(57)【要約】      （修正有）【課題】大きいＲＦ磁場強度を許容する、特にＮＭＲ（核磁気共鳴）プローブヘッド用の高周波（ＲＦ）共鳴装置を提供する。【解決手段】１つ以上の窓を形成する３つ以上の分断のない導電要素を備えた１つ以上のＲＦ共振器を具備する。導電要素の一部分のみにより１つ以上の窓が画成され、導電要素が電磁場を介して互いに結合され、各導電要素が制限電流密度を有する。個々の導電要素の固有共鳴およびまたは導電要素間の電磁結合が、ＲＦ共鳴装置の励起時、個々の導電要素に沿う商値の最大値が全ての導電要素について略同一になるように選択され、商値は、導電要素の断面に生じる平均電流密度と局所的な制限電流密度との商として定義される。あるいは、個々の導電要素の導体群に沿って主として導電要素のパケットの縁部領域とくに窓の縁部で発生し得るピーク形状の電流過剰が略解消される。【選択図】      図５
2005308752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の窓（５７；７７ａ，１２４，１２４ａ）を形成する３つ以上の分断のない導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）を備える１つ以上のＲＦ共振器を具備した特にＮＭＲ（核磁気共鳴）プローブヘッド用の高周波（ＲＦ）共鳴装置であって、前記導電要素の一部分のみにより前記１つ以上の窓（５７；７７ａ，１２４，１２４ａ）が画成され、前記導電要素が電磁場を介して互いに結合され、各前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）がその構成材料に起因して前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）に沿う位置に依存し且つ動作中に越えてはならない制限電流密度を有する高周波共鳴装置において、
前記個々の導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）の固有共鳴およびまたは前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）間の電磁結合が、前記高周波共鳴装置の励起時、前記個々の導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）に沿う商値の最大値が全ての導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）について略同一になるように選択され、ここで、前記商値は、前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）の断面に生じる平均電流密度と局所的な制限電流密度との商として定義されることを特徴とし、あるいは、個々の導電要素（１３２ａ，１３２ｂ）に沿ってあるいは幾つかの導電要素（１３２ａ，１３２ｂ）の導体群に沿って主として導電要素（１３１，１３２ａ，１３２ｂ）のパケットの縁部領域とくに少なくとも１つの窓（１２４，１２４ａ）の縁部で発生し得るピーク形状の電流過剰（１４３ａ−１４３ｆ）が略解消されることを特徴とする高周波共鳴装置。
【請求項２】
前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）が超伝導材料とくにＮｂＴｉまたはＮｂ３Ｓｎあるいは転移温度が３０Ｋよりも高い高温超伝導材料から製造され、また、前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）が略矩形状の断面を有し、特に、２００ｎｍ厚ないし１μｍ厚およびまたは２μｍ幅ないし５０μｍ幅のものであることを特徴とする請求項１に記載の高周波共鳴装置。
【請求項３】
前記導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）が、平坦でかつ多角形または円筒状の誘電体基板に配されることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波共鳴装置。
【請求項４】
１つ以上の導電要素（２１；５４，５６，５８；７５，７６；９１−９４；１１１ａ−１１１ｄ；１３１，１３２ａ−１３２ｂ；１６９ａ−１６９ｆ）が蛇行区間（１０１，１０２）を有し、特に、前記蛇行区間が特にＵ字形状導電要素（１１１ａ，１１１ｃ，１１１ｄ）の基部領域に配され、或いは、別個の導体対は別個の容量性オーバーラップを有し、或いは、別個の導体対は、幅と離間距離との比が異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【請求項５】
前記ＲＦ共振器が４組（７１−７４）の入れ子式のＵ字状導電要素（７５，７６）を有し、各組（７１−７４）のＵ字状導電要素は前記ＲＦ共振器の中心（７７）に向かって同一方向に開放され、各組（７１−７４）のより外方のＵ字状導電要素において、脚部の端部は、より内方に配されたＵ字状導電要素の脚部の端部よりも後退しており、２つの組（７１，７２；７３，７４）のＵ字状導電要素は各組が１つの平面に配され且つその開放方向が互いに対向しており、各平面の２組（７１，７２；７３，７４）のＵ字状導電要素は嵌合しておらず、第１の平面のＵ字状導電要素の開放方向は、第２の平面のＵ字状導電要素の開放方向に対して９０°回転しており、上記２つの平面は互いに平行かつ近接して配され、誘電体層を介して互いに接続されていることを特徴とする特に請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【請求項６】
前記ＲＦ共振器は２組（５１，５２）のＵ字状導電要素（５４，５６）を備え、各組（５１，５２）のＵ字状導電要素は入れ子式になっていると共に同一方向に開放しており、前記２組（５１，５２）のＵ字状導電要素の開放方向は互いに向き合っており、前記２組（５１，５２）のＵ字状導電要素の脚部は互いに嵌合し、また、１組（５２，５１）の導電要素の１つの脚部は、他の組（５１，５２）の複数の導電要素の相隣る２つの脚部間に嵌入しており、前記窓（５７）を境界づける内方領域（５３）において前記ＲＦ共振器における空間内へのＵ字状導電要素の脚部の嵌入深さは内側から外側へ向かって減少し、およびまたは、外方領域（５５）において前記ＲＦ共振器の上記空間へのＵ字状導電要素の脚部の嵌入深さが内側から外側へ増大していることを特徴とする特に請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【請求項７】
前記ＲＦ共振器は少なくとも一組の直線状の平行導電要素（１３１，１３２ａ，１３２ｂ）を備え、同組の中央領域にある導電要素（１３１）は長さが同一であり、同組の外方領域において、より外方の導電要素（１３２ａ）はより内方に配された導電要素（１３２ｂ）に比べて長さが短く、また、前記高周波共鳴装置がバードケージ共振器とくにハイブリッドバードケージ共振器として設計され、また、幾組かの直線状の平行導電要素（１３１，１３２ａ，１３２ｂ）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【請求項８】
ＮＭＲプローブヘッドの一部分であると共に測定対象である試料（１５４）を備え、また、前記導電要素が請求項４の基板上に配され、前記導電要素は、前記試料（１５４）の活動体積内で発生するＲＦ磁場ができる限り均一になるように空間的に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【請求項９】
隣り合う導電要素（１１１ａ−１１１ｄ；１６９ａ−１６９ｆ）が特に同一電位の部位で相互にガルバニック接続されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の高周波共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にＮＭＲ（核磁気共鳴）プローブヘッドに用いる高周波（ＲＦ）共鳴装置に関し、該共鳴装置は、３つ以上の連続した導電要素を有する１つ以上のＲＦ共振器を備え、これらの導電要素は共振器における１つ以上の窓を形成している。１つ以上の窓は導電要素の一部分のみにより画成され、導電要素は電磁場を介して互いに結合され、各導電要素は動作中に越えてはならない制限電流密度を有している。制限電流密度は、材料に起因するもので、導電要素に沿う位置に依存するものになっている。
【背景技術】
【０００２】
この種の高周波共鳴装置は、たとえば特許文献８に記載されている。
【０００３】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）法は、試料の組成の分析や試料における物質構造の判定に用いられる。これらのＮＭＲ法において、試料は強い静磁場に晒される。そして、試料に横方向高周波電磁パルスが照射され、試料材料の核スピンと相互作用を生じる。試料の核スピンの時間依存性により高周波電磁場が発生し、ＮＭＲ装置内で検出される。検出された高周波（ＲＦ）の電磁場は、試料の性状に関する情報を提供する。
【０００４】
ＲＦ共鳴装置は、試料へのＲＦパルスの照射に用いられ、また、試料からの高周波電磁場の検出にも用いられる。ＲＦ共鳴装置は１つ以上のＲＦ共振器を備える。この１つ以上のＲＦ共振器は、ＮＭＲ測定用の試料の直ぐ近くに配される。そして、ＲＦ共鳴装置は、ＮＭＲ装置の送信用または受信用の電子機器回路と電気化学的、容量的、または誘導的に結合される。
【０００５】
各ＲＦ共振器は、典型的には、電磁気的に結合された幾つかの連続した導電要素を備えている。すなわち、電磁結合により、１つの導電要素における電流の流れに伴ってその他の導電要素に電流の流れが生じる。全ての導電要素は全体としてＲＦ共振回路に相当するものであり、そのＲＦ共振回路の共鳴周波数はＮＭＲ試験（特に静磁場強度）に適合している。
【０００６】
ＮＭＲ共振器の導電要素は、最小のノイズでＮＭＲ信号を検出可能なように、従来は高温超伝導（ＨＴＳ）材料から製造されている。そのようなＲＦ共振器は、特許文献１ないし１０に記載されている。これらのＨＴＳ共振器の利点の１つは、ＨＴＳ材料の臨界電流密度ｊｃにより、ＲＦ共振器の最大管理可能横方向ＲＦ磁場強度（Ｂ１場強度）を制限することにある。ＲＦ共振器での管理可能ＲＦ磁場強度が大きいほど、ＮＭＲ装置で使用されるＲＦパルスが短くなると共に励起バンド幅が広くなる。
【特許文献１】米国特許第６５９０３９４号明細書
【特許文献２】米国特許第６５５６０１３号明細書
【特許文献３】米国特許第５６１９１４０号明細書
【特許文献４】米国特許第５５９４３４２号明細書
【特許文献５】米国特許第５５８５７２３号明細書
【特許文献６】米国特許第５５６５７７８号明細書
【特許文献７】米国特許第５３５１００７号明細書
【特許文献８】米国特許第５２７６３９８号明細書
【特許文献９】独国特許出願公開第１９７３３５７４号明細書
【特許文献１０】独国特許出願公開第１０１５０１３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の基礎となる目的は、横方向ＲＦ磁場強度を最大化すると共に、ＲＦ共振器での照射パワーと磁場増大との間の二次の依存性が大きくなるようなＲＦ共鳴装置、すなわち、共振器が抵抗特性の線形領域内で動作するようなＲＦ共鳴装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、上述のタイプの共鳴装置を備えた本発明により達成される。本発明の共鳴装置において、個々の導電要素の固有共鳴およびまたは導電要素間の電磁結合は、ＲＦ共鳴装置の励起時、個々の導電要素に沿う商値の最大値が全ての導電要素について略同一になるように選択され、ここで、商値は、導電要素の断面に生じる平均電流密度と局所的な制限電流密度との商（quotient）として定義される。あるいは、個々の導電要素に沿ってあるいは幾つかの導電要素の導体群に沿って、主として導電要素パケットの縁部領域とくに少なくとも１つの窓の縁部で発生し得るピーク形状の電流過剰が略解消される。
【０００９】
本発明によれば、ＲＦ共振器の個々の導電要素間の結合を特別に選択することにより、個々の導電要素における電流分布が調節される。導電要素間の結合の調節は、とりわけ、オーバラップ導体区間の長さの選択、導電要素の、例えば蛇行区間への広がり、導電要素間の離間距離の変化、およびまたは、導電要素の断面の変化により行うことができる。また、シミュレーションプログラムを使用することができる。このプログラムは、マックスウェル方程式を解き、次いで、導電要素の幾何学的形態を繰り返し変化させて、ＲＦ共振器の好適な幾何学的形態を、すなわちＲＦ共振器での電流分布をある種のものとする幾何学的形態を得るものである。
【００１０】
従来のＲＦ共鳴装置では、個々の導電要素の組み立てに際し、単に、ＲＦ共振器全体またはＲＦ共鳴装置の共振周波数を所望のものに設定することが考慮されるに過ぎない。この手順によれば、動作中、幾つかの導電要素における電流密度の相対的な差異が強まることになる。ＲＦ磁場強度が大きい場合、電流密度が相対的に大きい導電要素は制限電流密度の領域に急速に到達する。制限電流密度は、超伝導導電要素の臨界電流密度ｊｃ、非線形抵抗への転移、あるいは、常導電性導電要素の通電加熱または拡散作用による所定の冷却で得た溶融温度により、与えることができる。ＲＦ共振器の導電要素は、制限電流密度に到達すると典型的には故障をきたし、ＲＦ共振器での結合挙動が変化する。また、ＲＦ共振器の共振周波数が一般には同調ずれをきたし、ＲＦ共振器が非可逆的に破壊されることがある。その他の導電要素の大部分はそれぞれの制限電流密度よりもはるかに低いままになる。
【００１１】
発明的な設計からなるＲＦ共振器は、２つの電流分布形態のうちの一方を有する。
【００１２】
本発明による第１の形態は、平面基板上の共振器に対する使用に好適するものである。第１の形態において、各導電要素での電流流れは導電要素の電流輸送能力に応じて調節され、これによりＲＦ共振器全体の電流輸送能力を最大にすることができる。導電要素での最大平均電流密度は、ＲＦ磁場強度が増大するにつれて個々の導電要素がそれぞれの制限電流密度に均一に近づくように動作中に調節される。これにより全ての導電要素の電流輸送能力をフルに利用することができる。
【００１３】
本発明による第２の形態は主としてバードケージ共振器に対して使用すべきものである。この第２の形態では、ＲＦ共振器において、個々の導電要素に対して、ある種の相対的な電流分布すなわち略正弦波状の電流分布（所望電流分布）が動作中に提供される。この所望電流分布は、おおよそ、π／２の正弦波極大点において所望の最大電流を備えるものになっている。従来技術では、電流流れは、主としてＲＦ共振器の縁部領域で生起し、また、ＲＦ共振器の窓で生起する。より一般的には、電流流れは、ＲＦ共振器内で空間的に分離した関連の導電要素（パケット）群の縁部領域に生起し、また、個々の導電要素あるいは一群の導電要素に生起する。これらの電流流れは、最大電流（current maximum）が所望のものになる導電要素での電流流れよりはるかに大きくなる。これらの縁部導電要素は、所望最大電流領域の導電要素よりも相当に低いＲＦ磁場強度で制限電流密度に到達し、これによりＲＦ共振器の効率を不必要に制限する。本発明によれば、導電要素の設計は、全ての導電要素での電流流れが所望最大電流の場合よりも大きくならないように行われる。特に、「準連続」の調節を実現することができ、すなわち隣接導電要素に対する電流分布を円滑にすることができる。これは、たとえば、関連の縁部導電要素とバードケージ共振器のリングとの間の容量性結合を減じることによって得られ、これにより電流供給が減少する。発明的な共振器は、所望最大電流領域での導電要素の電流輸送能力をフルに利用することができる。導電要素の幾何学的形態およびまたは制限電流密度が個々の導電要素間で異なることは一般的であるが、そのような場合、本発明の第２の態様では、各導電要素の商値の最大値は、所望電流分布によって商値の最大値が最も大きくなる導電要素での最大値よりも小さいかあるいはこれに等しい。
【００１４】
上記双方の態様によれば、ＲＦ共振器の実際の性能限界よりも低い比較的小さいＲＦ磁場強度における個々の導電要素の故障（たとえばクエンチ）が防止される。
【００１５】
以下、導電要素の商値の最大値の決定について簡単に説明する。動作中、１つの導電要素において、（導電要素に沿うＺ座標に対して）第１の位置にある第１の断面に注目することにする。空間的分布を有する電流は、この断面を通って垂直方向に流れる。すなわち、空間的に変化する局所的な電流密度ｊ（ｘ、ｙ）が生じる（ここで、ｘ、ｙはｚに垂直な座標である）。電流密度は、観測される交流電流の最大振幅について決定される。すなわち、観測される交流電流の一周期内での時間依存性は無視される。次に、この局所的な電流密度が断面表面にわたって積分され、これにより断面における平均電流密度が決定される。この断面の（ｚに対する）位置は、局所的な制限電流密度をもつ。（制限電流密度にｚ依存性があると、たとえば、静磁場に対する異方性に起因して、湾曲した導電要素になることがある。）平均電流密度と制限電流密度との商は、断面位置における商値を定義する。商値は、導電要素に沿う（ｚの関数として）全ての位置について同様に定められる。最も大きい商値を、導電要素の商値の最大値とする。一般に、最も大きい商値は対称中心の領域で見出され、特に導電要素の中心で見出される。
【００１６】
単純な場合、全ての導電要素は同一断面を有し、また、均一且つ空間的に一定の制限電流密度を有する。導電要素における商値の最大値は、導電要素での最大電流に比例する。
【００１７】
特に個々の導電要素での最大値の平均値と各導電要素での最大値との偏差が最大で２５％好ましくは最大で１０％であれば、商値の最大値は本発明の範囲内では略同一である。
【００１８】
本発明によれば、個々の導電要素に沿う商値の最大値の平均値が、全ての導電要素の商値の最大値のうちの最も大きなものの少なくとも７５％好ましくは少なくとも９０％であれば、個々の導電要素の商値の最大値は略等しい。この場合、ＲＦ共振器の全体電流輸送能力が、少なくとも７５％または少なくとも９０％利用されることになる。
【００１９】
本発明によれば、導電要素の少なくとも７５％好ましくは少なくとも９０％はその商値の最大値が略等しく、導電要素の残りの２５％好ましくは１０％はその商値の最大値が小さくなる。この場合、発明的な共鳴装置の電流輸送能力が、残りの導電要素によって僅かに低減されるに過ぎない。
【００２０】
Ｂ１場に対して相当な絶対的寄与を与え得る個々の共振器または部品のみを、本発明における導電要素としてみなすものとする。特に導電材料の巨視的な均一性のみが厳格であって相対的に小さい電流のみを輸送するようなガルバニック絶縁されたプレートは、本発明で定義する導電要素とはみなさない。
【００２１】
好適実施形態
発明的なＲＦ共鳴装置の１つの態様は特に好適である。この態様によれば、導電要素は、超伝導材料、特にＮｂＴｉまたはＮｂ３Ｓｎから製造される。超伝導要素は損失なしにＲＦ電流を輸送することができ、ＲＦ共鳴装置は特に高い共振器Ｑ値を達成することができ且つＮＭＲ信号を高いＳ／Ｎ比で検出することができる。
【００２２】
この実施形態の更なる発展形は、同様ではあるがより明瞭な利点を有するものとなっている。この発展形では、導電要素は、転移温度が３０Ｋよりも高い高温超伝導材料（たとえば、Ｔｉ２Ｂａ２ＣａＣｕ２Ｏ８、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、（Ｔｉ，Ｐｂ）Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ９、ＢｉＰｂＳｒＣａＣｕＯ、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ、ＢｉＳｒＣｕＯ、またはＢｉＳｒＹＣｕＯ）から製造される。
【００２３】
有利な実施形態において、導電要素は、平坦でかつ多角形または円筒状の誘電体基板に配される。この基板は、共振器を機械的に安定化し、また、誘電体として導電要素間の結合に影響を及ぼすことができる。さらに、この基板は、特に常導電要素を用いた熱放散を可能とし、あるいは超伝導材料の転移温度よりも低い温度まで超伝導要素を冷却可能とする。本発明によれば、基板の上側および下側に導電要素を設けてもよい。各々が導電要素を有する２つの基板を装着し及びまたは互いに接着してもよい。
【００２４】
発明的なＲＦ共鳴装置の好適な実施形態において、導電要素は略矩形状の断面を有し、特に、２００ｎｍ厚ないし１μｍ厚およびまたは２μｍ幅ないし５０μｍ幅のものである。矩形断面は製造が容易であり、導電要素用の発明的な幾何学的形態を、コンピュータ支援により、この基礎的形態をもって特に簡単に決定することができる。
【００２５】
ひとつの特に有利な態様において、制限電流密度は、ＲＦ共振器の全ての導電要素で等しい。これは、たとえば、全ての導電要素に対して好適かつ均一かつ当方性の材料を用いることにより得ることができる。
【００２６】
別の有利な態様において、ＲＦ共振器の導電要素の各々は、それぞれの商値が最大となる位置で同一の断面を有する。この場合、商値が最大となる位置における各導電要素での平均電流密度は、当該位置での電流流れに比例する。これにより導電要素の発明的な幾何学的形態を容易に決定できることになる。
【００２７】
特に好適な実施形態において、１つ以上の導電要素が蛇行区間を有し、この蛇行区間は特にＵ字形状導電要素の基部領域に配される。蛇行区間を設けることにより、略単一の導電要素のインダクタンスまたは定常波特性ひいては共振周波数を正確に変化させることができる。
【００２８】
別の特に好適な実施形態において、幾つかの導体経路は、別個の容量性オーバーラップを有している。隣り合う導電要素によって導電対が形成される。離間距離が固定した導電要素の平行区間でのオーバーラップ長さを調節することにより、導電要素間の容量性結合を正確に設定することができる。そのようなオーバーラップは、単一の導電要素（図１ａのＥ）の２つの端部領域に設けることができ、あるいは、１つの要素（図１ａのＦおよびＧ）の全長にわたって分布させることができる。
【００２９】
１つの特に好適な実施形態において、導電要素の幅と隣接導電要素からの離間距離との比は、オーバーラップ領域内の個々の導電対について異なるものになっている。本発明によれば、導電要素の幅および離間距離は、個々の導電対について互いに独立に個別調節することもできる。これらの幾何学的形態により、導電要素間の結合を正確に調節することができる。
【００３０】
別の発明性のあるＲＦ共鳴装置の特徴は、ＲＦ共振器が４組の入れ子式のＵ字状導電要素を有する点にある。ここで、各組のＵ字状導電要素はＲＦ共振器の中心に向かって同一方向に開放されている。各組において、より外方のＵ字状導電要素（conductor elements）の脚部の端部は、より内方に配されたＵ字状導電要素の脚部の端部よりも後退している。また、２つの組の各々は、互いに対向し且つひとつの平面に配されたＵ字状導電要素開放部を有している。ここで、各平面の２組のＵ字状導電要素は互いに嵌合していない。そして、第１の平面のＵ字状導電要素の開放方向は、第２の平面のＵ字状導電要素の開放方向に対して９０°回転したものになっている。このＲＦ共振器は、商値の最大値が全ての導電要素について略同一である。
【００３１】
このＲＦ共鳴装置の発明性を有した設計において、上記２つの平面は互いに平行かつ近接して配され、誘電体層を介して互いに接続されている。
【００３２】
更なる発明性のあるＲＦ共鳴装置において、ＲＦ共振器は２組のＵ字状導電要素を備えている。ここで、各組のＵ字状導電要素は入れ子式になっていると共に同一方向に開放している。２組のＵ字状導電要素の開放方向は互いに向き合っており、２組のＵ字状導電要素の脚部は互いに嵌合している。また、ある組の導電要素の１つの脚部は、他の組の複数の導電要素の相隣る２つの脚部間の空間に嵌入している。そして、窓を境界づける内方領域において、ＲＦ共振器における上記空間内へのＵ字状導電要素の脚部の嵌入深さは、内側から外側へ向かって減少する。ＲＦ共振器はまた、全ての導電要素について商値の最大値が略同一である。
【００３３】
このＲＦ共鳴装置の１つの設計では、外方領域においてＲＦ共振器の上記空間へのＵ字状導電要素の脚部の嵌入深さもまた内側から外側へ増大している。これにより、特に一組あたりの導電要素の数が多い場合、共振器における外方領域での電流輸送能力の統合化が図られる。
【００３４】
発明性のあるＲＦ共鳴装置の１つの実施形態は特に好適であって、この実施形態は、同一設計の幾つかのＲＦ共振器を備え、特に、同一設計の２つまたは４つのＲＦ共振器を備えている。この実施形態は、特に良好なＢ１場の均一性を有した単純な平面ヘルツホルム構造として使用することができる。
【００３５】
別の発明性のあるＲＦ共鳴装置において、ＲＦ共振器は、少なくとも一組の直線状の平行導電要素を備えている。同組の中央領域にある導電要素は長さが同一である。また、同組の外方領域にあるより遠くの導電要素は、より内方に配された導電要素に比べて長さが短くなっている。本実施形態は、外方の導電要素におけるピーク形状の電流過剰すなわち該当する組の縁部領域におけるピーク形状の電流過剰を解消するようにしている。このタイプの組はまた、本発明により定義される導電要素のパケットを表している。
【００３６】
このＲＦ共鳴装置の設計上の特徴は、同ＲＦ共鳴装置がバードケージ共振器とくにハイブリッドバードケージ共振器として設計され、また、幾組かの直線状の平行導電要素を備えている点にある。これにより、各組の外方側での電流過剰が解消され、バードケージ共振器の効率は、１つまたは複数の導電要素における正弦波状電流分布の極大点（maximum）での電流流れによって決定される。
【００３７】
発明性のあるＲＦ共鳴装置の一実施形態もまた特に好適である。この実施形態によれば、ＲＦ共鳴装置はＮＭＲプローブヘッドの一部分であり、また、測定対象である試料を備えている。ここで、導電要素は、１つ以上の、より平坦な多角形または円筒状の誘電体基板上に配置される。そして、導電要素は、試料の活動体積内で発生するＲＦ磁場ができる限り均一になるように、空間的に配置される。本発明によれば、決定すべき導電要素の配置に対し、最適化すべき別の値すなわち発生すべき横方向ＲＦ磁場の均一性を追加的に与える。これは、コンピュータ支援演算によって得ることができる。このコンピュータ支援演算では、各導電要素での電流流れを最適に同一にするための条件が初期設定され固定される。ここで、全ての導電要素の断面は同一でなければならない。次に、導電要素が基板に配置され、全ての導電要素の最大電流が同一であるとの条件下で、最大限の場の均一性を得る。最後に、動作中、略等しい最大電流が導電要素に実際に流れるよう、導電要素間の結合（特に容量性結合）が調節される。導電要素間の容量性電流伝送が局所化されている場合には、場の均一性に対する影響を無視することができる。そうでなければ、プロセスを繰り返して実行しなければならない。場を均一にするには、本発明によりＲＦ共振器における導電密度が外方に向かって増大するよう、外方領域での電流流れを内方領域での電流流れよりも一般には大きくしなければならない。
【００３８】
１つの有利な実施形態では、隣り合う導電要素は、同一電位の部位で相互にガルバニック接続される。ガルバニック接続は、導電要素の対称点に設けることが好ましい。接続点は、ＲＦ共振器に対する結合または結合解除に用いることもできる。
【００３９】
１つの実施形態では、全ての導電要素は、均一の幅且つ均一の高さの矩形断面を有し、ここで、幅および高さは、導電要素の主たる流れ方向に対して垂直に広がっている。この実施形態の製造および演算は特に簡単である。
【００４０】
特に超伝導のＲＦ共鳴装置に好適な実施形態は、電流を輸送しない或いは小電流のみを輸送する複数のプレートを含む。
【００４１】
これらのプレートは、特に、導電材料の巨視的に均一な分布を得るために配置することができる。
【００４２】
発明性のあるＲＦ共鳴装置の１つの有利な実施形態において、ＲＦ共振器は少なくとも１０個の導電要素、好ましくは少なくとも２０個の導電要素を備えている。この場合、発明性のある教示により、ＲＦ共鳴装置の効率が特に良好になる。
【００４３】
１つの好適実施形態において、少なくとも幾つかの導電要素は固有共鳴（eigen-resonances）が異なる。この場合、導電要素は特に大きな自由度をもって配置することができる。
【００４４】
１つの好適実施形態において、ＲＦ共振器の導電要素は、入れ子式になっているに過ぎず、相互にからみ合ってはいない。入れ子式という意味は、より内方側に配された導電要素が、より外方側に配された導電要素によって囲まれた領域内に完全に位置づけられるということである。換言すれば、共振器は、窓から離反する方向に内方側から外方側への移動中、一連の導電要素を有するものになっている。導電要素がからみ合う場合、第１の導電要素の一区間は、第２の導電要素の２つの区間の間に配される。ここで、共振器における第２の導電要素の一区間は、より外方側であると共に第１の導電要素の区間より更に１つ内方側でもある。入れ子式であると、導電要素ひいては共振器における電流分布の調節が促進される。
【００４５】
１つの好適な実施形態において、導電要素は、もっぱら、直線状の基礎的なタイプおよびまたはＵ字状の基礎的なタイプおよびまたは開放した環状の基礎的なタイプである。これらの基礎的なタイプのものは、発明性のあるＲＦ共鳴装置において、製造および統合が簡単である。これらの基礎的なタイプの導電要素は、蛇行区間などの変形を備えるものでもよい。これに代えてあるいはこれに加えて発明性のあるＲＦ共鳴装置のＲＦ共振器は、スパイラル式の基礎的なタイプの導電要素を含まなくともよい。単純な特に非スパイラル式の導電要素を使用すると、導電要素の電流利用性が向上する。
【００４６】
本発明はまた、均一な電流利用性を具備した発明性のあるＲＦ共鳴装置を設計するための方法を備え、この方法は以下の工程を備える。
【００４７】
１．特に先行技術による、好ましくは特許文献１−８による、任意のＲＦ共鳴装置の設計
２．所望の共鳴モードについてのＲＦ共鳴装置の電流分布の計算
３．個々の導電要素ｉに沿う商値の最大値Ｑｉの計算
４．隣り合う導電要素間の容量性オーバラップ（capacitive overlappings）の長さおよびまたは隣り合う導電要素間の容量性オーバラップの離間距離と幅との比の調節による、およびまたは、直線導電区間を蛇行区間で置換することによる、個々の導電要素の固有共鳴およびまたは電磁結合の補正。ここで、固有共鳴や電磁結合の変化は、工程３において計算される、一定の基準値からの値Ｑｉのそれぞれの偏差に応じて行われる。好ましくは、基準値は、工程３で算出されたＱｉ値の最小値、最大値、または平均値である
５．全ての値Ｑｉが選択された基準値に略等しくなるまで工程２ないし４を繰り返す。
【００４８】
本発明は、また、ピーク形状電流過剰のない発明性のあるＲＦ共鳴装置を設計するための方法を備え、この方法は下記の工程を備える。
【００４９】
１．特に先行技術による、好ましくは特許文献９−１０による、ＲＦ共鳴装置の設計
２．所望の共鳴モードについてのＲＦ共鳴装置における電流分布の計算
３．個々の導電要素ｉに沿う商値の最大値Ｑｉの計算
４．商値の最大値がＱｋに等しくピーク形状電流過剰をもつ縁部領域にある導電要素ｋの選択
５．隣り合う導電要素間の容量性オーバラップの長さおよびまたは隣合う導電要素間の容量性オーバラップの離間距離と幅との比を調節することによるおよびまたは直線導電区間を蛇行区間により置換することによる、個々の導電要素ｋの固有共鳴およびまたは電磁結合の補正。ここで、固有共鳴や電磁結合の変化は、工程３において計算される、一定の基準値からの値Ｑｋのそれぞれの偏差に応じて行われる。また、基準値は、選択された端部領域外での最大値Ｑｉよりも小さい
６．全ての値Ｑｋが、選択された基準値より小さいかこれに等しくなるまで工程２ないし５を繰り返す。
【００５０】
本発明の更なる利点は、明細書および図面から導き出すことができる。上述および後述の特徴は、本発明に従って、個々に使用することができ、或いは任意の組み合わせで併用することができる。図面に示したおよび明細書に記載した実施形態は、網羅的に列記されたものと解すべきものではなく、本発明を説明する例示的な性質をもつものと解すべきものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明は図面に示されており、実施形態を参照してより詳細に説明する。
【００５２】
ａ）共振器の基礎的設計
現在のところ、核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブヘッドの分野では、通常の金属材料からなるヘルムホルツコイル／バードケージコイルが用いられ、また、超伝導材料が使用される場合には平面ヘルムホルツコイルまたはハイブリッドバードケージ共振器が用いられている。
【００５３】
平面ヘルムホルツコイルは、これまでは偶数個の平面共振器を備えたものとなっており、下記のタイプの共振器を使用している。
【００５４】
１．スパイラル（図１ｂの基礎的なタイプ「ｅ」と比較のこと）［特許文献１，７，８］
２．分布容量を備えたコイル（図１ｂの基礎のタイプ「ｃ」と比較のこと）［特許文献３，４］
３．局所容量を備えたコイル（図１ｂの基礎的なタイプ「ａ」、「ｂ」、「ｄ」と比較のこと）［特許文献２，３，４］
第１のタイプの共振器は比較的低い共振周波数を有している。より高い共振周波数を備えた態様は特許文献１に記載されている。第２のタイプの共振器は共振周波数が高く、また、第３のタイプの共振器は、頂面および底面では平均して導体経路あたり半分の電流が流れるものとなっており、局所容量が頂面および底面で減少するので、第２のタイプの共振器とは対照的に、最大電流をｚ方向に輸送することができる。
【００５５】
これらのタイプの共振器の各々は、Ｎ個（Ｎは１以上）の導電要素を備えたものとして記載することができる。ここで定義するような導電要素は、導体経路の被接続部分であり、当該部分もまた共振器としてみなすことができる。これらの導電要素の各々はある共鳴周波数ｆ１を有し、この共鳴周波数ｆ１は、（たとえば、タイプＥの導電要素についての）分布容量とインダクタンスとによって与えられる。あるいは、導電要素は、導電要素の長さに沿う定常波を考慮すると、導電要素の２つの端部領域間の容量性結合を欠くかあるいは容量性結合が極めて小さいものである（たとえば、タイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの導電要素およびタイプＦ、Ｇの導電要素について）。
【００５６】
導電要素を組み立ててＲＦ共振器を形成すると、共振器全体については複数のモードが生じる。この共振器全体の共鳴周波数は、個々の導電要素の共鳴周波数と導電要素間の（誘導性および容量性）結合とによって与えられる。
【００５７】
図１ａには、種々の基礎的タイプの導電要素（基礎要素）が例示されている。従来は、主として、直線Ａ、Ｕ字形Ｂ、開いたリングＣ、ＤおよびスパイラルＦを備えた基礎的なタイプの導電要素が用いられている。蛇行形状Ｇは、本発明の基礎的なタイプである。これらの基礎的な要素は、図１ｂにたとえば（Ｂ＋Ｂ）または（２Ａ＋２Ｂ）または（Ｅ＋Ｅ）などとして例示するように組み立てることができる。全ての基礎的な要素のスケーリングおよび回転ならびに隅部および直線区間の丸みづけは如何ようにも行うことができる。
【００５８】
従来は、「結果として生じる共振器の基礎振動数は、具体的に設定すべき」との単一の境界条件をもって、導電要素の組み立てが行われている。
【００５９】
更に２つの境界条件があることが、本発明の範囲内において見い出された。これらの境界条件は、ＮＭＲコイルについて重要であり、特に、平面および多角形の基板上のＨＴＳコイルについて重要である。
【００６０】
１．各導電要素における最大電流
２．結果として生じるＢ１場の均一性
超伝導体は、臨界電流密度ｊｃのみまで抵抗なしに電流を輸送するものである。ＮＭＲコイルは、パルス長を最短化可能にするために最大強度の横方向Ｂ場を発生すべきである。従って、共振器が最大可能電流をもつことが重要である。これが意味するところは、全ての導電要素が同一の最大電流を輸送すべきであるということである。（但し、これは、全ての導電要素につき電流輸送能力が同一であるとの単純な仮定の下で適用される。個別の導電要素の電流輸送能力が異なる場合には、導電要素における最大電流の商と導電要素の電流輸送能力との商は、全ての導電要素について略同一でなければならない。単一の導電要素に沿う電流輸送能力が可変であるのであれば、商値の最大値を先に略述したように調節すべきである。）個々の導電要素が臨界電流よりも高い最大電流を輸送するのであれば、超伝導体は局所的にクエンチされることになる。共振器全体の共振周波数はこれにより脱調し、ＲＦ調節は相当に劣化し、共振器における大電流の流れが阻止される。超伝導体のＲＦ抵抗が増大しはじめると（超伝導体の非線形Ｉ−Ｖ電流／抵抗曲線）、クエンチよりもはるかに低い電流においても、上記の不都合が生じることがある。この場合には、上回られたときに非線形を生じる電流密度を制限電流密度とする。個々の導電要素での電流が相当に高い共振器に代えて、最適な電流分布を備えた共振器により同一の横方向Ｂ場強度を発生させる場合には、共振器の容量（capacities）に対し相当低い電圧が更に印加される。これにより電圧破壊も防止することができる。
【００６１】
導電要素には強度が異なる最大電流（current maximum）および最大電圧（voltage maximum）が交互に生じることを考慮して、導電要素での最大電流が調節される。導電要素での最大可能電流を定めるため、導電要素における全体最大電流（global current maximum）が用いられる（上述のように、電流輸送能力もまた導電要素に沿って変化するのであれば、電流すなわち平均電流密度と電流輸送能力すなわち制限電流密度との最大商値を、各導電要素に対して使用すべきであり、また略等しい値に調節すべきである）。
【００６２】
従来技術によって実現される共振器（図２ａないし図４ｃ）は、電流分布が均一ではない。図２ａは、図１ａのタイプＣの複数の共振器（導電要素）２１からなり、分布容量を備えた共振器の一例を示す。図２ｂは、個々の導電要素を流れる最大電流を示すものであり、図２ａの断面平面ＩＩ−ＩＩ’で示されている。切断導体経路における交流電流の流れ「Ｉ」の量の最大値（最大振幅）は、任意の単位で垂直方向にプロットされている（水平軸線はゼロの線である）。断面平面ＩＩ−ＩＩ’上の各導体経路の位置「Ｐ」は水平軸線に沿ってプロットされている。電流は、主として共振器の外方側に流れる。全体電流が増大する場合、内方側の導体経路は電流輸送能力よりもはるかに低いままであるが、外方側の導電要素はクエンチされることになる。
【００６３】
各フィンガ２２が「フィンガレット」２３ａないし２３ｃに細分されている場合（図３ａ）、電流は主として１つのフィンガの２つの最外方フィンガレットに流れ（図３ｂ）、共振器の断面電流分布において、最大値は外方側で強くなる（図示の便宜上、最大電流が発生する対称軸線上に断面を常にとる）。共振器によって最大電流を輸送可能であるが、この最大電流は図２ａの形態に比べて減少する。フィンガの「フィンガレット」は、類似且つ平行の隣り合う導電要素として定義される。「フィンガレット」の群は１つのフィンガを構成している。
【００６４】
分布容量を備えた共振器の態様は、両側が被覆された基板上のコイルで与えられ、図２ａの共振器と類似の挙動を示す。図４ａおよび図４ｂは、両側がＨＴＳ材料で被覆された基板の上側および下側（または誘電体を介して互いの頂面を重ねて配された２つの基板）を示している。電流の流れは、ここでも主として外方領域に広がっている（図４ｃ）。内方の導電要素はフルに利用されていない。
【００６５】
ｂ）共振器の発明的な設計
本発明の第１の態様において、導電要素およびその結合を調節することにより、そして、随意には、発生する磁場Ｂ１が可能な限り均一になるように共振器内の電流分布を定めることにより、電流は、その分布が均一になるようにすなわち全ての導電要素での最大電流が同一になるように共振器内で分布する。両方の解決策を組み合わせることにより、均一な最大電流分布が発生し、これに伴って、導電要素の幾何学的分布は、ＮＭＲ試料領域での発生ＲＦ場の均一性を最適化するものになる。
【００６６】
基礎的な要素からなるＲＦ共振器は、実際には、多数の、容量的および誘導的に結合された個別の共振器（導電要素）からなる。
【００６７】
電流分布は、個々の共振器の固有振動数を調節すると共に（定常波特性またはインダクタンスおよび導電要素の端部領域間の容量性結合の調節による）、個々の共振器間の容量性結合および誘導性結合を調節することにより、必要に応じて設定可能である。これらの方法のうち、特に、主として容量性結合を変化させてたとえば電流を均一に分布させる（好適な）方法を説明すべきである。
【００６８】
これに関連して、図５ａおよび図６ａの各々は、入れ子式のＵ字状導電要素に基づくＲＦ共振器を示している。図５ａの共振器の発明性のある実施形態は、Ｕ字状導電要素の２組５１、５２を示す。各組５１、５２の導電要素は互いに平行である。２組５１、５２の導電要素の脚部は、互いに対向しており、また、内方縁部および外方縁部を除いて、一組の１つの脚部が他方の組の２つの脚部間に嵌入するように互いに嵌合している。導電要素の一部分、すなわち、共振器の内方縁部にある導電要素５４，５８が、共振器の中央に配された窓５７を画成している。最も内方の導電要素５４から幾つかの導電要素にわたって外方に広がる導電要素の内方領域５３において、導電要素相互の嵌入深さは、内方側から外方側へ向かって減少している。また、最外方の導電要素５６から幾つかの導電要素にわたって内方へ広がる外方領域５５において、相互嵌入深さは外方側から内方側へ向かって減少している。先行技術を示す図６ａにおいて、Ｕ字状導電要素の脚部は、利用可能な空間にしたがって、周囲の脚部間を対向基部まで延びている。先行技術のその他の形態では、全ての脚部の長さは同一である（特許文献２−８）。
【００６９】
図５ａの発明性のある実施形態は導電要素脚部を有し、同脚部の長さは、導電要素での電流流れを均一にする長さになっている。図５ｂは、各導電要素での最大電流が生起する中央断面平面Ｖ−Ｖ’における導体経路を通る電流流れを示す。図５ｂにおいて、全ての電流強度の値は約５％の偏差内で同一である。図６ａの先行技術において、各導電要素における最大電流が対称平面ＶＩ−ＶＩ’で示されている。関連の電流分布（図６ｂ）は、第２番目に最外方にある導電要素で最も大きくなり、また最内方導電要素に向かって最大電流が強く減少することを示している。これにより、最内方導電要素は、第２番目に最外方の導電要素における最大電流強度値の約４０％の電流強度値を呈するものになっている。
【００７０】
図６ｂの従来の形態では不十分な電流流れを伴うものであった導電要素は、図５ａの実施形態のものでは、上記欠点を勘案して図６ｂにおいて最大電流流れを有する第２番目に最外方の導電要素に比べて、脚部長さすなわち嵌入深さが大まかには比例的により長いものになっている（より大きい容量性結合に対応）。
【００７１】
この原理は、その他のタイプの共振器においても同様である。両面共振器（両側での電流の和が常に一定）が更なる例として示されており、図７ａないし図７ｃには本発明によるものが示され、図８ａないし図８ｃには先行技術によるものが示されている。
【００７２】
本発明の共振器（図７ａ、図７ｂ）は、各組で平行に方向づけられたＵ字状導電要素を４組７１−７４備え、ここでは、組７１、７２が第１の平面内で基板の上側に配され、また、組７３、７４は第２の面において基板の下側に配されている。１つの面において２組の導電要素の脚部は互いに対向している。上側および下側にある導電要素は、両者の脚部の開放方向が互いに９０度回転している。最内方の導電要素７５、７６は、共振器の、上側用のものとして図７ａに例示した矩形状の窓７７ａを包囲し、この窓を画成している。測定対象の試料は、窓７７ａの領域、好ましくは中央７７の領域に配される。少なくとも１対の共振器からなる共鳴装置において、試料は、好ましくは、窓の領域において少なくとも２つの共振器の間の空間の中央に配される（図１５ｃ）。各面において、１つの面の導電要素が備える両側脚部の端部間には、三角形状の空間７８、７９が残されたままになる。より外方側に配された脚部の端部は、内方脚部の端部よりも脚部方向に更に離隔している。最大電流が発生する対称平面ＶＩＩ−ＶＩＩ’における電流分布が図７ｃに示されている。全ての導電要素における電流流れは実質的に同一である。図７ｄは、基板平面における組７１ないし７４の重ね合わせを示し、また、窓７７ａの領域を示している。下側の導電要素の組７３、７４は、破断線で示しただけであり、上側の組７１、７２により殆ど覆われている。
【００７３】
１つの平面における従来のＵ字状導電要素の全ての対向脚部間の離間距離は同一である（図８ａ、図８ｂ）。従って、関連空間８１、８２は矩形状になる。導電要素での最大電流流れは、外方側から内方側へ向かって減少していく（図８ｃ）。
【００７４】
図９ａ、図９ｂは、発明性のあるＲＦ共振器の一実施形態を図７ａ、図７ｂと対応づけて示したものであり、同実施形態は、より多数の導電要素を備えている。最大電流は、全ての導体経路において略同一である。１つの導電要素は各々の縁部で短くされており、バードケージの場合と同様、「ピーク形状の電流過剰」を限定している（以下を参照）。窓を境界づける最内方の導電要素９１、９２と、最外方の導電要素９３、９４とがある。より多数の要素が設けられる場合、２つ以上の導電要素を短くすることができる。空間９５、９６はおおよそＵ字状または半円状である。
【００７５】
本発明の範囲内において、導電要素における折り曲げ部（possible bends）すなわち導電要素の直角で結合する導電区間を丸めてもよい。直線導電要素区間もまた丸み区間で置換可能である。
【００７６】
ｃ）発明性のある導電要素の幾何学的形状の決定の説明
導電要素を決定するための方法を以下に説明する。共振器または共鳴装置は、初めに、たとえば図８ａ／図８ｂにしたがって設計される。次に、関連する共振モードについて電流分布が算出される。この電流分布から、容量性結合に対する補正が決定される。すなわち、基準値と実際の最大電流密度との差が定められ、また、電流が低すぎる導電要素の容量がこの差に比例して増大される。そして、電流が過剰な導電要素の容量がこれに応じて減少される（導体断面が不均一であるか或いは制限電流密度が異なる場合には、電流の絶対値に代えて商値が調節に用いられる）。均一な電流分布を得るため、基準値は全ての導電要素に対して同一である。ピーク形状の電流過剰を縁部領域で解消すべきならば、導電要素の各々の縁部領域を、残りの導電要素の全体的な最大値（所望最大電流）よりも小さい基準値に関連づけることができる。基準値は、いかなる電流分布をも設定できるように、特に、与えられた共鳴装置に対する場の均一性を最大にする所望電流分布を設定できるように、選択することができる。導電要素の電磁結合および固有共鳴の調節中、観測された共振モードの共鳴周波数を正しい周波数に維持したままにしなければならない。これは、最大電流の平均値を電流密度調節用の基準値として用いる場合、均一な電流分布によりおおよそ得られるものである。最後に、電流分布を再計算する。一般に、全ての導電要素において平均電流からの偏差を５％以内にすると共に共鳴周波数を調節するには、５回未満の反復が必要である。この方法は、インダクタンスの調節にも適用される。
【００７７】
本発明は、基本的には導電要素での電流密度を調節するための幾つかの方法を提供するものである。導電要素間の容量性結合の調節は、フィンガコンデンサにおけるフィンガ長さを変化させることにより（図５ａ、図５ｂ、図７ａ、図７ｂ）、同一の離間距離についてはフィンガ幅を変化させることにより（図１０ａ）、同一フィンガ幅については離間距離を変化させることにより（図１０ｂ）、或いは、これら３つの方法を任意に組み合わせることにより行うことができる。
【００７８】
個々の導体経路のインダクタンスを調節することにより、電流分布を均一化することができ、また、電流分布を所望のものに設定することができる。インダクタンスは、たとえば、個々のループを拡大することにより増大することができる。また、フィンガコンデンサ内またはフィンガコンデンサの外側（図１０ｃ）またはその双方における局所的な蛇行（すなわち蛇行区間１０１、１０２）によってもインダクタンスを増大可能である。
【００７９】
ｄ．）ガルバニック接続の採用
基本的には、本発明の範囲内において個々の導電要素を選択点でガルバニック接続することができる。電流分布はこれによって変化されるべきではなく、好適な接続点は、たとえば、共振器の動作中に同一電位になる部位である。そのような同一電位の部位は、共振器の対称平面上に常に提供される。共振器での電流が均一化され且つ導電要素が同一電位の部位でガルバニック接続されるのであれば、電流分布はわずかに変化するに過ぎない（接続幅に依存して）。本発明によれば、図７ａおよび図７ｂの共振器はたとえば４つの接続要素１６１ないし１６４を備えることができ、各接続要素は組１６５ないし１６８の中心にある（図１６ａおよび図１６ｂ）。接続要素１６１は、たとえば６つの導電要素１６９ａないし１６９ｆを接続し、これらの導電要素は互いに隣り合って配されている。
【００８０】
図１１ａおよび図１１ｂは、個々の要素をガルバニック接続した更なる実施形態を示す。これらの接続は、対称平面における接続ではない。ここで、電流分布はガルバニック接続に略依存する。導電要素の容量およびインダクタンスならびにその他の要素との結合は、この場合、ガルバニック結合の追加条件によって調節しなければならない。
【００８１】
図１１ａは、４つの導電要素１１１ａないし１１１ｄを備えた発明性のある共振器を示す。導電要素１１１ｂはＵ字状である一方、導電要素１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｃは基部に蛇行構造を有したＵ字状になっている。蛇行構造により、導電要素１１１ａないし１１１ｄでの電流が調節される。蛇行構造は、基本的には、脚部に択一的または追加的に設けることができる。導電要素１１１ａないし１１１ｄの左側の脚部の端部は第１の接続要素１１２に接続され、また、右側の脚部の端部は第２の接続要素１１３に接続されている。この共振器の共振周波数の調節は、接続脚部として作用する要素１１２、１１３間のチップまたはトリマの形式の固定または可変の容量１１４により行われる。これにより、電流分布は広い周波数レンジにわたってほぼ均一になる。
【００８２】
図１１ｂは、合計で２４個の導電要素を備えた発明性のある共振器を示す。導電要素の組１１５ａ、１１５ｂの端部は、接続要素１１６に接続されている。組１１５ｃは接続要素１１７に接続され、組１１５ｄは接続要素１１８に接続されている。チップまたはトリマとして示された容量１１９は接続要素１１７、１１８間に設置され、共振器の共振周波数を調節するものである。これにより電流は容量１１９の或るレンジ（共振器の周波数レンジ）にわたって均一化される。個々の脚部における電流の調節は、容量調節により行われる。シミュレーション計算を容易にするため、導体経路幅と導体経路の離間距離との比を調節する代わりに、長さのみが調節される。左側および右側の導電要素の組１１５ａ／１１５ｃおよび１１５ｂ／１１５ｄを頂部および底部で接続したが、これは必須ではない。接続は、接続要素１１７、１１８を用いて容量１１９の接続脚部のみで行ってもよく、頂部の導体経路はガルバニック接続を用いずに構成可能である。この場合、しかしながら、導電要素間の結合を再調節する必要がある。
【００８３】
ｅ．）バードケージ共振器の実施形態
本発明はその他のタイプのコイルたとえば特許文献９のハイブリッドコイルにも適用可能である。
【００８４】
図１２は、ハイブリッドバードケージ共振器の例を斜視図で示す。この共振器は、合計で６つのバー部材を備え、そのうちの３つのバー部材１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅを図１２ａに示す。これらのバー部材の各々は、幾つかの直線状の平行導電要素からなる。簡易化のため、バー部材１２１ｃないし１２１ｅの個々の導電要素を図１２ａにおいて個々に示さないが、それらの領域をマークしてある。バー部材１２１ｃないし１２１ｅは２つの金属箔１２３により部分的に重なり合っている。図１２ｂは、図１２ａの平面ＸＩＩ−ＸＩＩ’に沿う断面図である。６つのバー部材１２１ａないし１２１ｆおよび２つの窓１２４は、ハイブリッドバードケージ共振器の中心のまわりに全て均等に配されている。矢印１２２は、図１３ｂ／図１４ｂにおける局所座標Ｐの図示の方向を示す。図１３ｂ／図１４ｂは、発明性のあるバードケージ共振器（図１３ｂ）および従来のバードケージ共振器（図１４ｂ）の動作中における、導電要素での最大交流電流の振幅の分布を示している。原理的には、隣り合うバー部材１２１ａないし１２１ｆ間の空間１２４ａも更なる小さい窓としてみなすことができる。
【００８５】
バー部材は、発明性のあるバードケージ共振器については図１３ａ／図１３ｂに詳細に記載し、従来のバードケージ共振器については図１４ａ／図１４ｂに記載してある。バー部材１３６、１４６は、おおよそ１つの平面に配され且つ平行に向けられた複数の直線状の導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂ、１４１からなる（明確化のため、導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂ、１４１の図示を一部削除してある）。導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂ、１４１は、頂部および底部において、ガルバニック絶縁されたプレート１３８ａ、１４５によって途切れないようにされており、磁化効果を最小化している（特許文献９、１０）。導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂ、１４１は、ＨＴＳ材料から製造され、また、基板上に配されている。この基板は誘電体としても作用するものである。導電要素は図１２ｂにおいてバー部材１２１ａないし１２１ｆの内側に位置して、導電要素と金属箔１２３とが電気化学的に接触することを防止している。
【００８６】
先行技術（図１４ａ）によれば、導電要素１４１は長さが同一であり、それらの端部は、誘電体により分離された金属箔１２３により部分的に重なり合っており、これにより、全ての導電要素１４１に対して同一である容量を形成している。導電要素１４１の端部領域は、ガルバニック絶縁されたプレート１４５を備え、これらのプレートは、特許文献１０に従って超伝導材料の巨視的には均一な分布を生起させる。金属箔１２３または金属リングを用いて組み立てられる幾つかのバー部材１４６は、ハイブリッドバードケージ共振器を形成している。
【００８７】
この従来のハイブリッドバードケージ共振器において、バードケージのバー部材にわたる全体的な電流分布は略正弦波状である。図１４ｂは、６つのバー部材を備えたバードケージ共振器用の、窓１２４の１つに関して対称をなす４つのバー部材１４６ａないし１４６ｄでの電流を示している。局所座標Ｐは、図１２ｂ中の矢印１２２に対応している。図１４ｂの外側バー部材１４６ａ、１４６ｂは図１２ｂ中の１２１ａ、１２１ｄに対応するものであるが、半分のみを示してある。バー部材１４６ａないし１４６ｄの縁部での電流は、しかしながら、バー部材１４６ａないし１４６ｄの中心側よりもかなり大きなものになっている。位置１４３ａないし１４３ｄにおける電流強度は、共振器における正弦電流分布の最大電流強度１４４ａ、１４４ｂよりも大きい。これらの位置１４３ａないし１４３ｄにはピーク形状の電流過剰があり、この電流過剰は、共振器の負荷が高い場合に早期局所クエンチを発生させることがある。また、位置１４３ｅ、１４３ｆには、最大電流強度１４４ａ、１４４ｂよりも振幅が小さい別の電流ピークがある。
【００８８】
発明性のあるバードケージ共振器コイル（図１３ａの対応するバー部材１３６の図示を参照）において、各バー部材は多数の導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂに細分されている。バー部材１３６は、従って、一組の導電要素を備えたものになっている。導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂは、誘電体で分離された金属箔１２３により部分的に重なり合っている。ガルバニック絶縁されたプレート１３８ａは、導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂの端部領域における超伝導材料を巨視的に均一にするために設けられる（特許文献１０を参照）。個々の導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂと金属箔１２３間に形成される容量は、全体的な電流分布が正弦波になるように、すなわち、ピーク形状電流余剰が除去されるように調節される。これにより、Ｂ１場の均一性が向上する。この例では、外方すなわち縁部の導電要素１３２ａ、１３２ｂを内方側の均一の長さの導電要素１３１よりも短くすることにより、調節を行うようにしている。更に外方の導電要素１３２ａは、より内方の導電要素１３２ｂよりも大幅に短くされる。図示した例では、２つの外方の導電要素１３２ａ、１３２ｂのみが短くされる。より多くの導電要素をバー部材に設ける場合（すなわち、導電要素パケットがより大きい場合）、より多数の導電要素群を短くすることができる。これに代えて、導電要素１３１、１３２ａ、１３２ｂの幅も、容量を付与する誘電体の層厚あるいは材料と共に変化可能である。
【００８９】
発明性のある容量調節は、バー部材の縁部位置で生起すると共に合計６つのバー部材を有する発明性のあるバードケージ共振器の２つの大きい窓１２４の１つに関して対称である最大電流（current maxima）１３３を弱めるものである（図１３ｂにおける電流分布を図１２ｂにおける１２１ａないし１２１ｄに対応する４つのバー部材１３６ａないし１３６ｄと比較されたい）。特に、最大電流１３３の寄与は、所望正弦波電流分布の最大電流強度１３４ａ、１３４ｂの寄与よりも小さくなる。
【００９０】
本発明の別の実施形態では、最大電流輸送能力を生じるがコイルのＢ１均一性を低下させるおそれのあるバードケージ共振器の全ての導体経路にわたって（各バー部材上または全バー部材上）電流が等しく分布するように、電流を調節することができる。
【００９１】
ｆ．）Ｂ１場の均一化
均一のＢ１場を、ＲＦ共振器の導電要素における電流密度の設計の更なる要件として導入してもよい。
【００９２】
上述の発明性のある構成は、導体経路すなわち導電要素の高密度化を追加条件としてある程度考慮しているが、この追加要件は、Ｂ１場の高度な均一性という別の追加条件で置き換えてもよい。
【００９３】
一般にＲＦ電流は導電要素の外方側領域に流れるので、小断面の導電要素は、導電要素における局所電流分布による磁場の歪みを最小化するために有利に用いられる。導電要素は、計算では線形であるとみなすことができる。
【００９４】
図１５ｃに示すような共振器構成の場の均一性は容易に改良することができる。計測対象の試料１５４のそばに配される共振器の対１５１、１５２、１５３は、図１５ａ／図１５ｂの発明の実施形態に従って設計可能である。ｘ−ｙ平面における場の均一性を最大にするため、外方領域での電流は、共振器の内方領域での電流よりも大きい必要がある。電流が各導電要素で等しく大きい場合、本発明によれば、導電要素の密度は外方に向かってすなわち試料から離反する方向に増大される。
【００９５】
ｇ．）開示の概要
ＲＦ磁場すなわちＲＦ共振器での合計電流を増大可能にするため、本発明によれば、ＲＦ共振器を形成する導電要素を、動作状態で任意の導電要素に沿って生起する最大電流密度であってその導電要素における最大電流密度部位での最大許容電流密度で除したものである最大電流密度がＲＦ共振器の全ての導電要素について同一の所望値付近になるように、選択して配置する。わずかな導電要素を特にＲＦ共振器の縁部領域に設ける場合は、所望値を低減することができる。或いは、通常は類似の導電要素で或る所望電流分布を有するようなＲＦ共振器において、導電要素の発明性のある選択および構成を用いることにより、任意の導電要素での電流流れは、所望電流分布にしたがう最も高い電流強度を有する導電要素での電流流れよりも決して大きくなることがない。これにより、たとえばバードケージ共振器のバー部材の縁部に生起可能な局所的なピーク形状の電流過剰が防止される。
【００９６】
発明性のある超伝導共振器では、個々の導電要素の早期局所クエンチを防止することができ、抵抗特性の線形領域を実質的に拡大することができる。また、発明性のある常導電性共振器では、電流密度分布がより均一になり、結果として共振器のＱ値がより大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】ａは基礎的なタイプの導電要素（完全ではない）の例を示す。ｂは図１ａによる基礎的なタイプの導電要素からなるＲＦ共振器の例を示す。
【図２】ａは先行技術による分布容量を備えたＲＦ共振器を示す。ｂは図２ａのＲＦ共振器の断面平面ＩＩ−ＩＩ’における電流分布を示す。
【図３】ａは先行技術による、フィンガあたり３つのフィンガレットを備えた分布容量形のＲＦ共振器を示す。ｂは図３ａのＲＦ共振器の断面平面ＩＩＩ−ＩＩＩ’における電流分布を示す。
【図４】ａは先行技術によるものであって、両側が被覆された基板上のＲＦ共振器の上側を示す。ｂは先行技術によるものであって、両側が被覆された基板上のＲＦ共振器の下側を示す。ｃは図４ａ／図４ｂのＲＦ共振器の上側の断面平面ＩＶ−ＩＶ’における電流分布を示す。
【図５】ａは中央領域でオーバラップを少なくした入れ子式のＵ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示す。ｂは図５ａの発明性のあるＲＦ共振器の断面平面Ｖ−Ｖ’に沿う電流分布を示す。
【図６】ａは外方に向かって均一に増大するオーバラップ領域を備えた入れ子式のＵ字形状の導電要素に基づく従来のＲＦ共振器を示す。ｂは図６ａの発明性のあるＲＦ共振器の断面平面ＶＩ−ＶＩ’に沿う電流分布を示す。
【図７】ａはＵ字状導電要素の間で外方に開放したＶ字状の分断領域を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の上側を示す。ｂはＵ字状導電要素の間で外方に開放したＶ字状の分断領域を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の下側を示す。ｃは図７ａ／図７ｂの発明性のあるＲＦ共振器の平面断面ＶＩＩ−ＶＩＩ’に沿う電流分布を示す。ｄは窓を図示するため、図７ａ／図７ｂの発明性のあるＲＦ共振器の上側および下側を重ねて示す。
【図８】ａは先行技術によるものであって、両側が被覆された基板に配され且つＵ字状導電要素間に矩形状の分断領域を備えたＲＦ共振器の上側を示す。ｂは先行技術によるものであって、両側が被覆された基板に配され且つＵ字状導電要素間に矩形状の分断領域を備えたＲＦ共振器の下側を示す。ｃは図８ａ／図８ｂのＲＦ共振器の断面平面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’に沿う電流分布を示す。
【図９】ａはＵ字状導電要素間で外側に開いたＵ字状分断領域を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の上側を示し、最内方の導電要素および最外方の導電要素を更に短くしたものである。ｂはＵ字状導電要素間で外側に開いたＵ字状分断領域を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の下側を示し、最内方の導電要素および最外方の導電要素を更に短くしたものである。
【図１０】ａは入れ子式のＵ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示し、同ＲＦ共振器の短辺側における導電要素の幅が導電要素の中央領域から共振器の内方縁部および外方縁部に向かって増大するものである。ｂは入れ子式Ｕ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示し、短辺において導電要素間の離間距離が導電要素の中央領域から内方縁部および外方縁部に向かって減少するものである。ｃは入れ子式のＵ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示し、このＵ字状導電要素の一部はそれらの基部に蛇行区間を有している。
【図１１】ａは個々の導電要素をガルバニック接続した発明性のあるＲＦ共振器を示す。ｂは個々の導電要素をガルバニック接続した発明性のあるＲＦ共振器を示す。
【図１２】ａは６つのバー部材を備えたハイブリッドバードケージ共振器の斜視図を示し、本発明によるバー部材の設計を図１３ａ／図１３ｂに示し、先行技術による設計を図１４ａ／図１４ｂに示す。ｂは図１２ａのハイブリッドバーケージ共振器の断面を断面平面ＸＩＩ−ＸＩＩ’で示し、これにより図１３ｂ／図１４ｂの電流分布の図示領域を特徴づけるものである。
【図１３】ａは本発明によるものであって、図１２ａ／図１２ｂに示すようなハイブリッドバードケージ共振器の導電要素（バー部材）のパケットを示す。ｂは本発明によるものであって、図１３ａに示すようなバー部材を備えたハイブリッドバードケージ共振器の導電要素の４つのパケットにおける電流分布を示す。
【図１４】ａは先行技術によるものであって、図１２ａ／図１２ｂに示すようなハイブリッドバードケージ共振器の導電要素（バー部材）の１つのパケットを示す。ｂは先行技術によるものであって、図１４ａに示すようなバー部材を備えたハイブリッドバードケージ共振器の導電要素の４つのパケットにおける電流分布を示す。
【図１５】ａは場の均一性を改良するために、導電要素間の離間距離を外方側に向かって減少させた入れ子式のＵ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示す。ｂは場の均一性を改良するために、導電要素間の離間距離を外方側に向かって減少させた入れ子式のＵ字状導電要素に基づく発明性のあるＲＦ共振器を示す。ｃは図１５ａ／図１５ｂの発明性のある設計を備えた平面共振器の構成を示す。
【図１６】ａはＵ字状導電要素間に、外方側に開いたＶ字状分断領域を備えると共にＵ字状導電要素間の対称平面にガルバニック接続を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の上側を示す。ｂはＵ字状導電要素間に、外方側に開いたＶ字状分断領域を備えると共にＵ字状導電要素間の対称平面にガルバニック接続を備え、両側が被覆された基板に配された発明性のあるＲＦ共振器の下側を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【外国語明細書】
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