(57)【要約】【課題】ＮＭＲプローブが、測定されるサンプルからの黒体放射に基づく放射線を吸収して温度上昇することを防ぐ。【解決手段】核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ400は、基板210と、基板210の上に形成され、超伝導素材を含むプローブコイル205と、基板210の上およびプローブコイル205の周辺に形成された複数の赤外線（ＩＲ）反射パッチ405を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成され、超伝導素材を含むプローブコイルと、
前記基板の上および前記プローブコイルの周辺に形成された複数のパッチであって、パッチのそれぞれは、ＮＭＲプローブ内でサンプルチューブからの赤外線（ＩＲ）放射を反射するよう構成されるパッチと、を備える、核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブ。
【請求項２】
前記パッチのそれぞれが、前記基板の露出された部分に取り囲まれた常伝導金属の層を有する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項３】
前記常伝導金属の層が、基板の露出された部分に取り囲まれた前記超伝導素材の層の上に形成される、請求項２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項４】
前記ＮＭＲプローブコイルが、前記基板の上で螺旋またはインターデジタル構成に配置された層を備える、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項５】
前記基板がサファイアを含む、請求項４に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項６】
前記層が、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）を含む、請求項４に記載のＮＭＲプローブコイル。
【請求項７】
前記複数のパッチのそれぞれが、前記基板のエッチングされた部分に取り囲まれた金の層を有する、請求項１に記載のＮＭＲプローブコイル。
【請求項８】
前記パッチが長方形の形状を有する、請求項２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項９】
前記パッチのそれぞれが、およそ１２ミクロン以下の最大線幅を有する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１０】
前記複数のパッチが、およそ６０％からおよそ７０％の充填率を提供する、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１１】
前記パッチが前記プローブコイルの外部周辺を取り囲み、前記プローブコイルの囲まれた中心領域の大部分を埋める、請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１２】
環状の空間内にサンプルチューブを受け入れるよう構成される中央チューブと、
前記中央チューブの壁と前記サンプルチューブの壁の間の前記環状の空間の部分に、ガス流を供給するよう構成されたガス源と、
前記中央チューブを取り囲む冷却された真空チャンバと、をさらに備え、
前記プローブコイルおよび前記複数のパッチを有する前記基板が前記真空チャンバの中に配置される、
請求項１に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１３】
前記基板がサファイアを含む、請求項１２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１４】
前記ＮＭＲプローブコイルが、前記基板の上で螺旋またはインターデジタル構成に形成された層を備える、請求項１２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１５】
前記層が、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）を含む、請求項１４に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１６】
前記パッチのそれぞれが、超伝導素材の層、前記超伝導素材の層の上に形成された常伝導金属の層、および前記超伝導素材の層および前記常伝導金属の層の周辺の前記基板を露出する領域を有する、請求項１２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１７】
前記パッチが、それぞれがおよそ１２ミクロン以下の最大幅を持つ長方形の形状を有する、請求項１２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１８】
前記パッチが、前記最大幅の約２５％未満の距離で互いに離隔される、請求項１３に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項１９】
前記パッチが、前記中央チューブから前記真空チャンバに入るＩＲ放射線の５０％より多くを反射するよう構成される、請求項１２に記載のＮＭＲプローブ。
【請求項２０】
基板の上に超伝導素材の第１の層を形成するステップと、
前記超伝導素材の層の上に常伝導金属の第２の層を形成するステップと、
前記第１および第２の層をエッチングして、前記超伝導素材および前記常伝導金属の螺旋またはインターデジタル形状のＮＭＲプローブコイルを形成するステップと、
前記第１および第２の層をエッチングして前記ＮＭＲプローブコイル周辺に複数のパッチを形成し、前記パッチは、前記ＮＭＲプローブ内でサンプルチューブからの赤外線（ＩＲ）放射を反射するよう構成されるステップと、を含む、
核磁気共鳴（ＮＭＲ）プローブを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核磁気共鳴プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲスペクトロメータおよび画像化システムのような核磁気共鳴（ＮＭＲ）技術は、研究者が原子核のある磁気特性を観察することを可能にする。これらの観察結果は、分子または他の小型の対象物の、基本的な化学的および物理的特性の調査に使用可能である。ＮＭＲ技術は、普通、例えば医学、化学、生物学および薬理学の分野で有機および無機分子の研究を実行するのに使用される。
【０００３】
ＮＭＲ測定は、通常は、調査されるサンプルを受け入れるＮＭＲプローブにより実行される。サンプルは、その原子核の磁気双極子を整列する静磁界内に置かれる。その後、ＮＭＲプローブは、時変高周波（ＲＦ）磁界をサンプルに加え、磁気双極子の整列に摂動を与える。次に、ＮＭＲプローブは、摂動を与えられた核がそれらの整列された位置に戻るとき、摂動を与えられた核により生成された磁界を検出する。最後に、検出された磁界は、その構成、その分子構造および他の有益な情報のような、サンプルの種々の特徴を識別するため分析される。
【０００４】
ＮＭＲプローブは、通常は、サンプルに加えられる時変磁界を生成する、および／または摂動を与えられた核がそれらの整列された位置に戻るとき、摂動を与えられた原子核により生成された磁界を検出する、プローブコイルを備える。これらの磁界は、通常は、高周波（ＲＦ）の範囲内で変動する。従って、プローブコイルを、ＲＦ送信器コイル、ＲＦ受信器コイル、またはＲＦ送信器／受信器コイルと呼んでもよい。プローブコイルは、通常、原子核の共鳴周波数で時変磁界を生成し、および原子核の共鳴周波数で磁気振動を検出するために調整される。
【０００５】
プローブコイルの性能は、対象の共鳴周波数に対するその帯域幅を示す、その線質係数（Ｑ係数）により評価が可能である。Ｑは、コイルの抵抗に逆比例する。よって、高いＱのコイルはより低い熱ノイズを有し、それで、サンプルの核の周波数に調整される場合、高感度で磁気振動を検出可能である。従って、他の事項が等しいならば、より高いＱ係数のプローブコイルは、より低いＱ係数のプローブコイルよりもより高感度の測定が可能である。
【０００６】
ＮＭＲプローブコイルのＱ係数を向上する１つの方法は、それを超伝導素材で形成することによる。超伝導素材はコイルの感度を強化することが可能であり、サンプルの比較的小さい磁界に反応することを可能にする。超伝導性を得るため、しかし超伝導素材は、低温冷却された真空チャンバのような低温冷却される環境に維持しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
真空チャンバは、ＮＭＲプローブコイルおよび他の低温構造が伝導を通して熱を吸収するのを防ぐ。それにもかかわらず、それはなお、ＮＭＲプローブコイルおよび他の構造が、測定されるサンプルからの黒体放射のような、放射線を通して熱を吸収するのを可能にする。残念なことに、この黒体放射の吸収は、サンプル内の温度勾配につながりえて、これはＮＭＲプローブにより得られる測定を低下させる傾向がある。また、それは、安定した低温に維持するため、低温冷却システムにより除去されなければならない熱負荷を追加する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の代表的な実施形態では、ＮＭＲプローブは、基板と、基板の上に形成され、超伝導素材を含むプローブコイルと、基板の上およびプローブコイルの周辺に形成された複数のパッチであって、パッチのそれぞれは、ＮＭＲプローブ内でサンプルチューブからの赤外線（ＩＲ）放射を反射するよう構成される。
他の代表的な実施形態では、ＮＭＲ装置は、環状の空間内にサンプルチューブを受け入れるよう構成される中央チューブと、中央チューブの壁とサンプルチューブの壁の間の環状の空間の部分に、ガス流を供給するよう構成されたガス源と、中央チューブを取り囲む冷却された真空チャンバと、真空チャンバ内に配置され基板を有するプローブ構造と、基板の上に形成された超伝導ＮＭＲプローブコイルと、基板の上でＮＭＲプローブコイルの周辺に形成された複数のパッチとを備え、其のパッチのそれぞれは、中央チューブから真空チャンバへ伝達されたＩＲ放射線を反射するよう構成される。
【０００９】
さらに他の代表的な実施形態では、ＮＭＲプローブを形成する方法は、基板の上に超伝導素材の第１の層を形成するステップと、超伝導素材の層の上に常伝導金属の第２の層を形成するステップと、第１および第２の層をエッチングして、超伝導素材および常伝導金属の螺旋またはインターデジタル（interdigital）形状のＮＭＲプローブコイルを形成するステップと、第１および第２の層をエッチングしてＮＭＲプローブコイル周辺に複数のパッチを形成し、パッチは、ＮＭＲプローブ内でサンプルチューブからの赤外線（ＩＲ）放射を反射するよう構成されるステップを含む。
【００１０】
前記実施形態は、添付の図とともに読むとき、後述の詳細な記載から最大に理解される。種々の特徴は、必ずしも縮尺通りではないことを強調しておく。実際に、説明を明確にするため、寸法を適宜増加または減少するかもしれない。適用可能および実際的な箇所は全て、同一の参照番号は同一の構成要素をいう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】代表的な実施形態による、ＮＭＲプローブの図である。
【図２】代表的な実施形態による、ＮＭＲプローブコイル構造を示す概略図である。
【図３】代表的な実施形態による、図２に示されたＮＭＲプローブコイルの部分を示す概略図である。
【図４】代表的な実施形態による、ＮＭＲプローブコイル構造の概略図である。
【図５】代表的な実施形態による、図４のＮＭＲプローブコイル構造の赤外線（ＩＲ）反射パッチを示す概略図である。
【図６】代表的な実施形態による、ＮＭＲプローブコイル構造を形成する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
後述の詳細な記載で、限定ではなく説明の目的で、本教示の完全な理解を提供するため、特定の詳細を開示する代表的な実施形態を述べる。しかし、本開示の利点を有した当業者に、本明細書中に開示される特定の詳細から逸脱する、本教示による他の実施形態が、添付の請求項の範囲内にとどまることが明らかになるであろう。また、例示の実施形態の記載を不明瞭にしないように、公知の機器および方法の記載は省略するかもしれない。そのような方法および機器は、明らかに本教示の範囲内である。
【００１３】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を記載する目的のためのみであり、限定を意図しない。定義する語句は、本教示の技術的分野で一般的に理解され受け入れられた定義された語句の、技術的および科学的意味に加えるものである。
本明細書および添付の請求項で使用されるとき、「１つ」および「その」の語は、文脈が明らかに他を述べていない限り、単数および複数の両方の指示対象を含む。よって、例えば、「１つの装置」は、１つおよび複数の装置を含む。
【００１４】
本明細書および添付の請求項で使用されるとき、それらの通常の意味に加え、「実質的」または「実質的に」の語は、受け入れられる限定または度合の内を意味する。
本明細書および添付の請求項で使用されるとき、それらの通常の意味に加え、「およそ」の語は、当業者に受け入れられる限定または量の内を意味する。例えば、「およそ同一」は、当業者が比較される事項が同一であるとみなすことを意味する。
【００１５】
代表的な実施形態は、一般的に、ＮＭＲスペクトロメータおよび画像化システムのようなＮＭＲ測定技術に関する。ある実施形態は、基板上に形成される超伝導ＮＭＲプローブコイルおよび複数のＩＲ反射パッチを備えるＮＭＲプローブを提供する。ＩＲ反射パッチは、黒体放射のような赤外線放射を反射し、それが基板により吸収されるのを防ぐ。これは、ＮＭＲプローブコイルのＲＦ線質係数の大幅な劣化、またはコイルにより生成されるＲＦ磁界の遮断なしに、ＮＭＲプローブにより測定されるサンプルの温度勾配を減少またはなくすことが可能である。
【００１６】
図１は、代表的な実施形態によるＮＭＲプローブ１００の図である。この図は、特定の概念を明らかに示すため、非常に簡略化されている。また、この図は、ＮＭＲプローブ構成の１つの例であって、代表的な実施形態は、この構成に限定されない。
図１を参照すると、ＮＭＲプローブ１００は、点線の矢印で示される長手方向の軸周辺に同軸に配置されたシリンダとして形成される、サンプルチューブ１０５、中央チューブ１１０、真空チャンバ１１５を備える。ＮＭＲプローブ１００は、サンプルチューブ１０５内に置かれたサンプルのＮＭＲ測定をするのに使用される、少なくとも１つの超伝導ＮＭＲプローブコイル（以下「ＮＭＲプローブコイル」）１２０をさらに備える。サンプルは、例えば、外径約５ｍｍの小型の試験管内に入れてもよい。ＮＭＲプローブコイル１２０は同調回路であり、通常は高温超伝導体（ＨＴＳ）素材で形成される。
【００１７】
サンプルチューブ１０５および中央チューブ１１０は、環状の空間により離隔され、環状の空間を通してガス流（例えば、窒素または乾燥空気）が通されて、サンプルチューブ１０５の温度を制御する。温度は、サンプルチューブ１０５の１つの端部から他の端部まで実質的に均一を保つように、通常は制御される。また、サンプルチューブ１０５および中央チューブ１１０の温度は、通常は室温に近く維持され、高い精度で、例えば摂氏１０分の１度内に制御が可能である。
【００１８】
サンプルチューブ１０５および中央チューブ１１０の温度は、通常は、フィードバックコントロールシステムの使用を介して制御される。このシステムは、ガス流をプローブの１つの端部から環状の空間を通して送り、環状の空間を通して、プローブの他の端部から出す。環状の空間に入る前、ガス流はそれを所望の温度に加熱するヒータのそばを通る。ガス流は、それからガスの温度を測定するセンサのそばを通る。コントロールシステムがヒータが所望の温度を達成するよう調整できるように、検出された温度はコントロールシステムにフィードバックされる。
【００１９】
真空チャンバ１１５は気密密閉され、ＮＭＲプローブコイル１２０と外側の環境の間を真空にする。実施形態で、真空チャンバは低温冷却される。真空は、熱伝導、または対流がＮＭＲプローブコイル１２０または外側の環境の温度に影響するのを防ぐ。超伝導性を得るため、この真空内で、ＮＭＲプローブコイル１２０は約２０Ｋ以下の温度に低温冷却される。この冷却は、例えば、ＮＭＲプローブコイル１２０の基板に熱交換器を接合することにより達成可能である。
【００２０】
真空はＮＭＲプローブコイル１２０と外側の環境の間の熱伝導を防ぐが、熱エネルギーは、それでもなお赤外線放射のような放射の形態で伝わりうる。例えば、サンプルチューブ１０５または中央チューブ１１０からの黒体放射は、真空チャンバ１１５へ広がり、それからＮＭＲプローブコイル１２０により吸収されるかもしれない。一般に、室温の物体からの黒体放射は、約１０μｍの波長で最大になり、これは、ＮＭＲプローブコイル１２０の一般的なサファイア基板が強く吸収する範囲内である。
【００２１】
ＮＭＲプローブコイル１２０および他の低温構造による黒体放射の吸収は、その長さに沿ってガス流の温度を徐々に減少させる。言い換えれば、ガス流は、それが入る時間とサンプルチューブ１０５と中央チューブ１１０の間の環状の空間を離れる時間の間に冷えるかもしれない。この冷却は、サンプルチューブ１０５内に位置付けられたサンプルの温度、潜在的にサンプル内の温度勾配および／または対流を起こす可能性がある。これらの温度勾配および／または対流は、ＮＭＲプローブ１００が線形が良いＮＭＲ測定を行うのを妨げる可能性があり、それらがＮＭＲプローブ１００のより複雑なシム入れ（shimming）を必要とするかもしれない。ＮＭＲプローブコイル１２０および他の低温構造による黒体放射の吸収は、また、真空チャンバ１１５から取り除かれなければならない熱負荷を加える。一般的な実施で、この負荷は、ＮＭＲプローブコイル１２０を安定した低温で維持するため５から７ｋＷの交流（ＡＣ）ライン電力を必要とする可能性がある。
【００２２】
これらおよび他のＮＭＲプローブ１００内の伝熱の影響を考慮すると、ＮＭＲプローブコイル１２０が黒体放射を吸収するのを防ぐのが有益でありうる。これを行う１つの方法は、後述するように、ＮＭＲプローブコイル１２０上にＩＲ反射パッチを形成することである。これらのＩＲ反射パッチは黒体放射を反射し、ＮＭＲプローブコイル１２０とサンプルの間のＲＦフィールドの伝達に干渉することなく、伝熱を防ぐことが可能である。これによりサンプル内の温度勾配を減少またはなくすことが可能であり、放射負荷を３つ以上の因子で減少させる可能性があり、より経済的な冷却システムの使用を可能にする。
【００２３】
図２は、代表的な実施形態によるＮＭＲプローブコイル構造２００を示す概略図である。ＮＭＲプローブコイル構造２００は、通常は、図１に示されるようにＮＭＲプローブ内に位置決められ、プローブ内のサンプルに対し電磁信号の送信および／または受信を実行する。言い換えれば、それはＲＦ磁界をサンプルに提供し、その原子核を刺激し、および／または原子核から対応する反応を受信することが可能である。
【００２４】
図２を参照すると、ＮＭＲプローブコイル構造２００は、基板２１０上に形成されたプローブコイル２０５を備える。プローブコイル２０５は、対向する端部で直列で接合された複数のインターデジタルキャパシタ２１５を有する。
プローブコイル２０５の構成は、ＮＭＲプローブ内で使用可能な種々の代替的なコイル構成の１つである。１Ｈおよび１９Ｆを測定する４００から９００ＭＨｚのような高周波数に対し、図２に示されるようなインターデジタルキャパシタ（または織り合わされた櫛状体）をともなう構成は、２から４個のキャパシタで使用可能である。図２の構成は、たまたまキャパシタ４個のインターデジタル設計である。１３Ｃ、２Ｈ、および１５Ｎを測定する４０から２００ＭＨｚのような低い周波数に対し、螺旋コイル構成が使用可能である。また、ＮＭＲプローブコイルはこれらの構成に限定されず、種々の代替的な方法で形成可能である。
【００２５】
プローブコイル２０５は、ＨＴＳ素材の薄いフィルムと常伝導金属オーバレイヤ（overlayer）で形成される。ＨＴＳ素材および常伝導金属が基板２１０上に蒸着され、それから湾曲した角部がある長方形の形状に型押しされる。一般的な構成で、プローブコイル２０５の構成要素は、互いから約３０から１００μｍ離隔される。ＨＴＳ素材は、サンプルに対し、電磁信号の送信および／または受信の実行に使用される同調回路を形成する。常伝導金属層は、「ＲＦクエンチ」と呼ばれる、高電力環境下でのＨＴＳフィルムの焼け切れを防ぐ。それは、環境汚染による劣化も防ぐことが可能である。
【００２６】
ＨＴＳ素材は、例えば、イットリウムバリウム銅酸化物（ＹＢＣＯ）または種々の他の希土類バリウム銅酸化物（ＲｅＢＣＯ）を含むことが可能である。基板２１０は、通常は、合成サファイアのような素材を含む。ＨＴＳ素材は、通常は、スパッタ蒸着、蒸発、または種々の他の蒸着技術の１つにより基板に蒸着される、エピタキシャル成長プロセスを介して形成される。いくつかの例では、基板２１０は約４００マイクロメートル（μｍまたはミクロン）の厚さであり、ＨＴＳ素材は約０．３マイクロメートルの厚さである。常伝導金属は、例えば、金、銀、または他の相対的に非反応性および導電性の層、またはチタンの薄い層とその上部の金の厚い層のような金属の組み合わせを有することが可能である。
【００２７】
ＮＭＲプローブコイル構造２００は、通常は、熱交換器または他の温度コントロールメカニズムと併せて低温プローブ内で使用される。例えば、いくつかの実施形態では、２個のプローブコイル２０５がサンプルチューブの両側に取り付けられ、それぞれのコイルを支持する基板が、熱交換器に取り付けられる。熱交換器は、それぞれのプローブコイル２０５の冷却および温度制御を提供する。作動の間、プローブコイル２０５は、通常は、約２０Ｋまたはより低い温度に冷却され、これはＨＴＳ素材の電気ノイズ（「ジョンソン」または「熱」ノイズ）を最小化する傾向があり、その振幅および電気感度を大幅に増加することが可能である。
【００２８】
プローブコイル２０５の巻線は、ＮＭＲスペクトロメータに電気的に接合される連結ループに誘導的に接続が可能である。連結ループはＲＦエネルギーをプローブコイル２０５に提供し、ＮＭＲ共鳴を励起することが可能であり、プローブコイル２０５内で誘発された反応をサンプルから受信し、処理、記録、および表示のために、スペクトロメータへ反応を送信可能である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、プローブコイル２０５は、反対方向に曲げられた他のプローブコイルと背中合わせの構成に配置された螺旋である。言い換えれば、プローブコイル２０５は、２つの反対方向に曲げられた螺旋の１つでありうる。反対方向に曲げられた螺旋の種々の例は、Withers et al.により共同保有される米国特許第７，７０１，２１７号明細書に記載され、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。１つの例示の実施形態で、反対方向に曲げられた螺旋は、１５０ＭＨｚ近辺で共鳴し、１４．１Ｔ磁石に１３Ｃを検出するよう構成される。これらの螺旋を持つプローブは、例えば、１．５mmの外側の直径を持つチューブでのサンプルを受け入れるように設計できる。
【００３０】
前述で示されるように、プローブコイル２０５の露出された部分は、ＩＲ放射線を強く反射する金のような常伝導金属で形成される。しかし、図２に示されるように、ＮＭＲプローブコイル構造２００の露出された領域のほとんどは、ＩＲ放射線を強く吸収するサファイアのような誘電体基板素材で形成される。結果として、ＮＭＲプローブコイル構造２００は、作動の間かなりの量のＩＲ放射線を吸収するかもしれない。
【００３１】
図３は、代表的な実施形態による、図２のプローブコイル２０５の部分を示す概略図である。特に、図３は、プローブコイル２０５の１つの端部におけるインターデジタルキャパシタ２１５の拡大を示す。
図３を参照すると、インターデジタルキャパシタ２１５は、直列で接合される第１のインターデジタルキャパシタ３０５、および第２のインターデジタルキャパシタ３１０を備える。これらのキャパシタは、平面インダクタを形成するプローブコイル２０５の巻線内に位置付けられる。図２に示されるように、プローブコイル２０５の他の端部に位置付けられたさらに２つのインターデジタルキャパシタがあり、そうすると合計４つのインターデジタルキャパシタを有する。
【００３２】
図３の拡大図で示されるように、それぞれの第１および第２のインターデジタルキャパシタ３０５および３１０、およびプローブコイル２０５の巻線は、それらを、それらのそれぞれの長さに沿って互いから電気的に分離された複数のフィンガーレット(fingerlet)へ分ける、複数のスリットを有する。これらのスリットは重要ではないが、ＨＴＳ素材の永久電流ループにより生成される静磁場の強度を減少することにより、プローブコイル２０５の性能を潜在的に向上可能である。これらの磁場の減少は、ＮＭＲプローブコイル構造２００近辺のサンプル領域内の磁場の均一性のひずみを防ぐ。いくつかの適用で、それぞれのフィンガーレットの幅を約１０μｍ以下に限定することで、適切な減少を達成可能である。そのようなフィンガーレットおよびそれらの可能性がある構成のさらなる例は、一般的に特定された２０１１年６月２８日出願の米国特許出願第１３／１７０，６１０号明細書に記載され、その公開は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３３】
図４は、代表的な実施形態によるＮＭＲプローブコイル構造４００の概略図である。ＮＭＲプローブコイル構造４００は、放射された熱エネルギーの吸収を防ぐよう構成されたＩＲ反射パッチをさらに備えることを除いて、図２のＮＭＲプローブコイル構造２００と同様である。
図４を参照すると、ＮＭＲプローブコイル構造４００は、基板２１０上に両方が形成された、プローブコイル２０５およびＩＲ反射パッチ４０５を備える。ＩＲ反射パッチ４０５は赤外線エネルギーを反射し、基板２１０により吸収されるのを防ぐ。これは順に、ＮＭＲプローブコイル構造４００が、測定されているＮＭＲサンプル内に温度勾配を引き起こすことを防ぐ。パッチは、金の上層またはＩＲエネルギーの高い反射性を持つ他の材料かが形成できる。
【００３４】
図４に示されるように、ＩＲ反射パッチ４０５は、プローブコイル２０５が囲む中心部分に形成され、同様に外部周辺を取り囲む。露出された基板の合計の領域は減少するので、従ってＩＲエネルギーの反射は増加する傾向がある。結果として、ＩＲ反射パッチ４０５を、プローブコイル２０５の電磁特性で実質的に干渉することなく、実現可能な最大の範囲で形成してもよい。プローブコイルのＲＦ性能がＩＲ反射パッチにより悪く影響されないことを確実にするため、例えば約３〜５ｍｍｘ１５〜２０ｍｍのプローブコイルを、ＩＲ反射パッチから５０μｍの距離で分離してもよい。
【００３５】
プローブコイル２０５およびＩＲ反射パッチ４０５は、通常は、同様のプロセスにより同一の素材で形成される。例えば、基板２１０上にＹＢＣＯの層、それから金の層を蒸着して、それからイオンミリング（milling）のようなエッチングプロセスを用いて両方の層をエッチングすることにより、それら両方を形成可能である。プローブコイル２０５単独の形成は、通常はこれらのステップを全て必要とするので、プローブコイル２０５単独と比較して、ＩＲ反射パッチ４０５を最小の追加コストで形成可能である。
【００３６】
図４の例で、基板２１０は、円形ウエハ（例えば、３インチの直径のサファイアウエハ）を備え、プローブコイル２０５およびＩＲ反射パッチは、上部の湾曲した線で示されるように、ウエハの縁部に形成される。一般的な実施では、複数のＮＭＲプローブコイル構造を、同一のウエハの異なる部分に形成可能である。それにもかかわらず、ＮＭＲプローブコイル構造４００は、ウエハの特定のタイプまたは構成、またはウエハの特定の部分上の形成に限定されない。
【００３７】
図５は、代表的な実施形態による、図４のＮＭＲプローブコイル構造内のＩＲ反射パッチ４０５を示す概略図である。より具体的にいうと、図５は、図４のＩＲ反射パッチ４０５の約１ｍｍの長方形の領域の拡大図である。
図５を参照すると、ＩＲ反射パッチ４０５は、金のような常伝導金属の層に覆われたＹＢＣＯのような超伝導素材の層からそれぞれ形成される、複数の分離した幾何学的形状を有する。これらの正方形は、基板２１０の部分を露出するエッチングされた領域により、互いに離隔される。説明の目的で、ＩＲ反射パッチ４０５のそれぞれは、ＹＢＣＯの上に金で形成された正方形であると仮定する。
【００３８】
一般に、金は赤外線範囲内で非常に反射し、それで、金のパッチを形成することは、ＩＲ放射線によるＮＭＲプローブコイル構造４００の熱吸収を減少できる。しかし、金はＲＦエネルギーを遮ることも可能であり、それで、プローブコイル２０５による信号の送信および受信に干渉するかもしれない。従って、ＲＦ侵入を可能にするため、基板２１０の露出された部分が、ＩＲ反射パッチ４０５の間で形成される。前述のように、これらの離隔は、プローブコイル２０５を形成するのに使用される、イオンミリングのようなエッチングプロセスにより形成可能である。
【００３９】
ＩＲ反射パッチ４０５の寸法および幾何学構造は、種々の点でプローブコイル２０５の性能に影響しうる。例えば、パッチが大きすぎる場合、超伝導体素材内で永久電流が生じるかもしれない。これらの永久電流はそれら自身の磁場を生成し、これが静磁場の均一性を乱し、ＮＭＲ測定に干渉する可能性がある。他方で、パッチが小さすぎる場合、パッチで覆われた面積割合または充填率は減少するかもしれない。充填率の減少は、基板２１０により吸収されるＩＲエネルギーの量を増加する傾向があり、これはＮＭＲサンプル内の温度勾配に寄与しうる。
【００４０】
ＩＲ反射パッチ４０５の最大寸法、または超伝導構造が約１２μｍまたは１０μｍ以下の最大線幅を有するように、永久電流は、一般的に、ＩＲ反射パッチ４０５を形成することにより、受け入れ可能な範囲内に維持可能である。１つの例として、図５は、それぞれ側面が約１２μｍの長さで約３μｍの距離で離隔された正方形で形成される、ＩＲ反射パッチ４０５の部分５０５を示す。部分５０５に示された寸法は、種々の適用で受け入れ可能な充填率も提供可能である。特に、これらの寸法は、（１２／１５）２、または６４％の充填率を生じ、これはＩＲ反射パッチ４０５がそれらが存在する領域の大部分を占めることを意味し、基板２１０により吸収される熱の量を６４％近くに減少することが可能である。
【００４１】
図に示さないが、サンプルとＮＭＲプローブコイル構造４００の間の伝熱を減少するため、ＩＲ反射パッチ４０５は、他のアプローチと組み合わせることも可能である。例えば、１つの付加的なアプローチは、真空空間内で、中央チューブ１１０の外側を赤外線放射の拡散または反射が可能なグラスファイバでくるむことである。また、ＩＲ反射パッチ４０５は、図に示さない種々の代替的な幾何学構造を有するよう変更することも可能である。例えば、それらを長方形、細長い細片、種々の他の多角形の形状、不規則な形状などとして形成することが可能である。
【００４２】
図６はある代表的な実施形態に基づくＮＭＲプローブコイルを形成する方法６００を示すフローチャートである。説明の目的で、方法６００は図４のＮＭＲプローブコイル構造４００を形成するために用いられるものとする。しかしながら、この方法は他の種類のＮＭＲプローブコイル構造を形成するために用いられて良い。
図６を参照して、同方法は誘電体基板（Ｓ６０５）上にＨＴＳフィルム又は層の形成により開始される。誘電体基板は一般的にサファイアを備え、複数のプローブコイルの製造に適したウエハの形式で設けられて良い。１つの実施形態において、基板上に最初の層を形成するためにＨＴＳ素材は基板を同時蒸着室内に挿入し同時にイットリウム、バリウム及び銅を蒸発することにより形成される。基板はそれから最初の層を酸化する為に酸素雰囲気内に置かれる。基板はＹＢＣＯに格子整合を有し、蒸着成分がエピタキシャルに成長することを可能にする。ある実施形態において、ＹＢＣＯは約０．３μｍの厚さに成長させられる。
【００４３】
ＨＴＳ素材が基板上で成長した後で、ＨＴＳ素材の上で基板上に常伝導金属の層が形成される（Ｓ６１０）。とりわけ、この層はＨＴＳをいわゆる「ＲＦ急冷」及び環境汚染又は劣化から保護可能で、図４に示されるようなＩＲ反射パッチの形成に使用可能である。
次に、常伝導金属及びＨＴＳ素材の層は図４に示されるような螺旋形状内の同調回路、及び図４に示されるような複数のＩＲ反射パッチを形成するためにエッチングされる(S615)。このエッチングは、例えば、フォトリソグラフィー工程によって達成されうる。フォトリソグラフィー工程において、螺旋及びＩＲ反射パッチの輪郭をなすためにフォトマスクが形成される。フォトマスクは、例えば、ガラス上にクロムを蒸着することによって形成されうる。次に、ＨＴＳ素材上でフォトレジストが回転されフォトマスクを用いてフォトレジストが露光される。露光に続いて、螺旋及びＩＲ反射パッチに対応する常伝導金属及びＨＴＳ素材の一部のみを覆うようにフォトレジストが部分的に除去される。それから、常伝導金属及びＨＴＳ素材はフォトレジストによって覆われない部分を除去するためにエッチングされる。このエッチングは、例えば、アルゴンイオン付きのイオンミル(ion mill)を用いて達成されうる。エッチングの結果として、基板の一部が常伝導金属及びＨＴＳ素材の層を通して露光される。エッチングの後で、基板（例えば、サファイアウエハ）は、ＮＭＲプローブ内に配置可能な、個別のプローブコイルに角切り可能である。
【００４４】
ＮＭＲプローブコイル構造４００の実験例において、ＩＲ反射パッチ４０５の存在はＱ係数又はプローブコイル２０５を著しく低減しないことが究明されている。ＩＲ反射パッチ４０５はプローブコイル２０５におって生成されるＲＦ磁界を実質遮断しない、これはまたプローブコイル２０５の感度の低減を防ぐことも究明されている。
例えば、いくつかの実験において、ＩＲ反射パッチ４０５付きプローブコイル２０５のＱ係数はＩＲ反射パッチ４０５無しのプローブコイル２０５のＱ係数と類似することが決定されている。プローブコイル２０５の共振周波数はＩＲ反射パッチ４０５に影響されないことも観察されている。プローブコイル２０５のＲＦ磁界がパッチによって遮断される場合、コイルのインダクタンスは低減されその周波数が上昇する。
【００４５】
図４のプローブコイル２０５によって生成されるようなＲＦ磁界がＩＲ反射パッチ４０５内の伝導性正方形に加えられると、磁界に反する電流は正方形内に誘導される。この電流は正方形のインダクタンスＬの正方形のインダクタンスＲに対する比率により与えられる時定数とともに減衰する。こうした時定数のいくつかに等しい時間の後で、電流はほぼゼロで、正方形がまるで無いかのように磁界が正方形に浸透する。金で覆われるＹＢＣＯで形成される正方形において、このＬ／Ｒ時定数は約ｄ／４秒で、ここでｄは正方形のメートルの大きさである。１２μｍ正方形において、これは３μｓで、それゆえＮＭＲの特定の周波数でＲＦ磁界は正方形に浸透しない。しかしながら、実験の測定でＲＦ磁界が正方形の間に十分妨げられずに空いた空間に浸透しコイルインダクタンスが実質低減されないことが示されている。コイルと試料との間の磁力結合が、それゆえコイル感度が、最低限しか低減しないと結論付けることが妥当である。
【００４６】
実施例が本明細書で開示されるが、当業者であれば本教示に基づき多くの変形例が可能で付属の特許請求の範囲内に留まることを理解いただけるであろう。例えば、平面コイルに関して様々な実施形態が記載されるが、こうした実施形態は円筒コイルを含むように変更されて良い。本発明はそれゆえ付属の特許請求の範囲を除いて制限されるべきではない。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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【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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