特開 2022-131862 磁場サージ検出装置、検出方法およびこれを備える電力設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022131862

(43)【公開日】2022-09-07

(54)【発明の名称】磁場サージ検出装置、検出方法およびこれを備える電力設備

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/08 20060101AFI20220831BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20220831BHJP

【ＦＩ】

G01N24/08 510Z

G01N24/00 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021031050

(22)【出願日】2021-02-26

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】水落 憲和

(72)【発明者】

【氏名】ヘルブスレブ エンスト デイヴィッド

(72)【発明者】

【氏名】出口 洋成

(72)【発明者】

【氏名】辰巳 夏生

(72)【発明者】

【氏名】林 司

(57)【要約】

【課題】磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出する。
【解決手段】磁場サージ検出装置１０は、検出対象である磁場との相互作用により変化する量子センサ素子１の電子スピン状態を操作するための電磁波を、電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、量子センサ素子１に繰り返し照射する電磁波照射部２と、磁場と相互作用した後の複数の電子スピン状態の変化に基づいて、磁場のサージを繰り返し検出する磁場サージ検出部３と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出対象である磁場との相互作用により変化する量子センサ素子の電子スピン状態を操作するための電磁波を、前記電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、前記量子センサ素子に繰り返し照射する電磁波照射部と、
前記磁場と相互作用した後の複数の前記電子スピン状態の変化に基づいて、前記磁場のサージを繰り返し検出する磁場サージ検出部と、
を備える、磁場サージ検出装置。

【請求項2】

前記磁場サージ検出部は、
相互作用した後の複数の前記電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの前記電子スピン状態に基づいて前記磁場の強度をそれぞれ算出する磁場強度算出部と、
複数の前記磁場の強度に基づいて、前記磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）を算出する微分特性算出部と、
を含み、
算出した前記微分特性に基づいて前記磁場のサージを検出する、請求項１に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項3】

前記微分特性算出部は、

【数1】

に基づいて前記微分特性を算出し、
ここで、ｉは０以上の整数値であり、Ｂ_ｉは時間ｔ_ｉにおける前記磁場の強度であり、Ｍは潜在的なサージ（potential surge）を含むデータポイントの数であり、Ｐは前記潜在的なサージの前のデータポイントの数である、請求項２に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項4】

前記磁場サージ検出部は、
前記磁場と相互作用した後の前記電子スピン状態の位相の情報を読み出すための光を、前記量子センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる変化を検出する検出部と、
をさらに含み、
前記磁場強度算出部は、
前記検出された変化から前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記磁場の強度を算出する、請求項２または３に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項5】

前記磁場サージ検出部は、前記磁場のサージを検出した場合に警報信号を出力する警報部をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項6】

前記電磁波照射部は、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて、π／２パルス間の時間τが決定されているパルスシーケンスにて、前記電磁波を前記量子センサ素子に繰り返し照射する、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項7】

前記電磁波照射部は、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて、単一のπパルス後の時間τが決定されているパルスシーケンスにて、前記電磁波を前記量子センサ素子に繰り返し照射する、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。

【請求項8】

検出対象である磁場との相互作用により変化する量子センサ素子の電子スピン状態を操作するための電磁波を、前記電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、前記磁場のサージの時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、前記量子センサ素子に繰り返し照射するステップと、
前記磁場と相互作用した後の複数の前記電子スピン状態の変化に基づいて、前記磁場のサージを繰り返し検出するステップと、
を含む、磁場サージ検出方法。

【請求項9】

前記磁場のサージを繰り返し検出するステップは、
相互作用した後の複数の前記電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの前記電子スピン状態に基づいて前記磁場の強度をそれぞれ算出するステップと、
複数の前記磁場の強度に基づいて、前記磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）を算出するステップと、
を含み、
算出した前記微分特性に基づいて前記磁場のサージを検出する、請求項８に記載の磁場サージ検出方法。

【請求項10】

前記磁場のサージを繰り返し検出するステップは、
前記磁場と相互作用した後の前記電子スピン状態の位相の情報を読み出すための光を、前記量子センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる変化を検出するステップと、
をさらに含み、
前記磁場の強度をそれぞれ算出するステップは、
前記検出された変化から前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記磁場の強度を算出する、請求項９に記載の磁場サージ検出方法。

【請求項11】

請求項１から７のいずれか一項に記載のサージ検出装置を備える電力設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子センサを用いる技術に関し、より詳細には、量子センサを用いた磁場サージ検出装置、方法、および磁場サージ検出装置を備える電力設備に関する。

【背景技術】

【0002】

現代社会において電力は欠かすことができず、電力設備は必要不可欠なインフラストラクチャとなっている。変成器や開閉器等の送変電機器を含む電力設備は、一旦運転に入ると停止できる機会が少なく、このような電力設備に万が一故障が発生すると、社会的に与える影響は大きい。

【0003】

落雷等の影響により、短時間に異常な過電圧や過電流が流れるサージが電力設備に発生すると、電力設備に故障が生じるおそれがある。サージによる故障から電力設備を保護するために、電力設備には、サージ防護デバイス（SPD：Surge Protective Device）と呼ばれている避雷器が接続されている。落雷等の発生時には、避雷器自身が安全に故障してサージ電流をバイパスすることにより、電力設備を保護している。

【0004】

また近年では、磁場を測定するセンサ素子の材料として、ダイヤモンドが注目されている。ダイヤモンドの結晶構造において、窒素－空孔中心と呼ばれる複合欠陥が見られることがある。この窒素－空孔中心は、結晶格子の炭素原子の位置に置き換わる形で入った窒素原子と、その窒素原子の隣接位置に存在する（炭素原子が抜けている）空孔との対からなるもので、ＮＶ中心（Nitrogen Vacancy center）とも呼ばれている。ダイヤモンドの結晶構造には、ＮＶ中心以外にも、珪素-空孔中心（Silicon Vacancy center）と呼ばれる複合欠陥や、ゲルマニウム-空孔中心（Germanium Vacancy center）と呼ばれる複合欠陥が見られることがあり、ＮＶ中心を含むこれら複合欠陥は、色中心と呼ばれている。

【0005】

ＮＶ中心は、空孔に電子が捕獲された状態（負電荷状態、以下「ＮＶ^－」と呼ぶ）においては、電子スピンと呼ばれる磁気的な性質を示す。このＮＶ^－は、電子が捕獲されていない状態（中性状態、以下「ＮＶ^０」と呼ぶ)に比べて、長い横緩和時間（デコヒーレンス時間、以下「Ｔ_２」と呼ぶ）を示す。つまり、ＮＶ^－の電子スピン状態は、外部磁場の縦方向（以下、「量子化軸」と呼ぶ）に揃えた電子スピンの磁化を横方向に傾けた後、個々のスピンの歳差運動が原因となり個々の向きがずれていって、全体としての横磁化が消失するまでの時間が長い。また、ＮＶ^－は、室温（約３００Ｋ）下であっても長いＴ_２値を示す。

【0006】

ＮＶ^－の電子スピン状態は外部の磁場に反応して変化し、この電子スピン状態の測定も室温下で可能であるため、ＮＶ中心を含むダイヤモンドは、磁場センサ素子の材料として利用できる。

【0007】

例えば特許文献１には、ダイヤモンド中の電子スピンによる磁気共鳴により、交流磁場を測定する方法が開示されている。スピンには、スピンエコー法に基づくパルスシーケンスが与えられている。

【0008】

例えば特許文献２には、ダイヤモンド中の電子スピンに対する光検出磁気共鳴（Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR）法により、交流磁場を測定する方法が開示されている。ＮＶ中心はレーザ光により励起され、ＮＶ中心から放出される蛍光強度の変化を測定することにより、スピン状態に関する磁気共鳴信号（位相情報）が検出される。

【0009】

磁場センサ素子として利用されているセンサには、ダイヤモンドの色中心を用いたセンサ以外にも、例えば炭化ケイ素（SiC）中の色中心を用いたセンサや、光ポンピング磁力計（optically pumped atomic magnetometer, OPM）、超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）等の種々の種類が存在する。これらダイヤモンドの色中心、炭化ケイ素の色中心、光ポンピング磁力計、および超伝導量子干渉計は、量子効果を利用して物理量を計測していることから、量子センサと呼ばれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１２－１０３１７１号公報

【特許文献2】特開２０１７－７５９６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

落雷等の影響によりサージ電流が発生すると、サージ電流が機器内を流れて機器を故障させるだけではなく、サージ電流が流れる機器の周囲にも、約１ｍｓ（ミリセカンド）以内という極めて短時間のうちに高い強度の磁場が発生する。このような、サージ電流の発生により生じる瞬間的な磁場強度の急激な増大（以下、磁場サージと呼ぶ）は、運転状態にある電力設備に故障を生じさせるおそれがある。

【0012】

避雷器は、避雷器自身が安全に故障することによりサージ電流をバイパスすることはできるが、瞬間的に発生するこのような高い強度の磁場から電力設備を保護することはできない。避雷器がサージ電流をバイパスしても、バイパスしたサージ電流により、避雷器の周囲には磁場サージが生じる。そのため、電力設備の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号を、サージ電流の発生から約１ｍｓ以内という極めて短時間のうちに出力する装置の開発が求められている。

【0013】

磁場サージを検出してインターロック機能を作動させるためには、電力設備が安定的な運転状態にあるときに発生している磁場と、サージ電流の発生により急激に増大する高い強度の磁場との両方を、磁場センサが測定可能であることが求められる。しかしながら、これまでに知られている磁場センサが測定可能な磁場強度の範囲（ダイナミックレンジ）は狭く、約１ｍｓ以内という極めて短時間で急激に増大する磁場サージの立ち上がりを検出してインターロック機能を作動させることは困難であった。磁場サージが発生する徴候として、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出することが求められている。

【0014】

本発明は、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
（項１）
検出対象である磁場との相互作用により変化する量子センサ素子の電子スピン状態を操作するための電磁波を、前記電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、前記量子センサ素子に繰り返し照射する電磁波照射部と、
前記磁場と相互作用した後の複数の前記電子スピン状態の変化に基づいて、前記磁場のサージを繰り返し検出する磁場サージ検出部と、
を備える、磁場サージ検出装置。
（項２）
前記磁場サージ検出部は、
相互作用した後の複数の前記電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの前記電子スピン状態に基づいて前記磁場の強度をそれぞれ算出する磁場強度算出部と、
複数の前記磁場の強度に基づいて、前記磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）を算出する微分特性算出部と、
を含み、
算出した前記微分特性に基づいて前記磁場のサージを検出する、項１に記載の磁場サージ検出装置。
（項３）
前記微分特性算出部は、

【数1】

に基づいて前記微分特性を算出し、
ここで、ｉは０以上の整数値であり、Ｂ_ｉは時間ｔ_ｉにおける前記磁場の強度であり、Ｍは潜在的なサージ（potential surge）を含むデータポイントの数であり、Ｐは前記潜在的なサージの前のデータポイントの数である、項２に記載の磁場サージ検出装置。
（項４）
前記磁場サージ検出部は、
前記磁場と相互作用した後の前記電子スピン状態の位相の情報を読み出すための光を、前記量子センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる変化を検出する検出部と、
をさらに含み、
前記磁場強度算出部は、
前記検出された変化から前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記磁場の強度を算出する、項２または３に記載の磁場サージ検出装置。
（項５）
前記磁場サージ検出部は、前記磁場のサージを検出した場合に警報信号を出力する警報部をさらに含む、項１から４のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。
（項６）
前記電磁波照射部は、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて、π／２パルス間の時間τが決定されているパルスシーケンスにて、前記電磁波を前記量子センサ素子に繰り返し照射する、項１から５のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。
（項７）
前記電磁波照射部は、前記磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて、単一のπパルス後の時間τが決定されているパルスシーケンスにて、前記電磁波を前記量子センサ素子に繰り返し照射する、項１から５のいずれか一項に記載の磁場サージ検出装置。
（項８）
検出対象である磁場との相互作用により変化する量子センサ素子の電子スピン状態を操作するための電磁波を、前記電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、前記磁場のサージの時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、前記量子センサ素子に繰り返し照射するステップと、
前記磁場と相互作用した後の複数の前記電子スピン状態の変化に基づいて、前記磁場のサージを繰り返し検出するステップと、
を含む、磁場サージ検出方法。
（項９）
前記磁場のサージを繰り返し検出するステップは、
相互作用した後の複数の前記電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの前記電子スピン状態に基づいて前記磁場の強度をそれぞれ算出するステップと、
複数の前記磁場の強度に基づいて、前記磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）を算出するステップと、
を含み、
算出した前記微分特性に基づいて前記磁場のサージを検出する、項８に記載の磁場サージ検出方法。
（項１０）
前記磁場のサージを繰り返し検出するステップは、
前記磁場と相互作用した後の前記電子スピン状態の位相の情報を読み出すための光を、前記量子センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記量子センサ素子に生じる変化を検出するステップと、
をさらに含み、
前記磁場の強度をそれぞれ算出するステップは、
前記検出された変化から前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記磁場の強度を算出する、項９に記載の磁場サージ検出方法。
（項１１）
項１から７のいずれか一項に記載のサージ検出装置を備える電力設備。

【発明の効果】

【0016】

本発明によると、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出装置１０の概略的な構成を模式的に示す図である。

【図2】図１に示す磁場サージ検出装置１０の具体的な構成の一例を模式的に示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出装置１０を備える電力設備９の概略的な図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出装置１０を備える電力設備９の概略的な図である。

【図5】ダイヤモンドのＮＶ^－中心における電子のエネルギー準位を模式的に示す図である。

【図6】光検出磁気共鳴（ODMR）法を用いた手法により磁場をセンシングする場合の例示的なパルスシーケンスであり、２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスにより自由誘導減衰（FID）信号を観測するパルスシーケンスである。

【図7】本発明の磁場サージ検出コンセプトを説明するための図である。

【図8】本発明の磁場サージ検出コンセプトを説明するための図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出方法の手順を示すフローチャートである。

【図10】光検出磁気共鳴（ODMR）法を用いた手法により磁場をセンシングする場合の例示的なパルスシーケンスであり、単一のπパルスを含むパルスシーケンスにより自由誘導減衰（FID）信号を観測するパルスシーケンスである。

【図11】実施例１に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果である。

【図12】実施例１に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果である。

【図13】実施例２に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果である。

【図14】実施例２に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。

【0019】

なお、本明細書において、物理量（physical quantity）とは、物理学における一定の体系の下で次元が確定し、定められた物理単位の倍数として表すことができる量を意味する。物理量の一例としては、例えば、磁場、電場、温度および力学量（力学的なストレス、圧力等）が挙げられる。磁場、電場および力学量は、時間と共に変化しない物理量と、時間と共に方向が変化を繰り返す物理量とを含む。すなわち、磁場は、静磁場および交流磁場を含み、電場は、静電場および交流電場を含み、力学量は、静的な力学量および交流力学量を含む。

【0020】

［装置構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出装置１０の概略的な構成を模式的に示す図である。図２は、図１に示す磁場サージ検出装置１０の具体的な構成の一例を模式的に示す図である。

【0021】

磁場サージ検出装置１０（以下、単に検出装置１０と記載する）は、センサ素子１と、電磁波照射部２と、磁場サージ検出部３とを備える。センサ素子１は、本実施形態では、検出装置１０のプローブ１１の先端に取り付けられている。

【0022】

センサ素子１は量子センサの素子である。本実施形態では、センサ素子１は、色中心を有しているダイヤモンドの結晶であり、色中心としてＮＶ中心を用いる。ＮＶ中心は、炭素原子を置換した窒素（Ｎ）と、窒素に隣接する空孔（Ｖ）との複合体（複合欠陥）である。本実施形態では、センサ素子１は、ダイヤモンドの結晶１２上の所定の領域内に、公知の方法により予め生成されている。例示的には、領域内には、概ね数千個のオーダの（濃度：～１×１０^１２／ｃｍ^－３）複数のセンサ素子１が生成されている。本実施形態では、センサ素子１はアンサンブルＮＶ中心である。

【0023】

センサ素子１の電子スピン状態は、対象物９との相互作用８により変化を受ける。本実施形態では、対象物９は電力設備であり、相互作用８は磁場による相互作用である。相互作用８が磁場による場合には、センサ素子１の色中心の電子スピン状態は、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場の強度に応じた状態となる。

【0024】

電磁波照射部２は、センサ素子１の電子スピン状態を磁気共鳴によって操作するための電磁波を、センサ素子１に照射する。一例として、本実施形態では、電磁波照射部２は、公知のマイクロ波（microwave, MW）発振器２１と、電磁波をパルス化した形式で照射するスイッチ２２と、増幅器２３とを備えている。スイッチ２２および増幅器２３は任意の構成とすることができる。本実施形態では、電磁波照射部２は、センサ素子１の電子スピン状態を操作するための電磁波を、パルス化された形式でセンサ素子１に照射する。

【0025】

電磁波照射部２がセンサ素子１に照射する電磁波のパルスシーケンスには、磁気共鳴を生じさせるための種々のパルスシーケンスを用いることができる。本発明とは離れて、例えば、センサ素子中の電子スピンに対する光検出磁気共鳴（ODMR）法により、例えば交流磁場をセンシングする場合には、スピンエコー法のハーンエコー法に基づくパルスシーケンスにて、電磁波をセンサ素子に照射する。また、例えば光検出磁気共鳴法により、例えば静磁場をセンシングする場合には、スピンエコー法のラムゼー法に基づくパルスシーケンスにて、電磁波をセンサ素子に照射する。

【0026】

本発明では、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲（ダイナミックレンジ）で検出するために、自由誘導減衰（Free Induction Decay: FID）信号を観測するパルスシーケンスを用いる。このような自由誘導減衰信号を観測するパルスシーケンスは、磁気共鳴信号を検出する際に用いるパルスシーケンスの一例として例示する、ハーンエコー法やラムゼー法に基づくパルスシーケンスよりもさらに単純なパルスシーケンスである。自由誘導減衰信号を観測するパルスシーケンスを用いる理由は、本発明では、磁場サージをその立ち上がりの際に検出することが重要であり、磁場サージが生じた際の磁場の強度の正確性は重要ではないからである。

【0027】

よって、本発明では、電磁波照射部２は、センサ素子１の電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τが、磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されているパルスシーケンスにて、電磁波をセンサ素子１に照射する。本実施形態では、２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスを用いる。π／２パルス間の時間τは、検出対象である磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されている。他の実施形態では、単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いる。単一のπパルス後の時間τは、検出対象である磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されている。パルスシーケンスに施す工夫については、図６～図８を参照して後述する。

【0028】

電磁波照射部２は、センサ素子１の近傍に配置された電磁波照射用のアンテナ１４を通じて、電磁波をセンサ素子１に照射する。アンテナ１４は、例えばリソグラフィ技術により、導電性を有する金属を用いてダイヤモンドの結晶１２上に形成されている。

【0029】

磁場サージ検出部３は、対象物９との相互作用８により変化した後の、センサ素子１の複数の電子スピン状態の変化に基づいて、磁場サージを検出する。本実施形態では、磁場のサージは、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）に基づいて検出する。磁場サージ検出部３は、光照射部３１と、検出部３２と、データ処理部３３とを備える。

【0030】

なお、電磁波照射部２がセンサ素子１に照射する電磁波の周波数は、センサ素子１におけるスピン状態間のエネルギー差に相当するオンレゾナンス周波数（on-resonance）に予め設定されており、磁場サージ検出部３は、センサ素子１の電子スピン状態をオンレゾナンスに測定する。このような状態において、電力設備の周囲に発生している磁場に磁場サージが生じると、センサ素子１におけるスピン状態間のエネルギー差に変化が生じ、その結果として共鳴周波数にずれが生じる。すなわち磁場サージが生じると、磁場サージ検出部３はセンサ素子１の電子スピン状態をオフレゾナンス（off-resonance）に測定する。磁場サージ検出部３は、オフレゾナンスに測定された、オフレゾナンス状態に基づく変化を含む複数の電子スピン状態の変化に基づいて、磁場サージを検出する。

【0031】

光照射部３１は、対象物９と相互作用した後のセンサ素子１の電子スピン状態の位相情報を読み出すための光を、センサ素子１に照射する。また、光照射部３１は、センサ素子１の電子スピン状態を初期化するための光をセンサ素子１に照射する。一例として、本実施形態では、光照射部３１は、光源３１１と、音響光学変調素子（Acoustic Optical Modulator: AOM）３１２と、対物レンズ３１３とを備えている。音響光学変調素子３１２および対物レンズ３１３は任意の構成とすることができる。

【0032】

光源３１１は、対象物９と相互作用した後のセンサ素子１の電子スピン状態の位相情報を読み出すための光を放出する。また、光源３１１は、センサ素子１の電子スピン状態を励起し初期化するための光を放出する。光源３１１が放出する光の波長は、センサ素子１の種類に応じて決定されている。本実施形態では、光源３１１は波長が５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を放出する。光源３１１には、例えば種々の公知のレーザ発生装置を用いることができる。本実施形態では、光源３１１は、緑色レーザ光を放出する半導体レーザである。

【0033】

対物レンズ３１３は、光源３１１から放たれる光を集光して、ダイヤモンドの結晶１２上のセンサ素子１が生成されている領域へ照射する。例示的には、ダイヤモンドの結晶１２上に集光されるレーザ光のスポットサイズは、直径が約２μｍである。レーザ光のスポットサイズが縮小するほど、単位面積あたりのレーザ光の強度は増大し、ダイヤモンドの導電帯において生成される光電流の効率も増大する。

【0034】

図２に例示する構成では、レーザ光のスポットは、ダイヤモンドの結晶１２上のセンサ素子１が生成されている領域を覆うように配置されている。好ましくは、レーザ光のスポットは、センサ素子１が生成されている領域の略中央からオフセットした位置に配置することができる。

【0035】

検出部３２は、センサ素子１に生じる変化を検出する。本実施形態では、検出部３２は、センサ素子１から放出される光を検出することにより、公知の光検出磁気共鳴（ODMR）法により、磁気共鳴の信号を発光強度の変化として検出する。この場合、検出部３２には、例えば公知のフォトダイオードを用いることができる。フォトダイオードには、例えばアバランシェフォトダイオードを用いることができる。

【0036】

なお、本実施形態では、電磁波照射部２において操作用の電磁波をパルス化した形式で照射している。よって、本実施形態では、具体的にはPulsed Optically Detected Magnetic Resonance（pODMR）法による検出を行う。

【0037】

データ処理部３３は、検出部３２と接続され、検出部３２にて検出された変化から、対象物９と相互作用した後のセンサ素子１の電子スピン状態の位相情報を読み出し、読み出した位相情報に基づいて磁場サージを検出する。データ処理部３３は、磁場強度算出部３３１と、微分特性算出部３３２と、警報部３３３とを備える。

【0038】

データ処理部３３には、例えば公知の汎用コンピュータや、スマートフォン等の種々の情報端末装置を用いることができる。データ処理部３３は、検出装置１０と一体化されて構成されていてもよいし、または図示するように、検出装置１０の外部に設けられて、優先または無線のネットワーク９９を介して検出装置１０と接続されていてもよい。

【0039】

磁場強度算出部３３１は、相互作用した後の複数の電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの電子スピン状態に基づいて磁場の強度をそれぞれ算出する。

【0040】

微分特性算出部３３２は、複数の磁場の強度に基づいて、磁場の強度の時間的な微分特性（differential property）を算出する。本実施形態では、微分特性算出部３３２は、図７を参照して後述する数式に基づいて微分特性を算出する。

【0041】

警報部３３３は、磁場サージが検出された場合に、例えば警報信号を出力して電力設備９の運転を停止させる。警報信号は、電力設備９の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号（すなわち、インターロック信号）とすることができる。警報信号は、例えば他の電力設備の運転状況を集中管理する図示しないコンピュータ機器へ、例えばネットワーク９９を介して送信され、他の電力設備の運転を停止させることもできる。

【0042】

図３および図４は、本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出装置１０を備える電力設備９の概略的な図である。電力設備９として、図３には変流器９ａを例示し、図４には変圧器９ｂを例示する。これらの図中に例示する検出装置１０の配置箇所は一例である。

【0043】

検出装置１０は、電力設備９（９ａ，９ｂ）の周囲に発生している磁場を感知することができる位置に配置される。好ましくは、検出装置１０は、センサ素子１が磁場を感知する軸の方向が、電力設備９の周囲に発生している磁場の方向に沿うように配置される。

【0044】

［検出原理］
本発明では、対象物である電力設備９の周囲に発生している磁場の強度を、量子センサ１を用いて測定する。これにより、磁場サージを高感度に検出する。磁場の強度の算出に用いる磁気共鳴信号は光検出磁気共鳴（ODMR）法により検出する。これにより、電気的に直接的に対象物である電力設備９に接続することなく、磁場サージを非接触で検出する。

【0045】

本発明では、磁気共鳴信号を測定する際に用いる、電子スピン状態を操作するための電磁波のパルスシーケンスを工夫している。これにより、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出する。量子センサ１に照射する電磁波のパルスシーケンスにおいて、センサ素子１の電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τは、磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定する。すなわち、磁場強度の測定範囲（ダイナミックレンジ）は、磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて時間τを調整することより決定する。２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスを用いる場合、時間τはπ／２パルス間の時間である。単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いる場合、時間τは単一のπパルス後の時間である。なお、時間τはコヒーレンス時間Ｔ_２（横緩和時間Ｔ_２）よりも短い時間とする。

【0046】

以下ではまず、光検出磁気共鳴（ODMR）法により磁気共鳴信号を検出する原理および手順について説明し、検出した磁気共鳴信号から磁場強度を算出する方法について説明する。次に、磁気共鳴信号の検出原理および磁場強度の算出方法に基づいて、磁場サージを検出するコンセプトについて説明する。

【0047】

＜光検出磁気共鳴（ODMR）法による磁気共鳴信号の検出＞
図５は、ダイヤモンドのＮＶ^－中心における電子のエネルギー準位を模式的に示す図である。

【0048】

本実施形態では、センサ素子１としてダイヤモンドのＮＶ中心を用いる。ＮＶ中心の基底状態は磁気量子数ｍ_ｓ＝－１，０，＋１のスピン三重項状態であり、室温における定常状態では、基底状態において全ての準位は等しく分布している。

【0049】

基底状態にある磁気量子数ｍ_ｓ＝０の電子は、波長が５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を照射されると励起状態へと遷移し、赤色の蛍光を放出して、磁気量子数ｍ_ｓ＝０の基底状態に緩和する。

【0050】

一方、基底状態にある磁気量子数ｍ_ｓ＝０の電子は、共鳴周波数が２．８７ＧＨｚのマイクロ波を照射されると、電子スピン共鳴（ESR）が生じ、磁気量子数ｍ_ｓ＝±１の二重縮退した基底状態へ遷移する。このような基底状態にある磁気量子数ｍ_ｓ＝±１の電子は、波長が５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を照射されると励起状態へと遷移し、その後、ある一定の確率で、磁気量子数ｍ_ｓ＝０の基底状態に戻る。このような一連の過程は、蛍光を放出しない無輻射での遷移である。

【0051】

このように、赤色の蛍光を放出する過程は、磁気共鳴が生じて、電子が磁気量子数ｍ_ｓ＝±１の基底状態にある場合に起こり難くなる。また、磁気量子数ｍ_ｓ＝±１の二重縮退した基底状態は、ゼーマン分裂により外部磁場の強度に比例して分離されるため、蛍光強度も電子が磁気量子数ｍ_ｓ＝±１のどちらの状態であるかに応じて変化する。よって、マイクロ波の周波数を２．８７ＧＨｚ前後で掃引した際の、赤色の蛍光強度が低下した点として、磁気共鳴信号を検出することができる。

【0052】

図６は、光検出磁気共鳴（ODMR）法を用いた手法により磁場をセンシングする場合の例示的なパルスシーケンスである。図６に示す操作用の電磁波のパルスシーケンスは、２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスにより、自由誘導減衰（FID）信号を観測するパルスシーケンスである。

【0053】

状態Ｉは、レーザ光の照射により電子スピンを初期化した状態を表している。量子状態を単位球面上に表す表記法であるＢｌｏｃｈ球において、電子スピンは、量子化軸であるｚ軸に沿った方向に揃っている。

【0054】

次いで、状態ＩＩにおいてπ／２パルスを照射することにより、量子化軸に沿った電子スピンを、量子化軸に垂直な平面に傾ける操作を行う。電子スピンはＢｌｏｃｈ球のｘｙ平面に倒される。その後、ｘｙ平面に倒された電子スピンは、状態ＩＩＩにおいて、所定の時間τの間に、磁場との相互作用によってＢｌｏｃｈ球のｘｙ平面において回転しながら位相緩和する。相互作用の強さは、電子スピンが感じる磁場の強度に対応している。この状態ＩＩＩにおいて、磁場との相互作用によって電子スピンがＢｌｏｃｈ球のｘｙ平面において回転しながら位相緩和する。その様子が、後の状態Ｖにおいて自由誘導減衰（FID）信号として観測される。

【0055】

状態ＩＩＩにおいて位相緩和しながら所定の時間τが経過した後、状態ＩＶにおいてπ／２パルスを照射することにより、位相緩和された電子スピンを量子化軸に射影する操作を行う。Ｂｌｏｃｈ球のｘｙ平面内に位置していた電子スピンは、量子化軸であるｚ軸に射影され、ｚ軸に沿った方向に揃えられる。

【0056】

その後、状態Ｖにおいて、センサ素子にレーザ光を照射して、センサ素子から放出される光を検出することにより、相互作用後の電子スピン状態の位相情報の読み出しが行われる。

【0057】

図６に例示する２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスでは、電子スピンは、状態ＩＩＩにおいてＢｌｏｃｈ球のｘｙ平面内において回転しながら位相緩和しており、磁気共鳴法では、電子スピンがこのように位相緩和する際の信号を磁気共鳴信号として検出している。π／２パルス間の時間τは、電子スピンが位相緩和する状態ＩＩＩの期間に対応しており、この時間τが測定の感度を決定付けている。磁場との相互作用により電子スピンが位相緩和する程度は、電子スピンが感じる磁場の強度に対応しているからである。

【0058】

本発明では、センサ素子１の電子スピン状態の自由誘導減衰を観測するための時間τを、磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定している。時間τの決定に考慮する事項については、図７および図８を参照して後述する。

【0059】

＜磁気共鳴信号に基づいた磁場強度の算出方法＞
光検出磁気共鳴（ODMR）法では、対象物９と相互作用した後のセンサ素子１の電子スピン状態の位相情報（磁気共鳴信号）は、発光強度の変化として検出される。検出した位相情報は、対象物の物理量に応じた状態となっている。よって、検出した相互作用後の電子スピン状態の位相情報を適切にデータ処理することにより、対象物の物理量を算出することができる。対象物の物理量は、電子スピンのハミルトニアンに基づいて算出することができる。

【0060】

電子スピンのハミルトニアンＨ_ｇｓは、以下の式で表される。

【数2】

ここで、μ_Ｂはボーア磁子であり、ｇ_ｅは電子のｇ因子であり、ｈはプランク定数である。ベクトルＳは電子スピンである。ベクトルＢは印加磁場である。Ｄ_ｇｓは零磁場分裂定数である。Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ，Ｓ_ｚはそれぞれ、電子スピンＳのｘ，ｙ，ｚ方向成分である。ｄ_ｇｓ ^⊥は、電気双極子モーメントである。Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙはそれぞれ、電場のｘ，ｙ方向成分である。

【0061】

１番目の項

【数3】

は、ゼーマン効果による項であり、電子スピンが磁場センサとして機能することを意味している。

【0062】

２番目の項および３番目の項は、双極子相互作用（すなわち、スピン間相互作用）による項である。２番目の項

【数4】

は、電子スピンが温度センサおよび力学量（圧力）センサとして機能することを意味している。３番目の項

【数5】

は、電子スピンが電場センサとして機能することを意味している。

【0063】

よって、磁場の強度は、１番目の項に基づいて算出することができる。温度および力学量の強度は、２番目の項に基づいて算出することができる。電場の強度は、３番目の項に基づいて算出することができる。

【0064】

＜磁場サージ検出コンセプト＞
図７および図８は、本発明の磁場サージ検出コンセプトを説明するための図である。

【0065】

図７は、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場に磁場サージが発生している様子を模式的に表している。図７において、上段は、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場を示し、下段は、光検出磁気共鳴（ODMR）法を用いた手法により磁場をセンシングする場合の例示的なパルスシーケンスを示している。

【0066】

図８は、図７の下段に示すパルスシーケンスにおいて破線で囲む部分の拡大図である。図８に示す符号Ｉ～Ｖは、図６に示すパルスシーケンスの状態Ｉ～状態Ｖに対応している。

【0067】

本発明では、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場の強度を測定する。磁場強度の測定は、例えば図７および図８（より具体的には、図６）に例示するパルスシーケンスにて磁気共鳴信号を測定することにより行う。磁場サージが発生しているか否かの判断は、先のパルスシーケンスにおける磁気共鳴信号と、今回のパルスシーケンスにおける磁気共鳴信号とを比較することにより行う。例えばこれら磁気共鳴信号のそれぞれについて磁場強度を算出し、先のパルスシーケンスにおける磁場強度と、今回のパルスシーケンスにおける磁場強度とに基づいて、磁場強度の時間的な微分特性を算出する。この磁場強度の時間的な微分特性が、例えば所定の閾値を超えている場合には、磁場強度の急激な増大（すなわち、磁場サージ）が生じつつあると判断して、電力設備の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号を出力する。

【0068】

磁気共鳴信号の比較、すなわち磁場強度の比較に用いる磁場強度のデータ数は、１シーケンス分の１個でもよいし、複数シーケンス分の複数個でもよい。磁場強度の比較に複数シーケンス分の複数個のデータを用いる場合には、例えばそれら複数個の磁場強度のデータの平均値を算出して用いることができる。

【0069】

本実施形態では、磁場強度の急激な増大は、磁場の強度の時間的な微分特性に基づいて判断する。本実施形態では、

【数6】

に基づいて微分特性を算出する。ここで、ｉは０以上の整数値であり、Ｂ_ｉは時間ｔ_ｉにおける磁場の強度であり、Ｍは潜在的なサージ（potential surge）を含むデータポイントの数であり、Ｐは潜在的なサージの前のデータポイントの数である。

【0070】

図７に示すように、時間ｔ_０は測定を行った現在の時間を示し、時間ｔ_ｉは先の時間（すなわち過去）を示す。ＭおよびＰは、検出しようとする磁場サージの強度の時間的な変化率に応じて決定する。

【0071】

地磁気の影響による測定へのノイズを考慮すると、式１に示す微分特性は以下に示す式２の条件を満足することが好ましい。ここで、Ｔは地磁気の大きさ［単位：ｎＴ（ナノテスラ）］である。

【数7】

【0072】

なお、２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスを用いる場合、各時間ｔ_ｉにおける磁場強度のデータＢ_ｉは、２つのπ／２パルス間の時間τの間に電子スピンが感じた磁場の強度の積算値を表している。単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いる場合、各時間ｔ_ｉにおける磁場強度のデータＢ_ｉは、単一のπパルスが照射されている間にずれた周波数の程度を、測定可能な範囲で測定した値を表している。

【0073】

［検出手順］
図９は、本発明の一実施形態に係る磁場サージ検出方法の手順を示すフローチャートである。

【0074】

ステップＳ１において、センサ素子１にレーザ光を照射することにより、センサ素子１の色中心（ＮＶ中心）の電子スピンを初期化する。その後、初期化されたＮＶ中心の電子スピンを、対象物９の周囲に発生している磁場と相互作用させる。十分な時間の間相互作用をさせると、ＮＶ中心の電子スピン状態は、磁場の強度に応じた状態となる。ステップＳ１の状態は、図６に示すパルスシーケンスの状態Ｉに対応している。対象物９の周囲に発生している磁場に磁場サージが発生している場合には、初期化されたＮＶ中心の電子スピンは、磁場サージを含む磁場と相互作用をし、磁場サージを含む磁場の強度に応じた状態となる。

【0075】

ステップＳ２において、センサ素子１にスピン操作用の電磁波を照射することにより、磁場センシングを行う。本実施形態では、図６に示すパルスシーケンスに従って２つのπ／２パルスを照射することにより磁場のセンシングを行う。すなわち本実施形態では、図６に示すパルスシーケンスの状態ＩＩ～状態ＩＶに対応するように、ＮＶ中心の電子スピン状態を操作する。

【0076】

ステップＳ３において、センサ素子１にレーザ光を照射して、センサ素子１に生じる変化を検出することにより、相互作用後の電子スピン状態の、位相情報の読み出しを行う。本実施形態では、センサ素子１から放出される光を検出することにより、相互作用後の電子スピン状態の、位相情報の読み出しを行う。相互作用後の電子スピン状態の位相情報は、光検出磁気共鳴（ODMR）法により、発光強度の変化として検出部３２を用いて検出する。ステップＳ３の状態は、図６に示すパルスシーケンスの状態Ｖに対応している。

【0077】

ステップＳ４において、ステップＳ１～Ｓ３の一連の測定処理を、所定の回数繰り返し実行したか否かを判定する。一連の測定処理を所定の回数繰り返し実行している（ステップＳ４においてＹｅｓ）場合は、ステップＳ５の処理を行い、所定の回数繰り返し実行していない（ステップＳ４においてＮｏ）場合は、再びステップＳ１から処理を行う。本実施形態では、所定の回数とは、式１または式２で表される磁場の強度の時間的な微分特性を算出するために要するデータポイントの数に相当し、式１または式２中のＭおよびＰの和に相当する。ＭおよびＰの和に相当する複数のパルスシーケンスの範囲は、磁場の強度の時間的な微分特性を算出して磁場サージを検出するための、判定用の時間ウィンドウと表現することができる。言い替えると、本実施形態では、判定用の時間ウィンドウの幅内に含まれる時間の範囲において、磁場の強度の時間的な微分特性を繰り返しモニターする。

【0078】

ステップＳ５において、相互作用した後の複数の電子スピン状態のそれぞれについて、それぞれの電子スピン状態に基づいて磁場の強度をそれぞれ算出する。

【0079】

磁場の強度は、ステップＳ３において読み出した、相互作用後の電子スピン状態の位相情報から算出する。検出部３２にて検出した相互作用後の電子スピン状態の位相情報は、対象物９の磁場に応じた状態となっている。よって、検出した相互作用後の電子スピン状態の位相情報を適切にデータ処理することにより、磁場の強度を算出することができる。例えば、相互作用後の電子スピン状態が基底状態となる確率を求めることにより、対象物９の磁場の強度を算出することができる。強度の算出は、電子スピンのハミルトニアンＨ_ｇｓの、ゼーマン効果による項に基づいて行うことができる。

【0080】

ステップＳ６において、複数の磁場の強度に基づいて、磁場の強度の時間的な微分特性を算出する。本実施形態では、式１に基づいて、磁場の強度の時間的な微分特性を算出する。

【0081】

ステップＳ７において、微分特性に基づいて磁場サージを検出する。例えば、ステップＳ６において算出した微分特性の大きさが、所定の大きさの閾値以上であるか否かを判断する。

【0082】

磁場サージが検出された（ステップＳ８においてＹｅｓ）場合は、ステップＳ９において警報信号を出力して、電力設備９の運転を停止させる。警報信号は、電力設備９の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号（すなわち、インターロック信号）とすることができる。警報信号は、例えば、他の電力設備の運転状況を集中管理するコンピュータ機器へ、例えばネットワーク９９を介して送信される。集中管理用のコンピュータ機器は、警報信号を受信すると、電力設備の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号（すなわち、インターロック信号）を、他の電力設備へ送信する。それぞれの電力設備は、インターロック信号を受信すると運転を停止する。

【0083】

磁場サージが検出されない（ステップＳ８においてＮｏ）場合は、再びステップＳ１から処理を行い、磁場サージの検出を繰り返し行う。なお、磁場サージが検出されず（ステップＳ８においてＮｏ）再びステップＳ１から処理を行う場合、ステップＳ４の説明において言及した判定用の時間ウィンドウによりモニターされる磁場の強度の時間幅は、パルスシーケンス１つ分の時間だけ後にずれる。

【0084】

［効果］
以上、本発明によると、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出することができる。これにより、サージ電流の発生から極めて短時間のうちに、電力設備の運転を停止させるインターロック機能を作動させることが可能となる。

【0085】

本発明では、対象物である電力設備の周囲に発生している磁場の強度を、量子センサを用いて測定する。これにより、磁場サージを高感度に検出することが可能となる。磁場の強度の算出に用いる磁気共鳴信号は光検出磁気共鳴（ODMR）法により検出する。これにより、電気的に直接的に対象物である電力設備に接続することなく、磁場サージを非接触で検出することが可能となる。

【0086】

本発明では、磁気共鳴信号を測定する際に用いる、電子スピン状態を操作するための電磁波のパルスシーケンスを工夫している。これにより、磁場サージを短時間かつ幅広い磁場強度の測定範囲で検出することが可能となる。

【0087】

［その他の形態］
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。

【0088】

上記した実施形態では、図６に例示する２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスを用いているが、自由誘導減衰（FID）信号を観測するパルスシーケンスはこのパルスシーケンスに限定されない。２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスに代えて、例えば図１０に例示する単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いることができる。単一のπパルス後の時間τは、検出対象である磁場のサージの強度の時間的な変化率に応じて決定されている。オフレゾナンス効果を利用することにより、２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスに代えて単一のπパルスを含むパルスシーケンスを適用するだけでも、本発明は機能する。磁場のサージはオフレゾナンス効果によって検出されるからである。

【0089】

なお、図１０に例示する単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いる場合、単一のπパルス後の時間τは、コヒーレンス時間Ｔ_２（横緩和時間Ｔ_２）よりも短く且つ磁場のサージを検出することができる限り、短い方が好ましい。

【0090】

図１０は、光検出磁気共鳴（ODMR）法を用いた手法により磁場をセンシングする場合の例示的なパルスシーケンスである。図１０に示す操作用の電磁波のパルスシーケンスは、単一のπパルスを含むパルスシーケンスにより、短く磁場のサージを観測するパルスシーケンスである。

【0091】

状態Ｉは、レーザ光の照射により電子スピンを初期化した状態を表している。量子状態を単位球面上に表す表記法であるＢｌｏｃｈ球において、電子スピンは、量子化軸であるｚ軸に沿った方向に揃っている。

【0092】

次いで、状態ＩＩ´においてπパルスを照射することにより、電子スピンをｚ軸に沿って反転させる操作を行う。その後、反転された電子スピンは、状態ＩＩＩ´において、所定の時間τの間に、磁場との相互作用によって位相緩和する。強い磁場のサージがある場合、オフレゾナンスの効果により状態ＩＩ´において電子スピンが反転されることはなくなり、その反転されなかったスピンの情報が、強い磁場のサージとして観測される。

【0093】

その後、状態ＩＶ´において、センサ素子にレーザ光を照射して、センサ素子から放出される光を検出することにより、相互作用後の電子スピン状態の位相情報の読み出しが行われる。

【0094】

上記した実施形態では、磁場の強度の算出に用いる磁気共鳴信号は光検出磁気共鳴（ODMR）法により検出しているが、磁気共鳴信号の検出に用いる方法は光検出磁気共鳴（ODMR）法に限定されない。光検出磁気共鳴（ODMR）法に代えて、例えば電気検出磁気共鳴（EDMR）法により磁気共鳴信号を検出することもできる。この場合、磁気共鳴信号を検出するための一対の測定電極をセンサ素子１に電気的に接続する。一対の測定電極間にバイアス電圧を印加し、測定電極を通じてセンサ素子１に電界を印加する。

【0095】

上記した実施形態では、対象物９である電力設備の周囲に発生している磁場の強度の時間的な微分特性に基づいて、磁場のサージを検出しているが、磁場のサージを検出する方法はこれに限定されない。例えば、磁場サージが発生しているか否かの判断は、今回のパルスシーケンスにおける磁場強度の測定値と、先のパルスシーケンスにおける磁場強度の測定値とを比較することにより行うこともできる。例えば、これら測定値の比が閾値を超えている場合には、磁場強度の急激な増大（すなわち、磁場サージ）が生じつつあると判断して、電力設備の運転を停止させるインターロック機能を作動させるための電気信号を出力する。

【0096】

上記した実施形態では、磁場サージ検出装置１０は、電力設備９の周囲に発生している磁場の磁場サージを検出しており、電力設備９の例として変流器９ａや変圧器９ｂが例示されているが、電力設備９はこれらに限定されない。電力設備９は、例えば変成器や開閉器等の送変電機器を含むことができる。

【0097】

［実施例］
以下に本発明の実施例を示し、本発明の特徴をより明確にする。

【実施例0098】

実施例１では、自由誘導減衰（FID）信号の数値シミュレーションを行った。

【0099】

・数値シミュレーションの条件
パルスシーケンスは単純なＦＩＤシーケンスとした。各測定は単一のシーケンスに依存するため、磁気共鳴信号の蓄積は行わないとした。

【0100】

センサ素子のサンプルおよびパルスシーケンスについて想定した条件（ａ）～（ｈ）は次の通りである。

【0101】

（ａ）コヒーレンス時間Ｔ_２は１００ｎｓ（ナノセカンド）
（ｂ）レーザースポットの径は１０μｍ、ＮＶ中心密度「ＮＶ」は３×１０^１６ｃｍ^－３。したがって、球形ボリューム内のＮＶ中心の数は約１５×１０^６。なお、使用するＮＶ中心のサンプルに応じて、ＮＶ中心密度「ＮＶ」は１×１０^１９ｃｍ^－３まで向上する可能性がある。
（ｃ）スピン状態間のコントラストは約１％
（ｄ）一つのＮＶ中心毎に一回の読み出し毎に平均して０．１の光子
（ｅ）ＦＩＤ信号を測定するパルスシーケンスは、図６に例示する２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスとした。
（ｆ）レーザーパルス長は３０μｓ、レーザーパルスと１つ目のπ／２パルスとの間の待機時間は１μｓ、π／２パルス長は４０ｎｓ、これらパルス間の遅延（delay）は約１０ｎｓ
（ｇ）Ｍ＝３（約１００μｓをカバー）、Ｐ＝３１（約１ｍｓをカバー）、Ｔ＝０．３ｍＴ（ミリテスラ）。サージの波形は、立ち上がり時間が１μｓであり、立ち下がり時間が１００μｓの三角形とした。
（ｈ）測定は、スピンにハミルトニアンを使用してシミュレートした。したがって、オフレゾナンス効果などの重要な効果は十分に考慮された。測定のノイズについては、主なノイズ源であるショットノイズのみを考慮した。

【0102】

・数値シミュレーションの結果
図１１および図１２は、実施例１に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果であり、時間ｔ＝２０ｍｓでの０．５ｍＴの磁場Ｂのサージのシミュレーション結果である。図１１において、（Ａ）は強度（intensity）のシミュレーション結果であり、（Ｂ）は（Ａ）の結果を式２を用いてフィルタリングした結果である。図１２において、（Ａ）は磁場（field）のシミュレーション結果であり、（Ｂ）は（Ａ）の結果を式２を用いてフィルタリングした結果である。

【0103】

図１１（Ａ）において、実線は、ショットノイズを無視して測定される強度を示しており、クロス記号「×」で示すプロットは、ショットノイズを含んで測定される強度を示している。図１２（Ａ）において、実線は磁場（magnetic field）を示し、クロス記号「×」で示すプロットは、強度測定から変換される測定磁場を示している。

【0104】

図１２（Ｂ）に示すように、実施例１に示す例では、約４０μｓ（マイクロセカンド）以内に２ｍＴのサージを検出することが可能であり、オフレゾナンス効果を利用することによって磁場サージを検出することが可能であることが示された。このオフレゾナンス効果は、例えば２０ｍＴまたは２００ｍＴ等の、２ｍＴよりも高い磁場についても同様に得られる効果である。オフレゾナンス効果に基づく測定を行う限り、サージ磁場の絶対値は重要ではない。よって、時間の経過と共に急激に増大するサージ磁場をモニターするには、オフレゾナンス効果を用いた測定が適していることが示された。

【実施例0105】

実施例２では、実施例１とは異なるパルスシーケンスを用いて、実施例１と同様に自由誘導減衰（FID）信号の数値シミュレーションを行い、応答時間の変化について検証を行った。具体的には、実施例１で用いた図６に例示する２つのπ／２パルスを含むパルスシーケンスに代えて、図１０に例示する単一のπパルスを含むパルスシーケンスを用いて、自由誘導減衰（FID）信号の数値シミュレーションを行った。

【0106】

図１３および図１４は、実施例２に係るサージ磁場の数値シミュレーションの結果である。図１３において、（Ａ）は強度（intensity）のシミュレーション結果であり、（Ｂ）は磁場（field）のシミュレーション結果である。図１４において、（Ａ）は図１３（Ａ）の結果を式２を用いてフィルタリングした結果であり、（Ｂ）は図１３（Ｂ）の結果を式２を用いてフィルタリングした結果である。

【0107】

図１４（Ｂ）に示すように、実施例２に示す例では、約１７μｓ以内に２ｍＴの磁場サージを検出することが可能であることが示された。実施例２では、応答時間は約１６．５μｓであり、実施例１における応答時間の約４８．５μｓよりも応答時間が速くなることが示された。