EP4341715A1 - Detektionseinheit für magnetfeldsensor - Google Patents

Detektionseinheit für magnetfeldsensor

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Publication number
EP4341715A1
EP4341715A1 EP22723646.0A EP22723646A EP4341715A1 EP 4341715 A1 EP4341715 A1 EP 4341715A1 EP 22723646 A EP22723646 A EP 22723646A EP 4341715 A1 EP4341715 A1 EP 4341715A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
excitation
frequency
magnetic field
signal
modulation
Prior art date
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Pending
Application number
EP22723646.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar FRÜHAUF
Raphael KUHNEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4341715A1 publication Critical patent/EP4341715A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/60—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using electron paramagnetic resonance

Definitions

  • field devices In industrial process automation, a wide variety of field devices are used for monitoring and/or determining at least one, for example chemical or physical, process variable of a medium in a wide variety of configurations.
  • all measuring devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information are referred to as field devices within the scope of the present application, including remote I/Os, radio adapters or general electronic components that are arranged at the field level.
  • field devices within the scope of the present application, including remote I/Os, radio adapters or general electronic components that are arranged at the field level.
  • a large number of such field devices are manufactured and sold by companies in the Endress + Hauser Group.
  • Many field devices are based on the measurement of magnetic fields and the determination and/or determination of the respective process variable and/or parameter using a variable related to the respective magnetic field. To detect the
  • quantum sensors in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables.
  • quantum sensors In the field of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to the increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance of the respective sensors.
  • Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms can be very precisely controlled and read out. In this way, for example, precise and low-interference measurements of electric and/or magnetic fields and gravitational fields with resolutions in the nanometer range are possible.
  • Various spin-based sensor arrangements and systems based on quantum optical effects such as quantum gravimeters, NMR gyroscopes or optically pumped magnetometers, for example, have become known, with the latter in particular being based on gas cells, among other things.
  • spin-based quantum sensors atomic transitions, for example in different crystal bodies, are used to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or also detect gravitational fields.
  • diamond with at least one silicon or nitrogen vacancy center, silicon carbide with at least one silicon vacancy or hexagonal boron nitride with at least one vacancy color center is used as the crystal body.
  • the crystal bodies can have one or more defects.
  • Spin-based quantum sensors allow, for example, a high-precision determination of magnetic fields.
  • DE 3742878 A1 describes an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component.
  • spin-based sensors are known, for example, from the documents DE 102017 205 099 A1, DE 10 2017205265 A1, DE 102014 219 550 A1, DE 10 2018 214 617 A1, DE 102016 210259 A1, and from the previously unpublished German patent applications with the file numbers 10 2020 123 993.9 and 10 2021 100223.0 have become known.
  • a spin-based sensor arrangement with a crystal body with at least one defect typically includes an excitation unit for optical excitation of the defect, a detector for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal from the crystal body and, if necessary, a unit for generating high-frequency or
  • the magnetic field can then be optically detected by means of the electron spin magnetic resonance of the spin triplet of the ground state of the defect in the crystal body (ODMR).
  • ODMR electron spin magnetic resonance of the spin triplet of the ground state of the defect in the crystal body
  • the fluorescence signal has two characteristic minima corresponding to a frequency of the high-frequency or microwave radiation and thus to the energetic position of the electron spin resonance.
  • it is necessary to detect the minima in the fluorescence signal This is typically achieved by running through different frequencies successively and recording the fluorescence signal as a function of frequency.
  • Frequency modulation of the high-frequency or microwave radiation together with a lock-in have also become known. For example, the frequency that causes the greatest steepness of a flank of the amplitude of the fluorescence signal is determined.
  • the object of the present invention is to provide a possibility for simplified and improved detection of the fluorescence signal for spin-based quantum sensors.
  • This object is achieved by the detection device according to claim 1, by the magnetic field sensor according to claim 12, by the sensor device according to claim 13 and by the method according to claim 15.
  • the object on which the invention is based is achieved by a detection device for a magnetic field sensor for detecting a magnetic field with a crystal body with at least one defect, comprising a light source for optically exciting the defect in the crystal body by means of an excitation light, - an excitation unit for generating high-frequency or
  • Microwave radiation in the area of the crystal body which is designed to generate a first excitation signal with at least a first predeterminable excitation frequency and a second excitation signal with a second predeterminable excitation frequency, - a detector for detecting a magnetic field-dependent fluorescence signal from the crystal body, and an evaluation unit, which is is designed o to determine the first and / or second excitation frequency of the first and / or second excitation signal starting from the fluorescence signal such that the fluorescence signal as a function of
  • Frequency at the first and / or second excitation frequency has a minimum, and o using the first and / or second excitation frequency to determine a statement about the magnetic field.
  • the first and/or second excitation frequency of the first and/or second excitation signal is determined in parallel, in particular simultaneously, starting from the fluorescence signal.
  • the two characteristic frequencies develop independently of one another and can advantageously be determined simultaneously.
  • a multi-channel measurement operation is provided in the case of the present invention. While information about the magnetic flux density can only be provided discontinuously in single-channel measurement mode, the present invention allows the simultaneous and continuous acquisition of relevant information from the ODMR
  • the excitation unit for the optical excitation of the defect can be, for example, a laser or a light-emitting diode (LED).
  • the detector in turn, can be a photodetector or a CMOS sensor, for example.
  • the detection unit can have additional optical elements, such as various filters, lenses or mirrors.
  • detectors can be arranged in the region of the crystal body, or they can be spatially separated from the crystal body.
  • a light-guiding arrangement with at least one optical fiber can be present, which light-guiding arrangement can be arranged and/or designed such that the excitation light from the excitation unit to the crystal body and/or the fluorescence signal from the crystal body to the detector.
  • the statement about the magnetic field is the magnetic permeability, the magnetic susceptibility or the magnetic flux density.
  • the excitation unit comprises a device for generating at least one excitation signal, in particular a voltage-controlled oscillator.
  • the excitation unit can have a control unit for controlling at least the first excitation frequency.
  • the evaluation unit comprises a computing unit in which at least one, in particular multivariable algorithm, in particular a variation algorithm, a regression algorithm or an, in particular adaptive, multiparameter fit algorithm, for determining the first and/or second excitation frequency based on the Fluorescence signal is deposited.
  • the algorithm can also be a self-learning algorithm.
  • the algorithm is preferably designed to determine the first and/or second excitation frequency using a correlated variation.
  • the first and/or second excitation frequency is/are determined in such a way that the first and/or second local minimum in the fluorescence signal occurs at the first and/or second excitation frequency.
  • the excitation unit comprises a first device for generating the first excitation signal and a second excitation unit comprises a device for generating the second excitation signal, which devices by means of a correlated variation of at least one parameter of the devices and an adaptive multi-parameter fitting Methods are controlled in such a way that the fluorescence signal has a minimum.
  • One configuration of the detection unit includes that the evaluation unit, in particular the computing unit, is configured to determine a local or global extreme value, in particular a minimum of an integral intensity of the fluorescence signal, and to determine the first and/or second excitation frequency based on the extreme value.
  • the evaluation unit is designed to generate at least one modulation excitation signal with a definable modulation excitation frequency, which can be superimposed on the first and/or second excitation signal.
  • the first and second excitation signals can, for example, be distinguished from one another on the basis of the modulation signal.
  • the frequency of the modulation excitation signal is advantageously small compared to the frequency of the respective excitation signal.
  • the evaluation unit in particular a computing unit, is designed to determine the modulation excitation frequency in such a way that it is proportional to the difference between the first and second excitation frequencies.
  • a suitable algorithm is stored in the processing unit.
  • the modulation frequency is varied in such a way that the fluorescence signal has an extreme value, in particular a minimum.
  • the excitation unit comprises a mixing unit, in particular a multiplier, the excitation unit being designed to generate a basic excitation signal with a basic excitation frequency and a modulation excitation signal with a modulation excitation frequency, and to generate the first and second excitation signals such that the first excitation frequency is formed from a sum of the fundamental excitation frequency and the modulation frequency and the second excitation frequency is formed from a difference between the fundamental excitation frequency and the modulation frequency.
  • the basic excitation frequency is a center frequency which is arranged in the middle between the first and second excitation frequencies.
  • the basic excitation signal and the modulation frequency are preferably varied in such a way that the fluorescence signal has an extreme value, in particular a minimum.
  • a further configuration of the detection unit includes that the excitation unit has a first device for generating the first excitation signal with the first predefinable excitation frequency and a second device for generating the second excitation signal with the second predefinable excitation frequency.
  • the excitation unit has a first device for generating the first excitation signal with the first predefinable excitation frequency and a second device for generating the second excitation signal with the second predefinable excitation frequency.
  • the evaluation unit is designed to generate a first modulation excitation signal with a first predefinable modulation excitation frequency for modulation of the first excitation signal and a second modulation excitation signal with a second predefinable modulation excitation frequency for modulation of the second excitation signal.
  • the evaluation unit is designed to identify the first and second excitation frequency based on the first and second modulation excitation frequency.
  • Magnetic field sensor for detecting a magnetic field, comprising a detection unit according to the invention according to at least one of the described configurations.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a sensor device for determining and/or monitoring a process variable and/or characteristic variable of a medium in a container, comprising a crystal body with at least one defect, a magnetic field device for generating a magnetic field, the magnetic field device is arranged in such a way that the magnetic field device can be used to generate a magnetic field in the area of the crystal body and in the area of the medium located inside the container, and a detection unit according to the invention according to at least one of the configurations described, the sensor device being designed for this purpose, at least to determine a statement about the process variable based on the statement about the magnetic field.
  • the crystal body is a diamond with at least one silicon or nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for detecting a magnetic field using a magnetic field sensor with a crystal body with at least one defect, comprising the following method steps: WO 2022/242971 PCT/EP2022/060381 optical excitation of the defect of the crystal body by means of an excitation light,
  • Figure 1 (a) a simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond and (b) the fluorescence signal as a function of frequency;
  • FIG. 5 shows an exemplary sensor device according to the invention.
  • the same elements are provided with the same reference symbols.
  • FIG. 1a A simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond is shown in FIG. 1a. In this way, the excitation of the defect and the detection of fluorescence are explained by way of example. The following considerations apply equally to other crystal bodies with corresponding defects.
  • a nitrogen vacancy center (NV center) consists of a
  • the negatively charged NV centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals.
  • Excitation light L A from the green range of the visible spectrum e.g. excitation light L A with a wavelength of 532 nm, excites an electron from the ground state 3 A into a vibrational state of the excited state 3 E, which emits a fluorescence -photon LF with a wavelength of 630 nm returns to the ground state 3 A.
  • An additionally applied magnetic field with a magnetic field strength B leads to a splitting (Zeeman splitting) of the magnetic sub-states, so that the ground state consists of three energetically separated sub-states, one of which can be excited.
  • the fluorescence signal LF is illustrated as a function of the frequency f.
  • the fluorescence signal LF has a minimum at each of the two characteristic frequencies T and h. These two frequencies T and h correspond to the energetic position of the electron spin resonance. Accordingly, information about the magnetic field, for example the magnetic flux density, the magnetic permeability or the magnetic susceptibility, can be obtained from the two frequencies T and h.
  • a multi-channel, simultaneous determination of the first and second frequencies T and h is possible by means of the present invention, with the frequencies being continuously are detectable.
  • various configurations for a detection unit according to the invention are possible, of which three preferred variants are explained in more detail below by way of example.
  • Fig. 2 is a first possible embodiment for an inventive
  • Detection unit 3 shown for a magnetic field sensor 1 with a crystal body 2 having at least one defect.
  • the crystal body 2 is irradiated with an excitation light LA by means of the light source 4 and a fluorescence signal LF of the crystal body 2 is detected by the detector 5 .
  • the detection unit 3 comprises an excitation unit 6 for irradiating high-frequency or microwave radiation with two devices 7a and 7b for generating the first Ai and second excitation signal A in the form of two voltage-controlled oscillators and an evaluation unit 8.
  • the evaluation unit 8 is designed to generate the first fi and second excitation frequency f based on the fluorescence signal LF in such a way that the fluorescence signal LF has a minimum for the first fi and second excitation frequency f2.
  • the evaluation unit 8 from FIG. 2 includes, for example, a first lock-in 9a and a second lock-in 9b, which are used to control the first fi and second excitation frequency f in such a way that the minimum in the fluorescence signal LF occurs at the two frequencies fi and f.
  • the first 9a and second lock-in 9b can be controlled in parallel.
  • the evaluation unit 8 can also have one or two [not shown here]
  • the evaluation unit also includes two modulation units 10a and 10b for generating a first A m0 d,i and second modulation signal Amo with a first fmod,i and second modulation frequency W, by means of which modulation signals A m0 d,i , Amod,2 the first Ai and second excitation signal A2 are modulated.
  • the first fi and second excitation frequency f2 can be distinguished from one another in continuous operation.
  • the two modulation signals A m0 d,i, A m0 d,2 are preferably different, in particular they have different frequencies Wu, W.
  • the detection unit 8 allows the simultaneous and independent control of the first Ai and second excitation signal A2 or an independent determination of the two frequencies f1 and f2, which are used to determine information about the magnetic field.
  • the two voltage-controlled oscillators 7a and 7b are preferably operated in two different, non-overlapping frequency ranges.
  • a second preferred embodiment for a detection unit 3 according to the invention is the subject of FIG. 3. In the case of FIG is deposited.
  • the computing unit 11 thus in principle takes on the tasks of the first and second lock-ins 9a, 9b and the task of the two modulation units 10a and 10b from FIG. 2.
  • the algorithm is designed to use a global minimum of an integral intensity of the fluorescence signal I_F to determine the first fi and second frequency f2.
  • the evaluation unit 8 can likewise also have two control units [also not shown separately here] for the, in particular correlated, variation of the two frequencies f1, f2.
  • the excitation unit 6 comprises a device 7 for generating at least one excitation signal A in the form of a voltage-controlled oscillator or the like and a mixing unit 12, here in the form of a multiplier.
  • a basic excitation signal AG with a basic excitation frequency f AG is generated by means of the voltage-controlled oscillator 7 .
  • a modulation excitation signal A m0d with a modulation excitation frequency Wi is in turn generated by means of the modulation unit 10 .
  • the basic excitation frequency fAG and the modulation frequency Wi are determined using a suitable algorithm stored in the computing unit 11 in such a way that an integral intensity of the fluorescence signal l_F has a global minimum.
  • the basic excitation frequency f AG information about a temperature in the region of the crystal body 2 can also optionally be obtained, in particular based on the zero-field splitting of the ground state.
  • an optional additional modulation with a low-frequency modulation frequency fi is also implemented to reduce interference.
  • FIG. 5 shows a sensor arrangement 13 according to the invention, which serves to determine and/or monitor a process variable and/or characteristic variable of a medium M in a container 14 .
  • the sensor arrangement 13 comprises a magnetic field sensor 1 according to the invention, a magnetic field device 15 for generating a magnetic field (shown here using the magnetic flux density B), which penetrates the crystal body 2 of the magnetic field sensor 1 and at least part of the medium M, and a detection unit 3 according to the invention
  • a change in the process variable and/or characteristic variable of the medium leads here, for example, to a change in the magnetic field B, which can be detected by means of the magnetic field sensor 1, which includes a detection unit 3 according to the invention.
  • Numerous different configurations are conceivable for the sensor device 13 according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektionsvorrichtung (3) für einen Magnetfeldsensor (1) zur Detektion eines Magnetfelds mit einem Kristallkörper (2) mit zumindest einer Fehlstelle, umfassend eine Lichtquelle (3) zur optischen Anregung der Fehlstelle (2) mittels eines Anregungslichts (LA), eine Anregeeinheit (6) zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers (2), welche dazu ausgestaltet ist, ein erstes Anregesignal (A1) mit zumindest einer ersten vorgebbaren Anregefrequenz (f1) und ein zweiten Anregesignal (A2) mit einer zweiten vorgebbaren Anregefrequenz (f2) zu erzeugen, einen Detektor (5) eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (FL) von dem Kristallkörper (2), und eine Auswerteeinheit (8), welche dazu ausgestaltet ist die erste (f1) und/oder zweite Anregefrequenz (f2) des ersten (A1) und/oder zweiten Anregesignals (A2) ausgehend von dem Fluoreszenzsignal (FL) zu bestimmen derart, dass das Fluoreszenzsignal (FL) als Funktion der Frequenz (f) bei der ersten (f1) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) ein Minimum aufweist, und anhand der ersten (f1) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) eine Aussage über das Magnetfeld zu ermitteln. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Magnetfeldsensor (1), eine Sensorvorrichtung (13) und ein Verfahren zur Detektion eines Magnetfelds (B).

Description

Detektionseinheit für Magnetfeldsensor
In der industriellen Prozessautomatisierung kommen unterschiedlichste Feldgeräte zur Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums in unterschiedlichsten Ausgestaltungen zum Einsatz. So werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte als Feldgerät bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress + Hauser- Gruppe hergestellt und vertrieben.
Viele Feldgeräte beruhen auf der Messung magnetischer Felder und der Bestimmung und/oder Ermittlung der jeweiligen Prozessgröße und/oder Kenngröße anhand einer mit dem jeweiligen Magnetfeld in Beziehung stehenden Größe. Zur Detektion des
Magnetfelds kommen dabei in der Regel unterschiedliche Arten von Magnetfeldsensoren zum Einsatz. Die Genauigkeit derartiger Feldgeräte hängt in großem Maße von der Messgenauigkeit der Magnetfeldsensoren ab. Es wäre somit wünschenswert, ein Magnetfeld auf möglichst einfache Art und Weise möglichst präzise detektieren zu können.
Eine neuere Entwicklung im Bereich der Sensorik stellen sogenannte Quantensensoren dar, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt werden. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren interessant.
Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. Es sind beispielsweise verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen und auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme, wie beispielsweise Quantengravimeter, NMR Gyroskope oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren, bekannt geworden.
Im Falle von Spin-basierten Quantensensoren werden atomare Übergänge, beispielsweise in verschiedenen Kristallkörpern, ausgenutzt, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einem Silizium- oder Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen. Spin-basierte Quantensensoren erlauben beispielsweise eine hochgenaue Bestimmung von Magnetfeldern.
So beschreibt die DE 3742878 A1 beispielsweise einen optischen Magnetfeldsensor, bei dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.
Verschiedene weitere Spin-basierte Sensoren sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 102017 205 099 A1 , DE 10 2017205265 A1 , DE 102014 219 550 A1 , DE 10 2018 214 617 A1 , DE 102016 210259 A1 , sowie aus den bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2020 123 993.9 und 10 2021 100223.0 bekannt geworden.
Eine Spin-basierte Sensoranordnung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle umfasst typischerweise eine Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle, einen Detektor zur Detektion eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper und ggf. eine Einheit zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder
Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers. Das Magnetfeld kann dann anhand der magnetischen Elektronenspinresonanz des Spintriplets des Grundzustands der Fehlstelle in dem Kristallkörper optisch detektiert werden (ODMR, engl optically detected magnetic resonance). Das Fluoreszenzsignal weist nämlich zwei charakteristische Minima entsprechend einer Frequenz der Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung und damit der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz auf. Um das Magnetfeld präzise detektieren zu können, ist entsprechend eine Detektion der Minima im Fluoreszenzsignal notwendig. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, dass verschiedene Frequenzen sukzessive durchlaufen werden und das Fluoreszenzsignal als Funktion der Frequenz aufgezeichnet wird. Dabei handelt es sich aber um ein vergleichsweise aufwändiges Detektionsverfahren. Auch eine Frequenzmodulation der Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung zusammen mit einem Lock-In sind bekannt geworden. Es wird beispielsweise die Frequenz ermittelt, welche die größte Steilheit einer Flanke der Amplitude des Fluoreszenzsignals hervorruft.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur vereinfachten und verbesserten Detektion des Fluoreszenzsignals für Spin-basierte Quantensensoren bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , durch den Magnetfeldsensor nach Anspruch 12, durch die Sensorvorrichtung nach Anspruch 13 und durch das Verfahren nach Anspruch 15. Hinsichtlich der Detektionsvorrichtung wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Detektionsvorrichtung für einen Magnetfeldsensor zur Detektion eines Magnetfelds mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, umfassend eine Lichtquelle zur optischen Anregung der Fehlstelle in dem Kristallkörper mittels eines Anregungslichts, - eine Anregeeinheit zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder
Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers, welche dazu ausgestaltet ist, ein erstes Anregesignal mit zumindest einer ersten vorgebbaren Anregefrequenz und ein zweiten Anregesignal mit einer zweiten vorgebbaren Anregefrequenz zu erzeugen, - einen Detektor zur Detektion eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper, und eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgestaltet ist o die erste und/oder zweite Anregefrequenz des ersten und/oder zweiten Anregesignals ausgehend von dem Fluoreszenzsignal zu bestimmen derart, dass das Fluoreszenzsignal als Funktion der
Frequenz bei der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz ein Minimum aufweist, und o anhand der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz eine Aussage über das Magnetfeld zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird also die erste und/oder zweite Anregefrequenz des ersten und/oder zweiten Anregesignals ausgehend von dem Fluoreszenzsignal parallel, insbesondere gleichzeitig, bestimmt. Die beiden charakteristischen Frequenzen bilden sich unabhängig voneinander aus und können vorteilhaft gleichzeitig ermittelt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, in welchem eine zyklische Erfassung des gesamten ODMR-Spektrums mit nur einem Messkanal erfolgt, ist im Falle der vorliegenden Erfindung ein mehrkanaliger Messbetrieb vorgesehen. Während im einkanaligen Messbetrieb nur diskontinuierlich Informationen über die magnetische Flussdichte bereitgestellt werden können, erlaubt die vorliegende Erfindung die simultane und kontinuierliche Erfassung von jeweils relevanten Informationen aus dem ODMR-
Spektrum, insbesondere die Detektion der zwei Minima im Fluoreszenzsignal. Auf diese Weise kann der Aufwand hinsichtlich der Detektion der Fluoreszenzminima erheblich reduziert. Bei der Anregeeinheit zur optischen Anregung der Fehlstelle kann es sich beispielsweise um einen Laser oder eine Leuchtdiode (LED) handeln. Bei dem Detektor wiederum kann es sich beispielsweise um einen Photodetektor oder einen CMOS-Sensor handeln.
Zudem kann die Detektionseinheit über weitere optische Elemente verfügen, wie beispielsweise verschiedene Filter, Linsen oder Spiegel. Die Anregeeinheit und der
Detektor können einerseits im Bereich des Kristallkörpers angeordnet sein, oder räumlich von dem Kristallkörper getrennt sein. Zudem kann eine Lichtleitanordnung mit zumindest einer Lichtleitfaser vorhanden sein, welche Lichtleitanordnung derart anordenbar und/oder ausgestaltet ist, das Anregungslicht von der Anregeeinheit zu dem Kristallkörper und/oder das Fluoreszenzsignal von dem Kristallkörperzu dem Detektor zu leiten.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Aussage über das Magnetfeld um die magnetische Permeabilität, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Flussdichte.
In einerweiteren Ausgestaltung umfasst die Anregeeinheit eine Vorrichtung zur Erzeugung zumindest eines Anregesignals, insbesondere einen spannungsgesteuerten Oszillator. Zudem kann die Anregeeinheit eine Regeleinheit zum Regeln zumindest der ersten Anregefrequenz aufweisen.
Noch eine Ausgestaltung der Detektionseinheit beinhaltet, dass die Auswerteeinheit eine Recheneinheit umfasst, in welcher zumindest ein, insbesondere multivariabler Algorithmus, insbesondere ein Variationsalgorithmus, ein Regressionsalgorithmus oder ein, insbesondere adaptiver, Multiparameterfit-Algorithmus, zur Bestimmung der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz anhand des Fluoreszenzsignals hinterlegt ist.
Insbesondere kann es sich bei dem Algorithmus auch um einen selbstlernenden Algorithmus handeln. Vorzugsweise ist der Algorithmus dazu ausgestaltet, die erste und/oder zweite Anregefrequenz anhand einer korrelierten Variation zu ermitteln. Dabei wird/werden die die erste und/oder zweite Anregefrequenz derart bestimmt, dass bei der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz das erste und/oder zweite lokale Minimum im Fluoreszenzsignal auftritt.
In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die Anregeeinheit eine erste Vorrichtung zur Erzeugung des ersten Anregesignals und eine zweite Anregeeinheit eine Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Anregesignals umfasst, welche Vorrichtungen mittels einer korrelierten Variation zumindest eines Parameters der Vorrichtungen und einem adaptiven Multiparameter-Fitting-Verfahren derart gesteuert werden, dass das Fluoreszenzsignal ein Minimum aufweist. Eine Ausgestaltung der Detektionseinheit beinhaltet, dass die Auswerteeinheit, insbesondere die Recheneinheit, dazu ausgestaltet ist, einen lokalen oder globalen Extremwert, insbesondere ein Minimum einer integralen Intensität des Fluoreszenzsignals zu ermitteln, und die erste und/oder zweite Anregefrequenz anhand des Extremwerts zu bestimmen.
In einerweiteren Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet, zumindest ein Modulations-Anregesignal mit einer vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz zu erzeugen, welches dem ersten und/oder zweiten Anregesignal überlagerbar ist. Anhand des Modulationssignals können das erst und zweite Anregesignal beispielsweise voneinander unterschieden werden. Vorteilhaft ist die Frequenz des Modulations- Anregesignal klein im Vergleich zur Frequenz des jeweiligen Anregesignals.
Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit, insbesondere eine Recheneinheit, dazu ausgestaltet ist, die Modulations-Anregefrequenz derart zu bestimmen, dass sie proportional zur Differenz aus der ersten und zweiten Anregefrequenz ist. In der Recheneinheit ist in diesem Falle ein geeigneter Algorithmus hinterlegt. Insbesondere wird die Modulationsfrequenz derart variiert, dass das Fluoreszenzsignal einen Extremwert, insbesondere ein Minimum, aufweist.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Anregeeinheit eine Mischeinheit, insbesondere einen Multiplikator, umfasst, wobei die Anregeeinheit dazu ausgestaltet ist, ein Grund-Anregesignal mit einer Grund-Anregefrequenz und ein Modulations-Anregesignal mit einer Modulations-Anregefrequenz zu erzeugen, und das erste und zweite Anregesignal derart zu erzeugen, dass die erste Anregefrequenz aus einer Summe der Grund-Anregefrequenz und der Modulationsfrequenz und die zweite Anregefrequenz aus einer Differenz der Grund-Anregefrequenz und der Modulationsfrequenz gebildet ist. Bei der Grund-Anregefrequenz handelt es sich demnach um eine Mittenfrequenz, welche mittig zwischen der ersten und zweiten Anregefrequenz angeordnet ist. Vorzugsweise werden das Grund-Anregesignal und die Modulationsfrequenz derart variiert, dass das Fluoreszenzsignal einen Extremwert, insbesondere ein Minimum, aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Detektionseinheit beinhaltet, dass die Anregeeinheit eine erste Vorrichtung zur Erzeugung des ersten Anregesignals mit der ersten vorgebbaren Anregefrequenz und eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Anregesignals mit der zweiten vorgebbaren Anregefrequenz aufweist. In diesem Zusammenhang können zudem zwei Regeleinheiten zur Einstellung der ersten und zweiten Anregefrequenz vorhanden sein. WO 2022/242971 PCT/EP2022/060381
Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, ein erstes Modulations- Anregesignal mit einer ersten vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz zur Modulation des ersten Anregesignals und ein zweites Modulations-Anregesignal mit einer zweiten vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz zur Modulation des zweiten Anregesignals zu erzeugen.
Es ist zudem von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet ist, die erste und zweite Anregefrequenz anhand der ersten und zweiten Modulations-Anregefrequenz zu erkennen.
Es ist ferner möglich, eine, insbesondere niederfrequente, Modulation des ersten und/oder zweiten Anregesignals oder des Grund-Anregesignals zur Vermeidung von Störeffekten vorzunehmen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen
Magnetfeldsensor zur Detektion eines Magnetfelds, umfassend eine erfindungsgemäße Detektionseinheit nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Magnetfeld-Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds, wobei die Magnetfeld-Einrichtung derart angeordnet ist, dass mittels der Magnetfeld- Einrichtung ein Magnetfeld im Bereich des Kristallkörpers und im Bereich des sich innerhalb des Behältnisses befindenden Mediums erzeugbar ist, und eine erfindungsgemäße Detektionseinheit nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgestaltet ist, zumindest einer Aussage über die Prozessgröße anhand der Aussage über das Magnetfeld zu ermitteln.
Hinsichtlich der Sensorvorrichtung ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem Kristallkörper um einen Diamanten mit zumindest einer Silizium- oder Stickstoff- Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handelt.
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Detektion eines Magnetfelds mittels eines Magnetfeldsensors mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, umfassend folgende Verfahrensschritte: WO 2022/242971 PCT/EP2022/060381 optisches Anregen der Fehlstelle des Kristallkörpers mittels eines Anregungslichts,
Erzeugen von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers mittels eines erstes Anregesignals mit zumindest einer ersten vorgebbaren Anregefrequenz und eines zweiten Anregesignals mit einer zweiten vorgebbaren Anregefrequenz,
Detektieren eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper,
Bestimmen der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz des ersten und/oder zweiten Anregesignals ausgehend von dem Fluoreszenzsignal derart, dass das Fluoreszenzsignal als Funktion der Frequenz bei der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz ein Minimum aufweist, und Ermitteln einer Aussage über das Magnetfeld anhand der ersten und/oder zweiten Anregefrequenz.
Die in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Detektionseinheit beschriebenen Ausgestaltungen sind mutatis mutandis anwendbar für den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Anhand der nachfolgenden Figuren werden die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : (a) ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in Diamant und (b) das Fluoreszenzsignal als Funktion der Frequenz;
Fig. 2: eine erste Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit,
Fig. 3: eine zweite Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit,
Fig. 4 eine dritte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit, und
Fig. 5 eine beispielhafte erfindungsgemäße Sensorvorrichtung. In den Figuren sind gleiche Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1a ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum in Diamant dargestellt. Auf diese Weise kann die Anregung der Fehlstelle und die Detektion der Fluoreszenz beispielhaft erläutert werden. Die nachfolgenden Überlegungen gelten gleichermaßen für andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen.
In Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer
Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV -Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett- Grundzustand 3A ein angeregter Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände ms=0,±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett- Zustände 1A und 1E zwischen dem Grundzustand 3A und dem angeregten Zustand 3E. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds tritt eine Aufspaltung der beiden Zustände ms= +/- 1 von dem Grundzustand ms=0 auf, welche als Nullfeldaufspaltung D bezeichnet wird und welche abhängig von der Temperatur T ist.
Durch Anregungslicht LA aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht LA mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand 3A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand 3E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons LF mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt.
Ein zusätzlich angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals LF ist abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die magnetische Flussdichte B bestimmbar ist. Es gilt D/ = f2 - f ~yB, wobei g das gyromagnetische Verhältnis und B die magnetische Flussdichte ist.
In Fig. 1 b ist das Fluoreszenzsignal LF als Funktion der Frequenz f illustriert. Das Fluoreszenzsignal LF weist bei den beiden charakteristischen Frequenzen T und h jeweils ein Minimum auf. Diese beiden Frequenzen T und h entsprechen der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz. Entsprechend kann aus den beiden Frequenzen T und h eine Aussage über das Magnetfeld, beispielsweise die magnetische Flussdichte, die magnetische Permeabilität, oder die magnetische Suszeptibilität, gewonnen werden.
Mittels der vorliegenden Erfindung ist eine mehrkanalige, simultane Bestimmung der ersten und zweiten Frequenz T und h möglich, wobei die Frequenzen kontinuierlich erfassbar sind. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Ausgestaltungen für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit möglich, von denen im Folgenden beispielhaft drei bevorzugte Varianten näher erläutert werden. In Fig. 2 ist eine erste mögliche Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße
Detektionseinheit 3 für einen Magnetfeldsensor 1 mit einem Kristallkörper 2 mit zumindest einer Fehlstelle dargestellt. Der Kristallkörper2 mittels der Lichtquelle 4 mit einem Anregungslicht LA bestrahlt und ein Fluoreszenzsignal LF des Kristallkörpers 2 wird mittels des Detektors 5 erfasst.
Zudem umfasst die Detektionseinheit 3 eine Anregeeinheit 6 zur Einstrahlung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung mit zwei Vorrichtungen 7a und 7b zur Erzeugung des ersten Ai und zweiten Anregesignals A in Form von zwei spannungsgesteuerten Oszillatoren und eine Auswerteeinheit 8.
Die Auswerteeinheit 8 ist dazu ausgestaltet, ausgehend von dem Fluoreszenzsignal LF die erste fi und zweite Anregefrequenz f derart zu erzeugen, dass für die erste fi und zweite Anregefrequenz f2 das Fluoreszenzsignal LF jeweils ein Minimum aufweist. Die Auswerteeinheit 8 aus Fig. 2 umfasst beispielhaft einen ersten 9a und einen zweiten Lock-In 9b, welche zur Steuerung der ersten fi und zweiten Anregefrequenz f dienen derart, dass bei den beiden Frequenzen fi und f jeweils das Minimum im Fluoreszenzsignal LF auftritt. Vorzugsweise können der erste 9a und zweite Lock-In 9b parallel zueinander gesteuert werden. Zudem kann die Auswerteeinheit 8 auch eine oder zwei [hier nicht dargestellte]
Regeleinheiten zur Regelung der ersten fi und/oder zweiten Frequenz f aufweisen.
Neben der hier dargestellten Auswerteeinheit mit dem ersten und zweiten Lock-In 9a und 9b sind zahlreiche weitere Ausgestaltungen für die Auswerteeinheit 8, insbesondere zur Variation und/oder Steuerung der Frequenzen f , f der Anregesignale Ai, A denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
Die Auswerteeinheit umfasst hier ferner zwei Modulationseinheiten 10a und 10b zur Erzeugung eines ersten Am0d,i und zweiten Modulationssignals Amo mit einer ersten fmod,i und zweiten Modulationsfrequenz W , mittels welchen Modulationssignalen Am0d,i , Amod,2 das erste Ai und zweite Anregesignal A2 moduliert werden. Anhand der beiden Modulationssignale Am0d,i , Am0d, 2 können die erste fi und zweite Anregefrequenz f2 im fortlaufenden Betrieb voneinander unterschieden werden. Vorzugsweise sind die beiden Modulationssignale Am0d,i , Am0d, 2 unterschiedlich, insbesondere weisen sie unterschiedliche Frequenzen Wu, W auf. Die Detektionseinheit 8 erlaubt die gleichzeitige und unabhängige Steuerung des ersten Ai und zweiten Anregesignals A2 bzw. eine unabhängige Bestimmung der beiden Frequenzen fi und f2, welche zur Ermittlung einer Aussage über das Magnetfeld dienen. Vorzugsweise werden die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a und 7b in zwei unterschiedlichen, nicht überlappenden Frequenzbereichen betrieben.
Vorteilhaft kann durch die Wahl unterschiedlicher Frequenzbereiche für die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren 7a und 7b und/oder durch Wahl unterschiedlicher Modulationsfrequenzen W.i, W für die beiden Modulationssignale Am0d,i, Amo eine wechselseitige Beeinflussung der beiden Messkanäle zur Bestimmung der ersten fi und zweiten Frequenz f2 ausgeschlossen werden. Beide Frequenzen fi und f2 können, insbesondere im eingeregelten Zustand des Systems, gleichzeitig und kontinuierlich bestimmt werden. Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit 3 ist Gegenstand von Fig. 3. Im Falle von Fig. 3 umfasst die Auswerteeinheit 8 eine Recheneinheit 11 , in welcher zumindest ein Algorithmus zur Bestimmung der ersten fi und/oder zweiten Anregefrequenz f2 anhand des Fluoreszenzsignals I_F hinterlegt ist. In dieser Ausgestaltung übernimmt die Recheneinheit 11 somit im Prinzip die Aufgaben des ersten und zweiten Lock-Ins 9a, 9b und die Aufgabe der beiden Modulationseinheiten 10a und 10b aus Fig. 2. Insbesondere ist der Algorithmus dazu ausgestaltet, anhand eines globalen Minimums einer integralen Intensität des Fluoreszenzsignals I_F die erste fi und zweite Frequenz f2 zu bestimmen. In diesem Falle kann die Auswerteeinheit 8 ebenfalls ferner über zwei [hier ebenfalls nicht separat dargestellte] Regeleinheiten zur, insbesondere korrelierten Variation der beiden Frequenzen f 1 , f2 aufweisen.
Eine dritte bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Detektionseinheit 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Anregeeinheit 6 umfasst eine Vorrichtung 7 zur Erzeugung zumindest eines Anregesignals A in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators oder ähnliches und eine Mischeinheit 12, hier in Form eines Multiplikators.
Mittels des spannungsgesteuerten Oszillators 7 wird ein Grund-Anregesignal AG mit einer Grund-Anregefrequenz fAG erzeugt. Mittels der Modulationseinheit 10 wiederum wird ein Modulations-Anregesignal Am0d mit einer Modulations-Anregefrequenz Wi erzeugt. Die Grund-Anregefrequenz fAG und die Modulationsfrequenz Wi werden mittels eines in der Recheneinheit 11 hinterlegten geeigneten Algorithmus derart bestimmt, dass eine integrale Intensität des Fluoreszenzsignals l_F ein globales Minimum aufweist.
Das erste Ai bzw. zweite Anregesignal A2 ergeben sich in diesem Falle aus einer Summe bzw. Differenz der Grund-Anregefrequenz fG und der Modulationsfrequenz W. In diesem Falle ergibt sich Af=2fmod.Aus der Aus der Grund-Anregefrequenz fAG kann ferner optional eine Aussage über eine Temperatur im Bereich des Kristallkörpers 2 gewonnen werden, insbesondere anhand der Nullfeldaufspaltung des Grundzustands. Für die Ausgestaltung aus Fig. 4 ist zudem eine optionale zusätzliche Modulation mit einer niederfrequenten Modulationsfrequenz fi« zur Reduktion von Störeinflüssen implementiert.
In Fig. 5 ist schließlich eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 13 dargestellt, welche der Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Medium M in einem Behältnis 14 dient. Die Sensoranordnung 13 umfasst einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor 1 , eine Magnetfeld-Einrichtung 15 zur Erzeugung eines Magnetfelds (hier dargestellt anhand der magnetischen Flussdichte B), welches den Kristallkörper2 des Magnetfeldsensors 1 und zumindest einen Teil des Mediums M durchdringt, und eine erfindungsgemäße Detektionseinheit 3. Eine Änderung der Prozessgröße und/oder Kenngröße des Mediums führt hier beispielsweise zu einer Änderung des Magnetfelds B, welches mittels des Magnetfeldsensors 1 , weicher eine erfindungsgemäße Detektionseinheit 3 umfasst, erfasst werden kann. Für die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 13 sind zahlreiche unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar.
Bezugszeichenliste
1 Magnetfeldsensor
2 Kristallkörper mit Fehlstelle
3 Detektionseinheit
4 Lichtquelle
5 Detektor
6 Anregeeinheit
7 (a,b) Vorrichtung zur Erzeugung des Anregesignals
8 Auswerteeinheit
9 (a,b) Lock-In
10 (a,b) Modulationseinheit
11 Recheneinheit
12 Mischer
13 Sensorvorrichtung
14 Behältnis
15 Magnetfeld-Einrichtung M Medium
W Wandung
LA Anregungslicht
LF Fluoreszenzlicht f Frequenz fi erste Frequenz f2 zweite Frequenz fG Grundfrequenz
Ai erstes Anregesignal
Ä2 zweites Anregesignal
AG Grundanregesignal fmod,i erstes Modulationssignal fmod, 2 zweites Modulationssignal fM zusätzliche Modulation
B Magnetfeld bzw. magnetische Flussdichte
Y gyromagnetisches Verhältnis

Claims

WO 2022/242971 PCT/EP2022/060381Patentansprüche
1 . Detektionsvorrichtung (3) für einen Magnetfeldsensor (1 ) zur Detektion eines Magnetfelds mit einem Kristallkörper (2) mit zumindest einer Fehlstelle, umfassend eine Lichtquelle (4) zur optischen Anregung der Fehlstelle in dem Kristallkörper (2) mittels eines Anregungslichts (LA), eine Anregeeinheit (6) zur Erzeugung von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers (2), welche dazu ausgestaltet ist, ein erstes Anregesignal (Ai) mit zumindest einer ersten vorgebbaren Anregefrequenz (fi) und ein zweites Anregesignal (A2) mit einer zweiten vorgebbaren Anregefrequenz (f2) zu erzeugen, einen Detektor (5) eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (LF) von dem Kristallkörper (2), und - eine Auswerteeinheit (8), welche dazu ausgestaltet ist o die erste (fi) und/oder zweite Anregefrequenz (f2) des ersten (Ai) und/oder zweiten Anregesignals (A2) ausgehend von dem Fluoreszenzsignal (LF) ZU bestimmen derart, dass das Fluoreszenzsignal (LF) als Funktion der Frequenz (f) bei der ersten (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) ein Minimum aufweist, und o anhand der ersten (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) eine Aussage über das Magnetfeld zu ermitteln.
2. Detektionseinheit (3) nach Anspruch 1 , wobei es sich bei der Aussage über das Magnetfeld um die magnetische Permeabilität, die magnetische Suszeptibilität oder die magnetische Flussdichte handelt.
3. Detektionseinheit (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anregeeinheit eine Vorrichtung (7) zur Erzeugung zumindest eines Anregesignals (A), insbesondere einen spannungsgesteuerten Oszillator, umfasst.
4. Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (8) eine Recheneinheit (11 ) umfasst, in welcher zumindest ein Algorithmus, insbesondere ein Variationsalgorithmus oder ein multivariabler Regressionsalgorithmus, zur Bestimmung der ersten (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) anhand des Fluoreszenzsignals (LF) hinterlegt ist.
5. Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (8), insbesondere die Recheneinheit (11), dazu ausgestaltet ist, einen Extremwert einer integralen Intensität des Fluoreszenzsignals (I_F) ZU ermitteln, und die erste (fi) und/oder zweite Anregefrequenz (f2) anhand des Extremwerts zu bestimmen.
6. Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (8) dazu ausgestaltet ist, zumindest ein Modulations- Anregesignal (Am0d) mit einer vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz (W zu erzeugen, welches dem ersten (Ai) und/oder zweiten Anregesignal (A2) überlagerbar ist.
7. Detektionseinheit (3) nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinheit (8), insbesondere eine Recheneinheit (11), dazu ausgestaltet ist, die Modulations-Anregefrequenz (W derart zu bestimmen, dass sie proportional zur Differenz aus der ersten (fi) und zweiten Anregefrequenz (f2) ist.
8. Detektionsvorrichtung (3) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Anregeeinheit (6) eine Mischeinheit (12) umfasst, und wobei die Anregeeinheit (6) dazu ausgestaltet ist, ein Grund-Anregesignal (AG) mit einer Grund-Anregefrequenz (ίb) und ein Modulations- Anregesignal (Am0d) mit einer Modulations-Anregefrequenz (W zu erzeugen, und das erste (Ai) und zweite Anregesignal (A2) derart zu erzeugen, dass die erste Anregefrequenz (fi) aus einer Summe der Grund-Anregefrequenz (ίb) und der Modulationsfrequenz (W und die zweite Anregefrequenz (f2) aus einer Differenz der Grund-Anregefrequenz (ίb) und der Modulationsfrequenz (W gebildet ist.
9. Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anregeeinheit (6) eine erste Vorrichtung (7a) zur Erzeugung des ersten Anregesignals (Ai) mit der ersten vorgebbaren Anregefrequenz (fi) und eine zweite Vorrichtung (7b) zur Erzeugung des zweiten Anregesignals (A2) mit der zweiten vorgebbaren Anregefrequenz (f2) aufweist.
10. Detektionseinheit (3) nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinheit (8) dazu ausgestaltet ist, ein erstes Modulations-Anregesignal (Amod,i) mit einer ersten vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz (Wu) zur Modulation des ersten Anregesignals (Ai) und ein zweites Modulations-Anregesignal (Am0d,2) mit einer zweiten vorgebbaren Modulations-Anregefrequenz (W ) zur Modulation des zweiten Anregesignals (A2) zu erzeugen. WO 2022/242971 PCT/EP2022/060381
11. Detektionseinheit (3) nach Anspruch 10, wobei die Auswerteeinheit (8) dazu ausgestaltet ist, die erste (fi) und zweite Anregefrequenz (f2) anhand der ersten (Wu) und zweiten Modulations-Anregefrequenz (W ) zu erkennen.
12. Magnetfeldsensor (1) zur Detektion eines Magnetfelds, umfassend eine Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.
13. Sensorvorrichtung (13) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und/oder Kenngröße eines Mediums (M) in einem Behältnis (14), umfassend einen Kristallkörper (2) mit zumindest einer Fehlstelle, eine Magnetfeld-Einrichtung (15) zur Erzeugung eines Magnetfelds (B), wobei die Magnetfeld-Einrichtung (derart angeordnet ist, dass mittels der Magnetfeld- Einrichtung ein Magnetfeld im Bereich des Kristallkörpers und im Bereich des sich innerhalb des Behältnisses befindenden Mediums erzeugbar ist, eine Detektionseinheit (3) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, und wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgestaltet ist, zumindest eine Aussage über die Prozessgröße anhand der Aussage über das Magnetfeld zu ermitteln.
14. Sensorvorrichtung (13) nach Anspruch 13, wobei es sich bei dem Kristallkörper (2) um einen Diamanten mit zumindest einer Silizium- oder Stickstoff- Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium- Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handelt.
15. Verfahren zur Detektion eines Magnetfelds (B) mittels eines Magnetfeldsensors (1) mit einem Kristallkörper (2) mit zumindest einer Fehlstelle, umfassend folgende Verfahrensschritte: optisches Anregen der Fehlstelle des Kristallkörpers (2) mittels eines Anregungslichts (LA),
Erzeugen von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung im Bereich des Kristallkörpers (2) mittels eines erstes Anregesignals (Ai) mit zumindest einer ersten vorgebbaren Anregefrequenz (fi) und eines zweiten Anregesignals (A2) mit einer zweiten vorgebbaren Anregefrequenz (f2),
Detektieren eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals (LF) von dem Kristallkörper (2),
Bestimmen der ersten (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) des ersten (Ai) und/oder zweiten Anregesignals (A2) ausgehend von dem Fluoreszenzsignal (I_F) derart, dass das Fluoreszenzsignal (I_F) als Funktion der Frequenz (f) bei der ersten (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2) ein Minimum aufweist, und
Ermitteln einer Aussage über das Magnetfeld (B) anhand (fi) und/oder zweiten Anregefrequenz (f2).
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