JP5424578B2 - 磁気センシング方法、原子磁気センサ、及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センシング方法、原子磁気センサ、及び磁気共鳴イメージング装置に関する。

アルカリ金属蒸気のスピンを利用した原子磁気センサが提案されている。

特許文献１では、円偏光用光源とプローブ光用光源とを備えた、高感度な原子磁気センサが提案されている。また、非特許文献１において、共鳴現象を利用して核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号やＲＦ信号を検出する原子磁気センサが示されている。更にまた、特許文献２では、遠隔検出技術と一光路型の原子磁気センサを用いた磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置が提案されている。
米国特許第７，０３８，４５０号明細書 Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９４、１２３００１（２００５） 米国特許第７，０６１，２３７号明細書

上述の共鳴現象を利用している共鳴型原子磁気センサは、磁場信号の変化に対して大きなファラデー角の変化を得ることができる一方で、測定帯域が共鳴のバンド幅程度に狭いという問題がある。

特に、最適な感度に対応した測定帯域は１ｋＨｚ程度であり、いわゆるＢ_０磁場が１．５Ｔ程度の通常の磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）に使用される測定帯域（３２ｋＨｚ）に比べ、極端に狭い。

磁気センサとしての測定周波数帯域が狭く、周波数エンコーディングに使用し得る周波数帯域が狭いと、化学シフトアーチファクトによって、画像が乱れるなどして、良好な画質が得られなくなることが考えられる。なお、この化学シフトアーチフェクトは、水と脂肪族とにおける夫々のプロトンの周波数シフトの差に起因するといわれている。

そこで、本発明は、従来よりも測定周波数帯域を広げることができる磁気センシング方法、当該磁気センシングを行うための原子磁気センサ、及び磁気共鳴イメージング装置を提供することを目的としている。

第１の本発明に係る磁気センシング方法は、
セル内に包含されている原子群に対して、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分とを有するプローブ光とが交差領域を有するように照射し、前記セルを通過する前後での前記プローブ光の偏光面の回転角の変化を利用した磁気センシング方法であって、
前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に勾配を付与した状態で、前記ポンプ光と前記プローブ光を照射して、前記セルを通過する前後での該プローブ光の偏光面の回転角の変化に関する情報を取得することを特徴とする。

第２の本発明に係る磁気共鳴イメージング装置は、前記磁気センシング方法を行う原子磁気センサと、前記交差領域に前記勾配を付与するための磁場とは異なる傾斜磁場を与える傾斜磁場発生用コイルと、静磁場発生用コイルと、被検査物に電磁波を照射するためのＲＦコイルとを有することを特徴とする。

第３の本発明に係る原子磁気センサは、
セルと、該セルに包含されている原子群と、円偏光成分を有するポンプ光を出力する為の光源と、直線偏光成分を有するプローブ光とを出力するための光源とを含み構成される原子磁気センサであって、
ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、
４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を、前記ポンプ光と前記プローブ光との交差領域に印加するための磁場印加手段を有することを特徴とする。

第４の本発明に係る磁気共鳴イメージング装置は、前記原子磁気センサを受信センサとして用いることを特徴とする。

また、別の本発明は、円偏光用光源とプローブ光用光源と、アルカリ金属蒸気とを用いた原子磁気センサであって、アルカリ金属蒸気と該アルカリ金属蒸気を封入したセルと該セルに磁場勾配を印加する手段とを有する。そして、ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、円偏光とプローブ光との交差体積にわたって、４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を印加することを特徴とする。

上述の本発明は、原子磁気センサに印加されるバイアス磁場強度を空間的に変化させて、原子磁気センサの共鳴中心周波数が当該バイアス磁場により変化する現象を利用する。当該現象の利用により、原子磁気センサとしての測定帯域を広げることができる。

共鳴型の原子磁気センサの中心周波数ｆ_０は、通常、図１のｚ軸に印加するバイアス磁場をＢ_ａ［Ｔ］とした場合に、ｆ_０＝ｇμＢ_ａ／（Ｑｈ）で表されることが知られている。

本発明者らは、測定周波数帯域の拡大を目指して鋭意検討を進めていた。そして、上記式の全微分を行うと、ｄｆ_０＝ｇμｄＢ_ａ／（Ｑｈ）となるのであるから、ｄＢ_ａなる磁場強度差のある磁場勾配を作れば、測定周波数帯域を拡大できるという認識に初めて至った。

そして、以下の実施形態に代表される本発明を成すに至っている。以下、磁気センシング方法、原子磁気センサ、及び磁気共鳴イメージング装置に分けて、それぞれ説明する。

（第１の実施形態：磁気センシング方法）
本実施形態に係る磁気センシングに関する発明は、以下の特徴を有する。

具体的には、セル内に包含されている原子群（原子集団）に対して、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分とを有するプローブ光とが交差領域（あるいは交差幅）を有するように照射する。そして、前記セルを通過する前後での前記プローブ光の偏光面の回転角の変化（偏光方向の回転角の変化ともいえる。）を利用した磁気センシングを行う。ここで、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に勾配を付与した状態で、前記ポンプ光と前記プローブ光を照射して、前記セルを通過する前後での該プローブ光の偏光面の回転角の変化に関する情報を取得する。

Ａ：セル
セルはガラスやプラスチックなどプローブ光やポンプ光を透過し得る材料から構成される。当該セル内には、原子群あるいは原子集団として、アルカリ金属（ＫやＲｂなど）がガス状態で包含される。勿論、センシングの際にガス状態（蒸気）となるのであれば、センシングを行なっていない時には、必ずしもガス状態となっている必要はない。例えば、ガラスセルにカリウム金属を入れておき、１８０℃程度に加熱することで、同ガラスセル内に、カリウム金属の蒸気を充満させることができる。

また、セル内に包含される原子群としては、アルカリ金属原子に限らず、上記したセンシング方法を行うことができれば特に材料も限定されない。更に、セル内には、前記原子群の他にバッファーとなるガスを封入しておくこともできる。また、原子群として、Ｋ、Ｒｂのほか、これらの原子とスピン交換をし得るＸｅなども混入させることができる。

Ｂ：ポンプ光
ポンプ光は、円偏光光自体、即ち実質的に円偏光光だけからなることが望ましいが、本実施形態に係る発明においては、当該円偏光成分を有していれば他の偏光成分を含有していることを除外するものではない。

このポンプ光は、原子群を構成する各原子の不対電子のスピンの向きを揃えるために用いられる。具体的には、円偏光ポンピングと呼ばれる現象を用いて、原子のスピンの向きを揃えることができ、右円偏光のポンプ光を用いると、それぞれランダムな向きを持った原子のスピンの向きをポンプ光の進行方向に揃えることができる。なお、左円偏光のポンプ光では、ポンプ光の逆方向に原子のスピンの向きを揃えることができる。

このようにスピンの向きを揃えることができるのは、円偏光の光は角運動量を持つため、角運動量保存により、光を吸収しないスピンの向きが存在するからである。一旦励起された原子は、自然放出によりランダムな偏光状態の光を放出し、互いに異なる基底状態を取り得るが、このポンピングを繰り返すことにより、最終的には原子群を構成するそれぞれの原子のスピンの向きを揃える、すなわち偏極させることが可能となる。

Ｃ：プローブ光
プローブ光は、不必要なポンピングを避けるために、原子の共鳴周波数から離調してあることが望ましい。また、プローブ光は、直線偏光、即ち実質的に直線偏光光だけからなることが望ましいが、本実施形態に係る発明においては、当該直線偏光成分を有していれば他の偏光成分を含有していることを除外するものではない。

そして、このプローブ光と前記ポンプ光とが交差して交差領域を構成するように、両光を照射する。前記プローブ光と前記ポンプ光とは交差すれば特に制限されるものではないが、一般的には、両光が直交するように構成される。

偏極している原子群に、直線偏光の光を入射させると、常磁性ファラデー回転と呼ばれる作用により、偏光面が回転することが知られている。具体的には、入射方向に沿って進行しているプローブ光は、測定磁場（ポンプ光（ｘ方向）とプローブ光（ｚ方向）との両方に直交する方向（ｙ方向）の磁場成分）によってトルクを受けて原子群の偏極方向がｘｚ面内で回転する影響を受けて、偏光面が回転する。そして、この偏光面の回転角が原子群のスピンの大きさに比例することが知られている。

本実施形態に係る発明においても、前述のポンプ光によって、偏極原子群を形成し、前記セル内の当該原子群に直線偏光のプローブ光を入射させ、セルを通過する前後で、前記プローブ光の偏光面の回転角に関する情報を取得する。例えば、前記プローブ光の偏光面の回転角を測定する。

光源に関しては、ポンプ光とプローブ光のそれぞれ個別の光源を用いてもよいし、光源は共通させて、偏光板等を利用することで、円偏光のポンプ光と直線偏光のプローブ光とを作り出すこともできる。なお、ポンプ光とプローブ光を出力するための光源としては、レーザ光源を用いることができる。例えば、セル内の原子群あるいは原子集団としてカリウムを使用する場合には、０．０２ｎｍから１ｎｍの範囲で互いに離調された波長が約７７０ｎｍのレーザ光源を利用できる。

Ｄ：プローブ光の偏光面の回転角に関する情報の取得
偏光面（あるいは偏光方向）の回転角に関する情報は、例えば、前記セルを通過したプローブ光を偏光板を介してフォトダイオード列で検出することで取得することができる。勿論、偏光面の回転角に関する情報を取得することができるであれば、前記フォトダイオード列による検出手段以外の方法も適宜採用することができる。

Ｅ：勾配を有する磁場の印加
本実施形態に係る発明においては、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に勾配を付与した状態で、前記ポンプ光と前記プローブ光を照射する。このような磁場勾配を利用することで、共鳴型原子磁気センサの中心周波数ｆ_０自体にも、勾配をつくることができ、結果として、測定周波数帯域を広げることができることになる。

すなわち、本実施形態に係る発明においては、以下のように構成するのがよい。即ち、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、当該勾配が付与されていない場合に比べて測定周波数帯域が拡がるように勾配を付与する。例えば、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、該勾配が付与されていない場合に比べて測定周波数帯域が２倍以上、好ましくは１０倍以上に拡がるように付与することができる。

磁気共鳴イメージング装置においては、位置情報をエンコーディングする為に傾斜磁場を用いられる。この傾斜磁場とは異なり、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与する勾配は前記セルあるいは前記交差領域に選択的に付与されるものである。つまり、本実施形態における勾配を有する磁場と、磁気共鳴イメージング装置でいうところの傾斜磁場とは相違する。より詳細には、本実施形態における勾配の付与は、ポンプ光が前記交差領域に入射する方向（ｚ方法）の磁場に対して、勾配を付与するものである。そして、この勾配付与の方向は特に制限されるものでない。

すなわち、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、該ポンプ光が該交差領域へ入射する方向の磁場勾配であってもよい。あるいは、前記プローブ光が前記交差領域へ入射する方向の磁場勾配であってもよい。

また、前記ポンプ光と前記プローブ光とが前記交差領域へ入射する方向との両方に垂直な方向の磁場勾配であってもよい。

特に、ポンプ光が前記交差領域に入射する方向（ｚ方法）の磁場（バイアス磁場といわれる場合がある。）に対して、当該ｚ方向の勾配を付与する場合は、上記ＭＲＩ装置における傾斜磁場とは明確に相違する。該ＭＲＩ装置における傾斜磁場の印加方向は、測定磁場方向であるｙ方向への磁場印加であるからである。勿論、ＭＲＩ装置における傾斜磁場のため、あるいは他の目的のために、結果的に前記セルに対して、磁場勾配が付与され、当該勾配が付与されていない場合に比べて、測定周波数帯域が拡大している場合は、本発明に包含される。なお、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配としては、少なくとも以下の３つのパターン、あるいはこれらの組み合わせがあり得る。第１は、該ポンプ光が該交差領域へ入射する方向に磁場勾配を付与する場合である。第２は、前記プローブ光が前記交差領域へ入射する方向に磁場勾配を付与する場合である。第３は、前記ポンプ光と前記プローブ光とが前記交差領域へ入射する方向との両方に垂直な方向に磁場勾配を付与する場合である。

前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向に勾配を有する前記磁場は、被検査物には実質的には印加されないことが望ましい。

測定周波数を拡大するために印加される前記磁場は、ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、前記交差領域に、
４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を付与することが望ましい。

また、前記ポンプ光が前記交差領域へ入射する方向の磁場に付与される勾配は、線形状、ステップ状、あるいは曲線状の磁場勾配とすることができる。

なお、勾配を有する磁場の印加は、例えば逆ヘルムホルツコイルを利用することで実現することができ、その詳細は、実施例において示している。

以上、説明したように、例えば、前記セル内に、前記原子群としてのアルカリ金属原子が包含されておき、そして、円偏光状態の前記ポンプ光と、直線偏光状態の前記プローブ光とは前記交差領域で直交するように入射させる。そして、前記ポンプ光と前記プローブ光との両方に直交する方向の被検査物に基づく磁気成分を、前記プローブ光の偏光面の回転角として測定することにより、磁気センシング方法を実際に行うことができる。

（第２の実施形態：原子磁気センサ）
本実施形態に係る原子磁気センサは、セルと、該セルに包含されている原子群と、円偏光成分を有するポンプ光を出力する為の光源と、直線偏光成分を有するプローブ光とを出力するための光源とを含み構成される。

そして、ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、
４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）［Ｔ］以上の磁場強度差のある磁場勾配を、前記ポンプ光と前記プローブ光との交差領域に印加するための磁場印加手段を有することが特徴である。

更に、前記セル内に包含されている前記原子群に対して、前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差領域を有するように照射して、前記セルを通過する前後での前記プローブ光の偏光面の回転角を測定するための回転角測定手段を組み込むことができる。

前記磁場勾配は、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に勾配を付与することができる。特に、前記磁場勾配は、前記交差領域にわたって勾配を有するように構成するのが望ましい。

前記原子群としては、アルカリ金属蒸気を用いることができる。

磁場勾配における磁場強度差を、前述のように、４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）［テスラ］以上にすれば、原子磁気センサの測定領域を２倍以上にすることができるが、その詳細については、実施例において説明する。

なお、本実施形態に係る原子磁気センサにおいては、上述の実施形態１に係る発明において説明した技術事項のすべてが、特に矛盾しない限り、適用することができることはいうまでもない。

（第３の実施形態：磁気共鳴イメージング装置）
本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置に関する発明は、以下の構成要素を有することを特徴とする。

具体的には、前記第１の実施形態に係る発明において説明した磁気センシング方法を行う原子磁気センサを有する。そして、前記交差領域に磁場勾配を付与するための前記磁場とは異なる傾斜磁場を与える傾斜磁場発生用コイルと、静磁場発生用コイルとを有する。更に、被検査物に電磁波を照射するためのＲＦコイルを含み構成される。

ＲＦ信号を受信するための検出装置（受信センサ）として前述した共鳴型の原子磁気センサを用いること以外は、通常の磁気共鳴イメージング装置を構成する構成要素を適宜利用することができる。

傾斜磁場発生用コイルとは、例えば、プロトンに空間的な位置情報をエンコーディングするためのものであり、３軸方向（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）にそれぞれ一つずつ設けることができる。

ＲＦコイルは、例えば、ＲＦパルスを照射するために用いられる。

磁気共鳴イメージング装置としては、必要に応じて、ベッド、シールドなどが構成要素として含まれる。特に、既述の原子磁気センサを用いる場合は、バックグラウンド磁場を小さくしておいた方が好ましいので、磁気シールドを用いることが好ましい。バックグラウンド磁場は、例えば１００ｎＴよりも十分小さくして使用するのが好ましい。

また、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置は、前記ポンプ光と同一の方向に磁束密度Ｂ_０の磁場を印加する手段を有する。そして、前記交差領域にわたって、略（Ｎ／２５６）×２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］の磁場強度差がある前記磁場勾配が印加されるように構成するのがよい。ここで、Ｎは周波数エンコーディングを施す画素数であり（Ｎは例えば、１２８、２５６、５１２、１０２４などである。）、Ｑはスローダウンファクターである。略２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［テスラ］の磁場強度差があるようにした方がよい理由は、後述の実施例において説明している。

なお、本実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置には、上述の実施形態１及び２に係る発明において説明した技術事項のすべてが、特に矛盾しない限り、適用することができる。

（実施例１：原子磁気センサ）
図１は、本発明の実施例１の特徴を示す図である。

同図において、１は円偏光用光源からの円偏光レーザー光であるプローブ光、２はプローブ光用光源からの直線偏光レーザー光であるプローブ光である。３はアルカリ金属蒸気を電子スピンの歳差運動として模式的に示したものであり、４は該アルカリ金属蒸気を封入したセルである。５ａ、５ｂは当該セルに磁場勾配を印加する手段であるところの逆ヘルムホルツコイルである。また、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、セル４内に略均一なバイアス磁場を印加するための順ヘルムホルツコイルであり、ｘ軸方向の順ヘルムホルツコイルは省略しているが、ｘ、ｙ、ｚ方向の３軸順ヘルムホルツコイルを模式的に示す図である。８は、円偏光１とプローブ光２のｚ方向の交差幅△ｚを示し、９は、アルカリ金属セル４の温度を一定に保持するための恒温槽である。

本実施例では、セル４に磁場勾配を印加する手段５ａ、５ｂを用いて、円偏光１とプローブ光２との交差幅△ｚにわたって、４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上のバイアス差がある磁場勾配を印加することを特徴とする。

斯かる特徴を有する原子磁気センサにより、測定帯域の広い共鳴型原子磁気センサを提供するものである。

以下の説明において登場する、Ｑはスローダウンファクター、ｈはプランク定数（＝６．６２５６ｘ１０^−２７ Ｊ ｓ）、ｇはｇ因子（〜２）である。μはボーア磁子（＝９．２７３２ｘ１０^−２４ Ａ ｍ^２）、Ｒはポンピングレート、Ｒ_ＳＤはスピン緩和レートである。

本実施例では、特に、アルカリ金属としてカリウム（原子記号：Ｋ）を用い、恒温槽９を１９０℃に保持することによりカリウムの飽和蒸気とし、アルカリ金属蒸気にポンプ光１を照射する。こうして、円偏光励起することにより、アルカリ金属蒸気の分極Ｐを略１とする。このとき、スローダウンファクターＱは略４となる。

非特許文献（Ｉ．Ｍ．Ｓａｖｕｋｏｖ，Ｓ．Ｊ．Ｓｅｌｔｚｅｒ，Ｍ．Ｖ．Ｒｏｍａｌｉｓ，ａｎｄ Ｋ．Ｌ．Ｓａｕｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９５，０６３００４（２００５））に緩和時間について記載がある。具体的には、原子磁気センサの横緩和時間Ｔ_２ａは、
１／Ｔ_２ａ＝Ｒ／４ ＋ＧＲ_ＳＥＲ_ＳＤ／Ｒ （１）
と表される。ただし、Ｒ_ＳＤはスピン交換レート、Ｇはおよそ定数とみなせ、Ｇ〜１／５である。

式（１）より、Ｔ_２ａはＲ＝２（ＧＲ_ＳＥ Ｒ_ＳＤ）^０．５の時、最大値、Ｔ_２ａ ^ｍａｘ＝（Ｒ_ＳＥＲ_ＳＤ／５）^‐０．５となり、原子磁気センサの感度も最適化される。具体的には、Ｒ_ＳＥ＝１０５ｋＨｚ、Ｒ_ＳＤ＝５５ｋＨｚとすると、Ｒ＝２１５０ＨｚでＴ_２ａは最大値Ｔ_２ａ ^ｍａｘ＝０．９３ｓｅｃとなり、原子磁気センサの感度は最適化される。

また、共鳴型原子磁気センサの測定帯域ＢＷ^{原子磁気センサ}は、通常、
ＢＷ^{原子磁気センサ}＝２（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ ）／Ｑ （２）
と表され、感度を最適とするときは１ｋＨｚ程度となる。

一方、共鳴型原子磁気センサの中心周波数ｆ_０は、通常、１図のｚ軸方向に印加するバイアス磁場をＢ_ａ［Ｔ］とすると、
ｆ_０＝ｇμＢ_ａ／（Ｑｈ） （３）
で表せる。また、式（２）の全微分をとると、
ｄｆ_０＝ｇμｄＢ_ａ／（Ｑｈ） （４）
を得る。すなわち、ｄＢａ［Ｔ］なる磁場強度差のある磁場勾配を作れば、ｄｆ_０＝ｇμｄＢ_ａ／（Ｑｈ）なる測定帯域を得ることができる。

したがって、
ｄＢａ＝４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）［Ｔ］ （５）
以上の磁場強度差がある磁場勾配を作れば、式（２）（４）より、従来の原子磁気センサ測定帯域を、２倍以上にも広げることができる。より具体的には、ｄＢａを０．２８６μＴ以上とすれば、従来、１ｋＨｚ程度だった測定帯域を２ｋＨｚ以上に広げることができる効果がある。なお、既述のように、磁場勾配を付与する対象としての磁場は、ポンプ光が前述の交差領域に入射する方向である。但し、磁場勾配を付与あるいは形成する方法は、以下のように任意の方向で構わない。即ち、バイアス磁場をＢｚとした場合に、本発明においては、δＢｚ／δｘ、δＢｚ／δｙ、あるいはδＢｚ／δｚを考慮した場合に、少なくともこの三者のいずれの方向に勾配を有すればよい。

また、図２は、図２（ａ）のように従来の原子磁気センサの狭い帯域が、図２（ｂ）のようにセルに磁場勾配を付与する本発明によって広いセンサ帯域の原子センサとなることを模式的に示す図である。

また、図１において、順ヘルムホルツコイル６ａと６ｂの中心間距離を２ｂ、半径をａ、巻き数をＮ、電流をＩ、真空の透磁率をμ_０Ｉとすると、ｚ軸方向の磁束密度はＢ_ａ（ｚ）＝０．５μ_０Ｉａ^２（（ａ^２＋（ｂ−ｚ）^２）^１．５＋（ａ^２＋（ｂ＋ｚ）^２）^１．５）
となる。そして、ｂ：ａ＝１：２とすることにより中央部で略均一な磁場を得ることができる。例えば、ａ＝２０ｃｍ、ｂ＝１０ｃｍ、Ｎ＝１００、Ｉ＝０．１Ａとすると、４５μＴの略均一な磁場を中央部に得ることができ、電流を微調することで、地磁気等をキャンセルすると共に、原子磁気センサのラーモア周波数の中心周波数を調整することができる。

一方、図１において、逆ヘルムホルツコイル５ａと５ｂの中心間距離を２ｂ、半径をａ、巻き数をＮ、電流をＩ、真空の透磁率をμ_０Ｉとすると、ｚ軸方向の磁束密度はＢ_ａ（ｚ）＝０．５μ_０Ｉａ^２（（ａ^２＋（ｂ−ｚ）^２）^１．５−（ａ^２＋（ｂ＋ｚ）^２）^１．５）
となり、必要な磁場勾配を形成できる。

より具体的には、例えば、ａ＝１５ｃｍ、ｂ＝７．５ｃｍ、Ｎ＝１、Ｉ＝０．１Ａとすると、０．０４８１μＴ／ｃｍの磁場勾配を中央部に得ることができ、電流を微調することにより所望の周波数帯域に調整することができる。特に、△ｚ＝５．９ｃｍ、Ｉ＝０．１Ａとすれば、ｄＢａを０．２８６μＴ以上の磁場強度差とできる。

（実施例２：磁気共鳴イメージング装置）
図３は、本発明の実施例２を説明する図である。

同図において、２１はＭＲＩ用のＢ_０（電）磁石であり、２２はｘ、ｙ、ｚ方向に磁場勾配（傾斜磁場）を印加できる勾配コイルを模式的に示す図である。２７はラジオ周波数波（ＲＦ波）を送信するＲＦコイルユニット部であり、２３は被検査物としての人体、２４は人体内プロトンの核スピンの歳差運動を模式的に示す図であり、２５はプロトンからのＭＲＩ信号を示す。また、２６は実施例１で示した原子磁気センサとほぼ同様である。

本実施例では、Ｂ_０電磁石２１によって、ｚ軸方向にＢ_０［Ｔ］の磁場を印加した状態で、ＲＦコイルユニット２７を用いてＲＦ波を人体に照射する。そして、プロトンの核スピン２４をｘｙ面内に倒し、元の状態に緩和していくときのＭＲＩ信号（ＦＩＤ信号、またはスピンエコー信号）を磁場勾配付き原子磁気センサをＲＦ受信センサとしたＭＲＩ装置である。

ここでは、従来のＭＲイメージングと同様に勾配コイル２２を用いて、ＭＲＩ信号は周波数エンコーディング操作、及び、位相エンコーディング操作により、周波数とｚ軸座標位置、及び、位相と（ｘ、ｙ）座標位置が関係付けられている。そして、いわゆる、ｋ空間データの取得後のフーリエ変換処理により、実画像を形成できることになる。

また、本実施例における原子磁気センサ２６は、特に、４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配、望ましくは、略２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］なる磁場強度差がある磁場勾配を有するセル４を用いる。これにより、Ｂ_０磁石での画像化に好ましい帯域性能となる。

すなわち、本実施例では磁束密度Ｂ_０を備えたＢ_０磁石２１とアルカリ金属蒸気３と該アルカリ金属蒸気を封入したセル４と該セル４に磁場勾配を印加する手段５ａ、５ｂを有する。Ｑをスローダウンファクター、ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とする。

このとき、円偏光光１とプローブ光２の交差領域にわたって、４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を付与した原子磁気センサ２６を受信センサとする。なお、望ましくは、略２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］なる磁場強度差がある磁場勾配を印加した原子磁気センサ２６を受信センサとする。このような受信センサを用いたＭＲＩ装置とすることによって、周波数帯域を利用した画像形成を良好にすることができる。なお、略２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］とは、２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］に比して、２０％以内の差、好ましくは１０％以内の差、更に好ましくは、５％以内の差を包含するものである。より好適には、２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］から２％以内の差となるように磁場勾配を設定するのがよい。

以下、さらに詳しく説明する。

通常、２５６程度の画素数のＭＲＩイメージングに関して、Ｂ_０磁場１．５Ｔ程度のＭＲＩ装置に使用される測定帯域は３２ｋＨｚ程度が望ましいとされている。

また、水と脂肪族におけるそれぞれのプロトンの周波数シフトの差はＢ_０に比例して増加する。このため、プロトンの周波数シフトの差に起因する画像の乱れ（化学シフトアーチファクト）を防ぐには、Ｂ_０［Ｔ］なるＢ_０磁石に対しては、ＢＷ^ＭＲＩ＝２１３０００Ｂ_０［Ｈｚ］ （６）
程度の帯域が望ましい。

それゆえ、式（４）（６）より、
ｄＢ_ａ＝２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］ （７）
程度の磁場強度差がある磁場勾配を作れば、従来の原子磁気センサ測定帯域を、ＭＲＩ望ましい測定帯域ＢＷ^ＭＲＩ＝２１３００Ｂ_０［Ｈｚ］程度に広げることができる。

より具体的には、Ｂ_０＝１．５ＴのＭＲＩ装置に対する好ましい原子磁気センサとして、ｄＢ_ａを４．５７μＴ程度とすれば、従来、１ｋＨｚ程度だった測定帯域を３２ｋＨｚ程度に広げることができる。なお、上記の考え方は、Ｎ（自然数）を周波数エンコーディングを施す画素数とし、Ｑをスローダウンファクターとした場合に、以下の式により一般化することができる。即ち、前記交差領域にわたって、略（Ｎ／２５６）×２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］にするのである。Ｎは、２５６であったり、１２８、５１２、１０２４、２０４８等から適宜選択される。

また、Ｂ_０＝０．１Ｔ、０．２Ｔ、０．５ＴのＭＲＩ装置に対する好ましい原子磁気センサとして、ｄＢ_ａを０．３０４μＴ、０．６０８μＴ、１．５２μＴ程度とする。こうすれば、従来、１ｋＨｚ程度だった最適化時の原子磁気センサの測定帯域をそれぞれ、２．１３ＫＨｚ、４．２６ｋＨｚ、１０．６５ｋＨｚに拡大できる。

また、
ｄＢ_ａ＝４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ） （８）
以上の磁場強度差のある磁場勾配にできれば、帯域の問題が特に顕著となるＢ_０＝０．１Ｔ以上の原子磁気センサＭＲＩ装置の画像劣化を抑制できる。

（実施例３：磁気共鳴イメージング方法）
図４は、本発明の実施例２を説明する模式図であり、４１はビームスプリッタと一対の光電変換センサからなるポラリメータを示す。

実施例３は、特に、
前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配によって、前記セル内の磁気センシング位置を周波数と対応づけて特定することを特徴とする磁気センシング方法であることを除いて実施例１と同様である。

図４に示したように、ｘ方向に付与したＢｚの磁場勾配により、アルカリ金属セル内には、
位置ｘに応じて、Ｂ_ｚ、ｘ１，…．Ｂ_ｚ、ｘｉ，…．Ｂ_ｚ、ｘｎなる磁場が形成され、
各磁場の強度に応じて、ｆ_ｘ１，…．ｆ_ｘｉ，…．ｆ_ｘｎなる異なる共鳴周波数で磁場が検出される。

斯かる構成により、アルカリ金属セル内の磁気センシング位置と周波数を対応付けて特定でき、センサ数を増やさずにセンサ上での１次元分の位置エンコードが可能となる効果がある。

また、図５はｘ−ｚ方向の２次元位置を特定する、勾配付き原子磁気センサの例であり、５１はｚ方向の１次元のポラリメータを示す。すなわち、本発明では、セルを増やさずに２次元位置での磁場情報を、高感度に同時計測できる効果がある。

上述した原子磁気センサは、例えば磁気共鳴イメージング装置に利用することができ、生体の三次元情報を取得することができる。

本発明に係る原子磁気センサを説明するための模式図である。 測定周波数帯域が本発明により拡大することを説明するための概念図である。 本発明に係る磁気共鳴イメージング装置を説明するための模式図である。 本発明を説明するための模式図である。 本発明を説明するための模式図である。

符号の説明

１ 円偏光成分を有するポンプ光（円偏光励起光）、
２ プローブ光
３ 原子群の電子スピン
４ セル
５ 逆ヘルムホルツコイル（５ａ、５ｂ）
６ ３軸順ヘルムホルツコイル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）
７ レーザ交差幅
９ 恒温槽
２１ Ｂ_０（電）磁石、
２２ ３軸磁場勾配コイルユニット
２３ 被検査物（人体）
２４ 核スピン
２５ ＭＲＩ信号
２６ 磁場勾配機構付き原子磁気センサ

Claims (15)

1. 共鳴型原子磁気センサのセル内に包含されている原子群に対して、
   円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とが交差領域を有するように照射し、
   前記セルを通過する前後での前記プローブ光の偏光面の回転角を測定することによって前記交差領域における磁気を測定する磁気センシング方法であって、
   前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場を該交差領域に印加し、この磁場に勾配を付与した状態で、前記プローブ光の偏光面の回転角を測定することを特徴とする磁気センシング方法。
2. 前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、該勾配が付与されていない場合に比べて、前記共鳴型原子磁気センサの測定帯域が拡がるように付与されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センシング方法。
3. 前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、該勾配が付与されていない場合に比べて、前記共鳴型原子磁気センサの測定帯域が２倍以上に拡がるように付与されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の磁気センシング方法。
4. 前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に付与される勾配は、
   前記セルあるいは前記交差領域に選択的に付与されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
5. 前記磁場は、ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、ＲＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、前記交差領域に、
   ４ｈ（ＲＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を付与することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
6. 前記ポンプ光が前記交差領域へ入射する方向の磁場に付与される勾配は、線形状、ステップ状、あるいは曲線状の磁場勾配を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
7. 前記セル内には、前記原子群としてのアルカリ金属原子が包含されており、円偏光状態の前記ポンプ光と、直線偏光状態の前記プローブ光とは前記交差領域で直交しており、前記ポンプ光と前記プローブ光との両方に直交する方向の被検査物に基づく磁気成分を、前記プローブ光の偏光面の回転角として測定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気センシング方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気センシング方法を行う原子磁気センサと、前記交差領域に前記勾配を付与するための磁場とは異なる傾斜磁場を与える傾斜磁場発生用コイルと、静磁場発生用コイルと、被検査物に電磁波を照射するためのＲＦコイルとを有することを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
9. セルと、該セルに包含されている原子群と、円偏光成分を有するポンプ光を出力する為の光源と、直線偏光成分を有するプローブ光を出力するための光源とを含み構成された共鳴型原子磁気センサであって、
   ｈをプランク定数、ｇをｇ因子、Ｒをポンピングレート、Ｒ_ＳＤをスピン緩和レート、μをボーア磁子とするときに、
   ４ｈ（Ｒ_ＳＤ＋Ｒ）／（ｇμ）以上の磁場強度差のある磁場勾配を、前記ポンプ光と前記プローブ光との交差領域における、前記ポンプ光が前記セルに入射する方向の磁場に対して付与して前記交差領域における磁気を測定するための磁場印加手段を有することを特徴とする共鳴型原子磁気センサ。
10. 前記セル内に包含されている前記原子群に対して、前記ポンプ光と前記プローブ光とが交差領域を有するように照射して、前記セルを通過する前後での前記プローブ光の偏光面の回転角を測定するための回転角測定手段を有することを特徴とする請求項９記載の共鳴型原子磁気センサ。
11. 前記磁場勾配は、前記ポンプ光が前記交差領域に入射する方向の磁場に勾配を付与することを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の共鳴型原子磁気センサ。
12. 前記磁場勾配は、前記交差領域にわたって勾配を有することを特徴とする請求項１０あるいは１１に記載の共鳴型原子磁気センサ。
13. 前記原子群として、アルカリ金属蒸気が用いられていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の共鳴型原子磁気センサ。
14. 請求項１０から１３のいずれか１項に記載の共鳴型原子磁気センサを受信センサとして用いることを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。
15. 前記ポンプ光と同一の方向に磁束密度Ｂ_０の磁場を印加する手段を有し、前記共鳴型原子磁気センサには、Ｎ（自然数）を周波数エンコーディングを施す画素数とし、Ｑをスローダウンファクターとした場合に、前記交差領域にわたって、略（Ｎ／２５６）×２１３０００Ｂ_０Ｑｈ／（ｇμ）［Ｔ］の磁場強度差がある前記磁場勾配が印加されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気共鳴イメージング装置。

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