JPS63191981A - 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１ｍ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〕

まず、第３図及び第４図によって、従来のヘリウム周波
数追尾型磁気共鳴磁力計について簡単に説明する。

第４図において、（１）はヘリウムランプ、（２）はレ
ンズ、（３）は円偏光板、（４）は吸収セル、（５）は
光検知器、（６１は増幅器、（７１は位相検波器、（８
）は電圧制御発振器、（９）はバッファ抵抗器、　ａＬ
ＩはＲＦ’コイル。

ＨＤは靜磁界、Ｈｌけ高周波磁界、Ｌは光軸である。

この光磁気共鳴磁力計においてはヘリウムランプ（１１
から出た光はレンズ（２）によって平行光線にされ。

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）を透過した光は光検知器（
５）で電気信号に変換され、ついで増幅器（６）で増幅
さｈた後２位相検波器（７１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（８）
が駆動され、その出力がバッファ抵抗器（９１ｆ介して
ＲＦコイルαＧに流れ、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（４１には励起状態でのライフタイム
（Ｌｉｆｅ　Ｔｉｍｅ）が非常に短１／＞Ｈ６原子が封
入されているとする。

このヘリウム原子の運かを第５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（４１には
あらかじめ数１０ＭＨ２の弱い高鳩波電界が加えられて
おシ、高周波励起によってヘリウム原子のエネルギーは
２Ｓ１の進安定状態にある。

この単安定状態のへ１１ウム原子はヘリウムランプ（１
）から波長１．０８μの光（：ｏ□−Ｄ２）が照射され
ているので、これ？吸収して励起状態の２Ｐ０１　□の
エネルギーを持つようにな゛るが、励起状態の寿命は短
く、約１０　秒でエネルギーを失って再び２３Ｓ１の準
安定状態にもどる。また、第４図に示す系が静磁界中に
ある場合には吸収セル（４１中のヘリウム原子は原子自
身の持つ磁気モーメントが靜磁界の力を受けて静磁界の
まわシをラーモアの才差運ｐと呼ばれる回転連動を行う
のでエネルギーに変位を生じ、第５図に示す複数のゼー
マンサブレベル（Ｚｅθｍａｎ、　５ｕｂｌｅｖｅｌ　
）が生じる。コノヨうな靜磁界による原子エネルギーの
変化をゼーマン効果、ｆ几原子の磁気モーメントの７差
運動の周波数をラーモア周波数といい、いずれも靜磁界
の強さに比例している。

そこで靜磁界中のヘリウム原子に静磁界に平行方向から
ヘリウムランプ（１１の発する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。

ヘリウム原子は光を吸収して励起状態２ＰＬｌ、１．２
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ルギーを侍つ
ようになる。この後短時間でエネルギーを失って準安定
状態２Ｓ１のエネルギーにもどるがこのときはゼーマン
サブレベルの選択性は保存され、２Ｓ１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２６８１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
ラーモア周波数の高周波磁界を静磁界に直角方向に加え
ると、高周波磁界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。つまりヘリウム原子は単安定状態２　Ｓｌの
３本のゼーマンサブレベルにそれぞれほぼ等しい数の原
子が分布する初期状態にもどるわけである。

以上のプロセス、即ちヘリウム原子の２８１→２３Ｐ（
１１２→２Ｓ１のエネルギー変化は１．０８μの光が継
続して照射されているので高周波磁界の周波数がラーモ
ア周波数、すなわち、磁気共鳴周波数に一致する毎に〈
シ返される。第４図の系は靜磁界に平行方向の光が上記
のプロセスの間［ａ収され、その結果吸収セルを透過す
る光が減少すること全利用して常に高周波磁界の周波数
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と原子の定数及び靜磁界の間に（１
１式の関係が成立する。

ω＝ω　＝＝ｒＩ（ｏ　　　　　　　　　　　・・・（
１）ω：高周波磁界の角周波数 ω。：原子のラーモア周波数 γ：原子の磁気回転比（定数） Ｈｏ：静磁界の強さ このようにして第４図の系は靜磁界の強さＨ６に比例し
たラーモア周波数にロックオン（Ｌｏｃｋ−ｏｎ）　ｌ
、、　　このときの高周波磁界の周波数、即ち電圧制御
発振器（８）の発振局波数はラーモア周波に一致してい
るのでこれを計測すれば靜磁界の強さＨ８を正確に測定
することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この従来の光磁気共鳴磁力計は極めて高感度で。

微小な磁界変動を測定できるほか、胸囲磁界の全磁力を
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、従来の光磁気共鳴磁力計を動揺する状
態で筐用する場合には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
計の測定値も変化する欠点があった。

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
ことがあげられる。高１聞波磁界Ｈ１のうち磁気共鳴に
有効なのは靜磁界■。に直角方向の成分であるから、第
４図の系を立体的に描いた第６図の系において、高周波
磁界の有効成分Ｈは、水平面に対する静磁界Ｈ８の傾き
をφ。

ｅ 水平面内で静磁界Ｈ８と高周波磁界Ｈ１のなす角をθと
すると第（２１式で表わこれる。

第７図及び第８図は角度φ及びθの変化に対する高周波
磁界の有効成分Ｈ１ｅの変化を示すものであ先革４図の
磁力計を動揺させると高周波磁界の有効成分Ｈ１ｏの変
化に応じ几測定値の変化が発生することが予想できる。

第９図及び第１０図は実際に地磁気を測定しながらヘリ
ウム光磁気共鳴磁力計の姿勢を変化させて得た測定値の
変化を示すものであシ、第Ｔ図及び第８図の高周波磁界
の有効成分の変化に良く対厄しており、しかも高周波磁
界の有効成分の増加に伴って測定値は減少することがわ
かっている。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、磁力計が動揺しても高周波磁界の有効成分Ｈ
１ｏ′ｌｒ一定に保つ手段全付加し、磁力計の測定値の
変動を防止することを目的とする。

Ｃ問題点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、光磁気共鳴磁力計
に高周波磁界Ｈ４を印加するための、互に直交する３対
のＲＦコイル、ホール素子で構成した３軸磁気センサ、
３軸磁気センサの出力を実時間で所要の変換・演算をす
るマイクロコンピュータ及びマイクロコンビに一夕の出
方を基に、３対のＲＦコイルに流す高周波電流゛の強さ
を制御する３個の利得制御増幅器を備えたものである。

〔作用〕

この発明に卦ける３軸磁気センサは、光磁気共鳴磁力計
の３対のＲＦコイルと同じ３軸方向に固定書れ、靜磁界
Ｈ８の３軸方向成分を測定する。

さらにマイクロコンピュータは、３軸磁気センサの測定
値を基として、高周波磁界Ｈ１を常に静磁界Ｈ６に直交
させ、しかも一定値に保つように３対のＲＦコイルに流
す高周波ｉｉＥ流の比重を実時間で演算する。

利得制御増幅器は、マイクロコンピュータの出力する比
率に従って３対のＲＦコイルに流す電流を制御する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図であり、員は
３対のＲＦコイル、α９は３軸磁気センサ。

α２けマイクロコンピュータ、ａｌｕ３個の利得制御増
幅器である。

この系においては、ヘリウムランプ（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）を透過した光は、光検知器（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
１位相検波器（７１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１８）が駆動さ
れ、上記誤差信号の電圧に比例した周波数の高周波電圧
を生じる。ここまでは第３図の従来の技術と同じである
。この後、上記高周波電圧は３個の利得ｆｌｉｌｌ＠増
幅器α３に込られる。利得制御増幅器０からは、３軸磁
気センサ（Ｌｌｌの出力を基に所要の変換を行ったマイ
クロコンピュータａｚ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。この出
力はバッファ抵抗器（９）を介して夫々、３組のＲＦコ
イル（１１に流れ高周波磁界が発生して、吸収セル（４
）に印加される。

ここで、第１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Ｈ８に直交方向に印加し、又２強さ
を一定値Ｈ１に制御する方法を第２図及び第３図によっ
て説明する。なお、第２図中、この発明に関連しなめ構
成品については省略しである。

まず、第２図において３軸磁気七ンサα９は静磁界Ｈ８
のＸ、Ｙ、Ｚ方向成分の強さを測定し、それを直流電圧
ＶＸ　＋　Ｖ　Ｙ　Ｉ　Ｖｚとして出力する。但し、に
は変換に係る比例定数である。

ｖｘ　”　ｋ”　ＯＣＱ！φ蜘θ　　　　　　　　　・
、　（３１ｖ　＝ｋＨｏａｓφ可θ　　　　　　　　　
、＋、　（４！ｖ　＝ｋＨｏｓｋ１φ　　　　　　　　
　　　・（５１欠いてマイクロコンピュータα２は次の
演算を行い−ｖＸＩ　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。

Ｈｏ”ｋ５りｑ　　　　・・・（６１ ■Ｚ＝呂畷／Ｈ０：につφ　　−、＋７、次いで利得制
御増幅器０は電圧制御発振器（８）から送られる高周波
電圧Ｖ（Ｈ’、）？夫々ｖＸ”Ｙｌ　ｖＺに比例した電
圧に制御してバッファ抵抗器（９１に出力し、高笥波電
流がＲＦコイルα０に流れ、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方向成分は
。

バッファ抵抗器（９）の抵抗値を適当な値に設定し。

又、Ｙ軸方向のＲＦコイルα１の巻方向を、Ｘ、Ｚ軸と
は反対口シにすることによｐ、　第（７１〜（９）式か
ら。

Ｈ１ｘ＝Ｈ４虐φ地θ　　　　　　　　　０１．ａυＨ
＝−Ｈｓｌｎφ烏θ　　　　　　　　　　・・・ａυＩ
Ｙ　　　　　　Ｉ Ｈ１ｚ　”　Ｈ１１１ｓφ　　　　　　　　　　　−ａ
’ａを得る。

こうして、第３図に示すように　ＨＩ　Ｘ　Ｊ　ＨＩ　
Ｙ　’Ｈ１□の合成で作られる高周波磁界１（１は角度
φ及びθが変動しても、常に靜磁界Ｈ８Ｋ直交しておシ
、高周波磁界Ｈ４の絶対値も又、第α３式に示すように
一定である。

Ｈ１＝Ｗ−可Ｈ，７＝Ｈ１・ＩＪ’Ｌ このようにして吸収セル卯には３対のＲＦコイルαＧ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マイクロコンピュータα２からの
制御電圧によって変化させるので、第１図の光磁気共鳴
磁力計が動揺した場合にも１合成された高周波磁界の強
さを一定値Ｈ１に。

方向を静磁界Ｈ８Ｋ直交方向に制御することができる。

なお上記実ｈ９１１は３軸磁気センサとしてホール素子
を用いたが、光磁気共鳴磁力計に対する静磁界の方向を
仰ることができればよいのであって。

フラックスゲート磁力計等の磁界のベクトル成分を測定
できる装置であればよく、ホール素子に限定されるもの
ではない。

又、３軸磁気センサの出力から、所要の制御電圧を得る
ためにマイクロコンピュータを使用したが、第（６）〜
（９）式の変換計算ができればよいのであって、アナロ
グ集積回路による乗算器、除算器。

加算器等の組合せ使用によってもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたごとぐ、この発明によれば、光磁気共鳴磁力
計に印加する蔦ｌＩ！ｄ波磁界Ｈ１の強さ及び方向′？
−静磁界Ｈ６に対して一定に保つことができるため、光
磁気共鳴磁力計の動揺等に伴う測定値の変化を従来のも
のに比べて大幅に減少でき、動揺等を伴う用途において
も光磁気共鳴磁力計の高感度性を損うことなく、磁界を
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光磁気共鳴磁力計の一実施例を示す
構成図、第２図及び第３図は第１図の磁力計の動作″ｆ
説明するための説明図、第４図は従来のヘリウム光磁気
共鳴磁力計の構成を示す図。 第５図はヘリウム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６図は第４図の磁力計の特
性を説明するための立体図、第７図及び第８図は従来の
磁力計の高周波磁界の有効成分の変化を示す図、第９図
及び第１０図は従来の磁力計の姿勢変化に伴う濁定位の
変化を示す図であるＯ 図中（１）はヘリウムランプ、（２）はレンズ、（３１
は円偏光板、（４）は吸収セル、（５）は光検知器、（
６）は増幅器、（７１は位相検波器、（８１は電圧制御
発振器、（９）はバッファ抵抗器、α０けＲＩＩ’コイ
ル、αＤは３軸磁気センサ、α２はマイクロコンピュー
タ、αｊは利得Ｓ＋御増幅器である。 なお１図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示しである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁気共鳴の光学的検出に役立つゼーマンサブレベルを有
   する物質を内蔵した吸収セルと、上記吸収セルにラーモ
   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
   ためのＲＦコイルと、上記吸収セルにおける磁気共鳴の
   結果生じる光線の吸収を検出し、電気信号に変換する光
   検知器と、上記光検知器の電気信号を増幅する増幅器と
   、上記増幅器の出力を位相検波し、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、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
   圧制御発振器と、上記高周波電圧を電流に変換してＲＦ
   コイルに印加し、高周波磁界を発生させるバツファ抵抗
   器とからなる光磁気共鳴磁力計において、光磁気共鳴磁
   力計に互に直交する３対のＲＦコイルを備えると共に、
   上記３対のＲＦコイルの方向に一致するように３軸磁気
   センサを付加し、測定しようとする磁界の方向に常に直
   交し、一定の強さの高周波磁界を光磁気共鳴磁力計に印
   加する手段を設けたことを特徴とする光磁気共鳴磁力計
   。