JP7369344B2 - 磁場測定装置および磁場測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁場測定装置および磁場測定方法に関するものである。

ある磁気計測装置は、電子スピン共鳴を利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）で磁気計測を行っている（例えば特許文献１参照）。

ＯＤＭＲでは、サブレベルの準位と光学遷移準位とをもつ磁気共鳴部材に高周波磁場（マイクロ波）と光をそれぞれサブレベル間の励起と光遷移間の励起のために照射することで、サブレベル間の磁気共鳴による占有数の変化などが光信号により高感度で検出される。通常、基底状態の電子が緑光で励起された後、基底状態に戻る際に赤光を発する。一方、例えば、ダイヤモンド構造中の窒素と格子欠陥（ＮＶＣ：Nitrogen Vacancy Center）中の電子は、２．８７ＧＨｚ程度の高周波磁場の照射により、光励起により初期化された後では、基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（スピン磁気量子数ｍｓ＝０）から、基底状態中のそれより高いエネルギー軌道のレベル（ｍｓ＝±１）に遷移する。その状態の電子が緑光で励起されると、無輻射で基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍｓ＝０）に戻るため発光量が減少し、この光検出より、高周波磁場により磁気共鳴が起こったかどうかを知ることができる。ＯＤＭＲでは、このような、ＮＶＣを有するダイヤモンドといった光検出磁気共鳴部材が使用される。

そして、ＮＶＣを使用した直流磁場の測定方法として、ラムゼイパルスシーケンス（Ramsey Pulse Sequence）を使用した測定方法がある。ラムゼイパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶＣに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスをＮＶＣに印加し、（ｃ）第１のπ／２パルスから所定の時間間隔ｔｔでマイクロ波の第２のπ／２パルスをＮＶＣに印加し、（ｄ）測定光をＮＶＣに照射してＮＶＣの発光量を測定し、（ｅ）測定した発光量に基づいて磁束密度を見積もれる。

また、ＮＶＣを使用した交流磁場の測定方法として、スピンエコーパルスシーケンス（Spin Echo Pulse Sequence）を使用した測定方法がある。スピンエコーパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶＣに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスを被測定磁場の位相０度でＮＶＣに印加し、（ｃ）マイクロ波のπパルスを被測定磁場の位相１８０度でＮＶＣに印加し、（ｄ）マイクロ波の第２のπ／２パルスを被測定磁場の位相３６０度でＮＶＣに印加し、（ｅ）測定光をＮＶＣに照射してＮＶＣの発光量を測定し、（ｆ）測定した発光量に基づいて磁束密度を見積もれる。

特開２０１２－１１０４８９号公報

上述のように、上述の技術によれば、ある位置の磁場を測定することが可能であるが、磁場を測定すべき位置が多い場合、測定位置の数と同一の数の磁気センサ部を使用するか、磁気センサ部を走査することで多くの測定位置の磁場を測定する必要がある。

しかしながら、測定位置の数と同一の数の磁気センサ部を設ける場合には装置のコストが大きくなってしまう。また、磁気センサ部を走査する場合、走査距離が長くなり、測定時間が長くなってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、比較的低コストな、かつ／または測定時間の短い磁場測定装置および磁場測定方法を得ることを目的とする。

本発明に係る磁場測定装置は、結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、磁気共鳴部材にマイクロ波の磁場を印加する高周波磁場発生器と、高周波磁場発生器にそのマイクロ波の電流を導通させる高周波電源と、互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、その複数の測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場を上述の結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に沿ってそれぞれ磁気共鳴部材に印加する磁場伝達部と、磁気共鳴部材から、印加磁場に対応する物理的事象を検出する検出装置と、高周波電源を制御し、検出装置により検出された、上述の複数の測定位置に対応する物理的事象の検出値を特定する測定制御部と、その検出値に基づいて上述の複数の測定位置での被測定磁場を演算する演算部とを備える。

本発明に係る磁場測定方法は、磁場伝達部で、（ａ）互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、（ｂ）その複数の測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場を、結晶構造を有し結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に、その結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から印加するステップと、磁気共鳴部材から印加磁場に対応する物理的事象を検出し、上述の複数の測定位置に対応する物理的事象の検出値を特定するステップと、その検出値に基づいて上述の複数の測定位置での被測定磁場を演算するステップとを備える。

本発明によれば、比較的低コストな、かつ／または測定時間の短い磁場測定装置および磁場測定方法を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁場測定装置の構成を示す図である。 図２は、図１における磁気共鳴部材１のＮＶセンタの複数の向きについて説明する図である。 図３は、ＮＶセンタの複数の向きに対応するＮＶセンタのゼーマン分裂後の蛍光強度の周波数特性（マイクロ波周波数に対する蛍光強度の特性）について説明する図である。 図４は、図１における磁場伝達部４によって磁気共鳴部材１に印加される磁場の方向を説明する図である。 図５は、実施の形態１における磁場伝達部４の構成を示す回路図である。 図６は、図１に示す磁場測定装置における静磁場Ｂｏ印加時の、蛍光強度変化の増強について説明する図である。 図７は、図１に示す磁場測定装置の光学系の一例を示す図である。 図８は、図１に示す磁場測定装置において、ラムゼイパルスシーケンスに従って実行される磁場測定について説明するタイミングチャートである。 図９は、図１に示す磁場測定装置において、スピンエコーパルスシーケンスに従って実行される磁場測定について説明するタイミングチャートである。 図１０は、図１に示す磁気センサ部１０の走査について説明する斜視図である。 図１１は、実施の形態２に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－３の配置例について説明する斜視図である。 図１２は、実施の形態３に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－４の配置例について説明する斜視図である。 図１３は、実施の形態４に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－３の配置例について説明する斜視図である。 図１４は、実施の形態５に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－４の配置例について説明する斜視図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態に係る磁場測定装置の構成を示す図である。図１に示す磁場測定装置は、磁気センサ部１０と、演算処理装置１１と、高周波電源１２とを備える。

磁気センサ部１０は、所定の位置（例えば、検査対象物体の表面上または表面上方）において、被測定磁場（例えば強度、向きなど）を検出する。なお、被測定磁場は、単一周波数の交流磁場でもよいし、複数の周波数成分を有する所定周期の交流磁場でもよい。

この実施の形態では、磁気センサ部１０は、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、静磁場発生部３、および磁場伝達部４を備える。

磁気共鳴部材１は、結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で（ラビ振動に基づく）電子スピン量子操作の可能な部材である。

この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、複数（つまり、アンサンブル）の特定カラーセンタを有する光検出磁気共鳴部材である。この特定カラーセンタは、ゼーマン分裂可能なエネルギー準位を有し、かつ、ゼーマン分裂時のエネルギー準位のシフト幅が互いに異なる複数の向き（つまり、上述の配列方向）を取り得る。

ここでは、磁気共鳴部材１は、単一種別の特定カラーセンサとして複数のＮＶ（Nitrogen Vacancy）センタを含むダイヤモンドなどの板材であって、支持部材１ａに固定されている。ＮＶセンタの場合、基底状態がｍｓ＝０，＋１，－１の三重項状態であり、ｍｓ＝＋１の準位およびｍｓ＝－１の準位がゼーマン分裂する。また、後述するように、ダイヤモンド結晶格子上での原子（ここでは窒素）および空孔の位置関係によって、ＮＶセンタは、ゼーマン分裂時のエネルギー準位のシフト幅が互いに異なる４つの向き（欠陥および不純物の配列方向）を取り得る。磁気共鳴部材１は、この４つの向きのうちの複数（２つ、３つ、および４つのうちのいずれか）の向きのＮＶセンタを含んでいる。

高周波磁場発生器２は、後述のマイクロ波を磁気共鳴部材１に印加する。ここでは、高周波電源１２は、そのマイクロ波の電流を生成して高周波磁場発生器２に導通させる。高周波磁場発生器２は例えばコイルや、ＬＣ共振装置や、スリットアンテナや、棒状アンテナなどの一種であるか、それらの複数の装置を組み合わせたものである。

また、静磁場発生部３は、磁気共鳴部材１内の複数の特定カラーセンタ（ここでは、複数のＮＶセンタ）のエネルギー準位をゼーマン分裂させる静磁場（直流磁場）を印加する。静磁場発生部３としては、永久磁石、コイル（つまり、電磁石）などが使用される。静磁場発生部３としてはコイルが使用される場合、直流電源が設けられ、そのコイルに電気的に接続され、そのコイルに直流電流を供給し、これにより、静磁場が発生する。

上述の複数の特定カラーセンタは、互いに異なる複数の向きを有し、この基準磁場によって、その複数の特定カラーセンタのエネルギー準位は、それぞれ、その複数の向きに対応した互いに異なるシフト幅でゼーマン分裂する。

図２は、図１における磁気共鳴部材１のＮＶセンタの複数の向きについて説明する図である。図３は、ＮＶセンタの複数の向きに対応するＮＶセンタのゼーマン分裂後の蛍光強度の周波数特性（マイクロ波周波数に対する蛍光強度の特性）について説明する図である。

図２に示すように、ダイヤモンド結晶において、欠陥（空孔）（Ｖ）および不純物としての窒素（Ｎ）によってカラーセンタ（つまり、ＮＶセンタ）が形成される。ダイヤモンド結晶内の欠陥（空孔）（Ｖ）に対して、隣接する窒素（Ｎ）の取り得る位置（つまり空孔と窒素との対の配列方向）は４種類あり、それらの位置（つまり、４つの配列方向）のそれぞれに対応するゼーマン分裂後のサブ準位（つまり、基底からのエネルギー準位）が互いに異なる。したがって、図３に示すように、マイクロ波の周波数に対する静磁場によるゼーマン分裂後の蛍光強度の特性において、それぞれの向きｉに対応して、互いに異なるディップ周波数対（ｆｉ＋，ｆｉ－）が現れる。このように、静磁場Ｂｏに起因して、上述の４つの向き（配列方向）ｉに対応して、４つのディップ周波数対（ｆｉ＋，ｆｉ－）がそれぞれ個別的に現れる。

図４は、図１における磁場伝達部４によって磁気共鳴部材１に印加される磁場の方向を説明する図である。

磁場伝達部４は、互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、その複数の測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場（磁場伝達部４によって測定位置から伝達された磁場）を、結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から、それぞれ磁気共鳴部材１に印加する。

例えば図４に示す場合、４つの測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場Ｂｔ１，Ｂｔ２，Ｂｔ３，Ｂｔ４が、結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向（第１軸、第２軸、第３軸、および第４軸の方向）から、それぞれ磁気共鳴部材１に印加される。

また、静磁場Ｂｏが、第１軸、第２軸、第３軸および第４軸のそれぞれに対して異なる角度を有する方向に沿って、磁気共鳴部材１に印加される。これにより、静磁場Ｂｏが第１軸、第２軸、第３軸及び第４軸に沿って不均等に（すなわち、方向が異なり、強度も異なるように）分解される。このとき、静磁場Ｂｏは第１軸、第２軸、第３軸および第４軸のそれぞれの成分Ｂｏ１，Ｂｏ２，Ｂｏ３，Ｂｏ４に分解され、各軸に沿って、その軸の成分の静磁場Ｂｏ１，Ｂｏ２，Ｂｏ３，Ｂｏ４が磁気共鳴部材１に印加される。このとき、｜Ｂｏ１｜＜｜Ｂｏ２｜＜｜Ｂｏ３｜＜｜Ｂｏ４｜の関係が成り立つ。

また、図４では、静磁場発生部３が１つの部材として描いているが、この限りではない。つまり、静磁場発生部３は複数の部材により構成されてもよい。例えば、後述のように、４つの軸のそれぞれに沿ってコイルあるいは磁石が配置されてもよい。その場合、その４つコイルあるいは磁石で異なる大きさの磁場を発生させれば、上述のように、４つの軸に沿って異なる方向、異なる大きさの静磁場を形成できる。

また、図４に示すように、磁場伝達部４は４つの軸（４チャンネル）を同時に利用してもよいが、そのうちの一部、例えば、３つの軸（３チャンネル）、或いは２つの軸（２チャンネル）を同時に利用してもよい。

また、具体的には、磁場伝達部４における被測定磁場を感受する複数の感受部位が複数の測定位置に配置され、磁場伝達部４は、その感受部位で被測定磁場を感受する。また、対応する配列方向に沿って磁気共鳴部材１に向けて印加磁場が印加されるように、磁場伝達部４における複数の印加部位が配置され固定されている。

図５は、実施の形態１における磁場伝達部４の構成を示す回路図である。

この実施の形態では、磁場伝達部４は、例えば図５に示すような、測定位置と同数のフラックストランスフォーマー４－１～４－ｎ（ここでは、ｎ＝２，３，または４）を備える。各フラックストランスフォーマー４－ｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）は、１次側コイル４１－ｉと、２次側コイル４２－ｉと、１次側コイル４１－ｉおよび２次側コイル４２－ｉを電気的に接続するケーブル４３－ｉとを備える。また、必要に応じて、フラックストランスフォーマー４－ｉは、被測定磁場が高周波である場合に反射などを抑制するマッチング部４４－ｉを備える。１次コイル４１－１～４１－３は、上述の感受部位であり、２次コイル４２－１～４２－３は、上述の印加部位である。１次側コイル４１－ｉの巻数は、１～数ターンであり、２次側コイル４２－ｉの巻数は、１次側コイル４１－ｉの巻数より多い。この実施の形態では、測定位置で感受された被測定磁場が１次側コイル４１－ｉで電気信号に変換され、その電気信号がケーブル４３－ｉを介して２次側コイル４２－ｉを導通することで、印加磁場に変換される。ケーブル４３－ｉは同軸ケーブル、リッツ線などである。

上述の４つの配列方向ｉのうちの複数の配列方向（ＮＶセンタの場合、２つ、３つ、または４つの配列方向）のそれぞれに対して、その複数の配列方向と同数の測定位置の磁場に対応する印加磁場が印加され、配列方向に固有な周波数（ディップ周波数）のマイクロ波によって、１つの磁気センサ部１０で、その複数の測定位置の磁場（強度、あるいは強度と向き）が測定される。したがって、高周波電源１２は、上述のマイクロ波の周波数を、磁気共鳴部材１の種類および配列方向に応じた周波数（つまり、配列方向に対応するディップ周波数）に設定し、その周波数でマイクロ波の電流を生成する。

このように、磁場伝達部４は、１次側コイル４１－１～４１－ｎで互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、２次側コイル４２－１～４２－ｎで印加磁場を、結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から、それぞれ磁気共鳴部材１に印加する。

なお、この実施の形態では、図４に示すように、静磁場Ｂｏｉは、複数の配列方向のうち、測定対象となっている配列方向に沿って、印加磁場Ｂｔｉ（ｉ＝１，２，３）とともに磁気共鳴部材１に印加される。また、静磁場Ｂｏｉは、例えば、２次側コイル４２－ｉと同じ軸において別のコイルで印加されてもよい。その場合、構造が簡素になる利点がある。

図６は、図１に示す磁場測定装置における静磁場Ｂｏ印加時の、蛍光強度変化の増強について説明する図である。例えば図４に示すように配列方向に沿って静磁場Ｂｏが印加される場合、例えば図６に示すように、その配列方向に対応するディップ周波数での蛍光強度変化が増強され、感度が高くなる。

なお、同様な複数の向きｉを有する他のカラーセンタを、ＮＶセンタの代わりに上述の特定カラーセンタとして使用することができる。

また、この実施の形態では、磁気センサ部１０は、磁気共鳴部材１から、上述の印加磁場に対応する物理的事象（ここでは蛍光）を検出する検出装置として、照射装置５および受光装置６を備える。照射装置５は、光検出磁気共鳴部材としての磁気共鳴部材１に光（所定波長の励起光と所定波長の測定光）を照射する。受光装置６は、測定光の照射時において磁気共鳴部材１から発せられる蛍光を検出する。図７は、図１に示す磁場測定装置の光学系の一例を示す図である。磁気共鳴部材１として光検出磁気共鳴部材が使用される場合、例えば図７に示すような光学系が使用される。この光学系では、支持部材１ａが、１対の複合放物面型集光器（ＣＰＣ）を備える。この１対のＣＰＣにおいて、２つのＣＰＣの大口径端面が互いに接合しており、一方のＣＰＣの小口径端面から入射する光（つまり、カラーセンタの発する蛍光）が、他方のＣＰＣの小口径端面から出射する。磁気共鳴部材１のカラーセンタで発生する蛍光は、このように支持部材１ａを通過して受光装置６に入射する。また、照射装置５からの励起光および測定光は、支持部材１ａを通過して、磁気共鳴部材１に照射される。なお、例えば図７に示すように、磁気共鳴部材１の周囲に反射部材１ｂを配置し、励起光および測定光を反射部材１ｂで反射させて特定の光路で、所定回数だけ、励起光および測定光を磁気共鳴部材１に通過させるようにしてもよい。

なお、この物理的事象は、ここでは光学的に検出されるが、電気特性の変化（磁気共鳴部材１の抵抗値の変化など）であってもよく、電気的に検出されてもよい。

図１に戻り、演算処理装置１１は、例えばコンピュータを備え、プログラムをコンピュータで実行して、各種処理部として動作する。この実施の形態では、演算処理装置１１は、検出された光学的あるいは電気的な信号データを図示せぬ記憶装置（メモリーなど）に保存し、測定制御部２１および演算部２２として制御および演算動作を行う。

測定制御部２１は、高周波電源１２を制御し、上述の検出装置（ここでは、照射装置５および受光装置６）により検出された、上述の複数の測定位置に対応する物理的事象（ここでは蛍光の強度）の検出値を特定する。

この実施の形態では、測定制御部２１は、ＯＤＭＲに基づき、所定の測定シーケンスに従って高周波電源１２および照射装置５を制御し、受光装置６により検出された蛍光の検出光量を特定する。例えば、照射装置５は、レーザーダイオードなどを光源として備え、受光装置６は、フォトダイオードなどを受光素子として備え、測定制御部２１は、受光素子の出力信号に対して増幅などを行って得られる受光装置６の出力信号に基づいて、上述の検出光量を特定する。

演算部２２は、測定制御部２１によって得られ、記憶装置に保存されていた検出値に基づいて上述の複数の測定位置での被測定磁場を演算する

また、この実施の形態では、測定制御部２１は、（ａ）所定の測定シーケンスで高周波電源１２および照射装置５を制御して、上述の複数の測定位置のうちの１つに対応する物理的事象の検出値を特定し、（ｂ）上述の複数の測定位置と同数の測定シーケンスを順番に実行して、上述の複数の測定位置に対応する物理的事象の検出値を特定する。その際、測定制御部２１は、高周波電源１２のマイクロ波周波数（高周波磁場発生器２に導通させる電流の周波数）を、その測定位置に対応する周波数（つまり、その測定位置に対応する印加磁場が印加される配列方向に対応するディップ周波数）に設定する。

この実施の形態では、この測定シーケンスは、被測定磁場の周波数などに従って設定される。例えば、被測定磁場が直流磁場、比較的低速で単調増加する磁場、または比較的低速で単調減衰する磁場である場合には、この測定シーケンスには、ラムゼイパルスシーケンスが適用され、被測定磁場が比較的高周波数の交流磁場である場合には、この測定シーケンスには、スピンエコーパルスシーケンス（ハーンエコーシーケンスなど）が適用される。ただし、測定シーケンスは、これに限定されるものではない。

例えば、被測定磁場が比較的低周波数の交流磁場である場合、被測定磁場の１周期において、複数回、ラムゼイパルスシーケンス（つまり、直流磁場の測定シーケンス）で、磁場測定を行い、それらの磁場測定の結果に基づいて、被測定磁場（強度、波形など）を特定するようにしてもよい。

図８は、図１に示す磁場測定装置において、ラムゼイパルスシーケンスに従って実行される磁場測定について説明するタイミングチャートである。図９は、図１に示す磁場測定装置において、スピンエコーパルスシーケンスに従って実行される磁場測定について説明するタイミングチャートである。

例えば、ＮＶセンタの３つの配列方向に対応する３つの測定位置（感受部位）で磁場測定を行う場合、例えば図８または図９に示すように時分割で（あるいは所定の時間間隔で）繰り返し、対応する３つの測定シーケンスＳＱ１，ＳＱ２，ＳＱ３が実行される。図８および図９に示すように、測定シーケンスＳＱｉでは、配列方向ｉに対応したマイクロ波周波数が設定される。

なお、図９に示すように、所定周期（図９では１周期）おきに（図９における波形の斜線部について）、被測定磁場の測定が行われる。なお、第１π／２パルスとπパルスとの時間間隔およびπパルスと第２π／２パルスとの時間間隔を短くして光学的操作を含めて、１つの測定シーケンスＳＱｉが被測定磁場の１周期以内に完了するようにして、連続する周期で順番に被測定磁場の測定が行われるようにしてもよい。

この実施の形態では、磁気センサ部１０が走査され、上述の複数の測定位置を移動させつつ、走査経路上の複数位置で磁場測定が行われる。

図１０は、図１に示す磁気センサ部１０の走査について説明する斜視図である。測定制御部２１は、図示せぬスライダーなどといった駆動装置を制御し、検査対象物体１００の表面の２次元方向（Ｘ方向およびＹ方向）において、例えば図１０に示すように、平面状の測定領域１１１上で、磁気センサ部１０における磁場伝達部４の１次側（被測定磁場を感受する感受部位、ここでは、１次コイル４１－１～４１－３）を走査させて各フラックストランスフォーマー４－ｉの１次側コイル４１－ｉの測定位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を移動させ、走査経路上の所定の複数の位置において、磁気センサ部１０を使用した磁場測定を実行する。なお、磁気センサ部１０の走査経路のパターンは、図１０に示すものに限定されるものではない。

なお、磁気センサ部１０を走査せずに、固定された上述の複数の測定位置で磁場測定を行うようにしてもよい。

また、磁気センサ部１０における磁気共鳴部材１の周辺には磁気シールドが設けられ、検査対象物体１００側の磁界（例えば検査対象物体１００に印加される磁界）が磁気共鳴部材１に直接印加されないようになっている。

次に、実施の形態１に係る磁場測定装置の動作について説明する。

検査対象物体１００などの複数の測定位置に磁場伝達部４の複数の感受部位が配置されるように、磁気センサ部１０が配置される。

次に、測定制御部２１は、複数の測定位置について、例えば図８または図９に示すように、順番に、高周波磁場発生器２で印加されるマイクロ波の周波数および静磁場の印加方向を測定位置に対応させて設定し、上述の測定シーケンスＳＱｉを実行し、磁気共鳴部材１の物理的事象の検出値（ここでは蛍光強度）を磁気センサ部１０から取得し、演算部２２は、その検出値に基づいて、その複数の測定位置の磁場（強度、向きなど）を特定する。

これにより、１つの磁気センサ部１０（つまり、１つの磁気共鳴部材１）によって、複数の測定位置の磁場が測定される。

そして、磁気センサ部１０を走査する場合には、測定制御部２１は、所定の走査経路パターンに沿って磁気センサ部１０を移動させて、走査経路上の次の複数の測定位置に、感受部位を配置し、同様に、上述の測定シーケンスＳＱｉを実行し、磁気共鳴部材１の物理的事象の検出値（ここでは蛍光強度）を磁気センサ部１０から取得し、演算部２２は、その検出値に基づいて、その複数の測定位置の磁場（強度、向きなど）を特定する。

一方、磁気センサ部１０を走査しない場合には、必要に応じて、次の測定タイミングで、測定制御部２１は、同じ複数の測定位置で、同様に、上述の測定シーケンスＳＱｉを実行し、磁気共鳴部材１の物理的事象の検出値（ここでは蛍光強度）を磁気センサ部１０から取得し、演算部２２は、その検出値に基づいて、その複数の測定位置の磁場（強度、向きなど）を特定する。

以上のように、上記実施の形態１によれば、磁気共鳴部材１は、結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な部材である。高周波磁場発生器２は、磁気共鳴部材１にマイクロ波の磁場を印加する。高周波電源１２は、高周波磁場発生器２にそのマイクロ波の電流を導通させる。磁場伝達部４は、互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、その複数の測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場を上述の結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に沿ってそれぞれ磁気共鳴部材１に印加する。検出装置（照射装置５および受光装置６）は、磁気共鳴部材１から、印加磁場に対応する物理的事象を検出する。測定制御部２１は、高周波電源１２を制御し、検出装置により検出された、上述の複数の測定位置に対応する物理的事象の検出値を特定する。演算部２２は、その検出値に基づいて上述の複数の測定位置での被測定磁場を演算する。

これにより、１つの磁気センサ部１０（つまり、１つの磁気共鳴部材１）で複数の測定位置の磁場測定がまとめて行われることで、１つの磁気センサ部１０が多チャンネル化される。ひいては、比較的低コストな、かつ／または測定時間の短い磁場測定装置および磁場測定方法が得られる。つまり、磁気センサ部１０が走査される場合には、複数の測定位置の磁場を一括して測定できるため、走査距離が短くなり、測定時間が短くなる。磁気センサ部１０が走査されず固定されている場合には、複数の測定位置の磁場を一括して測定できるため、磁気センサ部１０の数が少なくて済み、比較的低コストで磁場測定が実現される。

実施の形態２．

図１１は、実施の形態２に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－３の配置例について説明する斜視図である。実施の形態２では、ＮＶセンタの４つの配列方向のうち、３つの配列方向が使用される。

実施の形態２では、例えば図１１に示すように、１つの配列方向について、磁気共鳴部材１を挟むように２つの２次側コイル４２－ｉが配置され、その２つの２次側コイル４２－ｉによってその配列方向に沿って印加磁場が磁気共鳴部材１に印加される。例えば図１１に示すように、３対の２次側コイル４２－ｉが、配列方向に沿うようにして非磁性の支持部材６１に固定されており、支持部材６１は、基板６２などに固定されている。基板６２には、高周波電源１２などが実装されており、高周波磁場発生器２などが固定されている。なお、図１１において、支持部材１ａは上半分のみ描かれている。また、静磁場Ｂｏｉの発生源（図示省略）としては、別途の磁石、磁性装置またはコイルなどが挙げられ、その設置場所は磁気共鳴部材１の上方、または上下双方とされる。

なお、実施の形態２に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態３．

図１２は、実施の形態３に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－４の配置例について説明する斜視図である。実施の形態３では、ＮＶセンタの４つの配列方向のうち、４つ（すべて）の配列方向が使用される。

実施の形態３では、さらに４軸目についてのフラックストランスフォーマーが設けられており、実施の形態２と同様に、４対の２次側コイル４２－１～４２－４が、支持部材６１に固定されて、磁気共鳴部材１におけるＮＶセンタの４つの配列方向に沿って配置されている。なお、２次側コイル４２－４は、４軸目についてのフラックストランスフォーマーの２次側コイルである。また、図１２において、支持部材１ａは上半分のみ描かれている。また、静磁場Ｂｏｉの発生源（図示省略）としては、別途の磁石、磁性装置またはコイル（例えばヘルムホルツコイル）などが挙げられ、その設置場所は磁気共鳴部材１の４対の2次側コイル４２－１～４２－４の同軸方向の外側とされる。

なお、実施の形態３に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態４．

図１３は、実施の形態４に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－３の配置例（図４の例）について説明する斜視図である。実施の形態４では、各配列方向ｉにつき、１対（２つ）の２次側コイル４１－ｉが使用され、磁性体コア８１－ｉが設けられている。また、図１３に示すように、２次側コイル４１－ｉは、磁性体コア８１－ｉの端部に（つまり、ギャップに隣接して）配置される。磁性体コア８１－ｉは、１つのギャップを有するＣ形コアであって、２次側コイル４１－ｉ（具体的には、２次側コイル４１－ｉの券回されたボビン）に挿通し、２次側コイル４１－ｉの発生する印加磁場の磁路を形成する。そのギャップには、磁気共鳴部材１が配置され、２次側コイル４１－ｉの発生する印加磁場が、磁性体コア８１－ｉを介して、対応する配列方向に沿って磁気共鳴部材１に印加される。また、静磁場Ｂｏｉの発生源（図示省略）としては、別途の磁石、磁性装置またはコイルなどが挙げられ、その設置場所は磁気共鳴部材１の上方、または上下双方とされる。

なお、実施の形態４に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１～３のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態５．

図１４は、実施の形態５に係る磁場測定装置における磁場伝達部４の２次側コイル４２－１～４２－３の配置例について説明する斜視図である。実施の形態５では、各配列方向ｉにつき、１つの２次側コイル４１－ｉが使用され、磁性体コア８１－ｉが設けられている。そして、実施の形態４と同様に、磁性体コア８１－ｉは、１つのギャップを有するＣ形コアであって、２次側コイル４１－ｉ（具体的には、２次側コイル４１－ｉの券回されたボビン）に挿通し、２次側コイル４１－ｉの発生する印加磁場の磁路を形成する。そのギャップには、磁気共鳴部材１が配置され、２次側コイル４１－ｉの発生する印加磁場が、磁性体コア８１－ｉを介して、対応する配列方向に沿って磁気共鳴部材１に印加される。

なお、実施の形態５に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１～４のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態６．

実施の形態６に係る磁場測定装置では、磁場伝達部４において、フラックストランスフォーマー４－ｉの代わりに、磁路部材（磁性体コア）が使用される。実施の形態６では、その磁路部材は、複数の測定位置から磁気共鳴部材１への複数の磁路を形成する。そして、その磁路部材の一端が感受部位となり、他端が印加部位となる。

なお、実施の形態６に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１～５のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態７．

実施の形態７に係る磁場測定装置では、複数の測定位置（例えば２か所）のそれぞれにおいて、Ｘ軸方向とＹ軸方向の磁場を感受するように２つの感受部位を異なる向き（例えばＸ軸方向とＹ軸方向）で配置し、それらの測定結果をベクトル合成することで、その複数の測定位置での磁場の強度および向きの両方を特定する。

なお、実施の形態７に係る磁場測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１～６のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。

なお、上述の実施の形態１～７に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

例えば、上記実施の形態１～７では、一例として、交流磁場としての被測定磁場の波形を正弦波と仮定しているが（図９）、その代わりに、被測定交流磁場の波形は他の波形（三角波、のこぎり波、矩形波、複数の波形を合成したものなど）であってもよい。

さらに、上記実施の形態１～７において、上述の複数の測定位置（つまり、感受部位の配列）は、直線的に配置されていなくてもよい。また、上記実施の形態において、上述の複数の測定位置（つまり、感受部位の配列）は、１平面上に配列されなくてもよく、立体的に配列されていてもよい。また、上記実施の形態において、上述の複数の測定位置（つまり、感受部位の配列）は、曲線上または曲面上に沿って配列されていてもよい。

本発明は、例えば、磁場測定装置および磁場測定方法に適用可能である。

１ 磁気共鳴部材
２ 高周波磁場発生器
３ 静磁場発生部
４ 磁場伝達部
５ 照射装置（検出装置の一例の一部）
６ 受光装置（検出装置の一例の一部）
１２ 高周波電源
２１ 測定制御部
２２ 演算部

Claims (5)

1. 結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、
   前記磁気共鳴部材にマイクロ波の磁場を印加する高周波磁場発生器と、
   前記高周波磁場発生器に前記マイクロ波の電流を導通させる高周波電源と、
   互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、前記複数の測定位置で感受した前記被測定磁場に対応する印加磁場を前記結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から、それぞれ前記磁気共鳴部材に印加する磁場伝達部と、
   前記磁気共鳴部材から、前記印加磁場に対応する物理的事象を検出する検出装置と、
   前記高周波電源を制御し、前記検出装置により検出された、前記複数の測定位置に対応する前記物理的事象の検出値を特定する測定制御部と、
   前記検出値に基づいて前記複数の測定位置での前記被測定磁場を演算する演算部と、
   を備えることを特徴とする磁場測定装置。
2. 前記測定制御部は、（ａ）所定の測定シーケンスで前記高周波電源を制御して、前記複数の測定位置のうちの１つに対応する前記物理的事象の検出値を特定し、（ｂ）前記複数の測定位置と同数の前記測定シーケンスを順番に実行して、前記複数の測定位置に対応する前記物理的事象の検出値を特定することを特徴とする請求項１記載の磁場測定装置。
3. 前記測定制御部は、前記測定シーケンスにおいて、前記高周波電源の電流の周波数を、前記測定位置に対応する周波数とすることを特徴とする請求項２記載の磁場測定装置。
4. 前記磁場伝達部は、１次側コイルおよび２次側コイルを備えたフラックストランスフォーマーであり、前記１次側コイルで互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、前記２次側コイルで前記印加磁場を前記結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から前記磁気共鳴部材に印加することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の磁場測定装置。
5. 磁場伝達部で、（ａ）互いに異なる複数の測定位置で被測定磁場を感受し、（ｂ）前記複数の測定位置で感受した前記被測定磁場に対応する印加磁場を、結晶構造を有し結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じて異なる周波数のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に、前記結晶格子における欠陥および不純物の複数の配列方向に対応する互いに異なる方向から印加するステップと、
   前記磁気共鳴部材から前記印加磁場に対応する物理的事象を検出し、前記複数の測定位置に対応する前記物理的事象の検出値を特定するステップと、
   前記検出値に基づいて前記複数の測定位置での前記被測定磁場を演算するステップと、
   を備えることを特徴とする磁場測定方法。

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