特開 2022-177757 磁場測定装置および磁場測定方法

(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】P2022177757

(43)【公開日】2022-12-01

(54)【発明の名称】磁場測定装置および磁場測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/24 20060101AFI20221124BHJP

   G01R 33/032 20060101ALI20221124BHJP

【ＦＩ】

G01R33/24

G01R33/032

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021084224

(22)【出願日】2021-05-18

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム委託事業、「超スマート社会実現のカギを握る革新的半導体技術を基盤としたエネルギーイノベーションの創出に関する国立大学法人京都大学による研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000107804

【氏名又は名称】スミダコーポレーション株式会社

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100114971

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 修

(72)【発明者】

【氏名】浜田 真吾

(72)【発明者】

【氏名】大塚 努

(72)【発明者】

【氏名】芳井 義治

(72)【発明者】

【氏名】水落 憲和

(72)【発明者】

【氏名】竹村 祐輝

【テーマコード（参考）】

2G017

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AC09

2G017AD15

2G017BA03

2G017BA05

(57)【要約】

【課題】 磁場測定のために、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加し、また、磁気共鳴部材、高周波発生器および磁石とフラックストランスフォーマーの磁束の向きとを相対的に配置しやすく、レーザー光の照射空間が確保されやすくする。
【解決手段】 高周波磁場発生器２は、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１にマイクロ波を印加する。磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場を印加する。照射装置１２は、磁気共鳴部材１に特定波長の光を照射する。フラックストランスフォーマー４は、１次側コイル４ａで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。そして、磁気共鳴部材１は、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部にあり、かつ磁石３の中空部にある位置に配置されている。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
前記磁気共鳴部材に前記マイクロ波を印加する高周波磁場発生器と、
前記磁気共鳴部材に静磁場を印加する磁石と、
前記磁気共鳴部材に特定波長の光を照射する照射装置と、
１次側コイルで被測定磁場を感受し、感受した前記被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイルで前記磁気共鳴部材に印加するフラックストランスフォーマーとを備え、
前記磁気共鳴部材は、前記フラックストランスフォーマーの前記２次側コイルの中空部にあり、かつ前記磁石の中空部にある位置に配置されていること、
を特徴とする磁場測定装置。

【請求項2】

前記磁石は、リング型磁石であり、
前記２次側コイルは、リング状に巻回されており、
前記磁石の中心軸および前記２次側コイルの中心軸は互いに一致し、
前記磁気共鳴部材は、前記中心軸上に配置されること、
を特徴とする請求項１記載の磁場測定装置。

【請求項3】

前記磁気共鳴部材は、前記中心軸の方向において、前記リング型磁石の幅の中心に配置されていることを特徴とする請求項２記載の磁場測定装置。

【請求項4】

前記照射装置は、前記光を前記中心軸に沿って前記磁気共鳴部材に照射することを特徴とする請求項２または請求項３記載の磁場測定装置。

【請求項5】

前記磁気共鳴部材は、前記マイクロ波で電子スピン量子操作の可能な複数のカラーセンターを備え、
前記磁石は、前記磁気共鳴部材に対して略均一な静磁場を印加すること、
を特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の磁場測定装置。

【請求項6】

（ａ）フラックストランスフォーマーの１次側コイルで被測定磁場を感受し、（ｂ）前記フラックストランスフォーマーの２次側コイルで、感受した前記被測定磁場に対応する印加磁場を、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印加し、
前記磁気共鳴部材に前記マイクロ波を印加し、
前記磁気共鳴部材に静磁場を印加し、
前記磁気共鳴部材に特定波長の光を照射し、
前記磁気共鳴部材は、前記フラックストランスフォーマーの前記２次側コイルの中空部にあり、かつ前記磁石の中空部にある位置に配置されていること、
を特徴とする磁場測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁場測定装置および磁場測定方法に関するものである。

【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（例えば特許文献１参照）。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（励起光および測定光）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。

【0003】

例えば、ラムゼイ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ＮＶセンターに印加し、（ｃ）第１のπ／２パルスから所定の時間間隔ｔｔでマイクロ波の第２のπ／２パルスをＮＶセンターに印加し、（ｄ）測定光をＮＶセンターに照射してＮＶセンターの発光量を測定し、（ｅ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。また、スピ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）測定光を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。

【0004】

また、ある磁気センサーは、超伝導量子干渉計 (ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）と、被測定磁場をピックアップコイルで検出しインプットコイルでＳＱＵＩＤへ印加する磁束トランス（フラックストランスフォーマー）とを備えている（例えば特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－８２９８号公報

【特許文献2】特開平８－７５８３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の磁場測定装置は、磁気共鳴部材に対して、被測定磁場の他に、レーザー光、マイクロ波、および静磁場を印加しているため、磁気共鳴部材の周辺に、レーザー光、マイクロ波、および静磁場をそれぞれ印加する手段が実装されている。したがって、レーザー光、マイクロ波、および静磁場を磁気共鳴部材に対して印加する場合において、フラックストランスフォーマーを使用するにはレーザー光、マイクロ波、および静磁場の印加を妨げずにフラックストランスフォーマーの２次側コイルを配置する必要があり、幾何学的な構成上、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加することは困難である。

【0007】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加し、また、磁気共鳴部材、高周波発生器および磁石とフラックストランスフォーマーの磁束の向きとを相対的に配置しやすく、レーザー光を照射する空間が確保されやすい磁場測定装置および磁場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】

【0008】

本発明に係る磁場測定装置は、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、磁気共鳴部材にマイクロ波を印加する高周波磁場発生器と、磁気共鳴部材に静磁場を印加する磁石と、磁気共鳴部材に特定波長の光を照射する照射装置と、１次側コイルで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイルで磁気共鳴部材に印加するフラックストランスフォーマーとを備える。そして、磁気共鳴部材は、フラックストランスフォーマーの２次側コイルの中空部にあり、かつ磁石の中空部にある位置に配置されている。

【0009】

本発明に係る磁場測定方法は、（ａ）フラックストランスフォーマーの１次側コイルで被測定磁場を感受し、（ｂ）フラックストランスフォーマーの２次側コイルで、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を、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印加し、磁気共鳴部材にマイクロ波を印加し、磁気共鳴部材に静磁場を印加し、磁気共鳴部材に特定波長の光を照射する。そして、磁気共鳴部材は、フラックストランスフォーマーの２次側コイルの中空部にあり、かつ磁石の中空部にある位置に配置されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、フラックストランスフォーマーで被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材に対して効率良く印加し、また、磁気共鳴部材、高周波発生器および磁石とフラックストランスフォーマーの磁束の向きとを相対的に配置しやすく、レーザー光を照射する空間が確保されやすい磁場測定装置および磁場測定方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る磁場測定装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示す磁気センサー部１０における光学系の構成例を示す断面図である。

【図3】図３は、トランスフォーマー４の１次側コイル４ａを示す断面図である。

【図4】図４は、図１に示す磁場測定装置における磁気センサー部１０の構成例を示す斜視図である。

【図5】図５は、図４に示す磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、２次側コイル４ｂなどの配置を示す（Ｙ－Ｚ面の）断面図である。

【図6】図６は、図４に示す磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、２次側コイル４ｂなどの配置を示す（Ｘ－Ｚ面の）断面図である。

【図7】図７は、図４における磁石３による磁気共鳴部材１における磁束密度特性の例を説明する図である（１／２）。

【図8】図８は、図４における磁石３による磁気共鳴部材１における磁束密度特性の例を説明する図である（２／２）。

【図9】図９は、磁場測定装置の動作を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

【0013】

図１は、本発明の実施の形態に係る磁場測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す磁場測定装置は、磁気センサー部１０と、高周波電源１１と、照射装置１２と、受光装置１３と、演算処理装置１４とを備える。

【0014】

磁気センサー部１０は、所定の位置（例えば、検査対象物体の表面上または表面上方）において、被測定磁場（例えば磁場の強度、向きなど）を検出する。なお、被測定磁場は、単一周波数の交流磁場でもよいし、複数の周波数成分を有する所定周期の交流磁場でもよい。

【0015】

この実施の形態では、磁気センサー部１０は、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、磁石３、およびフラックストランスフォーマー４を備える。

【0016】

磁気共鳴部材１は、結晶構造を有し、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じた周波数のマイクロ波で（ラビ振動に基づく）電子スピン量子操作の可能な部材である。

【0017】

この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、複数（つまり、アンサンブル）の特定カラーセンターを有する光検出磁気共鳴部材である。この特定カラーセンターは、ゼーマン分裂可能なエネルギー準位を有し、かつ、ゼーマン分裂時のエネルギー準位のシフト幅が互いに異なる複数の向きを取り得る。

【0018】

ここでは、磁気共鳴部材１は、単一種別の特定カラーセンターとして複数のＮＶ（Nitrogen Vacancy）センターを含むダイヤモンドなどの部材である。ＮＶセンターの場合、基底状態がｍｓ＝０，＋１，－１の三重項状態であり、ｍｓ＝＋１の準位およびｍｓ＝－１の準位がゼーマン分裂する。なお、磁気共鳴部材１に含まれるカラーセンターは、ＮＶセンター以外のカラーセンターでもよい。

【0019】

高周波磁場発生器２は、上述のマイクロ波を磁気共鳴部材１に印加する。ここでは、高周波磁場発生器２は、板状コイルであって、マイクロ波を放出する略円形状のコイル部２ａと、コイル部２ａの両端から延び基板３１に固定される端子部２ｂとを備える。高周波電源１１は、そのマイクロ波の電流を生成して高周波磁場発生器２に導通させる。

【0020】

高周波磁場発生器２のコイル部２ａは、その両端面部分において、磁気共鳴部材１を挟むように所定の間隔で互いに平行な２つの電流を導通させ、上述のマイクロ波を放出する。ここでは、高周波磁場発生器２は板状コイルであるが、表皮効果により、コイル部２ａの端面部分をマイクロ波の電流が流れるため、２つの電流が形成される。

【0021】

図２は、図１に示す磁気センサー部１０における光学系の構成例を示す断面図である。例えば図２に示すように、高周波磁場発生器２における略円形状かつ板状のコイル部の側面に開口部２ｃが形成されており、照射装置１２からの励起光および測定光は、この開口部２ｃを通過して磁気共鳴部材１（磁気共鳴部材１の全域あるいは一部の領域）に照射される。また、開口部２ｃの大きさは、磁気共鳴部材１における照射領域の大きさ、及び表皮効果の下で電流が流れる領域の大きさにより決定される。この実施の形態では、磁気共鳴部材１における照射領域は長方形または円形とされ、高周波磁場発生器２の板状コイルは略円形であるため、開口部２ｃは円弧状の長方形となり、また、磁気共鳴部材１への開口部２ｃの投影領域の面積が照射領域の面積より大きくなり、その投影領域にその照射領域が含まれるように、開口部２ｃが設計される。

【0022】

また、磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場（直流磁場）を印加し、磁気共鳴部材１内の複数の特定カラーセンター（ここでは、複数のＮＶセンター）のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。ここでは、磁石３は、リング型の永久磁石であり、例えば、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ磁石などである。

【0023】

ＮＶセンターの場合、ダイヤモンド結晶において、欠陥（空孔）（Ｖ）および不純物としての窒素（Ｎ）によってカラーセンターが形成されており、ダイヤモンド結晶内の欠陥（空孔）（Ｖ）に対して、隣接する窒素（Ｎ）の取り得る位置（つまり空孔と窒素との対の配列方向）は４種類あり、それらの配列方向のそれぞれに対応するゼーマン分裂後のサブ準位（つまり、基底からのエネルギー準位）が互いに異なる。したがって、マイクロ波の周波数に対する静磁場によるゼーマン分裂後の蛍光強度の特性において、それぞれの向きｉ（ｉ＝１，２，３，４）に対応して、互いに異なる４つのディップ周波数対（ｆｉ＋，ｆｉ－）が現れる。ここでは、この４つのディップ周波数対のうちのいずれかのディップ周波数に対応して、上述のマイクロ波の周波数（波長）が設定される。

【0024】

また、フラックストランスフォーマー４は、１次側コイル４ａと、１次側コイル４ａにケーブル（同軸ケーブル、リッツ線など）などで電気的に接続された２次側コイル４ｂとを備える。図３に示すように、１次側コイル４ａが０．５～数十ターンの巻線により構成されている。また、１次側コイル４ａで所定の測定位置の被測定磁場を感受し、その測定位置で感受した被測定磁場に対応する印加磁場（フラックストランスフォーマー４によって測定位置から伝達された磁場）を、２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。つまり、１次側コイル４ａは、感受した被測定磁場に対応する電気信号を誘起し、２次側コイル４ｂは、その電気信号に対応する印加磁場を誘起する。

【0025】

図４は、図１に示す磁場測定装置における磁気センサー部１０の構成例を示す斜視図である。図５は、図４に示す磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、２次側コイル４ｂなどの配置を示す（Ｙ－Ｚ面の）断面図である。図６は、図４に示す磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、２次側コイル４ｂなどの配置を示す（Ｘ－Ｚ面の）断面図である。

【0026】

例えば図４～図６に示すように、上述の磁気共鳴部材１は、当該フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部にあり、かつ磁石３の中空部にある位置に配置されている。

【0027】

この実施の形態では、２次側コイル４ｂは、磁石３の中空部に配置されている。具体的には、磁石３は、リング型磁石であり、２次側コイル４ｂは、リング状に均等に巻回されており、磁石３の中心軸および２次側コイル４ｂの中心軸に対して垂直するそれぞれの横断面において、中心点から半径＝（横断面の半径×ａ％）の中心エリア内に配置されている。特に、磁気共鳴部材１が中心点に配置されることが好ましい。ここでは、ａは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。

【0028】

したがって、この実施の形態では、上述の印加磁場の印加方向は、上述の静磁場の印加方向と同一となり、上述の静磁場の印加によって、上述のディップ周波数での蛍光強度変化が増強され、感度が高くなる。

【0029】

また、この実施の形態では、２次側コイル４ｂは、１次側コイル４ａに対して所定の巻数比で、円筒状で非磁性のボビン４ｂ１に巻回されている。ボビン４ｂ１には中空部４ｂ２（つまり、２次側コイル４ｂの中空部）および巻線引出用のスリット４ｂ３が形成されている。

【0030】

さらに、この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、上述のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な複数のカラーセンター（ここでは、ＮＶセンター）を備え、磁石３は、磁気共鳴部材１の所定領域（励起光および測定光の照射領域）に対して略均一な静磁場を印加する。例えば、その所定領域における静磁場の強度についての最大値と最低値との差分や比率が所定値以下となるように静磁場が印加される。

【0031】

さらに、磁石３の中心軸の方向において、磁気共鳴部材１は、リング型の磁石３の幅の中心区域に配置されている。ここでの「中心区域」とは、リング型の磁石３の中心軸の中心点から、図６に示すＺ方向（軸方向）を沿って±（中心軸長さ１／２×ｂ％）の空間を指す。ここでは、ｂは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。また、この実施の形態においては、リング型の磁石３の幅の中心に配置されている（つまり、磁気共鳴部材１は、磁石３の両端面から略等距離の位置に配置されている）。さらに、トランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中心軸の方向において、磁気共鳴部材１は、２次側コイル４ｂの幅の中心区域に配置されている。ここでの「中心区域」とは、２次側コイル４ｂの中心軸の中心点から、図６に示すＺ方向（軸方向）を沿って±（中心軸長さ１／２×ｃ％）の空間を指す。ここでは、ｃは３０以下であり、より好ましいのは２０以下であり、さらにより好ましいのは１０以下であり、さらにより好ましいのは５以下である。また、本実施例においては、２次側コイル４ｂの幅の中心に配置されている（つまり、磁気共鳴部材１は、２次側コイル４ｂの両端面から略等距離の位置に配置されている ）。さらに、磁石３の中空部の中心軸に対して垂直な面において、当該中空部の断面積は、磁気共鳴部材１における励起光および測定光の照射領域の面積の１００倍以上、特に当該中空部の断面において、径方向において、測定光の照射領域の径の１０倍以上の径長とすることが好ましい。この実施の形態においては、測定光の照射領域が５０μｍ×１００μｍで、中空部の断面積が５００μｍ×１０００μｍ以上となる。このようにすることで、励起光および測定光の照射領域に対して均一な静磁場（方向および強度が略一定な静磁場）が印加される。

【0032】

図７および図８は、図４における磁石３（リング型磁石）による磁気共鳴部材１における磁束密度特性の例を説明する図である。図７および図８に示す磁束密度特性は、磁気共鳴部材１の寸法が２ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍであり、磁石３が残留磁束密度３８５ｍＴ、比透磁率１．１５、内径３０ｍｍのフェライト磁石である場合において、磁石３の外径および高さを変化させた際の、指標＃１（上述の領域内での磁束密度強度の最大値と平均値との比率）と指標＃２（上述の領域内での磁束密度強度の最小値と平均値との比率）とを示すものであり、シミュレーションにより得られたものである。図７および図８に示すように、磁石３の外径および高さ（厚み）を適宜設定することで、磁気共鳴部材１における磁束密度のばらつきを、略０．５％程度以下とすることができる。

【0033】

また、磁気共鳴部材１において、上述の欠陥および不純物の配列方向が、上述の静磁場の向き（および印加磁場の向き）に略一致するように、磁気共鳴部材１の結晶が形成され、磁気共鳴部材１の向きが設定される。例えば、上述の欠陥および不純物の配列方向と上述の静磁場の向き（および印加磁場の向き）とのなす角度（絶対値）は８度以下であることが好ましく、０度であることが最も好ましい。

【0034】

この実施の形態では、例えば図４～図６に示すように、Ｌ字状の回路基板３１の一方の先端部分に、高周波磁場発生器２が固定されており、回路基板３１の他方の先端部分に、ケーブルで高周波電源１１に電気的に接続されるコネクター３２が固定されており、回路基板上３１の配線パターン、インピーダンスマッチング用などの電気素子（抵抗、キャパシターなど）、ビアホールなどを介して、コネクター３２が、高周波磁場発生器２の両端（端子部２ｂ）に電気的に接続されている。また、装置全体の小型化の観点から、絶縁性能高いＳｉＣ基板などの半導体基板を回路基板３１に使用してもよい。 そして、高周波磁場発生器２の中空部の略中心に磁気共鳴部材１が配置される。これにより、強度および向きの略均一なマイクロ波が磁気共鳴部材１に印加される。

【0035】

さらに、この実施の形態では、磁気共鳴部材１から、上述の印加磁場に対応する物理的事象（ここでは蛍光）を検出する検出装置として、照射装置１２および受光装置１３が設けられている。

【0036】

照射装置１２は、図６におけるＺ方向に沿って、２次側コイル４ｂの中空部を通して、光検出磁気共鳴部材としての磁気共鳴部材１に光（所定波長の励起光と所定波長の測定光）を照射する。また、受光装置１３は、測定光の照射時において、２次側コイル４ｂの中空部を通して、磁気共鳴部材１から発せられる蛍光を検出する。この実施の形態では、照射装置１２は、上述の光を上述の中心軸に沿って磁気共鳴部材１に照射する。これにより、２次側コイル４ｂの中空部が実際の密閉する空間となり、照射装置１２からのレーザー光（測定光）の光路、および磁気共鳴部材１からの蛍光の光路が通る空間が確保でき、測定光および蛍光が外部空間へ漏れることがなくなる 。

【0037】

また、例えば図５および図６に示すように、磁気共鳴部材１は、略四角柱状のプリズム４１の上に固定されており、高周波磁場発生器２の中空部の略中心に磁気共鳴部材１が配置されるように、プリズム４１が治具４２でボビン４ｂ１に対して固定されている。プリズム４１は、図５に示すように、Ｘ軸方向に沿っており、かつＹ－Ｚ面において（例えば４５度で）傾斜した反射面を備え、磁気共鳴部材１から出射する蛍光の一部をこの反射面で反射し、励起光および測定光とは反対側に出射させる。

【0038】

この蛍光は、例えば図２に示すように、複合放物面型集光器（ＣＰＣ）４３などによって受光装置１３へ向けて集光される。なお、この蛍光を集光する光学系は、他のレンズ構成を有していてもよい。また、この実施の形態では、複合放物面型集光器（ＣＰＣ）４３に面する、高周波磁場発生器２におけるコイル部の側面にも開口部が形成されており、この開口部を介して出射した蛍光の一部も、複合放物面型集光器（ＣＰＣ）４３などによって受光装置１３へ向けて集光される。

【0039】

なお、上述の物理的事象は、ここでは光学的に検出されるが、電気特性の変化（磁気共鳴部材１の抵抗値の変化など）であってもよく、電気的に検出されてもよい。

【0040】

図１に戻り、演算処理装置１４は、例えばコンピュータを備え、プログラムをコンピュータで実行して、各種処理部として動作する。この実施の形態では、演算処理装置１４は、検出された光学的あるいは電気的な信号データを図示せぬ記憶装置（メモリーなど）に保存し、測定制御部２１および演算部２２として制御および演算動作を行う。

【0041】

測定制御部２１は、高周波電源１１を制御し、上述の検出装置（ここでは、照射装置１２および受光装置１３）により検出された、上述の物理的事象（ここでは蛍光強度）の検出値を特定する。

【0042】

この実施の形態では、測定制御部２１は、例えばＯＤＭＲに基づき、所定の測定シーケンスに従って高周波電源１１および照射装置１２を制御し、受光装置１３により検出された蛍光の検出光量を特定する。例えば、照射装置１２は、レーザーダイオードなどを光源として備え、受光装置１３は、フォトダイオードなどを受光素子として備え、測定制御部２１は、受光素子の出力信号に対して増幅などを行って得られる受光装置１３の出力信号に基づいて、上述の検出光量を特定する。

【0043】

演算部２２は、測定制御部２１によって得られ、記憶装置に保存されていた検出値に基づいて上述の測定位置での被測定磁場（強度、波形など）を演算する。

【0044】

なお、上述の測定シーケンスは、被測定磁場の周波数などに従って設定される。例えば、被測定磁場が比較的高周波数の交流磁場である場合には、この測定シーケンスには、スピンエコーパルスシーケンス（ハーンエコーシーケンスなど）が適用される。ただし、測定シーケンスは、これに限定されるものではない。また、例えば、被測定磁場が比較的低周波数の交流磁場である場合、被測定磁場の１周期において、複数回、ラムゼイパルスシーケンス（つまり、直流磁場の測定シーケンス）で、磁場測定を行い、それらの磁場測定の結果に基づいて、被測定磁場（強度、波形など）を特定するようにしてもよい。

【0045】

なお、磁気センサー部１０における磁気共鳴部材１の周辺には磁気シールドが設けられ、外部からの磁場が磁気共鳴部材１に直接印加されないようになっている。

【0046】

次に、当該実施の形態に係る磁場測定装置の動作について説明する。

【0047】

例えば図９に示すように、被測定物体１０１に対して、磁気センサー部１０におけるフラックストランスフォーマー４の１次側コイル４ａが所望の測定位置に所望の向きで配置される。これにより、被測定磁場が１次側コイル４ａにより感受され、２次側コイル４ｂにより印加磁場が誘起され、磁気共鳴部材１に印加される。また、磁気センサー部１０における磁石３によって、磁気共鳴部材１に略均一な静磁場が印加される。

【0048】

そして、測定制御部２１は、高周波電源１１および照射装置１２を制御して、所定の測定シーケンスに従って、マイクロ波およびレーザー光（励起光および測定光）を所定タイミングかつ所定時間長で磁気共鳴部材１に印加し、磁気共鳴部材１の物理的事象の検出値（ここでは、受光装置１３で得られる蛍光強度）を磁気センサー部１０から取得し、演算部２２は、その検出値に基づいて、その測定シーケンスに対応する計算を行って、その測定位置の磁場（強度、向きなど）を特定する。

【0049】

これにより、磁気センサー部１０（つまり、磁気共鳴部材１）によって測定位置の磁場が測定される。なお、所定の走査経路パターンに沿って磁気センサー部１０を走査し、走査経路上の複数の測定位置について上述の磁場測定を行うようにしてもよい。

【0050】

以上のように、上記実施の形態によれば、高周波磁場発生器２は、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１にマイクロ波を印加する。磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場を印加する。照射装置１２は、磁気共鳴部材１に特定波長の光を照射する。フラックストランスフォーマー４は、１次側コイル４ａで被測定磁場を感受し、感受した被測定磁場に対応する印加磁場を２次側コイル４ｂで磁気共鳴部材１に印加する。そして、磁気共鳴部材１は、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部にあり、かつ磁石３の中空部にある位置に配置されている。

【0051】

これにより、上述の励起光および測定光（並びに蛍光）の光路を妨げずに、被測定磁場に対応する磁場を、静磁場とともに磁気共鳴部材１に印加することができる。したがって、フラックストランスフォーマー４で被測定磁場に対応する磁場を磁気共鳴部材１に対して効率良く印加して磁場測定を行うことができる。また、磁気共鳴部材１、高周波発生器２および磁石３とフラックストランスフォーマー４の磁束の向きとを相対的に配置しやすくなり、さらに、レーザー光を照射する空間が確保されやすくなる。

【0052】

次に、当該実施の形態に係る磁場測定装置の製造方法について説明する。

【0053】

まず、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、磁石３及びフラックストランスフォーマー４をそれぞれ用意する。

【0054】

次に、回路基板３１に高周波発生器２を取り付ける。また、小型化の観点から、ＳｉＣ等の半導体基板が利用される場合、高周波発生器２がその基板に一体的に実装される。

【0055】

次に、高周波発生器２が取り付けられる回路基板３１と、磁気共鳴部材１と、プリズム４１と、および治具４２とを互いに組み合わせる。その際、磁気共鳴部材１が高周波発生器２の中心部に配置されるように組み立てられ、同時に、磁気共鳴部材１の欠陥の配列方向の１つが、高周波発生器２の開口部２ｃの中心に向かうように組み立てられる。これにより、磁気共鳴部材１の少なくとも一つの外面に対して、高周波発生器２から発生された磁束が垂直になるようになる。

【0056】

さらに、高周波発生器２、回路基板３１と、磁気共鳴部材１と、プリズム４１と、及び治具４２により構成されている組立物を、フラックストランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの中空部に挿入し、固定する。この時、磁気共鳴部材１が２次側コイル４ｂの中心エリアおよび中心区域に配置されるようにする。また、高周波発生器２の開口部２ｃの中心点も、２次側コイル４ｂの中心エリアおよび中心区域に配置されるようにする。また、高周波発生器２から発生されている磁束と、２次側コイル４ｂから発生されている磁束とが垂直となるように、各部の向きや位置が調整される。

【0057】

さらに、トランスフォーマー４の２次側コイル４ｂの外側に磁石３を取り付ける。また、照射装置１２を別途設置して固定する。

【0058】

また、フラックストランスフォーマー４と磁石３とを、中心軸が一致するように、先に組立てて、その後、それらを、高周波発生器２、回路基板３１、磁気共鳴部材１、プリズム４１、および治具４２により構成されている組立物に対して組み付けるようにしてもよい。

【0059】

上記の製造方法により、磁気共鳴部材１、高周波発生器２および磁石３と、フラックストランスフォーマー４の磁束の向きとを段階的に調整でき、相対的に配置しやすく、組み立てた後で煩雑な調整を行う必要がなくなる。

【0060】

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

【0061】

例えば、上記実施の形態では、２次側コイル４ｂが磁石３の中空部に配置されているが、磁石３が２次側コイル４ｂの中空部に配置されるようにしてもよい。

【0062】

また、上記実施の形態において、リング型磁石としての磁石３の厚みは、２次側コイル４ｂ（あるいはボビン４ｂ１）の厚みと同一としてもよい。

【0063】

さらに、上記実施の形態において、磁石３は電磁石でもよい。

【産業上の利用可能性】

【0064】

本発明は、例えば、磁場測定装置および磁場測定方法に適用可能である。

【符号の説明】

【0065】

１ 磁気共鳴部材
２ 高周波磁場発生器
３ 磁石
４ フラックストランスフォーマー
４ａ １次側コイル
４ｂ ２次側コイル
１１ 高周波電源
１２ 照射装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】