JP5691562B2 - 磁場測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場を測定する技術に関する。

光ポンピングを利用した磁気センサーが、ＭＲＩ（magnetic resonance imaging：磁気
共鳴画像法）装置などに用いられている。この磁気センサーにおいては、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するように（望ましくは、直交
するように）セルに照射され、さらに、これらの光の照射方向に対して直交する方向の磁
場が印加される（例えば、特許文献１参照）。

ポンプ光とプローブ光が照射されるセルには、アルカリ金属などの原子が気体の状態で
封入されている。この原子は、ポンプ光により励起されると外部から印加された磁場に応
じてプローブ光に含まれる直線偏光の偏光面を回転させる。磁気センサーは、このセルを
透過したプローブ光の偏光面の回転角を計測することで、磁場を測定する。

ところで、磁場の測定に先駆けて、上述した原子が気体の状態を保つようにセルが加熱
されるが、測定の最中や、測定が終了した後に、セルの温度制御がなされない期間がある
ために、セル内の原子が露点以下に冷やされて壁面等に析出（結露）することがある。こ
のとき、セルの壁面のうち、磁場測定のための光（ポンプ光やプローブ光）が照射される
領域に原子が析出すると、析出したその原子が光を吸収して測定の妨げとなる。このよう
な領域への原子の析出を低減させるために、例えば、特許文献２は、容器の窓部以外の部
分（特に窓部近傍）に、容器内部に向かって凹部を有する複数の突起部を設けるとともに
、容器を加熱するヒーターを設けることを開示する。特許文献２に記載の技術は、突起部
を冷却するとともにヒーターによって容器の窓部を加熱することで、突起部よりも窓部が
高温となる温度差を発生させ、その突起部にアルカリ金属を集める。

特開２００９−１４７０８号公報 特開２０１０−２０５８７５号公報

しかしながら、突起部を冷却する冷却装置に例えばペルティエ素子を採用した場合、こ
れにより発生する磁気ノイズが、上記の回転角の計測に影響する可能性があるため、計測
中に突起部を冷却することは望ましくない。そのため、計測中において、ペルティエ素子
等にセルを冷却させ続けるべきではない。

本発明は、光が透過する領域に原子が析出し難くなるように適切なタイミングでセル内
部の温度差を制御することを目的とする。

本発明は、光により励起されると磁場に応じて直線偏光の偏光面を回転させる原子を含
む物質を内部に封入し、気体状態の前記物質に照射される前記直線偏光を透過させるセル
と、前記セルを透過した前記直線偏光の偏光面の回転角を計測する計測部と、前記セルの
うち前記直線偏光が透過する第１領域の温度を測定する第１温度測定部と、前記セルのう
ち前記直線偏光が透過しない領域であって、予め定められた第２領域の温度を測定する第
２温度測定部と、前記第１領域および前記第２領域の各温度のうち、少なくとも一方の温
度に関する値が予め定められた条件を満たす場合に、前記第１領域よりも前記第２領域の
温度が低く、且つ、前記第１領域と前記第２領域との温度差が予め定められた閾値を上回
るように、前記温度差を制御する温度差制御部とを備えることを特徴とする磁場測定装置
を提供する。この構成によれば、光の透過する領域に原子が析出し難くなるように適切な
タイミングでセル内部の温度差を制御することができる。

上記磁場測定装置において、前記温度差制御部は、前記第１領域と前記第２領域との前
記温度差が、予め定められた目標温度差に近づくように、当該温度差を制御するとよい。
この構成によれば、光が透過する領域に原子が析出し難くなるように適切なタイミングで
セル内部の温度差を制御することができる。

また、上記磁場測定装置において、前記温度差制御部は、前記温度差を拡大させる処理
を行う温度差拡大部を有し、前記温度差が、予め定められた最低温度差を下回ったときに
、前記温度差拡大部に前記処理を開始させ、前記温度差が、予め定められた最高温度差を
上回ったときに、前記温度差拡大部に前記処理を停止させるとよい。この構成によれば、
光が透過する領域に原子が析出し難くなるように適切なタイミングでセル内部の温度差を
制御することができる。

また、上記磁場測定装置において、前記温度差制御部は、前記第２領域を冷却する冷却
部を有し、前記冷却部に前記第２領域を冷却させることにより前記温度差を拡大させると
よい。この構成によれば、光が透過する第１領域よりも光の透過しない第２領域に原子を
析出し易くさせることができる。

また、上記磁場測定装置において、前記温度差制御部は、前記第１領域を加熱する加熱
部を有し、前記加熱部に前記第１領域を加熱させることにより前記温度差を拡大させると
よい。この構成によれば、光の透過しない第２領域よりも光が透過する第１領域に原子を
析出し難くさせることができる。

また、上記磁場測定装置において、前記温度に関する値は、前記温度の単位時間あたり
の変化を示す温度変化速度であり、前記温度差制御部は、前記温度変化速度が予め定めら
れた閾値を上回った場合に、前記温度差を制御するとよい。この構成によれば、急激な温
度変化に伴って、光が透過する領域に原子が析出し難くすることができる。

第１実施形態に係る磁場測定装置の構成を示す図である。 第１実施形態に係るセルの構成を示す斜視図である。 被覆層によってセルが覆われた様子を示す図である。 図３における矢視IV−IVからセルを見た断面図である。 図３における矢視V−Vからセルを見た断面図である。 磁場測定装置の制御に関する構成を示すブロック図である。 制御部による磁場測定装置の制御の流れを示すフロー図である。 第１実施形態において、磁場の測定を停止する際に計測される領域温度の時間変化を示した図である。 第２実施形態に係るセルの構成を示す斜視図である。 第２実施形態において、磁場の測定を停止する際に計測される領域温度の時間変化を示した図である。

１．第１実施形態
１−１．構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁場測定装置１００の構成を示す図である。磁場
測定装置１００は、例えば心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体か
ら発生する微弱な磁場の測定に用いられる。磁場測定装置１００は、セル１と、被覆層２
と、ポンプ光照射部３と、プローブ光照射部４と、プローブ光計測部５と、冷却部６と、
加熱部７と、温度計測部８とを備える。

磁場測定装置１００の各構成の配置を説明するため、各構成が配置される空間をｘｙｚ
右手系座標空間として表す。図１に示す座標記号のうち、内側が白い円の中に黒い円を描
いた記号は、紙面奥側から手前側に向かう矢印を表している。また、後述する図４に示す
座標記号のうち、内側が白い円の中に交差する２本の線分を描いた記号は、紙面手前側か
ら奥側に向かう矢印を表している。空間においてｘ成分が増加する方向を＋ｘ方向といい
、ｘ成分が減少する方向を−ｘ方向という。同様に、ｙ、ｚ成分についても、＋ｙ方向、
−ｙ方向、＋ｚ方向、−ｚ方向を定義する。

図１に示すように、セル１は被覆層２に覆われており、セル１の−ｘ方向には、ポンプ
光照射部３が設置される。ポンプ光照射部３は円偏光成分を有するポンプ光を、＋ｘ方向
に平行な矢印Ｄ１方向に沿ってセル１に照射する。

プローブ光照射部４は、セル１の−ｙ方向に設置されており、直線偏光成分を有するプ
ローブ光を、＋ｙ方向に平行な矢印Ｄ２方向に沿ってセル１に照射する。プローブ光計測
部５は、セル１の＋ｙ方向に設置される。プローブ光計測部５は、プローブ光照射部４か
ら矢印Ｄ２方向に沿って照射され、セル１を透過したプローブ光を受ける。磁場測定装置
１００は、測定対象の磁場の中にセル１が位置するように配置される。具体的には、磁場
測定装置１００は、セル１から見て−ｚ方向に測定対象が位置するように配置される。

図２は、第１実施形態に係るセル１の構成を示す斜視図である。セル１は、中空の立方
体の一面から末端が閉ざされた管が延びた形状をしており、ガラス等の光を透過する材料
で形成される。セル１の上述した中空の立方体は、外部と内部とを仕切り、光を透過する
少なくとも４枚の部材を有している。この光を透過する４枚の部材とは、セル１の＋ｘ方
向、−ｘ方向、＋ｙ方向、および−ｙ方向に面した各部材であり、−ｘ方向の部材を壁面
１１ａ（図２において図示せず）と、＋ｘ方向の部材を壁面１１ｂという。また、セル１
の部材のうち、−ｙ方向の部材を壁面１２ａと、＋ｙ方向の部材を壁面１２ｂ（図２にお
いて図示せず）という。また、セル１を構成する部材のうちポンプ光およびプローブ光が
照射されない＋ｚ方向の部材を壁面１３ｂといい、−ｚ方向の部材を壁面１３ａという（
図２において図示せず）。そして、壁面１３ｂから＋ｚ方向に延びてさらに−ｘ方向に曲
がる、末端の閉塞された筒状の部材を筒状部１４という。なお、セル１の形状は、他の立
体形状であってもよい。

セル１の内部には、例えばアルカリ金属などの原子を含む物質（以下、偏光面回転物質
という）が気体の状態（すなわちガス状態）で封入される。この偏光面回転物質に含まれ
る原子は、例えばリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム
（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）である。セル１内の原子は、円偏光
により励起されて原子の外殻電子のスピンが偏極されるため、磁場に応じて直線偏光の偏
光面を回転させる。すなわち、偏光面回転物質は、光により励起されると磁場に応じて直
線偏光の偏光面を回転させる原子を含む物質の一例である。なお、セル１の内部には、典
型的には単一種類の偏光面回転物質が封入されるが、複数種類の偏光面回転物質が含まれ
ていてもよい。また、セル１内の偏光面回転物質は、常時気体の状態である必要はなく、
磁場の測定を行うときに気体の状態であればよい。さらに、セル１の内部には、セル１の
壁との衝突等による偏光面回転物質の緩和を穏やかにするために、ヘリウム（Ｈｅ）、窒
素（Ｎ）などが緩衝ガスとして含まれていてもよい。

冷却部６は、例えばペルティエ素子であり、筒状部１４の末端に接触してその接触面か
ら吸熱することでセル１の内部に封入された気体を冷却する。加熱部７は、例えば電熱ヒ
ーターであり、セル１と壁面１３ａで接触し、その接触面を介してセル１の内部に封入さ
れた気体を加熱する。

温度計測部８は、筒状部１４の外表面のうち、壁面１３ｂとの境界よりも筒状部１４の
末端部に近い位置に取り付けられた温度計測部８ａと、壁面１２ａの外表面のうち、他の
壁面よりも、プローブ光照射部４から照射されるプローブ光が透過する領域に近い位置に
取り付けられた温度計測部８ｂとを含む。温度計測部８ａは、筒状部１４の上記の位置に
おいて温度を計測することで、筒状部１４の局所的な領域温度Ｔａを得る。すなわち、温
度計測部８ａは、セルのうち直線偏光が透過しない領域であって、予め定められた第２領
域の温度を測定する第２温度測定部の一例である。

温度計測部８ｂは、壁面１２ａの上記の位置において温度を計測することで、セル１の
内部であって、壁面１２ａのプローブ光が透過する領域の近傍における局所的な領域温度
Ｔｂを得る。すなわち、温度計測部８ｂは、セルのうち直線偏光が透過する第１領域の温
度を測定する第１温度測定部の一例である。この場合、セル１の材質および厚み、または
実験結果などに基づいて温度計測部８ａ，８ｂの計測値を補正して、これらの領域温度Ｔ
ａ，Ｔｂを得てもよい。

被覆層２は、＋ｚ方向および−ｚ方向にそれぞれ正方形の開口部を有する四角柱状の部
材であり、セル１を−ｚ方向に移動させてその開口部に嵌め込むことで、壁面１１ａ、壁
面１１ｂ、壁面１２ａ、および壁面１２ｂに接し、これらをそれぞれ外側から覆う。

図３は、被覆層２によってセル１が覆われた様子を示す図である。図４は、図３におけ
る矢視IV−IVからセル１、被覆層２、冷却部６、および加熱部７を見た断面図である。そ
して、図５は、図３における矢視V−Vからセル１、被覆層２、冷却部６、加熱部７および
温度計測部８を見た断面図である。被覆層２には、ポンプ光を透過させるための孔２１ａ
（図２において図示せず）および孔２１ｂと、プローブ光を透過させるための孔２２ａお
よび孔２２ｂ（図２において図示せず）が設けられている。

被覆層２は、材質として例えば炭化ケイ素などを含んでおり、セル１内に封入された偏
光面回転物質をガス状態にするために加熱部７がセル１を加熱するときに、セル１ととも
に加熱される。

ポンプ光照射部３は、光源と、半波長板と、偏光ビームスプリッターと、四分の一波長
板とを備える。光源は、無偏光のレーザー光を図１に示す矢印Ｄ１方向に照射する。半波
長板は、光源から照射された光の偏光面を回転させる。偏向ビームスプリッターは、半波
長板を透過した光のｐ偏光成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ偏光成分（
入射面に対して垂直な成分）を反射させる。このｓ偏光成分は、例えばレーザー光の出力
のモニタリングに用いられてもよいし、光を吸収する部材により吸収されてもよい。四分
の一波長板は、偏向ビームスプリッターを透過した光を円偏光に変化させる。これにより
、四分の一波長板を透過した光は、円偏光成分を有するポンプ光となる。

プローブ光照射部４は、光源と、半波長板と、偏向ビームスプリッターと、偏光板とを
備える。光源は、無偏光のレーザー光を図１に示す矢印Ｄ２方向に照射する。半波長板は
、光源から照射された光の偏光面を回転させる。偏向ビームスプリッターは、半波長板を
透過した光のｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる。偏光板は、偏向ビームス
プリッターを透過した光のうち特定方向に偏光した光だけを透過させる。これにより、偏
光板を透過した光は、直線偏光成分を有するプローブ光となる。なお、ポンプ光とプロー
ブ光とは、互いに直交する関係であることが好ましいが、交差する関係であれば完全に直
交しなくてもよい。

プローブ光計測部５（計測部の一例）は、プローブ光照射部４から照射されセル１を透
過したプローブ光を検出し、検出したプローブ光に含まれる直線偏光の偏光面の回転角を
計測する。プローブ光計測部５は、半波長板と、液晶パネルと、光センサーと、Ａ／Ｄ変
換器と、メモリーと、演算部とを備える。半波長板は、セル１を透過したプローブ光の偏
光面を回転させる。液晶パネルは、ネマティック液晶と呼ばれる液晶を用いて、半波長板
を通過したプローブ光のｐ偏光成分又はｓ偏光成分を透過させる。ここで液晶パネルは時
分割制御されるため、上述したｐ偏光成分とｓ偏光成分とは時分割された期間ごとに透過
されて分離される。

光センサーは、例えばフォトダイオードであり、液晶パネルを透過したプローブ光を電
気信号に変換して出力する。Ａ／Ｄ変換器は、光センサーから出力された電気信号をデジ
タルデータに変換して出力する。メモリーは、Ａ／Ｄ変換器から出力されたデータを記憶
する。演算部は、メモリーに記憶されたデータを用いて、光センサーにより検出されたプ
ローブ光のｐ偏光成分とｓ偏光成分との差分を算出する。なお、プローブ光計測部５は、
偏光ビームスプリッターを用いて、セル１を透過したプローブ光をｐ偏光成分とｓ偏光成
分に分離し、これらの差分を算出してもよい。

図６は、磁場測定装置１００の制御に関する構成を示すブロック図である。制御部９は
、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random
Access Memory）や、ハードディスクドライブなどの記憶部を有し、記憶部やＲＯＭに記
憶されているコンピュータープログラムを読み出して実行することにより、ポンプ光照射
部３，プローブ光照射部４、プローブ光計測部５、冷却部６、加熱部７および温度計測部
８を制御する。具体的には、制御部９は、温度計測部８が計測した領域温度Ｔａ，Ｔｂの
各値を取得し、これらに基づいて加熱部７による壁面１３ａの加熱や、冷却部６による筒
状部１４の冷却などを制御する。ここで冷却部６は、稼動状態において筒状部１４の末端
部を冷却することにより、セル１の内部のうち、筒状部１４の末端部近傍の空間と壁面１
１，１２，１３に囲まれた空間との温度差を拡大させるので、温度差拡大部として機能す
る。

なお、利用者からの操作を受け付ける操作部や、操作部を備えた外部機器と通信を行う
通信インターフェイスなどを備えており、これらを介して利用者の指示を示す指示信号を
取得する。また、これら操作部や通信インターフェイスなどは、利用者からの指示を受け
付けているが、例えば、異常が検知された際における緊急停止指示のように、利用者以外
からの指示を受け付けてもよい。要するに、これら操作部や通信インターフェイスなどは
、指示を示す指示信号を取得する取得手段の一例である。そして、これらの指示信号を取
得したことを契機として、制御部９は、上記の制御や磁場の測定の制御を行う。

磁場測定装置１００は、これらの構成のほかに、例えば、測定対象以外の磁場を遮蔽す
るための磁気シールドや、外部からの磁場に対する補正用の磁場を印加するコイルなどを
備えていてもよい。また、被覆層２が磁気シールドを兼ねていてもよい。

１−２．動作
次に、磁場測定装置１００の動作を説明する。図７は、制御部９による磁場測定装置１
００の制御の流れを示すフロー図である。制御部９は、上述した操作部や通信インターフ
ェイスなどから取得した指示信号が計測を停止する旨の指示を示す計測停止指示信号であ
るか否かを判定する（ステップＳ１０１）。そして、取得したその指示信号が計測停止指
示信号出ない場合（ステップＳ１０１でＮＯ）、次に取得する指示信号について、この判
定を繰り返す。一方、取得したその指示信号が計測停止指示信号である場合（ステップＳ
１０１でＹＥＳ）、制御部９は、ポンプ光照射部３、プローブ光照射部４、プローブ光計
測部５、および加熱部７を停止する（ステップＳ１０２）。なお、これらの機器は、制御
部９が計測停止指示信号を受け取ってすぐに停止されてもよいが、計測停止指示信号を受
け取ってから、それぞれの機器について予め定められた時間が経過した後に停止されても
よい。

そして、制御部９は、温度計測部８ａが計測した領域温度Ｔａと温度計測部８ｂが計測
した領域温度Ｔｂとを取得し、温度差ΔＴ＝（Ｔｂ−Ｔａ）が予め定められた第１の閾値
である最低温度差ΔＴＬを下回るか否か判定する（ステップＳ１０３）。温度差ΔＴが最
低温度差ΔＴＬを下回る場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、制御部９は、温度差拡大部
としての冷却部６を稼動させる（ステップＳ１０４）。ここで、制御部９は、冷却部６を
稼働させるために、冷却を開始させる旨の信号を冷却部６に送るが、冷却部６が既に稼働
中である場合には、この信号は無視される。また同様に、制御部９が冷却部６を停止させ
るために送る信号は、冷却部６が既に停止中である場合には、無視される。

一方、温度差ΔＴが最低温度差ΔＴＬを下回らない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）、
制御部９は、温度差ΔＴが予め定められた第２の閾値である最高温度差ΔＴＨを上回るか
否か判定する（ステップＳ１０５）。

温度差ΔＴが最高温度差ΔＴＨを上回る場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、制御部９
は、温度差拡大部としての冷却部６を停止させる（ステップＳ１０６）。一方、温度差Δ
Ｔが最高温度差ΔＴＨを上回らない場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、制御部９は、領域
温度Ｔｂが予め定められた第３の閾値である露点ＴＦを下回るか否か判定する（ステップ
Ｓ１０７）。

領域温度Ｔｂが露点ＴＦを下回らない場合（ステップＳ１０７でＮＯ）、制御部９は、
処理をステップＳ１０３に戻す。一方、領域温度Ｔｂが露点ＴＦを下回る場合（ステップ
Ｓ１０７でＹＥＳ）、制御部９は、温度差拡大部としての冷却部６を停止させ（ステップ
Ｓ１０８）、処理を終了する。

図８は、第１実施形態において、磁場の測定を停止する際に温度計測部８（８ａ，８ｂ
）により計測される領域温度Ｔａ，Ｔｂの時間変化を示した図である。図８における横軸
は時間経過を表しており、縦軸は計測される領域温度を表している。

時刻ｔ０より前において、領域温度Ｔａは予め定められた温度Ｔａ０に、領域温度Ｔｂ
は予め定められた温度Ｔｂ０に、それぞれなるように温度制御が行われている。具体的に
制御部９は、間欠的に加熱部７を稼動させたり停止させたりすることにより、系の熱収支
をバランスさせ、擬似的な定常状態を維持させる。

時刻ｔ０において、制御部９が利用者から磁場の測定を停止する旨の指示を示す計測停
止指示信号を取得すると、制御部９は、ポンプ光照射部３およびプローブ光照射部４に照
射を停止させ、プローブ光計測部５に計測を停止させ、加熱部７に加熱を停止させるとと
もに、冷却部６に冷却を開始させる。加熱部７による加熱が停止されると、壁面１３ａを
介してセル１内の空間に流入する熱が断たれるため、壁面１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２
ｂ（以下、光透過壁面という）の内壁の温度が低下する。これに伴い、温度計測部８ｂが
計測する領域温度Ｔｂが低下する。

一方、温度計測部８ａが設置されている筒状部１４は、温度計測部８ｂが設置されてい
る壁面１２ａよりも、加熱部７によって加熱される壁面１３ａから遠い位置にある。その
ため、加熱部７による加熱停止直後において、温度計測部８ａにより計測される領域温度
Ｔａは、温度計測部８ｂにより計測される領域温度Ｔｂに比べてゆっくりと低下する。そ
の結果、ΔＴ＝（Ｔｂ−Ｔａ）は小さくなっていき、温度差ΔＴが最低温度差ΔＴＬを下
回ったときに、制御部９は、冷却部６による筒状部１４の末端部の冷却を開始する。これ
により、領域温度Ｔａは急速に低下し、時刻ｔ１において領域温度Ｔｂとの温度差が最高
温度差ΔＴＨを上回ったとき、制御部９は冷却部６による冷却を停止させる。

この後も、図８に示すように時刻ｔ２，ｔ４においてΔＴが最低温度差ΔＴＬを下回る
ため、制御部９はこれらのタイミングで冷却部６を稼動させ、時刻ｔ３においてΔＴが最
高温度差ΔＴＨを上回るため、制御部９はこのタイミングで冷却部６を停止する。そして
、時刻ｔ５において、計測された領域温度Ｔｂが予め定められた露点ＴＦを下回る。この
ため、制御部９は、冷却部６による冷却を停止し、計測停止の処理を終了する。

以上説明したように、磁場測定装置１００の制御部９は、加熱部７による加熱の停止に
伴って、温度差拡大部としての冷却部６を稼働させることにより、放冷されるセル１の内
部空間に温度差を生じさせる。この温度差とは、具体的には光透過壁面よりも筒状部１４
の末端部の方が低温となる温度差である。これによりセル１の内部でガス状態となってい
る偏光面回転物質のうち結露する可能性があるものは冷却されている筒状部１４の末端部
に集まるため、光透過壁面における結露が防止される。

２．第２実施形態
２−１．構成
第２実施形態に係る磁場測定装置１００ａについて説明する。第２実施形態に係る磁場
測定装置１００ａは第１実施形態に係る磁場測定装置１００と共通の構成を有しており、
磁場測定装置１００が温度差拡大部として冷却部６を備えていたのに対し、磁場測定装置
１００ａは、温度差拡大部として補助加熱部６ａを備えている点が異なっている。

図９は、第２実施形態に係るセル１の構成を示す斜視図である。第２実施形態において
、セル１は第１実施形態と同じように、被覆層２によって＋ｘ方向、−ｘ方向、＋ｙ方向
、および−ｙ方向が覆われているが、セル１と被覆層２との間にはさらに、補助加熱部６
ａが設けられている。補助加熱部６ａは、例えば電熱線等で構成されるヒーターであり、
被覆層２のうちセル１を覆う面に固定され、セル１の内部を加熱する加熱手段である。な
お、補助加熱部６ａは、ポンプ光やプローブ光が照射される領域を避けて設けられている
ため、これにより、ポンプ光やプローブ光が妨げられることはない。

２−２．動作
次に、第２実施形態に係る磁場測定装置１００ａの動作を説明する。図１０は、第２実
施形態において、磁場の測定を停止する際に計測される領域温度Ｔａ，Ｔｂの時間変化を
示した図である。図１０における横軸は時間経過を表しており、縦軸は計測される領域温
度を表している。

時刻ｔ６より前において、領域温度Ｔａは予め定められた温度Ｔａ０に、領域温度Ｔｂ
は予め定められた温度Ｔｂ０に、それぞれなるように温度制御が行われており、擬似的な
定常状態が維持されている。

時刻ｔ６において、制御部９が利用者から磁場の測定を停止する旨の指示を示す計測停
止指示信号を取得すると、制御部９は、ポンプ光照射部３およびプローブ光照射部４に照
射を停止させ、プローブ光計測部５に計測を停止させ、加熱部７に加熱を停止させるとと
もに、補助加熱部６ａに光透過壁面の加熱を開始させる。加熱部７による加熱が停止され
ると、壁面１３ａを介してセル１内の空間に流入する熱が断たれるため、光透過壁面の内
壁の温度が低下する。これに伴い、温度計測部８ｂが計測する領域温度Ｔｂが低下する。

一方、温度計測部８ａが設置されている筒状部１４は、温度計測部８ｂが設置されてい
る壁面１２ａよりも、加熱部７によって加熱される壁面１３ａから遠い位置にある。その
ため、加熱部７による加熱停止直後において、温度計測部８ａにより計測される領域温度
Ｔａは、温度計測部８ｂにより計測される領域温度Ｔｂに比べてゆっくりと低下する。そ
の結果、ΔＴ＝（Ｔｂ−Ｔａ）は小さくなっていき、温度差ΔＴが最低温度差ΔＴＬを下
回ったときに、制御部９は、補助加熱部６ａによる光透過壁面の加熱を開始する。これに
より、領域温度Ｔｂは急速に上昇し、時刻ｔ７において領域温度Ｔａとの温度差が最高温
度差ΔＴＨを上回ったとき、制御部９は補助加熱部６ａによる加熱を停止させる。

この後も、図１０に示すように時刻ｔ８，ｔ１０においてΔＴが最低温度差ΔＴＬを下
回るため、制御部９はこれらのタイミングで補助加熱部６ａを稼動させ、時刻ｔ９，ｔ１
１においてΔＴが最高温度差ΔＴＨを上回るため、制御部９はこれらのタイミングで補助
加熱部６ａを停止する。そして、時刻ｔ１２において、計測された領域温度Ｔｂが予め定
められた露点ＴＦを下回る。このため、制御部９は、補助加熱部６ａによる加熱を停止し
、計測停止の処理を終了する。

以上説明したように、磁場測定装置１００ａの制御部９は、加熱部７による加熱の停止
に伴って、温度差拡大部としての補助加熱部６ａを稼働させることにより、放冷されるセ
ル１の内部空間に温度差を生じさせる。これにより第１実施形態と同様に、光透過壁面に
おける結露が防止される。

３．変形例
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形させて実施
してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。

３−１．セル１に照射されるポンプ光及びプローブ光は、出射されてからセル１に入射す
るまでの進行方向が一定である必要はない。つまり、ポンプ光及びプローブ光は、セル１
に入射するときに所定の方向になっていればよく、途中でミラー等によって反射され、進
行方向が変更されてもよい。したがって、例えば、光の照射位置や検出位置を１箇所に集
中させることも可能である。

また、プローブ光がポンプ光を兼ねてもよい。この場合、プローブ光照射部４により照
射された光により、セル１に封入された偏光面回転物質が励起し、その励起された偏光面
回転物質によって、その光に含まれた直線偏光成分の偏光面が回転すればよい。なお、こ
の変形例において、ポンプ光照射部３はなくてもよい。

３−２．磁場測定装置１００，１００ａは、セル１を透過したポンプ光を検出してもよい
。また、磁場測定装置１００，１００ａには、セル１を透過したポンプ光を吸収する部材
を設けてもよい。この部材は、シート状であるとより好ましい。

３−３．磁場測定装置１００，１００ａは、プローブ光計測部５で検出した光に応じた信
号を可視化し、これを表示する手段を備えてもよい。また、磁場測定装置１００，１００
ａは、プローブ光計測部５で検出した光に応じた信号を生成し、これを外部装置（表示装
置、コンピュータ装置など）に出力する構成を備えていてもよい。

３−４．被覆層２が透明な材質である場合、または、磁場測定に影響を与えない程度に光
を吸収する材質である場合には、被覆層２に孔２１ａなどを設けなくてもよい。また、被
覆層２はなくてもよい。第２実施形態において、被覆層２がない場合には、セル１の光透
過壁面を覆うように補助加熱部６ａが配置されていてもよい。

３−５．上述の実施形態において、セル１には、筒状部１４が設けられていたが、筒状部
１４はなくてもよい。第１実施形態において、筒状部１４がない場合には、壁面１３ｂに
接するように冷却部６が配置されていてもよい。これにより、セル１内部の偏光面回転物
質は、光透過壁面よりも壁面１３ｂに結露しやすくなるため、偏光面回転物質の光透過壁
面への結露が防止される。

また、壁面１３ｂに代えて、壁面１３ａに冷却部６が配置されていてもよい。加熱部７
によって加熱されていた壁面１３ａを、加熱部７の加熱を停止させた後に、冷却部６によ
って冷却することで、セル１内部の偏光面回転物質は、光透過壁面よりも壁面１３ａに結
露しやすくなる。

３−６．上述の実施形態において、温度差拡大部としての冷却部６や補助加熱部６ａは、
制御部９により温度差ΔＴが最低温度差ΔＴＬを下回ったときに稼動させられ、最高温度
差ΔＴＨを上回ったときに停止させられていたが、他の方法により、ΔＴが予め定められ
た値となるように制御されてもよい。例えば、温度差拡大部の出力が温度差ΔＴの大きさ
に応じて変化するように構成してもよい。具体的には、例えば、目標とされる温度差であ
る目標温度差ΔＴｄが予め定められており、制御部９は、計測された領域温度Ｔａ，Ｔｂ
により算出される温度差ΔＴと、目標温度差ΔＴｄとの差（ΔＴｄ−ΔＴ）を求める。そ
して、制御部９は、求めたこの差に比例して温度差拡大部の出力が大きくなるように、温
度差拡大部を制御すればよい。この場合、制御部９と温度差拡大部とは、第１領域と第２
領域との温度差が、予め定められた目標温度差に近づくように、当該温度差を制御する温
度差制御部の一例である。

また、上述した目標温度差ΔＴｄは、領域温度Ｔａ，Ｔｂに連動して変化してもよい。
この場合、目標温度差ΔＴｄは、領域温度Ｔａまたは領域温度Ｔｂの関数として予め定め
られていてもよい。要するに、磁場測定装置１００，１００ａは、温度計測部８が計測し
た領域温度Ｔａまたは領域温度Ｔｂのうち、少なくとも一方の温度に関する値が予め定め
られた条件を満たす場合に、光透過壁面（第１領域）よりも筒状部１４（第２領域）の温
度が低く、且つ、光透過壁面と筒状部１４との温度差が予め定められた閾値を上回るよう
に、温度差を制御すればよい。

３−７．上述の実施形態において、計測停止指示信号を取得すると、制御部９は、加熱部
７等を停止させるとともに、冷却部６や補助加熱部６ａの温度差拡大部を稼働させていた
が、計測を開始する旨の指示を示す指示信号である計測開始指示信号を取得したことを契
機として、温度差拡大部を稼働させてもよい。この場合、領域温度Ｔａ，Ｔｂは時間経過
とともに上昇するが、温度差拡大部が稼働するために、これらの温度差ΔＴは、予め定め
られた最低温度差ΔＴＬを上回り、且つ最高温度差ΔＴＨを下回るように、あるいは、目
標温度差ΔＴｄに近づくように、制御されればよい。

３−８．上述の実施形態において、温度差ΔＴと、最低温度差ΔＴＬ、最高温度差ΔＴＨ
、または目標温度差ΔＴｄとの比較結果に応じて、制御部９は、温度差拡大部を制御して
いたが、温度変化の値が予め定められた条件を満たしたときに、温度差拡大部を制御して
もよい。例えば、領域温度Ｔａ，Ｔｂ、および温度差ΔＴについて、単位時間あたりの変
化を監視し、その変化を示す温度変化速度や、その変化の時間についての二次微分などを
これら温度に関する値として特定する。そして、特定した温度に関する値が予め定められ
た条件を満たした場合に、制御部９は、温度差拡大部を制御すればよい。

具体的には、上述した温度変化速度などが、予め定められた閾値を上回った場合に、温
度差ΔＴを制御するようにすればよい。温度変化速度が或る値を上回るということは、セ
ル１内部に急激な温度変化が生じていることを意味しており、温度分布の拡散よりも速い
局所的な温度変化によって、内部ガスが結露する可能性が高いからである。なお、この場
合、制御部９および温度差拡大部とは、温度変化速度が予め定められた閾値を上回った場
合に、温度差を制御する温度差制御部の一例である。

３−９．上述した第１実施形態および第２実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、磁
場測定装置１００，１００ａは冷却部６と補助加熱部６ａとをともに備えていてもよい。
この場合でも、上述したタイミングで、冷却部６と補助加熱部６ａとを制御することによ
り、セル１の内壁に温度差が生じるので光透過壁面における結露が防止される。

１…セル、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ…壁面、１４…筒状部、２
…被覆層、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…孔、３…ポンプ光照射部、４…プローブ光
照射部、５…プローブ光計測部、６…冷却部、６ａ…補助加熱部、７…加熱部、８，８ａ
，８ｂ…温度計測部、９…制御部、１００，１００ａ…磁場測定装置。

Claims (1)

1. 原子を含む物質を内部に封入し、光を透過させるセルと、
   前記セルを透過した前記光の回転角を計測する計測部と、
   前記セルに光が透過する第１領域の温度を測定する第１温度測定部と、
   前記セルの光が透過しない第２領域の温度を測定する第２温度測定部と、
   前記第１領域および前記第２領域の各温度のうち、少なくとも一方の温度の値が予め定められた条件を満たす場合に、前記第１領域よりも前記第２領域の温度が低く、且つ、前記第１領域と前記第２領域との温度差が予め定められた閾値を上回るように前記温度差を制御する温度差制御部と、を備え、
   前記の温度に関する値は、前記温度の単位時間あたりの変化を示す温度変化速度であり、
   前記温度差制御部は、前記温度変化速度が予め定められた閾値を上回った場合に、前記温度差を制御することを特徴とする磁場測定装置。

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