TWI473597B - Optical pump magnetometer, brain magnetometer and MRI device - Google Patents

Description

光泵磁強計、腦磁波儀及MRI裝置

本發明係有關一種光泵磁強計、腦磁波儀及MRI裝置。

近年來，作為代替SQUID感測器之高靈敏度磁強計，開發有利用鹼金屬之光泵磁強計。光泵磁強計從無需冷卻功能且能夠大幅縮減SQUID感測器之運轉成本之觀點來看，亦可期待其在腦磁波儀或MRI裝置等中的應用。

在這種光泵磁強計中，雷射照射於封入有鹼金屬之槽(cell)，藉此槽內的鹼金屬被自旋極化。而且，藉由在該狀態下接收透射過槽之透射雷射來檢測有關測量對象的磁場之檢測信號。在此，在使鹼金屬自旋極化時，需為了使鹼金屬氣化而將槽加熱至預定溫度以上，因此如下述專利文獻1所述般，有時藉由在槽直接設置加熱器，並使該加熱器作動來對槽進行加熱。並且，有時還代替加熱器設置熱風產生裝置，從該熱風產生裝置噴吹熱風，藉此對槽進行加熱。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2009-10547號公報

但是，如上述般藉由加熱器對槽進行加熱時，在槽中很難在透射雷射透射之部位設置加熱器，所以有可能無法均勻地加熱槽，其結果，有可能導致磁場測量的靈敏度惡化。另一方面，如上述般藉由熱風產生裝置對槽進行加熱時，另外需要熱風產生裝置，所以有可能使磁強計大型化進而複雜化。而且，這種情況下有可能從熱風產生裝置產生噪聲，因此需要去除該噪聲之結構。

因此，本發明的課題在於提供一種能夠簡單地均等加熱槽之光泵磁強計、腦磁波儀及MRI裝置。

為了解決上述課題，本發明的一方面之光泵磁強計係利用光泵對測量對象的磁場進行測量之光泵磁強計；其具備有：非磁性槽，至少封入鹼金屬且具有透光性及耐熱性；雷射照射部，將雷射照射於槽，並至少進行鹼金屬的光泵激；檢測部，接收透射過槽之透射雷射，並檢測有關磁場之檢測信號；以及，高頻電壓施加部，對設置於槽之一對施加部施加高頻電壓，並藉由介電加熱對槽進行加熱。

在該光泵磁強計中，藉由高頻電壓施加部透過施加部對槽施加高頻電壓，從而能夠藉由介電加熱對槽進行加熱，亦即能夠使槽其本身藉由槽的介電損失而發熱來對該 槽進行加熱。因此，能夠簡單地均等加熱槽。

並且，一對施加部可包含：第1電極，對槽之一外面以向該一外面全域擴展之方式電性連接；及第2電極，對槽之與一外面對置之另一外面以向該另一外面全域擴展之方式電性連接。此時，能夠進一步高精確度地均等加熱槽。

並且，一對施加部可具有透光性。藉此，即使在透射雷射的光路上設置一對施加部時，亦能夠抑制磁場測量的精確度惡化。

另外，可具備控制檢測部及高頻電壓施加部的動作之控制部，在由檢測部檢測檢測信號時，控制部使基於高頻電壓施加部之高頻電壓的施加停止。此時，能夠抑制由因高頻電壓施加部工作而產生之磁場等引起之惡劣影響波及磁場測量。

另外，可具備以屏蔽外部磁場之方式覆蓋測量對象及槽之外部磁場屏蔽部。此時，能夠抑制由外部磁場引起之惡劣影響波及磁場測量。

並且，作為適宜地起到上述作用效果之結構，具體而言，可舉出如下結構，亦即檢測部接收藉由雷射照射部照射並透射過槽之雷射作為透射雷射，並依據透射槽前後之雷射的光強度變化對檢測信號進行檢測，或者接收藉由除雷射照射部以外的其他雷射照射部照射並透射槽之線偏振雷射作為透射雷射，並依據透射槽前後之線偏振雷射的偏振狀態變化對檢測信號進行檢測。

並且，本發明的一方面之腦磁波儀具備有上述光泵磁強計。在該本發明的腦磁波儀中，亦可起到簡單地均等加熱槽之類之上述作用效果。

並且，本發明的一方面之MRI裝置具備有上述光泵磁強計。在該本發明的MRI裝置中，亦可起到簡單地均等加熱槽之類之上述作用效果。

依本發明，能夠簡單地均等加熱槽。

以下，參考附圖，對本發明的較佳實施方式進行詳細說明。另外，在以下說明中，對相同或相當之要件賦予相同元件符號，並省略重複說明。

第1圖係表示本發明的一實施方式之光泵磁強計之概略結構圖；第2圖係表示第1圖的光泵磁強計之玻璃槽之概略立體圖。如第1、第2圖所示般，本實施方式的光泵磁強計1係利用光泵(自旋極化)測量微弱磁場源(測量對象)P的磁場者，例如作為高靈敏度磁強計用於腦磁波儀或MRI(Magnetic Resonance Imaging)裝置中。

腦磁波儀係藉由從腦外非接觸地檢測隨著腦活動而從腦部產生之極微弱磁場來測定腦內的活動部位或腦的機能(功能)等之裝置。MRI裝體係藉由利用核磁共振現象檢測占人體構成物質的大部份之氫核(質子)的空間分佈狀 態來非接觸地攝像體內圖像之裝置。該MRI裝置還被稱為核磁共振成像法裝置。

該光泵磁強計1具備有玻璃槽(槽)2、雷射光源3、檢測器(檢測部)4、高頻電源(高頻電壓施加部)5及控制器6。

玻璃槽2係具有內部空間2a之空心體，例如呈厚度2~3mm、長40mm、寬40mm、高度40mm的立方體外形。該玻璃槽2由耐熱玻璃形成，藉此玻璃槽2成為具有透光性及耐熱性之非磁性槽。在玻璃槽2的內部空間2a中至少封入鹼金屬10及緩衝氣體11而密封為相對於外部變得氣密。

作為鹼金屬10，可舉出鉀、銣或銫等。在此，鹼金屬10使用銣者為佳。該鹼金屬10在常溫時呈固體或半固體形狀，而在預定溫度(例如約200℃)以上時氣化。作為緩衝氣體11，使用氦等稀有氣體。另外，在玻璃槽2的內部空間2a中有時還封入氮等驟冷氣體。

該玻璃槽2構成為被絕熱材料D所覆蓋，以免其熱向外部散熱。並且構成為如下：絕熱材料D中，在雷射L1(後述)的光路上形成有開口部Da，藉由該開口部Da雷射L1不會被絕熱材料D遮斷。

雷射光源3係朝向玻璃槽2照射進行玻璃槽2內的鹼金屬10的光泵激之所謂泵浦光者。該雷射光源3射出具有可進行鹼金屬10的光泵激之波長之雷射L0。

在從該雷射光源3射出之雷射L0的光路上，配置有 控制雷射L0的偏振方向來設為雷射L之λ(lambda)板7。在雷射L的光路上，配置有使雷射L朝向玻璃槽2作為雷射L1來反射，並且使其作為雷射L2直接透射前進之半透半反鏡8。

並且，在雷射L1的光路上於玻璃槽2的下游側，配置有適當反射透射玻璃槽2之雷射L1並使其入射至檢測器4之反射鏡9a。另一方面，在雷射L2的光路上，配置有適當反射雷射L2並使其入射至檢測器4之反射鏡9b、9c。

檢測器4係對有關磁場源P的磁場之檢測信號進行檢測者，包含光接收部4a、4b。光接收部4a接收透射玻璃槽2之作為透射雷射的雷射L1。光接收部4b接收未透射玻璃槽2之作為參考雷射的雷射L2。作為這些光接收部4a、4b，例如使用光電二極體。並且，檢測器4連接於控制器6，藉由該控制器6控制其動作。

這樣構成之檢測器4從所接收之雷射L1、L2的光強度差檢測透射玻璃槽2前後之雷射L1的光強度變化，並依據該光強度變化測定磁場源P的磁場強度。而且，檢測器4將所測定之磁場強度作為檢測信號向控制器6輸出。

高頻電源5係對設置於玻璃槽2之一對電極(施加部)12施加高頻電壓，並藉由介電加熱來加熱玻璃槽2者。並且，高頻電源5連接於控制器6，藉由該控制器6控制其動作。

控制器6係控制光泵磁強計1者，例如由CPU、ROM 及RAM等構成。該控制器6包含控制裝置(控制部)6a及記憶裝置6b。控制裝置6a將從檢測器4輸入之檢測信號儲存至記憶裝置6b中。並且，控制裝置6a控制檢測器4及高頻電源5的動作。

在此，如第2圖所示般，在本實施方式的玻璃槽2中，在不與雷射L1的光路交叉且相互配對之一對側面21、22上分別設置有作為上述電極12的第1電極12a及第2電極12b。亦即，電極12a、12b設置於玻璃槽2的外面，以免遮斷雷射L1。

第1電極12a以擴展到側面(一外面)21的全域之方式電性固定於該側面21。第2電極12b以擴展到側面(另一外面)22的全域之方式電性固定於該側面22。這些第1及第2電極12a、12b由非磁性金屬形成，呈薄板狀。並且，第1及第2電極12a、12b透過由白金等構成之導線5a電性連接於高頻電源5(參考第1圖)。

並且，在玻璃槽2中，在不與雷射L1的光路交叉且除側面21、22以外的側面23，於外側設置有凸狀密封切痕24，作為在製造時密封內部空間2a時形成之密封痕跡。亦即，電極12a、12b設置於不存在密封切痕24之側面21、22。

回到第1圖，本實施方式的光泵磁強計1作為用於在測量時屏蔽外部磁場之儀器，具備有磁屏蔽13及亥姆霍茲線圈14。磁屏蔽13係覆蓋磁場源P、玻璃槽2及絕熱材料D之板狀構件，例如由具有較高磁導率之坡莫合金 (permalloy)等形成。在該磁屏蔽13中，在雷射L1的光路上形成有開口部13a。藉由該開口部13a防止雷射L1被磁屏蔽13遮斷。

亥姆霍茲線圈14設置成覆蓋磁場源P、玻璃槽2、絕熱材料D及磁屏蔽13，亦即設置成使這些配置於線圈內。在該亥姆霍茲線圈14上例如連接有直流電源等亥姆霍茲線圈用電源15。

如以上構成之光泵磁強計1中，在初始狀態下玻璃槽2內的鹼金屬10以固體或半固體形狀存在。而且，測量磁場源P的磁場時，首先藉由控制裝置6a使高頻電源5工作，對第1及第2電極12a、12b施加高頻電壓，並藉由介電加熱將該玻璃槽2加熱(昇溫)至預定溫度以使玻璃槽2本身成為熱源。藉此，使玻璃槽2內的鹼金屬10氣化。

接著，藉由控制裝置6a控制高頻電源5來對施加於第1及第2電極12a、12b之高頻電壓進行開關控制等，例如溫度控制成玻璃槽2在預定溫度下成為恆定。在該狀態下，從雷射光源3射出雷射L0。所射出之雷射L0藉由λ(lambda)板7成為雷射L之後，藉由半透半反鏡8被分叉為朝向玻璃槽2反射之雷射L1和直接前進之雷射L2。

雷射L1入射至玻璃槽2並透射。此時，玻璃槽2內的鹼金屬10的電子被雷射L1選擇性激發，並使電子自旋的方向一致(光泵)。與此同時，由於一致之電子自旋方 向因磁場源P的影響而偏離，因此雷射L1在該偏離欲返回原位時依據磁場源P的磁場大小而被光吸收。

透射玻璃槽2之雷射L1被反射鏡9a反射並入射至檢測器4的光接收部4a。另一方面，雷射L2被反射鏡9b、9c反射並直接入射至檢測器4的光接收部4b。

接著，藉由控制裝置6a使高頻電源5的工作停止來設為不施加高頻電壓於第1及第2電極12a、12b之狀態。在該狀態下，藉由檢測器4測定透射玻璃槽2之雷射L2的光強度，並且測定雷射L2的光強度。

接著，藉由檢測器4計算雷射L1、L2的光強度差，藉此檢測透射玻璃槽2前後之雷射L1的光強度變化並測定磁場源P的磁場強度。而且，將所測定之磁場源P的磁場強度作為檢測信號並透過控制裝置6a傳送至記憶裝置6b，並儲存於記憶裝置6b。

另外，本實施方式中，有時在測量磁場源P的磁場之前，預先對檢測器4進行校準(測量校正)。具體而言，有時在高頻電源5工作前在鹼金屬10未氣化之狀態下，從雷射光源3射出雷射L0並藉由檢測器4計算雷射L1、L2的光強度差，並將此時的光強度差校正為0。

以上，本實施方式的光泵磁強計1中，藉由高頻電源5透過電極12a、12b對玻璃槽2施加高頻電壓，藉此能夠藉由介電加熱來加熱玻璃槽2。亦即，能夠使玻璃槽2其本身藉由玻璃槽2的介電損失而發熱，從而均勻地加熱該玻璃槽2。因此，能夠簡單地均等加熱玻璃槽2，並能 夠簡單地提高磁場源P的磁場測量的靈敏度。

並且，在光泵磁強計1中，可無需SQUID感測器所需之冷卻功能，還能夠縮減運轉成本。

並且，在本實施方式中，如上述般，對玻璃槽2的對置之各個側面21、22，以擴展到全域之方式電性連接有第1電極12a及第2電極12b。藉此，能夠藉由在整個玻璃槽2中均勻地產生玻璃槽2的介電損失來進一步高精確度地均等加熱玻璃槽2。

並且，在本實施方式中，在以檢測器4檢測檢測信號時及記憶於記憶裝置6b時，藉由控制裝置6a使基於高頻電源5之高頻電壓的施加停止。藉此，能夠抑制由因高頻電源5工作而產生之磁場(例如從導線5a產生之磁場)等引起之惡劣影響波及磁場源P的磁場測量。

並且，在本實施方式中，如上述般，磁場源P及玻璃槽2被磁屏蔽13及亥姆霍茲線圈14覆蓋，而來自外部的磁性噪聲被屏蔽(刪除)。因此，能夠抑制由外部磁場引起之惡劣影響波及磁場源P的磁場測量。

並且，在本實施方式中，如上述般，用半透半反鏡8將控制雷射L0的偏振方向而形成之雷射L分光成光強度變化之雷射L1和作為參考雷射的雷射L2並以檢測部4進行檢測。而且，在檢測器4中，從雷射L1、L2的光強度差檢測透射玻璃槽2前後之雷射L1的光強度變化。因此，即使在射出之雷射L0的光強度不穩定而微變動時，亦能夠使其追隨該微變動來檢測雷射L1的光強度變化， 並能夠高精確度地進行磁場測定。

並且，在本實施方式中，由於在玻璃槽2的周圍設置有絕熱材料D，因此能夠屏蔽以免玻璃槽2的熱向外部放出。

以上，對本發明的較佳實施方式進行了說明，但本發明並不局限於上述實施方式，可在不改變各申請專利範圍所述之要旨之範圍內進行變化或者應用於其他儀器上。

例如，上述實施方式的光泵磁強計1可在玻璃槽2的外面直接塗佈石墨等導電物質，並將該導電物質作為施加部來從高頻電源5施加高頻電壓。並且，該施加部可具有透光性，例如如第3圖所示般，還可以具備有具有透光性之ITO等透明導電膜12a’、12b’來代替電極12a、12b(參考第2圖)。

並且，在上述實施方式中，接收透射玻璃槽2之雷射L1作為透射雷射，並依據透射玻璃槽2前後之雷射L的光強度變化測定磁場源P的磁場強度，但本發明並不局限於基於這種光吸收之磁場源P的磁場測定，例如還能夠採用利用法拉第旋轉之磁場源P的磁場測定。

具體而言，例如如第3圖所示般，藉由除雷射光源3以外的其他雷射光源(未圖示)，以在玻璃槽2內與雷射L1交叉之方式朝向玻璃槽2另行照射所謂探頭光之線偏振雷射L’。與此同時，接收透射玻璃槽2之線偏振雷射L作為透射雷射。而且，可以依據透射玻璃槽2前後之線偏振雷射L’的偏振狀態變化(偏振方向的變化)檢測作為 磁場源P的磁場強度的檢測信號。這是基於如下原理，若在被雷射L1光泵激之鹼金屬10中入射線偏振雷射L’，則在透射之線偏振雷射L’中由於基於法拉第旋轉之磁光學效應，偏振方向僅旋轉與磁場大小相應之角度。

另外，如此將線偏振雷射L’照射於玻璃槽2時，線偏振雷射L’的光路構成為不通過密封切痕24為較佳。藉此，能夠抑制因密封切痕24的存在而對線偏振雷射L’的偏振狀態波及惡劣影響。另外，在這種情況下，施加部具有透光性為較佳，例如圖示般，將具有透光性之ITO等透明導電膜12a’、12b’設為施加部為較佳。藉此，即使在線偏振雷射L’的光路上設置施加部時，亦能夠抑制由該施加部引起之磁場測量的精確度惡化。

另外，在上述實施方式中，將電極12a、12b分別固定於側面21、22上，但有時將電極12a、12b僅搭載於側面21、22上等，總之，只要能夠將電極12a、12b電性連接於側面21、22上即可。並且，在上述實施方式中，當磁場源P存在複數個時，可以以靠近這些複數個磁場源P之方式對玻璃槽2照射複數個雷射L1。

另外，雷射L、L1及L2的光路之結構並不局限於上述，例如能夠依據與光泵磁強計1的其他部位的配置關係適當地構成。此外，上述玻璃槽2呈立方體外形，但並不局限於此，可以呈多面體外形、球體外形。

另外，在上述實施方式中，在相互對置之側面21、22全域上設置電極12a、12b作為施加部，但亦可以設置 於側面21、22的一部份。在適當地均等加熱槽時，只要在槽所具有之複數個外面中相互最遠離之一對外面上設置有施加部即可，總之，只要在槽的外面設置成對置即可。在上述中，雷射光源3及λ(lambda)板7構成雷射照射部，磁屏蔽13及亥姆霍茲線圈14構成外部磁場屏蔽部。另外，例如為了起到上述作用效果，上述雷射L為圓偏振或線偏振的雷射為較佳。

【產業上的可利用性】

依本發明，能夠簡單地均等加熱槽。

1‧‧‧光泵磁強計

2‧‧‧玻璃槽(槽)

3‧‧‧雷射光源(雷射照射部)

4‧‧‧檢測器(檢測部)

5‧‧‧高頻電源(高頻電壓施加部)

6a‧‧‧控制裝置(控制部)

7‧‧‧λ(lambda)板(雷射照射部)

10‧‧‧鹼金屬

12a‧‧‧第1電極(施加部)

12b‧‧‧第2電極(施加部)

12a’、12b’‧‧‧透明導電膜(施加部)

13‧‧‧磁屏蔽(外部磁場屏蔽部)

14‧‧‧亥姆霍茲線圈(外部磁場屏蔽部)

21‧‧‧側面(一外面)

22‧‧‧側面(另一外面)

L、L2‧‧‧雷射

L1‧‧‧雷射(透射雷射)

L’‧‧‧線偏振雷射(透射雷射)

P‧‧‧磁場源(測量對象)

〔第1圖〕表示本發明的一實施方式之光泵磁強計之概略結構圖。

〔第2圖〕表示第1圖的光泵磁強計之玻璃槽之概略立體圖。

〔第3圖〕表示第1圖的光泵磁強計的變形例之玻璃槽之概略立體圖。

1‧‧‧光泵磁強計

2‧‧‧玻璃槽(槽)

2a‧‧‧內部空間

3‧‧‧雷射光源(雷射照射部)

4‧‧‧檢測器(檢測部)

4a、4b‧‧‧光接收部

5‧‧‧高頻電源(高頻電壓施加部)

5a‧‧‧導線

6‧‧‧控制器

6a‧‧‧控制裝置(控制部)

6b‧‧‧記憶裝置

7‧‧‧λ(lambda)板(雷射照射部)

8‧‧‧半透半反鏡

9a、9b、9c‧‧‧反射鏡

10‧‧‧鹼金屬

11‧‧‧緩衝氣體

12a‧‧‧第1電極(施加部)

12b‧‧‧第2電極(施加部)

13‧‧‧磁屏蔽(外部磁場屏蔽部)

14‧‧‧亥姆霍茲線圈(外部磁場屏蔽部)

15‧‧‧亥姆霍茲線圈用電源

D‧‧‧絕熱材料

Da‧‧‧開口部

L、L0、L2‧‧‧雷射

L1‧‧‧雷射(透射雷射)

P‧‧‧磁場源(測量對象)

Claims (7)

1. 一種光泵磁強計，係利用光泵對測量對象的磁場進行測量；具備有：非磁性槽，係至少封入鹼金屬且具有透光性及耐熱性；雷射照射部，係將雷射照射於前述槽，並至少進行前述鹼金屬的光泵激；檢測部，係接收透射過前述槽之透射雷射，並檢測有關前述磁場之檢測信號；以及高頻電壓施加部，係對設置於前述槽之一對施加部施加高頻電壓，並藉由介電加熱對前述槽進行加熱；前述一對施加部包含：第1電極，對前述槽之一外面以向該一外面全域擴展之方式電性連接；以及第2電極，對前述槽之與前述一外面對置之另一外面以向該另一外面全域擴展之方式電性連接。
2. 如請求項1之光泵磁強計，其中，前述一對施加部具有透光性。
3. 如請求項1或2之光泵磁強計，其中，具備控制前述檢測部及前述高頻電壓施加部的動作之控制部；在由前述檢測部檢測前述檢測信號時，前述控制部使基於前述高頻電壓施加部之前述高頻電壓的施加停止。
4. 如請求項1或2之光泵磁強計，其中， 具備有以屏蔽外部磁場般地覆蓋前述測量對象及前述槽之外部磁場屏蔽部。
5. 如請求項1或2之光泵磁強計，其中，前述檢測部，乃是：接收藉由前述雷射照射部照射並透射過前述槽之前述雷射作為前述透射雷射，並依據透射前述槽前後之前述雷射的光強度變化檢測前述檢測信號；或者是，接收藉由除前述雷射照射部以外的其他雷射照射部照射並透射過前述槽之線偏振雷射作為前述透射雷射，並依據透射前述槽前後之前述線偏振雷射的偏振狀態變化檢測前述檢測信號。
6. 一種具備請求項1至5中任一項之光泵磁強計之腦磁波儀。
7. 一種具備請求項1至5中任一項之光泵磁強計之MRI裝置。