JP5994293B2 - 磁気測定装置、ガスセル、及びガスセルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセルの内壁の非緩和特性と耐熱性とを両立させる技術を提供する。
図1は、一実施形態に係る磁気測定装置1の構成を表すブロック図である。磁気測定装置1は、心臓から発生する磁場(心磁)または脳から発生する磁場(脳磁)等、生体から発生する磁場を、生体の状態の指標として測定する生体状態測定装置である。磁気測定装置1は、ガスセルアレイ10と、ポンプ光照射ユニット20と、プローブ光照射ユニット30と、検出ユニット40とを有する。ガスセルアレイ10は、複数のガスセルを有する。ガスセル内には、アルカリ金属ガス(例えば、セシウム(Cs))が封入されている。ポンプ光照射ユニット20は、アルカリ金属原子と相互作用するポンプ光(例えば、セシウムのD1線に相当する波長894nmの光)を出力する。ポンプ光は円偏光成分を有する。ポンプ光が照射されると、アルカリ金属原子の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極したアルカリ金属原子は、被測定物が生じる磁場Bによって歳差運動をする。一つのアルカリ金属原子のスピン偏極は、時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がCW(Continuous Wave)光であるので、スピン偏極の形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的なスピン偏極が形成される。
図6は、ガスセルアレイ10の製造工程を示すフローチャートである。ステップS100(コーティング工程)において、ガスセルアレイ10を形成するためのガラス板にコーティング層が形成される。
ステップS130(アンプル収納工程)において、ガスセルアレイ10内のダミーセル130にアンプルが収納される。アンプルは、開放されている面から収納される。
ステップS160(気化工程)において、アンプル200内のアルカリ金属固体が気化される。具体的には、ガスセルアレイ10を加熱することによりアルカリ金属固体を加熱し、気化させる。
ステップS170(拡散工程)において、アルカリ金属ガスが拡散される。具体的には、ある温度(室温より高い温度が望ましい)で一定時間保持することにより、アルカリ金属ガスが拡散される。
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち2つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
上述の実施形態では、ガスセルの内壁の極性基に化学結合する官能基と非極性基とを有する第1の分子として、OTSを用いたが、そのアルキル基の炭素数はこの限りではない。第1の分子は、例えば、ジクロロ・ジメチル・シランや、ジクロロ・オクタデシル・シロキサン、あるいは、メチル・トリクロロ・シラン等の、他のシランカップリング剤であってもよい。また、第1の分子は、いわゆるアンカー効果を発現する分子であればよく、シランカップリング剤に限らない。
図15は、変形例1に係るガスセルアレイ15の外観図である。図16は、ガスセルアレイ15のXVI−XVI断面図である。ガスセルアレイの形状は、実施形態で説明したものに限定されない。ガスセルアレイ15は、ダミーセル130に代わりダミーセル160を有している。ダミーセル160は、ガスセル群との位置関係が、ガスセルアレイ10のダミーセル130とは異なっている。なお、ダミーセルとは、磁場の測定に寄与しないセルであって、アンプルを収納するためのセルをいう。ガスセルアレイ15は、ガスセル110、ガスセル120、ガスセル140、ガスセル150、およびダミーセル160を有している。ガスセル110、ガスセル120、ガスセル140、およびガスセル150を含むセル群は、xy平面上に2次元配置(マトリクス状に配置)される。このセル群に対して、ダミーセル160は、セル群の上(z軸正方向、すなわち、セル群が属する平面に垂直な方向)に積まれている。ガスセルアレイ15によれば、ガスセルアレイ10と比較して、xy平面上のサイズを小さくすることができる。また、xy平面に平行な成分を有する光を入射させた場合、ダミーセルを通過させないぶん、光のxy平面に平行な成分の減衰量が、ガスセルアレイ10と比較して少なくなる。
アンプル破壊工程の具体的内容は、実施形態で説明したものに限定されない。アンプル200は、熱膨張係数が異なる2つの材料が張り合わされた部分を有してもよい。この場合、アンプル破壊工程においては、レーザー光照射に代わり、アンプル200(が収納されたガスセルアレイ全体)が加熱される。加熱の際は、熱膨張係数の違いによりアンプル200が破壊する程度の熱が加えられる。
ガスセルアレイの製造方法は、図6で例示したものに限定されない。図6に示した工程に別の工程が加えられてもよい。または、工程の順番が入れ替えられてもよいし、工程のうち一部が省略されてもよい。例えば、コーティング工程と切断工程の順番が入れ替えられてもよい。この場合、ガラス板はまず切断され、切断後に、コーティング層が形成される。別の例で、コーティング層の形成後に、その一部を剥離する工程が導入されてもよい。この場合、ガラス板のうち、他のガラス板との接合部分のコーティング層が剥離される。または、ガラス板のうち外部に露出している面のコーティング層が剥離されてもよい。
ダミーセルの形状は実施形態で説明したものに限定されない。ダミーセルは、アンプルの破片を保持するための凹部を有してもよい。凹部は、磁場の測定への影響を最小化するため、例えばコーナー部分に設けられる。凹部は、組立前にガラス板に形成されていてもよいし、穴の開いたガラス板に凹部となる部分を接合することにより形成されてもよい。また、移動(持ち運び)の際にアンプルの破片が動かないように、粘着性の物質が凹部に溜められていてもよい。
ガスセルの形状は実施形態で説明したものに限定されない。実施形態では、ガスセルの形状が直方体である例を説明したが、ガスセルの形状は、直方体以外の多面体、または、円柱等、一部に曲面を有するものであってもよい。例えば、ガスセルは、アルカリ金属原子が凝固する温度以下に温度が低下したときにアルカリ金属固体を溜めるためのリザーバー(金属溜まり)を有していてもよい。なお、アルカリ金属は、少なくとも測定時にガス化していればよく、常にガス状態である必要はない。
図17は、変形例7に係るガスセルアレイの製造工程を示すフローチャートである。図17に示すフローチャートにおいて、ステップS100乃至ステップS120の処理は、上述した実施形態において図6に示したそれと同様であり、ここではその詳細な説明を省略する。この例で、ガスセルアレイは、ダミーセルを有さない。ガスセルアレイの一部は、ガラス管を通じてリザーバーに接続される。リザーバーには、アルカリ金属化合物の固体が入れられる。ステップS210(気化工程)において、リザーバーは加熱される。リザーバーの加熱によってアルカリ金属化合物が分解され、アルカリ金属ガスが発生する。ステップS220(拡散工程)において、アルカリ金属ガスは、ガラス管を介してガスセルに拡散する。ガスセルに達したアルカリ金属ガスは、貫通孔を介して各セルに拡散する。十分な時間が経過した後、ガラス管を加熱して切断し、ガスセルを封止する。なお、このガスセルアレイは、ダミーセルを有していてもよい。
レーザー光の照射による貫通孔形成の代わりに、光照射により熱応力を発生させ、この熱応力でアンプル200を割断する工程が用いられてもよい。この方法によれば、光照射により貫通孔を形成する場合と比較して、脱ガス(工程中にガラス等から放出されるガス)が減少し、センサーの特性が向上する場合がある。この場合において、ナノ秒以下のパルス幅を有するレーザーが用いられてもよい。さらに、アンプル200の割断を容易にするため、アンプル200に応力集中部(例えば、傷)を形成してもよい。
ガスセルの用途は、磁気センサーに限定されない。例えば、ガスセルは、原子発振器に用いられてもよい。
Claims (6)
- ガスセルと光照射ユニットと検出ユニットとを備え、
前記ガスセルにはアルカリ金属ガスが封入されており、
前記ガスセルの内壁には第1のコーティング層と第2のコーティング層とが形成されており、
前記第1のコーティング層に含まれる第1の分子は、前記内壁と化学結合する官能基と、非極性基と、を有し、
前記第2のコーティング層に含まれる第2の分子は、前記非極性基に物理吸着可能な非極性分子である事を特徴とする磁気測定装置。 - 内壁で囲まれた空間にアルカリ金属ガスが封入され、
前記内壁には第1のコーティング層と第2のコーティング層とが形成されており、
前記第1のコーティング層に含まれる第1の分子は、前記内壁と化学結合する官能基と、非極性基と、を有し、
前記第2のコーティング層に含まれる第2の分子は、前記非極性基に物理吸着可能な非極性分子であることを特徴とするガスセル。 - 前記第1の分子は有機珪素化合物である
ことを特徴とする請求項2に記載のガスセル。 - 前記第2の分子は炭化水素である
ことを特徴とする請求項2または3に記載のガスセル。 - 前記炭化水素はパラフィンである
ことを特徴とする請求項4に記載のガスセル。 - 内部にアルカリ金属原子が充填されるガスセルの製造方法であって、
極性基を有する内壁を、該極性基に化学結合する官能基と非極性基とを有する第1の分子でコーティングする第1のコーティング工程と、
前記非極性基に物理吸着可能な非極性の第2の分子でコーティングする第2のコーティング工程と、
を具備することを特徴とするガスセルの製造方法。
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