(57)【要約】      （修正有）【課題】使用する半導体構成要素の歪みのない特性を、非常に強い磁場及び低い動作温度において保証できるＭＲ装置の磁界中の電気回路を提供する。【解決手段】電気回路は、ｚ軸上でｚ＝０のまわりに配設された作業範囲においてｚ軸の方向に磁界を生成するための、好ましくは超伝導磁石をもつＭＲ（＝「磁気共鳴」）分光法又は断層撮影法用の装置で使用するための１つ又は複数の半導体構成要素１０を備える。電気回路は、ＭＲ装置において、極低温ＭＲ受信器及び／又はＭＲ送信器デバイスの一部として、１００Ｋ未満の動作温度で少なくとも１Ｔの磁場Ｂ０中に配設される。半導体接合部の電荷キャリアの運動の平均方向が磁場Ｂ０の力線に本質的に平行であるように電気回路の半導体構成要素のうちの少なくとも１つに少なくとも１つの半導体接合部が配設され、対応する半導体構成要素が、良好な熱伝導の性質をもつ材料で製作される基板１２上に直接配設される。【選択図】図１
2014111116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｚ軸上でｚ＝０のまわりに配設された作業範囲においてｚ軸の方向に磁界を生成するための、好ましくは超伝導磁石（２０）をもつＭＲ（＝「磁気共鳴」）分光法又は断層撮影法用の装置で使用するための１つ又は複数の半導体構成要素（１０）を備える電気回路であって、
前記電気回路は、前記ＭＲ装置において、極低温ＭＲ受信器（２９）及び／又はＭＲ送信器デバイス（２４）の一部として、１００Ｋ未満の動作温度で、少なくとも１Ｔの磁場Ｂ０中に配設され、
半導体接合部の電荷キャリアの運動の平均方向が前記磁場Ｂ０の力線に本質的に平行であるように前記電気回路の前記半導体構成要素（１０）のうちの少なくとも１つに少なくとも１つの半導体接合部が配設され、前記対応する半導体構成要素（１０）が、良好な熱伝導の性質をもつ材料で製作される基板（１２）上に直接配設されることを特徴とする電気回路。
【請求項２】
前記電荷キャリアの前記運動の方向が磁力線に本質的に平行であるように前記電気回路の前記半導体構成要素（１０）におけるすべての半導体接合部が向きを定められることを特徴とする請求項１に記載の電気回路。
【請求項３】
前記基板（１２）は導電性基板材料製であり、前記電気回路の前記半導体構成要素（１０）が前記基板（１２）に熱伝導的に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気回路。
【請求項４】
前記基板材料は、銅、銀、及び／又はアルミニウムを含むことを特徴とする請求項３に記載の電気回路。
【請求項５】
前記基板（１２）は電気絶縁材料製であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気回路。
【請求項６】
前記基板材料は、セラミック酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ベリリウム、及び／又は酸化ケイ素を含むことを特徴とする請求項５に記載の電気回路。
【請求項７】
前記電気回路は真空中に配設されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項８】
前記基板（１２）は、ヒートシンクに高度に熱伝導的に接続されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項９】
使用されるすべての材料は非磁化可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１０】
ＲＦ（＝「高周波」）スイッチングダイオード、ＲＦリミッタダイオード、及び／又はバラクタダイオードが半導体構成要素（１０）として設けられることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１１】
能動要素、特に、ＦＥＴ及び／又はバイポーラトランジスタが半導体構成要素（１０）として設けられることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１２】
前記半導体構成要素（１０）の初期材料が、ＧａＡｓ及び／又はＧａＮ及び／又はシリコン及び／又はゲルマニウム及び／又はＳｉＧｅを含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気回路。
【請求項１３】
前記電気回路はＭＲ信号を増幅するために使用されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気回路を動作させる方法。
【請求項１４】
前記電気回路は、ＭＲ受信器コイル（２５）を同調及び／又は整合させるために使用されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気回路を動作させる方法。
【請求項１５】
前記電気回路は、ＭＲ送信器コイル（２４）によって前記ＭＲ受信器コイル（２５）に誘導された電流を低減し且つ／又は送信中に前記ＭＲ受信器コイル（２５）を送信に切り替えるために使用されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気回路を動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｚ軸上でｚ＝０のまわりに配設された作業範囲においてｚ軸の方向に磁界を生成するための、好ましくは超伝導磁石コイルシステムをもつＭＲ（＝「磁気共鳴」）分光法又は断層撮影法用の装置で使用するための１つ又は複数の半導体構成要素備える電気回路に関し、電気回路は、ＭＲ装置において、極低温ＭＲ受信器及び／又はＭＲ送信器デバイスの一部として、１００Ｋ未満の動作温度で、少なくとも１Ｔの磁場Ｂ０中に配設される。
【０００２】
そのような構成は、ウオジック  ジェイ、ネステルク  ケー、カメル  エム  アール、イップ  エフ、シュエ  エル、ライト  エー  シー、ウェールリ  エフ  ダブリュー、遠位脛骨の小柱骨のμ−ＭＲＩのための低温バラクタ同調４要素アレイ及びクライオスタット、プロシーディング  オブ  インターナショナル  ソサエティ  オブ  マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  １６（２００８）（非特許文献１１［１１］）から知られている。
【背景技術】
【０００３】
ＮＭＲ（＝核磁気共鳴）、特に、ＭＲＩ（＝核磁気共鳴イメージング）では、極低温冷却受信器システムを使用して、高周波信号の受信の感度を増強することができる。冷却コイル構成がこの目的のために使用される。
【０００４】
ＭＲＩ用のそのようなコイル構成が図２に示されている。磁場Ｂ０を伴う磁石２０がデュアー２１中に配置される。シム及び勾配システム２２と、送信器及び受信器デバイスとが、磁石２０の室温ボア２３中に配置される。図示の例では、これは、この場合、励起高周波場Ｂ１を生成するボリュームコイルとして実現される送信器コイル２４と受信器コイル２５とからなる。ボリュームコイルは、文献ではボリューム共振器としばしば称される。受信器コイル２５は、有利には、表面コイルとして実装される。送信器コイル２４は、普通室温であるが、冷却することもできる。
【０００５】
低温受信器デバイス２９は、関連する電気回路２８と共に受信器コイル２５を含み、電気回路２８は、同調／整合／離調回路２６と、有利にはやはり冷却された前置増幅器２７とを含む。「同調／整合」回路は、動作周波数（ＮＭＲ共振周波数）において受信器コイルのインピーダンスを前置増幅器に適合させる回路であることが理解される。これは、最適の信号対雑音比を達成するのに必要であり、しかも一般的手法である。回路の同調及び整合機能は、多くの場合別々に扱われる。「離調」回路は以下で詳細に説明する。
【０００６】
低温受信器デバイス２９の冷却は、様々な方法で、例えば、冷却器３０を使用する閉じた低温回路によって、又は受信器コイル２５と電気回路２８の少なくとも一部を液体窒素に浸漬することによって達成され得る。冷却受信器コイル２５は、普通は室温の状態にある試料３１のすぐ近くに配設される。図示の例では、送信器コイル２４は送信器ＴＸで制御されて、励起場Ｂ１を生成する。前置増幅器２７からの信号は受信器ＲＸに送られ、受信器ＲＸはその信号を最終的にデジタル化する。送信器ＴＸ及び受信器ＲＸは、動作のための残りの構成要素を含むＭＲ電子機器３２に接続される。
【０００７】
上述の例では、１つの受信器コイル２５のみが示されている。最新のＭＲＩシステムでは、通常、１つではなく多数の並列に動作される受信器コイルが配備される（「受信専用コイルアレイ」）（非特許文献１［１］及び２［２］）。次に、これらの各々は、関連する電気回路（２８）と、下流に接続されている対応する受信器ＲＸに接続される。多数の受信器コイルの信号は、さらに、まず組み合わされ、次に一緒に受信器に送られ得る。
【０００８】
さらに、受信器コイルのうちの１又は複数を送信のためにも使用する構成が考えられる（しかも高解像度ＮＭＲでは普通の手法）。このために、電子切替要素（ＴＸ／ＲＸスイッチ）が受信器コイル２５と前置増幅器２７との間の好適な場所で接続され、これにより、送信の間受信器コイルを送信ＴＸに切り替えることができる。そのような構成は、ＭＲＩ、さらにＮＭＲ（図示せず）の異なる周波数（原子核）用に、ＴＸ／ＲＸ単一コイル、ＴＸ／ＲＸアレイ、及びさらにＴＸ／ＲＸコイルの組合せの形態で使用することができる。そのような構成では、切替要素は、有利には、さらに、前置増幅器の上流の損失を最小に保つために、室温ボア２３の内部の磁場Ｂ０中で動作されるべきである。
【０００９】
適用要件
極低温冷却受信器システムによるそのような構成の目的は、できる限り大きい信号対雑音比を、しかしシステムの他の特性に対する悪影響又は制限ができる限り小さいまま達成することである。以下、応用例が満たさなければならない最も重要な点のリストを示す。
【００１０】
１．受信器コイル自体の雑音を最小にするために、受信器コイルは冷却され、高導電性金属又は超電導材料で製作される。
【００１１】
２．加えて、下流に接続される電気回路２８の追加の雑音が確実に最小化されなければならない。
【００１２】
３．ＭＲＩシステムの場合には、さらなる要件がある。受信器コイルは、送信器コイルから十分に切り離されなければならず、不均一励起に起因するアーティファクトを避けるために、送信器コイルの送信Ｂ１、したがって試料の領域の励起が、受信器コイル（受信中に送信器コイルと同じＮＭＲ共振周波数に同調される）の存在によって影響を受けてはならないからである。また、受信器コイルの送信器コイルのＢ１場との相互作用が受信器コイル自体又は他の構成要素の損傷若しくは破壊をもたらしてはならない。先行技術によれば、切離しは送信の間受信器コイルを非作動にすることによって達成することができる。
【００１３】
この非作動化は、単一コイルの場合、特にアレイの場合の両方において、一般的な構成でかつ受信器コイルの任意の方位（試料、ひいては、さらに送信器コイルに対する）による測定結果を最適化する幾何学的配置に対して必要である。すべての受信器コイルの閉じた表面が送信器コイルのＢ１磁場に正確に平行に向きを定められている個々の受信器コイル又は受信器コイル構成の場合にのみ、そのような相互作用は最小化することができ（「幾何学的デカップリング」）、そのとき、受信器コイルにおけるＢ１に由来する磁束が０で電圧は誘起されず、もって、誘起電流が受信器コイルに流れ得ないからである。しかしながら、多数の受信器コイルのもう少し一般的な構成では、送信器コイルのＢ１場と結合する受信器コイルが常に存在する。最新のデバイスでは、特に、いわゆる直角位相送信器コイルが使用される。（コイルはＢ１回転場を生成し、Ｂ１ベクトルはＢ０場によって与えられる軸のまわりにＮＭＲ周波数で回転する。これは、直線偏波化され且つＢ０磁場に垂直である２つのＢ１場成分の９０度位相シフト重なりに対応する。）この回転場（すなわち、直線Ｂ１成分の少なくとも一方）は、一般に、各受信器コイルに結合する。この場合、すべての受信器コイルを送信器コイルから幾何学的なデカップリングはもはやできない。
【００１４】
４．極低温受信器デバイスは、例えば、試料の近傍のＢ０場外乱の形態で、磁化可能材料、特に、受信器コイル自体によって、又は電気回路の電子構成要素によって引き起こされるさらなる不自然な結果もまた生成してはならない。磁化可能材料は、ここでは、１０−３体積磁化率ＭＫＳを超える高磁化率を示すもの、特に、鉄、ニッケル、及びコバルトのような強磁性体を意味する。
【００１５】
実施のための要件
以下、特定の実施で達成されるべき最も重要な態様を説明する。
【００１６】
１．熱雑音を減少させ且つＲＦ抵抗を減少させることができる冷却受信器コイルによるここで考察している手法では、この技術より、下流の電気回路も極低温冷却してさらなるの雑音を最小化すると有利である。特に、極低温受信器コイルの場合には、前置増幅器も冷却されるべきである。そのとき、ケーブルの損失を最小化するために前置増幅器が受信器コイルにできる限り接近していると有利である。
【００１７】
２．冷却システムは、すべての冷却構成要素（受信器コイル、ケーブル、電気回路）を意図する温度に保持し、いかなる外乱又は他の不安定性も引き起こすことなくこれを行うことができなければならない。
【００１８】
３．使用する材料及び構成要素は磁化可能であってはならず、かなり不自然な測定結果又は信号消去さえもたらすことがある試料中の静的Ｂ０磁場の外乱を引き起こしてはならない。
【００１９】
４．上述の送信器コイルからの受信器コイルの切離しを保証するには、送信中に受信器コイルを非作動にさせるために追加の機能が必要とされる。（これは、実際には、誘起電流が受信器コイルを通って流れないようにコイル回路を効果的に開離／遮断することによって達成される（非特許文献１［１］）。この動作は、文献ではしばしば「離調」と称される。）このように受信器コイルを非作動にするには追加の電子機器が必要とされる。追加の電子機器は、ＲＦ損失及び関連するさらなる雑音を最小にするために受信器コイルに非常に接近しているべきである。なぜならば、共振コイル電流全体が受信中にこの回路を通って、また関連する接続ケーブルを通って受信器コイルに流れるので、この回路がある意味では受信器コイルの一部であるからである。
【００２０】
５．上記で述べた要件は、コイルのすぐ近傍に、ひいては、磁場中に、大信号耐冷却電子機器が必要とする（ｋＷ範囲にある送信器コイルの一般的に高い電力に耐えるために）。
【００２１】
半導体効果
極低温冷却ＮＭＲ／ＭＲＩシステムにおいて、強磁場中の半導体は低温且つ良好な冷却により動作されるべきであり、構成要素が磁化可能であってはならない。これらの半導体構成要素は、例えば、ＲＦスイッチング（ＰＩＮ）、ＲＦリミッタ、及びバラクタダイオード、又は電界効果トランジスタのような能動要素である。これらはすべて異なる半導体技術で実現することができる。
【００２２】
最も簡単な場合が図３に示されている。これは、負及び正ドープ領域（ｎ，ｐ）をもつ平面構造ダイオードである。電位がアノード４０とカソード４１との間に印加されると、電子（ｅ−）はカソードからアノードに移動する。印加電位の極性が反転する場合、接合部（ｗ）が増大し、電流は流れなくなる。
【００２３】
図４は、半導体材料（Ｎ）を用いたフィンガ構造をもつ接合電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を示す。ドレイン４２からソース４４への電荷キャリア（ｅ＋）の流れ４５は、ゲート４３の電位によって制御される。
【００２４】
上記で述べた必須の制約条件下で半導体を動作させようとすると、いくつかの問題がもたらされる。
【００２５】
１．磁場の偏向：電荷キャリアの移動が、移動の方向に応じて磁場中で偏向されるという問題が生じる。これにより、半導体の特性（利得、順方向電圧など）の歪みをもたらし、半導体を役に立たなくする可能性すらある。Ｂ場の異なる方向があり得る。
【００２６】
図４の例では、Ｅ場は、ドレイン４２とソース４４との間に印加される電圧によってｘ方向に向きを定められる。電界は、電荷ｑをもつ電荷キャリア（ｅ＋）（図４では正孔として示されている）にｘ方向の力を加え、これにより、半導体の移動度（μ）［３］に応じたｘ方向の電流がもたらされる。Ｂ場が印加されると、他のローレンツ力（Ｆ＝ｑ・ｖ×Ｂ）が加えられ、ここで、ｖは電荷キャリアの速さである（Ｆ、ｖ、及びＢは、この場合、ベクトルであり、「×」符号は外積である）。この力は、Ｂの方位に応じて異なることがある。
【００２７】
ａ）Ｂがｘ方向にのみある場合、外積はｖ×Ｂ＝０であるので、さらなる効果は生じない。
【００２８】
ｂ）Ｂがｚ方向にある場合、ローレンツ力はｘｙ面で作用する。
【００２９】
図５はｘｙ面を示す。図は、−１Ｖ／μｍのｘ方向に印加されたＥ場と−１０Ｔのｚ方向のＢ場との場合の衝突なしの電荷キャリアの移動を示す。電荷キャリアの質量に関して、有効質量０．４５・ｍｅをもつＧａＡｓの正孔が仮定された（ｍｅは電子質量を示す）。電荷キャリアは原点にあり、時間０で静止している。均一なＥ及びＢ場における電荷キャリアの移動の一般解は、方向Ｅ×Ｂに由来する重ね合わせドリフト移動によるサイクロトロン移動によって与えられる。所与の初期条件下で、粒子は、当初、ｘ方向に移動する。速さが増加すると共に、ローレンツ力も次第に効果を現し、湾曲経路で粒子を偏向させ、粒子はｘ軸の零点に戻り、粒子は方向を転じ、移動は再び初めから同様に始まる。磁場の増加と共に、経路の湾曲はより顕著になり、そのときパターンは空間次元ｘ及びｙの両方で縮小される。
【００３０】
しかしながら、この際、この移動は最初の衝突までしか当てはまらない。衝突なしでは、全体的な移動はｙ方向のみにあり、ドレインからソースまでの距離が、ある値（図５では、これはほぼ５０ｎｍになる）未満でないならば、電流はドレインからソースに流れない。しかし、移動は、普通、半導体中の衝突によって遅くなるので、電荷キャリアは外乱なしに原点からある距離しか離れることができない。衝突の後、手順は、常に、同じ初期条件下で再び初めから始まる。これは、衝突の頻度と磁場の強度とに応じて、ｘ方向（頻繁な衝突又は弱い磁場）とｙ方向（わずかの衝突又は強い磁場）との間でありうる平均移動をもたらす。衝突の頻度を表わす別の方法は移動度（μ）であり、これは、μ＝ｑ・Ｔｃ／ｍｅのように計算され、ここで、Ｔｃは次の衝突までの平均自由時間であり、ｍｅは有効電荷キャリア質量である。
【００３１】
次に、Ｅ場方向からの移動の平均方向の偏移の角度が、異なる移動度μに対して磁場の関数として図６に示され、本図では、図示のために、Ｔｃは統計的に分布するのではなく一定として計算に含まれている。
【００３２】
角度が小さい（例えば、２０度未満）ならば、経路は著しくは変化せず、半導体の性質も変化しない。角度が増加するにつれて、移動することになる距離は９０度の極端な場合まで増加し、９０度では距離は無限になる。これは、ドレインとソースとの間にますます大きい抵抗をもたらす。３００Ｋ及び１Ｔの磁場強度でのＧａＡｓ（ガリウムヒ素）に該当するμ＝１ｍ２／（Ｖｓ）の典型的な移動度の場合、電荷キャリアは、Ｅ場方向に対して平均で約２０度だけ偏向される。低温では、ＧａＡｓの移動度は非常に大きい（例えば、７７Ｋでμ＝５ｍ２／（Ｖｓ））。さらなるデータが、シリコンについて非特許文献４［４］に提供されている。偏向は、この場合、既にほとんど８０度であり、この時点で、電荷キャリアはドレインからソースにほとんど到達せず、半導体はもはや機能しない。上述の考察は、ｚ方向よりもｙ方向においてかなり大きい半導体の形状寸法に該当し、これは、通常、やはり、最新の電界効果トランジスタの場合である。
【００３３】
ｃ）Ｂがｙ方向である場合、力は電荷キャリアにｚ方向で作用する。これは、電荷キャリアを、ｘ方向の通常の移動に加えてｚ方向に偏向する。電界効果トランジスタの厚さ（ｚ方向）は非常に小さいので、導電性領域の境界での電荷キャリアのドリフト移動は停止され、電気的に反対の場（ホール場（非特許文献４［４］））が増大し、電気的に反対の場は、ｚ方向のＥ場（ゲート−ソース電圧によって引き起こされる）に重畳され、したがって、デバイス特性の変化をもたらす。複雑な形状のために、この効果は正確に定量化することができない。
【００３４】
ｂ）及びｃ）で説明した不利な効果は、一般に、１Ｔ以上の磁界強度Ｂ０で生じ、一般的な条件に応じて、本発明の方策が、１．５Ｔ、３Ｔ以上の場ではますます必要になる。７Ｔ以上の非常に高い場強度では、本発明の方策は事実上不可欠である。
【００３５】
２．凍結：加えて、低温では、電荷キャリアは次第に凍結し、電荷キャリアの濃度は減少し、それにより、さらに電気抵抗の増加がもたらされる。２つの効果１及び２は互いに強め合い、以下の影響を有することがある。電界効果トランジスタの場合には、チャネルの導電率が、事実上、０まで減少し、それにより、素子はもはや使用できないことがある。ダイオードの場合には、導電率はやはり減少し、順方向電圧が所与の電流に対して増加し、その結果、極端な場合には、ダイオードは完全に絶縁になる。
【００３６】
３．放散：用途に応じて、放散が電子構成要素に生じ、出力を除去することができない場合、構成要素を強力に加熱する。これにより、低温動作での冷却を完全に妨げるか、又はパルスモードでは構成要素をパルス的に加熱することがある。例えば、ＦＥＴは、背景雑音を減少させるために冷却されるべきである。動作点での零入力電流に起因して、多くの電力が既に消費されていることがあるので、ＦＥＴを十分に冷却することができず、したがって、雑音が過度に大きい。
【００３７】
４．冷却：高出力密度をもつ半導体構成要素は十分に冷却されなければならず、冷却は多くの場合液体窒素で達成される。これは、さらなる設計方策がなくても局所的にある程度まで熱出力を放散することができるという利点を有する。しかしながら、望ましくない副作用として、泡を伴う沸騰が、ある一定の出力密度より上で生じる。これにより、すべての電気構成要素のすぐ近傍では、密度の変動、ひいては誘電定数の変動に起因する信号の変調をもたらす。これにより、多くの場合、非常に強力な確率的位相変調をもたらし、これは、測定データに不自然な結果を引き起こす。
【００３８】
従来技術、全体的な構成
従来技術ではほんのわずかの公表された記事しかない。ほとんどの極低温冷却受信システムは以下の３つの範疇に分類することができる（ＴＸは送信を意味し、ＲＸは受信を意味する）。
【００３９】
ａ）両方の機能のために同じコイルを用いるＴＸ／ＲＸ。この構成は、コイルの近傍にいかなる電子機器も必要とせず、この多くの変形が文献に公表されている。
【００４０】
ＮＭＲ用途のために、構成が非特許文献５［５］で公表された。これは、送信及び受信のための冷却ボリュームコイルを含む。関連する電気回路は、磁石の外側に配置される。
【００４１】
非特許文献６［６］は、ＬＮ２中で冷却され、ＲＸ／ＴＸモードで動作される、ＨＴＳ表面コイルによるＭＲＩ用構成を開示している。
【００４２】
非特許文献７［７］はさらなる洗練された変形を開示しており、これはヘルムホルツ構成により疑似均一ボリューム場を生成する。この構成もＲＸ／ＴＸモードで動作される。２つの構成のどちらもいかなる冷却電子機器も有していない。
【００４３】
ｂ）受信器コイルによるＲＸ専用（受信のみ）、この場合、これは、送信器コイル（ボリュームコイル又は共振器）から幾何学的に切り離される（図２に示されているように、ただし、Ｂ１は受信器コイルのコイル表面に平行である）。
【００４４】
そのような構成もまた、それ自体、受信器コイルのすぐ近傍にいかなる電子機器も必要としない。しかしながら、実際には、送信器コイルと受信器コイルとの間の結合を十分に減少させることができないので、残りの結合はさらなる方策を必要とする。このタイプの非常に簡単な基本構成が非特許文献８［８］に記載されている。冷却電子機器の機能は、送信器コイルと比べると、２つの交差ダイオードによって行われる受信器コイルの結合を純粋に受動的に低減することに制限される。しかしながら、これは、高電力（ハードパルス）でのみ十分に働き、ＮＭＲ及びＭＲＩ（「整形パルス」）で多くの場合使用されるようなより低い電力では、ダイオードはもはや効果がない。この構成では、ダイオードは液体Ｎ２浴槽中で明らかに直接冷却される。残りの電子機器は冷却されない。
【００４５】
さらに開発された構成が非特許文献９［９］で公表された。これは、はるかに大規模な電気回路を含む。この低温構成による結果が公表されており、この結果は、送信器コイルに対して適切に向きを定められた場合に中程度の要件しか課していない。前置増幅器は、やはり、この構成では冷却されていない。
【００４６】
特許文献１［１０］では、液体Ｎ２中の平面アレイ構成が公表された。送信器コイルからの幾何学的な切離しを可能にするこの平面の構成は、電気回路に中程度の要件しか課していない。一方で、これは、用途の範囲を強く制限する。電子構成要素の方位に関して何も開示されていない。
【００４７】
ｃ）送信器コイルに対する受信器コイルの任意の方位の構成が非特許文献１０［１１］で公表された。冷却することができる電気回路が、コイルのすぐ近傍に、ひいては磁場中に配置される。電子構成要素（半導体の接合部）が向きを定められているか否か、又はどのように向きを定められているかは明らかでない。前置増幅器は冷却構成の一部ではく、感度の損失をもたらす。この構成は低温動作用に準備されている。しかし、非作動化のために電気回路をコイルのすぐ近傍に必要とする２要素アレイによる公表されている測定値は、室温で記録されたものである。その上、液体窒素による所期の冷却により、上述の信号変調、したがって測定値に不自然な結果がもたらされる。
【００４８】
要約すると、文献はいくつかの初期の可能性のあるデバイスを含んでいるが、これらの機能は制限つきでしか実証されていない。特に、受信器アレイで使用することができる受信器コイルの一般的な構成のデバイスは存在していない。コイルの一般的な構成で必要であり、すべての要件を満たす電子機器を実現することにこれまで明らかに成功していない。
【００４９】
従来技術、電子機器の構成
そのような既知の構成が図７及び図８に概略で示されている。プリント回路基板７０、７０’は、液体窒素７３中に直接載置されるか、又は液体窒素中にあるヒートシンク７４に取り付けられる。半導体構成要素７２、７２’は、標準プラスチックハウジング７１、７１’中にある。磁場Ｂ０に対する半導体接合部の垂直方位は、多くの場合、そのような設計では制御することができない。
【００５０】
市販構成要素を用いて回路を構築する明白な解決策は、多くの場合、ハウジングで使用される強磁性体（Ｋｏｖａｒ）材料のために失敗する。ハウジングは、普通、ヒートシンクに取り付けられるので、市販構成要素の熱放散もまた最適でない。しかしながら、これにより、ＲＦ信号との対立をもたらし、ＲＦ信号は多くの場合電気的に絶縁された方法で伝達されなければならない。
【００５１】
１．プラスチックで製作されたハウジング
これは、低温での熱伝達には全く役立たない。送信は金属コネクタピンを介してのみ行われ、けれども、金属コネクタピンは、一般に電位を有し、それ故に金属ヒートシンクに直接取り付けることができない。プラスチックの熱伝導率は低温では非常に低く、したがって不適当である（非特許文献１１［１２］）。
【００５２】
２．セラミックス及び金属で製作されたハウジング
セラミックスで製作されたハウジングでは、より良好な熱接続が、通常、可能である。しかし、セラミックハウジングは、多くの場合、Ｋｏｖａｒで製作された構成要素を有し、Ｋｏｖａｒは制御できない場の歪みをもたらし、磁場を半導体のすぐ近傍に集中させることさえある。金属ハウジングでは、ニッケル層が、多くの場合存在し、ニッケル層は同様に場の歪みをもたらし、それ故に磁場において全く望ましくない。加えて、測定領域のすぐ近傍に磁化可能材料を有するすべてのハウジングは、測定ボリューム中のＢ０場を歪ませ、既に述べたように、測定結果にアーティファクトをもたらすことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５３】
【特許文献１】［１０］米国特許第７，００２，３４８Ｂ２号
【非特許文献】
【００５４】
【非特許文献１】［１］ローマー  ピー  ビー、エーデルスタイン  ダブリュー  エー、ヘイズ  シー  イー、スーザ  エス  ピー、ミュラー  オー  エム、ＮＭＲフェーズドアレー、マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  １６（１９９０）、１９２〜２２５
【非特許文献２】［２］プルースマン  ケー  ピー、ワイガー  エム、シャイデッガー  エム  ビー、ベージガー  ピー、ＳＥＮＳＥ：高速ＭＲＩ用の感度符号化、マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  ４２（１９９９）、９５２〜９６２
【非特許文献３】［３］ｈｔｔｐ：／／ｄｅ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｂｅｗｅｇｌｉｃｈｋｅｉｔ＿（Ｐｈｙｓｉｋ）
【非特許文献４】［４］ジィー  エス  エム、半導体デバイス、物理及び技術、ジェイ  ウイリー  アンド  サンズ  （１９８５）、ＩＳＢＮ  ０−４７１−８７４２４−８
【非特許文献５】［５］スタイルス  ピー、ソッフェ  エヌ  エフ、スコット  シー  エー、クラッグ  ディー  エー、ロウ  エフ、ホワイト  ディー  ジェイ、ホワイト  ピー  シー  ジェイ、コイル及び前置増幅器が液体ヘリウムで冷却される高解像度ＮＭＲプローブ、ジャーナル  オブ  マグネティック  レゾナンス  ６０（１９８４）、３９７〜４０４
【非特許文献６】［６］ブラック  アール  ディー、アーリー  ティー、ローマー  ピー、ミュラー  オー、モグロ−カンペロ  エー、ターナー  エル、ジョンソン  ジー、核磁気共鳴顕微鏡のための高温超伝導受信器、サイエンス  ２５９（１９９３）、７９３〜７９５
【非特許文献７】［７］ノウルス  ジェイ  シー、アイゼンソン  エム  ジー、グリーリー  エイチ  ピー、ジョンソン  ジー  エイ、マウス脳の磁気共鳴顕微鏡のための超伝導ボリュームコイルの設計、ジャーナル  オブ  マグネティック  レゾナンス  １９１（２００８）、２３１〜２３８
【非特許文献８】［８］ライト  エー  シー、ソング  エイチ  ケー、ウェールリ  エフ  ダブリュー、７７Ｋに冷却された従来の高周波コイルによる生体内ＭＲマイクロイメージング、マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  ４３（２０００）、１６３〜１６９
【非特許文献９】［９］ウオジック  ジェイ、ボックホルスト  ケイ  エイチ、アイーチー    ティー、ナラヤナ  ピー  エー、高解像度ネズミ脳ＤＴＩのための超伝導受信専用７テスラコイル、プロシーディング  オブ  インターナショナル  ソサエティ  オブ  マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  ２０（２０１２）
【非特許文献１０】［１１］ウオジック  ジェイ、ネステルク  ケー、カメル  エム  アール、イップ  エフ、シュエ  エル、ライト  エー  シー、ウェールリ  エフ  ダブリュー、  遠位脛骨の小柱骨のμ−ＭＲＩのための低温バラクタ同調４要素アレイ及びクライオスタット、プロシーディング  オブ  インターナショナル  ソサエティ  オブ  マグネティック  レゾナンス  イン  メディシン  １６（２００８）
【非特許文献１１】［１２］リード  ピー  アール、クラーク  エー  エフ（編）、低温における材料、ナショナル  ビューロー  オブ  スタンダーズ  ボールダー、コロラド  アメリカン  ソサエティ  フォー  メタルズ、ＩＳＢＮ：０−８７１７０−１４６−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５５】
本発明の目的は、上記で定義したタイプの電気回路で使用される半導体構成要素の歪みのない特性を、非常に強い磁場及び低い動作温度にもかかわらず可能な限り簡単な技術手段によって保証することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５６】
この目的は、上記で述べたタイプの電気回路を用いて驚くほど簡単で効果的な方法で達成され、電気回路は、半導体接合部の電荷キャリアの運動の平均方向が磁場Ｂ０の力線に本質的に平行であるように電気回路の半導体構成要素のうちの少なくとも１つに少なくとも１つの半導体接合部が配設され、対応する半導体構成要素は良好な熱伝導の性質をもつ材料で製作される基板上に直接配設されることを特徴とする。
【００５７】
実施態様のあらゆる問題にかかわらず、実際の解決策は、半導体構成要素（ピン、入力リード線等）のすべてのハウジングを省くこと、及び良好な熱伝導の性質をもつ基板に半導体チップを直接取り付けることである。
【００５８】
ここで、「直接」は、接着剤又は半田の薄層をも意味することができ、その理由は、これらが熱及び電気的性質に対してさほど大きい影響がないからである。「本質的に平行」とは、高々４５度の偏移を意味する。「良好な熱伝導の性質」とは、１０Ｗｍ−１Ｋ−１、好ましくは、１００Ｗｍ−１Ｋ−１を超えることを意味する。
【００５９】
大部分の用途では、基板材料は電気絶縁体からなるという要件がある。使用する基板は、ＦＲ４、テフロンなどのようなエレクトロニクスで一般に使用される基板と異ならなければならない。使用する材料は、低温で最大熱伝導率（非特許文献１１［１２］）を示さなければならない。これは、セラミック酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、サファイア、酸化ベリリウム、及び／又は酸化ケイ素からなる基板材料により保証される。他の好適な材料を使用することもできる。実際には、所望の低温使用のための最適解決策はサファイアであり、サファイアはエレクトロニクスでは全く稀である。これは、以下の技術的問題を解決する必要がある。
【００６０】
・サファイア基板への半導体の取付け及び熱接続は技術的課題である。これは、半田付け、接着（熱伝導性グリース）などによって達成することができるが、冷却及び加熱の間の極端な温度サイクルに耐えなければならない。
・半導体構成要素への電気的接続も問題である。これは、一般に、アルミニウム又は金ワイヤでボンディングすることによって達成することができる。
・全体的な構成は、Ｂ０力線の方位が電荷キャリアの運動の方向と平行でなければならないという条件が満たされるように、向きを定められなければならない。
【００６１】
図１はそのような構成の特定の例を示し、これは最小の極低温２ポートの最も簡単な場合である。
【００６２】
故障のない動作のために、動作状態にある間ずっとデバイスを囲む媒質１７に相転移が生じないと非常に有利である。そのような相転移は、例えば、液体窒素中での冷却により生じるであろう。デバイスは、有利には、真空中に存在するように構成される。このようにして、冷却媒質の密度揺らぎに起因するいかなる変調も避けられる。しかしながら、これは、熱伝導全体がもっぱら固体を介して行われることを仮定している。このために、サファイア基板は、基板１２として最適に使用される。
【００６３】
その上、基板はヒートシンクに接続される。ヒートシンクは冷却要素１４であり、冷却要素１４は冷却媒質１５によって冷却される。接続は、本明細書では、ねじ締付け具１３と、基板１２とヒートシンク１４との間の熱伝導性グリースとにより示されている。サファイア基板は適切な導体構造体１８により金属化される。半導体構成要素１０はパッド上に半田付けされるか、又はボンド接続１１によって接着されて電気的に接触される。上述の要件に関して決定的ではない全体回路のうちの残りの回路要素への端末１６は、半田パッドを介して接続することができる。
【００６４】
この構成は、磁場Ｂ０に対する半導体構成要素１０の接合部の方位への要件が満たされるように向きを定められる。
【００６５】
この構成は基本原理のみを示す。当然、はるかに複雑な回路がこの方法で実現可能である。多数の半導体要素をもつ回路では、電荷キャリアの運動の方向が磁場線に本質的に平行であるようにすべての半導体接合部が向きを定められると有利である。
【００６６】
基板はいくつかの場合には導電性とすることができる（半導体構成要素は、最上部でアクセス可能なすべての端末であって、２つ以上のボンドワイヤにより接触されるすべての端末を有するか、又は、さらに、例えばリミッタダイオードの場合においてチップが接地に直接接触される端末を有する）。金属の場合には、良好な熱伝導率も与えられる。これにより、導電性基板材料からなる基板に半導体を熱伝導的に接続することができるように構成要素を配設することができる。基板材料は、一般に、銅、銀、又はアルミニウムからなることができる。
【００６７】
ここで略述した解決策は、使用するすべての材料が非磁化可能であることを保証する。
【００６８】
説明した詳細は別の態様で実施することもできる。用途に応じて、ＲＦスイッチング、ＲＦリミッタ及び／又はバラクタダイオードを、半導体回路要素構成要素として使用することができる。電子構成要素は異なる技術で実現することができる。半導体構成要素に対して、初期材料ＧａＡｓ、ＧａＮ、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＧｅを使用することができる。
【００６９】
本発明の範囲は、上述のタイプの電気回路を動作させる様々な方法をさらに含む。このように実現された回路は、次のものなどの様々な目的に使用することができる。
【００７０】
・電気回路は信号を増幅するために使用され、ＦＥＴ及び／又はバイポーラトランジスタなどの能動要素が半導体構成要素として使用される。
・電気回路は受信器コイルを同調させるために使用される。
・電気回路は受信器コイルを整合させるために使用される。
・電気回路は、送信器共振器によって受信器コイルに誘導される電流を低減するために使用される。
・電気回路は、送信の間、受信器コイルを送信に切り替えるのに使用される。
【００７１】
上述の発明の解決策は、ＮＭＲ及びＭＲＩ受信デバイス用のさらに良好な性能をもつシステムを実現するための新しい可能性を開く。当然、説明していないさらなる変形を当業者は実現することができる。
【００７２】
さらなる利点は説明及び図面からもたらされる。その上、上記で述べ、さらに以下で述べる特徴は、別々に、又は任意の組合せで一緒に使用することができる。図示し説明した実施形態は、網羅的なリストであることを意図しておらず、むしろ本発明を説明するための例である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のデバイスの実施の形態を示す図である。
【図２】ＭＲＩシステムの概略図である。
【図３】平面構造ダイオードの断面図である。
【図４】斜めから見たフィンガ構造をもつＦＥＴ構造の図である。
【図５】Ｅ及びＢ場の影響下でのｘｙ面内の電荷キャリアの運動形態を示す図である。
【図６】電荷キャリアの平均ドリフト角を示す図である。
【図７】従来技術１の図である。
【図８】従来技術２の図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
本発明は、図面に示され、実施の形態の例を使用してより詳細に説明される。
【００７５】
図１は、ｚ軸上でｚ＝０のまわりに配設された作業範囲においてｚ軸の方向に磁界を生成するための好ましくは超伝導磁石２０をもつＭＲ（＝「磁気共鳴」）分光法又は断層撮影法用の装置で使用するための１つ又は複数の半導体構成要素１０をもつ本発明の電気回路の実施の形態を示し、電気回路は、ＭＲ装置において、低温ＭＲ受信２９及び／又はＭＲ送信デバイス２４の一部として、１００Ｋより下の動作温度で、少なくとも１Ｔの磁場Ｂ０中に配設され、電気回路は、半導体接合部の電荷キャリアの運動の平均方向が磁場Ｂ０の力線に本質的に平行であるように電気回路の少なくとも１つの半導体構成要素１０の少なくとも１つの半導体接合部が配設され、対応する半導体構成要素１０が良好な熱伝導の性質をもつ材料で製作される基板１２上に直接配設されることを特徴とする。
【符号の説明】
【００７６】
１０  半導体構成要素
１１  ボンド接続
１２  基板
１３  ねじ締付け具
１４  ヒートシンク
１５  冷却媒質
１６  端末
１７  媒体
１８  導体構造体
Ｂ０  磁場
２０  超伝導磁石
２１  デュアー
２２  シム及び勾配システム
２３  室温ボア
２４  送信器コイル
２５  受信器コイル
２６  同調／整合／離調回路
２７  前置増幅器
２８  電気回路
２９  低温受信器デバイス
３０  冷却器
３１  試料
３２  ＭＲＩエレクトロニクス
Ｂ１  励起場
ＴＸ  送信器
ＲＸ  受信器
４０  アノード
４１  カソード
ｗ  接合部
ｅ−  電子
ｐ  正ドープ領域
ｎ  負ドープ領域
４２  ドレイン
４３  ゲート
４４  ソース
４５  電荷キャリアの流れ
Ｎ  半導体材料
ｅ＋  電荷キャリア
７０  プリント回路基板
７１  プラスチックハウジング
７２  半導体構成要素
７３  液体窒素
７０’  プリント回路基板
７１’  プラスチックハウジング
７２’  半導体構成要素
７３  液体窒素
７４  ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014111116.tif 000009
【図８】
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【外国語明細書】
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