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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes, das mit einer solchen Sensoreinheit durchgeführt wird.
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Stand der Technik
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Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
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Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
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Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen:
wobei µ die magnetische Permeabilität ist.
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Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung wird bspw. als Magnetometer bezeichnet.
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Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr-Magnetometer und Farady-Magnetometer.
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Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in denen Gitterdefekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. So ist es bekannt, eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle (engl.: nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamanten für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen zu nutzen. Es wird in diesem Zusammenhang auf 1 verwiesen.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Messung eines Magnetfeldes, der eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen, die Stickstoff-Fehlstellen aufweisen, umfasst. Die sensitive Komponente kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich angeregt werden.
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Die bei solchen Anordnungen verwendeten Quantentechnologien haben gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff-Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:
- - ultrahohe Empfindlichkeiten (1 pT/,√Hz),
- - Vektormagnetometrie, d. h. eine Richtungsbestimmung des Magnetfeldes ist möglich,
- - hoher Messbereich (> 1 Tesla),
- - Linearität (Zeemaneffekt),
- - keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht, ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine ortsunabhängige und zeitunabhängige Konstante ist,
- - es ist möglich, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamant vorhandenen vier möglichen Raumrichtungen der NV-Achse zu bestimmen.
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Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe 3A Zustand in 1 (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf 2 verwiesen. Das rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe 2, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu 3. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe 3. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor dem obigen Hintergrund werden eine Sensoreinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt.
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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes, wobei die Sensoreinheit eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht, und zwar Anregungslicht, umfasst. Ferner umfasst die Sensoreinheit mindestens einen ersten Sensor zum Bestimmen eines Messsignals eines Objektes und einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines Hintergrundmagnetfeldes. Dabei ist der erste Sensor als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet und weist einen hochsensitiven Diamanten mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum auf, wobei das NV-Zentrum eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz emittiert.
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Eine fluoreszierende Wirkung bedeutet, dass das NV-Zentrum auf eine Anregung, insbesondere mittels des Lichtes der Lichtquelle, eine Fluoreszenz emittiert. Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Erregung eines Materials durch Elektronenübergang. Damit ist das emittierte Licht regelmäßig energieärmer als das zuvor absorbierte Licht (Rotverschiebung). Das aufgrund von Fluoreszenz emittierte Licht ist somit in der Regel energieärmer als das Licht, das zur Anregung verwendet wird, vorzugsweise durch Anregungslicht der Lichtquelle.
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Der Diamant weist vorzugsweise mehrere NV-Zentren auf, vorteilhafterweise ist der Diamant mit 0,01 bis 10 ppm, am meisten bevorzugt mit 0,1 bis 1 ppm, NV-Zentren dotiert. Der Diamant weist insbesondere einen hohen dynamischen Messbereich in Ausgestaltung bis zu 1 Tesla auf.
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Die Lichtquelle emittiert insbesondere Licht, das als Anregungslicht bezeichnet wird, wobei es sich vor allem um grünes Licht handelt, vor allem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 510 nm bis 540 nm, während die emittierte Fluoreszenz eine Wellenlänge zwischen 650 nm und 800 nm aufweist.
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Der erste Sensor ist insbesondere dazu ausgebildet, in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes angeordnet zu werden. Der zweite Sensor dient insbesondere dazu, Hintergrundmagnetfelder, in anderen Worten Hintergrundrauschen, hoch auflösend am Ort des ersten Sensors zu ermitteln, während der erste Sensor dazu dient, das eigentliche Messsignal in möglichst kleinem Abstand zum Objekt zu messen.
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Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um einen menschlichen Kopf handeln. Dabei ist der erste Sensor dazu ausgebildet, die Magnetfelder am menschlichen Kopf nachzuweisen, die durch die Gehirnaktivität und die damit verbundenen Ströme entstehen. Dabei bringt der erste Sensor, dadurch, dass er als NV-Magnetometer ausgebildet ist, die benötigte Empfindlichkeit für die entsprechende Messung mit. Weitere Vorteile des NV-Magnetometers sind ferner ein hoher dynamischer Bereich und eine vektorielle Erfassung des Magnetfeldes, da er nah an die Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes, beispielsweise eines menschlichen Gehirns, gebracht werden kann.
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Insbesondere bevorzugt umfasst die Sensoreinheit mehrere NV-Magnetometer, die an unterschiedlichen Stellen in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes platziert werden können, um ortsaufgelöste Informationen über das Messsignal, insbesondere über die Feldverteilung des gemessenen Magnetfeldes, zu erhalten. Auch in einem solchen Fall ist das Bestimmen des Hintergrundrauschens mittels des zweiten Sensors essenziell.
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Bei dem zweiten Sensor handelt es sich insbesondere um einen Gasdampfzellenmagnetometer oder einen SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Magnetometer.
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Die vorgenannten Magnetometer weisen eine außerordentliche magnetische Sensitivität auf, die insbesondere im Bereich von Femtotesla und kleiner liegt. In dieser Hinsicht ist der zweite Sensor dem ersten Sensor, der ein NV-Magnetometer darstellt, überlegen. Allerdings haben Gasdampfzellenmagnetometer und SQUIDs den Nachteil, dass für den Abstand zwischen Sensor und Objekt gewisse Limitierungen gelten, sowie dass das räumliche Auflösungsvermögen nur im Bereich von Millimetern bis Zentimetern reicht. Dies sind nun aber gerade die Stärken von NV-Magnetometern und somit des ersten Sensors, dessen räumliche Auflösung vorzugsweise bis in den Nanometerbereich reicht.
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Um besonders kleine Magnetfelder auslösen zu können, spielt insbesondere der Einfluss von Stör- beziehungsweise Hintergrundfeldern eine bedeutende Rolle. Dies ist insofern ein Problem bei einer großen Distanz zwischen dem Objekt und dem Magnetfeldsensor, da die Feldamplitude des zu messenden Feldes stark mit der Distanz abnimmt, und zwar skaliert sie mit 1/r3, wobei r den Abstand darstellt. Wird nun ein SQUID oder ein Gasdampfzellenmagnetometer als Sensor zum Messen des eigentlichen Messsignals eingesetzt, werden im Stand der Technik magnetische Abschirmungen benötigt, die sehr kostenintensiv sind und auch ein gewisses Ballvolumen benötigen, was eine Miniaturisierung des gesamten Systems erschwert. Mit der vorliegenden Kombination des ersten Sensors, der zur Messung des eigentlichen Messsignals dient, und dem zweiten Sensor, der zur Bestimmung des Hintergrundmagnetfeldes dient, werden die Vorteile der verwendeten Sensortypen optimal miteinander kombiniert. Während der erste Sensor ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor ohne aufwendige Abschirmungsvorrichtung ist, kann dieser in unmittelbarer Nähe zum Objekt angeordnet werden, während der zweite Sensor, der sich vorzugsweise in einem definierten Abstand zum zu messenden Objekt befindet, eine Referenzmessung durchführen kann, um das Hintergrundmagnetfeld zu bestimmen und somit vom Messsignal des ersten Sensors abziehen zu können.
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Insbesondere umfasst die Sensoreinheit eine mit der Lichtquelle verbundene optische Faser, wobei die optische Faser zur Anregung des mindestens einen NV-Zentrums des ersten Sensors mittels des Lichtes der Lichtquelle ausgebildet ist. In anderen Worten ist die Faser mit der Lichtquelle verbunden, beispielsweise über einen Faserkoppler, und dient dazu, das Licht der Lichtquelle auf den Diamanten und somit das mindestens eine NV-Zentrum zu lenken.
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Der zweite Sensor kann an der optischen Faser befestigt sein, sodass sich ein definierter Abstand des zweiten Sensors zum ersten Sensor ergibt. Die optische Faser, welche für den ersten Sensor verwendet wird, kann somit zur Befestigung des zweiten Sensors verwendet werden, sodass der definierte Abstand zwischen den beiden Sensoren ermittelt und auch während des Messbetriebs beibehalten werden kann.
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Ferner umfasst die Sensoreinheit eine Auswerteeinheit, die mindestens eine Signal-Verarbeitungs- und Steuerungseinheit zur Bestimmung eines ersten Messsignals basierend auf dem ersten Sensor und eines zweiten Messsignals basierend auf dem zweiten Sensor umfasst. Die Signal-Verarbeitungs- und Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf dem zweiten Messsignal des zweiten Sensors ein Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors zu bestimmen. Dabei wird der bekannte Abstand zwischen den Sensoren berücksichtigt. Nun kann das Messsignal des ersten Sensors kalibriert werden, beziehungsweise korrigiert, indem das bestimmte Hintergrundmagnetfeld abgezogen wird.
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Es können somit insgesamt äußerst kleine Magnetfelder ohne Störung durch ein Hintergrundmagnetfeld ermittelt werden.
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Insbesondere umfasst die Sensoreinheit einen Fotodetektor zum Empfangen der emittierten Fluoreszenz. Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit eine Optik zur Trennung des Anregungslichtes und der emittierten Fluoreszenz, sodass nur die emittierte Fluoreszenz auf den Fotodetektor trifft. Insbesondere wird die von dem mindestens einen NV-Zentrum emittierte Fluoreszenz über dieselbe optische Faser wie die Anregung ausgelesen. Daher ist die Trennung des Anregungslichtes und der Fluoreszenz essenziell. Hierfür wird insbesondere ein dichroischer Spiegel eingesetzt, der in der Peripherie der Sensoreinheit platziert werden kann, genauso wie der zweite Sensor.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer oben beschriebenen Sensoreinheit umfassend einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Das Verfahren umfasst insbesondere das Anordnen des ersten Sensors in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes, das Messen eines Hintergrundfeldes mit Hilfe des zweiten Sensors, das Bestimmen des Hintergrundmagnetfeldes am Ort des ersten Sensors und das Kalibrieren eines Messsignals des ersten Sensors mit Hilfe des bestimmten Hintergrundmagnetfeldes am Ort des ersten Sensors.
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Insbesondere umfasst die Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Mikrowellen, vorzugsweise Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 2,87 GHz. Die Mikrowellen sind notwendig zur Spinn-Manipulation des mindestens einen NV-Zentrums. In anderen Worten werden mit Hilfe der Mikrowellen Spinnübergänge induziert, sodass mindestens ein NV-Zentrum Fluoreszenz emittiert, wenn die Mikrowellenfrequenz der Übergangsenergie des NV-Zentrums entspricht. Die vorliegende Erfindung nutzt den Zeeman-Effekt aus, und zwar die Aufspaltung von Spektrallinien durch ein Magnetfeld. Die Aufspaltung entsteht durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände unter dem Einfluss des zu messenden Magnetfeldes.
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Insgesamt handelt es sich bei der Sensoreinheit somit um ein Sensorsystem, das vorzugsweise zwei unterschiedliche Sensortypen miteinander kombiniert. In anderen Worten führt die vorliegende Erfindung einen hybriden Magnetometeransatz aus, der die Vorteile verschiedenen Sensortypen miteinander kombiniert. Es werden mit der vorliegenden Erfindung somit die folgenden Vorteile erreicht:
- • Es werden die Vorteile verschiedener Sensortypen miteinander kombiniert, und zwar die genaue Ortsauflösung des ersten Sensors mit der besonderen Sensitivität des zweiten Sensors.
- • Aufwendige und teure Abschirmungsvorrichtung für den zweiten Sensor sind nicht nötig.
- • Es ergibt sich ein Miniaturisierungspotenzial des kombinierten Sensorsystems, da sich sowohl der erste Sensor als auch der zweite Sensor kompakt aufbauen lassen.
- • Elektrische Störfelder, beispielsweise für Stromschlüsse, könnten in der Peripherie untergebracht werden, und würden daher im Bereich des zu untersuchenden Objektes kein zusätzliches Hintergrundfeld erzeugen.
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Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
- 1: Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamanten;
- 2: ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums;
- 3: eine optisch detektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV-Zentrums;
- 4: den Zeeman-Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums;
- 5: eine gepulste Anregung;
- 6: den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit in Bezug auf ein Objekt;
- 7: den Aufbau der Sensoreinheit der 6 im größeren Detail, und
- 8: ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt auf der linken Seite ein Kristallgitter, in diesem Fall einen Diamanten, wobei das Kristallgitter insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kristallgitter 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV-Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff-Fehlstelle 18 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant-Kristall ausgerichtet.
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Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV-Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand
3A
2 32 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl ms = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit ms = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand
3E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Field Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Field Splitting ist eine intrinsische Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW-Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Sie beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung:
wobei ΔT die Abweichung von der Raumtemperatur, β die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit β ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, y
NV das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und B
0 die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
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2 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in 1 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Abszisse 54 der Absorptionskoeffizient [cm-1] und an einer zweiten Abszisse 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV0 ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV- Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV-Fluoreszenz. Weiterhin ist NV- ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
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3 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODMR) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz, an einer ersten Ordinate 104 das Magnetfeld B und an einer zweiten Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
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Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks ω1 114 und ω2 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
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4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
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5 zeigt die gepulste Anregung anhand ihres zeitlichen Verlaufs, der an einer Zeitachse 250 aufgetragen ist. Dabei ist oben 252 die Laseranregung und unten 254 die Mikrowellenanregung gezeigt. Zu beachten ist, dass die Abfolge von einem Laserpuls und einem Mikrowellenpuls periodisch wiederholt werden. Der Laserpuls dient zum Initialisieren des Elektronenspins der NV-Fehlstellen (zweiter Anteil des Pulses 260) und zum Auslesen des Elektronenspins nach der Manipulation (erster Anteil des Laserpulses 262). Der Mikrowellenpuls 270 dient zur Manipulation des Elektronenspins, in Abhängigkeit von dem magnetischen Feld, worauf das Messprinzip beruht.
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6 zeigt in schematischer Darstellung eine Sensoreinheit 400 umfassend einen ersten Sensor 401 und einen zweiten Sensor 402. Während der ersten Sensor 401 als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet ist, handelt es sich bei dem zweiten Sensor 402 um einen Gasdampfzellenmagnetometer oder einen SQUID Magnetometer. Zwischen den beiden herrscht ein definierter Abstand 405. Der erste Sensor 401 kann in unmittelbarer Nähe zu einem Objekt 300, das untersucht werden soll, gebracht werden.
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7 zeigt im größeren Detail die Sensoreinheit 400 umfassend einen ersten Sensor 401 und einen zweiten Sensor 402 der 6. Ferner ist in 7 die Lichtquelle 403 zu sehen, die zur Erzeugung von Licht, in anderen Worten Anregungslicht 407, dient. Über eine optische Faser 406, vorzugsweise ferner einen Faserkoppler 406a, wird das Licht dem ersten Sensor (401), und zwar dem Diamanten 404, zugeführt. Das Anregungslicht 407 passiert dabei eine Optik 409, und zwar einen dichroitischen Spiegel 410, der derart angeordnet ist, dass er das Anregungslicht 407 ungehindert passieren lässt.
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Ferner ist in 7 eine Quelle 411 zum Erzeugen von Mikrowellen gezeigt, die für einen entsprechenden Split der Energieniveaus der NV-Zentren notwendig ist. Die durch Elektronenübergänge ausgelöste Fluoreszenz 408 wird durch dieselbe optische Faser 406 geleitet, passiert die Optik 409 allerdings nicht, sondern wird von dieser umgeleitet, sodass nur Fluoreszenz 408 auf den Fotodetektor 412 trifft. In anderen Worten sorgt die Optik 409 dafür, dass die emittierte Fluoreszenz 408 vom Anregungslicht 407 separiert auf den Fotodetektor 412 treffen kann. Die optische Faser 406, welche für den ersten Sensor 401 verwendet wird, kann für die Befestigung des zweiten Sensors 402 verwendet werden.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500. In einem ersten Schritt wird der erste Sensor 401 in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes 300 angeordnet 501. Es wird mit Hilfe des zweiten Sensors 402 ein Hintergrundmagnetfeld gemessen 502 und das Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors 401 bestimmt 503. Auf diese Weise kann das Messsignal des ersten Sensors 401 kalibriert werden 504, indem das Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors 401 von dem Messsignal des ersten Sensors 401 abgezogen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219550 A1 [0008]
