(57)【要約】  高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数を調整するための回路の使用は、向上された性能をもたらす。この回路は、周波数検出システム、特に核四重極共鳴検出システムに有用である。
2007513339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超伝導体自己共振コイルの共振周波数を調整するための回路であって、回路を高温超伝導体自己共振コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる回路。
【請求項２】
回路がシングルループを含んでなり、高温超伝導体自己共振コイルが平面コイルである請求項１に記載の回路。
【請求項３】
回路がシングルループを含んでなり、高温超伝導体自己共振コイルが２つの結合された高温超伝導体平面コイルを含んでなる請求項１に記載の回路。
【請求項４】
リアクタンスを変えることができる請求項１〜３のいずれかに記載の回路。
【請求項５】
リアクタンスが並列の２つもしくはそれ以上のキャパシタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項４に記載の回路。
【請求項６】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項５に記載の回路。
【請求項７】
リアクタンスが直列の２つもしくはそれ以上のインダクタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項４に記載の回路。
【請求項８】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項７に記載の回路。
【請求項９】
高温超伝導体自己共振送受信コイルと、高温超伝導体自己共振送受信コイルの共振周波数を調整するための回路とを含んでなる周波数検出システムであって、回路が、回路を高温超伝導体自己共振送受信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる周波数検出システム。
【請求項１０】
回路がシングルループを含んでなり、高温超伝導体自己共振送受信コイルが平面コイルである請求項９に記載の周波数検出システム。
【請求項１１】
回路がシングルループを含んでなり、高温超伝導体自己共振送受信コイルが２つの結合された高温超伝導体平面コイルを含んでなる請求項９に記載の周波数検出システム。
【請求項１２】
回路が高温超伝導体自己共振送受信コイルの電力依存共振周波数を調整する請求項９に記載の周波数検出システム。
【請求項１３】
リアクタンスを変えることができる請求項９〜１２のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項１４】
リアクタンスが並列の２つもしくはそれ以上のキャパシタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項１３に記載の周波数検出システム。
【請求項１５】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項１４に記載の周波数検出システム。
【請求項１６】
リアクタンスが直列の２つもしくはそれ以上のインダクタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項１３に記載の周波数検出システム。
【請求項１７】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項１６に記載の周波数検出システム。
【請求項１８】
核四重極共鳴検出システムを含んでなる請求項９〜１２のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項１９】
核四重極共鳴検出システムが、爆発物、薬物、または他の禁制品を検出する請求項１８に記載の周波数検出システム。
【請求項２０】
高温超伝導体自己共振送信コイルと、高温超伝導体自己共振送信コイルの共振周波数を調整するための回路とを含んでなる周波数検出システムであって、回路が、回路を高温超伝導体自己共振送信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる周波数検出システム。
【請求項２１】
シングルループまたはコイルがシングルループであり、高温超伝導体自己共振送信コイルが平面コイルである請求項２０に記載の周波数検出システム。
【請求項２２】
シングルループまたはコイルがシングルループであり、高温超伝導体自己共振送信コイルが２つの結合された高温超伝導体平面コイルを含んでなる請求項２０に記載の周波数検出システム。
【請求項２３】
回路が高温超伝導体自己共振送信コイルの電力依存共振周波数を調整する請求項２０に記載の周波数検出システム。
【請求項２４】
リアクタンスを変えることができる請求項２０〜２３のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項２５】
リアクタンスが並列の２つもしくはそれ以上のキャパシタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項２４に記載の周波数検出システム。
【請求項２６】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項２５に記載の周波数検出システム。
【請求項２７】
リアクタンスが直列の２つもしくはそれ以上のインダクタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、２つもしくはそれ以上のインダクタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項２４に記載の周波数検出システム。
【請求項２８】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項２７に記載の周波数検出システム。
【請求項２９】
核四重極共鳴検出システムを含んでなる請求項２０〜２３のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項３０】
核四重極共鳴検出システムが、爆発物、薬物、または他の禁制品を検出する請求項２９に記載の周波数検出システム。
【請求項３１】
高温超伝導体自己共振受信コイルと、高温超伝導体自己共振受信コイルの共振周波数を調整するための回路とを含んでなる周波数検出システムであって、回路が、回路を高温超伝導体自己共振送受信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる周波数検出システム。
【請求項３２】
シングルループまたはコイルがシングルループであり、高温超伝導体自己共振受信コイルが平面コイルである請求項３１に記載の周波数検出システム。
【請求項３３】
シングルループまたはコイルがシングルループであり、高温超伝導体自己共振受信コイルが２つの結合された高温超伝導体平面コイルを含んでなる請求項３１に記載の周波数検出システム。
【請求項３４】
リアクタンスを変えることができる請求項３１〜３３のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項３５】
リアクタンスが並列の２つもしくはそれ以上のキャパシタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項３４に記載の周波数検出システム。
【請求項３６】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、キャパシタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項３５に記載の周波数検出システム。
【請求項３７】
リアクタンスが直列の２つもしくはそれ以上のインダクタを含んでなり、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々が個別にシングルループまたはコイルに接続されシングルループまたはコイルから切離されることを可能にする請求項３４に記載の周波数検出システム。
【請求項３８】
リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段が、インダクタの各々のための１つの機械スイッチまたは電気スイッチを含んでなる請求項３７に記載の周波数検出システム。
【請求項３９】
核四重極共鳴検出システムを含んでなる請求項３１〜３３のいずれかに記載の周波数検出システム。
【請求項４０】
核四重極共鳴検出システムが、爆発物、薬物、または他の禁制品を検出する請求項３９に記載の周波数検出システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００３年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６０／５２４，４６１号の利益を請求し、あらゆる目的のため、その全体を本出願の一部として援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、高温超伝導体自己共振コイルの共振周波数を調整するための回路の使用、ならびにそのようなコイルおよび回路を含んでなる周波数検出システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
爆発物および他の禁制品を検出する手段としての核四重極共鳴（ＮＱＲ）の使用が、しばらくの間認識されている−たとえば、非特許文献１、非特許文献２、および非特許文献３を参照されたい。ＮＱＲは、他の検出方法に対していくつかの区別できる利点をもたらす。ＮＱＲは、核磁気共鳴によって必要とされるような外部磁石を必要としない。ＮＱＲは、対象となる化合物に敏感であり、すなわち、ＮＱＲ周波数の特異性がある。
【０００４】
サンプルのＮＱＲを測定するための１つの技術は、サンプルを、サンプルを囲むソレノイドコイル内に配置することである。コイルは、サンプルの四重極核を励起する無線周波数（ＲＦ）磁界を提供し、それらが、それらの特徴的な共鳴信号を生成することをもたらす。これは、郵便物、手荷物、または荷物を走査するために使用してもよい典型的な装置構成である。また、既存の金属検出器で行われるように人またはコンテナのうえを通過させることができる、たとえばワンド検出器などの、検出器の外側の源からのＮＱＲ信号の検出を可能にするＮＱＲ検出器が必要である。従来のシステムを使用するそのような検出器と関連する問題は、検出器コイルからの距離に伴う検出可能性の減少、およびシステムを動作させるために必要な関連した設備である。
【０００５】
検出システムは、送信し受信する１つもしくはそれ以上のコイルを有することができるか、送信するだけのおよび受信するだけの別個のコイルを有することができる。ＮＱＲ検出システムの送信または送受信コイルは、サンプルの四重極核を励起する無線周波数（ＲＦ）磁界を提供し、それらが、コイルが検出するそれらの特徴的な共鳴信号を生成することをもたらす。ＮＱＲ信号は、低強度および短い持続期間を有する。
【０００６】
送信、受信、または送受信コイルは、好ましくは高い品質係数（Ｑ）を有する。送信、受信、または送受信コイルは、典型的には銅コイルであり、したがって、約１０２のＱを有する。ＨＴＳ自己共振コイルが１０３〜１０６のオーダのＱを有するので、銅ではなく高温超伝導体（ＨＴＳ）から製造された送信、受信、または送受信コイルを使用することが有利である。ＨＴＳ自己共振コイルの大きいＱは、ＲＦ送信パルスの間大きい磁界強度を生じさせ、より低いＲＦ電力レベルにおいてそのようにする。これは、検出のためのＮＱＲ信号を生成するために必要な送信される電力の量を大幅に低減し、それにより、ＲＦ電源のサイズを、ポータブルバッテリ上で動作させることができるように十分に低減する。
【０００７】
ＨＴＳ自己共振コイルの大きいＱは、また、受信時間の間重要な役割を果たす。低強度ＮＱＲ信号に鑑み、できるだけ大きい信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を有することが重要である。信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比がＱの平方根に比例するので、ＨＴＳ自己共振コイルの使用は、銅システムのものに対して、１０〜１００倍だけＳ／Ｎの増加をもたらす。送信時間および受信時間の両方の間のこれらの利点は、小さくポータブルな検出器構成を可能にする。送信、受信、または送受信コイルが、それぞれのコイルの共振周波数を、製造後ＮＱＲ周波数に調整することができるように調整可能であることが重要である。
【０００８】
【非特許文献１】ティー・ハーシュフィールド（Ｔ．  Ｈｉｒｓｈｆｉｅｌｄ）ら、ジャーナル・オブ・モルキュラー・ストラクチャー（Ｊ．  Ｍｏｌｅｃ．  Ｓｔｒｕｃｔ．）５８、６３（１９８０）
【非特許文献２】エー・エヌ・ガロウェイ（Ａ．Ｎ．  Ｇａｒｒｏｗａｙ）ら、プロシーディングス・オブ・ＳＰＩＥ（Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ）２０９２、３１８（１９９３）
【非特許文献３】エー・エヌ・ガロウェイ（Ａ．Ｎ．  Ｇａｒｒｏｗａｙ）ら、ＩＥＥＥトランザクションズ・オン・ジオサイエンス・アンド・リモート・センシング（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  ｏｎ  Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ）、３９、ｐｐ．１１０８〜１１１８（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数の調整を提供し、周波数検出システムにおけるその使用を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数を調整するための回路であって、回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる回路を提供する。
【００１１】
好ましくは、リアクタンスは、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数を調整する際に柔軟性をもたらすために、変えることができるものである。リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段は、少なくとも１つの機械スイッチおよび／または電気スイッチ、たとえばダイオードなどを含んでもよい。好ましくは、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルは、平面コイルまたは表面コイルである。好ましくは、回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルに誘導結合するシングルループまたはコイルは、高温超伝導体シングルループまたはコイルであり、より好ましくは、高温超伝導体シングルループである。
【００１２】
本発明は、また、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルと、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数を調整するための回路とを含んでなる周波数検出システムであって、回路が、回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる周波数検出システムを提供する。高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数を調整するための回路を有するこの周波数検出システムは、核四重極共鳴を検出するのに、特に、爆発物、薬物、および他の禁制品の核四重極共鳴を検出するのに、特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の回路の使用は、高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルの共振周波数の調整を可能にする。この自己共振コイルの共振周波数の調整は、望ましい厳密な共振周波数を有するコイルを製造することが困難であるので、非常に有用であることができる。さらに、特定の周波数、たとえば、対象となるＮＱＲの周波数ｆＮＱＲと一致するように、自己共振コイルの共振周波数を調整できることが重要であることができる。
【００１４】
周波数を検出するとき、送信モード、すなわち励起モードの間の送信または送受信コイルの共振周波数が、受信モード、すなわち検出モードの間の受信または送受信コイルの共振周波数と同一であることが重要である。これは、ＮＱＲ信号などの、低強度および短い持続期間の信号に特に重要である。
【００１５】
共振周波数の調整を提供する本発明の回路は、（ｉ）回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルに誘導結合するためのシングルループまたはコイルと、（ｉｉ）シングルループまたはコイルと直列のリアクタンスと、（ｉｉｉ）リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段とを含んでなる。シングルループまたはコイルは、銅などの通常の導体、または高温超伝導体から製造することができる。リアクタンスは、インダクタンス、キャパシタンス、または両方の組合せであることができる。好ましくは、リアクタンスを変えることができ、共振周波数を１つを超える周波数に調整することができる。リアクタンスをシングルループまたはコイルに接続し、リアクタンスをシングルループまたはコイルから切離すための手段は、リアクタンスがキャパシタまたはインダクタまたは両方を含もうと、少なくとも１つの機械スイッチおよび／または電気スイッチ、たとえばダイオードなどを含んでもよい。
【００１６】
可変リアクタンスを達成する１つの方法は、各々を個別にシングルループまたはコイルに接続するかシングルループまたはコイルから切離すことができる、並列のいくつかのキャパシタを含んでなるリアクタンスを有することである。あるいは、インダクタを短絡させ、それにより、それを回路から本質的に除去することができるスイッチまたはダイオードによって、各々を個別にシングルループまたはコイルに接続するかシングルループまたはコイルから切離すことができる、直列のいくつかのインダクタから、可変リアクタンスを構成することができる。
【００１７】
回路の概略図が図１に示されている。回路は、回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイル１２に誘導結合するシングルループ１１とともに示されている。付加的なループ、すなわちコイルを使用して、所望の結合をもたらすことができる。リアクタンス１３、およびリアクタンス１３をシングルループ１１に接続し切離すスイッチ１４が、シングルループ１１に接続される。スイッチ１４は、機械スイッチであることができるか、特定の印加電圧を超えて伝導するダイオードなどの電気スイッチであることができる。
【００１８】
好ましくは、リアクタンスは可変であり、リアクタンスのさまざまな部分をシングルループに接続しシングルループから切離すことができる。本発明の回路の１つのそのような実施形態の概略図が図２に示されている。回路は、回路を高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイル２２に誘導結合するシングルループ２１とともに示されている。この実施形態において、リアクタンスは、並列の４つのキャパシタ２３、２４、２５、および２６と、４つのスイッチ２７、２８、２９、および３０とを含んでなる意味で可変である。これは、キャパシタのさまざまな組合せがシングルループ２１に接続されることを可能にし、それにより、さまざまなキャパシタンスを提供することができ、結果として、自己共振コイルの共振周波数への異なった調整をもたらす。共振周波数の所望の変化によって、より多いまたはより少ないキャパシタを並列に使用することができる。
【００１９】
別の実施形態において、リアクタンスは、直列に配置されたインダクタを含んでなり、スイッチが各インダクタと並列である。スイッチが開いているとき、インダクタはシングルループまたはコイルと直列である。スイッチが閉じているとき、スイッチはインダクタを短絡させ、それを回路から本質的に除去する。
【００２０】
高温超伝導体自己共振送信、受信、または送受信コイルとしての使用のために好ましい平面コイルまたは表面コイルは、基板の片面のみの上にＨＴＳコイル構成を有するか、基板の両面上に本質的に同一のＨＴＳコイル構成を有する。
【００２１】
共振周波数を微調整することができることがしばしば有利である。そのような調整を達成するための１つの手段は、２つの結合された高温超伝導体自己共振コイルを使用することである。２つの結合された高温超伝導体自己共振コイルの基本対称モードの共振周波数を、一方のコイルを他方のコイルに対して機械的にずらすことによって変えることができ、これらの結合されたコイルは、ＨＴＳ送信、受信、または送受信コイルとして役立つ。
【００２２】
好ましくは、Ｑ減衰回路のシングルループは、ＨＴＳ送信、受信、または送受信コイルと同じ基板上の銅またはＨＴＳのシングルループである。
【００２３】
ＨＴＳ自己共振送信または送受信コイルを使用する際の１つの困難は、コイルの共振周波数または中心周波数が、電力依存であり、たとえば送信期間の間生じるように、コイルに結合された電力が増加するにつれて、より低い周波数にシフトすることである。対象となるＮＱＲのものに等しい低送信電力共振周波数ｆＮＱＲを有するように設計された高温超伝導体自己共振送信または送受信コイルについて、Ｓ２１、すなわち、周波数の関数としての、入力から出力までの送信係数の大きさが、図３に示されている。曲線１が、低送信電力モード、高いＱのＳ２１、共振周波数ｆＮＱＲを示す。送信モードにおいて高電力がコイルに与えられると、曲線２によって示されるように、システムの共振周波数はより低い周波数にシフトし、Ｑは劣化する。共振周波数はもはやｆＮＱＲでなく、これらの条件下で受信モードの間ＨＴＳ受信または送受信コイルに結合されたＮＱＲ電力のフラクションは小さい。
【００２４】
本発明の回路は、送信モードの間、ＨＴＳ送信または送受信コイルの共振周波数をｆＮＱＲで維持する。この結果は、高送信電力モードの間の共振周波数への調整によって達成され、これは、図１に示された簡単な回路の概略図を参照することによって理解することができる。自己共振コイル１２、およびリアクタンス１３、たとえばキャパシタンスは、スイッチ１４が閉じており、リアクタンス１３がシングルループ１１と直列であるとき、低送信電力共振周波数がｆＮＱＲであるように選択される。送信モードの間、高電力が高温超伝導体自己共振送受信コイル１２に与えられると、スイッチを開いて、回路からリアクタンスを本質的に除去し、共振周波数はｆＮＱＲにおけるままである。これは図３の曲線３によって示され、共振周波数はｆＮＱＲであるが、Ｑは、ＨＴＳコイルの電力依存によって、依然として劣化される。これは、電力が、送信モードの間、正しい周波数で送信されることを可能にする。送受信コイルの場合、図１のスイッチ１４は、受信モードについて閉じており、共振周波数はｆＮＱＲである。
【００２５】
回路は、電力依存共振周波数を調整するように、次のように設計される。ＨＴＳ自己共振送信または送受信コイルおよび回路は、所望のｆＮＱＲに等しい共振周波数を提供するように設計される。電力依存共振周波数シフトはキネティックインダクタンスに帰することができる。スイッチを開くことによって、リアクタンスが回路から除去されると、その除去は、高電力モードの間、付加的なキネティックインダクタンスを平衡させる。用いられることが予期される高電力について、ＨＴＳ自己共振送信または送受信コイルの共振周波数の電力依存シフトを観察することができ、ＨＴＳコイル設計および回路リアクタンスパラメータは、それに応じて選択される。
【００２６】
高温超伝導体は、７７Ｋを超えて超伝導するものである。ＨＴＳ自己共振送受信コイルを形成するために使用される高温超伝導体は、好ましくは、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｔｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８、ＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ９、（ＴｌＰｂ）Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ７、および（ＴｌＰｂ）Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ９よりなる群から選択される。最も好ましくは、高温超伝導体は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７またはＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８である。
【００２７】
ＨＴＳ自己共振送信、受信、または送受信コイルをさまざまな既知の技術によって形成することができる。Ｔｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８コイルを形成するための好ましい技術が実施例に用いられる。
【００２８】
ＲＦパルスを送信するための電力を供給するための電源、および検出されたＮＱＲ信号を処理するための関連した回路を提供しなければならない。また、ＨＴＳコイルを液体窒素温度に冷却するために提供しなければならない。
【００２９】
本発明の有利な効果は、以下で説明されるように、一連の実施例によって実証される。実施例が基づく、本発明の実施形態は、例示にすぎず、特許請求の範囲を限定しない。
【実施例】
【００３０】
実施例１〜１５
これらの実施例の目的は、図２に示されたタイプの回路を使用して、ＨＴＳ自己共振コイルの共振周波数を調整することを実証することである。使用されるＨＴＳ自己共振コイルは、２つの結合された本質的に同一のＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８平面コイルを含んでなる。結合されたコイルの各々は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上にあり、図４に示されたコイル設計構成は基板の両面上にある。
【００３１】
直径が２インチ（５．１ｃｍ）であり、おおよその厚さが０．０１８インチ（０．４６ｍｍ）である、きれいな研磨単結晶サファイア基板を、ユニオン・カーバイド・コーポレーション（Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｃｏｒｐ．）から得た。基板温度を約７００〜８００℃の範囲内に保持して、軸外スパッタ堆積によって、エピタキシャルＣｅＯ２バッファ層を基板の両面上に成長させる。Ｂａ：Ｃａ：Ｃｕ酸化物ターゲットの軸外マグネトロンスパッタリングを用いて、室温（約２０℃）で、アモルファス前駆体Ｂａ：Ｃａ：Ｃｕ酸化物フィルムを基板の両面上のＣｅＯ２バッファ層上に堆積させる。このアモルファスＢａ：Ｃａ：Ｃｕ酸化物フィルムは、厚さが約５５０ｎｍであり、化学量論が約２：１：２である。次に、前駆体フィルムを、空気中約４５分間８５０℃でＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０とＴｌ２Ｏ３との粉末混合物の存在下でアニールすることによってタリネートする（ｔｈａｌｌｉｎａｔｅｄ）。この粉末混合物を加熱すると、Ｔｌ２Ｏが粉末混合物から生成し、前駆体フィルムに拡散し、それと反応して、Ｔｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８相を形成する。
【００３２】
次に、サンプルを両面上でフォトレジストでコーティングし焼成する。図４に示された設計を有するコイル設計マスクを準備する。コイルは、内側半径が約１０．５ｍｍであり、外側半径が約２２．５ｍｍである。コイルの最も外側のＨＴＳリング４１は幅約２ｍｍであり、最も内側のＨＴＳリング４２は幅約３．５ｍｍである。中間ＨＴＳリング４３は幅約２５０μｍであり、リング間の間隙は約２５０μｍである。次に、コイル設計マスクを、基板の前面上のＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８フィルムを被覆するフォトレジスト上に中心に置き、紫外光に曝す。次に、コイル設計マスクを、基板の裏面上のＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８フィルムを被覆するフォトレジスト上に中心に置き、紫外光に曝す。次に、レジストを基板の両面上で現像し、レジストを現像するときに露出されたＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８フィルムの部分を、アルゴンビームエッチングによってエッチング除去する。次に、残りのフォトレジスト層を酸素プラズマによって除去する。
【００３３】
結果は、単結晶サファイア基板の各面上の、ＣｅＯ２バッファ層、およびＣｅＯ２バッファ層上に中心に置かれた、図４に示された構成の高温超伝導体Ｔｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８パターンを有する単結晶サファイア基板を含んでなるコイル構造である。このプロセスを本質的に同じように繰返して、第１のコイルと本質的に同一の第２のコイルを製造する。
【００３４】
図５Ａは、２つのサファイア基板および銅シングルループを保持するホルダ５０の上面図の概略図である。図５Ｂは、図５Ａの点「５Ｂ」−「５Ｂ」でとられたホルダ５０の断面図である。ホルダ５０は、ガラス繊維エポキシ積層体である。半径約７／８インチ（２．２ｃｍ）の円形穴５１が、サンプルホルダ５０の一端の近くでカットされる。外側半径が約１インチ（２．５ｃｍ）である第２の穴がカットされ、示されているように、１つのサファイア基板５３を保持するためにレッジ５２を残す。他のサファイア基板５７を保持するのに役立つ移動可能な基板ホルダ５５および５６を収容するために、切抜き５４がレッジ５２の反対の面上に作られる。２つの移動可能な基板ホルダ５５および５６は、また、サファイア基板５７を、サファイア基板５３に対して、横方向に、すなわち水平に並進させるのに役立ち、それにより、２つの結合されたＨＴＳコイルの共振周波数が微調整されることを可能にする。２つのサファイア基板の間の距離５８は１ｍｍである。サファイア基板５３を囲み、サファイア基板５３と同心の、半径約１．１インチ（２．８ｃｍ）の円形溝５９が、平行な溝６０および６１とともに、サンプルホルダ５０の表面にカットされる。示されていない１８米国ワイヤゲージ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｉｒｅ  Ｇａｕｇｅ）銅ワイヤのピースが、点６２で始まる溝６０に配置され、溝６０に沿って円形溝５９まで、円形溝５９の周りを平行な溝６１まで、溝６１に沿って点６３まで延在する。円形溝５９の銅ワイヤは、ＨＴＳ送受信コイルをＱ減衰回路に誘導結合するためのシングルループとして役立つ。図２に示された回路の４つのキャパシタへの接続は、点６２および６３において行われる。サファイア基板５３の片面上のＨＴＳパターン６４は図５Ａに示される。
【００３５】
図２に示された回路のキャパシタ２３、２４、２５、および２６のキャパシタンスは、それぞれ、２０、５８、１００、および２２０ｐＦであった。
【００３６】
ＨＴＳ自己共振コイルを、ナルゲン（Ｎａｌｇｅｎｅ）（登録商標）デュワー瓶内に保持された液体窒素中に浸漬する。銅ワイヤのループを含んでなるピックアップコイルを、ピックアップコイルの平面をＨＴＳ自己共振コイルの平面に平行にして、ＨＴＳ自己共振コイルから約１インチ（２．５ｃｍ）離して配置する。ピックアップコイルは、０．０８０インチ（２ｍｍ）の同軸ケーブルのピースから外側ジャケットおよび誘電体スペーサを除去することによって形成する。ループは、内側導体を円に曲げ、それを、ジャケットおよび誘電体が除去された点のすぐ外側で、同軸ケーブルの外側ジャケットに半田付けすることによって形成する。ピックアップコイルをアジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）８７５３ベクトル・ネットワーク・アナライザ（Ｖｅｃｔｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）（カリフォルニア州パロアルトのアジレント・テクノロジーズ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｐａｌｏ  Ａｌｔｏ，  ＣＡ））に接続する。
【００３７】
周波数を掃引し、シングルループに接続されたキャパシタの各組合せについて、ＨＴＳコイルの共振周波数およびＱを測定する。基板５７を基板５３に対して位置決めしており、２つの結合されたＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８平面コイルを含んでなるＨＴＳコイルは、共振周波数が３７６１．６ｋＨｚであり、Ｑが２９５０である。この測定を、図２に示されたすべてのスイッチ２７、２８、２９、および３０が開いており、シングルループ２１の回路にキャパシタがない、すなわち、回路が開いており、効果がない状態で行う。
【００３８】
図２の表示を用いる、どのスイッチが閉じているかの指定、および結果として生じる回路のキャパシタンスは、ＨＴＳコイルの共振周波数およびＱとともに、各実施例について表Ｉに記載されている。たとえば、実施例１の場合、図２のスイッチ２７は閉じており、スイッチ２８、２９、および３０は開いており、シングルループと直列のキャパシタンスは２０ｐＦである。実施例１５の場合、すべてのスイッチが閉じており、シングルループと直列のキャパシタンスは３９８ｐＦである。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
これらの結果は、ＨＴＳコイルに誘導結合された回路のリアクタンスを変えることによって、ＨＴＳコイルの共振周波数を小さい増分で調整することができ、この変化を、Ｑの著しい変化を伴わずに達成することができることを示す。これらの実施例に使用されたキャパシタのセットで、共振周波数を８．９ｋＨｚの範囲にわたって変えることができる。
【００４１】
実施例１６〜３０
これらの実施例の目的は、図２に示されたタイプの回路を使用して、ＨＴＳ自己共振コイルの共振周波数を調整することをさらに実証することである。これらの実施例に使用されたＨＴＳコイルは、実施例１〜１５に使用された、２つの結合された本質的に同一のＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８平面コイルを含んでなる同じＨＴＳ自己共振コイルである。同じホルダ、およびＨＴＳコイルを、実施例１〜１５に使用されたようなＨＴＳコイルの共振周波数を調整するための回路に結合する同じ銅シングルループを、実施例１６〜３０に使用する。回路は、図２に示された回路のキャパシタ２３、２４、２５、および２６のキャパシタンスが、それぞれ、５８、１００、２２０、および３００ｐＦであった以外は、実施例１〜１５に使用された回路と同一である。
【００４２】
シングルループに接続されたキャパシタの各組合せについて、実施例１〜１５について行われたのと同じように、ＨＴＳコイルの共振周波数およびＱを測定する。基板５７を基板５３に対して位置決めしており、２つの結合されたＴｌ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８平面コイルを含んでなるＨＴＳコイルは、共振周波数が３７６６．８ｋＨｚであり、Ｑが２９５０である。この測定を、図２に示されたすべてのスイッチ２７、２８、２９、および３０が開いており、シングルループ２１の回路にキャパシタがない、すなわち、回路が開いており、効果がない状態で行う。図２の表示を用いる、どのスイッチが閉じているかの指定、および結果として生じる回路のキャパシタンスは、ＨＴＳコイルの共振周波数およびＱとともに、各実施例について表ＩＩに記載されている。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
これらの結果は、ＨＴＳコイルに誘導結合された回路のリアクタンスを変えることによって、ＨＴＳコイルの共振周波数を小さい増分で調整することができ、この変化を、Ｑの著しい変化を伴わずに達成することができることを示す。これらの実施例に使用されたキャパシタのセットで、共振周波数を１７．５ｋＨｚの範囲にわたって変えることができる。
【００４５】
本発明の装置が、特定の構成要素を「含んでなる」、「含む」、「含有する」、「有する」、「から構成される」、または「によって構成される」と陳述または説明される場合、陳述または説明がそれと反対に明確に規定しない限り、明確に陳述または説明されたもの以外の１つもしくはそれ以上の構成要素が、装置に存在してもよいことが理解されるべきである。しかし、代替実施形態において、本発明の装置は、特定の構成要素から本質的になると陳述または説明してもよく、この実施形態において、動作の原理または装置の際立った特徴を実質的に変更する構成要素がその中に存在しない。さらなる代替実施形態において、本発明の装置は、特定の構成要素からなると陳述または説明してもよく、この実施形態において、陳述されたもの以外の構成要素がその中に存在しない。
【００４６】
本発明の装置の構成要素の存在の陳述または説明に対して不定冠詞「ａ」または「ａｎ」が使用される場合、陳述または説明がそれと反対に明確に規定しない限り、そのような不定冠詞の使用が、装置の構成要素の存在を数で１に限定しないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】共振周波数を調整するための本発明の回路の概略図を示す。
【図２】共振周波数を調整するための本発明の回路の一実施形態の概略図を示す。
【図３】さまざまな条件下でのＨＴＳ自己共振送受信コイルのＳ２１を示す。
【図４】実施例１〜３０に使用されたＨＴＳ送受信コイルのＨＴＳコイル設計を示す。
【図５Ａ−５Ｂ】２つの結合されたＨＴＳ自己共振平面コイルと、本発明の回路をＨＴＳコイルに誘導結合するシングルループとを含んでなるＨＴＳコイルを保持するために実施例１〜３０に使用されたホルダを示す。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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