JPH11133127A

JPH11133127A - Ｎｍｒ信号受信用超伝導ハイブリッド共鳴器

Info

Publication number: JPH11133127A
Application number: JP10229959A
Authority: JP
Inventors: Daniel Marek; マレックダニエル
Original assignee: Bruker AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 1997-08-02
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 1999-05-21
Anticipated expiration: 2018-08-03
Also published as: DE19733574C2; DE59800296D1; EP0895092B1; DE19733574A1; US6121776A; JP3066359B2; EP0895092A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】超伝導材料を使用するにも拘わらず、Ｂ₀磁
場の均一性が低下することなく且つＳ／Ｎ比が特に高く
なると共に、充填比を格段に高くすることを容易に行う
ことができるＮＭＲ用のＲＦ共鳴器を作り出す。【解決手段】均一磁場内の検査空間中の試料５に対し
て所望の共鳴周波数で無線周波数信号を共鳴送信及び／
又は受信するための無線周波数共鳴器が、所望の共鳴周
波数で共鳴可能な閉じた共鳴系を単体でも組み合わせに
よっても形成しない少なくとも２つの空間的に離隔した
超伝導要素１ｂ、１ｄを備える。このために、通常伝導
性の接続要素２ａ、２ｂが、前記超伝導要素同士を、該
超伝導要素が通常伝導性の接続要素と共に、所望の共鳴
周波数で共鳴可能な１つ又は複数の閉じた共鳴系を形成
するように、導電的及び／又は容量的に結合するように
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核磁気共鳴（ＮＭ
Ｒ）装置の均一磁場Ｂ₀内の検査空間中の試料に対して
所望の共鳴周波数で無線周波数（ＲＦ）信号を共鳴送信
及び／又は受信するための無線周波数（ＲＦ）共鳴器で
あって、超伝導要素を備える共鳴器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の無線周波数共鳴器は、それ自体
ＵＳ５、５８３、７２３より当該分野で公知である。

【０００３】ＮＭＲ分光学における最も重要な要件の１
つは、ＮＭＲ信号に対して高感度を達成すること、即
ち、高い信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を得ることであ
る。

【０００４】信号の大きさＳは、主に共鳴器の幾何学的
構造に依存し、且つ共鳴器が試料をどの程度近接して囲
繞しているかに依存する。共鳴器の温度の役割は従って
それほど重要ではない。

【０００５】これに対して、共鳴器のノイズ電圧は温度
の強い関数となる。共鳴器は、所望の周波数で共鳴する
誘導性及び容量性構成要素を備える。ノイズ電圧Ｎは、
共鳴器のＲＦ損失抵抗Ｒｖで生成され、共鳴器の容量性
部分のノイズ（非常に小さく実際に無視できる）と、よ
り主要な部分である誘導性部分のノイズとから成る。従
って、共鳴器ノイズにとり最も重要なのはこの後者のノ
イズ部分であり、この要素は、温度と、温度依存ＲＦ損
失抵抗Ｒｖ（Ｔ）の双方に依存する：

【０００６】

【数１】Ｓ／Ｎ比の温度依存性は、下記の式により与えられる：

【０００７】

【数２】共鳴器の温度Ｔが低下すると、２つの効果によりＳ／Ｎ
比が増加する。即ち、先ず、上記式の分母の温度Ｔがよ
り低くなること、次に、損失抵抗Ｒｖ（Ｔ）がより低温
で同様により小さくなることである。

【０００８】従って、共鳴器を極低温、例えば、４Ｋ乃
至２０Ｋの範囲の温度にまで冷却することが有利であ
る。共鳴器の誘導性部分を形成するために超伝導材料を
選択すると、特に良好な結果が達成される。即ち、超伝
導体では、ＲＦ損失抵抗ＲＶ（Ｔ）は銅のような通常の
導電率の材料よりもかなり低いからである。このように
すると、上記式より与えられるＳ／Ｎ比は非常に高くで
きる。

【０００９】現代のＮＭＲ分光学測定法は、磁気スピン
システムの励起のためにＲＦパルスを用いその後フーリ
エ変換を行う方法をほぼ専ら使用している。励起は、通
常同一の共鳴器を使用して行われ、これによりＮＭＲ信
号が後で検出される。従って、ＮＭＲ信号の検出を最良
に行うために、ＲＦパルスの発生後、共鳴器が出来るだ
け迅速に電流を除去されることが重要である。

【００１０】しかしながら、極小さい損失を有する共鳴
器は非常に狭い共鳴ラインを有し、従って励起パルス減
衰時間が非常に長い。共鳴器電流が例えばその初期値の
１％に減衰するまでに一定の時間ｔ１％の経過を必要と
する：

【００１１】

【数３】ここでＬは共鳴器のインダクタンスである。

【００１２】この式は、共鳴器の損失抵抗Ｒ（Ｔ）が小
さくなればなるほど、減衰時間が長くなることを明瞭に
示している。

【００１３】

【外１】以下の値を執り得る極短いＲＦ励起パルスを使用してい
る。励起パルスのパルス幅と試料の位置での界磁振幅
（field amplitude)との積が一定の最良値を有するなら
ば、これらの短い励起パルスは非常に大きな界磁振幅を
もたらし、従って非常に高いＲＦ電流が共鳴器に流れ
る。これらは、検出への切り替え前に、先ず十分に減衰
しなければならない。しかしながら、残念なことに、検
出が遅れると、ＮＭＲスペクトラムの基線と線が歪んで
しまうことになり、このため、超伝導共鳴器では、励起
パルスの減衰時間を短くするために損失抵抗を大きくす
ることが有利である。

【００１４】しかしながら、損失抵抗をあまりに大きく
すると、Ｓ／Ｎ比が容認できない程度に低下するので、
大きくし過ぎることは出来ない。この理由により、これ
らの方法は、特に高い充填比を呈するような適切な共鳴
器の形状寸法を採用すること等によりＳ／Ｎ比が既に非
常に高い値に調節されている場合にのみ適用可能である
にすぎない。

【００１５】超伝導ＮＭＲ共鳴器の構成はＮＭＲにおけ
る新しい開発方向にあるので、これに関連する刊行物の
数は多くない。上述したＵＳ５、５８５、７２３は、本
先行技術を代表する。この公報の超伝導共鳴器（図１６
（ａ）、（ｂ）参照）は、完全な共鳴系として、即ち、
その誘導性構成要素と容量性構成要素の双方が平坦な結
晶板１８ａ上にあり、該結晶板１８ａはその一側が超伝
導材料１９ａで被覆され試料５の近傍に取り付けられて
いる。

【００１６】この場合、共鳴器は、生成されたＲＦ磁界
が試料の近傍で十分に均一であるために、試料の直径に
比較して大きくしなければならない。この点についての
改良は、ヘルムホルツ共鳴器（Helmholtz-resonator)対
として試料５の左右に配された２つの同一な共鳴器１９
ａ、１９ｂの組み合わせによって達成することが出来
る。これにより、より均一なＲＦ磁場のみならずより強
力な試料内への結合、即ち、向上した充填比が達成され
る。

【００１７】このようなヘルムホルツ共鳴器構成は、２
つの顕著な共鳴周波数を有する共鳴可能システムであ
り、高い方の周波数は電流が両共鳴器中を互いに反対方
向に流れることにより生じ、低い方の周波数は電流が同
一方向に流れることにより生じる。ＮＭＲに適用するに
は、低い方の共鳴周波数を使用するモードでは試料の位
置の望ましい均一なＲＦ磁場が発生するので、低い方の
共鳴周波数を使用しなければならない。これらの共鳴器
は、普通は誘導結合されてＮＭＲ信号をＮＭＲ分光器の
検出系まで通過させる。

【００１８】現代のシステムは、超伝導材料として、例
えば、ＹＢＣＯのような、電気特性の静磁場Ｂ₀への依
存度が弱い高温超伝導体（ＨＴ超伝導体）を使用してい
る。これらのＨＴ超伝導体は、一般に、結晶板上に、こ
れらの導電体が形成される結晶粒が全て同一方向に指向
するように薄い層として積層される。このようにするこ
とによってのみＨＴ超伝導体は最良の電気特性を得るこ
とが出来る。

【００１９】結晶板の表面は基板として作用し、結晶超
伝導層がその上に導入されて強制的に結晶板の指向性を
呈するようにされる。従って、結晶構造が超伝導体のそ
れに可及的に近い結晶板を用いることが有利である。こ
の結晶板を共鳴器の容量性構成要素のための誘電体とし
ても用いる場合には、良好な誘電体ＲＦ特性をも有する
結晶板を用いる必要がある。これらの要件の全ては、例
えばＬａＡｌＯ₃結晶体及びサファイヤ結晶体のいずれ
によっても満たされる。かかる結晶板が良好な熱伝導体
でもあると、超伝導体層の冷却性を向上出来る点で有利
である。サファイヤはこの要件をも満たす。

【００２０】しかしながら、ＨＴ超伝導体を用いること
は別の利点をもたらす。ＨＴ超伝導体の約１００Ｋとい
う高い臨界温度のために、共鳴器の良好な超伝導ＲＦ特
性が実効的となる温度領域がより大きくなる。これによ
り、作動温度を調整する際の柔軟性が向上する。

【００２１】かかる結晶板は今日では平板の形状でしか
入手できず、従って共鳴器はフラットな構造を執らざる
を得ない。結晶板は、２０Ｋ未満の温度の冷却ヘリュウ
ムガスを用いて低温（cryogenic temperature）まで冷
却することが出来る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】現代の従来共鳴器の幾
何学的構造は、以下に述べる重大な不具合がある。

【００２３】即ち、共鳴器構造は、１つ又は２つの個別
の共鳴器が１つ又は２つの結晶板上に組み立てられ、各
個別の共鳴器は完全な共鳴系を成している。

【００２４】最良の構造、例えば、ヘルムホルツ共鳴器
（図１７（ａ）、（ｂ）参照）を想定すると、出来るだ
け高い充填比を達成するためにこのヘルムホルツ共鳴器
を試料に出来るだけ近接して配することになる。しかし
ながら、このヘルムホルツ対は、本質的に、試料の円筒
形の形状に不十分に調節された２つの平らな構造体から
成るので、大きな充填比を達成することが出来ない。こ
のことは、試料から比較的遠い２つの共鳴器の隅角部領
域で特に顕著である。水平横方向接続部２０のみが試料
に近接しており、それにより強く結合している。

【００２５】水平横方向接続部２０は別の非常に重大な
不具合を有している。該接続部はＢ ₀磁場に対して平行
でなく垂直であり、この配置はＢ₀磁場の均一性が低下
することになるので、少しでも可能なら避けるべきこと
である。この均一性の低下を抑えるためには、超伝導体
を非常に狭くする、即ち、出来るだけ小さい材料で作る
ことが必要である。しかしながら、これにより、ＲＦ電
流とＲＦ磁場との直線的依存関係が得られる最大可能な
ＲＦ電流は、関連する最大可能なＲＦ磁場と同様に、減
少する。従って、特定のＮＭＲフリップ角を発生するた
めには、複数のＮＭＲ実験用の望ましくないスペクトラ
ムをもたらすより長いパルス時間を黙認する必要があ
る。

【００２６】別の不具合が、スペースのためにＲＦシー
ルド６に極近接した共鳴器の垂直縦方向接続部２１によ
って生じる。これらは従ってシールド中の渦電流と共鳴
器内に変形して戻る関連するＲＦ損失を生み出す。この
ように、励起パルスの減衰時間が都合よく減少するが、
信号対ノイズ比が同時に悪くなる。しかしながら、この
ようなヘルムホルツ構造の充填比は既に不十分なので、
ＲＦ損失のＳ／Ｎ比へのネガチブな影響は特に目立った
ものとなる。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、本発明
の目的は、超伝導材料を使用するにも拘わらず、Ｂ₀磁
場の均一性が低下することなく且つＳ／Ｎ比が特に高く
なると共に、充填比を格段に高くすることを容易に行う
ことができる、上述の特徴を備えたＮＭＲ用のＲＦ共鳴
器を作り出すことである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
れば、ＲＦ共鳴器が、所望の共鳴周波数で共鳴可能な閉
じた共鳴系を単体でも組み合わせによっても形成しない
少なくとも２つの空間的に離隔した超伝導要素を備える
と共に、通常伝導性の接続要素が、前記超伝導要素同士
を、該超伝導要素が通常伝導性の接続要素と共に、所望
の共鳴周波数で共鳴可能な１つ又は複数の閉じた共鳴系
を形成するように、導電的及び／又は容量的に結合する
ように設けられた構成により達成される。

【００２９】本発明による共鳴器は、常に、超伝導性材
料と通常伝導性の材料とを備える。超伝導体は、好まし
くは、ＹＢＣＯのような高温超伝導体である。

【００３０】本発明の教示は、下記の基本的な知見に基
づくものである。

【００３１】１）ＲＦ共鳴器は、所望周波数近傍では、
且つ単体では、閉じた電流伝導性共鳴系を表さない少な
くとも２つの超伝導要素を備える。これらの構成要素
は、通常伝導性要素を介して導電又は容量的に互いに接
続され、且つこの時にのみ所望の周波数で共鳴する内部
的に閉じた共鳴系を形成する。

【００３２】好ましくは、単一の共鳴系が、超伝導要素
及び通常伝導性接続要素から形成される。しかしなが
ら、作動中互いに接続される複数の閉じた共鳴系を有す
ることも可能である。この場合、個々の共鳴系は所望の
周波数で単に概略的にのみ共鳴するように調整されなけ
ればならない。実際の所望共鳴周波数は結合とその結果
のビート周波数から結果として得られる。

【００３３】２）超伝導要素は、本質的に複数の長手の
狭い板から成り、これらの板は、全てＢ₀磁場に対して
平行に向けられ、且つ軸がＢ₀磁場に対して平行で且つ
試料の軸と一致する架空シリンダの表面上に配分されて
いる。

【００３４】このようにして、共鳴器は、コンパクトで
あり且つ試料をこれに近接して囲繞している。従って、
より高い充填比（従ってより高い感度）が達成され、例
えば特別なＮＭＲ実験用の勾配コイルを設置するための
より広い自由空間が出来る。更に、全ての超伝導層は、
Ｂ₀磁場に対して平行であるので、層幅を、Ｂ₀磁場の均
一性が容認出来ない程度にまで低下することなく格段に
大きくすることが出来る。層幅が増加した層によりＲＦ
電流の増加が可能となり、従ってＲＦ磁場がより大きく
なり且つ関連するＲＦパルスがより短くなる。

【００３５】３）通常伝導性の接続要素は、本質的に、
超伝導要素の上下端部に配された高導電性の２つの円筒
状リングから成る。

【００３６】通常伝導性の接続要素を用いることによ
り、より短い減衰時間となるＲＦ損失が得られる。関連
する感度の損失は、低下したＢ₀均一性を容認する必要
なく、より高い充填比によって補償される。

【００３７】４）超伝導要素及び関連する導電的に又は
容量的に互いに結合された接続要素は、いわゆる「バー
ド・ケージ（鳥籠）」を構成する。

【００３８】「バード・ケージ」共鳴器は、幾何学的構
造として、それ自体当該分野で公知であるが、本発明で
初めて、通常伝導性要素及び超伝導要素を使用して実現
された。「バード・ケージ」共鳴器を形成するための所
要のノウハウは今日まで存在しない。本発明は、初め
て、この共鳴器を形成する方法を開示するものである。

【００３９】「バード・ケージ」共鳴器は、実質的な利
点を有する。該共鳴器は、非常に均一性の高いＲＦ磁場
を生成し、更にカドラチャ（quadrature)検出器とし
て、即ち回転磁場を検出するために最良化し得る検出器
として構成することが出来る。この検出手法は、原子核
によって放射されるＮＭＲ信号が回転磁場を発生するの
で、ＮＭＲ測定において特に有利である。カドラチャ検
出器は、従って、ＮＭＲ信号を受信するのにより適切で
あり、理想的な場合には、従来の検出器の√２倍大きい
Ｓ／Ｎ比を提供する。回転磁場検出器については、以下
に更に説明する。

【００４０】結論として、本発明に係る共鳴器は、好ま
しくは、ハイブリッド技術を用いた「バード・ケージ」
共鳴器であり（即ち、本質的に、通常伝導性要素と超伝
導要素の双方を備えている）、従来技術に相当する感度
を容易に得ることができると共に、その良好なＢ₀均一
性、短い減衰時間及び短いＲＦパルスに関して従来技術
よりも格段に優れている。

【００４１】本発明のその他の利点は下記の説明及び図
面から導き出すことができる。また、本発明の上述した
特徴及び以下に説明する特徴は個別に又は任意の組合せ
で集合的に利用することができる。図示され記述される
実施の形態は網羅された列挙と見なされるべきものでは
なく、むしろ本発明を説明するための例示的特徴を有す
るに過ぎないと見なされるべきものである。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。

【００４３】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る共
鳴器の一実施の形態を示す。共鳴器を囲繞し試料５と支
持ガラス３との間にある熱絶縁体は明瞭に図示していな
い。

【００４４】この絶縁体は、例えば、同軸ガラス管で構
成し得、その中間の空間がシールされ且つ真空にされて
いる。

【００４５】下記に示す共鳴器の寸法は、直径が５ｍｍ
の円筒状の試料用に作られた共鳴器に対しての寸法であ
る。その他の試料の場合は、対応して異なる数値が必要
とされる。超伝導要素１、１ａ、１ｂ乃至１ｆは、共鳴
器の主要な構成要素を成し、Ｈ₀磁場に対して平行に延
びている。これらの要素は、本質的に、幅が約４ｍｍ、
長さが約４５ｍｍ、厚さが約０．５ｍｍの長く狭い結晶
板９から成り、その横断面を図３に示してあり、その外
側には超伝導層８（厚さが略０．５ｍｍ）が蒸着されて
いる。図２は、６倍に拡大した図である。しかし、より
多くの又はより少ないの板を試料に同軸の円筒状面上に
配置してもよい（図１２、図１３（ａ）、及び図１５参
照）。

【００４６】超伝導要素１、１ａ、１ｂ乃至１ｅは、２
つの接続リング２ａ、２ｂ上に着座しており、該接続リ
ング２ａ、２ｂは、良好な金属の導電体（例えば、２０
μｍ厚の銅、アルミ、又は銀の箔）から形成され、支持
ガラス３を囲繞している。超伝導要素は、２つのプレス
装置４ａ、４ｂを介して２つのリング状接続要素２ａ、
２ｂに対してプレスされ、該２つの接続リングを保持す
る役目をも有している。プレス装置４ａ、４ｂは、例え
ばテフロンバンドから成り、超伝導要素１乃至１ｅ上に
巻装されている。超伝導層と２つの接続リングとの間の
隣接面は共鳴器における容量性要素を形成し、該容量性
要素の容量値は結晶板の誘電率により有利に増加する。

【００４７】共鳴器における所望の共鳴モードを支持す
るために、２つの接続リングは、２つの直径方向に対称
の位置（中断溝７ａ、７ｂ）で軸に平行に分割されてい
る。これにより、図２に矢印で示すようにＲＦ電流の予
め定められた依存性が指令される。その結果、ＮＭＲ信
号を共鳴器から結合取り出しする装置を所定の位置に導
入することが出来る。超伝導要素の数を２ｍとすると、
２つの中断溝７ａ、７ｂは、ｍが奇数値の場合、１つの
超伝導要素の中央の下にある（図１４（ａ）参照）。ｍ
が偶数値の場合、溝７ａ、７ｂは、２つの超伝導要素間
の中央にある（図１５参照）。中断溝７ａ、７ｂは、別
の利点を有する。これらは、ｚ勾配を切り替える際に生
じ得る接続リング２ａ、２ｂ中の渦電流を減少させる。

【００４８】円筒状のＲＦシールド６が通常、上述した
構造を囲繞する。このシールドは、共鳴器中に過度に大
きなＲＦ損失が生じないように導電性が良くなければな
らない。シールドは、本質的には、通常伝導性の材料、
例えば、銀で被覆された銅管、又はより良くは、超伝導
体から成る。

【００４９】超伝導要素１、１ａ、１ｂ乃至１ｅと接続
リング２ａ、２ｂ間の接続は、図６に示すように、低磁
化率はんだを用いて行うことが出来る。このために、超
伝導要素の下側面の接続リングと接触する部位のみが金
属（例えば、銅／金属コーテイング１２）で被覆され
る。その後、超伝導要素が接続リング２にはんだ付けさ
れる。

【００５０】超伝導要素を取り付ける別の可能な方法
を、図７に示す。超伝導要素は、超伝導層８を内側にし
て逆さまに取り付けられ、薄い電気絶縁板１３が超伝導
要素と接続リング間に配されて、共鳴器の容量性部分用
の誘電体として作用する。

【００５１】そのようなウエーハは、ＲＦ領域において
非常に低い誘電体損失を有していなければならずプラス
チック（例えば、テフロン化合物）、又はより良くは、
適当な高誘電率（例えば、９．８）を有する薄いセラミ
ックウエーハ（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃）から形成することが
出来る。プレス装置４ａ、４ｂがこれらの要素を装着す
るのに利用される。

【００５２】図１２、１３（ａ）、１４（ａ）、及び１
５に示す超伝導要素１、１ａ、１ｂ乃至１ｍの構成は点
対称を有する。これらの構成は、十分に多い数の超伝導
要素を使用した場合のみに、囲繞された空間内に最良の
均一なＲＦ磁場を生成する。要素の数が少ない、例え
ば、僅か４又は６である場合には、閉塞された空間内の
ＲＦ磁場の均一性は個々の要素を対称的に変位させるこ
とにより向上させることが出来る。これにより、図１３
（ｂ）及び１４（ｂ）に示すように、軸対称が元の点対
称から生まれる。これは、４個の要素を使用したときに
特に顕著である。この場合、図１３（ｂ）に示すヘルム
ホルツ構造が最も良く、図１３（ａ）の点対称構成では
ない。図１４（ｂ）は、６個の超伝導要素を使用した場
合の最良な構成を示す。

【００５３】この最良な構成では、所定の電流分布を行
うのに中断溝７ａ、７ｂはもはや必要でないことを指摘
しておく。共鳴モードとも呼ばれる所望の電流分布が軸
対称から必然的に得られる（図１３（ｂ）及び図１４
（ｂ）参照）。

【００５４】図９（ａ）、９（ｂ）、１０、１１
（ａ）、１１（ｂ）は、共鳴器からＮＭＲ信号を結合取
り出しするために可能な種々の方法を示す。原則として
３つのタイプの結合取り出し方法がある。即ち、容量
法、導電法、及び誘導法である。

【００５５】容量による結合取り出し方法を、図９
（ａ）及び図９（ｂ）に示す。２つの中断溝７ａ、７ｂ
は、共鳴器のＲＦ磁場Ｂ_HFの方向を該２つの中断溝を通
る面に対して直角になるように固定する。２枚の金属箔
１４ａ、１４ｂ（例えば、銅、アルミ、又は銀から成
る）が電気的に絶縁されてプレス装置４ｂ及び２つの中
断溝上に取り付けられる。これらは、箔と超伝導要素間
に作用する結合コンデンサを構成する。共鳴器は電気的
に対称な構造を有するので、容量結合ネットワーク１５
ａ、１５ｂが同様に対称に形成される。ＮＭＲ信号の通
過が、低オーム例えば５０オームの同軸リード１６を介
して行われる。結合ネットワークの対称要件を満足する
ためには、コンデンサ１５ｂをコンデンサ１５ａ、１５
ｃの合計に略等しくしなければならない。同軸リード１
６への結合度合いは、２つのコンデンサ１５ａ、１５ｃ
の比により調節することが出来る。

【００５６】図１０は、導電による結合取り出し方法を
示す。Ｂ_HF磁場の方向に関して対称に配された２つの超
伝導要素１ｂ，１ｃ上にそれぞれ接点が直接設けられ
る。結合取り出しネットワーク１７ａ、１７ｂ、１７ｃ
を容量による結合取り出し方法と同じようにして選択す
ることが出来る。

【００５７】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、誘導に
よる結合取り出し方法を示す。誘導ループ１８が、該ル
ープの領域がＢ_RF磁場の方向に対して直角になるように
共鳴器の側部に配される。ループを変位及び回転させる
ことにより共鳴器への結合を変化させることが出来る。
共鳴器の共鳴周波数は、図示しない追加の手段により調
整する。かかる手段は、例えば、接続リング２ａ、２ｂ
の近傍でプレス装置４ａ上に配された円筒状の金属リン
グであり、該リングを軸方向に変位させ、もって共鳴器
にかかる容量性負荷を変化させて共鳴周波数を調節す
る。

【００５８】上述したように、「バード・ケージ」共鳴
器を回転磁場を検出するためのカドラチャ検出器として
も使用することが出来る。これは、２つの互いに直角な
互いに電気的にデカップリングされた同一形状の取り出
しカプリング１４ｃ、１４ｄ及び１４ｅ、１４ｆ（図１
８参照）を使用する対称的構成により容易に達成するこ
とが出来る。ＮＭＲ磁場がｘｙ面上で回転して、互いに
時間的に９０゜ずれている２つの容量性取り出しカプリ
ング上に２つのＮＭＲ信号を生成する。これら２つのＮ
ＭＲ信号はコンデンサ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ並びに２
０ａ、２０ｂ、２０ｃの作用により変化され５０オーム
インピーダンスに低下した後パワー分割・結合器２２の
ＲＦソケット１６ａ、１６ｂに供給され、そこで２つの
ＮＭＲ信号は加算されて出力ソケット１６に供給され
る。出力ソケットは前置増幅器（図示せず）に接続され
ている。

【００５９】上述したように、２つのＮＭＲ信号は互い
に９０゜位相がシフトされている。２つのＮＭＲ信号の
パワーを十分に利用するために、該２つの信号の位相を
加算しなければならない。そのために、これらの信号の
一方を更に９０゜位相シフトする必要がある。これは、
λ／４コンダクタ２１により行うことが出来る。

【００６０】尚、ＲＦソケット１６ａ、１６ｂにおける
２つのＮＭＲ信号は、回転するＮＭＲ磁場の回転方向に
依って同相であっても逆相であってもよい。逆相の場
合、両信号は互いに完全に相殺し合うので、これは勿論
防止しなければならない。このような場合は、コンデン
サ２０ｃをＢ点に接続すべきであり、Ａ点に接続しては
いけない。

【００６１】このカドラチャ検出により、共鳴器から２
倍の信号パワーの結合取り出しを容易に行うことが出
来、Ｓ／Ｎ比が√２倍向上する。

【００６２】パワー分割・結合器２２は、本質的に、２
つの理想変圧器２３ａ、２３ｂから成り、入力ソケット
１６ｃの送信信号を出力ソケット１６のＮＭＲ信号から
完全にデカップリングすると共に、ソケット１６ａ、１
６ｂでの２つのＮＭＲ信号のパワーを損失なく加算して
出力ソケット１６に送る対称ブリッジ回路を実質的に表
している。尚、ソケット１６ｃで得られる送信パワー
は、容量性ネットワークを介して共鳴器に接続されてい
る２つのソケット１６ａ、１６ｂに均一に且つ損失なく
分配される。理想変圧器は実際に実現可能な回路に換え
る必要がある。ＲＦ用途に適切な回路は、ＲＦコンダク
タ、例えば、リング状のＲＦリード（いわゆるリングコ
ンダクタ）を用いたものである。マインケ／グンドラッ
ヒ著テキスト「ポケット・ハンドブック・オブ・ラヂオ
フリーケンシー・テクノロジー」、チャプタ「パラレル
・スイッチト・コンダクタズ・アンド・リング・コンダ
クタズ」、図１４．７に、かかるリングコンダクタを有
する差動変圧器が記載されている。これを、図１８の理
想回路と直接比較し易いようにして図１９にも示す。リ
ングコンダクタは、本質的に、３つのλ／４コンダクタ
２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、３λ／４コンダクタ２４ｄ
とから成り、全ての４つのコンダクタは、λ／４コンダ
クタ２１及びソケット１６及び１６ｃに接続された２つ
のコンダクタのインピーダンス（例えば、５０オーム）
よりも√２倍大きい共通のインピーダンス（例えば、７
１オーム）を有する。

【００６３】以上の記載では、分離して見たとき、導電
的に接続され、細い帯８ａ、８ｂ、８ｃ、…・に分割さ
れた超伝導要素１、１ａ、１ｂのみを説明した。共鳴器
の容量性部分は超伝導要素の端部に形成され、そこで接
続リング２ａ、２ｂと接触する。これは、しかしなが
ら、必ずしも必要ではなく、図２０（ａ）及び図２０
（ｂ）に示すように、容量性要素を超伝導要素の超伝導
層８内に一体に組み込んでもよい。超伝導要素と接続リ
ング間の上述した容量値はこれによりなくすことが出
来、該２つの要素は互いに導電的に接続されることが出
来る。超伝導層は、例えば、本質的に、互いに組み合っ
た指状に係合して容量結合を成す部分８’、８”で形成
することが出来る。図２０（ａ）は、可能な構造を示
す。電気的な観点から見ると、２つの要素８’、８”は
２つの容量的に結合したインダクタンスである。２つの
要素８’、８”の端部は接続リング２ａ、２ｂに容量的
に接続されている。導電的接続に代えて、容量性接続も
可能であり、その場合、この接続の容量は、好ましくは
指状の容量よりも大きく、又ははるかに大きい。

【００６４】図２０（ｂ）は、２つの超伝導被覆８’、
８”を更に細い帯８ａ、８ｂ、８ｃ、…・に分割して超
伝導体の磁化を低く保つようにした別の方法を示す。

【００６５】全て電気的に直列に接続された複数の指状
のコンデンサを超伝導層上に導入することも可能であ
る。

【００６６】最後に、超伝導材料の干渉的影響について
述べる。超伝導層８は所望のＲＦ電流のみならず静Ｂ₀
磁場中での超伝導体の磁化により生じる直流電流をも導
通する。これにより、超伝導層は、その質量、幾何学的
形状、及び方向に依存して磁場の均一性の著しい低下を
来し得る。従って、下記の５つのポイントに要約する所
定の原則を守らなければならない。下記において電流と
云う記載は、超伝導体の磁化に関連した直流電流であ
る。

【００６７】１）超伝導層は、そのＢ₀磁場の均一性に
対する影響が質量が大きいほど増加するので、出来るだ
け薄くしなければならない。しかし、生じるＲＦ電流が
自由

【００６８】

【外２】の厚さであれば通常十分である。

【００６９】２）超伝導層８は、試料５の位置でのＢ₀
磁場の均一性に対する影響を出来るだけ小さくするため
に、ＮＭＲ磁石のＢ₀磁場に対して出来るだけ平行でな
ければならない。このことを、図４（ａ）、（ｂ）並び
に図５（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ｂ）は、Ｈ₀磁場
に対して平行に向けられ、事実上磁場不均一性を生み出
さない超伝導層８を示す。これに対して、図５（ｂ）に
示すように、超伝導層がＨ₀磁場に対して横方向である
と、強い磁場不均一性が生じる。

【００７０】３）ポイント２が充足されると、次に、Ｈ
₀磁場に磁場不均一性をもたらすのは縦方向に向いた超
伝導層８の端部１０、１１である。この理由により、こ
れらは、試料の活性体積領域から出来るだけ遠くに配置
しなければならない。

【００７１】図４（ｂ）は、上下端部におけるそのよう
な不均一性をしめすが、該不均一性は非常に影響力が弱
い。図１（ａ）は、共鳴器の接続リング２ａ、２ｂ間に
存在する試料５の活性体積領域の判断を容易にするもの
である。接続リング２ａ、２ｂの内側に位置する試料５
の体積領域は含まれない。これは、２つのリングが試料
５にシールド効果を及ぼしてこれらの位置でのＲＦ励起
を防止するからである。図１（ａ）は、超伝導要素１
ｂ、１ｃ及び１ｄの端部が試料５の活性体積領域から非
常に遠くにあることを明瞭に示している。

【００７２】４）ポイント２の要件は実際には正確に満
たすことが出来ない。Ｈ₀磁場に対する超伝導層８の或
る程度の小さい整合ずれを受け入れなければならない。

【００７３】その結果、大きな領域の環状電流が層の４
つの側に沿って生じ、これが試料５の位置での望まない
磁場不均一性をもたらし得る。

【００７４】この効果を弱めるために、超伝導層８は、
磁場Ｈ₀に平行な、出来るだけ多数の個別の互いに分離
された帯８ａ、８ｂ、…・、８ｚに分割されている（図
８（ａ）、８（ｂ）参照）。環状電流は、これにより、
狭い帯内で強制的にショートアウト（short-out）さ
れ、従ってＨ₀磁場の均一性に対しての影響がかなり小
さくなる。

【００７５】５）超伝導層８は理想的に均一な材料から
形成されないので、臨界電流が異なる複数の領域が生じ
る。その結果、超伝導体内における電流路の分配が不均
一となり、その分、試料の位置で磁場勾配が生じ、Ｈ₀
磁場の均一性を悪化させる。これらの干渉的効果も、ポ
イント４で上述した複数の個々の帯に分割することによ
り大きく抑制することが出来る。

【００７６】６）いわゆるシムコイル（shim-coils ）
が高解像ＮＭＲ分光学で使用され、このコイルは、電流
が個々に調節可能である異なるコイル形状を有する。こ
れらのシムコイルは、追加の磁界を発生して、均一なＨ
₀磁場を生成する。追加の磁界は超伝導層８に対して平
行であってはならず、それに対して直角に向けることが
出来る。これにより、これらは、この層において比較的
大きな領域の電流ループを生じ、これが試料の位置での
強い不均一性の原因を成す。ポイント３で上述したよう
に超伝導層を複数の細い帯に分割することによりＨ₀磁
場の均一性に対する影響が格段に小さい、電流強度が減
少した小さい領域の循環電流のみが生じ得るので、この
問題を十分に防止することが出来る。

【００７７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の請求の範
囲第１項の無線周波数（ＲＦ）共鳴器によれば、所望の
共鳴周波数で共鳴可能な閉じた共鳴系を単体でも組み合
わせによっても形成しない少なくとも２つの空間的に離
隔した超伝導要素を備えると共に、通常伝導性の接続要
素が、前記超伝導要素同士を、該超伝導要素が通常伝導
性の接続要素と共に、所望の共鳴周波数で共鳴可能な１
つ又は複数の閉じた共鳴系を形成するように、導電的及
び／又は容量的に結合するように設けられた構成とした
ので、超伝導材料を使用するにも拘わらず、Ｂ₀磁場の
均一性が低下することなく且つＳ／Ｎ比が特に高くなる
と共に、充填比を格段に高くすることを容易に行うこと
ができるＮＭＲ用のＲＦ共鳴器を作り出すことが可能と
なる。特に、平らな超伝導材料を使用するに拘わらず、
格段に高い充填比、非常に良好なＢ₀磁場の均一性、及
び従来技術と同等のＳ／Ｎ比が、高いＲＦパワー及び短
い励起パルスの減衰時間を確保しながら達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明にかかる切開したシールドを
有するＲＦ発生器の一実施の形態の三次元図である。
（ｂ）は、図１（ａ）の実施の形態の上面図である。

【図２】図１（ｂ）の破線部分の拡大図である。

【図３】図２の破線部分の拡大図である。

【図４】（ａ）は、磁場Ｂ₀に平行に向いた超伝導要素
の超伝導層を示す図である。（ｂ）は、図４（ａ）の破
線平面に沿った断面図である。

【図５】（ａ）は、磁場Ｂ₀に垂直に向いた超伝導層を
示す図である。（ｂ）は、図５（ａ）の破線により与え
られた平面に沿った図５（ａ）の層の断面図である。

【図６】接続リングにはんだ付けされた超伝導要素の概
略断面図である。

【図７】電気絶縁リーフを介して接続リングに容量結合
された超伝導要素を示す図である。

【図８】（ａ）は、磁場Ｂ₀に平行な連続する超伝導被
覆を有する超伝導要素の横断面図である。（ｂ）は、超
伝導層を平行な帯に細分した図８（ａ）と同様の図であ
る。

【図９】（ａ）は、信号の容量結合取り出し部（概略的
に示す）を有するＲＦ共鳴器の一実施の形態を示す図で
ある。（ｂ）は、図９（ａ）の実施の形態を上から見た
図である。

【図１０】導電結合取り出し部を有する実施の形態の上
面図である。

【図１１】（ａ）は、誘導結合取り出し部を有する実施
の形態を示す図である。（ｂ）は、図１１（ａ）の実施
の形態を上から見た図である。

【図１２】２つの対称に配された超伝導要素を有するＲ
Ｆ共鳴器を略縦軸の方向（磁場Ｂ₀に平行に）から見た
図である。

【図１３】（ａ）は、点対称に配分された４つの超伝導
要素を有する実施の形態の図１２と同様の図である。
（ｂ）は、４つの超伝導要素を軸対称配分とした図１３
（ａ）と同様の図である。

【図１４】（ａ）は、点対称に配分された６つの超伝導
要素を有する実施の形態の図１２と同様の図である。
（ｂ）は、６つの超伝導要素を軸対称配分とした図１４
（ａ）と同様の図である。

【図１５】点対称に配分された８つの超伝導要素を有す
る実施の形態の図１２と同様の図である。

【図１６】（ａ）は、従来のＲＦ共鳴器を示す図であ
る。（ｂ）は、図１６（ａ）のＲＦ共鳴器を上から見た
概略図である。

【図１７】（ａ）は、ＵＳ５、５８５、７２３に開示さ
れた従来技術のＲＦ共鳴器を示す図である。（ｂ）は、
図１７（ａ）のＲＦ共鳴器を上から見た概略図である。

【図１８】本発明に係る「バード・ケージ」タイプのＲ
Ｆ共鳴器からカドラチャ検出により信号の結合取り出し
を行うための電気回路を示す図である。

【図１９】従来技術（マインケ／グンドラッヒ）による
差動変圧器の電気回路図である。

【図２０】（ａ）は、２つの導電的に分離された容量結
合された超伝導層をしめす図である。（ｂ）は、超伝導
層が細い帯に分割された図２０（ａ）と同様の図であ
る。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ、…、１ｍ超伝導要素２ａ、２ｂ通常伝導性の接続要素５試料８超伝導層９結晶板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置の均一磁場Ｂ
₀内の検査空間中の試料（５）に対して所望の共鳴周波
数で無線周波数（ＲＦ）信号を共鳴送信及び／又は受信
するための無線周波数（ＲＦ）共鳴器であって、超伝導
要素を備える共鳴器において、前記ＲＦ共鳴器が、所望の共鳴周波数で共鳴可能な閉じ
た共鳴系を単体でも組み合わせによっても形成しない少
なくとも２つの空間的に離隔した超伝導要素（１、１
ａ、１ｂ、…、１ｍ）を備えると共に、通常伝導性の接
続要素（２ａ、２ｂ）が、前記超伝導要素（１、１ａ、
…、１ｍ）同士を、該超伝導要素（１、１ａ、…、１
ｍ）が通常伝導性の接続要素と共に、所望の共鳴周波数
で共鳴可能な１つ又は複数の閉じた共鳴系を形成するよ
うに、導電的及び／又は容量的に結合するように設けら
れていることを特徴とする無線周波数共鳴器。
【請求項２】前記超伝導要素（１、１ａ、…、１ｍ）
は、本質的に、超伝導層（８）を有する複数の長手の狭
い板（９）から成り、前記板は、各々磁場Ｂ₀に対して
平行に向けられると共に、軸が磁場Ｂ₀に対して平行で
且つ試料（５）の軸と一致する円筒状ジャケットの周囲
に配分されていることを特徴とする請求項１記載の無線
周波数共鳴器。
【請求項３】前記超伝導層（８）は、出来るだけ多数
の細い帯（８ａ、８ｂ、８ｃ、…）に分割され、該帯の
全てが磁場Ｂ₀に対して平行に向けられていることを特
徴とする請求項２記載の無線周波数共鳴器。
【請求項４】前記超伝導層（８）は、互いに容量結合
された少なくとも２つの領域（８’、８”）に分割され
ていることを請求項２又は３記載の無線周波数共鳴器。
【請求項５】前記超伝導層（８）は、本質的に、高温
超伝導体、例えば、ＹＢＣＯから成ることを特徴とする
請求項２乃至４のいずれか１項記載の無線周波数共鳴
器。
【請求項６】前記板（９）は、本質的に、適当な結晶
構造を有する結晶構造体、例えば、ＬａＡｌＯ₃又はサ
ファイヤから成ることを特徴とする請求項２乃至５のい
ずれか１項記載の無線周波数共鳴器。
【請求項７】前記超伝導要素（１、１ａ、…、１ｍ）
は、高い導電性を有する通常伝導性の金属から成る、好
ましくはリング状の接続要素（２ａ、２ｂ）にその２つ
の軸端部が容量的又は導電的に接続されていることを特
徴とする請求項２乃至６のいずれか１項記載の無線周波
数共鳴器。
【請求項８】前記接続要素（２ａ、２ｂ）は、前記共
鳴器内に所定の電流配分を行うように前記円筒状ジャケ
ットの軸に平行に延びる２つの直径方向に対称な中断溝
（７ａ、７ｂ）を有することを特徴とする請求項７記載
の無線周波数共鳴器。
【請求項９】前記超伝導要素の数が２ｍである構成
において、前記中断溝（７ａ、７ｂ）は、ｍが奇数値の
場合、１つの超伝導要素の中央の下にあり、ｍが偶数値
の場合、２つの隣接する超伝導要素間の中央にあること
を特徴とする請求項８記載の無線周波数共鳴器。
【請求項１０】前記超伝導要素（１、１ａ、…、１
ｍ）と、該超伝導要素に導電的及び／又は容量的に結合
されている前記接続要素（２ａ、２ｂ）は、いわゆる
「バード・ケージ」共鳴器を形成することを特徴とする
請求項１項乃至９項のいずれか１項記載の無線周波数共
鳴器。
【請求項１１】前記「バード・ケージ」共鳴器からの
ＮＭＲ信号の結合取り出しが容量性カプリング（１４
ａ）を介して行われることを特徴とする請求項１０記載
の無線周波数共鳴器。
【請求項１２】前記「バード・ケージ」共鳴器からの
ＮＭＲ信号の結合取り出しが導電性カプリング、好まし
くは前記超伝導層（８）の直接接触を介して行われるこ
とを特徴とする請求項１０記載の無線周波数共鳴器。
【請求項１３】前記「バード・ケージ」共鳴器は、カ
ドラチャ検出を容易にするために２つの互いに直角な取
り出しカプリング（１４ｃ、１４ｄ及び１４ｅ、１４
ｆ）を有することを請求項１０項乃至１２項のいずれか
１項記載の無線周波数共鳴器。