を設ける。

【０１２９】手順４．傾斜したかつジグザグ形の導体を
有するＺ構造を使用する。

【０１３０】手順５．Ｚ構造を分解し、２つの基板上に
再分配して１つの個別基板上で重なりや交差がないよう
にする。

【０１３１】ＲＦ共振器に属していない超伝導導体は、
狭い中断部がさらに設けられるとＲＦ共振器へのＲＦ結
合を最小にすることができる。このような中断部は第２
の実施の形態に関して図１に示されている。はっきりと
図示するまでもなく、このような中断部は他の全ての実
施の形態でも実現することができる。

【０１３２】一般に、コンポーネントが周囲と異なる透
磁率を有するＮＭＲ共振器は、活性測定領域に磁場不均
一性を生ずる。従来、この効果はそれらのコンポーネン
トと同じ透磁率を有し、かつｚ方向に平行して十分に延
伸している追加材料でそのコンポーネントを代用するこ
とによって補償される。追加材料は、絶縁体であって、
例えばコイル全体を浸す液体も含まれてもよい。この方
法は、“透磁率継続法”と呼ばれ、本発明に対して次の
ような相違点を有する。

【０１３３】相違点１．“透磁率継続法”は常伝導金属
又は絶縁体だけに用いられ、一般にそれらについてのみ
有効である。これに対して、超伝導体では、一般に磁化
の影響はより強く、他の補償方法、例えば本発明による
補償方法が必要である。

【０１３４】相違点２．常伝導物質では、磁化はコンポ
ーネント内の磁気双極子モーメントによって生じ、それ
らは必然的にＢ₀磁場によってそれらと平行に向けられ
る。しかし、超伝導体では、磁化は超伝導コンポーネン
トにおける補償電流によって生ずる。これらの電流が活
性測定領域における磁場不均一性に及ぼす影響は磁気双
極子モーメントの影響より何桁も大きい。

【０１３５】相違点３．“透磁率継続法”では、コンポ
ーネントの横方向磁化は無視できるほど小さいので、長
手方向磁化だけを補償すればよい。しかし、超伝導体の
場合、横方向磁化が主であり、長手方向磁化は重要性が
ほんのわずかである。

【０１３６】さらに独国特許発明第３４ １４ ５５９
Ａ１号明細書（特許文献８）は、ＮＭＲスペクトルへ
の影響を小さくするためにＮＭＲ共振器の透磁率を少な
くとも部分的に補償する方法を開示している。この方法
も常伝導物質のみに関するものであり、ｚ軸上での磁場
擾乱を排除し、活性測定領域全体における磁場擾乱を排
除するものではない。それとは対照的に、本発明は活性
測定領域全体にわたって磁場擾乱を補償する。

【０１３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、実際のＲＦ共振器から最適に分離され超伝導体の
磁化によって生ずる擾乱的影響を最適に補償する追加的
な超伝導導体構造を備えた新しいタイプの超伝導ＮＭＲ
装置用ＲＦ受信コイル装置を提供することができる。ま
た、活性測定領域におけるＢ₀磁場の均一性に対するこ
の横方向磁化の影響を最小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２の実施の形態の変形例による共振
器を示す図である。なお、これは図１５の共振器とほと
んど同じであるが、磁化を補償する追加の導体に小さな
中断部があって、これらにより、これらの導体と実際の
ＲＦ共振器（ハッチングされた線で示す）との間のＲＦ
結合を最小にしている。

【図２】長手方向の軸がＢ₀と平行な磁化された超伝導
体ストリップによって生成される磁場ΔＢの斜視図であ
る。

【図３】図２に対応してｘｚ平面で示した図である。な
お、磁場ΔＢのｚ成分（ΔＢ_Z）₁は、活性測定容積の領
域でほとんどゼロであり、ストリップの上方のエッジ部
と下方のエッジ部でのみ現れる。

【図４】図２の装置の磁場ΔＢをｘｙ平面で示した図で
ある。なお、活性測定サンプルの場所１に強い不均一磁
場が存在するが、これはΔＢ_X成分及びΔＢ_Y成分による
ものである。しかし、これらはＮＭＲスペクトルに何も
影響を及ぼさないので無視できる。

【図５】長手方向軸がＢ₀と垂直である磁化した超伝導
体ストリップによって生ずる磁場ΔＢの斜視図である。

【図６】図５に対応してｘｚ平面で示した図である。な
お、磁場ΔＢのＢ_Z成分（ΔＢ_Z）₁は活性測定サンプル
の場所で強い不均一性を示し、これはＮＭＲ共鳴線に強
い影響を及ぼす可能性がある。

【図７】Ｂ₀磁場と平行に向いた超伝導体ストリップの
長手方向磁化によって生ずる擾乱磁場ΔＢを示す図であ
る。なお、擾乱磁場はストリップの２つの端でのみ生成
される。

【図８】Ｂ₀と平行なある平面上にあって、互いに重な
り合って一様に配置されたいくつかの超伝導体ストリッ
プ４ａ，４ｂ，４ｃ，．．４ｋの配置を示す図である。
なお、個々のストリップのＢ_Z成分（ΔＢ_Z）₁が重なっ
て磁場（ΔＢ_Z）_totを生ずる。磁場（ΔＢ_Z）_totは活性
測定容積１の領域でほぼゼロであり、装置の上端と下端
にのみに存在する。

【図９】（ａ）は、Ｂ₀磁場と平行な超伝導体ストリッ
プを示す図であり、（ｂ）は、全てＢ₀磁場と平行ない
くつかの一様に分布したストリップから構成される超伝
導導体構造を示す図であり、（ｃ）は、全てＢ₀磁場に
垂直ないくつかの一様に分布したストリップから構成さ
れる超伝導導体構造を示す図であり、（ｄ）は、Ｂ₀磁
場に対してある傾斜で配置されたストリップから構成さ
れる超伝導導体構造を示す図であり、（ｅ）は、（ｄ）
の超伝導導体構造の鏡像を示す図であり、（ｆ）は、
（ｄ）の導体構造と（ｅ）の超伝導導体構造の鏡像のセ
クションから構成される超伝導導体構造を示す図であ
る。

【図１０】一定の幅を有し、ｚ方向に大きく延伸し、２
つは垂直で１つは水平の３つの部分構造から成る超伝導
導体構造を示す図である。なお、ＲＦ共振器はハッチン
グされた領域で構成することができる。また、その他の
領域はＲＦ共振器によって生ずる磁化を補償する。

【図１１】図１０のような超伝導導体構造であって、そ
の中央部分構造の水平なストリップは相互間隔が広くな
っていることを示す図である。なお、この部分構造はＲ
Ｆ透明性を高める。

【図１２】図１０の部分構造８ａの部分セクションを示
す図である。なお、１つの個別で閉じた電流路は、３つ
の垂直な導体ストリップの各々で上と下を切り取ったも
のを示し、電流の方向は矢印で示してある。

【図１３】（ａ）は、導体ストリップの電流ループをさ
らに小さな電流ループＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６へ
細分する様子を示す図である。なお、これらは時計回り
に９０°回転されて角部を有する電流ループを生ずる。
また、（ｂ）は、（ａ）の変換の結果を示す図である。

【図１４】図１０のハッチングをつけた構造から図１３
（ａ）の変換を用いて生成された本発明の第１の実施の
形態による共振器を示す図である。なお、ＲＦ電流が流
れる領域はハッチングされている。また、導体構造全体
は磁化された状態で活性測定領域にｚ成分をほぼ何も生
じない。

【図１５】図１１のハッチングをつけた構造から図１３
（ａ）の変換を用いて生成された本発明の第２の実施の
形態による共振器を示す図である。なお、ＲＦ電流が流
れる領域はハッチングされている。また、導体構造全体
は磁化された状態で活性測定領域にｚ成分をほぼ何も生
じない。

【図１６】３つの垂直な部分構造（図中の左、中央、及
び右）から個々の導体部を回転又は移動させる必要なし
に直接生成された本発明の第３の実施の形態による共振
器を示す図である。なお、いくつかの導体を非常に短い
経路で結合及び／又は分離しなければならなかった。ま
た、ＲＦ電流が流れる領域はハッチングされている。導
体構造全体は磁化された状態で活性測定領域にｚ成分を
ほぼ何も生じない。

【図１７】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態による
共振器の部分が生成される２つの垂直な導体構造を示す
図であり、（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態による
共振器の部分が生成される水平な導体構造を示す図であ
る。

【図１８】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態による
共振器の第１の基板上の導体構造を示す図である。な
お、該基板はＲＦ共振器７ｄと磁気を補償する導体構造
の主な部分とを含む。また、（ｂ）は、本発明の第４の
実施の形態による共振器の第２の基板上の導体構造を示
す図である。なお、該導体構造は、技術的な理由により
第１の基板で補償できなかった残りの磁気的エラーを補
償する。

【図１９】（ａ）は、図１７（ａ）の部分セクションを
示す図である。なお、３つの個別導体がそれぞれ束に組
み合わされて可能な実施の形態の１つを表す。また、
（ｂ）は、図１７（ｂ）の部分セクションを示す図であ
る。なお、３つの個別導体がそれぞれ束に組み合わされ
て可能な実施の形態の１つを表す。また、（ｃ）は、図
１８（ａ）の部分セクションを示す図である。なお、３
つの個別導体がそれぞれ束に組み合わされて可能な実施
の形態の１つを表す。また、（ｄ）は、図１８（ｂ）の
部分セクションを示す図である。なお、３つの個別導体
がそれぞれ束に組み合わされて可能な実施の形態の１つ
を表す。

【図２０】（ａ）は、個別導体が束にされていない好ま
しいＮＭＲ共振器の部分を示す図である。なお、ハッチ
ングをつけた領域はＲＦ共振器に属する。また、（ｂ）
は、３つの個別導体が束にされたＮＭＲ共振器の部分を
示す図である。なお、ハッチングをつけた領域はＲＦ共
振器に属する。

【符号の説明】

１ 活性測定容積 ２ 長手方向軸がＢ₀と平行な超伝導物質の長い平坦導
体（超伝導体ストリップ） ３ 超伝導体ストリップ２における電流 ４ 長手方向軸がＢ₀と垂直な超伝導物質の平坦導体
（超伝導体ストリップ） ４ａ，４ｂ，４ｃ，．．４ｋ 装置５に属する超伝導体
ストリップ４ ５ Ｂ₀と平行な平面上にあり互いに重なり合って一様
に配置されたいくつかの超伝導体ストリップ４ａ，４
ｂ，４ｃ，．．４ｋの装置 ６ 超伝導体ストリップ４における電流 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ ＲＦ電流が流れる導体セクシ
ョンが配置される共振器の領域であって、互いに異なる
これらの導体セクションがＲＦ共振器、すなわちＲＦ共
振回路を定める共振器の領域 ８ａ，８ｂ 一部はサンプル容積と最も近くにある共振
器の垂直導体部を生成するために用いられてその場所の
ＲＦ磁場の主な部分を生ずるｚ軸と平行な垂直導体構造 ９ａ，９ｂ 一部はＲＦ共振器の上と下の水平な横方向
結合を生成するのに用いられるｚ軸と垂直な水平導体構
造 １０ａ，１０ｂ 一部はＲＦ共振器の容量部を生成する
のに用いられるｚ軸と平行な垂直導体構造 Ｂ₀ ＮＭＲ磁石の静磁場 ΔＢ 磁化した超伝導体が発生する磁場 （ΔＢ_Z）₁ 単一の超伝導体ストリップ２又は単一の超
伝導体ストリップ４のΔＢのｚ成分 （ΔＢ_Z）_tot いくつかの超伝導体ストリップから構成
される装置５のΔＢのｚ成分 Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６ 超伝導体ストリップに
おける閉電流路

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｚ軸方向に均一な磁場Ｂ₀を生成する手
   段を有するＮＭＲ（核磁気共鳴）装置の座標原点（ｘ，
   ｙ，ｚ＝０）を中心に配置された研究容積内の測定サン
   プルへ及び／又は測定サンプルから、一つ以上の所望の
   共振周波数でＲＦ（無線周波数）信号を放射及び／又は
   受信する少なくとも一つのＲＦ共振器を備え、誘導的に
   作用しかつ部分的には容量的にも作用する該ＲＦ共振器
   の超伝導導体構造がｚ＝−|ｚ₁|とｚ＝＋|ｚ₂|との間で
   測定サンプルから半径方向（ｘ、ｙ）間隔にありｚ方向
   に平行移動不変（＝ｚ不変）な表面上に実質的に配置さ
   れるＲＦ受信コイル装置であって、 さらに、補償装置が、少なくともｚ＜−|ｚ₁|−０．５|
   ｒ|かつｚ＞＋|ｚ₂|＋０．５|ｒ|（ただし、|ｒ|は該測
   定サンプルと該補償装置の最小間隔）という値にまで延
   伸する該ｚ不変な表面上に設けられ、該補償装置は該Ｒ
   Ｆ共振器からほぼＲＦ分離された別の超伝導導体構造を
   さらに含み、該補償装置及び該ＲＦ共振器の導体構造
   が、該ｚ不変な表面上に配置され、それぞれ補償装置及
   びＲＦ共振器の導体構造のｚ方向の全長にわたって延伸
   する超伝導構造を含む個別表面セクション（“Ｚ構
   造"）から構成され、それらの超伝導構造は、該Ｚ構造
   の表面を複数の小さな等しいサイズの表面エレメントに
   適当に概念的に分解して均一テスト磁場を各表面エレメ
   ントの表面法線方向に概念的に印加したときに本質的に
   等しい強度の磁気双極子モーメントが互いにｚ位置に関
   してのみ異なるそれら全ての表面エレメントに誘導され
   るように配置されていることを特徴とするＲＦ受信コイ
   ル装置。
2. 【請求項２】 互いにｚ位置だけに関して異なる全ての
   表面エレメントは、実質的に等しい量の超伝導物質を含
   むことを特徴とする請求項１記載のＲＦ受信コイル装
   置。
3. 【請求項３】 該補償装置の超伝導導体構造は、ＲＦ共
   振器の両側からｚ方向のＲＦ共振器の延伸の少なくとも
   半分、好ましくは約２倍突出していることを特徴とする
   請求項１又は２記載のＲＦ受信コイル装置。
4. 【請求項４】 いくつかの、好ましくは２つ又は４つの
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル
   装置から構築され、これらのＲＦ受信コイル装置は、互
   いにＲＦ結合され、該ｚ不変な表面の異なる部分表面上
   にあることを特徴とするＲＦ受信コイル装置。
5. 【請求項５】 誘導的に作用しかつ部分的には容量的に
   も作用する１つ以上のＲＦ共振器の超伝導導体構造及び
   １つ以上の補償装置の超伝導導体構造が互いに平行かつ
   ｚ軸と平行に配置された平坦基板エレメント上に配置さ
   れていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１
   項に記載のＲＦ受信コイル装置。
6. 【請求項６】 誘導的に作用しかつ部分的には容量的に
   も作用する該ＲＦ共振器の超伝導導体構造及び関連する
   補償装置の超伝導導体構造は、同じ平面上に配置されて
   いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に
   記載のＲＦ受信コイル装置。
7. 【請求項７】 該ＲＦ共振器及び関連する補償装置の超
   伝導導体構造が互いに平行に配置された２つ以上の平坦
   な部分表面に配置され、誘導的に作用しかつ部分的には
   容量的にも作用する該ＲＦ共振器の超伝導導体構造及び
   関連する補償装置の超伝導導体構造の一部は第１の部分
   表面に配置され、該補償装置の超伝導導体構造の残りの
   部分は他の部分表面に配置されていることを特徴とする
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル
   装置。
8. 【請求項８】 誘導的に作用しかつ部分的には容量的に
   も作用する１つ以上の該ＲＦ共振器の超伝導導体構造及
   び１つ以上の該補償装置の超伝導導体構造がｚ方向に関
   して円筒状に曲がった基板エレメント上に配置されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記
   載の、オプションでは請求項７に関連する、ＲＦ受信コ
   イル装置。
9. 【請求項９】 該補償装置及び該ＲＦ共振器の該導体構
   造は、該ｚ不変な表面の同じ部分表面上に配置されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記
   載のＲＦ受信コイル装置。
10. 【請求項１０】 該導体構造の超伝導セクションは、そ
    の少なくとも一部がｚ方向と平行又は垂直なストリップ
    で配置されていることを特徴とする請求項１乃至９のい
    ずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
11. 【請求項１１】 該Ｚ構造の１つ以上が同一の狭い超伝
    導構造エレメントから構築され、これらの構造エレメン
    トは、単一の導体、又は密に近接すると共にｚ方向に周
    期的に連続して配置されたグループの導体から成り、隣
    接する構造エレメントの間の間隔が研究下の容積の中心
    からの間隔に比べて小さいことを特徴とする請求項１乃
    至１０のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
12. 【請求項１２】 該Ｚ構造の１つ以上が１つの個別導体
    又はグループで配置された導体から成る構造エレメント
    で構成され、該導体セクションは、ｚ軸と平行に向き同
    一又は異なる相互間隔を有することを特徴とする請求項
    １乃至１１のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装
    置。
13. 【請求項１３】 該Ｚ構造の１つ以上が、いくつかの、
    好ましくは幅がそれぞれのＺ構造の幅と等しい幅の長方
    形の部分領域に分割され、これらの部分領域はｚ軸に対
    して所望の角度傾斜した真っ直ぐな超伝導体ストリップ
    で充填され、この角度はある部分領域内で正又は負であ
    り、該傾斜したストリップは、１つの部分領域内で密に
    近接すると共にｚ方向に周期的に連続して配置され、隣
    接するストリップの間隔が研究下の容積の中心からの間
    隔に比べて小さく、該傾斜したストリップは該部分領域
    間の境界線で連続的に融合することを特徴とする請求項
    １乃至１０のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装
    置。
14. 【請求項１４】 該ＲＦ共振器に属さない超伝導導体構
    造が個別超伝導導体セクションの部分にわたって又は全
    長にわたって分布するいくつかの狭い中断部を含むこと
    を特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の
    ＲＦ受信コイル装置。
15. 【請求項１５】 該ＲＦ共振器は、該Ｚ構造の所望の領
    域から、その超伝導体若しくはその一部を該Ｚ構造の小
    さな表面エレメント内で回転又は移動させることにより
    生成されること、及び／又は導体間の小さな間隔が超伝
    導的に結合されること、及び／又は導体に狭い中断部が
    配置されること、及び／又はジグザグ形の傾斜したＺ構
    造が用いられること、及び／又は２つ以上の部分表面に
    Ｚ構造が分配されることを特徴とする請求項１乃至１０
    のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
16. 【請求項１６】 ＲＦ受信コイル装置は、２つは左と右
    との垂直なストリップ及び１つは中央の水平な真っ直ぐ
    なストリップという３つのＺ構造から構築されることを
    特徴とする請求項１乃至１２又は１４乃至１５のいずれ
    か１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
17. 【請求項１７】 ＲＦ受信コイル装置は、傾斜している
    と共に部分的にジグザグ形の２つの左及び右のストリッ
    プ、及びｚ方向に周期的に配置された１つの横方向スト
    リップを有する中央構造という３つのＺ構造から構築さ
    れることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項
    に記載のＲＦ受信コイル装置。
18. 【請求項１８】 ＲＦ受信コイル装置は、所定の相互間
    隔を有し、かつそれぞれｚ軸と平行に配置されたストリ
    ップから成る第１及び第２の構造、及びｚ方向に周期的
    に配置されたｚ軸に対して横方向のストリップから成る
    第３の構造という３つのＺ構造から構成され、第３のＺ
    構造は最初の２つの上方に位置してそれらを正確に覆
    い、該ＲＦ共振器及び該補償構造は、該３つの構造が部
    分的に分解されて１つ又は２つの基板に属する２つの別
    々の部分表面にわたって再配分されるということで生成
    され、第１の部分表面はＲＦ共振器全体を該補償構造の
    主な部分と共に含み、第２の部分表面は該補償構造の残
    りの部分を含み、このようにして生成された構造は２つ
    の部分表面上にそれらの構造の和が元の３つのＺ構造の
    和に等しくなるように定位されて作動するＮＭＲ共振器
    を生成することを特徴とする請求項１乃至１２又は１４
    乃至１５のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。