(57)【要約】  本発明は、静的な外部磁場（Ｈ）に置かれた試料（４）の磁気共鳴信号を測定するためのシステムであって、当該システムは、当該試料（４）を含む測定領域において所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスを印加するための励起装置（１〜３，６〜１０）を含む。当該励起装置は、所定の放射周波数ｆeに同調し、試料（４）の近傍に配置された励起コイルであって、前記静的な外部磁場（Ｈ）に本質的に垂直な電磁場を発するための励起コイル（３）を含む。当該システムは、電流密度を顕著に増加させるのに適した狭窄部を有する超伝導ループと、当該狭窄部の直近に配置され、絶縁体の付着物により隔てられた少なくとも１つの磁気抵抗センサとを含む、少なくとも１つの超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサ（５）をさらに含む。【選択図】図１
2009541730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場（Ｈ）に置かれた試料（４）の磁気共鳴信号を測定するためのシステムであって、当該システムは、当該試料（４）を含む測定領域において所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスを印加するための励起装置（１〜３，６〜１０）を含み、当該励起装置は、前記所定の放射周波数ｆeに同調し、前記試料（４）の近傍に配置された励起コイルであって、前記静的な外部磁場（Ｈ）に本質的に垂直な電磁場を発するための励起コイル（３）を含み、当該システムが、電流密度を顕著に増加させるのに適した狭窄部（７２）を有する超伝導ループ（７１）と、当該狭窄部（７２）の直近に配置され、絶縁体の付着物（７７）により隔てられた少なくとも１つの磁気抵抗センサ（７３）とを含む、少なくとも１つの超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサ（５）をさらに含み、当該磁気抵抗センサ（７３）および当該狭窄部（７２）は、ヒートシンクとして作用しかつ高周波パスルによる破壊から保護するための非超伝導金属の層（７５）で覆われていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサが、ホイートストーンハーフブリッジ構成の少なくとも２つの磁気抵抗センサ（２２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
ホイートストーンハーフブリッジ構成のハイブリッドセンサの各対が、同じセンサによって磁気共鳴測定を行うと同時に低周波数での磁場測定を行うことを可能にするように、フィルター（１１２）に接続された追加の低周波プリアンプ（１１１）にも接続されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各磁気抵抗センサ（７３；２２）が、所定の放射周波数ｆeとは異なる所定の周波数ｆcapでＡＣ電源によって給電されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記磁気抵抗センサ（７３；２２）に供給される電流の周波数ｆcapと、前記試料（４）の共鳴周波数ｆrとの差が、一定であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ハイブリッドセンサ（５）が、試料（４）の直近に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ハイブリッドセンサ（５）の感度軸が、前記励起コイル（３）によって発生する場に垂直であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ハイブリッドセンサ（５）が、磁束トランス（３１）により前記試料（４）に接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記磁束トランス（３１）が、少なくとも部分的に超伝導性であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記磁束トランス（３１）が、前記試料（４）を囲う二次ループ（３３）または前記試料（４）の直近に配置される二次ループ（３３）を含むことを特徴とする請求項８または９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記磁束トランス（３１）が、前記励起コイル（３）に垂直な二次ループ（３３）を含むことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記磁束トランス（３１）は、前記ハイブリッドセンサ（５）の超伝導ループと平行に配置される、当該ループと同じ大きさの一次ループ（３２）を含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記一次ループ（３２）および前記ハイブリッドセンサ（５）の超伝導ループが、冷却筐体（３４）中に配置されることを特徴とする請求項９または１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記磁束トランス（３１）が、前記ハイブリッドセンサ（５）の超伝導ループからなる一次ループ（３２）を含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムが、グラジオメーターとして構成される第１のハイブリッドセンサと第２のハイブリッドセンサ（５Ａ，５Ｂ）を含むデュアルハイブリッドセンサ（５）を含み、それぞれのセンサの感度軸は、前記励起コイル（３）に対し対称でありかつ当該コイルによって発生する磁場に垂直であり、第１のハイブリッドセンサおよび第２のハイブリッドセンサ（５Ａ，５Ｂ）のうちの１つ（５Ａ）が試料（４）の直近に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記励起装置（１〜３，６〜１０）が、所定の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3のいずれかに同調させることが可能なように、複同調タイプの励起コイル（３）に向けて所定の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3の高強度の高周波パルスを発するための、多チャンネル放射手段（１ａ、１ｂ、１ｃ）を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記磁気抵抗センサが、静的な外部磁場（Ｈ）に本質的に垂直であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記試料が、特定の体積（５２）内に前記静的な磁場（Ｈ）を発生させるための永久磁石（５１）に面した表面（５６）によって構成され、前記励起コイル（５３）は、当該特定の体積（３４）の近傍において前記表面（５６）に平行であり、前記ハイブリッドセンサ（５）は、当該励起コイル（５３）の近傍にあり、当該励起コイルに平行であり、壁（５４）および絶縁性の空間（５５）によって、当該励起コイルから隔てられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記励起装置（１〜３，６〜１０）が、放射周波数ｆeの高周波信号を発するための周波数合成器（９）と、当該高周波信号をチョップし、パルスを発するためのシーケンサ（８）と、当該周波数合成器（９）および当該シーケンサ（８）に接続され、前記所定の放射周波数ｆeの高強度の周波数パルスを発する放射モジュール（１）と、当該パルスを励起コイル（３）に印加するための前記保護回路（２）と、前記ハイブリッドセンサ（５）によって捕捉される放射周波数ｆeに非常に近い共鳴周波数ｆrの信号を受信するためのプリアンプ（６）と、前記シーケンサ（８）および前記周波数合成器（９）からの放射周波数ｆeのパルスと、前記プリアンプ（６）から共鳴周波数ｆrで受信されるパルスの両方を受信する復調回路（７）と、周波数ｆe−ｆrの出力信号を回収する捕捉装置（１０）とを含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムが、複数のハイブリッドセンサ（５）を含むことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記システムが、単一の励起コイル（３）を含み、各ハイブリッドセンサ（５）が、各プリアンプ（６）と協働することを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
各ハイブリッドセンサが、同じセンサによって磁気共鳴測定を行うと同時に低周波数での磁場測定を行うことを可能にするように、フィルター（１１２）に接続された追加の低周波プリアンプ（１１１）にさらに接続されていることを特徴とする請求項１および４〜２１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ハイブリッドセンサの磁気抵抗センサ（２２）が、直流電源によって給電され、前記フィルター（１１２）が、ローパスフィルターであることを特徴とする請求項３または２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ハイブリッドセンサの磁気抵抗センサ（２２）が、交流電源によって給電され、前記フィルター（１１２）が、交流電流の周波数を中心とするバンドパスフィルターであることを特徴とする請求項３または２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ハイブリッドセンサ（５）の磁気抵抗センサ（７３，２２）が、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサ、トンネル磁気抵抗センサ、および超巨大磁気抵抗センサから選ばれることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２６】
静的な外部磁場（Ｈ）に置かれた試料（４）の磁気共鳴信号を測定する方法であって、当該試料（４）を含む測定領域において所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスが、当該所定の放射周波数ｆeに同調し、試料（４）の近傍に配置された励起コイルであって、前記静的な外部磁場（Ｈ）に本質的に垂直な電磁場を発するための励起コイル（３）に印加され、当該方法において、狭窄部（７２）を有する超伝導ループ（７１）と、当該狭窄部（７２）の直近に配置され、絶縁層（７７）により隔てられた磁気抵抗センサ（７３）とを含む超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサ（５）によって、磁気共鳴信号を検出し、当該磁気抵抗センサ（７３）および当該狭窄部（７２）は、ヒートシンクとして作用しかつ高周波パルスによる破壊から保護するための少なくとも１層の非超伝導金属の層（７５）で覆われていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴信号を測定するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、物理学、化学、生物学において、高周波磁気励起に対する原子核の応答による材料および分子のキャラクタリゼーションに広く用いられている。最近になって、この原理に基づく磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）技術が開発され、現在、医療分野において一般的に用いられている。
【０００３】
これまで、ＮＭＲは通常、検出すべき原子核の共鳴周波数に同調した１つまたは２つのコイルを使用している。
【０００４】
所定のシークエンスの高周波パルスを試料または患者に向け、観測下の原子核の応答に対応する信号を、同じコイル、または第１コイルに対し９０°の第２コイルおいて検出する。動作周波数は、各原子に特有の磁気回転因子を乗じた外部磁場によって定まる。
【０００５】
ＮＭＲ分光計の検出限界は、共鳴コイルに関連する熱的ノイズと、プリアンプに関連するノイズレベルによって決まる。このため、多くの研究者が、コイルに関連する熱的ノイズを低減するために、冷却したコイルを使用することを提案している。
【０００６】
共鳴コイルによる固有の検出限界は、同調回路のターミナルで測定される電圧が、検出されるべき周波数と共に減少することにある。よって、共鳴コイルの感度が、磁場が弱くなるとともに低くなり、従って、周波数が低くなるとともに低くなる。
【０００７】
研究者らは、低周波数でのＮＭＲ信号の検出に優れた感度を有する超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に基づくセンサを用いることを提案している。しかしＳＱＵＩＤは、強い高周波パルスの印加に対し感度が高いという欠点を有している。
【０００８】
ハイブリッドセンサの最初のバージョンが、国際公開第２００４／０６８１５２号パンフレット、国際公開第２００４／０６８１５８号パンフレット、およびM. PannetierらのScience, 11.06.2004, Vol. 304に刊行された論文、"Femto-tesla Magnetic Field Measurement with Magnetoresistive Sensors"に提案されている。これらの文書に記載されたセンサは、磁気抵抗センサを組み合わせた超伝導ループを含む。ハイブリッドセンサの感度軸は、超伝導ループに垂直になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００４／０６８１５２号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００４／０６８１５８号パンフレット
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M. Pannetierら，"Femto-tesla Magnetic Field Measurement with Magnetoresistive Sensors"，Science, 06.11.2004, Vol. 304
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、通常の方法よりも、より便利に効率よく、広い測定範囲において優れた感度で磁気共鳴信号を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、静的な外部磁場に置かれた試料の磁気共鳴信号を測定するためのシステムであって、当該システムは、当該試料を含む測定領域において所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスを印加するための励起装置を含み、当該励起装置は、所定の放射周波数ｆeに同調し、試料の近傍に配置された励起コイルであって、前記静的な外部磁場に本質的に垂直な電磁場を発するための励起コイルを含み；
当該システムが、電流密度を顕著に増加させるのに適した狭窄部を有する超伝導ループと、当該狭窄部の直近に配置され、絶縁体の付着物により隔てられた少なくとも１つの磁気抵抗センサとを含む、少なくとも１つの超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサをさらに含み、当該磁気抵抗センサおよび当該狭窄部は、ヒートシンクとして作用しかつ高周波パスルによる破壊から保護するための非超伝導金属の層で覆われていることを特徴とするシステムによって上記目的を達成するものである。
【００１３】
以後の記載において、“試料”との用語は、高周波磁気励起を受けるあらゆる物品または患者のことをいう。
【００１４】
特定の一実施態様では、超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサは、ホイートストーンハーフブリッジ構成の少なくとも２つの磁気抵抗センサを含む。
【００１５】
ホイートストーンハーフブリッジ構成のハイブリッドセンサの各対は、有利には、同じセンサによって磁気共鳴測定を行うと同時に低周波数での磁場測定を行うことを可能にするように、フィルターに接続された追加の低周波プリアンプにも接続されている。
【００１６】
磁気抵抗センサには、ＡＣ電源またはＤＣ電源によって給電することができる。
【００１７】
特定の一実施態様では、各磁気抵抗センサは、所定の放射周波数ｆeとは異なる所定の周波数ｆcapでＡＣ電源によって給電される。
【００１８】
このとき、磁気抵抗センサに供給される電流の周波数ｆcapと、試料の共鳴周波数ｆrとの差は、好ましくは一定である。
【００１９】
弱い磁場での測定に適した特定の一実施態様では、ハイブリッドセンサは、試料の直近に配置される。
【００２０】
このとき、ハイブリッドセンサの感度軸は、好ましくは、励起コイルによって発生する場に垂直である。
【００２１】
強い磁場での測定に非常に適した特定の別の実施態様では、ハイブリッドセンサは、磁束トランスにより試料に接続される。
【００２２】
前記磁束トランスは、好ましくは、少なくとも部分的に超伝導性である。
【００２３】
前記磁束トランスは、試料を囲う二次ループまたは試料の直近に配置される二次ループを含む。
【００２４】
前記磁束トランスは、有利には、励起コイルに垂直な二次ループを含む。
【００２５】
好ましい実施態様では、磁束トランスは、ハイブリッドセンサの超伝導ループと平行に配置される、当該ループと同じ大きさの一次ループを含む。
【００２６】
前記磁束トランスが少なくとも部分的に超伝導性である場合には、一次ループおよびハイブリッドセンサの超伝導ループは、冷却筐体中に配置される。
【００２７】
別の実施態様では、磁束トランスは、ハイブリッドセンサの超伝導ループからなる一次ループを含む。
【００２８】
さらに別の実施態様では、磁気共鳴信号を測定する前記システムが、グラジオメーターとして構成される第１のハイブリッドセンサと第２のハイブリッドセンサを含むデュアルハイブリッドセンサを含み、それぞれのセンサの感度軸は、励起コイルに対し対称でありかつ当該コイルによって発生する磁場に垂直であり、第１のハイブリッドセンサおよび第２のハイブリッドセンサのうちの１つが試料の直近に配置される。
【００２９】
特定の一実施態様では、前記励起装置が、所定の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3のいずれかに同調させることが可能なように、複同調タイプの励起コイルに向けて所定の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3の高強度の高周波パルスを発するための、多チャンネル放射手段を含む。
【００３０】
磁気抵抗センサの感度軸は、好ましくは、静的な外部磁場に本質的に垂直である。
【００３１】
特定のさらに別の実施態様では、試料は、特定の体積内に前記静的な磁場を発生させるための永久磁石に面した表面によって構成され、励起コイルは、当該特定の体積の近傍において前記表面に平行であり、ハイブリッドセンサは、当該励起コイルの近傍にあり、当該励起コイルに平行であり、壁および絶縁性の空間によって、当該励起コイルから隔てられている。
【００３２】
好ましい実施態様では、前記励起装置は、放射周波数ｆeの高周波信号を発するための周波数合成器と、当該高周波信号をチョップし、パルスを発するためのシーケンサと、当該周波数合成器および当該シーケンサに接続され、所定の放射周波数ｆeの高強度の周波数パルスを発する放射モジュールと、当該パルスを励起コイルに印加するための保護回路と、前記ハイブリッドセンサによって捕捉される放射周波数ｆeに非常に近い共鳴周波数ｆrの信号を受信するためのプリアンプと、前記シーケンサおよび前記周波数合成器からの放射周波数ｆeのパルスと、前記プリアンプから共鳴周波数ｆrで受信されるパルスの両方を受信する復調回路と、周波数ｆe＋ｆrまたはｆe−ｆrの出力信号を回収する捕捉装置とを含む。
【００３３】
本発明のシステムは、複数のハイブリッドセンサを含んでいてもよい。
【００３４】
当該システムの特定の一実施態様は、単一の励起コイルを含み、各ハイブリッドセンサは、各プリアンプを用いて所望の信号を回収する。
【００３５】
本発明によれば、各ハイブリッドセンサは、同じセンサによって磁気共鳴測定を行うと同時に低周波数での磁場測定を行うことを可能にするように、フィルターに接続された追加の低周波プリアンプにさらに接続されていてもよい。
【００３６】
別の実施態様では、ハイブリッドセンサの磁気抵抗センサは、直流電源によって給電され、フィルターは、ローパスフィルターである。
【００３７】
別の実施態様では、ハイブリッドセンサの磁気抵抗センサは、交流電源によって給電され、フィルターは、交流電流の周波数を中心とするバンドパスフィルターである。
【００３８】
ハイブリッドセンサの磁気抵抗センサは、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ、および超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）センサから選ばれる。
【００３９】
本発明はまた、均一な静的な外部磁場に置かれた試料の磁気共鳴信号を測定する方法であって、当該試料を含む測定領域において所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスが、当該所定の放射周波数ｆeに同調し、試料の近傍に配置された励起コイルであって、前記静的な外部磁場に本質的に垂直な電磁場を発するための励起コイルに印加され；
当該方法において、狭窄部を有する超伝導ループと、当該狭窄部の直近に配置され、絶縁層により隔てられた磁気抵抗センサとを含む超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサによって、磁気共鳴信号を検出し、当該磁気抵抗センサおよび当該狭窄部は、ヒートシンクとして作用しかつ高周波パルスによる破壊から保護するための少なくとも１層の非超伝導金属の層で覆われていることを特徴とする方法を提供する。
【００４０】
本発明の他の特徴および利点を、例として選択した本発明の特定の実施態様の添付図面を参照しながら、以下の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ハイブリッドセンサに基づき弱い場での測定に適した本発明のＮＭＲ分光計の第１の例を示すブロック概要図である。
【図２】本発明の装置に使用可能な１対の磁気抵抗センサに接続された電子回路の一例を示す図である。
【図３】ハイブリッドセンサに基づき磁束／磁束トランスを備え強い場での測定に適した本発明のＮＭＲ分光計の第２の例を示すブロック概要図である。
【図４】多重放射周波数を用いたＮＭＲ分光計の別の実施態様を示すブロック概要図である。
【図５】表面ＮＭＲに適した本発明の別の実施態様を示す図である。
【図６】ＡＣ電源磁気抵抗センサを備えたＮＭＲ分光計の別の実施態様を示すブロック概要図である。
【図７】本発明で使用可能な金属層により保護されたハイブリッドセンサの一例の図である。
【図７Ａ】図７の線VIIA-VIIAに沿った断面図である。
【図８】ハイブリッドセンサがグラジオメーターとして構成され、試料が当該グラジオメーターのループの１つに囲まれている構成の、本発明の特定の一実施態様を示す図である。
【図９】磁束／磁束トランスが磁束／磁場トランスと組み合わさった構成の、本発明の特定の一実施態様を示す図である。
【図１０】１組のハイブリッドセンサを有するＮＭＲ分光計の一実施態様を示す概要図である。
【図１１】磁気共鳴イメージングと低周波磁気イメージングを組み合わせたイメージングの構成の特定の一実施態様を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
磁気共鳴には、核磁気共鳴、核四極子共鳴、電子常磁性共鳴、および強磁性共鳴（このリストは完全ではない）が含まれる。本発明の以後の記載において、最も広く利用されている核磁気共鳴について参照する。他の種の共鳴には、わずかな変更が必要である。
【００４３】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）試験の間、高強度の高周波パルスが、地磁場であってもコイルまたは永久磁石により作成された均一磁場であってもよい外部磁場中に配置された試料に向けられる。このパルスは、観測される核スピンの磁化に変わり、次いで、これが、磁場と各原子核に特有の磁気回転比（水素原子について４２ＭＨｚ／Ｔ）との積によって与えられる周波数で歳差運動する。高周波パルスは、数ミリテスラのオーダーの磁場を発生し、これは、１ミリ秒以下の時間に対し数キロワットの電力に相当する。
【００４４】
本発明のハイブリッドセンサを用いた測定を行うためのＮＭＲ分光計の原理について、図１の実施態様を参照しながらまず説明する。
【００４５】
励起装置が、所定の周波数ｆeの、調節可能なフェーズと強度の高周波信号を作成する。
【００４６】
周波数合成器９は、放射周波数ｆeで高周波信号を作成する。シーケンサ８は、周波数合成器９により作成された高周波信号をチョップしたパルスを生成する。
【００４７】
周波数合成器９およびシーケンサ８に接続された放射モジュール１は、パルス強度を最大化するために、動作周波数に通常同調された励起コイル３にアンチパラレルに接続されたダイオードからなってよい保護回路２を介して、所定の放射周波数ｆeの高強度の高周波パルスを作成する。
【００４８】
励起コイルは、測定すべき試料４を含むことができるように構成され、この試料４は、物体または患者であってよく、励起コイルは、静的な磁場Ｈに垂直な磁場を作成するように取り付けられる。
【００４９】
本発明は、放射周波数ｆeに非常に近い共鳴周波数ｆrで、試料４の原子核の歳差運動によって発せられた信号を回収するために、超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサ５を使用する。
【００５０】
弱い磁場、すなわちセンサが飽和しないような静的な場中での測定に適した図１の実施態様では、センサ５は、試料４に直接接触していてもよい。
【００５１】
ハイブリッドセンサ５は、好ましくは、励起コイル３により発生した場に垂直であって、かつ静的な磁場Ｈに垂直な感度軸を有する。
【００５２】
ハイブリッドセンサ５の磁気抵抗は、共鳴周波数ｆrの信号を検出し、復調モードで動作している受信回路７を駆動させる低ノイズプリアンプ６に接続している。
【００５３】
よって、復調回路７は、シーケンサ８および周波数合成器９からの放射周波数ｆeのパルスと、プリアンプ６から共鳴周波数ｆrで受信するパルスの両方を受信する。
【００５４】
よって、シーケンサ８は、放射と受信の両方をモニターし、それらは、一般の周波数合成器９より供給される。
【００５５】
捕捉装置１０は、周波数ｆe−ｆrまたはｆe＋ｆrの出力信号を回収する。
【００５６】
超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサ５は、狭窄部７２を有する超伝導ループ７１と当該狭窄部７２の直近に磁気抵抗センサとを含む（図７参照）。
【００５７】
狭窄部７２は、超伝導ループ７１の断面積を十分に減少させて、電流密度を顕著に増加させる。
【００５８】
ハイブリッドセンサの一般的原理は、数ミクロン幅の１以上の狭窄部７２を伴う大型捕捉ループ７１からなる磁束／磁場トランスに基づいている。当該狭窄部に設置された１以上の磁気抵抗センサ７３は、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ、または超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）センサであってよい。センサ７３は、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などの絶縁体の付着物によって、超伝導層７２から離れている。
【００５９】
磁気抵抗センサは、例えば、金製またはチタンで保護された銅製であってよい、金属接点７６を介して測定を行う。
【００６０】
磁束／磁場トランスに、ＲＦパルスがかけられる場合、数アンペアの電流が発生し、通常の状態の狭窄部に、猛烈な熱を引き起こす。パルスが十分に強い場合には、狭窄部が破損する。例えば、４００Ｗのパルスは、５μｍ幅、１００ｎｍ厚の狭窄部５を破損させる。
【００６１】
従って、ハイブリッドセンサは、比較的高周波数で動作可能であり、かつ高周波パルスに耐えられるように設計しなければならない。
【００６２】
最初の条件は、サファイアなどの絶縁性センサ支持体を用いることによって満たすことができる。これは、１００ＭＨｚを超える周波数まで、ハイブリッドセンサの均一なレスポンスを実現する。
【００６３】
パルスに耐えられるハイブリッドセンサを得るためには、センサの感度を最適化し、かつパルスのパワーを即座に排出することができるヒートシンクの役目をするように、狭窄部の外側の幅が広くなるように、超伝導ループを設計することが有利である。磁束／磁場トランスのゲインの計算と、高周波パルスにより発生する熱の有限要素法計算に基づく最適化計算では、ループ幅は、ループ半径の０．７倍に等しくなる。しかし、ループ半径の０．１〜０．９倍のループ幅を採用することができる。計算結果はまた、狭窄部７２のいずれかの側に比較的大きな超伝導領域７４があれば、パルス下の熱の排出が改善することを示している。
【００６４】
強いパルス（＞４００Ｗ）に対し、非超伝導金属層７５で狭窄部および磁気抵抗センサを覆うことによって、追加の保護を設けてもよい。この追加の金属層は、メインループを覆ってはならず、狭窄部の領域のみを覆う。この層は、２つの機能を有している。
【００６５】
第１の機能は、ヒートシンクとして作用することである。金属は、有利には、銅、アルミニウムなどの低抵抗で熱伝導性のよいものを選択する。この金属層は、超伝導体とオーム接触していてもよいが、センサとは、電気接触していてはならない。ループが超伝導性である場合、全超伝導電流がループを流れ、狭窄部が（パルスのはじめに）臨界電流に達した場合、電流を隣接する金属層に排出することができ、金属層は、狭窄部に対し、温度調節ヒートシンクとして作用する。
【００６６】
第２の機能は、電磁気的な保護を与えることである。よって金属層７５は、放射コイルを遮蔽するように配置される。厚さは、動作周波数でスキン厚みよりも大きくなければならない。
【００６７】
弱い場での測定用途では、図１にあるように、ハイブリッドセンサ５の超伝導ループ７１のサイズは、測定すべき物体に適合しなければならない。
【００６８】
使用される超伝導体は、高い臨界温度を有し、７７Ｋを超える転移温度を有する酸化物類、例えばＹｂａＣｕＯ、であってよい。センサ５は、非金属の壁およびできるだけ小さい絶縁性の空間により試料から離れている。センサ５は、冷媒源に接続されており、冷媒は、液体窒素であってよい。センサ５を、低温流体に直接浸してもよい。励起コイルは、可能であれば、当該センサのループに垂直に配置され、静的な磁場Ｈに垂直に配置される。この構成は、特に、地磁場での核四極子共鳴および核磁気共鳴に適用される。
【００６９】
ハイブリッドセンサ５は、国際公開２００４／０６８１５８号パンフレットの教示に従い作製することができる。
【００７０】
より具体的には、図２に示すように、ＮＭＲハイブリッドセンサは、ホイートストーンハーフブリッジの構成の２つのセンサ２２の形態をとってもよい。これは、熱と、全体の磁場の変動を回避し、歳差運動信号のない外部信号がないことを意味する。
【００７１】
磁気抵抗センサ２２のターミナルの信号の読み取りは、有利には四点で行われる抵抗測定である。各センサは、バランス抵抗器２３を有する電流源２１によって給電されて、電圧が測定され、電圧はプリアンプ６によって増幅される。このプリアンプは、具体的には、磁気抵抗センサの抵抗に等しい抵抗に対してノイズが最小限になるように選ばれる。
【００７２】
本発明はまた、比較的強い場、通常１ｍＴよりも強い場、での測定にも用いられる。
【００７３】
図３に示すように、ここで、ハイブリッドセンサ５は、試料４の直近に置かれないが、代わりに、磁束／磁束トランス３１、以下、便宜上磁束トランスと呼ぶ、を介して試料に接続されている。
【００７４】
磁束トランス３１は、ハイブリッドセンサを、測定が行われる静的な磁場Ｈから離れた位置に置くことを可能にし、静的な磁場による磁気抵抗センサの飽和を防止するものである。
【００７５】
磁束トランス３１は、２つの相互接続したループ３２，３３の形態をとることができる。
【００７６】
第一の（一次）ループ３２は、ハイブリッドセンサ５の超伝導ループ上に置かれ、これら２つのループは組み合わさって、冷却筐体３４内に配置される。
【００７７】
第二の（二次）ループ３３は、試料４を囲うか、またはその直近に位置している。
【００７８】
磁束／磁束トランス３１は、超伝導性であってよく、通常の超伝導性でも部分的に超伝導性でもよい。一次ループ３２のサイズは、ハイブリッドセンサ５のループ７１のサイズと同じでなければならない。二次ループ３３のサイズは、測定すべき試料４を含むことが可能な大きさでなければならない。一次ループ３２と二次ループ３３との巻数比は、各側のインダクタンスが等しくなるようなものでなければならない。超伝導性磁束トランス３１の臨界温度は、有利には、ハイブリッドセンサの臨界温度付近または臨界温度より高い。超伝導性磁束／磁束トランス３１は、低ノイズな装置であるという利点を有し、一方、通常の磁束／磁束トランスは、抵抗に伴う熱ノイズを受ける。さらに、通常の磁束／磁束トランスは、低周波数では、性能が低い。次に、大きな直径のワイヤまたは絶縁された通常のワイヤ、当該ワイヤは高周波数で低抵抗であるという利点を有する、のいずれかを用いて、抵抗を最小化することが重要である。ハイブリッドセンサに近接する一次ループ３２は、接触抵抗が低い場合には、有利には、超伝導体の形態をとる。
【００７９】
センサ５は、低温筐体中に置かれ、そのループ７１が超伝導性となる。
【００８０】
有利には、高温の超伝導体を使用し、これにより、最高８５Ｋでの動作が可能になり、あるいは、極低温での感度が向上する。センサを含む冷却チャンバー３４は、不要なノイズを制限するため、磁気的に遮蔽されている。
【００８１】
このチャンバー３４は、磁束トランス３１に必要な出力、磁気抵抗センサ用の電流源、および磁気抵抗センサのターミナルの電圧の読み取りを含む。磁束トランス３１の一次ループ３２は、ハイブリッドセンサ５のループ７１に面している。一次ループ３２と、ハイブリッドセンサの捕捉ループ７１は、有利には、同じサイズである。一次ループ３２は、捕捉ループ７１の内径よりも小さい直径を有していてもよい。
【００８２】
磁束トランス３１の二次ループ３３は、サンプル４を囲い、好ましくは、いわゆるサドル配置をとる。二次ループ３３は、追加のループを回避すべく、捻られたワイヤによって一次ループ３２と接続している。磁束トランス３１は、抵抗を可能な限り低くするために、比較的大きなワイヤまたは複数のワイヤで作製されなければならない。二次ループ３２の直径は、測定すべき試料４のサイズによって決定される。
【００８３】
磁束トランス３１の二次ループ３３は、主磁場Ｈと直交している。励起コイル３は、主磁場Ｈと直交し、かつ磁束トランス３１の二次ループ３３とも直交している。
【００８４】
ハイブリッドセンサ５はまた、図７を参照して既に説明した構成をとることもできる。シグナル・ノイズ比を最大化するために、比較的高い抵抗を有する磁気抵抗センサを使用することが望ましい。３ｋΩの抵抗が最適であるが、この抵抗は、問題なく１００Ω〜２０ｋΩとすることができる。さらに、既に示したように、温度の変動と平面状磁場の存在により引き起こされる変動を回避するので、図２に示すハーフブリッジ構成が望ましい。ハーフブリッジ構成のＧＭＲセンサを例として示す。各センサは１ｍｍ長であり、電流線により給電される。２つの電圧線は、抵抗の測定に用いられる。２つのＧＭＲセンサは、存在する外部磁場に等しく応答するように構成される。２つのセンサ間の電圧差が、図２に示すように差動増幅器であるプリアンプにより測定される。センサには、式ｆcap＝ｆe＋ｆloc（ｆlocは、受信器動作周波数である）で与えられる周波数で、ＡＣ電源より給電される。かなり低い周波数、例えば７７ｋＨｚを選択してよく、これにより、非常に低いインピーダンスの演算増幅器の使用が可能になり、３ｋΩの抵抗に適している。
【００８５】
磁束トランス３１を使用する場合、図９に示すように、ハイブリッドセンサ５の磁束／磁場トランスと磁束／磁束トランス３１を組み合わせて１つにすることも可能である。このとき、磁束トランス３１の一次ループ３２は、ハイブリッドセンサ５の超伝導ループ７１である。この解決手段は、ハイブリッドセンサ５のサイズと試料４のサイズが同程度である場合に有利である。
【００８６】
図３において、モジュール１〜３および６〜１０は、同じ参照番号を有する図１のＮＭＲ分光計の対応するモジュールと完全に同一であってよく、従って、これらのモジュールを再度説明しない。
【００８７】
図４は、多数の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3が用いられている別の実施態様を示す。このとき、励起コイルは、複同調するように設計される。
【００８８】
励起装置は、所定の放射周波数のいずれかと同調できるように、複同調励起コイル３に、複数の所定の放射周波数ｆe1、ｆe2、ｆe3の高強度の高周波パルスを送信するための、多チャンネル１ａ、１ｂ、１ｃを有する放射手段を含む。
【００８９】
ハイブリッドセンサ５は、広帯域デバイスであるという利点を有し、よって、その受信は、単に動作周波数の変化に等しいままであってよい。
【００９０】
図８は、グラジオメーターとして構成されたデュアルハイブリッドセンサ５が、その感度軸が励起コイル３に対して対称にあり、当該コイルによって作成される場に垂直になるように配置された第１および第２のハイブリッドセンサ５Ａ，５Ｂを含む、特定の一実施態様を示す。第１のハイブリッドセンサ５Ａは、試料４の直近に配置されている。グラジオメーターの２つの部分が励起コイルを同様にして見る場合には、グラジオメーターの構成は、パルスの作用を部分的に補償する。
【００９１】
静的な磁場は、コイルまたは永久磁石により発生させることができる。ハイブリッドセンサを表面検出に使用することも可能であり、これは、センサの感度を有利に使用する。図５はそのようなシステムの１つを示している。
【００９２】
永久磁石５１は、特定の体積５２内で、公知の磁場を発生する。表面励起コイル５３は、その特定の領域で歳差運動を誘発する。ハイブリッドセンサ５は、歳差運動信号を読み取り、ハイブリッドセンサ５は、壁５４および絶縁空間５５によって、表面５６および励起コイル５３から離れている。低温流体または低温発生システムのいずれかに基づく冷却システムが、センサを冷却して超伝導体の臨界温度未満に温度を維持する。
【００９３】
共鳴イメージングのために、単一のハイブリッドセンサ５の代わりに、各センサが測定領域を覆う多数のハイブリッドセンサ５を使用することができる。図１０は、そのような構成の１つを示している。
【００９４】
十分に大きい単一の励起コイル３を、それぞれがプリアンプステージ６を有するセンサ５と共に用いることができる。このとき、受信は、シーケンサ８によって制御されたスイッチ１０１による十分に速いスイッチングにより、多重化されていてもよい。
【００９５】
図５を参照して説明したように、永久磁石５１によって磁場Ｈが作成され、当該磁石は、十分に強い磁場を作成するために、好ましくは、ＮｄＦｅＢまたはＳｍＣｏ希土類合金製である。このようにして、０．０５Ｔのオーダーの場を作成することができる。磁石の形状および位置は、測定すべき試料のスペクトル線の幅を十分に与える測定領域内の均一な静的な磁場が得られるように精細に調整される。このとき、動作周波数は、観測下の原子核種の磁気回転比によって与えられる。励起コイルもまた、作業領域内で高周波場が均一化されるように調整される。センサが臨界温度より低い温度を保つために、非金属の保護壁および十分に小さい絶縁空間が必要な場合には、センサ５は、励起コイル５３に平行であり、表面５６のできるだけ近傍にある。センサの数を最小化しつつ十分な解像度を維持するためには、センサのサイズは、測定領域からセンサの距離と等しい。低ノイズアナログマルチプレクサを使用できるように、十分に低周波数の出力信号を得るために、各センサ５には、ＡＣ電源より給電される。
【００９６】
図６は、ハイブリッドセンサ５に直流電流ではなく、放射周波数ｆeとは異なる周波数ｆcapの交流電流によって給電することにより、ハイブリッドセンサ５の特性をより良く利用しているのを示す。この周波数ｆcapは、周波数合成器９により発生し、電流源２１に送られる。このとき、検出および増幅される信号は、共鳴周波数ｆrと、電流の周波数ｆcapとの合計または差に等しくなる。
【００９７】
このアプローチは、電流の周波数ｆcapと共鳴周波数ｆrとの差が、一定になるような電流の周波数ｆcapを用いた場合に、特に有利となる。このとき、共鳴分光計の受信部が、常に同じ周波数で動作するため、共鳴分光計の受信部を極めて単純化することができる。
【００９８】
医療用途に関し、低磁場または地磁場での磁気共鳴は、磁気イメージングと結びつき、当該磁気イメージングは、例えば、脳磁図、心磁図など、直流電流から１ｋＨｚの交流電流の範囲で、人体を流れる電流から発せられる磁気信号を測定する。磁気イメージングと磁気共鳴は、同じ１組のセンサを用いて同時に行うことができる。ハイブリッドセンサの応答が、数１０ＭＨｚ未満の周波数では独立しているため、測定範囲全体において、同じ感度が維持される。
【００９９】
図１１は、このような構成の１つを示す。イメージングシステムの各磁気抵抗センサ２２は、図７に示すように、磁気共鳴用の復調回路７へと続くＲＦアンプ６と、フィルター１１２へと続く低周波プリアンプ１１１とに接続されている。磁気抵抗センサ２２は、ＤＣまたはＡＣ電源２１によって給電される。電源がＤＣ電源であった場合、フィルター１１２は、ローパスフィルターである。電源がＡＣ電源であった場合、フィルターは、電流の周波数を中心とするバンドパスフィルターである。
【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】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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