(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面を有し、前記基板表面の反対側に接地面表面を有する平面状の基板と、
前記接地面表面に配置された接地面と、
前記基板表面に配置された第１の端子セグメントを含む第１の端子と、
前記基板表面に、前記第１の端子セグメントに対向して配置された第２の端子セグメントを含む第２の端子と、
前記第１および第２の端子の間の共鳴器であって、前記共鳴器は、前記基板表面に配置された導体を含み、それぞれの導体は、前記第１の端子セグメントのうちの１つと、前記第２の端子セグメントのうちのそれぞれの対向する１つとの間に配置された、共鳴器と
を備え、
前記第１の端子は、前記基板表面に配置された第１の端子導体を含み、前記第１の端子導体は、第１の端子入力部側、および前記第１の端子入力部側に対向する第１の端子セグメント側を有し、前記第１の端子セグメント側は、前記第１の端子セグメントを含み、
前記第２の端子は、前記基板表面に配置された第２の端子導体を含み、
前記第２の端子導体は、第２の端子入力部側、および前記第２の端子入力部側に対向する第２の端子セグメント側を有し、前記第２の端子セグメント側は、前記第２の端子セグメントを含み、
前記第１の端子は、前記第１の端子入力部側と前記第１の端子セグメント側の間の、第１の分岐構造を含み、
前記第２の端子は、前記第２の端子入力部側と前記第２の端子セグメント側の間の、第２の分岐構造を含み、
前記第１の端子セグメントを含む前記第１の端子セグメント側は、前記第２の端子セグメントを含む前記第２の端子セグメント側と対向する、
電子スピン共鳴（ＥＳＲ）共鳴装置。
【請求項２】
前記共鳴器は、同一のマイクロ波共鳴周波数で共鳴するようにそれぞれ構成されたマイクロストリップ共鳴器である、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項３】
前記導体のそれぞれは、細長く、
前記第１の端子セグメントのうちの１つに静電容量的に結合された第１の端部、および  前記第２の端子セグメントのうちの１つに静電容量的に結合された第２の対向する端部を備える、
請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項４】
それぞれの導体の前記第１の端部と、前記第１の端子セグメントのうちの１つとの間の、第１の誘電性ボリューム、および
それぞれの導体の前記第２の端部と、前記第２の端子セグメントのうちの１つとの間の、第２の誘電性ボリュームを備える、
請求項３に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項５】
前記誘電性ボリュームは、誘電体材料または真空空間のうちの少なくとも一方を含む、請求項４に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項６】
前記導体は互いに平行で、導体のそれぞれの隣接するペアの間に等しい間隔を有する、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項７】
前記共鳴器のそれぞれが、半波共鳴器、全波共鳴器、またはマルチ半波共鳴器である、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項８】
前記共鳴器のそれぞれは、共鳴周波数で共鳴するように構成され、それぞれの共鳴器の長さは、前記共鳴周波数にとって半波長の偶数倍である、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項９】
前記共鳴器のそれぞれは、共鳴周波数で共鳴するように構成され、それぞれの共鳴器の長さは、前記共鳴周波数にとって半波長の奇数倍である、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１０】
前記共鳴器のそれぞれは、前記共鳴器の半波セグメントの中心で最大磁場をもたらすように構成された、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の分岐構造は、１つまたは複数のテーパー状の分岐セクションをそれぞれ含む、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の分岐構造は、前記入力部側と前記それぞれのセグメント側との間に、連続するレベルをそれぞれ含み、それぞれのレベルの個々の分岐は、先行するレベルの前記個々の分岐の２倍のインピーダンスを有する、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１３】
前記第１および第２の端子導体ならびに共鳴器導体は、前記基板に表面コイルを形成する、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１４】
前記表面コイルに隣接し前記基板と反対側のサンプル領域を備える、請求項１３に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の端子導体ならびに前記共鳴器導体は、超電導材料から作られる、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１６】
前記平面状の基板は、サファイアを含む、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【請求項１７】
前記平面状の基板は、ケイ素または石英のうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載のＥＳＲ共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年２月１日に出願された「共鳴装置」という名称の米国仮出願第６１／７５９，８１３号、および２０１３年６月２８日に出願された「電子スピン共鳴用共鳴装置」という名称の米国実用特許出願第１３／９３１，３８２号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本明細書は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）用途を含む、磁気共鳴用途のための共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気共鳴システムが、様々な種類のサンプルおよび現象を研究するために使用される。いくつかの磁気共鳴用途では、サンプル内のスピンは静的な外部磁場によって偏極され、共鳴器は、スピンの共鳴周波数近傍の周波数で、磁場を生成することによりスピンを操作する。電子スピン共鳴（ＥＳＲ）用途では、共鳴器は通常、マイクロ波周波数で動作してサンプル内の電子スピンと相互に作用する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書で述べられるものの１つの一般的な態様では、共鳴装置は、同相で駆動することができる多数の平行な共鳴器を含む。
いくつかの態様では、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）共鳴装置は、平面状の基板表面を有する基板を備える。ＥＳＲ共鳴装置は、基板表面の上に配置された第１の端子セグメントを含む第１の端子、基板表面の上に第１の端子セグメントに対向して配置された第２の端子セグメントを含む第２の端子、および第１と第２の端子の間の共鳴器を備える。共鳴器は、基板表面の上に配置された導体を含む。それぞれの共鳴器の導体は、第１の端子セグメントのうちの１つと、第２の端子セグメントのうちのそれぞれの対向する１つの間に配置される。
【０００５】
諸実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。共鳴器は、同じマイクロ波共鳴周波数で共鳴するようにそれぞれ構成された、マイクロストリップ共鳴器である。共鳴器のそれぞれは、半波共鳴器、全波共鳴器、またはマルチ半波共鳴器である。共鳴器のそれぞれは、それぞれの半波セグメントの中心で、最大の磁場をもたらすように構成される。
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。ＥＳＲ共鳴装置は、基板表面を含む第１の側部と、第１の側部に対向する第２の側部とを有する、基板を備える。ＥＳＲ共鳴装置は、基板の第２の側部に配置された接地導電面を備える。
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。共鳴器導体は、互いに平行であり、それぞれの隣接する導体のペアの間に、等しい間隔を伴う。導体のそれぞれは細長く、第１の端子セグメントのうちの１つと静電容量的に結合されている第１の端部、および第２の端子セグメントのうちの１つと静電容量的に結合されている第２の対向する端部、を含む。ＥＳＲ共鳴装置は、それぞれの導体の第１の端部と第１の端子セグメントのうちの１つとの間に、第１の誘電性ボリューム、および、それぞれの導体の第２の端部と第２の端子セグメントのうちの１つとの間に、第２の誘電性ボリュームを備えることができる。誘電性ボリュームは、誘電体材料、真空空間、またはその両方を含むことができる。誘電性ボリュームは、「誘電性ギャップ」または「ギャップ」とも呼ばれる。第１および第２の誘電性ボリュームは、互いに異なる材料であってもよい。
【０００６】
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１の端子は、基板表面の上に配置された第１の端子導体を含む。第１の端子導体は、第１の端子入力部側および第１の端子セグメント側を有する。第１の端子セグメント側は、第１の端子セグメントを含む。第２の端子は、基板表面の上に配置された第２の端子導体を含む。第２の端子導体は、第２の端子入力部側および第２の端子セグメント側を有する。第２の端子セグメント側は、第２の端子セグメントを含む。第１の端子は、第１の端子入力部側と第１の端子セグメント側の間に、第１の分岐構造を含み、第２の端子は、第２の端子入力部側と第２の端子セグメント側の間に、第２の分岐構造を含む。
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１および第２の分岐構造は、入力部側とそれぞれのセグメント側との間に、連続するレベルをそれぞれ含み、それぞれのレベル内の個々の分岐は、通常、先行するレベル内の個々の分岐の２倍のインピーダンスを有する。分岐構造は、端子側部から３番目のレベルにおいて始まる１つまたは複数のテーパー状の分岐セクションを、それぞれ含むことができる。
【０００７】
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。第１および第２の端子導体ならびに第１および第２の共鳴器導体は、基板の上に表面コイル（すなわち、平面状の共鳴器）を形成する。第１および第２の端子導体ならびに第１および第２の共鳴器導体は、導電性材料または超電導性材料から作られている。ＥＳＲ共鳴装置は、表面コイルに隣接し基板から反対側のサンプル領域を備える。
いくつかの態様では、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）方法が述べられる。励起および制御信号は、ＥＳＲ共鳴装置の端子入力部で受けられる。端子入力部は、端子出力セグメントに導電的に結合されている。励起および制御信号は、端子出力セグメントから複数の共鳴器に供給される。励起および制御信号は、端子セグメントのそれぞれから、それぞれの共鳴器へ同相で送られる。
【０００８】
諸実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。励起および制御信号は、ＥＳＲ共鳴装置の第１および第２の端子入力部で受けられる。励起および制御信号は、ＥＳＲ共鳴装置の外部で、たとえば、端子入力部に接続された電子装置によって生成される。第１の端子入力部は、端子出力セグメントの第１のセットに導電的に結合され、第２の端子入力部は、端子出力セグメントの第２のセットに導電的に結合されている。励起および制御信号は、端子出力セグメントの第１および第２のセットから、共鳴器に供給されている。励起および制御信号は、端子出力セグメントの第１のセットと共鳴器の第１の端部との間、および端子出力セグメントの第２のセットと共鳴器の第２の対向する端部との間で、共鳴器へ静電容量結合によって供給されている。共鳴器は、平面状のサンプル領域にわたって一様な磁場を発生させる。サンプル領域内の電子スピンを歳差運動させることにより、マイクロ波周波数で、共鳴器の両端に起電力（ｅｍｆ）を誘導することができる。
【０００９】
いくつかの態様では、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）方法が述べられる。励起および制御信号は、基板に配置された平面状の表面コイルで受けられ、平面状の表面コイルは、複数の平行な共鳴器を含む。磁場は、表面コイルに隣接し基板と反対側のサンプル領域に発生する。磁場は、励起および制御信号を同じ方向かつ平行に導く、複数の平行な共鳴器によって発生する。
諸実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。平行な共鳴器は細長く、この方法は、励起および制御信号を、それぞれの共鳴器の第１の端部における端子セグメント、およびそれぞれの共鳴器の第２の対向する端部における端子セグメントで受けることを含む。平行な共鳴器は、端子セグメントに静電容量的に結合されている。
付加的または代替的に、これらおよび他の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。サンプル領域の電子スピンは、磁場によって操作される。サンプル領域は、半波共鳴器の中心の平面状のボリュームであってもよい。磁場は、基板上方の平面状のボリュームで、実質的に一様である。
【００１０】
本明細書で述べられる例示的な装置および技法のいくつかは、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）用途、核磁気共鳴（ＮＭＲ）用途、および他の用途で使用できる。いくつかの実装形態では、共鳴装置は、高いＱを有する結合された空洞として実効的に働く、多数の共鳴器を含むことができ、小さいモードのボリュームを有する、実質的に一様なマイクロ波周波数の磁場を発生させることができる。場合によっては、本明細書で述べられる例示的な共鳴装置および技法は、高いＱ、低いモードのボリューム、もしくはそれらの組合せ、またはその他の特性が望まれる、他のシナリオを含め、追加または別の用途で使用することができる。
１つまたは複数の実施形態の詳細が、添付図面および後述する発明を実施するための形態で述べられる。その他の特徴、目的、および利点は、発明を実施するための形態および図面により、ならびに特許請求の範囲により明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な共鳴装置の概略斜視図である。
【図２Ａ】例示的な共鳴装置の表面コイルの上面図である。
【図２Ｂ】例示的な共鳴装置の表面コイルの上面図である。
【図２Ｃ】例示的な共鳴装置の表面コイルの上面図である。
【図３】例示的な電子スピン共鳴技法を示す流れ図である。
【図４Ａ】例示的な共鳴装置のシミュレーションによって生成される磁場の概略図である。
【図４Ｂ】例示的な共鳴装置のシミュレーションによって生成される磁場の概略図である。
【図５Ａ】Ｎ個の同一の共鳴器のアレイについての例示的な等価回路モデルの回路図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す等価回路モデルの例示的な簡易化したバージョンの回路図である。
【図５Ｃ】給電セクションの例示的なノートン表現の回路図である。
【図５Ｄ】例示的な実効的共鳴器の回路図である。
【図６】様々な個数の共鳴器についての例示的なＱを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
様々な図面の同じ参照シンボルは、同様の要素を示す。
本明細書で述べるもののいくつかの態様では、高いＱを有する共鳴装置は、低いモードのボリュームを有する磁場を生成することができる。いくつかの実装形態では、共鳴装置はＥＳＲ（電子スピン共鳴）用途（たとえば、パルス型ＥＳＲ、連続波のＥＳＲ）のために、ＥＳＲサンプルにわたる平面内で、実質的に均一なマイクロ波周波数（μｆ）の磁場を生成するために使用することができる。場合によっては、共鳴装置は、超電導マイクロストリップ伝送線路（μＴＬ）のアレイを含むマイクロストリップ構成に基づいて、作り上げることができる。場合によっては、マイクロストリップ線路は、指定された周波数において同相で駆動され、マイクロストリップ線路の基板と平行な平面上で一様に分布する、小さいモードのボリュームを伴う磁場断面を生成する。
【００１３】
いくつかの例示的な実施形態では、共鳴装置は、２つの端子およびそれら２つの端子の間の共鳴器のアレイを含むことができる。端子および共鳴器は、マイクロストリップ伝送線路として構築することができ、接地面および表面導体は、誘電体基板の両側に配置される。表面導体は、基板の片側に表面コイルを画定することができ、接地面は基板の反対側に配置される。動作においては、端子は、電子装置から信号（たとえば、マイクロ波周波数の共鳴信号）を受け、この信号を共鳴器のアレイに送ることができる。入力信号は、共鳴装置の外にある電子装置から生じる駆動信号であってもよい。共鳴器は、入力信号を２つの端子の間で平行に運び、共鳴器の外側のサンプル領域（たとえば、基板の上方の領域）に磁場を生成することができる。場合によっては、共鳴器は、結合された空洞として働くことができ、共鳴装置は、高いＱを有し、共鳴器の上方のサンプル領域にマイクロ波磁場を生成することができる。
【００１４】
いくつかの実装形態では、端子は、共鳴器のアレイの間で入力信号を分割する、分岐構造を有する。たとえば、それぞれの端子は、端子の一方の側部に端子入力部を、端子の他方の側部に多数のセグメントを含むことができる。分岐構造は、等しい電力をそれぞれのセグメントに送るために、それぞれの分岐点でのインピーダンスを整合させることができ、それぞれのセグメントは、共鳴器のうちの１つにその電力を送ることができる。２つの端子は、たとえば、一方の端子のそれぞれのセグメントが、他方の端子の対応するセグメントの鏡像であるように、互いに対称的であってもよく、共鳴器のうちの１つがそれぞれの対応するセグメントのペアの間で位置合わせされる。
いくつかの例では、共鳴装置はただ１つの端子を有することができる。たとえば、１つの端子は、共鳴器の一方の端部で使用することができ、共鳴器の他方の端部は、オープンのままにされるか、５０オームの抵抗性負荷などの回路負荷によって終端することができる。このような場合、単一の端子は、伝送および検出の両方のために使用することができる。図１、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに、２つの端子を有するように図示される例示的な共鳴装置は、ただ１つの端子を有するように修正することができる。たとえば、２つの端子のうちの１つは、共鳴装置から省くことができ、または、共鳴装置は、単一の端子によって動作するように、別のやり方で修正されてもよい。
【００１５】
いくつかの実装形態では、セグメントは、それぞれの共鳴器の両方の端部の誘電性ギャップにより、共鳴器にエンド結合される。端子および共鳴器は、各々それぞれの誘電性ギャップの両端で、静電容量的に結合されることができる。入力信号は、共鳴器と端子セグメントの間のエンド結合により、それぞれの共鳴器に同相で送ることができる。共鳴器は、それらの横の側部に沿って、互いにエッジ結合されることができる。共鳴器のアレイは、半波共鳴器、単一波共鳴器、またはマルチ半波共鳴器として動作することができ、それぞれの共鳴器は、入力信号を他の共鳴器と同相で運ぶことができる。入力信号を運ぶ共鳴器のアレイは、共鳴器の上方かつ近傍の局所的な領域で、一様な磁場を発生させることができる。
【００１６】
図１は、例示的な共鳴装置１００の概略斜視図である。図１は、例示的な共鳴装置１００の様々な特徴を概略的に示し、例示的な寸法および幾何形状が、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに対して、図示され述べられる。例示的な共鳴装置１００は、共鳴装置１００の上方のサンプル領域１６０に、時間的に変動する磁場を生成するように動作させることができる。たとえば、共鳴装置１００は、サンプル領域１６０で核スピンまたは電子スピンを操作するように構成される、無線周波数（ｒｆ）またはマイクロ波周波数（μｆ）のフィールドを生成してもよい。
【００１７】
図１に示す例示的な共鳴装置１００は、２つの端子１１０ａ、１１０ｂ、および端子１１０ａ、１１０ｂの間に共鳴器１２０のアレイを備える。接地面１４２を伴う端子１１０ａ、１１０ｂおよび共鳴器１２０のアレイは、誘電体基板１３０の下部表面１３４の接地面１４２から分離された、誘電体基板１３０の上部表面１３２に、任意の金属材料（たとえば、導電性材料、超電導性材料など）を含むマイクロストリップ伝送線路構造を画定することができる。誘電体基板１３０は、たとえば、サファイア、ケイ素、石英、または別のタイプの、非磁性で誘電性の結晶質材料などの誘電体材料から作ることができる。共鳴装置は、追加または別の特徴を備えることができ、共鳴装置の特徴は、図示の構成または別の構成で配列されてもよい。
【００１８】
図１に概略的に示すように、それぞれの端子１１０ａ、１１０ｂは、基板１３０の上部表面１３２に配置されたそれぞれの導体１１１ａ、１１１ｂを含む。それぞれの導体１１１ａ、１１１ｂは、それぞれの入力部側１１２ａ、１１２ｂおよびそれぞれのセグメント側１１４ａ、１１４ｂを伴う本体を有する。セグメント側１１４ａ、１１４ｂは、本体から共鳴器１２０のアレイに向かって延在する、セグメント１１６ａ、１１６ｂのそれぞれのセットをそれぞれ含む。セグメント側１１４ａ、１１４ｂは、それぞれが４つのセグメント１１６ａ、１１６ｂを含むように図示されている。様々な実施形態では、それぞれの端子は、２個のセグメント（たとえば、図２Ａまたは別の構成のような）、４個のセグメント（たとえば、図２Ｂまたは別の構成のような）、８個のセグメント（たとえば、図２Ｃまたは別の構成のような）、１６個のセグメント、３２個のセグメント、６４個のセグメント、または一般に２の累乗個のセグメントを含むことができる。一方の端子１１０ａのセグメント１１６ａのそれぞれが、他方の端子１１０ｂのセグメント１１６ｂの対応する１つと整列するように、端子１１０ａ、１１０ｂは、共鳴器１２０のアレイの両側に、互いに位置合わせされている。
【００１９】
図１に概略的に示すように、共鳴器１２０のアレイ内のそれぞれの共鳴器は、基板１３０の上部表面１３２に配置されたそれぞれの導体１２２を含む。導体１２２のそれぞれは、セグメント１１６ａの１つと、セグメント１１６ｂのそれぞれの対向する１つとの間で、位置合わせされている。導体１２２のそれぞれは細長く、２つの端部１２４ａおよび１２４ｂを含む。それぞれの導体１２２の第１の端部１２４ａは、端子セグメント１１６ａのそれぞれの１つと静電容量的に結合され、それぞれの導体１２２の第２の対向する端部１２４ｂは、端子セグメント１１６ｂのそれぞれの１つと静電容量的に結合されている。共鳴器１２０のアレイは、２個の共鳴器（たとえば、図２Ａまたは別の構成のような）、４個の共鳴器（たとえば、図２Ｂまたは別の構成のような）、８個の共鳴器（たとえば、図２Ｃまたは別の構成のような）、１６個の共鳴器、３２個の共鳴器、６４個の共鳴器、または一般に２の累乗個の共鳴器を含むことができる。
【００２０】
図１に示す例では、誘電性ギャップ１４０ａは、それぞれの導体１２２の第１の端部１２４ａとセグメント１１６ａとの間に画定される。同様に、誘電性ギャップ１４０ｂは、それぞれの導体１２２の第２の端部１２４ｂとセグメント１１６ｂとの間に画定される。誘電性ギャップ１４０ａ、１４０ｂは、真空空間、誘電体材料（たとえば、サファイア、ケイ素、石英など）、またはそれらの組合せを含むことができる。端子セグメント１１６ａ、１１６ｂは、共鳴器１２０のアレイに誘電性ギャップ１４０ａ、１４０ｂを介して結合された、給電線路として働くことができる。いくつかの実装形態では、共鳴器１２０のそれぞれは、対応するセグメントにそれぞれの端部で静電容量的にエンド結合される。動作中におけるいくつかの場合では、共鳴器１２０のすべては、端子１１０ａ、１１０ｂの同じペアから電磁的に等価な給電線路パスを受け、共鳴器１２０はその基本波周波数で、同相で共鳴することができる。
【００２１】
いくつかの実装形態では、それぞれの端子１１０ａ、１１０ｂの本体は、入力部側１１２ａ、１１２ｂとそれぞれのセグメント側１１４ａ、１１４ｂの間に、分岐構造を含む。分岐構造は、端子入力部側１１２ａ、１１２ｂから端子セグメント１１６ａ、１１６ｂへ、電力を分割し送る、電力分割器として機能することができる。場合によっては、分岐構造は、端子入力部側１１２ａ、１１２ｂとそれぞれのセグメント側１１４ａ、１１４ｂの間に、連続するレベル（すなわち、分割ステージ）を含むことができる。場合によっては、分岐構造は、望ましい分岐インピーダンスをそれぞれの分割ステージで実現するように、構成することができる。たとえば、分岐構造は、電力伝達を改善（たとえば、増大、最大化、最適化、または別のやり方で改善）し、信号反射を低減するように、ある特定の分割ステージの分岐のすべての入力インピーダンスを整合させるように設計することができる。いくつかの実装形態では、それぞれのレベルの個々の分岐が、先行するレベルの個々の分岐の２倍のインピーダンスを有してもよい。いくつかの実装形態では、電力分割器は、たとえば、インピーダンス整合に関して線路を調整するために、テーパー状の分岐セクションを含むことができる。端子１１０ａおよび１１０ｂは、それぞれ４個の端子セグメント１１６ａおよび１１６ｂを有する、例示的な分岐構造を示す。いくつかの例示的な分岐構造を、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す。端子１１０ａ、１１０ｂは、別のタイプの構造を有することができる。
【００２２】
いくつかの実装形態では、共鳴器１２０のそれぞれは、マイクロストリップ構成を有し、ここで、上部表面１３２の導体１２２は、下部表面１３４の共通の接地面１４２と、それぞれ相互に作用する。いくつかの実装形態では、例示的な共鳴器１２０は、互いに同一であってもよい。いくつかの例では、導体１２２は互いに平行であり、隣接するそれぞれの導体１２２のペアの間に等しい間隔を伴う。本明細書では、「平行な」は、構造の最大の長さ尺度で考察する場合に、厳密または実質的に平行である構造を述べるために、広く使用される。２つの構造は、たとえば、それらの隣接する側部、中心線、または他の支配的な構造的特徴が平行であるか、または平行からのわずかな逸脱のみを含む場合、平行であると考えられる。
例示的な共鳴器１２０は、所望の共鳴周波数の波長に基づいた大きさにすることができる。たとえば、共鳴器１２０の長さ（たとえば、一方の端部１２４ａから他方の端部１２４ｂまで）は、所望の動作周波数（たとえば、ωγ＝１０ＧＨｚ）あたりで第１の共鳴を引き起こすように設計することができる。共鳴器１２０のそれぞれは、半波共鳴器、全波共鳴器、またはマルチ半波共鳴器であってもよい。たとえば、所望の共鳴周波数がλである場合、共鳴器１２０は、長さλ／２、λ、３λ／２、２λなどを有することができる。
【００２３】
共鳴器１２０は、同じマイクロ波共鳴周波数で共鳴するように構成することができる。場合によっては、共鳴器１２０は、たとえば、共鳴器１２０のそれぞれに対して半波共鳴器を使用することにより、共鳴器の半波セグメントの中心で最大のフィールド強度を有する磁場を発生させるように構成することができる。いくつかの実装形態では、共鳴器１２０は、それぞれの共鳴器によって発生する磁場が、１つまたは複数の隣接する共鳴器によって発生する磁場に干渉するように、互いにエッジ結合されることができる。場合によっては、共鳴器１２０は、表面１３２と垂直な方向に、平面内で一様のフィールドを生み出す。
【００２４】
端子１１０ａおよび１１０ｂの導体１１１ａおよび１１１ｂ、ならびに共鳴器１２０の導体１２２は、基板１３０の上部表面１３２に、平面状の表面コイルを形成することができる。上部表面１３２の例示的な平面状の表面コイルは、上部表面１３２の上方でいくらかの高さへ延在し、小さい縦横比を有する。本明細書では、「平面状の」は、１つまたは両方の平面寸法（長さおよび幅）が、その高さ寸法よりも実質的に大きい構造を述べるために、広く使用される。場合によっては、平面構造は、実質的に一様な（たとえば、その構造の全体の長さおよび幅と比較して）高さを、その平面状の広さにわたって有する。いくつかの実装形態では、平面状の表面コイルは、入力信号を受け（たとえば、端子入力部側１１２ａを通じて）、平行な共鳴器１２０のそれぞれにわたって同じ方向にその信号を導き、サンプル領域１６０に磁場を発生させることができる。
【００２５】
いくつかの実装形態では、端子１１０ａおよび１１０ｂ、ならびに共鳴器１２０は、超電導伝送線路として構成される。端子１１０ａおよび１１０ｂの導電性材料、ならびに共鳴器１２０の導電性材料は、たとえば、ニオブ、ニオブチタン、ニオブ窒化物、アルミニウム、イットリウムバリウム銅酸化物（「ＹＢＣＯ」とも呼ばれる）、または適切な別の材料などの、超電導性材料から作ることができる。端子１１０ａおよび１１０ｂの導電性材料、ならびに共鳴器１２０の導体１２２は、たとえば、銅、金などを含む非超電導性材料などの、他のタイプの導電性材料から作ることができる。導電性材料は、基板１３０の上に、標準的な配置技法により配置することができる。基板１３０は、標準的な製造技法に基づいて、エッチングしたり別のやり方で整えたりすることができる。
【００２６】
図１に示す例示的なサンプル領域１６０は、表面コイルに隣接し基板１３０の反対側に位置する。サンプル領域１６０は、平面状のボリュームまたは別のタイプのボリュームであってもよい。場合によっては、共鳴器１２０によって発生する磁場は、サンプル領域１６０にわたって一様である。たとえば、サンプル領域１６０は、共鳴器１２０によってその上に発生する瞬間磁場が、動作中に均一である平面（表面１３２と平行な）を含むことができる。サンプル領域１６０は、ＥＳＲ用途もしくは試験のための、または追加もしくは別の用途のためのサンプルを含む。いくつかの実装形態では、サンプルは、たとえば、ラングミュア−ブロジェット膜、ポリマー膜、生体膜など、薄い平面状のサンプルであってもよい。共鳴装置１００のいくつかの例示的な用途は、量子コンピューティングのための遊離基を伴うラングミュア−ブロジェット膜を使用すること、および、たとえば、ＥＳＲを使用して、電子にラベル付けしたり、膜結合タンパク質を研究したりするために生体膜を使用することを、含むことができる。
【００２７】
いくつかの実装形態では（たとえば、パルス型ＥＳＲ用途など）、例示的な共鳴装置１００およびサンプルは、外部の静磁場（Ｂ0）に置かれてもよい。外部のフィールド線が表面コイルの超電導性材料を貫通しないように、外部磁場は、上部表面１３２および下部表面１３４に対して平行であってもよい。外部磁場は、サンプルの電子スピンを偏極することができる。電子スピンは、外部磁場の共鳴周波数（すなわち、スピン歳差運動周波数）を有する。共鳴周波数は通常、ＥＳＲ用途ではＧＨｚの範囲（マイクロ波周波数）にある。動作においては、共鳴器１２０は、電子スピンの共鳴周波数でマイクロ波フィールドを発生させて、電子スピンを操作することができる。
例示的な共鳴装置１００はまた、検出信号を発生させるために使用してもよい。検出信号は、サンプル領域１６０の電子スピンの歳差運動により、共鳴器１２０の両端に誘導される電圧によって、生成することができる。たとえば、スピンが外部磁場で歳差運動する時、スピンは共鳴器に誘導的に結合することができる。共鳴器１２０は、検出信号を端子１１０ａ、１１０ｂに伝達することができる。端子１１０ａ、１１０ｂは、検出信号を外部のシステムに伝達することができ、検出信号はそこで検出、記録などされてもよい。
【００２８】
図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、３つの例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０の表面コイルの上面図である。例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０の端子は、たとえば、多数のステージの電力を端子セグメントへ分割するために、多数のセクションを有する分岐構造を含む。図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示すように、例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０の端子セグメントは、２個、４個、および８個の共鳴器に、それぞれ結合されている。３つの例示的な装置２００、２３０、および２６０は、図１の例示的な共鳴装置１００の特徴の一部またはすべてを含むことができる。たとえば、３つの例示的な表面コイルは、基板に配置された超電導性材料から作ることができ、基板の反対側の接地導電面を伴う。追加または別のセクションまたは構成要素は、共鳴装置に含まれることができ、共鳴装置は、別の方式で構成されてもよい。
【００２９】
図示される例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０は、例示的なサイズ（たとえば、長さ、幅、間隔など）およびパラメータ（たとえば、インピーダンスなど）を有する構成要素を含む。サイズおよびパラメータは、装置の所望の特性および機能性、用途、システム要件、または他の基準にしたがって、設計、実装、修正、または別のやり方で構成することができる。図示の例では、例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０は、それぞれが幅Ｗ0および長さＬ0＝λ／２を有する半波共鳴器のアレイを備え、ここで、λはマイクロ波信号の波長である。共鳴器のそれぞれ隣接するペアの間の間隔は、Ｓである。他の長さ、幅、間隔、またはタイプの共鳴器を使用することができる。
【００３０】
図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示される例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０は、鏡面対称である。後に続く説明では、それぞれ例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０の右半分が述べられ、左半分は鏡に写った向きで同じ構成を有する。共鳴装置は、他のタイプの対称性で組み立てられてもよく、または、共鳴装置が非対称の構成を有することもできる。
【００３１】
図２Ａは、第１の例示的な共鳴装置２００の表面コイルを示す上面図であり、共鳴装置２００は２つの共鳴器２０２を備える。第１の例示的な共鳴装置２００の端子２０４は、２つのセクション、すなわち、長さＬ1で幅Ｗ1の第１セクション２０６、および長さＬ2の第２セクション２０８を含む。第１セクション２０６の長さ（Ｌ1）は、外部のマイクロ波のランチャおよびコネクタの不連続点で生み出される、すべての漏れ磁場およびエバネセントモードを抑えるように設計することができ、第１セクション２０６の幅（Ｗ1）は、第１セクション２０６にとって所望のインピーダンスの値を実現するように設計することができる。たとえば、幅（Ｗ1）は、第１セクション２０６で５０Ω伝送線路を有するように設計することができ、これは基板（たとえば、図１の基板１３０）の高さおよび誘電率に依存する。第２セクション２０８では、５０Ω伝送線路は、それぞれ幅Ｗ0のより小さい２つの１００Ωセグメント２０５に分割することができ、この幅は共鳴器２０２の幅と同じである。分岐構造は、電力分割器として機能することができ、その場合、セグメント２０５のそれぞれは、最大の電力伝達をもたらすために、共鳴器２０２のうちの１つに対して整合された給電線路として働くことができる。
【００３２】
図２Ａに示す例では、幅Ｇのギャップ２２０は、共鳴器２０２の端部と２つのセグメント２０５の間で延在する。ギャップ２２０は、誘電体材料、真空空間、またはそれらの組合せを含むことができる。場合によっては、ギャップ２２０は、セグメント２０５と共鳴器２０２の間に、静電容量結合をもたらすことができる。ギャップ２２０のサイズ（Ｇ）は、装置２００のＱに影響する場合がある。たとえば、ギャップ２２０のサイズが、互いに隣接する２つの共鳴器２０２の間の間隔Ｓに比べて小さい場合、ギャップ２２０は、セグメント２０５のうちの１つと、共鳴器２０２の対応する１つとの間の、直列キャパシタによりモデル化することができる。一方、ギャップ２２０のサイズＧが増大する場合、セグメント２０５と接地面（たとえば、図１の接地面１４２）との間の分路キャパシタ、および、それぞれのセグメント２０５の先端とそれぞれの共鳴器２０２との間の相互間静電容量も、結合セクションに影響を与える場合がある。いくつかの例示的な、給電線路と共鳴器の間のギャップのサイズのＱへの影響が、図６に対して図示される。
【００３３】
図２Ｂは、４個の共鳴器２３２を含む第２の例示的な共鳴装置２３０の表面コイルを示す上面図である。第２の例示的な共鳴装置２３０の端子２３４は、３つのセクション、すなわち長さＬ1の第１セクション２３６と、長さＬ2の第２セクション２３８と、長さＬ3の第３セクション２４０とを含む。例として、第１の例示的な共鳴装置２００の第１セクション２０６と同様に、第１セクション２３６は、幅Ｗ1の５０Ωマイクロストリップ線路であってもよい。第１セクション２３６は、幅Ｗ2のより小さい２つの分岐２３５に分かれる。分岐２３５の幅（Ｗ2）は、第２セクション２３８で２つの分岐２３５にとって所望のインピーダンスの値を実現するように、選択することができる。たとえば、２つの分岐２３５のそれぞれは、１００Ωマイクロストリップ線路であってもよい。分路された２つの１００Ωマイクロストリップ線路が、第１セクション２３６の入力５０Ωマイクロストリップ線路のインピーダンスとインピーダンス整合を形成するように、第２セクション２３８の長さ（Ｌ2）は、たとえば、負荷インピーダンスを不変に保つように設計できる。
【００３４】
第３セクション２４０では、１００Ω分岐２３５のそれぞれは、より高いインピーダンスの２つの伝送線路に分かれて、４つのセグメント２４５を画定する。いくつかの実装形態では、４つのセグメントが４つのλ／２共鳴器２３２に位置合わせされた給電線路となるように、第２セクション２３８の２つの分岐２３５の間の間隔は２Ｓとすることができ、その場合、隣接する共鳴器のそれぞれのペアの間の間隔はＳである。共鳴器の間の間隔は、感度の高い平面でのマイクロ波磁場の強さおよび一様性を調整するように選択することができる。４つのセグメントは、４つのλ／２共鳴器２３２に、誘電性ギャップ２５０により静電容量的に結合することができる。第１の例示的な装置２００のギャップ２２０と同様に、ギャップ２５０は、誘電体材料、真空空間、またはそれらの組合せを含むことができる。ギャップ２５０のサイズＧは、上述のように、所望の特性（たとえば、高いＱおよび臨界結合状態）を実現するように設計することができる。
【００３５】
図２Ｃは、第３の例示的な共鳴装置２６０の表面コイルを示す上面図であり、第３の例示的な共鳴装置２６０は、８個の共鳴器２６２を含む。第３の例示的な共鳴装置２６０の端子２６４は、５つの連続するセクション、すなわち長さＬ1の第１セクション２６６と、長さＬ2の第２セクション２６８と、長さＬ3の第３セクション２７０と、長さＬ4の第４セクション２７２と、長さＬ5の第５セクション２７４とを含む。４つの第１のレベルそれぞれの導体は、次に続くレベルの２つの導体に分かれる。したがって、第１セクション２６６の後で、それぞれのレベルは、先行するレベルの単一の導体から延在する、導体の１つまたは複数のペアを含む。第１セクション２６６、および第２セクション２６８は、第２の例示的な装置２３０の、第１セクション２３６および第２セクション２３８と類似である。たとえば、第１セクション２６６は、幅Ｗ1の５０Ωマイクロストリップ線路を含むことができ、第２セクション２６８は、１００Ωマイクロストリップ線路を実現するために、それぞれが幅Ｗ2の２つの分岐２５５を含むことができる。第１セクション２６６および第２セクション２６８は、別の方式で構成されてもよい。
【００３６】
例示的な第３セクション２７０は、幅Ｗ3の高いインピーダンスのマイクロストリップ線路の４つの分岐２６５を含む。第３セクション２７０（長さＬ3の）は、電力分割の第２のステージ（セクション２６８での）の後に作ることができる。分岐２６５のそれぞれは、高いインピーダンスの線路（たとえば、Ｚ0＝１４０Ω〜１７０Ω）であってもよく、幅Ｗ3は小さい場合がある。いくつかの実装形態では、その入力インピーダンスが第３セクション２７０の端部部分から見た負荷インピーダンスと等しくなるように、長さ（Ｌ3）は小さくなるように設計することができる。
例示的な第４セクション２７２は、４つのテーパー状の分岐２７５を含むテーパー状の分岐セクションである。テーパー状の分岐２７５は、第３セクション２７０に接している一方の端部で幅Ｗ3、および第５セクション２７４に接しているもう一方の端部では異なる（より広い）幅Ｗ4を有することができる。テーパー状の分岐セクションは、たとえば、幅Ｗ3を有する第３セクション２７０の高いインピーダンスのマイクロストリップ線路を、第５セクション２７４への入力線路として幅Ｗ4＝Ｗ2を有する４つの１００Ωマイクロストリップ線路に変換するように、設計することができる。その遮断周波数が、例示的な共鳴装置２６０の所望の共鳴周波数を妨げないように、第４セクション２７２の長さ（Ｌ4）は選択することができる。
【００３７】
例示的な第５セクション２７４は、高いインピーダンスのマイクロストリップ線路の、８つのセグメント２８５を含む。８つのセグメント２８５は、テーパー状の分岐２７５の広いほうの端部に結合され、８つのセグメント２８５は、共鳴器２６２の幅と一致する幅Ｗ0を有する。いくつかの実装形態では、８つのセグメント２８５は、第３セクション２７０の分岐と同じ幅および長さを有する（すなわち、Ｗ0＝Ｗ3、Ｌ5＝Ｌ3）。したがって、８つのセグメント２８５は、第３セクション２７０の高いインピーダンスのマイクロストリップ線路と同じ特性インピーダンス（たとえば、Ｚ0＝１４０Ω〜１７０Ω）を示すことができる。８つのセグメント２８５は、給電線路として働き、８つのλ／２共鳴器２６２に誘電性ギャップ２９０を介して、静電容量的に結合することができる。ギャップ２９０は、誘電体材料、真空空間、またはそれらの組合せを含むことができる。ギャップ２５０のサイズＧは、所望の装置特性（たとえば、高いＱおよび臨界結合状態）を実現するように設計することができる。
【００３８】
場合によっては、それぞれのセクションの隣接する分岐のそれぞれのペアの間の間隔は、最後のセクションのセグメントがそれぞれの共鳴器と位置合わせされるように、設計することができる。たとえば、第３の例示的な共鳴装置２６０では、第２セクション２６８の２つの分岐２５５の間の間隔は４Ｓであり、第３セクション２７０の隣接する２つの分岐２６５の間の間隔は２Ｓであり、第５セクション２７４の隣接する２つのセグメント２８５の間の間隔はＳであり、ここで、Ｓは隣接する２つの共鳴器２６２の間の間隔である。場合によっては、隣接する共鳴器の間の間隔は、共鳴器の上方で発生する一様な磁場が所望の高さで生じるように、選択することができる。たとえば、間隔は、共鳴器の間のエッジ結合に影響する場合がある。適切な間隔は、それぞれ個々の共鳴器によって発生する磁場の間での合成および干渉によって得られる実効的な磁場に、少なくとも部分的に基づいて決定することができる。
【００３９】
場合によっては、共鳴装置は、８個を越える共鳴器を備えることができ、端子は、それぞれの共鳴器に給電するように修正することができる。たとえば、電力分割ステージ（たとえば、第４セクション２７２および第５セクション２７４）は、必要に応じ、互いの後に繰り返されることができる。たとえば、１６個の共鳴器に給電するために、１つの例示的な手法は、第３の例示的な共鳴装置２６０の第５セクション２７４の後に、８つのテーパー状の分岐を含むさらに２つのステージを追加し、次いで、８つのテーパー状の分岐の後に、高いインピーダンスのマイクロストリップ線路の１６個のセグメントを追加する。このパターンが続けられて、ギャップキャパシタを通して共鳴器のアレイに給電する。したがって、共鳴器の数は、２の累乗で増加することができ、結果としてＮ＝２n個の共鳴器のアレイとなる。追加または別の方法または技法を、適用してもよい。
【００４０】
場合によっては、共鳴器の数を増やすために、より多くの分割レベルが、次第に高くなる特性インピーダンスを有するはずであるマイクロストリップのセグメントを検討するために必要とされる。高い特性インピーダンスＺ0のマイクロストリップ線路は、小さい縦横比を要する場合があり、小さい縦横比は、製造することがさらに困難となる場合があり、場合によってはＱを制限するおそれがある。１つの例示的な手法は、第３の分割ステージおよびそれより後の伝送線路の特性インピーダンスを、たとえば、Ｚ0＝１４０Ω〜１７０Ωの範囲に制限することである。さらに、８つの共鳴器について図２Ｃに示すように、小さいテーパー状のセクションは、電力分割器を作り上げるために使用することができる。
【００４１】
図３は、例示的な電子スピン共鳴プロセス３００を示す流れ図である。例示的なプロセス３００のすべてまたは一部は、たとえば、図１に示す例示的な共鳴装置１００、または図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す例示的な共鳴装置２００、２３０、もしくは２６０、または別のタイプの共鳴装置などの、共鳴装置を使用して実施することができる。プロセス３００、プロセス３００の個々の動作、または動作のグループは、所望の結果を得るために繰り返されてよく、または同時に実行されてもよい。場合によっては、プロセス３００は、同一または異なる順序で実行される同一の、追加の、より少数の、または異なる動作を含んでもよい。
【００４２】
最初に、電子スピンの集団を含むサンプルは、静的な外部磁場に置かれてもよく、外部磁場は、その集団を（少なくとも部分的に）偏極し、電子スピンの共鳴周波数を規定することができる。サンプルは、ＥＳＲ共鳴装置のサンプルのボリュームに位置決めすることができる。
３０２では、励起および制御信号が、ＥＳＲ共鳴装置に供給される。場合によっては、励起および制御信号は、外部的に（すなわち、ＥＳＲ共鳴装置の外部で）発生し、装置の１つまたは複数のリード線を通じてＥＳＲ共鳴装置に供給される。たとえば、励起および制御信号は、ＥＳＲ共鳴装置の端子に接続された外部の電子装置によって、発生することができる。
【００４３】
場合によっては、ＥＳＲ共鳴装置のそれぞれの端子は、端子入力部および多数の端子出力セグメントを含み、端子出力セグメントは、多数の共鳴器に結合（たとえば、静電容量的に結合）される。端子は、励起および制御信号を端子入力部から端子出力セグメントへ分割し送る、電力分配器として働くことができ、端子出力セグメントは、励起および制御信号を共鳴器に給電することができる。例として、励起および制御信号は、図１に示す例示的な共鳴装置１００の端子１１０ａおよび１１０ｂで受けることができる。端子１１０ａ、１１０ｂは、励起および制御信号を、それぞれの端子セグメント１１６ａ、１１６ｂへ送ることができる。
いくつかの実装形態では、励起および制御信号は、マイクロ波信号であってもよい。たとえば、励起および制御信号の周波数は、１ＧＨｚから５０ＧＨｚの周波数範囲の中にあってもよい。場合によっては、励起および制御信号の周波数は、ＥＳＲ共鳴装置の所望の共鳴周波数である。たとえば、ＥＳＲ共鳴装置が１０ＧＨｚの共鳴周波数を有する場合、ＥＳＲ共鳴装置は、１０ＧＨｚで電力供給されることができる。
【００４４】
いくつかの実装形態では、励起および制御信号は、基板に配置された平面状の表面コイルに供給され、ここで、平面状の表面コイルは、多数の平行な導体を含む。たとえば、平面状の表面コイルは、端子１１０ａおよび１１０ｂの導体によって形成された表面コイル、および図１の例示的な共鳴装置１００の共鳴器１２０の平行な導体１２２を含むことができる。
３０４では、励起および制御信号が、ＥＳＲ共鳴装置の共鳴器に供給される。場合によっては、励起および制御信号は、端子出力セグメントから共鳴器に供給される。たとえば、励起および制御信号は、端子出力セグメントと共鳴器のそれぞれの端部との間で、誘電性ギャップを介して、静電容量結合により供給されることができる。場合によっては、励起および制御信号は、それぞれの端子出力セグメントからそれぞれの共鳴器に、同相で送ることができる。たとえば、共鳴器のすべては、共鳴器のそれぞれの位置で、同じ信号を共通の位相で同時に受けることができる。したがって、それぞれの共鳴器の信号の位相は、時間の各瞬間において実質的に同一となることができる。
【００４５】
３０６では、共鳴器は、時間的に変動する（たとえば、マイクロ波周波数の）磁場を、ＥＳＲ共鳴装置のサンプルのボリュームにわたって発生させる。たとえば、共鳴器は、励起および制御信号を、サンプルのボリュームの磁場に変換することができる。場合によっては、たとえば、マイクロ波信号によって電力供給される場合、共鳴器はマイクロ波フィールドを発生させることができる。磁場は、表面コイルに隣接し基板の反対側に生成することができる。いくつかの実装形態では、サンプル領域を横切る平面内で磁場が一様となるように、磁場は、サンプル領域（たとえば、平面状のサンプル領域）で面内均一となることができる。このフィールドは、強さが実質的に一様となることができ、サンプルのボリュームによく調和した小さいモードのボリュームを占めることができる。発生した磁場は、たとえば、パルス型ＥＳＲのために、サンプル領域の１つまたは複数のサンプルに印加することができる。
【００４６】
３０８では、共鳴器によって発生した磁場は、サンプルのボリュームの電子スピンを操作する。共鳴器によって生成された磁場の周波数は、サンプルの電子スピンの共鳴周波数に同調させることができる。いくつかの実装形態では、磁場（３０６で共鳴器により生成される）の持続時間および電力は、電子スピンを特定の角度だけ回転させるように指定することができる。場合によっては、所与のサンプルに、異なる共鳴周波数を有する電子スピンが存在する場合があり、マイクロ波フィールドの周波数は、電子スピンの特定の集合を選択的に操作するように調整することができる。
場合によっては、ＥＳＲ共鳴装置は、サンプルのボリュームの電子スピンの動力学に基づいて、検出信号を発生させる。たとえば、電子スピンが歳差運動する時、電子スピンは共鳴器の両端に起電力（ｅｍｆ）を誘導することができ、誘導されたｅｍｆは、ＥＳＲ共鳴信号として検出することができる。
【００４７】
図４Ａおよび図４Ｂは、例示的な共鳴装置のシミュレーションの概略図である。図４Ａは、４個の共鳴器を備える例示的な共鳴装置４０４の例示的なシミュレーションの概略図４０２であり、図４Ｂは、８個の共鳴器を備える例示的な共鳴装置４５４の例示的なシミュレーションの概略図４５２である。数値シミュレーションは、アンソフトの高周波構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ  ＨＦＳＳ）により実行された。
図４Ａに示すように、例示的な共鳴装置４０４は、ｚ軸に沿った外部磁場Ｂ0（４１０）を受ける。外部磁場４１０は、４個の共鳴器４１６の導体平面に平行であり、これにより、磁場４１０の共鳴器４１６への浸透が回避される。励起および制御信号は、共鳴装置４０４の端子４１４ａおよび４１４ｂに印加されて、共鳴器４１６へ送られることができる。共鳴器４１６は、磁場４０８を発生させることができる。サンプル領域４０６は、共鳴装置４０４の基板表面４１８の上方に位置する。磁場４０８は、基板表面４１８に平行な平面内で、ｙ軸に沿って一様に分布できる。磁場４０８は、小さいモードのボリュームを有することができる。場合によっては、磁場４０８の一様性のレベルは、基板表面４１８に対してｘ軸に沿った高さに依存する。場合によっては、より高い位置（たとえば、１００μｍ）で、磁場４０８は極めて一様となることができ、スピン系のためのサンプル領域４０６は、一様な磁場４０８を受ける位置に置かれてもよい。
【００４８】
同様に、図４Ｂでは、共鳴装置４５４は、８個の共鳴器４６６の導体平面と平行な、ｚ軸に沿った外部磁場Ｂ0（４６０）に置かれる。８個の共鳴器４６６は、エッジ結合されることができ、ｙ軸に沿った一様な分布を有する磁場４５８を生成することができる。平面状のサンプル領域４５６は、磁場４５８がサンプル領域４５６にわたって一様であるように、基板表面４６８の上方で、基板表面４６８と平行に位置する。サンプル領域４５６に置かれるサンプルは、たとえば、ＥＳＲのために、均一な磁場を受けることができる。
【００４９】
いくつかの実装形態では、磁場（たとえば、４０８または４５８）の特性（たとえば、方向、強度、持続時間、モードのボリュームの共鳴周波数など）は、たとえば、共鳴装置（たとえば、それぞれ４０４または４５４）に印加される励起および制御信号を制御する（たとえば、周波数、振幅、持続時間、などに関して）ことにより、調整することができる。いくつかの他の実施形態では、共鳴装置４０４および４５４は、所望の磁場特性をもたらすように修正することができる。たとえば、互いに隣接する共鳴器（たとえば、４１６または４６６）の間の間隔は、所望の高さで生じる一様な磁場をもたらすように調整することができる。端子および共鳴器のアレイのサイズ（たとえば、長さ、幅、間隔、形状など）および他の特性（導体および基板の材料、基板の厚さ、導体の厚さ、誘電率、減衰定数など）は、所望のＱおよびモードのボリュームをもたらすように調整することができる。追加または別の要因は、共鳴装置により発生される所望の磁場をもたらすことに組み込まれたり、そのことにより実現されたりすることができる。
【００５０】
場合によっては、装置のすべての態様（たとえば、放射、結合、パッケージおよびコネクタの影響など）の全波シミュレーションは、実施することができる。場合によっては、装置の機能性への新たな洞察は、共鳴装置についての等価回路モデルを考察することにより、得ることができる。例として、Ｎ個の同一の共鳴器のアレイを備える共鳴装置について、共鳴器は、ギャップのサイズが大きい場合の高いＱに対して、高いインピーダンス（ほぼオープン）で終端してもよい。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、例示的な共鳴装置の、いくつかの例示的な等価回路モデルを示す。
【００５１】
図５Ａは、Ｎ個の同一の共鳴器のアレイを有する共鳴装置の、例示的な等価回路モデル５００を示す回路図である。たとえば、回路モデル５００は、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す例示的な共鳴装置２００、２３０、および２６０のいくつかの態様をモデル化するために、使用することができる。図５Ａに示す例では、半波共鳴器は、等価な並列ＲＬＣ回路５０２によってモデル化され、給電線路と共鳴器の間のギャップは、π型キャパシタ回路５０４によってモデル化される。集中回路パラメータＲ、Ｌ、およびＣは、たとえば、共鳴器と関連する伝送線路の特性インピーダンスＺ0、位相定数β、および減衰定数αによって、見いだすことができる。
【００５２】
図５Ｂは、図５Ａの回路モデル５００の簡易化したバージョンの例を示す回路図５２５である。すべての共鳴器について、すべての給電線路およびギャップのサイズが同一である場合には、図５ＡのＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥノードのすべてのセットは、同じ電位を有することができる。したがって、それらは互いに結び付けることができ、その結果、回路は、図５Ｂに示すように、単一の実効的共鳴器に縮退させることができる。簡易化した回路図５２５によれば、π型キャパシタ回路５２４の実効的な結合π型キャパシタは、π型キャパシタ回路５０４のπ型キャパシタと比べてＮ倍に増加された。したがって、Ｎ個の共鳴器の結び付けられたセットに対して、臨界結合は、単一の共鳴器の場合のものよりも、Ｎ倍小さい結合キャパシタによって実現することができる。さらに、等価な共鳴器の内部のＱであるＱint＝ωγＲＣは、単一の共鳴器と比べて、実質的に不変のままであることができる。
【００５３】
図５Ｃは、給電セクション（たとえば、端子における電力分割セクション）の例示的なノートン表現を示す回路図５５０である。図５Ｃでは、ソースインピーダンスＲS（または、出力でのＲL）とπ型キャパシタ回路網の間の直列接続は、Ｒin*およびＣin*（またはＲout*およびＣout*）の、ノートン等価並列接続に変形される。Ｒin*およびＣin*（またはＲout*およびＣout*）は、以下にしたがって計算することができる。
0006367236.tif 000002
0006367236.tif 000003
0006367236.tif 000004
0006367236.tif 000005
ここで、ωγは共鳴器の１番目の共鳴周波数である。５０Ωマイクロストリップ線路が共鳴装置の端子で使用される場合では、ＲS＝ＲL＝Ｚ0＝５０Ωである。
【００５４】
図５Ｄは、すべての結合セクションを合体させた後の、例示的な実効的共鳴器を示す回路図５７５である。入力および出力セクションの両方の、実効的共鳴器への影響を考慮することにより、図５Ｄに示す実効的な並列ＲＬＣ共鳴器は、以下のパラメータを有することができる。
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ここで、Ｑint、Ｑextおよびωγ*は、内部のＱ、外部のＱ、およびシフトされた共鳴周波数を、それぞれ表現することができる。たとえば、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、および図５Ｄに示す共鳴装置の等価回路モデルは、共鳴装置を設計、分析、修正、改良、または別のやり方で実現するためのフレームワークを提供することができる。
【００５５】
図６は、相異なる数の共鳴器を有する例示的な共鳴装置に対する、例示的なＱを示すグラフ６００である。例示的な共鳴装置は、４個、８個、および１６個の共鳴器を備え、図１、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに示す例示的な共鳴装置の特徴を含むことができる。たとえば、例示的な装置は、すべての共鳴器に対して、長さＬ0＝５６５０μｍおよび幅Ｗ0＝１５μｍのλ／２共鳴器を使用し、幅Ｗ1＝３５５μｍの端子を有することができる。例示的な装置は、減衰定数α＝１０-4ｍ-1および誘電率εγ＝９．３４の基板として、厚さ４３０μｍのサファイア結晶を使用するマイクロストリップ構成を有することができる。他の構成要素は、たとえば、Ｒ＝Ｚ0／（αＬ0）、Ｃ＝π／（２ωγＺ0）、およびＬ＝１／（Ｃωγ2）に基づいて、計算することができる。
【００５６】
同じ結合を伴う対称な入力および出力線路（たとえば、ＲS＝ＲL、Ｃpin＝Ｃpout、およびＣsin＝Ｃsout）について、相異なる数の共鳴器のＱ（たとえば、内部、外部、および全体のＱ）が、共鳴器と給電線路の間のギャップのサイズ（たとえば、図２Ｂのギャップ２５０または図２Ｃのギャップ２９０のサイズＧ）に対して示される。図６の示される例では、ギャップのサイズが大きくなるにつれて、Ｑが大きくなる。ギャップのサイズは、たとえば、共鳴器の間の間隔、および他の適切な要因に基づいて、給電線路とそれぞれの共鳴器の間に適切な静電容量結合をもたらすように構成することができる。場合によっては、臨界結合は、Ｑint＝Ｑextのときに達することができる。ＥＳＲの信号対雑音比は、とくに、Ｑおよびモードのボリュームに依存することができる。いくつかの実装形態では、Ｑを大きくし、モードのボリュームをサンプルのボリュームに整合させることにより、システム性能を改善させることができる。
【００５７】
本明細書は多数の詳細を含むが、それらは、特許請求の範囲に記載されたものの範囲に限定されるのではなく、特定の実施例に特有の特徴を説明したものであると解釈されるべきである。個別の実施形態に照らして本明細書で述べられるいくつかの特徴は、組み合わされてもよい。反対に、単一の実施形態に照らして述べられる様々な特徴は、個別に、または任意の適切なサブコンビネーションとして、複数の実施形態で実施されてもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態を述べた。けれども、様々な修正を加えることができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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