高分解能及び高精度のベクトル磁力計
【課題】本発明は、環境磁場の成分を測定するためのベクトル磁力計に関する。
【解決手段】本ベクトル磁力計は、光学的にポンピングされるスカラー磁力計（２’）と、異なる軸（Ｏｘ、Ｏｙ）を有し且つ異なる周波数を有する二つの発振器（Ｇｘ、Ｇｙ）によって電力供給される一対の導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）とを備える。スカラー磁力計の無線周波数コイル（５６）及び導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）は、回転手段に取り付けられた回転支持体（８５）と機械的に一体である。無線周波数コイルの軸は、軸Ｏｘ、Ｏｙと同じ平面内にある。支持体は、この平面が環境磁場に実質的に直交するように回転される。
【解決手段】本ベクトル磁力計は、光学的にポンピングされるスカラー磁力計（２’）と、異なる軸（Ｏｘ、Ｏｙ）を有し且つ異なる周波数を有する二つの発振器（Ｇｘ、Ｇｙ）によって電力供給される一対の導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）とを備える。スカラー磁力計の無線周波数コイル（５６）及び導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）は、回転手段に取り付けられた回転支持体（８５）と機械的に一体である。無線周波数コイルの軸は、軸Ｏｘ、Ｏｙと同じ平面内にある。支持体は、この平面が環境磁場に実質的に直交するように回転される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベクトル磁力計の分野に係り、特に光学的にポンピングされるベクトル磁力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計は数十年にわたって知られている。これらは、光学ポンピングを用いて増幅されるゼーマンライン間の磁気共鳴に基づいている。例えば、ヘリウムセル（４Ｈｅ）を用いたこのタイプの磁力計では、１１Ｓ０準位のヘリウム原子が、高周波（ＨＦ）放電によって２３Ｓ１準安定準位に励起される。この２３Ｓ１準安定準位は、静磁場の存在下においてゼーマン三重項に分裂する。２３Ｓ１準安定準位の原子は、波長可変レーザを用いて、２３Ｐ０準位に光学的にポンピングされる。結果として、２３Ｐ０準位における選択的励起によって、三重項の異なるラインが異なって減少する。このように励起された原子は、自然放出によって、２３Ｓ１準安定準位に戻る。磁気共鳴は、ラーモア周波数の無線周波数（ＲＦ）場によって、三重項準位間に誘起される。共鳴信号の振幅は、光学ポンピングによって増幅される。共鳴は、セルの出力における吸収ピークによって観測される。無線周波数場発生器は、ＰＬＬループによって吸収ピークに周波数が固定されて、磁場の測定基準が、ラーモアの関係式Ｂ０＝Ｆ／γ（γは電子の磁気回転比）によって、共鳴周波数Ｆから直接導出される（従ってスカラー磁力計と称される）。
【０００３】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計の詳細な説明は、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００４】
近年、ベクトル磁力計が開発されていて、これは、複数の軸に沿った磁場の成分を測定することを可能にするデバイスである。
【０００５】
例示的なベクトル磁力計は特許文献３に記載されている。この磁力計は、上述のタイプのスカラー磁力計と、セルを取り囲む三つの導電性巻き線を備え、それら巻き線の軸が正規直交三面体を形成する。各巻き線は、異なる周波数信号で励起されて、つまり、軸Ｏｘに対してはＦｘ、軸Ｏｙに沿ってはＦｙ、軸Ｏｚに沿ってはＦｚとなる。周波数Ｆｘで軸Ｏｘに沿った磁場の印加は、周波数Ｆｘの変化量によって、測定される磁場ベクトルＢ０の測定基準Ｂ０を変化させる。磁場測定基準を与えるスカラー磁力計の出力信号は、周波数Ｆｘの成分を有し、その振幅は軸Ｏｘ上の磁場ベクトルＢ０の射影に依存する。検出器を通過した光強度信号の同期復調によって、この成分をアクセス可能にする。他の軸Ｏｙ及びＯｚについても同様である。この測定原理の詳細な説明は非特許文献１に記載されている。
【０００６】
上述のベクトル磁力計の構造が図１に示される。
【０００７】
上述のように、このベクトル磁力計は、破線２によって囲まれたスカラー磁力計を含む。
【０００８】
スカラー磁力計は、ヘリウムで充填されたセル１０と、４Ｈｅの２３Ｐ０準位と２３Ｓ１準位との間の異なるエネルギーに調整された波長でビームを放出するレーザ１４と、直線偏光されたビーム１７を伝達する偏光子１６と、セルを通過したビーム１８を受光する光検出器２４と、無線周波数発振器２２を制御する周波数固定回路２１と、周波数推定器２６と、高周波放電回路３０とを備える。
【０００９】
放電回路３０は、セル内に配置された二つの電極間の高周波静電放電によって、ヘリウム原子を１１Ｓ０基底準位から２３Ｓ１準安定準位にする。無線周波数発振器は、セル１０を取り囲む又はこの近傍に配置されたコイル５６に電流を供給して、セル内に無線周波数場を発生させる。この無線周波数場が、ゼーマン三重項の準位間の磁気共鳴を誘起する。コイル５６及び偏光子１６は、例えば回転接点を用いて機械的に一体となり、偏光子に加えられるあらゆる回転が、無線周波数場の方向と同じ角度での回転をもたらす。コイル５６及び偏光子は、無線周波数場が偏光方向に整列されるように更に取り付けられる。
【００１０】
固定回路４０は、偏光子１６の角度位置、従って無線周波数場の角度位置を設定するモータ４６を制御する。より正確には、固定回路４０は、偏光方向を制御して、共鳴信号の最大振幅が得られるようにする。
【００１１】
スカラー磁力計２に加えて、ベクトル磁力計は、三つの導電性巻き線Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚを備え、これら巻き線はそれぞれ、実質的に直交する方向を有する三つの軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿って回転する。これらの巻き線は三つの発振器Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚによって電力供給されて、各々の固有周波数、つまりＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚに設定される。これらの巻き線は、視認性の問題でずらして図示されているが、実際には、セルの周囲に配置される。
【００１２】
回路７０は、周波数推定器２６によって伝達された信号を処理し、一般的には、測定される磁場の測定基準Ｂ０を与える信号を処理する。
【００１３】
周波数推定器２６の出力の位相及び直角位相は、周波数Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々において復調される。位相復調器はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚで示されていて、直角位相復調器はＤ’ｘ、Ｄ’ｙ、Ｄ’ｚで示されている。直角位相復調器は、等価な位相シフト手段である四分の一波長リタデーション３１、３２，３３を用いて位相シフト変調信号を受信する。
【００１４】
周波数Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々における位相成分及び直角位相成分は、それから、軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿ったベクトルＢ０の成分を導出する計算モジュール３４に提供される。
【００１５】
図１に示されるベクトル磁力計は良い結果を与えるが、それが用いるスカラー磁力計の固有性能よりもはるかに低い分解能及び精度の性能を有する。
【００１６】
第一に、磁力計の分解能が、それが検出可能な磁場の最小変化である一方、その精度は、磁場の実際の値に対する測定値の標準偏差であることを思い出されたい。精度誤差は、正確性成分と信頼性成分とを有する。
【００１７】
分解能及び精度におけるこれらの制限は、本質的には、軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿った磁場の変調振幅（以下、ベクトル変調振幅と称する）をあまり高く選択することができないという事実によるものであり、これは、センサの線形性にとって有害であり、測定を歪める。更に、ベクトル変調振幅及び変調周波数を、断熱励起条件を満たすのに十分低く選択しなければならない。励起は、共鳴無線周波数信号が有効磁場（環境磁場プラス変調成分）を静磁場であると“みなす”場合（言い換えると、磁場の変化が共鳴ピークの周波数幅に対して十分遅い場合）に断熱的であると称される。
【００１８】
実際には、５０μＴ（地球磁場の大きさ）のオーダで測定される環境磁場について、ベクトル変調振幅は、略１０ヘルツのオーダの変調周波数に対して５０ｎＴをほとんど超えない。従って、各磁場成分に対する分解能も５０ｎＴのオーダである一方、スカラー磁力計の分解能は略１０ｐＴのオーダである。従って、ベクトル磁力計の分解能は、対応するスカラー磁力計の分解能に対して３桁の大きさで劣る。更に、同じ測定条件下、及び１ｐＴのオーダのベクトル変調振幅の精度において、ベクトル磁力計の精度は１ｎＴ以下になることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２６６３４３０号明細書
【特許文献２】仏国特許出願公開第２７１３３４７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第９６４２６０号明細書
【特許文献４】欧州特許第１３４４０７５号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｏ．Ｇａｖｒａｎｄ ｅｔ ａｌ、“Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｖｅｃｔｏｒ ４Ｈｅ ｐｕｍｐｅｄ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ”、Ｅａｒｔｈ Ｐｌａｎｅｔ Ｓｐａｃｅ、第５３巻、ｐｐ．９４９−９５８、２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従って、本発明の目的は、分解能及び精度が改善されたベクトル磁力計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、環境磁場の成分を測定するためのデバイスに係り、本デバイスは：
‐ ガスで充填されたセルと、光ビームを放出するレーザ源と、偏光方向に沿ってそのビームを直線偏光させる偏光子と、セルを通過した偏光ビームを受光して電気信号を提供する光検出器と、セルを取り囲み且つ無線周波数発振器によって電力供給されるコイルであって、そのコイルの軸が偏光方向と一致しているコイルと、その電気信号を受信して無線周波数発振器の周波数をラーモア周波数に固定する周波数固定手段と、その発振器が発生させる無線周波数信号の周波数を推定する推定器とを備えた光学的にポンピングされるスカラー磁力計であって、推定された周波数から、セルが配置される磁場の測定基準を表す信号を提供するスカラー磁力計と、
‐ 異なる軸を有し、セルの周囲に配置され、且つ異なる周波数を有する二つの発振器によってそれぞれ電力供給される二つの導電性巻き線と、前記スカラー磁力計によって提供される信号の位相及び直角位相を二つの異なる周波数に対して復調し且つそれら二つの周波数における信号のスペクトル成分を提供するように構成された復調手段と、そのスペクトル成分及び環境磁場の測定基準から、環境磁場の三つの直交する軸に沿った成分を求める計算手段とを含み、
‐ 二つの導電性巻き線及びコイルは、回転支持体と機械的に一体とされ、二つの導電性巻き線の軸及びコイルの軸は同じ平面内に位置し、
‐ その支持体は、環境磁場の方向に実質的に直交してその平面を回転させるように回転手段に取り付けられる。
【００２３】
例示的な実施形態によると、回転手段は非磁性ゴニオメータを備える。
【００２４】
代わりに、回転手段は、二つの導電性巻き線の軸に沿ったその磁場の成分の大きさに依存した制御信号を受信する。
【００２５】
それら二つの発振器が発生させる信号の異なる周波数Ｆｘ、Ｆｙ及び振幅ｂｍｘ、ｂｍｙは、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積が断熱励起条件を満たすように選択される。
【００２６】
二つの導電性巻き線の軸は、好ましくは直交するように選択される。
【００２７】
計算手段は、二つの導電性巻き線の軸上の環境磁場の成分Ｂｘ及びＢｙを求めて、そこから、関係式｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２を用いてそれら二つの軸に直交する軸に沿った成分を導出する。ここで、Ｂ０は、測定された環境磁場の測定基準である。
【００２８】
第一の変形例によると、環境磁場の測定基準は、二つの導電性巻き線に電力供給されていない際にスカラー磁力計によって予め提供されて、計算手段に記憶されている。
【００２９】
第二の変形例によると、環境磁場の測定基準は、スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロにおけるスペクトル成分から、計算手段によって得られる。
【００３０】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）は、計算手段によって、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正可能である。
【００３１】
本発明は、上記測定デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための方法にも関し：
ａ）そのデバイスをオンにする前に、環境磁場の方向を求め、導電性巻き線の軸及びコイルの軸を含む平面が環境磁場の方向に実質的に直交するようにその支持体を回転させ、
ｂ）そのデバイスをオンにした後であるが、二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に、スカラー磁力計によって環境磁場の測定を行い、
ｃ）異なる周波数を有する発振器によって二つの導電性巻き線に電力供給し、
ｄ）計算手段が、ステップｃ）においてスカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分を求め、ステップｂ）において得られた環境磁場の測定基準からこれら二つの軸に直交する成分を導出する。
【００３２】
最後に、本発明は、上記デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための方法の他の代替例に関し：
ａ）そのデバイスをオンにした後に、異なる周波数を有する発振器によって二つの導電性巻き線に電力供給し、
ｂ）二つの導電性巻き線の軸及びコイルの軸を含む平面を、これら二つの軸に沿って測定された磁場の成分の振幅を最少化することによって、環境磁場の方向に実質的に直交して回転させ、
ｃ）計算手段が、スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロの成分から環境磁場の測定基準を求め、
ｄ）計算手段が、スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分を求め、そこから、ステップｃ）で得られた環境磁場の測定基準から、これら二つの軸に直交する成分を導出する。
【００３３】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分は、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正可能であり、ここで、Ｂｘ及びＢｙは、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分である。
【００３４】
有利な例示的実施形態によると、計算手段は、周波数の関数としてスカラー磁力計の伝達関数の変化を求め、二つの異なる周波数におけるスペクトル成分を補正して、この変化を補償し、補正されたスペクトル成分から環境磁場の成分を求める。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術において知られているベクトル磁力計を示す。
【図２】本発明の実施形態に係るベクトル磁力計を概略的に示す。
【図３】本発明の第一の変形例に係る図２の磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【図４】本発明の第二の変形例に係る図２の磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の基本原理は、測定される環境磁場に、その環境磁場に直交する変調磁場を重ね合わせることである。この構成は、有効磁場の測定基準が僅かしか変化しないので、測定の線形性を変化させずに、従来技術より実質的に高いベクトル変調振幅を提供する。
【００３７】
図２は、本発明の一実施形態に係るベクトル磁力計を示す。
【００３８】
この磁力計は、前述のように、光学的にポンピングされるスカラー磁力計２’に基づいている。図１と同じ参照符号を有する要素は同一又は同様のものである。
【００３９】
スカラー磁力計２’は、前述のように、波長可変レーザ１４と、偏光子１６と、ガス（例えばヘリウム）で充填されたセル１０と、セル１０を通過した偏光レーザビームを受光する光検出器２４と、高周波静電放電によってガス原子を励起準位（ヘリウムの場合、２３Ｓ１準安定準位）にする放電回路３０と、光検出器から電気信号を受信し且つコイルに電力供給を行う無線周波数発振器２２の周波数を制御する周波数固定回路２１とを含む。固定は、セルの吸収ピーク下において行われて、対応する周波数は、スカラー磁力計が配置される磁場に関するラーモア周波数である。
【００４０】
しかしながら、スカラー磁力計２’の構造は、スカラー磁力計２の構造よりも単純である。実際、スカラー磁力計２’は、セル１０の入力においてレーザビームの偏光を変化させるモータ４６を有さず、従って、固定回路４０を有さない。
【００４１】
偏光子１６はコイル５６に対して固定されていて、その軸を偏光方向として有する直線偏光ビームを伝達する。言い換えると、ガス原子を励起する無線周波数場が、入射レーザビームの偏光方向と一致している。
【００４２】
スカラー磁力計２’は、セルが配置される磁場の測定基準を表す信号（例えば対応するラーモア周波数）を提供する。
【００４３】
図１とは異なり、この場合、ベクトル磁力計は、セルに印加される磁場を変調するための二つの導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙしか含まない。
【００４４】
二つの導電性巻き線Ｅｘ及びＥｘの軸Ｏｘ、Ｏｙは異なり、有利には直交するように選択される。コイル５６の軸（従って無線周波数場の方向）及び軸Ｏｘ、Ｏｙは同じ平面内に位置する。
【００４５】
発振器Ｇｘ及びＧｙは、周期的信号、典型的には異なる周波数Ｆｘ及びＦｙを有する正弦波信号（以下、ベクトル変調信号と称する）で導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙに電力供給を行う。前述のように、これらの信号は、スカラー磁力計からの測定信号の位相及び直角位相変調を行うためにも使用される。処理回路７０’の計算モジュール３４が、周波数Ｆｘ及びＦｙで復調された位相及び直角位相成分を受信する。後述のように、以前のステップにおいて、計算モジュール３４は予め環境磁場Ｂ０の測定基準をメモリに記憶している。
【００４６】
成分Ｂｘ及びＢｙが、従来技術のように、周波数Ｆｘ及びＦｙにおける場の大きさのスペクトル成分から得られる。他方、第三の成分が以下の関係式から導出される：
｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２ （１）
【００４７】
コイル５６及び巻き線Ｅｘ及びＥｙは、回転支持体８５と機械的に一体であるアセンブリ８０を形成する。この支持体は、環境磁場に実質的に直交する平面内おいて、導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙの軸並びに無線周波数場の方向を回転させて維持するために、機械的又は電気機械的な回転手段（図示せず）に取り付けられる。
【００４８】
例示的な実施形態によると、回転手段は非磁性ゴニオメータであり得る。このデバイスは、環境磁場を発生させないし、環境磁場を乱しもしない。これは、磁場の角度回転を提供し、支持体がその方向に回転することを可能にする。
【００４９】
回転手段は、制御信号によって駆動可能であり、その制御信号は、外部のものであるか、又はベクトル磁力計に対するものでななく、環境磁場の方向を示す。例えば、この制御信号は、角度磁力計によって提供可能である。代わりに、この制御信号は、後述のように、粗い較正フェイズ中にベクトル磁力計自体によって発生され得る。
【００５０】
いずれにしろ、磁場の方向における支持体の回転を、１％から０．１％、好ましくは０．１％に等しい比較的粗い精度で行うことができる。この回転の目的は、低い歪みレベルの測定条件下にあることであり、環境磁場の回転を正確に知ることではないことを理解することは重要である。環境磁場の正確な回転は、環境磁場の成分の測定によって与えられる。
【００５１】
実際にセルに印加される有効磁場を以下のように表すことができる（式中、Ｂｅｆｆ、Ｂ０、ｂｍｘ、ｂｍｙはベクトル）：
Ｂｅｆｆ＝Ｂ０＋ｂｍｘｅｊ２πＦｘｔ＋ｂｍｙｅｊ２πＦｙｔ （２）
ここでベクトルＢ０は環境磁場の磁気ベクトルであり、ｂｍｘｅｊ２πＦｘｔ、ｂｍｙｅｊ２πＦｙｔはそれぞれ導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙが発生させる磁場である。ベクトルｂｍｘ及びｂｍｙは、ベクトルＢ０に実質的に直交し、ベクトルＢｅｆｆの端が、面Ｏｘｙ内において楕円を描く。歪みを最少化するために、ｂｍｘ＝ｂｍｙと選択することが更に有利である。振幅ｂｍｘ＝||ベクトルｂｍｘ||及びｂｍｙ＝||ベクトルｂｍｙ||は、環境磁場Ｂ０の振幅よりも１桁から２桁低くなるように有利に選択される（数Ｈｚから２０Ｈｚの変調周波数に対して）。つまり、従来技術において用いられているものよりも１０から１００倍高いレベルである。有効磁場の大きさＢｅｆｆは、時間に対して僅かしか変化しないので、磁力計は線形な範囲内にあり、従来の技術のものよりも１０から１００倍優れた磁場ベクトルの成分の測定の分解能及び精度が達成可能である。
【００５２】
更に、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積は、断熱励起方式に留まるように十分低く選択される（１０−５、更には１０−６ＴＨｚ以下）。２０Ｈｚ以下の変調周波数に対してこの基準を満たすことは、振幅ｂｍｘ、ｂｍｙの上限が、環境磁場の大きさの１０００倍のオーダであることに換言される。例えば、地球磁場の測定に対して、ｂｍｘ＝ｂｍｙ＝１ｎＴ、Ｆｘ＝２０Ｈｚ、Ｆｙ＝９Ｈｚが選択され得る。
【００５３】
成分ｂｍｘ及びｂｍｙの測定は、支持体を回転させるための粗い較正フェイズにおいて使用可能である。この場合、制御信号を、ｂ⊥＝（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）１／２を最少にするように発生させ、つまり、環境磁場に直交して軸Ｏｘ及びＯｙを回転させる。
【００５４】
図３は、本発明の第一の変形例に係る図２のベクトル磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【００５５】
第一ステップ３１０において、電磁的乱れを防止するため、ベクトル磁力計をオンにする前に、環境磁場ベクトルＢ０の方向を、非磁性ゴニオメータを用いて求めて、コイル５６の軸及び二つの導電性巻き線の軸Ｏｘ、Ｏｙを含む平面Πが環境磁場に直交するように、支持体８５を回転させる。
【００５６】
３２０においてベクトル磁力計をオンにした後であるが、ベクトル変調信号が発生していない時に、３３０において、環境磁場の測定基準Ｂ０をスカラー磁力計２’によって測定して、後の使用のために計算手段３４に記憶する。
【００５７】
ステップ３４０において、発振器Ｇｘ及びＧｙを作動させて、ベクトル変調信号を導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙの各々に投入する。
【００５８】
ステップ３６０では、環境磁場の成分Ｂｘ、Ｂｙを、周波数Ｆｘ及びＦｙにおけるＢｅｆｆのスペクトル成分から求めて、成分Ｂｚを、ステップ３３０で得られた測定基準Ｂ０から関係式（１）によって導出する。
【００５９】
代わりに、図示されていない代替例によると、Ｂ０の測定を、ベクトル変調信号の発生の前に、個別のステップ３３０において行うのではなくて、ステップ３６０において成分Ｂｘ、Ｂｙと同時に求める。この代替例によると、周波数推定器２６によって提供されたＢｅｆｆを表す信号の直流（ＤＣ）成分によって、測定基準Ｂ０を得る。従って、測定基準Ｂ０は、周波数ゼロにおけるＢｅｆｆのスペクトル成分によって与えられる。
【００６０】
代替例においても、計算手段における多様な前処理又は後処理が想定され得る。
【００６１】
例えば、特許文献４に記載されるように、ステップ３５０において、計算手段は、周波数の関数としてスカラー磁力計の伝達関数の発展を考慮するようにスペクトル成分を任意で補正することができる。成分Ｂｘ、Ｂｙを得る前に（成分Ｂｚは上記関係式（１）から導出される）、Ｂｅｆｆのスペクトル成分を、伝達関数の変化に対して補償する。
【００６２】
更に、測定基準Ｂ０が、Ｂｅｆｆの直流スペクトル成分によって得られる場合、これは、周波数Ｆｘ、Ｆｙの成分自体の振動を補償するように有利に補正可能である。実際、この振動は、周波数ゼロにおいて、実質的にｂｍ２／２Ｂ０に等しい大きさの浮動成分を誘起する。測定基準Ｂ０は、Ｂｅｆｆ（０）であるとは推定されず、以下のように補正される：
Ｂ０＝Ｂｅｆｆ（０）−（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０） （３）
ここで、Ｂｅｆｆ（０）は、Ｂｅｆｆのスペクトルの直流成分である。
【００６３】
任意で、３７０において、磁力計に関係して支持体に関係しない直交成分を得るために、成分Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの変換を行うことができる。較正による更なる処理や、信号対ノイズ比を改善するための連続測定のフィルタリングも、本発明の範囲から逸脱せずに、想定可能である。
【００６４】
図４は、本発明の第二の代替例に係る図２のベクトル磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【００６５】
４１０においてベクトル磁力計をオンにした後、４２０において、ベクトル変調信号を、Ｇｘ及びＧｙによって発生させて、導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙに投入する。
【００６６】
４３０において、支持体８５を回転させて、成分Ｂｘ及びＢｙを最少化して、つまり、横成分Ｂ⊥を最少化する。
【００６７】
ステップ４４０において、任意で、周波数Ｆｘ、Ｆｙにおける直流成分を前処理する。直流成分の前処理は、関係式（３）によって表される補正となり得る。周波数Ｆｘ、Ｆｙにおける成分は、上述のステップ３５０における処理と同じ処理を受け得る。
【００６８】
４５０において、測定基準Ｂ０及び成分Ｂｘ、Ｂｙが、４４０において前もって補正された又は補正されていない周波数０、Ｆｘ、Ｆｙにおけるスペクトル成分から求められ、成分Ｂｚが関係式（１）から導出される。
【００６９】
最後に、任意で、成分Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの後処理が、上述のステップ３７０のように行われる。
【符号の説明】
【００７０】
２ スカラー磁力計
１０ セル
１４ 波長可変レーザ
１６ 偏光子
２１ 周波数固定回路
２２ 無線周波数発振器
２４ 光検出器
２６ 周波数推定器
３０ 放電回路
３１、３２ 四分の一波長リタデーション
３４ 計算モジュール
５６ コイル
８５ 回転支持体
Ｄｘ、Ｄｙ 位相復調器
Ｄｘ’、Ｄｙ’ 直角位相復調器
Ｅｘ、Ｅｙ 導電性巻き線
Ｇｘ、Ｇｙ 発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベクトル磁力計の分野に係り、特に光学的にポンピングされるベクトル磁力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計は数十年にわたって知られている。これらは、光学ポンピングを用いて増幅されるゼーマンライン間の磁気共鳴に基づいている。例えば、ヘリウムセル（４Ｈｅ）を用いたこのタイプの磁力計では、１１Ｓ０準位のヘリウム原子が、高周波（ＨＦ）放電によって２３Ｓ１準安定準位に励起される。この２３Ｓ１準安定準位は、静磁場の存在下においてゼーマン三重項に分裂する。２３Ｓ１準安定準位の原子は、波長可変レーザを用いて、２３Ｐ０準位に光学的にポンピングされる。結果として、２３Ｐ０準位における選択的励起によって、三重項の異なるラインが異なって減少する。このように励起された原子は、自然放出によって、２３Ｓ１準安定準位に戻る。磁気共鳴は、ラーモア周波数の無線周波数（ＲＦ）場によって、三重項準位間に誘起される。共鳴信号の振幅は、光学ポンピングによって増幅される。共鳴は、セルの出力における吸収ピークによって観測される。無線周波数場発生器は、ＰＬＬループによって吸収ピークに周波数が固定されて、磁場の測定基準が、ラーモアの関係式Ｂ０＝Ｆ／γ（γは電子の磁気回転比）によって、共鳴周波数Ｆから直接導出される（従ってスカラー磁力計と称される）。
【０００３】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計の詳細な説明は、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００４】
近年、ベクトル磁力計が開発されていて、これは、複数の軸に沿った磁場の成分を測定することを可能にするデバイスである。
【０００５】
例示的なベクトル磁力計は特許文献３に記載されている。この磁力計は、上述のタイプのスカラー磁力計と、セルを取り囲む三つの導電性巻き線を備え、それら巻き線の軸が正規直交三面体を形成する。各巻き線は、異なる周波数信号で励起されて、つまり、軸Ｏｘに対してはＦｘ、軸Ｏｙに沿ってはＦｙ、軸Ｏｚに沿ってはＦｚとなる。周波数Ｆｘで軸Ｏｘに沿った磁場の印加は、周波数Ｆｘの変化量によって、測定される磁場ベクトルＢ０の測定基準Ｂ０を変化させる。磁場測定基準を与えるスカラー磁力計の出力信号は、周波数Ｆｘの成分を有し、その振幅は軸Ｏｘ上の磁場ベクトルＢ０の射影に依存する。検出器を通過した光強度信号の同期復調によって、この成分をアクセス可能にする。他の軸Ｏｙ及びＯｚについても同様である。この測定原理の詳細な説明は非特許文献１に記載されている。
【０００６】
上述のベクトル磁力計の構造が図１に示される。
【０００７】
上述のように、このベクトル磁力計は、破線２によって囲まれたスカラー磁力計を含む。
【０００８】
スカラー磁力計は、ヘリウムで充填されたセル１０と、４Ｈｅの２３Ｐ０準位と２３Ｓ１準位との間の異なるエネルギーに調整された波長でビームを放出するレーザ１４と、直線偏光されたビーム１７を伝達する偏光子１６と、セルを通過したビーム１８を受光する光検出器２４と、無線周波数発振器２２を制御する周波数固定回路２１と、周波数推定器２６と、高周波放電回路３０とを備える。
【０００９】
放電回路３０は、セル内に配置された二つの電極間の高周波静電放電によって、ヘリウム原子を１１Ｓ０基底準位から２３Ｓ１準安定準位にする。無線周波数発振器は、セル１０を取り囲む又はこの近傍に配置されたコイル５６に電流を供給して、セル内に無線周波数場を発生させる。この無線周波数場が、ゼーマン三重項の準位間の磁気共鳴を誘起する。コイル５６及び偏光子１６は、例えば回転接点を用いて機械的に一体となり、偏光子に加えられるあらゆる回転が、無線周波数場の方向と同じ角度での回転をもたらす。コイル５６及び偏光子は、無線周波数場が偏光方向に整列されるように更に取り付けられる。
【００１０】
固定回路４０は、偏光子１６の角度位置、従って無線周波数場の角度位置を設定するモータ４６を制御する。より正確には、固定回路４０は、偏光方向を制御して、共鳴信号の最大振幅が得られるようにする。
【００１１】
スカラー磁力計２に加えて、ベクトル磁力計は、三つの導電性巻き線Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚを備え、これら巻き線はそれぞれ、実質的に直交する方向を有する三つの軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿って回転する。これらの巻き線は三つの発振器Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚによって電力供給されて、各々の固有周波数、つまりＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚに設定される。これらの巻き線は、視認性の問題でずらして図示されているが、実際には、セルの周囲に配置される。
【００１２】
回路７０は、周波数推定器２６によって伝達された信号を処理し、一般的には、測定される磁場の測定基準Ｂ０を与える信号を処理する。
【００１３】
周波数推定器２６の出力の位相及び直角位相は、周波数Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々において復調される。位相復調器はＤｘ、Ｄｙ、Ｄｚで示されていて、直角位相復調器はＤ’ｘ、Ｄ’ｙ、Ｄ’ｚで示されている。直角位相復調器は、等価な位相シフト手段である四分の一波長リタデーション３１、３２，３３を用いて位相シフト変調信号を受信する。
【００１４】
周波数Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚの各々における位相成分及び直角位相成分は、それから、軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿ったベクトルＢ０の成分を導出する計算モジュール３４に提供される。
【００１５】
図１に示されるベクトル磁力計は良い結果を与えるが、それが用いるスカラー磁力計の固有性能よりもはるかに低い分解能及び精度の性能を有する。
【００１６】
第一に、磁力計の分解能が、それが検出可能な磁場の最小変化である一方、その精度は、磁場の実際の値に対する測定値の標準偏差であることを思い出されたい。精度誤差は、正確性成分と信頼性成分とを有する。
【００１７】
分解能及び精度におけるこれらの制限は、本質的には、軸Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚに沿った磁場の変調振幅（以下、ベクトル変調振幅と称する）をあまり高く選択することができないという事実によるものであり、これは、センサの線形性にとって有害であり、測定を歪める。更に、ベクトル変調振幅及び変調周波数を、断熱励起条件を満たすのに十分低く選択しなければならない。励起は、共鳴無線周波数信号が有効磁場（環境磁場プラス変調成分）を静磁場であると“みなす”場合（言い換えると、磁場の変化が共鳴ピークの周波数幅に対して十分遅い場合）に断熱的であると称される。
【００１８】
実際には、５０μＴ（地球磁場の大きさ）のオーダで測定される環境磁場について、ベクトル変調振幅は、略１０ヘルツのオーダの変調周波数に対して５０ｎＴをほとんど超えない。従って、各磁場成分に対する分解能も５０ｎＴのオーダである一方、スカラー磁力計の分解能は略１０ｐＴのオーダである。従って、ベクトル磁力計の分解能は、対応するスカラー磁力計の分解能に対して３桁の大きさで劣る。更に、同じ測定条件下、及び１ｐＴのオーダのベクトル変調振幅の精度において、ベクトル磁力計の精度は１ｎＴ以下になることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２６６３４３０号明細書
【特許文献２】仏国特許出願公開第２７１３３４７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第９６４２６０号明細書
【特許文献４】欧州特許第１３４４０７５号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｏ．Ｇａｖｒａｎｄ ｅｔ ａｌ、“Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｖｅｃｔｏｒ ４Ｈｅ ｐｕｍｐｅｄ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ”、Ｅａｒｔｈ Ｐｌａｎｅｔ Ｓｐａｃｅ、第５３巻、ｐｐ．９４９−９５８、２０１１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従って、本発明の目的は、分解能及び精度が改善されたベクトル磁力計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、環境磁場の成分を測定するためのデバイスに係り、本デバイスは：
‐ ガスで充填されたセルと、光ビームを放出するレーザ源と、偏光方向に沿ってそのビームを直線偏光させる偏光子と、セルを通過した偏光ビームを受光して電気信号を提供する光検出器と、セルを取り囲み且つ無線周波数発振器によって電力供給されるコイルであって、そのコイルの軸が偏光方向と一致しているコイルと、その電気信号を受信して無線周波数発振器の周波数をラーモア周波数に固定する周波数固定手段と、その発振器が発生させる無線周波数信号の周波数を推定する推定器とを備えた光学的にポンピングされるスカラー磁力計であって、推定された周波数から、セルが配置される磁場の測定基準を表す信号を提供するスカラー磁力計と、
‐ 異なる軸を有し、セルの周囲に配置され、且つ異なる周波数を有する二つの発振器によってそれぞれ電力供給される二つの導電性巻き線と、前記スカラー磁力計によって提供される信号の位相及び直角位相を二つの異なる周波数に対して復調し且つそれら二つの周波数における信号のスペクトル成分を提供するように構成された復調手段と、そのスペクトル成分及び環境磁場の測定基準から、環境磁場の三つの直交する軸に沿った成分を求める計算手段とを含み、
‐ 二つの導電性巻き線及びコイルは、回転支持体と機械的に一体とされ、二つの導電性巻き線の軸及びコイルの軸は同じ平面内に位置し、
‐ その支持体は、環境磁場の方向に実質的に直交してその平面を回転させるように回転手段に取り付けられる。
【００２３】
例示的な実施形態によると、回転手段は非磁性ゴニオメータを備える。
【００２４】
代わりに、回転手段は、二つの導電性巻き線の軸に沿ったその磁場の成分の大きさに依存した制御信号を受信する。
【００２５】
それら二つの発振器が発生させる信号の異なる周波数Ｆｘ、Ｆｙ及び振幅ｂｍｘ、ｂｍｙは、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積が断熱励起条件を満たすように選択される。
【００２６】
二つの導電性巻き線の軸は、好ましくは直交するように選択される。
【００２７】
計算手段は、二つの導電性巻き線の軸上の環境磁場の成分Ｂｘ及びＢｙを求めて、そこから、関係式｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２を用いてそれら二つの軸に直交する軸に沿った成分を導出する。ここで、Ｂ０は、測定された環境磁場の測定基準である。
【００２８】
第一の変形例によると、環境磁場の測定基準は、二つの導電性巻き線に電力供給されていない際にスカラー磁力計によって予め提供されて、計算手段に記憶されている。
【００２９】
第二の変形例によると、環境磁場の測定基準は、スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロにおけるスペクトル成分から、計算手段によって得られる。
【００３０】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）は、計算手段によって、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正可能である。
【００３１】
本発明は、上記測定デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための方法にも関し：
ａ）そのデバイスをオンにする前に、環境磁場の方向を求め、導電性巻き線の軸及びコイルの軸を含む平面が環境磁場の方向に実質的に直交するようにその支持体を回転させ、
ｂ）そのデバイスをオンにした後であるが、二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に、スカラー磁力計によって環境磁場の測定を行い、
ｃ）異なる周波数を有する発振器によって二つの導電性巻き線に電力供給し、
ｄ）計算手段が、ステップｃ）においてスカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分を求め、ステップｂ）において得られた環境磁場の測定基準からこれら二つの軸に直交する成分を導出する。
【００３２】
最後に、本発明は、上記デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための方法の他の代替例に関し：
ａ）そのデバイスをオンにした後に、異なる周波数を有する発振器によって二つの導電性巻き線に電力供給し、
ｂ）二つの導電性巻き線の軸及びコイルの軸を含む平面を、これら二つの軸に沿って測定された磁場の成分の振幅を最少化することによって、環境磁場の方向に実質的に直交して回転させ、
ｃ）計算手段が、スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロの成分から環境磁場の測定基準を求め、
ｄ）計算手段が、スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分を求め、そこから、ステップｃ）で得られた環境磁場の測定基準から、これら二つの軸に直交する成分を導出する。
【００３３】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分は、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正可能であり、ここで、Ｂｘ及びＢｙは、二つの導電性巻き線の軸に沿った環境磁場の成分である。
【００３４】
有利な例示的実施形態によると、計算手段は、周波数の関数としてスカラー磁力計の伝達関数の変化を求め、二つの異なる周波数におけるスペクトル成分を補正して、この変化を補償し、補正されたスペクトル成分から環境磁場の成分を求める。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術において知られているベクトル磁力計を示す。
【図２】本発明の実施形態に係るベクトル磁力計を概略的に示す。
【図３】本発明の第一の変形例に係る図２の磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【図４】本発明の第二の変形例に係る図２の磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の基本原理は、測定される環境磁場に、その環境磁場に直交する変調磁場を重ね合わせることである。この構成は、有効磁場の測定基準が僅かしか変化しないので、測定の線形性を変化させずに、従来技術より実質的に高いベクトル変調振幅を提供する。
【００３７】
図２は、本発明の一実施形態に係るベクトル磁力計を示す。
【００３８】
この磁力計は、前述のように、光学的にポンピングされるスカラー磁力計２’に基づいている。図１と同じ参照符号を有する要素は同一又は同様のものである。
【００３９】
スカラー磁力計２’は、前述のように、波長可変レーザ１４と、偏光子１６と、ガス（例えばヘリウム）で充填されたセル１０と、セル１０を通過した偏光レーザビームを受光する光検出器２４と、高周波静電放電によってガス原子を励起準位（ヘリウムの場合、２３Ｓ１準安定準位）にする放電回路３０と、光検出器から電気信号を受信し且つコイルに電力供給を行う無線周波数発振器２２の周波数を制御する周波数固定回路２１とを含む。固定は、セルの吸収ピーク下において行われて、対応する周波数は、スカラー磁力計が配置される磁場に関するラーモア周波数である。
【００４０】
しかしながら、スカラー磁力計２’の構造は、スカラー磁力計２の構造よりも単純である。実際、スカラー磁力計２’は、セル１０の入力においてレーザビームの偏光を変化させるモータ４６を有さず、従って、固定回路４０を有さない。
【００４１】
偏光子１６はコイル５６に対して固定されていて、その軸を偏光方向として有する直線偏光ビームを伝達する。言い換えると、ガス原子を励起する無線周波数場が、入射レーザビームの偏光方向と一致している。
【００４２】
スカラー磁力計２’は、セルが配置される磁場の測定基準を表す信号（例えば対応するラーモア周波数）を提供する。
【００４３】
図１とは異なり、この場合、ベクトル磁力計は、セルに印加される磁場を変調するための二つの導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙしか含まない。
【００４４】
二つの導電性巻き線Ｅｘ及びＥｘの軸Ｏｘ、Ｏｙは異なり、有利には直交するように選択される。コイル５６の軸（従って無線周波数場の方向）及び軸Ｏｘ、Ｏｙは同じ平面内に位置する。
【００４５】
発振器Ｇｘ及びＧｙは、周期的信号、典型的には異なる周波数Ｆｘ及びＦｙを有する正弦波信号（以下、ベクトル変調信号と称する）で導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙに電力供給を行う。前述のように、これらの信号は、スカラー磁力計からの測定信号の位相及び直角位相変調を行うためにも使用される。処理回路７０’の計算モジュール３４が、周波数Ｆｘ及びＦｙで復調された位相及び直角位相成分を受信する。後述のように、以前のステップにおいて、計算モジュール３４は予め環境磁場Ｂ０の測定基準をメモリに記憶している。
【００４６】
成分Ｂｘ及びＢｙが、従来技術のように、周波数Ｆｘ及びＦｙにおける場の大きさのスペクトル成分から得られる。他方、第三の成分が以下の関係式から導出される：
｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２ （１）
【００４７】
コイル５６及び巻き線Ｅｘ及びＥｙは、回転支持体８５と機械的に一体であるアセンブリ８０を形成する。この支持体は、環境磁場に実質的に直交する平面内おいて、導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙの軸並びに無線周波数場の方向を回転させて維持するために、機械的又は電気機械的な回転手段（図示せず）に取り付けられる。
【００４８】
例示的な実施形態によると、回転手段は非磁性ゴニオメータであり得る。このデバイスは、環境磁場を発生させないし、環境磁場を乱しもしない。これは、磁場の角度回転を提供し、支持体がその方向に回転することを可能にする。
【００４９】
回転手段は、制御信号によって駆動可能であり、その制御信号は、外部のものであるか、又はベクトル磁力計に対するものでななく、環境磁場の方向を示す。例えば、この制御信号は、角度磁力計によって提供可能である。代わりに、この制御信号は、後述のように、粗い較正フェイズ中にベクトル磁力計自体によって発生され得る。
【００５０】
いずれにしろ、磁場の方向における支持体の回転を、１％から０．１％、好ましくは０．１％に等しい比較的粗い精度で行うことができる。この回転の目的は、低い歪みレベルの測定条件下にあることであり、環境磁場の回転を正確に知ることではないことを理解することは重要である。環境磁場の正確な回転は、環境磁場の成分の測定によって与えられる。
【００５１】
実際にセルに印加される有効磁場を以下のように表すことができる（式中、Ｂｅｆｆ、Ｂ０、ｂｍｘ、ｂｍｙはベクトル）：
Ｂｅｆｆ＝Ｂ０＋ｂｍｘｅｊ２πＦｘｔ＋ｂｍｙｅｊ２πＦｙｔ （２）
ここでベクトルＢ０は環境磁場の磁気ベクトルであり、ｂｍｘｅｊ２πＦｘｔ、ｂｍｙｅｊ２πＦｙｔはそれぞれ導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙが発生させる磁場である。ベクトルｂｍｘ及びｂｍｙは、ベクトルＢ０に実質的に直交し、ベクトルＢｅｆｆの端が、面Ｏｘｙ内において楕円を描く。歪みを最少化するために、ｂｍｘ＝ｂｍｙと選択することが更に有利である。振幅ｂｍｘ＝||ベクトルｂｍｘ||及びｂｍｙ＝||ベクトルｂｍｙ||は、環境磁場Ｂ０の振幅よりも１桁から２桁低くなるように有利に選択される（数Ｈｚから２０Ｈｚの変調周波数に対して）。つまり、従来技術において用いられているものよりも１０から１００倍高いレベルである。有効磁場の大きさＢｅｆｆは、時間に対して僅かしか変化しないので、磁力計は線形な範囲内にあり、従来の技術のものよりも１０から１００倍優れた磁場ベクトルの成分の測定の分解能及び精度が達成可能である。
【００５２】
更に、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積は、断熱励起方式に留まるように十分低く選択される（１０−５、更には１０−６ＴＨｚ以下）。２０Ｈｚ以下の変調周波数に対してこの基準を満たすことは、振幅ｂｍｘ、ｂｍｙの上限が、環境磁場の大きさの１０００倍のオーダであることに換言される。例えば、地球磁場の測定に対して、ｂｍｘ＝ｂｍｙ＝１ｎＴ、Ｆｘ＝２０Ｈｚ、Ｆｙ＝９Ｈｚが選択され得る。
【００５３】
成分ｂｍｘ及びｂｍｙの測定は、支持体を回転させるための粗い較正フェイズにおいて使用可能である。この場合、制御信号を、ｂ⊥＝（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）１／２を最少にするように発生させ、つまり、環境磁場に直交して軸Ｏｘ及びＯｙを回転させる。
【００５４】
図３は、本発明の第一の変形例に係る図２のベクトル磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【００５５】
第一ステップ３１０において、電磁的乱れを防止するため、ベクトル磁力計をオンにする前に、環境磁場ベクトルＢ０の方向を、非磁性ゴニオメータを用いて求めて、コイル５６の軸及び二つの導電性巻き線の軸Ｏｘ、Ｏｙを含む平面Πが環境磁場に直交するように、支持体８５を回転させる。
【００５６】
３２０においてベクトル磁力計をオンにした後であるが、ベクトル変調信号が発生していない時に、３３０において、環境磁場の測定基準Ｂ０をスカラー磁力計２’によって測定して、後の使用のために計算手段３４に記憶する。
【００５７】
ステップ３４０において、発振器Ｇｘ及びＧｙを作動させて、ベクトル変調信号を導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙの各々に投入する。
【００５８】
ステップ３６０では、環境磁場の成分Ｂｘ、Ｂｙを、周波数Ｆｘ及びＦｙにおけるＢｅｆｆのスペクトル成分から求めて、成分Ｂｚを、ステップ３３０で得られた測定基準Ｂ０から関係式（１）によって導出する。
【００５９】
代わりに、図示されていない代替例によると、Ｂ０の測定を、ベクトル変調信号の発生の前に、個別のステップ３３０において行うのではなくて、ステップ３６０において成分Ｂｘ、Ｂｙと同時に求める。この代替例によると、周波数推定器２６によって提供されたＢｅｆｆを表す信号の直流（ＤＣ）成分によって、測定基準Ｂ０を得る。従って、測定基準Ｂ０は、周波数ゼロにおけるＢｅｆｆのスペクトル成分によって与えられる。
【００６０】
代替例においても、計算手段における多様な前処理又は後処理が想定され得る。
【００６１】
例えば、特許文献４に記載されるように、ステップ３５０において、計算手段は、周波数の関数としてスカラー磁力計の伝達関数の発展を考慮するようにスペクトル成分を任意で補正することができる。成分Ｂｘ、Ｂｙを得る前に（成分Ｂｚは上記関係式（１）から導出される）、Ｂｅｆｆのスペクトル成分を、伝達関数の変化に対して補償する。
【００６２】
更に、測定基準Ｂ０が、Ｂｅｆｆの直流スペクトル成分によって得られる場合、これは、周波数Ｆｘ、Ｆｙの成分自体の振動を補償するように有利に補正可能である。実際、この振動は、周波数ゼロにおいて、実質的にｂｍ２／２Ｂ０に等しい大きさの浮動成分を誘起する。測定基準Ｂ０は、Ｂｅｆｆ（０）であるとは推定されず、以下のように補正される：
Ｂ０＝Ｂｅｆｆ（０）−（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０） （３）
ここで、Ｂｅｆｆ（０）は、Ｂｅｆｆのスペクトルの直流成分である。
【００６３】
任意で、３７０において、磁力計に関係して支持体に関係しない直交成分を得るために、成分Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの変換を行うことができる。較正による更なる処理や、信号対ノイズ比を改善するための連続測定のフィルタリングも、本発明の範囲から逸脱せずに、想定可能である。
【００６４】
図４は、本発明の第二の代替例に係る図２のベクトル磁力計によって環境磁場の成分を測定するための方法を概略的に示す。
【００６５】
４１０においてベクトル磁力計をオンにした後、４２０において、ベクトル変調信号を、Ｇｘ及びＧｙによって発生させて、導電性巻き線Ｅｘ及びＥｙに投入する。
【００６６】
４３０において、支持体８５を回転させて、成分Ｂｘ及びＢｙを最少化して、つまり、横成分Ｂ⊥を最少化する。
【００６７】
ステップ４４０において、任意で、周波数Ｆｘ、Ｆｙにおける直流成分を前処理する。直流成分の前処理は、関係式（３）によって表される補正となり得る。周波数Ｆｘ、Ｆｙにおける成分は、上述のステップ３５０における処理と同じ処理を受け得る。
【００６８】
４５０において、測定基準Ｂ０及び成分Ｂｘ、Ｂｙが、４４０において前もって補正された又は補正されていない周波数０、Ｆｘ、Ｆｙにおけるスペクトル成分から求められ、成分Ｂｚが関係式（１）から導出される。
【００６９】
最後に、任意で、成分Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚの後処理が、上述のステップ３７０のように行われる。
【符号の説明】
【００７０】
２ スカラー磁力計
１０ セル
１４ 波長可変レーザ
１６ 偏光子
２１ 周波数固定回路
２２ 無線周波数発振器
２４ 光検出器
２６ 周波数推定器
３０ 放電回路
３１、３２ 四分の一波長リタデーション
３４ 計算モジュール
５６ コイル
８５ 回転支持体
Ｄｘ、Ｄｙ 位相復調器
Ｄｘ’、Ｄｙ’ 直角位相復調器
Ｅｘ、Ｅｙ 導電性巻き線
Ｇｘ、Ｇｙ 発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計と、二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）と、復調手段（Ｄｘ、Ｄｘ’、Ｄｙ、Ｄｙ’）と、計算手段（３４）とを含む、環境磁場の成分を測定するための測定デバイスであって、
前記スカラー磁力計が、ガスで充填されたセル（１０）と、光ビームを放出するレーザ源（４０）と、偏光方向に沿って前記光ビームを直線偏光させる偏光子（１６）と、前記セルを通過した偏光ビームを受光して電気信号を提供する光検出器と、前記セルを取り囲み且つ無線周波数発振器（２２）によって電力供給されるコイルで（５６）あって、該コイルの軸が前記偏光方向に一致しているコイル（５６）と、前記電気信号を受信して前記無線周波数発振器の周波数をラーモア周波数に固定する周波数固定手段と、前記無線周波数発振器が発生させる無線周波数信号の周波数を推定する周波数推定器とを備え、前記スカラー磁力計が、推定された周波数から、前記セルが配置される磁場の測定基準を表す信号を提供し、
前記二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）が、異なる軸（Ｏｘ、Ｏｙ）を有し、前記セルの周囲に提供され、それぞれ異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器（Ｇｘ、Ｇｙ）によって電力供給され、前記復調手段（Ｄｘ、Ｄｘ’、Ｄｙ、Ｄｙ’）が、前記スカラー磁力計によって提供される信号の位相及び直角位相を二つの異なる周波数に対して復調して該二つの異なる周波数における信号のスペクトル成分を提供するように構成されていて、前記計算手段（３４）が、前記スペクトル成分及び前記環境磁場の測定基準から、前記環境磁場の三つの直交する軸（Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚ）に沿った成分を求め、
前記二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）及び前記コイルが回転支持体（８５）と機械的に一体になっていて、前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸が同じ平面内に位置し、
前記回転支持体（８５）が、前記平面を前記環境磁場の方向に実質的に直交して回転させるように回転手段の上に取り付けられていることを特徴とする測定デバイス。
【請求項２】
前記回転手段が非磁性ゴニオメータを備えることを特徴とする請求項１に記載の測定デバイス。
【請求項３】
前記回転手段が、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分の大きさに依存した制御信号を受信することを特徴とする請求項１に記載の測定デバイス。
【請求項４】
前記二つの発振器が発生させる信号の前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）及び振幅ｂｍｘ、ｂｍｙが、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積が断熱励起条件を満たすように選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項５】
前記二つの導電性巻き線の軸が直交していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項６】
前記計算手段が、前記二つの導電性巻き線の軸（Ｏｘ、Ｏｙ）上の前記環境磁場の成分Ｂｘ及びＢｙを求め、関係式｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２によって前記二つの導電性巻き線の軸（Ｏｘ、Ｏｙ）に直交する軸（Ｏｚ）に沿った成分を導出し、Ｂ０が測定された環境磁場の測定基準であることを特徴とする請求項５に記載の測定デバイス。
【請求項７】
前記環境磁場の測定基準が、前記二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に前記スカラー磁力計によって予め提供されて、前記計算手段（３４）に記憶されていることを特徴とする請求項６に記載の測定デバイス。
【請求項８】
前記環境磁場の測定基準が、前記計算手段によって、前記スカラー磁力計によって提供される信号の周波数ゼロにおけるスペクトル成分から得られることを特徴とする請求項６に記載に測定デバイス。
【請求項９】
前記周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）が、前記計算手段によって、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正されていることを特徴とする請求項８に記載の測定デバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載の計測デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための測定方法であって、
ａ）前記測定デバイスをオンにする前に、前記環境磁場の方向を求め（３１０）、前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸が前記環境磁場の方向に実質的に直交するように前記回転支持体（８５）を回転させ、
ｂ）前記測定デバイスをオンにした後であるが、前記二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に、前記環境磁場を、前記スカラー磁力計によって測定し（３３０）、
ｃ）前記二つの導電性巻き線に、前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器によって電力供給し（３４０）、
ｄ）前記計算手段が、ステップｃ）において前記スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分を求め（３６０）、ステップｂ）において得られた前記環境磁場の測定基準から、前記二つの導電性巻き線の軸に直交する成分を導出することを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の測定デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための測定方法であって、
ａ）前記測定デバイスをオンにした後に、前記二つの導電性巻き線に、前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器によって電力供給し（４２０）、
ｂ）前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸を含む平面（Π）を、前記二つの導電性巻き線の軸に沿って測定された前記環境磁場の成分の振幅を最少化することによって、前記環境磁場の方向に実質的に直交するように回転させ、
ｃ）前記計算手段が、前記スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロの成分から、前記環境磁場の測定基準を求め（４５０）、
ｄ）前記計算手段が、前記スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分を求め（４５０）、ステップｃ）において得られた前記環境磁場の測定基準から、前記二つの導電性巻き線の軸に直交する成分を導出することを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）が、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正され、Ｂｘ及びＢｙが前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分であることを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
【請求項１３】
前記計算手段が、周波数の関数として前記スカラー磁力計の伝達関数の変化を求め、前記二つの異なる周波数におけるスペクトル成分を補正して、前記変化を補償し（３５０、４４０）、補正されたスペクトル成分から前記環境磁場の成分を求める（３６０、４５０）ことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項１】
光学的にポンピングされるスカラー磁力計と、二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）と、復調手段（Ｄｘ、Ｄｘ’、Ｄｙ、Ｄｙ’）と、計算手段（３４）とを含む、環境磁場の成分を測定するための測定デバイスであって、
前記スカラー磁力計が、ガスで充填されたセル（１０）と、光ビームを放出するレーザ源（４０）と、偏光方向に沿って前記光ビームを直線偏光させる偏光子（１６）と、前記セルを通過した偏光ビームを受光して電気信号を提供する光検出器と、前記セルを取り囲み且つ無線周波数発振器（２２）によって電力供給されるコイルで（５６）あって、該コイルの軸が前記偏光方向に一致しているコイル（５６）と、前記電気信号を受信して前記無線周波数発振器の周波数をラーモア周波数に固定する周波数固定手段と、前記無線周波数発振器が発生させる無線周波数信号の周波数を推定する周波数推定器とを備え、前記スカラー磁力計が、推定された周波数から、前記セルが配置される磁場の測定基準を表す信号を提供し、
前記二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）が、異なる軸（Ｏｘ、Ｏｙ）を有し、前記セルの周囲に提供され、それぞれ異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器（Ｇｘ、Ｇｙ）によって電力供給され、前記復調手段（Ｄｘ、Ｄｘ’、Ｄｙ、Ｄｙ’）が、前記スカラー磁力計によって提供される信号の位相及び直角位相を二つの異なる周波数に対して復調して該二つの異なる周波数における信号のスペクトル成分を提供するように構成されていて、前記計算手段（３４）が、前記スペクトル成分及び前記環境磁場の測定基準から、前記環境磁場の三つの直交する軸（Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚ）に沿った成分を求め、
前記二つの導電性巻き線（Ｅｘ、Ｅｙ）及び前記コイルが回転支持体（８５）と機械的に一体になっていて、前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸が同じ平面内に位置し、
前記回転支持体（８５）が、前記平面を前記環境磁場の方向に実質的に直交して回転させるように回転手段の上に取り付けられていることを特徴とする測定デバイス。
【請求項２】
前記回転手段が非磁性ゴニオメータを備えることを特徴とする請求項１に記載の測定デバイス。
【請求項３】
前記回転手段が、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分の大きさに依存した制御信号を受信することを特徴とする請求項１に記載の測定デバイス。
【請求項４】
前記二つの発振器が発生させる信号の前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）及び振幅ｂｍｘ、ｂｍｙが、ｂｍｘＦｘとｂｍｙＦｙの積が断熱励起条件を満たすように選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項５】
前記二つの導電性巻き線の軸が直交していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項６】
前記計算手段が、前記二つの導電性巻き線の軸（Ｏｘ、Ｏｙ）上の前記環境磁場の成分Ｂｘ及びＢｙを求め、関係式｜Ｂｚ｜＝（Ｂ０２−Ｂｘ２−Ｂｙ２）１／２によって前記二つの導電性巻き線の軸（Ｏｘ、Ｏｙ）に直交する軸（Ｏｚ）に沿った成分を導出し、Ｂ０が測定された環境磁場の測定基準であることを特徴とする請求項５に記載の測定デバイス。
【請求項７】
前記環境磁場の測定基準が、前記二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に前記スカラー磁力計によって予め提供されて、前記計算手段（３４）に記憶されていることを特徴とする請求項６に記載の測定デバイス。
【請求項８】
前記環境磁場の測定基準が、前記計算手段によって、前記スカラー磁力計によって提供される信号の周波数ゼロにおけるスペクトル成分から得られることを特徴とする請求項６に記載に測定デバイス。
【請求項９】
前記周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）が、前記計算手段によって、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正されていることを特徴とする請求項８に記載の測定デバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載の計測デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための測定方法であって、
ａ）前記測定デバイスをオンにする前に、前記環境磁場の方向を求め（３１０）、前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸が前記環境磁場の方向に実質的に直交するように前記回転支持体（８５）を回転させ、
ｂ）前記測定デバイスをオンにした後であるが、前記二つの導電性巻き線に電力供給されていない際に、前記環境磁場を、前記スカラー磁力計によって測定し（３３０）、
ｃ）前記二つの導電性巻き線に、前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器によって電力供給し（３４０）、
ｄ）前記計算手段が、ステップｃ）において前記スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分を求め（３６０）、ステップｂ）において得られた前記環境磁場の測定基準から、前記二つの導電性巻き線の軸に直交する成分を導出することを特徴とする測定方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の測定デバイスを用いて環境磁場の成分を測定するための測定方法であって、
ａ）前記測定デバイスをオンにした後に、前記二つの導電性巻き線に、前記異なる周波数（Ｆｘ、Ｆｙ）を有する二つの発振器によって電力供給し（４２０）、
ｂ）前記二つの導電性巻き線の軸及び前記コイルの軸を含む平面（Π）を、前記二つの導電性巻き線の軸に沿って測定された前記環境磁場の成分の振幅を最少化することによって、前記環境磁場の方向に実質的に直交するように回転させ、
ｃ）前記計算手段が、前記スカラー磁力計によって提供された信号の周波数ゼロの成分から、前記環境磁場の測定基準を求め（４５０）、
ｄ）前記計算手段が、前記スカラー磁力計によって提供された信号の二つの異なる周波数におけるスペクトル成分から、前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分を求め（４５０）、ステップｃ）において得られた前記環境磁場の測定基準から、前記二つの導電性巻き線の軸に直交する成分を導出することを特徴とする測定方法。
【請求項１２】
周波数ゼロにおけるスペクトル成分Ｂｅｆｆ（０）が、（Ｂｘ２＋Ｂｙ２）／２Ｂｅｆｆ（０）に等しい補正値で予め補正され、Ｂｘ及びＢｙが前記二つの導電性巻き線の軸に沿った前記環境磁場の成分であることを特徴とする請求項１１に記載の測定方法。
【請求項１３】
前記計算手段が、周波数の関数として前記スカラー磁力計の伝達関数の変化を求め、前記二つの異なる周波数におけるスペクトル成分を補正して、前記変化を補償し（３５０、４４０）、補正されたスペクトル成分から前記環境磁場の成分を求める（３６０、４５０）ことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１５５２３（Ｐ２０１３−１５５２３Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１４８３４２（Ｐ２０１２−１４８３４２）
【出願日】平成２４年７月２日（２０１２．７．２）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４８３４２（Ｐ２０１２−１４８３４２）
【出願日】平成２４年７月２日（２０１２．７．２）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
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