KR100404365B1 - 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵 사중극 공명과 핵 자기공명에서 대상물에서 발생되는 반응신호로부터 공명신호를 대상물의 외부에서 관측함으로써 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치에 관한 것으로서, 전류의 흐름에 의하여 발생되는 자속을 소정거리 이격된 대상물에 조사시키고, 이에 따라 상기 대상물에 포함된 특정물이 공명되는 것을 검출하며, 상기 자속을 집속하여 상기 대상물에 조사하는 뿔 형태의 픽업코일; 및 상기 픽업코일로 상기 전류를 인가하고, 상기 특정물의 공명에 따라서 상기 픽업코일에 야기되는 전류를 입력하여 공명신호를 검출하는 제어회로를 포함함으로써 픽업코일로부터 소정거리 이격되는 대상물의 외부에서 대상물의 원형을 손상시키지 않고 공명신호가 관측되고, 대상물로부터 공명신호가 나타나는 위치를 파악하여 물체 표면의 특정 대상 화합물 또는 특정 원자의 2차원 또는 3차원적인 분포를 알아낼 수 있어서 의료분야에서 보다 저렴한 의료진단장비로 사용될 수 있으며, 핵 사중극 공명의 방법을 이용하면 특정 대상물을 포함하고 있는 매설되거나 숨겨진 폭발물을 검출하는 탐침소자로 사용될 수 있는 장점이 있다.

Description

대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치{Pick-up apparatus for detecting resonance signal at outside of object}

본 발명은 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 핵 사중극 공명(NQR: Nuclear Quadrapole Resonance)과 핵 자기공명(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)에서 대상물로부터 반응되는 신호를 관측함으로써 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 핵 사중극 공명이란, 핵 사중극 모멘트를 가지고 있는 핵 스핀이 1 이상인 원자핵이 그 핵이 놓여있는 곳의 전기장의 기울기(EFG: Electric Field Gradient)와의 상호작용에 의해 핵 사중극 모멘트의 에너지 준위가 갈라지게 되는데, 이러한 에너지 준위 사이에 해당되는 전자기파를 입사시켜 전이를 일으키는 공명 현상이다.

또한, 핵 자기공명이란, 원자핵이 가지고 있는 자기모멘트에 자기장을 가하여 에너지 분리를 만들고, 전자기파를 입사시켜 이 에너지 준위사이에 전이를 일으키는 공명 현상이다.

이와 같은 핵 사중극 공명과 핵 자기공명은 분자구조, 이완효과, 화학반응 등의 연구에 사용되어 왔으며 화학, 물리학 등에서 많이 응용되어왔다. 핵 자기공명은 에너지 분리를 위해 외부에서 수 테슬라(T)의 강한 자기장을 가해야 된다. 그러나, 핵 사중극 공명은 전기장 기울기에 의해서 에너지가 갈라지기 때문에 외부에서 자기장을 가하지 않는다. 따라서, 외부에서 강한 자기장을 가하지 않고도 분리된 에너지 준위 사이에 전이를 관측할 수 있다는 점이 핵 자기공명보다는 유리하다. 그러나, 대상핵의 수가 적다는 점과 대상 화합물의 수가 적다는 점 그리고 신호관측의 어려움이 더 크다는 점에서 핵 자기공명보다 불리하다.

또한, 핵 사중극 공명의 대상핵은 핵 스핀이 1 이상이어야 하고, 대상 화합물은 대상핵 위치에 전기장 기울기가 존재해야 한다. 핵 사중극 공명의 대상핵으로는 핵 스핀이 1인²H,⁶Li,¹⁴N등이 있고, 3/2인⁷Li,⁹Be,¹¹B,²³Na,³⁵Cl,³⁹K,⁶³Cu,⁶⁵Cu 등이 있으며, 2 이상인⁸Li,¹⁰B,²⁰F,²²Na,²⁴Na,²⁵Mg,²⁷Al,³⁶Cl,³⁸K,⁴²K,⁴⁰K,⁴⁴Sc,⁴⁵Sc,⁴⁶Sc,⁴⁷Ti,⁴⁹Ti,⁵¹V,⁵⁵Mn,⁵⁶Mn,⁵⁶Co,⁵⁹Co,⁷²Ga,⁷³Ge,⁸³Kr,⁸⁵Rb,⁸⁷Sr,⁹³Nb,¹¹³In,¹³³Cs,¹³⁴Ca 등이 있다.

이 중 자연 존재비가 상대적으로 작은 핵들을 빼면 실질적으로 핵 사중극 공명의 대상핵이 되는 것은⁷Li,⁹Be,¹¹B,¹⁴N,²³Na,²⁷Al,³⁵Cl,³⁷Cl,³⁹K,⁴⁵Sc,⁵¹V,⁵⁵Mn,⁵⁹Co,⁶³Cu,⁶⁵Cu,⁶⁹Ga,⁸⁵Rb,⁹³Nb,¹¹⁵In,¹³³Cs 등이다. 핵 사중극 공명의 대상 화합물은 이러한 대상핵을 포함하고 있으면서 대상핵 위치에 전기장 기울기가 존재해야한다.

이러한 핵 사중극 공명이나 핵 자기공명은 대상 화합물의 미세구조를 밝혀내는데 사용되어졌는데, 두 경우 모두 대상 화합물을 픽업코일의 내부에 넣고 신호를 관측하였다. 즉, 공명신호를 관측하기 위해서는 1차적으로 측정기기 내부의 축전기, 저항 그리고 픽업코일의 총 임피던스(impedance)와 전자기파의 진동수 사이에 전기 회로적인 공명이 발생되어야 한다.

이와 같이 회로적인 공명을 유지할 수 있는 전자기파의 진동수 영역에 대상핵이 가지는 고유한 공명 진동수가 포함되어야만 공명신호의 관측이 가능하다. 회로적인 공명을 유지하는 전자기파의 진동수 영역을 결정하는 것은 축전기의 용량과 저항 그리고 픽업코일의 인덕턴스이다.

일반적으로 측정기기 내부에 있는 축전기의 용량과 저항은 변화시킬 수가 있는데, 픽업코일의 인덕턴스는 고정된 값을 가진다. 따라서 픽업코일의 인덕턴스가 결정되면 축전기와 저항을 조정하여 회로적인 공명을 일으키고 그러한 공명이 일어나는 전자기파의 진동수 영역 내에서 공명신호가 나오는지를 조사하게 된다. 대상핵이 가지는 공명 진동수가 회로적인 공명이 일어나는 전자기파의 진동수 영역 내에 있다면 핵 자기공명이나 핵 사중극 공명신호가 나타나게 된다.

또한, 핵 사중극 공명이나 핵 자기공명을 측정할 때에 공명신호의 세기는 채우기 인자(filling factor) Q, 전자기파의 진폭, 공명진동수 ν 등에 의해 결정된다. 그 중 Q는 픽업코일 내에 대상시료인 대상물이 채워져 있는 정도를 나타내며, Q가 클수록 공명신호의 세기가 크다. 또한, 공명신호의 선폭은 전자기파에 의한 자기장의 균일성과 대상핵 주위 분자들의 열적 운동에 의해서 결정된다. 여기에다 부가적으로 NQR의 경우에는 대상핵 위치에서 전기장기울기의 균일성 그리고 NMR의 경우에는 대상핵 위치에서 외부자기장의 균일성에 의해서 결정된다.

이 중 픽업코일의 기하학적인 모양에 관련된 것이 전자기파에 의한 자기장의 균일성인데 전자기파에 의한 자기장이 균일할수록 선폭이 작아진다. 즉, 핵 사중극 공명이나 핵 자기공명 측정시 크고 깨끗한 공명신호를 관측하기 위해서는 픽업코일이 대상핵의 공명진동수 근방에서 회로적인 공명이 일어나도록 적절한 인덕턴스를 갖추어야 하고, 채우기 인자 Q가 커야하며 전자기파에 의한 자기장이 균일해야 한다.

이러한 조건을 갖춘 것이 솔레노이드 형태의 코일이다. 솔레노이드 코일은 인덕턴스를 예측하기에도 유리하고, 전자기파에 의한 자기장을 균일하게 하기에 좋으며, 또한 채우기 인자 Q를 크게 하는데도 유리하다.

도 1a와 도 1b는 종래 기술에 따른 솔레노이드를 이용한 핵 사중극 공명과 핵 자기공명의 측정방법을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 공명신호 측정방법은, 핵 사중극 공명이나 핵 자기공명을 측정할 때, 픽업코일로서 솔레노이드 코일(10)을 사용하고, 솔레노이드 코일(10) 안에 대상 화합물(15)을 채워 넣어서 공명신호를 관측하였다.

즉, 도 1a에서 도시된 바와 같이, 핵 사중극 공명방법으로서 솔레노이드 코일(10)에 알에프(RF: Radio Frequency) 펄스로 되는 신호를 인가하고, 인가되는 알에프 펄스신호에 의하여 반응되어서 대상 화합물(15)로부터 출력되는 공명신호를 관측하게 된다.

또한, 도 1b에서 도시된 바와 같이, 핵 자기 공명방법으로서 솔레노이드 코일(10)에 알에프 펄스신호와 외부 자기장을 인가하고, 인가되는 신호와 자기장에 의하여 반응되어서 대상 화합물(15)로부터 출력되는 공명신호를 관측하게 된다.

그러나, 상기의 종래 기술에 따른 공명신호 측정방법은, 핵 사중극 공명이나 핵 자기공명을 측정할 때에 픽업코일인 솔레노이드 안에 시료인 대상화합물을 넣어야만 공명신호의 검출이 가능하다는 문제점이 있다.

즉, 대상 화합물을 그대로 둔 상태에서 대상 화합물로부터 소정거리 이격되는 외부에 픽업코일을 놓고 대상핵의 공명신호를 검출할 수 있어야 한다. 이런 경우 전자기파에 의한 자기장도 픽업코일의 바깥부분에서의 자기장을 이용하므로 자기장의 세기도 작아지고, 자기장의 균일성도 떨어진다. 따라서 공명신호의 세기가 급격히 작아지고 선폭은 넓어지게 되어 공명신호의 관측이 어렵게 된다. 대상 화합물과 픽업코일이 분리되어있으므로 채우기 인자 Q의 의미가 없어졌으며, 픽업코일의 크기에 대한 대상 화합물의 전체적인 부피와 대상 화합물의 배치 그리고 픽업코일과 대상 화합물사이의 간격이 채우기 인자 Q를 대신한다.

또한, 공명신호의 관측은 공명신호의 세기가 크고, 선폭이 작을수록 유리하다. 신호의 세기를 크게 하려면 픽업코일 외부에서 전자기파에 의한 자기장이 커야 하는데, 단순히 전자기파의 진폭을 크게 하면 잡음도 같이 커지게 되므로 효과적이지 못하다. 공명신호의 선폭을 감소시키려면 전자기파에 의한 자기장을 균일하게 해야 하는데, 픽업코일에 의해서 발생된 자기장은 픽업코일의 외부에서 공간적으로 퍼지는 문제점이 있다.

즉, 공명신호를 관측하기 위해서는 선폭을 감소시키는 것보다는 공명신호의 세기가 크게 나오도록 해야 한다. 또한, 공명신호를 관측하기 위해서는 픽업코일이 대상핵의 고유한 공명진동수 근방의 진동수에서 측정기기 내의 축전기와 저항과의 회로적인 공명이 일어나기에 적합한 인덕턴스를 가지고 있어야 한다. 핵 사중극 공명에서는 대상핵과 대상 화합물에 따라 공명진동수가 다르고, 핵 자기공명에서는 대상핵과 외부에서 가하는 자기장의 세기에 따라 공명진동수가 달라지기 때문에 여기에 사용되는 픽업코일은 인덕턴스를 어느 정도 예측하여 제작할 수 있어야 한다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 대상물의 외부에서 공명신호를 효율적으로 검출하기 위하여 원통 또는 원뿔형상으로 코일이 권선되고, 권선된 코일에 흐르는 전류에 의하여 자속을 집속시키는 픽업코일이 구비되며, 픽업코일로부터 발생되는 자속을 소정거리 이격되는 대상물에 조사하여 대상물에서 반응되는 신호를 수신함에 따라서 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치를 제공하고자 하는데 있다.

도 1a와 도 1b는 종래기술에 따른 솔레노이드를 이용한 핵 사중극 공명과 핵 자기공명의 측정방법을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 대상물로부터 공명신호를 검출하는 픽업코일과 대상물을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2의 공명신호 검출방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4는 도 3의 픽업코일의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.도 5는 픽업코일과 대상 화합물 사이의 거리를 변화시키면서 관측한 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄 off-진동 공명신호를 나타낸 도면이다.

도 6는 종래 기술과 본 발명으로 관측한 핵 사중극신호를 비교한 도면이다.

도 7은 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄신호를 푸리에 변환하여 진동수에 대해서 표현한 공명신호를 나타낸 도면이다.

도 8은 여러 진동수에 의하여 대상 화합물 외부에서 측정한 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄신호를 나타낸 도면이다.

도 9는 핵 사중극 공명진동수에서 스핀-에코 방법으로 관측한 공명신호를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 50.. 솔레노이드 코일 15, 24, 51, 53, 55.. 대상 화합물

20, 52, 54.. 픽업코일 22.. 제어회로

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치는, 전류의 흐름에 의하여 발생되는 자속을 소정거리 이격된 대상물에 조사시키고, 이에 따라 상기 대상물에 포함된 특정물이 공명되는 것을 검출하며, 상기 자속을 집속하여 상기 대상물에 조사하는 뿔 형태의 픽업코일; 및 상기 픽업코일로 상기 전류를 인가하고, 상기 특정물의 공명에 따라서 상기 픽업코일에 야기되는 전류를 입력하여 공명신호를 검출하는 제어회로를 제공한다.

이하, 본 발명의 구성 및 동작을 첨부 도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 대상물로부터 공명신호를 검출하는 픽업코일과 대상물을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치는 픽업코일(20)과 제어회로(22)를 포함한다.

상기 픽업코일(20)은 전류의 흐름에 의하여 발생되는 자속을 소정거리 이격된 대상물(24)에 조사시키며, 이에 따라서 대상물(24)에 포함된 특정물이 공명되는것을 코일에 흐르는 전류로서 검출하게 된다.

상기 제어회로(22)는 픽업코일(20)에 전류를 인가하거나 또는 상기 특정물의 공명에 따라서 픽업코일(20)에 야기되는 전류를 입력하여 공명신호를 검출한다.

이때, 일실시예로서 픽업코일(20)은 전자기파에 의한 자기장이 대상물(24)의 소정 위치에 집속되도록 전체적으로 원뿔 모양이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치를 도 3의 공명신호 검출방법을 나타낸 흐름도를 참조하여 설명한다.

먼저, 자속이 집속되도록 코일이 권선되는 픽업코일(20)을 구비한다.(30)

이때, 도 4의 픽업코일의 다양한 실시예를 나타낸 도면에 도시된 여러 가지 방법으로 픽업코일(20)을 권선할 수 있다.

그러면, 제어회로(22)로부터 픽업코일(20)에 소정시간동안 전류를 인가하게 된다.(32)

인가되는 상기 전류에 의하여 픽업코일(20)에서 자속이 발생되면, 이에 따라서 집속되는 자속을 소정거리 이격된 대상물(24)로 조사하게 된다.(34)

이때, 대상물(24) 중에서 특정물이 반응되어 발생되는 신호를 픽업코일(20)을 통하여 검출한다.(36)

즉, 픽업코일(20)은 특정물이 반응되는 신호를 감지하고, 감지된 신호가 제어회로(22)로 입력되어서 공명신호가 검출되며, 이에 따라서 대상물에서 특정물이 존재하는 지를 인식하게 된다.(38)

이때, 자속의 효율적인 조사 또는 효율적인 신호의 검출을 위하여픽업코일(20)에 상하, 전후 또는 좌우로 운동이 인가될 수 있다.

또한, 자기모멘트를 가지고 있는 대상물(24)에 외부 자기장이 가해진 상태에서 픽업코일(20)을 대상물(24)의 면에 수직하게 진동시킴으로써 대상물(24) 내의 자기모멘트에 의한 유도전류를 픽업코일(20)에 유도시킬 수 있으며, 이를 이용하여 대상물(24)의 표면에 따르는 자화의 분포를 조사할 수 있다. 이는 자화의 정도가 다른 분자들의 위치를 표면을 따라서 나타낼 수 있음을 의미한다.

좀 더 상세하게 설명하면, 핵 사중극 공명의 경우 제어회로(22)에서 픽업코일(20)로 전류 예컨대 특정 진동수의 전자기파를 보내면 픽업코일(20)에는 동일한 진동수의 진동자기장이 형성된다. 이러한 진동자기장은 픽업코일(20)의 내부뿐만 아니라 외부에도 형성되는데, 픽업코일(20)의 외부에 형성되는 진동자기장은 대상 화합물 위치로 집속되어 대상핵의 사중극 모멘트들을 세차 운동시킨다.

이러한 세차운동의 진동수와 진동자기장의 진동수가 일치할 때에 픽업코일(20)이 갖는 에너지가 감소하게 되고, 감소된 에너지는 핵의 사중극 모멘트들이 갖게 된다. 전자기파를 보낸 이 후에도 사중극 모멘트들은 세차운동을 계속하여 평형 위치로 돌아오게 되는데, 이 때의 세차운동에 의해서 픽업코일(20)에 유도자기장이 형성되고 유도전류가 발생된다.

이때, 제어회로(22)는 픽업코일(20)에 흐르는 유도전류를 감지하고, 증폭하여 공명신호를 측정하게 된다. 핵 자기공명의 경우에는 전자기파의 진동자기장에 의해서 세차운동을 하는 것이 대상핵의 자기모멘트로 세차운동의 진동수와 픽업코일(20)로 보내진 전자기파의 진동수가 같을 때에 공명신호를 관측할 수 있다.

또한, 대상핵과 대상물인 대상 화합물의 종류에 따라 공명진동수가 다르고 이에 따라서 코일의 인덕턴스도 달라져야 하기 때문에 픽업코일(20)의 전체적인 크기나 감은 수 그리고 구리선의 직경이 대상핵과 대상 화합물에 따라 달라져야 한다.

도 2의 실시예에서는 Cu₂O를 대상 화합물로 하고 대상핵인⁶³Cu와⁶⁵Cu의 핵 사중극 공명신호를 관측하는 것을 나타낸다.

이때, 픽업코일(20)은 일실시예로서 직경이 0.85 mm인 구리선으로 20횟수로 권선되고, 원뿔의 지름이 가장 큰 곳은 25 mm, 가장 작은 부분은 6 mm 그리고 높이는 18 mm가 된다.

상온에서⁶³Cu와⁶⁵Cu의 핵 사중극 공명 진동수는 24∼26 MHz에 해당되는데, 만약 대상핵의 공명진동수가 이보다 낮을 때에는 가는 구리선을 이용해 코일의 권선회수를 더 많게 해야 하고, 공명진동수가 더 높을 때에는 굵은 구리선으로 적게 권선된다.

또한, 실험에 의하면, 픽업코일(20)의 전체적인 모양은 둥그런 원뿔 모양일 때에 공명신호가 가장 잘 관측된다. 그러나, 픽업코일의 전체적인 모양과 크기가 같다하더라도 구리선의 굵기에 따라서 공명신호의 세기가 달라진다. 픽업코일을 만들 때에 같은 크기라면 굵은 선을 사용하는 것이 선과 선 사이로 손실되는 전자기파에 의한 자기장을 줄일 수 있어서 더 큰 세기의 공명신호를 얻을 수 있다.

도 4에서 도시된 바와 같이, 픽업코일(20)의 모양을 타원이나 삼각형, 사각형 또는 오각형 등의 n각형으로 각지게 만들어도 공명신호의 관측이 가능한데, 이 때 n이 작을수록 대상 화합물 위치에서 전자기파에 의한 자기장이 균일하지 못하므로 공명신호의 선폭이 증가하게 되어 공명신호의 관측에 불리하다. 따라서 n이 가장 큰 원형이 가장 바람직한 형태이다.

한편, 핵 자기공명의 경우에는 외부자기장을 대상물에 가해주어야 하는데, 이 때 외부자기장의 방향은 픽업코일(20)의 중심축과 수직해야 한다. 이 경우에는 외부자기장의 세기에 의해서도 공명진동수가 달라지기 때문에 대상핵의 종류와 외부자기장의 세기에 따라 픽업코일(20)의 제작조건은 변경된다.

도 6은 종래 기술과 본 발명으로 관측한 핵 사중극신호를 비교한 도면이다.

즉, 상온에서⁶⁵Cu의 공명진동수(24.0534 MHz)로부터 43.6 kHz 떨어진 24.0970 MHz에서 세 종류의 방법으로 관측한 자유 유도 감쇄 off-진동 공명신호이다. 도 6의 (a)는 솔레노이드 코일(50)에 대상 화합물(51)을 채워넣고 관측한 신호를 나타내고, 도 6의 (b)는 픽업코일(52)의 내부에 대상 화합물(53)을 채워넣고 관측한 신호를 나타내며, 도 6의 (c)는 본 발명에 따라서 픽업코일(54)의 외부에 대상 화합물(55)을 1 mm 거리에 놓고 관측한 신호를 나타낸다.

회로적인 공명을 위해서 측정기기를 조정해야 하기 때문에 도 6의 (a)와 도 6의 (b)에서의 측정 조건이 약간 다르나, 도 6의 (b)와 도 6의 (c)는 동일한 픽업코일(52)(54)을 사용하므로 측정 조건이 거의 같다. 도 6의 (c)는 도 6의 (b)와 단지 공명신호가 가장 크게 나오는 π/2-펄스에 해당되는 펄스를 보내주는 시간만 차이가 난다.

또한, 도 6의 (a)와 도 6의 (b)는 전형적인 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄 off-진동 공명신호를 나타내고, 감쇄 진동 시간이 약 100 μs이다. 도 6의 (b)의 신호의 세기는 도 6의 (a)에 비해 약간 작으며, 감쇄 진동의 주기는 약간 증가하였다. 이러한 감쇄 진동 주기의 증가는 전자기파에 의한 픽업코일 내부의 자기장이 균일하지 못해서 발생된 것으로 푸리에 변환(Fourier Transform)을 하게 되면 선폭이 증가된 모습으로 나타난다.

한편, 도 6의 (c)는 신호의 모양과 감쇄 진동의 주기가 도 6의 (b)와 비슷하나 그 세기가 상대적으로 작기 때문에 신호의 확인이 필요하다. 이를 확인하기 위하여 대상 화합물을 제거하고, 동일한 측정을 하였는데 신호는 관측되지 않았다. 이러한 사실로부터 도 6의 (c)의 신호가 회로의 전기역학적 신호가 아니라 대상 화합물인 Cu₂O 내부에 있는⁶⁵Cu의 NQR 신호임을 알 수 있다.도 5는 픽업코일과 대상 화합물 사이의 거리를 변화시키면서 관측한 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄 off-진동 공명 신호를 나타낸 도면이다.

픽업코일에 가해진 펄스의 진동수는⁶³Cu의 공명진동수(25.9862 MHz)로부터 30 kHz 떨어진 26.0162 MHz이며, 도시된 바와 같이, 상온에서 거리가 1.0 mm일 때의 신호는 off-진동임을 쉽게 확인할 수 있지만, 거리가 증가할수록 신호의 세기가 작아져서 5 mm 이상에서는 신호가 거의 사라지게 된다. 5 mm 이상의 거리에서는 신호를 여러번 더하고 확대해야만 겨우 진동모양을 확인할 수 있다. 이는 전자기파에 의한 자기장이 픽업코일의 외부에서 공간적으로 급격히 발산하기 때문이다.

도 7은 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄신호를 푸리에 변환하여 진동수에 대해서 표현한 공명신호를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이,⁶³Cu의 공명진동수인 25.9862 MHz에서 관측한 두 신호의 공명진동수의 위치가 거의 일치함을 볼 수 있으며, 공명신호의 세기와 선폭에서 차이가 나는 것을 알 수 있다. 공명신호의 세기는 같은 조건이라면 전자기파에 의해 세차운동을 하는 대상핵의 수가 상대적으로 많은 솔레노이드 쪽이 더 클 것이다. 솔레노이드를 사용하는 일반적인 핵 사중극 공명신호의 경우에 전자기파에 의한 자기장이 대상핵 위치에서 거의 균일하고, 본 발명의 픽업코일을 사용할 때는 대상핵 위치에서 균일성이 떨어지므로 공명신호의 선폭이 더 크게 나타나야 한다.

본 발명의 픽업코일로 관측한 공명신호의 반치폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 18.0 kHz로 정상적인 공명신호의 반치폭 14.0 kHz보다 크게 관측되었다. 본 발명의 픽업코일로 관측한 공명신호의 경우에 선폭은 픽업코일과 대상 화합물의 기하학적인 배치와 상대적인 크기에 의해서도 영향을 받는데, 대상 화합물의 크기를 픽업코일에 의해서 집속되는 자기장부분으로 제한한다면 선폭은 감소할 것이다.

또한 시료와 코일의 거리를 가깝게 할수록 선폭은 감소할 것이다. 그림에서 점선은 가우시안 함수로 적합(fitting)을 한 것인데, 공명신호와 가우시안 함수가 거의 일치한다. 이러한 사실로 전체 공명신호 중 픽업코일에 의해 집속되는 자기장 부분의 대상핵으로부터 나온 신호가 지배적임을 알 수 있다.

도 8은 여러 진동수에 의하여 대상 화합물 외부에서 측정한 핵 사중극 공명의 자유 유도 감쇄신호를 나타낸 도면이다.

일실시예로서 픽업코일과 대상 화합물 사이의 거리는 1 mm이고, π/2 펄스로 20 μs를 가했으며, 나오는 신호를 300번씩 더했다. 전자기파의 진동수는⁶⁵Cu의 선폭을 고려하여 신호가 나오는 범위에서 ±0.01 MHz의 간격으로 펄스를 가했으며, 공명진동수 ν를 기준으로 ν±0.02 MHz의 범위인 24.0334∼24.0734 MHz까지 펄스를 가해주었다. 그림에서 진동수에 따른 신호의 모양이 대상 화합물을 채워넣은 솔레노이드로 관측한 공명 진동수 근방의 전형적인 NQR 신호의 모양과 같다.

도 9는 핵 사중극 공명진동수에서 본 발명의 픽업코일로 대상 화합물 외부에서 스핀-에코 방법으로 관측한 공명신호를 나타낸 도면이다.

스핀-에코 방법은 두 개의 펄스를 펄스열 π/2-τ-π로 가해서 π/2-펄스 후 2τ시간에서의 에코신호를 관측하는 방법이다. 상온에서⁶³Cu의 공명진동수인 25.9862 MHz에서 π/2-펄스로 26 μs, π-펄스로는 52 μs를 가했다. 그림은 π/2-펄스와 π-펄스 사이의 시간 τ를 50∼120 μs로 10 μs 간격으로 변화시키면서 관측한 스핀-에코 공명신호이다. 각각의 측정시 반복시간 비율은 2.5 Hz이고, 신호를 300번씩 더했다.

두 번째 펄스인 π-펄스를 보내는 시간이 52 μs로 크기 때문에 펄스 사이의 시간 τ를 50 μs보다 작게 설정하면 공명신호가 π-펄스에 묻혀서 펄스와 공명신호의 구분이 어렵게 되고, τ를 120 μs보다 크게 하면 공명신호의 세기가 작아 잘 보이지 않게 된다.

그림에서 각각의 경우 t=2τ에서 공명신호가 나타나는 것을 볼 수 있는데, τ가 커질수록 공명신호의 세기가 작아진다. τ가 50∼90 μs까지는 공명신호가 잘 보이나, 그 이후에서는 공명신호의 구분이 어려워 확대해야만 공명신호의 확인이 가능하다. τ에 따른 공명신호의 위치와 크기의 변화는 일반적인 핵 사중극 공명의 스핀 에코 공명신호의 변화 모양과 같다. 자유 유도 감쇄신호의 경우와 마찬가지로 대상 화합물을 제거하면 에코 신호는 관측되지 않는다.

도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 종래 방법의 핵 사중극 공명 또는 핵 자기공명신호를 관측하기 위하여 대상화합물을 채취하고, 채취된 대상화합물을 솔레노이드 코일의 내부에 채움으로써 대상화합물의 원형이 손상되는 종래 기술에서의 문제점이 방지되도록 픽업코일에 의하여 소정거리 이격되는 대상화합물의 외부에서 대상화합물의 원형을 손상시키지 않고 공명신호가 관측되는 장점이 있다.

또한, 핵 사중극 공명신호나 핵 자기공명신호를 내는 특정 대상 화합물을 포함하고 있는 임의의 물체에 대해서 자속을 물체의 표면에 조사(scan)함으로써, 대상 화합물의 공명신호가 나타나는 위치와 신호의 크기가 파악되어서 물체 표면의 특정 대상 화합물의 2차원 또는 3차원적인 분포를 알아낼 수 있는 장점이 있다.

또, MRI는 환자의 위치 변환 없이 원하는 방향에 따라 횡단면(axial), 시상면(sagittal), 관상면(coronal) 또는 사위(oblique) 촬영이 가능한데, 본 발명에 의하여 특정한 피부 부위의 질환을 상세히 영상화하기 위해서 특정 피부 부위에 발생된 피부 질환을 가지고 있는 피부를 2차원 영상 또는 3차원 영상으로 표현할 수 있다. 또한, 특정 피부질환을 알아낼 수 있는 특정물에 대하여 핵 사중극 공명을 이용하면 외부자기장을 가하지 않아도 되기 때문에 피부질환을 다루는 의료분야에서 보다 저렴한 가격의 의료진단 장비로 사용될 수 있는 장점이 있다.

또, 본 발명의 픽업코일을 탐침 소자로써 이용하고, 외부에서 자기장을 가한 후 특정 진동수의 전자기파를 가해 위치에 따른 핵 자기공명신호와 크기를 관측하면, 특정 진동수에 반응하는 대상핵의 위치를 2차원 또는 3차원적으로 표현할 수 있다. 즉, 핵 자기공명의 기법을 이용해 물체 표면에 분포하는 특정 대상핵을 갖고있는 원자의 위치를 원자 단위의 위치로 2차원 또는 3차원적으로 표현되는 STM(Scanning Tunneling Microscope)형태의 검출소자로 활용할 수 있는 장점이 있다.

또, 종래 기술에서 폭발물 검출기는 공항 등의 고정적인 장소에서 사용하기에 적합하지만, 대지에 매설되어 있거나 또는 숨겨져있는 폭발물을 이동하면서 탐색하는 경우에 사용할 수가 없는 문제점을 가지고 있다. 그러나, 본 발명에 의하면, 핵 사중극 공명에서 특정 대상 화합물을 포함하고 있는 폭발물의 검출이 가능하게 되기 때문에 이동하면서 대지에 매설되어 있거나 또는 숨겨져있는 폭발물을 탐색할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

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3. 전류의 흐름에 의하여 발생되는 자속을 소정거리 이격된 대상물에 조사시키고, 이에 따라 상기 대상물에 포함된 특정물이 공명되는 것을 검출하며, 상기 자속을 집속하여 상기 대상물에 조사하는 뿔 형태의 픽업코일; 및

   상기 픽업코일로 상기 전류를 인가하고, 상기 특정물의 공명에 따라서 상기 픽업코일에 야기되는 전류를 입력하여 공명신호를 검출하는 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 픽업코일은 원뿔 형태인 것을 특징으로 하는 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 픽업코일은 다각뿔 형태인 것을 특징으로 하는 대상물의 외부에서 공명신호를 검출하는 픽업장치.
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