JP5799553B2 - 磁場測定装置、磁場測定システムおよび磁場測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁場測定装置、磁場測定システムおよび磁場測定方法の技術に関する。

光ポンピングを利用した磁気センサーが、生体内から発生する磁場を測定する磁場測定装置などに用いられている。この磁気センサーは、アルカリ金属などの原子を気体の状態で封入したセルを有する。このセルに対して、円偏光成分を有するポンプ光を照射すると、封入された原子が励起する。そして、このポンプ光に交差するように、直線偏光成分を有するプローブ光を照射すると、励起した原子は、外部から印加された磁場に応じてその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、特に生体内から発生する磁場のように微弱な磁場を磁場測定装置により測定する場合、生体外部の磁場が測定に影響することが問題となる。
外部の磁場をキャンセルする技術として、特許文献１〜３には、磁場センサーを用いて測定した磁場の量を基に外乱磁場を推測してキャンセルする技術が記載されている。また特許文献４、５には、複数のコイルを用いてそれらの勾配磁場成分を測定することで、ノイズとなる測定対象外の磁場の影響をキャンセルするグラジオ型の磁気センサーが記載されている。

特開２００８−２８２９８３号公報 特開２００３−３３２７８１号公報 特開２０００−３２９８３６号公報 特開２００７−１７０８８０号公報 特開２００１−５１０３５号公報

本発明は、ガスセルに光を照射してそのガスセルにおける磁場の予め決められた方向の成分を測定する測定部に対し、その測定部が測定可能な範囲を超えた外乱がある場合でも、その外乱に影響されずに被測定物の磁場を測定することを目的とする。

本発明に係るひとつの磁場測定装置は、被測定物が設置される位置に対して第１方向に配置された第１ガスセルと、前記第１ガスセルに対して前記第１方向に設置された第２ガスセルと、前記第１ガスセルを通過した第１の光を用いて磁場の前記第１方向の成分を測定する第１測定部と、前記第２ガスセルを通過した第２の光を用いて磁場の前記第１方向の成分を測定する第２測定部と、前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを、前記第１方向において挟むように対向して配置された一対の磁場発生部と、前記第１測定部及び前記第２測定部における前記第１方向の成分の測定結果を基にして生成された所定の信号を出力する出力部と、を含み、前記磁場発生部は、前記第２の測定部で計測される前記第１方向の成分の測定値が、小さくなる磁場を前記第２ガスセルに向けて発生させることを特徴とする。
本発明に係るひとつの磁場測定システムは、上記のひとつの磁場測定装置を、互いに異なる方向ごとに複数備えることが好ましい。
上記のひとつの磁場測定システムにおいて、前記互いに異なる方向は、前記第１方向に平行な方向と前記第１方向に直角に交わる方向であるが好ましい。
本発明に係るひとつの磁場測定方法は、第１測定部が、被測定物の設置される位置からみて予め決められた第１方向に配置された第１ガスセルに光を照射して、当該第１ガスセルにおける磁場の前記第１方向の成分を測定し、第２測定部が、前記第１ガスセルからみて前記第１方向に配置された第２ガスセルに光を照射して、当該第２ガスセルにおける磁場の前記第１方向の成分を測定し、磁場発生手段が、前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを前記第１方向に沿って挟み、前記第２測定部により測定された前記第１方向の成分が小さくなるように、前記第２ガスセルに向けて磁場を発生させ、出力部が、前記第１測定部と前記第２測定部とがそれぞれ測定した前記第１方向の成分の差に応じた信号を出力することを特徴とする。
本発明は、被測定物が設置される位置からみて予め決められた方向に配置された第１ガスセルと、前記第１ガスセルからみて前記方向に配置された第２ガスセルと、前記第１ガスセルに光を照射して、当該第１ガスセルにおける磁場の前記方向の成分を測定する第１測定部と、前記第２ガスセルに光を照射して、当該第２ガスセルにおける磁場の前記方向の成分を測定する第２測定部と、前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを前記方向に沿って挟み、前記第２測定部により測定された前記成分が小さくなるように、前記第２ガスセルに向けて磁場を発生させる磁場発生手段と、前記第１測定部と前記第２測定部とがそれぞれ測定した前記成分の差に応じた信号を出力する出力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、ガスセルに光を照射してそのガスセルにおける磁場の予め決められた方向の成分を測定する測定部に対し、その測定部が測定可能な範囲を超えた外乱がある場合でも、その外乱に影響されずに被測定物の磁場を測定することができる。

また本発明は、上述の磁場測定装置を、互いに異なる前記方向ごとに複数備えることを特徴とする磁場測定システムを提供する。この構成によれば、上述の外乱がある場合でも、その外乱に影響されずに被測定物の磁場の複数方向の成分を測定することができる。
また本発明は、上述の磁場測定システムにおいて、前記複数の方向は、互いに直角に交わる方向であることを特徴とする磁場測定システムを提供する。この構成によれば、上述の外乱がある場合でも、その外乱に影響されずに被測定物の磁場の直交座標系における各成分を測定することができる。
また本発明は、被測定物の設置される位置からみて予め決められた方向に配置された、第１測定部が、第１ガスセルに光を照射して、当該第１ガスセルにおける磁場の前記方向の成分を測定し、第２測定部が、前記第１ガスセルからみて前記方向に配置された第２ガスセルに光を照射して、当該第２ガスセルにおける磁場の前記方向の成分を測定し、磁場発生手段が、前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを前記方向に沿って挟み、前記第２測定部により測定された前記成分が小さくなるように、前記第２ガスセルに向けて磁場を発生させ、出力部が、前記第１測定部と前記第２測定部とがそれぞれ測定した前記成分の差に応じた信号を出力することを特徴とする磁場測定方法を提供する。この構成によれば、ガスセルに光を照射してそのガスセルにおける磁場の予め決められた方向の成分を測定する測定部に対し、その測定部が測定可能な範囲を超えた外乱がある場合でも、その外乱に影響されずに被測定物の磁場を測定することができる。

本発明の実施形態に係る磁場測定装置の概要を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る磁場測定装置における構成要素の配置を示す図である。 磁場測定装置を２つ備えた磁場測定システムの構成要素の配置を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る磁場測定装置９０の概要を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る磁場測定装置９０における構成要素の配置を示す図である。磁場測定装置９０の各構成の配置などを説明するため、磁場測定装置９０が配置される空間をｘｙｚ右手系座標空間として表す。この座標空間において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に示す破線の枠内は、磁場測定装置９０を示している。この磁場測定装置９０は、第１ガスセル１０、第１測定部１１、第２ガスセル２０、第２測定部２１、コイル３１、３２、コントローラー３３、および出力部４０を備える。

被測定物５０は、磁場の測定対象となる物体であり、例えば人体である。第１ガスセル１０および第２ガスセル２０は、いずれも、ガラスなどの透明部材によって仕切られた内部空間にアルカリ金属原子などのガスを封入したセルである。

図２に示すように、第１ガスセル１０は、被測定物５０が設置される位置からみて予め決められた方向である＋ｚ方向に配置される。第２ガスセル２０は、第１ガスセル１０からみて予め決められた方向である＋ｚ方向に配置される。すなわち、これらは、＋ｚ方向に沿って、被測定物５０→第１ガスセル１０→第２ガスセル２０の順に並べられている。したがって第１ガスセル１０は、被測定物が設置される位置からみて予め決められた方向に配置された第１ガスセルの一例である。また第２ガスセル２０は、第１ガスセルからみて予め決められた方向に配置された第２ガスセルの一例である。

第１測定部１１は、第１ガスセル１０に向け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をそれぞれ照射する照射部と、第１ガスセル１０を透過したプローブ光を検出する検出部を備える。照射部は、ポンプ光とプローブ光とを互いに交差するように、望ましくは直交するように照射する。検出部は、検出したプローブ光のうち、直線偏光成分を抽出して、その偏光面が第１ガスセル１０を経て回転させられた角度を特定し、その角度に基づいて第１ガスセル１０における磁場の＋ｚ方向の成分を測定する。したがって第１測定部１１は、第１ガスセルに光を照射して、第１ガスセルにおける磁場の予め決められた方向の成分を測定する第１測定部の一例である。

第２測定部２１は、第１ガスセル１０に対する第１測定部１１の構成と共通する構成を、第２ガスセル２０に対する構成として備えており、第１測定部１１と同様に、第２ガスセル２０における磁場の＋ｚ方向の成分を測定する。したがって第２測定部２１は、第２ガスセルに光を照射して、第２ガスセルにおける磁場の予め決められた方向の成分を測定する第２測定部の一例である。

図２に示す配置では、第１ガスセル１０からみて−ｘ方向からその第１ガスセル１０に向けてポンプ光Ｌａ１が照射され、第２ガスセル２０からみて−ｘ方向からその第２ガスセル２０に向けてポンプ光Ｌａ２が照射される。これらポンプ光により、第１ガスセル１０および第２ガスセル２０に封入されたアルカリ金属などの原子は励起する。

また、第１ガスセル１０からみて−ｙ方向からその第１ガスセル１０に向けてプローブ光Ｌｂ１が照射され、第２ガスセル２０からみて−ｙ方向からその第２ガスセル２０に向けてプローブ光Ｌｂ２が照射される。そして、第１ガスセル１０を透過して第１ガスセル１０からみて＋ｙ方向に進むプローブ光Ｌｃ１を第１測定部１１の検出部が検出し、第２ガスセル２０を透過して第２ガスセル２０からみて＋ｙ方向に進むプローブ光Ｌｃ２を第２測定部２１の検出部が検出する。

コイル３１は、被測定物５０の設置位置からみて−ｚ方向に配置され、コイル３２は、第２ガスセル２０からみて＋ｚ方向に配置されている。すなわち、コイル３１とコイル３２とは、被測定物５０、第１ガスセル１０、および第２ガスセル２０を＋ｚ方向に沿って挟む。

また、コントローラー３３は、第２測定部２１の出力と接続されている。コントローラー３３は、第２測定部２１による測定結果に応じた信号を生成して出力する手段であり、例えば、第２測定部２１により測定された信号を増幅する増幅部や、決められた帯域の信号を抽出するフィルタ部、信号の位相を調整する調整回路部などを有する。コントローラー３３の出力はコイル３１およびコイル３２に接続されている。コイル３１およびコイル３２は、コントローラー３３によって出力された信号に応じて、被測定物５０、第１ガスセル１０、および第２ガスセル２０が配置された測定空間Ａに向けて磁場を発生させる。より具体的には、第２測定部２１が測定した成分を小さくするように、第２ガスセル２０が配置された測定空間Ａに向けて、第２測定部２１による測定結果に応じた信号と逆位相の磁場を発生させる。この逆位相の磁場を受けて、磁場測定装置９０の外部から第２ガスセル２０が受ける磁場は打ち消される。また第１ガスセル１０がこの逆位相の磁場を受けるため、第２ガスセル２０との配置の差による磁場、すなわち第２ガスセル２０に比べて被測定物５０に近くに配置されていることに由来する磁場が第１ガスセル１０に残る。したがってコイル３１およびコイル３２は、被測定物、第１ガスセル、および第２ガスセルを予め決められた方向に沿って挟み、第２測定部により測定された成分が小さくなるように、第２ガスセルに向けて磁場を発生させる磁場発生手段の一例である。

出力部４０は、第１測定部１１が測定した第１ガスセル１０における磁場の＋ｚ方向の成分と、第２測定部２１が測定した第２ガスセル２０における磁場の＋ｚ方向の成分との差に応じた信号を出力する。したがって出力部４０は、第１測定部と第２測定部とがそれぞれ測定した成分の差に応じた信号を出力する出力部の一例である。磁場測定装置９０は、出力部４０が出力した信号に基づいて、被測定物５０における磁場の＋ｚ方向の成分を表す値を利用者に提示する。

例えば、第１測定部１１や第２測定部２１によって測定可能な範囲、すなわちダイナミックレンジを超える外部からの磁場ノイズを受けた場合に、磁場測定装置９０が備えるコイル３１、３２がないと、第１測定部１１または第２測定部２１のいずれか、あるいはその両方が測定不能となるため、第１測定部１１と第２測定部２１とがそれぞれ測定した成分の差に応じた信号を出力部４０が出力しても、その信号に基づいて、被測定物５０の磁場を表す正確な値を提示することは困難である。

磁場測定装置９０は、第２測定部２１により測定された成分が小さくなるように、コイル３１とコイル３２とが測定空間Ａに向けて磁場を発生させるので、ダイナミックレンジを超える磁場ノイズを受けた場合であっても、測定空間Ａの内側でその磁場ノイズが減衰し、被測定物５０の磁場の測定に対する磁場ノイズの影響が抑えられる。

また、コイル３１とコイル３２とが測定空間Ａに向けて発生させる磁場は、第２測定部２１により測定された成分を小さくさせるものであるが、第２測定部２１の測定対象である第２ガスセル２０は、被測定物５０とは異なる位置に置かれているので、この磁場によって、測定空間Ａにおいて被測定物５０そのものが受ける磁場ノイズの影響は完全に取り除き得ない場合もある。しかし、第１ガスセル１０は、被測定物５０との間に他のガスセルが配置されていないため、第２ガスセル２０に比べて被測定物５０の近くに配置されている。一方、第２ガスセル２０は、被測定物５０との間に第１ガスセル１０が配置されているため、第１ガスセル１０に比べて被測定物５０から遠くに配置されている。つまり、被測定物５０が生成する磁場の強さは被測定物５０からの距離の二乗に反比例するため、第２ガスセル２０は、第１ガスセル１０に比べて被測定物５０の磁場を検出しづらい。そして、磁場測定装置９０の出力部４０は、この第２ガスセル２０の第２測定部２１による測定結果と、第１ガスセル１０の第１測定部１１による測定結果との差に応じた信号を出力するので、第１ガスセル１０と第２ガスセル２０との両方が受ける磁場ノイズの影響が相殺され、被測定物５０に由来する磁場の影響が抽出される。したがって、この点においても、被測定物５０の磁場の測定に対する磁場ノイズの影響は抑えられる。

なお、上述した実施形態において磁場測定装置９０は、出力部４０が第１ガスセル１０と第２ガスセル２０における測定結果の差に応じた信号を出力する、いわゆる一次微分型グラジオメーターとして機能していたが、二次微分型グラジオメーターや、より高次のグラジオメーターとして機能するように複数段に構成されていてもよい。

また、上述した実施形態において磁場測定装置９０は、磁場のうち１方向、すなわち＋ｚ方向の成分のみを測定対象としていたが、互いに異なる方向ごとに複数の磁場測定装置９０を設けることにより、例えば二次元空間や三次元空間の磁場を測定する磁場測定システムを構成してもよい。この磁場測定システムは、互いに異なる複数方向の成分を測定対象とする。したがってこの磁場測定システムは、上述の磁場測定装置を、互いに異なる方向ごとに複数備える磁場測定システムの一例である。

例えば、図３は、磁場測定装置９０を２つ備えた磁場測定システムにおける、各ガスセルの配置を示す図である。同図に示すように、上述した磁場測定装置９０の構成を＋ｙ方向にも設けて、被測定物５０の磁場のうち、＋ｚ方向の成分に加えて、＋ｙ方向の成分を測定するようにしてもよい。

この磁場測定システムは、被測定物５０からみて＋ｚ方向に配置された第１ガスセル１０および第２ガスセル２０のほかに、被測定物５０からみて＋ｙ方向に配置された第３ガスセル６０と、その第３ガスセル６０からみて＋ｙ方向に配置された第４ガスセル７０とを有する。

図３に示す配置では、第３ガスセル６０からみて−ｚ方向からその第３ガスセル６０に向けてポンプ光Ｌａ６が照射され、第４ガスセル７０からみて−ｚ方向からその第４ガスセル７０に向けてポンプ光Ｌａ７が照射される。これらポンプ光により、第３ガスセル６０および第４ガスセル７０に封入されたアルカリ金属などの原子は励起する。

また、第３ガスセル６０からみて−ｘ方向からその第３ガスセル６０に向けてプローブ光Ｌｂ６が照射され、第４ガスセル７０からみて−ｘ方向からその第４ガスセル７０に向けてプローブ光Ｌｂ７が照射される。そして、第３ガスセル６０を透過して第３ガスセル６０からみて＋ｘ方向に進むプローブ光Ｌｃ６と、第４ガスセル７０を透過して第４ガスセル７０からみて＋ｘ方向に進むプローブ光Ｌｃ７とが、それぞれ検出され、それぞれの偏光面の回転角が計測されることにより、第３ガスセル６０および第４ガスセル７０の各磁場が測定される。

被測定物５０、第３ガスセル６０、および第４ガスセル７０は、図示しない２つのコイルにより＋ｙ方向に沿って挟まれている。この２つのコイルは、第４ガスセル７０における磁場の測定結果に応じた信号と逆位相の磁場を、被測定物５０、第３ガスセル６０、および第４ガスセル７０が配置された測定空間に向けて発生させる。この逆位相の磁場を受けて、この磁場測定システムの外部から第４ガスセル７０が受ける磁場は打ち消される。また第３ガスセル６０がこの逆位相の磁場を受けるため、第３ガスセル６０が受けていて、且つ、第４ガスセル７０が受けていない磁場が第３ガスセル６０に残る。

その結果、第１ガスセル１０および第２ガスセル２０を透過したプローブ光からは、被測定物５０における磁場の＋ｚ方向の成分が測定され、第３ガスセル６０および第４ガスセル７０を透過したプローブ光からは、被測定物５０における磁場の＋ｙ方向の成分が測定される。なお、上述したポンプ光およびプローブ光の照射方向は単なる一例であり、磁場測定システムにおけるこれら光の照射の態様は、この例に限るものではない。

１０…第１ガスセル、１１…第１測定部、２０…第２ガスセル、２１…第２測定部、３１…コイル、３２…コイル、３３…コントローラー、４０…出力部、５０…被測定物、６０…第３ガスセル、７０…第４ガスセル、９０…磁場測定装置、Ａ…測定空間、Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌａ６，Ｌａ７…ポンプ光、Ｌｂ１，Ｌｂ２，Ｌｂ６，Ｌｂ７…プローブ光、Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ６，Ｌｃ７…プローブ光

Claims (4)

1. 被測定物が設置される位置に対して第１方向に配置された第１ガスセルと、
   前記第１ガスセルに対して前記第１方向に設置された第２ガスセルと、
   前記第１ガスセルを通過した第１の光を用いて磁場の前記第１方向の成分を測定する第１測定部と、
   前記第２ガスセルを通過した第２の光を用いて磁場の前記第１方向の成分を測定する第２測定部と、
   前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを、前記第１方向において挟むように対向して配置された一対の磁場発生部と、
   前記第１測定部及び前記第２測定部における前記第１方向の成分の測定結果を基にして生成された所定の信号を出力する出力部と、を含み、
   前記磁場発生部は、前記第２の測定部で計測される前記第１方向の成分の測定値が、小さくなる磁場を前記第２ガスセルに向けて発生させること
   を特徴とする磁場測定装置。
2. 請求項１に記載の磁場測定装置を、互いに異なる方向ごとに複数備える
   ことを特徴とする磁場測定システム。
3. 前記互いに異なる方向は、前記第１方向に平行な方向と前記第１方向に直角に交わる方向である
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁場測定システム。
4. 第１測定部が、被測定物の設置される位置からみて予め決められた第１方向に配置された第１ガスセルに光を照射して、当該第１ガスセルにおける磁場の前記第１方向の成分を測定し、
   第２測定部が、前記第１ガスセルからみて前記第１方向に配置された第２ガスセルに光を照射して、当該第２ガスセルにおける磁場の前記第１方向の成分を測定し、
   磁場発生手段が、前記被測定物、前記第１ガスセル、および前記第２ガスセルを前記第１方向に沿って挟み、前記第２測定部により測定された前記第１方向の成分が小さくなるように、前記第２ガスセルに向けて磁場を発生させ、
   出力部が、前記第１測定部と前記第２測定部とがそれぞれ測定した前記第１方向の成分の差に応じた信号を出力する
   ことを特徴とする磁場測定方法。

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