JP2019053025A - 高周波磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元的に広い範囲でほぼ均一な高周波磁場を生成し光検出磁気共鳴などの検出感度を高めることができる高周波磁場生成装置を得る。【解決手段】 ２つのコイルＬ１，Ｌ２は、電子スピン共鳴材料を挟んで所定の間隔で互いに平行に配置されている。高周波電源１は、その２つのコイルＬ１，Ｌ２に導通するマイクロ波の電流を生成する。２つの線路体Ｓ１，Ｓ２は、その２つのコイルＬ１，Ｌ２にそれぞれ接続され、その２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する。【選択図】 図２

Description

本発明は、高周波磁場発生装置に関するものである。

光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）では、サブレベルの準位と光学遷移準位とをもつ媒質に高周波磁場（マイクロ波）と光を同時に照射することで、サブレベル間の磁気共鳴による占有数の変化などが光信号により高感度で検出される。

通常、基底状態の電子が緑光で励起された後、基底状態に戻る際に赤光を発する。一方、例えば、ダイヤモンド構造中の窒素と格子欠陥（ＮＶＣ：Nitrogen Vacancy Center）中の電子は、２．８７ＧＨｚ前後の高周波磁場の照射により、基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍ_ｓ＝０）から、基底状態中のそれより高いエネルギー軌道のレベル（ｍ_ｓ＝±１）に遷移する。その状態の電子が緑光で励起されると、無輻射で基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍ_ｓ＝０）に戻るため発光量が減少し、この光検出より、高周波磁場により磁気共鳴が起こったかどうかを知ることができる。ＯＤＭＲでは、このような、ＮＶＣといった光検出磁気共鳴材料が使用される。

ある測定系では、ダイヤモンドサンプルの下に、スプリットリング式の共振器、あるいは、コイルまたはワイヤ式アンテナが設置され、その共振器からサンプルに対して、２．８７ＧＨｚ前後のマイクロ波領域の高周波磁場が照射され、高周波磁場および励起光を掃引して、検出装置により電子からの赤色光の減少点を検出することにより、上述のダイヤモンド構造の近くにある細胞の情報を獲得している（例えば非特許文献１参照）。

また、ある磁気計測装置は、電子スピン共鳴を利用したＯＤＭＲで磁気計測を行っている（例えば特許文献１参照）。この磁気計測装置においても１つのコイルでマイクロ波の磁場を生じさせている。

特開２０１２−１１０４８９号公報

Kento Sasaki, et. al., 「Broadband, large-area microwave antenna for optically-detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamode」REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 87, 053904 (2016)

しかしながら、上述のコイルやアンテナでは、非常に狭い範囲でしか３次元的に均一な高周波磁場を生成することができず、ＯＤＭＲの検出感度を高めることが困難である。例えば非特許文献１の場合では、図２０に示すように、半径がＲ（約７ｍｍ）である円形銅板のリングアンテナ式共振器が使用され、その中心にスリットが形成されており、さらに、そのスリットの先端に、半径ｒ（約０．５ｍｍ）の貫通穴が形成されている。そして、高周波電源から約２．８７ＧＨｚの電流を流すと、図２１に示すように、その円心から半径約１ｍｍの領域においては、均一の磁場が発生できるが、それ以外の領域、すなわち、この銅板面積の９８％の領域においては、磁場の強度がコイルの中心から徐々に下がり、ＯＤＭＲの検出に使用できない領域になる。なお、電気的検出磁気共鳴（ＥＤＭＲ：Electrically Detected Magnetic Resonance）など、電子スピン共鳴を利用した他の計測においても同様の問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、３次元的に広い範囲でほぼ均一な高周波磁場を生成し、電子スピン共鳴を利用した計測での検出感度を高めることができる高周波磁場生成装置を得ることを目的とする。

本発明に係る高周波磁場発生装置は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置された２つのコイルと、その２つのコイルに導通するマイクロ波の電流を生成する高周波電源と、その２つのコイルに接続され、その２つのコイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する伝送線路部とを備える。

また、本発明に係る高周波磁場発生装置は、高周波電源と、少なくとも２対のコイルと、その２対のコイルのそれぞれ一方のコイルの間の伝送線路とその２対のコイルのそれぞれ他方のコイルの間の伝送線路とを含む少なくとも２つの伝送線路とを備える。高周波電源は、その少なくとも２対のコイルのそれぞれの対となる２つのコイルに導通するマイクロ波の電流を生成する。そして、上述の少なくとも２対のコイルのそれぞれの対は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置され、また、上述の少なくとも２つの伝送線路は、上述の少なくとも２対のコイルのそれぞれのコイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する。

また、本発明に係る高周波磁場発生装置は、基板と、基板における貫通孔と、貫通孔内に配置された板状コイルと、板状コイルに導通するマイクロ波の電流を生成する高周波電源と、板状コイルに接続され、板状コイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する伝送線路部とを備える。板状コイルの断面の長手方向は、基板の垂直方向であり、板状コイルの４本のエッジ部分のうちの上端側の１本および下端側の１本は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置された２つのコイルとして機能する。

本発明によれば、３次元的に広い範囲でほぼ均一な高周波磁場を生成し、電子スピン共鳴を利用した計測での検出感度を高めることができる高周波磁場生成装置が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係る高周波磁場発生装置におけるコイルの配置を説明する斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図６は、本発明の実施の形態４に係る高周波磁場発生装置におけるコイルの配置の一例を説明する斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態５に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。 図９は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置における線路体の別の例を示す斜視図である。 図１０は、本発明の実施の形態７に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。 図１１は、本発明の実施の形態８に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図１２は、本発明の実施の形態８の変形例１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図１３は、本発明の実施の形態８の変形例２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図１４は、本発明の実施の形態９に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図１５は、本発明の実施の形態１０に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。 図１６は、本発明の実施の形態１１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態１２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。 図１８は、本発明の実施の形態１３に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。 図１９は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置から発する磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図２０は、従来のコイル型高周波発生装置の構成を示す回路図である。 図２１は、従来のコイル型高周波発生装置から発する磁場を示す図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態に係る高周波磁場発生装置におけるコイルの配置を説明する斜視図である。

本発明の実施の形態に係る高周波磁場発生装置は、少なくとも２つのコイルＬ１，Ｌ２を備える。２つのコイルＬ１，Ｌ２は、図１に示すように、所定の間隔（例えば、各コイルＬ１，Ｌ２の直径程度）で互いに平行に配置される。また、試料１０１は、光検出磁気共鳴材料（以下、ＯＤＭＲ材料という）としてのＮＶＣを有するダイヤモンドなどの板材１０２上に配置され、さらに、板材１０２は、試料板１０３に固定されている。そして、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、ＯＤＭＲ材料としてのＮＶＣを有する板材１０２を挟んで配置されている。なお、ＯＤＭＲ材料は、電子スピン共鳴材料の一種である。

２つのコイルＬ１，Ｌ２は、互いに同一の形状を有し、互いに同一の中心軸を有するように配置されている。また、ここでは、各コイルＬ１，Ｌ２の巻数は、ほぼ１ターン（１ターン未満）とされる。２つのコイルＬ１，Ｌ２には、マイクロ波の電流が導通し、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、それぞれ、同相で（つまり、各時点で同じ向きに）、マイクロ波としての交番磁場を生成する。この交番磁場がＯＤＭＲ材料に印加されるとともに、コイルＬ１，Ｌ２により生成される交番磁場とは別に、図示せぬ静磁場が印加される。そして、図示せぬ光学系によって、所定波長のレーザ光などの測定光がＯＤＭＲ材料に照射され、例えば特定波長の輻射光を観測することで、光検出磁気共鳴に基づく測定（磁気測定、ＮＶＣなどの方位、ＮＶＣなどの温度など）が行われる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。

図２に示すように、実施の形態１に係る高周波磁場発生装置は、さらに、高周波電源１と、２つの線路体Ｓ１，Ｓ２とを備える。

高周波電源１は、２つのコイルＬ１，Ｌ２に導通するマイクロ波の電流を生成する。具体的には、高周波電源１は、光検出磁気共鳴に必要な帯域（ここでは２．８７ＧＨｚ程度）のマイクロ波の電流を生成する。

２つの線路体Ｓ１，Ｓ２は、２つのコイルＬ１，Ｌ２にそれぞれ接続された伝送線路部であって、２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する。

なお、各線路体Ｓ１，Ｓ２は、１本の導電体の線路として構成されていてもよいし、抵抗素子、コンデンサ素子などを使用した分布定数回路として構成されていてもよい。

具体的には、実施の形態１では、図２に示すように、２つの線路体Ｓ１，Ｓ２のそれぞれの一端が開放されており、２つの線路体Ｓ１，Ｓ２のそれぞれの他端が２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの一端に接続されている。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの他端は電気的に互いに接続されており、その接続点に高周波電源１が接続されている。したがって、マイクロ波の電流が高周波電源１から２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの他端へ流入する。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、互いに同じ形状を有し、線路体Ｓ１，Ｓ２も、互いに同じ形状を有している。このようにすることで、高周波電源１から見て、コイルＬ１および線路体Ｓ１とコイルＬ２および線路体Ｓ２とは、互いに同じ高周波特性（つまり、同じ電気長）を有する。

例えば、コイルＬ１および線路体Ｓ１の電気長、並びにコイルＬ２および線路体Ｓ２の電気長が、λ／４（λ：マイクロ波の波長）である場合には、図２に示すような電流分布となり、コイルＬ１，Ｌ２は、定在波の節ではなく、定在波の腹の近傍に位置し、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れ、マイクロ波の磁場が誘起される。

例えば、高周波電源１が２．８７ＧＨｚのマイクロ波を生成する場合、波長が約１０ｃｍとなるため、コイルＬ１および線路体Ｓ１の電気長、並びにコイルＬ２および線路体Ｓ２の電気長は、約２．５ｃｍとされる。また、チューニングをしやすくするために、コイルＬ１，Ｌ２の長さは、線路体Ｓ１，Ｓ２の長さの１／２以下に設定されることが好ましい。

次に、実施の形態１に係る高周波磁場発生装置の動作について説明する。

高周波電源１がマイクロ波の交流電力を生成すると、マイクロ波の電流が、コイルＬ１および線路体Ｓ１、並びにコイルＬ２および線路体Ｓ２に進行していく。ここで、コイルＬ１および線路体Ｓ１の終端、並びにコイルＬ２および線路体Ｓ２の終端においてインピーダンスマッチングが取られていないので、コイルＬ１および線路体Ｓ１、並びにコイルＬ２および線路体Ｓ２において、図２に示すような定在波が形成される。

これにより、コイルＬ１，Ｌ２には、同相で同一の大きさの交番電流が導通する。コイルＬ１，Ｌ２に導通する電流によって、マイクロ波の磁場が形成される。コイルＬ１，Ｌ２が同軸でほぼ平行に配置されているため、コイルＬ１とコイルＬ２との間の空間では、磁場の方向がコイルＬ１，Ｌ２の中心軸に対してほぼ平行となり、磁場がほぼ一様となる。

以上のように、上記実施の形態１によれば、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、ＯＤＭＲ材料を挟んで所定の間隔で互いに平行に配置されている。高周波電源１は、その２つのコイルＬ１，Ｌ２に導通するマイクロ波の電流を生成する。２つの線路体Ｓ１，Ｓ２は、その２つのコイルＬ１，Ｌ２にそれぞれ接続され、その２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する。

これにより、コイルＬ１とコイルＬ２との間の空間に３次元的に広い範囲でほぼ均一な高周波磁場が生成される。これにより、ＯＤＭＲの検出感度を高めることができる。

なお、この実施の形態では、線路体Ｓ１，Ｓ２のそれぞれの一端が開放されているが、その開放端とグランドとの間に、例えば、同一電源（発振）周波数の下で十分高いインピーダンスを有する回路が接続されていてもよい。

また、図１に示すように、２つのコイルＬ１、Ｌ２はＯＤＭＲ材料を挟んで所定の間隔で互いに平行に配置されているが、ＯＤＭＲ材料は２つのコイルのＬ１、Ｌ２の一方側に配置されるようにしてもよい。この場合、共振の帯域が少し狭くなるが、ＯＤＭＲ材料の設置自由度が高くなるメリットがある。

また、図１では、板材１０２および試料板１０３は、磁場の向き（コイルＬ１，Ｌ２の中心軸の方向）に対して垂直に配置されているが、板材１０２および試料板１０３は、磁場の向き（コイルＬ１，Ｌ２の中心軸の方向）に対して傾斜して配置されるようにしてもよく、その場合でも一様な磁場が板材１０２に印加される。

実施の形態２．

図３は、本発明の実施の形態２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。実施の形態２に係る高周波磁場発生装置は、実施の形態１に係る高周波磁場発生装置と同様の構成を有するとともに、高周波電源１と２つのコイルＬ１，Ｌ２との間にインピーダンスマッチング部１１をさらに備える。

高周波電源１とコイルＬ１，Ｌ２との間にインピーダンスマッチングが取れていない場合には、高周波電源１からのマイクロ波がコイルＬ１，Ｌ２で反射してしまい、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れないため、高周波電源１とコイルＬ１，Ｌ２との間にインピーダンスマッチングが取れていない場合には、インピーダンスマッチング部１１が設けられる。これにより、インピーダンスマッチングが取られ、高周波電源１からのマイクロ波がコイルＬ１，Ｌ２へ伝播する。インピーダンスマッチング部１１としては、例えば抵抗素子（Ｒ）、容量素子（Ｃ）、インダクタンス素子（Ｌ）またはそれらの組み合わせなどが使用される。

なお、図３では、インピーダンスマッチング部１１が、コイルＬ１およびコイルＬ２の接続点と高周波電源１との間に配置されているが、２つのインピーダンスマッチング部１１を、コイルＬ１と高周波電源１との間、およびコイルＬ２と高周波電源１との間にそれぞれ配置するようにしてもよい。

また、後述の他の実施の形態に係る高周波磁場発生装置においても、同様のインピーダンスマッチング部を設けることが勿論可能である。その際、高周波電源１と２つの線路体とが接続されている場合には、高周波電源１と２つの線路体との間に同様のインピーダンスマッチング部が設けてもよい。

以上のように、上記実施の形態２によれば、コイルＬ１，Ｌ２や線路体Ｓ１，Ｓ２のみではインピーダンスマッチングが取られない場合でも、インピーダンスマッチングを取ることができる。

実施の形態３．

図４は、本発明の実施の形態３に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。実施の形態３に係る高周波磁場発生装置は、少なくとも２対のコイル（Ｌ１−ｉ，Ｌ２−ｉ）（ｉ＝１，・・・，ｎ；ｎ＞１）と、その２対のコイルのそれぞれ一方のコイルＬ１−ｉの間の線路体Ｓ１−ｊと２対のコイルのそれぞれ他方のコイルＬ２−ｉの間の線路体Ｓ２−ｊとを含む少なくとも２つの線路体Ｓ１−ｊ，Ｓ２−ｊとを備える。

実施の形態３では、高周波電源１は、上述の少なくとも２対のコイル（Ｌ１−ｉ，Ｌ２−ｉ）（ｉ＝１，・・・，ｎ）のそれぞれの対となる２つのコイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉに導通するマイクロ波の電流を生成する。

上述の少なくとも２対のコイル（Ｌ１−ｉ，Ｌ２−ｉ）のそれぞれの対は、ＯＤＭＲ材料を挟んで所定の間隔で互いに平行に配置される。例えば、コイルＬ１−１〜Ｌ１−ｎは、誘起されるマイクロ波の磁場が同相になるように配置され、コイルＬ２−１〜Ｌ２−ｎは、誘起されるマイクロ波の磁場が同相になるように配置される。つまり、コイルＬ１−１〜Ｌ１−ｎ，Ｌ２−１〜Ｌ２−ｎにより誘起されるマイクロ波の磁場が互いに同一の方向となる。

また、上述の少なくとも２つの線路体Ｓ１−ｊ，Ｓ２−ｊは、少なくとも２対のコイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉのそれぞれのコイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する伝送線路部である。例えば、すべての線路体Ｓ１−ｊ，Ｓ２−ｊの電気長はすべて互いに同一とされ、線路体Ｓ１−ｊとコイルＬ１−ｊとが交互に配置され、線路体Ｓ２−ｊとコイルＬ２−ｊとが交互に配置される。具体的には、線路体Ｓ１−ｊは、コイルＬ１−ｊとコイルＬ１−（ｊ＋１）との間に配置され、線路体Ｓ２−ｊは、コイルＬ２−ｊとコイルＬ２−（ｊ＋１）との間に配置され、末端の線路体Ｓ１−ｎおよび線路体Ｓ２−ｎの終端は、それぞれ、開放とされている。

例えば、コイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉは、互いに同一の形状を有し、互いに同一の中心軸を有するように配置される。ここでは、各コイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉの巻数は、ほぼ１ターン（１ターン未満）とされ、コイルＬ１−１〜Ｌ１−ｎおよびそれらの間の線路体Ｓ１−ｊの電気長、並びにコイルＬ２−１〜Ｌ２−ｎおよびそれらの間の線路体Ｓ２−ｊの電気長が、（２ｎ−１）λ／４である場合には、図４に示すような電流分布となり、すべてのコイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉは、定在波の節ではない位置に位置し、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れ、マイクロ波の磁場が誘起される。

以上のように、上記実施の形態３によれば、コイルＬ１−ｉ，Ｌ２−ｉの数が多いので、誘起される高周波磁場の強度を高くすることができる。

実施の形態４．

図５は、本発明の実施の形態４に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。図５に示すように、実施の形態４に係る高周波磁場発生装置は、２対のコイル（Ｌ１１，Ｌ２１），（Ｌ１２，Ｌ２２）と、伝送線路部としての２つの線路体Ｓ１１，Ｓ２１とを備える。

図６は、本発明の実施の形態４に係る高周波磁場発生装置におけるコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２の配置の一例を説明する斜視図である。図６に示すように、各コイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ１２，Ｌ２２の巻数は、ほぼ半ターンとなっており、コイルＬ１１とコイルＬ２２とが、対となり、同相でマイクロ波の磁場を誘起し、コイルＬ１２とコイルＬ２１とが、対となり、同相でマイクロ波の磁場を誘起する。

なお、各コイルＬ１１，Ｌ２１，Ｌ１２，Ｌ２２の巻数を、実施の形態１〜３と同様にほぼ１ターンとして、同相のコイルＬ１１，Ｌ２２を互いに近接して配置し（つまり、合計でほぼ２ターンとし）、同相のコイルＬ１２，Ｌ２１を互いに近接して配置するようにしてもよい。

また、実施の形態４では、２つのコイルＬ１２，Ｌ２２のそれぞれの一端が接地され、２つのコイルＬ１２，Ｌ２２のそれぞれの他端が２つの線路体Ｓ１１，Ｓ２１のそれぞれの一端に接続されており、また、２つの線路体Ｓ１１，Ｓ２１のそれぞれの他端が２つのコイルＬ１１，Ｌ２１のそれぞれの一端に接続され、２つのコイルＬ１１，Ｌ２１のそれぞれの他端が、互いに接続され、その接続点に高周波電源１に接続される。そして、マイクロ波の電流が、高周波電源１から、コイルＬ１１，Ｌ２１を介して、２つの線路体Ｓ１１，Ｓ２１のそれぞれの他端へ流入する。したがって、コイルＬ１２，Ｌ２２の一端（短絡されている端部）が電流分布の腹となり、図５に示すように各コイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２が電流分布の節以外に位置する。

実施の形態５．

図７は、本発明の実施の形態５に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。

実施の形態５に係る高周波磁場発生装置は、実施の形態１または実施の形態２（図２または図３）に示すような回路構成を有し、基板２１を備える。そして、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、基板２１の一方の面に、その面に対して略垂直に配置される。また、この実施の形態５では、２つの線路体Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、切欠リング状の線路部材であり、基板２１の他方の面に、その面に対して略垂直に配置される。

そして、図２または図３に示すようにコイルＬ１，Ｌ２、線路体Ｓ１，Ｓ２、および高周波電源１が電気的に接続され、その電気的接続は、基板２１上の配線パターン、基板２１のスルーホールなどによる。

なお、実施の形態５に係る高周波磁場発生装置の動作については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態６．

図８は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。

実施の形態６に係る高周波磁場発生装置は、実施の形態１または実施の形態２（図２または図３）に示すような回路構成を有し、基板２１を備える。そして、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、基板２１の一方の面に、その面に対して略垂直に配置される。また、この実施の形態６では、２つの線路体Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、配線パターンであり、基板２１のいずれかの面に形成されている。

図９は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置における線路体の別の例を示す斜視図である。図９に示すように、線路体Ｓ１，Ｓ２には、互いに同一の分岐路３１，３２をそれぞれ設けるようにしてもよい。このようにすることで、コイルＬ１，Ｌ２および線路体Ｓ１，Ｓ２において電流分布を調整することができるし、その上、入力帯域の幅を調整することもできる。

なお、実施の形態６に係る高周波磁場発生装置の動作については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態７．

図１０は、本発明の実施の形態７に係る高周波磁場発生装置におけるコイルおよび線路体を説明する斜視図である。

実施の形態７に係る高周波磁場発生装置は、実施の形態４（図５）に示すような回路構成を有し、基板２１を備える。図１０に示すように、実施の形態７では、基板上２１に、基板２１に対して垂直にコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２が配置され、コイルＬ１１の一端とコイルＬ１２の一端とに、切欠リング状の線路体Ｓ１１が接続され、コイルＬ２１の一端とコイルＬ２２の一端とに、切欠リング状の線路体Ｓ２１が接続されている。

図１０に示すように、線路体Ｓ１１，Ｓ２１は、コイルＬ１１，Ｌ２２の開口方向およびコイルＬ１２，Ｌ２１の開口方向（つまり、コイルＬ１１，Ｌ２２，Ｌ１２，Ｌ２１により形成される磁場の方向）に対して垂直に配置されており、コイルＬ１１，Ｌ２２，Ｌ１２，Ｌ２１と線路体Ｓ１１，Ｓ２１とが磁気結合しにくくなっている。

なお、実施の形態７に係る高周波磁場発生装置の動作については、実施の形態４と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態８．

図１１は、本発明の実施の形態８に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。

実施の形態８に係る高周波磁場発生装置では、図１１に示すように、２つのコイルＬ１，Ｌ２が、並列接続され、２つのコイルＬ１，Ｌ２の接続点に、伝送線路部としての１つの伝送線路Ｓ１ｓが接続されている。実施の形態８では、１つの伝送線路Ｓ１ｓによって、２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布が設定される。

具体的には、実施の形態８では、図１１に示すように、線路体Ｓ１ｓの一端が開放されており、線路体Ｓ１ｓの他端が２つのコイルＬ１，Ｌ２の一方の接続点に接続されている。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２の他方の接続点に高周波電源１が接続されている。したがって、マイクロ波の電流が高周波電源１から２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの他端へ流入する。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、互いに同じ形状を有し、線路体Ｓ１，Ｓ２も、互いに同じ形状を有している。このようにすることで、高周波電源１から見て、コイルＬ１および線路体Ｓ１とコイルＬ２および線路体Ｓ２とは、互いに同じ高周波特性（つまり、同じ電気長）を有する。

例えば、コイルＬ１，Ｌ２および線路体Ｓ１ｓの電気長の電気長が、λ／４（λ：マイクロ波の波長）である場合には、図１１に示すような電流分布となり、コイルＬ１，Ｌ２は、定在波の節ではなく、定在波の腹の近傍に位置し、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れ、マイクロ波の磁場が誘起される。

なお、実施の形態８に係る高周波磁場発生装置の動作については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

なお、図１１に示す実施の形態８に係る高周波磁場発生装置の構成については、図１２または図１３に示すような変形例を採用してもよい。

図１２は、本発明の実施の形態８の変形例１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。図１２に示す変形例１では、線路体Ｓ１ｓのコイルＬ１，Ｌ２に接続していない一端に、可変容量素子４１の一端が接続され、この可変容量素子４１の他端が接地されている。これにより、中心軸からのズレが生じても、この可変容量素子４１の静電容量を変動させることにより、コイルＬ１とＬ２の共振周波数の中心が所望の周波数に限りなく近づけるように調整することができる。また、この可変容量素子４１は非常に小さい静電容量値を有すればよく、例えば、線路体Ｓ１ｓの一部の位置を少し移動させるような可動装置でもよい。あるいは、この可変容量素子４１は、例えば微小の静電容量を有する可動コンデンサなどとしてもよい。

図１３は、本発明の実施の形態８の変形例２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。図１３に示す変形例２では、線路体Ｓ１ｓのコイルＬ１、Ｌ２に接続していない他端に（すなわち電源側に）、可変容量素子５１の一端が接続され、この可変容量素子５１の他端が接地されている。これにより、上述の変形例１と同様に、たとえコイルＬ１，Ｌ２の形状の変化や、中心軸からのズレが生じても、この可変容量素子５１の静電容量を変動させることにより、コイルＬ１とＬ２の共振周波数の中心が所望の周波数に限りなく近づけるように調整することができる。また、この可変容量素子５１は非常に小さい静電容量値を有すればよく、例えば、微小の静電容量を有する可動コンデンサや、電源とコイルＬ１、Ｌ２との間の導電線の一部を動かす装置などとしてもよい。

実施の形態９．

図１４は、本発明の実施の形態９に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。

実施の形態９に係る高周波磁場発生装置では、図１４に示すように、２つのコイルＬ１，Ｌ２が、並列接続され、２つのコイルＬ１，Ｌ２の接続点に、伝送線路部としての１つの伝送線路Ｓ１ｓが接続されている。実施の形態９では、１つの伝送線路Ｓ１ｓによって、２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布が設定される。

具体的には、実施の形態９では、図１４に示すように、線路体Ｓ１ｓの一端が第１インピーダンスマッチング部１１を介して高周波電源１が接続されており、線路体Ｓ１ｓの他端が２つのコイルＬ１，Ｌ２の一方の接続点に接続されている。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２の他方の接続点に第２インピーダンスマッチング部１１の一端部に接続する。更に、第２インピーダンスマッチング部１１の一端部が開放されている。したがって、マイクロ波の電流が高周波電源１から第１インピーダンスマッチング部１１および線路体Ｓ１ｓを通して２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの一端へ流入する。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、互いに同じ形状を有し、線路体Ｓ１，Ｓ２も、互いに同じ形状を有している。このようにすることで、高周波電源１から見て、コイルＬ１および線路体Ｓ１とコイルＬ２および線路体Ｓ２とは、互いに同じ高周波特性（つまり、同じ電気長）を有する。

例えば、コイルＬ１，Ｌ２および線路体Ｓ１ｓの電気長の電気長が、λ／４（λ：マイクロ波の波長）である場合には、図１４に示すような電流分布となり、コイルＬ１，Ｌ２は、定在波の節ではなく、定在波の腹の近傍に位置し、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れ、マイクロ波の磁場が誘起される。

実施の形態１０．

図１５は、本発明の実施の形態１０に係る高周波磁場発生装置の構成を示す回路図である。

実施の形態１０に係る高周波磁場発生装置では、図１５に示すように、２つのコイルＬ１，Ｌ２が、並列接続され、２つのコイルＬ１，Ｌ２の接続点に、それぞれ伝送線路部としての伝送線路Ｓ１ｓが接続されている。実施の形態１０では、１つの伝送線路Ｓ１ｓによって、２つのコイルＬ１，Ｌ２が定在波の節以外に位置するように電流分布が設定される。

具体的には、実施の形態１０では、図１５に示すように、第１線路体Ｓ１ｓの一端が第１インピーダンスマッチング部１１を介して高周波電源１が接続されており、第１線路体Ｓ１ｓの他端が２つのコイルＬ１，Ｌ２の一方の接続点に接続されている。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２の他方の接続点に第１線路体Ｓ１ｓの一端が接続されている。また、第１線路体の他端が第２インピーダンスマッチング部１１の一端部に接続する。更に、第２インピーダンスマッチング部１１の一端部が開放されている。したがって、マイクロ波の電流が高周波電源１から第１インピーダンスマッチング部１１および第１線路体Ｓ１ｓを通して２つのコイルＬ１，Ｌ２のそれぞれの一端へ流入する。また、２つのコイルＬ１，Ｌ２は、互いに同じ形状を有し、線路体Ｓ１，Ｓ２も、互いに同じ形状を有している。このようにすることで、高周波電源１から見て、コイルＬ１および線路体Ｓ１とコイルＬ２および線路体Ｓ２とは、互いに同じ高周波特性（つまり、同じ電気長）を有する。

例えば、コイルＬ１，Ｌ２および線路体Ｓ１ｓの電気長の電気長が、λ／２（λ：マイクロ波の波長）である場合には、図１５に示すような電流分布となり、コイルＬ１，Ｌ２は、定在波の節ではなく、定在波の腹の近傍に位置し、コイルＬ１，Ｌ２に十分なマイクロ波の電流が流れ、マイクロ波の磁場が誘起される。

実施の形態１１．

図１６は、本発明の実施の形態１１に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。

この実施の形態１１では、コイルＬ１，Ｌ２が、所定の厚みを有する基板６１の表裏面に、互いに平行な金属パターンとして形成されている。また、コイルＬ１，Ｌ２の中心を貫くような貫通孔６２が設けられている。この貫通孔６２により、試料の一方側において、一対のコイルＬ１，Ｌ２の両方が所定距離だけ離間して配置される場合だけではなく、コイルＬ１，Ｌ２の間の任意の位置に試料が配置される場合でも、試料に対して高周波交流磁場を印加することができる。

さらに、図１６に示すように、基板６１の肉厚内において、コイルＬ１，Ｌ２の径方向に平行な貫通孔６３，６４が形成されるようにしてもよい。その場合、貫通孔６３からレーザ光が入射し、その光は上記貫通孔６２内の試料（未図示）に照射され、その反射光がこの貫通孔６２を通し、上下方向に反射され、顕微鏡で検出できる。一方、レーザ光のうち、試料を貫いた光が貫通孔６４から出射する。そのため、その出射光を観測するようにしてもよい。また、光の屈折のことを考慮し、貫通孔６４の径を貫通孔６３の径より大きくしてもよい。

また、この実施の形態１１では、基板６１がコイルＬ１とコイルＬ２により挟まれているため、コイルＬ１，Ｌ２の安定な形状形成、両者間の安定な距離の保持など、様々の面において機械的な正常および電気的な性能が優れている。

実施の形態１２．

図１７は、本発明の実施の形態１２に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。

実施の形態１２では、実施の形態１１における上述のコイルＬ１，Ｌ２の代わり、板状コイルＬａを備える。所定の厚みを有する基板８１に貫通孔８２が設けられている。板状コイルＬａは、貫通孔内に配置されている。実施の形態１２では、板状コイルＬａの断面の長手方向が基板８１の垂直方向となるように、板状コイルＬａが、貫通孔８２に面する基板８１の内壁上に固定されている。板状コイルＬａの断面は、略矩形となっている。なお、貫通孔８２は、スルーホールでもよく、板状コイルＬａは、例えば銅板などといった薄い金属板を折り曲げて成形してものでもよく、貫通孔８２としてのスルーホールの内周面に、メッキなどで形成された金属箔でもよい。

また、実施の形態１２では、貫通孔８２は、断面が円形である観測孔部８２ａを有する。そして、板状コイルＬａの４本のエッジ部分ＬａＥＵ，ＬａＥＬ（特に観測孔部８２ａにおけるエッジ部分）のうちの上端側のエッジ部分ＬａＥＵの１本および下端側のエッジ部分ＬａＥＬの１本は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置された２つのコイルとして機能する。つまり、高周波（特にＭＨｚオーダー以上）に起因する表皮効果によって、板状コイルＬａのエッジ部分ＬａＥＵ，ＬａＥＬに集中して電流が流れるため、実質的に、上端側のエッジ部分ＬａＥＵと下端側のエッジ部分ＬｅＥＬとが別々のコイルとして機能する。なお、ヘルムホルツコイルのレイアウトと同様にするために、板状コイルＬａの高さ（断面の長辺長さ）を板状コイルＬａの円形部分の半径と略同一とすることが好ましい。また、板状コイルＬａと顕微鏡の鏡筒との間の浮遊容量の変動を抑制するために、板状コイルＬａの幅（断面の短辺長さ）は、板状コイルＬａの高さより十分小さいほうが好ましい。

そして、この貫通孔８２により、試料の一方側において、板状コイルＬａの上端側のエッジ部分ＬａＥＵおよび下端側のエッジ部分ＬａＥＬの両方が所定距離だけ離間して配置される場合だけではなく、板状コイルＬａの上端側のエッジ部分ＬａＥＵおよび下端側のエッジ部分ＬａＵＬの間の任意の位置に試料が配置される場合でも、試料に対して高周波交流磁場を印加することができる。

さらに、図１７に示すように、基板６１の肉厚内において、板状コイルＬａの円形部分の径方向に平行な貫通孔８３，８４が形成され、貫通孔８３，８４の延長線上に板状コイルＬａの貫通孔８５ａ，８５ｂが形成されるようにしてもよい。その場合、貫通孔８３および貫通孔８５ａからレーザ光が入射し、その光は上記貫通孔８２内の試料（未図示）に照射され、その反射光がこの貫通孔８２を通し、上下方向に反射され、顕微鏡で検出できる。一方、レーザ光のうち、試料を貫いた光が貫通孔８５ｂおよび貫通孔８４から出射する。そのため、その出射光を観測するようにしてもよい。また、光の屈折のことを考慮し、貫通孔８５ｂ，８４の径を貫通孔８３，８５ａの径より大きくしてもよい。

なお、実施の形態１２に係る高周波磁場発生装置のその他の構成および動作については、実施の形態９および実施の形態１１のいずれか、またはそれらの組み合わせと同様であるので、その説明を省略する。

以上のように、上記実施の形態１２によれば、上述の板状コイルＬａを適用することで、コイルでの直流抵抗が低くなる。また、観測用の顕微鏡の筐体などの金属製の物体やサンプル台などの誘電体の物体がコイルの周囲に存在している場合、そのような物体の存在に起因する共鳴周波数が変動することがあるが、上述の板状コイルＬａを適用することで、そのような共鳴周波数の変動を抑制することができる。

例えば、基板の厚みが１．６ｍｍであり、板状コイルＬａの円形部分の半径２ｍｍである場合、本実施の形態１２での共鳴周波数は、試料が貫通孔８２内に配置された状態では２．９６ＧＨｚであり、顕微鏡のレンズが１．５ｍｍの距離に配置された状態では、２．９６５ＧＨｚであった。一方、比較例の場合、試料が貫通孔内に配置された状態では２．８４ＧＨｚであり、顕微鏡のレンズが１．５ｍｍの距離に配置された状態では、２．８９ＧＨｚであった。このように、共鳴周波数の変動が抑制されている。

実施の形態１３．
図１８は、本発明の実施の形態１３に係る高周波磁場発生装置の構成を示す図である。実施の形態１３では、貫通孔８２が略矩形形状を有し、板状コイルＬａは、貫通孔８２内に配置されている。実施の形態１３では、板状コイルＬａが、貫通孔８２に面する基板８１の内壁から突出するように固定されている。

なお、実施の形態１３に係る高周波磁場発生装置のその他の構成および動作については、実施の形態１２と同様であるので、その説明を省略する。

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

例えば、上記実施の形態において、上述の２つの線路体の端部を開放または短絡せずに、２つの線路体を所定の抵抗値で終端するようにしてもよい。

また、上記実施の形態４において、コイルＬ１１，Ｌ２１を取り除き、線路体Ｓ１１，Ｓ２１を互いに接続し、その接続点に高周波電源１を接続するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、伝送線路部として線路体が使用しているが、必要に応じて、上述の線路体を集中定数回路に置き換えてもよい。

また、上記実施の形態では、ＯＤＭＲ材料としてＮＶＣを有するダイヤモンドを例示しているが、その代わりに、他のカラーセンター（例えば、ＳｉＣカラーセンターや、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｓｉ、有機物などのカラーセンター）を有するＯＤＭＲ材料を使用してもよい。なお、高周波電源１は、各カラーセンターに応じた周波数のマイクロ波の電流を生成する。

また、上記実施の形態では、高周波磁場発生装置が、コイルの開口面積とほぼ同じ領域で均一の磁場を形成することができる。そのため、特に１００ＭＨｚ以上の高周波領域においては、ＯＤＭＲに適用されているが、ＥＤＭＲなど、電子スピン共鳴を利用した他の計測に適用してもよい。図１９は、本発明の実施の形態６に係る高周波磁場発生装置から発する磁場に関するシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、電源からコイルＬ１、Ｌ２には約３ＧＨｚの電流が供給される条件で実施され、その結果、図１９に示すように、コイルＬ１，Ｌ２の円心からその開口面積のほぼ全領域においては、均一の磁場（例えば、磁場強度の中心値から１０％の誤差を有する領域）が発生されることが示されている。

また、１００ＭＨｚ以下の領域においても、本発明の各実施の形態に係る高周波磁場発生装置も従来のコイル型発振器と同様に使える。

本発明は、例えば、光検出磁気共鳴用の高周波磁場発生装置に適用可能である。

１ 高周波電源
１１ インピーダンスマッチング部
２１，８１ 基板
８２ 貫通孔
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１−ｉ，Ｌ２−ｉ，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２ コイル
Ｌａ 板状コイル
Ｓ１，Ｓ１ｓ，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ２１ 線路体（伝送線路部の例）

Claims (9)

1. 電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置された２つのコイルと、
   前記２つのコイルに導通するマイクロ波の電流を生成する高周波電源と、
   前記２つのコイルに接続され、前記２つのコイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する伝送線路部と、
   を備えることを特徴とする高周波磁場発生装置。
2. 前記伝送線路部は、２つの伝送線路であって、
   前記２つの伝送線路は、前記２つのコイルにそれぞれ接続されており、
   前記２つの伝送線路のそれぞれの一端が開放されるか、もしくは同一周波数で十分高いインピーダンスを有する回路と接続され、
   前記２つの伝送線路のそれぞれの他端が前記２つのコイルのそれぞれの一端に接続され、
   前記マイクロ波の電流が前記高周波電源から前記２つのコイルのそれぞれの他端へ流入すること、
   を特徴とする請求項１記載の高周波磁場発生装置。
3. 前記伝送線路部は、２つの伝送線路であって、
   前記２つの伝送線路は、前記２つのコイルにそれぞれ接続されており、
   前記２つのコイルのそれぞれの一端が短絡されており、
   前記２つのコイルのそれぞれの他端が前記２つの伝送線路のそれぞれの一端に接続され、
   前記マイクロ波の電流が前記高周波電源から前記２つの伝送線路のそれぞれの他端へ流入すること、
   を特徴とする請求項１記載の高周波磁場発生装置。
4. 前記高周波電源と前記２つのコイルまたは前記伝送線路部との間にインピーダンスマッチング部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の高周波磁場発生装置。
5. 基板をさらに備え、
   前記２つのコイルは、前記基板の一方の面に配置され、
   前記伝送線路部は、切欠リング状の線路部材であり、前記基板の他方の面に配置されること、
   を特徴とする請求項１記載の高周波磁場発生装置。
6. 基板をさらに備え、
   前記伝送線路部は、それぞれ、前記基板上の配線パターンであること、
   を特徴とする請求項１載の高周波磁場発生装置。
7. 前記伝送線路部は、１つの伝送線路であって、
   前記２つのコイルは、並列接続されており、
   前記１つの伝送線路は、前記２つのコイルの接続点に接続されていること、
   を特徴とする請求項１載の高周波磁場発生装置。
8. 高周波電源と、
   少なくとも２対のコイルと、
   前記２対のコイルのそれぞれ一方のコイルの間の伝送線路と前記２対のコイルのそれぞれ他方のコイルの間の伝送線路とを含む少なくとも２つの伝送線路とを備え、
   前記高周波電源は、前記少なくとも２対のコイルのそれぞれの対となる２つのコイルに導通するマイクロ波の電流を生成し、
   前記少なくとも２対のコイルのそれぞれの対は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置され、
   前記少なくとも２つの伝送線路は、前記少なくとも２対のコイルのそれぞれのコイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定すること、
   を特徴とする高周波磁場発生装置。
9. 基板と、
   前記基板における貫通孔と、
   前記貫通孔内に配置された板状コイルと、
   前記板状コイルに導通するマイクロ波の電流を生成する高周波電源と、
   前記板状コイルに接続され、前記板状コイルが定在波の節以外に位置するように電流分布を設定する伝送線路部とを備え、
   前記板状コイルの断面の長手方向は、前記基板の垂直方向であり、
   前記板状コイルの４本のエッジ部分のうちの上端側の１本および下端側の１本は、電子スピン共鳴材料を挟むように、もしくは電子スピン共鳴材料の一方側において、所定の間隔で互いに平行に配置された２つのコイルとして機能すること、
   を特徴とする高周波磁場発生装置。