磁気センサー
【課題】精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供する。
【解決手段】価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源１１と、第１ガスを透過した第２の円偏光の光路上に配置された第２ガスと、第１ガス及び第２ガスに対して第１の円偏光及び第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場Ｂｒｆを発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器２２と、第１ガス及び第２ガスに対して第１の円偏光及び第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１,Ｂｂ２を発生させ、第１ガスにおける第１の円偏光の光透過率と第２ガスにおける第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器２１と、第１の円偏光及び第２ガスを透過した第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器１４と、を有する。
【解決手段】価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源１１と、第１ガスを透過した第２の円偏光の光路上に配置された第２ガスと、第１ガス及び第２ガスに対して第１の円偏光及び第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場Ｂｒｆを発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器２２と、第１ガス及び第２ガスに対して第１の円偏光及び第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１,Ｂｂ２を発生させ、第１ガスにおける第１の円偏光の光透過率と第２ガスにおける第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器２１と、第１の円偏光及び第２ガスを透過した第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器１４と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサー等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体から発生する微小な磁場を測定する生体磁気検出装置が知られている。このような生体磁気検出装置としては、例えば、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）がある。なお、ＳＱＵＩＤとは、例えば、超伝導リングなどの超伝導素子に一部細い部分（ジョセフソン接合）が設けられた素子（ジョセフソン素子）を用いることで、低温度環境下においてわずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能な素子（磁気センサー）である。
【０００３】
図６は、従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。図６（ａ）は、１回巻きの磁束検出コイル（マグネトメーター）を示す図である。図６（ｂ）は、互いに逆方向に巻いた平行な２つのコイルを直列につないだ磁束検出コイル（１次勾配型のグラディオメーター）を示す図である。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、マグネトメーター１０１では、コイルの中に入ってくる磁場１１０を全て検出してしまう。そこで、コイルの近くから発生する磁場（例えば心磁や脳磁）のみを検出するためには、コイルから遠くに発生源を持つ磁界（例えば外部磁場雑音）によるノイズを完全に除去する方式が別途必要になる。
【０００５】
図６（ｂ）に示すように、１次勾配型のグラディオメーター１０２では、互いに逆方向に巻いた２つのコイルで検出される検出信号の差として磁場１１０が検出される。このため、コイルから遠くに発生源を持つ磁界の影響は２つのコイル間で打ち消しあってゼロとなり、コイルの近くから発生する磁場のみが検出される。しかしながら、ＳＱＵＩＤは超伝導素子やジョセフソン素子を用いるため高コストとなる。また、低温度環境を維持するためには液体ヘリウムや液体窒素を冷却装置に頻繁に供給する必要があり手間がかかる。
【０００６】
一方、ＳＱＵＩＤを用いないで微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計がある。光ポンピング原子磁力計とは、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて原子と磁場とを相互作用させて原子の磁化状態を検出することで磁場を測定する装置である。例えば、非特許文献１及び２では、セシウムなどのアルカリ金属原子が封入されたガスセルに対して互いに異なる偏光方向を有する２つのレーザー光を入射し、ガスセルを透過した２つのレーザー光をそれぞれ２つのフォトディテクターで受光して光強度を検出している。その後、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換することにより、レーザー光の強度変化の差分を演算し、これにより外部磁場の影響を除いた微小磁場の測定を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，６０５−６１２（２００２）
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７６，３２５−３２８（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１及び２では、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換する際にノイズが発生してしまい、微小磁場を精度よく測定することが困難な場合がある。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いているため、磁気センサーの構造が複雑であり演算も複雑となる。
【０００９】
本発明の一態様においては、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、前記第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源と、前記第１ガスを透過した前記第１の円偏光である第２の円偏光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場を発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器と、前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場を発生させ、前記第１ガスにおける前記第１の円偏光の光透過率と前記第２ガスにおける前記第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器と、前記第１の円偏光及び前記第２ガスを透過した前記第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスに対して磁気共鳴を生じさせるとともに傾斜磁場を生じさせることで、第１ガス及び第２ガスにおける円偏光の光透過率が異なるようになる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後における円偏光の光量が検出される。これにより、第１ガスにおける円偏光の光透過率と第２ガスにおける円偏光の光透過率との差分が求められる。すると、第１ガスにかかる磁場と第２ガスにかかる磁場との差分が算出される。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１２】
また、上記磁気センサーにおいては、前記バイアス磁場発生器は、前記第１ガスにおけるバイアス磁場が前記第２ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスにおける光透過率が確実に異なるようになる。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１４】
また、上記磁気センサーにおいては、前記バイアス磁場発生器は、前記第２ガスにおけるバイアス磁場が前記第１ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスにおける光透過率が確実に異なるようになる。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１６】
また、上記磁気センサーにおいては、前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、第１ガスと第２ガスとが別々のセルに封入される場合に比べて装置構成が簡単になる。また、第１ガスと第２ガスを別々のセルに封入した場合には、プローブ光の光軸と各セルとのアライメントを別々に行わなければならないが、第１ガスと第２ガスとを同一セルに封入した場合には、このようなアライメント作業が１回で済むため、セッティングが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の磁気センサーを示す模式図である。
【図２】円偏光による光ポンピングの原理を示す図である。
【図３】セルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。
【図４】コモン外部磁場の場合の磁場の強さとセルの光透過率との関係図である。
【図５】非コモン外部磁場の場合の磁場の強さとセルの光透過率との関係図である。
【図６】従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００２０】
図１は本発明の磁気センサー１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、磁気センサー１は、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて測定対象磁場（磁場発生源１０から発生する微小磁場、例えば心磁や脳磁）を測定するものである。なお、以下の説明では、測定対象磁場の方向をＹ軸とし、Ｙ軸と直交する平面内の２方向をＸ軸及びＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。
【００２１】
磁気センサー１は、第１のセル１２と、第２のセル１３と、プローブ光源１１と、交流磁場発生器２２と、バイアス磁場発生器２１と、検出器１４と、を具備して構成されている。
【００２２】
第１のセル１２、第２のセル１３は、Ｙ軸方向に互いに直列に配置されている。第２のセル１３は、第１のセル１２を透過した円偏光（第２の円偏光）の光路上に配置されている。第１のセル１２は磁場発生源１０に相対的に近い位置に配置され、第２のセル１３は磁場発生源１０に相対的に遠い位置に配置されている。第１のセル１２には、Ｙ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂｅ１がかかっている。第２のセル１３には、Ｙ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂｅ２がかかっている。ここで、第２のセル１３は磁場発生源１０に対して遠い位置に配置されているため、第２のセル１３にかかる測定対象磁場は無視できるほど小さい。つまり、第２のセル１３には、Ｚ軸方向において外部磁場のみがかかっているとみなすことができる。
【００２３】
第１のセル１２、第２のセル１３の内部には、それぞれ価電子が奇数個の原子またはイオンからなる第１ガス、第２ガスが封入されている。本実施形態では、第１ガス及び第２ガスが、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属原子からなっている。なお、第１のセル１２、第２のセル１３の内部におけるアルカリ金属原子の密度を大きくするために、必要に応じて第１のセル１２、第２のセル１３に対して加熱を行ってもよい。
【００２４】
また、第１のセル１２及び第２のセル１３の内部には、ネオン、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスと、水素や窒素などの非磁性のガスとの少なくとも一方のガスが封入されていてもよい。これにより、第１のセル１２及び第２のセル１３に封入されたアルカリ金属原子が互いに衝突したりセル部内壁に衝突したりすることが緩和される。
【００２５】
プローブ光源１１は、円偏光を射出する光源である。プローブ光源１１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対してσ＋偏光（右円偏光、Ｙ軸に沿う光の進行方向に対して右回りの円偏光）を磁場Ｂｅ１，Ｂｅ２と平行な方向（Ｙ軸方向）に入射させ、第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせる機能を有する。
【００２６】
なお、本実施形態では、σ＋偏光が、それぞれ第１ガスが封入された第１のセル１２、第２ガスが封入された第２のセル１３に入射するようになっているが、これに限らない。例えば、σ−偏光（左円偏光、Ｙ軸に沿う光の進行方向に対して左回りの円偏光）が、それぞれ第２ガスが封入された第２のセル１３、第１ガスが封入された第１のセル１２に入射する構成でも構わない。
【００２７】
本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１２、第２のセル１３にそれぞれ入射するσ＋偏光の入射方向（Ｙ軸方向）が磁場Ｂｅ１，Ｂｅ２のかかる方向（Ｙ軸方向）に対して平行な縦方向光ポンピングを採用している。
【００２８】
交流磁場発生器２２は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対してＺ軸方向に交流磁場Ｂｒｆを発生させ、磁気共鳴を生じさせる機能を有する。
【００２９】
バイアス磁場発生器２１は、コイル２１ａと電源２１ｂとを具備して構成されている。コイル２１ａはＹ軸を中心軸とし、反射ミラー１５と第１のセル１２との間の第１のセル１２近傍に配置されている。そして、コイル２１ａに電流が流れることによりＹ軸方向に傾斜磁場を発生させて、第１のセル１２、第２のセル１３に対してＹ軸方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１，Ｂｂ２を印加させる構造となっている。本実施形態では、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１が第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さが大きくなっている（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）。
【００３０】
なお、本実施形態では、バイアス磁場発生器２１は、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１が第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させているが、これに限らない。例えば、バイアス磁場発生器２１は、第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２が第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００３１】
検出器１４は、例えば、フォトディテクターなどの受光素子を具備して構成されている。検出器１４は、第１のセル１２に入射する第１の円偏光及び第２のセル１３を透過した第２の円偏光である第３の円偏光の光量（第１のセル１２及び第２のセルを透過する前後における光量）を検出する機能を有する。そして、フォトディテクターにより光量の差分を電気的に演算することで、磁場発生源１０から発生する微小磁場のみを測定することができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように、検出器として２つのフォトディテクターを用いていない。
【００３２】
第１のセル１２にＹ軸方向のσ＋偏光が入射すると、アルカリ金属原子の最外殻電子がスピン偏極する。具体的には、Ｙ軸方向のσ＋偏光が角運動量＋ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ＋偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量＋ｈ／２πを保存してＹ軸の正の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第１のセル１２内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第１のセル１２内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＹ軸の正の方向に揃うため、これに倣って磁化ベクトルの方向がＹ軸の正の方向を向き、Ｙ軸の正の方向に強い磁化が形成される。
【００３３】
図２は、第１のセル１２に入射するσ+偏光による光ポンピングの原理を示す図である。図２（ａ）は、基底状態及び励起状態におけるエネルギー準位図である。図２（ｂ）は、基底状態の原子数（ポピュレーション）を示す図である。なお、図２（ａ）のΔＥはゼーマン分裂エネルギーである。
【００３４】
以下、アルカリ金属原子としてルビジウムを用いた場合について説明する。ルビジウムは常温においては固体原子数が多いが、高温になるにつれて気体原子数が多くなる性質を有する。例えば、第１のセル１２の内部が１２０℃程度になるように加熱し、ルビジウムの気体原子数を多くしておく。ここでは、ルビジウムの吸収スペクトル線の波長Ｄを基底状態から励起状態への吸収線に同調させ、原子を励起させた場合について説明する（Ｄ＝７９７．７ｎｍ）。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、ルビジウムに磁場Ｂが印加されると基底状態及び励起状態におけるエネルギー準位に差が生じ、いわゆるゼーマン分裂が発生する。基底状態及び励起状態はそれぞれ３つのゼーマン準位からなっている。これら３つのゼーマン準位を特徴づけるのは磁気量子数Ｍであり、それぞれＭ＝−１，０，＋１となっている。
【００３６】
１つのルビジウム原子は、波長Ｄのσ＋偏光を吸収すると、遷移の選択性により、基底状態から磁気量子数Ｍが１つ増えた励起状態へ励起される。例えば、基底状態のＭ＝−１にある原子はσ＋偏光の吸収により励起状態のＭ＝０へ励起される。また、基底状態のＭ＝０にある原子はσ＋偏光の吸収により励起状態のＭ＝＋１へ励起される。一方、基底状態のＭ＝＋１にある原子は励起状態にＭ＝＋２の準位がないため励起されない。なお、原子にσ−偏光を与えた場合にはこの逆になる。
【００３７】
励起された原子は自然放出過程により光を放出して基底状態に戻る。励起された原子は、磁気量子数Ｍ＝−１，０，＋１のいずれの遷移も可能であり、全て同じ確率となると仮定する。この原子の励起と自然放出との間の一巡の過程は光ポンピングサイクルと呼ばれている。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、１回の光ポンピングサイクルにおける基底状態のポピュレーション収支の期待値は、基底状態のＭ＝−１において−２／３、基底状態のＭ＝０において−１／６、基底状態のＭ＝＋１において＋５／６となっている。なお、基底状態のポピュレーション収支の期待値とは、原子が基底状態から出ていく確率と原子が基底状態に戻ってくる確率とを足し合わせた値である。
【００３９】
具体的には、基底状態のＭ＝−１におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率（原子の励起により励起状態のＭ＝０へ励起される確率）−１と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率）＋１／３とを足し合わせた値−２／３となる。基底状態のＭ＝０におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率（原子の励起により励起状態のＭ＝＋１へ励起される確率）−１と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率＋１／３と原子の自然放出により励起状態のＭ＝＋１から戻ってくる確率＋１／２との和）＋５／６とを足し合わせた値−１／６となる。基底状態のＭ＝＋１におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率０と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率＋１／３と原子の自然放出により励起状態のＭ＝＋１から戻ってくる確率＋１／２との和）＋５／６とを足し合わせた値＋５／６となる。このように、基底状態のポピュレーション収支の期待値は、基底状態の磁気量子数Ｍが多い準位になるにつれて増加する傾向となっている。
【００４０】
ところで、実際には全ての原子が励起状態のＭ＝＋１に励起されることはない。基底状態の各ゼーマン準位のポピュレーションは、原子の衝突などの影響により磁気量子数Ｍが多い準位から少ない準位に原子が遷移するいわゆる緩和過程である。このため、基底状態の各ゼーマン準位のポピュレーションは、光ポンピングによる原子の励起と自然放出との間の平衡状態により決定される。基底状態における光ポンピングされた気体原子のポピュレーションは、各ゼーマン準位間において差が生じている。基底状態の３つのゼーマン準位のうち磁気量子数Ｍが少ない準位（基底状態のＭ＝−１）では、セル内部における円偏光の吸収に寄与できる原子が減少するため、セルの光透過率が大きくなる。一方、セルに対してゼーマン分裂エネルギーΔＥに相当する周波数を有する交流磁場Ｂｒｆを発生させると、原子が磁気量子数Ｍの少ない準位に遷移する（磁気共鳴が生じる）。すると、磁気量子数Ｍが少ない準位（基底状態のＭ＝−１）では、セル内部における円偏光の吸収に寄与できる原子が増加するため、セルの光透過率が小さくなる。
【００４１】
図３は、セルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図３において、横軸はセルに印加される磁場の強さを示し、縦軸はセルの光透過率を示している。以下、一例として第１のセル１２に印加する交流磁場Ｂｒｆの角周波数を固定した場合について説明する。
【００４２】
図３に示すように、第１のセル１２に印加する交流磁場Ｂｒｆの角周波数を固定した状態で磁場Ｂｅ１の強さを変化させると、第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１が変化する。第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１は、磁場の強さがＢ０のときに極小となっている（Ｂｅ１＝Ｂ０）。交流磁場Ｂｒｆの角周波数をＷ０、磁気回転比（定数）をＶとすると、Ｗ０＝Ｖ×Ｂｅ１のとき、第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１が極小となる。
【００４３】
ここで、第１のセル１２及び第２のセル１３を用いてグラディオメーターを構成することを考える。第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２とが同じである場合は、磁場Ｂｅ１の強さに対応する光透過率Ｔｅ１と磁場Ｂｅ２の強さに対応する光透過率Ｔｅ２との変化は同じとなる。このため、第１のセル１２及び第２のセル１３を円偏光の光軸と平行な方向に重ねたときの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２から、第１のセルにかかる磁場Ｂｅ１と第２のセルにかかる磁場Ｂｅ２との差分を検出することができない。そこで、本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して、それぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１,Ｂｂ２を発生させ、異なる磁気共鳴周波数にシフトさせている。これにより、第１のセル１２における円偏光の光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３における円偏光の光透過率Ｔｅ２を異ならせている。
【００４４】
具体的には、コイル２１ａ（図１参照）に電流を流すことによりＹ軸方向に傾斜磁場を発生させて、第１のセル１２、第２のセル１３に対してＹ軸方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１，Ｂｂ２を印加させる。本実施形態では、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくする（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）。
【００４５】
図４は、コモン外部磁場の場合のセルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図４において、横軸はセルに印加される磁場の強さを示し、縦軸はセルの光透過率を示している。なお、コモン外部磁場の場合とは、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して共通の外部磁場（磁場の強さが同じ外部磁場）が印加される場合である（Ｂｅ１＝Ｂｅ２）。ただし、０＜Ｂｅ１＜＜Ｂｂ１、０＜Ｂｅ２＜＜Ｂｂ２の関係であるとする。
【００４６】
図４に示すように、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくすると（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）、第１のセル１２における光透過率の極小値と第２のセル１３における光透過率の極小値とが離れる。交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０は、第１のセル１２における光透過率の曲線（細い実線）と第２のセル１３における光透過率の曲線（太い実線）との交点となる磁場Ｂ０に対応させている。第１のセル１２及び第２のセル１３に対して外部磁場が印加されない場合（Ｂｅ１＝Ｂｅ２＝０）の第１のセル１２における光透過率Ｔｅ１０と第２のセル１３における光透過率Ｔｅ２０とは同じ値となる（Ｔｅ１０＝Ｔｅ２０）。このとき、第１のセル１２及び第２のセル１３を円偏光の光軸と平行な方向に重ねたときの光透過率はＴｅ１０×Ｔｅ２０となる。
【００４７】
第１のセル１２に印加されるトータルの磁場はＢｂ１＋Ｂｅ１となり、磁気共鳴周波数はＶ（Ｂｂ１＋Ｂｅ１）にシフトする。このとき、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ１０よりも小さくなっている。一方、第２のセル１３に印加されるトータルの磁場はＢｂ２＋Ｂｅ２となり、磁気共鳴周波数はＶ（Ｂｂ２＋Ｂｅ２）にシフトする。このとき、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２は、第１のセル１２とは反対に、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ２０よりも大きくなっている。
【００４８】
このような、第１のセル１２の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２との反対の光透過率特性から、２つのセルの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２は、近似的にＴｅ１０×Ｔｅ２０となる。つまり、２つのセルに印加される共通の外部磁場は相殺されることになる。
【００４９】
図５は、図４に対応した、非コモン外部磁場の場合のセルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図５は非コモン外部磁場の場合の関係図である点で、前述した図４のコモン外部磁場の場合の関係図と異なっている。その他の点は図４と同様であるので、図４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、非コモン外部磁場の場合とは、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して磁場の強さが異なる外部磁場（磁場発生源１０からの測定対象磁場）が印加される場合である（Ｂｅ１≠Ｂｅ２）。ただし、Ｂｅ１＞Ｂｅ２、０＜Ｂｅ１＜＜Ｂｂ１、０＜Ｂｅ２＜＜Ｂｂ２の関係であるとする。
【００５０】
図４に示すように、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくし（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）、加えて磁場発生源１０からの測定対象磁場を印加すると、前述のコモン外部磁場の場合に比べて第１のセル１２における光透過率の極小値と第２のセル１３における光透過率の極小値とが格段に離れる。
【００５１】
第１のセル１２について、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ１０よりも小さくなっているが、前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量は小さい。一方、第２のセル１３について、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ２０よりも大きくなっているが、前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量は大きい。
【００５２】
このような前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量の異なる、第１のセル１２の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２との光透過率特性から、２つのセルの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２はＴｅ１０×Ｔｅ２０よりも大きくなる（Ｔｅ１×Ｔｅ２＞Ｔｅ１０×Ｔｅ２０）。
【００５３】
このため、検出器１４によって第２のセル１３を透過した後の円偏光の光量を検出することにより、第１のセル１２における光透過率と第２のセル１３における光透過率との差分を求めることができる。第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２との差分（Ｂｅ１−Ｂｅ２）を求めることができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。したがって、第１のセル１２にかかる外部磁場と第２のセル１３にかかる外部磁場とが相殺され、その結果、第１のセル１２にかかる測定対象磁場が求められる。
【００５４】
本実施形態の磁気センサー１によれば、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して磁気共鳴を生じさせるとともに傾斜磁場を生じさせることで、第１のセル１２及び第２のセル１３における円偏光の光透過率が異なるようになる。そして、第１のセル１２及び第２のセル１３を透過する前後における円偏光の光量が検出される。これにより、第１のセル１２における円偏光の光透過率と第２のセル１３における円偏光の光透過率との差分が求められる。すると、第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２との差分（Ｂｅ１−Ｂｅ２）が算出される。その結果、第１のセル１２における外部磁場の影響と第２のセル１３における外部磁場の影響とが相殺され、第１のセル１２にかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサー１の構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５５】
なお、本実施形態の磁気センサー１は、第１ガスが第１のセル１２に封入され、第２ガスが第２のセル１３に封入され、２つのセルで構成されているが、これに限らない。例えば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００５６】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、精度よく微小磁場を測定することが可能な、格段に構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５７】
また、本実施形態の磁気センサー１では、プローブ光源１１が第１のセル１２に対してＹ軸方向にσ＋偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、プローブ光源１１が第１のセル１２に対してＹ軸方向にσ−偏光を入射していてもよい。すなわち、プローブ光源１１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して円偏光を入射させ、第１のセル１２内の第１ガスに付与される円偏光の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１３内の第２ガスに付与される円偏光の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに同じ向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていればよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…磁気センサー、１１…プローブ光源、１４…検出器、２１…バイアス磁場発生器、２２…交流磁場発生器、Ｂｅ１,Ｂｅ２…磁場、Ｂｂ１,Ｂｂ２…バイアス磁場、Ｂｒｆ…交流磁場
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサー等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、心磁（心臓からの磁気）や脳磁（脳からの磁気）などの生体から発生する微小な磁場を測定する生体磁気検出装置が知られている。このような生体磁気検出装置としては、例えば、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）がある。なお、ＳＱＵＩＤとは、例えば、超伝導リングなどの超伝導素子に一部細い部分（ジョセフソン接合）が設けられた素子（ジョセフソン素子）を用いることで、低温度環境下においてわずかな磁場の変化を電圧として取り出すことが可能な素子（磁気センサー）である。
【０００３】
図６は、従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。図６（ａ）は、１回巻きの磁束検出コイル（マグネトメーター）を示す図である。図６（ｂ）は、互いに逆方向に巻いた平行な２つのコイルを直列につないだ磁束検出コイル（１次勾配型のグラディオメーター）を示す図である。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、マグネトメーター１０１では、コイルの中に入ってくる磁場１１０を全て検出してしまう。そこで、コイルの近くから発生する磁場（例えば心磁や脳磁）のみを検出するためには、コイルから遠くに発生源を持つ磁界（例えば外部磁場雑音）によるノイズを完全に除去する方式が別途必要になる。
【０００５】
図６（ｂ）に示すように、１次勾配型のグラディオメーター１０２では、互いに逆方向に巻いた２つのコイルで検出される検出信号の差として磁場１１０が検出される。このため、コイルから遠くに発生源を持つ磁界の影響は２つのコイル間で打ち消しあってゼロとなり、コイルの近くから発生する磁場のみが検出される。しかしながら、ＳＱＵＩＤは超伝導素子やジョセフソン素子を用いるため高コストとなる。また、低温度環境を維持するためには液体ヘリウムや液体窒素を冷却装置に頻繁に供給する必要があり手間がかかる。
【０００６】
一方、ＳＱＵＩＤを用いないで微小磁場を測定する方法として光ポンピング原子磁力計がある。光ポンピング原子磁力計とは、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて原子と磁場とを相互作用させて原子の磁化状態を検出することで磁場を測定する装置である。例えば、非特許文献１及び２では、セシウムなどのアルカリ金属原子が封入されたガスセルに対して互いに異なる偏光方向を有する２つのレーザー光を入射し、ガスセルを透過した２つのレーザー光をそれぞれ２つのフォトディテクターで受光して光強度を検出している。その後、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換することにより、レーザー光の強度変化の差分を演算し、これにより外部磁場の影響を除いた微小磁場の測定を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，６０５−６１２（２００２）
【非特許文献２】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７６，３２５−３２８（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１及び２では、２つのフォトディテクターで検出された光信号を電気信号に変換する際にノイズが発生してしまい、微小磁場を精度よく測定することが困難な場合がある。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いているため、磁気センサーの構造が複雑であり演算も複雑となる。
【０００９】
本発明の一態様においては、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様の磁気センサーは、光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、前記第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源と、前記第１ガスを透過した前記第１の円偏光である第２の円偏光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場を発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器と、前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場を発生させ、前記第１ガスにおける前記第１の円偏光の光透過率と前記第２ガスにおける前記第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器と、前記第１の円偏光及び前記第２ガスを透過した前記第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器と、を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスに対して磁気共鳴を生じさせるとともに傾斜磁場を生じさせることで、第１ガス及び第２ガスにおける円偏光の光透過率が異なるようになる。そして、第１ガス及び第２ガスを透過する前後における円偏光の光量が検出される。これにより、第１ガスにおける円偏光の光透過率と第２ガスにおける円偏光の光透過率との差分が求められる。すると、第１ガスにかかる磁場と第２ガスにかかる磁場との差分が算出される。その結果、第１ガスにおける外部磁場の影響と第２ガスにおける外部磁場の影響とが相殺され、第１ガスにかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサーの構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１２】
また、上記磁気センサーにおいては、前記バイアス磁場発生器は、前記第１ガスにおけるバイアス磁場が前記第２ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスにおける光透過率が確実に異なるようになる。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１４】
また、上記磁気センサーにおいては、前記バイアス磁場発生器は、前記第２ガスにおけるバイアス磁場が前記第１ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第１ガス及び第２ガスにおける光透過率が確実に異なるようになる。したがって、精度よく微小磁場を確実に測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサーが提供できる。
【００１６】
また、上記磁気センサーにおいては、前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、第１ガスと第２ガスとが別々のセルに封入される場合に比べて装置構成が簡単になる。また、第１ガスと第２ガスを別々のセルに封入した場合には、プローブ光の光軸と各セルとのアライメントを別々に行わなければならないが、第１ガスと第２ガスとを同一セルに封入した場合には、このようなアライメント作業が１回で済むため、セッティングが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の磁気センサーを示す模式図である。
【図２】円偏光による光ポンピングの原理を示す図である。
【図３】セルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。
【図４】コモン外部磁場の場合の磁場の強さとセルの光透過率との関係図である。
【図５】非コモン外部磁場の場合の磁場の強さとセルの光透過率との関係図である。
【図６】従来のＳＱＵＩＤの一例を示す磁束検出コイルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００２０】
図１は本発明の磁気センサー１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、磁気センサー１は、光ポンピング法（偏光を用いて原子の電子スピンを偏極し、偏極した原子を高感度で検出する方法）を用いて測定対象磁場（磁場発生源１０から発生する微小磁場、例えば心磁や脳磁）を測定するものである。なお、以下の説明では、測定対象磁場の方向をＹ軸とし、Ｙ軸と直交する平面内の２方向をＸ軸及びＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を用いて、各部材の構成や配置を説明する。
【００２１】
磁気センサー１は、第１のセル１２と、第２のセル１３と、プローブ光源１１と、交流磁場発生器２２と、バイアス磁場発生器２１と、検出器１４と、を具備して構成されている。
【００２２】
第１のセル１２、第２のセル１３は、Ｙ軸方向に互いに直列に配置されている。第２のセル１３は、第１のセル１２を透過した円偏光（第２の円偏光）の光路上に配置されている。第１のセル１２は磁場発生源１０に相対的に近い位置に配置され、第２のセル１３は磁場発生源１０に相対的に遠い位置に配置されている。第１のセル１２には、Ｙ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂｅ１がかかっている。第２のセル１３には、Ｙ軸方向において外部磁場と測定対象磁場との合成磁場となる磁場Ｂｅ２がかかっている。ここで、第２のセル１３は磁場発生源１０に対して遠い位置に配置されているため、第２のセル１３にかかる測定対象磁場は無視できるほど小さい。つまり、第２のセル１３には、Ｚ軸方向において外部磁場のみがかかっているとみなすことができる。
【００２３】
第１のセル１２、第２のセル１３の内部には、それぞれ価電子が奇数個の原子またはイオンからなる第１ガス、第２ガスが封入されている。本実施形態では、第１ガス及び第２ガスが、カリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属原子からなっている。なお、第１のセル１２、第２のセル１３の内部におけるアルカリ金属原子の密度を大きくするために、必要に応じて第１のセル１２、第２のセル１３に対して加熱を行ってもよい。
【００２４】
また、第１のセル１２及び第２のセル１３の内部には、ネオン、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの希ガスと、水素や窒素などの非磁性のガスとの少なくとも一方のガスが封入されていてもよい。これにより、第１のセル１２及び第２のセル１３に封入されたアルカリ金属原子が互いに衝突したりセル部内壁に衝突したりすることが緩和される。
【００２５】
プローブ光源１１は、円偏光を射出する光源である。プローブ光源１１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対してσ＋偏光（右円偏光、Ｙ軸に沿う光の進行方向に対して右回りの円偏光）を磁場Ｂｅ１，Ｂｅ２と平行な方向（Ｙ軸方向）に入射させ、第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせる機能を有する。
【００２６】
なお、本実施形態では、σ＋偏光が、それぞれ第１ガスが封入された第１のセル１２、第２ガスが封入された第２のセル１３に入射するようになっているが、これに限らない。例えば、σ−偏光（左円偏光、Ｙ軸に沿う光の進行方向に対して左回りの円偏光）が、それぞれ第２ガスが封入された第２のセル１３、第１ガスが封入された第１のセル１２に入射する構成でも構わない。
【００２７】
本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１２、第２のセル１３にそれぞれ入射するσ＋偏光の入射方向（Ｙ軸方向）が磁場Ｂｅ１，Ｂｅ２のかかる方向（Ｙ軸方向）に対して平行な縦方向光ポンピングを採用している。
【００２８】
交流磁場発生器２２は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対してＺ軸方向に交流磁場Ｂｒｆを発生させ、磁気共鳴を生じさせる機能を有する。
【００２９】
バイアス磁場発生器２１は、コイル２１ａと電源２１ｂとを具備して構成されている。コイル２１ａはＹ軸を中心軸とし、反射ミラー１５と第１のセル１２との間の第１のセル１２近傍に配置されている。そして、コイル２１ａに電流が流れることによりＹ軸方向に傾斜磁場を発生させて、第１のセル１２、第２のセル１３に対してＹ軸方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１，Ｂｂ２を印加させる構造となっている。本実施形態では、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１が第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さが大きくなっている（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）。
【００３０】
なお、本実施形態では、バイアス磁場発生器２１は、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１が第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させているが、これに限らない。例えば、バイアス磁場発生器２１は、第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２が第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させていてもよい。
【００３１】
検出器１４は、例えば、フォトディテクターなどの受光素子を具備して構成されている。検出器１４は、第１のセル１２に入射する第１の円偏光及び第２のセル１３を透過した第２の円偏光である第３の円偏光の光量（第１のセル１２及び第２のセルを透過する前後における光量）を検出する機能を有する。そして、フォトディテクターにより光量の差分を電気的に演算することで、磁場発生源１０から発生する微小磁場のみを測定することができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように、検出器として２つのフォトディテクターを用いていない。
【００３２】
第１のセル１２にＹ軸方向のσ＋偏光が入射すると、アルカリ金属原子の最外殻電子がスピン偏極する。具体的には、Ｙ軸方向のσ＋偏光が角運動量＋ｈ／２π（ｈはプランク定数）を有していることから、σ＋偏光を吸収したアルカリ金属原子が一時的に角運動量＋ｈ／２πを保存してＹ軸の正の方向に磁気モーメントが向く。ここで、第１のセル１２内の磁化ベクトルは、多数のアルカリ金属原子の磁気モーメントの総和で表される。第１のセル１２内では、各アルカリ金属原子の磁気モーメントの方向がほぼＹ軸の正の方向に揃うため、これに倣って磁化ベクトルの方向がＹ軸の正の方向を向き、Ｙ軸の正の方向に強い磁化が形成される。
【００３３】
図２は、第１のセル１２に入射するσ+偏光による光ポンピングの原理を示す図である。図２（ａ）は、基底状態及び励起状態におけるエネルギー準位図である。図２（ｂ）は、基底状態の原子数（ポピュレーション）を示す図である。なお、図２（ａ）のΔＥはゼーマン分裂エネルギーである。
【００３４】
以下、アルカリ金属原子としてルビジウムを用いた場合について説明する。ルビジウムは常温においては固体原子数が多いが、高温になるにつれて気体原子数が多くなる性質を有する。例えば、第１のセル１２の内部が１２０℃程度になるように加熱し、ルビジウムの気体原子数を多くしておく。ここでは、ルビジウムの吸収スペクトル線の波長Ｄを基底状態から励起状態への吸収線に同調させ、原子を励起させた場合について説明する（Ｄ＝７９７．７ｎｍ）。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、ルビジウムに磁場Ｂが印加されると基底状態及び励起状態におけるエネルギー準位に差が生じ、いわゆるゼーマン分裂が発生する。基底状態及び励起状態はそれぞれ３つのゼーマン準位からなっている。これら３つのゼーマン準位を特徴づけるのは磁気量子数Ｍであり、それぞれＭ＝−１，０，＋１となっている。
【００３６】
１つのルビジウム原子は、波長Ｄのσ＋偏光を吸収すると、遷移の選択性により、基底状態から磁気量子数Ｍが１つ増えた励起状態へ励起される。例えば、基底状態のＭ＝−１にある原子はσ＋偏光の吸収により励起状態のＭ＝０へ励起される。また、基底状態のＭ＝０にある原子はσ＋偏光の吸収により励起状態のＭ＝＋１へ励起される。一方、基底状態のＭ＝＋１にある原子は励起状態にＭ＝＋２の準位がないため励起されない。なお、原子にσ−偏光を与えた場合にはこの逆になる。
【００３７】
励起された原子は自然放出過程により光を放出して基底状態に戻る。励起された原子は、磁気量子数Ｍ＝−１，０，＋１のいずれの遷移も可能であり、全て同じ確率となると仮定する。この原子の励起と自然放出との間の一巡の過程は光ポンピングサイクルと呼ばれている。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、１回の光ポンピングサイクルにおける基底状態のポピュレーション収支の期待値は、基底状態のＭ＝−１において−２／３、基底状態のＭ＝０において−１／６、基底状態のＭ＝＋１において＋５／６となっている。なお、基底状態のポピュレーション収支の期待値とは、原子が基底状態から出ていく確率と原子が基底状態に戻ってくる確率とを足し合わせた値である。
【００３９】
具体的には、基底状態のＭ＝−１におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率（原子の励起により励起状態のＭ＝０へ励起される確率）−１と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率）＋１／３とを足し合わせた値−２／３となる。基底状態のＭ＝０におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率（原子の励起により励起状態のＭ＝＋１へ励起される確率）−１と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率＋１／３と原子の自然放出により励起状態のＭ＝＋１から戻ってくる確率＋１／２との和）＋５／６とを足し合わせた値−１／６となる。基底状態のＭ＝＋１におけるポピュレーション収支の期待値は、原子が基底状態から出ていく確率０と原子が基底状態に戻ってくる確率（原子の自然放出により励起状態のＭ＝０から戻ってくる確率＋１／３と原子の自然放出により励起状態のＭ＝＋１から戻ってくる確率＋１／２との和）＋５／６とを足し合わせた値＋５／６となる。このように、基底状態のポピュレーション収支の期待値は、基底状態の磁気量子数Ｍが多い準位になるにつれて増加する傾向となっている。
【００４０】
ところで、実際には全ての原子が励起状態のＭ＝＋１に励起されることはない。基底状態の各ゼーマン準位のポピュレーションは、原子の衝突などの影響により磁気量子数Ｍが多い準位から少ない準位に原子が遷移するいわゆる緩和過程である。このため、基底状態の各ゼーマン準位のポピュレーションは、光ポンピングによる原子の励起と自然放出との間の平衡状態により決定される。基底状態における光ポンピングされた気体原子のポピュレーションは、各ゼーマン準位間において差が生じている。基底状態の３つのゼーマン準位のうち磁気量子数Ｍが少ない準位（基底状態のＭ＝−１）では、セル内部における円偏光の吸収に寄与できる原子が減少するため、セルの光透過率が大きくなる。一方、セルに対してゼーマン分裂エネルギーΔＥに相当する周波数を有する交流磁場Ｂｒｆを発生させると、原子が磁気量子数Ｍの少ない準位に遷移する（磁気共鳴が生じる）。すると、磁気量子数Ｍが少ない準位（基底状態のＭ＝−１）では、セル内部における円偏光の吸収に寄与できる原子が増加するため、セルの光透過率が小さくなる。
【００４１】
図３は、セルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図３において、横軸はセルに印加される磁場の強さを示し、縦軸はセルの光透過率を示している。以下、一例として第１のセル１２に印加する交流磁場Ｂｒｆの角周波数を固定した場合について説明する。
【００４２】
図３に示すように、第１のセル１２に印加する交流磁場Ｂｒｆの角周波数を固定した状態で磁場Ｂｅ１の強さを変化させると、第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１が変化する。第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１は、磁場の強さがＢ０のときに極小となっている（Ｂｅ１＝Ｂ０）。交流磁場Ｂｒｆの角周波数をＷ０、磁気回転比（定数）をＶとすると、Ｗ０＝Ｖ×Ｂｅ１のとき、第１のセル１２の光透過率Ｔｅ１が極小となる。
【００４３】
ここで、第１のセル１２及び第２のセル１３を用いてグラディオメーターを構成することを考える。第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２とが同じである場合は、磁場Ｂｅ１の強さに対応する光透過率Ｔｅ１と磁場Ｂｅ２の強さに対応する光透過率Ｔｅ２との変化は同じとなる。このため、第１のセル１２及び第２のセル１３を円偏光の光軸と平行な方向に重ねたときの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２から、第１のセルにかかる磁場Ｂｅ１と第２のセルにかかる磁場Ｂｅ２との差分を検出することができない。そこで、本実施形態の磁気センサー１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して、それぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１,Ｂｂ２を発生させ、異なる磁気共鳴周波数にシフトさせている。これにより、第１のセル１２における円偏光の光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３における円偏光の光透過率Ｔｅ２を異ならせている。
【００４４】
具体的には、コイル２１ａ（図１参照）に電流を流すことによりＹ軸方向に傾斜磁場を発生させて、第１のセル１２、第２のセル１３に対してＹ軸方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場Ｂｂ１，Ｂｂ２を印加させる。本実施形態では、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくする（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）。
【００４５】
図４は、コモン外部磁場の場合のセルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図４において、横軸はセルに印加される磁場の強さを示し、縦軸はセルの光透過率を示している。なお、コモン外部磁場の場合とは、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して共通の外部磁場（磁場の強さが同じ外部磁場）が印加される場合である（Ｂｅ１＝Ｂｅ２）。ただし、０＜Ｂｅ１＜＜Ｂｂ１、０＜Ｂｅ２＜＜Ｂｂ２の関係であるとする。
【００４６】
図４に示すように、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくすると（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）、第１のセル１２における光透過率の極小値と第２のセル１３における光透過率の極小値とが離れる。交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０は、第１のセル１２における光透過率の曲線（細い実線）と第２のセル１３における光透過率の曲線（太い実線）との交点となる磁場Ｂ０に対応させている。第１のセル１２及び第２のセル１３に対して外部磁場が印加されない場合（Ｂｅ１＝Ｂｅ２＝０）の第１のセル１２における光透過率Ｔｅ１０と第２のセル１３における光透過率Ｔｅ２０とは同じ値となる（Ｔｅ１０＝Ｔｅ２０）。このとき、第１のセル１２及び第２のセル１３を円偏光の光軸と平行な方向に重ねたときの光透過率はＴｅ１０×Ｔｅ２０となる。
【００４７】
第１のセル１２に印加されるトータルの磁場はＢｂ１＋Ｂｅ１となり、磁気共鳴周波数はＶ（Ｂｂ１＋Ｂｅ１）にシフトする。このとき、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ１０よりも小さくなっている。一方、第２のセル１３に印加されるトータルの磁場はＢｂ２＋Ｂｅ２となり、磁気共鳴周波数はＶ（Ｂｂ２＋Ｂｅ２）にシフトする。このとき、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２は、第１のセル１２とは反対に、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ２０よりも大きくなっている。
【００４８】
このような、第１のセル１２の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２との反対の光透過率特性から、２つのセルの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２は、近似的にＴｅ１０×Ｔｅ２０となる。つまり、２つのセルに印加される共通の外部磁場は相殺されることになる。
【００４９】
図５は、図４に対応した、非コモン外部磁場の場合のセルに印加される磁場の強さとセルの光透過率との関係を示す図である。図５は非コモン外部磁場の場合の関係図である点で、前述した図４のコモン外部磁場の場合の関係図と異なっている。その他の点は図４と同様であるので、図４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、非コモン外部磁場の場合とは、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して磁場の強さが異なる外部磁場（磁場発生源１０からの測定対象磁場）が印加される場合である（Ｂｅ１≠Ｂｅ２）。ただし、Ｂｅ１＞Ｂｅ２、０＜Ｂｅ１＜＜Ｂｂ１、０＜Ｂｅ２＜＜Ｂｂ２の関係であるとする。
【００５０】
図４に示すように、第１のセル１２におけるバイアス磁場Ｂｂ１を第２のセル１３におけるバイアス磁場Ｂｂ２よりも磁場の強さを大きくし（Ｂｂ１＞Ｂｂ２）、加えて磁場発生源１０からの測定対象磁場を印加すると、前述のコモン外部磁場の場合に比べて第１のセル１２における光透過率の極小値と第２のセル１３における光透過率の極小値とが格段に離れる。
【００５１】
第１のセル１２について、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ１０よりも小さくなっているが、前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量は小さい。一方、第２のセル１３について、交流磁場Ｂｒｆの角周波数Ｗ０に対応する磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２は、外部磁場が印加されない場合における光透過率Ｔｅ２０よりも大きくなっているが、前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量は大きい。
【００５２】
このような前述のコモン外部磁場の場合と比較して変化量の異なる、第１のセル１２の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ１と第２のセル１３の磁場Ｂ０における光透過率Ｔｅ２との光透過率特性から、２つのセルの光透過率Ｔｅ１×Ｔｅ２はＴｅ１０×Ｔｅ２０よりも大きくなる（Ｔｅ１×Ｔｅ２＞Ｔｅ１０×Ｔｅ２０）。
【００５３】
このため、検出器１４によって第２のセル１３を透過した後の円偏光の光量を検出することにより、第１のセル１２における光透過率と第２のセル１３における光透過率との差分を求めることができる。第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２との差分（Ｂｅ１−Ｂｅ２）を求めることができる。本実施形態では、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。したがって、第１のセル１２にかかる外部磁場と第２のセル１３にかかる外部磁場とが相殺され、その結果、第１のセル１２にかかる測定対象磁場が求められる。
【００５４】
本実施形態の磁気センサー１によれば、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して磁気共鳴を生じさせるとともに傾斜磁場を生じさせることで、第１のセル１２及び第２のセル１３における円偏光の光透過率が異なるようになる。そして、第１のセル１２及び第２のセル１３を透過する前後における円偏光の光量が検出される。これにより、第１のセル１２における円偏光の光透過率と第２のセル１３における円偏光の光透過率との差分が求められる。すると、第１のセル１２にかかる磁場Ｂｅ１と第２のセル１３にかかる磁場Ｂｅ２との差分（Ｂｅ１−Ｂｅ２）が算出される。その結果、第１のセル１２における外部磁場の影響と第２のセル１３における外部磁場の影響とが相殺され、第１のセル１２にかかる測定対象磁場のみが測定される。つまり、非特許文献１及び２のように光信号を電気信号に変換することなく、光信号の差分演算が行われる。また、検出器として２つのフォトディテクターを用いていないので、磁気センサー１の構造が簡素であり演算もスムーズとなる。したがって、精度よく微小磁場を測定することが可能な、構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５５】
なお、本実施形態の磁気センサー１は、第１ガスが第１のセル１２に封入され、第２ガスが第２のセル１３に封入され、２つのセルで構成されているが、これに限らない。例えば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されていてもよい。
【００５６】
この構成によれば、第１ガスと第２ガスとが同一セル内に封入されているので、精度よく微小磁場を測定することが可能な、格段に構造の簡素化を図った磁気センサー１が提供できる。
【００５７】
また、本実施形態の磁気センサー１では、プローブ光源１１が第１のセル１２に対してＹ軸方向にσ＋偏光を入射しているが、これに限らない。例えば、プローブ光源１１が第１のセル１２に対してＹ軸方向にσ−偏光を入射していてもよい。すなわち、プローブ光源１１は、第１のセル１２及び第２のセル１３に対して円偏光を入射させ、第１のセル１２内の第１ガスに付与される円偏光の光軸と平行な方向の磁化と、第２のセル１３内の第２ガスに付与される円偏光の光軸と平行な方向の磁化と、が互いに同じ向きとなるように第１ガス及び第２ガスにスピン偏極を生じさせていればよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…磁気センサー、１１…プローブ光源、１４…検出器、２１…バイアス磁場発生器、２２…交流磁場発生器、Ｂｅ１,Ｂｅ２…磁場、Ｂｂ１,Ｂｂ２…バイアス磁場、Ｂｒｆ…交流磁場
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、
価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、
前記第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源と、
前記第１ガスを透過した前記第１の円偏光である第２の円偏光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、
前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場を発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器と、
前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場を発生させ、前記第１ガスにおける前記第１の円偏光の光透過率と前記第２ガスにおける前記第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器と、
前記第１の円偏光及び前記第２ガスを透過した前記第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器と、を有することを特徴とする磁気センサー。
【請求項２】
前記バイアス磁場発生器は、前記第１ガスにおけるバイアス磁場が前記第２ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記バイアス磁場発生器は、前記第２ガスにおけるバイアス磁場が前記第１ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項４】
前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
【請求項１】
光ポンピング法を用いて磁場を測定する磁気センサーであって、
価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第１ガスと、
前記第１ガスに対して第１の円偏光を入射させるプローブ光源と、
前記第１ガスを透過した前記第１の円偏光である第２の円偏光の光路上に配置された価電子が奇数個の原子又はイオンからなる第２ガスと、
前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と交差する方向に交流磁場を発生させ、磁気共鳴を生じさせる交流磁場発生器と、
前記第１ガス及び前記第２ガスに対して前記第１の円偏光及び前記第２の円偏光の光軸と平行な方向にそれぞれ異なる強さのバイアス磁場を発生させ、前記第１ガスにおける前記第１の円偏光の光透過率と前記第２ガスにおける前記第２の円偏光の光透過率とを異ならせるバイアス磁場発生器と、
前記第１の円偏光及び前記第２ガスを透過した前記第２の円偏光である第３の円偏光の光量を検出する検出器と、を有することを特徴とする磁気センサー。
【請求項２】
前記バイアス磁場発生器は、前記第１ガスにおけるバイアス磁場が前記第２ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記バイアス磁場発生器は、前記第２ガスにおけるバイアス磁場が前記第１ガスにおけるバイアス磁場よりも磁場の強さが大きくなるようにバイアス磁場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項４】
前記第１ガスと前記第２ガスとが同一セル内に封入されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−７６５９（Ｐ２０１１−７６５９Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２０６３（Ｐ２００９−１５２０６３）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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