JP7144730B2 - ダイヤモンドセンサシステム - Google Patents

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Description

本発明は、ダイヤモンドセンサシステムに関する。
従来、ダイヤモンドセンサを用いた磁気計測装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。特許文献1記載の技術は、ダイヤモンド結晶の窒素(N)-空孔(V)対を用いたダイヤモンドセンサを用い、ダイヤモンドセンサの表面或いは内面のいずれか一方に励起光を反射させる反射膜を形成したダイヤモンドセンサケースを備えている。そして、ダイヤモンドセンサケースに励起光を励起光源から照射し、ダイヤモンドセンサケースから発生する蛍光の強度を検出している。その他、非特許文献1には、ダイヤモンドセンサに対し、アンテナ、コイル、ワイヤにより磁場を印加する手法が記載されている。
特開2017-146158号公報 米国特許出願公開第2017/0343618号明細書
近年、ダイヤモンドセンサは高感度、高密度、高配向の性能を備えるようになってきている。このダイヤモンドセンサは、NVセンタを多く搭載する必要がある。このため、ダイヤモンドセンサを搭載する基板のサイズが大きくなってきており、ダイヤモンドセンサに磁界を均一に与えることが困難となっている。
例えば、非特許文献1の構成を用いて磁場の均一特性を計算すると、1-ΔB/Bmax=1mm^2あたり83.3%と計算できるが均一性が悪い。また、非特許文献2では、このダイヤモンドセンサのNV蛍光は、ダイヤモンド結晶中にて全反射する。このため、特に赤色光がダイヤモンド結晶の周縁から様々な方向に放射することが知られている。これが集光効率の悪化する要因となっている。さらに基板のサイズが大きくなれば、さらに集光効率が悪化してしまう。したがって基板にNVセンタを多く搭載しても、マイクロ波を均一に印加できず、且つ、集光効率が悪くなってしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、マイクロ波を均一に印加できると共に集光効率を良好にできるようにしたダイヤモンドセンサシステムを提供することにある。
請求項1記載の発明は、ループギャップ共振器と、マイクロ波印加部と、ダイヤモンドセンサとを備える。ループギャップ共振器は、内面がループ状に構成されたループ板がマイクロ波帯にて誘導性を備えると共にループ板の少なくとも一部にギャップを設けて構成されることでギャップによりマイクロ波帯にて容量性を備え、誘導性及び容量性の特性に基づいて所定のマイクロ波帯領域にて共振性能を備える。
ダイヤモンドセンサはループ板の内側に設置されているため、マイクロ波印加部がループギャップ共振器にマイクロ波を印加すると、当該マイクロ波帯領域にて共振することでダイヤモンドセンサにマイクロ波を均一に印加できる。ダイヤモンドセンサは、マイクロ波が印加され例えば緑光の励起光が照射されることにより赤い蛍光を発光するが、この蛍光は共振器の内面に反射することで効率的に集光できる。ループ板の内面は、蛍光を受光する受光素子に向けて開口径が大きくなるテーパ面を備える。このため集光効率を良好にできる。
第1実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 ループギャップ共振器の構造を模式的に示す斜視図 ループギャップ共振器の構造を模式的に示す上面図 ループギャップ共振器の構造を模式的に示す正面図 蛍光の放射状態を示す説明図 等価回路 NVセンタの結晶構成図 原理説明図 赤色の蛍光強度のマイクロ波周波数依存性 共鳴周波数の磁界強度依存性 変形例に係るループギャップ共振器の構造を模式的に示す斜視図(その1) ループギャップ共振器の構造を模式的に示す斜視図(その2) ループギャップ共振器の構造を模式的に示す正面図 蛍光の集光状態を示す説明図 第2実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 ループギャップ共振器の周辺構造を基板の下面側から見た斜視図 等価回路 磁界強度の等高線を表す平面図 ダイヤモンドセンサの設置条件の説明図(その1) 磁界強度の周波数特性(その1) 磁界強度の均一性(その1) ダイヤモンドセンサの設置条件の説明図(その2) 磁界強度の周波数特性(その2) 磁界強度の均一性(その2) ダイヤモンドセンサの設置条件の説明図(その3) 磁界強度の周波数特性(その3) 磁界強度の均一性(その3) 内径差の定義説明図 内径差に基づく磁界強度の周波数特性 磁界強度の周波数特性(その4) 磁界強度の周波数特性(その5) 磁界強度の周波数特性(その6) 磁界強度の均一性(その4) 磁界強度の均一性(その5) 磁界強度の均一性(その6) 第3実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 磁界強度の周波数特性(その7) 磁界強度の均一性(その7) 第4実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 第5実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 蛍光の集光状態を示す説明図 第6実施形態に係るダイヤモンドセンサシステムの構成図 蛍光の集光状態を示す説明図 第7実施形態に係るループギャップ共振器の構造を示す横断面図(その1) ループギャップ共振器の構造を示す横断面図(その2) ループギャップ共振器の構造を示す横断面図(その3) ループギャップ共振器の構造を示す横断面図(その4) 等価回路 リターンロスの周波数特性 第8実施形態に係るループギャップ共振器の構造を示す横断面図(その5) ループギャップ共振器の構造を示す正面図 等価回路
以下、ダイヤモンドセンサシステムの幾つかの実施形態について図面を参照しながら説明する。以下において、例えば図1中の左右方向をX方向、上下方向をZ方向とし、手前奥方向をY方向とした3次元直交座標系を用いて説明する。各実施形態において実質的に同一又は類似部分には同一符号を付して必要に応じて説明を省略し、各実施形態では特徴部分を中心に説明する。
(第1実施形態)
図1は、ダイヤモンドセンサシステム1の構成図を示している。ダイヤモンドセンサシステム1は、制御回路2、信号処理回路3、受光素子4、マイクロ波印加部5、励起光源6、ダイヤモンドセンサ7、及び、ループギャップ共振器(以下、共振器と略す)8を主に備える。
図1には模式的に示しているが、制御回路2は、例えばマイクロコンピュータにより構成され、信号処理回路3及びマイクロ波印加部5を主体的に制御する。他方、ダイヤモンドセンサ7は、基板9上に搭載されており、この基板9には励起光源6が実装されている。この励起光源6は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードなどにより構成され、例えば490(nm)~560(nm)の波長の励起光を出力する。この励起光源6は、制御回路2の励起光出力指示に基づいて励起光をダイヤモンドセンサ7に照射する。ダイヤモンドセンサ7のXY方向外側周囲に位置して共振器8が設置されている。
本実施形態では、励起光源6はダイヤモンドセンサ7の下部に密着して配置されている。励起光源6はダイヤモンドセンサ7から離間して配置されていても良い。すなわちこの実施形態では、励起光源6は基板9に実装されている形態を示しているが、励起光源6が共振器8の外側に設置されており、光ファイバケーブルを用いてダイヤモンドセンサ7に向けて照射しても良い。すなわち、励起光源6は励起光をダイヤモンドセンサ7に対しどのように印加しても良い。
図2Aは、共振器8の斜視図、図2Bは共振器8の上面図、図2Cは共振器8の正面図を示す。共振器8は、少なくとも内面がループ状(例えば、筒状(例えば円筒形、角筒形))に形成されたループ板10を備えた導電板12を用いて構成されている。
導電板12は、例えば銅(Cu)による金属板により構成されている。導電板12は、マイクロ波を導電するときの導電損が所定より低い低導電損の材料により構成されていることが望ましい。この低導電損の材料としては、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)を挙げることができる。
またループ板10は、上面側から見て内面がループ状に構成されると共にその一部にギャップ13aを挟んで構成されている。このループ板10の板厚は、蛍光(後述参照)及びの所定のマイクロ波周波数帯域(例えば2.87GHzを含む周波数帯域)における表皮効果深さよりも厚く構成することが望ましい。
図2A~図2Dに示すように、このループ板10の内面はテーパ面に構成されている。このテーパ面は、基板9の上面から上方向(Z方向)に向けて開口径が拡大するように構成されている。ループ板10は、その内面及び外面の横断面が円形に構成されている。このループ板10の内面及び外面の横断面が角形に構成されていても良い。
導電板12は、ギャップ13aを挟んだループ板10の端部10aに容量部11を構成する一対の金属板を連結して構成されている。容量部11の一対の金属板は、前記ギャップ13aと同一の所定間隔を保持した第2ギャップ13bを挟んで構成され、ギャップ13a及び第2ギャップ13bは連結するように構成されている。導電板12のギャップ13a及び第2ギャップ13bには所定の誘電率特性を備えた誘電体14が埋込まれており、これにより容量部11が構成されている。
導電板12(ループ板10及び容量部11の金属板)、及び、ギャップ13a並びに第2ギャップ13bは、マイクロ波帯(例えば2.87(GHz)を含む周波数帯域)にて誘導性を備えるように成型されると共に、ギャップ13a及び第2ギャップ13bによりマイクロ波帯にて容量性を備えるように成型されている。共振器8は、誘導性及び容量性の特性に基づいて所定のマイクロ波帯領域(例えば2.87(GHz)を含む周波数帯域)において共振性能を備える。
マイクロ波印加部5は差動信号源として機能し、制御回路2の制御に基づいて導電板12にて構成される伝送線路にマイクロ波を直接印加すると、このマイクロ波はループ板10を通じて当該ループ板10のコイルの内側に設置されたダイヤモンドセンサ7に印加される。図3は、共振器8とマイクロ波印加部5による等価回路を示している。このとき、マイクロ波印加部5が出力するマイクロ波の周波数f(GHz)は、約2.87GHzの所定周波数である。
このマイクロ波は、インダクタL1及び容量C1を用いて等価的に表現可能な共振器8に印加されることになる。共振周波数fcは、1/{2・π・SQRT(L1×C1)}になり、インダクタL1又は容量C1の値を大きくすれば共振周波数fcを小さくできる。SQRTはルートを示す。
また前述したダイヤモンドセンサ7は、図1に示すように共振器8のループ板10の内側に設置されている。ダイヤモンドセンサ7は、例えば直方体状又は立方体状などの所定形状に成型されており、その中心が例えば上又は下(Z方向)から見てループ板10のループ(円形)の中心位置に設置されている。
マイクロ波印加部5は共振器8にマイクロ波を印加するが、このとき励起光源6もまたダイヤモンドセンサ7に励起光を入射させる。ダイヤモンドセンサ7のNV蛍光はダイヤモンドセンサ7の中のダイヤモンド結晶構造内で多重反射する。またこのダイヤモンドセンサ7には、外部から磁場(磁束密度B)が印加される。ここで、この磁束密度Bの検出原理を説明する。
図4に示すように、ダイヤモンドセンサ7は、ダイヤモンド結晶構造の格子欠陥の空孔を利用したNVセンタ(Nitrogen-Vacancy center:NVC:量子素子)20を用いて構成される。このNVセンタ20は、本来ダイヤモンド結晶構造の炭素(C)があるべき位置に窒素(N)を置換して構成されると共に、さらにその隣接位置に空孔(V)を設けた複合欠陥を備える。図5には、光検出磁気共鳴(Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR)法による磁場検出原理を模式的に示している。
NVセンタ20が、中性電荷状態(NV0)から電子1個を捕獲すると電子捕獲状態(NV-)となる。すると、電子は磁気量子数ms=-1、0、+1の3重項状態を構成し、NVセンタ20には電子スピンがトラップされる。これによりNVセンタ20は磁気的な性質を示す。
=0の状態にて、マイクロ波印加部5が周波数(例えば、2.87GHz)のマイクロ波を照射することで、電子スピン共鳴(Electron Spin Resonance:ESR)により磁気量子数m=±1の状態へ遷移が起きる。磁気量子数m=±1の状態の電子が緑色の励起光源6により励起されると、その電子の一部は無放射遷移により基底状態に戻る。他方、電子が磁気量子数m=0の状態にて緑色の励起光源6により励起された場合には赤色の蛍光を発することで磁気量子数m=0の基底状態に緩和される。
このため、図6に示すように、マイクロ波印加部5が、ダイヤモンドセンサ7へ入力させるマイクロ波を周波数掃引すると、赤色の蛍光強度の極小点を検出できる。この現象は、光検出磁気共鳴(Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR)と称されている。このとき図7に示すように、ゼーマン効果により外部磁束密度Bの磁界に基づき分裂した複数のスペクトルにて蛍光強度の極小点を検出でき、これらの複数のスペクトルの周波数f0-、f0+に基づいて外部磁束密度Bを検出できる。このように、ダイヤモンドセンサ7を用いることで、このNVセンタ20のスピン3重項状態に基づいて磁束密度Bによる物理量を計測できる。ダイヤモンドセンサ7の内部の電子スピンは数十ナノ立方メートル程度の局所領域に閉じ込められるため、微視的な磁場、その他にも電界、温度、歪を高精度で検出できる。
NVセンタ20は、1単位のナノスケールから巨視的サイズまで幅広く構成できる。本実施形態のダイヤモンドセンサ7は、ダイヤモンド結晶の内部に高密度にNVセンタ20を生成した巨視的サイズのものであり、平板状に成型されている。ダイヤモンドセンサシステム1を高感度に実現するためには、アンサンブル技術を用いてバルク状にNVセンタ20を構成すると良い。このとき、原子レベルで高配向性、高密度構成とすると共に、ダイヤモンドセンサ7の表面において光検出効率を向上することが望まれている。NVセンタ20が高配向、高密度のバルクで構成されると、ダイヤモンドセンサ7のサイズが大きくなりやすいが、この条件を満たしつつ集光効率、光検出効率を高めることが望ましい。
図2Dは、図2A~図2Cに示す共振器8の構造を用いたときのダイヤモンドセンサ7から出力される赤色の蛍光の様子を模式的に示している。励起光源6がダイヤモンドセンサ7に励起光を照射すると、NVセンタ20から出力された蛍光はダイヤモンドセンサ7のサイド面から外部に出力される。この蛍光は、図2Dに示すように共振器8のループ板10の内面に反射され、図1に示すように共振器8の上部に設置された受光素子4に入射する。このとき、受光素子4は、共振器8の内側を通過した蛍光を受光することになる。
受光素子4は、例えば2次元イメージセンサを用いて構成され、共振器8のループ板10の内側を通過した赤色の蛍光を受光する。この受光素子4は、その受光面がループ板10の上端に位置するように設置されており、ループ板10の内面と受光素子4の受光面とにより3次元的な閉鎖空間を構成する。受光素子4のイメージセンサは、その画素に赤色の蛍光を2次元的に入光し、この信号を信号処理回路3に出力する。信号処理回路3は、受光素子4の受光信号に基づいて所定の信号処理を行い制御回路2にその信号処理結果を出力する。これによりダイヤモンドセンサ7に印加されている外部磁束密度B(∝磁場H)を2次元的に計測できる。
前述したように、共振器8のループ板10は、その内面がテーパ面に成型されているが、テーパ面は、図1、図2A~図2Cに示すように上方向(Z方向)に向けてループ板10の内側方向に湾曲するように構成されていても良い。また、この構造に代えて、テーパ面は上下左右の所定の斜め一方向に向けて傾斜面状に構成されていても良い。
また図8A~図8Cは、共振器8の変形例としての共振器108を示している。図8A及び図8Bは共振器108の斜視図を模式的に示しており、図8Cは共振器108の正面図を示している。この共振器108は図8Aから図8Cに示すように、ループ板110の内面が基板9の上面に対して垂直方向に構成されている。
図8Dは、ダイヤモンドセンサ7から発せられる赤色の蛍光の経路を示している。この図8Dに示すように、ループ板110の内面は蛍光の反射面となる。外部磁束密度Bの検出感度は蛍光の集光効率に依存する。このため、このループ板110の内面のテーパ角を適宜調整することで、ダイヤモンドセンサ7から様々な方向に放射される放射光の集光効率を高めることができる。この結果、磁束密度Bの検出感度を高めることができる。また後述の第6実施形態に示すように、必要に応じて、集光レンズ30を用いて集光効率を高めるようにしても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、ダイヤモンドセンサ7が、ループ板10の内側に設置されているため、ループ板10の集光作用によりダイヤモンドセンサ7から放出される蛍光を集光でき、集光効率を向上できる。しかも、共振器8、108が所定のマイクロ波帯領域にて共振する特性を備えるように構成できるため、マイクロ波印加部5が共振器8、108にマイクロ波を印加したときに磁界発生効率を高くできる。また、従来より大きなダイヤモンドセンサ7に磁界を印加する場合であっても、均一性を高めながら磁界を印加できる。この結果、ダイヤモンドセンサシステム1を高感度に構成できる。
共振器8は、第2ギャップ13bを挟んで構成された容量部11を備えているため、第2ギャップ13bに基づく容量部11の容量成分により共振周波数fcの特性を調整できる。
(第2実施形態)
図9から図23は、第2実施形態における説明図を示している。この第2実施形態では、マイクロ波印加部5が、磁気結合を用いてマイクロ波をダイヤモンドセンサ7に印加する形態を示す。
図9は、共振器8を備えたダイヤモンドセンサシステム201の全体構成を示し、図10は基板9の下面側から見た共振器8の斜視図を模式的に示している。図11は、共振器8及び励振コイル21の磁気結合による等価回路を示している。
図9及び図10に示すように、基板9の下面には金属による励振コイル21が構成されている。励振コイル21は、そのXY方向面に開口を備え当該開口の中心部がループ板10のXY方向のループ中心位置に合わせて配置されている。励振コイル21の開口面は基板9の下面に沿って構成されている。マイクロ波印加部5は、この励振コイル21にマイクロ波を印加する。マイクロ波が励振コイル21に印加されると、外部に磁界Hを発生させる。この磁界Hは、ダイヤモンドセンサ7の主面(XY面)に対し垂直方向(Z方向)に発生する。
このとき、図11に示すように、共振器8の誘導性(インダクタンスL1)と励振コイル21(インダクタンスL2)とが相互誘導結合する。このため、前述実施形態と同様に、ダイヤモンドセンサ7が共振器8のループ板10の内側に設置されることにより、ダイヤモンドセンサ7にマイクロ波を強く印加できる。
<実験結果と技術的意義の説明>
以下、発明者らにより行われた共振器8の実験結果に基づいて本実施形態に係る技術的意義を説明する。
図12は、図1に示す共振器8の構成を用いたときに、ダイヤモンドセンサ7に印加される磁界強度|H|(A/m)の等高線を平面図により示している。この「|H|」はZ方向の磁界強度を示している。この図12に示すように、ダイヤモンドセンサ7に印加される磁界強度|H|は、共振器8に近接した外側の角部7aから内側の中心部7bに向けて徐々に低くなることが確認されている。
また発明者は、共振器8の内側に設置するダイヤモンドセンサ7の高さ位置を調整したときのZ方向の磁界強度|H|をシミュレーションにより求めている。図13B~図13Cは、図13Aに条件を示すように、基板9の下部にダイヤモンドセンサ7を設置した場合の特性、図14B~図14Cは、図14Aに示すように、基板9の表面上にダイヤモンドセンサ7を設置した場合の特性、図15B~図15Cは、図15Aに示すように、基板9の上方で且つ共振器8の上端より下方にダイヤモンドセンサ7を設置したことを想定した場合の特性、をそれぞれ示している。
共振器8のループ板10は、例えば外径3.84(mm)、内径2.84(mm)、高さ3(mm)の寸法に設定したものを想定した。ダイヤモンドセンサ7は、そのサイズがXY方向に1(mm)×1(mm)四方の構造であることを想定した。容量部11は、例えば導電板の金属厚4(μm)、誘電体の厚さ127(μm)、高さ3(mm)、長さ4(mm)に構成したものを想定した。このとき、誘電体14の比誘電率=2.05とし、誘電損失=0.00045とした。
図13B、図14B、図15Bは、マイクロ波印加部5から共振器8に印加するマイクロ波の周波数を変化させたときに、ダイヤモンドセンサ7の中心部7bに印加されるZ方向の磁界強度|H|の周波数依存性を示している。これらの図13B、図14B、図15Bに示すように、ダイヤモンドセンサ7が共振器8の内側に設置されていれば、その高さ位置をZ方向に変化させたとしても、2.8(GHz)近辺の周波数のマイクロ波を安定して印加できることがわかる。これらの図13B、図14B、図15Bの特性を考慮すれば、共振器8は2.8(GHz)近辺にて共振することで、当該周波数帯にて磁界発生効率を高くできることを把握できる。
また図13C、図14C、図15Cは、実線の特性がY方向中心で且つX方向に測定位置を変化させたときの磁界強度|H|の位置依存性を示しており、破線の特性がX方向中心で且つY方向に変化させたときの磁界強度|H|の位置依存性を示している。すなわち、磁界強度|H|の均一性を示している。
図13C、図14C、図15Cに示すように、磁界強度|H|の均一性は1-ΔH/Hmax=95.4%~98.9%と高い値が得られている。例えば、前述した非特許文献1の技術によれば、ダイヤモンドセンサ7の中心の1mm均一性を想定すると、磁束密度B(∝磁界強度|H|)の均一性は、1-ΔB/Bmax=1-0.5/3=83.3%と求めることができる。
本実施形態に係る実験結果と非特許文献1の特性とを比較しても、本形態の構成における磁界強度|H|zの均一性が大幅に改善できていることを把握できる。共振器8が立体的に構成されているため、磁界の均一性を高められると考えられる。
さらに発明者は、図16に示すように、ループ板10の下端部の内径と上端部の内径との間の内径差Rに基づいて共振周波数fcがどのように変化するか検証している。図17は、内径差Rに基づく磁界強度|H|の周波数特性を示している。
差Rは、ループ板10の内面のテーパ角に依存して定められるもので、差Rが0であるときは、ループ板10の内面が基板9に対して垂直方向に構成されている、すなわち共振器108の構造を用いていることを示している。差R=0.2、0.5であるときには、ループ板10の内面が所定のテーパ角で上方向に向かうに従って開口径が拡大するように構成されていることを示している。
この図17に示すように、差R=0のときには共振周波数fcが高く、差Rが大きくなるにつれて共振周波数fcが低周波数側にシフトすることがわかる。これは、差Rが大きくなるとインダクタンス成分が増加するためであり、共振周波数fcを所定の周波数(2.8GHz近辺)に調整するためには、このインダクタンス成分に合わせて容量成分を調整すれば良い。
基本的に、ループ板10の寸法は、ダイヤモンドセンサ7のバルクサイズに合わせて内面の内径を決定しつつ、ループ板10の内径及び高さによりインダクタンス成分を決定し、さらにループ板10の高さを光学設計により決定すると良い。さらに、共振周波数fcを所定の周波数(≒2.8GHz)に同時に調整するため、容量部11の長さを調整することで、ギャップ13a、第2ギャップ13b及び誘電体14に基づく容量成分を決定すると良い。このような生産方法を用いることで、共振器8、108の共振周波数fcを所望の周波数に合わせて構成できる。
図18から図20は、励振コイル21とループ板10の下端部との距離を変化させたときの磁界強度|H|の周波数依存性を示している。図18は、ループ板10の下端部からの励振コイル21の離間距離を1(mm)と比較的大きくすることで磁気結合度を比較的小さくすることを想定した場合の磁界強度|H|の周波数依存性を示している。また図19は、ループ板10の下端部からの励振コイル21の離間距離を基板厚さ(例えば0.数(mm))とすることで磁気結合度を比較的中程度とした場合の磁界強度|H|の周波数依存性を示している。
また図20は、ループ板10の下端部からの励振コイル21の離間距離を0.1(mm)とすることで磁気結合度を大とした場合の磁界強度|H|の周波数依存性を示している。このときのシミュレーション条件は、励振コイル21を設置する基板9の厚さ=0.8(mm)とし、励振コイル21の外径を4.46(mm)とし、内径を2.84(mm)としている。このとき、基板9の比誘電率=2.3、誘電損=0.0012としている。
また図18から図20の白抜き四角特性(以下、「白四角特性」と称す)は、ダイヤモンドセンサ7を共振器8の上下方向中心に配置したことを想定した場合のシミュレーション特性を示し、図18から図20の黒塗り四角特性(以下、「黒四角特性」と称す)は、ダイヤモンドセンサ7を励振コイル21の上面に接触する位置に配置したことを想定した場合のシミュレーション特性を示している。すなわち、黒四角特性は、共振器8と励振コイル21との間の離間距離が大きくなれば、この離間距離に合わせて共振器8とダイヤモンドセンサ7との間の離間距離も大きくなることを想定したシミュレーション結果である。
これらの図18から図20のシミュレーション結果に示すように、磁気結合が強ければ強いほど磁界強度|H|の発生効率が小さいものの、周波数帯域幅BWを広くできることがわかる。逆に、磁気結合が弱いときには周波数帯域幅は狭くなる。
また磁気結合が強いときには、磁界強度|H|のダイヤモンドセンサ7の配置位置依存性を小さくできる。磁気結合が同じ場合には、ダイヤモンドセンサ7を励振コイル21の上面よりも共振器8の中心に配置した方が磁界強度|H|を強くできることを把握できる。磁界強度|H|の発生効率と周波数帯域幅の広帯域性を両立することが望ましいが、磁界強度|H|の発生効率と周波数帯域幅BWの広帯域性を両立するには、磁気結合を中程度としダイヤモンドセンサ7を共振器8の中心部に配置すれば良い。
また図21から図23は、ダイヤモンドセンサ7を共振器8の中心に設置し、磁気結合度を小、中、大に変化させたときの磁界強度|H|の均一性の評価結果を表している。これらの図21から図23に示すように、1mm×1mm寸法のダイヤモンドセンサ7の磁界強度|H|の均一性=1-Δ|H|/Hmaxを、概ね99%とすることができることを把握でき、従来技術に比較して均一性を高められることを確認できた。
本実施形態によれば、励振コイル21を用いて磁気結合によりマイクロ波をダイヤモンドセンサ7に印加している。このため、効率よくマイクロ波を印加でき、第1実施形態と同様の作用効果を得られる。
(第3実施形態)
図24から図26は、第3実施形態における説明図を示している。図24は、ダイヤモンドセンサシステム301の全体構成図を示している。このダイヤモンドセンサシステム301は、共振器308を備えている。共振器308は、共振器8と同様の構成を備えると共に反射膜22を備える。この反射膜22は、赤色の蛍光の集光効率を向上するため、ループ板10の内面にコーティングされることで構成されている。この反射膜22は、ダイヤモンドセンサ7が放射する蛍光を反射する高い反射率の材料により構成される。また反射膜22は、マイクロ波を導電するときの導電損が所定より低い低導電損の金属材料により構成される。このときの反射膜22の膜厚は、少なくとも蛍光の周波数における表皮効果深さより厚く構成され、これにより蛍光を反射させることができる。
さらに、この反射膜22の膜厚はマイクロ波の表皮効果深さより厚く構成されている。このときマイクロ波は、反射膜22の表面に沿って伝導するため、前記の所定のマイクロ波帯領域にて低損失の材料により構成することが望ましい。このような低導電損の材料として、金(Au)、銀(Ag)、又はアルミニウム(Al)を用いることが望ましい。特に、反射膜22が金(Au)により構成されている場合、蛍光の反射率を高くすることができ、集光時における反射損失を低減できる。
例えば、赤色の蛍光の波長を680(nm)とすれば、周波数は4.4×10^14(Hz)となるため、この周波数に対応した表皮膜厚を3.6×10^(-9)(m)と求めることができる。またマイクロ波の周波数を2.87(GHz)とすれば、この周波数に対応した表皮膜厚を1.41×10^(-6)(m)と算出できる。このため、これらの表皮膜厚よりも反射膜の膜厚を厚く構成することが望ましい。すると共振器308の外方に対するマイクロ波の漏れを低減でき、シールド効果を得ることができる。この場合、共振器308を構成するループ板10は、蛍光の反射、マイクロ波の導電の何れにも寄与しないためどのような材料を用いて構成しても良い。例えば、共振器308を構成するループ板10としては、第1実施形態に示したように銅(Cu)を用いて構成しても良い。
図25は、アルミニウム(Al)により反射膜22を構成した場合の磁界強度|H|の周波数依存性について反射膜22を構成していない場合と比較して示している。この図25には「Al膜なし」の特性を白抜き四角により示しており、「Al膜あり」の特性を黒塗りダイヤにより示している。この図25に示すように、反射膜22を構成してもしなくても、共振周波数fcは概ね変化しないことを確認した。また図26は、磁束密度|B|の均一性を示している。図26に示すように、1mm×1mm寸法のダイヤモンドセンサの磁束密度|B|の均一性=1-Δ|B|/Bmaxを概ね99%とすることができることを確認した。このため、前述実施形態と同様の作用効果を得られることを確認できた。
(第4実施形態)
図27は、第4実施形態における説明図を示している。図27は、ダイヤモンドセンサシステム401の全体構成図を示している。ダイヤモンドセンサシステム401は共振器408を備える。この図27に示すように、この共振器408は、ループ板10の内側に構成された反射膜22の内側に液体23を設けている。この液体23は、ダイヤモンドセンサ7を液浸する高屈折率特性を備えるイマージョンオイル液による。この液体23が、ループ板10の内側に浸されると、この液体23の誘電率の影響により共振器408の共振周波数が変化する。このため共振器408の共振周波数fcの特性を前述実施形態に示したように調整することで各種特性をさらに良好にできる。
(第5実施形態)
図28及び図29は、第5実施形態における説明図を示している。図28は、ダイヤモンドセンサシステム501の全体構成図を示している。ダイヤモンドセンサシステム501は共振器508を備える。共振器508は、説明の便宜上、符号を変更して示したが共振器8の構成と同様の構成である。
図28に示すように、本実施形態においては、第1実施形態と比較して、受光素子504の受光面が共振器508のループ板10の上端から所定幅Wだけダイヤモンドセンサ7に近接して配置されており、これによりループ板10の内面と受光素子504の受光面とにより3次元的な閉鎖空間を構成する。図29に蛍光の集光状態を模式的に示している。この図29に示すように、第1実施形態に比較して、ダイヤモンドセンサ7が受光素子504に近接することになるため、集光効率をさらに高めることができる。
(第6実施形態)
図30及び図31は、第6実施形態における説明図を示している。図30は、ダイヤモンドセンサシステム601の全体構成図を示している。ダイヤモンドセンサシステム601は、受光素子604、及び共振器608を備えると共に、集光レンズ30を備えている。
図30に示すように、集光レンズ30がループ板10の内側の例えば上端に位置して設置されており、受光素子604がの集光レンズ30の上方に位置して設置されている。集光レンズ30は例えば凸レンズによるものであり、受光素子604は、例えばフォトダイオードなどにより構成される。
図31に蛍光の集光状態を模式的に示している。集光レンズ30は、ダイヤモンドセンサ7から放射された蛍光を集光すると共にループ板10の内面にて反射した蛍光を集光し、集光光を受光素子604に入射させる。これにより集光効率を高めることができる。しかも受光素子604を小型化できる。ダイヤモンドセンサ7はループ板10の内側に設置されていれば良く、ループ板10の上端ではなく当該ループ板10の上端と下端との間の中央高さ位置に設置されていても良い。
(第7実施形態)
図32から図37は、第7実施形態における説明図を示している。図32から図35は、共振器708…1008の横断面図をそれぞれ示している。これらの図32から図35は、共振器708…1008を上面側(Z方向)から示している。
図32は共振器708の構造を示している。共振器708は、ループ板710aと、導電板710bと、誘電体714と、可変容量ダイオードDとを備える。
ループ板710aの端部710aa間にはギャップ713aが設けられている。また、導電板710bが、ループ板710aの外側に離間すると共にギャップ713aの配置位置の周辺に設置されている。ループ板710aとこの導電板710bとの間には可変容量ダイオードDが構成されている。この可変容量ダイオードDは、制御回路2が導電板701bにバイアスを印加することにより容量値を変更可能にできる。このため、制御回路2が可変容量ダイオードDの容量値を制御することで共振器708の共振周波数fcを調整できる。
また図33には別の共振器808の構造を示している。この共振器808は、ループ板810aと、導電板810bと、誘電体814と、可変容量ダイオードDとを備える。ループ板810aの端部810aaにはギャップ813aが設けられている。また導電板810bが、ループ板810aの内側に離間すると共にギャップ813aの配置位置の周辺に設置されている。ループ板810aとこの導電板810bとの間に可変容量ダイオードDが構成されている。この場合も、制御回路2が可変容量ダイオードDにバイアスを印加することにより容量値を制御することで共振器808の共振周波数fcを調整できる。
また図34には別の共振器908の構造を示している。この共振器908は、ループ板910と、誘電体914と、可変容量ダイオードDとを備える。ループ板910の端部910aにはギャップ913aが設けられているが、このギャップ913aに可変容量ダイオードDを構成しても良い。この共振器908のように容量部11を設けることなく構成しても良い。
さらに図35には、別の共振器1008の構造を示している。この共振器1008は、ループ板1010と、容量部1011と、誘電体1014と、可変容量ダイオードDとを備えている。容量部1011は、第2ギャップ1013bを挟んで一方向(図示X方向)に延設された一対の導電部を用いて構成されている。容量部1011は、これらの一対の導電部の第2ギャップ1013bの間に構成された誘電体1014を備える。マイクロ波印加部5は、容量部1011を通じて共振器1008に直接マイクロ波を印加するように構成されている。
この図35に示すように、容量部1011のギャップ1013a及び第2ギャップ1013bに可変容量ダイオードDを構成しても良い。図36は、共振器708の等価回路を示している。この共振器708は、可変容量ダイオードDの容量性とループ板710aの誘導性とにより共振特性を備えるようになる。制御回路2が可変容量ダイオードDの容量性を制御できるため、図37にリターンロス特性S11を示すように共振周波数fcを制御できる。なお、図32~図35の構成では誘電体714、814、914、1014を設けた形態を説明したが、誘電体714、814、914、1014は必要に応じて設ければ良い。
本実施形態によれば、共振器708…1008には可変容量ダイオードDが設けられているため共振周波数fcを変更できる。共振周波数fcを調整できるため、磁界強度|H|を所定のマイクロ波周波数領域にて極力均一にするように調整できる。これにより、制御回路2が共振周波数fcを制御することで、ある所定のマイクロ波周波数帯域にて高感度に調整できる。しかも広い周波数帯域に対応できるようになる。
(第8実施形態)
図38から図40は、第8実施形態における説明図を示している。図38、図39は、共振器1108の構造を横断面図、正面図により示している。共振器1108は、ループ板1110aと、容量部1111と、一対の導電板1110b、1110cとを備える。ループ板1110a及び容量部1111のY方向両外方には導電板1110b、1110cが一対に設置されている。マイクロ波印加部5は、これらの一対の導電板1110b、1110cにはマイクロ波を印加する。これらの一対の導電板1110b、1110cと容量部1111の導電部との間には誘電体1114b、1114cがそれぞれ埋込まれている。このため、一対の導電板1110b、1110cと容量部1111の導電部とは容量結合する。
図40は等価回路を示している。この共振器1108は、ループ板1110aの端部1110aa間のギャップ1113aの容量成分と、容量部1111の導電部間の第2ギャップ1113bの容量成分とを合成した容量性C3と、ループ板1110a及び容量部1111の誘導性L3とによる共振特性を備える。
また容量部1111の導電部と導電板1110bとの間の容量性をC4aとし、容量部1111の導電部と導電板1110cとの間の容量性をC4bとする。このとき、導電板1110b、1110cが容量部1111の導電板のY方向両外方に位置して配置されているため、図40に示すように直列に容量結合することになる。
図示は省略しているが、本実施形態においては、ループ板1110aの内側にダイヤモンドセンサ7を設置する。このためマイクロ波印加部5は、容量結合を用いてマイクロ波をダイヤモンドセンサ7に印加できる。なお、直列に容量結合する形態を示しているが、並列に容量結合するように構成しても良い。本実施形態の構造でも前述実施形態と同様の作用効果を奏する。
(他の実施形態)
前述実施形態に限定されるものではなく、例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。
ループ板10、110、710a、810a、910、1010、1110aの内面は、その横断面(XY方向断面)が円形に構成されている形態を示したが、角形に構成されていても良い。ループ板110の内面は、円筒形に構成されている形態を示したが、角筒形に構成されていても良い。
前述した複数の実施形態の構成、機能を組み合わせても良い。前述実施形態の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も実施形態と見做すことが可能である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も実施形態と見做すことが可能である。
本開示は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。
図面中、1、201、301、401、501、601はダイヤモンドセンサシステム、5はマイクロ波印加部、7はダイヤモンドセンサ、8、108、308、408、508、608、708、808、908、1008、1108はループギャップ共振器(共振器)、10、110、710a、810a、910、1010、1110aはループ板、13a、713a、813a、913a、1013a、1113aはギャップ、13b、1013b、1113bは第2ギャップを示す。

Claims (14)

  1. 内面がループ状に構成されたループ板(10;110;710a;810a;910;1010;1110a)がマイクロ波帯にて誘導性を備えると共に前記ループ板の少なくとも一部にギャップ(13a;713a;813a;913a;1013a;1113a)を設けて構成されることで前記ギャップにより前記マイクロ波帯にて容量性を備え、前記誘導性及び前記容量性の特性に基づいて所定のマイクロ波帯領域にて共振性能を備えるループギャップ共振器(8;108;308;408;508;608;708;808;908;1008;1108)と、
    前記ループギャップ共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波印加部(5)と、
    励起光を発光する励起光源(6)と、
    前記ループ板の内側に設置され前記マイクロ波が印加され前記励起光が照射されると蛍光を発光するダイヤモンドセンサ(7)と、を備え、
    前記ループ板の内面は、前記蛍光を受光する受光素子に向けて開口径が大きくなるテーパ面を備えるダイヤモンドセンサシステム。
  2. 前記ループギャップ共振器の前記ループ板(10)は、横断面が円形又は角形により構成される請求項1記載のダイヤモンドセンサシステム。
  3. 前記ループギャップ共振器(308;408)は、前記ループ板の内面に構成され、前記蛍光を反射する反射率、且つ、前記マイクロ波を導電するときの導電損が所定より低い低導電損の材料によりコーティングされた反射膜(22)を備える請求項1記載のダイヤモンドセンサシステム。
  4. 前記ループギャップ共振器は、前記ループ板が前記マイクロ波を導電するときの導電損が所定より低い低導電損の材料により構成されている請求項1記載のダイヤモンドセンサシステム。
  5. 前記低導電損の材料は、金(Au)、銀(Ag)、又はアルミニウム(Al)である請求項3または4記載のダイヤモンドセンサシステム。
  6. 前記ループギャップ共振器の前記ループ板の内側に前記ダイヤモンドセンサを液浸するイマージョンオイル液(23)をさらに設ける請求項1から5の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  7. 前記受光素子は、前記ループギャップ共振器の内側を通過した前記蛍光を受光する請求項1から6の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  8. 前記ループギャップ共振器の内側を通過した前記蛍光を集光する集光レンズ(30)を備え、
    前記受光素子は、前記集光レンズにより集光された光を受光する請求項1から6の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  9. 前記ループギャップ共振器の共振特性を変化させる可変容量ダイオード(D)をさらに備える請求項1から8の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  10. 前記マイクロ波印加部は、励振コイル(21)による磁気結合を用いて前記マイクロ波を前記ダイヤモンドセンサに印加する請求項1から9の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  11. 前記マイクロ波印加部は、容量結合を用いて前記マイクロ波を前記ダイヤモンドセンサに印加する請求項1から9の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  12. 前記ギャップに連結する第2ギャップ(13b;1013b;1113b)を挟んで構成された容量部(11;1011;1111)をさらに設ける請求項1から11の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
  13. 前記マイクロ波印加部は、前記容量部(11;1011)を通じて前記ループギャップ共振器に直接前記マイクロ波を印加する請求項12記載のダイヤモンドセンサシステム。
  14. 前記ループギャップ共振器の前記ループ板(110)は、円筒形又は角筒形により構成される請求項1から13の何れか一項に記載のダイヤモンドセンサシステム。
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