DE102022201690A1 - Sensor unit for measuring magnetic fields - Google Patents

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DE102022201690A1
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Thomas Buck
Andreas Brenneis
Tino Fuchs
Felix Michael Stuerner
Robert Roelver
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (100) zur nichtabgeschirmten Messung schwacher Magnetfelder, umfassend: zwei Magnetometer (300, 400a, 400b), die in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jedes Magnetometer ein Sensormedium (101, 102, 304) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine magnetische Feldstärke an einem Messort durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen, wobei die Sensoreinheit weiter mindestens eine Anregungslichtquelle (120) zum Einstrahlen von Licht (124) in die Sensormedien (101, 102) der Magnetometer aufweist, wobei die Sensoreinheit weiter mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (406) zum Ermitteln eines Magnetfeldgradienten (100, 200, 300, 400) als Differenz der Ausgangssignale der zwei Magnetometer aufweist.The invention relates to a sensor unit (100) for the unshielded measurement of weak magnetic fields, comprising: two magnetometers (300, 400a, 400b) which are arranged at a fixed distance from one another, each magnetometer having a sensor medium (101, 102, 304) and to is set up to detect a magnetic field strength at a measurement location by reading out a spin resonance in the sensor medium that is dependent on the magnetic field strength, the sensor unit also having at least one excitation light source (120) for radiating light (124) into the sensor media (101, 102) of the Having magnetometer, the sensor unit further having at least one signal processing unit (406) for determining a magnetic field gradient (100, 200, 300, 400) as the difference of the output signals of the two magnetometers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zur Messung von Magnetfeldern auf Grundlage von Magnetresonanzen.The present invention relates to a sensor unit for measuring magnetic fields based on magnetic resonances.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Zur Messung sehr kleiner Magnetfeldstärken sind verschiedene Sensortechnologien bekannt. Einer der empfindlichsten Sensortypen sind SQUID-Magnetometer (Superconducting QUantum Interference Device), die auf supraleitenden Bauelementen beruhen und mit denen einzelne magnetische Flussquanten bzw. Felder bis in den Bereich weniger Picotesla (pT) aufgelöst werden können. Nachteil der SQUID-Sensoren ist jedoch die Notwendigkeit der Kühlung unter die supraleitende Sprungtemperatur, welche für die meisten supraleitenden unterhalb von 63 Kelvin, d.h. unter der Temperatur von flüssigem Stickstoff liegt. Darüber hinaus ist der Messbereich dieser Sensoren beschränkt und kann nicht bei großen Störfeldern arbeiten, so dass Messungen nur in speziell magnetisch abgeschirmten Räumen möglich sind.Various sensor technologies are known for measuring very small magnetic field strengths. One of the most sensitive sensor types are SQUID magnetometers (Superconducting QUantum Interference Device), which are based on superconducting components and with which individual magnetic flux quanta or fields can be resolved down to the range of a few picotesla (pT). The disadvantage of SQUID sensors, however, is the need for cooling below the superconducting transition temperature, which for most superconducting ones is below 63 Kelvin, i.e. below the temperature of liquid nitrogen. In addition, the measuring range of these sensors is limited and cannot work with large interference fields, so that measurements are only possible in specially magnetically shielded rooms.

Ebenso sind beispielsweise aus der DE 10 2018 220 234 A1 oder der DE 10 2018 214 617 A1 quantenbasierte Magnetsensoren auf der Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren bekannt, die auf der Detektion von Spinresonanzen in Magnetfeldern beruhen.Likewise, for example, from the DE 10 2018 220 234 A1 or the DE 10 2018 214 617 A1 known quantum-based magnetic sensors based on nitrogen vacancy centers, which are based on the detection of spin resonances in magnetic fields.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß wird eine Sensoreinheit zur Messung von Magnetfeldern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a sensor unit for measuring magnetic fields with the features of patent claim 1 is proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.

Insbesondere wird eine Sensoreinheit vorgeschlagen, die zwei Magnetometer aufweist, die in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jedes Magnetometer ein Sensormedium aufweist und dazu eingerichtet ist, eine magnetische Feldstärke an einem Messort durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen, wobei die Sensoreinheit weiter mindestens eine Anregungslichtquelle zum Einstrahlen von Licht in die Sensormedien der Magnetometer und mindestens eine Signalverarbeitungseinheit zum Ermitteln eines Magnetfeldgradienten als Differenz der Ausgangssignale der zwei Magnetometer aufweist.In particular, a sensor unit is proposed which has two magnetometers which are arranged at a fixed distance from one another, each magnetometer having a sensor medium and being set up to measure a magnetic field strength at a measurement location by reading out a spin resonance in the sensor medium which is dependent on the magnetic field strength detect, wherein the sensor unit further comprises at least one excitation light source for radiating light into the sensor media of the magnetometer and at least one signal processing unit for determining a magnetic field gradient as the difference between the output signals of the two magnetometers.

Indem zwei Magnetometer in festem Abstand zueinander verwendet werden, die dann so angeordnet werden können, dass ein Magnetometer einen größeren Abstand zu einer schwachen Magnetfeldquelle aufweist als das zweite Magnetometer, entspricht der Magnetfeldgradient näherungsweise dem Feld, das von der schwachen Quelle ausgeht, während wesentlich stärkere Hintergrundfelder eliminiert werden. Damit entfällt die Notwendigkeit einer magnetischen Abschirmung, so dass die Magnetfeldmessung in Alltagsumgebungen möglich wird. Die Sensoreinheit eignet sich entsprechend insbesondere zur nichtabgeschirmten Messung schwacher Magnetfelder.By using two fixedly spaced magnetometers, which can then be arranged so that one magnetometer is further away from a weak magnetic field source than the second magnetometer, the magnetic field gradient approximates the field emanating from the weak source while much stronger ones Background fields are eliminated. This eliminates the need for magnetic shielding, making magnetic field measurement possible in everyday environments. Accordingly, the sensor unit is particularly suitable for the unshielded measurement of weak magnetic fields.

Insbesondere wird als mögliche Ausführungsform eine Sensoreinheit vorgeschlagen, in der jedes Magnetometer ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-Magnetometer aufweist, wobei das Sensormedium einen Diamantkristall oder einen Abschnitt eines Diamantkristalls mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aufweist, und wobei die Sensoreinheit weiter mindestens eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen eines resonanten Felds in dem Sensormedium sowie mindestens einen Photodetektor zum Erfassen von resonanzabhängigem Fluoreszenzlicht aus dem Sensormedium aufweist. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-Magnetometer bieten einerseits eine sehr hohe Empfindlichkeit, sind darüber hinaus aber auch einfach in kompakter Bauweise zu realisieren, so dass kleine Sensorköpfe entstehen. Eine aufwändige Kühlung wie etwa bei SQUID-Sensoren ist nicht nötig. Darüber hinaus können mit NV-Fehlstellen-Zentren inhärent vektorielle Magnetfeldmessungen vorgenommen werden.In particular, a sensor unit is proposed as a possible embodiment, in which each magnetometer has a nitrogen vacancy center magnetometer, the sensor medium having a diamond crystal or a section of a diamond crystal with nitrogen vacancy centers, and the sensor unit further having at least one microwave source for Generating a resonant field in the sensor medium and having at least one photodetector for detecting resonance-dependent fluorescent light from the sensor medium. Nitrogen vacancy center magnetometers offer very high sensitivity on the one hand, but are also easy to implement in a compact design, so that small sensor heads are created. Expensive cooling, such as with SQUID sensors, is not necessary. In addition, inherently vector magnetic field measurements can be made with NV vacancy centers.

Das Sensormedium kann beispielsweise ein dünnes Diamantplättchen umfassen, da kein großes Volumen zur Fluoreszenzmessung notwendig ist. Damit kann ein Sensor noch kompakter und auch kostengünstiger gestaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensormedium der beiden Magnetometer auch jeweils einen Abschnitt desselben Diamantkristalls umfassen. In dieser Bauweise ist, neben der Kompaktheit, auch sichergestellt, dass die beiden als Sensormedium genutzten Abschnitte im Wesentlichen gleiche Eigenschaften aufweisen und damit auch die gleichen optischen Eigenschaften bei der Auslesung der Spinresonanz zeigen, so dass keine Fehlerquellen bei der Differenzbildung des Gradiometers entstehen.The sensor medium can include a thin diamond plate, for example, since a large volume is not required for the fluorescence measurement. A sensor can thus be designed to be even more compact and also more cost-effective. Alternatively or additionally, the sensor medium of the two magnetometers can also each comprise a section of the same diamond crystal. In addition to compactness, this design also ensures that the two sections used as the sensor medium have essentially the same properties and thus also show the same optical properties when reading out the spin resonance, so that no sources of error arise when the gradiometer calculates the difference.

Es ist außerdem möglich, dass ein als Sensormedium verwendeter Diamantkristall so ausgelegt ist, dass er als Wellenleiter zur Leitung des Lichts der Anregungslichtquelle an die Messorte der beiden Magnetometer dient. Damit können auch Zuleitungen eingespart werden.It is also possible for a diamond crystal used as a sensor medium to be designed in such a way that it serves as a waveguide for conducting the light from the excitation light source to the measurement locations of the two magnetometers. This means that feed lines can also be saved.

Bevorzugt werden in allen Varianten für die beiden Magnetometer dieselbe Anregungslichtquelle und/oder dieselbe Mikrowellenquelle verwendet. Auf diese Weise werden Schwankungen und Rauschanteile aus diesen Elementen automatisch durch die Differenzsignalbildung eliminiert (common noise rejection).The same excitation light source and/or the same microwave source are preferably used in all variants for the two magnetometers. In this way, fluctuations and noise components from these elements are automatically compensated by the Differential signal formation eliminated (common noise rejection).

Darüber hinaus kann die Sensoreinheit im Bereich des Sensormediums einen Mikrowellenresonator umfassen, der auf die Spinresonanz des Sensormediums abgestimmt ist. Mit einem Mikrowellenresonator kann ein homogenes Mikrowellenfeld in den relevanten Stellen des Sensormediums erzeugt werden, während die Mikrowellenquelle auch entfernt davon angeordnet sein kann und über geeignete Verbindungen in die Resonatoren der Magnetometer eingespeist werden.In addition, the sensor unit can include a microwave resonator in the area of the sensor medium, which is tuned to the spin resonance of the sensor medium. With a microwave resonator, a homogeneous microwave field can be generated in the relevant points of the sensor medium, while the microwave source can also be arranged remotely and fed into the resonators of the magnetometers via suitable connections.

Um vektorielle Magnetfeldmessungen zu ermöglichen, kann die Sensoreinheit außerdem eine Einrichtung zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen Bias-Magnetfelds im Bereich des Sensormediums umfassen. Da das NV-Zentrum im Diamant vier Anordnungsmöglichkeiten hat, die im Fluoreszenzspektrum jeweils als eigene Frequenzaufspaltung sichtbar werden, lassen sich Magnetfeldrichtung und Stärke für jede Kristallrichtung extrahieren, so dass auch die Quelle des Magnetfelds lokalisiert werden kann. Um ein solches Bias-Magnetfeld zu erzeugen, kann beispielsweise eine Helmholtz-Spulenanordnung verwendet werden, innerhalb der sich zumindest das Sensormedium bzw. die Sensorköpfe der zwei Magnetometer befinden. Mit Helmholtzspulen lässt sich ein besonders homogenes Feld erzeugen.In order to enable vectorial magnetic field measurements, the sensor unit can also include a device for generating a substantially homogeneous bias magnetic field in the area of the sensor medium. Since the NV center in the diamond has four possible configurations, each of which is visible in the fluorescence spectrum as its own frequency splitting, the magnetic field direction and strength can be extracted for each crystal direction, so that the source of the magnetic field can also be localized. In order to generate such a bias magnetic field, a Helmholtz coil arrangement can be used, for example, within which at least the sensor medium or the sensor heads of the two magnetometers are located. A particularly homogeneous field can be generated with Helmholtz coils.

Der Abstand zwischen den zwei Magnetometern, d.h. zwischen den Messorten an den Sensormedien, kann im Bereich von Millimetern bis Zentimetern liegen und ist letztendlich auch von der Stärke des zu messenden Magnetfelds abhängig. Als Beispiel kann ein Abstand gewählt werden, der zwischen 1 und 30 Millimetern liegt, bevorzugt zwischen 5 und 20 Millimetern.The distance between the two magnetometers, i.e. between the measuring points on the sensor media, can range from millimeters to centimeters and ultimately also depends on the strength of the magnetic field to be measured. As an example, a distance can be chosen that is between 1 and 30 millimeters, preferably between 5 and 20 millimeters.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt eine schematische Übersicht über eine Sensoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; 1 shows a schematic overview of a sensor unit according to an exemplary embodiment of the invention;
  • 2 zeigt Magnetfeldstärken bei der Messung von Hirnmagnetfeldern in verschiedenen Abständen vom Kopf; 2 shows magnetic field strengths when measuring brain magnetic fields at different distances from the head;
  • 3 zeigt einen Sensorkopf, der als Teil einer Sensoreinheit gemäß einer beispielhaften Ausführungsform genutzt werden kann; und 3 12 shows a sensor head that can be used as part of a sensor unit according to an exemplary embodiment; and
  • 4 zeigt eine Sensoreinheit mit zwei der in 3 dargestellten Sensorköpfen. 4 shows a sensor unit with two of the in 3 illustrated sensor heads.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere quantenbasierte bzw. optisch gepumpte Magnetometer, wobei in den folgenden Ausführungsformen Diamant-NV-Magnetometer beschrieben sind. Es ist jedoch auch denkbar, andere Magnetometer mit vergleichbaren Eigenschaften in die Sensoreinheit zu integrieren.In order to measure very small magnetic field strengths, quantum-based or optically pumped magnetometers are particularly suitable as sensors, with diamond NV magnetometers being described in the following embodiments. However, it is also conceivable to integrate other magnetometers with comparable properties into the sensor unit.

Die hier beispielhaft beschriebenen Magnetometer nutzen optisch gepumpte und/oder optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODRM). Dabei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energieniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der sogenannte Zeeman-Effekt. Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigenschaften wie der Absorption von Licht gemessen werden können. Aus den gemessenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.The magnetometers described here by way of example use optically pumped and/or optically detected magnetic resonances (ODRM). This exploits the fact that the energy levels of certain spin states of unpaired electrons split under the influence of an external magnetic field, the so-called Zeeman effect. The splitting of the energy levels results in changed transitions during relaxation from excited states, which can then be measured, for example, by optical excitation and frequency-dependent detection of the resulting fluorescence radiation or by observing optical properties such as the absorption of light. The magnetic field strength can then in turn be inferred from the measured optical parameters.

Diamant-NV-Magnetometer beruhen auf dem Auslesen von Magnetresonanzen von speziellen Defektzentren in Diamant, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen (NV, nitrogen vacancy), die als Verunreinigungen des Kohlenstoffgitters von Diamant auftreten und auch gezielt eingebracht werden können. Wird das NV-Zentrum im Normalzustand ohne vorhandenes Magnetfeld optisch angeregt, indem z.B. ein Pumplaserstrahl mit geeigneter Wellenlänge (in diesem Fall im grünen Wellenlängenbereich, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung) eingestrahlt wird, werden die Elektronen vom Triplett-Grundzustand in den angeregten Triplett-Zustand gehoben und relaxieren unter Emission von Fluoreszenzlicht im roten Wellenlängenbereich bei 637nm. Da die Wahrscheinlichkeit für nicht spinerhaltende Übergänge aus dem Spinzustand mit der Spinquantenzahl ms=±1 größer ist, sorgt ein fortlaufendes Anregungspumpen dafür, dass die NV-Zentren größtenteils im Spinzustand ms=0 hyperpolarisiert werden.Diamond NV magnetometers are based on reading out magnetic resonances from special defect centers in diamond, in particular nitrogen vacancies (NV, nitrogen vacancy), which occur as impurities in the carbon lattice of diamond and can also be introduced in a targeted manner. If the NV center is optically excited in the normal state without an existing magnetic field, e.g. by irradiating a pump laser beam with a suitable wavelength (in this case in the green wavelength range, e.g. at 532 nm for off-resonance excitation), the electrons are converted from the triplet ground state into the excited triplet state and relax while emitting fluorescence light in the red wavelength range at 637 nm. Since the probability of non-spin-conserving transitions from the spin state with the spin quantum number m s =±1 is higher, continuous excitation pumping ensures that the NV centers are mostly hyperpolarized in the spin state m s =0.

Zwischen den ms = 0 und ms=±1 Spinzuständen im Grundzustand besteht eine Energiedifferenz, die in diesem Fall bei etwa 2,87 GHz liegt. Strahlt man also neben der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung in den Diamanten ein, kommt es bei dieser Resonanzfrequenz von 2,87 GHz zu einem Einbruch der roten Fluoreszenz, da die spinpolarisierten Elektronen durch das Mikrowellenfeld vom ms = 0 in den ms=±1 -Grundzustand gehoben werden und von dort durch das Pumplicht in den ms=±1 angeregten Zustand angeregt werden. Von dort treten jedoch vor allem nichtstrahlende Übergänge und schwach infrarote Fluoreszenzübergänge über den Singulett-Zustand auf, während die Fluoreszenz im roten Bereich wegfällt.There is an energy difference between the m s = 0 and m s =±1 spin states in the ground state, which in this case is about 2.87 GHz. Shine So if, in addition to the optical excitation, microwave radiation is also injected into the diamond, the red fluorescence collapses at this resonance frequency of 2.87 GHz, since the spin-polarized electrons are caused by the microwave field from m s = 0 to m s =±1 - Ground state can be raised and from there excited by the pumping light into the m s =±1 excited state. From there, however, mainly non-radiative transitions and weak infrared fluorescence transitions via the singlet state occur, while the fluorescence in the red range is absent.

Wenn nun ein externes Magnetfeld vorhanden ist, kommt es durch den sogenannten Zeeman-Effekt zur Aufspaltung der ansonsten gleichenergetischen ms=±1 Triplett-Niveaus in energetisch äquidistante Zeeman-Niveaus. Bei Auftragung der Fluoreszenz gegen ein Frequenzspektrum der Mikrowellenanregung zeigen sich dann zwei Dips im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand linear proportional zur magnetischen Feldstärke des externen Magnetfelds ist. Die Magnetfeldsensitivität wird dabei vor allem durch die minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis 1 pTA/Hz erreichen. Da das NV-Zentrum im einkristallinen Diamanten vier Möglichkeiten besitzt, sich im Kristallgitter anzuordnen, kommt es bei Anwesenheit eines gerichteten Magnetfelds dazu, dass die im Kristall vorhandenen NV-Zentren je nach Lage im Kristall unterschiedlich stark auf das äußere Magnetfeld reagieren. Dadurch können im Idealfall vier Paare von Fluoreszenz-Minima im Spektrum auftauchen, aus deren Form und Lage zueinander sowohl die Magnetfeldstärke als Betrag als auch die Richtung des externen Magnetfelds eindeutig bestimmbar sind.If an external magnetic field is present, the so-called Zeeman effect causes the otherwise identical m s =±1 triplet levels to split into energetically equidistant Zeeman levels. Plotting the fluorescence against a frequency spectrum of the microwave excitation shows two dips in the fluorescence spectrum, the frequency spacing of which is linearly proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field. The magnetic field sensitivity is primarily defined by the minimum resolvable frequency shift and can reach up to 1 pTA/Hz. Since the NV center in single-crystal diamond has four options for arranging itself in the crystal lattice, the presence of a directed magnetic field means that the NV centers present in the crystal react differently to the external magnetic field, depending on their position in the crystal. In the ideal case, four pairs of fluorescence minima can appear in the spectrum, from the shape and position of which both the magnetic field strength as amount and the direction of the external magnetic field can be clearly determined.

Das NV-Zentren-Magnetometer bietet eine Vielzahl von Vorteilen für die vorliegende Anwendung. Neben der bereits erwähnten sehr hohen Empfindlichkeit kann auch ein hoher Messbereich (> 1 Tesla) abgedeckt werden. Der zugrundeliegende Zeeman-Effekt ist linear vom vorhandenen Magnetfeld abhängig und zeigt außerdem keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht. Außerdem bietet ein NV-Zentren-Magnetometer die Möglichkeit, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamantgitter vorhandenen verschiedenen Ausrichtungen zu bestimmen.The NV center magnetometer offers a number of advantages for the application at hand. In addition to the very high sensitivity already mentioned, a large measuring range (> 1 Tesla) can also be covered. The underlying Zeeman effect is linearly dependent on the existing magnetic field and also shows no degradation since the measurement is based on quantum mechanical states. In addition, an NV center magnetometer offers the possibility of determining external magnetic fields vectorially based on the different orientations present in the diamond lattice.

Es gibt auch alternative Möglichkeiten, die magnetische Spin-Resonanz in Diamant elektrisch auszulesen. Dabei werden Ladungsträger detektiert, die durch Zwei-Photon-Ionisierung der NV-Zentren in das Leitungsband von Diamant angehoben wurden. Wird ein solches Verfahren zum Auslesen der Resonanzeffekte genutzt, sind die Teile zur Detektion des Fluoreszenzlichts in den vorhergehenden Beispielen nicht erforderlich und werden durch geeignete Photostromdetektoren am Diamant ersetzt. Davon abgesehen kann das Verfahren zur Magnetfeldmessung aber entsprechend übertragen werden und in allen Ausführungsformen mit NV-Zentren-Magnetometern angewendet werden.There are also alternative ways to electrically read out the magnetic spin resonance in diamond. Charge carriers are detected that have been raised into the conduction band of diamond by two-photon ionization of the NV centers. If such a method is used to read out the resonance effects, the parts for detecting the fluorescence light in the previous examples are not required and are replaced by suitable photocurrent detectors on the diamond. Apart from that, however, the method for measuring magnetic fields can be transferred accordingly and used in all embodiments with NV center magnetometers.

Um in einer Alltagsumgebung einsetzbar zu sein, sollen Magnetfelder, die nicht von gewünschten schwachen Quelle stammen, aus der Messung möglichst eliminiert werden. Gerade im Automobilbereich entstehen im Hintergrund vergleichsweise hohe und kaum abgeschirmte Magnetfelder, die etwa im Bereich von 10-6 bis 10-9 Tesla (Nanotesla) liegen, zusätzlich ist das Erdmagnetfeld im Bereich von 10-5 Tesla (einige Mikrotesla) vorhanden. Dagegen bewegen sich biomagnetische Felder, die hier als Beispiel dienen sollen, im Bereich von 10-12 Tesla (Picotesla) oder noch darunter.In order to be usable in an everyday environment, magnetic fields that do not come from the desired weak source should be eliminated from the measurement as far as possible. Especially in the automotive sector, comparatively high and hardly shielded magnetic fields arise in the background, which are in the range of about 10 -6 to 10 -9 Tesla (nanotesla). In addition, the earth's magnetic field is in the range of 10 -5 Tesla (a few microtesla). In contrast, biomagnetic fields, which are to serve as an example here, are in the range of 10 -12 Tesla (Picotesla) or even lower.

Die Elimination der Hintergrundmagnetfelder kann gemäß beispielhaften Ausführungsformen durch eine Gradiometeranordnung bei der Magnetfeldmessung erreicht werden. Als Gradiometer werden grundsätzlich Sensoreinheiten bezeichnet, die in der Lage sind, nicht nur die Feldstärke, sondern auch den Gradienten des Felds zu erfassen.According to exemplary embodiments, the elimination of the background magnetic fields can be achieved by a gradiometer arrangement during the magnetic field measurement. Basically, sensor units are referred to as gradiometers, which are able to record not only the field strength but also the gradient of the field.

Dazu können mindestens zwei einzelne Magnetometer verwendet werden, die an räumlich unterschiedlichen Stellen angeordnet sind. Als Beispiel wird im Folgenden in Verbindung mit 1 eine Sensoreinheit beschrieben, die zwei NV-Zentren-Magnetometer in einer Gradiometeranordnung verwendet.At least two individual magnetometers can be used for this purpose, which are arranged at spatially different locations. As an example, the following is linked to 1 described a sensor assembly using two NV center magnetometers in a gradiometer array.

Dabei kann zunächst für jedes Magnetometer als Sensormedium ein Diamant 101, 102 mit Stickstoff-Fehlstellen vorhanden sein. Die optische Anregung der NV-Zentren im Diamant wird durch eine geeignete Lichtquelle 120 wie etwa einen Pumplaser erreicht. Hier eignet sich etwa ein Nd:YAG-Laser im grünen Bereich bei einer Frequenz von 532 nm, um die jeweiligen Übergänge anzuregen. Das Licht 124 des Pumplasers 120 kann über geeignete optische Elemente 128 wie etwa Spiegel, Strahlteiler, Linsen und gegebenenfalls über faseroptische Elemente 122 in die Diamanten eingestrahlt werden. Dabei wird hier eine einzelne Lichtquelle 120 für beide Diamanten 101, 102 verwendet, von der das Anregungslicht über jeweils eine optische Faser in den jeweiligen Diamanten geleitet wird. Außerdem kann das Anregungslicht durch den Laser kontinuierlich eingestrahlt werden oder gepulst, so dass beispielsweise Zeitfenster zur störungsfreien Fluoreszenzlichtmessung freigehalten werden.In this case, a diamond 101, 102 with nitrogen defects can initially be present as the sensor medium for each magnetometer. Optical excitation of the NV centers in diamond is achieved by a suitable light source 120 such as a pump laser. A Nd:YAG laser in the green range with a frequency of 532 nm is suitable here to excite the respective transitions. The light 124 of the pump laser 120 can be radiated into the diamonds via suitable optical elements 128 such as mirrors, beam splitters, lenses and optionally via fiber optic elements 122 . A single light source 120 is used here for both diamonds 101, 102, from which the excitation light is guided into the respective diamond via an optical fiber in each case. In addition, the excitation light can be radiated in continuously by the laser or in a pulsed manner, so that, for example, time windows for interference-free fluorescence light measurement are kept free.

Außerdem kann in der Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle 140 vorhanden sein, die in der Lage ist, ein elektromagnetisches Feld über eine Bandbreite hinweg, die die erwünschte Resonanzfrequenz abdeckt, im Sensormedium, d.h. im Bereich der NV-Zentren in den Diamanten 101, 102 zu erzeugen. Bevorzugt kann für beide Sensoren bzw. Diamanten dieselbe Mikrowellenquelle 140 genutzt werden. Das entstehende Fluoreszenzlicht 125 kann wiederum über die Faseroptik geleitet werden und durch einen Photodetektor 130, der im Bereich der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist, detektiert werden; alternativ könnten auch ein oder mehrere Photodetektoren unmittelbar an den Sensordiamanten angeordnet sein, die das Fluoreszenzlicht empfangen. Auch hier können geeignete reflektierende oder halbdurchlässige Spiegel, Filter, Strahlteiler, Linsen zur Strahlformung, Einkoppellinsen für Faseroptiken oder für die Diamantkristalle, und andere optische Elemente 126, 128 auf der optischen Wegstrecke des Fluoreszenzlichts 125 genutzt werden. Das Signal des Photodetektors 130 kann dann durch verschiedene Elemente weiterverarbeitet werden, wie etwa einen Vorverstärker 132 oder eine Recheneinheit 136 zur Signalauswertung.In addition, a microwave source 140 can be present in the sensor unit, which is able to generate an electromagnetic field via a Bandwidth that covers the desired resonant frequency in the sensor medium, ie in the area of the NV centers in the diamonds 101, 102 to generate. The same microwave source 140 can preferably be used for both sensors or diamonds. The resulting fluorescence light 125 can in turn be guided via the fiber optics and detected by a photodetector 130, which is sensitive in the range of the fluorescence wavelength; alternatively, one or more photodetectors could also be arranged directly on the sensor diamonds, which receive the fluorescent light. Here, too, suitable reflecting or semi-transparent mirrors, filters, beam splitters, lenses for beam shaping, coupling lenses for fiber optics or for the diamond crystals, and other optical elements 126, 128 on the optical path of the fluorescent light 125 can be used. The signal from the photodetector 130 can then be further processed by various elements, such as a preamplifier 132 or a processing unit 136 for signal evaluation.

Die Elemente der Sensoreinheit sind in der Figur nur schematisch gezeigt; es versteht sich, dass beispielsweise die Mikrowellenquelle so ausgelegt und angeordnet ist, dass das RF-Feld in den Sensor-Diamanten erzeugt wird. Auch andere Elemente wie Mikrowellenresonatoren oder Gehäusebauteile sind hier nicht ausdrücklich gezeigt.The elements of the sensor unit are shown only schematically in the figure; it is understood that, for example, the microwave source is designed and arranged so that the RF field is generated in the sensor diamonds. Other elements such as microwave resonators or housing components are also not expressly shown here.

Der Abstand d zwischen den beiden Diamanten bzw. Sensorköpfen einer Gradiometereinheit entspricht dem Abstand der Orte, an denen gleichzeitig Magnetfeldmessungen durchgeführt werden. Solange der Abstand der Messorte relativ klein ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Stärke des zusätzlichen Hintergrundmagnetfeldes Benv an beiden Orten etwa gleich groß ist. Dagegen wird das interessierende schwache Magnetfeld mit zunehmender Entfernung von der Magnetfeldquelle deutlich abnehmen. Indem also zwei Sensoren in unterschiedlichen Abständen von der Quelle, z.B. in unterschiedlichen Abständen von der Schädeloberfläche angeordnet werden, kann das Hintergrundfeld durch Bildung einer Differenz der erfassten Sensorwerte eliminiert werden und das interessierende kleine Magnetfeld bzw. dessen Gradient extrahiert werden: Da das magnetische Feld sich mit dem Quadrat des Abstands abschwächt, wird die größte Magnetfeldänderung durch den Sensordiamanten in der Nähe der Quelle detektiert. Zu diesem Zweck können beispielsweise zwei Magnetometer übereinander in einer axialen Gradiometerkonfiguration angeordnet werden.The distance d between the two diamonds or sensor heads of a gradiometer unit corresponds to the distance between the locations at which magnetic field measurements are carried out at the same time. As long as the distance between the measurement locations is relatively small, it can be assumed that the strength of the additional background magnetic field B env is approximately the same at both locations. In contrast, the weak magnetic field of interest will decrease significantly with increasing distance from the magnetic field source. Thus, by placing two sensors at different distances from the source, e.g attenuates with the square of the distance, the largest magnetic field change is detected by the sensor diamond in the vicinity of the source. For this purpose, for example, two magnetometers can be arranged one above the other in an axial gradiometer configuration.

Es gilt also für ein axiales Gradiometer mit einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensor: B 1sens = B 1 + B env   ,

Figure DE102022201690A1_0001
B 2sens = B 2 + B env   ,
Figure DE102022201690A1_0002
B grad = B 1 sens B 2sens = B 1   - B 2 B 1
Figure DE102022201690A1_0003
wobei B1sens die gemessene Feldstärke am ersten Sensor ist, der sich näher an der interessierenden Magnetfeldquelle befindet, wobei B1 der Anteil der interessierenden schwachen Magnetfeldstärke am Ort des ersten Sensors ist, wobei B2sens die gemessene Feldstärke am zweiten, weiter entfernten Sensor ist, wobei B2 der Anteil der interessierenden schwachen Magnetfeldstärke am Ort des zweiten Sensors ist, und wobei Bgrad der resultierende Gradient der Magnetfeldstärke ist.It therefore applies to an axial gradiometer with a first and a second magnetic field sensor: B 1sens = B 1 + B maybe ,
Figure DE102022201690A1_0001
B 2sens = B 2 + B maybe ,
Figure DE102022201690A1_0002
B Degree = B 1 sens B 2sens = B 1 - B 2 B 1
Figure DE102022201690A1_0003
where B 1sens is the measured field strength at the first sensor, which is closer to the magnetic field source of interest, where B 1 is the fraction of the weak magnetic field strength of interest at the location of the first sensor, where B 2sens is the measured field strength at the second, more distant sensor, where B 2 is the fraction of the weak magnetic field strength of interest at the location of the second sensor, and where B grad is the resultant magnetic field strength gradient.

Da das kleine Magnetfeld B2 am zweiten, weiter von der Quelle entfernt gelegenen Sensor um ein vielfaches geringer ist als am ersten Sensor, entspricht der Gradient Bgrad des Gesamtmagnetfelds an dieser Stelle in etwa dem interessierenden Magnetfeld B1 am ersten, näheren Sensorkopf, während die etwa gleichförmigen Hintergrundfelder Benv eliminiert werden.Since the small magnetic field B 2 at the second sensor, which is further away from the source, is many times smaller than at the first sensor, the gradient B grad of the total magnetic field at this point corresponds approximately to the magnetic field B 1 of interest at the first, closer sensor head, while the approximately uniform background fields B env are eliminated.

Der Abstand d der Sensorköpfe innerhalb einer Gradiometereinheit, also in diesem Fall der Abstand der beiden Sensor-Diamanten, kann im Bereich von mm bis einigen cm liegen, beispielsweise zwischen 0,5 cm und 2 cm. Für Werte in diesen Größenordnungen konnten etwa für die Messung biomagnetischer Felder, die im Bereich von Picotesla liegen, gute Ergebnisse erreicht werden. Solange eine ausreichende Unabhängigkeit der Signale von den Hintergrundfeldern erreicht wird, können aber auch größere oder kleinere Abstände oder andere Gradiometerkonfigurationen verwendet werden, wie etwa nebeneinander angeordnete Sensoren. Bei einem zu großen Abstand zwischen den einzelnen Sensorköpfen kann insbesondere bei lokalen Hintergrundfeldern (elektrische Leitungen etc.) das Hintergrundfeld nicht mehr an beiden Orten identisch sein; bei einem zu kleinen Abstand zwischen den Sensorköpfen kann dagegen der Unterschied zwischen den Feldstärken des zu messenden Magnetfelds zwischen den beiden Orten zu gering sein. Die Wahl des passenden Abstands zwischen den beiden Sensoren einer Gradiometereinheit ist damit bevorzugt auch abhängig von der Art und Ausrichtung der interessierenden Magnetfeldquelle und von der erwarteten Feldstärke. Der Abstand der Sensoreinheit von der Magnetfeldquelle kann ebenfalls im mm- bis cm-Bereich liegen.The distance d between the sensor heads within a gradiometer unit, ie in this case the distance between the two sensor diamonds, can be in the range from mm to a few cm, for example between 0.5 cm and 2 cm. For values of this magnitude, good results could be achieved, for example, for the measurement of biomagnetic fields that are in the picotesla range. However, as long as sufficient independence of the signals from the background fields is achieved, larger or smaller distances or other gradiometer configurations, such as sensors arranged side by side, can also be used. If the distance between the individual sensor heads is too great, the background field can no longer be identical at both locations, particularly in the case of local background fields (electrical lines, etc.); if the distance between the sensor heads is too small, the difference between the field strengths of the magnetic field to be measured between the two locations can be too small. The selection of the appropriate distance between the two sensors of a gradiometer unit is therefore preferably also dependent on the type and alignment of the magnetic field source of interest and on the expected field strength. The distance between the sensor unit and the magnetic field source can also be in the mm to cm range.

2 zeigt beispielhafte Magnetfeldstärken von biomagnetischen Hirn-Magnetfeldern im Vergleich, die in unterschiedlichem Abstand von der Schädeloberfläche auftreten. Diese sehr schwachen Magnetfelder werden durch die Ströme, die in den Hirnneuronen bei neuronaler Aktivität fließen, induziert und bieten daher ähnlich wie ein Elektroenzephalogramm Hinweise auf verschiedene mentale oder gesundheitliche Zustände. Dabei zeigt die x-Achse die Tiefe der eigentlichen Magnetfeldquelle, also die Tiefe der neuronalen Aktivität im Gehirn, welche das Magnetfeld erzeugt, während die logarithmische y-Achse die maximale magnetische Feldstärke in Femtotesla (fT) zeigt. 2 shows exemplary magnetic field strengths of biomagnetic brain magnetic fields in comparison, which occur at different distances from the skull surface. These very weak magnetic fields are induced by the currents that flow in the brain neurons during neuronal activity and therefore offer similar effects to an electroenze phalogram Evidence of various mental or health conditions. The x-axis shows the depth of the actual source of the magnetic field, i.e. the depth of the neuronal activity in the brain that generates the magnetic field, while the logarithmic y-axis shows the maximum magnetic field strength in femtotesla (fT).

Die untere Kurve 210 zeigt dabei die Magnetfeldstärke, die 3 cm von der Schädeloberfläche entfernt auftritt und je nach Tiefe der Hirnaktivität zwischen etwa 10-13 Tesla (etwa 100 fT) und 5·10-15 Tesla (etwa 5 fT) reicht. Die obere Kurve 220 dagegen zeigt Magnetfeldstärken im Abstand von etwa 6 mm von der Kopfhaut, die von etwa 10-12 Tesla (ca. 1 pT) bis zu etwa 10-14 Tesla (ca. 10 fT) reichen. Es zeigt sich also über den gesamten Bereich, dass die messbaren Feldstärken des Hirn-Magnetfelds zwischen 6 mm und 3 cm Entfernung von der Kopfhaut bereits um mindestens das Fünffache abfallen, so dass die kompakten Sensoreinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung, die z.B. nicht wie SQID-Magnetometer auf eine aufwändige Stickstoffkühlung angewiesen sind, deutlich empfindlichere Messungen ermöglichen.The lower curve 210 shows the magnetic field strength that occurs 3 cm from the skull surface and ranges between approximately 10 -13 Tesla (approximately 100 fT) and 5*10 -15 Tesla (approximately 5 fT) depending on the depth of brain activity. In contrast, the upper curve 220 shows magnetic field strengths at a distance of about 6 mm from the scalp ranging from about 10 -12 Tesla (about 1 pT) to about 10 -14 Tesla (about 10 fT). It is thus evident over the entire range that the measurable field strengths of the brain's magnetic field between a distance of 6 mm and 3 cm from the scalp already drop at least fivefold, so that the compact sensor units according to the present invention, which, for example, are not like SQID Magnetometers rely on complex nitrogen cooling, enable significantly more sensitive measurements.

Anstelle von zwei Sensordiamanten, wie sie in 1 gezeigt wurden, könnte auch nur ein einziger Diamant mit NV-Zentren genutzt werden, der zumindest entlang einer Richtung eine gewisse räumliche Ausdehnung hat, um eine Gradiometerkonfiguration zu ermöglichen. Dazu wird der Diamant an mindestens zwei Stellen angeregt und das entstehende Fluoreszenzlicht durch mindestens zwei geeignet angeordnete Photodetektoren ausgelesen. Dazu kann beispielsweise auch ein Diamant-Wellenleiter mit NV-Zentren verwendet werden, so dass das Anregungslicht entlang der Gradiometerachse im Wellenleiter propagieren kann und beide Ausleseorte erreicht. Senkrecht dazu ist keine große Ausdehnung des Kristalls erforderlich, so dass beispielsweise dünne Diamantplättchen als Sensorköpfe denkbar sind.Instead of two sensor diamonds as shown in 1 were shown, even a single diamond with NV centers, having at least some spatial extent along one direction, could be used to enable a gradiometer configuration. For this purpose, the diamond is excited at at least two points and the resulting fluorescent light is read out by at least two suitably arranged photodetectors. A diamond waveguide with NV centers can also be used for this purpose, for example, so that the excitation light can propagate along the gradiometer axis in the waveguide and reach both readout locations. The crystal does not have to be very large perpendicularly to it, so that thin diamond plates, for example, are conceivable as sensor heads.

Falls der optimale Abstand zwischen den Sensorköpfen für eine Gradiometerkonfiguration größer ist als die mögliche bzw. gewünschte Ausdehnung eines einzelnen Diamantkristalls, können bevorzugt zwei Diamanten mit identischen Eigenschaften verwendet werden. Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben beispielsweise die Art und Anzahl der NV-Zentren bzw. Defektdichte und mögliche mechanische Verspannungen im Diamantkristall. Um möglichst homogene Eigenschaften zu erreichen, können dann beispielsweise zwei Stücke aus einem größeren Diamantkristall geschnitten werden. Insbesondere eignen sich synthetisch hergestellte Diamanten, die beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder im Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren (HPHT, high pressure, high temperature) synthetisiert werden können.If the optimal distance between the sensor heads for a gradiometer configuration is larger than the possible or desired extension of a single diamond crystal, two diamonds with identical properties can preferably be used. The optical properties are influenced, for example, by the type and number of NV centers or defect density and possible mechanical stresses in the diamond crystal. In order to achieve properties that are as homogeneous as possible, two pieces can then be cut from a larger diamond crystal, for example. In particular, synthetically produced diamonds are suitable, which can be synthesized, for example, by means of chemical vapor deposition (CVD) or in the high-pressure, high-temperature process (HPHT, high pressure, high temperature).

3 zeigt in Schrägansicht beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines einzelnen Sensorkopfs 300 einer Gradiometereinheit, die aus zweien dieser Sensorköpfe gebildet wird. Dabei wird Anregungslicht von einer Anregungslichtquelle über einen optischen Faserkoppler in eine optische Faser 301 gekoppelt. Die Faser wird von einer Faserhalterung 305 gehalten, die auch zur Stabilisierung des gesamten Systems dienen kann. Die gezeigte Ausführung ist daher nur beispielhaft zu verstehen. 3 shows an example of a possible embodiment of a single sensor head 300 of a gradiometer unit, which is formed from two of these sensor heads, in an oblique view. In this case, excitation light from an excitation light source is coupled into an optical fiber 301 via an optical fiber coupler. The fiber is held by a fiber mount 305, which can also be used to stabilize the entire system. The embodiment shown is therefore only to be understood as an example.

Das Ende der optischen Faser 301 kann mit Hilfe eines optischen Klebers mit einer Gradientbrechungsindex(GRIN)-Linse 303 verklebt sein. Dieser GRIN-Faserverbund kann dann wiederum mit Hilfe einer transparenten Klebeschicht an einem Diamanten 304 festgeklebt werden. Der Diamant 304 weist eine erste Seite 304a und eine zweite Seite 304b auf, wobei der GRIN-Faserverbund zumindest an einem Abschnitt der Diamantoberfläche auf der ersten Seite 304a angeklebt ist. Optional kann zwischen den Oberflächen der GRIN-Linse 303 und des Diamanten 304 eine optische Filterschicht eingesetzt werden, so dass das emittierte Fluoreszenzlicht des mindestens einen NV-Zentrums des Diamanten von der entsprechenden Oberfläche nicht ungehindert aus dem Diamanten 304 treten kann, sondern in Richtung der zweiten Seite 304b zurückreflektiert wird. Auf dieser zweiten Seite 304b, in der Figur also unterhalb des Diamanten 304, ist ein Photodiodensystem 308 angeordnet, das eine erste Photodiode 309 und eine zweite Photodiode 310 aufweist. Dabei können die Photodioden so ausgelegt sein, dass die ersten Photodiode 309 die emittierte Fluoreszenz detektieren kann, die Wellenlänge des Anregungslichts jedoch blockiert wird, während die zweite Photodiode 310 die von dem mindestens einen NV-Zentrum emittierte Fluoreszenz blockiert und nur das Anregungslicht passieren lässt. Beispielsweise kann dies durch optische Filter erreicht werden, z.B. in Form von Beschichtungen.The end of the optical fiber 301 may be bonded to a gradient refractive index (GRIN) lens 303 using an optical adhesive. This GRIN fiber composite can then in turn be glued to a diamond 304 with the aid of a transparent adhesive layer. The diamond 304 has a first side 304a and a second side 304b, with the GRIN fiber composite adhered to at least a portion of the diamond surface on the first side 304a. Optionally, an optical filter layer can be used between the surfaces of the GRIN lens 303 and the diamond 304, so that the fluorescent light emitted by the at least one NV center of the diamond cannot escape unhindered from the corresponding surface of the diamond 304, but in the direction of the second side 304b is reflected back. A photodiode system 308 having a first photodiode 309 and a second photodiode 310 is arranged on this second side 304b, ie below the diamond 304 in the figure. The photodiodes can be designed in such a way that the first photodiode 309 can detect the emitted fluorescence but blocks the wavelength of the excitation light, while the second photodiode 310 blocks the fluorescence emitted by the at least one NV center and only allows the excitation light to pass. For example, this can be achieved by optical filters, e.g., in the form of coatings.

Mit Hilfe einer entsprechenden Signalverarbeitung, z.B. einer logarithmischen Schaltung, kann aus den beiden gemessenen Signalen der beiden Photodioden 309 und 310 ein balanciertes Messsignal erzeugt werden, welches bereits Schwankungen des Anregungslichts berücksichtigt. Darüber hinaus weist der Sensorkopf 300 eine Mikrowellen-Resonatorstruktur 306 auf, um die erzeugten Mikrowellen einer geeigneten Mikrowellenquelle über das Volumen des Diamanten 304 homogen zu verteilen. Dabei können die Mikrowellen über einen Hochfrequenzstecker 307 in die Mikrowellen-Resonatorstruktur eingeleitet werden. Die Resonatorstruktur 306 ist dabei auf die Frequenz der Elektronenspinresonanzen gestimmt.With the help of appropriate signal processing, e.g. a logarithmic circuit, a balanced measurement signal can be generated from the two measured signals of the two photodiodes 309 and 310, which already takes into account fluctuations in the excitation light. In addition, the sensor head 300 has a microwave resonator structure 306 in order to homogeneously distribute the microwaves generated by a suitable microwave source over the volume of the diamond 304 . In this case, the microwaves can be introduced into the microwave resonator structure via a high-frequency plug 307 . The resonator structure 306 is tuned to the frequency of the electron spin resonances.

4 zeigt zur Übersicht eine Gradiometereinheit, die zwei identische, wie in 3 gezeigte Sensorköpfe aufweist. Die beiden Sensorköpfe 400a, 400b sind in diesem Beispiel in definiertem Abstand zueinander auf einer mechanischen Trägerplatte angebracht. Eine andere Befestigung bzw. Anordnung ist aber für die Sensorköpfe ebenso möglich und kann abhängig von der späteren Anwendung, dem benötigten Abstand zwischen den Sensorköpfen oder der Art der Gradiometerkonfiguration gewählt werden. Beide Sensorköpfe 400a und 400b werden bevorzugt von derselben Anregungslichtquelle 420 versorgt, wobei das Anregungslicht beispielsweise durch einen Fasersplitter 421 zu den optischen Fasern beider Sensorköpfe geleitet werden kann. Ebenso können beide Sensorköpfe durch dieselbe Mikrowellenquelle 440 versorgt werden, wobei entsprechend ein Mikrowellensplitter 441 zum Einsatz kommt. 4 shows an overview of a gradiometer unit, which has two identical ones, as in 3 having sensor heads shown. In this example, the two sensor heads 400a, 400b are mounted at a defined distance from one another on a mechanical support plate. A different attachment or arrangement is also possible for the sensor heads and can be selected depending on the later application, the required distance between the sensor heads or the type of gradiometer configuration. Both sensor heads 400a and 400b are preferably supplied by the same excitation light source 420, it being possible for the excitation light to be guided, for example, through a fiber splitter 421 to the optical fibers of both sensor heads. Likewise, both sensor heads can be supplied by the same microwave source 440, with a microwave splitter 441 being used accordingly.

Um den Ort einer Magnetfeldquelle zu ermitteln, also Vektormagnetometrie zu ermöglichen, kann ein zusätzliches Bias-Magnetfeld 150 erzeugt werden, das an beiden Messorten des Gradiometers (d.h. im Bereich der Sensorköpfe bzw. Sensor-Diamanten) identisch ist. Dabei soll der Feldgradient in drei Achsen bestimmt werden. Die Richtung, in der der Magnetfeldgradient maximal ist, gibt den Ort der Magnetfeldquelle an. Das Bias-Magnetfeld wird hier beispielhaft durch eine einzelne Spule 450 angedeutet, innerhalb derer sich die beiden empfindlichen Sensorköpfe 400a und 400b befinden. Beispielsweise können die Sensorköpfe in einer Helmholtz-Spulenanordnung eingesetzt sein, die ein möglichst homogenes Bias-Magnetfeld im Bereich der beiden Sensorköpfe erzeugt und von einer geeigneten Stromquelle 451 (z.B. einer Batterie) versorgt wird.In order to determine the location of a magnetic field source, i.e. to enable vector magnetometry, an additional bias magnetic field 150 can be generated, which is identical at both measurement locations of the gradiometer (i.e. in the area of the sensor heads or sensor diamonds). The field gradient is to be determined in three axes. The direction in which the magnetic field gradient is maximum indicates the location of the magnetic field source. The bias magnetic field is indicated here by a single coil 450, within which the two sensitive sensor heads 400a and 400b are located. For example, the sensor heads can be used in a Helmholtz coil arrangement, which generates a bias magnetic field that is as homogeneous as possible in the area of the two sensor heads and is supplied by a suitable power source 451 (e.g. a battery).

Soweit für beide Sensordiamanten bzw. Sensorköpfe dieselbe Mikrowellenquelle und dieselbe Lichtquelle verwendet wird, treten auch Rauschanteile aus diesen Quellen (Rauschen des Anregungslichts oder Frequenz- und Amplitudenrauschen der Mikrowellenquelle) an beiden Sensorköpfen auf, so dass diese gleichzeitig auftretenden Rauschanteile durch die Gradiometeranordnung automatisch eliminiert werden. Dadurch werden die Anforderungen an die Rauschcharakteristik dieser Komponenten geringer. Für eine Mikrowellenquelle kann dann beispielsweise statt eines hochgenauen, teuren und temperaturgeregelten Quarzoszillators ein kostengünstiger Standardoszillator mit höherem Phasen- und Amplitudenrauschen verwendet werden. Auch für das Bias-Magnetfeld sorgt die Verwendung einer einzelnen Feldquelle und Stromquelle bevorzugt dafür, dass an beiden Sensoren gleiche Rauschanteile zu erwarten sind, die wiederum durch die Gradientenbildung eliminiert werden.If the same microwave source and the same light source is used for both sensor diamonds or sensor heads, noise components from these sources (noise from the excitation light or frequency and amplitude noise from the microwave source) also occur on both sensor heads, so that these simultaneously occurring noise components are automatically eliminated by the gradiometer arrangement . This reduces the demands on the noise characteristics of these components. For example, instead of a high-precision, expensive and temperature-controlled crystal oscillator, a low-cost standard oscillator with higher phase and amplitude noise can then be used for a microwave source. Also for the bias magnetic field, the use of a single field source and current source preferably ensures that the same noise components are to be expected at both sensors, which in turn are eliminated by the gradient formation.

Um das Sensorrauschen des Gradiometers weiter zu unterdrücken, kann beispielsweise ein Modulationsverfahren verwendet werden, bei dem die Mikrowellenfrequenz oder die Amplitude der Mikrowellen moduliert wird. Dabei wird durch Modulierung der Mikrowellenfrequenz mit einer bestimmten Modulationstiefe und Modulationsfrequenz eine Modulation der Fluoreszenz erzeugt. Durch Demodulation des erfassten Fluoreszenzsignals erhält man dann im Bereich der Magnetresonanzfrequenz ein vom Magnetfeld linear abhängiges Signal. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Lichtintensität des Anregungslichts moduliert werden.In order to further suppress the sensor noise of the gradiometer, a modulation method can be used, for example, in which the microwave frequency or the amplitude of the microwaves is modulated. In this case, a modulation of the fluorescence is generated by modulating the microwave frequency with a specific modulation depth and modulation frequency. By demodulating the detected fluorescence signal, a signal that is linearly dependent on the magnetic field is then obtained in the range of the magnetic resonance frequency. Alternatively or additionally, the light intensity of the excitation light can also be modulated.

Die Fluoreszenzsignale der beiden Sensorköpfe in einem Gradiometer werden dann auf geeignete Weise weiterverarbeitet. Um den Feldgradienten zu erhalten, kann wie bereits beschrieben eine Differenz der Signale gebildet werden, was beispielsweise durch einen einfachen oder logarithmischen Differenzverstärker erreicht werden kann. Weiter kann das Signal beispielsweise einem Nachverstärker, einem AD-Wandler und/oder Frequenzfiltern zugeführt werden. Das erhaltene vorverarbeitete Differenzsignal, das das interessierende schwache Magnetfeld wiedergibt, kann dann zu weiteren Zwecken ausgewertet werden.The fluorescence signals from the two sensor heads in a gradiometer are then further processed in a suitable manner. In order to obtain the field gradient, a difference in the signals can be formed, as already described, which can be achieved, for example, by a simple or logarithmic differential amplifier. The signal can also be fed to a post-amplifier, an AD converter and/or frequency filters, for example. The pre-processed difference signal obtained, which represents the weak magnetic field of interest, can then be evaluated for further purposes.

Zusätzlich oder alternativ zu einer Gradiometerkonfiguration kann für ein Magnetometer eine Lock-In-Detektion genutzt werden, um die unerwünschten Hintergrundfelder aus der Messung zu eliminieren. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Anregungslicht oder die Mikrowellenquelle moduliert werden und ein Lock-In-Verstärker (134 in 1) im Bereich der Signalverarbeitung der Sensoreinheit 100 vorgesehen sein, der im Wesentlichen als schmalbandiger Bandpass für das interessierende Resonanzsignal wirkt.In addition or as an alternative to a gradiometer configuration, lock-in detection can be used for a magnetometer in order to eliminate the unwanted background fields from the measurement. For this purpose, for example, the excitation light or the microwave source can be modulated and a lock-in amplifier (134 in 1 ) may be provided in the area of the signal processing of the sensor unit 100, which essentially acts as a narrow band pass filter for the resonance signal of interest.

Ein solcher hochempfindlicher Sensor auf Basis einer gradiometrischen Anordnung von zwei Magnetometern kann in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden.Such a highly sensitive sensor based on a gradiometric arrangement of two magnetometers can be used in a wide variety of areas.

Damit können beispielsweise die bereits vorstehend angeführten Hirn-Magnetfelder gemessen werden, indem eine oder mehrere Sensoreinheiten in der Nähe des Kopfs eines Benutzers angeordnet werden. Die Sensoreinheiten können beispielsweise in am Kopf getragenen Halterungen oder Kopfbedeckungen integriert sein, oder können in Elemente integriert sein, die sich in Kopfnähe befinden, wie eine Kopfstütze im Fahrzeug oder ein Kopfteil eines Betts.In this way, for example, the brain magnetic fields already mentioned above can be measured by arranging one or more sensor units in the vicinity of a user's head. For example, the sensor units may be integrated into head-worn mounts or headgear, or may be integrated into elements that are close to the head, such as a headrest in a vehicle or a headboard of a bed.

Mit der Messung von Hirn-Magnetfeldern können zum einen verschiedene Zustände eines Nutzers erfasst werden, wie etwa Müdigkeit oder Stress, es können aber auch Notfälle oder neurologische Erkrankungen wie Epilepsie, Schlaganfälle, Parkinson und andere erkannt werden. Darüber hinaus kann die Messung der Hirn-Magnetfelder wie schon bei Hirnstrommessungen genutzt werden, um damit verschiedene Geräte (z.B. Prothesen, Fahrzeuge) anzusteuern, indem die neuronale Aktivität eines gedachten Befehls oder unwillkürlicher Reflexe und Muster erfasst und ausgewertet wird.With the measurement of brain magnetic fields, various states of a user can be recorded, such as tiredness or stress, but emergencies or neurological problems can also be detected cal diseases such as epilepsy, stroke, Parkinson's disease and others can be detected. In addition, the measurement of the brain's magnetic fields can be used, as with brain current measurements, to control various devices (e.g. prostheses, vehicles) by recording and evaluating the neural activity of an imaginary command or involuntary reflexes and patterns.

Auch andere biomagnetische Felder können auf entsprechende Weise gemessen werden. So sind auch in Muskelzellen und bei Nervenaktivität im ganzen Körper kleine elektrische Ströme vorhanden, die erneut ein schwaches magnetisches Feld induzieren. Damit können Magnetfeldmessungen am Körper beispielsweise genutzt werden, um die Aktivität des Herzmuskels zu überwachen. Ebenso können damit Nervensignale in beliebigen Körperteilen auch außerhalb des Gehirns erfasst werden, die anschließend beispielsweise zur Ansteuerung von Prothesen ausgewertet und umgesetzt werden können.Other biomagnetic fields can also be measured in a corresponding manner. Small electrical currents are also present in muscle cells and in nerve activity throughout the body, which again induce a weak magnetic field. This means that magnetic field measurements on the body can be used, for example, to monitor the activity of the heart muscle. It can also be used to record nerve signals in any part of the body outside of the brain, which can then be evaluated and implemented to control prostheses, for example.

In weiteren Ausführungsformen können mit einem hochempfindlichen Magnetfeldsensor wie hier vorgestellt generell kleine elektrische Ströme (z.B. in Leitungen oder an technischen Bauteilen) gemessen werden, die ebenfalls ein Magnetfeld induzieren. Damit kann mit einem derartigen Sensor beispielsweise indirekt die Stromstärke bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen kann eine Sensoreinheit zur Überwachung von elektrischen Schaltanlagen dienen.In further embodiments, a highly sensitive magnetic field sensor as presented here can be used to generally measure small electrical currents (e.g. in lines or on technical components), which also induce a magnetic field. With this type of sensor, for example, the current intensity can be determined indirectly. In other embodiments, a sensor unit can be used to monitor electrical switchgear.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • DE 102018214617 A1 [0003]DE 102018214617 A1 [0003]

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Sensoreinheit (100) zur Messung von Magnetfeldern, aufweisend: zwei Magnetometer (300, 400a, 400b), die in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei jedes Magnetometer ein Sensormedium (101, 102, 304) aufweist und dazu eingerichtet ist, eine magnetische Feldstärke an einem Messort durch Auslesen einer von der magnetischen Feldstärke abhängigen Spinresonanz in dem Sensormedium zu erfassen, mindestens eine Anregungslichtquelle (120) zum Einstrahlen von Licht (124) in die Sensormedien (101, 102) der Magnetometer, mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (406) zum Ermitteln eines Magnetfeldgradienten (100, 200, 300, 400) als Differenz der Ausgangssignale der zwei Magnetometer.Sensor unit (100) for measuring magnetic fields, comprising: two magnetometers (300, 400a, 400b) arranged at a fixed distance from one another, each magnetometer having a sensor medium (101, 102, 304) and being set up to measure a magnetic field strength at a measurement location by reading out one of the magnetic field strengths to detect dependent spin resonance in the sensor medium, at least one excitation light source (120) for radiating light (124) into the sensor media (101, 102) of the magnetometer, at least one signal processing unit (406) for determining a magnetic field gradient (100, 200, 300, 400) as the difference between the output signals of the two magnetometers. Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei jedes der Magnetometer (101, 102, 400a, 400b) ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentren-Magnetometer aufweist, wobei das Sensormedium einen Diamantkristall (101, 102) oder einen Abschnitt eines Diamantkristalls mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren aufweist, und wobei die Sensoreinheit weiter mindestens eine Mikrowellenquelle (140) zum Erzeugen eines resonanten Felds in dem Sensormedium sowie mindestens einen Photodetektor (130) zum Erfassen von resonanzabhängigem Fluoreszenzlicht (125) aus dem Sensormedium aufweist.sensor unit claim 1 , wherein each of the magnetometers (101, 102, 400a, 400b) comprises a nitrogen vacancy center magnetometer, wherein the sensing medium comprises a diamond crystal (101, 102) or a portion of a diamond crystal having nitrogen vacancy centers, and wherein the Sensor unit further comprises at least one microwave source (140) for generating a resonant field in the sensor medium and at least one photodetector (130) for detecting resonance-dependent fluorescent light (125) from the sensor medium. Sensoreinheit nach Anspruch 2, wobei das Sensormedium ein dünnes Diamantplättchen aufweist.sensor unit claim 2 , wherein the sensor medium comprises a thin diamond plate. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Sensormedium der zwei Magnetometer jeweils einen Abschnitt desselben Diamantkristalls aufweist.Sensor unit according to one of claims 2 or 3 , wherein the sensing medium of the two magnetometers each comprises a portion of the same diamond crystal. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Diamantkristall so ausgelegt ist, dass er als Wellenleiter zur Leitung des Lichts der Anregungslichtquelle (120, 420) an die Messorte der beiden Magnetometer dient.Sensor unit according to one of claims 2 until 4 , wherein the diamond crystal is designed in such a way that it serves as a waveguide for guiding the light from the excitation light source (120, 420) to the measuring locations of the two magnetometers. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei den zwei Magnetometern dieselbe Anregungslichtquelle (120, 420) und/oder dieselbe Mikrowellenquelle (140, 440) zugeordnet sind.Sensor unit according to one of claims 2 until 5 , wherein the two magnetometers are assigned the same excitation light source (120, 420) and/or the same microwave source (140, 440). Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Sensoreinheit im Bereich des Sensormediums einen Mikrowellenresonator (306) aufweist, der auf die Spinresonanz des Sensormediums abgestimmt ist.Sensor unit according to one of claims 2 until 6 , wherein the sensor unit has a microwave resonator (306) in the area of the sensor medium, which is tuned to the spin resonance of the sensor medium. Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine Einrichtung (450) zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen Bias-Magnetfelds (150) im Bereich des Sensormediums.Sensor unit according to one of the preceding claims, further comprising a device (450) for generating a substantially homogeneous bias magnetic field (150) in the region of the sensor medium. Sensoreinheit nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung (450) zum Erzeugen des Bias-Magnetfelds eine Helmholtz-Spulenanordnung aufweist, wobei mindestens das Sensormedium der zwei Magnetometer innerhalb der Helmholtz-Spulenanordnung angeordnet ist.sensor unit claim 8 , wherein the means (450) for generating the bias magnetic field comprises a Helmholtz coil arrangement, wherein at least the sensor medium of the two magnetometers is arranged within the Helmholtz coil arrangement. Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d) zwischen den zwei Magnetometern (101, 102, 400a, 400b) zwischen 1 und 30 Millimetern beträgt, bevorzugt zwischen 5 und 20 Millimetern.Sensor unit according to one of the preceding claims, wherein the distance (d) between the two magnetometers (101, 102, 400a, 400b) is between 1 and 30 millimeters, preferably between 5 and 20 millimeters.
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