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公開番号2025149785
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-08
出願番号2024128718
出願日2024-08-05
発明の名称測定装置および測定方法
出願人スミダ電機株式会社,国立大学法人京都大学
代理人個人
主分類G01R 33/20 20060101AFI20251001BHJP(測定;試験)
要約【課題】より高い感度が得られる測定装置および測定方法を得る。
【解決手段】高周波磁場発生器は、被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対してマイクロ波を印加する。高周波電源は、高周波磁場発生器にマイクロ波を発生させる。発光装置は、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する。測定制御部は、高周波電源および発光装置を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材に印加する。特に、測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。その際、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数(1/f_LOCK)が被測定交流場の周期(1/f_AC)とは異なる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、
前記マイクロ波で前記磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行う高周波磁場発生器と、
前記高周波磁場発生器に前記マイクロ波を発生させる高周波電源と、
前記磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する発光装置と、
前記磁気共鳴部材により前記励起光に対応して発せられる蛍光を受光し前記蛍光の強度に対応する検出信号を生成する受光装置と、
前記高周波電源および前記発光装置を制御して所定の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加する測定制御部と、
前記検出信号に基づいて測定値を導出する測定処理部とを備え、
前記測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期とは異なること、
を特徴とする測定装置。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対して、所定の測定シーケンスに従って、前記マイクロ波で前記磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行うとともに、前記磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射し、
前記磁気共鳴部材により前記励起光に対応して発せられる蛍光を受光し前記蛍光の強度に対応する検出信号を生成し、
前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期とは異なること、
を特徴とする測定方法。
【請求項３】
前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値が、前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期に一致するときより大きくなるように、前記スピンロック周波数の逆数および前記被測定交流場の周期が設定されていることを特徴とする請求項２記載の測定方法。
【請求項４】
前記測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が、前記被測定交流場の周期より短いこと、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。
【請求項５】
前記測定シーケンスにおいて、ダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が、前記被測定交流場の周期より長いこと、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。
【請求項６】
アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記測定帯域は、前記スピンロック周波数に対応し、
前記スピンロック周波数は、前記測定帯域が、０から前記サンプリング周波数の２分の１までの範囲に対応し、かつ前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値となるピーク周波数を含む帯域となるように設定されること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。
【請求項７】
アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記測定帯域は、前記スピンロック周波数に対応し、
前記スピンロック周波数は、前記測定帯域が、前記サンプリング周波数の２分の１から前記サンプリング周波数までの範囲に対応し、かつ前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値となるピーク周波数を含む帯域となるように設定されること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。
【請求項８】
前記高周波電源および前記発光装置を制御して第１の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加するとともに、第２の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加し、
前記第２の測定シーケンスの前記マイクロ波の最終パルスの位相が、前記第１の測定シーケンスの前記マイクロ波の最終パルスの位相に対して反転しており、
前記第１の測定シーケンスの前記検出信号に基づいて第１検出値を導出するとともに前記第２の測定シーケンスの前記検出信号に基づいて第２検出値を導出し、
前記第１検出値と前記第２検出値との差分を前記測定値として導出すること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。
【請求項９】
アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記サンプリング周波数は、前記測定帯域内に、または前記測定帯域に隣接して、前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値についての最大ピーク周波数が位置するように設定されること、
を特徴とする請求項８記載の測定方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置および測定方法に関するものである。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
ある磁場測定装置は、窒素と格子欠陥（ＮＶセンター：Nitrogen Vacancy Center）を有するダイヤモンド構造などといったセンシング部材の電子スピン共鳴を利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）で磁気計測を行っている。ＯＤＭＲでは、このようなＮＶセンターを有するダイヤモンドといった磁気共鳴部材に対して、被測定磁場とは別に静磁場が印加されるとともに、所定のシーケンスでレーザー光（初期化および測定のための励起光）並びにマイクロ波が印加され、その磁気共鳴部材から出射する蛍光の光量が検出されその光量に基づいて被測定磁場の磁束密度が導出される（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、被測定磁場が交流磁場である場合、ハーンエコー（スピンエコー）パルスシーケンスが使用される。ハーンエコーパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶセンターに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスを被測定磁場の位相０度でＮＶセンターに印加し、（ｃ）マイクロ波のπパルスを被測定磁場の位相１８０度でＮＶセンターに印加し、（ｄ）マイクロ波の第２のπ／２パルスを被測定磁場の位相３６０度でＮＶセンターに印加し、（ｅ）励起光をＮＶセンターに照射してＮＶセンターの発光量を測定し、（ｆ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１９－１３８７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、被測定磁場が交流磁場である場合、一般的に、ハーンエコー（スピンエコー）パルスシーケンスやダイナミックデカップリングなどが使用される。これらの手法では、ＮＶセンターのスピンをπパルスで反転させることで、磁場の作用が蓄積される位相量が大きくして、感度を高めている。しかしながら、より高い感度が得られるようにすることが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされてものであり、より高い感度が得られる測定装置および測定方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る測定装置は、被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、そのマイクロ波で磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行う高周波磁場発生器と、高周波磁場発生器にマイクロ波を発生させる高周波電源と、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する発光装置と、磁気共鳴部材により励起光に対応して発せられる蛍光を受光し蛍光の強度に対応する検出信号を生成する受光装置と、高周波電源および発光装置を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材に印加する測定制御部と、その検出信号に基づいて測定値を導出する測定処理部とを備える。測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。そして、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が被測定交流場の周期とは異なる。
【０００８】
本発明に係る測定方法は、（ａ）被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対して、所定の測定シーケンスに従って、そのマイクロ波で磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行うとともに、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射し、（ｂ）磁気共鳴部材により励起光に対応して発せられる蛍光を受光し蛍光の強度に対応する検出信号を生成し、（ｃ）その検出信号に基づいて測定値を導出する。測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。そして、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が被測定交流場の周期とは異なる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、より高い感度が得られる測定装置および測定方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態１に係る測定装置の構成を示すブロック図である。
図２は、実施の形態１における測定シーケンスの一例を示す図である。
図３は、スピンロック周波数ｆ
ＬＯＣＫ
および被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
と、検出信号の強度Ｓおよび被測定交流場の磁束密度Ｂに対する検出信号の強度Ｓの微分（ｄＳ／ｄＢ）の最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜との関係を説明する図である。
図４は、被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
および位相ずれに対する検出信号強度Ｓ（相対値）の分布について説明する図である。
図５は、実施の形態１における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。
図６は、実施の形態２における検出信号のサンプリングについて説明する図である。
図７は、実施の形態２において可観測帯域に現れる検出信号について説明する図である。
図８は、フィルター処理で、サンプリング周波数ｆｓの２分の１（ｆｓ／２）からサンプリング周波数ｆｓまでの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。
図９は、フィルター処理で、０からサンプリング周波数の２分の１（ｆｓ／２）までの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。
図１０は、実施の形態３における測定シーケンス（ダイナミックデカップリング）について説明する図である。
図１１は、実施の形態３における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。
図１２は、実施の形態４における測定シーケンスの一例を示す図である。
図１３は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対応する感度について説明する図である。
図１４は、実施の形態４における第１検出値、第２検出値、および測定値について説明する図である。
図１５は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（１／２）。
図１６は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（２／２）。
図１７は、実施の形態５における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（１／２）。
図１８は、実施の形態５における被測定交流場の周波数ｆ
ＡＣ
に対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（２／２）。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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