阅读说明：本技术 磁场测量装置及磁场测量方法 (Magnetic field measuring device and magnetic field measuring method ) 是由 芳井义治 水落宪和 于 2019-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种利用ODMR准确地测量低频的交流磁场的磁场测量装置及磁场测量方法；线圈(2)对被配置于被测量交流磁场内的光探测磁共振部件(1)外加微波的磁场；高频电源(3)使微波的电流导通于线圈(2)；照射装置(4)对光探测磁共振部件(1)照射光；受光装置(5)探测从光探测磁共振部件(1)发出的光；而且,测量控制部(21)执行相对于被测量交流磁场的规定相位的规定的直流磁场测量序列,在该直流磁场测量序列中,对高频电源(3)以及照射装置(4)进行控制,确定由受光装置(5)探测出的光的探测光量；磁场运算部(22)根据该规定相位以及探测光量,对被测量交流磁场的强度进行运算。(The invention provides a magnetic field measuring device and a magnetic field measuring method for accurately measuring a low-frequency alternating current magnetic field by using ODMR; a coil (2) for applying a magnetic field of a microwave to a photodetection magnetic resonance component (1) disposed in an alternating-current magnetic field to be measured; a high-frequency power supply (3) conducts the current of the microwave to the coil (2); an irradiation device (4) irradiates the photodetection magnetic resonance component (1) with light; a light receiving device (5) that detects light emitted from the light detection magnetic resonance component (1); the measurement control unit (21) executes a predetermined DC magnetic field measurement sequence of a predetermined phase with respect to the AC magnetic field to be measured, and controls the high-frequency power supply (3) and the irradiation device (4) to determine the detection light amount of the light detected by the light receiving device (5); a magnetic field calculation unit (22) calculates the intensity of the AC magnetic field to be measured on the basis of the predetermined phase and the amount of the detected light.)

磁场测量装置及磁场测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁场测量装置及磁场测量方法。

背景技术

有的磁测量装置以利用了电子自旋共振的光探测磁共振(ODMR：OpticallyDetected Magnetic Resonance)进行磁测量(例如参照专利文献1)。

在ODMR中，通过对具有次能级的能级和光学跃迁能级的介质照射高频磁场(微波)和光，以分别用于次能级间的激发和光跃迁间的激发，从而利用光信号以高灵敏度检测由次能级间的磁共振引起的占有数的变化等。通常，基态的电子以绿色光激发后，在返回基态时发出红色光。另一方面，例如，金刚石结构中的氮空位中心(NVC：NitrogenVacancyCenter)中的电子，利用2.87GHz左右的高频磁场的照射，通过光激发而初始化后，从基态中的三个次能级中的最低能级(ms＝0)跃迁至基态中的比其高的能量轨道的能级(ms＝±1)。当该状态的电子以绿色光激发时，为了在无辐射下返回基态中的三个次能级中的最低能级(ms＝0)而发光量减少，通过该光探测，能够获知是否因高频磁场引起了磁共振。在ODMR中，使用如上的NVC这样的光探测磁共振材料。

而且，作为使用了NVC的直流磁场的测量方法，存在使用了拉姆齐脉冲序列(Ramsey Pulse Sequence)的测量方法。在拉姆齐脉冲序列中，(a)对NVC照射激发光，(b)对NVC外加微波的第一个π/2脉冲，(c)在自第一个π/2脉冲起的规定的时间间隔tt对NVC外加微波的第二个π/2脉冲，(d)对NVC照射测量光并测量NVC的发光量，(e)根据测量出的发光量可估计磁通密度。

此外，作为使用了NVC的交流磁场的测量方法，存在使用了自旋回波脉冲序列(Spin Echo Pulse Sequence)的测量方法。在自旋回波脉冲序列中，(a)对NVC照射激发光，(b)将微波的第一个π/2脉冲以被测量磁场的相位0度外加于NVC，(c)将微波的π脉冲以被测量磁场的相位180度外加于NVC，(d)将微波的第二个π/2脉冲以被测量磁场的相位360度外加于NVC，(e)对NVC照射测量光并测量NVC的发光量，(f)根据测量出的发光量可估计磁通密度。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2012-110489号公报

然而，在自旋回波脉冲序列中，若第一个π/2脉冲与π脉冲的时间间隔、以及π脉冲与第二个π/2脉冲的时间间隔变长，则利用激发光使自旋状态一致的光探测磁共振材料的电子的自旋过于分散，因此准确地测量波长长的低频的交流磁场是困难的。

发明内容

本发明的目的在于获得一种利用ODMR准确地测量低频的交流磁场的磁场测量装置及磁场测量方法。

本发明涉及的磁场测量装置具备光探测磁共振部件、线圈、高频电源、照射装置、受光装置、测量控制部以及磁场运算部，其中，光探测磁共振部件配置于被测量交流磁场内，线圈对光探测磁共振部件外加微波的磁场，高频电源使微波的电流导通于线圈，照射装置对光探测磁共振部件照射光，受光装置探测从光探测磁共振部件发出的光，测量控制部执行相对于被测量交流磁场的规定相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源以及照射装置进行控制，确定由受光装置探测出的光的探测光量，磁场运算部根据规定相位以及探测光量，对被测量交流磁场的强度进行运算。

本发明涉及的磁场测量方法，(a)使用配置于被测量交流磁场内的光探测磁共振部件、对光探测磁共振部件外加微波的磁场的线圈、使微波的电流导通于线圈的高频电源、对光探测磁共振部件照射光的照射装置、以及探测从光探测磁共振部件发出的光的受光装置，执行相对于被测量交流磁场的规定相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源以及照射装置进行控制，确定由受光装置探测出的光的探测光量，(b)根据规定相位以及探测光量，对被测量交流磁场的强度进行运算。

(发明效果)

根据本发明，能够获得一种利用ODMR准确地测量低频的交流磁场的磁场测量装置及磁场测量方法。

附图说明

图1是表示本发明实施方式涉及的磁场测量装置的结构的图。

图2是对实施方式一涉及的磁场测量装置的动作进行说明的时间图。

图3是对实施方式二涉及的磁场测量装置的动作进行说明的时间图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

实施方式一.

图1是表示本发明实施方式涉及的磁场测量装置的结构的图。图1所示的磁场测量装置具备光探测磁共振部件1。在该实施方式中，光探测磁共振部件1是具有NVC的金刚石等的板材，且固定于支承板1a。该光探测磁共振部件1配置于被测量交流磁场内。

此外，图1所示的磁场测量装置具备线圈2、高频电源3、照射装置4、以及受光装置5。

线圈2对光探测磁共振部件1外加微波的磁场。微波的频率根据光探测磁共振部件1的种类而设定。例如，在光探测磁共振部件1是具有NVC的金刚石的情况下，线圈2外加2.87GHz左右的微波磁场。高频电源3使微波的电流(即，用于产生上述微波的磁场的电流)导通于线圈2。

照射装置4对光探测磁共振部件1照射光(规定波长的激发光和规定波长的测量光)。受光装置5在测量光照射时探测从光探测磁共振部件1发出的荧光。

进而，图1所示的磁场测量装置具备运算处理装置11。运算处理装置11例如具备计算机，在计算机上执行程序，从而作为各种处理部进行动作。在该实施方式中，运算处理装置11作为测量控制部21以及磁场运算部22进行动作。

测量控制部21执行相对于被测量交流磁场的规定相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的荧光的探测光量。例如，照射装置4具备激光二极管等作为光源，受光装置5具备光电二极管等作为受光元件，测量控制部21根据对受光元件的输出信号进行放大等而得到的受光装置5的输出信号，确定上述的探测光量。

在该实施方式中，作为上述规定的直流磁场测量序列，适用拉姆齐脉冲序列。但是，并不限定于此。

此外，作为被测量交流磁场的测量时刻的上述规定相位，例如根据已知的与被测量交流磁场同步的外部交流信号的相位而被确定。例如，在利用因外部交流信号引起的物理现象而产生被测量交流磁场的情况下，被测量交流磁场有时与外部交流信号同步。因此，测量控制部21监视该外部交流信号，与作为测量时刻的上述规定相位的时刻相对应，而执行上述直流磁场测量序列。

或者，也可以为：例如，以比预测的被测量交流磁场的周期足够短的时间间隔反复执行上述直流磁场测量序列，根据通过多次的直流磁场测量序列得到的磁场强度(磁通密度)随时间的变化，对被测量交流磁场的相位0度或者相位180度的时刻以及周期进行确定，从确定的相位0度或者相位180度的时刻以及周期，确定作为测量时刻的上述规定相位。

磁场运算部22根据上述规定相位以及探测光量，对被测量交流磁场的强度(在此为磁通密度的振幅)进行运算。

例如，磁场运算部22根据下式从探测光量计算出磁通密度。

S＝[(a+b)/2]+[(a－b)/2]×cos(γ·B·tt)

在此，S是探测光量，B是磁通密度，a、b是常数，tt是两个π/2脉冲之间的时间间隔(自由岁差运动时间)，γ是回转磁比率(常数)。另外，a以及b是使B或者tt变化时的S的最大值以及最小值，例如在实验中，对于已知的且恒定的B，通过测量使tt变化时的S，从而能够确定。另外，a也可以作为B＝0时的探测光量而求出。

具体而言，磁场运算部22假定被测量交流磁场为正弦波，根据在得到探测光量的相位上的正弦波的值与正弦波的峰值的比率，从自探测光量得到的磁场强度(磁通密度)运算出被测量交流磁场的强度(磁通密度的振幅)。

例如，在正态化的正弦波的情况下，峰值(即，相位90度上的值)为“1”，相位80度上的值为“0.985”。因此，例如，当上述规定相位为80度时，将从探测光量得到的磁场强度(磁通密度)除以0.985，即可得到被测量交流磁场的强度(磁通密度的振幅)。另外，上述规定相位也可以取90度，在该情况下，由于上述的比率为1，因此，从探测光量得到的磁场强度(磁通密度)即为被测量交流磁场的强度(磁通密度的振幅)。

进而，在实施方式一中，测量控制部21执行下述处理：(a)执行相对于被测量交流磁场的规定第一相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的光的探测光量，(b)执行相对于被测量交流磁场的规定第二相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的光的探测光量。然后，磁场运算部22从上述第一相位、上述第二相位、以及各自的探测光量运算出第一相位上的磁通密度(正值)以及第二相位上的磁通密度(负值)，并运算基于第一相位上的磁通密度(正值)以及第二相位上的磁通密度(负值)的差分的被测量交流磁场的强度。

此时，以第一相位P 1与π/2(即90度)的差的绝对值、和第二相位P2与3π/2(即270度)的差的绝对值彼此大致相同的方式，设定第一相位以及第二相位。另外，第一相位是0度至180度的任意度，第二相位是180度至360度的任意度。即，当假定被测量交流磁场为正弦波时，若像这样设定第一相位以及第二相位，则第一相位上的磁场强度的绝对值和第二相位上的磁场强度的绝对值成为彼此大致相同。这样的两个相位上的被测量交流磁场的朝向相互相反、且磁场强度(即，磁通密度的绝对值)为大致相同，因此，通过使用它们的平均值，从而消除稳态的磁噪声(例如地磁等)的影响。

例如，当将第一相位上的被测量交流磁场的磁通密度设为B0、第二相位上的被测量交流磁场的磁通密度设为－B0、稳态的磁噪声设为Bnoise时，第一相位上被测量的磁通密度B1为B0+Bnoise，第二相位上被测量的磁通密度B2为－B0+Bnoise，因此两者的差分为2B0。因此，磁场运算部22将该差分的1/2作为被测量交流磁场的强度进行运算。

例如，第一相位设为90度、第二相位设为270度，在该情况下，第一相位上的磁通密度和第二相位上的磁通密度的差分的二分之一被作为被测量交流磁场的强度。此外，例如，在第一相位设为80度、第二相位设为260度的情况下，从第一相位上的磁通密度和第二相位上的磁通密度的差分的二分之一，基于上述比率而确定被测量交流磁场的强度。

接下来，对于实施方式一涉及的磁场测量装置的动作进行说明。图2是对实施方式一涉及的磁场测量装置的动作进行说明的时间图。

例如，如图2所示，测量控制部21根据拉姆齐脉冲序列，(a)首先，利用照射装置4对光探测磁共振部件1照射规定波长的激发光，使光探测磁共振部件1的电子自旋的状态一致，(b)然后，利用线圈2以及高频电源3对光探测磁共振部件1外加第一个π/2脉冲的微波磁场，(c)然后，在经过规定的时间间隔tt后，利用线圈2以及高频电源3对光探测磁共振部件1外加第二个π/2脉冲的微波磁场，(d)然后，利用照射装置4照射投影测量用的测量光，同时利用受光装置5接收光探测磁共振部件1所发出的荧光并探测该受光光量(探测光量)。

另外，在时间间隔tt中，由于电子自旋的朝向与外部磁场(在此为被测量交流磁场)的磁通密度的时间积分成比例地变化，因此从探测光量能够导出外部磁场(在此为被测量交流磁场)的磁通密度。

进而，π/2脉冲的时间宽度tw设为是使电子自旋仅旋转π/2的时间(数十纳秒程度)，且从该光探测磁共振部件1的拉比振动的周期等预先确定。另外，激发光的照射时间以及测量光的照射时间分别为数微秒～数十微秒的程度。此外，上述的时间间隔tt设定为数百微秒以下。此外，激发光照射与第一个π/2脉冲的时间间隔、以及第二个π/2脉冲与激发光照射的时间间隔，分别越短越好。

此时，测量控制部21以使被测量交流磁场的第一相位P1呈在上述第一个π/2脉冲以及上述第二个π/2脉冲之间的期间、即上述时间间隔tt内的方式(例如以呈在时间间隔tt的中心的方式)，进行激发光的照射、第一个π/2脉冲以及第二个π/2脉冲的外加、测量光的照射以及探测光量的测量。

如此，通过对第一相位P1执行的测量序列，得到关于第一相位P1的探测光量，磁场运算部22对与该探测光量对应的磁通密度进行运算。另外，同样地通过对第二相位P2执行的测量序列，得到关于第二相位P2的探测光量，磁场运算部22对与该探测光量对应的磁通密度进行运算。

在此，第一相位P1为大致90度，第二相位P2为大致270度。而且，磁场运算部22将第一相位P1上的磁通密度与第二相位P2上的磁通密度的差分的二分之一，作为被测量交流磁场的磁通密度的振幅进行计算。

另外，在第一相位P1以及第二相位不是大致90度以及大致270度的情况下，如上所述，根据第一相位P1以及第二相位P2的值，并基于上述比率，从该差分的二分之一计算出被测量交流磁场的磁通密度的振幅即可。此外，也可以省略第一相位P1以及第二相位P2中的一者的测量序列，从一个相位上的探测光量计算出被测量交流磁场的磁通密度的振幅。

此外，被确定的被测量交流磁场的强度也可以作为数据存储于未图示的存储装置，或被发送至外部设备，或被显示装置显示。

进而，通常，上述的一个测量序列的长度设为被测量交流磁场的半周期以下。将约1kHz以下(特别是约100Hz以下)的低频的交流磁场作为测量对象。即，半周期比一个测量序列短的高频的交流磁场不被作为测量对象。

另外，在上述自旋回波序列的情况下，由于电子自旋的退相干时间为1毫秒左右，因此，在被测量交流磁场的频率为约1kHz的情况下，通常难以进行准确的磁场强度的测量。

如以上所述，根据上述实施方式一，线圈2对被配置于被测量交流磁场内的光探测磁共振部件1外加微波的磁场。高频电源3使微波的电流导通于线圈2。照射装置4对光探测磁共振部件1照射光。受光装置5探测从光探测磁共振部件1发出的光。而且，测量控制部21执行相对于被测量交流磁场的规定相位的规定的直流磁场测量序列，在该直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的光的探测光量。磁场运算部22根据该规定相位以及探测光量，对被测量交流磁场的强度进行运算。

由此，利用ODMR准确地测量低频的交流磁场。

实施方式二.

实施方式二涉及的磁场测量装置，在被测量交流磁场的变化呈平缓的情况(即，被测量交流磁场具有10Hz以下(例如2Hz)的低频率的情况)下，相对于一个相位Pi，执行多个直流磁场测量序列(与实施方式一相同的直流磁场测量序列)，并导出这一个相位上的被测量交流磁场的强度。此时，以被执行多个直流磁场测量序列的相位Pij(j＝1，···，n)的平均值成为上述一个相位Pi的方式，执行多个直流磁场测量序列，在多个直流磁场测量序列中分别得到的磁场强度的平均值被作为这一个相位上的磁场强度。

因此，在实施方式二中，测量控制部21执行相对于被测量交流磁场的规定多个相位Pij的规定的直流磁场测量序列，在各直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的光的探测光量。而且，在实施方式二中，磁场运算部22将上述多个相位Pij的平均值视为作为测量点的一个相位Pi，运算基于上述多个相位Pij上的磁场强度的平均值的被测量交流磁场的强度。

图3是对实施方式二涉及的磁场测量装置的动作进行说明的时间图。例如，如图3所示，对一个测量点的相位Pi(在图3中，i＝1)，测量控制部21执行n次(n＞1)的测量序列(在此为拉姆齐脉冲序列)。由此，通过磁场运算部22得到对应于n次的测量序列的相位Pij(j＝1，···，n)的磁场强度Bij。磁场运算部22计算出这些磁场强度Bij的平均值，作为该相位Pi上的磁场强度Bi。

如此，在实施方式二中，对一个相位Pi执行多个直流磁场测量序列Sq1～Sqn。例如，在如实施方式一那样测量在两个相位P1、P2上的磁场强度的情况下，对两个相位P1、P2分别执行上述那样的n次的直流磁场测量序列。

另外，例如如图3所示，在上述多个相位Pij横跨单调增区间(相位0度～90度的区间以及相位270度～360度的区间)和单调减区间(相位90度～180度的区间以及相位180度～270度的区间)这两个区间的情况下，也可以：(a)对上述多个相位中的、属于单调增区间的相位Pij，计算出上述的相位平均值以及磁场强度平均值，并根据对应于该相位平均值的上述比率，从磁场强度平均值运算出相位90度上的磁场强度，(b)对属于单调减区间的相位Pij，计算出上述的相位平均值以及磁场强度平均值，并根据对应于该相位平均值的上述比率，从磁场强度平均值运算出相位90度上的磁场强度，(c)将与属于单调增区间的相位对应的相位90度上的磁场强度和与属于单调减区间的相位对应的相位90度上的磁场强度的平均值作为被测量交流磁场的强度。

另外，实施方式二涉及的磁场测量装置的其他结构以及动作与实施方式一相同，因此省略对其的说明。

如以上所述，根据上述实施方式二，测量控制部21执行相对于被测量交流磁场的规定多个相位Pij的规定的直流磁场测量序列，在各直流磁场测量序列中，对高频电源3以及照射装置4进行控制，确定由受光装置5探测出的光的探测光量，磁场运算部22将上述多个相位Pij的平均值视为作为一个测量点的一个相位Pi，从上述多个相位Pij相关的探测光量分别运算出上述多个相位Pij上的磁场强度，运算基于上述多个相位Pij上的磁场强度的平均值的被测量交流磁场的强度。

由此，各相位Pi上的磁场强度被更准确地测量，从而利用ODMR准确地测量低频的交流磁场。

另外，对于上述实施方式，也可以在不脱离其主旨和范围且不减弱其所意图的优点的范围内进行各种变更和修改，这些变更和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，因而这些变更和修改也应该包含在本申请权利要求的范围内。

例如，在上述实施方式一、二中，作为一例，假定被测量交流磁场的波形为正弦波，但是，取而代之，在已知被测量交流磁场的波形是其他波形(三角波、锯齿波等)的情况下，也可以假定为这样的其他波形。即，在该情况下，基于其他波形的形状导出上述比率即可。

(工业上的可利用性)

本发明例如能够适用于磁测量装置以及磁测量方法。