(57)【要約】  ＳＱＵＩＤ型システム用超電導性感知コイルの形状が記述され、そのような超電導性感知コイルの形状は扁平座金形状を有し、その内側の直径は、外側の直径の展開長さよりも短い展開長さを有している。更に、そのようなコイルを有する２次勾配計及び超電導性感知コイル構造が記述され、それらは１つ或いは複数の超電導性コイル・ループをカプセル封入する外側の低融点金属ループを備えている。同時に、外側の鉛−スズ合金で囲まれた内側の銅芯を備えた、勾配計のための混成型超電導性感知導線が記述されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＱＵＩＤ型装置のための超電導感知コイルであって、内側直径（ＩＤ）及び外側直径（ＯＤ）を有する扁平な座金形状を有し、内側直径は、外側直径の展開長さの９０％未満の展開長さを有している、ＳＱＵＩＤ型装置のための超電導性感知コイル。
【請求項２】
（ＯＤ−ＩＤ）／２が超電導性感知コイル感知のループ幅（ＬＷ）であり、厚さ（Ｈ）がＬＷよりも小さい、請求項１の超電導性感知コイル。
【請求項３】
ＨがＬＷ／１０よりも小さい、請求項２の超電導性感知コイル。
【請求項４】
ギャップ領域を有する、請求項１乃至３の何れか１つの超電導性感知コイル。
【請求項５】
複数の請求項１乃至４の何れか１つの超電導性感知コイルを備えた２次勾配計。
【請求項６】
複数の超電導性感知コイルは（＋１、−２、＋１）の配列の３つの感知コイルである、請求項５の２次勾配計。
【請求項７】
複数の超電導性感知コイルは（＋１、−１、−１、＋１）の配列の４つの感知コイルである、請求項５の２次勾配計。
【請求項８】
２次勾配計の中間コイルの間隔が中間コイルのコイル幅よりも大きい、請求項７の２次勾配計。
【請求項９】
請求項１から４の何れか１つによる１つ或いは複数の超電導性感知コイルを備えたＳＱＵＩＤ型装置であって、各超電導性感知コイルはＳＱＵＩＤに繋がる引出し導線に接続されている、ＳＱＵＩＤ型装置。
【請求項１０】
引出し導線は対応する超電導性感知コイルに接着されている、請求項９のＳＱＵＩＤ型装置。
【請求項１１】
引出し導線は対応する超電導性感知コイルと同時に機械加工されている、請求項９のＳＱＵＩＤ型装置。
【請求項１２】
各超電導性感知コイルはギャップを備え、引出し導線はギャップの内側で対応する超電導性感知コイルに接続されている、請求項９のＳＱＵＩＤ型装置。
【請求項１３】
ＳＱＵＩＤ型装置のための超電導性感知コイル構造体であって、１つ或いは複数の超電導性コイル・ループをカプセル封入する外側低融点超電導性金属ループを備えた、超電導性感知コイル。
【請求項１４】
超電導性金属ループは鋳造及び又は削り出し製造法に適している、請求項１３の超電導性感知コイル構造体。
【請求項１５】
外側低融点金属ループはＳＱＵＩＤに繋がる引出し導線への接続に適したスリット領域を有している、請求項１３又は１４の超電導性感知コイル構造体。
【請求項１６】
勾配計のための混成型超伝導性感知コイルであって、高い熱伝導性を有するが電気的には超伝導性ではない芯を有し、芯は、外側超伝導材料により被覆されている、混成型超伝導性感知コイル。
【請求項１７】
内側芯は、銅心である、請求項１６の混成型超伝導性感知コイル。
【請求項１８】
内側芯は、金、又はアルミウム芯である請求項１６の混成型超伝導性感知コイル。
【請求項１９】
外側超伝導性材料は、Ｎｂ、Ｎｂ／Ｔｉ、およびＳｎ−Ｐｂから選択される、請求項１６から１８のいずれか一つの混成型超熱伝導性感知コイル。
【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、２００７年５月４日に出願された米国仮出願６０／９２７，７０６及び２００８年４月３日に出願された、ハン  インセオブ、ペナネン  コンスタンチン  アイ、オム  ビョング  エイチによる、整理番号ＣＩＴ−５１２０−Ｐの「超電導低ノイズ感知コイルの不均質構造」についての米国仮出願６１／０７２，８９７の優先権を主張し、それら全体が参照されて内容全てが本出願に組み入れられる。本出願は、本出願と同日に出願された、インセオブ  ハーン、コンスタンチン  アイ  ペナン、及びビオング  エイチ  エオムによる、整理番号Ｐ１８４−ＵＳの「低磁場ＳＱＵＩＤ  ＭＲＩ装置、コンポーネント及び方法」についての米国特許出願（出願番号はまだ付与されていない。）に関連し、それら全体が参照されて内容全てが同じく本出願に組込まれる。
[政府の認可の声明]
【０００２】
ここに記述される発明はＮＡＳＡ契約の下の業績の成果であり、公法９６−５１７（３５ＵＳＣ２０２）の条項が適用され、契約者は権利を保持することを選択した。
【０００３】
本開示は超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）型システム用感知コイルに関する。更に詳しくは、本開示はＳＱＵＩＤ型システム用超電導検知コイルの形状に関する。
【背景技術】
【０００４】
ＳＱＵＩＤ低磁場磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）システム及びＳＱＵＩＤ脳磁図（ＭＥＧ）で用いられる勾配計が知られている。例えば、米国特許５，０４９，８１８を参照のこと。そのような応用例の導線コイルは、超電導材料から作られ、非磁性円筒形状担体上に通常配置される。
【０００５】
低磁場ＭＲＩにおける解像度及びデータ取得時間は、感知コイルのノイズに対する感度によっても同様に制約される。ＳＱＵＩＤ感知器に接続されると、コイル感度は更に形状（コイルの大きさ及び信号源からの距離）及びコイルの自己インダクタンスによって制約される。
【０００６】
コイルの有効サイズを維持しながらコイルの自己インダクタンスを減少させる事が有利である。この事の有利な点は、ＳＱＵＩＤ感知器とのインピーダンスの一致を維持しながら、より大きな巻き量が許される事である。今日、コイルは勾配計或いは２次勾配計の形状において小さな直径（７５から１５０マイクロメートル）に巻かれた超電導の導線、即ち、＋１、−２、＋１の巻き線であり、ここで、符号は電流の相対的な流れ方向を示している。
【発明の概要】
【０００７】
第１の側面によれば、ＳＱＵＩＤ型装置のための超電導感知コイルが提供され、この超電導感知コイルは、内側直径（ＩＤ）と外側直径（ＯＤ）を有する扁平座金形を有し、内側直径は外側直径の展開長さの９０％未満の展開長さを有している。
【０００８】
第２の側面によれば、ＳＱＵＩＤ型装置のための超電導感知コイル構造体が提供され、超電導感知コイル構造体は１つ或いは複数の超電導性コイル・ループをカプセル封入する外側低融点超伝導性金属ループを備えている。
【０００９】
第３の側面によれば、勾配計のための混成型超電導性感知コイルが提供され、超電導性感知コイルは高い熱伝導性を有するが電気的には超電導性ではない芯を有し、芯は外側超電導材料により被覆されている。
【００１０】
本開示の更なる実施例は本出願の記述された明細書、図面、及び、実施例に示されている。
【００１１】
本発明者等は、同じ数だけ巻かれ、同程度の空間を占め、同程度の感度範囲を有しても、本開示のコイルの形状においては、コイルの自己インダクタンスが１２５マイクロメートルの導線のコイルに比較して概ね３０％減少することに着目していた。異なる述べ方では、その様なコイルでは、約５０％の巻き数増加、約５０％の感度向上をもたらす。信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の増加はＭＲＩ信号取得時間を半分まで短縮する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本開示の概念を説明するのに有用な座金構造体の上面を示す。
【図１Ｂ】図１Ａの座金構造体の断面を示す。
【図２】本開示に従う座金状勾配計コイルの上面を示す。
【図３】本開示に従う２次勾配計により発生した軸方向に対称な磁場特性の断面を示す。
【図４Ａ】引出し導線と座金状勾配計コイルと間の第１の接続類型の斜視図である。
【図４Ｂ】引出し導線と座金状勾配計コイルと間の第２の接続類型の斜視図である。
【図５】薄型超電導性導線ループをカプセル封入するループ構造体を一部を切欠いて示す斜視図である。
【図６】本開示の更なる実施例に従う混成型の超電導性導線の断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＳＱＵＩＤ  ＭＥＧ及びＳＱＵＩＤ  ＭＲＩのようなＳＱＵＩＤ型システムのための入力或いは感知コイルの性能を解析するため、２つのパラメータ、即ち、適切に配置された基本双極子に対する感度及びコイル・インダクタンスが評価される。相互依存関係を通じての感度は双極子の配置場所におけるユニット電流を伝達するコイルにより発生する磁場の強さに比例する。コイルの自己インダクタンスは磁界の二乗の総和に比例する。感度及び自己インダクタンスは双方とも、入力コイルが配置されているところの構造の幾何学的制約を考慮して、数値的に評価される。望みは、コイルの自己インダクタンスを最小化しながら、感度を最大化することである。
【００１４】
試料或いは診断対象を可能な限り入力コイルの近くに置く事が有利である。コイルは低温に冷却され、試料は室温であるので、コイルで占められる空間は低温シールド内に収容される。
【００１５】
ループの半径ｒ、導線の半径ρの単一超電導ループの自己インダクタンスは、より大きな半径ｒについて以下のように記述できる。
【数１】
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ここで、μ０は真空の透磁率である。他方、ループの感度は第１にｒに依存し、ρによりゆっくりと変化する。従って、もし特定の感度に維持させておきたい場合は、ρをゆっくりと増加させて自己インダクタンスを減少させる。このような効果は相互効果により釣り合わされ、即ち、より太い導線（より高い値のρ）がさらに延ばされる。コイル組立体が低温冷却器により制約されるとすると、コイル組立体は試料から更に引き離され、こうして、感度が減少される。
【００１６】
従って、円形断面導線コイルを、より大きな有効直径の適切に形付けられた導線により置換えて、コイルのインダクタンスを減らす事が出来る。ＳＱＵＩＤ  ＭＲＩ及びＳＱＵＩＤ  ＭＥＧのための感知コイルの場合、感知器の所望の範囲、低温冷却空間の大きさ上の制約、及びコイル外形を円筒状体にするための実施上の制約により、更なる制約が加えられる。
【００１７】
上記観察及び制約の視点から、発明者等はＳＱＵＩＤ  ＭＥＧ及びＳＱＵＩＤ  ＭＲＩの両方についての各ループ、及び小さな双極子からの信号が感知されるところの同様の感知構成の最適化された形状が薄型超電導座金の形状である事に注目した。ここで、薄型の意味は、図１Ｂを参照して以下に説明される。
【００１８】
図１Ａ及び１Ｂは座金構造体の上面及び断面を示しており、その座金構造体は、内側（空）直径ＩＤ、外側直径ＯＤ、及び高さＨにより特定される。各座金構造体はループ幅ＬＷによっても特定され、ここで、ＬＷ＝（ＯＤ−ＩＤ）／２である。
【００１９】
本開示の教示によれば、幅ＬＷのループは全体の大きさが（ＯＤ／２）に匹敵するように作られる。別言すれば、（ＯＤ−ＩＤ）はＯＤの重要な部分であり、好ましくは、（ＯＤ−ＩＤ）＞１／１０・ＯＤである。従って、本開示に従う導線コイル形状は、図１Ａに示される物よりも図２に示される物にとても近い。これはＳＱＵＩＤ  ＭＲＩ及びＭＥＧに現在用いられている導線の大きさと対照的であり、ループ幅が実質的にＯＤより小さく、普通、１０分の１未満である。
【００２０】
発明者等はまた導線コイルの厚さＨ（図１Ｂ参照）がループ幅ＬＷよりも少なくとも小さいことに着目した。さらに、導線コイルの断面が感度及び自己インダクタンスに重大な影響を与えないような、方形或いは円形である必要はない。例えば、扁平底の冷却収容器の場合、扁平の座金形状（Ｈ＜ＬＷ／１０）が好ましい。
【００２１】
発明者等はまた（＋１、−２、＋１）の巻きを有する２次勾配計では中間の巻きが分離している事が好ましく、こうして、（＋１、−１、−１、＋１）の巻きの座金型コイル構造体を形成する。特に、そのような４座金構成体はコイルの自己インダクタンスを更に減少させる。２次（＋１、−１、−１、＋１）勾配計の４座金配置のより発生する磁場特性の一例が図３に示されている。通常、（＋１）符号は反時計周りを意味し、（−１）符号は時計周りを意味し、符号の後ろの数値はループの数を表す。好ましくは、（−１、＋１）の中間のループの２つの座金状構造体間の間隔は（ＯＤ−ＩＤ）／２より大きい。
【００２２】
勾配計導線コイルはＳＱＵＩＤに繋がる超電導引出し導線（例えば、Ｎｂ或いはＮｂＴｉ導線）に接続されている。図４Ａ及び４Ｂは本開示の座金状導線コイル構成への引出し導線（１０）の取り得る実施例を示す。図４Ａの実施例では、座金状ループ（２０）はスリット（３０）を備え、スリット（３０）を備えた事により、導線の１つをループ（２０）の一端に接続できるとともに、別の導線をループ（２０）の他の端部に接続できる。ギャップ或いはスリット（３０）は引出し導線による並列な短絡経路の形成を回避し、全電流が引出し導線へと向けられる。ギャップ或いはスリット（３０）は導線の断面の大きさよりもかなり小さくてはならない。そのような実施例によれば、引出し導線はループ中に埋め込まれている。更なる実施例が図４Ｂに示され、引出し導線（１０）は接着により或いはループ（２０）との機械的同時加工により形成されてよい。
【００２３】
図２、３、４Ａ及び４Ｂに示される実施例では、導線コイル構造体が超電導性ループ（２０）を形成する。しかしながら、例えば、０．０５０８センチメートルを超えるような、より大きな超電導性導線は、遠隔におかれたＳＱＵＩＤを収容する永久電流の電流ループが所望される場合には特に、時として実用的使用に制約がある。感知器のために用いられる、より厚い導線の接着は可能であるが、異なる材料への信頼性ある超電導接続は簡単には得られない。特に、薄型感知コイルの場合、同じ材料（例えば、Ｎｂ或いはＮｂＴｉ）が感知コイルにも引出し導線にも用いられ得る。それらは単一の導線であってもよいし、或いは、容易に接着され得る。しかしながら、大きな断面の感知導線が用いられ場合には、感知導線の材料と引出し導線の材料とが同一であることは現実的ではない。
【００２４】
本開示の更なる実施例によれば、図５に示されるように、薄型超電導性導線ループをカプセル封入するループ構造体が提供される。例えば、Ｎｂ或いはＮｂＴｉの大きさは約０．０５０８センチメートル未満であり得る。
【００２５】
図５のループ構造体の外周の形状は異なり得る。その様な形状は低温収容器及び画像化対象の幾何学的な制約に依存する。扁平な底部の低温収容器の場合、扁平座金形状が感度を最大化して自己インダクタンスを最小化するには一般に最適である。
【００２６】
特に、図５はコイル・ループ（５０）をカプセル封入するループ構造体（４０）を、その一部を切り欠いて示している。図５の実施例では、コイル・ループ（５０）は３巻きの連続導線である。図５に同じく示されるのはスリット（６０）であり、スリット（６０）により、コイル・ループ（５０）の導線と引出し導線（７０）との接続が果たされている。ループ構造体（４０）は低融点金属（例えば、インジウム、鉛、或いは鉛−スズ合金）の導線ループであり、この導線ループは、応用に適するように、大きな直径の円形断面（例えば、前記実施例参照）或いは、その他の適切な形状であってよい。低融点（例えば、３３０゜Ｃ未満、鉛の融点、及び埋め込まれる導線とそれらの隔絶に適したより一般的な温度）は、埋め込まれる導線に影響なく大きな形状を容易に鋳造できる。ループ構造体（４０）は融解することによりコイル・ループ（５０）上に形成される。スリット（６０）は真空或いは絶縁性の小さなギャップであり、引出し導線が絶縁されていない時の短絡を防止する。幾つかの実施例では、複数のスリットが必要に応じ設けられてもよい。
【００２７】
自己インダクタンス及び要求される感度が高くなるにつれ、型枠ループ（４０）内部に埋め込まれる得る薄型導線ループの数が多くなる。その様な場合、薄型超電導性導線は絶縁されなければならない。
【００２８】
ループ構造体（４０）は好ましくは１つ或いは複数の超電導性導線上に型流込み或いは削出し製造法に適している。
【００２９】
上記実施例は、ＳＱＵＩＤ  ＭＲＩ装置の磁気プローブ、ＳＱＵＩＤ  ＭＥＧ装置及びその他の同様の生物学的磁気プローブ、例えば、ＭＲＩ、ＭＥＧ（脳磁図）、ＥＰＲ（電子スピン共鳴）、感染度測定法及びその他の方法に適用され得る。
【００３０】
本開示の更なる別の実施例によれば、混成的な組成を有する超電導性導線が開示されている。
【００３１】
特に、図６は本実施例に従う混成型超電導性導線の断面を示し、これは鉛−スズ（Ｓｎ−Ｐｂ）合金（９０）で被覆された内部銅芯（８０）を備えている。これらの材料の組合せにおいて、高い熱伝導性の超電導性導線が得られ、ここで、電流は外側の超電導性層（９０）を流れ、熱伝達は内側の銅芯或いは棒状部（８０）により生じる。例として、発明者等は３．２ｍｍの直径の銅を用いた。しかしながら、どのような厚さであっても、特に、約０．０５０８ｃｍを超える厚さが有利である。より薄型のコイルがＮｂ或いはＮｂ／Ｔｉで巻かれ得る。Ｓｎ−Ｐｂ層については、超電導性シールドを得るには、数マイクロメーター或いはそれを超える厚さが好ましい。その非常に優れた熱伝導性の故に、銅は好ましいが、金合金の形成なく低融点超電導性層が堆積され得るのであれば金或いはアルミウムもまた用いられ得る。また、他の組合せも可能である。
【００３２】
特に、超電導性被覆（９０）は銅芯（８０）からの熱的ジョンソン・ノイズを遮蔽するので、組合せ感知コイル（１００）は低ノイズ性能を維持する。銅芯（９０）の超熱的伝導性はより短い初期冷却化時間を可能にし、感知コイル（１００）の温度を、例えば約１０ｍＷ未満の適度な放射性熱的負荷の存在下で、感知コイル（１００）の温度を鉛−スズ合金（９０）の超電導性伝送未満に維持出来る。
【００３３】
上に示されたような混成組合せを有する超電導性勾配計感知導線の利用の１つは、冷凍剤不要（即ち、冷却器型）の小型磁気共鳴画像化医療診断システムにおけるものである。加えて、このタイプの超電導性コイル構造システムは他の冷凍剤磁気計測器の応用例にも用いることができる。
【００３４】
まとめると、本開示の幾つかの実施例によれば、ＳＱＵＩＤ型システムのための超電導性コイルの形状が記述され、そのような超電導性コイルは扁平座金形状を有し、扁平座金形状は、外周直径の展開長さよりも短い展開長さの内周直径を有している。更に、そのようなコイルを有する２次勾配計及び超電導性感知コイル構造が記述され、それらは１つ或いは複数の超電導性コイル・ループをカプセル封入する外側の低融点金属ループを備えている。同時に、外側鉛−スズ合金で囲まれた内側銅芯を備えた、勾配計のための混成超電導性感知導線が記述されている。
【００３５】
従って、示されて来たものは、ＳＱＵＩＤ型システムのための超電導性感知コイルの形状である。これらの超電導性感知コイルは特定の実施例及び応用例について述べられてきたが、豊富な変更例及び変形例が本開示の本意と範囲を逸脱することなく当業者により作られ得る事が理解できる。従って、ここに特に記述されなくとも本開示が実施され得ることがあり、それは特許請求の範囲内と解すべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１０      引出し導線
２０      座金状ループ
３０      スリット或いはギャップ
４０      ループ構造体
５０      コイル・ループ
６０      スリット或いはギャップ
７０      引出し導線
８０      内側の銅芯
９０      外側の超電導性層
１００    混成型の感知コイル
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2010530611.tif 000015