WO2022163677A1 - ダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステム - Google Patents

ダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステム Download PDF

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WO2022163677A1
WO2022163677A1 PCT/JP2022/002764 JP2022002764W WO2022163677A1 WO 2022163677 A1 WO2022163677 A1 WO 2022163677A1 JP 2022002764 W JP2022002764 W JP 2022002764W WO 2022163677 A1 WO2022163677 A1 WO 2022163677A1
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WO
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diamond
light
sensor unit
magnetic sensor
excitation light
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/002764
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English (en)
French (fr)
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良樹 西林
裕美 中西
洋成 出口
司 林
夏生 辰巳
Original Assignee
住友電気工業株式会社
日新電機株式会社
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Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社, 日新電機株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
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Priority to JP2022578433A priority patent/JPWO2022163677A1/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

Definitions

  • the present disclosure relates to a diamond magnetic sensor unit and a diamond magnetic sensor system.
  • This application claims priority based on Japanese application No. 2021-010936 filed on January 27, 2021, and incorporates all the descriptions described in the Japanese application.
  • a diamond NV center When a diamond NV center is used in combination with a microscope, it is constructed, for example, as shown in FIG. That is, LED 900 disposed on substrate 912 emits green light to excite the NV centers of diamond 904 . The emitted light passes through an SPF (Short Pass Filter) 902 and then strikes a diamond 904 arranged on a substrate 914 . This causes the electrons in the NV - center to be in an excited state. When the excited electrons return to the original ground state, red fluorescence is emitted from the diamond 904, and the fluorescence is collected by a lens 906, passed through an LPF (Long Pass Filter) 908, and placed on a substrate 916.
  • SPF Short Pass Filter
  • Lens 906 can be a high performance optical microscope lens configuration or a simple lens configuration.
  • Patent Document 1 discloses a scanning probe microscope (that is, a frequency modulated atomic force microscope (FM-AFM)) using a diamond NV center. Further, Patent Document 2 listed below discloses a magnetic field detection device using a diamond NV center.
  • FM-AFM frequency modulated atomic force microscope
  • Non-Patent Document 1 discloses an experimental apparatus for detecting photoluminescence (hereinafter referred to as PL) emitted from NV centers by irradiating excitation light onto a diamond containing NV centers and without irradiating microwaves. disclosed.
  • This experimental apparatus includes an electromagnet for applying a sweep magnetic field and a perturbation magnetic field of a predetermined frequency to the diamond. When a sweep magnetic field and a perturbation magnetic field are applied to diamond, excitation light is irradiated, and PL is detected, the intensity of PL changes depending on the external magnetic field received by the NV center.
  • a diamond magnetic sensor unit includes a sensor section including a diamond having a color center with electron spins, an excitation light irradiation section for irradiating the diamond with excitation light, and radiation light from the color center of the diamond.
  • the detection unit detects radiation light generated by irradiating the diamond with the excitation light from the excitation light irradiation unit without irradiating the diamond with the electromagnetic wave, and the detection unit detects radiated light that is 10 mm or more from the sensor unit. It may include a conductive member that is spaced apart and that transmits electromagnetic waves.
  • a diamond magnetic sensor system includes the diamond magnetic sensor unit described above, an application section, and a control section that controls the excitation light irradiation section, the detection section, and the application section, and the control section controls the excitation Along with the light, the application unit applies alternating magnetic, magnetic, electric potential, and electric field patterns in temporal combination to the diamond.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a microscope using a conventional diamond NV center.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the schematic configuration of the diamond magnetic sensor unit according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3A is a diagram showing energy levels of NV centers and their transitions in the absence of an external magnetic field.
  • FIG. 3B is a diagram showing the energy level of the NV center and its transition in the presence of an external magnetic field.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond magnetic sensor unit according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond magnetic sensor unit according to a first modified example.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a microscope using a conventional diamond NV center.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the schematic configuration of the diamond magnetic sensor unit according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3A is a diagram showing energy levels of NV centers and their transitions
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond magnetic sensor unit according to a second modification.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond magnetic sensor unit according to a third modified example.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond magnetic sensor unit according to a fourth modification.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an example of the second embodiment (see FIG. 4).
  • Non-Patent Document 1 collects the emitted light from the diamond (that is, the NV center) with a lens, enters it into the photodiode through the dichroic mirror, and outputs the photodiode's output signal (that is, an electrical signal ) is transmitted to the detection device by a cable.
  • the photodiode needs to be placed close to the diamond, because the detection sensitivity of the emitted light is lowered if the photodiode is spaced from the diamond. Therefore, the configuration disclosed in Non-Patent Document 1 cannot be adopted for a sensor used in a high voltage environment (for example, it is affected by partial discharge and the like).
  • an object of the present disclosure is to provide a diamond magnetic sensor unit and a diamond magnetic sensor system that can accurately detect a magnetic field (magnetic field) and the like even remotely without being damaged in a high-voltage environment.
  • a diamond magnetic sensor unit includes a sensor section including a diamond having a color center having electron spins, an excitation light irradiation section for irradiating the diamond with excitation light, and a diamond color center.
  • a detection unit for detecting radiation light from the diamond wherein the detection unit detects radiation light generated by irradiating the diamond with the excitation light by the excitation light irradiation unit without irradiating the diamond with the electromagnetic wave; It may include a conductive member that is arranged at a distance of 10 mm or more from the sensor unit and that transmits electromagnetic waves. As a result, the magnetic field can be accurately detected without being damaged even in a high voltage environment of 1 kV or more.
  • the conductive member can be arranged at a distance of 50 mm or more from the sensor section. As a result, detection accuracy can be improved without being damaged even in a high voltage environment of 5 kV or more.
  • the conductive member may be arranged at a distance of 100 mm or more from the sensor section. As a result, even in a high voltage environment of 10 kV or more, the detection accuracy can be improved without being damaged.
  • the diamond magnetic sensor unit can further include an optical waveguide that transmits excitation light and emission light.
  • the sensor portion containing diamond may be entirely made of an electrical insulating member. As a result, it is possible to prevent damage to the sensor section even if discharge or the like occurs in a high-voltage environment in which the sensor section is arranged.
  • the sensor unit may be installed in an environment where a voltage difference of 200V or more can occur. As a result, damage to the sensor section can be avoided even if discharge or the like occurs in a voltage environment of 200 V or more.
  • the sensor unit may be installed in an environment where a voltage difference of 600V or more can occur. As a result, damage to the sensor section can be avoided even if discharge or the like occurs in a high voltage environment of 600 V or higher.
  • the sensor unit may be installed in an environment where a voltage difference of 1100V or more can occur. As a result, damage to the sensor section can be avoided even if discharge or the like occurs in a high voltage environment of 1100 V or higher.
  • the sensor unit can be installed in an environment in which the magnetism or magnetic field sensed by detecting emitted light by the detection unit includes frequency components of 1 kHz or less. As a result, it is possible to detect a magnetic field that instantaneously changes in a pulse shape, and to detect abnormalities such as partial discharge.
  • the sensor unit may be installed in an environment in which the magnetism or magnetic field sensed by detecting emitted light by the detection unit includes frequency components of 100 Hz or less. As a result, an AC magnetic field generated by power transmission can be detected in a power transmission facility or the like, and an abnormality in the power transmission facility or the like can be detected.
  • the diamond magnetic sensor unit can further include an applying section that applies a combination of alternating magnetism, magnetic field, potential and electric field patterns in time along with irradiating the diamond with excitation light from the excitation light irradiation section. .
  • an applying section that applies a combination of alternating magnetism, magnetic field, potential and electric field patterns in time along with irradiating the diamond with excitation light from the excitation light irradiation section.
  • the spin coherence time of diamond may be less than 50 ⁇ sec.
  • the total hydrogen concentration in diamond can be greater than 0 ppm and less than or equal to 10 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be shortened, and the NV center quickly returns from the excited state to the original state, so that AC magnetic and electric fields can be efficiently detected.
  • the total hydrogen concentration in diamond may be greater than 0 ppm and less than or equal to 1 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be appropriately shortened while suppressing the movement of electrons from the NV ⁇ center to the hydrogen side to prevent it from functioning as a center (NV 0 ). Since the NV center quickly returns from the excited state to the original state, it can efficiently detect AC magnetic and electric fields without lowering the detection sensitivity.
  • NVH - concentration, CH concentration and CH 2 concentration in the diamond may all be greater than 0 ppm and less than or equal to 10 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be shortened, and the NV center quickly returns from the excited state to the original state. Therefore, alternating magnetic and electric fields, including pulse-like magnetic and electric fields, can be efficiently detected.
  • NVH - concentration, CH concentration and CH 2 concentration in diamond may all be greater than 0 ppm and less than or equal to 1 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be appropriately shortened while suppressing the movement of electrons from the NV - center to the hydrogen side to prevent the NV - center from functioning (NV 0 ). Since the NV center quickly returns from the excited state to the original state, it can efficiently detect alternating magnetic and electric fields, including pulse-like magnetic and electric fields, without deteriorating detection sensitivity.
  • a diamond magnetic sensor system includes the diamond magnetic sensor unit described above, an application unit, a control unit that controls the excitation light irradiation unit, the detection unit, and the application unit, and controls Along with the excitation light, the application unit temporally combines alternating magnetism, magnetic field, potential and electric field patterns and applies them to the diamond. As a result, the magnetic field can be detected with high accuracy without being damaged in a high voltage environment.
  • the diamond magnetic sensor unit 100 includes an excitation light generator 106, a fluorescence reflection filter 110, an optical waveguide 112, a sensor section 120, an LPF 122 and a light receiving section 128.
  • a controller 142 is arranged outside the diamond magnetic sensor unit 100 .
  • the control unit 142 includes a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit (both not shown). The later-described processing performed by the control unit 142 is realized by the CPU reading and executing a program stored in advance in the storage unit.
  • CPU Central Processing Unit
  • storage unit both not shown.
  • the excitation light generator 106 includes a light emitting element 102 and a light collecting element 104 .
  • the light emitting element 102 is controlled by the control unit 142 to generate excitation light for exciting the NV - center of diamond (hereinafter abbreviated as NV center), which will be described later.
  • NV center the optical path of excitation light is indicated by a dotted line.
  • the control unit 142 supplies, for example, a voltage for causing the light emitting element 102 to emit light to the light emitting element 102 at a predetermined timing.
  • the excitation light is green light (ie wavelength about 490-560 nm).
  • the excitation light is preferably laser light, and the light emitting element 102 is preferably a semiconductor laser (for example, the wavelength of emitted light is 532 nm).
  • the light collecting element 104 collects the excitation light output from the light emitting element 102 .
  • the condensing element 104 is for inputting as much of the excitation light diffused and output from the light emitting element 102 as possible to the light incident end portion of the optical waveguide 112, which will be described later.
  • the condensing element 104 outputs collimated light condensed in a range smaller than the size of the light incident end of the optical waveguide 112 (for example, when using an optical fiber, its core diameter (i.e. core diameter)). preferably.
  • the fluorescence reflection filter 110 is an element for separating excitation light incident from the condensing element 104 and light emitted from diamond (that is, fluorescence), which will be described later.
  • the fluorescence reflection filter 110 may be a short-pass filter that passes light with a wavelength below a predetermined wavelength and cuts (i.e. reflects) light with a wavelength greater than a predetermined wavelength, or a short-pass filter that passes light with a wavelength within a predetermined wavelength range and passes light with a predetermined wavelength. It is a bandpass filter that cuts (ie reflects) light with wavelengths outside the wavelength range. Such a configuration is preferable because excitation light generally has a shorter wavelength than fluorescence.
  • Fluorescence reflection filter 110 is preferably a dichroic mirror with such a function.
  • the optical waveguide 112 includes a medium for transmitting light and transmits light in both directions. That is, the excitation light incident on the first end arranged on the excitation light generating section 106 side is transmitted to the second end arranged on the sensor section 120 side. It also transmits radiation (ie, fluorescence) of the diamond element 116 incident on the second end to the first end.
  • the optical waveguide 112 is, for example, an optical fiber.
  • the core diameter of the optical fiber be as small as possible.
  • the core diameter of the optical fiber is about 80 ⁇ m or less and 1 ⁇ m or more.
  • the sensor section 120 includes a condensing element 114 and a diamond element 116 .
  • Diamond element 116 includes NV centers.
  • Concentrating element 114 is placed in contact with diamond element 116 .
  • the condensing element 114 converges the excitation light output from the optical waveguide 112 and irradiates it onto the diamond element 116 . That is, the control unit 142 controls the light emitting element 102 to output excitation light at a predetermined timing for a predetermined time (t1). After a predetermined time (t2) has passed since the excitation light was output, the control unit 142 acquires the output signal of the light detection unit 126 at a predetermined timing for a predetermined time (t3) and stores it in the storage unit.
  • the NV center has a structure in which carbon (C) atoms in the diamond crystal are replaced with nitrogen (N) atoms, and carbon atoms that should be present adjacent thereto are absent (ie, vacancies (V)).
  • the NV center forms a spin triplet state with magnetic quantum numbers m s of ⁇ 1, 0, and +1 in a state in which one electron is trapped (that is, NV ⁇ ).
  • the NV center transitions from the ground state E1 to the excited state E2 while maintaining the spin state by green light with a wavelength of about 490 to 560 nm (for example, 532 nm laser light), for example, through the intermediate state E3, It emits light and returns to the ground state E1. At this time, red light with a wavelength of approximately 630 to 800 nm is emitted.
  • the present disclosure after irradiating the NV center with excitation light, radiation light is measured without irradiating electromagnetic waves such as microwaves, and the magnetic field at the position of the NV center is detected. Specifically, the measurement is performed in the same manner as disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3 and the like.
  • a method of sensing a magnetic field without radiating electromagnetic waves uses the PL or decoherence property of the NV center under the influence of an external magnetic field.
  • the intensity of PL emitted from the NV center exponentially attenuates over time, the extent of which depends on the external magnetic field, and the stronger the external magnetic field, the faster the intensity attenuates.
  • the measured value of PL can be approximated by a triple exponential function related to measurement time (see Non-Patent Document 2). Therefore, for example, with regard to the diamond to be used, if the relationship between the external magnetic field and the degree of attenuation of the signal intensity of the observed PL is derived in advance, the value of PL measured after a predetermined time has elapsed from the irradiation of the excitation light, It can detect an external magnetic field and identify the magnetic field strength.
  • a magnetic field with a magnitude of about 10 mT to 20 mT can be detected in this manner without using microwaves.
  • the NV centers that can be formed in four directions according to sp3 bonding ( bonding by sp3 hybrid orbitals) of diamond all isotropically sense the external field, resulting in the highest contrast ratio (i.e. signal-to-noise ratio). ) becomes higher.
  • Deviating from this orientation for example, if the NV center is oriented perpendicular to the magnetic field, the NV center loses its magnetic sensitivity. Therefore, only the non-perpendicular NV center of the four directions has contrast, and the sensitivity of the sensor is lowered.
  • GSLAC ground-state level anti-crossing
  • an external magnetic field of about 102.4 mT causes degeneracy and mixing (ie, anti-crossing) of Zeeman sublevels of NV centers, which can be observed as a decrease in fluorescence intensity under photoexcitation. That is, if the NV center is under some magnetic field, the fluorescence of the NV center will change and the change can be measured.
  • two electromagnets are required to apply the static magnetic field and the perturbing magnetic field.
  • an electromagnet e.g., an air-core coil
  • a sweeping magnetic field e.g., varying from 0 to 120 mT in 5 seconds
  • a small perturbing magnetic field e.g., amplitude about 0.1 mT, frequency an electromagnet for applying 100 kHz.
  • the process of applying a swept magnetic field to the diamond and applying a perturbing magnetic field using a lock-in amplifier local oscillator, irradiating excitation light, and detecting PL using a lock-in amplifier is repeated.
  • the magnetic field at the position of the NV center (that is, the composite magnetic field of the sweep magnetic field and the external magnetic field to be detected) reaches about 102.4 mT
  • GSLAC is observed in the PL measurement signal.
  • a magnetic field can be used to sense an external magnetic field to be sensed.
  • the trough of the PL measurement signal observed near about 51.4 mT may be detected. This valley is due to cross-relaxation of the NV center and its surrounding P1 centers (single alternative nitrogen donors of electrons).
  • the external magnetic field of the detection target can be detected.
  • Specific PL measurements are made as follows. That is, the light (that is, fluorescence) emitted diffusely from the diamond element 116 is collected by the light collecting element 114 and input to the second end of the optical waveguide 112 as parallel light. In FIG. 2, the optical path of emitted light is indicated by a dashed line.
  • Light (that is, fluorescence) input to the optical waveguide 112 is transmitted by the optical waveguide 112 and output from the first end of the optical waveguide 112 .
  • Light (that is, fluorescence) output from the first end of the optical waveguide 112 is reflected by the fluorescence reflection filter 110, passes through the LPF 122, is collected by the light collecting element 124, and enters the light detection section 126. be.
  • the photodetector 126 As a result, light affected by the magnetic field at the position where the diamond element 116 is arranged is detected by the photodetector 126 .
  • the photodetector 126 generates and outputs an electrical signal corresponding to incident light.
  • the photodetector 126 is, for example, a photodiode.
  • the output signal of the photodetector 126 is acquired by the controller 142 .
  • the LPF 122 is a long-pass filter that passes light with a wavelength equal to or greater than a predetermined wavelength and cuts (eg, reflects) light with a wavelength smaller than a predetermined wavelength.
  • the emitted light of the diamond element 116 is red light and passes through the LPF 122 while the excitation light has a shorter wavelength and does not pass through the LPF 122 .
  • the excitation light emitted from the light emitting element 102 can be prevented from being detected by the light detection unit 126 and becoming noise, and thus the detection sensitivity of the diamond element 116 for emitted light (that is, fluorescence) can be prevented from deteriorating. can.
  • the control unit 142 can irradiate the diamond element 116 with excitation light and acquire the light emitted from the diamond element 116 (that is, fluorescence) as an electric signal output from the light detection unit 126 . From the observed emitted light, the magnetic field strength at the location of the diamond element 116 can be calculated. That is, the diamond magnetic sensor unit 100 functions as a magnetic sensor.
  • the diamond sensor unit 100 can be used as a sensor for detecting not only magnetic fields but also physical quantities related to magnetic fields such as magnetization, electric field, voltage, current, temperature and pressure.
  • the sensor unit 120 does not include a conductive member that transmits electromagnetic waves, such as a microwave irradiation coil, and the diamond element 116, which is the main body of the sensor, and the condensing element 114 are formed of an electrical insulator. That is, the sensor section 120 is entirely made of an electrical insulating member. Therefore, even in a high-voltage environment, the magnetic field can be detected with high accuracy without the sensor itself being damaged by partial discharge or the like.
  • the influence of partial discharge or the like will not affect the excitation light generating unit 106 and the light receiving unit. 128 can be avoided.
  • the excitation light generator 106 and the light receiver 128 can be placed far away from the high voltage environment via the optical waveguide 112, and the diamond magnetic sensor unit 100 can remotely measure the magnetic field.
  • the sensor section 120 includes the condensing element 114 arranged between the diamond element 116 and the optical waveguide 112, it is possible to reduce loss of excitation light and emitted light and improve detection accuracy.
  • the excitation light and the emission light can be obtained as described later.
  • the number of components can be reduced and the configuration can be simpler than when two media are provided to transmit each of the .
  • the diamond magnetic sensor unit 100 may include a conductive member that transmits electromagnetic waves that affect the NV center of the diamond.
  • a conductive member is included, it is preferable that the conductive member is separated from the sensor section 120 by 10 mm or more. As a result, the magnetic field can be detected with high accuracy. More preferably, the conductive member is separated from the sensor unit 120 by 50 mm or more. Thereby, detection accuracy can be improved. More preferably, the conductive members are spaced apart by 100 mm or more. Thereby, the detection accuracy can be further improved. Since the actual dimensions of the lens holder, the optical fiber plug, the receptacle, etc.
  • the separation distance is less than 10 mm, if the separation distance is less than 10 mm, the effect of non-uniformity of the electromagnetic field may occur. That is, there is a possibility that it may lead to equipment failure, such as becoming a starting point of insulation breakdown, or arc discharge occurring from the transmission line when a sudden potential change such as a lightning strike occurs.
  • the sensor unit can be installed in or around a device (such as a transformer or a solar power generation facility) that normally generates a voltage difference of 200 V or more.
  • a device and its surroundings that is, an area within a predetermined range from the device
  • the sensor unit may be installed in an environment where a voltage difference of 600 V or 1100 V or more normally occurs (eg, power receiving and transforming equipment, high-voltage transmission lines, distribution lines, wind power generation equipment, etc.). Even if electric discharge or the like occurs in such an environment, the sensor section can be prevented from being damaged and the magnetic field can be detected with high accuracy.
  • one optical waveguide 112 is used to transmit light (that is, excitation light and emission light) in both directions.
  • An optical waveguide is used to transmit each.
  • the diamond magnetic sensor unit 200 according to the second embodiment of the present disclosure includes an excitation light generating section 206, a first optical waveguide 212, a light collecting element 208, a fluorescence reflecting filter 210, a sensor section 220, an LPF 222, It includes a condensing element 224 , a second optical waveguide 230 and a light receiving portion 228 .
  • a controller 142 is arranged outside the diamond magnetic sensor unit 200, as in the first embodiment.
  • the excitation light generator 206 includes a light emitting element 202 and a light collecting element 204 .
  • Sensor portion 220 includes light collection element 214 and diamond element 216 .
  • the light receiving section 228 includes a light detecting section 226 .
  • the light emitting element 202, the light collecting element 204, the fluorescence reflecting filter 210, the light collecting element 214, the diamond element 216, the LPF 222 and the light detecting section 226 are respectively the light emitting element 102, the light collecting element 104 and the fluorescence reflecting filter 110 shown in FIG. , the light collection element 114, the diamond element 116, the LPF 122 and the photodetector 126, and function similarly. Therefore, these will be briefly described.
  • FIG. 4 as in FIG. 2, the optical path of excitation light is indicated by a dotted line, and the optical path of emission light is indicated by a broken line.
  • the light emitting element 202 generates excitation light for exciting the NV center of diamond under the control of the control unit 142 .
  • the control unit 142 supplies, for example, a voltage for causing the light emitting element 202 to emit light to the light emitting element 202 at a predetermined timing.
  • the excitation light is green light.
  • the excitation light is preferably laser light, and the light emitting element 202 is preferably a semiconductor laser.
  • the condensing element 204 condenses the excitation light diffused and output from the light emitting element 202 and inputs it to the light incident end of the first optical waveguide 212 .
  • the first optical waveguide 212 includes a medium that transmits light. Unlike the optical waveguide 112 shown in FIG. 2, the first optical waveguide 212 transmits the excitation light but not the emission light of the diamond element 216 . That is, the excitation light incident on the incident end portion of the first optical waveguide 212 located on the excitation light generating section 206 side is transmitted to the output end portion located on the sensor section 220 side and output.
  • the first optical waveguide 212 is, for example, an optical fiber.
  • the excitation light diffused and output from the first optical waveguide 212 is condensed by the condensing element 208 and enters the fluorescence reflecting filter 210 as parallel light.
  • the fluorescence reflection filter 210 is an element for separating excitation light incident from the condensing element 208 and light emitted from the diamond element 216 (that is, fluorescence). Fluorescence reflecting filter 210 may be a dichroic mirror.
  • the condensing element 214 converges the excitation light input through the fluorescence reflection filter 210 and irradiates it onto the diamond element 216 .
  • Concentrating element 214 is placed in contact with diamond element 216 .
  • Diamond element 216 includes NV centers.
  • the timing of irradiating the diamond element 216 with the excitation light is controlled by the controller 142 . This causes the diamond element 216 to emit red light (ie, fluorescence), as described above.
  • the light diffusely emitted from the diamond element 216 (that is, the red fluorescence) is collected by the condensing element 214 into parallel light and enters the fluorescence reflecting filter 210 .
  • the light (that is, red fluorescence) incident on the fluorescence reflection filter 210 is reflected by the fluorescence reflection filter 210 and enters the LPF 222 .
  • the emitted light (that is, red fluorescent light) of the diamond element 216 that enters the LPF 222 passes through the LPF 222 , is collected by the light collecting element 224 , and enters the incident end of the second optical waveguide 230 .
  • the LPF 222 suppresses the excitation light emitted from the light emitting element 202 from being detected by the light detection section 226 and becoming noise, and thus prevents the detection sensitivity of the diamond element 216 for emitted light (that is, fluorescence) from deteriorating. Suppress.
  • the second optical waveguide 230 includes a medium that transmits light.
  • the second optical waveguide 230 transmits the light incident on the incident end from the condensing element 224 (that is, the emitted light from the diamond element 216) to the output end arranged on the light receiving section 228 side.
  • Light output from the second optical waveguide 230 is detected by the photodetector 226 .
  • the photodetector 226 is, for example, a photodiode.
  • the output signal of the photodetector 226 is acquired by the controller 142 .
  • the control unit 142 irradiates the diamond element 216 with excitation light, and converts the light (that is, fluorescence) emitted from the diamond element 216 into an electric signal output from the light detection unit 226 as in the first embodiment.
  • the diamond magnetic sensor unit 200 functions as a magnetic sensor.
  • the diamond magnetic sensor unit 200 can be used as a sensor for detecting not only magnetic fields but also physical quantities related to magnetic fields such as magnetization, electric fields, voltages, currents, temperatures and pressures.
  • the sensor unit 220 does not include a conductive member that transmits electromagnetic waves, such as a microwave irradiation coil, and the diamond element 216, which is the body of the sensor, and the light collecting element 214 are formed of an electrical insulator. That is, the sensor section 220 is entirely made of an electrical insulating member. Therefore, even in a high-voltage environment, the magnetic field can be detected with high accuracy without the sensor itself being damaged by partial discharge or the like.
  • the sensor unit 220 includes the light collecting element 214 arranged between the diamond element 216 and the first optical waveguide 212 and the second waveguide 230, loss of excitation light and emitted light is reduced, and detection accuracy is improved. can be improved.
  • excitation light with different wavelengths and radiation light from the diamond element 216 can be transmitted appropriately. That is, by using an optical fiber with a core diameter corresponding to the wavelength, it is possible to design a condensing optical system (that is, the condensing elements 204, 208, 214 and 224) suitable for each, improve the light transmission efficiency, and detect the light. Can improve accuracy.
  • the core diameter of the optical fiber that transmits diamond radiation light i.e., the second optical waveguide 230
  • the core diameter of the optical fiber that transmits excitation light i.e., the first optical waveguide 212). is preferably large.
  • the optical fiber used to transmit pumping light should have a small core diameter in order to increase the energy density of the pumping light. input into the fiber from . Therefore, there is an appropriate core diameter.
  • the core diameter of the first optical waveguide 212 is preferably 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the larger the core diameter of the optical fiber for transmitting the light emitted from the diamond element 216 the better.
  • the core diameter of the second optical waveguide 230 is preferably 1 ⁇ m or more and 1 mm or less.
  • the fluorescence reflection filter 210 is used to separate the excitation light and the emission light of the diamond element 216, but the present invention is not limited to this.
  • An LPF may be used to separate the excitation light and the emission light of the diamond element 216 .
  • diamond magnetic sensor unit 300 uses LPF 302 to separate excitation light from light emitting element 202 and radiation light from diamond element 216 .
  • the diamond magnetic sensor unit 300 replaces the fluorescence reflection filter 210 with the LPF 302 in the diamond magnetic sensor unit 200 (see FIG. 4), and has a path for generating and transmitting excitation light and transmitting and detecting emitted light from the diamond element 216. It replaces the route.
  • LPF 302 is a long pass filter.
  • constituent elements with the same reference numerals as in FIG. 4 represent the same ones as in FIG. Therefore, redundant description will not be repeated with respect to them.
  • the optical path of excitation light is indicated by dotted lines, and the optical path of emitted light is indicated by broken lines.
  • the excitation light generated by the light emitting element 202 is condensed by the condensing element 204 and input to the incident end of the first optical waveguide 212 .
  • the pumping light is transmitted through the first optical waveguide 212 , is output from the output end of the first optical waveguide 212 , is condensed by the condensing element 224 into parallel light, and enters the LPF 302 . Since the excitation light is green light, it is reflected by the LPF 302 and enters the condensing element 214 .
  • the light emitted from the diamond element 216 is condensed by the condensing element 214 into parallel light and enters the LPF 302 .
  • the emitted light (that is, red fluorescence) of the diamond element 216 passes through the LPF 302 and is condensed by the condensing element 224, enters the second optical waveguide 230, is transmitted to the light receiving portion 228 by the second optical waveguide 230, and is received. detected by unit 228 . Therefore, like the diamond magnetic sensor unit 200 of the second embodiment, the diamond magnetic sensor unit 300 functions as a sensor that detects magnetic fields and the like.
  • the excitation light is incident on one surface of the diamond element containing the NV center, and the emission light from the same surface is measured, but the present invention is not limited to this. If the diamond element containing the NV center has multiple flat surfaces, the surface irradiated with the excitation light and the surface measured with the emitted light may be different.
  • a flat surface means a plane having an area greater than or equal to a predetermined area, and here, a flat surface of the diamond element containing the NV center means a plane having an area larger than a circle having a diameter of about 200 ⁇ m. .
  • diamond magnetic sensor unit 400 detects light emitted from a surface different from the surface on which excitation light is incident on diamond element 402 .
  • the diamond magnetic sensor unit 400 is the same as the diamond magnetic sensor unit 200 shown in FIG. 4 except that the sensor unit 220 is replaced with the sensor unit 408, and the condensing element 208, the fluorescence reflecting filter 210 and the condensing element 224 are removed. be.
  • constituent elements with the same reference numerals as in FIG. 4 represent the same elements as in FIG. Duplicate descriptions will not be repeated with respect to them.
  • the optical path of excitation light is indicated by a dotted line
  • the optical path of emission light is indicated by a broken line.
  • the sensor section 408 includes a diamond element 402 , a condensing element 404 and a condensing element 406 .
  • the diamond element 402 includes NV centers and has multiple planar surfaces.
  • the diamond element 402 is formed, for example, in the shape of a rectangular parallelepiped.
  • the condensing element 404 is arranged in contact with one flat surface (hereinafter referred to as the first flat surface) of the diamond element 402 .
  • the condensing element 406 is arranged in contact with a flat surface (hereinafter referred to as a second flat surface) of the diamond element 402 that is different from the first flat surface.
  • the excitation light transmitted by the first optical waveguide 212 enters the condensing element 404 and is condensed by the condensing element 404 to irradiate the first flat surface of the diamond element 402 .
  • the diamond element 402 emits light by irradiating the diamond element 402 with excitation light at a predetermined timing. Emitted light is emitted in all directions.
  • the light emitted from the second flat surface of the diamond element 402 (that is, the red fluorescent light) is condensed by the condensing element 406 into parallel light, enters the LPF 222, passes through the LPF 222, and passes through the second optical waveguide 230. Incident at the incident end.
  • the diamond magnetic sensor unit 400 functions as a sensor that detects magnetic fields and the like.
  • the diamond magnetic sensor unit can have a simpler configuration, and the cost can be reduced.
  • the diamond element 402 is formed in the shape of a rectangular parallelepiped and the first flat surface and the second flat surface are two surfaces forming 90 degrees, it is not limited to this. If the diamond element 402 is shaped like a rectangular parallelepiped, a flat surface parallel to the first flat surface may be used as the second flat surface for collecting the radiation to be detected. Moreover, the diamond element 402 only needs to have at least two flat surfaces, and the shape of the diamond element 402 is not limited to hexahedron, and the shape of the diamond element 402 is arbitrary.
  • diamond magnetic sensor unit 500 according to the third modification is obtained by removing condensing element 114 from diamond magnetic sensor unit 100 shown in FIG. That is, the sensor portion 502 includes the diamond element 116 but does not include the light collecting element. A diamond element 116 is placed in contact with the second end of the optical waveguide 112 .
  • the diamond magnetic sensor unit 500 similarly to the diamond magnetic sensor unit 100 (see FIG. 2), when the diamond element 116 is irradiated with excitation light (that is, green light) output from the light emitting element 102, the NV center of the diamond element 116 is excited, emits light (ie red fluorescence) and returns to its original state. Therefore, by measuring the emitted light, the diamond magnetic sensor unit 500 functions as a magnetic sensor.
  • the magnetic field measurement method is the same as in the first embodiment.
  • the sensor unit 502 does not include conductive members such as coils, and is entirely composed of electrical insulating members. Therefore, even if the sensor unit 502 is installed in a high-voltage facility, it will not be damaged by discharge or the like, and can safely measure a magnetic field or the like in a high-voltage environment.
  • a diamond magnetic sensor unit according to the fourth modification uses a mirror to form an optical waveguide.
  • diamond magnetic sensor unit 600 includes excitation light generator 106 , sensor section 120 , LPF 122 , light receiver 128 , concave mirror 602 and convex mirror 604 .
  • a controller 142 is arranged outside the diamond magnetic sensor unit 600 .
  • the excitation light generator 106 includes a light-emitting element 102 and a light-collecting element 104 .
  • Sensor portion 120 includes light collection element 114 and diamond element 116 .
  • the light receiving section 128 includes a light detecting section 126 .
  • constituent elements with the same reference numerals as in FIG. 2 represent the same ones as in FIG. Therefore, redundant description will not be repeated with respect to them.
  • the concave mirror 602 has a shape obtained by cutting a sphere with a radius r1 centered at the point O along a plane.
  • the shape of the end portion (that is, the cut portion) of the concave mirror 602 is circular with a diameter d1.
  • the concave mirror 602 is formed with an aperture 606 for passing the excitation light from the excitation light generator 106 and an aperture 608 for passing the emitted light.
  • Apertures 606 and 608 are, for example, circular.
  • the curved surface facing the convex mirror 604 is a reflection surface of the emitted light (hereinafter referred to as a mirror surface).
  • the convex mirror 604 has a shape obtained by cutting a sphere with a radius r2 centered at the point O along a plane.
  • the shape of the end portion (ie, cut portion) of the concave mirror 602 is circular with a diameter d2.
  • the curved surface facing the concave mirror 602 is a mirror surface.
  • the optical path of excitation light is indicated by a dotted line, and the optical path of emitted light is indicated by a broken line.
  • the excitation light generated by the light-emitting element 102 is condensed by the condensing element 104 to become parallel light, propagates through space, enters the condensing element 114 , condenses, and irradiates the diamond element 116 . That is, the space functions as an optical waveguide for the excitation light, and the space constitutes the optical waveguide for the excitation light.
  • the light emitted from the diamond element 116 is sequentially reflected by the concave mirror 602 and the convex mirror 604 and enters the light receiving section 128 through the aperture 608 .
  • the concave mirror 602, the convex mirror 604, and the space constitute an optical waveguide for emitted light.
  • the diamond magnetic sensor unit 600 functions as a sensor that detects a magnetic field or the like, like the diamond magnetic sensor unit 100 of the first embodiment.
  • the center of the concave mirror 602 and the center of the convex mirror 604 are both located at the point O, but the centers of the concave mirror 602 and the center of the convex mirror 604 may be located at different positions.
  • the case where the ends of each of the concave mirror 602 and the convex mirror 604 are circular (that is, a shape obtained by cutting a spherical surface by a plane) has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the mutually facing surfaces of the concave mirror 602 and the convex mirror 604 may be mirror surfaces, and the shapes of the ends of the concave mirror 602 and the convex mirror 604 are arbitrary.
  • the case where the excitation light is transmitted through the optical waveguide 212 such as an optical fiber has been described.
  • diamond magnetic sensor unit 200 (see FIG. 4) and diamond magnetic sensor unit 300 (see FIG. 5) may not include optical waveguide 212 and light collecting element 208 . Since the excitation light output from the light emitting element 202 is collected by the light collecting element 204 and becomes parallel light, the light collecting element 208 may be omitted. The excitation light collected by the collection element 204 is transmitted by the space itself and enters the fluorescence reflectance filter 210 or LPF 302 . Similarly, diamond magnetic sensor unit 400 (see FIG. 6) may not include optical waveguide 212 . The excitation light collected by the collection element 204 is transmitted by the space itself and enters the collection element 404 .
  • a diamond element having a color center with electron spin may be used.
  • a color center having an electron spin is a center that forms a spin triplet state and emits light when excited, and NV centers are typical examples.
  • silicon-vacancy centers (ie Si-V centers), germanium-vacancy centers (ie Ge-V centers), and tin-vacancy centers (ie Sn-V centers) also have color with electron spin. Centers are known to exist. Therefore, a diamond element including these may be used instead of a diamond element including the NV center to construct a diamond magnetic sensor unit.
  • a laser beam is preferable for the excitation light, and a semiconductor laser is more preferable as the generator because it can be miniaturized.
  • the detector for the emitted light of the diamond element may be of the vacuum tube type, a semiconductor detector device is more preferable in terms of miniaturization.
  • the optical waveguide preferably has a two-layer or more coaxial structure having a core portion through which light passes and a portion formed around the core and made of a material having a different refractive index from that of the core portion.
  • the core portion need not be a densely packed form of the light transmitting medium.
  • the core portion may be hollow, as the space itself can transmit light.
  • the optical waveguide is preferably an optical fiber having a core diameter of 1 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less. This is because if an optical fiber is used, the laser light can be guided to a desired position relatively easily, and divergence at the output end of the optical fiber can be suppressed.
  • the condensing element may be made of a substance that has the effect of condensing light.
  • it may be a lens made of a silicon oxide-based material (for example, glass, which may contain additives other than silicon oxide) or a substance with a diffraction function.
  • the condensing element is preferably a lens that transmits light and utilizes a refraction phenomenon.
  • a spherical lens, a hemispherical lens, a Fresnel lens, and the like are preferred.
  • a lens in which the focal point of parallel light is positioned on the spherical surface is more preferable due to the relationship between the refractive index and the spherical shape. This is because the use of such a lens greatly simplifies the adjustment of the optical focus and optical axis, thereby maximizing the amount of light.
  • an optical waveguide for example, an optical fiber
  • the excitation light generator and the light receiver can be insulated from the high voltage, and devices used in the excitation light generator and the light receiver can be protected.
  • the NV center of the diamond element when the diamond magnetic sensor unit described above is used to detect changes over time such as a fluctuating magnetic field for alternating current power, the NV center of the diamond element, after being excited, quickly recovers from the state of emitting light. (ie the state before excitation).
  • the spin coherence time T2 of the diamond element is short.
  • the diamond element preferably has a spin coherence time T2 of less than 50 ⁇ sec.
  • the detection sensitivity is proportional to (T2) -1/2 , the detection sensitivity decreases as T2 decreases. Therefore, when detecting sudden changes in magnetic field fluctuations, for example, when detecting pulse-like magnetic field fluctuations, it is conceivable to sacrifice the detection sensitivity and shorten the spin coherence time T2 of the diamond element as much as possible.
  • the diamond element preferably contains impurities.
  • the total hydrogen concentration in diamond is preferably more than 0 ppm and 10 ppm or less.
  • the concentration (ppm unit) represents the ratio of the number of atoms.
  • the total hydrogen concentration in diamond is more preferably greater than 0 ppm and less than or equal to 1 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be appropriately shortened while suppressing electrons from moving from the NV - center to the hydrogen side and not functioning as the center.
  • each of the NVH 3 ⁇ concentration, CH concentration and CH 2 concentration in the diamond is greater than 0 ppm and less than or equal to 10 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be shortened, and the NV center quickly returns from the excited state to the original state, so that AC magnetic and electric fields can be efficiently detected.
  • each of the NVH 2 ⁇ concentration, CH concentration and CH 2 concentration in diamond is more preferably greater than 0 ppm and less than or equal to 1 ppm.
  • the spin coherence time T2 of diamond can be appropriately shortened while suppressing electrons on the NV - center side from moving to the hydrogen side and failing to function as a color center.
  • the diamond magnetic sensor unit can be installed in an environment where the magnetism or magnetic field contains frequency components of 100 Hz or less, and the magnetism or the magnetic field can be detected.
  • the magnetism or magnetic field contains frequency components of 100 Hz or less
  • an alternating magnetic field generated by power transmission can be used as a detection target, and abnormality detection in the power receiving and transforming equipment and the like is possible.
  • the diamond magnetic sensor unit can be installed in an environment where the magnetism or magnetic field contains frequency components of 1 kHz or less, and the magnetism or the magnetic field can be detected. For example, it is possible to detect a magnetic field that instantaneously changes in a pulse shape, and to detect abnormalities such as partial discharge.
  • the diamond magnetic sensor unit includes an application device (eg, an electromagnet, etc.) for forming patterns of alternating magnetic, magnetic, potential and electric fields in combination in time.
  • an application device eg, an electromagnet, etc.
  • FIG. 9 shows that the condensing element 214 and the diamond element 216 that make up the sensor section are placed near the electrical wiring 260, an alternating current (eg, 50 Hz or 60 Hz, 30 A) is passed through the electrical wiring 260, and the fluctuations caused by this The arrangement is shown when a magnetic field is to be detected.
  • an alternating current eg, 50 Hz or 60 Hz, 30 A
  • FIG. 9 components corresponding to the components shown in FIG. 4 are given the same reference numerals as in FIG.
  • the first optical waveguide 212 and the second optical waveguide 230 for example, step-index multimode optical fibers are used.
  • the first optical waveguide 212 has, for example, a core diameter of 50 ⁇ m and an NA (that is, numerical aperture) of 0.2.
  • the second optical waveguide 230 has, for example, a core diameter of 400 ⁇ m and an NA of 0.5.
  • the diamond element 216 for example, a rectangular parallelepiped diamond of 3 mm ⁇ 3 mm ⁇ 0.3 mm is used.
  • a triangular prism 250 is arranged in addition to the condensing element 208 and the fluorescence reflection filter 210 to constitute a collimating optical system.
  • the collimating optics allow the excitation light to be adjusted to be centered on the focusing element 214 .
  • a PIN-AMP that is, a photodiode IC having a linear current amplifier circuit
  • the PIN-AMP is, for example, a photo IC diode S7183 or S7184 (manufactured by Hamamatsu Photonics KK).
  • This photo IC diode has a sensitivity wavelength range of 300 to 1000 nm and a maximum sensitivity wavelength of 650 nm, and amplifies the photocurrent generated by the photodiode by 1300 times and outputs it.

Abstract

ダイヤモンド磁気センサユニットは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドを含むセンサ部と、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、ダイヤモンドのカラーセンタからの放射光を検知する検知部とを含み、検知部は、ダイヤモンドに電磁波が照射されることなく、励起光照射部によりダイヤモンドに励起光が照射されたことにより発生する放射光を検知し、センサ部から１０ｍｍ以上離隔して配置され、電磁波を伝達する導電部材を含み得る。

Description

ダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステム
　本開示は、ダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステムに関する。本出願は、２０２１年１月２７日出願の日本出願第２０２１－０１０９３６号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　ダイヤモンドのＮＶセンタを用いたセンサが知られている。ダイヤモンドのＮＶセンタを顕微鏡と組合せて使用する場合、例えば図１に示すように構成される。即ち、基板９１２に配置されたＬＥＤ９００は、ダイヤモンド９０４のＮＶセンタを励起するための緑色の光を放射する。放射された光は、ＳＰＦ（Ｓｈｏｒｔ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）９０２を通過した後、基板９１４に配置されたダイヤモンド９０４に入射する。これにより、ＮＶ－センタの電子は励起状態となる。励起された電子が元の基底状態に戻るときに、ダイヤモンド９０４から赤色の蛍光が放射され、その蛍光はレンズ９０６により集光され、ＬＰＦ（Ｌｏｎｇ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）９０８を通過した後、基板９１６に配置されたフォトダイオード９１０により検出される。また、外部装置（図示せず）により発生されたマイクロ波をダイヤモンド９０４に照射する。これにより、スピン状態の異なる状態と共鳴状態となり励起されると、ダイヤモンド９０４からの赤色の蛍光の強度が変化する。この変化は、フォトダイオード９１０により検出される。レンズ９０６は高性能な光学顕微鏡のレンズ構成であることも、簡易的なレンズ構成であることも可能である。
　下記特許文献１には、ダイヤモンドのＮＶセンタを使用した走査プローブ顕微鏡（即ち周波数変調型原子間力顕微鏡（ＦＭ－ＡＦＭ））が開示されている。また、下記特許文献２には、ダイヤモンドのＮＶセンタを用いた磁場検出装置が開示されている。
　下記非特許文献１には、ＮＶセンタを含むダイヤモンドに励起光を照射し、マイクロ波を照射せずに、ＮＶセンタから放射される光ルミネッセンス（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ。以下、ＰＬという）を検出する実験装置が開示されている。この実験装置は、ダイヤモンドに、掃引磁場と所定周波数の摂動磁場とを印加するための電磁石を備える。ダイヤモンドに掃引磁場と摂動磁場とを印加した状態で、励起光を照射して、ＰＬを検出すると、ＰＬの強度はＮＶセンタが受ける外部磁場により変化する。
特開２０１７－６７６５０号公報 特開２０１８－１３６３１６号公報
Arne Wickenbrock, et al., "Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond," Applied Physics Letters 109, 053505 (2016) J-P. Tetienne, L. Rondin, P. Spinicelli, M. Chipaux, T. Debuisschert, J-F. Roch, and V. Jacques, "Magnetic-field-dependent photodynamics of single NV defects in diamond: an application to qualitative all-optical magnetic imaging," New J. Phys. 14, 103033 (2012) L. T. Hall, P. Kehayias, D. A. Simpson, A. Jarmola, A. Stacey, D. Budker, and L. C. L. Hollenberg, "Detection of nanoscale electron spin resonance spectra demonstrated using nitrogen-vacancy centre probes in diamond," Nat. Commun. 7, 10211 (2016)
　本開示のある局面に係るダイヤモンド磁気センサユニットは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドを含むセンサ部と、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、ダイヤモンドのカラーセンタからの放射光を検知する検知部とを含み、検知部は、ダイヤモンドに電磁波が照射されることなく、励起光照射部によりダイヤモンドに励起光が照射されたことにより発生する放射光を検知し、センサ部から１０ｍｍ以上離隔して配置され、電磁波を伝達する導電部材を含み得る。
　本開示の別の局面に係るダイヤモンド磁気センサシステムは、上記のダイヤモンド磁気センサユニットと、印加部と、励起光照射部、検知部及び印加部を制御する制御部とを含み、制御部は、励起光と共に、印加部により、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せてダイヤモンドに印加する。
図１は、従来のダイヤモンドのＮＶセンタを使用した顕微鏡を示す断面図である。 図２は、本開示の第１実施形態に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図３Ａは、外部磁場がない場合におけるＮＶセンタのエネルギーレベル及びその遷移を示す図である。 図３Ｂは、外部磁場がある場合におけるＮＶセンタのエネルギーレベル及びその遷移を示す図である。 図４は、本開示の第２実施形態に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図５は、第１変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図６は、第２変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図７は、第３変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図８は、第４変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図９は、第２実施形態（図４参照）の実施例を示す斜視図である。
　［発明が解決しようとする課題］
　特許文献１及び特許文献２に開示された装置においては、ＮＶセンタを含むダイヤモンドにマイクロ波を照射する必要がある。そのため、マイクロ波発生装置、マイクロ波照射用コイル、及び、ダイヤモンド近傍に配置したマイクロ波照射用コイルまでマイクロ波を伝送する機構が必要となり、コストが高くなる問題がある。
　電力機器等の高電圧機器に対してセンサを使用する場合、部分放電等により瞬間的に高電圧及び大電流が発生し、それに伴う強力な電磁波も発生する。ダイヤモンドの近傍にマイクロ波を照射するためのコイル等の導電部材が存在すると、それに渦電流が発生し、センサとしての検知精度に影響する。したがって、ダイヤモンドの近傍には、導電部材が存在しないことが好ましい。また、放電により、発光素子及び受光素子が損傷する可能性がある。
　非特許文献１に開示されている実験装置は、ダイヤモンド（即ちＮＶセンタ）からの放射光をレンズで集光し、ダイクロイックミラーを介してフォトダイオードに入力し、フォトダイオードの出力信号（即ち電気信号）をケーブルにより検出装置に伝送する。このような構成においては、フォトダイオードをダイヤモンドから離隔すると放射光の検出感度が低下するので、フォトダイオードをダイヤモンドの近くに配置する必要がある。したがって、非特許文献１に開示されている構成を、高電圧環境において用いるセンサに採用することはできない（例えば、部分放電等の影響を受ける）。
　したがって、本開示は、高電圧環境において損傷を受けることなく、遠隔からも精度よく磁場（磁界）等を検知可能なダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステムを提供することを目的とする。
　［発明の効果］
　本開示によれば、高電圧環境においても損傷を受けることなく、遠隔からも精度よく磁場及び電場等を検知可能なダイヤモンド磁気センサユニット及びダイヤモンド磁気センサシステムを提供できる。
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態の内容を列記して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組合せてもよい。
　（１）本開示の第１の局面に係るダイヤモンド磁気センサユニットは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドを含むセンサ部と、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、ダイヤモンドのカラーセンタからの放射光を検知する検知部とを含み、検知部は、ダイヤモンドに電磁波が照射されることなく、励起光照射部によりダイヤモンドに励起光が照射されたことにより発生する放射光を検知し、センサ部から１０ｍｍ以上離隔して配置され、電磁波を伝達する導電部材を含み得る。これにより、１ｋＶ以上の高電圧環境においても損傷を受けることなく、精度よく磁場を検知できる。
　（２）導電部材は、センサ部から５０ｍｍ以上離隔して配置されることができる。これにより、５ｋＶ以上の高電圧環境においても損傷を受けることなく、検知精度を向上できる。
　（３）導電部材は、センサ部から１００ｍｍ以上離隔して配置されてもよい。これにより、１０ｋＶ以上の高電圧環境においても損傷を受けることなく、より検知精度を向上できる。
　（４）ダイヤモンド磁気センサユニットは、励起光及び放射光を伝送する光導波路をさらに含むことができる。これにより、センサ部が配置された高電圧環境において放電等が発生しても、検知部等が損傷を受けることを防止できる。
　（５）ダイヤモンドを有するセンサ部は、全て電気絶縁部材で形成されていてもよい。これにより、センサ部が配置された高電圧環境において、放電等が発生してもセンサ部が損傷を受けることを抑制できる。
　（６）センサ部は、２００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置されてもよい。これにより、２００Ｖ以上の電圧環境において、放電等が発生してもセンサ部が損傷を受けることを回避できる。
　（７）センサ部は、６００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置されてもよい。これにより、６００Ｖ以上の高圧環境において、放電等が発生してもセンサ部が損傷を受けることを回避できる。
　（８）センサ部は、１１００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置されてもよい。これにより、１１００Ｖ以上の高圧環境において、放電等が発生してもセンサ部が損傷を受けることを回避できる。
　（９）センサ部は、検知部により放射光が検知されることによりセンシングされる磁気又は磁場が１ｋＨｚ以下の周波数成分を含む環境に設置されることができる。これにより、瞬時にパルス状に変化する磁場を検知でき、部分放電等の異常を検知可能になる。
　（１０）センサ部は、検知部により放射光が検知されることによりセンシングされる磁気又は磁場が、１００Ｈｚ以下の周波数成分を含む環境に設置されてもよい。これにより、送電設備等において、送電により発生する交流磁場を検知対象とすることができ、送電設備等における異常検知が可能になる。
　（１１）ダイヤモンド磁気センサユニットは、励起光照射部による励起光のダイヤモンドへの照射と共に、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せて印加する印加部をさらに含むことができる。これにより、精度よく磁場を検知できる。
　（１２）ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間は、５０μｓｅｃ未満であってもよい。これにより、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。特に、パルス的に変化する磁場及び電場等を検出可能になる。
　（１３）ダイヤモンド中の全水素濃度は、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下であることができる。これにより、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を短くでき、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。
　（１４）ダイヤモンド中の全水素濃度は、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下であってもよい。これにより、ＮＶ－センタから水素側に電子が移動して、センタとして機能しなくなる（ＮＶ０になる）ことを抑制しつつ、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を適度に短くできる。ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、検知感度を低下させることなく、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。
　（１５）ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度のいずれも、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下であってもよい。これにより、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を短くでき、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻る。したがって、パルス的に変化する磁場及び電場を含み、交流の磁場及び電場等を効率的に検知できる。
　（１６）ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度のいずれも、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下であってもよい。これにより、ＮＶ－センタから水素側に電子が移動して、ＮＶ－センタとして機能しなくなる（ＮＶ０になる）ことを抑制しつつ、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を適度に短くできる。ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、検知感度を低下させることなく、パルス的に変化する磁場及び電場を含み、交流の磁場及び電場等を効率的に検知できる。
　（１７）本開示の第２の局面に係るダイヤモンド磁気センサシステムは、上記のダイヤモンド磁気センサユニットと、印加部と、励起光照射部、検知部及び印加部を制御する制御部とを含み、制御部は、励起光と共に、印加部により、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せてダイヤモンドに印加する。これにより、高電圧環境において損傷を受けることなく、精度よく磁場を検知可能である。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下の実施形態においては、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
（第１実施形態）
　図２を参照して本開示の第１実施形態に係るダイヤモンド磁気センサユニット１００は、励起光発生部１０６、蛍光反射フィルタ１１０、光導波路１１２、センサ部１２０、ＬＰＦ１２２及び受光部１２８を含む。ダイヤモンド磁気センサユニット１００の外部には、制御部１４２が配置されている。
　制御部１４２は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）及び記憶部（いずれも図示せず）を備えている。制御部１４２が行う後述の処理は、記憶部に予め記憶されたプログラムをＣＰＵが読出して実行することにより実現される。
　励起光発生部１０６は、発光素子１０２及び集光素子１０４を含む。発光素子１０２は、制御部１４２の制御を受けて、後述するダイヤモンドのＮＶ－センタ（以下、ＮＶセンタと略記する）を励起するための励起光を発生する。図２において、励起光の光路を点線で示す。制御部１４２は、例えば、発光素子１０２を発光させるための電圧を、所定のタイミングで発光素子１０２に供給する。励起光は、緑色の光（即ち波長約４９０～５６０ｎｍ）である。励起光は、レーザー光であることが好ましく、発光素子１０２は、半導体レーザー（例えば、放射光の波長５３２ｎｍ）であることが好ましい。集光素子１０４は、発光素子１０２から出力される励起光を集光する。集光素子１０４は、発光素子１０２から拡散して出力される励起光をできるだけ多く、後述する光導波路１１２の光の入射端部に入力するためのものである。集光素子１０４は、光導波路１１２の光の入射端部の大きさ（例えば、光ファイバを用いる場合、そのコア径（即ちコアの直径））よりも小さい範囲に集光された平行光を出力することが好ましい。
　蛍光反射フィルタ１１０は、集光素子１０４から入射される励起光と、後述するダイヤモンドから放射される光（即ち蛍光）とを分離するための素子である。例えば、蛍光反射フィルタ１１０は、所定波長以下の波長の光を通し、所定波長より大きい波長の光をカット（即ち反射）するショートパスフィルタ、又は、所定波長範囲内の波長の光を通し、所定波長範囲外の波長の光をカット（即ち反射）するバンドパスフィルタである。一般的に、励起光は蛍光よりも波長が短いことから、このような構成が好ましい。蛍光反射フィルタ１１０は、このような機能を持つダイクロイックミラーであるのが好ましい。
　光導波路１１２は、光を伝送する媒体を含み、双方向に光を伝送する。即ち、励起光発生部１０６の側に配置された第１の端部に入射する励起光を、センサ部１２０の側に配置された第２の端部まで伝送する。また、第２の端部に入射する、ダイヤモンド素子１１６の放射光（即ち蛍光）を、第１の端部まで伝送する。光導波路１１２は、例えば光ファイバである。伝送する励起光のエネルギー密度を高くするには、光ファイバのコア径はできるだけ小さい方が好ましい。一方、コア径が小さすぎると、光源（即ち発光素子）から拡散して放射される光を、光ファイバに入力する効率が低下する。したがって、適切なコア径が存在する。例えば、光ファイバのコア径は、約８０μｍ以下１μｍ以上である。
　センサ部１２０は、集光素子１１４及びダイヤモンド素子１１６を含む。ダイヤモンド素子１１６はＮＶセンタを含む。集光素子１１４は、ダイヤモンド素子１１６に接触して配置されている。集光素子１１４は、光導波路１１２から出力される励起光を収束し、ダイヤモンド素子１１６に照射する。即ち、制御部１４２は、所定のタイミングで所定の時間（ｔ１）励起光を出力するように発光素子１０２を制御する。制御部１４２は、励起光を出力してから所定の時間（ｔ２）経過後、光検知部１２６の出力信号を所定のタイミングで所定の時間（ｔ３）取込み、記憶部に記憶する。
　ＮＶセンタは、ダイヤモンド結晶中の炭素（Ｃ）原子が窒素（Ｎ）原子と置換され、それに隣接して存在するはずの炭素原子が存在しない（即ち空孔（Ｖ））構造を有する。ＮＶセンタは、電子を１個捕獲した状態（即ちＮＶ－）では、磁気量子数ｍｓが－１、０、＋１のスピン三重項状態を形成し、外部磁場が存在しない状態においては、図３Ａに示すように、ｍｓ＝±１の状態のエネルギーレベルは縮退している（便宜上、２本の線分で示す）。外部磁場が存在する状態においては、図３Ｂに示すように、ｍｓ＝±１の状態のエネルギーレベルは磁場強度に応じて分離する（ゼーマン分離）。ＮＶセンタは、波長が約４９０～５６０ｎｍの緑色の光（例えば５３２ｎｍのレーザー光）により基底状態Ｅ１から、スピンの状態を保持して励起状態Ｅ２に遷移し、例えば、中間状態Ｅ３を介して、光を放射して基底状態Ｅ１に戻る。このとき、波長が約６３０～８００ｎｍの赤色の光が放射される。
　マイクロ波を用いる従来の方法においては、約２．８７ＧＨｚのマイクロ波をＮＶセンタに照射して、ｍｓ＝０の状態をｍｓ＝±１の状態に遷移（即ち電子スピン共鳴）させた後、緑色の光を照射して励起する。これにより、基底状態に戻るときの遷移には光（即ち蛍光）を放射しない遷移が含まれるので、観測される放射光の強度は低下する。したがって、ＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｉｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スペクトルにおいて谷（即ち信号の落込み）が観測される。観測される谷の位置（即ち周波数）は、ＮＶセンタが受ける外部磁場に依存するので、谷を観測することにより、ＮＶセンタの位置における磁場を検知できる。
　これに対して、本開示では、ＮＶセンタに励起光を照射した後、マイクロ波等の電磁波を照射することなく放射光を測定し、ＮＶセンタの位置における磁場を検知する。具体的には、非特許文献１～３等に開示されているのと同様に測定を行う。電磁波を照射することなく磁場を検知する方法においては、外部磁場による影響下でのＮＶセンタのＰＬ又はデコヒーレンス（ｄｅｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）の特性を用いる。
　例えば、励起光が照射された後、ＮＶセンタから放射されるＰＬの強度は、時間経過とともに指数関数的に減衰し、その程度は外部磁場に依存し、外部磁場が大きいほど早く減衰する。例えば、ＰＬの測定値は、測定時間に関する三重指数関数で近似できる（非特許文献２参照）。したがって、例えば、予め使用するダイヤモンドに関して、外部磁場と観測されるＰＬの信号強度の減衰の程度との関係を導出しておけば、励起光照射から所定時間経過時に測定されるＰＬの値により、外部磁場を検知し、磁場強度を特定できる。磁場を高精度で検出するには、マイクロ波を用いることが好ましいが、マイクロ波を用いなくても、このようにして１０ｍＴ～２０ｍＴ程度の大きさの磁場を検知できる。ここで、外部磁場等の測定対象である外場の方向に対して、ダイヤモンドの結晶方位を｛１００｝方向に合わせて配置することが望ましい。このようにすると、ダイヤモンドのｓｐ３結合（ｓｐ３混成軌道による結合）に応じて４方向に形成され得るＮＶセンタが全て等方的に外場を感知し、最もコントラスト比（即ち信号のＳＮ比）が高くなる。この方向からずれると、例えばＮＶセンタの方向が磁場と直交する場合は、そのＮＶセンタは磁気感度を失う。したがって、４方向のうちの直交していないＮＶセンタだけがコントラストを持ち、センサとしての感度が低下してしまう。
　なお、ＧＳＬＡＣ（ｇｒｏｕｎｄ－ｓｔａｔｅ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｔｉ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ）と呼ばれる特性を用いてもよい（非特許文献１参照）。即ち、約１０２．４ｍＴの外部磁場は、ＮＶセンタのゼーマンサブレベルの縮退及びミキシング（即ち反交差（ａｎｔｉ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ））を生じ、それは、光励起の下で蛍光強度の低下として観測できる。即ち、ＮＶセンタが何らかの磁場下にあれば、ＮＶセンタの蛍光が変化し、その変化は測定可能である。この方法を用いる場合には、静磁場及び摂動磁場を印加するための２つの電磁石が必要になる。例えば、ＮＶセンタに対して、掃引磁場（例えば、５秒間に０から１２０ｍＴまで変化）を印加するための電磁石（例えば、空芯コイル）と、小さい摂動磁場（例えば、振幅約０．１ｍＴ、周波数１００ｋＨｚ）を印加するための電磁石とを設ける。ダイヤモンドに、掃引磁場を印加し、且つロックインアンプの発局（ｌｏｃａｌ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を用いて摂動磁場を印加しながら、励起光を照射し、ロックインアンプを用いてＰＬを検出する処理を繰返す。これにより、ＮＶセンタの位置における磁場（即ち、掃引磁場と検知対象の外部磁場との合成磁場）が約１０２．４ｍＴになれば、ＰＬの測定信号にＧＳＬＡＣが観測されるので、そのときの掃引磁場を用いて、検知対象の外部磁場を検知できる。また、約５１．４ｍＴ付近に観測されるＰＬの測定信号の谷を検出してもよい。この谷は、ＮＶセンタと、その周囲のＰ１センタ（電子のドナーとなる単一の代替窒素）との交差緩和によるものである。そのときの掃引磁場を用いて、検知対象の外部磁場を検知できる。
　また、約５１２Ｇ（５１．２ｍＴ）付近に観測される、ＮＶセンタと、その周囲のＰ１センタとの交差緩和によるＴ１緩和時間（縦緩和時間）の谷を検出する方法を用いてもよい（非特許文献３参照）。その場合にも、ダイヤモンドに掃引磁場を印加するための電磁石が必要となる。
　具体的なＰＬの測定は、以下のようにして測定される。即ち、ダイヤモンド素子１１６から拡散して放射される光（即ち蛍光）は、集光素子１１４により集光されて平行光として、光導波路１１２の第２の端部に入力される。図２において、放射光の光路を破線で示す。光導波路１１２に入力された光（即ち蛍光）は、光導波路１１２により伝送されて、光導波路１１２の第１の端部から出力される。光導波路１１２の第１の端部から出力された光（即ち蛍光）は、蛍光反射フィルタ１１０により反射され、ＬＰＦ１２２を通過し、集光素子１２４により集光されて、光検知部１２６に入射される。これにより、ダイヤモンド素子１１６が配置された位置における磁場の影響を受けた光が光検知部１２６により検知される。光検知部１２６は、入射する光に応じた電気信号を生成して出力する。光検知部１２６は、例えばフォトダイオードである。光検知部１２６の出力信号は、制御部１４２により取得される。
　ＬＰＦ１２２は、ロングパスフィルタであり、所定波長以上の波長の光を通し、所定波長より小さい波長の光をカット（例えば反射）する。ダイヤモンド素子１１６の放射光は赤色の光であり、ＬＰＦ１２２を通るが、励起光はそれよりも波長が短いので、ＬＰＦ１２２を通らない。これにより、発光素子１０２から放射された励起光が光検知部１２６により検知されてノイズとなることを抑制でき、したがって、ダイヤモンド素子１１６の放射光（即ち蛍光）の検知感度が低下することを抑制できる。
　以上により、制御部１４２は、励起光をダイヤモンド素子１１６に照射し、ダイヤモンド素子１１６から放射される光（即ち蛍光）を、光検知部１２６から出力される電気信号として取得できる。観測された放射光から、ダイヤモンド素子１１６の位置における磁場強度を算出できる。即ち、ダイヤモンド磁気センサユニット１００は、磁気センサとして機能する。なお、ダイヤモンドセンサユニット１００は、磁場に限らず、磁場に関係する物理量、例えば、磁化、電場、電圧、電流、温度及び圧力等を検知するためのセンサとしても利用できる。
　センサ部１２０は、マイクロ波照射用コイルのような電磁波を伝達する導電部材を含まず、センサの本体であるダイヤモンド素子１１６と、集光素子１１４とは電気絶縁体により形成されている。即ち、センサ部１２０は、全て電気絶縁部材で形成されている。したがって、高電圧環境においても、センサ部自体が部分放電等による損傷を受けることなく、精度よく磁場を検知できる。
　光導波路１１２に光ファイバを用いれば、センサ部１２０と光導波路１１２の第２の端部とが高電圧設備等に設置されても、部分放電等による影響が、励起光発生部１０６及び受光部１２８に及ぶことを回避できる。また、光導波路１１２を介して励起光発生部１０６及び受光部１２８を高電圧環境から遠くに配置でき、ダイヤモンド磁気センサユニット１００により、遠隔から磁場等を測定可能になる。また、センサ部１２０は、ダイヤモンド素子１１６と光導波路１１２との間に配置される集光素子１１４を含むので、励起光及び放射光のロスを低減し、検知精度を向上できる。また、励起光と放射光とを分離する蛍光反射フィルタ１１０を設け、励起光及び放射光の伝送を１つの媒体（例えば光導波路１１２）により行うことにより、後述するように、励起光及び放射光の各々を伝送する２つの媒体を設ける場合よりも、構成要素を少なくでき、簡単な構成にできる。
　なお、ダイヤモンド磁気センサユニット１００は、ダイヤモンドのＮＶセンタに影響を与える電磁波を伝達する導電部材を含んでいてもよい。導電部材を含む場合には、導電部材はセンサ部１２０から１０ｍｍ以上離隔していることが好ましい。これにより、精度よく磁場を検知できる。導電部材は、センサ部１２０から５０ｍｍ以上離隔していることがより好ましい。これにより、検知精度を向上できる。導電部材は、１００ｍｍ以上離隔していることがさらに好ましい。これにより、より検知精度を向上できる。なお、レンズホルダー、光ファイバのプラグ、及びレセプタクル等の実寸法が１０ｍｍ程度であるため、離隔距離が１０ｍｍより小さい場合には、電磁界の不均一性の影響が発生する可能性がある。即ち、絶縁破壊の起点になる、又は、雷撃等の急激な電位変化が起きた際に送電線からアーク放電が発生する等、機器の故障につながる恐れがある。
　センサ部は、例えば、通常時に２００Ｖ以上の電圧差が生じる機器（例えば変圧器、又は太陽光発電設備等）又はその周囲に設置され得る。以下、機器とその周囲（即ち、その機器から所定範囲内の領域）とを合わせて「環境」という。また、センサ部は、例えば、通常時に６００Ｖ又は１１００Ｖ以上の電圧差が生じる環境（例えば、受変電設備、高圧送電線、配電線又は風力発電設備等）に設置されてもよい。そのような環境において放電等が発生しても、センサ部は損傷を受けることを回避でき、精度よく磁場を検知できる。
（第２実施形態）
　第１実施形態においては、１つの光導波路１１２を用いて、双方向に光（即ち励起光及び放射光）を伝送したが、第２実施形態においては、ダイヤモンド素子１１６の励起光及び放射光の各々を伝送する光導波路を用いる。図４を参照して本開示の第２実施形態に係るダイヤモンド磁気センサユニット２００は、励起光発生部２０６、第１光導波路２１２、集光素子２０８、蛍光反射フィルタ２１０、センサ部２２０、ＬＰＦ２２２、集光素子２２４、第２光導波路２３０及び受光部２２８を含む。ダイヤモンド磁気センサユニット２００の外部には、第１実施形態と同様に、制御部１４２が配置されている。
　励起光発生部２０６は、発光素子２０２及び集光素子２０４を含む。センサ部２２０は、集光素子２１４及びダイヤモンド素子２１６を含む。受光部２２８は、光検知部２２６を含む。発光素子２０２、集光素子２０４、蛍光反射フィルタ２１０、集光素子２１４、ダイヤモンド素子２１６、ＬＰＦ２２２及び光検知部２２６はそれぞれ、図２に示した発光素子１０２、集光素子１０４、蛍光反射フィルタ１１０、集光素子１１４、ダイヤモンド素子１１６、ＬＰＦ１２２及び光検知部１２６に対応し、同様に機能する。したがって、これらに関しては簡略に説明する。図４において、図２と同様に、励起光の光路を点線で示し、放射光の光路を破線で示す。
　発光素子２０２は、第１実施形態と同様に、制御部１４２の制御を受けて、ダイヤモンドのＮＶセンタを励起するための励起光を発生する。制御部１４２は、例えば、発光素子２０２を発光させるための電圧を、所定のタイミングで発光素子２０２に供給する。励起光は、緑色の光である。励起光は、レーザー光であることが好ましく、発光素子２０２は、半導体レーザーであることが好ましい。集光素子２０４は、発光素子２０２から拡散して出力される励起光を集光し、第１光導波路２１２の光の入射端部に入力する。
　第１光導波路２１２は、光を伝送する媒体を含む。第１光導波路２１２は、図２に示した光導波路１１２とは異なり、励起光を伝送するが、ダイヤモンド素子２１６の放射光は伝送しない。即ち、第１光導波路２１２の、励起光発生部２０６側に配置された入射端部に入射する励起光を、センサ部２２０側に配置された出力端部まで伝送して出力する。第１光導波路２１２は、例えば光ファイバである。第１光導波路２１２から拡散して出力される励起光は、集光素子２０８により集光されて平行光として蛍光反射フィルタ２１０に入射する。
　蛍光反射フィルタ２１０は、集光素子２０８から入射される励起光と、ダイヤモンド素子２１６から放射される光（即ち蛍光）とを分離するための素子である。蛍光反射フィルタ２１０は、ダイクロイックミラーであってもよい。
　集光素子２１４は、蛍光反射フィルタ２１０を通過して入力される励起光を収束し、ダイヤモンド素子２１６に照射する。集光素子２１４は、ダイヤモンド素子２１６に接触して配置されている。ダイヤモンド素子２１６はＮＶセンタを含む。ダイヤモンド素子２１６への励起光の照射のタイミングは、制御部１４２により制御される。これにより、上記したように、ダイヤモンド素子２１６から赤色の光（即ち蛍光）が放射される。
　ダイヤモンド素子２１６から拡散して放射される光（即ち赤色の蛍光）は、集光素子２１４により集光されて平行光になり、蛍光反射フィルタ２１０に入射する。蛍光反射フィルタ２１０に入射した光（即ち赤色の蛍光）は、蛍光反射フィルタ２１０により反射され、ＬＰＦ２２２に入射する。ＬＰＦ２２２に入射したダイヤモンド素子２１６の放射光（即ち赤色の蛍光）は、ＬＰＦ２２２を通り、集光素子２２４により集光され、第２光導波路２３０の入射端部に入射する。ＬＰＦ２２２は、発光素子２０２から放射された励起光が、光検知部２２６により検知されてノイズとなることを抑制し、したがって、ダイヤモンド素子２１６の放射光（即ち蛍光）の検知感度が低下することを抑制する。
　第２光導波路２３０は、光を伝送する媒体を含む。第２光導波路２３０は、集光素子２２４から入射端部に入射した光（即ちダイヤモンド素子２１６の放射光）を、受光部２２８側に配置された出力端部まで伝送する。第２光導波路２３０から出力される光は、光検知部２２６により検知される。光検知部２２６は、例えばフォトダイオードである。光検知部２２６の出力信号は、制御部１４２により取得される。
　以上により、制御部１４２は、第１実施形態と同様に、励起光をダイヤモンド素子２１６に照射し、ダイヤモンド素子２１６から放射される光（即ち蛍光）を、光検知部２２６から出力される電気信号として取得できる。したがって、ダイヤモンド磁気センサユニット２００は、磁気センサとして機能する。ダイヤモンド磁気センサユニット２００は、磁場に限らず、磁場に関係する物理量、例えば、磁化、電場、電圧、電流、温度及び圧力等を検知するためのセンサとしても利用できる。
　センサ部２２０は、マイクロ波照射用コイルのような電磁波を伝達する導電部材を含まず、センサの本体であるダイヤモンド素子２１６と、集光素子２１４とは電気絶縁体により形成されている。即ち、センサ部２２０は、全て電気絶縁部材で形成されている。したがって、高電圧環境においても、センサ部自体が部分放電等による損傷を受けることなく、精度よく磁場を検知できる。
　２つの光導波路（即ち第１光導波路２１２及び第２光導波路２３０）に光ファイバを用いれば、センサ部２２０が高電圧設備等に設置されても、部分放電等による影響が、励起光発生部２０６及び受光部２２８に及ぶことを回避できる。また、第１光導波路２１２及び第２導波路２３０を介して励起光発生部２０６及び受光部２２８を高電圧環境から遠くに配置でき、ダイヤモンド磁気センサユニット２００により、遠隔から磁場等を測定可能になる。また、センサ部２２０は、ダイヤモンド素子２１６と第１光導波路２１２及び第２導波路２３０との間に配置される集光素子２１４を含むので、励起光及び放射光のロスを低減し、検知精度を向上できる。
　２つの光導波路（即ち第１光導波路２１２及び第２光導波路２３０）を用いることにより、波長が異なる励起光とダイヤモンド素子２１６の放射光とを、それぞれ適切に伝送できる。即ち、波長に応じたコア径の光ファイバを用いることにより、各々に適した集光光学系（即ち集光素子２０４、２０８、２１４及び２２４）を設計でき、光の伝送効率を向上でき、検知精度を向上できる。光導波路に光ファイバを用いる場合、ダイヤモンドの放射光を伝送する光ファイバ（即ち第２光導波路２３０）のコア径は、励起光を伝送する光ファイバ（即ち第１光導波路２１２）のコア径よりも大きいことが好ましい。
　上記したように、励起光を伝送するために使用される光ファイバは、励起光のエネルギー密度を高くするためには、コア径は小さい方がよいが、コア径が小さ過ぎると、光を光源からファイバに入力するときにロスが生じる。したがって、適度なコア径が存在する。第１光導波路２１２のコア径は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。一方、ダイヤモンド素子２１６の放射光を伝送するための光ファイバのコア径は、大きいほど好ましい。但し、コア径が大き過ぎるとコストがかかる。第２光導波路２３０のコア径は、１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
（第１変形例）
　第２実施形態においては、蛍光反射フィルタ２１０を用いて、励起光とダイヤモンド素子２１６の放射光とを分離したが、これに限定されない。励起光とダイヤモンド素子２１６の放射光とを、ＬＰＦを用いて分離してもよい。
　図５を参照して、第１変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニット３００は、ＬＰＦ３０２を用いて、発光素子２０２からの励起光と、ダイヤモンド素子２１６の放射光とを分離する。ダイヤモンド磁気センサユニット３００は、ダイヤモンド磁気センサユニット２００（図４参照）において、蛍光反射フィルタ２１０をＬＰＦ３０２で代替し、励起光を発生及び伝送する経路と、ダイヤモンド素子２１６の放射光を伝送及び検知する経路とを入替えたものである。ＬＰＦ３０２はロングパスフィルタである。図５において、図４と同じ符号を付した構成要素は、図４と同じものを表す。したがって、それらに関して、重複説明は繰返さない。なお、図５において、図４と同様に、励起光の光路を点線で示し、放射光の光路を破線で示す。
　発光素子２０２により発生した励起光は、集光素子２０４により集光され、第１光導波路２１２の入射端部に入力される。励起光は第１光導波路２１２により伝送され、第１光導波路２１２の出力端部から出力され、集光素子２２４により集光されて平行光になり、ＬＰＦ３０２に入射する。励起光は緑色の光であるので、ＬＰＦ３０２により反射され、集光素子２１４に入射する。
　一方、ダイヤモンド素子２１６の放射光は、集光素子２１４により集光されて平行光になり、ＬＰＦ３０２に入射する。ダイヤモンド素子２１６の放射光（即ち赤色の蛍光）は、ＬＰＦ３０２を通って集光素子２２４により集光され、第２光導波路２３０に入射し、第２光導波路２３０により受光部２２８まで伝送され、受光部２２８により検知される。したがって、第２実施形態のダイヤモンド磁気センサユニット２００と同様に、ダイヤモンド磁気センサユニット３００は、磁場等を検知するセンサとして機能する。
（第２変形例）
　上記では、ＮＶセンタを含むダイヤモンド素子の１つの面に励起光を入射し、その同じ面からの放射光を測定する場合を説明したが、これに限定されない。ＮＶセンタを含むダイヤモンド素子が、複数の平坦な面を有している場合、励起光を照射する面と、放射光を測定する面とが異なっていてもよい。平坦面とは、所定以上の面積を有する１つの平面を意味し、ここでは、ＮＶセンタを含むダイヤモンド素子の平坦面とは、直径約２００μｍの円よりも大きい面積を有する１つの平面を意味する。
　図６を参照して、第２変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニット４００は、ダイヤモンド素子４０２に対して励起光を入射した面と異なる面から放射される光を検出する。ダイヤモンド磁気センサユニット４００は、図４に示したダイヤモンド磁気センサユニット２００において、センサ部２２０をセンサ部４０８で代替し、集光素子２０８、蛍光反射フィルタ２１０及び集光素子２２４を取除いたものである。図６において、図４と同じ符号を付した構成要素は、図４と同じものを表す。それらに関して、重複説明は繰返さない。図６において、図４と同様に、励起光の光路を点線で示し、放射光の光路を破線で示す。
　センサ部４０８は、ダイヤモンド素子４０２、集光素子４０４及び集光素子４０６を含む。ダイヤモンド素子４０２は、ＮＶセンタを含み、複数の平坦面を有する。ダイヤモンド素子４０２は、例えば直方体に形成されている。集光素子４０４は、ダイヤモンド素子４０２の１つの平坦面（以下、第１平坦面という）に接触して配置されている。集光素子４０６は、ダイヤモンド素子４０２の、第１平坦面とは異なる平坦面（以下、第２平坦面という）に接触して配置されている。
　第１光導波路２１２により伝送された励起光は、集光素子４０４に入射し、集光素子４０４により集光されてダイヤモンド素子４０２の第１平坦面を照射する。上記したように、ダイヤモンド素子４０２に対して、励起光の照射が所定のタイミングで行われることにより、ダイヤモンド素子４０２から光が放射される。放射光は全方向に放射される。ダイヤモンド素子４０２の第２平坦面から放射される光（即ち赤色の蛍光）は、集光素子４０６により集光されて平行光になり、ＬＰＦ２２２に入射し、ＬＰＦ２２２を通って第２光導波路２３０の入射端部に入射する。その後、ダイヤモンド素子４０２の第２平坦面から放射された光（即ち赤色の蛍光）は、第２光導波路２３０により光検知部２２６まで伝送され、光検知部２２６により検知される。したがって、第２実施形態のダイヤモンド磁気センサユニット２００と同様に、ダイヤモンド磁気センサユニット４００は、磁場等を検知するセンサとして機能する。
　このように、励起光を照射した面（即ち第１平坦面）と異なる面（即ち第２平坦面）から放射光を検知する構成とすることにより、集光素子の数を削減でき、励起光とダイヤモンド素子の放射光とを分離するための素子（例えば蛍光反射フィルタ等）を削減できる。したがって、ダイヤモンド磁気センサユニットをより簡単な構成にでき、コストを削減できる。
　上記では、ダイヤモンド素子４０２が、直方体に形成されており、第１平坦面及び第２平坦面が、９０度を成す２つの面である場合を説明したが、これに限定されない。ダイヤモンド素子４０２が、直方体に形成されている場合、第１平坦面に平行な平坦面を、検知対象の放射光を集光する第２平坦面としてもよい。また、ダイヤモンド素子４０２は少なくとも２つの平坦面を有していればよく、６面体に限らず、ダイヤモンド素子４０２の形状は任意である。
（第３変形例）
　上記では、センサ部が集光素子を含む場合を説明したが、これに限定されない。第３変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニット５００は、図７を参照して、図２に示したダイヤモンド磁気センサユニット１００から集光素子１１４を取除いたものである。即ち、センサ部５０２は、ダイヤモンド素子１１６を含むが、集光素子を含まない。ダイヤモンド素子１１６は、光導波路１１２の第２の端部に接触して配置されている。
　ダイヤモンド磁気センサユニット５００において、ダイヤモンド磁気センサユニット１００（図２参照）と同様に、発光素子１０２から出力される励起光（即ち緑色の光）をダイヤモンド素子１１６に照射すると、ダイヤモンド素子１１６のＮＶセンタは励起され、光（即ち赤色の蛍光）を放射して、元の状態に戻る。したがって、放射光を測定することにより、ダイヤモンド磁気センサユニット５００は、磁気センサとして機能する。磁場の測定方法は、第１実施形態と同様である。
　センサ部５０２は、コイル等の導電性部材を含まず、全て電気絶縁部材により構成される。したがって、センサ部５０２は、高電圧設備に設置されても、放電等により損傷することがなく、高電圧環境において安全に磁場等を測定できる。
（第４変形例）
　第１及び２実施形態においては、励起光及びダイヤモンド素子の放射光を伝送する光導波路を、光を伝送する媒体を用いて構成する場合を説明したが、これに限定されない。第４変形例に係るダイヤモンド磁気センサユニットは、鏡を用いて光導波路を構成する。具体的には、図８を参照して、ダイヤモンド磁気センサユニット６００は、励起光発生部１０６、センサ部１２０、ＬＰＦ１２２、受光部１２８、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４を含む。第１実施形態と同様に、ダイヤモンド磁気センサユニット６００の外部には、制御部１４２が配置されている。
　励起光発生部１０６は、発光素子１０２及び集光素子１０４を含む。センサ部１２０は、集光素子１１４及びダイヤモンド素子１１６を含む。受光部１２８は、光検知部１２６を含む。図８において、図２と同じ符号を付した構成要素は、図２と同じものを表す。したがって、それらに関して、重複説明は繰返さない。
　凹面鏡６０２は、点Ｏを中心とする半径ｒ１の球を平面で切断した形状である。凹面鏡６０２の端部（即ち切断部）の形状は、直径ｄ１の円形である。凹面鏡６０２には、励起光発生部１０６からの励起光を通過させるための開口６０６と、放射光を通過させるための開口６０８とが形成されている。開口６０６及び６０８は、例えば円形である。凹面鏡６０２の両面である２つの曲面（即ち球面の一部）のうち、凸面鏡６０４に対向する曲面は放射光の反射面（以下、鏡面という）になっている。凸面鏡６０４は、点Ｏを中心とする半径ｒ２の球を平面で切断した形状である。凹面鏡６０２の端部（即ち切断部）の形状は、直径ｄ２の円形である。凸面鏡６０４の両面である２つの曲面（即ち球面の一部）のうち、凹面鏡６０２に対向する曲面は鏡面になっている。
　図８において、図２と同様に、励起光の光路を点線で示し、放射光の光路を破線で示す。発光素子１０２により発生した励起光は、集光素子１０４により集光されて平行光になり、空間を伝搬して集光素子１１４に入射し、集光されてダイヤモンド素子１１６を照射する。即ち、空間が励起光の光導波路の機能を担い、空間が励起光の光導波路を構成する。一方、ダイヤモンド素子１１６の放射光は、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４により順次反射されて、開口６０８を通って受光部１２８に入射する。したがって、凹面鏡６０２、凸面鏡６０４及び空間が、放射光の光導波路を構成する。これにより、第１実施形態のダイヤモンド磁気センサユニット１００と同様に、ダイヤモンド磁気センサユニット６００は、磁場等を検知するセンサとして機能する。
　なお、上記では、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４の中心が共に点Ｏに位置する場合を説明したが、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４の中心が異なる位置に位置していてもよい。また、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４の各々の端部が円形（即ち球面が平面で切断された形状）である場合を説明したが、これに限定されない。凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４の相互に対向する面が鏡面であればよく、凹面鏡６０２及び凸面鏡６０４の各々の端部の形状は任意である。
　第２実施形態（図４参照）、第１変形例（図５参照）及び第２変形例（図６参照）においては、励起光を光ファイバ等の光導波路２１２により伝送する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、ダイヤモンド磁気センサユニット２００（図４参照）及びダイヤモンド磁気センサユニット３００（図５参照）は、光導波路２１２及び集光素子２０８を備えていなくてもよい。発光素子２０２から出力される励起光は集光素子２０４により集光されて平行光になるので、集光素子２０８はなくてもよい。集光素子２０４により集光された励起光は、空間自体により伝送され、蛍光反射フィルタ２１０又はＬＰＦ３０２に入射する。同様に、ダイヤモンド磁気センサユニット４００（図６参照）は、光導波路２１２を備えていなくてもよい。集光素子２０４により集光された励起光は、空間自体により伝送され、集光素子４０４に入射する。
　上記では、ダイヤモンド磁気センサユニットに、ＮＶセンタを有するダイヤモンド素子を用いる場合を説明したが、これに限定されない。電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンド素子であればよい。電子スピンを持つカラーセンタは、スピン三重項状態を形成し、励起されることにより発光するセンタであり、ＮＶセンタが代表例である。その他に、シリコン－空孔センタ（即ちＳｉ－Ｖセンタ）、ゲルマニウム－空孔センタ（即ちＧｅ－Ｖセンタ）、錫－空孔センタ（即ちＳｎ－Ｖセンタ）にも、電子スピンを持ったカラーセンタが存在することが知られている。したがって、これらを含むダイヤモンド素子を、ＮＶセンタを含むダイヤモンド素子の代わりに用いて、ダイヤモンド磁気センサユニットを構成してもよい。
　励起光はレーザー光が好ましく、発生装置としては半導体レーザーが、小型化できる点でより好ましい。ダイヤモンド素子の放射光の検知器は真空管型でもよいが、半導体検知デバイスが、小型化の点でより好ましい。
　光導波路は、光が通るコア部分と、コアの周辺に形成されたコア部分とは屈折率が異なる材料の部分とを有する２層以上の同軸構造であることが好ましい。コア部分は、光を伝送する媒体が密に充填された形態でなくてもよい。空間自体が光を伝送できるので、コア部分は空洞であってもよい。光導波路は、コア径が１μｍ以上８０μｍ以下の光ファイバであることが好ましい。光ファイバを使用すれば、レーザー光を比較的容易に、所望の位置に導くことができ、光ファイバの出力端部での発散を抑えることもできるからである。
　集光素子は、光を集光する作用のある物質により形成されていればよい。例えば、酸化ケイ素をベースとした素材（例えばガラス。酸化ケイ素以外の添加物が含まれていてもよい）により形成されたレンズであっても、回折機能を持った物質であってもよい。集光素子は、光を透過して屈折現象を利用するレンズが好ましい。球面状のレンズ、半球面状のレンズ、及び、フレネルレンズ等が好ましい。特に、屈折率と球体形状との関係で、平行光の焦点が球面上に位置するレンズがより好ましい。そのようなレンズを使用すれば、光学上の焦点及び光軸の調整が非常に簡便になり、光量を最大に利用できるからである。
　高電圧環境にセンサ部を配置する場合、励起光とダイヤモンドの放射光とを伝送する光導波路（例えば光ファイバ）は、絶縁碍子の中を通して配置することが好ましい。これにより、励起光発生部及び受光部を、高電圧から絶縁でき、励起光発生部及び受光部において使用される機器を保護できる。
　上記したダイヤモンド磁気センサユニットを使用して、交流電力を対象とし、変動する磁場等の時間変化を検知する場合、ダイヤモンド素子のＮＶセンタは、励起された後、光を放射する状態から速やかに元の状態（即ち励起前の状態）に戻ることが好ましい。そのためには、ダイヤモンド素子のスピンコヒーレンス時間Ｔ２が短いことが好ましい。例えば、ダイヤモンド素子のスピンコヒーレンス時間Ｔ２は５０μｓｅｃ未満であることが好ましい。これにより、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。特に、パルス的に変化する磁場及び電場等を検出可能になる。なお、検知感度は（Ｔ２）－１／２に比例するので、Ｔ２が小さいほど検知感度は小さくなる。したがって、磁場変動の急激な変化を検知する場合、例えば、パルス状の磁場変動を検知する場合には、検知感度を犠牲にして、ダイヤモンド素子のスピンコヒーレンス時間Ｔ２をできるだけ短くすることが考えられる。
　スピンコヒーレンス時間を短くするには、ダイヤモンド素子が不純物を含むことが好ましい。Ｔ２が小さいほど検知感度は低下することを考慮すると、例えば、ダイヤモンド中の全水素濃度が、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。ここで、濃度（ｐｐｍ単位）は原子の個数の割合を表す。これにより、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を短くでき、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。但し、ダイヤモンド中に含まれる水素原子の濃度が高くなると、ＮＶ－センタ側の電子が水素側に移動し、カラーセンサとして機能しなくなる（即ちＮＶ０になる）。したがって、ダイヤモンド中の全水素濃度は、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下であることがより好ましい。これにより、ＮＶ－センタから水素側に電子が移動して、センタとして機能しなくなることを抑制しつつ、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を適度に短くできる。
　また、ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度の各々が、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下であることも好ましい。これにより、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を短くでき、ＮＶセンタは、励起状態から元の状態に速やかに戻るので、交流の磁場及び電場等を効率的に検出できる。上記したように、ダイヤモンド中に含まれる水素原子の濃度を抑制するためには、ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度の各々は、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下であることがより好ましい。これにより、ＮＶ－センタ側の電子が水素側に移動し、カラーセンタとして機能しなくなることを抑制しつつ、ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間Ｔ２を適度に短くできる。
　スピンコヒーレンス時間が短いダイヤモンドを使用することにより、ダイヤモンド磁気センサユニットを、磁気又は磁場が１００Ｈｚ以下の周波数成分を含む環境に設置して、磁気又は磁場を検知できる。例えば、受変電設備等において、送電により発生する交流磁場を検知対象とすることができ、受変電設備等における異常検知が可能になる。また、スピンコヒーレンス時間がより短いダイヤモンドを使用することにより、ダイヤモンド磁気センサユニットを、磁気又は磁場が１ｋＨｚ以下の周波数成分を含む環境に設置して、磁気又は磁場を検知できる。例えば、瞬時にパルス状に変化する磁場を検知でき、部分放電等の異常を検知可能になる。
　上記では、カラーセンタを有するダイヤモンドに、電磁波を照射せずに、励起光を照射することによりダイヤモンドから放射される放射光を検知する場合を説明したが、これに限定されない。ダイヤモンドに励起光を照射すると共に、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せて印加して、ダイヤモンドから放射される放射光を検知してもよい。その場合、ダイヤモンド磁気センサユニットは、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せて形成するための印加装置（例えば電磁石等）を含む。これにより、精度よく磁場を検知できる。
　（実施例の構成）
　図４に示した構成の実施例を図９に示す。図９は、センサ部を構成する集光素子２１４及びダイヤモンド素子２１６を電気配線２６０の近傍に配置し、電気配線２６０に交流電流（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ、３０Ａ）を流し、これにより発生する変動磁場を検知対象とする場合の配置を示している。図９において、図４に示した構成要素に対応するものは、図４と同じ符号を付している。
　第１光導波路２１２及び第２光導波路２３０は、例えばステップインデックス・マルチモード型の光ファイバを用いる。第１光導波路２１２は、例えば、コア径５０μｍ、ＮＡ（即ち開口数）０．２である。第２光導波路２３０は、例えば、コア径４００μｍ、ＮＡ０．５である。ダイヤモンド素子２１６には、例えば３ｍｍ×３ｍｍ×０．３ｍｍの直方体のダイヤモンドを用いる。集光素子２１４には、例えば直径２ｍｍの球形のレンズを用い、集光素子２１４をダイヤモンド素子２１６の表面（例えば３ｍｍ×３ｍｍの平坦面）に接触させて固定する。励起光を伝送する光学系には、集光素子２０８及び蛍光反射フィルタ２１０に加えて三角プリズム２５０を配置し、コリメート光学系を構成する。コリメート光学系により、励起光が集光素子２１４の中心に入射するように調整できる。
　光検知部２２６（図４参照）には、例えばＰＩＮ－ＡＭＰ（即ち、リニア電流増幅回路を有するフォトダイオードＩＣ）を用いる。ＰＩＮ－ＡＭＰは、例えばフォトＩＣダイオードＳ７１８３又はＳ７１８４（浜松ホトニクス株式会社製）である。このフォトＩＣダイオードは、フォトダイオードの感度波長範囲３００～１０００ｎｍ、最大感度波長６５０ｎｍであり、フォトダイオードが発生する光電流を１３００倍に増幅して出力する。
　以上、実施の形態を説明することにより本開示を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本開示は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本開示の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
１００、２００、３００、４００、５００、６００　　ダイヤモンド磁気センサユニット
１０２、２０２　　発光素子
１０４、１１４、１２４、２０４、２０８、２１４、２２４、４０４、４０６　　集光素子
１０６、２０６　　励起光発生部
１１０、２１０　　蛍光反射フィルタ
１１２　　光導波路
１１６、２１６、４０２　　ダイヤモンド素子
１２０、２２０、４０８、５０２　　センサ部
１２２、２２２、３０２、９０８　　ＬＰＦ
１２６、２２６　　光検知部
１２８、２２８　　受光部
１４２　　制御部
２１２　　第１光導波路
２３０　　第２光導波路
２５０　　三角プリズム
２６０　　電気配線
６０２　　凹面鏡
６０４　　凸面鏡
６０６、６０８　　開口
９１２、９１４、９１６　　基板
９００　　ＬＥＤ
９０２　　ＳＰＦ
９０４　　ダイヤモンド
９０６　　レンズ
９１０　　フォトダイオード
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３　　エネルギーレベル
Ｏ　　点
ｒ１、ｒ２　　半径
ｄ１、ｄ２　　直径

Claims (17)

  1. 　電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドを含むセンサ部と、
    　前記ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、
    　前記ダイヤモンドの前記カラーセンタからの放射光を検知する検知部とを含み、
    　前記検知部は、前記ダイヤモンドに電磁波が照射されることなく、前記励起光照射部により前記ダイヤモンドに前記励起光が照射されたことにより発生する前記放射光を検知し、
    　前記センサ部から１０ｍｍ以上離隔して配置され、前記電磁波を伝達する導電部材を含み得る、ダイヤモンド磁気センサユニット。
  2. 　前記導電部材は、前記センサ部から５０ｍｍ以上離隔して配置される、請求項１に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  3. 　前記導電部材は、前記センサ部から１００ｍｍ以上離隔して配置される、請求項１に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  4. 　前記励起光及び前記放射光を伝送する光導波路をさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  5. 　前記ダイヤモンドを有する前記センサ部は、全て電気絶縁部材で形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  6. 　前記センサ部は、２００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  7. 　前記センサ部は、６００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  8. 　前記センサ部は、１１００Ｖ以上の電圧差が生じ得る環境に設置される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  9. 　前記センサ部は、前記検知部により前記放射光が検知されることによりセンシングされる磁気又は磁場が１ｋＨｚ以下の周波数成分を含む環境に設置される、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  10. 　前記センサ部は、前記検知部により前記放射光が検知されることによりセンシングされる磁気又は磁場が１００Ｈｚ以下の周波数成分を含む環境に設置される、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  11. 　前記励起光照射部による前記励起光の前記ダイヤモンドへの照射と共に、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せて印加する印加部をさらに含む、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  12. 　前記ダイヤモンドのスピンコヒーレンス時間は、５０μｓｅｃ未満である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  13. 　前記ダイヤモンド中の全水素濃度は、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  14. 　前記ダイヤモンド中の全水素濃度は、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  15. 　前記ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度のいずれも、０ｐｐｍより大きく１０ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  16. 　前記ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度のいずれも、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド磁気センサユニット。
  17. 　請求項１１に記載のダイヤモンド磁気センサユニットと、
    　前記励起光照射部、前記検出部、及び前記印加部を制御する制御部を含み、
    　前記制御部は、前記励起光と共に、前記印加部により、交流の磁気、磁場、電位及び電場のパターンを時間的に組合せて前記ダイヤモンドに照射する、ダイヤモンド磁気センサシステム。
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