(57)【要約】  分子回転を示すサンプルを調査する方法および装置が開示される。この方法を実施する際、サンプルが、磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナに配置され、ガウス雑音がサンプルに注入される。注入されたガウス雑音に重ねられたサンプルソース放射からなる電磁時間領域信号が検出され、この信号を使用して、ガウス雑音源の選択された出力設定で、ＤＣから５０kHzの間の選択された周波数範囲でサンプルに特徴的な低周波数スペクトル成分を表示するスペクトルプロットが生成される。一実施形態では、生成されるスペクトルプロットは、選択された周波数範囲にわたる確率共鳴イベントのヒストグラムである。このスペクトルから、調査されているサンプルに特徴的な１つまたは複数の低周波数信号成分が識別される。
2007533972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低振動数分子運動を示すサンプルを調査するための装置であって、
前記サンプルを収容するように適合され、磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナと、
前記コンテナ中の前記サンプルに向けてガウス雑音を送るための調節可能ガウス雑音出力源と、
前記送られたガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号を検出するための検出器と、
前記検出器から前記時間領域信号を受信し、前記信号を処理して、前記ガウス雑音源の選択した出力設定で、ＤＣと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の前記サンプルに特徴的な低周波数スペクトル成分を表示するスペクトルプロットを生成するように適合された電子コンピュータと
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記電子コンピュータは、（ｉ）複数の定義された時間枠のそれぞれにわたる前記時間領域信号の１００Hzと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）前記フーリエスペクトルの平均を取るように機能する信号アナライザを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記計算することは、１〜５秒の時間領域間隔にわたってそれぞれ取られた、少なくとも５つのフーリエスペクトルを計算することを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電子コンピュータは、機械読み取り可能なコードを含み、前記機械読み取り可能なコードは、
（ｉ）サンプル持続時間Ｔにわたって前記サンプルの前記時間領域信号を格納することと、
（ｉｉ）前記時間領域信号をサンプリングするサンプリングレートＦを選択することであって、Ｆ＊Ｔは、全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号の実高速フーリエ変換の周波数領域分解能ｆの約２倍であり、ｎが少なくとも１０であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
（ｉｉｉ）前記格納した時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記選択したサンプルに対して実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）を実行し、ＲＦＦＴ信号を生成することと、
（ｉｖ）前記ＲＦＦＴ信号を正規化し、前記ＲＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
（ｖ）ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、対応する選択した周波数での測定出力は、平均出力に０＜ε＜１である値εを掛けたものよりも大きく、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
（ｖｉ）ステップ（ｉｉｉ〜ｖ）を反復することと、
（ｖｉｉｉ）選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示すヒストグラムを生成することと
を行うように動作可能な機械読み取り可能なコードを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記機械読み取り可能なコードは、（ｉｖ）で、前記ＲＦＦＴ信号からの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置し、（ｖｉｉｉ）で、（ａ）前記ｆ個の出力ビンそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成し、（ｂ）各ビン中の前記平均出力を前記ヒストグラム内に表示するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記機械読み取り可能なコードは、（ｖｉｉｉ）で、所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記ガウス雑音源は、調節可能出力ガウス雑音発生器、および前記磁気遮蔽および電磁遮蔽内に含まれ、雑音発生器から１００mVから１Vの範囲の選択した雑音出力信号を受けるヘルムホルツコイルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記発生器が、ＤＣと２kHzとの間の周波数でガウス雑音を前記サンプルに注入するように設計されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記検出器は、電流信号を出力する２次微分型グラジオメータ、および前記グラジオメータに動作可能に接続され、前記電流信号を増幅された電圧信号に変換するＳＱＵＩＤであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記コンテナは、サンプル収容領域を有する減衰管であって、磁気遮蔽ケージが前記領域を囲み、ファラデーケージがやはり前記領域を囲む減衰管であり、前記ガウス雑音源は、ガウス雑音発生器およびヘルムホルツコイルを備え、前記ヘルムホルツコイルは、前記磁気ケージおよび前記ファラデーケージ内に含まれ、前記雑音発生器から雑音出力信号を受け取り、前記装置は、定常雑音成分を除去する際に使用するために、前記雑音発生器および前記ＳＱＵＩＤに動作可能に接続され、前記雑音発生器からガウス雑音を受け取り、前記サンプルに注入されたガウス雑音に対して反転した形のガウス雑音を前記ＳＱＵＩＤに出力する信号反転器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
低振動数分子運動を示すサンプルを調査する方法であって、
磁気および電磁遮蔽の両方を有するコンテナ内に前記サンプルを配置し、
（ａ）選択した雑音振幅でガウス雑音を前記サンプルに注入することと、
（ｂ）前記注入したガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号を記録することと、
（ｃ）前記ガウス雑音源の選択した出力設定で、１００と５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の前記サンプルに特徴的な低周波数のサンプル依存スペクトル成分を含むスペクトルプロットを生成することと、
（ｄ）前記サンプルに特徴的なスペクトル成分の最大数または最大数付近を示すプロットが生成されるまで、選択した異なる雑音振幅で（ａ）〜（ｃ）を反復することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記生成することは、（ｉ）１００Hzと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の複数の定義された時間枠のそれぞれにわたり時間領域信号の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）前記フーリエスペクトルの平均を取ることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記計算することは、
（ｉ）サンプル持続時間Ｔにわたり前記サンプルの時間領域信号を格納することと、
（ｉｉ）前記時間領域信号をサンプリングするためのサンプリングレートＦを選択することであって、Ｆ＊Ｔは全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号の実高速フーリエ変換の周波数領域分解能ｆの約２倍であり、ｎが少なくとも１０であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
（ｉｉｉ）前記格納した時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記選択したサンプルに対して実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）を実行してＲＦＦＴ信号を生成することと、
（ｉｖ）前記ＲＦＦＴ信号を正規化し、前記ＲＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
（ｖ）ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、０＜ε＜１として、対応する選択周波数での測定出力＞平均出力＊εであり、εは、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
（ｖｉ）ステップ（ｉｉｉ）から（ｖ）を反復することと、
（ｖｉｉｉ）選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示すヒストグラムを生成することと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
（ｉｖ）で、前記ＲＦＦＴ信号からの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置することと、（ｖｉｉｉ）で、（ａ）前記ｆ個の出力ビンのそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成し、（ｂ）各ビン中の前記平均出力を前記ヒストグラム上に表示することとをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
選択した周波数範囲Ｒにわたりサンプル材料のスペクトル放射の特徴を特徴付ける方法であって、
時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記サンプルに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行してＦＦＴ信号を生成することであって、Ｆは前記時間領域信号をサンプリングするサンプリングレートであり、Ｆ＊Ｔは全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号のＦＦＴの周波数領域分解能ｆよりも大きく、ｎが少なくとも５であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
前記ＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、０＜ε＜１として、対応する選択周波数での測定出力＞平均出力＊εであり、εは、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示す表示を生成することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記平均出力を計算する前に前記ＦＦＴ信号を正規化することと、前記ＦＦＴからの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置することと、前記ｆ個の出力ビンのそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成することと、各ビン中の前記平均出力をヒストグラム上に表示することとをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
Hzで表されるＲはｆにほぼ等しく、サンプル／秒で表されるサンプルレートＦはほぼ２ｆであることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、サンプル中の分子放射に関する低周波数放射イベントを検出し、Ｒは、少なくとも１００Hzから５kHzの周波数範囲を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記平均出力を計算する前に前記ＦＦＴ信号を正規化することをさらに含み、前記ＦＦＴは実高速フーリエ変換であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
選択の前に、サンプル持続時間Ｔにわたりサンプルの時間領域信号を格納することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記表示を生成する前に、前記選択すること、計算すること、および配置することを反復することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
注目の材料に関連する低周波数スペクトルシグナチャであって、
請求項１６に記載の方法で生成されるＤＣ〜５０kHzの周波数範囲内の周波数成分のリスト
を備えることを特徴とするシグナチャ。
【請求項２５】
前記リスト中の周波数は、ＤＣと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の、複数のスペクトル増分のそれぞれで生じるサンプル依存の確率的イベント数のヒストグラムから識別されることを特徴とする請求項２４に記載のスペクトルシグナチャ。
【請求項２６】
信号源として振る舞うサンプルから分子信号を検出するための装置であって、
前記サンプル付近に配置された電磁放射を検出するための手段と、
前記検出するための手段に電気的に接続された超伝導量子干渉素子であって、低温に冷却するための手段内に配置されている超伝導量子干渉素子と、
前記信号源および前記信号を検出するための手段を構造的雑音または一様な雑音で囲むための雑音生成手段と、
前記信号源、検出するための手段、および超伝導量子干渉素子を外部電磁放射から電磁的に遮蔽するための手段であって、前記低温に冷却するための手段の外部に配置されている手段と、
前記超伝導量子干渉素子を制御するための手段と、
前記電磁放射を検出するための手段で検出された信号を観測するための手段と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２７】
前記信号源をその中に垂直に収容する管手段をさらに備え、前記管手段は、少なくとも２kHzの低域フィルタリングを提供することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記装置内に前記信号源を自動的および垂直に配置するための自動ローディング手段をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記信号源および検出するための手段を少なくとも部分的に囲む超伝導鉛遮蔽をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記検出するための手段は、２次微分型グラジオメータを備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
コンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、その内容が、サンプルからの電磁放射を表すデータを表示する方法を少なくとも１つのデータ処理装置に実行させ、前記方法は、
磁気遮蔽された検出装置内でサンプルに雑音を加えることにより生成されたサンプル信号を受け取ることであって、前記雑音と、前記サンプルによって放射された電磁信号との組合わせは、確率共鳴を通じて前記雑音とは異なる特徴を帯び、前記磁気遮蔽された検出装置は、少なくとも１つの電磁放射検出コイルに電気的に接続された超伝導量子干渉素子をその中に備えることと、
高速フーリエ変換を前記サンプル信号に加えることと、
グラフィカルユーザインターフェースを介して前記サンプル信号を表示することであって、前記サンプル信号は、選択した周波数の一連のピークとして表示され、前記ピークは、前記サンプル信号中の他のピークよりも相当に大きく、前記他のピークの少なくとも一部は、前記雑音を表すことと
を含むことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３２】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記データ処理装置のメモリであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３３】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記内容を受信するコンピュータネットワーク中の論理ノードであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３４】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータ読み取り可能なディスクであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３５】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記内容を含む生成されたデータ信号を伝送するデータ伝送媒体であることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３６】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムのメモリであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３７】
信号源として振る舞うサンプルからの分子信号を検出するための装置であって、
前記信号源からの放射信号を検出するために前記サンプル付近に配置された電磁放射検出器と、
前記電磁放射検出器に電気的に接続された超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であって、低温に冷却されている超伝導量子干渉素子と、
雑音相殺構成要素と、
前記信号源からの前記放射信号に構造的雑音または一様な雑音を供給し、前記雑音相殺構成要素に前記雑音を反転したものを供給するための雑音発生器と、
前記信号源、電磁放射検出器、および超伝導量子干渉素子を外部電磁放射から遮蔽するように構成された電磁遮蔽と、
前記超伝導量子干渉素子を制御するためのコントローラと、
確率共鳴を通じた前記雑音による前記信号源信号の増幅を表す、増幅された放射信号を出力するための出力ポートと
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３８】
前記雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの入力との間に配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの出力との間に配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記雑音発生器は、第１および第２の雑音生成構成要素を備え、雑音相殺構成要素は、第１および第２の雑音相殺構成要素を備え、前記第１の雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの入力との間に配置され、前記第１の雑音発生器に結合され、前記第２の雑音相殺構成要素は、ＳＱＵＩＤの出力に配置され、第２の雑音発生器に結合されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
前記雑音発生器は、乱数発生器からの一連の乱数値を供給し、前記雑音相殺構成要素は、前記増幅された放射信号から前記一連の乱数値を差し引くことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、そのすべてが参照により本明細書に組み込まれる、２００２年３月２９日出願のＳＱＵＩＤデバイスおよび確率共鳴により分子電磁信号を測定し低しきい値信号を測定するための装置および方法（ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＳＩＧＮＡＬＳ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＳＱＵＩＤ  ＤＥＶＩＣＥ  ＡＮＤ  ＳＴＯＣＨＡＳＴＩＣ  ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ  ＴＯ  ＭＥＡＳＵＲＥ  ＬＯＷ−ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ  ＳＩＧＮＡＬＳ）という名称の米国特許出願第１０／１１２，９２７号（代理人整理番号３８５４７．８００７．ＵＳ００）、２００３年３月２８日出願の低周波数スペクトルでサンプルを特徴付けるためのシステムおよび方法（ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＩＮＧ  Ａ  ＳＡＭＰＬＥ  ＢＹ  ＬＯＷ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＳＰＥＣＴＲＡ）という名称の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／０９５４４号（代理人整理番号３８５４７．８００５．ＷＯ００）、および２００３年４月１８日出願の低周波数スペクトル成分に基づくサンプル検出システムおよび方法（ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＳＡＭＰＬＥ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＢＡＳＥＤ  ＯＮ  ＬＯＷ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＳＰＥＣＴＲＡＬ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ）という名称の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／１１８３４号（代理人整理番号３８５４７．８００６．ＷＯ００）の一部継続出願であり、これらの利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
原子または分子化合物を特徴付けるための様々な分光機器が存在する。それらには、これらに限定されないが、Ｘ線、ＵＶ、可視光、赤外線およびマイクロ波分光法や、核および電子スピン共鳴（ＮＭＲおよびＥＳＲ）分光法が含まれる。一般に分光機器は、少なくとも４つの異なるタイプの化学分析的問題に対して有用である。第１は、原子および分子化合物をその分光写真的（ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｉｃ）特性、例えばスペクトル成分に従って特徴付けることであり、第２は、化合物を構成する原子のスペクトル特性に従って化合物の原子組成を決定することであり、第３は、化合物内の原子間相互作用のスペクトル特性に従って分子化合物の２次元または３次元コンフォメーションを決定することであり、第４は、検出する化合物の特徴的なスペクトル特性に従ってサンプル中の構成要素、例えば汚染物を検出および特定することである。
【０００３】
【非特許文献１】C. Temperton，"Implementation of a Self-Sorting In-Place Prime Factor FFT Algorithm"，Journal of Computation Physics，v. 58，p. 283，1985
【非特許文献２】Bendat & Piersol，"Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis"，1993
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既存の分光機器の大部分は、感度、得られる情報、測定の容易さ、およびコストの点で何らかの固有の利点をもたらす。各機器はその他の方法では入手可能でない情報を提供するので、可能な限り多くの関連ある分光機器を化学分析に関与させることが一般に有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、一態様で、例えばサンプル内の分子運動に関係する低周波数放射などの、サンプル材料の分光放射特性を特徴付ける方法を含む。この方法は、サンプル持続時間Ｔの間のサンプルの時間領域信号、および時間領域信号のサンプリングのサンプリングレートＦを使用し、Ｆ＊Ｔは全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた時間領域信号の実高速フーリエ変換の周波数領域分解能ｆの約２倍であり、ｎが少なくとも１０であるとしてＳ＞ｆ＊ｎである。プログラムは、格納した時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、そのサンプルに対して実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）を実行する。次にＲＦＦＴを（例えば、最大値を１に設定することによって）正規化し、正規化信号から信号の平均出力を計算する。次にプログラムは、ｆ個の選択した周波数のイベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置する。ただし、対応する選択した周波数での測定出力≧平均出力＊εが成り立ち、０＜ε＜１であり、εは、イベントビンに配置された全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれる。これらのステップをｎ回反復し、選択した周波数範囲にわたる各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示すヒストグラムを生成する。
【０００６】
この方法は、ＲＦＦＴからの正規化出力値をｆ個の対応する周波数の出力ビンに配置するステップと、ｎサイクルのプログラム動作の後、（ａ）ｆ個の出力ビンのそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均パワーを生成し、（ｂ）各ビン中の平均出力をヒストグラム上に表示するステップとをさらに含むことができる。この方法は、ヒストグラム中の、所与のしきい値および平均出力より多いイベントカウントを有するビンを識別することをさらに含むことができる。
【０００７】
注目の材料に関連する低周波数スペクトルシグナチャであって、上記の方法で生成されるＤＣ〜５０kHzの周波数範囲内の周波数成分のリストを備えるシグナチャも開示されている。リスト中の周波数は、ＤＣから５０kHzの間の選択した周波数範囲内の複数のスペクトル増分のそれぞれで生じる、サンプル依存の確率的イベント（ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ｅｖｅｎｔ）数からなるヒストグラムから識別することができる。
【０００８】
別の態様で、本発明は、低振動数分子運動を示すサンプルを調査するための装置を含む。この装置は、サンプルを収容するように適合され、磁気遮蔽および電磁遮蔽されたコンテナ、前記コンテナ中のサンプルへの注入のための調節可能ガウス雑音出力源、および注入されたガウス雑音に重ねられたサンプル源放射（ｓａｍｐｌｅ  ｓｏｕｒｃｅ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ）からなる電磁時間領域信号を検出する検出器を備える。装置内の電子コンピュータは、検出器から時間領域信号を受け取り、信号を処理して、選択したガウス雑音源の出力設定で、ＤＣと５０kHzの間の選択した周波数範囲内のサンプルに特徴的な低周波数スペクトル成分を表示するスペクトルプロットを生成する。
【０００９】
一般的な一実施形態で、電子コンピュータは、（ｉ）ＤＣから５０kHzの間の選択した周波数範囲内で、複数の定義された時間枠のそれぞれにわたる時間領域信号の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）フーリエスペクトルの平均を取るように機能する信号アナライザを備える。
【００１０】
通常、１〜５秒の時間領域間隔にわたってそれぞれ取られた、少なくとも５つのフーリエスペクトルが計算される。
【００１１】
別の一般的な実施形態で、電子コンピュータは、スペクトルイベントのヒストグラムを生成するための上述の方法を実施するように動作可能な機械読み取り可能なコードを備える。
【００１２】
装置内のガウス雑音源は、調節可能出力ガウス雑音発生器、ならびに磁気ケージおよびファラデーケージ内に含まれ、１００mVから１Vの範囲の選択された雑音出力信号を雑音発生器から受けるヘルムホルツコイルとすることができる。インジェクタは、たとえばＤＣから８kHzの間の周波数でガウス雑音をサンプルに注入するように設計されている。
【００１３】
装置内の検出器は、電流信号を出力する１次微分型超伝導グラジオメータ、およびグラジオメータに動作可能に接続され電流信号を増幅された電圧信号に変換するＳＱＵＩＤとすることができる。
【００１４】
装置内のコンテナは、サンプル収容領域を有する減衰管、その領域を囲む磁気遮蔽ケージ、および磁気遮蔽ケージ内に含まれ、やはりその領域を囲むファラデーケージを備えることができる。この実施形態では、ガウス雑音源は、ガウス雑音発生器ならびに磁気ケージおよびファラデーケージ内に含まれ、雑音発生器から雑音出力信号を受け取るヘルムホルツコイルを備えることができる。それはさらに、時間依存信号から定常雑音成分を除去する際に使用するために、前記雑音源および前記ＳＱＵＩＤに動作可能に接続され、雑音源からガウス雑音を受け取り、サンプルに注入されたガウス雑音に対して反転した形のガウス雑音を前記ＳＱＵＩＤに出力する信号反転器を備える。
【００１５】
さらに別の態様で、本発明は、低振動数分子運動を示すサンプルを調査する方法を含む。この方法を実施する際に、サンプルは磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナ内に配置され、選択した雑音振幅でガウス雑音がサンプルに注入される。注入したガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号が記録され、これから、ガウス雑音源の選択した出力設定で、ＤＣから５０kHzの間の選択した周波数範囲内の、サンプルに特徴的な低周波数のサンプル依存スペクトル成分を含むスペクトルプロットが生成される。最大数または最大数付近の、サンプルに特徴的なスペクトル成分を示すプロットが生成されるまで、選択した異なる雑音振幅で各ステップが反復される。
【００１６】
一実施形態で、（ｉ）ＤＣから５０kHzの間の選択した周波数範囲内の、複数の定義された時間枠のそれぞれにわたる時間領域信号の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）フーリエスペクトルの平均を取ることによってスペクトルプロットが生成される。
【００１７】
別の一般的な実施形態で、スペクトルプロットが上記のヒストグラム方法によって生成される。
【００１８】
本発明の上記およびその他の目的および特徴は、本発明の以下の詳細な説明を添付の図面と共に読むときにより完全に明らかとなるであろう。
【００１９】
図面では、同一の参照番号は、同一または相当に類似の要素または動作を識別する。任意の特定の要素または動作の議論を容易に識別できるように、参照番号中の最上位の１つまたは複数の桁は、その要素が最初に導入された図の番号を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
I. 定義
以下の用語は、別段の指示がない限り、以下の定義を有する。
【００２１】
「分子回転を示すサンプル」とは、サンプルを構成する又はサンプル中に存在する分子化合物または原子イオンのうちの１つまたは複数が回転を示す、気体、液体、または固体（固体金属を除く）のサンプル材料を指す。
【００２２】
「磁気遮蔽」とは、遮蔽材料の透磁率の結果として磁束の通過を阻止または防止する遮蔽を指す。
【００２３】
「電磁遮蔽」とは、たとえば標準ファラデー（ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｆａｒａｄａｙ）電磁遮蔽を指す。
【００２４】
「時間領域信号」または「時系列信号」とは、時間と共に変化する過渡的信号特性を有する信号を指す。
【００２５】
「サンプル源放射」とは、磁場中の分子ダイポールの回転などのサンプルの分子運動の結果として生じる磁束放射を指す。
【００２６】
「ガウス雑音」とは、ガウス出力分布を有する無秩序雑音を意味する。
【００２７】
「定常白色ガウス雑音」とは、予測可能な未来成分をまったく有しない無秩序ガウス雑音を意味する。
【００２８】
「周波数領域スペクトル」とは、時間領域信号のフーリエ周波数プロットを指す。
【００２９】
「スペクトル成分」とは、周波数、振幅、および／または位相領域で測定することのできる、時間領域信号内の単独のまたは反復される特性を指す。スペクトル成分は、一般には周波数領域に存在する信号を指す。
【００３０】
第１のサンプルを参照しての「類似サンプル」とは、第１サンプルと同一のサンプル、または第１サンプルとほぼ同一のサンプル成分を有するサンプルを指す。
【００３１】
「ファラデーケージ」とは、望ましくない電磁放射に対してグランドへの電気的経路を与え、それによって電磁的環境を静める電磁遮蔽構成を指す。
【００３２】
II. 装置
以下では、注目のサンプルの低周波数電磁放射または信号を検出、処理、および提示するためのシステムおよび方法を詳細に説明する。一実施形態で、既知の白色雑音信号またはガウス雑音信号がサンプルに導入される。ガウス雑音は、サンプルからの電磁放射を信号検出システムで十分に検出できるように設定される。検出された信号のセットは共に処理され、再現性および統計的関連性が保証される。得られる放射パターンまたはスペクトルを、特定の物質として表示、格納、および／または識別することができる。
【００３３】
以下の説明は、本発明の実施形態を完全に理解し、本発明の実施形態に関する説明を可能にするための特定の詳細を与える。しかし、こうした詳細なしに本発明を実施できることを当業者は理解するだろう。他の例では、本発明の実施形態の説明を不必要にあいまいにすることを避けるため、周知の構造および機能を詳細には図示または説明していない。
【００３４】
以下で詳細に説明するように、本発明の実施形態は、低しきい値分子電磁信号の反復可能な検出および記録のための装置および方法を提供することを対象とする。磁気的に遮蔽されたファラデーケージが、外部電磁信号からサンプル材料および検出装置を遮蔽する。磁気的に遮蔽されたファラデーケージ内では、コイルが白色雑音またはガウス雑音を注入し、非鉄トレイがサンプルを収容し、グラジオメータが低しきい値分子電磁信号を検出する。この装置は、超伝導量子干渉素子（「ＳＱＵＩＤ」）および前置増幅器をさらに備える。
【００３５】
この装置は、サンプルを磁気的に遮蔽されたファラデーケージ内に、雑音コイルおよびグラジオメータに近接して配置することによって使用される。白色雑音が、雑音コイルによって注入され、分子電磁信号が確率共鳴によって増大するまで変調される。次いで、ファラデーケージによって外部干渉から遮蔽された増大した分子電磁信号、および雑音コイルによって生成された磁場が、グラジオメータおよびＳＱＵＩＤによって検出および測定される。次いで、信号が増幅され、任意の適切な記録または測定装置に送られる。
【００３６】
図１を参照すると、外側から内側の方向に、磁気シールドである導電性ワイヤケージ１６、および電磁遮蔽を提供する内部導電性ワイヤケージ１８および２０を備える遮蔽構造１０が示されている。別の実施形態で、外部磁気シールドはアルミニウムニッケル合金被膜を有する固体アルミニウム板材料で形成され、電磁遮蔽は固体アルミニウムでそれぞれ形成された２つの内部壁構造によって与えられている。
【００３７】
図２を参照すると、ファラデーケージ１０は頂部で開いており、側部開口１２および１４を備える。ファラデーケージ１０はさらに、互いに入れ子状に重ねられた３つの銅メッシュケージ１６、１８、および２０を備える。銅メッシュケージ１６、１８、および２０のそれぞれは、各ケージ間の誘電体障壁（図示せず）によって他のケージから電気的に分離されている。
【００３８】
側部開口１２および１４は、減衰管２２および２４をさらに備え、外部干渉源からケージの内部を分離しながらファラデーケージ１０の内部へのアクセスを提供する。図３を参照すると、減衰管２４は、互いに入れ子状に重ねられた３つの銅メッシュ管２６、２８、および３０を備える。外部銅メッシュケージ１６、１８、および２０はそれぞれ、銅メッシュ管２６、２８、および３０のうちの１つに電気的に接続されている。減衰管２４はさらに、穴３４を有するキャップ３２で覆われている。減衰管２２は、同様に銅メッシュ管２６、２８、および３０を備えるが、キャップ３２を備えない。
【００３９】
図２を再び参照すると、低密度非鉄サンプルトレイ５０がファラデーケージ１０の内部に取り付けられている。サンプルトレイ５０は、ファラデーケージ１０から減衰管２２および側部開口１２を通じて取り外すことができるように取り付けられている。ファラデーケージ１０の中心垂直軸から減衰管２２の最外縁までの距離よりもそれぞれ長い３本のロッド５２が、サンプルトレイ５０に取り付けられている。３つのロッド５２は、減衰管２２の内部曲線（ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｃｕｒｖｅ）に合致するように適合され、その結果、ロッドを減衰管内に静止させることによってサンプルトレイ５０をファラデーケージ１０の中心に配置することができる。図示する実施形態では、サンプルトレイ５０およびロッド５２は、ガラス繊維エポキシ製である。サンプルトレイ５０およびロッド５２を他の非鉄材料で作成することもでき、単一のロッドなどの他の手段によってトレイをファラデーケージ１０内に取り付けることもできることが当業者に容易に理解されるだろう。
【００４０】
図２を再び参照すると、低温デュワー１００が、ファラデーケージ１０内のサンプルトレイ５０の上に取り付けられている。開示の実施形態では、デュワー１００はファラデーケージ１０の頂部の開口内にはめ合わさるように適合され、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のモデルＢＭＤ−６液体ヘリウムデュワーである。デュワー１００は、ガラス繊維エポキシ複合材料で構成されている。非常に狭い視野のグラジオメータ１１０が、デュワー１００内の、その視野がサンプルトレイ５０を包含するような位置に取り付けられている。図示する実施形態では、グラジオメータ１１０は２％平衡（ｂａｌａｎｃｅ）を有する、公称直径１センチメートルの１次軸方向検出コイルであり、超伝導体で形成されている。グラジオメータは、平面型グラジオメータを除く任意の形態のグラジオメータとすることができる。グラジオメータ１１０は、ある低温直流超伝導量子干渉素子（「ＳＱＵＩＤ」）１２０の入力コイルに接続されている。開示の実施形態では、ＳＱＵＩＤは、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のモデルＬＳＱ／２０  ＬＴＳ  ｄｃ  ＳＱＵＩＤである。本発明の精神および範囲から逸脱することなく高温ＳＱＵＩＤまたは交流ＳＱＵＩＤを使用できることが当業者に理解されるだろう。代替実施形態では、ＳＱＵＩＤ１２０は雑音抑圧コイル１２４を備える。
【００４１】
開示のグラジオメータ１１０とＳＱＵＩＤ１２０の組合わせは、磁場を測定するときに５マイクロテスラ／√Hzの感度を有する。
【００４２】
ＳＱＵＩＤ１２０の出力は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のモデルＳＰ低温ケーブル１３０に接続されている。低温ケーブル１３０は、デュワー１００内外の温度に耐え、ＳＱＵＩＤ１２０からの信号を、ファラデーケージ１０およびデュワー１００の外に取り付けられているＦＬＬ（Ｆｌｕｘ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）１４０に転送する。開示の実施形態でのＦＬＬ１４０は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のｉＦＬ−３０１−Ｌ  ＦＬＬである。
【００４３】
図１を参照すると、ＦＬＬ１４０はさらに、ＳＱＵＩＤ１２０から受け取った信号を増幅し、ハイレベル出力回路１４２を介してｉＭＣ−３０３  ｉＭＡＧ（登録商標）ＳＱＵＩＤコントローラ１５０に出力する。ＦＬＬ１４０はまた、モデルＣＣ−６０  ６メータ光ファイバ複合接続ケーブル１４４を介してＳＱＵＩＤコントローラ１５０に接続されている。光ファイバ接続ケーブル１４４およびＳＱＵＩＤコントローラ１５０は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製である。コントローラ１５０は、磁気遮蔽ケージ４０の外部に取り付けられている。光ファイバ接続ケーブル１４４は、ＳＱＵＩＤコントローラ１５０からＦＬＬ１４０に制御信号を伝送し、測定すべき信号との電磁干渉の可能性をさらに低減する。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他のＦＬＬ、接続ケーブル、およびＳｑｕｉｄコントローラを使用できることは当業者に明らかであろう。
【００４４】
ＳＱＵＩＤコントローラ１５０は、高分解能アナログ−デジタル変換器１５２、デジタル化信号を出力するための標準ＧＰ−ＩＢバス１５４、およびアナログ信号を出力するためのＢＮＣコネクタ１５６をさらに備える。図示する実施形態では、ＢＮＣコネクタは、パッチコード１６２を介して２現象オシロスコープ１６０に接続されている。
【００４５】
図２を参照すると、サンプルトレイがファラデーケージ１０内に完全に挿入されたとき、２素子ヘルムホルツ変成器６０がサンプルトレイ５０のどちらかの側に設置される。図示する実施形態では、ヘルムホルツ変成器６０のコイル巻線６２および６４は、直流から５０キロヘルツの範囲で動作するように設計され、中心周波数２５キロヘルツ、自己共振周波数８．８メガヘルツである。図示する実施形態では、コイル巻線６２および６４は、一般に矩形であり、ほぼ高さ８インチ、幅４インチである。他のヘルムホルツコイル形状も使用することができるが、グラジオメータ１１０およびサンプルトレイ５０がヘルムホルツコイルによって生成される磁場の範囲内に配置されるような形状およびサイズであるべきである。コイル巻線６２および６４のそれぞれは、２つの低密度非鉄フレーム６６および６８の一方の上に取り付けられている。フレーム６６および６８は、ヒンジ式に互いに接続され、脚部７０によって支持されている。フレーム６６および６８は、デュワー１００の下部に対するフレームの垂直運動が可能となるようにスライド可能に脚部７０に取り付けられている。フレームの運動により、ヘルムホルツ変成器６０のコイル巻線６２および６４を調節して、グラジオメータ１１０で受け取られる白色雑音の振幅を変更することが可能となる。脚部７０は、ファラデーケージ１０の底部上に載り、またはエポキシ樹脂で接着されている。図示する実施形態では、フレーム６６および６８ならびに脚部７０はガラス繊維エポキシ製である。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、サンプルトレイ５０を取り囲む他の変成器またはコイルの構成も使用することができる。
【００４６】
図４を参照すると、ファラデーケージおよびその内容の断面図が示されており、ヘルムホルツ変成器６０の巻線６２がデュワー１００およびファラデーケージ１０との関係で示されている。図４では、サンプルトレイ５０およびサンプル２００の配置にも留意されたい。
【００４７】
図５を参照すると、ヘルムホルツコイル巻線６２および６４が垂直方向に固定され、追加の雑音コイル３００がサンプルトレイ５０の下に配置された代替実施形態が示されている。追加の雑音コイル３００の巻線は、ヘルムホルツ変成器６０の垂直巻線６２および６４に対してほぼ直角であり、したがって追加の雑音コイル３００の巻線は、ファラデーケージ１０の底部とほぼ平行な向きである。
【００４８】
この代替実施形態では、ヘルムホルツコイルに供給するのと同一の撚線対（図示せず）から雑音が雑音コイル３００に供給される。雑音源は、雑音をヘルムホルツコイルに供給するのに使用されるのと同一の雑音発生器から発生する。雑音は、追加の雑音出力接続を介して雑音発生器でサンプリングされ、または雑音発生器への出力接続から平衡スプリッタ（ｂａｌａｎｃｅｄ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を介してサンプリングされる。追加の雑音コイル３００での雑音信号の減衰は、その多くが市販されている調節可能ＲＦ信号減衰回路を通じて、または適切な一連の固定値ＲＦ減衰フィルタを介して行われる。
【００４９】
図６を参照すると、ヘルムホルツ変成器６０のコイルを支持するフレームの詳細を知ることができる。図６の参照点は図４の視点から９０度の角度であり、ファラデーケージ１０が省略されている。ほぼ垂直な位置にあり、かつ互いに平行なヘルムホルツコイルのコイル巻線を示すように、フレーム６６および６８が配置されている。フレーム６６’および６８’は、ヘルムホルツ変成器のコイル巻線を互いに非平行な関係に配置するような、前記フレームを接合するヒンジ式接続の軸の周りの回転を示している。
【００５０】
図１を再び参照すると、振幅調節可能白色雑音発生器８０が磁気遮蔽ケージ４０の外部にあり、電気的ケーブル８２により、フィルタ９０を介してヘルムホルツ変成器６０に電気的に接続されている。図３を参照すると、ケーブル８２は側部開口１２、減衰管２４を通り、穴３４を介してキャップ３２を通る。ケーブル８２は、内部磁気遮蔽８６および外部磁気遮蔽８８によってそれぞれ囲まれた銅導線８４の撚線対をさらに備える同軸ケーブルである。他の実施形態で、導線は、銀または金などの任意の非磁性導電性材料とすることができる。内部磁気遮蔽８６および外部磁気遮蔽８８はキャップ３２で終了し、撚線対８４が、エンドキャップから図１に示したヘルムホルツ変成器６０までの残りの距離に及ぶようにする。内部磁気遮蔽８６は、キャップ３２を通じてファラデーケージ１６に電気的に接続され、外部磁気遮蔽は、図１に示した磁気的に遮蔽されたケージ４０に電気的に接続されている。
【００５１】
図１を参照すると、白色雑音発生器８０は、０から１００キロヘルツの周波数スペクトルにわたってほぼ一様な雑音を生成することができる。図示する実施形態では、フィルタ９０は、５０キロヘルツより上の雑音を除去するが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく他の周波数範囲も使用することができる。
【００５２】
白色雑音発生器８０はまた、パッチコード１６４を通じて２現象オシロスコープ１６０の他の入力に電気的に接続されている。
【００５３】
図１、２、および３を参照すると、測定すべき物質２００のサンプルがサンプルトレイ５０上に配置され、サンプルトレイがファラデーケージ１０内に配置されている。第１の実施形態では、ヘルムホルツ変成器６０に白色雑音を注入するのに白色雑音発生器８０が使用される。雑音信号は、グラジオメータ１１０で誘導電圧を生成する。次いで、グラジオメータ１１０での誘導電圧がＳＱＵＩＤ１２０によって検出および増幅され、ＳＱＵＩＤからの出力がＦＬＬ１４０によってさらに増幅され、ＳＱＵＩＤコントローラ１５０に送られ、次いで２現象オシロスコープ１６０に送られる。２現象オシロスコープ１６０は、白色雑音発生器８０によって生成された信号を表示するのにも使用される。
【００５４】
白色雑音信号は、白色雑音発生器８０の出力を変更することにより、および図２に示したヘルムホルツ変成器６０をサンプル２００の周りで回転することによって調節される。フレーム６６および６８のヒンジ式接続の軸の周りのヘルムホルツ変成器６０の回転により、グラジオメータ１１０についてのヘルムホルツ変成器６０のフェージングが変更される。所望の位相変更に応じて、フレーム６６および６８のヒンジ式接続により、巻線６２および６４を互いに平行のままにすると共に、サンプルトレイ５０の周りに約３０から４０度回転することが可能となる。ヘルムホルツ変成器６０によって生成された磁場の信号フェージングをグラジオメータ１１０について変更するために、ヒンジ式接続により、巻線６２および６４を平行から約６０度まで回転することも可能となる。典型的な位相の調節は、この非平行の向きを含むが、ある環境では、例えば不規則な形状のサンプル２００を収容するために、他の向きが好ましいことがある。雑音が検出しようとする分子電磁放射より３０から３５デシベル上になるまで雑音が加えられ、調節される。この雑音レベルでは、雑音は、周知の現象である確率共鳴により分子電磁信号の特徴を帯びる。グラジオメータ１１０によって検出された信号を反映するオシロスコープトレースが白色雑音発生器８０から直接得られる信号を反映するトレースから変化したとき、求める確率的生成物が観測される。代替実施形態では、市販の任意の装置で信号を記録および処理することができる。
【００５５】
代替実施形態では、分子電磁信号を検出する方法は、ＳＱＵＩＤ１２０の雑音抑圧コイル１２４により、ヘルムホルツ変成器６０で加えられる元の雑音信号と１８０°位相が異なる雑音を注入することをさらに含む。次いで、グラジオメータ１１０で検出される信号を反映するオシロスコープトレースが非ランダムとなったとき、求める確率的生成物を観測することができる。
【００５６】
雑音をどのように注入および調節するかに関わらず、スペクトルピークの増加が生じるときを観測することによって確率的生成物を求めることもできる。スペクトルピークは、オシロスコープ１６０上のラインプロットとして、または数値として観測することができ、あるいは他の周知の測定装置で観測することができる。
【００５７】
本発明の実施形態は、極めて低いしきい値の分子電磁信号を外部干渉なしに検出する方法および装置を提供する。本発明の実施形態はさらに、多種多様な信号記録および処理装置で容易に使用可能なフォーマットでのこうした信号の出力を可能にする。
【００５８】
次に図７を参照すると、上記の各図の分子電磁放射検出および処理システムに対する代替実施形態が示されている。システム７００は、処理装置７０４に結合された検出ユニット７０２を備える。検出ユニット７０２の外部に処理装置７０４を図示しているが、処理装置の少なくとも一部を検出ユニット内に配置することもできる。
【００５９】
図７の断面図に示す検出ユニット７０２は、互いに入れ子状に重ねられた、または互いに同心の複数の構成要素を備える。サンプルチャンバまたはファラデーケージ７０６が金属ケージ７０８内に入れ子状に重ねられる。サンプルチャンバ７０６および金属ケージ７０８のそれぞれは、アルミニウム材料からなることができる。サンプルチャンバ７０６は、真空中に維持することができ、設定温度に温度制御することができる。金属ケージ７０８は、低域フィルタとして機能するように構成されている。
【００６０】
平行な加熱コイルまたは素子のセット７１０が、サンプルチャンバ７０６と金属ケージ７０８の間にあり、サンプルチャンバ７０６を取り囲んでいる。１つまたは複数の温度センサ７１１も加熱素子７１０およびサンプルチャンバ７０６に近接して配置されている。例えば、サンプルチャンバ７０６の外部の周りの異なる場所に、４つの温度センサを配置することができる。加熱素子７１０および温度センサ７１１は、サンプルチャンバ７０６内部をある温度に維持するように構成されている。
【００６１】
シールド７１２が金属ケージ７０８を取り囲んでいる。シールド７１２は、サンプルチャンバ７０６に対する追加の磁場遮蔽または分離を与えるように構成されている。シールド７１２は、鉛または他の磁気遮蔽材料からなることができる。サンプルチャンバ７０６および／または金属ケージ７０８によって十分な遮蔽が与えられるとき、シールド７１２は任意選択である。
【００６２】
Ｇ１０絶縁を備えた寒剤層７１６がシールド７１２を取り囲んでいる。寒剤は液体ヘリウムとすることができる。寒剤層７１６（低温デュワーとも呼ばれる）は、動作温度４ケルビンである。外部シールド７１８が寒剤層７１６を取り囲んでいる。外部シールド７１８は、ニッケル合金からなり、磁気シールドとなるように構成されている。検出ユニット７０２によって与えられる全磁気遮蔽量は、デカルト座標系の３つの直交面に沿って約−１００ｄＢ、−１００ｄＢ、および−１２０ｄＢである。
【００６３】
上述の様々な要素は、エアギャップまたは誘電体障壁（図示せず）によって互いに電気的に分離されている。説明を容易にするために、各要素を互いに原寸に比例するように図示していないことも理解されたい。
【００６４】
サンプルホルダ７２０を、手動で、または機械的にサンプルチャンバ７０６内に配置することができる。サンプルホルダ７２０を下げることができ、上げることができ、またはサンプルチャンバ７０６の頂部から取り除くことができる。サンプルホルダ７２０は、うず電流を導入せず、固有の分子回転をほとんどまたは全く示さない材料からなる。一例を挙げると、サンプルホルダ７２０は、高品質ガラスまたはパイレックス（登録商標）からなることができる。
【００６５】
検出ユニット７０２は、固体サンプル、液体サンプル、または気体サンプルを扱うように構成されている。検出ユニット７０２では様々なサンプルホルダを使用することができる。例えば、サンプルのサイズに応じて、より大きなサンプルホルダを使用することができる。別の例として、サンプルが空気に対して反応性があるとき、サンプルをカプセル化し、またはサンプルの周りに気密シールを形成するようにサンプルホルダを構成することができる。さらに別の例では、サンプルが気体であるとき、サンプルホルダ７２０なしにサンプルチャンバ７０６内部にサンプルを導入することができる。そのようなサンプルでは、サンプルチャンバ７０６が真空に保たれる。サンプルチャンバ７０６の頂部の真空シール７２１は、真空を維持し、かつ／またはサンプルホルダ７２０を収容することを助ける。
【００６６】
検出コイルとも呼ばれる感知コイル７２２および感知コイル７２４が、それぞれサンプルホルダ７２０の上および下に設けられている。感知コイル７２２、７２４のコイル巻線は、直流（ＤＣ）から約５０キロヘルツ（kHz）の範囲で動作するように構成され、中心周波は数２５kHzであり自己共振周波数は８．８MHzである。感知コイル７２２、７２４は、２次微分型であり、ほぼ１００％の結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を達成するように構成されている。一実施形態では、コイル７２２、７２４は概して矩形であり、Ｇ１０ファスナ（Ｇ１０  ｆａｓｔｅｎｅｒ）によって定位置に保たれている。コイル７２２、７２４は、２次微分型グラジオメータとして機能する。
【００６７】
ヘルムホルツコイル７２６および７２８は、本明細書で説明されるように、シールド７１２と金属ケージ７０８の間に垂直に配置することができる。コイル７２６および７２８のそれぞれは、互いに独立に上昇させることができ、または下降させることができる。白色またはガウス雑音生成コイルとも呼ばれるコイル７２６および７２８は、室温または周囲温度である。コイル７２６、７２８で生成される雑音は、約０．１０ガウスである。
【００６８】
サンプルからの放射とコイル７２２、７２４との間の結合の程度は、コイル７２２、７２４に対してサンプルホルダ７２０を再配置することによって、またはサンプルホルダ７２０に対してコイル７２６、７２８の一方または両方を再配置することによって変更することができる。
【００６９】
処理装置７０４は、コイル７２２、７２４、７２６、および７２８に電気的に結合されている。処理装置７０４は、コイル７２６、７２８によってサンプルに注入すべき白色またはガウス雑音を指定する。処理装置１０４はまた、注入されたガウス雑音と混合されたサンプルの電磁放射からコイル７２２、７２４で誘導電圧を受け取る。
【００７０】
図８を参照すると、本発明の諸態様を利用する処理装置は、サンプル８４２をファラデーケージ８４４およびヘルムホルツコイル７４６内に挿入し、またはそれらから取り外すことを可能にするサンプルトレイ８４０を備える。ＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器アセンブリ８４８が低温デュワー８５０内に配置されている。ＦＬＬ８５２がＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器アセンブリ８４８とＳＱＵＩＤコントローラ８５４との間に結合されている。ＳＱＵＩＤコントローラ８５４は、Ｔｒｉｓｔａｎによって提供されるモデルｉＭＣ−３０３ｉＭＡＧ多重チャネルコントローラとすることができる。
【００７１】
アナログ雑音発生器８５６は、（上述の）雑音信号を位相ロックループ（ｐｈａｓｅ  ｌｏｃｋ  ｌｏｏｐ）８５８に供給する。位相ロックループのｘ軸出力は、ヘルムホルツコイル８４６に供給され、例えば２０ｄＢだけ減衰させることができる。位相ロックループのｙ軸出力は、信号スプリッタ８６０で分割される。ｙ軸出力の一方の部分は、グラジオメータに対する別個の入力を有するＳＱＵＩＤの雑音相殺コイルに入力される。ｙ軸信号の他の部分は、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ  ＴＤＳ  ３０００ｂ（例えばモデル３０３２ｂ）のようなフーリエ機能を有するアナログ／デジタルオシロスコープなどのオシロスコープ８６２に入力される。すなわち、位相ロックループのｘ軸出力はヘルムホルツコイルを駆動し、反転形であるｙ軸出力は分割されてＳＱＵＩＤおよびオシロスコープに入力される。したがって、位相ロックループは信号反転器として機能する。オシロスコープトレースは、例えば非定常スペクトル成分を生成するのに十分なレベルの雑音が達成された時を判定するために、アナログ雑音信号を監視するのに使用される。コントローラ８５４に結合されたアナログテープレコーダまたは記録装置８６４は、装置から出力された信号を記録し、好ましくは、広帯域（例えば５０kHz）レコーダである。ＰＣコントローラ８６６は、例えばＲＳ２３２ポートを介して、コントローラ８５４とインターフェースするＭＳ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ベースのＰＣとすることができる。
【００７２】
図９に、処理装置の別の実施形態のブロック図が示されている。２位相ロックインアンプ２０２が、第１の信号（例えば「ｘ」信号または雑音信号）をコイル７２６、７２８に供給し、第２の信号（例えば「ｙ」雑音または雑音相殺信号）を超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）２０６の雑音相殺コイルに供給するように構成されている。増幅器２０２は、外部参照なしにロックするように構成されており、Ｐｅｒｋｉｎｓ  Ｅｌｍｅｒモデル７２６５ＤＳＰロックインアンプとすることができる。この増幅器は「仮想モード」で動作し、仮想モードでは、増幅器は初期参照周波数にロックし、次いで、自由に動作して「雑音」にロックすることが可能となるように参照周波数を除去する。
【００７３】
アナログ雑音発生器２００は、増幅器２０２に電気的に結合されている。発生器２００は、増幅器２０２を介してコイル７２６、７２８でアナログ白色ガウス雑音を生成または誘導するように構成されている。一例を挙げると、発生器２００は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏ製のモデル１３８０とすることができる。
【００７４】
インピーダンス変圧器２０４が、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２との間に電気的に結合されている。インピーダンス変圧器２０４は、ＳＱＵＩＤ２０６と増幅器２０２との間のインピーダンス整合を実現するように構成されている。
【００７５】
ＳＱＵＩＤ２０６の雑音相殺機能は、オンまたはオフすることができる。雑音相殺機能がオンされるとき、ＳＱＵＩＤ２０６は、検出した放射から、注入された雑音成分を相殺し、または無効にすることができる。雑音相殺を実現するために、コイル７２６、７２８の第１の信号は、検出しようとする分子電磁放射より２０dBまたは３５dB上の雑音信号である。このレベルでは、注入された雑音は、確率共鳴により分子電磁信号の特徴を帯びる。ＳＱＵＩＤ２０６への第２の信号は雑音相殺信号であり、ＳＱＵＩＤ出力で雑音を無効にするのに十分な振幅で第１の信号から反転されている（例えば、第１の信号に対して位相が１８０度ずれている）。
【００７６】
ＳＱＵＩＤ２０６は低温直接要素ＳＱＵＩＤ（ｄｉｒｅｃｔ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ＳＱＵＩＤ）である。一例を挙げると、ＳＱＵＩＤ２０６は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のモデルＬＳＱ／２０  ＬＴＳ  ｄＣ  ＳＱＵＩＤである。あるいは、高温または交流ＳＱＵＩＤを使用することもできる。コイル７２２、７２４（例えば、グラジオメータ）とＳＱＵＩＤ２０６（ＳＱＵＩＤ／グラジオメータ検出器アセンブリと総称する）は、組み合わさって約５マイクロテスラ／√Hzの磁場測定感度を有する。コイル７２２、７２４内の誘導電圧は、ＳＱＵＩＤ２０６で検出され、増幅される。ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、約０．２〜０．８マイクロボルトの範囲の電圧である。
【００７７】
ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８への入力である。ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、ＳＱＵＩＤ２０６の動作状態を制御し、さらに、検出信号を調整するように構成されている。一例を挙げると、ＳＱＵＩＤコントローラ２０８は、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．製のｉＭＣ−３０３ｉＭＡＧ多重チャネルＳＱＵＩＤコントローラとすることができる。
【００７８】
ＳＱＵＩＤコントローラ２０８の出力は、増幅器２１０に入力される。増幅器２１０は、０〜１００dBの範囲の利得を与えるように構成されている。雑音相殺ノードがＳＱＵＩＤ２０６でオンにされているとき、約２０dBの利得が与えられる。ＳＱＵＩＤ２０６が雑音相殺を与えないとき、約５０dBの利得が与えられる。
【００７９】
増幅信号は、レコーダまたは記憶装置２１２に入力される。レコーダ２１２は、アナログの増幅された信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号を格納するように構成されている。一実施形態では、レコーダ２１２は、Hz当り８６００個のデータ点を格納し、２．４６Ｍビット／秒を処理することができる。一例を挙げると、レコーダ２１２は、ソニーのデジタルオーディオテープ（ＤＡＴ）レコーダとすることができる。ＤＡＴレコーダを使用して、生の信号またはデータセットを、表示または特定の処理のために第３者に望み通りに送ることができる。
【００８０】
低域フィルタ２１４が、レコーダ２１２からのデジタル化データセットをフィルタする。低域フィルタ２１４はアナログフィルタであり、バターワースフィルタとすることができる。遮断周波数は約５０kHzである。
【００８１】
次に、帯域フィルタ２１６が、フィルタ後のデータセットをフィルタする。帯域フィルタ２１６は、ＤＣから５０kHzの間の帯域幅を有するデジタルフィルタとなるように構成されている。帯域フィルタ２１６は、異なる帯域幅用に調節することができる。
【００８２】
帯域フィルタ２１６の出力は、フーリエ変換器プロセッサ２１８への入力である。フーリエ変換プロセッサ２１８は、時間領域のデータセットを周波数領域のデータセットに変換するように構成されている。フーリエ変換プロセッサ２１８は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）型の変換を実行する。
【００８３】
フーリエ変換後のデータセットは、相関および比較プロセッサ２２０に入力される。レコーダ２１２の出力もプロセッサ２２０に入力される。プロセッサ２２０は、（雑音相殺がＳＱＵＩＤ２０６によって与えられないとき）先に記録されたデータセットと当該データセットを相関させ、しきい値を求め、雑音相殺を実行するように構成されている。プロセッサ２２０の出力は、サンプルの分子低周波数電磁放射のスペクトルを表す最終データセットである。
【００８４】
グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）などのユーザインターフェース（ＵＩ）２２２を、少なくともフィルタ２１６およびプロセッサ２２０に接続して信号処理パラメータを指定することもできる。フィルタ２１６、プロセッサ２１８、およびプロセッサ２２０は、ハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアとして実装することができる。例えば、フィルタ２１６およびプロセッサ２１８を１つまたは複数の半導体チップに実装することができる。プロセッサ２２０は、コンピューティングデバイスに実装されたソフトウェアとすることができる。
【００８５】
この増幅器は「仮想モード」で動作し、仮想モードでは、増幅器が初期参照周波数にロックし、次いで、自由に動作して「雑音」にロックすることが可能となるように参照周波数を除去する。アナログ雑音発生器（これはＧｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏによって製造され、全くアナログの雑音発生器である）は、ヘルムホルツおよび雑音相殺コイルについて、それぞれ２０dBおよび４５−dBの減衰を必要とする。
【００８６】
ヘルムホルツコイルは、１パーセントの１／１００の平衡を持つ約１立方インチのスイートスポット（ｓｗｅｅｔ  ｓｐｏｔ）を有することができる。代替実施形態では、ヘルムホルツコイルは、垂直方向の運動と（垂直アクセスの周りの）回転運動のどちらも行うことができ、平行からパイ（ｐｉｅ）形に広がることができる。一実施形態では、ＳＱＵＩＤ、グラジオメータ、および駆動変圧器（コントローラ）は、それぞれ１．８、１．５、および０．３マイクロヘンリーの値を有する。ヘルムホルツコイルは、スイートスポットで０．５ガウス／アンペアの感度を有することができる。
【００８７】
確率応答（ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）には約１０から１５マイクロボルトが必要となる可能性がある。雑音を注入することにより、システムは、ＳＱＵＩＤ装置の感度を上げている。ＳＱＵＩＤ装置は、雑音なしで約５フェムトテスラの感度を有していた。このシステムは、雑音を注入し、この確率共鳴応答を使用することにより、２５から３５dBだけ感度を改善することができた。これはほぼ１５００％の増加になる。
【００８８】
システムから信号を受信および記録した後、メインフレームコンピュータ、スーパーコンピュータ、または高性能コンピュータなどのコンピュータは、カリフォルニア州リッチモンドのＳｙｓｔａｔ  ＳｏｆｔｗａｒｅによるＡｕｔｏｓｉｇｎａｌソフトウェア製品を前処理用に利用すると共に、Ｆｌｅｘｐｒｏソフトウェア製品が後処理を行うことなどにより、前処理および後処理の両方を行う。Ｆｌｅｘｐｒｏは、Ｄｅｗｅｔｒｏｎ，Ｉｎｃ．によって供給されるデータ（統計）分析ソフトウェアである。Ａｕｔｏｓｉｇｎａｌ製品およびＦｌｅｘｐｒｏ製品では以下の式またはオプションを使用することができる。
【００８９】
順変換
【００９０】
【数１】
2007533972.tif 000003
【００９１】
逆変換
【００９２】
【数２】
2007533972.tif 000004
【００９３】
ＦＦＴアルゴリズム：
Ｔｅｍｐｅｒｔｏｎのｐｒｉｍｅ  ｆａｃｔｏｒ  ＦＦＴを用いたＢｅｓｔ  Ｅｘａｃｔ  Ｎ（非特許文献１参照）。
【００９４】
データテーパリングウィンドウ：
［ｃｓ４  ＢＨａｒｒｉｓ  ｍｉｎ］  ０．３５８７５−０．４８８２９＊ｃｏｓ（２＊Ｐｉ＊ｉ／（ｎ−１））＋０．１４１２８＊ｃｏｓ（４＊Ｐｉ＊ｉ／（ｎ−１））−０．０１１６８＊（６＊Ｐｉ＊ｉ／（ｎ−１）），ｉ＝０．ｎ−１
［矩形］固定形状テーパリングが利用可能でない（Ｎｏ  ｆｉｘｅｄ  ｓｈａｐｅ  ｔａｐｅｒｉｎｇ  ａｖａｉｌａｂｌｅ）（オシロスコープ）
大きさ：ｓｑｒｔ（Ｒｅ＊Ｒｅ＋Ｉｍ＊Ｉｍ）  ［Ｒｅ＝実数成分、Ｉｍ＝虚数成分］
振幅：２．０＊ｓｑｒｔ（Ｒｅ＊Ｒｅ＋Ｉｍ＊Ｉｍ）／ｎ
ｄｂ、デシベル：１０．０＊ｌｏｇ１０（Ｒｅ＊Ｒｅ＋Ｉｍ＊Ｉｍ）
【００９５】
反復試験（ｒｅｐｌｉｃａｔｅ）の平均：
反復試験は、１ｅ−８の小数点以下の精度の範囲内で一致するＸ値に基づく。
【００９６】
参照減算：
参照信号減算（ベースライン雑音）は、Ｘ（時間）軸に沿った各点（チャネル）でのｙ軸（振幅）に関して実行される。次いで、負のＹ値がゼロにされる。
【００９７】
相互相関：
関数は、総和および積分を使用して相互相関関数を計算する。信号は過渡的であるので、相関関数は、直接的な乗算および積分を使用して計算される。ソースチャネル（データ系列）の外部にある、計算に必要な値のすべては０とされる。ｔ＜０である点も計算される。
【００９８】
フーリエ有意水準：
モンテカルロデータがパラメータモデルにフィットされる。データサイズＮが唯一の因子である場合、単一変量ＴａｂｌｅＣｕｒｖｅ  ２Ｄパラメータモデルが使用される。セグメントサイズおよびオーバラップが追加の影響（ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ）であるセグメント化されたＦＦＴでは、３変数チェビシェフ多項式が実装される。これらは、Ａｕｔｏｓｉｇｎａｌの下で選択されるオプションである。データセットは、個々に解析されることができ、またはデータセット１が解析され、次いでデータセット１の後半とデータセット２の前半、次いでデータセット２、次いで後半が解析されるという重複した方式で解析されることができる。
【００９９】
図１０に、システム１００で実施される信号検出および処理のフロー図を示す。サンプルに注目するとき、サンプルなしの時刻ｔ１での第１のデータラン、サンプルを用いた時刻ｔ２での第２のデータラン、サンプルを用いた時刻ｔ３での第３のデータラン、およびサンプルなしの時刻ｔ４での第４のデータランという、少なくとも４つの信号検出またはデータランが実行される。複数のデータランからデータセットを実行および収集することにより、最終的な（例えば相関後の）データセットの精度が向上する。４つのデータランでは、システム１００のパラメータおよび条件は一定に保たれる（例えば、温度、増幅量、コイルの位置、雑音信号など）。
【０１００】
ブロック３００で、適切なサンプル（または、第１または第４のデータランの場合はサンプルなし）がシステム１００内に配置される。雑音が注入されていない所与のサンプルは、約０．００１マイクロテスラ以下の振幅で、ＤＣ〜５０kHzの範囲で電磁放射を放射する。そのような低い放射を取り込むために、ブロック３０１で白色ガウス雑音が注入される。
【０１０１】
ブロック３０２で、コイル７２２、７２４が、サンプルの放射および注入された雑音を表す誘導電圧を検出する。誘導電圧は、データランの継続時間についての時間の関数として、電圧値（振幅および位相）の連続的ストリームからなる。データランは２〜２０分の長さとなることが可能であり、したがって、データランに対応するデータセットは、時間の関数としての２〜２０分の電圧値を備える。
【０１０２】
ブロック３０４で、誘導電圧が検出されたとき、注入された雑音が相殺される。ＳＱＵＩＤ２０６の雑音相殺機能がオフにされるとき、このブロックは省略される。
【０１０３】
ブロック３０６で、ブロック３０４で雑音相殺が行われたかどうかに応じて、データセットの電圧値が２０〜５０dBだけ増幅される。ブロック３０８で、増幅後データセットがアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換され、レコーダ２１２に格納される。デジタル化されたデータセットは、数百万行のデータを備えることができる。
【０１０４】
取得したデータセットを格納した後、ブロック３１０で、サンプルに関する少なくとも４つのデータランが行われたか（例えば、少なくとも４つのデータセットを取得したか）どうかを確認するためにチェックが実行される。所与のサンプルに関する４つのデータセットが得られている場合、ブロック３１２で低域フィルタリングが行われる。そうでない場合、次のデータランが開始される（ブロック３００に戻る）。
【０１０５】
デジタル化データセットを低域フィルタリング（ブロック３１２）および帯域フィルタリング（ブロック３１４）した後、フーリエ変換ブロック３１６でデータセットが周波数領域に変換される。
【０１０６】
次に、ブロック３１８で、類似のデータセットが各データ点で互いに相関付けられる。例えば、第１のデータラン（例えば、ベースラインまたは周囲雑音データラン）に対応する第１のデータセット、および第４のデータラン（例えば、別の雑音データラン）に対応する第４のデータセットが互いに相関付けられる。所与の周波数での第１のデータセットの振幅値が、その所与の周波数での第４のデータセットの振幅値と同じである場合、その所与の周波数に関する相関値または数は１．０となる。あるいは、相関値の範囲を０〜１００の間に設定することもできる。そのような相関または比較が第２および第３のデータラン（例えば、サンプルデータラン）についても行われる。取得したデータセットは格納されるので、後に、残りのデータランが完了したときに、それにアクセスすることができる。
【０１０７】
ＳＱＵＩＤ２０６が雑音相殺を与えないとき、所定のしきい値レベルが各相関データセットに適用され、統計的に無関係の相関値が削除される。データランの長さ（データランが長くなると、取得されるデータの精度が高くなる）、およびサンプルの実際の放射スペクトルの他のタイプのサンプルに対する類似性に応じて、様々なしきい値を使用することができる。しきい値レベルに加えて、相関の平均が取られる。しきい値を使用し、相関の平均を取る結果、得られる相関データセット中の注入された雑音成分が非常に小さくなる。
【０１０８】
雑音相殺がＳＱＵＩＤ２０６で与えられる場合、しきい値の使用および相関の平均は不要である。
【０１０９】
２つのサンプルデータセットが相関サンプルデータセットに改良され、２つの雑音データセットが相関雑音データセットに改良された後、相関雑音データセットが相関サンプルデータセットから引かれる。得られるデータセットが最終データセット（例えば、サンプルの放射スペクトルを表すデータセット）である（ブロック３２０）。
【０１１０】
Hz当り８６００個のデータ点が存在することができ、最終データセットは周波数範囲ＤＣ〜５０kHzについてデータ点を有することができるので、最終データセットは、数億行のデータを有することができる。各行のデータは、周波数、振幅、位相、および相関値を含むことができる。
【０１１１】
図１１Ａおよび１１Ｂにサンプル放射スペクトルの例が示されている。図１１Ａに示すフーリエプロット４００は、飽和塩化ナトリウム溶液のサンプルのスペクトルに対応する。図１１Ｂに示すフーリエプロット５００は、酵素のサンプルのスペクトルに対応する。
【０１１２】
図１６を参照して、ここでは上述のシステムに対する別の代替実施形態をシステム１６００として説明する。一般に、本明細書に記載の代替例および代替実施形態は、先に説明した実施形態とほぼ同様であり、同じ参照番号は、しばしば共通の要素および機能を識別する。構成または動作の顕著な相違だけを詳細に説明する。
【０１１３】
２次微分型グラジオメータが１６０２として示されており、そこで、ターゲットサンプルがコイルの上部対と下部対との間に配置されている。サンプルの両側の２つの内部コイルは互いに補完し、２つの外部コイル（頂部コイルおよび底部コイル）は互いに補完し、２つの内部コイルと対向する。このような構成により、サンプルからより大きな信号を抽出し、雑音阻止を改善することが可能となる。
【０１１４】
図に示し、下記でより詳細に説明するが、システム１６００は、デュワー内に延びる中心軸に沿った同心の一連の要素および構成を利用する。ステッパモータ１６０４が、この同心要素の構成内の軸上にサンプルを配置することを可能にする。具体的には、グラジオメータ１６０２の中央の所望の位置にサンプルを配置することができる。
【０１１５】
同様に、機械マイクロメータまたはステッパモータなどのマイクロメータ調節機構１６０６が、システム内の要素（サンプルやグラジオメータなど）とヘルムホルツコイルを位置合わせすることを可能にする。そのようなヘルムホルツコイルの調節は、システム１６００の製造および較正の助けとなるとともに、グラジオメータ１６０２に対して一様な場を供給するなど、システム内の場の厳密な位置合わせを可能にする。より良好な確率的結果を生み出し、システム内の雑音をオフセットさせ、または他の利点をもたらすために、場のオフセットまたは場の勾配の変化を与えることも有用であることがある。
【０１１６】
図１７Ａ、１７Ｂ、および１８に、システム１６００内の各要素の同心構成をより明確に示す。サンプル管は、低域フィルタリング金属シールド１８０２（ステンレス鋼合金など）の中心軸を貫いて延び、２kHz未満の信号を通過させる。外部磁気（ＭＵ）シールドは、グラジオメータ、ヘルムホルツコイル、およびサンプルを取り囲んでいる。システム１６００の構成は、各図に関して一般に自明である。
【０１１７】
Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｒａｄｉｏ製で、上で説明したランダム白色雑音発生器・モデル１３８１を、Ｎｏｉｓｅ／Ｃｏｍ製のプログラム可能ガウス白色雑音発生器で置き換えることができる。そのような発生器は、一方が他方の反転である２つの出力を使用する。一方の出力をヘルムホルツコイルに接続することができ、他方の（反転した）出力を上述のＳＱＵＩＤ雑音相殺コイルに接続することができる。
【０１１８】
同様に、図１９に示すように、上述のＴｅｋｔｒｏｎｉｘデジタルオシロスコープを、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ製の２チャネル動的信号アナライザ１９０２・モデルＳＲ７８５で置き換えることができる。そのような信号アナライザは、複数の時間領域信号をサンプリングし、複数の周波数領域ＦＦＴにわたってその平均を取ることによって入来信号を処理することができる。この結果、すべての非ランダム信号成分のフルスペクトル周波数領域レコードを得ることができる。行うことのできる他の変更には、デジタルオーディオテープ記憶システムをデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）レコーダ１９０４で置き換えることが含まれる。さらに、下記で説明するヒストグラムを生成するソフトウェアと共に働く、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ製のデータ収集ボード１９０６・モデル３８０１を使用することができる。
【０１１９】
図１９に示す代替実施形態では、雑音相殺コイル１９０８がグラジオメータとＳＱＵＩＤとの間に接続される（１次微分型グラジオメータを示すが、図１６に示すような２次微分型グラジオメータも使用することができる）。図１９には図示していないが、（ヘルムホルツコイルに加えられる雑音に対して反転された）反転雑音チャネルを雑音相殺コイル１９０８に加えることができる（そして、雑音信号を例えば４５dBだけ減衰するインピーダンス変圧器を最初に通過させることができる）。図示していない代替実施形態では、ＳＱＵＩＤ１２０内のＳＱＵＩＤ入力と出力コイルとの間に雑音相殺コイルを配置することができる。
【０１２０】
図２４〜２７を参照すると、上述のシステムに対する代替実施形態が提示されている。図２４を参照すると、雑音源２４０２は、検出器システム２４００に雑音入力を供給する。雑音源２４０２は、予測可能な未来成分を有しない定常白色ガウス雑音を供給することができる。あるいは、雑音源２４０２は、スペクトルのある領域から別の領域にエネルギーをシフトする対数的特性を含む雑音である構造的雑音を供給することができ、または振幅が一定のままでランダム時間要素を供給することができる（例えば、幅は変化するが、振幅がほぼ一定のパルス）。予測可能な未来成分を有しない真にランダムな雑音に対して、これら２つは、それぞれピンクおよび一様な雑音を表す。さらに雑音源は、一定の振幅を有するが、時間、周波数、またはその両方が変化する一様な雑音を生成することができる。
【０１２１】
雑音源２４０２は、雑音をヘルムホルツコイル７２６および７２８に供給し、反転した雑音を雑音コイル１９０８に供給する２チャンネル雑音発生器である。図示するように、実際には、雑音コイル１９０８は、２つのコイルを誘導的に結合する変圧器を形成する１対の雑音コイルである。もちろん、当業者は理解するであろうが、反転した雑音をＳＱＵＩＤ２０６の入力に加える他のコイルまたは方法を使用することができる。反転した雑音は、２次微分型グラジオメータ１６０２で検出された非反転雑音の残りを相殺する。
【０１２２】
図２５を参照すると、システム２４００に対する代替実施形態が検出器システム２５００として示されている。ここで、雑音源２４０２は、第２の独立した雑音源２５０２と対にされている。第１の雑音源２４０２は、システム２４００と同様に動作する。この雑音源は、確率共鳴の原理を使用してしきい値以下の分子信号を検出可能なレベルに上昇させる際に分子振動を利用する。第２の雑音源２５０２は第１の雑音源とほぼ同様とすることができ、非反転雑音信号を、雑音コイル１９０８とＳＱＵＩＤ２０６の入力との間に配置された第２の雑音コイル２５０４に供給する。次いで、反転した雑音が、雑音コイル（または変圧器）２５０６を介してＳＱＵＩＤ２０６の出力に加えられる。第２の雑音源２５０２は、ＳＱＵＩＤの入力で雑音を利用し、ＳＱＵＩＤの出力でその雑音を相殺する。
【０１２３】
システム２５００の雑音相殺モデルは、ＳＱＵＩＤがしきい値以下の分子信号を雑音と合成し、それによって確率共鳴を介してしきい値以下の信号を検出可能なレベルに上昇させる双安定発振器として働けることを利用する。システム２５００は、２段階の確率増幅（ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  ａｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ）を効果的に提供する。さらにシステム２５００は、ユーザがグラジオメータで、およびＳＱＵＩＤで信号対雑音比を別個に改善することを可能にする。各雑音源はほぼ同様とすることができるが、応用例に応じて異なる雑音源を利用することもできる。
【０１２４】
図２６を参照すると、システム２４００および２５００に対する別の代替実施形態がシステム２６００として示されている。システム２４００とは異なり、システム２６００は、反転された雑音をＳＱＵＩＤ２０６の出力に加える。したがって、反転された雑音のコピーが、ＳＱＵＩＤ２０６とＦＬＬまたは他の信号処理要素（図示せず）との間に配置された雑音相殺コイル１９０８に供給される。（この実施形態は位相変化の補正を必要とする。位相変化の補正は、ＦＬＬ、ロックインアンプなどで処理することができる。）この場合も、システム２６００は、ＳＱＵＩＤがヘルムホルツコイル７２６、７２８で放射された雑音をしきい値以下の分子信号と合成し、確率共鳴を使用してしきい値以下の分子信号を検出可能なレベルに上昇させる双安定発振器として働けることを利用する。
【０１２５】
図２７を参照すると、システム２７００は、乱数発生器または他のソフトウェアベースのシステムを利用して、ＳＱＵＩＤ２０６の出力で確率増幅を生成する。ここでは、乱数発生器または他の適切なソフトウェアベースのシステムが、加工雑音（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｎｏｉｓｅ）２７０１をヘルムホルツコイル７２６、７２８に注入する。この加工雑音は、Ｅｘｃｅｌフォーマットで格納することのできる乱数の順次的なセットである。これらの乱数は、確率共鳴によってしきい値以下の信号を検出可能なレベルに上昇させる際に有用な雑音の生成を駆動するのに使用される。
【０１２６】
ＳＱＵＩＤ２０６の出力は、データレコーダ２１２で記録される。信号プロセッサ２７０４（これは、コンピュータ上で動作するソフトウェア、１つまたは複数のＤＳＰなどとすることができる）が、記録されたデータ信号から加工雑音を差し引く。言い換えれば、後処理で、Ｅｘｃｅｌフォーマットで表される乱数が、乱数をＳＱＵＩＤ出力から差し引くような形でＳＱＵＩＤ出力から抽出される。確率増幅は、ＳＱＵＩＤからの出力を使用して、すべてソフトウェアで行われる。ソフトウェアおよび信号処理を使用することにより、雑音の振幅が一様であるがその周波数が無秩序である一様な雑音が生成される。乱数信号を生成する（次いで、それを除去する）ことのできるソフトウェアパッケージの一例は、ＭａｔｈｓｏｆｔのＭａｔｈｃａｄ（登録商標）である。
【０１２７】
雑音入力信号をＳＱＵＩＤ出力信号と位置合わせする際の補助として、規則的な間隔で高められた振幅などのタイミングマーク（ｔｉｍｉｎｇ  ｍａｒｋ）を乱数のシーケンスに含めることができる。入力信号と出力信号との間でこれらのマーカを位置合わせすることにより、雑音を容易に差し引くことが可能となる。結果は、加工雑音が差し引かれた分子信号だけを含む信号生成物２７０６である。
【０１２８】
III. スペクトル情報を生成するヒストグラム方法
図２０は、スペクトル情報を生成するヒストグラム方法におけるハイレベルのデータフロー図である。ＳＱＵＩＤから取得されたデータ（ボックス２００２）または格納データ（ボックス２００４）が１６ビットＷＡＶデータ（ボックス２００６）として保存され、倍精度浮動小数点データ（ボックス２００８）に変換される。変換されたデータを、保存することができ（ボックス２０１０）、または原（ｒａｗ）波形として表示することができる（ボックス２０１２）。次いで、変換されたデータが、図２１に関連して以下で説明する、フーリエ解析と名前を付けたボックス２０１４で示されるアルゴリズムに渡される。２０１６でヒストグラムを表示することができる。
【０１２９】
図２１を参照すると、ヒストグラムアルゴリズムの一般的フローは、離散的にサンプリングされた時間領域信号を取得し、フーリエ解析を使用してそれを周波数領域スペクトルに変換し、さらに解析することである。時間領域信号は、ＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）から取得され、２１０２で示されるバッファに格納される。このサンプルは、ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎ秒の長さであり、毎秒ＳａｍｐｌｅＲａｔｅ個のサンプルでサンプリングされ、したがってＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔ（ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎ＊ＳａｍｐｌｅＲａｔｅ）個のサンプルが得られる。信号から回復することのできるＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅは、ナイキストによって定義されるように、ＳａｍｐｌｅＲａｔｅの半分と定義される。したがって、時系列信号が毎秒１００００サンプルでサンプリングされる場合、ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅは０Hzから５kHzとなる。使用することのできる１つのフーリエアルゴリズムは、Ｒａｄｉｘ２実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）であり、２１６までの２のべき乗という選択可能な周波数領域分解能（ＦＦＴＳｉｚｅ）を有する。ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｎｇｅが８kHz以下にとどまる限り、少なくともヘルツ当たり１つのスペクトルビンを有するのに十分な分解能を実現するために、８１９２というＦＦＴＳｉｚｅが選択される。ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎは、信頼性の高い結果を保証するためにＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔ＞（２＊）ＦＦＴＳｉｚｅ＊１０などのように、十分長くあるべきである。
【０１３０】
このＦＦＴが一度に作用することができるのはＦＦＴＳｉｚｅ個のサンプルだけであるので、プログラムは、最終的なスペクトルを得るために、サンプルに対してＦＦＴを順次実行し、結果の平均を取らなければならない。各ＦＦＴについてＦＦＴＳｉｚｅ個のサンプルをスキップすることを選んだ場合、１／ＦＦＴＳｉｚｅ＾０．５の統計誤差が導入される。しかし、ＦＦＴ入力をＦＦＴＳｉｚｅの半分だけ重なるように選んだ場合、この誤差は１／（０．８１＊２＊ＦＦＴＳｉｚｅ）＾０．５まで減少する。これにより、誤差が０．０１１０４８５４３５から０．００８６８０５５５６まで減少する。全般的な誤差および相関分析に関する追加の情報については非特許文献２を参照されたい。
【０１３１】
所与のウィンドウに関してＦＦＴを実施する前に、データテーパリングフィルタを適用して、サンプリングエイリアシングによるスペクトル漏れを回避することができる。このフィルタは、例えば、矩形（フィルタなし）、ハミング、ハニング、バートレット、ブラックマン、およびブラックマン／ハリスの中から選ぶことができる。
【０１３２】
例示的方法において、ボックス２１０４に示すように、ＦＦＴで出力される離散的周波数の数であるとともに、一度に操作される時間領域サンプルの数となる変数ＦＦＴＳｉｚｅに対して８１９２が選択されている。ＦＦＴＳｉｚｅ＝８１９２は、分解能、またはサンプリングレートで指示される範囲内のビン数、であることに留意されたい。離散的ＲＦＦＴ（実ＦＦＴ）が何回実行されるかを指示する変数ｎは、ＳａｍｐｌｅＣｏｕｎｔをＦＦＴビンの数ＦＦＴＳｉｚｅ＊２で割ることによって設定される。アルゴリズムが意味をなす結果を生成するために、この数ｎは、少なくとも１０から２０であるべきであり（しかし、他のバルブ（ｖａｌｖｅ）も可能である）、より弱い信号をピックアップするためにはより大きい数が好ましい。このことは、所与のＳａｍｐｌｅＲａｔｅおよびＦＦＴＳｉｚｅに対して、ＳａｍｐｌｅＤｕｒａｔｉｏｎは十分な長さでなければならないことを示唆する。ボックス２１０４にも示すように、０からｎまでカウントするカウンタｍはゼロに初期化される。
【０１３３】
プログラムはまず、各ビン周波数でのカウントを累積するＦＦＴＳｉｚｅ個のヒストグラムビン用のバッファ２１０８、各ビン周波数での平均出力用のバッファ２１１０、および各ｍについてのＦＦＴＳｉｚｅ個のコピーされたサンプルを含むバッファ２１１２という３つのバッファを確立する。
【０１３４】
プログラムは、ヒストグラムおよび配列を初期化し（ボックス２１１３）、２１１４で波形データのＦＦＴＳｉｚｅ個のサンプルをバッファ２１１２にコピーし、波形データに対してＲＦＦＴを実行する（ボックス２１１５）。ＦＦＴは、最高の振幅が１となるように正規化され（ボックス２１１６）、正規化信号から、すべてのＦＦＴＳｉｚｅ個のビンに関する平均出力が求められる（ボックス２１１７）。各ビン周波数について、その周波数でのＦＦＴからの正規化値がバッファ２１０８内の各ビンに加えられる（ボックス２１１８）。
【０１３５】
次いで、ボックス２１１９では、プログラムは、上記から計算した平均出力に対する各ビン周波数での出力を調べる。出力が平均出力の一定因子イプシロン（０と１との間）以内である場合、１６で、それがカウントされ、対応するビンがヒストグラムバッファ内で増分される。そうでない場合、それは破棄される。
【０１３６】
比較される平均出力はこのＦＦＴの例だけに関するものであることに留意されたい。より低速ではあるが拡張したアルゴリズムは、ヒストグラムレベルを設定する前に、データを２回通過し、全時間にわたる平均を計算することがある。イプシロンとの比較は、周波数ビンにとって十分有意な出力値を表す助けになる。あるいはより広い観点からは、イプシロンを使用する式は、「この時にこの周波数で信号が存在するか？」という質問に答える助けになる。その答えが肯定である場合、（１）このビンにこの１回だけ到着した定常雑音、または（２）ほぼ毎回発生する実ローレベル（ｒｅａｌ  ｌｏｗ  ｌｅｖｅｌ）の周期的信号という２つの事柄の一方に起因する可能性がある。したがって、ヒストグラムカウントは、雑音ヒットを除き、そしてローレベル信号ヒットを高める。したがって、平均化およびイプシロン因子により、有意と考えられる最小の出力レベルを選択することが可能となる。
【０１３７】
ボックス２１２０でカウンタｍが増分され、ｍがｎに等しくなるまで（ボックス２１２１）、ＷＡＶデータのｎ個のセットのそれぞれに上記のプロセスが反復される。各サイクルでは、各ビンについての平均出力が、関連するビンに２１１８で加えられ、２１１４で出力振幅条件が満たされたとき、各ヒストグラムビンが１だけ増分される。
【０１３８】
すべてのｎサイクルのデータが考慮されたとき、各ビン中の蓄積された合計平均出力を全サイクル数ｎで割ることによって各ビン中の平均出力が求められ（ボックス２１２２）、結果が表示される（ボックス２１２３）。例えばＤＣ＝０または６０Hzの倍数の周波数などの、構造的雑音が存在する点を除き、各ビン中の平均出力は、比較的小さい数となる。このことが、図２２Ａ〜Ｄ（４００、６００、７００、および９００mVで生成されるヒストグラム）に図示されるプロットで示されている。図２２Ａ〜２２Ｄのプロットは、ヒストグラムビンの一部、すなわち７９５３Hzから８５３３Hzまでのスペクトルだけを示している。図２２Ａおよび２２Ｂに示すように、それぞれ４００mVまたは６００mVの注入雑音では確率的事象は不可視である。しかし、図２２Ｃに示すように、７００mVでは、可視の確率的事象が明白である。その後、図２２Ｄに示すように、９００mVでは確率的事象が失われる。
【０１３９】
上記のステップで生成されるヒストグラムは、各ビン中に、その周波数での出力が（イプシロン＊そのＦＦＴ出力全体に関する平均出力）よりも高かった回数である０からｎの間のカウントを含む。ビンカウントが非構造的雑音によって増分された場合、雑音は、時間と共にすべての周波数ビンにわたって分布することになり、したがって所与のビン中で多く加算されない。所与の周波数で一貫した信号が存在する場合、ｎ個のタイムスライスのそれぞれで存在し、したがって、ｎに近づくビンカウントを有することになる。６０ヘルツなどの大きい振幅の雑音およびその高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）は、高いビンカウントおよび高い平均出力の両方を有する。これらの周波数を区別することができ、低い平均出力を有するが高いビンカウントを有する、注目の周波数を区別することができる。
【０１４０】
図２２Ａ〜２２Ｄは、４つの異なる雑音出力の入力でこの方法により生成されたヒストグラムを示している。図示するように、プログラムは、各周波数での平均出力を垂直バーとして表示することができる。ヒストグラムビンカウントは、連結された上部の線として表すことができる。出力が「低」（例えば平均／３未満）と考えられ、ヒストグラムが一定のカウントを有する場合、連結線が、出力バーのピークとヒストグラムバーのピークとの間で観測可能となる。連結線で強調表示されるビンは、低エネルギー分子スペクトルの候補である可能性が高い。
【０１４１】
図２２Ａ〜２２Ｄと上記より、意味のあるヒストグラム、すなわち調査されているサンプルに関する確率共鳴効果を示すヒストグラムを生成する際に使用される、注目に値する２つの設定が存在することが理解できる。第１の設定は、サンプルに供給されるガウス白色雑音の出力レベルである。このレベルが低過ぎる場合、雑音レベルは確率共鳴を生み出すのに十分ではなく、ビンヒストグラムは雑音のみを反映する。出力の入力が高過ぎる場合、各ビンについて計算される平均出力レベルが高く、確率的事象を区別することができない。
【０１４２】
第２の設定はイプシロンの値である。この値は、平均値を超えるイベントを区別するのに使用される出力値を決定する。値１では、出力が平均出力よりも決して大きくならないので、イベントは検出されない。イプシロンがゼロに近づくにつれて、ほぼあらゆる値がビン配置されることになる。０と１の間の、通常は構造的雑音についての合計ビンカウントの約２０〜５０％の間のビンカウントの数を与える値で、イプシロンは最大「スペクトル特性」を有することになり、確率共鳴イベントが純粋雑音よりも最も望まれていることを意味する。
【０１４３】
したがって、本発明を実施する際に、雑音入力に関するパワーゲインを例えば０から１Vの間で１００mVの増分で系統的に増大させることができ、各出力設定で、明確なピークを有するヒストグラムが観測されるまでイプシロンを調節することができる。例えば、処理されるサンプルが２０秒の時間間隔を表す場合、異なる出力およびイプシロンのそれぞれについての合計処理時間は約２５秒となる。明確な信号が観測されたとき、最大の識別可能なピーク数を有するヒストグラムを意味する最適なヒストグラムが生成されるまで、出力設定またはイプシロンあるいはその両方を改善することができる。
【０１４４】
このアルゴリズムの下では、多数のビンが満たされ、関連するヒストグラムが、低周波数の雑音（環境雑音など）の一般的発生に起因する低周波数について表現されることがある。したがって、このシステムは、単に所与の周波数未満（例えば１kHz未満）のビンを無視するが、それでもなお、より高い周波数で十分なビン値を表現し、サンプル間の固有の信号シグナチャを求めることができる。
【０１４５】
あるいは、イプシロン変数の目的は、各サイクルで求められた異なる平均出力レベルに適応することであるので、プログラムは、平均出力レベルをイプシロンの最適値に関係付ける事前に定義された機能を使用して、それ自体でイプシロンを自動的に調節することができる。
【０１４６】
同様に、プログラムは、最適なピーク高さ又は特性がヒストグラムで観測されるまで、各出力設定でのピーク高さを比較し、雑音出力設定を自動的に調節することができる。
【０１４７】
イプシロンの値は、すべての周波数について固定値とすることができるが、イプシロンについて周波数依存の値を使用して、例えばＤＣから１０００までの低周波数で観測されることのあるより高い値の平均エネルギーに合わせて調節することも企図されている。周波数依存のイプシロン因子は、例えば、多数の低周波数ＦＦＴ領域の平均を取り、より高い周波数で観測される平均値に匹敵する値に平均値を「調節」するイプシロンの値を求めることによって求めることができる。
【０１４８】
図２３Ａ〜２３Ｃを参照すると、ヒストグラムを生成するユーザインターフェースの一例が示されている。スライダバー２３０２は、最大で３００〜６００秒などのサンプル波形セグメントの長さを決定し、ユーザが波形内を効果的にスクロールすることを可能にする。ボックス２３０４は、ユーザが５、１０、または２０kHzなどのナイキスト周波数を設定することを可能にし、隣接するリセットボタンも設けられている。スライダバー２３０６は、ユーザがヒストグラムに関するベースラインを移動することを可能にし、６０ Hzチェックボックス２３０８は、ユーザが６０Hzビンおよびすべての関連する６０Hz高調波を（図２３Ｃで示すような）垂直線で識別することを可能にする。取得ボタン２３１２が選択されたとき、ソフトウェアは、図２３Ｂに示すようなサンプルからの波形を生成または取得する。ｆｆｔボタン２３１０が選択されたとき、ソフトウェアは、図２３Ｃに示すようなヒストグラムプロットを生成する。
【０１４９】
IV. 方法および応用例
本節では、サンプルを調査するための上述の装置の使用法、ならびにサンプルの特徴付けおよびサンプル成分の検出の際の装置の様々な応用例を説明する。サンプルを特徴付けることができる低周波数の分光シグナチャまたはデータセット、および、例えばサンプルの分光シグナチャを生成する際に使用される、サンプルの時間領域信号も本発明に従って開示される。
【０１５０】
Ａ．サンプルを調査する方法
本発明の方法の目的は、調査するサンプルに関する分光学的情報を生成することである。理解されるであろうが、情報は、選択された低周波数スペクトル範囲内のスペクトルプロット、またはサンプルを特徴付ける低周波数のスペクトル成分を識別するデータセット、またはサンプルについて識別される特性周波数に基づくサンプルまたはサンプル成分の実際の識別、という形とすることができる。
【０１５１】
サンプルは、原子または分子成分を有する任意の材料とすることができる。例えば、分子回転を有し、好ましくはダイポールモーメントを有し、それによって磁場、例えば地磁場中の分子回転が低周波数電磁放射を生成するのに有効である、イオン化形態もしくは非イオン化形態またはプロトン化形態もしくは非プロトン化形態の、イオン性塩成分または分子化合物とすることができる。サンプルは通常は液体サンプルであるが、サンプルの少なくとも１つの成分が１つまたは複数の回転自由度を有する限り、気体または固体または半固体（ｓｅｍｉ−ｓｏｌｉｄ）とすることができる。典型的なサンプルは、溶媒中に溶解した１つまたは複数の溶質成分を有する水溶液または有機溶液である。溶質成分は注目のサンプル材料とすることができる。
【０１５２】
サンプルは、適切な容器、好ましくは観測可能な低周波数のスペクトル成分をほとんど有しないパイレックス（登録商標）ガラスなどの容器内に配置され、次いで容器が、セクションIIで説明した装置コンテナ内に配置される。サンプルが装置コンテナ内に配置されると、ガウス雑音をサンプルに注入するようにガウス雑音発生器が活動状態にされる。注入されるガウス雑音の振幅（平均振幅）は、非定常複合時間領域信号成分を生成するのに十分であることが好ましい。このことは、例えばフーリエ変換機能を有するオシロスコープを使用して、周波数領域信号を例えば２００〜８００Hzウィンドウなどの適切な範囲内で観測することで行うことができる。検出可能な周波数成分が最初に観測されたとき、適切な雑音レベルが選択される。
【０１５３】
雑音注入の間、記録装置が、事前に設定された時間間隔にわたって検出器からの時間領域電磁信号を記録する。必要な最終的なスペクトル分解能に応じて、記録間隔は、比較的短い期間、例えば３０〜６０秒とすることができ、または数分以上とすることができる。記録される信号は、適切な信号記憶装置、例えばテープまたはハードディスクに格納され、次に説明する後の信号処理操作で使用される。
【０１５４】
一般には、記録されたサンプル時間領域信号を、同一のサンプル、あるいはそれほど好ましくはないが、まったく同一のサンプルまたは同一の注目のサンプル成分を有するサンプルの第２の時間領域信号と相互相関させることによってサンプル信号成分を高めることが望ましい。第２の信号に関する記録時間は、第１の信号と同じであることが好ましい。２つの信号は、時間領域で標準的な相互相関アルゴリズムを使用して相互相関される。この結果、時間の経過の中で持続する、両方の信号に共通の信号スペクトル成分を識別するスプレッドシートまたはスペクトル、および両方の信号に共通のスペクトル成分間の関係を評価する各成分についての相関値が得られる。
【０１５５】
信号相互相関によって得られるスペクトル分解能の改善を図１２Ａおよび１２Ｂならびに図１３Ａおよび１３Ｂに示す。各図は、周波数領域においてスペクトル範囲５００〜５３０Hzでスペクトル成分をプロットするための、周波数領域での第１の時間依存信号の高速フーリエ変換（図１２Ａおよび１３Ａ）、または第１および第２の相互相関された周波数領域スペクトル（上記で言及したスプレッドシート）の高速フーリエ変換（図１３Ｂおよび１３Ｂ）である。
【０１５６】
ＮａＣｌサンプルに関する図１２Ａと１２Ｂを比較すると、相互相関信号処理が信号対雑音比を著しく高め、５２２．５Hzにピークがあるサンプル特有のスペクトル成分をずっと詳細に引き出し、著しく細かいピーク位置も生み出すことがわかる。非相関信号および相関信号についての５００〜５３０Hz範囲のスペクトル面の特徴がそれぞれ図１３Ａおよび１３Ｂに示されているアルキルエーテル硫酸塩のサンプルに関して、同様の（かつ例示的な）結果が観測された。ＮａＣｌサンプルの場合と同じく、相関信号から導出されたスペクトルは、ずっと低い信号対雑音比を与え、サンプル特有のスペクトル成分に関してずっと多くの詳細および情報を与えた。従来通り、信号相関を適用して、（周波数と振幅ではなく）周波数と位相に関するスプレッドシートを生成することがもできる。
【０１５７】
上記による相関された時間領域スペクトルは、スペクトルに高速フーリエ変換を適用することによって周波数領域でプロットされ、スペクトル相関値は、ｙ軸に振幅として表される。プロットは、ＤＣから５０kHzの周波数範囲内であり、好ましくはＤＣから６．５kHzの領域内である。下記から理解するであろうが、多くのサンプルの支配的なスペクトル面の特徴は、１００〜１５００Hzの範囲、特に５００〜５５０Hzの範囲に見られ、したがって、生成されるスペクトルをそれに応じて、例えば５００〜５３０Hzの範囲内に限定することができる。ＦＴＴは、周知のＦＴＴアルゴリズムで実行される。さらに、又はあるいは、相関された時間領域信号を、位相領域または振幅もしくは絶対値領域信号に変換し、サンプルスペクトルの位相または振幅成分に関する信号情報を抽出することができる。
【０１５８】
相互相関またはＦＦＴステップによって周波数領域スペクトルが生成されると、調査するサンプルに特徴的な１つまたは複数の低周波数信号成分を識別するのにそのスペクトルが使用される。このステップは、ユーザが直接見ることによって実行することができ、またはスペクトルのコンピュータ分析によって実行することができる。
【０１５９】
図１４Ａ〜１４Ｆに、すべて約５００〜５３０のスペクトル範囲における、脱イオン水（図１４Ａ）、飽和ＮａＣｌ（図１４Ｂ）、脱イオン水中の１％ＮａＣｌ（図１４Ｃ）、飽和ＮａＢｒ（図１４Ｄ）、アルキルエーテル硫酸塩（図１４Ｅ）、および空のサンプル容器（図１４Ｆ）というサンプルについてのスペクトル面の特徴を示す。図から分かるように、各サンプルは、明確な周波数での１つまたは複数のピークによって特徴付けられる特徴的なスペクトル成分を有する。
【０１６０】
Ｂ．サンプルの特徴付け
本発明の別の態様によれば、本明細書で材料の低周波数シグナチャ信号とも呼ぶ、所与のサンプルの低周波数スペクトル成分のデータセットを生成するのに上記の方法が使用される。
【０１６１】
上記のいくつかのサンプルについて示される５００〜５３０のスペクトル範囲は、様々なサンプルで顕著なスペクトル面の特徴を有することを示すように選ばれた。サンプルのスペクトル周波数成分のより完全なデータセットを得るためには、より広い周波数範囲、例えば１００〜１５００Hzにわたるスペクトル成分を決定すべきである。一態様では、本発明は、例えば溶媒、気体、または溶液の溶質成分などの、所与のサンプル材料に関連するスペクトル成分のデータセットを含む。データセットは、例えば１００〜１５００Hzの範囲のサンプルの低周波数スペクトル成分のリストを備え、これらのスペクトル成分は、その相互スペクトル相関が背景スペクトル雑音より上の選択された統計的尺度（ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  ｍｅａｓｕｒｅ）を有し、またはサンプルに固有な成分のうちの選択されたものである。
【０１６２】
所与のサンプルに関する低周波数データセットを生成する際に様々な信号分析方法を使用することができる。１つの例示的方法では、相互相関されたサンプル信号スペクトルが、相互相関された雑音（サンプルなし）信号と比較される。次に、アルゴリズムは、各周波数点での相関値を見ながら、相互相関されたサンプルスペクトルおよび相互相関された雑音スペクトル全体にわたって例えば０．１Hz間隔の増分を進め、その点でのサンプル相関から雑音相関を差し引き、補正された相関値からなる周波数プロットを得る。これらの値は、特定のサンプルに関連し、例えば任意の雑音成分の相対的振幅に依存する。
【０１６３】
一般には、（そのサンプル中の他の値と比較して）より高い相関値を有する周波数成分は、同一のサンプルの多数の調査にわたって持続する（観測される）傾向がある。持続するものを識別するために、上記と同様にそれぞれ得られる２つ以上のサンプルセット全体にわたってサンプルに関して観測された周波数成分が比較され、２つ（または利用可能ならばそれ以上）のセットで確認されるものだけがそのサンプルに関するデータセットの有効な成分として取られる。以下の表では、（表中で識別される）いくつかのサンプルに関するデータセットが、単一のサンプル調査から求められる相関と共に与えられている。イタリックで示される値（通常は小さい相関値を有する）は、同一のサンプル材料からの複数のデータセットで持続しないことが判明した。
【０１６４】
したがって、例えば、表１の飽和ＮａＣｌサンプルについて、５２２．５８、５２３．１２、５２３．４７、および５２３．８５Hzのスペクトル成分がサンプルごとに相関し、周波数範囲５００〜５３０Hzでサンプルに関するデータセットを形成する。データセットの追加のメンバを、拡張した周波数範囲で含めることができる。
【０１６５】
同様に、表３のアミノ酸サンプルについて、データセットは、約２５０から１４００Hzの間の周波数範囲の２６２．９３、２５７．８１、２５７．２３、５３６．６８、４４８．０５、５３１．３７、５２８．８０、５９３．４４、５８８．６８、５８３．７４、５７８．６１、７６９．５９、および７４４．１４での成分を含むことができる。ＮａＣｌと比べてアミノ酸サンプルのスペクトル組成が多いことは、恐らくは、サンプル分子がより複雑であることを部分的に反映している。
【０１６６】
【表１】
2007533972.tif 000005
【０１６７】
【表２】
2007533972.tif 000006
【０１６８】
【表３】
2007533972.tif 000007
【０１６９】
上記のデータは、単純な分子サンプル及びより複雑な分子サンプルのどちらも、固有の低周波数スペクトル成分によって特徴付けうることを実証している。所与のサンプル材料に関連するデータセットは、（表に示すように）スペクトル成分の関連する相関値も含むことができる。データセットは、例えば、未知のサンプル中の成分を識別する際に使用すること、および／またはサンプル中の材料の相対濃度を評価することに使用することができる。サンプル中の低濃度成分を識別する方法の使用を次節で議論する。
【０１７０】
Ｃ．サンプル中の成分の識別
しばしば、未知の汚染物を有する液体サンプル、または検出することが望まれる汚染物を保持または支持することのできる他のサンプルなどの多成分サンプル材料中に存在する、例えばトレース汚染物などの、サンプル成分を検出することが望ましい。
【０１７１】
本発明の別の態様による、サンプルの成分を検出する分析方法は、前述のように、（ｉ）ＤＣと５０kHzとの間の選択された周波数範囲で、（ｉｉ）その相互スペクトル相関が背景スペクトル雑音より上の選択された統計的尺度を有する、サンプルの低周波数サンプルスペクトル成分をまず識別することを含む。
【０１７２】
次いで、サンプルスペクトル成分が、サンプル中に存在すると思われる既知の化合物の特性低周波数スペクトル成分と比較される。典型的な例では、サンプル成分が、サンプル中に存在すると思われ、検出することが望まれる各成分のデータセットと比較される。サンプルの特性低周波数スペクトル成分のうちの１つまたは複数が既知のサンプルの１つまたは複数の低周波数スペクトル成分に対応する場合、例えば化合物などの成分がサンプル中に存在すると識別される。
【０１７３】
図のセット１１Ａ〜１１Ｆに示すように、化合物（アミノ酸）の検出は、非常に低いレベルで、例えばＰＰＢ以下の範囲で行うことができる。具体的には、１：１００億のw/vの希釈であっても、約５３１Hzの特性スペクトル成分が観測される。図は、スペクトル成分相関に対応する信号振幅が化合物の希釈が増大すると共に減少することを実証している。しかし、低濃度での信号振幅の損失は、この例では、図の第１のグループに対する５０秒から最も希釈されたサンプルに対する４．２５分まで記録時間を延長することによって補償することができる（図１１Ｆ）。
【０１７４】
上記の例と同様に、スペクトル成分振幅が濃度の減少と共に低下する場合、化合物に関するデータセットが濃度依存振幅情報も含むと仮定して、化合物の量を信号振幅に基づいて評価することができる。
【０１７５】
いくつかのケースでは、特性スペクトル成分の周波数が濃度の変化と共に系統的に３Hzもシフトすることも観測されている。そのような化合物では、スペクトル成分のうちの１つまたは複数の振幅および／または周波数シフトの変化により、サンプル中に存在する材料の量を評価することができる。濃度依存周波数シフトを示す材料について、その化合物に関するデータセットが特定の成分に関する濃度依存周波数ならびに濃度依存振幅を含むことができることを理解されるだろう。
【０１７６】
Ｄ．時間領域信号
さらに別の態様では、本発明は、注目の材料に関連する時間領域信号を含む。時間領域信号およびその生成方法は上記で議論した。簡潔に言えば、磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナに注目のサンプルを配置し、ガウス雑音をサンプルに注入し、注入されたガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号を記録することによって信号が生成される。
【０１７７】
スペクトル成分データセットが材料を特徴付けるのに使用されるのと同じように、この信号は、サンプルを特徴付けるのに使用することができる。あるいは、この信号は、注目の材料に関連するスペクトル成分の低周波数信号シグナチャを生成するのに使用することもできる。信号シグナチャは、やはり上述のように、（ｉ）記録された時間領域信号を、同一または類似のサンプルから別々に記録された第２の時間領域信号と相互相関し、ＤＣから５０kHzの間の周波数範囲で周波数領域スペクトルを生成することによって生成することができる。
【０１７８】
結論
文脈が明らかにそうでないことを必要とするのでない限り、説明および特許請求の範囲全体にわたって、「含む」、「備える」などの語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包括的な意味に解釈すべきである。言い換えると、「含むがそれに制限されない」という意味に解釈すべきである。単数または複数を用いた上記の詳細な説明内の語は、それぞれ複数または単数も含むことができる。さらに、「本明細書」、「上記の」、「以下の」という語、および類似の意味の語は、本出願で使用されるとき、本出願全体を指し、本出願の何らかの特定の部分を指すのではないものとする。２つ以上の項目のリストを参照する際の「または」、「もしくは」という語が特許請求の範囲で使用されるとき、その語は、リスト中の項目のいずれか、リスト中の項目のすべて、およびリスト中の項目の任意の組合わせという語の解釈のすべてを網羅する。
【０１７９】
本発明の実施形態の上記の詳細な説明は、網羅的なものではなく、上記で開示した厳密な形態に本発明を限定するのではないものとする。当業者は理解するであろうが、本発明の特定の実施形態、および実施例を例示の目的で上述したが、本発明の範囲内で様々な等価な修正形態が可能である。例えば、プロセスまたはステップを所与の順序で提示したが、代替実施形態は、異なる順序のステップを有するルーチンを実行することができ、一部のステップを削除、移動、追加、分割、結合、および／または改変することができる。これらの各ステップは、様々な異なる形で実施することができる。これらのステップを直列に実行するように示したが、その代わりに、これらのステップを並列に実行することができ、または異なる時間に実行することができる。
【０１８０】
本明細書で与えた本発明の教示を、必ずしも本明細書に記載のシステムではなく、他のシステムに適用することもできる。詳細な説明に照らして、本発明に対してこれらおよび他の変更を行うことができる。上述の様々な実施形態の要素および動作を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。
【０１８１】
添付の出願用紙に列挙されていることがある任意のものを含む上記の特許および出願および他の参考文献のすべては、参照により本明細書に組み込まれる。必要なら、上述の様々な参考文献のシステム、機能、および概念を利用して、本発明のさらに別の実施形態を提供するように本発明の諸態様を改変することができる。
【０１８２】
上記の詳細な説明に照らして、本発明に対してこれらおよび他の変更を行うことができる。上記の説明は、本発明のある実施形態を詳述し企図される最良の形態を説明するが、上記を文中でどのように詳述したとしても、本発明を多くの方式で実施することができる。信号取得および分析システムの詳細は、その実装の詳細においてかなり異なる可能性があるが、それでもなお、本明細書で開示された本発明によって包含される。上述のように、本発明のある機能または態様を説明する際に使用した特定の用語は、その用語が関連する本発明の何らかの特定の特徴、機能、または、諸態様に制限されるように本明細書で再定義されていることを示唆すると理解すべきではない。一般に、添付の特許請求の範囲で使用される用語を、上記の詳細な説明の部分がそのような用語を明示的に定義しない限り、本明細書に開示された特定の実施形態に本発明を限定するように解釈すべきではない。したがって、本発明の実際の範囲は、開示の実施形態を包含するだけではなく、特許請求の範囲に記載の発明を実施または実装するすべての等価な方式も包含する。
【０１８３】
本発明の一定の態様を特許請求の範囲で一定のクレーム形式で提示するが、本発明者等は、任意の数のクレーム形式の本発明の様々な態様を企図する。例えば、方法クレーム型において本発明の１つの態様のみが具現されるものとして記載されるが、コンピュータ読み取り可能な記録媒体クレーム型においても同様に具現されることができる。したがって、本発明者等は、本発明の他の態様に関するそのような追加のクレーム形式を追求するために、本出願を出願後に追加の請求項を追加する権利を留保する。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】本発明の一実施形態に従って形成される分子電磁信号検出装置の一実施形態の等角投影図である。
【図２】図１に示すファラデーケージおよびその内容の拡大した詳細な図である。
【図３】図１および２に示す減衰管のうちの１つの拡大した断面図である。
【図４】図２に示すファラデーケージおよびその内容の断面図である。
【図５】図１から４に示す本発明の代替実施形態の断面図である。
【図６】本明細書に記載のヘルムホルツ変成器のコイルを支持するフレームの拡大した詳細な図である。
【図７】代替電磁放射検出システムの図である。
【図８】上記の図の検出システムに含まれる処理装置の図である。
【図９】図８の処理装置の代替処理装置の図である。
【図１０】本システムにより実行される信号検出および処理のフロー図である。
【図１１Ａ】第１のサンプルの放射のスペクトルプロットである。
【図１１Ｂ】第２のサンプルの放射のスペクトルプロットである。
【図１２Ａ】非相関時間領域サンプル信号のフーリエ変換で生成された、飽和ＮａＣｌのサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１２Ｂ】相互相関されたサンプルスペクトルのフーリエ変換で生成された、飽和ＮａＣｌのサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１３Ａ】非相関時間領域サンプル信号のフーリエ変換で生成された、アルキルエーテル硫酸塩のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１３Ｂ】相互相関されたサンプルスペクトルのフーリエ変換で生成された、アルキルエーテル硫酸塩のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ａ】脱イオン水のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ｂ】飽和ＮａＣｌ溶液のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ｃ】脱イオン水中の１％ＮａＣｌの溶液のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ｄ】飽和ＮａＢｒサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ｅ】脱イオン水中のアルキルエーテル硫酸塩のサンプルについての５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１４Ｆ】サンプルなしの場合の５００〜５３０Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ａ】５０秒の記録および４０分の相関で生成された、１：１００重量／体積のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ｂ】５０秒の記録および４０分の相関で生成された、w/v希釈１：１００００のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ｃ】５０秒の記録および４０分の相関で生成された、w/v希釈１：百万のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ｄ】５０秒の記録および４０分の相関で生成された、w/v希釈１：１億のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ｅ】５０秒の記録および４０分の相関で生成された、w/v希釈１：１００億のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１５Ｆ】４：２５分の記録および１２時間の相関で生成された、w/v希釈１：１００億のアミノ酸溶液のサンプルの５００から５３５Hzの間のスペクトル領域内のスペクトルプロットである。
【図１６】分子電磁信号検出装置の代替実施形態を示す概略図である。
【図１７Ａ】図１６の代替実施形態の断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの一部の拡大図である。
【図１８】図１７Ｂの等角断面図である。
【図１９】図９の処理装置の代替処理装置の図である。
【図２０】本発明のヒストグラムスペクトルプロット方法に関するデータフローのハイレベルフロー図である。
【図２１】本発明によるスペクトルプロットヒストグラムを生成するアルゴリズムのフロー図である。
【図２２Ａ】４つの異なる雑音出力レベルで取得されたサンプルのヒストグラムスペクトルである。
【図２２Ｂ】４つの異なる雑音出力レベルで取得されたサンプルのヒストグラムスペクトルである。
【図２２Ｃ】４つの異なる雑音出力レベルで取得されたサンプルのヒストグラムスペクトルである。
【図２２Ｄ】４つの異なる雑音出力レベルで取得されたサンプルのヒストグラムスペクトルである。
【図２３Ａ】スペクトルプロットヒストグラムを生成および表示するユーザインターフェースを表示するコンピュータスクリーンショットである。
【図２３Ｂ】スペクトルプロットヒストグラムを生成および表示するユーザインターフェースを表示するコンピュータスクリーンショットである。
【図２３Ｃ】スペクトルプロットヒストグラムを生成および表示するユーザインターフェースを表示する、カラーのコンピュータスクリーンショットである。
【図２４】図８、１６、および１９と類似の電磁放射検出システムの一実施形態の概略図である。
【図２５】図２４のシステムに対する第１の代替実施形態を示す概略図である。
【図２６】図２４のシステムに対する第２の代替実施形態の概略図である。
【図２７】図２４のシステムに対する第３の代替実施形態の部分的に概略的な部分的ブロック図である。
【図１】
2007533972.tif 000008
【図２】
2007533972.tif 000009
【図３】
2007533972.tif 000010
【図４】
2007533972.tif 000011
【図５】
2007533972.tif 000012
【図６】
2007533972.tif 000013
【図７】
2007533972.tif 000014
【図８】
2007533972.tif 000015
【図９】
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【図１０】
2007533972.tif 000017
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
2007533972.tif 000020
【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
2007533972.tif 000022
【図１３Ｂ】
2007533972.tif 000023
【図１４Ａ】
2007533972.tif 000024
【図１４Ｂ】
2007533972.tif 000025
【図１４Ｃ】
2007533972.tif 000026
【図１４Ｄ】
2007533972.tif 000027
【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６】
2007533972.tif 000036
【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
2007533972.tif 000039
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2007533972.tif 000042
【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３Ａ】
2007533972.tif 000047
【図２３Ｂ】
2007533972.tif 000048
【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年8月29日(2005.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低振動数分子運動を示すサンプルを調査するための装置であって、
前記サンプルを収容するように適合され、磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナと、
前記コンテナ中の前記サンプルに向けて白色またはガウス雑音を送るための調節可能な白色またはガウス雑音出力源と、
前記送られた白色またはガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号を検出するための検出器と、
前記検出器から前記時間領域信号を受信し、前記信号を処理して、前記選択した白色またはガウス雑音源の選択した出力設定で、ＤＣと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の前記サンプルに特徴的な低周波数スペクトル成分を表示するスペクトルプロットを生成するように適合された電子コンピュータであって、前記雑音出力源の調節、前記雑音に対するサンプル露出、および対応するサンプル放射の検出が、ほぼ最適なピーク高または波形特性がサンプル放射に観測されるまで反復される電子コンピュータと、
前記電子コンピュータからの信号のスペクトルプロットに基づいて、前記サンプル中の成分を識別すること又はサンプルを特徴付けることを助けるユーザインターフェースと
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記電子コンピュータは、（ｉ）複数の定義された時間枠のそれぞれにわたる前記時間領域信号の１００Hzと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）前記フーリエスペクトルの平均を取るように機能する信号アナライザを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記計算することは、１〜５秒の時間領域間隔にわたってそれぞれ取られた、少なくとも５つのフーリエスペクトルを計算することを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電子コンピュータは、機械読み取り可能なコードを含み、前記機械読み取り可能なコードは、
（ｉ）サンプル持続時間Ｔにわたって前記サンプルの前記時間領域信号を格納することと、
（ｉｉ）前記時間領域信号をサンプリングするサンプリングレートＦを選択することであって、Ｆ＊Ｔは、全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号の実高速フーリエ変換の周波数領域分解能ｆの約２倍であり、ｎが少なくとも１０であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
（ｉｉｉ）前記格納した時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記選択したサンプルに対して実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）を実行し、ＲＦＦＴ信号を生成することと、
（ｉｖ）前記ＲＦＦＴ信号を正規化し、前記ＲＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
（ｖ）ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、対応する選択した周波数での測定出力は、平均出力に０＜ε＜１である値εを掛けたものよりも大きく、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
（ｖｉ）ステップ（ｉｉｉ〜ｖ）を反復することと、
（ｖｉｉｉ）選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示すヒストグラムを生成することと
を行うように動作可能な機械読み取り可能なコードを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記機械読み取り可能なコードは、（ｉｖ）で、前記ＲＦＦＴ信号からの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置し、（ｖｉｉｉ）で、（ａ）ｆ個の出力ビンそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成し、（ｂ）前記各ビン中の前記平均出力を前記ヒストグラム内に表示するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記機械読み取り可能なコードは、（ｖｉｉｉ）で、所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記白色またはガウス雑音源は、調節可能出力白色またはガウス雑音発生器、および前記磁気遮蔽および電磁遮蔽内に含まれ、雑音発生器から１００mVから１Vの範囲の選択した雑音出力信号を受けるヘルムホルツコイルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記発生器が、ＤＣと２kHzとの間の周波数で白色またはガウス雑音を前記サンプルに注入するように設計されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記検出器は、電流信号を出力する２次微分型グラジオメータ、および前記グラジオメータに動作可能に接続され、前記電流信号を増幅された電圧信号に変換するＳＱＵＩＤであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記コンテナは、サンプル収容領域を有する減衰管であって、磁気遮蔽ケージが前記領域を囲み、ファラデーケージがやはり前記領域を囲む減衰管であり、前記白色またはガウス雑音源は、白色またはガウス雑音発生器およびヘルムホルツコイルを備え、前記ヘルムホルツコイルは、前記磁気ケージおよび前記ファラデーケージ内に含まれ、前記雑音発生器から雑音出力信号を受け取り、前記装置は、定常雑音成分を除去する際に使用するために、前記雑音発生器および前記ＳＱＵＩＤに動作可能に接続され、前記雑音発生器から白色またはガウス雑音を受け取り、前記サンプルに注入された白色またはガウス雑音に対して反転した形の白色またはガウス雑音を前記ＳＱＵＩＤに出力する信号反転器をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
低振動数分子運動を示すサンプルを調査する方法であって、
磁気遮蔽および電磁遮蔽の両方を有するコンテナ内に前記サンプルを配置し、
（ａ）選択した雑音振幅で白色またはガウス雑音を前記サンプルに注入することと、
（ｂ）前記注入した白色またはガウス雑音に重ねられたサンプル源放射からなる電磁時間領域信号を記録することと、
（ｃ）前記白色またはガウス雑音源の選択した出力設定で、１００と５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の前記サンプルに特徴的な低周波数のサンプル依存スペクトル成分を含むスペクトルプロットを生成することと、
（ｄ）前記サンプルに特徴的なスペクトル成分の最大数または最大数付近を示すプロットが生成されるまで、選択した異なる雑音振幅で（ａ）〜（ｃ）を反復することと、
（ｅ）スペクトル成分の最大数または最大数付近を示す前記プロットに基づいて、前記サンプルを特徴付けること又は１つまたは複数の格納されたプロットとの比較に基づいて前記サンプル中の成分を識別することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記生成することは、（ｉ）１００Hzと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の複数の定義された時間枠のそれぞれにわたり時間領域信号の一連のフーリエスペクトルを計算し、（ｉｉ）前記フーリエスペクトルの平均を取ることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記計算することは、
（ｉ）サンプル持続時間Ｔにわたり前記サンプルの時間領域信号を格納することと、
（ｉｉ）前記時間領域信号をサンプリングするためのサンプリングレートＦを選択することであって、Ｆ＊Ｔは全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号の実高速フーリエ変換の周波数領域分解能ｆの約２倍であり、ｎが少なくとも１０であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
（ｉｉｉ）前記格納した時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記選択したサンプルに対して実高速フーリエ変換（ＲＦＦＴ）を実行して、ＲＦＦＴ信号を生成することと、
（ｉｖ）前記ＲＦＦＴ信号を正規化し、前記ＲＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
（ｖ）ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、０＜ε＜１として、対応する選択周波数での測定出力＞平均出力＊εであり、εは、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
（ｖｉ）ステップ（ｉｉｉ）から（ｖ）を反復することと、
（ｖｉｉｉ）選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示すヒストグラムを生成することと
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
（ｉｖ）で、前記ＲＦＦＴ信号からの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置することと、（ｖｉｉｉ）で、（ａ）前記ｆ個の出力ビンのそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成し、（ｂ）各ビン中の前記平均出力を前記ヒストグラム上に表示することとをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
選択した周波数範囲Ｒにわたりサンプル材料のスペクトル放射の特徴を特徴付ける方法であって、
時間領域信号からＳ／ｎ個のサンプルを選択し、前記サンプルに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行してＦＦＴ信号を生成することであって、Ｆは前記時間領域信号をサンプリングするサンプリングレートであり、Ｆ＊Ｔは全サンプルカウントＳであり、Ｆは、サンプリングレートＦでサンプリングされた前記時間領域信号のＦＦＴの周波数領域分解能ｆよりも大きく、ｎが少なくとも５であるとしてＳ＞ｆ＊ｎであることと、
前記ＦＦＴ信号の平均出力を計算することと、
ｆ個の選択した周波数イベントビンのそれぞれにイベントカウントを配置することであって、０＜ε＜１として、対応する選択周波数での測定出力＞平均出力＊εであり、εは、イベントビンに配置した全カウント数がそのビン中の可能な最大ビンカウントの約２０〜５０％の間となるように選ばれることと、
選択した周波数範囲にわたり各イベントビンｆについて、各ビン中のイベントカウント数を示す表示を生成することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記平均出力を計算する前に前記ＦＦＴ信号を正規化することと、前記ＦＦＴからの正規化出力値をｆ個の対応する周波数出力ビンに配置することと、前記ｆ個の出力ビンのそれぞれに配置された蓄積値をｎで割り、各ビン中の平均出力を生成することと、各ビン中の前記平均出力をヒストグラム上に表示することとをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
所与のしきい値および平均出力より上のイベントカウントを有する前記ヒストグラム中のビンを識別することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
Hzで表されるＲはｆにほぼ等しく、サンプル／秒で表されるサンプルレートＦはほぼ２ｆであることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、サンプル中の分子放射に関する低周波数放射イベントを検出し、Ｒは、少なくとも１００Hzから５kHzの周波数範囲を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記平均出力を計算する前に前記ＦＦＴ信号を正規化することをさらに含み、前記ＦＦＴは実高速フーリエ変換であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
選択の前に、サンプル持続時間Ｔにわたりサンプルの時間領域信号を格納することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記表示を生成する前に、前記選択すること、計算すること、および配置することを反復することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
注目の材料に関連する低周波数スペクトルシグナチャであって、
請求項１６に記載の方法で生成されるＤＣ〜５０kHzの周波数範囲内の周波数成分のリスト
を備えることを特徴とするシグナチャ。
【請求項２５】
前記リスト中の周波数は、ＤＣと５０kHzとの間の選択した周波数範囲内の複数のスペクトル増分のそれぞれで生じるサンプル依存の確率的イベント数のヒストグラムから識別されることを特徴とする請求項２４に記載のスペクトルシグナチャ。
【請求項２６】
信号源として振る舞うサンプルから分子信号を検出するための装置であって、
前記サンプル付近に配置された電磁放射を検出するための手段と、
前記検出するための手段に電気的に接続された超伝導量子干渉素子であって、低温に冷却するための手段内に配置されている超伝導量子干渉素子と、
前記信号源および前記信号を検出するための手段を構造的雑音または一様な雑音で囲むための雑音生成手段と、
前記信号源、検出するための手段、および超伝導量子干渉素子を外部電磁放射から電磁的に遮蔽するための手段であって、前記低温に冷却するための手段の外部に配置されている手段と、
前記超伝導量子干渉素子を制御するための手段と、
前記電磁放射を検出するための手段で検出された信号を観測するための手段と、
ほぼ最適なピーク高または波形特性が前記検出信号に観測されるまで、雑音生成および信号検出を反復するための手段と、
前記検出信号に観測された前記ほぼ最適なピーク高または波形特性に基づいて前記サンプルを特徴付ける装置とインターフェースするための手段、または前記検出信号に観測された前記ほぼ最適なピーク高または波形特性を格納信号と比較することによって前記サンプル中の成分を識別するための手段と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２７】
前記信号源をその中に垂直に収容する管手段をさらに備え、前記管手段は、少なくとも２kHzの低域フィルタリングを提供することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記装置内に前記信号源を自動的および垂直に配置するための自動ローディング手段をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記信号源および検出するための手段を少なくとも部分的に囲む超伝導鉛遮蔽をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記検出するための手段は、２次微分型グラジオメータを備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
コンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、その内容が、サンプルからの電磁放射を表すデータを表示する方法を少なくとも１つのデータ処理装置に実行させ、前記方法は、
磁気遮蔽された検出装置内でサンプルに雑音を加えることにより生成されたサンプル信号を受け取ることであって、前記雑音と前記サンプルによって放射された電磁信号との組合わせは、確率共鳴を通じて前記雑音とは異なる特徴を帯び、前記磁気遮蔽された検出装置は、少なくとも１つの電磁放射検出コイルに電気的に接続された超伝導量子干渉素子をその中に備えることと、
高速フーリエ変換を前記サンプル信号に加えることと、
グラフィカルユーザインターフェースを介して前記サンプル信号を表示することであって、前記サンプル信号は、選択した周波数の一連のピークとして表示され、前記ピークは、前記サンプル信号中の他のピークよりも相当に大きく、前記他のピークの少なくとも一部は、前記雑音を表すことと
を含むことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３２】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記データ処理装置のメモリであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３３】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記内容を受信するコンピュータネットワーク中の論理ノードであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３４】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータ読み取り可能なディスクであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３５】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記内容を含む生成されたデータ信号を搬送するデータ伝送媒体であることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３６】
前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムのメモリであることを特徴とする請求項３１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３７】
信号源として振る舞うサンプルからの分子信号を検出するための装置であって、
前記信号源からの放射信号を検出するために前記サンプル付近に配置された電磁放射検出器と、
前記電磁放射検出器に電気的に接続された超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）であって、低温に冷却されている超伝導量子干渉素子と、
雑音相殺構成要素と、
前記信号源からの前記放射信号に構造的雑音または一様な雑音を供給し、前記雑音相殺構成要素に前記雑音を反転したものを供給するための雑音発生器と、
前記信号源、電磁放射検出器、および超伝導量子干渉素子を外部電磁放射から遮蔽するように構成された電磁遮蔽と、
前記超伝導量子干渉素子を制御するためのコントローラと、
確率共鳴を通じた前記雑音による前記信号源信号の増幅を表す、増幅された放射信号を出力するための出力ポートと
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３８】
前記雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの入力との間に配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの出力との間に配置されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記雑音発生器は、第１および第２の雑音生成構成要素を備え、雑音相殺構成要素は、第１および第２の雑音相殺構成要素を備え、前記第１の雑音相殺構成要素は、前記電磁放射検出器とＳＱＵＩＤへの入力との間に配置され、前記第１の雑音発生器に結合され、前記第２の雑音相殺構成要素は、ＳＱＵＩＤの出力に配置され、第２の雑音発生器に結合されていることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
前記雑音発生器は、乱数発生器からの一連の乱数値を供給し、前記雑音相殺構成要素は、前記増幅された放射信号から前記一連の乱数値を差し引くことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【国際調査報告】
2007533972.tif 000054
2007533972.tif 000055