JP2024057947A - 磁場測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁場測定のために、フラックストランスフォーマー（ＦＴ）で被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加する。【解決手段】 磁気共鳴部材１は、高周波磁場発生器２によりマイクロ波を印加され磁石３により静磁場を印加される。ＦＴ４は、１次側コイル４ａで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。導光部材４１は、特定波長の入射光を磁気共鳴部材１へ導き、導光部材４２は、磁気共鳴部材１の発する蛍光を磁気共鳴部材１から導く。磁気共鳴部材１は、ＦＴ４の２次側コイル４ｂの中空部かつ磁石３の中空部において、導光部材４１の端面と導光部材４２の端面とに挟まれて配置されている。また、２次側コイル４ｂはボビンレスコイルとされる。【選択図】 図４

Description

本発明は、磁場測定装置に関するものである。

ある磁場測定装置は、窒素と格子欠陥（ＮＶセンター：Nitrogen Vacancy Center）を有するダイヤモンド構造などといったセンシング部材の電子スピン共鳴を利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）で磁気計測を行っている（例えば特許文献１参照）。ＯＤＭＲでは、このようなＮＶセンターを有するダイヤモンドといった磁気共鳴部材に対して、被測定磁場とは別に静磁場が印加されるとともに、所定のシーケンスでレーザー光（励起光および測定光）並びにマイクロ波が印加され、その磁気共鳴部材から出射する蛍光の光量が検出されその光量に基づいて被測定磁場の磁束密度が導出される。

例えば、ラムゼイパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶセンターに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスをＮＶセンターに印加し、（ｃ）第１のπ／２パルスから所定の時間間隔ｔｔでマイクロ波の第２のπ／２パルスをＮＶセンターに印加し、（ｄ）測定光をＮＶセンターに照射してＮＶセンターの発光量を測定し、（ｅ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。また、スピンエコーパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶセンターに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスを被測定磁場の位相０度でＮＶセンターに印加し、（ｃ）マイクロ波のπパルスを被測定磁場の位相１８０度でＮＶセンターに印加し、（ｄ）マイクロ波の第２のπ／２パルスを被測定磁場の位相３６０度でＮＶセンターに印加し、（ｅ）測定光をＮＶセンターに照射してＮＶセンターの発光量を測定し、（ｆ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。

また、ある磁気センサーは、超伝導量子干渉計 (ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）と、被測定磁場をピックアップコイルで検出しインプットコイルでＳＱＵＩＤへ印加する磁束トランス（フラックストランスフォーマー）とを備えている（例えば特許文献２参照）。

特開２０２０－８２９８号公報 特開平８－７５８３４号公報

上述の磁場測定装置は、磁気共鳴部材に対して、被測定磁場の他に、レーザー光、マイクロ波、および静磁場を印加しているため、磁気共鳴部材の周辺に、レーザー光、マイクロ波、および静磁場をそれぞれ印加する手段が実装されている。したがって、レーザー光、マイクロ波、および静磁場を磁気共鳴部材に対して印加する場合において、フラックストランスフォーマーを使用するにはレーザー光、マイクロ波、および静磁場の印加を妨げずにフラックストランスフォーマーの２次側コイルを配置する必要があり、幾何学的な構成上、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加することは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加し、また、磁気共鳴部材、高周波磁場発生器および磁石とフラックストランスフォーマーの磁束の向きとを相対的に配置しやすく、レーザー光を照射する空間が確保されやすい磁場測定装置を得ることを目的とする。

本発明に係る磁場測定装置は、マイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、磁気共鳴部材にマイクロ波を印加する高周波磁場発生器と、磁気共鳴部材に静磁場を印加する磁石と、磁気共鳴部材に特定波長の入射光を照射する照射装置と、１次側コイルで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイルで磁気共鳴部材に印加するフラックストランスフォーマーと、入射光を磁気共鳴部材へ導く柱状の第１導光部材と、磁気共鳴部材の発する蛍光を磁気共鳴部材から導く柱状の第２導光部材とを備える。そして、磁気共鳴部材は、フラックストランスフォーマーの２次側コイルの中空部かつ磁石の中空部において、第１導光部材の端面と第２導光部材の端面とに挟まれて配置されており、２次側コイルは、ボビンレスコイルである。

本発明によれば、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加し、また、磁気共鳴部材、高周波磁場発生器および磁石とフラックストランスフォーマーの磁束の向きとを相対的に配置しやすく、レーザー光を照射する空間が確保されやすい磁場測定装置が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁場測定装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１におけるトランスフォーマーの１次側コイルを示す断面図である。 図３は、磁場測定時のトランスフォーマーの１次側コイルの配置について説明する図である。 図４は、図１に示す磁気センサー部（一部）の構成例を示す斜視図である。 図５は、図１に示す磁気センサー部における光学系の構成例を示す側面図である。 図６は、図１に示す磁気センサー部（一部）の変形例を示す斜視図である（１／３）。 図７は、図１に示す磁気センサー部（一部）の変形例を示す斜視図である（２／３）。 図８は、図１に示す磁気センサー部（一部）の変形例を示す斜視図である（３／３）。 図９は、実施の形態２に係る磁場測定装置における導光部材および磁気共鳴部材の一例を示す断面図である。 図１０は、実施の形態３における高周波磁場発生器の一例を示す斜視図である（１／３）。 図１１は、実施の形態３における高周波磁場発生器の一例を示す斜視図である（２／３）。 図１２は、実施の形態３における高周波磁場発生器の一例を示す斜視図である（３／３）。 図１３は、実施の形態４に係る磁場測定装置における導光部材、磁気共鳴部材、およびフラックストランスフォーマーの２次側コイルの例を示す斜視図である（１／２）。 図１４は、実施の形態４に係る磁場測定装置における導光部材、磁気共鳴部材、およびフラックストランスフォーマーの２次側コイルの例を示す斜視図である（２／２）。 図１５は、実施の形態５に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。 図１６は、実施の形態６におけるフラックストランスフォーマーの２次側コイルの一例を示す斜視図である（１／２）。 図１７は、実施の形態６におけるフラックストランスフォーマーの２次側コイルの一例を示す斜視図である（２／２）。 図１８は、実施の形態７に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。 図１９は、実施の形態８に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である（１／２）。 図２０は、実施の形態８に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である（２／２）。 図２１は、実施の形態９に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。 図２２は、実施の形態９に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す断面図である。 図２３は、実施の形態１０に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。 図２４は、実施の形態１０に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す断面図である。

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磁場測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す磁場測定装置は、磁気センサー部１０と、高周波電源１１と、照射装置１２と、受光装置１３と、演算処理装置１４とを備える。

磁気センサー部１０は、所定の位置（例えば、検査対象物体の表面上または表面上方）において、被測定磁場（例えば磁場の強度、向きなど）を検出する。なお、被測定磁場は、単一周波数の交流磁場でもよいし、複数の周波数成分を有する所定周期の交流磁場でもよい。

この実施の形態では、磁気センサー部１０は、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、磁石３、およびフラックストランスフォーマー４を備える。

磁気共鳴部材１は、結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じた周波数のマイクロ波で（ラビ振動に基づく）電子スピン量子操作の可能な部材である。

この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、複数（つまり、アンサンブル）の特定カラーセンターを有する光検出磁気共鳴部材である。この特定カラーセンターは、ゼーマン分裂可能なエネルギー準位を有し、かつ、ゼーマン分裂時のエネルギー準位のシフト幅が互いに異なる複数の向きを取り得る。

ここでは、磁気共鳴部材１は、単一種別の特定カラーセンターとして複数のＮＶ（Nitrogen Vacancy）センターを含むダイヤモンドなどの部材である。ＮＶセンターの場合、基底状態がｍｓ＝０，＋１，－１の三重項状態であり、ｍｓ＝＋１の準位およびｍｓ＝－１の準位がゼーマン分裂する。なお、磁気共鳴部材１に含まれるカラーセンターは、ＮＶセンター以外のカラーセンターでもよい。

高周波磁場発生器２は、上述のマイクロ波を磁気共鳴部材１に印加する。

また、磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場（直流磁場）を印加する。ここでは、磁石３は、リング型の永久磁石であり、例えば、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ磁石などである。

磁気共鳴部材１は、上述のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な複数のカラーセンター（ここでは、ＮＶセンター）を備え、磁石３は、磁気共鳴部材１の所定領域（励起光および測定光の照射領域）に対して略均一な静磁場を印加し、磁気共鳴部材１内の複数の特定カラーセンター（ここでは、複数のＮＶセンター）のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。例えば、その所定領域における静磁場の強度についての最大値と最低値との差分や比率が所定値以下となるように静磁場が印加される。

ＮＶセンターの場合、ダイヤモンド結晶において、欠陥（空孔）（Ｖ）および不純物としての窒素（Ｎ）によってカラーセンターが形成されており、ダイヤモンド結晶内の欠陥（空孔）（Ｖ）に対して、隣接する窒素（Ｎ）の取り得る位置（つまり空孔と窒素との対の配列方向）は４種類あり、それらの配列方向のそれぞれに対応するゼーマン分裂後のサブ準位（つまり、基底からのエネルギー準位）が互いに異なる。したがって、マイクロ波の周波数に対する静磁場によるゼーマン分裂後の蛍光強度の特性において、それぞれの向きｉ（ｉ＝１，２，３，４）に対応して、互いに異なる４つのディップ周波数対（ｆｉ＋，ｆｉ－）が現れる。ここでは、この４つのディップ周波数対のうちのいずれかのディップ周波数に対応して、上述のマイクロ波の周波数（波長）が設定される。

また、フラックストランスフォーマー４は、１次側コイル４ａと、１次側コイル４ａにケーブル（同軸ケーブル、リッツ線など）などで電気的に接続された２次側コイル４ｂとを備える。図２に示すように、１次側コイル４ａが０．５～数十ターンの巻線により構成されている。また、図３に示すように、１次側コイル４ａで、例えば測定対象物１０１の上方の所定測定位置の被測定磁場を感受し、その測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場（フラックストランスフォーマー４によって測定位置から伝達された磁場）を、２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。つまり、１次側コイル４ａは、感受した被測定磁場に対応する電気信号を誘起し、２次側コイル４ｂは、その電気信号に対応する印加磁場を誘起する。

さらに、磁気共鳴部材１から、上述の印加磁場に対応する物理的事象で生成される蛍光を検出する検出装置として、照射装置１２および受光装置１３が設けられている。

照射装置１２は、磁気共鳴部材１に照射すべきレーザー光（ここでは、ＯＤＭＲ用の所定波長の励起光と所定波長の測定光）を生成して、後述の光学系を介して、光検出磁気共鳴部材としての磁気共鳴部材１に照射する。

また、受光装置１３は、測定光の照射時において、後述の光学系を介して、磁気共鳴部材１から発せられる蛍光を受光して検出する。

演算処理装置１４は、例えばコンピューターを備え、プログラムをコンピューターで実行して、各種処理部として動作する。この実施の形態では、演算処理装置１４は、検出された光学的あるいは電気的な信号データを図示せぬ記憶装置（メモリーなど）に保存し、測定制御部２１および演算部２２として制御および演算動作を行う。

測定制御部２１は、高周波電源１１を制御し、上述の検出装置（ここでは、照射装置１２および受光装置１３）により検出された、上述の物理的事象（ここでは蛍光強度）の検出値を特定する。

この実施の形態では、測定制御部２１は、例えばＯＤＭＲに基づき、所定の測定シーケンスに従って高周波電源１１および照射装置１２を制御し、受光装置１３により検出された蛍光の検出光量を特定する。例えば、照射装置１２は、レーザーダイオードなどを光源として備え、受光装置１３は、フォトダイオードなどを受光素子として備え、測定制御部２１は、受光素子の出力信号に対して増幅などを行って得られる受光装置１３の出力信号に基づいて、上述の検出光量を特定する。

演算部２２は、測定制御部２１によって得られ、記憶装置に保存されていた検出値に基づいて上述の測定位置での被測定磁場（強度、波形など）を演算する。

なお、上述の測定シーケンスは、被測定磁場の周波数などに従って設定される。例えば、被測定磁場が比較的高周波数の交流磁場である場合には、この測定シーケンスには、スピンエコーパルスシーケンス（ハーンエコーシーケンスなど）が適用される。ただし、測定シーケンスは、これに限定されるものではない。また、例えば、被測定磁場が比較的低周波数の交流磁場である場合、被測定磁場の１周期において、複数回、ラムゼイパルスシーケンス（つまり、直流磁場の測定シーケンス）で、磁場測定を行い、それらの磁場測定の結果に基づいて、被測定磁場（強度、波形など）を特定するようにしてもよい。

以下、磁気センサー部１０の詳細について説明する。

図４は、図１に示す磁気センサー部１０（一部）の構成例を示す斜視図である。図５は、図１に示す磁気センサー部１０における光学系の構成例を示す側面図である。

この実施の形態では、例えば図４および図５に示すように、高周波磁場発生器２は、板状コイルであって、その中空部に対してマイクロ波を放出する略円形状のコイル部２ａと、コイル部２ａの両端から延び図示せぬ基板などに固定される端子部２ｂとを備える。高周波電源１１は、そのマイクロ波の高周波電流を生成して高周波磁場発生器２に導通させる。高周波磁場発生器２のコイル部２ａは、その両端面部分２ａ－１，２ａ－２において、磁気共鳴部材１を挟むように所定の間隔で互いに平行な２つの電流を導通させ、上述のマイクロ波を放出する。ここでは、高周波磁場発生器２は板状コイルであるが、表皮効果により、コイル部２ａの端面部分２ａ－１，２ａ－２をマイクロ波の電流が流れるため、２つの電流が形成される。これにより、磁気共鳴部材１において空間的に略均一な強度のマイクロ波が印加される。

また、図４および図５に示すように、磁気センサー部１０は、さらに、導光部材４１，４２を備える。

導光部材４１は、光を透過する柱状（ここでは四角柱状）の部材であり、照射装置１２からの入射光を磁気共鳴部材１へ導く。導光部材４２は、光を透過する柱状（ここでは四角柱状）の部材であり、磁気共鳴部材１の発する蛍光を磁気共鳴部材１から受光装置１３に向けて導く。導光部材４１，４２は、例えばガラス製の部材であり、長手方向に対して垂直方向において同一形状の断面を有する。

そして、磁気共鳴部材１は、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部かつ磁石３の中空部において、導光部材４１の端面と導光部材４２の端面とに挟まれて配置されている。

具体的には、磁気共鳴部材１は、例えば略直方体の板状の形状を有し、磁気共鳴部材１の対向する２面のうちの一方の面が導光部材４１の端面に面接触するか（例えば接着剤で）面接合され、他方の面が導光部材４２の端面に面接触するか（例えば接着剤で）面接合されている。これにより、導光部材４１，４２および磁気共鳴部材１が直線上に配置されている。

２次側コイル４ｂは、ボビンレスコイルであって、２次側コイル４ｂの中心軸が導光部材４１，４２および磁気共鳴部材１の中心に略一致するように、かつ高周波磁場発生器２のコイル部２ａの中心軸に対して略垂直になるように配置されるように、２次側コイル４ｂの外周を支持する図示せぬ支持部材や後述の充填部材などで固定されている。２次側コイル４ｂは、１次側コイル４ａに対して所定の巻数比で、リング状に（ここでは円環状に）巻回されており、例えば図４および図５に示すように、高周波磁場発生器２における略円形状かつ板状のコイル部２ａの中空部に、２次側コイル４ｂが配置されている。２次側コイル４ｂが細線であり巻回数が多い場合、コイル導線の解れを防止するために、例えば、コイル導線に自己融着線を使用したり、ボビン治具にコイル導線を巻回して接着剤などでコーティングした後にボビン治具を除去するようにして、ボビンレスの２次側コイル４ｂが形成される。

また、高周波磁場発生器２における略円形状かつ板状のコイル部２ａの側面に開口部２ｃ，２ｄが形成されており、開口部２ｃ，２ｄは、２次側コイル４ｂから見て、２次側コイル４ｂの軸方向に位置しており、コイル部２ａの中心軸方向に対して略垂直な方向において、コイル部２ａの中心を介して互いに対向する位置にある。

これにより、高周波磁場発生器２によるマイクロ波（磁場）の方向が、２次側コイル４ｂによる磁場の方向に対して略垂直になる。なお、高周波磁場発生器２によるマイクロ波（磁場）の方向と２次側コイル４ｂによる磁場の方向とのなす角度は、９０度±８度の範囲とされることが好ましく、９０度とされることが最も好ましい。

なお、開口部２ｃ，２ｄの大きさは、磁気共鳴部材１における上述の照射領域の大きさ、及び表皮効果の下でコイル部２ａにおいて電流が流れる領域の大きさにより決定される。この実施の形態では、磁気共鳴部材１における照射領域は長方形または円形とされ、高周波磁場発生器２の板状コイルは略円形であるため、開口部２ｃ，２ｄは円弧状の長方形となり、また、磁気共鳴部材１への開口部２ｃ，２ｄの投影領域の面積が照射領域の面積より大きくなり、その投影領域にその照射領域が含まれるように、開口部２ｃ，２ｄが設計される。

そして、板状の磁気共鳴部材１および柱状の導光部材４１，４２が、開口部２ｃ，２ｄ内に配置され固定されている。つまり、実施の形態１では、高周波磁場発生器２は、マイクロ波を放出する略円形状かつ板状のコイル部２ａを備えており、コイル部２ａは、２つの開口部２ｃ，２ｄを備え、第１導光部材４１は、２つの開口部２ｃ，２ｄのうちの一方（開口部２ｃ）を貫通するように配置され、第２導光部材４２は、２つの開口部２ｃ，２ｄのうちの他方（開口部２ｄ）を貫通するように配置されている。

また、この実施の形態では、図４に示すように、磁石３は、リング型磁石であり、２次側コイル４ｂは、リング状に巻回されており、磁石３の中心軸および２次側コイル４ｂの中心軸は互いに一致しており、磁気共鳴部材１、導光部材４１、および導光部材４２は、その中心軸上に配置されている。

例えば図４に示すように、上述の磁気共鳴部材１は、当該フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部にあり、かつ磁石３の中空部にある位置に配置されている。また、この実施の形態では、２次側コイル４ｂは、磁石３の中空部に配置されている。磁気共鳴部材１は、磁石３の中心軸および２次側コイル４ｂの中心軸に対して垂直するそれぞれの横断面において、中心点から半径＝（横断面の半径×ａ％）の中心エリア内に配置されている。特に、磁気共鳴部材１が中心点に配置されることが好ましい。ここでは、ａは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。

したがって、この実施の形態では、２次側コイル４ｂによる上述の印加磁場の印加方向は、磁石３による上述の静磁場の印加方向と同一となり、上述の静磁場の印加によって、上述のディップ周波数での蛍光強度変化が増強され、感度が高くなる。

また、磁気共鳴部材１において、上述の欠陥および不純物の配列方向が、上述の静磁場の向き（および印加磁場の向き）に略一致するように、磁気共鳴部材１の結晶が形成され、磁気共鳴部材１の向きが設定される。

なお、上述の欠陥および不純物の配列方向と上述の静磁場の向き（および印加磁場の向き）とのなす角度（絶対値）は８度以下であることが好ましく、０度であることが最も好ましい。また、上述の静磁場の向きと上述の印加磁場の向きとのなす角度（絶対値）は８度以下であることが好ましく、０度であることが最も好ましい

さらに、磁石３の中心軸の方向において、磁気共鳴部材１は、リング型の磁石３の幅の中心区域に配置されている。ここでの「中心区域」とは、リング型の磁石３の中心軸の中心点から、中心軸方向に沿って±（中心軸長さ１／２×ｂ％）の空間を指す。ここでは、ｂは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。

また、この実施の形態においては、磁気共鳴部材１は、リング型の磁石３の幅の中心に配置されている（つまり、磁気共鳴部材１は、磁石３の両端面から略等距離の位置に配置されている）。さらに、トランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中心軸の方向において、磁気共鳴部材１は、２次側コイル４ｂの幅の中心区域に配置されている。ここでの「中心区域」とは、２次側コイル４ｂの中心軸の中心点から、中心軸方向に沿って±（中心軸長さ１／２×ｃ％）の空間を指す。ここでは、ｃは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。また、本実施の形態においては、２次側コイル４ｂの幅の中心に配置されている（つまり、磁気共鳴部材１は、２次側コイル４ｂの両端面から略等距離の位置に配置されている ）。さらに、磁石３の中空部の中心軸に対して垂直な面において、当該中空部の断面積は、磁気共鳴部材１における励起光および測定光の照射領域の面積の１００倍以上、特に当該中空部の断面において、径方向において、測定光の照射領域の径の１０倍以上の径長とすることが好ましい。この実施の形態においては、例えば、測定光の照射領域が５０μｍ×１００μｍで、中空部の断面積が５００μｍ×１０００μｍ以上となる。このようにすることで、励起光および測定光の照射領域に対して均一な静磁場（方向および強度が略一定な静磁場）が印加される。

また、磁気共鳴部材１の発する蛍光は、例えば図５に示すように、磁気共鳴部材１から導光部材４２および所定の光学系４３を介して受光装置１３へ向けて集光される。この実施の形態では、この光学系４３は、例えば図５に示すように、複合放物面型集光器（ＣＰＣ）４３ａ，４３ｂを備える。なお、この光学系４３は、他のレンズ構成を有していてもよい。導光部材４２の端面がＣＰＣ４３ａの端面に面接触または（例えば接着剤で）面接合されており、導光部材４２により導かれた蛍光は、この端面を介してＣＰＣ４３ａの内部へ入射する。

この光学系４３は、上述の入射光（つまり、磁気共鳴部材１を透過してきた残余成分）を受光装置１３に入射させないようになっている。具体的には、例えば図５に示すように、上述の蛍光を透過し上述の入射光を反射するダイクロイックミラー４３ｃおよび／または上述の蛍光を透過し上述の入射光を減衰させるロングパスフィルター４３ｄが当該光学系４３に設けられる。なお、ダイクロイックミラー４３ｃにより反射された上述の入射光は、参照用の受光装置１３ａにより検出され、演算部２２は、参照用の受光装置１３ａにより検出された入射光の光量（例えば所定の基準光量からの偏差など）に基づいて被測定磁場の測定値を補正する。

この実施の形態では、照射装置１２は、導光部材４１を介して、上述の入射光を上述の中心軸に沿って磁気共鳴部材１に照射する。これにより、その入射光は、導光部材４１の端面４１ａから導光部材４１の内部に入射し、導光部材４１の側面で反射しつつ、磁気共鳴部材１に向けて進行する。このように、導光部材４１によって、照射装置１２からのレーザー光（測定光）の光路、および磁気共鳴部材１からの蛍光の光路が通る空間が確保でき、測定光および蛍光が外部空間へ漏れることがなくなる 。

なお、磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１の周辺には磁気シールドが設けられ、外部からの磁場が磁気共鳴部材１に直接印加されないようになっている。

図６～図８は、図１に示す磁気センサー部１０（一部）の変形例を示す斜視図である。例えば図６～図８に示すように、２次側コイル４ｂは、導光部材４１，４２および磁気共鳴部材１の形状に対応して矩形状に巻回されたリング状のコイルでもよい。さらに、略円環状に湾曲した板状のコイル部２ａの直径は、特に限定されず、コイル部２ａは、例えば図６～図８に示すようなサイズとしてもよい。

次に、当該実施の形態に係る磁場測定装置の動作について説明する。

例えば図３に示すように、被測定物体１０１に対して、磁気センサー部１０におけるフラックストランスフォーマー４の１次側コイル４ａが所望の測定位置に所望の向きで配置される。これにより、被測定磁場が１次側コイル４ａにより感受され、２次側コイル４ｂにより印加磁場が誘起され、磁気共鳴部材１に印加される。また、磁気センサー部１０における磁石３によって、磁気共鳴部材１に略均一な静磁場が印加される。

そして、測定制御部２１は、高周波電源１１および照射装置１２を制御して、所定の測定シーケンスに従って、高周波磁場発生器２からマイクロ波を磁気共鳴部材１に印加するとともに、照射装置１２から導光部材４１を介してレーザー光（励起光および測定光）を磁気共鳴部材１に印加する。受光装置１３は、導光部材４２および光学系４３を介して、この励起光および測定光に対応して発せられる磁気共鳴部材１の蛍光を受光し、その蛍光の光量（蛍光強度）に応じた電気信号を出力する。測定制御部２１は、その電気信号を取得し、演算部２２は、その蛍光強度の検出値に基づいて、その測定シーケンスに対応する計算を行って、その測定位置の磁場（強度、向きなど）を特定する。

これにより、磁気センサー部１０（つまり、磁気共鳴部材１）によって測定位置の磁場が測定される。なお、所定の走査経路パターンに沿って磁気センサー部１０を走査し、走査経路上の複数の測定位置について上述の磁場測定を行うようにしてもよい。

以上のように、上記実施の形態１によれば、高周波磁場発生器２は、マイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材１にマイクロ波を印加する。磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場を印加する。照射装置１２は、磁気共鳴部材１に特定波長の入射光を照射する。フラックストランスフォーマー４は、１次側コイル４ａで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。柱状の導光部材４１は、その入射光を磁気共鳴部材１へ導き、柱状の導光部材４２は、磁気共鳴部材１の発する蛍光を磁気共鳴部材１から導く。そして、磁気共鳴部材１は、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部かつ上述の磁石３の中空部において、導光部材４１の端面と導光部材４２の端面とに挟まれて配置されている。また、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂは、ボビンレスコイルである。

これにより、上述の励起光および測定光（並びに蛍光）の光路を妨げずに、被測定磁場に対応する磁場を、静磁場とともに磁気共鳴部材１に印加することができる。したがって、フラックストランスフォーマー４で被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材１に対して効率良く印加して磁場測定を行うことができる。また、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２および磁石３とフラックストランスフォーマー４の磁束の向きとを相対的に配置しやすくなり、さらに、レーザー光を照射する空間が確保されやすくなる。

次に、当該実施の形態に係る磁場測定装置の製造方法について説明する。

まず、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、磁石３及びフラックストランスフォーマー４をそれぞれ用意する。

次に、図示せぬ回路基板に高周波磁場発生器２を取り付ける。また、小型化の観点から、ＳｉＣ等の半導体基板が利用される場合、高周波磁場発生器２がその基板に一体的に実装される。

次に、その回路基板を固定することで高周波磁場発生器２を固定するとともに、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂを、２次側コイル４ｂの開口端部が高周波磁場発生器２の開口部２ｃ，２ｄにそれぞれ面するように配置する。なお、磁気共鳴部材１の欠陥の配列方向の１つが、開口部２ｃ，２ｄの中心に向かうように組み立てられる。これにより、磁気共鳴部材１の少なくとも一つの外面に対して、高周波磁場発生器２から発生された磁束が垂直になるようになる。

そして、導光部材４１、磁気共鳴部材１、および導光部材４２を、開口部２ｃ，２ｄを挿通して固定する。このとき、磁気共鳴部材１が２次側コイル４ｂの中心エリアおよび中心区域に配置されるようにする。また、高周波磁場発生器２から発生されている磁束と、２次側コイル４ｂから発生されている磁束とが垂直となるように、各部の向きや位置が調整される。

さらに、高周波磁場発生器２の外側に磁石３を取り付ける。また、照射装置１２、光学系４３、および受光装置１３を別途設置して固定する。

上記の製造方法により、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２および磁石３と、フラックストランスフォーマー４の磁束の向きとを段階的に調整でき、相対的に配置しやすく、組み立てた後で煩雑な調整を行う必要がなくなる。

実施の形態２．

図９は、実施の形態２に係る磁場測定装置における導光部材および磁気共鳴部材の一例を示す断面図である。実施の形態２では、導光部材４１および導光部材４２のうちの一方のみまたは両方（ここでは両方）は、その端面に、磁気共鳴部材１の形状に対応する凹部４５，４６を備える。そして、磁気共鳴部材１がこの凹部４５，４６に配置される。

具体的には、磁気共鳴部材１がこの凹部４５，４６に配置され、導光部材４１の端面の凹部４５以外の部分と導光部材４２の端面の凹部４６以外の部分とが互いに面接触または（例えば接着剤で）面接合され互いに固定される。

実施の形態２に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態３．

図１０～図１２は、実施の形態３における高周波磁場発生器２の一例を示す斜視図である。実施の形態３では、高周波磁場発生器２は、コイル部２ａの代わりに、２つのコイル部ａ６１－１，６１ａ－２を備え、端子部２ｂの代わりに、端子部６１ｂ－１，６１ｂ－２を備える。

例えば図１０に示すように、高周波磁場発生器２は、それぞれ、マイクロ波を放出する略円形状のコイル部６１ａ－１，６１－２と、コイル部６１ａ－１，６１ａ－２の両端から延び図示せぬ基板などに固定される端子部６１ｂ－１，６１ｂ－２とを備える。

コイル部６１ａ－１，６１ａ－２は、磁気共鳴部材１を挟むように所定の間隔で互いに平行な２つの電流（略同一の振幅かつ略同一の周波数で互いに同期した電流）を導通させ、上述のマイクロ波を放出する。これにより、磁気共鳴部材１において空間的に略均一な強度のマイクロ波が印加される。

実施の形態１では、高周波磁場発生器２は、横巻き（α巻き）の板状コイルであるが、実施の形態３では、高周波磁場発生器２は、縦巻き（エッジワイズ巻き）の板状コイルである。

そして、導光部材４１の少なくとも一部、導光部材４１の少なくとも一部、および磁気共鳴部材１は、２つのコイル部６１ａ－１，６１ａ－２の間の空間に配置されている。

さらに、例えば図１１に示すように、実施の形態３では、板状部材６２－１と、板状部材６２－１と略平行に配置された板状部材６２－２とが設けられており、コイル部６１ａ－１は、板状部材６２－１の表面上に配置されており、コイル部６１ａ－２は、板状部材６２－１の表面に対向する板状部材６２－２の表面上に配置されている。

なお、板状部材６２－１および板状部材６２－２を基板とし、コイル部６１ａ－１，６１ａ－２をそれぞれ、それらの基板上の配線パターンとしてもよい。また、板状部材６２－１，６２－２は、ガラス基板でもよいし、フッ素樹脂（ＰＴＥＦ）基板でもよい。

さらに、例えば図１２に示すように、端子部６１ｂ－１は、板状部材６２－１のエッジで屈曲して、コイル部６１ａ－１から第１板状部材６２－１の側面に沿って延び、端子部６１ｂ－２は、板状部材６２－２のエッジで屈曲して、コイル部６１ａ－２から板状部材６２－２の側面に沿って延びるようにしてもよい。

実施の形態３に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態４．

図１３および図１４は、実施の形態４に係る磁場測定装置における導光部材、磁気共鳴部材、およびフラックストランスフォーマーの２次側コイルの例を示す斜視図である。例えば図１３および図１４に示すように、実施の形態４では、導光部材４１，４２は、略円柱形状を有している。実施の形態４における導光部材４１，４２のその他の光学的な特性は、実施の形態１における導光部材４１，４２の光学的な特性と同様である。ここで、図１３は、図１１に示す導光部材４１，４２を変更したものを示しており、図１４は、図１２に示す導光部材４１，４２を変更したものを示している。

なお、導光部材４１および導光部材４２に挟まれている磁気共鳴部材１は、（例えば第１導光部材４１と同一の径の）略円柱形状でもよい。また、実施の形態２と同様の凹部を設けて、磁気共鳴部材１がその凹部４５，４６に配置されるようにしてもよい。

実施の形態４に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態５．

図１５は、実施の形態５に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。例えば図１５に示すように、実施の形態５では、磁気センサー部１０には、光学部材７１が設けられている。光学部材７１は、導光部材４１の端面４１ａに隣接して配置され、上述の励起光を透過し蛍光を反射する。ここでは、光学部材７１の端面７１ａが導光部材４１の端面４１ａに接触している。

例えば、光学部材７１では、透明なガラスなどの平板状の本体の端面７１ａに誘電体多層膜が形成されている。この誘電体多層膜は、導光部材４１への励起光の波長（例えば５３３ｎｍ）の光を透過し、導光部材４１からの蛍光の波長（例えば６００ｎｍ～８００ｎｍ）の光を反射する。これにより、磁気共鳴部材１から導光部材４１へ進行した蛍光が、当該光学部材７１で反射して、導光部材４１，４２を進行し、受光装置１３により受光される。したがって、受光装置１３により受光される蛍光の光量が、当該光学部材７１によって増加する。

実施の形態５に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態６．

図１６および図１７は、実施の形態６におけるフラックストランスフォーマー４の２次側コイルの一例を示す斜視図である。

実施の形態６では、例えば図１６および図１７に示すように、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂが、２つの分割コイル４ｂ－１，４ｂ－２となっている。この２つの分割コイル４ｂ－１，４ｂ－２は、電気的に直列または並列に（ここでは、直列に）接続されている。２次側コイル４ｂの分割コイル４ｂ－１，４ｂ－２は、上述の電気信号に対応する印加磁場を誘起する。

さらに、例えば図１７に示すように、分割コイル４ｂ－１，４ｂ－２が直列に電気的に接続され、２次側コイル４ｂの端部６５は、高周波磁場発生器２の端子部６１ｂ－１，６１ｂ－２とは反対方向に延びていてもよい。

実施の形態６に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態７．

図１８は、実施の形態７に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。実施の形態７では、例えば図１８に示すように、基板８１が設けられている。基板８１は、上述のマイクロ波の高周波電流を導通させる配線パターン８２，８３－１，８３－２を備えている。

そして、基板８１上には、板状部材６２－１および板状部材６２－２が、それぞれ基板８１に対して直立して配置されて固定され、端子部６１ｂ－１および端子部６１ｂ－２は、はんだ付けなどによって、基板８１の配線パターン８２，８３－１，８３－２に電気的に接続されている。

具体的には、配線パターン８２には、端部６１ｂ－１の一方および端部６１ｂ－２の一方が接続されており、配線パターン８３－１，８３－２には、端部６１ｂ－１の他方および端部６１ｂ－２の他方がそれぞれ接続されている。なお、配線パターン８２は、高周波電源１１に電気的に接続されており、配線パターン８３－１，８３－２は、例えば、スルーホール８４－１，８４－２で終端されている。なお、配線パターン８３－１，８３－２終端部分は、図示したスルーホールに限定されるものではない。

実施の形態７に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態８．

図１９および図２０は、実施の形態８に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。実施の形態８では、例えば図１９に示すように、基板９１が設けられている。基板９１は、上述のマイクロ波の高周波電流を導通させる配線パターン９２，９３を備えている。

そして、基板９１上には、板状部材６２－１および板状部材６２－２が、それぞれ基板８１に対して直立して配置されて固定され、端子部６１ｂ－１および端子部６１ｂ－２は、はんだ付けなどによって、基板９１の配線パターン９２，９３に電気的に接続されている。

具体的には、配線パターン９２には、端部６１ｂ－１の一方および端部６１ｂ－２の一方が接続されており、配線パターン９３には、端部６１ｂ－１の他方および端部６１ｂ－２の他方が接続されている。なお、配線パターン９２は、高周波電源１１に電気的に接続されており、配線パターン９３は、スルーホール９４で終端されている。

さらに、例えば図１９に示すように、２次側コイル４ｂの端部６５は、基板９１とは反対方向に延びている。

図２０は、実施の形態８における磁気センサー部１０の変形例を示している。例えば図２０に示すように、光学部材７１が、フレーム部材９５で固定されており、フレーム部材９５が板状部材６２－１および板状部材６２－２の側面（基板９１に対して垂直な側面）に接触して固定されている。

実施の形態８に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態９．

図２１は、実施の形態９に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。図２２は、実施の形態９に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す断面図である。

図２１および図２２に示す磁気センサー部１０は、上述の図２０に示す磁気センサー部１０に充填部材９６を追加したものである。充填部材９６は、板状部材６２－１および板状部材６２－２の間の空間（より具体的には板状部材６２－１、板状部材６２－２、基板９１、およびフレーム部材９５によって囲まれた空間）に硬化樹脂（熱硬化樹脂など）を充填して形成されている。

例えば、図２０に示すように、導光部材４１，４２、磁気共鳴部材１、および２次側コイル４ｂを組み立てるとともに板状部材６２－１，６２－２、基板９１、およびフレーム部材９５を組み立てた後、導光部材４１，４２、磁気共鳴部材１、および２次側コイル４ｂのアセンブリを上述の空間内部に治具などを使用して配置した状態で硬化樹脂を注入し、硬化樹脂を硬化させることで、充填部材９６が形成される。なお、その際、光学部材７１およびフレーム部材９５の下部の開放部分や光学部材７１およびフレーム部材９５とは反対側の開放部分については、注入した硬化樹脂が流出しないように、必要に応じて仮枠が配置され硬化後に取り除かれる。

実施の形態９に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については、他のいずれかの実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態１０．

図２３は、実施の形態１０に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す斜視図である。図２４は、実施の形態１０に係る磁場測定装置における磁気センサー部（一部）の構成を示す断面図である。

実施の形態１０では、図２３および図２４に示すように、充填部材９６は、基板９１とは反対側から磁気共鳴部材１を光学的に観測するための観測孔９７を備える。例えば、観測孔９７にファイバースコープを挿入し、ファイバースコープで磁気共鳴部材１を観測する。なお、観測を行わないときは、遮光部材を観測孔９７に取り付けることで、磁気共鳴部材１への外光の入射が防止される。

実施の形態１０に係る磁場測定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、上記実施の形態のいずれかにおいて、磁石３は電磁石でもよい。

さらに、上記実施の形態のいずれかにおいて、導光部材４１，４２の側面に反射膜（誘電体多層膜など）を設けてもよい。また、ＣＰＣ４３ａ，４３ｂの側面に反射膜（誘電体多層膜など）を設けてもよい。

さらに、上記実施の形態のいずれかにおいて、導光部材４１，４２は、互いに同一の長さを有するようにしてもよい。また、導光部材４１，４２の断面形状は、円形、および四角形に限定されず、六角形など他の形状となっていてもよい。また、導光部材４１，４２の材質は、アクリルなどの透明な樹脂であってもよい。

さらに、上記実施の形態のいずれかにおいて、２次側コイル４ｂは、第１導光部材４１、第２導光部材４２、および磁気共鳴部材１の少なくとも１つに直接的に巻回されているようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態のいずれかにおいて、２次側コイル４ｂは、透明被覆を備えた銅線で構成されていてもよい。この場合、磁気共鳴部材１から、磁気共鳴部材１および導光部材４１，４２の外部へ出射した蛍光の一部が透明被覆を介して銅線表面で反射して導光部材４１，４２、または磁気共鳴部材１の内部へ戻るため、受光装置１３により受光される蛍光の光量が増加する。

さらに、上記実施の形態のいずれかにおいて、２次側コイル４ｂは、多層巻きのコイルでもよい。

なお、上記実施の形態では、２次側コイルは、ボビンレスコイルであるが、必要に応じて、ボビンに巻回されていてもよい。その場合、当該ボビンは、貫通孔を有し、その貫通孔に挿入された上述の導光部材４１，４２（および磁気共鳴部材１）を支持する。

本発明は、例えば、磁場測定装置に適用可能である。

１ 磁気共鳴部材
２ 高周波磁場発生器
２ａ，６１ａ－１，６１ａ－２ コイル部
２ｃ，２ｄ 開口部
３ 磁石
４ フラックストランスフォーマー
４ａ １次側コイル
４ｂ ２次側コイル
１０ 磁気センサー部
１１ 高周波電源
１２ 照射装置
１３ 受光装置
４１ 導光部材（第１導光部材の例）
４２ 導光部材（第２導光部材の例）
４５，４６ 凹部
６１ｂ－１，６１ｂ－２ 端子部
６２－１ 板状部材（第１板状部材の一例）
６２－２ 板状部材（第２板状部材の一例）
９５ 光学部材
９６ 充填部材

Claims (9)

1. マイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、
   前記磁気共鳴部材に前記マイクロ波を印加する高周波磁場発生器と、
   前記磁気共鳴部材に静磁場を印加する磁石と、
   前記磁気共鳴部材に特定波長の入射光を照射する照射装置と、
   １次側コイルで被測定磁場を感受し、感受した前記被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイルで前記磁気共鳴部材に印加するフラックストランスフォーマーと、
   前記入射光を前記磁気共鳴部材へ導く柱状の第１導光部材と、
   前記磁気共鳴部材の発する蛍光を前記磁気共鳴部材から導く柱状の第２導光部材とを備え、
   前記磁気共鳴部材は、前記フラックストランスフォーマーの前記２次側コイルの中空部かつ前記磁石の中空部において、前記第１導光部材の端面と前記第２導光部材の端面とに挟まれて配置されており、
   前記２次側コイルは、ボビンレスコイルであること、
   を特徴とする磁場測定装置。
2. 前記高周波磁場発生器は、マイクロ波を放出する略円形状かつ板状のコイル部を備え、
   前記コイル部は、２つの開口部を備え、
   前記第１導光部材は、前記２つの開口部のうちの一方を貫通するように配置され、
   前記第２導光部材は、前記２つの開口部のうちの他方を貫通するように配置されていること、
   を特徴とする請求項１記載の磁場測定装置。
3. 前記高周波磁場発生器は、マイクロ波を放出する略円形状の２つのコイル部を備え、
   前記第１導光部材の少なくとも一部および前記第２導光部材の少なくとも一部は、前記２つのコイル部の間の空間に配置されていること、
   を特徴とする請求項１記載の磁場測定装置。
4. 前記マイクロ波の高周波電流を導通させる配線パターンを備えた基板をさらに備え、
   第１板状部材と、
   前記第１板状部材と略平行に配置された第２板状部材と、
   前記２つのコイル部のうちの第１コイル部は、前記第１板状部材の表面上に配置されており、
   前記２つのコイル部のうちの第２コイル部は、前記第１板状部材の表面に対向する前記第２板状部材の表面上に配置されており、
   前記高周波磁場発生器は、前記第１コイル部から前記第１板状部材の側面に沿って延びる第１端子部と、前記第２コイル部から前記第２板状部材の側面に沿って延びる第２端子部とをさらに備え、
   前記第１板状部材および前記第２板状部材は、それぞれ前記基板に直立して配置され、
   前記第１端子部および前記第２端子部は、前記基板の前記配線パターンに電気的に接続されていること、
   を特徴とする請求項３記載の磁場測定装置。
5. 前記第１板状部材および前記第２板状部材の間の空間に硬化樹脂を充填して形成された充填部材をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の磁場測定装置。
6. 前記充填部材は、前記基板とは反対側から前記磁気共鳴部材を光学的に観測するための観測孔を備えることを特徴とする請求項５記載の磁場測定装置。
7. 前記第１導光部材の端面に隣接して配置され、前記励起光を透過し前記蛍光を反射する光学部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の磁場測定装置。
8. 前記２次側コイルは、前記第１導光部材、前記第２導光部材、および前記磁気共鳴部材の少なくとも１つに巻回されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の磁場測定装置。
9. 前記２次側コイルは、銅線と透明被覆とを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の磁場測定装置。

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