JP2017531195A - 低周波数における試料からの微弱電磁信号を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、低周波数で、具体的には特に１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数範囲での試料からの微弱電磁信号を検出するための測定装置及び測定方法に関する。本発明によって対処される課題は、特に１ｋＨｚから４０ＭＨｚの周波数領域において試料からの微弱電磁信号が良好なＳＮ比で検出可能な装置を提供することである。解決するために、前記測定装置は、低いクオリティ（Ｑ値）のピックアップコイルを有する電磁発振回路（共振回路（resonant circuit））、好ましくは同調可能なキャパシタンスとフィルタコイルを含み、前記フィルタコイル及び前記キャパシタンスは、少なくとも１００、好ましくは少なくとも２００、特に好ましくは、少なくとも５００の高いクオリティ（Ｑ値）を有する。あるいは、またはさらに、前記発振回路のクオリティは、少なくとも１００に、好ましくは少なくとも２００に、特に好ましくは、少なくとも５００である。前記フィルタコイルのクオリティおよび前記キャパシタンスのクオリティは、ピックアップコイルのクオリティを超え、具体的には、少なくとも２倍を超える。測定信号が、良好なＳＮ比で前記フィルタコイルの２つの端部で得られる。

Description

本発明は、低周波数で、特に具体的には１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数範囲での試料からの微弱電磁信号を検出するための測定装置及び測定方法に関する。

試料からの微弱電磁信号は、たとえば原子核（核磁気共鳴（ＮＭＲ：nuclear magnetic resonance））、電子（電子スピン共鳴（ＥＳＲ：electron spin resonance））の歳差運動から、または振動磁性ナノ粒子から生じ得る。そのような場合（核スピン、電子および磁性ナノ粒子）、電磁信号は、まず第１にピックアップコイルを用いて計測され、そのコイルは、クオリティ（Ｑ値）が比較的悪く、Ｑ_ｌ＜３０である。

ＮＭＲまたはＥＳＲの場合、試料は、測定するために均質磁場Ｂ_０中に配置される。試料は、励磁コイルによって囲繞され、そのコイルは、主磁場に対して垂直に高周波数の交流電磁場を発生する。その結果から生じる試料の電磁信号を測定するための測定装置は、文献米国特許第２００８／０２３１２７７Ａ１号、米国特許第７，４０５，５６７Ｂ２号さらにまた米国特許第８，１１５，４８８Ｂ２号から知られている。

ピックアップコイル、キャパシタンスおよびフィルタコイルを備える電磁発振回路を用いるＮＭＲ測定のための測定装置が、文献ＷＯ９５／１４２４０から知られている。

本発明の目的は、特に１ｋＨｚから４０ＭＨｚの周波数領域において試料からの微弱電磁信号が良好なＳＮ比で検出可能な装置を製作することである。

上記の問題を解決するために、測定装置は、請求項１の特徴を備える。好ましい実施形態は、従属項からもたらされる。

測定装置は、ピックアップコイルと、好ましくは同調可能なキャパシタンスと、フィルタコイルとを含む電磁発振回路（共振回路（resonant circuit））を含む。キャパシタンスおよびフィルタコイルは、少なくとも１００、好ましくは少なくとも２００、特に好ましいのは少なくとも５００の高いクオリティ（Ｑ値）を有する。あるいは、またはさらに、発振のクオリティは、少なくとも１００に、好ましくは少なくとも２００に、特に好ましいのは少なくとも５００に達する。次いで、測定信号が、良好なＳＮ比でフィルタコイルの両端部で得られる。

フィルタコイルは、一実施形態では、ＳＮ比をさらに向上させるために、接地されたセンタタッピングを有する。

フィルタコイルのクオリティおよびキャパシタンス、具体的にはコンデンサのクオリティは、一般に、ピックアップコイルのクオリティより、特に好ましくは多数倍、少なくとも２倍、特に好ましいのは少なくとも３倍大きい（それを超える）。ピックアップコイルのクオリティは、一般に低く、好ましくは３０より低く、好ましくは２０より低く、特に好ましいのは１０より低い。円筒形インダクタ（コイル）、表面コイルまたはくら型コイルは、ピックアップコイルとして用いることができる。ピックアップコイルは、わずかな数だけの巻回、たとえば最大１０の巻回を有することができる。ピックアップコイルおよび／またはフィルタコイルのワイヤまたは編組は、たとえば銅、銀または金から構成することができる。

好ましくは、装置は、特に具体的にはピックアップコイルおよび／またはフィルタコイルの編組を含み、その細いワイヤは、特に具体的に絶縁ワニス層によって電気的に絶縁され、そのようにして、さらに向上したＳＮ比に到達する。既存の編組は、良好なＳＮ比を得るために、好ましくは高周波数抵抗性である。

次の実施形態によって、単独で、さらにまた任意の組み合わせでＳＮ比をさらに向上させる。

センタタッピングは、好ましくはフィルタコイルの正確に中間（中心）に配される。センタタッピングが正確に中心に配列された場合、センタタッピングによって、発振回路の発振傾向が特に極めて良好に抑制される。これは、ＳＮ比に有益に影響する。

センタタッピングは、一実施形態では、追加のワイヤまたは追加の編組によって実現される。追加のワイヤまたは追加の編組の一方の端部が、グラウンド（アース）に接続、すなわち接地される。さらにまた、フィルタコイルの他のワイヤの一方の端部が、グラウンドに接続される。次いで、サーチする電圧、すなわちサーチする所望の信号は、ワイヤまたは編組の残された端部それぞれに存在する。コイルのこの実施形態は、高いクオリティに繋がり、これは、独立した発明を表す。

製造するために、たとえば２つの導電体（具体的には第１および第２のワイヤ、または第１および第２の編組）が、互いに絡め合わされ、それぞれ撚り合わされる。その後、撚り合わされた両方の導電体は、コイルになるように巻かれる。次いで、第１の導電体（ワイヤまたは編組）の端部、さらにまた第２の導電体（ワイヤまたは編組）の反対側の端部が接地される。次いで、両方の他方の端部が、コイルの電気端子を形成する。

前述の両方の導電体は、長さが同じである場合、センタタッピングは、正確に中間（中心）に配置される。

フィルタコイルは、具体的に電気的な、および／または磁性のシールディングによってシールドされる。磁性のシールディングではシールディングの壁が、好ましくはミューメタルまたは鉄から、好ましくは透過性が高い鉄から構成される。

磁性のシールディングは、好ましくは実質的に磁気的に閉鎖されたチャンバまたは閉鎖された缶（箱）によって形成される。

磁性のシールディングは、有利には電磁気的なかく乱から保護し、それによってＳＮ比の向上に寄与する。

シールディングの壁は、好ましくは二重壁で構成される、または缶内には第２の缶が配置され、その第２の缶は、第１の缶からスペーサを介して所定の距離に保持される。そして、フィルタコイルは、第２の缶内に配置される。したがって、シールディングは、二重壁のチャンバまたは二重壁の缶から構成されることが特に好ましい。

ＮＭＲまたはＥＳＲの場合に使用される磁性のシールディングによって、フィルタコイルは、ＮＭＲまたはＥＳＲ分光法の場合、磁性のＢ_０磁場から磁気的にシールドすることができる。このシールディングは、さらに向上したＳＮ比をもたらすことになる。

磁性のシールディングの二重の壁、または磁性のシールディングの１つまたは２つの缶の壁は、好ましくは厚さが、たとえば１．５ｍｍなど、１ｍｍから３ｍｍである。電気的なシールディングの壁は、厚さが好ましくは３ｍｍまで、かつ／または厚さが少なくとも０．５ｍｍである。電気的なシールディングの壁は、好ましくは分割される。電気的なシールディングの壁は、好ましくは銅からなる。そのように設計された電気的なシールディングは、ＳＮ比が良好になることに寄与する。

シールディングは、好ましくは接地される。２つの缶の場合、外側の缶が通常接地される。しかし、あるいは、または加えて、内側の缶も、接地してもよい。

好ましくは、ピックアップコイルは、ＮＭＲまたはＥＳＲ分光法のために使用される励磁コイルから分離されている。それで、第２のコイルが存在し、それは、ＮＭＲまたはＥＳＲ分光法の実行のための励磁コイルとして使用される。それによって、励磁コイルと独立して測定装置を最適化することができるようになり、それによってＳＮ比を向上させることができる。ピックアップコイルは、好ましくは励磁コイルの内部に配置される。励磁コイルとピックアップコイルの間の距離は、有利には少なくとも５ｍｍに、好ましくは少なくとも１０ｍｍに達し、それによって両方のコイルの間のカップリングが不都合なほど十分に弱い状態に保たれる。励磁コイルの主軸（＝無線周波数磁場の方向）は、両方のコイルの間のカップリングが不都合なほど十分に弱い状態に保つために、ピックアップコイルの感度軸に対して好ましくは実質的に直角に（垂直に）、好ましくは直角に（垂直に）配列される。

一方ではピックアップコイルとコンデンサとが、さらにまた他方ではフィルタコイルとが、１つの有利な実施形態では、特に損失が低い電気的な伝送ラインによって互いに接続される。これは、良好な導電体から構成される、たとえば、銅からなる伝送ライン、断面が大きい、たとえば少なくとも１ｍｍ^２の伝送ライン、伝送ラインの両方の導電体をそれぞれ撚り合わされたもののまわりに絡み合わせること、および／または適切な電気的な絶縁体、具体的にはフッ素樹脂の絶縁体によってなどで達成される。各個々の導電体を、絶縁のためにフッ素樹脂のケーシング中におよび／または伝送ラインの両方の導電体を一緒に、配置することができる。導電体は、ワイヤまたは編組から形成することができる。

伝送ラインは、好ましくは撚り合わされた２つの編組から形成され、それは、好ましくは前述したフッ素樹脂のケーシングを含み、それによってＥＳＲまたはＮＭＲ分光法のために特に損失が低い伝送ラインがもたらされ、それは、独立した発明を表す。

伝送ラインが２つの編組によって形成された場合、言及した少なくとも１ｍｍ^２の断面は、任意選択で設けられる絶縁体を含む、個々の編組の単線の断面の合計に関連付けられる。伝送ラインの編組は、さらに向上したＳＮ比をもたらすことになる低損失の伝送ラインを設けるために、やはり好ましくは、特に塗面コーティングによって互いから電気的に絶縁される、および／または高周波数抵抗性で実現される。

ピックアップコイルは、好ましくは編組によって、すなわち細い単線から構成される導電体から形成される。編組の単線は、有利には互いから電気的に絶縁される。したがって、単線の表面は、有利には電気的に絶縁するワニスが塗布されている。編組は、好ましくは高周波数抵抗性である。

撚線の巻回によってトロイダル形に、または円筒形に形作られたフィルタコイルは、適切であることが分かっている。クオリティが高いＱ_Ｅ＞１０００の外部共振器を実現するために、フィルタコイルは、エネルギー損失をできるだけ低くして磁性の交番磁界に追従し、それぞれＡＣ損失を低くすべきである。そのために、フィルタコイルは、漂遊磁場を無視できるようにする必要があり、巻回の交流電流抵抗は、できるだけ低くすべきである。また、他の損失、たとえば誘電性の損失またはフィルタコイルの磁心中の損失は、最小にすべきである。

これは、測定装置をもたらすことになり、それは、周波数帯が比較的狭いバンドパスフィルタとして作用する。適切に同調を取ると、所望の信号が通過させられる。近接する周波数領域中のノイズ信号がフィルタで除去され、したがってこの理由のために既に良好なＳＮ比が達成されている。しかし、何よりも、適切な電圧の増幅に成功することであり、それは、良好なＳＮ比に決定的に寄与する。

一方ではピックアップコイルとコンデンサとの距離、さらにまた他方ではフィルタコイルとの距離が、少なくとも５ｃｍに、有利には少なくとも５０ｃｍに、特に有利には少なくとも６０ｃｍに達する。これは、ＥＳＲまたはＮＭＲ分光法の場合に存在するようなＢ_０磁場と、通常はシールドされているフィルタコイルの間の相互にかく乱し合う影響を減少させる。シールディングがＢ_０磁場に不都合に影響しないようにすることが達成される。さらに、シールディングがＢ_０磁場によって不都合に飽和させられることが回避される。

キャパシタンスは、適切に共振を調節することを可能にするために、有利には同調可能である。好ましくは、キャパシタンスは、複数のディスクリートコンデンサから形成され、それらは、適切に互いに並列で接続され、さらにまた必要に応じてキャパシタンス（キャパシティ）を変化させることを可能にする方法で接続を可能にする。高いクオリティの同調可能なキャパシタンスを提供するために、高いクオリティの市販のコンデンサを使用することができる。

有利には、測定信号（すなわちフィルタコイルに存在する電圧）が、たとえばまず第１に低ノイズ前置増幅器（好ましくは差動増幅器、特に好ましいのは計測用増幅器）によって増幅され、その後終段増幅器（好ましくはロックイン増幅器）によって増幅される。

前述の周波数範囲で得られるＳＮ比は、高磁場のＮＭＲまたはＥＳＲ（４００ＭＨｚから１ＧＨｚ）のＳＮ比に匹敵することができる。装置に関する複雑さは、前述の周波数範囲において使う必要があるが、高磁場のＮＭＲ、ＥＳＲそれぞれと比較してかなり有利に低い。また、ＳＮ比は、ほんのわずかだけ周波数に依存しているので、また、特に低い周波数が可能であり、それによって技術的な努力を少なくすることができる。特に、また、ＳＮ比をかなり悪化させることもなく、試料体積を小さくすることが可能である。

実用的な用途で、極めて柔軟に確実に計測することができる。必要なハードウェア全体は、小型化が可能であり、１ｋＨｚから４０ＭＨｚの周波数範囲において、超電導性磁石を使用しないマイクロコイルを用いる移動式ＥＳＲまたはＮＭＲ分光法の実施を可能にする。特に、装置の複雑さを最小化することを可能にして、１０ＭＨｚより低い周波数で、また、とりわけ１ＭＨｚより低い周波数で、ＥＳＲまたはＮＭＲ分光法は実施することができる。応用の分野は、化学分析、センサ技術さらにまた医学である。

実施形態の構成を示す図である。 フィルタコイルのための撚り合わされた導電体を示す図である。 ピックアップコイル、インプットコイルそれぞれの巻数ｎ_iの関数として０．５ｃｍ^３のベンゼンのＳＮ比を示す図である。 フェライト磁心を備えるフィルタコイルの使用の下でピックアップコイルの巻数ｎ_iの関数としてベンゼンのＳＮ比を示す図である。 ベンゼン試料のボリュームＶｓの関数として^１Ｈ−ＮＭＲ信号のＳＮ比を示す図である。

以下、好ましい実施形態が、図１に示されている。

試料１のまわりに巻かれる、所定の構造形態のピックアップコイル２が、低損失の伝送ライン３および高いクオリティ（Ｑｃ≒１００００）の同調可能なキャパシタンス（コンデンサ）４を介して外部の高いクオリティのフィルタコイル６に接続される。伝送ラインは、２つの導電体を含み、それらは、それぞれ、断面が大きく（＞１ｍｍ^２）、フッ素樹脂絶縁体によるキャパシティ誘電性の損失が最小であるマルチワイヤの銅線、または１ＭＨｚより低い周波数で表皮および近接の効果が無視できる幅が広い低抵抗撚線（１０００×０．０５ｍｍ）の、いずれかで構成される。両方の導電体は、図示するように相互に巻き付けられてれ、したがってそれぞれ互いに絡め合わされるまたは撚り合わされる。フッ素樹脂絶縁体の場合、各導電体は、フッ素樹脂によって完全に包まれる。さらに、撚り合わされた伝送ライン３の両方の導電体は、フッ素樹脂ケーシング中に位置する。

ピックアップコイルによって得られる発振ＮＭＲ信号（いわゆる自由誘導減衰（free
induction decay）ＦＩＤ）が、低損失で伝送ライン３を介して、磁心５を備える、または備えないフィルタコイル６に伝導される。フィルタコイルの高いクオリティＱ_Ｅのために、ＮＭＲ信号は、低減率Ｑ_ｒｅｄ＝Ｑ_Ｅ／（１＋Ｒ_Ｉ／Ｒ_Ｅ）＞＞１００によって増加される。ただしＲ_Ｉ＝ピックアップコイルの交流電流抵抗およびＲ_Ｅ＝フィルタコイルの交流電流抵抗である。フィルタコイルにおける交流電圧が、２つの電気的な導電性の接続部を通じて差動増幅器９の反転および非反転の入力に伝導され、さらにそこで増幅される。差動増幅器９と連動する極めて高い感度の共振器の発振傾向を抑制するために、接地されたセンタタッピング８が、フィルタコイル６に設けられる。さらにまた、センタタッピング８は、差動増幅器９の技術的に避けられないバイアス電流を流す。

フィルタコイル６は、シールディング７によって独立に磁気的にシールドされる。

クオリティＱ_Ｅ＞＞１００であるフィルタコイルの可能な実施形態は、たとえば特別に巻かれた低損失のフェライト磁心、撚線の巻回によってトロイダル形にまたは円筒形に作製されたコイルである。

特にフェライトの使用のとき、シールディング７は、単一に、またはいくつかに重ねられたミューメタルのシールディングからなり、それは、いずれものＤＣおよび／またはＡＣの磁場をシールドする。他方では、その部分に対し、重い磁性のミューメタルシールディングは、Ｂ_０磁場の均質性に影響を及ぼすべきでない。これは、試料１とミューメタルシールディング７の間の距離を十分に長くすることによって達成される。したがって、伝送ライン３は、長さが少なくともおおよそ１０から５０ｃｍである。

磁心５がないトロイダル形に、または円筒形に作製されたフィルタコイル６には、対象とする周波数範囲中で電磁気的なかく乱をシールドするために、たとえば銅シートから作られた電気的なシールディング７が使用される。この場合、シールディング７は、１つの有利な実施形態では、銅の互いに電気的な絶縁された断片の間に構成され、渦電流を回避するように有利に構成され、それによって、Ｑ_Ｅを低減させることができるはずである。渦電流は、特に適切に配列されたスリットによって回避される。

磁心５がない円筒形に作製されたフィルタコイル６において、クリティカルな渦電流は、たとえばフィルタコイル６の円筒形の軸のまわりの円電流になるはずであり、それは、フィルタコイル６の内側磁場をかなり減少させる。これらの円電流は、もしフィルタコイル６を含む、円筒形に形作られたＣｕシールディングが２つの半分部分からなり、それらが円筒の外郭に沿って互いに電気的に接触していない場合、流れることができない。シールディング円筒の表面上のさらなる円電流を抑制するための、シールディング７のさらなる細孔が、クオリティＱを向上させるという意味で有利には設けられる。

ＳＮ比を最適化するために、差動増幅器９は、考えられる周波数範囲中で、電流および電圧のノイズ（ｉ_ｎ、ｅ_ｎ）が入力回路のジョンソンノイズ（Johnson noise）（バックグラウンド）より低くなるように有利に構成される。増幅されたＮＭＲ信号は、高速Ａ／Ｄ変換器を介してデジタル的に直接サンプリングする、またはロックイン増幅器１１を介してアナログ的にさらに処理する、どちらかをすることができ、そしてコンピュータによって解析することができる。解析システムは、ＳＮ比を向上させるために、バンドパスフィルタを備えることができる。

用途および環境条件によって、ピックアップコイル２は、寸法が０．０１から１０ｃｍの円筒形インダクタ（コイル）、くら型コイルまたは表面コイルとすることができる。ピックアップコイル２のクオリティおよび形状は、ＳＮ比のためには小さな役割しか果たさない。これは、本発明の大きい利点の１つであり、それによってピックアップコイル２の形状および設計を全く自由に選ぶことが可能になる。これは、困難な条件の下でのＮＭＲ試験の実行可能性に対して重要である。核スピンを有する試料１は、ピックアップコイル２が円筒形インダクタ（コイル）、くら型コイルまたは表面コイルであるのかどうかによって、個別のピックアップコイル２の内部に、またはその表面上に配置される。

核スピンの励起は、パルス式高周波数発生器１３および高周波数増幅器１４と連動する大きいくら型コイル１２によって起こる。一方では、くら型コイル１２は、カップリングを最小にするために、ピックアップコイル２から十分遠く離れており（約１ｃｍ）、他方では、くら型コイルの主軸（無線周波数磁場の方向）は、ピックアップコイル２の感度軸に対して垂直に配列される。

くら型コイル１２からの磁性の交番磁界を用いる試料１の励起は、実際に受信回路全体から切り離される。したがって、受信回路は、特定のインピーダンスともはや同調を取る必要がなく、送信コイルと無関係に可能な最良のＳＮ比になるように最適化することができる。試料１は、図示しない電磁石またはハルバッハ磁石の均質な磁場領域Ｂ_０中に配置され、それは、Ｂ_０＝１０^−４Ｔから１Ｔの範囲の典型的な磁界強度を発生することができる。この磁界範囲は、陽子ではｆ＝４ｋＨｚから４２ＭＨｚのラーモア周波数（Larmor frequency）の範囲に対応する。１から９の構成要素は、互いに入れ子にされる２つの銅および／またはアルミニウムのシールド１０によって電気的に二重にシールドされる。

図１に示す本実施形態では、送信回路が受信回路から切り離される。受信回路は、信号ピックアップ（試料１を含むピックアップコイル２）および高いクオリティの外部共振器の領域中で物理的に分離される（隔置される）。受信回路からの送信回路の切り離しによって、送信回路と受信回路の間のインピーダンス適合を考慮することなく、受信回路を単独で最適化することが可能になる。具体的には、受信回路は、有利には数Ｍオームのインピーダンスを有することができ、それは、具体的にはクオリティが極めて高い並列共振回路における場合である。第２の条件のために、ピックアップコイルは、他の要素すべてと無関係に、自由に設計することができ、高いクオリティを有する必要がない。外部共振器は、もっとも高いクオリティになるように、したがってＮＭＲ信号を最大に増幅するように最適化することができる。

図２では、撚り合わされた２つの導電体１５および１６が示されており、それらは、伝送ライン３のために、またはフィルタコイル６のために使用することができる。フィルタコイル６の場合、撚り合わされたワイヤ１５および１６が、コイルになるように巻かれる。一方の導電体１５の一方の端部、たとえば図２中の左に示された端部、および他方の導電体１６の反対側の端部、図の右に示された端部は、電気的に互いに接続され、それによってセンタタッピング８が形成され、それは、接地される。次いで、導電体１５および１６の残された端部は、一方では好ましくは同調可能であるコンデンサ４に、および他方では伝送ライン３の導電体に接続される。

フェライト磁心５を備えるフィルタコイル６は、それが比較的小さくて低価格であり、Ｑ_Ｅ〜５００までのクオリティが実現可能であるという大きい利点を有する。フェライト磁心は、磁性の漂遊損失をできるだけ低く保つための様々なサイズおよび形状で、たとえばトロイドまたは閉鎖形状などを商業的に利用できる（ポット円、同軸空洞の共振器）。

長さが同じである２つの撚り合わされた銅ワイヤは、一実施形態では、少ない巻回でフェライト磁心のまわりに巻かれ、巻数ｎ_Ｅは、検出周波数によって決まり、通常８から５００ｋＨｚにはｎ_Ｅ＝８であり、それから２０ｋＨｚにおいてｎ_Ｅ＝１０４までである。マルチ銅ワイヤの巻線ペアまたは編組ワイヤによって、表皮効果および近接効果、およびそれらと接続されたＡＣ抵抗が、かなり最小化される。センタタッピング８は、両方の撚り合わされた巻線それぞれの中間にある。これによって、接地されているとき、クオリティが高い全回路の起こり得る発振傾向が回避される。フェライト磁心を備えるすべてのフィルタコイルは、外部の磁場および電磁場に極度に高い感度で反応し、したがって好ましくは、ミューメタルから作られた磁性の二重シールディング（遮蔽因子≒１０００）によって磁場又は電磁場からシールドされる。両方のミューメタルのシールドがまた導電性であるので、それらは、磁場からの他に、電磁気的な交番磁界からもシールドする。フェライト磁心を備える様々なフィルタコイルが、５つの異なる周波数において、次のクオリティ：５００ｋＨｚでＱ_Ｅ＝２１８、１６６ｋＨｚでＱ_Ｅ＝３８０、８３ｋＨｚでＱ_Ｅ＝３６９、４１ｋＨｚでＱ_Ｅ＝２８０および２０ｋＨｚでＱ_Ｅ＝２５５の状態で製造される。ＡＣ抵抗、インダクタンス、キャパシタンスおよびすべてのフィルタコイル、さらにまた伝送ラインおよび同調コンデンサなど、すべての関連のある構成要素のクオリティのそれぞれが、インピーダンス分光計を用いて周波数の関数として計測され、そして最適化される。５つのフェライトすべてを用いた陽子（^１Ｈ）実験が、事前に分極されたベンゼン（ベンゾール）試料（Ｖ_Ｓ≒０．３ｃｍ^３、Ｎ_Ｓ＝２×１０^２２陽子、Ｐ_ｎ≒１．５×１０^−６）に対して実施された。ピックアップコイル２は、パラメータＤ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＝１ｃｍ、Ｗ_ｉ＝６３、ｄ_Ｃｕ＝０．１２ｍｍによって、およびそれらの全体の巻数ｎ_ｉによって特徴付けられた。５００ｋＨｚにおけるフェライトを用いたフィルタコイルに関する、ｎ_ｉの関数として測定されたＳＮ比（ＳＮＲ）が、図３に示されている。測定点（黒丸）は、理論的な期待値（実線）と良好に一致している。５００ｋＨｚにおけるフェライト磁心に関するパラメータは、Ｌ_Ｅ＝１１６μＨ、Ｒ_ｉ＝１．７７オームおよびＱ_Ｅ＝２１８である。図３は、ＳＮ比がｎｉに対して最初直線状に増加し、次いでｎ_ｉ ^ｍａｘ≒９０から１００においてＳＮ比＝１７０で最大になり、そして最後に双曲線状に減少していることをはっきりと示しており、それは、支配的な表皮効果および極めてわずかな近接効果（表皮効果の約３％）と一致している。

図４は、フェライト磁心を備えるフィルタコイルの使用の下における、かつＰ_ｎ＝１．５×１０^−６までの事前の分極化の後における、ピックアップコイルの巻数ｎ_ｉの関数としてのベンゼンのＳＮ比を示す。円が測定値を表し、実線が期待されるコースに対応する。周波数ｆ（およびクオリティＱ_Ｅ）は、５００ｋＨｚ（Ｑ_Ｅ＝２１８、ｅ）、１６６ｋＨｚ（Ｑ_Ｅ＝２８０、ａ）、８３ｋＨｚ（Ｑ_Ｅ＝３６９、ｂ）、４１ｋＨｚ（Ｑ_Ｅ＝３８０、ｃに、および２０ｋＨｚ（Ｑ_Ｅ＝２５０、ｄ）である。フィルタコイルのパラメータは、図３でのものと等しい。図４は、５つの異なる周波数５００、１６６、８３、４１および２０ｋＨｚにおいて測定された実験結果に基づき、フィルタコイルの一定のクオリティにおいては、ＳＮ比が周波数に極めてわずかしか左右されないことを裏付けている。周波数ｆを低下させたとき、ＳＮ比の測定された最大値は、ｎ_ｉのより大きい値に向けてシフトする。５つのカーブの最大値から、巻数ｎ_ｉ ^ｍａｘは、ｆ＝５００、１６６、８３および４１ｋＨｚに対してｎ_ｉ ^ｍａｘ＝９０、１４０、３５０、７５０と読むことができる。図４のもっとも重要な結果は、最大ＳＮ比が、周波数に対して極めてわずかだけ減少するということである。これは、数ｋＨｚ（地球磁場中のＮＭＲ）から数ＭＨｚまでの周波数範囲の全部において、高いＳＮ比でフェライト磁心を用いて測定を実施することができることを意味する。

図５は、ベンゼン試料の、ボリュームＶｓの関数としての^１Ｈ−ＮＭＲ信号のＳＮ比を示す。これは、Ｐ_ｎ＝１．５×１０^−６まで事前に分極された後、５００ｋＨｚにおいてＱ_Ｅ＝２１８であるフェライト磁心を備えるフィルタコイルを用いて測定された。×印は、同じインプットコイル（Ｄ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＝１ｃｍ）を用いて、しかし試料ボリュームが異なる（０．７から５００μＬ）すべて実施された測定に対応する。ひし形は、測定値に対応し、インプットコイルおよび試料が、同じ係数（１ｍｍ＜Ｄ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＜１ｃｍ）によって一緒に減少されている。直線は、予想されたコースである。

図５は、ベンゼンの２つの^１Ｈ−ＮＭＲ実験に基づき、ＳＮ比が試料のボリュームに対してどのように変化するのかを例示している。第１の実験において、ＳＮ比は、５００ｋＨｚにおいて、フェライト磁心（Ｑ_Ｅ＝２１８）を備えるフィルタコイルおよび、固定された受信コイル（パラメータ：Ｄ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＝１ｃｍ、ｎ_ｉ＝１６０、ｄ_ＣＵ＝０．１２ｃｍ）を用いているが、試料ボリュームＶ_Ｓを変えて（０．７から５００μＬ）測定された。第２の実験においては、試料の減少されたボリューム、またボリュームに対応して、ピックアップコイルの内径Ｄ_ｉおよび高さＨ_Ｃが、それぞれＤ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＝１ｃｍからＤ_ｉ＝Ｈ_Ｃ＝０．１ｃｍに減少された。巻数ｎ_ｉ＝８０は、ここでは一定に保たれた。測定されたＳＮ比は、第１の場合では、ＳＮ比≒Ｎ_Ｓ〜Ｖ_Ｓで変化し、第２の場合では、ＳＮ比≒Ｎ_Ｓ ^１／２〜Ｖ_Ｓ ^１／２（Ｎ_Ｓ＝スピン数）で変化することが図５から理解することができる。第２の場合のこの弱いボリューム依存性は、さらにより小さくなったピックアップコイルの増加した約１／Ｄ_ｉの感度に変換できる。この結果は、この方法を用いると、低周波数においてμＬサイズの試料を使用してマイクロコイルで検出するＮＭＲ分光法が可能であることを示す。これは、移動式ＮＭＲ分光器の小型化の観点から重要な結果である。１０ＭＨｚより低い周波数において極めて小さい試料のためのＢ磁場を発生する磁石を、極めて小さく、携帯でき、エネルギーおよびコストの効率を高くして製造することができる。エネルギー効率は、たとえば、リチウムイオン電池が小さな電磁石に電流を供給するのに十分であることを意味する。コスト効率は、数ある中、小型化された永久磁石の中で、どれが、それらの構築のために、比較的少ない量の磁性材料（希土類元素）を必要とするのかを明らかにする。

また、この点で、測定されたスケーリングのＳＮ比≒Ｖ_Ｓ ^１／２が、一定に保たれる巻数ｎ_ｉだけに当てはまると言える。

Claims (15)

1. クオリティが高くないピックアップコイル（２）と、好ましくは同調可能なキャパシタンス（４）と、フィルタコイル（６）とを含む電磁発振回路を用いて、電磁気的な、または磁性の交番磁界を検出するための測定装置であって、
   キャパシタンス（４）およびフィルタコイル（６）ならびに／または前記発振回路は、１００より大きい、好ましくは２００より大きい、特に好ましいのは５００より大きい、高いクオリティを有し、
   前記フィルタコイル（６）のクオリティおよび前記キャパシタンス（４）のクオリティは、前記ピックアップコイル（２）のクオリティより高く、特に少なくとも２倍高いことを特徴とする、装置。
2. 前記発振回路の前記フィルタコイル（６）は、接地されたセンタタッピング（８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記フィルタコイル（６）は、撚り合わされた２つの導電体を含み、
   前記導電体は、コイルになるように巻かれ、
   各導電体のそれぞれの１つの端部が接地されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記フィルタコイル（６）は、磁心（５）を含み、
   前記磁心（５）は、具体的にはフェライトからなることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記フィルタコイル（６）は、シールディング（７）によって磁気的におよび／または電気的にシールドされることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記シールディング（７）は、二重壁であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記シールディング（７）と前記ピックアップコイル（２）の間の距離が、少なくとも１ｃｍに、好ましくは少なくとも５ｃｍに、特に好ましいのは少なくとも５０ｃｍに達することを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
8. 前記ピックアップコイル（２）とコンデンサとの、さらにまたフィルタコイル（６）との間の伝送ライン（３）であって、
   相互に巻き付けた２つの導電体から構成される、および／または
   全断面が少なくとも１ｍｍ^２である、および／または
   銅、具体的には銅撚線から構成される、および／または
   フッ素樹脂によって完全に包まれる伝送ライン（３）を特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. ＥＳＲまたはＮＭＲ分光法を実施するための励磁コイル（１２）であって、
   具体的には前記ピックアップコイル（２）から分離されている励磁コイル（１２）を特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記キャパシタンス（４）は、互いに並列に接続される複数のディスクリートコンデンサから形成されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 差動増幅器（９）、特に計測用増幅器が、前記フィルタコイル（６）に存在する電圧の増幅を可能にすることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記差動増幅器は、高抵抗性、具体的には１０^６オームより大きいものであることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記ピックアップコイル（２）と、前記キャパシタンス（４）と、前記フィルタコイル（６）とを含む電気的な前記発振回路が位置を決められ、特にさらにまた、前記励磁コイル（１２）、前記伝送ライン（３）および／または前記増幅器（９）も位置を決められる外側シールディング（１０）を特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の前記測定装置を用いて、試料（１）から微弱電磁信号を検出するための方法であって、
    前記試料（１）は、前記ピックアップコイル（２）内に、またはその表面上に配列され、
    前記試料（１）は、静磁場（Ｂ_０）に位置を決められ、
    前記試料（１）は、前記コイル（１２）によって励起され、
    前記コイル（１２）は、前記ピックアップコイル（２）から分離されていることを特徴とする、方法。
15. 周波数が１ｋＨｚから４０ＭＨｚまでの、好ましくは１ＭＨｚまでの信号が測定される、請求項１４に記載の方法。

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