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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-26
(54)【発明の名称】原子磁力計システム
(51)【国際特許分類】
G01R 33/26 20060101AFI20220915BHJP
【ＦＩ】
G01R33/26
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022502498
(86)(22)【出願日】2020-07-17
(85)【翻訳文提出日】2022-03-10
(86)【国際出願番号】 GB2020051719
(87)【国際公開番号】W WO2021009517
(87)【国際公開日】2021-01-21
(31)【優先権主張番号】1910213.6
(32)【優先日】2019-07-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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
(71)【出願人】
【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
(57)【要約】
サンプル（１６）に二次磁場を生成させるために振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源（１４）を含む原子磁力計システムが開示される。原子磁力計システムはまた、二次磁場を検出するための原子磁力計を含む。原子磁力計は、原子試料、偏光を作成するために原子試料をポンピングし、プローブビームで原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように構成されたポンプおよびプローブサブシステム、プローブビームを検出して検出信号を生成するように構成された検出器を含む。システムは、ｒｆ共振に調整された周波数で検出信号に応じて可変磁場源（１４）を駆動するように構成されている。原子磁力計を動作する方法も開示されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
サンプルに二次磁場を生成させるために振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源と、前記二次磁場を検出するための原子磁力計であって、
原子試料と、
前記原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを用いて前記原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように構成されたポンプおよびプローブサブシステムと、
前記プローブビームを検出して検出信号を生成するように構成された検出器と、を含む、原子磁力計と、を含み、
ｒｆ共振に調整された周波数で前記検出信号に応じて前記可変磁場源を駆動するように構成される、原子磁力計システム。
【請求項2】
前記検出信号の前記振動周波数に対応する周波数で前記可変磁場源を駆動するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記可変磁場源は、前記検出信号に応じて駆動されるように、前記検出器の出力に結合される、請求項１から２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項4】
前記可変磁場源がサンプルに隣接して配置されるように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項5】
前記検出信号を受信し、その振幅および位相を決定するように構成された機器プロセッサを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項6】
前記検出信号からバッファリングされた信号で前記可変磁場源を駆動するように構成された電圧フォロワを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項7】
前記検出信号から増幅された信号で前記可変磁場源を駆動するように構成された増幅器を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項8】
前記検出信号から位相シフトされた信号で前記可変磁場源を駆動するように構成された移相器を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項9】
前記原子試料にバイアス磁場方向のバイアス磁場を提供するように構成されたバイアス磁場源を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項10】
前記可変磁場源がｒｆコイルである、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項11】
前記可変磁場源は、前記ｒｆコイルを横切って結合された前記検出信号に依存する電圧信号を有することによって、ｒｆ共振に調整された周波数で前記検出信号に応じて駆動される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
前記原子試料がアルカリ金属原子の集合を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項13】
前記原子試料がアルカリ金属原子蒸気を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項14】
前記振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源のセットを含み、ｒｆ共振に調整された周波数で相互に位相シフトされた前記検出信号に応じて前記可変磁場源の各々を駆動するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記検出信号から位相シフトされた信号で可変磁場源の前記セットの少なくとも１つを駆動するように構成された少なくとも１つの移相器を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記原子磁力計は、前記サンプルの表面に実質的に直交する一次方向の前記一次磁場および前記二次磁場の成分の前記原子磁力計への前記影響を低減するように構成される、請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項17】
前記原子磁力計が自己補償構成にある、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
原子磁力計を動作して、サンプルによって生成された二次磁場を検出する方法であって、原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを使用して前記原子試料内に原子コヒーレンス歳差運動をプローブすることと、
前記プローブビームを検出して検出信号を生成することと、
前記検出信号に応じて可変磁場源を駆動し、振動一次磁場を提供して、前記サンプルにｒｆ共振に調整された周波数で前記二次磁場を生成させることと、を含む、方法。
【請求項19】
前記検出信号に応じて可変磁場源を駆動することは、前記検出信号からバッファリングされた、および／または増幅された、および／または位相シフトされた信号で前記可変磁場源を駆動することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記検出信号に応じて可変磁場源を駆動することは、前記検出信号の周波数に対応する周波数で前記可変磁場源を駆動することを含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項21】
前記原子試料をバイアス磁場内に配置することを含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記二次磁場を検出するために前記検出信号の振幅および位相を決定することを含む、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子磁力計システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
磁場センサとしての高周波（ｒｆ）原子磁力計の実装は、磁気誘導断層撮影（ＭＩＴ）［１－８］に基づく非破壊検査の新しい機会を生み出す（角括弧内の数字は、この説明の最後にあるそれぞれの参照を参照しており、参照により本明細書に組み込まれる）。ＭＩＴは、振動ｒｆ磁気、いわゆる一次磁場に対するサンプルの応答の検出に依存している。材料の応答である二次磁場は、導電性のあるサンプルの渦電流によって、および／または透磁率のある場合は磁化によって生成される。原子磁気計は、標準のピックアップコイルよりも優れた感度、広い調整範囲［９］、および優れた空間分解能［１０］に加えて、二次磁場のすべての成分の半ベクトルマッピングを可能にする。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）磁力計［１０－１２］や超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）［１３、１４］などの他の磁場センサに関して、原子磁力計は低温がなく、小型化の制限がほとんどないシールドされていない環境［９、１５、１６］での動作の利点を提供する。
【0003】
ｒｆ原子磁力計を使用したサンプルの欠陥の断層撮影画像化は、サンプルがｒｆ一次磁場コイルの下を移動するときのｒｆ共振の振幅と位相の変化の観察に依存している。透磁率のあるサンプルは、サンプルの局所的な磁化によってｒｆ共振周波数がシフトするため、原子センサに課題をもたらす。この問題は、センサが動作する磁場のアクティブな安定化によって部分的に対処されるが、発生する共振周波数の残留変化により、画像取得率が低下する［７］。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の態様は、改良された原子磁力計システムおよび方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様によれば、以下を含む原子磁力計システムが提供され、
サンプルに二次磁場を生成させるために振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源と、
二次磁場を検出するための原子磁力計であって、
原子試料と、
原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを用いて原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように構成されたポンプおよびプローブサブシステムと、
プローブビームを検出して検出信号を生成するように構成された検出器と、を含む、原子磁力計と、を含み、
システムは、ｒｆ共振に調整された周波数で検出信号に応じて可変磁場源を駆動するように構成されている。
サンプルに二次磁場を生成させるために振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源と、
二次磁場を検出するための原子磁力計であって、
原子試料と、
原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを用いて原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように構成されたポンプおよびプローブサブシステムと、
プローブビームを検出して検出信号を生成するように構成された検出器と、を含む、原子磁力計と、を含み、
システムは、ｒｆ共振に調整された周波数で検出信号に応じて可変磁場源を駆動するように構成されている。
【0006】
本発明の実施形態は、二次磁場が常にｒｆ共振に調整される原子磁力計システムを提供することができる。これは、いくつかの従来技術のシステムで必要とされる共振のための時間のかかるスキャンを回避することができる。本発明の実施形態では、一次磁場もｒｆ共振に調整されることに留意されたい。しかし、原子磁力計が検出しようとするのは二次磁場である。
【0007】
本発明の実施形態では、ｒｆ共振は、原子試料内の自由原子コヒーレンス歳差運動の周波数である。
【0008】
本発明の実施形態では、原子試料の原子は、プローブおよび検出とともに、ｒｆ共振に調整されたｒｆ発生器として機能する。原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動の検出から生じる信号を使用して可変磁場源を駆動することにより、二次磁場を自動的に共振状態に保つことができる。
【0009】
従来技術のシステムは、通常、別個のｒｆ発生器を使用して、可変磁場源を駆動するためのｒｆ信号を生成する。原子試料の原子を、ポンプおよびプローブサブシステムおよび検出器とともに、ｒｆ発生器として使用することは、本発明の実施形態が別個のｒｆ発生器の必要性を回避できることも意味する。
【0010】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号の振動周波数に対応する周波数で可変磁場源を駆動するように構成される。
【0011】
いくつかの実施形態では、可変磁場源は、検出信号に応じて駆動されるように、検出器の出力に結合される。
【0012】
いくつかの実施形態では、可変磁場源は、サンプルに隣接して配置されるように構成される。
【0013】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号を受信し、その振幅および位相を決定するように構成された機器プロセッサを含む。機器はプロセッサであり得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号からバッファリングされた信号で可変磁場源を駆動するように構成された電圧フォロワを含む。
【0015】
特に低インピーダンスコイルの場合、可変磁場源は、電圧フォロワを介して検出器の出力に結合されて、検出信号からバッファリングされた信号で可変磁場源を駆動することができる。
【0016】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号から増幅された信号で可変磁場源を駆動するように構成された増幅器を含む。
【0017】
可変磁場源は、増幅器を介して検出器の出力に結合されて、検出信号から増幅された信号で可変磁場源を駆動することができる。
【0018】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号から位相シフトされた信号で可変磁場源を駆動するように構成された移相器を含む。
【0019】
可変磁場源は、移相器を介して検出器の出力に結合されて、検出信号から位相シフトされた信号で可変磁場源を駆動することができる。
【0020】
いくつかの実施形態では、システムは、原子試料にバイアス磁場方向のバイアス磁場を提供するように構成されたバイアス磁場源を含む。
【0021】
バイアス磁場は、原子試料の量子化軸を定義し得る。
【0022】
いくつかの実施形態では、可変磁場源は、ｒｆコイルである。
【0023】
いくつかの実施形態では、可変磁場源は、ｒｆコイルを横切って結合された検出信号に依存する電圧信号を有することによって、ｒｆ共振に調整された周波数で検出信号に応じて駆動される。
【0024】
ｒｆコイルを横切って結合された電圧信号は、その増幅および／または位相シフトであることによって検出信号から導き出され得るが、好ましくは、検出信号の周波数に対応する周波数を有する。
【0025】
いくつかの実施形態では、検出器の出力は、任意選択で電圧フォロワおよび／または増幅器および／または移相器を介して、ｒｆコイルを横切って結合される。
【0026】
いくつかの実施形態では、原子試料は、アルカリ金属原子の集合を含む。
【0027】
いくつかの実施形態では、原子試料は、アルカリ金属原子蒸気を含む。
【0028】
いくつかの実施形態では、システムは、振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源のセットを含み、システムは、ｒｆ共振に調整された周波数で相互に位相シフトされた検出信号に応じて可変磁場源の各々を駆動するように構成される。
【0029】
可変磁場源の各々が互いに対して位相シフトされて駆動されることにより、セットの１つが、移相器を介して駆動されることなく、検出信号と同相で駆動されることが可能になる。位相シフトのため、可変磁場源のセットの様々な部材が欠陥の様々な部分で機能し得る。
【0030】
いくつかの実施形態では、システムは、検出信号から位相シフトされた信号で可変磁場源のセットの少なくとも１つを駆動するように構成された少なくとも１つの移相器（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）を含む。
【0031】
可変磁場源のセットを駆動する信号が検出信号から位相シフトされる場合、それは、共通の移相器またはそれら自体のそれぞれの移相器によるものであり得る。
【0032】
可変磁場源のセットはそれぞれ、個々の可変磁場源について論じたのと同様の方法で、検出信号から増幅された信号で駆動することができる。可変磁場源のセットを駆動する信号が増幅される場合、それらは、共通の増幅器またはそれら自身のそれぞれの増幅器によるものであり得る。
【0033】
いくつかの実施形態では、原子磁力計は、サンプルの表面に実質的に直交する一次方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減するように構成される。
【0034】
実施形態では、一次方向は、可変磁場源から原子試料への方向である。
【0035】
実施形態では、サンプルの表面は、調査中の表面であり、典型的には、サンプルの主要な表面である。
【0036】
いくつかの実施形態は、一次方向の成分を含む、原子磁力計、特にその原子試料に補償磁場を提供するための、コイル配置を含み得る補償磁場源を含む。
【0037】
補償磁場源は、一次方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減するための補償磁場を提供するように構成することができる。
【0038】
いくつかの実施形態では、原子磁力計は自己補償構成にある。
【0039】
いくつかの実施形態では、原子磁力計は、一次方向に配置された不感度軸を有する。
【0040】
いくつかの実施形態では、原子磁力計は、一次方向にバイアス磁場を提供するように構成されたバイアス磁場源を含む。
【0041】
本発明の一態様によれば、以下を含む、サンプルによって生成された二次磁場を検出するために原子磁力計を動作する方法が提供され、
原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを使用して原子試料内に原子コヒーレンス歳差運動をプローブすることと、
プローブビームを検出して検出信号を生成することと、
検出信号に応じて可変磁場源を駆動し、振動一次磁場を提供して、サンプルにｒｆ共振に調整された周波数で二次磁場を生成させることと、を含む。
原子試料をポンピングして偏光を作成し、プローブビームを使用して原子試料内に原子コヒーレンス歳差運動をプローブすることと、
プローブビームを検出して検出信号を生成することと、
検出信号に応じて可変磁場源を駆動し、振動一次磁場を提供して、サンプルにｒｆ共振に調整された周波数で二次磁場を生成させることと、を含む。
【0042】
いくつかの実施形態では、検出信号に応じて可変磁場源を駆動することは、検出信号からバッファリングされた、および／または増幅された、および／または位相シフトされた信号で可変磁場源を駆動することを含む。
【0043】
いくつかの実施形態では、検出信号に応じて可変磁場源を駆動することは、検出信号の周波数に対応する周波数で可変磁場源を駆動することを含む。
【0044】
いくつかの実施形態では、この方法は、原子試料をバイアス磁場内に配置することを含む。
【0045】
いくつかの実施形態では、この方法は、二次磁場を検出するために、検出信号の振幅および位相を決定することを含む。
【0046】
この方法は、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減することを含むことができる。
【0047】
実施形態では、サンプルの表面は、調査中の表面であり、典型的には、サンプルの主要な表面である。
【0048】
一次磁場は、サンプルの表面に実質的に直交し得る。
【0049】
いくつかの実施形態では、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減することは、
サンプルの表面に実質的に直交する成分を含む、原子磁力計、例えば原子試料に補償磁場を提供することを含む。
サンプルの表面に実質的に直交する成分を含む、原子磁力計、例えば原子試料に補償磁場を提供することを含む。
【0050】
いくつかの実施形態では、補償磁場は、Ｂｚ’＋ｂｚ＝０であるように提供され、ここで、Ｂｚ’は、
の成分であり、これはサンプルの表面に実質的に直交しており、ｂｚはサンプルの表面に実質的に直交している二次磁場、
の成分であり、
は一次磁場であり、
は補償磁場である。
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0051】
いくつかの実施形態では、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減することは、
原子磁力計の不感度軸をサンプルの表面に実質的に直交する方向に整列させることを含む。
原子磁力計の不感度軸をサンプルの表面に実質的に直交する方向に整列させることを含む。
【0052】
いくつかの実施形態では、この方法は、バイアス磁場をサンプルの表面に実質的に直交する方向に整列させることを含む。
【0053】
高周波原子磁力計は、誘導測定に基づく非破壊検査の標準的な検出方法に代わる魅力的な方法を提供する。実施形態は、いわゆるスピンメーザ構成の磁力計を提供し、これは、技術の２つの重要な課題に対処する。透磁率サンプルによって引き起こされる高周波共振位置のシフトおよびセンサ帯域幅である。
【0054】
実施形態は、非破壊検査および検出のためのスピンメーザを提供する。
【0055】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、一例としてのみ以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】［２３］で説明されているものと同等の標準的なアルカリ金属スピンメーザの図である。
【0057】
【図2】本発明の実施形態によるシステムの図である。
【0058】
【0059】
【図4】標準構成（赤い円）とスピンメーザモード（黒いひし形）の磁力計からの信号振幅の統計的不確実性（アラン偏差）の図である。
【0060】
【図5】自励振動磁力計信号の過渡状態の図である。
【0061】
【図6】４つの測定構成で記録された、深さ２．４ｍｍの直径２４ｍｍのくぼみを含む厚さ６ｍｍの炭素鋼プレートの６４ｘ６４ｍｍ2の領域で測定されたｒｆ分光信号の振幅の変化の図である。（ａ）［８］のような自己補償構成、自己補償構成は、（ｂ）単一のｒｆコイル、（ｃ）（ｂ）と逆位相の単一のｒｆコイル、および（ｃ）逆位相の２つのｒｆコイルを用いたスピンメーザモードである。
【0062】
【図7】駆動の位相の関数としての信号振幅の依存性の図である。
【発明を実施するための形態】
【0063】
原子磁力計を用いた磁気誘導断層撮影による従来の非破壊検査および強磁性物体の検出は、試験対象物によって誘発されるｒｆ共振シフトに悩まされている。本明細書で説明するスピンメーザ動作は、その問題を解決し、画像取得時間の大幅な短縮を可能にすることができる。
【0064】
実施形態は、高周波原子磁力計、いわゆるスピンメーザの動作モードを提供する。このモードは、光学的に監視されている原子スピンの自発的な変動と、原子試料にフィードバックされる光学的検出からの信号に依存している。スピンメーザの動作周波数は、バイアス磁場の現在の値に自動的に従う。フィードバックループには、バッファ、増幅、および位相シフトを含めることができる。利点には、画像取得時間の大幅な削減、画像コントラスト、および監視の場合のステルス動作が含まれる。
【0065】
本発明の実施形態は、エネルギー部門の絶縁下の腐食の検出、輸送部門の強化コンクリート構造物の監視、核廃棄物船の監視、物体検出、監視のための用途を見出すことができる。
【0066】
実施形態は、スピンメーザモードで動作するｒｆ原子磁力計の実装を、ＭＩＴ測定スキームに提供する。スピンメーザシステムの正のフィードバックは、不完全な磁場安定化の問題に対する解決策を提供するだけでなく、センサ帯域幅、画像取得率、および信号対雑音比も向上させる。ゼーマンメーザとも呼ばれるスピンメーザシステムの広範な理論的および実験的研究は、希ガスシステムの状況で行われてきた［１７－２０］。典型的なスピンメーザシステムは、核スピン偏極が生成されるポンピングバルブと、静磁場内のスピンの振動を検出して正のフィードバックを提供するピックアップコイルに囲まれたメーザバルブの２つの部分で構成される。スピン偏極は、例えば放電ランプを用いた直接光ポンピング［１７］またはスピン交換ポンピング、すなわち直接光ポンピングされたアルカリ金属原子からスピン交換衝突によって媒介される希ガス原子への偏光の移動のいずれかによって達成される［２１］。静磁場の周りの核スピン歳差運動は、メーザバルブを取り巻くコイルに電流を誘導し、その結果、バルブ内で振動磁場を誘導する。この磁場はスピンの進化を反映し、正のフィードバックを提供する。核スピンメーザ構成とは対照的に、ｒｆ原子磁力計は偏極スピンサンプルの自発的変動を光学的に監視する［２２－２４］。これは、希ガスのスピン（約１０18ｃｍ-3以上）によって生成されたものと比較して、低密度アルカリ金属蒸気（１０10-13ｃｍ-3）での歳差運動するスピンにより生成される振動磁場の強度が小さいためである［２５］。検出された信号は、原子蒸気の近くにあるｒｆコイルに送られる（図１）。この監視とフィードバックの分離により、フィードバックループへの増幅と位相シフトの導入が可能になる。
【0067】
本発明の実施形態は、ｒｆ原子磁力計を利用し、材料欠陥の画像化に使用することができる。
【0068】
上記のアルカリ金属スピンメーザの実装である詳細な実施形態を以下に説明する。
【0069】
図２に見られるように、本発明の実施形態は、高周波原子磁力計１２と、ｒｆ周波数で振動する一次磁場を提供するように構成された可変一次磁場源１４とを含むシステム１０を含む。このシステムは、断層撮影磁気誘導画像化の設定と呼ばれ、磁気誘導測定でスピンメーザを提供できる。この実施形態では、一次磁場源１４は、ｒｆコイルである。しかしながら、他の可変磁場源を他の実施形態で使用することができる。ｒｆコイルは、サンプルの表面に実質的に直交する一次磁場を提供するように構成されている。この実施形態では、表面は、サンプルの主要な表面である調査中の表面である。
【0070】
この実施形態では、システムは、参照により本明細書に組み込まれる［６－８］に記載されているのと同じ機器を用いて、シールドされていない環境で動作するように構成される。
【0071】
この実施形態では、ｒｆコイル１４は、直径０．０２ｍｍの銅線、高さ１０ｍｍ、２ｍｍ、および４ｍｍの内径および外径を備えた１０００ターンのコイルである。
【0072】
ｒｆコイル１４は、サンプル１６に隣接して、しかし完全にその片側に、それと重複しない関係で配置することができるように構成され、振動一次磁場を生成してサンプルに二次磁場を生成させるように動作させることができる。二次磁場は、サンプルの材料応答を示す。
【0073】
サンプルは導電性である必要があり（しかし、必ずしも高導電性である必要はない）、および／または磁化できるように透磁率を備えている必要がある。
【0074】
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。
【0075】
強磁性ターゲットが２種類の二次磁場を生成することは注目に値する。
・印加された一次磁場と同じ方向の二次磁場－二次磁化、
・印加された一次磁場と反対方向の渦電流誘導磁場－渦電流誘導磁場。
・印加された一次磁場と同じ方向の二次磁場－二次磁化、
・印加された一次磁場と反対方向の渦電流誘導磁場－渦電流誘導磁場。
【0076】
この説明では、ｚ方向はサンプルの表面に直交する方向であり、ｘ方向とｙ方向はサンプルの表面に平行な相互に直交する方向である。
【0077】
この実施形態では、原子磁力計１２は、検出セル２０を含み、これは、この実施形態では、セシウム原子蒸気（原子密度ｎCs＝３．３×１０10ｃｍ-3）を含む、周囲温度での１ｃｍ3パラフィン被覆ガラスセルである。セシウム原子蒸気は磁力計の原子試料を提供する。
【0078】
磁力計は、検出セル２０で、したがってバイアス磁場方向で原子試料にバイアス磁場２６を提供するように構成されたバイアス磁場源２４（図２には示されていない）を含む。「バイアス」と「オフセット」という用語は、この磁場の状況で交換可能に使用される。
【0079】
この実施形態では、オフセット磁場は、３対の入れ子になった直交する正方形のヘルムホルツコイルによってアクティブに安定化される［３、６－８、３５］。これらはバイアス磁場源を提供する。
【0080】
磁力計は、オフセット磁場の方向に沿って伝搬する円偏光ポンプレーザビーム２８を用いて、検出セル２０内の原子試料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（図２には示されていない）を含む。この実施形態では、ポンプレーザは、６2Ｓ1/2Ｆ＝３→６2Ｐ3/2Ｆ’＝２遷移（Ｄ２線、８５２ｎｍ）に安定化されたダイオードレーザ周波数である。
【0081】
ポンプレーザビーム２８は、原子試料をポンピングして、バイアス磁場に沿って偏光または集団の不均衡または異方性を作り出すように構成される。
【0082】
原子磁力計は、検出セル２０をプローブして、バイアス磁場２６に直交し、ポンプビームに位相オフセットロックされた線形偏光プローブレーザビーム３２を用いて原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように構成されたプローブレーザ（図２には示されていない）を含む。この実施形態では、それを６2Ｓ1/2Ｆ＝４→６2Ｐ3/2Ｆ’＝５遷移からシフトされた８００ＭＨｚ青にする。
【0083】
ポンプレーザとプローブレーザは、ポンプとプローブのサブシステムを形成する。
【0084】
集団原子スピンの進化は、線形偏光プローブビームの偏光状態にマッピングされる。
【0085】
この実施形態では、原子磁力計１２は、一次方向またはｚと呼ばれる、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次磁場の成分、また任意選択で、二次磁場の成分の原子磁力計１２への影響を低減するように構成される。この実施形態では、一次方向は、ｒｆコイル軸に沿った、ｒｆコイルから原子試料への方向である。この実施形態では、これは、原子磁力計が自己補償構成にあることによるものであり、原子磁力計は、一次方向に配置された不感度軸を有し、ここで、ｒｆコイルの軸、したがって一次磁場の軸は、一次方向であり、バイアス磁場方向に平行である。したがって、この実施形態では、バイアス磁場の方向も一次方向である。ｚに沿って配向されたバイアス磁場
の場合、これは好ましくは一次磁場
方向でもあり、Ｂz（ｚに沿って
の成分）は、ｒｆ原子磁力計信号には存在しない。この詳細は、［８］および国際公開第２０２０／０１６５５７号として公開されている国際出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１９／０５１９５３に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【数5】
【数6】
【数7】
【0086】
［８］および国際公開第２０２０／０１６５５７号に開示されているように、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次および任意選択で二次磁場の成分の原子磁力計への影響を低減する他の方法を使用することが可能である。例えば、いくつかの実施形態は、一次方向の成分を含む、原子磁力計、特にその原子試料に補償磁場を提供するための、コイル配置を含み得る補償磁場源を含む。そのような実施形態では、補償磁場は、Ｂｚ’＋ｂｚ＝０であるように提供され得、Ｂｚ’は、
の成分であり、ｚに沿っており、サンプルの表面に実質的に直交している。ｂｚは、ｚに沿っており、サンプルの表面に実質的に直交している二次磁場
の成分である。
は一次磁場であり、
は補償磁場である。
【数8】
【数9】
【数10】
【数11】
【0087】
図８は、サンプル１６の表面に実質的に直交する成分を含む、原子磁力計、特に検出セル２０に、補償磁場とも呼ばれる振動補償磁場を提供するための補償磁場源４１を含むシステムの例である。その方向の一次磁場および二次磁場の磁場成分の原子磁力計への影響を低減し、好ましくは排除する。特に、補償磁場は、二次磁場
励起の効率を変えることなく、原子磁力計蒸気セルによって監視される結果として生じる磁場への一次磁場の寄与を補償する。
【数12】
【0088】
図８から分かるように、この実施形態では、補償磁場源４１は、第１の補償コイル４２および第２の補償コイル４４を含む補償コイル配置である。
【0089】
第１の補償コイル４２は、原子磁力計、特にサンプル１６の表面に実質的に直交している検出セル２０に磁場を提供するために、サンプル１６の表面に直交する方向であるｚと実質的に整列した軸を有する。
【0090】
この実施形態では、検出セル２０は、ｒｆコイル１４と第１の補償コイル４２との間に配置されているが、これは、すべての実施形態で必要ではない。
【0091】
第２の補償コイル４４は、原子磁気計、特にサンプル１６の表面に実質的に平行であり、バイアス磁場方向に実質的に直交している検出セル２０に磁場を提供するために、サンプル１６の表面に平行であり、バイアス磁場方向に実質的に直交する方向であるｙと実質的に整列した軸を有する。
【0092】
この実施形態では、検出セル２０は、プローブレーザ３０と第２の補償コイル４４との間に配置され、第２の補償コイル４４は、検出セル２０と平衡偏光計３４との間に配置されるが、これはすべての実施形態で必要ではない。
【0093】
補償コイル配置４１は、検出セル２０で、補償磁場
を提供するように構成される。
【数13】
【0094】
言い換えると、ｚ方向とｙ方向に沿って配向された２つのｒｆコイルのセット（図８）は、振動磁場
を生成し、それは原子磁力計によって見られる一次磁場を補償する。コイルは、本明細書に開示されるのと同様の方法で検出信号によって駆動され、ｒｆコイル１４を駆動して
を生成する。これにより、磁場
と磁場
間の位相差が一定に保たれる。
【数14】
【数15】
【数16】
【数17】
【0095】
言い換えれば、一次磁場は、ｚおよびｙ方向に沿って配向された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。
【0096】
しかし、以下で説明する理由により、ｚ方向の二次磁場の成分も任意選択で補償される。
【0097】
【数18】
【0098】
ｒｆ原子磁力計によって監視される結果として生じる磁場には、一次、二次、および補償磁場からの成分、言い換えれば
が含まれる。
【数19】
【0099】
この構成により、ｙｚ平面のｒｆ磁場の振幅と位相（方向）を決定できる。ｒｆ分光信号の振幅
と位相
は、結果として生じる磁場の変化を表し、ｂz＋Ｂ’zおよびｂy＋Ｂ’yは、ｒｆ信号の２つの直交成分である。
【数20】
【数21】
【0100】
国際公開第２０２０／０１６５５７号および［８］で説明されているように、
軸成分に関して最大のコントラストを達成するための条件は、Ｂ’z＋ｂz,max＝０の場合である。
【数22】
【0101】
図８の実施形態では、
は、方向ｙおよびｚに成分を有するが、これは、すべての実施形態において必要ではない。例えば、ｚ方向にのみ補償することができる。図８の実施形態では、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。
【数23】
【0102】
すべての実施形態において、サンプルの表面に実質的に直交する方向の一次磁場および二次磁場の成分の原子磁力計１２への影響を低減する必要はない。
【0103】
図２の実施形態に戻ると、原子磁力計は検出器を含む。この実施形態では、検出器は、検出セル２０を通過した後にプローブレーザビームを受信するように構成された偏光計３４を含む。偏光計３４は、入射偏光に対して４５°に配向された結晶偏光子と、市販の平衡光検出器とを含む。
【0104】
セル２０を透過したレーザ光は、偏光計によって分析される。
【0105】
検出器は、プローブレーザビームの検出に応答して、出力を介して検出信号を出力するように構成される。この検出信号は、通常、検出されたプローブビームの偏光および／または振幅を表す電圧または電流信号である。検出器の出力は、この実施形態では、プローブビームの偏光を表す電圧信号を提供する平衡光検出器の出力である。
【0106】
この実施形態では、システム１０は、検出器から検出信号を受信するように構成されたロックイン増幅器３６（図３に示されている）を含む。ロックイン増幅器は、原子信号としても知られる検出信号の振幅および位相を記録または決定するように構成され、ロックイン増幅器は、信号周波数を基準にして、例えば、第１の出力信号をコンピュータに提供する。コンピュータは、信号の振幅と位相を使用して二次磁場を検出し、それによってサンプルの材料応答を検出し、場合によっては材料欠陥の画像化を実行することができる。
【0107】
いくつかの実施形態では、コンピュータは、ロックイン増幅器３６から第１の出力信号を受信し、そこからサンプルの導電率および／または透過性の変化を決定するための受信機を含むことができる。
【0108】
ｒｆコイル１４は、増幅器４０（図３に示されている）を介して、検出器の出力に接続されている。増幅器４０は、検出器から検出信号を受信し、それを増幅して、ｒｆ共振に調整された周波数で検出信号に応じてｒｆコイル１４を駆動するように構成される。ｒｆ共振は、原子試料内の自由原子コヒーレンス歳差運動の周波数である。この実施形態では、増幅器は、検出信号を増幅し、その増幅された信号をｒｆコイル１４の両端の電圧として印加するように構成される。ｒｆ共振への周波数調整は、原子試料が信号のソースであり、ポンプとプローブのサブシステムおよび検出器とともにｒｆ発生器として機能する結果として自動的に提供される。
【0109】
いくつかの実施形態では、システムは、増幅器に加えて、または増幅器の代わりに、検出信号からバッファリングされた信号で可変磁場源を駆動するように構成された電圧フォロワを含むことができる。これは、ｒｆコイルが低インピーダンスコイルである場合に特に有利である。
【0110】
すべての実施形態において、増幅器または電圧フォロワを有する必要はない。いくつかの実施形態では、検出信号は、ｒｆコイルを横切って直接印加することができる。
【0111】
いくつかの実施形態では、システムは、一次磁場源を駆動する信号の位相をシフトするように構成され、したがって、検出信号に関して一次磁場および二次磁場の位相をシフトするように構成された移相器を含むことができる。
【0112】
図２は、この実施形態による磁気誘導断層撮影測定におけるスピンメーザ動作の位相を示している。（１）原子試料中の原子の自発的変動は、ラーモア周波数で歳差運動する小さな原子スピンを生成する。（２）プローブビームはスピンの進化を監視し、スピンの歳差運動はビームの偏光にマッピングされる。（３）光検出器は、偏光の変化に続いて電圧振動を生成する。（４）光検出器からの増幅された、場合によっては位相シフトされた信号は、一次ｒｆ磁場コイルに電流を生成する。（５）一次および／または二次磁場は原子スピン歳差運動に正のフィードバックを提供する。
【0113】
動作中、バイアス磁場源２４は、検出セル２０にバイアス磁場を提供する。
【0114】
ポンプレーザは、原子試料をポンピングして、バイアス磁場に沿って偏光または母集団の不均衡または異方性を作り出すように動作する。
【0115】
プローブレーザは、プローブビームで原子試料内の原子コヒーレンス歳差運動をプローブするように動作する。
【0116】
プローブビームは検出器によって検出され、検出器は検出信号を出力する。
【0117】
検出信号が増幅され、増幅された信号がｒｆコイル全体に印加されて、検出信号に応じてｒｆコイル１４を駆動し、振動一次磁場を提供して、サンプルに、ｒｆ共振に調整された周波数で二次磁場を生成させる。他の場所で述べたように、いくつかの実施形態では、増幅を省略し、および／または位相シフトを含めることが可能である。
【0118】
実施形態を使用して、以下の利点を提供することができる。
・安全で非侵襲的である（例えば、非電離放射線）
・パイプラインの内壁の腐食を検出する。
・パイプラインの外壁の腐食を検出する。
・腐食とパイプの曲がり／Ｔ－ジャンクション／溶接によるパイプライン形状の変化を区別できる。
・すべての断熱材タイプをスキャンできる。
・低コストである。
・現在の技術（解像度、スキャンモードの切り替え）を改善する。
・安全で非侵襲的である（例えば、非電離放射線）
・パイプラインの内壁の腐食を検出する。
・パイプラインの外壁の腐食を検出する。
・腐食とパイプの曲がり／Ｔ－ジャンクション／溶接によるパイプライン形状の変化を区別できる。
・すべての断熱材タイプをスキャンできる。
・低コストである。
・現在の技術（解像度、スキャンモードの切り替え）を改善する。
【0119】
いくつかの実施形態では、システムは、振動一次磁場を提供するように構成された可変磁場源のセットを含むことができ、システムは、ｒｆ共振に調整された周波数で相互に検出信号から位相シフトされた検出信号に応じて可変磁場源の各々を駆動するように構成されているが、検出信号と同相であり得ることを排除するものではない。可変磁場源の各々は、一次磁場および二次磁場のそれぞれの成分を効果的に提供し、それらの成分のそれぞれは、上記のように動作することができる（上記の参照は、単に一次磁場または二次磁場に対するものである）。可変磁場源のセットは、それぞれが上記のように構成されたｒｆコイルのセットであり得る。可変磁場源のセット間の相対的な位相差を確実にするために、可変磁場源のセットの少なくとも１つは、上記のように移相器を介して駆動される。移相器、電圧フォロワおよび／または増幅器が可変磁場源のセットの２つ以上に使用される場合、移相器、電圧フォロワおよび／または増幅器は、複数の、場合によってはすべての、可変磁場源のセットに共通であり得、および／または複数の、場合によってはすべての可変磁場源のセットは、それら自身のそれぞれの移相器、電圧フォロワおよび／または増幅器を使用することができる。
【0120】
当業者は、上記の特定の原子磁力計が、使用できる唯一のタイプの原子磁力計ではないことを理解するであろう。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、および異なる遷移を適切に使用することができる。特に、Ｃｓ原子以外の原子は、固体、液体、および／または蒸気の形態で使用することができ、それに応じて周波数および出力を調整することができる。さらに、ポンピング、磁場生成、およびプローブビーム検出の手段を変えることができる。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、またはそれ以上のレーザを使用して、ポンピングおよびプロービングを実行することができ、いくつかの実施形態では、ビームの偏光を変えることができる。プローブビーム検出器も変化させることができるが、好ましくは、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。
【0121】
いくつかの実施形態では、地球の磁場をバイアス磁場として使用することが可能であり、したがって、バイアス磁場源を省略することができる。
【0122】
いくつかの実施形態では、可変磁場源を駆動するために使用される前に、処理を検出信号に適用することができる。しかし、すべての実施形態において、可変磁場源を駆動する信号、したがって一次磁場および二次磁場の振動は、その同じ周波数を有するように検出信号に依存しなければならない。
【0123】
上記の実施形態では、ロックイン増幅器３６は、原子信号の振幅および位相を記録または決定するものとして説明されているが、信号の周波数を参照して検出信号を復調できれば、任意のプロセッサを使用できる。
【0124】
上記の実施形態では、材料応答検出は、材料欠陥の画像化に使用されるが、これは、すべての実施形態において必要ではない。いくつかの実施形態では、材料応答検出を他の目的に使用することができる。
【0125】
例
自励振動センサの有利な特性は、磁気的にシールドされた環境とオープンな環境の両方で提示される。強磁性炭素鋼サンプルにおける磁気誘導断層撮影による欠陥検出の実証が提示される。説明した構成は、原子磁力計に基づくシンプルで堅牢な非破壊材料欠陥検出システムを提供できる。
自励振動センサの有利な特性は、磁気的にシールドされた環境とオープンな環境の両方で提示される。強磁性炭素鋼サンプルにおける磁気誘導断層撮影による欠陥検出の実証が提示される。説明した構成は、原子磁力計に基づくシンプルで堅牢な非破壊材料欠陥検出システムを提供できる。
【0126】
以下に説明する測定は、シールドされた環境［２８－３０］とオープン環境［６－８］のｒｆ原子磁力計の２つの構成で実行される。シールドされた環境で、スピンメーザの基本的な特性を調べる。フィードバックループがある場合とない場合のｒｆ駆動に対する原子応答を比較する。シールドされていないｒｆ原子磁力計を備えたＭＩＴを介した炭素鋼プレートの欠陥の画像化におけるスピンメーザの実装が提示される。これまでのところ、磁力測定の状況では、ｒｆシステムでのスピンメーザの作用は主に地磁気測定の状況で調査されてきた［２３、２６］。フィードバックループは、自励振動ｄｃ原子磁力計でも研究されている［３１－３３］。センサは、スペクトルコヒーレンスプロファイルの線幅によって示される帯域幅（約５ｋＨｚ）を超える帯域幅を提供することが実証された。アルカリ金属スピンメーザの以前の実証には、非線形結合、つまり直線偏光レーザビームと間接光ポンピングによって駆動される非線形スピンダイナミクスの組合せも含まれる［３４］。ここで説明するケースは、原子システムの線形応答を利用している。
【0127】
実験の設定。シールド環境では、２ｍｍの厚さのミューメタルで作られたエンドキャップ付きの５層の円筒形シールドを使用することにより、周囲の磁場が抑制される［２８－３０、３４］。シールド内のソレノイドは、適切に制御されたオフセット磁場を生成する。オープン構成では、測定は磁気的にシールドされていない環境で実行され、オフセット磁場は３対の入れ子になった直交する正方形のヘルムホルツコイルによってアクティブに安定化される［３、６－８、３５］。どちらの設定でも、セシウム原子蒸気は、周囲温度（原子密度ｎCs＝０．３３１０11ｃｍ-3）でパラフィン被覆セルに収容される。原子は、オフセット磁場の方向に沿って伝播する円偏光レーザビームによって光ポンピングされる（図１）。ビームは、６2Ｓ1/2Ｆ＝３→６2Ｐ3/2Ｆ’＝２遷移（Ｄ２線、８５２ｎｍ）に安定するダイオードレーザ周波数によって提供される。集団原子スピンの進化は、直線偏光プローブビームの偏光状態にマッピングされる［２９、３６、３７］。プローブビームはポンプビームに位相オフセットロックされ、６2Ｓ1/2Ｆ＝４→６，2Ｐ3/2Ｆ’＝５遷移から８００ＭＨｚの青にシフトする。セルを透過したレーザ光は、入射偏光に対して４５°に向けられた結晶偏光器と市販の平衡光検出器で構成される偏光計によって分析される。生じた信号は、駆動ｒｆ磁場周波数を基準としたロックイン増幅器または２ＭＳ／ｓデータ取得ボードのいずれかによって測定される。
【0128】
シールド設定。標準モードおよびスピンメーザ構成でのｒｆ磁力計の動作は、信号振幅のアラン偏差によって比較される。私たちの目標は、ｒｆ共振に対するスピンメーザシステムの自律調整の利点を説明することである。ノイズの多い環境の影響をシミュレートするために、オフセット磁場コイルを駆動し、ｒｆ共振周波数を定義する電流源（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６２２０）の安定性を低下させた。図５は、標準構成（赤い円）でのｒｆ磁力計の振幅の統計的不確実性の時間依存性を示している。ここで、ｒｆ磁場は、調整可能な波形発生器とスピンメーザモード（黒いひし形）で生成される。前者の場合、オフセット磁場のドリフトにより、積分時間が１０ミリ秒を超えると約√τ依存性（青い破線）から逸脱する。振幅の統計的不確実性の積分時間への依存性（約√τ、青い破線でマーク）は、支配的な「ホワイトノイズ」特性を示している。スピンメーザの振動振幅の安定性は、シングルモード偏光維持ファイバーを介してシステムに供給されるプローブビームパワーの変動によって制限される。
【0129】
スピンメーザの特徴的な特性の１つは、「起動」振動、つまり、メーザ動作の開始時のメーザ振動振幅の過渡的な周期的変動である［１９］。振幅の変動は、動作条件の突然の変化の後に定常状態に近づく高ゲインフィードバックループを備えたシステムで観察されるものと同等である。過渡ダイナミクスが観察され得るアルカリ金属スピンメーザの２つのシナリオを図６に示す。（ａ）５．７μＴのオフセット磁場でのスピンメーザ動作開始の直後と（ｂ）大幅な周波数ジャンプの場合である。後者の場合は、動作周波数によるコイルのＱ値の変動が原因である。特に、図６は、磁場がラーモア周波数に関して５ｋＨｚから４０ｋＨｚに変化したときに観察される自励振動磁力計信号の過渡的挙動を示している。測定は、５００ｍＷ／１５０ｍＷのポンプ／プローブビームパワーで実行された。周波数変化が１ｋＨｚ未満の場合、過渡的な振幅振動は観察されない。これは、強磁性体を使用したこれらの実験で記録された最大のシフトである。
【0130】
磁気誘導測定におけるスピンメーザ。上記のアルカリ金属スピンメーザは、断層撮影磁気誘導画像化の設定に実装されている。測定は、［６－８］で既に説明したのと同じ機器を使用して、シールドされていない環境で実行される。一次磁場（直径０．２ｍｍの銅線、高さ１０ｍｍ、内径２ｍｍ、外径４ｍｍの１０００ターン）を生成するｒｆコイルは、構造上の欠陥を模倣するくぼみのある厚さ６ｍｍの鋼板の約３ｍｍ上に配置されている。ｒｆコイルは、プレートの２００ｍｍ上にある原子磁力計でプローブビームの偏光を監視する平衡光検出器の出力に接続されている。測定は、いわゆる自己補償構成で構成されている［８］。この構成では、ｒｆ一次磁場の軸はオフセット磁場方向に平行であり、プレートの表面に直交している。原子信号の振幅は、信号周波数を基準にしたロックイン増幅器によって記録される。誘導実験でのスピンメーザフィードバック作用の生成は、前のパートで報告されたものよりも複雑である。オフセット磁場での原子スピンの自発的な歳差運動によって生成された信号は増幅され、一次ｒｆ磁場コイルに転送される。これにより、プレート（二次磁場）内の応答が、その表面構造によって定義された振幅と方向で励起される。原子磁力計はオフセット磁場の軸に直交するｒｆ磁場成分にのみ敏感であるため、原子スピン歳差運動はプレート表面に平行な二次磁場成分によってのみ駆動できる。これらの成分は、くぼみの縁の近くでのみ非ゼロになる。その結果、欠陥、不均一性、または縁から離れた、つまりプレートの均一な表面上でのスピンメーザ作用はない。スピンメーザの正のフィードバックの条件は、フィードバックループのすべての位相シフトの合計がゼロである必要がある［２３］。つまり、原子スピン歳差運動と二次磁場によって生成される駆動との間の位相整合である。駆動の位相は、二次磁場の方向によって定義される。［８］に示すように、二次磁場の方向の変化は、一次磁場コイルがくぼみの周囲をスキャンするときに、可能な値の全範囲（３６０°）をカバーする。これは、検出された信号位相、つまり原子から見た駆動の位相の渦に変換される。スピンメーザ作用は、くぼみの縁の領域より上でのみトリガーされる（つまり、二次磁場の方向に対して）。これにより、原子サンプル内の位相整合条件が保証される。この領域の選択は、検出された信号とｒｆコイルの間に位相シフトを導入することによって制御できる。フィードバックループの増幅の変化は、二次磁場強度に影響を与えるため、異なるサイズと深さの欠陥を区別するために使用できる。図７は、（ａ）標準および（ｂ）スピンメーザ自己補償モードで記録された、深さ２．４ｍｍである直径２４ｍｍのくぼみを含むプレートの６４×６４ｍｍ2の領域の画像を示している。スピンメーザ動作モードでは、測定に記録された値がｒｆスペクトル共振の振幅を表すことが保証されるため、スペクトルプロファイル全体を監視する必要がなくなる。これは、画像取得時間の大幅な短縮につながる。単一の場所でのｒｆスペクトルの取得によって定義される図７（ａ）の画像の一般的な記録時間約８秒は、１２時間である。同じ測定条件であるスピンメーザモードで画像を取得するのに約２５分かかる（図７（ｂ－ｄ））。この時間は、ステッピングモーターの移動時間に制限される。位相整合条件のため、図７（ａ）に示すくぼみの特徴の一部のみが（ｂ）に表示される。図７（ｃ）は、同じｒｆコイルで記録されたくぼみの画像と（ｂ）に示した場合に対する１８０°の位相シフトを示している。これは、くぼみの完全な特徴を回復するために、それぞれが関連する位相シフトを備えたコイルのセットを実装できることを示している。したがって、本発明のさらなる実施形態は、上記のようなシステムを含むが、図７（ｄ）に示される画像を記録するために逆位相を有する２つのコイルを有する。くぼみ（すなわちリング）の全体の特徴は回復されないが、測定は、マルチコイルシステムを使用して、くぼみの全周でスピンメイシングを確実にすることができることを証明する。スピンメーザシステムをｒｆ共振に自律的に調整することで、アクティブな磁場の安定化がなくても、振幅とコントラストを低下させることなく、図７（ｂ－ｄ）に示すような画像を記録できる。これにより、フラックスゲート磁力計やＰＩＤユニットなどの磁場安定化電子機器が廃止されるため、画像化システムの計測が大幅に簡素化される。
【0131】
くぼみ周辺の信号位相の変化は単調であるため、スピンメーザ信号の位相依存性を図７（ｂ）および（ｃ）から抽出できる。［８］に示すように、二次磁場の位相はくぼみの周囲に沿って単調に変化する。これにより、水平軸の較正が可能になる。図８は、図７（ｂ）のくぼみの特徴の周囲に沿って読み取られた信号の振幅の変化を示している。位相は画像の中央で任意に０°に設定されており、駆動の位相と原子スピン振動が完全に整合している場合を表している。
【0132】
結論として、我々は、磁気的にシールドされたオープンな環境でのアルカリ金属スピンメーザの動作を実証した。測定の自己調整特性は、オフセット磁場のドリフトに関係なく、ｒｆ共振周波数での信号振幅の読み取りに役立つ。これにより、画像のキャプチャレートを大幅に向上させることができる。また、マルチｒｆコイルシステムの動作についても説明した。
【0133】
特定の例のすべての詳細、特に動作条件、パラメータ、および寸法は、本明細書に記載の任意の実施形態に適用することができる。
【0134】
記載された実施形態および従属請求項のすべての任意で好ましい特徴および修正は、本明細書で教示される本発明のすべての態様で使用可能である。さらに、従属請求項の個々の特徴、ならびに記載された実施形態のすべての任意選択の好ましい特徴および修正は、互いに組合せ可能であり、交換可能である。
【0135】
本出願が優先権を主張する英国特許出願第１９１０２１３．６号における開示、および本出願に付随する要約における開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
参考文献
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【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】