(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲ（核磁気共鳴）分光器の測定容積内の長尺状測定サンプルから測定信号を受信するためのＲＦ（ラジオ周波数）受信コイル装置であって、該測定サンプルのまわりにおいて平面基板エレメント上に配設され、共振回路を形成して誘導的及び容量的に作用する超伝導導電構造を有するＲＦ共振器を含むＲＦ受信コイル装置において、
該平面基板エレメント上の電流が流れる個々の共振回路が該測定容積の中心にその単一共振回路が位置する平面基板エレメントの面と実質的に平行な磁場を発生し、前記平面基板エレメントの面に対する前記磁場のずれは４０°を超えず、且つ、
一つ以上の磁場発生導体構造が、前記平面基板エレメント上に、該測定容積内に配されるべき前記測定サンプルの長手軸に平行に配設されていることを特徴とするＲＦ受信コイル装置。
【請求項２】
該平面基板エレメント上の全ての超伝導共振回路がほぼ同じ共鳴周波数にチューニングされていることを特徴とする請求項１記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項３】
該平面基板エレメント上の超伝導共振回路が誘導的及び容量的に作用する導体構造だけから形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項４】
該平面基板エレメント上の超伝導導体構造の少なくとも一部が該測定サンプルから可能な最小間隔に配設されていることを特徴とする請求項３記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項５】
該平面基板エレメント上の超伝導共振回路が実質的に単に誘導的に作用する導体構造と誘導的及び容量的に作用する導体構造とによって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項６】
該単に誘導的に作用する導体構造の少なくとも一部が該測定サンプルから可能な最小間隔に配設されていることを特徴とする請求項５記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項７】
誘導的及び容量的に作用する導体構造は、該平面基板エレメントのうち該測定容積の対向側の領域に配設されていることを特徴とする請求項５記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項８】
該超伝導導電構造が該平面基板エレメントのうち該測定容積側に配設されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項９】
前記測定容積は円柱形状であって、一つの平面基板エレメントが該測定容積から接線方向外側へ延伸するように配設され、導電構造が少なくとも部分的に測定サンプルの軸と平行に延伸し、それに近接して配設された超伝導共振回路が該基板エレメントに設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１０】
該一つの平面基板エレメントに対して、該測定容積内に配されるべき前記測定サンプルの長手軸のまわりに３６０／ｎ，２・３６０／ｎ，３・３６０／ｎ，．．．（ｎ−１）・３６０／ｎ°回転したロゼット状構造をなすｎ−１個の同一の平面基板エレメントがさらに設けられていることを特徴とする請求項９記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１１】
二つの平行な平面基板エレメントが該測定容積の対向側において該測定容積に対して対称的に配設され、二つの超伝導共振回路が、該測定容積に対して対称的に配設され、導電構造が少なくとも部分的に測定サンプルの軸に平行であり、かつそれに近接して配設された二つの平面基板エレメントの各々に設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１２】
Ｖ字型に配置された二対の平面基板エレメントがＶ字型の開いた側を該測定容積に近く直径上に対称に位置決めされ、導電構造が少なくとも部分的に測定サンプルの軸と平行に、かつそれに近接して配設された個々の基板エレメントの各々に一つの超伝導共振回路が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１３】
ヘルムホルツ・コイル装置が、該ＲＦ受信コイル装置の外側において、該ＲＦ受信コイル装置のＢ１磁場と直角の向きであって他の超伝導共振回路により発生されるＢ２磁場を該測定容積の中心に生ずるように配設されていることを特徴とする請求項１１又は１２記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１４】
該平面基板エレメントが線状の導電路を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１５】
一つ以上の別の超伝導又は常伝導ＲＦコイルとの結合が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置。
【請求項１６】
該別のコイルの少なくとも一つが請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のＲＦ受信コイル装置であることを特徴とする請求項１５記載のＲＦ受信コイル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＭＲ（核磁気共鳴）分光器の測定容積内の測定サンプルから測定信号を受信するＲＦ（ラジオ周波数）受信コイル装置であって、平面基板エレメントに配置され、測定サンプルのまわりに外部的に配設される共振回路を形成して誘導的及び容量的に作用する超伝導導電構造を有するＲＦ共振器を含むＲＦ受信コイル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置は、米国特許第５，５８５，７２３号から知られる。
【０００３】
ＮＭＲは、化合物の構造を分析するための非常に強力で正確な方法である。しかし、残念ながらこれはあまり感度が高くない。このため、ＮＭＲでは、検出感度ができるだけ高い、すなわち、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比ができるだけ高い共振器を提供することが中心的な関心事となる。冷却された、特に超伝導性のラジオ周波数共振器を用いると共振器における損失を非常に小さく抑えることができ、それによって感度をかなり高めることができる。
【０００４】
ＨＴＳ物質は、現在最も適当な超伝導体である。この物質は高い転移温度を有し、他の超伝導体に比べて、静磁場にきわめて鈍感である。これらの有利な性質は、この超伝導体が一定の方位の単結晶基板に形成される非常に薄いエピタキシャル層から作られた場合に得られる。このような基板は、通常平坦プレートとしてしか得られないので、共振器の幾何形状は平坦プレートの形態に限定され、これが可能な幾何的配置を大きく制約する。
【０００５】
測定される物質は、通常、測定チューブに封入された液体であり、普通は室温にあり、中間チューブと真空チャンバによって低温のＮＭＲ共振器（ほぼ２０Ｋという温度）から隔離されている。
【０００６】
このような装置は、例えば米国特許第５，５８５，７２３号から知られる。超伝導受信共振器には主に次のような問題がある。超伝導体によって生ずる静磁化が磁場の不均一性を生じ、それが高分解能ＮＭＲにおける狭い線の発生を妨げる可能性がある。さらに、超伝導体の有限な臨界電流は送信パルスのための最大コイル電流を制限して、所定のＮＭＲフリップ角（flip angle）に対する短いパルス幅を困難に又は不可能にする。
【０００７】
上述のように、共振器の感度、すなわち、そのＳ／Ｎ比がＮＭＲにおいて主要な役割を演ずる。これは、Ｂ1（ｘ，ｙ，ｚ）／ｓｑｒｔ（Ｐ）という項の体積積分に依存する、ここで、Ｂ1は、パワーＰが与えられたときに場所ｘ，ｙ，ｚに共振器によって生成される高周波磁場を表す。また、ｓｑｒｔ（Ｐ）は、Ｐ1/2、すなわちＰの平方根を表す（以下同様）。導体中の電流の寄与が全て同一の値を有するならば、パワーＰには通常の式Ｐ＝Ｒ・Ｉ2を代入することができ、体積積分の中の項はＢ1（ｘ，ｙ，ｚ）／Ｉ・ｓｑｒｔ（Ｒ）となる。これは、単位電流Ｉ当たり共振器が生ずるＢ1磁場が大きく、全ての導電路の全体の損失抵抗Ｒが小さいほど、感度が高くなるということを意味する。
【０００８】
ＮＭＲ共振器は、感度が高くなければならないが、それだけではなくその導体は送信段階でできるだけ高いＢ1磁場を生成できるように大きな電流を流さなければならない。高いＢ1磁場は、ある所望のＮＭＲフリップ角を得るための短い送信パルスを可能にする。ＮＭＲではこのような短い送信パルスがここでは述べないいろいろな理由によりきわめて望ましい。共振器の感度は電流からＢ1磁場への変換を最適にできるが、それだけでは十分ではない。電流もできるだけ大きくなければならない。これはさらに、超伝導体の臨界電流及び導体の幅に依存する。したがって、共振器の幾何形状は、Ｂ1磁場の生成に主に関与する導体ができるだけ広く、臨界電流いっぱいまで流すことができるようなものでなければならない。
【０００９】
ＮＭＲスペクトルにとって非常に重要なもう一つのパラメータは分解能である。分解能は、実質的にＮＭＲ信号で得られる相対的な線幅に依存し、それはさらに測定サンプルの活性領域における定常磁場Ｈ0の均一性に依存する。共振器の中の超伝導物質の静磁気が、超伝導体と測定サンプルの間隔が小さいためにＨ0磁場の均一性に強いマイナスの影響を及ぼす可能性があるので、個々の超伝導導電要素の表面を特別に設計しなければならない。従来技術の一つの解決方法は、全ての導体を狭い帯に細分して磁気の影響をできるだけ抑えるということである。
【００１０】
共振器のＱもＮＭＲスペクトルに影響する可能性がある重要な値である。主として送信パルスによって引き起こされる過渡現象と減衰プロセスを短時間に抑えて、ＮＭＲスペクトルにおける望ましくないアーチファクトを最小にするためには、この値は大きすぎてはならない。Ｑ値は比ωＬ／Ｒ、すなわち、共振器の全インダクタンスのインピーダンスを全ての導電路の全体抵抗で割った値に等しいから、共振器のインダクタンスＬは与えられた抵抗Ｒに対してできるだけ小さくなければならない。これは、測定サンプルにＢ1磁場を発生することに関与しているインダクタンスだけを残して他の全てを可能な限り小さくしたり又は補償したりすることによって達成される。
【００１１】
さらに、二つの共振器は、それらの間の磁気結合を最小にするために、磁場が一の共振器の磁場に直角になるように別の共振器を測定サンプルのできるだけ近くに取り付けることが可能でなければならない。二つの共振器の共鳴周波数は同じであっても異なっていてもよい。この二つのオプションのうち、通常は後者が選ばれ、別の共振器は別のタイプの核からの信号を励起及び／又は受信するように働く。このタイプの直交共振器配置は、ＮＭＲで特別な実験のためによく用いられる。
【００１２】
特に、二つのタイプの共振器が公知である。すなわち、共平面ヘルムホルツ共振器（米国特許第５，５８５，７２３号）及びハイブリッド共振器（ＤＥ １９７ ３３ ５７４ Ａ１）である。
【００１３】
共平面ヘルムホルツ共振器
この共振器は、ヘルムホルツ配置の二つの平面共振回路から成り（図７及び図８）、それらが同じ共鳴周波数ｆ0にチューニングされ、その強い誘導結合によって二つの共振モードを、一つはｆ0より下に、もう一つはｆ0より上に、生ずる。低い方の共鳴周波数のモードは測定容積において均一の磁場を生ずる唯一のものである。他のモードはきわめて不均一な磁場を生ずるので、ＮＭＲ検出器として使用できない。
【００１４】
共振回路配置の開き（opening）角αは、普通、Ｂ1磁場の均一性を最良にするために１２０°（度）に選ばれる（図７）。
【００１５】
コイルは全部が超伝導物質から成っているので損失は非常に小さく、もしも他に低下させる因子がなければ、感度は非常に高くなる。しかし、特に平面的な幾何形状は導電路を測定サンプルのすぐ近くに配置することを妨げ、それに対応して測定サンプルの場所に生ずるＢ1磁場が小さくなる。その結果、感度は低下する。
【００１６】
二つの共振回路の各々の構造を図９に示す。全ての導体は二つの機能を果たす、すなわち、共振回路の共振インダクタンスと共振キャパシタンスを生成するという機能である。個々の導体が同じ幅を有する場合、これらの導体に流すことができる最大平均電流は、その超伝導体の臨界電流の半分にすぎないということが示される。したがって、得られる最大Ｂ1磁場も、理論的に可能な最大磁場の大きさの半分にすぎない。しかし、臨界電流いっぱいに運転したい気持ちがある。
【００１７】
もしも、普通に行われているように、同じ共振器がまた励起パルスを送信するのにも用いられる場合、導体に流す電流をできるだけ大きくし、したがって最大のＢ1磁場を実現することが、所望のＮＭＲフリップ角を得るために必要なパルス幅がそれによって決定されるので非常に重要になる。さらに、このパルス幅はできるだけ小さくなければならない。前段で述べた効果によってＢ1磁場は半分になり、導体と測定サンプルの間の距離が比較的大きいためにさらに減少する。
【００１８】
平面的な幾何形状のために共振回路の寸法が大きくなることで、この共振器のインダクタンスが可能な最小のインダクタンスに比べて何倍も大きくなる。このような共振器のＱ値は３０，０００以上になる。これは、主に送信パルスによって引き起こされる過渡現象及び減衰プロセスの持続時間を過大なものにし、したがって、ベースラインの歪みを生じ、ＮＭＲスペクトルに望ましくないアーチファクトを発生させる。
【００１９】
さらに、共振器のサイズが大きいことは、測定サンプルの近くに新たな共振器を設置できる自由なスペースがほとんどないという結果になる。さらに、共振器の導体が遮蔽デバイスの近くに位置し、それと磁気的及び電気的に結合するので余分な損失が生ずる。
【００２０】
ハイブリッド共振器
この共振器は鳥篭（birdcage）共振器として設計することが好ましい。これは、測定サンプルのまわりに、その軸と平行に、最適な仕方で配設された大きな（massive）超伝導導電路から構成される。これらの導電路は、導電路の両端で常伝導の管状エレメントによって容量的に互いに結合されている。
【００２１】
導電路は測定サンプルのすぐ近くに配置され、ほぼ純粋に誘導的に働き、容量的に機能する必要がないので臨界電流いっぱいまで流すことができる。これらの二つの因子は、サンプル容積で発生させることができる最大Ｂ1磁場が最適な値をとることを可能にする。このタイプの共振器はまた、所望のＮＭＲフリップ角のために対応する最適の短いパルス幅を可能にする。
【００２２】
純粋に超伝導的な共振回路を有するヘルムホルツ共振器と比べると、ハイブリッド共振器の全体損失抵抗Ｒは少し高く、その全体インダクタンスＬは、導電路が測定サンプルをぴったりと囲んでいるのでずっと小さい。これによってクオリティー因子Ｑ＝ωＬ／Ｒはかなり小さくなり、したがって、ヘルムホルツ共振器のそれよりも良くなる。
【００２３】
ハイブリッド共振器の全体損失は高くなってＳ／Ｎ比を低下させると予期されるが、この効果は、導電路が測定サンプルにずっと近く位置し、したがってずっと大きなＢ1磁場を生ずるという事実によって補償され、あるいはオーバーに補償される。場合によっては、ヘルムホルツ共振器よりも高いＳ／Ｎ比が得られることもある。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
非常にコンパクトな構成は最適な設置の可能性を与える。特に、残される自由スペースの量が限られる直径の大きなサンプルの場合にも最適な設置が可能になる。しかし、測定サンプルの直径が小さい場合、少し複雑な構成なので構造的な限界がある。
【００２５】
要約すると、ＮＭＲ共振器は次の５つの重要な特徴を有するものでなければならない。
【００２６】
１）感度が最適でなければならない。
【００２７】
２）送信段階で、できるだけ短いパルス時間によって所望のＮＭＲフリップ角を発生させなければならない。
【００２８】
３）測定サンプルの領域における定常Ｈ0磁場の均一性へのその影響はできるだけ小さくなければならない。
【００２９】
４）主として送信パルスによって引き起こされる過渡現象及び減衰プロセスを短く抑えて、ＮＭＲスペクトルに過大なアーチファクトが発生するのを防ぐことができるように、Ｑ値は高すぎてはならない。
【００３０】
５）その幾何形状のデザインは、一つ以上の直交共振器の最適な設置に必要なスペースを提供できるようなものでなければならない。
【００３１】
上記に鑑みて、本発明の根底にある目的は、従来の技術を改良して、上記の条件を満たす新しいクラスの超伝導ＮＭＲ共振器に用いられるＲＦ受信コイル装置を提供することである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明に従って、平面基板エレメント上の電流が流れる各共振回路が測定容積の中心にその一つの共振回路が位置している平面的な基板エレメントの平面と実質的に平行な磁場を発生し、その基板エレメントの平面に対する当該磁場のずれが４０°（度）を超えず、且つ一つ以上の磁場発生導体構造が、平面基板エレメント上に、該測定容積内に配されるべき測定サンプルの長手軸に平行に配設されているという形で、驚くほど単純で効果的な仕方で達成される。
【００３３】
本発明は、感度が向上し、与えられた所望のＮＭＲフリップ角に対してパルス幅を最小にし、共振器のＱを最小にし、したがってスペクトル・アーチファクトを小さくし、かつ、一の共振器に対して直角方向に新たな別の共振器を設置するためのスペースが最適となるＮＭＲ共振器の構成の仕方を提供する。これらの特徴は、ほとんど全部が従来技術に対するかなりの改良になる。
【００３４】
これらの共振器は、ＮＭＲで優れた特性を有し、また構成が単純であって狭い場所にも容易に組み立てることができる。
【００３５】
その他の利点は、図面と以下の説明から明らかになる。上記の及び以下で述べる特徴は、本発明に従って、単独にも又は任意の組み合わせによっても利用できる。図示され説明される実施の形態は全てを列挙したものではなく、本発明を説明するための例示的な性格のものであると理解すべきである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明をさらに詳しく図面で示し、その実施の形態について説明する。
【００３７】
本発明の共振器の全ては、いくつかの同一の基本構造パーツ（構造エレメント）から構成され、それらは、原理的には、図２に示されているように配置されているという共通の特徴を有する。構造エレメントは、基板プレート１ｄに超伝導共振回路２ｄ，３ｄが、例えば図１０（ａ）に示されているように配設されて成る。共振回路を流れるある与えられた電流で、構造エレメントは測定容積の中心に最適に大きいＢ1磁場を生ずることができる。さらに、Ｂ１磁場の方向はプレート１ｄの面とほぼ並行に伸び、平行からのずれは４０°（度）を超えない。これらの性質を得るためには、プレート上の導体の相当な部分が境界を定める円柱６にできるだけ近く位置していなければならない。さらに、構造エレメントは境界を定める円柱６にほぼ接するように配置されなければならない。
【００３８】
図２に示されているプレート１ｄは、接線方向で右に移動している。このプレートを図２の破線で示されているように左に移動させることも可能である。プレートは境界を定める円柱６の周のまわりでどの位置に配置することもできる。また、このプレートを狭い限界内で接線方向に測定容積の方へ又はそれと逆に移動させることも可能である。特に、図２に見られるように、プレート１ｄを測定容積の方へ、例えば図３（ａ）及び図３（ｂ）の好ましい共振器におけるように、導体２ｄが測定容積の中心の直角方向真上に来るような仕方で移動させることもできる。
【００３９】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、四つの図２による構造エレメント１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから構成される本発明のある好ましい共振器を示す。関連する導電路は２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂ，２ｃ，３ｃ，２ｄ，３ｄで表され、四つのプレートは、対になって、二つのＶ字型の構造を形成し、それが測定サンプル５を中心に直径上に対称に配置される（図２７）。この共振器によって生成されるＢ1磁場は図３（ａ）に示されている。
【００４０】
この共振器と米国特許第５，５８５，７２３号の従来技術による共振器（図７）の単純かつ直接的な比較は図７の装置の変換によって行うことができる。この変換プロセスは図４に示されている。
【００４１】
超伝導導電路１０ａ，１１ａと１０ｂ，１１ｂを有するプレート９ａと９ｂからスタートして、これらのプレートを中央で、すなわち位置７ａと８ａで、測定サンプル５の軸と平行に切り、仮想の蝶番でつなぎ合わせる。この切断はまた、導電路１０ａ，１１ａと１０ｂ，１１ｂを結合し測定サンプルの軸に直角に配置されている導体も分離する。
【００４２】
次に、導電路１０ａ，１１ａと１０ｂ，１１ｂを測定サンプルの方へ傾け、交点７ａと８ａを半径方向外側へ移動させる。このプロセスを、導電路が低温容積の内側境界を表す円柱６に接触するまで続ける。この対は約１２０°の開き角αを成す（図４）。次に、切断された、結合する導体を７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの箇所で電気的に結合して図５に示されるような配置を作成する。
【００４３】
１２０°の開き角αはヘルムホルツ装置の開き角に対応し、測定サンプルの領域にできるだけ均一なＢ1磁場を生ずる。
【００４４】
図８の元の配置と図５の新しい変換された配置の比較から次の所見に導かれる。
【００４５】
変換によって、導体２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと測定サンプル５との間の距離は半分になっている（図４）。したがって、共振器の幾何形状は軸方向の延伸が半径方向の拡がりよりもずっと大きく、測定サンプルの軸に対し横方向の結合導体からの磁場への寄与は無視できるほどであると仮定すると、Ｂ1磁場は二倍になっている。
【００４６】
導電路の全長は変わらないので、Ｂ1磁場が二倍になったにもかかわらず変換された共振器の損失抵抗は同じままである。
【００４７】
したがって、因子Ｂ1（ｘ，ｙ，ｚ）／Ｉ・ｓｑｒｔ（Ｒ）、したがってＳ／Ｎ比も因子２だけ増大する。ここに、ｓｐｒｔ（Ｐ）は、Ｒ1/2、すなわちＲの平方根を表す（以下同様）。
【００４８】
１２０°という開き角は維持されるので、Ｂ1磁場の均一性は最適化されたままである（図４）。
【００４９】
共振器のインダクタンスＬは、コイルの実効面積が減少しているので、かなり減少する。したがって、クオリティー因子Ｑ＝ωＬ／Ｒも、Ｒが一定にとどまるので、インダクタンスＬと同じ因子だけ減少する。
【００５０】
さらに、サイズも小さくなっているので、追加の直交コイルを容易に取り付けて測定サンプルの比較的近くに配置することができる（図２６）。
【００５１】
導体２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを結合することを意図していた切断された横方向の導体は四つの箇所７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで超伝導体又は常伝導体によって再び電気的に結合することができる（図５）。特に、結合自体は非常に短いものでその抵抗は無視できるので、常伝導体による結合が可能で安上がりの方法である。このアプローチはＤＥ １９７ ３３ ５７４ Ａ１で提案されており、本発明の共振子の方向での中間的な変型として用いることができる。
【００５２】
この主の電気的な結合がプレート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ上の回路を閉じるために絶対に必要という訳ではない。電流をＶ字型に配置されたプレートの一方から他方へ導く代わりに電流を同じプレートで境界のエッジに平行に帰還させることもできる。それによって図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の好ましい実施の形態が作り出され、これは図４及び図５の実施の形態よりも単純かつ再現性がある仕方で作り出される。エッジ７ａ−７ｂとエッジ８ａ−８ｂに沿った二つの電流は向きが逆なのでそれらが生ずる磁場はほぼ完全に打ち消し合う。したがって、発生する磁場は図５の磁場と実際上同一であり、したがって、二つの配置の全インダクタンスも実際上同じである。図６の装置は、長手方向の四つの導体、すなわち、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄだけ図５よりも多く、したがって損失抵抗が大きくなっている。
【００５３】
個々のプレート上の共振回路は長さが幅の二倍であると仮定すると、抵抗は因子２４／１６＝１．５０だけ増加し、Ｑ値は因子１／１．５０＝０．６７だけ減少する。Ｓ／Ｎ比も因子ｓｑｒｔ（０．６７）＝０．８２だけ減少する。上記の因子２というＳ／Ｎ比の利得を考えると、この１８％の減少はもはやそれほど重要ではない。さらにこの１８％の減少は以下で述べる追加の方策によって大体補償される。
【００５４】
追加の導体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを用いて共振回路の全体キャパシタンスを作り出すことができる。これらの導体は、測定サンプルから比較的大きな間隔に配置することができる。このため、このキャパシタンスを実現するためのスペースはたっぷりあり、電圧の安定性が改善され、設計の多くのバリエーションが可能になる。
【００５５】
他方、残りの導体、すなわち特に導体２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは専らＢ1磁場を生ずるのに用いることができ、可能な最大の電流、すなわち臨界電流、を流すように、そしてそれによって可能な最大のＢ1磁場を生ずるように設計することができる。共振回路のキャパシタンスを生成することにも関与している導体の電流は最大値からゼロまで直線的に減少するので、これらの導体には平均して半分の電流、すなわち、臨界値の半分以下、しか流れない。この電流減少は他の導体では起こらず、そこでは臨界電流いっぱいに流れることができる、すなわち、因子は２以上である。
【００５６】
全体的な幅ｂを有する導体装置で、誘導的な効果の他に共振器キャパシタンスとしても作用する配置の損失抵抗は、やはり全体的な幅ｂを有するが誘導的にしか作用しない配置よりも、因子４／３＝１．３３だけ大きいということも示される。これはまた、余分な容量的効果を有する導体では電流は直線的に減少及び増加するということからも出てくることであり、導体の長さにわたる積分によって所定の電流での全損失性能を決定するとＲ・（４／３）という上記のような実効抵抗が得られる。
【００５７】
少し前の段落で述べたような導体束における電流当たりのＢ1導体の磁場の倍増、導体の一部を測定容積に因子２だけ近く配置することで達成されるこの倍増を、２つ前の段落で述べた因子２と合わせると、最大可能なＢ1磁場は全体で因子４の増加となる。これは、所望のＮＭＲフリップ角を得るために必要なパルス幅の四倍の減少を考慮している。
【００５８】
図９は、従来の技術による共振回路（図８）を示し、全ての導体が誘導的にも容量的にも作用している。導体配置のコーナーは簡単のために四角に表されているが、コーナーにおいて電流密度が増加して導体の臨界電流が減少するのを防ぐためにコーナーを丸めることもできる。
【００５９】
図１０（ａ）は、本発明の共振回路を示す。導体の大きな部分は誘導的に作用し（２ｄ）、共振容量は結合導体３ｄによって実現される。誘導的でもあり容量的でもあるこの結合導体は、測定サンプルから遠く離れて配置され、全体の幅は導体２ｄの幅の二倍の大きさになっている。この場合も、導体配置の全てのコーナーを丸めることができる。
【００６０】
二つの共振回路の損失抵抗Ｒは、図９（従来技術）と図１０（ａ）（本発明の配置）によって計算して直接比較することができる。その際、図１０（ａ）の共振回路の幅は図９の共振回路のそれの半分のサイズであり、その長さはそれと同じサイズであると仮定しなければならない。公知の共振器（図９）は二つの個別共振回路を有するが、本発明の共振器（図６）は四つの共振回路を有するので、図１０（ａ）の二つの共振回路の損失を図９の共振回路と比較しなければならない。図９の共振回路に関しては、次式
Ｒ＝（ｓ・Ｒ'／ｎ）（１．３３３）
が得られ、図１０（ａ）の共振回路に関しては次式が得られるが、これは二倍しなければならない。
【００６１】
Ｒ＝２・（Ｒ'／ｎ）（ｓ／８＋ｓ／４＋ｓ／８）＋２・（Ｒ'／２ｎ）（ｓ／４）・（１．３３３）＝（ｓ・Ｒ'／ｎ）（１．３３３）
ここで  ｓは、図９の導体配置の平均外周、
Ｒ'は、一つの個別導体の単位長さあたりの抵抗、
ｎは、図１０（ｂ）の導体配置の又は２ｄの導体の数である。
【００６２】
結果は、両方の配置が同じ損失抵抗Ｒを有するということを示している。
【００６３】
前に示したように、図６の本発明の共振器の四つの追加結合導体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、共振回路を従来技術に従って用いた場合（図９）、従来技術（図８）に比べて損失抵抗を１８％増加させる。上の計算は、この損失抵抗の増加は、図１０（ａ）の新しい本発明の共振回路ではほぼ完全に補償できるということを示している。
【００６４】
損失抵抗をさらに減らすために、測定サンプルのすぐ近くにない導体部分を拡げる（図１０（ｂ））及び／又はいくつかの線に分岐させる（図１１及び図１２）ことができる。この場合も、導体の全てのコーナを丸めることができる。図１１と図１２は導体３ｄの配置に関して異なっている。図１１では、全体のキャパシタンスが図１０（ａ）のそれと同様になるようにキャパシタンスのフィンガが対で互いに係合する。しかし、図１２では、フィンガは個々に互いに隣接して配置され、実質的にキャパシタンスを二倍にする。導体３ｄの一部を図１１のように設計し、他の導体３ｄを図１２の用に設計して共振器のキャパシタンスが大きく変化できるようにすることも可能である。さらに、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１、及び図１２で上方及び下方の横方向の導体に達している個々の導体３ｄの長さを短くして、共振回路の全体キャパシタンスを実質的に減少させることもできる。
【００６５】
共振器の周波数チューニングは、ループ１２とトリマ１４ａによって誘導的に（図１９）、又は二つのキャパシタ・プレート１３ａ，１３ｂとトリマ１４によって容量的に（図２０）容易に行うことができる。チューニングの要素は測定サンプルから大きな距離のところに配置されるので、測定サンプルの場所における電気的及び磁気的状態への影響はきわめて小さく、また別の直交共振器の設置を実質的に妨げない。
【００６６】
送信パルスの入力結合及びＮＭＲ信号の出力結合は、ループ１５と、例えば二つのトリマ１７ａ，１７ｂによって誘導的に（図２１）、又は二つのキャパシタ・プレート１６ａ，１６ｂと、例えば三つのトリマ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅによって容量的に（図２２）行うことができる。キャパシタンス１７ａ，１７ｂと１７ｃ，１７ｄ，１７ｅはプラグ１８に結合された同軸ケーブルと共振器の間のインピーダンスを調整する役目をする。送信パルスの周波数は共振器に励起される共振モードを決定する。プラグ１８に結合された同軸ケーブルは低雑音のプリアンプと共振器の電気的結合に関与する。結合要素も、測定サンプルへの磁気的及び電気的影響をできるだけ小さく抑えるために、測定サンプルから遠く離れて導体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの領域に配置される。
【００６７】
上述したチューニングと結合の仕方のバリエーションは、文献から知られる他の多くのバリエーションで置き換えることができるであろう。
【００６８】
いくつかの共振回路で構成される共振器は、一般に、共振モードと呼ばれる複数の共鳴周波数を有する。共振回路が全てほぼ同じ固有共鳴周波数ｆ0を有し、互いに空間的に近くに位置している場合、それらは強く結合して共振器はいくつかの異なる共鳴周波数を持つようになる。それらは、ｆ0の上と下に分布し、周波数ｆ0自体はもはや共振器の共鳴周波数としては現れない。異なる共鳴周波数には、異なる個々の共振回路における電流分布が結びついている。ｎ個の共振回路があると、ｎ個の異なる電流分布が、したがってｎ個の共振モードが可能である。これらのモードのうち唯一つだけが利用される、すなわち、所望の均一な磁場を生ずる、最良のＮＭＲ性質を持つモードである。
【００６９】
図８のヘルムホルツ配置は二つの可能な電流分布を有し、したがって二つのモードを有する。これらは図１３と図１４に示されている。対称性という理由により電流の大きさは等しくなければならないということに注意すべきである。好ましいモードは、共振回路の特性共鳴周波数ｆ0より下にある、図１３に示されている共鳴周波数を有する。これは、測定容積にプレート９ａと９ｂに直角な方向の均一磁場を生ずる。このモードが従来技術によるＮＭＲ共振器に用いられる。第二のモード（図１４）は、共鳴周波数がもっと高く、しかし測定容積にきわめて不均一な磁場を生ずるのでＮＭＲ共振器としては適当でない。
【００７０】
図６の共振器は本発明による好ましい実施の形態である。これは四つの共振回路で四つの可能な電流分布を、したがって四つのモードを有する（図１５、図１６、図１７、図１８に示される）。電流の大きさは、やはり対称性の理由により等しくなければならない。好ましいモードは図１５に示されている。これは共振回路の特性共鳴周波数ｆ0よりも上にある共鳴周波数を有し、測定容積内にプレート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄとほぼ平行に延びる磁場を生ずる。図１７もまた、利用できるが、それほど最適ではないモードを示しており、測定容積内の磁場はプレートにほぼ直角に延び、共鳴周波数はｆ0よりも下にある。図１６と図１８の他の二つのモードは、測定容積内に非常に不均一な磁場を生ずるのでＮＭＲ共振器には適当でない。
【００７１】
図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図６による本発明の共振器で、角βが６０°ではなく２６°であり、共振回路の特性固有共鳴周波数ｆ0が３６０ＭＨｚである場合、四つのモードについて次のような共鳴周波数が測定された。
【００７２】
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これまでは共振器の理論的な構成だけを述べてきた。具体的な実施の形態では、全ての重要なパラメータ、例えば導体の幅、導体の位置、共振回路の窓のサイズ、及び開き角βを数値的に最適化し、特定のタスクに対して調整しなければならない。精密な計算によると、Ｓ／Ｎ比における所望の因子２の達成は、実際には全ての重要なパラメータの注意深い設計に依存するということが示される。
【００７３】
具体的な、最適化された形態は、サンプル容積の長さ対直径比に最も強く依存する。特に、精密な計算は、図１に示されているような６０°という開き角βを少し小さくすることが有利であることを示している。プレート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、それによって拡がり、サンプルから遠い導体は広くして抵抗を小さくすることができる。開き角βが小さくなると、導体が角度的に近づき、望みどおり磁場が良く打ち消し合うようになる。測定サンプルのすぐ近くの磁場を生成する導電路の正確な幅も精密に決定してＢ1磁場の強さ及び均一性の最適な値が得られるようにしなければならない。これによって本発明の共振器の最も好ましい形態が生み出される（図１）。
【００７４】
図１、及び図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の二つの好ましい共振器の他に、図２の本発明の構造エレメントを用いる別の形態の共振器が可能である。
【００７５】
１．開き角βが０°に設定される。これは二つの構造エレメントが接合して一つの単一構造エレメントになるという退化したケースである（図２３）。これは、磁場の均一性、Ｓ／Ｎ比、最大可能なＢ1磁場、及び最小インダクタンス、の点で小さな損失を生ずる。それにもかかわらず、この配置は図７及び図８のヘルムホルツ・コイル対よりも優れている。この配置の利点は、その単純さと、二つの平坦プレートの間で利用できるスペースにある。この配置はまた、外側にさらに共振器を追加するのに十分な自由スペースを提供する。
【００７６】
２．図３（ｂ）及び図２３の各々で、四つの構造エレメントから二つの構造エレメントを取り除いて図２４の点対称な配置を生み出すことができる。これは、Ｓ／Ｎ比に１／２の平方根よりも少し小さな損失を生ずるが、最大可能なＢ1磁場は実際上何も減少しない。測定サンプルの最も近くに位置する二つの導体の電流の向きが反対になっている共振モードが用いられる。やはり対称性の理由により、電流の大きさは等しい。
【００７７】
これらの本発明の共振器の全ては、さらに共振器を追加するのに十分なスペースを提供し、追加される別の共振器は測定サンプルの近くに一の共振器と直交するように配置できる。このようにして次の二重共振器配置が生み出される。
【００７８】
１．図７及び図８による第二の共振器が図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の共振器の外側に配置される。これは図２６に示されている二重共振器配置になる。一の共振器及び別の共振器によって測定容積の中心に生成される二つの磁場Ｂ1とＢ2は互いに直交する。別の共振器９ａ，９ｂ（図２６）も境界円柱６に非常に近く、したがってほぼ最適に配置されているということに注意すべきである。
【００７９】
２．図２３の共振器でも、上の１．と同様に別の共振器９ａ、９ｂを境界円柱６に非常に近く配置することができる。この場合、別の共振器を二つのプレート１９ａ、１９ｂの外側又は内側に取り付けることもできる（図２３）。一の共振器又は別の共振器によって測定容積の中心に生成される二つの磁場Ｂ1とＢ2も互いに直角に配置される。
【００８０】
３．図２４の共振器に別の同一な共振器を、二つの共振器の間の結合が生じないように一の共振器に対して９０°回して追加することができる。一の共振器又は別の共振器によって測定容積の中心に生成される二つの磁場Ｂ1とＢ2も互いに直角になる。この配置は図２５に示されている。これは二つの異なるタイプの核（例えば、１Ｈと１３Ｃ、又は１Ｈと１９Ｆ）で異なるＮＭＲ周波数を有し、可能な最高の感度で調べる必要があり、高い感度に関して両方のタイプの核が同じ優先度を有する場合の研究に特に適している。
【００８１】
一の共振器の外側に取り付けられる別の共振器は必ずしも超伝導物質である必要はなく、常伝導体であってもよい。また、一の共振器の外側にいくつかの別の共振器を取り付けることも可能である。
【００８２】
いくつかの共振器を用いる装置は空間的に回転する磁場を生ずるために利用できる。例えば、図２５の二つの共振器を同じ周波数にチューニングして、直交位相で（in quadrature）動作させることができる、すなわち、送信パルスの高周波位相を一の共振器の送信パルスに対して、別の共振器は９０°ずらして励起される。通常の空間的に一定な磁場よりもずっと効果的にスピン・システムを励起する空間的に回転する磁場が生成されることが示される。この直交位相法はまた、共振器が一つだけの従来の方法に比べて、二つの共振器の雑音には相関がないのでＳ／Ｎ比に２の平方根という因子の増加に導く。最大励起Ｂ１磁場も２の平方根という因子だけ増加する。この方法は高い損失のサンプル、例えば塩溶液、の高Ｓ／Ｎ比測定に特に適している。
【００８３】
図２に従って構成された測定容積のまわりに対称に配置されたｎ個の構造エレメントを用いる場合、回転磁場生成の効率は図２５の二重共振器に比べて高めることができる。用いられた構造エレメントのプレート１ｄは、導体２ｄが測定容積の中心の垂直上方にあるように配置される。一の構造エレメントからスタートして、ｎ−１個の別の同一の構造エレメントが追加され、それらは測定容積の長手軸を中心にして第一のエレメントに対して３６０°／ｎ、２・３６０°／ｎ、３・３６０°／ｎ，．．．（ｎ−１）・３６０°／ｎ回転される。こうして回転磁場を励起するためのロゼット状の対称構造ができあがる。
【００８４】
回転磁場の励起は、例えば、互いに空間的に９０°回転しており、やはり互いに９０°位相がずれたＲＦパルスで励起される二つの誘導的ループ（図２１）によって達成できる。それによって二つの誘導的ループは回転磁場を生じ、それがロゼット状の共振器の回転磁場の励起を助ける。
【００８５】
ｎの値はスペースの必要条件があるので大きすぎてはならない。ｎ＝８乃至１０という値が高分解能ＮＭＲにおける上限値であろう。ｎ＝８という選択は図２５の配置（ｎ＝４）に比べて回転磁場の発生に寄与する導体の量を二倍にし、それにより達成できる最大磁場をほぼ二倍にしてさらに感度を高める。
【００８６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、従来の技術を改良して、新しいクラスの超伝導ＮＭＲ共振器に用いられるＲＦ受信コイル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の共振器の好ましい形態を示す図であり、図３（ｂ）の第一の好ましい実施の形態と比べて、開き角βが６０°より小さい場合を示す。
【図２】共振回路２ｄ，３ｄが取り付けられるプレート１ｄから成り、プレート１ｄが測定容積に対して測定容積の中心に発生するＢ1磁場がプレートの面とほぼ平行になるように配置されている中央構造エレメントを示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の好ましい共振器を示す（Ｂ１磁場の表現）図であり、（ｂ）は、本発明の好ましい共振器を示す（個々の部分の呼称）図である。
【図４】図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の第一の好ましい共振器が図７及び図８の従来のヘルムホルツ共振器からどのように導出されるかを示す図である。
【図５】変換（図４）の後の本発明の共振器の空間依存性を示す図であり、共振器は場所７ａ，７ｂ，８ａ及び８ｂで低いオーミック結合を有する。
【図６】図３（ａ）及び図３（ｂ）の本発明の好ましい共振器の幾何形状を示す図である。
【図７】従来技術のヘルムホルツ共振器を示す図である。
【図８】図７のヘルムホルツ共振器の幾何形状を示す図である。
【図９】図７のヘルムホルツ共振器の二つの共振回路の一方を示す図であり、共振器キャパシタンスは周全体に一様に分布している。
【図１０】（ａ）は、図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の共振器の四つの共振回路の一つを示す図であり、共振器キャパシタンスは磁場を発生する導体から離されて、測定容積から遠い位置に置かれる。（ｂ）は、（ａ）の共振回路の図であり、共振回路の横方向結合の導体が広くなっている。
【図１１】図１０（ａ）の本発明の共振回路の別の変形例を示す図であり、測定容積から十分な距離に位置している全ての導体は二本の導体に分岐させて損失抵抗を減少させ、共振キャパシティのフィンガ（finger）は互いに対で係合する。
【図１２】共振器キャパシタンスのフィンガが互いに個々に係合するという点で異なるが、図１１と同様の図である。
【図１３】測定容積に均一なＢ1磁場を生ずる図７及び図８のヘルムホルツ共振器の利用可能な共振モードにおける電流方向の分布を示す図である。
【図１４】測定容積に均一なＢ1磁場を生じず、したがって共振器として適当でない図７及び図８のヘルムホルツ共振器の別の共振モードにおける電流方向の分布を示す図である。
【図１５】測定容積に均一なＢ1磁場を生ずる図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の共振器の好ましい共振モードにおける電流方向の分布を示す図であり、Ｂ1磁場の方向は共振回路が取り付けられた平坦プレートとほぼ平行である。
【図１６】図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の共振器の別の共振モードにおける電流方向の分布を示す図であり、測定容積に均一な磁場を生じず、共振器として適当でないことを示す。
【図１７】図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の共振器の第三の共振モードにおける電流方向の分布を示す図であり、図１５の形態よりも均一性が低い弱い磁場を測定容積に生じ、Ｂ1磁場の方向は共振回路が取り付けられた平坦プレートに対してほぼ直角である。
【図１８】図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の共振器の第四の共振モードにおける電流方向の分布を示す図であり、測定容積に均一な磁場を生じず、共振器として適当でないことを示す。
【図１９】誘導的ループ１２とトリマ１４ａによる共振器の周波数チューニングを示す図である。
【図２０】二つの容量プレート１３ａ，１３ｂとトリマ１４ｂによる共振器の周波数チューニングを示す図である。
【図２１】誘導的ループ１５及び二つのトリマ１７ａ，１７ｂによる送信パルスの入力結合とＮＭＲ信号の出力結合を示す図である。
【図２２】二つの容量プレート１６ａ，１６ｂと三つのトリマ１７ｃ，１７ｄ，１７ｅによる送信パルスの入力結合とＮＭＲ信号の出力結合を示す図である。
【図２３】図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の好ましい共振器から導かれた本発明の共振器を示す図であり、プレート１９ａ，１９ｂは二つのみであり、開き角βは０°である。
【図２４】点対称配置の二つのプレート２０ｂ，２０ｄだけから成る本発明の共振器を示す図である。
【図２５】互いに９０°回転し、互いに直角になった二つの図２４の共振器を示す図である。
【図２６】一つはプレート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを用いた図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の本発明の好ましい配置による共振器、もう一つはプレート９ａ，９ｂを用いた図７及び図８の従来技術による共振器の二つを示す図であり、二つの共振器は互いに直角に位置している。
【図２７】図３（ｂ）の共振器の四つのプレート１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの空間的分布を示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  本発明の好ましい共振器（図３（ａ）、図３（ｂ）、図６）に属し、ＨＴＳ物質のエピタキシャル導電層を受容する平坦プレートの形の単結晶基板
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ  図１０、図１１、又は図１２の本発明の共振回路に属し、測定サンプルと平行に配置されて、主にＢ1磁場を発生する役目をするＨＴＳ導体
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  図１０、図１１、又は図１２の本発明の共振回路に属し、測定サンプルと平行に配置されて、共振キャパシタンスを生成する役目をするＨＴＳ導体
４  図３（ａ）、図３（ｂ）、図６の好ましい共振器のＶ字型に配置された二枚のプレートの開き角β
５  測定サンプル
６  共振器の低温の体積と測定サンプルの温かい体積の間の間隔を与える境界円柱
７ａ，７ｂ  プレート１ａと１ｂの間の低オーミック結合導体
８ａ，８ｂ  プレート１ｃと１ｄの間の低オーミック結合導体
９ａ，９ｂ  従来技術（図７及び図８）のヘルムホルツ共振器に属し、ＨＴＳ物質のエピタキシャル導電層を収容する平坦プレートの形の単結晶基板
１０ａ，１０ｂ  図９の共振回路に属し、測定サンプルと平行に配置されたプレート９ａと９ｂ上の超伝導導体
１１ａ，１１ｂ  図９の共振回路で用いられ、測定サンプルと平行に配置されたプレート９ａと９ｂ上の超伝導導体
１２  共振器の誘導的周波数チューニングのための結合ループ
１３ａ，１３ｂ  共振器の容量的周波数チューニングのためのキャパシタ・プレート
１４ａ，１４ｂ  共振器の精密な周波数チューニングのためのトリマ
１５  送信パルス及びＮＭＲ信号の誘導的入力結合及び出力結合のための結合ループ
１６ａ，１６ｂ  送信パルス及びＮＭＲ信号の容量的入力結合及び出力結合のためのキャパシター・プレート
１７ａ，１７ｂ  共振器が誘導的に結合している場合の同軸ケーブルと共振器の間のインピーダンス調整ためのトリマ
１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ  共振器が容量的に結合している場合の同軸ケーブルと共振器の間のインピーダンス調整ためのトリマ
１８  送信パルスを供給するか又はＮＭＲ信号を取り出す同軸ケーブルの接続プラグ
１９ａ，１９ｂ  図２３の共振器に属する平坦プレートの形の単結晶基板
２０ｂ，２０ｄ  図２４の共振器又は図２５の二つの共振器の一方に属する平坦プレートの形の単結晶基板
２０ａ，２０ｃ  互いに直角に配置されている図２５の二つの共振器の他方に属する平坦プレートの形の単結晶基板
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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