特許 7525117 材料応答を検出する方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】材料応答を検出する方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/90 20210101AFI20240723BHJP

【ＦＩ】

G01N27/90

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021503003

(86)(22)【出願日】2019-07-11

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-11-11

(86)【国際出願番号】 GB2019051953

(87)【国際公開番号】W WO2020016557

(87)【国際公開日】2020-01-23

【審査請求日】2022-06-30

(31)【優先権主張番号】1811928.9

(32)【優先日】2018-07-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(31)【優先権主張番号】1813858.6

(32)【優先日】2018-08-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】509251143

【氏名又は名称】エヌピーエル マネージメント リミテッド

(73)【特許権者】

【識別番号】505105327

【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・オブ・ストラスクライド

(74)【代理人】

【識別番号】110002321

【氏名又は名称】弁理士法人永井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チャルザック，ウィトルド

(72)【発明者】

【氏名】ガートマン，ラファル

(72)【発明者】

【氏名】ベビントン，パトリック

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１２１４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５０７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－００７６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０８５１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８５２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００１０６２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１４０７９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００２８９４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１９７３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６８４２０７４（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２２／００ － Ｇ０１Ｎ ２２／０４

Ｇ０１Ｎ ２４／００ － Ｇ０１Ｎ ２４／１４

Ｇ０１Ｎ ２７／７２ － Ｇ０１Ｎ ２７／９０９３

Ｇ０１Ｒ ３３／００ － Ｇ０１Ｒ ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料応答を検出する方法であって、
振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させるステップと、
前記試料の表面にほぼ直交する方向の前記振動一次磁場および前記二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させるステップと、
前記原子磁力計を用いて前記二次磁場を検出して前記材料応答を検出するステップとを含み、
前記試料の表面にほぼ直交する方向の前記振動一次磁場および前記二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させる前記ステップが、
前記試料の前記表面にほぼ直交する成分を含む前記原子磁力計における補償磁場を与えるステップ、及び／又は、
前記原子磁力計の非受感軸を前記試料の前記表面にほぼ直交させ、前記振動一次磁場の方向に合わせるステップを含む、方法。

【請求項2】

前記振動一次磁場は、前記試料の前記表面にほぼ直交する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記補償磁場はＢｚ’＋ｂｚ＝０であるように与えられ、Ｂｚ’は前記試料の前記表面にほぼ直交する

の成分であり、ｂｚは前記試料の前記表面にほぼ直交する前記二次磁場の成分であり、

であり、

は前記振動一次磁場であり、

は前記補償磁場である、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記補償磁場は、前記試料の前記表面にほぼ平行な第１の方向の成分を含み、前記第１の方向の前記振動一次磁場の成分の前記影響を減少させるようになっている、請求項１～３に記載の方法。

【請求項5】

前記原子磁力計は、バイアス磁場を含み、前記方法は、前記バイアス磁場を前記試料の前記表面にほぼ直交する方向に合わせるステップを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記試料の前記表面にほぼ平行な第１の方向の成分を含む前記原子磁力計における補償磁場を与えるステップを含み、前記補償磁場は、前記第１の方向の前記振動一次磁場の成分の前記影響を減少させる、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

Ｂｙ’＝０であり、Ｂｙ’は前記第１の方向の

の成分であり、

であり、

は前記振動一次磁場であり、

は前記補償磁場である、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記補償磁場は、前記試料の前記表面にほぼ平行な第２の方向の成分を含み、前記第２の方向は、前記第１の方向にほぼ直交し、前記補償磁場は、前記第２の方向の前記振動一次磁場の成分の前記影響を減少させる、請求項６または７に記載の方法。

【請求項9】

材料応答を検出するシステムであって、
振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させる磁場源と、
前記材料応答を検出するために前記二次磁場を検出する原子磁力計とを備え、
前記試料の表面にほぼ直交する主方向の前記振動一次磁場および前記二次磁場の成分が前記原子磁力計に及ぼす影響を減少させるように構成されており、
前記システムは、前記主方向の成分を含む前記原子磁力計における補償磁場を与える補償磁場源を備え、及び／又は、前記原子磁力計は、前記主方向の前記振動一次磁場に沿って配置された非受感軸を有する、システム。

【請求項10】

前記原子磁力計は、前記主方向にバイアス磁場を与えるように構成されたバイアス磁場源を備える、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記主方向にほぼ直交する第１の方向の成分を含む前記原子磁力計における補償磁場を与える補償磁場源を含み、前記第１の方向の前記振動一次磁場の成分の前記影響を減少させるようになっている、請求項９または１０に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、材料応答を検出する方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

［非特許文献１］A. Wickenbrock, S. Jurgilas, A. Dow, L. Marmugi, and F. Renzoni, Opt. Lett. 39, 6367 (2014).
［非特許文献２］C. Deans, L. Marmugi, S. Hussain, and F. Renzoni, Appl. Phys. Lett. 108, 103503 (2016).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明の態様は、試料の表面にほぼ直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させて材料応答を検出する方法およびシステムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の一態様によれば、材料応答を検出する方法であって、
振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させるステップと、
試料の表面にほぼ直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させるステップと、
原子磁力計を用いて二次磁場を検出して材料応答を検出するステップとを含む方法が提供される。

【0005】

本発明の一態様によれば、材料応答を検出するシステムであって、
振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させる磁場源と、
材料応答を検出するために二次磁場を検出する原子磁力計とを備え、
システムは、試料の表面にほぼ直交する主方向の一次磁場および二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させるように構成されている、システムが提供される。

【0006】

本発明の実施形態の任意選択の特徴は、従属請求項において提供される。

【0007】

本発明の一態様によれば、材料応答を検出する方法であって、
振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させるステップと、
原子磁力計のバイアス磁場を変調するステップと、
原子磁力計を用いて二次磁場を検出して材料応答を検出するステップとを含む方法が提供される。

【0008】

いくつかの実施形態では、一次磁場の振動の周波数は一定である。

【0009】

いくつかの実施形態では、バイアス磁場の変調の周波数は、好ましくは一桁だけ、一次磁場の振動の周波数よりも小さい。

【0010】

いくつかの実施形態では、方法は、二次磁場の検出に応答して原子磁力計によって与えられた信号を復調して振幅および／または位相を決定するステップを含む。

【0011】

いくつかの実施形態では、方法は、一次磁場の振動の周波数を参照して二次磁場の検出に応答して原子磁力計によって与えられる信号を復調して一部復調された信号を与えるステップを含む。

【0012】

いくつかの実施形態では、方法は、バイアス磁場の変調の周波数を参照して一部復調された信号を復調して、二次磁場の検出に応答して原子磁力計によって与えられる信号の振幅および／または位相を決定するステップを含む。

【0013】

本発明の一態様によれば、材料応答を検出するシステムであって、
材料応答を検出するために二次磁場を検出する原子磁力計であって、バイアス磁場を与えるバイアス磁場源を備える原子磁力計と、
バイアス磁場を変調する変調器とを備えるシステムが提供される。

【0014】

いくつかの実施形態では、システムは、振動一次磁場を与える一次磁場源を備える。

【0015】

いくつかの実施形態では、システムは、二次磁場の検出に応答して原子磁力計によって与えられる信号の振幅および／または位相を決定する復調器配列を備える。

【0016】

いくつかの実施形態では、復調器配列は、二次磁場の検出に応答して原子磁力計によって与えられる信号を受信する受信器を備え、一部復調された信号を与えるようにある一次磁場または上記一次磁場の振動の周波数を参照して信号を復調するように構成されている。

【0017】

いくつかの実施形態では、復調器配列は、変調器から変調信号を受信する受信器を備え、一部復調された信号の振幅および／または位相の決定を可能にするために変調信号を参照して一部復調された信号を復調するように構成されている。

【0018】

いくつかの実施形態では、バイアス磁場源は、コイル配列を備える。

【0019】

独立した方法の請求項に係る方法および本発明の他の態様に係る方法、ならびにさらに、任意選択で、従属請求項のうち任意の１つまたは複数の特徴および／または本発明の態様の任意選択の特徴は、本発明のいくつかの実施形態において、組み合わされてもよい。

【0020】

独立したシステムの請求項に係るシステムおよび本発明の他の態様に係るシステム、ならびにさらに、任意選択で、従属請求項のうち任意の１つまたは複数の特徴および／または本発明の態様の任意選択の特徴は、本発明のいくつかの実施形態において、組み合わされてもよい。

【0021】

材料応答は、一次磁場に対する試料の応答であってもよく、これは、原子の応答、磁化、渦電流、および他の応答を含み得る。二次磁場は、材料応答を示してもよく、いくつかの実施形態では、材料応答は、二次磁場を含んでもよく、または二次磁場であってもよい。

【0022】

補償磁場を与えるステップは、補償磁場を発生させるように補償コイル配列を動作させることを含んでもよい。

【0023】

いくつかの実施形態では、方法は、一次磁場および／または二次磁場の１つまたは複数の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させるように、補償コイル配列の１つまたは複数のコイルの原子磁力計の検出セルからの１つまたは複数の距離を変更または調整するステップを含んでもよい。例えば、一次磁場および／または二次磁場のいずれかの成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させるために、方法は、その成分の方向に軸を有する補償コイルの検出セルからの距離を変更または調整するステップを含んでもよい。

【0024】

好ましくは、補償磁場は、振動磁場である。

【0025】

好ましくは、補償磁場は、一次磁場と同じ周波数で、それらの間で一定の位相差を維持するように、振動するようになされる。

【0026】

試料の表面にほぼ直交する振動一次磁場を与えて試料に二次磁場を発生させるステップは、ｒｆコイル配列を動作させて一次磁場を与えることを含み得る。

【0027】

各実施形態では、振動一次磁場を与える磁場源は、塊状鉄心を有するまたは有さないｒｆコイルを含む。

【0028】

各実施形態では、一次磁場は、あるｒｆ周波数、例えば１Ｈｚから１ＧＨｚの範囲内で振動する。

【0029】

いくつかの実施形態では、振動一次磁場を与える磁場源は、完全に試料表面の片側に配設されるように構成されてもよい。

【0030】

いくつかの実施形態では、システムは、完全に試料表面の片側に配設されるように構成されてもよい。

【0031】

方法および／またはシステムは、様々な目的のために、例えば、材料欠陥のイメージングのためにならびに／または材料の電気伝導率および透磁率を検出するために、材料応答を検出するものであり得る。いくつかの実施形態では、方法および／またはは、保温材下腐食（ＣＵＩ：Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｕｎｄｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）検出のために使用することができる。いくつかの実施形態では、方法および／またはシステムは、鉄筋コンクリート構造の状態の検出のために使用することができる。いくつかの実施形態では、方法および／またはシステムは、物体の位置特定のために使用することができる。

【0032】

各実施形態では、原子磁力計は、高周波原子磁力計である。

【0033】

いくつかの実施形態では、試料は高透磁率を有し、二次磁場は二次磁化によって支配される。しかしながら、他の実施形態（高伝導性の試料）では、二次磁場は、渦電流によって発生する場によって支配される。

【0034】

いくつかの実施形態は、高周波原子磁力計を用いた材料欠陥のイメージングの改善を提供することができる。

【0035】

以下に、本発明の各実施形態を、添付図面を参照して単に例示として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1(a)】本発明の一実施形態による材料応答を検出するシステムを示す図である。

【0037】

【図1(b)】セシウムの遷移を示す図である。

【0038】

【図1(c)】いくつかの例での二次磁場の形成のされ方を示す図である。

【0039】

【図2】図１の実施形態においてコイルが凹所の中央を通ってｙ軸に沿って移動させられるときの二次の場の成分ｂ_ｙおよびｂ_ｚのシミュレーション（赤色の破線および青色の実線でそれぞれ表示されている）を示す図である。凹所境界内のｂ_ｙおよびｂ_ｚの最大値は、ｂ_{ｙ，ｍａｘ}およびｂ_{ｚ，ｍａｘ}と呼ばれる。

【0040】

【図3】一次の場の成分の様々な振幅について磁力計によって記録された凹所にわたる磁気共鳴信号の信号位相（黒色の点線）および振幅（赤色の実線）のモデル化された変化を示す図である。画像配列の垂直軸は垂直成分の変化を表し、一方、水平軸は一次の場の水平成分の変化を表す。振幅は、ｂ_{ｙ，ｍａｘ}およびｂｚ，ｍａｘの単位で表される。

【0041】

【図4】補償点から垂直コイル（蒸気セルの上方の補償コイル）の異なる位置について測定された（ａ）振幅および（ｂ）位相コントラストを示す図である。垂直コイルの位置ごとに、水平コイルの位置は、対称的なプロファイルを実現するように調整された。（ａ）における緑色の正方形は、ｒｆ分光信号振幅の変化を表す。青色／赤色の実線は、補償場が無いときの振幅／位相コントラストを示す。

【0042】

【図5】（ａ）～（ｃ）／（ｇ）～（ｉ）：補償点のまわりの補償ｒｆ場の水平成分の３つの値について記録された深さ２．４ｍｍである直径２４ｍｍの凹所を含む厚さ６ｍｍの炭素鋼板の６４×６４ｍｍ^２の面積にわたるｒｆ分光信号の振幅／位相の測定された変化を示す図である。 （ｄ）～（ｆ）／（ｊ）～（ｌ）：振幅／位相画像の中央を通る垂直断面を示す図である。 画像は、１１４．２ｋＨｚで記録されていた。

【0043】

【図6】本発明の別の実施形態による実験装置を示す図である。

【0044】

【図7】（ａ）ｒｆ場補償無し、（ｂ）２つのｒｆコイル（図１）を用いて行われる補償有り、（ｃ）回転したバイアス磁場および補償コイル（図６）有りという３つの測定構成を用いて記録された深さ２．４ｍｍである直径２４ｍｍの凹所を含む厚さ６ｍｍのＡｌ板の６４×６４ｍｍ^２の面積にわたるｒｆ分光信号の振幅の測定された変化を示す図である。

【0045】

【図8】本発明の一実施形態のシステム図である。

【0046】

【図9】スキャンニングのグラフを示す図である。

【0047】

【図10】本発明の各実施形態のシステム図である。

【0048】

【図11】本発明の各実施形態のシステム図である。

【発明を実施するための形態】

【0049】

本発明の各実施形態では、構造上の欠陥のイメージングは、高周波原子磁力計を用いて高周波励起場に対する材料応答を記録することによって実現することができる。以下に、常磁性試料および強磁性試料における構造上の欠陥を表す画像の振幅および位相コントラストの増大を可能にする測定構成の２つの例を説明する。両方の例は、原子磁力計信号から励起場の成分をなくすことを伴う。第１の例は、磁力計信号における励起場を直接補償する１セットのコイルを用いて実施される。第２の例は、高周波磁力計がその軸の１つに沿って振動する磁場に敏感でないことを利用する。実験観察を確認するモデル化の結果が、詳細に説明される。

【0050】

ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｒｅｓｅａｒｃｈｇａｔｅ．ｎｅｔ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／３２６０６０４６７＿Ｎｏｎ－Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ＿Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ＿Ｉｍａｇｉｎｇ＿ｏｆ＿Ｓｔｅｅｌｗｏｒｋ＿ｗｉｔｈ＿Ａｔｏｍｉｃ＿Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓに見ることができるＢｅｖｉｎｇｔｏｎ、Ｐａｔｒｉｃｋ＆Ｇａｒｔｍａｎ、Ｒａｆａｌ＆Ｃｈａｌｕｐｃｚａｋ、Ｗｉｔｏｌｄ＆Ｄｅａｎｓ、Ｃａｍｅｒｏｎ＆Ｍａｒｍｕｇｉ、Ｌｕｃａ＆Ｒｅｎｚｏｎｉ、Ｆｅｒｒｕｃｃｉｏ（２０１８年）、「Ｎｏｎ－Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｓｔｅｅｌｗｏｒｋ ｗｉｔｈ Ａｔｏｍｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ」（論文１）の参照がなされ、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

【0051】

Ｂｅｖｉｎｇｔｏｎ、Ｇａｒｔｍａｎ＆Ｃｈａｌｕｐｃｚａｋ、「Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ」、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ９０、０１３１０３（２０１９年）；ｄｏｉ １０．１０６３／１．５０５３９５９（論文２）の参照もなされ、そのバージョンは、付属文書１として英国特許出願番号ＧＢ１８１１９２８．９およびＧＢ１８１３８５８．６に添付されたものであり、これにより優先権が主張され、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

【0052】

論文１および論文２は、本発明の内容を与え、論文１または論文２に記載された構造または方法の特徴、あるいは応用のいずれも、修正または追加によって本発明の各実施形態に適用可能である。

【0053】

非破壊検査における高周波磁場の実施は、特に研究試料の表面へ直接アクセスできない場合に、構造上の欠陥を検出するための費用対効果が高い選択肢を提供する。この技法は、ｒｆコイルによって生成されるいわゆる一次磁場

に対する材料応答を監視するステップを含んでもよい［１］。材料応答は、様々なやり方で検出することができる。伝統的には、これは、ｒｆコイル（または専用のピックアップコイル）のインピーダンスを監視することによって実現される［１～５］。しかしながら、このタイプの測定における計測装置の使用の簡潔さを、低周波における信号感度の劣化が上回る。他の選択肢は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）磁力計［６～８］、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）［９～１０］、および高周波磁力計［１１～１４］などの磁気センサの実施を含む。磁場センサは、媒体中のいわゆる二次磁場

の応答を直接監視する。二次の場は、高伝導性の試料中に励起された渦電流、または高透過率を有する試料中に誘起された磁化を通じて一次磁場によって発生し［１５］、試料内の不均質性／構造上の欠陥のシグネチャを含む。

【0054】

本発明の各実施形態は、ｒｆ原子磁力計を利用し、材料欠陥のイメージングに使用することができる。

【0055】

上述したように、本発明の各実施形態は、システムの出力の振幅および／または位相コントラストを増大させる。

【0056】

いくつかの実施形態では、これは、試料の表面にほぼ直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させることによって実現される。これは、原子磁力計信号から試料の表面にほぼ直交する方向の一次の場および二次の場の成分をなくすことを共に伴う２つの実施形態に関連して以下に説明される。

【0057】

磁力計信号から一次の場の成分をなくすことは画像の位相／振幅コントラストをかなり大きく増大させることが本明細書に示される。これにより、大きい面積の試料の非破壊検査において欠陥を比較的素早く示すことをもたらすことができる。この概念は、常磁性（アルミニウム）試料および強磁性（炭素鋼）試料の内容で調査される。

【0058】

図１（ａ）に見ることができるように、本発明の一実施形態は、高周波原子磁力計１２とｒｆ周波数で振動する一次磁場を与える一次磁場源１４とを備えるシステム１０を含む。本実施形態では、一次磁場源１４はｒｆコイルであるが、他の磁場源が他の実施形態において使用され得る。

【0059】

本実施形態では、ｒｆコイル１４は、２ｍｍのプラスチック芯（内径）に巻かれ、４ｍｍの幅（外径）および１０ｍｍの長さを有する、０．０２ｍｍの電線を用いた１０００回巻きコイルである。

【0060】

試料は、（必ずしもそれほど電気的に伝導性ではないが）電気的に伝導性であるべきであり、および／または試料が磁化され得るように透磁率を有するべきである。

【0061】

ｒｆコイル１４は、それが試料１６に隣接しているが、完全に試料１６の片側にあり、試料１６と重なり合わない関係で配置され得るように構成され、振動一次磁場を発生させて試料に二次磁場を発生させるように動作することができる。二次磁場は、試料の材料応答を示す。図１（ｃ）の参照がなされる。

【0062】

原子磁力計は、二次磁場を検出するように構成されている。

【0063】

強磁性のターゲットが、以下の２タイプの二次の場を発生させることは、注目に値する。
・ 印加される一次の場と同じ方向の二次磁場（二次磁化）、および
・ 印加された一次の場と反対方向の渦電流により誘起された磁場（渦電流により誘起された磁場）

【0064】

図１（ａ）は、実験装置の主要な構成要素を示す。この例では、ｒｆコイルによって生成された一次の場により試料（この場合には、直径４８ｍｍおよび深さ２．４ｍｍを有する凹所を備えたＡｌ板）中に励起された渦電流によって二次磁場が発生する。原子磁力計信号は、ｒｆコイルおよび二次磁場により発生する一次の場によって生成される成分を通常組み合わせる。

【0065】

この説明では、ｚ方向は、試料の表面に直交する方向であり、ｘ方向およびｙ方向は、試料の表面に平行な相互に直交する方向である。

【0066】

原子磁力計の詳細は、Ｗ．Ｃｈａｌｕｐｃｚａｋ、Ｒ．Ｍ．Ｇｏｄｕｎ、Ｓ．Ｐｕｓｔｅｌｎｙ、およびＷ．Ｇａｗｌｉｋ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１００、２４２４０１（２０１２年）に記載されており、これは、参照により全体として本明細書に組み込まれる。実験装置は、［１７、１５］に説明されたものと同様であるので、ここでは、いくつかの構成要素だけが簡潔に説明される。

【0067】

原子磁力計１２は、検出セル２０を備え、この検出セル２０は、本実施形態では、室温のセシウム原子蒸気（これに関して、原子密度ｎ_Ｃｓ＝３．３×１０^１０ｃｍ^－３）を収容する１ｃｍ^３のパラフィンでコーティングされたガラスセルである。

【0068】

磁力計は、バイアス磁場方向に検出セル２０におけるバイアス磁場２６を与えるように構成されたバイアス磁場源２４（図１（ａ）に図示せず）を備える。

【0069】

周囲の場および試料によって生成される任意の残留直流磁場の能動的な補償を実行するために、磁力計は、蒸気セル２０の隣に位置するフラックスゲート２５と、３つのＰＩＤユニット（本実施形態では、ＳＲＳ９６０）とを含む。本実施形態では、フラックスゲートは、Ｂａｒｔｉｎｇｔｏｎ社のＭａｇ６９０である。周囲の場の受動的および能動的な補償に関しては、ｒｆスペクトルプロファイルの線幅は、約３０Ｈｚである。小サイズの検出セル２０は、周囲の場の勾配に対する部分的な耐性を与えることができる。

【0070】

磁力計は、バイアス磁場２６に沿って伝播するセシウム６^２Ｓ_１／２Ｆ＝３→６^２Ｐ_３／２Ｆ’＝２の遷移（Ｄ２線、８５２ｎｍ）に周波数ロックされた（本実施形態では３７７μＷにおける）円偏光したポンプレーザビーム２８を用いて検出セル２０内の原子をポンピングするように構成されたポンプレーザ２２を備える。

【0071】

原子磁力計は、ポンプビームに位相オフセットロックされるとともにバイアス磁場２６に直交する直線偏光したプローブレーザビーム３２を用いて検出セル２０内の原子スピン歳差運動をプローブで探るように構成されたプローブレーザ３０を備える。

【0072】

原子磁力計は、検出セル２０を通過した後のプローブレーザビームを受信し、ファラデー回転を検出するように構成された平衡偏光計（ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）３４を備える。平衡偏光計は、ファラデー回転の検出を示す電子出力信号を与えるように構成されている。

【0073】

ｒｆコイル１４の軸は、ポンプビームとプローブビームの両方に直交する。

【0074】

システム１０は、ｒｆ周波数で振動する電流をそこに与えることによってｒｆコイル１４を動作させて一次磁場を発生させ、ｒｆコイル１４内の電流の周波数および位相を制御し、それによって一次磁場の周波数および位相も制御するように構成されたロックインアンプ３６（図１（ａ）に図示せず）の形態で一次の場の振動コントローラを備えるとともに、原子磁力計の平衡偏光計からの出力信号を受信する受信器を備える。これは、必ずしも全ての実施形態において必須ではないが、ロックインアンプ３６は、周波数変調された電流をｒｆコイルに与えて周波数変調された一次磁場をもたらすように構成されてもよい。ロックインアンプは、ｒｆコイル１４の電流の周波数または変調を参照して平衡偏光計からの出力信号を復調し、例えば、第１の出力信号をコンピュータに与えて信号の振幅および／または位相を得るように構成されている。それによって、ロックインアンプは、復調器として働く。コンピュータは、信号の振幅を使用して試料の材料応答を検出し、場合によっては、材料欠陥のイメージングを行うことができる。

【0075】

いくつかの実施形態では、コンピュータは、ロックインアンプ３６から第１の出力信号を受信し、そこから試料の伝導率および／または透過率の変化を決定する受信器を備えることができる。

【0076】

本実施形態は、ｙ方向およびｚ方向に沿った静的な場がゼロにされ、ｘ方向に沿ったバイアス場が、寸法がそれぞれ１ｍ、０．９４ｍ、および０．８８ｍ（最大コイル長さ１ｍ）である３対の相互に直交する入れ子になった正方形ヘルムホルツコイル［１８］によって生成される、磁気的にシールドされていない環境を使用する。ヘルムホルツコイルは、周囲磁場を能動的および受動的に補償し、雑音を下げ、バイアス磁場の方向および強度を安定化および調整するためにコイル配列を形成する。言い換えれば、コイル配列は、バイアス磁場源を与える。

【0077】

測定信号は、試料がｒｆコイル（図１（ａ））の下で移動するときに、ｒｆ原子磁力計によって記録されたｒｆ共鳴スペクトルの位相および振幅の変化からくる。

を発生させるｒｆコイルは、ロックインアンプ３６の内部参照の出力によって駆動される。

【0078】

図示および説明される実験装置では、試料が、２次元コンピュータ制御式平行移動ステージに固定される。試料１６は、セルから約３０ｃｍに位置し、コイルは、セルと同じ軸上で試料表面の上方１ｍｍ～２ｍｍに配置される。

【0079】

バイアス場

の強度は、システムの動作周波数（本実施形態では１２．６ｋＨｚであるが、他の周波数、例えば、１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚの範囲内の周波数が使用されてもよい）、言い換えれば、磁気共鳴の周波数、および必要な一次の場の周波数を定める。

【0080】

動作時、コヒーレントな原子スピン歳差運動は、ｒｆ場によって駆動される。一次の場および二次の場の重ね合わせは、この運動を変え、これは、バイアス磁場２６に直交して伝播する直線偏光したプローブレーザビーム３２を用いてプローブで探られる。Ｃｓ原子は、バイアス磁場

に沿って伝播するＣｓ６^２Ｓ_１／２Ｆ＝３→６^２Ｐ_３／２Ｆ’＝２遷移（Ｄ２線、８５２ｎｍ）にロックされた円偏光したポンプレーザ２２を用いて伸縮状態（Ｆ＝４、ｍ_ｆ＝４）に光学的にポンピングされる。プローブビーム（３０μＷ）は、ポンプビームに位相オフセットロックされ、それを６^２Ｓ_１／２Ｆ＝４→６^２Ｐ_３／２Ｆ’＝５遷移（Ｄ２線、８５２ｎｍ）から５８０ＭＨｚの青色シフトにする。Ｃｓ原子のコヒーレントなスピン歳差運動は、プローブビームの偏光（ファラデー回転）に結び付けられ、これは平衡偏光計を用いて検出され、次いで、その信号は、ｒｆ場の位相に関連付けられたロックインアンプ３６によって処理される。

【0081】

イメージングのために、これは、試料またはシステムが移動するときに、試料表面の画素ごとに実行することができる。

【0082】

上述した特定の原子磁力計が、使用できる原子磁力計の唯一のタイプでなく、例えば、異なる検出セル、異なる寸法、異なる出力、異なるレーザ周波数、および異なる遷移が、必要に応じて、用いられてもよいと、当業者は理解するであろう。詳細には、Ｃｓ原子以外の原子が、固体状態、液体、および／または蒸気の形態で使用されてもよく、それに応じて周波数および出力が調整されてもよい。さらに、ポンピング、場の発生、平行移動、およびプローブビーム検出の手段は、変更されてもよい。例えば、ポンプおよびプローブサブシステムは、１つ、２つ、３つ、またはそれよりも多くのレーザを使用してポンピングおよびプロービングを行ってもよく、ビームの偏光は、いくつかの実施形態において変更されてもよい。平衡偏光計は、任意のプローブビーム検出器に置き換えられてもよく、好ましくは、このプローブビーム検出器は、プローブビームの偏光および／または振幅を検出することができる光検出器である。

【0083】

発明者らは、以前、アルミニウム板内の凹所が発生させる空間プロファイルの形状を解析した［１５］。このプロファイルは、原子磁力計によって記録されたｒｆ分光信号の位相および振幅の変化を表す。それは、一次磁場および二次磁場からの寄与を含む。磁力計信号の強い一次の場の寄与により、二次の場の２つの直交成分ｂ_ｚおよびｂ_ｙは、それぞれｒｆ分光信号の振幅および位相へマッピングされることになる。発明者らは、試料表面に平行な二次の場の成分ｂ_ｙが、表面クラック（凹所）のすぐ近くでその符号を変化させることに注目した。強い一次の場の結果として、ｒｆ原子磁力計によって記録される結果として得られる場の変化は、二次の場の成分の方向フリップ（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｌｉｐ）を示すが、観察されるｒｆ信号位相の変化は、ｂ_ｙの実際の変化よりも小さい。

【0084】

図１（ａ）を再び参照すると、本発明の本実施形態では、システムは、試料１６の表面にほぼ直交する方向の一次の場および二次の場の磁場の成分が原子磁力計に及ぼす影響を減少させ、好ましくはなくす、試料１６の表面にほぼ直交する成分を含む補償磁場とも呼ばれる振動補償磁場を原子磁力計で、具体的には検出セル２０で与える補償磁場源４０を備える。詳細には、補償磁場は、

の励起の効率を変更することなく、原子磁力計蒸気セルによって監視される結果として得られる場への一次の場の寄与を補償する。

【0085】

図１（ａ）から分かり得るように、本実施形態では、補償磁場源４０は、第１の補償コイル４２と第２の補償コイル４４とを備える補償コイル配列である。

【0086】

第１の補償コイル４２は、試料１６の表面にほぼ直交する磁場を、原子磁力計で、具体的には検出セル２０で与えるように、試料１６の表面に直交する方向であるｚとほぼ一致する軸を有する。

【0087】

本実施形態では、検出セル２０は、ｒｆコイル１４と第１の補償コイル４２との間に位置するが、これは、必ずしも全ての実施形態において必須ではない。

【0088】

第２の補償コイル４４は、試料１６の表面にほぼ平行でありかつバイアス場方向にほぼ直交する磁場を原子磁力計で、具体的には検出セル２０で与えるように、試料１６の表面に平行でありかつバイアス場方向にほぼ直交する方向であるｙとほぼ一致する軸を有する。

【0089】

本実施形態では、検出セル２０は、プローブレーザ３０と第２の補償コイル４４との間に位置し、第２の補償コイル４４は、検出セル２０と平衡偏光計３４との間に位置するが、これは、必ずしも全ての実施形態において必須ではない。

【0090】

補償コイル配列４０は、検出セル２０において補償磁場

を与えるように構成されている。

【0091】

言い換えれば、ｚ方向およびｙ方向に沿って向けられた２つのｒｆコイルのセット（図１（ａ））は、原子磁力計によって見られる一次の場を補償する振動磁場

を生成する。コイルは、

を発生させるために使用される同じロックインアンプ３６の内部参照の出力によって駆動される。これは、場

と

との間に一定の位相差を維持する。

【0092】

言い換えれば、一次の場は、ｚ方向およびｙ方向に沿って向けられた２つのｒｆコイルのセットによって蒸気セル内で補償される。

【0093】

しかしながら、以下に説明される理由のために、ｚ方向の二次磁場の成分も補償される。

の２つの成分の振幅は、蒸気セルからの関連コイルの距離を変えることによって変更することができる。

【0094】

ｒｆ原子磁力計によって監視される結果として得られる磁場は、一次の場、二次の場、および補償場、言い換えれば

からの成分を含む。

【0095】

この構成は、ｙｚ平面内のｒｆの振幅および位相（向き）の決定を可能にする。ｒｆ分光信号の振幅

および位相

は、ｂ_ｚ＋Ｂ’_ｚおよびｂ_ｙ＋Ｂ’_ｙがｒｆ信号の２つの直角位相成分である結果として得られる場の変化を説明する。

【0096】

伝導性試料における凹所（図１（ａ））の中央にわたる

方向のｒｆコイル位置の１次元スキャンの場合には、

のモデルで始まる（当業者は、同様の議論は、以下の通り、ある透磁率を有する試料についての磁化に基づいてなされ得ることを理解するであろう）。この幾何学的形態では、ｂ_ｙおよびｂ_ｚ成分だけが生成される。図２は、ｒｆコイル位置に対する二次ｒｆ場の成分の依存性を示す。均一な試料では、渦電流の流れは、円対称性を有し、

は、たった１つのゼロでない成分ｂ_ｚを有する［図２の青色の実線］。凹所のすぐ近くで、渦電流の流れの対称性は破れ、ゼロでない成分

がｙｚ平面内に生成される［図２の赤色の破線］。渦電流の流れの非対称性は、凹所の他方の側に反映され、それによりｂ_ｙは反対符号になる。凹所の上方のｒｆコイルの場合には、より大きなリフトオフにより、板を通じた磁場束がより小さくなり、したがって、

は減少する。凹所境界内のｂｙおよびｂｚの最大値をｂｙ，ｍａｘおよびｂｚ，ｍａｘとして言及する。

【0097】

前に示したように［１５］、ｚに沿った強い一次の場

の存在下で、二次の場の成分の変化が、ｒｆ分光信号の振幅（ｂ_ｚ）および位相（ｂ_ｙ）へマッピングされる。原子磁力計によって監視される結果として得られる磁場の変化は、変化がずっとより大きい一次の場の上に現れるので、比較的小さい。

【0098】

より良い洞察を与えるために、ｚと

との両方に沿って

である場合を検討する。ここで、観察された振幅および位相コントラストは、それぞれＣ_Ｒ≦０．０５およびＣ_φ≦４°であると推定され、ただし、Ｃ_Ｒ＝（Ｒ_Ｍａｘ－Ｒ_Ｍｉｎ）／（Ｒ_Ｍａｘ＋Ｒ_Ｍｉｎ）、およびＣ_φ＝φ_Ｍａｘ－φ_Ｍｉｎであり、Ｒ_Ｍａｘ、Ｒ_Ｍｉｎ、φ_Ｍａｘおよびφ_Ｍｉｎは、関連する変数の最大値／最小値である（図３（ｃ）のコーナーのグラフを参照。これらの値は、Ｃ_Ｒ＝１およびＣ_φ＝１８０°のその最大よりもかなり低い。

【0099】

図３は、結果として得られる磁場に対する原子磁力計によって測定されたｒｆ分光信号の振幅および位相のシミュレートされた依存性を示す。原子磁力計によって監視される結果として得られる磁場

の一次の場の成分の完全な補償は、振幅および位相コントラスト［Ｃ_Ｒ＝０．４４およびＣ_φ＝１２４°、図３の中央グラフ］の増大をもたらすが、最大コントラスト値を生成しない。その理由は、

の場合に、信号振幅が

になり、高コントラスト成分ｂ_ｙがｂ_ｚのゆっくり変化するオフセットによって減少することにある（図２）。分子の符号および分母の特異点の変化があるときにだけ、ｒｆ分光信号の位相

は、１８０°だけ変化する。これは、

の軸成分に関して最大コントラストを実現するための条件は、Ｂ’_ｚ＋ｂ_{ｚ，ｍａｘ}＝０のときであることを示す。以下において、補償点として、Ｂ’_ｙ＝０と共にこの条件を指す。図３は、最大振幅および位相コントラストが、列ごとに、すなわち、Ｂ’_ｙの任意の値について、Ｂ’_ｚ＋ｂ_{ｚ，ｍａｘ}＝０の場合に観察されることを裏付ける。

【0100】

補償点から右／左に移動すると、負／正の参照レベルが追加になる。これは補償点の両側で観察されるプロファイルの対称的な変化をもたらす。振幅および位相コントラスト（Ｃ_Ｒ＝１、Ｃ_φ＝１８０°）は、｜Ｂ’_ｙ｜≦ｂ_{ｙ，ｍａｘ}である限り、補償点のすぐ近くで劣化しない。補償点のすぐ近くで、モデル化は、凹所エリアにわたってほぼ１８０°だけ磁気共鳴信号の位相跳躍を予測する。突然の位相変化の理由は、ｒｆ分光信号の位相を定めるアークタンジェント関数の分母における結果として得られるｒｆ場のｚ成分の存在である。

【0101】

発明者らは、厚さ６ｍｍのアルミニウムおよび炭素鋼板における凹所（直径２４．５ｍｍ、深さ２．４ｍｍ）の形態の欠陥にわたってスキャンされるｒｆコイルを用いて記録されたｒｆ分光信号の振幅および位相の変化を、ｒｆ磁場補償の実験的探査用の試験台として適合させた［１５］。補償点の実現から始める。実験上、これは、補償コイルと蒸気セル２０との間の距離を調整することによって実現される（図１（ａ））。蒸気セル２０の上方に位置するコイル（第１の補償コイル４２）は、一次の場を発生させるｒｆコイル１４に関する軸上に配置される。ｚに沿ったこのコイルの最適な位置は、ｒｆ分光信号の振幅を最小にすることによって確立される。他の補償コイル（第２の補償コイル４４）の位置は、３つの方向全てにおいて調整することができる。このコイルの存在は、かなり大きいｒｆ場が試料によって試料表面（この例では、水平面）に平行な面内に発生する強磁性の物体に関する測定において特に重要である。図３は、水平方向の補償により対称的な振幅および位相プロファイルという結果になることを示す。このファクタは、補償点についての調査に利用される。

【0102】

図４は、ｚに沿った補償点からの垂直コイルの距離の関数としての（ａ）振幅コントラストＣ_Ｒ（青色の菱形）、および（ｂ）位相コントラストＣ_φの変化を示す。測定は、厚さ６ｍｍのアルミニウム板を用いて行われた。図４（ａ）の緑色の正方形は、凹所の中央で測定されたｒｆ分光信号の変化を表す。両方のグラフは、補償点における最大コントラストの存在を裏付ける。参考までに、ｒｆ補償場無しで記録された振幅／位相コントラスト値［図４（ａ）／（ｂ）の青色／赤色の実線］を示す。

【0103】

図５（ａ）～（ｃ）／（ｇ）～（ｉ）は、補償ｒｆ場の水平成分の３つの値について記録された深さ２．４ｍｍである直径２４．５ｍｍの凹所を含む厚さ６ｍｍの炭素鋼板の６４×６４ｍｍ^２の面積の振幅／位相の画像を示す。振幅／位相の画像の中央を通る垂直断面が、図５（ｄ）～（ｆ）／（ｊ）～（ｌ）に示されている。それらは、図３の２行目から計算された振幅プロファイルに相当する。図５（ｂ）／（ｅ）、（（ｈ）／（ｋ）に示された場合は、補償点を表す。補償点の近くで、凹所によって生じた振幅画像は対称的であり、すなわち、２つの最大値は、立上がり縁部および立下り縁部に対応する。これは、磁化（Ｒ～｜ｂ_ｙ｜）により発生する二次の場の変化についてバックグラウンド基準を設定する一次の場を零にすることにより生じる。図５（ｂ）の明るさの最大値は、暗い輪によって囲まれており、言い換えれば、２つの凹所縁部によって生成されるプロファイルは、完全には対称的でない。これは、ｒｆ場に加えて、静磁場の不完全な補償により得る。静磁場の不完全な補償、すなわち、周囲磁場の変化は、原子磁力計の軸方向の変化に相当し、これは、観察された画像に影響を及ぼし得るものである［以下の段落、図７（ｂ）および（ｃ）を参照］。これは、動作周波数を増大させることによって最小にされ得る。試料の磁気応答は、ｒｆコイルのインダクタンスの変化の観点で考えられ得る。板にわたる磁化の不均質性は、一次の場の強度の変化として見られ、ｒｆ場の補償が局所的にだけ有効であることを意味する。磁力計によって監視されるｒｆ場の強度の変化は、バックグラウンドレベルの変化によって見ることができる。補償点の両側に、Ｒ＝｜ｂ_ｙ＋Ｂ’_ｙ｜［図５（ｄ）］からＲ～｜ｂ_ｙ｜［［図５（ｅ）］］を通ってＲ＝｜ｂ_ｙ－Ｂ’_ｙ｜［図５（ｆ）］への推移に関連した振幅プロファイルの形状および対称性の変化がある。位相コントラストは、我々が補償点から離れるように移動するときに（図５（ｇ）～（ｉ））減少する。重要なことには、位相がそのバックグラウンド値からはずれるエリアは、補償点から離れると減少する。これは、より大きいエリアにわたる位相変化の空間の積分に相当するので凹所により発生する位相変化は無形であり得るが故に、粗い空間ステップを伴う実際の測定結果となる可能性がある。

【0104】

ｒｆ補償の利益は、リフトオフ距離を６ｍｍ～７ｍｍに増加させた実験で示され得る。これに関する開始点は、標準的な構成（試料表面の上方１ｍｍ～２ｍｍに位置する一次の場（非ｒｆ補償）を発生させるｒｆコイル）における位相コントラストの測定である。厚さ６ｍｍのアルミニウム板における深さ２．４ｍｍである直径１２ｍｍの凹所の場合についての位相コントラストは、Ｃ_φ＝４０°である。リフトオフ（６ｍｍ～７ｍｍ）が増加すると、試料における一次の場の強度が減少する結果となり、したがって二次の場の強度が減少する。同時に、蒸気セルと試料との間の一定の距離について（図１（ａ））、原子磁力計によって監視される一次の場の成分は増大する。これは、記録された位相コントラストをＣ_φ＝２０°へ減少させる。補償ｒｆ場の調整に関して、初期の位相コントラスト値を回復するだけでなく、それをその最大値Ｃ_φ＝１８０°に増大させることもできた。

【0105】

上述した実施形態では、

は、方向ｙの成分を有するとともに、方向ｚの成分を有するが、これは、必ずしも全ての実施形態において必須ではない。例えば、ｚ方向のだけを補償することが可能である。上記実施形態では、これは、第２の補償コイル４４を省略できることを意味する。

【0106】

別の実施形態が、図６に示されている。図６の実施形態では、試料の表面にほぼ直交する方向の一次の場および二次の場の成分が原子磁力計に及ぼす影響は、原子磁力計の非受感軸を試料の表面にほぼ直交する方向に合わせることによって減少させられる。

【0107】

本実施形態の方法は、ｒｆ原子磁力計が静的なバイアス場の軸に沿って振動する磁場

（図１（ａ））に敏感でないことから利益を得る［１６］。好ましくは

の方向でもあるｚに沿って向けられた

について、Ｂ_ｚは、ｒｆ原子磁力計信号中に無く、測定構成は、補償された一次の場の成分を有するものに相当することになる。

【0108】

原子磁力計は、静磁場

の方向に沿って分極した原子蒸気中のこの場によってもたらされた原子のゼーマンコヒーレンス振幅の測定によって振動磁場の強度を評価する［１９］。

の方向に直交して振動する磁場だけが原子コヒーレンスを発生させることができるので、磁力計は、

の方向に沿ったｒｆ場に敏感でない。ｚに沿って合わされた

に関して、原子磁力計のこの特性は、補償条件の第１の部分Ｂ’_ｚ＋ｂ_ｚ＝０に等価であり、言い換えれば、磁力計信号には結果として得られるｒｆ場のｚ成分が無い。

【0109】

図６の実施形態は、多くの点で、説明されるようなものを除いて、図１（ａ）の実施形態と同じである。静的なバイアス磁場２６は、ｚに沿って向けられ、（ラーモア周波数約１２．６ｋＨｚに相当する）以前の測定に使用された同じ強度に設定される。ポンプレーザビーム２８は、バイアス磁場２６に沿って位置合わせされる。ヘルムホルツコイルがそれに応じて調整され、ｘ方向およびｙ方向に沿った静的な場をゼロにするように構成される。

【0110】

必ずしも全ての実施形態において必須ではないが、図６の実施形態では、システムは、試料表面（これ例では、一次の場の水平成分）に平行である一次の場の成分を補償するために補償磁場を与える１セットのｒｆコイル４０’も備える。これらの補償コイルの位置は、ｒｆ分光信号が最小にされるように変更される。補償コイル４０’は、第１の補償コイル４６と第２の補償コイル４４とを備え、この第２の補償コイル４４は、上述された通りである。第１の補償コイル４６は、試料表面にほぼ平行であり、バイアス場の方向およびプローブレーザの方向にほぼ直交する軸を有する。本実施形態では、第１の補償コイル４６の軸は、方向ｘにほぼ合わされている。補償コイル４０’を通る電流は、試料無しでｒｆ分光信号を最小にするように調整されており、言い換えれば、一次の場（Ｂ’_ｘ＝０およびＢ’_ｙ＝０）の水平成分を補償するように調整されている。これまでのように、ｒｆ原子磁力計によって監視される結果として得られる磁場は、一次の場、二次の場、および補償場、言い換えれば

からの成分を含む。

【0111】

図６の実施形態では、ｒｆ分光信号の振幅

および位相

は、二次の場の水平成分の振幅および位相の変化を反映する。

【0112】

言い換えれば、図６の実施形態は、ｚに沿って

を有する。ポンプレーザビームは、バイアス場の方向に沿って原子蒸気を向ける。一次の場の水平成分は、ｘ方向およびｙ方向に沿って向けられた２つのｒｆコイルのセットによって蒸気セル内で補償される。

【0113】

図７は、２つの説明した補償スキームの利益およびそれらの間の差異を示す。それは、（ａ）補償無し、（ｂ）２つのｒｆコイルを用いて行われる補償有り、および（ｃ）回転したバイアス磁場および補償コイル有りという３つの異なる構成において記録される深さ２．４ｍｍである直径２４ｍｍの凹所を含む厚さ６ｍｍのＡｌ板の６４×６４ｍｍ^２の面積の画像を示す。画像は、ｒｆ分光信号の振幅の変化を表す。前に述べたように、補償されていない場合について、（ａ）記録されたプロファイルは、二次の場の垂直成分の変化を示す。補償された場合では、画像は、二次の場の水平成分（ｂ）／成分（ｃ）を示す。画像の対称性の差異は、バイアス場の方向の変化により生じる。図７（ｂ）に示された場合では、

は、ｘ軸に沿って向けられ、したがって、その方向に平行な凹所縁部によってもたらされるシグネチャだけが、記録されたプロファイルに存在する（言い換えれば、

に平行な縁部は、磁力計によって見ることができる

に直交した振動する二次の場をもたらす）。図７（ｃ）に示された場合では、

は、ｚ軸に沿って向けられ、記録されたプロファイルは、凹所の外形全体を示す。３つの画像について前もって定められた通りに、振幅コントラストＣ_Ｒを計算した。各数字は、振幅画像において補償スキームの実施により構造上の欠陥をより容易に特定することが可能になることを裏付ける［（ａ）Ｃ_Ｒ＝０．０４、（ｂ）Ｃ_Ｒ＝０．７７、（ｃ）Ｃ_Ｒ＝０．７９］。修正された幾何学的形態の場合には、ｒｆ分光信号の位相が、凹所に中心がある渦を示す。

【0114】

渦電流ＮＤＴ測定において、原子磁力計によって記録されたｒｆ分光信号の振幅および位相の変化を表す画像のコントラストを改善する２つの方法が上に示されている。これらの方法は、１セットのコイルまたは測定の幾何学的形態のどちらかによって上の例で実施される原子磁力計によって監視される結果として得られるｒｆ磁場の成分の補償に基づいている。補償プロセスを通じて原子磁力計によって監視されるｒｆ信号の振幅の減少は、欠陥検出のための能力を損なわない。それどころか、補償された構成における信号位相の監視は、不均質性の明確な（１８０°の位相変化の）シグネチャの選択肢を与える。

【0115】

システムの出力の振幅および／または位相コントラストを増大させる別の実施形態において、バイアス磁場が変調される。これは、試料にほぼ直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分が磁力計に及ぼす影響を減少させることに加えるものであり得る、またはその代わりとなり得る。他の点において、本実施形態は、実質的に第１または第２の実施形態について説明された通りである。

【0116】

図８は、図１（ａ）および図６のシステムの概略システム図を示す。システムは、以下のように働く。
１．ロックインアンプ（１）３６の内部参照の出力は、ｒｆコイル１４に周波数変調された電流を発生させる。
２．コイル１４は、バイアス磁場（Ｂ_Ｂｉａｓ）内で検出セルにおける原子スピンの歳差運動を駆動する（一次）ｒｆ場を発生させる。
３．バイアス磁場強度は、共鳴ラーモア周波数（ω_Ｌ＝γＢ_Ｂｉａｓ）の値、原子スピンとｒｆ場との間に最大結合がある周波数を定める。
４．原子スピンの歳差運動を観察するために、非共鳴の直線偏光したプローブビーム３２が使用される。ビーム偏光方向は、ファラデー効果を介して原子スピン振動に結合される。偏光振動は、平衡偏光計３４によって電子信号に変換される。振動の振幅および位相は、（ｒｆコイル電流変調と関連付けられた）ロックインアンプ３６によって読み取られる。
５．原子スピン歳差運動の共鳴挙動を見るために、所与のバイアス磁場についての一次の場の周波数（図９の左のグラフ）をスキャンすることができ、または選ばれた一次の場の周波数についてのバイアス磁場（図９の右のグラフ）をスキャンすることができる。図９は、両方の例における結果がどのようになるかを示す。
６．試料がｒｆコイルのすぐ近くに配置されるとき、原子は、試料によって発生する二次の場の作用をさらに受ける。

【0117】

信号の位相および振幅
試料がｒｆコイルのすぐ近くで移動されるとき、一次の場と二次の場との間の干渉は、原子を駆動するｒｆ場の振幅および方向の変化を引き起こす。ｒｆ振幅の変化は、原子の応答の強度の変化へ移り、一方、ｒｆ場の方向の変化は、原子スピン振動の位相の変化へ移る。

【0118】

スキャン上の単一画素
最も簡単で最も高速の測定スキームでは、共鳴状態となるｒｆ場周波数設定し、試料が移動している間に原子信号の振幅および位相を測定することができる。発明者らは、非磁性であるアルミニウムを用いてこれを行ったが、鋼材試料は強磁性であり、強く磁化される。これによりバイアス磁場のシフトを引き起こし、上述したような能動的な場の補償でも、典型的には、シフトは、共鳴の線幅よりも大きい。シフトは、場の補償に使用される磁気プローブと原子セルとの間のゼロでない距離の結果である。

【0119】

この問題を解消するやり方の１つが図１０に示されているが、これは、遅い測定を伴う（時間：１画素あたり１０秒）。この方法は、以下の通りである。
１） ｒｆコイル１４の電流変調周波数をスキャンすることによって、Ｒｆ場周波数がスキャンされる。
２） 信号は、ロックイン１によって復調され、信号の同相および直角位相成分の変化が記録される。
３） コンピュータはデータをフィットし、このフィットから、信号の振幅および位相が抽出される。

【0120】

しかしながら、本発明の一実施形態では、この問題を解消する改善されたやり方が、図１１に概略的に示され、これは、高速測定（＜１画素あたり１秒）をもたらす。

【0121】

上述したように、ほとんどの測定では、一次の場の周波数は、画像の点ごとに、ｒｆ共鳴にわたってスキャンされ、すなわち、共鳴プロファイル全体が記録される［１５］。発明者らは、画像取得時間のかなりの減少を可能にする別のデータ取得モードを開発した。このモードでは、

の周波数の変調は、

の成分の振幅の低周波変調（この例では、１～２０Ｈｚ）に置き換えられる。この場合には、ロックインアンプ３６（本実施形態では、ＳＲＳ８６５）によって一次の場の周波数で復調される信号は、ｒｆ共鳴振幅のこれに等しい振幅を有する低周波振動を含む。

の振幅変調の周波数に関連付けられた第２のロックインアンプの使用は、ｒｆ共鳴振幅の読取りを可能にする。

の周波数変調の広がりは、異なる試料位置について、共鳴周波数の可能なシフトなどの

の安定化の不完全のバランスを取ることができる。その結果として、記録された信号の位相は、二次の場の変化およびｒｆプロファイルの周波数シフトについての情報を含む。

【0122】

本実施形態では、システムは、第２のロックインアンプ３８を備える。

【0123】

バイアス磁場源２４は、バイアス磁場を変調し、変調信号を第２のロックインアンプ３８に出力する変調器を備える。（ｒｆコイル周波数に関連付けられた）第１のロックインアンプの第１の出力は、（バイアス場変調に関連付けられた）第２のロックインアンプの入力に接続される。第２のロックインアンプは、バイアス磁場の変調を参照して第１のロックインアンプ３６からの出力信号を復調し、信号の振幅および位相を与えるように構成されている。それによって、第２のロックインアンプ３８は、復調器として働く。

【0124】

方法は、以下の通りである。
１） ｒｆ場の周波数は一定に維持されるが、バイアス磁場の値はゆっくりと変調される。本実施形態では、バイアス場変調の周波数は１～１０Ｈｚである（歳差運動周波数は、約１２ｋＨｚである）。しかしながら、バイアス場変調の周波数はできるだけ高いことが好ましい。好ましくは、このバイアス場変調は、バイアス場を上または下に周期的に傾斜させるのこぎり波の形態である。
２） この場合には、振幅変調された信号を観察する。
３） 第１のロックイン（一次の場の周波数を参照して復調する）を用いてこの振動の振幅を測定する。
４） 遅い変調の振幅の測定は、バイアス磁場変調の信号に関連付けられた第２のロックインを用いて行われる。ロックイン２によって測定される振幅は、原子共鳴の振幅に対応する。

【0125】

例えば上述したシステムのいずれかのような実施形態は、０．１ｍｍの感度でイメージングを行うことができる。

【0126】

実施形態は、バックグラウンドの場の能動的な補償および試料の磁化の補償を用いて、磁気的に遮蔽されていない環境中で室温において隠れている伝導性バリアの存在下で鋼製品を非破壊的にイメージングするのに使用され得る。これは、例えば、隠蔽配管における腐食（ＣＵＩ）の検出、およびコンクリート構造における構造上の異常の検出に使用され得る。

【0127】

本発明の各実施形態は、保温材下腐食を検出するために使用されてもよい。本発明の各実施形態は、コントラストの増大をもたらすことができ、それによって例えばパイプ内のサブｍｍの腐食ピットのイメージングが可能になる。

【0128】

いくつかの実施形態では、上述したシステムは、例えばパイプラインの大きい面積をスキャンするために、ロボット上に配置されてもよい。

【0129】

いくつかの実施形態では、方法および／またはシステムは、コンクリート構造の状態の検出に使用されてもよい。

【0130】

応用は、組立ておよび溶接の品質が重要である製造および建設におけるものであってもよく、しばしば、潜在的に危険で費用のかかるＸ線スキャンの使用、製造プロセスの一部としての材料製造の使用、構造的損傷および疲労の時宜を得た無侵襲の特定が主なターゲットである健康および使用状況監視システム（ＨＵＭＳ：Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｕｓａｇｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の使用、原子力の使用、および流出が経済的コストになるとともに環境コストになる公益事業分野および／またはエネルギー分野、例えば、石油およびガスにおける使用を必要とする。応用は、エネルギー分野に関する保温材下腐食の検出、輸送分野に関する鉄筋コンクリート構造のモニタリング、核廃棄物容器モニタリングも含む。

【0131】

特に有利なのは、システムおよび方法が、
・ 安全および無侵襲（例えば、非電離放射線）であり得る
・ パイプラインの内壁に対する腐食を検出し得る
・ パイプラインの外壁に対する腐食を検出し得る
・ 腐食とパイプの曲げ／Ｔ字接合／溶接によるパイプライン形状の変化との間で区別することができ得る
・ 全ての保温材のタイプを通じてスキャンすることができ得る
・ 低コストであり得る
・ 現在の技法（解像、スイッチスキャンニングモード）の改善をもたらし得る
ことである。

【0132】

上記の実施形態では、ロックインアンプ３６は一次の場のコントローラを与えるものとして説明されたが、一次の場のコントローラは、任意の電流発生器を備えてもよく、ただし、一次の場の振動コントローラは、電流発生器の周波数または変調を参照して平衡偏光計からの出力信号を復調するプロセッサを備えるものとする。それにもかかわらず、周波数／変調の源としてそれらがスペクトルの検出をより容易にさせ、検出器が１つの計測装置の内側にある（同期、参照は、自動的に振り分けられる）ので、ロックインアンプは、有利である。

【0133】

上記の実施形態では、材料応答検出は、材料欠陥のイメージングに使用されるが、これは、必ずしも全ての実施形態において必須ではない。いくつかの実施形態では、材料応答検出は、他の目的に、例えば、材料の伝導率および／または透過率を検出するために使用され得る。

【0134】

説明した実施形態および従属請求項の全ての任意選択のおよび好ましい特徴および修正は、本明細書に教示された本発明の全ての態様に使用できる。さらに、従属請求項の個々の特徴、ならびに説明した実施形態の全ての任意選択のおよび好ましい特徴および修正は、互いに組み合わせ可能および交換可能である。

【0135】

さらなる詳細は、「Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｆｅｃｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｔｏｍｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１２５、０９４５０３（２０１９年）；ｄｏｉ：１０．１０６３／１．５０８３０３９に見ることができ、そのバージョンは、付属文書２として英国特許出願番号ＧＢ１８１１９２８．９およびＧＢ１８１３８５８．６に添付されたものであり、これにより優先権が主張され、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

【0136】

英国特許出願番号ＧＢ１８１１９２８．９およびＧＢ１８１３８５８．６における開示は、これにより優先権が主張されるものであり、本出願を伴う抽象観念において、参照により全体として組み込まれる。

【0137】

参考文献
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【図1(a)】

【図1(b)】

【図1(c)】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】