JP2599762B2 - ベクトル機能を有するスカラーマグネトメータおよびその回転補償方法 - Google Patents
ベクトル機能を有するスカラーマグネトメータおよびその回転補償方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はマグネトメータに関するもので，とくに回転
補償を含むベクトル機能を有するヘリウムスカラーマグ
ネトメータ（磁力計）に係わるものである． ［従来の技術］ 従来のヘリウムマグネトメータは,4Heランプ（4Heガ
スを封入した放電管で，高周波放電により励起されて発
光する）を用いて放射光を生成させることにより，セル
内の4He準安定原子または接地状態の3He原子を分極させ
るようにしている．この場合のプロセスの物性物理につ
いては，たとえば米国特許第4,567,439号および第3,20
6,761号のほか，下記の文献等にその記載がある． P.A.フランケンおよびF.D.コールグラヴ（P.A.Franke
n,F.D.Colegrove）「フィジックス・レビュー・レター
ズ」１,317,（Physics Review Letters,1958）． F.D.コールグラヴおよびP.A.フランケン（F.D.Colegr
ove,P.A.Franken）「フィジックス・レビュー」119,680
（Physics Review,1960）． F.D.コールグラヴ,L.D.シェアラおよびG.K.ウォルタ
ーズ（F.D.Colegrove,L.D.Shearer,G.K.Walters）「フ
ィジックス・レビュー」132,2561（Physics Review,196
3）． ［発明が解決しようとする問題点］ 従来のヘリウムマグネトメータは，これを浮遊容器と
してのブイ等の旋回性物体に装着した場合には，ブイが
浮遊中に旋回することにより生ずる外来性の誤差を生ず
る． ［発明の目的］ 本発明の目的は，ベクトル機能を有するスカラーマグ
ネトメータにおいて，たとえば球形のガラス製容器によ
り形成したセル内に3Heガスを封入して，このセルの周
囲に少なくとも３個のコイルを直交配置し，通常の手法
によってこのセル内に原子の分極および歳差運動を行な
わせ，その場合，前記コイルが当該セルに近接して設け
られていることにより，各コイル中に誘導電圧が生成さ
れることとなり，このようにして生成された誘導電圧の
振幅が計測中の磁場に対する個々のコイルの角度位置の
関数となるようにしたスカラーマグネトメータ提供する
ことにある． 本発明の第２の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，前記誘導電圧がベクトル的
関係を有し，これにより該ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータの向きの変動を前記誘導電圧の相対的
な振幅から得ることができるようにしたスカラーマグネ
トメータを提供することにある． 本発明の第３の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，高品質かつ高Ｑ値の直交配
置コイルを２組含むコイル系を設けることにより信号対
雑音比を高い値とするとともに,Q値がより低く都合上適
切な大きさとした第３の組のコイル対を上記２組の高品
質高Ｑ値コイルに対して直交配置して，この第３の組の
コイル対により，ベクトルの向きに関する情報を決定し
うるようにするとともに,1組または２組のコイルのみに
より磁場の強さが得られるようにしたスカラーマグネト
メータを提供することにある． 本発明の第４の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて,3Heガスを封入した前記セル
の周囲に前記コイルを配置して前記ベクトル情報を得る
ようにしたスカラーマグネトメータを提供することにあ
る． 本発明の第５の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，前記３組のコイルに生じた
それぞれの誘導電圧から方向コサイン値を計算するよう
にし，その場合，該誘導電圧の振幅が計測中の磁場の方
向の関数となるようにしたスカラーマグネトメータを提
供することにある． 本発明の第６の目的は,3Heガスを封入した前記セルの
３つの直交軸上に配置した前記コイル（以下，センスコ
イルないしピックアップコイルという）はこれをたがい
に相異なるものとしても，なおかつこれらのセンスコイ
ルにより磁場の強さおよびその向きに関する情報が得ら
れるようにしたベクトル機能を有するスカラーマグネト
メータを提供することにある． ［問題点を解決しようとするための手段］ このような目的を達成すべく本発明によるベクトル機
能を有するスカラーマグネトメータは,0.05Torrより高
く100Torrより低い圧力の3Heガス封入したセルを有し，
このセルをセルオシレータにより励起して該セル内のガ
スを部分的にイオン化させ，これにより準安定原子を，
ひいては接地状態の原子を偏光放射光源からの偏光放射
光により分極させ，さらに一対のヘルムホルツコイルを
設けてこれにより小さな均一磁場を生成させ，前記セル
内の分極原子とこの磁場との間の非整合を測定させるこ
とにより該セル内の分極原子に歳差運動を行なわせ，そ
の際，該歳差運動を行なう分極原子の角速度は，前記セ
ルが置かれている前記磁場の強さに正比例するように
し，歳差運動を行なっている分極原子の磁気モーメント
によって前記セルの直交軸上に装着した複数のセンスコ
イルに誘導電圧を生じさせ，かくて生成された誘導電圧
により，測定中の磁場中の該セルの角度位置を識別する
ベクトル情報を得て，これにより測定磁場の回転を補償
することを可能とするスカラーマグネトメータを提供す
るものである． ［実施例］ 以下，図面を参照して本発明の実施例を説明する．第
１図は本発明の一実施例たるベクトル機能を有するスカ
ラーマグネトメータ10を単純化して示すもので，オート
シーケンサ１によりセルオシレータ11から0.05Torrより
高く100Torrより低い低圧の3Heガスを封入したセル５
（球形のガラス製容器）にエネルギを移行させることに
より，該ヘリウム封入セル５内のガスを部分的にイオン
化させる．これにより準安定原子，ひいては接地状態の
原子が偏光放射光源３からの偏光放射光により分極され
る．この偏光放射光源３は，たとえば第2a図に開示する
ような構成としてもよいし，あるいは米国特許出願第04
4,914号（1987年４月30日出願）に開示された構成，す
なわちその一部を第2b図に示すような構成とすることも
できる．なお，上記オートシーケンサ１は3He原子のイ
オン化および分極を制御するものである．さらに，スキ
ャンニングオシレータ７がオートシーケンサ１によりト
リガされると，次いでこのオシレータ７が一対のヘルム
ホルツコイル9a,9bを励磁し，これにより，分極原子の
歳差運動が開始され，セル５内部の分極原子に磁場０
の周囲で歳差運動が付与される．この歳差運動を行なう
分極原子の角速度は，上記磁場０の強さに正比例す
る．歳差運動を行なう分極原子の磁気モーメントの結
果，前記ヘリウム封入セル５に近接して設けたセンスコ
イル13〜18に誘導電圧が生ずる．このように，第１図の
実施例においては３対のセンスコイル（13/14,15/16,17
/18）を用いることとしており，これらセンスコイルの
各対はそれぞれが増幅回路に接続されるとともに，全体
として信号処理回路19に接続され，この信号処理回路19
により全磁場の強さおよび方向コサイン値を得る．これ
らのベクトル量は，当該スカラーマグネトメータの位置
を識別するのと，該スカラーマグネトメータの回転位置
に起因する計測磁場′０の変動を補償するのに用いら
れる． 次に第2a図を参照して説明する．第2a図においては，
前記ヘリウム封入セル５およびセンスコイル13〜18は，
これをまとめてセル／コイル集合体21として示してあ
る．この第2a図は該セル／コイル集合体21の一部たる前
記セル５を励起させるしくみを示すものであり，ランプ
オシレータ23をケーブル25を介してオートシーケンサ１
と接続することにより，この第2a図においては4Heガス
を封入したものとした一対のランプ27,28に高周波エネ
ルギを供給する．この封入4Heガスはイオン化されて放
射エネルギを放射し，この放射エネルギが集束レンズ3
1,32の少なくとも一方により集束され，偏光レンズ35,3
7の少なくとも一方により円偏光される．この円偏光さ
れて精密な波長を有する放射光により，前記セル／コイ
ル集合体21内の3He原子が分極される．第2b図は波長を
約1.083ミクロンの適切な値としたレーザを用いて分極
を確実なものとした場合の構成を示すものである． 前述のように，センスコイル13〜18は前記ヘリウム封
入セル５の周囲においてたがいに直交する方向にこれを
配置してある．第３図はこのような直交配置を模式的に
示したものである．この構成は，前記のようにセンスコ
イルを３対用いた場合のものである．しかしながら，ベ
クトル機能を有するスカラーマグネトメータは，センス
コイルの数を３個のみとしても動作しうるものであり，
その場合は，該３個のセンスコイルの各々を第３図に示
すように直交軸（X,Y,Z軸）上に配置する．ただしこの
第３図に示す構成は，第１図に示した実施例に対応して
３対のセンスコイルを設けてこれを第３図のような斜視
図で示したものであり，それらのセンスコイルのうち３
個のみが図中に見えており，残りの３個は裏側にかくれ
ている．図中に見えているセンスコイルはセンスコイル
17,16,14である．これら直交配置としたセンスコイル対
の各々，あるいは３個のみを用いた場合の単一のセンス
コイルの各々は，これを各差動増幅回路の入力間に接続
することにより，前記誘導電圧を生成してこれを増幅す
る．第４図はこのように接続したセンスコイル13〜18の
電気的接続構成を示すものであり，つぎにこの第４図の
構成について説明する． 第４図において，対をなすセンスコイル13,14,センス
コイル16,15,センスコイル17,18はいずれもそれぞれ直
列接続されており，各センスコイル対13/14,16/15,17/1
8は増幅回路に接続されて，この増幅回路の出力1,出力
2,出力３は，前記信号処理回路19内に設けた増幅器の一
部たる信号処理回路により，次の方程式表中の式に従っ
て処理される． ただし,Vxは第３図に示す回路におけるセンスコイル1
7,18に生ずる誘導電圧,Vyは同じくセンスコイル16,15に
生ずる誘導電圧,Vzは同じくセンスコイル13,14に生ずる
誘導電圧を表わし，これらの誘導電圧は下記の方程式表
中，式1,2,3により与えられる． 10.ただし,nが負のときはsgn〔ｎ〕＝−1,nが正のとき
はsgn〔ｎ〕＝＋１とする． ヘリウム封入セル５内で歳差運動を行なっている原子
の回転速度はωで表わされ，その場合，各センスコイル
またはセンスコイル対に生ずる誘導電圧により，上記の
式1,2,3,4に示す関係に従って磁場０の大きさと方向
の関係がさだまることとなる．式４においてγe3は3H
eガスの磁気回転比である．方向コサイン値の大きさは
式5,6,7から得られるが，これらの式では振幅K1,K2,K3
はこれをいずれも１となるように調節してある． 方向コサイン値の標準的な形式は式８のように表わさ
れ，式９を用いて計算される．この式９において,|cos
α|,|cosβ|,|cosγ｜がそれぞれ方向コサイン値の大き
さである．式９におけるはじめの２項の方向コサイン値
は，誘導電圧Vx,Vy,Vz間の位相関係から得られる．また
第３の項の方向コサイン値は，計測中の磁場にベクトル
機能を有する当該スカラーマグネトメータの位置を知る
ことにより決定される．たとえばベクトル機能を有する
スカラーマグネトメータを海上配備したブイに装着した
場合には，この海上配備したブイが北磁気緯度にあると
きは前記第３の方向コサイン値は負となり，ブイが南磁
気緯度に配備されているときは前記第３の方向コサイン
値は正となる． ［発明の効果］ かくて，ベクトル機能を有するスカラーマグネトメー
タの回転位置は，上記の式９により示される方向コサイ
ン値の経時変化により検出されることとなる．この式９
を解くことにより，回転速度および回転軸が得られる．
このデータから振幅の補償を行なって全測定磁場強さの
値を正しく得ることが可能となる． 以上の説明に関連してさらに以下の項を開示する． （１） 複数の直交軸を有しかつ第１の所定の圧力の3H
eガスを含むセル手段と， このセル手段と作動的に結合したイオン化源と， 前記セル手段と光学的に結合した偏光放射光源と， 前記直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が配置され
るようにしてなる複数のセンスコイルと， これらの複数のセンスコイルに接続した検出回路とを
含むことを特徴とするベクトル機能を有するスカラーマ
グネトメータ． （２） 3He原子を分極させる分極手段をさらに含むよ
うにした前記第１項に記載のスカラーマグネトメータ． （３） 前記分極手段はこれを 4Heガスを含み，このガスのイオン化時に所定の波長
を有する放射光を生成するランプ容器と， このランプ容器と作動的に結合して該ランプ容器内に
含まれる4He原子をイオン化するオシレータと， 前記放射光を偏光させてこれを前記セル手段に集束さ
せるためのレンズ系とからなるようにした前記第２項に
記載のスカラーマグネトメータ． （４） 前記分極手段は， 所定の波長を有するレーザ放射光を生成するレーザ手
段と， このレーザ放射光を偏光させてこれを前記セル手段に
集束させるためのレンズ系とからなるようにした前記第
２項に記載のスカラーマグネトメータ． （５） 前記セル手段はこれを0.05Torrより高く100Tor
rより低い範囲内の圧力の3Heガスを封入した球形のガラ
ス製容器からなるようにした前記第１項に記載のスカラ
ーマグネトメータ． （６） 前記複数のセンスコイルは３組のセンスコイル
対を含み，それぞれ対をなすセンスコイルはこれを直列
に接続するとともに，その一方のセンスコイルはこれを
前記セル手段の一方の側に，他方のセンスコイルはこれ
をその反対側に設けて，歳差運動による磁気モーメント
により誘導電圧を生成させるようにした前記第１項に記
載のスカラーマグネトメータ． （７） 前記検出手段はこれを 第１の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第１の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第１の
差動増幅回路と， 第２の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第２の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第２の
差動増幅回路と， 第３の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第３の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第３の
差動増幅回路と， 前記第1,第2,および第３の差動増幅回路と作動的に結
合することにより前記増幅された誘導電圧を処理する処
理手段とを含むようにした前記第１項に記載のスカラー
マグネトメータ． （８） 前記処理手段は当該スカラーマグネトメータの
位置の変動を補償するための手段をさらに含むようにし
た前記第７項に記載のスカラーマグネトメータ． （９） 複数の3He原子ガスをセル手段内に封入するこ
とにより，該3He原子がイオン化されて磁場中に置かれ
たときに歳差運動磁気モーメントを生成させ， 前記3He原子をイオン化させ， 前記歳差運動磁気モーメントを検出して，前記セル手
段の直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が設けられる
ように複数のセンスコイルを配置して誘導電圧を生成さ
せ， この誘導電圧から磁場の強さを検出して検出された磁
場の強さから回転補償を行なうようにしたことを特徴と
するベクトル機能を有するスカラーマグネトメータの回
転補償方法． （10） 前記3He原子を分極させるステップをさらに含
むようにした前記第９項に記載のスカラーマグネトメー
タの回転補償方法． （11） 前記3He原子を分極させるステップにおいて
は， 4Heガスを含むランプ容器に通電することにより所定
の波長を有する放射光を生成させ， この放射光を偏光させてこれを前記セル手段に集束さ
せるようにした前記第10項に記載のスカラーマグネトメ
ータの回転補償方法． （12） 前記3He原子を分極させるステップにおいて
は， 所定の波長を有するレーザ放射光を生成させ， このレーザ放射光を偏光させてこれを前記セル手段に
集束させるようにした前記第10項に記載のスカラーマグ
ネトメータの回転補償方法． （13） 前記歳差運動磁気モーメントを検出するステッ
プにおいては， それぞれ対をなすセンスコイルを直列に接続するとと
もに，その一方のセンスコイルを球形のガラス製容器の
一方の側に，他方のセンスコイルをその反対側に設けて
なる３組のセンスコイル対中に，歳差運動による磁気モ
ーメントにより誘導電圧を生成させるようにした前記第
９項に記載のスカラーマグネトメータの回転補償方法． （14） 前記誘導電圧から磁場の強さを検出するステッ
プにおいては， 第１の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 第２の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 第３の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 増幅された誘導電圧の処理を行なうようにした前記第
13項に記載のスカラーマグネトメータの回転補償方法． （15） 0.05Torrより高く100Torrより低い圧力の3Heガ
スを封入したセル（５）をセルオシレータ（11）により
励起して該セル（５）内のガスを部分的にイオン化さ
せ，これにより準安定原子，ひいては接地状態の原子を
偏光放射光源（３）からの偏光放射光により分極させ，
さらに一対のヘルムホルツコイル（9a,9b）を設けてこ
れにより小さな均一磁場を生成させ，前記セル内の分極
原子とこの磁場との間の非接合を測定させることにより
該セル内の分極原子に歳差運動を行なわせ，その際，該
際差運動を行なう分極原子の角速度は，前記セルが置か
れている前記磁場の強さに正比例するようにし，歳差運
動を行なっている分極原子の磁気モーメントによって，
前記セル（５）の直交軸上に設けた複数のセンスコイル
（13〜18）に誘導電圧を生じさせ，かくて生成された誘
導電圧により，測定中の磁場中の該セルの角度位置を識
別するベクトル情報を得て，これにより測定磁場の回転
を補償することを可能とするスカラーマグネトメータ． 以上本発明の実施例につき記載してきたが，本発明に
よるスカラーマグネトメータおよびその回転補償方法方
法は，記載の実施例に対して適宜追加ないし変更を行な
って実施してもよいことはいうまでもない．
補償を含むベクトル機能を有するヘリウムスカラーマグ
ネトメータ（磁力計）に係わるものである． ［従来の技術］ 従来のヘリウムマグネトメータは,4Heランプ（4Heガ
スを封入した放電管で，高周波放電により励起されて発
光する）を用いて放射光を生成させることにより，セル
内の4He準安定原子または接地状態の3He原子を分極させ
るようにしている．この場合のプロセスの物性物理につ
いては，たとえば米国特許第4,567,439号および第3,20
6,761号のほか，下記の文献等にその記載がある． P.A.フランケンおよびF.D.コールグラヴ（P.A.Franke
n,F.D.Colegrove）「フィジックス・レビュー・レター
ズ」１,317,（Physics Review Letters,1958）． F.D.コールグラヴおよびP.A.フランケン（F.D.Colegr
ove,P.A.Franken）「フィジックス・レビュー」119,680
（Physics Review,1960）． F.D.コールグラヴ,L.D.シェアラおよびG.K.ウォルタ
ーズ（F.D.Colegrove,L.D.Shearer,G.K.Walters）「フ
ィジックス・レビュー」132,2561（Physics Review,196
3）． ［発明が解決しようとする問題点］ 従来のヘリウムマグネトメータは，これを浮遊容器と
してのブイ等の旋回性物体に装着した場合には，ブイが
浮遊中に旋回することにより生ずる外来性の誤差を生ず
る． ［発明の目的］ 本発明の目的は，ベクトル機能を有するスカラーマグ
ネトメータにおいて，たとえば球形のガラス製容器によ
り形成したセル内に3Heガスを封入して，このセルの周
囲に少なくとも３個のコイルを直交配置し，通常の手法
によってこのセル内に原子の分極および歳差運動を行な
わせ，その場合，前記コイルが当該セルに近接して設け
られていることにより，各コイル中に誘導電圧が生成さ
れることとなり，このようにして生成された誘導電圧の
振幅が計測中の磁場に対する個々のコイルの角度位置の
関数となるようにしたスカラーマグネトメータ提供する
ことにある． 本発明の第２の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，前記誘導電圧がベクトル的
関係を有し，これにより該ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータの向きの変動を前記誘導電圧の相対的
な振幅から得ることができるようにしたスカラーマグネ
トメータを提供することにある． 本発明の第３の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，高品質かつ高Ｑ値の直交配
置コイルを２組含むコイル系を設けることにより信号対
雑音比を高い値とするとともに,Q値がより低く都合上適
切な大きさとした第３の組のコイル対を上記２組の高品
質高Ｑ値コイルに対して直交配置して，この第３の組の
コイル対により，ベクトルの向きに関する情報を決定し
うるようにするとともに,1組または２組のコイルのみに
より磁場の強さが得られるようにしたスカラーマグネト
メータを提供することにある． 本発明の第４の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて,3Heガスを封入した前記セル
の周囲に前記コイルを配置して前記ベクトル情報を得る
ようにしたスカラーマグネトメータを提供することにあ
る． 本発明の第５の目的は，ベクトル機能を有するスカラ
ーマグネトメータにおいて，前記３組のコイルに生じた
それぞれの誘導電圧から方向コサイン値を計算するよう
にし，その場合，該誘導電圧の振幅が計測中の磁場の方
向の関数となるようにしたスカラーマグネトメータを提
供することにある． 本発明の第６の目的は,3Heガスを封入した前記セルの
３つの直交軸上に配置した前記コイル（以下，センスコ
イルないしピックアップコイルという）はこれをたがい
に相異なるものとしても，なおかつこれらのセンスコイ
ルにより磁場の強さおよびその向きに関する情報が得ら
れるようにしたベクトル機能を有するスカラーマグネト
メータを提供することにある． ［問題点を解決しようとするための手段］ このような目的を達成すべく本発明によるベクトル機
能を有するスカラーマグネトメータは,0.05Torrより高
く100Torrより低い圧力の3Heガス封入したセルを有し，
このセルをセルオシレータにより励起して該セル内のガ
スを部分的にイオン化させ，これにより準安定原子を，
ひいては接地状態の原子を偏光放射光源からの偏光放射
光により分極させ，さらに一対のヘルムホルツコイルを
設けてこれにより小さな均一磁場を生成させ，前記セル
内の分極原子とこの磁場との間の非整合を測定させるこ
とにより該セル内の分極原子に歳差運動を行なわせ，そ
の際，該歳差運動を行なう分極原子の角速度は，前記セ
ルが置かれている前記磁場の強さに正比例するように
し，歳差運動を行なっている分極原子の磁気モーメント
によって前記セルの直交軸上に装着した複数のセンスコ
イルに誘導電圧を生じさせ，かくて生成された誘導電圧
により，測定中の磁場中の該セルの角度位置を識別する
ベクトル情報を得て，これにより測定磁場の回転を補償
することを可能とするスカラーマグネトメータを提供す
るものである． ［実施例］ 以下，図面を参照して本発明の実施例を説明する．第
１図は本発明の一実施例たるベクトル機能を有するスカ
ラーマグネトメータ10を単純化して示すもので，オート
シーケンサ１によりセルオシレータ11から0.05Torrより
高く100Torrより低い低圧の3Heガスを封入したセル５
（球形のガラス製容器）にエネルギを移行させることに
より，該ヘリウム封入セル５内のガスを部分的にイオン
化させる．これにより準安定原子，ひいては接地状態の
原子が偏光放射光源３からの偏光放射光により分極され
る．この偏光放射光源３は，たとえば第2a図に開示する
ような構成としてもよいし，あるいは米国特許出願第04
4,914号（1987年４月30日出願）に開示された構成，す
なわちその一部を第2b図に示すような構成とすることも
できる．なお，上記オートシーケンサ１は3He原子のイ
オン化および分極を制御するものである．さらに，スキ
ャンニングオシレータ７がオートシーケンサ１によりト
リガされると，次いでこのオシレータ７が一対のヘルム
ホルツコイル9a,9bを励磁し，これにより，分極原子の
歳差運動が開始され，セル５内部の分極原子に磁場０
の周囲で歳差運動が付与される．この歳差運動を行なう
分極原子の角速度は，上記磁場０の強さに正比例す
る．歳差運動を行なう分極原子の磁気モーメントの結
果，前記ヘリウム封入セル５に近接して設けたセンスコ
イル13〜18に誘導電圧が生ずる．このように，第１図の
実施例においては３対のセンスコイル（13/14,15/16,17
/18）を用いることとしており，これらセンスコイルの
各対はそれぞれが増幅回路に接続されるとともに，全体
として信号処理回路19に接続され，この信号処理回路19
により全磁場の強さおよび方向コサイン値を得る．これ
らのベクトル量は，当該スカラーマグネトメータの位置
を識別するのと，該スカラーマグネトメータの回転位置
に起因する計測磁場′０の変動を補償するのに用いら
れる． 次に第2a図を参照して説明する．第2a図においては，
前記ヘリウム封入セル５およびセンスコイル13〜18は，
これをまとめてセル／コイル集合体21として示してあ
る．この第2a図は該セル／コイル集合体21の一部たる前
記セル５を励起させるしくみを示すものであり，ランプ
オシレータ23をケーブル25を介してオートシーケンサ１
と接続することにより，この第2a図においては4Heガス
を封入したものとした一対のランプ27,28に高周波エネ
ルギを供給する．この封入4Heガスはイオン化されて放
射エネルギを放射し，この放射エネルギが集束レンズ3
1,32の少なくとも一方により集束され，偏光レンズ35,3
7の少なくとも一方により円偏光される．この円偏光さ
れて精密な波長を有する放射光により，前記セル／コイ
ル集合体21内の3He原子が分極される．第2b図は波長を
約1.083ミクロンの適切な値としたレーザを用いて分極
を確実なものとした場合の構成を示すものである． 前述のように，センスコイル13〜18は前記ヘリウム封
入セル５の周囲においてたがいに直交する方向にこれを
配置してある．第３図はこのような直交配置を模式的に
示したものである．この構成は，前記のようにセンスコ
イルを３対用いた場合のものである．しかしながら，ベ
クトル機能を有するスカラーマグネトメータは，センス
コイルの数を３個のみとしても動作しうるものであり，
その場合は，該３個のセンスコイルの各々を第３図に示
すように直交軸（X,Y,Z軸）上に配置する．ただしこの
第３図に示す構成は，第１図に示した実施例に対応して
３対のセンスコイルを設けてこれを第３図のような斜視
図で示したものであり，それらのセンスコイルのうち３
個のみが図中に見えており，残りの３個は裏側にかくれ
ている．図中に見えているセンスコイルはセンスコイル
17,16,14である．これら直交配置としたセンスコイル対
の各々，あるいは３個のみを用いた場合の単一のセンス
コイルの各々は，これを各差動増幅回路の入力間に接続
することにより，前記誘導電圧を生成してこれを増幅す
る．第４図はこのように接続したセンスコイル13〜18の
電気的接続構成を示すものであり，つぎにこの第４図の
構成について説明する． 第４図において，対をなすセンスコイル13,14,センス
コイル16,15,センスコイル17,18はいずれもそれぞれ直
列接続されており，各センスコイル対13/14,16/15,17/1
8は増幅回路に接続されて，この増幅回路の出力1,出力
2,出力３は，前記信号処理回路19内に設けた増幅器の一
部たる信号処理回路により，次の方程式表中の式に従っ
て処理される． ただし,Vxは第３図に示す回路におけるセンスコイル1
7,18に生ずる誘導電圧,Vyは同じくセンスコイル16,15に
生ずる誘導電圧,Vzは同じくセンスコイル13,14に生ずる
誘導電圧を表わし，これらの誘導電圧は下記の方程式表
中，式1,2,3により与えられる． 10.ただし,nが負のときはsgn〔ｎ〕＝−1,nが正のとき
はsgn〔ｎ〕＝＋１とする． ヘリウム封入セル５内で歳差運動を行なっている原子
の回転速度はωで表わされ，その場合，各センスコイル
またはセンスコイル対に生ずる誘導電圧により，上記の
式1,2,3,4に示す関係に従って磁場０の大きさと方向
の関係がさだまることとなる．式４においてγe3は3H
eガスの磁気回転比である．方向コサイン値の大きさは
式5,6,7から得られるが，これらの式では振幅K1,K2,K3
はこれをいずれも１となるように調節してある． 方向コサイン値の標準的な形式は式８のように表わさ
れ，式９を用いて計算される．この式９において,|cos
α|,|cosβ|,|cosγ｜がそれぞれ方向コサイン値の大き
さである．式９におけるはじめの２項の方向コサイン値
は，誘導電圧Vx,Vy,Vz間の位相関係から得られる．また
第３の項の方向コサイン値は，計測中の磁場にベクトル
機能を有する当該スカラーマグネトメータの位置を知る
ことにより決定される．たとえばベクトル機能を有する
スカラーマグネトメータを海上配備したブイに装着した
場合には，この海上配備したブイが北磁気緯度にあると
きは前記第３の方向コサイン値は負となり，ブイが南磁
気緯度に配備されているときは前記第３の方向コサイン
値は正となる． ［発明の効果］ かくて，ベクトル機能を有するスカラーマグネトメー
タの回転位置は，上記の式９により示される方向コサイ
ン値の経時変化により検出されることとなる．この式９
を解くことにより，回転速度および回転軸が得られる．
このデータから振幅の補償を行なって全測定磁場強さの
値を正しく得ることが可能となる． 以上の説明に関連してさらに以下の項を開示する． （１） 複数の直交軸を有しかつ第１の所定の圧力の3H
eガスを含むセル手段と， このセル手段と作動的に結合したイオン化源と， 前記セル手段と光学的に結合した偏光放射光源と， 前記直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が配置され
るようにしてなる複数のセンスコイルと， これらの複数のセンスコイルに接続した検出回路とを
含むことを特徴とするベクトル機能を有するスカラーマ
グネトメータ． （２） 3He原子を分極させる分極手段をさらに含むよ
うにした前記第１項に記載のスカラーマグネトメータ． （３） 前記分極手段はこれを 4Heガスを含み，このガスのイオン化時に所定の波長
を有する放射光を生成するランプ容器と， このランプ容器と作動的に結合して該ランプ容器内に
含まれる4He原子をイオン化するオシレータと， 前記放射光を偏光させてこれを前記セル手段に集束さ
せるためのレンズ系とからなるようにした前記第２項に
記載のスカラーマグネトメータ． （４） 前記分極手段は， 所定の波長を有するレーザ放射光を生成するレーザ手
段と， このレーザ放射光を偏光させてこれを前記セル手段に
集束させるためのレンズ系とからなるようにした前記第
２項に記載のスカラーマグネトメータ． （５） 前記セル手段はこれを0.05Torrより高く100Tor
rより低い範囲内の圧力の3Heガスを封入した球形のガラ
ス製容器からなるようにした前記第１項に記載のスカラ
ーマグネトメータ． （６） 前記複数のセンスコイルは３組のセンスコイル
対を含み，それぞれ対をなすセンスコイルはこれを直列
に接続するとともに，その一方のセンスコイルはこれを
前記セル手段の一方の側に，他方のセンスコイルはこれ
をその反対側に設けて，歳差運動による磁気モーメント
により誘導電圧を生成させるようにした前記第１項に記
載のスカラーマグネトメータ． （７） 前記検出手段はこれを 第１の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第１の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第１の
差動増幅回路と， 第２の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第２の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第２の
差動増幅回路と， 第３の組の直列接続センスコイル対と作動的に接続す
ることにより，この第３の組の直列接続センスコイル対
により生成された誘導電圧を増幅するようにした第３の
差動増幅回路と， 前記第1,第2,および第３の差動増幅回路と作動的に結
合することにより前記増幅された誘導電圧を処理する処
理手段とを含むようにした前記第１項に記載のスカラー
マグネトメータ． （８） 前記処理手段は当該スカラーマグネトメータの
位置の変動を補償するための手段をさらに含むようにし
た前記第７項に記載のスカラーマグネトメータ． （９） 複数の3He原子ガスをセル手段内に封入するこ
とにより，該3He原子がイオン化されて磁場中に置かれ
たときに歳差運動磁気モーメントを生成させ， 前記3He原子をイオン化させ， 前記歳差運動磁気モーメントを検出して，前記セル手
段の直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が設けられる
ように複数のセンスコイルを配置して誘導電圧を生成さ
せ， この誘導電圧から磁場の強さを検出して検出された磁
場の強さから回転補償を行なうようにしたことを特徴と
するベクトル機能を有するスカラーマグネトメータの回
転補償方法． （10） 前記3He原子を分極させるステップをさらに含
むようにした前記第９項に記載のスカラーマグネトメー
タの回転補償方法． （11） 前記3He原子を分極させるステップにおいて
は， 4Heガスを含むランプ容器に通電することにより所定
の波長を有する放射光を生成させ， この放射光を偏光させてこれを前記セル手段に集束さ
せるようにした前記第10項に記載のスカラーマグネトメ
ータの回転補償方法． （12） 前記3He原子を分極させるステップにおいて
は， 所定の波長を有するレーザ放射光を生成させ， このレーザ放射光を偏光させてこれを前記セル手段に
集束させるようにした前記第10項に記載のスカラーマグ
ネトメータの回転補償方法． （13） 前記歳差運動磁気モーメントを検出するステッ
プにおいては， それぞれ対をなすセンスコイルを直列に接続するとと
もに，その一方のセンスコイルを球形のガラス製容器の
一方の側に，他方のセンスコイルをその反対側に設けて
なる３組のセンスコイル対中に，歳差運動による磁気モ
ーメントにより誘導電圧を生成させるようにした前記第
９項に記載のスカラーマグネトメータの回転補償方法． （14） 前記誘導電圧から磁場の強さを検出するステッ
プにおいては， 第１の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 第２の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 第３の組の直列接続センスコイル対に生成された誘導
電圧を増幅し， 増幅された誘導電圧の処理を行なうようにした前記第
13項に記載のスカラーマグネトメータの回転補償方法． （15） 0.05Torrより高く100Torrより低い圧力の3Heガ
スを封入したセル（５）をセルオシレータ（11）により
励起して該セル（５）内のガスを部分的にイオン化さ
せ，これにより準安定原子，ひいては接地状態の原子を
偏光放射光源（３）からの偏光放射光により分極させ，
さらに一対のヘルムホルツコイル（9a,9b）を設けてこ
れにより小さな均一磁場を生成させ，前記セル内の分極
原子とこの磁場との間の非接合を測定させることにより
該セル内の分極原子に歳差運動を行なわせ，その際，該
際差運動を行なう分極原子の角速度は，前記セルが置か
れている前記磁場の強さに正比例するようにし，歳差運
動を行なっている分極原子の磁気モーメントによって，
前記セル（５）の直交軸上に設けた複数のセンスコイル
（13〜18）に誘導電圧を生じさせ，かくて生成された誘
導電圧により，測定中の磁場中の該セルの角度位置を識
別するベクトル情報を得て，これにより測定磁場の回転
を補償することを可能とするスカラーマグネトメータ． 以上本発明の実施例につき記載してきたが，本発明に
よるスカラーマグネトメータおよびその回転補償方法方
法は，記載の実施例に対して適宜追加ないし変更を行な
って実施してもよいことはいうまでもない．
第１図は本発明の一実施例たるベクトル機能を有するス
カラーマグネトメータを単純化して示すブロック図，第
2a図および第2b図は第１図に示すスカラーマグネトメー
タに用いる偏光放射光源の具体例を単純化して示すブロ
ック図，第３図は第１図にあるセルの周囲に直交配置と
したセンスコイル（ピックアップコイル）の直交配置構
成を単純化して示す斜視図，第４図はこれら直交配置構
成としたセンスコイルの電気的接続構成を示す回路図で
ある． １……オートシーケンサ， ３……偏光放射光源， ５……セル， 9a,9b……ヘルムホルツコイル， 13〜18……センスコイル， 21……セル／コイル集合体 23……ランプオシレータ， 27,28……ランプ， 31,33……集束レンズ， 35,37……偏光レンズ．
カラーマグネトメータを単純化して示すブロック図，第
2a図および第2b図は第１図に示すスカラーマグネトメー
タに用いる偏光放射光源の具体例を単純化して示すブロ
ック図，第３図は第１図にあるセルの周囲に直交配置と
したセンスコイル（ピックアップコイル）の直交配置構
成を単純化して示す斜視図，第４図はこれら直交配置構
成としたセンスコイルの電気的接続構成を示す回路図で
ある． １……オートシーケンサ， ３……偏光放射光源， ５……セル， 9a,9b……ヘルムホルツコイル， 13〜18……センスコイル， 21……セル／コイル集合体 23……ランプオシレータ， 27,28……ランプ， 31,33……集束レンズ， 35,37……偏光レンズ．
Claims (2)
- 【請求項１】複数の直交軸を有しかつ第１の所定の圧力
の3Heガスを含むセル手段と， このセル手段と作動的に結合したイオン化源と， 前記セル手段と光学的に結合した偏光放射光源と， 前記直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が配置される
ようにしてなる複数のセンスコイルと， これらの複数のセンスコイルに接続した検出回路とを含
むことを特徴とするベクトル機能を有するスカラーマグ
ネトメータ． - 【請求項２】複数の3He原子ガスをセル手段内に封入す
ることにより，該3He原子がイオン化されて磁場中に置
かれたときに歳差運動磁気モーメントを生成させ， 前記3He原子をイオン化させ， 前記歳差運動磁気モーメントを検出して，前記セル手段
の直交軸の各々の軸上に少なくとも１個が設けられるよ
うに複数のセンスコイルを配置して誘導電圧を生成さ
せ， この誘導電圧から磁場の強さを検出して，検出された磁
場の強さから回転補償を行なうようにしたことを特徴と
するベクトル機能を有するスカラーマグネトメータの回
転補償方法．
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US64,281 | 1987-06-17 | ||
| US07/064,281 US4814707A (en) | 1987-06-17 | 1987-06-17 | Scalar magnetometer with vector capabilities |
| US064,281 | 1987-06-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0192676A JPH0192676A (ja) | 1989-04-11 |
| JP2599762B2 true JP2599762B2 (ja) | 1997-04-16 |
Family
ID=22054829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63149892A Expired - Lifetime JP2599762B2 (ja) | 1987-06-17 | 1988-06-17 | ベクトル機能を有するスカラーマグネトメータおよびその回転補償方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4814707A (ja) |
| JP (1) | JP2599762B2 (ja) |
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| FR2654570A1 (fr) * | 1989-11-14 | 1991-05-17 | Thomson Csf | Cellule de vapeurs atomiques ou moleculaires pour pompage optique et magnetometre ou gyroscope utilisant une telle cellule. |
| FR2663431B1 (fr) * | 1990-06-14 | 1992-09-11 | Commissariat Energie Atomique | Magnetometre a resonance magnetique et a enroulements d'excitation multiplexes. |
| FR2663430B1 (fr) * | 1990-06-14 | 1992-10-02 | Commissariat Energie Atomique | Magnetometre a resonance et a pompage optique utilisant un faisceau lumineux a polarisation asservie. |
| FR2663751B1 (fr) * | 1990-06-25 | 1992-09-18 | Commissariat Energie Atomique | Magnetometre directionnel a resonance. |
| FR2779530B1 (fr) | 1998-06-09 | 2000-07-07 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de mesure des composantes d'un champ magnetique a l'aide d'un magnetometre scalaire |
| US7834621B2 (en) * | 2007-09-25 | 2010-11-16 | General Electric Company | Electromagnetic tracking employing scalar-magnetometer |
| JP4990194B2 (ja) * | 2008-03-07 | 2012-08-01 | 株式会社神戸製鋼所 | 磁石位置測定方法 |
| CN101794653B (zh) * | 2010-03-12 | 2012-02-29 | 中国科学院电工研究所 | 一种产生旋转磁场的超导磁体 |
| FR2984519B1 (fr) * | 2011-12-19 | 2014-02-21 | Commissariat Energie Atomique | Magnetometre a pompage optique integre et isotrope |
| DE102012202237B4 (de) | 2012-02-14 | 2016-01-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorrichtung und Verfahren zur Magnetfeldmessung und -regelung |
| US9645205B2 (en) | 2012-12-11 | 2017-05-09 | Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. | Combined electron paramagnetic resonance (EPR) and nuclear magnetic resonance (NMR) magnetometer system |
| FR3035769A1 (fr) * | 2015-04-30 | 2016-11-04 | Commissariat Energie Atomique | Cellule de generation d'un plasma |
| US10809342B2 (en) * | 2017-10-02 | 2020-10-20 | Northrop Grumman Systems Corporation | Calibration of a magnetometer system |
| CN108392195A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-08-14 | 上海交通大学 | 用于心磁测量的主动磁屏蔽式激光泵浦磁力仪 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3103621A (en) * | 1960-01-13 | 1963-09-10 | Gen Precision Inc | Optically pumped magnetic resonance gyroscope and direction sensor |
| US3714552A (en) * | 1972-01-19 | 1973-01-30 | Us Navy | Method of reducing errors arising from the radio frequency oscillator system of optically pumped magnetometers |
| US4567439A (en) * | 1983-09-23 | 1986-01-28 | Texas Instruments Incorporated | Apparatus for measuring the magnitude of a magnetic field |
-
1987
- 1987-06-17 US US07/064,281 patent/US4814707A/en not_active Expired - Fee Related
-
1988
- 1988-06-17 JP JP63149892A patent/JP2599762B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0192676A (ja) | 1989-04-11 |
| US4814707A (en) | 1989-03-21 |
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