JPH01199181A - 光磁気共鳴磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は海中の沈没船、潜水艦の存在を探知する光磁
気共鳴磁力計に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図は従来の光磁気共鳴磁力計の一実施例を示す構成
図、第３図は第２図における光磁気共鳴に関する構成品
部を立体的に示した図である。図中、この発明に関連し
ない構成品については省略しである。第２図において、
（１）は光源ランプ、（２）はレンズ、（３）は円偏光
板、（４）は吸収セル、（５）は光検出器、（６）は増
幅器、（８）は位相検波器、（９）は電圧制御発振器、
　Ｑ（ｌはＲＦコイル、ルは静磁界、Ｈｔは高周波磁界
、α勾は光軸である。光源ランプ（１）は直径が約ｌｏ
ｇの球で主ガスとして気体ヘリウムを、イグニッション
ガスとして微量のクリプトンガスを封入しである。光源
ランプ（１）から出た光はレンズ（２）によって平行光
線にされ２円偏光板（３）で円偏光に変えられて吸収セ
ル（４）に照射される。吸収セル（４）は約φ４０ｍＸ
４０１１１で主ガスとして気体ヘリウム。

イグニッションガスとして微量のキセノンガスを封入し
である。吸収セル（４）を透過した光は有効径が約３８
１１１のＳｉ半導体系の光検出器（５）で電気信号に変
換され、ついで増幅器（６）で増幅された後９位相検波
器（８）で位相検波されて、ある誤差信号を生じる。こ
の誤差信号で電圧制御発振器（９）が駆動され、その出
力がＲＦコイルＱＧに帰還され高周波磁界Ｈ１が発生し
て吸収セル（４）に印加される。

ここで、吸収セル（４）に励起状態でのライフ・タイム
（Ｌｉｆｅ　Ｔｉｍｅ）が非常に短いＨｅ’原子が封入
されている場合について上記の光磁気共鳴磁力計の動作
について簡単に説明する。Ｈｅ’原子の運動を第４図に
示す関連エネルギーレベル図を使って説明する。まず、
吸収セル（４）にはあらかじめ約５０Ｍ−の弱い高周波
電界が加えられてお先高周波励起によってＨｅ’原子の
エネルギーは２３Ｓ１の準安定状態にある。この準安定
状態のＨｅ’原子は光源ランプ（１）からの波長１．０
８μの光（Ｄｌｌ〜Ｄ、スペクトルと称される）が照射
されているので、これを吸収して励起状態の２”Ｐ、　
１．のエネルギーをもつようになるが、励起状態の寿命
が約１Ｏ−８秒と短いためにこのエネルギーを失って再
び２３Ｓ１の準安定状態に戻る。また、第２図に示す系
が静磁界中にある場合には吸収セル（４）中のＨｅ’原
子は原子自身の持つ磁気モーメントが静磁界Ｈ０の力を
受けて静磁界Ｈ０のまわシをラーモアの１差運動と呼ば
れる回転運動を行うのでエネルギーに変化を生じ、第４
図に示す複数のゼーマン・サブレベル（Ｚｅｅｍａｎ　
５ｕｂｌｅ−ｖｅｌ）が生じる。このような静磁界Ｈ６
による原子エネルギーの変化をゼーマン効果、また原子
の磁気モーメントの１差運動の周波数をラーモア周波数
と称し、いずれも静磁界Ｈ０の強さに比例している。

そこで静磁界中のＨｅ’原子に静磁界Ｈ０に平行な方向
から光源ランプ（１）の発する波長１．０８μの光を円
偏光板（３）によって円偏光にして照射すると、　Ｈｅ
’原子は上記光を吸収して励起状態２”Ｐ、　、　、の
エネルギーを持つようになるが、この際に円偏光の効果
によって、パウリの選択側が適用されるため励起状態内
でゼーマン・サブレベルの選択が行われ。

ある特定のゼーマン・サブレベルのエネｋｄｆ−を持つ
ようになる。この後約ｌθ″″８秒でエネルギーを失っ
て準安定状態２１Ｓ１のエネルギーに戻るが、このとき
は原子は自然輻射のふるまいをするので２８８１のゼー
マン・サブレベル内でゼーマン・サブレベル毎に原子の
数が異なる偏分布ができる。この偏分布状態に２８８．
のゼーマン・サブレベル間のエネルギー差に等しいエネ
ルギーを持つ電磁波。

すなわち２−モア周波数の高周波磁界Ｈ０を静磁界Ｈ０
に直角方向に加えると、高周波磁界Ｈ１と原子の磁気モ
ーメントの間で磁気共鳴が生じてエネルギーの交換が起
シ、上記の偏分布は解消される。つま、ｊ）、Ｈｅ’原
子は準安定状態２３Ｓ１の３本のゼーマン・サブレベル
に夫々等しい数の原子が分布する初期状態に戻るわけで
ある。以上のプロセス、すなわちＨｅ’原子（Ｄ　２”
Ｓｌ−＋　２”Ｐ６１　！　→２”８１Ｏエネルギー変
化は１．０８−の光が継続して照射されているので高周
波磁界Ｈ１の周波数がラーモア周波数すなわち磁気共鳴
周波数に一致する毎に繰シ返される。

第２図の系は静磁界Ｈ０に平行な方向の光が上記のプロ
セスの間に吸収されて、その結果吸収セル（４）を透過
する光が減少することを利用して常に高周波磁界Ｈ１の
周波数をラーモア周波数に一致するよう制御するもので
ある。このとき、高周波磁界Ｈ８と原子の定数及び静磁
界ルの間に（１１式の関係が成立する。

ωコω・＝７Ｈ・°・・・・°・・°・°・°・°°・
・°・・°°°・°゛・１ｌｌω　：高周波磁界の角周
波数 ω、：原子のラーモア周波数 ｒ　：原子の磁気回転比（定数） ル：静磁界の強さ このようにして第　図の系は静磁界の強さルに比例した
ラーモア周波数にロック・オン（Ｌｏｃｋ−ｏｎ）し、
このときの高周波磁界の周波数、すなわち電圧制御発振
器（９）の発振周波数はラーモア周波数に一致している
ので、これを計測すれば静磁界の強さルを測定すること
ができる。Ｈｅ’原子の場合。

２．８　Ｍ＆１０ｅの関係がある。

上述した光磁気共鳴磁力計は極めて高感度で微少な磁界
変動を測定できるｔｌか１周囲磁界の全磁力を連続して
測定できる等の数多くの特長を持つものである。しかし
ながら、この光磁気共鳴磁力計を航空機等に搭載して使
用する場合、被計測磁界が変動しないにもかかわらず、
上記のラーモア周波数がわずかに変化し磁力計の測定値
に誤差を生ずる欠点がある。この原因の１つとして磁力
計の姿勢変化によって吸収セル（４）に印加される高周
波磁界の有効成分の強さが変化することがあけられる。

高周波磁界Ｈ８のうち磁気共鳴に有効な成分は静磁界ル
に直角方向の成分であるから、第３図において、高周波
磁界Ｈ１の有効成分Ｈ１ｅは、水平面に対する静磁界賜
の傾きをφ、水平面内で静磁界ルと高周波磁界Ｈ８のな
す角を０とすると第（２）式％式％ 第５図及び第６図は角度φ及び角度０の変化に対する高
周波磁界の有効成分Ｈ１ｅの変化を示したものである。

第７図及び第８図は第２図の磁力計を実際に地磁気を測
定しながらその姿勢を変化させて得た測定値の変化を示
すものでアシ、第５図及び第６図の高周波磁界の有効成
分Ｈ１ｅの変化に良く対応しておシ、シかも高周波磁界
の有効成分Ｈ１ｅの増加に伴って測定値が減少すること
もわかっている。第９図は上述した問題を解決する従来
の光磁気共鳴磁力計の他の一実施例の構成図であ！り、
（７）は加算器、ａυは３軸磁気センサ、Ｃ２は演算器
、Ｃ３は利得制御増幅器、Ｃ１５１は高周波励起器、（
１Ｇ＋は高周波電力線、匝は電極である。光源ランプ（
１；の形状はφ８１１１Ｘ５０ｓｗであシ、第２図で説
明したと同じガスが封入されている。

高周波励起器Ｑ５１は約５０Ｍ＆の高周波電力を発生し
、その電力は高周波電力線αｅで電極αでへ送られ。

光源ランプ（υを励起放電する。上記高周波励起器α９
はそれが発生する磁気雑音が、系に影響しないように吸
収セル（４）から約８０ｃＩＬ以上離して設置されてい
る。

第４図で説明したようにＨｅ’の準安定状態２１Ｓ。

に原子偏分布が生ずるので円偏光板（３）に右廻シの極
性の円偏光板（＃＋）を用いるとその光磁気共鳴曲線は
第１Ｏ図でＣの曲線で示したように共鳴黒人を中心にし
た非対称な曲線となシ、前記φ及び−の値の変化によっ
て上記共鳴黒人が微少に変位することもわかっているの
で、ここでは２つめ吸収セル（４）に対して一方は右廻
シ円偏光板（＃”）、他方は左廻シ円偏光板（＃−共鳴
点Ｂ）に対応させて。

それぞれの光磁気共鳴曲線に対応する信号を加算器（７
）でたし合わせて、この系が第１０図に示した共鳴点Ｃ
（’）にロック・オン（Ｌｏｃｋ−ｏｎ）させるように
しである。電圧制御発振器（９）からの誤差信号の電圧
に比例した周波数の高周波電圧は６個の利得制御増幅器
０に送られる。利得制御増幅器αＪからは。

３軸磁気センサ仙の出力を基に所要の変換を行なった演
算器＠からの制御電圧に従って、上記制御電圧に比例し
た高周波電圧が夫々出力される。これらの出力は夫々計
６対のＲＦコイル叫に帰還されて高周波磁界が発生して
各３対のＲＦコイル叫が夫々に対応する吸収セル（４）
に印加される。ここで。

第９図の光磁気共鳴磁力計が動揺しても、高周波磁界を
常に静磁界ルに直交方向に印加し、また。

強さを一定値Ｈ１に制御する方法を第１１図及び第１２
図によって説明する。なお、第１１図においてこの発明
に関連しない構成品については省略しである。

まず、第１１図において、３軸磁気センサＱｌｌは均一
な特性を有する３個のホール素子で静磁界式のＸ。

Ｙ、Ｚ方向成分の強さを測定し、それらを下記に示す直
流電圧Ｕｘ、　Ｕｙ、　Ｕｚとして出力する。ただし。

ｋは変換に係る比例定数である。

Ｕｘ・ｋＨ，ａｍφ・８・・・・・・・・・＋３１Ｕｙ
　＝　ｋＨ６■φ・備θ・・・・・・・・・・・（４１
Ｕｚ　ｗｍ　ｋＨ，―φ・・・・・・・・・・・・・・
　（５１ついで、演算器０は次の演算を行い、’　Ｖｘ
、　Ｖｙ、　Ｖｚを３個の利得制御増幅器ａ３の制御電
圧として出力する。

Ｈ＠＝ｋｕ〒ｙ・・・・・・・・・＋６１Ｖｚ　・Ｅｊ
；”’；’Ｔｊ；？　／Ｈ＠　・ｋ■φ　・・・・・曲
・・＋７１さらに、利得制御増幅器αＪは電圧制御発振
器（９）から送られる高周波電圧ｖ　（Ｈｌ）を夫々Ｖ
ｘ、　Ｖｙ、Ｖｚに比例した電圧に制御して夫々に対応
するＲＰコイルＱｌに帰還させて、高周波磁界Ｈ１が吸
収セル（４）に印加される。このとき、高周波磁界のｘ
、　ｙ、　ｚ方向の成分は、Ｙ軸方向のＲＦコイル（１
（ｌの巻き方向をＸ軸及びＺ軸とは反対廻シにすること
によシ、第（７）弐〜第（９）式から。

Ｈｌ　ｘ　ｗａ　Ｈｌ・φ・ｔｈｏ　・・・曲・・曲曲
曲・曲・・・　αａＨ１７”・Ｈ，―φ・ａｍ＃　　・
・・・・・曲・・曲・・・（ｉｌｌＨｌｚ・Ｈ％）ｍφ
　・・・・曲・・・・・・・・・・（１２をうる。以上
から、第１２図に示すように、　Ｈｌｘ、Ｈｌｙ。

Ｈｌｚの合成で作られる高周波磁界Ｈ１は角度φ及び角
度θが変動しても常に静磁界山に直交しておシ。

高周波磁界Ｈ，の絶対値もまた第０式に示すように一定
である。

Ｈ，＝吊ン了π７了π７＝に・・・・・・・　α３この
ようにして、吸収セル（４）には３対のＲＦコイル（１
Ｇによる高周波磁界が３軸方向に同時に印加されるが、
夫々の高周波磁界の強さを演算器圓からの制御電圧によ
って変化させるので、第９図の光磁気共鳴磁力計が動揺
した場合にも合成された高周波磁界の強さを一定値Ｈ８
に、その方向を静磁界Ｈ０に直交する方向に制御される
。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の光磁気共鳴磁力計はその感度が０．０１１（１１
−１０−’　Ｇａｕｓｓ）以上と高感度でｈりたが、光
源ランプの体積が大きいため、特に周囲温度の変化。

例えば−２０℃〜＋５５℃において安定な放電状態を維
持することは極めて困難であシ、光磁気共鳴磁力計の作
動が不安定な難点があった。また、光源ランプに高周波
電力を供給する高周波電力線からのリーク電力が、この
系の信号線に電磁干渉を与えて光磁気共鳴磁力計の作動
が不安定になる難点もあった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので作動が安定な光磁気共鳴磁力計を得ることを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光磁気共鳴磁力計は、１個の体積の小さ
いランプと２本の所要の長さを有する光ファイバーを備
えたものである。

〔作用〕

この発明における所要の長さを有する光ファイバーは吸
収セル部を中心とする光磁気共鳴針の光学系から所要の
距離にはなして設置することができる体積の小さな光源
ランプから所要のスペクトル光を上記光学系の所定の部
所に導くことができ。

光磁気共鳴磁力計の作動を安定にすることができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図で。

０秒は光ファイバーである。図において、この発明に関
連しない構成品は省略しである。光源ランプ（υはここ
では約φ８ｍｇ＋ＸＩＯ■の円筒で光学系部から約８０
ｃＩＬ離れた場所に設置されている高周波励起器−のご
く近傍にあシ、その封入ガスは第２図で説明した成分と
同じである。光フアイバーα段は上記光源ランプ（１；
からの有効なスペクトル光、つまシ波長が１．０６μｍ
の光をレンズ（２）の焦点面に導くように、この波長域
で低損失な８ｉ　（シリコン）系のファイバーで、その
コアー径は約５０＃でその外周を厚さ約０．１−のナイ
ロンで被覆してあり全長は約８５ｃｍである。その他の
構成品の機能は第９図で説明したものと同じである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば光源ランプの体積を小
さくすることによって光源ランプの放電発光の不安定さ
に起因する光磁気共鳴磁力計の作動の不安定性を解決す
ることができ、かつ、光源ランプを励起する高周波電力
を光学系部へ伝送する必要がなくなったことによシミ磁
干渉の課題も解決できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は従
来の光磁気共鳴磁力計の一実施例を示す構成図、第３図
は第２図における光磁気共鳴に関する構成品部の立体図
、第４図はＨ０４光磁気共鳴磁力計の原理を説明するた
めのエネルギー・レベル図、第５図および第６図は従来
の光磁気共鳴磁力計の高周波磁界の有効成分の変化を示
す図、第７図および第８図は従来の光磁気共鳴磁力計の
姿勢変化に伴う測定値の変化を示す図、第９図は従来の
光磁気共鳴磁力計の他の一実施例の構成図。 第１Ｏ図は光磁気共鳴曲線を示す図、第１１図および第
１２図は第９図の光磁気共鳴磁力計の動作を説明するだ
めの図である。 図中、（１）は光源ランプ、（２１はレンズ、（３）は
円偏光板、（４）は吸収セル、（５）は光検知器、（６
）は増幅器。 （７）は加算器、（８）は位相検波器、（９）は電圧制
御発掘−器、　Ｑ［）はＲＦコイル、■は３軸磁気セン
サ、ａ２は演算器、α３は利得制御増幅器、　Ｑ４）は
光軸、α９は高周波励起器、０５は高周波電力線、ａη
は電極、　ａａは光ファイバーである。 なお１図中同一あるいは相当部分は同一符号を付して示
しである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　量子遷移を起すゼーマン・サブレベルを有する物質を
   内蔵した２個の吸収セルと、上記吸収セルに所要の光線
   を平行光にして照射する１個の光源ランプと２個のレン
   ズおよび上記光源ランプと上記２個のレンズとを光学的
   に結合する２本の光ファイバと、上記吸収セルと上記レ
   ンズの間に設置する偏光特性が互いに逆極性の２枚の円
   偏光板と、上記吸収セルを透過した光線を電気信号に変
   換する２個の光検出器と、上記光検出器の出力を増幅す
   る２個の増幅器と、上記２つの増幅器の出力を加算する
   加算器と、上記各吸収セルに互いに直交してラーモア周
   波数の高周波磁界を印加して磁気共鳴を生じさせる各３
   対のＲＦコイルと、上記３対のＲＦコイルの方向に一致
   するように設置した３軸磁気センサと、上記３軸磁気セ
   ンサの出力から測定しようとする磁界の方向に常に直交
   して一定の強さの高周波磁界に相当する電圧を演算する
   演算器および６つの利得制御増幅器と、上記加算器から
   の出力を位相検波して誤差信号を発生する位相検波器と
   、上記誤差信号で発振周波数を制御してラーモア周波数
   に等しい周波数の高周波電圧を発生する電圧制御器と、
   上記高周波電圧を電流に変換してその値を上記演算器お
   よび６つの利得制御増幅器を介して上記２個の吸収セル
   に印加する各３対のＲＦコイルとを備えたことを特徴と
   する光磁気共鳴磁力計。