CN117651874A - 相位差测定装置、测定方法及包括其的电气设备 - Google Patents
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Abstract
本发明高灵敏度地测定多个物理场之间的相位差。相位差测定装置(10)包括：电磁波照射部(2)，将用来对因与由交流信号产生的第一物理场或第二物理场的相互作用而发生变化的量子传感器元件(1)的电子自旋状态进行操作的电磁波重复照射至量子传感器元件(1)；及相位差测定部(3)，获取与第一物理场或第二物理场进行相互作用后的多个电子自旋状态，并基于所获取的多个电子自旋状态，对多个物理场之间的相位差进行测定。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用量子传感器的技术，更详细而言，本发明涉及一种使用量子传感器的磁场及电场的相位差测定装置、方法、及包括相位差测定装置的电气设备。
背景技术
在电力系统中，若经由电线线路供给交流电，则会在电线线路中流通无功功率。若无功功率增大，则电力的损失增大，因此在电力系统中连接有调整功率因数的装置，对提高电力系统的稳定性或抑制电力变动发挥大的效果。例如专利文献1公开了一种调整配电线的无功功率的系统。
调整功率因数的装置被称为调相设备。调相设备中有电力用电容器、分路反应器、同步调相机、及静止无功功率补偿装置(SVC：Static VAR Compensator)等。在使用调相设备调整电力系统的功率因数来改善功率因数时，对在电力系统中流通的无功功率进行测定。无功功率是使用电压的有效值、电流的有效值、以及电压及电流的相位差来表示。
在电线线路中流通有大电流或高电压。例如在超高压变电所，十几万伏特的高电压在送电线中流通，在配电用的变电所，数千伏特至数万伏特的高电压在配电线中流通。为了计测在电线线路中流通的大电流或高电压，在变电所中除了设置调相设备以外，还设置有变流器或变压器等互感器。目前关于在电线线路中流通的交流电，在连接于送电线或配电线的非绝缘系统的互感器中(或在互感器的周边的电路中)，通过分别测定电压的相位及电流的相位，来测定电压的相位与电流的相位之间的相位差。调相设备基于所测得的相位差调整电力系统的功率因数。
而且，近年来，作为测定磁场的传感器元件的材料，金刚石受到关注。在金刚石的结晶构造中，有时会出现被称为氮-空位中心的复合缺陷。所述氮-空位中心包括以取代的形式进入晶格的碳原子的位置的氮原子与存在于所述氮原子的邻接位置(脱去了碳原子)的空位的对，也被称为NV中心(Nitrogen Vacancy center)。金刚石的结晶构造中除了NV中心以外，有时也会出现被称为硅-空位中心(Silicon Vacancy center)的复合缺陷、或被称为锗-空位中心(Germanium Vacancy center)的复合缺陷，包括NV中心在内的这些复合缺陷被称为色心。
NV中心在空位捕获了电子的状态(负电荷状态，以下称为“NV-”)下，表现出被称为电子自旋的磁性性质。所述NV-与未捕获电子到达状态(中性状态，以下称为“NV0”)相比，表现出长的横向弛豫时间(退相干时间，以下称为“T2”)。即，NV-的电子自旋状态在使沿着外部磁场的纵方向(以下称为“量子化轴”)一致的电子自旋的磁化向横方向倾斜后，各自旋的进动导致各朝向偏移直至整体的横磁化消失为止的时间长。而且，NV-在室温(约300K)下也表现出长的T2值。
NV-的电子自旋状态对外部的磁场产生反应而变化，所述电子自旋状态的测定也可在室温下进行，因此包含NV中心的金刚石可用作磁场传感器元件的材料。
例如专利文献2公开了一种通过利用金刚石中的电子自旋的磁共振来测定交流磁场的方法。自旋被赋予了基于自旋回波法的脉冲序列。
例如专利文献3公开了一种通过针对金刚石中的电子自旋的光探测磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance：ODMR)法来测定交流磁场的方法。NV中心被激光束所激发，通过对从NV中心发出的荧光强度的变化进行测定，来检测与自旋状态相关的磁共振信号(相位信息)。
用作磁场传感器元件的传感器除了使用金刚石的色心的传感器以外，还存在例如使用碳化硅(SiC)中的色心的传感器或光泵磁力计(optically pumped atomicmagnetometer，OPM)、超导量子干涉仪(superconducting quantuminterference device，SQUID)等各种种类。这些金刚石的色心、碳化硅的色心、光泵磁力计、及超导量子干涉仪是利用量子效应来计测物理量，因此被称为量子传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-105488号公报
专利文献2：日本专利特开2012-103171号公报
专利文献3：日本专利特开2017-75964号公报
发明内容
发明所要解决的问题
对于流通大电流或高电压的电线线路的交流电，若在非绝缘系统的互感器中(或在互感器的周边的电路中)要测定电压及电流的相位差，则互感器需要用来保护电路不因大电流或高电压受损的保护电路。其结果为，包括互感器或开关器等送变电机器及电线线路的电气设备的规模变大且变得昂贵。近年来，设置了例如用来将来自太阳光发电设施的直流电力关联至电力系统的各种设备，电气设备的规模也有所增大。对于在电气设备中流通的交流电，要求在无需保护电路的情况下测定电压及电流的相位差。
而且，若因经年变化导致电气设备自身出现故障的征兆，则于因在电气设备中流通的交流电的变动所产生的微小的电场与微小的磁场之间产生相位差。为了立即察觉到电气设备的故障的征兆，也要求高灵敏度地测定磁场及电场的相位差。
本发明的课题在于高灵敏度地测定多个物理场之间的相位差。
解决问题的技术手段
用来解决所述课题的本发明包括例如以下所示的态样。
(项1)
一种相位差测定装置，其包括：
电磁波照射部，将用来对因与由交流信号产生的第一物理场或第二物理场的相互作用而发生变化的量子传感器元件的电子自旋状态进行操作的电磁波重复照射至所述量子传感器元件；及
相位差测定部，获取与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，基于所获取的多个所述电子自旋状态，对多个物理场之间的相位差进行测定。
(项2)
根据项1所记载的相位差测定装置，其中所述相位差测定部包括：
第一物理场相位算出部，基于与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第一物理场的相位；及
第二物理场相位算出部，基于与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第二物理场的相位，
基于所算出的所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位，测定所述相位差。
(项3)
根据项2所记载的相位差测定装置，其中
所述第一物理场相位算出部通过拟合和与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第一物理场的相位，
所述第二物理场相位算出部通过拟合和与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第二物理场的相位。
(项4)
根据项1至3中任一项所记载的相位差测定装置，其中所述电磁波照射部是观测所述电子自旋状态的自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列，通过包括多个π/2脉冲的脉冲序列将所述电磁波重复照射至所述量子传感器元件。
(项5)
根据项3所记载的相位差测定装置，其中所述电磁波照射部是观测所述电子自旋状态的自旋回波信号的脉冲序列，通过包括多个π/2脉冲及所述多个π/2脉冲间的π脉冲的脉冲序列将所述电磁波重复照射至所述量子传感器元件，
所述第一物理场相位算出部及所述第二物理场相位算出部分别拟合与所述交流信号的曲率相对应的所述时间序列的多个数据。
(项6)
根据项1至5中任一项所记载的相位差测定装置，其中所述相位差测定部还包括：
光照射部，将用来读出与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的所述电子自旋状态的相位信息的光照射至所述量子传感器元件；
变化检测部，对所述光的照射使得所述量子传感器元件所发生的变化进行检测；及
数据处理部，从所述检测到的变化中读出所述电子自旋状态的相位信息，基于所读出的所述电子自旋状态的相位信息，测定所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位的所述相位差。
(项7)
根据项6所记载的相位差测定装置，其还包括：脉冲图案生成器，以将所述电子自旋状态进行初始化时的荧光强度作为触发点，将动作时机用的脉冲信号输出至所述电磁波照射部及所述光照射部，对测定周期的偏离进行修正。
(项8)
根据项7所记载的相位差测定装置，其中动作时机用的所述脉冲信号在多个所述相位差测定装置之间串联连接。
(项9)
根据项1至8中任一项所记载的相位差测定装置，其中所述交流信号为经由电气设备流通的交流信号。
(项10)
一种相位差测定方法，其包括：
将用来对因与由交流信号产生的第一物理场或第二物理场的相互作用而发生变化的量子传感器元件的电子自旋状态进行操作的电磁波重复照射至所述量子传感器元件的工序；及
获取与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，基于所获取的多个所述电子自旋状态，对所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位的相位差进行测定的工序。
(项11)
根据项10所记载的相位差测定方法，其中测定所述相位差的工序包括：
基于与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第一物理场的相位的工序；及
基于与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第二物理场的相位的工序，
基于所算出的所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位，测定所述相位差。
(项12)
根据项11所记载的相位差测定方法，其中算出所述第一物理场的相位的工序通过拟合和与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第一物理场的相位，
算出所述第二物理场的相位的工序通过拟合和与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第二物理场的相位。
(项13)
一种电气设备，其包括根据项1至9中任一项所记载的相位差测定装置。
发明的效果
根据本发明，能够高灵敏度地测定流通交流电的电气设备的周围所产生的磁场及电场等多个物理场之间的相位差。
附图说明
[图1]是示意性地表示本发明的一实施方式的相位差测定装置10的概略构造的图。
[图2]是示意性地表示图1所示的相位差测定装置10的具体构造的一例的图。
[图3]是包括本发明的一实施方式的相位差测定装置10的电气设备9的概略性的图。
[图4]是包括本发明的一实施方式的相位差测定装置10的电气设备9的概略性的图。
[图5]是示意性地表示金刚石的NV-中心中的电子的能阶的图。
[图6]是通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法来感测磁场的情况下的例示性的脉冲序列，为观测自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列。
[图7]是用来对本发明的相位差测定的概念的一态样进行说明的图。
[图8]是用来对本发明的相位差测定的概念的一态样进行说明的图。
[图9]是表示本发明的一实施方式的相位差测定方法的流程的流程图。
[图10]是用来对本发明的相位差测定概念的其他态样进行说明的图。
[图11]是用来对本发明的相位差测定概念的其他态样进行说明的图。
[图12]是通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法来感测磁场的情况下的其他例示性的脉冲序列，为观测自旋回波信号的脉冲序列。
[图13]是与实施例1的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。
[图14]是与实施例2的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。
[图15]是与实施例3的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。
[图16]是用来对实施例4的第一改良的概念进行说明的图。
[图17]是示意性地表示实施了实施例4的第一改良的相位差测定装置10的概略构造的图。
[图18]是实施实施例4的第一改良前后的磁共振信号。
[图19]是用来对实施例4的第二改良的概念进行说明的图，为表示在多个相位差测定装置中应用触发信号时的第一连接态样的图。
[图20]是用来对实施例4的第二改良的概念进行说明的图，为表示在多个相位差测定装置中应用触发信号时的第二连接态样的图。
[图21]是通过图19所示的第一连接态样所获得的磁共振信号。
[图22]是通过图20所示的第二连接态样所获得的磁共振信号。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，在以下的说明及附图中，相同的符号表示相同或类似的构造要素，由此省略与相同或类似的构造要素相关的重复的说明。
此外，在本说明书中，物理量(physical quantity)意指在物理学中的一定的体系下确定次元并可以所确定的物理单位的倍数的形式表示的量。作为物理量的一例，例如可列举磁场、电场、温度及力学量(力学上的应力、压力等)。磁场、电场及力学量包括不与时间一起变化的物理量、及方向与时间一起重复变化的物理量。即，磁场包括静磁场及交流磁场，电场包括静电场及交流电场，力学量包括静态力学量及交流力学量。
在以下所说明的本发明的一实施方式中，分别将磁场及电场设为第一物理场及第二物理场，对于在电气设备中流通的交流电，测定电压的相位与电流的相位的相位差，对这种情况进行说明。例示性而言，交流电的频率为约50Hz～约60Hz。
＜磁场及电场的相位与电压及电流的相位的关系＞
对电气设备9的周围所产生的磁场的相位及电场的相位和与在电气设备9中流通的交流电相关的电压的相位及电流的相位的关系进行说明。关于流通交流电的电气设备9的周围所产生的磁场及电场，磁场的相位与交流电流的相位有关联，电场的相位与交流电压的相位有关联。
电流的相位是通过对通过电流流动所产生的磁场的相位进行测定来测定。磁场的相位是根据下文所述的电子自旋的自旋哈密顿(spin Hamiltonian)的作为磁场传感器发挥功能的利用塞曼效应获得的第一项所算出。根据第一项算出磁场强度，并根据所算出的多个磁场强度的随时间的变动算出磁场的相位。
电压的相位是通过对传感器元件1为零磁场分裂时的电场对信号强度有所贡献而磁场无贡献的磁共振信号进行测定来测定。电场的相位是根据下文所述的电子自旋的自旋哈密顿的作为电场传感器发挥功能的第三项所算出。根据第三项算出电场强度，并根据所算出的多个电场强度的随时间的变动算出电场的相位。此外，在测定电压的相位(电场的相位)时，预先进行相位的零点调整。例如，在电压的强度的零交叉点，电压的时间变化率成为最大，因此以所述点作为零点的基准。
如下文参照图5所说明那样，若对传感器元件1施加磁场，则传感器元件1的量子状态因塞曼效应而与所施加的磁场的强度成比例地被分离。与此相对，在未对传感器元件1施加磁场的情况下，下文所述的电子自旋的自旋哈密顿的利用塞曼效应获得的第一项对磁共振信号无贡献。作为电场传感器发挥功能的第三项(及第二项)对传感器元件1为零磁场分裂时的磁共振信号有所贡献。
[装置构造]
图1是示意性地表示本发明的一实施方式的相位差测定装置10的概略构造的图。图2是示意性地表示图1所示的相位差测定装置10的具体构造的一例的图。
相位差测定装置10(以下简记为测定装置10)包括传感器元件1、电磁波照射部2、及相位差测定部3。在本实施方式中，传感器元件1安装于测定装置10的探针11的前端。
传感器元件1为量子传感器的元件。在本实施方式中，传感器元件1是具有色心的金刚石的结晶，且使用NV中心作为色心。NV中心是取代碳原子的氮(N)与邻接于氮的空位(V)的复合体(复合缺陷)。在本实施方式中，传感器元件1预先通过已知的方法生成于金刚石的结晶12上的规定的区域内。例示性而言，在区域内生成了大致几千个级别的(浓度：～1×1012/cm-3)多个传感器元件1。在本实施方式中，传感器元件1为集成NV中心。
传感器元件1的电子自旋状态因与对象物9的相互作用8而经受变化。在本实施方式中，对象物9为电气设备，相互作用8是利用磁场及电场的相互作用。通过与对象物9的相互作用8，传感器元件1的色心的电子自旋状态成为与作为对象物9的电气设备的周围所产生的磁场及电场的强度相应的状态。
电磁波照射部2将用来通过磁共振操作传感器元件1的电子自旋状态的电磁波照射至传感器元件1。作为一例，在本实施方式中，电磁波照射部2包括已知的微波(microwave，MW)振荡器21、将电磁波以经脉冲化的形式照射的开关22、及放大器23。开关22及放大器23可设为任意构造。在本实施方式中，电磁波照射部2将用来操作传感器元件1的电子自旋状态的电磁波以经脉冲化的形式照射至传感器元件1。
电磁波照射部2向传感器元件1照射的电磁波的脉冲序列可使用用来产生磁共振的各种脉冲序列。
例示性而言，在本实施方式中，作为磁共振信号，使用观测自由感应衰减(FreeInduction Decay：FID)信号的脉冲序列。这种观测自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列作为检测磁共振信号时所使用的脉冲序列的一例所例示，为比基于哈恩回波(Hahn echo)法或拉姆齐法(Ramsey method)的脉冲序列更简单的脉冲序列。例示性而言，在其他实施方式中，作为磁共振信号，可使用观测自旋回波信号的脉冲序列。
电磁波照射部2经由配置于传感器元件1的附近的电磁波照射用的天线14，将电磁波照射至传感器元件1。天线14例如通过光刻技术，使用具有导电性的金属形成于金刚石的结晶12上。
相位差测定部3基于通过与对象物9的相互作用8而变化后的传感器元件1的多个电子自旋状态的变化，分别分开算出磁场的相位与电场的相位，并测定磁场的相位与电场的相位的相位差。磁场的相位及电场的相位均通过拟合磁共振信号的时间序列的数据而算出。在本实施方式中，通过拟合多个自由感应衰减(FID)信号的时间序列的数据，算出磁场的相位及电场的相位。相位差测定部3包括光照射部31、变化检测部32、及数据处理部33。
光照射部31将用来读出与对象物9进行相互作用后的传感器元件1的电子自旋状态的相位信息的光照射至传感器元件1。而且，光照射部31将用来将传感器元件1的电子自旋状态进行初始化的光照射至传感器元件1。作为一例，在本实施方式中，光照射部31包括光源311、声光调制元件(Acoustic Optical Modulator：AOM)312、及物镜313。声光调制元件312及物镜313可设为任意构造。
光源311发出用来读出与对象物9进行相互作用后的传感器元件1的电子自旋状态的相位信息的光。而且，光源311发出用来激发传感器元件1的电子自旋状态而进行初始化的光。光源311所发出的光的波长根据传感器元件1的种类而决定。在本实施方式中，光源311发出波长为532nm(绿色)的激光束。光源311可使用例如各种已知的激光产生装置。在本实施方式中，光源311为发出绿色激光束的半导体激光。
物镜313将从光源311发出的光聚光，使其向金刚石的结晶12上的生成传感器元件1的区域照射。例示性而言，在金刚石的结晶12上聚光的激光束的光点尺寸的直径为约2μm。激光束的光点尺寸越缩小，每单位面积的激光束的强度越增大，金刚石的导电带中所生成的光电流的效率也越增大。
在图2所例示的构造中，激光束的光点以覆盖金刚石的结晶12上的生成了传感器元件1的区域的方式配置。优选激光束的光点可配置于从生成了传感器元件1的区域的大致中央偏移的位置。
变化检测部32对传感器元件1所发生的变化进行检测。在本实施方式中，变化检测部32通过检测从传感器元件1发出的光，而利用已知的光探测磁共振(ODMR)法，以发光强度的变化的形式检测磁共振的信号。在所述情况下，变化检测部32例如可使用已知的光电二极管。光电二极管例如可使用雪崩光电二极管。
此外，在本实施方式中，在电磁波照射部2中将操作用的电磁波以经脉冲化的形式进行照射。因此，在本实施方式中，具体而言，利用脉冲光学检测磁共振(Pulsed OpticallyDetected Magnetic Resonance，pODMR)法进行检测。
数据处理部33与变化检测部32连接，从由变化检测部32检测到的变化中读出与对象物9进行相互作用后的传感器元件1的电子自旋状态的相位信息，并基于所读出的相位信息测定磁场的相位与电场的相位的相位差。数据处理部33包括磁场相位算出部331、电场相位算出部332、及相位差信号输出部333。
数据处理部33例如可使用已知的通用计算机或智能手机等各种信息终端装置。数据处理部33可与测定装置10一体化而构成，或者也可以如图示那样，设置于测定装置10的外部，经由优先或无线的网络99与测定装置10连接。
磁场相位算出部331基于与磁场进行相互作用后的多个电子自旋状态算出磁场的相位。所观测的磁共振信号反映电子自旋状态，磁场的相位通过拟合与磁场进行相互作用后的多个磁共振信号的时间序列的数据而算出。
电场相位算出部332基于与电场进行相互作用后的多个电子自旋状态算出电场的相位。所观测的磁共振信号反映电子自旋状态，电场的相位通过拟合与电场进行相互作用后的多个磁共振信号的时间序列的数据而算出。
在本实施方式中，磁场相位算出部331及电场相位算出部332通过分别拟合多个自由感应衰减(FID)信号的时间序列的数据而分别算出磁场的相位及电场的相位。
相位差信号输出部333输出包含和磁场的相位与电场的相位的相位差相关的信息的信号。相位差信号例如经由网络99发送至例如对其他电气设备的运行状况进行集中管理的未图示的计算机机器。其后，例如集中管理用的计算机机器基于所接收到的相位差信号判断是否需要调整功率因数，将与功率因数的调整相关的信息与相位差信号一起发送至未图示的调相设备。调相设备基于所接收到的相位差信号及与功率因数的调整相关的信息，对电力系统的功率因数进行调整。或相位差信号例如经由网络99直接发送至未图示的调相设备，调相设备基于所接收到的相位差信号对电力系统的功率因数进行调整。
图3及图4是包括本发明的一实施方式的相位差测定装置10的电气设备9的概略性的图。作为电气设备9，图3中例示变流器9a，图4中例示变压器9b。这些图中所例示的测定装置10的配置部位为一例。
测定装置10配置于能够感知电气设备9(9a、9b)的周围所产生的磁场及电场的位置。优选测定装置10以传感器元件1感知磁场或电场的轴的方向沿着电气设备9的周围所产生的磁场或电场的方向的方式配置。
在其他实施方式中，可在一个电气设备9配置多台测定装置10、测定装置10。例如，可将用来测定电压的相位的第一台测定装置10配置于变流器9a中电场强度最高的部位，将用来测定电流的相位的第二台测定装置10配置于变流器9a中磁场强度最高的部位。在电气设备9为变压器9b的情况下也是同样。
[测定原理]
在本发明中，使用传感器元件1测定电气设备9的周围所产生的磁场及电场的相位差。传感器元件1为量子传感器的元件，由此，高灵敏度地测定与在电气设备9中流通的交流电相关的电压及电流的相位差。磁场的相位及电场的相位的算出所使用的磁共振信号是通过光探测磁共振(ODMR)法来检测。由此，无需直接电性连接于电气设备9，而以非接触的方式测定与交流电相关的电压及电流的相位差。
以下，首先对通过光探测磁共振(ODMR)法检测磁共振信号的原理及流程进行说明。其次，对根据所检测到的磁共振信号算出磁场及电场的强度的方法进行说明。最后，对测定与交流电相关的电压的相位与电流的相位的相位差的本发明的相位差测定概念进行说明。
＜利用光探测磁共振(ODMR)法的磁共振信号的检测＞
图5是示意性地表示金刚石的NV-中心中的电子的能阶的图。
在本实施方式中，使用金刚石的NV中心作为传感器元件1。NV中心的基态为磁量子数ms＝-1、0、+1的自旋三重态，在室温下的稳态下，在基态中全部能阶均等分布。
处于基态的磁量子数ms＝0的电子若被照射波长为532nm(绿色)的激光束，则向激发态跃迁，发出红色的荧光，弛豫为磁量子数ms＝0的基态。
另一方面，处于基态的磁量子数ms＝0的电子若被照射共振频率为2.87GHz的微波，则发生电子自旋共振(ESR)，向磁量子数ms＝±1的经二重简并的基态跃迁。处于这种基态的磁量子数ms＝±1的电子若被照射波长为532nm(绿色)的激光束，则向激发态跃迁，其后以某个一定的概率返回磁量子数ms＝0的基态。这种一系列的过程为不发出荧光的无辐射的跃迁。
如上所述，发出红色的荧光的过程在发生磁共振而电子处于磁量子数ms＝±1的基态的情况下不易发生。而且，磁量子数ms＝±1的经二重简并的基态因塞曼分裂而与外部磁场的强度成比例地被分离，因此荧光强度也根据电子为磁量子数ms＝±1的哪种状态而发生变化。因此，可作为以2.87GHz左右对微波的频率进行扫描时的红色的荧光强度降低的点来检测磁共振信号。
图6是通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法来感测磁场的情况下的例示性的脉冲序列。图6所示的操作用的电磁波的脉冲序列为通过包括两个π/2脉冲的脉冲序列来观测自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列。
对图6所示的脉冲序列的状态I～状态V进行说明。状态I表示通过激光束的照射将电子自旋进行初始化的状态。在作为将量子状态表示于单位球面上的表述法的布洛赫(Bloch)球中，电子自旋在沿着作为量子化轴的z轴的方向上一致。
接着，进行如下操作，即在状态II下，通过照射π/2脉冲，使沿着量子化轴的电子自旋向与量子化轴垂直的平面倾斜。电子自旋倒向布洛赫球的xy平面。其后，倒向了xy平面的电子自旋在状态III下，在规定的时间τ期间，通过与磁场的相互作用而在布洛赫球的xy平面中旋转并发生相位弛豫。相互作用的强弱对应于电子自旋所感生的磁场的强度。在所述状态III下，通过与磁场的相互作用，电子自旋在布洛赫球的xy平面中旋转并发生相位弛豫。所述情形在之后的状态V中作为自由感应衰减(FID)信号被观测到。
在状态III下发生相位弛豫并经过了规定的时间τ后，进行如下操作，即在状态IV下照射π/2脉冲，由此将经相位弛豫的电子自旋投影至量子化轴。位于布洛赫球的xy平面内的电子自旋被投影至作为量子化轴的z轴，在沿着z轴的方向上一致。
其后，在状态V下，向传感器元件照射激光束，并检测从传感器元件发出的光，由此读出相互作用后的电子自旋状态的相位信息。
在图6所例示的包括两个π/2脉冲的脉冲序列中，电子自旋在状态III下在布洛赫球的xy平面内旋转并发生相位弛豫，通过磁共振法，以磁共振信号的形式检测电子自旋如所述那样发生相位弛豫时的信号。π/2脉冲间的时间τ对应于电子自旋发生相位弛豫的状态III的期间，所述时间τ决定了测定的灵敏度。其原因在于：与磁场的相互作用使得电子自旋发生相位弛豫的程度对应于电子自旋所感生的磁场的强度。
电场也与磁场同样，可通过图6所例示的脉冲序列来感测。
＜基于磁共振信号的磁场及电场的强度的算出方法＞
在光探测磁共振(ODMR)法中，与对象物9进行相互作用后的传感器元件1的电子自旋状态的相位信息(磁共振信号)以发光强度的变化的形式被检测。所检测到的相位信息成为与对象物的物理量相应的状态。由此，通过对所检测到的相互作用后的电子自旋状态的相位信息适当地进行数据处理，而能够算出对象物的物理量。对象物的物理量可基于电子自旋的哈密顿量算出。
电子自旋的哈密顿量Hgs由以下式表示。
[数1]
此处，μB为波尔磁子(Bohr magneton)，ge为电子的g因子，h为普朗克常数。矢量S为电子自旋。矢量B为施加磁场。Dgs为零磁场分裂常数。Sx、Sy、Sz分别为电子自旋S的x、y、z方向分量。dgs⊥为电偶极矩。Ex、Ey分别为电场的x、y方向分量。
第一项
[数2]
μBgeS·B
为利用塞曼效应获得的项，意指电子自旋作为磁场传感器发挥功能。
第二项及第三项为利用偶极相互作用(即自旋间相互作用)获得的项。第二项
[数3]
意指电子自旋作为温度传感器及力学量(压力)传感器发挥功能。第三项
[数4]
意指电子自旋作为电场传感器发挥功能。
由此，磁场的强度可基于第一项算出。温度及力学量的强度可基于第二项算出。电场的强度可基于第三项算出。
在本发明中，磁场及电场的强度的绝对值并非必要，但与磁场进行相互作用后的磁共振信号的大小可基于电子自旋的哈密顿量Hgs的第一项算出，与电场进行相互作用后的磁共振信号的大小可基于第三项算出。由此，可将与磁场及电场进行相互作用后的磁共振信号分成利用与磁场的相互作用获得的分量与利用与电场的相互作用获得的分量。
＜相位差测定的概念＞
图7及图8是用来对本发明的相位差测定的概念进行说明的图。
在图7中，上段表示在作为对象物9的电气设备中流通的交流电的随时间的变动，下段表示通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法感测磁场及电场的情况下的例示性的脉冲序列。例示性而言，交流电的频率为约50Hz～约60Hz。图8是图7的下段所示的脉冲序列中以虚线包围的部分的放大图。图8所示的符号I～符号V对应于图6所示的脉冲序列的状态I～状态V。
如上文所述，关于流通交流电的电气设备9的周围所产生的磁场及电场，磁场的相位与交流电流的相位有关联，电场的相位与交流电压的相位有关联。在本发明中，使用传感器元件1测定流通交流电的电气设备9的周围所产生的磁场及电场的相位差。由此，高灵敏度地测定与在电气设备9中流通的交流电相关的电压及电流的相位差。
磁场的相位与电场的相位的相位差是基于与磁场及电场进行相互作用后的多个电子自旋状态算出。电子自旋状态的获取是通过利用例如图7及图8(更具体而言为图6)所例示的脉冲序列测定磁共振信号而进行。如图7及图8所例示那样，图6所示的脉冲序列在交流电的一个周期之间重复执行多次，由此，获取多个磁共振信号的数据。
于在电气设备9中流通的交流电的频率例如为约60Hz的情况下，在交流电的一个周期之间，将利用图8所例示的脉冲序列进行的测定重复约512次，作为与磁场及电场进行相互作用后的多个电子自旋状态，可获取约512个磁共振信号。这些约512个磁共振信号的数据是和与磁场进行相互作用后的多个电子自旋状态相对应的时间序列的数据。磁场的相位通过曲线拟合这些约512个磁共振信号的数据而算出。拟合数据时的函数使用例如正弦(sine)函数或余弦(cosine)函数等三角函数，参数例如使用信号的偏移、振幅、频率、及相位这四个参数。电场也与磁场同样，电场的相位通过曲线拟合与电场进行相互作用后的多个磁共振信号的数据而算出。
此外，于在电气设备9中流通的交流电的频率例如为约50Hz的情况下，在交流电的一个周期之间，将利用图8所例示的脉冲序列进行的测定重复约614次，作为与磁场及电场进行相互作用后的多个电子自旋状态，可获取约614个磁共振信号。
[测定流程]
图9是表示本发明的一实施方式的相位差测定方法的流程的流程图。工序S1～工序S5是算出磁场的相位的流程，工序S6～工序S10是算出电场的相位的流程。在工序S11中算出磁场及电场的相位差，在工序S12中输出与所算出的相位差相关的信息。
在工序S1中，向传感器元件1照射激光束，由此将传感器元件1的色心(NV中心)的电子自旋进行初始化。其后，使经初始化的NV中心的电子自旋与对象物9的周围所产生的磁场及电场进行相互作用。在进行时间充分的间相互作用后，NV中心的电子自旋状态成为与磁场的强度相应的状态。工序S1的状态对应于图6所示的脉冲序列的状态I。
在工序S2中，向传感器元件1照射自旋操作用的电磁波，由此进行磁场感测。在本实施方式中，通过依照图6所示的脉冲序列照射两个π/2脉冲来进行磁场的感测。即，在本实施方式中，以与图6所示的脉冲序列的状态II～状态IV相对应的方式操作NV中心的电子自旋状态。
在工序S3中，向传感器元件1照射激光束，并检测传感器元件1所发生的变化，由此进行相互作用后的电子自旋状态的相位信息的读出。在本实施方式中，通过检测从传感器元件1发出的光来进行相互作用后的电子自旋状态的相位信息的读出。相互作用后的电子自旋状态的相位信息是通过光探测磁共振(ODMR)法，使用变化检测部32以发光强度的变化的形式进行检测。以发光强度的变化的形式被检测的磁共振信号表示相互作用后的电子自旋状态的相位信息。工序S3的状态对应于图6所示的脉冲序列的状态V。
在工序S4中，判定是否已将工序S1～工序S3的一系列的测定处理重复执行规定的次数。在已将一系列的测定处理重复执行规定的次数(工序S4中为是)的情况下，进行工序S5的处理，在未重复执行规定的次数(工序S4中为否)的情况下，再次从工序S1起进行处理。
此外，如上文所述，于在电气设备9中流通的交流电的频率例如为约50Hz～约60Hz的情况下，在交流电的一个周期之间可将利用图8所例示的脉冲序列进行的测定进行约512次，作为一例，工序S1～工序S3的一系列的测定处理可重复执行约512次。
在工序S5中，基于通过工序S1～工序S4的一系列的测定处理所获得的与磁场及电场进行相互作用后的规定数量的多个电子自旋状态算出磁场的相位。
磁场的强度是根据在工序S3中所读出的相互作用后的电子自旋状态的相位信息算出。由变化检测部32所检测到的相互作用后的电子自旋状态的相位信息成为与对象物9的磁场及电场相应的状态。由此，通过对表示所检测到的相互作用后的电子自旋状态的相位信息的磁共振信号适当地进行数据处理，能够算出磁场的强度。例如，磁场强度可根据相互作用后的基态下的电子自旋状态的计测结果，基于上文所述的电子自旋的哈密顿量Hgs的利用塞曼效应获得的第一项而算出。
关于通过工序S1～工序S4的一系列的测定处理所获得的多个电子自旋状态的各相位信息，可通过算出磁场的强度而获取与磁场的强度的随时间的变动相关的数据。通过曲线拟合所述所获取的与磁场的强度的随时间的变动相关的数据，而算出磁场的相位。
在工序S6～工序S9中进行与工序S1～工序S4同样的处理。在工序S6中，向传感器元件1照射激光束，由此将传感器元件1的色心(NV中心)的电子自旋进行初始化。其后，使经初始化的NV中心的电子自旋与对象物9的周围所产生的磁场及电场进行相互作用。在工序S7中，向传感器元件1照射自旋操作用的电磁波，由此进行电场感测。在工序S8中，向传感器元件1照射激光束，并检测传感器元件1所发生的变化，由此进行相互作用后的电子自旋状态的相位信息的读出。在工序S9中，判定是否已将工序S6～工序S8的一系列的测定处理重复执行规定的次数。在已将一系列的测定处理重复执行规定的次数(工序S9中为是)的情况下，进行工序S10的处理，在未重复执行规定的次数(工序S9中为否)的情况下，再次从工序S6起进行处理。
在工序S10中，基于通过工序S6～S9的一系列的测定处理所获得的与磁场及电场进行相互作用后的规定数量的多个电子自旋状态，算出电场的相位。
电场的强度是根据在工序S8中所读出的相互作用后的电子自旋状态的相位信息而算出。由变化检测部32所检测到的相互作用后的电子自旋状态的相位信息成为与对象物9的磁场及电场相应的状态。由此，通过对表示所检测到的相互作用后的电子自旋状态的相位信息的磁共振信号适当地进行数据处理，可算出电场的强度。例如，电场强度可根据相互作用后的基态下的电子自旋状态的计测结果，基于上文所述的电子自旋的哈密顿量Hgs的作为电场传感器发挥功能的第三项而算出。
关于通过工序S6～工序S9的一系列的测定处理所获得的多个电子自旋状态的各相位信息，可通过算出电场的强度而获取与电场的强度的随时间的变动相关的数据。通过曲线拟合所获取的与电场的强度的随时间的变动相关的数据，而算出电场的相位。
在工序S11中，根据在工序S5中所算出的磁场的相位与在工序S10中所算出的电场的相位的差量，算出磁场的相位与电场的相位的相位差。
在工序S12中，输出包含与工序S11中所算出的磁场的相位与电场的相位的相位差相关的信息的信号。包含与相位差相关的信息的信号例如经由网络99被发送，用于利用调相设备调整功率因数。
[效果]
以上，根据本发明，能够高灵敏度地测定流通交流电的电气设备的周围所产生的磁场及电场的相位差。由此，即使是流通大电流或高电压的电气设备，也无需用来保护电路不因大电流或高电压而受损的保护电路，能够测定与交流电相关的电压及电流的相位差。由于不需要保护电路，故而能够减小电气设备的规模而使其变得廉价。
在本发明中，使用量子传感器的传感器元件测定流通交流电的电气设备的周围所产生的磁场及电场的相位差。由此，能够高灵敏度地测定与在电气设备中流通的交流电相关的电压及电流的相位差。磁场的相位及电场的相位的算出所使用的磁共振信号是通过光探测磁共振(ODMR)法来检测。由此，无需直接电性连接于电气设备，能够以非接触的方式测定与在电气设备中流通的交流电相关的电压及电流的相位差。
[其他形态]
以上，已通过特定的实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式。
在所述实施方式中，电磁波照射部2向传感器元件1照射的电磁波的脉冲序列使用图6所例示的观测自由感应衰减(Free Induction Decay：FID)信号的脉冲序列，但检测磁共振信号时所使用的脉冲序列并不限定于此。如参照图10～图12所说明那样，也可以代替自由感应衰减(Free Induction Decay：FID)信号的观测，使用基于哈恩回波法的脉冲序列，观测自旋回波信号作为磁共振信号。
＜测定交流信号的曲率的脉冲序列＞
图10及图11是用来对本发明的相位差测定的概念的其他态样进行说明的图。
在图10中，上段表示在作为对象物9的电气设备中流通的交流电的随时间的变动，下段表示通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法感测磁场及电场的情况下的其他例示性的脉冲序列。例示性而言，交流电的频率为约50Hz～约60Hz。图11是图10的下段所示的脉冲序列中以虚线包围的部分的放大图。图11所示的符号I～符号VII对应于图12所示的脉冲序列的状态I～状态VII。
在本发明的相位差测定的概念的其他态样中，电子自旋状态的获取是例如通过利用图10及图11(更具体而言为图12)所例示的脉冲序列测定磁共振信号而进行。与参照图6～图8所说明的本发明的相位差测定的概念同样，如图10及图11所例示那样，将图12所示的脉冲序列在交流电的一个周期之间重复执行多次，由此，获取多个磁共振信号的数据。
图12是通过使用光探测磁共振(ODMR)法的方法来感测磁场的情况下的其他例示性的脉冲序列。图12所示的操作用的电磁波的脉冲序列是基于利用包括两个π/2脉冲及其间的π脉冲的脉冲序列观测自旋回波信号的自旋回波法(哈恩回波法)的脉冲序列。
对图12所示的脉冲序列的状态I～状态VII进行说明。状态I表示通过激光束的照射将电子自旋进行初始化的状态。在作为将量子状态表示于单位球面上的表述法的布洛赫球中，电子自旋在沿着作为量子化轴的z轴的方向上一致。
接着，进行如下操作，即在状态II下，通过照射π/2脉冲，使沿着量子化轴的电子自旋向与量子化轴垂直的平面倾斜。电子自旋倒向xy平面。其后，倒向了xy平面的电子自旋在状态III下，在规定的时间τ0期间，通过与交流磁场及静磁场的相互作用发生相位弛豫。相互作用的强弱对应于电子自旋所感生的磁场的强度，对应于图11所示的区域B。
在状态III下经过了规定的时间τ0后，进行如下操作，即在状态IV下照射π脉冲，由此使通过与测定对象的相互作用而发生相位弛豫的电子自旋在平面内反转。在状态III至状态IV下，电子自旋在xy平面内旋转。此时，在反转后的状态V下，电子自旋再次收敛，由此抵消静磁场分量，但交流磁场分量与状态III时相比，强度反转，因此未被抵消。
其后，于在状态V下经过规定的时间τ0期间，电子自旋与状态III同样，通过与交流磁场及静磁场的相互作用而发生相位弛豫。相互作用的强弱对应于电子自旋所感生的磁场的强度，对应于图11所示的区域A。
于在状态V下经过了规定的时间τ0后，进行如下操作，即在状态VI下照射π/2脉冲，由此将经相位弛豫的电子自旋投影至量子化轴。位于xy平面内的电子自旋被投影至作为量子化轴的z轴，在沿着z轴的方向上一致。
其后，在状态VII下，向传感器元件照射激光束，并检测从传感器元件发出的光，由此读出相互作用后的电子自旋状态的相位信息。
电场也与磁场同样，可通过图12所例示的脉冲序列进行感测。
如参照图12所说明那样，基于自旋回波法的脉冲序列在两个π/2脉冲之间包括π脉冲。如状态IV所示那样，通过π脉冲的照射，电子自旋在布洛赫球中沿着z轴被反转。由此，所观测的自旋回波信号如图11所示，反映出想要感测的磁场及电场的曲率。如图11所示，通过在状态IV下将电子自旋反转，在状态VII下所读出的相互作用后的电子自旋状态的相位信息(磁共振信号)反映出图11所示的区域A与图12所示的区域B的差量(A-B)。
如图11所示，交流电周期性地重复增加及减少。通过交流电周期性地变动，想要感测的磁场及电场的周期也发生变动。在周期性地变动的交流电中，在交流电的信号增加时，在状态VII下所读出的磁共振信号所表示的差量(A-B)成为正值。在交流电的信号取极值的信号的顶点处，差量(A-B)成为0(零)，在交流电的信号减少时，差量(A-B)成为负值。
在所述实施方式中，磁场及电场的强度的算出所使用的磁共振信号是通过光探测磁共振(ODMR)法进行检测，但磁共振信号的检测所使用的方法并不限定于光探测磁共振(ODMR)法。也可以代替光探测磁共振(ODMR)法，而通过例如电检测磁共振(EDMR)法检测磁共振信号。在所述情况下，将用来检测磁共振信号的一对测定电极电性连接于传感器元件1。对一对测定电极间施加偏压，通过测定电极对传感器元件1施加电场。
在所述实施方式中，相位差测定装置10测定电气设备9的周围所产生的磁场及电场的相位差，作为电气设备9的例子而例示出变流器9a或变压器9b等互感器，但电气设备9并不限定于这些。电气设备9可设为例如互感器或开关器等送变电机器、或者送电线或配电线等电线线路，相位差测定装置10可安装于这种电气设备9，而测定电气设备9的周围所产生的磁场及电场的相位差。
在所述实施方式中，在一个电气设备9配置一个测定装置10，一个测定装置测定磁场的相位及电场的相位，但也可以在一个电气设备9配置多台测定装置10、测定装置10，各测定装置10分别测定磁场的相位及电场的相位。在所述情况下，多台测定装置10、测定装置10将动作及数据关联，分担工序S1～工序S12进行处理即可。
例如，通过由第一台测定装置10进行工序S1～工序S5的处理来算出磁场的相位，通过由第二台测定装置10进行工序S6～工序S10的处理来算出电场的相位，通过由第一台测定装置或第二台测定装置10的任一者进行工序S11～工序S12的处理来算出磁场及电场的相位差即可。通过多台测定装置10、测定装置10将动作及数据关联而运行，能够同时进行算出磁场的相位的工序S1～工序S5的处理与算出电场的相位的工序S6～工序S10的处理而处理。
在所述实施方式中，对于电气设备9的周围所产生的磁场及电场，测定磁场的相位与电场的相位之间的相位差，但测定相位差的对象的物理量的种类并不限制于磁场及电场。相位差测定装置10设为测定对象的物理量的种类可设为上文所述的电子自旋的自旋哈密顿Hgs中所记述的磁场、电场、温度及力学量，相位差测定装置10可对这些多个物理场之间的相位差进行测定，即可对从多种物理场(磁场、电场、温度及力学量)中选择的两个物理场之间的相位差进行测定。
两个物理场的组合可如例如磁场与电场那样，物理场的种类不同，也可以如例如两个不同的磁场那样，物理场的种类相同。在前者的情况下，可如例如所述实施方式所例示那样，设为如下实例：着眼于某一电气设备9，由相位差测定装置10测定所述电气设备9的周围所产生的磁场的相位与电场的相位之间的相位差。在后者的情况下，可设为如下实例：例如着眼于不同的两个电气设备9，由相位差测定装置10测定其中一电气设备9的周围所产生的磁场的相位与另一电气设备9的周围所产生的磁场的相位之间的相位差。
相位差测定装置10设为测定的对象的物理场也不限制于电气设备9的周围所产生的物理场，相位差测定装置10可对流通交流电的各种机器的周围所产生的多个物理场之间的相位差进行测定。
实施例
以下示出本发明的实施例，使本发明的特征变得更明确。
实施例1
在实施例1中，进行利用自由感应衰减(FID)信号的数值模拟。
＜数值模拟的条件＞
脉冲序列设为简单的FID序列。各测定依赖于单一的序列，因此不进行磁共振信号的积蓄。交流电的频率设为60Hz，将脉冲序列重复约512次。
针对传感器元件的样品及脉冲序列所假定的条件(a)～(f)如下所述。
(a)相干时间T2*为1μs。在T2*＝1μS的情况下，NV中心的合计浓度为约10ppm。
(b)激光光点的直径为10μm，NV中心密度“NV”为0.5ppm(＝8.8×3×1016cm-3)。因此，球形容积内的NV中心的数量为约4.6×107。
(c)1％的对比度。此外，在自旋状态间存在成为约10％的可能性。
(d)对每个NV中心每读出一次平均为0.1的光子。
(e)测定FID信号的脉冲序列为图6所例示的包括两个π/2脉冲的脉冲序列。
(f)激光脉冲长度为30μs，激光脉冲与第一个π/2脉冲之间的待机时间为1μs，π/2脉冲长度为40ns，这些脉冲间的延迟(delay)为0.5μs。
在实施例1中，关于磁场的强度，假定40μT的振幅，关于电场的强度，假定20kV/cm的振幅。
＜数值模拟的结果＞
图13是与实施例1的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。(A)是与磁场的相位测定相关的模拟的结果，(B)是与电场的相位测定相关的模拟的结果。
磁场的强度的振幅取决于与电流线(导线)相距的距离r。在距离r为0.1m的情况下，磁场的强度的振幅为约2mT，且以1/r衰减。在实施例1的数值模拟中所假定的磁场的强度的振幅40μT相当于与电流线相距约5m的距离。仅供参考，已知针对自旋哈密顿的磁场的效果为约28GHz·T-1。将结果示于图13的(A)。
在图13的(A)中，以十字符号“×”绘制的多个点是对应于磁场的强度的自由感应衰减(FID)信号的信号强度的模拟值。通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得磁场的相位φB＝101.3±5.6mrad。
电场的强度的振幅取决于电流线(导线)与配置有金刚石NV中心的样品的接地面(ground-plane)之间的距离d。在距离d为1m的情况下，电场的强度的振幅为约0.2kV/cm，且以1/d衰减。在实施例1的数值模拟中所假定的电场的强度的振幅20kV/cm相当于与电流线相距约1cm的距离。仅供参考，已知针对自旋哈密顿的垂直电场的效果为约17HzcmV-1。电场的方向并无影响，在模拟中通过与磁场相同的方法将所述效果模型化。将结果示于图13的(B)。
图13的(B)中以十字符号“×”绘制的多个点是对应于电场的强度的自由感应衰减(FID)信号的信号强度的模拟值。通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得电场的相位φE＝86.2mrad、误差+16.4mrad～-15.74mrad。
实施例2
在实施例2中，使距电流线(导线)的距离不同于实施例1而进行数值模拟。只要未特别提及，则实施例2中的数值模拟的条件设为与实施例1中的条件相同。
在实施例2中，关于磁场的强度，假定200μT的振幅，关于电场的强度，假定200kV/cm的振幅。
＜数值模拟的结果＞
图14是与实施例2的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。(A)是与磁场的相位测定相关的模拟的结果，(B)是与电场的相位测定相关的模拟的结果。
实施例2的数值模拟中所假定的磁场的强度的振幅200μT相当于与电流线相距约1m的距离。将结果示于图14的(A)。在图14的(A)中，通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得磁场的相位φB＝100.2±1.1mrad。
实施例2的数值模拟中所假定的电场的强度的振幅200kV/cm相当于与电流线相距约1mm的距离。将结果示于图14的(B)。在图14的(B)中，通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得电场的相位φE＝100.2±1.9mrad。
＜探讨＞
若假定实际在电力系统的电线线路中流通的大电流或高电压的大小，以如下方式假设测定条件的数值，则对于经由电流线(导线)所供给的交流电，在交流电的一个周期之间测定磁场及电场的相位差所需的测定精度为约5.82mrad。
[测定条件]
·频率f：50/60Hz
·电压V振幅：约2×104V
·电流I振幅：约103A
在实施例1中所假定的距电流线的距离、即电流线与金刚石NV中心的样品之间的距离下，数值模拟所获得的磁场的相位φB的误差为±5.6mrad，电场的相位φE的误差为+16.4mrad或-15.74mrad。在这些φB及φE的误差中，特别是电场的相位φE，大幅超过作为所述所需的测定精度的约5.82mrad，在实施例1中所假定的距电流线的距离下，认为实现起来有障碍。
与此相对，在假定距电流线的距离短于实施例1的实施例2中所假定的距电流线的距离下，数值模拟所获得的磁场的相位φB的误差为±1.1mrad，电场的相位φE的误差为±1.9mrad。
由此，根据数值模拟所示，通过在实施例2中所假定的距电流线的距离、即磁场的测定方面为约1m的距离、电场的测定方面为约1mm的距离处分别配置金刚石NV中心的样品，由此关于实际在电力系统的电线线路中流通的大电流或高电压的交流电，能够以充分的测定精度实际测定电压及电流的相位差。
实施例3
在实施例3中，进行利用自旋回波信号的数值模拟。
＜数值模拟的条件＞
脉冲序列设为基于自旋回波法(哈恩回波法)的序列。各测定依赖于单一的序列，因此不进行磁共振信号的积蓄。交流电的频率设为60Hz，将脉冲序列重复约204次。
针对传感器元件的样品及脉冲序列所假定的条件(a)～(f)如下所述。
(a)相干时间T2为100μs。
(b)传感器容积为8.5×10-4mm3，NV中心的数量为1011。
(c)0.5％的对比度。此外，在自旋状态间，在NV中心未对齐的情况下存在成为7.5％的可能性，在对齐的情况下存在成为30％的可能性。
(d)对每个NV中心每读出一次平均为0.1的光子。
(e)测定自旋回波信号的脉冲序列为图12所例示的在两个π/2脉冲之间包括π脉冲的脉冲序列。
(f)激光脉冲长度为30μs，激光脉冲与第一个π/2脉冲之间的待机时间为1μs，π/2脉冲长度为40ns，π/2脉冲间的延迟(delay)为50μs。
在实施例3中，假定在与实施例1相同的距离处配置金刚石NV中心的样品。即，与实施例1相同，关于磁场的强度，假定40μT的振幅，关于电场的强度，假定20kV/cm的振幅。
＜数值模拟的结果＞
图15是与实施例3的磁场及电场的相位测定相关的数值模拟的结果。(A)是与磁场的相位测定相关的模拟的结果，(B)是与电场的相位测定相关的模拟的结果。
此外，在基于自旋回波法的脉冲序列中，电子自旋通过π脉冲的照射而在布洛赫球中沿着z轴被反转。由此，所观测的自旋回波信号包括与交流电的曲率相对应的信息。曲率是通过导函数来测定，因此图15所示的曲线看起来如余弦波(cosine wave)那样而非正弦波(sinusoidal wave)那样。
图15的(A)中以十字符号“×”绘制的多个点是与磁场的强度相对应的自旋回波信号的信号强度的模拟值。通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得磁场的相位φB＝100.3mrad、误差+0.8mrad～-0.9mrad。
图15的(B)中以十字符号“×”绘制的多个点是与电场的强度相对应的自旋回波信号的信号强度的模拟值。通过对以十字符号“×”绘制的这些多个点进行曲线拟合，可获得电场的相位φE＝101.5±2.2mrad。
通过实施例3的结果可确认，磁场的相位φB的误差及电场的相位φE的误差均大幅低于作为所述所需的测定精度的约5.82mrad。
＜探讨＞
在实施例1与实施例3之间比较通过数值模拟所获得的相位的测定精度。磁场的相位φB的误差及电场的相位φE的误差均为实施例3的数值模拟的结果优于实施例1的数值模拟的结果。所假定的距电流线的距离、即电流线与金刚石NV中心的样品之间的距离在实施例1与实施例3中相同。磁共振信号的检测中，在实施例1中假定观测自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列进行模拟，在实施例3中假定基于观测自旋回波信号的自旋回波法的脉冲序列进行模拟。
由此，根据数值模拟所示，在将金刚石NV中心的样品配置于距电流线的距离相同的位置的情况下，与观测自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列相比，优选使用基于观测自旋回波信号的自旋回波法的脉冲序列来观测磁共振信号。
实施例4
在实施例4中对相位差测定装置实施改良，验证性能是否通过改良而有所提高。在实施例4中进行两种改良。在第一改良中，对相位差测定装置实施用来修正脉冲周期的偏离的改良。在第二改良中，对多个相位差测定装置实施用来修正相位的偏离的改良。
图16是用来对实施例4的第一改良的概念进行说明的图。图16所示的脉冲序列对应于图6所示的脉冲序列或图8所示的脉冲序列中以虚线包围的部分。图中的符号I～符号IV对应于图6或图8等所示的状态I～状态IV。图16图示出脉冲序列与利用激光束的照射的数据(电子自旋状态的相位信息)读出时机的关系。图中，符号Rd表示利用激光束的读出数据的范围。
想要设定于装置的理想的脉冲序列及数据读出的时机如(A)所示。与此相对，实际的测定中的脉冲序列及数据读出的时机如(B)所示。如(B)所示，在实际的测定中，存在因脉冲图案生成器所产生的时钟频率的限度导致脉冲周期发生偏移的情况，由此导致存在利用激光束的读出数据的范围Rd也从对应于状态V的激光束的照射时机(发出荧光的时机)偏移符号Td所表示的时间量的情况。所谓脉冲图案生成器是图案发生器、功能发生器、脉冲流光(pulse streamer)等波形信号生成器。
在第一改良中，如(C)所示，将规定大小的荧光强度设定为触发点Trg，应用于时机调整，来修正脉冲周期的偏离。在本实施例中，设定为触发点的荧光强度的大小(脉冲图案生成器的触发电平)设为状态I所示的利用激光束的照射将电子自旋初始化时从传感器元件发出的上升部分的荧光强度的约5％～约90％。触发电平若大于90％，则在发生10％左右的大的磁共振的情况下无法读取触发点。而且，若小于5％，则有将散粒噪声误读为触发点的危险性。所设定的触发点应用于状态V所示的利用激光束的照射的数据读出时机的调整。通过触发点的应用进行的时机修正是针对每个脉冲进行。成为触发点的荧光强度的设定是由数据处理部33(PC)进行。此外，触发电平的下限可基于量子噪声或散粒噪声来设定，上限可基于自旋对比度比的最大值来设定，触发电平的范围可在这些的范围内设定。
图17是示意性地表示实施了第一改良的相位差测定装置10的概略构造的图。如图17所示，实施了第一改良的相位差测定装置10还包括设定了用来修正脉冲周期的偏离的触发点的脉冲图案生成器4。脉冲图案生成器4以将电子自旋状态进行初始化时的荧光强度作为触发点，将动作时机用的脉冲信号输出至电磁波照射部2及光照射部31，对测定周期的偏离进行修正。
在实施第一改良前后验证性能有无提高。图18是实施第一改良前后的磁共振信号。(A)为实施第一改良之前的磁共振信号，(B)为实施第一改良之后的磁共振信号。根据图18所示的磁共振信号的比较可确认，脉冲序列的周期未偏离，可准确地读取物理场的信号。
图19及图20是用来对实施例4的第二改良的概念进行说明的图，为表示在多个相位差测定装置中应用触发信号时的连接态样的图。图19表示第一连接态样，图20表示第二连接态样。
如图19及图20所示，为了通过多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b整体实现图6及图8等所例示的脉冲序列，而连接了脉冲图案生成器4。脉冲图案生成器4将动作时机用的脉冲信号输出至多个相位差测定装置的各部(开关22、声光调制元件312)，使多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b同步运行。向脉冲图案生成器4输入数据处理部33(PC)中所设定的触发信号，从数据处理部33向脉冲图案生成器4反馈时刻的信息。在本实施例中，对于同一对象物9(在实施方式所示的例子中为电气设备9)，使用图中左侧所示的相位差测定装置10a测定磁场(第一物理场)，使用图中右侧所示的相位差测定装置10b测定电场(第二物理场)。
在图19所示的第一连接态样中，经由信号线41、信号线42、信号线43、信号线44从脉冲图案生成器4向多个测定装置10a、测定装置10b的各部同时输入动作时机用的脉冲信号。触发信号也是同样，经由信号线51、信号线52从各测定装置10a、测定装置10b的数据处理部33同时向脉冲图案生成器4输入触发信号。
在图20所示的第二连接态样中，经由串联连接的信号线41A、信号线41B及串联连接的信号线42A、信号线42B，从脉冲图案生成器4向多个测定装置10a、10b的各部先后输入动作时机用的脉冲信号。触发信号也是同样，经由串联连接的信号线51A、信号线51B从各测定装置10a、测定装置10b的数据处理部33向脉冲图案生成器4先后输入触发信号。
在第一连接态样与第二连接态样之间比较通过第二改良带来的性能提高。图21是通过图19所示的第一连接态样所获得的磁共振信号。(A)为通过图19中的左侧所示的相位差测定装置10a所获得的磁共振信号，(B)为通过图19中的右侧所示的相位差测定装置10b所获得的磁共振信号。图22是通过图20所示的第二连接态样所获得的磁共振信号。(A)为通过图20中的左侧所示的相位差测定装置10a所获得的磁共振信号，(B)为通过图20中的右侧所示的相位差测定装置10b所获得的磁共振信号。为了使比较变得容易，(A)及(B)使曲线图横轴的标度一致。
如图21的(A)、(B)所示，根据第一连接态样，每次执行测定，在多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b之间均发生磁共振信号的相位(峰位置)的偏离。与此相对，如图22的(A)、(B)所示，根据第二连接态样，磁共振信号的相位的偏离与第一连接态样相比有所减小，大致消除，磁共振信号在多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b之间以始终一致的相位被获取。由此可确认，图20所示的第二连接态样、即将动作时机用的脉冲信号先后输入多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b的各部的态样与图19所示的第一连接态样、即将动作时机用的脉冲信号同时输入多个相位差测定装置10a、相位差测定装置10b的各部的态样相比，减小了通过测定所获得的磁共振信号的相位的偏离，第二连接态样与第一连接态样相比，性能有所提高。
应认为，本说明书所公开的实施方式在所有方面为例示，并非进行限制。本发明的技术范围不仅包括所述例示的实施方式，例如通过如以连续波(CW)计测磁场(电流)并以脉冲序列计测电场(电压)的组合来计测相位的情况也包括于本发明的技术范围内。
符号的说明
1：传感器元件(金刚石的NV中心)
2：电磁波照射部
3：相位差测定部
8：相互作用
9(9a、9b)：电气设备(变流器、变压器)
10(10a、10b)：相位差测定装置
11：探针
12：金刚石的结晶
14：天线
21：微波(MW)振荡器
22：开关
23：放大器
31：光照射部
311：光源
312：声光调制元件(AOM)
313：物镜
32：变化检测部
33：数据处理部
331：磁场相位算出部
332：电场相位算出部
333：相位差信号输出部
99：网络。
Claims (13)
1.一种相位差测定装置，其包括：
电磁波照射部，将用来对因与由交流信号产生的第一物理场或第二物理场的相互作用而发生变化的量子传感器元件的电子自旋状态进行操作的电磁波重复照射至所述量子传感器元件；及
相位差测定部，获取与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，基于所获取的多个所述电子自旋状态，对多个物理场之间的相位差进行测定。
2.根据权利要求1所述的相位差测定装置，其中所述相位差测定部包括：
第一物理场相位算出部，基于与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第一物理场的相位；及
第二物理场相位算出部，基于与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第二物理场的相位，
基于所算出的所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位，测定所述相位差。
3.根据权利要求2所述的相位差测定装置，其中
所述第一物理场相位算出部通过拟合和与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第一物理场的相位，
所述第二物理场相位算出部通过拟合和与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第二物理场的相位。
4.根据权利要求1所述的相位差测定装置，其中
所述电磁波照射部是观测所述电子自旋状态的自由感应衰减(FID)信号的脉冲序列，通过包括多个π/2脉冲的脉冲序列将所述电磁波重复照射至所述量子传感器元件。
5.根据权利要求3所述的相位差测定装置，其中
所述电磁波照射部是观测所述电子自旋状态的自旋回波信号的脉冲序列，通过包括多个π/2脉冲及所述多个π/2脉冲间的π脉冲的脉冲序列将所述电磁波重复照射至所述量子传感器元件，
所述第一物理场相位算出部及所述第二物理场相位算出部分别拟合与所述交流信号的曲率相对应的所述时间序列的多个数据。
6.根据权利要求1所述的相位差测定装置，其中所述相位差测定部还包括：
光照射部，将用来读出与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的所述电子自旋状态的相位信息的光照射至所述量子传感器元件；
变化检测部，对所述光的照射使得所述量子传感器元件所发生的变化进行检测；及
数据处理部，从所述检测到的变化中读出所述电子自旋状态的相位信息，基于所读出的所述电子自旋状态的相位信息，测定所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位的所述相位差。
7.根据权利要求6所述的相位差测定装置，其还包括：
脉冲图案生成器，以将所述电子自旋状态进行初始化时的荧光强度作为触发点，将动作时机用的脉冲信号输出至所述电磁波照射部及所述光照射部，对测定周期的偏离进行修正。
8.根据权利要求7所述的相位差测定装置，其中
动作时机用的所述脉冲信号在多个所述相位差测定装置之间串联连接。
9.根据权利要求1所述的相位差测定装置，其中
所述交流信号为经由电气设备流通的交流信号。
10.一种相位差测定方法，其包括：
将用来对因与由交流信号产生的第一物理场或第二物理场的相互作用而发生变化的量子传感器元件的电子自旋状态进行操作的电磁波重复照射至所述量子传感器元件的工序；及
获取与所述第一物理场或所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，基于所获取的多个所述电子自旋状态，对所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位的相位差进行测定的工序。
11.根据权利要求10所述的相位差测定方法，其中测定所述相位差的工序包括：
基于与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第一物理场的相位的工序；及
基于与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态，算出所述第二物理场的相位的工序，
基于所算出的所述第一物理场的相位与所述第二物理场的相位，测定所述相位差。
12.根据权利要求11所述的相位差测定方法，其中
算出所述第一物理场的相位的工序通过拟合和与所述第一物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第一物理场的相位，
算出所述第二物理场的相位的工序通过拟合和与所述第二物理场进行相互作用后的多个所述电子自旋状态相对应的时间序列的多个数据，算出所述第二物理场的相位。
13.一种电气设备，其包括如权利要求1至9中任一项所述的相位差测定装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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