磁気共鳴測定装置
【課題】サイズの大きな評価対象物にも対応可能で、複数の周波数点でも評価が可能な高感度磁気共鳴測定装置を提供する。
【解決手段】磁気共鳴装置はマイクロ波信号を発生する発信器と、信号を試料に送る送信器と、試料を挟み送信器と対向する位置に配置され共鳴信号を受ける受信器、バンドパスフィルタと、受信回路と、磁場を印加する磁場発生器を備える。バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はマイクロ波周波数ｆ、平均電力Ｐ、送信器利得Gtx、受信器利得Grx、発信器から送信器までの減衰量Γｔｘ、送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ、温度Ｔ、送信器から試料までの距離をｄ１、試料厚さｄ２、試料から受信器までの距離ｄ３、それぞれの減衰量をΓｄ１、Γｄ２、Γｄ３としたとき、P+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ｋはボルツマン定数）の条件を満たす様にする。
【解決手段】磁気共鳴装置はマイクロ波信号を発生する発信器と、信号を試料に送る送信器と、試料を挟み送信器と対向する位置に配置され共鳴信号を受ける受信器、バンドパスフィルタと、受信回路と、磁場を印加する磁場発生器を備える。バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はマイクロ波周波数ｆ、平均電力Ｐ、送信器利得Gtx、受信器利得Grx、発信器から送信器までの減衰量Γｔｘ、送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ、温度Ｔ、送信器から試料までの距離をｄ１、試料厚さｄ２、試料から受信器までの距離ｄ３、それぞれの減衰量をΓｄ１、Γｄ２、Γｄ３としたとき、P+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ｋはボルツマン定数）の条件を満たす様にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気共鳴測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の不対電子を持つ物質の検出は、磁気共鳴測定装置により行われている。磁気共鳴測定装置は、共振器に測定対象物を入れた状態でマイクロ波を照射し、生じた電気スピン共鳴を測定する。共振器内に測定対象物を入れるため、磁気共鳴測定装置は多くの制限を受ける。例えば、磁気共鳴測定装置は、評価できるサイズが共振器のサイズに依存すること、単一の周波数でしか評価できないこと、また、共振器結合分の結合損と帯域に依存して受信感度が劣化することが問題となる。
【０００３】
従来技術では、半波長で共振する空洞共振器が使われており、測定周波数がＬ帯（１〜２ＧＨｚ帯）でも半波長が１５ｃｍ以下となる。そのため、測定対象物を共振器内に入れるために、測定対象物は小さな試料に限られる。
【０００４】
また、従来技術では、共振器との結合を大きく取ると結合損は小さくできるが、共振特性がブロードな特性となることからノイズの量が多く受信回路系に入る。逆に結合を小さくした場合には、狭帯域な特性となることから受信部へのノイズを低減できるが、結合損が大きくなる。そのために系の受信感度が劣化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５１６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、従来よりもサイズの大きな評価対象物に対応可能であり、高感度な磁気共鳴測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の磁気共鳴装置では、マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、を備える。
【０００８】
また、この検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、この検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタと、それに接続され、バンドバスフィルタを経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路と、この検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器と、を備える。
【０００９】
さらに、このマイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、前記バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】磁気共鳴測定装置の１例を示すブロック図。
【図２】第１の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図３】従来技術における共振器を用いた帯域制限のイメージ図。
【図４】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の狭帯域フィルタを用いた帯域制限のイメージ図。
【図５】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置のマイクロストリップラインを用いたフィルタのレイアウト図の１例。
【図６】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置のマイクロストリップラインの断面構造図。
【図７】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の超伝導フィルタと低雑音増幅器を同時冷却したときの具体例を示す図。
【図８】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の超伝導フィルタと低雑音増幅器と受信アンテナを同時冷却したときの具体例を示す図。
【図９】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の２週波数信号源を用いた場合の具体例を示す図。
【図１０】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の電力合成器の具体例を示す図
【図１１】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の電力合成器の具体例を示す図。
【図１２】第３の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図１３】第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図１４】第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置のＧｔｘ＜Ｇｒｘの条件のときのアンテナビームパターンのイメージ図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態の磁気共鳴測定装置は、検出対象に関する核磁気共鳴（ＮＭＲ）および／または電子スピン共鳴（ＥＳＲ）などの磁気共鳴を利用して被測定物を検査または測定する装置である。
【００１２】
図１に示すように、実施形態の磁気共鳴測定装置の原理は、マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器（２０）と、それに接続され、前記発信器からの信号を被測定物である検査試料に対して送るように構成された送信器（２１）と、前記検査試料（２２）を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器（２３）と、それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタ（２４）と、それに接続され、受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路（２５）と、前記検査試料（２２）に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器（２６）とを具備する。
【００１３】
発信器（２０）は、マイクロ波信号を出す信号源と、信号源からの信号を増幅する増幅器と、増幅された信号を検査試料に送る送信器を含んでよい。送信器(２１)は、検査試料に対して指向性のあるそれ自身公知の何れかの送信器であればよく、例えば、送信アンテナである。
【００１４】
磁場発生器（２６）は、検体試料に対して磁場を与えることが可能な磁場発生器であればよく、例えば、一般的にＮＭＲ装置およびＥＳＲ装置に使用される何れかの磁場発生器であってよい。
【００１５】
受信器（２３）は、検査試料を得て送られる信号を受けることが可能なそれ自身公知の何れかの受信器であればよく、例えば、受信アンテナである。
【００１６】
バンドパスフィルタ（２４）は、受信器（２３）からの信号から所望の周波数の信号を分離するための手段である。バンドフィルタ（２４）の帯域幅（ＢＷ）は次の条件を満たすものであればよい。即ち、当該発信器２０のマイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、当該発信器２０の平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、当該送信器(２１)の利得がGtx(ｄＢｉ)、当該受信器(２３)の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、当該発信器（２０）から送信器(２１)までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、当該送信器(２１)から当該受信回路(２５)までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、当該送信器(２１)から当該検査試料（２２）までの距離をｄ１（ｍ）、当該検査試料(２２)の厚みをｄ２（ｍ）、当該検査試料（２２）から受信器（２３）までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、当該バンドパスフィルタ（２４）の帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たすフィルタである。バンドパスフィルタ（２４）の例は、超伝導材料により波長を分離する超伝導フィルタである。
【００１７】
受信回路（２５）は、バンドパスフィルタ（２４）を経た受信器（２３）からの信号を増幅し、且つ増幅された信号を予め設定された情報に処理することが可能な回路であればよい。受信回路(２４)は、低雑音増幅器と、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器とを含み、更に任意に例えば、コンピュータなどの信号処理回路とを含んでよい。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、更に実施形態の幾つかの例について説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図である。
【００２０】
磁気共鳴装置として核磁気共鳴を利用するものはＮＭＲ装置であり、電子スピン共鳴を利用するものはＥＳＲ装置が代表的なものとなる。
【００２１】
周波数ｆ（ＭＨｚ）、平均電力Ｐ（ｄＢｍ）のマイクロ波信号を出す信号源（１０１）と増幅器（１０２）とそれに接続される利得Ｇｔｘ（ｄＢｉ）を持つ送信アンテナ（１０３）を有し、増幅器（１０３）から送信アンテナ（１０３）までの減衰量をΓｔｘ（ｄＢ）とする。対向位置にｄ（ｍ）の距離を置いて利得Ｇｒｘ（ｄＢｉ）を持つ受信アンテナ（１０６）が配置される。送信アンテナ（１０３）と受信アンテナ（１０６）の間には被測定物（１０５）である検査試料が置かれる。送信アンテナ（１０３）から検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信アンテナ（１０６）までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１（ｄＢ）、Γｄ２（ｄＢ）、Γｄ３（ｄＢ）とする。前記受信アンテナ（１０６）には帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタ（１０７）が接続され、受信回路としての低雑音増幅器（１０８）、ミキサ（１０９）とローカル信号源（１１０）とによる周波数変換器、および信号処理回路（１１１）が接続されて送受信系が構成される。受信アンテナ（１０６）から低雑音増幅器（１０８）までの減衰量をΓｒｘ（ｄＢ）とする。また、検査試料への磁場を印加する磁場発生器（１０４）を持ち、磁場の強さを可変できる機能を持つ。
【００２２】
ここで、送受信系には、信号源（１０１）、増幅器（１０２）、送信アンテナ（１０３）、受信アンテナ（１０６）、バンドパスフィルタ（１０７）、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機、および信号処理回路（１１１）が含まれる。送信系は、信号源（１０１）、増幅器（１０２）および送信アンテナ（１０３）を含む。受信系は、受信アンテナ（１０６）、バンドパスフィルタ（１０７）、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機、および信号処理回路（１１１）を含む。受信回路には、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機および信号処理回路（１１１）が含まれる。周波数変換機には、ミキサ（１０９）およびローカル信号源（１１０）が含まれる。
【００２３】
温度がＴ（Ｋ）のときＢＷはＰ＋Ｇｔｘ＋Ｇｒｘ−（Γｔｘ＋Γｄ１＋Γｄ２＋Γｄ３＋Γｒｘ）＞１０×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×１０９）の条件を満たす帯域幅を持つことを特徴とする磁気共鳴測定装置である。ここで、ｋはボルツマン定数であり、約１．３８×１０−２３（Ｊ／Ｋ）である。上記右辺は３００Ｋの温度の時には−１１４＋１０×ｌｏｇ（ＢＷ）（ｄＢｍ）の値となる。
【００２４】
第１の実施形態の磁気共鳴測定装置では被測定物（１０５）のサイズが測定周波数に依存せずに評価することが可能であり、従来不可能であった共振器サイズ以上の被測定物（１０５）を評価することが可能となる。また、共振器との結合損やアイソレータの損失が無いことから受信回路に被測定物（１０５）での特性を直接に伝えることができる。また、従来技術ではノイズの帯域制限は被測定物（１０５）を入れる空洞共振器が行っており、共振器結合による結合損を小さくするために大きな結合係数が用いられている。例えば、結合係数０．１の場合、共振周波数の０．１倍の電力半値幅をもち、この周波数帯のノイズの積分値が増幅器に入ってしまうことから信号減衰の大きな被測定物のＥＳＲ信号がノイズレベルよりも大きな信号であっても検出が不可能である。熱雑音によるノイズはホワイトな特性を持つ白色雑音であることから周波数帯によらず一定の値を持つ。第１の実施形態の磁気共鳴測定装置によれば、図３に示すとおり、上述のようなバンドパスフィルタを使用することにより、狭帯域なフィルタリングが可能となる。それによりノイズの帯域制限を行うことで、低雑音増幅器（１０８）への雑音量の入力量を大きく削減できる。それによって高感度な磁気共鳴測定装置を構築することが可能となる。従来のように共振器を用いる磁気共鳴測定装置の場合では、測定周波数を狭帯域にすると、図３の破線のように検出されるべき信号についても大きく信号減衰が生じる（図４）。
【００２５】
このような当該バンドパスフィルタは「狭帯域フィルタ」とも称される。
【００２６】
また、被測定物（１０５）でのマイクロ波による発熱の影響を除去するためには被測定物の放熱量以下の電力で送信する必要があり、必要な受信感度を得るためには超伝導フィルタを用いることが好ましい。これにより信号減衰なしにノイズを大きく削減することが可能となる。
【００２７】
超伝導フィルタの実施形態として、マイクロストリップラインを用いたフィルタのレイアウト例を図５に示す。マイクロストリップラインを用いたくし型共振器（３０３）７個のフィルタであり、Ａ−Ａ’の断面構造を図６に示す。マイクロストリップラインは誘電体基板（３０４）の片面に信号導体（３０１）、もう一面がグランド導体（３０６）からなる一般的な高周波用の導波路であり、くし型共振器（３０３）の長さが共振周波数を決めており、フィルタとしての通過する周波数帯の中心周波数を決めている。また、入力線路（３０１）や出力線路（３０２）とくし型共振器（３０３）の距離やくし型共振器（３０３）間の距離を最適にすることにより帯域幅が決定できる。このようなフィルタは、超伝導フィルタ信号導体とグランド導体に超伝導体を用いてよい。
【００２８】
超伝導体としてはＮｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２、イットリウム系高温超伝導体（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）、ビスマス系高温超伝導体（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋ｘ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋ｘ）をはじめ各種材料を利用できる。
【００２９】
また、図７に示すように、ＭＯＳ系のトランジスタを用いた低雑音増幅器（１０８）も超伝導フィルタと一緒に冷却することで低ＮＦな特性を生かした高感度受信系を組むことができる。これはＭＯＳ系のトランジスタの材料特性の移動度が温度低下とともに上昇する特性を持つことに起因する。
【００３０】
また、図８に示すように、受信アンテナ（１０６）も超伝導の材料でつくり、配線も超伝導で作成した場合には、受信アンテナ（１０６）から低雑音増幅器（１０８）までの損失がほぼゼロとなる。従って、さらに高感度な受信系を組むことが可能である。低雑音増幅器（１０８）を多段にする場合には、全ての増幅器を冷却してもよいが、１段目の増幅器までを冷却すれば、２段目の増幅器は冷却しなくとも同等の高感度な特性を維持させることも可能となる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態の磁気共鳴測定装置の例を示す概略ブロック図である。
【００３２】
図９の磁気共鳴測定装置では、互いに異なる２つ以上のマイクロ波信号を出す２つ以上の信号源（１０１）とそれぞれの信号を合成する合成器（１１３）を持ち、合成された信号が送信アンテナ（１０３）から出力される。出力された信号は、磁場発生器（１０４）からの磁場の下に置かれた検査試料（１０５）に印加される。検査試料（１０５）から放出される磁気共鳴信号を含む信号を、検査試料（１０５）を挟んで送信アンテナ（１０３）に対向して配置された受信アンテナ（１０６）で受け、これに２つ以上で接続された周波数分波器（１１２）により当該信号は分波され、分波された信号は、各周波数分波器（１１２）に経路ごとに接続された低雑音増幅器（１０８）、ミキサ（１０９）とローカル信号源（１１０）とによる周波数変換器、および信号処理回路（１１１）に送られる。
【００３３】
第２の実施形態の磁気共鳴測定装置では、同時に複数の周波数により検査試料における磁気共鳴を評価することが可能となる。電子スピンの共鳴周波数はスピンの状態によって異なる周波数となることから、この方法により複数の電子スピン状態を評価できる。ここで、複数の周波数分波器（１１２）は、各々帯域幅がＰ＋Ｇｔｘ＋Ｇｒｘ−（Γｔｘ＋Γｄ１＋Γｄ２＋Γｄ３＋Γｒｘ）＞１０×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×１０９）の条件を満たすように構成される。
【００３４】
図１０を参照しながら、合成器（１１３）に電力分配器を利用する例を以下に説明する。図１０には、マイクロストリップ線路を用いた２分配ウィルキンソン型分配器を２段構成とした４分配器の電力分配器を示す。
【００３５】
当該電力分配器は、５０オームの線路６０１の一端に、入力ポート１が設けられ、他端に７０．７オームの１／４波長の２つの線路６０２（１）、６０２（２）の一端が接続される。線路６０２（１）、６０２（２）の他端どうしは５０オームの抵抗６０３で接続され、これにより２分配器が構成される。この２分配器を２段構成にすることで４分配器が実現される。２段目における各１／４波長の線路６０５（１）〜６０５（４）には５０オーム線路６０６（１）〜６０６（４）の一端が接続され、５０オーム線路６０６（１）〜６０６（４）の他端には、出力ポート２〜５が設けられる。６０７、６０８は５０オームの抵抗である。
【００３６】
このような電気分配器の前記出力ポート２〜５を入力ポートとして、入力ポート１を出力ポートとして使用することにより、このような電気分配器を図９における合成器（１１３）として利用することができる。
【００３７】
図１１は、アイソレーション特性を犠牲に低損失重視で４分配器を構成した例を示す。
【００３８】
５０オームの線路６０１の一端に、入力ポート１１が設けられ、他端に１００オームの１／４波長の４つの線路６０４（１）〜６０４（４）の一端が接続される。線路６０４（１）〜６０４（４）の他端には５０オーム線路６０９（１）〜６０９（４）が接続される。５０オーム線路６０９（１）〜６０９（４）の出力側には出力ポート１２〜１５が設けられる。このような電気分配器もまた合成器（１１３）として利用できる。即ち、出力ポート１２〜１５を入力ポートとして、入力ポート１１を出力ポートとして使用することにより合成器（１１３）とすることが可能である。
【００３９】
（第３の実施の形態）
図１２は、第３の実施の形態の磁気共鳴測定装置の１例を示す概略ブロック図である。
【００４０】
第３の実施形態の磁気共鳴測定装置は、発信器として、マイクロ波を生ずるように構成された発信回路と、生じたマイクロ波を増幅する増幅器を含む送信信号発生器（２０１）を含む。送信信号発生器（２０１）から出た信号を稼動可能な送信アンテナ（２０３）から検査試料に印加する。このとき、被測定物（２０５）は、磁場発生器（２０４）から生じた磁場内に位置する。磁場発生器（２０４）は、磁場変調器（２０２）により制御され、磁場を変調可能である。印加された磁場内の被測定物（２０５）からの信号は、受信アンテナ（２０６）により受信される。このとき、送信アンテナ（２０３）の位置情報が、送信アンテナ位置の検出手段である位置情報検出器としての画像入力部（２１３）から得られ、その位置情報は、制御部（２１０）に送られる。得られた位置情報に基づいた制御による制御部（２１０）による制御により、可動可能な受信部（２３０）が移動する。即ち、制御部（２１０）による制御により、受信部（２３０）を支持する受信部移動器（２１２）が移動し、それにより受信部（２３０）が移動し、磁場内で送信アンテナ（２０３）からの信号を印加された被測定物（２０５）からの信号を受ける。受信部（２３０）は、受信アンテナ（２０６）と、それに接続された狭帯域フィルタ（２０７）と、それに接続された低雑音増幅器（２０８）と、それに接続された検波部（２０９）を具備する。受信アンテナ（２０６）により受信された信号は、狭帯域フィルタ（２０７）により分波され、得られた分波された信号は低雑音増幅器（２０８）により増幅され、検波部（２０９）に送られる。検波部（２０９）は、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器と、信号処理回路とを含む。検波部（２０９）では、送られた信号について周波数変換器が周波数変換した後、信号の大きさと、画像入力部（２１３）から得られた位置情報および画像などの情報並びに予め記憶されたプログラムおよび／またはテーブルなどの情報に基づいて、当該周波数変換された信号を、信号処理回路により処理し、表示部（２１１）に情報を表示する。
【００４１】
第３の実施形態の磁気共鳴装置では、送信アンテナ（２０３）と受信アンテナ（２０６）の受信位置から被測定物（２０５）の測定断面位置を変更しての評価することが可能となる。このときに各測定断面位置で、磁場変調器（２０２）により磁場発生器（２０４）を制御し、磁場を変調して評価を行うことも可能である。磁場変調器（２０２）の制御は、予め記憶されたプログラムおよび／またはテーブルなどの情報に基づいて制御部（２１０）により行われてもよく、更に制御部に接続された入力部（図示せず）から、オペレータにより入力された情報に基づいて制御されてもよい。制御部はコンピュータであってもよい。
【００４２】
検波部（２０９）は、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器と、例えば、コンピュータなどの信号処理回路とを含む。当該信号処理回路は、当該磁気共鳴測定装置を構成する他の構成要素、例えば、検波部（２０９）および／または制御部（２１０）などと一体化されて具備されてもよく、他の構成要素からは別の構成要素として互いに信号を送受信可能な状態で接続されて具備されてもよい。信号処理回路は、例えば、コンピュータであってよい。
【００４３】
表示部（２１１）への情報の表示は、画像入力部（２１３）からの画像と、測定された磁気共鳴信号に基づく評価情報が組み合わされた形式でなされてもよい。
【００４４】
送信アンテナは、オペレータが手に持って、任意の位置に動かしてもよく、可動可能な支持体に固定して、オペレータの手動により、または制御部の制御により任意の位置に動かしてもよい。
【００４５】
２次元のスライス画像や３次元のイメージング画像を作成する場合には一般的なＭＲＩ等の装置と同様の方法が利用可能である。例えば、静磁場とは別に、距離に比例した強度を持つ磁場（即ち、傾斜磁場）をかけ、傾斜磁場によって電子スピンの位相や周波数が変化する情報を得ればよい。実際に観測するのは個々の信号の合成されたものであるから、得られた信号を解析する際に二次元ないし三次元のフーリエ変換を行うことで個々の位置の信号（即ち、各位置における電子スピンに比例する）に分解し、画像情報を得ればよい。得られた画像情報を元にＥＳＲ評価情報の被測定物の表面情報を画像入力部の実画像に合わせたり、別に取得したＭＲＩやＸ線ＣＴなどの情報に重ねて表示したりすることが可能である。これにより、より多くの情報を提供することが可能となる。そのような機能を当該磁気共鳴測定装置に付与する場合には、必要に応じてそれ自身公知の構成要素を当該磁気共鳴測定装置の構成要素に追加すればよい。
【００４６】
上述した例では、画像情報を元に送信アンテナ位置を特定する例を示したが、送信アンテナ自身にジャイロを内蔵させて基準位置からの変位データを取得する方法など、それ自身公知の何れか他の送信アンテナの位置検出方法も利用することが可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
図１３は、本発明の第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置の１例を示す概略ブロック図である。
【００４８】
第４の実施形態の磁気共鳴装置では、受信部の数を複数用いた場合の例である。受信部が複数あり、且つ可動しないことを除いては第３の実施の形態と同様の構成であってよい。複数の受信部は、被測定物を挟んで、送信アンテナ（２０３）および画像入力部（２１３）に対向して配置される。各受信部は、受信アンテナ（２０６）と、狭帯域フィルタ（２０７）と、低雑音増幅器（２０８）と、検波部（２０９）と、受信部切替え器（２１４）を含んでよい。受信アンテナ（２０６）は、被測定物２０５に向けて、縦および／または横に２または２以上で並べて配置されてよい。また、被測定物２０５を中心に円弧を描くように縦および／または横に２または２以上で並べて配置されてもよい。
【００４９】
これらの複数の受信アンテナ（２０６）の受信は、送信アンテナ位置に応じて、最適な位置の受信部のみの信号を受信するように切り替えが可能であるように構成される。それにより、受信部が移動することなく、所望の位置のみを選択して受信部の稼働の有無を切り替えて信号を受信し、受信した信号により評価を行うことが可能である。可動部を持たないので高速な検出および評価が可能となる。特にＧｔｘ＜Ｇｒｘなる関係を持つ送信アンテナを用いることによって、送信アンテナから広範囲に電波を出し、受信アンテナで空間的に分離された信号としてそれぞれの経路の信号を同時に検出および／または評価することが可能となる。このような送信アンテナは、可動可能なプローブとして有用である。
【００５０】
送信アンテナのアンテナビームパターンのイメージ図を図１４に示す。Ｇｔｘ＜Ｇｒｘの条件では送信ビームは広範囲に送信され、受信ビームは鋭く狭い範囲の電力を検出する。送信アンテナ２０３からの送信ビームは、ビームパターン４０１のように広がる。この送信ビームパターン４０１は、受信アンテナ２０６の受信ビームパターン４０２よりも広範である。
【００５１】
以上説明した少なくとも一つの実施形態の磁気共鳴装置によれば、従来よりもサイズの大きな評価対象物に対応可能であり、高感度な磁気共鳴測定装置を提供することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
２０ 発信器、２１ 送信器、２２ 検査試料、２３ 受信器、２４ バンドパスフィルタ、２５ 受信回路、２６ 磁場発生器、１０１ 信号源、１０２ 増幅器、１０３ 送信アンテナ、１０４ 磁場発生器、１０５ 被測定物、１０６ 受信アンテナ、１０７ バンドパスフィルタ、１０８ 低雑音増幅器、１０９ ミキサ、１１０ ローカル信号源、１１１ 信号処理回路、１１２ 周波数分波器、１１３ 合成器、２０１ 送信信号発生器、２０２ 磁場変調器、２０３ 送信アンテナ、２０４ 磁場発生器、２０５ 被測定物、２０６ 受信アンテナ、２０７ 狭帯域フィルタ、２０８ 低雑音増幅器、２０９ 検波部、２１０ 制御部、２１１ 表示部、２１２ 受信部移動器、２１３ 画像入力部、２１４ 受信部切替え器、３０１ 入力線路、３０２ 出力線路、３０３ くし型共振器、３０４ 誘電体基板、３０５ 信号導体、３０６ グランド導体、４０１ 送信アンテナのビームパターン、４０２ 受信アンテナのビームパターン、
６０１、６０６（１）〜６０６（４）、６０９（１）〜６０９（４） ５０オームの線路
６０２（１）、６０２（２）、６０５（１）〜６０５（４）、６０４（１）〜６０４（１） １／４波長線路、
６０３、６０７、６０８ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気共鳴測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の不対電子を持つ物質の検出は、磁気共鳴測定装置により行われている。磁気共鳴測定装置は、共振器に測定対象物を入れた状態でマイクロ波を照射し、生じた電気スピン共鳴を測定する。共振器内に測定対象物を入れるため、磁気共鳴測定装置は多くの制限を受ける。例えば、磁気共鳴測定装置は、評価できるサイズが共振器のサイズに依存すること、単一の周波数でしか評価できないこと、また、共振器結合分の結合損と帯域に依存して受信感度が劣化することが問題となる。
【０００３】
従来技術では、半波長で共振する空洞共振器が使われており、測定周波数がＬ帯（１〜２ＧＨｚ帯）でも半波長が１５ｃｍ以下となる。そのため、測定対象物を共振器内に入れるために、測定対象物は小さな試料に限られる。
【０００４】
また、従来技術では、共振器との結合を大きく取ると結合損は小さくできるが、共振特性がブロードな特性となることからノイズの量が多く受信回路系に入る。逆に結合を小さくした場合には、狭帯域な特性となることから受信部へのノイズを低減できるが、結合損が大きくなる。そのために系の受信感度が劣化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５１６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、従来よりもサイズの大きな評価対象物に対応可能であり、高感度な磁気共鳴測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の磁気共鳴装置では、マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、を備える。
【０００８】
また、この検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、この検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタと、それに接続され、バンドバスフィルタを経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路と、この検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器と、を備える。
【０００９】
さらに、このマイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、前記バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】磁気共鳴測定装置の１例を示すブロック図。
【図２】第１の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図３】従来技術における共振器を用いた帯域制限のイメージ図。
【図４】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の狭帯域フィルタを用いた帯域制限のイメージ図。
【図５】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置のマイクロストリップラインを用いたフィルタのレイアウト図の１例。
【図６】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置のマイクロストリップラインの断面構造図。
【図７】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の超伝導フィルタと低雑音増幅器を同時冷却したときの具体例を示す図。
【図８】第１の実施形態の磁気共鳴測定装置の超伝導フィルタと低雑音増幅器と受信アンテナを同時冷却したときの具体例を示す図。
【図９】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の２週波数信号源を用いた場合の具体例を示す図。
【図１０】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の電力合成器の具体例を示す図
【図１１】第２の実施形態の磁気共鳴測定装置の電力合成器の具体例を示す図。
【図１２】第３の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図１３】第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図。
【図１４】第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置のＧｔｘ＜Ｇｒｘの条件のときのアンテナビームパターンのイメージ図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態の磁気共鳴測定装置は、検出対象に関する核磁気共鳴（ＮＭＲ）および／または電子スピン共鳴（ＥＳＲ）などの磁気共鳴を利用して被測定物を検査または測定する装置である。
【００１２】
図１に示すように、実施形態の磁気共鳴測定装置の原理は、マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器（２０）と、それに接続され、前記発信器からの信号を被測定物である検査試料に対して送るように構成された送信器（２１）と、前記検査試料（２２）を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器（２３）と、それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタ（２４）と、それに接続され、受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路（２５）と、前記検査試料（２２）に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器（２６）とを具備する。
【００１３】
発信器（２０）は、マイクロ波信号を出す信号源と、信号源からの信号を増幅する増幅器と、増幅された信号を検査試料に送る送信器を含んでよい。送信器(２１)は、検査試料に対して指向性のあるそれ自身公知の何れかの送信器であればよく、例えば、送信アンテナである。
【００１４】
磁場発生器（２６）は、検体試料に対して磁場を与えることが可能な磁場発生器であればよく、例えば、一般的にＮＭＲ装置およびＥＳＲ装置に使用される何れかの磁場発生器であってよい。
【００１５】
受信器（２３）は、検査試料を得て送られる信号を受けることが可能なそれ自身公知の何れかの受信器であればよく、例えば、受信アンテナである。
【００１６】
バンドパスフィルタ（２４）は、受信器（２３）からの信号から所望の周波数の信号を分離するための手段である。バンドフィルタ（２４）の帯域幅（ＢＷ）は次の条件を満たすものであればよい。即ち、当該発信器２０のマイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、当該発信器２０の平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、当該送信器(２１)の利得がGtx(ｄＢｉ)、当該受信器(２３)の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、当該発信器（２０）から送信器(２１)までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、当該送信器(２１)から当該受信回路(２５)までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、当該送信器(２１)から当該検査試料（２２）までの距離をｄ１（ｍ）、当該検査試料(２２)の厚みをｄ２（ｍ）、当該検査試料（２２）から受信器（２３）までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、当該バンドパスフィルタ（２４）の帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たすフィルタである。バンドパスフィルタ（２４）の例は、超伝導材料により波長を分離する超伝導フィルタである。
【００１７】
受信回路（２５）は、バンドパスフィルタ（２４）を経た受信器（２３）からの信号を増幅し、且つ増幅された信号を予め設定された情報に処理することが可能な回路であればよい。受信回路(２４)は、低雑音増幅器と、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器とを含み、更に任意に例えば、コンピュータなどの信号処理回路とを含んでよい。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、更に実施形態の幾つかの例について説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態の磁気共鳴測定装置の概略ブロック図である。
【００２０】
磁気共鳴装置として核磁気共鳴を利用するものはＮＭＲ装置であり、電子スピン共鳴を利用するものはＥＳＲ装置が代表的なものとなる。
【００２１】
周波数ｆ（ＭＨｚ）、平均電力Ｐ（ｄＢｍ）のマイクロ波信号を出す信号源（１０１）と増幅器（１０２）とそれに接続される利得Ｇｔｘ（ｄＢｉ）を持つ送信アンテナ（１０３）を有し、増幅器（１０３）から送信アンテナ（１０３）までの減衰量をΓｔｘ（ｄＢ）とする。対向位置にｄ（ｍ）の距離を置いて利得Ｇｒｘ（ｄＢｉ）を持つ受信アンテナ（１０６）が配置される。送信アンテナ（１０３）と受信アンテナ（１０６）の間には被測定物（１０５）である検査試料が置かれる。送信アンテナ（１０３）から検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信アンテナ（１０６）までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１（ｄＢ）、Γｄ２（ｄＢ）、Γｄ３（ｄＢ）とする。前記受信アンテナ（１０６）には帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタ（１０７）が接続され、受信回路としての低雑音増幅器（１０８）、ミキサ（１０９）とローカル信号源（１１０）とによる周波数変換器、および信号処理回路（１１１）が接続されて送受信系が構成される。受信アンテナ（１０６）から低雑音増幅器（１０８）までの減衰量をΓｒｘ（ｄＢ）とする。また、検査試料への磁場を印加する磁場発生器（１０４）を持ち、磁場の強さを可変できる機能を持つ。
【００２２】
ここで、送受信系には、信号源（１０１）、増幅器（１０２）、送信アンテナ（１０３）、受信アンテナ（１０６）、バンドパスフィルタ（１０７）、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機、および信号処理回路（１１１）が含まれる。送信系は、信号源（１０１）、増幅器（１０２）および送信アンテナ（１０３）を含む。受信系は、受信アンテナ（１０６）、バンドパスフィルタ（１０７）、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機、および信号処理回路（１１１）を含む。受信回路には、低雑音増幅器（１０８）、周波数変換機および信号処理回路（１１１）が含まれる。周波数変換機には、ミキサ（１０９）およびローカル信号源（１１０）が含まれる。
【００２３】
温度がＴ（Ｋ）のときＢＷはＰ＋Ｇｔｘ＋Ｇｒｘ−（Γｔｘ＋Γｄ１＋Γｄ２＋Γｄ３＋Γｒｘ）＞１０×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×１０９）の条件を満たす帯域幅を持つことを特徴とする磁気共鳴測定装置である。ここで、ｋはボルツマン定数であり、約１．３８×１０−２３（Ｊ／Ｋ）である。上記右辺は３００Ｋの温度の時には−１１４＋１０×ｌｏｇ（ＢＷ）（ｄＢｍ）の値となる。
【００２４】
第１の実施形態の磁気共鳴測定装置では被測定物（１０５）のサイズが測定周波数に依存せずに評価することが可能であり、従来不可能であった共振器サイズ以上の被測定物（１０５）を評価することが可能となる。また、共振器との結合損やアイソレータの損失が無いことから受信回路に被測定物（１０５）での特性を直接に伝えることができる。また、従来技術ではノイズの帯域制限は被測定物（１０５）を入れる空洞共振器が行っており、共振器結合による結合損を小さくするために大きな結合係数が用いられている。例えば、結合係数０．１の場合、共振周波数の０．１倍の電力半値幅をもち、この周波数帯のノイズの積分値が増幅器に入ってしまうことから信号減衰の大きな被測定物のＥＳＲ信号がノイズレベルよりも大きな信号であっても検出が不可能である。熱雑音によるノイズはホワイトな特性を持つ白色雑音であることから周波数帯によらず一定の値を持つ。第１の実施形態の磁気共鳴測定装置によれば、図３に示すとおり、上述のようなバンドパスフィルタを使用することにより、狭帯域なフィルタリングが可能となる。それによりノイズの帯域制限を行うことで、低雑音増幅器（１０８）への雑音量の入力量を大きく削減できる。それによって高感度な磁気共鳴測定装置を構築することが可能となる。従来のように共振器を用いる磁気共鳴測定装置の場合では、測定周波数を狭帯域にすると、図３の破線のように検出されるべき信号についても大きく信号減衰が生じる（図４）。
【００２５】
このような当該バンドパスフィルタは「狭帯域フィルタ」とも称される。
【００２６】
また、被測定物（１０５）でのマイクロ波による発熱の影響を除去するためには被測定物の放熱量以下の電力で送信する必要があり、必要な受信感度を得るためには超伝導フィルタを用いることが好ましい。これにより信号減衰なしにノイズを大きく削減することが可能となる。
【００２７】
超伝導フィルタの実施形態として、マイクロストリップラインを用いたフィルタのレイアウト例を図５に示す。マイクロストリップラインを用いたくし型共振器（３０３）７個のフィルタであり、Ａ−Ａ’の断面構造を図６に示す。マイクロストリップラインは誘電体基板（３０４）の片面に信号導体（３０１）、もう一面がグランド導体（３０６）からなる一般的な高周波用の導波路であり、くし型共振器（３０３）の長さが共振周波数を決めており、フィルタとしての通過する周波数帯の中心周波数を決めている。また、入力線路（３０１）や出力線路（３０２）とくし型共振器（３０３）の距離やくし型共振器（３０３）間の距離を最適にすることにより帯域幅が決定できる。このようなフィルタは、超伝導フィルタ信号導体とグランド導体に超伝導体を用いてよい。
【００２８】
超伝導体としてはＮｂ３Ｓｎ、ＭｇＢ２、イットリウム系高温超伝導体（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）、ビスマス系高温超伝導体（Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８＋ｘ、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋ｘ）をはじめ各種材料を利用できる。
【００２９】
また、図７に示すように、ＭＯＳ系のトランジスタを用いた低雑音増幅器（１０８）も超伝導フィルタと一緒に冷却することで低ＮＦな特性を生かした高感度受信系を組むことができる。これはＭＯＳ系のトランジスタの材料特性の移動度が温度低下とともに上昇する特性を持つことに起因する。
【００３０】
また、図８に示すように、受信アンテナ（１０６）も超伝導の材料でつくり、配線も超伝導で作成した場合には、受信アンテナ（１０６）から低雑音増幅器（１０８）までの損失がほぼゼロとなる。従って、さらに高感度な受信系を組むことが可能である。低雑音増幅器（１０８）を多段にする場合には、全ての増幅器を冷却してもよいが、１段目の増幅器までを冷却すれば、２段目の増幅器は冷却しなくとも同等の高感度な特性を維持させることも可能となる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態の磁気共鳴測定装置の例を示す概略ブロック図である。
【００３２】
図９の磁気共鳴測定装置では、互いに異なる２つ以上のマイクロ波信号を出す２つ以上の信号源（１０１）とそれぞれの信号を合成する合成器（１１３）を持ち、合成された信号が送信アンテナ（１０３）から出力される。出力された信号は、磁場発生器（１０４）からの磁場の下に置かれた検査試料（１０５）に印加される。検査試料（１０５）から放出される磁気共鳴信号を含む信号を、検査試料（１０５）を挟んで送信アンテナ（１０３）に対向して配置された受信アンテナ（１０６）で受け、これに２つ以上で接続された周波数分波器（１１２）により当該信号は分波され、分波された信号は、各周波数分波器（１１２）に経路ごとに接続された低雑音増幅器（１０８）、ミキサ（１０９）とローカル信号源（１１０）とによる周波数変換器、および信号処理回路（１１１）に送られる。
【００３３】
第２の実施形態の磁気共鳴測定装置では、同時に複数の周波数により検査試料における磁気共鳴を評価することが可能となる。電子スピンの共鳴周波数はスピンの状態によって異なる周波数となることから、この方法により複数の電子スピン状態を評価できる。ここで、複数の周波数分波器（１１２）は、各々帯域幅がＰ＋Ｇｔｘ＋Ｇｒｘ−（Γｔｘ＋Γｄ１＋Γｄ２＋Γｄ３＋Γｒｘ）＞１０×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×１０９）の条件を満たすように構成される。
【００３４】
図１０を参照しながら、合成器（１１３）に電力分配器を利用する例を以下に説明する。図１０には、マイクロストリップ線路を用いた２分配ウィルキンソン型分配器を２段構成とした４分配器の電力分配器を示す。
【００３５】
当該電力分配器は、５０オームの線路６０１の一端に、入力ポート１が設けられ、他端に７０．７オームの１／４波長の２つの線路６０２（１）、６０２（２）の一端が接続される。線路６０２（１）、６０２（２）の他端どうしは５０オームの抵抗６０３で接続され、これにより２分配器が構成される。この２分配器を２段構成にすることで４分配器が実現される。２段目における各１／４波長の線路６０５（１）〜６０５（４）には５０オーム線路６０６（１）〜６０６（４）の一端が接続され、５０オーム線路６０６（１）〜６０６（４）の他端には、出力ポート２〜５が設けられる。６０７、６０８は５０オームの抵抗である。
【００３６】
このような電気分配器の前記出力ポート２〜５を入力ポートとして、入力ポート１を出力ポートとして使用することにより、このような電気分配器を図９における合成器（１１３）として利用することができる。
【００３７】
図１１は、アイソレーション特性を犠牲に低損失重視で４分配器を構成した例を示す。
【００３８】
５０オームの線路６０１の一端に、入力ポート１１が設けられ、他端に１００オームの１／４波長の４つの線路６０４（１）〜６０４（４）の一端が接続される。線路６０４（１）〜６０４（４）の他端には５０オーム線路６０９（１）〜６０９（４）が接続される。５０オーム線路６０９（１）〜６０９（４）の出力側には出力ポート１２〜１５が設けられる。このような電気分配器もまた合成器（１１３）として利用できる。即ち、出力ポート１２〜１５を入力ポートとして、入力ポート１１を出力ポートとして使用することにより合成器（１１３）とすることが可能である。
【００３９】
（第３の実施の形態）
図１２は、第３の実施の形態の磁気共鳴測定装置の１例を示す概略ブロック図である。
【００４０】
第３の実施形態の磁気共鳴測定装置は、発信器として、マイクロ波を生ずるように構成された発信回路と、生じたマイクロ波を増幅する増幅器を含む送信信号発生器（２０１）を含む。送信信号発生器（２０１）から出た信号を稼動可能な送信アンテナ（２０３）から検査試料に印加する。このとき、被測定物（２０５）は、磁場発生器（２０４）から生じた磁場内に位置する。磁場発生器（２０４）は、磁場変調器（２０２）により制御され、磁場を変調可能である。印加された磁場内の被測定物（２０５）からの信号は、受信アンテナ（２０６）により受信される。このとき、送信アンテナ（２０３）の位置情報が、送信アンテナ位置の検出手段である位置情報検出器としての画像入力部（２１３）から得られ、その位置情報は、制御部（２１０）に送られる。得られた位置情報に基づいた制御による制御部（２１０）による制御により、可動可能な受信部（２３０）が移動する。即ち、制御部（２１０）による制御により、受信部（２３０）を支持する受信部移動器（２１２）が移動し、それにより受信部（２３０）が移動し、磁場内で送信アンテナ（２０３）からの信号を印加された被測定物（２０５）からの信号を受ける。受信部（２３０）は、受信アンテナ（２０６）と、それに接続された狭帯域フィルタ（２０７）と、それに接続された低雑音増幅器（２０８）と、それに接続された検波部（２０９）を具備する。受信アンテナ（２０６）により受信された信号は、狭帯域フィルタ（２０７）により分波され、得られた分波された信号は低雑音増幅器（２０８）により増幅され、検波部（２０９）に送られる。検波部（２０９）は、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器と、信号処理回路とを含む。検波部（２０９）では、送られた信号について周波数変換器が周波数変換した後、信号の大きさと、画像入力部（２１３）から得られた位置情報および画像などの情報並びに予め記憶されたプログラムおよび／またはテーブルなどの情報に基づいて、当該周波数変換された信号を、信号処理回路により処理し、表示部（２１１）に情報を表示する。
【００４１】
第３の実施形態の磁気共鳴装置では、送信アンテナ（２０３）と受信アンテナ（２０６）の受信位置から被測定物（２０５）の測定断面位置を変更しての評価することが可能となる。このときに各測定断面位置で、磁場変調器（２０２）により磁場発生器（２０４）を制御し、磁場を変調して評価を行うことも可能である。磁場変調器（２０２）の制御は、予め記憶されたプログラムおよび／またはテーブルなどの情報に基づいて制御部（２１０）により行われてもよく、更に制御部に接続された入力部（図示せず）から、オペレータにより入力された情報に基づいて制御されてもよい。制御部はコンピュータであってもよい。
【００４２】
検波部（２０９）は、ミキサおよびローカル信号源などによる周波数変換器と、例えば、コンピュータなどの信号処理回路とを含む。当該信号処理回路は、当該磁気共鳴測定装置を構成する他の構成要素、例えば、検波部（２０９）および／または制御部（２１０）などと一体化されて具備されてもよく、他の構成要素からは別の構成要素として互いに信号を送受信可能な状態で接続されて具備されてもよい。信号処理回路は、例えば、コンピュータであってよい。
【００４３】
表示部（２１１）への情報の表示は、画像入力部（２１３）からの画像と、測定された磁気共鳴信号に基づく評価情報が組み合わされた形式でなされてもよい。
【００４４】
送信アンテナは、オペレータが手に持って、任意の位置に動かしてもよく、可動可能な支持体に固定して、オペレータの手動により、または制御部の制御により任意の位置に動かしてもよい。
【００４５】
２次元のスライス画像や３次元のイメージング画像を作成する場合には一般的なＭＲＩ等の装置と同様の方法が利用可能である。例えば、静磁場とは別に、距離に比例した強度を持つ磁場（即ち、傾斜磁場）をかけ、傾斜磁場によって電子スピンの位相や周波数が変化する情報を得ればよい。実際に観測するのは個々の信号の合成されたものであるから、得られた信号を解析する際に二次元ないし三次元のフーリエ変換を行うことで個々の位置の信号（即ち、各位置における電子スピンに比例する）に分解し、画像情報を得ればよい。得られた画像情報を元にＥＳＲ評価情報の被測定物の表面情報を画像入力部の実画像に合わせたり、別に取得したＭＲＩやＸ線ＣＴなどの情報に重ねて表示したりすることが可能である。これにより、より多くの情報を提供することが可能となる。そのような機能を当該磁気共鳴測定装置に付与する場合には、必要に応じてそれ自身公知の構成要素を当該磁気共鳴測定装置の構成要素に追加すればよい。
【００４６】
上述した例では、画像情報を元に送信アンテナ位置を特定する例を示したが、送信アンテナ自身にジャイロを内蔵させて基準位置からの変位データを取得する方法など、それ自身公知の何れか他の送信アンテナの位置検出方法も利用することが可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
図１３は、本発明の第４の実施の形態の磁気共鳴測定装置の１例を示す概略ブロック図である。
【００４８】
第４の実施形態の磁気共鳴装置では、受信部の数を複数用いた場合の例である。受信部が複数あり、且つ可動しないことを除いては第３の実施の形態と同様の構成であってよい。複数の受信部は、被測定物を挟んで、送信アンテナ（２０３）および画像入力部（２１３）に対向して配置される。各受信部は、受信アンテナ（２０６）と、狭帯域フィルタ（２０７）と、低雑音増幅器（２０８）と、検波部（２０９）と、受信部切替え器（２１４）を含んでよい。受信アンテナ（２０６）は、被測定物２０５に向けて、縦および／または横に２または２以上で並べて配置されてよい。また、被測定物２０５を中心に円弧を描くように縦および／または横に２または２以上で並べて配置されてもよい。
【００４９】
これらの複数の受信アンテナ（２０６）の受信は、送信アンテナ位置に応じて、最適な位置の受信部のみの信号を受信するように切り替えが可能であるように構成される。それにより、受信部が移動することなく、所望の位置のみを選択して受信部の稼働の有無を切り替えて信号を受信し、受信した信号により評価を行うことが可能である。可動部を持たないので高速な検出および評価が可能となる。特にＧｔｘ＜Ｇｒｘなる関係を持つ送信アンテナを用いることによって、送信アンテナから広範囲に電波を出し、受信アンテナで空間的に分離された信号としてそれぞれの経路の信号を同時に検出および／または評価することが可能となる。このような送信アンテナは、可動可能なプローブとして有用である。
【００５０】
送信アンテナのアンテナビームパターンのイメージ図を図１４に示す。Ｇｔｘ＜Ｇｒｘの条件では送信ビームは広範囲に送信され、受信ビームは鋭く狭い範囲の電力を検出する。送信アンテナ２０３からの送信ビームは、ビームパターン４０１のように広がる。この送信ビームパターン４０１は、受信アンテナ２０６の受信ビームパターン４０２よりも広範である。
【００５１】
以上説明した少なくとも一つの実施形態の磁気共鳴装置によれば、従来よりもサイズの大きな評価対象物に対応可能であり、高感度な磁気共鳴測定装置を提供することができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
２０ 発信器、２１ 送信器、２２ 検査試料、２３ 受信器、２４ バンドパスフィルタ、２５ 受信回路、２６ 磁場発生器、１０１ 信号源、１０２ 増幅器、１０３ 送信アンテナ、１０４ 磁場発生器、１０５ 被測定物、１０６ 受信アンテナ、１０７ バンドパスフィルタ、１０８ 低雑音増幅器、１０９ ミキサ、１１０ ローカル信号源、１１１ 信号処理回路、１１２ 周波数分波器、１１３ 合成器、２０１ 送信信号発生器、２０２ 磁場変調器、２０３ 送信アンテナ、２０４ 磁場発生器、２０５ 被測定物、２０６ 受信アンテナ、２０７ 狭帯域フィルタ、２０８ 低雑音増幅器、２０９ 検波部、２１０ 制御部、２１１ 表示部、２１２ 受信部移動器、２１３ 画像入力部、２１４ 受信部切替え器、３０１ 入力線路、３０２ 出力線路、３０３ くし型共振器、３０４ 誘電体基板、３０５ 信号導体、３０６ グランド導体、４０１ 送信アンテナのビームパターン、４０２ 受信アンテナのビームパターン、
６０１、６０６（１）〜６０６（４）、６０９（１）〜６０９（４） ５０オームの線路
６０２（１）、６０２（２）、６０５（１）〜６０５（４）、６０４（１）〜６０４（１） １／４波長線路、
６０３、６０７、６０８ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、
前記検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、
それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタと、
それに接続され、バンドバスフィルタを経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路と、
前記検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器と、
を具備する磁気共鳴測定装置であって、
前記マイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、前記バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たすことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項２】
前記バンドパスフィルタが超伝導材料により波長を分離するフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項３】
前記受信回路が、前記バンドパスフィルタに接続された低雑音増幅器と、を含み、前記バンドパスフィルタと前記低雑音増幅器とが同一の断熱真空容器内で冷却されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項４】
前記送信器の位置と送信方向とを検出するように構成された位置情報検出器と、を更に具備し、それにより検出された前記送信器の位置と送信方向に基づいて受信器の位置を制御するように構成された位置制御器と、を更に具備する請求項１〜３の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項５】
前記受信回路からの磁気共鳴検出情報を表示するように構成された表示部と、検出試料からの画像を得るように構成された画像入力器と、を更に具備し、前記磁気共鳴検出情報と前記画像入力器からの画像とを同一の表示部に重ねて出力することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項６】
互いに異なる２つ以上の周波数のマイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を合成するように構成された信号合成器と、
前記信号合成器において合成された信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、
前記検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、
それに接続された複数の周波数分波器と、
前記各周波数分波器に接続され、各周波数分波器を経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された複数の受信回路と、
前記検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生部と、
を具備する磁気共鳴測定装置であって、
前記マイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）（ここで、ｋはボルツマン定数である）で、前記複数の周波数分波器の各帯域幅がP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）の条件を満たすことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項７】
前記送信器と受信器の利得がＧｔｘ＜Ｇｒｘの関係を満たすことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項８】
前記送信器が可動可能なプローブであることを特徴とする請求項７に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項９】
受信器、バンドパスフィルタおよび受信回路をそれぞれ２以上具備することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項１】
マイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、
前記検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、
それに接続された帯域幅ＢＷ（ＭＨｚ）のバンドパスフィルタと、
それに接続され、バンドバスフィルタを経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された受信回路と、
前記検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生器と、
を具備する磁気共鳴測定装置であって、
前記マイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）のとき、前記バンドパスフィルタの帯域幅（ＢＷ）はP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）（ここで、ｋはボルツマン定数である）の条件を満たすことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項２】
前記バンドパスフィルタが超伝導材料により波長を分離するフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項３】
前記受信回路が、前記バンドパスフィルタに接続された低雑音増幅器と、を含み、前記バンドパスフィルタと前記低雑音増幅器とが同一の断熱真空容器内で冷却されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項４】
前記送信器の位置と送信方向とを検出するように構成された位置情報検出器と、を更に具備し、それにより検出された前記送信器の位置と送信方向に基づいて受信器の位置を制御するように構成された位置制御器と、を更に具備する請求項１〜３の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項５】
前記受信回路からの磁気共鳴検出情報を表示するように構成された表示部と、検出試料からの画像を得るように構成された画像入力器と、を更に具備し、前記磁気共鳴検出情報と前記画像入力器からの画像とを同一の表示部に重ねて出力することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項６】
互いに異なる２つ以上の周波数のマイクロ波信号を生ずるように構成された発信器と、
それに接続され、前記発信器からの信号を合成するように構成された信号合成器と、
前記信号合成器において合成された信号を検査試料に対して送るように構成された送信器と、
前記検査試料を挟み前記送信器と対向する位置に配置され、前記検査試料からの信号を受けるように構成された受信器と、
それに接続された複数の周波数分波器と、
前記各周波数分波器に接続され、各周波数分波器を経た受信器からの信号を増幅し、予め設定された情報に前記増幅された信号を処理するように構成された複数の受信回路と、
前記検査試料に対して磁場を印加するように構成された磁場発生部と、
を具備する磁気共鳴測定装置であって、
前記マイクロ波信号の周波数がｆ（ＭＨｚ）、平均電力がＰ（ｄＢｍ）であり、前記送信器の利得がGtx(ｄＢｉ)、前記受信器の利得がGrx(ｄＢｉ)であり、前記発信器から送信器までの減衰量がΓｔｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記受信回路までの減衰量をΓｒｘ(ｄＢ)であり、前記送信器から前記検査試料までの距離をｄ１（ｍ）、検査試料の厚みをｄ２（ｍ）、検査試料から受信器までの距離をｄ３（ｍ）とし、それぞれの減衰量をΓｄ１(ｄＢ)、Γｄ２(ｄＢ)およびΓｄ３(ｄＢ)としたとき、温度Ｔ（Ｋ）（ここで、ｋはボルツマン定数である）で、前記複数の周波数分波器の各帯域幅がP+Gtx+Grx-（Γｔｘ+Γｄ１+Γｄ２+Γｄ３+Γｒｘ）>10×ｌｏｇ（ｋ×Ｔ×ＢＷ×109）の条件を満たすことを特徴とする磁気共鳴測定装置。
【請求項７】
前記送信器と受信器の利得がＧｔｘ＜Ｇｒｘの関係を満たすことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項８】
前記送信器が可動可能なプローブであることを特徴とする請求項７に記載の磁気共鳴測定装置。
【請求項９】
受信器、バンドパスフィルタおよび受信回路をそれぞれ２以上具備することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の磁気共鳴測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−６８１６７（Ｐ２０１２−６８１６７Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４３５４（Ｐ２０１０−２１４３５４）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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