WO2022207476A1 - Sensoreinheit zum erfassen eines magnetfeldes - Google Patents

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WO2022207476A1 PCT/EP2022/057873 EP2022057873W WO2022207476A1 WO 2022207476 A1 WO2022207476 A1 WO 2022207476A1 EP 2022057873 W EP2022057873 W EP 2022057873W WO 2022207476 A1 WO2022207476 A1 WO 2022207476A1
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Felix Michael Stuerner
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a sensor unit for detecting a magnetic field and a method for detecting a magnetic field, which is carried out using such a sensor unit.
  • a magnetic field is a vector field that describes the magnetic influence of electric charges in relative motion and magnetized materials. Magnetic fields can be caused, for example, by magnetic materials, electric currents and changes in an electric field over time.
  • the magnetic flux density which is also referred to as magnetic induction, is a physical quantity of electrodynamics that describes the area density of the magnetic flux that passes perpendicularly through a specific surface element.
  • the magnetic flux density is a directional variable, i. H. a vector.
  • the magnetic field strength H is another variable that describes the magnetic field. This is related to the magnetic flux density B via the relationship:
  • a measuring device In order to record a magnetic field, it is necessary to record a quantity that describes this magnetic field.
  • a measuring device can be used that measures a size of the magnetic field, such as the magnetic flux density or the magnetic field strength, and assigns a value to the detected variable.
  • a measuring device is referred to as a magnetometer, for example.
  • a magnetometer is a sensory device for measuring magnetic flux densities. Magnetic flux densities are measured in units of tesla (T). Common magnetometers are, for example, Hall sensors, Förster probes, proton magnetometers, Kerr magnetometers and Farady magnetometers.
  • NV center negatively charged nitrogen vacancy center
  • the publication DE 10 2014219550 A1 describes a combination sensor for measuring a magnetic field, which includes a sensitive component with diamond structures that have nitrogen defects.
  • the sensitive component can be excited with radiation in the visible range.
  • the magnetic resonance of the triplet of the ground state is optically detected, see 3 A state in FIG. 1 (ODM R, optically detected magnetic resonance).
  • ODM R optically detected magnetic resonance
  • the NV center must be excited with green light.
  • FIG. 1 The red-shifted fluorescence light, see Figure 2, shows a characteristic dip in the energetic position of the electron spin resonance with additional irradiation of an alternating electromagnetic field (microwave), see Figure 3.
  • the position is linearly dependent on the magnetic field due to the Zeeman effect, see Figure 4 , see Figure 3. This allows a highly sensitive magnetic field sensor to be constructed.
  • the invention relates to a sensor unit for detecting a magnetic field, the sensor unit comprising a light source for generating light, namely excitation light. Furthermore, the sensor unit comprises at least a first sensor for determining a measurement signal of an object and a second sensor for determining a background magnetic field.
  • the first sensor is designed as a diamond-based NV magnetometer and has a highly sensitive diamond with at least one negatively charged NV center, with the NV center having a fluorescent effect and thus emitting fluorescence.
  • a fluorescent effect means that the NV center emits fluorescence when stimulated, in particular by the light of the light source. Fluorescence is the spontaneous emission of light shortly after a material is excited by electron transfer. Thus, the emitted light is regular lower energy than the previously absorbed light (red shift). The light emitted due to fluorescence is therefore generally lower in energy than the light that is used for excitation, preferably by excitation light from the light source.
  • the diamond preferably has multiple NV centers, advantageously the diamond is doped with 0.01 to 10 ppm, most preferably 0.1 to 1 ppm, of NV centers.
  • the diamond has a high dynamic measuring range in an embodiment of up to 1 Tesla.
  • the light source emits light, referred to as excitation light, which is mainly green light, especially light with a wavelength of about 510 nm to 540 nm, while the emitted fluorescence has a wavelength of between 650 nm and 800 nm.
  • excitation light which is mainly green light, especially light with a wavelength of about 510 nm to 540 nm, while the emitted fluorescence has a wavelength of between 650 nm and 800 nm.
  • the first sensor is designed in particular to be arranged in the immediate vicinity of an object to be measured.
  • the second sensor serves in particular to determine background magnetic fields, in other words background noise, with high resolution at the location of the first sensor, while the first sensor serves to measure the actual measurement signal at the smallest possible distance from the object.
  • the object can in particular be a human head.
  • the first sensor is designed to detect the magnetic fields on the human head that are created by brain activity and the currents associated with it.
  • the first sensor has the required sensitivity for the corresponding measurement because it is designed as an NV magnetometer. Further advantages of the NV magnetometer are a high dynamic range and vectorial detection of the magnetic field since it can be brought close to the surface of an object to be examined, for example a human brain.
  • the sensor unit particularly preferably comprises a number of NV magnetometers, which can be placed at different points in the immediate vicinity of an object to be measured in order to obtain spatially resolved information about the To obtain measurement signal, in particular via the field distribution of the measured magnetic field. In such a case, it is also essential to determine the background noise using the second sensor.
  • the second sensor is in particular a gas vapor cell magnetometer or a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometer.
  • the aforementioned magnetometers have an extraordinary magnetic sensitivity, which is in the femtotesla range and smaller.
  • the second sensor is superior to the first sensor, which is an NV magnetometer.
  • Gas vapor cell magnetometers and SQUIDs have the disadvantage that certain limitations apply to the distance between the sensor and the object, and that the spatial resolution is only in the range from millimeters to centimeters. However, these are precisely the strengths of NV magnetometers and thus of the first sensor, whose spatial resolution preferably extends into the nanometer range.
  • the advantages of the sensor types used are optimally combined with one another.
  • the first sensor is a highly sensitive magnetic field sensor without a complex shielding device, it can be placed in close proximity to the object, while the second sensor, which is preferably in a is at a defined distance from the object to be measured, can carry out a reference measurement in order to determine the background magnetic field and thus be able to subtract it from the measurement signal of the first sensor.
  • the sensor unit comprises an optical fiber connected to the light source, the optical fiber being designed to excite the at least one NV center of the first sensor using the light from the light source.
  • the fiber is connected to the light source, for example via a fiber coupler, and is used to direct the light from the light source onto the diamond and thus onto the at least one NV center.
  • the second sensor can be attached to the optical fiber, resulting in a defined distance between the second sensor and the first sensor.
  • the optical fiber, which is used for the first sensor, can thus be used to attach the second sensor, so that the defined distance between the two sensors can be determined and also maintained during the measurement operation.
  • the sensor unit includes an evaluation unit, which includes at least one signal processing and control unit for determining a first measurement signal based on the first sensor and a second measurement signal based on the second sensor.
  • the signal processing and control unit is designed to determine a background magnetic field at the location of the first sensor based on the second measurement signal from the second sensor. The known distance between the sensors is taken into account. The measurement signal of the first sensor can now be calibrated or corrected by subtracting the determined background magnetic field.
  • the sensor unit includes a photodetector for receiving the emitted fluorescence.
  • the sensor unit preferably includes optics for separating the excitation light and the emitted fluorescence, so that only the emitted fluorescence hits the photodetector.
  • the fluorescence emitted by the at least one NV center is read out over the same optical fiber as the excitation. Therefore, the separation of the excitation light and the fluorescence is essential.
  • a dichroic mirror is used for this purpose, which can be placed in the periphery of the sensor unit, just like the second sensor.
  • the invention in a further aspect, relates to a method for detecting a magnetic field with a sensor unit as described above, comprising a first sensor and a second sensor.
  • the method includes in particular arranging the first sensor in the immediate vicinity of an object to be measured, measuring a background field using the second sensor, determining the background magnetic field at the location of the first sensor and calibrating a measurement signal from the first sensor using the determined background magnetic field at Location of the first sensor.
  • the sensor unit includes a microwave source for generating microwaves, preferably microwaves with a frequency of approximately 2.87 GHz.
  • the microwaves are necessary for spinning manipulation of the at least one NV center.
  • the microwaves are used to induce spinning transitions such that at least one NV center emits fluorescence when the microwave frequency matches the transition energy of the NV center.
  • the present invention exploits the Zeeman effect, namely the splitting of spectral lines by a magnetic field. The splitting occurs due to the different shifting of energy levels of individual states under the influence of the magnetic field to be measured.
  • the sensor unit is therefore a sensor system that preferably combines two different sensor types with one another.
  • the present invention implements a hybrid magnetometer approach that combines the advantages of different types of sensors.
  • the following advantages are thus achieved with the present invention: • The advantages of different sensor types are combined with one another, namely the exact spatial resolution of the first sensor with the special sensitivity of the second sensor.
  • Figure 1 Nitrogen vacancies (NV centers) in a diamond
  • FIG. 2 an absorption and emission spectrum of the NV center
  • FIG. 3 an optically detected magnetic resonance of a single NV center
  • Figure 4 the Zeeman effect within the energy diagram of the negatively charged NV center
  • FIG. 5 a pulsed excitation
  • Figure 6 the structure of a sensor unit according to the invention in relation to a
  • FIG. 7 the construction of the sensor unit of FIG. 6 in greater detail
  • FIG. 8 a process diagram of a process according to the invention.
  • Figure 1 shows on the left side a crystal lattice, in this case a diamond, the crystal lattice being denoted by reference numeral 10 as a whole.
  • That Crystal lattice 10 comprises a number of carbon atoms 12 and an NV center 14 which in turn has a nitrogen atom 16 and a vacancy 18 .
  • the nitrogen vacancy 18 is oriented along one of the four possible bonding directions in the diamond crystal.
  • the energy level scheme 30 of the negatively charged NV center 14 is shown on the right-hand side.
  • a state 3 E 38 and an intermediate state 40 are also shown.
  • Bracket 42 indicates a microwave frequency of 2.87 GHz, which corresponds to a splitting energy or zero-field splitting D gs .
  • the zero-field splitting is an intrinsic variable that is independent of the radiated MW field or the MW frequency. It is approximately 2.87 GHz and is particularly temperature dependent.
  • FIG. 2 shows in a graph 50 the absorption and emission spectrum of the NV center shown in FIG.
  • the wavelength [nm] is plotted on an abscissa 52 and the absorption coefficient [cm 1 ] is plotted on a first abscissa 54 and the fluorescence is plotted on a second abscissa 56 .
  • a first curve 60 shows the absorption spectrum
  • a second curve 62 shows the emission spectrum.
  • a first arrow 70 denotes NV° ZPL
  • a second arrow 72 denotes NV absorption
  • a third arrow 74 denotes NV fluorescence.
  • NV-ZPL 76 is entered at 637 nm.
  • FIG. 3 shows in a graph 100 the optically detectable magnetic resonance (ODM R) of a single NV center for different background magnetic fields.
  • ODM R optically detectable magnetic resonance
  • a fourth curve 122 the resonance for 8.3 mT.
  • Figure 4 shows the Zeeman effect in the ground state 150 of the NV center. Furthermore, the excited state 152 and the intermediate state 154 are entered.
  • a first arrow 160 shows a transition with a high probability or transition rate
  • a dashed arrow 162 shows a transition with a low probability or transition rate.
  • a box 170 a transition 172 with no magnetic field and a transition 174 with a magnetic field are shown.
  • FIG. 5 shows the pulsed excitation based on its time profile, which is plotted on a time axis 250.
  • the laser excitation is shown at the top 252 and the microwave excitation at the bottom 254 .
  • the sequence of a laser pulse and a microwave pulse is repeated periodically.
  • the laser pulse is used to initialize the electron spin of the NV defects (second portion of pulse 260) and to read out the electron spin after manipulation (first portion of laser pulse 262).
  • the microwave pulse 270 is used to manipulate the electron spin as a function of the magnetic field, on which the measurement principle is based.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sensor unit 400 comprising a first sensor 401 and a second sensor 402. While the first sensor 401 is designed as a diamond-based NV magnetometer, the second sensor 402 is a gas vapor cell magnetometer or a SQUID magnetometer. There is a defined distance 405 between the two.
  • the first sensor 401 can be brought in close proximity to an object 300 that is to be examined.
  • FIG. 7 shows the sensor unit 400 in greater detail, comprising a first sensor 401 and a second sensor 402 from FIG.
  • the light is fed to the first sensor (401), namely the diamond 404, via an optical fiber 406, preferably also a fiber coupler 406a.
  • the excitation light 407 passes through an optical system 409, namely a dichroic mirror 410, which is arranged in such a way that it allows the excitation light 407 to pass unhindered.
  • a source 411 for generating microwaves necessary for a corresponding split of the energy levels of the NV centers is also shown in Figure 7 .
  • the fluorescence 408 triggered by electron transitions is guided through the same optical fiber 406, but does not pass through the optics 409 but is redirected by it so that only fluorescence 408 impinges on the photodetector 412.
  • the optics 409 ensure that the emitted fluorescence 408 can strike the photodetector 412 separately from the excitation light 407 .
  • the optical fiber 406 used for the first sensor 401 can be used for the second sensor 402 mounting.
  • Figure 8 shows a flowchart of a method 500 according to the invention.
  • the first sensor 401 is placed 501 in the immediate vicinity of an object to be measured 300.
  • a background magnetic field is measured 502 with the aid of the second sensor 402 and the background magnetic field at the location of the first sensor 401 determines 503.
  • the measurement signal of the first sensor 401 can be calibrated 504 by the background magnetic field at the location of the first sensor 401 being subtracted from the measurement signal of the first sensor 401.

Abstract

Es wird eine Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes vorgeschlagen, die umfasst: - eine Lichtquelle (403) zum Erzeugen von Anregungslicht (407), - mindestens einen ersten Sensor (401) zum Bestimmen eines Messsignales eines Objektes (300), und - einen zweiten Sensor (402) zur Bestimmung eines Hintergrundmagnetfeldes, wobei der erste Sensor (401) als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet ist und einen hochsensitiven Diamanten (404) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum, das eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz (408) emittiert, umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes, das mit einer solchen Sensoreinheit durchgeführt wird.
Stand der Technik
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen:
B = m * H, wobei m die magnetische Permeabilität ist.
Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung wird bspw. als Magnetometer bezeichnet.
Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr- Magnetometer und Farady- Magnetometer.
Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in denen Gitterdefekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. So ist es bekannt, eine negativ geladene Stickstoff- Fehlstelle (engl.: nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamanten für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen zu nutzen. Es wird in diesem Zusammenhang auf Figur 1 verwiesen.
Die Druckschrift DE 10 2014219550 Al beschreibt einen Kombinationssensor zur Messung eines Magnetfeldes, der eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen, die Stickstoff- Fehlstellen aufweisen, umfasst. Die sensitive Komponente kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich angeregt werden.
Die bei solchen Anordnungen verwendeten Quantentechnologien haben gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff- Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:
- ultrahohe Empfindlichkeiten (1 pT/ Hz),
- Vektormagnetometrie, d. h. eine Richtungsbestimmung des Magnetfeldes ist möglich,
- hoher Messbereich (> 1 Tesla),
- Linearität (Zeemaneffekt),
- keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht, ähnlich wie beim Wasserstoff atom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine ortsunabhängige und zeitunabhängige Konstante ist,
- es ist möglich, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamant vorhandenen vier möglichen Raumrichtungen der NV-Achse zu bestimmen.
Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe 3A Zustand in Figur 1 (ODM R, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV- Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf Figur 2 verwiesen. Das rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe Figur 2, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu Figur 3. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe Figur 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe Figur 3. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Offenbarung der Erfindung
Vor dem obigen Hintergrund werden eine Sensoreinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt.
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes, wobei die Sensoreinheit eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht, und zwar Anregungslicht, umfasst. Ferner umfasst die Sensoreinheit mindestens einen ersten Sensor zum Bestimmen eines Messsignals eines Objektes und einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines Hintergrundmagnetfeldes. Dabei ist der erste Sensor als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet und weist einen hochsensitiven Diamanten mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum auf, wobei das NV-Zentrum eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz emittiert.
Eine fluoreszierende Wirkung bedeutet, dass das NV-Zentrum auf eine Anregung, insbesondere mittels des Lichtes der Lichtquelle, eine Fluoreszenz emittiert. Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Erregung eines Materials durch Elektronenübergang. Damit ist das emittierte Licht regelmäßig energieärmer als das zuvor absorbierte Licht (Rotverschiebung). Das aufgrund von Fluoreszenz emittierte Licht ist somit in der Regel energieärmer als das Licht, das zur Anregung verwendet wird, vorzugsweise durch Anregungslicht der Lichtquelle.
Der Diamant weist vorzugsweise mehrere NV-Zentren auf, vorteilhafterweise ist der Diamant mit 0,01 bis 10 ppm, am meisten bevorzugt mit 0,1 bis 1 ppm, NV- Zentren dotiert. Der Diamant weist insbesondere einen hohen dynamischen Messbereich in Ausgestaltung bis zu 1 Tesla auf.
Die Lichtquelle emittiert insbesondere Licht, das als Anregungslicht bezeichnet wird, wobei es sich vor allem um grünes Licht handelt, vor allem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 510 nm bis 540 nm, während die emittierte Fluoreszenz eine Wellenlänge zwischen 650 nm und 800 nm aufweist.
Der erste Sensor ist insbesondere dazu ausgebildet, in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes angeordnet zu werden. Der zweite Sensor dient insbesondere dazu, Hintergrundmagnetfelder, in anderen Worten Hintergrundrauschen, hoch auflösend am Ort des ersten Sensors zu ermitteln, während der erste Sensor dazu dient, das eigentliche Messsignal in möglichst kleinem Abstand zum Objekt zu messen.
Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um einen menschlichen Kopf handeln. Dabei ist der erste Sensor dazu ausgebildet, die Magnetfelder am menschlichen Kopf nachzuweisen, die durch die Gehirnaktivität und die damit verbundenen Ströme entstehen. Dabei bringt der erste Sensor, dadurch, dass er als NV- Magnetometer ausgebildet ist, die benötigte Empfindlichkeit für die entsprechende Messung mit. Weitere Vorteile des NV-Magnetometers sind ferner ein hoher dynamischer Bereich und eine vektorielle Erfassung des Magnetfeldes, da er nah an die Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes, beispielsweise eines menschlichen Gehirns, gebracht werden kann.
Insbesondere bevorzugt umfasst die Sensoreinheit mehrere NV-Magnetometer, die an unterschiedlichen Stellen in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes platziert werden können, um ortsaufgelöste Informationen über das Messsignal, insbesondere über die Feldverteilung des gemessenen Magnetfeldes, zu erhalten. Auch in einem solchen Fall ist das Bestimmen des Hintergrundrauschens mittels des zweiten Sensors essenziell.
Bei dem zweiten Sensor handelt es sich insbesondere um einen Gasdampfzellenmagnetometer oder einen SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Magnetometer.
Die vorgenannten Magnetometer weisen eine außerordentliche magnetische Sensitivität auf, die insbesondere im Bereich von Femtotesla und kleiner liegt. In dieser Hinsicht ist der zweite Sensor dem ersten Sensor, der ein NV- Magnetometer darstellt, überlegen. Allerdings haben
Gasdampfzellenmagnetometer und SQUIDs den Nachteil, dass für den Abstand zwischen Sensor und Objekt gewisse Limitierungen gelten, sowie dass das räumliche Auflösungsvermögen nur im Bereich von Millimetern bis Zentimetern reicht. Dies sind nun aber gerade die Stärken von NV-Magnetometern und somit des ersten Sensors, dessen räumliche Auflösung vorzugsweise bis in den Nanometerbereich reicht.
Um besonders kleine Magnetfelder auslösen zu können, spielt insbesondere der Einfluss von Stör- beziehungsweise Hintergrundfeldern eine bedeutende Rolle. Dies ist insofern ein Problem bei einer großen Distanz zwischen dem Objekt und dem Magnetfeldsensor, da die Feldamplitude des zu messenden Feldes stark mit der Distanz abnimmt, und zwar skaliert sie mit 1/r3, wobei r den Abstand darstellt. Wird nun ein SQUID oder ein Gasdampfzellenmagnetometer als Sensor zum Messen des eigentlichen Messsignals eingesetzt, werden im Stand der Technik magnetische Abschirmungen benötigt, die sehr kostenintensiv sind und auch ein gewisses Ballvolumen benötigen, was eine Miniaturisierung des gesamten Systems erschwert. Mit der vorliegenden Kombination des ersten Sensors, der zur Messung des eigentlichen Messsignals dient, und dem zweiten Sensor, der zur Bestimmung des Hintergrundmagnetfeldes dient, werden die Vorteile der verwendeten Sensortypen optimal miteinander kombiniert. Während der erste Sensor ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor ohne aufwendige Abschirmungsvorrichtung ist, kann dieser in unmittelbarer Nähe zum Objekt angeordnet werden, während der zweite Sensor, der sich vorzugsweise in einem definierten Abstand zum zu messenden Objekt befindet, eine Referenzmessung durchführen kann, um das Hintergrundmagnetfeld zu bestimmen und somit vom Messsignal des ersten Sensors abziehen zu können.
Insbesondere umfasst die Sensoreinheit eine mit der Lichtquelle verbundene optische Faser, wobei die optische Faser zur Anregung des mindestens einen NV- Zentrums des ersten Sensors mittels des Lichtes der Lichtquelle ausgebildet ist. In anderen Worten ist die Faser mit der Lichtquelle verbunden, beispielsweise über einen Faserkoppler, und dient dazu, das Licht der Lichtquelle auf den Diamanten und somit das mindestens eine NV-Zentrum zu lenken.
Der zweite Sensor kann an der optischen Faser befestigt sein, sodass sich ein definierter Abstand des zweiten Sensors zum ersten Sensor ergibt. Die optische Faser, welche für den ersten Sensor verwendet wird, kann somit zur Befestigung des zweiten Sensors verwendet werden, sodass der definierte Abstand zwischen den beiden Sensoren ermittelt und auch während des Messbetriebs beibehalten werden kann.
Ferner umfasst die Sensoreinheit eine Auswerteeinheit, die mindestens eine Signal-Verarbeitungs- und Steuerungseinheit zur Bestimmung eines ersten Messsignals basierend auf dem ersten Sensor und eines zweiten Messsignals basierend auf dem zweiten Sensor umfasst. Die Signal-Verarbeitungs- und Steuerungseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf dem zweiten Messsignal des zweiten Sensors ein Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors zu bestimmen. Dabei wird der bekannte Abstand zwischen den Sensoren berücksichtigt. Nun kann das Messsignal des ersten Sensors kalibriert werden, beziehungsweise korrigiert, indem das bestimmte Hintergrundmagnetfeld abgezogen wird.
Es können somit insgesamt äußerst kleine Magnetfelder ohne Störung durch ein Hintergrundmagnetfeld ermittelt werden.
Insbesondere umfasst die Sensoreinheit einen Fotodetektor zum Empfangen der emittierten Fluoreszenz. Bevorzugt umfasst die Sensoreinheit eine Optik zur Trennung des Anregungslichtes und der emittierten Fluoreszenz, sodass nur die emittierte Fluoreszenz auf den Fotodetektor trifft. Insbesondere wird die von dem mindestens einen NV-Zentrum emittierte Fluoreszenz über dieselbe optische Faser wie die Anregung ausgelesen. Daher ist die Trennung des Anregungslichtes und der Fluoreszenz essenziell. Hierfür wird insbesondere ein dichroischer Spiegel eingesetzt, der in der Peripherie der Sensoreinheit platziert werden kann, genauso wie der zweite Sensor.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer oben beschriebenen Sensoreinheit umfassend einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor. Das Verfahren umfasst insbesondere das Anordnen des ersten Sensors in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes, das Messen eines Hintergrundfeldes mit Hilfe des zweiten Sensors, das Bestimmen des Hintergrundmagnetfeldes am Ort des ersten Sensors und das Kalibrieren eines Messsignals des ersten Sensors mit Hilfe des bestimmten Hintergrundmagnetfeldes am Ort des ersten Sensors.
Insbesondere umfasst die Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Mikrowellen, vorzugsweise Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 2,87 GHz. Die Mikrowellen sind notwendig zur Spinn-Manipulation des mindestens einen NV-Zentrums. In anderen Worten werden mit Hilfe der Mikrowellen Spinnübergänge induziert, sodass mindestens ein NV-Zentrum Fluoreszenz emittiert, wenn die Mikrowellenfrequenz der Übergangsenergie des NV-Zentrums entspricht. Die vorliegende Erfindung nutzt den Zeeman- Effekt aus, und zwar die Aufspaltung von Spektrallinien durch ein Magnetfeld. Die Aufspaltung entsteht durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände unter dem Einfluss des zu messenden Magnetfeldes.
Insgesamt handelt es sich bei der Sensoreinheit somit um ein Sensorsystem, das vorzugsweise zwei unterschiedliche Sensortypen miteinander kombiniert. In anderen Worten führt die vorliegende Erfindung einen hybriden Magnetometeransatz aus, der die Vorteile verschiedenen Sensortypen miteinander kombiniert. Es werden mit der vorliegenden Erfindung somit die folgenden Vorteile erreicht: • Es werden die Vorteile verschiedener Sensortypen miteinander kombiniert, und zwar die genaue Ortsauflösung des ersten Sensors mit der besonderen Sensitivität des zweiten Sensors.
• Aufwendige und teure Abschirmungsvorrichtung für den zweiten Sensor sind nicht nötig.
• Es ergibt sich ein Miniaturisierungspotenzial des kombinierten Sensorsystems, da sich sowohl der erste Sensor als auch der zweite Sensor kompakt aufbauen lassen.
• Elektrische Störfelder, beispielsweise für Stromschlüsse, könnten in der Peripherie untergebracht werden, und würden daher im Bereich des zu untersuchenden Objektes kein zusätzliches Hintergrundfeld erzeugen.
Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
Figur 1: Stickstoff- Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamanten;
Figur 2: ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums;
Figur 3: eine optisch detektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV- Zentrums;
Figur 4: den Zeeman-Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums;
Figur 5: eine gepulste Anregung;
Figur 6: den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit in Bezug auf ein
Objekt;
Figur 7: den Aufbau der Sensoreinheit der Figur 6 im größeren Detail, und
Figur 8: ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt auf der linken Seite ein Kristallgitter, in diesem Fall einen Diamanten, wobei das Kristallgitter insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kristallgitter 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV- Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff- Fehlstelle 18 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant- Kristall ausgerichtet.
Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV- Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand 3A2 32 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl ms = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit ms = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand 3E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Field Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Field Splitting ist eine intrinsische Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW-Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Sie beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung: v± « Dgs + ß * DT ± yiw * Bo; wobei DT die Abweichung von der Raumtemperatur, ß die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit ß ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, yiw das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und Bo die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
Figur 2 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in Figur 1 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Abszisse 54 der Absorptionskoeffizient [cm 1] und an einer zweiten Abszisse 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV° ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV- Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV- Fluoreszenz. Weiterhin ist NV- ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
Figur 3 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODM R) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz, an einer ersten Ordinate 104 das Magnetfeld B und an einer zweiten Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks ooi 114 und 002 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
Figur 4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
Figur 5 zeigt die gepulste Anregung anhand ihres zeitlichen Verlaufs, der an einer Zeitachse 250 aufgetragen ist. Dabei ist oben 252 die Laseranregung und unten 254 die Mikrowellenanregung gezeigt. Zu beachten ist, dass die Abfolge von einem Laserpuls und einem Mikrowellenpuls periodisch wiederholt werden. Der Laserpuls dient zum Initialisieren des Elektronenspins der NV- Fehlstellen (zweiter Anteil des Pulses 260) und zum Auslesen des Elektronenspins nach der Manipulation (erster Anteil des Laserpulses 262). Der Mikrowellenpuls 270 dient zur Manipulation des Elektronenspins, in Abhängigkeit von dem magnetischen Feld, worauf das Messprinzip beruht.
Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung eine Sensoreinheit 400 umfassend einen ersten Sensor 401 und einen zweiten Sensor 402. Während der ersten Sensor 401 als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet ist, handelt es sich bei dem zweiten Sensor 402 um einen Gasdampfzellenmagnetometer oder einen SQUID Magnetometer. Zwischen den beiden herrscht ein definierter Abstand 405. Der erste Sensor 401 kann in unmittelbarer Nähe zu einem Objekt 300, das untersucht werden soll, gebracht werden. Figur 7 zeigt im größeren Detail die Sensoreinheit 400 umfassend einen ersten Sensor 401 und einen zweiten Sensor 402 der Figur 6. Ferner ist in Figur 7 die Lichtquelle 403 zu sehen, die zur Erzeugung von Licht, in anderen Worten Anregungslicht 407, dient. Über eine optische Faser 406, vorzugsweise ferner einen Faserkoppler 406a, wird das Licht dem ersten Sensor (401), und zwar dem Diamanten 404, zugeführt. Das Anregungslicht 407 passiert dabei eine Optik 409, und zwar einen dichroitischen Spiegel 410, der derart angeordnet ist, dass er das Anregungslicht 407 ungehindert passieren lässt.
Ferner ist in Figur 7 eine Quelle 411 zum Erzeugen von Mikrowellen gezeigt, die für einen entsprechenden Split der Energieniveaus der NV-Zentren notwendig ist. Die durch Elektronenübergänge ausgelöste Fluoreszenz 408 wird durch dieselbe optische Faser 406 geleitet, passiert die Optik 409 allerdings nicht, sondern wird von dieser umgeleitet, sodass nur Fluoreszenz 408 auf den Fotodetektor 412 trifft. In anderen Worten sorgt die Optik 409 dafür, dass die emittierte Fluoreszenz 408 vom Anregungslicht 407 separiert auf den Fotodetektor 412 treffen kann. Die optische Faser 406, welche für den ersten Sensor 401 verwendet wird, kann für die Befestigung des zweiten Sensors 402 verwendet werden.
Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 500. In einem ersten Schritt wird der erste Sensor 401 in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objektes 300 angeordnet 501. Es wird mit Hilfe des zweiten Sensors 402 ein Hintergrundmagnetfeld gemessen 502 und das Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors 401 bestimmt 503. Auf diese Weise kann das Messsignal des ersten Sensors 401 kalibriert werden 504, indem das Hintergrundmagnetfeld am Ort des ersten Sensors 401 von dem Messsignal des ersten Sensors 401 abgezogen wird.

Claims

Ansprüche
1. Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) Folgendes umfasst:
- eine Lichtquelle (403) zum Erzeugen von Anregungslicht (407),
- mindestens einen ersten Sensor (401) zum Bestimmen eines Messsignales eines Objektes (300), und
- einen zweiten Sensor (402) zur Bestimmung eines Hintergrundmagnetfeldes, wobei der erste Sensor (401) als diamantbasierter NV-Magnetometer ausgebildet ist und einen hochsensitiven Diamanten (404) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum, das eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz (408) emittiert, umfasst.
2. Sensoreinheit (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (401) zur Anordnung in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objekts (300) ausgebildet ist.
3. Sensoreinheit (400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Sensor (402) um einen Gasdampfzellenmagnetometer oder einen SQUID (superconduncting quantum interference device) Magnetometer handelt.
4. Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine mit der Lichtquelle (403) verbundene optische Faser (406) umfasst, wobei die optische Faser (406) zur Anregung des mindestens einen NV-Zentrums mittels des Anregungslichtes (407) der Lichtquelle (402) ausgebildet ist.
5. Sensoreinheit (400) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (402) an der optischen Faser (406) befestigt ist, sodass sich ein definierter Abstand (405) des zweiten Sensors zum ersten Sensor ergibt.
6. Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Auswerteeinheit umfasst, wobei die Auswerteeinheit mindestens eine Signal-Verarbeitungs- und Steuerungseinheit zur Bestimmung eines ersten Messsignals basierend auf dem ersten Sensor (401) und eines zweiten Messsignals basierend auf dem zweiten Sensor (402) umfasst.
7. Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) einen Fotodetektor (412) zum Empfangen der emittierten Fluoreszenz (408) umfasst.
8. Sensoreinheit (400) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Optik (409) zur Trennung des Anregungslichtes (407) und der emittierten Fluoreszenz (408) umfasst, sodass nur die emittierte Fluoreszenz (408) auf den Fotodetektor (412) fällt.
9. Verfahren (500) zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer Sensoreinheit (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend einen ersten Sensor (401) und einen zweiten Sensor (402).
10. Verfahren (500) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (500) die folgenden Schritte umfasst:
- Anordnen (501) des ersten Sensors (401) in unmittelbarer Nähe eines zu messenden Objekts (300),
- Messen (502) eines Hintergrundmagnetfeldes mithilfe des zweiten Sensors (402),
- Bestimmen (503) des Hintergrundmagnetfeldes am Ort des ersten Sensors (401), und - Kalibieren (504) eines Messsignals des ersten Sensors (401).
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