DE202020106110U1

DE202020106110U1 - Vorrichtung zur Herstellung von HD-NV-Diamanten

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Publication number: DE202020106110U1
Application number: DE202020106110.0U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: EP3980797A1; US20220307997A1; DE202020106145U1; DE102020119414A1; WO2021013308A1; DE112020003569A5

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von HD-NV-Diamantenmit einem Beschleuniger für die Bestrahlung mit einem gepulsten Elektronenstrom undmit einem Temperaturfühler, beispielsweise einem Thermoelement undmit einer Temperaturregelung,wobei der Temperaturfühler in die Diamanten oder an den Diamanten während der Bestrahlung eingebracht bzw. angebracht ist undwobei der Temperaturfühler einen Ist-Temperaturwert für die Regelung der Prozessierungstemperatur der Diamanten während der Bestrahlung ermittelt undwobei der Beschleuniger für die Bestrahlung der Diamanten mit einem gepulsten Elektronenstrom verwendet wird undwobei die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls bei der Bestrahlung der Diamanten größer als 500keV und/oder größer als 1MeV und/oder größer als 3MeV und/oder größer als 4MeV und/oder größer als 5MeV und/oder größer als 6 MeV und/oder größer als 7 MeV und/oder größer als 9 MeV und/oder größer als 10 MeV ist undwobei die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls bei der Bestrahlung der Diamanten kleiner als 20MeV ist undwobei die Ist-Temperatur des oder der Diamanten während der Bestrahlung mit diesen Elektronen durch die Temperaturregelung bei einer Temperatur größer 600°C und/oder größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder kleiner 1000°C und/oder kleiner 1100°C und/oder kleiner 1200°C liegt undwobei der Regler mittels des Temperaturfühlers, der die Ist-Temperatur der der Diamanten während der Bestrahlung erfasst, den wesentlichen Heizenergiestrom der zugeführten Gesamtheizenergie so regelt, dass sich eine gewünschte Temperatur der Diamanten innerhalb eines Zieltemperaturbandes um die Zieltemperatur herum für die Diamanten während der Bestrahlung einstelltgekennzeichnet dadurch,dass bei der Temperaturregelung die Heizung durch den Heizenergiestrom der Aufheizung durch den Elektronenstrahlstrom beachtet wird unddass der Strahlstrom des elektrischen Stroms der Elektronen des Elektronenstrahls geregelt wird unddass bei der Bestrahlung die Pulsation des Elektronenstrahls und damit auch dessen Heizenergiestrom durch diese Regelung stabilisiert wird unddass dieser geregelte Heizenergiestrom, der die Diamanten während der Bestrahlung heizt, ganz oder in Teilen zumindest zeitweise zur Gänze oder in Teilen pulsmoduliert ist unddass diese Regelung über die Einstellung der Heizpulsamplitude und/oder der Heizpulsweite und/oder des Heizpulsabstands und/oder des Tastverhältnisses (Duty-Cycle) der Pulsmodulation der Heizpulse, also durch eine Methode der Pulsmodulation erfolgt.

Description

Abzweigung
Diese Gebrauchsmusterschrift ist eine Abzweigung aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2020 119 414.5 vom 22.07.2020.
Prioritäten der Stammanmeldung DE 10 2020 119 414.5
Diese Stammanmeldung DE 10 2020 119 414.5 , aus der die Abzweigung erfolgte, hat folgende Prioritäten der folgenden deutschen Patenanmeldungen in Anspruch genommen:

DE 10 2019 009 153.1 vom 25.07.2019, DE 10 2019 009 155.8 vom 05.08.2019, DE 10 2019 005 484.9 vom 05.08.2019, DE 10 2019 129 092.9 vom 28.10.2019, DE 10 2019 130 115.7 vom 07.11.2019,
DE 10 2020 003 532.9 vom 05.04.2020 in Anspruch. Des Weiteren wurde durch die
DE 10 2020 119 414.5 die Priorität der DE 10 2020 107 831.5 in Anspruch genommen, deren Anmeldetag der 22.03.2020 ist.

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung der DE 10 2020 119 414.5 betrifft unter anderem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustisch äquivalenten elektrischen und digitalen Signalen mittels auf quantenmechanischen Effekten beruhenden Sensoren als Mikrophone oder Tonabnehmer für Musikinstrumente sowie weitere technische und medizinische Instrumente. Die vorliegende Erfindung betrifft somit insbesondere die Detektion von magnetischen Flussdichten B, elektrischen Flussdichten D, Drücken P, Bewegungsgeschwindigkeiten v, Positionskoordinaten, Abständen, elektrischen Strömen, Kräften auf mit einem magnetischen Moment behaftete Atomkerne, Beschleunigungen a, Gravitationsfeldstärken g, mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen, Rotationsgeschwindigkeiten ω, Temperaturen ϑ, Intensitäten ionisierender Strahlungen mittels auf quantenmechanischen Effekten beruhenden Sensoren. Die mechanischen Schwingungen können beispielsweise in Musikinstrumenten zur Erzeugung von Tönen dienen. Die Bewertung der Amplitude und der Frequenz von mechanischen Schwingungen können aber auch zur Qualitätskontrolle von Motoren oder andere sich regelmäßig bewegende Bauelemente genutzt werden. Weitere Anwendungen liegen in der Nutzung als Seismograph oder für medizinische Untersuchungen. Gattungsgemäße Verfahren um Positionen, Bewegungen, Beschleunigungen, Rotationsgeschwindigkeiten oder Schwingungen in elektrisch oder digital äquivalente Signale umzuwandeln sind auf Druck basierende Sensoren, thermoelastische oder auf magnetische Induktion basierende Verfahren. Letzteres ist insbesondere für elektrische (E-) Gitarren und Bässe gebräuchlich. Nach dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, dass E-Gitarren oder E-Bässe mit Tonabnehmern (Pick-Ups) ausgestattet sind, um die Schwingungen einer angeschlagenen Saite in akustische Signale umzuwandeln. Dabei wird die Induktion von Spannungen mittels zeitlicher Feldänderungen in einer Spule nach dem Faraday'schen Gesetz genutzt. Die Bestimmung von Schwingungen durch Geophone nutz ebenfalls eine Ankopplung von Erdschwingungen an eine Spule in dem sich ein freibeweglicher Magnet befindet.
Ein wesentlicher prinzipieller Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Induktionsspannung durch die zeitliche Änderung des magnetischen Feldes insbesondere durch Änderung des magnetischen Flusses B bestimmt wird, also einen Differentialfilter darstellt mit einer entsprechenden Rauschverstärkung. Ebenfalls stellt die Induktion der Spule in dem Messsystem einen Tiefpass dar und führt zu nicht linearen Übertragungen mechanisch zusammengesetzter Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen. Ähnliche Nachteile besitzen auf Druck basierende Sensoren. Herkömmliche magnetische Sensoren besitzen zudem den Nachteil, dass sie eine geringe Empfindlichkeit besitzen oder eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen oder beides. Beispielsweise weisen Hall-Sensorelemente einen hohen Innenwiderstand auf, der die Messgeschwindigkeit begrenzt. Die Übertragung der mechanischen Schwingungen in akustisch äquivalente elektrische oder digitale Signale ist somit nur bedingt mit der derzeitigen Technik möglich. Die Erfindung richtet sich des Weiteren auf ein Gehäuse mit einem Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System. Das Sensorsystem weist ein Sensorelement mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements auf. Alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems sind bevorzugt nicht ferromagnetisch ausgeführt. Dies betrifft insbesondere das Lead-Frame für die Montage des Sensorsystems innerhalb eines Open-Cavity-Gehäuses. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in einem Diamantkristall, der als Sensorelement dient, wobei dann Diamant zumindest in Teilen das Sensorelementmaterial darstellt. Die Verwendung anderer Zentren, wie beispielsweise des ST1-Zentrums oder des SiV-Zentrums oder des GeV-Zentrums ist denkbar. Die Erfindung richtet sich auch auf ein entsprechendes Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, wobei der optische Sender (PL1) des Sensorsystems gechoppert, d.h. pulsmoduliert. wird und durch eine spezielle Maßnahme alle Reste des Chopper-Frequenz-Spektrums aus dem Spektrum des Sensorausgangssignals (out) entfernt werden. Insbesondere wird eine spezielle Art der Rauschunterdrückung beansprucht. Mit Pulsmodulation werden hier verschiedene Modulationsverfahren wie Pulsamplitudenmodulation (PAM), Puls-Code-Modulation (PCM), Pulsfrequenzmodulation (PFM), Pulsweitenmodulation (PWM), Puls-Pausen-Modulation (PPM), Pulsphasenmodulation (PPM) und Puls-Position-Modulation (PPM) zusammengefasst. Auf https://de.wikipedia.org/wiki/Pulsmodulation wird verwiesen.
Vorbemerkungen
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und die Merkmale der Ansprüche können typischerweise miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen in den Ansprüchen der Erstanmeldung nicht miteinander kombiniert sind, da z. T. aus Platzmangel nur bevorzugte und/oder beispielhafte Kombinationen in den Ansprüchen und der Beschreibung Niederschlag fanden. Voraussetzung einer solchen, hier ggf. nicht ausdrücklich beschriebenen Kombination ist die Sinnhaftigkeit und Funktionstüchtigkeit der Kombination, die ggf. durch den Fachmann erprobt werden kann. Die Offenbarung umfasst ausdrücklich auch diese Kombinationen.
Allgemeine Einleitung
In letzter Zeit werden sehr viele Publikationen zur Verwendung von NV-Zentren als Quantenpunkten für Quantum-Sensing, Quantum-Computing und Quantum-Kryptografie getätigt.
Auf quantenmechanischen Effekten basierende Sensoren beruhen bevorzugt auf paramagnetischen Spin-Zuständen und erzeugen selbst kein oder ein extrem geringes Magnetfeld. Sie erlauben es, Magnetfelder mit bis zu mehreren hundert kHz frequenzunabhängig zu bestimmen. Gegenüber Magnetfeldmessverfahren, die auf Induktion basieren, wirkt das Messsystem somit nicht auf das zu vermessende ggf. schwingende System ein und erlaubt somit eine unbeeinflusste Messung des zu vermessenden Systems. Durch das auf quantenmechanischen Effekten beruhende Messprinzip ist das Detektionsprinzip weitgehend temperaturunempfindlich.
1 zeigt ein Quantenpunkt basierendes Messsystem entsprechend dem Stand der Technik schematisch als stark vereinfachtes Blockschaltbild. Im Stand der Technik emittiert eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5) Pumpstrahlung (LB) in eine erste Übertragungsstrecke (l1) hinein. Für die Intensität i1 der in die erste Übertragungsstrecke (l1) hineingestrahlten Pumpstrahlung (LB) finden wir die Gleichung I in linearer Näherung: $I 1 = h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb)$
Hierbei beschreibt h0 einen Offset-Wert, der für die Pumpstrahlungsquelle (PL1) spezifisch ist. hRa beschreibt ein Rauschen, das intensitätsunabhängig ist. h1 beschreibt einen Proportionalitätsfaktor, der für die Pumpstrahlungsquelle (PL1) in dem gewählten Arbeitspunkt bei linearer Näherung gilt. s5w stellt den momentanen Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) dar. s5g stellt den momentanen Wert des Gleichanteilsanteils (S5g) des Sendesignals (S5) dar. hRb steht für das mitverstärkte Eingangsrauschen der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Somit wird im Stand der Technik die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem Sendesignal (S5) moduliert.
Nur ein erster Anteil a1 der Pumpstrahlung (LB), der sich in der ersten Übertragungsstrecke (11) befindet, erreicht das Sensorelement mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1). Bevorzugt handelt es sich bei dem Sensorelement um einen oder mehrere Diamanten und bei dem paramagnetischen Zentrum (NV1) in diesem Falle dann bevorzugt um ein oder mehrere NV-Zentren.
Die Pumpstrahlung (LB) aus der ersten Übertragungsstrecke (l1) bestrahlt das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements somit mit Pumpstrahlung (LB). Das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) wandeln einen zweiten Anteil a2 der empfangenen Pumpstrahlung (LB) in eine Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Intensität i2 um. $i 2 = a 1 * a * [h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb)]$
Das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) strahlen somit die Fluoreszenzstrahlung (FL) in eine zweite Übertragungsstrecke (12) mit der Intensität i2 ein. Einen dritten Anteil a3 der Pumpstrahlung (LB) reflektiert oder transmittiert das Sensorelement ebenfalls in die zweite Übertragungsstrecke (12) hinein. $i 2 = a 1 * a * [h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb)] + a 1 * a 3 [h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb)]$
Ein optischer Filter (F1), der hier als ideal angenommen wird, transmittiert die Fluoreszenzstrahlung (FL) und absorbiert oder reflektiert die Pumpstrahlung (LB), sodass nur ein vierter Anteil a4 der Fluoreszenzstrahlung (FL) den Strahlungsempfänger (PD) erreicht. $i 2' = a 4 * a 1 * a 2 * [h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb)]$
Der Strahlungsempfänger (PD) empfängt am Ende der zweiten Übertragungsstrecke (12) diesen Anteil der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Intensität i2' und wandelt ihn in ein Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Wert (s0) um. $s 0 = d 0 + dRa + d 1 * (I 2' + dRb)$
$s 0 = d 0 + dRa + d 1 * (a 4 * a 1 * a 2 * [h 0 + hRa + h 1 * (s 5 w + s 5 g + hRb) + dRb])$
Hierbei beschreibt d0 einen Offset-Wert, der für den Strahlungsempfänger (PD) spezifisch ist. dRa beschreibt ein Rauschen des Strahlungsempfängers (PD), das von der Intensität unabhängig ist. d1 beschreibt einen Proportionalitätsfaktor, der für den Strahlungsempfänger (PD) in dem gewählten Arbeitspunkt bei linearer Näherung gilt. dRb steht für das mitverstärkte Eingangsrauschen des Strahlungsempfängers (PD). Ausmultiplizieren ergibt: $\begin{array}{l} s 0 = d 0 + dRa + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 0 + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * hRa + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * s 5 w \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * s 5 g + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * hRb + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * dRb \end{array}$
Im Stand der Technik erfolgt dann die Multiplikation mit dem Momentanwert (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) zum Filtereingangssignal (S3): $\begin{array}{l} s 3 = d 0 * s 5 w + dRa * s 5 w + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 0 * s 5 w * + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * hRa * s 5 w \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * s 5 w * s 5 w + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * s 5 g * s 5 w \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * hRb * s 5 w + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * dRb * s 5 w \end{array}$
Wir verwenden nun ein lineares Schleifenfilter (TP) mit der Filterfunktion F[X1]. X1 und X1 seien die zwei Werte zweier beliebige Signale. x sei ein beliebiger reeller Faktor. Ein Filter mit der Filterfunktion F[X1] ist im Sinne dieser Offenlegung dann ein lineares Filter, wenn gilt (Gleichung XIII): $F [X 1 + X 2] = F [X 1] + F [X 2]$
$F [x * X 1] = x * F [X 1]$
Dieses Filtereingangssignal (S3) wird sodann in einem Tiefpassfilter als Schleifenfilter (TP) im Stand der Technik gefiltert.
Dieses Schleifenfilter (TP) ist ein lineares Filter mit der Filterfunktion F[s3] gemäß Gleichung XIII, wobei also der Wert (s3) des Filtereingangssignals (S3) die Eingangsvariable der Filterfunktion F[] sein soll.
Die Struktur des Schleifenfilters (TP) wird typischerweise so gewählt, dass zumindest näherungsweise gilt: $\begin{array}{l} F [s 5 w] = 0 \\ F [s 5 w*s5w] = 1 \\ F [1] = 1 \end{array}$
Für das Filterausgangssignal (S4) erhalten wir dann: $\begin{array}{l} s 4 = d 0 * F [s 5 w] + F [dRa * s 5 w] + d 1 * a 4 * a 2 * h 0 * F [s 5 w] + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * F [hRa * s 5 w] \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * F [s 5 w * s 5 w] + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * s 5 g * F [s 5 w] \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * F [hRb * s 5 w] + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * F [dRb * s 5 w] \end{array}$
Mit F[s5w]=0 und F[s5w*s5f]=1 finden wir dann: $\begin{array}{l} s 4 = d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 + F [dRa * s 5 w] + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * F [hRa * s 5 w] + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * h 1 * F [hRb * s 5 w] \\ + d 1 * a 4 * a 1 * a 2 * F [dRb * s 5 w] \end{array}$
Wie leicht zu erkennen ist, wird das Rauschen dadurch reduziert, dass höher-frequente Rauschanteile mit dem Sendesignal (S5) nach unten gemischt werden. Da die Rauschpegel dieser Rauschanteile hinsichtlich des 1/f-Rauchens, das bei niedrigen Frequenzen dominant ist, kleiner sind, kommt es zwar zu einer Verbesserung des Rauschverhaltens. Das Rauschen, insbesondere das weiße Rauschen, verschwindet jedoch nicht.
Der Momentanwert (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) wird mit dem Momentanwert (s5) des Sendesignals (S5) multipliziert und der sich ergebende Wert des Filtereingangssignals anschließend in einem Schleifenfilter (TP) gefiltert.
Dieses Problem wird durch die hier offengelegte Vorrichtung und das hier offengelegte Verfahren signifikant reduziert. Eine vollständige Beseitigung des Rauschens ist aus physikalischen Gründen bekanntermaßen nicht möglich.
Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik keine Methoden zur Herstellung von Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren bekannt, die zur Erzielung eines guten Messsignals notwendig sind.
Außerdem sind aus dem Stand der Technik keine Methoden zur Steigerung des Kontrasts (KT) bekannt.
Zum Stand der Technik der Herstellung von Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren und zur Herstellung roter Diamanten
Bereits aus der US 4 124 690 A ist das Ausheilen von Kristallschäden und die Änderung des Erscheinungsbildes von Diamanten bekannt, ohne, dass die Herstellung roter Diamanten offenbart würde.
Aus der EP 0 014 528 B1 ist ein Verfahren zur Reduktion der Farbe von Diamanten bekannt. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zum Abschwächen der Farbe von Diamanten der Type 1 b, das lt. der EP 0 014 528 B1 dadurch gekennzeichnet ist, dass der Diamant einer Bestrahlung mit einem derartigen Energiestrom ausgesetzt wird und dass wenigstens 1018 Gitterlücken pro cm³ im Diamant erzeugt werden. Lt. der technischen Lehre der EP 0 014 528 B1 wird der bestrahlte Diamant anschließend bei einer Temperatur von 1600°C bis 2200°C unter einem Druck warmbehandelt, bei welchem der Diamant bei der angewendeten Temperatur kristallografisch stabil ist.
Aus der EP 0 275 063 A2 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer hohen NV-Zentrumsdichte in Diamant bekannt, bei dem der Dimant mit Elektronen hoher Energie bestrahlt wird und anschließend bei einer Temperatur zwischen 500°C und einem Druck kleiner als 1 Torr ausgeheilt wird.
Aus der EP 0 615 954 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines roten Diamanten bekannt. Das Verfahren der EP 0 615 954 A1 , umfasst dabei die Schritte:

1. Herstellung eines synthetischen Diamantkristalls, der mindestens 1 × 10¹⁷ und weniger als 4 × 10¹⁸ Atome/cm³ vom Typ Ib Stickstoff und weniger als 1 × 10¹⁸Atome/cm³ Bor enthält;
2. Bestrahlung des Diamantkristalls mit einem Elektronenstrahl bei einer Energie von 1 bis 10 MeV in einem Dichtebereich von 2 × 10¹⁵ bis 5 × 10¹⁶ Elektronen/cm² oder mit einem Neutronenstrahl in einem Dichtebereich von 2 × 10¹⁵ bis 8 × 10¹⁷/cm² und
3. Tempern des Diamantkristalls, der mit dem Elektronenstrahl oder dem Neutronenstrahl bestrahlt wird, in einer Vakuumatmosphäre oder einer Inertgasatmosphäre von nicht mehr als 10^-1 Torr bei einer Temperatur von mindestens 600°C und weniger als 800°C für mindestens 3 Stunden.

Durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl bzw. Neutronenstrahl entstehen Strahlenschäden im Diamanten, die auch mit der nachfolgenden Temperung nicht mehr beseitigt werden können. Daher sind solchermaßen behandelte Diamanten typischerweise leicht getrübt.
Entsprechend der technischen Lehre der EP 0 615 954 A1 weist ein dermaßen hergestellter roter Dimant einen Absorptionskoeffizienten für Typ Ib Stickstoff bei 500 nm Wellenlänge von mindestens 0,1 cm^-1 und weniger al 0,2 cm^-1 und einen NV-Zentrum verursachten Absorptionskoeffizienten bei 570nm auf, der mindestens 0m05 cm^-1 und weniger als 1 cm^-1 beträgt. Der Absorptionskoeffizient des GR1-Zentrums, des H2-Zentrums, des H3-Zentrums und des H4-Zentrums in der sichtbaren Region sind bei einem roten Diamanten, der entsprechend der technischen Lehre der EP 0 615 954 A1 gefertigt wurde, typischerweise kleiner als 0,2 cm^-1.
Aus der RU 2 145 365 C1 ist ein Verfahren zur Verfeinerung von Diamanten durch Einwirkung von Elektronenstrahlen und Einglühen über einen Zeitraum von 30 Minuten bis zu mehreren Stunden, bevor die Diamanten bestimmte Farbtöne erhalten. Das Verfahren der RU 2 145 365 C1 zeichnet sich laut der RU 2 145 365 C1 dadurch aus, dass die Diamanten einer Behandlung mit Elektronenstrahlen mit einem integriertem Elektronenfluss im Bereich von 5 × 10¹⁵-5 × 10¹⁸ cm^-2 unterzogen werden und dass das Tempern entweder bei atmosphärischem Druck oder bei Atmosphärendruck oder im Vakuum oder in einer Atmosphäre von Inertgasen bei 300 - 1900°C durchgeführt wird. Auch in der technischen Lehre der RU 2 145 365 C1 wird die Abfolge Bestrahlung -Temperung bevorzugt mehrfach wiederholt, um die Agglomeration von Strahlenschäden zu nicht mehr auflösbaren Agglomerationen zu verhindern.
Aus der EP 0 316 856 B1 sind purpurrote Diamanten bekannt, die Absorptionskoeffizienten von 0,2 - 2 cm^-1 des Stickstoffs des Ib-Typs bei 500 nm und von 0,3 - 10 cm^-1 des N-V Zentrums bei 570 nm aufweisen, wobei diese Diamanten einen Absorptionskoeffizienten von weniger als 0,2 cm^-1 der GR1-, H2-, H3- und H4-Zentren im sichtbaren Bereich aufweisen. Bei dem Verfahren gemäß der technischen Lehre der EP 0 316 856 B1 zur Herstellung von purpurroten Diamanten wird ein künstlicher synthetischer Diamantenkristall des Ib-Typs mit einem Ib Stickstoffgehalt des Kristalls im Bereich von 8 × 10¹⁷ bis 1.4 × 10¹⁹ Atomen/cm³ verwendet, wobei der Kristall einer Elektronenbestrahlung von 5 × 10¹⁶ - 2 × 10¹⁸ Elektronen/cm² bei 2 - 4 MeV und einem Temperverfahren bei einer Temperatur von 800 - 1100 °C unterzogen wird. Laut der technischen Lehre der EP 0 316 856 B1 zeichnet sich das Verfahren, dadurch aus, dass das Temperverfahren im einem Vakuum von weniger als 1,33 Pa (10^-2 Torr) über mehr als 25 Stunden, also sehr lange, durchgeführt wird. Aus der EP 0 316 856 B1 ist auch bekannt, dass ggf. nach dem Ausheilen durch einen Temperschritt weitere Bestrahlungen mit Elektronen und weitere Temperschritte folgen können.
Aus der RU 2015 132 335 A ist ein Verfahren zur Bildung von Farbzentren in Diamant bekannt. Das Verfahren der RU 2015 132 335 A umfasst die Bestrahlung der Diamanten. Lt. der technischen Lehre der RU 2015 132 335 A sollten die Diamanten eine gleichmäßige Volumenverteilung von A-Aggregaten mit einer Konzentration von mindestens 10¹⁸ cm^-3 aufweisen. Die zur Bestrahlung benutzte ionisierende Strahlung sollte lt. der RU 2015 132 335 A eine Energie von mindestens 1 MeV bei einer Dosis von 100-120 ppm / cm² pro A-Einheit aufweisen. Lt. der RU 2015 132 335 A zeichnet sich die technische Lehre der RU 2015 132 335 A dadurch aus, dass die Bestrahlung mit einem Zwischenglühen bei einer Temperatur von 850-900 K wiederholt bis zur gewünschten Konzentration an Farbzentren durchgeführt wird, es folgt dann ein Tempern des Diamanten in einem inerten Medium bei einer Temperatur von 1200-2000 K für 0,5-2 Stunden. Die Zwischentemperungen verbessen bereits die Ausheilung der Strahlenschäden, können aber eine Zusammenballung der Schäden und eine Trübung des Diamanten nicht verhindern.
Aus der EP 1 645 664 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fancy-Red-Diamanten mit stabilen Färbezentren, die im Bereich von Wellenlängen von 400 bis 640 nm absorbieren, bekannt. Das Verfahren der EP 1 645 664 A1 basiert auf der Bestrahlung der Diamanten mit einem Elektronenstrom und dem Härten bei einer Temperatur von mindestens 1100°C im Vakuum. Das Verfahren der EP 1 645 664 A1 zeichnet sich laut der EP 1 645 664 A1 dadurch aus, dass Naturdiamanten des Typs la verwendet werden und dass im Kristallgitter dieser Naturdiamanten isolierte Stickstoffatome in der Substitutionsposition vom Verarmungstyp C gebildet werden. Dies geschieht lt. der technischen Lehre der EP 1 645 664 A1 durch eine Hochtemperatur-Bearbeitung in einem Hochdruckgerät bei einer Temperatur von mehr als 2150°C und bei einem stabilisierten Druck von 6,0-7,0 Gpa, die vor der Bestrahlung durch einen hochenergetischen Elektronenstrom mit einer Dosis von 5×10¹⁵ - 5×10¹⁸cm^-2 bei 2-4 MV unter Verwendung von Diamanten, die den Verarmungstyp A enthalten, oder durch einen hochenergetischen Elektronenstrom mit einer Dosis von mehr als 10¹⁹cm^-2 unter Verwendung von Naturdiamanten mit einem hohen Stickstoffgehalt ausgeübt wird, die mehr als 800 ppm Stickstoffbeimischung als Verarmungstyp A und B 1 enthalten Stickstoffbeimischung als Verarmungstyp A und B 1 enthalten.
Aus der US 8 986 646 B2 ist ein Verfahren zur Erzeugung von NV-Zentren in CVD-Diamantmaterial bekannt. Das Verfahren der US 8 986 646 B2 umfasst gemäß der technischen Lehre der US 8 986 646 B2 das Bestrahlen des Diamantmaterials und das anschließende Tempern des Diamantmaterials. Lt. der technischen Lehre der US 8 986 646 B2 handelt es sich bei dem Diamantmaterial, das bestrahlt wird, um Einkristall-Diamantmaterial, das mittels eines CVD-Verfahrens gezüchtet wurde und einzelne Substitutionsstickstoffatome (N_s0) enthält. Das Diamantmaterial gemäß der US 8 986 646 B2 weist ein Absorptionsspektrum mit einer integrierten Gesamtabsorption im sichtbaren Bereich von 350 nm bis 750 nm auf, bei der mindestens 10% der integrierten Absorption auf eine Absorption durch N_s0 zurückzuführen ist. Die Bestrahlung erfolgt, um isolierte Leerstellen V in dem CVD-Diamantmaterials zu erzeugen. Die Konzentration der isolierten Leerstellen in dem bestrahlten Diamantmaterial beträgt nach der Bestrahlung laut der US 8 986 646 B2 mindestens 0,05 ppm und höchstens 1 ppm, um zum einen genügend Fehlstellen für die Bildung der NV-zentren bereitzustellen und zum anderen eine Agglomeration der Leerstellen zu größeren Komplexen zu vermeiden. Die technische Lehre der US 8 986 646 B2 sieht ein anschließendes Tempern des bestrahlten Diamantmaterials zur Bildung von NV-Zentren aus mindestens einigen der einzelnen Substitutionsstickstoffdefekte (N_s0) und den eingeführten isolierten Leerstellen vor. Laut der technischen Lehre der US 8 986 646 B2 weist das behandelte CVD-Diamantmaterial nach den Bestrahlungs- und Glühschritten (i) und (ii) die folgenden Eigenschaften auf:

[V⁰ GR1<0,3 ppm, [V] ND1 <0,3 ppm, [Ns0]<1,5 ppm, [V-Ketten]<20 cm^-1 bei 250 nm,
[NV] ≥ 10^-12 cm^-3. Die technische Lehre der US 8 986 646 B2 sieht eine Tempertemperatur von 1600°C vor.

Aus der US 8 961 920 B1 ist ein Verfahren zum Ändern der Farbe eines Diamanten bekannt. Das Verfahren der US 8 961 920 B1 beginnt mit dem Identifizieren eines Stickstoffgehalts eines Diamanten vom Typ laB, wobei der Diamant anfänglich eine erste Farbe aufweist. Es folgt laut der technischen Lehre der US 8 961 920 B1 das Verarbeiten des Diamanten in einer Hochdruck- / Hochtemperaturpresse („HPHT“) unter diamantstabilen Bedingungen, um die Farbe des Diamanten von der ersten Farbe in eine zweite Farbe zu ändern, die aus Gelb besteht. Laut der technischen Lehre der US 8 961 920 B1 erfolgt dann das Bestrahlen des Diamanten mit Elektronen mit einer Energie zwischen ungefähr 1 MeV und ungefähr 20 MeV, um die Farbe des Diamanten von der zweiten Farbe in eine dritte Farbe zu ändern, die bläulich-grünlich ist. Abschließend erfolgt dann entsprechend der technischen Lehre der US 8 961 920 B1 das Tempern des Diamanten bei einer Temperatur von weniger als 1100 ° C und unter Vakuum oder einem Druck von nicht mehr als etwa 500 kPa, um die Farbe des Diamanten von der dritten Farbe in eine vierte Farbe zu ändern, die rot, rosa oder lila ist. Durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl entstehen Strahlenschäden im Diamanten, die auch mit der nachfolgenden Temperung nicht mehr beseitigt werden können. Daher sind solchermaßen behandelte Diamanten typischerweise leicht getrübt.
Aus der US 8 168 413 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von lumineszierenden Diamantpartikeln, bekannt, das das Bestrahlen von Diamantpartikeln mit einem lonenstrahl umfasst. Entsprechend der technischen Lehre der US 8 168 413 B2 haben die Diamantpartikel einen Durchmesser von 1 nm bis 1 mm und 5 ppm bis 1000 ppm Farbzentren. Der lonenstrahl hat nach der technischen Lehre der US 8 168 413 B2 eine kinetische Energie von 1 keV bis 900 MeV. Gemäß der technischen Lehre der US 8 168 413 B2 erfolgt auf das Bestrahlen ein Erhitzen der bestrahlten Diamantteilchen in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 600 und 1000 ° C und ein Oxidieren der Oberfläche der lumineszierenden Diamantteilchen. Durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl entstehen Strahlenschäden im Diamanten, die auch mit der nachfolgenden Temperung nicht mehr beseitigt werden können. Daher sind solchermaßen behandelte Diamanten typischerweise leicht getrübt.
Aus der EP 1 097 107 B1 ist ein Verfahren zum Verändern der Farbe eines Diamanten bekannt. Entsprechend der technischen Lehre der EP 1 097 107 B1 umfasst das Verfahren das Aussetzen des Diamanten einer Bestrahlung mit einer Energie, die geeignet ist, um eine fotonukleare Transmutation von ausgewählten Atomen zu anderen Atomen zu verursachen. Gemäß der technischen Lehre der EP 1 097 107 B1 ist diese Energie so gewählt, dass eine Riesendipolresonanz (GDR) in dem Diamanten angeregt wird. Die Bestrahlung ist gemäß der technischen Lehre der EP 1 097 107 B1 dergestalt ist, dass entweder: (1) Transmutationen von Kohlenstoffatomen zu Boratomen verursacht werden, wobei dem Diamanten eine blaue Farbe verliehen wird oder (2) im Falle eines stickstoffhaltigen, gelben Diamanten, dass Transmutationen von Stickstoffatomen zu Kohlenstoffatomen verursacht werden, wobei die gelbe Farbe des Diamanten verringert wird. Des Weiteren umfasst gemäß der technischen Lehre der EP 1 097 107 B1 das Verfahren der EP 1 097 107 B1 das Verringern von Strahlungsschäden in dem Diamanten durch Kühlen des Diamanten, um das Diamantkristallgitter wiederherzustellen, wobei die Farbänderung aufgrund der Transmutation lt. der EP 1 097 107 B1 unbeeinflusst bleibt. Eine rote Farbe wurde hier in der EP 1 097 107 B1 nicht berichtet.
Aus der JPH 0 536 399 B2 ist ein Verfahren zur Blaueinfärbung von Diamanten mittels eines Elektronenstrahls und Wasserkühlung während der Bestrahlung bekannt.
Aus der US 5 637 878 A ist ein Verfahren zur Einfärbung von Schmuckdiamanten bekannt, bei dem die Schmuckdiamantrohlinge mit einem Elektronenstrahl bestrahlt werden. Das Verfahren der US 5 637 878 A zur Elektronenstrahlbestrahlung von Edelsteinen zur Farbverbesserung umfasst die Schritte:

1. Platzieren der Edelsteine in einem Schwingmittel, das mit einem Kühlmittel versehen ist;
2. Zirkulieren eines Kühlmittels durch die Kühlmitteleinrichtung;
3. Initiieren einer oszillierenden Bewegung entlang einer horizontalen y-Achse in den oszillierenden Mitteln;
4. Richten eines oszillierenden Elektronenstrahls, der von einer Elektronenstrahlquelle mit einer Leistung von etwa 10 kW bis etwa 500 kW erzeugt wird, auf die Edelsteine, wobei der oszillierende Elektronenstrahl entlang einer z-Achse verläuft;
5. Aufrechterhaltung der Kühlmittelzirkulation durch das Kühlmittel, bis die Edelsteine auf Umgebungstemperatur abgekühlt sind; und
6. Entfernen der gleichmäßig gefärbten Edelsteine.

Die technische Lehre der US 5 637 878 A offenbart darüber hinaus noch eine bevorzugte Elektronenenergie von 3 MeV bis 5 MeV.
Aus der CN 107 840 331 A ist ein Verfahren zur Diamantmodifikation bekannt, dass laut der CN 107 840 331 A dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren der CN 107 840 331 A die Behandlung des Diamanten mit einem Strahlungsstrahl umfasst, der Protonen umfasst, worin die Energiedifferenz zwischen der höchsten Energie und der niedrigsten Energie der Protonen mindestens 5 MeV umfasst. Lt. der technischen Lehre der CN 107 840 331 A wird als Strahlungsquelle Höhenstrahlung in einer Höhe von mindestens 20km genutzt.
Aus der US 2009 0 110 626 A1 ist ein Ausheilverfahren bekannt, bei dem unter hohem Druck der Diamant sehr schnell auf eine hohe Temperatur von ca. 2200°C gebracht wird.
Aus der US 7 604 846 B2 ist eine Umfärbung von Diamanten mittels lonenbeschuss und anschließender Temperung bekannt, die die bereits besprochenen Probleme des Stands der Technik aufweist.
Den Verfahren zur künstlichen Herstellung roter Diamanten ist gemeinsam, dass in der Regel eine Bestrahlung mit ionisierender Strahlung stattfindet und dann in einem n ach f o I gen den Schritt versucht wird, durch eine ggf. auch unter hohem Druck stattfindende Wärmebehandlung die Strahlenschäden im Diamantrohling wieder zu beheben. Dieses Vorgehen hat den massiven Nachteil, dass sich Fehlstellen im Diamantkristall bei der hochenergetischen Bestrahlung bilden. Diese tendieren dazu, sich zu größeren Komplexen zusammenzuballen, die dann auch mit der nachfolgenden Wärmebehandlung nicht mehr aufgelöst werden können.
Zwar wurde, wie oben beschreiben, versucht, durch zyklisch wiederholtes Bestrahlen und anschließendes Ausheilen, diese Agglomeration der Fehlstellen zu größeren Komplexen zu verhindern. Dies kann aber nur zum Teil mit Erfolg durchgeführt werden.
Diese Zusammenballungen der Fehlstellen führen zu einer Trübung der Schmuckdiamanten und damit zu einem Mangel hinsichtlich der sogenannten „Clarity“ der Schmuckdiamanten. Solche Steine werden als „cloudy“ bezeichnet und sind in ihrem Wert aufgrund der geminderten optischen Brillanz gemindert. Aus der Schrift M. Capelli, A.H. Heffernan, T. Ohshima, H. Abe, J. Jeske, A. Hope, A.D. Greentree, P. Reineck, B.C. Gibson, Increased nitrogen-vacancy centre creation yield in diamond through electron beam irradiation at high temperature, Carbon (2018), doi: https://doi.org/10.1016/ j.carbon.2018.11.051 ist eine Erhöhung der Ausbeute an NV-Zentren bekannt, die aber noch nicht ausreichend ist.
Zum Stand der Technik des Auslesens und Ansteuern von Quantenbits
Aus der Schrift Gurudev Dutt, Liang Jiang, Jeronimo R. Maze, A. S. Zibrov „Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond", Science, Vol. 316, 1312-1316, 01.06.2007, DOI: 10.1126/science.1139831 ist ein Verfahren zur Kopplung des nuklearen Spins von C¹³ Kernen mit den Elektronenspins der Elektronenkonfiguration von NV-Zentren bekannt.
Aus der Schrift Thiago P. Mayer Alegre, Antonio C. Torrezan de Souza, Gilberto Medeiros-Ribeiro, „Microstrip resonator for microwaves with controllable polarization“, arXiv:0708.0777v2 [condmat.other] 11.10.2007 ist ein kreuzförmiger elektrisch leitfähiger Mikrowellenresonator bekannt. Hierzu sei auf deren 2 verwiesen. Eine von den Autoren im ersten Abschnitt der Arbeit benannte Anwendung des kreuzförmigen Mikrowellenresonators ist die Ansteuerung von paramagnetischen Zentren mittels optisch detektierter magnetischer Resonanz (OMDR). Eine dediziert genannte Anwendung ist Quanteninformationsverarbeitung (QIP). Das Substrat des elektrisch leitfähigen Mikrowellenresonators ist dabei ein PCB (=printed circuit board). Die Dimensionen des Resonators liegen mit 5,5cm in der Größenordnung der Wellenlänge der einzukoppelnden Mikrowellenstrahlung. Der Mikrowellenresonator wird mittels Spannungsansteuerung gespeist. Die beiden Balken des Resonatorkreuzes sind elektrisch miteinander verbunden. Eine selektive Ansteuerung einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) bei gleichzeitiger Nichtansteuerung anderer paramagnetischer Zentren (NV1) ist mit der technischen Lehre der Schrift Thiago P. Mayer Alegre, Antonio C. Torrezan de Souza, Gilberto Medeiros-Ribeiro, „Microstrip resonator for microwaves with controllable polarization", arXiv:0708.0777v2 [condmat.other] 11.10.2007 nicht möglich.
Aus der Schrift Benjamin Smeltzer, Jean Mclntyre, Lilian Childress „Robust control of individual nuclear spins in diamond", Phys. Rev. A 80, 050302(R) - 25 November 2009 ist ein Verfahren zum Zugriff auf einzelne nukleare ¹³C-Spins mittels NV-Zenten in Diamant bekannt.
Aus der Schrift Petr Siyushev, Milos Nesladek, Emilie Bourgeois, Michal Gulka, Jaroslav Hruby, Takashi Yamamoto, Michael Trupke, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Fedor Jelezko, „Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond" Science 15 Feb 2019, Vol. 363, Issue 6428, pp. 728-731, DOI: 10.1126/science.aav2789 ist das elektronische Auslesen von Spin-Zuständen der NV-Zentren bekannt.
Aus der Schrift Timothy J. Proctor, Erika Andersson, Viv Kendon „Universal quantum computation by the unitary control of ancilla qubits and using a fixed ancilla-register interaction", Phys. Rev. A 88, 042330 -24 Okt. 2013 ist ein Verfahren zur Nutzung sogenannter Ancilla Quantenbits bekannt, um einen ersten nuklearen Spin mit einem zweiten nuklearen Spin mittels Ancilla-Bits zu verschränken.
Zum Stand der Technik der Magnetometer mit NV-Zentren
Aus der WO 2016 083 140 A1 ist eine Methode zur Messung des Magnetfelds mit einer Rampenmethode und mit Ansteuerung des Quantenbits mittels Mikrowelle bekannt. Aus der US 9 910 105 B2 ist die Messung von Magnetfeldern mit Zeeman Aufspaltung und Mikrowellenansteuerung bekannt. Aus der US 9 541 610 B2 ist ebenfalls ein Magnetfeldsensor bekannt, der Mikrowellen für die Kontrolle der Quantenpunkte benutzt. Aus der US 9 551 763 B1 ist ein Magnetfeldsensor mit einer 4-Seiten Antenne bekannt, der ebenfalls Mikrowellen benutzt. Aus der US 10 408 889 B2 ist ein Controller für einen Magnetfeldsensor zur Steuerung der Mikrowellen bekannt. Auch aus der US 10 120 039 B2 ist ein Magnetfeldsensor mit Mikrowellenansteuerung bekannt. Aus der US 10 168 393 B2 ist ein Magnetfeldsensor mit Mikrowellenansteuerung unter Zuhilfenahme eines Bias Magneten bekannt. Auch aus der US 10 241 158 B2 ist ein Magnetfeldsensor mit Mikrowellenansteuerung bekannt. Aus der US 10 345 396 B2 , der US 10 359 479 B2 , der US 8 547 090 B2 , der US 9 557 391 B2 , der US 9 829 545 B2 , der US 9 910 104 B2 und der US 10 408 890 B2 sind Magnetfeldsensoren mit Radiowellenansteuerung bekannt. Aus der US 9 222 887 B2 ist ein Magnetfeldsensor mit Nanopartikeln und einer Mikrowellenansteuerung bekannt. Auch aus der US 9 632 045 B2 und der US 9 658 301 B2 sind Magnetfeldsensoren mit Mikrowellenansteuerung bekannt. Aus der US 9 664 767 B2 ist ein Verfahren zur Manipulation von NV-Center-Spins mit Walsh Reconstruction auf Basis einer Mikrowellenansteuerung bekannt. Aus der US 10 007 885 B1 ist eine Messung mittels Verschränkung und Pertubation Pulsen bekannt. Aus der WO 2018 169 997 A1 ist eine Magnetfeldmessung mit einer AFM Spitze bekannt.
Aus der US 10 006 973 B2 ist ein Magnetfeldsensor mit zwei Fotodetektoren bekannt. Die Vorrichtung der US 10 006 973 B2 umfasst gemäß ihrer technischen Lehre eine Diamantanordnung mit einem Diamanten mit einem oder mehreren Stickstoffleerstellen, eine Leuchtdiode, die konfiguriert ist, um Licht in Richtung des Diamanten zu emittieren, einen ersten Fotosensor, der konfiguriert ist, um einen ersten Teil des von der Leuchtdiode emittierten Lichts zu erfassen, einen zweiten Fotosensor, der konfiguriert ist, um einen zweiten Teil des von der Leuchtdiode emittierten Lichts zu erfassen, und einen Prozessor, der betriebsmäßig mit dem ersten Fotosensor und einem zweiten Fotosensor gekoppelt ist. Der erste Teil des Lichts wandert gemäß der technischen Lehre der US 10 006 973 B2 nicht durch den Diamanten, währen der der zweite Teil des Lichts gemäß der technischen Lehre der US 10 006 973 B2 durch den Diamanten wandert. In der US 10 006 973 B2 ist der Prozessor konfiguriert, um ein vom ersten Fotosensor empfangenes erstes Signal mit einem vom zweiten Fotosensor empfangenen zweiten Signal vergleichen und um basierend auf dem Vergleich des ersten Signals und des zweiten Signals die Stärke eines an den Diamanten angelegten Magnetfelds zu bestimmen. Ähnliche Konstruktionen sind aus der US 9 720 055 B1 , der US 9 817 081 B2 und der US 9 823 314 B2 bekannt, die drei optischen Sensoren nutzen.
Aus der US 10 012 704 B2 ist eine Magnetfeldmessung mit einer induktiven Leiterschleife mit Widerstand bekannt. Die technische Lehre der US 10 012 704 B2 offenbart einen Diamant-StickstoffLeerstellen-Sensor, der einen Diamanten mit einer oder mehreren Stickstoffleerstellen, eine Schleife aus leitendem Material, die neben einem Teil des Diamanten positioniert ist und einen Widerstand, der mit einem ersten Ende der Schleife und einem zweiten Ende der Schleife gekoppelt ist umfasst, wobei die Schleife und der Widerstand ein Tiefpassfilter für den DNV-Sensor bilden. Der Widerstand kann durch eine Kontrollvorrichtung bzw. einen Regler modifiziert werden.
Aus der US 8 947 080 B2 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, der die Zeeman-Shift erfasst.
Aus der US 9 599 562 B2 ist eine Nanopartikel-Diamant-Metall-Verbindung bekannt, die einen Diamantnanopartikel mit einem Stickstoffleerstellenzentrum und eine metallische Nanostruktur umfasst. Der Diamantnanopartikel weist dabei einen vorbestimmten Radius auf und ist bevorzugt zumindest teilweise direkt an eine Schicht der metallischen Nanostruktur gebunden. Das Stickstoffleerstellenzentrum ist in der technischen Lehre der US 9 599 562 B2 in einem Abstand angeordnet, der zumindest teilweise auf dem vorbestimmten Radius des Diamantnanopartikels basiert.
Aus der US 9 638 821 B2 ist ein Verfahren zur Vermessung eines Bohrlochs bekannt.
Keine der oben aufgeführten Schriften ermöglicht sie Nutzung eines mikrowellenfreien und radiowellenfreien Sensorsystems das keine Ausrichtung des Diamantkristalls erfordert.
Die Kombination von Merkmalen der in der hier vorgelegten Schrift mit Merkmalen der in dieser Schrift genannten Patentliteratur und Nichtpatenliteratur ist ausdrücklicher Teil der Offenlegung und, soweit im jeweiligen Rechtssystem des späteren Nationalisierungsstaates dieser internationalen Anmeldung zulässig, Teil der Beanspruchung.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Schrift legt verschiedene Maßnahmen offen, die in Summe zu einer signifikanten Verbesserung beitragen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 gelöst. Weitere Ausprägungen der Erfindung und angrenzender Themengebiete sind Gegenstand der nebengeordneten und untergeordneten Ansprüche.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung umfasst alle wesentlichen Komponenten eines auf einem oder mehreren NV-Zentren bzw. einer oder mehrerer Gruppen von NV-Zentren basierenden Quantensensorsystems und Verfahren zu dessen Herstellung und Betrieb.
Allgemeine Idee
Zur Erfassung von Objektpositionen und/oder -positionsänderungen, beispielsweise von mechanischer Schwingungen eines schwingungsfähigen Systems (MS), schlägt beispielsweise das hier vorgelegte Verfahren vor, das Objekt, also beispielsweise das mechanisch schwingende System (MS), mit einem magnetischen Feld in Form der magnetischen Flussdichte B oder einem elektrischen Feld in Form der elektrischen Feldstärke E zu koppeln und den momentanen Wert der magnetischen Flussdichte B bzw. einer sich zeitlich ändernden elektrischen Flussdichte D mittels eines auf quantenmechanische Effekte beruhenden Sensors zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wurde insbesondere erkannt, dass sich solche quantenmechanischen Sensorsysteme, die bevorzugt auf der Vermessung der Fluoreszenzstrahlung (FL) paramagnetischer Zentren (NV1) beruhen, sich typischerweise auch zur Vermessung eines sich insbesondere zeitlich ändernden elektrischen Feldes mit einer elektrischen Feldstärke E eignen, wenn die Quelle der elektrischen Feldstärke E gegenüber den paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorsystems bewegt ist. Durch eine solche Bewegung kommt es zu einer Drehung und Verzerrung des vierdimensionalen elektromagnetischen Feldstärketensors F_ij im vierdimensionalen Minkowski-Raum, der die elektrische Feldstärke E in eine magnetische Flussdichte B transformiert und damit für solche auf der Erfassung der magnetischen Flussdichte B basierenden Sensorsystemen erfassbar macht.
Bevorzugt werden als Sensorelement oder Teile des Sensorelements Diamanten mit einer bevorzugt zumindest lokal sehr hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) in Form von NV-Zentren genutzt, um ein hohes Signal- u-Rauschverhältnis zu gewährleisten und eine quantenmechanische Kopplung zwischen diesen paramagnetischen Zentren (NV1) auszunutzen. Solche HD-NV-Diamanten mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), insbesondere an NV-Zentren, werden im Folgenden behandelt. Die Diffusionskonstante für Fremdatome in Diamant ist beispielsweise nahezu Null. Diese Sensorsysteme mit Sensorelementen, die Diamant umfassen, besitzen somit den Vorteil, dass keine Alterungserscheinungen für die paramagnetischen Zentren (NV1) zu erwarten sind. Die hohe Härte von Diamant gewährleistet die Möglichkeit des der hohen mechanischen Belastung ohne eine Beschädigung des Sensorelements durch Abrieb etc. befürchten zu müssen. Das Diamant-Sensorelement kann also in direktem Kontakt mit mechanisch verschleißenden Materialien gebracht werden. Beispielsweise ist ein direkter permanenter Kontakt zu einem unter hohem Druck stehenden, heißen Salzwasser/Gas/Öl/Sandgemisch, wie es in Bohrlöchern vorkommt, möglich. Eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), hier NV-Zentren, verleiht einem besonders als Sensorelement geeigneten betreffenden Diamanten typischerweise eine rote bis tiefrote oder schwarze Farbe. Wird ein solcher HD-NV-Diamant beispielsweise mit grünem Licht als Pumpstrahlung (LB) angestrahlt, so leuchtet der Diamant aufgrund der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen NV-Zentren (NV1) rot. Ein solcher Diamant eines solchen Sensorsystems kann mit einem Brillantschliff als Schmuckstein ausgeführt werden. Für Musikinstrumente wie beispielsweise E-Gitarren ist der Sensorsystemaufbau vorzugweise so gestaltet, dass nur der im Betrieb rot leuchtende Diamant gut sichtbar angebracht ist, um ein entsprechendes emotionales, positives Erlebnis bei einem Betrachter hervorzurufen. Die Verwendung von Schmuckdiamanten als Sensorelemente ist Teil dieser Offenlegung.
Herstellung von HD-NV-Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren
Die Erfindung umfasst daher als erstes ein Verfahren zur Herstellung von Diamanten oder eines Diamanten mit einer zumindest lokal hohen Konzentration an NV Zentren zur späteren Nutzung als Sensorelement im herzustellenden Sensorsystemen. Dieses Verfahren ist somit von großer Bedeutung. Der Begriff „lokal“ soll hierbei ein Raumvolumen als Bezugsvolumen innerhalb des Diamanten bezeichnen, das größer als die halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zur dritten Potenz ist, da ansonsten bereits mit einem einzigen NV-Zentrum eine beliebige Konzentration erreicht werden könnte. Solche Diamanten werden hier und im Folgenden als HD-NV-Diamanten bezeichnet. Das Sensorelement ist ein ganz wesentlicher Bestandteil des Sensorsystems und damit quasi sein Fundament. Das Verfahren umfasst als erstes den Schritt der Bereitstellung des Diamanten als Diamantrohling oder der Diamanten als Diamantrohlinge. Es kann sich dabei um einen einzelnen Diamanten als auch um eine Vielzahl von Diamanten handeln. Die Diamanten können groß oder klein sein. Die Diamanten können auch in Pulverform oder als Granulat vorliegen. Die Diamanten können auch nanokristallin sein.
Aus M. Capelli, A.H. Heffernan, T. Ohshima, H. Abe, J. Jeske, A. Hope, A.D. Greentree, P. Reineck, B.C. Gibson, Increased nitrogen-vacancy centre creation yield in diamond through electron beam irradiation at high temperature, Carbon (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.11.051 ist bekannt, dass die NV-Zentrumsausbeute in CVD-Diamant durch Heizen während einer Elektronenbestrahlung mit 2MeV Elektronen bei 710°C um einen Faktor 2 erhöht werden kann.
Die technische Lehre der zum Zeitpunkt der Anmeldung noch unveröffentlichten
DE 10 2019 117 423.6 beschreibt ein Verfahren zur weiteren Steigerung der Ausbeute an NV-Zentren, das eine Möglichkeit der Herstellung der HD-NV-Diamanten beschreibt. Diese Diamanten insbesondere solche mit einer NV-Zentrendichte von mehr als 10 ppm pro Volumeneinheit werden im Folgenden als HD-NV-Diamanten bezeichnet. Es hat sich gezeigt, dass ein Gehalt von mehr als 20ppm besser ist. Der Gehalt kann beispielsweise mittels EPR-Messung (electromagnetic parametric resonance) ermittelt werden. Auch hier verweisen wir auf M. Capelli, A.H. Heffernan, T. Ohshima, H. Abe, J. Jeske, A. Hope, A.D. Greentree, P. Reineck, B.C. Gibson, Increased nitrogen-vacancy centre creation yield in diamond through electron beam irradiation at high temperature, Carbon (2018), doi: https://doi.org/10.1016/ j.carbon.2018.11.051.
Mit solchen Diamanten lässt sich ein Sensorsystem mit einem Sensorelement aufbauen, bei dem das Sensorelement ein Substrat (D) umfasst oder gleich diesem Substrat (D) sein kann. In dem Substrat (D) kann ein Raumvolumen ausgewählt werden, wobei das Substrat (D) in diesem Raumvolumen eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mit mindestens zwei paramagnetischen Zentren (NV1) umfasst. Das Sensorsystem umfasst später näher erläuterte erste Mittel (G, PL1) zur Anregung einer Fluoreszenzstrahlung (FL) dieser Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Die Fluoreszenzstrahlung (FL) weist dabei eine Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) auf. Das Sensorsystem umfasst des Weiteren zweite Mittel (G, F1, PD, M1, TP) zur Erfassung und zur Auswertung der Fluoreszenzstrahlung (FL). Die äußeren Abmessungen des gewählten Raumvolumens sollen bei der Beurteilung, ob ein HD-NV-Diamant verwendet wird, die zweifache Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) nicht überschreiten. Das Sensorsystem erzeugt mittels der ersten und zweiten Mittel (G, PL1, F1, PD, M1, TP) in Abhängigkeit von der Fluoreszenzstrahlung (FL) dieser Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) einen oder mehrere Messwerte und/oder hält diesen bzw. diese bereit. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) hängt von einem physikalischen Parameter ab. Dabei kann es sich u.a. um die magnetische Flussdichte B, die elektrische Flussdichte D, die Beschleunigung a, die Gravitationsfeldstärke g, die Rotationsgeschwindigkeit ω, Schwingungsfrequenzen ω, die Modulation elektromagnetischer Strahlung, die Intensität ionisierender Strahlung, die Temperatur ϑ und dergleichen sowie deren einfachen und mehrfachen zeitlichen Integrale und Ableitungen handeln. Somit hängt der Messwert dann auch von dem physikalischen Parameter ab. Daher kann dann dieser ermittelte Messwert als Messwert dieses physikalischen Parameters benutzt werden. Die hier an dieser Stelle vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Konzentration der paramagnetischen Zentren (NV1) dieser Gruppe (NVC) in dem Raumvolumen im Mittel größer als 100ppm und/oder 50ppm und/oder 20ppm und/oder 10ppm und/oder 5ppm und/oder 2ppm und/oder 1ppm und/oder 0,5ppm und/oder 0,2ppm und/oder 0,1ppm und/oder größer als 0,01ppm und/oder größer als 0,001ppm und/oder größer als 0,0001ppm und/oder größer als 0,0001ppm bezogen auf die Anzahl der Atome des Substrats (D) pro Volumeneinheit in diesem Raumvolumen ist. Besonders bevorzugt ist sie größer als 10ppm oder besser 20ppm.
Statt der optischen Auslesung über die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist stets auch eine elektronische Auslesung über Fotoelektronen möglich.
Für diesen Zweck der elektronischen Auslesung der durch die Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) erzeugten Fotoelektronen wird die folgende alternative Sensorvorrichtung vorgeschlagen.
Ein solches Sensorsystem mit elektronischer Auslesung umfasst ein Sensorelement, wobei wieder das Sensorelement ein Substrat (D) umfasst oder gleich diesem Substrat (D) sein kann und wobei in dem Substrat (D) wieder das Raumvolumen ausgewählt werden kann und wobei das Substrat (D) in diesem Raumvolumen eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) umfasst. Wieder umfasst das Sensorsystem erste Mittel (G, PL1) zur Anregung eines Fotostroms der Fotoelektronen dieser Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mittels einer Pumpstrahlung (LB) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Im Gegensatz zum unmittelbar zuvor vorgeschlagenen Sensorsystem umfasst das Sensorsystem zweite Mittel (G, M1, TP) zur Erfassung und zur Auswertung des Fotostroms der Fotoelektronen dieser Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Die äußeren Abmessungen des gewählten Raumvolumens sollen nun die zweifache Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) nicht überschreiten. Das Sensorsystem erzeugt mittels der der ersten und zweiten Mittel (G, PL1, M1, TP) in Abhängigkeit von dem Fotostrom einen Messwert oder mehrere Messwerte und/oder hält diese bereit. Der Fotostrom hängt auch hier von einem physikalischen Parameter ab. Dabei kann es sich u.a. um die magnetische Flussdichte B, die elektrische Flussdichte D, die Beschleunigung a, die Gravitationsfeldstärke g, die Rotationsgeschwindigkeit ω, Schwingungsfrequenzen ω, die Modulation elektromagnetischer Strahlung, die Intensität ionisierender Strahlung, die Temperatur ϑ und dergleichen sowie deren einfachen und mehrfachen zeitlichen Integrale und Ableitungen handeln. Damit hängt auch der Messwert von dem physikalischen Parameter ab. Wie zuvor wird bevorzugt der Messwert als Messwert dieses physikalischen Parameters benutzt. Auch hier zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Konzentration der paramagnetischen Zentren (NV1) dieser Gruppe (NVC) in dem Raumvolumen im Mittel 100ppm und/oder 50ppm und/oder 20ppm und/oder 10ppm und/oder 5ppm und/oder 2ppm und/oder 1ppm und/oder 0,5ppm und/oder 0,2ppm und/oder größer als 0,1ppm und/oder größer als 0,01ppm und/oder größer als 0,001ppm und/oder größer als 0,0001ppm und/oder größer als 0,0001ppm bezogen auf die Anzahl der Atome des Substrats (D) pro Volumeneinheit in diesem Raumvolumen ist. Besonders bevorzugt ist sie auch hier größer als 10ppm oder besser 20ppm.
Damit später die Diamanten NV-Zentren ausbilden können, sollten sie Stickstoffatome, bevorzugt in Form von P1-Zentren aufweisen. Einfacher gesagt: Die Diamanten sollten vorzugsweise gelb oder gelblich sein. Die Diamanten sollten somit bevorzugt vor der Bestrahlung eine gelbe Farbe, vorzugsweise die Farbe „fancy yellow“ oder „fancy deep yellow“ entsprechend der GIA-Norm von John M. King „Colored Diamonds, colored reference Chart“ besitzen. Weniger bevorzugt sind Diamanten der GIA Klassifikation oder „fancy light yellow", da sie weniger Stickstoff enthalten und dementsprechend zu Diamanten mit einer geringeren Dichte an NV-Zentren führen. Je kräftiger die gelbliche Farbe desto dichter sind später die NV-Zentren in den Diamanten konzentriert. Weniger bevorzugt umfassen der Diamantrohling oder die Diamantrohlinge Stickstoffatome zusammen mit Wasserstoff, da dieser kompensierend wirkt. Solche Diamanten können zur Not aber auch verwendet werden. Eine n-Dotierung mit Schwefel kann ebenfalls zur Erhöhung der Ausbeute an NV-Zentren führen.
Bevorzugt sind die hier verwendeten Diamanten synthetischer HPHT-Diamant. HPHT steht hierbei für englisch: High Pressure High Temperature, was hoher Druck und hohe Temperatur bedeutet. Für den Fachmann ist damit klar, dass solche Diamanten nicht metastabil, also beispielsweise eben nicht durch Plasmaabscheidung (CVD-Diamant), erzeugt wurden. Solche HPHT Diamanten enthalten wenig Wasserstoff, der für die Ausbildung der NV-Zentren erfahrungsgemäß typischerweise nicht hilfreich ist. Das hier beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass die Diamanten vor dem Prozess der NV-Zentren-Erzeugung geschliffen werden können. Tritt dabei ein Fehler auf, so kann dieses Material bereits vor der Behandlung kostengünstig verworfen werden. Ein vorgeschlagener Diamant kann daher zumindest eine oder mehr geschliffene Fläche, beispielsweise eine optische Fläche in Form einer ersten Oberfläche (OGL1) zum Ein- und/oder Austritt von Strahlung, bereits vor dem Bestrahlen aufweisen. Es kann sich bei dem in einem im Folgenden beschriebenen Bestrahlungsdurchgang bestrahlten Diamantmaterial um einen einzelnen Diamanten als auch um eine Vielzahl von Diamanten handeln. Die Diamanten können groß oder klein sein. Die Diamanten können in Pulverform oder als Granulat oder aber auch einzeln vorliegen. Die Diamanten können auch nanokristallin sein. Die Verwendung synthetischer CVD-Diamanten ist ebenso möglich. CVD Diamanten weisen aber eine größere Menge an Wasserstoff auf, was die Bildung der NV-Zentren behindert. Es war im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung möglich, solche NV-Zentren auch in CVD-Diamanten mittels des vorgeschlagenen Bestrahlungsverfahrens zu erzeugen. Insofern wird diese Variante hier auch beansprucht, obwohl sie nicht optimal ist. In dieser Variante umfassen dann der oder die Diamanten Stickstoffatome zusammen mit Wasserstoff. Typischerweise haben sie dann keine gelbe Farbe, sondern sind oft transparent, da der Wasserstoff die spektralen Farben verändert.
Der zentrale Schritt der Bearbeitung der Diamanten ist eine Bestrahlung mit hochenergetischen Partikeln. Vorzugsweise werden hochenergetische Elektronen benutzt. Eine Bestrahlung mit Protonen, Neutronen und Helium-Kernen ist ebenso denkbar und möglich.
Diese Bestrahlung findet wegen der hohen Temperatur der Diamanten während der Bestrahlung bevorzugt nicht in Luft oder Sauerstoff statt, da der Diamant dann zu CO₂ oxidieren würde. Bevorzugt wird die Bestrahlung in einem Vakuum mit einem Restdruck von kleiner als 10^-6mBar durchgeführt. Stattdessen wurden solche Bestrahlungen allerdings auch schon in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere in einer Agon-Atmosphäre durchgeführt, was aber nicht bevorzugt ist.
Die Diamantrohlinge sind während der Bestrahlung mit Partikeln, bevorzugt Elektronen, über einen Wärmewiderstand an eine Wärmesenke thermisch angekoppelt. Die Diamantrohlinge werden während der Bestrahlung durch eine Temperiervorrichtung auf der angestrebten Prozesstemperatur durch einen Regler, der Teil der Temperiervorrichtung ist, gehalten. Der Regler zur Regelung der Temperatur der Diamanten während der Bestrahlung kann beispielsweise ein PI Regler oder dergleichen sein. Dabei berücksichtigt die Temperiervorrichtung bevorzugt alle Energieeinträge während der Bestrahlung. Bevorzugt kann die Temperiervorrichtung einen oder mehrere Wärmeenergieströme in die Menge der zu bearbeitenden Diamantrohlinge hinein und/oder aus der Menge der Diamantrohlinge heraus in Abhängigkeit von der angestrebten und gemessenen mittleren Bestrahlungstemperatur der Diamantrohlinge regeln.
Die Temperiervorrichtung regelt somit bevorzugt den Gesamtenergieeintrag in die Diamantrohlinge und ggf. die Gesamtenergieabfuhr so, dass der eine Temperatursonde, die in der Nähe der Diamantrohlinge während der Bestrahlung platziert ist, eine mittlere Bestrahlungstemperatur der Diamantrohlinge von größer 600°C und/oder größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder kleiner 1000°C und/oder kleiner 1100°C und/oder kleiner 1200°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 800°C und 900°C erfasst. Bevorzugt umfasst für diese Regelung die Temperiervorrichtung einen PD-, P- oder besser PID-Regler.
Bevorzugt ist der Gesamtenergieeintrag nicht konstant. Bevorzugt weist der der Gesamtenergieeintrag in die Diamantrohlinge einen zeitlichen Gleichanteil und im Gegensatz zum Stand der Technik einen zeitlich gepulsten Anteil mit einem zeitlichen Pulsabstand und einer Pulshöhe der Gesamtenergieeintragspulse auf. Es kann sich bei den Gesamtenergiepulsen auch nur um einen einzigen Puls handeln. Die Temperiervorrichtung kann dann den Gleichanteil und/oder die Pulshöhe der Gesamtenergieeintragspulse des Gesamtenergieeintrags und/oder den zeitlichen Pulsabstand der Gesamtenergieeintragspulse zur Regelung der von der Temperatursonde erfassten mittleren Bestrahlungstemperatur verwenden. Ggf. kann also beispielsweise eine Heizung vorgesehen werden, die für die Pulsdauer eines Gesamtenergieeintragspulses den Gesamtenergieeintrag erhöht, was eine Temperaturerhöhung zur Folge hat und die Ausheilung von Strahlenschäden verbessert. Der Gesamtenergieeintrag setzt sich zusammen aus der Energie aus einer ggf. aktiven Heizvorrichtung, der über den thermischen Ableitwiderstand abgeleiteten thermischen Energie und der mehr oder weniger permanenten Strahlleistung des Elektronenstrahls während der Bestrahlung. Die Temperiervorrichtung muss dies bei der Einstellung der mittleren Zieltemperatur berücksichtigen. Jede der zuvor erwähnten Komponenten des Gesamtenergieeintrags kann für die vorgeschlagene Regelung verwendet werden.
Es ist sinnvoll, die Diamanten in einen bekannten Schliff zu bringen, da sie dann dem Sensor ein edleres Erscheinungsbild in Form eines Schmuckdiamanten zur Nutzung als Sensorelement in Consumer-Anwendungen verleihen. Ein solcher Diamant kann beispielsweise einen der folgenden Schliffe vor dem Bestrahlen aufweisen: Spitzsteinschliff, Tafelsteinschliff, Rose Cut Schliff, Mazarin Schliff, Brillantschliff, Tropfenschliff, Prinzessschliff, Ovalschliff, Herzschliff, Marquise-Schliff, Smaragdschliff, Asscher-Schliff, Cushion-Schliff, Radiant-Schliff, Diamant-Altschliff, Smaragdschliff oder Baguetteschliff. Im Falle eines Granulats sind die Diamanten bevorzugt kleiner als 1mm und/oder kleiner als 0,5mm und/oder kleiner als 0,2mm und/oder kleiner als 0,1mm und/oder kleiner als 50µm und/oder kleiner als 20µm und/oder kleiner als 10µm und/oder kleiner als 5µm und/oder kleiner als 2µm und/oder kleiner als 1µm und/oder kleiner als 0,5nm und/oder kleiner als 0,2µm und/oder kleiner als 0,1µm, womit das Granulat dann ein Pulver ist. Die Diamanten eines solchen Granulats können auch im Mittel kleiner als 1mm und/oder kleiner als 0,5mm und/oder kleiner als 0,2mm und/oder kleiner als 0,1mm und/oder kleiner als 50µm und/oder kleiner als 20µm und/oder kleiner als 10µm und/oder kleiner als 5µm und/oder kleiner als 2µm und/oder kleiner als 1µm und/oder kleiner als 0,5µm und/oder kleiner als 0,2µm und/oder kleiner als 0,1µm sein. Soll ein Sensorelement aus einer Vielzahl von Diamanten bestehen, so sind sehr kleine Dimensionen sinnvoll, da die Eigenschaften eines solchen Diamantpulvers in der Regel isotrop, d.h. nicht richtungsabhängig sind, was beabsichtigt sein kann, um eine richtungsunabhängige Empfindlichkeit des Sensorsystems zu erhalten. Um das Sensorelement herzustellen, werden die Diamanten dann mit einem transparenten Trägermaterial (TM) vermischt, dass sich dann zu dem Sensorelement verfestigt. Wir verweisen hier auf die noch unveröffentlichte internationale Patentanmeldung PCT DE 2020 100 430 . Als beispielhafte Trägermaterialien werden hier beispielhaft UHU und Gelatine und Glas, insbesondere ein Glas-Fritt, genannt. Typischerweise ist das Trägermaterial (TM) im verfestigten Zustand für die Pumpstrahlung (LB) und die Fluoreszenzstrahlung (FL) transparent. Soll beispielsweise eine magnetische Flussdichte B mittels der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) erfasst werden, so schirmt das Trägermaterial (TM) die paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements vorzugsweise nicht gegen die Einwirkung dieser zu erfassenden physikalischen Größe, hier den magnetischen Fluss B, ab.
Anders kann es gewünscht sein, einen einzelnen Kristall, beispielsweise einen Diamantkristall, als Sensorelement zu verwenden und diesen Einkristall zur Erfassung besonderer Resonanzen (z.B. GSLAC) präzise im Gehäuse des Sensorsystems auszurichten, um diese besonderen Merkmale messbar zu machen. In dem Fall kann es sinnvoll sein, einen größeren Kristall als einzelnes Sensorelement zu verwenden.
Die bevorzugte Methode zur Herstellung von Diamanten mit hoher NV-Zentrumsdichte ist, wie bereits angedeutet, das Bestrahlen des Diamanten und/oder der Diamanten mit Teilchen hoher Energie.
Bevorzugt findet die Bestrahlung in einem Quarzgefäß statt, in dem dann die Diamanten in Form der Diamantrohlinge für die Bestrahlung platziert werden. Das Quarzgefäß ist bevorzugt oben für den Eintritt des Partikelstrahls geöffnet. In die Diamanten oder an den Diamanten wird während der Bestrahlung bevorzugt ein Temperaturfühler, beispielsweise ein Thermoelement, eingebracht bzw. eingebracht, um einen Ist-Temperaturwert für die Regelung der Prozessierungstemperatur der Diamanten während der Bestrahlung zu erhalten.
Bevorzugt werden der Diamant bzw. die Diamanten mit Elektronen bestrahlt, da diese bei ausreichend hoher Energie die Diamanten komplett einigermaßen homogen durchdringen können. Dabei ist bevorzugt die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls größer als 500keV und/oder größer als 1MeV und/oder größer als 3MeV und/oder größer als 4MeV und/oder größer als 5MeV und/oder größer als 6 MeV und/oder größer als 7 MeV und/oder größer als 9 MeV und/oder größer als 10 MeV und/oder größer als 10 MeV, wobei eine Energie von 10MeV derzeit als Optimum in der zur Ausarbeitung der Erfindung benutzten Anlage eindeutig am stärksten bevorzugt ist. Eine Energie der Partikel von mehr als 20MeV sollte vermieden werden, da ansonsten eine radioaktive Aktivierung des Diamantmaterials erfolgen kann. Die Bestrahlungsdosis für diese Bestrahlung mit Elektronen liegt bevorzugt zwischen 5*10¹⁷ cm^-2 und 2*10¹⁸cm^-2, zumindest aber unter 10¹⁹cm^-2. Wichtig ist, dass dabei die Temperatur des oder der Diamanten während der Bestrahlung mit diesen Elektronen durch eine Temperaturregelung bei einer Temperatur größer 600°C und/oder größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder kleiner 1000°C und/oder kleiner 1100°C und/oder kleiner 1200°C liegt. Bevorzugt liegt die optimale Temperatur jedoch gemäß den Erfahrungen bei der Ausarbeitung dieser Erfindung zwischen 800°C und 900°C. Mit anderen Temperaturen stellen sich andere Zentren im Diamant bevorzugt ein. Bei der Temperaturregelung muss die Heizung durch den ersten Heizenergiestrom einer typischerweise vorhandenen externen Heizung und den zweiten Heizenergiestrom der typischerweise allerdings vernachlässigten Aufheizung durch den Elektronenstrahlstrom beachtet werden. Der Heizung durch diese Heizenergieströme steht der Kühlenergiestrom der Kühlung durch Wärmeableitung in eine Wärmesenke gegenüber. Der Strahlstrom des elektrischen Stroms dieser Elektronen des Elektronenstrahls wird nun bevorzugt so eingestellt bzw. eingeregelt, dass die Bestrahlungsdauer zum Erreichen der obigen Bestrahlungsdosis mindestens 0,05 Tage und/oder mindestens 0,5 Tage und/oder mindestens 1 Tag und/oder mindestens 2 Tage und/oder mindestens 4 Tage und/oder mindestens 8 Tage. Bei der Ausarbeitung wurden für sehr erfolgreiche Versuche 2 Tage Bestrahlungsdauer verwendet. Bevorzugt wird wg. der Kosten einer solchen Anlage ein gepulster Linearbeschleuniger (Linac für „linear accelerator") für die Bestrahlung mit einem bauartbedingt gepulsten Elektronenstrom verwendet. Die Heizenergie des Elektronenstrahls wird durch die Energie der Elektronen und den mittleren Strahlstrom bestimmt. Die während der Bestrahlung zugeführte Heizenergie wird über den besagten thermischen Ableitwiderstand in eine Wärmesenke abgeleitet. Die zugeführte Gesamtheizenergie wird bevorzugt mittels eines Thermofühlers, der die Temperatur der der Diamantrohlinge während der Bestrahlung erfasst, und mittels eines Reglers, der einen, bevorzugt den wesentlichen Heizenergiestrom steuert, so geregelt, dass sich eine gewünschte Prozessierungstemperatur der Diamanten innerhalb eines Zieltemperaturbandes um die Zieltemperatur herum für die Diamantrohlinge während der Bestrahlung einstellt. Bevorzugt wird der geregelte Heizenergiestrom, der die Diamantrohlinge während der Bestrahlung heizt, ganz oder in Teilen zumindest zeitweise zur Gänze oder in Teilen pulsmoduliert. D.h. er wird in Heizpulsen zugeführt. D.h. er schwankt über die Zeit gepulst zwischen einem ersten Energiestromwert, der den Diamantrohlingen in einem ersten Zeitraum einer zeitlichen Pulsperiode der Pulsmodulation zugeführt wird, und einem zweiten Energiestromwert, der den Diamantrohlingen in einem zweiten Zeitraum der zeitlichen Pulsperiode der Pulsmodulation während der Bestrahlung zugeführt wird. Der erste Energiestromwert ist dabei bevorzugt von dem zweiten Energiestromwert verschieden. Bevorzugt erfolgt die Regelung über die Einstellung der Heizpulsamplitude, der Heizpulsweite, des Heizpulsabstands oder des Tastverhältnisses (Duty-Cycle) der Pulsmodulation der Heizpulse, also durch eine Methode der Pulsmodulation. Der Duty-Cycle wird auch als Tastgrad bezeichnet.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann je nach Stickstoff- und Wasserstoffgehalt der Diamantrohlinge vor der Bestrahlung Diamant mit einer NV-Zentren-Dichte von mehr als 500ppm und/oder von mehr als 200ppm und/oder von mehr als 100ppm und/oder von mehr als 50ppm und/oder von mehr als 20ppm und/oder von mehr als 10ppm und/oder von mehr als 5ppm und/oder von mehr als 2ppm und/oder von mehr als 1ppm und/oder mehr als 0,1ppm und/oder mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10^-3ppm und/oder von mehr als 10^-4ppm und/oder von mehr als 10^-5ppm und/oder von mehr als 10^-6ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit hergestellt werden. Solche Diamanten eignen sich besonders als Sensorelemente der vorgeschlagenen Vorrichtungen und für andere quantentechnologische Vorrichtungen. Bevorzugt wird bei der Bestrahlung die typischerweise LINAC spezifisch unvermeidliche Pulsation des Elektronenstrahls und damit auch dessen Heizenergie durch eine Regelung stabilisiert, um vorhersagbare Ergebnisse zu erzielen. Statt der Bestrahlung mit Elektronen kann auch die Bestrahlung mit Protonen oder Helium-Kernen oder anderen Partikeln, z.B. Neutronen vorgenommen werden, die den Diamanten dann ggf. wegen der geringeren Eindringtiefe nur oberflächlich mit NV-Zentren versehen, was vorteilhaft sein kann. Ein solcher Diamant zeigt dann unabhängig von der Art der verwendeten Partikel dann Spuren einer Bestrahlung mit Partikeln, insbesondere mit Elektronen und/oder Protonen und/oder Helium. In einer Ausprägung ist bevorzugt der bereitgestellte Diamant oder eine epitaktische Schicht ausreichender Dicke auf zumindest einer Oberfläche des Diamanten isotopenrein. Hierbei bedeutet „isotopenrein“ im Sinne dieser Schrift, dass mehr als 99,5% der Atome des Diamanten einem Kohlenstoffisotop, vorzugsweise dem Kernspin freien ¹²C-Isotop, zugeordnet werden können. Dies führt zu wenigen störenden Kernspins von C¹³-Atomen. Die Dicke einer epitaktischen Schicht ist dann ausreichend, wenn sich die paramagnetischen Zentren (NV1) in dieser Schicht so verhalten, als wäre der sie umgebende Diamant zur Gänze isotopenrein.
Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren, wie beschrieben, werden im Folgenden als HD-NV-Diamanten bezeichnet.
Bevorzugt wird die hohe Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) nur in einem kleinen Volumen innerhalb des Sensorelements, beispielsweise des Diamanten, mit bevorzugt hoher Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) realisiert, da die Nichtlinearität der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1), ansonsten zu einer Verringerung des Kontrasts (KT) führten würde.
Abschließend sollte noch erwähnt werden, dass die Bestrahlung auch nur lokal erfolgen kann. Sind in einem Diamanten beispielsweise die Stickstoffatome beispielsweise durch Ionenimplantation nur in einer dünnen Ebene eingebracht worden, so kann der Elektronenstrahl nur längs voneinander beabstandeter Durchstrahlungsachsen den Kristall durchstrahlen. Ähnliches ist für andere Materialien und Zentren möglich, wenn diese durch Ionenimplantation gefolgt von Elektronen- oder Partikelbestrahlung hergestellt werden können. Nur an den Kreuzungspunkten zwischen diesen Durchstrahlungsachsen und der Schicht implantierter Stickstoffatome bilden sich im Beispiel von NV-Zentren in Diamant dann paramagnetische Zentren (NV1) bei richtiger Wahl der Parameter. Auf diese Wiese können beispielsweise Übergitter aus Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) gebildet werden. Dabei kann jede Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in diesem Übergitter ein Material darstellen, dass eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb der jeweiligen Gruppe aufweist. Im Fall von Gruppen von NV-Zentren in Diamant handelt es sich bei dem Material der Gruppen der NV-Zentren somit bevorzugt um HD-NV-Diamant, der bevorzugt innerhalb der jeweiligen Gruppe eine Dichte an NV-Zentren von mehr als 10ppm oder besser mehr als 20ppm aufweist.
Definition der Pumpstrahlung
Das vorgeschlagene Sensorsystem nutzt nun bevorzugt die so hergestellten HD-NV-Diamanten mit einer jeweiligen hohen Dichte an NV-Zentren, beispielsweise in Form roter Schmuckdiamanten, als Sensorelemente für die hier im Folgenden vorgestellten Sensorsysteme, die die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der NV-Zentren bei Bestrahlung mit grünem Licht als Pumpstrahlung (LB) erfassen. Grünes Licht wird in der technischen Lehre dieser Schrift für das Pumpen der paramagnetischen Zentren (NV1), hier typischerweise der NV-Zentren in Diamant, verwendet. Statt dem Begriff „grünes Licht“ wird in dieser Schrift auch der äquivalente Begriff „grüne Pumpstrahlung (LB)“ verwendet. Die Pumpstrahlung (LB) weist eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) dieses „grünen Lichts“ auf. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst das jeweilige paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) bei Bestrahlung mit der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Typischerweise ist bei Verwendung von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1) die Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der NV-Zentren so, dass diese rot erscheinen. Es hat sich gezeigt, dass in Verbindung mit NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Zentren prinzipiell Licht mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) von höchstens 700nm und mindestens 500nm besonders als Pumpstrahlung (LB) d.h. als „grünes Licht“ geeignet ist. Im Zusammenhang mit der Verwendung anderer Materialien für das Sensorelement und entsprechend anderer paramagnetischer Zentren können ganz andere Wellenlängenbereiche der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) die gleichen Funktionen in dem dann so modifizierten Sensorsystem erfüllen. Daher stellen die NV-Zentren hier nur ein Beispiel einer Ausführungsform eines solchen paramagnetischen Zentrums (NV1) dar. Insofern soll „grünes Licht“ bzw. „grüne Pumpstrahlung (LB)“ hier als Funktionsdefinition verstanden werden, wobei die Funktion als äquivalent zu der Funktion in dem System unter Verwendung von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1) in einem Sensorelement verstanden werden soll. Insbesondere bei der Verwendung eines NV-Zentrums als paramagnetisches Zentrum (NV1) sollte das „grüne Licht“ bzw. die „grüne Pumpstrahlung“ eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Bevorzugt ist dabei eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Licht bzw. elektromagnetische Pumpstrahlung (LB), die bei der Verwendung anderer paramagnetischer Zentren (NV1) als von NV-Zentren in Diamant zur Ausführung gleicher Funktionen verwendet wird, wird in dieser Schrift ebenfalls als „grünes Licht“ oder „grüner Pumpstrahlung“ bezeichnet. Insofern sind solche Ausführungen von Ansprüchen umfasst in denen von „grünem Licht“ oder „grüner Pumpstrahlung“ die Rede ist, auch wenn einem Menschen diese Strahlung nicht als grün eingefärbt erscheint. Das vorgeschlagene Sensorsystem ist somit auch für andere geeignete paramagnetische Zentren, wie z.B. ST1-Zentrum, SiV-Zentrum, GeV-zentrum, TR1-Zentrum etc., anwendbar. Das NV-Zentrum in Diamant ist aber besonders geeignet und besonders gut, z.B. wie oben beschrieben, und in hoher Dichte mit hoher Fertigungsausbeute herzustellen.
Zweckmäßigerweise wird die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1), vorzugsweise ein Laser, gepulst in Abhängigkeit von einem gepulsten Wechselanteil (S5w) eines Sendesignals (S5) gepulst. Das gepulsten Wechselanteil (S5w) eines Sendesignals (S5) wird als Messsignal (MES) d.h. als Referenzsignal für einen Look-In-Verstärker genutzt, um die in modulierte elektrische Ströme, insbesondere Fotoelektronenströme oder Spannungen beispielsweise eines Empfängerausgangssignals (S0) umgewandelte Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) rauscharm zu verstärken.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die gepulste Pulsmodulation der Pumpstrahlung (LB) und damit die gepulste Pulsmodulation des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) bevorzugt kein 50% Tastverhältnis (Englisch Duty-Cycle) aufweisen sollte. (Siehe 91) Der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) besitzt eine Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Zu Beginn einer Sendesignalperiode (T_P) liegt der Wert des Sendesignals (S5) beim Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) minus dem Werts der Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w. Der Wert des Sendesignals (S5) steigt dann auf den Wert aus der Summe des Werts der Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) plus dem Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) an. Für eine Sendesignalplateauzeit (T_S5pmpp ) verharrt dann der Wert des Sendesignals (S5) im Wesentlichen auf diesem Werteniveau, um dann mit einer Sendesignalabfallszeit (T_S5pmpd ) auf den Wert aus der Differenz Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) minus dem Wert der Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) abzufallen. Auf diesem Wert verharrt dann im Wesentlichen der Wert des Sendesignals (S5) bis zum Ende der Sendesignal Periode (T_P) der Wert des Sendesignals (S5) dann wieder mit einer Sendesignalanstiegszeit (T_S5pmpr ) auf den Wert aus der Summe der Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) plus dem Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ansteigt. Bevorzugt wird der maximale Wert der Pulse des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) in Form der Summe der Amplitude (S5w_A ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) plus dem Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) maximiert, um eine maximale Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zu den Zeiten zu erreichen, in denen die Pumpstrahlungsquelle (PL1) Pumpstrahlung (LB) aussendet. Dies hat den Zweck, dass der Kontrast (KT) (siehe 28) nicht linear von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), die die paramagnetischen Zentren (NV1) erreicht, abhängt und zu großen Intensitäten (I_pmp ) Pumpstrahlung (LB) hin zunimmt. Dies ist für einzelne NV-Zentren in Diamant, also nicht für HD-NV-Diamanten, wie sie hier beschrieben sind, beispielsweise aus der Schrift Staacke, R., John, R., Wunderlich, R., Horsthemke, L., Knolle, W., Laube, C., Glösekötter, P., Burchard, B., Abel, B., Meijer, J. (2020), „Isotropie Scalar Quantum Sensing of Magnetic Fields for Industrial Application", Adv. Quantum Technol., doi:10.1002/qute.202000037, bekannt. Wir verweisen insbesondere auf die 3b und 3d jener Schrift. Durch eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), wie beispielsweise durch eine hohe Dichte an NV-Zentren wie in einem HD-NV-Diamanten, wie er in dieser Schrift beschrieben wird, kann der Kontrast (KT) über das in jener Schrift gezeigte Maß hinaus gesteigert werden, was neu gegenüber dem Stand der Technik ist.
Das Tastverhältnis des Sendesignals (S5) und damit des modulierten Sendesignals (S5w) wird hierbei als Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ) dividiert durch die Sendesignalperiode (T_P) definiert.
Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ) plus Sendesignalkomplementärzeit (T_S5c ) sind hier gleich der Sendesignalperiode (T_P).
Bevorzugt ist der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und damit das Sendesignal (S5) mit einem Tastverhältnis des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) kleiner 50% und/oder besser kleiner 40% und/oder besser kleiner 30% und/oder besser kleiner 20% und/oder besser kleiner 10% pulsmoduliert. Bevorzugt handelt es sich also um einen ultrakurzen Puls mit möglichst hoher Amplitude.
Bevorzugt ist dementsprechend das modulierte Sendesignal (S5w) mit einem Tastverhältnis kleiner 50% und/oder besser kleiner 40% und/oder besser kleiner 30% und/oder besser kleiner 20% und/oder besser kleiner 10% pulsmoduliert. Bevorzugt handelt es sich also um einen ultrakurzen Puls. Dieser ultrakurze Puls wird bevorzugt mit möglichst große Verstärkung in einen entsprechenden kurzen, möglichst intensiven Intensitätspuls der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) gewandelt.
Da die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem Sendesignal (S5) angesteuert wird, reproduziert sie typischerweise verzögert um eine Sendverzögerung (Δt_Ipmp ) im Wesentlichen das Sendesignal (S5). Für die Berechnung vieler Anwendungen kann diese Sendverzögerung (Δt_Ipmp ) zu 0s zur Vereinfachung angenommen werden.
Dabei wird die Pumpstrahlungspulsdauer (T_Ipmp ) hier so definiert, dass der Intensitätspuls der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) ein Pumpstrahlungsintensitätsmaximum (I_pmpmax ) aufweist und dass die Pumpstrahlungsimpulsdauer (T_Ipmp ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem ersten Zeitpunkt des Überschreitens von 50% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) beginnt und dass die Pumpstrahlungsimpulsdauer (T_Ipmp ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem zweiten Zeitpunkt des Unterschreitens von 50% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) endet.
Die Pumpstrahlungsanstiegszeit (T_Ipmpr ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) wird hier so definiert, dass die Pumpstrahlungsanstiegszeit (T_Ipmpr ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem ersten Zeitpunkt des Überschreitens von 10% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) beginnt und dass die Pumpstrahlungsanstiegszeit (T_Ipmpr ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem dritten Zeitpunkt des Überschreitens von 90% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) endet.
Die Pumpstrahlungsabfallszeit (T_Ipmpd ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) wird hier so definiert, dass die Pumpstrahlungsabfallszeit (T_Ipmpd ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem ersten Zeitpunkt des Unterschreitens von 90% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) beginnt und dass die Pumpstrahlungsabfallszeit (T_Ipmpd ) eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) mit dem dritten Zeitpunkt des Unterschreitens von 10% des Intensitätswerts des Pumpstrahlungsintensitätsmaximums (I_pmpmax ) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch die momentane Intensität (I_pmp ) des Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB) minus dem ggf. vorhandenen Bias-Wert (I_pmpoff ) der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) endet.
Für die Berechnung vieler Anwendungen kann die Sendverzögerung (Δt_Ipmp ) zu 0s und/oder die Pumpstrahlungsabfallszeit (T_Ipmpd ) zu 0s und/oder die Sendesignalabfallszeit (T_S5pmpd ) zu 0s und/oder die Pumpstrahlungsanstiegszeit (T_Ipmpr ) zu 0s und/oder die Sendesignalanstiegszeit (T_S5pmpr ) zu 0s zur Vereinfachung angenommen werden. Die Pumpstrahlungspulsdauer (T_Ipmp ) ist dann gleich der Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ). Die Pumpstrahlungspulsdauer (T_Ipmp ) und die Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ) sind dann gleich den ersten Zeiten (T1) zu denen das Sendesignal (S5) aktiv ist und die Pumpstrahlungsquelle (PL1) Pumpstrahlung (LB) emittiert. Die Sendesignalkomplementärzeit (T_S5c ) und die Pumpstrahlungskomplementärzeit (T_Ic ) sind unter diesen Vereinfachungen gleich den zweiten Zeiten (T2) zu denen das Sendesignal (S5) nicht aktiv ist und die Pumpstrahlungsquelle (PL1) keine Pumpstrahlung (LB) emittiert.
Somit stellen die ersten Zeiten (T1) und die zweiten Zeiten (T2) in den 6, 11, 13,19, 23 und 26 nur eine Vereinfachung zum besseren Verständnis dar. Die Pegel der 6, 11, 13, 19, 23 und 26 sind somit nur beispielhaft uns dienen nur dem besseren Verständnis.
Um den Kontrast (KT) zu maximieren, sollte die zeitliche Dauer der Pumpstrahlungsabfallszeit (T_Ipmpd ) und/oder der Pumpstrahlungsanstiegszeit (T_Ipmpr ) jeweils nicht mehr als 25%, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5%, besser nicht mehr als 2% der zeitlichen Dauer eines Intensitätspulses der Pumpstrahlung (LB), also der Pumpstrahlungspulsdauer (T_Ipmp ), betragen.
Um den Kontrast (KT) zu maximieren, sollte somit die zeitliche Dauer der Sendesignalabfallszeit (T_S5pmpd ) und/oder der Sendesignalanstiegszeit (T_S5pmpr ) jeweils nicht mehr als 25%, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5%, besser nicht mehr als 2% der zeitlichen Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ), betragen.
Um solche kurzen Anstiegs- und Abfallszeiten zu erreichen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Schriften bekannt, die hier nur aufzählend erwähnt werden und deren technische Lehre hier Verwendung finden kann.
Aus der DE 10 2009 060 873 A1 ist eine Treiberschaltung für eine LED bekannt. Aus der DE 10 2016 116 368 A1 ist ein Treiberschalkreis für lichtemittierende optoelektronische Komponenten bekannt (siehe 1 der DE 10 2016 116 368 A1 ), bei der der Ladeschaltkreis (Bezugszeichen 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14 der DE 10 2016 116 368 A1 ) einen Kondensator (Bezugszeichen 18-21 der DE 10 2016 116 368 A1 ) über einen Serienwiderstand (Bezugszeichen 3 der DE 10 2016 116 368 A1 ) lädt. Die lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten (Bezugszeichen 22 bis 25 der DE 10 2016 116 368 A1 ) sind mit ihren Kathoden zu einem ersten Sternpunkt zusammengeschaltet. Ein Ansteuerschalter (Bezugszeichen 26 der DE 10 2016 116 368 A1 ) verbindet diesen Sternpunkt mit dem Bezugspotenzial (Bezugszeichen GND der DE 10 2016 116 368 A1 ), wenn eine oder mehrere der lichtemittierenden optoelektronischen Komponenten Licht emittieren soll. Der Pufferkondensator (Bezugszeichen 9 der DE 10 2016 116 368 A1 ) dient zu einer schnellen Ladung der eigentlichen Energiereserven (Bezugszeichen 18 bis 21 der DE 10 2016 116 368 A1 ).
Aus der US 10 193 304 B2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der die Ladung der Kondensatoren so erfolgt, dass der Strom unter der Ansprechschwelle der Laser bleibt.
Aus der EP 3 301 473 A1 ist eine Ansteuerschaltung für eine einzelne LED bekannt, die zur Aussendung kurzer Impulse geeignet ist.
Aus der DE 10 2016 116 369 A1 ist eine LED Treiberschaltung bekannt, bei der jede LED über einen eigenen Ansteuerschalter verfügt.
Aus der DE 10 2008 021 588 A1 ist eine Laseransteuerschaltung bekannt, bei der mehrere Ansteuerschalter parallelgeschaltet sind, sodass diese zeitversetzt zueinander Pulse generieren können und zwischen den Pulsen abkühlen können, während die anderen Ansteuerschalter die weiteren Pulse erzeugen können.
Aus der DE 10 2017 121 713 A1 sind Ansteuerschalter bekannt, die aus Untereinheiten bestehen, bei denen jede Untereinheit einen eigenen Kondensator zur Bereitstellung der Schaltenergie aufweist.
Aus der DE 19 914 362 A1 und der DE 19 514 062 A1 sind Steuereinrichtungen für einen Gas-Laser bekannt.
Aus der US 9 185 762 B2 ( DE 10 2014 105 482 A1 ) ist eine Schaltung zur Verringerung der Ausschaltzeit einer Laser-Diode bekannt.
Aus der DE 10 2017 100 879 A1 ist eine Schaltung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer einzelnen Laser-Diode bekannt.
Aus der DE 10 2018 106 860 A1 ist die direkte Verbindung zwischen einem Laser-Die eines Einzellasers und dem Die eines integrierten Ansteuerschalters bekannt. Der Ansteuerschalter ist dabei zwischen Versorgungsspannung und Anode der Laser-Diode geschaltet.
Aus der DE 10 2016 116 875 A1 ist eine Treiberschaltung (z.B. 12 der DE 10 2016 116 875 A1 ) mit einem gemeinsamen Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) für mehrere Laser (Bezugszeichen D1, D7 der DE 10 2016 116 875 A1 ) bekannt, bei der der gemeinsame Ansteuerschalter (Bezugszeichen S3 der DE 10 2016 116 875 A1 ) an die Kathoden der Laser angeschlossen ist und diese mit dem Bezugspotenzial verbinden kann. Die Energie für den Laserpuls kommt dabei aus einer gemeinsamen Speicherkapazität (Bezugszeichen C der DE 10 2016 116 875 A1 ). Die Laser werden über separate Schalter selektiert (Bezugszeichen S2 der DE 10 2016 116 875 A1 ).
Aus der DE 10 2006 036 167 B4 ist eine Lasertreiberschaltung bekannt, bei der die Resonanzen der parasitären Induktivitäten und der Kapazitäten so abgestimmt sind, dass sie vorbestimmte Eigenschaften der zu erzeugenden Lichtpulse unterstützen.
Aus der US 6 697 402 B2 ist ein Lasertreiber mit einer Laserstromerfassung über einen Shunt-Widerstand zwischen Kathodenanschluss und Bezugspotenzial bekannt.
Aus der US 9 368 936 B1 ist eine einzelne Treiberschaltung bekannt. Eine Spule wird als Energiespeicher verwendet.
Aus der DE 10 2018 106 861 A1 ist die Ansteuerung einer Laser-Diode mit einer H-Brücke bekannt.
Aus der DE 19 546 563 C2 ist eine Treiberschaltung bekannt, bei der der Ladeschaltkreis durch eine Induktivität von der Laser-Diode für die kurze Zeit der Lichtpulsemission abgeklemmt wird, wenn der Ansteuertransistor die Lichtemission initiiert.
Bevorzugt sollte die Pumpstrahlungspulsdauer (T_Ipmp ), um eine thermisch Überlastung der Pumpstrahlungsquelle (PL1), also beispielsweise eines Halbleiter-Lasers, zu vermeiden, weniger als 50% der Sendesignalperiode (T_p ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) betragen.
Somit sollte die Sendesignalpulsdauer (T_S5pmp ) bevorzugt weniger als 50% der Sendesignalperiode (T_p ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) betragen.
Da in erster Näherung der Wechselanteil der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) proportional zum Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) sein dürfte kann im Sinne dieser Schrift angenommen werden, dass die vorstehenden Bedingungen für den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) auch für den zeitlichen Verlauf der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) gelten, wenn bei einer Messung der zeitliche Verlauf des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) den gleichen 10% bzw. 90% bzw. 50% Bedingungen hinsichtlich Pulsdauer, Anstiegszeit und Abfallzeit genügt.
Sensorelemente mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren
Es wurde erfindungsgemäß des Weiteren erkannt, dass im Gegensatz zum Stand der Technik keine Mikrowellenstrahlung zum Betrieb der hier vorgeschlagenen Sensorsysteme notwendig ist, damit die so auf ein hohes Niveau angeregten paramagnetischen Zentren (NV1) auf ein Zwischenniveau abfallen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn das Sensorelement, also beispielsweise der Diamantkristall eines HD-NV-Diamanten, eine ausreichend hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), also beispielsweise NV-Zentren in Diamant, aufweist. Sind die mittleren Abstände zwischen mit Pumpstrahlung (LB) angeregten paramagnetischen Zentren (NV1), also beispielsweise zwischen den NV-Zentren, klein genug, so koppeln diese und verstärken die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) ihrer Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B oder anderer die Fluoreszenzstrahlung (FL) beeinflussenden physikalischen Parametern am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1). Bevorzugt weist ein beispielhafter Diamantkristall in Form eines HD-NV-Diamanten eine NV-Zentrendichte von mehr als 0,01ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit des Diamantkristalls auf. Natürlich können auch geringere Konzentrationen an paramagnetischen Zentren (NV1), hier beispielhaft an NV-Zentren, wie beispielsweise von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10^-3ppm und/oder von mehr als 10^-4ppm und/oder von mehr als 10^-5ppm und/oder von mehr als 10^-6ppm bezogen auf die Atome des Substrats (D) im Sensorelement pro Volumeneinheit verwendet werden. Die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) schwächt sich dann aber mit sinkender Konzentration der NV-Zentren in dem Diamantkristall immer mehr ab, sodass immer höhere Anforderungen an die elektronische Signalnachverarbeitung gestellt werden müssen. Die besagte Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) braucht nicht überall im Sensorelement, also dem beispielhaften Diamanten, erreicht werden. Es wurde im Zuge der Erfindung erkannt, dass es vielmehr bevorzugt ausreichend, ja vorteilhaft ist, wenn diese Dichte nur lokal überschritten wird und die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) bevorzugt nur dort in diesem Bereich hoher NV-Zentrendichte, als dem Bereich hoher Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1), maximiert wird. Bevorzugt werden also mehr als 100, besser noch mehr als 1000, besser mehr als 10⁴, besser mehr als 10⁵, besser mehr als 10⁶, besser mehr als 10⁷ paramagnetische Zentren (NV1) innerhalb eines Sensorelements parallel und bevorzugt untereinander gekoppelt für den Betrieb des Sensorsystems verwendet. Durch die hohe Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) im Substrat (D) innerhalb des Sensorelements also beispielsweise der NV-Zentren eines HD-NV-Diamanten, beeinflussen sich die Spins der Elektronenkonfigurationen der angeregten NV-Zentren, also der paramagnetischen Zentren (NV1), sodass sich kollektive Effekte, ähnlich wie, aber nicht identisch wie in einem Ferromagneten einstellen. Durch spontane Emission nehmen dann immer einige der paramagnetischen Zentren (NV1) spontan nach einer Übergangszeit t_d aus dem angeregten Zustand kommend einen energetisch niedrigeren Zwischenzustand ein, der im Stand der Technik typischerweise erst durch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung erreicht wird.
Es wurde, wie zuvor beschrieben, somit erfindungsgemäß erkannt, dass durch die hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) - bei Verwendung von HD-NV-Diamant durch eine hohe Dichte an NV-Zentren - die Notwendigkeit von Vorrichtungsteilen zur Erzeugung und Einbringung der Mikrowellenstrahlung überflüssig macht und somit einspart. Nichtsdestotrotz ist die Verwendung von Mikrowellenantennen und Sendern dann sinnvoll, wenn die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren oder einer Gruppe oder von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zusätzlich moduliert werden soll oder Diamanten mit niedrigerer Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) verwendet werden sollen. Durch den Verzicht auf die Mikrowellenstrahlung werden solche Sensorsysteme, wie die hier vorgestellten erst für die Verwendung in biologischen und insbesondere medizinischen Anwendungen brauchbar. Ansonsten kommt es zu einer Strahlenbelastung des umliegenden Gewebes durch die Mikrowellenstrahlung, was die Verwendung von Sensoren mit Mikrowellenabregung der angeregten paramagnetischen Zentren auf ein Zwischenniveau für solche Zwecke massiv einschränkt.
Bevorzugt wird das Sensorelement mit einer Anti-Reflexbeschichtung und/oder Anpassschicht (ASv) für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) versehen. Im Falle eines HD-NV-Diamanten als Sensorelement wird bevorzugt die erste Oberfläche (OFL1) des Diamanten, die mit der Pumpstrahlung (LB) bestrahlt wird, mit einer Anti-Reflex-Beschichtung oder einer Anpassschicht (ASv) und/oder einer funktionsäquivalenten Mikrostrukturierung und/oder Beschichtung gleicher Wirkung versehen.
Die Form des Sensorelements kann somit mehr oder weniger frei gewählt werden. Ebenfalls sind große Sensorelementflächen möglich.
Basisstruktur eines Sensorsystems auf Basis von HD-NV-Diamanten
Kern des vorgeschlagenen Sensorsystems ist ein Sensorelement mit einer zumindest lokal hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), beispielsweise ein HD-NV-Diamant. Dieses Sensorelement unterscheidet u.a. die hier vorgelegten Vorschläge wesentlich vom Stand der Technik. In einem vorgeschlagenen Sensorsystem ist eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) dazu vorgesehen und geeignet, eine Pumpstrahlung (LB) zu emittieren, die das gewählte paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) anregen kann. Im Falle von NV-Zentren in Diamant oder in Diamanten ist eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B beispielsweise als Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) geeignet. Die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) sollte bei der Verwendung von NV-Zentren eine Pumpstrahlungswellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Pumpstrahlung dieser Funktion wird hier als „grüne“ Pumpstrahlung (LB) bezeichnet. Bevorzugt ist bei der Verwendung von NV-Zentren eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB). 520nm wurden auch erfolgreich verwendet. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist aus Kostengründen bevorzugt eine lichtemittierende Diode oder ein Laser, die im Folgenden auch gemeinschaftlich vereinfachend als LED bezeichnet werden. Es ist denkbar, andere Leuchtmittel, z.B. organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) oder elektrolumineszierende Vorrichtungen, als Pumpstrahlungsquellen (PL1) einzusetzen. Der Einsatz von LEDs als Pumpstrahlungsquellen (PL1) ist derzeit aber eindeutig vorteilhafter.
Das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements emittiert bei der Bestrahlung mit dieser, im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) typischerweise grünen, Pumpstrahlung (LB) die besagte Fluoreszenzstrahlung (FL). Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist im Falle der Verwendung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) typischerweise rot. Typischerweise strahlt das NV-Zentrum im negativ geladenen Zustand NV^- mit einer Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) von 637nm. Im nicht negativ geladenen Zustand fluoreszieren die NV-Zentren nicht. Die Lage des Fermi-Niveaus am Ort des betreffenden paramagnetischen Zentrums (NV1) hier eines NV-Zentrums, bestimmt den bevorzugten Ladezustand des paramagnetischen Zentrums, hier des NV-Zentrums. Durch Einbettung des paramagnetischen Zentrums (NV1) in ein elektrisches Feld, das beispielsweise von einer Leitung (LH) erzeugt wird, kann der bevorzugte Ladungszustand des paramagnetischen Zentrums, also beispielsweise eines NV-Zentrums, vorbestimmt werden. Somit ist es möglich, die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums, beispielsweise eines NV-Zentrums, dadurch zu modulieren, dass das paramagnetische Zentrum (NV1) gezielt in einen fluoreszierenden Zustand, beispielsweise den N^-Zustand gebracht wird bzw. in einen anderen, nicht fluoreszierenden Zustand gebracht wird. In einem fluoreszierenden Zustand sendet das betreffende paramagnetische Zentrum (NV1) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) Fluoreszenzstrahlung der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) aus. In einem nicht fluoreszierenden Zustand sendet das betreffende paramagnetische Zentrum (NV1) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) KEINE Fluoreszenzstrahlung der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) aus.
Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe der der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) wird von dem Strahlungsempfänger (PD) erfasst. Der Strahlungsempfänger (PD) ist beispielsweise eine Fotodiode, die bevorzugt außerdem für Strahlung mit einer später erläuterten Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) einer ebenfalls später erläuterten Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) oder bevorzugt außerdem für die später erläuterte Kompensationsfluoreszenzwellenlänge (λ_kfl ) der ebenfalls später erläuterten Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) eines oder mehrerer paramagnetischer Referenzzentren (NV1) bzw. einer ebenfalls später erläuterten Gruppe oder ebenfalls später erläuterten Gruppen (NVC) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) empfindlich.
Der Strahlungsempfänger (PD), also beispielsweise die besagte Fotodiode, ist für Strahlung der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) empfindlich. Als Fotodiode, als Strahlungsempfänger (PD), wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung beispielsweise eine PIN Fotodiode des Typs BPW 34 FA der Fa. Osram benutzt. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren ist somit der Strahlungsempfänger (PD) bevorzugt für Strahlung mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) von 637nm empfindlich. Beispielsweise durch ein vorgeschaltetes optisches Filter (F1) ist bevorzugt die Kombination aus optischem Filter (F1) und Strahlungsempfänger (PD) nicht empfindlich für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ), die z.B. vom Sensorelement transmittiert oder reflektiert wird. Im Falle von NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Zentren (NV1) wäre das beispielsweise optimal eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) von 532 nm für die der Strahlungsempfänger (PD) in Kombination mit dem ersten Filter (F1) dann nicht empfindlich wäre.
Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) erzeugt die Pumpstrahlung (LB) in Abhängigkeit vom aktuellen Wert eines Sendesignals (S5). Das Sensorsystem ist dabei bevorzugt so gestaltet, dass die Pumpstrahlung (LB) zumindest teilweise auf das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) fällt. Wie oben beschrieben, können hierzu optische Funktionselemente wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Reflektoren, Linsen, Prismen, Freiluftstrecken, Vakuumstrecken, Blenden, Spiegel, Strahlteile, Gitter etc. benutzt werden, die die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements optisch koppeln. In gleicher Weise wird das Sensorsystem bevorzugt so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) zumindest teilweise den Strahlungsempfänger (PD) bestrahlt. Auch dies kann mittels der besagten, in dieser Schrift genannten, optischen Funktionselemente sichergestellt werden, die das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements mit dem Strahlungsempfänger (PD) optisch koppeln.
Der Strahlungsempfänger (PD) erzeugt in Abhängigkeit von dem Intensitätswert der Intensität der gesamten Bestrahlung und somit u.a. auch in Abhängigkeit von dem Intensitätswert der Intensität (I_fl ) der auf ihn einfallenden Fluoreszenzstrahlung (FL) ein Empfängerausgangssignal (S0), dessen Momentanwert (s0) von dem Momentanwert der Intensität der gesamten einfallenden Strahlung und damit von dem Momentanwert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) abhängt. Ein Auswerteschaltkreis wandelt die Folge von Momentanwerten (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) in einen Messwert für die Amplitude und/oder Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) um. Dieser Messwert wird als Momentanwert (s4) des Sensorausgangssignals (out) ausgegeben oder für die Nutzung bereitgestellt. Da die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) von physikalischen Parametern wie beispielsweise der magnetischen Flussdichte B am Ort dieser paramagnetischen Zentren (NV1) abhängt, kann somit beispielsweise ein einfaches räumlich und/oder zeitlich hoch auflösendes Magnetometer als Beispiel eines Sensorsystems zur Erfassung eines physikalischen Parameters mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) aufgebaut werden, dessen Sensorelement wenig rauscht und das eine hohe Empfindlichkeit besitz. Weitere physikalische Parameter neben der magnetischen Flussdichte B, die ggf. mittels der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) auf diese Weise gemessen werden könnten, wären beispielsweise elektrische Flussdichte D, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, Druck P, Temperatur ϑ , Rotationsgeschwindigkeit ω, Schwingfrequenz mechanischer Teile (Balken), Position, Intensität ionisierender Strahlung etc.
Im Folgenden werden konkretere Beispiele für die Realisierung eines solchen Sensorsystems angegeben. Bevorzugt verwendet ein solches Sensorsystem einen oder mehrere HD-NV-Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren, wie sie oben beschrieben wurden. Das Sensorsystem kann beispielsweise einen einzelnen, einkristallinen Diamanten mit einer hohen Dichte von NV-Zentren verwenden oder ein Pulver oder ein Granulat aus Nanodiamanten oder Diamanten mit NV-Zentren in einem transparenten Material verwenden, wobei diese Ausprägungen Extremfälle einer breiten Palette von Ausführungsmöglichkeiten zwischen diesen Extremen darstellen. Wir verweisen hier auf die noch unveröffentlichte internationale Patentanmeldung PCT DE 2020 100 430 . Auch können die NV-Zentren als einzelne, isolierte NV-Zentren verwendet werden oder in so hoher Dichte verwendet werden, dass zwei oder bevorzugt mehr NV-Zentren miteinander koppeln und kollektive Effekte möglich werden. Die Verwendung von HD-NV-Diamanten hoher NV-Zentrumsdichte ist hier bevorzugt. Alternativ kann ein solches Sensorsystem einen oder mehrere Kristalle aus anderem Material mit einer hohen Dichte an geeigneten alternativen paramagnetischen Zentren aufweisen. Das Sensorsystem kann beispielsweise einen einzelnen, einkristallinen Kristall mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) verwenden oder ein Granulat oder ein Pulver beispielsweise aus Nanokristallen oder Kristallen mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) in einem transparenten Material verwenden, wobei diese Ausprägungen wieder die beiden Extremfälle der besagten breiten Palette von Ausführungsmöglichkeiten darstellen.
Als alternatives Verfahren wird neben dem Pumpen des paramagnetischen Zentrums oder der paramagnetischen Zentren (NV1) mit Pumpstrahlung (LB) einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) ein Sensorelement und/oder ein lokaler Teil des Sensorelements mit dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) gleichzeitig mit Mikrowellen bestrahlt, um so den Spin-Übergang selektiv zu treiben. Es ist denkbar bei mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb des Sensorelements ein einzelnes paramagnetisches Zentrum (NV1) oder nur eine erste Teilmenge der parametrischen Zentren (NV1) mit der Pumpstrahlung (LB) zu bestrahlen und mindestens ein paramagnetisches Zentrum (NV1) der paramagnetischen Zentren des Sensorelements oder eine zweite Teilmenge der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements nicht mit Pumpstrahlung (LB) zu bestrahlen. Hierdurch stammt die Fluoreszenzstrahlung (FL) dann nur von den mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlten paramagnetischen Zentren (NV1). Da die Bereiche des Sensorelements, die mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlt werden, und die Bereiche des Sensorelements, die nicht mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlt werden, bekannt sind, wird somit eine Ortsauflösung der Bestimmung des Werts der physikalischen Parameter erreicht, deren Wert bestimmt werden soll. Die Frequenz der überlagerten Mikrowellenstrahlung und die Stärke der zu messenden magnetischen Flussdichte B können hierdurch lokal aufgelöst korreliert werden. Dies kann in dieser Weise auch für die Ermittlung von Messwerten anderer, das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beeinflussender, physikalischer Größen wie beispielsweise Druck P, Temperatur ϑ, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, Rotationsgeschwindigkeit ω und Intensität der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung und deren zeitlichen Integrale und Ableitungen in gleicher Weise erfolgen. Als Messgröße für die magnetische Flussdichte B und/oder die der elektrischen Flussdichte D und oder anderer das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beeinflussender physikalischer Größen wie beispielsweise Druck P, Temperatur ϑ, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, Rotationsgeschwindigkeit ω und Intensität der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung und deren zeitlichen Integrale und Ableitungen dienen wiederum bevorzugt die Änderungen der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) oder die Menge der erzeugten und abgesaugten Fotoelektronen des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) oder beides. Auch wenn in dieser Schrift in der Regel die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) als Basis des Messwerts herangezogen wird, so ist grundsätzlich eine Absaugung und Erfassung der Fotoelektronen in Form eines Fotostromes der Fotoelektronen des paramagnetischen Zentrums (NV!) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und die Verwendung der Meine dieser Fotoelektronen als Basis der Messwertbestimmung direkt aus dem Sensorelement stets mit von der Beschreibung und Beanspruchung mitumfasst.
Gehäuse für das Sensorsystem
Die Leistungsfähigkeit eines quantenmechanischen Sensorsystems kann durch ein ungünstiges Gehäuse massiv eingeschränkt werden. Insbesondere kann beispielsweise ein Gehäuse mit ferromagnetischen Teilkomponenten Verzerrungen oder Abschirmungen magnetischer Felder hervorrufen und so die Brauchbarkeit des Sensorsystems einschränken. Auch kann ein ungünstiges Gehäuse die Produktionskosten einer solchen Sensorvorrichtung entscheidend erhöhen.
Der Vorschlag umfasst daher des Weiteren ein besonders geeignetes Gehäuse für die kostengünstige Produktion von Sensorsystemen mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder im Material eines quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist. Das vorgeschlagene, bereits zum Sensorsystem verarbeitete Gehäuse weist nach dem Öffnen des Gehäuses typischerweise ein solches Sensorsystem mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) auf. Bevorzugt handelt es sich um ein Sensorsystem, wie es oben beschrieben wurde, mit einem oder mehreren HD-NV-Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren, wie er oben beschrieben wurde, als Sensorelement.
Das vorgeschlagene Gehäuse kann des Weiteren erste Mittel als erste optische Funktionselemente, beispielsweise einen Reflektor (RE), umfassen, die die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) lenken und so die Pumpstrahlungsquelle (PL1), beispielsweise eine LED, mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) optisch koppeln. Wie bereits erläutert, können für die optische Kopplung erste optische Funktionselemente wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Reflektoren, Linsen, Prismen, Freiluftstrecken, Vakuumstrecken, Blenden, Spiegel, Strahlteile, Gitter etc. benutzt werden, die zum Teil auch als Gehäuseteile hergestellt werden können. Bevorzugt ist die Benutzung des Gehäusedeckels (DE) für diesen Zweck.
Das vorgeschlagene Gehäuse kann des Weiteren zweite Mittel als zweite optische Funktionselemente, beispielsweise einen Reflektor (RE), umfassen, die die Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) auf den Strahlungsempfänger (PD) lenken und so den Strahlungsempfänger (PD), beispielsweise eine Fotodiode, mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) koppeln. Wie bereits erläutert, können für die optische Kopplung zweite optische Funktionselemente wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Reflektoren, Linsen, Prismen, Freiluftstrecken, Vakuumstrecken, Blenden, Spiegel, Strahlteile, Gitter etc. benutzt werden, die zum Teil auch als Gehäuseteile hergestellt werden können. Bevorzugt ist die Benutzung des Gehäusedeckels (DE) auch für diesen Zweck.
Bevorzugt befindet sich in diesem Strahlengang zwischen dem oder den parametrischen Zentren (NV1) und dem Strahlungsempfänger (PD) ein optischer Filter (F1), der die Fluoreszenzstrahlung (FL) in Bezug auf den Anwendungsfall nicht oder nur unwesentlich dämpft und somit transmittiert und der die Pumpstrahlung (LB) in Bezug auf den Anwendungsfall ausreichend dämpft und somit absorbiert oder reflektiert und eben nicht transmittiert. Dadurch kann nur die Strahlung, die Fluoreszenzstrahlung (FL), mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) zum Strahlungsempfänger (PD) gelangen und Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ), die Pumpstrahlung (LB), kann nicht zum Strahlungsempfänger (PD) gelangen.
Bevorzugt aber nicht notwendiger Weise sind diese unmittelbar zuvor erwähnten ersten Mittel und/oder zweiten Mittel Teil des Gehäuses selbst. Beispielsweise kann die Innenseite eines Deckels (DE) des Gehäuses beispielsweise durch Politur und/oder ein- oder mehrlagige ggf. auch strukturierte Beschichtung als spiegelnder Reflektor (RE) zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder der Fluoreszenzstrahlung (FL) ausgebildet sein. Besser ist eine Verspiegelung von Oberflächen des Gehäuses, insbesondere von Teilen des Gehäusedeckels (DE). Besonders günstig und bevorzugt ist eine zusätzliche fokussierende Wölbung der Innenseite des Deckels (DE).
Ein exemplarisches Beispiel eines solchen Sensorsystem ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394 A1 beschrieben, deren Veröffentlichungstag nach den beanspruchten Tagen der Prioritäten dieser Anmeldeschrift liegt. Das Sensorsystem kann aber ausdrücklich auch anders, als in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394 A1 beschrieben, ausgeführt sein. Das vorgeschlagene Gehäuse ist daher ganz allgemein ein vorgeschlagenes, kostengünstiges Gehäuse für Sensorsysteme, die ein paramagnetisches Zentrum (NV1) als Funktionselement umfassen, ohne dass die konkrete Messaufgabe hier bezüglich des Gehäuses eine Rolle spielt. Wichtig ist, dass der zu erfassende physikalische Parameter das paramagnetische Zentrum (NV) bzw. die paramagnetischen Zentren bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) innerhalb des Gehäuses erreichen kann. Bei der Auswahl der Materialien des Gehäuses und dessen Konstruktion ist dies zu berücksichtigen. Soll beispielsweise eine magnetische Flussdichte B erfasst werden, so ist es sinnvoll, das Gehäuse bevorzugt aus nicht magnetischen Materialien zu fertigen, um zum Ersten die zu erfassende physikalische Größe nicht zu verzerren oder zu modifizieren und zum Zweiten keine abschirmende Wirkung hervorzurufen. Das Gleiche gilt für andere verwendete Materialien, wie beispielsweise Befestigungsmittel und -materialien.
Bevorzugt werden alle Teilvorrichtungen des Gehäuses und des Sensorsystems nicht ferromagnetisch ausgeführt, um die Beeinflussung des paramagnetischen Zentrums (NV1) zu minimieren. Unter „nicht ferromagnetisch“ wird hier eine Permeabilitätszahl kleiner als 100 verstanden. Bevorzugt sind alle Komponenten des Gehäuses und des Sensorsystems und/oder des quantentechnologischen Systems diamagnetisch, worunter in dieser Schrift eine Permeabilitätszahl der Materialien mit µ_r< 1 (typisch wären 1 - 7*10^-6...1- 2*10^-4) verstanden wird, und/oder paramagnetisch, worunter hier eine Permeabilitätszahl der Materialien mit µ_r > 1 (typisch wären 1 + 1*10^-8...1+ 4*10^-4) verstanden wird. Im Sinne dieser Offenbarung gelten aber auch Stoffe mit einer Permeabilitätszahl µ_r < 100 als nicht ferromagnetisch. Somit sind paramagnetische und diamagnetische Stoffe im Sinne dieser Offenlegung nicht ferromagnetisch. Ganz besonders bevorzugt werden alle Lead-Frame-Flächen (LF1 bis LF6) des Gehäuses nicht ferromagnetisch ausgeführt.
In dem Gehäuse, das das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements aufnimmt, sind daher bevorzugt alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch.
Es kann ggf. sinnvoll sein, bei Verwendung eines integrierten Schaltkreises (IC) eine magnetische Schirmung (MAS) aus weichmagnetischem Material zwischen dem Strahlungsempfänger (PD1) und der Auswerteschaltung, also der integrierten Schaltung (IC), vorzusehen. Eine solche Schirmung (MAS) kann auch vorgesehen werden, um das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) magnetisch gegenüber der integrierten Schaltung (IC) und/oder anderen potenziell stromdurchflossenen Vorrichtungsteilen abzuschirmen. Ein solches Gehäuse mit einer solchen Schirmung (MAS) gilt im Sinne dieser Offenlegung als hergestellt aus nicht ferromagnetischen Materialien, da es diese Eigenschaft nach Wegnahme der Schirmung (MAS) zeigt.
Das Gehäuse mit dem funktionalisierten paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements ist somit bevorzugt so gestaltet, das alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems inklusive des Gehäuses bis auf eine weich magnetische Schirmung (MAS) aus einem weichmagnetischen Werkstoff und/oder bis auf Teile eines magnetischen Kreises nicht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, sondern vorzugsweise aus einem paramagnetischen und/oder diamagnetischen Werkstoff gefertigt sind. Unter einem weichmagnetischen Werkstoff wird im Sinne dieser Offenlegung entsprechend DIN EN 60404-1:2017-08 ein Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke <= 1 000 A/m verstanden. Bevorzugt sind noch kleinere Koerzitivfeldstärken.
Herstellung des vorgeschlagenen, gehäusten Sensorsystems Zur Vereinfachung wird in dieser Schrift der Begriff Sensorelement als Synonym für ein Sensorelement und/oder ein quantentechnologisches Vorrichtungselement verwendet.
Es wird hier ein sehr kosteneffizientes Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems vorgeschlagen, das folgende Schritte, auch in abweichender Reihenfolge, umfasst:

• Bereitstellen eines Open-Cavity-Gehäuses mit Anschlüssen und mit einer Kavität (CAV) die eine Montageöffnung (MO) zur Einbringung von Systemkomponenten aufweist;
• Einbringen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) in die Kavität (CAV) des Open-Cavity-Gehäuses durch die Montageöffnung (MO);
• Einbringen einer integrierten Schaltung (IC) mit der Auswerteschaltung in die Kavität (CAV) des Open-Cavity-Gehäuses unter Nutzung der Montageöffnung (MO), wobei die integrierte Schaltung (IC) bevorzugt den Strahlungsempfänger (PD1) umfasst;
• Sofern die integrierte Schaltung (IC) nicht den Strahlungsempfänger (PD1) umfasst, bevorzugt das Verfahren auch das Einbringen des Strahlungsempfängers (PD1) in die Kavität (CAV) des Open-Cavity-Gehäuses durch die Montageöffnung (MO) in einem typischerweise separaten Schritt;
• Elektrisches Verbinden von integrierter Schaltung (IC), Anschlüssen des Open-Cavity-Gehäuses, Pumpstrahlungsquelle (PL1) und ggf. separatem Strahlungsempfänger (PD1) insbesondere mittels Bondverbindungen (BD1 bis BD4);
• Einbringen eines Sensorelements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements, beispielsweise eines Sensorelements mit einem oder mehreren Diamanten mit einem oder mehreren NV-Zentren und oder einer oder mehreren Gruppen von NV-Zentren, bevorzugt ein oder mehrere HD-NV-Diamanten mit einer zumindest lokal hohen Dichte an NV-Zentren, über die Montageöffnung (MO) in die Kavität (CAV) des Open-Cavity-Gehäuses;
• Befestigen des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge), wobei bevorzugt das Befestigungsmittel (GE) so ausgeformt wird und/oder so ausgewählt und/oder so angebracht ist, dass die Pumpstrahlung (LB) das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erreichen kann und dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) den Strahlungsempfänger (PD1) erreichen kann;
• Herstellen erster Mittel zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder zweiter Mittel zur Lenkung der Fluoreszenzstrahlung (FL), wobei diese Mittel bevorzugt, aber nicht notwendiger Weise, Teil des Gehäuses sind und ggf. Befestigen der ersten Mittel und/oder der zweiten Mittel an dem Gehäuse oder Gehäuseteilen sofern das jeweilige Mittel nicht Teil des Gehäuses oder eines Gehäuseteils des Gehäuses ist und/oder als solches hergestellt werden kann;
• Verschließen des Gehäuses, insbesondere der Montageöffnung (MO), mit einem Deckel (DE), der in dieser Schrift als Gehäuseteil betrachtet wird.

Test des Gehäuses mit dem zuvor vorgeschlagenen Sensorsystem vor dem Verschließen
Es wird ein erstes Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem in dem Gehäuse zumindest in Teilen gefertigtem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden und nachfolgenden Vorschlägen vorgestellt. Das Testverfahren wird bevorzugt vor dem Verschließen der Montageöffnung (MO) durchgeführt. Die Montageöffnung (MO) wird hier zum Zuführen der Testsignale verwendet. Insbesondere ist die Idee, die Montageöffnung (MO) für die Zuführung einer wohlkontrollierten, bevorzugt kalibrierten und einstellbaren Testpumpstrahlung (TLB), die der Pumpstrahlung (LB) entspricht, und der Extraktion einer wohlkontrollierten, bevorzugt kalibrierten und einstellbaren Teststrahlung (TFL), die der Fluoreszenzstrahlung (FL) entspricht, aus dem Gehäuse heraus zu nutzen und die elektrische und/oder physikalische Reaktion von Vorrichtungsbestandteilen des Sensorsystems im Gehäuse messtechnisch zu erfassen. Ein solches Testverfahren umfasst beispielsweise die Schritte:

• Bestrahlen des offenen Gehäuses durch die Montageöffnung (MO) mit Pumpstrahlung (LB);
• Vermessung der durch das Gehäuse über die offene Montageöffnung (MO) emittierten Fluoreszenzstrahlung (FL), wobei diese Vermessung durch das Sensorsystem selbst und/oder eine Messvorrichtung außerhalb des Gehäuses bevorzugt über die Montageöffnung (MO) oder einen anderen Messpfad erfolgen kann. Bevorzugt wird die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und/oder in Abhängigkeit vom Wert eines oder mehrerer physikalischer Parameter erfasst, wobei es sich beispielsweise um den Wert der magnetischen Flussdichte B und/oder die Temperatur und/oder einen Druck etc. handeln kann;
• Bewerten des oder der gemessenen Werte der Fluoreszenzstrahlung (FL), insbesondere bevorzugt des gemessenen Werts der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), durch einen Vergleich des oder der gemessenen Werte der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei einer oder mehrerer Messparameterkonfigurationen, die jeweils einem oder mehreren vorbestimmten Intensitätswerten (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und/oder einem oder mehreren vorbestimmten Werten der beeinflussenden physikalischen Parameter oder eine Kombination derselben entsprechen, mit zumindest einem der jeweiligen

Es wird des Weiteren ein zweites Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden Vorschlag vorgeschlagen. Das zweite vorgeschlagene Testverfahren wird ebenfalls bevorzugt vor dem Verschließen der Montageöffnung (MO) durchgeführt. Die Grundidee ist die gleiche, wie bei dem zuvor vorgestellten ersten Testverfahren. Dieses zweite Testverfahren umfasst die Schritte:

• Betreiben Pumpstrahlungsquelle (PL1) im Sensorsystem innerhalb des Gehäuses mit einem geöffneten Gehäuse mit geöffneter Montageöffnung (MO) ohne Gehäusedeckel (DE);
• Vermessung der typischerweise über die Montageöffnung (MO) des offenen Gehäuses durch das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittierten Pumpstrahlung (LB), wobei beispielsweise ein oder mehrere Messwerte für die Intensität (I_pmp ) und/oder ggf. die Intensitätsverteilung der Pumpstrahlung (LB) ermittelt werden;
• Bewerten des oder der gemessenen Werte der Pumpstrahlung (LB), insbesondere bevorzugt des gemessenen Werts der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), durch einen Vergleich des oder der gemessenen Werte der Pumpstrahlung (LB) bei einer oder mehrerer Messparameterkonfigurationen, die jeweils einem oder mehreren vorbestimmten Werten der die Pumpstrahlungsquelle (PL1) beeinflussenden physikalischen Parameter (z.B. Betriebsspannung oder Temperatur) oder eine Kombination derselben entsprechen, mit zumindest einem der jeweiligen Messparameterkonfiguration zugeordneten Schwellwert. Bevorzugt wird das Gehäuse mit dem Sensorsystem und/oder das Sensorsystem verworfen oder nachgearbeitet, wenn dieser Vergleich nicht einem Erwartungswert entspricht.

Es wird ein drittes Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden Vorschlag vorgeschlagen. Das dritte vorgeschlagene Testverfahren wird ebenfalls bevorzugt vor dem Verschließen der Montageöffnung (MO) des Gehäuses durchgeführt. Die Grundidee ist die gleiche, wie bei den zuvor vorgestellten ersten und zweiten Testverfahren. Dieses dritte Testverfahren umfasst die Schritte:

• Betreiben Pumpstrahlungsquelle (PL1) im Sensorsystem mit einem geöffneten Gehäuse mit geöffneter Montageöffnung (MO);
• Lenkung der von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittierten Pumpstrahlung (LB) mittels optischer Funktionskomponenten, beispielsweise einem Test-Spiegel, auf den Strahlungsempfänger (PD1);
• Vermessung der durch das Gehäuse bevorzugt über die Montageöffnung (MO) emittierten Fluoreszenzstrahlung (FL), wobei diese Vermessung durch das Sensorsystem selbst und/oder eine Messvorrichtung außerhalb des Gehäuses bevorzugt über die Montageöffnung (MO) oder einen anderen Messpfad erfolgen kann. Bevorzugt wird die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und/oder in Abhängigkeit vom Wert eines oder mehrerer physikalischer Parameter erfasst, wobei es sich beispielsweise um den Wert der magnetischen Flussdichte B und/oder die Temperatur und/oder einen Druck etc. handeln kann;
• Bewerten des oder der gemessenen Werte der Fluoreszenzstrahlung (FL), insbesondere bevorzugt des gemessenen Werts der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), durch einen Vergleich des oder der gemessenen Werte der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei einer oder mehrerer Messparameterkonfigurationen, die jeweils einem oder mehreren vorbestimmten Intensitätswerten (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und/oder einem oder mehreren vorbestimmten Werten der beeinflussenden physikalischen Parameter oder eine Kombination derselben entsprechen, mit zumindest einem der jeweiligen Messparameterkonfiguration zugeordneten Schwellwert. Bevorzugt wird das Gehäuse mit dem Sensorsystem und/oder das Sensorsystem verworfen oder nachgearbeitet, wenn dieser Vergleich nicht einem Erwartungswert entspricht.

Das erste Verfahren, das zweite Verfahren und das dritte Verfahren können miteinander kombiniert werden.
Stromsensor
Für die Realisierung eines Stromsensors werden nun zwei Dinge vorgeschlagen, die beide zusätzlich zu dem oben beschriebenen bevorzugt erfüllt werden sollten:

Als erstes wird ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System - in dieser Schrift auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet - vorgeschlagen, bei dem das Sensorsystem in einem

Gehäuse untergebracht ist und bei dem das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine Gruppe oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems ist, umfasst. Das Sensorsystem des Stromsensors umfasst die besagte Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), die bevorzugt eine LED ist. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst, wie oben beschrieben, das paramagnetische Zentrum oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Des Weiteren können die weiter oben beschriebenen Komponenten des Gehäuses und/oder des Sensorsystems ebenfalls vorhanden sein. Im Gegensatz zur obigen Beschreibung umfasst das Gehäuse nun zusätzlich mindestens eine Leitung, die von dem zu erfassenden und zu vermessenden elektrischen Strom durchflossen wird. Bevorzugt ist diese Leitung galvanisch von den anderen Vorrichtungsteilen des Sensorsystems getrennt. Die einzige Ausnahme kann das Sensorelement mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bilden. Wird ein NV-Zentrum in Diamant verwendet, so kann der Diamant in direktem elektrischem hochohmigen Kontakt und mechanischen Kontakt mit dem Leiter sein und ein oder mehrere NV-Zentren des Diamanten können optisch mit dem Rest des Sensorsystems gekoppelt werden. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass Diamant in der Regel elektrisch isolierend ist. Das magnetische Feld der Leitung in Form der erzeugten magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) beeinflusst die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder des quantentechnologischen Vorrichtungselements. Hierbei kann dann ausgenutzt werden, dass die magnetische Flussdichte B um einen stromdurchflossenen Leiter mit 1/r abfällt, wobei r der Abstand des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) vom stromdurchflossenen Leiter (LTG, LH, LV) ist. Bevorzugt befinden sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem ersten Abstand (r) von weniger als 1µm, besser weniger als 500nm, besser weniger als 200nm, besser weniger als 100nm, besser weniger als 50nm, besser weniger als 20nm von der beispielhaft horizontalen Leitung (LH) entfernt. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass die Leitung (LH) besonders bevorzugt weniger als 50nm von dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) entfernt ist. Durch diesen geringen Abstand (r) können bereits mit betragsmäßig sehr geringen elektrischen Strömen (IH) in der Leitung (LH, LV, LTG) erhebliche magnetische Flussdichten B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erzeugt werden, die die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ggf. zeitlich parallel mit anderen möglicherweise relevanten physikalischen Parametern beeinflussen. Das besonders vorteilhaft, wenn auf dem Substrat (D) mehrere Leitungen (LH) gefertigt sind, den jeweils ein paramagnetisches Zentrum (NV1) aus einer Gesamtmenge paramagnetischer Zentren (NV1) oder eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aus einer Gesamtmenge mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zugeordnet ist. Vorteilhafter Weise kann dann durch eine Einstellung der magnetischen Flussdichte B mittels unterschiedlichen elektrische Ströme in den unterschiedlichen Leitungen (LH) der Kontrast (KT) der den betreffenden jeweiligen Leitungen (LH) zugeordneten jeweiligen paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der den betreffenden jeweiligen Leitungen (LH) zugeordneten jeweiligen Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) durch die sich daraus ergebende unterschiedliche jeweilige magnetische Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. am Ort der jeweiligen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren unterschiedlich eingestellt werden. Somit wird hier eine Methode und eine Vorrichtung offenbart, die es erlaubt, den Kontrast(KT) unterschiedlicher paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder unterschiedlicher Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) unterschiedlich einzustellen. In Ähnlicher Weise können die mehreren Leitungen (LH) mit einem untereinander unterschiedlichen elektrischen Potenzial gegenüber dem elektrischen Potenzial des Substrats (D) versehen werden. Durch ein solches elektrisches Potenzial einer Leitung (LH) wird das Fermi-Niveau am Ort eines dieser Leitung (LH) zugeordneten, in der Nähe der Leitung (LH) liegenden paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. am Ort einer dieser Leitung (LH) zugeordneten, in der Nähe der Leitung (LH) liegenden Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) verändert, wobei Nähe sich hier auf die obigen Werte zum Abstand (r) zwischen einer Leitung (LH) und dem dieser Leitung zugeordneten paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. der dieser Leitung (LH) zugeordneten Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bezieht. Hierdurch kann der Ladungszustand der mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) in der Nähe der mehreren Leitungen (LH) in jeweils unterschiedlicher Weise durch Wahl und unterschiedliche Einstellung der elektrischen Potenziale der Leitungen (LH) unterschiedlich eingestellt werden. Im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) können auf diese Weise einige NV-Zentren in den fluoreszierenden NV^-Zustand gezwungen werden und somit leuchten, während andere NV-Zentren in andere Zustände gezwungen werden und somit nicht fluoreszieren und somit nicht leuchten. Da der Abstand der Leitungen (LH) untereinander und auch der in deren Nähe liegenden paramagnetischen Zentren (NV1) kleiner als die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und kleiner als die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) kann auf diese Weise ein Sensorsystem hergestellt werden, dessen Ortsauflösung kleiner ist, als die ohne eines solche Selektionsstruktur. Beispielsweise können nacheinander einzelne paramagnetische Zentren (NV1) oder einzelne Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) durch Anlegen eines geeigneten Potenzials an die diesem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. dieser Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zugeordneten Leitung (LH) aktiviert, d.h. in einen fluoreszierenden Zustand gebracht werden wobei zeitgleich vorzugsweise alle anderen oder zumindest die meisten anderen paramagnetische Zentren (NV1) bzw. anderen Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bevorzugt zeitgleich deaktiviert, also in einen nicht fluoreszierenden Zustand gebracht werden. Bei NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) ist die einem NV-Zentrum zugeordnete Leitung bevorzugt gegenüber dem Substrat (D) positiv für die Aktivierung des NV-Zentrums geladen, sodass das in der Nähe liegende NV-Zentrum in den negativ geladenen, fluoreszierenden NV^--Zustand übergeht, und bevorzugt gegenüber dem Substrat (D) negativ für die Deaktivierung des NV-Zentrums geladen, sodass das in der Nähe liegende NV-Zentrum den negativ geladenen, fluoreszierenden NV^--Zustand verlässt und somit nicht mehr fluoresziert. Diese Methode kann auch zur Aufprägung einer Modulation auf die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) genutzt werden. Die Modulationen können im Falle von mehreren Leitungen und mehreren, diesen Leitungen (LH) jeweils zugeordneten paramagnetischen Zentren (NV1) spezifisch für die Leitung (LH) sein, sodass im Frequenzspektrum der Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) sich diese unterschiedlichen Modulationen wiederfinden. Es ist beispielsweise denkbar, die Modulationen der unterschiedlichen Leitungen monofrequent vorzunehmen und für jede Leitung (LH) eine andere leitungsspezifische Modulationsfrequenz zu wählen. Damit wird die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren entsprechend der leitungsspezifischen Modulationsfrequenz entsprechend der ihnen jeweils nahe liegenden Leitung (LH) moduliert, sodass das Spektrum der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht und damit das Spektrum des Empfängerausgangssignals (S0) eine Überlagerung dieser Modulationsfrequenzen aufweist, die durch Optimalfilter, Synchrondemodulatoren, Bandpassfilter oder dergleichen wieder getrennt werden können, wenn die Abstände dieser Modulationsfrequenzen im Frequenzspektrum geeignet gewählt sind. Auf diese Weise ist eine Ortsauflösung unterhalb der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) und unterhalb der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) möglich.
Das Sensorsystem ermittelt beispielsweise mit dem besagten Strahlungsempfänger (PD1) und beispielsweise der besagten integrierten Schaltung (IC) mittels des Auswerteschaltkreises einen Wert für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und stellt diesen Wert für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in digitaler und/oder analoger Form beispielsweise als Sensorausgangssignal (out) bereit und/oder gibt ihn aus. Da die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) abhängt, ist ein Wert für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und damit der Wert des Sensorausgangssignals (out) ein mögliches Maß für die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums und damit für den Stromwert des elektrischen Stromes durch den Leiter, der diese magnetische Flussdichte B hervorruft. Somit ist es möglich, mit Hilfe eines paramagnetischen Zentrums (NV1) oder mehrerer paramagnetischer Zentren oder einer Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) oder mehrerer Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) ohne Zuhilfenahme von Mikrowellen ein Strommesssystem zu bauen.
Diese Schrift beschreibt somit ein Sensorsystem mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem Substrat (D), im Folgenden vereinfachend auch als paramagnetische Zentren (NV1) bezeichnet, wobei das Sensorsystem ersten Mittel (G, PL1, F1, PD, M1, TP) zur Anregung und Erfassung und Auswertung der Fluoreszenzstrahlung (FL) dieser paramagnetischen Zentren (NV1) umfasst und wobei das Sensorsystem mittels der ersten Mittel (G, PL1, F1, PD, M1, TP) in Abhängigkeit von der Fluoreszenzstrahlung (FL) dieser paramagnetischen Zentren (NV1) einen Messwert erzeugt und/oder bereithält. Das Sensorsystem umfasst bevorzugt einen elektrischen Leiter (LH, LV, LTG). Der elektrische Leiter (LH, LV, LTG) ist bevorzugt mechanisch mit dem Substrat (D) mit den paramagnetischen Zentren (D) verbunden. Der elektrische Leiter (LH, LV, LTG) ist bevorzugt von einem elektrischen Strom (IH, IV) durchströmt. Der besagte elektrische Strom (IH, IV) erzeugt nun einen magnetischen Fluss B, der die Fluoreszenzstrahlung (FL) dieser paramagnetischen Zentren (NV1) beeinflusst. Ist der kürzeste Abstand (r) zwischen dem Schwerpunkt der paramagnetischen Zentren (NV1) und dem Leiter (LH, LV, LTG) kürzer als 1µm, besser weniger als 500nm, besser weniger als 200nm, besser weniger als 100nm, besser weniger als 50nm, besser weniger als 20nm oder ist der kürzeste Abstand (r) zwischen einem paramagnetischen Zentrum (NV1) der paramagnetischen Zentren (NV1) und dem Leiter (LH, LV, LTG) kürzer als 1µm, besser weniger als 500nm, besser weniger als 200nm, besser weniger als 100nm, besser weniger als 50nm, besser weniger als 20nm, so ist die magnetische Flussdichte B, die auf die paramagnetischen Zentren (NV1) einwirkt sehr groß, was die Empfindlichkeit der Strommessung erhöht.
Integrierte Ansteuerschaltung als Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV)
Wie bereits bei der Erläuterung der Basisstruktur des Sensorsystems angegeben, wird eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) zum Betrieb des Sensorsystems benötigt. Diese Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) ist bevorzugt eine integrierte Schaltung. Es können auch nur Teile der Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) Teil einer integrierten Schaltung (IC) sein. Die integrierte Schaltung (IC) kann neben der Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) weitere Funktionselemente, wie beispielsweise den Strahlungsempfänger (PD), die Pumpstrahlungsquelle (PL1) -beispielsweise in Form eines Pumpstrahlung (LB) abstrahlenden Zentrums (PZ)-, die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), den ersten Filter (F1) - beispielsweise als ein Funktionselement der diffraktiven oder digitalen Optik / Photonik-, das paramagnetische Zentrum (NV1) - beispielsweise als G-Zentrum in Silizium oder V-Zentrum in SiC - , die Übertragungsstrecken - beispielsweise als mikrointegrierte Lichtwellenleiter, ein Rechnersystem (µC) und ggf. weitere Steuervorrichtungen, Datenbusschnittstellen etc. Auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift noch unveröffentlichte Anmeldung PCT / DE 2020 / 100 430 wird hier verwiesen.
Daher wird hier auch eine integrierte Schaltung (IC) zur Verwendung mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements vorgeschlagen. Die integrierte Schaltung (IC) umfasst bevorzugt einen Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1), bevorzugt einen Strahlungsempfänger (PD1), zur Detektion der Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), einen Auswerteschaltkreis zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und zwar bevorzugt von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) abhängt. Dabei ist das Sensorelement bevorzugt ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) sind bevorzugt ein NV-Zentrum bzw. NV-Zentren bzw. eine oder mehrere Gruppen von NV-Zentren in dem Diamantkristall oder in mehreren Diamantkristallen. Der Strahlungsempfänger (PD) muss nicht unbedingt Teil der integrierten Schaltung (IC) sein. Er kann sich außerhalb der integrierten Schaltung befinden.
Magnetischer Kreis
Bevorzugt weist das Sensorsystem und/oder das Gehäuse des Sensorsystems einen magnetischen Kreis oder Teile eines solchen magnetischen Kreises, im Folgenden auch Magnetkreiselemente genannt, auf.
Es kann beispielsweise sinnvoll sein, den zu vermessenden magnetischen Fluss B in der Nähe des paramagnetischen Zentrums (NV1) durch zusätzliche bevorzugt weichmagnetische Magnetkreiselemente zu verändern, um das Empfindlichkeitsfeld des Sensorsystems und/oder der quantentechnologischen Vorrichtung gegenüber externen magnetischen Feldern zu verändern. Insbesondere ist eine Deformation des Empfindlichkeitsfeldes möglich, sodass Vorzugsrichtungen und/oder eine richtungsabhängige Empfindlichkeit erzielt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, mittels eines Mittels zum Deformieren des magnetischen Feldes eine solche Deformation zu erreichen. Ein solches Mittel zur Deformation des magnetischen Feldes können beispielsweise ferromagnetische Vorrichtungsteile sein, die in die Nähe der paramagnetischen Zentren (NV1) und oder die Nähe von Gruppen (NVC) solcher paramagnetischen Zentren (NV1) gebracht werden und dann dort die Feldlinien des magnetischen Flusses B deformieren. Beispielsweise ist es denkbar, in ein Blech aus Ferromagnetischen Material einen Schlitz einzubringen und die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Schlitz zu platzieren. Die magnetische Flussdichte B wird, wenn sie senkrecht zur Flächennormale des ferromagnetischen Blechs angeordnet ist, in dem Blech aufkonzentriert und in dem Schlitz vermindert, sodass die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) nur wenig von dem Betrag des magnetischen Flusses B beeinflusst wird. Die magnetische Flussdichte B wird, wenn sie parallel zur Flächennormale des ferromagnetischen Blechs und senkrecht zur Schlitzrichtung angeordnet ist, in dem Blech aufkonzentriert und damit bei dieser Orientierungen aber auch in dem Schlitz aufkonzentriert, sodass die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) nun sehr stark von dem Betrag des magnetischen Flusses B beeinflusst wird. Hierdurch verhält sich die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von dem Betrag der magnetischen Flussdichte B nun anisotrop und hängt somit dann von der Raumrichtung ab.
Es wird somit hier eine Vorrichtung zur Messung einer magnetischen Flussdichte B beschrieben, die zum Ersten mindestens eines der anderen in dieser Schrift beschriebenen Sensorsysteme umfasst, die mittels Erfassung und Auswertung von Paramatern der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer Gruppe oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) einen Wert für die magnetische Flussdichte b ermitteln und die zweitens zusätzlich ein ferromagnetisches Funktionselement umfasst, welches den Feldverlauf der magnetischen Flussdichte B so deformiert, dass der Messwert, der von der Vorrichtung zur Messung einer magnetischen Flussdichte B mit Hilfe der besagten anderen in dieser Schrift beschriebenen Sensorsysteme in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B dieses mittels des besagten ferromagnetischen Funktionselements deformierten Magnetfeldes ermittelt wird, von der Richtung der von außen auf die Vorrichtung zur Messung einer magnetischen Flussdichte B einwirkende Flussdichte B abhängt.
Grundprinzipien eines rauscharmen Sensorsystems mit Dicke-Verstärker
Aus der Radioastronomie sind Dicke-Empfänger bekannt. Nähere Informationen können unter dem Stichwort „Dicke receiver“ im Internet gefunden werden. An dieser Stelle sei auf die Schrift U.Klein, „Radio astronomy:tools, applications and impacts; Course astro 841“ Argelander-Institut für Astronomie Bonn, Ausgabe 2011 verwiesen. Die Schrift kann zum Zeitpunkt der internationalen Anmeldung unter dem Link
https://hera.ph1.uni-koeln.de/ftpspace/simonr/Pablo/Radioastronomy.pdf heruntergeladen werden. Kapitel 6.4.2 auf Seite 82 ff. beschreibt die grundsätzliche Konstruktion eines Dicke-Receivers.
Ein solcher Dicke-Verstärker dient der Detektion statischer, konstanter Quellen in stark verrauschten Umgebungen. Das eliminierbare Rauschen ist dabei das thermische 1/f Rauschen im Messkanal. Um die Quelle, deren Amplitude unter dem Rauschpegel liegt, detektieren zu können, wird zwischen dem verrauschten Eingangssignal der Antenne und dem Rauschsignal einer Äquivalenzrauschquelle gleicher Temperatur, wie der Raushintergrund des Empfangssignals, hin- und hergeschaltet. Dies geschieht mit einer ausreichend hohen Frequenz. Sofern beispielsweise das statische Signal eines stellaren Objekts Teil des Empfangssignals ist, kann durch Multiplikation des resultierenden Signals mit dem Umschaltsignal dieses Objektsignal über den Rauschuntergrund gehoben werden.
Dieses Prinzip wird nun auf die Vermessung der paramagnetischen Zentren (NV1), also bevorzugt der NV-Zentren, angewendet. Als Vergleichsrauschquelle dient eine Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), die bevorzugt als lichtemittierende Diode, kurz LED genannt, oder als Laser ausgeführt wird. Bei richtiger Ausführung wird auch hier der Rauschpegel gegenüber dem Signalpegel abgesenkt. Die Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) weist eine Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) auf.
Erfindungsgemäß wurde somit erkannt, dass das grundsätzliche Problem der Radioastronomie, ein sehr kleines Signal vor einem thermisch verrauschten Rauschhintergrund zu erfassen, das gleiche Problem ist, das bei Quantensensoren auftritt. Die Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) führt zu einer massiven Reduktion der Spin-Temperatur eines paramagnetischen Zentrums (NV1). In der hier vorgelegten Schrift werden bevorzugt Sensorelemente mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), beispielsweise umfassend HD-NV-Diamanten, verwendet. Diese hohe Dichte und die geringe Spin-Temperatur lassen das Rauschen der Fluoreszenzstrahlung (FL) des Sensorelements selbst praktisch verschwinden. Dies ist bei anderen Systemen, die vereinzelte paramagnetische Zentren (NV1), also z.B. einzelne oder wenige NV-Zentren, nutzen eben nicht der Fall. Das Systemrauschen stammt demzufolge im Wesentlichen aus der Pumpstrahlungsquelle (PL1), dem Strahlungsempfänger (PD) oder den ersten Verstärkerstufen, die typischerweise das geringste Signalzu-Rausch-Verhältnis aufweisen. Das Rauschen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) wird somit dem Rauschen der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) aufgeprägt.
Im Gegensatz zur Radioastronomie kann die Fluoreszenzstrahlung (FL) moduliert werden. Es bedarf also nicht des Dicke-Schalters der Radio-Astronomie. Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass das System bevorzugt so aufgebaut wird, dass eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) die Pumpstrahlung (LB) emittiert, die dann auf das Sensorelement mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. mit einer Vielzahl von paramagnetischen Zentren (NV1) mit ggf. zumindest lokaler hoher Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) gelenkt wird. Eine lokal hohe Dichte paramagnetischer Zentren kann in einer Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren, die eine Ausdehnung d innerhalb des Sensorelements bzw. innerhalb eines Substrats (D) innerhalb des Sensorelements hat erreicht werden. Das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (Nv1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) emittieren dann die Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und in Abhängigkeit von weiteren physikalischen Parametern, beispielsweise dem aktuellen Wert der magnetischen Flussdichte B oder der elektrischen Flussdichte D oder dem Druck P oder der Temperatur ϑ oder der Beschleunigung a oder der Gravitationsfeldstärke g oder von der Rotationsgeschwindigkeit ω oder von zeitlichen Integralen oder Ableitungen dieser Größen oder von Frequenzen der Schwankung dieser Größen am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums (NV1). Da die Pumpstrahlung (LB) beispielsweise im Falle der Nutzung eines Halbleiterlasers als Pumpstrahlungsquelle (PL1) infolge der relativ hohen Temperatur des lichtemittierenden PN-Übergangs im Laser der Pumpstrahlungsquelle (PL1) verrauscht ist, findet sich diese Modulation der Pumpstrahlung (LB) mit einem Pumprauschsignalanteil der Modulation der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) auch als Fluoreszenzrauschsignalanteil der Fluoreszenzstrahlung (FL) wieder. Bevorzugt wird die Temperatur der Pumpstrahlungsquelle (PL1) beispielsweise über einen Thermosensor erfasst. Ein Pumpstrahlungsquellenregler regelt dann bevorzugt einen der Ansteuerparameter der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nach. Die Ist-Größe des Pumpstrahlungsquellenreglers ist der Temperaturwert, den der Thermosensor für die Temperatur der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ermittelt hat. Die Soll-Größe ist in der Regel ein Temperaturreferenzwert. Bevorzugt Handelt es sich um einen PID-Regler. Die möglichen regelbaren Ansteuerungsparameter der Treiberstufe der Pumpstrahlungsquelle (PL1) sind die Pulshöhe, die Pulsfolgefrequenz und die Pulsdauer. Damit ist offenbar, dass es günstig ist, wenn der Pumpstrahlungsquellenregler ggf. in den Signalgenerator (G) eingreift, der einen Teil dieser Größen erzeugt. Auch ist es Denkbar, einen Heizer oder eine Kühlvorrichtung und einen Heizer vorzusehen und den Heizer und/oder die Kühlung so nachzuregeln, dass die Temperatur der Pumpstrahlungsquelle bis auf wenige mK konstant bleibt.
Es ist nun die erfindungsgemäße Idee, wie in einem Dicke-Receiver, das verrauschte Signal der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Referenzrauschquelle mittels des gleichen, besser des identischen nachfolgenden Signalpfades zu vergleichen. Die Referenzrauschquelle wird bevorzugt gleich der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgeführt. Im Folgenden wird diese Referenzrauschquelle als Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) bezeichnet.
Wird die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in gleicher Weise wie die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgeführt, so rauscht sie im gleichen thermischen und elektrischen Arbeitspunkt näherungsweise in gleicher Weise. Eine Kompensation mit einer anders gebauten Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) ist aber ausdrücklich weniger bevorzugt auch möglich. Bevorzugt ist die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) so gewählt, dass die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) gleich oder ähnlich der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist. Ist die Pumpstrahlungsquelle (PL1), wie im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1), beispielsweise grün, so ist die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) bevorzugt ebenfalls grün. Alternativ, aber nicht bevorzugt ist die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) so gewählt, dass sie nicht zum Anregen des betreffenden paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) geeignet ist. Die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) kann also für diesen Zweck beispielsweise größer als die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) - z.B. von 637nm bei NV-Zentren -sein, um eine solche Anregung der Fluoreszenz des paramagnetischen Zentrums (NV1) durch Kompensationsstrahlung (KS) zuverlässig zu verhindern. In der Realität wird eine optische Dämpfung der Kompensationsstrahlung (KS) vor dem Auftreffen auf dem Strahlungsempfänger (PD) notwendig sein, um die Intensität des den Strahlungsempfänger (PD) treffenden Anteils der Kompensationsstrahlung (KS) an die Intensität, des den Strahlungsempfänger (PD) treffenden Anteils der Fluoreszenzstrahlung (FL) für einen gewählten optischen Arbeitspunkt hinsichtlich der Intensität, des den Strahlungsempfänger (PD) in diesem Arbeitspunkt treffenden Anteils der Arbeitspunktintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL), anzupassen. Die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) wird in der Regel kleiner als die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl )- z.B. 637nm bei NV-Zentren - gewählt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) der Pumpstrahlung (LB) bevorzugt eine grüne, blaue oder ultraviolette LED oder ein entsprechender Laser ist. Bevorzugt liegt die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) wie beschrieben im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren bei 532 nm. Ein Laser mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) von 520nm als Pumpstrahlungsquelle (PL1) wird hier auch beschrieben. Hierdurch kann ein paramagnetisches Zentrum (NV1), das bevorzugt ein NV-Zentrum in Diamant ist, auf ein höheres Energie-Niveau angeregt werden. Die Absorptionseigenschaften des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) müssen dabei beachtet werden.
Wenn wir beispielsweise annehmen, dass das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) NV-Zentren in Diamant sind, so können beispielsweise zwei grüne Laser mit beispielsweise bevorzugt 532nm oder 520nm Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) verwendet werden. Ein erster Laser wird dann beispielweise als Pumpstrahlungsquelle (PL1) verwendet. Beispielsweise kann es sich bei dieser Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Form des ersten Lasers auch um eine erste Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) handeln, die im Fachhandel erhältlich ist. Ein zweiter Laser wird dann beispielweise als Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) verwendet. Beispielsweise kann es sich bei dieser Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in Form des zweiten Lasers ebenfalls um eine zweite Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) handeln, die im Fachhandel erhältlich ist.
Wenn ggf. nur ein Anteil der Lichtleistung des ersten Lasers, die der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) entspricht, in Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) umgesetzt wird, wird dringend empfohlen, die Leuchtintensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) zu reduzieren. Dies kann elektrisch oder besser optisch durch ein Absorptionsfilter, beispielsweise eine Blende oder einen Graukeil erfolgen.
In dem Strahlungsempfänger (PL1) überlagern sich dann die Kompensationsstrahlung (KS) und die Fluoreszenzstrahlung (FL) in etwa linear summierend.
Der Dicke-Switch zum Umschalten zwischen dem verrauschten Signal und der Referenzrauschquelle, der mit einem sogenannten Chopper-Signal umgeschaltet wird, wird nun so realisiert, dass stattdessen die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit einem Sendesignal (S5) als Chopper-Signal ein- und ausgeschaltet wird und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) komplementär dazu mit einem zum Sendesignal (S5) komplementären Kompensationssendesignal (S7) eingeschaltet wird. Im einfachsten Falle ist die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) also immer dann eingeschaltet, wenn die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgeschaltet ist und umgekehrt. Hierdurch wird, wie beim Dicke-Receiver, zwischen dem verrauschten Fluoreszenzsignal der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und dem Referenzrauschsignal in Form der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) hin und hergeschaltet.
Es ist denkbar, als Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) abweichende Strahlungsquellen einzusetzen. Dies kann auch Kostengründe haben. Es ist denkbar, statt Lasern für die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) lichtemittierende Dioden, im Folgenden auch LEDs genannt einzusetzen. Es ist denkbar, dass die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) eine Schwerpunktswellenlänge als Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) im Spektrum ihrer Abstrahlung aufweist, die nicht zum Anregen der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) geeignet ist. Es kann sich beispielsweise bei der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) um eine Infrarot-LED handeln. In dem Fall eines oder mehrerer NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) wird dann die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) so gewählt, dass sie im infraroten Bereich liegt. Hierdurch kann die Kompensationsstrahlung (KS) die Fluoreszenzstrahlung (FL) des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) von NV-Zentren nicht anregen und somit keine Fluoreszenzstrahlung (FL) des NV-Zentrums bzw. der NV-Zentren bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) von NV-Zentren erzeugen.
Das Sendesignal (S5) ist moduliert. Die momentane Intensität (I_pmp ) der von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittierten Pumpstrahlung (LB) hängt typischerweise von dem Wert des Sendesignals (S5) ab.
Dies kann durch die folgende Gleichung I beschrieben werden: $i 1 = h 0' + hRa' + h 1 * s 5 w + h 1 * s 5 g + hRb * s 5 w + hRb * s 5 g$
i1 steht hier für den Momentanwert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierten Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB). hRa' steht für das Rauschen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) im Arbeitspunkt, das unabhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit unabhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und unabhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist. hRb steht für das Rauschen der Pumpstrahlungsquelle (PL1), das abhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit abhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und abhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist. h0' ist ein Offset-Wert für den Wert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierten Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), die im Arbeitspunkt unabhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit unabhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und unabhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist. h1 ein Proportionalitätsfaktor für den Wert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierten Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), die im Arbeitspunkt abhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit abhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und abhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist. Wir gehen im Folgenden davon aus, dass das der Wert (s5) des Sendesignals (S5) somit einen konstanten Gleichanteilswert (s5g) des Sendeisignals (S5) und einen Sendesignalwechselanteilswert (s5w) umfasst. Die folgende Gleichung beschreibt dies: $s 5 = s 5 g + s 5 w$
Damit erhalten wir: $i 1 = h 0' + hRa' + h 1 + hRb + h 1 * s 5 g + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w + hRb + s 5 g$
Wir fassen die konstanten Terme h0'+h1+h1*s5g =h0 und hRa'+hRb+hRb*s5g =hRa zusammen und erhalten: $i 1 = h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w$
Ein erster Anteil a1 dieser Pumpstrahlung (LB) trifft das Sensorelement und die darin enthaltenen paramagnetischen Zentren (NV1). Die paramagnetischen Zentren (NV1) setzen einen zweiten Anteil a2 dieser Pumpstrahlung (LB) in Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Intensität ifl um, der einen ersten optischen Filter (F1) erreicht. Die Intensität id der Pumpstrahlung (LB) ist nach der Wechselwirkung mit dem Sensorelement auf einen dritten Anteil a3 reduziert, der den ersten optischen Filter (F1) erreicht.
Die Intensität ifi der Strahlung in der ersten Übertragungsstrecke (I1), die den ersten optischen Filter (F1) erreicht, ist dann in der folgenden Gleichung II beschrieben: $ifi = a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w) + a 3 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w)$
Wir gehen hier zur Vereinfachung von einer idealen optischen Transmission der Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das erste optische Filter (F1) und eine ideale Sperrung der optischen Transmission der Pumpstrahlung (LB) durch das erste optische Filter (F1) aus. Die Intensität ift der Strahlung in der ersten Übertragungsstrecke (I1), die den ersten optischen Filter (F1) passiert, ist dann in der folgenden Gleichung III beschrieben: $ift = a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w)$
Im Idealfall erreicht also nur Fluoreszenzstrahlung (FL) den Strahlungsempfänger (PD). Dies ist eine der Realität nahekommende Näherung. Die Intensität ifd der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht, ist noch einmal auf einen vierten Anteil a4 reduziert. Dies beschreibt Gleichung IV: $ifd = a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w)$
Gleichzeitig erreicht den Strahlungsempfänger (PD) nur ein fünfter Anteil a5 der von der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) emittierten Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS). Diese Strahlungsintensität i2 in der zweiten Übertragungsstrecke (12) hängt vom Wert des Kompensationssendesignals (S7) ab. Die folgende Gleichung V beschreibt die Strahlungsintensität i2, die von der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) ausgesendet wird. $i 2 = k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb * s 7 w$
Hierbei steht k0 für eine Offset-Konstante. k1 steht für einen Proportionalitätsfaktor. kRa steht für einen Rauschanteil, der von dem Wechselanteil s7w des Kompensationssendesignals (S7) unabhängig ist. s7w für den Wert des Wechselanteils des Kompensationssendesignals (S7). Wir nehmen hier in dieser Schrift zwar ausdrücklich an, dass das Rauschen der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) ähnlich der der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist, nehmen zunächst aber zur Verdeutlichung eine potenzielle Unterschiedlichkeit mit, da Ähnlichkeit ein dehnbarer Begriff ist Die Gleichung VI beschreibt dann den Anteil ik der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht. $ik = a 5 * (k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb * s 7 w)$
Die Intensität der Gesamtstrahlung ig, die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht, berechnet sich nun gemäß der Gleichung VII: $lg = ik + itd = a 5 * (k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb + s 7 w) + a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w)$
Der Strahlungsempfänger (PD) erzeugt nun in Abhängigkeit von der Intensität ig der Gesamtstrahlung, die ihn erreicht, ein Empfängerausgangssignal (S0). Gleichung VIII beschreibt dies: $s 0 = d 0 + dRs + d 1 * ig + dRb * ig$
Hierbei steht s0 für den Wert des Empfängerausgangssignals (S0). d0 steht für eine Offset-Konstante. d1 steht für einen Proportionalitätsfaktor. dRa steht für ein Rauschen des Strahlungsempfängers (PD), das von dem Wert der Gesamtintensität ig der Strahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) trifft, nicht abhängt. dRb steht für ein Rauschen des Strahlungsempfängers (PD), das von dem Wert der Gesamtintensität ig der Strahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) trifft, abhängt. Einsetzen ergibt Gleichung IX: $\begin{array}{l} s 0 = d 0 + dRa + d 1 * a 5 * (k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb * s 7 w) + d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w) \\ +dRb*a5* (k 0 + kRa + k 1 * S 7 + kRb * s 7 w) + dRb * a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w) \end{array}$
Wir fordern, dass der Wechselanteil (s5w) des Sendesignals (S5) zumindest zeitweise eine Sendesignalperiode (T_p ) mit einer Sendesignalperiodendauer (T_p ) aufweist, wobei das Integral des Werts des Wechselanteils (s5w) des Werts (s5) des Sendesignals (S5) über diese Sendesignalperiodendauer (T_p ) verschwindet. Dies drücken wir in Gleichung X aus: $\int_{0}^{T_{p}} s 5 w d t = 0$
Diese Periodizitätsbedingung wird später noch sehr wichtig werden. Wir multiplizieren den Wert (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) nun mit dem Wert (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) und erhalten den Wert (s3) des Filtereingangssignals (S3). In dem Sensorsystem führt ein erster Multiplizierer (M1) diese Multiplikation des Werts (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) mit dem Wert (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) zum Wert (s3) des Filtereingangssignals (S3) bevorzugt durch. Dieser Wert (s3) des Filtereingangssignals (S3) wird durch Gleichung XI beschrieben: $\begin{array}{l} s 3 = [d 0 + dRa + d 1 * a 5 * (k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb * s 7 w) + d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w) \\ + dRb * a 5 * (k 0 + kRa + k 1 * s 7 w + kRb * s 7 w) + dRb * a 4 * a 2 * a 1 * (h 0 + hRa + h 1 * s 5 w + hRb * s 5 w)] * s 5 w \end{array}$
Ausmultiplizieren der Gleichung XI ergibt die Gleichung XII: $\begin{matrix} s 3 = d 0 * s 5 w + dRa * s 5 w \\ + d 1 * A 5 * k 0 * s 5 w + d 1 * A 5 * kRa * s 5 w + d 1 * A 5 * k 1 * s 7 w * s 5 w + d 1 * A 5 * kRb * s 7 w * s 5 w \\ + d 1 * A 4 * A 2 * A 1 * h 0 * s 5 w + d 1 * A 4 * A 2 * A 1 * hRa * s 5 w * d 1 * A 4 * A 2 * A 1 * h 1 * s 5 w * s 5 w + \\ d 1 * A 4 * A 2 * A 1 * hRb * s 5 w * s 5 w \\ + A 5 * k 0 * dRb * s 5 w + A 5 * dRb * kRa * s 5 w + A 5 * k 1 * dRb * s 7 w * s 5 w + A 5 * dRb * kRb * s 7 w * s 5 w \\ + dRb * A 4 * A 2 * A 1 * h 0 * s 5 w + dRb * A 4 * A 2 * A 1 * hRa * s 5 w + dRb * A 4 * A 2 * A 1 * h 1 * s 5 w * s 5 w + \\ dRb * A 4 * A 2 * A 1 * hRb * s 5 w * s 5 w \end{matrix}$
Wir verwenden nun ein lineares Filter mit der Filterfunktion F[X1]. X1 und X1 seien die zwei Werte zweier beliebige Signale. x sei ein beliebiger reeller Faktor. Ein Filter mit der Filterfunktion F[X1] ist im Sinne dieser Offenlegung dann ein lineares Filter, wenn gilt (Gleichung XIII): $F [X 1 + X 2] = F [X 1] + F [X 2]$
$F [x * X 1] = x * F [X 1]$
Wir verwenden nun ein Schleifenfilter (TP), das ein lineares Filter mit der Filterfunktion F[s3] sein soll, zur Filterung des Filtereingangssignals (S3) zum Filterausgangssignal (S4), wobei also der Wert (s3) des Filtereingangssignals (S3) die Variable der Filterfunktion F[s3] ein soll.
Die Struktur des Schleifenfilters (TP) ist so gewählt, dass zumindest näherungsweise gilt (Gleichungen XIVa bis XIVc): $F [s 5 w] = 0$
$F [s 5 w*s5w] = 1$
$F [1] = 1$
Diese Bedingungen beschreiben typischerweise ein Tiefpassfilter. Auf diese Struktur werden wir später noch genauer eingehen. Wir gehen hier zunächst davon aus, das die Gleichungen XIVa bis XIVc für das Schleifenfilter (TP) gelten.
Für den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) des Schleifenfilters (TP) finden wir dann mit einer positiven Verstärkung v des Schleifenfilters (TP9 oder eines dem Schleifenfilter (TP) nachfolgenden Verstärkers (Gleichung XV): $\begin{matrix} s 4 = v * d 0 * F [s5w] + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * k 0 * F [s5w] + v * d 1 * a 5 * F [kRa * s5w] + v * d 1 * a 5 * k 1 * F [s7w * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F [kRb * s7w * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 * F [s5w * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRb * s5w * s5w] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] + v * a 5 * F [dRb * kRa * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * F [dRb * s7w * s5w] + v * a 5 * F [dRb * kRb * s7w * s5w] + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * F [dRb * hRa * s5w] + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 * F [dRb * s5w * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * F [dRb * hRb * s5w * s5w] \end{matrix}$
Wir nehmen an, dass die Multiplikation zweier Rauschterme vernachlässigt werden kann und wenden die Gleichungen XIV an (Gleichung XVI): $\begin{matrix} s 4 = + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F[kRa * s5w] + v * d 1 * a 5 * k 1 * F [s7w * s5w] + v * d 1 * a 5 * F [kRb * s7w * s5w] \\ + v * d 1 * a4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRb * s5w * s5w] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a5 * k 1 * F [dRb * s7w * s5w] + v * a4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a4 * a 2 * a 1 * h 1 * F [dRb * s5w * s5w] \end{matrix}$
Wir multiplizieren nun den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) mit dem Wert (s5c) des komplementären Sendesignals (S5c) mittels Multiplikation. Hierbei soll gelten: s5c=1-S5w, wobei wir annehmen, dass der Maximalwert des Werts (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) einen beispielhaft vereinfachenden Betrag von 1 hat. Wir versehen den Wert (s6) des so erhaltenen Rückkoppelsignals (S6) noch mit einem Offset (b0), um den Wert (s7) des Kompensationssendesignals (S7) zu erhalten. Voraussetzung ist, dass die L2-Norm F[s5w*s5w]=1 gilt: $s 7 = [(1 - s5w) * s 4 + b 0]$
Wir haben hier zur Vereinfachung angenommen, dass für die Amplitude (s5w_A) des zeitlichen Wertverlaufs des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) gilt, dass s5w_A=1 gilt. Ansonsten müsste hier F[s5w*s5w]= s5w_A ² verwendet werden.
In unserem Sensorsystem wird für die Multiplikation ein zweiter Multiplizierer (M2) benutzt. Der zweite Multiplizierer (M2) multipliziert bevorzugt den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) mit dem Wert (s5c) des komplementären Sendesignals (S5c).
Einsetzen ergibt: $\begin{matrix} s 4 = + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F[kRa * s5w] + v * d 1 * a 5 * k 1 * F [((1 - s5w) * s 4 + b 0) * S 5] \\ + v * d 1 * a5 * F [kRb * ((1 - s5w) * s 4 + b 0) * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F[hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 \end{matrix}$
$\begin{matrix} + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F[hRb * s5w * s5w] + v * a 5 * k0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * F [dRb * ((1 - s5w) * s 4 + b 0) * s5w] + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F[dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 * F[dRb * s5w * s5w] \end{matrix}$
Auflösen der Klammern und Anwendung der Filtereigenschaften der Filterfunktion F[] ergibt: $\begin{matrix} s 4 = + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F [kRa * s5w] + v * d 1 * a 5 * k 1 * F [s 4 * s5w] -v * d 1 * a 5 * k 1 * F [S 4 * s5w * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * k 1 * b 0 * F [s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F [kRb * S4 * s5w] -v * d 1 * a5 * F [kRb * s4 * s5w * s5w] + v * d 1 * a5 * F [b 0 * kRb * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRb * s5w * s5w] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * F [dRb * s 4 * s5w] -v * a 5 * k 1 * F [dRb * s 4 * s5w * s5w] + v * a 5 * k1 * b0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h1 * F [dRb * s5w * s5w] \end{matrix}$
Außerdem nehmen wir den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) im eingeschwungenen Zustand als nahezu konstant an und können daher dann den Faktor s4 als Konstante behandeln. Wir nutzen außerdem F[s5w]=0 und F[s5w*s5w]=1 wobei wir für die Amplitude s5w_A des Wechselanteils s5w des Sendesignals (S5) vereinfachend s5w_A=1 annehmen. $\begin{matrix} s 4 = + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F [kRa * s5w] -v * d 1 * a 5 * k 1 * s 4 \\ + v * d 1 * a 5 * s 4 * F [kRb * s5w] - v * d 1 * a 5 * s 4 * F [kRb * s5w * s5w] + v * d 1 * a 5 * b 0 * F [kRb * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRb * s5w * s5w] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * s 4 * F [dRb * s5w] -v * a 5 * k 1 * S 4 * F [dRb * s5w * s5w] +v * a 5 * k 1 * b 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h1 * F [dRb * s5w * s5w] \end{matrix}$
Wir nehmen an, dass der konstante Signalanteil des Produkts s5w*s5w sich im Schleifenfilter (TP) durchsetzt und nutzen auf Basis dieser Annahme die dann geltenden Gleichungen $F [kRb * s5w * s5w] = F [kRb], F [dRb * s5w * s5w] = F [dRb] und F [hRb * s5w * s5w] = F [hRb] :$
$\begin{matrix} s 4 = + v * F [dRa * s5w] \\ + v * d 1 * a 5 * F [kRa * s5w] -v * d 1 * a 5 * k 1 * s 4 \\ + v * d 1 * a 5 * s 4 * F [kRb * s5w] - v * d 1 * a 5 * s 4 * F [kRb] + v * d 1 * a 5 * b 0 * F [kRb * s5w] \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * h 1 \\ + v * d 1 * a 4 * a 2 * a 1 * F [hRb] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * s 4 * F [dRb * s5w] -v * a 5 * k 1 * s 4 * F [dRb] +v * a 5 * k 1 * b 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 4 * a 2 * a 1 * h1 * F [dRb] \end{matrix}$
Dies ist äquivalent zu: $\begin{array}{l} s 4 (1 + v * d 1 * a 5 * k 1 - v * d 1 * a 5 * F [kRb * s5w] - v * a 5 * k 1 * F [dRb * s5w] + v * a 5 * k 1 * F [dRb] + v * d 1 * a 5 * F [kRb]) = \\ + v * F [dRa * s5w] +v * d 1 * a 5 * F [kRa * s5w] + v * d 1 * a 5 * B 0 * F [kRb * s5w] \\ + v * d 1 * a4 * a 2 * a 1 * F [hRa * s5w] + v * d 1 * a4 * a 2 * a 1 * h 1 + v * d 1 * a4 * a 2 * a1 * F [hRb] + v * a 5 * k 0 * F [dRb * s5w] \\ + v * a 5 * k 1 * b 0 * F [dRb * s5w] + v * a4 * a 2 * a 1 * h0 * F [dRb * s5w] + v * a4 * a 2 * a 1 * h1 * F [dRb] \end{array}$
Dies ist äquivalent zu: $\begin{array}{l} s 4 (1 / (v * d 1 * a 5 * {k 1 - F [kRb * s5w] - k 1 / d 1 * F [dRb * s5w] + k 1 / d 1 * F [dRb] + F [kRb]}) + 1) = \\ + F [dRa * s5w] / (d1 * a5) * 1 / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + F [kRa * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + b 0 * F [kRb * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * F [hRb * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * h1 / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * F [hRb] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + k0 / d1 * F [dRb * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + k1 / d1 * B 0 * F [dRb * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + (a4 * a 2 * a1 / a5) * h0 / d1 * F [dRb * s5w] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * h1 / d1 * F [dRb] / {k 1 - F [kRb * s5w] - k1 / d1 * F [dRb * s5w] + k1 / d1 * F [dRb] + F [kRb]} \end{array}$
Für große Verstärkung v des Schleifenfilters (TP) oder eines diesem ggf. nachfolgenden Verstärkers und große Eingangsverstärkung d1 des Strahlungsempfängers (PD) bzw. des diesem nachfolgenden ersten Verstärkers (V1) und große Verstärkung k1 des Treibers der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) erhalten wir: $\begin{array}{l} s 4 = + F [dRa * s5w] / (k 1 * d 1 * a 5) + F [kRa * s5w] / k 1 + b 0 * F [kRb * s5w] / k 1 + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * F [hRa * s5w] / k 1 \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * h1 / k1 + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * F [hRb] / k 1 \\ + k0 / d1 * F [dRb * s5w] / k 1 + k1 / d1 * b 0 * F [dRb * s5w] / k 1 \\ + (a 4 * a 2 * a1 / a5) * h0 / d1 * F [dRb * s5w] / k 1 + (A 4 * A 2 * A1 / A5) * h1 / d1 * F [dRb] / k 1 \end{array}$
Für den Fall einer baugleichen Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) und Pumpstrahlungsquelle (PL1) erhalten wir mit kRa=hRa und kRb=hRb und h1=k1 und h0=k0 und mit der Wahl b0=-(a4*a2*a1/a5): $\begin{array}{l} s 4 = + (a 4 * a 2 * a1 / a5) + 1 / (k 1 * d 1) * 1 / a 5 * F [dRa * s5w] + (1+a 4 * a 2 * a1 / a5) / k 1 * F [hRa * s5w] \\ + (1+a 4 * a 2 * a1 / a5) * h0 / (d 1 * k 1) * F [dRb * s5w] + (a 4 * a 2 * a1 / a5) / d 1 * (F [dRb] - F [dRb * s5w]) \end{array}$
Für große Verstärkung v und große Eingangsverstärkung d1 und große Verstärkung k1 und h1=k1 erhalten wir somit: $s 4 = (a 4 * a 2 * a1 / a5)$
Die Vorrichtung ist also im Gegensatz zu den im Stand der Technik benutzten Messsystemen für die Fluoreszenzstrahlung (FL) paramagnetischer Zentren (NV1) in der Lage, den Rauschpegel auf ein Minimum zu drücken. DIES IST EIN WESENTLICHER UNTERSCHIED ZUM STAND DER TECHNIK. Wie in der Einleitung gezeigt wurde, ist das bei der Kombination aus Multiplikator und einfachem Tiefpass als Schleifenfilter (TP) ohne Rückkopplung nicht der Fall. Die Verwendung einer Referenzrauschquelle in Form einer Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) und die zusätzlichen Verstärker verbessern das Rauschverhalten signifikant.
Aus der Gleichung s4= (a4*a2*a1/a5) ergibt sich, dass der Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) als Maß für den Kehrwert des fünften Anteils a5 der von der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) emittierten Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) genutzt werden kann, die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht, wenn die Anteile a4, a2 und a1 konstant gehalten werden. Des Weiteren kann der Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) als Maß für den zweiten Anteil a2 der Pumpstrahlung (LB) genutzt werden, den die paramagnetischen Zentren (NV1) in Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Intensität ifl (I_fl ) umsetzen, wenn die Anteile a1, a4 und a5 konstant gehalten werden. Außerdem kann der Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) als Maß für den ersten Anteil a1 der Pumpstrahlung (LB) genutzt werden, der das Sensorelement und die darin enthaltenen paramagnetischen Zentren (NV1) trifft, wenn die Anteile a4, a2 und a5 konstant gehalten werden. Schließlich kann der Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) als Maß für den vierten Anteil a4 genutzt werden, der den Intensitätsanteil ifl der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht, beschreibt, wenn die Anteile a1, a2 und a5 konstant gehalten werden.
Typischerweise ist der zweite Anteil a2 von besonderem Interesse, da er beispielsweise im Falle der Verwendung eines NV-Zentrums in Diamant als paramagnetisches Zentrum (NV1) von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. einem anderen physikalischen Parameter abhängt. Damit ist dann der momentane Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) ein Maß für den momentanen Wert der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder eines anderen die Fluoreszenzstrahlung (FL) beeinflussenden Parameters, wenn die Anteile a1, a4 und a5 konstant gehalten werden. Somit kann das Filterausgangssignal (S4) u.U. bereits als Sensorausgangssignal (out) des Sensorsystems genutzt werden. Der Wert des Sensorausgangssignals (out) ist dann ein Maß für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und damit ein Maß für den Wert der physikalischen Parameter am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Diese physikalischen Paramater können die magnetische Flussdichte B, die elektrische Flussdichte D, der Druck, die Temperatur, die Bestrahlungsintensität mit ionisierender Strahlung, die Beschleunigung a, eine Bewegungsgeschwindigkeit v, die Gravitationsfeldstärke g, die Rotationsgeschwindigkeit ω etc. und deren zeitliche Integrale und zeitlichen Ableitungen und räumliche Gradienten etc. und weitere aus diesen abgeleitete Größen sein.
Für die Unterdrückung des Rauschens ist somit eine zweite große Verstärkung k1 vor der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) oder in der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) und eine Verstärkung d1 zwischen dem Strahlungsempfänger (PD) und dem Multiplizierer (M1) in einem ersten Verstärker (V1) oder im Strahlungsempfänger (PD) erforderlich, der das Empfängerausgangssignal (S0) zum reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) verstärkt und der Teil des Strahlungsempfängers (PD) sein kann.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird somit nicht nur gefordert, dass der Ausgang des Schleifenfilters (TP) eine große Verstärkung v zeigt, sondern auch, dass der Treiber der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), beispielsweise eine zweite Anpassschaltung (OF2), ebenfalls eine große Verstärkung k1 zeigt. Erst deren Kombination unterdrückt sowohl das Rauschen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) als auch das Rauschen der Kompensationsstrahlungsquelle (OLK) zuverlässig, was an sich sehr überraschend und im Stand der Technik nirgends beschrieben ist.
Erst wenn die Faktoren k1, d1 und v groß sind, wird das Rauschen vollumfassend unterdrückt. Im Übrigen sollte die Verstärkung h1 des Treibers der Pumpstrahlungsquelle (PL1), beispielsweise eine erste Anpassschaltung (OF1) in etwa gleich der Verstärkung k1 der zweiten Anpassschaltung (OF2) sein. Dies kann in integrierten Schaltungen leicht durch eine sogenannte „matchende“ Konstruktion der Treiber der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) und des Treibers der Pumpstrahlungsquelle (PL1) erreicht werden. Hier sei auf die einschlägige Fachliteratur, beispielsweise ur zur Information auf die die WO 2001 073 617 A2 , zur Konstruktion matchender Schaltungen in integrierten Schaltungen verwiesen.
Rauschoptimiertes Sensorsystem
Das rauschoptimierte Sensorsystem umfasst somit einen Strahlungsempfänger (PD) und einen Regler (M1, TP, M2, OF). Der Strahlungsempfänger (PD) erzeugt in dieser bevorzugten Variante dann ein Empfängerausgangssignal (S0), dass typischerweise im Wesentlichen von der Summe der Intensitäten der sich überlagernden Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) und der Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. von der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) sowie einem Signalanteil beispielsweise dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal abhängt, was typischerweise vorteilhaft ist.
Das Sensorsystem ist bevorzugt so gestaltet, dass die Kompensationsstrahlung (KS) einer der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) den Strahlungsempfänger (PD) summierend überlagernd zur Fluoreszenzstrahlung (FL) bestrahlt, so dass die Gesamtbestrahlungsintensität des Strahlungsempfängers (PD), von der das Empfängerausgangssignal (S0) abhängt, sich bevorzugt zumindest teilweise aus der Summe der Intensität der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) zusammensetzt. Auch dies kann mittels dritten Mitteln, die typischerweise optische Funktionselemente sind, sichergestellt werden, die die besagte Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) mit dem Strahlungsempfänger (PD) optisch koppeln. Solche optischen Funktionselemente, die als dritte Mittel verwendet werden, können beispielsweise Lichtwellenleiter, Reflektoren, Linsen, Prismen, Freiluftstrecken, Vakuumstrecken, Blenden, Spiegel, Strahlteile, Gitter etc. sein, die die Kompensationsstrahlungsquelle (PL1) mit dem Strahlungsempfänger (PD) optisch koppeln. Bevorzugt sind diese dritten Mittel ebenfalls Gehäuseteile. Beispielsweise kann es sich wieder um Reflektoren oder Diffusoren handeln, die in die innere Oberfläche eines Gehäusedeckels (DE) eines Open-Cavity-Gehäuses (Deutsch: nach oben offenes Gehäuse für mikrotechnische Vorrichtungen) eingearbeitet sind.
In unserem Beispiel besteht der Regler (M1, TP, S&H, M2, OF) aus dem ersten Multiplizierer (M1), dem Schleifenfilter (TP), der Halteschaltung (S&H), dem zweiten Multiplizierer (M2) und einem Offset-Schaltkreis (OF), der die Konstante B0 zu dem Ausgangssignal des zweiten Multiplizierers (M2), dem Regelsignal (S6), addiert. Der erste Multiplizierer (M1) multipliziert das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Sendesignal (S5) zum Filtereingangssignal (S3). Der Schleifenfilter (TP) filtert das Filtereingangssignal (S3) mit einer Filterfunktion (F[S3]). Eine Halteschalung (S&H) tastet den Ausgang des Schleifenfilters (TP) bevorzugt phasensynchron zur Sendesignalperiode (T_p ) ab und erzeugt so das Filterausgangssignal (S4). Die Abtastung erfolgt dabei bevorzugt zu solchen Zeitpunkten, dass die Bedingung F[S5]=0 zu diesen Abtastzeitpunkten erfüllt ist.
Es hat sich herausgestellt, dass das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels der besagten Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten und die Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out) besonders vorteilhaft sind, da dieses Verfahren in der Lage ist, die Spuren des Chopper-Signals in Form des Sendesignals (S5) im Spektrum des Sensorausgangssignals (out) fast vollständig zu entfernen.
Die Halteschaltung (S&H) gibt diesen Abtastwert als Filterausgangssignal (S4) an den zweiten Multiplizierer (M2) weiter. Der zweite Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem komplementären Sendesignal (1-S5) zum Rückkoppelsignal (S6). Der Offsetschaltkreis (OF) addiert eine Konstante B0 zu dem Rückkoppelsignal (S6) und bildet so das Kompensationssendesignal(S7). In einigen Anwendungen wird das Rückkoppelsignal (S6) direkt als Kompensationssendesignal (S7) benutzt.
Der Regler (M1, TP, S&H, M2, OF), erzeugt dann in Abhängigkeit von dem Empfängerausgangssignal (S0) ein Kompensationssendesignal (S7). Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), die beispielsweise eine Infrarot-LED oder eine „grüne“ LED oder ein „grüner“ Laser ist, erzeugt die Kompensationsstrahlung (KS) in Abhängigkeit von dem Kompensationssendesignal (S7). Der Regler (M1, TP, M2, OF) erzeugt das Kompensationssendesignal (S7) in Abhängigkeit vom Sendesignal (S5) bevorzugt in der Art, dass das Empfängerausgangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil bevorzugt im Wesentlichen keine Signalanteile des Sendesignals (S5) mehr aufweist. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass der Regler einen ersten Multiplizierer (M1), einen Schleifenfilter (TP), insbesondere ausgeführt als Tiefpassfilter, und einen zweiten Multiplizierer (M2) aufweist. Der erste Multiplizierer (M1) multipliziert das Empfängerausgangssignal (S0) oder ein daraus abgeleitetes Signal, z.B. ein gefiltertes oder verstärktes oder um weitere Signalanteile ergänztes Signal (z.B. S1), mit dem Sendesignal (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. S5') zu einem Filtereingangssignal (S3). Im Prinzip wird hier ein Skalar-Produkt zwischen dem Sendesignal (S5) und dem Empfängerausgangssignal (S0) bzw. den jeweils abgeleiteten Signalen gebildet. Das Ergebnis dieser Skalar-Produktbildung ist das Filterausgangssignal (S4). Es wurde bei der Ausarbeitung der Erfindung erkannt, dass ein Tiefpass als Schleifenfilter (TP) nur ein unbestimmtes Integral realisieren kann. Daher ist mit einem Tiefpass als Schleifenfilter (TP) eine Einhaltung der Gleichung X und der Gleichungen XIVa bis XIVc nicht möglich.
Weist das Sendesignal (S5) eine Sendesignalperiode (T_p ) auf, für die die Gleichung X gilt, so führt eine Integration des Sendesignals (S5), die zu Zeiten t mit 0<t<T_p stoppt zu einem Wert F[S5]≠0. Dies macht sich dann im Energiespektrum des Filterausgangssignals (S4) und damit in dem des Sensorausgangssignals (out) mit einem massiven Durchgriff der Chopper-Frequenz, also der Frequenz des Sendesignals (S5) auf das Filterausgangssignal (S4) bzw. das Sensorausgangssignal (out) bemerkbar.
Um nun das erste Schleifenfilter (TP) eine bestimmte Integration statt einer unbestimmten Integration ohne Integrationsgrenzen ausführen zu lassen ist es daher sinnvoll, wenn nach dem Schleifenfilter (TP),der bevorzugt ein Tiefpassfilter ist, eine Halteschaltung (englisch Sample & Hold) (S&H) vorgesehen oder eine funktionsäquivalente Teilvorrichtung (bei digitaler Realisierung beispielsweise ein Latch oder ein Register etc.) vorgesehen ist, das das Filterausgangssignal (S4) im Falle eines periodischen Sendesignals (S5) am jeweiligen Sendesignalperiodenende der Sendesignalperiode (T_p ) des Sendesignals (S5), also zum Zeitpunkt T_p abspeichert und nur diesen Wert bis zum nächsten Sendesignalperiodenende des Sendesignals (S5) bei t=T_p an den zweiten Multiplizierer (M2) weitergibt. Hierbei sei willkürlich t am Beginn der Sendesignalperiode (T_p ) des Sendesignals (S5) zur Vereinfachung mit t=0 angenommen. Diese Halteschaltung (S&H) ist in der Praxis für eine sehr gute Auflösung unbedingt notwendig. Sie stellt einen weiteren Unterschied zum Stand der Technik dar. Den Autoren dieser Schrift ist keine Auswertung der Intensität (I_fl ) einer Fluoreszenzstrahlung (FL) aus dem Stand der Technik bekannt, die eine Halteschaltung (S&H) zur Unterdrückung der Frequenz des Sendesignals (S5) im Filterausgangssignal (S4) einsetzt.
Der Schleifenfilter (TP), der beispielsweise ein Tiefpassfilter ist, filtert das Filtereingangssignal (S3) zum Filterausgangssignal (S4). Der zweite Multiplizierer (M2) multipliziert den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) mit dem Wert (s5c) des bevorzugt komplementären Sendesignals (S5c). Das komplementäre Sendesignal (S5c) wird bevorzugt gemäß der Formel s5c=s5g-s5w oder gemäß der Formel s5c=s5w_A-s5w gebildet. Hierbei steht s5w_A- für Wert der Amplitude des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Der zweite Multiplizierer (M2) bildet auf diese Weise somit das Rückkoppelsignal (S6) und/oder direkt das Kompensationssendesignal (S7). Ggf. addiert eine zweite Anpassschaltung (OF2), die Teil des zweiten Multiplizierers (M2) sein kann, einen Offset B0 als konstanten Wert zu dem Rückkoppelsignal (S6) und bildet so das Kompensationssendesignal (S7). Sofern zwischen Filterausgangssignal (S4) und dem Eingang des zweiten Multiplizierers (M2) weitere Schaltungsteile wie beispielsweise die besagte Halteschaltung (S&H) (Sample & Hold-Schaltung) eingefügt sind, sind die Ansprüche so zu verstehen, dass solche Konstruktionen ausdrücklich mit umfasst sind. Sofern das Rückkoppelsignal (S6) verwendet wird, bildet eine zweite Anpassschaltung (OF2) aus dem Rückkoppelsignal (S6) das Kompensationssendesignal (S7). Das Filterausgangssignal (S4) wird dann typischerweise als Sensorausgangssignal (out) verwendet. Sein Wert ist ein Maß für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und damit ein Maß für die zu erfassende physikalische Größe, also beispielsweise die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder einer anderen physikalischen Größe, die die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV11) beeinflusst.
Dicke-Quanten-Messsystem
Somit wird hier ein Quantensensorsystem zur Erfassung eines relativen Werts eines physikalischen Parameters mit einem Sensorelement und mit Auswertemitteln (G, PD, V1, M1, TP) vorgeschlagen. Das Sensorelement umfasst als Quantenpunkt ein paramagnetisches Zentrum (NV1), das durch den physikalischen Parameter beeinflusst wird, oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1), die durch die physikalischen Parameter beeinflusst werden, oder eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), die durch den physikalischen Parameter beeinflusst wird, oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), die durch den physikalischen Parameter beeinflusst werden. Wie zuvor wird der Quantenpunkt mit Pumpstrahlung (LB) mit Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) bestrahlt. Grundsätzlich eröffnen sich zwei Methoden der Auswertung.
Bei der ersten Methode erfassen Auswertemittel (V1) einen ersten Fotostrom des Quantenpunkts des Sensorelements. Dies kann beispielsweise durch eine Quantenbit-Konstruktion entsprechend der 78,79 und 81 erfolgen. Die Auswertemittel erzeugen dann ein Empfängerausgangssignal (S0) in Abhängigkeit vom Wert dieses ersten Fotostroms.
Bei der zweiten Methode erfassen Auswertemittel (PD) eine Fluoreszenzstrahlung (FL) des Quantenpunkts des Sensorelements. Bevorzugt wird die Intensität (I_fl ) einer Fluoreszenzstrahlung (FL) des Quantenpunkts des Sensorelements durch Auswertmittel (PD) erfasst. Die betreffenden Auswertemittel (PD) erzeugen dann typischerweise ein Empfängerausgangssignal (S0) in Abhängigkeit von der Fluoreszenzstrahlung (FL). Bevorzugt erzeugen die betreffenden Auswertemittel (PD) typischerweise das Empfängerausgangssignal (S0) in Abhängigkeit von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL).
Im Gegensatz zum Stand der Technik umfasst das in diesem Anschnitt vorgeschlagene Sensorsystem zusätzlich ein Referenzelement, wobei das Referenzelement als Referenzquantenpunkt ein paramagnetisches Referenzzentrum (NV2), das durch den physikalischen Parameter beeinflusst wird, oder mehrere paramagnetische Referenzzentren (NV2), die durch den physikalischen Parameter beeinflusst werden, oder eine Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2), die durch den physikalischen Parameter beeinflusst wird, oder mehrere Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2), die durch den physikalischen Parameter beeinflusst wird, umfasst.
Der Referenzquantenpunkt wird mit Kompensationsstrahlung (KS) bestrahlt. Nun erfassen bevorzugt die gleichen Auswertemittel (PD, V1), die die ausgewertete Größe des Quantenpunkts erfassen. die ausgewertete Größe des Referenzquantenpunkts.
Bei Anwendung der ersten Methode erfassen Auswertemittel (V1) nun dementsprechend zusätzlich zum ersten Fotostrom einen zweiten Fotostrom des Referenzquantenpunkts des Referenzelements und erzeugen das Empfängerausgangssignal (S0) in Abhängigkeit vom ersten Fotostrom und nun in Abweichung vom Stand der Technik zusätzlich auch in gleichzeitiger Abhängigkeit vom zweiten Fotostrom.
Bei Anwendung der zweiten Methode erfassen Auswertemittel (PD) nun dementsprechend zusätzlich zur Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) darüber hinaus eine Intensität (I_kfl ) einer Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) des Referenzquantenpunkts des Referenzelements und ein aus den Werten dieser beiden, sich typischerweise zu einer Gesamtintensität überlagernden Intensitäten ein Empfängerausgangssignal (S0), in Abhängigkeit von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und nun zusätzlich über den Stand der Technik hinaus auch in gleichzeitiger Abhängigkeit von der Intensität (I_kfl ) einer Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der Referenzquantenzentren. Auswertemittel (M1, TP) erzeugen dann aus dem Empfängerausgangssignal (S0) einen Messwert in Form des Werts eines Sensorausgangssignals (out) für die Differenz zwischen dem Wert des physikalischen Parameters am Ort des Quantenpunkts und dem Wert des physikalischen Parameters am Ort des Referenzquantenpunkts, der als Messwert für diesen Messwert verwendet wird oder verwendet werden kann. In dieser Konfiguration dient der Referenzquantenpunkt als Referenzrauschquelle für das Rauschen des Quantenpunkts. Durch ein Chopper-Signal, hier typischerweise das Sendesignal (S5), wird zwischen diesen beiden Rauschquellen, nämlich dem Quantenpunkt und dem Referenzquantenpunkt hin- und hergeschaltet. Im Gegensatz zum Dicke Receiver geschieht dies aber nicht mittels eines sogenannten Dicke-Schalters, sondern durch zeitliche Modulation der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und dazu zeitlich komplementärer Modulation der Kompensationsstrahlung (KS), wobei diese Modulation von dem besagten Sendesignal (S5) als Chopper-Signal abhängt. Statt dieser Modulation der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) ist auch ein Dauerbetrieb der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) mit Auswertung der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) denkbar, wobei dann beispielsweise mittels eines Schwingspiegels, der mit dem Sendesignal (S5) als Steuersignal des Schwingspiegels verknüpft ist, abwechselnd die Fluoreszenzstrahlung (FL) des Quantenpunkts und die Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) des Referenzquantenpunkts auf den Strahlungsempfänger (PD) gelenkt werden. Wird die Methode der Extraktion der Fotoströme vorgesehen, so ist auch ein Dauerbetrieb der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) mit Auswertung der Fotoströme des Quantenpunkts und des Referenzquantenpunkts möglich, wobei dann mit Hilfe eines Schalters, der von dem Sendesignal (S5) gesteuert wird, zwischen dem Fotostrom des Quantenpunkts und dem Fotostrom des Referenzquantenpunkts hin- und hergeschaltet wird.
Messung mit einem nicht periodischen Sendesignal (S5)
Es ist möglich, ein nichtperiodisches Sendesignal (S5) zu verwenden. In dem Fall ist dann ein Trigger-Schaltkreis (TRIG) erforderlich, der das Sendesignal (S5) analysiert und immer, wenn die Bedingung F[S5]=0 erfüllt ist, mittels eines Synchronisationssignals (Sync) die Halteschaltung (S&H) betätigt. Beispielsweise ist es denkbar, mittels rückgekoppelter Schieberegister Pseudozufallsfolgen als Sendesignal (S5) zu verwenden. Diese sind dann nicht monofrequent. Sie haben eine von null verschiedene Frequenzbandbreite und können zur Spreizung verwendet werden. Als Sendesignal (S5) kann dann somit auch ein Spreiz-Code unendlicher Länge verwendet werden. Die Verwendung allzu langer Spreiz-Codes zur Modulation des Sendesignals (S5) führt aber zu langen Latenzzeiten und wird typischerweise ab einer Anwendungsbestimmten Spreiz-Code-Länge contra produktiv.
Messung der Phasenverzögerung der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber der Pumpstrahlung (LB)
Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass nicht nur die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von externen physikalischen Parametern, wie beispielsweise der magnetischen Flussdichte B abhängt, sondern auch die Phasenverzögerung. Ist die magnetische Flussdichte B am Ort eines paramagnetischen Zentrums (NV1) geringer, so ist auch die Phasenverzögerung zwischen dem zeitlichen Verlauf der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und dem vorauseilenden zeitlichen Verlauf der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zeitlich kürzer. Ist die magnetische Flussdichte B am Ort eines paramagnetischen Zentrums (NV1) größer, so ist auch die Phasenverzögerung zwischen dem zeitlichen Verlauf der Intensität (I_fl ) Fluoreszenzstrahlung (FL) und dem vorauseilenden zeitlichen Verlauf der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zeitlich länger.
Das hier vorgeschlagene Sensorsystem zur beispielhaften Analyse dieser Phasenverzögerung zwischen der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Pumpstrahlung (LB) nutzt einen zweiten Analysesignalpfad für die Analyse des Empfängerausgangssignals (S0).
Hierzu umfasst das auf Phasenmessung erweiterte Sensorsystem ein weiteres Sendesignal (S5'). Dieses weitere Sendesignal (S5') wird im Folgenden auch als orthogonales Referenzsignal (S5') bezeichnet, da es nur für die Analyse und die Kompensation verwendet wird. Das weitere Sendesignal (S5') ist bevorzugt vom Sendesignal (S5) verschieden. Bevorzugt ist das Sendesignal (S5) periodisch. Ebenso bevorzugt ist das weitere Sendesignal (S5') bevorzugt periodisch. Es ist aber beispielsweise auch denkbar, nichtperiodische Signale, wie oben beschrieben, zu verwenden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sendesignal (S5) auch um ein Zufallssignal handeln, dass auf einem ersten Zufallsprozess beruht. Ebenso kann es sich bei dem zweiten, weiteren Sendesignal (S5') um ein zweites Zufallssignal handeln, dass auf einem zweiten Zufallsprozess beruht, der beispielsweise von dem ersten Zufallsprozess vollkommen unabhängig ist. Auch kann das erste Sendesignal (S5) auf einem ersten Spreiz-Code basieren und das zweite Sendesignal (S5') auf einem zweiten Spreiz-Code, der bevorzugt von dem ersten Spreiz-Code unabhängig ist. Bevorzugt gilt zu bestimmten Zeitpunkten F[S5, S5]=0 oder zumindest F[S5w, S5w]=0. Bevorzugt betätigt das TriggerSignal (STR) die Halteschaltung (S&H) zu solchen Zeitpunkten.
Zunächst beschreiben wir nochmals der Vollständigkeit halber den ersten Analysepfad, der den bisher erläuterten Sensorsystemen entspricht.
Wie zuvor beschrieben, bilden der erste Multiplizierer (M1) und der Schleifenfilter (TP) eine beispielhafte Skalar-Produkteinheit, die das Skalarprodukt zwischen dem Sendesignal (S5) und dem Empfängerausgangssignal (S0) bildet, wobei diese Signale durch Signale ersetzt werden können, die beispielsweise durch Filterung oder Phasenverschiebung oder andere Signalmodifikationsmethoden aus diesen Signalen (S0, S5) abgeleitet wurden oder abgeleitet werden können. Das bedeutet, dass diese Skalar-Produkteinheit ein Skalarprodukt in einer ganz bestimmten Art und Weise bildet. Somit können im mathematischen Sinne in den Extremfällen Signale in Bezug auf dieses Skalarprodukt orthogonal oder parallel = synchron zueinander sein. Somit ist ein Signal im Sinne dieser Schrift dann orthogonal zu dem anderen, wenn es bezüglich des verwendeten Skalarprodukts orthogonal zu dem anderen Signal ist, also das Filterausgangssignal (S4) 0 ergeben würde. In den zuvor beschriebenen Abschnitten wird das Skalarprodukt aus dem Empfängerausgangssignal (S0) und dem Sendesignal (S5) durch die Formel $< S 0, S 5 > = F [S 0 * S 5] = S 4$
gebildet. Hierbei steht „<S0;S5>“ für das Skalarprodukt. Die Filterfunktion F[S0*S5] umfasst hierbei bevorzugt auch die Funktion der Halteschaltung, sodass das Skalarprodukt hier für hohe Frequenzen des Produkts S0*S5 einem bestimmten Integral und damit einem L2-Produkt entspricht.
Ein beliebiges Signal X1 ist im Sinne dieser Schrift zu einem anderen beliebigen Signal X2 dann orthogonal, wenn gilt: $< X 1, X 2 > = 0$
Bezogen auf das in unserem Sensorsystem verwendete System bedeutet dies, dass gelten muss: $F [X 1 * X 2] = 0$
Besonders bevorzugt wird daher das weitere Sendesignal (S5') bzw. der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) so gewählt, dass es orthogonal zu dem Sendesignal (S5) bzw. zu dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) ist. Ist beispielsweise das Sendesignal (S5) ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50%, so kann das weitere Sendesignal (S5') ein dazu um eine viertel Periodendauer T_p verschobenes Rechtecksignal mit 50% Tastverhältnis sein. Das Sendesignal (S5) und das weitere Sendesignals (S5') stellen dann also etwas Ähnliches, wie Sinus und Cosinus dar. Der Regler erzeugt das Kompensationssendesignal (S7) bevorzugt in Abhängigkeit von dem Empfängerausgangssignal (S0), dem Sendesignal (S5) und zwar bevorzugt dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) im Speziellen und dem weiteren Sendesignal (S5') und zwar hier bevorzugt dem Wechselanteil (S5w') des weiteren Sendesignals (S5') im Speziellen in der Art, dass das Empfängerausgangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil keine Signalanteile des Sendesignals (S5) und gleichzeitig keine Signalanteile des weiteren Sendesignals (S5'), insbesondere des orthogonalen Referenzsignals (S5') mehr aufweist.
Für die Bildung des Skalarprodukts wird bevorzugt die besagte zweite Skalar-Produkteinheit verwendet, die bevorzugt gleich der ersten Skalar-Produkteinheit konstruiert ist. Ein zusätzlicher erster Multiplizierer (M1') multipliziert das weitere Sendesignal (S5') mit dem Empfängerausgangssignal (S0) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. mit dem reduzierten Empfängerausgangssignal S1) und bildet so das weitere Filtereingangssignal (S3') für den weiteren Filter, der bevorzugt ein weiterer Schleifenfilter (TP') ist. Dieser weitere Filter erzeugt aus dem weiteren Filtereingangssignal (S3') das weitere Filterausgangssignal (S4'), das als weiteres Sensorausgangssignal (out') verwendet werden kann. Das Sensorausgangssignal (out') dann beispielsweise im Verhältnis zum weiteren Sensorausgangssignal (out') kann die Phasenverschiebung als arctan dieses Verhältnisses oder in Form einer Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) angeben, wenn beispielsweise das weitere Sendesignal (S5') einem um 90° phasenverschobenen Sendesignal (S5) entspricht. Beispielsweise ist es denkbar, den arctan Wert des Verhältnisses zu jedem Wert-Paar der Werte des Filterausgangssignals (S4) und des weiteren Filterausgangssignals (S4') bei einem monofrequenten Sendesignal (S5) zu bilden. Auf diese Weise lässt sich dann ein Phasensignal bilden, dass den zeitlichen Verlauf des Phasenwinkels angibt. Da dieser Phasenwinkel von der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) im Sensorelement abhängt, können die Werte des Phasensignals als Maße für den zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und damit zur Messung der magnetischen Flussdichte verwendet werden. Statt oder mit der magnetischen Flussdichte B können auch andere Werte anderer physikalischer Parameter, die die Phasenverschiebung der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber der Pumpstrahlung (LB) in Form der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) beeinflussen, erfasst werden. Solche physikalischen Parameter können beispielsweise der Druck P, die Temperatur ϑ, die Beschleunigung a, die Gravitationsbeschleunigung g und die elektrische Feldstärke E sein. Durch die Bestimmung von zwei Paramatern, nämlich eines Werts für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und eines Werts für die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) kann dieses zweidimensionale Messwertsystem durch eine einfache lineare Abbildung umfassend beispielsweise eine einfache Matrixmultiplikation auf zwei der ermittelbaren physikalischen Größen, beispielsweise die magnetische Flussdichte B und die elektrische Flussdichte D abgebildet werden, wodurch diese ermittelt werden können. Hierdurch ist eine Ermittlung der Werte dieser zwei physikalischen Parameter möglich. Vorausgesetzt wird dabei allerdings, dass die anderen physikalischen Parameter annähernd konstant sind und so die Messung nicht beeinflussen.
Messung mittels komplementärem Analysesignal mit 180° Phasenverschiebung
Ist das Sendesignal (S5) beispielsweise ein PWM-Signal mit einem 50% Duty-Cycle, also ein Rechtecksignal, und amplitudenmoduliert das Sendesignal (S5) die Pumpstrahlung (LB), so ist in dieser Variante beispielsweise das weitere Sendesignal (S5') bevorzugt ein um 180° zu dem Sendesignal (S5) phasenverschobenes, also bevorzugt invertiert-komplementäres Sendesignal (S5). Das weitere Sensorausgangssignal (out') gibt dann die Intensität (I_fl ) des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) nach dem Ausschalten der Pumpstrahlung (LB) an. eine solche Konstruktion hat den Vorteil, dass dann kein erster optischer Filter (F1) mehr notwendig ist und dass dieser dann eingespart werden kann. Die Kompensationsregelung über den Kompensationssender (PLK) hält den Strahlungsempfänger (PD) immer im gleichen optischen Arbeitspunkt. Für diese Konstruktion wird bevorzugt ein Kompensationssender (PLK) mit einer großen Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ), die größer ist als die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) verwendet. Dies hat den Vorteil, dass durch die Kompensationsstrahlung (KS) keine Fluoreszenzstrahlung (FL) hervorgerufen wird, da die langwellige Kompensationsstrahlung (KS) dann die paramagnetischen Zentren (NV1) nicht zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) anregen kann, sehr wohl aber vom Strahlungsempfänger (PD) empfangen wird. Dies hat den Nachteil, dass der Kompensationssender (PLK) dann keine Referenzrauschquelle mehr ist. Der Regler bildet somit in Abhängigkeit von dem weiteren Sendesignal (S5') ein zusätzliches Sensorausgangssignal (out').
Positionierung des optischen Filters (F1)
In einer weiteren Variante umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im dieser Schrift in der Regel auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, einen ersten Filter (F1) mit speziellen Eigenschaften. Zur besseren Klarheit sei noch einmal erwähnt, dass das Sensorsystem zumindest wieder ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement und ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und des Weiteren in dieser Variante eine Pumpstrahlungsquelle (PL1), einen Strahlungsempfänger (PD) und den besagten ersten Filter (F1) umfasst. Die Pumpstrahlung (LB) weist eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) auf. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ), wenn sie vom paramagnetischen Zentrum (NV1) unter Anregung des paramagnetischen Zentrums (NV1) absorbiert wird. Der Strahlungsempfänger (PD) ist bevorzugt für die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - empfindlich. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) erzeugt die Pumpstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist bevorzugt dabei so gestaltet, dass die Pumpstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Auch hier können, wie zuvor beschrieben, die besagten optischen Funktionselemente genutzt werden. Ebenso ist bevorzugt das Sensorsystem so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Strahlungsempfänger (PD) bestrahlt. Auch hier können, wie zuvor beschrieben, die besagten optischen Funktionselemente genutzt werden.
Der erste Filter (F1) ist so gestaltet, dass er für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - und damit für die Fluoreszenzstrahlung (FL) im Wesentlichen transparent ist. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt so gestaltet, dass er für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und damit für die Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht transparent ist. Der erste Filter (F1) ist dann für die Fluoreszenzstrahlung (FL) im Wesentlichen transparent, wenn die Funktionstüchtigkeit des Sensorsystems für den beabsichtigten Zweck erreicht wird, also die durch die unvermeidliche Dämpfung in diesem Wellenlängenbereich erzeugten Fehler ausreichend klein sind. Der Filter (F1) ist dann für die Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht transparent, wenn die Funktionstüchtigkeit des Systems für den beabsichtigten Zweck erreicht wird, also die durch die unvermeidliche Transparenz in diesem Wellenlängenbereich erzeugten Fehler ausreichend klein sind.
Das Sensorsystem ist in dieser Variante (aber auch in einigen der vorbesprochenen), in der der Strahlungsempfänger (PD) Teil der integrierten Schaltung (IC) ist, bevorzugt so gestaltet, dass Strahlung, die vom Strahlungsempfänger (PD) empfangen wird, zuvor den ersten Filter (F1) passieren muss. Besonders bevorzugt ist der erste Filter (F1) ein metalloptischer Filter, der bevorzugt Teil der integrierten Schaltung ist und bevorzugt im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) oberhalb der Fotodiode, die beispielsweise als Strahlungsempfänger (PD) verwendet werden kann, angebracht ist. Hier wird beispielhaft auf die Schriften US 9 958 320 B2 , US 2006 0 044 429 A1 , US 2010 0 176 280 A1 , WO 2009 106 316 A2 , US 2008 0 170 143 A1 und EP 2 521 179 B1 wird in diesem Zusammenhang als Beispiele mikrointegrierter wellenoptischer Filter und Funktionselemente hingewiesen. Auf die Bücher B. Kress, P. Meyrueis, „Digital Diffractive Optics" J. Wiley & Sons, London, 2000 und B. Kress, P. Meyrueis, „Applied Digital Diffractive Optics", J. Wiley & Sons, London, 2009 und B. E.A. Saleh, M.C. Teich „Grundlagen der Photonik" Wiley-VCH, Weinheim, 2. Auflage, 2008 wird hingewiesen. Grundprinzip eines metalloptischen Filters in einem mikrointegrierten optischen System ist die Fertigung von mehr oder weniger regelmäßigen Strukturen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit in der Größenordnung der jeweiligen Wellenlänge oder kleiner, so dass sich durch konstruktive und destruktive Interferenzen die beabsichtigten Effekte ergeben. Die technische Lehre dieser Schriften in Kombination mit der technischen Lehre dieser internationalen Anmeldung ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das jeweilige nationale Recht des Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt, dies zulässt.
Es wird hier somit ein Sensorelement mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren und/oder einer oder mehreren Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) beschrieben, bei dem das Sensorelement zumindest ein wellenoptisches Funktionselement umfasst. Zumindest eines der wellenoptischen Funktionselemente ist dabei ein Gitter und/oder ein photonischer Kristall. Bevorzugt umfast das Sensorelement ein Substrat (D) in dem sich zumindest ein Teil der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder eine oder mehrere Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) befinden. Bevorzugt ist das wellenoptische Funktionselement fest mit dem Substrat (D) verbunden und auf dessen Oberfläche befestigt. Bevorzugt ist das Substrat (D) oder ein Teil des Substrats (D) als wellenoptischer Resonator für die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) ausgelegt.
Es hat sich gezeigt, dass der Einfluss einer magnetischen Flussdichte auf die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1), hier eines NV-Zentrums, dann besonders stark ist, wenn die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) maximiert wird. In dem Fall koppeln mehrere paramagnetische Zentren (NV1) miteinander, wenn deren Dichte wie beispielsweise in einem HD-NV-Diamanten hoch genug ist. Daher ist es besonders günstig, wenn statt der unmittelbar zuvor erwähnten Konstruktion, bei der das Sensorelement auf dem Strahlungsempfänger (PD) als Teil einer integrierten Schaltung (IC) platziert wird, das Sensorelement möglichst nahe an der Pumpstrahlungsquelle (PL1) platziert wird, sodass ein Maximum an Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zur Beleuchtung der paramagnetischen Zentren (NV1) mit Pumpstrahlung (LB) erreicht wird.
Bevorzugt wird das Sensorelement dabei nicht durchstrahlt. Es hat sich gezeigt, dass es besonders günstig ist, wenn das Sensorelement eine erste Oberfläche (OFL1) aufweist, über die die Pumpstrahlung (LB) in das Sensorelement eindringt und wenn die Fluoreszenzstrahlung (FL), die über diese erste Oberfläche (OFL1) das Sensorelement wieder verlässt für die weitere Messung verwendet wird, da deren Fluoreszenzstrahlungsintensität (I_fl ) und ihr Kontrast (KT) erheblich höher sind. Durch eine solche Konstruktion wird eine Absorption der Fluoreszenzstrahlung (FL) und eine Abschwächung der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) im Innern des Sensorelements verringert, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber der Flussdichte B magnetischer Felder maximiert wird.
Überstrukturen aus paramagnetischen Zentren (NV-Zentren)
Es ist nicht notwendig, dass das Sensorelement homogen mit paramagnetischen Zentren (NV1) durchsetzt ist. Es reicht vielmehr aus, wenn das Sensorelement eine lokal erhöhte Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist. Bevorzugt wird in diesen Bereichen innerhalb des Sensorelements die besagte bevorzugt sehr hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) erreicht. Beispielsweise kann es ausreichend sein, wenn eine sehr hohe Dichte an NV-Zentren, bei deren Nutzung als paramagnetische Zentren (NV1), nur an oder in der Nähe der Oberfläche (OFL1) eines als Sensorelement genutzten HD-NV-Diamanten erreicht wird.
Die paramagnetischen Zentren (NV1) können insbesondere in Gruppen (NVC) innerhalb des Sensorelements angeordnet sein. Die Gruppen paramagnetischer Zentren weisen typischerweise einen Schwerpunkt auf, der sich aus den Koordinaten der einzelnen paramagnetischen Zentren herleitet. Die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) können in einem ein-, zwei-, oder dreidimensionalen Gitter innerhalb des Sensorelements angeordnet sein. Ein solches Gitter kann ein translatorisches und/oder rotatorisches Gitter sein. Im Falle eines translatorischen Gitters, weist es typischerweise eine Einheitszelle auf. Je Richtung der Einheitszelle des Gitters zeigt das Gitter der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren einen Gitterabstand von Gruppe (NVC) zu Gruppe (NVC). Der Gitterabstand kann aber über den Verlauf des Gitters moduliert sein. Bevorzugt ist der Gitterabstand der Cluster ein ganzzahliges Vielfaches eines ganzzahligen Bruchteils der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - oder der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ).
Befindet sich das Sensorelement in einem optischen Resonator oder ist das Sensorelement selbst ein optischer Resonator, so kommt es zu einer stehenden optischen Welle innerhalb des Sensorelements. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung zwischen den paramagnetischen Zentren (NV1) und der Pumpstrahlung (LB) bzw. der Fluoreszenzstrahlung (FL) gesteuert werden. Eine solche Wechselwirkung kann z.B. eine Absorption sein.
Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen Diamanten und bei dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt um ein oder mehrere NV-Zentrum in diesem Diamanten als Kristall. Bevorzugt ist die Konzentration der NV-Zentren in dem Diamanten zumindest in einem lokal begrenzten Bereich, also beispielsweise einem Gruppen (NVC) aus NV-Zentren, im Mittel bevorzugt größer als 0,1ppm und/oder größer als 0,01ppm und/oder größer als 0,001ppm und/oder größer als 0,0001ppm und/oder größer als 0,0001ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome im Diamanten pro Volumeneinheit. Daher sind höhere Konzentrationen besser.
Ausrichtung der Sensorelemente
In einer weiteren Variante weist das Sensorelement und/oder das quantentechnologische Vorrichtungselement einen oder mehrere Kristalle mit jeweils einer Kristallachse auf. Bevorzugt handelt es sich um einen oder mehrere Diamanten. Geeignete Kristalle weisen einen oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) und/oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in den Kristallen auf. Es handelt sich bei dem oder den paramagnetischen Zentren(NV1) bevorzugt um ein oder mehrere NV-Zentren in Diamant.
Vorzugsweise werden Stickstoff-Fehlstellen (engl. nitrogen vacancy), kurz NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1) mit Diamant als ein Material des Sensorelements genutzt, um magnetische Flussdichten B oder sich zeitlich ändernde elektrische Flussdichten D zu detektieren. Bevorzugt wird die Änderung der Intensität (I_fl ) der roten Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen NV-Zentren als Signal bei nicht zur NV-Achse der NV-Zentren ausgerichteten magnetischen Flussdichten B oder sich ändernden elektrischen Flussdichten D verwandt. Nicht ausgerichtete magnetische Flussdichten B führen zu einem Vermischen der Spin-Zustände m_s=0, m_s =1 und m_s =-1 im Grundzustand und angeregten Zustand. Die mittlere Photonenausbeute des Sensorsystems bei Anregung mit einer geeigneten Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) zwischen 300-700 nm, vorzugsweise 500-600 nm in einen Zustand mit m_s=0 ist höher als bei Anregung in m_s=1 oder m_s=-1. Werden die paramagnetischen NV-Zentren (NV1) zusätzlich einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, so kann eine zusätzlich überlagernde Mikrowellenstrahlung den Übergang zwischen m_s=0, m_s=1 und m_s=-1 bei einer abgestimmten magnetischen Flussdichte B direkt treiben.
Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachse des Kristalls in einer ersten Richtung ausgerichtet, wobei die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind. Das paramagnetische Zentrum (NV1) emittiert bei Anregung durch die Pumpstrahlung (LB) eine Fluoreszenzstrahlung (FL), die in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B oder einer magnetischen Feldstärke H und/oder einer sich zeitlich ändernden elektrischen Flussdichte D, die eine zweite Richtung aufweisen, moduliert wird. Die zweite Richtung weicht bevorzugt von der ersten Richtung ab. Die zweite Richtung weicht bevorzugt von der ersten Richtung in der Art ab, dass das GSLAC-Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) abweicht. Im Kern der hier vorgelegten Beschreibung steht somit eine quantentechnologische Vorrichtung mit einem Sensorelement mit einem Kristall mit einer Kristallachse. Das Sensorsystem weist bevorzugt die Möglichkeit, beispielsweise in Form einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), wie beispielsweise einer LED oder eines Lasers, oder Mittel, beispielsweise in Form eines optischen Fensters, auf, das paramagnetische Zentrum (NV1) mittels Pumpstrahlung (LB) anzuregen.
Vorschlagsgemäß wurde nun erkannt, dass für eine Sensorvorrichtung zur raumrichtungsunabhängigen Erfassung des Betrags der magnetischen Flussdichte B bevorzugt die zweite Richtung von der ersten Richtung abweichen sollte, da dann die Fluoreszenzintensität der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit steigendem Betrag der magnetischer Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Kristall ab einer gewissen Mindestflussdicht von ca. 10mT streng monoton fallend sinkt. Dies ist nicht der Fall, wenn, wie im Stand der Technik üblich, die Kristalle ausgerichtet werden, um Mikrowellenstrahlung einsetzen zu können. 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 zeigt die Fluoreszenzkurve der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines einzelnen NV-Zentrums.
In der 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 stimmen die erste Richtung und die zweite Richtung überein.
Durch die hier abweichend vom Stand der Technik vorgeschlagene Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung zwischen erster und zweiter Richtung wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit steigender magnetischen Flussdichte B führt. Es wird daher bevorzugt als zu vermessende magnetische Flussdichte B eine zusätzliche magnetische Flussdichte B angelegt, deren Vektor, der die zweite Richtung aufweist, nicht in Richtung der besagten ersten Richtung der Kristallachse zeigt.
27 zeigt die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei Verkippung der beiden Richtungen gegeneinander. Ein erster Vorteil ist, dass die sich ergebende Abhängigkeit eine Funktion der magnetischen Flussdichte B ist und damit umkehrbar ist. Im Stand der Technik werden die Kristalle immer ausgerichtet, so dass die Abhängigkeit im Falle der Ausrichtung der der 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 entspricht, weil die erste und zweite Richtung übereinstimmen. Der Graph der Figur 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwavefree magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 ist keine Funktion und damit nicht umkehrbar. Dies wird in den Offenlegungen des Stands der Technik benutzt, um in den Resonanzpunkten mittels Mikrowellenbestrahlung die Spins manipulieren zu können. Der Nachteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Gegensatz zu den Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik ist somit, dass eine solche Mikrowellenmanipulation dann bei Nutzung dieser Verkippung der Richtungen nicht mehr möglich ist. Somit ist eine teure und aufwendige Kristallausrichtung in der technischen Lehre des Stands der Technik notwendig.
Dieser Nachteil wird jedoch aufgewogen dadurch, dass dann Montageverfahren, wie sie in den noch unveröffentlichten Anmeldungen PCT / DE 2020/ 100 430 , DE 10 2019 114 032.3 , DE 10 2019 121 028.3 und DE 10 2019 121 029.1 vorgeschlagen werden, angewandt werden können. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen PCT / DE 2020/ 100 430 , DE 10 2019 114 032.3 und DE 10 2019 121 028.3 und DE 10 2019 121 029.1 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung. , soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist
Auch kann das in der hier vorgelegten Offenlegung offenbarte Gehäuse verwendet werden.
Als Gehäuse wird ein Gehäuse wie beispielsweise in der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vorgeschlagen. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist.
Durch diese Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung in der Form, dass die zweite Richtung von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC-Extremum (siehe 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016) bei einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) (siehe 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 und DE 10 2018 127 394 A1 ) abweicht, wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit steigendem Betrag der magnetischen Flussdichte B oberhalb einer gewissen Mindestflussdichte (ca. 10mT bei NV-Zentren) führt. Voraussetzung ist eine hohe Dichte an NV-Zentren im mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlten Bereich des Sensorelements, wie beispielsweise in einem HD-NV-Diamanten. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, dessen magnetischer Flussdichtevektor nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt, sondern in eine abweichende zweite Richtung. Das Verhalten der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden. Insbesondere die in der 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar. Dies macht eine Produktion mikrowellenbasierender Quantensensorsysteme sehr kompliziert und teuer.
27 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 27 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein magnetisches Bias-Feld von beispielsweise 20mT Bias-Flussdichte B₀ überlagert werden, wodurch die Empfindlichkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber Änderungen der magnetischen Flussdichte B maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen (wie z.B. GSLAC) auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche, sofern deren übrige Merkmale zutreffen, und zwar auch dann, wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Grundsätzlich sind bei der Verwendung von Diamant als Sensorelement oder als Sensorelementteil alle Formen von Diamant mit einem Gehalt an paramagnetischen Zentren (NV1), insbesondere mit einem Gehalt an NV-Zentren als paramagnetische Zentren (NV1), möglich, da eine Ausrichtung der paramagnetischen Zentren (V1), insbesondere der NV-Zentren zu dem Vektor einer magnetischen Flussdichte B nicht notwendig ist. Dies unterscheidet in einem weiteren Punkt die hier vorgestellten Sensorsysteme von den bisherigen auf Diamant basierenden Sensorsystemen, die eine präzise Ausrichtung der Diamantkristalle benötigen.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 2b der SchriftA. Wickenbrock et. AI. „Microwavefree magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 ergibt sich somit die streng monoton fallende Kurve der 27, die dann auch abschnittsweise bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Wie zuvor umfasst bevorzugt das Sensorelement ein diamagnetisches Material, wobei das diamagnetische Material bevorzugt einen oder mehrere Diamantkristalle umfasst und wobei das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt ein oder mehrere NV-Zentren umfassen. Es ist aber auch die Verwendung andere Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) denkbar. Beispielsweise wären SiV-Zentren, GeV-Zentren, TR1-Zentren, ST1-Zentren etc. in Diamant denkbar.
Sofern Silizium an Stelle von Diamant als Material eines Substrats (D) des Sensorelements verwendet wird, ist beispielsweise die Nutzung von G-Zentren denkbar. Sofern Siliziumcarbid (SiC) an Stelle von Diamant als Material eines Substrats (D) des Sensorelements verwendet wird, ist beispielsweise die Nutzung von V-Zentren denkbar.
Ganz allgemein wird daher die Verwendung eines Farbzentrums bzw. Fehlstellen oder Substitutionszentrums in einem Kristall als paramagnetisches Zentrum (NV1) für Messung magnetischer Flussdichten B bzw. ggf. weiterer physikalischer Parameter wie Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, elektrischer Flussdichte D, Rotationsgeschwindigkeit ω, Intensität der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung etc. und deren zeitliche Integrale und Ableitungen beansprucht, wobei die Kristallachse des Farbzentrums im Gegensatz zum Stand der Technik gegenüber dem Vektor der magnetischen Flussdichte B verdreht ist.
Positionssensorik
Des Weiteren umfasst diese Offenlegung die Verwendung eines Sensorsystems wie zuvor beschrieben zur Ermittlung der Position und/oder der Positionsänderung und/oder Beschleunigung und/oder Rotation eines Messobjekts (O). Dabei kann es sich auch um Verformungen von Oberflächen und/oder Dichtschwankungen handeln. Das Messobjekt (O) erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert ein magnetisches Feld in Form der magnetischen Flussdichte B dieses Feldes. Diese Modulation wird durch das vorgeschlagene Sensorsystem erfasst. Das vorgeschlagene Sensorsystem erzeugt zumindest ein Sensorausgangssignal (out) oder stellt dieses bereit. Dieses Bereitstellen kann beispielsweise in einem Speicher oder Register der integrierten Schaltung oder als digitales oder analoges Ausgangssignal der integrierten Schaltung erfolgen. Der Wert dieses Sensorausgangssignals (out) hängt dabei von dem Wert des magnetischen Feldes- genauer des magnetischen Flusses B oder einem anderen, die Fluoreszenzstrahlung (FL) beeinflussenden physikalischen Parameter- am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ab, der durch das Messobjekt (O) erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert wird.
In wichtigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise der Vermessung der Position von Vorrichtungsteilen bei Bedienelementen, Maschinen, Robotern, Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, kann die Erzeugung und/oder Modifikation und/oder Modulation des magnetischen Feldes in Form der magnetischen Flussdichte B periodisch sein. Dabei kann wobei die Periodizität auf eine elektrische und/oder mechanische Schwingung und/oder eine mechanische Bewegung längs einer geschlossenen Bahn zurückzuführen sein.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit eine durch ein mechanisch schwingendes System erzeugte alternierende magnetische Flussdichte B oder eine elektrische Feldstärke E durch ein bevorzugten zur alternierenden magnetischen Flussdichte B oder zum elektrischen Feld E ortfestes Sensorsystem, wie es in verschiedenen Varianten hier vorgeschlagen wird, abgetastet.
Die Erfindung umfasst auch ein Bedienelement, dessen Positionsänderung zum Zweck der Bedienung einer Vorrichtung die Änderung einer magnetischen Flussdichte B am Ort eines oder mehrerer paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorsystems zur Folge hat. Ein an einem Hebel befestigter Permanentmagnet, kann bei Bedienung beispielsweise bei einer Positionsänderung des Hebels eine solche Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums(NV1) hervorrufen, was durch das vorgeschlagene Sensorsystem erkannt werden kann und über das Sensorausgangssignal (out) ausgegeben werden kann.
Die in dieser Schrift vorgeschlagenen Sensorsysteme können zur Ermittlung der Position eines Messobjekts(O) und/oder einer aus der Position des Messobjekts (O) abgeleiteten Größe, insbesondere der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder der Schwingung und/oder der Rotation, des Messobjekts (O), eingesetzt werden. Auch ist ein Einsatz zur Vermessung der Magnetisierung des Messobjekts (O) möglich, wobei die Magnetisierung des Messobjekts (O) durch einen Stromfluss in dem Messobjekt (O) oder durch ferromagnetische Eigenschaften des Messobjekts (O) oder von Teilen des Messobjekts (O) verursacht sein kann. Auch ist mit den hier vorgeschlagenen Sensorsystemen die Bestimmung einer aus der Magnetisierung eines Messobjekts (O) abgeleiteten Größe und/oder einer Magnetisierungsrichtung des Objekts relativ zum Sensorsystem und/oder einer aus der Magnetisierungsrichtung des Messobjekts (O) abgeleiteten Größe möglich. Dabei erzeugt das Messobjekt (O) beispielsweise eine magnetische Flussdichte B und/oder modifiziert und/oder moduliert die magnetische Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorsystems. Diese Erzeugung und/oder Modifikation und/oder Modulation des magnetischen Feldes wird durch das Sensorsystem erfasst und als Messwert bereitgehalten oder ausgegeben. Hierzu erzeugt das Sensorsystem bevorzugt zumindest ein Sensorausgangssignal (out) oder stellt dieses bevorzugt bereit. Der Wert des Sensorausgangssignals (out) hängt dabei dann von dem Wert des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) und/oder am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Sensorsystem ab, wobei dieser magnetische Fluss B durch das Messobjekt (O) erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein beispielsweise durch ein mechanisch schwingendes System erzeugtes alternierendes Magnetfeld in Form des Werts der magnetischen Flussdichte B oder ein elektrisches Wechselfeld in Form der elektrischen Flussdichte D durch einen beispielsweise zum alternierenden Magnetfeld oder elektrischen Wechselfeld ortfesten Sensorsystem mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) abgetastet werden.
Vorzugweise wird der alternierende Feldanteil der magnetischen Flussdichte B oder der alternierende Feldanteil der elektrischen Flussdichte D, die am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorsystems vorliegen, mittels einer Zustandsänderung elektrischer Spins der Elektronenkonfigurationen des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bestimmt. Hierbei wird die Änderung von Spin-Zuständen des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) mittels der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) in unterschiedlichen Wellenlängen oder mittels der unterschiedlichen Anzahl von Fotoelektronen, die aus dem Sensorelement extrahiert werden können, oder mittels des unterschiedlichen Betrags elektrischer Fotoströme oder mittels beider Methoden detektiert.
Analog zur Bestimmung einer magnetischen Flussdichte B und einer sich ändernden elektrischen Flussdichte D kann ein elektrostatisches Feld, genauer dessen elektrische Flussdichte D, auch durch ein oder mehrere sich bewegende paramagnetische Zentren (NV1) vermessen werden, dass die Flussdichte B der durch die Bewegung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) transformierten elektrischen Flussdichte D erfasst und in einen Intensitätswert der Intensität (I_fl ) seiner Fluoreszenzstrahlung (FL) wandelt, der durch einen Strahlungsempfänger (PD) erfasst und durch einen Auswerteschaltkreis (V1, M1, TP) in ein Sensorausgangssignal (out) gewandelt werden kann, dessen Wert dann von der mittleren elektrischen Flussdichte D am mittleren Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Erfassungszeitraum abhängt. Beispielsweise kann das Sensorelement mit dem einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) an einer schwingungsfähigen mechanischen Vorrichtung, z.B. einer schwingenden Saite oder einem schwingenden Balken, beispielsweise einem Schwingquarz, angebracht sein. Ist die Schwingfrequenz dieser mechanischen Vorrichtung bekannt, so ergeben sich Mischfrequenzen, die im Spektrum des Sensorausgangssignals (out) an charakteristischer Stelle zu finden sind und beispielsweise mittels eines Bandpasses und einem nachfolgenden Synchrondemodulator herausgefiltert werden können. Ganz besonders bevorzugt ist für eine solche Messung eine Vorrichtung wie beispielsweise die der 15 bei der das Signal der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) eines Sensorelements mit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Referenzzentren (NV2) verglichen wird. Wird auf die Abschirmung (AS) in der Vorrichtung verzichtet, so sollten in beiden Messkanälen über das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) und über das oder die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) die gleichen Werte der Intensität (I_KFL) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KLF) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) und der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) erfasst werden. Ist beispielsweise das Sensorelement mit dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) auf einem mechanisch schwingungsfähigen Bauelement, wie beispielsweise einem Balken oder einer Saite oder Schwingquarze untergebracht, so führt dies zu einer zusätzlichen Mischfrequenz, die ausschließlich auf der Transformation der magnetischen Flussdichte B und des elektrischen Feldes E beruht. Sofern die magnetische Flussdichte B und die elektrische Flussdichte D getrennt werden sollen, ist hier eine Vorrichtung wie in 25 zu empfehlen, die als Sensorausgangssignal (out) dann einen Wert liefert, der in erster Linie von der magnetischen Flussdichte B abhängt, während bei einer starken elektrostatischen Flussdichte D der Wert des zusätzlichen Sensorsignals (out') dann im Wesentlichen von dem Wert der elektrostatischen Flussdichte D abhängt. Da die paramagnetischen Zentren (NV1) und die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) eine zeitliche Verzögerung (t_d ) zeigen, muss diese Verzögerung (t_d ) noch aus dem Ergebnis durch eine Matrixmultiplikation herauskorrigiert werden. Die Werte dieser Matrix sind vorrichtungsspezifisch und sollten vor Verwendung der Vorrichtung für Messungen typspezifisch oder besser vorrichtungsspezifisch ermittelt werden. Voraussetzung für eine Erfassung der elektrischen Flussdichte D ist, dass die elektrische Flussdichte D nicht konstant ist und so das Induktionsgesetz zum Tragen kommt. Dies kann vorschlagsgemäß durch eine lineare und/oder vorzugsweise oszillierende Bewegung der Feldquelle und/oder des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder des bzw. der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) erreicht werden. Hierzu können beispielsweise das Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder mit dem oder den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) beispielsweise durch ankleben eines Sensorelements an die Oberfläche des typischerweise piezoelektrischen Schwingelements, beispielsweise eines Schwingquarzes (Q1, Q2), befestigt sein, sodass das Schwingelement, beispielsweise des Schwingquarzes (Q1, Q2) mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. mit einer oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) versehen ist. Aus der Schrift J.Cai, F. Jelezko, M. B. Plenio1,"Signal transduction and conversion with color centers in diamond and piezo-elements" arXiv:1404.6393v2 [quant-ph] 30 Oct 2017 ist die Kopplung piezoelektrischer Substrate mit einzelnen paramagnetischen Zentren (NV1) bekannt. Aus der US 7 812 692 B2 ist die Kombination eines polykristallinen Diamantfilms mit einem piezoelektrischen mikromechanischen Transducer bekannt. Mit Hilfe der hier vorgestellten mikrowellenfreien Methodik auf Basis von Sensorelementen mit einer hohen Dichte paramagnetischer Zentren (NV1), beispielsweise auf Basis von HD-NV-Diamanten, kann der Aufbau solcher Systeme massiv vereinfacht werden. Der das Schwingelement des Schwingquarzes bildet dann das mechanische schwingungsfähige Schwingelement (MS). Die Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) hängt in Zuständen des Schwingelements des Schwingquarzes mit einer Geschwindigkeit von in etwa 0m/s und einer maximalen Beschleunigung im Wesentlichen beispielsweise von dem Betrag der magnetischen Flussdichte (B) am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) ab und in Zuständen des Schwingelements des Schwingquarzes mit einer maximalen Geschwindigkeit und einer verschwindenden Beschleunigung zusätzlich beispielsweise von dem Betrag der elektrischen Feldstärke E am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) ab. In dieser Schrift wird somit ein piezoelektrisches, insbesondere piezoelektrisch angetriebenes Schwingelement, beispielsweise eines Schwingquarzes, offengelegt, das mindestens ein paramagnetisches Zentrum (NV1) umfasst. Bevorzugt umfasst das piezoelektrische Schwingelement ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) und/oder ein oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren. Bevorzugt umfasst das piezoelektrische Schwingelement einen HD-NV-Diamanten oder einen Vorrichtungsbereich, der HD-NV-Diamant umfasst. Dieser Vorrichtung entspricht ein Verfahren zum Betrieb einer quantentechnologischen Vorrichtung umfassend den Schritt des Bereitstellens eines Sensorelements, wobei das Sensorelement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) in dem Kristall aufweist. Des Weiteren umfasst das vorgeschlagene Verfahren das Bestrahlen des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) mit Pumpstrahlung (LB) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und das Emittieren von Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der Pumpstrahlung (LB) und in Abhängigkeit von dem Wert einer magnetischen Gesamtflussdichte B am Ort des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1). Im Falle von sich relativ zu einem elektromagnetischen Feld bewegenden paramagnetischen Zentren (NV1) werden Teile des elektrischen Feldes mit der elektrischen Feldstärke E in ein magnetisches Feld mit einer daraus resultierenden magnetischen Flussdichte B umtransformiert. Somit ist die entsprechende Vorrichtung bei Bewegung der Vorrichtung relativ zur Feldquelle in der Lage auch elektrostatische Felder bzw. komplexere elektromagnetische Felder zu detektieren.
Zur Vereinfachung bezieht sich alles zuvor und später geschriebene im Wesentlichen auf den Fall ruhender Koordinatensysteme mit einem Koordinatenursprung in dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1). Sich bewegende, rotierende und/oder beschleunigte Fälle werden mitbeansprucht. Die Beanspruchung umfasst aber eben auch die Erfassung elektrostatischer Felder durch Nutzung einer Lorenztransformation. Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren das Erfassen zumindest eines Teils der Fluoreszenzstrahlung (FL) und die Ermittlung eines Werts der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL). Besonderes Kennzeichen des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachse in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, wobei die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind, und dass der Vektor der magnetischen Flussdichte B in eine zweite Richtung weist und dass diese zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht. Wie zuvor handelt es sich es sich bei dem Kristall bzw. dem Sensorelement bevorzugt um einen Diamantkristall mit einem oder mehreren NV-Zentren (NV1) als paramagnetische Zentren (NV1).
Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn Pumpstrahlungsquelle (PL1), das Sensorelement (z.B. ein Diamant), das erste Filter (F1) und der Strahlungsempfänger (PD) eine vorzugsweise gemeinsame mikrosystemtechnische Einheit bilden. Diese Einheit kann miniaturisiert und beispielswiese unterhalb eines insbesondere mechanisch schwingenden Systems beispielsweise als Tonabnehmer angebracht werden. Auf das hier vorgestellte Gehäuse wird in diesem Zusammenhang verwiesen.
Vorzugsweise wird bei der Detektion mechanischer Schwingungen durch ein ortsfestet Sensorsystem entsprechend den hier vorgeschlagenen Sensorsystemen als mechanisch schwingendes System ein ferromagnetisches Material genutzt, beispielsweise eine ferromagnetische Saite, beispielsweise die Saite einer E-Gitarre oder ein E-Bass genutzt.
Positions-. Geschwindigkeits- und Beschleunigungs- und Rotationssensorik
Die Position, eine Bewegung eines Messobjekts (O), dessen Beschleunigung oder Rotation oder eine andere Methode können beispielsweise eine Modulation der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) durch das betreffende Messobjekt (O) verursachen, die dann mittels der hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen erfasst werden kann. Die paramagnetischen Zentren können sich auch an dem Messobjekt (O), beispielsweise einer Gitarrensaite, befinden und dort durch das Sensorsystem vermessen werden.
Ganz allgemein umfasst daher das vorgeschlagene Verfahren das Erzeugen eines ersten Modulationssignals mittels eines mechanischen Systems, mit dem die magnetische Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) moduliert ist. Die mechanische Ursache kann in der Position, der Bewegung, der Rotation oder der Beschleunigung eines Messobjekts (O) liegen, das mit der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) zusammenwirkt. Die mechanische Ursache kann aber auch in der Position, der Bewegung der Rotation oder der Beschleunigung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) liegen, die mit der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) zusammenwirken.
Dies ist im Ergebnis äquivalent mit dem Erzeugen des modulierten optischen Signals mittels einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1), wobei die Modulation der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) von der Modulation der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) abhängt.
Dabei zeigen das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B abhängige Änderung einer von ihnen emittierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und/oder eine von der Änderung der magnetischen Flussdichte B abhängige Änderung der Menge der von Ihnen erzeugten Fotoelektronen nach Bestrahlung des diamagnetischen Materials mit Pumpstrahlung (LB) in Form von grünem visuellem Licht, wobei diese Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) mit oder ohne überlagerter Mikrowellenstrahlung erfolgen kann. Die Fotoelektronen, die das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) erzeugen, können durch elektrische Felder in dem Material des Kristalls des Sensorelements zu Kontakten hin abgesaugt werden. Bevorzugt handelt es sich um ohmsche Kontakte zu dem betreffenden Material des Sensorelements. Beispielsweise kann es sich im Falle eines Diamanten um Titan-Kontakte handeln.
Bevorzugt wird die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) oder eine Menge an Photoelektronen, die durch paramagnetische Zentren (NV1) erzeugt werden, in einem Diamanten mit einer zumindest lokalen NV Zentrumskonzentration von mindestens 0,0001 ppm, und/oder von mindestens 0,001 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 0,01 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 0,1 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 1 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 10 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 20 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 50 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 100 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 200 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 500 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 1000 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 2000 ppm und/oder bevorzugt von mindestens 5000 ppm bezogen auf die Menge der Diamantkohlenstoffatome erzeugt. Bei der Ausarbeitung dieser internationalen Anmeldung und ihrer prioritätsbegründenden Voranmeldungen wurden Konzentrationen von 10ppm und 20ppm benutzt. Bevorzugt kann die Konzentration mittels einer EPR-Messung bestimmt werden. Hierzu verweisen wir auf M. Capelli, A.H. Heffernan, T. Ohshima, H. Abe, J. Jeske, A. Hope, A.D. Greentree, P. Reineck, B.C. Gibson, Increased nitrogen-vacancy centre creation yield in diamond through electron beam irradiation at high temperature, Carbon (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.11.051
Zur Erzeugung der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren (NV1) wird bevorzugt modulierte Pumpstrahlung (LB) einer mittels eines Wechselanteils (S5w) eines Sendesignals (S5) amplitudenmodulierten Pumpstrahlungsquelle (PL1), insbesondere ein gepulster Laser oder eine gepulste LED, mit einer unteren Modulationsfrequenz des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) von mindestens 1 kHz und/oder mindestens 10kHz und/oder mindestens 100kHz und/oder mindestens 1MHz und/oder mindestens 10MHz genutzt.
Die paramagnetischen Zentren (NV1) emittieren dann typischerweise eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL), die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) als modulierte Pumpstrahlung (LB) abhängt.
Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) wird dann bevorzugt mit einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement, insbesondere einer Fotodiode, als Strahlungsempfänger (PD) und/oder über Fotoelektronen erfasst und in ein moduliertes Empfängerausgangssignal (S0) gewandelt.
Es folgt dann bevorzugt die Wandlung des modulierten Empfängerausgangssignals (S0) mittels eines Synchrondemodulators und/oder eines Lock-In-Verstärkers und/oder mittels einer anderen Vorrichtung, die ein Pegelsignal mittels Skalar-Produktbildung zwischen einerseits dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) oder einem aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) abgeleiteten Signal (S5, S5c) und andererseits dem Empfängerausgangssignal (S0) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. S1) bildet, und die Verwendung des Filterausgangssignals (S4) oder eines daraus abgeleiteten Signals als Sensorsignal (out).
In einer Variante erfolgt die Erzeugung eines orthogonalen Referenzsignals (S5') aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) u.a. durch Phasenverschiebung.
Es ist möglich, dass der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) einen von Null verschiedenen spektralen Frequenzanteil mit einer unteren Frequenzbereichsgrenzfrequenz von kleiner 1kHz und/oder besser kleiner 100Hz und/oder besser kleiner 10Hz und/oder besser kleiner 1Hz von mindestens 1 Hz und mit einer oberen Frequenzbereichsgrenzfrequenz von besser größer 1MHz und/oder besser größer 10MHz und/oder besser größer 100MHz und/oder besser größer 1GHz und/oder besser größer 10GHz aufweist.
Bei den Versuchen bei der Ausarbeitung der Erfindung wurden meistens 10kHz benutzt.
Sensorsystem mit räumlich getrenntem Sensorelement und Musikinstrument Eine weitere Ausführung ergibt sich durch die Verwendung eines Lichtwellenleiters (LWL) oder anderer lichtführender Strukturen, um das Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1), beispielsweise einen Diamanten mit NV-Zentren, von der Pumpstrahlungsquelle (PL1), dem Strahlungsempfänger (PD) und der Auswerteschaltung (V1, M1, TP, G) räumlich getrennt zu betreiben. Hier wird als beispielhafte Vorrichtung für eine Klasse möglicher Vorrichtungen ein Musikinstrument diskutiert. Beispielsweise kann ein HD-NV-Diamant in Form eines roter Brillanten sichtbar an einemakustischen Resonanzkörper, beispielsweise der Korpus einer E-Gitarre, angebracht werden, während die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der Strahlungsempfänger (PD) und zumindest ein Teil der Auswerteschaltung (V1, M1, TP, G) sich innerhalb des Korpus der Gitarre oder unterhalb des Griffbretts der Gitarre räumlich getrennt vom Sensorelement befinden. Lediglich eine kleine Bohrung zum Anbringen des Lichtwellenleiters (LWL) ist notwendig, um das Sensorelement optisch mit der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und mit dem Strahlungsempfänger (PD) zu koppeln und so das Sensorsystem betreiben zu können. Hierdurch ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten im Aussehen einer Gitarre oder anderer Saiteninstrumente wie Harfen, Streichinstrumenten, Klavieren und anderer Musikinstrumente etc.
Vorzugsweise wird die Ankopplung mehrerer Sensorelemente beispielsweise mehrerer Diamanten mit NV-Zentren an eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) durchgeführt. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) kann sich außerhalb des Musikinstrumentes bzw. der betreffenden Vorrichtung befinden und mit einem Lichtwellenleiter (LWL) an das Musikinstrument bzw. die betreffende Vorrichtung gekoppelt werden. Ebenfalls ist es möglich, einen Strahlungsempfänger (PD) für den Empfang der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) mehrerer voneinander räumlich getrennter Sensorelemente mit paramagnetischen Zentren (NV1), vorzugweise mehrerer Diamanten mit NV-Zentren, zu nutzen. Der Empfang der Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das oder die Strahlungsempfänger (PD) kann somit außerhalb des Musikinstruments bzw. der betreffenden Vorrichtung erfolgen.
Eine bevorzugte Variante ist die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem Sensorelement und die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements mit dem Strahlungsempfänger (PD) über einen gemeinsamen Lichtwellenleiter (LWL), beispielsweise eine Glasfaser, miteinander zu koppeln. Statt der Kopplung über einen einzelnen Lichtwellenleiter (LWL) ist es auch denkbar, die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem Sensorelement mittels einer ggf. auf die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) hin optimierten ersten Lichtwellenleiter (LWL1), beispielsweise eine erste Glasfaser, zu koppeln und die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements mit dem Strahlungsempfänger (PD) über einen zweiten, ggf. auf die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) optimierten zweiten Lichtwellenleiter (LWL2), beispielsweise eine zweite Glasfaser, miteinander zu koppeln.
Bevorzugt werden die Anregung durch Pumpstrahlung (LB) und die Detektion der Fluoreszenzstrahlung (FL) durch den Strahlungsempfänger (PD) über einen photonischen Lichtwellenleiter erfolgen, der sowohl einen Anregungs- als auch einen Fluoreszenzzweig beispielsweise über einen Wellenkoppler separiert.
Mikrofone und Musikinstrumente mit quantentechnologischem Tonabnehmer
Die hier vorgelegten Vorschläge können somit auch eine ferromagnetisch beschichtete Saite als beispielhaftes mechanisch schwingungsfähiges System (MS) für Streichinstrumente betreffen, deren Schwingungen mit einer ersten Modulation einer ersten Modulationsfrequenz durch ein hier vorgeschlagenes Sensorsystem erfasst werden. Als schwingendes System kommt auch eine magnetische Membran oder eine ferromagnetische Membrane in einem magnetischen Kreis mit einer Anregung durch einen Permanentmagneten oder andere mechanisch bewegliche oder schwingungsfähige Vorrichtungsteile in Betracht, die mit einem mechanisch schwingenden System über Luft oder eine anderes Medium gekoppelt werden. Beispielsweise kann eine magnetische Membran oder eine ferromagnetische Membrane in einem magnetischen Kreis bei Verwendung zusammen mit einem oder mehreren der hier vorgestellten Sensorsystem ein Mikrofon darstellen und so verwendet werden.
Im Rahmen dieser Offenlegung wird somit ein Verfahren zur Wandlung von akustischen oder anderen mechanischen Schwingungen und/oder Positionsinformationen und/oder Positionsänderungsinformationen eines beispielsweise ferromagnetischen Messobjekts in optische Signale und/oder digitale elektrische Signale und/oder analoge elektrische Signale vorgeschlagen, dass u.a. folgende Schritte umfasst:

Ein erster Schritt ist das Erzeugen einer mit einem ersten Modulationssignal, das auch konstant sein kann, modulierten magnetischen Flussdichte B. Die Ursache dieser Modulation mit einem ersten Modulationssignal einem ersten Modulationsspektrum an ersten Modulationsfrequenzen kann auch eine mechanische Schwingung mit einem ersten Schwingungsspektrum an ersten Schwingungsfrequenzen sein, wobei das ersten Modulationsspektrum der ersten Modulationsfrequenzen von dem ersten Schwingungsspektrum an ersten Schwingungsfrequenzen typischerweise abhängt. Das Schwingungsspektrum kann einen Gleichanteil aufweisen. Ein zweiter Schritt ist das Erfassen dieser mit dem ersten Modulationsspektrum an ersten Modulationsfrequenzen modulierten magnetischen Flussdichte B mittels einer auf paramagnetischen Zentren (NV1) in einem diamagnetischen Material beruhenden Vorrichtung und Wandlung des erfassten Werts der modulierten magnetischen Flussdichte B in ein optisches Signal und/oder ein elektrisches, beispielsweise digitales Signal, insbesondere ein Empfängerausgangssignal (S0) oder ein Sensorausgangssignal (out), und/oder ein analoges elektrisches Signal, insbesondere in ein analoges und/oder digitales Sensorausgangssignal (out) mittels dieser Vorrichtung.

Bei einem Musikinstrument, wie beispielsweise einer Gitarre als Beispiel für ein mechanisches schwingendes System, kann beispielsweise die Erzeugung eines zweiten, mit dem ersten Modulationssignal modulierten Flussdichteanteils B_m der magnetischen Flussdichte B mittels einer ersten Feldquelle (MG1) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem mechanischen System gekoppelt ist erfolgen.
Bevorzugt erfolgt die Erzeugung einer weiteren, ersten Flussdichteanteils B₀ der magnetischen Flussdichte B, der dem zweiten mit dem ersten Modulationssignal modulierten Flussdichteanteil B₀ der magnetischen Flussdichte B summierend überlagert ist, mittels einer zweiten Quelle (MG2) eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, das mit dem mechanischen System nicht gekoppelt ist. Bevorzugt bringt diese zweite magnetische Feldquelle (MG2) das Sensorsystem in den optimalen Arbeitspunktbereich der 28, wobei die magnetische Flussdichte B des Arbeitspunkts typischerweise dem ersten Flussdichteanteil B₀ entspricht. Bevorzugt ist die zweite magnetische Feldquelle (MQ2) ein Permanentmagnet oder eine elektrisch bestromte Kompensationsspule (LC). Bevorzugt wird der erste Flussdichteanteil B₀ mittels eines Permanentmagneten und/oder einer elektrisch bestromten Kompensationsspule (LC) erzeugt. Bei der elektrisch bestromten Kompensationsspule (LC) kann es sich um eine einzelne Leitung handeln. Bevorzugt wird die Kompensationsspule (LC) mit einem elektrischen Strom durch einen Regler (RG) bestromt, der von dem Sensorausgangssignal (out) und/oder dem Filterausgangssignal (S4) abhängt und von einem Regler (RG) in Abhängigkeit von dem durch die Vorrichtung ermittelten Wert der Abweichung der erfassten magnetischen Flussdichte B von einem Arbeitspunktwert, beispielsweise dem Wert des ersten Flussdichteanteils (B₀ ), erzeugt wird. Bevorzugt sind das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) so dicht an dieser Leitung, die auch eine gerade Leitung sein kann, platziert, dass sie sich im mit 1/r abfallenden magnetischen Nahfeld der Leitung befinden, wobei r für den Abstand zwischen dem jeweiligen paramagnetischen Zentrum (NV1) und einem Leiter steht, der ggf. die Kompensationsspule (LC) bildet. Somit ist das Einstellen des Arbeitspunktes zur Nutzung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) durch Verwendung einer zweiten Feldquelle (MG2) in Kombination mit einer ersten Quelle (MG1) ein ganz wesentlicher Schritt zur Optimierung der Empfindlichkeit. Diese Einstellung kann wie, bereits beschrieben durch Permanentmagneten und/oder Elektromagneten, also beispielsweise bestromte Spulen (L1 bis L7, LC) und/oder Leitungen, erfolgen.
Eine andere Variante der Vorrichtung umfasst eine Pumpstrahlungsquelle (PL1), also beispielsweise einen Laser und/oder eine LED, und ein diamagnetisches Material (MPZ) als Sensorelement, sowie einen Strahlungsempfänger (PD). Des Weiteren umfasst diese beispielhafte Vorrichtung ein mechanisches System (MS) und eine erste Feldquelle (MQ1). Das diamagnetische Material (MPZ) weist wieder ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) auf. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittiert eine für das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) geeignete Pumpstrahlung (LB) mit einer zur Anregung des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) geeigneten Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) werden von der Pumpstrahlung (LB) bestrahlt und emittiert deshalb eine Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) . Die erste Feldquelle (MQ1) ist bevorzugt mit dem mechanischen System (MS) mechanisch gekoppelt. Es kann sich bei der ersten Feldquelle (MG1) beispielsweise um das ferromagnetische Material einer Gitarrensaite oder eines Rotors einer elektrischen Maschine oder um ein anderes schwingungsfähiges Vorrichtungselement aus ferromagnetischem Material einer sonstigen mechanischen Vorrichtung und ggf. eine permanent magnetische Vorrichtung handeln. Ganz allgemein ist mit einer ersten Feldquelle (MG1) eine nicht weiter eingeschränkte Quelle einer Modifikation der magnetischen Flussdichte B am Ort des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) gemeint. Dabei lässt das mechanische System (MS) eine Bewegung und/oder Beschleunigung und/oder Rotation der ersten Feldquelle (MQ1) relativ zum diamagnetischen Material (MPZ) im Sensorelement zu und/oder verursacht diese. Der Strahlungsempfänger (PD) erfasst die Fluoreszenzstrahlung (FL) und zwar typischerweise die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und wandelt den erfassten Intensitätswert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in ein Empfängerausgangssignal (S0) um, das insbesondere digital und/oder analog sein kann. Es kann sich auch um einen Speicherwert in einer Signalverarbeitungseinrichtung handeln, der zum Abruf und/oder Weiterbenutzung durch Vorrichtungsteile, Benutzer oder von extern, beispielsweise über einen Datenbus zugreifende Vorrichtungen bereitgehalten wird.
Die Vorrichtung umfasst bevorzugt einen ersten Filter (F1), wobei der erste Filter (F1) im Wesentlichen verhindert, dass Pumpstrahlung (LB) den Strahlungsempfänger (PD) erreicht. Der erste Filter (F1) verhindert im Wesentlichen nicht, dass Fluoreszenzstrahlung (FL) den Strahlungsempfänger (PD) erreicht. Im Wesentlichen bedeutet im Zusammenhang mit dem ersten Filter (F1) in dieser Schrift das, dass die typischerweise trotzdem auftretende geringe Dämpfung der Fluoreszenzstrahlung (FL) die Funktionstüchtigkeit der jeweiligen Vorrichtung nicht beeinträchtigt. Bevorzugt besitzt bei Verwendung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) die Pumpstrahlung (LB) eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) zwischen 500-600 nm. Die Pumpstrahlung ist als bevorzugt eine grüne Pumpstrahlung im Sinne der Funktion dieser Strahlung in dieser Schrift. Hier sei auf die anderen Bemerkungen zu diesem Punkt in dieser Schrift ausdrücklich verwiesen. Bevorzugt handelt es sich bei dem diamagnetischen Material (MPZ), das das Sensorelement umfasst, um Diamant und bei dem bzw. den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren in diesem Diamant-Material.
Bevorzugt handelt es sich im Speziellen bei dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) um ein oder mehrere NV-Zentren in einem oder mehreren Diamanten und bei dem bzw. den Diamanten um einen Diamanten mit einem zumindest lokalen Gehalt von NV-Zentren in einem Bereich von 0.1 ppm bis 500 ppm und ggf. darüber hinaus, also um einen HD-NV-Diamanten im Sinne dieser Schrift.
Bevorzugt handelt es sich im Speziellen bei dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) um ein oder mehrere NV-Zentren in einem oder mehreren Diamanten und bei dem oder den Diamanten um einen mittels eines High-Pressure-High-Temperature Verfahrens künstlich hergestellten Diamanten.
In einigen Anwendungen ist die Bewegung der ersten Feldquelle (MQ1) relativ zum Sensorelement mit dem diamagnetischen Material (MPZ) periodisch. Dies trifft beispielsweise auf die besagte, beispielhafte Stahlseite der beispielhaften Gitarre (GT) zu. Analog kann das auch als eine periodische Bewegung der ersten Feldquelle (MQ1) relativ zum Sensorelement mit dem diamagnetischen Material (MPZ) begriffen werden, die auf einer mechanischen Schwingung und/oder einer Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen Systems (MS), also beispielsweise der besagten Saite der besagten beispielhaften Gitarre (GT), beruht. Es handelt sich dann um eine Bewegung der ersten Feldquelle (MQ1) relativ zum Sensorelement mit dem diamagnetischen Material (MPZ), die periodisch ist und die auf einer mechanischen Schwingung und/oder Rotation zumindest eines Vorrichtungsteils des mechanischen Systems (MS) beruht. Dabei ist dieser Vorrichtungsteil und/oder das mechanische System (MS) beispielsweise eine schwingende Seite eines Musikinstruments oder ein rotierender und/oder schwingender Probekörper einer Messvorrichtung (beispielsweise eines Drehpositionssensors) oder ein rotierendes und/oder schwingendes Rad oder Zahnrad oder eine rotierende und/oder schwingende kreisförmige Scheibe oder ein rotierender und/oder schwingender Rotor oder anderer Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder ein anderer rotierender und/oder schwingender Vorrichtungsteil eines Motors, insbesondere eines Elektromotors oder eines Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder eines Raketentriebwerks, oder ein rotierender und/oder schwingender Vorrichtungsteil eines Fahrzeugs oder ein rotierender und/oder schwingender Vorrichtungsteile einer Maschine oder die rotierende und/oder schwingende Messscheibe einer Winkelmessvorrichtung und/oder eine schwingende Membrane und/oder ein schwingender Gebäudeteil und/oder ein schwingender Erdbodenteil. Die Erfindung betrifft also auch Mikrophone, Seismometer, Geophone, Tachometer, Rotorpositionssensoren für Motoren sowie deren Regelvorrichtungen, Schwingungsmessvorrichtungen etc. Eine translatorische Bewegung ist im Sinne dieser Schrift eine Rotation mit einem unendlichen Radius.
Überwachung mechanischer System in extremen Umgebungen
Als weitere Ausführung kann ein Sensorsystem, wie es hier vorgeschlagen wurde, zur Qualitätskontrolle mechanischer Systeme wie Getriebeeinheiten oder Motoren genutzt werden.
Ein besonderer Vorteil liegt hierbei in der räumlichen Trennung des Sensorelements, beispielsweise Diamant, mittels eines oder mehrerer Lichtwellenleiter sowie der elektronischen Auswerte- und Bestrahlungseinheit. Dies ermöglicht den Einsatz des Sensorelements zur Erfassung der magnetischen Flussdichte B in für elektronische Bauelemente nicht anwendbare Umgebungen wie bei höheren als extremen Temperaturen oder einem hohen ionisierenden Strahlungspegel. Auch können die Sensorelemente zur Erfassung der magnetischen Flussdichte B oder anderer, die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) beeinflussenden physikalischen Parameter eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise auch in Bohrlöchern, insbesondere auch unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur und/oder in Umgebungen mit ätzenden und/oder abrasiven Flüssigkeiten, wie beispielsweise heißen Salzwasser/Öl/Sand/Gas-Gemischen in großen Tiefen z.B. Als Teil einer Bohrlochsonde geschehen.
Als weitere Ausführung der Mikrofon-Variante kann ein vorschlagsgemäßes Sensorsystem zur Detektion von plötzlichen Druckunterschieden, beispielsweise zur Auslösung von Airbag-Systemen genutzt werden.
Eine weitere Ausführung ist, ein vorschlagsgemäßes Sensorsystem zur Überwachung von medizinischen Parametern zu nutzten. Wird das Sensorelement an einem Lichtwellenleiter angebracht, kann das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) über die Gefäße in die Nähe des zu messenden Organs, beispielsweise das Herz oder das Gehirn, gebracht werden und dort bioelektrische Signale detektieren oder dort einstrahlende Strahlung, insbesondere ionisierende Strahlung wie Neutronen, Elektronen und Positronen, Elementarteilchen, Ionen, Alpha-Strahlung, Gamma- und Röntgen-Photonen, detektieren und ggf. zur Dosismessung beispielsweise innerhalb eines lebenden Körpers, also beispielsweise in der Medizin, verwendet werden.. Auch kann ein vorschlagsgemäßes Sensorsystem zur Steuerung eines Herzschrittmachers genutzt werden.
Eine weite Anwendung liegt in der Nutzung eines vorschlagsgemäßen Sensorsystems in der Mikrofon-Variante als Hörgerät. Durch das geringe Gewicht und die direkte Umsetzung der akustischen Signale in digitale Signale ergibt sich eine rauscharme Aufnahme.
Da Diamant bei der Verwendung ebenso wie das Material der meisten Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) biokompatibel ist und das Sensorelement von der Detektionseinheit umfassend die Pumpstrahlungsquelle (PL1), den Strahlungsempfänger (PD) und die Auswerteschaltung (G, VI, M1, TP) getrennt betrieben werden kann, kann das Sensorelement als zumindest zeitweises invasives Implantat im Innenohr oder an anderen Stellen des Körpers z.B. unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) eingesetzt werden.
Sensorsystem mit Kompensationsspule (LC)
Das Besondere an der hier vorgestellten Variante des Sensorsystems ist, dass das Sensorsystem Mittel, insbesondere einen Regler (RG) und/oder insbesondere eine Kompensationsspule (LC) und/oder einen Permanentmagneten, umfassen kann, um die Änderung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bezogen auf die jeweilige Anwendung zu maximieren. D.h. durch Subtraktion oder Addition eines quasistatischen Anteils des magnetischen Flusses B wird die magnetische Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums in Richtung eines Arbeitspunktes verlagert, der einen optimierten Abstand zum Punkt der maximalen Empfindlichkeit (siehe 28b) hat. Dabei wird ausgenutzt, dass die paramagnetischen Zentren (im Falle der 28b sind dies NV-Zentren in Diamant) bei ausreichend hoher lokaler NV-Zentrumsdichte, wie beispielsweise in einem HD-NV-Diamanten, koppeln und somit kollektive Effekte von Gruppen paramagnetischer Zentren erzeugen. Diese führen zu der Modulation der Empfindlichkeit auch bei Dekalibrierung der ersten und zweiten Richtung.
Wird diese Arbeitspunkteinstellung B₀ der magnetischen Flussdichte B mittels einer Kompensationsspule (LC) vorgenommen, so ist es sinnvoll, diese mit einem elektrischen Strom zu bestromen, der aus dem Messwert der magnetischen Flussdichte B, also dem Filterausgangssignal (S4) des Filters, beispielsweise des Schleifenfilters (TP), so abgeleitet wird, dass das magnetische Feld der Kompensationsspule (LC) eine solche Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder am Ort der Gruppen (NVC) paraamagnetischer Zentren (NV1) mittels einer Bestromung der Kompensationsspule (LC) durch einen Regler (RG), dessen IstWert-Signal von dem Filterausgangssignal (S4) oder einem funktionsäquivalenten Signal abhängt, kompensiert. Das entsprechende Arbeitspunktregelsignal (S9) leitet ein Regler (RG) bevorzugt aus dem Filterausgangssignal (S4) ab. Dadurch wird die magnetische Arbeitspunkteinstellung einer magnetischen Arbeitspunktflussdichte in Form einer Bias-Flussdichte (B₀ ) stabilisiert. Bevorzugt hat der Regler (RG) eine Tiefpasscharakteristik oder besser eine integrierende Charakteristik. Die Regelung durch den Regler (RG) erfolgt bevorzugt mit einer ersten Zeitkonstante τ₁ , während die Kompensationsregelung mittels des Schleifenfilters (TP) mit einer zweiten Zeitkonstante τ₂ erfolgt. D.h. ein erstes Sensorausgangssignal (out) gibt die kurzfristigen Änderungen eines magnetischen Flussdichtewechselfeldes wieder während ein zweites Sensorausgangssignal (out") die langfristigen Änderungen bzw. den aktuellen quasistatischen Arbeitspunkt des Sensorsystems wiedergibt. Damit dies möglich ist, ist bevorzugt die erste Zeitkonstante τ₁ größer als die zweite Zeitkonstante τ₂(τ₁>τ₂). Der Regler ist bevorzugt ein PI-Regler oder ein anderer geeigneter Regler. Die Verwendung anderer Regler ist aber möglich.
Anzahl an gekoppelten NV-Zentren
Wie zuvor beschrieben, führt die Kopplung der paramagnetischen Zentren (NV1), insbesondere der NV-Zentren, auch bei Dekalibrierung der Kristallausrichtung zu einer Empfindlichkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber einer Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1). Es ist daher wichtig, dass mindestens zwei, besser mindestens 4, besser mindestens 4, besser mindestens 8, besser mindestens 20, besser mindestens 40, besser mindestens 100, besser mindestens 200, besser mindestens 400, besser mindestens 1000 paramagnetische Zentren (NV1) miteinander gekoppelt sind, um diesen Effekt zu erreichen. Entsprechend ist es sinnvoll, wenn die zuvor beschriebenen Verfahren einen oder mehrere zusätzliche Schritte zur Kopplung von mindestens zwei, besser mindestens 4, besser mindestens 4, besser mindestens 8, besser mindestens 20, besser mindestens 40, besser mindestens 100, besser mindestens 200, besser mindestens 400, besser mindestens 1000 paramagnetische Zentren (NV1) umfassen. Die Vorrichtung wird dabei bevorzugt bei einer Temperatur > -40°C und/oder > -0°C und/oder > 20°C betrieben, um Kühleinrichtungen zu vermeiden.
Eine solche Kopplung sehr vieler NV-Zentren ist in HD-NV-Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren sehr leicht möglich.
Diese Kopplung kann auch über optische Funktionselemente der integrierten Schaltung (IC), beispielsweise Lichtwellenleiter, die in Mikrooptik auf oder in der integrierten Schaltung (IC) gefertigt sind, und/oder über optische Funktionselemente des Gehäuses erfolgen.
Nichtlinearität des Kontrasts (KT)
Der Kontrast (KT) wir hier als maximale Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei der magnetischen Flussdichte B dieser maximalen Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) geteilt durch Grenzwert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) hin zu großen magnetischen Flussdichten B verstanden (Siehe 28).
Der Kontrast (KT) hängt nichtlinear von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) ab. Um einen maximalen Kontrast (KT) zu erreichen, sind daher folgende Maßnahmen wichtig und sinnvoll:

i. Maximierung der Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlungsquelle (PL1),
ii. Maximierung der Geschwindigkeit des Anstiegs der Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) beim Einschalten der Pumpstrahlungsquelle (PL1), um niedrige, von null verschiedene Pumpstrahlungsintensitäten (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zu vermeiden,
iii. Maximierung der Geschwindigkeit des Abfalls der Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) beim Ausschalten der Pumpstrahlungsquelle (PL1), um niedrige, von Null verschiedene Pumpstrahlungsintensitäten (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) zu vermeiden,
iv. Minimierung des bestrahlten Sensorelement-Volumens durch eine Fokussierung der Pumpstrahlung (LB) mittels einer Kollimator-Optik bevorzugt auf einen Fokuspunkt in der Größe von weniger als 100 besser weniger als 50, besser weniger als 20, besser weniger als 10, besser weniger als 5, besser weniger als zwei besser weniger als eine, besser weniger als eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB),
v. Minimierung des bestrahlten Sensorelement-Volumens durch Minimierung der Dicke des mit paramagnetischen Zentren (NV1) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) gefüllten Volumens des Sensorelements auf weniger als zwei besser weniger als eine, besser eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) als Dicke eines solchen Volumens,
vi. Maximierung der Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) im bestrahlten Sensorelement-Volumen z.B. durch die Verwendung von HD-NV-Diamanten,
vii. Maximierung der Einkopplung der Pumpstrahlungsleistung (I_pmp ) der Pumpstrahlung(LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) bevorzugt durch günstige Wahl des Einfallswinkels gegenüber der Oberfläche (OFL1) des Sensorelements, insbesondere der Oberfläche (OFL1) eines Diamanten im Fall der Nutzung eines Diamanten als Sensorelement, und ggf. durch Entspiegelungsmaßnahmen und/oder Wellenwiderstandsanpassungen und ggf. durch Berücksichtigung von Interferenzen durch Spiegelungen innerhalb des Sensorelements.

Die Pumpstrahlungsquellen (PL1) werden bevorzugt pulsmoduliert, also gepulst, betrieben. Als begrenzende Betriebsparameter der Pumpstrahlungsquelle (PL1) sind in der Regel eine maximale mittlere Leistung und eine maximale Betriebsspannung vorgegeben, deren Überschreitungen zu unterschiedlichen Beschädigungen an der Pumpstrahlungsquelle (PL1) führen. Um eine maximale Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlung (LB) während der Bestrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) zu erreichen, wurde erkannt, dass es zur weiteren Maximierung des Kontrasts (KT) sinnvoll ist, die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit maximaler Betriebsspannung für kurze Zeit gepulst zu betreiben und dafür den Abstand zwischen den Pulsen soweit zu vergrößern, dass die maximale mittlere Leistung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) wieder unterschritten wird. Somit wurde erkannt, dass im Gegensatz zu den Figuren dieser Schrift, ein Abweichen von einem 50% Tastgrad (Duty-Cycle) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) zugunsten strahlungsintensiverer und kürzerer Pumpstrahlungspulse der Pumpstrahlungsquelle (PL1) sinnvoll und hilfreich ist.
Des Weiteren wurde erkannt, dass es zur Optimierung der Pumpstrahlungseinkopplung der Pumpstrahlung (LB) in das Material des Sensorelements, beispielsweise in einen HD-NV-Diamanten, zur weiteren Maximierung des Kontrasts (KT) günstig ist, eine optische Anpassung vorzunehmen. Diese optische Anpassung kann eine Manipulation der Polarisation der Pumpstrahlung (LB) z.B. durch ein λ_pmp /4-Plättchen, aber auch den Einfallswinkel (θ_e ) der Pumpstrahlung (LB) relativ zum Normalenvektor (
) der Oberfläche (OFL1, OFL2) des Sensorelements, aber auch eine Anti-Reflexbeschichtung oder Anpassschicht (ASv, ASr) der Oberfläche (OFL1, OFL2) des Sensorelement, beispielsweise der Oberfläche (OFL1, OFL2) eines HD-NV-Diamanten, umfassen. Eine solche Anti-Reflexbeschichtung oder Anpassschicht (ASv, ASr) im Sinne dieser Offenlegung kann auch eine Strukturierung der Oberfläche (OFL1, OFL2) mit Strukturen kleiner als die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) umfassen, die zu einer lokalen Veränderung des effektiv wirkenden, mittleren Brechungsindexes der Oberfläche (OFL1, OFL2) des HD-NV-Diamanten führen können und so für diese Anpassung genutzt werden können.
Auch ist es sinnvoll, wenn bei Spiegelungen der Pumpstrahlung (LB) innerhalb des Sensorelements eine konstruktive Interferenz insbesondere durch einen Resonator im Bereich der höchsten Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) erreicht wird. Ist das Sensorelement beispielsweise ein HD-NV-Diamant in Form eines flachen Plättchens, in dessen Oberseite über deren erster Oberfläche (OFL1) die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) beispielsweise senkrecht einfällt, und wenn die erste Oberfläche (OFL1) der Oberseite zu der zweiten Oberfläche (OFL2) der Unterseite optisch gesehen planparallel ist, so ist es besonders günstig, wenn die Dicke des Plättchens so gewählt ist, dass das Plättchen des so entstehenden Fabry-Pérrot-Interferrometers eine maximale Transmission der ersten Oberfläche (OFL1) für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) besitzt, da dann die gesamte Pumpstrahlungsleistung oder zumindest ein Maximum der Pumpstrahlungsleistung in das Plättchen eindringt. Die paramagnetischen Zentren (NV1), im Falle eines HD-NV-Diamanten sind dies NV-Zentren, sind bevorzugt in einem dünnen bevorzugt schichtförmigen Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren in der Ebene der maximalen Pumpstrahlungsamplitude innerhalb des so gebildeten Resonators in Form des hier beispielhaften Fabry-Perrot-Resonators angeordnet. Besitzt das Sensorelementplättchen, hier ein beispielhaftes Diamantplättchen, eine größere Dicke, so können sich beispielsweise auch mehrere Ebenen maximaler Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) in dieser Bestrahlungssituation eines senkrechten Einfalls der Pumpstrahlung (LB) auf die erste Oberfläche (OFL1) des Sensorelementplättchens innerhalb des Fabry-Perot-Resonators des Sensorelementplättchens befinden. Die paramagnetischen Zentren(NV1), im Falle eines HD-NV-Diamanten sind dies NV-Zentren, sind dann bevorzugt in mehreren dünnen, bevorzugt schichtförmigen Gruppen (NVC) (Clustern) paramagnetischer Zentren (NV1) und bevorzugt auf eine Ausdehnung d solcher Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) in diesen Ebene der maximalen Pumpstrahlungsamplitude innerhalb des Fabry-Perrot-Resonators angeordnet. Um die ausgenutzte Pumpstrahlungsleistung (I_pmp ) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) zu verdoppeln oder besser zu vervielfachen, ist es sinnvoll, die zweite Oberfläche (OFL2) an der Unterseite des Sensorelementplättchens zu verspiegeln und so eine Totalreflexion hervorzurufen. Durch die AntiReflexschicht bzw. vorderen Anpassschicht (ASv) der ersten Oberfläche (OFL1) an der Oberseite des Sensorelementplättchens wird die Einkopplung der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) gegenüber den Verlusten optimiert. Da die Fluoreszenzstrahlung (FL) ebenfalls ausgekoppelt werden muss, muss die Transmission des Fabry-Pérrot-Interferrometers so aufgebaut werden, dass diese das Sensorelementplättchen, also beispielsweise das HD-NV-Diamantplättchen in einem vorgegebenen Winkel mit guter Transmission wieder verlassen kann.
Für eine Minimierung der Anstiegs- und Abfallszeiten der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) von geschalteten Laser-Dioden zur weiteren Maximierung des Kontrasts (KT) sei hier besonders auf die Reduktion parasitärer Induktivitäten und Kapazitäten die Erhöhung der Betriebsspannung und die kontrollierte, schnelle Einregelung des Diodenstromes des als Pumpstrahlungslichtquelle(PL1) dienenden Diodenlasers bei der Ansteuerung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) hingewiesen.
Bevorzugt wird zur weiteren Maximierung des Kontrasts (KT) die hohe Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) nur in einer dünnen Schicht unter der ersten Oberfläche (OFL1) des Sensorelements, also beispielsweise in einer dünnen Schicht in einem HD-NV-Diamanten, erzeugt, während das übrige Volumen vorzugsweise keine paramagnetischen Zentren (NV1) oder nur wenige paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist.
Zur weiteren Maximierung des Kontrasts (KT) wird für den Austritt der Fluoreszenzstrahlung (FL) bevorzugt die gleiche erste Oberfläche(OFL1) des Sensorelements, beispielsweise eines HD-NV-Diamanten, genutzt, über die auch der Eintritt der Pumpstrahlung (LB) in das Sensorelement (also beispielsweise in den HD-NV-Diamanten hinein, erfolgte.
Sensorsystem mit Halteschaltung
Die zuvor bereits erläuterte Halteschaltung (S&H) kann für sich alleine bereits zu einer erheblichen Verbesserung führen.
Des Weiteren umfasst der hier vorgelegte Vorschlag daher eine integrierte Schaltung (IC) zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements mit einem Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) und mit einem Empfänger (PD1), zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements abhängt. Dabei ist das Sensorelement bevorzugt ein Diamantkristall. Das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) sind bevorzugt ein oder mehrere NV-Zentren und/oder ein oder mehrere Gruppen von NV-Zentren in einem oder mehreren Diamantkristallen.
Der Strahlungsempfänger (PD) ist bevorzugt dazu vorgesehen und geeignet, im Sinne der besagten Selektivität die Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht zu detektieren. Die integrierte Schaltung (IC) umfasst des Weiteren bevorzugt einem Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV) (M1, TP, M2, G) zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements abhängt. Der integrierte Schaltkreis (IC) verfügt nun bevorzugt zusätzlich über die besagte Halteschaltung (S&H). Die Halteschaltung (S&H) weist dabei einen Eingang und einen Ausgang auf. Die Halteschaltung (S&H) ist dabei bevorzugt in den Signalpfad zwischen Strahlungsempfänger (PD) und Sensorausgangssignal (out) geschaltet. Bevorzugt wird eine Halteschaltung (S&H) zwischen ersten Multiplizierer (M1) und Schleifenfilter (TP), der auch als Integrator ausgeführt sein kann, und/oder nach dem Schleifenfilter (TP) und/oder Integrator in den Signalpfad eingefügt. Die Halteschaltung (S&H) hält dabei in ersten Zeiträumen ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang im Wesentlichen konstant, friert es also quasi ein. Die Halteschaltung (S&H) ändert in zweiten Zeiträumen, die von den ersten Zeiträumen verschieden sind, ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang in Abhängigkeit von dem Signal an ihrem Eingang in der Art, dass sie dann ein Ausgangssignal aufweist, dessen Ausgangswert im Wesentlichen bevorzugt in Form einer linearen Abbildung von dem Eingangswert am Eingang der Halteschaltung linear abhängt. Sie ist in diesen zweiten Zeiträumen also quasi transparent.
Bevorzugt ist das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall, wobei bevorzugt das paramagnetische Zentrum (NV1) ein NV-Zentrum und/oder ein ST1-Zentrum in dem Diamantkristall ist.
Regelung der Strahlungsquelle (H)
Bisher wurde die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) konstant gehalten und die Intensität (I_ks ) der zur Pumpstrahlung (LB) komplementär modulierten Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) so nachgeregelt, dass das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD) bis auf Signalrauschen und einen Regelfehler keine Anteile des Sendesignals (S5) mehr aufwies.
Im Gegensatz dazu wird nun die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) konstant gehalten und die Intensität (I_pmp ) der zur Kompensationsstrahlung (KS) komplementär modulierten Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) so nachgeregelt, dass das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD) bis auf Signalrauschen und einen Regelfehler und ggf. einen Gleichanteil keine Anteile des Kompensationssendesignals (S7) mehr aufweist.
Bei dem hier zuvor vorgestellten Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder ein oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist. Das Verfahren umfasst als Schritt das modulierte Aussenden einer modulierten Kompensationsstrahlung (KS) durch den Kompensationssender (PLK), wobei diese Modulation der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) des Kompensationssenders (PLK) mittels eines Kompensationssendesignals (S7) moduliert wird, das den Kompensationssender (PLK) steuert. Dieses Verfahren regelt also nun im Gegensatz zu dem zuvor vorgestellten Verfahren mittels des Sendesignals (S5) und nicht mittels des Kompensationssendesignals (S7). Das Kompensationssendesignal (S7) wird bei diesem Verfahren also unverändert quasistatisch betrieben. Beide Grundverfahren können aber kombiniert werden, wobei eine Regel festgelegt werden muss, in welcher Weise das Kompensationssendesignal (S7) und/oder das Sendesignal (S5) zu regeln sind. In dem hier nun in diesem Abschnitt besprochenen Beispiel wird das Sendesignal (S5) statt des Kompensationssendesignals (S7) geregelt. Diese Regelungsmethoden können gemischt werden. Eine Regelung des Sendesignals ist bei starker Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) sinnvoll, während eine Regelung der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) bei niedrigen Intensitäten (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise sinnvoll ist. Der Wechsel zwischen diesen Beiden Regelungsmodi erfolgt typischerweise in Abhängigkeit von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und von der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS). Daher umfasst das hier in diesem Abschnitt besprochene Verfahren das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) oder mittels einer Gruppe oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von einer modulierten Pumpstrahlung (LB) und ggf. weiteren Parameter, insbesondere der magnetischen Flussdichte B, abhängt. Es erfolgen nun auch hier ein überlagerndes, insbesondere summierend überlagerndes, Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfängerausgangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Überlagerung im Strahlungsempfänger (SD). In analoger Weise wird nun eine Korrelation des Empfängerausgangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators (M1, TP), zur Bildung eines Filterausgangssignals (S4) durchgeführt. Es folgt nun bevorzugt das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten. Hierdurch werden die Spuren des Kompensationssendesignals (S7) im Sensorausgangssignal (out) getilgt oder massiv unterdrückt. Es folgt die Verwendung der so bereinigten Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out). Nun erfolgen das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignals (S7) modulierten komplexen Rückkoppelsignals (S8) mit Hilfe dieses Sensorausgangssignals (out) und das Bilden des Sendesignals (S5) aus dem Rückkoppelsignal (S8), insbesondere durch Offsetaddition und/oder Leistungsverstärkung. Sodann erfolgen das Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem so gebildeten Sendesignal (S5) und das Aussenden einer komplementär zum Kompensationssendesignal (S7) modulierten und in der Intensität (I_pmp ) geregelten Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere durch eine LED oder durch einen Laser, in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5).
Bevorzugt erfolgt dabei die Korrelation mit den Schritten der Multiplikation des Empfängerausgangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Filtereingangssignal (S3) und des Filterns und/oder Integrierens des Filtereingangssignals (S3) mit einem Schleifenfilter (TP) und/oder Integrator zum Filterausgangssignal (S4), wobei insbesondere das Filterausgangssignal (S4) mit einem Faktor -1 multipliziert sein kann.
Bevorzugt erfolgt die Bildung des komplexen Rückkoppelsignals (S8) durch Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum komplexen Rückkoppelsignal (S8).
Die Verstärkung, die Frequenzgänge der Komponenten im Signalpfad und die Vorzeichen innerhalb der jeweiligen Übertragungsfunktionen der Signalverarbeitungskomponenten, also der Vorrichtungsteile, des Regelkreises, werden so gewählt, dass sich Stabilität einstellt.
Anwendungen
In wichtigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise der Vermessung der Position von Vorrichtungsteilen bei Bedienelementen, Maschinen, Robotern, Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, kann die Erzeugung und/oder Modifikation und/oder Modulation des magnetischen Feldes in Form der magnetischen Flussdichte B periodisch sein. Dabei kann wobei die Periodizität auf eine elektrische und/oder mechanische Schwingung und/oder eine mechanische Bewegung längs einer geschlossenen Bahn zurückzuführen sein.
Sonstiges
Mit dem Begriff Sensorsystem sind in dieser Beschreibung auch solche Systeme umfasst, die Quanteneigenschaften ganz allgemein ausnutzen. Dies betrifft insbesondere Systeme die Modifikationen an Quantenzuständen der paramagnetischen Zentren ausführen und/oder auswerten und/oder erfassen und ausgeben. Diese Systeme sind Teil der hier offengelegten technischen Lehre.
Die in dieser Offenlegung genannten Prinzipien und Merkmale können miteinander kombiniert werden, soweit das Ergebnis sinnvoll ist.
Vorteil
Die Detektion und Aufzeichnung akustisch mechanischer Schwingungen kann achromatisch durchgeführt werden ohne die mechanischen Schwingungen zu beeinflussen. Zudem zeigen die Sensoren keine Alterungserscheinungen, sind in rauen Umgebungen wie Luft mit hohen Salzwasserkonzentrationen, bei ionisierender Strahlung oder bei hoher Temperatur einsetzbar. Die Sensoren können auf ein Volumen von 10 µm³ miniaturisiert werden und der Sensor ist durch einen Lichtleiter von der elektrischen Auswerteinheit getrennt, so dass er beispielsweise für medizinische Zwecke eingesetzt werden kann.
Ein Gehäuse, wie hier vorgeschlagen, und der darauf aufgebaute Sensor ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen den kompakten Aufbau und die Kombination konventioneller Schaltungstechnik mit Quantensensorik. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Figurenliste
Die Merkmale und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren deutlich. Dabei zeigen rein schematisch:

1 zeigt eine Auswerteschaltung entsprechend dem Stand der Technik (SdT).
2 zeigt eine Auswerteschaltung entsprechend dem Stand der Technik (SdT) und entspricht weitest gehend der 1 mit dem Unterschied, dass das Sensorsystem keine erste Anpassschaltung (OF1) umfasst und der Signalgenerator (G) direkt das Sendesignal erzeugt.
3 zeigt das Sensorsystem der 1 mit dem Unterschied, dass nun ein Sensorelement verwendet wird, dass zumindest lokal in einem Teil des Sensorelements eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist.
4 zeigt das Sensorsystem der 2 mit dem Unterschied, dass nun ein Sensorelement verwendet wird, dass zumindest lokal in einem Teil des Sensorelements eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist.
5 zeigt ein hier beanspruchtes grundlegendes Sensorsystem, dass dann in nachfolgenden Figuren weiter verfeinert wird.
6 stellt mittels des Messsignals (MES) dar, wann das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD1) in Relation zur Aktivität der Pumpstrahlungsquelle (PL) ausgewertet wird.
7 zeigt ein beispielhaftes einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion einer integrierten Schaltung (IC) zum Betrieb der vorgestellten Sensorsysteme, wobei die Kompensation und Rückkopplung im Regelkreis über einen ersten Addierer (A1) elektronisch erfolgt..
8 entspricht der 7 und ist um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR) ergänzt, der vom Signalgenerator (G) bevorzugt phasensynchron zum Sendesignal (S5) bevorzugt am Ende der Signalperiode (T_p ) erzeugt wird.
9 zeigt das System der 8 mit dem Unterschied, dass die Rückspeisung des Rückkoppelsignals (S6) nun nicht über einen ersten Addierer (A1) elektrisch erfolgt, sondern über eine Referenzrauschquelle (PLK, KS), um einen Dicke-Verstärker zu realisieren.
10 zeigt in analoger Weise zum Unterschied von 7 zu 8 das System der 9 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
11 zeigt ein beispielhaftes Signalschema passend zu den 9 und 10 mit beispielhaften Pegeln zur Verdeutlichung, die vollkommen willkürlich gewählt sind. In der Realität dürften sich andere Pegel einstellen, die von den gewählten Verstärkungen, Offsets etc. abhängen.
12 entspricht im Wesentlichen der 11, wobei im Unterschied zur 11 nun jedoch nicht die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) geregelt wird und die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlungsquelle (PLK) konstant gehalten wird, sondern die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) geregelt wird und die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlungsquelle(PLK) konstant gehalten wird.
13 zeigt ein beispielhaftes Signalschema passend zu 12 mit beispielhaften Pegeln zur Verdeutlichung, wobei die Pegel vollkommen willkürlich gewählt sind In der Realität dürften sich andere Pegel einstellen, die von den gewählten Verstärkungen, Offsets etc. abhängen.
14 entspricht der 10 mit dem Unterschied analog zum Unterschied zwischen den 6 und 7, wobei wieder eine Halteschaltung (S&H) eingefügt ist, die mittels eines Trigger-Signals (STR) durch den Signalgenerator (G) gesteuert wird.
15 entspricht weitestgehend der 10, wobei im Unterschied zur 10 nun die Kompensationsstrecke in gleicher Weise wie die Sendestrecke ausgeführt ist und wobei nun der Kompensationssender (PLK) ein oder mehrere paramagnetische Referenzzentren (NV2) und/oder eine Gruppe oder mehrere Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) pumpt, die daraufhin Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) emittieren, die dann zur Kompensation anstelle der Kompensationsstrahlung (KL) mittels Bestrahlung des Strahlungsempfängers (PD) mit dieser Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) und zu einem typischerweise summierend überlagerten Empfang dieser Überlagerung der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) und der Fluoreszenzstrahlung (FL) im Strahlungsempfänger (PD) führt, sodass ein Dicke-Verstärkersystem entsteht.
16 zeigt die Regelung der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), wobei der Unterschied zwischen 15 und 16 dem Unterschied zwischen 10 und 12 entspricht, sodass Während in 15 die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) geregelt wird, in 16 die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) geregelt wird.
17 entspricht einem erweiterten System der 7, wobei das System der 17 einen zweiten Analysepfad aufweist, der beispielsweise zur Ermittlung der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) verwendet werden kann..
18 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 17 mit je einer Halteschaltung in jedem Regelzweig.
19 zeigt beispielhafte Signalverläufe mit beispielhaften Signalen für ein Sensorsystem entsprechend in seiner Struktur dem den 17 und 18.
20 entspricht ebenfalls einem erweiterten System der 7, wobei nun die Rückkopplung nicht optisch, sondern elektrisch erfolgt.
21 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 20 mit je einer Halteschaltung in jedem Regelzweig.
Die 22 entspricht der 21 wobei nun beispielhaft ein erster Filter (F1) eingefügt ist. Der erste Filter (F1) ist.
23 zeigt beispielhafte Signale für die Sensorsysteme der 20 bis 22.
24 entspricht der 20 mit dem Unterschied, dass der erste Filter (F1) vorgesehen ist und dass der Kompensationspfad (PLK, KS, NV2, KFL, F1, PD) als ideale Referenzrauschquelle ausgeführt ist.
25 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 24 mit je einer Halteschaltung in jedem Regelzweig.
26 zeigt beispielhafte Signale für die Sensorsysteme der 24 bis 25.
27 zeigt die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B bei Verkippung der beiden Richtungen - Achse des NV-Zentrums und Achse der magnetischen Flussdichte B gegeneinander.
28a zeigt den sich ergebenden Verlauf der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bei Dekalibrierung der Ausrichtung
28b zeigt die Ableitung der Kurve der 28a nach dem Wert der magnetischen Flussdichte B.
29 zeigt die Einstellung und Nachregelung des optimalen Arbeitspunktes eines Sensorsystems in Form eines konstanten magnetischen Bias-Flusses B₀ .
30 zeigt das System der 29 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
31 entspricht weitestgehend der 10 mit dem Unterschied, dass nun der besagte Regler (RG) im Zusammenwirken mit einer Kompensationsspule (LC) den magnetischen Arbeitspunkt des Sensorsystems nachregelt.
32 entspricht der beispielhaften Kombination aus 31 und 25, wobei der Regler (RG) auch eine weitere Kompensationsspule (LC) zur Nachregelung der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) nutzt.
33 zeigt einen möglichen mechanischen Aufbau eines vorgeschlagenen kompakten Systems.
34 zeigt ein geeignetes, sogenanntes Open-Cavity-Gehäuse in der Aufsicht.
35 zeigt das beispielhafte Gehäuse der 34 im Querschnitt.
36 bis 46 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für ein vorgeschlagenes Sensorsystem in einem vorgeschlagenen Gehäuse.
47 entspricht weitest gehend der 46 mit dem Unterschied, dass das Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) nicht auf dem Strahlungsempfänger (PD), sondern auf der Pumpstrahlungsquelle (PL1) direkt befestigt wird, um den Kontrast (KT) zu erhöhen.
48 zeigt als eine weitere beispielhafte alternative Platzierungsmöglichkeit für das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) die Innenseite des Gehäusedeckels (DE).
49 zeigt den Test eines vorgeschlagenen Sensorsystems.
50 zeigt einen grundsätzlichen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Sensorsystems.
51 zeigt den beispielhaften Ablauf der 50a noch einmal mit verschiedenen Zusatzschritten.
52 zeigt ein Sensorsystem entsprechend 46 ohne den ersten Filter (F1) und ohne den ersten Kleber (GL1) beispielsweise zum Betrieb mit einem System nach den 20 bis 21 oder 25.
53 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 52 mit Schirmung (MAS) und einem separierten Strahlungsempfänger (PD).
54 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 34 mit einer zusätzlichen Leitung (LTG), deren elektrischer Strom gemessen werden soll, in der Aufsicht vor der Montage;
55 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 52 mit der gegenüber 52 zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll;
56 zeigt einen Lead-Frame in der Aufsicht.
57 zeigt den beispielhaften Leadframe der 56 im Querschnitt. Der Rahmen des Leadframes ist zur Vereinfachung hier und im Folgenden nicht gezeichnet.
58 bis 68 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das weitere vorgeschlagene System.
69 zeigt beispielhafte Schritte für den Montageprozess der 58 bis 68.
70 zeigt eine beispielhafte Zusammenstellung mehrerer Flachspulen, wie sie bevorzugt in dem integrierten Schaltkreis (IC) beispielsweise als dessen Teilvorrichtung zur Erzeugung magnetischer Felder mit Multipolmomenten und/oder zur Modifikation der Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) eingesetzt werden.
71 zeigt ein beispielhaftes Sensorelement, das hinsichtlich der Einkoppeleigenschaften der Pumpstrahlung (LB) und des Kontrasts (KT) optimiert ist.
72 zeigt ein System der 1, wobei nun jedoch in dem Material des Sensorelements die Pumpstrahlungsquelle (PL1) gefertigt ist.
73 zeigt ein Sensorelement beispielsweise für eine Verwendung in Systemen wie in 72 bei dem in dem Material des Sensorelements die Pumpstrahlungsquelle (PL1) gefertigt ist
74 zeigt ein Sensorelement mit einem Substrat (D), das im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt Diamant ist, mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Substrat (D), wobei diese mit einer Leitung (LH), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, aufgrund eines sehr geringen ersten Abstands (d1) von bevorzugt weniger als 100nm mit dem magnetischen Feld dieser Leitung (LH) wechselwirken, wenn die Leitung (LH) von einem elektrischen Strom (IH) durchströmt wird.
75 zeigt ein Sensorelement mit einem Substrat (D), das im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt Diamant ist, mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Substrat (D), wobei diese mit einer horizontalen Leitung (LH), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, und mit einer vertikalen Leitung (LV), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) und der vertikalen Leitung (LV) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, aufgrund eines sehr geringen ersten Abstands (d1) von bevorzugt weniger als 100nm mit dem magnetischen Feld dieser vertikalen Leitung (LV) und/oder dieser horizontalen Leitung (LH) wechselwirken, wenn die horizontale Leitung (LH) von einem elektrischen horizontalen Strom (IH) durchströmt wird und/oder wenn die vertikale Leitung (LV) von einem elektrischen vertikalen Strom (IV) durchströmt wird.
76 zeigt ein Sensorelement mit einem Substrat (D), das im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt Diamant ist, mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Substrat (D) und gleichzeitig mit einem oder mehreren Kernzentren (CI) bzw. einer oder mehrerer Gruppen (CIC) von Kernzentren (Cl) in dem Substrat (D), wobei diese beiden mit einer horizontalen Leitung (LH), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, und mit einer vertikalen Leitung (LV), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) und der vertikalen Leitung (LV) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, aufgrund eines sehr geringen ersten Abstands (d1) von bevorzugt weniger als 100nm mit dem magnetischen Feld dieser vertikalen Leitung (LV) und/oder dieser horizontalen Leitung (LH) wechselwirken, wenn die horizontale Leitung (LH) von einem elektrischen horizontalen Strom (IH) durchströmt wird und/oder wenn die vertikale Leitung (LV) von einem elektrischen vertikalen Strom (IV) durchströmt wird.
77 zeigt ein Sensorelement mit einem Substrat (D), das im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt Diamant ist, mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Substrat (D), wobei diese mit einer horizontalen Leitung (LH), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, und mit einer vertikalen Leitung (LV), die auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) angebracht und befestigt ist und die bevorzugt von dem Substrat (D) und der vertikalen Leitung (LV) beispielsweise durch eine Isolation (IS) elektrisch isoliert ist, aufgrund eines sehr geringen ersten Abstands (d1) von bevorzugt weniger als 100nm mit dem magnetischen Feld dieser vertikalen Leitung (LV) und/oder dieser horizontalen Leitung (LH) wechselwirken, wenn die horizontale Leitung (LH) von einem elektrischen horizontalen Strom (IH) durchströmt wird und/oder wenn die vertikale Leitung (LV) von einem elektrischen vertikalen Strom (IV) durchströmt wird Im Gegensatz zur 75 sind die vertikale Leitung (LV) über einen vertikalen Kontakt (KV) und die horizontale Leitung (LH) über einen oder mehrere horizontalen Kontakte (KH) elektrisch mit dem Material des Substrats (D) verbunden, um Fotoelektronen absaugen zu können.
78 dient der Veranschaulichung einer optimalen Bestromung am Beispiels eines Quantenbits (QUB) mit einer ersten vertikalen Abschirmleitung (SV1) und einer zweiten vertikalen Abschirmleitung (SV2).
79 dient der Veranschaulichung einer optimalen Bestromung am Beispiels eines Quantenbits (QUB) mit einer ersten horizontalen Abschirmleitung (SH1) und einer zweiten horizontalen Abschirmleitung (SH2).
80 zeigt ein Ansteuersystem für eine Mehrzahl von parametrischen Zentren (NV1) bzw. einer Mehrzahl von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). 80 zeigt das Blockdiagramm eines beispielhaften Quantensensorsystems mit einem beispielhaften schematisch angedeuteten Drei-Bit Quantenregister.
81 zeigt ein Substrat mit zwei voneinander beabstandeten paramagnetischen Zentren (NV11, NV12).
82 zeigt das System der 1 angepasst auf eine direkte Auslesung der Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1).
83 zeigt den beispielhaften Aufbau des Schwingungssensorsystems nach dem vorgeschlagenen Verfahren mit einem an ein schwingendes mechanisches System (MS) (Saite) gekoppelten Magnetfeld, das durch das Sensorsystem (Tonabnehmer) erfasst wird.
84 zeigt die Ausführung eines beispielhaften Sensorsystems (Tonabnehmers) gekoppelt an ein mechanisch schwingendes System (MS) (Saite) mit ortsfesten Feldquellen (MQ1, MQ2) des magnetischen Feldes und mechanisch schwingenden Vorrichtungsteilen des magnetischen Kreises.
85 zeigt die Ausführung eines beispielhaften Sensorsystems mit direkter Auslesung der Photoelektronen über einen Kontakt (KNT).
86 zeigt das Sensorsystem, in dem das Sensorelement mit dem diamagnetischen Material (MPZ) und dem oder den darin enthaltenen paramagnetischen Zentren (NV1) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und dem lichtempfindlichem Strahlungsempfänger (PD), sowie der Auswerteschaltung (LIV) durch einen ersten optischen Lichtwellenleiter (LWL1) und einen zweiten optischen Lichtwellenleiter (LWL2) getrennt ist. 86 zeigt das Material (MPZ) mit paramagnetischen Zentren (NV1) getrennt durch einen ersten Lichtwellenleiter (LWL1) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem optionalen zweiten Filter (F2) und getrennt durch einen zweiten Lichtwellenleiter (LWL2) von dem Strahlungsempfänger (PD) mit einem ersten Filter (F1).
87 zeigt ein vorgeschlagenes Sensorsystem, in dem das Sensorelement mit dem diamagnetischen Material (MPZ) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) von der Strahlungsquelle (PL1) und dem lichtempfindlichen Strahlungsempfänger (PD) durch einen gemeinsamen optischen Lichtwellenleiter (LWL2) getrennt ist.
88 zeigt eine Ausführung eines beispielhaften Sensorsystems mit mehreren Messsystemen und einer elektronischen Auswerteinheit (LIV). 88 zeigt die Ausführung nach dem vorgeschlagenen Verfahren mit einer Anzahl n schwingender Teilsysteme (MS1, MS2...MSn) eines mechanischen schwingungsförmigen Systems (MS) mit n entsprechend an das jeweilige Teilsystem der n Teilsysteme (MS1 bis MSn) gekoppelten ersten Feldquellen für magnetische oder elektrostatische Felder (MG11, MG12, ...., MG1n) und n Sensorelementen mit einem jeweiligen diamagnetisches Material (MPZ1, MPZ2, ......, MPZn) mit jeweiligen paramagnetischen Zentren (NV1).
89 zeigt den Aufbau eines Tonabnehmers (PU) einer Gitarre (GT) gemäß dem Vorschlag. 89 zeigt eine beispielhafte E-Gitarre (GT) als Anwendung eines vorschlagsgemäßen Sensorsystems.
90 zeigt das bei Raumtemperatur aufgenommene Absorptionsspektrum eines erfindungsgemäßen Diamanten.
91 veranschaulicht die Definition der Zeiten.
92 zeigt den typischen Verlauf des Kontrasts (KT) in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) am Beispiel dieser Abhängigkeit bei der Bestrahlung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) mit „grüner“ Pumpstrahlung (LB).
93 zeigt ein Substrat (D), bei dem die Fluoreszenzstrahlung (FL) über eine zweite Oberfläche (OFL2) entnommen wird.
94 zeigt die Kombination eines paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. einer Gruppe oder Gruppen (NV1) paramagnetischer Zentren in einem Halbleitermaterial eines halbleitenden Substrats (D), beispielsweise aus Silizium oder Siliziumcarbid, mit einem MOS-Transistor in diesem Material, wobei die Schirmleitungen die Source- und Drain-Kontakte darstellen, während die Leitung das Gate bildet und durch das Gate-Oxid von dem Material des Substrats (D) isoliert ist. Die Pumpstrahlung (LB) wird durch ein Zentrum (PZ) erzeugt.
95 zeigt einen Dicke-Verstärker mit einer referenzrauschquelle auf Basis eines paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. einer Gruppe oder Gruppen (NV1) paramagnetischer Zentren (NV1).
96 zeigt das System der 95 wobei eine einzige Pumpstrahlungsquelle (PL1) das Referenzelement und das Sensorelement gemeinsam bestrahlt.
97 zeigt eine Struktur eines Substrats (D) für ein Sensorelement zum Auslesen des Fotostroms eines paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1).
98 zeigt eine Struktur eines Substrats (D) für ein Referenzelement zum Auslesen des Fotostroms eines paramagnetischen Referenzzentrums (NV2) bzw. mehrerer paramagnetischer Referenzzentren (NV2) bzw. einer Gruppe oder Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2).
99 zeigt eine Methode zur Erzeugung einer Richtungsabhängigkeit des Fotostroms bzw. der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung von der Richtung der magnetischen Flussdichte B.

Beschreibung der Figuren
Die Figuren zeigen ausgewählte Beispiele in schematischer und vereinfachter Weise. Sie dienen der Verdeutlichung. Die Merkmale der Beschreibung und der Figuren können, soweit sinnvoll miteinander kombiniert werden. Die Beanspruchung ergibt sich aus dem jeweils gültigen Anspruchssatz.
1 1 zeigt schematisch vereinfacht eine Auswerteschaltung entsprechend dem Stand der Technik (SdT). Eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) bestrahlt das Sensorelement aus Diamant mit dem NV-Zentrum als paramagnetischem Zentrum (NV1) mit Pumpstrahlung (LB). Diese Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Emission von Fluoreszenzstrahlung (FL). Die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist moduliert. Diese Modulation der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) hängt von einem Sendesignal (S5) ab. Bevorzugt ist die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) in einem gewissen Arbeitsbereich im Wesentlichen proportional zum Wert (s5) des Sendesignals (S5). Das Sendesignal (S5) weist bevorzugt einen Gleichanteil (S5g) und einen Wechselanteil (S5w) auf (S5=S5g+S5w). Ein Signalgenerator (G) erzeugt den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). Eine erste Anpassschaltung (OF1) addiert ggf. einen Gleichanteil (S5g) des Sendesignals (S5) zu dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das Sendesignal (S5). Ggf. verstärkt die erste Anpassschaltung (OF1) die Summe aus Gleichanteil (S5g) und Wechselanteil (S5w) zum Sendesignal (S5). Die erste Anpassschaltung (OF1) führt also bevorzugt eine lineare Abbildung des Wechselanteils (S5W) des Sendesignals (S5) auf das Sendesignal (S5) durch.
In der Realität ist die Modulation der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) gegenüber der Modulation des Sendesignals (S5) insbesondere aufgrund von Verzögerungszeiten, parasitären elektrischen Komponenten etc. verzerrt.
Die Fluoreszenzstrahlung (FL) strahlt in einen Strahlungsempfänger (PD) ein. Der Strahlungsempfänger (PD) wandelt die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in ein Empfängerausgangssignal (S0). Der momentane Wert (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) hängt von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) ab. Bevorzugt ist der Wert (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) in einem gewissen Arbeitsbereich im Wesentlichen proportional zur Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL). Ein erster Verstärker (V1) verstärkt das Empfängerausgangssignal (S0) zum reduzierten Empfängerausgangssignal (S1). Der erste Verstärker (V1) hat bevorzugt einen derartigen Frequenzgang, dass er bevorzugt im Wesentlichen nur den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5), der eine von 0Hz verschiedene Frequenz besitzt, und Signalanteile mit ggf. auftretenden erlaubten Mischsignalfrequenzen durchlässt und verstärkt, die bei der Mischung der Frequenzen des Sendesignals (S5) mit erwarteten Frequenzen der Modulation einer physikalischen Größe auftreten, die die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) moduliert. Der erste Verstärker (V1) kann auch als Teil des Strahlungsempfängers (PD) aufgefasst werden, weshalb er in den folgenden Figuren in der Regel nicht gesondert eingezeichnet ist.
Ein erster Multiplizierer (M1) mischt das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) zum Filtereingangssignal (S3). Ein Schleifenfilter (TP) lässt bevorzugt nur den Gleichanteil des Filtereingangssignals (S3) und einen Nutzfrequenzbereich um 0Hz herum passieren. Der Schleifenfilter (TP) lässt bevorzugt die Frequenz des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) im Wesentlichen nicht passieren. Typischerweise umfasst der Schleifenfilter (TP) einen Verstärker. Das Filterausgangssignal (S4) des Schleifenfilters (TP) wird als Sensorausgangssignal (out) genutzt. Da die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) von dem Wert des physikalischen Parameters, beispielsweise der magnetischen Flussdichte B und/oder der Temperatur und/oder dem Druck, am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) abhängt, hängt auch der Wert der Amplitude der Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Modulation des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) von dem Wert dieses physikalischen Parameters ab. Damit hängt dann auch der Wert der Amplitude der Modulation des Wertes des Empfängerausgangssignals (S0) mit der Modulation des Wechselanteils (SSW) des Sendesignals (S5) von dem Wert dieses physikalischen Parameters ab. In Folge dessen hängt der Wert des Gleichsignalanteils des Filtereingangssignals (S3) von dem Wert dieses physikalischen Parameters ab. Somit hängt auch der Wert des Filterausgangssignals (S4) und damit der Wert des Sensorausgangssignals (out) von dem Wert dieses physikalischen Parameters ab, wodurch sich das System als Sensorsystem verwenden lässt, da der Wert des Sensorausgangssignals (out) als Messwert für den Wert dieses physikalischen Parameters verwendet werden kann, wenn andere beeinflussende Parameter konstant gehalten werden oder nur in vorbestimmter Weise moduliert werden.
2 2 aus dem Stand der Technik entspricht weitest gehend der 1 mit dem Unterschied, dass das Sensorsystem keine erste Anpassschaltung (OF1) umfasst und der Signalgenerator (G) direkt das Sendesignal (S5) erzeugt. Diese Konstruktion ist dann funktionstüchtig, wenn die konstruktionsbedingte Interpretation der Pegel des Sendesignals (S5) durch den Multiplizierer (M1) so erfolgt, dass lediglich der Wechselsignalanteil (S5w) des Sendesignals (S5) berücksichtigt wird. Im Folgenden wird daher an verschiedenen Stellen auf die Darstellung der Anpassschaltung (OF1) zur besseren Klarheit verzichtet.
3 3 zeigt das Sensorsystem der 1 mit dem Unterschied, dass nun ein Sensorelement verwendet wird, dass zumindest lokal in einem Teil des Sensorelements eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist. Bevorzugt ist dieser Teil ein Substrat (D) mit einer zumindest lokalen Dichte von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) bezogen auf die Anzahl der Atome in dem betrachteten Raumvolumen. Das Substrat (D) umfasst bevorzugt eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), wobei bevorzugt innerhalb der jeweiligen Gruppe (NVC) die Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm überschritten wird. Auch kann das ganzen Substrat (D) eine Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) aufweisen. Im Falle von NV-Zentren in Diamant als Substrat (D) handelt es sich bevorzugt um einen HD-NV-Diamanten (HD-NV).
4 4 zeigt das Sensorsystem der 2 mit dem Unterschied, dass nun ein Sensorelement verwendet wird, dass zumindest lokal in einem Teil des Sensorelements eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist. Bevorzugt ist dieser Teil ein Substrat (D) mit einer zumindest lokalen Dichte von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) bezogen auf die Anzahl der Atome in dem betrachteten Raumvolumen. Das Substrat (D) umfasst bevorzugt eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), wobei bevorzugt innerhalb der jeweiligen Gruppe (NVC) die Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm überschritten wird. Auch kann das ganzen Substrat (D) eine Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) aufweisen. Im Falle von NV-Zentren in Diamant als Substrat (D) handelt es sich bevorzugt um einen HD-NV-Diamanten (HD-NV).
5 5 zeigt ein hier beanspruchtes, grundlegendes Sensorsystem, dass dann in den folgenden Figuren weiter verfeinert wird. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittiert Pumpstrahlung (LB) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5), das sich aus einem Gleichanteil (S5g) und einem Wechselanteil (S5w) zusammensetzt. Ein Signalgenerator (G) erzeugt den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). Eine erste Anpassschaltung (OF1) addiert ggf. einen Gleichanteil (S5g) des Sendesignals (S5) zu dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das eigentliche Sendesignal (S5). Ggf. verstärkt die erste Anpassschaltung (OF1) die Summe aus Gleichanteil (S5g) und Wechselanteil (S5w) zum Sendesignal (S5).
Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) trifft auf das paramagnetische Zentrum (NV1) innerhalb des Sensorelements. Das paramagnetische Zentrum (NV1) wird in Abhängigkeit von der Intensität (I_fl ) der Pumpstrahlung (LB) und dem Betrag des magnetischen Feldes B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst. Dabei weist die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise eine Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl )- z.B. 637nm bei NV-Zentren - auf, die typischerweise von der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) abweicht. Bevorzugt handelt es sich bei dem paramagnetischen Zentrum (NV1) um ein NV-Zentrum in Diamant. Ein Sensorelement kann ein solcher Diamant sein. Es kann sich aber auch um mehrere Diamanten und/oder Diamantpulver und/oder Nanodiamanten handeln. Bevorzugt umfasst das Sensorelement mehrere paramagnetische Zentren (NV1). Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren (NV1) in einer besonders hohen Dichte beispielsweise in einem oder mehreren HD-NV-Diamanten vor.
Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - in dem Maße transparent, dass seine Absorptionswirkung bezogen auf die Fluoreszenzstrahlung (FL) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.
Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) in dem Maße nicht transparent, dass seine Transmissionswirkung bezogen auf die Pumpstrahlung (LB) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.
Somit erreicht im Wesentlichen nur noch die Fluoreszenzstrahlung (FL) des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) den Strahlungsempfänger (PD1). Der Strahlungsempfänger (PD1) wandelt die Amplitudenmodulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in ein Empfängerausgangssignal (S0) um, das entsprechend der Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) moduliert ist. Ein erster Multiplizierer (M1) mischt bevorzugt durch Multiplikation das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Wechselanateil (S5w) des Sendesignals (S5) oder mit einem aus dem Sendesignal (S5) oder aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5), beispielsweise durch Verzögerung, abgeleiteten Signal zum Filtereingangssignal (S3). Ein Filter, der bevorzugt ein Schleifenfilter (TP) und/oder Integrator ist, filtert das Filtereingangssignal (S3) nun nur indirekt zu einem Filterausgangssignal (S4). Der Schleifenfilter (TP) filtert das Filtereingangssignal (S3) zum Halteschaltungseingangssignal (S10). Im Gegensatz zur 1 ist nun eine Halteschaltung (S&H) vorgesehen, deren Eingang das Halteschaltungseingangssignal (S10) ist und deren Ausgang das Filterausgangssignal (S4) ist und die durch das Trigger-Signal (STR) gesteuert wird.
Der Signalgenerator (G) erzeugt den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). Beim Sendesignal (S5) kann es sich beispielsweise um ein PWM-Signal mit 50% Taktverhältnis (englisch: Duty-Cycle) handeln. Bevorzugt ist das Tastverhältnis kleiner. Das Sendesignal (S5) besitzt bei der Verwendung von Lasern oder LEDs als Pumpstrahlungsquellen typischerweise einen Gleichsignalanteil (S5g), der aber auch 0 sein kann. Das Sendesignal (S5) besitzt eine Sendesignalperiode (T_p ). Bevorzugt am Ende der Sendesignalperiode (T_p ) bevorzugt vor dem Auftreten einer Flanke des Sendesignals (S5) erzeugt der Signalgenerator (G) ein Trigger-Signal (STR). Das Trigger-Signal (STR) weist bevorzugt einen ersten Signalzustand und einen zweiten Signalzustand auf. Das Trigger-Signal (STR) befindet sich während einer Sendesignalperiode (T_p ) im ersten Signalzustand, dem inaktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR). Nur am Ende der Sendesignalperiode (T_p ) des Sendesignals (S5) bringt der Signalgenerator (G) das Trigger-Signal (STR) kurzzeitig in den zweiten Signalzustand, dem aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR).
Die Halteschaltung (S&H) (englisch Sample&Hold) speichert den während der Phase des sich im ersten, inaktiven Signalzustand befindenden Trigger-Signals (STR) den zuletzt im zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) anliegenden Wert des Halteschaltungeingangssignals (S10) für die Dauer des nachfolgend anliegenden ersten, inaktiven Signalzustands des Trigger-Signals (STR). Erst mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom ersten, inaktiven Signalzustand in den zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) wird typischerweise die Halteschaltung (S&H) wieder transparent und das Filterausgangssignal (S4) und damit das Sensorausgangssignal (out) folgt dann typischerweise in dieser Phase eines im zweiten, aktiven Signalzustand befindlichen Trigger-Signals (STR) dem Halteschaltungseingangssignal (S10). Mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom zweiten, aktiven Signalzustand in den ersten, inaktiven Signalzustand friert die Halteschaltung (S&H) den Pegel des Filterausgangssignals (S4) und damit des Sensorausgangssignals (out) ein, bis wieder ein Übergang vom ersten, inaktiven Signalzustand in den zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) eintritt. Hierdurch wird die Chopper-Frequenz, d.h. die Frequenz des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5), massiv unterdrückt. Diese Unterdrückung kann bis zu 60dB betragen. Ohne diese Halteschaltung (S&H), wäre somit ein Filter 10-ter Ordnung als Schleifenfilter (TP) und/oder Integrator notwendig, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Die Verwendung von Halteschaltungen (S&H) im Zusammenhang mit der Vermessung parametrischer Zentren (NV1) ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Die Unterdrückung ist umso stärker, je kürzer die zeitliche Dauer der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) relativ zur Sendesignalperiode (T_p ) ist. Bevorzugt befindet sich die Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode (T_p ). Diese zeitliche Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode (T_p ) hat den Vorteil, dass eine unvermeidliche Tiefpass-Charakteristik der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des paramagnetischen Zentrums (NV1) und des Strahlungsempfängers (PD) und ggf. weiterer im Signalpfad befindlichen Elemente sich zum Ende einer Sendesignalperiode geringer auswirkt. Ist der Schleifenfilter (TP) ein Integrator, so sorgt die Halteschaltung dafür, dass aus dem unbestimmten Integral, das der Integrator aus dem Filtereingangssignal (S3) bildet, ein bestimmtes Integral wird, wobei bei einer zeitlichen Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode (T_p ) die Integration dann in etwa von 0 bis 2π über eine Sendesignalperiode (T_p ) läuft. Es kann beispielsweise leicht nachgerechnet werden, dass das Integral von sin(ω)cos(ω) nur dann verschwindet, wenn immer nur über eine ganze Periode integriert wird. Der Fehler, der ansonsten auftritt, führt zu einem massiv verringerten Störabstand und einem Verlust von bis zu 60dB Genauigkeit.
6 6 stellt dar, wann das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD1) in Relation zur Aktivität der Pumpstrahlungsquelle (PL) ausgewertet wird. Hierbei soll ein Pegel von 0,5 des beispielhaften Messsignals (MES) bedeuten, dass das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD1) positiv eingeht, und ein Pegel von -0,5 des beispielhaften Messsignals (MES) bedeuten, dass das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD1) negativ eingeht. Das in der 5a gezeichnete Messsignal (MES) dient nur zur Erläuterung. In der Realisierung des Vorschlags kann ggf. die technische Realisierung abweichen, ohne inhaltlich hinsichtlich des technischen Effekts abzuweichen.
Die Pumpstrahlungsquelle (PL) ist in dem Beispiel der 5 zu ersten Zeiten (T1) aktiv, wenn das Sendesignal (S5) aktiv (=1) ist, und sendet dann Pumpstrahlung (LB) aus. Hier soll ein Wert von 1 bedeuten, dass Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgesendet wird. Ein Wert von 0 bedeutet, dass keine Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgesendet wird. Dies ist durch einen beispielhaften logischen Wert von 1 in der 6 für die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) verdeutlicht.
Die Pumpstrahlungsquelle (PL) ist in dem Beispiel der 5 zu zweiten Zeiten (T2) nicht aktiv und sendet keine Pumpstrahlung (LB) aus. Dies ist durch einen beispielhaften logischen Wert von 0 in der 6 für die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) verdeutlicht.
Die Pumpstrahlung (LB) bestrahlt zumindest teilweise das paramagnetische Zentrum (NV1) des Sensorelements. Daher emittiert das paramagnetische Zentrum (NV1) Fluoreszenzstrahlung (FL). Dies geschieht mit einer zeitlichen Verzögerung der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL). Bei einem NV-Zentrum in Diamant als paramagnetisches Zentrum (NV1) in einem Sensorelement liegt diese Verzögerung in Form der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL). in der Größenordnung von Ins. Daher ist das Signal der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL, FL1) zeitlich gegenüber dem Signal der Pumpstrahlung (LB) um eine Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) phasenverschoben. Die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) hängt wie auch die Fluoreszenzstrahlung (FL) an sich typischerweise von der magnetischen Flussdichte B und ggf. weiteren physikalischen Paramatern, wie Druck P, Temperatur ϑ , Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, elektrischer Feldstärke E, der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung etc. ab. Die hier vorgestellten Sensorsysteme ermitteln daher als Werte ihrer Sensorausgangssignale (out) Messwerte, die den Werten dieser physikalischen Parameter entsprechen, wenn die Abhängigkeiten von anderen Parametern z.B. durch Abschirmungen reduziert werden.
Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist in dem Beispiel der 6 somit zeitlich um die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) verschoben zu den ersten Zeiten (T1) aktiv und sendet dann erst die Fluoreszenzstrahlung (FL) aus, wobei die Pumpstrahlungsquelle (PL1) zu den ersten Zeiten aktiv ist. Dies ist durch einen beispielhaften, willkürlichen logischen Wert von 1 in der 6 für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) beispielhaft verdeutlicht.
Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist in dem Beispiel der 6 somit zeitlich um die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) verschoben zu den zweiten Zeiten (T2) nicht aktiv und sendet dann keine Fluoreszenzstrahlung (FL) aus. Dies ist durch einen beispielhaften, willkürlichen logischen Wert von 0 in der 6 für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) beispielhaft verdeutlicht.
In dem Beispiel der 4 bis 6 erfolgt die Auswertung des Empfängerausgangssignals (S0) des Strahlungsempfängers (PD) zu den ersten Zeiten (T1). Das der Verdeutlichung dienende Messsignal (MES) hat zu diesen ersten Zeiten (T1) den willkürlichen Wert 0,5. Daher kann bei Messsystemen mit diesem Zeitschema der 6 eine Trennung des Signals der Pumpstrahlung (LB) vom Signal der Fluoreszenzstrahlung (FL) nur durch einen ersten Filter (F1) oder durch eine Filterwirkung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) erreicht werden.
In 6 ist ein beispielhaftes Trigger-Signal (STR) eingezeichnet, das beispielhaft immer am Ende der Sendesignalperiode (T_p ) vom ersten, inaktiven Signalzustand, hier beispielhaft mit dem Pegel 0 markiert, kurzzeitig in den zweiten, aktiven Signalzustand, hier beispielhaft mit dem Pegel 1 markiert, versetzt wird.
Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch mit beispielhaftem Pegeln gezeichnet.
7 7 zeigt ein beispielhaftes einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion einer integrierten Schaltung (IC) zum Betrieb der vorgestellten Sensorsysteme. Ein Signalgenerator (G) erzeugt wieder den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). Die erste Anpassschaltung (OF1) erzeugt aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) das Sendesignal (S5) bevorzugt durch eine lineare Abbildung. Die erste Anpassschaltung (OF1) addiert ggf. einen Gleichanteil (S5g) des Sendesignals (S5) zu dem Wechselanteil (S5W) des Sendesignals (S5) und bildet so das eigentliche Sendesignal (S5). Ggf. verstärkt die erste Anpassschaltung (OF1) die Summe aus Gleichanteil (S5g) und Wechselanteil (S5w) zum Sendesignal (S5).
Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) in eine modulierte Pumpstrahlung (LB) um, die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement mit dem paramagnetisch en Zentrum (NV) trifft.
Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - passieren, während es die modulierte Pumpstrahlung (LB) aufgrund ihrer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist aufgrund des Wirkungspfades korreliert zur Pumpstrahlung (LB) moduliert. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Strahlungsempfänger (PD) empfangen und in ein moduliertes Empfängerausgangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Strahlungsempfänger (PD) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein Rückkoppelsignal (S6) von dem Empfängerausgangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) wird in einem Synchrondemodulator weiterverarbeitet. Dazu multipliziert ein erster Multiplizierer (M1) das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In einem im Signalpfad nachfolgenden Schleifenfilter (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals (S3) durchgelassen. Auf diese Weise bildet das Schleifenfilter (TP) das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Schleifenfilters (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Schleifenfilter (TP) ein Skalarprodukt als Signal aus dem reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) und dem Sendesignal (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Sendesignal (S5) anteilig im reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung v des Schleifenfilters (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler und ggf. einem Gleichanteil bei Stabilität keinen Anteil des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht. Dieses Empfängerausgangssignal (S4) wird dann bevorzugt als Sensorausgangssignal (out) über eine der Lead-Frame-Flächen des Gehäuses mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben.
8 8 entspricht der 7. Die 7 ist in der 8 um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR) ergänzt. Die 8 entspricht auch der 5. Die 5 ist um den zweiten Multiplizierer (M2) ergänzt. Der zweite Multiplizierer (M2) mischt das Sensorausgangssignal (out) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) zum Rückkoppelsignal (S6). Das Rückkoppelsignal ist dabei bevorzugt komplementär zum Sendesignal (S5) gebildet. Dies kann durch Hinzunahme der Multiplikation mit einem geeigneten Vorzeichen und mit einer großen Verstärkung v und einem geeigneten Offset geschehen im Schleifenfilter (TP), was zur Vereinfachung nicht eingezeichnet ist, sondern nur durch den Kreis am Ausgang des Schleifenfilters (TP) symbolisiert wird. Das Rückkoppelsignal (S6) wird in dem ersten Addierer (A1) vom dem Empfängerausgangssignal (S0) abgezogen. Der erste Addierer (A1) bildet so das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1), dass als Eingangssignal für den ersten Multiplizierer (M1) anstelle des Empfängerausgangssignals (S0) in den 4 und 5 nun verwendet wird. Durch die komplementäre Gestaltung der Rückkopplung mittels des Rückkoppelsignals (S6) ergibt sich im eingeschwungenen Zustand der Regelung bevorzugt im Wesentlichen ein Gleichsignal als reduziertes Empfängerausgangssignal (S1). Die Störungen durch die besagten Tiefpasseigenschaften der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des Strahlungsempfängers (PD) und des paramagnetischen Zentrums können bei dieser Betrachtung zunächst vernachlässigt werden.
Bevorzugt setzt der Signalgenerator (G) das Trigger-Signal (STR) dann in einen zweiten, aktiven Signalzustand, sodass die Bedingung F[S5w]=0 erfüllt ist. Ist der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) beispielsweise ein PWM-Signal mit einem 50% Tastverhältnis und mit einer PWM-Periode von einer Sendesignalperiode (T_p ) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5), so setzt der Signalgenerator (G) das Trigger-Signal (STR) bevorzugt kurz vor Ende der Sendesignalperiode (T_p ) bevorzugt für eine Dauer von beispielsweise 2% der zeitlichen Dauer der Sendesignalperiode (T_p ) in den zweiten, aktiven Signalzustand und ansonsten in den ersten, inaktiven Signalzustand.
Die Halteschaltung (S&H) (englisch Sample&Hold) speichert den während der Phase des sich im ersten, inaktiven Signalzustand befindenden Trigger-Signals (STR) den zuletzt im zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) anliegenden Wert des Halteschaltungeingangssignals (S10) für die Dauer des nachfolgend anliegenden ersten, inaktiven Signalzustands des Trigger-Signals (STR). Erst mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom ersten, inaktiven Signalzustand in den zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) wird typischerweise die Halteschaltung (S&H) wieder transparent und das Filterausgangssignal (S4) und damit das Sensorausgangssignal (out) folgt dann typischerweise in dieser Phase eines im zweiten, aktiven Signalzustand befindlichen Trigger-Signals (STR) dem Halteschaltungseingangssignal (S10). Mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom zweiten, aktiven Signalzustand in den ersten, inaktiven Signalzustand friert die Halteschaltung (S&H) den Pegel des Filterausgangssignals (S4) und damit des Sensorausgangssignals (out) ein, bis wieder ein Übergang vom ersten, inaktiven Signalzustand in den zweiten, aktiven Signalzustand des Trigger-Signals (STR) eintritt.
9 9 zeigt das System der 8 mit dem Unterschied, dass die Rückspeisung des Rückkoppelsignals (S6) nun nicht über einen ersten Addierer (A1) elektrisch erfolgt, sondern über eine Referenzrauschquelle, um einen Dicke-Verstärker zu realisieren. Als Referenzrauschquelle agiert hier eine Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), die eine Kompensationsstrahlung (KS) mit einer Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) abstrahlt. Die Kompensationsstrahlung (KS) bestrahlt den Strahlungsempfänger (PD) typischerweise summierend überlagernd mit der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Sensorelements.
Für die Rückkopplung wird der Pegel und der Offset des Rückkopplungssignals (S6) durch eine zweite Anpassschaltung (OF2) geeignet, typischerweise durch eine lineare Abbildung (s7=α1*s6+s7₀ ) angepasst. Hierbei sind s7 der aktuelle Wert des gebildeten Kompensationssendesignals (S7), α1 eine reelle Konstante und s7₀ ein reeller feststehender und/oder einstellbarer Offsetwert. Es ergibt sich das Kompensationssendesignal (S7) als Ausgangssignal der zweiten Anpassschaltung (OF2). Es wird hier vorgeschlagen, mit diesem Kompensationssendesignal (S7) die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) als Referenzrauschquelle des Dicke-Verstärkers zu betreiben. Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) strahlt dann mit ihrer Kompensationsstrahlung (KS) über eine dritte, vorzugsweise bekannte Übertragungsstrecke (13) in den Strahlungsempfänger (PD) vorzugsweise überlagernd und summierend zur Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) ein. Um die Subtraktion des Rückkoppelsignals (S6) der 8 zu reproduzieren, wird nun vorgesehen, dass der dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) entsprechende Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) mit einem negativen Faktor multipliziert ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Ausgang des Schleifenfilters (TP) invertierend verstärkend ausgeführt wird. Es kommt also ausdrücklich nicht darauf an, an welcher Stelle diese Inversion im Regelkries ausgeführt wird, sondern nur, dass sie überhaupt stattfindet, um Stabilität im Regelkreis zu erreichen. In diesem Zusammenhang kann diese Ausbildung des komplementären Charakters auch durch Modifikation des im zweiten Multiplexer (M2) mit dem Filterausgangssignal (S4) gemischten Signals erfolgen. Wenn wir beispielsweise annehmen, dass der Wert (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) zwischen 0,5 und -0,5 schwankt, so kann beispielsweise ein zum Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) komplementärer Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) durch Multiplikation mit -1 durch eine dritte Anpassschaltung (OF3) erzeugt werden. Es gilt dann bevorzugt für den Wert (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und für den Wert (s5c) des komplementären Sendesignals (S5c) im Wesentlichen die Gleichung s5w+s5c=0, wobei hier „im Wesentlichen bedeutet“, dass die Summe um einen Betrag von bis zu 10%, besser sehr viel weniger, des Betrags der Amplitude des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) von dem Wert 0 abweichen kann. Bei der Ausarbeitung wurden Werte der Abweichung von weniger als 10^-4 benutzt.
Darüber hinaus sollte sichergestellt werden, dass die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) keine Strahlung in den Strahlen- und Signalpfad der Pumpstrahlungsquelle (PL1) einspeist.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zu diesem Zweck mit einer ersten Barriere (BA1) versehen, die verhindert, dass die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements bestrahlen und damit zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) anregen kann. Es handelt sich also um eine erste Barriere (BA1) für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht. Dies ist dann von besonderer Wichtigkeit, wenn die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) um eine perfekte Referenzrauschquelle sein zu können, baugleich zur Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgeführt wird.
Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer zweiten Barriere (BA2) versehen, die verhindert, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) den Strahlungsempfänger (PD) direkt mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlen kann. Es handelt sich also auch hier um eine zweite Barriere (BA2) für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht. Aus regelungstechnischen Gründen kann eine gewisse direkte Bestrahlung in sehr geringem Umfang aber ggf. gewünscht sein, um den Fangbereich der Regelung zu verbessern. Insofern ist es denkbar, z.B. durch Blendenöffnungen und/oder dämpfende Filter eine solche optische Grundkopplung zu zulassen. Die Grundkopplung kann allerdings auch elektronisch erreicht werden. Hierzu verweisen wir auf die US 8 766 154 B2 , deren technische Lehre in Kombination mit der hier vorgestellten technischen Lehre vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist.
10 In analoger Weise zum Unterschied von 7 zu 8 zeigt 10 das System der 9 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR). An dieser Stelle sei auf die Ausführungen zur Halteschaltung (S&H) im Text zu 6 verwiesen, die hier ebenfalls gelten.
11 11 zeigt ein beispielhaftes Signalschema passend zu den 9 und 10 mit beispielhaften Pegeln zur Verdeutlichung, die vollkommen willkürlich gewählt sind In der Realität dürften sich andere Pegel einstellen, die von den gewählten Verstärkungen, Offsets etc. abhängen. Auch die Signalformen sind rein beispielhaft. Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch gezeichnet.
12 Die 12 entspricht im Wesentlichen der 9. Im Unterschied zur 9 wird nun jedoch nicht die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) geregelt und die Intensität (I_ks ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PLK) konstant gehalten, sondern es wird die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) geregelt und die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle(PLK) konstant gehalten.
12 dient zum Verdeutlichen des Verfahrens bei optischer Kompensation über eine geregelte Kompensationsstrahlungsquelle (PLK). Das Sensorsystem umfasst wieder ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements, das Teil des Sensorsystems ist. Das Sensorsystem arbeitet dann beispielsweise so, dass der Signalgenerator (G) einen Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) erzeugt. Bevorzugt weist der Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignal (S7) eine Kompensationssendeperiode auf, die typischerweise gleich der Sendesignalperiode (T_p ) ist. Eine zweite Anpassschaltung (OF2) versieht den Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) mit einem Gleichanteil (S7g) des Kompensationssendesignals (S7) sodass für die zugehörigen Momentanwerte gilt: s7=s7w+s7g.
Eine vierte Anpassschaltung (OF4) erzeugt bevorzugt aus dem Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) den komplementären Wechselanteil (S7c) des Kompensationssendesignals (S7), sodass für die entsprechenden Momentanwerte typischerweise und bevorzugt gilt: s7w+s7c=0.
Mittels dieses Kompensationssendesignals (S7) erfolgt ein moduliertes Aussenden einer modulierten Kompensationsstrahlung (KS) durch die moduliert betriebene Kompensationsstrahlungsquelle (PLK).
Eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements durch eine modulierte Pumpstrahlung (LB) verursacht. Der Ursprung der modulierten Pumpstrahlung (LB) wird in diesem Anschnitt später beschrieben. Im Strahlungsempfänger (PD) erfolgt ein vorzugsweise linear summierend überlagerndes Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der modulierten Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfängerausgangssignals (S0), dass von der empfangenen Gesamtintensität der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) bevorzugt zumindest um den Arbeitspunkt herum linear abhängt. Ist die im Folgenden beschriebene Regelung bei Abwesenheit von Störern eingeschwungen, so enthält das Empfängerausgangssignal (S0) bevorzugt abgesehen von ggf. vorhandenen Gleichanteilen keine Modulation mehr in Form von Signalanteilen des Empfängerausgangssignals (S0), die mit dem Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) korrelieren. Es wird sodann eine Korrelation des Empfängerausgangssignals (S0) mit dem modulierten Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, und die Bildung eines Ausgangssignals (out) durchgeführt, um den entsprechend dem Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) modulierten Anteil im Empfängerausgangssignal (S0) zu detektieren und dann mittels des Sendesignals (S5) und in Folge dessen mittels der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und daraus folgend der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) zu kompensieren. Das vorgeschlagene Alternativverfahren umfasst das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignal (S7) modulierten Sendesignals (S5) mit Hilfe des Filterausgangssignals (S4) und somit mittels des Sensorausgangssignals (out). Dabei hängt das Sensorausgangssignal (out) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Kompensationssendesignal (S7) ab.
Die Korrelation erfolgt bevorzugt mit den Schritten

• Multiplikation des Empfängerausgangssignals (S0) mit dem Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) zum Filtereingangssignal (S3);
• Filtern des Filtereingangssignals (S3) mit einem Schleifenfilter (TP) zum Filterausgangssignal (S4);
• Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem komplementären Wechselanteil (S7c) des Kompensationssendesignals (S7) zum Rückkoppelsignal (S8);
• Bilden des Sendesignals (S5) aus dem Rückkoppelsignal (S8);
• Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem Sendesignal (S5);
• Aussenden einer Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5);
• Verwendung des Filterausgangssignals (S4) zur Bildung des Ausgangssignals (out), wobei das Ausgangssignal (out) im Sinne dieses Merkmals gleich dem Filterausgangssignal (S4) sein kann.

Soll für die Rücktransformation kein komplementärer Wechselanteil (S7c) des Kompensationssendesignals (S7), sondern der Wechselanteil (S7w) des Kompensationssendesignals (S7) verwendet werden, also die vierte Anpassschaltung (OF4) entfallen, so sollte der Schleifenfilter (TP) das Filterausgangssignal (S4) so bilden, dass es mit einem Faktor -1 multipliziert ist.
Die erste Anpassschaltung (OF1) bildet das Sendesignal (S5) aus dem Rückkoppelsignal (S8) durch eine bevorzugt lineare Abbildung analog zur Funktion der zweiten Anpassschaltung (OF2) in den 9 und 10.
Das Prinzip der Regelung dieser 12 über die Pumpstrahlungsquelle (PL1) statt der Regelung über die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) kann auch auf die anderen Sensorsysteme dieser Schrift angewendet werden, bei denen eine Regelung über die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) erfolgt. Diese sind somit ausdrücklich von der Beanspruchung und Offenbarung umfasst.
Die Regelprinzipien der 9 und 12 können auch miteinander kombiniert werden. Bevorzugt erfolgt bei einer sehr hohen Intensität (I_fl ) und einem hohen Kontrast (KT) der Fluoreszenzstrahlung (FL) die Regelung des Regelkreises über eine Regelung der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB). Umgekehrt erfolgt bei einer niedrigen Intensität (I_fl ) oder einem niedrigen Kontrast (KT) der Fluoreszenzstrahlung (FL) die Regelung des Regelkreises über eine Regelung der Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) bei maximaler Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB).
13 13 zeigt ein beispielhaftes Signalschema passend zu 12 mit beispielhaften Pegeln zur Verdeutlichung, wobei die Pegel vollkommen willkürlich gewählt sind In der Realität dürften sich andere Pegel einstellen, die von den gewählten Verstärkungen, Offsets etc. abhängen. Auch die Signalformen sind rein beispielhaft. Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch gezeichnet.
14 14 entspricht der 12 mit dem Unterschied, dass wieder eine Halteschaltung (S&H) eingefügt ist, die mittels eines Trigger-Signals (STR) durch den Signalgenerator (G) gesteuert wird.
Auf die Ausführungen zu 8 und 10 wird hier verwiesen.
15 Die 15 entspricht weitestgehend der 10. Im Unterschied zur 10 ist nun die Kompensationsstrecke anders ausgeführt. Bevorzugt ist in dieser Variante die Kompensationsstrahlungsquelle (PKL) gleich der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgeführt, um einen Dicke-Verstärker zu realisieren. Beispielsweise kann es sich bei der Pumpstrahlungsquelle (PL1) um eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B handeln und bei dem Kompensationsstrahlungssender (PKL) ebenfalls um eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B handeln. Bevorzugt sind die Kompensationsstrahlungsquelle (PKL) und die Pumpstrahlungsquelle (PL1) thermisch gekoppelt. Bevorzugt befinden sich daher zu diesem Zweck die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) auf dem gleichen Hableitersubstrat oder auf einer gemeinsamen Wärmesenke oder einem gemeinsamen thermisch gut leitenden Träger. Bevorzugt weisen die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) im Falle der Realisierung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat einen gemeinsamen Bezugspotenzialanschluss auf. Bevorzugt strahlt nun in dieser Variante auch die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) die Kompensationsstrahlung (KS) nicht direkt in den Strahlungsempfänger (PD) wie in 10 ein. Stattdessen dient die Kompensationsstrahlung (KS) als Pumpstrahlung für ein zusätzliches Referenzsensorelement mit zusätzlichen paramagnetischen Referenzzentren (NV2). Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) um NV-Zentren in Diamant. Bevorzugt umfasst das Referenzsensorelement einen oder mehrere Diamanten mit einem oder mehreren Referenz-NV-Zentren, also NV-Zentren, als paramagnetische Referenzzentren (NV2).
Um nun einen magnetischen Fluss B erfassen zu können ist es sinnvoll, wenn die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) des Referenzsensorelements durch eine Abschirmung (AS) oder funktionsäquivalente Maßnahmen oder Vorrichtungssteile von der magnetischen Flussdichte B abgeschirmt sind. Letztlich ist diese Abschirmung jedoch nicht erforderlich, wenn die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) des Referenzsensorelements einer anderen magnetischen Flussdichte B ausgesetzt sind als die paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements. In jedem Fall wird die Differenz der Beträge der magnetischen Flussdichte B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und am Ort des oder der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) erfasst uns als Sensorausgangssignal (out) ausgegeben.
Die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) wandeln im Beispiel der 15 die Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), die eine Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) besitzt, in eine Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) um, deren Intensität (I_kfl ) von der Intensität der Bestrahlung der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) mit Kompensationsstrahlung (KS) abhängt. Bevorzugt ist die Natur der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) gleich der Natur der paramagnetischen Zentren (NV1), um einer idealen Referenzrauschquelle im Sinne des Dicke-Prinzips nahe zu kommen. Somit ist eine besonders bevorzugte Ausführung die, dass die paramagnetischen Zentren (NV1) NV-Zentren in Diamant sind und dass die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bevorzugt ebenfalls NV-Zentren in Diamant sind.
Bevorzugt ist zumindest eine lokale Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1), die Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) emittieren, zumindest etwa gleich der Dichte einer lokalen Dichte der paramagnetischen Referenzzentren (NV2), die Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) mit einer Kompensationsfluoreszenzwellenlänge (λ_kfl ) emittieren.
Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren (NV1) um NV-Zentren in einem oder mehreren HD-NV-Diamanten mit einer hohen NV-Zentren-Dichte.
Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) um NV-Zentren in einem oder mehreren HD-NV-Diamanten mit einer hohen NV-Zentren-Dichte. Die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) können in einer oder mehreren Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NVC2) angeordnet sein. Der Bereich einer Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) im Referenzelement weist bevorzugt eine sehr hohe Dichte an Referenzzentren (NV2) auf. Im Falle von NV-Zentren als Referenzzentren (NV2) in Diamant ist der Bereich der Gruppe der Referenzzentren (NV2) bevorzugt HD-NV-Diamant im Sinne dieser Schrift. Der Bereich einer Gruppe (NVC2) von paramagnetischen Referenzzentren (NV2) weist bevorzugt eine Dichte an Referenzzentren, beispielsweise NV-Zentren, von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10-3ppm und/oder von mehr als 10-4ppm und/oder von mehr als 10-5ppm und/oder von mehr als 10-6ppm bezogen auf die Anzahl der Atome des Substrats (D) im betrachteten Volumen innerhalb des Substrats (D), also im Fall von NV-Zentren in Diamant von Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit, auf. Dabei ist eine Dichte von mehr als 0,01ppm und/oder noch besser 0,1ppm eindeutig für die Verwendung in dem Referenzelement bevorzugt.
Auf 71 nebst zugehöriger Beschreibung wird hier ausdrücklich verwiesen, wobei die dortigen Beschreibungen betreffend paramagnetische Zentren (NV1) und Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) auf paramagnetischer Referenzzentren (NV2) und Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) dadurch übertragen werden können, dass in der 71 die paramagnetischen Zentren (NV1) durch paramagnetische Referenzzentren (NV2) und die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) durch Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) und die Pumpstrahlung (LB) durch die Kompensationsstrahlung (KS) und die Fluoreszenzstrahlung (FL) durch die Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) und die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) durch die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) ersetzt werden. Auch diese Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) weisen dann eine Ausdehnung (d) der Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) auf, auf die das dort gesagte ebenfalls zutrifft und die bevorzugt ebenfalls einen Abstand von λ_ks /2 der Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) in Richtung des Pointing-Vektors der Kompensationsstrahlung (KS) haben.
Bevorzugt ist daher diese Ausdehnung (d) einer Gruppe (NVC2) von paramagnetischen Referenzzentren (NV2) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Kompensationsstrahlung (KS) innerhalb eines Sensorelements kleiner als n*λ_ks/2 der Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) mit n als ganzer positiver Zahl. Bevorzugt gilt d<λ_ks /2 und/oder besser d<λ_ks /4 und/oder besser d<λ_ks /10 und/oder besser d<λ_ks /20 und/oder besser d<λ_ks /40 und/oder besser d<λ_ks /100.
In analoger Weise weist der Bereich einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) im Sensorelement bevorzugt ebenfalls eine möglichst zur der Dichte an paramagnetischen Referenzzentren (NV2) im Referenzelement gleiche Dichte an paramagnetischen Zentren, beispielsweise NV-Zentren, im Sensorelement von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10-3ppm und/oder von mehr als 10-4ppm und/oder von mehr als 10-5ppm und/oder von mehr als 10-6ppm bezogen auf die Anzahl der Atome des Substrats (D) im betrachteten Volumen innerhalb des Substrats (D), also im Fall von NV-Zentren in Diamant von Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit, auf. Dabei ist eine Dichte von mehr als 0,01ppm und/oder noch besser 0,1ppm eindeutig für die Verwendung in dem Sensorelement bevorzugt.
Auf 71 nebst zugehöriger Beschreibung wird hier ausdrücklich verwiesen. Auch diese Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1)weisen dann eine Ausdehnung (d) der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) auf, auf die das dort gesagte zutrifft und die bevorzugt einen Abstand von λ_pmp/2 der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) in Richtung des Pointing-Vektors der Pumpstrahlung (LB) haben. Bevorzugt ist daher diese Ausdehnung (d) einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements kleiner als n*λ_pmp/2 der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) mit n als ganzer positiver Zahl. Bevorzugt gilt d<λ_pmp /2 und/oder besser d<λ_pmp /4 und/oder besser d<λ_pmp /10 und/oder besser d<λ_pmp /20 und/oder besser d<λ_pmp /40 und/oder besser d<λ_pmp /100.
Durch Amorphisierung durch Teilchenbeschuss und der gleichen kann Diamant graphitisiert werden. Es ist daher denkbar, dass sich die paramagnetischen Zentren (NV1) und die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) im gleichen Diamantkristall befinden und die erste Barriere (BA1) oder eine andere optische Barriere aus Graphit oder amorphisierten Diamant oder sonst wie eingeschwärztem Diamant innerhalb dieses Diamantkristalls besteht.
Bevorzugt ist die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) gleich der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) wenn die Natur der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) gleich der Natur der paramagnetischen Zentren (NV1) ist. Im Falle von NV-Zentren liegt die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) bevorzugt in einem Bereich zwischen 500nm und 6000nm. Erfolgreich wurde Kompensationsstrahlung (KS) mit einer Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) von 520nm angewendet.
Bevorzugt ist die Kompensationsfluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) gleich der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) - z.B. 637nm bei NV-Zentren -. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren als paramagnetische Zentren (NV1) und als paramagnetische Referenzzentren (NV2) sind die Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) und die Fluoreszenzstrahlung (FL) rot.
In dem beispielhaften Fall der 15 trifft bevorzugt das auf die Pumpstrahlung (LB) im Abschnitt „Definition der Pumpstrahlung“ geschriebene auch auf die Kompensationsstrahlung (KS) zu.
Der erste Filter (F1) ist bevorzugt nicht transparent für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1).
Der erste Filter (F1) ist im Falle der Vorrichtung 15 bevorzugt nicht transparent für Strahlung der Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK).
Der erste Filter (F1) ist bevorzugt transparent für Strahlung der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) - z.B. 637nm bei NV-Zentren -.
Der erste Filter (F1) ist im Falle der Vorrichtung der 15 bevorzugt transparent für Strahlung der Kompensationsfluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2).
Dadurch überlagert sich die Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) mit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Strahlungsempfänger (PD) zu einer Gesamtintensität.
Der Strahlungsempfänger (PD) wandelt diese Gesamtintensität wieder in ein Empfängerausgangssignal (S0) um, dessen Wert von dem Wert der Gesamtintensität aus der Überlagerung der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) mit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Strahlungsempfänger (PD) abhängt.
Im Übrigen wird auf die vorausgegangenen und ggf. nachfolgenden Ausführungen der anderen Vorrichtungen zum Funktionsprinzip der Regelung verwiesen und zu möglichen anderen Realisierungen der Regelung verwiesen.
16 Der Unterschied zwischen 15 und 14 entspricht dem Unterschied zwischen 10 und 12. Während in 15 die Intensität (I_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) geregelt wird, wird in 16 die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) geregelt. Auf die Ausführung zu den 10, 12 und 15 wird daher hier verwiesen, da hier gleiche Prinzipien Anwendung finden.
17 17 entspricht einem erweiterten System der 7. Die 9 und 12 lassen sich in analoger Weise erweitern. Auch 17 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion einer integrierten Schaltung (IC) zur Vermessung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) paramagnetischer Zentren (NV1), um hierüber einen beeinflussenden, physikalischen Paramater, wie beispielsweise die magnetische Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) zu ermitteln. Ein Signalgenerator (G) erzeugt wieder einen Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). In dem System sind ein Schleifenfilter (TP) und ein zusätzlicher Schleifenfilter (TP') verbaut. Der Schleifenfilter (TP) und der zusätzliche Schleifenfilter (TP') weisen bezüglich eines beliebigen Signals X1 bevorzugt eine gleiche Filtercharakteristik mit einer gleichen Filterfunktion F[X1] auf. Der Schleifenfilter (TP) und der zusätzliche Schleifenfilter (TP') sind lineare Filter. D.h. für die gemeinsame Filterfunktion F[X1] gilt für eine beliebige reelle Zahl a und zwei beliebige Signals X1 und X2: $F [a * X 1] = a * F [X 1]$
$F [X 1 + X 2] = F [X 1] + F [X2]$
Wir fordern folgende beispielhafte Bedingungen: $F [1] = 1$
$F [S5w] \approx 0$
$F [S5w * S5w] \approx 1$
Der Generator (G) erzeugt darüber hinaus den Wechselanteil (S5w') eines orthogonalen Referenzsignals (S5'). Für den Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') soll beispielhaft gelten: $F [S5w'] \approx 0$
$F [S5w' * S5w'] \approx 1$
Darüber hinaus erheben wir die beispielhafte Forderung, dass das der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) orthogonal zum Wechselanteil (S5w') eines orthogonalen Referenzsignals (S5') sein soll, das der Generator (G) ebenfalls erzeugt. $F [S5w * S5'w] \approx 0$
Zur Vereinfachung nehmen wir beispielhaft an, dass das Sendesignal (S5) und das orthogonale Referenzsignal (S5') periodisch mit der Sendesignalperiode (T_p ) sind. Ein zusätzlicher erste Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem zusätzlichen Wechselanteil (S5w') zum zusätzlichen Filtereingangssignal (S3'). Der zusätzliche Schleifenfilter (TP') filtert das Filtereingangssignal (S3') zum zusätzlichen Filterausgangssignal (S4'). Hier wird zur beispielhaften Vereinfachung angenommen, dass der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') die gleichen Eigenschaften hat wie der erste Multiplizierer (M1). Des Weiteren wird beispielhaft angenommen, dass der zusätzliche der zusätzliche Schleifenfilter (TP') die gleichen Eigenschaften hat wie der Schleifenfilter (TP). Eine erste Anpassschaltung addiert zum Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) wie zuvor beschrieben wieder einen Gleichanteil (S5g) des Sendesignals (S5) und führt ggf. eine weitere notendige Verstärkung mit geeigneter Verstärkung und geeignetem Offset, also mittels einer im Wesentlichen linearen Abbildung, durch.
Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) wieder in eine modulierte Pumpstrahlung (LB) um, die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement und damit das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Sensorelement trifft. Dort regt diese Pumpstrahlung (LB) das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe (NVC) oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - passieren, während es die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und somit die modulierte Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert, aber typischerweise definiert phasenverschoben zur Pumpstrahlung (LB) moduliert. Dies kann nun ausgenutzt werden. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Strahlungsempfänger (PD) empfangen und in ein moduliertes Empfängerausgangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Strahlungsempfänger (PD) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein komplexes Rückkoppelsignal (S8) von dem Empfängerausgangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) wird in nunmehr zwei unabhängigen Schaltungsteilen weiterverarbeitet.
Erster Schaltungsteil
Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). Der Schleifenfilter (TP) lässt bevorzugt im Wesentlichen den Gleichanteil des Filtereingangssignals (S3) durch. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Schleifenfilters (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Tiefpass des Schleifenfilters (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfängerausgangssignals (S1) und des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) anteilig im reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Eine dritte Anpassschaltung (OF3) erzeugt in diesem Beispiel aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) einen komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5). Auf die alternativen Ausführungen, die vorausgehend und nachfolgend erwähnt sind, und funktionsergebnisgleich sind wird hingewiesen. Letztlich geht es darum, dass das Rückkoppelsignal (S6) komplementär zum Sendesignal (S5) moduliert sein soll. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Sind die Verstärkung v des Schleifenfilters (TP) sehr groß und vorzeichenrichtig und des komplementären Wechselanteils (S5c) des Sendesignals (S5) und des weiteren komplementären Wechselanteils (S5c') des orthogonalen Sendesignals (S5') in der geeigneten Weise gebildet, so enthält das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keine wesentlichen Anteile des Sendesignals (S5) mehr. Hat der Wechselanateil (S5w) des Sendesignals (S5) beispielsweise die Amplitude (S5w_a), so kann beispielsweise der komplementäre Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) durch die Gleichung s5c=s5w-s5w gebildet werden. Hat der Wechselanateil (S5w') des orthogonalen Sendesignals (S5') beispielsweise die Amplitude (S5w_a'), so kann beispielsweise der komplementäre Wechselanteil (S5c') des orthogonalen Referenzsignals (S5') durch die Gleichung s5c'=s5w_a'-s5w' gebildet werden. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht.
Zweiter Schaltungsteil
Ein zusätzlicher erster Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') und bildet so das zusätzliche Filtereingangssignal (S3'). Der zusätzliche Schleifenfilter (TP') lässt im Wesentlichen den Gleichanteil des zusätzlichen Filtereingangssignals (S3') durch. Es ergibt sich das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') als Ausgangssignal des zusätzlichen Schleifenfilters (TP'). Formal bildet der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') und der zusätzliche Tiefpass des zusätzlichen Schleifenfilters (TP') ein Skalarprodukt des reduzierten Empfängerausgangssignals (S1) und des Wechselanteils (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5'). Bevorzugt geschieht dies in formal gleicher Weise wie im ersten Schaltungsteil. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') gibt dann an, wieviel vom Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') anteilig im reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses zusätzliche Filterausgangssignal (S4') kann man mit einem weiteren Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Eine zusätzliche dritte Anpassschaltung (OF3') erzeugt in diesem Beispiel aus dem zusätzlichen Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') einen zusätzlichen komplementären Wechselanteil (S5c') des orthogonalen Referenzsignals (S5'). Auf die alternativen Ausführungen, die vorausgehend und nachfolgend erwähnt sind, und funktionsergebnisgleich sind, wird hingewiesen. Letztlich geht es darum, dass das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6') komplementär zum zusätzlichen Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') moduliert sein soll. Ein zusätzlicher zweiter Multiplizierer (M2') multipliziert das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') mit dem zusätzlichen komplementären Wechselanteil (S5c') des orthogonalen Referenzsignals (S5') und bildet so das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6'). Sind die Verstärkung v' des zusätzlichen Schleifenfilters (TP') sehr groß und vorzeichenrichtig und das komplementäre Sendesignal (S5c) und das weitere komplementäre Sendesignal (S5c') in der geeigneten Weise gebildet, so enthält das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des Wechselanteils (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') mehr. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) phasenverschoben gegenüber der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) erreicht. Auf diese Weise kann der Phasenwinkel der Fluoreszenzstrahlung (FL) zur Pumpstrahlung (LB) oder zum Sendesignals (S5) bestimmt werden. Versuche haben gezeigt, dass der Phasenwinkel in Form des zeitlichen Werts der Fluoreszenzverschiebungszeit (ΔTFL) der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber der Pumpstrahlung (LB) bzw. dem Sendesignal (S5) von der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) und ggf. weiteren physikalischen Parametern, wie der elektrischen Feldstärke E, der Temperatur ϑ , dem Druck P, der Beschleunigung a, der Rotationsgeschwindigkeit ω und ggf. der Gravitationsfeldstärke g etc. sowie deren zeitlichen Ableitung und Integralen abhängig ist. Auf diese Weise lässt sich die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) bestimmen. Die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) ist die Verzögerung des Wechselanteils (FLw) der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5).
Somit realisiert dieses System dann ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1), die auch in einer oder mehreren Gruppen (NVC) solcher paramagnetischen Zentren (NV1) angeordnet sein können, im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt ein moduliertes Aussenden einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1). Ein oder mehrere paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements erzeugen eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt. Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei dem oder den paramagnetischen Zentren bzw. der Gruppe oder der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bevorzugt um ein oder mehrere NV-Zentren, die ggf. in einer oder mehreren Gruppen (NVC) angeordnet sind, in einem Diamanten als Sensorelement. Wie ebenfalls erwähnt, ist die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise gegenüber der modulierten Pumpstrahlung (LB) zeitlich um eine Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) phasenverschoben. Das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements leuchten also nach der Anregung durch die modulierte Pumpstrahlung (LB) nach und geben auch dann noch modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) ab, wenn schon keine modulierte Pumpstrahlung (LB) mehr auf das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements einstrahlt. Dieses Nachleuchten wird durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') hier repräsentiert und messbar. Es erfolgt somit das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und das Erzeugen eines Empfängerausgangssignals (S0). Zur Bestimmung des Nachleuchtens erfolgt das Bestimmen der Intensität (I_fl ) der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht stattfindet. Das entsprechende Maß ist jeweils der Wert des zusätzlichen Sensorausgangssignals (out')
Dieses Nachleuchten in Form der zeitlichen Fluoreszenzverschiebungszeit (ΔTFL) hängt typischerweise von der magnetischen Flussdichte B und ggf. weiteren physikalischen Parametern, wie der elektrischen Feldstärke E, der Temperatur ϑ, dem Druck P, der Beschleunigung a, der Rotationsgeschwindigkeit ω und ggf. der Gravitationsfeldstärke g etc. sowie deren zeitlichen Ableitung und Integralen ab. Dies gilt in der Regel auch für die Fluoreszenzstrahlung (FL) und insbesondere die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL).
Ein zweiter Addierer (A2) summiert das Rückkoppelsignal (S6) und das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6') zum komplexen Rückkoppelsignal (S8) wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Die Vorzeichen und die Verstärkung der Schleifenfilter (TP und TP') sowie die Regel zur Bildung des komplementären Sendesignals (S5c) und des Weiteren, komplementären Sendesignals (S5c') in der dritten Anpassschaltung (OF3) bzw. der weiteren dritten Anpassschaltung (OF3') werden so gewählt, dass sich Stabilität im Regelkreis einstellt und im Wesentlichen das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) keine Komponenten des komplexen Rückkoppelsignals (S8) und des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und des Wechselanteils (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') bis auf Systemrauschen und Regelfehler mehr enthält.
18 18 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 17 mit je einer Halteschaltung (S&H, S&H') in jedem Regelzweig.
19 19 zeigt beispielhafte Signalverläufe mit beispielhaften Signalen für ein Sensorsystem entsprechend in seiner Struktur dem den 17 und 18. Der Wechselanteil (S5w') des orthogonalen Referenzsignals (S5') ist gegenüber dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) beispielhaft um π/2 phasenverschoben. Der Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) ist beispielhaft mit einem Tastverhältnis von 50% PWM-moduliert. Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch mit beispielhaften Pegeln gezeichnet. Diese können infolge der Vereinfachung im Detail etwas in der Realität abweichen. Eine detaillierte Systemsimulation wird daher empfohlen.
20 20 entspricht ebenfalls einem erweiterten System der 7. Die 9 und 12 lassen sich in analoger Weise erweitern. Auch 20 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion einer integrierten Schaltung (IC) zur Vermessung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) paramagnetischer Zentren (NV1), um hierüber einen beeinflussenden, physikalischen Paramater, wie beispielsweise die magnetische Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) zu ermitteln. Ein Signalgenerator (G) erzeugt wieder einen Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5). In dem System sind ein Schleifenfilter (TP) und ein zusätzlicher Schleifenfilter (TP') verbaut. Der Schleifenfilter (TP) und der zusätzliche Schleifenfilter (TP') weisen bezüglich eines beliebigen Signals X1 bevorzugt eine gleiche Filtercharakteristik mit einer gleichen Filterfunktion F[X1] auf. Der Schleifenfilter (TP) und der zusätzliche Schleifenfilter (TP') sind lineare Filter. D.h. für die gemeinsame Filterfunktion F[X1] gilt für eine beliebige reelle Zahl a und zwei beliebige Signals X1 und X2: $F [a * X 1] = a * F [X 1]$
$F [X 1 + X 2] = F [X 1] + F [X2]$
Wir fordern folgende Bedingungen: $F [1] = 1$
$F [S5w] \approx 0$
$F [S5w * S5w] \approx 1$
Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass das Sendesignal (S5) periodisch mit der Sendesignalperiode (T_p ) ist. Ein zusätzlicher erste Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem komplementären Wechselanteil (S5c) zum zusätzlichen Filtereingangssignal (S3'). Der zusätzliche Schleifenfilter (TP') filtert das Filtereingangssignal (S3') zum zusätzlichen Filterausgangssignal (S4'). Hier wird zur Vereinfachung angenommen, dass der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') die gleichen Eigenschaften hat wie der erste Multiplizierer (M1). Des Weiteren wird angenommen, dass der zusätzliche der zusätzliche Schleifenfilter (TP') die gleichen Eigenschaften hat wie der Schleifenfilter (TP). Eine erste Anpassschaltung (OF1) addiert zum Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) wie zuvor beschrieben wieder einen Gleichanteil (S5g) des Sendesignals (S5) und führt ggf. eine weitere notendige Verstärkung (h1) durch.
Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) wieder in eine modulierte Pumpstrahlung (LB) um, die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement und damit die paramagnetischen Zentren (NV1) im Sensorelement trifft. Dort regt diese Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - passieren, während es die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und somit die modulierte Pumpstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert, aber typischerweise definiert phasenverschoben zur Pumpstrahlung (LB) moduliert. Dies kann nun ausgenutzt werden. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Strahlungsempfänger (PD) empfangen und in ein moduliertes Empfängerausgangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Strahlungsempfänger (PD) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein komplexes Rückkoppelsignal (S8) von dem Empfängerausgangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) wird in nunmehr zwei unabhängigen Schaltungsteilen weiterverarbeitet.
Erster Schaltungsteil
Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). Der Schleifenfilter (TP) lässt typischerweise den Gleichanteil des Filtereingangssignals (S3) durch. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Schleifenfilters (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Tiefpass des Schleifenfilters (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfängerausgangssignals (S1) und des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) anteilig im reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Eine dritte Anpassschaltung (OF3) erzeugt in diesem Beispiel aus dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) einen komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5). Auf die alternativen Ausführungen, die oben erwähnt sind und funktionsergebnisgleich sind, wird hingewiesen. Letztlich geht es darum, dass das Rückkoppelsignal (S6) komplementär zum Sendesignal (S5) moduliert sein soll. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Schleifenfilters (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Gleichanteil und einen Regelfehler bei Stabilität keine wesentlichen Anteile des Sendesignals (S5) mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht.
Zweiter Schaltungsteil
Ein zusätzlicher erster Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) und bildet so das zusätzliche Filtereingangssignal (S3'). Der zusätzliche Schleifenfilter (TP') lässt den Gleichanteil des zusätzlichen Filtereingangssignals (S3') durch. Es ergibt sich das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') als Ausgangssignal des zusätzlichen Schleifenfilters (TP'). Formal bildet der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') und der zusätzliche Tiefpass des zusätzlichen Schleifenfilters (TP') ein Skalarprodukt des reduzierten Empfängerausgangssignals (S1) und komplementären Wechselanteils (S5c) des Sendesignals (S5). Bevorzugt geschieht dies in formal gleicher Weise wie im ersten Schaltungsteil. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') gibt dann an, wieviel vom komplementären Wechselanteil (S5c) des Sendesignals (S5) anteilig im reduzierten Empfängerausgangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses zusätzliche Filterausgangssignal (S4') kann man mit einem weiteren Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Auf die alternativen Ausführungen, die oben erwähnt sind, und funktionsergebnisgleich sind wird hingewiesen. Ein zusätzlicher zweiter Multiplizierer (M2') multipliziert das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) und bildet so das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6'). Ist die Verstärkung des zusätzlichen Schleifenfilters (TP') sehr groß, so enthält das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Gleichanteil und einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des komplementären Wechselanteils (S5c) des Sendesignals (S5) mehr. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) zu Zeiten erreicht, in denen keine Pumpstrahlung (LB) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgesendet wird. Auch auf diese Weise kann der Phasenwinkel des zeitlichen Verlaufs beispielsweise der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) zum zeitlichen Verlauf des Werts (s5w) des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) als zeitlicher Wert der Fluoreszenzverschiebungszeit (ΔTFL) bestimmt werden. Versuche haben gezeigt, dass der Phasenwinkel der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber der Pumpstrahlung (LB) von der magnetischen Flussdichte B und/oder ggf. anderen physikalischen Parametern wie Druck P, Temperatur ϑ, elektrische Feldstärke E, Beschleunigung a oder Rotationsgeschwindigkeit ω und deren zeitlichen Ableitungen und Integralen am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) abhängig ist. Auf diese Weise lässt sich die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) bestimmen. Die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) ist die Verzögerung des Wechselanteils (FLw) der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) gegenüber dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5).
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei einer Messung über das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') der Filter (F1) sowie ein entsprechender erster Kleber (GL1) zur Befestigung des ersten Filters (F1) an dem Strahlungsempfänger (PD) oder dem Sensorelement entfallen kann, was die Kosten des Systems weiter signifikant senkt.
Somit realisiert dieses System dann ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt ein moduliertes Aussenden einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1). Ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) bzw. eine oder mehrere Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements erzeugt eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt. Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bevorzugt um ein oder mehrere NV-Zentren in einem Diamanten als Sensorelement, die ggf. auch in Gruppen angeordnet sind. Wie ebenfalls erwähnt, ist die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise gegenüber der modulierten Pumpstrahlung (LB) zeitlich um eine Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) phasenverschoben. Das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements leuchten also nach der Anregung durch die modulierte Pumpstrahlung (LB) nach und geben auch dann noch modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) ab, wenn keine modulierte Pumpstrahlung (LB) mehr auf das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements einstrahlt. Dieses Nachleuchten wird durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') hier repräsentiert. Es erfolgt somit das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und das Erzeugen eines Empfängerausgangssignals (S0). Zur Bestimmung des Nachleuchtens erfolgt das Bestimmen der Intensität (I_fl ) der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und damit die Anregung des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) nicht mehr stattfindet. Das entsprechende Maß für das Nachleuchten der Fluoreszenzstrahlung (FL) um die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) bezogen auf die fallenden Flanken der Pumpstrahlung (LB) ist jeweils der Wert des zusätzlichen Sensorausgangssignals (out').
Ein zweiter Addierer (A2) summiert das Rückkoppelsignal (S6) und das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6') zum komplexen Rückkoppelsignal (S8) wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Die Vorzeichen und die Verstärkungen der Schleifenfilter (TP und TP') und die Bildungsregel für das komplementäre Sendesignal (S5c) werden typischerweise so gewählt, dass sich Stabilität im Regelkreis einstellt und im Wesentlichen das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) keine Komponenten des komplexen Rückkoppelsignals (S8) und des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und des komplementären Wechselanteils (S5c) des Sendesignals (S5) bis auf Systemrauschen und Regelfehler mehr enthält. Die Verstärkungen der Schleifenfilter (TP und TP') und deren Frequenzgang und sonstigen Eigenschaften werden bevorzugt gleich ausgeführt. Dies kann beispielsweise, wenn sie Teile eines integrierten Schaltkreises sind, durch eine matchende Ausführung erfolgen.
21 21 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 20 mit je einer Halteschaltung in jedem Regelzweig. Auf die vorausgegangenen und nachfolgenden Figuren mit Halteschaltungen (S&H) und deren Beschreibungen wird hier verwiesen.
22 Die 22 entspricht der 21 wobei nun beispielhaft ein erster Filter (F1) eingefügt ist. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt wieder für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - transparent und für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) bevorzugt nicht transparent.
23 23 zeigt beispielhafte Signale für die Sensorsysteme der 20 bis 22. Das komplexe Rückkoppelsignal (S8) hat nicht die volle Amplitude. Sollte die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) ein Viertel der Sendesignalperiode (T_p ) betragen so wäre es ein Konstantwert-Signal. Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch mit beispielhaften Amplituden gezeichnet.
24 24 entspricht der 20 mit dem Unterschied, dass der erste Filter (F1) vorgesehen ist und dass der Kompensationspfad als ideale Referenzrauschquelle zur Realisierung eines Dicke-Verstärkers ausgeführt ist. Um gleiche Rauscheigenschaften wie der Sendepfad über die Pumpstrahlungsquelle (PL1, LB, NV1, FL, F1, PD1) aufzuweisen ist der Kompensationspfad (PLK, KS, NV2, KFL, F1, PD) in gleicher Weise wie der Sendepfad über die Pumpstrahlungsquelle (PL1, LB, NV1, FL, F1, PD1) ausgeführt. Bevorzugt ist die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in dem Beispiel der 24 typgleich der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Bevorzugt sind die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in dem Beispiel der 24 thermisch gekoppelt. Bevorzugt werden die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) nicht nur gleich ausgeführt sondern bevorzugt auch im gleichen elektrischen, thermischen und optischen Arbeitspunkt, u.a. gekennzeichnet durch im Wesentlichen gleichen Betriebsstromverlauf, im Wesentlichen gleichen Betriebsspannungsverlauf, im wesentlichen gleiche Betriebstemperatur und eine im Wesentlichen gleiche Ausführung des nachfolgenden optischen Systems , was insbesondere die Rückreflektion des emittierten Lichts der Pumpstrahlungsquelle (PL1) in die Pumpstrahlungsquelle (PL1) zurück und die Rückreflektion des emittierten Lichts der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) zurück und deren Wechselwirkung untereinander betrifft. Bevorzugt werden alle, weniger bevorzugt weniger der vorstehenden Bedingungen erfüllt. Bevorzugt sind die Pumpstrahlungsquelle (PL1) und die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in dem Beispiel der 24 Teil des gleichen Halbleitersubstrats (Englisch Chip, Die). Bevorzugt ist das Referenzsensorelement mit den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) in dem Beispiel der 24 in gleicher Weise gefertigt, wie das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1). Bevorzugt ist die Dichte der durch die Kompensationsstrahlung (KS) bestrahlten paramagnetischen Referenzzentren (NV2) gleich der Dichte der durch die Pumpstrahlung (LB) bestrahlten paramagnetischen Zentren (NV1). Bevorzugt ist im Beispiel der 24 im typischen Arbeitspunkt des Sensorsystems die Intensität (I_ks ) und die Intensitätsdichte der die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bestrahlenden Kompensationsstrahlung (KS) gleich der Intensität (I_pmp ) und der Intensitätsdichte der die paramagnetischen Zentren (NV1) bestrahlenden Pumpstrahlung (LB). Bevorzugt werden zu deren Einstellung in gleicher Weise konstruktive Vorrichtungsteile und optische Funktionselemente genutzt. Der erste Filter (F1) ist im Beispiel der 24 bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) und für die Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren. Der erste Filter (F1) ist im Beispiel der 24 bevorzugt nicht transparent für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und für die Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK).
Eine bevorzugt vorhandene erste Barriere (BA1) verhindert im Beispiel der 24 das Übersprechen der Kompensationsstrahlung (KS) in den Sendepfad (PL1, LB, NV1, FL, F1, PD).
Die bevorzugt vorhandene erste Barriere (BA1) verhindert im Beispiel der 24 das Übersprechen der Pumpstrahlung (LB) in den Kompensationspfad (PLK, KS, NV2, KFL, F1, PD). Die bevorzugt vorhandene zweite Barriere (BA2) verhindert im Beispiel der 24 das direkte Übersprechen der Pumpstrahlung (LB) in den Strahlungsempfänger (PD). Die bevorzugt vorhandene dritte Barriere (BA3) verhindert im Beispiel der 24 das direkte Übersprechen der Kompensationsstrahlung (LB) in den Strahlungsempfänger (PD). Typischerweise sind die Barrieren (BA1, BA2, BA3) so ausgeführt, dass sie ineinander übergehen.
Die Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) und die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) überlagern sich im Strahlungsempfänger (PD) zur Gesamtstrahlungsintensität. Der Strahlungsempfänger (PD) erzeugt in Abhängigkeit von dieser Gesamtstrahlungsintensität das Empfängerausgangssignal (S0). Ein erster Verstärker (V1) verstärkt das Empfängerausgangssignal (S0) zum reduzierten Empfängerausgangssignal (S1). Die weitere Verarbeitung verläuft analog zur Beschreibung der 20. Statt des komplexen Rückkopplungssignals wird in der bereits zuvor erläuterten Art und Weise mittels einer zweiten Anpassschaltung (OF2) bevorzugt als lineare Abbildung das Kompensationssendesignal (S7) als Wert (s7) des Kompensationssendesignals (S7) aus der Summe des Werts (s6) des Rückkoppelsignals (S6) und des Werts (s6') des weiteren Rückkoppelsignals (S6') gebildet, welches wieder die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) steuert. Das Sensorsystem der 24 ist in der Lage, beispielsweise eine Änderung der magnetischen Flussdichte B sowohl mit Hilfe der Änderung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) relativ zur Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) zu bestimmen, als auch eine Änderung der magnetischen Flussdichte B mit Hilfe der Änderung der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) der Fluoreszenzstrahlung (FL) relativ zur Kompensationsfluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔKTFL) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) zu bestimmen. Die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) hängt typischerweise von der magnetischen Feldstärke und weiteren physikalischen Parametern ab, wie sie hier in dieser Schrift an anderer Stelle genannt wurden. Insbesondere hängt sie typischerweise auch von den Isotopen im Umfeld des oder der paramagnetischen Zentren bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ab. Somit wird durch die vorgeschlagene Vorrichtung eine vollkommen neue Messvorrichtung und Messmethode für die Wechselwirkung von nuklearen Spins, z.B. von ¹³C-Kohlenstoffisotopen in ansonsten isotopenreinen Diamanten, mit ihrer Umgebung und der diese beeinflussenden physikalischen Parameter möglich. Beispielsweise können auch kleinste Verschiebungen der GSLAC-Resonanz durch die hier vorgeschlagene Vorrichtung erfasst werden. Handelt es sich beispielsweise bei dem Material des Referenzelements mit den Referenzzentren (NV2) um einen zumindest in der Umgebung der Referenzzentren (N2) isotopenreinen ¹²C-Diamanten und bei dem Material des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) um einen zumindest in der Umgebung der paramagnetischen Zentren (N2) in erster Näherung isotopenreinen ¹²C-Diamanten, der jedoch im Bereich der paramagnetischen Zentren (NV1) mit ¹³C-Kohlenstoffisotopen, beispielsweise durch gezielte fokussierte Ionenimplantation modifiziert ist, so ist im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) und on NV-Zentren als Referenzzentren (NV2) die GSLAC-Resonanz der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber der GSLAC-Resonanz der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) leicht verändert, was durch das beispielhaft vorgeschlagene System dieser 24 erfasst werden kann. Das beispielhaft vorgeschlagene System, der 24 erfasst hierzu die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) und die Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) und ermittelt einen Wert für den Unterschied zwischen der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) und der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) in Form des Sensorausgangssignals (out), der im Beispiel der 24 dem Sensorausgangssignal (out) entspricht, während das weitere Sensorausgangssignal (out') der 24 die Verzögerung des zeitlichen Verlaufs der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) repräsentiert, wobei es noch einen Amplitudenanteil umfasst, der ggf. noch herauskorrigiert werden muss..
25 25 zeigt die beispielhafte Sensorsystemstruktur der 24 mit je einer Halteschaltung in jedem Regelzweig. Auf die Ausführungen zu den anderen Figuren von Sensorsystemen mit Halteschaltungen (S&H) wird hier verwiesen.
26 26 zeigt beispielhafte Signale für die Sensorsysteme der 24 bis 25. Das Kompensationssendesignal (S7) hat nicht die volle Amplitude. Sollte die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) ein Viertel der Sendesignalperiode (T_p ) betragen so wäre es ein Konstantwert-Signal. Aus dem Sensorausgangssignal (out) und dem zusätzliche Sensorausgangssignal (out') lässt sich auf das Verhältnis der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) zur Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) schließen und auf das Verhältnis der Kompensationsfluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔKTFL) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) zur Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1). Die Signale sind zur Verdeutlichung vereinfacht und nur schematisch gezeichnet. Die Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) hängt typischerweise von der magnetischen Feldstärke und weiteren physikalischen Parametern ab, wie sie hier in dieser Schrift an anderer Stelle genannt wurden. Insbesondere hängt sie typischerweise auch von den Isotopen im Umfeld des oder der paramagnetischen Zentren bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ab. Somit wird durch die vorgeschlagene Vorrichtung eine vollkommen neue Messvorrichtung und Messmethode für die Wechselwirkung von nuklearen Spins, z.B. von ¹³C-Kohlenstoffisotopen in ansonsten isotopenreinen Diamanten, mit ihrer Umgebung und der diese beeinflussenden physikalischen Parameter möglich. Beispielsweise werden auch kleinste Verschiebungen der GSLAC-Resonanz möglich. Handelt es sich beispielsweise bei dem Material des Referenzelements mit den Referenzzentren (NV2) um einen zumindest in der Umgebung der Referenzzentren (N2) isotopenreinen ¹²C-Diamanten und bei dem Material des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) um einen zumindest in der Umgebung der paramagnetischen Zentren (N2) in erster Näherung isotopenreinen ¹²C-Diamanten, der jedoch im Bereich der paramagnetischen Zentren (NV1) mit ¹³C-Kohlenstoffisotopen, beispielsweise durch gezielte fokussierte Ionenimplantation modifiziert ist, so ist im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) und als Referenzzentren (NV2) die GSLAC-Resonanz der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber der GSLAC-Resonanz der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) verändert, was durch das beispielhaft vorgeschlagene System der 25 erfasst werden kann. Das beispielhaft vorgeschlagene System, der 25 erfasst hierzu die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) und die Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) und ermittelt einen Wert für den Unterschied zwischen der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) und der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) in Form des Sensorausgangssignals (out), der im Beispiel der 25 dem Sensorausgangssignal (out) entspricht, während das weitere Sensorausgangssignal (out') der 25 die Verzögerung des zeitlichen Verlaufs der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) repräsentiert, wobei es noch einen Amplitudenanteil umfasst, der ggf. noch herauskorrigiert werden muss..
27 Aus der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 ist in deren 2a eine Darstellung der Fluoreszenzintensität der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines einzelnen NV-Zentrums in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B bekannt. In der betreffenden Darstellung stimmen die erste Richtung der NV-Zentren-Achse und die zweite Richtung der magnetischen Flussdichte B überein. Demgegenüber zeigt 27 der hier vorgelegten Schrift die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B bei Verkippung der ersten Richtungen gegenüber der zweiten Richtung - d. h. der Achse des NV-Zentrums als erster Richtung gegenüber der Achse der magnetischen Flussdichte Bals zweiter Richtung gegeneinander. Bevorzugt umfasst das Sensorelement, um dies zu erreichen, beispielsweise eine Vielzahl zufällig ausgerichteter HD-NV-Diamanten mit jeweils einer hohen Dichte an NV-Zentren. Dies hat zur Folge, dass zum Ersten die Spikes der paramagnetischen Zentren (NV-P1, NV-VM und GSLAC) in der Kurve der Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte (B) verschwinden und die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom Betrag der magnetischen Flussdichte B oberhalb eines Offset-Betrags der Bias-Flussdichte (B₀ ) von ca. 5mT bis 10mT monoton fallend ist. Des Weiteren kann durch die hohe Dichte an NV-Zentren beispielsweise in HD-NV-Diamanten der Kontrast von 4,5% in der Publikation von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 auf bis zu 50% bei hoher Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), also intensiver Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlung (LB), und geeigneter Verteilung der NV-Zentren gesteigert werden. Hier sei auf 71 verwiesen, die ein beispielhaftes Substrat (D) für die Verwendung als Sensorelement oder in einem Sensorelement zeigt, Die Vorrichtung der 71 zeigt Mittel und Verfahren zur weiteren Steigerung des Kontrasts. Insbesondere sind die paramagnetischen Zentren (NV1) in der 71 in Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) angeordnet, die im Falle von NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt Bereiche von HD_NV-Diamant darstellen. Diese Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) stellen bevorzugt Bereiche mit einer sehr hohen Dichte von NV-Zentren und Bereiche, in denen die NV-Zentren bevorzugt miteinander koppeln, dar.
Durch eine Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung der 2a der Publikation A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“ Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit steigendem Betrag der magnetischen Flussdichte B führt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld in Form einer zusätzlichen magnetischen Flussdichte B angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Das Lumineszenzverhalten der 2a der Schrift A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 in Abhängigkeit vom Betrag der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei präziser Ausrichtung der Dimantkristalle beobachtet werden. Eine Verdrehung um Bruchteile eines Grades lässt die Resonanzen verschwinden. Insbesondere die in der 2a der Schrift A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
27 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine Vermessung des Betrags der magnetischen Flussdichte B bei beliebiger Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 27 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen dem Betrag der magnetischen Flussdichte B und der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Kompensationsspule (LC) kann der zu messenden magnetischen Flussdichte B eine magnetische Bias-Flussdichte (B₀ ) überlagert werden, wodurch die Änderung der Intensität (ifi) der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei Änderungen der von außen einwirkenden magnetischen Flussdichte B maximiert wird.
Durch eine Regelung mittels eines Reglers (RG) kann die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) betragsmäßig oberhalb einer magnetischen Mindestflussdichte (B_m ) und in der Nähe der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ) gehalten werden. Hierfür nutzt bevorzugt der Regler einen Messwert, z.B. den Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) und regelt in Abhängigkeit von diesem Wert (s4) des Filterausgangssignals (S4) als Ist-Wert den Spulenstrom einer Kompensationsspule (LC) beispielsweise mittels eines Arbeitspunktregelsignals (S9) langsam nach. Die Verwendung anderer, z.B. mechanischer und/oder mikromechanischer Stellglieder ist möglich. Ist das System eingeregelt, so repräsentiert der momentane Wert des Ausgangssignals des Reglers (RG), also beispielsweise der momentane Wert (s9) des Arbeitspunktregelsignals (S9), den momentanen Messwert der magnetischen Flussdichte (B).
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann, wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 2a der Schrift A. Wickenbrock et. AI. „Microwavefree magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond" Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 ergibt sich somit betragsmäßig oberhalb einer Mindestflussdichte (B_m ) die streng monoton fallende Kurve der 27 für die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), wobei die Kurve dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein robustes Sensorsystem kostengünstig zu produzieren.
28 28a zeigt wieder den sich ergebenden Verlauf der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Die 28a entspricht der 27. Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 28a erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Flussdichte B und der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Kompensationsspule (LC) kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann, wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“ Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 ergibt sich somit die streng monoton fallende Kurve der 28a, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Eine Differentiation der Kurve der 28a nach der magnetischen Flussdichte B ergibt die Kurve der 28b, die die Empfindlichkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B wiedergibt. Der optimale Arbeitspunkt mit einer optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ), bei der die Änderung der Intensität (I_fl ) in Abhängigkeit vom Wert der magnetischen Flussdichte B maximal wird, wird deutlich erkennbar.
Bevorzugt wird der eigentliche Arbeitspunkt eines Sensorsystems in Form eines konstanten magnetischen Bias-Flusses B₀ , der beispielsweise durch einen Permanentmagneten und/oder eine Kompensationsspule (LC) erzeugt wird und einer externen zu messen magnetischen Flussdichte B überlagert wird, oberhalb einer Mindestflussdichte (B_m ) gelegt, um sicherzustellen, dass die Regelung stets vorzeichenrichtig reagiert. Der Abstand zwischen dem gewählten Arbeitspunkt der magnetischen Bias-Flussdichte (B₀ ) und der Mindestflussdichte (B_m ) wird bevorzugt in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung so gewählt, dass ein Sprung des momentanen Systemzustands von dem Bereich rechts der Mindestflussdichte (B_m ) zu einem neuen Systemzustand links der Mindestflussdichte (B_m ) durch einen Sprung einer von außen zusätzlich überlagerten magnetischen Flussdichte B unwahrscheinlich ist.
Wie leicht in der 28 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Flussdichte B und der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in dem optimalen Arbeitspunktbereich um eine optimale magnetische Flussdichte (B_opt ) herum am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Kompensationsspule (LC) kann dem zu messenden magnetischen Fluss B ein Bias-Feld (B₀ ) überlagert werden, wodurch die Empfindlichkeit des Sensorsystems durch optimale Einstellung des Arbeitspunks maximiert wird. Bevorzugt ist der Wert der magnetischen Flussdichte B₀ des magnetischen Bias-Feldes gleich dem Wert der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ).
29 29 zeigt die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes eines Sensorsystems in Form eines konstanten magnetischen Bias-Flusses B₀ , der beispielsweise durch eine Kompensationsspule (LC) erzeugt wird und einer externen zu messen magnetischen Flussdichte B überlagert wird. Bevorzugt ist der Wert der magnetischen Flussdichte B₀ des magnetischen Bias-Feldes gleich dem Wert der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ). Ein Regler (RG) bestromt mittels eines Arbeitspunktregelsignals (S9) die Kompensationsspule (LC). Der Regler (RG) regelt das Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC) und damit die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) langsam auf Basis des Filterausgangssignals (S4) nach. Bevorzugt ist der Sollwert der magnetischen Flussdichte B gleich dem Wert der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ) bei dem die größte Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B auftritt. Dabei vergleicht der Regler (RG) bevorzugt den aktuellen Wert des Filterausgangssignals (S4) als Ist-Wert der Regelung mit einem in der 31 nicht eingezeichneten Regler internen oder Regler externen Referenzwert, der bevorzugt zur Einstellung der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ) oder eines nahe bei liegenden Werts der magnetischen Flussdichte B führt. Die Regelung durch den Regler (RG) erfolgt bevorzugt mit einer ersten Zeitkonstante τ₁ , während die Kompensationsregelung mittels des Schleifenfilters (TP) mit einer zweiten Zeitkonstante τ₂ erfolgt. D.h. ein erstes Sensorausgangssignal (out) gibt die kurzfristigen Änderungen eines magnetischen Flussdichtewechselfeldes wieder während ein zweites Sensorausgangssignal (out'') die langfristigen Änderungen bzw. den aktuellen quasistatischen Arbeitspunkt des Sensorsystems wiedergibt. Damit dies möglich ist, ist bevorzugt die erste Zeitkonstante τ₁ größer als die zweite Zeitkonstante τ₂ . Das heist, es gilt bevorzugt τ₁>τ₂. Der Regler ist bevorzugt ein PI-Regler. Die Verwendung anderer Regler ist aber möglich.
Die 29 entspricht im Wesentlichen der 7 bis auf die Nachregelung der Arbeitspunkteinstellung durch den Regler (RG).
Das zweite Sensorausgangssignal (out'') kann nun zur Erfassung eines wesentlich größeren Messbereichs genutzt werden. Die Vorrichtung entspricht dann beispielsweise einem Fluxgate. Wir weisen hier beispielhaft auf die US 8 952 680 B2 , deren technische Lehre in Kombination mit der hier vorgestellten technischen Lehre vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) reicht der Messbereich ohne diese Regelung typischerweise von ca. 10mT bis ca. 40mT und u.U. noch ein wenig über diesen Bereich hinaus. Durch die kompensatorische Gegenregelung wird dieser Messbereich massiv vergrößert. Dies ist insbesondere für Stromsensoren mit einem großen Strommessbereich insbesondere in Flug- und Schwimmkörpern, Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen oder in Energieerzeugungs- und Energieverteilungsanlagen sowie elektrischen Maschinen notwendig.
30 In analoger Weise zeigt 30 das System der 9 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR). Auf die Beschreibungen der 5, 8, 10, 14, 15, 18, 21, 22, 25 hinsichtlich der Funktionsweise der Halteschaltung (S&H) und des Trigger-Signals (STR) wird hingewiesen.
31 Die 31 entspricht weitestgehend der 10 mit dem Unterschied, dass nun der besagte Regler (RG) im Zusammenwirken mit einer Kompensationsspule (LC) den magnetischen Arbeitspunkt des Sensorsystems nachregelt. 31 zeigt dabei, wie 29 die Einstellung des optimalen magnetischen Arbeitspunktes eines Sensorsystems in Form eines konstanten magnetischen Bias-Flusses B₀ , der beispielsweise durch eine Kompensationsspule (LC) erzeugt wird und einer externen zu messen magnetischen Flussdichte B überlagert wird. Der besagte Regler (RG) bestromt mittels eines Arbeitspunktregelsignals (S9) die Kompensationsspule (LC). Der Regler (RG) regelt das Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC) und damit die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) langsam auf Basis des Filterausgangssignals (S4) nach. Dabei vergleicht der Regler (RG) bevorzugt den Aktuellen Wert des Filterausgangssignals (S4) als Ist-Wert der Regelung mit einem in der 31 nicht eingezeichneten Regler internen oder Regler externen Referenzwert, der bevorzugt der optimalen Flussdichte (B_opt ) entspricht. Die Regelung durch den Regler (RG) erfolgt bevorzugt wieder mit der ersten Zeitkonstante τ₁ , während die Kompensationsregelung mittels des Schleifenfilters (TP) mit der zweiten Zeitkonstante τ₂ erfolgt. D.h. ein erstes Sensorausgangssignal (out) gibt die kurzfristigen Änderungen eines magnetischen Flussdichtewechselfeldes wieder während ein zweites Sensorausgangssignal (out'') die langfristigen Änderungen bzw. den aktuellen quasistatischen Arbeitspunkt des Sensorsystems wiedergibt. Damit dies möglich ist, ist bevorzugt die erste Zeitkonstante τ₁ größer als die zweite Zeitkonstante τ₂ D.h. es gilt bevorzugt die Ungleichung τ₁>τ₂. Der Regler ist bevorzugt ein PI-Regler. Die Verwendung anderer Regler ist aber möglich.
Der Strom durch die Kompensationsspule (LC) verändert die magnetische Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements und damit die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) bei Bestrahlung mit der Pumpstrahlung (LB) mit Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Dies wird zur Rückkopplung genutzt.
Die 31 entspricht im Wesentlichen der 10 bis auf die Nachregelung der Arbeitspunkteinstellung.
Das zweite Sensorausgangssignal (out'') kann nun zur Erfassung eines wesentlich größeren Messbereichs genutzt werden. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) ohne diese Regelung reicht der Messbereich typischerweise von ca. 10mT bis ca. 40mT und u.U. noch ein wenig über diesen Bereich hinaus. Durch die kompensatorische Gegenregelung wird dieser Messbereich massiv vergrößert. Dies ist insbesondere für Stromsensoren mit einem großen Strommessbereich insbesondere in Flug- und Schwimmkörpern, Fahrzeugen und Elektrofahrzeugen oder in Energieerzeugungs- und Energieverteilungsanlagen sowie elektrischen Maschinen notwendig.
32 32 entspricht der beispielhaften Kombination aus 31 und 25. Im Gegensatz zu 25 weist das Sensorsystem der 32 nicht nur den Regler (RG) auf, der auf Basis des Filterausgangssignals (S4) als Ist-Wert ein Arbeitspunktregelsignal (S9) erzeugt, mit dem die Kompensationsspule (LC) bestromt wird, womit dann der Bias-Wert B₀ für den magnetischen Arbeitspunkt des Systems eingestellt wird.
Das Sensorsystem weist über die Komponenten der 31 hinaus noch ein weiteres Arbeitspunktregelsignal (S11) auf, dass eine weitere Kompensationsspule (LCK) bestromt. Bevorzugt ist die weitere Kompensationsspule (LCK) gleich zur Kompensationsspule (LC) gefertigt und in der gleichen Weise gegenüber den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) angeordnet wie die Kompensationsspule (LC) gegenüber den paramagnetischen Zentren (NV1) angeordnet ist. Bevorzugt wird die weitere Kompensationsspule (LCK) in der gleichen Weise durch das weitere Arbeitspunktregelsignal (S11) bestromt, wie die Kompensationsspule (LC) durch das Arbeitspunktregelsignal (S9) bestromt wird. Dadurch befinden sich vorzugsweise die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) im gleichen magnetischen Arbeitspunkt mit der gleichen magnetischen Bias-Flussdichte B₀ wie die paramagnetischen Zentren (NV1). Diese Erweiterung des Sensorsystems erweitert den Messbereich des Sensorsystems der 15.Mit Hilfe eines komplexeren Spulensystems, wie es in der beispielhaften 72 dieser Schrift gezeigt ist, kann die Richtung der magnetischen Flussdichte so eingestellt werden, dass Resonanzen paramagnetischer Zentren gemessen werden können. Deren Lage in Form von vorbestimmbaren magnetischen Flussdichten B an denen sie auftreten ist wohlbekannt. Hierdurch kann ein vorschlagsgemäßes Sensorsystem sich selbst kalibrieren, da es den Offset-Wert des permanent anliegenden Magnetfeldes präzise bestimmen kann. Beispielsweise kann hierdurch eine Rotation eines Magnetfeldes um wenige Nanorad exakt bestimmt werden. Hierfür dreht die Sensorvorrichtung mit Hilfe eines Spulensystems wie in 72 das auf das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. auf die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren einwirkende magnetisches Feld beispielsweise durch Änderung der Bestromung der Spulenpaare des Spulensystems der 72, bis eine solche Resonanz, beispielsweise die GSLAC-Resonanz bei NV-Zentren als paramagnetischen Zentren, auftritt. Sofern das Material eines Substrats (D) des Sensorelements isotopenrein ist, liegt diese Resonanz an einer ganz bestimmten Stelle der magnetischen Flussdichte. In der Regel bestehen beispielsweise Diamanten hauptsächlich aus ¹²C-Isotopen ohne Kernspin. Das ¹³C-Kohlenstoffisotop besitzt aber einen Kernspin, der zu einer Aufspaltung dieser Resonanz führt. Durch gezielte Kopplung solcher ¹³C-Kohlenstoffisotope als Kernzentren mit NV-Zentren als paramagnetischen Zentren können nun Gravitationsfelder und andere Parameter, die diese Kopplung beeinflussen, gemessen werden. Auch kann natürlich aus dem Anstand der Aufspaltung zwischen den Peaks auf physikalische Parameter, die diese Aufspaltung beeinflussen wie beispielsweise die magnetische Flussdichte B, geschlossen werden.
33 33 zeigt eine mögliche mechanische Anordnung der wichtigsten Vorrichtungsteile eines vorgeschlagenen Systems zueinander. Es umfasst eine integrierte Schaltung (IC), die beispielsweise den Empfänger (PD) und den Signalgenerator (G) und die Auswerteschaltung (V1, M1, TP) umfasst. Der Empfänger (PD) kann natürlich auch separat von der integrierten Schaltung (IC) gefertigt sein. Im Folgenden werden weitere Komponenten beschrieben, die auch Teil der integrierten Schaltung (IC) sein können. Insbesondere kann die integrierte Schaltung die oben beschriebenen Komponenten des Sensorsystems, soweit integrierbar, umfassen oder diese z.B. in Form eines Signalprozessors mit einem Signalprozessorprogramm emulieren. Oberhalb des Empfängers ist ein erster Filter (F1), der bevorzugt ein optischer Filter ist, angeordnet. Dieser erste Filter (F1) ist in dem Beispiel der 33 beispielhaft auf die Oberfläche der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) mittels eines Befestigungsmittels (Ge) z. B. mittels eines transparenten Klebers aufgeklebt. Hier haben sich UHU und Gelatine als Befestigungsmittel (Ge) bewährt. Die Klebung mittels des Befestigungsmittels (Ge) ist dabei bevorzugt transparent für die Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements, das auf der dem Strahlungsempfänger (PD) abgewandten Seite des ersten Filters (F1) mittels eines Befestigungsmittels (Ge) z.B. mittels Klebung montiert ist. Auch hier haben sich UHU und Gelatine als Befestigungsmittel (Ge) bewährt. Die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) ist bevorzugt ein vereinzelter Kristall, auch Chip oder Die genannt. Bevorzugt ist die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) eine CMOS-Schaltung, eine bipolare Schaltung oder eine BiCMOS-Schaltung. Das Material der mikroelektronischen Schaltung (IC) ist bevorzugt Silizium. Wird ein III/V Material als Trägermaterial der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) verwendet, so ist ein Co-Integration einer lichtemittierenden Struktur - z.B. einer LED oder z.B. eines Lasers- als Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit der mikroelektronischen Schaltung (IC) und mit dem Strahlungsempfänger (PD) denkbar. An dieser Stelle wird auf die anhängige, zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser internationalen Anmeldung noch nicht veröffentlichte internationale Anmeldung PCT / DE 2020 / 100 430 hingewiesen, deren technische Lehre in Kombination mit der hier vorgestellten technischen Lehre vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist. Statt der vertikalen Anordnung ist dann eine laterale Anordnung sinnvoll. In dem Fall der 2 gehen wir zur Vereinfachung davon aus, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht Co-integriert ist, sondern separat aufgebaut wird. In dem Beispiel der 33 ist das Sensorelement mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mittels eines Befestigungsmittels (Ge) mit dem ersten Filter (F1) mechanisch verbunden. Bevorzugt handelt es sich um verfestigte Gelatine oder Uhu-Kleber (siehe auch Datenblatt 63646 - UHU ALLESKLEBER Faltschachtel 35 g DE - 45015). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1), die bevorzugt eine LED oder ein Laser ist, bestrahlt das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit Pumpstrahlung (LB). Diese Pumpstrahlung (LB) regt das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das Befestigungsmaterial (Ge) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1), also der LED oder des Lasers, und im Wesentlichen transparent für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) - z.B. 637nm bei NV-Zentren -. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen nicht transparent für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1), also der LED oder des Lasers. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass gewisse geringe Abweichungen von der betreffenden Aussage zulässig sind, die sich auf die Funktion des Sensorsystems nicht so auswirken, dass eine spezifikationsgemäße Funktion verletzt wird, also nicht funktioniert. Letztlich bildet der Strahlungsempfänger (PD) zusammen mit dem ersten Filter (F1) einen Strahlungsempfänger, der im Wesentlichen nur für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich ist und im Wesentlichen nicht für die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) empfindlich ist. Die integrierte Schaltung (IC) erzeugt nun mittels des von ihr erzeugten und modulierten Sendesignals (S5) bevorzugt eine der Modulation des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) entsprechende Modulation der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Diese mit dem Sendesignal (S5) modulierte Pumpstrahlung (LB) trifft das paramagnetische Zentrums (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. In Abhängigkeit vom magnetischen Fluss B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder ggf. in Abhängigkeit anderer physikalischer Parameter, die die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beeinflussen, emittieren diese dann eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) deren Modulation von der Modulation der eintreffenden Pumpstrahlung (LB) und damit von der Modulation des Sendesignals (S5) abhängt.
Diese Modulation der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) hat somit eine damit korrelierte Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) zur Folge. Daher wird das Empfängerausgangssignal (S0) des Strahlungsempfängers (PD) der integrierten Schaltung (IC), der von der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) getroffen wird, ebenfalls moduliert. Da die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom Wert des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder von den Werten anderer physikalischer Größen wie beispielsweise Druck und Temperatur abhängt, hängt die Modulation des Empfängerausgangssignals (S0) ebenfalls vom magnetischen Fluss B am Ort des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder den besagten anderen physikalischen Größen, beispielsweise dem magnetischen Fluss B ab.
Die integrierte Schaltung (IC) kann nun diese Modulation des Empfängerausgangssignals (S0) auswerten und in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Auswertung Aktoren betätigen oder deren Tätigkeit verändern. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung (IC) eine erste Spule (L1) zur Verwendung als Kompensationsspule (LC) aufweisen und diese erste Spule (L1) in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Auswertung anders bestromen. Hier sei auf die 29 bis 32 und deren zugehörige Beschreibung verwiesen. Bei geeigneter Positionierung des Sensorelements mit dem paramagnetischen Zentrums (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) relativ zu der ersten Spule (L1) kann die integrierte Schaltung (IC1) auf diese Weise so eine Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) z.B. mittels eines Reglers (RG) als Teil der integrierten Schaltung (IC) bewirken. Somit kann die integrierte Schaltung (IC) eine Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) als Modulationsänderung des Empfängerausgangssignals (S0) erfassen und über einen Regler (RG) innerhalb der integrierten Schaltung (IC) durch Änderung der Bestromung der ersten Spule (L1) in ihrer Funktion als Kompensationsspule (LC) kompensieren. Bevorzugt ist die besagte erste Spule (L1) ebenfalls Teil der integrierten Schaltung (IC). Sie kann dann beispielsweise als ein- oder mehrlagige Spule und/oder als Flachspule gefertigt werden. Die erste Spule (L1) kann aber auch getrennt gefertigt werden.
34 34 zeigt ein sogenanntes Open-Cavity-Gehäuse in der Aufsicht. Das Gehäuse umfasst einen Gehäuseboden (BO). Dieser Gehäuseboden (BO) ist von einer umlaufenden Wandung (WA) umfasst, so dass der Gehäuseboden (BO) zusammen mit dieser Wandung (WA) eine nach oben offene Kavität (CAV) mit einer nach oben offenen Montageöffnung (MO) bildet. In die Kavität (CAV) können im Folgenden Bauteile montiert werden. Die 34 ist ganz grob vereinfacht, sodass der wesentliche Gedanke des hier offengelegten Vorschlags transparent wird. In dem Beispiel der 34 sind vier beispielhafte Kontakte (LF1, LF5, LF6, LF4) vorgesehen. Die Anzahl der Kontakte und deren Form können variieren. Bevorzugt entspricht die finale äußere Form des fertig montierten und verschlossenen Gehäuses (46) nach Aufsetzen des Deckels (DE) von außen betrachtet einem Standardgehäuse, wie beispielsweise einem QFN-Gehäuse, sodass vollautomatische Bestückungsmaschinen für die Montage des finalen, verschlossenen Gehäuses auf Leiterplatten benutzt werden können. Die Verwendung eines Open-Cavity-Gehäuses zur Herstellung eines quantenoptischen Bauelements ist neu. Bevorzugt sind der Gehäuseboden (BO) und die Wandung (WA) des Open-Cavity-Gehäuses und ebenso der später aufgesetzte Deckel (DE) aus Duroplast gefertigt, sodass das Gehäuse mit den darin enthaltenen Bauteilen beispielsweise in einem üblichen Lötprozess für Halbleiterkomponenten verwendet und auf einer gedruckten Schaltung (englisch PCB) befestigt werden kann. In den Gehäuseboden (BO) sind bevorzugt Montageflächen (LF2, LF3) eingearbeitet. Diese bestehen bevorzugt oberflächlich aus Metall. Dieses Metall ist bevorzugt beschichtet um eine besser Haftung der Bond-Drähte zu gewährleisten. Im Folgenden werden diese Montageflächen als Lead-Frame-Fläche bezeichnet.
In dem Beispiel der 34 sind eine dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) und eine zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) in den Gehäuseboden (BO) eingearbeitet. Ihre Oberflächen liegen aber bevorzugt innerhalb der Kavität (CAV) des Open-Cavity-Gehäuses frei. In dem Beispiel der 34 sind die Kontakte des Gehäuses als solche Leadframe-Flächen (LF1, LF5, LF4, LF6) gearbeitet, die die umlaufende Wandung (WA) durchdringen und so einen elektrischen Kontakt durch die Wandung (WA) hindurch ermöglichen. In dem Beispiel der 34 durchstößt eine erste Lead-Frame-Fläche (LF1) die umlaufende Wandung (WA). In dem Beispiel der 34 durchstößt eine vierte Lead-Frame-Fläche (LF4) die umlaufende Wandung (WA). In dem Beispiel der 34 durchstößt eine fünfte Lead-Frame-Fläche (LF5) die umlaufende Wandung (WA). In dem Beispiel der 34 durchstößt eine sechste Lead-Frame-Fläche (LF6) die umlaufende Wandung (WA).
Besonders bevorzugt weist das vorgeschlagene Gehäuse mindestens drei Anschlüsse, besser genau drei Anschlüsse auf: Eine positive Versorgungsspannungsleitung (Vdd), eine Bezugspotenzialleitung (GND), im Folgenden Masse genannt, und eine Ein- Ausgabeleitung als Sensorausgangssignal (out). Eine Beschränkung auf diese drei Anschlüsse ist besonders kostengünstig. Die integrierte Schaltung (IC) wird durch die Versorgungsspannungsleitung (Vdd) und die Bezugspotenzialleitung (GND) mit elektrischer Energie versorgt. Das Sensorausgangssignal (out) kann digital und/oder analog sein. Im Beispiel der Sensorsysteme der vorausgegangenen Figuren ist der Ausgang (out) typischerweise analog. Die Sensorsysteme der vorausgegangenen Figuren können aber sinngemäß durch Einfügung von Analog-zu-Digital-Wandlern und Digital-zu-Analog-Wandlern auch digital realisiert werden. Bevorzugt weist ein Sensorsystem auch eine Rechnereinheit, beispielsweise einen Signalprozessor, auf, die das Sensorsystem Steuert und die Kommunikation mit der Außenwelt herstellt. Eine solche Rechnereinheit umfasst bevorzugt auch eine Datenschnittstelle als Sensorausgangssignal (out). Bevorzugt ist der Ein-/Ausgang des Gehäuses dann ein bidirektionaler Eindrahtdatenbus der Datenbusschnittstelle des Rechnersystems des Sensorsystems. Besonders geeignet sind bekannte automobile Datenbusse wie beispielsweise der CAN-Bus, LIN-Datenbus, der DSI3-Datenbus oder der PSI5-Datenbus. Andere Datenbusse im Sinne dieser Schrift können beispielsweise ein Ethernet-Datenbus, ein SPI-Datenbus, Sensordatenbusse gem. IEEE P1451, Feldbusse z.B. gemäß IEC 61158 oder IEC 61784 oder der KNX-Datenbus für Smart-Home-Anwendungen oder eine PWM-Signalisierung oder eine andere pulsmodulierte Signalisierung oder auch Funkschnittstellen wie beispielsweise ZigBee, Bluetooth, WLAN, Mobilfunkschnittstellen wie GSM, UMTS etc. sein, um einige Beispiele zu nennen. Beispielsweise im Falle des LIN-Datenbusses und/oder des DSI-3 Datenbusses kann ein vierter Anschluss als Fortsetzung des Datenbusses vorgesehen werden. Bevorzugt weist also das Rechnersystem des Sensorsystems eine erste Datenbusschnittstelle auf, die mit einem ersten Anschluss des Gehäuses (z.B. LF5) verbunden ist und eine zweite Datenbusschnittstelle, die mit einem zweiten Anschluss des Gehäuses (z.B. LF6) verbunden ist, der dem ersten Anschluss (z.B. LF5) gegenüber angeordnet ist. Die Versorgungsspannung ist dann bevorzugt mit einem dritten Anschluss des Gehäuses (z.B. LF1) verbunden. Das Bezugspotenzial (GND) ist dann bevorzugt mit einem vierten Anschluss des Gehäuses (z.B. LF4) verbunden. In dem Fall ist es möglich, mittels eines Autoadressierungsverfahrens aus dem Stand der Technik die Position des Gehäuses mit dem Sensorsystem im Datenbus festzustellen und so eine Software-Adresse zu bestimmen, die eine Adressierung jedes verbauten Sensorsystems mit einer individuellen, durch die physikalische Position vorbestimmbaren Sensoradresse erlaubt. Als Schriften für solche Autoadressierungsverfahren und Datenbusarchitekturen seinen hier beispielhaft die folgenden Schriften genannt: EP 1490 772 B1 , DE 10 2017 122 365 B3 , deren technische Lehre in Kombination mit der hier vorgestellten technischen Lehre vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist.
Dies ist insbesondere für biometrische und/oder medizinische Anwendungen mit sehr vielen Sensoren sehr wünschenswert, da hierdurch die Kosten gesenkt werden.
35 35 zeigt das beispielhafte Gehäuse der 34 im Querschnitt. Die Kavität (CAV) und die Montageöffnung (MO) sind markiert.
36 bis 46 Die 36 bis 46 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für ein vorgeschlagenes Sensorsystem in einem vorgeschlagenen Gehäuse. Die Beschreibung erfolgt stark vereinfacht, um die Zeichnungen übersichtlich zu halten und das Grundprinzip in einer nacharbeitsfähigen Weise darzustellen. Die Zeichnungen offenbaren daher nicht das volle Funktionsprinzip des Sensorsystems wie die vorausgegangenen Figuren, sondern nur die Methodik des Aufbaus eines solchen Sensorsystems in einem geeigneten Gehäuse und dieses Gehäuse. Der Aufbau eines konkreten Sensorsystems ergibt sich somit nur aus der gemeinsamen Betrachtung der 36 bis 46 mit der Beschreibung und den vorausgegangenen und ggf. nachfolgenden Figuren nebst Beschreibung.
36 In 36 wird zunächst beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) ein dritter Kleber (GL3) aufgetragen. Mit Hilfe eines Dispensers wird auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) ein zweiter Kleber (GL2) aufgetragen.
37 In 37 wird in den dritten Kleber (GL3) auf der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) die Pumpstrahlungsquelle (PL1), beispielsweise eine grüne LED (PL1) gesetzt und damit an der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) befestigt. Als Pumpstrahlungsquelle (PL1) wurden bereits eine LED vom Typ VLDTG1232R (Öffnungswinkel +/-9°; 525nm Wellenlänge) und eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B erfolgreich genutzt.
Bevorzugt ist der dritte Kleber (GL3) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische und thermische Verbindung zwischen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3).
38 In 38 wird eine integrierte Schaltung (IC) in den zweiten Kleber (GL2) gesetzt und damit an der zweiten Lead-Frame-Fläche (LF2) befestigt. Bevorzugt ist der zweite Kleber (GL2) elektrisch leitfähig.
In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der Rückseite der integrierten Schaltung (IC) und der weiten Lead-Frame-Fläche (LF2). Die integrierte Schaltung (IC) umfasst in dem Beispiel den Strahlungsempfänger (PD) und die erste Spule (L1) als Kompensationsspule (LC), die in dem Beispiel der 38 den Strahlungsempfänger (PD) umgibt. An dieser Stelle wird auf die anhängige, zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser internationalen Anmeldung noch nicht veröffentlichte internationale Anmeldung PCT / DE 2020 / 100 430 hingewiesen, deren technische Lehre in Kombination mit der hier vorgestellten technischen Lehre vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das in dem Rechtssystem des betreffenden Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt zulässig ist.
39 Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) zu Zeiten, in denen die Pumpstrahlung (LB) abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 39 wird ein erster Kleber (GL1) auf die Oberfläche der integrierten Schaltung (IC) im Bereich des Strahlungsempfängers (PD) aufgetragen. Der erste Kleber (GL1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Statt eines ersten Klebers (GL1) können natürlich auch andere funktionsäquivalente Befestigungsmethoden für den im Folgenden in 40 beschriebenen ersten Filter (F1) verwendet werden.
40 Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) zu Zeiten, in denen die Pumpstrahlung (LB) abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. Der erste Filter (F1) ist somit für eine optische quantentechnologische Vorrichtung, nämlich das besagte Sensorsystem vorgesehen, wobei die quantentechnologische Vorrichtung ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) und/oder ein oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) umfasst und wobei in dem Sensorsystem elektromagnetische Strahlung auftritt oder benutzt wird und wobei der erste Filter (F1) dazu bestimmt ist, vorbestimmte Anteile dieser Strahlung passieren zu lassen und andere Teile der elektromagnetischen Strahlung nicht passieren zu lassen und wobei der Filter aus Metallisierungsstücken des Metallisierungsstapels einer integrierten mikroelektronischen Schaltung aufgebaut ist. Hier wird beispielhaft auf die Schriften US 9 958 320 B2 , US 2006 0 044 429 A1 , US 2010 0 176 280 A1 , WO 2009 106 316 A2 , US 2008 0 170 143 A1 und EP 2 521 179 B1 wird in diesem Zusammenhang als Beispiele mikrointegrierter wellenoptischer Filter und Funktionselemente hingewiesen. Die technische Lehre dieser Schriften in Kombination mit der technischen Lehre dieser internationalen Anmeldung ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung, soweit bei der späteren Nationalisierung dieser Anmeldung das jeweilige nationale Recht des Staates, in dem die Nationalisierung erfolgt, dies zulässt. Auf die Bücher B. Kress, P. Meyrueis, „Digital Diffractive Optics" J. Wiley & Sons, London, 2000 und B. Kress, P. Meyrueis, „Applied Digital Diffractive Optics", J. Wiley & Sons, London, 2009 wird hingewiesen. Grundprinzip eines metalloptischen Filters in einem mikrointegrierten optischen System ist die Fertigung von mehr oder weniger regelmäßigen Strukturen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit in der Größenordnung der jeweiligen Wellenlänge oder kleiner, so dass sich durch konstruktive und destruktive Interferenzen die beabsichtigten Effekte ergeben.
In 40 wird in den ersten Kleber (GL1) der erste Filter (F1) gesetzt. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen nicht transparent für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Der erste Filter (F1) und der erste Kleber (GL1) können entfallen, wenn der Strahlungsempfänger (PD) von vornherein so ausgeführt wird, dass er für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht empfindlich ist. Insofern kann die gemeinsame Funktionalität aus Strahlungsempfänger (PD), erstem Kleber (GL1) und erstem Filter (F1) auch als ein Strahlungsempfänger (PD) betrachtet werden, der für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht empfindlich ist.
41 In 41 wird das Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) auf dem ersten Filter (F1) platziert. Dieser Schritt kann auch mit dem folgenden Schritt der 42 zusammen erfolgen. Das Sensorelement umfasst die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt umfasst das Sensorelement einen oder mehrere Kristalle mit paramagnetischen Zentren (NV1). Bevorzugt handelt es sich um einen oder mehrere Diamantkristalle mit einem oder mehreren NV-Zentren. Bevorzugt sind ein oder mehrere Diamanten mit einer hohen Dichte an NV-Zentren.
42 In 42 wird das Befestigungsmittel (Ge) zur Befestigung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) eingebracht. Bevorzugt handelt es sich Gelatine. UHU hat sich ebenfalls bewährt. Bevorzugt wird die Gelatine mit den Sensorelementen vermischt und wird zusammen mittels eines Dispensers zusammenaufgebracht. In der hier vorgelegten Offenlegung wird hierbei ausdrücklich Bezug auf die DE 10 2019 114 032.3 und der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift noch unveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT / DE 2020 / 100 430 genommen, deren Offenbarungsgehalt in Kombination mit dem Offenbarungsgehalt dieser Schrift vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung ist, soweit das Rechtssystem des Landes, in dem die Nationalisierung der hier vorgelegten, internationalen Anmeldeschrift erfolgt, dies erlaubt.
43 In 43 werden weitere elektrische Verbindungen durch Bonddrähte hergestellt. Hier stellen der erste Bonddraht (BD1), der zweite Bonddraht (BD2), der dritte Bonddraht (BD3) nur Beispiele dar. In der Realität ist die Anzahl der Bonddrähte signifikant höher. Die hier gezeichneten Bonddrähte dienen nur der Verdeutlichung.
44 In 44 wird ein vierter Kleber (GL4) auf den Oberkanten der Wandungen (WA) aufgetragen. Statt eines vierten Klebers (GL4) kann auch ein äquivalentes Verbindungsmittel bzw. Verbindungsverfahren eingesetzt werden. Sind die Wandungen (WA) beispielsweise aus einem bevorzugt optisch nicht transparentem Glas oder Keramik oder Metall, so ist beispielsweise die Verwendung eines Glas-Lots denkbar.
45 In 45 wird der mit einem reflektierenden Material (RE) (beispielsweise einem Anstrich mit Titanoxid oder einem Spiegelmaterial) als Reflektor (RE) versehene Deckel (DL) auf die Oberkannte der Wandung (WA) aufgesetzt. Der Reflektor (RE) ist ein beispielhaftes optisches Funktionselement für die mögliche optische Kopplung der Pumpstrahlungsquelle (PL1), der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK), des Strahlungsempfängers (PD), des Sensorelements mit dem oder den paramagnetischen Zentren bzw. mit der Gruppe (NC) oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und ggf. den später erläuterten Referenzelement mit dem oder den Referenzzentren (NV2) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC2) der Referenzzentren (NV2), wobei je nach Konstruktion ggf. nur ein Teil dieser Kopplungsmöglichkeiten genutzt wird. Bevorzugt geschieht dieses Aufsetzen des Deckels (DE) in einer kontrollierten Atmosphäre, beispielsweise in einem Schutzgas oder Edelgas und/oder in einem Vakuum und/oder in einer Atmosphäre mit reduziertem Druck. Dies vermeidet im späteren Betrieb die Bildung von Kondenswasser auf den optischen Funktionselementen bei Kälte.
46 Nach dem Aufsetzen und Verkleben oder Verschweißen oder Verlöten des Deckels (DE) kann der Reflektor (RE) die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) als reflektierte Pumpstrahlung (LB) in das Sensorelement einstrahlen. Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe der Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) wird von dem Strahlungsempfänger (PD), der hier beispielhaft Teil der integrierten Schaltung (IC) ist, empfangen und verarbeitet. Der Reflektor (RE) dient also als optisches Funktionselement des Gehäuses, dass das die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit der Pumpstrahlungsquelle (PL1) optisch koppelt.
47 47 entspricht weitestgehend der 46 mit dem Unterschied, dass das Sensorelement mit dem Substrat (D) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. mit der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) nicht auf dem Strahlungsempfänger (PD), sondern auf der Pumpstrahlungsquelle (PL1) direkt befestigt wird. Dies hat den Vorteil der Steigerung des Kontrasts (KT). Der erste Filter (F1) wird bevorzugt unmittelbar auf dem Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aufgesetzt und befestigt. Bevorzugt wird für die Befestigung des Sensorelements, das ein Substrat (D)mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) umfasst, und des ersten Filters (F1) wieder ein Befestigungsmittel (GE), beispielsweise Gelatine oder Uhu, verwendet. Hierdurch entsteht ein lichtemittierendes Bauelement, bestehend aus der Pumpstrahlungsquelle (PL1), die die Pumpstrahlung (LB) direkt in ein Substrat (D) des Sensorelements mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. mit der oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) hineinstrahlt, und dem Sensorelement mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), die bevorzugt zumindest lokal innerhalb des Sensorelements eine hohe Dichte aufweisen, und dem ersten Filter, der bevorzugt für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht transparent ist und der bevorzugt für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - transparent ist. Da die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements von der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren abhängt, ergibt sich somit ein lichtemittierendes elektronisches Bauelement, bei dem die Intensität (I_fl ) der abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B abhängt, die das lichtemittierende Bauteil (F1, NV1, PL1) durchflutet, oder von anderen Parametern, wie der elektrischen Feldstärke E oder der Temperatur oder der Beschleunigung oder der Rotationsgeschwindigkeit ω oder der Gravitationsbeschleunigung g abhängt. Wir verweisen auf die Schriften G. Balasubramanian, I. Y. Chan, R. Kolesov, M. Al-Hmoud, J. Tisler, C. Shin, C. Kim, A. Wojcik, P.R. Hemmer, A. Krueger, T. Hanke, A.Leitenstorfer, R. Bratschitsch, F. Jeletzko, J. Wrachtrup, „nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions", Natur 455, 648 (2008) bezüglich der Magnetfeldmessung mit NV-Zentren und G. Kucsko, P.C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P.K. Lo, H. Park, M.D. Lukin, „Nanometre-scale thermometry in a living cell", Nature 500, 54-58 (2013) bezüglich der Thermometrie mit NV-Zentren und F. Dole, H. Fedder, M. W. Doherty, T. Nöbauer, F. Rempp, G. Balasubramanian, T. Wolf, F. Reinhard, L.C.L. Hollenberg, F. Jeletzko, J. Wrachtup, „Electric-field sensing using single diamond spins", Nat. Phs. 7, 459-463 (2011)bezüglich der Messung elektrischer Felder mit NV-Zentren und A. Albrecht, A. Retzker, M. Plenio, „Nanodiamond interferometry meets quantum gravity" arXiv:1403.6038v1 [quant-ph] 24 Mar 2014 bezüglich der Messung gravitativer Felder mit NV-Zentren.
Bevorzugt wird bei Bedarf ein Austritt der Pumpstrahlung (LB) über strahlungsundurchlässige Barrieren (BA2) an den Seiten des Sensorelements verhindert. Diese können beispielsweise mittels eines Dispensers als lichtundurchlässiger Kleber oder dergleichen aufgebracht werden.
48 Eine weitere alternative Platzierungsmöglichkeit für das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) ist beispielsweise die Innenseite des Gehäusedeckels (DE).
49 49 zeigt den Test eines vorgeschlagenen Sensorsystems. Der Test wird bevorzugt vor dem verschließen der Montageöffnung (MO) des Gehäuses mit dem Gehäusedeckel (DE) durchgeführt. Bevorzugt wird die integrierte Schaltung (IC) durch Kontaktieren des Gehäuses und Anlegen geeigneter Pattern, das sind zeitliche Signalmuster zu Ansteuerung der Kontakte des Sensorsystems, z.B. mittels eines elektrischen Testsystems in Betrieb gesetzt. Eine erste Test-Strahlungsquelle (LED1), die bevorzugt eine LED oder ein Laser ist, emittiert Test-Pumpstrahlung (TLB) mit einer Test-Pumpstrahlungswellenlänge (λ_tpmp) die typischerweise gleich der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist, und bestrahlt mit dieser die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Diese Bestrahlung mit Test-Pumpstrahlung (TLB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) regt das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder die Gruppe bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge(λ_fl )- z.B. mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) von λ_fl =637nm bei NV-Zentren an. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) kann durch einen ersten Testempfänger (TD1), der mit einem Testfilter (TF1) versehen ist, der für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_tfl) der Fluoreszenzstrahlung (FL) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - transparent ist und der bevorzugt für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und der Test-Pumpstrahlung (TLB) nicht transparent ist, empfangen werden. Die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mit Hilfe des Testempfängers (TD1) erfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das Sensorsystem fehlerhaft.
In einem anderen Testschritt wird die Pumpstrahlungsquelle (PL1) des Sensorsystems durch die integrierte Schaltung (IC) aufgrund eines Befehls der externen Testvorrichtung an die integrierte Schaltung (IC) zur Abgabe von Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) veranlasst. Diese emittierte Pumpstrahlung (LB) fällt teilweise auf die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Ggf. wird hierfür ein externer Spiegel (EMI), der bevorzugt Teil der Testvorrichtung ist, vorgesehen. Damit werden die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Abgabe der Fluoreszenzstrahlung (FL) angeregt. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) kann durch den ersten Testempfänger (TD1), der mit dem besagten Testfilter (TF1) versehen ist, detektiert werden. Die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mit Hilfe dieses Testempfängers (TD1) wieder erfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem zweiten Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das System fehlerhaft.
Die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) kann durch einen zweiten Testempfänger (TD2) detektiert werden. Die Pumpstrahlung (LB) wird mit Hilfe dieses Testempfängers (TD2) erfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem dritten Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das getestete Sensorsystem fehlerhaft. Ist das System nicht fehlerhaft, so kann die Montageöffnung des Gehäuses verschlossen werden. Ist das getestete Sensorsystem fehlerhaft, so wird es verworfen oder einer Nacharbeit zugeführt.
50 50 zeigt einen grundsätzlichen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Sensorsystems. Der vorgeschlagene Herstellungsprozess umfasst die folgenden Schritte, wobei die Reihenfolge der Schritte leicht variieren kann, zusätzliche Schritte können ausgeführt werden und Schritte können zusammengefasst werden. Ein erster Schritt ist das Bereitstellen (1) eines sogenannten pre-molded Open-Cavity-Gehäuses mit Anschlüssen. Das bedeutet, dass es sich bevorzugt um ein vorgeformtes Gehäuse handelt, das eine Kavität (CAV) mit einer Montageöffnung (MO) aufweist, in die die Komponenten montiert werden. Das Gehäuse ist in den 34 in der Aufsicht und 35 im Schnittbild von der Seite dargestellt. Als zweiter Schritt erfolgt das Einbringen (2) einer Pumpstrahlungsquelle (PL1). Als dritter Schritt erfolgt das Einbringen (3) einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Strahlungsempfänger (PD1), der vorzugsweise bereits wellenlängensensitiv ist. D.h. bevorzugt ist er für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) des Materials des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich und für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1), mit der das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Emission der Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst wird, im Wesentlichen nicht empfindlich. Es folgt der Schritt des elektrischen Verbindens (4) der integrierten Schaltung (IC) und der Anschlüsse (LF1, LF2, LF4, LF5, LF6) und der Pumpstrahlungsquelle (PL1) für die Pumpstrahlung (LB). Ggf. werden weitere Bauteile im Gehäuse platziert und angeschlossen. Es erfolgt das Einbringen (5) eines Sensorelements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und das Befestigen (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge). Diese beiden letztgenannten Schritte können auch gemeinsam erfolgen. Als weiterer Schritt erfolgt das Herstellen (7) eines Mittels zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder der Fluoreszenzstrahlung (FL). Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Reflektor (RE). Bei dem Reflektor (RE) kann es sich auch ganz einfach um die unbehandelte Seite des Deckels (DE) handeln, der in Richtung auf die Kavität (CAV) weist. Diese Deckelseite des Deckels (DE) kann beschichtet sein, mit einem optischen Funktionselement versehen sein, mikrostrukturiert sein und mit einer Wölbung, die moduliert sein kann, versehen sein, um beispielsweise die Pumpstrahlungsquelle (PL1) optisch mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im vorzugsweise diamagnetischen Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements optisch zu koppeln und/ oder beispielsweise das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im vorzugsweise diamagnetischen Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements mit dem Strahlungsempfänger (PD) optisch zu koppeln. Das Verschließen (8) der Montageöffnung (MO) des Gehäuses mit dem besagten Deckel (DE) schließt das Verfahren in seiner Grundform ab. In der 50a ist der Ablauf grundsätzlich dargestellt, während in der 50b die Schritte fünf und 6 gemeinsam ausgeführt werden. Abwandlungen dieser Prozessabfolge, um z.B. einen separaten Strahlungsempfänger (PD) und/oder eine Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) zu montieren und anzuschließen sind möglich.
51 In der 51a ist der Ablauf der 50a noch einmal dargestellt. Zwischen dem Schritt des Befestigens (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und dem Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL) ist ein Schritt zum Test der Systemfunktion (9) eingefügt, in dem ein Messwert ermittelt wird. Dieser Messwert wird in einem weiteren Schritt (10) mit einem Schwellwert verglichen. Ist der Vergleich positiv (p), so folgt der bekannte Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL). Ist der Vergleich negativ (n) so folgt ein Verwurf (11) oder eine Nacharbeit des Systems.
In der 51b ist der Ablauf der 50a noch einmal dargestellt. Zwischen dem Schritt des Befestigens (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und dem Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Pumpstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL) ist ein Schritt (12) zum Aufbringen des ersten Klebers (GL1) auf die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) und ein Schritt (13) zum Aufsetzen des ersten Filters (F1) in den ersten Kleber (GL1) vorgesehen. Diese Schritte sind notwendig, wenn der Empfänger nicht im Wesentlichen selektiv für Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums des Materials des Sensorelements gegenüber Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist.
Weitere Schritte sind möglich. Die Schritte können auch miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist. Die Reihenfolge kann ggf. abweichen, wenn sinnvoll. Es ist auch möglich, mehr als einen Testschritt (10) durchzuführen.
Ein Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) prüfen.
Ein Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Veranlassung der Pumpstrahlungsquelle (LED1) zur Abgabe von Pumpstrahlung (LB) prüfen, wobei dann vorzugsweise auch die durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) abgegebene Pumpstrahlung (LB) geprüft werden kann.
In Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) in Abhängigkeit von einem extern erzeugten magnetischen Fluss B geprüft werden. Dies ist insbesondere zu Kalibrationszwecken sinnvoll. Die dann ggf. ermittelten Kalibrationsdaten können in einem Speicher der mikroelektronischen Schaltung (IC) hinterlegt werden. Ein solcher Test und eine solche Kalbration sind selbstverständlich nach dem Aufsetzen des Deckels (DE) auf das Gehäuse besonders sinnvoll.
52 52 zeigt ein Sensorsystem entsprechend 46 ohne den ersten Filter (F1) und ohne den ersten Kleber (GL1) beispielsweise zum Betrieb mit einem System nach den 20 bis 21 oder 25.
Bei dem System der 52 handelt es sich somit um ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologisches System ist, umfasst und wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologische System eine Strahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) umfasst. Die von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) zu ersten Zeiten (T1) emittierte Pumpstrahlung (LB) veranlasst das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Diese ist phasenverschoben um eine Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) gegenüber der Pumpstrahlung (LB). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst daher Mittel (PD1, A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), beispielsweise die der 12, die zu zweiten Zeiten (T2), die von den ersten Zeiten (T1) verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) erfassen, um auf die Phasenverschiebung in Form des Werts der Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) zu schließen und einen Wert in Form eines Sensorausgangssignals (out) bereitzustellen, der diesem Wert entspricht oder von ihm abhängt. Beispielsweise kann die Pumpstrahlung (LB) durch ein PWM-Signal als Sendesignal (S5) mit einem beispielshaften Duty-Cycle von 50% moduliert sein. Das orthogonale Referenzsignal (S5') ist dann beispielsweise ebenfalls bevorzugt ein PWM-Signal mit 50% Duty-Cycle, das bevorzugt um 90° gegenüber dem Sendesignal (S5) bzw. dem Wechselanteil (s5w) des Sendesignals (S5) phasenverschoben ist, wenn die Pegel des Sendesignals (S5) und des orthogonalen Referenzsignals (S5') symmetrisch um 0 angelegt sind, also beispielsweise zwischen 1 und -1 hin und herspringen. Sind die Pegel mit 1 und 0 angelegt, so ist das orthogonale Referenzsignal (S5') bevorzugt 180° gegen das Sendesignal (S5) verschoben, also gegenüber dem Sendesignal (S5) invertiert. Andere Orthogonalitätskombinationen (z.B. unterschiedliche Frequenzen) sind denkbar. Im Falle der Pegeldefinition mit 0 und 1 ist der Betrieb von LEDs als Pumpstrahlungsquelle (PL1) besonders vorteilhaft. Das beispielsweise entsprechend 17 gebildete zusätzlichen Sensorausgangssignals (out') repräsentiert dann einen Wert für die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum s(NV1) zu Zeiten, da keine Pumpstrahlung (LB) ausgesendet wird. Dies sind typischerweise die zweiten Zeiten (T2). Da der zeitliche Verlauf des Nachleuchtens der paramagnetischen Zentren (NV1) bekannt und da damit die Phasenverschiebung vorbestimmt ist, hängt dieser Wert, der durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') repräsentiert wird, dann von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) und damit beispielsweise von dem diese Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) beeinflussenden magnetischen Fluss B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ab. Der Vorteil ist, dass auf diese Weise nur noch drei Komponenten in das Gehäuse montiert werden müssen.
53 53 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 52 mit Schirmung (MAS) und einem separierten Strahlungsempfänger (PD). Die Schirmung (MAS) ist bevorzugt aus elektrisch leitfähigem und/oder weichmagnetischen Material gefertigt.
54 54 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 34 mit einer zusätzlichen Leitung (LTG) in der Aufsicht vor der Montage. In dem hier willkürlich diskutierten Beispiel soll der elektrische Strom durch Ermittlung eines Stromwertes für diesen Strom in der Leitung (LTG) gemessen werden;
55 55 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 52 mit der gegenüber 52 zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll;
56 56 zeigt einen beispielhaften Lead-Frame für die beispielhaften Gehäuse der 46 in der Aufsicht. In den Leadframe sind bevorzugt Montageflächen eingearbeitet. Diese bestehen bevorzugt aus Metall. Dieses Metall ist bevorzugt beschichtet um eine besser Haftung der Bond-Drähte zu gewährleisten. Im Folgenden werden diese Montageflächen als Lead-Frame-Fläche bezeichnet.
Die erste Leadframe-Fläche (LF1), die fünfte Leadframe-Fläche (LF5), die sechste Leadframe-Fläche (LF6) und die vierte Leadframe-Fläche (LF4) werden später die Kontakte bilden.
Die zweite Leadframe-Fläche (LF2) und die dritte Leadframe-Fläche (LF3) dienen später zur Montage der integrierten Schaltung (IC) und der Pumpstrahlungsquelle (PL1) für die Pumpstrahlung (LB)
57 57 zeigt den beispielhaften Leadframe der 56 im Querschnitt. Der Rahmen des Leadframes ist zur Vereinfachung hier und im Folgenden nicht gezeichnet.
58 bis 69 Die 58 bis 69 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das weitere vorgeschlagene System.
58 In 58 wird zunächst beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) ein dritter Kleber (GL3) aufgetragen. Mit Hilfe eines Dispensers wird auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) ein zweiter Kleber (GL2) aufgetragen.
59 In 59 wird in den dritten Kleber (GL3) auf der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) die Pumpstrahlungsquelle (PL1) gesetzt und damit an der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) befestigt. Bevorzugt ist der dritte Kleber (GL3) elektrisch und thermisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische und thermische Verbindung zwischen der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3). Bevorzugt ist die dritte Leadframe-Fläche (LF3) ein sogenanntes Exposed-Die-Pad, das eine thermische Kontaktierung der dritten Lead-Frame-Fläche von der Unterseite des Bodens (BO) des Gehäuses erlaubt und somit eine bessere Wärmeabfuhr und damit Temperaturregelung für die Pumpstrahlungsquelle (PL1) erlaubt. Bevorzugt wird die Außenfläche der somit nach außen freiliegenden dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) thermisch, z.B. mittels Lötung oder Klebung mit einem thermisch leitfähigen Kleber mit einer Wärmesenke thermisch gekoppelt. Durch diese Maßnahme wird die Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dieser Wärmesenke, beispielsweise einem Kühlkörper gekoppelt. Bevorzugt erfasst ein Temperatursensor die Temperatur der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Bevorzugt regelt ein Regler mit Hilfe eines Heizelements, dass der Wärmesenke entgegenarbeitet, die Temperatur der Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Abhängigkeit von dem Wert, der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur so nach, dass diese bis auf Regelfehler im Wesentlichen stabil ist. Ggf. kommt auch eine Regelung der Kühlung in Frage. Bevorzugt wird also die Pumpstrahlungsquelle (PL1) temperaturstabilisiert betrieben.
60 In 60 wird eine integrierte Schaltung (IC) in den zweiten Kleber (GL2) gesetzt und damit an der zweiten Lead-Frame-Fläche (LF2) befestigt. Bevorzugt ist der zweite Kleber (GL2) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der Rückseite der integrierten Schaltung (IC) und der weiten Lead-Frame-Fläche (LF2). Die integrierte Schaltung (IC) umfasst in dem Beispiel den Strahlungsempfänger (PD1) und die erste Spule (L1), die in dem Beispiel der 60 den Strahlungsempfänger (PD1) umgibt. Es kann sich aber auch um eine einzelne Leitung (LH) handeln. Die erste Spule (L1) kann aber beispielsweise auch auf oder in einem Substrat (D) des Sensorelements gefertigt sein. Es kann sich auch um eine oder mehrere insbesondere gerade Leitungen auf oder in dem Substrat oder dem Sensorelement handeln. Diese erste Spule (L1) kann beispielsweise als Kompensationsspule (LC) eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich um eine Flachspule im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC). Auf die technische Lehre der PCT / DE 2020 / 100 430, die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift unveröffentlicht ist, deren Technische Lehre in Kombination mit der technischen Lehre dieser Schrift vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung ist, soweit das Rechtssystem des Landes, in dem die Nationalisierung der hier vorgelegten, internationalen Anmeldeschrift erfolgt, dies erlaubt.
61 Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) zu Zeiten, in denen die Pumpstrahlung (LB) abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 61 wird ein erster Kleber (GL1) auf die Oberfläche der integrierten Schaltung (IC) im Bereich des Strahlungsempfängers (PD1) aufgetragen. Der erste Kleber (GL1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Statt eines ersten Klebers (GL1) können natürlich auch andere funktionsäquivalente Befestigungsmethoden für den im Folgenden in 62 beschriebenen ersten Filter (F1) verwendet werden.
62 Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) für eine Fluoreszenzphasenverschiebungszeit (ΔTFL) zu Zeiten, in denen die Pumpstrahlung (LB) abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 62 wird in den ersten Kleber (GL1) der erste Filter (F1) gesetzt. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen nicht transparent für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Der erste Filter (F1) und der erste Kleber (GL1) können entfallen, wenn der Strahlungsempfänger (PD1) von vornherein so ausgeführt wird, dass er für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht empfindlich ist. Insofern kann die gemeinsame Funktionalität aus Empfänger (PD1), erstem Kleber (GL1) und erstem Filter (F1) auch als ein Strahlungsempfänger (PD) betrachtet werden, der für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht empfindlich ist.
63 In 63 wird das Sensorelement mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) auf dem ersten Filter (F1) platziert. Dieser Schritt kann auch mit dem folgenden Schritt der 63 zusammen erfolgen. Das Sensorelement umfasst das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements.
64 In 64 wird das Befestigungsmittel (Ge) zur Befestigung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) eingebracht. Bevorzugt handelt es sich Gelatine. Bevorzugt wird die Gelatine mit den Sensorelementen vermischt und zusammenaufgebracht. In der hier vorgelegten Offenlegung wird hierbei ausdrücklich Bezug auf die DE 10 2019 114 032.3 und auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung unveröffentlichte PCT / DE 2020/ 100 430 genommen, deren Offenbarungsgehalt in Kombination mit dem Offenbarungsgehalt dieser Schrift vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung ist, soweit das Rechtssystem des Landes, in dem die Nationalisierung der hier vorgelegten internationalen Anmeldeschrift erfolgt, dies erlaubt.
65 In 65 werden weitere elektrische Verbindungen durch Bonddrähte hergestellt. Hier stellen der erste Bonddraht (BD1), der zweite Bonddraht (BD2), der dritte Bonddraht (BD3) nur Beispiele dar.
66 In 66 wird ein transparentes Vergusshilfsmittel (GLT) auf die soweit gefertigte Teilvorrichtung aufgetragen. Bevorzugt wird dabei darauf geachtet, dass die Oberfläche dieses Vergusshilfsmittels (GLT) eine vorbestimmte Qualität und Form annimmt. Bevorzugt wird dies durch Einstellung der Oberflächenspannung erreicht. Das Vergusshilfsmittel (GLT) ist bevorzugt transparent für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und/oder für die Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements.
67 In 67 wird die bisherige Teilkonstruktion der 66 mit einem Vergussmittel, beispielsweise Duroplast umformt. Das Vergusshilfsmittel (GLT) formt dann an der Oberfläche automatisch den Reflektor (RE). Ggf. ist es sinnvoll, unter Zuhilfenahme einer Schattenmaske das Vergusshilfsmittel (GLT) mit einer optisch reflektierenden Schicht vor dem Umspritzen mit dem Vergussmittel reflektierend zu beschichten.
68 Nach dem Aushärten alles Stoffe und der Restbearbeitung (z.B. De-Flashen) ist das System einsatzbereit. Die von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgesendete Pumpstrahlung (LB) wird in einer Ausprägung an der Grenzfläche zwischen dem Vergusshilfsmittel (GLT) und dem Vergussmittel bevorzugt in das oder die parametrischen Zentren (NV1) in dem vorzugsweise diamagnetischen Material (MPZ) eines Substrats (D) im Sensorelement gespiegelt oder gestreut. Auch kann beispielsweise die von dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ausgesendete Fluoreszenzstrahlung (LB) an der Grenzfläche zwischen dem Vergusshilfsmittel (GLT) und dem Vergussmittel bevorzugt in den Strahlungsdetektor (PD) gespiegelt oder gestreut werden. Die Grenzfläche stellt somit im Sinne dieser Offenlegung ein optisches Funktionselement dar, dass ggf. die Pumpstrahlungsquelle (PL1) der Pumpstrahlung (LB) mit dem oder den parametrischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements und ggf. das oder die parametrischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischen Zentren (NV1) mittels der von diesen ausgesendeten Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Strahlungsempfänger (PD) koppelt. Dieses optische Funktionselement kann auch genutzt werden, um die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) mittels der Kompensationsstrahlung (KS) mit dem Strahlungsempfänger (PD) zu koppeln oder die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) mittels der Kompensationsstrahlung (KS) mit einem Referenzelement mit einem oder mehreren Referenzzentren (NV2) und/oder einer Gruppe oder mehreren Gruppen (NVC2) von Referenzzentren (NV2) und mittels der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) das Referenzzentrum (NV2) oder die Referenzzentren (NV2) und/oder die Gruppe oder Gruppen (NVC2) von Referenzzentren (NV2) mit dem Strahlungsempfänger (PD) zu koppeln.
69 69 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems. Es umfasst die Schritte

• Bereitstellen (14) eines Leadframes mit Anschlüssen und
• Montieren (15) einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) auf dem Leadframe und
• Montieren (16) einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Strahlungsempfänger (PD) auf dem Leadframe und
• Elektrisches Verbinden (17) der integrierten Schaltung (IC) und der Anschlüsse und der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und
• Montieren (18) eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und
• Befestigen (19) des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und
• Überdecken (20) der Teilvorrichtung mit einem transparenten Vergusshilfsmittel (GLT) und
• Verguss (21) der Teilvorrichtung mit einer Vergussmasse.

Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist dabei dazu vorgesehen, die Pumpstrahlung (LB) zu emittieren. Das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements emittiert bei Bestrahlung mit dieser Pumpstrahlung (LB) die Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Vergusshilfsmittel (GLT) ist bevorzugt im Wesentlichen für die Pumpstrahlung (LB) und/oder für die Fluoreszenzstrahlung (FL) transparent.
Die Schritte des Montierens (18) eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und des Befestigens (19) des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) werden bevorzugt als ein Schritt ausgeführt.
70 70 zeigt eine beispielhafte Zusammenstellung mehrerer Flachspulen, wie sie bevorzugt in dem integrierten Schaltkreis (IC) zur Erzeugung magnetischer Felder mit Multipolmomenten und/oder zur Modifikation der Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beispielsweise als Kompensationsspule (LC) eingesetzt werden. Die Darstellung zeigt vereinfach und schematisch die beispielhafte Anordnung mehrerer Spulen in Aufsicht. Dies beispielhafte Kombination von Flachspulen umfasst eine erste Spule (L1) ausgeführt als Flachspule. Diese ist symmetrisch um den Mittelpunkt angeordnet und erzeugt daher kein Multipolmoment bezüglich eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC), wobei die paramagnetischen Zentren (NV1) bevorzugt NV-Zentren in Diamant sind. Im Gegensatz dazu sind symmetrisch um das Zentrum mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) in diesem Beispiel beispielhaft drei Paare von Flachspulen ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) angeordnet. Statt dreier Paare können auch andere Paaranzahlen statt 3, wie in diesem Beispiel, verwendet werden.
Eine zweite Flachspulte (L2) bildet mit einer fünften Flachspule (L5) ein erstes Spulenpaar. Bevorzugt wird die zweite Flachspule (L2) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die fünfte Flachspule (L5). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ändert.
Eine dritte Flachspulte (L3) bildet mit einer sechsten Flachspule (L6) ein zweites Spulenpaar. Bevorzugt wird die dritte Flachspule (L3) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die sechste Flachspule (L6). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ändert.
Eine vierte Flachspulte (L4) bildet mit einer siebten Flachspule (L7) ein drittes Spulenpaar. Bevorzugt wird die vierte Flachspule (L4) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die siebte Flachspule (L7). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) ändert.
70a zeigt die Spulenanordnung ohne Sensorelement mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder einer oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1).
70b zeigt die Spulenanordnung mit Sensorelement mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder einer oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1).
Es ergibt sich dann ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei dem das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und bei dem das Sensorsystem ein oder mehrere paramagnetisches Zentrum (NV1) oder eine Gruppe oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im vorzugsweise diamagnetischen Material (MPZ) eines Substrats (D) dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Das Sensorsystem weist wieder eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) auf. Das Sensorsystem umfasst einen Strahlungsempfänger (PD1). Die Pumpstrahlung (LB) weist eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) auf, die wieder im Falle von NV-Zentren als paramagnetische Zentren (NV1) bevorzugt grün ist und bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 500nm bis 600nm z.B. bei 520nm liegt. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ), die bevorzugt im Falle von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1), rot ist und typischer Weise ca. 637nm beträgt. Der Strahlungsempfänger (PD) ist wieder für Strahlung mit einer Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - empfindlich. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) erzeugt die Pumpstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die die Pumpstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) den Strahlungsempfänger (PD) bestrahlt. Das Sensorsystem weist nun darüber hinaus noch Mittel, insbesondere die besagte Spulenanordnung (L1, 12, 13, 14, L5), auf, die geeignet ist eine Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in der Art hervorzurufen. Diese Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beeinflusst dann die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und oder der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Zu diesem Zweck wird dann bevorzugt eine integrierte Schaltung (IC) mit einer ersten Spule (L1) und mit zumindest einem weiteren Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder einer weiteren Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) verwendet. Die erste Spule (L1) und/oder das zumindest eine weitere Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder die weitere Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) werden bevorzugt im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) oder als Teil des Leadframes oder einer gedruckten Schaltung in der Nähe des Gehäuses realisiert. Die erste Spule (L1) und/oder das zumindest eine weitere Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder die weitere Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) sind dabei bevorzugt dazu geeignet und vorgesehen, z.B. mittels der durch ihren jeweiligen Spulenstrom erzeugten magnetischen Flussdichten B die Erzeugung von Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Zentrum der Anordnung zu beeinflussen. Bevorzugt umgibt die Spulenanordnung eine lichtempfindliche Teilvorrichtung des integrierten Schaltkreises (IC), beispielsweise einen Strahlungsempfänger (PD), sodass das Strahlung ungehindert durch die Spulenanordnung hindurch auf das lichtempfindliche Bauelement, den Strahlungsempfänger (PD), fallen kann.
71 71 zeigt eine bevorzugte, beispielhafte Ausführung eines beispielhaften Sensorelements mit diamagnetischen Material (MPZ) mit in diesem Beispiel mehreren Gruppen (NVC) (englisch: Cluster) mit jeweils einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder bevorzugt mit einer oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentrum (NV1), wobei bevorzugt jede Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und zuvor bevorzugt jede solche Gruppe für sich eine Mehrzahl paramagnetischer Zentren (NV1) umfasst. Die paramagnetischen Zentren (NV1) einer solchen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bestimmen den Schwerpunkt einer solchen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Bevorzugt weist das Sensorelement eine erste Oberfläche (OFL1) und eine zweite Oberfläche (OFL2) auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um ein Diamantplättchen mit einer solchen ersten Oberfläche (OF1) und einer solchen zweiten Oberfläche (OF2) handeln.
Bevorzugt sind bilden die erste Oberfläche (OFL1) und die zweite Oberfläche (OFL2) einen optischen Resonator. In dem Beispiel der 71 fällt die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ein einem bespielhaften senkrechten Winkel zur ersten Oberfläche (OF1) als Einfallswinkel (θ_e ) auf diese erste Oberfläche (OF1) des Sensorelements. Andere Winkel sind denkbar. Bevorzugt ist der Einfallswinkel θ_e zwischen der Oberflächensenkrechten (
) der ersten Oberfläche (OFL1) und dem Pointing-Vektor der Pumpstrahlung (LB) so gewählt, dass die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) an zumindest einem Punkt innerhalb des Sensorelements maximal wird. Das bedeutet, der Einfallswinkel θ_e wird bevorzugt so eingestellt, dass ein Maximum an Pumpstrahlungsleistung (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) in den Resonator aus erster Oberfläche (OFL1) und zweiter Oberfläche (OFL2) eintritt, oder mit anderen Worten der Einfallswinkel θ_e wird bevorzugt so eingestellt, dass ein Maximum an Pumpstrahlungsleistung der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) in ein Substrat (D) innerhalb der Sensorelements eintritt. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Oberfläche (OFL1) und der zweiten Oberfläche (OFL2) um zwei planparallele Oberflächen des Sensorelements handeln. Die erste Oberfläche (OFL1) und die zweite Oberfläche (OFL2) bilden dann einen Fabry-Perot-Resonator. Innerhalb des Resonators ist die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) insbesondere infolge von konstruktiver und destruktiver Interferenz betragsmäßig nicht überall gleich groß. Innerhalb des Resonators bildet die Pumpstrahlung (LB) eine stehende Welle aus, die Bäuche und Knoten, also Stellen konstruktiver und destruktiver Interferenz, aufweist. Die Intensität (I_pmp ) dieser stehenden Welle ist an den Knoten im Wesentlichen null und an den Bäuchen maximal. Bevorzugt werden die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) an den Positionen dieser Bäuche, also der Maxima der betragsmäßigen konstruktiven Interferenz der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Substrats (D) des Sensorelements platziert. Bevorzugt werden an den Knoten der stehenden Welle der Pumpstrahlung (LB) innerhalb des Resonators keine paramagnetischen Zentren (NV1) platziert. Dies hat den Vorteil, dass der Kontrast (KT) (siehe auch 28), der nicht linear von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und der Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) abhängt maximiert wird, da bevorzugt nur in den Bereichen maximaler Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) eine erhöhte Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) vorhanden ist, während in den Bereichen geringer Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) möglichst keine oder nur wenige paramagnetische Zentren (NV1) vorhanden sind. In dem Beispiel der 71 sind beispielhaft 5 Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) vorgesehen, die jeweils von einander einen Abstand von λ_pmp /2 der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) in Richtung des Pointing-Vektors der Pumpstrahlung (LB) haben. Dies hat den Grund, dass die Maximal der stehenden Welle der Pumpstrahlung (LB) innerhalb des Resonators aus erster Oberfläche (OFL1) und zweiter Oberfläche (OFL2) einen Abstand von λ_pmp /2 bei einem senkrechten Einfall der Pumpstrahlung (LB) mit θ_e =0° haben. Hierbei ist λ_pmp die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB).
Bevorzugt ist die Ausdehnung (d) einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements so gestaltet, dass alle oder im Wesentlichen alle paramagnetischen Zentren (NV1) einer solchen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) eine maximale Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) empfangen. Bevorzugt ist daher diese Ausdehnung (d) einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements kleiner als n*λ_pmp/2 der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) mit n als ganzer positiver Zahl. Bevorzugt gilt d<λ_pmp /2 und/oder besser d<λ_pmp /4 und/oder besser d<λ_pmp /10 und/oder besser d<λ_pmp /20 und/oder besser d<λ_pmp /40 und/oder besser d<λ_pmp /100. Bevorzugt liegt der Schwerpunkt der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) dann möglichst exakt an der Stelle der maximalen Intensität (I_pmp ) der stehenden Welle der Pumpstrahlung (LB) innerhalb des Sensorelements. Dies hat den Vorteil, dass der Kontrast (KT) (siehe 28) maximiert wird, da im Wesentlichen nur Bereiche mit hoher Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), das sind typischerweise die besagten Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), mit Bereichen hoher Intensität (I_pmp ) der stehenden Welle der Pumpstrahlung (LB) zur Fluoreszenzstrahlung (FL) beitragen.
Der Resonator wird in dem Beispiel der 71 durch die erste Oberfläche (OFL1) des Sensorelements und die zweite Oberfläche (OFL2) des Sensorelements gebildet. Bevorzugt bilden sowohl die Pumpstrahlung (LB) als auch die Fluoreszenzstrahlung (FL) innerhalb des Resonators einen Gaußschen Strahl aus. Hierzu verweisen wir auf J.R. Leger, D. Chen, G. Mowry, „Design and performance of diffractive optics for custom laser resonators", PPLIED OPTICS@Vol. 34, No. 14@10 May 1995, p. 2498-2509
In dem Beispiel der 71 befindet sich an der ersten Oberfläche (OFL1) des Sensorelements eine vorderseitige Antireflexschicht als vordere Anpassschicht (ASv) zur Anpassung der Reflexionseigenschaften der ersten Oberfläche (OFL1) an die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL). Bei der vorderseitigen Anpassschicht (ASv) kann es sich um eine aufgedampfte oder sonst wie abgeschiedene Schicht auf dem Sensorelement handeln. Als vorderseitige Anpassschicht (ASv) eignet sich aber auch eine Strukturierung der ersten Oberfläche (OFL1) durch Stege und Nuten, sodass dich ein mittlerer Brechungsindex dieser vorderseitigen Anpassschicht (ASv) ergibt, der von dem Brechungsindex im ersten Medium (ME19 oberhalb der vorderseitige Anpassschicht (ASv) und von dem Brechungsindex im zweiten Medium (ME2) unterhalb der vorderseitigen Anpassschicht (ASv) abweicht. Durch diese Mikrostrukturierung der ersten Oberfläche (OFL1) können die Transmissions- und Reflexionseigenschaften der ersten Oberfläche (OFL1) mit Mitteln der diffraktiven Optik so eingestellt werden, dass der Kontrast (KT) der Intensität (I_fl ) bzw. Intensitäten (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren und in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) maximiert wird bzw. werden. Solche Mittel der diffraktiven Optik können u.a. sein: Linsen Spiegel, photonische Kristalle, Gitter und Sub-Wellenlängen-Gitter, Hologramme, Fresnel-Linsen, Prismen, Resonatoren, Morie-Strukturen, Linsen mit einer von der Wellenlänge des durchstrahlenden Lichts abhängigen Brennweite, Gitter und Anordnungen mehrerer solcher Funktionselemente der diffraktiven Optik, Koppelelemente zwischen dem Substrat (D) und einem aufliegend gefertigten Wellenleiter (LWL) beispielsweise zur Auskoppelung von Pumpstrahlung (LB) aus dem Wellenleiter (LWL) und zur Einkopplung dieser ausgekoppelten Pumpstrahlung (LB) in das vorzugsweise diamagnetische Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements und/oder zur Auskoppelung von Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aus dem vorzugsweise diamagnetische Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements in den Wellenleiter (LWL). Auf die Schriften B. Kress, P. Meyrueis, „Digital Diffractive Optics" J. Wiley & Sons, London, 2000 und B. Kress, P. Meyrueis, „Applied Digital Diffractive Optics", J. Wiley & Sons, London, 2009 wird in diesem Zusammenhang hingewiesen.
In dem Beispiel der 71 werden für diese Mikrostrukturierung Nuten mit einer Breite (NBR) dieser Nuten und Stege mit einer Breite (SBR) dieser Stege verwendet. Bevorzugt ist die Breite (NBR) dieser Nuten kleine als eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser kleiner als eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder noch besser kleiner als eine viertel Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Bevorzugt ist die Breite (SBR) dieser Stege kleiner als eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser kleiner als eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder noch besser kleiner als eine viertel Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ).
In dem Beispiel der 71 befindet sich an der zweiten Oberfläche (OFL2) des Sensorelements eine rückseitige Anpassschicht (ASr) zur Anpassung der Reflexionseigenschaften der zweiten Oberfläche (OFL2) an die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL). Bei der rückseitigen Anpassschicht (ASr) kann es sich um eine aufgedampfte oder sonst wie abgeschiedene Schicht auf dem Sensorelement handeln. Als rückseitige Anpassschicht (ASr) eignet sich aber auch wie bei der vorderseitigen Anpassschicht (ASv) eine Strukturierung der zweiten Oberfläche (OFL2) durch Stege und Nuten, sodass sich ein mittlerer Brechungsindex dieser rückseitigen Anpassschicht (ASr) ergibt, der von dem Brechungsindex im zweiten Medium (ME2) oberhalb der rückseitigen Anpassschicht (ASr) und von dem Brechungsindex im dritten Medium (ME3) unterhalb der rückseitigen Anpassschicht (ASr) abweicht. Durch diese Mikrostrukturierung der zweiten Oberfläche (OFL2) können die Reflexionseigenschaften der zweiten Oberfläche (OFL2) so eingestellt werden, dass der Kontrast (KT) der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) und in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) maximiert wird. In dem Beispiel der 71 werden für diese Mikrostrukturierung Nuten mit einer Breite (NBR) dieser Nuten und Stege mit einer Breite (SBR) dieser Stege verwendet. Bevorzugt ist die Breite (NBR) dieser Nuten kleine als eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser kleiner als eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder noch besser kleiner als eine viertel Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) verwendet. Bevorzugt ist die Breite (SBR) dieser Stege kleiner als eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser kleiner als eine halbe Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder noch besser kleiner als eine viertel Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Das zu der vorderseitigen Anpassschicht (ASv) hinsichtlich der diffraktiven Optik und deren Mitteln geschriebene trifft in typischerweise ähnlicher Weise auch auf die rückseitige Anpassschicht (ASr) zu. Die entsprechenden Mittel der diffraktiven Optik können daher wieder u.a. sein: Linsen, Spiegel, photonische Kristalle, optische Filter, Gitter und Sub-Wellenlängen-Gitter, Hologramme, Fresnel-Linsen, Prismen, Resonatoren, Morie-Strukturen, Linsen mit einer von der Wellenlänge des durchstrahlenden Lichts abhängigen Brennweite, Gitter und Anordnungen mehrerer solcher Funktionselemente der diffraktiven Optik, Koppelelemente zwischen dem Substrat (D) und einem aufliegend gefertigten Wellenleiter (LWL) beispielsweise zur Auskoppelung von Pumpstrahlung (LB) aus dem Wellenleiter (LWL) und zur Einkopplung dieser ausgekoppelten Pumpstrahlung (LB) in das vorzugsweise diamagnetische Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements und/oder zur Auskoppelung von Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aus dem vorzugsweise diamagnetische Material (MPZ) eines Substrats (D) des Sensorelements in den Wellenleiter (LWL). Auf die Schriften B. Kress, P. Meyrueis, „Digital Diffractive Optics" J. Wiley & Sons, London, 2000 und B. Kress, P. Meyrueis, „Applied Digital Diffractive Optics", J. Wiley & Sons, London, 2009 wird in diesem Zusammenhang hingewiesen.
Die Reflexionseigenschaften der vorderseitigen Anpassschicht (ASv) weichen typischerweise von den Reflexionseigenschaften der rückseitigen Anpassschicht (ASr) ab.
Beispielsweise kann es gewünscht sein, dass die zweite Oberfläche (OFL2) sämtliche Pumpstrahlung (LB) reflektiert und dass die erste Oberfläche (OFL1) 95% der Pumpstrahlung (LB) die in Richtung aus dem Sensorelement hinaus auf die erste Oberfläche (OFL1) trifft wieder zurück reflektiert wird.
Die Fluoreszenzstrahlung (FL) weist ja eine Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) auf, die typischerweise von der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) abweicht und typischerweise langwelliger ist. Sie tritt daher in dem Beispiel bevorzugt in einem zweiten Winkel θ₂ aus dem Sensorelement aus. Daher sollte in dieser Richtung bevorzugt der Strahlungsempfänger (PD) platziert werden.
Durch die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der ersten Oberfläche (OFL1) und der zweiten Oberfläche (OFL2) treten typischerweise unterschiedliche Phasensprünge an diesen Oberflächen auf. Dies ist durch die unterschiedlichen Abstände zwischen der einer jeweiligen einer dieser beiden Oberflächen jeweils nächstgelegenen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zu der betreffenden Oberfläche (OFL1, OFL2) schematisch angedeutet.
Es wird zur optimalen Anordnung der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) und zur Bestimmung der optimalen Eigenschaften der vorderen Anpassschicht (ASv) und der rückseitigen Anpassschicht (ASr) eine Simulation, beispielsweise eine FDTD-Simulation, und sorgfältige Berechnung durchzuführen, deren Paramater sich im Wesentlichen aus der jeweiligen Anwendung bestimmen.
In dem Beispiel der 71 wird angenommen, dass das Sensorelement an einer Halterung (HA) befestigt ist. Ist die zweite Oberfläche (OFL2) totalreflektierend für die Pumpstrahlung (LB) ausgeführt, so entsteht keine Wechselwirkung zwischen der Halterung (HA) und der Pumpstrahlung (LB). In dem Beispiel der 71 wird die Pumpstrahlung (LB) mehrfach zwischen der ersten Oberfläche (OFL1) und der zweiten Oberfläche (OFL2) hin und her reflektiert bevor sie das Sensorelement über die erste Oberfläche (OFL2) in einem Ausfallswinkel (θ_a ) zur Flächennormale (
) der ersten Oberfläche (OFL1) verlässt oder innerhalb des Sensorelements absorbiert wird oder innerhalb des Sensorelements durch paramagnetische Zentren (NV1) in Fluoreszenzstrahlung (FL) umgewandelt wird. Natürlich ist es denkbar, die Vorrichtung so zu gestalten, dass der Austritt der Fluoreszenzstrahlung (FL) statt über die erste Oberfläche (OFL1) über die zweite Oberfläche (OFL2) in einem Ausfallswinkel (θ_a ) zur Flächennormale (
) der zweiten Oberfläche (OFL2) erfolgt, wobei dann die vordere Anpassschicht (ASv) und die hintere Anpassschicht (ASr) anders gestaltet werden müssen.
Der Einfluss interferometrischer Strukturen ist aus der Schrift James L. Webb, Joshua D. Clement, Luca Troise, Sepehr Ahmadi, Gustav Juhl Johansen, Alexander Hucka and Ulrik L. Andersen, „Nanotesla sensitivity magnetic field sensing using a compact diamond nitrogen-vacancy magnetometer", Appl. Phys. Lett. 114, 231103 (2019), https://doi.org/10.1063/1.5095241 für OFDM die Vermessung einzelner NV-Zentren mit Mikrowelle bekannt. Eine solche Ansteuerung mit Mikrowellensignalen ist nicht für Gruppen paramagnetischer Zentren bekannt. Insbesondere ist dies nicht für Gruppen (NVC) von NV-Zentren bekannt, die dann auch noch typischerweise die hier verwendeten Merkmale von HD-NV-Diamant zeigen. Neu sind hier insbesondere die Verwendung von Bereichen hoher Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), die räumlich begrenzt sind und an vorbestimmten Stellen im Sensorelement platziert sind und die gleichzeitige Verwendung von Mikrostukturen zur Anpassung des Sprungs des elektromagnetischen Wellenwiderstands an den Oberflächen sowie die richtungsoptimierte Einkopplung der Pumpstrahlung (LB), die mit einem Pointing-Vektor aus Richtung eines Einfallswinkels (θ_e ) gegenüber der Flächennormale (
) zu einer Oberfläche (OFL1) eingestrahlt wird, und die ggf. ebenfalls richtungsoptimierte Auskopplung der Fluoreszenzstrahlung (FL) entsprechend einem Ausfallswinkel (θ_a ) der Fluoreszenzstrahlung (FL), die mit einem Pointing-Vektor aus Richtung eines Ausfallswinkels (θ_a ) gegenüber der Flächennormale (
zu einer Oberfläche (OFL1, OFL2) das Substrat (D) innerhalb des Sensorelements verlässt. Bei der Fertigung der Anpassschicht kommen bevorzugt Methoden der Dünnschichttechnik und/oder Methoden der Diffraktiven Optik zum Einsatz. In diesem Zusammenhang weisen wir auf die Bücher B. Kress, P. Meyrueis, „Digital Diffractive Optics“ J. Wiley & Sons, London, 2000 und B. Kress, P. Meyrueis, „Applied Digital Diffractive Optics“, J. Wiley & Sons, London, 2009 hin, deren technische Lehre in Kombination mit der technischen Lehre dieser Schrift und der technischen Lehren der zitierten Schriften vollumfänglicher Bestandteil dieser Offenlegung ist, soweit das Rechtssystem des Landes in dem die Nationalisierung der hier vorgelegten internationalen Anmeldeschrift erfolgt, dies erlaubt. Die Strukturierung der Oberflächen (OFL1, OFL2) muss also nicht unbedingt homogen sein. Diese Strukturierung der Stegbreite (SBR) und/oder Nutbreite (NBR) und/oder Steghöhe bzw. Nuttiefe kann eine Funktion der Koordinate auf der jeweiligen Oberfläche (OFL1, OFL2) sein, wobei verschiedene Oberflächen (OFL1, OFL2) unterschiedlich moduliert sein können. Keine Strukturierung einer Oberfläche (OFL1, OFL2) ist dabei auch eine Form der Modulation. Es wird vorgeschlagen, durch diese Strukturierung eine Erhöhung der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (FL) an dem oder den Orten des paramagnetischen Zentrums (NV1) und/oder der Gruppe (NVC) und/oder der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) herbeizuführen. Beispielsweise ist es Denkbar, die Anpassschichten (ASv, ASr) als Fresnel-Linsen und/oder Arrays von Fresnel-Linsen auszuführen, sodass beispielsweise im Fokus einer bevorzugt jeden dieser Fresnel-Linsen ein oder mehrere paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder eine Gruppe (NVC) oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) liegen.
72 In dem Beispiel der 72 werden die paramagnetischen Zentren (NV1), die die relevante Fluoreszenzstrahlung (FL) erzeugen, in dem gleichen Material realisiert, wie die Pumpstrahlungsquelle (PL1). Aus der DE 4 322 830 A1 ist beispielsweise eine Diodenstruktur aus Dimant bekannt, bei der H3-Zentren in Diamant im grünen Bereich zum Leuchten angeregt werden können. Auch sind solche Anregungen aus B. Burchard „Elektronische und optoelektronische Bauelemente und Bauelementstrukturen auf Diamantbasis“, Dissertation, Hagen Oktober 1994 bekannt. Solche H3-Zentren als Zentren (PZ) innerhalb des vorzugsweise diamagnetischen Materials (MPZ) eines Substrats (D) innerhalb des Sensorelements können für die Anregung der Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) genutzt werden, wobei dann das vorzugsweise diamagnetische Material (MPZ) des vorzugsweise diesen gemeinsamen Substrats (D) innerhalb des Sensorelements als optisches Funktionselement, hier eines Lichtwellenleiters, zur optischen Kopplung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mit dem oder den Zentren (PZ) bzw. der oder den Gruppen (PZC) von Zentren (PZ) zur Emission der Pumpstrahlung (LB) als Pumpstrahlungsquellen (PL1) dient.
Es ist auch denkbar, die paramagnetischen Zentren durch einen Stromfluss direkt zu beeinflussen und/oder anzuregen. Ein solcher Stromfluss kann mittels ohmscher Kontakte, also ohmsch, oder mittels Elektroden kapazitiv oder induktiv hervorgerufen werden.
Ein solches Verfahren umfasst dann die Schritte Erzeugen eines Wechselanteils (S5w) eines Sendesignals (S5) durch einen Generator (G);
Erzeugen eines Stromflusses in einem Sensorelement mit paramagnetischen (NV1) in Abhängigkeit von dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal, insbesondere dem Sendesignal (S5);
Erzeugen einer Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von dem Stromfluss und typischerweise damit in Abhängigkeit von dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal, insbesondere dem Sendesignal (S5) und der magnetischen Flussdichte B und/oder eines anderen physikalischen Parameters, beispielsweise dem Druck und/oder der Temperatur, wobei die Modulation der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der Modulation des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) oder eines daraus abgeleiteten Signals, insbesondere des Sendesignals (S5) und der magnetischen Flussdichte B und/oder des anderen physikalischen Parameters abhängt;
Erfassen zumindest eines Teils dieser Fluoreszenzstrahlung (FL) durch einen Strahlungsempfänger (PD) und Erzeugung eines Empfängerausgangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Fluoreszenzstrahlung (FL), wobei diese Abhängigkeit bevorzugt eine Abhängigkeit von der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) ist.
Korrelieren des zeitlichen Verlaufs der Momentanwerte (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) mit den Momentanwerten eines Messsignals (MES), wobei es sich bei dem Messsignal (MES) bevorzugt um den Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) oder ein daraus abgeleitetes Signal oder ein mit diesem in einem vorbestimmten funktionalen Zusammenhang stehendes Signal handelt. Beispielsweise kann der funktionale Zusammenhang so aussehen, dass es sich um ein gegenüber dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) phasenverschobenes Messsignal (MES) handelt und dass diese Phasenverschiebung durch eine Regelung angepasst wird. Eine solche Anpassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise aus der Schrift WO 2017 148 772 A1 bekannt.
In dem Beispiel der 72 verstärkt ein erster Verstärker (V1) das Empfängerausgangssignal (S0) zum reduzierten Empfängerausgangssignal (S1). Der Verstärker (V1) kann auch Teil des Strahlungsempfängers (PD) sein. Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) zum Filtereingangssignal (S3). Ein Schleifenfilter (TP), der bevorzugt ein Tiefpassfilter ist, filtert das Filtereingangssignal (S3) zum Filterausgangssignal (S4), das in dem Beispiel der 72 das Sensorausgangssignal (out) ist. Typischerweise ist dann der Wert des Sensorausgangssignals (out) ein Maß für den Wert der magnetische Flussdichte B oder einer anderen physikalischen Größe, die die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) beeinflusst.
Der erste Filter (F1) ist nur notwendig, wenn die paramagnetischen Zentren (NV1) nicht direkt durch den elektrischen Stromfluss im Sensorelement, sondern über zweite optische Zentren angeregt werden. Beispielsweise können in einem als Sensorelement dienen Diamanten mit NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) und H3-Zentren als Pumpstrahlungsquellen (PL1) durch den elektrischen Stromfluss die H3-Zentren zur Abgabe grüner Pumpstrahlung (LB) direkt im vorzugsweise diamagnetischen Material (MPZ) eines Substrats (D) innerhalb des Sensorelements veranlasst werden. Die Pumpstrahlung (LB) der als Pumpstrahlungsquellen (PL1) dienenden H3-Zentren trifft auf die als paramagnetischen Zentren (NV1) dienenden NV-Zentren, die in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B Fluoreszenzstrahlung (FL) und ggf. weiteren physikalischen Parametern abgeben. Diese kann dann, wie oben beschrieben, weiterverarbeitet werden. Das Materials des Sensorelements, in diesem Beispiel Diamant, dient dann als Lichtwellenleiter und damit optisches Funktionselement, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1), nämlich das H3-Zentrum in diesem Beispiel, mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) und oder mit der oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), in diesem Beispiel mit einem oder mehreren NV-Zentren (NV1) und/oder mit einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) koppelt.
73 In dem Beispiel der 73 injiziert ein Anoden-Kontakt (AN) einen elektrischen Strom in das diamagnetischen Material (MPZ) des Sensorelements, beispielsweise einen Diamanten. Auf B. Burchard „Elektronische und optoelektronische Bauelemente und Bauelementstrukturen auf Diamantbasis“, Dissertation, Hagen 1994 wird in diesem Zusammenhang hingewiesen. Ein Kathoden-Kontakt (KTH) extrahiert diesen elektrischen Strom wieder aus dem Sensorelement. Ein im Strompfad innerhalb des Sensorelements liegendes Zentrum (PZ), dient als Pumpstrahlungsquelle (PL1). Beispielsweise kann es sich bei diesem Zentrum (PZ) um H3-Zentrum in dem beispielhaften Diamanten, der als Sensorelement dient, handeln Das Zentrum (PZ) emittiert in diesem Beispiel grüne Pumpstrahlung (LB) bei einem Stromfluss in dem Sensorelement, also bei einem Stromfluss in dem Diamanten von dem Anoden-Kontakt (AN) zum Kathoden-Kontakt (KTH). Diese grüne Pumpstrahlung (LB) des Zentrums (PZ), beispielsweise des besagten H3-Zentrums, kann dann dazu benutzt werden, ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) und/oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), beispielsweise ein oder mehrere NV-Zentren und/oder ein oder mehrere Gruppen von NV-Zentren in dem beispielhaften Diamanten, zur Emission von Fluoreszenzstrahlung (FL) anzuregen. Statt eines einzelnen Zentrums (PZ) können auch eine Gruppe (PZC) von Zentren (PZ) und/oder Gruppen (PZC) von Zentren (PZ) verwendet werden. Die Zentren (PZ) und/oder die Gruppen (PZC) der Zentren (PZ) können ein ein- oder zwei- oder dreidimensionales Gitter innerhalb des Substrats (D) bilden, das wiederum das Sensorelement sein kann oder Teil des Sensorelements sein kann. Im Falle eines eindimensionalen Gitters können die Zentren (PZ) beispielsweise kreisförmig um einen gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordnet sein, wobei sich in dem Mittelpunkt dann bevorzugt ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere Paramagnetische Zentren (NV1) oder eine Gruppe (NVC) oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) befinden. Bevorzugt bildet in einer Variante die Anordnung der Zentren PZ bzw. der Gruppen (PZC) der Zentren (PZ) zusammen mit der Anordnung der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Anordnung der Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) ein ein- zwei oder dreidimensionales Gitter, wobei die Elementarzelle des Gitters dann ein oder mehrere Zentren (PZ) und/oder eine oder mehrere Gruppen (PZC) von Zentren (PZ) einerseits und ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) und/oder eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren umfasst. Es kann sich um ein translatorisches und/oder rotatorisches Gitter um eine gemeinsame Symmetrieachse oder einen Symmetriepunkt handeln.
Zum Schluss sollte noch erwähnt werden, dass die Struktur der 73 geeignet ist, das Zentrum (PZ) mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) zu verschränken. Ggf. kann der optische Pfad zwischen Zentrum (PZ) und paramagnetischem Zentrum (NV1) noch mit optischen Funktionselementen, wie sie an derer Stelle in dieser Schrift bereits aufgezählt sind, ergänzt und ggf. modifiziert werden.
74 Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass eine Kompensationsspule (LC), wie beispielsweise in 29 gezeichnet, nicht notwendigerweise eine Windung oder einen Bogen aufweisen muss. Vielmehr ist es so, dass eine Leitung beispielsweise als mikrostrukturierte Leitung (LH, LV) beispielsweise auf der ersten Oberfläche (OFL1) des Sensorelements gefertigt sein kann. Das paramagnetische Zentrum (NV1) kann wenige nm unter der ersten Oberfläche (OFL1) des Sensorelements gefertigt sein. Dadurch kann sich das paramagnetische Zentrum (NV1) im magnetischen Nahfeld der Leitung (LH, LV) befinden. Bevorzugt befinden sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem ersten Abstand (r) von weniger als 1µm, besser weniger als 500nm, besser weniger als 200nm, besser weniger als 100nm, besser weniger als 50nm, besser weniger als 20nm von der beispielhaft horizontalen Leitung (LH) entfernt. Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass die Leitung (LH) besonders bevorzugt weniger als 50nm von dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) entfernt ist. Durch diesen geringen Abstand können bereits mit betragsmäßig sehr geringen elektrischen Strömen (IH) in der Leitung (LH) erhebliche magnetische Flussdichten B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erzeugt werden, die diese neben anderen möglicherweise relevanten physikalischen Parametern beeinflussen.
In dem Beispiel der 74 wird eine horizontale Leitung (LH) mit einem horizontalen Strom (IH) bestromt, wobei das Wort horizontal hier in diesem Zusammenhang zur Unterscheidung des Stroms (LH) und der Leitung (LH) von später eingeführten Leitungen (LV) und Strömen (IV) dient. In der 74 ist die horizontale Leitung (LH) vorzugsweise gegenüber dem Substrat (D) aus diamagnetischem Material (MPZ) isoliert. Bevorzugt befindet sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) direkt unter der horizontalen Leitung (LH) in einem ersten Abstand (d_a1) unter der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) aus bevorzugt diamagnetischem Material (MPZ) - beispielsweise Diamant - in dem sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe (NVC) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) befindet. In einer Variante ist der erste Abstand (d_a1) bevorzugt sehr klein gewählt. Bevorzugt ist der erste Abstand (d_a1) kleiner als 1µm, besser kleiner als 500nm, besser kleiner als 250nm, besser kleiner als 100nm, besser kleiner als 50nm, besser kleiner als 25nm, ggf. kleiner als 10nm. Mit geringer werdenden Abständen (d_a1) zur Oberfläche (OF1L1) steigt der Einfluss der Oberflächenzustände. Es hat sich daher bewährt Abstände (d_a1) kleiner als 20nm möglichst nicht zu unterschreiten und ggf. insbesondere im Falle von Diamanten als Substrat (D) die Oberfläche (DFL1) mittels der Abscheidung einer epitaktischen Schicht nach der Fertigung der paramagnetischen Zentren (NV1) wieder anzuheben, sodass der Abstand (d_a1) einen solchen Substratmaterial spezifischen Mindestabstand (d_a1) wieder überschreitet. Die horizontale Leitung (LH) ist bevorzugt in der in der 74 dargestellten Weise auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und an diesem befestigt und gegen das Substrat (D) isoliert. Insbesondere können Modulationen des horizontalen Ansteuerstromes (IH) zur Manipulation des Spins des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der Spins von paramagnetischen Zentren (NV1) der Gruppe (NVC) oder Gruppen (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) verwendet werden. Bevorzugt ist die horizontale Leitung (LH) fest mit dem Substrat (D) verbunden und bildet typischerweise eine Einheit mit dieser. Die horizontale Leitung (LH) wird typischerweise bevorzugt durch Elektronenstrahllithografie oder ähnlich hochauflösende Lithografiemethoden auf dem Substrat (D) gefertigt, wenn unter unterschiedlichen horizontalen Leitungen (LH) liegende paramagnetische Zentren (NV1) und/oder dort liegende unterschiedliche Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) miteinander koppeln sollen. Ist eine solche Kopplung nicht beabsichtigt, so können weniger hochauflösende Lithografiemethoden Verwendung finden. Werden elektrostatische Potenziale zwischen dem Substrat (D) und dieser Leitung (LH, LV) durch eine Ansteuervorrichtung (AH) dieser Leitung (LH) angelegt, so lassen sich die optischen Eigenschaften und die Fluoreszenzstrahlung (LB), insbesondere die Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) unterhalb der betreffenden Leitung (LH) manipulieren und beeinflussen. Auf diese Weise können beispielsweise bei der Verwendung von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1) einzelne NV-Zentren durch lokale Verschiebung des Fermi-Niveaus gezwungen werden, den fluoreszierenden NV^--Zustand zu verlassen und damit dunkel zu werden. Mit Hilfe dieser Konstruktion ist es somit möglich beispielsweise in einem ein-dimensionalen Gitter von paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. in einem ein-dimensionalen Gitter von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) die Fluoreszenzstrahlung (LB) einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. die Fluoreszenzstrahlung (LB) einzelner Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) selektiv durch geeignete Einstellung eines leitungsspezifischen elektrischen Potenziale der betreffenden horizontalen Leitung (LH), die sich oberhalb des einzelnen paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der betreffenden einzelnen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) auf der Oberfläche des Substrats (D) befindet, an- und auszuschalten und so eine linienhafte Auflösung durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Fluoreszenzstrahlung (FL) einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) oder von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zu erreichen, die beispielsweise die eindimensional ortsaufgelöste Messung von Strömen in integrierten Schaltkreisen erlaubt. Somit kann die Intensität (I_fl ) einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) innerhalb mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einzelner Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) innerhalb mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mittels einer Modulation des leitungsspezifischen elektrischen Potenzials der betreffenden horizontalen Leitung (LH), die sich oberhalb des einzelnen paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der betreffenden einzelnen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) auf der Oberfläche des Substrats (D) befindet, selektiv gegenüber anderen paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem gleichen Substrat (D) moduliert werden. Die anderen paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in dem gleichen Substrat (D) dann nämlich ggf. nicht moduliert. Somit schlagen wir hier ein Sensorsystem vor, dessen Sensorelement ein Substrat (D) aufweist, dass ein oder mehrere erste Mittel (LH), und ein oder mehrere zweite Mittel (AVH) aufweist, um z.B. mittels statischer Potenziale der ersten Mittel (LH) gegenüber dem Potenzial des Sensorelements (D) das Fermi-Niveau am Ort einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und am Ort einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) so zu beeinflussen, dass diese einzelnen paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und eine oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aktiviert wird bzw. deaktiviert werden, wobei aktiviert bei NV-Zentren bedeutet, dass diese bevorzugt den N^- -Zustand annehmen und fluoreszieren - also Fluoreszenzstrahlung (FL) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) abgeben -, und wobei deaktiviert bedeutet, dass diese bevorzugt einen vom N^- -Zustand verschiedenen Zustand annehmen oder nicht fluoreszieren- also KEINE Fluoreszenzstrahlung (FL) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) abgeben -. Bei Anordnung der horizontalen Leitungen (LH) in einem ein-dimensionalen Gitter mit einem darunter im bevorzugt diamagnetischen Material (MPZ) des Substrats (D) befindlichen entsprechenden ein-dimensionalen Gitter aus paramagnetischen Zentren (NV1) oder aus Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) wird somit eine linienhaft hochaufgelöste bildgebende Messung beispielsweise der magnetischen Flussdichte B mit einer Auflösung unterhalb der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) von wenigen nm möglich, wenn zeitlich hintereinander einzelne paramagnetische Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) von paramagnetischen Zentren mittels Wahl der geeigneten Potenziale der horizontalen Leitungen (LH) relativ zum Potenzial des Substrats (D) sukzessive einzeln aktiviert und dann nach der Bestimmung der magnetischen Flussdichte B wieder deaktiviert werden, sodass die Fluoreszenzstrahlung (FL) stets nur vorzugsweise von wenigen, besser nur genau einem aktivierten paramagnetischen Zentrum (NV1) und/oder wenigen Gruppen besser nur genau einer Gruppe (NVC) aktivierter paramagnetischer Zentren (NV1) stammt, sodass jedem der Orte der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Ort der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren nach Aktivierung, Messung der magnetischen Flussdichte B und Deaktivierung aller paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) für jeden dieser Orte ein Messwert aufgrund der eines erfassten Werts der erfassten Fluoreszenzstrahlung (FL) zum Zeitpunkt der Aktivierung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren dieses Ortes vorliegt. Diese Messwerte können dann beispielsweise mittels eines Rechnersystems (µC) als Bild dargestellt werden. Bevorzugt wird die horizontale Leitung (LH) zu diesem Zweck aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (Englische Abkürzung: ITO) hergestellt. Aus der Schrift Marcel Manheller, Stefan Trellenkamp, Rainer Waser, Silvia Karthäuser, „Reliable fabrication of 3 nm gaps between nanoelectrodes by electron-beam lithography", Nanotechnology, Vol. 23, No. 12, Mar. 2012, DOI: 10.1088/0957-4484/23/12/125302 ist bekannt, dass die horizontalen Leitungen (LH) in sehr geringem Abstand (z.B. 5nm und kleiner, z.B. 5nm) zueinander hergestellt werden können. Aus der Schrift J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation" Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 ist eine hochgenaue Platzierung der Stickstoffatome zur Erzeugung der NV-Zentren bekannt. Maßnahmen zur Ausbeutesteigerung bei der Fertigung der NV-Zentren, z.B. eine Schwefelimplantation oder eine n-Dotierung des Substrats (D), werden in der hier vorgelegten Schrift genannt. Insofern ist eine präzise, ausbeutesichere Platzierung der paramagnetischen Zentren (NV1) unter den horizontalen Leitungen (LH) mittels fokussierter Ionenimplantation ohne Probleme möglich. Die örtlich hochaufgelöste Fertigung der horizontalen Leitungen (LH) ist mittels Elektronenstrahllithografie möglich. Die Platzierung kann so dicht beieinander erfolgen, das zwei benachbarte paramagnetische Zentren (NV1), insbesondere innerhalb einer Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) unter unterschiedlichen horizontalen Leitungen (LH1, LH2) miteinander wechselwirken können und ein Quantenregister auf Basis der Kopplung der Elektronenkonfigurationen bilden können, das über die horizontalen Leitungen (LH) mittels Mikrowellensignalen angesteuert werden kann.
Durch gezielte deterministische und/oder fokussiert Ionenimplantation ggf. einzelner oder mehrerer Fremdatome in das Material (MPZ) des Substrats (D) des Sensorelements ist eine ausreichend koordinatentreue Fertigung einzelner oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) möglich. Auf die Schrift J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation“ Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 wird hier verwiesen. Bei Verwendung eines Diamanten als Substrat (D) kann durch eine n-Dotierung, beispielsweise mit Schwefel, die Ausbeute an NV-Zentren gesteigert werden. Somit ist eine genaue Platzierung der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einer vorhersagbaren Weise räumlich relativ zu der horizontalen Leitung (LH) möglich und damit ausführbar.
Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um einen Diamanten handeln, auf dessen Oberfläche (OF1) die besagte Leitungen (LH) aufgebracht ist und wobei unterhalb der Leitung (LH) sich eine Gruppe (NVC) von NV-Zentren mit einer so hohen Dichte der NV-Zentren unterhalb der Leitung (LH) im Nahbereich der magnetischen Flussdichte B des von dem Stromfluss (IH, IV) in den beiden sich kreuzenden Leitungen (LV, LH) erzeugten magnetischen Feldes befinden, dass der Bereich dieser Gruppe von NV-Zentren als HD-NV-Diamant im Sinne dieser Schrift anzusehen ist. Dass eine Platzierung einer Gruppe (NVC) von NV-Zentren bzw. paramagnetischen Zentren (NV1) im Nahbereich, also besonders bevorzugt näher als 50nm also näher als 100µm und/oder besser näher als 50µm und/oder besser näher als 20µm und/oder besser näher als 10µm und/oder besser näher als 5µm und/oder besser näher als 2µm und/oder besser näher als 1µm und/oder besser näher als 500nm und/oder besser näher als 200nm und/oder besser näher als 100nm und/oder besser näher als 50nm und/oder besser näher als 20nm und/oder besser näher als 10nm und/oder besser näher als 5nm und/oder besser näher als 2nm, des magnetischen Feldes einer stromdurchflossenen, insbesondere geraden und/oder linienförmigen Leiters (LH) günstig ist, wurde im Rahmen der Ausarbeitung dieser Erfindung erkannt. Bevorzugt ist die Leitung (LH) aus einem bei der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) optisch transparenten Material und/oder aus einem bei der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) optisch transparenten Material. Beispielsweise kann dieses Material der Leitung (LH) Indium-Zinn-Oxid, kurz ITO genannt, oder ein ähnliches, optisch transparentes und elektrisch nichtleitendes Material sein. Beispielsweise können, wenn doch Mikrowellen benutzt werden sollen, diese über diese Konstruktion eingespeist und genutzt werden.
75 In dem Beispiel der 75 wird eine horizontale Leitung (LH) mit einem horizontalen Strom (IH) bestromt und eine vertikale Leitung (LV) mit einem vertikalen Strom (IV) bestromt, wobei die Worte horizontal und vertikal hier in diesem Zusammenhang zur Unterscheidung der Ströme und Leitungen dienen. In der 75 sind die vertikale Leitung (LV) und die horizontale Leitung (LH) gegeneinander beispielhaft und vorzugsweise gegenüber dem Substrat (D) aus diamagnetischem Material (MPZ) isoliert. Die Konstruktion der 75 unterscheidet sich dadurch von der Konstruktion in Thiago P. Mayer Alegre, Antonio C. Torrezan de Souza, Gilberto Medeiros-Ribeiro, „Microstrip resonator for microwaves with controllable polarization", arXiv:0708.0777v2 [cond-mat.other] 11.10.2007. Bevorzugt schneiden sich die horizontale Leitung (LH) und die vertikale Leitung in einem Punkt auf der Oberfläche (OFL1) des Sensorelements, wobei die horizontale Leitung (LH) und die vertikale Leitung (LV) bevorzugt gegeneinander elektrisch durch einen Isolator (IS) isoliert sind. Bevorzugt befindet sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) direkt unter dem Kreuzungspunkt der beiden Leitungen (LH, LV) in einem ersten Abstand (d_a1) unter der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) aus bevorzugt diamagnetischem Material (MPZ) - beispielsweise Diamant - in dem sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) befindet. In einer Variante ist der erste Abstand (d_a1) bevorzugt sehr klein gewählt. Bevorzugt ist der erste Abstand (d_a1) kleiner als 1µm, besser kleiner als 500nm, besser kleiner als 250nm, besser kleiner als 100nm, besser kleiner als 50nm, besser kleiner als 25nm, ggf. kleiner als 10nm.Mit geringer werdenden Abständen (d_a1) zur Oberfläche (OF1L1) steigt der Einfluss der Oberflächenzustände. Es hat sich daher bewährt Abstände (d_a1) kleiner als 20nm möglichst nicht zu unterschreiten und ggf. insbesondere im Falle von Diamanten als Substrat (D) die Oberfläche (DFL1) mittels der Abscheidung einer epitaktischen Schicht nach der Fertigung der paramagnetischen Zentren (NV1) wieder anzuheben, sodass der Abstand (d_a1) einen solchen Substratmaterial spezifischen Mindestabstand (d_a1) wieder überschreitet. Die vertikale Leitung (LV) und die horizontale Leitung (LH) sind bevorzugt in der in der 75 dargestellten Weise auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und gegen das Substrat (D) und bevorzugt gegeneinander isoliert. Damit unterscheidet sich die Konstruktion der 75 von der Konstruktion der Schrift Thiago P. Mayer Alegre, Antonio C. Torrezan de Souza, Gilberto Medeiros-Ribeiro, „Microstrip resonator for microwaves with controllable polarization“, arXiv:0708.0777v2 [condmat.other] 11.10.2007 in der ein einzelner kreuzförmiger Leiter als Mikrowellenresonator benutzt wird. Durch diese Konstruktion kann die Drehrichtung des magnetischen Feldes und damit der elektrischen Flussdichte B exakt kontrolliert werden. Insbesondere sind Phasenmodulationen des vertikalen Ansteuerstromes (IV) in der vertikalen Leitung (LV) und des horizontalen Ansteuerstromes (IH) zur Manipulation des Spins des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der Spins von paramagnetischen Zentren (NV1) der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) möglich. Bevorzugt sind die vertikale Leitung (LV) und die horizontale Leitung (LH) fest mit dem Substrat (D) verbunden und bilden typischerweise eine Einheit. Die vertikale Leitung (LH) und/oder die horizontale Leitung (LH) werden typischerweise bevorzugt durch Elektronenstrahllithografie oder ähnlich hochauflösende Lithografiemethoden auf dem Substrat (D) gefertigt, wenn unter unterschiedlichen Leitungen (LH, LV) liegende paramagnetische Zentren (NV1) und/oder dort liegende unterschiedliche Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) miteinander koppeln sollen. Ist eine solche Kopplung nicht beabsichtigt, so können weniger hochauflösende Lithografiemethoden Verwendung finden. Werden elektrostatische Potenziale zwischen dem Substrat (D) und diesen Leitungen (LH, LV) durch eine Ansteuervorrichtung (AH, AV) dieser Leitungen (LH, LV) angelegt, so lassen sich die optischen Eigenschaften und die Fluoreszenzstrahlung (LB) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) manipulieren und beeinflussen. Auf diese Weise können beispielsweise bei der Verwendung von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1) einzelne NV-Zentren durch lokale Verschiebung des Fermi-Niveaus gezwungen werden, den fluoreszierenden NV^--Zustand zu verlassen und damit dunkel zu werden. Mit Hilfe dieser Konstruktion ist es somit möglich beispielsweise in einem ein- oder zweidimensionalen Gitter von paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. in einem ein- oder zweidimensionalen Gitter von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) die Fluoreszenzstrahlung (LB) einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. die Fluoreszenzstrahlung (LB) einzelner Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) selektiv durch geeignete Einstellung eines leitungsspezifischen elektrischen Potenziale der betreffenden horizontalen Leitung (LH) und/oder der betreffenden vertikalen Leitung (LV), die sich oberhalb des einzelnen paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der betreffenden einzelnen Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) auf der Oberfläche des Substrats (D) kreuzen, an- und auszuschalten und so eine räumliche Auflösung durch selektive Aktivierung und Deaktivierung der Fluoreszenzstrahlung (FL) einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) oder von Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zu erreichen, die beispielsweise die ortsaufgelöste Messung von Strömen in integrierten Schaltkreisen erlaubt. Somit schlagen wir hier ein Sensorsystem vor, dessen Sensorelement ein Substrat (D) aufweist, dass ein oder mehrere erste Mittel (LH, LV), und ein oder mehrere zweite Mittel (AVH, AVV) aufweist, um z.B. mittels statischer Potenziale der ersten Mittel (LH, LV) gegenüber dem Potenzial des Sensorelements (D) das Fermi-Niveau am Ort einzelner paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und am Ort einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) so zu beeinflussen, dass diese einzelnen paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) und eine oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) aktiviert wird bzw. deaktiviert werden, wobei aktiviert bei NV-Zentren bedeutet, dass diese bevorzugt den N^- -Zustand annehmen und fluoreszieren, und wobei deaktiviert bedeutet, dass diese bevorzugt einen vom N^- - Zustand verschiedenen Zustand annehmen oder nicht fluoreszieren. Bei Anordnung der horizontalen und vertikalen Leitungen (LH, LV) in einem ein- oder zweidimensionalen Gitter mit einem darunter im Material des Substrats (D) befindlichen entsprechenden ein- oder zweidimensionalen Gitter aus paramagnetischen Zentren (NV1) oder aus Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1)wird somit eine hochaufgelöste bildgebende Messung beispielsweise der magnetischen Flussdichte B mit einer Auflösung unterhalb der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) von wenigen nm möglich, wenn zeitlich hintereinander einzelne paramagnetische Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) von paramagnetischen Zentren mittels Wahl der geeigneten Potenziale der horizontalen Leitungen (LH) und/oder vertikalen Leitungen (LV) relativ zum Potenzial des Substrats (D) sukzessive einzeln aktiviert und dann nach der Bestimmung der magnetischen Flussdichte B wieder deaktiviert werden, sodass die Fluoreszenzstrahlung (FL) stets nur vorzugsweise von wenigen, besser nur genau einem aktivierten paramagnetischen Zentrum (NV1) und/oder wenigen Gruppen besser nur genau einer Gruppe (NVC) aktivierter paramagnetischer Zentren (NV1)stammt, sodass jedem der Orte der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Ort der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren nach Aktivierung, Messung uns der magnetischen Flussdichte B und Deaktivierung aller paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) für jeden dieser Orte ein Messwert aufgrund der eines erfassten Werts der erfassten Fluoreszenzstrahlung (FL) zum Zeitpunkt der Aktivierung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren dieses Ortes vorliegt. Diese Messwerte können dann beispielsweise mittels eines Rechnersystems als Bild dargestellt werden. Bevorzugt werden die vertikale Leitung (LV) und/oder die horizontale Leitung (LH) zu diesem Zweck aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (Englische Abkürzung: ITO) hergestellt. Aus der Schrift Marcel Manheller, Stefan Trellenkamp, Rainer Waser, Silvia Karthäuser, „Reliable fabrication of 3 nm gaps between nanoelectrodes by electron-beam lithography“, Nanotechnology, Vol. 23, No. 12, Mar. 2012, DOI: 10.1088/0957-4484/23/12/125302 ist bekannt, dass die vertikalen Leitungen (LV) und die horizontalen Leitungen (LH) in sehr geringem Abstand (z.B. 5nm und kleiner, z.B. 5nm) zueinander hergestellt werden können. Aus der Schrift J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation" Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 ist eine hochgenaue Platzierung der Stickstoffatome zur Erzeugung der NV-Zentren bekannt. Maßnahmen zur Ausbeutesteigerung, z.B. eine Schwefelimplantation oder eine n-Dotierung des Substrats (D) werden in der hier vorgelegten Schrift genannt. Insofern ist eine präzise Platzierung der paramagnetischen Zentren (NV1) unter den Kreuzungspunkten der Leitungen (LV, LH) mittels fokussierter Ionenimplantation ohne Probleme möglich. Die örtlich hochaufgelöste Fertigung der Leitungen (LH, LV) ist mittels Elektronenstrahllithografie möglich. Die Platzierung kann so dicht beieinander erfolgen, das zwei benachbarte paramagnetische Zentren (NV1, NV2), insbesondere innerhalb einer Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) unter unterschiedlichen Kreuzungspunkten von zwei vertikalen Leitung (LV) und einer horizontalen Leitung (LH1, LH2) oder von einer vertikalen Leitung (LV) und zwei horizontalen Leitungen miteinander wechselwirken können und ein Quantenregister auf Basis der Kopplung der Elektronenkonfigurationen bilden können, das über die Leitungen (LH, LV) mittels Mikrowellensignalen angesteuert werden kann.
Durch gezielte deterministische und/oder fokussiert Ionenimplantation ggf. einzelner oder mehrerer Fremdatome in das Material (MPZ) des Substrats (D) des Sensorelements ist eine ausreichend koordinatentreue Fertigung einzelner oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) möglich. Auf die Schrift J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation“ Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 wird hier verwiesen. Bei Verwendung eines Diamanten als Substrat (D) kann durch eine n-Dotierung, beispielsweise mit Schwefel, die Ausbeute an NV-Zentren gesteigert werden. Somit ist eine genaue Platzierung der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einer vorhersagbaren Weise räumlich relativ zu den Leitungen (LH, LV) möglich und damit ausführbar.
Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um einen Diamanten handeln, auf dessen Oberfläche (OF1) die besagten Leitungen (LV, LH) aufgebracht sind und wobei unterhalb des Kreuzungspunkts der Leitungen (LH, LV) sich eine Gruppe (NVC) von NV-Zentren in einer so hohen Dichte unterhalb des Kreuzungspunkts der beiden Leitungen im Nachbereich der magnetischen Flussdichte B des von dem Stromfluss (IH, IV) in den beiden sich kreuzenden Leitungen (LV, LH) erzeugten magnetischen Feldes befinden, dass der Bereich dieser Gruppe von NV-Zentren als HD-NV-Diamant im Sinne dieser Schrift anzusehen ist. Dass eine Platzierung einer Gruppe (NVC) von NV-zentren bzw. paramagnetischen Zentren (NV1) im Nahbereich, also besonders bevorzugt näher als 50nm also näher als 100µm und/oder besser näher als 50µm und/oder besser näher als 20µm und/oder besser näher als 10µm und/oder besser näher als 5µm und/oder besser näher als 2µm und/oder besser näher als 1µm und/oder besser näher als 500nm und/oder besser näher als 200nm und/oder besser näher als 100nm und/oder besser näher als 50nm und/oder besser näher als 20nm und/oder besser näher als 10nm und/oder besser näher als 5nm und/oder besser näher als 2nm, des magnetischen Feldes eines oder mehrerer stromdurchflossener, insbesondere geraden und/oder linienförmigen Leiters (LH, LV) günstig ist, wurde im Rahmen der Ausarbeitung dieser Erfindung erkannt. Bevorzugt sind die Leitungen (LH, LV) aus einem bei der Pumpstrahlungswellenlänge der Pumpstrahlung (LB) optisch transparenten Material und/oder aus einem bei der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl )der Fluoreszenzstrahlung (FL) optisch transparenten Material. Beispielsweise kann dieses Material der Leitungen (LV, LH) Indium-Zinn-Oxid, kurz ITO genannt, oder ein ähnliches, optisch transparentes und elektrisch nichtleitendes Material sein. Wenn der horizontale Strom (IH) moduliert ist und der vertikale Strom (IV) in gleicher Weise, aber zum horizontalen Strom (IH) phasenverschoben, bevorzugt +/- 90° phasenverschoben, moduliert ist, ergibt sich in dem Beispiel der 75 am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. am Ort der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. am Ort der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) eine sich drehende magnetische Flussdichte B, die je nach der Frequenz der elektrischen Ströme (IH, IV) Resonanzen des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) treffen kann und diese einer NMR-Analyse zugänglich macht. Beispielsweise können, wenn doch Mikrowellen benutzt werden sollen, diese über diese Konstruktion eingespeist und genutzt werden.
76 76 entspricht weitestgehend der 75 mit dem Unterschied, dass nun zusätzlich in der Nähe des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) sich ein oder mehrere Atomkerne oder ein oder mehrere Gruppen von Atomkernen befinden, die beispielhaft einen Kernspin aufweisen, der beispielsweise ein magnetische Moment aufweist und die mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NVC) wechselwirken, während die übrigen Atome des Materials eines Substrats (D) des Sensorelements bevorzugt keinen Kernspin aufweisen.
Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um einen Diamanten handeln, der bevorzugt aus dem Kohlenstoffisotop C¹² besteht, dass kein magnetisches Moment aufweist und nicht wesentlich mit NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) wechselwirkt. Somit ist es denkbar, das Sensorelement isotopenreinbeispielsweise durch Abscheidung einer isotopenreinen Epitaxie-Schicht zu gestalten, sodass in erster Näherung keine oder nur eine für den Anwendungszweck in erster Näherung unwesentliche Wechselwirkung zwischen den Majoritätsatomen eines Materials des Substrats (D) des Sensorelements und dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) stattfindet. In dem Beispiel eines Sensorelements in Form eines Diamanten aus C¹² Kohlenstoffisotopen können nun einzelne und/oder mehrere Kernzentren (CI) und/oder eine oder mehrere Gruppen (CIC) von Kernzentren (Cl) mit einem Kernspin dadurch erzeugt werden, dass einzelne der C¹² Kohlenstoffisotope der Atome des Sensormaterials des beispielhaften Diamanten durch C¹³ Kohlenstoffisotope ersetzt sind. Diese C¹³ Kohlenstoffisotope können mittels fokussierter Ionenimplantation lokalisiert exakt platziert werden. Auf J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation“ Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 wird hier verwiesen. Diese Technik kann in leicht abgewandelter Weise hier verwendet werden. Diese C¹³ Kohlenstoffisotope bilden dann aufgrund ihres Kernspins im Diamant Kernzentren (CI). Diese Kernzentren (Cl) können auch einzelne oder mehrere Gruppen (CIC) solcher Kernzentren (CI) sein. Das Kernzentrum (Cl) oder die Kernzentren (CI) oder die Gruppe (CIC) von Kernzentren (CI) oder die Gruppen (CIC) von Kernzentren (Cl) befinden sich in einem zweiten Abstand (d_a2) unter der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) des Sensorelements und können, wie zuvor für das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in der Beschreibung der 75 beschrieben, in analoger Weise mittels der horizontalen Leitung (LH) und der vertikalen Leitung (LV) angesteuert werden und mit den paramagnetischen Zentren (NV1) gekoppelt werden. Die Ansteuerung kann auch nur mittels einer dieser Leitungen (LH, LV) mit eingeschränkter Ansteuerungsmöglichkeit erfolgen.
Hierbei werden andere Kopplungsfrequenzen für die Kopplung der paramagnetischen Zentren (NV1) mit den Kernzentren (CI) verwendet als für die Kopplung der paramagnetischen Zentren (NV1) untereinander.
In dem Fall kann das Sensorausgangssignal (out) vom Zustand eines oder mehrerer Kernzentren (CI) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) abhängen. Dies hat den Vorteil, dass die Kernzentren (Cl) jeweils eine größere Masse aufweisen und anders auf Änderungen des magnetischen Flusses B oder der anderen möglicherweise erfassbaren physikalischen Parameter an ihrem Ort reagieren als die paramagnetischen Zentren (NV1) diese Differenz kann beispielsweise dazu genutzt werden, um Beschleunigungssensoren, Schallsensoren, Gravimeter und ggf. Seismometer zu bauen. So kann es sich beispielsweise bei den paramagnetischen Referenzzentren (NV2) in 32 um paramagnetische Zentren (NV1) handeln, die nicht von Kernzentren (CI) beeinflusst werden, während es sich bei dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in 32 um ein oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine Gruppe (NVC) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) handeln kann, die von einem Kernzentrum (CI) oder einer Mehrzahl von Kernzentren (CI) oder einer Gruppe (CIC) von Kernzentren (CI) oder einer Mehrzahl von Gruppen(CIC) von Kernzentren (CI) beeinflusst werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement der 32 um isotopenreinen Diamant aus C¹²-Kohlenstoffisotopen handeln in dem das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in Form von NV-Zentren gefertigt sind, wobei im Einwirkungsbereich, also im Abstand von wenigen nm, zu dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), also in unserem Beispiel NV-Zentren, ein Kernzentrum (CI) bzw. Kernzentren (CI) bzw. eine Gruppe (CIC) oder Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) in Form von C¹³-Kohlenstoffisotopen vorhanden oder platziert sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Referenzsensorelement der 32 ebenso um isotopenreinen Diamant aus C¹²-Kohlenstoffisotopen handeln in dem das paramagnetische Referenzzentrum (NV2) und/oder die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bzw. die Gruppe oder Gruppen paramagnetischer Referenzzentren (NV2) ebenfalls in Form von NV-Zentren gefertigt sind, wobei nun aber im Einwirkungsbereich dieses paramagnetischen Referenzzentrums (NV2) und/oder dieser paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bzw. der Gruppe oder Gruppen paramagnetischer Referenzzentren (NV2), also in unserem Beispiel NV-Zentren bzw. Gruppen von NV-Zentren, KEINE oder im Wesentlichen kein Kernzentrum (CI) bzw. keine Kernzentren (CI) bzw. Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) in Form weniger C¹³-Kohlenstoffisotope vorhanden oder platziert sind, so dass solche Kernzentren (CI) bzw. Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) die Fluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) für den anwendungsgemäßen Zweck nicht oder nur in tolerabler Weise beeinflussen. Die Platzierung der die Kernzentren bildendenden Isotope kann mittels fokussierte Ionenimplantation diese Isotope, beispielsweise von der C¹³-Kohlenstoffatomen in Diamant, analog zur Methode der Platzierung einzelner Stickstoffatome bei der Bildung von NV-Zentren erfolgen. Auf die Schrift J. Meijer, B. Burchard, M. Domhan, C. Wittmann, T. Gaebel, I. Popa, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Generation of single color centers by focused nitrogen implantation" Appl. Phys. Lett. 87, 261909 (2005); https://doi.org/10.1063/1.2103389 wird in diesem Zusammenhang nochmals hingewiesen. Dies hat den Vorteil, dass nun Kernzustände, nämlich die des oder der Kernzentren (CI) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) - hier in dem Beispiel der C¹³-Kohlenstoffatome als Kernzentren (CI) im Sendepfad in der Nähe des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) (siehe 32) - mittels einer einfachen Schaltung messbar werden. Die Vorrichtung der 32 zeichnet sich bei einer derartigen Ausführung dann dadurch aus, das das Sensorausgangssignal (out) von Zuständen des Kernspins von Atomen nämlich dem des Kernzentrums (CI) bzw. der Kernzentren (CI) bzw. der oder den Gruppen von Kernzentren (CIC) abhängt, die sich im Einwirkungsbereich eines paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) befinden.
77 Durch die Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) entstehen in der Elektronenkonfiguration des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1), beispielsweise von NV-Zentren in Diamant, Fotoelektronen, die abgesaugt werden können. Hierzu sei auf Petr Siyushev, Milos Nesladek, Emilie Bourgeois, Michal Gulka, Jaroslav Hruby, Takashi Yamamoto, Michael Trupke, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Fedor Jelezko, „Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond" Science 15 Feb 2019, Vol. 363, Issue 6428, pp. 728-731, DOI: 10.1126/science.aav2789 verwiesen. Diese Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren (NV1) werden bei fortdauernder Bestrahlung mit der Pumpstrahlung (LB) nachgeliefert und erzeugen so einen Fotostrom, der von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) und ggf. weiteren physikalischen Paramatern abhängt.
So ist aus G. Balasubramanian, I. Y. Chan, R. Kolesov, M. Al-Hmoud, J. Tisler, C. Shin, C. Kim, A. Wojcik, P.R. Hemmer, A. Krueger, T. Hanke, A.Leitenstorfer, R. Bratschitsch, F. Jeletzko, J. Wrachtrup, „nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions", Natur 455, 648 (2008) die lokal hochaufgelöste Magnetfeldmessung mit NV-Zentren bekannt. Aus G. Kucsko, P.C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P.K. Lo, H. Park, M.D. Lukin, „Nanometre-scale thermometry in a living cell", Nature 500, 54-58 (2013) ist die Thermometrie mit NV-Zentren bekannt. Aus F. Dole, H. Fedder, M. W. Doherty, T. Nöbauer, F. Rempp, G. Balasubramanian, T. Wolf, F. Reinhard, L.C.L. Hollenberg, F. Jeletzko, J. Wrachtup, „Electric-field sensing using single diamond spins", Nat. Phs. 7, 459-463 (2011 ist die Messung elektrischer Felder mit NV-Zentren bekannt. Aus A. Albrecht, A. Retzker, M. Plenio, „Nanodiamond interferometry meets quantum gravity" arXiv:1403.6038v1 [quant-ph] 24 Mar 2014 ist die Messung von Gravitationsfeldern mit NV-Zentren bekannt. Daraus ergibt sich unmittelbar, dass somit die Messung von Rotationsbewegungen und von Beschleunigungen mit NV-Zentren sowie von der Möglichkeit der Konstruktion von Navigationssystemen mit NV-Zentren und paramagnetischen Zentren (NV1) besteht. Voraussetzung für solche Systeme ist die Verfügbarkeit von Diamanten mit einer hohen Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1), also bevorzugt die Verfügbarkeit von HD-NV-Diamanten. Somit ist die Messung der magnetischen Flussdichte B, der elektrischen Feldstärke E, der Beschleunigung g, der Rotationsgeschwindigkeit ω_rund der Temperatur ϑ aus dem Stand der Technik bekannt und kann mit den hier vorgestellten Systemen durchgeführt werden.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Vorrichtung der 75 mit Kontakten (KH, KV) versehen werden, die eine oder mehrere Leitungen (LH, LV) ohmsch mit dem Material des Sensorelements, beispielsweise in dem Substrat (D) also beispielsweise Diamant, verbinden und so eine Absaugung ermöglichen. Somit wird eine Verwendung dieses Fotostromes anstelle der Fluoreszenzstrahlung (FL) möglich. Dabei hängt der Wert dieses Fotostromes von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und der magnetischen Flussdichte B und ggf. weiteren physikalischen Parametern ab.
78 und 79 78 und 79 dienen der Veranschaulichung einer optimalen Bestromung. Zunächst wird hier auf 78 eingegangen. Am Beispiel eines Quantenbits (QUB) mit einer ersten vertikalen Abschirmleitung (SV1) und einer zweiten vertikalen Abschirmleitung (SV2) wird das Prinzip dargestellt. Die Zeichnung entspricht im Wesentlichen der 76. Zusätzlich sind eine erste vertikale Abschirmleitung (SV1) und eine zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) und eine erste horizontale Abschirmleitung (SH1) eingezeichnet. Eine zweite horizontale Abschrimleitung (SH2) kann vor dem Quantenpunkt liegend im durch den Schnitt des Schnittbildes nicht dargestellten Bereich vor der Schnittebene liegend angenommen werden. Auf die nachfolgende 79 mit einer um 90° gedrehten Lage der Schnittebene wird hier hingewiesen. Parallel zu einem ersten Lot (LOT) durch den Quantenpunkt mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) können eine erste weitere Lot-Line (VLOT1) und eine zweite weitere Lot-Linie (VLOT2) durch die jeweiligen Kreuzungspunkte der entsprechenden vertikalen Abschirmleitungen (SV1, SV2) mit der horizontalen Leitung (LH) gezeichnet werden. In dem Abstand (d_a1) des Quantenpunkts mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) von der Oberfläche (OFL1) können dann ein erster virtueller vertikaler Quantenpunkt (VVNV1) und ein zweiter virtueller Quantenpunkt (VVNV2) definiert werden. Der erste vertikale elektrische Abschirmstrom (ISV1) durch die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) und der zweite vertikale elektrische Abschirmstrom (ISV2) durch die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) und der erste horizontale elektrische Abschirmstrom (ISH1) durch die erste horizontale Abschirmleitung (SH1) und der nicht eingezeichnete zweite horizontale elektrische Abschirmstrom (ISH2) durch die nicht eingezeichnete zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) sowie der horizontale Strom (IH) durch die horizontale Leitung (IH) und der vertikale Strom (IV) durch die vertikale Leitung ergeben zusammen sechs Parameter, die frei gewählt werden können. Nun kann die Flussdichte (B_NV ) eines zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellenfelds zur Manipulation des Quantenpunkts mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) am Ort des Quantenpunkts mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) vorgegeben werden und verlangt werden, dass die erste virtuelle horizontale magnetische Flussdichte (B_VHNV1 ) am Ort des ersten virtuellen horizontalen Quantenpunkts (VHNV1) und die zweite virtuelle horizontale magnetische Flussdichte (B_VHNV2 ) am Ort des zweiten virtuellen horizontalen Quantenpunkts (VHNV2) und die erste virtuelle vertikale magnetische Flussdichte (B_VVNV) am Ort des ersten virtuellen vertikalen Quantenpunkts (VVNV1) und die zweite virtuelle vertikale magnetische Flussdichte (B_VVNV2 ) am Ort des zweiten virtuellen vertikalen Quantenpunkts (VVNV2) verschwinden. Der erste virtuelle horizontale Quantenpunkt (VHNV1) und der zweite virtuelle horizontale Quantenpunkt (VHNV2) sind in der Figur nicht eingezeichnet, da die Figur einen Querschnitt darstellt und für die Sichtbarkeit die Schnittfläche um 90° um die LOT-Achse gedreht werden muss. 79 stellt diesen Schnitt dar. 79 dient der Veranschaulichung einer optimalen Bestromung am Beispiels eines Quantenbits (QUB) mit einer ersten horizontalen Abschirmleitung (SH1) und einer zweiten horizontalen Abschirmleitung (SH2). Durch diese ausgewogene Bestromung kann das unbeabsichtigte Ansprechen von Quantenpunkten minimiert werden. Der Kreuzungswinkel (α_k ) ist bevorzugt ein rechter Winkel von 90°.
80 80 zeigt das Blockdiagramm eines beispielhaften Quantensensorsystems mit einem beispielhaften schematisch angedeuteten Drei-Bit-Quantenregister mit einem ersten Quantenbit (QUB11) und einem zweiten Quantenbit (QUB12) und einem dritten Quantenbit (QUB13), die hier beispielhafte jeweils einem Quantenbit (QUB) der 78 und der 79 entsprechen sollen.
Der Kern der beispielhaften Ansteuervorrichtung der 80 ist eine Steuervorrichtung (µC) die bevorzugt ein Steuerrechner (µC) oder ein Signalprozessor oder ein endlicher Automat (Englisch Finite State Machine) oder dergleichen ist. Bevorzugt weist die Gesamtvorrichtung eine Magnetfeldkontrolle (MFC) auf, die ihre Betriebsparameter bevorzugt von der besagten Steuervorrichtung (µC) erhält und bevorzugt Betriebsstatusdaten an diese Steuervorrichtung (µC) zurückgibt. Die Magnetfeldkontrolle (MFC) ist bevorzugt ein Regler, dessen Aufgabe es ist, ein externes magnetisches Feld durch aktive Gegenregelung beispielsweise mittels einer gemeinsamen Kompensationsspule (LC) für die gesamte Vorrichtung zu kompensieren. Bevorzugt nutzt die Magnetfeldkontrolle (MFC) hierfür einen Magnetfeldsensor (MFS), der bevorzugt den magnetischen Fluss B in der Vorrichtung bevorzugt in der Nähe der Quantenpunkte der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erfasst. Bevorzugt handelt es sich bei dem Magnetfeldsensor (MFS) selbst auch um einen Quantensensor. Hier sei auf die Anmeldungen DE 10 2018 127 394.0 , DE 10 2019 130 114.9 , DE 10 2019 120 076.8 und DE 10 2019 121 137.9 verwiesen. Mit Hilfe einer Magnetfeldkontrollvorrichtung (MFK) regelt die Magnetfeldkontrolle (MFC) die magnetische Flussdichte B nach. Bevorzugt wird ein Quantensensor verwendet, da dieser die höhere Genauigkeit aufweist, um die magnetische Flussdichte B des Magnetfeldes ausreichend zu stabilisieren.
Die Steuervorrichtung steuert bevorzugt über eine Kontrolleinheit A (CBA) die horizontalen Treiberstufen (HD1, HD2, HD3) und vertikalen Treiberstufen (VD1) an, die bevorzugt die horizontalen Leitungen (LH1, LH2, LH3) und vertikalen Leitungen (LV1) mit den jeweiligen horizontalen Strömen und vertikalen Strömen bestromen und die richtigen Frequenzen und zeitlichen Burst-Dauern erzeugen für die Spin-Ansteuerung der Spins der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppen paramagnetischer Zentren (NVC) erzeugen. Sofern in der Nähe der paramagnetischen Zentren (NV1) Kernzentren (Cl) im Substrat (D) sich befinden, können auf diese Weise auch die Kernzentren (CI), sowie die Paarungen aus paramagnetischem Zentrum (NV1) und Kernzentrum (CI) angesprochen werden. Die Steuervorrichtung steuert dann ebenso bevorzugt über eine Kontrolleinheit A (CBA) die horizontalen Treiberstufen (HD1, HD2, HD3) und vertikalen Treiberstufen (VD1) an, die bevorzugt die horizontalen Leitungen (LH1, LH2, LH3) und vertikalen Leitungen (LV1) mit den jeweiligen horizontalen Strömen und vertikalen Strömen bestromen und die richtigen Frequenzen und zeitlichen Burst-Dauern für die Spin-Ansteuerung der Spins der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppen paramagnetischer Zentren (NVC) bei Kopplung mit den Kern-Pins eines Kernzentrums (CI) oder mehrerer Kernzentren (CI) oder einer Gruppe oder Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) erzeugen. In der Konsequenz können auf diese Weise die jeweiligen paramagnetischen Zentren (NV1) mit den jeweiligen Kernzentren (CI) verschränkt werden. Sind die paramagnetischen Zentren (NV1) zweier benachbarter Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) dicht genug beieinander platziert, so können auch diese miteinander verschränkt werden. Die Steuervorrichtung steuert in diesem Fall ebenso bevorzugt über die Kontrolleinheit A (CBA) die horizontalen Treiberstufen (HD1, HD2, HD3) und vertikalen Treiberstufen (VD1) an, die bevorzugt die horizontalen Leitungen (LH1, LH2, LH3) und vertikalen Leitungen (LV1) mit den jeweiligen horizontalen Strömen und vertikalen Strömen bestromen und die richtigen Frequenzen und zeitlichen Burst-Dauern für die Spin-Ansteuerung der Spins der zu koppelnden paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppen paramagnetischer Zentren (NVC) erzeugen.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des ersten horizontalen Abschirmstromes (ISH1) für die erste horizontale Abschirmleitung (SH1) in der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des ersten horizontalen Stromes (IH1) für die erste horizontale Leitung (LH1) in der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des zweiten horizontalen Abschirmstromes (ISH2) für die zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) in der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) und der in der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des zweiten horizontalen Stromes (IH2) für die zweite horizontale Leitung (LH2) in der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des dritten horizontalen Abschirmstromes (ISH3) für die dritte horizontale Abschirmleitung (SH3) in der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2) und der in der dritten horizontalen Treiberstufe (HD3) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des dritten horizontalen Stromes (IH3) für die dritte horizontale Leitung (LH3) in der dritten horizontalen Treiberstufe (HD3) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des vierten horizontalen Abschirmstromes (ISH4) für die vierte horizontale Abschirmleitung (SH4) in der dritten horizontalen Treiberstufe (HD2) und in der vierten horizontalen Treiberstufe (HD4), die aus Platzmangel nur angedeutet ist, ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des ersten vertikalen Abschirmstromes (ISV1) für die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) in der ersten vertikalen Treiberstufe (HV1) ein.
Die Kontrolleinheit A (CBA) stellt entsprechend den Vorgaben der Steuervorrichtung (µC) die Frequenz und die Pulsdauer des ersten vertikalen Stromes (IV1) für die erste vertikale Leitung (LV1) in der ersten vertikalen Treiberstufe (VD1) ein.
Synchronisiert durch die Kontrolleinheit A (CBA) speisen diese Treiberstufen (VD1, HD1, HD2, HD3, HD4) ihren Strom in einem festen Phasenverhältnis bezogen auf einen gemeinsamen Synchronisationszeitpunkt in die Leitungen (SV1, LV1, SV2, SH1, LH1, SH2, LH2, SH3, LH3, SH4) ein.
Zuvor konfiguriert eine Kontrolleinheit B (CBB) eine erste horizontale Empfängerstufe (HS1) in der Art, dass sie die von der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) eingespeisten Ströme auf der anderen Seite der Leitungen wieder entnimmt. Statt einer konfigurierbaren ersten horizontalen Empfängerstufe (HS1) kann die erste horizontale Leitung (LH1) auch mit einem geeigneten Abschlusswiderstand beispielsweise gegen Masse versehen werden.
Zuvor konfiguriert die Kontrolleinheit B (CBB) eine zweite horizontale Empfängerstufe (HS2) in der Art, dass sie die von der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2) eingespeisten Ströme auf der anderen Seite der Leitungen wieder entnimmt. Statt einer konfigurierbaren zweiten horizontalen Empfängerstufe (HS2) kann die erste horizontale Leitung (LH2) auch mit einem geeigneten Abschlusswiderstand beispielsweise gegen Masse versehen werden.
Zuvor konfiguriert die Kontrolleinheit B (CBB) eine dritte horizontale Empfängerstufe (HS3) in der Art, dass sie die von der dritten horizontalen Treiberstufe (HD3) eingespeisten Ströme auf der anderen Seite der Leitungen wieder entnimmt. Statt einer konfigurierbaren dritten horizontalen Empfängerstufe (HS1) kann die dritte horizontale Leitung (LH3) auch mit einem geeigneten Abschlusswiderstand beispielsweise gegen Masse versehen werden.
Zuvor konfiguriert die Kontrolleinheit B (CBB) eine erste vertikale Empfängerstufe (VS1) in der Art, dass sie die von der ersten vertikalen Treiberstufe (VD1) eingespeisten Ströme auf der anderen Seite der Leitungen wieder entnimmt. Statt einer konfigurierbaren ersten vertikalen Empfängerstufe (VS1) kann die erste vertikale Leitung (Lv1) auch mit einem geeigneten Abschlusswiderstand beispielsweise gegen Masse versehen werden.
Bevorzugt bilden die erste horizontale Abschirmleitung (SH1), die erste horizontale Leitung (LH1) und die zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) eine möglichst stoßstellenfreie Tri-Plate-Leitung. Die Kontrolleinheit B (CBB) konfiguriert die erste horizontale Empfängerstufe (HS1) bevorzugt während der Erzeugung des zirkularpolarisierten Magnetfelds am Ort des ersten Quantenpunkts (NV11) bevorzugt in der Art, dass die Triplate-Leitung aus erster horizontaler Abschirmleitung (SH1), erster horizontaler Leitung (LH1) und zweiter horizontaler Abschirmleitung (SH2) durch die erste horizontale Empfängerstufe (HS1) mit dem Wellenwiderstand der Triplate-Leitung abgeschlossen wird, um Rückreflexionen zu vermeiden. Soll der Fotostrom des ersten Quantenpunkts (NV11) über die horizontalen Leitungen ausgelesen werden, so konfiguriert beispielsweise die Kontrolleinheit B (CBB) die erste horizontale Empfängerstufe (HS1) so, dass der Abschlusswiderstand möglichst hoch ist. Die erste horizontale Treiberstufe (HD1) legt dann die Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der ersten horizontalen Schirmleitung (SH1) und der zweiten horizontalen Schirmleitung (SH2) an und erfasst den Wert des fließenden Fotostromes des ersten Quantenpunkts (NV11) und gibt typischerweise den so ermittelten Wert an die Steuervorrichtung (µC) weiter, die den Wert verarbeitet und ggf. das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung beispielsweise über einen Datenbus (DB) zur Verfügung stellt.
Bevorzugt bilden die zweite horizontale Abschirmleitung (SH2), die zweite horizontale Leitung (LH2) und die dritte horizontale Abschirmleitung (SH3) eine möglichst stoßstellenfreie Tri-Plate-Leitung. Die Kontrolleinheit B (CBB) konfiguriert die zweite horizontale Empfängerstufe (HS2) bevorzugt während der Erzeugung des zirkularpolarisierten Magnetfelds am Ort des zweiten Quantenpunkts (NV12) bevorzugt in der Art, dass die Triplate-Leitung aus zweiter horizontaler Abschirmleitung (SH2), zweiter horizontaler Leitung (LH2) und dritter horizontaler Abschirmleitung (SH3) durch die zweite horizontale Empfängerstufe (HS2) mit dem Wellenwiderstand der Triplate-Leitung abgeschlossen wird, um Rückreflexionen zu vermeiden. Soll der Fotostrom des zweiten Quantenpunkts (NV12) über die horizontalen Leitungen ausgelesen werden, so konfiguriert beispielsweise die Kontrolleinheit B (CBB) die zweite horizontale Empfängerstufe (HS2) so, dass der Abschlusswiderstand möglichst hoch ist. Die zweite horizontale Treiberstufe (HD2) legt dann die Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der zweiten horizontalen Schirmleitung (SH2) und der dritten horizontalen Schirmleitung (SH3) an und erfasst den Wert des fließenden Fotostromes des zweiten Quantenpunkts (NV11) und gibt typischerweise den so ermittelten Wert an die Steuervorrichtung (µC) weiter, die den Wert verarbeitet und ggf. das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung beispielsweise über einen Datenbus (DB) zur Verfügung stellt.
Bevorzugt bilden die dritte horizontale Abschirmleitung (SH3), die dritte horizontale Leitung (LH3) und die vierte horizontale Abschirmleitung (SH4) eine möglichst stoßstellenfreie Tri-Plate-Leitung. Die Kontrolleinheit B (CBB) konfiguriert die dritte horizontale Empfängerstufe (HS3) bevorzugt während der Erzeugung des zirkularpolarisierten Magnetfelds am Ort des dritten Quantenpunkts (NV13) bevorzugt in der Art, dass die Triplate-Leitung aus dritter horizontaler Abschirmleitung (SH3), dritter horizontaler Leitung (LH2) und vierter horizontaler Abschirmleitung (SH4) durch die dritte horizontale Empfängerstufe (HS3) mit dem Wellenwiderstand der Triplate-Leitung abgeschlossen wird, um Rückreflexionen zu vermeiden. Soll der Fotostrom des dritten Quantenpunkts (NV11) über die horizontalen Leitungen ausgelesen werden, so konfiguriert beispielsweise die Kontrolleinheit B (CBB) die dritte horizontale Empfängerstufe (HS3) so, dass der Abschlusswiderstand möglichst hoch ist. Die dritte horizontale Treiberstufe (HD3) legt dann die Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der dritten horizontalen Schirmleitung (SH3) und der vierten horizontalen Schirmleitung (SH4) an und erfasst den Wert des fließenden Fotostromes des dritten Quantenpunkts (NV13) und gibt typischerweise den so ermittelten Wert an die Steuervorrichtung (µC) weiter, die den Wert verarbeitet und ggf. das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung beispielsweise über einen Datenbus (DB) zur Verfügung stellt.
Bevorzugt bilden die erste vertikale Abschirmleitung (SV1), die erste vertikale Leitung (LV1) und die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) eine möglichst stoßstellenfreie Tri-Plate-Leitung. Die Kontrolleinheit B (CBB) konfiguriert die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) bevorzugt während der Erzeugung des zirkularpolarisierten Magnetfelds am Ort eines oder mehrerer der Quantenpunkte (NV11, NV12, NV13) bevorzugt in der Art, dass die Triplate-Leitung aus erster vertikaler Abschirmleitung (SV1), erster vertikaler Leitung (LV1) und zweiter vertikaler Abschirmleitung (SV2) durch die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) mit dem Wellenwiderstand der Triplate-Leitung abgeschlossen wird, um Rückreflexionen zu vermeiden. Soll der Fotostrom eines oder mehrerer der Quantenpunkte (NV11, NV12, NV13) über die vertikalen Leitungen ausgelesen werden, so konfiguriert beispielsweise die Kontrolleinheit B (CBB) die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) so, dass der Abschlusswiderstand möglichst hoch ist. Die erste vertikale Treiberstufe (VD1) legt dann die Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) und der zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2) an und erfasst den Wert des fließenden Fotostromes der aktiven Quantenpunkte der Quantenpunkte (NV11, NV12, NV13) und gibt typischerweise den so ermittelten Wert an die Steuervorrichtung (µC) weiter, die den Wert verarbeitet und ggf. das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung beispielsweise über einen Datenbus (DB) zur Verfügung stellt.
Des Weiteren weist das beispielhafte System der 80 eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) auf. Mittels eines Lichtquellentreibers (LEDDR) und der Pumpstrahlungsquelle (PL1) kann die Steuervorrichtung (µC) die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) der Quantenpunkte (NV11, NV12, NV13) mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) bestrahlen. Bei dieser Bestrahlung mit dieser mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) werden in den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) der der Quantenpunkte (NV11, NV12, NV13) Fotoelektronen in Abhängigkeit von dem lokalen Wert der magnetischen Flussdichte B und/oder in Abhängigkeit von dem lokalen Wert der bereits erwähnten weiteren Paramater wie Druck P, Temperatur ϑ, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, elektrische Flussdichte D, Intensität der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung etc. oder deren Integrale und/oder zeitlichen Ableitungen erzeugt, die durch die erste horizontale Empfängerstufe (HS1) und/oder die zweite horizontale Empfängerstufe (HS2) und/oder die dritte horizontale Empfängerstufe (HS3) und/oder die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) durch Anlegen eines Extraktionsfeldes als jeweiliger Fotostrom eines Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) beispielsweise über die angeschlossenen Abschirmleitungen abgesaugt werden können. Im Folgenden beschreiben wir beispielhaft, wie z.B. der Fotostrom des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) erzeugt und abgesaugt werden kann. Die Steuereinheit (µC) veranlasst die Pumpstrahlungsquelle (PL1) zur Emission von Pumpstrahlung (LB) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ), die bevorzugt auf die paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) und des zweiten Quantenbits (QUB12) und des dritten Quantenbits (QUB13) fällt. Wir nehmen beispielhaft zu Erläuterungszwecken an, dass das Substrat (D) aus Diamant ist und dass die paramagnetischen Zentren (NV1) NV-Zentren sind. Damit ist der fluoreszierende Zustand der NV-Zentren der NV^-Zustand. Eine erste Selektionsmöglichkeit entsteht nun dadurch, dass die Steuervorrichtung (µC) mittels der Kontrolleinheit A (CBA) und mittels der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) die erste horizontale Leitung (LH1) auf einem positiven Potenzial gegenüber dem Substrat (D) der Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) legt. Die Steuervorrichtung (µC) veranlasst mittels der Kontrolleinheit A (CBA) und mittels der ersten vertikalen Treiberstufe (VD1), dass die erste vertikale Leitung (LV1) auf einem positiven Potenzial gegenüber dem Substrat (D) der Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) liegt. Dadurch wird der N^-Zustand der bevorzugte Zustand des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11). Die Steuervorrichtung (µC) veranlasst mittels der Kontrolleinheit A (CBA) und mittels der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2), dass die zweite horizontale Leitung (LH2) auf einem stark negativen Potenzial gegenüber dem Substrat (D) der Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) liegt. Die Steuervorrichtung (µC) veranlasst mittels der Kontrolleinheit A (CBA) und mittels der dritten horizontalen Treiberstufe (HD3), dass die dritte horizontale Leitung (LH3) auf einem stark negativen Potenzial gegenüber dem Substrat (D) der Quantenbits (QUB11, QUB12, QUB13) liegt. Auf diese Weise werden die zweite horizontale Leitung (LH2) und die dritte horizontale Leitung (LH3) werden auf ein stark negatives Potenzial gegenüber dem Substrat (D) gebracht. Hierdurch verlassen die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des zweiten Quantenbits (QUB12) und des dritten Quantenbits (QUB13) bevorzugt den N^--Zustand. Damit wird die Produktion von Fotoelektronen durch die die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des zweiten Quantenbits (QUB12) und des dritten Quantenbits (QUB13) behindert der ggf. ganz verhindert. Um die Fotoelektronen des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) absaugen zu können, veranlasst die Steuervorrichtung (µC) beispielsweise die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) zwischen erster vertikaler Abschirmleitung (SV1) und zweiter vertikaler Abschirmleitung (SV2) eine Extraktionsspannung anzulegen, die von 0V verschieden ist, hierdurch beginnt ein Fotostrom in Form der extrahierten Fotoelektronen des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) über die erste horizontale Abschirmleitung (SV1) und die zweite horizontale Abschirmleitung (SV2) zu fließen. Der Betragswert dieses Fotostromes hängt typischerweise von der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) und/oder von anderen physikalischen paramatern, wie elektrischer Flussdichte D, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, Rotationsgeschwindigkeit ω, Intensität einer Bestrahlung mit ionisierender Strahlung etc. ab. Die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des zweiten Quantenbits (QUB12) und des dritten Quantenbits (QUB13) tragen nicht wesentlich zu diesem Fotostrom bei, da der bevorzugte Zustand dieser paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des zweiten Quantenbits (QUB12) bzw. des dritten Quantenbits (QUB13) nicht der NV^--Zustand ist, da die zweite horizontale Leitung (LH2) und die dritte horizontale Leitung (LH3) negativ geladen sind. Die erste vertikale Empfängerstufe (VS1) ist bevorzugt mit Mitteln, beispielsweise eine Strommessvorrichtung, zur Erfassung des Fotostromes und zur Umwandlung des Wertes des Fotostromes in ein Empfängerausgangssignal (S0) versehen, dass dann in den Sensorvorrichtungen, wie Sie hier dargestellt wurden, zu einem Sensorausgangssignal (out) weiterverarbeitet werden kann. Die Steuereinheit (µC) kann die hier vorgestellten Sensorsysteme beispielsweise emulieren und den Wert (s0) des Sensorausgangssignals über einen Datenbus (DB) an eine übergeordnete Einheit übertragen.
81 82 zeigt ein beispielhaftes zwei Bit Quantenregister mit einer gemeinsamen ersten horizontalen Leitung (LH1), beispielhaft drei vertikalen Abschirmleitungen (SV1, SV2, SV3) und einer horizontalen Abschirmleitung (SH1) und zwei Quantenpunkten (NV11, NV12) mit jeweils einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Bei genügend geringem Abstand der zwei Quantenpunkte (NV11, NV12) bilden diese ein beispielhaftes Quantenregister mit einer zweiten vertikalen Abschirmleitung (SV2) und mit einer ersten vertikalen Abschirmleitung (SV1) und mit einer dritten vertikalen Abschirmleitung (SV3). Insofern sind hier die Rollen der horizontalen und vertikalen Funktionsteile gegenüber der vorausgegangenen 81 vertauscht.
Ein homogenes Quantenregister (QUREG) oder kurz nur Quantenregister (QUREG) umfasst nur Quantenpunkte (NV11, NV12) eines Quantenpunkttyps. Ein solches Quantenregister umfasst bevorzugt ein erstes Quantenbit (QUB11) und mindestens ein zweites Quantenbit (QUB12). Eine Kette aus solchen Quantenregistern (QUB) ist der wesentliche Teil des im Folgenden erläuterten Quantenbusses (QUBUS), der den Transport von Abhängigkeiten erlaubt. Die Eigenschaft der Homogenität des Quantenregisters (QUREG) drückt sich vorschlagsgemäß so aus, dass der erste Quantenpunkttyp des ersten Quantenpunkts (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) gleich dem zweiten Quantenpunkttyp des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) ist. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Quantenpunkttyp um ein NV-Zentrum in Diamant als Substrat handeln und bei dem zweiten Quantenpunkttyp ebenfalls um ein NV-Zentrum im gleichen Substrat handeln.
Typischerweise ist das Substrat (D) dem ersten Quantenbit (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) und dem zweiten Quantenbit (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) gemeinsam. Im Folgenden wird zur besseren Klarheit der Quantenpunkt (NV1) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) der erste Quantenpunkt (NV11) genannt und der Quantenpunkt (NV1) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) der zweite Quantenpunkt (NV12) genannt. Der erste Quantenpunkt (NV11) umfasst ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Der zweite Quantenpunkt (NV12) umfasst ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder mehrere paramagnetische Zentren (NV1) oder eine Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Analog wird zur besseren Klarheit im Folgenden die horizontale Leitung (LH) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) im Folgenden als erste horizontale Leitung (LH1) bezeichnet und die horizontale Leitung (LH) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) als die zweite horizontale Leitung (LH2) bezeichnet. Ebenso wird im Folgenden die vertikale Leitung (LV) des ersten Quantenbits (QUB1) im Folgenden als erste vertikale Leitung (LV1) bezeichnet und die vertikale Leitung (LV) des zweiten Quantenbits (QUB2) im Folgenden als zweite vertikale Leitung (LV2) bezeichnet. Es ist sinnvoll, wenn z.B. die erste horizontale Leitung (LH1) identisch mit der zweiten horizontalen Leitung (LH2) ist. Alternativ ist es sinnvoll, wenn z.B. die erste vertikale Leitung (LV1) identisch mit der zweiten vertikalen Leitung (LV2) ist.
Das Quantenregister (QUREG) sollte zur Erfüllung der bestimmungsgemäßen Funktion so klein gebaut werden, dass das Magnetfeld des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) das Verhalten des ersten Quantenpunkts (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) zumindest zeitweise beeinflusst und/oder dass das Magnetfeld des ersten Quantenpunkts (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) das Verhalten des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) zumindest zeitweise beeinflusst.
Bevorzugt ist hierzu der räumliche Abstand (sp12) zwischen dem ersten Quantenpunkt (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) so klein, dass das Magnetfeld des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) das Verhalten des ersten Quantenpunkts (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) zumindest zeitweise beeinflusst, und/oder dass das Magnetfeld des ersten Quantenpunkts (NV12) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) das Verhalten des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) zumindest zeitweise beeinflusst. Bevorzugt beträgt hierzu der zweite Abstand (sp12) zwischen dem ersten Quantenpunkt (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) weniger als 50 nm und/oder weniger als 30 nm und/oder weniger als 20 nm und/oder weniger als 10 nm beträgt und/oder weniger als 10 nm und/oder weniger als 5 nm und/oder weniger als 2 nm, und/oder der zweite Abstand (sp12) zwischen dem ersten Quantenpunkt (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) des Quantenregisters (QUREG) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) des Quantenregisters (QUREG) zwischen 30 nm und 2 nm und/oder weniger als 10 nm und/oder weniger als 5 nm und/oder weniger als 2 nm.
Ein solches Quantenregister kann verkettet werden. Das zuvor beschriebene Zwei-Bit-Quantenregister wurde längs der horizontalen Leitung (LH) aufgereiht, die den beiden Quantenbits (QUB11, QUB12) gemeinsam ist. Statt der horizontalen Aneinanderreihung ist eine vertikale Aneinanderreihung längs der vertikalen Leitung ebenso denkbar. Die horizontale und die vertikale Leitung tauschen dann die Funktion. Auch ist eine zweidimensionale Aneinanderreihung denkbar, was einer Kombination dieser Möglichkeiten entspricht.
Statt eines Zweibit-Quantenregisters (QUREG) ist auch die Aneinanderreihung von n Quantenbits (QUB11 bis QUB1n) denkbar. Beispielhaft wird hier ein Dreibit-Quantenregister beschrieben, das längs der horizontalen Leitung (LH) beispielhaft fortgesetzt wird. Für folgende Quantenbits (QUB14 bis QUB1n) gilt dann entsprechendes. Das Quantenregister kann natürlich auch in die andere Richtung um m Quantenbits (QUB0 bis QUB(m-1)) erweitert werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung beschränkt sich der hier vorgelegte Text auf positive Werte der Indices von 1 bis n. Die im Folgenden beschriebenen Prinzipien für ein Dreibit-Quantenregister können daher auf ein Quantenregister mit mehr als drei Quantenbits übertragen werden. Daher werden diese Prinzipien für ein Mehrbitquantenregister nicht mehr ausgeführt, da sie sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung eines Dreibit-Quantenregisters leicht ergeben. Solche Mehrbitquantenregister sind von der Beanspruchung ausdrücklich mit umfasst.
Ein Dreibit-Quantenregister ist dann ein Quantenregister, wie es zuvor beschrieben wurde, mit mindestens einem dritten Quantenbit (QUB13) entsprechend der vorhergehenden Beschreibung. Bevorzugt sind dann der erste Quantenpunkttyp des ersten Quantenpunkts (NV11) des ersten Quantenbits (QUB11) und der zweite Quantenpunkttyp des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) gleich dem dritten Quantenpunkttyp des dritten Quantenpunkts (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13).
Bevorzugt ist bei einem solchen beispielhaften Dreibit-Quantenregister das Substrat (D) dem ersten Quantenbit (QUB11) und dem zweiten Quantenbit (QUB12) und dem dritten Quantenbit (QUB13) gemeinsam. Der Quantenpunkt (NV1) des dritten Quantenbits (QUB13) wird im Folgenden als dritter Quantenpunkt (NV13) bezeichnet. Bevorzugt ist die horizontale Leitung (LH) des dritten Quantenbits (QUB13) die besagte erste horizontale Leitung (LH1) und damit gemeinsam mit der horizontalen Leitung (LH) des zweiten Quantenbits (QUB12) und der horizontalen Leitung (LH) des ersten Quantenbits (QUB11). Die vertikale Leitung (LV) des dritten Quantenbits (QUB13) wird im Folgenden als dritte vertikale Leitung (LV3) bezeichnet. Statt dieser Aufreihung der Quantenbits längs der ersten horizontalen Leitung (LH1) sind, wie bereits erwähnt andere Aufreihungen denkbar.
Um nun einen Transport von Abhängigkeiten von Quanteninformationen zu ermöglichen, ist es sinnvoll, wenn das Magnetfeld des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) das Verhalten des dritten Quantenpunkts (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) zumindest zeitweise beeinflussen kann und/oder wenn das Magnetfeld des dritten Quantenpunkts (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) das Verhalten des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) zumindest zeitweise beeinflussen kann. Hierdurch entsteht dabei das, was im Folgenden als Quantenbus bezeichnet wird und zum Transport von Abhängigkeiten der Quanteninformationen der Quantenpunkte des so entstehenden Quantenbusses (QUBUS) dient.
Um diese Abhängigkeiten zu ermöglichen, ist es sinnvoll, wenn der räumliche Abstand (sp23) zwischen dem dritten Quantenpunkt (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) so klein ist, dass das Magnetfeld des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) das Verhalten des dritten Quantenpunkts (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) zumindest zeitweise beeinflussen kann, und/oder dass das Magnetfeld des dritten Quantenpunkts (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) das Verhalten des zweiten Quantenpunkts (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) zumindest zeitweise beeinflussen kann.
Um diese Kopplung zu erreichen, ist es wieder sinnvoll, wenn der räumliche Abstand (sp23) zwischen dem dritten Quantenpunkt (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) weniger als 50 nm und/oder weniger als 30 nm und/oder weniger als 20 nm und/oder weniger als 10 nm beträgt und/oder weniger als 10 nm und/oder weniger als 5 nm und/oder weniger als 2 nm beträgt und/oder wenn der räumliche Abstand (sp23) zwischen dem dritten Quantenpunkt (NV13) des dritten Quantenbits (QUB13) und dem zweiten Quantenpunkt (NV12) des zweiten Quantenbits (QUB12) zwischen 30 nm und 2 nm und/oder weniger als 10 nm und/oder weniger als 5 nm und/oder weniger als 2 nm, beträgt.
Wie oben bereits erläutert, sind die Quantenbits (QUB) des Quantenregisters (QUREG) bevorzugt in einem eindimensionalen Gitter angeordnet. Eine Anordnung in einem zweidimensionalen Gitter ist möglich, aber nicht so vorteilhaft, da dann die Stromgleichungen nicht mehr ohne Weiteres eindeutig gelöst werden können.
Bevorzugt sind somit die Quantenbits (QUB) des Quantenregisters (QUREG) in einem ein- oder zweidimensionalen Gitter aus Elementarzellen von Anordnungen von einem oder mehreren Quantenpunkten (NV1) mit einem zweiten Abstand (sp12) als Gitterkonstante für den Abstand zwischen den jeweiligen Elementarzellen angeordnet.
Die zusätzlichen Abschirmleitungen (SV1, SV2, SV3, SH1) ermöglichen die Einspeisung weiterer Ströme zur Verbesserung der Selektion der Quantenpunkte während der Ausführung der Operationen durch Bestromung der vertikalen Leitungen (LV1, LV2) und der horizontalen Leitung (LH1). Nun ist zusätzlich zur Erläuterung des Ausleseprozesses eine erste horizontale Abschrimleitung (SH1) parallel zu der ersten horizontalen Leitung (LH1) eingezeichnet. Da es sich um ein Querschnittsbild handelt ist die entsprechende zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) die auf der anderen Seite der ersten horizontalen Leitung (LH1) ebenfalls parallel zu dieser verläuft, nicht eingezeichnet. Durch Kontakte (KV11, KH11, KV12, KH12, KV13) sind die Abschirmleitungen in diesem Beispiel mit dem Substrat (D) elektrisch verbunden. Wird nun ein Extraktionsfeld zwischen zwei parallellaufende Abschirmleitungen durch Anlegen einer Extraktionsspannung zwischen diesen angelegt, so kommt es zu einem messbaren Stromfluss, wenn die Quantenpunkte (NV1, NV2) mit Pumpstrahlung (LB) bestrahlt werden und wenn die paramagnetischen Zentren (NV1) dieser Quantenpunkte (NV11, NV12) sich im richtigen Quantenzustand befinden, der ja durch die Potenziale der ersten horizontalen Leitung (LH1), der ersten vertikalen Leitung (LV1) und der zweiten vertikalen Leitung (LV2) maßgeblich beeinflusst wird. Weiteres kann in Petr Siyushev, Milos Nesladek, Emilie Bourgeois, Michal Gulka, Jaroslav Hruby, Takashi Yamamoto, Michael Trupke, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Fedor Jelezko, „Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond", Science 363, 728-731 (2019) 15 February 2019 gefunden werden.
In der 81 sind die paramagnetischen Zentren (NV1) der Quantenpunkte (NV11, NV12) jeweils Teil mehrerer Kern-Elektron-Quantenregister. Das bedeutet, dass jeweils die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) der Quantenpunkte (NV11, NV12) ist in dem Beispiel der 81 jeweils mit einem Kernzentrum (CI) oder mehreren Kernzentren (CI) oder einer Gruppe oder mehreren Gruppen (CIC) von Kernzentren (CI) gekoppelt, d.h. verschränkt werden kann. Die hierzu notwendigen Signale werden auch hier über die erste horizontale Leitung (LH) und über die vertikalen Leitungen (LV1, LV2, LV3) zugeführt. Da die Verschränkungsreichweite der paramagnetischen Zentren (NV1) in der Regel größer ist als die der Kernzentren (Cl) können beispielsweise zwei Kernzentren (CI) unterschiedlicher Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG1, CEQUREG2) unter Nutzung der paramagnetischen Zentren (NV1) als Ancilla-Quantenbits miteinander verschränkt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2020 101 784.7 mit einer gleichen Priorität wie die hier vorgelegte Anmeldung hingewiesen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift noch nicht veröffentlicht ist. Der erste Quantenpunkt (NV11) der ersten QuantenALU (QUALU1) kann im Beispiel der 81 mit einem ersten Kernquantenpunkt (Cl1₁) der ersten QuantenALU (QUALU1) wechselwirken, wenn die erste vertikale Leitung (LV1) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem ersten vertikalen Strom (IV1) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer ersten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC1_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) oder einer ersten Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE1_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) moduliert sind. Diese erste Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC1_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) und diese erste Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE1_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) werden bevorzugt in einem Initialisierungsschritt einmalig durch eine OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG1, CEQUREG1) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Der erste Quantenpunkt (NV11) der ersten QuantenALU (QUALU1) kann in dem Beispiel der 81 mit einem zweiten Kernquantenpunkt (CI1₂ ) der ersten QuantenALU (QUALU1) wechselwirken, wenn die erste vertikale Leitung (LV1) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem ersten vertikalen Strom (IV1) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer zweiten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC2_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) oder einer zweiten Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE2_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) moduliert sind. Diese zweite Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC2_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) und diese zweite Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE2_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) werden bevorzugt in dem besagten Initialisierungsschritt einmalig durch eine weitere OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Der erste Quantenpunkt (NV11) der ersten QuantenALU (QUALU1) kann in dem Beispiel der 83 mit einem dritten Kernquantenpunkt (CI1₃ ) der ersten QuantenALU (QUALU1) wechselwirken, wenn die erste vertikale Leitung (LV1) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem ersten vertikalen Strom (IV1) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer dritten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC3_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) oder einer dritte Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE3_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) moduliert sind. Diese dritte Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC3_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) und diese dritte Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE3_1}) für die erste QuantenALU (QUALU1) werden bevorzugt in dem besagten Initialisierungsschritt einmalig durch eine weitere OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Der zweite Quantenpunkt (NV12) der zweiten QuantenALU (QUALU2) kann Beispiel der 83 mit einem ersten Kernquantenpunkt (CI2₁ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2) wechselwirken, wenn die zweite vertikale Leitung (LV2) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem zweiten vertikalen Strom (IV2) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer ersten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC1_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) oder einer ersten Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE1_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) moduliert sind. Diese erste Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC1_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) und diese erste Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE1_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) werden bevorzugt in einem Initialisierungsschritt einmalig durch eine OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Der zweite Quantenpunkt (NV12) der zweiten QuantenALU (QUALU2) kann in dem Beispiel der 83 mit einem zweiten Kernquantenpunkt (CI2₂ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2) wechselwirken, wenn die zweite vertikale Leitung (LV2) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem zweiten vertikalen Strom (IV2) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer zweiten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC2_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) oder einer zweiten Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE2_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) moduliert sind. Diese zweite Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC2_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) und diese zweite Kern-Elektron-Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE2_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) werden bevorzugt in dem besagten Initialisierungsschritt einmalig durch eine weitere OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Der zweite Quantenpunkt (NV12) der zweiten QuantenALU (QUALU2) kann in dem Beispiel der 20 mit einem dritten Kernquantenpunkt (CI2₃ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2) wechselwirken, wenn die zweite vertikale Leitung (LV2) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem zweiten vertikalen Strom (IV2) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer dritten Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC3_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) oder einer dritten Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE3_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) moduliert sind. Diese dritte Elektron-Kern-Radiowellenresonanzfrequenz (f_{RWEC3_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) und diese dritte Kern-Elektron- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_{MWCE3_2}) für die zweite QuantenALU (QUALU2) werden bevorzugt in dem besagten Initialisierungsschritt einmalig durch eine weitere OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Kern-Elektron-Quantenregister (CEQUREG) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Da die Reichweite der Kopplung der Quantenpunkte (NV11, NV12) größer ist, können diese miteinander gekoppelt werden. Der zweite Quantenpunkt (NV12) der zweiten QuantenALU (QUALU2) kann in dem Beispiel der 81 mit dem ersten Quantenpunkt (NV1) der ersten QuantenALU (QUALU1) wechselwirken, wenn die erste vertikale Leitung (LV1) und die die zweite vertikale Leitung (LV2) und die erste horizontale Leitung (LH1) mit einem ersten vertikalen Strom (IV1) und einem zweiten vertikalen Strom (IV2) und einem ersten horizontalen Strom (IH1) bestromt werden, die mit einer Elektron1-Elektron2- Mikrowellenresonanzfrequenz (f_MWEE12) für die Kopplung des ersten Quantenpunkts (NV1) der ersten QuantenALU (QUALU1) mit dem zweiten Quantenpunkt (NV2) der zweiten QuantenALU (QUALU2) moduliert sind. Diese Elektron1-Elektron2-Mikrowellenresonanzfrequenz (f_MWEE12) für die Kopplung des ersten Quantenpunkts (NV1) der ersten QuantenALU (QUALU1) wird bevorzugt in dem besagten Initialisierungsschritt einmalig durch eine weitere OMDR Messung gemessen. Die Messwerte werden in einem Speicher des Steuerrechners (µC) abgelegt, die dieser abruft, wenn das entsprechende Elektron-Elektron-Quantenregister (QUREG) umfassend den ersten Quantenpunkt (NV1) und den zweiten Quantenpunkt (NV2) angesteuert werden soll. Der Steuerrechner (µC) stellt dann die Frequenzen entsprechend ein.
Durch die Verschränkung der Kernzentren miteinander bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) miteinander bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) mit den Kernzentren (Cl) können ganz neue Parameter der Messung zugänglich gemacht werden, da hierdurch der Fotostrom und/oder die Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) von diesen Paramatern in ganz neu erfassbarer Weise und Empfindlichkeit abhängen.
82 82 entspricht der 4 mit dem Unterschied, dass nun statt der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements nun der Fotostrom, der durch das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) in Abhängigkeit von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B und ggf. in Abhängigkeit von weiteren physikalischen Parametern erzeugt wird, über Kontakte zu dem Substrat (D) mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erfasst und ausgewertet wird. Im Gegensatz zur 4 ist daher nun das Substrat (D) des Sensorelements direkt mit dem ersten Verstärker (V1) über das Empfängerausgangssignal (S0) verbunden, wobei der erste Verstärker (V1) den von den paramagnetischen Zentren (V1) erzeugten Fotostrom absaugt. Die Auswertungs- und Regel-Methoden, die in dieser Schrift an verschiedenen Stellen erläutert wurden können mit dieser Art der Auslesung der paramagnetischen Zentren (NV1) kombiniert werden. Zur Vereinfachung werden sie hier nicht weiter erläutert. Auf die 78, 79 und 81 wird hier hingewiesen.
83 In der 83 wird der beispielhafte Aufbau eines weiteren vorgeschlagenen Sensorsystems gezeigt. Sie umfasst ein Sendesignal (S5) und eine Pumpstrahlungsquelle (PL1). Diese Pumpstrahlungsquelle (PL1) erzeugt vorzugsweise eine für ein oder mehrere paramagnetischen Zentren (NV1) in einem diamagnetischen Material (MPZ) eines Sensorelements optimale Anregung insbesondere in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5), ohne das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) zu zerstören, umzuladen oder in einen metastabilen Zustand zu versetzen. Vorzugsweise besitzt die Pumpstrahlung (LB) im Falle von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) eine Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) zwischen 500-600 nm, um die NV-Zentren in dem oder den Diamanten als Material (MPS) des Sensorelements anzuregen. Alternativ kann ein zweiter Filter (F2) genutzt werden, um aus einem breiteren elektromagnetischen Spektrum der Pumpstrahlungsquelle (PL1) die für die Anregung optimalen Wellenlängen heraus zu filtern. Die Pumpstrahlung (LB) wird dann bevorzugt zu dem diamagnetischen Material (MPZ) innerhalb des Sensorelements, das im Übrigen das diamagnetische Material (MPZ) sein kann oder umfassen kann, mit dem bzw. den darin enthaltenen paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) geleitet. Vorzugweise handelt es sich bei dem Sensorelement um einen HD-NV-Diamanten mit hoher NV-Zentrumsdichte. Vorzugsweise handelt es sich um einen mittels hohem Druck und hoher Temperatur künstlich erzeugter Diamant mit einem Gehalt von NV-Zentren in einem Bereich von 0.1ppm bis 500 ppm. Diamanten, die mit hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt wurden heißen auch HPHT-Diamanten für englisch High-Pressure-High-Temperature. In einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise auch eine polykristalline Diamantkonfiguration mit einem oder mehreren NV Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) aus NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) genutzt werden. Des Weiteren kann jede Ansammlung von kleinem diamanthaltigen Material, beispielsweise nanokristalline Diamantpulver oder Diamantgranulat, die jeweils in einem optisch transparenten Trägermaterial wie beispielsweise Glas oder Kunststoff eingebettet sind und die bevorzugt alle oder teilweise HD-NV-Diamanten sind, genutzt werden. Voraussetzung ist, dass die Menge an paramagnetischen Zentren (NV1) in ausreichender Form vorhanden ist, so dass eine Fluoreszenzstrahlung (FL) mit ausreichender Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) erzeugt wird, um beispielsweise die Detektion der Schwingungen eines schwingungsfähigen mechanischen Systems und/oder um beispielsweise die Position eines beweglichen mechanischen Systems festzustellen. Der Vorteil einer Verwendung von Granulat oder nanokristallinem Pulver ist die stochastische Verteilung der Ausrichtungen der Kristalle, die zu der Empfindlichkeitskurve der 28 führt. Die mechanischen und/oder elektromechanischen Schwingungen können dabei sehr hohe Frequenzen betreffen, da die mögliche Abtastrate bei der Erfassung mit paramagnetischen Zentren (NV1) sehr hoch ist. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) wird vorzugsweise mit Hilfe eines ersten Filters (F1) von der Pumpstrahlung (LB) getrennt und in einem der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) angepassten Strahlungsempfänger (PD) in ein elektrisches Empfängerausgangssignal (S0) gewandelt. Die Anordnung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und des Strahlungsempfängers (PD) zum Sensorelement mit dem Material (MPZ) mit dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine optimale Einkopplung der Pumpstrahlung (LB) in das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Grippe (NVC) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erfolgen kann. Es kann auch eine Anordnung mit Pumpstrahlungsquelle (PL1) und Strahlungsempfänger (PD) auf einer Seite und dem Sensorelement mit dem Material (MPZ) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) auf der anderen Seite genutzt werden. Vorzugsweise wird die Anordnung so gewählt, dass eine optimale Ausleuchtung des Sensorelements mit dem Material (MPZ) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) durch eine hohe Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) und eine optimale Detektion der Fluoreszenzstrahlung (FL) erreicht wird bei gleichzeitiger hoher Variation eines Feldes aufgrund des schwingenden Systems (MQ1+MS). Optional kann eine zweite ortsfeste Feldquelle (MQ2) genutzt werden, um die Empfindlichkeit des Sensorsystems für Änderungen der Fluoreszenzstrahlung (FL) beispielsweise durch eine magnetische Bias-Flussdichte (Bo) zu verstärken und einen Arbeitspunkt in Nähe der magnetischen Flussdichte (B_opt ) mit der maximalen Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte (B) einzustellen. Vorzugsweise wird im Sensorelement als Material mit paramagnetischen Zentren (NV1), Diamant mit NV Zentren verwendet und der magnetische Systemarbeitspunkt in Form der magnetischen Flussdichte B in Form der mittleren Summe der magnetischen Flussdichte B₁ der ersten Feldquelle (MQ1) und der magnetischen Flussdichte B₂ der zweiten Feldquelle (MQ2) in einem Bereich von 0.1 mT- 50mT gelegt. Das Empfängerausgangssignal (S0), dass der Strahlungsempfänger (PD) in Abhängigkeit von der Fluoreszenzstrahlung (FL) erzeugt, wird zu der Ansteuer- und Auswerteinheit (LIV) geführt. Vorzugsweise umfasst die Ansteuer- und Auswerteinheit (LIV) einer Vorrichtung, wie sie hier vorgestellt wurde.
84 In 84 wird ein alternativer Aufbau eines beispielhaften Sensorsystems mit elektronischer statt optischer Auslesung beschrieben, in dem die Sensoreinheit bestehend aus dem Sensorelement mit dem Material (MPZ) mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1), der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und erstem Filter (F1) und Strahlungsempfänger (PD) mit optionalem zweiten Filter (F2) an das ein schwingendes mechanisches System (MS), beispielsweise eine schwingende Saite eines Musikinstruments, gekoppelt ist. Vorzugsweise wird eine erste ortsfeste Feldquelle (MQ1) für ein elektronisches oder magnetisches Feld mit einer im gleichen Bezugsystem wie das Sensorelement befindlichen zweiten Feldquelle (MQ2) für ein weiteres überlagerndes elektrisches oder magnetisches Feld kombiniert, um eine Fluoreszenzstrahlung (FL) in Bezug zu dem schwingenden mechanischen System (MS) zu optimieren. Die Auswertung des Empfängerausgangssignals (S0) des Strahlungsempfängers (PD) wird vorzugsweise im einfachsten Fall wieder über einen Lock-In Verstärker erreicht.
Die ortsfeste erste Feldquelle (MQ1) erregt in dem beispielhaften Fall der 84 das schwingende mechanische System (MS), das beispielsweise ferromagnetisch sein kann, mit einer elektrischen Feldstärke H. In dem Beispiel der 84 stellt dann die zweite Feldquelle (MQ2) das Bias-Feld mit der Bias-Flussdichte B₀ so ein, dass sich der magnetische Arbeitspunkt des Sensorelements bei der Flussdichte (B_opt ) des optimalen magnetischen Arbeitspunkts des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe (NVC) paramagnetische Zentren (NV1) und oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren befindet (Siehe 28). Die in 27 und 28 dargestellte Charakteristik der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B besteht in analoger ähnlicher Weise auch für die Abhängigkeit des durch das paramagnetische Zentrum (NV1) und/oder die paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder die Gruppe (NVC) der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) von der magnetischen Flussdichte B. Aus diesem Grunde wurden die 27 und 28 nicht dupliziert.
Im beispielhaften Falle von elektrostatischen Feldern wären die erste Feldquelle (MQ1) und die zweite Feldquelle (MQ2) dann Kombinationen aus jeweils einer Elektrode und jeweils einer Spannungsquelle, wobei mit Hilfe einer zweiten Spannungsquelle und einer zweiten Elektrode, die die zweite Feldquelle (MQ2) in diesem beispielhaften Fall bilden, das Sensorelement auf ein zweites Potenzial gegenüber einem Referenzpotenzial, z.B. Masse, gelegt wird und wobei mit Hilfe einer ersten Spannungsquelle und einer ersten Elektrode, die zusammen die erste Feldquelle (MQ1) bilden, das beispielhafte mechanische Schwingelement (MS) auf ein erstes Potenzial gegenüber einem Referenzpotenzial, z.B. Masse, gelegt wird. Bevorzugt ist das mechanische Schwingelement (MS) in diesem Fall elektrisch leitend. Durch eine Schwingung des mechanischen Schwingelements (MS) wird dann eine modulierte elektrische Feldstärke E erzeugt, deren modulierte magnetische Erregung H beispielsweise dann als modulierte magnetischer Fluss B durch das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mittels einer Modulation ihrer Fluoreszenzstrahlung (FL) und/oder einer Modulation ihres Fotoelektonenstromes messbar wird.
85 In 85 ist beispielhaft eine Anwendung eines vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt in dem der lichtempfindliche Strahlungsempfänger (PD) ersetzt wird durch eine leitende Schicht, die mit einem Kontakt (KNT) auf dem Material mit paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements aufgebracht wird und in der Lage ist, die Photoelektronen des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) abzusaugen, zu sammeln und zu bestimmen. Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn die Schicht einen ohmschen Widerstand zu einem diamagnetischen Material (MPZ) mit einem hohen Schichtwiderstand, vorzugsweise Diamant mit NV-Zentren, besitzt. Besitzt das Material einen geringen Widerstand wird vorzugsweise eine pn-Struktur oder ein Metall mit einem Schottky-Übergang zur Isolierung der Schicht gegenüber dem Material genutzt. Bevorzugt werden dünne Diamantschichten oder kleine Diamantstrukturen genutzt, um eine Abschirmung durch geladene Defektzentren zu minimieren. Um Photoelektronen durch eine doppelte Anregung zu erzeugen, wird die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) in einem gepulsten Strahl der Pumpstrahlung (LB) bevorzugt dadurch erreicht, dass bei gleichbleibender Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) die Pulslängen der Pumpstrahlungspulse verringert werden und gleichzeitig die Amplitude der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlungspulse soweit wie möglich erhöht wird.
86 86 zeigt das Material (MPZ) mit paramagnetischen Zentren (NV1) getrennt durch einen ersten Lichtwellenleiter (LWL1) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem optionalen zweiten Filter (F2) und getrennt durch einen zweiten Lichtwellenleiter (LWL2) von dem Strahlungsempfänger (PD) mit einem ersten Filter (F1). Vorzugsweise werden die jeweiligen Lichtwellenleiter (LW1, LW2) so ausgewählt, dass sie eine optimale Übertragungsleistung für die jeweiligen unterschiedlichen Aufgaben und Wellenlängen, für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) bei einer Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp und für die Fluoreszenzstrahlung (FL) des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bei der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λ_fl , zeigen.
87 87 entspricht dem Aufbau von 83 mit nur einem gemeinsamen Lichtwellenleiter (LWL). Bevorzugt wird in diesem Aufbau ein Lichtwellenleiter (LWL) mit einer großen Übertragungsleistung in einem Wellenlängenbereich, der die Strahlung für die Pumpstrahlung (LB) und die Fluoreszenzstrahlung (FL) einschließt. Bevorzugt wird in diesem Aufbau ein dichroitischer Spiegel (DCS) genutzt, um die Auskopplung der Fluoreszenzstrahlung (FL) und die Einkopplung der Pumpstrahlung (LB) in den gemeinsamen Lichtwellenleiter (LWL) zu ermöglichen.
88 88 zeigt die Ausführung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Anzahl n schwingender Teilsysteme (MS₁ , MS₂ ...MS_n ) eines mechanischen schwingungsförmigen Systems (MS) mit n entsprechend an das jeweilige Teilsystem der n Teilsysteme (MS₁ bis MS_n ) gekoppelten ersten Feldquellen für magnetische oder elektrostatische Felder (MG1₁ , MG1₂ , ...., MG1_n ) und n Sensorelementen mit einem jeweiligen diamagnetisches Material (MPZ₁ , MPZ₂ , ......, MPZ_n ) mit jeweiligen paramagnetischen Zentren (NV1). Die n Sensorelemente mit den paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren sind mittels eines ersten Lichtwellenleiters (LWL1) mit einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) zur Erzeugung der Pumpstrahlung (LB) gekoppelt und mittels eines zweiten Lichtwellenleiters (LWL2) zum Auslesen der Fluoreszenzstrahlung (FL) gekoppelt. Erste Wellenkoppler (LWK1) koppeln jeweils Pumpstrahlung (LB) aus den ersten Lichtwellenleiter (LWL1) aus und leiten diese jeweils ausgekoppelte Pumpstrahlung über ein jeweiliges Lichtwellenleiterabzweigstück des ersten Lichtwellenleiters (LWL1) zu einem diesem betreffenden jeweiligen ersten Wellenkoppler (LWK1) zugeordneten jeweiligen Sensorelement der n Sensorelemente. Über ein jeweiligen Lichtwellenleiterabzweigstück des zweiten Lichtwellenleiters (LWL) und einen diesem jeweiligen Lichtwellenleiterabzweigstück des zweiten Lichtwellenleiters (LWL) zugeordneten zweiten jeweiligen Wellenkoppler (LWK2) wird die Fluoreszenzstrahlung (FL) des diesem jeweiligen Lichtwellenleiterabzweigstück des zweiten Lichtwellenleiters (LWL) zugeordneten jeweiligen Sensorelements der n Sensorelemente erfasst und in den zweiten Lichtwellenleiter (LWL2) eingespeist, wo sie sich mit der Fluoreszenzstrahlung (FL) der auf analoge Weise erfassten Fluoreszenzstrahlung (FL) der anderen Sensorelemente typischerweise summierend überlagert und dem Strahlungsempfänger (PD) im Wesentlichen gemeinsam über das erste Filter (F1) zugeführt.
Die Strahlungsquelle (PL1) und der Strahlungsempfänger (PD) werden wie beispielsweise in 85 beschrieben durch eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit (LIV) angesteuert bzw. ausgelesen. Bevorzugt werden, um eine optimale Ansteuerung der jeweiligen Sensorelemente zu erreichen, zusätzlich zu den durch die schwingenden mechanischen Teilsysteme (MS₁ , MS₂ ,.... MS_n ) erzeugten alternierenden ersten Feldern, elektrostatische und/oder magnetische zweite Felder aus typischerweise n zusätzlichen zweiten Feldquellen (MQ2₁ , MQ2₂ , .... MG2_n) überlagert. Dabei wird die magnetische Flussdichte B bevorzugt jeweils so abgestimmt, dass das Sensorsystem ein optimales Auslesen der Signale der akustischen und/oder anderer mechanischer Schwingungen des mechanisch schwingenden Systems (MS) bzw. der mechanisch schwingenden Teilsysteme (MS₁ , MS₂ ,.... MS_n ) erlaubt.
89 89 zeigt eine beispielhafte E-Gitarre (GT) als Anwendung einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung. Vorzugsweise wird das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) unterhalb der Saiten der E-Gitarre (GT) angebracht. Vorzugsweise wird als Material der Sensorelemente mit den paramagnetischen Zentren (NV1) HD-NV-Diamant mit einem hohen Gehalt an NV-Zentren eingesetzt. Vorzugweise ist der Diamant als Schmucksten, beispielsweise als Brillant, geschliffen und zeigt durch den hohen NV-Zentrumsgehalt typischerweise während des Betriebs eine leuchtende, tiefrote Farbe. Vorzugsweise ist der betreffende Diamant erhaben in den Gitarren -Korpus eingelassen. Vorzugsweise werden ein oder mehrere, beispielsweise zwei Lichtleiter (LWL, LWL1, LWL2) zum Einbringen der Pumpstrahlung (LB) in die Sensorelemente und dem Auslesen der Fluoreszenzstrahlung (FL) zum Beispiel unterhalb der betreffenden Sensorelemente, als hier des betreffenden Diamanten, durch den Korpus der E-Gitarre (GT) in einem Hohlraum geführt. In diesem Hohlraum befinden sich bevorzugt die Pumpstrahlungsquelle(n) (PL1) und der oder die lichtempfindlichen Strahlungsempfänger (PD). Beispielsweise ist ein Sensorsystemkonzept entsprechend einem der vorstehenden Ausführungen denkbar. Bevorzugt werden die akustisch äquivalenten Sensorausgangssignale (S0) oder daraus abgeleitete Signale vorzugsweise zu einem Signal zusammengemischt über eine 6mm Klinkenbuchse an der Oberseite des Korpus der E-Gitarre (GT) herausgeführt und für eine weitere Signalverarbeitung und ggf -aufbereitung zur Verfügung gestellt. In einer optionalen Ausführung werden können die akustisch äquivalenten Informationen dieser Sensorausgangssignale oder aus diesen abgeleitete Informationen über eine elektromagnetische Welle nach gängigen Standards (WLAN, Bluetooth) drahtlos übertragen werden. Eine solche E-Gitarre ist nur ein Beispiel für eine Anwendung der hier vorgestellten Konzepte. Die hier vorgestellten Prinzipien sind in der Regel auch auf die anderen Anwendungsfälle in analoger Weise übertragbar und von der Beschreibung und Beanspruchung mit umfasst.
90 zeigt das bei Raumtemperatur aufgenommene Absorptionsspektrum eines vorschlagsgemäßen Diamanten. Die Absorption ist in einer willkürlichen Einheit bezogen auf eine frei gewählte Bezugstransmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge in nm dargestellt.
Die Kernidee, die hier bezüglich der Herstellung von HD-NV-Diamanten und Schmuckdiamanten vorgestellt wird, ist, die Verhinderung der Zusammenballung der Fehlstellen von vornherein schon während der Bestrahlung in situ zu verhindern.
Eine erste Maßnahme ist die Verwendung von n-dotiertem Diamant. Diese n-Dotierung kann beispielsweise durch eine Schwefeldotierung des Diamanten erreicht werden. Eine ähnliche Wirkung einer n-Dotierung wird erzielt, wenn der oder die Diamantrohlinge Stickstoffatome in Form von P1-Zentren umfassen. Dies äußert sich typischerweise in einer gelben Farbe der Diamantrohlinge. Es hat sich gezeigt, dass die Intensität der gelben Farbe eher schwach ausgeprägt sein sollte. Eine Färbung der Diamantrohlinge vor der Bestrahlung entsprechend der GIA-Norm „fancy yellow“ ist aber bereits wesentlich zu stark und führt zu praktisch schwarzen Steinen, wobei die Schwärze die Folge einer zu extremen Rotfärbung ist.
Die GIA Bestimmungsregeln für die Färbung von Schmuckdiamanten können beispielsweise zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Patentanmeldung unter https://www.gia.edu/fancy-color-diamondquality-factor im Internet gefunden werden.
Bevorzugt haben die gelben Diamantrohlinge den GIA-Färbegrad „fancy“ oder besser „fancy light oder noch besser „light“ oder noch besser „very light“. Der Grad der späteren Rötung nimmt dann bei Verwendung von Diamantrohlingen mit einer Gelbfärbung entsprechend der GIA-Tönung „fancy“ zu Diamantrohlingen mit einer Gelbfärbung entsprechend der GIA-Tönung „very light“ ab. Dabei sind die gelben Diamantrohlinge den GIA-Färbegrad „fancy“ nach der Durchführung des Färbeverfahrens so stark rot gefärbt, dass sie praktisch schwarz erscheinen. Sie eignen sich dann nur für Sensorelemente in Vorrichtungen, bei denen die durch die Vorrichtung ausgewertete Fluoreszenzstrahlung (FL) das Sensorelement über die gleiche Oberfläche (OFL1) verlässt, über die auch die Pumpstrahlung (LB) in das Sensorelement eingestrahlt wird. Bei Verwendung von Diamantrohlingen mit einer Gelbfärbung entsprechend der GIA-Tönung „very light“ oder vielleicht sogar des GIA-Färbegrades „faint“ wird die Rotfärbung sehr gering oder verschwindet ggf. sogar. Geringe Rotfärbungen erscheinen dabei eher rosa bis pink.
Der Stickstoff in den P1-Zentren der gelben Diamanten dient dabei als Donator, der eine n-Dotierung der Diamanten hervorruft. Wie bereits erwähnt, können andere Donatoren, wie beispielsweise Schwefel, für die Unterstützung ebenfalls eingesetzt werden.
Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass die n-Dotierung zu einer Verschiebung des Fermi-Niveaus innerhalb des Diamantkristalls führt. Diese Verschiebung des Fermi-Niveaus führt zu einer Ionisierung der durch die Bestrahlung erzeugten Fehlstellen, die dann negativ geladen sind. Hierdurch stoßen sich die gebildeten Fehlstellen sich während des Implantationsprozesses ab und ordnen sich in mehr oder weniger ähnlichen Abständen zueinander an, wenn gleichzeitig dafür gesorgt wird, dass die Fehlstellen bei ihrer Bildung sich bewegen können.
Aus diesem Grund wird der Diamantrohling bei der Bestrahlung mit Elektronen beheizt. Dies Erhöht zum einen den Ionisierungsgrad der Donatoren und damit die Menge der zur Verfügung stehenden Elektronen im Leitungsband und zum anderen die Beweglichkeit der Fehlstellen.
Von Diamanten ist bekannt, dass ab einer Temperatur von ca. 750°C Graphitisierungserscheinungen an ihren Oberflächen auftreten.
Um eine Oxidation des Diamanten zu verhindern, muss die Bestrahlungsanlage und die Prozesskammer während der Erhitzung und der Bestrahlung evakuiert sein. Bei den verwendeten Elektronenenergien ist aber auch eine Bestrahlung in einer mit Schutzgas gefüllten Prozesskammer denkbar.
Durch die Erhitzung und die n-Dotierung ordnen sich zum Ersten die Fehlstellen im jeweiligen Diamantkristall in Entfernung zueinander an und zum Zweiten wird die Bildung von Agglomerationen verhindert, die eine Trübung des Diamanten zur Folge hätte, und zum Dritten werden eine große Menge von NV-Zentren gebildet, die rot fluoreszieren und somit bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) (z.B. Tageslicht) Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λ_fl und die ggf. rote Farbe des Diamanten bei der Verwendung als Schmuckdiamant unterstreichen.
Eine gegenteilige Wirkung hat die Dotierung des Diamanten mit Wasserstoff. Dieser lagert sich in die Fehlstellen ein, wodurch deren negative Ladung neutralisiert wird. Erst wenn aller Wasserstoff gebunden ist. (z.B. als H3-Zentrum) kann sich eine rote Farbe herausbilden. CVD-Diamantsubstrate sind daher weniger geeignet. Der Prozess funktioniert zwar auch für diese Substrate, ist aber nicht so effizient, wie bei der Verwendung von HPHT-Diamanten, die unter hohem Druck und hoher Temperatur gezüchtet worden sind. Als Diamantrohlinge werden daher bevorzugt HPHT-Diamanten mit Stickstoffatomen und mit einem möglichst geringen Wasserstoffgehalt verwendet.
Sofern CVD-Diamant, also ein metastabil erzeugter Diamant, verwendet werden soll, der typischerweise infolge des Abscheideverfahrens einen erhöhten Anteil an Wasserstoff eingelagert hat, wird vorgeschlagen, vor oder während des hier vorgeschlagenen Verfahrens z.B. durch Bestrahlung mit Partikeln und Temperaturbehandlung den eingelagerten Wasserstoff in seiner Wirkung zu neutralisieren.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von eines oder mehrerer roter Schmuckdiamanten umfasst daher die Schritte:

• Schritt 1: Bereitstellung des oder der Diamantrohlinge. Für die Merkmale des Diamantrohlings können hier vier verschiedene Regeln angegeben werden:
1. a) Dass der oder die Diamantrohlinge Stickstoffatome in Form von P1-Zentren umfasst und/oder
2. b) dass der oder die Diamantrohlinge eine gelbe Farbe besitzen und/oder
3. c) dass der oder die Diamantrohlinge n-dotiert sind und/oder
4. d) dass der oder die Diamantrohlinge Stickstoffatome zusammen mit Wasserstoff umfassen,
wobei hier zumindest eine der drei vorangegangenen Regeln a bis c erfüllt sein sollte.
• Schritt 2: Bestrahlen des oder der Diamantrohlinge mit Elektronen. Die Energie der Elektronen sollte dabei bevorzugt über 2 MeV liegen, um genügend Fehlstellen im Diamanten hervorzurufen und den Diamanten auch sicher zu durchdringen. Die Energie der Elektronen sollte dabei bevorzugt unter 20 MeV liegen, um möglichst keine Sekundärradioaktivität zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass eine Elektronen Energie von 10MeV besonders geeignet ist. Die Energie der Elektronen sollte somit größer als 500keV und/oder besser größer als 1MeV und/oder besser größer als 3MeV und/oder besser größer als 4MeV und/oder besser größer als 5MeV und/oder besser größer als 6 MeV und/oder besser größer als 7 MeV und/oder besser größer als 8 MeV und/oder besser größer als 9 MeV und/oder größer als 10 MeV sein, wobei eine Energie von 10MeV bevorzugt ist. Die Bestrahlungsdosis sollte bevorzugt zwischen 5*10¹⁷ cm^-2 und 2*10¹⁸cm^-2, zumindest aber unter 10¹⁹cm^-2 liegen, um eine Graphitisierung zu vermeiden. Der entscheidende Unterschied zum Stand der Technik neben der n-Dotierung des Diamantkristalls ist, dass während der Bestrahlung die Temperatur des oder der Diamanten bei einer Bestrahlungstemperatur größer 600°C und/oder besser größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder weniger gut kleiner 1000°C und/oder weniger gut kleiner 1100°C und/oder weniger gut kleiner 1200°C, bevorzugt also zwischen 800°C und 900°C liegt. Hierdurch wird die Auseinanderdiffusion der negativ geladenen Fehlstellen unterstützt und die Elektronendichte im Leitungsband erhöht. Der Strahlstrom des elektrischen Stroms dieser zur Bestrahlung der Diamantrohlinge benutzten Elektronen wird bevorzugt so eingestellt, dass die Bestrahlungsdauer zum Erreichen der obigen Bestrahlungsdosis mindestens 0,05 Tage und/oder besser mindestens 0,5 Tage und/oder besser mindestens 1 Tag und/oder besser mindestens 2 Tage und/oder mindestens besser 4 Tage und/oder besser mindestens 8 Tage dauert. Da Wirtschaftlichkeit auch ein wichtiger Faktor ist, hat sich in Versuchen herausgestellt, dass eine wirtschaftlich bevorzugte Bestrahlungsdauer 2 Tage beträgt.

Die Diamantrohlinge sind während der Bestrahlung über einen Wärmewiderstand an eine Wärmesenke thermisch angekoppelt. Die Diamantrohlinge werden während der Bestrahlung durch eine Temperiervorrichtung auf der angestrebten Prozesstemperatur durch einen Regler, der Teil der Temperiervorrichtung ist, gehalten. Dabei berücksichtigt die Temperiervorrichtung alle Energieeinträge. Bevorzugt kann die Temperiervorrichtung einen oder mehrere Wärmeströme in die Menge der zu bearbeitenden Diamantrohlinge hinein und/oder aus der Menge der Diamantrohlinge heraus in Abhängigkeit von der mittleren Bestrahlungstemperatur der Diamantrohlinge regeln.
Die Temperiervorrichtung regelt den Gesamtenergieeintrag durch Regelung zumindest eines die Diamantrohlinge während der Bestrahlung heizenden Energiestromes in die Diamantrohlinge und ggf. die Gesamtenergieabfuhr so, dass der eine Temperatursonde, die in der Nähe der Diamantrohlinge während der Bestrahlung platziert ist, eine mittlere Bestrahlungstemperatur der Diamantrohlinge von größer 600°C und/oder größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder kleiner 1000°C und/oder kleiner 1100°C und/oder kleiner 1200°C, bevorzugt zwischen 800°C und 900°C erfasst. Bevorzugt umfasst für diese Regelung die Temperiervorrichtung einen PI-, P- oder besser PID-Regler oder einen anderen geeigneten Regler.
Bevorzugt ist der Gesamtenergieeintrag nicht konstant. Bevorzugt weist der der Gesamtenergieeintrag in die Diamantrohlinge einen zeitlichen Gleichanteil und einen zeitlich gepulsten Anteil mit einem zeitlichen Pulsabstand und einer Pulshöhe der Gesamtenergieeintragspulse auf. Es kann sich auch nur um einen einzigen Heizenergiepuls handeln. Die Temperiervorrichtung kann dann den Gleichanteil und/oder die Pulshöhe der Gesamtenergieeintragspulse des Gesamtenergieeintrags und/oder den zeitlichen Pulsabstand der Gesamtenergieeintragspulse zur Regelung der von der Temperatursonde erfassten mittleren Bestrahlungstemperatur verwenden. Ggf. kann also beispielsweise eine Heizung vorgesehen werden, die für die Pulsdauer eines Gesamtenergieeintragspulses den Gesamtenergieeintrag erhöht, was eine Temperaturerhöhung zur Folge hat und die Ausheilung von Strahlenschäden verbessert. Der Gesamtenergieeintrag setzt sich zusammen aus der Energie aus einer ggf. aktiven Heizvorrichtung, der über den thermischen Ableitwiderstand abgeleiteten thermischen Energie und der mehr oder weniger permanenten Strahlleistung des Elektronenstrahls während der Bestrahlung. Die Temperiervorrichtung muss dies bei der Einstellung der mittleren Zieltemperatur berücksichtigen.
Neben natürlichen Diamanten können bevorzugt auch synthetische HPHT-Diamanten als Diamantrohlinge eingesetzt werden. Auch die Verwendung von synthetischem CVD-Diamant ist denkbar, aber nicht bevorzugt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens im Vergleich zu den Methoden, die eine Temperung der bestrahlten Diamanten nach der Bestrahlung bei hohem Druck vorsehen, ist, dass die Diamantrohlinge bereits vor dem Bestrahlen mit ihrem endgültigen Schliff versehen werden können. Ein vorschlagsgemäß verwendeter Diamantrohling weist somit bevorzugt zumindest eine geschliffene Fläche vor dem Bestrahlen auf.
Um eine Beschädigung der polierten Oberflächen des Diamantrohlings durch Oxidation bei hoher Prozesstemperatur zu vermeiden findet die Bestrahlung mit Elektronen in einem Vakuum mit einem Restdruck von kleiner als 10^-4mBar und/oder besser von kleiner als 10^-5mBar und/oder besser von kleiner als 10^-6mBar und/oder besser von kleiner als 10^-7mBar und/oder besser von kleiner als 10^-8mBar und/oder besser von kleiner als 10^-9mBar und/oder besser von kleiner als 10^-10mBar statt. Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen und aufgrund von Experimenten wurde im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung ermittelt, dass ein Restdruck von kleiner als 10^-6mBar vollkommen ausreichend ist. Die Bestrahlung in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere in einer Agon-Atmosphäre, ist eine alternative, weniger bevorzugte Möglichkeit.
Ein Diamantrohling kann beispielsweise einen der folgenden Schliffe vor dem Bestrahlen aufweisen: Spitzsteinschliff, Tafelsteinschliff, Rose Cut Schliff, Mazarin Schliff, Brillantschliff, Tropfenschliff, Prinzessschliff, Ovalschliff, Herzschliff, Marquise-Schliff, Smaragdschliff, Asscher-Schliff, Cushion-Schliff, Radiant-Schliff, Diamant-Altschliff, Smaragdschliff, Baguetteschliff. Dieser Schliff wird durch die Bestrahlung nicht verändert. Die hohe Prozesstemperatur während der Bestrahlung verhindert eine Beschädigung der optischen Flächen. Die Diamanten können nach oder vor der Bestrahlung geschliffen werden. Ein Schliff vor der Bestrahlung ist typischerweise möglich aber nicht zwingend erforderlich.
Ein geeigneter Diamantrohling besitzt bevorzugt eine Größe größer als 0,1ct und/oder besser größer als 0,2ct und/oder besser größer als 0,5ct und/oder besser größer als 1ct und/oder besser größer als 1,5ct und/oder besser größer als 2ct. Die Bestrahlung und Behandlung von Diamant-Granulaten und Stäuben, z.B. von Diamant in Form von Nanodiamanten ist aber in der zuvor vorgestellten Weise zur Fertigung roter Diamanten und/oder zur Fertigung von HD-NV-Diamanten auch möglich.
Der oder die Diamantrohlinge befinden sich bei der Bestrahlung in einer temperaturgeregelten Prozesskammer auf der besagten Prozesskammertemperatur oder in einem temperaturgeregelten Gefäß auf einer Prozesskammertemperatur innerhalb der Prozesskammer, die bevorzugt evakuiert ist. Die Prozesskammertemperatur weicht dabei bevorzugt, nicht mehr als 200°C und/oder besser nicht mehr als 100°C und/oder besser nicht mehr als 50°C und/oder besser nicht mehr als 20°C und/oder besser nicht mehr als 10°C von der Bestrahlungstemperatur ab. Die Heizleistung des Elektronenstrahls selbst spielt hier auch eine Rolle. Da die Eigenschaften des Elektronenstrahls von Anlage zu Anlage variieren, wird dringend die Durchführung eines DoEs (Design of Experiment) zur Bestimmung der optimalen Prozessparameter für die Paarung aus Bestrahlungsanlage und Diamantrohlingen empfohlen. Bevorzugt werden die Diamantrohlinge während der bevorzugt gepulsten Bestrahlung mit dem typischerweise gepulsten Elektronenstrahl beispielsweise eines Linac in einem Quarzgefäß gelagert und dort auf die Prozesstemperatur gebracht und auf dieser Prozesstemperatur während der Bestrahlung gehalten.
SCHMUCKDIAMANT
Ein mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellter Diamant, insbesondere ein roter Schmuckdiamant, unterscheidet sich von den im Stand der Technik bekannten künstlichen roten Schmuckdiamanten durch seine Brillanz, Klarheit und Farbe, die bei geeigneter Vorauswahl der Diamantrohlinge insbesondere keine grünen oder blauen Farbbeimengungen aufweist. Farben wie „pink“ und „orange“ sind möglich.
Der Diamant entspricht dann in der Regel der Gia-Farbe „fancy red“, was ihn besonders auszeichnet.
Darüber hinaus weist er einige Eigenheiten in seinem Absorptionsspektrum auf, die eindeutige Spuren der Anwendung der zuvor beschriebenen Verfahren sind. Ein solcher Schmuckdiamant ist zunächst einmal ein Diamant-Einkristall, der durch ein Einfärbeverfahren gefärbt ist und zwar konkret rot gefärbt ist. Der Schmuckdiamant erscheint also einem menschlichen Betrachter bei einer Beleuchtung mit weißem Licht rot. Die GIA Bestimmungsregeln für die Färbung von Schmuckdiamanten können beispielsweise zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Patentanmeldung unter https://www.gia.edu/fancy-color-diamond-quality-factor im Internet gefunden werden.
Eine sehr einfache Darstellung der Diamantfarben findet sich beispielsweise unter https://www.ninasjewellery.com.au/fancy-coloured-diamonds. Die GIA-Norm wird beispielsweise in der Schrift von John M. King „GIA Colored Diamonds, Color Reference Charts", Gemological Institute of America, 2006 beschrieben. Diese Schrift kann unter dem den Bestellinformationen ISBN-10: 0873110536, ISBN-13: 978-0873110532 beschafft werden. Alle auf Seite 13 dieser hier zitierten Schrift beschriebenen Tönungen zeigen im Sinne dieser Offenlegung rote Schmuckdiamanten.
Um einen nach den obigen Verfahren hergestellten Diamanten, der ein HD-NV-Diamant ist, von Diamanten aus dem Stand der Technik zu unterscheiden, wird die Lichtabsorption bei fünf unterschiedlichen Lichtwellenlängen betrachtet.
Ein erster Absorptionskoeffizienten (α₁) des Schmuckdiamanten bzw. des Diamanten wird bei einer Durchstrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 437nm in zumindest einer für den jeweiligen Schmuckdiamanten möglichen Durchstrahlungsrichtung bei Raumtemperatur bestimmt. Die Wellenlänge von 437nm ist so gewählt, dass sie auf der zu kürzeren Wellenlängen hin bis zur totalen Absorption ansteigenden Absorptionskante des Schmuckdiamanten in etwa in der Mitte liegt und diesen gut von künstlich eingefärbten roten Schmuckdiamanten aus dem Stand der Technik differenziert. Einige der anderen Einfärbemethoden zeigen nämlich bei genau dieser Wellenlänge noch eine ungenügende Absorption, was zu einer blau-grünen Beimengung in der Absorptionsfarbe führt.
Ein zweiter Absorptionskoeffizient (α₂) des Schmuckdiamanten bzw. des Diamanten wird bei einer Durchstrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 500nm in zumindest dieser für den jeweiligen Schmuckdiamanten möglichen Durchstrahlungsrichtung bei Raumtemperatur bestimmt. Die Wellenlänge von 500nm ist so gewählt, dass sie am Fuß eines ggf. vorhandenen Absorptions-Peaks eines H3-Zentrums in dem betreffenden Schmuckdiamanten liegt.
Ein dritter Absorptionskoeffizient (α₃) des Schmuckdiamanten bzw. des Diamanten wird bei einer Durchstrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 570nm in zumindest dieser für den jeweiligen Schmuckdiamanten möglichen Durchstrahlungsrichtung bei Raumtemperatur bestimmt. Die Wellenlänge von 570nm ist so gewählt, dass sie am Fuß eines ggf. vorhandenen Absorptions-Peaks eines NV⁰-Zentrums in dem betreffenden Schmuckdiamanten liegt. Typischerweise ist es das Maximum des stark verbreiterten NV-Absorptionsbereiches.
Ein vierter Absorptionskoeffizient (α₄) des Schmuckdiamanten bzw. des Diamanten wird bei einer Durchstrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 800nm in zumindest dieser für den jeweiligen Schmuckdiamanten möglichen Durchstrahlungsrichtung bei Raumtemperatur bestimmt. Die Wellenlänge von 800nm ist so gewählt, dass sie oberhalb des GR1-zentrums liegt. Einige Diamanten aus dem Stand der Technik zeigen nach der Bestrahlung hier eine streng monoton zu größeren Wellenlängen hin ansteigende Absorption durch nicht ausgeheilte Strahlenschäden.
Ein einen fünfter Absorptionskoeffizient (α₅) des Schmuckdiamanten bzw. des Diamanten wird bei einer Durchstrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge zwischen 200nm und 400nm in zumindest dieser möglichen Durchstrahlungsrichtung bei Raumtemperatur bestimmt. Der Wellenlängenbereich von 200nm bis 400nm ist so gewählt, dass hier ein mittels des hier vorgestellten Verfahrens eingefärbter roter Diamant nicht oder nur unwesentlich transparent ist.
Diese fünf Absorptionskoeffizienten stehen nun bei einem Schmuckdiamanten bzw. Diamanten, insbesondere HD-NV-Diamanten, der mittels eines der hier angegebenen Verfahren gefertigt wurde typischerweise in bestimmten Verhältnissen zueinander. Da nur eine begrenzte Zahl von Schmuckdiamanten bzw. Diamanten bis zum Zeitpunkt der Anmeldung rot eingefärbt wurde, kann nicht ausgeschlossen werden, dass es Ausnahmen von dieser Regel geben kann, da eine nur mit einer unendlichen Probenanzahl beseitigbare statistische Unsicherheit immer besteht. Solche Schmuckdiamanten können insbesondere mit einem entsprechenden Schliff auch als Sensorelemente eingesetzt werden. Ganz generell können solche Diamanten auch ohne Schmucksteinschliff, beispielsweise nur mit einer oder zwei polierten Oberflächen (OFL1, OFL2) versehen als Sensorelemente eingesetzt werden. Als Sensorelemente eingesetzte HD-NV-Diamanten und/oder Diamanten mit anderen Farbzentren bevorzugt hoher Dichte können daher auch diese oder ähnliche spektrale optischen Eigenschaften aufweisen.
Bei den bei der Ausarbeitung der Anmeldung gefertigten Diamanten war der fünfte Absorptionskoeffizient (α₅) größer ist als der erste Absorptionskoeffizient (α₁), der erste Absorptionskoeffizient (α₁) größer ist als der dritte Absorptionskoeffizient (α₃), der dritte Absorptionskoeffizient (α₃) größer ist als der zweite Absorptionskoeffizient (α₂) und der zweite Absorptionskoeffizient (α₂) größer ist als der vierte Absorptionskoeffizient (α₄). Die Differenz aus dem dritten Absorptionskoeffizient (α₃) minus dem zweiten Absorptionskoeffizient (α₂) war außerdem kleiner als die Differenz aus dem zweiten Absorptionskoeffizient (α₂) minus dem vierten Absorptionskoeffizient (α₄).
Bevorzugt wurde der Diamantrohling des rot eingefärbten Schmuckdiamanten durch ein Kristallzuchtverfahren hergestellt. Insbesondere handelt es sich bevorzugt um einen HPHT-Diamanten.
Ein solcher Schmuckdiamant weist bevorzugt einen der folgenden Schliffe aufweist: Spitzsteinschliff, Tafelsteinschliff, Rose Cut Schliff, Mazarin Schliff, Brillantschliff, Tropfenschliff, Prinzessschliff, Ovalschliff, Herzschliff, Marquise-Schliff, Smaragdschliff, Asscher-Schliff, Cushion-Schliff, Radiant-Schliff, Diamant-Altschliff, Smaragdschliff oder Baguetteschliff.
Aufgrund der Bestrahlung unter Temperatur ist der erfindungsgemäße Schmuckdiamant klarer und weniger trüb (cloudy) als künstlich eingefärbte rote Schmuckdiamanten aus dem Stand der Technik. Ein solcher Schmuckdiamant weist daher typischerweise bei Verwendung eines entsprechend hochqualitativen Diamantrohlings einen Qualitätsgrad von Sl1 oder besser VS2 oder besser VS1 oder besser VVS2 oder besser VVS1 oder besser „internally flawless“ oder besser „flawless“ auf.
Informationen über den Qualitätsgrad können beispielsweise unter dem Web-Link https://www.koenigjewellery.com/diamanten/die-welt-der-diamanten/gia-die-4-c-s/ gefunden werden. Der beste Qualitätsgrad nach der GIA-Norm ist dabei die Qualität „flawless“. Der schlechteste Qualitätsgrad nach GIA-Norm ist dabei der Qualitätsgrad I₃.
Die Farbe des sich bei Anwendung des offenbarten Verfahrens typischerweise ergebenden roten Diamanten kann je nach Intensität von einem leichten Farbhauch zu einem tief, fast schwarz eingefärbten Stein variieren. Ausschlaggebend ist die Stärke der gelblichen Färbung des Diamantrohlings. Die Farbe kann mit einer RAL-Farbe assoziiert werden. Ein vorschlagsgemäßer Schmuckdiamant erscheint bei der Beleuchtung mit weißem Licht vor weißem Hintergrund dem menschlichen Betrachter in einer Farbe entsprechend RAL 3020 und/oder RAL3024 und/oder RAL 3026 und/oder einer anderen RAL-Farbe 3XXX, wobei XXX für eine dreistellige Zahl zwischen 000 und 999 steht.
Die GIA hat sich bemüht, die Färbung von Diamanten zu systematisieren. Daher wird hier erneut auf die Schrift John M. King „GIA Colored Diamonds, Color Reference Charts", Gemological Institute of America, 2006, ISBN-10: 0873110536, ISBN-13: 978-0873110532 hingewiesen. Ein vorschlagsgemäßer Schmuckdiamant weist nach dem Durchführen des vorschlagsgemäßen Verfahrens die rote Farbe „fancy-red“ oder die rote Farbe „fancy-deep“ oder die rote Farbe „fancy-vivid“ oder die rote Farbe „fancy-dark“ oder die rote Farbe „fancy-intense“ oder die rote Farbe „fancy light“ oder die rote Farbe „light“ nach GIA-Norm. Zusammengefasst kann man sagen, dass der Schmuckdiamant bei kompletter Umfärbung eine rote Farbe entsprechend den Bildern der Diamanten auf Seite 13 der Schrift von John M. King „GIA Colored Diamonds, Color Reference Charts", Gemological Institute of America, 2006, ISBN-10: 0873110536, ISBN-13: 978-0873110532 zeigt. Werden die gelben Farbzentren nicht komplett umgefärbt so kann der Schmuckdiamant auch Orange-Töne aufweisen. Ein erfindungsgemäßer Schmuckdiamant kann dann die orange-rosa Farbe „fancy-red“ oder die orange-rosa Farbe „fancy-deep“ oder die orange-rosa Farbe „fancy-vivid“ oder die orange-rosa Farbe „fancy-dark“ oder die orange-rosa Farbe „fancy-intense“ oder die orange-rosa Farbe „fancy light“ oder die orange-rosa Farbe „light“ nach GIA-Norm zeigen. Alternativ kann dies auch so zusammengefasst werden, dass bei verbleibenden gelben Farbzentren der Schmuckdiamant eine orange-rosa Farbe entsprechend der Bilder der Diamanten auf Seite 12 der Schrift von John M. King „GIA Colored Diamonds, Color Reference Charts", Gemological Institute of America, 2006, ISBN-10: 0873110536, ISBN-13: 978-0873110532 zeigt. Andere Farben sind möglich.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Einfärbung der Diamantrohlinge werden große Mengen an NV-Zentren im Material des Schmuckdiamanten gefertigt, wodurch der Schmuckdiamant bei der Beleuchtung mit weißem Licht vor weißem Hintergrund mit einer Farbe im Bereich von 637nm +/-10nm fluoresziert, was den Eindruck der Brillanz des Schmuckdiamanten verstärkt.
Bevorzugt weist der Schmuckdiamant eine Fluoreszenz mit einer Farbtemperatur kleiner als 1000K auf, was einem tiefen Rot entspricht. Wird eine gelbe Farbe des Diamantrohlings nicht vollständig in einen roten Farbton umgewandelt, so kann der Schmuckdiamant auch eine Farbe mit einer Farbtemperatur kleiner 2000K aufweisen. Der Schmuckdiamanten weist somit bei Durchstrahlung mit weißem Licht in zumindest einer Durchstrahlungsrichtung eine Farbtemperatur kleiner als 1000K auf.
Der Schmuckdiamantweist, wenn er fluoreszieren soll, bevorzugt eine Dichte an NV-Zentren von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10-3ppm und/oder von mehr als 10-4ppm und/oder von mehr als 10-5ppm und/oder von mehr als 10-6ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit auf. Soll eine Fluoreszenz vermieden werden, so weist der Schmuckdiamant bevorzugt eine Dichte der NV-Zentren auf, die weniger als 10ppm und/oder weniger als 2ppm und/oder weniger als 1ppm und/oder weniger als 0,5ppm und/oder weniger als 0,2ppm und/oder von als 0,1ppm und/oder von als 0,05ppm und/oder weniger als 0,02ppm und/oder weniger als 0,01ppm und/oder weniger als 0,005ppm und/oder weniger als 0,002ppm und/oder weniger als 0,001ppm und/oder weniger als 5*10^-4 ppm und/oder weniger als 2*10^-4 ppm und/oder weniger als 10^-5ppm und/oder von weniger als 5*10^-5 ppm und/oder weniger als 2*10^-5 ppm und/oder weniger als 10^-6ppm und/oder weniger als 5*10^-6 ppm und/oder weniger als 2*10^-6 ppm und/oder weniger als 10^-7ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit beträgt.
Naturgemäß weist der erfindungsgemäße Schmuckdiamant typischerweise Spuren einer Bestrahlung mit Partikeln, insbesondere mit Elektronen und/oder Protonen, auf.
Um das zuvor beschriebene Verfahren zur roten Einfärbung eines Schmuckdiamanten durchführen zu können ist eine entsprechende Vorrichtung notwendig. Sie umfasst bevorzugt einen Elektronenbeschleuniger, der Elektronen mit einer Energie zwischen 2MeV und 10MeV in eine Prozesskammer liefert, und ein Vakuumsystem, das dazu geeignet und bestimmt ist, die Prozesskammer zu evakuieren, und im Gegensatz zum Stand der Technik zusätzlich eine Heizvorrichtung. Diese Heizvorrichtung ist bevorzugt dazu geeignet und bestimmt, die Prozesskammer und/oder ein Gefäß innerhalb der Prozesskammer auf eine Prozesstemperatur zu heizen. Die Vorrichtung um fasst des Weiteren bevorzugt einen Temperatursensor, der dazu geeignet und bestimmt ist, die Temperatur der Prozesskammer und/oder die Temperatur des Gefäßes und/oder die Temperatur eines oder mehrerer Diamantrohlinge innerhalb des Gefäßes oder innerhalb der Prozesskammer als Temperaturmesswert zu erfassen. Ein Regler, der dazu geeignet und bestimmt ist, die Heizvorrichtung in Abhängigkeit vom erfassten Temperaturmesswert zu steuern, ist bevorzugt ebenfalls ein Teil der Vorrichtung. Typischerweise weist die Vorrichtung elektronenoptische Vorrichtungsteile wie magnetische Linsen, Wien-Filter, Blenden und Ablenkeinheiten auf. Typischerweise werden die Ablenkeinheiten benutzt, um den Elektronenstrahl während der Bestrahlung über die Diamantrohlinge wandern zu lassen. (Englisch: zu scannen) Wodurch die Elektronen im wesentliche Homogen über die Diamantrohlinge in der Prozesskammer verteilt werden.
Die Erfindung umfasst somit auch die Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines oder mehrerer roter Schmuckdiamanten, die typischerweise auch als Sensorelemente verwendet werden können, mittels einer Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Hinsichtlich der Farbe Rot sei auf die vorausgehenden Ausführungen verwiesen.
Insofern ist der Begriff „Schmuckdiamant“ in dieser Schrift auch als Synonym für das Wort „Sensorelement“ zu verstehen.
91 91 veranschaulicht die Definition der Zeiten.
92 92 zeigt die Nichtlinearität der Abhängigkeit des Kontrasts (KT) (siehe auch 28) von der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), die das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) bzw. die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) erreicht. Der Kontrast nimmt zu großen Intensitäten (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) hinzu. Dies ist für einzelne NV-Zentren in Dimant, also nicht für HD-NV-Diamanten, wie sie hier beschrieben sind, aus der Schrift Staacke, R., John, R., Wunderlich, R., Horsthemke, L., Knolle, W., Laube, C., Glösekötter, P., Burchard, B., Abel, B. and Meijer, J. (2020), „Isotropie Scalar Quantum Sensing of Magnetic Fields for Industrial Application", Adv. Quantum Technol., doi:10.1002/qute.202000037, bekannt, deren Publikationsdatum nach dem Prioritätsdatum der prioritätsgebenden Schriften dieser Schrift liegt. Wir verweisen insbesondere auf die 3b und 3d jener Schrift. Durch eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren, wie beispielsweise durch eine hohe Dichte an NV-Zentren wie in einem HD-NV-Diamant, wie er in dieser Schrift beschrieben wurde, kann der Kontrast (KT) über das in jener Schrift gezeigte Maß hinaus insbesondere auf 25% und sogar 30% und sogar 40% und mehr gesteigert werden, was neu gegenüber dem Stand der Technik ist. Theoretisch können Werte des Kontrasts (KT) von 50% und mehr erreicht werden. In diesem Zusammenhang verweisen wir auf die Schrift L. Horsthemke, C. Bischoff, P. Glösekötter, B. Burchard, R. Staacke, J. Meijer „Highly Sensitive Compact Room Temperature Quantum Scalar Magnetometer" SMSI 2020, Pages 47-48, DOI 10.5162/SMSI2020/A1.4, ISBN 978-3-9819376-2-6, deren Publikationsdatum nach dem Prioritätsdatum der prioritätsgebenden Schriften dieser Schrift liegt.
Mit steigender Pumpstrahlungsintensitätsdichte (I_pmp ) steigt der Kontrast (KT) in etwa wurzelförmig in Abhängigkeit von der Dichte der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) an. Unter Intensität (I_pmp , I_fl , I_kfl , I_ks ) wird dabei in dieser Schrift die auf einen Probekörper eingebrachte Leistung (Energie / Zeiteinheit) verstanden. Ist die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) im Sensorelement hoch, steigt durch die höhere Pumpstrahlungsintensitätsdichte (I_pmp ) die Dichte der angeregten paramagnetischen Zentren (NV1) und damit die Wahrscheinlichkeit für die Kopplung paramagnetischer Zentren (NV1) untereinander und damit die Wahrscheinlichkeit von kollektiven Effekten der so gekoppelten, möglicherweise großen Anzahl an gekoppelten paramagnetischen Zentren (NV1) an. Im Falle von NV-Zentren (NV1) steigt durch die Verwendung eines HD-NV-Diamanten und einer hohen Maximalintensität (I_pmpmax ) der Pumpstrahlung (LB) die Dichte der angeregten NV-Zentren (NV1) und damit der Kontrast (KT). Somit ist das Verfahren zur Herstellung solcher Diamanten ein Kernbestandteil des hier vorgelegten Vorschlags. Damit der Kontrast (KT) auch im mittel hoch ist, sollte die Zeit in der die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) vom Offset-Wert (I_pmpoff ) der Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) und gleichzeitig vom Maximalwert (I_pmpmax ) der Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) verschieden ist, minimiert werden. Aus dem gleichen Grund sollte der Raumbereich innerhalb des Sensorelements, in dem die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) vom Offset-Wert (I_pmpoff ) der Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) und gleichzeitig vom Maximalwert (I_pmpmax ) der Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) verschieden ist, räumlich minimiert werden. Dies kann durch eine Fokussierung der Pumpstrahlung (LB) z.B. durch optische Funktionselemente, wie Linsen und/oder gekrümmter Spiegel und/oder spiegelnder Flächen und/oder photonischen Kristallen etc., geschehen. Des Weiteren sollten die paramagnetischen Zentren (NV1), also im Beispiel eines NV-HD-Diamanten, nur in solchen Raumbereichen innerhalb des Sensorelements in signifikanter Menge und Dichte vorkommen in denen im Wesentlichen eine Pumpstrahlungsintensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) in der Nähe der maximalen Pumpstrahlungsintensität (I_pmpmax ) erreicht wird. Auf die Ausführungen zum Fabry-Perot-Interferometer und optischen Resonatoren im Zusammenhang mit 71 sei an dieser Stelle explizit verwiesen. Bevorzugt wird ein solcher Bereich durch die zumindest zeitweise erfüllte Bedingung I_pmp>50%*I_pmpmax und/oder besser I_pmp>75%*I_pmpmax und/oder besser I_pmp>90%*I_pmpmax und/oder besser I_pmp>95%*I_pmpmax und/oder besser I_pmp>98%*I_pmpmax erfüllt.
Für die Konstruktion des Sensorelements wird ausdrücklich eine Multiphysics-Simulation auf Basis einer FDTD-Simulation empfohlen. Dabei sind die komplexen optischen Zusammenhänge (siehe 71) zu beachten. Unter der FDTD-Methode versteht man eine Finite Difference Time Domain Simulation, was die englische Bezeichnung für Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich ist. Das Verfahren wird auch Yee-Verfahren bzw. -Methode genannt. Es handelt sich um ein mathematisches Verfahren zur direkten Integration zeitabhängiger Differentialgleichungen, das vor allem zur Berechnung der Lösungen der Maxwell-Gleichungen wie in diesem Fall eingesetzt wird.
93 93 zeigt eine vereinfachte Struktur eines Substrats (D) für die Messung in Durchstrahlung. Im Gegensatz zur 71 tritt nun die Fluoreszenzstrahlung (FL) nicht über die erste Oberfläche (OFL) aus dem Substrat (D) aus, über die die Pumpstrahlung (LB) in das Substrat (D) eintritt. Vielmehr tritt die Fluoreszenzstrahlung (FL) nun über eine zweite Oberfläche (OFL2) auf. Um nun die Absorption und Abschwächung des Kontrasts (KT) zu vermeiden, wurde im Zuge der Ausarbeitung der hier vorgelegten Schrift erkannt, dass die Dicke (d_NVC ) der Gruppe (NVC) parametrischer Zentren (NV1) für die Durchstrahlungskonfiguration der 93 begrenzt werden muss. Bevorzugt ist die Dicke (d_NVC ) der Gruppe (NVC) parametrischer Zentren (NV1) nicht größer als das 10000-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 5000-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 2000-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 1000-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 500-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 200-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 100-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 50-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 20-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 10-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 5-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 2-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder besser nicht größer als das 1-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ). Ein guter Kontrast wurde mit einer Dicke (d_NVC ) der Gruppe (NVC) parametrischer Zentren (NV1) nicht größer als das 50-fache der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) erzielt. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zur 71 verwiesen.
94 94 basiert auf 73. Im Gegensatz zur 73 erfolgt nun jedoch die Auslesung des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) nicht über die Fluoreszenzstrahlung (FL), sondern über den Wert des Fotostromes. In dem Beispiel der 94 steuern eine horizontale Leitung (LH), eine erste horizontale Schirmleitung (SH1) und eine zweite horizontale Schrimleitung (SH2) diesen Prozess. Ein Zentrum (PZ) dient wieder als Pumpstrahlungsquelle (PL1). Das Zentrum (PZ) wird durch einen Stromfluss zwischen einem Kathodenkontakt (KTH) und einem Anodenkontakt (AN) gepumpt, sodass das Zentrum PZ Pumpstrahlung (LB) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) aussendet. Das Zentrum (PZ) dient hier somit als beispielhafte Pumpstrahlungsquelle (PL1). Das Substrat (D) dient hier als optisches Funktionselement und koppelt diese Pumpstrahlung an das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Im Falle von NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Zentren (NV1) im Substrat (D) kann die horizontale Leitung (LH) positiv gegenüber dem Substrat (D) geladen sein. Das elektrische Feld der horizontalen Leitung (LH) führt dann dazu, dass der bevorzugte Zustand des NV-Zentrums der NV^-Zustand ist. Das NV-Zentrum erzeugt dann Fotoelektronen. Diese können durch die erste horizontale Schirmleitung (SH1) und die zweite horizontale Schirmleitung (SH2) dann abgezogen werden, wenn eine geeignete Spannung zwischen diesen angelegt wird. Es fließt dann ein Fotostrom in der ersten horizontalen Schirmleitung (SH1) und der zweiten horizontalen Schirmleitung (SH2), der von der magnetischen Flussdichte B oder anderen physikalischen Parametern wie elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke g, Rotationsgeschwindigkeit ω, Intensität der ionisierenden Strahlung etc. am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) abhängen kann. Dieser Fotostrom kann durch eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (LIV), wie sie hier beispielhaft vorgestellt wurden, erfasst werden und in einen Messwert für den betreffenden, den Fotostrom beeinflussenden Parameter umgewandelt werden. Dieser Messwert des Fotostromes hängt dann von einem oder mehreren dieser physikalischen Parameter ab und kann somit als Messwert für diese weiterverwendet werden. Wie leicht erkennbar ist, ähnelt die Struktur einem MOS-Transistor. Für den Fall, dass paramagnetische Zentren in Halbleiterkristallen, also beispielsweise G-Zentren in Silizium oder V-Zentren in SiC für die Messung eingesetzt werden, ist es sinnvoll, wenn die horizontale Leitung (LH), die hier durch einen Isolator (IS) von dem Substrat (D) getrennt ist, aus dem gleichen Material, beispielsweise polykristallinem Silizium im Falle von Silizium als Substrat (D) besteht. In diesem Zusammenhang weisen wir beispielsweise auf die Schrift C. Beaufils, W. Redjem, E. Rousseau, V. Jacques, A. Yu. Kuznetsov, C. Raynaud, C. Voisin, A. Benali, T. Herzig, S. Pezzagna, J. Meijer, M. Abbarchi, G. Cassabois „Optical properties of an ensemble of G-centers in silicon", Phys. Rev. B 97, 035303 09.01.2018 und die Schrift S. Castelletto, A. Boretti, „Silicon carbide color centers for quantum applications", J. Phys. Photonics 2 022001, 2020 hin. Bevorzugt ist der Isolator (IS) dann ein Gate-Oxid. Besonders bevorzugt umfass in einem solchen Fall eines Halbleiterkristalls als Substrat (D) der Halbleiterkristall dann auch elektronische Bauelemente, die mit dem betreffenden paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einem einzigen Substrat (D) ko-integriert sind. Bevorzugt umfasst das Substrat (D) dann auch die Ansteuer- und Auswerteschaltung (LIV) ganz oder in Teilen, sodass es denkbar wird eine Ein-Chip-Lösung komplett aus Silizium zu fertigen. Für die Pumpstrahlungsquelle kommen dann aber auch andere Möglichkeiten in Betracht. In diesem Zusammenhang verweisen wir beispielhaft auf L. W. Snyman, J-L. Polleux, K. A. Ogudo, C. Viana, S. Wahlc, „High Intensity 100 nW 5 GHz Silicon Avalanche LED utilizing carrier energy and momentum engineering", Conference Paper in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Februar 2014, DOI: 10.1117/12.2038195. Auch weisen wir auf die noch unveröffentlichte Anmeldung PCT / DE 2020/ 100 430 hin, dies sich ebenfalls mit der Komplettintegration von Quantensystemen befasst.
95 95 zeigt das System der 5 nun aber mit Auswertung des Fotostromes und Referenzrauschquelle und Dicke-Schalter (DS).
Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wird in diesem Beispiel dauerhaft und nicht moduliert betrieben. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) bestrahlt das paramagnetische Zentrum (NV1) oder die paramagnetischen Zentren (NV1) oder die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Substrat (D) des Sensorelements.
Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) wird in diesem Beispiel dauerhaft und nicht moduliert betrieben. Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) bestrahlt das paramagnetische Referenzzentrum (NV2) oder die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) oder die Gruppe oder die Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) im Substrat (D) des Referenzelements.
Das Sensorelement kann beispielsweise eine Anordnung entsprechend den 78 sein, wobei diese dann beispielsweise die vertikale Leitung (LH) und die horizontale Leitung (LH) und die erste horizontale Schirmleitung (LH1) der 78 nicht aufweisen muss. Somit müssen nur Vorrichtungsteile ähnlich der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) und der zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2) der 78 zusammen mit Kontakten, die in der 78 zu Vereinfachung nicht eingezeichnet sind, vorhanden sein. Mindestens ein erster Kontakt verbindet dann die erste vertikale Schirmleitung (SV1) mit dem Substrat (D). Mindestens ein zweiter Kontakt verbindet dann die zweite vertikale Schirmleitung (SV2) mit dem Substrat (D). Bevorzugt sind die der erste Kontakt und der zweite Kontakt so gegenüber dem Quantenpunkt (NV1/NVC) platziert, dass dieser bei Anlegen einer Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) und der zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2) ein möglichst homogenes elektrisches Extraktionsfeld um den Quantenpunkt herum erzeugt, sodass der Fotostrom bei Bestrahlung des Quantenpunkts (NV1/NVC) mit Pumpstrahlung (LB) aus dem Quantenpunkt (NV1/NVC) extrahiert wird und über die beiden Schirmleitungen (SV1, SV2) fließt. 97 zeigt einen solchen Vorschlag für ein Sensorelement.
Auch das Referenzelement kann beispielsweise eine Anordnung entsprechend den 78 sein, wobei diese dann beispielsweise die vertikale Leitung (LH) und die horizontale Leitung (LH) und die erste horizontale Schirmleitung (LH1) der 78 nicht aufweisen muss. Somit müssen auch hier nur Vorrichtungsteile ähnlich der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) und der zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2) der 78 zusammen mit Kontakten, die in der 78 zu Vereinfachung nicht eingezeichnet sind, vorhanden sein. Mindestens ein erster Kontakt verbindet dann die erste vertikale Schirmleitung (SV1) mit dem Substrat (D) des Referenzelements. Mindestens ein zweiter Kontakt verbindet dann die zweite vertikale Schirmleitung (SV2) mit dem Substrat (D) des Referenzelements. Bevorzugt sind die der erste Kontakt und der zweite Kontakt so gegenüber dem Referenzquantenpunkt (NV2/NVC2) platziert, dass dieser bei Anlegen einer Extraktionsspannung (V_ext) zwischen der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) und der zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2) ein möglichst homogenes elektrisches Extraktionsfeld um den Referenzquantenpunkt herum erzeugt, sodass der Fotostrom bei Bestrahlung des Referenzquantenpunkts (NV2/NVC2) mit Kompensationsstrahlung (KS) aus dem Referenzquantenpunkt (NV2/NVC2) extrahiert wird und über die beiden Schirmleitungen (SV1, SV2) fließt. 98 zeigt einen solchen Vorschlag für ein Sensorelement.
Mittels eines Dickeschalters (DS) wird nun in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5) zwischen dem Fotostrom des Sensorelements und dem Fotostrom des Referenzelements hin- und hergeschaltet. Der Ausgang des Dicke-Schalters (DS) ist das Empfängeraufgangssignal (S0). Der erste Verstärker (V1) verstärkt das Empfängerausgangssignal (S0) zum reduzierten Empfängerausgangssignal (S1). Bevorzugt ist in diesem Fall der erste Verstärker (V1) ein Verstärker mit einem stromgeführten Eingang, um den jeweiligen Fotostrom verstärken zu können. In einem nachfolgenden Synchrondemodulator (M1, TP) wird ein Empfängerausgangssignal (S4) erzeugt, das wieder dem Wert der Differenz zwischen dem Betrag des Fotostroms des Sensorelements und dem Betrag des Fotostromes des Referenzelements entspricht. In dem Beispiel der 95 tastet eine Halteschaltung (S&H) wieder das Filterausgangssignal (S4) synchron zur Sendesignalperiode (T_p ) des Sendesignals (S5) ab, um sicherzustellen, dass der Schleifenfilter (TP) ein bestimmtes und kein unbestimmtes Integral bildet. Der Synchrondemodulator besteht in dem Beispiel der 95 aus einem ersten Mischer (M1), der das Sendesignal mit dem reduzierten Empfängerausgangssignal (S0) multipliziert und dem Schleifenfilter (TP). Bevorzugt sind das Sensorelement und das Referenzelement in gleicher Weise ausgeführt. Das Referenzelement ist ggf. durch eine Abschirmung (AS) gegenüber physikalischen Parametern, die den Fotostrom des Referenzelements beeinflussen können, abgeschirmt. Eine solche Abschirmung (AS) kann beispielsweise das Material eines Leiters sein, in dessen Innerem sich das Referenzelement befindet. Der Wert des Sensorausgangssignals (out), das das Ausgangssignal der Halteschaltung (S&H) in diesem Beispiel ist, kann dann als Messwert für einen solchen Parameter genutzt werden, der die Fotoströme des Sensorelements und des Referenzelements beeinflusst. Genau genommen stellt dieser Messwert einen Messwert für die Differenz zwischen dem Wert eines solchen beeinflussenden Parameters am Ort des Sensorelements und dem Wert des betreffenden, beeinflussenden Parameters am Ort des Referenzelements dar. Der Schleifenfilter (TP) wird wieder so ausgeführt, dass er ein Gleichsignal passieren lässt und das Sendesignal (S5) sperrt.
96 Die 96 entspricht weitestgehend der 95 mit dem Unterschied, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) sowohl das Sensorelement bestrahlt und somit den darin enthaltenen Quantenpunkt anregt als auch das Referenzelement bestrahlt und somit den darin enthaltenen Referenzquantenpunkt anregt.
97 97 enzspricht der 78, wobei die Funktion auf die Extraktion des Fotostromes begrenzt ist. Hierzu befinden sich auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) isoliert durch eine elektrische Isolation (IS) von dem Substrat (D) eine erste vertikale Schirmleitung (SV1) und eine zweite vertikale Schirmleitung (SV2). Die erste vertikale Schirmleitung (SV1) ist über einen ersten Kontakt (KV11) mit dem Substrat (D) elektrisch verbunden. Die zweite vertikale Schirmleitung (SV2) ist über einen zweiten Kontakt (KV12) mit dem Substrat (D) elektrisch verbunden. Anders als in der Figur aus Verständnisgründen gezeichnet, ist es vorteilhaft, wenn die Kontakte längs der jeweiligen Schirmleitung (SV1, SV2) länglich gestreckt und nicht wie gezeichnet quadratisch ausgeführt werden, da dann das elektrische Feld im Bereich der des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) homogener ausfällt. In dem Beispiel der 97 fließt bei einem Anlegen einer Extraktionsspannung (V_ext) ein Fotostrom (I_ph) von der ersten vertikalen Schirmleitung (SV1) über das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zur zweiten vertikalen Schirmleitung (SV2), wenn das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) bestrahlt werden. In dem Beispiel der 97 befinden sich das paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in einer epitaktisch aufgetragenen, bevorzugt isotopenreinen Epitaxieschicht (DEPI). Im Falle eines Diamanten als Substrat (D) ist diese Epitaxieschicht bevorzugt aus isotopenreinem Diamant hergestellt. Eine Vorrichtung der 97 ist beispielsweise als Sensorelement in einem Sensorsystem entsprechend 95 oder 96 geeignet.
98 98 zeigt die Struktur der 97, wobei an Stelle des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) sich nun das paramagnetische Referenzzentrum (NV2) bzw. die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) befinden. Das zu 97 geschriebene lässt sich somit eins zu eins übertragen. Eine Vorrichtung der 97 ist beispielsweise als Referenzelement in einem Sensorsystem entsprechend 95 oder 96 geeignet. Da bevorzugt das Referenzelement in der gleichen Weise wir das Sensorelement ausgeführt wird ist der Unterschied zwischen 98 und 97 eher theoretisch sodass sich ein Sensorelement in der Regel als Referenzelement einsetzen lässt und umgekehrt.
99 99 zeigt eine Möglichkeit bei einem Sensorelement mit einer richtungsunabhängigen Empfindlichkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) durch Platzierung des Sensorelements mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) beispielsweise in einem Schlitz in einem Blech aus ferromagnetischen Material (FeM), eine Richtungsabhängigkeit hervorzurufen. Ein solches Sensorelement mit einer richtungsunabhängigen Empfindlichkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) kann beispielsweise eine größere Anzahl statistisch gleichverteilt unterschiedlich orientierter Diamantkristalle eines Diamantpulvers umfassen in einer Glas- oder Kunststoffmatrix umfassen, wobei diese Diamanten des Diamantpulvers bevorzugt HD-NV-Diamanten sind. Bei Verwendung eines Sensorsystems mit einem Sensorelement und einem Referenzelement ist es denkbar, dass eines dieser Elemente (Sensorelement oder Referenzelement) mit einem solchen ferromagnetischen Material (FeM), also einem Funktionselement eines magnetischen Kreises, so zusammenwirkt, dass ich für die Empfindlichkeit des Fotostroms oder der Fluoreszenzstrahlung gegenüber der magnetischen Flussdichte B eine Richtungsabhängigkeit ergibt.
Bezugszeichenliste

α_k: Kreuzungswinkel zwischen der horizontalen Leitung (LH) und der vertikalen Leitung (LV) eines Quantenbits (QUB) umfassend ein paramagnetisches Zentrum (NV1) bzw. mehrere paramagnetische Zentren (NV1) bzw. eine Gruppe (NVC) oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren.
a1: Anteil des Werts i1 der Pumpstrahlung (LB) in der ersten Übertragungsstrecke (11), der das Sensorelement und die darin enthaltenen paramagnetischen Zentren (NV1) trifft.
A1: erster Addierer;
a2: zweiter Anteil der Pumpstrahlung (LB), die das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) in Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Intensitätiflumsetzen und, der den ersten optischen Filter (F1) erreicht;
A2: zweiter Addierer;
a3: dritten Anteil der Pumpstrahlung (LB), auf den die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) nach der Wechselwirkung mit dem Sensorelement reduziert ist, wenn sie den ersten optischen Filter (F1) erreicht;
a4: Anteil des Werts der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht, um den die Fluoreszenzstrahlung (FL) nach dem Passieren des ersten Filters (F1) ist noch einmal reduziert ist;
a5: fünfter Anteil der von der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) emittierten Strahlungsintensität, die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht;
AK: Absorptionskoeffizient (in 90 bezogen auf 1=100% Absorption);
AS: magnetische Abschirmung;
ASv: vorderseitige Anpassschicht (Antireflexschicht);
ASr: rückseitige Anpassschicht (Antireflexschicht);
AN: Anodenkontakt;
b0: Offset Wert;
B₀: Bias-Flussdichte;
BA1: erste Barriere;
BA2: zweite Barriere;
BA3: dritte Barriere;
BD1: erster Bonddraht;
BD2: zweiter Bonddraht;
BD3: dritter Bonddraht;
BD4: vierter Bonddraht;
B_m: magnetische Mindestflussdichte für die Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) oberhalb derer sich die monoton fallende Kurve der 27 für die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B ergibt, wobei diese Kurve dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist.
B_NV: Flussdichtevektor des zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellenfelds zur Manipulation des Quantenpunkts mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) am Ort des Quantenpunkts mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). In 75 ist zum besseren Verständnis die Rotation dieses Flussdichtevektors eingezeichnet. In der 75 wird die Rotation des Flussdichtevektors durch Ansteuerung der horizontalen Leitung (LH) mit einem horizontalen Stromanteil (IH), der mit einer horizontalen Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWH ) mit einer horizontalen Modulation moduliert ist, und durch Ansteuerung der vertikalen Leitung (LV) mit einem vertikalen Stromanteil (IV), der mit einer vertikalen Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWV ) mit einer vertikalen Modulation moduliert, die um +/- π/2 in der Phase gegenüber der horizontalen Modulation verschoben ist. Die vertikale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWV ) und die horizontale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWH ) sind typischerweise zueinander gleich und damit typischerweise gleich einer gemeinsamen Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MW ). Damit ist die Modulation des horizontalen Stromes (IH) in der horizontalen Leitung (LH) bei Ansteuerung des Quantenbits (QUB) für die Dauer der Ansteuerung, also z.B. während eines π/4- oder eines π/2- oder eines π-Pulses phasenstarr gegenüber der Modulation des vertikalen Stromes (IV) in der vertikalen Leitung (LH);
B_NV1: Flussdichtevektor des zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellenfelds zur Manipulation des ersten Quantenpunkts (NV1) am Ort des ersten Quantenpunkts (NV1);
BO: Gehäuseboden;
B_opt: Flussdichte des optimalen magnetischen Arbeitspunkts des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe (NVC) paramagnetische Zentren (NV1) und oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren. Bei diesem Wert der optimalen magnetischen Flussdichte (B_opt ) ist die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) von der magnetischen Flussdichte B am größten;
B_VHNV1: erster virtueller horizontaler magnetischer Flussdichtevektor am Ort des ersten virtuellen horizontalen Quantenpunkts (VHNV1);
B_VHNV2: zweiter virtueller horizontaler magnetischer Flussdichtevektor am Ort des zweiten virtuellen horizontalen Quantenpunkts (VHNV2);
B_VVNV1: erster virtueller vertikaler magnetischer Flussdichtevektors am Ort des ersten virtuellen vertikalen Quantenpunkts (VVNV1);
B_VVNV2: zweiter virtueller vertikaler magnetischer Flussdichtevektors am Ort des zweiten virtuellen vertikalen Quantenpunkts (VVNV2);
CAV: Kavität, die von Boden (BO) und umlaufender Wandung (WA) gebildet wird und ohne Deckel (DE) nach oben über die Montageöffnung (MO) geöffnet ist;
CBA: Kontrolleinheit A;
CBB: Kontrolleinheit B;
CI: Kernzentrum. Im Falle eines isotopenreinen ¹²C-Diamanten kann ein Kernzentrum dadurch gebildet werden, dass z.B. ein ¹³C-Isotop in den Diamanten eingebracht wird, das ein magnetisches Kernmoment aufweist.
CI1₁: erster Kernquantenpunkt (CI1₁ ) der ersten QuantenALU (QUALU1);
CI1₂: zweiter Kernquantenpunkt (CI1₂ ) der ersten QuantenALU (QUALU1);
CI1₃: dritter Kernquantenpunkt (CI1₃ ) der ersten QuantenALU (QUALU1);
CI2₁: erster Kernquantenpunkt (CI2₁ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2);
CI2₂: zweiter Kernquantenpunkt (CI2₂ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2);
CI2₃: dritter Kernquantenpunkt (CI2₃ ) der zweiten QuantenALU (QUALU2);
CIC: Gruppe (Cluster) von Kernzentren (CI). Eine solche Gruppe umfasst mindesten ein Kernzentrum (CI). Bevorzugt umfasst eine solche Gruppe jedoch eine Mehrzahl von Kernzentren (NV1). Die Kernzentren (Cl) einer Gruppe von Kernzentren (Cl) sind in der Regel so dicht in der Nähe zu einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder mehreren Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) angeordnet, dass die

ΔKTFL: Kernzentren (Cl) mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) koppeln können und somit verschränkt werden können. Durch Nutzung des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) als Ancilla-Bits, können die Kernzentren (Cl) einer Gruppe von Kernzentren (CI) miteinander indirekt gekoppelt und damit verschränkt werden. Sie können somit innerhalb der Gruppe miteinander koppeln und ggf. bevorzugt gemischte Zustände ausbilden. Da die Reichweite der Kopplung der paramagnetischen Zentren (NV1) größer ist, als die Reichweite der Kernzentren (Cl) können unter Zuhilfenahme von Ketten paramagnetischer Zentren als Ancilla-Bits auch voneinander entfernte Gruppen von Kernzentren (CI) miteinander gekoppelt und verschränkt werden. Ganz besonders bevorzugt ist die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) in der Nähe einer solchen Gruppe so hoch, dass die paramagnetischen Zentren (NV1) kollektives Verhalten zeigen und mit den Kernzentren (CI) kollektiv koppeln. Die Ausdehnung der Gruppe der Kernzentren (Cl) ist typischerweise durch die Reichweite ihrer Wechselwirkung mit dem zugehörigen paramagnetischen Zentrum bestimmt.; Kompensationsfluoreszenzphasenverschiebungszeit: Dies ist die Verzögerung der Aussendung der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) gegenüber dem Anlegen des Kompensationssendesignals (S7);
ΔTFL: Fluoreszenzphasenverschiebungszeit: Dies ist die Verzögerung der Aussendung der Fluoreszenzstrahlung (FL) a) gegenüber dem Anlegen des Sendesignals (S5) bzw. b) gegenüber der Pumpstrahlung (LB), wobei die erste Definition a) bevorzugt ist;
Δt_Ipmp: Sendeverzögerung: Dies ist die Verzögerung der Aussendung der Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) gegenüber dem Anlegen des Sendesignals (S5) an die Pumpstrahlungsquelle (PL1). In vielen Anwendungen kann diese Sendeverzögerung zur Vereinfachung der Berechnungen mit einem Wert von 0s angenähert werden;
D: Substrat. Das Substrat kann eines von mehreren Substraten innerhalb des Sensorelements sein. Das Substrat (D) kann aber auch das Sensorelement selbst sein. Bei der Verwendung von NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1) ist das Material des Substrats (D) Diamant. Bevorzugt ist das Substrat in den meisten hier beschriebenen Fällen ein HD-NV-Diamant;
d: Ausdehnung einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements.
d0: Offset-Konstante des Empfängerausgangssignals (S0), die unabhängig von dem Wert der Gesamtstrahlungig ist, der den Strahlungsempfänger (PD) erreicht;
d1: Proportionalitätsfaktor mit dem der Wert (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) vom Wert (ig) der Intensität der Gesamtstrahlung, die den Empfänger (PD) trifft, abhängt;
d_a1: erster Abstand in dem sich ein paramagnetisches Zentrum (NV1) oder eine Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) unter der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) im Sensorelement befindet;
d_a2: erster Abstand in dem sich ein Kernzentrum (Cl) oder eine Gruppe von Kernzentren (Cl) sich unter der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) im Sensorelement befindet;
DCS: Dichroitischer Spiegel zur selektiven Auswahl der Pumpstrahlung (LB) und der Fluoreszenzstrahlung (FL);
DE: Deckel;
d_NVC: Ausdehnung einer Gruppe (NVC) von paramagnetischen Zentren (NV1) parallel zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements. Es handelt sich somit um die Dicke der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Substrat (D);
d_NVC2: Ausdehnung einer Gruppe (NVC2) von paramagnetischen Referenzzentren (NV2) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Kompensationsstrahlung (KS) innerhalb eines Sensorelements.
d_PZC: Ausdehnung einer Gruppe (PZC) von Zentren (PZ), die Pumpstrahlung (LB) aussenden, innerhalb eines Sensorelements.
dRa: Wert des Rauschens des Werts (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) des Strahlungsempfängers (PD), der von dem Wert der Gesamtintensität ig der Strahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) trifft, nicht abhängt.
dRb: Wert des Rauschens des Werts (s0) des Empfängerausgangssignals (S0) des Strahlungsempfängers (PD), der von dem Wert der Gesamtintensität ig der Strahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) trifft, abhängt.
DS: Dicke-Schalter;
EMI: externer Spiegel;
F[]: lineare Filterfunktion des Schleifenfilters (TP) und des zusätzlichen Schleifenfilters (TP'). Die Filterfunktion genügt den Gleichungen F[X1+X2]=F[X1]+F[X2] und F[x*X1]=x*F[X1], womit besagte Schleifenfilter (TP, TP') lineare Filter sind. (X1 und X1 seien die zwei Werte zweier beliebige Signale. x sei ein beliebiger reeller Faktor.);
F1: erster Filter. Der erste Filter ist transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant und/oder ein HD-NV-Diamant als Material ist;
F2: optionaler zweiter Filter zur Auswahl einer für die Anregung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) optimal gewählten Wellenlänge aus einem breiteren Strahlungsspektrum. Bevorzugt ist der zweite Filter im Wesentlichen nicht transparent für die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL). Der zweite Filter ist in den meisten Figuren nicht eingezeichnet, das eine schmalbandige Pumpstrahlungsquelle (PL1), wie beispielsweise ein LASER, bevorzugt keine Strahlung im Bereich der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) ausstrahlt. Der zweite Filter ist aber zwingend erforderlich, wenn die Pumpstrahlungsquelle (PL1) in ihrem Pumpstrahlungsspektrum einen Strahlungsanteil mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) aufweist. In dem Fall würde das Sendesignal (S5) ohne den zweiten Filter direkt in den Empfangspfad übersprechen und so das Messsignal verfälschen.
FeM: ferromagnetisches Material;
FL: Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines oder mehrerer paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines oder mehrerer NV-Zentren und/oder einer oder mehrerer Gruppen von NV-Zentren, wobei das Referenzelement bevorzugt ein oder mehrere Diamanten und/oder Nano-Diamant mit Diamant als Material sind;
FLw: Wechselanteil der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL);
f_MW: gemeinsame Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MW );
f_MWH: horizontale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz. Die vertikale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWV ) und die horizontale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWH ) sind typischerweise zueinander gleich und damit typischerweise gleich einer gemeinsamen Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MW );
f_MWV: vertikale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz. Die vertikale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWV ) und die horizontale Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MWH ) sind typischerweise zueinander gleich und damit typischerweise gleich einer gemeinsamen Elektron-Elektron-Mikrowellenfrequenz (f_MW );
G: Signalgenerator;
Ge: Befestigungsmittel, mit dem das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) und/oder an der integrierten Schaltung (IC) befestigt ist. Das Befestigungsmittel ist vorzugsweise transparent für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung der Pumpstrahlungsquelle (PL1);
GL1: erster Kleber zur Befestigung des Sensorelements am ersten Filter (F1);
GL2: zweiter Kleber, der auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) aufgetragen wird;
GL3: dritter Kleber, der auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) aufgetragen wird;
GL4: vierter Kleber zur Befestigung des Deckels (DL);
GT: Korpus einer E-Gitarre als Beispiel eines Musikinstruments;
HA: Halterung;
h0: erfüllt h0'+h1+h1*s5g =h0;
h0': Offset-Wert für den Wert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierte Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), der im Arbeitspunkt unabhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit unabhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und unabhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist;
h1: Proportionalitätsfaktor für den Wert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierten Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB), die im Arbeitspunkt abhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit abhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und abhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist;
HD1: erste horizontale Treiberstufe (HD1) zur Ansteuerung der ersten horizontalen Leitung (LH1) des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB11) und zur Ansteuerung der ersten Schirmleitung (SH1) und zur Ansteuerung der zweiten Schirmleitung (SH2);
HD2: zweite horizontale Treiberstufe (HD2) zur Ansteuerung der zweiten horizontalen Leitung (LH2) des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB12) und zur Ansteuerung der zweiten Schirmleitung (SH2) und zur Ansteuerung der dritten Schirmleitung (SH3);
HD3: dritte horizontale Treiberstufe (HD3) zur Ansteuerung der dritten horizontalen Leitung (LH3) des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB13) und zur Ansteuerung der dritten Schirmleitung (SH3) und zur Ansteuerung der vierten Schirmleitung (SH4);
HD-NV: Sensorelement, das zumindest lokal in einem Teil des Sensorelements eine hohe Dichte an paramagnetischen Zentren (NV1) aufweist. Bevorzugt ist dieser Teil ein Substrat (D) mit einer zumindest lokalen Dichte von
hRa: mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) bezogen auf die Anzahl der Atome in dem betrachteten Raumvolumen. Das Substrat (D) umfasst bevorzugt eine oder mehrere Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1), wobei bevorzugt innerhalb der jeweiligen Gruppe (NVC) die Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm überschritten wird. Auch kann das ganzen Substrat (D) eine Dichte paramagnetischer Zentren (NV1) von mehr als 10ppm, besser mehr als 20ppm paramagnetischer Zentren (NV1) aufweisen. Im Falle von NV-Zentren in Diamant als Substrat (D) handelt es sich bevorzugt um einen HD-NV-Diamanten (HD-NV). erfüllt hRa'+hRb+hRb*s5g =hRa;
hRa': Wert des Rauschens der Pumpstrahlungsquelle (PL1) im Arbeitspunkt, der unabhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit unabhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und unabhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist;
hRb: Wert des Rauschens der Pumpstrahlungsquelle (PL1), der abhängig von dem Wert des Sendesignals (S5) und damit abhängig vom Wert des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) und abhängig vom Wert des Gleichanteils (S5g) des Sendesignals (S5) ist.
S1: erste horizontale Empfängerstufe (HS1), die mit der ersten horizontalen Treiberstufe (HD1) eine Einheit bilden kann, zur Ansteuerung des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB11);
HS2: zweite horizontale Empfängerstufe (HS2), die mit der zweiten horizontalen Treiberstufe (HD2) eine Einheit bilden kann, zur Ansteuerung des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB12);
HS3: dritte horizontale Empfängerstufe (HS3), die mit der dritten horizontalen Treiberstufe (HD3) eine Einheit bilden kann, zur Ansteuerung des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB13);
i1: Momentanwert der in die erste Übertragungsstrecke (I1) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) hinein emittierte Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB);
I1: erste Übertragungsstrecke;
i2: Wert der Strahlungsintensität, die von der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) ausgesendet wird;
I2: zweite Übertragungsstrecke;
I3: dritte Übertragungsstrecke;
I4: vierte Übertragungsstrecke;
IC: integrierte Schaltung;
id: Intensität der Pumpstrahlung (LB) nach der Wechselwirkung mit dem Sensorelement, die den ersten optischen Filter (F1) erreicht
ifd: Wert der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht;
ifl: Wert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) die den ersten optischen Filter (F1) erreicht;
I_fl: Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL);
ift: Wert der Intensität der Strahlung in der ersten Übertragungsstrecke (11), die den ersten optischen Filter (F1) passiert
ig: Wert der Gesamtstrahlung, die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht;
IH: horizontaler elektrischer Strom;
IH1: erster horizontaler Strom. Der erste horizontale Strom ist der elektrische Strom, der die erste horizontale Leitung (LH1) durchströmt.
IH2: zweiter horizontaler Strom. Der zweite horizontale Strom ist der elektrische Strom, der die zweite horizontale Leitung (LH2) durchströmt.
IH3: dritter horizontaler Strom. Der dritte horizontale Strom ist der elektrische Strom, der die dritte horizontale Leitung (LH3) durchströmt.
IH4: vierter horizontaler Strom. Der vierte horizontale Strom ist der elektrische Strom, der die vierte horizontale Leitung (LH4) durchströmt.
ik: Anteilswert der Intensität der Kompensationsstrahlung (KS), die den Strahlungsempfänger (PD) erreicht;
I_kfl: Intensität der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL);
I_ks: Intensität der Kompensationsstrahlung (KS);
I_pmp: Intensität der Pumpstrahlung (LB);
I_pmpmax: Pumpstrahlungsintensitätsmaximum;
I_pmpoff: Bias-Wert der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB);
IS: Isolation, z.B. Spin-On-Glas;
ISH1: erster horizontaler Abschirmstrom, der durch die erste horizontale Abschirmleitung (SH1) fließt;
ISH2: zweiter horizontaler Abschirmstrom Strom, der durch die zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) fließt;
ISH3: dritter horizontaler Abschirmstrom Strom, der durch die dritte horizontale Abschirmleitung (SH3) fließt;
ISH4: vierter horizontaler Abschirmstrom Strom, der durch die vierte horizontale Abschirmleitung (SH3) fließt;
ISV1: erster vertikaler Abschirmstrom, der durch die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) fließt;
ISV2: zweiter vertikaler Abschirmstrom, der durch die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) fließt;
IV: vertikaler elektrischer Strom. Der vertikale Strom ist der elektrische Strom, der die vertikale Leitung (LV) durchströmt;
IV1: erster vertikaler Strom. Der erste vertikale Strom ist der elektrische Strom, der die erste vertikale Leitung (LV1) durchströmt;
IV2: zweiter vertikaler Strom. Der zweite vertikale Strom ist der elektrische Strom, der die zweite vertikale Leitung (LV2) durchströmt;
IV3: dritter vertikaler Strom. Der dritte vertikale Strom ist der elektrische Strom, der die dritte vertikale Leitung (LV3) durchströmt;
IV4: vierter vertikaler Strom. Der vierte vertikale Strom ist der elektrische Strom, der die vierte vertikale Leitung (LV4) durchströmt;
k0: Offset-Konstante für den Wert der Intensität der durch die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) emittierten Kompensationsstrahlung (KS), der unabhängig von dem Wert des Kompensationssendesignals (S7) ist;
KFL: Kompensationsfluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) im Material des Referenzelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Kompensationsfluoreszenzstrahlung eines oder mehrerer paramagnetischer Referenzzentren (NV2) und/oder einer oder mehrerer Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2). Bevorzugt handelt es sich dabei um die Kompensationsfluoreszenzstrahlung eines oder mehrerer NV-Zentren und/oder einer oder mehrerer Gruppen von NV-Zentren, wobei das Referenzelement bevorzugt ein oder mehrere Diamanten und/oder Nano-Diamant mit Diamant als Material sind;
KH: Kontakt zwischen horizontaler Leitung (LH) und Substrat (D). Ein solcher Kontakt ist zwar möglich, aber den anderen in dieser Schrift offengelegten Kontakten (KH11, KH22, KH33, KH44) zu separaten horizontalen Schirmleitungen (SH1, SH2, SH3, SH4) unterlegen.
KH11: erster horizontaler Kontakt des ersten Quantenbits (QUB1). Der erste horizontale Kontakt des ersten Quantenbits (QUB1) verbindet die erste horizontale Abschirmleitung (SH1) im ersten Quantenbit (QUB1) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KH22: zweiter horizontaler Kontakt des ersten Quantenbits (QUB11) und erster horizontaler Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12). Das erste Quantenbit (QUB11) und das zweite Quantenbit (QUB12) nutzen in dem Beispiel der 82 diesen Kontakt gemeinsam. Der Kontakt verbindet die zweite horizontale Abschirmleitung (SH2) im ersten Quantenbit (QUB11) bzw. zweiten Quantenbit (QUB12) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KH33: zweiter horizontaler Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12) und erster horizontaler Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13). Das zweite Quantenbit (QUB12) und das dritte Quantenbit (QUB13) nutzen in dem Beispiel der 82 diesen Kontakt gemeinsam. Der Kontakt verbindet die dritte horizontale Abschirmleitung (SH3) im zweiten Quantenbit (QUB12) bzw. dritten Quantenbit (QUB13) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KH44: zweiter horizontaler Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13). Der zweite horizontale Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13) verbindet die vierte horizontale Abschirmleitung (SH4) im dritten Quantenbit (QUB13) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KNT: Kontakt oder entsprechende Struktur zum Aufsammeln von Photoelektronen in einem Material des Sensorelements;
kRa: Wert des Rauschanteils des Werts der Intensität der durch die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) emittierten Kompensationsstrahlung (KS), der unabhängig von dem Wert des Kompensationssendesignals (S7) ist und insbesondere unabhängig vom Wechselanteil s7w des Kompensationssendesignals (S7) ist
KS: Kompensationsstrahlung;
KT: Kontrast. Der Kontrast (KT) wir hier als maximale Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei der magnetischen Flussdichte B dieser maximalen Intensität geteilt durch Grenzwert der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) hin zu großen magnetischen Flussdichten B verstanden (Siehe 28);
KTH: Kathodenkontakt;
KV: Kontakt zwischen vertikaler Leitung (LV) und Substrat (D). Ein solcher Kontakt ist zwar möglich, aber den anderen in dieser Schrift offengelegten Kontakten (KV11, KH21, KH31, KV12, KH22, KH32) zu separaten vertikalen Schirmleitungen (SV1, SV2) unterlegen.
KV11: erster vertikaler Kontakt des ersten Quantenbits (QUB11). Der erste vertikale Kontakt des ersten Quantenbits (QUB11) verbindet die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) im ersten Quantenbit (QUB11) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KV21: erster vertikaler Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12). Der erste vertikale Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12) verbindet die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) im zweiten Quantenbit (QUB12) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI).
KV31: Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist; erster vertikaler Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13). Der erste vertikale Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13) verbindet die erste vertikale Abschirmleitung (SV1) im dritten Quantenbit (QUB13) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KV12: zweiter vertikaler Kontakt des ersten Quantenbits (QUB11). Der zweite vertikale Kontakt des ersten Quantenbits (QUB11) verbindet die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) im ersten Quantenbit (QUB11) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KV22: zweiter vertikaler Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12). Der zweite vertikale Kontakt des zweiten Quantenbits (QUB12) verbindet die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) im zweiten Quantenbit (QUB12) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
KV32: zweiter vertikaler Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13). Der zweite vertikale Kontakt des dritten Quantenbits (QUB13) verbindet die zweite vertikale Abschirmleitung (SV2) im dritten Quantenbit (QUB13) elektrisch mit dem Substrat (D) bzw. einer epitaktischen Schicht (DEPI). Bevorzugt handelt es sich im Falle von Diamant als Substratmaterial um einen Kontakt, der Titan umfasst oder aus Titan gefertigt ist;
λ_fl: Fluoreszenzstrahlungswellenlänge der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) und/oder der paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1). Bei NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren (NV1)
λ_kfl: liegt diese Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) typischerweise bei ca. 637nm, ist also typischerweise rot; Kompensationsfluoreszenzstrahlungswellenlänge der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) des paramagnetischen Referenzzentrums (NV2) und/oder der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) und/oder der Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2). Bei NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Referenzzentren (NV2) liegt diese Kompensationsfluoreszenzstrahlungswellenlänge typischerweise bei ca. 637nm, ist also typischerweise rot;
λ_ks: Kompensationsstrahlungswellenlänge der Kompensationsstrahlung (KS). Soll die Kompensationsstrahlung nicht direkt den Strahlungsempfänger (PD) bestrahlen, sondern ein Referenzelement mit einem Referenzzentrum (NV2) oder mehreren Referenzzentren (NV2) oder eine oder mehrere Gruppen (NVC2) von Referenzzentren (NV2), um diese zur Emission von Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) zu veranlassen, die dann anstelle der Kompensationsstrahlung (KS) auf den Strahlungsempfänger (PD) trifft, so wird die Kompensationsstrahlungswellenlänge so gewählt, dass sie das paramagnetische Referenzzentrum (NV2) und/oder die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) und/oder die Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) und/oder die Gruppen (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) zur Abgabe von Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) mit einer Kompensationsfluoreszenzwellenlänge λ_fkfl) anregen kann. Bei NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Referenzzentren (NV2) liegt diese Kompensationsstrahlungswellenlänge dann bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 500-600 nm. Vorzugsweise wird als Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) dann eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 550 nm oder 520nm genutzt.
λ_pmp: Pumpstrahlungswellenlänge der Pumpstrahlung (LB). Die Pumpstrahlungswellenlänge wird so gewählt dass sie das paramagnetische Zentrums (NV1) und/oder die paramagnetischen Zentren (NV1) und/oder die Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) und/oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) anregen kann. Bei NV-Zentren in Diamant als paramagnetischen Zentren (NV1) liegt diese Pumpstrahlungswellenlänge bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 500-600 nm. Vorzugsweise wird als Pumpstrahlungsquelle (PL1) eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 550 nm oder 520nm genutzt;
L1: erste Spule. Die erste Spule ist ein optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die erste Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt;
L2: zweite Spule. Die zweite Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die zweite Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt;
L3: dritte Spule. Die dritte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die dritte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt;
L4: vierte Spule. Die vierte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die vierte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt;
L5: fünfte Spule. Die fünfte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein
L6: magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die fünfte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt; sechste Spule. Die sechste Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die sechste Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L7: siebte Spule. Die siebte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die siebte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt;
LB: Pumpstrahlung;
LC: Kompensationsspule. Die Kompensationsspule kann beispielsweise nur eine erste Spule (L1) oder eine Vielzahl von ggf. auch unterschiedlich beispielsweise von verschiedenen Regelsignalen abhängig bestromte Zusammenstellung mehrerer, ggf. unterschiedlicher Spulen (L1 bis L7) oder auch nur eine einzelne Leitung (LH), in deren Nähe sich das betreffende paramagnetische Zentrum (NV1) bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. die Gruppe oder die Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) befinden, oder die Zusammenstellung solcher Leitungen (LH, LV) sein;
LCK: weitere Kompensationsspule;
LED1: erste Test-LED;
LEDDR: Lichtquellentreiber für die Pumpstrahlungsquelle (PL1);
LF1: erste Lead-Frame-Fläche;
LF2: zweite Lead-Frame-Fläche;
LF3: dritte Lead-Frame-Fläche;
LF4: vierte Lead-Frame-Fläche;
LF5: fünfte Lead-Frame-Fläche;
LF6: sechste Lead-Frame-Fläche;
LF7: siebte Lead-Frame-Fläche;
LH: horizontale Leitung. Bevorzugt wird die horizontale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die horizontale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LH1: erste horizontale Leitung. Bevorzugt wird die erste horizontale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die erste horizontale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LH2: zweite horizontale Leitung. Bevorzugt wird die zweite horizontale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die zweite horizontale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LH3: dritte horizontale Leitung. Bevorzugt wird die dritte horizontale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die dritte horizontale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LH4: vierte horizontale Leitung. Bevorzugt wird die vierte horizontale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO
LIV: gefertigt. Bevorzugt ist die vierte horizontale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden; Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mittels eines Sendesignals (S5) und Auslesens des Strahlungsempfängers (PD) oder der Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren (NV1) mittels eines Fotostromes beispielsweise über einen Kontakt (KNT). Vorzugsweise wird ein Lock-In Verstärker (1) als Teil der Ansteuer- und Auswerteinheit zur Aufbereitung des Empfängerausgangssignals (S0) genutzt. Typischerweise wird die Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mittels eines Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5) mit einer Frequenz von 1Hz bis zu 100 MHz moduliert. Bevorzugt wird dieser Wechselanteil (S5w) des Sendesignals (S5) als Trägerfrequenz des Messsignals (MES) für den Lock-In Verstärker genutzt und als Sensoraufgangssignal (out) ausgegeben. Im Falle eines Tonabnehmers wird dann dieses Sensorausgangssignal (out) mittels geeigneter elektronischer Einheiten in akustisch äquivalente Signale umgewandelt. Bevorzugt kann dies in einer allgemein üblichen standardisierten digitalen Form (z.B. als MP3-Stream) oder als analoges elektrisches Signal erfolgen.
LOT: Lot-Linie (LOT) des Lots vom Ort des Quantenpunkts des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. dem Schwerpunkt der paramagnetischen Zentren (NV1) bzw. dem Schwerpunkt der Gruppe (NVC) oder der Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) zur Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) und/oder der ggf. vorhandenen epitaktischen Schicht (DEPI). Es handelt sich um eine gedachte Linie;
LTG: Leitung, deren Strom gemessen werden soll;
LV: vertikale Leitung. Bevorzugt wird die vertikale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist
LV1: die vertikale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden; erste vertikale Leitung. Bevorzugt wird die erste vertikale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die erste vertikale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LV2: zweite vertikale Leitung. Bevorzugt wird die zweite vertikale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die zweite vertikale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LV3: dritte vertikale Leitung. Bevorzugt wird die dritte vertikale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die dritte vertikale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LV4: vierte vertikale Leitung. Bevorzugt wird die vierte vertikale Leitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die vierte vertikale Leitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
LWK1: erste Wellenkopplung;
LWK2: zweiter Wellenkoppler;
LWL: Lichtwellenleiter zum Transport der elektromagnetischen Pumpstrahlung (LB) und/oder der Fluoreszenzstrahlung (FL). Vorzugsweise ist der Lichtwellenleiter den Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen oder Strahlungsfeldern anzupassen und erreicht sowohl
LWL1: für die Pumpstrahlung (LB) als auch für die Fluoreszenzstrahlung (FL) eine optimale Übertragungsleistung in Form einer möglichst geringen Dämpfung. Als Material des Lichtwellenleiters kommen Gläser, SiO2 und dessen Verbindungen, Diamant, ITO (Indium-Zinn-Oxid) und anderer optisch in den betreffenden Spektralen Bereichen der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) und/oder Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) transparenten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, in Frage. erster Lichtwellenleiter zum Transport der elektromagnetischen Pumpstrahlung (LB). Vorzugsweise ist der erste Lichtwellenleiter den Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen oder Strahlungsfeldern anzupassen und erreicht für die Pumpstrahlung (LB) eine optimale Übertragungsleistung in Form einer möglichst geringen Dämpfung. Als Material des ersten Lichtwellenleiters kommen Gläser, SiO2 und dessen Verbindungen, Diamant, ITO (Indium-Zinn-Oxid) und anderer optisch in den betreffenden spektralen Bereich der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) transparenten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe, in Frage.
LWL2: zweiter Lichtwellenleiter zum Transport der elektromagnetischen Fluoreszenzstrahlung (FL). Vorzugsweise ist der zweite Lichtwellenleiter den Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen oder Strahlungsfeldern anzupassen und erreicht sowohl für die Fluoreszenzstrahlung (FL) eine optimale Übertragungsleistung in Form einer möglichst geringen Dämpfung. Vorzugsweise erreicht der zweite Lichtwellenleiter für die Pumpstrahlung (LB) eine möglichst geringe Übertragungsleistung in Form einer möglichst großen Dämpfung, sodass dann ggf. der erste Filter (F1) entfallen kann, da dann der zweite Lichtwellenleiter diese Funktion wahrnehmen kann. Sofern der zweite Lichtwellenleiter diese Eigenschaften hat, ist der erste Filter (F1) im Sinne dieser Offenlegung vorhanden und von den Ansprüchen ggf. umfasst. Als Material des zweiten Lichtwellenleiters kommen Gläser,
µC: SiO2 und dessen Verbindungen, Diamant, ITO (Indium-Zinn-Oxid) und anderer optisch in den betreffenden spektralen Bereichen der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) transparenten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, in Frage. Steuervorrichtung;
M1: erster Multiplizierer;
M1': zusätzlicher erster Multiplizierer;
M2: zweiter Multiplizierer;
M2': zusätzlicher zweiter Multiplizierer;
MAS: Schirmung;
ME1: erstes Medium (z.B. Luft oder Vakuum oder das Material eines Lichtwellenleiters (LWL) oder eines anderen optischen Funktionselements)
MES: Messsignal. Das Messsignal ist das Referenzsignal mit dem der erste Multiplizierer (M1) und der Schleifenfilter (TP) das Empfängerausgangssignal (S0) vergleichen und mir Hilfe der Halteschaltung (S&H) das Filterausgangssignal (S4) bilden. In vielen Beispielen ist hier das Messsignal gleich dem Wechselanteil (s5w) des Sendesignals (S5);
MFC: Magnetfeldkontrolle. Die Magnetfeldkontrolle (MFC) ist bevorzugt ein Regler (RG), dessen Aufgabe es ist, ein externes magnetisches Feld mit einer externen magnetischen Flussdichte B durch aktive Gegenregelung beispielsweise mittels einer Kompensationsspule (LC) global für die gesamte Vorrichtung zu kompensieren;
MFK: Magnetfeldkontrollvorrichtung;
MFS: Magnetfeldsensor;
MO: Montageöffnung;
MPZ: diamagnetisches Material mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich bei dem diamagnetischen Material um Diamant und dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) um NV-Zentren. Das bzw. die paramagnetischen Zentren (NV1) strahlen bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) ab. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) des oder der parametrischen Zentren (NV1) hängt dabei vorzugsweise von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums (NV1) und ggf. weiteren Paramatern wie Druck und/oder Temperatur ab. Die Kristallausrichtung des Materials des Sensorelements kann typischerweise diese Abstrahlung und die Abhängigkeit dieser Abstrahlung der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss B beeinflussen. Bei dem bzw. den paramagnetischen Zentren (NV1) handelt es sich bevorzugt um ein bzw. mehrere NV Zentren. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant.
MPZ₁: diamagnetisches Material mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1), die bevorzugt ein oder mehrere NV-Zentren in Diamant sind. Das diamagnetische Material wird in diesem Fall von dem ersten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) umfasst;
MPZ₂: diamagnetisches Material mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1), die bevorzugt ein oder mehrere NV-Zentren in Diamant sind. Das diamagnetische Material wird in diesem Fall von dem zweiten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten
MPZ_n: mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) umfasst; diamagnetisches Material mit einem oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1), die bevorzugt ein oder mehrere NV-Zentren in Diamant sind. Das diamagnetische Material wird in diesem Fall von dem n-ten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) umfasst;
MQ1: erste Feldquelle zur Erzeugung eines magnetischen oder elektrischen Feldes, das sich nicht im Bezugsystem des Sensorelements befindet, so dass beispielsweise in Kombination mit einem schwingenden System (MS) ein alternierendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Bei der ersten Feldquelle kann es sich beispielweise um ein magnetisiertes ferromagnetisches Material, eine Gitarrensaite oder einen Permanentmagnet oder dergleichen handeln. In einer weiteren Ausführungsform kann es sich auch ggf. auch zusätzlich um eine elektrisch geladene Struktur handeln. Vorzugweise erzeugt die Feldquelle ein statisches magnetisches Feld, wenn das Gesamtsystem nicht in mechanische Schwingungen versetzt wird und besitzt am Ort des Sensorelements, beispielsweise eines Diamanten mit NV-Zentren als paramagnetischen Zentren (NV1), zusammen mit der zweiten Felsquelle (MQ2) eine magnetische Gesamtflussdichte B von bevorzugt 1-20 mT, weniger bevorzugt von 0,1mT bis 50mT, in einer zur Achse der paramagnetischen Zentren (NV1), bevorzugt zur Achse der bevorzugt verwendeten NV-Zentren, unterschiedlichen Richtung.
MQ1₁: erste Feldquelle, die dem ersten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MQ1₂: erste Feldquelle, die dem zweiten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MQ1_n: erste Feldquelle, die dem n-ten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MQ2: optionale zweite Feldquelle zur Erzeugung eines magnetischen oder elektrischen Feldes, das sich im Bezugsystem des Sensorelements bevorzugt in Ruhe befindet. Es dient bevorzugt der Arbeitspunkteinstellung zur Maximierung der Empfindlichkeit des Sensorsystems und ggf. zur Linearisierung des Messbereiches. Es kann sich bei der zweiten Feldquelle beispielweise um ein magnetisiertes ferromagnetisches Material oder einen Permanentmagneten oder eine von elektrischem Strom durchflossene Kompensationsspule (LC) handeln. Vorzugweise erzeugt die Feldquelle ein statisches oder in Bezug auf eine langsame Nachregelung mittels einer Kompensationsspule (LC) quasistatisches magnetisches Feld, wenn das Gesamtsystem nicht in mechanische Schwingungen versetzt wird. Die magnetische Flussdichte der zweiten Feldquelle wird bevorzugt so gewählt, dass zusammen mit der von der ersten magnetischen Feldquelle (MQ1) erzeugten magnetischen ersten Flussdichte sich eine magnetische Gesamtflussdichte am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) ergibt, die eine optimale Empfindlichkeit der Fluoreszenzstrahlung (FL) bezogen auf eine Änderung der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) erreicht wird. Vorzugsweise wird die magnetische zweite Flussdichte B₀ , die durch die zweite Feldquelle am Ort des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) erzeugt wird, so
MQ2₁: gewählt, das am Ort des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1) eine magnetische Gesamtflussdichte von 1-20 mT in einer zur Achse des bzw. der paramagnetischen Zentren (NV1), also beispielsweise zur Achse des bzw. der NV-Zentren unterschiedlichen Richtung aufweist. zweite Feldquelle, die dem ersten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MQ2₂: zweite Feldquelle, die dem zweiten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MQ2_n: zweite Feldquelle, die dem n-ten von n Sensorelementen eines beispielhaften Systems zur Erfassung der Schwingung von n diesen n Sensorelementen jeweils zugeordneten mechanisch schwingungsfähigen Teilsystemen (MS₁ , MS₂ ,... MS_n) zugeordnet ist;
MS: Schematische Darstellung eines mechanisch schwingenden Systems in einem bevorzugten beispielhaften Frequenzbereich von 1 Hz bis zu 100 MHz. Beispielsweise kann es sich um einen schwingenden Vorrichtungsteil einer mechanischen Vorrichtung wie beispielsweise einen Resonanzkörper eines Musikinstrumentes oder einer schwingenden gespannten Saite handeln. Andere Ausführungen sind z.B. ein schwingendes mechanisches Bauelement oder organisch bewegliches Körperteil. Vorzugweise besitzen die Schwingungen einen harmonischen Anteil.
MS₁: erstes mechanisch schwingendes Teilsystem von n Teilsystemen eines mechanisch schwingungsfähigen Systems (MS), beispielsweise einer E-Gitarre (GT), wobei n für eine ganze positive Zahl steht;
MS₂: zweites mechanisch schwingendes Teilsystem von n Teilsystemen eines mechanisch schwingungsfähigen Systems (MS), beispielsweise einer EGitarre (GT), wobei n für eine ganze positive Zahl steht;
MS₁: drittes mechanisch schwingendes Teilsystem von n Teilsystemen eines mechanisch schwingungsfähigen Systems (MS), beispielsweise einer E-Gitarre (GT), wobei n für eine ganze positive Zahl steht;
n: in 51: Verzeigungspfad bei Verneinung der Frage. An anderen Stelle dieser Schrift: eine positive ganze Zahl;
: Flächennormale der ersten Oberfläche (OFL1) des Substrats (D);
: Flächennormale der zweiten Oberfläche (OFL2) des Substrats (D);
NBR: Nutbreite;
NV11: Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der ersten vertikalen Spalte und in der ersten horizontalen Zeile eines eindimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB) oder eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB);
NV12: Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der ersten vertikalen Spalte und in der zweiten horizontalen Zeile eines eindimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB) oder eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB);
NV13: Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der
NV21: ersten vertikalen Spalte und in der dritten horizontalen Zeile eines eindimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB) oder eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB); Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der zweiten vertikalen Spalte und in der ersten horizontalen Zeile eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB);
NV22: Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der zweiten vertikalen Spalte und in der zweiten horizontalen Zeile eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB);
NV23: Quantenpunkt mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder mehreren paramagnetischen Zentren (NV1) oder einer Gruppe oder Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) des Quantenbits (QUB11) in der zweiten vertikalen Spalte und in der dritten horizontalen Zeile eines zweidimensionalen Quantenregisters mit mehreren Quantenbits (QUB);
NVC: Gruppe (Cluster) paramagnetischer Zentren (NV1). Eine solche Gruppe umfasst mindesten ein paramagnetisches Zentrum (NV1). Bevorzugt umfasst eine solche Gruppe jedoch eine Mehrzahl paramagnetischer Zentren (NV1). Bevorzugt ist die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb der Gruppe höher als 10ppm, besser höher als 20ppm bezogen auf die Anzahl der Atome im Raumvolumen der Gruppe. Bevorzugt ist das Gebiet einer solchen Gruppe paramagnetischer Zentren HD-NV-Diamant, d.h. das Material ist bevorzugt Diamant und die Dichte der paramagnetischen Zentren, die dann NV-Zentren sind, ist so hoch, dass die in dieser Schrift benannten Kriterien für HD-NV-Diamant erfüllt sind. D.h. die Dichte sollte innerhalb der Gruppe über
NVC2: 10ppm, besser 20ppm liegen. Werden andere Zentren als NV-Zentren und/oder andere Materialien als Diamant verwendet, so gilt dies entsprechend. Die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb dieser Gruppe ist bevorzugt so hoch, dass die paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb der Gruppe miteinander koppeln und ggf. bevorzugt gemischte Zustände ausbilden. Ganz besonders bevorzugt ist die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1) innerhalb einer solchen Gruppe so hoch, dass die paramagnetischen Zentren (NV1) kollektives Verhalten zeigen. Die Gruppe hat eine Ausdehnung (d) der Ansammlung paramagnetischer Zentren (NV1) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB) innerhalb eines Sensorelements und eine Dicke (d_NVC ) der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) im Substrat (D) parallel zum Pointing-Vektor der einfallenden Pumpstrahlung (LB). Bevorzugt ist die Dicke (d_NVC ) der Gruppe (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1) in der Größenordnung weniger Pumpstrahlungswellenlängen (λ_pmp ) der Pumpstrahlung. Mit dem Bezugszeichen NVC werden in dieser Schrift eine einzelne Gruppe aber auch mehrere Gruppen als Gesamtheit bezeichnet. Die Maximale Dichte einer Gruppe berechnet sich aus dem Inversen deskleinsten sphärischen Raumvolumen, dass mindestens zwei paramagnetische Zentren (NV1) innerhalb der Gruppe einnehmen. Multipliziert mit der Anzahl der paramagnetischen Zentren in diesem Raumvolumen. Die Gruppe wird durch das ellipsoide Volumen begrenzt, das zu einer Reduktion der Dichte auf 50% führt. Die Hauptachsen werden dabei so bestimmt, dass das Volumen minimal wird und trotzdem alle paramagnetischen Zentren (NV1) der Gruppe umfasst sind; Gruppe (Cluster) paramagnetischer Referenzzentren (NV2). Eine solche Gruppe umfasst mindesten ein paramagnetisches Referenzzentrum (NV2). Bevorzugt umfasst eine solche Gruppe jedoch eine Mehrzahl paramagnetischer Referenzzentren (NV2). Bevorzugt ist die Dichte der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) innerhalb der Gruppe höher als 10ppm, besser höher als 20ppm bezogen auf die Anzahl der Atome im Raumvolumen der Gruppe. Bevorzugt ist das Gebiet einer solchen Gruppe paramagnetischer Zentren HD-NV-Diamant, d.h. das Material ist bevorzugt Diamant und die Dichte der paramagnetischen Zentren (NV1), die dann NV-Zentren sind, ist so hoch, dass die in dieser Schrift benannten Kriterien für HD-NV-Diamant erfüllt sind. D.h. die Dichte sollte innerhalb der Gruppe über 10ppm, besser 20ppm liegen. Werden andere Zentren als NV-Zentren und/oder andere Materialien als Diamant verwendet, so gilt dies entsprechend. Die Dichte der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) innerhalb dieser Gruppe ist bevorzugt so hoch, dass die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) innerhalb der Gruppe miteinander koppeln und ggf. bevorzugt gemischte Zustände ausbilden. Ganz besonders bevorzugt ist die Dichte der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) innerhalb einer solchen Gruppe so hoch, dass die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) kollektives Verhalten zeigen. Die Gruppe hat eine Ausdehnung (d) der Ansammlung paramagnetischer Referenzzentren (NV2) senkrecht zum Pointing-Vektor der einfallenden Kompensationsstrahlung (KS) innerhalb eines Sensorelements und eine Dicke (d_NVC2 ) der Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) im Substrat (D) parallel zum Pointing-Vektor der einfallenden Kompensationsstrahlung (KS). Bevorzugt ist die Dicke (d_NVC2 ) der Gruppe (NVC2) paramagnetischer Referenzzentren (NV2) in der Größenordnung weniger Kompensationsstrahlungswellenlängen (λ_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS). Mit dem Bezugszeichen NVC2 werden in dieser Schrift eine einzelne Gruppe aber auch mehrere Gruppen als Gesamtheit bezeichnet. Die Maximale Dichte einer Gruppe berechnet sich aus dem Inversen des kleinsten, sphärischen Raumvolumens, dass mindestens zwei paramagnetische Referenzzentren (NV2) innerhalb der Gruppe einnehmen. Multipliziert mit der Anzahl der paramagnetischen Referenzzentren (NV2) in diesem Raumvolumen. Die Gruppe wird durch das ellipsoide Volumen begrenzt, das zu einer Reduktion der Dichte auf
NV1: 50% führt. Die Hauptachsen werden dabei so bestimmt, dass das Volumen minimal wird und trotzdem alle paramagnetischen Referenzzentren (NV2) der Gruppe umfasst sind; paramagnetisches Zentrum bzw. paramagnetische Zentren im Material des Sensorelements. Die paramagnetischen Zentren strahlen bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit einer pumpstrahlungswellenlänge (λ_fl ) Fluoreszenzstrahlung (FL) ab. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer parametrischer Zentren hängt dabei typischerweise von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums und weiteren physikalischen Parametern, wie beispielsweise Druck P, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke Geschwindigkeit v, elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Intensität ionisierender Strahlung ab. Die Kristallausrichtung des Materials des Sensorelements kann diese Abstrahlung typischerweise und die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) dieser Abstrahlung der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss B oder von den anderen physikalischen Parametern am Ort des oder der paramagnetischen Zentren beeinflussen. Bei dem bzw. den paramagnetischen Zentren handelt es sich bevorzugt um ein oder mehrere NV Zentren in einem oder mehreren Diamanten. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant. Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen oder mehrere Diamant-Kristalle, noch mehr bevorzugt um einen oder mehrere Diamant-Nanokristalle mit bevorzugt einer sehr hohen Dicht an NV-Zentren. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren im Sensorelement zumindest lokal in sehr großer Dichte vor, so dass sie miteinander koppeln können und kollektive Effekte erzeugen können, die die Abhängigkeit der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren von der magnetischen Flussdichte B bzw. den anderen physikalischen Parametern noch erhöhen. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren in zumindest lokal hoher Dichte in
NV2: dem Kristall, beispielsweise in einem HD-NV-Diamanten als NV-Zentren, vor. Die Verwendung anderer Zentren als NV-Zentren als paramagnetische Referenzzentren, z.B. der TR1-Zentren, SiV-Zentren, des GeV-Zentren etc. ist denkbar. Auf das Buch von A.M. Zaitsev „Optical Properties of Diamond, A Data Handbook“, Springer 2001 ISBN 978-3-662-04548-0 wird hier verwiesen. Auch ist die Verwendung anderer Materialien wie Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) denkbar. Geeignete Zentren in Silizium sind die sogenannten G-Zentren. Geeignete Zentren in SiC sind sogenannte V-Zentren. Die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) für G-Zentren in Silizium und V-Zentren in SiC liegt typischerweise im infraroten Bereich, da Silizium und SiC nur dort transparent sind. Für diese konkreten Beispiele ist die grüne Pumpstrahlung also in Wirklichkeit infrarot. Eine Auslesung der G-Zentren bzw. der V-Zentren erfolgt entweder mittels der Fluoreszenzstrahlung (FL) der G-Zentren oder V-Zentren, wobei die Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der G-Zentren in Silizium bzw. der V-Zentren in SiC jeweils im Infraroten liegt. Eine andere Möglichkeit der Auslesung der G-Zentren bzw. V-Zentren ist eine elektronische Auslesung wie in dieser Schrift beispielhaft mit Hilfe der 77 und 79 und 83 dargestellt; paramagnetisches Referenzzentrum im Material des Referenzsensorelements. Die paramagnetischen Referenzzentren (NV2) strahlen bei Bestrahlung mit Kompensationsstrahlung (KS) der Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) mit einer Kompensationsfluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_kfl ) ab. Diese Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) eines parametrischen Referenzzentrums (NV2) hängt dabei typischerweise von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Referenzzentrums und weiteren physikalischen Parametern, wie beispielsweise Druck P, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke Geschwindigkeit v, elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Intensität ionisierender Strahlung ab. Daher werden die paramagnetischen Referenzzentren bevorzugt an einem Ort definierter magnetischer Flussdichte B bzw. an einem Ort definierter Werte der weiteren physikalischen Parametern, wie beispielsweise Druck P, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke Geschwindigkeit v, elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Intensität ionisierender Strahlung platziert oder mit einer Abschirmung (AS) versehen. Beispielsweise kann sich dieser Ort im Innern eines röhrenförmigen Leiters, beispielsweise eines Kuper- oder Metallrohrs, befinden, wobei der elektrische Strom, der diesen Leiter durchfließt mit Hilfe des Sensorelements mit dem oder den paramagnetischen Zentren (NV1) erfasst werden soll. In dem Fall erzeugt das Referenzelement mit Hilfe der paramagnetischen Referenzzentren eine Kompensationsreferenzstrahlung (KFL), die beispielsweise den Wert des das Sensorelement und das Referenzelement gemeinsam durchströmenden magnetischen Flussdichteanteils der magnetischen Flussdichte B wiedergibt. Die Kristallausrichtung des Materials des Referenzsensorelements kann diese Abstrahlung typischerweise und die Abhängigkeit dieser Abstrahlung der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) vom magnetischen Fluss B und von den weiteren physikalischen Parametern, wie beispielsweise Druck P, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke Geschwindigkeit v, elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Intensität ionisierender Strahlung, am Ort des paramagnetischen Referenzzentrums beeinflussen. Bei dem paramagnetischen Referenzzentrum handelt es sich bevorzugt um ein NV Zentrum. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant. Bei dem Referenzsensorelement handelt es sich bevorzugt um einen Diamant-Kristall, noch mehr bevorzugt um einen oder mehrere Diamant-Nanokristalle. Bevorzugt weist das Referenzsensorelement mehr als ein paramagnetisches Referenzzentrum auf. Bevorzugt ist der Typ der paramagnetisch en Referenzzentren gleich dem Typ der paramagnetischen Zentren (NV2). Beispielsweise sind die paramagnetischen Referenzzentren bevorzugt NV-Zentren in Diamant, wenn die paramagnetischen Zentren (NV1) NV-Zentren sind. In dem Fall der Gleichheit der Zentren-Typen ist die Kompensationsstrahlungswellenlänge (λ_ks ) der Kompensationsstrahlung (KS) bevorzugt gleich der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB). Die Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) - z.B. 637nm bei NV-Zentren - ist dann gleich der Kompensationsfluoreszenzwellenlänge (λ_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren. Bevorzugt umfasst das Referenzsensorelement Nanokristalle mit bevorzugt einer sehr hohen Dichte an NV-Zentren. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren im Referenzsensorelement zumindest lokal in sehr großer Dichte vor, so dass sie miteinander koppeln können und kollektive Effekte erzeugen können, die die Abhängigkeit der Intensität (I_kfl ) der Kompensationsfluoreszenzstrahlung (KFL) der paramagnetischen Referenzzentren von der magnetischen Flussdichte B und ggf. weiteren physikalischen Parametern, wie beispielsweise Druck P, Beschleunigung a, Gravitationsfeldstärke Geschwindigkeit v, elektrischer Flussdichte D, Temperatur ϑ, Intensität ionisierender Strahlung, noch erhöhen. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Referenzzentren in zumindest lokal hoher Dichte in dem jeweiligen Kristall, beispielsweise als NV-Zentren in einem HD-NV-Diamanten, vor Die Verwendung anderer Zentren als NV-Zentren als paramagnetische Referenzzentren, z.B. der TR1-Zentren, SiV-Zentren, des GeV-Zentren etc. ist denkbar. Auf das Buch von A.M. Zaitsev „Optical Properties of Diamond, A Data Handbook“, Springer 2001 ISBN 978-3-662-04548-0 wird hier verwiesen. Auch ist die Verwendung anderer Materialien wie Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) denkbar. Geeignete Zentren in Silizium sind die sogenannten G-Zentren. Geeignete Zentren in SiC sind sogenannte
O: V-Zentren. Die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) für G-Zentren in Silizium und V-Zentren in SiC liegt typischerweise im infraroten Bereich, da Silizium und SiC nur dort transparent sind. Für diese konkreten Beispiele ist die grüne Pumpstrahlung also in Wirklichkeit infrarot. Eine Auslesung der G-Zentren bzw. der V-Zentren erfolgt entweder mittels der Fluoreszenzstrahlung (FL) der G-Zentren oder V-Zentren, wobei die Fluoreszenzwellenlänge (λ_fl ) der G-Zentren in Silizium bzw. der V-Zentren in SiC jeweils im Infraroten liegt. Eine andere Möglichkeit der Auslesung der G-Zentren bzw. V-Zentren ist eine elektronische Auslesung wie in dieser Schrift beispielhaft mit Hilfe der 77 und 79 und 83 dargestellt; Messobjekt;
OF1: erste Anpassschaltung;
OF2: zweite Anpassschaltung;
OF3: dritte Anpassschaltung;
OF3': weitere dritte Anpassschaltung;
OF4: vierte Anpassschaltung;
OFL1: erste Oberfläche des Sensorelements, die bevorzugt planparallel zu einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (OFL2) des Sensorelements ist.
OFL2: zweite Oberfläche des Sensorelements, die bevorzugt planparallel zu einer gegenüberliegenden ersten Oberfläche (OFL1) des Sensorelements ist.
out: Sensorausgangssignal;
out': zusätzliches Sensorausgangssignal;
out'': zweites Sensorausgangssignal;
p: in 51 dieser Schrift: positiver Verzeigungspfad bei Bejahung der Fragestellung;
PD1: Strahlungsempfänger. Der Strahlungsempfänger ist für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines oder mehrerer NV-Zentren, wobei das Sensorelement bevorzugt ein oder mehrere Nano-Diamant mit Diamant als Material umfasst. Bevorzugt ist der Empfänger ein Teil der integrierten Schaltung (IC). Bevorzugt handelt es sich um eine Fotodiode. Es kann sich beispielsweise um eine Fotodiode oder eine APD (avalanche photo diode) oder eine SPAD (single photo avalanche diode) und/oder einem anderen fotoempfindlichen Detektor handeln, die eine Bestrahlungsintensität mit elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λ_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) in elektrische Signale und zwar Strom- oder/und Spannungssignale transformiert. Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn man die paramagnetischen Zentren (NV1) und damit die Sensorelemente selbst als Strahlungsempfänger (PD) verwendet, indem die Fotoelektronen der paramagnetischen Zentren (NV1) des Materials des Sensorelements abgesaugt und detektiert werden. In diesem Fall wird der separate Strahlungsempfänger (PD)durch das Sensorelement ersetzt. Die Ansprüche sind in jedem Fall so zu verstehen, dass die gleichzeitige Verwendung des Sensorelements als Strahlungsempfänger (PD) von den Ansprüchen mit umfasst ist. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn das Absaugen der Ladungsträger die Emission der Fluoreszenzstrahlung (FL) verhindert, dies also nur virtuell ist. Als alternative Detektionsverfahren können neben der Erfassung der Intensität (I_fl ) der Fluoreszenzstrahlung (FL) auch durch den Photoeffekt erzeugte Elektronen im Sensorelement direkt detektiert und ausgewertet werden;
PL1: Pumpstrahlungsquelle. Die Pumpstrahlungsquelle kann auch eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein. Die Pumpstrahlungsquelle strahlt Pumpstrahlung (LB) aus, die die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Abstrahlung von Fluoreszenzstrahlung (FL) anregt. Beispielsweise kann es sich bei dieser Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Form des ersten Lasers um eine erste Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B mit 520nm zur Verwendung mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren (NV1) handeln, die im Fachhandel erhältlich ist. Bevorzugt werden jedoch zirkular polarisierte Pumpstrahlungsquellen verwendet. Bevorzugt wird die Pumpstrahlungsquelle (PL1) so gegenüber der Materialoberfläche des Sensorelements, beispielsweise der Oberfläche eines HD-NV-Diamanten, angeordnet, dass ein Maximum der Pumpstrahlungsleistung in das Material des Sensorelements eintritt Typischerweise bedeutet dies eine bevorzugt senkrechte Anordnung der Sensorelementoberfläche, beispielsweise der Oberfläche eines HD-NV-Diamanten, gegenüber dem Strahl der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle. Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn man die Anregung des oder der paramagnetischen Zentren (NV1) mittels eines elektrischen Stromes durch das Sensorelement erreicht. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die DE 4 322 830 A1 hingewiesen, die eine solche Anregung beschreibt. In diesem Fall wird auf die Pumpstrahlungsquelle (PL1) durch das Sensorelement selbst ersetzt. Die Ansprüche sind in jedem Fall so zu verstehen, dass die gleichzeitige Verwendung des Sensorelements als Strahlungsquelle (PL1) von den Ansprüchen mit umfasst ist. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn keine Pumpstrahlung (LB) auftritt, diese also nur virtuell ist. Die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle dient zur Anregung magnetischer oder elektrischer sensitiver paramagnetischer Zentren (NV1), vorzugsweise von NV Zentren in Diamant. Die Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ist vorzugsweise so gewählt, dass das oder die paramagnetischen Zentren (NV1) eine fotostabile optimale Fluoreszenzstrahlung (FL) erzeugen, um beispielweise die mechanischen Schwingungen des mechanisch schwingenden Systems (MS) zu detektieren. Die
PLK: Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) liegt für eine optimale Anregung von NV-Zentren in Diamant bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 500-600 nm. Vorzugsweise wird als Pumpstrahlungsquelle eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 550 nm oder 520nm genutzt. Kompensationsstrahlungsquelle. Die Kompensationsstrahlungsquelle kann auch eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein. Bevorzugt ist die Kompensationsstrahlungsquelle in der gleichen Weise konstruiert wie die Pumpstrahlungsquelle (PL1). Beispielsweise kann es sich bei dieser Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in Form des zweiten Lasers um eine zweite Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B handeln, die im Fachhandel erhältlich ist.;
PU: beispielhafter Tonabnehmer der beispielhaften E-Gitarre (GT) mit beispielhaft sichtbaren Diamanten als beispielhafte Quantensensor-Sensorelemente, wobei die beispielhaft gewählten Diamanten bevorzugt einen der in dieser Schrift aufgeführten Schliffe haben und als Schmuckdiamanten ausgeführt sind und wobei die Diamanten bevorzugt eine rote Farbe ausweisen und wobei die Diamanten bevorzugt paramagnetische Zentren (NV1) und zwar bevorzugt NV-Zentren als paramagnetische Zentren (NV1) aufweisen und wobei die Diamanten während des Musikinstrumentenbetriebs bevorzugt mit grüner Pumpstrahlung (LB) bestrahlt werden und wobei bevorzugt die rote Fluoreszenzstrahlung (FL) der beispielhaften NV-Zentren während dieses Betriebs für einen menschlichen Betrachter mit normaler Sehfähigkeit sichtbar ist und wobei eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (LIV) Schwingungen von Vorrichtungsteilen des Musikinstruments in insbesondere elektrische Signale umsetzt, die weiterverarbeitet werden.;
PWM: Pulsweitenmodulation;
PZ: Zentrum, das als Pumpstrahlungsquelle (PL1) dient. Beispielsweise kann es sich um H3-Zentrum in einem Diamanten als Sensorelement handeln,
PZC: das grüne Pumpstrahlung (LB) bei einem Stromfluss in dem Diamanten emittiert. Dies grüne Pumpstrahlung des beispielhaften H3-Zentrums kann dann dazu benutzt werden ein paramagnetisches Zentrum (NV1), beispielsweise ein NV-Zentrum in dem beispielhaften Diamanten, zur Emission von Fluoreszenzstrahlung (FL) anzuregen. Gruppe (Cluster) von Zentren (PZ), die als Pumpstrahlungsquelle (PL1) dienen. Eine solche Gruppe umfasst mindesten Zentrum (PZ). Bevorzugt umfasst eine solche Gruppe jedoch eine Mehrzahl solcher Zentren (PZ). Bevorzugt ist die Dichte der Zentren (PZ) innerhalb der Gruppe höher als 10ppm, besser höher als 20ppm bezogen auf die Anzahl der Atome im Raumvolumen der Gruppe. Die Dichte der Zentren (PZ) innerhalb dieser Gruppe ist bevorzugt so hoch, dass die Zentren (PZ) innerhalb der Gruppe miteinander koppeln und ggf. bevorzugt gemischte Zustände ausbilden. Ganz besonders bevorzugt ist die Dichte der Zentren (PZ) innerhalb einer solchen Gruppe so hoch, dass die Zentren (PZ) kollektives Verhalten zeigen. Bevorzugt ist die Dicke (d_PZC ) der Gruppe (PZC) dieser Zentren (PZ) in der Größenordnung weniger Pumpstrahlungswellenlängen (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB). Mit dem Bezugszeichen PZ werden in dieser Schrift eine einzelne Gruppe aber auch mehrere Gruppen als Gesamtheit bezeichnet. Die Maximale Dichte einer Gruppe berechnet sich aus dem Inversen deskleinsten sphärischen Raumvolumen, dass mindestens zwei dieser Zentren (PZ) innerhalb der Gruppe einnehmen. Multipliziert mit der Anzahl der Zentren (PZ) in diesem Raumvolumen. Die Gruppe wird durch das ellipsoide Volumen begrenzt, das zu einer Reduktion der Dichte auf 50% führt. Die Hauptachsen werden dabei so bestimmt, dass das Volumen minimal wird und trotzdem alle Zentren (PZ) der Gruppe umfasst sind;
Q1: erster Schwingquarz;
Q2: zweiter Schwingquarz;
QUALU1: erste QuantenALU. Eine beispielhafte erste QuantenALU besteht in dieser Schrift aus einem ersten Quantenpunkt (NV11) und mindestens einem ersten Kernquantenpunkt (CI1₁ ). Die beispielhafte erste QuantenALU der 81 besteht aus einem ersten Quantenpunkt (NV1) und einem ersten Kernquantenpunkt (CI1₁ ) der ersten QuantenALU und einem zweiten Kernquantenpunkt (CI1₂ ) der ersten QuantenALU und einem dritten Kernquantenpunkt (CI1₃ ) der ersten QuantenALU (81);
QUALU2': zweite QuantenALU. Eine beispielhafte zweite QuantenALU besteht in dieser Schrift aus einem zweiten Quantenpunkt (NV12) und mindestens einem zweiten Kernquantenpunkt (CI2₁ ). Die beispielhafte zweite QuantenALU der 81 Die beispielhafte zweite QuantenALU besteht aus einem zweiten Quantenpunkt (NV12) und einem ersten Kernquantenpunkt (CI2₁ ) der zweiten QuantenALU und einem zweiten Kernquantenpunkt (CI2₂ ) der zweiten QuantenALU und einem dritten Kernquantenpunkt (CI2₃ ) der zweiten QuantenALU (81);
QUB: Quantenbit;
QUB11: erstes Quantenbit in der ersten vertikalen Spalte und der ersten horizontalen Zeile eines Quantenregisters;
QUB12: zweites Quantenbit in der ersten vertikalen Spalte und der zweiten horizontalen Zeile eines Quantenregisters;
QUB13: drittes Quantenbit in der ersten vertikalen Spalte und der dritten horizontalen Zeile eines Quantenregisters;
r: Abstand zwischen einer Leitung (LH, LV, LTG) und dem paramagnetischen Zentrum (NV1) oder den paramagnetischen Zentren (NV1) oder der Gruppe oder den Gruppen (NVC) paramagnetischer Zentren (NV1);
RE: Reflektor;
RG: Regler. Der Regler hat bevorzugt eine Tiefpasscharakteristik, die eine obere Grenzfrequenz, die kleiner ist als die Grenzfrequenz des bevorzugt als
s0: Tiefpassfilter ausgeführten Schleifenfilters (TP), aufweist. Bevorzugt regelt der Regler (RG) den Strom durch die Kompensationsspule (LC) in der Art, dass sich am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1), das bevorzugt ein NV-Zentrum in Diamant ist, ein Arbeitspunkt durch eine entsprechende mittlere magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) einstellt, der sich im optimalen Arbeitsbereich (siehe 27) befindet; momentaner Wert des Empfängerausgangssignals (S0);
S0: Empfängerausgangssignal;
s1: momentaner Wert des reduzierten Empfängerausgangssignals;
S1: reduziertes Empfängerausgangssignal;
s3: momentaner Wert des Filtereingangssignals (S3);
S3: Filtereingangssignal;
S3': zusätzliches Filtereingangssignal;
s4: momentaner Wert des Filterausgangssignals (S4);
S4: Filterausgangssignal;
S4': zusätzliches Filterausgangssignal;
s5: momentaner Wert des Sendesignals (S5);
S5: Sendesignal;
s5c: momentaner Wert des komplementären Wechselanteils (S5c) des Sendesignals (S5);
S5c: komplementärer Wechselanteil des Sendesignals (S5);
s5c': momentaner Wert des komplementären Wechselanteils (S5c') des orthogonalen Referenzsignals (S5');
S5c': komplementärer Wechselanteil des orthogonalen Referenzsignals (S5');
S5g: Gleichanteilswert des Sendesignals (S5);
S5g': Gleichanteilswert des orthogonalen Referenzsignals (S5');
s5w: Wechselanteilswert des Sendesignals (S5). Die ist der momentane Wert des Wechselanteils des Sendesignals (S5);
s5w': Wechselanteilswert des orthogonalen Referenzsignals (S5'). Die ist der momentane Wert des Wechselanteils des orthogonalen Referenzsignals (S5');
S5w: Wechselanteil des Sendesignals (S5);
s5w_A': Wert der Amplitude des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5);
s5w_A',: Wert der Amplitude des Wechselanteils (S5w') des zusätzlichen Sendesignals (S5');
S5w_A: Amplitude des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5);
S5': orthogonales Referenzsignal auch als weiteres Sendesignal (S5') bezeichnet;
s6: momentaner Wert des Rückkoppelsignals (S6);
S6: Rückkoppelsignal;
S6': zusätzliches Rückkoppelsignal;
s7: momentaner Wert des Kompensationssendesignals (S7);
s7g: momentaner Wert des konstanten Gleichanteils Kompensationssendesignals (S7);
s7w: momentaner Wert des Wechselanteils des Kompensationssendesignals (S7);
s7₀: reeller Offsetwert, der auf den momentanen Wert (s6) des Rückkoppelsignals (S6) durch die zweite Anpassschaltung (OF2) addiert wird;
S7: Kompensationssendesignal;
S7c: komplementärer Wechselanteil des Kompensationssendesignals (S7);
S7g: konstanter Gleichanteil des Kompensationssendesignal s (S7);
S7w: Wechselanteil des Kompensationssendesignals (S7);
s8: momentaner Wert des komplexen Rückkoppelsignals(S8);
S8: komplexes Rückkoppelsignal;
s9: momentaner Wert des Arbeitspunktregelsignals (S9);
S9: Arbeitspunktregelsignal;
s10: momentaner Wert des Halteschaltungseingangssignals (S10);
S10: Halteschaltungseingangssignal;
S10': zusätzliches Halteschaltungseingangssignal;
S11: weiteres Arbeitspunktregelsignal;
S&H: Halteschaltung. Die Halteschaltung dient bevorzugt vor allem der Unterdrückung der Chopper-Frequenz des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Sie ist für die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der hier dargestellten Sensorsysteme nicht unbedingt erforderlich, verbessert aber deren Signal zu Rauschverhältnis signifikant;
S&H': zusätzliche Halteschaltung. Die zusätzliche Halteschaltung dient bevorzugt vor allem der Unterdrückung der Chopper-Frequenz des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5). Sie ist für die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der hier dargestellten Sensorsysteme nicht
SBR: unbedingt erforderlich, verbessert aber deren Signal zu Rauschverhältnis signifikant; Stegbreite;
SdT: Stand der Technik;
SH1: erste horizontale Abschirmleitung. Die erste horizontale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der erste horizontale Kontakt (KH11) des ersten Quantenbits (QUB11), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die erste horizontale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die erste horizontale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
SH2: zweite horizontale Abschirmleitung. Die zweite horizontale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der erste horizontale Kontakt (KH22) des zweiten Quantenbits (QUB12), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die zweite horizontale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die zweite horizontale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
SH3: dritte horizontale Abschirmleitung. Die dritte horizontale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der erste horizontale Kontakt (KH33) des dritten Quantenbits (QUB13), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die dritte horizontale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die dritte horizontale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
SH4: vierte horizontale Abschirmleitung. Die vierte horizontale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der zweite horizontale Kontakt (KH44) des dritten Quantenbits (QUB13), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die vierte horizontale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die vierte horizontale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
STR: Trigger-Signal. Der Signalgenerator (G) erzeugt bevorzugt am Ende einer Sendesignalperiode des Sendesignals (S5) eine Signalisierung über dieses Trigger-Signal, dass die Halteschaltungen (S&H) veranlasst, das Ausgangssignal des jeweiligen Filters, beispielsweise des Schleifenfilters (TP), abzutasten und so den momentanen Abtastwert zu gewinnen. Die
SV1: jeweilige Halteschaltung (S&H) gibt dann diesen Abtastwert als Filterausgangssignal (S4) aus, bis die nächste Signalisierung über das Trigger-Signal erfolgt; erste vertikale Abschirmleitung. Die erste vertikale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der erste vertikale Kontakt (KV11) des ersten Quantenbits (QUB11), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die erste vertikale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die erste vertikale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
SV2: zweite vertikale Abschirmleitung. Die zweite vertikale Abschirmleitung ist bevorzugt auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und von dieser elektrisch isoliert und mit dieser mechanisch direkt verbunden. Ggf. stellen jedoch abweichend hiervon Kontakte, beispielsweise der zweite vertikale Kontakt (KV12) des ersten Quantenbits (QUB11), an vorbestimmten Stellen eine elektrische Verbindung zum Substrat (D) her, um den Fotostrom extrahieren zu können. Bevorzugt wird die erste vertikale Abschirmleitung aus einem für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge (λ_pmp ) der Pumpstrahlung (LB) transparentem Material, beispielsweise ITO gefertigt. Bevorzugt ist die erste vertikale Abschrimleitung auf der Oberfläche (OFL1) des Substrats (D) gefertigt und mit dieser fest verbunden;
θ_a: Ausfallswinkel der Fluoreszenzstrahlung (FL);
θ_e: Einfallswinkel der Pumpstrahlung (LB);
t: Zeit;
τ₁: erste Zeitkonstante;
T1: erste Zeiten zu denen das Sendesignal (S5) aktiv ist und die Pumpstrahlungsquelle (PL1) Pumpstrahlung (LB) emittiert;
τ₂: zweite Zeitkonstante;
T2: zweite Zeiten zu denen das Sendesignal (S5) nicht aktiv ist und die Pumpstrahlungsquelle (PL1) keine Pumpstrahlung (LB) emittiert;
t_d: Übergangszeit eines paramagnetischen Zentrums, beispielsweise eines NV-Zentrums, aus einem angeregten Zustand kommend in einen energetisch niedrigeren Zwischenzustand;
TFL: Teststrahlung, die der Fluoreszenzstrahlung (FL) entspricht, aus dem Gehäuse heraus;
T_Ic: Pumpstrahlungskomplementärzeit;
T_Ipmp: Pumpstrahlungspulsdauer;
T_Ipmpd: Pumpstrahlungsabfallszeit der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB);
T_Ipmpr: Pumpstrahlungsanstiegszeit der Intensität (I_pmp ) der Pumpstrahlung (LB);
TLP: Testpumpstrahlung;
TP: Schleifenfilter. Der Schleifenfilter ist bevorzugt als Tiefpassfilter und/oder Integrator ausgeführt;
T_p: Sendesignalperiode des Wechselanteils (S5w) des Sendesignals (S5);
TP': zusätzlicher zweiter Schleifenfilter. Der zusätzliche Schleifenfilter ist bevorzugt als Tiefpassfilter entsprechend dem Schleifenfilter(TP) ausgeführt;
T_S5c: Sendesignalkomplementärzeit. Die Definition der Sendesignalkomplementärzeit kann der 91 entnommen werden;
T_S5pmp: Sendesignalpulsdauer. Die Definition der Sendesignalpulsdauer kann der 91 entnommen werden;
T_S5pmpd: Sendesignalabfallszeit. Die Definition der Sendesignalabfallszeit kann der 91 entnommen werden;
T_S5pmpp: Sendesignalplateauzeit. Die Definition der Sendesignalplateauzeit kann der 91 entnommen werden;
T_S5pmpr: Sendesignalanstiegszeit. Die Definition der Sendesignalanstiegszeit kann der 91 entnommen werden;
v: Verstärkung des Schleifenfilters (TP);
VD1: ersten vertikale Treiberstufe zur Ansteuerung der ersten vertikalen Leitung (LV1) des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB11) und des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB12) und des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB13);
Vext: Extraktionsspannung zur Extraktion des Fotostromes;
VLOTP1: erster weiterer vertikaler Lotpunkt;
VLOTP2: zweiter weiterer vertikaler Lotpunkt;
VHNV1: erster virtueller horizontaler Quantenpunkt;
VHNV2: zweiter virtueller horizontaler Quantenpunkt;
VS1: erste vertikale Empfängerstufe, die mit der ersten vertikalen Treiberstufe (VD1) eine Einheit bilden kann, beispielsweise zur Auslesung des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB11) und ggf. zur Auslesung des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB12) und ggf. zur Auslesung des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB13) der ersten Spalte der Quantenbits;
VS2: zweite vertikale Empfängerstufe, die mit der zweiten vertikalen Treiberstufe (VD2) eine Einheit bilden kann, beispielsweise zur
VS3: Auslesung des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB21) und ggf. zur Auslesung des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB22) und ggf. zur Auslesung des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB23) der zweiten Spalte der Quantenbits; dritte vertikale Empfängerstufe, die mit der dritten vertikalen Treiberstufe (VD3) eine Einheit bilden kann, beispielsweise zur Auslesung des ersten anzusteuernden Quantenbits (QUB31) und ggf. zur Auslesung des zweiten anzusteuernden Quantenbits (QUB32) und ggf. zur Auslesung des dritten anzusteuernden Quantenbits (QUB33) der dritten Spalte der Quantenbits;
VVNV1: erster virtueller vertikaler Quantenpunkt;
VVNV2: zweiter virtueller vertikaler Quantenpunkt;
WA: umlaufende Wandung des Gehäuses;

Liste der zitierten Schriften
Patentliteratur
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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A. Wickenbrock et. AI. „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“ Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 entspricht, weil die erste und zweite Richtung übereinstimmen. Der Graph der Figur 2a der Schrift von A. Wickenbrock et. AI. „Microwavefree magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“ Appl. Phys.Lett, 109, 053505 (2016), 02.08.2016 [0262]
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Claims

Vorrichtung zur Herstellung von HD-NV-Diamanten mit einem Beschleuniger für die Bestrahlung mit einem gepulsten Elektronenstrom und mit einem Temperaturfühler, beispielsweise einem Thermoelement und mit einer Temperaturregelung, wobei der Temperaturfühler in die Diamanten oder an den Diamanten während der Bestrahlung eingebracht bzw. angebracht ist und wobei der Temperaturfühler einen Ist-Temperaturwert für die Regelung der Prozessierungstemperatur der Diamanten während der Bestrahlung ermittelt und wobei der Beschleuniger für die Bestrahlung der Diamanten mit einem gepulsten Elektronenstrom verwendet wird und wobei die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls bei der Bestrahlung der Diamanten größer als 500keV und/oder größer als 1MeV und/oder größer als 3MeV und/oder größer als 4MeV und/oder größer als 5MeV und/oder größer als 6 MeV und/oder größer als 7 MeV und/oder größer als 9 MeV und/oder größer als 10 MeV ist und wobei die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls bei der Bestrahlung der Diamanten kleiner als 20MeV ist und wobei die Ist-Temperatur des oder der Diamanten während der Bestrahlung mit diesen Elektronen durch die Temperaturregelung bei einer Temperatur größer 600°C und/oder größer 700°C und/oder größer 800°C und kleiner 900°C und/oder kleiner 1000°C und/oder kleiner 1100°C und/oder kleiner 1200°C liegt und wobei der Regler mittels des Temperaturfühlers, der die Ist-Temperatur der der Diamanten während der Bestrahlung erfasst, den wesentlichen Heizenergiestrom der zugeführten Gesamtheizenergie so regelt, dass sich eine gewünschte Temperatur der Diamanten innerhalb eines Zieltemperaturbandes um die Zieltemperatur herum für die Diamanten während der Bestrahlung einstellt gekennzeichnet dadurch, dass bei der Temperaturregelung die Heizung durch den Heizenergiestrom der Aufheizung durch den Elektronenstrahlstrom beachtet wird und dass der Strahlstrom des elektrischen Stroms der Elektronen des Elektronenstrahls geregelt wird und dass bei der Bestrahlung die Pulsation des Elektronenstrahls und damit auch dessen Heizenergiestrom durch diese Regelung stabilisiert wird und dass dieser geregelte Heizenergiestrom, der die Diamanten während der Bestrahlung heizt, ganz oder in Teilen zumindest zeitweise zur Gänze oder in Teilen pulsmoduliert ist und dass diese Regelung über die Einstellung der Heizpulsamplitude und/oder der Heizpulsweite und/oder des Heizpulsabstands und/oder des Tastverhältnisses (Duty-Cycle) der Pulsmodulation der Heizpulse, also durch eine Methode der Pulsmodulation erfolgt.