(57)【要約】      （修正有）【課題】空港の荷物における、ヘロインまたはコカインの如き薬物や、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＨＭＸおよびＰＥＴＮの如き爆発物を含む物質の存在についてテストするための装置および方法を提供する。【解決手段】サンプルをテストする核四極子共鳴装置が、サンプルに対して励起を印加してＮＱＲ共鳴を励起する手段（１０２）を含み、励起が少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された励起周波数範囲をカバーし、各パルス毎に励起位相が選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化し、ＮＱＲ応答信号を検出する手段（１０６）を含む。【選択図】図２
2005221512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルをテストする核四極子共鳴装置において、サンプルに対して励起を印加してＮＱＲ共鳴を励起し、該励起が少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された励起周波数範囲をカバーし、各パルス毎に選択された範囲にわたる励起周波数による励起の位相が略々非線形的に変化する手段と、ＮＱＲ応答信号を検出する手段とを備える核四極子共鳴装置。
【請求項２】
励起の期間中、時間域の励起波形の係数のエンベロープがゼロ交差を持たない請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】
励起印加手段が、時間域波形が振幅変調と位相変調の両方が行われる励起を印加するためのものである請求の範囲第１項または第２項に記載の装置。
【請求項４】
前記印加手段が、関連する象限にある２つの信号を生成する手段と、前記信号を組合わせて振幅変調されかつ位相変調された励起を形成する手段とを含む請求の範囲第３項記載の装置。
【請求項５】
前記信号生成手段が、信号を生成して、該信号を関連象限における２つの信号へ分ける手段を含む請求の範囲第４項記載の装置。
【請求項６】
前記生成手段が、キャリヤ信号を固定された振幅で生成するためのものである請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項７】
前記生成手段が、変化する振幅を持つ信号を生成するためのものである請求の範囲第５項または第６項に記載の装置。
【請求項８】
前記印加手段が、時間域の波形が振幅変調されるが、他の方法で位相変調されない励起を印加するためのものである請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項９】
前記印加手段が、時間域の波形がチャープ機能により変調される励起を印加するためのものである請求の範囲第１項または第２項に記載の装置。
【請求項１０】
前記励起印加手段が、キャリヤ信号を生成する手段と、該キャリヤ信号を変調して、位相が、選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化する励起を生じる手段とを含む請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記変調手段が、キャリヤ信号を変調するための変調波形の表示を記憶する手段を含む請求の範囲第１０項記載の装置。
【請求項１２】
前記励起周波数による励起の位相の変化が対称的である請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記励起周波数による励起の位相の変化が非対称的である請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１４】
記励起の位相が、周波数オフセット値により略々２次的に変化する請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１５】
前記励起印加手段が、少なくとも１つのエコー応答信号を生成するように複数の励起パルスを印加するためのものである請求の範囲第１４項記載の装置。
【請求項１６】
周波数域の励起スペクトルの係数が、選択された励起周波数範囲にわたり実質的に一定である請求の範囲第１項乃至第１５項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１７】
サンプルをテストする核四極子共鳴方法において、励起が少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された励起周波数範囲をカバーし、各パルス毎に励起の位相が選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化するＮＱＲ共鳴を励起するためサンプルに対して励起を印加するステップと、ＮＱＲ応答信号を検出するステップと
を含む核四極子共鳴方法。
【請求項１８】
励起の期間中、時間域励起波形の係数のエンベロープがゼロ交差を持たない請求の範囲第１７項記載の方法。
【請求項１９】
前記励起の時間域波形が位相変調と振幅変調の両方が施される請求の範囲第１７項または第１８項に記載の方法。
【請求項２０】
前記励起の時間域波形が、振幅変調されるが位相変調されない請求の範囲第１７項記載の方法。
【請求項２１】
前記励起の時間域波形がチャープ機能により変調される請求の範囲第１７項または第１８項に記載の方法。
【請求項２２】
前記励起周波数による励起の位相の変化が対称的である請求の範囲第１７項乃至第２１項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】
前記励起周波数による励起の位相の変化が非対称的である請求の範囲第１７項乃至第２１項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２４】
前記励起の位相が、周波数オフセット値により略々２次的に変化する請求の範囲第１７項乃至第２３項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つのエコー応答信号を生じるように複数の励起パルスが印加される請求の範囲第２４項記載の方法。
【請求項２６】
選択されたＮＱＲ共鳴が、少なくとも１つの励起パルスにより励起され、各励起パルスの持続時間が当該共鳴に適する自由誘導減衰時間Ｔ2＊の２倍より少ない請求の範囲第１７項乃至第２５項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２７】
前記持続時間が、Ｔ2＊の１００％より少なく、望ましくは７５％あるいは更に５０％より少ない請求の範囲第２６項記載の方法。
【請求項２８】
サンプルをテストする核共鳴装置において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を印加して核共鳴を励起する手段と、応答信号を検出する手段とを備え、前記印加手段が、時間域の波形が振幅変調と位相変調の両方が施される励起を印加するためのものである核四極子共鳴装置。
【請求項２９】
サンプルをテストする核共鳴方法において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を印加して核共鳴を励起するステップと、応答信号を検出するステップとを含み、励起の時間域波形が振幅変調と位相変調の両方が施される核共鳴方法。
【請求項３０】
サンプルをテストする核四極子共鳴装置において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を印加してＮＱＲ共鳴を励起する手段と、ＮＱＲ応答信号を検出する手段とを備え、該励起の位相が、選択された範囲にわたり励起周波数により略々非線形的に変化する核四極子共鳴装置。
【請求項３１】
サンプルをテストする核四極子共鳴方法において、選択された周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を印加してＮＱＲ共鳴を励起するステップと、ＮＱＲ応答信号を検出するステップとを含み、該励起の位相が、選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化する核四極子共鳴方法。
【請求項３２】
サンプルの自由誘導減衰時間Ｔ2＊を延長する方法において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を印加して核共鳴を励起するステップを含み、該励起の位相が選択された範囲にわたる励起周波数により変化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルをテストする核共鳴のための装置および方法に関する。このようなテストは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）テストまたは核四極子共鳴（ＮＱＲ）テストであることもある。
【０００２】
特に、本発明は、ＮＱＲ効果を呈する幾つかの物質のサンプルにおける存在についてのＮＱＲテストに関する。このような物質は、ヘロインまたはコカインの如き薬物や、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＨＭＸおよびＰＥＴＮの如き爆発物を含む。典型的には、当該装置および方法は、空港の荷物におけるこのような物質の存在についてテストするために用いられる。
【０００３】
ある物質の存在についてのＮＱＲテスト法は、例えば、（全てがＢｒｉｔｉｓｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｇｒｏｕｐ  Ｌｔｄ．の名義における）連合王国特許出願第ＧＢ−２２５４９２３号、同第ＧＢ−２２５５４１４号および同第ＧＢ一２２５５８３０号から公知である。このような方法は、ＮＱＲ共鳴を励起するためサンプルに対して励起を加え、ＮＱＲ共鳴応答信号を検出するステップを含む。（ヘロイン、コカイン、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＨＭＸおよびＰＥＴＮの如き）問題の物質は充分に特性付けられ、明白な共鳴応答特性を持つので、特定の物質がサンプル中に存在するかどうかについて情報を生じるように、ＮＱＲ共鳴応答信号を分析することが可能である。当該物質が存在すると決定されると、警報が鳴らされる。
【背景技術】
【０００４】
公知の技術においては、励起は無線周波放射のパルスの形態をとる。時間的領域においては、これらパルスの波形は矩形状である。このような矩形状パルスは、鮮鋭な中心ピーク帯域と、この中心ピークから振幅が減少する側波帯とを持つスペクトルとして周波数領域に現れる。矩形状パルスの周波数域の帯域幅が時間域の持続時間（または幅）と逆に関連しており、その結果パルスが短いほど帯域幅が大きくなることが理解されよう。純ＮＱＲ周波数は、サンプル温度が正確に判らない時に問題となる種々の物質の存在についてテストするために、サンプルの温度に依存するので、大きな帯域幅（典型的には、２０ＫＨｚ）が要求される。このことは、短いパルス（例えば、３０μ秒）を必要とする。検出し得る応答信号を得るために物質を充分に励起するには、パルスのピーク無線周波電力がプローブの体積に応じて、例えば２ｋＷ以上である必要がある。このようなレベルのピーク電力は不都合にも高いものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、公知技術において得られたものと類似の性能を提供し得るがより低い無線周波電力を用い、望ましくは矩形状パルスの使用を避けるＮＱＲテスト装置および方法の提供を目的とする。
【０００６】
本発明によれば、
サンプルに励起を加えてＮＱＲ共鳴を励起し、この励起が少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された励起周波数範囲をカバーし、各パルス毎に励起相が選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化する手段と、
ＮＱＲ応答信号を検出する手段と
を備えるサンプルのテスト用核四極子共鳴のための装置が提供される。
【０００７】
前記励起は、適当に、キャリヤ周波数ν0で励起パルスを生じ、励起相は周波数オフセット値（Δν＝ν−ν0）により略々非線形的に変化する。
本発明は、励起周波数により相が非線形的に変化する励起を加えることにより、励起のピーク電力が非常に著しく低減され得るという本発明に関して得られた核四極子共鳴の分野における驚くべき発見に因るものである。１つの事例において、ピーク電力はある大きさ以上に低減された。ピーク無線周波磁界における非常に著しい低減もまた達成された。
【０００８】
Ｓ．Ｇｕａｎ著「逆フーリエ変換法を用いる２つのエネルギ準位系に対する最適な励起パルスの生成（Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｍａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｏｒ  ｔｗｏ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｍｅｔｈｏｄ）」（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．第９６巻、第１１部、１９９２年、７９５９ｆｆページ）なる名称の論文から、位相が異なる技術分野の核磁気共鳴（ＮＭＲ）における励起周波数と共に非線形的に変化する励起を用いることが公知である。このような励起は、異なる問題、即ち、ＮＭＲ溶媒抑制の問題を解決するために用いられる。この励起は、周波数域において欠けのあるスペクトルを生じる。上記論文は、Ｓ．Ｇｕａｎ著「フ一リェ変換イオン・サイクロトロンの質量分光法のための一般相変調法（Ｇｅｎｅｒａｌ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｉｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）」（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．第９１巻、第２部、１９８９年、７７５ｆｆページ）なる名称のより以前の論文に続くものである。（Ａ．Ｇ．ＭａｒｓｈａｌｌおよびＦ．Ｒ．Ｖｅｒｄｕｎ著「ＮＭＲ、光および質量の分光法におけるフーリエ変換一ユーザのハンドブック（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ  ｉｎ  ＮＭＲ，  Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，  Ａ  Ｕｓｅｒｓ’  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ社、１９９０年刊））も参照されたい。
【０００９】
しかし、ＮＭＲテストにおけるこのような励起の使用のためのＧｕａｎが提起した手法は、テストされる物質がブロッホ（Ｂｌｏｃｈ）の式に従う２準位系であるという仮説に依存する故に、ＮＱＲテストに応用されることは期待されない。ブロッホの式は、液体におけるＮＭＲ、イオン・サイクロトロン共鳴、ＦＴの質量分光法および電子レーザ分光法に適用され得ることを知るべきである。しかし、これらの式は、ＮＱＲ効果を呈する物質には適用し得ない。従って、Ｇｕａｎの手法は、ＮＱＲにおいて有効であるとは予期されない。実際において、何故かは完全に理解されないが、この手法が実際にＮＱＲにおいて有効であることは驚くべきことである。
【００１０】
また、Ｇｕａｎの手法が振幅変調だけで他の位相変調されない励起の時間的波形に対して慎重に限定されることも知るべきである。（それ自体による振幅変調が、振幅が正と負の値の間で変化する時、例えば、０°と１８０°間の位相の変調を含むことが理解される。）
望ましくは、励起の期間中は、時間的励起波形の係数のエンベロープがゼロ交差を持たない。このことは、励起のピーク電力（および、無線周波磁界）を著しく低減するという利点を持ち得る。
【００１１】
望ましい一実施例において、励起印加手段を用いて、時間的波形が振幅変調と位相変調の両方が行われる励起を加える。波形が単に振幅変調される場合とは対照的に、この構成は、エンベロープがゼロ交差を持たない励起波形を生じるために用いることができる。
【００１２】
この構成においては、前記印加手段が、関連する象限にある２つの信号を生じる手段と、振幅変調および位相変調された励起を生じるために信号を組合わせる手段とを含むことが望ましい。更に、信号生成手段が、信号を生成してこの信号を関連する象限の２つの信号へ分ける手段を含むこともまた望ましい。これら２つの特徴は、本発明を実施する簡単な方法をもたらすことができる。
【００１３】
これら特徴は、Ｒ．Ｊ．Ｗｉｔｔｅｂｏｒｔ等の「高速の位相変調器および振幅変調器（Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）」（Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．第９６巻、１９９２年、６２４ｆｆページ）なる名称の論文からそれ自体公知であることを知るべきである。この論文に記載された変調器は、14ＮＱＲテストにおいて問題となることが多い、例えば０．５乃至６または８ＭＨｚの周波数範囲をはるかに越える３０ＭＨｚのキャリヤ周波数で動作されるように設計されている。
【００１４】
以後の信号分けのために、２つの種類の信号が生成される。前記生成手段は、固定された振幅でキャリヤ信号を生じるように供される。それに代えて、もしくはそれに加えて、この生成手段は、変化する振幅を持つ信号を生成するために供される。
【００１５】
代替的な望ましい実施例においては、前記印加手段は、時間域波形が振幅変調されるが他の方法では位相変調されない励起を印加するためのものであることが望ましい。この実施例は、他の実施例において達成し得るほど低いピーク励起電力を得ることを許容するものではないが、位相を直接的に変調する要件がないので、より簡単に作ることが可能である。
【００１６】
更に別の望ましい実施例においては、前記印加手段は、時間域波形がチャープ関数（ｃｈｉｒｐ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）により変調される励起を印加するために供される。これは、チャープ機能の実現が容易であるために本発明を実施する特に簡単な方法である。このチャープ機能は、例えば、形態ＣＯＳ（ωｔ2）の線形チャープ機能でよく、即ち、変調は純粋な位相変調であり、この位相は周波数オフセットに関して線形的に変調される。
【００１７】
どの実施例においても、望ましくは励起印加手段が、キャリヤ信号を生成する手段と、このキャリヤ信号を変調して選択された励起周波数範囲にわたる励起周波数により位相が略々非線形的に変化する励起を生じる手段とを含む。これは、本発明を実施する特に便利な方法であり得る。この変調手段は、キャリヤ信号を変調するための変調波形の表示を記憶する装置を適当に含む。
【００１８】
励起周波数による励起の位相の変化は、例えば、キャリヤ周波数ν0に関して対称的でもあるいは非対称的でもよい。いずれの場合も、位相の変化は２次的であり（即ち、（ν−ν0）2に比例し）、これが低いピーク励起電力を生じることが判った。別の可能性は、統計的ノイズで位相を変化させることであるが、これはノイズに富むスペクトルを生じる結果となり得、更なる短所は、時間域波形が多くのゼロ交差を持ち、その結果時間が効率的に使用されないことになる。
【００１９】
位相変化が２次的であるならば、１つの特に望ましい実施例では、少なくとも１つのエコー応答信号を生じるように複数の励起パルスが加えられる。テストされる物質のスピン格子緩和時間Ｔ1が特に比較的長い状況では、自由誘導減衰信号とは対照的に、エコー応答信号を生成することが有利である。
【００２０】
この特徴は、位相の変化が２次的である整形パルスがＮＱＲ応答信号の位相を保存するという本発明に関してなされた驚くべき発見から生じる。このような位相の保存は、エコーの連続的な生成のために必要である。
【００２１】
周波数域の励起スペクトル係数は、選択された励起周波数範囲にわたって実質的に一定である。このため、励起はこの周波数範囲にわたって均一であり得る。
本発明は、
サンプルに対して、少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された周波数範囲をカバーし、各パルス毎に励起位相が選択された範囲にわたって励起周波数により略々非線形的に変化する励起を、加えてＮＱＲ共鳴を励起するステップと、
ＮＱＲ共鳴信号を検出するステップと
を含む、サンプルをテストする核四極子共鳴の方法に展開する。
【００２２】
選択されたＮＱＲ共鳴が励起されて、もしそうであれば、励起の持続時間は、この共鳴に適する、自由誘導減衰時間（ｆｒｅｅ  ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｄｅｃａｙ  ｔｉｍｅ）Ｔ2＊の２倍より小さいことが望ましい。このことは重要な特徴であり、これがＮＱＲ応答信号が検出される前にこの信号の受け入れがたい損失が生じないことを保証し得る。持続時間は、実際にＴ2＊の１００％、７５％あるいは更に５０％より小さいことが望ましい。
【００２３】
本発明の密に関連する特質において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を加えて核共鳴を励起する手段と、時間域波形が振幅変調と位相変調の両方を行う励起を加えるための応答信号を検出する手段とを含む、サンプルをテストする核共鳴のための装置が提供される。
【００２４】
別の密に関連する特質において、選択された励起周波数範囲にわたり励起を加えてＮＱＲ共鳴を励起する手段と、ＮＱＲ共鳴信号を検出し、励起の位相が選択された範囲にわたり励起周波数により略々非線形的に変化する手段とを含む、サンプルをテストする核四極子共鳴のための装置が提供される。
【００２５】
類似する方法もまた提供される。
上記の全ての特徴は、本発明のこれら特質に適用する。
更に密に関連する特質において、本発明は、核共鳴を励起するため選択された励起周波数範囲によりサンプルに対して位相が選択された範囲にわたり励起周波数と共に変化する励起を加えるステップとを含む、サンプルの自由誘導減衰時間Ｔ2＊を励起する方法を提供する。
【００２６】
核共鳴は、適当に核四極子共鳴または核磁気共鳴である。励起の位相の変化は非線形であることが望ましい。
本発明のこのような特質は、核信号が変化する位相により励起されるならば、自由誘導減衰の長さが一定位相による単純な励起の場合に比較してより大きいという本発明に関する発見から生じる。このことの理由は、印加された励起自体が何故このような状況において長くなるのかの以下の理由と類似するように思われる。
【００２７】
観察されるべきｆ．ｉ．ｄ．時間Ｔ2＊における著しい変化に対して、印加される励起は核信号の帯域幅内の著しい位相変化を有するはずである。従って、当該手法の適切なテストは、１ＫＨｚの帯域幅によるＲＤＸの３４６０ＫＨｚのＮＱＲ線の如き広い核共鳴線である。
【００２８】
本発明のこのような特質の手法は、プローブのリング・ダウン（ｒｉｎｇ  ｄｏｗｎ）による不動作時間を短縮するために、例えば、Ｔ2＊がＴ2より小さい時に、あるいは小さなｒ．ｆ．振幅、従って小さなフリップ角度のみが使用できる状況において特に有効である。
【００２９】
本発明の特質の色々な装置の特徴に類似する方法の特徴もまた提供され、その逆も真である。
本発明の基礎をなす理論、ならびに本発明の望ましい特徴については、単なる事例として添付図面に関して次に記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明に基く基本的理論を最初に述べる。公知の矩形状励起パルスを示す図１において、このパルスは、図１ａにおける波形として時間域に現れ、図１ｂに示されるスペクトルに周波数域において同等である。図１ｂのスペクトルは、大きさにおいて中心ピークから減衰する鮮鋭な中心ピークと側波帯を含む。図１ｂにおけるスペクトルは図１ａにおける波形のフーリエ変換であり、この後者の波形がこのスペクトルの逆フーリエ変換であることが判る。また、図１ａがパルスのエンベロープのみ（あるいは、更に正確には、パルスのエンベロープの半分）を実際に示し、そこではパルスが多くの無線周波振動を含むことも判るであろう。
【００３１】
持続時間Ｔの矩形状パルスの場合は、（ＮＱＲにおいて）積ＢrfＴおよび従ってフリップ角が一定のままであることを前提として、半分の高さの帯域Δνおよびピーク・パルス電力Ｐ、Ｔが０．６／Δνに等しく、Ｐが１／Ｔ2に比例することが判る。Ｂrfは、振動する無線周波フィールドの振幅として規定される。
【００３２】
従って、既知の無線周波パルスは、帯域幅が増加するに伴い、ピーク電力が強く（実際には、２次的に）増加するという短所を有する。
矩形状パルスの分析から、高電力要件が２つの主な要因によるものであることが判る。第一に、周波数域において明らかなサイドローブ（ｓｉｄｅｌｏｂｅ）がスペクトルの有効部分（中心ピーク）に影響を及ぼすことなく実質的な電力を消費する。第二に、パルスに含まれる励起周波数の範囲が時間ゼロで同位相にある。従って、時間ゼロおよびその非常に近くにおける種々の周波数間に高いコヒーレンスが存在するが、他の時間では破壊的な干渉が生じる。このため、パルスはより短い持続時間と高いピーク電力となる。
【００３３】
ＮＱＲにおいては、これらの問題の第１のものに対する解決策が近似矩形状周波数スペクトル（ｎｅａｒ−ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｓｈａｐｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を生じるように整形されるパルスを用いること（即ち、周波数域の励起の係数が選択された励起周波数範囲にわたって実質的に一定であること）が判った。パルスの整形は、時間域の励起波形の要求される形状を生じるように近似矩形状周波数スペクトルの逆フーリエ変換によって達成される。
【００３４】
これらの問題の第２のもの（時間ゼロ付近の高いコヒーレンス）に対する解決策は、位相が周波数により略々非線形的に変化する励起を用いて、時間域における位相がスクランブルされるようにすることであることが判った。従って、単純な矩形状パルスに対する場合よりも著しく長い持続時間にわたり種々の周波数間に構造的な干渉が存在し、かつ同時に時間ゼロにおいてより少ない構造的な干渉が存在する。このように、励起パルスは、より長い持続時間とより低い電力でよい。実際に、２次的な位相変化の場合には、一定のフリップ角（ｆｌｉｐ  ａｎｇｌｅ）において、このようなパルスに対する電力Ｐが、矩形状の励起パルスの場合における如きΔν2よりも更に近似的にΔνに比例することが判った。この結論は、ｐ∝Δν／ｔpまたはＢrf∝（Δν／ｔp）1/2なる関係に追従する。但し、ｔpはパルス長さであり、Δνおよびｔpは依存性のものではく（これらは、単純な矩形状パルスに対するものであり）、従ってｔpを一定としてＢrf∝（Δν）1/2であり、かつｐ∝Δνである。電力もまた、所与の励起帯域幅Δνに対するパルスの持続時間に反比例することが判った。この持続時間は、実際には、問題となる特定物質の自由誘導減衰時間Ｔ2＊の持続時間によってのみ制限される。このことは、以下において更に詳細に論述される。
【００３５】
周波数による位相の変化は、位相の適正なスクランブル（ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ）を保証するために非線形でなければならない。線形の位相変化は、単に時間的シフトを生じる効果を持つに過ぎないが、位相をスクランブルする効果は持たない。実際には、ＮＱＲテストの場合は、２次的な位相変化（ｑｕａｄｒａｔｉｃ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）が最適であることが判った。
【００３６】
ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例について、図２に関して次に論述する。この実施例は、サンプル（スーツケースなどの如き）中の特定物質の存在の検出に特に適している。この装置は、一般的に、制御コンピュータ１００、選択された励起周波数範囲をカバーする１つ以上、通常は幾つかの連続的な無線周波励起パルスを所与の期間中にサンプルに印加する手段１０２、印加手段１０２に通すための整形されたパルスを生成する手段１０４、ＮＱＲ応答信号（ＮＱＲ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｓｉｇｎａｌ）を検出する手段１０６、およびテスト中の物質の存在についてオペレータに警報する音響的または視覚的な警報器１０８を含む。図示しないが、当該装置は、通常は、一連のサンプルが「即座に」テストできるように、装置に対してサンプルを搬送するためのコンベアの如きある手段を含む。
【００３７】
望ましい実施例の手法により、位相がパルスの間に、望ましくはパルスの持続時間の実質的な部分にわたり、例えば、パルスの少なくとも５０％、更に望ましくは少なくとも７５または９０％、最も望ましくは全パルスにわたって変化するように各個の励起パルスが整形（即ち、波形整形）される。位相変調は時間的に連続的であることが望ましく、励起パルス自体は時間的に連続的である（即ち、励起は瞬時にゼロを通過するが、励起がオフである時のパルス中は期間がない）。
【００３８】
望ましい実施例に関して更に詳細に見れば、励起パルス印加手段１０２は、出力がテストされるサンプルの付近に配置された１つ以上のｒ．ｆ．コイル（図示せず）を含むｒ．ｆ．プローブ１１２に接続される無線周波電力増幅器１１０を含む。
【００３９】
ｒ．ｆ．プローブ１１２もまた、これもｒ．ｆ．受信機と検出回路１２０とを含む検出手段１０６の一部を形成する。
整形パルス生成手段１０４は、パルスを調時するトリガー信号を生じるためのパルス・プログラマ１３０と、既知のキャリヤ基準周波数および固定振幅で無線周波キャリヤ信号を生成し、信号がトリガー信号によりゲートされる、連合王国のＳＭＩＳ社製の分光器１３２と、キャリヤ信号の振幅を変調するため波形を記憶された表示から生成する、その出力がトリガー信号によって初期化される連合王国のＦａｒｎｅ１１社製の関数発生器１３４（モデル番号ＳＦＧ２５、その出力もまたトリガー信号により開始される）と、変調波形とキャリヤ信号とを混合して混合された信号を無線周波電力増幅器１１０へ送る２重平衡ミクサ１３６とを含む。このように、整形パルス生成手段１０４がサンプルに対して他の方法で位相変調されず振幅変調される時間域励起波形を印加することが可能であることが判るであろう。
【００４０】
コンピュータ１００は、最終的に全てのパルス、その無線周波数、時間、幅、振幅および位相を制御する。このコンピュータは、励起パルスの印加をプローブ１１２に隣接する特定サンプルの到達と実数質的に同時に調時するように構成されている。また、このコンピュータは、検出手段１０６から検出されたＮＱＲ応答信号を受取り、この信号を処理して信号の加減を行い、最後に適当ならば警報器１０８をトリガーするように働く。
【００４１】
先に述べたように、本発明は、励起周波数により略々非線形的に変化する励起の位相に基いている。このため、励起は、（式Ｅ（ω）＝Ｅreal（ω）＋ｉ．Ｅimaginary（ω）の）周波数域における複素関数として表わすことができる。一般に、励起はまた、（式Ｅ（ｔ）＝Ｅreal（ｔ）＋ｉ．Ｅimaginary（ｔ）の）時間域における複素機能でもある。従って、純粋に振幅変調された時間域の励起波形は、一般に本発明の目的に対しては充分ではなく、その結果図２の装置は一般に不適である。しかし、この装置を使用できる特殊な場合がある。
【００４２】
２つのこのような場合について、次に図３および図４に関してそれぞれ例示される。両方の事例において、時間域における機能は固定された長さは持たず、従ってこれらをゼロになろうとする両端において対称的に栽頭（ｔｒｕｎｃａｔｅ）することが必要となった。この栽頭の結果は、周波数域における種々のアーチフアクト（ａｒｔｅｆａｃｔ）を生じたことである。これらのアーチファクトは、必要に応じて、ある必然形態を用いることにより低減することはできる（しかし、避けられない）。
【００４３】
第１の事例（図３）において、周波数域の励起スペクトルに対して矩形形状が選択された。選択された励起周波数範囲にわたる位相の変化は、周波数オフセット値（Δν＝ν−ν0）に関して必然的であり、中心（キャリヤ）周波数（ν0）付近では非対称的であった。即ち、更に低い周波数においては、半分の範囲の位相が２次的に変化して負であり、中心周波数においては、位相はゼロであり、更に高い周波数の半分の範囲では、位相は２次的に変化して正であった。
【００４４】
このスペクトルの逆フーリエ変換により得た時間域波形は、図３ａ（波形の実数部分）および図３ｂ（仮想部分）に示される。この波形は、１ｍｓの持続時間へ栽頭された。本例においては、仮想的部分が理論ではゼロであり、スペクトルの中心が点５１２と点５１３の間ではなく１０２４の点５１２でとられたために僅かに見えることに注目されたい。
【００４５】
図３ａおよび図３ｂにおいて、無線周波キャリヤ信号が明瞭にするために省かれていることが理解されよう。実際には、図３ａおよび図３ｂは、キャリヤ信号と混合される変調波形（整形機能）を表わす。この約束がこれから用いられる。
【００４６】
図３ｃは、図３ａおよび図３ｂの波形のフーリエ変換の係数を示す。純粋に矩形の形状からの逸脱は、波形の栽頭によって生じる。
図３ｄは、時間域波形の仮想的部分（図３ｂ参照）がゼロに設定されたことを除いて、図３ｃと同じである。図３ｄが図３ｃから過度に異ならないことが判る。これは、波形の仮想的部分が如何なる場合も小さい故である。従って、波形の仮想的部分を無視して図３ａに示された実数部分のみを変調波形として用いることが了解し得る。
【００４７】
このように、第１の事例において、実数際には図３ａに示された波形のみが装置の第１の実施例（図２）における変調波形として用いられた。この波形がキャリヤ信号を振幅変調するが、他の方法では位相変調しない。無論、（例えば、２つの信号の相互の掛合せによって得られる）「純粋の」振幅変調でさえ（０°と１８０°の間に）位相の変化を生じることが理解されよう。
【００４８】
図３ｅは、問題となる物質として爆発物ＲＤＸによる実数験結果を示す。ＮＱＲテスト装置を用いて、ＲＤＸの14Ｎν共鳴の１つ（室温において略々１．４ｍｓの自由誘導減衰時間丁2＊と約２００Ｈｚの線幅を持つ５１９２ＫＨｚ付近のもの）を励起した。分光器のキャリヤ周波数に関して検出手段により検出されたＮＱＲ信号下の積分面積の変化が提示される。円形のデータ点が、２０ＫＨｚの帯域幅（選択された励起周波数範囲）を持つ励起パルスを表わし、方形データ点に対する帯域幅は１０ＫＨｚであった。
【００４９】
２組の実験的データ点がよく一致することが判る。２０ＫＨｚの帯域幅に対しては、パルスに対するピーク電力（Ｐ）が９０°effectiveのパルスに対して２０８Ｗであった。これは、同じ励起帯域幅の対応する矩形状の励起パルスに対する２０００Ｗのピーク電力と比肩する。
【００５０】
第２の事例（図４）においては、キャリヤ周波数に関して対称的である矩形形状が周波数域の励起スペクトルに対して再び選択されたが、所要の矩形状スペクトルの上半部のみが選択された。選択された励起周波数にわたる位相の変化は２次的であった。この事例は、キャリヤ周波数ν0が線形の変調信号νmと多重化（混合され振幅変調）されるならば、その結果は元のキャリヤのまわりで対称的な１対の周波数であり、キャリヤ自体はν1.2＝ν0±νmとなった。従って、キャリヤ周波数の片側における所要の帯域幅の半分をカバーする複合波形が得られ、従ってこの波形の実数部分がとられるならば、完全な帯域幅がカバーされる。これは、図４に示される。
【００５１】
図４ａは、上半部の帯域幅の逆フーリエ変換によって得られる時間域波形の係数を示す。破線は、波形が１ｍｓのパルス持続時間を生じるように栽頭されたところを示す。図４ｂは、この波形の栽頭された実数部分を示している。この実数部分は、キャリヤ信号を変調するため用いられた変調波形である。図４ｃは、図４ｂの栽頭波形のフーリエ変換の実数部分を示すが、図４ｄはこの変換の係数を示している。矩形形状からの逸脱は、やはり栽頭によるものに過ぎない。図４ｄにおいて、キャリヤ周波数は破線として示される。図４ｄから、キャリヤ周波数の両側の励起が存在することが明瞭である。
【００５２】
図４ｅは、図３ｅに関して述べたものと類似するが、図３ａの変調波形ではなく図４ｂの変調波形を用いた実験の結果を示す。励起パルスの帯域幅は２０ＫＨｚであった。図４ｅにおけるプロット（ｐｌｏｔ）は、図３ｅにおけるそれに厳密に一致する。パルスに対するピーク電力（Ｐ）は、９０。effectiveパルスに対して１３３Ｗであった。
【００５３】
図４ｆは、より低い半帯域幅の逆フーリエ変換により得た変調波形を用いて得られたことを除いて、図４ｅに示されたものと類似するプロットである。この変調波形は、実際に、図４ｂに示されたものの時間的に反対のものである。図４ｅと図４ｆとは、前者が５１９２ＫＨｚ付近のＮＱＲ信号におけるピークを示すが後者は同じ領域における谷部を示す点においてのみ異なる。ＮＱＲ応答信号が励起に厳密に追従したものであれば、領域が（図４ｄに示されるように）略々平坦となることが予期される。
【００５４】
この相違に対する説明は下記の如くである。図４ｅの実験では、キャリヤ周波数から遠く離れた周波数がパルスの初めに加えられたが、キャリヤ周波数付近の周波数は図４ｂにおいて判るように終端で加えられた。このように異なるＮＱＲ共鳴が異なる瞬間において励起された。テスト中のＲＤＸの特定の共鳴周波数に対する１．４ｍｓの自由誘導減衰時間Ｔ2＊は、１ｍｓのパルス長さよりそれほど大きくはない。従って、パルスの初めに励起される中心周波数から遠く離れた共鳴は、パルスの持続時間中に既に部分的に減衰しており、従ってパルスの終りのみで励起される中心近くよりもパルスの終り後に生じる方が時間検出によって弱められる。図４ｆにおいては、時間的に反転した関数が用いられるため、その逆が真であり、このことは図４ｅのピークが逆になることを説明している。
【００５５】
従って、本発明を用いてＮＱＲテストを実施する時、検出前にＮＱＲ共鳴信号の受入れ難い損失を防止するためには、パルス持続時間がテストされる物質のＴ2＊に関して慎重に制御されることが重要である。従って、パルスの持続時間は、望ましくはＴ2＊の２倍より少ないこと、更に望ましくはＴ2＊の１００％、７５％、あるいは更に５０％であることである。この場合には、パルス持続時間は１ｍｓ／１．４ｍｓ＝７０％である。
【００５６】
Ｔ2＊に関してパルス持続時間を最大化する１つの方法は、図４ｆに関して述べた種類の同数のパルスが後続するＮＱＲテスト装置に対して図４ｅに関して述べた種類の所与の数のパルスを生成し、あるいはその逆のパルスを生成するように構成される。２組の応答の付加は、励起帯域幅にわたり実質的に平坦な応答を次に生じることになる。この手法は、Ｔ2＊がＲＤＸに対するよりも爆発薬ＴＮＴおよびＰＥＴＮの如き爆発薬に対して短くなると予測されるので、この爆発薬をテストする時に重要である。
【００５７】
略々１．４ｍｓのＴ2＊を持つものとして先に述べたＲＤＸの特定のν+線は、探索に特に有利な線である。他のν+線は、１ｍｓより少ないＴ2＊を持ち、従ってより短いパルスの使用を必要とする。これは、励起パルスのピーク電力を上昇させる不利益を持つことになる。
【００５８】
ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例の変更例については、次に図５に関して述べる。整形パルス生成手段２０４のみが示され、残りの構成要素は図２に関して述べた実施例のそれと同一である。広義には、この変更例の生成手段２０４は、単一チャンネル構成ではなく２重チャンネルであることを除いて、生成手段１０４に類似している。従って、この手段は、位相変調されると共に振幅変調される波形を生じることができる。
【００５９】
この変更例もまた、パルス・プログラマ２３０と分光器２３２とを含んでいる。しかし、２つの関数発生器（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２３４ａおよび２３４ｂ、および２つの２重平衡ミクサ２３６が設けられる。更に、直角ハイブリッド０〜９０°スプリッタ２３８、コンパイナ（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）２４０および抵抗２４２、２４４が設けられる。この実施例においては、スプリッタ２３８は、Ｍｉｎｉ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ（米国）社により製造されたモデル番号ＰＳＣＱ２−５−１である５ＭＨｚスプリッタであり、コンパイナ２４０およびミクサ２３６は共に、Ｈａｔｆｉｅｌｄ（連合王国）により製造され、それぞれモデル番号ＤＰ１０２およびＭＣ２９１を持つ。抵抗２４２は５６Ωであり、抵抗２４４は５６０Ωである。抵抗２４２の全回路網は抵抗２４４と共に、関数発生器２３４により示される５０Ωの抵抗値を生じる結果となる。
【００６０】
当該変更例は下記の如く機能する。第１の実施例に関して述べたように、分光器２３２がゲートされ、関数発生器２３４の出力がパルス・プログラマ２３０によって開始される。スプリッタ２３８は、無線周波キャリヤ信号から関連する象限に２つの無線周波信号を生じる。関数発生器２３４ａおよび２３４ｂは、変調波形の実数部分と仮想部分とをそれぞれ生成する。抵抗２４２は、関数発生器からのケーブルと一致するインピーダンスを与えるが、抵抗２４４は関数発生器の電圧出力をミクサ２３６へ通過するための電流出力へ変換する。ミクサ２３６における関連する変調波形およびキャリヤ信号の混合後に、２つの結果として得る波形がコンパイナ２４０で組合わされて、無線周波電力増幅器１１０へ通過させる振幅変調信号および位相変調信号を形成する。
【００６１】
当該変更例の修正においては、単一の関数発生器を提供することができる。この発生器の出力は、更に別の直角ハイブリッドを通過させられ、このハイブリッドの２つの出力はミクサ２３６の各々へ通過させられる。この修正例は、通信分野において抑制されたキャリヤによる単一側波帯変調として知られる種類の変調を生じる。この修正例は、直角ハイブリッドが非常に低い周波数で動作するというあり得る短所を有する。
【００６２】
本発明の使用の第３の例については、図６に関して次に述べる。励起スペクトルが略々矩形状であり２次的位相変動を含む、図５に関して述べた装置の変更例が使用された。図６ａにおいて、所望の矩形状周波数域の励起スペクトルの逆フーリエ変換により得られる変調波形の栽頭係数が示される。この波形の実数部分と仮想部分が、図６ｂおよび図６ｃにおいてそれぞれ示される。この波形のフーリエ変換の係数は図６ｄに示されるが、このスペクトルの実数部分は図６ｅに示される。図６ｄに示された波形は、図６ａの波形が栽頭された故に、完全に矩形状ではない。最後に、図６ｆにおいて、時間域励起パルスのオッシログラムが示される。これは、無線周波キャリヤ信号における変調波形の効果を示している。
【００６３】
このパルスのピーク電力は１．４４Ｗであった。励起パルスに対するピーク磁界（Ｂrf）は、３０。effectiveのフリップ角で０．１６ｍＴより大きくはなく、１５ＫＨｚに対しては励起帯域幅であった。これらは、事例のどれかのピーク電力おいてＢrfの最低値である。これらの低い値は、主として時間域波形の係数が例えば図３ａによるゼロ交差を持たず（図６ａと比較）、むしろ比較的平坦であった故に得られ、その結果電力は励起の期間中にさえ擾乱されることになった。
【００６４】
ＮＱＲテストの第４の事例においては、先に述べた種類の整形パルスを用いてエコー応答が５．１９ＭＨｚにおけるＲＤＸのＮＱＲ共鳴から生成され得ることが判った。実験のため、１対の９０。effective整形パルスが使用された。（フリップ角が生成されるエコーに対して９０。effective以上に近い必要があることが判るであろう。）より大きいフリップ角以外に、個々のパルスは第３の事例に関して述べたものと同一である。特に、２次的な位相変化が用いられた。エコー信号の振幅は、１対の矩形状９０。effectiveパルスを用いて得られるものに類似することが判った。この第４の事例におけるＢrfの値は、０．４７ｍＴであった。
【００６５】
先に述べた実施例または事例のどれかにおいて、周波数に対する既知の所望の位相依存性に基くデータ操作によって、励起の最終的スペクトルにおける位相の歪みを反転させることが可能でなければならないことが判るであろう。検出の目的のためには、係数ではなく吸収モード信号を用いることができる。
【００６６】
比較的小さな線幅を呈する信号を持つ物質での実験において、本文に述べた整形パルスが最も良好に用いられることが判った。小さな線幅は、これが低いＢrfフィールドおよび低い電力による大きな周波数範囲の励起を可能にする故に好ましい。比較的広い線しか得られなければ、より高い電力を用いる必要がある。ＲＤＸの場合は、良好な線は５１９０ＫＨｚにおけるものであり、これは室温で僅かに約２００Ｈｚの線幅を持つ。
【００６７】
無論、本発明が単に例示として本文に記述され、細部の修正が本発明の範囲内で可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１（従来技術）は、時間域の矩形状励起パルス（図１ａ）とその周波数域の相等パルス（図１ｂ）を示す。
【図２】図２は、本発明によるＮＱＲテスト装置の望ましい実施例のブロック図を示す。
【図３ａ】図３ａは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｃ】図３ｃは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｄ】図３ｄは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｅ】図３ｅは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図４ａ】図４ａは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｄ】図４ｄは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｅ】図４ｅは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｆ】図４ｆは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図５】図５は、ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例の変更態様のブロック図を示す。
【図６ａ】図６ａは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｃ】図６ｃは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｄ】図６ｄは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｅ】図６ｅは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｆ】図６ｆは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図１】
2005221512.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
2005221512.tif 000015
【図５】
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【図６ａ】
2005221512.tif 000017
【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月1日(2005.4.1)
【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】
サンプルをテストする核四極子共鳴（ＮＱＲ）装置において、
サンプルに対して励起を印加する励起印加手段であって、該励起印加手段が、１つ以上のｒ．ｆ．コイルを含むｒ．ｆプローブと、パルス電気信号が該１つ以上のｒ．ｆコイルに流され、該ｒ．ｆコイルが電磁放射に関する複数の励起パルスを発生し、該各々の励起パルスが周波数範囲にわたり電磁放射を提供する様に該パルス電気信号を発生するパルス発生手段とを備える該励起印加手段と、
該１つまたはそれ以上のｒ．ｆコイルが、該サンプル内にＮＱＲ共鳴を励起する電磁放射に関する少なくとも１つの励起パルスを生じるように該パルス発生手段を制御し、更に該励起パルスが選択された周波数範囲にわたって電磁放射を提供し、該選択された周波数範囲で電磁放射の位相が電磁放射の周波数に関して非線形に変化するように該パルス発生手段を制御する制御手段と、
少なくとも１つの励起パルスに対する応答信号を検出する検出手段であって、該検出手段が、ｒ．ｆ．受信手段と、検出回路とを含み、該制御手段の制御下にある該検出手段と、
を含む該装置。
【請求項２】
前記制御手段が、各励起パルスにより提供された電磁放射の時間領域波形のエンベロープが該励起パルスの持続時間どの時間でもゼロでないように前記パルス発生手段を制御する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記励起印加手段が、時間領域波形が振幅変調と位相変調の両方が行われる励起を印加するためのものである請求項第１項または第２項に記載の装置。
【請求項４】
前記パルス電気信号発生手段が、９０度位相の関係にある２つの信号を生成する手段と、前記信号を組合わせて振幅変調されかつ位相変調された励起を形成する手段とを含む請求項第３項記載の装置。
【請求項５】
前記励起印加手段が、時間領域波形が振幅変調されるがそれ以外には位相変調されない励起を印加するためのものである請求項第１項記載の装置。
【請求項６】
前記励起印加手段が、時間領域波形がチャープ関数により変調される励起を印加するためのものである請求項第１項または第２項に記載の装置。
【請求項７】
前記励起印加手段が、キャリヤ信号を生成する手段と、選択された範囲にわたって励起周波数により位相が非線形的に変化する励起を生じるように該キャリヤ信号を変調する変調手段とを含む請求項第１項乃至第６項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記変調手段が、キャリヤ信号を変調するための変調波形の表示を記憶する手段を含む請求項第７項記載の装置。
【請求項９】
前記励起の位相が、周波数オフセット値により２次的に変化する請求項第１項乃至第８項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記励起印加手段が、少なくとも１つのエコー応答信号を生成するように複数の励起パルスを印加するためのものである請求項第１項乃至第９項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記制御手段が、周波数領域スペクトラムの強さが、前記選択された励起周波数範囲にわたって実質的に一定であるように、前記パルス発生手段を制御する請求項１乃至１０の記載のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記サンプル中の所与のＮＱＲ物質の存在を検出するために、該物質の存在を示すためのアラームを含む請求項第１項乃至第１１項のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
サンプルをテストする核四極子共鳴（ＮＱＲ）方法において、
少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップと、
該少なくとも１つの該パルス電気信号を１つまたはそれ以上のｒ．ｆコイルに流し、電磁放射の少なくとも１つの励起パルスを生じ、該各々の励起パルスが周波数範囲にわたり電磁放射を提供するステップと、
ＮＱＲ応答信号を検出するステップと、
を備え、
該少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップが、励起パルスが選択された周波数範囲にわたり電磁放射を提供し、該電磁放射の位相が該選択された周波数範囲にわたり該電磁放射の周波数に関して非線形に変化するように少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップを含む該方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップが、各励起パルスにより提供された電磁放射の時間領域波形のエンベロープが該励起パルスの持続時間のどの時間でもゼロでないように、該少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップを含む請求項第１３項に記載の方法。
【請求項１５】
前記励起の時間領域波形が位相変調と振幅変調の両方が施される請求項第１３項または第１４項に記載の方法。
【請求項１６】
前記励起の時間領域波形が、振幅変調されるがその他の方法で位相変調されない請求項第１３項記載の方法。
【請求項１７】
前記励起の時間領域波形がチャープ関数により変調される請求項第１３項または第１４項に記載の方法。
【請求項１８】
前記励起周波数（ν）に関連する励起の位相の変化がキャリア周波数（ν0）の付近で対称的である請求項第１３項乃至第１７項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
前記励起周波数（ν）に関連する励起の位相の変化がキャリア周波数（ν0）の付近で反対称的である請求項第１３項乃至第１７項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２０】
前記励起の位相が、周波数オフセット値により２次的に変化する請求項第１３項乃至第１９項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２１】
少なくとも１つのエコー応答信号を生じるように複数の励起パルスが印加される請求項第１３項乃至第２０項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２２】
選択されたＮＱＲ共鳴が、少なくとも１つの励起パルスにより励起され、励起パルスの持続時間が当該共鳴に適する自由誘導減衰時間Ｔ2＊の２倍より少ない請求項第１３項乃至第２１項のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】
前記持続時間が、Ｔ2＊の１００％より少なく、望ましくは７５％あるいは更に５０％より少ない請求項第２２項記載の方法。
【請求項２４】
前記サンプル中の所与のＮＱＲ物質の存在を検出するステップを含む請求項第１３項乃至第２３項の方法。
【請求項２５】
前記物質の存在がアラームにより指示される請求項第２４項の方法。
【請求項２６】
前記サンプルが、多結晶物質を含む請求項だ１３項乃至第２５項の方法。
【請求項２７】
四極子核を含むサンプルの核四極子共鳴（ＮＱＲ）自由誘導減衰時間Ｔ2＊を延長する方法において、
少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップと、
該少なくとも１つの該パルス電気信号を１つまたはそれ以上のｒ．ｆコイルに流し、電磁放射の少なくとも１つの励起パルスを生じ、該各々の励起パルスが周波数範囲にわたり電磁放射を提供するステップと、
ＮＱＲ応答信号を検出するステップと、
を備え、
該少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップが、励起パルスが選択された周波数範囲にわたり電磁放射を提供し、該電磁放射の位相が該選択された周波数範囲にわたり該電磁放射の周波数に関して非線形に変化するように少なくとも１つのパルス電気信号を発生するステップを含む該方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルをテストする核共鳴のための装置および方法に関する。このようなテストは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）テストまたは核四極子共鳴（ＮＱＲ）テストであることもある。
【０００２】
特に、本発明は、ＮＱＲ効果を呈する幾つかの物質のサンプルにおける存在についてのＮＱＲテストに関する。このような物質は、ヘロインまたはコカインの如き薬物や、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＨＭＸおよびＰＥＴＮの如き爆発物を含む。典型的には、当該装置および方法は、空港の荷物におけるこのような物質の存在についてテストするために用いられる。
【０００３】
ある物質の存在についてのＮＱＲテスト法は、例えば、（全てがＢｒｉｔｉｓｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｇｒｏｕｐ  Ｌｔｄ．の名義における）連合王国特許出願第ＧＢ−２２５４９２３号、同第ＧＢ−２２５５４１４号および同第ＧＢ一２２５５８３０号から公知である。このような方法は、ＮＱＲ共鳴を励起するためサンプルに対して励起を加え、ＮＱＲ共鳴応答信号を検出するステップを含む。（ヘロイン、コカイン、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＨＭＸおよびＰＥＴＮの如き）問題の物質は充分に特性付けられ、明白な共鳴応答特性を持つので、特定の物質がサンプル中に存在するかどうかについて情報を生じるように、ＮＱＲ共鳴応答信号を分析することが可能である。当該物質が存在すると決定されると、警報が鳴らされる。
【背景技術】
【０００４】
公知の技術においては、励起は無線周波放射のパルスの形態をとる。時間領域においては、これらパルスの波形は矩形状である。このような矩形状パルスは、鮮鋭な中心ピーク域と、この中心ピークから振幅が減少する側波帯とを持つスペクトルとして周波数領域に現れる。矩形状パルスの周波数領域の帯域幅が時間領域の持続時間（または幅）と逆に関連しており、その結果パルスが短いほど帯域幅が大きくなることが理解されよう。正確なＮＱＲ周波数は、サンプルの温度に依存するのでサンプル温度が正確に判らない時に該種々の物質の存在についてテストするために、大きな帯域幅（典型的には、２０ＫＨｚ）が要求される。このことは、短いパルス（例えば、３０μ秒）を必要とする。検出し得る応答信号を得るために物質を充分に励起するには、パルスのピーク無線周波電力がプローブの体積に応じて、例えば２ｋＷ以上である必要がある。このようなレベルのピーク電力は不都合にも高いものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、公知技術において得られたものと類似の性能を提供し得るがより低い無線周波電力を用い、望ましくは矩形状パルスの使用を避けるＮＱＲテスト装置および方法の提供を目的とする。
【０００６】
本発明によれば、サンプルに励起を加えてＮＱＲ共鳴を励起し、この励起が少なくとも１つの励起パルスを含み、各パルスが選択された励起周波数範囲をカバーし、各パルス毎に励起位相が選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化する手段と、ＮＱＲ応答信号を検出する手段と、を備えるサンプルのテスト用核四極子共鳴のための装置が提供される。
【０００７】
前記励起は、適当に、キャリヤ周波数ν0で励起パルスを生じ、励起位相は周波数オフセット値（Δν＝ν−ν0）により略々非線形的に変化する。
本発明は、励起周波数により位相が非線形的に変化する励起を加えることにより、励起のピーク電力が非常に著しく低減され得るという本発明に関して得られた核四極子共鳴の分野における驚くべき発見に因るものである。１つの事例において、ピーク電力はある大きさ以上に低減された。ピーク無線周波磁界における非常に著しい低減もまた達成された。
【０００８】
Ｓ．Ｇｕａｎ著「逆フーリエ変換法を用いる２つのエネルギ準位系に対する最適な励起パルスの生成（Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｍａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｏｒ  ｔｗｏ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｍｅｔｈｏｄ）」（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．第９６巻、第１１部、１９９２年、７９５９ｆｆページ）なる名称の論文から、励起周波数に対して位相が非線形的に変化する励起を異なる技術分野の核磁気共鳴（ＮＭＲ）において用いることが公知である。このような励起は、異なる問題、即ち、ＮＭＲ溶媒抑制の問題を解決するために用いられる。この励起は、周波数領域において欠けのあるスペクトルを生じる。上記論文は、Ｓ．Ｇｕａｎ著「フ一リェ変換イオン・サイクロトロンの質量分光法のための一般相変調法（Ｇｅｎｅｒａｌ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  ｉｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）」（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．第９１巻、第２部、１９８９年、７７５ｆｆページ）なる名称のより以前の論文に続くものである。（Ａ．Ｇ．ＭａｒｓｈａｌｌおよびＦ．Ｒ．Ｖｅｒｄｕｎ著「ＮＭＲ、光および質量の分光法におけるフーリエ変換一ユーザのハンドブック（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ  ｉｎ  ＮＭＲ，  Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，  Ａ  Ｕｓｅｒｓ’  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ社、１９９０年刊））も参照されたい。
【０００９】
しかし、ＮＭＲテストにおけるこのような励起の使用のためのＧｕａｎが提起した手法は、テストされる物質がブロッホ（Ｂｌｏｃｈ）の式に従う２準位系であるという仮説に依存する故に、ＮＱＲテストに応用されることは期待されない。ブロッホの式は、液体におけるＮＭＲ、イオン・サイクロトロン共鳴、ＦＴの質量分光法および電子レーザ分光法に適用され得ることを知るべきである。しかし、これらの式は、ＮＱＲ効果を呈する物質には適用し得ない。従って、Ｇｕａｎの手法は、ＮＱＲにおいて有効であるとは予期されない。実際においては、何故かは完全に理解されないが、この手法が実際にＮＱＲにおいて有効であることは驚くべきことである。
【００１０】
また、Ｇｕａｎの手法が振幅変調だけで他の位相変調されない励起の時間的波形に対して慎重に限定されることも知るべきである。（それ自体による振幅変調が、振幅が正と負の値の間で変化する時、例えば、０°と１８０°間の位相の変調を含むことが理解される。）
望ましくは、励起の期間中は、時間的励起波形のエンベロープがゼロ交差を持たない。このことは、励起のピーク電力（および、無線周波磁界）を著しく低減するという利点を持ち得る。
【００１１】
望ましい一実施例において、励起印加手段を用いて、時間的波形が振幅変調と位相変調の両方が行われる励起を加える。波形が単に振幅変調される場合とは対照的に、この構成は、エンベロープがゼロ交差を持たない励起波形を生じるために用いることができる。
【００１２】
この構成においては、前記印加手段が、関連する象限にある２つの信号を生じる手段と、振幅変調および位相変調された励起を生じるために信号を組合わせる手段とを含むことが望ましい。更に、信号生成手段が、信号を生成してこの信号を関連する象限の２つの信号へ分ける手段を含むこともまた望ましい。これら２つの特徴は、本発明を実施する簡単な方法をもたらすことができる。
【００１３】
これら特徴は、Ｒ．Ｊ．Ｗｉｔｔｅｂｏｒｔ等の「高速の位相変調器および振幅変調器（Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）」（Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．第９６巻、１９９２年、６２４ｆｆページ）なる名称の論文からそれ自体公知であることを知るべきである。この論文に記載された変調器は、14ＮＱＲテストにおいて問題となることが多い、例えば０．５乃至６または８ＭＨｚの周波数範囲をはるかに越える３０ＭＨｚのキャリヤ周波数で動作されるように設計されている。
【００１４】
以後の信号分けのために、２つの種類の信号が生成される。前記生成手段は、固定された振幅でキャリヤ信号を生じるように供される。それに代えて、もしくはそれに加えて、この生成手段は、変化する振幅を持つ信号を生成するために供される。
【００１５】
代替的な望ましい実施例においては、前記印加手段は、時間領域波形が振幅変調されるが他の方法では位相変調されない励起を印加するためのものであることが望ましい。この実施例は、他の実施例において達成し得るほど低いピーク励起電力を得ることを許容するものではないが、位相を直接的に変調する要件がないので、より簡単に作ることが可能である。
【００１６】
更に別の望ましい実施例においては、前記印加手段は、時間領域波形がチャープ関数（ｃｈｉｒｐ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）により変調される励起を印加するために供される。これは、チャープ関数の実現が容易であるために本発明を実施する特に簡単な方法である。このチャープ関数は、例えば、形態ＣＯＳ（ωｔ2）の線形チャープ関数でよく、即ち、変調は純粋な位相変調であり、この位相は周波数オフセットに関して線形的に変調される。
【００１７】
どの実施例においても、望ましくは励起印加手段が、キャリヤ信号を生成する手段と、このキャリヤ信号を変調して選択された励起周波数範囲にわたる励起周波数により位相が略々非線形的に変化する励起を生じる手段とを含む。これは、本発明を実施する特に便利な方法であり得る。この変調手段は、キャリヤ信号を変調するための変調波形の表示を記憶する装置を適当に含む。
【００１８】
励起周波数による励起の位相の変化は、例えば、キャリヤ周波数ν0に関して対称的でもあるいは反対称的でもよい。いずれの場合も、位相の変化は２次的であり（即ち、（ν−ν0）2に比例し）、これが低いピーク励起電力を生じることが判った。別の可能性は、統計的ノイズで位相を変化させることであるが、これはノイズに富むスペクトルを生じる結果となり得、更なる短所は、時間領域波形が多くのゼロ交差を持ち、その結果時間が効率的に使用されないことになる。
【００１９】
位相変化が２次的であるならば、１つの特に望ましい実施例では、少なくとも１つのエコー応答信号を生じるように複数の励起パルスが加えられる。テストされる物質のスピン格子緩和時間Ｔ1が特に比較的長い状況では、自由誘導減衰信号とは対照的に、エコー応答信号を生成することが有利である。
【００２０】
この特徴は、位相の変化が２次的である整形パルスがＮＱＲ応答信号の位相を保存する（即ち、保つ）という本発明に関してなされた驚くべき発見から生じる。このような位相の保存は、エコーの連続的な生成のために必要である。
【００２１】
周波数領域の励起スペクトルは、選択された励起周波数範囲にわたって実質的に一定である。このため、励起はこの周波数範囲にわたって均一であり得る。
本発明は、
サンプルに対して、少なくとも１つの励起パルスを含み、各励起パルスが選択された周波数範囲をカバーし、各励起パルス毎に励起位相が選択された範囲にわたって励起周波数により略々非線形的に変化する励起を、加えてＮＱＲ共鳴を励起するステップと、
ＮＱＲ共鳴信号を検出するステップと
を含む、サンプルをテストする核四極子共鳴の方法に展開する。
【００２２】
選択されたＮＱＲ共鳴が励起されて、もしそうであれば、励起の持続時間は、この共鳴に適する、自由誘導減衰時間（ｆｒｅｅ  ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｄｅｃａｙ  ｔｉｍｅ）Ｔ2＊の２倍より小さいことが望ましい。このことは重要な特徴であり、これがＮＱＲ応答信号が検出される前にこのＮＱＲ応答信号の受け入れがたい損失が生じないことを保証し得る。持続時間は、実際にＴ2＊の１００％、７５％あるいは更に５０％より小さいことが望ましい。
【００２３】
本発明の密に関連する特質において、選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を加えて核共鳴を励起する手段と、時間領域波形が振幅変調と位相変調の両方を行う励起を加えるための応答信号を検出する手段とを含む、サンプルをテストする核共鳴のための装置が提供される。
【００２４】
別の密に関連する特質において、選択された励起周波数範囲にわたり励起を加えてＮＱＲ共鳴を励起する手段と、ＮＱＲ共鳴信号を検出し、励起の位相が選択された範囲にわたり励起周波数により略々非線形的に変化する手段とを含む、サンプルをテストする核四極子共鳴のための装置が提供される。
【００２５】
類似する方法もまた提供される。
上記の全ての特徴は、本発明のこれら特質に適用する。
更に密に関連する特質において、本発明は、励起を４重極を含むサンプルの核四重極共鳴（ＮＱＲ）の自由誘導減衰時間Ｔ2＊を延期する方法を提供し、ＮＱＲ共鳴を励起するため選択された励起周波数範囲にわたりサンプルに対して励起を加えるステップを含み、励起の位相が選択された範囲にわたる励起周波数により略々非線形的に変化する。
【００２６】
本発明のこのような特質は、核信号が変化する位相により励起されるならば、自由誘導減衰の長さが一定位相による単純な励起の場合に比較してより大きいという本発明に関する発見から生じる。このことの理由は、印加された励起自体が何故このような状況において長くなるのかの以下の理由と類似するように思われる。
【００２７】
観察されるべきｆ．ｉ．ｄ．時間Ｔ2＊における著しい変化に対して、印加される励起は核信号の帯域幅内の著しい位相変化を有するはずである。従って、適切なテストの手法は、１ＫＨｚの帯域幅によるＲＤＸの３４６０ＫＨｚのＮＱＲ線の如き広い核共鳴線である。
【００２８】
本発明のこのような特質の手法は、プローブのリング・ダウン（ｒｉｎｇ  ｄｏｗｎ）による不動作時間を短縮するために、例えば、Ｔ2＊がＴ2より小さい時に、あるいは小さなｒ．ｆ．振幅、従って小さなフリップ角度のみが使用できる状況において特に有効である。
【００２９】
本発明の特質の色々な装置の特徴に類似する方法の特徴もまた提供され、その逆も真である。
本発明の基礎をなす理論、ならびに本発明の望ましい特徴については、単なる事例として添付図面に関して次に記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明に基く基本的理論を最初に述べる。公知の矩形状励起パルスを示す図１において、このパルスは、図１ａにおける波形として時間領域に現れ、図１ｂに示されるスペクトルに、周波数領域において同等である。図１ｂのスペクトルは、中心ピークと、大きさにおいて中心ピークから減衰する側波帯を含む。図１ｂにおけるスペクトルは図１ａにおける波形のフーリエ変換であり、この図１ａの波形がこのスペクトルの逆フーリエ変換であることが判る。また、図１ａがパルスのエンベロープのみ（あるいは、更に正確には、パルスのエンベロープの半分）を実際に示し、そこではパルスが多くの無線周波振動を含むことも判るであろう。
【００３１】
持続時間Ｔの矩形状パルスの場合は、（ＮＱＲにおいて）積ＢrfＴおよび従ってフリップ角が一定のままであることを前提として、半分の高さの帯域Δνおよびピーク・パルス電力Ｐとして、Ｔが０．６／Δνに等しく、Ｐが１／Ｔ2に比例することが判る。Ｂrfは、振動する無線周波フィールドの振幅として規定される。
【００３２】
従って、既知の矩形パルスは、帯域幅が増加するに伴い、ピーク電力が強く（実際には、２次的に）増加するという短所を有する。
矩形状パルスの分析から、高電力要件が２つの主な要因によるものであることが判る。第一に、周波数領域において明らかなサイドローブ（ｓｉｄｅｌｏｂｅ）がスペクトルの有効部分（中心ピーク）に影響を及ぼすことなく実質的な電力を消費する。第二に、パルスに含まれる励起周波数の範囲が時間ゼロで同位相にある。従って、時間ゼロおよびその非常に近くにおける種々の周波数間に高いコヒーレンスが存在するが、他の時間では破壊的な干渉が生じる。このため、パルスはより短い持続時間と高いピーク電力となる。
【００３３】
ＮＱＲにおいては、これらの問題の第１のものに対する解決策が近似矩形状周波数スペクトル（ｎｅａｒ−ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｓｈａｐｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を生じるように整形されるパルスを用いること（即ち、周波数領域の励起が選択された励起周波数範囲にわたって実質的に一定であること）が判った。パルスの整形は、時間領域の励起波形の要求される形状を生じるように近似矩形状周波数スペクトルの逆フーリエ変換によって達成される。
【００３４】
これらの問題の第２のもの（時間ゼロ付近の高いコヒーレンス）に対する解決策は、位相が周波数により略々非線形的に変化する励起を用いて、時間領域における位相がスクランブルされるようにすることであることが判った。従って、単純な矩形状パルスに対する場合よりも著しく長い持続時間にわたり種々の周波数間に構造的な干渉が存在し、かつ同時に時間ゼロにおいてより少ない構造的な干渉が存在する。このように、励起パルスは、より長い持続時間とより低い電力でよい。実際に、２次的な位相変化の場合には、一定のフリップ角（ｆｌｉｐ  ａｎｇｌｅ）において、このようなパルスに対する電力Ｐが、矩形状の励起パルスの場合のようなΔν2よりも、更に近似的にΔνに比例することが判った。この結論は、ｐ∝Δν／ｔpまたはＢrf∝（Δν／ｔp）1/2なる関係に追従する。但し、ｔpはパルス長さであり、Δνおよびｔpは依存性のものではく（これらは、単純な矩形状パルスに対するものであり）、従ってｔpを一定としてＢrf∝（Δν）1/2であり、かつｐ∝Δνである。電力もまた、所与の励起帯域幅Δνに対するパルスの持続時間に反比例することが判った。この持続時間は、実際には、問題となる特定物質の自由誘導減衰時間Ｔ2＊の持続時間によってのみ制限される。このことは、以下において更に詳細に論述される。
【００３５】
周波数による位相の変化は、位相の適正なスクランブル（ｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ）を保証するために非線形でなければならない。線形の位相変化は、単に時間的シフトを生じる効果を持つに過ぎないが、位相をスクランブルする効果は持たない。実際には、ＮＱＲテストの場合は、２次的な位相変化（ｑｕａｄｒａｔｉｃ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）が最適であることが判った。
【００３６】
ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例について、図２に関して次に論述する。この実施例は、サンプル（スーツケースなどの如き）中の特定物質の存在の検出に特に適している。この装置は、一般的に、制御コンピュータ１００、選択された励起周波数範囲をカバーする１つ以上、通常は幾つかの連続的な無線周波励起パルスを所与の期間中にサンプルに印加する手段１０２、印加手段１０２に通すための整形されたパルスを生成する手段１０４、ＮＱＲ応答信号（ＮＱＲ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｓｉｇｎａｌ）を検出する手段１０６、およびテスト中の物質の存在についてオペレータに警報する音響的または視覚的な警報器１０８を含む。図示しないが、当該装置は、通常は、一連のサンプルが「即座に」テストできるように、装置に対してサンプルを搬送するためのコンベアの如きある手段を含む。
【００３７】
望ましい実施例の手法により、位相がパルスの間に、望ましくはパルスの持続時間の実質的な部分にわたり、例えば、パルスの少なくとも５０％、更に望ましくは少なくとも７５または９０％、最も望ましくは全パルスにわたって変化するように各個の励起パルスが整形（即ち、波形整形）される。位相変調は時間的に連続的であることが望ましく、励起パルス自体は時間的に連続的である（即ち、励起は瞬時にゼロを通過するが、励起がオフである時のパルス中は期間がない）。
【００３８】
望ましい実施例に関して更に詳細に見れば、励起パルス印加手段１０２は、出力がテストされるサンプルの付近に配置された１つ以上のｒ．ｆ．コイル（図示せず）を含むｒ．ｆ．プローブ１１２に接続される無線周波電力増幅器１１０を含む。
【００３９】
ｒ．ｆ．プローブ１１２もまた、これもｒ．ｆ．受信機と検出回路１２０とを含む検出手段１０６の一部を形成する。
整形パルス生成手段１０４は、パルスを調時するトリガー信号を生じるためのパルス・プログラマ１３０と、既知のキャリヤ基準周波数および固定振幅で無線周波キャリヤ信号を生成し、信号がトリガー信号によりゲートされる、連合王国のＳＭＩＳ社製の分光器１３２と、キャリヤ信号の振幅を変調するため波形を記憶された表示から生成する、その出力がトリガー信号によって初期化される連合王国のＦａｒｎｅ１１社製の関数発生器１３４（モデル番号ＳＦＧ２５、その出力もまたトリガー信号により開始される）と、変調波形とキャリヤ信号とを混合して混合された信号を無線周波電力増幅器１１０へ送る２重平衡ミクサ１３６とを含む。このように、整形パルス生成手段１０４がサンプルに対して振幅変調されるが他の方法で位相変調されない時間領域励起波形を印加することが可能であることが判るであろう。
【００４０】
コンピュータ１００は、最終的に全てのパルス、その無線周波数、時間、幅、振幅および位相を制御する。このコンピュータは、励起パルスの印加をプローブ１１２に隣接する特定サンプルの到達と実質的に同時に調時するように構成されている。また、このコンピュータは、検出手段１０６から検出されたＮＱＲ応答信号を受取り、この信号を処理して信号の加減を行い、最後に適当ならば警報器１０８をトリガーするように働く。
【００４１】
先に述べたように、本発明は、励起周波数により略々非線形的に変化する励起の位相に基いている。このため、励起は、（式Ｅ（ω）＝Ｅreal（ω）＋ｉ．Ｅimaginary（ω）の）周波数領域における複素関数として表わすことができる。一般に、励起はまた、（式Ｅ（ｔ）＝Ｅreal（ｔ）＋ｉ．Ｅimaginary（ｔ）の）時間領域における複素関数でもある。従って、純粋に振幅変調された時間領域の励起波形は、一般に本発明の目的に対しては充分ではなく、その結果図２の装置は一般に不適である。しかし、この装置を使用できる特殊な場合がある。
【００４２】
２つのこのような場合について、次に図３および図４に関してそれぞれ例示される。両方の事例において、時間領域における関数は固定された長さは持たず、従ってこれらをゼロになろうとする両端において対称的に栽頭（ｔｒｕｎｃａｔｅ）することが必要となった。この栽頭の結果は、周波数領域における種々のアーチフアクト（ａｒｔｅｆａｃｔ）を生じたことである。これらのアーチファクトは、必要に応じて、ある必然形態を用いることにより低減することはできる（しかし、避けられない）。
【００４３】
第１の事例（図３）において、周波数領域の励起スペクトルに対して矩形形状が選択された。選択された励起周波数範囲にわたる位相の変化は、周波数オフセット値（Δν＝ν−ν0）に関して２次的であり、中心（キャリヤ）周波数（ν0）付近では反対称的であった。即ち、更に低い周波数においては、半分の範囲の位相が２次的に変化して負であり、中心周波数においては、位相はゼロであり、更に高い周波数の半分の範囲では、位相は２次的に変化して正であった。
【００４４】
このスペクトルの逆フーリエ変換により得た時間領域波形は、図３ａ（波形の実数部分）および図３ｂ（虚数部分）に示される。この波形は、１ｍｓの持続時間へ栽頭された。本例においては、虚数部分が理論ではゼロであり、スペクトルの中心が点５１２と点５１３の間ではなく１０２４の点５１２でとられたために僅かに見えることに注目されたい。
【００４５】
図３ａおよび図３ｂにおいて、無線周波キャリヤ信号が明瞭にするために省かれていることが理解されよう。実際には、図３ａおよび図３ｂは、キャリヤ信号と混合される変調波形（整形関数）を表わす。この約束がこれから用いられる。
【００４６】
図３ｃは、図３ａ（波形の実数部分）および図３ｂ（波形の虚数部分）の波形のフーリエ変換の波形を示す。純粋に矩形の形状からの逸脱は、波形の栽頭によって生じる。
図３ｄは、時間領域波形の虚数部分（図３ｂ参照）がゼロに設定されたことを除いて、図３ｃと同じである。図３ｄが図３ｃから過度に異ならないことが判る。これは、波形の虚数部分が如何なる場合も小さい故である。従って、波形の虚数部分を無視して図３ａに示された実数部分のみを変調波形として用いることが了解し得る。
【００４７】
このように、第１の事例において、実際には図３ａに示された波形のみが装置の第１の実施例（図２）における変調波形として用いられた。この波形がキャリヤ信号を振幅変調するが、他の方法では位相変調しない。無論、（例えば、２つの信号の相互の掛合せによって得られる）「純粋の」振幅変調でさえ（０°と１８０°の間に）位相の変化を生じることが理解されよう。
【００４８】
図３ｅは、問題となる物質として爆発物ＲＤＸによる実験結果を示す。ＮＱＲテスト装置を用いて、ＲＤＸの14Ｎν共鳴の１つ（室温において略々１．４ｍｓの自由誘導減衰時間丁2＊と約２００Ｈｚの線幅を持つ５１９２ＫＨｚ付近のもの）を励起した。分光器のキャリヤ周波数に関して検出手段により検出されたＮＱＲ信号下の積分面積の変化が提示される。円形のデータ点が、２０ＫＨｚの帯域幅（選択された励起周波数範囲）を持つ励起パルスを表わし、方形のデータ点の帯域幅は１０ＫＨｚであった。
【００４９】
２組の実験的データ点がよく一致することが判る。２０ＫＨｚの帯域幅に対しては、パルスに対するピーク電力（Ｐ）が９０°effectiveのパルスに対して２０８Ｗであった。これは、同じ励起帯域幅の対応する矩形状の励起パルスに対する２０００Ｗのピーク電力と比肩する。
【００５０】
第２の事例（図４）においては、キャリヤ周波数に関して対称的である矩形形状が周波数領域の励起スペクトルに対して再び選択されたが、所要の矩形状スペクトルの上半部のみが選択された。選択された励起周波数にわたる位相の変化は２次的であった。この事例は、キャリヤ周波数ν0が線形の変調信号νmと多重化（混合され振幅変調）されるならば、その結果は元のキャリヤのまわりで対称的な１対の周波数であり、キャリヤ自体はν1.2＝ν0±νmとなった。従って、キャリヤ周波数の片側における所要の帯域幅の半分をカバーする複素数波形が得られ、従ってこの波形の実数部分がとられるならば、完全な帯域幅がカバーされる。これは、図４に示される。
【００５１】
図４ａは、上半部の帯域幅の逆フーリエ変換によって得られる時間領域波形を示す。破線は、波形が１ｍｓのパルス持続時間を生じるように栽頭されたところを示す。図４ｂは、この波形の栽頭された実数部分を示している。この実数部分は、キャリヤ信号を変調するため用いられた変調波形である。図４ｃは、図４ｂの栽頭波形のフーリエ変換の実数部分を示すが、図４ｄはこのフーリエ変換の波形を示している。矩形形状からの逸脱は、やはり栽頭によるものに過ぎない。図４ｄにおいて、キャリヤ周波数は破線として示される。図４ｄから、キャリヤ周波数の両側の励起が存在することが明瞭である。
【００５２】
図４ｅは、図３ｅに関して述べたものと類似するが、図３ａの変調波形ではなく図４ｂの変調波形を用いた実験の結果を示す。励起パルスの帯域幅は２０ＫＨｚであった。図４ｅにおけるプロット（ｐｌｏｔ）は、図３ｅにおけるそれに厳密に一致する。パルスに対するピーク電力（Ｐ）は、９０。effectiveパルスに対して１３３Ｗであった。
【００５３】
図４ｆは、下側半帯域幅の逆フーリエ変換により得た変調波形を用いて得られたことを除いて、図４ｅに示されたものと類似するプロットである。この変調波形は、実際に、図４ｂに示されたものの時間的に反対のものである。図４ｅと図４ｆとは、前者が５１９２ＫＨｚ付近のＮＱＲ信号におけるピークを示すが後者は同じ領域における谷部を示す点においてのみ異なる。ＮＱＲ応答信号が励起に厳密に追従したものであれば、領域が（図４ｄに示されるように）略々平坦となることが予期される。
【００５４】
この相違に対する説明は下記の如くである。図４ｅの実験では、キャリヤ周波数から遠く離れた周波数がパルスの初めに加えられたが、キャリヤ周波数付近の周波数は図４ｂにおいて判るように終端で加えられた。このように異なるＮＱＲ共鳴が異なる瞬間において励起された。テスト中のＲＤＸの特定の共鳴周波数に対する１．４ｍｓの自由誘導減衰時間Ｔ2＊は、１ｍｓのパルス長さよりそれほど大きくはない。従って、パルスの初めに励起される中心周波数から遠く離れた共鳴は、パルスの持続時間中に既に部分的に減衰しており、従ってパルスの終りのみで励起される中心により近い共鳴よりもパルスの終った後に実行される時間検出だけより弱められる。図４ｆにおいては、時間的に反転した関数が用いられるため、その逆が真であり、このことは図４ｅのピークが逆になることを説明している。
【００５５】
従って、本発明を用いてＮＱＲテストを実施する時、検出前にＮＱＲ共鳴信号の受入れ難い損失を防止するためには、パルス持続時間がテストされる物質のＴ2＊に関して慎重に制御されることが重要である。従って、パルスの持続時間は、望ましくはＴ2＊の２倍より少ないこと、更に望ましくはＴ2＊の１００％、７５％、あるいは更に５０％であることである。この場合には、パルス持続時間は１ｍｓ／１．４ｍｓ＝７０％である。
【００５６】
Ｔ2＊に関してパルス持続時間を最大化する１つの方法は、図４ｆに関して述べた種類の同数のパルスが後の続く図４ｅに関して述べた種類の所与の数のパルスを生成し、あるいはその逆のパルスを生成するようにＮＱＲテスト装置が構成されることがある。２組の応答の付加は、励起帯域幅にわたり実質的に平坦な応答を次に生じることになる。この手法は、Ｔ2＊がＲＤＸに対するよりも爆発薬ＴＮＴおよびＰＥＴＮの如き爆発薬に対して短くなると予測されるので、この爆発薬をテストする時に重要である。
【００５７】
略々１．４ｍｓのＴ2＊を持つものとして先に述べたＲＤＸの特定のν+線は、探索に特に有利な線である。他のν+線は、１ｍｓより少ないＴ2＊を持ち、従ってより短いパルスの使用を必要とする。これは、励起パルスのピーク電力を上昇させる不利益を持つことになる。
【００５８】
ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例の変更例については、次に図５に関して述べる。整形パルス生成手段２０４のみが示され、残りの構成要素は図２に関して述べた実施例のそれと同一である。広義には、この変更例の生成手段２０４は、単一チャンネル構成ではなく２重チャンネルであることを除いて、生成手段１０４に類似している。従って、この手段は、位相変調されると共に振幅変調される波形を生じることができる。
【００５９】
この変更例もまた、パルス・プログラマ２３０と分光器２３２とを含んでいる。しかし、２つの関数発生器（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２３４ａおよび２３４ｂ、および２つの２重平衡ミクサ２３６が設けられる。更に、直角ハイブリッド０〜９０°スプリッタ２３８、コンパイナ（ｃｏｍｂｉｎｅｒ）２４０および抵抗２４２、２４４が設けられる。この実施例においては、スプリッタ２３８は、Ｍｉｎｉ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ（米国）社により製造されたモデル番号ＰＳＣＱ２−５−１である５ＭＨｚスプリッタであり、コンパイナ２４０およびミクサ２３６は共に、Ｈａｔｆｉｅｌｄ（連合王国）により製造され、それぞれモデル番号ＤＰ１０２およびＭＣ２９１を持つ。抵抗２４２は５６Ωであり、抵抗２４４は５６０Ωである。抵抗２４２の全回路網は抵抗２４４と共に、関数発生器２３４により示される５０Ωの抵抗値を生じる結果となる。
【００６０】
当該変更例は下記の如く機能する。第１の実施例に関して述べたように、分光器２３２がゲートされ、関数発生器２３４の出力がパルス・プログラマ２３０によって開始される。スプリッタ２３８は、無線周波キャリヤ信号から関連する象限に２つの無線周波信号を生じる。関数発生器２３４ａおよび２３４ｂは、変調波形の実数部分と虚数部分とをそれぞれ生成する。抵抗２４２は、関数発生器からのケーブルと一致するインピーダンスを与えるが、抵抗２４４は関数発生器の電圧出力をミクサ２３６へ通過するための電流出力へ変換する。ミクサ２３６における関連する変調波形およびキャリヤ信号の混合後に、２つの結果として得る波形がコンパイナ２４０で組合わされて、無線周波電力増幅器１１０へ通過させる振幅変調信号および位相変調信号を形成する。
【００６１】
当該変更例の修正においては、単一の関数発生器を提供することができる。この発生器の出力は、更に別の直角ハイブリッドを通過させられ、このハイブリッドの２つの出力はミクサ２３６の各々へ通過させられる。この修正例は、通信分野において抑制されたキャリヤによる単一側波帯変調として知られる種類の変調を生じる。この修正例は、直角ハイブリッドが非常に低い周波数で動作するというあり得る短所を有する。
【００６２】
本発明の使用の第３の例については、図６に関して次に述べる。励起スペクトルが略々矩形状であり２次的位相変動を含む、図５に関して述べた装置の変更例が使用された。図６ａにおいて、所望の矩形状周波数領域の励起スペクトルの逆フーリエ変換により得られた栽頭された変調波形が示される。この波形の実数部分と虚数部分が、図６ｂおよび図６ｃにおいてそれぞれ示される。図６ａ波形のフーリエ変換の波形は図６ｄに示されるが、このスペクトルの実数部分は図６ｅに示される。図６ｄに示された波形は、図６ａの波形が栽頭された故に、完全に矩形状ではない。最後に、図６ｆにおいて、時間領域励起パルスのオッシログラムが示される。これは、無線周波キャリヤ信号における変調波形の効果を示している。
【００６３】
このパルスのピーク電力は１．４４Ｗであった。励起パルスに対するピーク磁界（Ｂrf）は、３０。effectiveのフリップ角で０．１６ｍＴより大きくはなく、１５ＫＨｚに対しては励起帯域幅であった。これらは、事例のどれかのピーク電力およびＢrfの最低値である。これらの低い値は、主として時間領域波形のエンベロープのいずれもがゼロ交差を持たない故に得られ（例えば、図３ａに図６ａを比較）、むしろ各エンベロープが比較的平坦であり、その結果電力は励起の期間中にさえ擾乱されることになった。
【００６４】
ＮＱＲテストの第４の事例においては、先に述べた種類の整形パルスを用いてエコー応答が５．１９ＭＨｚにおけるＲＤＸのＮＱＲ共鳴から生成され得ることが判った。実験のため、１対の９０。effective整形パルスが使用された。（フリップ角が生成されるエコーに対して９０。effective以上に近い必要があることが判るであろう。）より大きいフリップ角以外に、個々のパルスは第３の事例に関して述べたものと同一である。特に、２次的な位相変化が用いられた。エコー信号の振幅は、１対の矩形状９０。effectiveパルスを用いて得られるものに類似することが判った。この第４の事例におけるＢrfの値は、０．４７ｍＴであった。
【００６５】
先に述べた実施例または事例のどれかにおいて、周波数に対する既知の所望の位相依存性に基くデータ操作によって、励起の最終的スペクトルにおける位相の歪みを反転させることが可能でなければならないことが判るであろう。検出の目的のためには、吸収モード信号を用いることができる。
【００６６】
比較的小さな線幅を呈する信号を持つ物質での実験において、本文に述べた整形パルスが最も良好に用いられることが判った。小さな線幅は、これが低いＢrfフィールドおよび低い電力による大きな周波数範囲の励起を可能にする故に好ましい。比較的広い線しか得られなければ、より高い電力を用いる必要がある。ＲＤＸの場合は、良好な線は５１９０ＫＨｚにおけるものであり、これは室温で僅かに約２００Ｈｚの線幅を持つ。
【００６７】
無論、本発明が単に例示として本文に記述され、細部の修正が本発明の範囲内で可能であることが理解されよう。
本発明は、サンプルをテストする核四極子共鳴（ＮＱＲ）装置において、
サンプルに対して励起を印加する手段と、応答信号を検出する手段と、
少なくとも１つの励起パルスをサンプルに対して印加してＮＱＲ共鳴を励起するように前記励起印加手段を制御する制御手段とを備え、該励起パルスが選択された周波数範囲にわたり励起を起こさせ、該励起パルスによる励起は、該励起の位相が該選択された励起周波数範囲にわたる各周波数に関連して変化し、各周波数に関連する励起の位相の該変化は、非線形変化であり、  前記制御手段が更に、ＮＱＲ応答信号を検出するように検出装置を制御するためのものである核四重極共鳴装置を特徴する。
また、上記励起パルスの持続期間中、時間域の励起波形がゼロ交差を持ことが好ましい。
また、前記印加手段が、９０度位相の関係にある２つの信号を生成する手段と、前記信号を組合わせて振幅変調されかつ位相変調された励起を形成する手段とを含むことが好ましい。
また、周波数域の励起スペクトルが、選択された励起周波数範囲にわたり実質的に一定であることが好ましい。
【００６８】
また、本発明は、サンプルをテストする核四極子共鳴（ＮＱＲ）方法において、
該サンプルに少なくとも１つの励起パルスを印加して、ＮＱＲ共鳴を励起するステップと、
該励起パルスが、選択された励起周波数範囲にわたって励起を起こさせるステップと、
該励起パルスによる励起は、該励起の位相が該選択された励起周波数範囲にわたる各周波数に関連して変化するステップと、
各周波数に関連する励起の位相の該変化は、非線形変化であるステップと、
該ＮＱＲ応答信号を検出するステップと、
を含む。
【００６９】
また、前記励起の持続期間中、時間域励起波形のエンベロープがゼロ交差を持たないことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１（従来技術）は、時間領域の矩形状励起パルス（図１ａ）とその周波数領域の相等パルス（図１ｂ）を示す。
【図２】図２は、本発明によるＮＱＲテスト装置の望ましい実施例のブロック図を示す。
【図３ａ】図３ａは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｃ】図３ｃは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｄ】図３ｄは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図３ｅ】図３ｅは、ＮＱＲテストの第１の事例を示す。
【図４ａ】図４ａは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｄ】図４ｄは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｅ】図４ｅは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図４ｆ】図４ｆは、ＮＱＲテストの第２の事例を示す。
【図５】図５は、ＮＱＲテスト装置の望ましい実施例の変更態様のブロック図を示す。
【図６ａ】図６ａは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｃ】図６ｃは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｄ】図６ｄは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｅ】図６ｅは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【図６ｆ】図６ｆは、ＮＱＲテストの第３の事例を示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４ｃ】
2005221512.tif 000023
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４ｄ】
2005221512.tif 000024