CN103314305A - 光泵磁强计、脑磁图仪以及mri装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光泵磁强计、脑磁图仪及MRI装置。本发明的光泵磁强计利用光泵对测定对象的磁场进行测定，该光泵磁强计具备：非磁性槽，至少封入有碱金属且具有透光性及耐热性；激光照射部，将激光照射于所述槽，至少进行所述碱金属的光泵激；检测部，接收透射过所述槽的透射激光，并检测有关所述磁场的检测信号；以及高频电压施加部，对设置于所述槽的一对施加部施加高频电压，并通过介质加热对所述槽进行加热。

Description

光泵磁强计、脑磁图仪以及MRI装置

技术领域

本发明涉及一种光泵磁强计、脑磁图仪以及MRI装置。

背景技术

近年来，作为代替SQUID传感器的高灵敏度磁强计，开发出利用碱金属的光泵磁强计。光泵磁强计无需冷却功能且能够大幅度降低SQUID传感器的运转成本，从这个观点来看，希望能够适用于脑磁图仪或MRI装置等中。

在这种光泵磁强计中，激光照射于封入有碱金属的槽（cell），由此槽内的碱金属被自旋极化。并且在该状态下，通过接收透射过槽的透射激光来检测关于测定对象的磁场的检测信号。在此，使碱金属自旋极化时，需要将使碱金属气化的槽加热到规定温度以上，因此例如下述专利文献1中所记载，有时将加热器直接设置在槽中，通过使该加热器工作而加热槽。并且，有时替代加热器而设置热风发生装置，通过从该热风发生装置吹出热风来加热槽。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-10547号公报

然而，如上所述，在利用加热器加热槽的情况下，在槽中很难在透射激光所透射的部位设置加热器，因此有可能无法均匀加热槽，结果导致磁场测定灵敏度降低。另一方面，如上所述通过热风发生装置来加热槽的情况下，另外需要热风发生装置，因此有可能使磁强计成为大型化进而成为复杂化。另外，在该情况下，有可能从热风发生装置产生噪音，因此需要去除该噪音的结构。

发明内容

由此，本发明的课题在于提供一种能够简单地均匀加热槽的光泵磁强计、脑磁图仪以及MRI装置。

为了解决上述课题，本发明一方面所涉及的光泵磁强计为利用光泵激对测定对象的磁场进行测定的光泵磁强计，其具备有：非磁性槽，至少封入有碱金属且具有透光性及耐热性；激光照射部，将激光照射于槽，并且至少对碱金属进行光泵激；检测部，接收透射过槽的透射激光，并检测有关磁场的检测信号；以及高频电压施加部，对设置于槽的一对施加部施加高频电压，并通过介质加热对槽进行加热。

在该光泵磁强计中，通过高频电压施加部经由施加部对槽施加高频电压，从而能够通过介质加热对槽进行加热，即也能够使槽本身通过槽的介电损失而发热来加热该槽。因此，能够简单地均匀加热槽。

并且，一对施加部可包含：第1电极，在槽的一外表面，以扩展到该一外表面全域的方式被电连接；及第2电极，在槽的与一外表面对置的另一外表面，以扩展到该另一外表面全域的方式被电连接。此时，能够进一步高精度地均匀加热槽。

并且，一对施加部也可具有透光性。由此，即使在透射激光的光路上设置一对施加部的情况下，也能够抑制磁场测定的精度降低。

另外，也可具备对检测部及高频电压施加部的动作进行控制的控制部，在由检测部检测检测信号时，控制部使基于高频电压施加部的高频电压的施加停止。此时，能够抑制因高频电压施加部工作而产生的磁场等引起的不良影响波及磁场测定。

另外，也可具备以屏蔽外部磁场的方式覆盖测定对象及槽的外部磁场屏蔽部。此时，能够抑制由外部磁场引起的不良影响波及磁场测定。

并且，作为适宜地发挥上述作用效果的结构，具体地可举出如下结构，即检测部将通过激光照射部照射并透射过槽的激光作为透射激光而进行接收，并根据透射槽前后的激光的光强度变化对检测信号进行检测，或者将通过与激光照射部不同的其他激光照射部照射并透射槽的线偏振激光作为透射激光而进行接收，并根据透射槽前后的线偏振激光的偏振状态变化而对检测信号进行检测。

并且，本发明的一方面所涉及的脑磁图仪具备有上述光泵磁强计。在该本发明的脑磁图仪中，也可起到简单地均匀加热槽的上述作用效果。

并且，本发明的一方面所涉及的MRI装置具备有上述光泵磁强计。在该本发明的MRI装置中，也可起到简单地均匀加热槽的上述作用效果。

发明效果

根据本发明，能够简单地均匀加热槽。

附图说明

图1为表示本发明的一实施方式所涉及的光泵磁强计的概要结构图。

图2为表示图1的光泵磁强计的玻璃槽的概要立体图。

图3为表示图1的光泵磁强计的变形例中的玻璃槽的概要立体图。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，在以下说明中，对相同或相当的要件赋予相同符号，并省略重复说明。

图1为表示本发明的一实施方式所涉及的光泵磁强计的概要结构图，图2为表示图1的光泵磁强计的玻璃槽的概要立体图。如图1、图2所示，本实施方式的光泵磁强计1利用光泵（自旋极化）测定微弱磁场源（测定对象）P的磁场，例如在脑磁图仪或MRI（Magnetic Resonance Imaging）装置中用作高灵敏度磁强计。

脑磁图仪为如下装置，即从脑外以非接触的方式检测随着脑活动而从脑部产生的极微弱磁场，由此测定脑内的活动部位或脑的活动（功能）等的装置。MRI装置为如下装置，即利用核磁共振现象检测占人体构成物质的大部份的氢原子核（质子）的空间分布状态，由此以非接触的方式拍摄体内图像。该MRI装置还被称作核磁共振成像装置。

该光泵磁强计1具备有玻璃槽（槽）2、激光光源3、检测器（检测部）4、高频电源（高频电压施加部）5及控制器6。

玻璃槽2为具有内部空间2a的空心体，例如呈厚度2～3mm、长40mm、宽40mm、高度40mm的立方体外形。该玻璃槽2由耐热玻璃形成，由此玻璃槽2成为具有透光性及耐热性的非磁性槽。在玻璃槽2的内部空间2a里至少封入有碱金属10及缓冲气体11并相对于外部被气密地密封。

作为碱金属10，可举出钾、铷或铯等。在此，优选使用铷而作为碱金属10。该碱金属10在常温下呈固态或半固态状，而在规定温度（例如约200℃）以上时气化。作为缓冲气体11，使用氦等稀有气体。另外，在玻璃槽2的内部空间2a里有时还封入氮等骤冷气体。

该玻璃槽2构成为被绝热材料D所覆盖，以免向外部散去其热量。并且构成为如下：绝热材料D中，在激光L1（后述）的光路上形成有开口部Da，通过该开口部Da，激光L1不会被绝热材料D遮挡。

激光光源3朝向玻璃槽2照射对玻璃槽2内的碱金属10进行光泵激的所谓泵浦光。该激光光源3射出具有可将碱金属10泵激的波长的激光LO。

在从该激光光源3射出的激光LO的光路上，配置有控制激光LO的偏振方向来设为激光L的λ（lambda）板7。在激光L的光路上配置有半透半反镜8，该半透半反镜8使激光L朝向玻璃槽2作为激光L1而反射，并且作为激光L2使激光L原样透射前进。

并且，在激光L1的光路上的玻璃槽2的下游侧，配置有使透射玻璃槽2后的激光L1适当地反射而入射至检测器4的反射镜9a。另一方面，在激光L2的光路上，配置有使激光L2适当地反射而入射至检测器4的反射镜9b、9c。

检测器4对有关磁场源P的磁场的检测信号进行检测，包含光接收部4a、4b。光接收部4a接收作为透射玻璃槽2后的透射激光的激光L1。光接收部4b接收作为不透射玻璃槽2的参照激光的激光L2。作为这些光接收部4a、4b，例如使用光电二极管。并且，检测器4连接于控制器6，通过该控制器6控制其动作。

这样构成的检测器4由所接收的激光L1、L2的光强度差来检测透射玻璃槽2前后的激光L1的光强度变化，并根据该光强度变化测定磁场源P的磁场强度。而且，检测器4将所测定的磁场强度作为检测信号而向控制器6输出。

高频电源5对设置于玻璃槽2的一对电极（施加部）12施加高频电压，并通过介质加热对玻璃槽2进行加热。并且，高频电源5连接于控制器6，通过该控制器6控制其动作。

控制器6控制光泵磁强计1，且例如由CPU、ROM及RAM等构成。该控制器6包含控制装置（控制部）6a及存储装置6b。控制装置6a将从检测器4输入的检测信号储存至存储装置6b中。并且，控制装置6a控制检测器4及高频电源5的动作。

在此，如图2所示，本实施方式的玻璃槽2中，在不与激光L1的光路交叉且相互配对的一对侧面21、22上，分别设置有作为上述电极12的第1电极12a及第2电极12b。即，电极12a、12b设置于玻璃槽2的外表面，以免遮挡激光L1。

第1电极12a以扩展到侧面（一外表面）21的全域的方式电性固定于该侧面21。第2电极12b以扩展到侧面（另一外表面）22的全域的方式电性固定于该侧面22。上述第1电极12a及第2电极12b由非磁性金属形成，呈薄板状。并且，第1电极12a及第2电极12b经由由铂等构成的导线5a而电连接于高频电源5（参考图1）。

并且，在玻璃槽2中，在不与激光L1的光路交叉且除侧面21、22以外的侧面23的外侧，设置有作为密封痕迹的凸状密封切痕24，该密封痕迹在进行制造时密封内部空间2a时形成。即，电极12a、12b设置于不存在密封切痕24的侧面21、22。

回到图1，本实施方式的光泵磁强计1具备作为在进行测定时用于屏蔽外部磁场的磁屏蔽件13及亥姆霍兹线圈14。磁屏蔽件13为覆盖磁场源P、玻璃槽2及绝热材料D的板状部件，例如由具有较高磁导率的坡莫合金等形成。在该磁屏蔽件13中，在激光L1的光路上形成有开口部13a。通过该开口部13a防止激光L1被磁屏蔽件13遮挡。

亥姆霍兹线圈14设置成覆盖磁场源P、玻璃槽2、绝热材料D及磁屏蔽件13，即设置成使这些部件配置在线圈内。在该亥姆霍兹线圈14上连接有例如直流电源等亥姆霍兹线圈用电源15。

如上构成的光泵磁强计1中，在初始状态下，玻璃槽2内的碱金属10以固态或半固态状存在。并且，在测定磁场源P的磁场时，首先通过控制装置6a使高频电源5工作，对第1电极12a及第2电极12b施加高频电压，并通过介质加热将该玻璃槽2加热（升温）至预定温度以使玻璃槽2本身成为热源。由此，使玻璃槽2内的碱金属10气化。

接着，通过控制装置6a控制高频电源5来对施加于第1电极12a及第2电极12b的高频电压进行开关控制等，例如温度控制成玻璃槽2在规定温度下成为恒定。在该状态下，从激光光源3射出激光LO。所射出的激光L0通过λ（lambda）板7成为激光L之后，通过半透半反镜8被分叉为朝向玻璃槽2反射的激光L1和原样前进的激光L2。

激光L1入射至玻璃槽2并透射。此时，玻璃槽2内的碱金属10的电子被激光L1选择性激发，并使电子自旋的方向对齐（光泵）。与此同时，由于对齐的电子自旋方向因磁场源P的影响而偏离，因此激光L1在该偏离要返回原位时依据磁场源P的磁场大小而被光吸收。

透射玻璃槽2的激光L1被反射镜9a反射并入射至检测器4的光接收部4a。另一方面，激光L2被反射镜9b、9c反射并直接入射至检测器4的光接收部4b。

接着，通过控制装置6a使高频电源5的工作停止来设为不向第1电极12a及第2电极12b施加高频电压的状态。在该状态下，通过检测器4测定透射玻璃槽2的激光L2的光强度，并且测定激光L2的光强度。

接着，通过检测器4计算激光L1、L2的光强度差，由此检测透射玻璃槽2前后的激光L1的光强度变化并测定磁场源P的磁场强度。而且，将所测定的磁场源P的磁场强度作为检测信号而经由控制装置6a传送至存储装置6b，并储存于存储装置6b。

另外，本实施方式中，有时在测定磁场源P的磁场之前，预先对检测器4进行校准（测定校正）。具体而言，有时在高频电源5工作前碱金属10未气化的状态下，从激光光源3射出激光L0并通过检测器4计算激光L1、L2的光强度差，将此时的光强度差校正为0。

以上，本实施方式的光泵磁强计1中，通过高频电源5且经由电极12a、12b对玻璃槽2施加高频电压，由此能够通过介质加热对玻璃槽2进行加热。即，使玻璃槽2其本身通过玻璃槽2的介电损失而发热，从而能够均匀地加热该玻璃槽2。因此，能够简单地均匀加热玻璃槽2，并能够简单地提高磁场源P的磁场测定灵敏度。

并且，在光泵磁强计1中，可无需SQUID传感器所需的冷却功能，还能够缩减运转成本。

并且，在本实施方式中，如上所述，在玻璃槽2的对置的侧面21、22，以扩展到全域的方式分别电连接有第1电极12a及第2电极12b。由此，能够使整个玻璃槽2均匀地产生玻璃槽2的介电损失，由此能够进一步高精度地均匀加热玻璃槽2。

并且，在本实施方式中，在将检测信号利用检测器4进行检测时以及存储于存储装置6b时，通过控制装置6a使基于高频电源5的高频电压的施加停止。由此，能够抑制因高频电源5的工作而产生的磁场（例如从导线5a产生的磁场）等引起的不良影响波及磁场源P的磁场测定。

并且，在本实施方式中，如上所述，磁场源P及玻璃槽2被磁屏蔽件13及亥姆霍兹线圈14覆盖，而来自外部的磁噪声被屏蔽（消除）。因此，能够抑制由外部磁场引起的不良影响波及磁场源P的磁场测定。

并且，在本实施方式中，如上所述，用半透半反镜8将控制激光L0的偏振方向而形成的激光L分光成光强度变化的激光L1和作为参照激光的激光L2并由检测部4进行检测。而且，在检测器4中，由激光L1、L2的光强度差检测透射玻璃槽2前后的激光L1的光强度变化。因此，即使在射出的激光L0的光强度不稳定而微变动时，也能够追随该微变动对激光L1的光强度变化进行检测，并能够高精度地进行磁场测定。

并且，在本实施方式中，由于在玻璃槽2的周围设置有绝热材料D，因此能够屏蔽，以免玻璃槽2的热量向外部放出。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，在不改变各权利要求所记载的宗旨的范围内可进行变化或者应用于其他仪器中。

例如，上述实施方式的光泵磁强计1可在玻璃槽2的外表面直接涂布石墨等导电物质，并将该导电物质作为施加部而从高频电源5施加高频电压。并且，该施加部也可具有透光性，例如图3所示，还可以具备具有透光性的ITO等透明导电膜12a’、12b’来代替电极12a、12b（参考图2）。

并且，在上述实施方式中，接收透射玻璃槽2的激光L1作为透射激光，并根据透射玻璃槽2前后的激光L的光强度变化测定磁场源P的磁场强度，但本发明并不局限于基于这种光吸收而进行的磁场源P的磁场测定，例如还能够采用利用法拉第旋转的磁场源P的磁场测定。

具体而言，例如图3所示，通过除激光光源3以外的其他激光光源（未图示），以与激光L1在玻璃槽2内交叉的方式，朝向玻璃槽2另行照射所谓探测光的线偏振激光L’。与此同时，对透射玻璃槽2的线偏振激光L’作为透射激光而进行接收。而且，可以根据透射玻璃槽2前后的线偏振激光L’的偏振状态变化（偏振方向的变化）检测作为磁场源P的磁场强度的检测信号。这是基于如下原理，即若使线偏振激光L’入射于被激光L1光泵激后的碱金属10中，则在透射的线偏振激光L’中，由于基于法拉第旋转的磁光学效应，偏振方向仅旋转与磁场大小相应的角度。

另外，如此将线偏振激光L’照射于玻璃槽2时，线偏振激光L’的光路优选构成为不通过密封切痕24。由此，能够抑制因密封切痕24的存在而对线偏振激光L’的偏振状态带来不良影响。另外，在这种情况下，优选施加部具有透光性，例如图示，优选将具有透光性的ITO等透明导电膜12a’、12b’设为施加部。由此，即使在线偏振激光L’的光路上设置有施加部时，也能够抑制由该施加部引起的磁场测定的精度降低。

另外，在上述实施方式中，将电极12a、12b分别固定于侧面21、22上，但有时将电极12a、12b仅搭载于侧面21、22上等，总的来讲，只要能够将电极12a、12b电连接于侧面21、22上即可。并且，在上述实施方式中，当磁场源P存在多个时，可以以靠近这些多个磁场源P的方式对玻璃槽2照射多个激光L1。

另外，激光L、L1及L2的光路所涉及的结构并不局限于上述，例如能够依据与光泵磁强计1的其他部位之间的配置关系而适当地构成。此外，上述玻璃槽2呈立方体外形，但并不局限于此，可以呈多面体外形、球体外形。

另外，在上述实施方式中，将电极12a、12b设置于相互对置的侧面21、22的全域而作为施加部，但也可以设置于侧面21、22的局部上。在适当地均匀加热槽时，只要施加部被设置在槽所具有的多个外表面中相互离得最远的一对外表面即可，总的来讲，只要在槽的外表面对置设置即可。在上述说明中，激光光源3及λ（lambda）板7构成激光照射部，磁屏蔽件13及亥姆霍兹线圈14构成外部磁场屏蔽部。另外，例如为了起到上述作用效果，优选上述激光L为圆偏振或线偏振的激光。

产业上的可利用性

根据本发明，能够简单地均匀加热槽。

符号的说明：

1-光泵磁强计，2-玻璃槽（槽），3-激光光源（激光照射部），4-检测器（检测部），5-高频电源（高频电压施加部），6a-控制装置（控制部），7-λ（lambda）板（激光照射部），10-碱金属，12a-第1电极（施加部），12b-第2电极（施加部），12a’、12b’-透明导电膜（施加部），13-磁屏蔽件（外部磁场屏蔽部），14-亥姆霍兹线圈（外部磁场屏蔽部），21-侧面（一外表面），22-侧面（另一外表面），L、L2-激光，L1-激光（透射激光），L’-线偏振激光（透射激光），P-磁场源（测定对象）。

Claims (8)

1.一种光泵磁强计，其利用光泵激对测定对象的磁场进行测定，其中，具备有：

非磁性槽，至少封入有碱金属且具有透光性及耐热性；

激光照射部，将激光照射于所述槽，并至少对所述碱金属进行光泵激；

检测部，接收透射过所述槽的透射激光，并检测有关所述磁场的检测信号；以及

高频电压施加部，对设置于所述槽的一对施加部施加高频电压，并通过介质加热对所述槽进行加热。

2.根据权利要求1所述的光泵磁强计，其中，

所述一对施加部包含：

第1电极，在所述槽的一外表面，以扩展到该一外表面全域的方式被电连接；以及

第2电极，在所述槽的与所述一外表面对置的另一外表面，以扩展到该另一外表面全域的方式被电连接。

3.根据权利要求1或2所述的光泵磁强计，其中，

所述一对施加部具有透光性。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光泵磁强计，其中，

具备对所述检测部及所述高频电压施加部的动作进行控制的控制部；

在由所述检测部检测所述检测信号时，所述控制部使由所述高频电压施加部进行的所述高频电压的施加停止。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光泵磁强计，其中，

具备有以屏蔽外部磁场的方式覆盖所述测定对象及所述槽的外部磁场屏蔽部。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光泵磁强计，其中，

所述检测部如下检测所述检测信号：

将通过所述激光照射部照射并透射过所述槽的所述激光作为所述透射激光而进行接收，并根据透射所述槽前后的所述激光的光强度变化来检测所述检测信号，或者

将通过与所述激光照射部不同的其他激光照射部照射并透射过所述槽的线偏振激光作为所述透射激光而进行接收，并根据透射所述槽前后的所述线偏振激光的偏振状态变化来检测所述检测信号。

7.一种脑磁图仪，其具备权利要求1至6中任一项所述的光泵磁强计。

8.一种MRI装置，其具备权利要求1至6中任一项所述的光泵磁强计。

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