JP7225545B2 - 検出装置及び検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、送配電線（送電線及び配電線）、電力機器等を含む電力設備において発生する部分放電等に伴う電流の検出を、効率よく且つ安全に行なうことができる検出装置及び検出方法、並びに、それを用いた電圧電流検出装置に関し、さらには、部分放電の位置を、精度よく、効率よく且つ安全に特定することができる検出装置及び検出方法に関する。

電力設備等において使用されるガス絶縁開閉機器及びトランス等の電力機器は、設置されてから長期間使用され、それに伴い絶縁性能の低下等の経年劣化が生じ得る。電力機器内部で放電（以下、部分放電ともいう）が繰返し発生すると絶縁破壊に至り、火災などの災害につながる可能性がある。高電圧を供給するための送配電線（以下、高圧送配電線という）に関しても同様に部分放電が発生し得る。したがって、送配電線及び電力機器を安全に運用するには、部分放電を検出することが重要である。

部分放電の検出方法として、放電により発生する電磁波を検出する方法（電磁波法）が知られている。例えば、下記特許文献１及び２、並びに下記非特許文献１には、アンテナを用いて電磁波を検出し、検出信号からノイズ（ＴＶ放送、ラジオ放送等の電波）を除去することにより、部分放電の検出感度を改善する技術が開示されている。

電磁波法以外にも、加速度センサを用いて、部分放電により発生する機械的な振動を検出する方法、部分放電により発生した接地線に流れるパルス電流を高周波ＣＴで検出する方法（接地電流法）、又は、浮遊静電容量を介して機器の壁面に流れるパルス供給電流を測定する方法（壁面電流検出法）が知られている（下記非特許文献２参照）。

また、下記特許文献３には、機器内部で発生した部分放電の位置を検出する方法が開示されている。この方法では、機器に複数の検出器を設置して壁面電流検出法によりパルス供給電流を検出し、各検出器がパルス供給電流を検出した時間差（遅延時間）と各検出器の位置との関係から、部分放電の位置を特定する。

高圧送配電線に関しては、計器用変成器内に装備された変圧器及び変流器により、高圧送配電線の電圧、電流及びそれらの位相を測定している。例えば、図１のように、高圧送配電線９０２から負荷９０４に電力を供給する電力系統に設けられた計器用変成器９００内に、変圧器９０６及び変流器９０８が配置される。変圧器９０６は、高圧送配電線９０２に並列に接続された１次コイルと、２次コイルとが形成された鉄心９１２を備えている。高圧送配電線９０２から負荷９０４に交流電力が供給されると、電磁誘導により、変圧器９０６の２次コイルには１次コイルの電圧変化に応じた起電力が生じ、これを電気計器９１０により、電圧として測定（記録及び表示等）する。これにより、高圧送配電線９０２の電圧位相を測定することができる。同様に、変流器９０８は、高圧送配電線９０２に直列接続された１次コイルと、２次コイルとが形成された鉄心９１４を備えている。高圧送配電線９０２から負荷９０４に交流電力が供給されると、電磁誘導により変流器９０８の２次コイルには、１次コイルの電流変化に応じた起電力が生じ、これを電気計器９１０により、電流として測定（記録及び表示等）する。これにより、高圧送配電線９０２の電流位相を測定することができる。くわえて、変圧器９０６及び変流器９０８の測定波形を評価（例えば、測定波形の乱れを検出）することにより、異常（部分放電を含む）の発生を検出することができる。

特開平６－２０１７５４号公報 特開平８－３２７６８６号公報 特開２０１１－１４９８９６号公報 特開２０１４－１３４４１０号公報 特開２０１６－２３９６５号公報 特開２０１６－８９６１号公報

日新電機技報, Vol.53 (2008.10) pp.35-39 日新電機技報, Vol.57, No.2 (2012.11) pp.17-22 T. Fukui, et al., "Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy centers in diamond",Applied Physics Express 7, 055201 (2014) B. J. Maertz, et al., "Vector magnetic field microscopy using nitrogen vacancy centers indiamond", Applied Physics Letters 96, 092504 (2010) J. M. Taylor, et al., "High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution",Nature Physics, Vol.4, pp.810-816, 2008 X.-D. Chen, et al., "Vector magnetic field sensing by a single nitrogen vacancy center indiamond", EPL, 101 (2013) 67003 S. Yang, et al., "High fidelity transfer and storage of photon statesin a single nuclear spin", Nature Photonics 10, 507-511 (2016) H. Bernien, et al., "Heralded entanglement between solid-state qubits separated by 3meters", Nature 497, 86-90 (2013) W. Pfaff, et al., "Unconditional quantum teleportation between distant solid-statequbits", Science 345, 532-535 (2014) E. Togan, et al., "Quantum entanglement between an optical photon and a solid-statespin qubit", Nature 466, 730-734 (2010) H. Kosaka, et al., "Entangled absorption of a single photon with a single spin indiamond", Phys. Rev. Lett. 114, 053603 (2015) 小坂英男、"長距離量子情報通信のための量子中継技術について－量子メモリ、量子テレポーテーション－"、[online]、平成２８年６月２０日、文部科学省 科学技術・学術審議会 先端研究基盤部会 量子科学技術委員会（第４回）、［平成３０年１月２９日検索］、インターネット＜URL：http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu17/010/shiryo/__icsFiles/afieldfile/2016/09/01/1375692_5.pdf＞

高圧送配電線及び電力機器の高圧部分に計測機器を設置して部分放電を検出する場合、計測機器のメンテナンス時には、メンテナンス要員の安全を確保するために、送電及び電力機器を停止させなければならず、その間電力供給ができない問題がある。このメンテナンス時の問題は、変成器に関しても同様に生じる。
また、従来の部分放電の検出技術においては、検出信号にはノイズが含まれており、ノイズの中から部分放電による信号を抽出することが容易ではない。また、電力機器内部に、検出装置を配置することが難しく、電力機器の外部で検出するので、測定環境の影響を排除することが容易ではなく、検出精度が十分でない。

機器内部で部分放電が発生したことを検出できるとしても、放電が発生した位置を知るには、機器を分解して目視又は嗅覚等によりこげた箇所を見つける必要があり、放電位置を特定することは容易ではない。上記特許文献３には、放電位置を特定する技術が開示されているが、その精度は十分ではなく、対象機器の壁面形状等に依存するので、機器に応じて調整が必要であり手間がかかる。また、遅延時間は極めて短い時間であるので、精度を高くするには、各検出器がパルス供給電流を検出した時間を極めて高精度に決定することが要求され、装置が高価になる。

したがって、本発明は、従来よりも、効率よく且つ安全に、部分放電に伴う電流を検出することができる検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。また、本発明は、従来よりも精度よく、効率よく且つ安全に、部分放電の位置を特定することができる検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。また、本発明は、効率よく且つ安全に、送配電線の電圧及び電流の位相を検出することができる電圧電流検出装置を提供することを目的とする。

本願発明者は鋭意研究の結果、磁気センサとして利用できることが近年明らかになったダイヤモンドのＮＶ中心（以下、ＮＶセンタ（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－Ｖａｃａｎｃｙ Ｃｅｎｔｅｒ）ともいう）、並びに、ＳｉＶセンタ、ＧｅＶセンタ及びＳｎＶセンタ等を含む置換原子空孔センタを用いて、従来の方法とは異なる原理で部分放電等に伴う電流を検出し、さらに放電位置を特定することに至った。

本発明の第１の局面に係る検出装置は、ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する素子と、素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、素子から放射される蛍光を検出する受光部と、レーザー光源及びマイクロ波源を制御する制御部とを含む。素子は、電気設備の内部又は電気設備の近傍に配置され、マイクロ波源は、素子から所定距離以上離隔し、電気設備の外部に配置される。制御部は、素子に対して、レーザー光及びマイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、受光部により検出される蛍光の強度を取得する測定処理を繰返す。検出装置は、受光部により取得された蛍光の強度から、電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定する判定部をさらに含む。

これにより、電気設備（送配電線、電力機器等）における電流の発生を検出することができ、検出装置は電気設備とは機械的に分離されており、電気設備に対して非接触で配置され得るので、従来よりも検出装置のメンテナンスが容易である。また、電気設備を停止することなく、安全に検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

好ましくは、レーザー光源は、素子から所定距離以上離隔し、電気設備の外部に配置され、検出装置は、レーザー光源から出力されるレーザー光を平行光に形成して空中を伝搬させ、素子に照射する光学部材、又は、レーザー光源から出力されるレーザー光を、素子まで伝搬させる光ファイバをさらに含む。

これにより、レーザー光を素子に正確に照射することができ、検出装置のメンテナンスがより容易になる。

より好ましくは、検出装置は、マイクロ波源から出力されるマイクロ波を、素子に照射するための指向性アンテナをさらに含む。

これにより、マイクロ波を素子に正確に照射することができ、検出装置のメンテナンスがより容易になる。

さらに好ましくは、受光部は、素子から所定距離以上離隔し、電気設備の外部に配置される。検出装置は、素子から放射される蛍光を平行光に形成して空中を伝搬させ、受光部に入力させる光学部材、又は、素子から放射される蛍光を、受光部まで伝搬させる光ファイバをさらに含む。

これにより、素子から放射される蛍光を受光部に正確に入射させることができ、検出装置のメンテナンスがより容易になる。

好ましくは、検出装置は、上記の素子を第１素子として、ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有し、第１素子から所定距離以上離隔して、電気設備の外部に配置される第２素子をさらに含む。レーザー光源は、第２素子にもレーザー光を照射し、マイクロ波源は、第１素子へのマイクロ波の照射に代えて、第２素子にマイクロ波を照射し、受光部は、第１素子から放射される蛍光の測定に代えて、第２素子から放射される蛍光を測定する。制御部は、上記の測定処理に代えて、第１素子に対して、レーザー光を照射することにより、当該第１素子の置換原子空孔センタから蛍光を放射させる第１処理、第１素子の置換原子空孔センタから放射された蛍光を第２素子に照射し、量子テレポーテーションにより、第１素子の量子情報を第２素子に移す第２処理、及び、第２素子に対して、レーザー光及びマイクロ波を照射することにより、当該第２素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、受光部により検出される蛍光の強度を取得する第３処理を繰返す。

これにより、電気設備内の第１素子にマイクロ波を照射することが不要になり、指向性アンテナが不要になる。また、比較的小さいパワーのマイクロ波源を使用することができる。

より好ましくは、電流は、部分放電により発生する電流であり、検出装置は、３つ以上の第１素子と、第１素子と同数の第２素子とを含み、第１素子と第２素子とを１対１に対応させる。制御部は、第１素子及び第２素子の各対に対して、第１処理、第２処理及び第３処理を繰返す。制御部は、蛍光の強度を用いて、第１素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算部と、磁場ベクトルから、電気設備内部における部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定部と、判定部により部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、磁場ベクトルから部分放電の位置を特定する位置特定部とを含む。

これにより、電力機器内部の部分放電を検出することができ、検出された部分放電の発生位置を、従来よりも精度よく特定することができる。

本発明の第２の局面に係る検出装置は、ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する３つ以上の素子と、素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、素子から放射される蛍光を検出する受光部と、レーザー光源及びマイクロ波源を制御する制御部とを含む。制御部は、３つ以上の素子の各々に対して、レーザー光及びマイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、受光部により検出される蛍光の強度を取得する測定処理を繰返す。３つ以上の素子の各々は、電力機器の内部又は電力機器の近傍に配置される。制御部は、蛍光の強度を用いて、３つ以上の素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算部と、磁場ベクトルから、電力機器内部における部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定部と、判定部により部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、磁場ベクトルから部分放電の位置を特定する位置特定部とを含む。

これにより、電力機器内部の部分放電を検出することができ、検出された部分放電の発生位置を、従来よりも精度よく特定することができる。ダイヤモンドの置換原子空孔センタは、電力機器内部で放電によりフッ素系ガスが発生しても、それによる腐食を受けないので、電力機器内部に配置することができる。

好ましくは、検出装置は、位置特定部により特定された部分放電の位置を用いて、素子の位置における磁場強度をシミュレーションにより算出し、素子を用いた測定により得られた磁場ベクトルの確度を評価する評価部を、さらに含む。

これにより、部分放電位置の特定の信頼度を向上することができる。

より好ましくは、検出装置は、部分放電が発生していない状態において、３つ以上の素子の何れかを用いた測定処理により環境磁場ベクトルを算出し、演算部は、蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、環境磁場ベクトルにより補正し、位置特定部は、補正後の磁場ベクトルを用いて、部分放電の位置を特定する。

これにより、放電が発生していない状態でも存在する環境磁場をキャンセルすることができ、部分放電位置の特定精度を向上することができる。

さらに好ましくは、検出装置は、直交して配置されたアンテナをさらに含み、部分放電が発生していない状態において、アンテナにより環境磁場ベクトルを算出し、演算部は、蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、環境磁場ベクトルにより補正し、位置特定部は、補正後の磁場ベクトルを用いて、部分放電の位置を特定する。

これにより、放電が発生していない状態でも存在する、放送電波等による環境磁場をキャンセルすることができ、部分放電位置の特定精度を向上することができる。

好ましくは、検出装置は、電力機器に供給される交流電流を測定する電流測定装置をさらに含み、部分放電が発生していない状態において、所定値の交流電流により発生する磁場ベクトルを算出して基準磁場ベクトルとし、測定処理を行なうときに電流測定装置により測定された電流値と所定値とを考慮して、基準磁場ベクトルから、測定処理時の環境磁場ベクトルを求め、演算部は、蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、環境磁場ベクトルにより補正し、位置特定部は、補正後の磁場ベクトルを用いて、部分放電の位置を特定する。

これにより、放電が発生していない状態でも存在する、電力機器への電力供給による環境磁場をキャンセルすることができ、部分放電位置の特定精度を向上することができる。

より好ましくは、検出装置は、部分放電が発生していない状態において、３つ以上の素子が配置された領域の磁場をキャンセルするための磁場キャンセル装置をさらに含み、磁場キャンセル装置を作動させた状態で、測定処理を実行する。

これにより、放電が発生していない状態でも存在する環境磁場をキャンセルすることができ、部分放電位置の特定精度を向上することができる。

さらに好ましくは、電検出装置は、電力機器に供給される電圧の変化を検出する電圧検出装置をさらに含む。制御部は、検出装置により検出された電圧が所定値以上であれば、上記の測定処理を実行する。

これにより、部分放電が発生する可能性が高いときに、部分放電の検出を試みるので、効率的に部分放電の検出を行なうことができる。

好ましくは、３つ以上の素子のそれぞれは、１つの平面上において三角形の頂点の位置に配置されている。位置特定部は、３つ以上の素子のそれぞれに対応させて算出された磁場ベクトルの平面内の成分ベクトルのうち、２つの成分ベクトルのそれぞれに直交する直線の交点として、部分放電の位置に対応する、平面内の位置を特定する。

これにより、検出装置の信号検出部分を平板状に形成することができ、電力機器の周囲に敷設された複数のケーブルにおける部分放電を検出し、部分放電位置を特定することができる。

より好ましくは、素子は、電力機器を構成する部材に配置される。

これにより、検出装置の信号検出部分を別途に設けることなく、電力機器内部の部分放電を検出し、放電位置を特定することができる。

さらに好ましくは、素子は、電力機器の内部に配置され、レーザー光源、マイクロ波源及び受光部は、電力機器の外部に配置される。

これにより、ダイヤモンドのＮＶ中心は耐食性及び耐環境性が高いので、電力機器内部のメンテナンスが不要になる。製品寿命が長い電力機器にとって、メンテナンス不要であることは、経費の削減、及び時間ロスの改善につながる。

好ましくは、検出装置は、３つ以上の素子の各々の近傍に配置された磁場生成装置を含み、磁場生成装置は、部分放電が発生していない状態において、当該磁場生成装置に対応する素子が配置された位置での磁場がゼロになるように設定され、磁場生成装置の設定が維持された状態で、測定処理を実行する。

これにより、環境磁場をキャンセルすることができ、部分放電位置の特定精度を向上することができる。

本発明の第３の局面に係る電圧電流検出装置は、上記の検出装置を含む。電気設備は変成器であり、素子は、電気設備に接続された送配電線に並列又は直列に接続されたコイルの近傍又はコイルの内部に配置される。判定部は、受光部により取得された蛍光の強度から、電気設備内部における電流の発生を検出したか否かを判定することに代えて、コイルが送配電線に並列に接続されている場合、蛍光の強度の変化から、送配電線の電圧及び電圧の位相情報を取得し、コイルが送配電線に直列に接続されている場合、蛍光の強度の変化から、送配電線の電流及び電流の位相情報を取得する。

本発明の第４の局面に係る電圧電流検出装置は、上記の検出装置を含む。電気設備は変成器であり、電圧電流検出装置は、電気設備に接続された送配電線の周り又は送配電線に並列に接続された導電線の周りに配置された磁性材料を含む部材をさらに含む。素子は、磁性材料を含む部材に形成されたギャップに配置される。判定部は、受光部により取得された蛍光の強度から、電気設備内部における電流の発生を検出したか否かを判定することに代えて、磁性材料を含む部材が導電線の周りに配置されている場合、蛍光の強度の変化から、送配電線の電圧及び電圧の位相情報を取得し、磁性材料を含む部材が送配電線の周りに配置されている場合、蛍光の強度の変化から、送配電線の電流及び電流の位相情報を取得する。

これにより、送配電線の電圧、電流及びそれらの位相を検出することができ、検出装置は送配電線とは機械的に分離されており、送配電線に対して非接触で配置され得るので、従来よりも検出装置のメンテナンスが容易である。また、送配電線の通電を停止することなく、安全に電圧電流検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

本発明の第５の局面に係る検出方法は、ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する３つ以上の素子を用いて電気設備の部分放電を検出する方法である。３つ以上の素子の各々は、電気設備の内部又は電気設備の近傍に配置されている。この検出方法は、レーザー光を素子に照射して、置換原子空孔センタを基底状態から励起状態に遷移させるレーザー光照射ステップと、マイクロ波を素子に照射して、置換原子空孔センタのスピンに電子スピン共鳴を生じさせるマイクロ波照射ステップと、素子から放射される蛍光を検出する受光ステップと、レーザー光照射ステップ、マイクロ波照射ステップ及び受光ステップを繰返す繰返しステップと、繰返しステップにより得られた蛍光の強度を用いて、３つ以上の素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算ステップと、磁場ベクトルから、電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定する判定ステップとを含む。

これにより、電力設備（送配電線、電力機器等）内部の部分放電を検出することができ、検出された部分放電の発生位置を、従来よりも精度よく特定することができる。

本発明によれば、電気設備（送配電線、電力機器等）における電流の発生を検出することができ、素子は電気設備とは機械的に分離されており、電気設備に対して非接触で配置され得るので、従来よりも検出装置のメンテナンスが容易である。また、電気設備を停止することなく、安全に検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

また、本発明によれば、従来の部分放電の検出技術よりも高い精度で、部分放電位置を特定することができる。部分放電位置が特定できれば、顧客に設備更新を提案する際に、機器のリスクに関する説明の根拠とすることができ、電力機器の設計（次の製品の改良等）に反映することもできる。

素子で測定した磁場を、特定した放電位置を用いてシミュレーションして評価することにより、信頼性をより向上できる。

ダイヤモンドの置換原子空孔センタを使用することにより、電力機器内部で放電によりフッ素系ガスが発生しても、それによる腐食を受けない。また、壁面電流検出法によりパルス供給電流を検出し、その遅延時間を用いて部分放電の位置を特定する装置よりも、低コストの検出装置を実現可能になる。

従来の計器用変成器の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る検出装置の構成を示すブロック図である。 ＮＶセンサが配置された電力機器を示す正面断面図である。 測定のシーケンスの概要を示すタイミングチャートである。 ＮＶ中心の４種類の方位（ＮＶ軸）を示す斜視図である。 ＥＳＲスペクトルを示すグラフである。 図２の検出装置により部分放電の位置を特定する処理を示すフローチャートである。 部分放電の位置を特定する原理を示す模式図である。 ＮＶセンサを平面上に配置した検出装置を示す斜視図である。 ＮＶセンサをボルト内部に配置した例を示す断面図である。 ＮＶセンサをのぞき窓に配置した例を示す断面図である。 ＮＶセンサを絶縁スペーサに配置した例を示す断面図である。 ＮＶセンサを碍子に配置した例を一部破断して示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る検出装置の構成を示すブロック図である。 図１４の検出装置を用いて高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を計測する構成を示す模式図である。 図１５と異なる測定プローブの配置形態を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る検出装置の構成を示すブロック図である。 図１７の検出装置を用いて高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を計測する構成を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係る検出装置の構成を示すブロック図である。 図１９の検出装置を用いて高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を計測する構成を示す模式図である。 測定対象の近傍に配置したＮＶセンサに照射するレーザー光を、光ファイバを用いて伝送する構成の検出装置を示すブロック図である。 フェライトコアに送配電線を巻回せずに送配電線の電流変化を測定する構成を示す斜視図である。 実施例１で使用した装置の構成を示す模式図である。 実施例１の測定条件を示すグラフである。 図２４の測定条件での測定結果を模式的に示すグラフである。 実施例１の図２４とは別の測定条件を示すグラフである。 図２６の測定条件での測定結果を模式的に示すグラフである。 実施例２で使用した装置の構成示す模式図である。 実施例２の測定条件及び測定結果を示すグラフである。 実施例２の図２９とは別の測定条件及び測定結果を示すグラフである。 実施例２の図２９及び３０とは別の測定条件及び測定結果を示すグラフである。 実施例２の図２９～３１とは別の測定条件及び測定結果を示すグラフである。 実施例２で使用した図２８とは別の装置の構成示す模式図である。

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

（第１の実施の形態）
（検出装置の構成）
図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る検出装置１００は、複数の磁場検出素子１０２と、磁場検出素子１０２に照射するレーザー光を生成するレーザー光源１０４と、マイクロ波を生成するマイクロ波源１０６と、マイクロ波源１０６から供給されるマイクロ波を磁場検出素子１０２に照射するマイクロ波照射部１０８と、磁場検出素子１０２から放射される蛍光を検出する受光素子１１０と、各部を制御する制御部１１２とを含む。マイクロ波照射部１０８は、複数の磁場検出素子１０２のそれぞれに対応させて、同数配置されている。受光素子１１０も、複数の磁場検出素子１０２のそれぞれに対応させて、同数配置されている。

複数の磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０は、図３を参照して、電力機器２００の外部に配置されている。図３において、楕円形の破線は、磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０が１組として配置されている位置を示している。即ち、磁場検出素子１０２は、略直方体の筐体２１２の平行な鉛直方向の４辺のそれぞれの近傍に、上下方向に２個、合計８個配置されている。マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０に関しても同様に、それぞれ合計８個配置されている。

図３では、電力機器２００の筐体２１２の内部にトランス２１０が配置されている。トランス２１０には、外部の電源２０２から、電力供給ライン２０４及び２０６を介して電力が供給される。筐体２１２は接地されており、電力供給ライン２０４及び２０６は、絶縁性を確保するために碍子２０８を介して、筐体２１２内部に導入されている。

図２に示す磁場検出素子１０２は、ダイヤモンドのＮＶ中心を用いたセンサ（以下、ＮＶセンサという）である。ＮＶ中心は、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）原子１個が窒素（Ｎ）原子１個と置換され、その隣が空孔（Ｖ）である構造を有する。ＮＶ中心は、電子を１個捕獲した状態（ＮＶ^－）では、磁気量子数ｍ_ｓが－１、０、＋１のスピン３重項状態を形成し、ｍ_ｓ＝±１の状態のエネルギーレベルは外部磁場の強度に比例して分離する（ゼーマン分離）。本願において、ＮＶ中心とはＮＶ^－中心を意味する。ＮＶ中心は、波長が約４９０～５６０ｎｍの緑色のレーザー光（例えば５３２ｎｍ）により基底状態から励起状態に遷移し、波長が約６３０～８００ｎｍの赤色の蛍光（例えば６３７ｎｍ）を放射して、基底状態に戻る。また、約２．８７ＧＨｚのマイクロ波をＮＶ中心に照射すると、電子スピン共鳴によりｍ_ｓ＝０の状態はｍ_ｓ＝±１の状態に遷移する。そして、ｍ_ｓ＝±１の状態のＮＶ中心（基底状態）が、緑色レーザーにより励起された後、基底状態に戻るときの遷移には蛍光を発しない遷移が含まれるので、観測される蛍光強度は低下する。これはＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトルの谷として観測され得る。

これらのＮＶ中心の特性を利用して、ＮＶ中心をＮＶセンサとして使用し、磁場ベクトルを測定できることが知られている（特許文献４～６、並びに、非特許文献３～６参照）。ＮＶセンサを用いて磁場を測定するには、通常、レーザー光によりスピン状態を所定の初期状態にし、マイクロ波を所定のパルスシーケンス（単に所定の時間マイクロ波を照射する場合を含む）で照射し、レーザー光を照射して放射される蛍光を観測する。

レーザー光源１０４は、磁場検出素子１０２のＮＶ中心を基底状態から励起状態にするためのレーザー光を発生する。レーザー光は、光ファイバ等の所定の伝送経路を介して伝送され、磁場検出素子１０２に照射される。

マイクロ波源１０６は、ｍ_ｓ＝０のレベルからｍ_ｓ＝±１のレベルに遷移させるための磁気共鳴周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波は、所定の伝送経路を介してマイクロ波照射部１０８に供給され、マイクロ波照射部１０８により磁場検出素子１０２に照射される。マイクロ波源１０６は、例えば、マグネトロン、エサキダイオード又はガンダイオードを用いた発振回路等、公知のマイクロ波発振器を用いることができる。マイクロ波照射部１０８は、例えば導電部材で形成されたコイルである。

受光素子１１０は、励起されたＮＶ中心が基底状態に戻るときの蛍光を検出し、対応する電気信号を出力する。受光素子１１０は、フォトダイオード、ＣＣＤ等の光電変換素子である。電気信号は、伝送経路を介して制御部１１２に入力される。

制御部１１２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶部とを備えている。制御部１１２は、レーザー光源１０４、マイクロ波源１０６を制御する。図４に制御のタイミングを示す。制御部１１２は、所定のタイミングで所定の時間（図４の期間Ｔ１）レーザー光を出力するようにレーザー光源１０４を制御し、所定のタイミングでマイクロ波を出力するようにマイクロ波源１０６を制御する（図４の期間Ｔ２）。図４の期間Ｔ２における、パルスシーケンスは後述するように、使用するＮＶセンサに応じて、適切なものが使用される。また、制御部１１２は、入力される受光素子１１０の出力信号を所定のタイミングで取込み（図４の期間Ｔ３）、記憶部に記憶する。これらの処理は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。

図２には示していないが、検出装置１００は、レーザー光源１０４、マイクロ波源１０６及び制御部１１２を作動させるための電力を供給するための電源を備えている。また、検出装置１００は、磁場検出素子１０２にレーザー光を導き、磁場検出素子１０２の所定部分に照射するため光学系（レンズ、ミラー等）、及び、磁場検出素子１０２から放射される蛍光を受光素子１１０に導くための光学系を備えていてもよい。

１つのＮＶ中心を用いて蛍光を測定することができ、ＮＶセンサとして、１つのＮＶ中心を採用することができる。また、Ｓ／Ｎ比のよい信号が得られるように、複数のＮＶ中心でＮＶセンサを構成し、複数のＮＶ中心を測定の対象として使用して、即ち、複数のＮＶ中心にレーザー光及びマイクロ波を照射して、測定を行なうこともできる。ＮＶ中心においては、Ｖを基準として、Ｎは４種類の位置を取得る。したがって、ＮＶ中心の方位（ＮＶ軸）として４種類の方位が考えられる。通常のダイヤモンド結晶中のＮＶ中心は、４種類のＮＶ軸のものが混在している。一方、非特許文献３には、ＮＶ軸を揃えることが可能であることが開示されている。例えば、ダイヤモンドの（１１１）基板上へのエピタキシャル成長により、ＮＶ軸を９９％以上［１１１］軸方向に揃えることができることが開示されている。

複数のＮＶ中心を測定の対象として使用する場合には、測定対象のＮＶ中心のＮＶ軸が揃っているものを使用する場合と、揃っていないものを使用する場合とが考えられる。何れを使用するかにより、磁場を求めるための測定で使用するマイクロ波のパルスシーケンスは異なるが、図４に示したように、レーザー光とマイクロ波とを照射して蛍光を観測することは同じである。使用するＮＶセンサに応じた測定方法を用いて、磁場ベクトルを求めればよい。

使用するパルスシーケンスにより得られるスペクトルは異なる。例えば、ＥＳＲスペクトルに現れる２つの谷の間隔（周波数差）から磁場の大きさを求めることができる。蛍光強度のＥＳＲスペクトルは、磁場＝０であれば１つの谷を有するが、磁場が存在すると周波数方向に異なる２つの谷が現れる。谷の位置（周波数）は磁場の大きさに依存する。ＮＶ中心の方位が異なるＮＶ中心を複数含む場合、各ＮＶ中心の方位毎に、スペクトルの谷から磁場の大きさを求めると、異なる方向の磁場成分を求めることができ、磁場ベクトルを求めることができる。この方法は、例えば、非特許文献４に開示されている。

非特許文献４に開示されている測定方法では、ＮＶ中心にレーザー光を照射し、マイクロ波の周波数を走査してＮＶ中心から放射される蛍光を測定する（ＥＳＲスペクトルの測定）。例えば、磁場ベクトルの成分（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）は、次式により求められる。

ここで、座標軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、図５のように設定されている。５つの円で示す位置２５０～２５８は、ダイヤモンド結晶における原子の位置を示す。位置２５０、２５６及び２５８は、ダイヤモンドの結晶面（１１０）面である平面２７０上に位置し、位置２５０、２５２及び２５４は、それと異なる平面２７２に位置する。位置２５０と、その周囲の４つの位置２５２～２５８のうちの何れか１つとに、Ｖ及びＮが位置しＮＶ中心が構成され、それ以外の位置にはＣが配置される。したがって、上記したように、ＮＶ中心は、４種類の配位の何れかになる。

係数βは、β＝（ｈ／２ｇμ_Ｂ）（ｈはプランク定数、ｇはｇ因子、μ_Ｂはボーア磁子）であり、何れも定数である。ΔＮＶｉ（ｉ＝１～３）は、ＥＳＲスペクトルにおける２つの谷の分離幅である（図６参照）。Ｖが位置２５０に位置するとして、Ｎの対応する位置は、ｉ＝１は位置２５６に対応し、ｉ＝２及びｉ＝３は位置２５２及び２５４に対応する。したがって、配位（ＮＶ軸）２６０～２６４の３方向のＮＶ中心のＥＳＲスペクトルを測定し、ΔＮＶｉ（ｉ＝１～３）を求めれば、上記の式により、磁場ベクトルを求めることができる。

また、磁場に応じて谷の位置がシフトすることにより、谷の傾斜が急峻な位置の蛍光強度が変化する。したがって、これを用いて磁場の大きさを求めてもよい（特許文献６参照）。

また、パルスＥＳＲと同様のパルスシーケンスを用いて、π／２パルス、πパルス及び２πパルス等を印加してスピン状態を変化させた後、レーザー光による励起及び蛍光測定により、スピン状態を測定して、スピンの緩和時間による蛍光強度の変化を得ることができる。スピンの緩和時間は磁場に依存するので、これによっても磁場を求めることができる（特許文献４及び５、並びに非特許文献５及び６参照）。

例えば、非特許文献６に開示された方法では、ＮＶ中心を用いて、ＮＶ中心の軸方向の磁場成分を、電子ゼーマン効果により、ＮＶ中心の軸に直交する方向の磁場成分を、ＮＶ中心を構成する窒素の核スピン共鳴により得る。電子ゼーマン効果による測定方法では、ＮＶセンサにレーザー光を照射した後、ＮＶ中心にマイクロ波を照射し、その後、ＮＶセンサにレーザー光を照射しながらＮＶセンサから放射される蛍光を測定する処理を、マイクロ波の周波数を走査して行ない、ＥＳＲスペクトルを得る。窒素の核スピン共鳴による測定方法では、ＮＶセンサにレーザー光を照射した後、ＮＶセンサに所定のパルスシーケンスでマイクロ波を照射し、その後、ＮＶセンサにレーザー光を照射しながらＮＶセンサから放射される蛍光を測定する、という一連の処理を繰返す。パルスシーケンスは、所定の時間間隔τで２回πパルスを照射するシーケンスを使用する。得られる蛍光強度は、所定の周波数（ラーモア周波数ω_Ｌ）で振動し、ω_ＬからＮＶ軸と直交する面内の磁場成分を得ることができる。さらに、ＮＶ中心の軸に平行でもなく、直交してもいない磁場を印加して測定することにより、磁場ベクトルを特定することができる。

（部分放電の検出処理）
以下に、図７を参照して、検出装置１００により、電力機器２００を構成するトランス２１０において発生する部分放電を検出する処理に関して説明する。図７のプログラムは、図２に示す制御部１１２のＣＰＵにより実行される。即ち、以下において、制御部１１２が実行する処理は、ＣＰＵが実行することを意味する。

ステップ３００において、制御部１１２は、記憶部から予め設定されたパラメータを読出し、必要な初期設定を行なう。パラメータは、例えば、測定時のパルスシーケンスを特定するための情報（レーザー光及びマイクロ波を供給するパルスの幅及び強度、パルスを供給するタイミング、測定を繰返す時間（又は回数）等）、各磁場検出素子１０２の位置情報（３次元座標）、マイクロ波の走査周波数を特定するための情報（上限周波数、下限周波数、増減値）等である。また、制御部１１２は、測定を繰返すためのパラメータを初期値にセットする。後述するように、例えば、シーケンスの測定回数が定められていれば、カウンタＮｃに上限値（ｎ_ｍａｘ）をセットする。

ステップ３０２において、制御部１１２は、ステップ３００で読出したパルスシーケンスにしたがって、レーザー光源１０４を制御してレーザー光を各磁場検出素子１０２に照射し、マイクロ波源１０６を制御してマイクロ波を各磁場検出素子１０２に照射し、再度レーザー光源１０４を制御してレーザー光を各磁場検出素子１０２に照射し、各受光素子１１０から出力される信号（磁場検出素子１０２から放射される蛍光の検出信号）を取得する。制御部１１２は、取得した信号を、各受光素子１１０、即ち各磁場検出素子１０２との対応が分かるように、記憶部に記憶する。また、制御部１１２は、カウンタＮｃを“１”減少させる。

上記したように、磁場検出素子１０２のＮＶセンサがどのようなＮＶ中心で構成されているかに応じて、磁場ベクトルを得るための適切なパルスシーケンスを採用して、蛍光を測定すればよい。

ステップ３０４において、測定を完了したか否かを判定する。具体的には、制御部１１２は、カウンタＮｃが“０”になったか否かを判定する。測定を完了したと判定された場合、制御はステップ３０６に移行する。そうでなければ、制御はステップ３０２に戻り、制御部１１２は再度測定を実行する。

ここでの繰返し測定は、マイクロ波の周波数を変更して測定することと、Ｓ／Ｎを改善するためのアベレージングとの両方の意味を含む。ＥＳＲスペクトルを取得するためには、マイクロ波の周波数を変更しながら、蛍光の測定を繰返すことが必要である。例えば、ＥＳＲスペクトルを測定する場合には、マイクロ波の周波数の増減値をカウンタＮｃに応じて決定することができる。また、カウンタＮｃを、アベレージング回数のカウンタとして使用することもできる。なお、マイクロ波の周波数を変更して測定することと、アベレージングとの両方を実行する場合には、それぞれに対応させた２つのカウンタを使用すればよい。

測定が完了すると、ステップ３０６において、制御部１１２は、ステップ３０２で各磁場検出素子１０２に対応させて記憶したデータ（蛍光強度）から、各磁場検出素子１０２の位置での磁場ベクトルを算出する。ＮＶセンサにより検出された信号から磁場ベクトルを算出する方法は、パルスシーケンスに応じて公知の方法を用いればよい。

例えば、非特許文献４の測定方法を採用する場合には、ステップ３０２において、各ＮＶセンサにレーザー光を照射した後、各ＮＶセンサにマイクロ波を照射し、その後、各ＮＶセンサにレーザー光を照射しながらＮＶ中心から放射される蛍光を測定する。この測定を、マイクロ波の周波数を走査して行なうことにより、ＥＳＲスペクトルを得る。このとき、ＮＶセンサ中の特定方位のＮＶ中心が使用されるように、レーザー光を絞り、ＮＶセンサの局所部分にレーザー光を照射する。さらに、照射位置を走査して、各配位のＮＶ中心に関してＥＳＲスペクトルを得る。ステップ３０６においては、制御部１１２は、ＥＳＲスペクトルからΔＮＶｉ（ｉ＝１～３）を求め、上記の式により、磁場ベクトルを算出する。

ステップ３０８において、制御部１１２は、部分放電を検出したか否かを判定する。例えば、ステップ３０６で得られた磁場の大きさが所定の値よりも大きければ、部分放電による磁場が検出されたとする。部分放電が検出されたと判定された場合、制御はステップ３１０に移行する。そうでなければ、制御部１１２はカウンタＮｃに初期値（上限値）をセットし、制御はステップ３０２に戻る。

ステップ３１０において、ステップ３０６で得られた磁場ベクトルから部分放電位置を特定する。ＮＶセンサを使用する測定のメリットとして、測定時間が短い（ナノ秒のオーダ）ことがある。したがって、測定時間に対して放電時間は十分に長く、放電により形成される磁場は、測定時間中は静磁場と考えることができる。即ち、局所的に一定の電流が一定方向に流れると仮定することができ、ビオ・サバールの法則により各ＮＶセンサ位置に形成される磁場の向きから、放電位置を特定することができる。

図８を参照して、電流ベクトルｄＩにより、位置ベクトルｒ１で示されている位置Ｐ１に形成される磁場ベクトルＢ１は、電流ベクトルｄＩ及び位置ベクトルｒ１の外積（ｄＩ×ｒ１）に比例する。即ち、磁場ベクトルＢ１の方向は、ベクトルｄＩ及び位置ベクトルｒ１に直交する方向であり、磁場ベクトルＢ１に直交する平面（図８では符号４００で表す）内に電流ベクトルｄＩが存在する。位置ベクトルｒ２で示されている位置Ｐ２における磁場ベクトルＢ２に関しても同様に、Ｂ２∝ｄＩ×ｒ２である。したがって、異なる複数の点における磁場方向のそれぞれに直交する複数の平面の交線（図８では符号４０２で表す）として、電流ベクトルｄＩの方向及び位置を限定することができる。そして、異なる複数の点における磁場強度から、交線上の放電位置を特定することができる。電力機器２００には８個の磁場検出素子１０２が配置されているので、８点で磁場ベクトルを得ることができる。したがって、例えば、８つの磁場ベクトルの中から、平行でも反平行でもない方向を有する磁場ベクトルを選択し、それらを用いて放電位置を算出することができる。

ステップ３１２において、制御部１１２は、ステップ３１０で特定された放電位置が適切であるか否かを判定する。例えば、制御部１１２は、ステップ３１０で特定された放電位置に局所的な電流が存在するとして、それにより形成される磁場を、部分放電位置の特定に使用しなかった磁場検出素子１０２の位置でシミュレーションし、実測された磁場とどの程度一致するかを評価する。違いが所定の範囲内であれば、制御部１１２は、放電位置が適切に特定されたと判定し、制御はステップ３１４に移行する。そうでなければ、制御部１１２は、特定された放電位置は正しくないと判定し、制御はステップ３１６に移行する。

ステップ３１４において、制御部１１２は、部分放電が検出されたこと、及び、ステップ３１０で特定された部分放電位置を提示する。提示方法は、例えば、出力装置（ディスプレイ、プリンタ等）により、テキスト又は画像として表示すればよい。

ステップ３１６において、制御部１１２は、部分放電を検出したが、放電位置を特定できなかった旨を提示する。提示方法は、ステップ３１４と同様に行なうことができる。

ステップ３１８において、制御部１１２は、本プログラムの実行を終了する指示を受けたか否かを判定する。終了の指示は、例えば検出装置１００の電源をＯＦＦすることにより成される。終了の指示を受けたと判定された場合、本プログラムは終了する。そうでなければ、制御部１１２はカウンタＮｃをリセットし、制御はステップ３０２に戻る。

以上により、検出装置１００は、ＮＶセンサを用いた磁場検出素子１０２による測定及び磁場の算出を繰返し、部分放電の発生を検出することができる。そして、検出装置１００は、部分放電による磁場を検出すると、算出された磁場ベクトルを用いて部分放電の位置を特定し、その結果を提示することができる。上記特許文献３のように、微妙な時間差から距離を特定する方法よりも、精度よく部分放電の位置を特定することができ、検出装置を安価に構成できる。特定された部分放電の位置は、特定に使用しなかった測定磁場によりその正しさが検証されるので、部分放電の位置をより高い信頼度で特定することができる。

また、多くのＮＶセンサを用いて測定する場合には、測定データの一部を用いて部分放電の位置を特定することができるので、上記のシミュレーション結果により、部分放電位置の特定に使用する測定データを選別し、部分放電位置を再計算することができる。

上記では、８組の磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０を全て電力機器２００の外部に配置する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、８組の磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０を全て電力機器２００の内部に配置してもよい。磁場検出素子１０２としてダイヤモンドのＮＶ中心を使用することにより、電力機器内部で放電によりフッ素系ガスが発生しても、それによる腐食を受けない。また、一部の磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０の組を、電力機器２００の内部に配置しても、受光素子１１０のみを電力機器２００の外部に配置してもよい。それ以外の配置であってもよい。受光素子１１０のみを電力機器２００の外部に配置する場合には、磁場検出素子１０２から放射される蛍光がさえぎられないように、受光素子１１０から磁場検出素子１０２が見通せる位置に、受光素子１１０を配置すればよい。

また、３次元的に部分放電の位置を特定するには、少なくとも３組の磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０を異なる位置に配置すればよい。

また、図６に示したＥＳＲスペクトルの２つの谷は、磁場が“０”のときのマイクロ波周波数を中心として対称な位置に現れるので、２つの谷の中心から一方に関してのみ周波数を走査して、１つの谷を検出してもよい。これにより測定時間を短縮することができる。特定のＮＶ軸に関して、ΔＮＶｉの１／２の値が得られるので、得られた値を２倍してΔＮＶｉを求めることができる。３つの異なるＮＶ軸に関して、この走査方法を適用すれば、部分放電の磁場ベクトルを求めることができる。

また、複数のＮＶ中心を微小空間に分布させて配置し、各ＮＶ中心に予め異なる磁場を印加しておけば、マイクロ波の周波数を走査せずに、部分放電による磁場を測定することが可能である。例えば、ＮＶ軸の方向が揃った複数のＮＶ中心を、微小長さの直線上に等間隔に配置し、ＮＶ中心が配置された領域全体に、時間的に変化しない静的な勾配磁場を予め形成しておく。勾配磁場は、ＮＶ軸の方向の磁場成分が、複数のＮＶ中心を配置した直線上で、線形に変化するように形成する。勾配磁場は、磁化させた磁性体を配置して形成しても、コイルにより形成してもよい。コイル形状には、例えば、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）等で使用される勾配磁場を形成するコイルパターンを採用することができる。

このようにすれば、複数のＮＶ中心に対して同時に特定周波数のマイクロ波を照射した場合、ｍ_ｓ＝０の状態からｍ_ｓ＝＋１又はｍ_ｓ＝－１の状態に励起されるＮＶ中心は限定されるので、励起されたその特定のＮＶ中心（以下、基準ＮＶ中心という）からの蛍光強度は弱くなる。基準ＮＶ中心の位置に形成されている磁場の大きさ（ＮＶ軸方向の磁場強度）は、勾配磁場の傾きから特定することができる。

この測定を繰返し行なっている間に部分放電が発生すると、各ＮＶ中心の位置には、予め形成されている勾配磁場と部分放電による磁場とが合成された磁場が形成される（複数のＮＶ中心を配置した領域は微小であるので、その領域に形成される、部分放電による磁場は一定ベクトルの磁場と考えられる）。このとき、蛍光強度が低下したＮＶ中心は、基準ＮＶ中心とは異なる。即ち、予め線形に変化する勾配磁場が形成されているので、基準ＮＶ中心から、部分放電による磁場に相当する距離だけずれた位置に在るＮＶ中心からの蛍光強度が低下する。よって、予め基準ＮＶ中心を特定しておけば、それと異なるＮＶ中心からの蛍光強度が低下すると、部分放電が発生したことが分かり、その蛍光強度が低下したＮＶ中心と基準ＮＶ中心との距離に対応する勾配磁場の差として、部分放電により発生した磁場のＮＶ軸方向の成分を求めることができる。３つの異なるＮＶ軸に関して、上記を適用すれば、マイクロ波周波数を走査することなく、部分放電の磁場ベクトルを求めることができ、測定時間をさらに短縮することができる。

なお、複数のＮＶ中心を分布させて配置した微小空間に予め形成する勾配磁場は、線形に変化していなくてもよい。異なるＮＶ中心に同じ強度の磁場が形成されないようにし、各ＮＶ中心の位置における磁場強度が特定されていればよい。例えば、ＮＶ中心の位置と、その位置での勾配磁場強度とを対応させたテーブルを記憶しておいてもよい。

（環境磁場の除去方法）
電力機器内部で部分放電が発生していない状態でも、電力機器が設置されている環境には、種々の原因による磁場が発生しており、電力機器の通常の作動状態で、電力機器自体が発生している磁場も存在する。即ち、部分放電の検出に影響する磁場として、地磁気による常磁場、放送電磁波による磁場、及び、電力機器への商用電力の供給による磁場等がある。したがって、部分放電が原因の磁場の検出においては、それらの磁場（以下、環境磁場という）を取り除くことが好ましい。

そのためには、環境磁場を測定するためのＮＶセンサを電力機器の近傍に設けて、環境磁場を測定し、磁場検出素子１０２を用いた測定で得られた磁場ベクトルに対して補正（環境磁場を減算）をかけ、磁場ベクトルを補正すればよい。環境磁場が静磁場（地磁気）であれば、予め環境磁場を測定しておき、磁場ベクトルの補正に使用すればよい。変動する磁場（放送電波等）であれば、磁場検出素子１０２を用いた測定と同じタイミングで環境磁場を測定して補正をかければよい。

環境磁場が、各磁場検出素子１０２を配置した位置で同じである場合には、１つのＮＶセンサで環境磁場を測定すればよい。環境磁場が同じとは、静的な場合に限らず、同じ周期で時間的に変動する場合等をも意味する。また、上記の８個の磁場検出素子１０２のうちの１つを環境磁場の測定用に用いてもよい。

各磁場検出素子１０２を配置した位置での環境磁場が異なる場合には、各磁場検出素子１０２の近傍に環境磁場測定用のＮＶセンサを設け、予め測定しておいた環境磁場を、対応する磁場検出素子１０２により得られた磁場に対して補正をかければよい。

また、環境磁場が一定である場合、又は、環境磁場の変化周期が比較的長い場合には、環境磁場測定用のＮＶセンサを設けなくてもよい。部分放電を測定するＮＶセンサで部分放電が検出された後、所定時間（例えば、部分放電の影響が消えるまでの時間）経過後に、同じＮＶセンサで磁場を測定し、それを環境磁場として用いてもよい。また、部分放電を測定するＮＶセンサにより、部分放電が検出されていない状態で測定された磁場（例えば、図７のステップ３０８でＮＯと判定された磁場）を記憶しておき、部分放電が検出されたときに、その直前に記憶された磁場を環境磁場としてもよい。

ＮＶセンサで環境磁場を測定する代わりに、直交させて配置したアンテナを用いて、環境磁場を測定し、上記と同様に補正をかけてもよい。

電力機器への商用電力の供給による磁場をキャンセルするには、電流測定用ＣＴを用いて、電力機器への電力供給ケーブルの電流変化を常時測定しておけば、部分放電が検出されたときの電流測定用ＣＴによる測定電流値から得られる環境磁場で補正をかけることができる。電力機器に所定電流が供給されるときに発生する磁場分布を予め求めておけば、任意の電流値における環境磁場を得ることができる。

また、電子顕微鏡等で使用される公知の磁場キャンセラー（磁場キャンセル装置）を用いて、部分放電が発生していない状態において、電力機器内部又はＮＶセンタを含む領域の環境磁場をキャンセルしてもよい。コイルに電流を流すことにより、所定領域内の環境磁場をなくすアクティブ磁場キャンセラーが知られている。

また、環境磁場をキャンセルする機能を有するＮＶセンサを使用してもよい。キャンセル機能を有するＮＶセンサは、そのＮＶ中心における環境磁場をキャンセルするための機構を備えている。例えば、ＮＶセンサのＮＶ中心の位置に、相互に直交する磁場成分を形成するコイル又はコイル群（例えば、直交配置され、同方向に通電される３対のヘルムホルツコイルで構成される）を配置する。通電する電流値を調整することより、任意の強度及び任意の方向の磁場を発生させることができ、環境磁場をキャンセルすることができる。なお、コイル又はコイル群は、直交する磁場を生成する必要はなく、異なる３方向（反平行の場合を除く）の磁場を生成できるコイルであればよい。異なる３方向の磁場の重ね合わせで、直交する３方向の磁場を形成できる。キャンセルコイルは、環境磁場を全てゼロにできなく、特定の磁場をキャンセルできるものであってもよい。例えば、静磁場のみ、特定の周波数の交流磁場のみ、又は所定の周波数範囲（例えば、所定周波数以下）の磁場をキャンセルできるものであってもよい。また、発生する交流のキャンセル磁場の周波数を変更できるものであってもよい。

なお、上記した環境磁場をキャンセルする方法は、単一で適用される場合に限らず、そのうちの幾つかが同時に適用されてもよい。即ち、１つのキャンセル方法だけで、十分に環境磁場をキャンセルできない場合には、残存する環境磁場に対して、別のキャンセル方法を適用してもよい。

（変形例１）
上記では、連続的に磁場を検出する場合を説明したが、部分放電は、電力機器に供給される商用電力（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流）の電圧が高くなるときに発生する可能性が高いので、電圧が高くなるタイミングに合わせて、磁場を測定することが効率的である。例えば、外部から電力機器に供給される電圧をモニターし、ピーク付近になったときに、磁場測定（図７のステップ３０２）を実行することができる。また、電圧の周期は一定（１／６０秒又は１／５０秒）であるので、最初の磁場測定のタイミングのみを、外部から電力機器に供給される電圧をモニターして決定し、その後はタイマにより経過時間を監視し、１周期のｎ倍（ｎは正の整数）毎に、磁場測定を実行してもよい。

（変形例２）
図９に示すように、複数のＮＶセンサを平面上に配置すれば、電力機器に電力を供給するためのケーブル等において発生する部分放電を検出することができる。図９は、４つのＮＶセンサ５０２を配置した平板状の検出装置５００を示している。検出装置５００では、各ＮＶセンサ５０２の近傍に、図２と同様に、マイクロ波照射部及び受光素子が配置されている。また、図９には図示していないが、図２と同様に、ＮＶセンサにレーザー光を供給するレーザー光源、マイクロ波照射部にマイクロ波を供給するマイクロ波源、及び、それらを制御し、受光素子の出力信号を受信する制御部を備えている。そして、図７と同様の処理を実行することにより、ケーブル５０４内部での部分放電を検出し、部分放電の位置を特定することができる。

なお、ＮＶセンサが配置された平面上において、部分放電位置に対応する位置を特定することができればよい場合には、少なくとも３つのＮＶセンサ（三角形の頂点位置に配置）を使用して磁場ベクトルを得ればよい。そして、２つの磁場ベクトルの、ＮＶセンサが配置された平面内の成分（２次元ベクトル）のそれぞれに直交する２本の直線の交点として、部分放電位置に対応する平面上の位置を求めることができる。

この場合、ＮＶセンサのＮＶ軸が、ＮＶセンサが配置された平面内に位置するようにＮＶセンサを配置すれば、磁場ベクトルのＮＶ軸（Ｚ軸）方向と極角（θ）とを求めて、ＮＶセンサが配置された平面内における磁場ベクトル成分を求めることができる。したがって、測定方法（パルスシーケンス）は、ＮＶ軸（Ｚ軸）方向と極角（θ）とを求めることができるものであればよい。

（変形例３）
図１０に示すように、電力機器に使用されるボルト５１０の内部に、ＮＶセンサを組込んでもよい。例えば、このボルト５１０は電力機器の絶縁部を固定するためのものであり、樹脂、セラミック等の非導電性材料で形成されている。ボルト５１０内部に形成された貫通孔に、ＮＶセンサ５１２とマイクロ波照射部５１４とが配置されている。マイクロ波照射部５１４は、例えば、中空のコイルであり、レーザー光は、貫通孔のボルト頭部側の開口５１６を介してＮＶセンサ５１２に照射され、ＮＶセンサ５１２から放射される蛍光は、開口５１６から放出される。レーザー光及び蛍光は、光ファイバを用いて伝送されてもよい。ボルト５１０を、電力機器の構成部材を固定するボルトの一部に使用すれば、上記と同様に、電力機器内部で発生した部分放電を検出し、放電位置を特定することができる。

（変形例４）
電力機器を構成する部材の一部に、ＮＶセンサを組込んでもよい。例えば、図１１に示すように、電力機器の壁面等に設けられたのぞき窓５２０にＮＶセンサ５２２を配置してもよい。図１１において、のぞき窓５２０は、環状の枠部５２８に複数設けられた貫通孔５２６を介して、ボルト等により電力機器の壁面に取付けられる。ＮＶセンサ５２２は電力機器内部に配置され、マイクロ波照射部５２４は電力機器外部に配置される。ＮＶセンサ５２２へのレーザー光及びマイクロ波の照射、並びに、ＮＶセンサ５２２から放射される蛍光の観測は、のぞき窓５２０を介して行なわれる。

（変形例５）
スペーサ又はフランジと一体にＮＶセンサを形成してもよい。図１２に、ＮＶセンサ５３２が配置された環状の絶縁スペーサ５３０を示す。図１２では、絶縁スペーサ５３０の内壁（内径部分）にＮＶセンサ５３２が配置されている。絶縁スペーサ５３０は、複数設けられた貫通孔５３６を介して、ボルト等により電力機器を構成する別の部材に取付けられる。絶縁スペーサ５３０内部には、誘電体スラブ導波路５４３が埋め込まれている。誘電体スラブ導波路５３４は、コアをクラッドで挟んだ公知の構造をしており、マイク波を伝搬させることができる。コア及びクラッドの形状は、伝搬させるマイクロ波に応じて適宜設計されていればよい。絶縁スペーサ５３０の外部のマイクロ波源から出力されたマイクロ波は、誘電体スラブ導波路５３４により伝搬され（マイクロ波源から絶縁スペーサ５３０に至るマイクロ波の伝搬経路も誘電体スラブ導波路で構成されている場合を含む）、ＮＶセンサ５３２に照射される。絶縁スペーサ５３０内部には、光ファイバ（図示せず）も配置されており、ＮＶセンサ５３２へのレーザー光の照射、及び、ＮＶセンサ５３２から放射される蛍光の観測は、光ファイバを介して行なわれる。

（変形例６）
電力機器に使用される碍子と一体にＮＶセンサを形成してもよい。図１３を参照して、ＮＶセンサ５４２は、碍子の内壁（内径部分）に配置されている。碍子５４０は、複数設けられた貫通孔５４６を介して、ボルト等により電力機器を構成する別の部材に取付けられる。マイクロ波照射部５４４は、ＮＶセンサ５４２の近傍であって、碍子５４０の外周部に配置されている。碍子５４０の壁面のうち、ＮＶセンサ５４２に対向する部分は、レーザー光をＮＶセンサ５４２に照射し、ＮＶセンサ５４２から放射される蛍光を観測できるように、切り欠かれている。

（第２の実施の形態）
上記では、複数のＮＶセンサを使用して、部分放電の位置を精度よく特定する場合を説明したが、本発明に係る第２の実施の形態では、ＮＶセンサを使用して、電圧電流の検出を効率よく且つ安全に行なう。

（検出装置の構成）
図１４を参照して、本実施の形態に係る検出装置６００は、ＮＶセンサ６０２、マイクロ波生成部６０４、レーザー光生成部６０６、受光部６０８、分波フィルタ６１４、光学素子６１６、及び励起光反射フィルタ６２２を含む測定プローブ６３０と、本体装置６３４と、それらを相互に接続するケーブル６３２とを備える。

ＮＶセンサ６０２は、上記したダイヤモンドのＮＶセンサである。マイクロ波生成部６０４は、ＮＶセンサ６０２のＮＶ中心のスピンを、ｍ_ｓ＝０のレベルからｍ_ｓ＝±１のレベルに遷移させるための磁気共鳴周波数のマイクロ波を生成して、ＮＶセンサ６０２に照射する。マイクロ波生成部６０４は、例えば、導電部材で形成されたコイルを含む共振回路である。生成するマイクロ波の波長は約２．８７ＧＨｚである。

レーザー光生成部６０６は、発光素子６１０及び光学素子６１２を備える。発光素子６１０は、本体装置６３４から電力の供給を受け、所定の波長のレーザー光を発生する。このレーザー光は、ＮＶセンサ６０２のＮＶ中心を基底状態から励起状態にするために使用される。即ち、発光素子６１０から出力されたレーザー光は、光学素子６１２により平行光になり、分波フィルタ６１４を通過した後、光学素子６１６により集光されて、ＮＶセンサ６０２に照射される。発光素子６１０が生成するレーザー光は緑色であり、その波長は約４９０～５６０ｎｍである。光学素子６１２は、１つ又は複数のレンズにより構成され得る。光学素子６１２は、発光素子６１０との距離及び形成する平行光の広がり等に応じて、設計されることが好ましい。

受光部６０８は、受光素子６１８及び光学素子６２０を備える。上記したように、ＮＶセンサ６０２にマイクロ波及びレーザー光を照射すると、ＮＶセンサ６０２は、基底状態から励起状態に遷移し、赤色の蛍光（波長約６３０～８００ｎｍ）を放射して、基底状態に戻る。放射された蛍光は、光学素子６１６により平行光になり、分波フィルタ６１４により反射され、励起光反射フィルタ６２２を通過した後、光学素子６２０により集光されて、受光素子６１８により検出される。

分波フィルタ６１４は、特定の波長の光を通過させ、それと異なる波長の光を反射する光学素子であり、例えばダイクロイックミラーである。即ち、分波フィルタ６１４は、発光素子６１０から出力されるレーザー光を通過させ、ＮＶセンサ６０２から放射される蛍光を反射するように形成されている。受光素子６１８は、フォトダイオード、ＣＣＤ等の光電変換素子である。受光素子６１８が検出した蛍光強度に応じて受光素子６１８から出力される電気信号は、ケーブル６３２を介して、本体装置６３４に伝送される。なお、励起光反射フィルタ６２２は、発光素子６１０から出力されるレーザー光が受光部６０８に入射することを防止するためのものである。

本体装置６３４は、第１の実施の形態の制御部１１２と同様に、ＣＰＵと記憶部とを備えている。本体装置６３４は、マイクロ波生成部６０４及び発光素子６１０を、図４と同様のタイミングで制御し（電力を供給し）、それぞれマイクロ波及びレーザー光を生成させる。本体装置６３４は、入力される受光部６０８の出力信号を所定のタイミングで取込み（図４の期間Ｔ３）、記憶部に記憶する。これらの処理は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。

第１の実施の形態では、ＮＶセンサで磁場ベクトルを測定することが必要であり、使用されるパルスシーケンスもそれに適したものが使用される。それに対して、本実施の形態では、ＮＶセンサにより磁場強度が測定できればよいので、使用されるパルスシーケンスもそれに適したものであればよい。

図１５に、図１４の検出装置６００を用いて、高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を測定するための構成を示す。図１５には、高圧送配電線６４０から負荷６４２に電力を供給する電力系統を示す。測定プローブ６４４及び測定プローブ６４６は、図１４の測定プローブ６３０と同様に構成され、本体装置６４８及び本体装置６５０は、図１４の本体装置６３４と同様に構成されている。

測定プローブ６４４は、高圧送配電線６４０に並列に接続されたコイルが形成された鉄心６５２の近傍に配置される。高圧送配電線６４０から負荷６４２に電力（交流電圧）が供給されると、鉄心６５２に形成されたコイルにより磁場が発生する。コイルにより発生する磁場は、鉄心６５２により増大され、その磁束は鉄心６５２内に集中するが、鉄心６５２の端部から漏れるので、測定プローブ６４４内のＮＶセンサの位置に形成された磁場の強度を、上記したように、測定プローブ６４４及び本体装置６４８により測定することができる。特定の位置において、鉄心６５２に形成されたコイルにより形成される磁場は、コイルに流れる電流（即ち、コイル両端の電圧）に比例するので、本体装置６４８により測定される磁場強度の変化は、コイル両端の電圧変化を表す。したがって、本体装置６４８により、測定プローブ６４４のＮＶセンサにレーザー光及びマイクロ波を照射し、ＮＶセンサから出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線６４０の電圧変化（電圧位相）を測定することができる。

測定プローブ６４６は、高圧送配電線６４０に直列に接続されたコイルが形成された鉄心６５４の近傍に配置される。高圧送配電線６４０から負荷６４２に電力が供給されると、鉄心６５２に形成されたコイルにより磁場が発生する。したがって、上記と同様に、測定プローブ６４６内のＮＶセンサの位置に形成された磁場の強度を、測定プローブ６４６及び本体装置６５０により測定することができる。測定される磁場強度は、鉄心６５４に形成されたコイルに流れる電流に比例するので、本体装置６５０により、測定プローブ６４６のＮＶセンサにレーザー光及びマイクロ波を照射し、ＮＶセンサから出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線６４０に流れる電流変化（電流位相）を測定することができる。

したがって、本体装置６４８により測定された電圧位相の変化と、本体装置６５０により測定された電流位相の変化を、従来と同様に評価することができる。くわえて、異常（部分放電を含む）の発生を検出することができる。

上記のように、測定プローブ６４４及び６４６により、それぞれ電圧の位相及び電流の位相を検出できることを示したが、測定プローブ６４４により電圧値を測定し、測定プローブ６４６により電流値を測定することも可能である。特定の位置において、鉄心６５２に形成されたコイルにより形成される磁場は、コイルに流れる電流（即ち、コイル両端の電圧）に比例するので、例えば、送配電線６４０に予め一定の電圧を加えたときの測定プローブ６４４により検出される磁場強度を測定しておけば、それを用いて、送配電線６４０に交流電圧を加えた場合の測定プローブ６４４により検出される磁場強度を、電圧値に換算することができる。同様にして、測定プローブ６４６により検出される磁場強度を、電流値に換算することができる。

図１４に示した測定プローブ６３０は、構成要素として小型のデバイスを採用し、それらを基板上に配置することによりモジュール化してコンパクトに形成することができる。したがって、図１５に示したように、小さいモジュールの測定プローブ６４４及び測定プローブ６４６のみを測定対象の近傍に配置し、本体装置６４８及び本体装置６５０を測定対象から離隔して配置することができ、従来よりも、効率的に電力系統の各部において、部分放電の検出を行なうことができる。検出装置の測定プローブ６４４及び測定プローブ６４６は、測定対象とは機械的に分離されており、測定対象に対して非接触で配置され得るので、検出装置のメンテナンスが容易である。また、電力系統の電力供給を停止することなく、安全に検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

図１６では、測定プローブ６４４及び測定プローブ６４６のそれぞれに対応させて本体装置６４８及び本体装置６５０を設ける場合を説明したが、これに限定されない。本体装置６４８及び本体装置６５０を１台の装置として構成してもよく、１台の本体装置で、３つ以上の測定プローブ６３０を制御可能にしてもよい。

図１５では、棒状の鉄心の端部から漏れる磁束を、ＮＶセンサにより測定する場合を説明したがこれに限定されない。例えば、図１６に示すように、従来と同様の環状の鉄心を使用してもよい。図１６では、環状の鉄心６５４の一部にギャップ６５８を形成し、ギャップ６５８に測定プローブ６４４を配置している。鉄心６５６に形成されたコイルにより発生する磁束は鉄心６５６内に集中するが、ギャップ６５８において、鉄心６５６の端部から磁束は空気中に漏れる。したがって、測定プローブ６４４により、鉄心６５６に形成されたコイルにより発生する磁場強度を測定することができる。

環状の鉄心を使用する場合、図１６のように完全にギャップを形成しなくてもよい。環状の鉄心から磁束が漏れるようになっていればよく、環状の鉄心の一部を切り欠き、そこから漏れる磁束を、ＮＶセンサにより測定してもよい。

鉄心は、コイルにより発生する磁場強度を増大させるためのものであり、使用する検出装置６００の検出感度がよければ、鉄心は無くてもよい。鉄心が無い場合、測定プローブ６３０は、送配電線に並列又は直列に接続されたコイルの端部又はコイルの内部に配置され得る。

上記では、高圧送配電線の電圧及び電流位相を測定すること、及び、異常（部分放電を含む）を検出することを説明したが、これに限定されない。検出装置６００は、電力機器において発生する部分放電の検出にも使用され得る。その場合、例えば電力機器の高電圧が発生する部分に、ＮＶセンサを配置すればよい。

（第３の実施の形態）
上記の変形例４～６では、マイクロ波源をＮＶセンサから少し離隔して配置する場合を説明した。例えば、図１１に示した変形例４では、マイクロ波照射部５２４から出力されるマイクロ波は、のぞき窓５２０を介してＮＶセンサ５２２に照射される。本発明に係る第３の実施の形態では、マイクロ波源をＮＶセンサからさらに離隔して配置する。これにより、第２の実施の形態よりも効率よく且つ安全に電圧、電流及び部分放電の検出を行なう。

（検出装置の構成）
図１７を参照して、本実施の形態に係る検出装置７００は、ＮＶセンサ７０２と、マイクロ波生成部７０４、レーザー光生成部７０６、受光部７０８及び制御部７１０を含む本体装置７１４とを備える。ＮＶセンサ７０２の近傍には、光学素子７１２が配置されている。

ＮＶセンサ７０２は、上記したダイヤモンドのＮＶセンサである。マイクロ波生成部７０４は、制御部７１０から電力の供給を受け、ＮＶセンサ７０２のＮＶ中心のスピンを、ｍ_ｓ＝０のレベルからｍ_ｓ＝±１のレベルに遷移させるための磁気共鳴周波数のマイクロ波を生成し、ＮＶセンサ７０２に照射する。マイクロ波生成部７０４は、例えば、導電部材で形成されたコイルを含む共振回路である。生成するマイクロ波の波長は、第１の実施の形態と同様であり、約２．８７ＧＨｚである。ここでは、第２の実施の形態とは異なり、マイクロ波生成部７０４はＮＶセンサ７０２から離隔して（例えば、数ｍ～十数ｍ）配置されており、生成されたマイクロ波をＮＶセンサ７０２の方向に放射するために、指向性アンテナ（例えば、ホーンアンテナ、パラボラアンテナ等）を含む。

レーザー光生成部７０６は、発光素子及び光学素子（レンズ等）を含む。レーザー光生成部７０６は、制御部７１０から電力の供給を受け、発光素子により所定の波長のレーザー光を生成する。生成されたレーザー光は、光学素子により平行光として出力され、ＮＶセンサ７０２に照射される。このレーザー光は、ＮＶセンサ７０２のＮＶ中心を基底状態から励起状態にするために使用される。レーザー光は緑色であり、その波長は、約４９０～５６０ｎｍである。レーザー光生成部７０６には、例えば、公知のレーザーポインタを使用することができる。

上記したように、ＮＶセンサ７０２にレーザー光及びマイクロ波を照射すると、ＮＶセンサ７０２は、基底状態から励起状態に遷移し、赤色の蛍光（波長約６３０～８００ｎｍ）を放射して、基底状態に戻る。放射された蛍光は、７１８により平行光になり、受光部７０８に入射される。

受光部７０８は、受光素子及び光学素子（レンズ等）を含む。受光部７０８に入射された蛍光は、光学素子により集光されて受光素子に入射される。受光素子は、フォトダイオード、ＣＣＤ等の光電変換素子である。受光素子は、検出した蛍光強度に応じた電気信号を出力し、その信号は制御部７１０に伝送される。

制御部７１０は、第１の実施の形態の制御部１１２と同様に、ＣＰＵと記憶部とを備えている。制御部７１０は、マイクロ波生成部７０４及びレーザー光生成部７０６を、図４と同様のタイミングで制御し（電力を供給し）、それぞれマイクロ波及びレーザー光を生成させる。制御部７１０は、入力される受光部７０８の出力信号を所定のタイミングで取込み（図４の期間Ｔ３）、記憶部に記憶する。これらの処理は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。

第１の実施の形態では、ＮＶセンサで磁場ベクトルを測定することが必要であり、使用されるパルスシーケンスもそれに適したものが使用される。それに対して、本実施の形態では、ＮＶセンサにより磁場強度が測定できればよいので、使用されるパルスシーケンスもそれに適したものであればよい。

図１８に、図１７の検出装置７００を用いて、高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を測定するための構成を示す。図１８には、高圧送配電線７４０から負荷７４２に電力を供給する電力系統を示す。ＮＶセンサ７４８及びＮＶセンサ７５０はそれぞれ、図１７のＮＶセンサ７０２に対応し、本体装置７５２及び本体装置７５４はそれぞれ、図１７の本体装置７１４に対応する。ＮＶセンサ７４８と本体装置７５２との距離、及びＮＶセンサ７５０と本体装置７５４との間は距離Ｌだけ離隔されている。Ｌは、例えば数ｍ～十数ｍである。

フェライトコア７４４は、ギャップを備え、高圧送配電線７４０に並列に接続されたコイルが形成されている。ＮＶセンサ７４８は、フェライトコア７４４のギャップ内、又はその近傍に配置される。高圧送配電線７４０から負荷７４２に電力（交流電圧）が供給されると、フェライトコア７４４に形成されたコイルにより磁場が発生する。コイルにより発生する磁場は、フェライトコア７４４により増大され、その磁束はフェライトコア７４４内に集中するが、フェライトコア７４４の端部（ギャップ）から漏れるので、ＮＶセンサ７４８の位置に形成された磁場の強度を、上記したように、ＮＶセンサ７４８及び本体装置７５２により測定することができる。特定の位置において、フェライトコア７４４に形成されたコイルにより形成される磁場は、コイルに流れる電流（即ち、コイル両端の電圧）に比例するので、本体装置７５２により測定される磁場強度の変化は、コイル両端の電圧変化を表す。したがって、本体装置７５２により、ＮＶセンサ７４８にレーザー光及びマイクロ波を照射し、ＮＶセンサ７４８から出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線７４０の電圧変化（電圧位相）を測定することができる。

フェライトコア７４６は、フェライトコア７４４と同様にギャップを備え、高圧送配電線７４０に直列に接続されたコイルが形成されている。ＮＶセンサ７５０は、フェライトコア７４６のギャップ内、又はその近傍に配置される。高圧送配電線７４０から負荷７４２に電力が供給されると、フェライトコア７４６に形成されたコイルにより磁場が発生する。したがって、上記と同様に、ＮＶセンサ７５０の位置に形成された磁場の強度を、ＮＶセンサ７５０及び本体装置７５４により測定することができる。測定される磁場強度は、フェライトコア７４６に形成されたコイルに流れる電流に比例するので、本体装置７５４により、ＮＶセンサ７５０にレーザー光及びマイクロ波を照射し、ＮＶセンサから出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線７４０に流れる電流変化（電流位相）を測定することができる。

さらには、本体装置７５２により測定された電圧位相の変化と、本体装置７５４により測定された電流位相の変化を、従来と同様に評価することにより、異常（部分放電を含む）の発生を検出することができる。

測定対象である高圧送配電線７４０の近くには、ＮＶセンサのみを配置し、それ以外の要素は、測定対象から離隔して配置することができるので、従来よりも、効率的に電力系統の各部において、異常（部分放電を含む）の検出を行なうことができる。検出装置のＮＶセンサ７４８及びＮＶセンサ７５０は、測定対象とは機械的に分離されており、測定対象に対して非接触で配置され得るので、検出装置のメンテナンスが容易である。また、電力系統の電力供給を停止することなく、安全に検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

上記では、レーザー光生成部７０６から出力されるレーザー光、及び、ＮＶセンサ７０２から出力される蛍光を共に、平行光として空中を伝搬させる場合を説明したが、これに限定されない。例えば、レーザー光生成部７０６から出力されるレーザー光を、光ファイバによりＮＶセンサ７０２まで伝送してもよい。また、ＮＶセンサ７０２から出力される蛍光を、光ファイバにより受光部７０８まで伝送してもよい。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では、１対のＮＶセンサを使用して量子テレポーテーションにより、第３の実施の形態よりも効率よく且つ安全に電圧、電流及び部分放電の検出を行なう。

（検出装置の構成）
図１９を参照して、本実施の形態に係る検出装置８００は、第１ＮＶセンサ８０２と、第２ＮＶセンサ８０４、第１レーザー光生成部８０６、第２レーザー光生成部８０８、マイクロ波生成部８１０、受光部８１２及び制御部８１４を含む本体装置８１６とを備える。

第１ＮＶセンサ８０２及び第２ＮＶセンサ８０４は、上記したダイヤモンドのＮＶセンサである。第１ＮＶセンサ８０２は測定対象の近傍に配置され、第２ＮＶセンサ８０４は第１ＮＶセンサ８０２から離隔して配置される。

第１レーザー光生成部８０６は、発光素子及び光学素子（レンズ等）を含む。第１レーザー光生成部８０６は、制御部８１４から電力の供給を受け、発光素子により所定の波長のレーザー光を生成する。生成されたレーザー光は、光学素子により平行光として出力され、第１ＮＶセンサ８０２に照射される。このレーザー光は、第１ＮＶセンサ８０２のＮＶ中心を基底状態から励起状態にするために使用される。レーザー光は緑色であり、その波長は約４９０～５６０ｎｍである。第１レーザー光生成部８０６には、例えば、公知のレーザーポインタを使用することができる。

第１ＮＶセンサ８０２は、レーザー光が照射されると、基底状態から励起状態に遷移し、赤色の蛍光（波長約６３０～８００ｎｍ）を放射して、基底状態に戻る。第１ＮＶセンサ８０２から放射される蛍光は、第２ＮＶセンサ８０４の近傍まで伝送され、第２ＮＶセンサ８０４に入射される。第１ＮＶセンサ８０２から放射される蛍光を第２ＮＶセンサ８０４の近傍まで伝送するには、例えば、第１ＮＶセンサ８０２の近傍に光学素子を配置し、第１ＮＶセンサ８０２から放射される蛍光を、第２ＮＶセンサ８０４方向に平行光として出力する。第１ＮＶセンサ８０２から放射される蛍光を、光ファイバにより第２ＮＶセンサ８０４まで伝送してもよい。

第２レーザー光生成部８０８は、発光素子を含む。第２レーザー光生成部８０８は、制御部８１４から電力の供給を受け、発光素子により所定の波長のレーザー光を生成する。生成されたレーザー光は第２ＮＶセンサ８０４に照射される。このレーザー光は、第２ＮＶセンサ８０４のＮＶ中心を基底状態から励起状態にするために使用される。レーザー光は緑色であり、その波長は約４９０～５６０ｎｍである。

マイクロ波生成部８１０は、制御部８１４から電力の供給を受け、第２ＮＶセンサ８０４のＮＶ中心のスピンを、ｍ_ｓ＝０のレベルからｍ_ｓ＝±１のレベルに遷移させるための磁気共鳴周波数のマイクロ波を生成し、第２ＮＶセンサ８０４に照射する。マイクロ波生成部８１０は、例えば、導電部材で形成されたコイルを含む共振回路である。生成するマイクロ波の波長は約２．８７ＧＨｚである。マイクロ波生成部８１０は、第２ＮＶセンサ８０４の近傍に配置されている。

第２ＮＶセンサ８０４は、レーザー光及びマイクロ波が照射されると、基底状態から励起状態に遷移し、赤色の蛍光（波長約６３０～８００ｎｍ）を放射して、基底状態に戻る。受光部８１２は、受光素子を含み、第２ＮＶセンサ８０４から放射される蛍光を受光素子により検出する。受光素子は、フォトダイオード、ＣＣＤ等の光電変換素子であり、蛍光強度に応じた電気信号を制御部８１４に出力する。

制御部８１４は、第１の実施の形態の制御部１１２と同様に、ＣＰＵと記憶部とを備えている。制御部８１４は、第１レーザー光生成部８０６に電力を供給し、第１レーザー光生成部８０６にレーザー光を生成させる。上記のように、生成されたレーザー光は第１ＮＶセンサ８０２に照射され、これにより、第１ＮＶセンサ８０２から蛍光が放射され、放射された蛍光は第２ＮＶセンサ８０４に入射される。

また、制御部８１４は、第２レーザー光生成部８０８及びマイクロ波生成部８１０に電力を供給し、それぞれレーザー光及びマイクロ波を生成させる。上記のように、生成されたレーザー光及びマイクロ波は、第２ＮＶセンサ８０４に照射され、第２ＮＶセンサ８０４から蛍光が出力される。制御部８１４は、蛍光が受光部８１２に入力されることにより受光部８１２から出力される信号を所定のタイミングで取込み、記憶部に記憶する。これらの処理は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。

第１レーザー光生成部８０６からの第１ＮＶセンサ８０２へのレーザー光の照射、第２レーザー光生成部８０８から第２ＮＶセンサ８０４へのレーザー光の照射、マイクロ波生成部８１０から第２ＮＶセンサ８０４へのマイクロ波の照射、及び、受光部８１２の出力信号の取込は、第１ＮＶセンサ８０２及び第２ＮＶセンサ８０４に量子もつれ状態が形成され、量子テレポーテーションにより、第１ＮＶセンサ８０２のＮＶ中心の量子情報が第２ＮＶセンサ８０４のＮＶ中心に移されるように行なわれる。これにより、本体装置８１６内に配置した第２ＮＶセンサ８０４について測定することにより、第１ＮＶセンサ８０２の位置における磁場を求めることができる。例えば、非特許文献７～１２に開示されている、離隔して配置された２つのＮＶ中心間の量子もつれ状態の形成、及び、量子状態の転写（即ち、量子テレポーテーション）を実現する方法を用いることができる。非特許文献１０及び１１には、ＮＶセンタの電子スピンは、放射される光子と量子もつれ状態になることが開示されている。非特許文献８及び９には、２つの離隔したＮＶ中心間で量子もつれ状態及び量子トランスポーテーションを実現する方法が開示されている。非特許文献７には、光子を介して量子状態を転写する方法が開示されている。

非特許文献１２には、光子を用いて量子もつれを生成する方法として、発光方式、吸収方式、発光及び吸収方式、並びに、散乱方式の４種類の方法が開示されている。例えば、発光及び吸収方式を使用する場合、初期化後、測定対象の近傍に配置した第１ＮＶセンサ８０２にレーザー光を照射して蛍光を放射させ、その蛍光を伝送して第２ＮＶセンサ８０４に吸収させることで、量子もつれを生成することができる。第２ＮＶセンタ８０４に関する測定は、ＮＶセンタ（ＮＶ^－）のスピン（電子によるスピン）と核（窒素又は炭素）のスピンとの間に量子もつれを生成していない場合には、マイクロ波を照射して上記したように測定を行なう。ＮＶセンタのスピンと核スピンとの間に量子もつれを生成している場合には、ラジオ波（核磁気共鳴の周波数帯域）を照射して核磁気共鳴により測定を行なえばよい。

また、吸収方式を使用する場合には、第１ＮＶセンサ８０２及び第２ＮＶセンサ８０４に照射するレーザー光を量子もつれ状態にする。例えば、図１９において、第２ＮＶセンサ８０４に照射するレーザー光には、第２レーザー光生成部８０８の出力光に代えて、第１レーザー光生成部８０６から出力されるレーザー光をビームスプリッタにより分離して得られるレーザー光を使用する。量子もつれ状態にあるレーザー光を吸収することにより、第１ＮＶセンサ８０２及び第２ＮＶセンサ８０４の間に量子もつれが生成される。

図２０に、図１９の検出装置８００を用いて、高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を測定するための構成を示す。図２０には、高圧送配電線８４０から負荷８４２に電力を供給する電力系統を示す。第１ＮＶセンサ８４８及び第１ＮＶセンサ８５０はそれぞれ、図１９の第１ＮＶセンサ８０２に対応し、本体装置８５２及び本体装置８５４はそれぞれ、図１９の本体装置８１６に対応する。第１ＮＶセンサ８４８と本体装置８５２との距離、及び第１ＮＶセンサ８５０と本体装置８５４との間は距離Ｌだけ離隔されている。Ｌは、例えば数ｍ～十数ｍである。

フェライトコア８４４は、ギャップを備え、高圧送配電線８４０に並列に接続されたコイルが形成されている。第１ＮＶセンサ８４８は、フェライトコア８４４のギャップ内、又はその近傍に配置される。高圧送配電線８４０から負荷８４２に電力（交流電圧）が供給されると、フェライトコア８４４に形成されたコイルにより磁場が発生する。コイルにより発生する磁場は、フェライトコア８４４により増大され、その磁束はフェライトコア８４４内に集中するが、フェライトコア８４４の端部（ギャップ）から漏れるので、第１ＮＶセンサ８４８の位置に形成された磁場の強度を、上記したように、第１ＮＶセンサ８４８及び本体装置８５２により測定することができる。特定の位置において、フェライトコア８４４に形成されたコイルにより形成される磁場は、コイルに流れる電流（即ち、コイル両端の電圧）に比例するので、本体装置８５２により測定される磁場強度の変化は、コイル両端の電圧変化を表す。したがって、本体装置８５２により、第１ＮＶセンサ８４８にレーザー光を照射し、本体装置８５２内部のＮＶセンサから出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線８４０の電圧変化（電圧位相）を測定することができる。

フェライトコア８４６は、フェライトコア８４４と同様にギャップを備え、高圧送配電線８４０に直列に接続されたコイルが形成されている。第１ＮＶセンサ８５０は、フェライトコア８４６のギャップ内、又はその近傍に配置される。高圧送配電線８４０から負荷８４２に電力が供給されると、フェライトコア８４６に形成されたコイルにより磁場が発生する。したがって、上記と同様に、第１ＮＶセンサ８５０の位置に形成された磁場の強度を、第１ＮＶセンサ８５０及び本体装置８５４により測定することができる。測定される磁場強度は、フェライトコア８４６に形成されたコイルに流れる電流に比例するので、本体装置８５４により、第１ＮＶセンサ８５０にレーザー光を照射し、本体装置８５４内部のＮＶセンサから出力される蛍光を測定する処理を、所定の時間間隔で繰返すことにより、高圧送配電線８４０に流れる電流変化（電流位相）を測定することができる。

さらには、本体装置８５２により測定された電圧位相の変化と、本体装置８５４により測定された電流位相の変化を、従来と同様に評価することにより、部分放電の発生を検出することができる。

測定対象である高圧送配電線８４０の近くには、１対のＮＶセンサの一方のみを配置し、それ以外の要素は、測定対象から離隔して配置することができるので、従来よりも、効率的に電力系統の各部において、部分放電の検出を行なうことができる。検出装置の第１ＮＶセンサ８４８及び８５０は、測定対象とは機械的に分離されており、測定対象に対して非接触で配置され得るので、検出装置のメンテナンスが容易である。また、電力系統の電力供給を停止することなく、安全に検出装置のメンテナンスを行なうことができる。

上記では、第１レーザー光生成部８０６から出力されるレーザー光を、平行光として空中を伝搬させる場合を説明したが、これに限定されない。例えば、図２１に示すように、第１レーザー光生成部８０６から出力されるレーザー光を、光ファイバ８２０により第１ＮＶセンサ８０２まで伝送してもよい。

上記の量子テレポーテーションを使用する構成を、第１の実施の形態に適用することができる。例えば、図３では、電力機器２００における楕円形の破線で示した位置に、磁場検出素子１０２、マイクロ波照射部１０８及び受光素子１１０が１組として配置されているとしたが、量子テレポーテーションを使用する構成では、楕円形の破線で示した位置には、ＮＶセンサのみを配置する。そして、電力機器に配置した複数のＮＶセンサのそれぞれに１対１に対応させたＮＶセンサを、電力機器から離隔して配置した本体装置に備える。

本体装置側の構成は、例えば、電力機器に配置した複数のＮＶセンサのそれぞれに１対１に対応させて、図１９に示した本体装置８１６を設ける。この場合、電力機器に配置した複数のＮＶセンサの位置での磁場を、量子テレポーテーションを行なうことにより、それぞれ独立に測定することができる。なお、部分放電の位置を特定するためには、測定の同時性、即ちほぼ同時に測定された値が必要であり、複数の本体装置の制御を同期させることが好ましい。

また、本体装置側に設けた複数のＮＶセンサを、１つにまとめて、例えばアレイ状に配置してもよい。アレイを構成するＮＶセンサに対して順次、レーザー光及びマイクロ波の照射と蛍光の測定とを行なう形態、即ち、アレイを順次走査する形態で測定を行なうことができる。

また、ダイヤモンド結晶に複数のＮＶ中心を形成して複数のＮＶセンサを形成し、これを本体装置に配置してもよい。電力機器に配置されたＮＶセンサを、ダイヤモンド結晶に形成されたＮＶセンサと１対１に対応させ、上記と同様に、ダイヤモンド結晶に形成されたＮＶセンサを順次走査する形態で測定を行なうことができる。

上記では、フェライトコア７４６（図１８）及びフェライトコア８４６（図２０）に高圧送配電線を巻回する場合を説明したが、これに限定されない。高圧送配電線に大電流が流れる場合、図２２に示すように、高圧送配電線８２４を直線状としたまま、その周りにフェライトコア８２２を配置してもよい。高圧送配電線８２４を流れる電流により、高圧送配電線８２４の周りに高圧送配電線８２４を軸として同心円状に形成される磁場は、フェライトコア８２２に集束され、ギャップから漏れる。したがって、フェライトコア８２２のギャップ又はその近傍にＮＶセンサを配置して、高圧送配電線８２４を流れる電流により形成される磁場を測定することができ、高圧送配電線８２４を流れる電流変化を磁場変化として測定することができる。

上記では、コイルが形成されたフェライトコアにギャップを形成し、その近傍にＮＶセンサを配置する場合を説明したが、これに限定されない。フェライトコアに完全なギャップを形成しなくてもよい。環状のフェライトコアから、コイルにより形成された磁束が漏れるようになっていればよく、環状のフェライトコアの一部を切り欠き、そこから漏れる磁束を、ＮＶセンサにより測定してもよい。また、２つのフェライトコアで、ＮＶセンサを挟む構成であってもよい。

第３及び第４の実施の形態では、フェライトコアを使用する場合を説明したがこれに限定されず、磁性材料を含む部材であればよい。例えば、フェライトコアの代わりに、鉄心（強磁性材料）を使用してもよい。フェライトコア又は鉄心は、コイルにより発生する磁場強度を増大させるためのものであり、使用する検出装置７００又は８００の検出感度がよければ、フェライトコア又は鉄心は無くてもよい。フェライトコアが無い場合、ＮＶセンサ７０２又は８０２は、送配電線に並列又は直列に接続されたコイルの端部又はコイルの内部に配置され得る。

また、第３及び第４の実施の形態では、高圧送配電線の電圧位相及び電流位相を測定することにより、電圧、電流及び部分放電を検出する場合を説明したが、これに限定されない。検出装置７００又は８００は、電力機器において発生する部分放電の検出にも使用され得る。その場合、例えば電力機器の高電圧が発生する部分に、ＮＶセンサを配置すればよい。

上記では、２本の高圧送配電線により２相の交流電力を供給する場合を説明したが、これに限定されない。３本の高圧送配電線を用いて３相の交流電力を供給する場合にも、３本の高圧送配電線の内の任意の２本に関して、上記と同様にして、電圧位相及び電流位相を測定することができ、部分放電を検出することができる。

上記では、磁場検出素子が、ダイヤモンドのＮＶ中心を用いたＮＶセンサである場合を説明したが、これに限定されない。ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）原子が置換され得る原子は窒素（Ｎ）に限定されず、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）等の原子も置換原子となり得る。そして、置換された原子と、その隣に空孔（Ｖ）が存在する構造も知られており、それらはＮＶセンタと同様に発光する。したがって、上記した磁場検出素子は、ＳｉＶセンタ、ＧｅＶセンタ、ＳｎＶセンタ等の置換原子空孔センタを用いたセンサであってもよい。なお、使用する置換原子空孔センタに応じて、励起光（レーザ光）及びマイクロ波の波長を適切に設定すればよく、励起状態からの遷移による発光の波長は、ＮＶセンタの場合とは異なる。

＜実施例＞
以下に、実験結果を示す。
（センサ用サンプル準備）
まずは、次のような単結晶ダイヤモンドのサンプルＡ～Ｄを準備した。
（１）サンプルＡ
ダイヤモンド中に含有している置換型窒素が０．１ｐｐｍ以下の単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、サンプルＡとした。作製において、溶媒中に窒素ゲッターの役割の金属を添加することで、窒素の少ないサンプルを得た。
（２）サンプルＢ
ダイヤモンド中に含有している置換型窒素が６０ｐｐｍに制御した単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、サンプルＢとした。作製において、溶媒中に自然に混入する窒素を排除し、溶媒中に窒化物（ＦｅＮなど）を添加する方法で窒素濃度を制御することで、不純物均一性が±２５％以内の均一なサンプルを得た。
（３）サンプルＣ
（１）の単結晶ダイヤモンドのサンプルＡを種基板として、ＣＶＤ法によってエピタキシャル成長によって、含有窒素が２０ｐｐｂ以下で置換型窒素が１ｐｐｂ以下のＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを作製し、サンプルＣとした。作製において、窒素不純物及びその他の不純物を低減する方法としては、高純度の種基板を使用する他に、酸素原子を適量添加する、ホルダの周り＋３０ｍｍの範囲内には高純度のダイヤモンド板材を敷き詰めるなどの不純物低減の工夫をした。
（４）サンプルＤ１及びＤ２
上記のサンプルＡ、Ｂ及びＣは、同位体炭素が天然存在比で含まれるダイヤモンドであるが、^１３Ｃの存在比が５％であり、置換型窒素が５０ｐｐｍ及び１００ｐｐｍの単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、それぞれサンプルＤ１及びＤ２とした。不純物均一性は±２５％以内の均一なサンプルであった。

単結晶ダイヤモンドのサンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ１及びＤ２は、その含有窒素濃度をＳＩＭＳ分析によって評価した結果、置換型窒素濃度はほぼ含有窒素に一致した。単結晶ダイヤモンドのサンプルＣの置換型窒素濃度は、ＮＶの発光センタの密度、ＮＶ^０の発光センタの密度の合計で代用した。窒素濃度が少なく、空孔を十分導入したので、桁で違うことはないと推定できる。サンプルＡ、Ｂ及びＣのいずれもが測定部分の濃度である。空孔（Ｖ）は電子線照射（照射条件は、エネルギー４ＭｅＶ、放射線量２０ＭＧｙ）によって導入し、その後のアニール（１６００℃で３時間）によって置換型窒素と結合した。ＮＶセンタが形成できていることは、フォトルミネッセンスによって確認した。サンプルＡ及びＣに関しては、ＮＶセンタを単体で観測できた。サンプルＢ、Ｄ１及びＤ２に関しては、数えられないくらいの複数のＮＶセンタの集まりが観測できた。

図２３に示す構成の実験装置を作製し、ダイヤモンドのサンプルＡ及びＣのそれぞれを用いて実験を行なった。測定系として、励起光となる緑色レーザー光（波長５２０ｎｍ）を出力するＧａＮ系の半導体レーザー（レーザー光源４１２）とマイクロ波発生器と半導体受光素子４１４とを準備した。レーザー光及び観測する蛍光は、光学レンズ系４１６（顕微鏡レンズ４１８、三角プリズム４２０及び反射鏡４２２を含む）を用いて伝送した。マイクロ波発生器は周波数２．８７ＧＨｚ付近が掃引できるようになっており、ソレノイドコイル状のアンテナ（マイクロ波コイル４２４）を試作し、サンプル（ダイヤモンド４１０）から約５ｍｍ離して設置し、マイクロ波を照射できるようにした。

サンプルＡ及びＣのそれぞれに関して、レンズで各サンプルの表面像を拡大して単一の蛍光の点を探した。サンプル（ダイヤモンド４１０）に一番近いものは、対物レンズであり、その距離は約１ｍｍであった。

次に模擬磁場波形を発生する装置を準備した。０．８ｍｍφの銅線Ｘ４２６を用意し、交流電流源４３２で銅線Ｘ４２６に流す交流電流を制御した。交流は６０Ｈｚとし、電流値は適宜設定した。また、銅線Ｘ４２６に近接させて銅線Ｘ４２６に平行に０．１ｍｍφの銅線Ｙ４２８を配置し、パルス電源４３４によりパルス電流を流せるようにした。パルス電流はパルス間隔６０Ｈｚ、パルス幅１ｍｓｅｃとした。銅線Ｘ４２６及び銅線Ｙ４２８は、センシングするダイヤモンドのサンプルＡ及びＣのそれぞれから最近接で０．５ｃｍのところに配置した。交流電流源４３２及びパルス電源４３４は、検知対象として模擬的なシグナルを発生するための模擬回路を構成する。

予備測定として、以下のような実験を行なった。銅線Ｘ４２６に一定の直流電流を流した状態で、ダイヤモンドのサンプルＡ、Ｃに、マイクロ波を照射しつつ、波長５２０ｎｍの半導体レーザー光を照射すると、波長約６３８ｎｍの赤い蛍光が検出された。マイクロ波の周波数を２．８７ＧＨｚの付近で掃引すると蛍光は、異なる周波数で２つの極小値（谷）を示した（図６参照）。銅線Ｘ４２６の電流値を変化させると、二つの極小値の周波数間隔が変化した。周波数間隔は、銅線Ｘ４２６に流れる電流値にほぼ比例した。２つの極小値は対称的に変化したので、一方の極小値の周波数の時間変化パターンを知ることで、全体の変化（磁場の時間変化パターン）に換算できることが確認できた。

次に、本測定を行なった。銅線Ｘ４２６に６０Ｈｚの交流電流（最大電流１．２Ａ）を流した。銅線Ｙ４２８の電流はゼロである。なお、地磁気の影響のない箱の中で実験を行なった。ダイヤモンドを上記の半導体レーザーで励起し且つマイクロ波を照射し、波長約６３８ｎｍの赤い蛍光強度を測定しつつ、マイクロ波の周波数を掃引した。マイクロ波周波数の掃引を短時間（掃引周期１ｍｓｅｃ以下）で行なって、得られた蛍光強度の波形から極小値を検出し、それに対応する周波数をストレージできるようにした。これにより、極小値に対応する周波数の時間変化パターンを得た。これは磁場の時間変化パターンに変換することができた。即ち、この部分は極小値に対応したマイクロ波周波数の時間変化データを取得でき、それを磁場時間変化パターンに変換する装置によって行なった。

磁場を形成する銅線Ｘ４２６に流した交流電流の波形を図２４に示す。得られた蛍光強度のプロフィールを図２５に示す。図２５では、図２４のｔ１～ｔ５を付したタイミングで測定されたプロフィールを、対応する符号を付して縦方向に並べて示している。各プロフィールの縦方向が蛍光強度の軸であるが、蛍光強度の軸は共通ではなく、各プロフィールにおけるフラット部分がほぼ同じ蛍光強度になっている。図２５ではプロフィールを実線で示しているが、実際には１ｍｓｅｃの間隔でのデータの集まりである。この時間変化パターンにおいて、極小値の間隔Δｆ１～Δｆ５は６０Ｈｚの交流電流と同じ周期と位相で変化したので、磁場強度の変化の周期及び位相を情報として得ることができた。

また、銅線Ｘ４２６に上記の交流電流を流しつつ、銅線Ｙ４２８に上記したパルス電流（最大電流値が１０ｍｓｅｃ）を流した。銅線Ｘ４２６に流した交流電流と銅線Ｙ４２８に流したパルス電流の合成波形を模式的に図２６に示す。一点鎖線で囲んだ部分が、銅線Ｙ４２８に流したパルス電流によるものである。その他は上記と同じ条件で測定を行なった。得られた蛍光強度のプロフィールを図２７に示す。図２７では、図２５と同様に、図２６のｔ１～ｔ５を付したタイミングで測定されたプロフィールを、対応する符号を付して縦方向に並べて示している。図２７ではプロフィールを実線で示しているが、実際には１ｍｓｅｃの間隔でのデータの集まりである。即ち、上記と同様に時間変化パターンが得られ、交流電流の磁場パターン及びパルス電流の磁場パターンの測定結果を得ることができた。

図２５と図２７とを比較すると、ｔ１及びｔ３～ｔ５のプロフィールの極小値の間隔（Δｆ１及びΔｆ３～Δｆ５）は、それぞれ図２５と図２７とで同じ大きさであるが、ｔ２のプロフィールの極小値の間隔Δｆ２は、図２７のものが図２５よりも大きくなっている。これは、ｔ２のタイミングでパルス電流が流れたためである（図２６参照）。したがって、極小値の間隔の変化から、交流磁場中に発生したパルス磁場を検出することができる。このように、マイクロ波周波数の掃引周期を１ｍｓｅｃと小さく設定できたことで、大きな交流磁場が存在する環境においても小さなパルス磁場を検出でき、時間変化パターンの解析により、パルス電流は交流電流からの差を取ることで容易に確認できた。時間変化パターンの解析は、銅線Ｘ４２６からの大信号（交流信号）を差し引く単純な差で結果が出るが、時間変化パターンの周波数解析を行ない、銅線Ｘ４２６からの大信号の周波数をカットすることでも得られた。即ち、データ処理にハイパスフィルタを組込む回路構成としてもよい。ここでは、７０Ｈｚより低い周波数をカットし（銅線Ｘ４２６に流した交流電流の周波数である６０Ｈｚを取り除くため）、それ以上の周波数（１ｋＨｚ）を残すことで成功した。

従来のダイヤモンド磁気センサでは、感度が高いことを（非常に小さい磁場を検知することを）主眼としているため、ベース磁界が少しある時点で計測する前にオーバーレンジとなってしまい、時間変化パターンを検知して、磁場の原因となる電流波形を知ることができなかった。本発明の一態様では周波数の掃引速度を上げて、時間変化パターンとしてデータを解釈するために、測定可能な磁場のレンジが格段に大きくなり、しかもその中で微小な磁場の変化をも確認することができるようになった。

本方法により、周波数成分がより高いパルス電流を検出する場合には、周波数の掃引をより高速に、細かく行なう必要があるが、掃引する周波数の幅が大きくなる場合には、一つの極小値の谷のみを追いかけ、時間によって予測される極小値の周波数付近を掃引することが効率的であることもわかった。

図２８に示す構成の実験装置を作製し、ダイヤモンドのサンプルＢ、Ｄ１及びＤ２のそれぞれを用いて実験を行なった。励起光の半導体レーザー（５２０ｎｍ）（レーザー光源４１２）とマイクロ波発生器と半導体受光素子４１４は実施例１と同じものを用意した。マイクロ波の照射は、実施例１と同様にソレノイドコイル状のアンテナ（マイクロ波コイル４２４）を試作し、実施例１とは異なり、マイクロ波コイル４２４をサンプル（ダイヤモンド４１０）から約１ｃｍ離して設置した。

サンプルＢ、Ｄ１及びＤ２のそれぞれに関して、レンズなどの光学系を通さずに、半導体レーザー光をサンプル中央部に照射し、倍率５０倍の望遠顕微鏡（長焦点レンズ４３６）を用いて、サンプル中央部から放射される赤い蛍光を受光素子で検出した。受光素子にレーザー光が入射することを防止するために、緑の光をカットするフィルタを用いた。サンプル（ダイヤモンド素材）にいちばん近いものは約１ｃｍ離したマイクロ波のアンテナであった。

次に、実施例１と同様に、模擬磁場波形を発生する装置（交流電流源４３２及びパルス電源４３４）を準備した。銅線Ｘ４２６及び銅線Ｙ４２８は、センシングするダイヤモンドのサンプルから最近接で０．５ｃｍのところに配置した。

まず、以下のような準備測定を行なった。ダイヤモンドのサンプルに、マイクロ波を照射しつつ、波長５２０ｎｍの半導体レーザー光を照射すると、波長６３８ｎｍ付近の赤い蛍光が検出された。マイクロ波の周波数を２．８７ＧＨｚの付近で掃引すると蛍光は、異なる周波数で２つの極小値（谷）を示した。ただし、実施例１とは違って、ブロードな谷であり、２つの谷は重なっていたが、極小値は２つあることが確認できた。これは、サンプルＢ、Ｄ１及びＤ２では、いろいろな状態のＮＶセンタ（^１３Ｃ及び^１４Ｎ等の核磁気を持つ原子がＮＶセンタの近くに配置されている）が存在することに依る。これらの濃度が高いと分布の幅が大きくなり、ブロードになる。

次に、以下のように本測定を行なった。銅線Ｘ４２６に直流電流を定電流電源で流し、電流が流れていると、近くにあるダイヤモンドのサンプルにおいて、２つの極小値の周波数間隔が変化することを確認した。本実験で使用したサンプルＢ、Ｄ１及びＤ２は、磁場の変化に対して、蛍光強度の変化は比較的緩やかで、広い磁場レンジを蛍光の強度で確認することができた。

次に、以下のような測定をした。レーザー光を、１０ｍｓｅｃ（１００Ｈｚ）及び０．１ｍｓｅｃ（１０ｋＨｚ）のそれぞれの周期で、デューティ５０％（パルス幅は周期の半分）のパルス光とし、サンプルに照射し、赤い蛍光を観察した。その結果、レーザー光が照射されている間、１００Ｈｚ及び１０ｋＨｚのそれぞれの周期で発光していることを確認した。

レーザー光のパルス間隔（周期）を１０ｍｓｅｃ（１００Ｈｚ）とし、且つ、蛍光強度の２つの極小値の一方に対応する周波数のマイクロ波を照射し、蛍光強度を極小値とした状態で、銅線Ｘ４２６への定電流（１Ａ）の供給をオン（通電）、又はオフ（非通電）した。その時に観測された蛍光の強度の時間変化パターンを、図２９に示す。また、銅線Ｘ４２６に定電流（１Ａ）をオンし、且つ蛍光強度が極小値となる周波数のマイクロ波を照射した状態で、銅線Ｘ４２６への電流の供給をオフしたり、再度オンしたりした。その時に観測された蛍光強度の時間変化パターンを、図３０に示す。図２９及び図３０は実線で示されているが、実際には１０ｍｓｅｃ（１００Ｈｚ）の間隔でのデータの集まりである。このように、励起レーザー光のパルス照射とそれに対する応答として蛍光強度の時間変化パターンを知ることで、測定された蛍光強度の時間変化パターンが、銅線Ｘ４２６を流れる電流のパターンと正確に一致する（パターンが整合する）ことを、非接触で、少し離れたところで確認することができた。

次に、レーザー光のパルス間隔（周期）を０．１ｍｓｅｃ（１０ｋＨｚ）とし、且つ銅線Ｘ４２６に１Ａの電流を流した状態で、蛍光強度の２つの極小値の一方に対応する周波数のマイクロ波を照射し、蛍光強度を極小値とした状態で、銅線Ｘ４２６に周波数６０Ｈｚ、最大値１．２Ａの交流電流を流した。このとき測定された蛍光強度を、銅線Ｘ４２６の電流波形と共に図３１に示す。任意単位（a.u.）で表した蛍光強度は電流値が１Ａとなるたびに極小値を示した。図３１は実線で示しているが、実際には０．１ｍｓｅｃの間隔でのデータの集まりである。この蛍光強度の時間変化パターンを解析して、磁場の時間変化パターンを求めることができ、銅線Ｘ４２６に流した電流の時間変化を知ることができた。ここで、蛍光強度と磁場との関係はダイヤモンドサンプル毎に異なるために、対応関係を予め調査しておき、データベースとしておく必要がある。サンプルＢ、Ｄ１、Ｄ２の順で磁場検出感度が緩やかになり、後者程、測定する磁場範囲を大きく取れた。また、データ（蛍光強度）は正弦波の全ての部分で得られるわけではないが、部分的にではあっても単純な正弦波であることが分かっているので、このような条件のもとで解析すると、銅線Ｘ４２６に流れる電流パターンと一致することを確認できた。得られた蛍光強度のパターンから交流電流の位相も検知することができた。このような条件の仮定は、現実的にも行なわれており、データの有効な処理方法である。

次に銅線Ｘ４２６と銅線Ｙ４２８とを使用し、銅線Ｘ４２６に６０Ｈｚ、最大値１．０５Ａの交流電流を流し、銅線Ｙ４２８にパルス間隔（周期）６０Ｈｚ、パルス幅１ｍｓｅｃ、最大電流値１ｍＡのパルス電流を流した。このとき測定された蛍光強度を、銅線Ｘ４２６及び銅線Ｙ４２８に流した電流の合成波形と共に図３２に示す。蛍光強度は交流電流とパルス電流の合計が１Ａになるたびに極小値を示した。図３２は実線で示しているが、実際には０．１ｍｓｅｃ間隔でのデータの集まりである。この蛍光強度の時間変化パターンを蓄積する機能を有する装置と、蓄積されたデータを解析する装置を設けた。蛍光強度の時間変化パターンは、サンプルのデータベースにより、磁場の時間変化パターンに変換することができる。これら時間変化パターンのデータでは周波数解析によってもパルス電流を確認することができた。即ち、抽出したデータからハイパスフィルタにより７０Ｈｚ以下の成分をカットし（銅線Ｘ４２６に流した交流電流の周波数６０Ｈｚを取り除くため）、それ以上の成分を分析すると、パルス電流の１ｋＨｚの成分が検出された。

また、図３３に示す構成の実験装置を作製して実験を行なった。即ち、銅線Ｘ４２６と銅線Ｚ４３０とを、直接接続したコンデンサ４３８及び抵抗４４０を介して並列に接続し、コンデンサ４３８及び抵抗４４０の接続ノードに交流電流源４３２から所定周波数の交流電流を供給する構成とした。抵抗４４０の抵抗値は、銅線Ｘ４２６及び銅線Ｚ４３０に比べて無視できるほど小さい値とし、コンデンサ４３８の容量は、そのインピーダンスが銅線Ｘ４２６及び銅線Ｚ４３０のインピーダンスに比べて無視できるほど大容量とした。これにより、銅線Ｘ４２６の電圧及び電流の位相と銅線Ｚ４３０の電圧及び電流の位相との間には９０°の位相差が生じる。また、銅線Ｘ４２６に近接させて配置したダイヤモンド４１０とは別に、銅線Ｚ４３０に近接させてダイヤモンド４４６を配置した。レーザー光源４１２、マイクロ波コイル４２４、長焦点レンズ４３６及び半導体受光素子４１４により、ダイヤモンド４１０に対する測定系４４２を構成し、ダイヤモンド４４６に対する測定系４４４を、測定系４４２と同様に構成した。測定系４４４において、マイクロ波コイル及び長焦点レンズは図示していない。１対のサンプルは同じ方法で作製したサンプルであり、サンプルＢ、Ｄ１及びＤ２のそれぞれを使用した。いずれのサンプルを使用した場合にも、交流電流と同じ値の位相差を検知できた。

交流電流源４３２から銅線Ｘ４２６及び銅線Ｚ４３０に電流を供給した状態で、測定系４４２を用いて、銅線Ｘ４２６に近接させたダイヤモンド４１０にレーザー光及びマイクロ波を照射して、放射される蛍光強度を測定した。それと同様に、測定系４４４を用いて、銅線Ｚ４３０に近接させたダイヤモンド４４６にレーザー光及びマイクロ波を照射して、放射される蛍光強度を測定した。得られた結果を上記のように解析することにより、９０°の位相差を検知することができた。

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００、６００、７００、８００ 検出装置
１０２ 磁場検出素子
１０４、４１２ レーザー光源
１０６ マイクロ波源
１０８、５１４、５２４、５４４ マイクロ波照射部
１１０、４１４、６１８ 受光素子
１１２、７１０、８１４ 制御部
２００ 電力機器
２０２ 電源
２０４、２０６ 電力供給ライン
２０８ 碍子
２１０ トランス
２１２ 筐体
４１０、４４６ ダイヤモンド（サンプル）
４１６ 光学レンズ系
４１８ 顕微鏡レンズ
４２０ 三角プリズム
４２２ 反射鏡
４２４ マイクロ波コイル
４２６ 銅線Ｘ
４２８ 銅線Ｙ
４３０ 銅線Ｚ
４３２ 交流電流源
４３４ パルス電源
４３６ 長焦点レンズ
４３８ コンデンサ
４４０ 抵抗
４４２、４４４ 測定系
５００ 検出装置
５０２、５１２、５２２、５３２、５４２、６０２、７０２、７４８、７５０ ＮＶセンサ
５０４、６３２ ケーブル
５１０ ボルト
５１６ 開口
５２０ のぞき窓
５２６、５３６、５４６ 貫通孔
５２８ 枠部
５３０ 絶縁スペーサ
５３４ 誘電体スラブ導波路
５４０ 碍子
６０４、７０４、８１０ マイクロ波生成部
６０６、７０６ レーザー光生成部
６０８、７０８、８１２ 受光部
６１０ 発光素子
６１２、６１６、６２０、７１２ 光学素子
６１４ 分波フィルタ
６２２ 励起光反射フィルタ
６３０、６４４、６４６ 測定プローブ
６３４、６４８、６５０、７１４、７５２、７５４、８１６、８５２、８５４ 本体装置
６４０、７４０、８２４、８４０、９０２ 高圧送配電線
６４２、７４２、８４２、９０４ 負荷
６５２、６５４、６５６、９１２、９１４ 鉄心
６５８ ギャップ
７４４、７４６、８２２、８４４、８４６ フェライトコア
８０２、８４８、８５０ 第１ＮＶセンサ
８０４ 第２ＮＶセンサ
８０６ 第１レーザー光生成部
８０８ 第２レーザー光生成部
８２０ 光ファイバ
９００ 計器用変成器
９０６ 変圧器
９０８ 変流器
９１０ 電気計器

Claims (10)

1. ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する３つ以上の素子と、
   前記素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、
   前記素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、
   前記素子から放射される蛍光を検出する受光手段と、
   前記レーザー光源及び前記マイクロ波源を制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、３つ以上の前記素子の各々に対して、前記レーザー光及び前記マイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、前記受光手段により検出される前記蛍光の強度を取得する測定処理を繰返し、
   ３つ以上の前記素子の各々は、電力機器の内部又は前記電力機器の近傍に配置され、
   前記制御手段は、
   前記蛍光の強度を用いて、３つ以上の前記素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算手段と、
   前記磁場ベクトルから、前記電力機器内部における部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、前記磁場ベクトルから前記部分放電の位置を特定する位置特定手段とを含み、
   前記位置特定手段により特定された前記部分放電の位置を用いて、前記素子の位置における磁場強度をシミュレーションにより算出し、前記素子を用いた測定により得られた磁場ベクトルの確度を評価する評価手段を、さらに含むことを特徴とする、検出装置。
2. ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する３つ以上の素子と、
   前記素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、
   前記素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、
   前記素子から放射される蛍光を検出する受光手段と、
   前記レーザー光源及び前記マイクロ波源を制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、３つ以上の前記素子の各々に対して、前記レーザー光及び前記マイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、前記受光手段により検出される前記蛍光の強度を取得する測定処理を繰返し、
   ３つ以上の前記素子の各々は、電力機器の内部又は前記電力機器の近傍に配置され、
   前記制御手段は、
   前記蛍光の強度を用いて、３つ以上の前記素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算手段と、
   前記磁場ベクトルから、前記電力機器内部における部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、前記磁場ベクトルから前記部分放電の位置を特定する位置特定手段とを含み、
   部分放電が発生していない状態において、３つ以上の前記素子の何れかを用いた前記測定処理により環境磁場ベクトルを算出し、
   前記演算手段は、前記蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、前記環境磁場ベクトルにより補正し、
   前記位置特定手段は、補正後の前記磁場ベクトルを用いて、前記部分放電の位置を特定することを特徴とする、検出装置。
3. 部分放電が発生していない状態において、３つ以上の前記素子が配置された領域の磁場をキャンセルするための磁場キャンセル手段をさらに含み、
   前記磁場キャンセル手段を作動させた状態で、前記測定処理を実行することを特徴とする、請求項１又は２に記載の検出装置。
4. ３つ以上の前記素子のうちの３つの素子のそれぞれは、１つの平面上において三角形の頂点の位置に配置され、
   前記位置特定手段は、前記３つの素子のそれぞれに対応させて算出された前記磁場ベクトルの前記平面内の成分ベクトルのうち、２つの前記成分ベクトルのそれぞれに直交する２本の直線の交点として、前記部分放電の位置に対応する、前記平面内の位置を特定し、
   前記２本の直線の各々は、前記３つの素子のうちの対応する素子を通ることを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載に検出装置。
5. ３つ以上の前記素子の各々の近傍に１対１に対応させて配置された磁場生成手段を複数含み、
   複数の前記磁場生成手段の各々は、部分放電が発生していない状態において、当該磁場生成手段に対応する前記素子が配置された位置での磁場がゼロになるように設定され、
   複数の前記磁場生成手段の各々の前記設定が維持された状態で、前記測定処理を実行することを特徴とする、請求項１又は２に記載の検出装置。
6. 前記マイクロ波源は、３つ以上の前記素子の各々から所定距離以上離隔し、前記電力機器の外部に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の検出装置。
7. 前記レーザー光源は、３つ以上の前記素子の各々から所定距離以上離隔し、前記電力機器の外部に配置され、
   前記レーザー光源から出力されるレーザー光を平行光に形成して空中を伝搬させ、前記素子の各々に照射する光学部材、又は、前記レーザー光源から出力されるレーザー光を、前記素子の各々まで伝搬させる光ファイバをさらに含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の検出装置。
8. 前記マイクロ波源から出力されるマイクロ波を、３つ以上の前記素子の各々に照射するための指向性アンテナをさらに含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の検出装置。
9. 前記受光手段は、３つ以上の前記素子の各々から所定距離以上離隔し、前記電力機器の外部に配置され、
   前記素子の各々から放射される前記蛍光を平行光に形成して空中を伝搬させ、前記受光手段に入力させる光学部材、又は、前記素子の各々から放射される前記蛍光を、前記受光手段まで伝搬させる光ファイバをさらに含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の検出装置。
10. ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する３つ以上の素子を用いて部分放電を検出する方法であって、
    ３つ以上の前記素子の各々は、電気設備の内部又は前記電気設備の近傍に配置され、
    レーザー光を前記素子に照射して、前記置換原子空孔センタを基底状態から励起状態に遷移させるレーザー光照射ステップと、
    マイクロ波を前記素子に照射して、前記置換原子空孔センタに電子スピン共鳴を生じさせるマイクロ波照射ステップと、
    前記素子から放射される蛍光を検出する受光ステップと、
    前記レーザー光照射ステップ、前記マイクロ波照射ステップ及び前記受光ステップを繰返す繰返しステップと、
    前記繰返しステップにより得られた前記蛍光の強度を用いて、３つ以上の前記素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算ステップと、
    前記磁場ベクトルから、前記電気設備内部における部分放電を検出したか否かを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップにより前記部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、前記磁場ベクトルから前記部分放電の位置を特定する位置特定ステップと、
    前記位置特定ステップにより特定された前記部分放電の位置を用いて、前記素子の位置における磁場強度をシミュレーションにより算出し、前記素子を用いた測定により得られた磁場ベクトルの確度を評価する評価ステップとを含むことを特徴とする、検出方法。
    

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