JP3834758B2 - 核磁気共鳴プローブ用コイル - Google Patents

Description

政府の関与に関する声明
米国政府は、本発明に関して実施料払込み済みの特許実施権を有し、またある限られた場合には、特許権所有者が国立衛生研究所により授与された助成金No.2R44RR09244-02号の条項によって規定されるような妥当な条件で他人に特許実施を許諾することを要求する権利を有する。
発明の背景
発明の分野
この発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光器使用ならびに核磁気共鳴顕微鏡検査のためのＲＦプローブに関するものである。更に詳しくは、ＮＭＲ信号の送信・受信用の共振コイルに関するものである。いっそう更に詳しくは、平面基板上の超伝導体コイルに係わるものである。
関連技術の説明
ＮＭＲ分光測光器プローブでは、試験片が静磁界に置かれるが、静磁界はその試験片内部の原子核を磁界の方向に整列させる。送信および受信コイルは、単一コイルまたはコイルのセットの形で組合わせることができ、試験片の近くに配置されたプローブ内に入れられる。送信コイルは静磁界と直交する方向にＲＦ磁界を加えて、核の整列を乱す。その後、送信コイルはスイッチオフされ、試験片の共振ＲＦ信号が受信コイルによって検出される。
分光測光器の感度は、静磁界の強さ、ＲＦコイルと試験片との結合の密接度、ＲＦコイルの抵抗等を含むいくつかの因子に依存する。現在、市販のＮＭＲ分光測光器は全て、銅等の一般金属、または一般金属を組合せたもので作られたＲＦコイルを用いている。これまで多くの研究が最高感度のコイルの設計に向けられてきた。例えば、コイル−試験片間の密接な結合を達成するため、コイルは、ソレノイド、サドル・コイル、ブリッジ・コイル等、全てフィリング・ファクタ(filling factor)の高いコイルの形に作られてきた。同様に、研究者らはＲＦコイルの抵抗を下げるために、ＲＦコイルの冷却を提案してきた。しかし、低温下でも、従来の一般金属のコイルの感度は、その抵抗ゆえに、超伝導コイルで達成可能な感度よりも低い値に制限される。
ＮＭＲ分光測光器のＲＦコイルに使われる在来の一般金属の代わりに、超伝導体を使うことが従来提案されてきた。例えば、Ｍａｒｅｋは米国特許第５，２４７，２５６号において、薄膜ＮｂＴｉ超伝導コイルを用いた、ＮＭＲ分光測光器用のいくつかのＲＦ受信コイル装置について記載している。Ｍａｒｅｋの実施例は、いくつかの点で本発明とは異なる。特に、Ｍａｒｅｋのコイルは非平面であり、またオーム抵抗を用いているが、これらの両点ともＮｂＴｉを使えば容易に実現できる。
高温超伝導体（「ＨＴＳ」）コイルで得られる利益は多大である。ＨＴＳコイルは、現在、利用できる冷凍システムで達成され得る温度（２０Ｋ超）での高磁界内で抵抗は極めて低く、運転可能である。コイルのファクターＱはコイルの効率の有用な尺度である。ファクターＱは、Ｑ＝ωＬ／ｒで示され、ここでωは共振周波数、Ｌはインダクタンス、ｒはコイルの抵抗である。良く設計された室温用ＮＭＲコイルでは、約２５０の負荷時Ｑが達成される。ＨＴＳコイルは抵抗が極めて低いので、１０，０００以上の負荷時Ｑを持つコイルも実現可能である。しかし、この利点が実現できるのは、優秀なＮＭＲプローブに必要な別の因子、すなわち、妥当なフィリング・ファクタ(filling factor)、ＲＦ磁界およびＤＣ磁界の高い均質性が満たされた場合だけである。かくて、理想的なＮＭＲ用プローブとは、所望の運転周波数で共振する送信／受信コイルを有し、均質なＲＦ磁界を発生し、ＤＣ磁界をあまり乱さず、高いフィリング・ファクタ(filling factor)を持ち、Ｑが高くて寄生損(parasitic loss)が少なく、試験片の全体積にわたって高いＲＦ磁界を生成するプローブのことであろう。
Ｍａｒｅｋのほかにも、他の発明者が磁気共振に使用するための薄膜超伝導体ＲＦコイルについて報告している。例えば、Ｗｉｔｈｅｒｓは米国特許第５，２７６，３９８号において、磁気共鳴撮像用の薄膜ＨＴＳプローブについて記載している。この特許では、ターン数２以上の渦巻形のインダクタを持つ薄膜コイルと、そのインダクタから延在する容量性要素とが開示されている。Ｗｉｔｈｅｒｓは、このようにして薄膜の分布静電容量のプローブ用コイルを提供している。しかし、この特許は、コイルによる磁界擾乱の最小化にも取り組んでいないし、コイルの電流容量の最大化にも取り組んでいない。
ＷｉｔｈｅｒｓらのＵ.Ｓ.Ｓ.Ｎ.０８／３１３，６２４は、参照のために本明細書に取り入れられるが、ＮＭＲ分光器使用に適する１つのタイプのコイル設計を呈示している。この設計は、１つの縁端に沿って単一のインターデジタルコンデンサを有する単一のループで構成されている。そのＲＦ性能は十分なものであるが、本発明によって修正されるいくつかの欠陥を持っている。同様に、Ｂｌａｃｋは米国特許第５，２５８，７１０号で、ＮＭＲ顕微鏡検査用のＨＴＳ薄膜受信コイルについて記載している。Ｂｌａｃｋはスプリット・リング、ソレイノド、サドル・コイル、ブリッジ・コイル、および「ヘルムヘルツ対」と記述されたコイルを含むいくつかの実施例を開示している。Ｂｌａｃｋの実施例は、本質的には従来のＮＭＲコイル設計であり、高温超伝導材料独自の特性には取り組んでいない。
超伝導体は、これらのコイルに使用する場合は極めて魅力的な材料となる。それは、超伝導体は無線周波数において抵抗が極めて低く、従ってほとんどノイズを発生しないからである。たとえノイズを生じたとしても、高いＳＮ比（ＳＮＲ）を得るためには、コイルは試験片にできるだけ接近しなければならない。残念ながら、このことは、コイル材料を少しでも磁化したら、試験片の全体積にわたるＤＣ分極磁界（Ｂ0）の一様性に悪影響が及び、スペクトル上の線形の歪みとＳＮＲの劣化が生じることを意味する。超伝導体は強い反磁性体であるため、線状の歪みが甚だしくなる可能性がある。
高温超伝導体（ＨＴＳ）は、ＮＭＲコイルでの使用に特に魅力的である。なぜならば、ＮＭＲコイルは２０ないし８０Ｋの温度で作動できるので、冷凍装置を使用することができ、冷却用液体ヘリウムを使用するには及ばないからである。しかし、薄膜ＨＴＳ膜には次のような制限が付け加わる。
薄膜ＨＴＳコイルは、一般金属のコイルの場合には存在しない設計問題および処理問題を提起する。第１に、高温超伝導体は、最適性能を得るために配向性の良い結晶構造を必要とする灰チタン石セラミックスである。そのような配向性は非平面の基板上で達成するのは極めて難かしい。一般に、そのようなコイルは、平面基板上にエピタクシー技術を用いて膜が被着されることが好ましい。しかし、これは高いフィリング・ファクタ(filling factor)の達成をより困難にする。コイルはまた、超伝導膜の、交わる部分のない単一層の形で被着されることが望ましい。第２に、コイルは一様な磁界を生成して磁石の磁界（Ｂ0）の歪みを避けながら、比較的高い電流を処理できなければならない。ＨＴＳ膜が平面基板上にエピタクシー的に被着された場合でも、結晶欠陥が不可避的に起こる。この結果、高電流にさらされたコイルの明かな特徴であるバーンアウト（焼損）が生じることになる。第３に、当業界では、ＨＴＳと一般金属との間にオーム接点を形成することは難しく、一般に接点で寄生損(parasitic loss)を起こすうことは周知のとおりである。金属素子の抵抗損のせいで、ＴＳＨの使用により得られる利益が、一般金属がコイルに使われている程度まで減じるのであろう。従って、理想的なプローブは一般金属の導体を避けるのが望ましい。われわれは、高温超伝導体から作られた超伝導ＮＭＲ分光器プローブ用コイルに特有の必要条件を考慮に入れた先行技術があるのを知らない。
発明の大要
本発明の目的は、薄膜状酸化膜超伝導ＮＭＲプローブ用コイルを提供することにある。本発明の別の目的は、試験片の全体積にわたる分極磁界の一様性に及ぼすＨＴＳコイルの影響を減じることにある。本発明の別の目的は、コイルのＲＦ電流容量が高いＮＭＲコイルを提供することにある。本発明の更に別の目的は、試験片の体積を取り囲んで中に入ってくる、コイルからの電界が低いＮＭＲコイル、従って低ノイズのＮＭＲコイルを提供することにある。本発明の更に別の目的は、運転電流での導体のバーンアウトによる周波数偏移に耐えるＮＭＲコイルを提供することにある。
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、複数の入れ子型ループを形成する導電性材料の薄膜から作られたＲＦコイルを提供することにある。それらのループは各々、ギャップを画定する非導電性領域によって遮断されている。隣接するループ同士は、どのループのギャップも隣接するループのギャップのごく近くには配置されないように入れ子構造になっている。コイルは、全体を通じて実質的に均一な幅を有している。好適な実施例では、ギャップは対称に配置され、実質的に等しい静電容量を持つ容量性要素を成す。ギャップによって画定されるループのセグメントはフィンガーを形成しており、フィンガーは隣接するギャップ（すなわちループ・セグメントの１／２）同士の間に配置されたループ・セグメントとして画定される。ループは誘導性要素を成し、隣接するフィンガーは容量性要素を成している。コイルは平面基板上の高温超伝導体の薄膜で形成され、ｙ方向にもｚ方向にも対称であることが好ましい。ここで、ｚは分極磁界Ｂ0の方向、ｙはｚと直交するコイル平面である。コイルは直列接続の複数のコンデンサを含むことが望ましい。
本発明の別の実施例では、コンデンサを成すフィンガーは、磁化を減少させるため、各々小フィンガーに分割される。ＬＣ共振構造体を用いて磁化を減少させなければならない全ての応用分野で、小フィンガーは利益を提供するものである。更に別の実施例では、コンデンサは、コイル全体を通じてほぼ一定の電流密度を維持するため、電流の方向にテーパを付けられている。
ＮＭＲ分光器使用の場合、これらのコイルは、通常、コイル内の１０アンペア以上の電流で１０ないし１０００ＭＨｚの範囲の適切な周波数の信号を送信および受信しなけれなばらない。このため、ＨＴＳ薄膜内では、１平方センチ当たり１０^6（以降、Ａ^rでＡのｒ乗を示す）アンペア以上という極めて高い電流密度が必要となる。このような状況下で、われわれは、コイルの共振周波数が突然に不可逆的に上方に偏移し、コイルが使用不能に陥る現象をしばしば観測した。これは、容量性フィンガーのうちの１フィンガーのある小領域が抵抗性となったため、コイルの蓄積エネルギー放出され、その小領域の導電性が破壊される結果となったため、周波数が偏移するものと考えられる。フィンガーを切り離して回路から取り外すと、その共振周波数は上昇する。
われわれは、最終的なトリミング処理に先立ってコイルにストレスを加え、すなわちコイルを「バーンイン」し、その結果、故障しそうなフィンガーが最終的なトリミングの前にバーンインされるようにする方法を考え出した。本質的な第１のステップは、コイル設計において、欠陥フィンガーが全部除去されてもコイルの共振周波数は依然として所望の運転周波数を下回るほど、必要以上の静電容量を供給してやることである。バーンインの後、コイルは所望の共振周波数にトリミングされる。
【図面の簡単な説明】
図面について説明する。なお、図面中、同一の参照番号は類似部分を示すものである。
図１ａはＵ.Ｓ.Ｓ.Ｎ.０８／３１３，６２４によるコイルを示す。
図１ｂは図１ａのコイルの等価回路を示す。
図２ａは本発明の２-コンデンサ実施例を示す。
図２ｂは図２ａのコイルの等価回路を示す。
図２ｃは図２ａのコイルの別形で、配線されていない状態を示す。
図３は本発明の４-コンデンサ実施例を示す。
図４は本発明の３-コンデンサ実施例を示す。
図５は小フィンガーを有する、本発明の実施例を示す。
図６ａ、ｂ、ｃはテーパ付き導体を有する、本発明の実施例を示す。
図７は単純化された２-コンデンサ・コイルを示す。
図８は図７のコイルの電流・電圧分布を示す。
図９は単純化された１-コンデンサ・コイルを示す。
図１０は図９のコイルの電流・電圧分布を示す。
図１１は本発明の単一コンデンサの実施例を示す。
図１２はトリミングに先立つコイルのバーンイン用の取付具を示す。
図１３はコイルを含むバーンイン用取付具の等価回路を示す。
図１４は、受信ループに結合された電力を、バーンイン用取付具の中のコイルのための周波数の関数として示す。
実施例の説明
図１ａはＷｉｔｈｅｒｓらによるＮＭＲコイルを示す。このコイルは、１つの縁端に沿う単一のインターデジタルコンデンサ１２を有する、ターン数が２以上の単一のループ１０のインダクタで形成されている。このループは長さと幅を有し、直角の隅１４を持つ。Ｗｉｔｈｅｒｓの別の実施例は、連続的な渦巻構造体またはクロスオーバ部を持つ渦巻を有している。図１ｂは図１ａのコイルの等価回路を示す。図１ａのコイルのＲＦ性能はある応用分野にとっては十分であるが、この設計は、本発明が避けようと努めるいくつかの制約を持っている。第１は、この設計はｚ方向に非対称で、またｙ方向にも、ｚ方向の場合より程度は落ちるが非対称であることである。非対称だと、コイル内の中心部に置かれた試験片全体にわたる磁気の非均質性が大きくなるので、ｙ方向にも、ｚ方向にも非対称を避けることが望ましい。第２は、この設計は単一コンデンサを持つことである。その結果、ループのインダクタンスに沿って現れる電圧ωＬＩがほとんどコイル全幅を横切る単一の電気双極子として存在し、その電界が試験片体積内に達することである。理想的なコイルでは、磁界は試験片体積に結合されるが、電界の方は、時間変化する磁界によって誘導される電界を除けば、試験片体積に結合されない。第３は、隅の近くに電流の密集が起こり、全体としてコイルの電流容量を制限することである。第４は、最も重要であるが、超伝導体は分極磁界に呼応して、コンデンサ内を除き単一の線の形をしているので、ＤＣ遮蔽電流が比較的大きなループの中を流れ、試験片体積内の分極磁界に大きな不均質性を持ち込む。本発明は、磁気擾乱を最小限に抑える構造体を提供する一方、他の特性を改善することによって、図１のコイルよりも有利な点を提供するものである。
図２ａは図１ａのコイルよりも対称性の良い本発明の第１のコイルを示すが、これは直列接続の２個のコンデンサの使用によって得られたものである。図２ａは一定の倍率で描いていないが、むしろ本発明の特徴をより良く説明できるように描いている。超伝導膜は２組の細長い、相互嵌合した導体２０、２２を形成し、この導体２０、２２は、その端子間に各々ギャップ２５を持ち、ターン数が１より僅かに少ないループを形成している。１組の導体は、コイルの共通のラジアンに沿って整列されたギャップを有する１個以上の導体から成る。２組のコイルのギャップはコイルの軸に対して対称に配置されている。各ループは、電流密集を避けるために隅２４を丸めてある。コイルは実質的に均一な幅を有している。コイルの外周のまわりの連続したギャップの間の隣接導体は、コンデンサを形成している。本明細書で表現しているように、２つのギャップの間の導体部分は「フィンガー」である。２-コンデンサ・コイルの場合、ループは２本のフィンガー３０から成ることは容易に分かるであろう。コイルの各ループは、入れ子構造体を収納するため、外周長が隣接するループの外周長とは僅かに異なる。ＲＦ電流はループのまわりを流れる。図２ａで、ループの各組はノード（節）２６、２８で接合される。図２ｃに示し、後で論議するように、ノードは機能的なコイルには必要ないが、ノードを含むことによってコイルの歩留まりは改善できる。図２ｂの等価回路に示すように、相互嵌合の導体は直列接続の２個のコンデンサを形成する。図２ａ、２ｃのコイルは２つの平面について完全な鏡面対称（このためには、対称に配置されたコンデンサが４個必要である）は達成しないが、図１ａのコイルに比べればかなり対称形である。
ＮＭＲ分光器コイルの場合、コイルの総合的な寸法は、試験片体積に対してフィリング・ファクタ(filling factor)を最大にするように選ばれる。５ｍｍの試験片チューブの使用に適したコイルの内側寸法は１．７ｃｍ×１．２ｃｍである。次に、後で討議する原理に応じて、またプローブ組立体のための所望共振周波数を達成するために、フィンガーの数が選ばれる。２個のコンデンサを有する１実施例では、７つのループが使われ、５０μｍのループ間ギャップが６つ与えられた。
図２ａのコイルに開示された原理は、直列接続の、対称に配置されたＮ個のコンデンサを有するコイルにも拡張できる。その場合、各フィンガーはコイルの外周の１／Ｎを占め、相互嵌合の導体は各々、コイルの外周の２／Ｎより僅かに少ない全長を持つ２個の隣接コンデンサの一方から成る。導体は容量性セグメントを切り離すギャップを有するループを完成させるために、２個づつ対にしなければならない。こうして、各ループはコイルのＮ個のコンデンサ全部にまたがって延在する。
図３は対称に配置された４個のコンデンサを有するコイルを示す。４組の導体３２がコイルのまわりに対称に配置されている。各導体は、コイルの外周長の１／２からループ間ギャップ２５の長さを減じた長さを有している。図２ａでは、各コンデンサの一定の側のフィンガーは全て「タイ・ポイント」、すなわち、コイルの頂部と底部の接合ノードで電気的に短絡されているが、図２ａのコイルとは異なり、図３のコイルにはそのようなノードは存在しない。コンデンサの片方の電気側のいくつかのフィンガーの間に電圧をかけるのは望ましくない。従って、これらのタイ・ポイントは低電流性能にあまり影響することなく、除去することができる。図４は、３組のギャップ２５が３個のコンデンサを成してコイルのまわりに対称に配置されているような３組の導体３２を有するコイルを示す。コイルは、いかなる所望コンデンサ数の場合でも設計できることが容易に分かるであろう。
ループ内で２個以上のコンデンサを直列に使用すると、設計の別の要素に影響を与える。直列に接続された静電容量ＣのＮ個のコンデンサの実効静電容量はＣ／Ｎであるため、この場合に必要な総静電容量は、単一コンデンサ設計の場合に必要な総静電容量のＮ^2倍である。相互嵌合方式の設計で、この静電容量レベルを達成するためには、より細い線が必要である。細い線にすれば、遮蔽電流ループの幅、従って磁気擾乱を低減できるという利益が当然の帰結として生じるが、これは膜被着の能力と、細い線で無欠陥のコイルを作るフォトリソグラフィ処理の能力とによって制約される。所要の静電容量を達成するためには、コンデンサの長さをできるだけ伸ばさなければならない。コイルの長さ、幅、インダクタンス、静電容量の選択に関する考察点がＷｉｔｈｅｒｓのＵＳＳＮ ８０／４０９，５０６で更に論じられている。
所望の静電容量に必要な幅の単一線フィンガーでは、十分に小さな遮蔽電流は得られない場合もある。遮蔽電流を更に減らすためには、コンデンサ・フィンガーの個々の線をＲＦ電流と平行な方向に細長く裂くことができ、その結果、「小フィンガー」の数「ｍ」が創成される。これによって、ＲＦ性能は影響を受けず（除去された材料の量に比例する小さな影響を除けば）、磁化効果がほぼ１／ｍに減少する。図５は、インターデジタルコンデンサの各フィンガー３０を４ないし６本のフィンガー４４に裂いた設計の一部を示す。小フィンガー４２同士の間のギャップは、小フィンガー間に小さな電圧しか生じないので、最小（例えば１０μｍ）にすることができ、その結果、フォトリソグラフィの欠陥から生じる短絡によって、Ｂ0の一様性が橋絡欠陥の臨界電流のみに比例して劣化するであろう。小フィンガーは共通ノード４６によって任意選択で接合できる。
図６ａは、全長に沿ってテーパが付いているインターデジタル導体５０を含むコイルを示す。ギャップ、すなわち導体５２同士の間の間隔は、その全長にわたって一定に保たれている。図６ｂは単一導体の先端の拡大図である。テーパ付き導体５０は、その先端が切られている。図６ｃは、導体同士間に均一な間隔５２を持つ１対の隣接したテーパ付き導体５０の拡大図を示す。電極にテーパを付けると、超伝導膜の電流容量を最も適切に利用することができる。電流がコンデンサの別の（電気）側のフィンガーに伝達されるとき、各フィンガーによって運ばれる電流はそのフィンガーの端部に向かって直線的に減少するので、この方法を用いれば単位膜幅当たりの電流を一定に保つことができる。導体を、最も必要とされる場所に位置すれば、テーパを付けることによってコイルのＲＦ抵抗も減り、従ってＲＦ抵抗のシステムノイズへの寄与も減る。同様に、コンデンサの最も外側と最も内側の線は、内側コンデンサの電流の半分しか運ばず、他のフィンガーの半幅しか必要ない。また同様に、コンデンサの最も外側と最も内側の線は長さがより短いので、コイルの中心に近い方の導体は、外側の導体よりも少ない電流しか運ばない。
分布コンデンサ設計についての理解は、次の解析によってある程度得ることができる。図７に示した設計について考える。これは、解析を単純化するため円形とした２-コンデンサ設計である。設計されたものは、次のように解析することができる。
外側の導体を流れる電流Ｉo(φ)と内側の導体を流れる電流Ｉi(φ)とを考える（電圧と電流は全てｅ^ｊωｔの時間依存性を持つと仮定する）。外側と内側の導体に沿う電圧は、それぞれＶo(φ)とＶi(φ)である。電流の保存によって、角度に無関係に、Ｉo(φ)＋Ｉi(φ)＝Ｉであることが必要である。どちらの導体に沿う電流についても、１ラジアン当たりＬのインダクタンスが存在する（ｒo≒ｒiの場合はどちらの導体でもほぼ同じ）。また、導体同士の間に１ラジアン当たりＣの静電容量が存在する。そこで、次の微分方程式を書くことができる。
ｄＶo／ｄφ＝ｄＶi／ｄφ＝−ｊωＬＩ （１）
また
ｄＩo／ｄφ＝−ｄＩi／ｄφ＝−ｊωＣ(Ｖo−Ｖi) （２）
式（１）は、内側と外側の線の間の電圧の差は角度に無関係であること、すなわち、不連続点を除いてＶo−Ｖi＝△Ｖであることを必要条件とする。次に式（２）は、内側と外側の電流は角度に関する単純な線形関数であることを必要条件とする。電流は、φ＝０の外側ループでゼロ、またφ＝πの内側ループでゼロという境界条件を用いれば、図８に示す電流・電圧分布を導き出すことができる。各フィンガーの全長に沿って電流を線形変化させることが、図６に示すような線形にテーパリングしたフィンガー幅を生み出す動機となった。一定の電圧差を保つためには、一定のギャップ寸法（例えば５０μｍ）が必要である。ギャップ幅はピーク送信電圧の半分に耐えるように選ばれる。
われわれは、また共振周波数ｆres＝(１／２π)(π^2・ＬＣ)^(-0.5)を導くことができる。
コイルの全インダクタンスと全静電容量、すなわちＬT＝２πＬ、ＣT＝２πＣによって、上式は次のようになる。
ｆres＝(１／２π)(ＬT ＣT／４)^(-0.5) （３）
かくて、図７のコイルは、分布静電容量全体の４分の１である同調コンデンサが付いたターン数１のインダクタとして扱われる。このコイル設計は、磁気共鳴顕微鏡検査のために用いられるコイル設計の平面、インターデジタルバージョンと見られ、Black et al.の”A probe for specimen magnetic resonance microscopy”（「試験片の磁気共鳴顕微鏡検査のためのプローブ」），Investigative Radiology 27, 157 (1992)、およびBlack et al.の”A high-temperture superconducting receiver for nuclear magnetic resonance microscopy”（「高温核磁気共鳴顕微鏡検査で用いられる高温超伝導受信器」），Science, vol.259, p. 793, (1993)によって説明されている。実際に、この解析は、構造体の２つの側の２個のコンデンサを、単に一まとめの値を持つものとして扱うための設計指針を補強するものである。
上の解析は、各電気側に１本だけのフィンガーを持つインターデジタルコンデンサーを示す図７の状況下で導き出される。この解析は、ある、単位長さ当たりの静電容量によって特徴づけられ得る限り、いかなる種類（例えばインターデジタル型平行板）の分布コンデンサにも一般化できることは明かである。多重フィンガー設計（図２ａ）の場合には、われわれは単位長さ当たりの静電容量は、コンデンサの各々の側の隣接縁端の数に比例すると仮定している（例えば、図２ａの設計では各コンデンサに６つの縁端がある）。
重水素ロック（deuterium lock）に望まれるような低周波運転の場合、または動物生体ＮＭＲ顕微鏡検査等の低磁界応用の場合には、以上の設計手法を用いて十分な静電容量を得るのは困難であろう。図９は、かなりの周波数低減をもたらし得る改良設計を示す。この設計は実質上、ターン数１のインダクタのまわりに分布する単一コンデンサを使っている。式１〜３は、図６の設計だけでなく、この設計にも当てはまる。しかし境界条件は両者の間で極めて異なっている。コイル内の電流・電圧分布を図１０に示す。最も重要なことは、共振周波数がｆres＝(１／２π)(ＬT ＣT)^-0.5であることである。ここで、ＬTは（実効）１ターン・ループのインダクタンスで、ＣTは全分布静電容量である。静電容量の分布特性は、共振周波数には影響を及ぼさないことが分かる。
図１１に示すように、単一コンデンサ設計は２対以上のフィンガーに拡張できる。円形フィンガー６０は、左から右に向かって、一つおきに共通のノード（頂部）６２に結び付けられる。同じ解析が当てはまるが、この場合は多数のフィンガーによって生じる高い値の、１ラジアン当たりの静電容量を使って解析がなされることになる。
好適な実施例では、超伝導膜は、７７Ｋ以上の温度で低い無線周波数表面抵抗を有する高温超伝導体である。これらの材料はＹＢaＣuＯ、ＴＩＢaＣaＣuＯ、ＢiＳrＣaＣuＯ、および関連する灰チタン石化合物を含む。膜被着はスパッタリング、レーザ融除、蒸着、または化学的気相成長等によって行うことができる。基板はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、ＬaＡｌＯ3、ＳrＴiＯ3、ＭgＯ、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）、またはその他の材料、あるいはこれらの基板を緩衝層と組み合わせたもの等である。
本発明の好適な実施例、特に多重コンデンサを小フィンガーと組み合わせたものは、１０μｍという細い導線と、所望の共振周波数に極めて近い、コイルの非同調共振周波数を必要とする。このことは、２つの難問を提起することになる。第１は、超伝導体の線の結晶構造内の不純物が、コイルの作動に必要な電流負荷の際に導体のバーンアウトを引き起こすおそれがあることである。第２は、ＮＭＲ分光器コイルの共振周波数は、負荷時のＱ（ＱL）の逆数よりもずっと少ない分数の精度まで同調されなければならないので、１０，０００の範囲の負荷時Ｑを持つ高温超伝導（ＨＴＳ）薄膜で作られたＮＭＲコイルにとって、同調は重要な問題になる。機械的に制御された手段を用いる実時間での可逆同調は、ＮＭＲ測定の直前あるいは測定中に共振周波数を調整するために用いることができるが、その可逆同調はＱLの低下と振動感度の増大という犠牲を払って達成されるので、機械的同調範囲を最小限に抑えておくことが望ましい。
導体のバーンアウト問題と、コイルの共振周波数の合成偏移の問題とに対処するため、われわれは最終的なトリミングに先立ってコイルにストレスを加え、すなわちコイルを「バーンイン」し、その結果、故障しそうなフィンガーが最終的なトリミングの前にバーンインされるようにする方法を考え出した。本質的な第１のステップは、コイル設計において、欠陥フィンガーが全部除去されてもコイルの共振周波数は依然として所望の運転周波数を下回るほど、必要以上の静電容量を供給してやることである。コイルは、共振周波数が所望の運転周波数を３ないし５パーセントだけを下回り、静電容量の６ないし１０パーセントを除去できるよう設計されるのが普通である。「バーンイン」に関しては、コイルは最初、図１２に示す簡単な取付具に取り付けられるが、この取付具はデュアー瓶内の冷たいヘリウム・ガスで冷却することができる。この取付具は、小さなループ８４、８６の付いた２本の同軸ケーブル８０、８２を有するが、この小さなループ８４、８６はコイル９０の近くでこのケーブルの端末を成している。このコイルに対する２つのループの相対位置は、取付具の頂部に取り付けられたマイクロメータ９２を室温で調節することによって変えることができる。図１３はバーンイン装置におけるコイルの等価回路を示す。１本のケーブル８０がＲＦ電力源に接続されている。この「送信」ケーブルに取り付けられたループ８４は、一般にＲＦ電力源がコイル９０に強く結合されるよう調整される。ＲＦ電力源は通常、回路網解析器１０２によってドライブされる増幅器１００である。別のループ８６は、コイル内の実電流が監視され得るようにこの回路網解析器１０２に接続されている。この「受信」ループは、コイル内への電力の流入をあまり乱さないように、コイルに弱く結合してある。
図１４は、７テスラの磁界内のバーンイン装置におけるコイルから受け取られた電力を示す図である。測定とバーンイン処理は次のように進行する。
先ず、ＲＦ電力源を低電力（一般に０．１ｍＷ）に設定し、送信・受信ループは、この受信ループに結合される電力が有能電力（２０ｄｂ以上の挿入損）の１％のみであるように、共振周波数ｆresでのコイルからの反射電力が最小化されるように、すなわちコイルが電力源に整合するように、またＲＦ電力源からの有能電力は全てコイル内で消費されるように調整する。これを一層低い電力で繰り返すと、コイル抵抗が電流には無関係である領域での運転を確保することができる。ＲＦ電力源周波数を共振点を通して掃引すると、受信ループに結合された電力は図１４の最も下の曲線を描く。
次に、そのコイルに整合したＱ値、すなわちＱm、下記の式から得られる３-ｄＢ点での共振線の全幅Ｄfから計算される。
Ｑm＝ｆres／Ｄf
また、コイル抵抗Ｒは次の式から計算される。
Ｒ＝（２πｆresＬ）／（２Ｑm）
ここでＬはコイルのインダクタンスである。分母は無負荷時のＱで、整合Ｑの２倍である。このような状況下で、共振時のコイル内を流れる電流の実効値は、次式から計算される。
Ｉ＝(Ｐ／Ｒ)^0.5
ここで、Ｐは電力源からの有能電力である。図１４に示すように、有能電力が−３３ｄＢｍ（０．５μＷ）であるこの例のコイルの場合には、１４ｍＡがコイルを通して流れる。
その後、有能電力は増加するが、受信ループに結合された電力がこの図に追加記入される。比例関係Ｉ＝ｋ√Ｐ（ｋは低電力測定から定まる）に基づいて、いかなる点における電流も容易に計算される。有能電力は、共振点において観測される電流が所望のバーンイン・レベルに達するまで増大する。このバーンイン・レベルは一般のＮＭＲ応用例の場合には５ないし５０アンペアである。このため、整合Ｑが１０，０００で、インダクタンスが３０ｎＨである一般的なコイルの場合、１０Ｗ以上のＲＦ電力が必要になるであろう。ＲＦ電力源は、バーンインを達成するため、ある延長された時間（秒）の間、そのコイルの共振周波数にとどまることが可能になる。代わりの方法として、ＲＦ電力源は、ＮＭＲ送信動作をシミュレートするため、パルス化することもできる。コイルの運転環境を最も完全にシミュレートするためには、図１４に示すように、バーンイン処理を磁石の内側のコイルについて行えばよい。
バーンイン処理の間、コイル共振周波数の偏移が見られた場合はいつでも、低電力での共振周波数およびＱを測定しながら、この処理を最初から繰り返す。この作業は、コイルが周波数偏移を受けることなく所望の電流レベルに耐え得るようになるまで行う。
バーンインが終わった後は、コイルを所望周波数に同調させる作業を、フォトリソグラフィ、レーザ・トリミング、または超短波トリミング等の技法によって遂行する。図１ａに示すコイルは一例として使用することができる。このコイルは所望の運転周波数はｆop＝３００ＭＨｚである。このコイルは、そのインダクタンスＬと静電容量Ｃとによって共振周波数がｆdes＝[２π(ＬＣ)^0.5]^-1の２９５ＭＨｚとなるように設計される。実共振周波数ｆ1は、プローブへの弱い誘導性結合を伴う上述のＲＦ回路網解析法を用いて測定される。プローブは、それがＮＭＲ測定に使われる時と同じ温度であり、またＮＭＲ測定時と類似の電気的環境（例えば、測定に用いらるべきＮＭＲプローブの場合のように電気遮蔽が存在する）にあることが重要である。
周知の、共振周波数の静電容量依存性から、静電容量の所望の減少割合は、小さな割合の補正の場合には次式のように算出できる。
△Ｃ／Ｃ＝２（１−ｆ1／ｆop）
図１ａのコイルの場合には、インターデジタルコンデンサの電極のどちらのセットの縁端の総数も線形である。従って、縁端長さを△Ｌ＝Ｌ△Ｃ／Ｃだけ減らすフィンガー数は、除去することが望ましい。ここで、Ｌは初期の縁端長さである。ある除去を正確に完遂するためには、コイルをフォトレジストで覆い、除去さるべきフィンガー領域を、長さと幅が可変で、顕微鏡で角度調整された長方形のスリットを通過した光で１回以上露出してやればよい。除去さるべき所定領域の測定には、小さなチック・マーク、すなわちフィンガー領域の全長に沿って一定間隔を置いて存在するパターン上に与えられた「定規」が役に立つ。レジストを形成し、薄膜を化学的にエッチング、すなわちイオンエッチングする。重要なことは、全領域が除去されることであって、切り離されることではない。それは、切離し部分には著しい漂遊容量が生じることが分かっているからである。この技法を用いた場合、１工程で０．０３％の精度が達成された。この処理法は、別のタイプの設計の平行板コンデンサにも適用でき、コイルの電気的特性を劣化させない方法である。
この技法の別形は、コイルの静電容量を現場で、すなわちその共振周波数を測定しながら、トリミングすることである。この手法では、低温測定環境でトリミングしている間にコイルを観測するための、コイルに合焦されたレーザと適切な光学機器が必要になる。
結論
本発明の精神と範囲に反することなく数多くの変更が可能であることは、当業者には理解されるであろう。例えば、本発明は低温超伝導体にも、室温または低温における一般金属導体にも等しく適用できる。低温超伝導体コイルは、運転温度が２０Ｋ超であるという利益は提供しないが、極めて高いＱを達成することは可能である。一般金属コイルは、超伝導体コイルの持つ高いＱを実現することはできないが、本発明のある一定の態様の応用から恩恵を受けることができ、少なくとも最低限の機能性は有している。コイル設計は、試験片の大きさと形状に依存するフィリング・ファクタ(filling factor)に関して最適化することができ、所望の共振周波数を目指す設計が可能であることも了解されるであろう。更に、本発明はＮＭＲ分光器使用およびＮＭＲ顕微鏡検査にとって、また磁気共鳴撮像にとっても有用であることが理解されよう。
以上述べてきた開示は多くの特殊性を含むが、これらは単なる例として示したものであることを了解されたい。本発明の範囲は以上に示した特殊の例によって限定さるべきものではなく、添付の特許請求の範囲ならびにそれらの合法的な均等物によってのみ制約さるべきものである。

Claims (10)

1. 複数の入れ子型ループを形成する導電性材料の薄膜を含む、磁気共鳴分光器使用または磁気共鳴顕微鏡検査のためのＲＦコイルであって；前記ループは各々、ギャップを画定する非導電性領域によって遮断され；隣接するループ同士は、どのループのギャップも隣接ループのギャップのごく近くには配置されないように入れ子構造になっており；各ループは導体部分である第１のフィンガーと第２のフィンガーとを有して、フィンガーは、１つのループのギャップと隣接ループのギャップとの間に配置された１つのループの一部として画定され；それによって、前記ループは誘導性要素を形成し、１つのループの第１のフィンガーは別のループの隣接フィンガーと共に容量性要素を形成するようにしたことを特徴とするＲＦコイル。
2. 前記導電性材料が非導電性基板上に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
3. 前記基板が平面であることを特徴とする、請求項２に記載のコイル。
4. 前記導電性材料が超伝導体であることを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
5. 前記超伝導体が高温超伝導体であることを特徴とする、請求項４に記載のコイル。
6. 各ループが複数の対称に配置された非導電性領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
7. 各ループのギャップが別のループのギャップと位置合わせされ、隣接ループと共に、複数のフィンガーを含む単一の容量性要素を形成するような、複数の非隣接式の入れ子型ループを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
8. 前記容量性要素のフィンガーにつながる導電性材料を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載のコイル。
9. フィンガーが細長く、その長手方向軸に沿って平行に分割されて複数の小フィンガーになっていることを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
10. 前記ループが湾曲した導電性材料のセグメントを含むことを特徴とする、請求項１に記載のコイル。

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