(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024007501
(43)【公開日】2024-01-18
(54)【発明の名称】ＮＭＲプローブヘッド
(51)【国際特許分類】
G01N 24/00 20060101AFI20240110BHJP
G01R 33/34 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
G01N24/00 570A
G01R33/34
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023108130
(22)【出願日】2023-06-30
(31)【優先権主張番号】10 2022 206 766.5
(32)【優先日】2022-07-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】591148048
【氏名又は名称】ブルーカー スウィッツァーランド アー・ゲー
【氏名又は名称原語表記】Ｂｒｕｋｅｒ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ ＡＧ
(74)【代理人】
【識別番号】100125254
【弁理士】
【氏名又は名称】別役 重尚
(74)【代理人】
【識別番号】100118278
【弁理士】
【氏名又は名称】村松 聡
(72)【発明者】
【氏名】ニコラス フレイタグ
(57)【要約】 （修正有）
【課題】動作中にサンプル内に生成される電場を低減することができるコイル構造を有するＮＭＲプローブヘッドを提供する、
【解決手段】高周波Ｂ１磁場を生成させるための少なくとも１つの受送信コイル１は、導体部２ａ，２ｂと接続領域４とを有し、導体部は順行巻線部と逆行巻線部とを有し、順行巻線部は、順行巻線３ａ，３ｂを有するとともに、接続領域４を起点として、所定の巻回方向で、受送信コイル１の軸方向端部５ａ，５ｂに至り、逆行巻線部は、逆行巻線６ａ，６ｂを有するとともに、受送信コイル１の軸方向端部５ａ，５ｂを起点として、同じ巻回方向で、接続領域４に至り、逆行巻線部の巻線は、順行巻線部の巻線と反対の符号のピッチＰを有する。
【選択図】図１ａ
【解決手段】高周波Ｂ１磁場を生成させるための少なくとも１つの受送信コイル１は、導体部２ａ，２ｂと接続領域４とを有し、導体部は順行巻線部と逆行巻線部とを有し、順行巻線部は、順行巻線３ａ，３ｂを有するとともに、接続領域４を起点として、所定の巻回方向で、受送信コイル１の軸方向端部５ａ，５ｂに至り、逆行巻線部は、逆行巻線６ａ，６ｂを有するとともに、受送信コイル１の軸方向端部５ａ，５ｂを起点として、同じ巻回方向で、接続領域４に至り、逆行巻線部の巻線は、順行巻線部の巻線と反対の符号のピッチＰを有する。
【選択図】図１ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
高周波Ｂ１磁場を生成させるための少なくとも１つの受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）を有する受送信コイルアセンブリを備えるＮＭＲプローブヘッドであって、
前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）は少なくとも１つの電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）と接続領域（４；４’）とを有し、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）は順行巻線部と逆行巻線部とを有し、
前記順行巻線部は、順行巻線（３；３ａ，３ｂ）を有するとともに、前記接続領域（４；４’）を起点として、所定の巻回方向で、前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の軸方向端部（５ａ，５ｂ）に至り、
前記逆行巻線部は、逆行巻線（６；６ａ，６ｂ）を有するとともに、前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記軸方向端部（５ａ，５ｂ）を起点として、前記所定の巻回方向と同じ巻回方向で、前記接続領域（４；４’）に至り、前記逆行巻線部の巻線は、前記順行巻線部の巻線と反対の符号のピッチＰを有し、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）の前記順行巻線及び前記逆行巻線（３，６；３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）は、前記順行巻線及び前記逆行巻線（３，６；３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）が互いに交差する交差領域（８）を除いて、長手方向軸Ｚ’を中心とする同一の柱面上に配置され、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）に沿う前記受送信コイル（１ｅ；１ｆ）の巻線は、前記長手方向軸Ｚ’に対する傾きが不等である、
ＮＭＲプローブヘッド。
前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）は少なくとも１つの電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）と接続領域（４；４’）とを有し、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）は順行巻線部と逆行巻線部とを有し、
前記順行巻線部は、順行巻線（３；３ａ，３ｂ）を有するとともに、前記接続領域（４；４’）を起点として、所定の巻回方向で、前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の軸方向端部（５ａ，５ｂ）に至り、
前記逆行巻線部は、逆行巻線（６；６ａ，６ｂ）を有するとともに、前記受送信コイル（１；１ａ；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記軸方向端部（５ａ，５ｂ）を起点として、前記所定の巻回方向と同じ巻回方向で、前記接続領域（４；４’）に至り、前記逆行巻線部の巻線は、前記順行巻線部の巻線と反対の符号のピッチＰを有し、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）の前記順行巻線及び前記逆行巻線（３，６；３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）は、前記順行巻線及び前記逆行巻線（３，６；３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）が互いに交差する交差領域（８）を除いて、長手方向軸Ｚ’を中心とする同一の柱面上に配置され、
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）に沿う前記受送信コイル（１ｅ；１ｆ）の巻線は、前記長手方向軸Ｚ’に対する傾きが不等である、
ＮＭＲプローブヘッド。
【請求項2】
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）は、動作中にゼロ電位となる点を有する戻し巻線（１５）を有し、
前記戻し巻線（１５）を除く、前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）の前記順行巻線（３；３ａ，３ｂ）と前記逆行巻線（６；６ａ，６ｂ）とが交互に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のＮＭＲプローブヘッド。
前記戻し巻線（１５）を除く、前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）の前記順行巻線（３；３ａ，３ｂ）と前記逆行巻線（６；６ａ，６ｂ）とが交互に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項3】
前記接続領域（４’）は前記受送信コイル（１ａ）の第１の軸方向端部（５ａ）に配置され、前記順行巻線部は、前記接続領域（４’）を起点として、前記受送信コイル（１ａ）の第２の軸方向端部（５ｂ）に至り、前記逆行巻線部は、前記受送信コイル（１ａ）の前記第２の軸方向端部（５ｂ）を起点として、前記接続領域（４’）に至ることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項4】
前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）は前記電気コイル部（２ａ，２ｂ）を少なくとも２つ有し、
前記接続領域（４）は２つの前記電気コイル部（２ａ，２ｂ）の間の、好ましくは中央に配置され、
第１の電気コイル部（２ａ）の前記順行巻線（３ａ，３ｂ）は、前記接続領域（４）を起点として、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の第１の軸方向端部（５ａ）に至り、前記第１の電気コイル部（２ａ）の前記逆行巻線（６ａ）は、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記第１の軸方向端部（５ａ）を起点として、前記接続領域（４）に至り、
第２の電気コイル部（２ｂ）の前記順行巻線（３ｂ）は、前記接続領域（４）を起点として、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の第２の軸方向端部（５ｂ）に至り、前記第２の電気コイル部（２ｂ）の前記逆行巻線（６ｂ）は、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記第２の軸方向端部（５ｂ）を起点として、前記接続領域（４）に至る、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＭＲプローブヘッド。
前記接続領域（４）は２つの前記電気コイル部（２ａ，２ｂ）の間の、好ましくは中央に配置され、
第１の電気コイル部（２ａ）の前記順行巻線（３ａ，３ｂ）は、前記接続領域（４）を起点として、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の第１の軸方向端部（５ａ）に至り、前記第１の電気コイル部（２ａ）の前記逆行巻線（６ａ）は、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記第１の軸方向端部（５ａ）を起点として、前記接続領域（４）に至り、
第２の電気コイル部（２ｂ）の前記順行巻線（３ｂ）は、前記接続領域（４）を起点として、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の第２の軸方向端部（５ｂ）に至り、前記第２の電気コイル部（２ｂ）の前記逆行巻線（６ｂ）は、前記受送信コイル（１；１ｂ；１ｃ；１ｄ；１ｅ；１ｆ）の前記第２の軸方向端部（５ｂ）を起点として、前記接続領域（４）に至る、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項5】
前記順行巻線及び前記逆行巻線（３，６；３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）が円柱面上に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項6】
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）が、導体路幅Ｗの帯状コイル部（２；２ａ，２ｂ）として形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項7】
前記電気コイル部（２ａ，２ｂ）の前記導体路幅Ｗ及び／又は前記受送信コイル（１ｂ；１ｃ）の隣り合う巻線間の間隙幅Ｄが、前記電気コイル部（２ａ，２Ｂ）の長さ方向に変化することを特徴とする請求項６に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項8】
前記電気コイル部（２；２ａ，２ｂ）の前記導体路幅Ｗ及び／又は前記受送信コイル（１ｃ）の隣り合う巻線間の間隙幅Ｄが、１巻き毎の巻回内で変化することを特徴とする請求項７に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項9】
前記巻線の勾配Ｓ、特にピッチＰが、前記電気コイル部（２ａ，２ｂ）の長さ方向に変化することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項10】
前記受送信コイル（１ｅ）の軸方向中心よりも前記軸方向端部（５ａ，５ｂ）における前記ピッチＰの方が小さいことを特徴とする請求項９に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【請求項11】
少なくとも１巻回分の巻線が、前記交差領域の外側において、Ｓ＝０である勾配を有することを特徴とする請求項１に記載のＮＭＲプローブヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波Ｂ１（ＨＦ Ｂ１）磁場を生成させるための少なくとも１つの受送信コイルを有する受送信コイルアセンブリを備えるＮＭＲプローブヘッドに関し、受送信コイルは、少なくとも１つの電気コイル部と接続領域とを有し、電気コイル部は、順行巻線部及び逆行巻線部を有し、順行巻線部は、順行巻線を有するとともに、接続領域を起点として、所定の巻回方向で、受送信コイルの軸方向端部に至り、逆行巻線部は、逆行巻線を有するとともに、受送信コイルの軸方向端部を起点として、所定の巻回方向と同じ巻回方向で接続領域へと延び、逆行巻線部の巻線は、順行巻線部の巻線と反対の符号のピッチを有する。
【背景技術】
【0002】
損失の多い（特に、導電性の）測定サンプルを測定する場合、ＮＭＲプローブヘッドのコイルによって測定サンプル内に電場が生成されると、励起帯域幅の減少及び加熱による信号対雑音比の低下から温度の影響を受けやすい測定サンプルの破壊まで、様々なパフォーマンスの低下が生じる。
【0003】
プローブヘッドによって生成される電場を遮蔽するために、例えば、ファラデーシールド（本明細書末尾の［Ｐｅｌ ２０１６］、［Ｋｒａｈｎ ２００８］を参照）によって、又は１巻き分の巻線の電場のみがサンプルに対してヴィジブル（ｖｉｓｉｂｌｅ）であるコイル（［Ｓｔｒｉｎｇｅｒ ２００５］、［Ｄｉｌｌｍａｎｎ ２００７］）によって、サンプルにおける電場を低減することが知られている。
【0004】
ＮＭＲプローブヘッドにおける電場を低減するための他の対策として、例えば、交差コイル構成（［Ｇｏｒｋｏｖ ２００７］、［Ｇｒａｎｔ ２００９］）を用いることや、ソレノイドコイルを複数のシングルターン型共振器を誘導的に結合したものに置き換えること（［ＵＳ５００３２６５］）、又は複数のソレノイドコイルを並列に接続すること（［ＵＳ５１８０９８２］）により、最高測定周波数におけるコイルのインダクタンスを低減することが一般的である。また、複数の巻線が並列接続されたソレノイドコイルが用いられる形態も知られている（［ＪＰ４７８７０３３］）。しかしながら、低インダクタンスのコイルや共振器を使用して損失を最小限に抑えられるのは、一般に、プロトン周波数で測定するときだけである。他の周波数（Ｘ核）での測定における損失は、通常、問題として認識されていない。
【0005】
［ＵＳ５１８０９８２］、［ＥＰ１５７１４５９］から、巻回方向が異なる巻線を有する複数のコイルを使用することが知られており、［ＵＳ６７５１８４７］からは、複数のコイルを同じ巻回方向ではあるが逆のピッチで巻回したものが知られている。
【0006】
例えば、センタータップを有するコイルアセンブリが［ＵＳ５１８０９８２］及び［ＥＰ１５７１４５９］から知られており、この場合、センタータップを起点として、巻線を有する複数のコイル部分が、互いに反対方向に、反対の巻回方向を有して延在し、共に正の勾配を有する。［ＵＳ５１８０９８２］における２つのコイル部分が、勾配がゼロにならないように巻回されているのに対し、［ＥＰ１５７１４５９］では、超伝導ディスク状の２つの巻線が中心軸に対して垂直方向に位置合わせされてビア（ブリッジ要素）によって接続されている。ここでの欠点は、コイルの半体２つ分の電位差が、コイルの全長にわたって２倍の数の巻線を有するソレノイドの電位差の約半分にしかならないことである。したがって、電気的損失を減らすには限界がある。更に、受送信コイルのインダクタンスが減少すると、マルチコア回路の効率が低下し、パフォーマンスの低下につながる。
【0007】
電場を低減するために、［ＵＳ６７５１８４７］は、柱形の誘電体キャリアの外側に順行巻線、内側に逆行巻線を有するコイルを提案している。したがって、順行巻線及び逆行巻線は、それぞれ異なる半径を有する柱面上に位置していることになる。順行巻線及び逆行巻線は、巻回方向は同じだが、勾配は逆である。測定サンプルにとって、そのようなコイルは、巻回数が半分のコイルのように作用する。内側の巻線の導体材料は、外側の巻線の電位を遮蔽する。そのようなコイルによって測定サンプル内に生成される電場は、コイルの内側の巻線によって生成される電場にほぼ一致する。しかしながら、誘電体キャリアの内側と外側で巻線を分けると、内側の巻線と外側の巻線との間に容量結合が生じる。これらの巻線は少なくともリード線の領域において高い電位差を有するため、特にキャリアがアルミナ系セラミック／サファイア材料やジルコニア系セラミック材料などの高い誘電率を有する材料で作られている場合、この構造は強い「容量」効果を有する。したがって、キャリアの片側のみに巻線を有するコイルと比較して、固有周波数が大幅に低下する。これを補償するために、巻回数、ひいてはコイルのインダクタンスを低減しなければならず、これは、単一の受送信コイルで複数の測定周波数をチューニングする際に様々なパフォーマンスの低下をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、動作中にサンプル内に生成される電場を低減することができると同時に他のパフォーマンス低下をも抑えることができるコイル構造を有するＮＭＲプローブヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この目的は、本発明によれば、請求項１に係るＮＭＲプローブヘッドによって達成される。
【0010】
本発明に係るＮＭＲプローブヘッドにおいて、電気コイル部の順行巻線及び逆行巻線は、順行巻線及び逆行巻線が互いに交差する交差領域（十字形構造）を除いて、長手方向軸Ｚ’を中心とする同一の柱面上に配置される。
【0011】
各コイル部は、受送信コイルの軸方向端部と接続領域との間の同一柱面上に配置される順行巻線部及び逆行巻線部を有する。すなわち、異なる方向に進む巻線が同一面上に配置される。この面は円柱面であることが好ましい。この場合、順行巻線及び逆行巻線は、長手方向軸を中心とした同一の径方向距離に位置する。しかしながら、順行巻線及び逆行巻線が、多角形、例えば正方形の断面を有する同一柱面上に延在することも考えられる。どのような断面形状であろうと、順行巻線部の導体は、接続領域から、所定の巻回方向で、受送信コイルの軸方向端部に至り、その後、導体はそこから同じ巻回方向で接続領域に戻るが、ここで、逆行巻線部の巻線は、順行巻線部の巻線とはピッチの符号が反対であり、好ましくはピッチの大きさが同じである。巻線のピッチは、１巻き分の巻線の高さ、すなわち、長手方向軸の周りをちょうど１回転した後の導体路の中心位置のＺ’値の変化量であると理解される。接続領域は、電気コイル部を整合回路に接続するために使用されるが、複数の電気コイル部のための複数の接続部を備えることができる。コイル部は、接続領域の２つの接続部の間に延在し、印加電圧は各コイル部の順行巻線の始点と逆行巻線の終点との間で求められる。
【0012】
順行巻線及び逆行巻線を同一柱面上に配置するためには、順行巻線と逆行巻線を互いに交差させなければならない。交差は、柱面外周の可能な限り小さい領域（交差領域）で起こり、好ましくは順行巻線部及び逆行巻線部の一方の導体が柱面上に残り、その上をブリッジ要素の形態を有する他方の導体が交差する。交差領域が、順行巻線又は逆行巻線の導体長の２０％未満、より好ましくはは１０％、特に５％未満であると有益である。
【0013】
幾つかのコイル部が設けられる場合、例えば、接続領域が２つのコイル部（すなわち、受送信コイルの軸方向端部にはない）の間に配置される（すなわち、受送信コイルの軸方向端部には配置されない）場合、これらのコイル部を、接続領域内で互いに電気的に接続される別個の部品として形成することもできるし、或いは接続領域を有する導電性構造体の一部として形成することもできる。
【0014】
ＮＭＲプローブヘッドは、少なくとも２つの周波数にチューニングされることが好ましい。
【0015】
コイル部の導体に沿った電位は、電気コイル部が接続領域を介して接続される整合回路によって定められる。従来技術では、動作中、接続点における電位が反対で、大きさが可能な限り同じになるように、整合回路を設計することが通例である（平衡回路）。そのような整合回路が本発明に係るプローブヘッドのために使用される場合、順行巻線と逆行巻線には反対の符号を有する電位が存在する。順行巻線部から逆行巻線部への移行部における巻線は「戻し巻線」と称される。この戻し巻線では、動作中に電位が０になる点が導体中にある。戻し巻線は、受送信コイルの軸方向端部にあって特別な位置を占める。これは、戻し巻線の領域では、コイル部の電位及びピッチに符号の変化があるからである。コイル部の巻線の巻回数に応じて、戻し巻線は、順行巻線部又は逆行巻線部に割り当てられてもよく、或いは一部が順行巻線部に、一部が逆行巻線部に割り当てられてもよい。
【0016】
好ましい実施形態では、ゼロ電位となる点を有する戻し巻線をコイル部が有し、好ましくは、戻し巻線を除く、コイル部の順行巻線と逆行巻線とが交互に配置される。この実施形態では、コイル部２ａ，２ｂの順行巻線部及び逆行巻線部の巻線は、２巻きの順行巻線の間に１巻きの逆方行巻線が存在するよう交互配置され、隣り合う巻線の電位が可能な限り互いを補償し合うことができる。
【0017】
巻線及び接続領域の構造は、隣り合う巻線の比較可能な位置（例えば、巻線の始点、中央、又は終点）において、動作中の電位の大きさが同じ又は同程度になるように選択される。ここで、Ｕ１が１巻き目の巻線にかかる電圧、Ｕ１が１巻き目の巻線にかかる電圧であり、ＵＮが、Ｎ巻回分の巻線にかかる電圧であるとき、Ｕ１／ＵＮ＝（Ｎ／２－１）／（Ｎ／２）であると、電位が同程度であるとみなされる。
【0018】
したがって、順行巻線部及び逆行巻線部の巻線は、動作中に隣り合う巻線間に最大限の電位差（全ての隣り合う巻線対の電位差の合計）が生じるように軸方向に交互配置されることが好ましい。この目的のために、特に、順行巻線部の最初の１巻きと逆行巻線部の最後の１巻き（すなわち、電気コイル部の巻線の最初の１巻きと最後の１巻き）とが隣り合って配置される。このようにして、反対の電位の巻線が互いに隣り合って配置される。
【0019】
本発明に係るプローブヘッドの特別な実施形態では、接続領域が受送信コイルの第１の軸方向端部に配置され、順行巻線部は、接続領域を起点として受送信コイルの第２の軸方向端部に至り、逆行巻線部は、受送信コイルの第２の軸方向端部を起点として接続領域に至る。原則として、電気コイル部は、直列接続され軸方向に交互配置された２つのソレノイド状部分を形成し、これらのソレノイド状部分は巻線方向が同じであり、順行巻線及び逆行巻線は反対の符号のピッチを有する。したがって、電気コイル部は、特に、受送信コイルの長手方向軸Ｚ’の周りに巻回される巻線のみで構成されている。
【0020】
別の実施形態では、受送信コイルは電気コイル部を少なくとも２つ有し、接続領域は２つのコイル部の間の、好ましくは中央に配置される。この場合、第１の電気コイル部の順行巻線は、接続領域を起点として、受送信コイルの第１の軸方向端部に至り、第１の電気コイル部の逆行巻線は、受送信コイルの第１の軸方向端部を起点として、接続領域に至り、第２の電気コイル部の順行巻線は、接続領域を起点として、受送信コイルの第２の軸方向端部に至り、第２の電気コイル部の逆行巻線は、受送信コイルの第２の軸方向端部を起点として、接続領域に至る。
【0021】
したがって、この実施形態は、２つのコイル部を備え、それぞれが順行巻線及び逆行巻線を有し、各コイル部において順行巻線及び逆行巻線は同一の柱面上に配置されている。２つのコイル部の巻線は全て（交差領域を除いて）同一の柱面上に配置されていることが好ましい。各コイル部は、直列接続され軸方向に交互配置された２つのソレノイドコイルを形成し、これらのコイル部は並列に接続されている。接続領域は、受送信コイルの第１の軸方向端部と第２の軸方向端部の間に配置される。これらのコイル部は、軸方向に反対の方向に延びているが、巻回方向は同じである。
【0022】
好ましくは、接続領域において（順行巻線及び逆行巻線がコイル部内で交互に配置されていたとしても）、第１のコイル部の順行巻線（又は逆行巻線）の最初の１巻き（第１のコイル部の接続巻線）は、第２のコイル部の順行巻線（又は逆行巻線）の最初の１巻き（第２のコイル部の接続巻線）と隣り合って配置される。これにより、接続領域の設計及び技術的実装が簡単になる。特に、２つのコイル部を、接続領域に対して互いに鏡面対称に配置することができる。
【0023】
或いは、両方のコイル部にわたり、順行巻線及び逆行巻線の交互配置（すなわち、接続巻線を含む）を設けることもできる。これにより、測定サンプル内の電場を更に低減することができる。
【0024】
コイル部の中心線は、一般に、次式により定義される。
ここで、
Ｐ：巻線のピッチ（１巻き分の巻線がＺ’方向に進む距離）
Ｔ：巻線の傾き（巻線１巻き分にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波状の変化の振幅）、
φ：巻線の傾きの向き／方向、
Ｒ：受送信コイルの半径、
Ｎ：順行巻線部の巻線の巻回数ＮＨと逆行巻線部の巻線の巻回数ＮＲの合計：Ｎ＝ＮＨ＋ＮＲ、
であり、
ｔは、０と巻回数Ｎとの間で変化するパラメータであり、ｔ∈Ｒ及び０≦ｔ≦Ｎである。
【数1】
Ｐ：巻線のピッチ（１巻き分の巻線がＺ’方向に進む距離）
Ｔ：巻線の傾き（巻線１巻き分にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波状の変化の振幅）、
φ：巻線の傾きの向き／方向、
Ｒ：受送信コイルの半径、
Ｎ：順行巻線部の巻線の巻回数ＮＨと逆行巻線部の巻線の巻回数ＮＲの合計：Ｎ＝ＮＨ＋ＮＲ、
であり、
ｔは、０と巻回数Ｎとの間で変化するパラメータであり、ｔ∈Ｒ及び０≦ｔ≦Ｎである。
【0025】
Ｓ（ｔ）＝ｃｏｎｓｔ．及びＴ（ｔ）＝０の場合、逆行巻線部が無い、通常のソレノイドとなる。
【0026】
本発明に係るコイルの場合、それぞれのコイル部ごとに次式が当てはまる。
ここで、「ｓｇｎ」は符号関数である。
【数2】
【0027】
本発明に係る受送信コイルの簡単な実施形態では、順行巻線部及び逆行巻線部は共にピッチＰが一定であり、好ましくは、順行巻線部及び逆行巻線部は、ピッチＰの大きさが等しいが反対であり、順行巻線部の巻線の巻回数ＮＨは、逆行巻線部の巻線の巻回数ＮＲと等しい。このことは、ピッチＰが一定であって、順行巻線部及び逆行巻線部が同じ巻回数の巻線を有する（ＮＨ＝ＮＲ＝Ｎ／２）場合に、ｔ＝０…ＮＨに関して（順行巻線部に関して）、Ｐ（ｔ）＝Ｐであり、ｔ＝ＮＨ…Ｎに関して（逆行巻線部に関して）Ｐ（ｔ）＝－Ｐであることを意味する。特に好ましくは、受送信コイルは、傾きのない（すなわち、Ｔ（ｔ）＝０である）ソレノイド状の順行巻線部及びソレノイド状の逆行巻線部を有する。そのようなコイルは、例えば、キャリアに巻回されたワイヤ又は帯状の導体から容易に作ることができる。
【0028】
帯状の導体は、導体路幅と比べて厚みが小さく（特に少なくとも１桁は小さく）、実質的に矩形の断面を有する。帯状の導体は、薄いメタライゼーション、特にＨＴＳコーティングを施した基材からなることが好ましい。
【0029】
好ましくは、導体の導体路厚さＷは、最大５００μｍであり、及び／又は導体への高周波Ｂ１磁場の侵入深さの少なくとも２倍である。
【0030】
特に好ましい実施形態では、順行巻線及び逆行巻線は、円柱面上に配置されている（すなわち、Ｒ（ｔ）＝ｃｏｎｓｔ．）。これは、円柱状キャリアを使用できるため、特に容易に作ることができる。
【0031】
電気コイル部は、導体路幅Ｗの帯状コイル部として形成されていることが特に好ましい。導体路幅は、導体中心に対して垂直な方向の導体幅である。帯状コイル部では、導体路幅がコイル部の厚さよりも大きい。帯幅は、導体全体にわたって一定であってもよく（Ｗ＝ｃｏｎｓｔ．）、又は変化してもよい（Ｗ＝Ｗ（ｔ））。導体路幅Ｗ（ｔ）が導体が延びる経路ｔに沿って不等である場合、導体路幅は１巻き分の巻線内で変化してもよい。帯状コイル部は、例えば、管状のブランク材から、必要とされない領域をエッチング、フライス削り、又は切削することによって作ってもよい。更に、柱状の導体をキャリアの周りに巻回してその上を平らになるようプレスしてもよく、又は帯状の導体をキャリア上に巻き付けてその表面に対してプレスしてもよい。プレスしないと、巻回中のねじれによって、導体がキャリア上で平らに配置されない。また、丸型導体を、キャリア上に巻回した後、プレスによって帯状の導体に成形してもよい。
【0032】
具体的な実施形態では、順行巻線部及び／又は逆行巻線部内で、導体の導体路幅及び／又は順行巻線部及び／又は逆行巻線部の隣り合う巻線間の間隙幅Ｄは、導体の長さｔの方向に変化する（Ｗ＝Ｗ（ｔ）、ここで、ｔ＝０．．．Ｎ）。
【0033】
特に、電気コイル部の導体路幅Ｗ及び／又は受送信コイルの隣り合う巻線間の間隙幅Ｄは、１巻き毎の巻線内で変化してもよい。好ましくは、１巻き毎の巻線内で導体路幅が最小値と最大値との間で変化し、１巻き毎の巻線内で導体路幅が少なくとも２回、好ましくは周期的に、減少及び増加する。したがって、コイル部の１巻き毎の巻線は、最小の導体路幅を有する２つの領域と、最大の導体路幅を有する２つの領域とを有する。このような実施形態では、Ｔ（ｔ）≠０である受送信コイルの効率を、導体路幅が一定のコイルよりも高くすることができる。更に、これにより、品質に過度に悪影響を及ぼすことなく、交差コイルアセンブリにおける第２のコイルの磁場に対してより高い透過性を得ることができる。導体路幅が最小値である電気コイル部の複数の領域が、長手方向軸を中心とした回転に対して１８０°ずれて配置される場合、最小幅となる複数の領域は柱面の互いに対向する柱面区画上に位置し、これは、間隙幅が最大である複数の開空間が互いに対向する柱面区画上に位置することを意味する。これにより、ＭＲプローブヘッドの第２のコイルによって生成される第２の高周波磁場を第１の高周波磁場に重畳するために使用することができる、透過領域をより多く形成することができる。そして、両方の高周波磁場についてサンプルボリュームが「ヴィジブル（ｖｉｓｉｂｌｅ）」になる。同時に、受送信コイルは、残りの領域において、コイルの品質を最適化する導体路幅をとることができる。このようにして、プローブヘッドを複数の周波数に効率的にチューニングすることができる。
【0034】
別の特別な実施形態では、巻線の勾配Ｓ、特にピッチＰは、電気コイル部の長さｔの方向に変化する。
【0035】
勾配Ｓ＝Ｓ（ｔ）の変化は、ピッチＰ（一巻き分の巻線の勾配）を変化させることで実現できるが、Ｐを一定に保ちながら一巻き分の巻線内で勾配Ｓを局所的に変化させることでも実現できる。
【0036】
したがって、勾配Ｓは、導体に沿った位置に依存する（Ｓ＝Ｓ（ｔ））。ピッチＰは、１巻き分の巻線にわたる勾配の積分として、次の式で定義される。
すなわち、勾配Ｓは、ちょうど一回転する間に導体が進む長手方向軸の方向の距離として定義され、Ｐ＝ｚ’（ｔｎ）－ｚ’（ｔｎ＋１）となる。ここで、ｔｎは第ｎ巻き目の巻線の始点である。ｔは無単位のパラメータであるため、勾配Ｓが一定であればピッチＰは勾配Ｓに等しくなる。すなわち、ｔ＝ｔ０．．．ｔ０＋１の範囲でＳ（ｔ）＝Ｓとなる。
【数3】
【0037】
複数の巻線を、誘導結合又は容量結合された複数の独立した巻線として形成してもよい。このとき、ピッチＰは、２つの隣り合う独立した巻線間の距離を表わす。不等（ｖａｒｉａｂｌｅ）勾配Ｓによって、ｚ軸に沿った（軸上の）均質性を向上させることができる。コイルピッチＰが一定である場合でも、局所的な勾配Ｓを、一巻き分の巻線内で不等とすることができ、符号を逆転させることもできる。１巻き分の巻線のピッチＰは、ｔ０＋１における中心線のＺ’座標がｔ０におけるＺ’座標よりも大きい場合に正であると表現される。これは、ｔ０とｔ０＋１との間の区間において、Ｚ’座標がｔ０のときよりも小さい値をとる場合でも当てはまる。
【0038】
有限のソレノイドコイルでは、Ｂ１磁場の振幅は軸方向両端で値が落ち込む。軸方向両端でピッチＰを小さくすることにより、巻線を互いに近づけることができる。このようにして、コイルが有限であることに起因する電流密度の不足を補償することができる。したがって、特に、受送信コイルの軸方向両端におけるピッチＰが軸方向中心よりも小さい場合には、固有周波数から遠く離れて動作する短い受送信コイルにおいて、長手方向軸Ｚ’に沿った均質性を向上させることができる。
【0039】
センタータップを有する「短い」受送信コイルが固有周波数又はその近くで動作する場合、コイル部の長さ方向に沿ったほぼ正弦波状の電流分布が中心部に生成される磁場を減少させるため、中心部においてピッチＰを減少させることが有益であり、これはコイル部内の巻線を「圧縮」することによって補償することができる。そのようなコイルでは戻し巻線（複数可）に最も高い電流密度が生じ、これは、通常、短いソレノイドコイルの電流密度の不足をほぼ補償する。
【0040】
径方向（軸外）の均質性を向上させるために、本発明に係るＭＲプローブヘッドの更なる実施形態では、導体に沿う受送信コイルの巻線が、Ｔ＝Ｔ（ｔ）が成立するよう、長手方向軸Ｚ’に対する傾きが不等になるよう構成される。
【0041】
傾きＴは、１巻き分の巻線にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波状の変化の振幅として定義される。原理的に、傾きＴ≠０のコイルは、不等勾配Ｓ’（ｔ）＝Ｓ（ｔ）＋Ｔ（ｔ）ｃｏｓ（２πｔ＋φ）の一般的な勾配によって表わすこともできる。Ｓ’（ｔ）をフーリエ級数として書く場合、Ｔは勾配Ｓの（ｋ＝１）周期部分を表わす。１巻き毎の巻線について、勾配Ｓは次のように書くことができる。
ここで、Ｔを傾き、φを傾きの方向（一般に、φ＝０又はφ＝９０°）とすると、次式はＴ（ｔ）ｃｏｓ（２πｔ＋φ）として書くこともできる。
【数4】
【数5】
【0042】
傾きＴは、導体が延びる経路ｔに沿って変化してもよい（Ｔ＝Ｔ（ｔ））。この場合、傾きは、部分的に、特に少なくとも１／２巻き分の巻線（半回転分の巻線）にわたって一定である。その後、傾きは半回転分の巻線毎に変化する。これは、半回転分の巻線のそれぞれが長手方向軸Ｚ’に対して傾きＴで傾いていることを意味し、１／２巻き分の複数の巻線（半回転分の巻線）のうち少なくともいくつかにおいてＴ≠０である。巻線の傾きＴは、Ｂ１振幅と径方向の均質性とに影響を及ぼす。傾きＴ≠０のコイルの場合、最初の半回転分の巻線と次の半回転分の巻線とで勾配Ｓが異なる。通常、傾きの方向はφ＝０（Ｙ’軸周りの傾き）又はφ＝π／２（Ｘ’軸周りの傾き）であり、半径Ｒ（ｔ）＝Ｒである。
【0043】
勾配Ｓが任意の関数Ｓ（ｔ）であるコイルの場合、Ｔ（ｔ）の効果もＳ（ｔ）を介して表わすことができるため、傾きの定義は限定的な意味しか持たない。Ｔ（ｔ）は、不等勾配Ｓの周期的に変化する部分を反映しており、これはＺ’軸に対する（楕円形）コイルの傾きに対応する。
【0044】
ＭＡＳ（マジック角回転）測定のように、受送信コイルの長手方向軸がＮＭＲ測定に使用される静磁場Ｂ０と平行に配置されていない場合、受送信コイルがソレノイドコイルとして形成されているか、又はソレノイド様部分から構成されている場合は特に、受送信コイルによって生成される高周波Ｂ１磁場の振幅、ひいては受送信コイルの効率を増加させることができる。ＭＡＳ ＮＭＲ測定では、測定サンプルを長手方向軸Ｚ’を中心に回転し、長手方向軸Ｚ’は、好ましくは静磁場Ｂ０によって定義されるＺ軸に対してマジック角θ（θ＝５４．７４°）だけ傾いており、動作中（すなわち、ＮＭＲプローブヘッドがＮＭＲ装置に取り付けられているとき）のＮＭＲプローブヘッドの長手方向の延長線はこの方向に延びる。受送信コイルの巻線を傾けることにより、静磁場Ｂ０に平行な高周波Ｂ１磁場の磁場成分を最小にしたり、静磁場Ｂ０に直交する高周波Ｂ１磁場の磁場成分を最大にしたりすることができる。しかしながら、巻線を傾斜させることによって、従来の（傾斜していない）ソレノイドコイルとは対照的に、測定ボリューム内の高周波Ｂ１磁場はもはやＺ’に平行ではなくなり、その結果、コイルの導体は「それらが生成する磁場の邪魔になる」。これらの領域において傾斜ソレノイドコイルの導体路幅を小さくすることにより、本発明に係る傾斜ソレノイドコイルの伝送効率及び実現可能な信号対雑音比を向上させることができる。
【0045】
特に好ましい実施形態では、傾きＴ、勾配Ｓ、及び導体路幅Ｗのうちの少なくとも２つが、受送信コイルの導体の延びる経路に沿って変化し、特に、勾配Ｓと、傾きＴ及び導体路幅Ｗのうちの１つが変化する。このようにして、信号対雑音比（ＳＮＲ）に関して最適化された受送信コイルを実現することができる。
【0046】
更なる実施形態では、少なくとも１巻き分の巻線が、ほぼ全周にわたって、特に交差領域の外側で、勾配Ｓ＝０であるように構成されている（いわゆる「ゼロピッチ」コイル）。このような巻線は非閉鎖リングを形成し、すなわち、ｔ＝ｔ０．．．ｔ０＋１－ε又はｔ＝ｔ０＋ε／２．．．ｔ０＋１－ε／２において、Ｓ（ｔ）＝０が成り立つ。ここで、ε＞０であって、ε＞０であることにより短絡を防止し、また、ｔ＝ｔ０は巻線の始点である。傾きのない受送信コイルの場合（すなわち、Ｔ＝０の場合）、巻線は、勾配Ｓ＝０である全範囲にわたって長手方向軸に対して垂直になるよう配置される。そのような受送信コイルは、ピッチのない非閉鎖「リング」と、勾配Ｓ＞０の電気コイル部の部分との組み合わせとして形成することができる。結果として、間隙幅に対する導体路幅の比を受送信コイルにわたって一定に保つことができる。結果として、受送信コイルの品質を最大にすること、及び／又は電場を最小化することが特に容易になる。
【0047】
本発明の更なる利点は、明細書及び図面に見出される。同様に、上記の特徴及び以下に詳述する特徴は、本発明に従って個別に又は任意の組み合わせで集合的に使用され得る。図示及び説明された実施形態は、網羅的なリストとして理解されるべきではなく、むしろ本発明の説明のための典型的な特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1a】接続領域が受送信コイルの２つの軸方向端部間の中央に配置される、本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルの一実施形態の斜視図である。
【図2a】接続領域が受送信コイルの軸方向端部に配置される、本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルの更なる実施形態の斜視図を示す。
【図4a】Ｔ≠０のときのコイルパラメータを説明するためのソレノイド状コイル部の詳細を示す。
【図4b】Ｔ＝０のときのコイルパラメータを説明するためのソレノイド状コイル部の詳細を示す。
【図5】本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルであって、受送信コイルの導体路幅及び隣り合う巻線間の間隙幅が、電気コイル部の長さ方向に沿って変化する受送信コイルの一実施形態の展開図を示す。
【図6】導体路幅及び間隙幅が導体の１巻き毎の巻線内で変化する、本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルの一実施形態の展開図を示す。
【図7】１巻き毎の巻線内で勾配Ｓが不等であるとともにピッチＰが一定である、本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルの一実施形態の展開図を示す。
【図8】本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルであって、受送信コイルの巻線のピッチＰがコイル部に沿って不等であるとともに導体路幅が電気コイル部の全長にわたって不等である受送信コイルの一実施形態の展開図を示す。
【図9】長手方向軸Ｚ’に対する巻線の傾きがゼロでない、本発明に係るプローブヘッド用の受送信コイルの一実施形態の展開図を示す。
【図10】本発明に係るＮＭＲプローブヘッドの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0049】
図１ａ及び図１ｂは、本発明に係るＮＭＲプローブヘッド１８（図１０参照）のための受送信コイル１の特に好ましい実施形態を斜視図及び展開図で示す。受送信コイル１には、検査対象となる測定サンプル１９が配置される。受送信コイル１は、接続領域４から受送信コイル１の軸方向端部５ａ、５ｂまで延びる順行巻線３ａ、３ｂと、軸方向端部５ａ、５ｂそれぞれから接続領域４に戻る逆行巻線６ａ、６ｂとを備える、２つのコイル部２ａ、２ｂを有する。接続領域４を終点／始点とする巻線は、接続巻線１６ａ、１６ｂと呼ばれる。第１のコイル部２ａの順行巻線３ａ及び第２のコイル部２ｂの順行巻線３ｂは、同じ巻回方向を有する。逆行巻線６ａ、６ｂは、順行巻線２ａ、２ｂに対して反対のピッチＰを有するが、それぞれ同じ巻回方向を有する。順行巻線３ａ、３ｂと逆行巻線６ａ、６ｂは戻し巻線１５ａ、１５ｂを介して接続され、戻し巻線１５ａ、１５ｂは、それぞれ、コイル部２ａ、２ｂの接続部９とは反対側の端部５ａ、５ｂに配置され、巻線のピッチＰの符号を反転させる。復路の導体（逆行巻線）は、往路の導体（順行巻線）と同一面（この場合、円柱面）上に巻回される。１巻きの逆行巻線６ａ，６ｂが２巻きの順行巻線３ａ，３ｂの間の空間に配置される。このために必要な交差７は、外周の可能な限り小さい領域（交差領域８）で起こる。順行巻線及び逆行巻線３ａ、３ｂ、６ａ、６ｂの複数の交差７は、ブリッジ要素によって実現される。これらのブリッジ要素は、共通の周面から出て再び戻る接続要素である。２つのコイル部２ａ，２ｂは、接続領域４に対して互いに鏡面対称であり、各導体部内では順行巻線及び逆行巻線が交互に配置されるが、接続領域４では、第１のコイル部２ａの順行巻線（又は逆行巻線）の最初の１巻き（すなわち第１のコイル部２ａの接続巻線１６ａ）が第２のコイル部２ｂの順行巻線（又は逆行巻線）の最初の１巻き（すなわち第２のコイル部２ｂの接続巻線１６ｂ）と隣り合って配置される。
【0050】
図２ａ、図２ｂは、順行巻線３及び逆行巻線６を有するコイル部２を１つだけ備える、受送信コイル１ａの別の実施形態の斜視図及び展開図を示す。ここで、導体は、受送信コイル１ａの軸方向端部５ａを起点として、所定の巻回方向でコイルの他方の軸方向端部５ｂに至り、その後、そこから反対のピッチＰであるが同じ巻回方向で第１の軸方向端部５ａに戻る。したがって、この実施形態では、図１に示す実施形態とは対照的に、接続領域４’が第１の軸方向端部５ａに配置される。図１に示す実施形態と同様に、図２に示される実施形態においても、逆行巻線６は順行巻線３と同一面上に位置しており、１巻きの逆行巻線６が２巻きの順行巻線３の間の空間に配置される。この場合、順行巻線３及び逆行巻線６は、接続領域４’とは反対側のコイル部２の端部５ｂに配置される戻し巻線１５を介して接続され、ここで巻線のピッチＰの符号は反転する。順行巻線の最初の１巻きと反転巻線の最後の１巻き（それぞれ接続領域４’の巻線）は、接続巻線１６である。
【0051】
本発明に係るコイル構造の全ての実施形態において、本発明によるコイル部２、２ａ、２ｂは、順行及び逆行の両方の巻線を有し、逆行巻線６ａ、６ｂは、順行巻線３ａ、３ｂと同一面上にあり、反対のピッチＰを有する。図示されている特別な実施形態において、１巻きの逆行巻線６ａ、６ｂは、各コイル部２ａ、２ｂ内で、２巻きの順行巻線３ａ、３ｂ間の空間に配置される。
【0052】
コイル部２ａ、２ｂ（図１、図５～図９）が２つある場合、図示されている本発明の受送信コイルの実施形態の構造は鏡面対称であり、このとき、接続領域４において２つのコイル部の逆行巻線同士又は順行巻線同士が隣り合って配置される。
【0053】
全ての実施形態において、接続領域４、４’に接続部９があり、それを介して２つの導体部３ａ、３ｂの接続巻線１６ａ、１６ｂを整合回路１０（図１０参照）に接続して、高周波パルスを送信しながら受送信コイル１、１ａにエネルギーを供給する又は測定サンプル１９の励起後に受送信コイルに誘導された信号を検出することができる。接続領域は、一方の端部、１つ以上の中央領域、又は両端部に設けることができ、特にコイル部が複数ある実施形態では、中央領域と端部との両方に設けることができる。
【0054】
従来技術では、動作中に、絶対値が可能な限り等しい反対の電位が接続部９に存在するように、整合回路１０を設計することが通例である。これにより、通常は、受送信コイルの一実施形態により測定サンプルに生じさせ得る電場が最小になる。本発明に係る受送信コイルの構造の場合、互いに反対の電位を伴う巻線を、いずれも、受送信コイルの長手方向軸から同一の径方向距離を隔てて配置し、このとき、隣り合う巻線３～６；３ａ～６ａ；３ｂ～６ｂの電位が互いを補償するように、すなわち、それらの電位が大きさは可能な限り同程度であるが符号が反対になるようにする。図２のコイルに類似する受送信コイル１ａの導体の周りの電場の等電位線の変化のシミュレーションを図３に示す。電位差が最も大きい巻線同士が隣り合って配置されているため、電場は間隙に集中し、受送信コイル１ａからの距離が増大するにつれて非常に急速に減衰する。したがって、測定サンプル１９が配置される視野の位置する受送信コイル１ａの内部には、電場は僅かにしかおよばない。ＮＭＲ測定ヘッドに導電性の測定サンプル又は誘電損失の高い測定サンプルが装填される場合、高周波パルス送信時の電場は測定サンプル内で散逸し、これにより測定サンプルが加熱される可能性がある。受信の際には、電場に起因するノイズが測定サンプルから拾い上げられる。これは、受送信コイルが極低温に冷却されて測定サンプルよりも著しく低い温度を有する場合に特に不都合である。本発明に係る構造で可能であるように、測定サンプル１９内の電場を最小限に抑えることで、損失のある測定サンプル１９を用いて動作する場合でも、極低温冷却ＮＭＲプローブヘッドにおける良好な信号対雑音比が保証される。
【0055】
本発明に係るＮＭＲプローブヘッドの更なる最適化を、受送信コイルのコイルパラメータを変化させることによって実現することができる。
【0056】
図４ａ及び図４ｂはそれぞれ、帯状の導体（導体路１１）を有するソレノイド状コイルの詳細を概略的に示しており、まず、これらに基づいてコイルパラメータを説明する。図４ａ及び図４ｂのソレノイド状コイルは、長手方向軸Ｚ’（コイル軸）に沿って配置され、長手方向軸Ｚ’はＸ’－Ｙ’平面に対して垂直である。ソレノイド形状のコイルは、導体路１１の導体路幅Ｗ、空間１２の間隙幅Ｄ、巻線のピッチＰ、巻線の傾きＴ、及び巻線の半径Ｒによってパラメータ化される。図示されている実施形態では、全体で３巻き分の巻線が示されている。
【0057】
導体路幅Ｗは導体路１１の幅を示す。導体路幅Ｗは、導体路１１の最外端によって決定される。ここに示す実施形態において、導体路幅Ｗは、導体の全長にわたって一定に保たれている（すなわち、Ｗ（ｔ）＝ｃｏｎｓｔ．）。
【0058】
間隙幅Ｄは、導体路１１の巻線間の空間１２の幅を示す。間隙幅Ｄは、導体路１１の隣り合う巻線間の領域の最外端により定められる。
【0059】
巻線１巻き分の長さにわたって勾配が一定の場合、ｔｎからｔｎ＋１においてＳ（ｔ）＝Ｓであり、巻線のピッチＰは次式により定義される。
巻線のピッチＰは、２つの隣り合う巻線間のＺ’方向の距離（すなわち、ちょうど１巻回後にコイルが前進した量）を示し、導体路１１の中心線によって決定される。ピッチＰが一定であっても、勾配Ｓが１巻き分の巻線内で変化することを否定するものではない。すなわち、Ｓ（ｔ）が一定でない場合でもピッチＰが一定であることがあり、巻線１巻き分当たりのピッチＰは区間ごとに一定となる。
【数6】
【0060】
巻線の傾きＴは、長手方向軸Ｚ’に対する巻線の傾きを示し、１巻き分の巻線にわたる導体中心面のＺ’位置の正弦波状の変化の振幅に対応する。複数巻回分の巻線にわたってピッチＰ及び傾きＴが一定である場合、Ｍａｘ（Ｚ（ｔ）－Ｚ（ｔ＋１））－Ｓ）／２から簡単に決定できる。ここで、ｔはｔ０．．．ｔ０＋１の区間を変化する。
【0061】
巻線の半径Ｒは、円柱状コイルの場合に導体路１１が延在する半径を示す。一般に、非円形柱状のコイルもＲで表わすことができるよう、Ｒ＝Ｒ（ｔ）とする。
【0062】
図４ａ及び図４ｂに示すソレノイドコイルはそれぞれ、導体路幅Ｗが一定、間隙幅Ｄが一定、及び勾配Ｓが一定（したがって、ピッチＰも一定）であり、図４ａに示すコイルは傾斜コイル（Ｔ≠０）であり、図４ａに示すコイルは非傾斜コイル（Ｔ＝０）である。
【0063】
【0064】
本発明に係る受送信コイル構造の特別な変形例を以下に説明する。コイルパラメータを変えることにより、本発明に係るＮＭＲコイルヘッドの性能を更に改善することができる。
【0065】
図５は受送信コイル１ｂの別の実施形態を示し、ここで、導体路に沿った導体路幅Ｗ及び間隙幅Ｄは不等であり（Ｗ＝Ｗ（ｔ））、導体路幅（交差領域８を除く）は１巻き毎の巻線内では一定（Ｗ＝ｃｏｎｓｔ．）であるが、１巻きごとに変化する。中央接続領域４（電位差が大きい箇所）では、導体路幅Ｗが最大となり、間隙幅Ｄが最小となる。軸方向端部５ａ、５ｂの方向（電位差が小さくなる方向）に進むと、導体路幅Ｗが小さくなり、それに伴って間隙幅Ｄが大きくなる。軸方向端部５ａ、５ｂ（ここには最小の電位差が存在する）では、導体路幅Ｗが最小となり、間隙幅Ｄが最大となる。したがって、この実施形態では、導体路幅Ｗ及び間隙幅Ｄは電位差の関数である。
【0066】
図１に示す実施形態と同様に、図５に示す実施形態は、順行巻線３ａ、３ｂ及び逆行巻線６ａ、６ｂを有する２つのコイル部２ａ、２ｂを備え、導体は、中央接続領域４を起点として、所定のピッチＰで、受送信コイル１のそれぞれの軸方向端部５ａ、５ｂに至り、次いでそこから反対のピッチＰで元の中央接続領域４へ戻る。しかしながら、不等である導体路幅Ｗ及び／又は間隙幅Ｄは、コイル部を１つだけ備える実施形態でも実現することができる。この場合、第１の軸方向端部５ａから第２の軸方向端部５ｂに向かって、間隙幅Ｄが大きくなり、導体路幅Ｗが小さくなる。
【0067】
図５に示す受送信コイル１ｂにより、特に、低電位差の領域における導体路幅と間隙幅の比Ｗ／Ｄを受送信コイルにおける電気損失が最小になるように選択した時、一方では測定ボリューム内の電場を最小にすることが可能であり、他方では受送信コイル１ｂの品質を向上させることが可能である。電位差が大きい領域では、測定サンプル（図５に示されない）内の電場によって引き起こされる損失を低減するために、受送信コイル内の更なる電気損失が許容される。電位差が大きい領域で間隙幅Ｄが小さくなりすぎると、動作中の電圧降下のリスクが高くなる。そのため、間隙幅Ｄには下限があり、これは絶縁耐力によって決まる。Ｄ＞０．０１ｍｍであると有益であるが、Ｄ＞０．１ｍｍであると特に有益である。これにより、０．５ｍｍ～５ｍｍの範囲の典型的な測定サンプル直径に対して、再現可能な製造性及び十分な絶縁耐力を備えつつ、測定サンプルにおける電場を大幅に低減することが可能になる。
【0068】
図１に示す実施形態と同様に、図５に示す実施形態も非傾斜巻線（Ｔ（ｔ）＝０）を有する。巻線のピッチＰは一定値である（｜Ｐ｜＝ｃｏｎｓｔ．）。この例外は、戻し巻線１５ａ、１５ｂ及び１つの接続巻線であり、これらは所定の境界条件（ピッチＰの反転、接続領域の位置）に起因してピッチＰが半分の値になっている。それにもかかわらず、そのようなコイルは、ピッチＰが一定のコイルと見なすことができる。１巻き毎の巻線内の勾配Ｓは、交差領域８を除く全ての領域でＳ（ｔ）＝０である。したがって、前述の巻線の一定のピッチ｜Ｐ｜＝ｃｏｎｓｔ．は、交差領域８によって実現される。
【0069】
このように形成されたソレノイドコイルは、「ゼロピッチ」コイルという用語で知られている。同様に、交差領域外の全てのｔについてＳ（ｔ）＝０である本発明に係るコイルも、ゼロピッチコイルとも呼ぶものとする。
【0070】
一般に、隣り合う導体路が接触しない限り、任意の勾配Ｓ及び／又は傾きＴとともに不等の導体路幅Ｗ及び／又は間隙幅Ｄを使用することができる。
【0071】
図６は受送信コイル１ｂの別の実施形態を示し、ここで、導体路幅Ｗ及び間隙幅Ｄが延在する導体に沿って１巻き毎の巻線内で変化する（Ｗ＝Ｗ（ｔ）。好ましくは、図６に示すように、交差領域８と、交差領域８の中心と径方向に対向する領域１３（受送信コイル１ｃが巻回状態の場合）において、導体路幅Ｗは最小となり、間隙幅Ｄは最大となる。１巻き毎の巻線の更なる２つの領域１４では、交差領域８と径方向に対向する領域１３との間で、導体路幅Ｗが最大となり、間隙幅Ｄが最小となる。図６に示す実施形態では、最小値同士及び／又は最大値同士は、長手方向軸を中心とした回転に対して１８０°ずれている。したがって、導体路幅Ｗが最小の２つの領域（交差領域８及び径方向に対向する領域１３）及び導体路幅Ｗが最大の２つの領域（更なる領域１４）が存在する。ここで、導体路幅Ｗは、周期的に変化することが好ましい。
【0072】
図１に示す実施形態と同様に、図６に示す実施形態は、順行巻線３ａ、３ｂ及び逆行巻線６ａ、６ｂを有する２つのコイル部２ａ、２ｂを備え、導体は、中央接続領域４を起点として、所定のピッチＰで、受送信コイル１のそれぞれの軸方向端部５ａ、５ｂに至り、次いでそこから反対のピッチＰで元の中央接続領域４へ戻る。しかしながら、不等である導体路幅Ｗ及び／又は間隙幅Ｄは、コイル部を１つだけ備える実施形態でも実現することができる。
【0073】
図６に示される受送信コイル１ｃでは、間隙幅Ｄを大きくすることにより、そこから別の磁場を放射することができる透過性の高い空間（「窓」）を設けることができる。その結果、例えば、本発明に係るＭＲプローブヘッドの受送信コイルアセンブリの第２の受送信コイル（図示せず）によって生成される第２の高周波磁場を、受送信コイル１の第１の高周波磁場に重畳させることができる。第２の受送信コイルを設けることにより、プロトンに加えて他のＮＭＲ活性核を調べることができる。
【0074】
【0075】
しかしながら、任意の勾配Ｓ及び／又は傾きＴとともに不等の導体路幅Ｗ及び／又は間隙幅Ｄを使用することができる。更に、導体路幅が交差領域８において最小とならないように、導体路幅Ｗ及び／又は間隙幅Ｄを変化させることもできる。
【0076】
図７は、受送信コイル１ｄの更なる別の実施形態を示し、この実施形態では、ピッチＰは実質的に（すなわち、導体部の両端、つまり軸方向端部５ａ、５ｂの戻し巻線、及び必要に応じて中央接続領域４の接続巻線を除いて）一定である。なお、勾配Ｓは１巻き毎の巻線内で変化する。これは、Ｐ（ｔ）が各部分ごとに一定であり、１巻き目、２巻き目、．．．の巻線においてＰ（ｔ）＝Ｐ１、Ｐ２、．．．であることを意味する。先に説明した実施形態と同様に、図７に示す実施形態の巻線には傾きがない（Ｔ＝０）。
【0077】
図１に示す実施形態と同様に、図７に示す実施形態は、順行巻線３ａ、３ｂ及び逆行巻線６ａ、６ｂを有する２つのコイル部２ａ、２ｂを備え、導体は、中央接続領域４を起点として、所定の巻回方向及び所定のピッチＰで受送信コイル１の軸方向端部５ａ、５ｂへと至り、次いでそこから反対のピッチＰであるが同じ巻回方向で元の中央接続領域４へと戻る。導体の巻回方向は、２つのコイル部間で異なり、すなわち、例えば、順行巻線部２ａでは正方向であり、逆行巻線部２ｂでは負方向である。しかしながら、巻線において不等である勾配Ｓと一定のピッチＰの両立を、コイル部を１つだけ備える実施形態でも実現することができる。
【0078】
図８は受送信コイル１ｅの更なる別の実施形態を示し、ここで、巻線のピッチＰ、導体路幅Ｗ、及び間隙幅Ｄは導体の長さｔ全体にわたって不等であり、巻線の傾きＴは０である（Ｐ＝Ｐ（ｔ）及びＴ＝０）。図８に示す実施形態では、ピッチＰ、導体路幅Ｗ及び間隙幅Ｄは、中央接続領域４で最大であり、軸方向端部５ａ、５ｂに向かって減少していく。軸方向端部５ａ、５ｂでは、（任意選択的に、１巻き分の接続巻線を除いて）ピッチＰ、導体路幅Ｗ、及び間隙幅Ｄは最小である。
【0079】
図１に示す実施形態と同様に、図８に示す実施形態は、順行巻線３ａ、３ｂ及び逆行巻線６ａ、６ｂを有する２つのコイル部２ａ、２ｂを備え、導体は、中央接続領域４を起点として、常に所定の巻回方向及び所定のピッチＰで、受送信コイル１の軸方向端部５ａ、５ｂへと至り、次いでそこから反対のピッチＰであるが同じ巻回方向で元の中央接続領域４へと戻る。しかしながら、不等であるピッチＰは、コイル部を１つだけ備える実施形態でも実現することができる。固有周波数に近い動作の場合、ピッチＰは、この場合、第１の軸方向端部から第２の軸方向端部に向かって減少する。固有周波数よりも十分に低い動作の場合、ピッチＰは、第１の軸方向端部からコイルの中心に向かって減少し、次いで第２の軸方向端部に向かって再び増大する。
【0080】
この受送信コイル１ｅでは、軸方向の均一性を向上させる、すなわち有限のコイル長を補償することができる。
【0081】
図９は受送信コイル１ｆの更なる別の実施形態を示し、ここで、巻線は長手方向軸に対して傾斜している（Ｓ≠０）。この場合、傾きは一定、すなわちＴ＝ｃｏｎｓｔ．である。Ｚ’値は１／２巻き分の巻線（ここでは、順行巻線の交差領域を起点とする１／２巻き分の巻線）内で増大し、残りの１／２巻き分の巻線（ここでは、交差領域で終わる順行巻線の半回転）内で減少し、したがってＺ’位置が正弦波状に変化することが明確に分かる。
【0082】
ピッチＰ（２つの軸方向端部５ａ及び５ｂの戻し巻線、並びに１巻き分の接続巻線を除いて）は、受送信コイル１ｆの全体にわたって一定である。
【0083】
このようなコイルは、円筒軸（受送信コイルの長手方向軸Ｚ’）と平行でない高周波磁場を生成させたい場合に特に有益である。これは、円筒軸Ｚ’及び静磁場の方向がマジック角で配置されるＭＡＳ－ＮＭＲ測定サンプルにとって特に有益である。このような構成では、一定の傾きＴ（ｔ）＝ｃｏｎｓｔ．とすることで、測定サンプルの測定の効率を高めることができる。
【0084】
図１に示す実施形態と同様に、図９に示す実施形態は、順行巻線３ａ、３ｂ及び逆行巻線６ａ、６ｂを有する２つのコイル部２ａ、２ｂを備え、導体は、中央接続領域４を起点として、所定の巻回方向及びピッチＰで、受送信コイル１の軸方向端部５ａ、５ｂへと至り、次いでそこから反対のピッチＰであるが同じ巻回方向で元の中央接続領域４へと戻る。傾きＴは、巻線の１巻き毎に又は半回転毎に変化させることもできる。しかしながら、非ゼロの傾きＴ又は不等の傾きＴは、コイル部を１つだけ備える実施形態でも実現することができる。
【0085】
図１０は、本発明に係るＮＭＲプローブヘッド１８の概略図を示す。ＮＭＲ測定を実行するための外部磁場は、ここに示す例では動作中にＺ軸に平行になる。ＮＭＲプローブヘッド１８は、本発明による受送信コイル１を有し、受送信コイル１は、整合回路１０に接続され、各測定チャネルへの分光計接続部１７も有する。図１０に示すＮＭＲプローブヘッドは、受送信コイル１の長手方向軸Ｚ’がＮＭＲプローブヘッド１８のＺ軸に対して、好ましくはマジック角θ（θ＝５４．７４°）で傾斜している、ＭＡＳ（マジック角回転）プローブヘッドである。
【0086】
引用文献等一覧
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［ＵＳ６７５１８４７］ＵＳ ６，７５１，８４７ Ｂ１
［ＵＳ６９５８６０８］ＵＳ ６ ９５８，６０８ Ｂ２
【符号の説明】
【0087】
１，１ａ～１ｆ 受送信コイル
２，２ａ，２ｂ コイル部
３，３ａ，３ｂ コイル部の順行巻線
４，４’ 接続領域
５ａ，５ｂ 受送信コイルの軸方向端部
６，６ａ，６ｂ コイル部の逆行巻線
７ 導体の交差
８ 交差領域
９ 接続領域４，４’の接続部
１０ 整合回路
１１ 導体の導体路
１２ 受送信コイルの巻線間の空間
１３ 導体路幅Ｗが最小となり及び間隙幅Ｄが最大となるコイル部の領域
１４ 導体路幅Ｗが最大となり及び間隙幅Ｄが最小となるコイル部の領域（更なる領域）
１５，１５ａ，１５ｂ 戻し巻線
１６，１６ａ，１６ｂ 接続巻線
１７ 分光計接続部
１８ ＮＭＲプローブヘッド
１９ 測定サンプル
２，２ａ，２ｂ コイル部
３，３ａ，３ｂ コイル部の順行巻線
４，４’ 接続領域
５ａ，５ｂ 受送信コイルの軸方向端部
６，６ａ，６ｂ コイル部の逆行巻線
７ 導体の交差
８ 交差領域
９ 接続領域４，４’の接続部
１０ 整合回路
１１ 導体の導体路
１２ 受送信コイルの巻線間の空間
１３ 導体路幅Ｗが最小となり及び間隙幅Ｄが最大となるコイル部の領域
１４ 導体路幅Ｗが最大となり及び間隙幅Ｄが最小となるコイル部の領域（更なる領域）
１５，１５ａ，１５ｂ 戻し巻線
１６，１６ａ，１６ｂ 接続巻線
１７ 分光計接続部
１８ ＮＭＲプローブヘッド
１９ 測定サンプル
【図1a】
【図1b】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【外国語明細書】