RU2694798C1 - Способ измерения характеристик магнитного поля - Google Patents
Способ измерения характеристик магнитного поля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694798C1 RU2694798C1 RU2018115421A RU2018115421A RU2694798C1 RU 2694798 C1 RU2694798 C1 RU 2694798C1 RU 2018115421 A RU2018115421 A RU 2018115421A RU 2018115421 A RU2018115421 A RU 2018115421A RU 2694798 C1 RU2694798 C1 RU 2694798C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- diamond
- alternating magnetic
- centers
- fluorescence signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 14
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров. Способ измерения характеристик магнитного поля заключается в том, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на который направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают по крайней мере однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. В качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. По положению единственного кросс-релаксационного резонанса в сигнале флюоресценции определяют проекцию измеряемого магнитного поля. Технический результат – упрощение способа измерения характеристик магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров.
Измерение характеристик магнитного поля является актуальной задачей для самых различных областей деятельности, от геологоразведки и археологии до биологии и медицины.
Существует большое количество различных способов измерения характеристик магнитного поля. Одним из наиболее перспективных, сочетающих высокую чувствительность и высокое пространственное разрешение, считается способ с использованием электронных спиновых систем в твердотельных образцах, например, NV-центров в алмазе, известный, в том числе, из патента US 8947080 «High sensitivity solid state magnetometer» (пункты 4, 9 формулы), МПК G01R 33/02, публ. 03.02.2015. Особенностями NV-центров (nitrogen-vacancy centers) является то, что их электронные спины могут быть поляризованы в определенном состоянии с помощью оптического излучения, в том числе при комнатной температуре, легко манипулируются микроволновым излучением, кроме того, интенсивность флюоресценции зависит от степени спиновой поляризации NV-центра. В указанном способе на электронную спиновую систему внутри твердотельного образца воздействуют оптическим излучением и некоторым внешним воздействием, которым может быть, в частности, радиочастотное излучение, а в случае NV-центров - микроволновое излучение (см. п. 4, 9 пат. US 8947080), таким образом, чтобы вызвать прецессию электронного спина NV-центров вокруг направления измеряемого магнитного поля. Измеряют частоту этой прецессии, которая линейно зависит от измеряемого магнитного поля вследствие Зеемановского сдвига уровней энергии электронной спиновой системы. По величине Зеемановского сдвига определяют характеристики измеряемого магнитного поля.
Недостатком этого способа является использование наряду с оптическим излучением внешнего управляющего воздействия, в частности, в случае NV-центров - микроволнового излучения. Источник микроволнового излучения усложняет конструкцию, использование микроволнового излучения ограничивает область применимости способа, т.к. в ряде случаев его использование может быть затруднено или может приводить к нежелательным воздействиям на объект исследования.
Существуют способы измерения магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения. В частности, известен способ, основанный на эффекте антипересечения подуровней основного состояния (А. Wickenbrock, Н. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V.M. Acosta, and D. Budker, «Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond», Applied Physics Letters, V. 109, 053505 (2016)). В этом способе на кристалл алмаза с NV-центрами направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают дополнительное постоянное магнитное поле величиной ~102,4 мТл, ориентированное вдоль оси одной из групп NV-центров, приводящее к эффекту антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, при этом измеряют сигнал флюоресценции. Измеряемое магнитное поле приводит к смещению подуровней основного состояния и нарушению условия антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, что приводит к изменению сигнала флюоресценции. Этот эффект используется для определения характеристик измеряемого магнитного поля.
Недостатком этого способа является использование сильного дополнительного постоянного магнитного поля ~102,4 мТл, что ограничивает область применимости способа теми случаями, когда использование сильных магнитных полей допустимо.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения характеристик магнитного поля, основанный на регистрации кросс-релаксационных резонансов на кривой зависимости сигнала флюоресценции NV-центров в алмазе от магнитного поля, который выбран в качестве прототипа (R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer «Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond)), Physical Review A 96, 013806 (2017)). Возникновение кросс-релаксационных резонансов связано с взаимодействием различных групп NV-центров, отличающихся ориентацией осей, при совпадении соответствующих им частот переходов между подуровнями основного состояния. Частоты переходов между подуровнями основного состояния для различных групп NV-центров по-разному зависят от магнитного поля. В общем случае указанные частоты в ненулевом магнитном поле не совпадают. Однако при некоторых магнитных полях возможно совпадение указанных частот для двух или нескольких групп NV-центров. Такое совпадение частот приводит к взаимодействию NV-центров и, как следствие, к кросс-релаксации и изменению сигнала флюоресценции.
Способ прототип позволяет производить измерение характеристик магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения и не требует прикладывания сильного дополнительного магнитного поля.
Способ прототип включает в себя следующие шаги. Алмазный образец, представляющий из себя кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, направляют на указанный образец электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, прикладывают к указанному образцу по крайней мере однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля, регистрируют положения кросс-релаксационных резонансов, по положению указанных резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля. В частном случае, когда переменное магнитное поле направлено вдоль одной из кристаллографических осей алмаза, по положению резонансов определяют проекцию измеряемого поля на направление переменного магнитного поля и величину измеряемого магнитного поля. При необходимости проводят измерения, последовательно ориентируя переменное магнитное поле вдоль каждой из трех кристаллографических осей алмаза, при этом определяют направление и величину измеряемого магнитного поля.
К недостаткам способа прототипа относится необходимость точной ориентации переменного магнитного поля относительно кристаллографических осей алмаза, что усложняет техническую реализацию. Кроме того для повышения точности измерений магнитного поля требуется увеличение сигнала флюоресценции. При прочих равных условиях интенсивность сигнала флюоресценции пропорциональна объему области, с которой собирается флюоресценция, который ограничен размерами образца. Таким образом, для повышения чувствительности измерений требуется увеличение размера образца. Монокристаллические образцы алмаза, особенно большого размера, достаточно дороги.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является упрощение и удешевление технической реализации способа измерения характеристик магнитного поля, основанного на регистрации кросс-релаксационных резонансов на кривой зависимости сигнала флюоресценции NV-центров в алмазе от магнитного поля.
Технический результат в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля, как и в способе прототипе, достигается за счет того, что алмазный образец с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, направляют на указанный образец электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, прикладывают по крайней мере однократно к указанному образцу переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля.
Новым в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля является то, что в качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. При этом в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс.По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.
Разработанный способ, в отличие от способа прототипа, не требует какой-либо определенной ориентации переменного магнитного поля относительно алмазного образца, что упрощает техническую реализацию. Поликристаллические образцы алмаза со случайной ориентацией осей могут быть существенно дешевле аналогичных по размеру монокристаллических образцов алмаза, особенно в случае большого размера образца, необходимого для высокоточных измерений, что удешевляет техническую реализацию способа.
Предложенный авторами способ измерения характеристик магнитного поля, как и способ прототип, основан на регистрации кросс-релаксационных резонансов в сигнале флюоресценции NV-центров в алмазе. Известно (R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer «Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond», Physical Review A 96, 013806 (2017)), что при сканировании приложенного к кристаллу алмаза с NV центрами переменного магнитного поля, в присутствии измеряемого магнитного поля, во флюоресценции наблюдаются кросс-релаксационные резонансы, связанные с взаимодействием четырех групп NV-центров, отличающихся ориентацией осей относительно кристаллографических осей алмаза.
Положения кросс-релаксационных резонансов на кривой сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля зависят от измеряемого магнитного поля, что может быть использовано для определения характеристик измеряемого магнитного поля. Положения резонансов также зависят от ориентации переменного магнитного поля относительно кристаллографических осей алмаза.
Авторами предлагается использовать для измерений поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. В этом случае сигнал флюоресценции представляет собой усредненный сигнал от различных зерен поликристалла. При этом, как установлено авторами, в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля наблюдается один единственный кросс-релаксационный резонанс. Положение указанного резонанса позволяет определить проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.
В частном случае реализации способа измерения характеристик магнитного поля целесообразно последовательно приложить к указанному образцу переменное магнитное поле, ориентированное в трех некомпланарных направлениях, и измерять зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля. При этом также при каждом измерении в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положениям указанных резонансов определяют проекции измеряемого магнитного поля на три заданных некомпланарных направления, что в итоге позволяет определить направление и величину измеряемого магнитного поля.
Разработанный способ поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1. формулы.
На фиг. 2 представлена зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля при реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 2 формулы.
Возможны различные технические реализации разработанного способа. Схема одной из возможных технических реализаций разработанного способа представлена на фиг. 1. Она содержит алмазный образец 1, в качестве которого используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей, лазер 2, соленоид 3, светофильтр 4 и фото детектор 5.
Способ измерения магнитного поля в соответствии с п. 1 формулы с помощью схемы, представленной на фиг. 1, осуществляют следующим образом.
Алмазный образец 1, в качестве которого используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей помещают в область измеряемого магнитного поля 
В качестве лазера 2 можно использовать широко распространенный лазер с длиной волны 532 нм. Излучение лазера 2 направляют на алмазный образец 1. С помощью соленоида 3 к алмазному образцу 1 с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле 
изменяющееся во времени по некоторому, например, гармоническому закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении 
Сигнал флюоресценции от NV-центров после прохождения через светофильтр 4, с помощью которого отфильтровывают излучение лазера 1, регистрируют с помощью фото детектора 5. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля 
(см. фиг. 2). На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса b. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля Вх на направление переменного магнитного поля
Для полного и однозначного измерения величины и направления магнитного поля в соответствии с п. 2 следует провести три измерения с различными некомпланарными направлениями переменного магнитного поля 
и 
В первом измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления 
Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля 
На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса bх. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля
Во втором измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления 
Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса bу. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля
В третьем измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления 
Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса bz. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля
В результате указанные три измерения по п. 2 способа позволяют определить проекции магнитного поля Вх, Ву, Вz на три некомпланарных направления 
и 
а, следовательно, величину и направление измеряемого магнитного поля 
Таким образом, при измерении по п. 1 на зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, положение которого позволяет непосредственно определить проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля. При этом не требуется какой-либо определенной ориентации переменного магнитного поля относительно алмазного образца. Это упрощает процедуру измерения по сравнению со способом прототипом. При измерении по п 2 для полного определения магнитного поля также не требуется ориентировать переменное магнитное вдоль каждой из трех кристаллографических осей алмаза, можно использовать три произвольных некомпланарных направления, что существенно упрощает процедуру измерения.
Кроме того поликристаллические образцы алмаза со случайной ориентацией осей существенно дешевле аналогичных по размеру монокристаллических образцов алмаза.
Таким образом, задача удешевления и упрощения способа измерения характеристик магнитного поля решена.
Claims (2)
1. Способ измерения характеристик магнитного поля, включающий помещение алмазного образца с NV-центрами в область измеряемого магнитного поля, направление на указанный образец электромагнитного излучения оптического диапазона, приводящего к спиновой поляризации NV-центров, прикладывание по крайней мере однократно к указанному образцу переменного магнитного поля, ориентированного в некотором наперед заданном направлении, измерение зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля, отличающийся тем, что в качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей, при этом в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переменное магнитное поле последовательно ориентируют вдоль трех некомпланарных направлений, при этом при каждом измерении в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положениям указанных резонансов определяют направление и величину измеряемого магнитного поля.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018115421A RU2694798C1 (ru) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | Способ измерения характеристик магнитного поля |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018115421A RU2694798C1 (ru) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | Способ измерения характеристик магнитного поля |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694798C1 true RU2694798C1 (ru) | 2019-07-16 |
Family
ID=67309395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018115421A RU2694798C1 (ru) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | Способ измерения характеристик магнитного поля |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694798C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601734C1 (ru) * | 2015-08-12 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ измерения магнитного поля |
| US9551763B1 (en) * | 2016-01-21 | 2017-01-24 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with common RF and magnetic fields generator |
| US20170234941A1 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-17 | Renesas Electronics Corporation | Magnetometer |
-
2018
- 2018-04-24 RU RU2018115421A patent/RU2694798C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601734C1 (ru) * | 2015-08-12 | 2016-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ измерения магнитного поля |
| US9551763B1 (en) * | 2016-01-21 | 2017-01-24 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with common RF and magnetic fields generator |
| US20170234941A1 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-17 | Renesas Electronics Corporation | Magnetometer |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| A. Wickenbrock, H. Zheng и др. Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond. APPLIED PHYSICS LETTERS 109, 053505 (2016). Published online 2 August 2016. * |
| Published 6 July 2017. A. Wickenbrock, H. Zheng и др. Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond. * |
| Published online 2 August 2016. * |
| R. Akhmedzhanov, L. Gushchin и др. Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond nitrogen-vacancy centers. * |
| R. Akhmedzhanov, L. Gushchin и др. Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond nitrogen-vacancy centers. PHYSICAL REVIEW A 96, 013806 (2017). Published 6 July 2017. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108519564B (zh) | 基于金刚石nv色心的三轴固态原子磁传感器及磁场检测方法 | |
| US10466317B2 (en) | Atomic magnetometry using pump-probe operation and multipass cells | |
| JP5264242B2 (ja) | 原子磁力計及び磁力計測方法 | |
| US7915577B2 (en) | Single-shot spatially-resolved imaging magnetometry using ultracold atoms | |
| RU2661442C2 (ru) | Гироскоп на nv-центрах в алмазе | |
| WO2011132092A1 (en) | Nuclear magnetic resonance magnetometer employing optically induced hyperpolarization | |
| CN111819454B (zh) | 用于测量磁场方向的方法和设备 | |
| Chen et al. | A method for calibrating coil constants by using the free induction decay of noble gases | |
| Sapunov et al. | Ground overhauser DNP geophysical devices | |
| RU2654967C1 (ru) | Способ измерения характеристик магнитного поля | |
| US20170146617A1 (en) | Apparatus and method for hypersensitivity detection of magnetic field | |
| FI65862C (fi) | Nmr-avbildningsapparat | |
| RU2694798C1 (ru) | Способ измерения характеристик магнитного поля | |
| RU2704391C1 (ru) | Способ управления атомарным магнитометрическим датчиком при работе в составе многоканальной диагностической системы | |
| DOELL et al. | Analysis of spinner magnetometer operation | |
| Sawatzky et al. | PROTON MAGNETIC RESONANCE IN PARAMAGNETIC AND ANTIFERROMAGNETIC CoCl2∙ 6H2O | |
| US5317262A (en) | Single shot magnetic resonance method to measure diffusion, flow and/or motion | |
| US4050009A (en) | Spectrometer for external detection of magnetic and related double resonance | |
| Tan et al. | A frequency measurement method using rising-falling edge of square wave for increasing proton magnetometer precision | |
| CA2485200C (en) | Methods, systems, circuits, and computer program products for determining polarization of a gas | |
| RU2816560C1 (ru) | Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе | |
| US9864031B2 (en) | Measurement of NMR characteristics of an object containing fast transversal relaxation components | |
| Babunts et al. | Capabilities of Compact High-Frequency EPR/ESE/ODMR Spectrometers Based on a Series of Microwave Bridges and a Cryogen-Free Magneto-optical Cryostat | |
| RU2776466C1 (ru) | Оптический магнитометр | |
| Hartwig et al. | A superconducting quantum interference device measurement system for ultra low-field nuclear magnetic resonance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200425 |