JP7265699B2

JP7265699B2 - 測定装置

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Publication number: JP7265699B2
Application number: JP2019031070A
Authority: JP
Inventors: 祐輝竹村; 義治芳井; 正樹斎藤
Original assignee: Sumida Corp
Current assignee: Sumida Corp
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: EP3699621B1; US20200271735A1; EP3699621A1; CN111610475B; US11221381B2; CN111610475A; JP2020134415A; US11747414B2; US20220091201A1

Description

本発明は、測定装置に関するものである。

ある磁気計測装置は、電子スピン共鳴を利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）で磁場測定を行っている（例えば特許文献１参照）。

ＯＤＭＲでは、サブレベルの準位と光学遷移準位とをもつ媒質に高周波磁場（マイクロ波）と光を電子スピン共鳴部材に照射することで、サブレベル間の磁気共鳴による占有数の変化などが光信号により高感度で検出される。

例えば、ダイヤモンド構造中の窒素と格子欠陥（ＮＶＣ：Nitrogen Vacancy Center）において、通常、基底状態の電子は、緑光で励起された後、基底状態に戻る際に赤光を発する。一方、２．８７ＧＨｚ前後の高周波磁場の照射により、その電子は、基底状態における３つのサブレベルの中で一番低いサブレベル（ｍｓ＝０）から残りの高エネルギー準位のサブレベル（ｍｓ＝±１）へ遷移する。このサブレベル（ｍｓ＝±１）の電子が緑光で励起されると、無輻射で基底状態中のサブレベル（ｍｓ＝０）に戻るため発光量が減少する。

そして、被測定磁場によるゼーマン効果、被測定電場によるシュタルク効果などによって、高エネルギー準位のサブレベル（ｍｓ＝±１）が変動する。変動したサブレベル（ｍｓ＝±１）に対応するマイクロ波周波数で、ＯＤＭＲで観測される蛍光量が減少するため、そのような蛍光量の分布を測定することで、被測定場の強度が特定される。

特開２０１２－１１０４８９号公報

ＯＤＭＲに限らず、例えば上述のような、マイクロ波を照射してラビ振動に基づいてスピン量子操作（例えば上述の電子スピンのサブレベル間の遷移）を行う測定系で、スピン量子操作を比較的短時間で行うには、マイクロ波の強度を高める必要がある。つまり、磁場の測定時間を短くするには、マイクロ波の強度を高める必要があるが、上述の磁気計測装置では、マイクロ波の強度を高めることは困難である。ひいては、比較的短時間で磁場などの測定を行うことは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、マイクロ波照射によるラビ振動に基づく電子スピン量子操作を利用した磁場測定や電場測定を比較的短時間で行う測定装置を得ることを目的とする。

本発明に係る測定装置は、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、そのマイクロ波が照射された電子スピン共鳴部材を使用して被測定場の強度を特定する観測系とを備える。マイクロ波生成部は、上述のマイクロ波を放出するコイル部と、コイル部に対して電気的に並列に配置されコイル部から延びる一対の電極片を備える追加静電容量部と、その電極片とは別の接続脚部とを備える。

本発明によれば、マイクロ波照射によるラビ振動に基づく電子スピン量子操作を利用した磁場測定や電場測定を比較的短時間で行う測定装置が得られる。

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図である。図２は、図１に示す測定装置におけるマイクロ波生成部２および高周波電源３の周辺の電気回路の一例を説明するブロック図である。図３は、実施の形態１に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。図４は、図１に示す測定装置におけるマイクロ波生成部２の等価回路を示す回路図である。図５は、図３に示すマイクロ波生成部２の展開図である。図６は、実施の形態１におけるマイクロ波生成部２の実施例に基づくマイクロ波の磁束密度の増強について説明する図である。図７は、実施の形態２に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。図８は、実施の形態２におけるマイクロ波生成部２の実施例に基づく磁束密度分布について説明する図である。図９は、実施の形態３に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。図１０は、実施の形態４に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。図１１は、実施の形態５に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である（１／２）。図１２は、実施の形態５に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である（２／２）。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

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図である。一例として、実施の形態１に係る測定装置は、光検出磁気共鳴方式で磁場や電場の強度を測定する。図１に示す測定装置は、電子スピン共鳴部材１を備える。この電子スピン共鳴部材１は、被測定場（被測定磁場や被測定電場）内に配置される。この電子スピン共鳴部材１は、後述のように所定の測定シーケンスにおいて、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を施される。

なお、被測定場の測定方式は、光検出磁気共鳴方式に限定されず、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を利用するものであれば、他の方式でもよい。また、この実施の形態では、電子スピン共鳴部材１は、光検出磁気共鳴方式用の、ＮＶＣを有するダイヤモンドなどの板材であって、支持板１ａに固定されている。なお、光検出磁気共鳴方式用の電子スピン共鳴部材１は、ＮＶＣを有するダイヤモンドに限定されず、他のカラーセンタを有するものでもよい。

図１に示す測定装置は、マイクロ波生成部２および高周波電源３を備える。

マイクロ波生成部２は、電子スピン共鳴部材１に対してラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を生成する。

実施の形態１では、マイクロ波生成部２は、電子スピン共鳴部材１にマイクロ波の磁場を印加する。マイクロ波の周波数は、電子スピン共鳴部材１の種類に応じて設定される。例えば、電子スピン共鳴部材１が、ＮＶＣを有するダイヤモンドである場合、マイクロ波生成部２は、２．８７ＧＨｚ程度のマイクロ波磁場を印加する。高周波電源３は、マイクロ波生成部２にマイクロ波の電流（つまり、上述のマイクロ波の磁場を生成するための電流）を導通させる。

さらに、図１に示す測定装置は、照射装置４、受光装置５、演算処理装置６などを観測系１１として備える。観測系１１は、上述のマイクロ波が照射された電子スピン共鳴部材１を使用して被測定場の強度を特定する。

照射装置４は、電子スピン共鳴部材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。受光装置５は、測定光の照射時において電子スピン共鳴部材１から発せられる蛍光を検出する。

演算処理装置６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６は、測定制御部６ａおよび測定対象強度演算部６ｂとして動作する。

測定制御部６ａは、被測定場に対して所定の測定シーケンスを実行し、その測定シーケンスにおいて、高周波電源３および照射装置４を制御し、受光装置５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４は、レーザーダイオードなどを光源として備え、受光装置５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６ａ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５の出力信号に基づいて、上述の検出光量を特定する。この実施の形態では、上述の所定の測定シーケンスとして、ラムゼイパルスシーケンス、スピンエコーシーケンスなどが適用される。ただし、これに限定されるものではない。

測定対象強度演算部６ｂは、所定の演算式に従って、上述の検出光量に基づいて被測定場の強度（例えば、磁束密度の振幅）を演算する。

図２は、図１に示す測定装置におけるマイクロ波生成部２および高周波電源３の周辺の電気回路の一例を説明するブロック図である。

例えば図２に示すように、高周波電源３が伝送線路部２１で基板３１に電気的に接続され、基板３１にマイクロ波生成部２が装着され、伝送線路部２１および基板３１（つまり、基板３１上の配線パターン）を介してマイクロ波生成部２に対して、マイクロ波の電流が、マイクロ波生成部２に導通する。また、マイクロ波生成部２に対して直列に周波数調整部２２、図示せぬインピーダンスマッチング部などが電気的に接続されている。また、周波数調整部２２、図示せぬインピーダンスマッチング部などは、基板３１上に実装されている。周波数調整部２２は、例えば直列ＬＣ回路である。

図３は、実施の形態１に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。図３（Ａ）は、実施の形態１におけるマイクロ波生成部２の正面図であり、図３（Ｂ）は、実施の形態１におけるマイクロ波生成部２の側面図である。

マイクロ波生成部２は、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に対して電気的に並列に配置された追加静電容量部２ｂとを備える。

コイル部２ａは、電子スピン共鳴部材１を挟むように、もしくは電子スピン共鳴部材１の一方側において、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。コイル部２ａは、２本の線状のコイルとしてもよいし、１つの板状のコイルとしてもよい。なお、コイル部２ａを板状のコイルとしても、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。

実施の形態１では、図３に示すように、コイル部２ａは、１つの板状コイルとされている。

また、実施の形態１では、マイクロ波生成部２（コイル部２ａ）は、図３（Ｂ）における実線で示すように、基板３１の端部に装着されている。なお、マイクロ波生成部２（コイル部２ａ）は、図３（Ｂ）における破線で示すようにして、基板３１の端部に装着されていてもよい。

図４は、図１に示す測定装置におけるマイクロ波生成部２の等価回路を示す回路図である。

追加静電容量部２ｂは、マイクロ波の出力を増強するために設けられた部位であって、図４に示すように、コイル部２ａに対して並列に静電容量を付加するものである。なお、追加静電容量部２ｂは、浮遊静電容量ではなく、所定の静電容量を有するように意図的に設けられた部位である。

ここで、周波数調整部２２は、追加静電容量部２ｂに起因するマイクロ波の周波数変化を抑制するようにマイクロ波の周波数を所望の周波数に調整するために設けられている。

追加静電容量部２ｂは、コイル部２ａに対して直接、または、コイル部２ａに電気的に接続される電気素子（上述の周波数調整部２２、インピーダンスマッチング部など）とコイル部２ａとの間に配置される。

実施の形態１では、追加静電容量部２ｂは、コイル部２ａに対して直接配置されており（一体として、あるいは互いに接続された別体として）、コイル部２ａから延びる一対の電極片２ｃを備える。電極片２ｃは、コイル部２ａの端部から略周方向に所定長さだけ延び、コイル部２ａの外側へ略垂直に屈曲した平板部を備える。追加静電容量部２ｂの静電容量は、その平板部のギャップ幅および面積に基づいて設定される。

さらに、図３に示すように、マイクロ波生成部２は、コイル部２ａの両端から延びる一対の接続脚部２ｄを備える。

図５は、図３に示すマイクロ波生成部２の展開図である。例えば図５に示すように、コイル部２ａおよび一対の電極片２ｃ（並びに一対の接続脚部２ｄ）は、１枚の導電板を成形して得られる。

次に、実施の形態１に係る測定装置の動作について説明する。

測定制御部６ａは、所定の測定シーケンスに従って、（ａ）まず、照射装置４で、所定波長の励起光を電子スピン共鳴部材１に照射して、電子スピン共鳴部材１の電子スピンの状態を揃え、（ｂ）その後、マイクロ波生成部２および高周波電源３で、所定タイミングおよび所定時間幅のパルス状のマイクロ波を電子スピン共鳴部材１に印加し、（ｃ）その後、照射装置４で、射影測定用の測定光を照射するとともに、電子スピン共鳴部材１の発する蛍光を受光装置５で受光しその受光光量（検出光量）を検出し、測定対象強度演算部６ｂが、その検出光量に基づいて、被測定場の強度を演算する。

このような測定シーケンスにおいて、マイクロ波生成部２がマイクロ波を生成する際、マイクロ波生成部２に蓄積されるエネルギーＷは、次式で示される。

Ｗ＝Ｗｈ＋Ｗｅ

ここで、Ｗｈは、コイル部２ａに蓄積される磁気エネルギーであり、コイル部２ａのインダクタンスＬに比例する。また、Ｗｅは、追加静電容量部２ｂに蓄積される電気エネルギーであり、追加静電容量部２ｂの静電容量Ｃに比例する。

ＷｈとＷｅは、マイクロ波の周波数に対応する互いに同一の周波数で、かつ、略９０度の位相差で交番しており、Ｗが大きいほど、マイクロ波の強度も高くなる。したがって、追加静電容量部２ｂによって、マイクロ波の強度が増強される。

そして、マイクロ波の強度が高くなることで、電子スピン量子操作が短い時間で行われ、磁場測定や電場測定に要する時間も短くなる。

以上のように、上記実施の形態１によれば、マイクロ波生成部２は、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を生成する。観測系１１は、そのマイクロ波が照射された電子スピン共鳴部材を使用して被測定場の強度を特定する。マイクロ波生成部２は、上述のマイクロ波を放出するコイル部２ａと、コイル部２ａに対して電気的に並列に配置された追加静電容量部２ｂとを備える。そして、追加静電容量部２ｂは、コイル部２ａに対して直接、または、コイル部２ａに電気的に接続される電気素子とコイル部２ａとの間に配置されている。

これにより、マイクロ波の出力が増強され、マイクロ波照射によるラビ振動に基づく電子スピン量子操作を利用した磁場測定や電場測定が比較的短時間で行われる。

図６は、実施の形態１におけるマイクロ波生成部２の実施例に基づくマイクロ波の磁束密度の増強について説明する図である。図６は、コイル部２ａの半径が２．０ｍｍであり、コイル部２ａの幅（板コイルの幅）が１．５ｍｍであり、周波数調整部２２でマイクロ波周波数を２．８５ＧＨｚに近づけようとした場合のシミュレーション結果を示している。例えば図６に示すように、追加静電容量部２ｂがない場合に比べ、追加静電容量部２ｂによってコイル部２ａの平均磁束密度が増加する。なお、規格化された平均磁束密度は、平均磁束密度を反射損失で規格化したものである。

実施の形態２．

図７は、実施の形態２に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。実施の形態２では、追加静電容量部２ｂは、コイル部２ａに電気的に接続された静電容量素子２ｅを備える。静電容量素子２ｅは、例えば小型のチップ型コンデンサであって、静電容量素子２ｅの両端子がコイル部２ａの端部から略周方向に延びる一対の端子片２ｆに電気的にかつ機械的に接続されている。

なお、実施の形態２に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図８は、実施の形態２におけるマイクロ波生成部２の実施例に基づく磁束密度分布について説明する図である。図８は、磁束密度分布のシミュレーション結果を示している。図８に示すように、端子片２ｆによって、円形状のコイル部２ａの端部のギャップ２ｇが狭くなり、周方向に沿った磁束密度分布が均一化される。

実施の形態３．

図９は、実施の形態３に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。実施の形態３では、コイル部２ａが、２本の線状のコイルを備える。なお、実施の形態３では、コイル部２ａにおける２本の線状のコイルに対して共通の（１つの）追加静電容量部２ｂを備えているが、コイル部２ａにおける２本の線状のコイルに対して別々の（２つの）追加静電容量部２ｂを備えるようにしてもよい。

なお、実施の形態３に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。また、実施の形態３において、追加静電容量部２ｂを実施の形態２と同様の構成としてもよい。

実施の形態４．

図１０は、実施の形態４に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。実施の形態４では、コイル部２ａが、所定の厚みを有する基板３１の表裏面に、互いに平行な２つの配線パターン（金属パターン）２－１，２－２として形成されている。また、コイル部２ａの中心を貫くような貫通孔３１ａが、基板３１に設けられている。なお、基板３１が多層基板である場合、コイル部２ａが、多層基板における互いに異なる層において、互いに平行な２つの配線パターン（金属パターン）として形成されていてもよい。図１０においては、追加静電容量部２ｂは図示していないが、同様に設けられる。例えば、基板３１上に静電容量素子２ｅと同様の静電容量素子が実装され、コイル部２ａに電気的に接続される。

なお、実施の形態４に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１または２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態５．

図１１および図１２は、実施の形態５に係る測定装置におけるマイクロ波生成部２の一例を示す図である。実施の形態５では、所定の厚みを有する基板３１に貫通孔３１ａが設けられており、板状コイルとしてのコイル部２ａが、貫通孔３１ａ内に配置されている。図１１に示す例では、貫通孔３１ａが円筒状であり、貫通孔３１ａの内壁にコイル部２ａが接している。図１２に示す例では、貫通孔３１ａが四角筒状であり、貫通孔３１ａの内壁にコイル部２ａが接していない。図１１および図１２においては、追加静電容量部２ｂは図示していないが、同様に設けられる。

なお、実施の形態５に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１または２と同様であるので、その説明を省略する。

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。

例えば、上記実施の形態において、追加静電容量部２ｂとしての静電容量素子２ｅは、基板３１上（つまり、基板３１の配線パターン）に実装されていてもよい。

また、上記実施の形態においては、測定対象強度演算部６ｂは、一例として、被対象場の磁場強度を特定しているが、その代わりに、被対象場の電場強度を特定するようにしてもよい。

本発明は、例えば、光検出磁気共鳴に基づく測定装置に適用可能である。

１電子スピン共鳴部材
２マイクロ波生成部
２ａコイル部
２ｂ追加静電容量部
２ｃ電極片
２ｅ静電容量素子
１１観測系

Claims

ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
前記マイクロ波が照射された電子スピン共鳴部材を使用して被測定場の強度を特定する観測系とを備え、
前記マイクロ波生成部は、前記マイクロ波を放出するコイル部と、前記コイル部に対して電気的に並列に配置され前記コイル部から延びる一対の電極片を備える追加静電容量部と、前記電極片とは別の接続脚部とを備えること、
を特徴とする測定装置。
前記コイル部、前記一対の電極片、および前記接続脚部は、１枚の導電板を成形したものであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記マイクロ波生成部に対して電気的に直列に配置された周波数調整部をさらに備え、
前記周波数調整部は、前記追加静電容量部に起因する前記マイクロ波の周波数変化を抑制するように前記マイクロ波の周波数を所望の周波数に調整すること、
を特徴とする請求項１または請求項２記載の測定装置。
前記コイル部は、前記電子スピン共鳴部材を挟むように、もしくは前記電子スピン共鳴部材の一方側において、所定の間隔で互いに平行な２つの電流を導通させ、マイクロ波を放出することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の測定装置。