WO2022163679A1 - ダイヤモンドセンサユニット - Google Patents

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WO2022163679A1
WO2022163679A1 PCT/JP2022/002766 JP2022002766W WO2022163679A1 WO 2022163679 A1 WO2022163679 A1 WO 2022163679A1 JP 2022002766 W JP2022002766 W JP 2022002766W WO 2022163679 A1 WO2022163679 A1 WO 2022163679A1
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WO
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diamond
light
patch antenna
electromagnetic wave
excitation light
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/002766
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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
日新電機株式会社
住友電気工業株式会社
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Publication date
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Priority to EP22745899.9A priority patent/EP4286877A1/en
Priority to CN202280011673.XA priority patent/CN117157546A/zh
Priority to US18/273,313 priority patent/US20240118327A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/24—Transmission-line, e.g. waveguide, measuring sections, e.g. slotted section

Definitions

  • the present disclosure relates to diamond sensor units.
  • This application claims priority based on Japanese application No. 2021-010937 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. The following non-patent document 1 discloses a compact magnetic field detection device using a lens.
  • FM-AFM frequency modulated atomic force microscope
  • a diamond sensor unit includes a diamond having a color center with electron spins, an excitation light irradiation section for irradiating the diamond with excitation light, a first patch antenna for receiving electromagnetic waves, and a first patch antenna.
  • an electromagnetic wave irradiation unit that irradiates the diamond with the electromagnetic wave received by the above; a detection unit that detects the radiation light emitted from the color center of the diamond after the diamond is irradiated with the excitation light and the electromagnetic wave; and the excitation light and the radiation light.
  • an optical waveguide for transmitting the
  • 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 sensor unit according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a patch antenna for receiving microwaves.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a horn antenna for transmitting microwaves.
  • FIG. 5 is a sequence diagram showing irradiation timings of excitation light and electromagnetic waves and measurement timings of radiation light during measurement using the diamond sensor unit shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing the relationship between observed signal intensity (that is, radiant light intensity) and the frequency of electromagnetic waves (that is, microwaves).
  • 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 sensor unit according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a patch antenna for receiving microwaves.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a diamond sensor unit according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a state in which the micropatch antenna and the horn antenna are arranged on the object to be measured.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross section of the object to be measured, the micropatch antenna, and the horn antenna along a plane including line IX-IX shown in FIG.
  • FIG. 10 is a perspective view showing an example of the second embodiment (see FIG. 7).
  • FIG. 11 is a perspective view showing an electromagnetic wave irradiation unit using a coplanar line.
  • FIG. 12A is a graph showing experimental results.
  • FIG. 12B is a graph showing experimental results.
  • FIG. 12C is a graph showing experimental results.
  • FIG. 13 is a graph showing experimental results.
  • Patent Document 2 discloses that the light-emitting element and the light-receiving element are arranged apart from the diamond and the microwave irradiation coil. However, since the excitation light and the emitted fluorescence light are transmitted in the air as parallel light, they are diffused and there is a limit to the separation distance. In particular, fluorescence has a weak signal intensity, which poses a problem.
  • an object of the present disclosure is to provide a diamond sensor unit that can accurately detect magnetic fields and the like even from a distance without being damaged even in a high-voltage environment.
  • a diamond sensor unit includes a diamond having a color center with electron spins, an excitation light irradiation section for irradiating the diamond with excitation light, and a first patch antenna for receiving electromagnetic waves.
  • an electromagnetic wave irradiation unit for irradiating the diamond with the electromagnetic wave received by the first patch antenna; a detection unit for detecting the radiated light emitted from the color center of the diamond after the diamond is irradiated with the excitation light and the electromagnetic wave; an optical waveguide for transmitting excitation light and emission light.
  • the diamond sensor unit may further include a horn antenna or a second patch antenna for transmitting electromagnetic waves received by the first patch antenna, the horn antenna being capable of transmitting microwaves as the electromagnetic waves, and the second patch antenna can transmit microwaves, millimeter waves or submillimeter waves as electromagnetic waves.
  • electromagnetic waves can be transmitted to the first patch antenna with good directivity, and detection accuracy can be improved.
  • the first patch antenna includes a plate-shaped conductive member that receives electromagnetic waves, and may be arranged in the electrical equipment or electrical wiring that is the detection target. It may be arranged so as to be parallel to the equipotential surface to be formed. As a result, the influence of the electric field generated by the normal operation of the electrical equipment or electrical wiring to be measured can be suppressed when receiving the electromagnetic wave by the first patch antenna. Therefore, the first patch antenna can stably receive electromagnetic waves.
  • the equipotential surface may have a curved shape, and the first patch antenna may be arranged such that the conductive member follows the curved shape. This makes it possible to further suppress the influence of the electric field generated by the normal operation of the electrical equipment or electrical wiring to be measured when receiving the electromagnetic wave by the first patch antenna. Therefore, the first patch antenna can receive electromagnetic waves more stably.
  • the diamond sensor unit 100 includes an excitation light generating section 106, a fluorescence reflection filter 110, an optical waveguide 112, a sensor section 120, an LPF 122, a light receiving section 128 and a receiving section 130. include.
  • An electromagnetic wave generator 140 , a controller 142 and a transmitter 144 are arranged outside the diamond 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.
  • 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 (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 , a diamond element 116 and an electromagnetic wave irradiation section 118 .
  • 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 .
  • the electromagnetic wave irradiation unit 118 irradiates the diamond element 116 with electromagnetic waves (for example, microwaves).
  • the electromagnetic wave irradiation unit 118 is, for example, a coil including an electric conductor.
  • the electromagnetic wave generator 140 is the source of the electromagnetic wave that is irradiated from the electromagnetic wave irradiator 118 to the diamond element 116 . That is, the electromagnetic waves output from the electromagnetic wave generating section 140 are radiated into the air by the transmitting section 144 as electromagnetic waves EW, received by the receiving section 130 (for example, an antenna), and transmitted to the electromagnetic wave emitting section 118 .
  • the receiving unit 130 is, for example, a patch antenna (that is, a microstrip antenna) shown in FIG.
  • the patch antenna includes substrates 280 and 284 and a connector 288 for outputting the received signal.
  • the connector 288 is an SMA type coaxial connector and is connected to the electromagnetic wave irradiation section 118 via a coaxial cable or the like.
  • the substrates 280 and 284 are arranged with a predetermined interval H by spacers 286 provided at the four corners. Both substrates 280 and 284 are substrates of electrically insulating material having a predetermined thickness d, and their planes are squares of length L on a side.
  • Each conductive member 282 is square, four sides of which are parallel to the four sides of the substrate 280, and the four conductive members 282 as a whole have four-fold symmetry about the center point of the substrate 280 as the center of rotation.
  • a conductive member 290 is arranged on the entire surface of the two surfaces of the substrate 284 facing the substrate 280 .
  • the four conductive members 282 are connected in parallel to the signal lines of the connector 288, and the conductive member 290 of the substrate 284 is connected to the shield (ie ground) of the connector 288.
  • Conductive member 290 is the ground plane of the patch antenna.
  • the patch antenna has directivity in a direction perpendicular to the plane of the substrate 280 .
  • the microwave received by the receiving section 130 is transmitted to the electromagnetic wave irradiating section 118 via a transmission line (that is, a coaxial cable), and the diamond element 116 is irradiated with the microwave.
  • the transmitter 144 is, for example, a waveguide horn antenna shown in FIG.
  • the horn antenna includes an adapter portion 300 , a horn portion 302 and a connector 304 .
  • the connector 304 is an SMA-type coaxial connector, and supplies the adapter section 300 with electromagnetic waves (that is, microwaves) supplied from the outside (that is, the electromagnetic wave generating section 140).
  • the adapter section 300 is a waveguide, is formed of a conductive member (for example, an aluminum alloy), and has a uniform cross-sectional shape (hereinafter referred to as a cross section) perpendicular to the propagation direction of electromagnetic waves.
  • the electromagnetic waves supplied to the adapter section 300 are propagated to the horn section 302 .
  • the horn part 302 is made of a conductive material (for example, an aluminum alloy), and is formed in a conical shape with a gradually widening cut end in order to match the free space and suppress reflection.
  • the horn antenna has directivity in the direction of its central axis 306 .
  • the horn portion 302 has a rectangular opening with a predetermined width L1 and a predetermined height L2, and the total length of the adapter portion 300 and the horn portion 302 is a predetermined length L3.
  • L1 110 (mm)
  • electromagnetic waves can be transmitted with good directivity to the receiving section 130 (that is, a patch antenna).
  • the shape of the horn portion 302 is not limited to the shape shown in FIG.
  • the shape of the horn portion 302 is conical, a pyramidal shape in which the height L2 of the opening is equal to the height of the adapter portion 300, or a pyramidal shape in which the height width L1 of the opening is equal to the width of the adapter portion 300. good too.
  • the adapter portion 300 and the horn portion 302 may be integrally formed or may be detachable.
  • each of the adapter portion 300 and the horn portion 302 may have a flange at a portion to be connected to each other, and the flanges may be detachably connected by screws or the like.
  • the electromagnetic wave exit (that is, the opening) of the horn part 302 must be arranged toward the receiving part 130 (that is, so that the receiving part 130 is positioned on the extension line of the central axis 306 of the horn antenna).
  • the nearest portion between the horn portion 302 and the patch antenna is preferably 50 cm or more, more preferably 1 m or more, even more preferably 5 m or more, and more preferably 10 m or more. More preferred. If the length is less than 50 cm, if the receiving section 130 is located on the high voltage side of 33 kV or more (for example, high voltage equipment, etc.), discharge is likely to occur between the high voltage side and the horn section 302, which is not preferable. Further, if the distance is 30 m or more, the power of microwaves emitted from the transmitter 144 will not reach the receiver 130, which is not preferable.
  • the excitation light and electromagnetic wave irradiation to the diamond element 116 is controlled by the control unit 142, and is performed at the timing shown in FIG. 5, for example. That is, the control unit 142 controls the light emitting element 102 to output the excitation light at a predetermined timing for a predetermined time period (for example, period t1). The control unit 142 controls the electromagnetic wave generator 140 to output electromagnetic waves at predetermined timings for a predetermined time period (for example, period t2).
  • the pulse sequence in period t2 is appropriate depending on the diamond used (e.g., alignment of multiple NV centers) and observation signals (i.e., signals affected by spin states of NV centers). should be used.
  • the diamond element 116 is irradiated with the electromagnetic waves in combination temporally and spatially together with the excitation light.
  • the control unit 142 takes in the input output signal of the light detection unit 126 at a predetermined timing (for example, within the period t3) and stores it in the storage unit.
  • the NV center has a structure in which the carbon (C) atoms in the diamond crystal are replaced with nitrogen (N) atoms and the carbon atoms that should be present adjacent thereto are absent (ie, vacancies (V)).
  • the NV center transitions from the ground state to the excited state by green light with a wavelength of about 490-560 nm (for example, laser light at 532 nm), and emits red light with a wavelength of about 630-800 nm (for example, fluorescence at 637 nm). to return to the ground state.
  • the NV center forms a spin triplet state with magnetic quantum numbers m s of ⁇ 1, 0, and +1 when one electron is trapped (that is, NV ⁇ ).
  • the energy levels of the states separate according to the magnetic field strength (ie Zeeman separation).
  • the control section 142 controls the light emitting element 102 and the electromagnetic wave generating section 140, so that the spectrum as shown in FIG. 6, for example, is measured.
  • the observed ⁇ f depends on the magnetic field strength at the diamond element 116 position.
  • Specific spectrum measurements are performed 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. 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 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 . Accordingly, it is possible to prevent the excitation light emitted from the light emitting element 102 from being detected by the light detection unit 126 and becoming noise, thereby suppressing a decrease in the detection sensitivity of the diamond element 116 for emitted light (that is, fluorescence).
  • the control unit 142 irradiates the diamond element 116 with the excitation light, sweeps the frequency of the electromagnetic waves in a predetermined range, irradiates the diamond element 116, and emits light (that is, fluorescence) emitted from the diamond element 116 as It can be acquired as an electrical signal output from the photodetector 126 . From the observed ⁇ f (ie, the value dependent on the magnetic field strength at the diamond element 116 position), the magnetic field strength at the diamond element 116 position can be calculated. That is, the diamond 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 (that is, magnetic fields) but also physical quantities related to magnetic fields, such as magnetization, electric fields, voltages, currents, temperatures and pressures.
  • the electromagnetic wave irradiated to the diamond element 116 is propagated in the air by the transmitting section 144 and the receiving section 130 (that is, by radio), and is transmitted to the electromagnetic wave irradiation section 118 . Therefore, even if a high voltage and a large current are generated by discharge in a high-voltage facility or the like where the sensor unit 120 is arranged, the device for transmitting electromagnetic waves (that is, the electromagnetic wave generator 140 and the control unit 142) will not be damaged. no.
  • the diamond element 116 which is the main body of the sensor, and the light condensing element 114 are formed of an electrical insulator. Even if the unit is installed in a high-voltage facility or the like, the occurrence of damage due to discharge or the like can be suppressed. Therefore, the diamond sensor unit 100 can safely measure a magnetic field or the like in a high voltage environment.
  • the excitation light generator 106 and the light receiver 128 can be arranged far from the high voltage environment through the optical waveguide 112, and the electromagnetic wave generator 140 and the transmitter 144 can also be arranged far from the high voltage environment. Therefore, the diamond sensor unit 100 makes it possible to remotely measure a magnetic field or the like.
  • the distance (that is, separation distance) between the transmitter 144, the excitation light generator 106, the light receiver 128 and the sensor unit 120 is preferably 10 cm or more, more preferably 50 cm or more.
  • the separation distance is more preferably 1 m or more, still more preferably 5 m or more, and even more preferably 10 m or more.
  • the sensor section 120 includes the condensing element 114 arranged between the diamond element 116 and the optical waveguide 112, loss of excitation light and emitted light can be reduced, and detection accuracy can be improved.
  • a fluorescence reflection filter 110 is provided to separate the excitation light and the emission light, so that the transmission of the excitation light and the emission light can be performed by one medium (for example, an optical waveguide 112). As will be described later, this makes it possible to reduce the number of components and simplify the configuration as compared with the case of providing two media for transmitting the excitation light and the emission light respectively.
  • 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 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 condensing element 208, a fluorescence reflecting filter 210, a sensor section 220, an LPF 222, a concentrating It includes an optical element 224 , a second optical waveguide 230 , a light receiving portion 228 and a receiving portion 252 .
  • An electromagnetic wave generator 140, a controller 142 and a transmitter 144 are arranged outside the diamond 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 .
  • the sensor section 220 includes a light collecting element 214 , a diamond element 216 and an electromagnetic wave irradiation section 218 .
  • the light receiving section 228 includes a light detecting section 226 .
  • the light-emitting element 202, the light-collecting element 204, the fluorescence reflection filter 210, the light-collecting element 214, the diamond element 216, the electromagnetic wave irradiation unit 218, the LPF 222, the light detection unit 226, and the reception unit 252 are respectively the light-emitting element 102 shown in FIG.
  • 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 first end (that is, incident end) of the first optical waveguide 212 arranged on the excitation light generating section 206 side is directed to the second end arranged on the sensor section 220 side. (that is, the output end) 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 electromagnetic wave irradiation unit 218 irradiates the diamond element 216 with electromagnetic waves (for example, microwaves).
  • the electromagnetic wave irradiation unit 218 is, for example, a coil.
  • An electromagnetic wave is generated by the electromagnetic wave generator 140 , radiated into the air as an electromagnetic wave EW by the transmitter 144 , received by the receiver 252 (for example, the patch antenna shown in FIG. 3 ), and supplied to the electromagnetic wave irradiator 218 .
  • Irradiation of excitation light and electromagnetic waves to the diamond element 216 is controlled by the controller 142, for example, at the timings shown in FIG. 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 fluorescent light) is collected by the condensing element 214 into parallel light, and is input to the fluorescent reflection filter 210 .
  • the light (that is, red fluorescence) input to the fluorescence reflection filter 210 is reflected by the fluorescence reflection filter 210 and enters the LPF 222 .
  • the emitted light (i.e., red fluorescence) of the diamond element 216 that enters the LPF 222 passes through the LPF 222, is collected by the light collection element 224, and enters the first end (i.e., the incident end) of the second optical waveguide 230. do.
  • 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 directs the light incident on the first end (that is, the incident end) from the light collecting element 224 (that is, the emitted light of the diamond element 216) to the second end that is arranged on the light receiving part 228 side. (i.e. output end) and output.
  • 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 the excitation light, sweeps the frequency of the electromagnetic waves in a predetermined range, irradiates the diamond element 216 with the excitation light, and radiates the light emitted from the diamond element 216 as in the first embodiment.
  • the light (that is, fluorescence) emitted from the light can be obtained as an electrical signal output from the photodetector 226 . Therefore, the diamond sensor unit 200 functions as a magnetic sensor.
  • the diamond 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 field, voltage, current, temperature and pressure.
  • the electromagnetic wave irradiated to the diamond element 216 is propagated in the air by the transmitting section 144 and the receiving section 252 (that is, wirelessly) and transmitted to the electromagnetic wave irradiation section 218 . Therefore, even if a high voltage and a large current are generated by discharge in a high-voltage facility or the like in which the sensor unit 220 is arranged, the device for transmitting electromagnetic waves (that is, the electromagnetic wave generating unit 140 and the control unit 142) will not be damaged. no.
  • the diamond element 216 which is the main body of the sensor, and the condensing element 214 are made of an electrical insulator, so damage due to discharge or the like can be suppressed. Therefore, the diamond sensor unit 200 can safely measure a magnetic field or the like in a high voltage environment.
  • the excitation light generator 206 and the light receiver 228 can be placed far from the high voltage environment through the first optical waveguide 212 and the second waveguide 230, and the electromagnetic wave generator 140 and the transmitter 144 can also be far from the high voltage environment. can be placed. Therefore, the diamond sensor unit 200 makes it possible to remotely measure magnetic fields and the like.
  • the distance (that is, separation distance) between the transmitter 144, the excitation light generator 206, the light receiver 228 and the sensor unit 220 is preferably 10 cm or more, more preferably 50 cm or more.
  • the separation distance is more preferably 1 m or more, still more preferably 5 m or more, and even more preferably 10 m or more.
  • 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, the loss of the excitation light and the radiated light is reduced, and the 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 having a core diameter corresponding to the wavelength, it is possible to design a condensing optical system (that is, condensing element 204, condensing element 208, condensing element 214, and condensing element 224) suitable for each. , the light transmission efficiency can be improved, and the measurement accuracy can be improved.
  • 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.
  • 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 sensor unit 120 and the receiving unit 130 in FIG. 2 are arranged near the detection target. If the object to be detected is a high-voltage power device or a power transmission line, the receiving performance of the receiving unit 130 is affected by the fact that an electric field is formed around the device when it is energized. The same applies to the sensor section 220 and the receiving section 252 in FIG. To reduce the effect, it is preferable to pay attention to the placement of the receiver 130 with respect to the electric field, that is, the placement of the conductive member that functions as the antenna of the receiver 130 . Specifically, in the case of the patch antenna shown in FIG.
  • the receiving portion 130 may be positioned such that the conductive members 282 and 290 are parallel to the equipotential planes formed by electrical equipment, power lines, and the like. preferable. As a result, it is possible to suppress the influence of the electric field generated by the normal operation of the object to be detected (that is, a high-voltage power device, power transmission line, or the like) when the reception unit 130 receives the electromagnetic waves. Therefore, the receiving section 130 can stably receive the electromagnetic waves radiated from the transmitting section 144 .
  • the conductive member 282 and 290 can be placed parallel to the equipotential surface.
  • the conductive members 282 and 290 cannot be placed along the curved equipotential surfaces if the substrates 280 and 284 are rigid flat plates. Therefore, it is preferable to form the shape of the conductive members 282 and 290, that is, the shape of the substrates 280 and 284 as their bases, into a curved shape along the equipotential surface.
  • the equipotential surfaces of electric power equipment, transmission lines, etc. can be known in advance by simulation or the like according to the shape of the conductive members that constitute them. If the conductive member deviates from the equipotential plane, electric field concentration will occur at the corners of the patch antenna, etc., and it will become the starting point of insulation breakdown, or arc discharge will occur when a sudden potential change such as a lightning strike occurs. , may lead to equipment failure.
  • the receiver unit 130 when the sensor unit 120 is placed on a high voltage transmission line with a center conductor 310 and an outer conductor 312, the receiver unit 130 is placed near the center conductor 310, for example.
  • the central conductor 310 is made of a conductive material, and its periphery is covered with an insulating material.
  • the outer conductor 312 is formed of a conductive material and is grounded (ie, at ground potential). A gas such as SF6 or CO2 may be filled between the central conductor 310 and the outer conductor 312 .
  • the equipotential surface formed by energizing the central conductor 310 is a cylindrical surface having the same central axis as the central conductor 310 . Therefore, it is preferable that the conductive member 282 arranged on the substrate 280 has a shape along a cylindrical surface that is an equipotential surface. 9 (substrates 280 and 284 are not shown for convenience), which shows a cross-section of the transmission line, the cross-section of the equipotential surfaces (i.e., the equipotential lines) are concentric circles about point O, which is the center of the central conductor 310. shape. Therefore, the cross-sectional shape of the conductive member 282 is preferably an arc having a radius r1 and centering on the point O.
  • the conductive member 290 formed on the substrate 284 preferably has a shape along a cylindrical surface that is an equipotential surface. That is, the cross section of the conductive member 290 is preferably an arc having a radius r2 and centering on the point O.
  • the substrates 280 and 284 on which the conductive members 282 and 290 are respectively arranged are preferably formed into curved plates along the side surfaces of the central conductor 310 using glass epoxy resin or the like.
  • the receiving section 130 is formed in such a manner and arranged on the center conductor 310, as shown in FIGS.
  • the transmitter 144 horn antenna, for example
  • the electromagnetic waves EW microwaves, for example
  • the receiving section 130 can stably receive the electromagnetic waves radiated from the transmitting section 144 .
  • the conductive members 282 and 290 may be formed as thin plates (or thin films), and the substrates 280 and 284 on which the conductive members 282 and 290 are arranged may be formed using a plastic member.
  • the substrates 280 and 284 are made of a shape memory resin (eg, a shape memory polymer)
  • the substrates 280 and 284 are heated to obtain the equipotential surfaces. It can be transformed into a shape along the Thereby, the conductive members 282 and 290 can be deformed into a shape along the equipotential surface and arranged along the equipotential surface.
  • the fluorescence reflection filter 210 is used to separate the excitation light and the emitted light from 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 .
  • the excitation light is incident on one surface of the diamond element including the NV center, and the emitted light from the same surface is measured.
  • 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. .
  • a diamond element in the shape of a rectangular parallelepiped, excitation light is incident on the first flat surface of two surfaces forming a 90-degree angle, and emitted light from the second flat surface is condensed and detected.
  • a third flat surface parallel to the first flat surface may be used as a surface for condensing radiation to be detected.
  • the diamond element only needs to have at least two flat surfaces, and the shape of the diamond element is not limited to a hexahedron, and the shape of the diamond element is arbitrary.
  • the diamond sensor unit uses a diamond element having an NV center, but it is not limited to this.
  • 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
  • tin-vacancy centers ie Sn-V centers
  • Centers are known to exist. Therefore, diamond elements containing these may be used instead of diamond elements containing NV centers to form a diamond sensor unit.
  • the wavelengths of excitation light and emitted light (that is, fluorescence) and the frequency of electromagnetic waves for resonance excitation differ according to the level of the color center.
  • the NV center is preferable because it is easy to handle in terms of light wavelength and microwave frequency.
  • the electromagnetic waves to be irradiated include millimeter waves (eg, 30 GHz to 300 GHz) or submillimeter waves (eg, 300 GHz), which are higher in frequency than microwaves (eg, 1 GHz to 30 GHz). ⁇ 3 THz).
  • a Si-V center can use a millimeter wave of about 48 GHz
  • a Sn-V center can use a sub-millimeter wave of about 850 GHz.
  • horn antennas see FIG. 4
  • a patch antenna eg, a microstrip antenna
  • millimeter waves and sub-millimeter waves can be transmitted, and sensors using Si-V centers, Ge-V centers, Sn-V centers, or the like can be realized.
  • 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 electromagnetic wave irradiation part is not limited to a coil-shaped one, and may be a linear electric wiring as described later.
  • the diamond element may be arranged on the surface or at the end of a transmission path (eg, conductive member) that transmits electromagnetic waves (eg, microwaves, millimeter waves, etc.).
  • a transmission path eg, conductive member
  • electromagnetic waves eg, microwaves, millimeter waves, etc.
  • the NV center of the diamond element when the diamond sensor unit described above is used to detect a time change such as a fluctuating magnetic field for alternating current power, the NV center of the diamond element, after being excited, quickly returns to its original state from the state of emitting light. It is preferable to return to the state (ie the state prior to 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. Since 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 greater than 0 ppm and less than or equal to 1 ppm. It is also preferable that all of the NVH 3 ⁇ concentration, CH concentration and CH 2 concentration in the diamond are greater than 0 ppm and not more than 1 ppm.
  • the concentration (ppm unit) represents the ratio of the number of atoms.
  • diamond sensor unit 100 may include the transmitter 144 in the first embodiment.
  • diamond sensor unit 200 may include transmitter 144 .
  • FIG. 10 shows an embodiment of the arrangement shown in FIG.
  • components corresponding to the components shown in FIG. 7 are given the same reference numerals as in FIG.
  • a step-index multimode optical fiber was used for the first optical waveguide 212 and the second optical waveguide 230 .
  • the first optical waveguide 212 has a core diameter of 50 ⁇ m and NA (that is, numerical aperture) of 0.2.
  • the second optical waveguide 230 has a core diameter of 400 ⁇ m and an NA of 0.5.
  • As the diamond element 216 a rectangular parallelepiped diamond of 3 mm ⁇ 3 mm ⁇ 0.3 mm was used.
  • a spherical lens with a diameter of 2 mm was used as the condensing element 214 , and the condensing element 214 was fixed in contact with the surface of the diamond element 216 (that is, a flat surface of 3 mm ⁇ 3 mm).
  • a triangular prism 250 was arranged in addition to the condensing element 208 and the fluorescence reflection filter 210 to constitute a collimating optical system. Thereby, the excitation light was adjusted to be incident on the center of the condensing element 214 .
  • a coplanar line shown in FIG. 11 was used for the electromagnetic wave irradiation unit 218 .
  • a copper foil 272 formed on the surface of a glass epoxy substrate 270 having a side length of about 2 cm was notched in a U-shape, and an electromagnetic wave irradiation section 218 as a main wiring having a width of 1 mm was formed in the center.
  • the diamond element 216 was fixed to the first end of the electromagnetic wave irradiation section 218 facing the copper foil 272 (that is, the area indicated by the dashed line ellipse in FIG. 11) with silver paste. Thereby, the NV center of the diamond element 216 can be accurately irradiated with the microwave.
  • a second end of the electromagnetic wave irradiation section 218 where the diamond element 216 was not arranged was connected to the connector 254 of FIG.
  • the microwaves were generated by a remotely installed microwave generator, transmitted through the air, and received by the receiver 252 (see FIG. 10).
  • the horn antenna shown in FIG. 4 was used for the transmitter 144 that radiates microwaves toward the receiver 252 .
  • the patch antenna shown in FIG. 3 (frequency of 2.873 GHz, maximum gain of about 10 dBi) was used for the receiver 252 .
  • the microwave received by the receiver 252 was transmitted to the connector 254 via a transmission line (that is, a coaxial cable), and the diamond element 216 was irradiated from the electromagnetic wave irradiation unit 218 .
  • a PIN-AMP (that is, a photodiode IC having a linear current amplifier circuit) was used for the photodetector 226 .
  • the PIN-AMP used has a photodiode 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 a factor of 1300 and outputs it.
  • the condensing element 214, the diamond element 216, and the electromagnetic wave irradiation unit 218, which constitute the sensor unit, are arranged near the electric wiring 260, and an alternating current (50 Hz or 60 Hz, 30 A) is passed through the electric wiring 260, thereby generating a fluctuating magnetic field. was targeted for detection.
  • the maximum value of the magnetic field formed in the sensor section by the alternating current is about 0.3 ⁇ T.
  • FIG. 12A to 12C show signals detected by the PIN-AMP when an alternating current (30 A) of 50 Hz is passed through the electrical wiring 260.
  • the vertical axis is 10.0 mV per scale, and the horizontal axis is 4 ms per scale.
  • the detected signal decreases. Even if it radiated from the The sensed signals shown in FIGS. 12A-12C vary at an alternating frequency of 50 Hz.
  • the detection signal shown in FIG. 13 changes at an AC frequency of 60 Hz.
  • the microwave attenuates according to the distance, the microwave power to be radiated, the gain of the antenna for radiation, and the reception It is sufficient to adjust the gain, etc. of the antenna.
  • the distance D was 5 cm and the receiving section was placed in a high voltage environment of 10 kV, discharge occurred at the corners of the horn antenna and the receiving section, making measurement impossible.
  • the microwave power did not reach, and the change in the signal corresponding to the change in magnetism (that is, the change in the magnetic field formed by the alternating current flowing through the electrical wiring 260) could not be measured.
  • the respective signal intensities were 5 and 4 times the signal intensity in FIG. 12A.
  • the signal intensity means the difference between the maximum value and the minimum value obtained by averaging noise.
  • the signal strength in FIG. 12A is the difference between the maximum value and the minimum value obtained by averaging the noise with respect to the data in FIG. 12A.
  • the distance D was 30 m, the power of the microwave did not reach and the signal could not be detected. Therefore, the smaller the distance D, the better.
  • the distance between the horn antenna (specifically, the horn part) and the sensor part (specifically, the receiving part) can be measured if it is 50 cm or more and 10 m or less, and it is good. was confirmed.
  • the coplanar line was formed on a substrate with a side of about 2 cm, but a rectangular substrate with a side of about 5 cm or less may be used.

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Abstract

ダイヤモンドセンサユニットは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、電磁波を受信する第１パッチアンテナと、第１パッチアンテナにより受信された電磁波を、ダイヤモンドに照射する電磁波照射部と、励起光及び電磁波がダイヤモンドに照射された後に、ダイヤモンドのカラーセンタから放射される放射光を検知する検知部と、励起光及び放射光を伝送する光導波路とを含む。

Description

ダイヤモンドセンサユニット
　本開示は、ダイヤモンドセンサユニットに関する。本出願は、２０２１年１月２７日出願の日本出願第２０２１－０１０９３７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、レンズを使ったコンパクトな磁場検出装置が開示されている。
特開２０１７－６７６５０号公報 特開２０１８－１３６３１６号公報
Felix M. Stuerner, et al., "Compact　integrated　magnetometer　based　on　nitrogen-vacancy　centres　in　diamond",　Diamond　&　Related　Materials　93　(2019) 　59-65
　本開示のある局面に係るダイヤモンドセンサユニットは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、電磁波を受信する第１パッチアンテナと、第１パッチアンテナにより受信された電磁波を、ダイヤモンドに照射する電磁波照射部と、励起光及び電磁波がダイヤモンドに照射された後に、ダイヤモンドのカラーセンタから放射される放射光を検知する検知部と、励起光及び放射光を伝送する光導波路とを含む。
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センサユニットの概略構成を示す模式図である。 図３は、マイクロ波を受信するパッチアンテナを示す斜視図である。 図４は、マイクロ波を送信するホーンアンテナを示す斜視図である。 図５は、図２に示したダイヤモンドセンサユニットを用いた測定時の励起光及び電磁波の照射タイミング、並びに、放射光の測定タイミングを示すシーケンス図である。 図６は、観測される信号強度（即ち放射光強度）と電磁波（即ちマイクロ波）の周波数との関係を模式的に示すグラフである。 図７は、本開示の第２実施形態に係るダイヤモンドセンサユニットの概略構成を示す模式図である。 図８は、マイクロパッチアンテナ及びホーンアンテナが測定対象に配置された状態を示す斜視図である。 図９は、図８に示したＩＸ－ＩＸ線を含む平面で、測定対象、マイクロパッチアンテナ及びホーンアンテナを破断した断面を示す断面図である。 図１０は、第２実施形態（図７参照）の実施例を示す斜視図である。 図１１は、コプレーナ線路を用いた電磁波照射部を示す斜視図である。 図１２Ａは、実験結果を示すグラフである。 図１２Ｂは、実験結果を示すグラフである。 図１２Ｃは、実験結果を示すグラフである。 図１３は、実験結果を示すグラフである。
　［発明が解決しようとする課題］
　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、放電により瞬間的に発生する高電圧及び大電流により、また、それに伴う強力な電磁波の発生により、発光素子及び受光素子が損傷する可能性がある。高電圧環境で使用するセンサには、特許文献１に開示された構成を採用できない。
　特許文献２には、発光素子及び受光素子を、ダイヤモンド及びマイクロ波照射コイルから離隔して配置することが開示されている。しかし、励起光及び発光した蛍光を平行光として、空中を伝送させるので拡散されてしまい、離隔する距離に限界がある。特に、蛍光の信号強度は弱いので、問題となる。
　したがって、本開示は、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等を検知可能なダイヤモンドセンサユニット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測定可能なダイヤモンドセンサユニットを提供できる。
　［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と、ダイヤモンドに励起光を照射する励起光照射部と、電磁波を受信する第１パッチアンテナと、第１パッチアンテナにより受信された電磁波を、ダイヤモンドに照射する電磁波照射部と、励起光及び電磁波がダイヤモンドに照射された後に、ダイヤモンドのカラーセンタから放射される放射光を検知する検知部と、励起光及び放射光を伝送する光導波路とを含む。これにより、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測定できる。また、電磁波の受信アンテナとしてパッチアンテナを用いることにより、設計の自由度が高くなる。
　（２）ダイヤモンドセンサユニットは、第１パッチアンテナにより受信される電磁波を送信するホーンアンテナ又は第２パッチアンテナをさらに含むことができ、ホーンアンテナは、電磁波としてマイクロ波を送信でき、第２パッチアンテナは、電磁波としてマイクロ波、ミリ波又はサブミリ波を送信できる。これにより、第１パッチアンテナに指向性良く電磁波を送信でき、検出精度を向上できる。また、使用するカラーセンタの種類に応じた周波数の電磁波を送信でき、ＮＶセンタに限らず、Ｓｉ－Ｖセンタ、Ｇｅ－Ｖセンタ又はＳｎ－Ｖセンタ等を用いたセンサを実現できる。
　（３）第１パッチアンテナは、電磁波を受信する板状の導電部材を含み、検知対象である電気機器又は電気配線に配置されていてもよく、第１パッチアンテナは、導電部材が検知対象により形成される等電位面に平行になるように配置されていてもよい。これにより、第１パッチアンテナによる電磁波の受信時に、測定対象の電気機器又は電気配線の通常動作により形成される電場からの影響を抑制できる。したがって、第１パッチアンテナは安定して電磁波を受信できる。
　（４）等電位面は、湾曲形状であってもよく、第１パッチアンテナは、導電部材が湾曲形状に沿うように配置されていてもよい。これにより、第１パッチアンテナによる電磁波の受信時に、測定対象の電気機器又は電気配線の通常動作により形成される電場からの影響をより抑制できる。したがって、第１パッチアンテナはより安定して電磁波を受信できる。
　［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、受光部１２８及び受信部１３０を含む。ダイヤモンドセンサユニット１００の外部には、電磁波発生部１４０、制御部１４２及び送信部１４４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。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（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、ダイヤモンド素子１１６及び電磁波照射部１１８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。電磁波照射部１１８は、ダイヤモンド素子１１６に電磁波（例えばマイクロ波）を照射する。電磁波照射部１１８は、例えば電気導体を含んで形成されたコイルである。電磁波照射部１１８からダイヤモンド素子１１６に照射される電磁波のソースは、電磁波発生部１４０である。即ち、電磁波発生部１４０から出力される電磁波は、送信部１４４により空中に電磁波ＥＷとして放射され、受信部１３０（例えばアンテナ）により受信され、電磁波照射部１１８に伝送される。
　受信部１３０は、例えば、図３に示すパッチアンテナ（即ちマイクロストリップアンテナ）である。このパッチアンテナは、基板２８０及び２８４と、受信した信号を出力するためのコネクタ２８８とを備えている。コネクタ２８８は、ＳＭＡ型同軸コネクタであり、同軸ケーブル等を介して電磁波照射部１１８に接続される。基板２８０及び２８４は、４隅に設けたスペーサ２８６により所定の間隔Ｈを空けて配置されている。基板２８０及び２８４はいずれも、所定の厚さｄの電気絶縁部材の基板であり、それらの平面は１辺の長さＬの正方形である。基板２８０の２つの平面のうち、基板２８４に対向しない面には、４つの導電部材２８２が相互に離隔されて配置されている。各導電部材２８２は正方形であり、その４辺は基板２８０の４辺に平行であり、４つの導電部材２８２は全体として、基板２８０の中心点を回転の中心として４回対称である。基板２８４の２面のうち、基板２８０に対向する面の全面には導電部材２９０が配置されている。
　４つの導電部材２８２は並列に、コネクタ２８８の信号線に接続され、基板２８４の導電部材２９０は、コネクタ２８８のシールド（即ちグラウンド）に接続されている。導電部材２９０は、パッチアンテナのグラウンド面である。これにより、パッチアンテナは、基板２８０の平面に垂直な方向に指向性を有する。受信部１３０により受信されたマイクロ波は、伝送路（即ち同軸ケーブル）を介して電磁波照射部１１８に伝送され、ダイヤモンド素子１１６に照射される。周波数約２．８７ＧＨｚのマイクロ波を受信する場合、基板２８０及び２８４は、例えば、Ｌ＝１２０（ｍｍ）及びｔ＝１（ｍｍ）のガラスエポキシ樹脂の基板（例えばＦＲ４）により作製され、Ｈ＝５．２（ｍｍ）の間隔で配置される。パッチアンテナは平面状に形成できるので、受信部１３０にパッチアンテナを用いることにより、設計の自由度が高くなる。
　送信部１４４は、例えば、図４に示す導波管ホーンアンテナである。ホーンアンテナは、アダプタ部３００、ホーン部３０２及びコネクタ３０４を含む。コネクタ３０４は、ＳＭＡ型同軸コネクタであり、外部（即ち電磁波発生部１４０）から供給される電磁波（即ちマイクロ波）をアダプタ部３００に供給する。アダプタ部３００は導波管であり、導電部材（例えば、アルミニウム合金）で形成され、電磁波の伝搬方向に垂直な断面（以下、切り口という）の形状が一定である。アダプタ部３００に供給された電磁波はホーン部３０２に伝搬される。ホーン部３０２は、導電部材（例えば、アルミニウム合金）で形成され、自由空間に整合させ反射を抑えるために、切り口が徐々に広くなる錘状に形成されている。ホーンアンテナは、その中心軸３０６の方向に指向性を有する。図４に示したホーンアンテナは、ホーン部３０２の開口は所定の幅Ｌ１、所定の高さＬ２の矩形であり、アダプタ部３００及びホーン部３０２の全長は、所定の長さＬ３である。周波数約２．８７ＧＨｚのマイクロ波を放射する場合、例えばＬ１＝１１０（ｍｍ）、Ｌ２＝８７．９（ｍｍ）及びＬ３＝２５４（ｍｍ）のものを使用できる。送信部１４４にホーンアンテナを用いることにより、受信部１３０（即ちパッチアンテナ）に指向性良く電磁波を送信できる。
　なお、ホーン部３０２の形状は、切り口が徐々に広くなる錘状であればよく、図４に示した形状に限らず任意である。例えば、ホーン部３０２の形状は、円錐状、開口の高さＬ２がアダプタ部３００の高さと等しい角錐状、又は、開口の高さ幅Ｌ１がアダプタ部３００の幅と等しい角錐状等であってもよい。また、アダプタ部３００及びホーン部３０２は一体に形成されていても、着脱可能に構成されていてもよい。例えば、アダプタ部３００及びホーン部３０２の各々は、相互に接続される部分にフランジを有し、フランジがネジ等により着脱可能に接続されていてもよい。また、ホーン部３０２の電磁波の出口（即ち開口）は、受信部１３０に向けて（即ち、ホーンアンテナの中心軸３０６の延長線上に受信部１３０が位置するように）配置されていることが必要である。ホーン部３０２とパッチアンテナとの最近接部分は、５０ｃｍ以上離れていることが好ましく、１ｍ以上離れていることがより好ましく、５ｍ以上離れていることがさらに好ましく、１０ｍ以上離れていることがよりさらに好ましい。５０ｃｍ未満である場合、受信部１３０が３３ｋＶ以上の高電圧側（例えば高電圧設備等）にあると、高電圧側とホーン部３０２との間で放電しやすくなるので好ましくない。また、３０ｍ以上離れている場合には、送信部１４４から放射されるマイクロ波の電力が受信部１３０に届かなくなるので好ましくない。
　ダイヤモンド素子１１６への励起光及び電磁波の照射は、制御部１４２により制御され、例えば、図５に示すようなタイミングで行われる。即ち、制御部１４２は、所定のタイミングで所定の時間（例えば期間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、所定の時間（例えば期間ｔ２）、所定のタイミングで電磁波を出力するように電磁波発生部１４０を制御する。期間ｔ２におけるパルスシーケンスは、使用するダイヤモンド（例えば、複数のＮＶセンタの方位の揃い具合）及び観測信号（即ち、ＮＶセンタのスピンの状態の影響を受けた信号）等に応じて、適切なものが使用されればよい。これにより、励起光と共に、電磁波を時間的及び空間的に組合せてダイヤモンド素子１１６に照射する。制御部１４２は、後述するように、入力される光検知部１２６の出力信号を所定のタイミング（例えば期間ｔ３内）で取込み、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、波長が約４９０～５６０ｎｍの緑色の光（例えば５３２ｎｍのレーザー光）により基底状態から励起状態に遷移し、波長が約６３０～８００ｎｍの赤色の光（例えば６３７ｎｍの蛍光）を放射して、基底状態に戻る。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、磁場が存在すると、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（即ちゼーマン分離）。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。上記したように、制御部１４２が、発光素子１０２及び電磁波発生部１４０を制御することにより、例えば、図６に示すようなスペクトルが測定される。観測されるΔｆは、ダイヤモンド素子１１６の位置における磁場強度に依存する。
　具体的なスペクトルの測定は、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。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に応じた周波数の光が光検知部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り、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、電磁波の周波数を所定の範囲で掃引してダイヤモンド素子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Δｆ（即ち、ダイヤモンド素子１１６の位置における磁場強度に依存する値）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（即ち磁界）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。
　ダイヤモンド素子１１６に照射される電磁波は、送信部１４４及び受信部１３０により空中を伝搬させて（即ち無線により）、電磁波照射部１１８に伝送される。したがって、センサ部１２０が配置された高電圧設備等において、放電により高電圧及び大電流が発生しても、電磁波を送信するための装置（即ち電磁波発生部１４０及び制御部１４２）が損傷することはない。
　また、光導波路１１２に光ファイバを用いれば、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ので、センサ部１２０及び光導波路１１２の第２の端部が高電圧設備等に設置されても、放電等による損傷の発生を抑制できる。したがって、ダイヤモンドセンサユニット１００により、高電圧環境において安全に磁場等を測定できる。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、電磁波発生部１４０及び送信部１４４も高電圧環境から遠くに配置できる。したがって、ダイヤモンドセンサユニット１００により、遠隔から磁場等を測定可能になる。送信部１４４、励起光発生部１０６及び受光部１２８とセンサ部１２０との距離（即ち離隔距離）は、１０ｃｍ以上であることが好ましく、５０ｃｍ以上であることがより好ましい。離隔距離は、１ｍ以上であることがさらに好ましく、５ｍ以上であることが一層好ましく、１０ｍ以上であることがより一層好ましい。
　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、検出精度を向上できる。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）により行うことができる。これにより、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。
（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７を参照して本開示の第２実施形態に係るダイヤモンドセンサユニット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、受光部２２８及び受信部２５２を含む。ダイヤモンドセンサユニット２００の外部には、第１実施形態と同様に、電磁波発生部１４０、制御部１４２及び送信部１４４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、ダイヤモンド素子２１６及び電磁波照射部２１８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、電磁波照射部２１８、ＬＰＦ２２２、光検知部２２６及び受信部２５２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、電磁波照射部１１８、ＬＰＦ１２２、光検知部１２６及び受信部１３０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。
　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側に配置された第１の端部（即ち入射端部）に入射する励起光を、センサ部２２０側に配置された第２の端部（即ち出力端部）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に入射される。
　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。電磁波照射部２１８は、ダイヤモンド素子２１６に電磁波（例えばマイクロ波）を照射する。電磁波照射部２１８は、例えばコイルである。電磁波は、電磁波発生部１４０により生成され、送信部１４４により電磁波ＥＷとして空中に放射され、受信部２５２（例えば、図３に示したパッチアンテナ）により受信されて電磁波照射部２１８に供給される。ダイヤモンド素子２１６への励起光及び電磁波の照射は、制御部１４２により、例えば、図５に示すようなタイミングで制御される。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に入力される。蛍光反射フィルタ２１０に入力された光（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の第１の端部（即ち入射端部）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から第１の端部（即ち入射端部）に入射する光（即ちダイヤモンド素子２１６の放射光）を、受光部２２８側に配置された第２の端部（即ち出力端部）まで伝送し、出力する。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、電磁波の周波数を所定の範囲で掃引してダイヤモンド素子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。
　ダイヤモンド素子２１６に照射される電磁波は、送信部１４４及び受信部２５２により空中を伝搬させて（即ち無線により）、電磁波照射部２１８に伝送される。したがって、センサ部２２０が配置された高電圧設備等において、放電により高電圧、大電流が発生しても、電磁波を送信するための装置（即ち電磁波発生部１４０及び制御部１４２）が損傷することはない。
　また、２つの光導波路に光ファイバを用いれば、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ので、放電等による損傷の発生を抑制できる。したがって、ダイヤモンドセンサユニット２００により、高電圧環境において安全に磁場等を測定できる。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、電磁波発生部１４０及び送信部１４４も高電圧環境から遠くに配置できる。したがって、ダイヤモンドセンサユニット２００により、遠隔から磁場等を測定可能になる。送信部１４４、励起光発生部２０６及び受光部２２８とセンサ部２２０との距離（即ち離隔距離）は、１０ｃｍ以上であることが好ましく、５０ｃｍ以上であることがより好ましい。離隔距離は、１ｍ以上であることがさらに好ましく、５ｍ以上であることが一層好ましく、１０ｍ以上であることがより一層好ましい。
　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、検出精度を向上できる。
　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、集光素子２０８、集光素子２１４及び集光素子２２４）を設計でき、光の伝送効率を向上でき、測定精度を向上できる。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。
　図２のセンサ部１２０及び受信部１３０は、検知対象の近傍に配置される。検知対象が高電圧の電力機器又は送電線等であれば、それらは通電されることにより周囲に電場を形成するので、受信部１３０の受信性能はその影響を受ける。図５のセンサ部２２０及び受信部２５２に関しても同様である。影響を軽減するには、電場に対する受信部１３０の配置、即ち、受信部１３０のアンテナとして機能する導電部材の配置に注意することが好ましい。具体的には、図３に示したパッチアンテナの場合、導電部材２８２及び２９０が、電気設備及び送電線等により形成される等電位面に平行になるように、受信部１３０を配置することが好ましい。これにより、受信部１３０による電磁波の受信時に、検知対象（即ち高電圧の電力機器又は送電線等）の通常動作により形成される電場の影響を抑制できる。したがって、受信部１３０は、送信部１４４から放射される電磁波を安定して受信できる。
　受信部１３０が配置される場所における等電位面が平面状であれば、上記したように、受信部１３０の基板２８０及び２８４が平板（例えば、ガラスエポキシ樹脂の基板）であっても、導電部材２８２及び２９０を等電位面に平行に配置できる。しかし、等電位面が湾曲している場合には、基板２８０及び２８４が剛性の平板であれば、導電部材２８２及び２９０を湾曲した等電位面に沿って配置できない。したがって、導電部材２８２及び２９０の形状を、即ちそれらのベースとなる基板２８０及び２８４の形状を、等電位面に沿って湾曲した形状に形成することが好ましい。なお、電力機器及び送電線等の等電位面は、それらを構成している導電部材の形状に応じて、シミュレーション等により事前に知ることができる。導電部材が等電位面から外れた場合、パッチアンテナの角等に電界集中が発生し、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。
　例えば、図８を参照して、中心導体３１０及び外部導体３１２を備えた高電圧の送電線にセンサ部１２０が配置される場合、受信部１３０は、例えば中心導体３１０の近傍に配置される。中心導体３１０は導電部材で形成されており、その周囲は絶縁部材により被覆されている。外部導体３１２は導電部材で形成され、接地されている（即ちグラウンド電位にある）。中心導体３１０及び外部導体３１２の間には、ＳＦ６又はＣＯ２等のガスが充填されていてもよい。
　中心導体３１０が通電されることにより形成される等電位面は、中心導体３１０と同じ中心軸を有する円筒面である。したがって、基板２８０に配置される導電部材２８２は、等電位面である円筒面に沿った形状であることが好ましい。送電線の断面を示す図９（基板２８０及び２８４は便宜上図示せず）を参照して、等電位面の断面（即ち等電位線）は、中心導体３１０の中心である点Ｏを中心として同心円状である。したがって、導電部材２８２の断面形状は、半径ｒ１を有し、点Ｏを中心とする円弧であることが好ましい。基板２８４に形成される導電部材２９０に関しても同様に、等電位面である円筒面に沿った形状であることが好ましい。即ち、導電部材２９０の断面は、半径ｒ２を有し、点Ｏを中心とする円弧であることが好ましい。
　導電部材２８２及び２９０がそれぞれ配置される基板２８０及び２８４は、例えばガラスエポキシ樹脂等を用いて、中心導体３１０の側面に沿って湾曲した板状に形成されることが好ましい。そのように受信部１３０が形成され、中心導体３１０に配置される場合、図８及び図９に示したように、外部導体３１２の側面に設けた開口３１４に、放射方向が中心導体３１０の中心（即ち点Ｏ）に向かう方向になるように送信部１４４（例えばホーンアンテナ）を配置し、受信部１３０に向かって電磁波ＥＷ（例えばマイクロ波）を放射すればよい。
　これにより、受信部１３０による電磁波の受信時に、検知対象である送電線の通常動作（即ち電力供給）により形成される電場の影響を抑制できる。したがって、受信部１３０は、送信部１４４から放射される電磁波を安定して受信できる。
　また、導電部材２８２及び２９０を薄板（又は薄膜）として形成し、導電部材２８２及び２９０がそれぞれ配置される基板２８０及び２８４を、可塑性の部材を用いて形成してもよい。例えば、基板２８０及び２８４を形状記憶樹脂（例えば形状記憶ポリマー）により形成する場合、電気設備又は電気配線等により形成される等電位面が分かれば、基板２８０及び２８４を加熱して、等電位面に沿った形状に変形できる。これにより、導電部材２８２及び２９０を等電位面に沿った形状に変形でき、等電位面に沿って配置できる。
　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。具体的には、図７に示した励起光を伝送する光路と、放射光を伝送する光路とを入替えて、蛍光反射フィルタ２１０に代えてＬＰＦを用いる構成にしてもよい。
　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。例えば、ダイヤモンド素子を直方体に形成する場合、９０度を成す２つの面のうち、第１平坦面に励起光を入射し、第２平坦面からの放射光を集光して検知する。また、第１平坦面に平行な第３平坦面を、検知対象の放射光を集光する面としてもよい。ダイヤモンド素子は少なくとも２つの平坦面を有していればよく、６面体に限らず、ダイヤモンド素子の形状は任意である。
　上記では、ダイヤモンドセンサユニットに、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、ダイヤモンドセンサユニットを構成してもよい。
　なお、カラーセンタの準位に応じて、励起光及び放射光（即ち蛍光）の波長、並びに、共鳴励起させる電磁波の周波数が異なる。中でも、ＮＶセンタが、光の波長及びマイクロ波の周波数の点で扱いやすく、好ましい。Ｓｉ－Ｖセンタ、Ｇｅ－Ｖセンタ、Ｓｎ－Ｖセンタの場合、照射する電磁波には、マイクロ波（例えば１ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）よりも周波数が高いミリ波（例えば３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）又はサブミリ波（例えば３００ＧＨｚ～３ＴＨｚ）を使用する。例えば、Ｓｉ－Ｖセンタであれば、約４８ＧＨｚのミリ波を使用し、Ｓｎ－Ｖセンタであれば、約８５０ＧＨｚのサブミリ波を使用できる。
　上記では、送信部１４４及び２５２に、ホーンアンテナ（図４参照）を使用する場合を説明したが、これに限定されない。ホーンアンテナに代えて、パッチアンテナ（例えばマイクロストリップアンテナ）を使用してもよい。パッチアンテナを用いることにより、ミリ波及びサブミリ波を送信でき、Ｓｉ－Ｖセンタ、Ｇｅ－Ｖセンタ又はＳｎ－Ｖセンタ等を用いたセンサを実現できる。
　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。
　電磁波照射部は、コイル状のものに限らず、後述するように直線状の電気配線であってもよい。その場合、ダイヤモンド素子は、電磁波（例えばマイクロ波又はミリ波等）を伝送する伝送路（例えば導電性部材）の表面上又は端部に配置されていればよい。これにより、ダイヤモンドのＮＶセンタに電磁波を精度よく照射できる。
　上記したダイヤモンド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。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１ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、ダイヤモンド中のＮＶＨ－濃度、ＣＨ濃度及びＣＨ２濃度のいずれもが、０ｐｐｍより大きく１ｐｐｍ以下であることも好ましい。ここで、濃度（ｐｐｍ単位）は原子の個数の割合を表す。
　なお、第１実施形態において、ダイヤモンドセンサユニット１００は送信部１４４を含んでもよい。同様に、第２実施形態において、ダイヤモンドセンサユニット２００は送信部１４４を含んでもよい。
　以下に、実施例により、本開示の有効性を示す。図１０は、図７に示した構成の実施例を示す。図１０において、図７に示した構成要素に対応するものは、図７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には、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た。第１光導波路２１２は、コア径５０μｍ、ＮＡ（即ち開口数）０．２である。第２光導波路２３０は、コア径４００μｍ、ＮＡ０．５である。ダイヤモンド素子２１６には、３ｍｍ×３ｍｍ×０．３ｍｍの直方体のダイヤモンドを用いた。集光素子２１４には、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（即ち３ｍｍ×３ｍｍの平坦面）に接触させて固定した。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した。これにより、励起光が集光素子２１４の中心に入射するように調整した。
　電磁波照射部２１８には、図１１に示すコプレーナ線路を用いた。１辺約２ｃｍのガラスエポキシ基板２７０の表面に形成された銅箔２７２をコの字状に切欠き、中央に幅１ｍｍの主配線である電磁波照射部２１８を形成した。ダイヤモンド素子２１６は、電磁波照射部２１８の、銅箔２７２に対向する第１の端部（即ち、図１１において一点鎖線の楕円で示す領域）に、銀ペーストで固定した。これにより、ダイヤモンド素子２１６のＮＶセンタにマイクロ波を精度よく照射できる。電磁波照射部２１８の、ダイヤモンド素子２１６が配置されない第２の端部は、図１０のコネクタ２５４に接続した。
　マイクロ波は、遠隔に設けたマイクロ波発生装置により生成し、空中を伝送し、受信部２５２（図１０参照）により受信した。受信部２５２に向かってマイクロ波を放射する送信部１４４には、図４に示したホーンアンテナを用いた。寸法は、Ｌ１＝１１０（ｍｍ）、Ｌ２＝８７．９（ｍｍ）及びＬ３＝２５４（ｍｍ）であり、ゲインは１０ｄＢである。受信部２５２には、図３に示したパッチアンテナ（周波数２．８７３ＧＨｚ、最大利得約１０ｄＢｉ）を用いた。基板２８０及び２８４はガラスエポキシ樹脂の基板（Ｌ＝１２０（ｍｍ）、ｔ＝１（ｍｍ））であり、Ｈ＝５．２（ｍｍ）の間隔で配置した。受信部２５２により受信されたマイクロ波を、伝送路（即ち同軸ケーブル）を介してコネクタ２５４に伝送し、電磁波照射部２１８からダイヤモンド素子２１６に照射した。
　光検知部２２６には、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）を用いた。使用したＰＩＮ－ＡＭＰ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。
　センサ部を構成する集光素子２１４、ダイヤモンド素子２１６、電磁波照射部２１８を電気配線２６０の近傍に配置し、電気配線２６０に交流電流（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した。交流電流により、センサ部に形成される磁場の最大値は約０．３μＴである。ホーンアンテナから放射するマイクロ波の電力を一定（３０ｄＢｍ（＝１Ｗ））にし、センサ部とマイクロ波を放射するホーンアンテナとの距離Ｄを変化させて測定した。その結果を図１２Ａ～１２Ｃ及び図１３に示す。いずれの場合にもセンサ部と受信部とは共に、ホーン部から同じ距離Ｄに配置されている。
　図１２Ａ～１２Ｃは、電気配線２６０に５０Ｈｚの交流電流（３０Ａ）を流した状態で、ＰＩＮ－ＡＭＰにより検出された信号を示す。図１２Ａ～１２Ｃは、それぞれＤ＝２．８（ｍ）、Ｄ＝４（ｍ）及びＤ＝５（ｍ）における測定結果である。いずれも、縦軸は１目盛１０．０ｍＶ、横軸は１目盛５ｍｓである。図１３は、電気配線２６０に６０Ｈｚの交流電流（３０Ａ）を流した状態で、Ｄ＝１０（ｍ）として、ＰＩＮ－ＡＭＰにより検出された信号を示す。縦軸は１目盛１０．０ｍＶ、横軸は１目盛４ｍｓである。
　図１２Ａ～１２Ｃ及び図１３から分かるように、マイクロ波を放射する距離Ｄが長くなると、検知される信号は減少するが、１Ｗ程度の比較的弱いマイクロ波を、センサ部から約１０ｍ離隔した位置から放射しても、交流電流により形成される磁場変化を十分に検知できた。図１２Ａ～１２Ｃに示した検知信号は、交流の周波数５０Ｈｚで変化している。図１３に示した検知信号は、交流の周波数６０Ｈｚで変化している。なお、距離に応じてマイクロ波は減衰するが、採用する光検知部の検知限界（即ち電力の下限値）及び放射距離を考慮して、放射するマイクロ波電力、放射用アンテナのゲイン、及び受信用アンテナのゲイン等を調整すればよい。距離Ｄが５ｃｍのときに受信部を１０ｋＶの高電圧環境下に置くと、ホーンアンテナ及び受信部の角に放電が発生し計測できなかった。距離Ｄを３０ｍとすると、マイクロ波の電力が届かず、磁気の変化（即ち、電気配線２６０を流れる交流電流により形成される磁場の変化）に対応した信号の変化を計測できなかった。距離Ｄを５０ｃｍ及び１ｍとすると、それぞれの信号強度は図１２Ａの信号強度の５倍及び４倍となった。ここで、信号強度とは、ノイズを平均化して得られる最大値と最小値との差を意味する。図１２Ａの信号強度とは、図１２Ａのデータに関して、ノイズを平均化して得られる最大値と最小値との差である。上記したように、距離Ｄを３０ｍとするとマイクロ波の電力が届かず、信号を検出できなかったので、距離Ｄは小さい方が好ましい。しかし、信号強度はマイクロ波の電力だけに依存するわけではないので、距離Ｄがある程度まで小さければ、信号強度は十分な値となり、飽和傾向であった。したがって、ダイヤモンドセンサユニットとしては、ホーンアンテナ（具体的にはホーン部）とセンサ部（具体的には受信部）との距離は、５０ｃｍ以上１０ｍ以下であれば計測可能であり、良好であることが確認された。
　上記では、１辺約２ｃｍの基板上にコプレーナ線路を形成したが、１辺約５ｃｍ以下の長方形の基板を用いてもよい。
　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　　ダイヤモンドセンサユニット
１０２、２０２　　発光素子
１０４、１１４、１２４、２０４、２０８、２１４、２２４　　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　　ダイヤモンド素子
１１８、２１８　　電磁波照射部
１２０、２２０　　センサ部
１２２、２２２、９０８　　ＬＰＦ
１２６、２２６　　光検知部
１２８、２２８　　受光部
１３０、２５２　　受信部
１４０　　電磁波発生部
１４２　　制御部
１４４　　送信部
２１２　　第１光導波路
２３０　　第２光導波路
２５０　　三角プリズム
２５４、２８８、３０４　　コネクタ
２６０　　電気配線
２７０　　ガラスエポキシ基板
２７２　　銅箔
２８０、２８４、９１２、９１４、９１６　　基板
２８２、２９０　　導電部材
２８６　　スペーサ
３００　　アダプタ部
３０２　　ホーン部
３０６　　中心軸
３１０　　中心導体
３１２　　外部導体
３１４　　開口
９００　　ＬＥＤ
９０２　　ＳＰＦ
９０４　　ダイヤモンド
９０６　　レンズ
９１０　　フォトダイオード
ｄ　　厚さ
ＥＷ　　電磁波
Ｈ　　間隔
Ｌ、Ｌ３　　長さ
Ｌ１　　幅
Ｌ２　　高さ

Claims (4)

  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、
    　電磁波を受信する第１パッチアンテナと、
    　前記第１パッチアンテナにより受信された電磁波を、前記ダイヤモンドに照射する電磁波照射部と、
    　前記励起光及び前記電磁波が前記ダイヤモンドに照射された後に、前記ダイヤモンドの前記カラーセンタから放射される放射光を検知する検知部と、
    　前記励起光及び前記放射光を伝送する光導波路とを含む、ダイヤモンドセンサユニット。
  2. 　前記第１パッチアンテナにより受信される前記電磁波を送信するホーンアンテナ又は第２パッチアンテナをさらに含み、
    　前記ホーンアンテナは、前記電磁波としてマイクロ波を送信し、
    　前記第２パッチアンテナは、前記電磁波としてマイクロ波、ミリ波又はサブミリ波を送信する、請求項１に記載のダイヤモンドセンサユニット。
  3. 　前記第１パッチアンテナは、前記電磁波を受信する板状の導電部材を含み、検知対象である電気機器又は電気配線に配置され、
    　前記第１パッチアンテナは、前記導電部材が前記検知対象により形成される等電位面に平行になるように配置される、請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンドセンサユニット。
  4. 　前記等電位面は、湾曲形状であり、
    　前記第１パッチアンテナは、前記導電部材が前記湾曲形状に沿うように配置される、請求項３に記載のダイヤモンドセンサユニット。
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