(57)【要約】材料の磁気特性を測定する装置は、可搬プローブ（１）、低温装置と電子装置を保持する機器台車（２）及び接続電気ケーブル（３）で構成される。プローブ（１）は駆動コイル（４）と補正コイル（５）を有し、駆動コイル（４）は内部の二次磁界勾配計検知コイル（８）に対して対称的に配置される。機器台車（２）上の装置を駆動コイル（４）、補正コイル（５）及び検知コイル（８）に接続するために、長さ２メートルのＢｅｌｄｅｎ（１１９２Ａ）マイクケーブル（３）の形態の電気コネクタが使用される。駆動コイル（４）は正弦波状に変化する磁界を生成するように駆動される。電子装置は、磁束ロックループ回路（９）、ＳＱＵＩＤコントローラ（１０）、信号を取り込んで処理するデータ取得モジュール（１１）、及びコンピュータ（１２）を備える。液体窒素デュワー瓶（１３）は、機器台車（２）上に支持されて、高感度ＳＱＵＩＤ検出器（１４）と銅から製造されたトランスファコイル（１５）を収容する。当装置の可能な応用は、乳がんの治療におけるセンチネルリンパ節検出のための手術器、アルミニウム中の孔や欠損を検出するための非破壊評価装置、及び航空機産業における応用を含む。
2008539411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある材料を含む検知領域に交番磁界を印加する手段と、
印加された交番磁界によって生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて検知出力信号を生成する手段と、
検知出力信号を遠隔の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に伝達する手段と、
検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信する手段と
を具備する、材料の磁気特性を測定する装置。
【請求項２】
磁気パラメータは磁化度を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
伝達手段で発生したノイズの影響を低減するノイズ低減手段をさらに具備する、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ノイズ低減手段は、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達手段で発生したノイズに起因する成分を分離する手段を具備し、これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
交番磁界は一つの周波数で印加され、分離手段は、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
交番磁界は複数の周波数で印加され、分離手段は、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つに略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
分離手段は位相ロックループ回路を有する、請求項５または請求項６に記載の装置。
【請求項８】
印加された交番磁界と検知された磁化の間の位相差を検出する手段をさらに具備する、請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
磁界印加手段と検知手段は、可搬プローブ上に配置される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
可搬プローブは、伝達手段から選択的に切り離されるように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
交番磁界を印加する手段は、１５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲内の周波数で当該磁界を与えるように構成される、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
周波数は略２ｋＨｚである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
印加交番磁界の振幅を変化させる手段をさらに具備する、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
印加磁界の空間分布プロファイルを変化させる手段をさらに具備する、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
交番磁界を印加する手段は駆動コイルを有する、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
互いに逆位相である各交流電圧を駆動コイルの二つの端子に印加する手段をさらに具備する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、検知出力を略ゼロにさせる補正磁界を生成する手段をさらに具備する、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
補正磁界を生成する手段は補正コイルを有する、請求項１５または請求項１６に従属する場合に請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記補正コイルに駆動コイル中の電流と略逆相である電流を供給する手段をさらに具備し、これにより、駆動コイルによって生じた磁界に相反する磁界を補正コイル中に作り出す、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
補正コイルは可搬プローブ上に配置される、請求項９に従属する場合に請求項１８または請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
補正コイルはＳＱＵＩＤからの出力信号を受信する手段の近位に配置される、請求項９に従属する場合に請求項１８または請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
検知手段は検知コイルを有する、請求項１から請求項２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
検知コイルは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域と、コイルの巻数の略４分の１をそれぞれ含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回された二つの側部領域を有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
検知コイルは二次磁界勾配計の形態である、請求項２２または請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
検知コイルは、第２のコイルの領域の両側に配置された第１のコイルを有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
第２のコイルの領域は２個のコイルを有する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
磁界印加手段が駆動コイルを有し、検知手段が検知コイルを有し、駆動コイルは、略中心が検知コイルと略同軸に配置される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
磁界印加手段と検知手段が複数のプローブを有する、請求項１から請求項２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
複数のプローブは異なる特性をもつ２個のプローブを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
複数のプローブは可搬アレイの形態である、請求項２８または請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
検知出力信号を遠隔のＳＱＵＩＤへ伝達する手段は、ある長さの低抵抗の電磁的に自己遮蔽型のケーブルを有する、請求項１から請求項３０のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
ケーブルの長さは１メートルを超える、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
材料の磁気特性を測定する方法であり、
当該材料を含む検知領域へ交番磁界を印加することと、
その結果生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて出力信号を生成することと、
出力信号を遠隔の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に伝達することと、
検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信することと
を含む方法。
【請求項３４】
磁気パラメータは磁化度を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
伝達ステップで発生したノイズの影響を低減するステップをさらに含む、請求項３３または請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ノイズの影響を低減するステップは、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達ステップで発生したノイズに起因する成分を分離することを含んでなり、これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
交番磁界は一つの周波数で印加され、分離ステップは、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
交番磁界は複数の周波数で印加され、分離ステップは、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つに略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、出力信号を略ゼロにさせる補正磁界を検知領域へ印加するステップをさらに含む、請求項３３から請求項３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
材料は非低温環境にある、請求項３３から請求項３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
材料は室温環境にある、請求項３３から請求項４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
縦軸と縦軸を中心にした外表面をもつロッドと、
ロッドの縦軸を中心にロッドの円周に巻回された検知コイルと、
ロッドの縦軸を中心にロッドの周囲に配置された成形アセンブリと、
ロッドの縦軸を中心に成形アセンブリの円周に巻回された駆動コイルとを具備し、
駆動コイルは成形アセンブリによってロッドの外表面から離間配置される、
材料の磁気特性を検出するプローブ。
【請求項４３】
成形アセンブリは、駆動コイルが支持される面に対して垂直な軸を有する駆動コイルを支持する巻回面を具備し、
巻回面の軸とロッドの縦軸は同心である、
請求項４２に記載のプローブ。
【請求項４４】
検知コイルは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域と、それぞれコイルの巻数の略４分の１を含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回された二つの側部領域を有する、請求項４２または請求項４３に記載のプローブ。
【請求項４５】
検知コイルは二次磁界勾配計の形態である、請求項４２から請求項４４のいずれかに記載のプローブ。
【請求項４６】
検知コイルは、巻線の第２のセットの両側にロッド上に対称に配置された巻線の第１のセットを具備し、巻線の第１及び第２のセットは、成形アセンブリの両側に対称に配置される、請求項４２または請求項４３に記載のプローブ。
【請求項４７】
巻線の第２のセットは成形アセンブリの両側に配置された第２の複数の巻線を有し、巻線の第１のセットは巻線の第２のセットの両側に配置された第１の複数の巻線を有し、巻線の第２のセットは巻線の第１のセットよりも巻線数が少ない、請求項４６に記載のプローブ。
【請求項４８】
巻線の第１のセットは一次磁界勾配計の形態であり、巻線の第２のセットは一次磁界勾配計の形態である、請求項４６または請求項４７に記載のプローブ。
【請求項４９】
検知コイルの出力信号が、巻線の第１のセットによって発生した信号から差し引かれた巻線の第２のセットによって発生した信号を有するように、巻線の第１のセットは巻線の第２のセットに接続される、請求項４６から請求項４８のいずれかに記載のプローブ。
【請求項５０】
巻線の第１のセットの巻数に対する巻線の第２のセットの巻数の比率が、検知コイルに対する駆動コイルの軸方向変位に起因する駆動コイルと検知コイル間の結合の変化を最小にするような比率である、請求項４９に記載のプローブ。
【請求項５１】
実質的に添付の図面を参照して説明しまたは図示した材料の磁気特性を測定する装置。
【請求項５２】
実質的に添付の図面を参照して説明しまたは図示した材料の磁気特性を測定する方法。
【請求項５３】
実質的に添付の図面を参照して説明しまたは図示した材料の磁気特性を検出するプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の磁気特性を検知する装置構成に関し、特に、高感度を示し極めて小さい磁界を検知し得る装置構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
（一つまたは複数の実体の磁気パラメータから発生する）磁気信号を測定する高感度・高精度な方法は、セキュリティタグ付け、標的薬物配送、工学における非破壊評価、及び地磁気測量といった多岐にわたる分野において、広範囲に及ぶ技術的な関心となっている。この文脈での「磁気信号」は、一つまたは複数の実体から得られるものであり、それぞれの実体のもつ磁気パラメータ（特性）は実体が置かれた環境によって大きく異なる。特徴的な磁気パラメータのセットを有する実体の典型的な例は、個々の衣料品に埋め込まれた軟磁性セキュリティタグ、人体の臓器中に臨床的に導入された磁性ナノ粒子、金属マトリックス中の気孔（air-filled void）、岩石中に自然発生した磁性鉱物が挙げられる。
【０００３】
磁気信号を測定するために現在使用されている最も高感度な方法は、この方法に設計上の制約を課し、可能な用途を制限する、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）技術に依存している。特に、「低温」ＳＱＵＩＤの場合、液体ヘリウムの温度を４．２Ｋにし、または「高温」ＳＱＵＩＤの場合、液体窒素の温度を７７Ｋとするといった非常に低い温度にＳＱＵＩＤを維持するという要件がある。この要件が、対象の磁気信号の大部分が室温以上において材料中で発生する場合に設計上考慮すべき重要点になる。
【０００４】
典型的な検知装置構成では、ＳＱＵＩＤとトランスファコイルに結合された検知コイルの形態の信号変換回路が、液体ヘリウムまたは液体窒素を満たした単一の低温保持装置内に配置される。検知コイルは測定対象の磁界を検知するように配置され、トランスファコイルはＳＱＵＩＤに近接する位置に置かれる。検知コイルに誘起された電流はトランスファコイルに供給され、トランスファコイル中の電流に対応した磁界がＳＱＵＩＤによって検知される。トランスファコイルは、通常、検知コイルよりも大幅に多い巻数をもち、これは信号を増幅する手段を提供する。
【０００５】
このような装置構成は、信号変換回路中の抵抗ノイズを最小にするという利点をもたらす。
【０００６】
しかし、このような装置構成の主要な問題点は、検査対象の材料を低温保持装置内に位置させる場合以外では、測定対象の極めて小さい磁界は、検知コイルによって検知されるには低温保持装置の壁を通り抜ける必要がある、ということである。このような場合、低温液体を包囲する真空及び／または放射線遮蔽体を設けるためには、検知器は、通常、１センチメートル以上の距離に磁気信号源から離間配置されることになり、これは必然的に信号の品質を低下させる。さらに、低温保持装置アセンブリは大きく、簡単に動かすことができないので、信号の位置を柔軟にかつ妥当な精度で設定することは困難である。
【０００７】
したがって、材料の磁化に対応した極めて低い磁界をＳＱＵＩＤを使用することによって測定可能であり、しかも材料を低温保持装置内に配置することも、結果的に生じる極めて低い磁界がＳＱＵＩＤを格納する低温保持装置の壁を通り抜けることも必要としない装置構成を提供することが望まれる。
【０００８】
ノイズに関して考慮すべきことは、つまり、検知コイルとトランスファコイルの両方を低温保持装置内に置くことが不可欠であると一般に考えられてきた。このような装置構成は、コイルの抵抗は極めて低いこと、または超電導コイルの場合にはゼロでさえあることを確実にし、これにより高抵抗のコイルに関連したノイズレベルを低下させる。変換回路全体を超電導化すれば、すべての熱（ジョンソン）ノイズを除去する。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の第一の態様によれば、ある材料を含む検知領域に交番磁界を印加する手段と、印加された交番磁界によって生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて検知出力信号を生成する手段と、検知出力信号を遠隔の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に伝達する手段と、検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信する手段とを具備する、材料の磁気特性を測定する装置が提供される。
【００１０】
磁気パラメータは、通常、材料の磁化度である。このように、磁気信号によって示される磁気応答は、通常、材料の誘導磁化の結果であり、磁化度の大きさは当該応答を特徴付ける磁気パラメータ、すなわち、材料の磁化率によって測定される。しかし、導電性材料中の誘導電流によるものなど、その他の磁気応答もあり得ることに留意すべきである。磁気パラメータによって本来測定されなくても（むしろ電気的パラメータである材料の導電率によって測定されるものでも）、それでもなお、これらは磁気応答である。
【００１１】
印加された交番磁界によって生じる磁気パラメータの変化を測定するために上記の装置構成を使用することによって、磁気パラメータ、例えば、磁化度の誘起された変化によってもたらされた所望の信号は、印加された磁界の周波数と同じ周波数をもつことになり、したがって、許容できる信号対雑音比で測定を実施するように、いかなるノイズからも十分に容易に区別することができるので、ノイズに起因する問題は容易に軽減される。ノイズは、内在するランダムノイズと既知の固定の干渉周波数ノイズの両方があり得る。
【００１２】
したがって、本装置は、好ましくは、伝達手段で発生したノイズの影響を低減するノイズ低減手段をさらに具備する。これは、好ましくは、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達手段で発生したノイズに起因する成分を分離する手段の形態をとり、これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する。ＳＱＵＩＤは、磁界に対して線形性を有する出力信号を生成するために、磁束ロックループ回路（ＦＬＬ）として知られる電子回路と連動して使用可能である。ノイズ低減手段は、線形化したＳＱＵＩＤ出力信号から印加磁界と相関性を有する成分を分離する手段の形態であってもよく、こうして印加磁界と相関性を有しないノイズを実質的に除去する。
【００１３】
交番磁界は一つの周波数で印加されることがあり、この場合、分離手段は、好ましくは、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成された手段からなる。また一方、交番磁界は、代替的に、複数の周波数で、または連続する周波数範囲に拡がり印加されることもあり、この場合には分離手段は、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つまたは連続する周波数範囲内の少なくとも一つの周波数に略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成される。どちらの場合でも、分離手段は、各成分に対応したロックイン増幅器またはデジタル相互相関器の形態をとることができる。
【００１４】
交番磁界は、複数の周波数を順次にまたは同時に印加されることもあり、または連続する周波数範囲を掃引されることもあり、この場合には分離手段は、印加された磁界の全周波数のうちの少なくとも一つに略等しい一つまたは複数の瞬時周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の成分だけを選択するように構成される。
【００１５】
印加された交番磁界と検知された磁化の間の位相差を検出する手段が、好ましくは、さらに備えられる。位相差は、検出されるだけでなく測定されることも可能である。これは、印加磁界と結果として生じる磁化の間に位相遅れが通常あり、位相遅れの知識が材料に関連する有用な情報を提供するような液体中での磁化を研究する際に特に役立つ。またこれは、磁気特性と電気的特性とを判別するのにも役立つ。
【００１６】
磁気応答は、材料の磁化率などの磁気パラメータによって通常測定されるが、電気的な渦電流によって発生した磁界を介して金属の導電率などの電気的パラメータによる磁気応答と混同される可能性がある。誘起された電気的な渦電流は印加磁界の変化率に比例する一方、誘起された磁化は印加磁界の大きさに比例するので、位相差の測定はこれらの二つの原因を区別するために使用することができる。
【００１７】
磁界印加手段と検知手段は、好都合には、可搬プローブ上に配置される。これは、広範囲な環境における測定を可能にする。さらに、可搬プローブは、好ましくは、伝達手段から選択的に切り離されるように構成される。こうすれば、異なる用途に適する異なるプローブを同一の伝達手段に選択的に接続可能になる。
【００１８】
印加磁界の周波数は、好ましくは、１５０Ｈｚから２０ｋＨｚの範囲内であり、好ましくは略２ｋＨｚである。１５０Ｈｚより低い周波数の使用は、適用されるべき適当な信号平均化技法にとって十分なデータを一定時間内に提供しないし、検知手段とＳＱＵＩＤ間の結合の低減を引き起こすとともに、主周波数干渉に対する判別性を悪くする。さらに、２０ｋＨｚを超える周波数の使用は、一般に、高誘導性インピーダンスにより望ましくないほど高い電圧を磁界印加手段に印加しなければならなくなり、これほど高い周波数は医療的応用には不適当と考えられる。周波数は、好ましくは、局部の主周波数の倍数にならないように選択される。２ｋＨｚという値が医療的応用に特に適合する。
【００１９】
印加交番磁界の振幅を変化させる手段が好ましくは備えられ、印加磁界の空間分布プロファイルを変化させる手段が好ましくは備えられる。これらのオプションは、深さ分布などの広範囲な測定を当該装置により行えるようにする。振幅を変化させることは、感度の制御としても利用できる。
【００２０】
交番磁界を印加する手段は、好都合には、駆動コイルの形態であり、互いに逆位相である各交流電圧を駆動コイルの二つの端子に印加する手段が好ましくは備えられる。この構成は、２本の供給線中の電圧は任意の瞬間に略等しく正反対であるので、供給線上の駆動電圧によって生じる静電干渉の低減という利点をもたらす。さらに、結果的に駆動コイルに印加される電圧は、供給線上の電圧の振幅の２倍である。
【００２１】
検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、検知出力を略ゼロにさせる補正磁界を生成する手段がさらに備えられる。この文脈での「検知出力」は、ＳＱＵＩＤ／ＦＬＬからの線形化された出力信号のＡＣ振幅を意味する。この手段は、補正コイルの形態をとることができ、好ましくは、駆動コイルによって生じた磁界に相反する磁界を補正コイル中に作り出すための電流が供給される。この電流は、好ましくは、検知コイルにつながる補正コイルから生じる磁界が検知コイルにつながる駆動コイルから生じる磁界と平衡を保つように設定される。代替的に、この手段は、専用のトランスファコイルを介してＳＱＵＩＤに直接供給される補正信号の形態をとってもよい。
【００２２】
検知手段は、好ましくは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域と、コイルの巻数の略４分の１をそれぞれ含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回された二つの側部領域から好ましくは検知コイルからなる。このような構成は、検知器の領域内の均一な磁界に応じてゼロ出力を生じさせる。
【００２３】
検知コイルの上記構成は、二次磁界勾配計をなす。ただし、一次、二次、またはさらに高次の磁界勾配計が、用途及び環境に依存して適切であり得る。
【００２４】
より正確には、検知手段は、好ましくは、２個以上のコイルが磁界勾配計を形成するように直列に接続されている検知コイル回路からなる。最も簡易な一次磁界勾配計構成は、軸方向に配置され、互いに対向するように接続されたサイズと巻数が等しい２個のコイルからなる。このような構成は、検知器の領域内の一定の磁界に応じてゼロ出力を生じさせる。二次磁界勾配計も一定の磁界勾配に対するゼロ応答をもつ。用途及び環境に応じて、一次、二次、またはさらに高次の磁界勾配計が適切であり得る。一般に、より高次の磁界勾配計では、遠くにある磁界源に対する感度が減少する。
【００２５】
磁界印加手段が駆動コイルを有し、検知手段が検知コイルを有する場合、駆動コイルは、好ましくは、略中心が検知コイルと略同軸に配置される。可搬プローブ中の駆動コイル（複数の場合もある）と検知コイル（複数の場合もある）の間の相対的な動きが、感度が極度によいので磁気応答の虚偽の指示を生成する可能性がある。プローブが傾いたときにプローブの重心が変化する影響を含む物理的な作用力の結果として、及び熱膨張の結果として小さな動きが生じる可能性がある。このような影響を緩和するために、次のような様々な方策が好ましくはとられる。
【００２６】
−  Ｍａｃｏｒ（機械工可能なセラミック）などの高い剛性と低い熱膨張の係数をもつプローブ構造物用の材料の使用
−  特に比較的重い銅製駆動コイルを良好に支持する剛性を考慮した構造物形状の設計
−  ユーザの手にまたは患者に接触することにより生起される高温スポットを避けるための可撓性熱絶縁層の貼り付け
−  例えば、奇数次の磁界勾配計の中心に取り付けられた単一の駆動コイルなど、構造物の全体の熱膨張が正味の影響をもたないようにした、対称的なコイル配置構成の使用
−  検知コイルの軸に沿った駆動コイルの小さな動きの影響を無効化できる駆動コイルの近くに取り付けた、例えば、追加の小さな検知コイルなど、特有のひずみを相殺するための特別なコイルの追加
【００２７】
本発明は、磁界印加手段と検知手段が複数のプローブを有する装置構成に拡張する。このようなプローブは、異なる特性を有し得る。例えば、異なる強度の磁界を発生するように構成される及び／または磁化の空間的ばらつきを測定可能にする可搬アレイの形態で構成し得る。
【００２８】
検知出力信号を遠隔のＳＱＵＩＤに伝達する手段は、好ましくは、長さが１メートルを超える、好ましくは約２メートルの低抵抗の電磁的に自己遮蔽型の電気ケーブルを有する。２メートルの長さは、使用に適度な柔軟性をもたせる上で有利であり、低抵抗は熱ノイズを最小にする役目を果たす。ケーブルは、好ましくは、静電干渉及び無線周波数干渉を最小にするように遮蔽され、従来の２本の導線に代わり、全長にわたりよられた４本の導線を有し、これにより信号経路と帰還経路を干渉磁界の電磁結合を最小にするように介置することができる。好適なケーブルは、Ｂｅｌｄｅｎ１１９２Ａマイクケーブルである。駆動電流を駆動コイルへ伝達する手段は、好ましくは、上記と同一型式のケーブルまたは類似型式の、この場合、干渉の発生を回避するようにしたケーブルである。
【００２９】
本発明のさらに別の態様によれば、材料の磁気特性を測定する方法であり、当該材料を含む検知領域へ交番磁界を印加することと、その結果生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて出力信号を生成することと、出力信号を遠隔の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に伝達することと、検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信することを含む方法が提供される。
【００３０】
当該方法は、好ましくは、伝達ステップで発生したノイズの影響を低減するステップを含む。このノイズは、熱ノイズとさらに主電源ピックアップなどの環境ノイズの形態をとり得る。このステップは、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達ステップで発生したノイズに起因する成分を分離する形態をとり得る。これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する。ノイズ低減ステップは、線形化したＳＱＵＩＤ出力信号から印加磁界と相関性を有する成分を分離する形態をとり得る。こうして印加磁界と相関性を有しないノイズを実質的に除去する。
【００３１】
交番磁界は一つの周波数で印加されることがあり、この場合は分離ステップは、好ましくは、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択することを含む。また一方、交番磁界は、代替的に、複数の周波数で、または連続する周波数範囲に拡がり印加されることもあり、この場合には分離ステップは、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つまたは連続する周波数範囲内の少なくとも一つの周波数に略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択する。どちらの場合でも、分離手段は、各成分に対応したロックイン増幅器またはデジタル相互相関器の形態をとることができる。
【００３２】
当該方法は、好ましくは、検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、出力信号を略ゼロにさせるための補正磁界を検知領域にまたは直接ＳＱＵＩＤに印加するステップをさらに含む。
【００３３】
当該発明は、有利には、室温のような非低温の材料に適用することができる。
【００３４】
したがって、本発明の好適な実施形態では、以下の利点を有する、ＳＱＵＩＤに連結させた室温検知コイルを使用する、磁気信号を測定する高感度・高精度な方法が提供される。
【００３５】
当該装置は、印加した交番磁界により生じた磁気パラメータの変化を測定するサセプトメータ／リラクソメータの形態である。これは、材料の本来有する磁化を単に測定する装置構成で可能な自由度よりもより大きな選択的検知の自由度を可能にする。例えば、このような装置構成では磁性材料の深さ対密度プロファイルの測定を行えない。本発明の好適な実施形態は、ある強度範囲にわたり印加磁界を駆動する能力によって、そして測定されたパラメータと連結させたとき、深さ対密度プロファイルを測定するために逆畳み込みすることができる空間分布プロファイルによってこのような深さの選択性を提供する。さらに、サセプトメータ／リラクソメータ手法は、空間的及び／または時間的に静的な磁性実体と動的な磁性実体との区別を可能にし、これは生体分布経路や薬物動態を測定するために磁気的にタグ付けした調合薬の研究など、現時点では達成し得ない多くの応用の可能性を生み出す。
【００３６】
さらに、本発明の好適な実施形態による方法は、軽量で非常に操作しやすく、好ましくは、可搬であり、被測定材料に近接配置することが可能な室温検知コイルを含む信号変換回路に連結させたＳＱＵＩＤを使用する。さらに、信号変換回路は、検知コイルと駆動コイルのアセンブリ及びトランスファコイルとＳＱＵＩＤのアセンブリを備えており、これらの二つのアセンブリは、数メートルの距離にそれぞれ離すことができるように、低抵抗の己遮蔽型の電気ケーブルによって接続される。これは、他では不可能である、大きな不規則な形状の物体上の磁気信号を走査するために上記の方法を使用できるようにする。
【００３７】
さらに、好適な方法は、検知コイルでの受信信号を最大にするように、サンプル採取領域の縦方向範囲を最大にするように、横方向空間分解能を最大にするように印加磁界に関係させて検知コイルを最適に配置する、検知コイルと駆動コイルを併合したプローブを使用する。
【００３８】
さらに、好適な方法は、高い柔軟度を可能にし、それにより広い応用範囲を可能にする、信号変換回路のその他の構成要素から遠隔位置決めすることができるプローブを使用する。二つの異なるプローブの使用を含む応用の例は、大きな物体の低い空間分解能の検査を行う（例えば、大きな鋼鉄製物体中の欠損に起因した磁気パラメータを探す）ために第１のプローブを使用し、その後対象領域が特定され、マーク付けされたら、当該領域の高い空間分解能の検査のために最適化される第２のプローブを使用することができる。
【００３９】
好適な方法はまた、従来の装置では実現不可能であった規模と複雑さをもつ室温検知コイルの形状を可能にする。したがって、ある好適な実施形態では、プローブは、大領域走査を行うために協働させることも、または信号三角測量と三次元深さプロファイル撮像を可能にするために個別に及び順次に作動させることも可能な検知コイルのセグメント化されたアレイの形態である。別の実施形態では、プローブは、横断面で最適な空間分解能を与えるように配置された検知コイルの小型化した及び／または軸方向に対称配置または同心配置の形態である。
【００４０】
本発明のさらに別の態様によれば、縦軸と縦軸を中心にした外表面をもつロッドと、ロッドの縦軸を中心にロッドの円周に巻回された検知コイルと、ロッドの縦軸を中心にロッドの周囲に配置された成形アセンブリと、ロッドの縦軸を中心に成形アセンブリの円周に巻回された駆動コイルと、を具備し、駆動コイルは成形アセンブリによってロッドの外表面から離間配置される、材料の磁気特性を検出するプローブが提供される。
【００４１】
好ましくは、プローブは、駆動コイルが支持される面に対して垂直な軸を有する駆動コイルを支持する巻面を具備し、巻回面の軸とロッドの縦軸は同心である。
【００４２】
巻回面とロッドの表面の間に少なくとも１本のアームが存在してもよい。
【００４３】
本発明の一つの実施形態では、検知コイルは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域と、それぞれコイルの巻数の略４分の１を含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回された二つの側部領域を有する。好ましくは、検知コイルは二次磁界勾配計の形態である。
【００４４】
本発明の代替的な実施形態では、検知コイルは、巻線の第２のセットの両側にロッド上に配置された巻線の第１のセットを具備し、ここで巻線の第１及び第２のセットは成形アセンブリの両側に配置される。巻線の第１のセットは、ペアの巻線である。巻線の第２のセットは、第１のペアの各巻線の間に同一縦軸上に置かれる第２のペアの巻線である。巻線の第１のセット（最も外側のペア）は、駆動コイル／成形アセンブリの両側に対称に配置される。
【００４５】
有利には、巻線の第２のセットの各ペアの一つが成形アセンブリの両側に配置される。巻線の第２のセット（最も内側のペア）は、駆動コイル／成形アセンブリの両側に対称に配置される。
【００４６】
巻線の第１のセットは、一次磁界勾配計の形態であり得る。巻線の第２のセットも一次磁界勾配計の形態であり得る。
【００４７】
好ましくは、巻線の第２のセットによって発生した信号が巻線の第１のセットによって発生した信号から差し引かれ、それによりロッドに沿った駆動コイルの縦方向の動きを相殺する検知コイルからの信号を生成するように、巻線の第１のセットは巻線の第２のセットに接続されるものとする。
【００４８】
プローブの機械的ひずみ（例えば、熱的または機械的変動）が駆動コイルと検知コイル間の結合を変化させる可能性がある。検知コイルと駆動コイル間の公称の配置は中心対称的であるので、駆動コイルまたはロッドの熱膨張が検知コイルの出力信号に正味の影響を及すことはない。第二に、検知コイルが第１のペアの各巻線の間に巻線の第２のセットを具備する場合、この巻線の第２のセットは、ロッドの縦軸に沿った駆動コイルの動きの影響を減少させるように検知コイルの補正コイルとして使用可能である。これは、巻線の第２のセットによって発生した信号が巻線の第１のセットによって発生した信号から差し引かれ、それにより検知コイルの補正された信号を生成するように巻線の第１及び第２のセットを接続することによってなされる。これは、ロッドの長さの下手へ巻線を直列に接続し、かつ巻線の各々の巻線方向を順に互い違いにすることによって達成できる。
【００４９】
本発明の一つの実施形態では、第１のペアの巻線における巻線の各セットは、駆動コイル／成形アセンブリからロッドに沿って±３０ｍｍに中心対称に置かれ、巻線の各セットで３２の巻数をもつ。第２のペアの巻線における巻線の各セットは、駆動コイル／成形アセンブリからロッドに沿って±１５ｍｍに中心対称に置かれ、巻線の各セットで２０の巻数をもつ。成形アセンブリは、駆動コイルが確実に６０ｍｍの直径をもつように寸法が決められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態をこれから詳細に説明する。
【００５１】
図１を参照すると、本発明の一つの実施形態による装置は、手持ち式のプローブ１、低温装置と電子装置を保持する機器台車２、及びこれら二つを接続する電気ケーブル３で構成される。手持ち式のプローブ１は、半結晶性熱可塑性プラスチック材料のＰＥＥＫ（ポリアリールエーテルエーテルケトン）でできている。ＰＥＥＫは、オートクレーブ、ガンマ線照射またはエチレンオキシドのより滅菌できる堅い低密度の材料である。この材料の融点は３４３℃である。
【００５２】
図２と図３を参照すると、プローブ１は直径約２０ｍｍの太いペンのような手持ちロッドの形をしている。駆動コイル４と補正コイル５は、検知端部７の近くに光輪（halo）のように取り付けられた外層成形アセンブリ６に取り付けられる。駆動コイル４は、内部の二次磁界勾配計検知コイル８に対して対称的に配置される。検知コイル８は、ポリウレタン被覆銅線で巻回され、部材はエポキシ接着剤で接着される。
【００５３】
検知コイル８は、円筒ボビン６にそれ自体は巻回されている駆動コイル４の内側にはめ込まれた円筒ボビン９に巻回された３個のサブコイル８ａ、８ｂ及び８ｃのセットからなる二次磁界勾配計である。中央のサブコイル８ｂは、検知コイル８の総巻数の２分の１からなり、二つの外側のサブコイル８ａと８ｃの各々は、総巻数の４分の１からなり、中央のサブコイル８ｂの巻回と反対方向に巻回される。駆動コイル４は、検知コイル８の中心点に置かれ、円筒ボビン６に同じく巻回された補正コイル５は、相殺磁界を印加するように駆動され、これにより駆動コイル４から生じる検知コイル８での信号を無効化することができ、これによりプローブ１の感度と精度を最大化する。
【００５４】
電気ケーブル３は、Ｂｅｌｄｅｎ１１９２Ａマイクケーブルなどの低抵抗の電磁的に自己遮蔽型の電気ケーブルであり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）で被覆され、直径６．２ｍｍ、長さはおよそ２ｍである。ケーブル３は、プローブ１での主周波数磁気干渉を低減するために、プローブ１からある距離だけ離して機器台車２を保守することを可能にするのに十分な長さである。駆動コイル４、補正コイル５及び検知コイル８を接続するために、３本のケーブル３が使用される。ポリオレフィン熱収縮絶縁チューブによって保護された、はんだ付け接続部がいくつか存在する。
【００５５】
駆動コイル４は、ピーク値２Ａ（ｒｍｓ電流１．４Ａ）の２ｋＨｚ正弦波電流で駆動される。コイルの両端間電圧は、約１２Ｖｒｍｓである。コイル中の散逸電力は、最大１．７Ｗである。駆動コイル４は、２ｋＨｚの周波数で正弦波状に変化する磁界を生成する。プローブ１の先端部７における磁界強度は、約０．５ｍＴｒｍｓの値をもつ。これは、８．３５Ｔｓ−１の最大磁界変化率を与える。これは、英国健康保護局放射線防護部により設定された規制レベル２０Ｔｓ−１以下であることから、周囲の神経刺激を起こさない。比較として、電気湯沸しのコードに接触したときに得られる最大磁界は、およそ４ｍＴｒｍｓである。
【００５６】
補正コイル５にも２ｋＨｚ正弦波電流が供給されるが、駆動コイル４に供給される電流とは逆位相である。プローブ１に沿った補正コイル５の位置は、検知コイル８からの出力信号がプローブ１の端部の近辺にサンプルがないときにゼロになるまで調整される。ただし、位置調整、手動の電流調整及びコンピュータ制御の微調整の組み合わせによって、調整は実際には行われると考えられる。
【００５７】
駆動電子装置は、静磁界成分の発生を避けるように設計される、すなわち、ＤＣ電流を発生しない。電子装置は、主電源から電力を供給され、磁束ロックループ回路１０、ＳＱＵＩＤコントローラ１１、ロックイン増幅器を含み、信号を取り込んで処理するデータ取得モジュール１２、及びノートブックパーソナルコンピュータ１３を備える。
【００５８】
液体窒素デュワー瓶１４の形態としての低温保持装置が、機器台車２上に支持される。デュワー瓶１４は、高感度ＱＵＩＤ検出器１５とトランスファコイル１６を収容する。トランスファコイル１６は銅から製造され、７７Ｋにおけるその抵抗は信号変換回路の全抵抗にそれほど寄与しないくらいに低い。ただし、トランスファコイル１６は、代替的に、超電導材料からも製造可能である。
【００５９】
図４を参照すると、本発明の第二の実施形態による装置は、手持ち式のプローブ１５、低温装置と電子装置を保持する機器台車５２、及びこれら二つを接続する電気ケーブル５３で構成される。手持ち式のプローブ１５は、Ｃｏｒｎｉｎｇによって製造された機械加工可能なガラスセラミックであるＭａｃｏｒでできている。このプローブは非常に頑強であり（ヤング率６７ＧＰａ、剛性率２５ＧＰａ）、低い熱膨張の係数（９．３×１０−６／Ｋ）をもち、１５μｍより精度のよい許容誤差で機械加工可能である。Ｍａｃｏｒは、８００℃までの温度での連続使用に定格付けされており、酸とアルカリの両方の薬品による腐食に高い耐性を有する。
【００６０】
図５と図６を参照すると、プローブ５１は直径２０ｍｍの太いペンのような手持ちロッド５９の形をしている。駆動コイル５４は、検知端部５７の近くに光輪のようにロッド５９に取り付けられる。駆動コイル５４は、ロッド５９上に巻回された一組のコイルに対して対称的に配置される。第１のコイルまたは巻線５８ａ、５８ｂは、一次磁界勾配計を形成する。第２のコイルまたは巻線５８ｃ、５８ｄは、より少ない巻数であり、駆動コイル５４が理想的な対照的位置から離れて軸に沿って移動することの影響を相殺するように働く。第１のコイル５８ａ、５８ｂと第２のコイル５８ｃ、５８ｄは、検知コイル５８を形成するように直列に巻回されている。好ましくは、検知コイル５８は、継ぎ目をなくするように単一長の絶縁ワイヤによって巻回される。ワイヤは、シャフトに沿って機械加工により形成したスロット内のコイル間にツイストペアとして延線される。検知コイル８は、ポリウレタン被覆銅線で巻回され、部材はエポキシ接着剤で接着される。
【００６１】
液体窒素デュワー瓶６４の形態としての低温保持装置は、機器台車５２上に支持される。デュワー瓶６４は、高感度ＱＵＩＤ検出器６５、トランスファコイル６６及び補正コイル５５を収容する。デュワー瓶６４は、アルミ箔の層によって無線周波数干渉に対して遮蔽される。さらに、ＳＱＵＩＤとコイルが、高温超電導体の円筒からなる磁気シールド内に搭載される。トランスファコイル６６は、銅から製造され、７７Ｋにおけるその抵抗は室温での抵抗の約７分の１であるので、信号変換回路の全抵抗にわずかな寄与をするにすぎない。電子装置は、主電源から電力を供給され、磁束ロックループ回路６０、ＳＱＵＩＤコントローラ６１、データ取得モジュール６２、電力増幅器６７及びノートブックパーソナルコンピュータ６３を備える。データ取得モジュールは、ノートブックコンピュータの制御の下で波形生成と取り込みを同時に行うために使用される。磁気応答の強度を示す視覚的及び可聴出力を生成する、位相センシティブなデジタル相互相関がコンピュータ上のソフトウェアにより実行される。
【００６２】
電気ケーブル５３は、前述した本発明の第一の実施形態の電気ケーブル３と同じ仕様である。ケーブルの型式（業務用品質のマイクケーブル）は、その優れた電気的及び磁気的遮蔽、単位長当りの低い抵抗、及び可撓性のよさを考慮して選択される。同一のケーブル型式が、電力増幅器６７から駆動コイル５４へ励磁電流を搬送するために、検知コイル５８からデュワー瓶６４へ、そしてトランスファコイル６６まで信号を搬送するために、データ取得モジュール６２からデュワー瓶６４へ、そして補正コイル５５まで補正信号を搬送するために使用される。出力駆動の場合は、ケーブルは干渉を低減するものとし、入力信号の場合は、干渉の受け入れを低減するものとする。
【００６３】
駆動コイル５４は、電圧電流変換器の働きをする電力増幅器６７によって駆動され、バランスのとれた差動出力を有する。電流駆動を使用する利点は、駆動コイル５４によって作り出された磁界が、コイルまたはケーブルのインピーダンス及び本質的に温度による抵抗の変化に依存しないことである。バランスのとれた差動出力を使用する利点は、プローブの電圧が半減され、電力増幅器における散逸が低減され、静電干渉の発生がなくなることである。波形は、データ取得モジュール６２を使用してノートブックコンピュータ６３によって生成される、周波数２０２５Ｈｚの合成された正弦波である。ピーク駆動電流は、２Ａである。
【００６４】
補正コイル５５は、データ取得モジュール６２から直列抵抗器を介して駆動される。当該コイルはＳＱＵＩＤの近くに置かれているので、わずかな電流だけが必要になる。補正波形は駆動波形にロックされる、すなわち、当該コイルは同一周波数で固定された位相関係で駆動される。補正波形の振幅及び位相は、検知領域内に磁性材料がないときにはゼロ出力を与えるように調整される。
【００６５】
製品例
高感度・高精度な磁気信号の位置特定と特性決定を利用する本発明の適用の二つの実例を以下に説明する。
【００６６】
乳がん治療におけるセンチネルリンパ節検出のための手術器（intra-operative tool）
センチネル節は、胸部のがんを含む領域からの排液を受け取る最初のリンパ節である。センチネル節が正常であれば、がんは拡張していないと考えられるので、追加の手術の必要はなく副作用が避けられる。こうした理由で、術中センチネル節検出及び生体検査が乳がん治療のための手当てとして標準になっている。胸部からのリンパ排液の大部分は、脇の下（腋窩部分）へ流れる。リンパ節は、通常、直径８〜１０ｍｍで、深さは２０ｍｍ以下である（３０ｍｍは異常である）。排液のパターンとリンパ節の位置は個人差がある。
【００６７】
現在、センチネル節検出は、一般に、青色色素と放射性トレーサーを腫瘍の上の皮膚内に注入することによって行われている。流動体がセンチネルリンパ節に到達するまでにおよそ２分かかり、その後、放射能検出器がそのおおよその位置を見つけ出すために使用できる。いったん切開をすれば、リンパ節を着色し、除去すべき組織の輪郭を描き出す青色色素を視認できる。手術におけるラジオアイソトープの主たる問題は、患者と執刀医の両者が受ける放射線量である。これに加えて、外科医はこれを使用するのに特別なトレーニングを受けること、そして認証を維持するためにそのような手順をある頻度で実行することを規則が要求する場合がある。別の問題は、色素が必要とされる点である。注入個所の近くを切ることが必要になる場合、青色色素が執刀医が何をしているかのを見えにくくする可能性があり、出血を隠してしまう可能性がある。
【００６８】
この場合の本発明の製品例は、乳がんの治療におけるセンチネルリンパ節検出のための手術器である。法規則上承認された磁性ナノ粒子（静脈注射される磁気共鳴イメージング造影剤として一般に使用されている５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子など）を腫瘍に皮下注射し、リンパへと流入するように数分の間投与する。ここで、執刀医は、センチネル節内に蓄積された磁性ナノ粒子を検出し、位置を突き止めるために、本発明の好適な実施形態の装置を使用する。このようにして、磁性粒子はラジオアイソトープの使用に取って代わり同じ機能を果たす。製品は、検知体積中のナノ粒子の密度が増加するにつれてピッチと音量が増加する可聴音を発出するように設計されてもよい。こうすれば、執刀医がピーク応答を突き止めるために表示装置を見ずにすむ。使用時には、患者に直接接触しないように、プローブを使い捨てのプラスチックシースで被覆する。
【００６９】
ここに記述した製品の使用法は青色色素の使用をまだ含むが、当該方法は、例えば、紫外線光照射の下でのみ可視になる蛍光色素の使用、これをナノ粒子自体に被覆し得る、といったさらに新しいアイデアを可能にする。
【００７０】
図７と図８を参照すると、どちらの場合も、本発明の図４、図５及び図６の実施形態に従って、２０２５Ｈｚの駆動コイル周波数を使用してデータを収集した。試験サンプルは、磁性体を注入したセンチネルリンパ節のそれとサイズと磁性ナノ粒子密度が相似するように選択された。サンプルは、脱脂綿を詰めた、長さ１２ｍｍ、直径４ｍｍの円筒形のゼラチンカプセルからなり、その中に鉄の総質量１．７ｍｇの直径５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子の溶液を散布した。この試験サンプルをその円柱軸がプローブの円柱軸に直交するように取り付けた。
【００７１】
図７のデータは、試験サンプル中の鉄の質量に正規化したボルト単位で測定した出力信号７０を、プローブの円柱軸に沿った試験サンプルとプローブの先端部との間の距離７１の関数として示す。データは、本発明の有利な特徴７２、すなわち、出力信号強度が約１２ｍｍの距離まで間隔が開くにつれて概ね線形に変化することを示す。線形性は有利である。なぜなら、これは、ユーザが容易に認識するように学習できる、測定可能で確実な様態で信号強度が変化し、それにより上記の例におけるリンパ節の位置の特定を容易にすることを意味するからである。この線形性が１２ｍｍの範囲であることも有利である。これは、１０ｍｍの性能指数、すなわち、プローブ先端を皮膚に押しつけるときにセンチネルリンパ節が発見される皮膚からの最大距離を超える、皮膚から１２ｍｍ以内のリンパ節をプローブを使用して検出可能であることを意味するからである。
【００７２】
図８のデータは、本発明の図４、図５及び図６の実施形態に従って得られた、試験サンプル中の鉄の質量に正規化したボルト単位で測定した出力信号８０を、（縦方向変位を１０ｍｍに固定したときの）プローブの横変位の関数として示す。より正確には、ｘが試験サンプルの円柱軸であり、ｘｙが試験サンプルとプローブの両方の円柱軸が存在する面であり、試験サンプルの中心点がｘ＝０ｍｍとｙ＝０ｍｍにある、デカルト座標系において、ｙ＝１０ｍｍに一定にして、プローブ先端をｘ＝−２５ｍｍからｘ＝＋２５ｍｍまで移動するようにプローブを動かした。プローブの円柱軸は、終始ｙ軸と平行に保たれた。
【００７３】
図８のデータは、本発明の有利な特徴８２、すなわち、出力信号強度が約＋／−５ｍｍの横変位を超えると急激に低下することを示す。この急激な低下は有利である。なぜなら、これは、プローブのユーザがプローブを使用してセンチネルリンパ節を検出し、位置を特定することを合理的に期待できる程度に横方向分解能は十分によいことを意味するからである。
【００７４】
アルミニウム中の孔（void）や欠損を検出するための非破壊評価装置
非破壊評価の極めて重要な応用は、大きな金属構造物中のひび割れ、欠損及び孔を検出及び監視することにある。適用される標準的方法の一つは、電流を物体または物体の一部の中を通過させ、物体の二点間の電気抵抗の変化を監視し、ひび割れ、裂け目またはその他の欠損に対応した抵抗の特徴的な増加を探し出すことである。しかし、こうした方法のほとんどは物体の表面領域または表面近くの領域の探査に制限される。
【００７５】
この場合の本発明の製品例は、物体中に電流を通過させる必要なく動作し、物体に接触させずに操作される非破壊評価装置である。この装置は、どのような特別な用途にも適合するように調整作製できる。例えば、所定の肉厚の円筒形の鋼鉄部材からなる油送管では、検知コイル／駆動コイルプローブを、肉厚全体を貫通するのに十分な外部磁界を生み出すように設計することができる。あるいは、同プローブを構造物の表面近くの領域を選択的に探査するように設計することができる。
【００７６】
例として、磁性材料の誘起された磁化による磁気信号と導電性材料中に誘起された電流による磁気応答とを区別することができる、上記製品例のある態様をこれから説明する。
【００７７】
図９は、図４、図５及び図６を参照して説明した実施形態に従って、二つの試験サンプルの１０１２．５Ｈｚと２０２５Ｈｚの駆動周波数９０で測定した本発明の出力信号の比率を、サンプルからのプローブの縦方向変位９１の関数として示す。一つは１．７ｍｇの直径５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子（図９では「磁石」と記した）からなり、もう一つは質量４．０ｍｇの１０ｍｍ×１０ｍｍの面積のアルミニウム金属薄板（図９では「金属」と記した）からなる、二つの試験サンプルを使用した。
【００７８】
図９のデータは、有利な特徴９２、すなわち、サンプルとプローブ先端の間の隔たりが約１０ｍｍまでの距離では、二つの異なる周波数で測定された信号の比率を比較することによって磁石と金属サンプルによる磁気応答を区別することができることを示す。この区別するという特長は有利である。なぜなら、これは、磁気源と金属源の両方による磁気応答を識別するために、二つ以上の駆動周波数の変化を使用することができることを意味するからである。
【００７９】
さらに、留意されることは、図９のデータは測定された磁気信号の振幅における比率を示すが、図４、図５及び図６に関連して説明した実施形態の発明は、駆動信号に対する磁気信号の位相差をも測定することである。２０２５Ｈｚの駆動周波数では、磁石サンプルの位相は−８°、金属サンプルの位相は＋８１°であった。１０２５．５Ｈｚの駆動周波数では、磁石サンプルの位相は−４４°、金属サンプルの位相は＋４６°であった。したがって、磁石と金属の試験サンプルからの磁気信号間の位相差の差は、駆動周波数に関わりなく約９０°に保たれる。位相差のこの不変性は有利である。なぜなら、これは、磁気源と金属源の合成から生じた信号を分解するための原理を提供するからである。
【００８０】
本発明の適当な応用のさらなる例は、航空機翼などの大きな金属物体が強化アルミニウムで典型的に作られる航空機産業にある。こうしたケースでは、孔などの欠損による欠陥や脆弱性を検出可能であることが非常に重要である。アルミニウムマトリックスと気孔との磁化率の変化を検出し得る高感度のサセプトメータとして用いることができる点で本発明は理想的にこの問題に向いている。
【００８１】
純然たる例証として本発明を以上説明したが、詳細部分の修正は本発明の範囲内で行えることは当然理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】磁気信号の位置を突き止めてその特性を決定する高感度・高精度な方法の一つの実施形態の概略ブロック図
【図２】図１の実施形態による検知コイル／駆動コイルプローブの非限定的な例の斜視図
【図３】図２のプローブの断面設計図
【図４】磁気信号の位置を突き止めてその特性を決定する高感度・高精度な方法の別の実施形態の概略ブロック図
【図５】図４の実施形態による検知コイル／駆動コイルプローブの非限定的な例の斜視図
【図６】図５のプローブの断面設計図
【図７】１．７ｍｇの直径５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子の試験サンプルからプローブの縦方向変位の関数として、図４の実施形態による本発明の出力信号を示したグラフ
【図８】１．７ｍｇの直径５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子の試験サンプルから（縦方向変位を１０ｍｍに固定したときの）プローブの横変位の関数として、図４の実施形態による本発明の出力信号を示したグラフ
【図９】一つは１．７ｍｇの直径５ｎｍの酸化鉄ナノ粒子からなり、もう一つは質量４．０ｍｇの１０ｍｍ×１０ｍｍの面積のアルミニウム金属薄板からなる、二つの試験サンプルからのプローブの縦方向変位の関数として、駆動周波数１０１２．５Ｈｚと２０２５Ｈｚで測定した図４の実施形態による本発明の出力信号の比率を示したグラフ
【図１】
2008539411.tif 000003
【図２】
2008539411.tif 000004
【図３】
2008539411.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008539411.tif 000009
【図８】
2008539411.tif 000010
【図９】
2008539411.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月9日(2007.3.9)
【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】
低温保持装置内に配置された超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）と、
ある材料を含む検知領域に交番磁界を印加する手段と、
印加された交番磁界によって生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて検知出力信号を生成する手段と、
検知出力信号を、材料の磁気パラメータの変化を検知する手段から遠隔配置されたＳＱＵＩＤに伝達する手段と、
検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信する手段とを具備し、
材料の磁気パラメータの変化を検知する手段は、低温保持装置内に配置されていない、材料の磁気特性を測定する装置。
【請求項２】
磁気パラメータは磁化度を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
伝達手段で発生したノイズの影響を低減するノイズ低減手段をさらに具備する、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ノイズ低減手段は、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達手段で発生したノイズに起因する成分を分離する手段を具備し、これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
交番磁界は一つの周波数で印加され、分離手段は、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
交番磁界は複数の周波数で印加され、分離手段は、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つに略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
分離手段は位相ロックループ回路を有する、請求項５または請求項６に記載の装置。
【請求項８】
印加された交番磁界と検知された磁化の間の位相差を検出する手段をさらに具備する、請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
磁界印加手段と検知手段は、可搬プローブ上に配置される、請求項１から請求項８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
可搬プローブは、伝達手段から選択的に切り離されるように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
交番磁界を印加する手段は、１５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲内の周波数で当該磁界を与えるように構成される、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
周波数は略２ｋＨｚである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
印加交番磁界の振幅を変化させる手段をさらに具備する、請求項１から請求項１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
印加磁界の空間分布プロファイルを変化させる手段をさらに具備する、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
交番磁界を印加する手段は駆動コイルを有する、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
互いに逆位相である各交流電圧を駆動コイルの二つの端子に印加する手段をさらに具備する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、検知出力を略ゼロにさせる補正磁界を生成する手段をさらに具備する、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
補正磁界を生成する手段は補正コイルを有する、請求項１５または請求項１６に従属する場合に請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記補正コイルに駆動コイル中の電流と略逆相である電流を供給する手段をさらに具備し、これにより、駆動コイルによって生じた磁界に相反する磁界を補正コイル中に作り出す、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
補正コイルは可搬プローブ上に配置される、請求項９に従属する場合に請求項１８または請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
補正コイルはＳＱＵＩＤからの出力信号を受信する手段の近位に配置される、請求項９に従属する場合に請求項１８または請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
検知手段は検知コイルを有する、請求項１から請求項２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
検知コイルは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域と、コイルの巻数の略４分の１をそれぞれ含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回された二つの側部領域を有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
検知コイルは二次磁界勾配計の形態である、請求項２２または請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
検知コイルは、第２のコイルの領域の両側に配置された第１のコイルを有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
第２のコイルの領域は２個のコイルを有する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
磁界印加手段が駆動コイルを有し、検知手段が検知コイルを有し、駆動コイルは、略中心が検知コイルと略同軸に配置される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
磁界印加手段と検知手段が複数のプローブを有する、請求項１から請求項２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
複数のプローブは異なる特性をもつ２個のプローブを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
複数のプローブは可搬アレイの形態である、請求項２８または請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
検知出力信号を遠隔のＳＱＵＩＤへ伝達する手段は、ある長さの低抵抗の電磁的に自己遮蔽型のケーブルを有する、請求項１から請求項３０のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
ケーブルの長さは１メートルを超える、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
材料の磁気特性を測定する方法であり、
当該材料を含む検知領域へ交番磁界を印加することと、
その結果生じる材料の磁気パラメータの変化を検知し、それに応じて出力信号を生成することと、
出力信号を、低温保持装置内に配置された遠隔の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に伝達することと、
検知された磁化度を示すＳＱＵＩＤからの出力信号を受信することとを含み、
材料の磁気パラメータの変化は、低温保持装置内に配置されていない手段により検知される、方法。
【請求項３４】
磁気パラメータは磁化度を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
伝達ステップで発生したノイズの影響を低減するステップをさらに含む、請求項３３または請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ノイズの影響を低減するステップは、ＳＱＵＩＤ出力信号から伝達ステップで発生したノイズに起因する成分を分離することを含んでなり、これにより、検知出力信号からもたらされたＳＱＵＩＤ出力信号の所望の成分を選択する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
交番磁界は一つの周波数で印加され、分離ステップは、印加された交番磁界の周波数に略等しい周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
交番磁界は複数の周波数で印加され、分離ステップは、印加された磁界の複数の周波数の少なくとも一つに略等しい一つまたは複数の周波数をもつＳＱＵＩＤ出力信号の該当成分だけを選択することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
検知領域内に磁性材料が存在しない場合に、出力信号を略ゼロにさせる補正磁界を検知領域へ印加するステップをさらに含む、請求項３３から請求項３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
材料は非低温環境にある、請求項３３から請求項３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
材料は室温環境にある、請求項３３から請求項４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
縦軸と縦軸を中心にした外表面をもつロッドと、
ロッドの縦軸を中心にロッドの円周に巻回された検知コイルと、
ロッドの縦軸を中心にロッドの周囲に配置された成形アセンブリと、
ロッドの縦軸を中心に成形アセンブリの円周に巻回された駆動コイルとを具備し、
駆動コイルは成形アセンブリによってロッドの外表面から離間配置され、
検知コイルは、成形アセンブリの両側にロッド上に対称に配置されたペアの巻線からなる巻線の第１のセットを具備する、材料の磁気特性を検出するプローブ。
【請求項４３】
成形アセンブリは、駆動コイルが支持される面に対して垂直な軸を有する駆動コイルを支持する巻回面を具備し、
巻回面の軸とロッドの縦軸は同心である、
請求項４２に記載のプローブ。
【請求項４４】
検知コイルは、コイルの総巻数の略２分の１を含む中心領域を構成する巻線の第２のセットを有し、巻線の第１のセットは、二つの側部領域を有し、二つの側部領域は、それぞれコイルの巻数の略４分の１を含み、中心領域の巻回と反対方向に巻回される、請求項４２または請求項４３に記載のプローブ。
【請求項４５】
検知コイルは二次磁界勾配計の形態である、請求項４２から請求項４４のいずれかに記載のプローブ。
【請求項４６】
検知コイルは、巻線の第２のセットをさらに具備し、巻線の第１のセットは、巻線の第２のセットの両側にロッド上に対称に配置され、巻線の第２のセットは、成形アセンブリの両側に対称に配置される、請求項４２または請求項４３に記載のプローブ。
【請求項４７】
巻線の第２のセットは成形アセンブリの両側に配置された第２の複数の巻線を有し、巻線の第１のセットは巻線の第２のセットの両側に配置された第１の複数の巻線を有し、巻線の第２のセットは巻線の第１のセットよりも巻線数が少ない、請求項４６に記載のプローブ。
【請求項４８】
巻線の第１のセットは一次磁界勾配計の形態であり、巻線の第２のセットは一次磁界勾配計の形態である、請求項４６または請求項４７に記載のプローブ。
【請求項４９】
検知コイルの出力信号が、巻線の第１のセットによって発生した信号から差し引かれた巻線の第２のセットによって発生した信号を有するように、巻線の第１のセットは巻線の第２のセットに接続される、請求項４６から請求項４８のいずれかに記載のプローブ。
【請求項５０】
巻線の第１のセットの巻数に対する巻線の第２のセットの巻数の比率が、検知コイルに対する駆動コイルの軸方向変位に起因する駆動コイルと検知コイル間の結合の変化を最小にするような比率である、請求項４９に記載のプローブ。
【国際調査報告】
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