EP4705754A1

EP4705754A1 - Magnetometer mit einem sensorkristall

Info

Publication number: EP4705754A1
Application number: EP24717651.4A
Authority: EP
Inventors: Andreas Brenneis; Timo Weggler; Florian Mauch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-05-03
Filing date: 2024-04-04
Publication date: 2026-03-11
Also published as: CN121175558A; WO2024227552A1; DE102023204094A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer (1) zur Erfassung eines Magnetfelds mit einer Anregungslichtquelle (2), die eingerichtet ist, einen Anregungsstrahl (3) zu emittieren, einem Sensorkristall (4), der mindestens einen magneto-optischen Defekt aufweist, und einer Einrichtung (8) zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes. Der Sensorkristall (4), die Einrichtung (9) zum Erzeugen des Mikrowellenfeldes und die Anregungslichtquelle (2) sind so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass der von der Anregungslichtquelle (2) emittierte Anregungslichtstrahl (3) eine Emission von Fluoreszenzstrahlung in dem mindestens einen magneto-optischen Defekt des Sensorkristalls (4) bewirkt und das Mikrowellenfeld im Sensorkristall (4) detektierbar ist. Das Magnetometer (1) weist weiter einen Detektor (5), der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er die emittierte Fluoreszenzstrahlung erfasst, und mindestens zwei Permanentmagneten (6) auf, die so angeordnet und eingerichtet sind, dass sie ein zumindest annähernd homogenes, statisches Magnetfeld im Sensorkristall (4) erzeugen. Der Sensorkristall (4) und die mindestens zwei Permanentmagneten (6) sind dabei auf einem gemeinsamen Positionierelement (7) angeordnet.

Description

Beschreibung

Titel MAGNETOMETER MIT EINEM SENSORKRISTALL

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer zum Erfassen eines Magnetfelds sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Magnetometers.

Stand der Technik

Zur Erfassung eines Magnetfelds werden sogenannte NV-Magnetometer eingesetzt. Diese umfassen einen Diamanten, dessen Kristallgitter Defekte in Form von NV-Zentren aufweist. In einem NV-Zentrum besetzt ein Stickstoffatom den Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms, wobei in direkter Nachbarschaft zu dem Stickstoffatom - wiederum auf dem Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms - eine Fehlstelle angeordnet ist. Wird ein solches Kristallgitter mit Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 490 nm und 575 nm bestrahlt, so wird in dem Kristallgitter ein elektronischer Übergang von einem Grundzustand ³A2 in einen angeregten Zustand ³E induziert. Aus dem angeregten Zustand ³E relaxiert das NV-Zentrum unter Emission von Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 750 nm wieder in den Grundzustand ³A2. Der Grundzustand ³A2 besitzt drei magnetische Unterzustände mit m_s=0, m_s=±1. Die Zustände mit m_s=0 und m_s=±1 unterscheiden sich durch eine Energiedifferenz von 2,87 GHz (Zero Field Splitting). Der angeregte Zustand ³E besitzt ebenfalls drei magnetische Unterzustände mit m_s=0, m_s=±1. Wird nun das NV-Zentrum im Grundzustand ³A2 einem Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 2,87 GHz ausgesetzt, so oszilliert das NV-Zentrum zwischen dem m_s=0, ³A2 - Grundzustand und dem m_s=±1 , ³A2 -Grundzustand. Bei einer Bestrahlung mit der Anregungsstrahlung wird das NV-Zentrum nun zum Teil aus dem m_s=±1 , ³A2- Grundzustand in den angeregten m_s=±1 , ³E-Zustand versetzt. Von dort relaxiert es überwiegend strahlungslos wieder in den Grundzustand. Misst man die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz des Mikrowellenfelds, so ergibt sich bei einer Frequenz von 2,87 GHz ein plötzlicher Abfall der Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (ein sogenannter Dip). Der Abfall der Amplitude der Fluoreszenzstrahlung lässt sich damit erklären, dass - bei Einstrahlung eines Mikrowellenfelds mit einer Frequenz von 2,87 GHz - weniger NV-Zentren im m_s=0, ³A2 -Grundzustand zur Verfügung stehen, die optisch angeregt werden und unter Aussendung von Fluoreszenzstrahlung in den m_s=±1 , ³A2 -Grundzustand relaxieren können.

In einem äußeren Magnetfeld spaltet der m_s=±1 , ³A2 -Grundzustand in zwei Zustände mit der Spinquantenzahl m_s=1 und m_s=-1 auf (Zeemann-Effekt). Misst man nun die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung unter Veränderung der Frequenz des Mikrowellenfelds, so erhält man zwei Dips. Die Frequenzen, bei denen diese Dips auftreten, hängen von der Größe der Aufspaltung des m_s=±1 , ³A2 -Grundzustands und damit von der Feldstärke des äußeren Magnetfelds ab. Auf diese Weise lässt sich die Feldstärke eines äußeren Magnetfelds bestimmen.

Mit einem solchen Magnetometer lässt sich auch die Richtung des äußeren Magnetfelds bestimmen. Hierzu wird ausgenutzt, dass das NV-Diamantgitter NV- Zentren in vier verschiedenen Orientierungen aufweist, die zu dem äußeren Magnetfeld jeweils verschiedene Winkel einnehmen und demnach bei verschiedenen Frequenzen des Mikrowellenfelds in die beiden Zustände mit der Spinquantenzahl m_s=1 und m_s=-1 aufspalten. Es ergibt sich also in Gegenwart eines äußeren Magnetfelds ein Spektrum mit acht Dips. Aus der relativen Lage der Dips lassen sich die Vektorkomponenten des äußeren Magnetfelds berechnen. Um ein gut aufgelöstes Spektrum zu erhalten, ist es zur Messung der Richtung des äußeren Magnetfelds notwendig, ein zusätzliches, möglichst homogenes, statisches Magnetfeld in dem NV-Diamanten zu erzeugen, das in einem polaren und in einem azimutalen Winkel relativ zu den Kanten des üblicherweise als Würfel oder Quader ausgebildeten NV-Diamanten verläuft.

Dies ist beispielsweise in der US 2019/0018091 A1 beschrieben. Hierin wird das statische Magnetfeld durch mehrere Permanentmagnete erzeugt, die in einer Halbach-Konfiguration angeordnet sind. Die Permanentmagnete werden dabei von einem Rahmen gehalten, der an einer Basis befestigt ist. An dieser Basis ist auch der NV-Diamant angebracht. Die Permanentmagnete sind entlang des Umfangs des Rahmens in den Rahmen eingebracht, wobei der Rahmen entlang seiner Hauptebene senkrecht zu der Basis ausgerichtet ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Magnetometers. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Das erfindungsgemäße Magnetometer weist eine Anregungslichtquelle, einen Sensorkristall, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes, einen Detektor und mindestens zwei Permanentmagneten auf. Die Anregungslichtquelle ist dazu eingerichtet, einen Anregungsstrahl zu emittieren. Bei der Anregungslichtquelle kann es sich um einen Diodenlaser handeln. In diesem Fall ist der Anregungsstrahl als Laserstrahl ausgebildet. Der Sensorkristall weist mindestens einen magneto-optischen Defekt auf. Der Sensorkristall kann ein Kristallgitter aufweisen. Bei dem Kristallgitter kann es sich um das Kristallgitter eines Diamanten handeln, das als Defekt mindestens ein NV-Zentrum, d.h. eine Fehlstelle und ein zur Fehlstelle benachbartes Stickstoffatom, das einen Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms besetzt, aufweist. Der Sensorkristall, die Einrichtung zum Erzeugen des Mikrowellenfeldes und die Anregungslichtquelle sind so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass der von der Anregungslichtquelle emittierte Anregungslichtstrahl eine Emission von Fluoreszenzstrahlung in dem mindestens einen magneto-optischen Defekt des Sensorkristalls bewirkt und das Mikrowellenfeld im Sensorkristall detektierbar ist. Dabei kann es sich bei dem Anregungslichtstrahl um einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 490 nm und 575 nm, bei der Fluoreszenzstrahlung um Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 750 nm handeln.

Das Magnetometer weist weiter einen Detektor auf, der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er die emittierte Fluoreszenzstrahlung erfasst. Bei dem Detektor kann es sich um einen Photodetektor handeln, der in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 750 nm sensitiv ist. Weiter weist das Magnetometer mindestens zwei Permanentmagneten auf, die so angeordnet und eingerichtet sind, dass sie ein zumindest annähernd homogenes, statisches Magnetfeld im Sensorkristall erzeugen. Dabei kann das von den mindestens zwei Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld grundsätzlich homogene und weniger homogene Bereiche aufweisen. Es ist vorteilhaft, den Sensorkristall in einem möglichst homogenen Bereich des Magnetfelds zu positionieren. Hierzu werden der Sensorkristall und die mindestens zwei Permanentmagneten auf einem gemeinsamen Positionierelement angeordnet. Die relativen Positionen zwischen den Permanentmagneten und dem Sensorkristall können so auf einfache Art und Weise definiert werden, bspw. indem Passermarken auf das Positionierelement aufgebracht werden. Diese können dann beim Zusammenbau der einzelnen Komponenten als Bezugspunkte zum Referenzieren dienen. Die Positionen des Sensorkristalls und der Permanentmagnete können auf diese Weise sehr genau bestimmt und eingehalten werden. Weiter können die mindestens zwei Permanentmagnete und der Sensorkristall auf diese Weise platzsparend angeordnet werden, so dass das Magnetometer kompakt ausgebildet werden kann.

Der Detektor kann zwischen Sensorkristall und Positionierelement angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist der Detektor mit Hilfe eines Klebstoffes an dem Sensorkristall und/oder an dem Positionierelement befestigt. Der Anregungsstrahl wird insbesondere an einer dem Detektor gegenüberliegenden Seitenfläche des Sensorkristalls in den Sensorkristall eingekoppelt werden. Der Sensorkristall kann dabei als Polyeder, insbesondere als Würfel, Quader oder Pyramidenstumpf ausgebildet sein. Es können alternativ oder zusätzlich weitere Detektoren an derselben oder an anderen Seitenflächen des Sensorkristalls angeordnet sein. Eine solche Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung und eine sehr hohe Sensitivität des Magnetometers.

Der Sensorkristall und der Detektor können auf einem gemeinsamen Auflageelement angeordnet sein. Das Auflageelement ist dabei auf dem gemeinsamen Positionierelement angeordnet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, das Magnetometer auf einfache Art und Weise zusammenzubauen, da zunächst einzelne Baugruppen zusammengebaut werden können, die dann zu einem Gesamtaufbau zusammengefügt werden können.

Die mindestens zwei Permanentmagnete und der Sensorkristall können so auf dem Positionierelement angeordnet sein, dass das von den mindestens zwei Permanentmagneten erzeugte homogene, statische Magnetfeld in einem polaren Winkel relativ zu einer ersten Kante des Sensorkristalls und in einem azimutalen Winkel relativ zu einer zweiten Kante des Sensorkristall verläuft, wobei der polare Winkel vorzugsweise zwischen 5° und 20° beträgt Der Sensorkristall ist dabei als Diamantkristall mit den Kristallebenen {100}, {010} und {001} ausgebildet. Der polare Winkel ist dann als Winkel zwischen der Normalen der {001} Kristallebene und dem statischen Magnetfeld definiert. Der azimutale Winkel ist als Winkel zwischen der Normalen der {100} Kristallebene und der Projektion des Magnetfeldvektors des statischen Magnetfelds auf die {001} Kristallebene definiert. Um ein möglichst gut aufgelöstes Spektrum zu erhalten, kann der polare Winkel zwischen 5° und 20°, vorzugsweise zwischen 8° und 15°, besonders bevorzugt 11 ,2° betragen. Der azimutale Winkel kann zwischen 17° und 35°, bevorzugt bei 26,6° (d.h. in einem Winkelbereich von etwa ±9° um 26,6°) liegen. Eine solche Anordnung des Sensorkristalls in Bezug auf das statische Magnetfeld, und damit in Bezug auf die Ausrichtung und Lage der Permanentmagnete, ermöglicht eine besonders kompakte Bauform des Magnetometers.

Das Positionierelement kann als ein flächiges Bauteil ausgeführt sein. Die Permanentmagnete können dabei so eingerichtet und angeordnet sein, dass das zumindest annähernd homogene, statische Magnetfeld in oder parallel zu einer Ebene des Positionierelements verläuft. In diesem Fall können die Kanten des Sensorkristalls in einem polaren und/oder azimutalen Winkel zu der Ebene des Positionierelements ausgerichtet sein. Der polare Winkel kann einen Wert zwischen 5° und 20°, vorzugsweise zwischen 8° und 15°, besonders bevorzugt 11 ,2° annehmen. Ein solches als Board oder Platte ausgeführtes Positionierelement ermöglicht wiederum eine besonders kompakte Ausgestaltung des Magnetometers.

Die mindestens zwei Permanentmagnete können entsprechend einer Halbach- Konfiguration angeordnet und ausgerichtet sein. Bei einer Halbach-Konfiguration handelt es sich um eine Anordnung von Permanentmagneten oder Permanentmagnetsegmenten entlang einer Vorzugsrichtung. Die Magnetisierungsrichtung benachbarter Permanentmagnete oder Permanentmagnetsegmente ist dabei jeweils um einen Winkel von 90° oder einem Winkel kleiner 90° gegeneinander entlang der Vorzugsrichtung gekippt. Die Vorzugsrichtung kann dabei entlang einer geraden Linie oder entlang einer Kreislinie verlaufen. Im Fall, dass die Vorzugsrichtung entlang einer Kreislinie verläuft, sind die Permanentmagnete entlang einer solchen, gedachten Kreislinie angeordnet. Um ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen, dreht sich bei einer solchen planar ausgebildeten, ringförmigen Halbach-Anordnung die Magnetisierungsrichtung benachbarter Permanentmagnete entlang eines Ringabschnitts von 180° einmal um 360°. Vorteilhaft ist eine Anordnung von mindestens vier Permanentmagneten gemäß einer Halbach-Konfiguration, wobei der Sensorkristall im Kreismittelpunkt angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung kann ein sehr homogenes, statisches Magnetfeld im Sensorkristall erzeugt werden.

Der Sensorkristall und der Detektor können auf dem gemeinsamen Auflageelement angeordnet sein, wobei das Auflageelement zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten hindurchgeführt ist. Alternativ können in dem Auflageelement Aussparungen vorgesehen sein, durch die ein oder mehrere Permanentmagnete durch das Auflageelement hindurchragen können. In diesem Fall sind bei einer Anordnung von beispielsweise vier Permanentmagneten drei der Permanentmagnete außerhalb des Auflageelement und einer der Permanentmagnete in einer solchen Aussparung angeordnet.

In solchen Anordnungen können sowohl das Positionierelement als auch das Auflageelement als ebene, flächige Bauteile ausgestaltet sein. Das Positionierelement, auf dem die Permanentmagneten angeordnet sind, kann dabei so in Bezug auf das Auflageelement positioniert sein, dass die Ebene des Auflageelements und die Ebene des Positionierelement in einem Winkel zwischen 5° und 20°, vorzugsweise zwischen 8° und 15°, besonders bevorzugt 11 ,2° zueinander ausgerichtet sind.

Eine solche Anordnung ermöglicht eine sehr genaue Positionierung der einzelnen Komponenten zueinander bei einem gleichzeitig sehr kompakten Aufbau.

Die Permanentmagnete können in zwei Lagen angeordnet sein. Hierzu werden mindestens vier Permanentmagnete benötigt. Eine erste der beiden Lagen kann in einer Ebene unterhalb des Sensorkristalls angeordnet sein, eine zweite Lage kann in einer Ebene oberhalb des Sensorkristalls angeordnet sein. Um die zweite Lage zu positionieren, können die Permanentmagnete der zweiten Lage an ein weiteres Aufnahmeelement angebracht sein, wobei die Permanentmagnete der zweiten Lage zwischen dem Sensorkristall und dem Aufnahmeelement angeordnet sind, so dass das Aufnahmeelement die Permanentmagnete von oben hält Eine solche Anordnung ermöglicht, dass ein besonders homogenes Magnetfeld erzeugt wird.

Das Positionierelement kann Vertiefungen aufweisen, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind. Die Permanentmagnete können in diesen Vertiefungen beispielweise durch eine Klebstoffschicht befestigt sein. Das Vorsehen von Vertiefungen in dem Positionierelement ermöglicht, die Permanentmagnete in Bezug auf den Sensorkristall, sowie die Permanentmagnete untereinander sehr genau zu positionieren.

Das Positionierelement kann zumindest abschnittsweise keilförmig und/oder stufenförmig ausgebildet sein. Das Vorsehen eines Keilwinkels ermöglicht es, die Permanentmagnete auf verschiedenen Höhen des Positionierelements anzuordnen und so den Winkel zwischen der Magnetfeldebene und den Kanten des Sensorkristalls auf einfache Art und Weise einzustellen. Dasselbe kann durch eine stufenförmige Ausgestaltung des Positionierelements erreicht werden.

Das Auflageelement und/oder das Positionierelement können als Leiterplatte ausgestaltet sein. Dies ermöglicht eine vereinfachte Anordnung insbesondere des Detektors auf dem Auflageelement und/oder dem Positionierelement.

Die Permanentmagnete können als Zylinder, Würfel oder Quader ausgestaltet sein. Das Vorsehen mindestens einer geraden Fläche ermöglicht eine besonders einfache Fertigung der Permanentmagnete und eine problemlose Befestigung der Permanentmagnete an dem Positionierelement.

Der Sensorkristall kann als Polyeder mit mindestens einem von 90° abweichenden Winkel zwischen zwei aneinandergrenzenden Flächen ausgebildet ist. Hierdurch kann die Empfindlichkeit des Magnetometers erhöht werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetometers mit den genannten Vorteilen. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne dass der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Magnetometer, bei dem ein Sensorkristall und zwei Permanentmagneten auf einem gemeinsamen Positionierelement angeordnet sind, in einer Seitenansicht.

Fig. 2 zeigt das Magnetometer aus Fig.1 in einer Draufsicht.

Fig. 3 zeigt ein Magnetometer, bei dem ein Sensorkristall auf einem Auflageelement angeordnet ist und das Auflageelement sowie eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf einem Positionierelement angeordnet sind, in einer Draufsicht.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Magnetometers mit einem Auflageelement und einem Positionierelement.

Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Magnetometers mit einem Auflageelement und einem Positionierelement.

Fig. 6 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Magnetometers mit einem Auflageelement und einem Positionierelement.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Magnetometer 1 mit einem Sensorkristall 4, einer

Anregungslichtquelle 2, einem Detektor 5, zwei Permanentmagneten 6, einer Einrichtung 9 zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes und einem Positionierelement 7. Es versteht sich, dass das Magnetometer 1 mehr als zwei Permanentmagnete 6 aufweisen kann. Die Anregungslichtquelle 2 ist dazu eingerichtet, einen Anregungslichtstrahl 3, insbesondere einen Laserstrahl in einem Wellenlängenbereich zwischen 490 nm und 575 nm, zu erzeugen und kann bspw. als Diodenlaser ausgebildet sein. Die Anregungslichtquelle 2 ist relativ zu dem Sensorkristall 4 so angeordnet, dass der Anregungslichtstrahl 3 direkt oder über eine oder mehrere Umlenkspiegel und/oder Strahlteiler auf den Sensorkristall 4 gelenkt werden kann. Der Sensorkristall 4 kann als Diamant, der Defekte in Form von NV-Zentren aufweist, ausgebildet sein. Unter einem NV- Zentrum wird dabei eine Fehlstelle in direkter Nachbarschaft zu einem Strickstoffatom, das einen Gitterplatz des Diamant- Kristallgitters besetzt, verstanden. Der Sensorkristall 4 emittiert daraufhin Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm und 750 nm, die von dem Detektor 5 erfasst wird. Der Sensorkristall 4 ist als Quader mit sechs Seitenflächen ausgebildet. Der Detektor 5 ist zwischen dem Sensorkristall 4 und dem Positionierelement 7 angeordnet. Der Anregungsstrahl 3 wird durch eine Seitenfläche des Sensorkristalls 4 eingekoppelt, die dem Detektor gegenüber liegt. Zusätzliche Detektoren können an den weiteren Seitenflächen des Sensorkristalls 4 angeordnet sein. Die Einrichtung 9 zum Erzeugen des Mikrowellenfelds ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls auf dem Positionierelement 7 angeordnet. Sie ist so ausgerichtet und eingerichtet, dass sie in dem Sensorkristall 4 ein Mikrowellenfeld in einem Frequenzbereich erzeugen kann, in dem die Spinzustände der verschiedenen NV-Zentren energetisch aufspalten. Die Permanentmagnete 6 sind so auf dem Positionierelement 7 angeordnet, dass sie zumindest bereichsweise ein weitgehend homogenes, statisches Magnetfeld erzeugen. Der Sensorkristall 4 ist dabei in einem weitgehend homogenen Bereich des Magnetfelds angeordnet. Die Kanten des Sensorkristalls sind in einem polaren und in einem azimutalen Winkel zur Ebene des Magnetfelds angeordnet. Der polare Winkel beträgt dabei zwischen 5° und 20°. Als besonders vorteilhaft hat sich ein polarer Winkel zwischen 8° und 15°, insbesondere von 11 ,2° herausgestellt. Die Ebene des Magnetfelds verläuft dabei parallel oder annähernd parallel zur Ebene des flächig, bspw. als Leiterplatte, ausgebildeten Positionierelements 7. Der Sensorkristall 4 kann dabei in einer in das Positionierelement 7 eingebrachte Vertiefung angeordnet sein. Alternativ hierzu kann der Sensorkristall 4 auch bspw. mit Hilfe eines Keilelements auf dem Positionierelement 7 angeordnet sein. Es versteht sich, dass auch die Permanentmagnete 6 in einem Winkel zu dem Sensorkristall 4 angeordnet sein können, so dass das Magnetfeld und der Sensorkristall 4 in einem polaren und azimutalen Winkel zueinander ausgerichtet sind.

In Figur 2 ist das Magnetometer 1 aus Figur 1 noch einmal in einer Draufsicht gezeigt. Vier Permanentmagneten 6 sind in einer Halbach Konfiguration bspw. entlang einer gedachten Kreislinie 10 angeordnet. Der Sensorkristall 4 ist in der Kreismitte, und damit in einem weitgehend homogenen Bereich des statischen Magnetfelds angeordnet.

Figur 3 zeigt ein Magnetometer 1 in Draufsicht, das zusätzlich zu dem Positionierelement 7 ein Auflageelement 8 aufweist. Der Sensorkristall 4 ist auf dem Auflageelement 8 angeordnet. Der Detektor 5 (in Fig.3 nicht dargestellt) ist zwischen dem Auflageelement 8 und dem Sensorkristall 4 angeordnet. Die Permanentmagnete 6 sind entsprechend einer Halbach-Konfiguration entlang einer Kreislinie auf dem Positionierelement 7 angeordnet. Der Sensorkristall 4 ist im Kreismittelpunkt des zugehörigen Kreises positioniert. Das Auflageelement 8 ist flächig, bspw. als Leiterplatte, ausgebildet und zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 6 angeordnet. Das Auflageelement 8 ist gegenüber einer oberen Fläche 12 des Positionierelements 7 um eine Achse 10 verkippt angeordnet, wobei die Achse 10 mittig zwischen zwei Permanentmagneten 6 durch den Sensorkristall 4 und damit durch den Kreismittelpunkt hindurch verläuft. Das Auflageelement 8 und die obere Fläche des Positionierelements 12 nehmen einen spitzen Winkel von bevorzugt 11 ,2° ein. Aufgrund der Ausrichtung von Auflageelement 8 und Positionierelement 7 zueinander sind zwei der Permanentmagneten 6 sind oberhalb der Ebene des Auflageelements 8 angeordnet, zwei weitere Permanentmagneten 6 sind unterhalb der Ebene des Auflageelements 8 angeordnet.

Figur 4 und Figur 5 zeigen jeweils ein solches Magnetometer 1 in einer Seitenansicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde der Detektor 5 in diesen Darstellungen nicht dargestellt. In Figur 4 ist ein Magnetometer 1 mit einem abschnittsweise keilförmigen Positionierelement 7 dargestellt. Das Positionierelement 7 weist an der oberen Fläche 12 Teilabschnitte auf, die parallel zu der Ebene des Auflageelements 8 ausgerichtet sind. Auf diesen Teilabschnitten ist das Auflageelement 8 positioniert. Ebenso weist das Positionierelement 7 an der oberen Fläche 12 Teilabschnitte auf, die in einem Keilwinkel, einem spitzen Winkel von bspw. 11 ,2°, zu dem als ebene Fläche ausgebildeten Auflageelement 8 angeordnet sind. Diese Teilabschnitte können auch als Basisflächen 14 von Vertiefungen 11 ausgebildet sein. Die Permanentmagnete 6 sind würfel-, Zylinder- oder quaderförmig geformt und mit einer ihrer Seitenflächen an den in dem Keilwinkel zu dem Auflageelement 8 ausgerichteten Teilabschnitten der oberen Fläche 12, insbesondere in den Vertiefungen 11 , des Positionierelements 7 angeordnet.

Figur 5 zeigt ein Magnetometer 1 mit einem abgestuften Positionierelement 7. Das Positionierelement 7 weist ausschließlich parallel zu der Ebene des Auflageelements 8 ausgerichtete Flächen auf. Diese können als Vertiefungen 11 ausgebildet sein, in denen ein Teil der Permanentmagneten 6 angeordnet ist. Die Vertiefungen 11 können dabei gegenüber der oberen Fläche 12 unterschiedlich tief ausgestaltet sein. Ein anderer Teil der Permanentmagneten 6 ist an der oberen Fläche 12 des Positionierelements 7 angeordnet. Aufgrund der Anordnung der Permanentmagneten 6 in unterschiedlichen Höhen ergibt sich ein relativ zu dem Auflageelement 8 in einem Winkel ausgerichtetes Magnetfeld.

Figur 6 zeigt ein Magnetometer 1 in Draufsicht, das ebenfalls zusätzlich zu dem Positionierelement 7 ein Auflageelement 8 aufweist. Der Sensorkristall ist auf dem Auflageelement 8 angeordnet. Der Detektor 5 (in Fig.6 nicht gezeigt) ist zwischen dem Auflageelement 8 und dem Sensorkristall 4 angeordnet. Die Permanentmagnete 6 sind entsprechend einer Halbach-Konfiguration auf dem Positionierelement 7 angeordnet. Das Auflageelement 8 ist dabei flächig, bspw. als Leiterplatte, ausgebildet. Der Sensorkristall 4 ist relativ zu den entlang einer Kreislinie angeordneten Permanentmagneten 6 mittig angeordnet. Das Auflageelement 8 ist gegenüber der oberen Fläche 12 des Positionierelements 7 entlang der Achse 10 um einen Winkel von 11 ,2° gekippt. Die Achse 10 verläuft - anders als bei den Magnetometern 1 aus Figur 3 bis 5 - durch zwei der Permanentmagneten 6 sowie durch den Sensorkristall 4 hindurch. Bei dieser Anordnung ist einer der Permanentmagneten 6 oberhalb oder in der Ebene des Auflageelements, ein weiterer Permanentmagnet 6 unterhalb der Ebene des Auflageelements 8 angeordnet.

Figur 7 bis 9 zeigen jeweils ein solches Magnetometer 1 in einer Seitenansicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde der Detektor 5 in diesen Darstellungen wiederum nicht dargestellt. In Figur 7 ist ein Magnetometer 1 mit einem abschnittsweise keilförmigen Positionierelement 7 dargestellt. Das Magnetometer 1 aus Figur 7 weist wiederum an seiner oberen Fläche 12 Teilabschnitte auf, die parallel zu der Ebene des Auflageelements 8 ausgerichtet sind. Auf diesen Teilabschnitten ist das Auflageelement 8 positioniert. Ebenso weist das Positionierelement 7 an seiner oberen Fläche 12 Teilabschnitte auf, die in einem Keilwinkel, einem spitzen Winkel von bspw. 11 ,2°, zu dem als ebene Fläche ausgebildeten Auflageelement 8 angeordnet sind. Diese Teilabschnitte können auch als Vertiefungen 11 ausgebildet sein. Die Permanentmagnete 6 sind würfel- , Zylinder- oder quaderförmig ausgebildet und mit einer ihrer Seitenflächen an den in dem Keilwinkel zu dem Auflageelement 8 ausgerichteten Teilabschnitten der oberen Fläche 12 des Positionierelements 7 angeordnet.

Das Positionierelement 7 des Magnetometers 1 aus Figur 8 weist wiederum ausschließlich parallel zu der Ebene des Auflageelements 8 ausgerichtete Flächen auf. Diese können als Vertiefungen 11 ausgebildet sein, in denen ein Teil der Permanentmagneten 6 angeordnet ist. Ein anderer Teil der Permanentmagneten 6 ist an der oberen Fläche 12 des Positionierelements 7 angeordnet. Aufgrund der Anordnung der Permanentmagneten 6 in unterschiedlichen Höhen ergibt sich ein relativ zu dem Auflageelement 8 in einem Winkel ausgerichtetes Magnetfeld.

Figur 9 zeigt das Magnetometer 1 aus Figur 8 mit dem Unterschied, dass die Permanentmagnete 6 geschliffene Unterseiten aufweisen. Die Permanentmagnete 6 können alternativ oder zusätzlich auch geschliffene Oberseiten aufweisen. Ober- und Unterseite der quader-, würfel- oder zylinderförmig ausgebildeten Permanentmagnete 6 sind nicht parallel zueinander ausgerichtet. Die Permanentmagnete 6 sind dabei auf unterschiedlichen Höhen angeordnet. Es ergibt sich somit eine Anordnung wie in Fig.7, nur dass die Flächen, auf denen die Permanentmagnete 6 angeordnet sind, bspw. die Vertiefungen 11 , parallel zu dem als ebene Fläche ausgebildeten Auflageelement 8 ausgebildet sind, während die Oberseiten der Permanentmagnete 6 in einem Keilwinkel, einem spitzen Winkel von bspw. 11 ,2°, zu dem als ebene Fläche ausgebildeten Auflageelement 8 ausgerichtet sind.

Claims

Ansprüche

1 . Magnetometer (1) zur Erfassung eines Magnetfelds mit einer Anregungslichtquelle (2), die eingerichtet ist, einen Anregungsstrahl (3) zu emittieren, einem Sensorkristall (4), der mindestens einen magneto-optischen Defekt aufweist, einer Einrichtung (8) zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes, wobei der Sensorkristall (4), die Einrichtung (9) zum Erzeugen des Mikrowellenfeldes und die Anregungslichtquelle (2) so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass der von der Anregungslichtquelle (2) emittierte Anregungslichtstrahl (3) eine Emission von Fluoreszenzstrahlung in dem mindestens einen magneto-optischen Defekt des Sensorkristalls (4) bewirkt und das Mikrowellenfeld im Sensorkristall (4) detektierbar ist, einem Detektor (5), der so ausgebildet und angeordnet ist, dass er die emittierte Fluoreszenzstrahlung erfasst; mindestens zwei Permanentmagneten (6), die so angeordnet und eingerichtet sind, dass sie ein zumindest annähernd homogenes, statisches Magnetfeld im Sensorkristall (4) erzeugen, wobei der Sensorkristall (4) und die mindestens zwei Permanentmagneten (6) auf einem gemeinsamen Positionierelement (7) angeordnet sind.

2. Magnetometer (1) nach Anspruch 1 , wobei der Detektor (5) zwischen Sensorkristall (4) und Positionierelement (7) angeordnet ist

3. Magnetometer (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensorkristall (4) und der Detektor (5) auf einem gemeinsamen Auflageelement (8) angeordnet sind und wobei das Auflageelement (8) auf dem gemeinsamen Positionierelement (7) angeordnet ist

4. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Permanentmagnete (6) und der Sensorkristall (4) so auf dem Positionierelement (7) angeordnet sind, dass das erzeugte homogene, statische Magnetfeld in einem polaren Winkel relativ zu einer ersten Kante des Sensorkristalls (4) und in einem azimutalen Winkel relativ zu einer zweiten Kante des Sensorkristall (4) verläuft, wobei der polare Winkel vorzugsweise zwischen 5° und 20° beträgt

5. Magnetometer (1) nach Anspruch 4, wobei Positionierelement (7) als ein flächiges Bauteil ausgeführt ist und wobei das erzeugte, zumindest annähernd homogene, statische Magnetfeld in einer Ebene des Positionierelements (7) verläuft.

6. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Permanentmagnete (6) entsprechend einer Halbach-Konfiguration angeordnet und ausgerichtet sind.

7. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens vier Permanentmagneten (6) aufweist, die entlang einer gedachten Kreislinie angeordnet sind, wobei der Sensorkristall (4) im Kreismittelpunkt angeordnet ist.

8. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkristall (4) und der Detektor (5) auf dem gemeinsamen Auflageelement (8) angeordnet sind und wobei das Auflageelement (8) zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten (6) hindurchgeführt ist.

9. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens vier Permanentmagnete (6) aufweist, wobei die Permanentmagnete (6) in zwei Lagen angeordnet sind, von denen eine oberhalb und eine unterhalb des Sensorkristalls (4) angeordnet ist.

10. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Positionierelement (7) Vertiefungen (9) aufweist, in denen die Permanentmagnete (6) positioniert sind.

11 . Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Positionierelement (7) zumindest teilweise keilförmig und/oder abgestuft ausgestaltet ist.

12. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auflageelement (8) und/oder das Positionierelement (7) als Leiterplatte insbesondere zur Aufnahme des Detektors (5) ausgestaltet ist.

13. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Permanentmagnete (6) als Würfel oder Quader ausgestaltet sind.

14. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkristall (4) als Polyeder mit mindestens einem von 90° abweichenden Winkel zwischen zwei aneinandergrenzenden Flächen ausgebildet ist.

15. Verfahren zum Betrieb eines Magnetometers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.