(57)【要約】  磁気共鳴信号を高感度に検出する新たな要素技術を備えた磁気共鳴装置を提供することを目的とする。  磁気共鳴装置は、試料Ｓに印加するための磁場を発生する磁場発生部１と、励起高周波を発生する励起高周波発生部２と、磁場内に配置されている試料Ｓに、励起高周波を照射する送信コイル３１と、励起高周波によって励起された試料Ｓが発生する磁気共鳴信号を受信する受信コイル４１と、磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜Ｍの振動に変換する電気機械トランスデューサ４２と、光の干渉に基づいて膜Ｍの振動を測定する振動測定部５と、を備える。
2018034326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に印加するための磁場を発生する磁場発生部と、
励起高周波を発生する励起高周波発生部と、
前記磁場内に配置されている前記試料に、前記励起高周波を照射する送信コイルと、  前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換する電気機械トランスデューサと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定する振動測定部と、
を備える、磁気共鳴装置。
【請求項２】
前記励起高周波の周波数と前記膜の振動数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する検波部をさらに備える、請求項１に記載の磁気共鳴装置。
【請求項３】
前記電気機械トランスデューサに印加するための駆動高周波を発生する駆動高周波発生部をさらに備え、
前記検波部が、前記励起高周波の周波数と、前記膜の振動数と、前記駆動高周波の周波数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する、請求項２に記載の磁気共鳴装置。
【請求項４】
前記励起高周波の周波数が一定であり、
前記磁場発生部が、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって前記磁場の強度を掃引する、請求項１から３のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項５】
前記受信コイルが超伝導コイルである、請求項１から４のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項６】
前記磁場の強度が一定であり、
前記励起高周波発生部が、共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって前記励起高周波の周波数を掃引する、請求項１から３のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項７】
前記電気機械トランスデューサが、容量結合性の前記膜と、前記膜と離隔して配置された複数の電極とを備え、
前記磁気共鳴信号の電圧を前記膜の振動に変換する、請求項１から６のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項８】
前記振動測定部が、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計およびマッハ・ツェンダー干渉計のいずれかである、請求項１から７のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項９】
前記磁気共鳴信号が、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、および磁気共鳴画像法のいずれかによる信号である、請求項１から８のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
【請求項１０】
磁場内に配置されている試料に、励起高周波を照射するステップと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信するステップと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換するステップと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定するステップと、
を含む、磁気共鳴方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気共鳴装置および磁気共鳴方法に関し、より詳細には、オプトエレクトロメカニクスに基づいた磁気共鳴信号の測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴（NMR: Nuclear Magnetic Resonance）装置は、試料を分析する装置であり、静磁場空間内に配置されている試料に励起高周波を照射して、試料内に含まれている測定対象の原子核から放出される核磁気共鳴信号を検出する装置である。照射する励起高周波の周波数は、印加する静磁場の大きさと、試料内の観測対象の核スピンの種類とに応じて決定されており、核磁気共鳴が起こる周波数は共鳴周波数と呼ばれている。【０００３】
一般的に、このような核磁気共鳴現象により得られる信号は、取り扱うエネルギーが極めて微小であることから、本質的に微弱な信号である。したがって、核磁気共鳴装置において高感度化は重要な課題となっている。【０００４】
下記特許文献１には、送信コイルと受信コイルとの間の電磁気的な結合の影響を抑えることにより、検出感度を向上させた核磁気共鳴装置用プローブが開示されている。【０００５】
下記特許文献２には、ディジタル直交ロックイン検出方法により、核磁気共鳴信号の受信を高感度に行う方法が開示されている。【０００６】
下記特許文献３および下記非特許文献１には、ナノメカニカルトランスデューサにより電波を光学的に検出方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３２２３６１号公報
【特許文献２】特開２００７−３４５８号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１６／００１１０４４号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Bagci et al., “Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer”, Nature, 2014年3月, Vol. 507, No. 6, pp.81-85
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
核磁気共鳴信号の測定において、信号の強度には例えばスピン濃度やラーモア周波数が関係しており、信号の線幅（分解能）には例えば四極子相互作用や核−電子スピン相互作用が関係している。核磁気共鳴信号の測定の難易度を、信号強度に関連する縦方向の問題と、信号の線幅に関連する横方向の問題とに分離して考えると、特許文献１および２に記載のこれまでの技術は、いずれも縦方向の問題だけを解決する要素技術である。【００１０】
核磁気共鳴信号の感度向上には、信号の検出に関連する様々な要素技術を、感度に悪影響を与えないように互いに組み合わせる必要があり、これまでの要素技術に組み合わせることが可能な新たな要素技術が求められている。【００１１】
特許文献３および非特許文献１には、電波を光学的に検出するための部品またはモジュールとしてナノメカニカルトランスデューサが開示されている。しかしながら、特許文献３および非特許文献１はいずれも、試料を分析する装置一式として磁気共鳴装置を開示するものではない。【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、磁気共鳴信号を高感度に検出する新たな要素技術を備えた磁気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】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明は、以下に示す態様を含む。
（項１）
試料に印加するための磁場を発生する磁場発生部と、
励起高周波を発生する励起高周波発生部と、
前記磁場内に配置されている前記試料に、前記励起高周波を照射する送信コイルと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換する電気機械トランスデューサと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定する振動測定部と、
を備える、磁気共鳴装置。
（項２）
前記励起高周波の周波数と前記膜の振動数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する検波部をさらに備える、項１に記載の磁気共鳴装置。
（項３）
前記電気機械トランスデューサに印加するための駆動高周波を発生する駆動高周波発生部をさらに備え、
前記検波部が、前記励起高周波の周波数と、前記膜の振動数と、前記駆動高周波の周波数とに基づいて、前記磁気共鳴信号を取得する、項２に記載の磁気共鳴装置。
（項４）
前記励起高周波の周波数が一定であり、
前記磁場発生部が、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって前記磁場の強度を掃引する、項１から３のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項５）
前記受信コイルが超伝導コイルである、項１から４のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項６）
前記磁場の強度が一定であり、
前記励起高周波発生部が、共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって前記励起高周波の周波数を掃引する、項１から３のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項７）
前記電気機械トランスデューサが、容量結合性の前記膜と、前記膜と離隔して配置された複数の電極とを備え、
前記磁気共鳴信号の電圧を前記膜の振動に変換する、項１から６のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項８）
前記振動測定部が、マイケルソン干渉計、ファブリ・ペロー干渉計およびマッハ・ツェンダー干渉計のいずれかである、項１から７のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項９）
前記磁気共鳴信号が、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、および磁気共鳴画像法のいずれかによる信号である、項１から８のいずれかに記載の磁気共鳴装置。
（項１０）
磁場内に配置されている試料に、励起高周波を照射するステップと、
前記励起高周波によって励起された前記試料が発生する磁気共鳴信号を受信するステップと、
前記磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の振動に変換するステップと、
光の干渉に基づいて前記膜の振動を測定するステップと、
を含む、磁気共鳴方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、磁気共鳴信号を高感度に検出する新たな要素技術を備えた磁気共鳴装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴信号の検出原理を説明するためのコイル配置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置の概略ブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置が備える電気機械トランスデューサ４２の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置における核磁気共鳴方法のフローチャートである。
【図５】ＮＭＲ信号が駆動高周波発生部６へ逆流することを防止するための回路構成の一例を概略的に示す模式図である。
【図６】図５に示す伝送線路の長さと静電容量Ｃ′との関係を説明するための模式図である。
【図７】振動測定部５の他の構成例を概略的に示す模式図である。
【図８】オプトメカニクスＮＭＲ実験に用いた装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図９】（ａ）は通常の電気的な方法により検出したＮＭＲ信号であり、（ｂ）はオプトメカニクスにより検出したＮＭＲ信号である。
【図１０】光変換されたＮＭＲ信号を取得するための構成の一例を示す模式図である。
【図１１】１パルス実験による時間領域のＮＭＲ信号（ＦＩＤ信号）である。
【図１２】図１１に示すＦＩＤ信号をフーリエ変換して得られたＮＭＲスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する説明を省略する。
【００１７】
一般に、核磁気共鳴現象により核磁気共鳴信号を取得する場合には、掃引する測定パラメータの違いにより、フーリエ変換型および静磁場掃引型の２つの態様がある。フーリエ変換型の態様では、試料に印加する、量子化軸を規定している磁場の強度は一定に保ったまま、試料に照射する励起高周波の周波数を、核磁気共鳴が起こる周波数である共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって掃引する。磁場掃引型の態様では、試料に照射する励起高周波の周波数は一定に保ったまま、試料に印加する、量子化軸を規定している磁場の強度を、核磁気共鳴が起こる磁場強度である共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって掃引する。本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴信号の検出では、磁場掃引型の核磁気共鳴を行う。
【００１８】
＜検出原理＞
本発明では、キャビティ・オプトメカニクスに基づいた電気機械トランスデューサを用いて、核磁気共鳴信号を、容量結合性の膜の振動に変換して測定する。
【００１９】
［受信コイルに発生する電圧（ＶＲ）］
図１は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴信号の検出原理を説明するためのコイル配置を示す模式図である。
【００２０】
試料Ｓ内の核スピンの量子化軸を規定する磁場Ｂ０をＺ方向とし、送信コイル３１の軸をＸ方向とし、受信コイル４１の軸をＹ方向とする。送信コイル３１に一定の周波数ωの高周波信号を連続的に送信する。このとき試料位置に発生する磁場を、２Ｂ１ｃｏｓωｔ＝Ｂ１［ｅｘｐ（ｉωｔ）＋ｅｘｐ（−ｉωｔ）］と表す。このとき、受信コイル４１に発生する電圧ＶＲに寄与する信号成分は、
・核磁気共鳴信号（ＶＳ）
・送信信号のリーク（ＶＬ）
である。
【００２１】
これに加えて、リーク信号ＶＬを相殺すべく、
・補償信号（ＶＣ）
を受信コイル４１に印加する。さらに、電気機械トランスデューサでの電気−機械結合のために、
・駆動信号（ＶＤ）
も印加する。すなわち、受信コイル４１の両端の間の電圧ＶＲは、
【数１】
2018034326.tif 000003
で与えられる。
【００２２】
［核磁気共鳴信号（ＶＳ）］
核磁気共鳴信号ＶＳは、受信コイル４１のループを貫く核磁化に起因する磁束ΦＮの時間微分で与えられる。すなわち、
【数２】
2018034326.tif 000004
受信コイル４１の形状に依存する複雑な議論を避けるために、コイルはひと巻きで直径Ｄとする。すると磁束ΦＮは核磁化のｙ成分Ｍｙを用いて、
【数３】
2018034326.tif 000005
で与えられる。Ｍｙは、回転座標系における定常状態の核磁化 
2018034326.tif 000006
を用いて、
2018034326.tif 000007
と書けるので、（３）式より、
【数４】
2018034326.tif 000008
となる。また、定常状態の核磁化の成分はBloch方程式から求めることができる：
【数５】
2018034326.tif 000009
ここでγは磁気回転比、Ｔ１は縦緩和時間、Ｔ２は横緩和時間、Δωは共鳴オフセット周波数である。上式は、飽和が無視できる条件下では、それぞれ
【数６】
2018034326.tif 000010
と単純化される。
【００２３】
静磁場Ｂ０のもとでの核スピンの歳差運動周波数ω０はω０＝−γＢ０であり、ΔωはΔω＝ω０−ωで与えられる。共鳴条件が満たされているとき、
2018034326.tif 000011
となる。このとき核磁気共鳴信号ＶＳの電圧は、
【数７】
2018034326.tif 000012
で与えられる。
【００２４】
［リーク信号（ＶＬ）と補償信号（ＶＣ）］
リーク信号ＶＬは、送信コイル３１が発する磁力線が受信コイル４１のループを貫く成分ΦＬ［Ｗｂ］の時間微分で与えられる。すなわち、
【数８】
2018034326.tif 000013
リーク磁束ΦＬは小さいほど望ましい。しかし、送信コイル３１と受信コイル４１とを直交させて配置しても、現実的にはリーク磁束を完全にゼロにすることは不可能である。
【数９】
2018034326.tif 000014
Ａは送受信コイルの形状および配置によって決まるパラメータであり、面積の次元を有する。ここからリーク電圧が、
【数１０】
2018034326.tif 000015
と求まる。
【００２５】
一定の周波数ωの高周波を連続的に照射する態様で核磁気共鳴信号を取得するとき、受信コイル４１に生じる電圧は、
【数１１】
2018034326.tif 000016
となる。
2018034326.tif 000017
の場合、電気機械トランスデューサ４２内に構成されている容量素子を通して光検出される信号の大部分は、リーク信号ＶＬによる寄与であり、微弱な核磁気共鳴信号ＶＳはそこに摂動が加わる程度の大きさである。そこで、ＶＣ＝−ＶＬとなるように補償信号ＶＣを受信コイル４１に加えることで、リーク信号ＶＬの影響を打ち消すと、微弱な核磁気共鳴信号ＶＳを取得することができる。
【００２６】
［信号検出手順］
一定の周波数ωの高周波信号を送信コイル３１に送りつつ、受信コイル４１に駆動信号ＶＤ及び補償信号ＶＣを送る。静磁場が核スピンの共鳴条件を満たすときに発生する（７）式の核磁気共鳴信号は、電気機械トランスデューサ４２内に備えられている容量結合性の膜Ｍ上において、周波数が薄膜Ｍの固有振動数ωｍに変換される。すなわち、核磁気共鳴信号が容量結合性の薄膜Ｍの変位となって現れる。この薄膜Ｍの変位を、例えばレーザーを用いた光干渉計で検出する。この薄膜変位の測定を様々な強度の静磁場のもとで行い、薄膜変位の静磁場強度依存性をプロットすると、核磁気共鳴信号のスペクトルが得られる。
【００２７】
＜装置の構成＞
図２は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置の概略ブロック図である。
【００２８】
本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置は、試料Ｓに印加するための磁場Ｂ０を発生する磁場発生部１と、励起高周波を発生する励起高周波発生部２と、磁場Ｂ０内に配置されている試料Ｓに励起高周波を照射する送信部３と、励起高周波によって励起された試料Ｓが発生する磁気共鳴信号を受信して、磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜Ｍの振動に変換する受信部４と、光の干渉に基づいて膜の振動を測定する振動測定部５と、駆動高周波を発生する駆動高周波発生部６と、周波数ωの励起高周波と、周波数ωｍの膜の振動による光の干渉信号と、周波数ωｄの駆動高周波とに基づいて、複素磁気共鳴信号を取得する検波部７とを備える。
【００２９】
［磁場発生部］
磁場発生部１は、直流電源１１と、メインコイル１２と、電圧掃引部１３とを備える。
【００３０】
メインコイル１２は、空間的に均質な磁場Ｂ０を発生させる、例えばヘルムホルツ型またはソレノイド型のコイルである。磁場Ｂ０により試料Ｓ内の核スピンの量子化軸が規定される。電圧掃引部１３は、磁場掃引型の核磁気共鳴を行うための構成であり、メインコイル１２が発生する磁場Ｂ０の強度を、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって掃引する。共鳴磁場強度は、試料Ｓに照射される励起高周波の周波数と、試料Ｓ内の観測対象の核スピンの種類とに応じて決定されている。
【００３１】
［励起高周波発生部］
励起高周波発生部２は、高周波発生源２１と、スイッチ２２と、増幅器２３，２４と、変調器２５と、分配器２６，２７とを備える。励起高周波は、試料Ｓを励起させるための振動磁場エネルギーを与えるための信号であり、励起高周波の周波数ωは、ω＝（ＬＣ）−０．５に設定されている。ここで、ＬおよびＣは、受信部４に構成されているＬＣ並列共振回路のインダクタンスＬおよび静電容量Ｃであることから、励起高周波の周波数ωは、受信部４に構成されているＬＣ並列共振回路の電気的な共振周波数ωである。
【００３２】
高周波発生源２１によって生成された励起高周波は、増幅器２３で増幅されて送信部３に入力される。スイッチ２２は、送信部３への励起高周波の入力タイミングを制御する。また、高周波発生源２１からの励起高周波は、増幅器２４で増幅されて、検波処理のために検波部７の直交検波器７４にも入力される。
【００３３】
また、励起高周波は、増幅器２４で増幅された後、変調器２５にて振幅および位相が調整され、駆動高周波発生部６にて駆動高周波と合成された後、受信部４の位相分配器４６に入力される。変調器２５は補償信号ＶＣを生成するための構成であり、補償信号ＶＣは、受信コイル４１に発生する、送信信号（励起高周波）のリーク信号ＶＬを打ち消すために、受信コイル４１に印加される。
【００３４】
［送信部］
送信部３は、送信コイル３１と、コンデンサ３２，３３，３４とを備える。
【００３５】
励起高周波発生部２からの励起高周波は、送信コイル３１から試料Ｓに照射される。送信コイル３１とコンデンサ３２とは、本実施形態ではＬＣ並列共振回路を構成している。コイルとコンデンサとの配置としては、並列共振および直列共振があり、コンデンサの配置としては、バランス型および非バランス型がある。バランス型のコンデンサ配置とは、コイルに対して左右対称にコンデンサを配置することによって、コイルに発生する電位差を小さくする手法である。本実施形態では、コンデンサ３２は、バランス型の並列共振を実現するための回路素子である。コンデンサ３３，３４は、本実施形態では可変コンデンサであり、コンデンサ３４が、回路の共振整合用の構成である。
【００３６】
［受信部］
受信部４は、受信コイル４１と、電気機械トランスデューサ４２と、コンデンサ４３，４４，４５と、位相分配器４６とを備える。
【００３７】
磁気共鳴信号は、励起高周波によって励起された試料Ｓに含まれる原子核のスピン（核スピン）によって生じる。核スピンは磁場の成分を有しており、受信コイル４１を貫く核スピンの磁場成分が時間的に変化することにより、受信コイル４１に誘導起電力が生じる。この時間的に変化する誘導起電力が磁気共鳴信号であり、磁気共鳴信号の電圧が、電気機械トランスデューサ４２を介して、電気機械トランスデューサ４２が備える容量結合性の膜Ｍの共振振動に変換される。後述するように、電気機械トランスデューサ４２は、所定の静電容量Ｃｍを有する容量素子を構成に含んでおり、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２とコンデンサ４３とは、本実施形態ではＬＣ並列共振回路を構成している。
【００３８】
受信コイル４１は、本実施形態では高温超伝導（HTS: High Temperature Superconducting）コイルであり、高いＱ値の共振回路を実現している。コンデンサ４３は、本実施形態では受信コイル４１の浮遊容量を意味し、受信コイル４１を自己共振で使用する。コンデンサ４４，４５は回路の共振整合用の構成であり、本実施形態では可変コンデンサである。
【００３９】
位相分配器４６は、入力側が駆動高周波発生部６に接続され、出力側が電気機械トランスデューサ４２に並列に接続されており、駆動高周波発生部６からの駆動高周波の信号を所定の位相差で分配する。駆動高周波は、電気機械トランスデューサ４２における電気−機械結合のために入力される信号である。位相分配器４６は、本実施形態では１８０°ハイブリッドジャンクションである。
【００４０】
図３は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置が備える電気機械トランスデューサ４２の模式図である。（ａ）は概略斜視図であり（ｂ）は断面図である。
【００４１】
本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置が備える電気機械トランスデューサ４２は、共振器キャビティ４２１と、共振器薄膜４２２と、金属膜４２３と、平面電極４２４と、基板４２５とを備える。本実施形態では、電気機械トランスデューサ４２は、公知の半導体製造技術に基づいて作製された、キャビティ・オプトメカニクスに基づくナノスケールの電気機械トランスデューサであり、公知のMEMS（Micro Electro Mechanical System）トランスデューサのメンブレン表面に導電性の膜が形成され、この導電性の膜に対向する位置に平面電極が形成されている構造を有する。導電性の膜には駆動用の高周波電圧が印加されている。例示的には、共振器キャビティ４２１はシリコン（Ｓｉ）製であり、共振器薄膜４２２はシリコン窒化膜（ＳｉＮ）であり、金属膜４２３はアルミニウム（Ａｌ）製であり、平面電極４２４は金（Ａｕ）製であり、基板４２５はガラス（シリカ）製である。金属膜４２３および平面電極４２４に用いる金属はこれら例示するものに限定されず、種々の金属を用いることができる。例えば金属膜４２３を金（Ａｕ）製とし、平面電極４２４をアルミニウム（Ａｌ）製としてもよい。
【００４２】
共振器薄膜４２２は、ナノスケールのメンブレンであり、共振器キャビティ４２１のキャビティ部底面に配置されている。平面電極４２４に対向する側の共振器薄膜４２２の表面には金属膜４２３が積層されており、共振器薄膜４２２と金属膜４２３とが容量結合性の膜Ｍを構成している。本実施形態では、電気機械トランスデューサ４２は真空容器（図示せず）内に配置されており、例えば気密コネクタを用いて受信コイル４１およびコンデンサ４３，４４，４５と電気的に接続されている。真空容器内の圧力は、大気圧よりも低い圧力、好ましくは真空に保たれている。電気機械トランスデューサ４２を真空中に配置することにより、大気中の気体分子による共振器薄膜４２２の振動の減衰を防ぐことができる。図中の符号Ｌｏｐｔは振動測定部５からの測定光であり、真空容器に設けられた光学窓を通じて電気機械トランスデューサ４２に入射する。
【００４３】
複数の平面電極４２４は、共振器薄膜４２２から所定の距離ｄだけ離隔して基板４２５の表面に配置されている。複数の平面電極４２４と容量結合性の膜Ｍとが、所定の静電容量Ｃｍを有する容量素子を構成している。平面電極４２４の接続端子には、受信コイル４１からの受信信号と、位相分配器４６からの駆動高周波信号とが接続されている。電気機械トランスデューサ４２内に構成されている、所定の静電容量Ｃｍを有するこの容量素子は、受信コイル４１およびコンデンサ４３と共にＬＣ並列共振回路の一部を構成している。すなわち、ＬＣ並列共振回路のインダクタンスＬは、受信コイル４１のインダクタンスであり、ＬＣ並列共振回路の静電容量Ｃは、コンデンサ４３の静電容量をＣ０とすると、Ｃ＝Ｃ０＋Ｃｍである。例示的には、Ｃ０は約８０ｐＦ、Ｃｍは約０．５ｐＦである。
【００４４】
また、駆動高周波信号の周波数ωｄは、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２とコンデンサ４３とが構成しているＬＣ並列共振回路の電気的な共振周波数ωと、電気機械トランスデューサ４２が備える容量結合性の膜Ｍの機械的な共振周波数ωｍとの差に設定されている。駆動高周波信号と受信コイル４１からの磁気共鳴信号とは、その差周波（difference frequency）に相当するうなり信号を生成する。うなり信号の周波数が、容量素子と容量結合した膜Ｍの機械的な共振周波数と一致すると、膜Ｍの共振振動が誘起される。このように、電気機械トランスデューサ４２は、磁気共鳴信号を、容量結合性の膜Ｍの共振振動に変換するトランスデューサ（変換器）として機能する。
【００４５】
［振動測定部］
振動測定部５は、本実施形態では公知の光干渉計であり、具体的にはマイケルソン干渉計である。振動測定部５は、電気機械トランスデューサ４２が備えている容量結合性の膜Ｍの変位を測定対象とする。公知のマイケルソン干渉計の例示的な構成として、振動測定部５は、光源５１と、ビームスプリッタ（ハーフミラー）５２と、反射鏡５３と、光検出器５４とを備える。
【００４６】
光源５１は、コヒーレントな測定光を照射する。ビームスプリッタ５２は、測定光を反射光と透過光とに分割する。反射光は反射鏡５３において反射され、ビームスプリッタ５２を透過して光検出器５４に入射する。透過光は電気機械トランスデューサ４２の容量結合性の膜Ｍにおいて反射され、ビームスプリッタ５２において反射されて光検出器５４に入射する。
【００４７】
ここで、容量結合性の膜Ｍと平面電極４２４との間の距離ｄが変化していると、反射光と透過光との間に生じた光路差により、干渉光には位相差が生じる。したがって、光検出器５４において干渉光の干渉縞を測定することにより、容量結合性の膜Ｍと平面電極４２４との間の距離ｄの変化を測定、すなわち容量結合性の膜Ｍが振動することにより生じる位置の変化を測定する。光検出器５４は、測定により得た容量結合性の膜Ｍの振動数ωｍを含む信号を、後段の検波部７に出力する。光検出器５４の出力は、本実施形態ではアナログ信号である。
【００４８】
［駆動高周波発生部］
駆動高周波発生部６は、高周波発生源６１と、スイッチ６２と、増幅器６３，６４と、分配器６５と、合成器６６とを備える。駆動高周波は、電気機械トランスデューサ４２における電気−機械結合のために出力する信号であり、駆動高周波の周波数ωｄ＝励起高周波の周波数ω−容量結合性の膜Ｍの機械的な共振周波数ωｍに設定されている。
【００４９】
高周波発生源６１によって生成された駆動高周波は、増幅器６３で増幅されて受信部４の位相分配器４６に入力される。スイッチ６２は、受信部４への駆動高周波の入力タイミングを制御する。また、高周波発生源６１からの駆動高周波は、増幅器６４で増幅されて、検波処理のために検波部７の混合器７２にも入力される。
【００５０】
［検波部］
検波部７は、帯域通過フィルタ７１，７３と、混合器７２と、直交検波器７４と、データ取得部７５と、増幅器７６とを備える。
【００５１】
振動測定部５からの、容量結合性の膜Ｍの振動数ωｍを含む信号は、帯域通過フィルタ７１でノイズ除去された後、増幅器７６で増幅されて混合器７２の一方の入力端子に入力される。混合器７２の他方の入力端子は、駆動高周波発生部６の増幅器６４の出力端子に接続されており、混合器７２は、振動測定部５からの振動数ωｍを含む信号と、駆動高周波発生部６からの駆動高周波（周波数ωｄ）とを混合した混合信号を出力する。
【００５２】
混合器７２からの混合信号は、帯域通過フィルタ７３でノイズ除去された後、直交検波器７４の一方の入力端子に入力される。直交検波器７４の他方の入力端子（参照端子）は、励起高周波発生部２の増幅器２４の出力端子に接続されており、直交検波器７４は、混合器７２からの混合信号と、励起高周波発生部２からの励起高周波（周波数ω）とに基づいて直交検波を行い、磁気共鳴信号の信号成分を抽出する。直交検波器７４で検波された磁気共鳴信号の信号成分は、磁気共鳴信号のスペクトルデータとしてデータ取得部７５に記録される。本実施形態では、直交検波器７４は公知のディジタル・ロックインアンプであり、データ取得部７５は公知のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００５３】
＜装置の動作手順＞
図４は、本発明の実施の形態に係る核磁気共鳴装置における核磁気共鳴方法のフローチャートである。
【００５４】
以下のステップでは、磁場掃引型の核磁気共鳴を行う場合を例示する。ステップＳ１〜ステップＳ５の測定中、磁場Ｂ０および励起高周波は印加および照射したままの状態とし、磁場発生部１の電圧掃引部１３が、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって磁場Ｂ０の強度を掃引する。
【００５５】
ステップＳ１では、送信部３が、磁場Ｂ０内に配置されている試料Ｓに、一定周波数の励起高周波を照射する。磁場Ｂ０は磁場発生部１によって発生されており、励起高周波は励起高周波発生部２によって発生されている。ここで、電圧掃引部１３が掃引する磁場Ｂ０の強度が共鳴磁場強度に一致すると、試料Ｓは励起して磁気共鳴信号を発生する。
【００５６】
ステップＳ２では、受信部４の受信コイル４１が、試料Ｓが発生する磁気共鳴信号を受信する。
【００５７】
ステップＳ３では、受信部４の電気機械トランスデューサ４２が、磁気共鳴信号の電圧を、容量結合性の膜の共振振動に変換する。
【００５８】
ステップＳ４では、振動測定部５が、光の干渉すなわち干渉光の位相差に基づいて膜の振動を測定する。
【００５９】
ステップＳ５では、検波部７が、励起高周波の周波数と、膜の振動数と、駆動高周波の周波数とに基づいて、磁気共鳴信号を取得する。
【００６０】
上記したステップＳ１〜ステップＳ５の測定中、電圧掃引部１３は、共鳴磁場強度を含む所定の範囲にわたって磁場Ｂ０の強度を掃引している。すなわち、磁場Ｂ０の強度の時間変化を横軸とし、容量結合性の膜の振動による位置の変化（磁気共鳴信号の強度に対応する）を縦軸とする磁気共鳴信号のスペクトルデータを取得することができる。
【００６１】
＜発明による効果＞
以上、本発明によると、磁気共鳴信号を高感度に検出する新たな要素技術として、オプトエレクトロメカニクスに基づいた磁気共鳴装置を提供することができる。本発明では、キャビティ・オプトメカニクスに基づいた電気機械トランスデューサ４２を用いて、磁気共鳴信号を、容量結合性の膜Ｍの共振振動に変換して測定している。これにより、磁気共鳴信号の感度を向上（約５〜１０倍程度）させることが可能となる。これは、信号強度に関連する縦方向の問題を解決する要素技術である。
【００６２】
磁気共鳴信号の感度が向上すると、従来の磁気共鳴装置では測定が困難であった核種を含む試料についても磁気共鳴信号の測定が可能となる。また、感度が向上すると、従来よりも微量な試料での分析が可能となる。
【００６３】
さらに、本発明では、磁場掃引型の核磁気共鳴とすることにより、核スピン数が１以上の核種に対しても核磁気共鳴信号の測定が可能となり、感度の向上と併せて、原理上、周期表上の全ての原子を測定対象とすることが可能となる。これは、信号線幅に関連する横方向の問題を解決する要素技術である。
【００６４】
さらに、本発明では、磁場掃引型の核磁気共鳴とすることにより、受信コイル４１に高温超伝導コイルを用いることが可能となる。これにより、受信部４において高いＱ値の共振回路を実現することが可能となる。高いＱ値の共振回路が実現されると、試料Ｓに含まれる原子核のスピンによって受信コイル４１に誘起される誘導起電力が増大し、容量結合性の膜Ｍの振動と受信コイル４１との関係を示す結合定数が増大する。これにより、オプトエレクトロメカニクスによる信号の変換効率も向上する。これにより、感度を向上（約１０倍程度）させることが可能となる。これは、信号強度に関連する縦方向の問題を解決する要素技術である。共振回路のＱ値が高くなると、測定周波数の帯域幅が制限されるという代償が発生するものの、本実施形態では、磁場掃引型の核磁気共鳴とすることにより、この代償による問題を解決することが可能となる。共鳴周波数が固定された場合であっても、磁場掃引型の核磁気共鳴であれば、核スピンの量子化軸を規定する磁場Ｂ０の強度を、共鳴条件を満たす範囲を含むように時間的に変化させることができ、核磁気共鳴信号を検出することができるからである。
【００６５】
＜付記事項＞
以上、本発明を特定の実施の形態によって説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではない。
【００６６】
上記実施の形態では、磁場掃引型の核磁気共鳴を行っているが、周波数掃引型のフーリエ変換型の核磁気共鳴を行ってもよい。この場合、磁場発生部１の電圧掃引部１３に代えて、励起高周波発生部２に周波数掃引部を設けて、周波数掃引部が、試料に照射する励起高周波の周波数を、共鳴周波数を含む所定の範囲にわたって掃引すればよい。周波数掃引部の一例としては、例えばファンクションジェネレータが挙げられる。ファンクションジェネレータは、任意の周波数および波形を有する高周波信号を発生する手段である。
【００６７】
上記実施の形態では、駆動高周波信号の周波数ωｄは、受信部４内に構成されているＬＣ並列共振回路の電気的な共振周波数ωと、電気機械トランスデューサ４２が備える容量結合性の膜Ｍの機械的な共振周波数ωｍとの差に設定されているが、ＬＣ並列共振回路の共振周波数ωと容量結合性の膜Ｍの共振周波数ωｍとが同調されている場合には、電気機械トランスデューサ４２の駆動信号として、高周波信号に代えて直流信号を入力することができる。この場合、高周波発生源６１は単なる直流電源となり、直流信号はコンデンサ４４，４５を通過することができないことから、直流電源からの直流電圧は、コンデンサ４４，４５を介さずに、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２とコンデンサ４３とが構成するＬＣ並列共振回路に並列に接続される。一方で、変調器２５からの補償信号Ｖｃは、高周波信号でありコンデンサ４４，４５を通過することができることから、コンデンサ４４，４５を介して上記したＬＣ並列共振回路に並列に接続することができる。位相分配器４６および混合器７２は不要となる。
【００６８】
上記実施の形態では、振動測定部５は光干渉計であり、具体的にはマイケルソン干渉計であるが、振動測定部５は、例えばファブリ・ペロー干渉計およびマッハ・ツェンダー干渉計といった、マイケルソン干渉計以外の他の光干渉計であってもよい。
【００６９】
上記実施の形態では、核磁気共鳴（NMR）法による信号の測定を一例として、オプトエレクトロメカニクスに基づく信号の測定装置および測定方法を説明しているが、受信コイルに生じる誘導起電力による高周波信号を測定している限り、測定対象の信号は核磁気共鳴法による信号に限らず、電子スピン共鳴（ESR）法による信号や、磁気共鳴画像（MRI）法といった、他の磁気共鳴法による信号であってもよい。
【００７０】
上記実施の形態では、データ取得部７５は直交検波器７４に直接的に接続されているが、データ取得部７５の接続態様はこれに限定されず、データ取得部７５は、直交検波器７４とは異なる場所に配置されて、例えばインターネット等の通信手段により直交検波器７４と通信可能に接続されていてもよい。
【００７１】
上記実施の形態では、電気機械トランスデューサ４２は平面電極４２４を備えているが、電極の表面形状は平面に限定されない。例えば電極の表面に突部（または突起）を設けることにより表面に起伏を形成してもよい。突部の立体形状も限定されず、例えば円柱、角柱、円錐、角錐、円錐台（frustum of circular cone）、および角錐台（frustum of pyramid）等の種々の立体形状とすることができる。
【００７２】
上記実施の形態では、受信コイル４１は高温超伝導コイルであるが、受信コイル４１は、高いＱ値の共振回路を実現することができればよく、例えば超伝導コイルであってもよい。
【００７３】
上記実施の形態では、受信コイル４１はコンデンサ４３と直接接続されているが、受信コイル４１自身が持つ電気容量（浮遊容量）を利用してもよい。この場合、コンデンサ４３を併用してもよいし、コンデンサ４３を省略してもよい。また、受信コイル４１に対して複数のコンデンサ４３を直列に、受信コイル４１の両端に接続してもよい。
【００７４】
上記実施の形態では、受信コイル４１は電気機械トランスデューサ４２と直接接続されているが、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２との接続の態様はこれに限定されない。例えば、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２とは、追加のコンデンサを介して（すなわち電場による結合を介して）接続されてもよい。具体的には、受信コイル４１の一方の端子と電気機械トランスデューサ４２の一方の端子との間に追加の第１のコンデンサを直列に接続し、受信コイル４１の他方の端子と電気機械トランスデューサ４２の他方の端子との間に追加の第２のコンデンサを直列に接続してもよい。
【００７５】
また例えば、受信コイル４１と電気機械トランスデューサ４２とは、追加のコイルを介して（すなわち磁場による結合を介して）接続されてもよい。具体的には、受信コイル４１の両端にコンデンサを追加する、もしくは受信コイル４１を自己共振させ閉回路とする。受信コイル４１に磁場による結合が生じるように追加のコイルを配置し、追加のコイルを電気機械トランスデューサ４２に接続してもよい。送信部３が備える送信コイル３１と、コンデンサ３２，３３，３４とについても上記した受信コイル４１と同様である。すなわち、送信コイル３１は、これらコンデンサと直接接続されてもよく、追加のコンデンサまたは追加のコイルを介して接続されてもよい。
【００７６】
受信コイル４１と接続対象との間の接続態様、送信コイル３１と接続対象との間の接続態様、駆動高周波発生部６と接続対象との間の接続態様、および電気機械トランスデューサ４２と接続対象との間の接続態様も上記実施の形態に限定されない。受信コイル４１、送信コイル３１、駆動高周波発生部６、および電気機械トランスデューサ４２のそれぞれは、接続対象と直接接続してもよいし、追加のコンデンサを介して（すなわち電場による結合を介して）接続されてもよいし、追加のコイルを介して（すなわち磁場による結合を介して）接続されてもよい。さらに、接続対象との間に、種々の位相分配器および／または種々の周波数フィルタ回路等を適宜接続してもよい。位相分配器は、例えば１８０°ハイブリッドジャンクションおよび９０°ハイブリッドジャンクションであり、周波数フィルタ回路は、例えばハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、およびバンドストップフィルタである。
【００７７】
上記実施の形態では、メインコイル１２はヘルムホルツ型またはソレノイド型のコイルであるが、メインコイル１２の態様はこれらに限定されない。空間的に概ね均質な磁場Ｂ０を発生させることができる限り、メインコイル１２には様々なタイプのコイルを使用することができる。
【００７８】
上記実施の形態では、送信部３においてコンデンサ３２が送信コイル３１に接続されているが、コンデンサ３２は任意の構成である。また、コンデンサ３２は、送信コイル３１に対して並列に接続されているが、直列に接続されてもよい。
【００７９】
上記実施の形態では、コンデンサ４３は受信コイル４１の浮遊容量であるが、コンデンサ４３と受信コイル４１との関係はこれに限定されない。コンデンサ４３は、受信コイル４１の浮遊容量ではなく追加のコンデンサであってもよい。または、追加のコンデンサと、受信コイル４１の浮遊容量であるコンデンサ４３との両方を、受信コイル４１に接続してもよい。
【００８０】
上記実施の形態では、駆動高周波発生部６と電気機械トランスデューサ４２とが、位相分配器４６およびコンデンサ４４，４５を介して電気的に接続されているが、駆動高周波発生部６と電気機械トランスデューサ４２との間の接続態様はこれに限定されない。意図しない信号の混入や逆流を防ぐために、駆動高周波発生部６と電気機械トランスデューサ４２とは、種々の電気的な素子を介して電気的に接続されてもよい。電気的な素子は、例えば、電場の結合を発生させるコンデンサ（容量素子）、磁場の結合を発生させる複数のコイル（誘導素子）、抵抗素子、位相分配器、および周波数フィルタ回路が挙げられる。駆動高周波発生部６と電気機械トランスデューサ４２とは、これら例示した電気的な素子のいずれか一つを介して、またはこれら例示した複数の電気的な素子の組合せを介して、電気的に接続されてもよい。
【００８１】
駆動高周波信号は、ＮＭＲ信号を受信するＬＣ共振回路と電気機械トランスデューサ４２とを電気的に結合させるために用いられる。しかしながら、駆動高周波発生部６からＬＣ共振回路へノイズが混入したり、ＮＭＲ信号が駆動高周波発生部６へ漏洩したりするため、駆動高周波信号は測定装置の性能を低下させる要因ともなる。例えば、駆動高周波信号の周波数ωｄを中心とした両側の周波数帯には、位相雑音信号が存在する。一方、ＬＣ共振回路の電気的な共振周波数ωと駆動高周波信号の周波数ωｄとは、容量結合性の膜Ｍの機械的な共振周波数ωｍしか離れていないため、上記した位相雑音信号がＬＣ共振回路に混入してしまう。また、ＮＭＲ信号の周波数ωと駆動高周波信号の周波数ωｄとでも、容量結合性の膜Ｍの機械的な共振周波数ωｍしか離れていない同じ高周波のため、ＮＭＲ信号の一部が駆動高周波発生部６へ逆流してしまう。上記したように、駆動高周波発生部６と電気機械トランスデューサ４２とを、種々の電気的な素子を介して電気的に接続すると、このような問題を解消または低減することが可能となり好ましい。
【００８２】
ＮＭＲ信号が駆動高周波発生部６へ逆流することを防止するための回路構成の一例を、図５に示す。図５に示す回路構成によると、伝送線路４７の長さを調整することにより、回路の実効的なキャパシタンスを調整することが可能となるため、共振器薄膜４２２と並列に接続していた、共振周波数調整用のトリマキャパシタを取り除いて回路を単純にすることも可能となる。
【００８３】
図５に示す回路構成では、受信コイル４１の両端に伝送線路４７を接続して引き延ばしている。信号発生時には伝送線路４７に定在波が生じる。定在波の波長は、光速をＮＭＲ周波数（ＬＣ共振回路の周波数）で除算した値に相当する。伝送線路４７に誘電体を用いる場合には、波長短縮率（典型的には約６７％）を考慮することが好ましい。
【００８４】
伝送線路４７の長さｌを微調整して、ちょうど定在波が節になる点Ａ（null point）において回路を分岐させる。波線で囲む分岐回路８において、駆動周波数ωｄでインピーダンス整合が達成されるように、キャパシタ８１，８２，８３を適宜追加する。定在波の節で分岐したことにより、ＮＭＲ信号は波線で囲む分岐回路８に漏れることはない。また、分岐先においてどのような回路を組もうとも、ＮＭＲ信号には影響がない。
【００８５】
さらに、定在波の節で分岐した先にも伝送線路４７を伸ばして、電気機械トランスデューサ４２に接続している。図６に示すように、伝送線路４７の長さをｌとすると、伝送線路４７を含めた正味のキャパシタンス（より正確にはインピーダンス）は、長さｌに依存する。損失を無視した近似では、長さｌを変化させることにより、静電容量Ｃ´（ｌ）はゼロから無限大にわたって可変である。したがって、伝送線路４７の長さｌの値を適切に選ぶことにより、ＬＣ回路の共振周波数をＮＭＲ周波数に合わせることが可能となる。
【００８６】
上記実施の形態では、振動測定部５は公知の光干渉計であり、マイケルソン干渉計として実現されているが、振動測定部５の構成はこれに限定されず、電気機械トランスデューサ４２が備えている容量結合性の膜Ｍの変位を、種々の方法で測定することができる。
【００８７】
振動測定部５は、例えば図７に例示する構成とすることができる。例示する振動測定部５′は、光検出器５４と、無偏光ビームスプリッタ５５と、偏光ビームスプリッタ５６と、１／４波長板５７ａと、１／２波長板５７ｂと、スクリーン５８とを備える。振動測定部５′では、偏光ビームスプリッタ５６の手前に設置した１／２波長板５７ｂの角度により、偏光ビームスプリッタ５６において直進する光と分岐する光との割合を調整することができる。偏光ビームスプリッタ５６と１／２波長板５７ｂとの組合せは、２つの光検出器５４の手前にもそれぞれ設置して、光検出器５４に入射するビーム強度を調整することができる。
【００８８】
例示する振動測定部５′では、光源自体の変動の影響を避けるために、偏光レーザビームを用いて差動で光検出を行う。すなわち、同じ型式の光検出器５４を２台用いて、一方の光検出器５４は、電気機械トランスデューサ４２に入射するビームから分岐した光を検出し、他方の光検出器５４は、電気機械トランスデューサ４２から戻ってくる光を検出するように構成した。これら２つの光検出器５４の出力信号を差動増幅器に接続し、２つの信号差を増幅することにより、光源の揺動の影響を排除して、電気機械トランスデューサ４２において散逸する光の強度に比例した信号を得ることができる。
【００８９】
電気機械トランスデューサ４２を用いたＮＭＲ信号の測定では、薄膜を用いた受信回路４１のＱ値が非常に高くなる。これは感度的には極めて有利である反面、その代償としてカバーできる周波数帯域幅が制限されることを意味する。その結果、観測される（時間領域の）ＮＭＲ信号は、ＬＣ回路に誘起される信号とは異なる形状を示す。これは線形システムにおける過渡的応答の一例とみなすことができ、観測信号の形状と元々の信号の形状との関係は、系の応答関数で互いに関係づけられる。
【００９０】
線形システムにおいて、励起ａ（ｔ）に対する応答ｂ（ｔ）は、コンボリューション（畳み込み）とよばれる数学的手続きを用いて
【数１２】
2018034326.tif 000018
と表すことができる。ここで、ｈ（ｔ）が系の振る舞いを特徴付ける応答関数、またはインパルス応答である。本発明のケースでは、ａ（ｔ）が時間領域のＮＭＲ信号、ｂ（ｔ）が薄膜を介して光検出された信号、ｈ（ｔ）が薄膜の応答関数、となる。
【００９１】
ここで、ｈ（ｔ）を指数的に減衰する関数で近似する。薄膜の熱振動スペクトルがローレンツ型関数でよくフィットできるという実験事実があり、指数減衰関数のフーリエ変換がローレンツ関数になるため、この近似は妥当であると考えられる。なお本発明の場合、薄膜の熱振動スペクトルの線幅は、約１００Ｈｚ程度である。そこでｈ（ｔ）を
【数１３】
2018034326.tif 000019
と表すことにする。時定数Ｔｍは１０ミリ秒のオーダーである。
【００９２】
溶液を測定対象とするＮＭＲの場合、典型的なＮＭＲ信号もまた指数減衰関数であって、その時定数は通常記号Ｔ２を用いて表される。この場合、応答ｂ（ｔ）は２つの指数関数のコンボリューションとなり、解析的に求めることができる。
【００９３】
ケース１：Ｔｍ＞Ｔ２
【数１４】
2018034326.tif 000020
ここから、ｂ（ｔ）は時刻ゼロにおいてゼロであり、その後極大を迎える。その時刻ｔｍａｘは、
【数１５】
2018034326.tif 000021
で与えられる。さらにその後漸近的にゼロに近づいていく。
【００９４】
ケース２：Ｔｍ＝Ｔ２
【数１６】
2018034326.tif 000022
【００９５】
上記した結果から理解されることの一つとして、合成した指数減衰信号を送り込んで光検出信号を取得すると、信号が極大を迎える時刻ｔｍａｘから逆算して、薄膜の応答関数の時定数を決定することが可能となる［Ｅｑ．（４）］。
【実施例１】
【００９６】
［実験１］
磁場Ｂ０の強度が約１テスラの永久磁石を用いて、４２．７ＭＨｚ帯におけるプロトン（１Ｈ）ＮＭＲを実施した。【００９７】
試料Ｓとして、内径１ｍｍの試験管に入れた０．１ｍｏｌ／Ｌの硫酸銅水溶液を使用し、体積が約３ｍｍ３の水に含まれる１ＨのＮＭＲ実験を行なった。硫酸銅は１Ｈの緩和剤として働く。これにより、スペクトルを積算するための測定の繰り返しを、５０ミリ秒の時間間隔で行うことができるようになった。試料が純水の場合には、測定の繰り返し間隔は１０秒程度必要である。【００９８】
図８に、オプトメカニクスＮＭＲ実験に用いた装置の概略的な構成を示す。１Ｈスピンの励起用およびＮＭＲ信号の検出用に、コイル軸が互いに直交した２つのコイル送信コイル３１および受信コイル４１を用意した。送信コイル３１および受信コイル４１のそれぞれに対して、可変コンデンサを用いて、４２．７ＭＨｚで共振する回路を構成した。両者の回路のアイソレーションは２２．５ｄＢであった。検出コイルの共振回路には、薄膜キャパシタを用いた。電気機械トランスデューサ４２は真空容器内に配置した。共振器キャビティ４２１はシリコン（Ｓｉ）製であり、共振器薄膜４２２はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）製であり、金属膜４２３はアルミニウム（Ａｌ）製であり、平面電極４２４はアルミニウム（Ａｌ）製であり、基板４２５はシリカ製であった。光干渉計にはファブリ・ペロータイプを使用した。【００９９】
なお、本実験にあたり、金（Ａｕ）製およびアルミニウム（Ａｌ）製の２種類の金属膜４２３を準備し、薄膜Ｍの共振周波数ωｍを確認した。金製の金属膜４２３を用いた際の共振周波数ωｍは、約１８０ｋＨｚであり、アルミニウム製の金属膜４２３を用いた際の共振周波数ωｍは、約４３５ｋＨｚであった。金よりもアルミニウムの方が軽い分、共振周波数が増加したと考えられる。核スピンの共鳴条件により、共振周波数ωｍが増大すると、共鳴条件を満たす静磁場Ｂ０の大きさも増大する。したがって、ＮＭＲ信号の取得のし易さを考慮して、実験には、薄膜Ｍの共振周波数ωｍが増大するアルミニウム製の金属膜４２３を採用した。このような考察から、オプトメカニクスを用いたＮＭＲ信号の測定には、薄膜Ｍの共振周波数ωｍを増大させることができる軽い金属を金属膜４２３に用いることが好ましいという知見が得られた。【０１００】
［１．電気的な方法によるＮＭＲ信号の検出］
まずは、以下に説明するように、通常の電気的検出が可能であることを確認した。【０１０１】
図８のＰｏｒｔ Ｂに、＋１７ｄＢｍの強度を有するラジオ波のパルス照射を行い、１Ｈスピンを励起した。９０度パルス幅は１１０μｓｅｃであり、１８０度パルス幅は２２０μｓｅｃであった。【０１０２】
図８のＰｏｒｔ Ａに低雑音増幅器を接続し、パルス励起の直後にＰｏｒｔ Ａから出力される１ＨのＮＭＲ信号を増幅した。増幅した信号を、通常のＮＭＲ分光計のレシーバに送って確認した。受信コイル４１側の共振回路に、−８６．４ｄＢｍの強度を有するＮＭＲ信号が発生することを確認した。【０１０３】
さらに、パルスを２回に分けて照射した後、パルス間隔分の遅延の後に信号を検出するスピンエコー実験（ E. L. Hahn, Spin Echoes. Physical Review, 80 (1950) 580-594）も行った。取得したスピンエコー信号を図９（ａ）に示す。【０１０４】
［２．オプトメカニクスを用いた光検出実験］
次に、図８のＰｏｒｔ Ａに接続していた低雑音増幅器を取り外し、Ｐｏｒｔ Ａに駆動信号源を接続した。このような接続により、Ｐｏｒｔ Ａはこれまでは出力ポートとして機能していたが、以降はＰｏｒｔ Ａは入力ポートとして機能する。Ｐｏｒｔ Ｂはこれまでと同様に、励起パルスの入力ポートとして機能する。【０１０５】
駆動信号の周波数は、共振器薄膜４２２の機械的な固有振動数とＮＭＲの共振周波数との和（もしくは差で合っても良い）に設定した。例えば本実験の場合、共振器薄膜４２２の機械的な固有振動数が４３５ｋＨｚであり、ＮＭＲの共振周波数が４２．７ＭＨｚであったので、駆動信号の周波数を４３．１３５ＭＨｚとした。駆動信号の典型的な強度は＋１０ｄＢｍであった。実験中、駆動信号は常にオンにしておいた。【０１０６】
上記した手続きにより１Ｈスピンエコーを発生させた。駆動信号をオンにしたことにより、スピンエコー信号は共振器薄膜の振動に変換されている。【０１０７】
薄膜振動の振幅を、光干渉計と光検出器５４とを用いて検出した。光検出器５４の出力端子からは、共振器薄膜４２２の固有振動数に相当する周波数の搬送波が振幅変調された信号が出力される。この振幅変調の包絡線が、スピンエコー信号に相当する。【０１０８】
［３．信号の取得］
図１０に、薄膜の振幅変調の包絡線すなわち光変換されたＮＭＲ信号を取得するための構成の一例を示す。【０１０９】
光検出器５４の出力信号を低雑音増幅器７６にて増幅した後、増幅した出力信号を周波数混合器７２に送り込んだ。混合器７２の局所発信（Local: LO）ポートには、分岐させた駆動信号（周波数ωＤ）を入力した。混合器７２の出力（Intermediate Frequency: IF）ポートからは、搬送波が電気共振回路の共振周波数（すなわちプロトン１ＨのＮＭＲの周波数）に変換された信号が出力された。ＮＭＲ信号の情報、すなわち振幅変調の包絡線は維持されている。【０１１０】
１ＨのＮＭＲ周波数の参照信号を用いて、直交検波器７４により直交復調して、In-phase成分とQuadrature成分とをデータ取得部７５により記録した。【０１１１】
［４．光検出ＮＭＲ信号］
上記の手順によって、１ＨのスピンエコーＮＭＲ信号の光検出に成功した。その結果を図９（ｂ）に示す。
【実施例２】
【０１１２】
［実験２］
実験１に引き続き、実験１と同様の装置構成を用いて、実験１にて使用した試料と同じ試料Ｓに対して、単純な１パルス実験を行った。実験では、通常の電気的な検出と、オプトメカニクスを用いた光検出とを行った。【０１１３】
図１１に、１パルス実験による時間領域のＮＭＲ信号（ＦＩＤ（free induction decay）信号）を示す。符号（ａ）で示す信号が、通常の電気的な検出によるＦＩＤ信号であり、符号（ｂ）で示す信号が、オプトメカニクスを用いた光検出によるＦＩＤ信号である。積算回数はどちらも１０００回である。図１２に、図１１に示すＦＩＤ信号をフーリエ変換して得られたＮＭＲスペクトルを示す。符号（ａ）で示す信号が、通常の電気的な検出によるＮＭＲスペクトルであり、符号（ｂ）で示す信号が、オプトメカニクスを用いた光検出によるＮＭＲスペクトルである。なお、図１１および図１２では、信号のノイズレベルが等しくなるように縦軸を調整している。【０１１４】
図１２に符号（ｂ）で示すように、オプトメカニクスを用いた光検出によるＮＭＲスペクトルによると、符号（ａ）で示す通常の電気的な検出によるＮＭＲスペクトルよりも、線幅が細いＮＭＲスペクトルが観測された。これは、薄膜Ｍの共振の帯域幅が狭く、オプトメカニクスを用いた光検出による信号がＮＭＲ共鳴線の一部分のみをカバーすることが要因であると考えられる。縦軸をノイズレベルで規格化して両スペクトルを比較したところ、薄膜Ｍの帯域内においては、オプトメカニクスを用いた光検出によるＮＭＲスペクトル（ｂ）は、通常の電気的な検出によるＮＭＲスペクトル（ａ）よりも信号強度が強く、Ｓ／Ｎ比（すなわち感度）が向上していることが確認された。
【符号の説明】
【０１１５】
１   磁場発生部
２   励起高周波発生部
３   送信部
４   受信部
５   振動測定部
６   駆動高周波発生部
７   検波部
１１   直流電源
１２   メインコイル
１３   電圧掃引部
２１   高周波発生源
２２   スイッチ
２３，２４    増幅器
２５   変調器
２６，２７    分配器
３１   送信コイル
３２，３３，３４     コンデンサ
４１   受信コイル
４２   電気機械トランスデューサ
４２１ 共振器キャビティ
４２２ 共振器薄膜
４２３ 金属膜
４２４ 平面電極
４２５ 基板
４３，４４，４５     コンデンサ
４６   位相分配器
４７   伝送線路
５１   光源
５２   スプリッタ（ハーフミラー）
５３   鏡
５４   光検出器
５５   無偏光ビームスプリッタ
５６   偏光ビームスプリッタ
５７ａ   １／４波長板
５７ｂ   １／２波長板
５８   スクリーン
６１   高周波発生源
６２   スイッチ
６３，６４    増幅器
６５   分配器
６６   合成器
７１，７３    帯域通過フィルタ
７２   混合器
７４   直交検波器
７５   データ取得部（ＰＣ）
８１，８２，８３   コンデンサ
Ｓ     試料
Ｍ     容量結合性の膜
Ｌ     測定光
【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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【国際調査報告】
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