JP2012220407A - 磁気測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、常温環境で、低消費電力で、作業効率よく高感度の磁気測定が行える磁気測定装置を実現すること。
【解決手段】真空中の自由電子スピンに基づき磁気を測定する磁気測定装置であって、真空セルおよび真空セル７の内部に設けられるカソード電極、アノード電極、電子源、励磁コイルおよび検出コイルなどの構成要素は、ＭＥＭＳ技術で形成されることを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気測定装置に関し、詳しくは、真空中の自由電子スピンに基づき磁気を測定する磁気検出感度の優れた磁気測定装置に関する。

ｆＴ（フェムトテスラ：１０^-15）レベルの高感度を有する磁気測定装置の一種に、非特許文献１に記載されているような、ルビジウム（Ｒｂ）原子ガスの光−磁気相互作用に基づく光吸収の効果を応用したものがある。

図６は、このような従来の磁気測定装置の概略構成説明図である。
図６において、磁気検出セル１は、ルビジウム原子ガスが密封された透明セルである。磁気検出セル１には、内部のルビジウムを１５０℃程度に加熱して蒸気を発生させるためのヒーター２が設けられている。

ヒーター２は、磁気検出セル１の内部が所定の設定温度になるように、電源制御部３により駆動制御される。

半導体レーザ４は、磁気検出セル１を照射する。半導体レーザ４の出力光は、直線偏光ビームを円偏光ビームに変換する光学素子５を介して光磁気検出セル１に照射される。

受光素子６は、光磁気検出セル１の透過光を検出して電気信号に変換する。

このような構成において、磁気検出セル１が１５０℃程度に加熱されていて、内部のルビジウムが気化しているものとする。

この状態で、磁気検出セル１の外部に磁気が存在すると、磁気の大きさに応じて磁気検出セル１の内部に密封されているルビジウム原子ガスのエネルギー準位が変化し、このエネルギー準位に応じて透過光の特定波長の光が吸収されることになり、受光素子６により検出される磁気検出セル１の透過光の光量も変化する。

図６の装置における磁気の測定原理について、非特許文献１によれば、「ＳＥＲＦ(spin-exchange relaxation free)」とされている。すなわち、「一般に、気体を構成する原子や分子は、ランダムに動いて衝突を繰り返しているが、弱い磁場中で温度を１５０℃程度に保つと、１０msec程度と比較的長い時間、原子同士が互いに衝突することなくある種の集団行動を取る。」とのことである。

このように、磁気検出セル１の光吸収量は外部の磁気強度と比例することから、受光素子６で磁気検出セル１の透過光の強度を検出することにより、外部の磁気の大きさを測定できる。

非特許文献１の報告によれば、外径寸法が３mm×２mm×１mmの磁気検出セル１と、数ｍＷと低出力の赤外線半導体レーザ４を用いて、７０ｆＴの微弱磁気が測定できたとのことである。

VISHAL SHAH 外３名、ＮＩＳＴ（国立標準技術研究所）、「Subpicotesla atomic magnetometry with a microfabricated vapor cell」、[online]、Published online:November1, 2007、nature photonics/VOL1/NOVEMBER 2007/www.nature.com/naturephotonics、p.649-652、(USA)、[平成２２年１２月１日検索]、インターネット<URL:http://tf.nist.gov/timefreq/general/pdf/2219.pdf>

しかし、図５の装置は、磁気検出セル１を１５０℃程度に加熱しなければならないことから、磁気検出セル１に用いる材質が限定されてしまうとともに、構成が複雑になる。

また、常温で使うことはできず、取り扱い操作は困難であり、加熱用電源が低消費電力化の阻害要因になるという問題もある。

さらに、磁気測定にあたっては、半導体レーザの出力光の偏光を調整したり、光強度の測定結果を変換しなければならず、相当の作業工数がかかってしまう。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、常温環境で、低消費電力で、作業効率よく高感度の磁気測定が行える磁気測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
真空中の自由電子スピンに基づき磁気を測定する磁気測定装置であって、
真空セルと、
この真空セルの内部の一端近傍に配置され接地電位点に接続されたカソード電極と、
前記真空セルの内部の他端近傍に配置されたアノード電極と、
前記カソード電極の中央部分に設けられた電子源と、
前記アノード電極に正電極が接続された電界放出用電源と、
これらカソード電極とアノード電極の間に中心軸が一致するように前記カソード電極の近傍に配置された励磁コイルおよび前記アノード電極の近傍に配置された検出コイルと、 前記励起コイルに接続された励磁電源と、
前記検出コイルに接続された電圧測定器、
とで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の磁気測定装置において、
前記電子源はカーボンナノチューブで形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の磁気測定装置において、
前記電子源は多孔質シリコンで形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載された磁気測定装置において、前記真空セルおよびこの真空セルの内部に設けられる構成要素はＭＥＭＳ技術により形成されることを特徴とする。

これらにより、比較的簡単な構成で、常温環境で、低消費電力で、作業効率よく高感度の磁気測定が行える。

本発明の一実施例を示す磁気測定装置の構成説明図である。 図１の動作説明図である。 図１の動作説明図である。 図１の動作説明図である。 図１の動作説明図である。 従来の磁気測定装置の概略構成説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す磁気測定装置の構成説明図である。図１において、真空セル７の内部の一端近傍にはカソード電極８が配置され、他端近傍にはカソード電極８と対向するようにアノード電極９が配置されている。

カソード電極８は接地電位点に接続され、カソード電極８の中央部分にはカーボンナノチューブや多孔質シリコンなどで形成された電子源１０が設けられている。アノード電極９には電界放出用電源１１の正電極が接続されている。

電界放出用電源１０としては、たとえば印加電圧が１６Ｖで、放出電流密度は１０^-5Ａ／ｃｍ²の出力容量を有するものを用いる。

これらカソード電極８とアノード電極９の間には、中心軸が一致するようにして励磁コイル１２と検出コイル１３が配置されている。すなわち、励磁コイル１２はカソード電極８の近傍に配置され、検出コイル１３はアノード電極９の近傍に配置されている。

なお、真空セル７および真空セル７の内部に設けられるカソード電極８、アノード電極９、電子源１０、励磁コイル１２および検出コイル１３などの構成要素は、ＭＥＭＳ技術を用いることにより低コストで製造できる。

励起コイル１１には励磁電源１４が接続され、検出コイル１３には電圧測定器１５が接続されている。励磁電源１４としては、たとえば周波数が数１００ＭＨｚで出力パルス電流の振幅が１００ｍＡのパルス電流源を用いる。電圧測定器１５としては、たとえば０．１〜１Ｖの直流電圧が測定できるものを用いる。

このように構成される装置の動作を説明する。
図２は、外部磁場Ｈｅｘが存在しない状態で励磁コイル１２に励起電流を流さない場合の励磁コイル１２の断面における電子スピンの状態説明図である。このときの電子スピンは、それぞれが外部の影響を受けることなく完全に自由な状態にあり、電子スピンの向きは全く規則性のないランダムな方向になっている。

図２の状態では、励磁コイル１２に励起電流が流れていないので検出コイル１３に電磁誘導による起電力が発生することはなく、電圧測定器１５の入力電圧は０になる。

図３は、外部磁場Ｈｅｘが存在しない状態で励磁コイル１２に励起電流を流した場合の励磁コイル１２の断面における電子スピンの状態説明図である。励磁コイル１２に励起電流を流すことにより、励磁コイル１２にはコイルの断面を貫く方向に磁束が発生する。このときの電子スピンは、磁束の影響を受けておおむね磁束の方向を向くことになる。

図３の状態では、励磁コイル１２の励起に伴って検出コイル１３には磁束の電磁誘導により、コイルの断面に存在する磁束密度に比例した起電力が発生する。電圧測定器１５の入力電圧はこれら磁束の電磁誘導による起電力に応じた値になる。

図４は、外部磁場Ｈｅｘが存在する状態で励磁コイル１２に励起電流を流さない場合の励磁コイル１２の断面における電子スピンの状態説明図である。このときのセル７内の電子スピンは外部磁場Ｈｅｘの影響を受けることになる。すなわち、電子スピンの向きに着目すると、外部磁場Ｈｅｘの方向に沿うようになり、一定方向に偏ることになる。

図４の状態でも、励磁コイル１２に励起電流が流れていないので検出コイル１３に電磁誘導による起電力が発生することはなく、電圧測定器１５の入力電圧は０になる。

図５は、外部磁場Ｈｅｘが存在する状態で励磁コイル１２に励起電流を流した場合の励磁コイル１２の断面における電子スピンの状態説明図である。このときのセル７内の電子スピンは前述図４のように外部磁場Ｈｅｘの影響を受けて外部磁場Ｈｅｘの方向に沿うように一定方向に偏るとともに、励磁コイル１２にはコイルの断面を貫く方向に磁束が発生することからさらに磁束の影響も受けることになる。

すなわち、単位時間当たりの磁束変化はコイルの断面に存在し、かつコイルの断面を貫くように変化できる電子スピンの数に比例する。そして、電圧測定器１５の入力電圧はこれらコイルの断面を貫くように変化する電子スピンの数に比例した起電力に応じた値になる。

これらから明らかなように、電圧測定器１５に入力される起電力は、外部磁場Ｈｅｘの有無に応じてその値が増減変化する。したがって、電圧測定器１５の測定値に基づき、外部磁場Ｈｅｘの大きさを求めることができる。

図１の構成によれば、図５に示した従来装置のようなヒーター２や電源制御部３は不要であり、常温状態で外部磁場Ｈｅｘの測定が行える。

また、磁気検出用媒体として特定の材料を用いなくてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、常温環境で、低消費電力で、作業効率よく高感度の磁気測定が行える磁気測定装置を実現でき、脳磁や心磁などの生体測定をはじめ各種の磁気測定装置として好適である。

７ 真空セル
８ カソード電極
９ アノード電極
１０ 電子源
１１ 電界放出用電源
１２ 励磁コイル
１３ 検出コイル
１４ 励磁電源
１５ 電圧測定器

Claims (4)

1. 真空中の自由電子スピンに基づき磁気を測定する磁気測定装置であって、
   真空セルと、
   この真空セルの内部の一端近傍に配置され接地電位点に接続されたカソード電極と、
   前記真空セルの内部の他端近傍に配置されたアノード電極と、
   前記カソード電極の中央部分に設けられた電子源と、
   前記アノード電極に正電極が接続された電界放出用電源と、
   これらカソード電極とアノード電極の間に中心軸が一致するように前記カソード電極の近傍に配置された励磁コイルおよび前記アノード電極の近傍に配置された検出コイルと、 前記励起コイルに接続された励磁電源と、
   前記検出コイルに接続された電圧測定器、
   とで構成されたことを特徴とする磁気測定装置。
2. 前記電子源はカーボンナノチューブで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気測定装置。
3. 前記電子源は多孔質シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気測定装置。
4. 前記真空セルおよびこの真空セルの内部に設けられる構成要素はＭＥＭＳ技術により形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気測定装置。