(57)【要約】      （修正有）【課題】ＥＰＲとＮＭＲとを組み合わせた磁力計システムを提供する。【解決手段】磁力計システム１０は、アルカリ金属粒子を含むセンサーセル１２と、センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザー２８と、検出システム３０であって、検出システムは、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第一における外部磁場のベクトルの大きさの核磁気共鳴（ＮＭＲ）検出を実装し、かつ、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第二および第三における外部磁場のベクトルの大きさの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）検出を実装するように構成されている、検出システムと、３つの直交軸の各々における外部磁場の検出された大きさに基づいて、外部磁場のスカラーの大きさを計算するように構成されているコントローラー３２とを含む。【選択図】図１
2014115290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁力計システムであって、該システムは、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーと、
検出システムであって、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第一における外部磁場のベクトルの大きさの核磁気共鳴（ＮＭＲ）検出を実装し、かつ、該センサーセルを通過する該プローブビームの該特性に基づいて、該３つの直交軸のうちの第二および第三における該外部磁場のベクトルの大きさの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）検出を実装するように構成されている、検出システムと、
該３つの直交軸の各々における該外部磁場の該検出された大きさに基づいて、該外部磁場のスカラーの大きさを計算するように構成されているコントローラーと
を含む、システム。
【請求項２】
前記３つの直交軸の各々において制御可能な、前記センサーセルを通る磁場を生成するように構成されている磁場システムをさらに含み、前記検出システムは、前記プローブビームの前記特性に基づいて、前記外部磁場に応答する前記アルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出して、該アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の大きさを制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すように構成され、前記コントローラーは、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の該大きさに基づいて、前記スカラーの大きさと該３つの直交軸の各々における該外部磁場の前記ベクトルの大きさとの両方を計算するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記検出システムは、前記センサーセルを通る前記プローブビームと関連付けられたファラデー回転を実質的に軽減するように前記３つの直交軸のうちの２つの各々における前記制御可能な磁場を設定することに基づいて、該３つの直交軸のうちの該２つの各々における前記外部磁場のベクトルの大きさを検出するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記プローブレーザーは、前記プローブビームを直線偏光光学信号として生成するように構成され、前記検出システムは、前記ＥＰＲ検出および前記ＮＭＲ検出の各々における該直線偏光光学信号のファラデー回転に基づいて、前記アルカリ金属粒子の前記歳差運動を検出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記センサーセルは、少なくとも１つの核スピン同位体をさらに含み、前記システムは、光ポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーをさらに含み、該光ポンプビームは、該少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動の前記検出を可能にするように前記アルカリ金属粒子を刺激するように構成され、前記検出システムは、該少なくとも１つの核スピン同位体の該歳差運動を検出することにより、前記ＮＭＲ検出において、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場のベクトルの大きさを決定するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、該第一および第二の核スピン同位体は、該第一および第二の核スピン同位体が逆の方向に歳差運動するような磁気回転比を有し、前記検出システムは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第一において前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、ＤＣ成分を有し、該ＤＣ成分は、該３つの直交軸のうちの該第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するために、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の前記和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように制御可能である、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第二および前記第三のうちの少なくとも１つにおいて前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、前記少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動を刺激するＡＣ成分を有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
３つの直交軸における外部磁場のスカラーの大きさとベクトルの大きさとの両方を測定する方法であって、該方法は、
３つの直交軸のうちの第一の軸に沿った第一の磁場を印加することであって、該第一の磁場は、センサーセルにおけるアルカリ金属粒子を歳差運動させるように構成されている、ことと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供することと、
該センサーセルを通る該プローブビームの特性に基づいて、外部磁場に応答する該アルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出することと、
該アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸のうちの第二の軸および第三の軸における第二の磁場および第三の磁場の大きさをそれぞれ制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すことと、
該センサーセルにおける少なくとも１つの核スピン同位体の歳差運動を監視することと、
フィードバック態様で、該第一の軸に沿った該第一の磁場の大きさを制御することにより、該少なくとも１つの核スピン同位体の実質的に一定の歳差運動を維持することと、
該第一、第二、および第三の磁場の大きさに基づいて、該外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算することと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記プローブビームを提供することは、直線偏光プローブビームを提供することを含み、前記歳差運動の特性を検出することは、前記センサーセルを通る該プローブビームのファラデー回転に基づいて、前記外部磁場に応答する前記アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性を検出することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、前記方法は、
前記センサーセルを通るポンプビームを提供することにより、該第一および第二の核スピン同位体を偏極することと、
前記第二および第三の磁場のうちの少なくとも１つのＡＣ成分を印加することにより、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動を刺激することと
をさらに含み、
該歳差運動を監視することは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記第一の軸における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一の磁場の大きさを制御することは、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように該第一の磁場のＤＣ成分を制御することにより、前記第一の軸における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
磁力計システムであって、該システムは、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーと、
該アルカリ金属粒子を刺激するように構成されている光ポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーと、
３つの直交軸の各々において、該センサーセルを通る制御可能な磁場を生成するように構成されている磁場システムと、
検出システムであって、該検出システムは、該プローブビームに基づいて、外部磁場に応答する該刺激されたアルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出して、該刺激されたアルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の大きさを制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すように構成されている、検出システムと、
該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の該大きさに基づいて、該外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算するように構成されているコントローラーと
を含む、システム。
【請求項１４】
前記プローブレーザーは、前記プローブビームを直線偏光光学信号として生成するように構成され、前記検出システムは、該直線偏光光学信号のファラデー回転に基づいて、前記刺激されたアルカリ金属粒子の前記歳差運動を検出するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記センサーセルは、少なくとも１つの核スピン同位体をさらに含み、該少なくとも１つの核スピン同位体は、前記刺激されたアルカリ金属粒子との相互作用を通してスピン偏極され、該少なくとも１つの核スピン同位体は、正味の磁場に応答して歳差運動し、前記検出システムは、該少なくとも１つの核スピン同位体の該歳差運動を検出することにより、前記３つの直交軸のうちの第一における前記外部磁場のベクトルの大きさを決定するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、該第一および第二の核スピン同位体は、該第一および第二の核スピン同位体が逆の方向に歳差運動するような磁気回転比を有し、前記検出システムは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第一において前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、ＤＣ成分を有し、該ＤＣ成分は、該３つの直交軸のうちの該第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するために、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の前記和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように制御可能である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの第二および第三のうちの少なくとも１つにおいて前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、前記少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動を刺激するＡＣ成分を有する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記検出システムは、前記センサーセルを通る前記プローブビームと関連付けられたファラデー回転を実質的に軽減するように前記３つの直交軸のうちの２つの各々における前記制御可能な磁場を設定することに基づいて、該３つの直交軸のうちの該２つの各々における前記外部磁場のベクトルの大きさを検出するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コントローラーは、前記３つの直交軸の各々における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさのベクトル和に基づいて、該外部磁場の前記スカラーの大きさを計算するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、センサーシステムに関連し、特に、ＥＰＲとＮＭＲとを組み合わせた磁力計システムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
磁力計システム（例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）磁力計および／または電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計）は、１つ以上のアルカリ金属蒸気（例えば、ルビジウムまたはセシウム）を含むセルを含み得、アルカリ金属蒸気は、外部磁場の関数であり得る歳差運動特性を示し得る。従って、磁力計システムは、アルカリ金属蒸気（単数または複数）の歳差運動特性に基づいて外部磁場を検出するように構成され得る。３つのベクトル軸における外部磁場の検出を実装する典型的な磁力計システムは、複数の単軸または二軸ベクトルシステムの組み合わせを実装する。そのような磁力計システムは、典型的に、全場のスカラー測定値を決定しようと試みる場合、ダイナミクスまたはシステム誤配列に対する感応性を示し得、その感応性は、不正確をもたらし得る。従って、高い感応性および安定性が動的環境において要求され得る場合、全場スカラー磁力計システムが、しばしば実装される。しかしながら、そのような全場スカラー磁力計システムは、多軸測定を提供することができず、典型的に、動的測定を提供する場合低いバンド幅を示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
磁力計システムであって、該システムは、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーと、
検出システムであって、該検出システムは、該センサーセルを通過する該プローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第一における外部磁場のベクトルの大きさの核磁気共鳴（ＮＭＲ）検出を実装し、かつ、該センサーセルを通過する該プローブビームの該特性に基づいて、該３つの直交軸のうちの第二および第三における該外部磁場のベクトルの大きさの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）検出を実装するように構成されている、検出システムと、
該３つの直交軸の各々における該外部磁場の該検出された大きさに基づいて、該外部磁場のスカラーの大きさを計算するように構成されているコントローラーと
を含む、システム。
（項目２）
前記３つの直交軸の各々において制御可能な、前記センサーセルを通る磁場を生成するように構成されている磁場システムをさらに含み、前記検出システムは、前記プローブビームの前記特性に基づいて、前記外部磁場に応答する前記アルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出して、該アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の大きさを制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すように構成され、前記コントローラーは、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の該大きさに基づいて、前記スカラーの大きさと該３つの直交軸の各々における該外部磁場の前記ベクトルの大きさとの両方を計算するように構成されている、上記項目に記載のシステム。
（項目３）
前記検出システムは、前記センサーセルを通る前記プローブビームと関連付けられたファラデー回転を実質的に軽減するように前記３つの直交軸のうちの２つの各々における前記制御可能な磁場を設定することに基づいて、該３つの直交軸のうちの該２つの各々における前記外部磁場のベクトルの大きさを検出するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
前記プローブレーザーは、前記プローブビームを直線偏光光学信号として生成するように構成され、前記検出システムは、前記ＥＰＲ検出および前記ＮＭＲ検出の各々における該直線偏光光学信号のファラデー回転に基づいて、前記アルカリ金属粒子の前記歳差運動を検出するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記センサーセルは、少なくとも１つの核スピン同位体をさらに含み、前記システムは、光ポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーをさらに含み、該光ポンプビームは、該少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動の前記検出を可能にするように前記アルカリ金属粒子を刺激するように構成され、前記検出システムは、該少なくとも１つの核スピン同位体の該歳差運動を検出することにより、前記ＮＭＲ検出において、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場のベクトルの大きさを決定するようにさらに構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、該第一および第二の核スピン同位体は、該第一および第二の核スピン同位体が逆の方向に歳差運動するような磁気回転比を有し、前記検出システムは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第一において前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、ＤＣ成分を有し、該ＤＣ成分は、該３つの直交軸のうちの該第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するために、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の前記和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように制御可能である、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第二および前記第三のうちの少なくとも１つにおいて前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、前記少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動を刺激するＡＣ成分を有する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
３つの直交軸における外部磁場のスカラーの大きさとベクトルの大きさとの両方を測定する方法であって、該方法は、
３つの直交軸のうちの第一の軸に沿った第一の磁場を印加することであって、該第一の磁場は、センサーセルにおけるアルカリ金属粒子を歳差運動させるように構成されている、ことと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供することと、
該センサーセルを通る該プローブビームの特性に基づいて、外部磁場に応答する該アルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出することと、
該アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸のうちの第二の軸および第三の軸における第二の磁場および第三の磁場の大きさをそれぞれ制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すことと、
該センサーセルにおける少なくとも１つの核スピン同位体の歳差運動を監視することと、
フィードバック態様で、該第一の軸に沿った該第一の磁場の大きさを制御することにより、該少なくとも１つの核スピン同位体の実質的に一定の歳差運動を維持することと、
該第一、第二、および第三の磁場の大きさに基づいて、該外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算することと
を含む、方法。
（項目１０）
前記プローブビームを提供することは、直線偏光プローブビームを提供することを含み、前記歳差運動の特性を検出することは、前記センサーセルを通る該プローブビームのファラデー回転に基づいて、前記外部磁場に応答する前記アルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性を検出することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、前記方法は、
前記センサーセルを通るポンプビームを提供することにより、該第一および第二の核スピン同位体を偏極することと、
前記第二および第三の磁場のうちの少なくとも１つのＡＣ成分を印加することにより、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動を刺激することと
をさらに含み、
該歳差運動を監視することは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記第一の軸における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
前記第一の磁場の大きさを制御することは、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように該第一の磁場のＤＣ成分を制御することにより、前記第一の軸における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
磁力計システムであって、該システムは、
アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、
該センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーと、
該アルカリ金属粒子を刺激するように構成されている光ポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーと、
３つの直交軸の各々において、該センサーセルを通る制御可能な磁場を生成するように構成されている磁場システムと、
検出システムであって、該検出システムは、該プローブビームに基づいて、外部磁場に応答する該刺激されたアルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出して、該刺激されたアルカリ金属粒子の該歳差運動の該特性に基づいて、フィードバック態様で、該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の大きさを制御することにより、該外部磁場を実質的に打ち消すように構成されている、検出システムと、
該３つの直交軸の各々における該制御可能な磁場の該大きさに基づいて、該外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算するように構成されているコントローラーと
を含む、システム。
（項目１４）
前記プローブレーザーは、前記プローブビームを直線偏光光学信号として生成するように構成され、前記検出システムは、該直線偏光光学信号のファラデー回転に基づいて、前記刺激されたアルカリ金属粒子の前記歳差運動を検出するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１５）
前記センサーセルは、少なくとも１つの核スピン同位体をさらに含み、該少なくとも１つの核スピン同位体は、前記刺激されたアルカリ金属粒子との相互作用を通してスピン偏極され、該少なくとも１つの核スピン同位体は、正味の磁場に応答して歳差運動し、前記検出システムは、該少なくとも１つの核スピン同位体の該歳差運動を検出することにより、前記３つの直交軸のうちの第一における前記外部磁場のベクトルの大きさを決定するようにさらに構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１６）
前記少なくとも１つの核スピン同位体は、第一の核スピン同位体と第二の核スピン同位体とを含み、該第一および第二の核スピン同位体は、該第一および第二の核スピン同位体が逆の方向に歳差運動するような磁気回転比を有し、前記検出システムは、該第一および第二の核スピン同位体の歳差運動周波数の和を実質的に安定した基準周波数と比較することにより、前記３つの直交軸のうちの前記第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１７）
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの前記第一において前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、ＤＣ成分を有し、該ＤＣ成分は、該３つの直交軸のうちの該第一における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさを決定するために、前記第一および第二の核スピン同位体の前記歳差運動周波数の前記和を前記実質的に安定した基準周波数に実質的に等しいように実質的に設定するように制御可能である、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１８）
前記磁場システムは、前記３つの直交軸のうちの第二および第三のうちの少なくとも１つにおいて前記制御可能な磁場を生成するように構成され、該制御可能な磁場は、前記少なくとも１つの核スピン同位体の前記歳差運動を刺激するＡＣ成分を有する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１９）
前記検出システムは、前記センサーセルを通る前記プローブビームと関連付けられたファラデー回転を実質的に軽減するように前記３つの直交軸のうちの２つの各々における前記制御可能な磁場を設定することに基づいて、該３つの直交軸のうちの該２つの各々における前記外部磁場のベクトルの大きさを検出するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目２０）
前記コントローラーは、前記３つの直交軸の各々における前記外部磁場の前記ベクトルの大きさのベクトル和に基づいて、該外部磁場の前記スカラーの大きさを計算するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
【０００４】
（概要）
本発明の一実施形態は、磁力計システムを含む。システムは、アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーとを含む。システムはまた、検出システムを含み、検出システムは、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第一における外部磁場のベクトルの大きさの核磁気共鳴（ＮＭＲ）検出を実装し、かつ、センサーセルを通過するプローブビームの特性に基づいて、３つの直交軸のうちの第二および第三における外部磁場のベクトルの大きさの電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）検出を実装するように構成されている。システムは、３つの直交軸の各々における外部磁場の大きさに基づいて、外部磁場のスカラーの大きさを計算するように構成されているコントローラーをさらに含む。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、３つの直交軸における外部磁場のスカラーの大きさとベクトルの大きさとの両方を測定する方法を含む。方法は、３つの直交軸のうちの第一の軸に沿った第一の磁場を印加することを含み、第一の磁場は、センサーセルにおけるアルカリ金属粒子を歳差運動させるように構成されている。方法はまた、センサーセルを通るプローブビームを提供することと、センサーセルを通るプローブビームの特性に基づいて、外部磁場に応答するアルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出することとを含む。方法はまた、アルカリ金属粒子の歳差運動の特性に基づいて、フィードバック態様で、３つの直交軸のうちの第二の軸および第三の軸における第二の磁場および第三の磁場の大きさをそれぞれ制御することにより、外部磁場を実質的に打ち消すことを含む。方法はまた、センサーセルにおける少なくとも１つの核スピン同位体の歳差運動を監視することと、フィードバック態様で、第一の軸に沿った第一の磁場の大きさを制御することにより、少なくとも１つの核スピン同位体の実質的に一定の歳差運動を維持することとを含む。方法は、第一、第二、および第三の磁場の大きさに基づいて、外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算することをさらに含む。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、磁力計システムを含む。システムは、アルカリ金属粒子を含むセンサーセルと、センサーセルを通るプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーと、アルカリ金属粒子を刺激するように構成されている光ポンプビームを生成するように構成されているポンプレーザーとを含む。システムはまた、３つの直交軸の各々において制御可能な、センサーセルを通る磁場を生成するように構成されている磁場システムを含む。システムはまた、検出システムを含み、検出システムは、プローブビームに基づいて、外部磁場に応答する刺激されたアルカリ金属粒子の歳差運動の特性を検出して、刺激されたアルカリ金属粒子の歳差運動の特性に基づいて、フィードバック態様で、３つの直交軸の各々における制御可能な磁場の大きさを制御することにより、外部磁場を実質的に打ち消すように構成されている。システムは、３つの直交軸の各々における制御可能な磁場の大きさに基づいて、外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算するように構成されているコントローラーをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の局面に従った磁力計システムの例を図示している。
【図２】図２は、本発明の局面に従ったセンサーセルの例を図示している。
【図３】図３は、本発明の局面に従った磁力計システムの別の例を図示している。
【図４】図４は、本発明の局面に従った、３つの直交軸における外部磁場のスカラーの大きさとベクトルの大きさとの両方を測定する方法の例を図示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（詳細な説明）
本発明は、一般に、センサーシステムに関連し、特に、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）と核磁気共鳴（ＮＭＲ）とを組み合わせた磁力計システムに関連する。磁力計システムは、アルカリ金属粒子と少なくとも１つの核スピン同位体とを含むセンサーセルを含み得る。例として、アルカリ金属は、ルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）であり得、少なくとも１つの核スピン同位体は、１つ以上のキセノン（Ｘｅ）同位体である。システムは、３つの直交軸の各々において磁場を生成するように構成されている磁場システムを含み得る。第一の磁場に応答して、アルカリ金属粒子は、光ポンプビームによるアルカリ金属粒子の光ポンピングに基づいて、核スピン同位体（単数または複数）と一緒に、センサーセルにおいて歳差運動するように刺激され得る。アルカリ金属粒子の歳差運動は、歳差運動がセンサーセルに印加される全体の正味ＤＣ磁場まわりであり得るという点で、部分的に外部磁場に基づく特性を示し得る。本明細書中に説明される場合、用語「外部磁場」は、磁力計システムの外部に提供される磁場を表し、従って、用語「外部磁場」は、磁力計システムによって測定される磁場に対応する。従って、磁力計システムは、プローブビームのファラデー回転がアルカリ金属粒子の歳差運動の特性を示し得るように、センサーセルを通したプローブビームを提供するように構成されているプローブレーザーを含み得る。応答において、磁場発生器は、フィードバック態様で、３つの直交軸のうちの２つの各々において磁場を制御することにより、アルカリ金属粒子の歳差運動の特性に基づいて、前記２つの軸における外部磁場を実質的に無効にするように構成され得る。その結果、外部磁場の残りの成分が、第三の直交軸に整列させられる。従って、外部磁場の大きさは、ＥＰＲ態様で制御された磁場に基づいて２つの軸において測定され得る。
【０００９】
プローブビームはまた、アルカリ金属粒子に対するセンサーセルの内部の磁場の正味の効果に基づいて、核スピン同位体（単数または複数）の歳差運動周波数を決定するように実装され得る。核スピン同位体（単数または複数）の歳差運動周波数を決定すると、歳差運動周波数は、局部発振器から生成されたような実質的に安定した周波数基準と比較され得る。核スピン同位体（単数または複数）の歳差運動が第三の軸における正味の磁場に依存するので、磁場システムは、フィードバック態様で、第三の軸における磁場を制御することにより、歳差運動周波数を基準周波数におおよそ等しいように設定するように構成され得る。従って、外部磁場の大きさは、ＮＭＲ態様で第三の軸において測定され得、従って、単一センサーセル磁力計システムにおいて３つの直交軸における外部磁場の測定を可能にする。従って、外部磁場のスカラーの大きさは、３つの直交軸における外部磁場のベクトル成分のベクトル和に基づいて計算され得る。
【００１０】
図１は、本発明の局面に従った磁力計システム１０の例を図示している。図１の例において、磁力計システム１０は、単一センサーセル１２を使用して、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）磁力計と核磁気共鳴（ＮＭＲ）磁力計との両方の測定特性を実装し得る。磁力計システム１０は、外部の印加された磁場の測定を要求し得る種々の用途のうちの任意のものに実装され得る。
【００１１】
例えば、センサーセル１２は、種々の形状およびサイズのうちの任意のもののガラスケーシングであり得る。センサーセル１２は、アルカリ金属１４、および１つ以上の核スピン同位体１６を含む。例として、アルカリ金属１４は、８５Ｒｂのようなルビジウム（Ｒｂ）蒸気、または１３３Ｃｓのようなセシウム（Ｃｓ）蒸気であり得、核スピン同位体（単数または複数）１６は、ヘリウム（Ｈｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、またはキセノン（Ｘｅ）（例えば、３Ｈｅ、８３Ｋｒ、１２９Ｘｅ、および／または１３１Ｘｅ）のような希ガス同位体を含み得る。磁力計システム１０は、光ポンプビームＯＰＭＰを生成するように構成されているポンプレーザー１８を含み、光ポンプビームＯＰＭＰは、一組のオプティクスによってセンサーセル１２を通るように向けられることにより、アルカリ金属１４の粒子を励起状態まで刺激する（つまり、励起する）。アルカリ金属１４の励起状態の粒子は、例えば、核スピン同位体１６と共に、印加されたＡＣ磁場に応答してセンサーセル１２において歳差運動し得る。図１の例において、磁力計システム１０は、磁場システム２０を含み、磁場システム２０は、３つの直交軸の各々において磁場を生成するように構成されている。特に、磁場システムは、磁場ＢＸを生成するＸ軸磁場発生器２２と、磁場ＢＹを生成するＹ軸磁場発生器２４と、磁場ＢＺを生成するＺ軸磁場発生器２６とを含む。例として、磁場ＢＺは、Ｚ軸におけるＤＣ成分（つまり、ＤＣオフセット）を有するＡＣ磁場であり得、Ｚ軸は、ポンプビームＯＰＭＰと実質的に同一直線状にあり得る。従って、アルカリ金属１４の粒子は、磁場ＢＺに応答して歳差運動し得る。
【００１２】
アルカリ金属１４の粒子の歳差運動は、正味ＤＣ磁場に対応する軸まわりであり得、正味ＤＣ磁場は、外部磁場を含み、磁力計システム１０は、その外部磁場を計算するように構成されている。磁力計システム１０はまた、プローブビームＯＰＲＢを生成するように構成されているプローブレーザー２８を含み、プローブビームＯＰＲＢは、ポンプビームＯＰＭＰに対しておおよそ直交するように、センサーセル１２を通るように向けられる。図１の例においてＯＤＥＴとして明示されている、センサーセル１２から出るプローブビームは、アルカリ金属１４の粒子の歳差運動に対応する特性を示し得る。例えば、アルカリ金属１４の複屈折によって、アルカリ金属１４の粒子の歳差運動の角度は、プローブビームＯＤＥＴにおけるファラデー回転を示し得る。センサーセル１２から出るプローブビームＯＤＥＴは、検出システム３０に提供され、検出システム３０は、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転を決定するように構成され、プローブビームＯＤＥＴは、Ｘ／Ｙ平面における正味の磁場の成分を示し得、Ｘ／Ｙ平面は、ポンプビームＯＰＭＰに実質的に直交する。従って、検出システム３０は、フィードバック信号ＦＤＢＫを磁場システム２０に提供することにより、正味の磁場をＺ軸に整列させるためにＸ／Ｙ平面における正味の磁場の成分をおおよそゼロに設定することに基づいて、フィードバック態様で、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転を実質的に軽減するように、Ｘ軸磁場発生器２２およびＹ軸磁場発生器２４にそれぞれの磁場ＢＸおよびＢＹを調節するように命令し得る。従って、磁場ＢＸおよびＢＹの大きさは、それぞれＸ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトルの大きさに直接対応する。従って、磁力計システム１０は、アルカリ金属１４の粒子の歳差運動の特性を決定することに基づいて、Ｘ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトル成分のＥＰＲ検出を実装し得る。
【００１３】
それぞれのＸ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトルの大きさは、信号ＤＥＴを介してコントローラー３２に提供される。コントローラー３２は、ベクトルコンポーネント３４とスカラーコンポーネント３６とを有し、それにより、コントローラー３２は、ベクトルコンポーネント３４による３つの直交軸におけるベクトルの大きさと、スカラーコンポーネント３６によるスカラーの大きさとの両方として外部磁場の大きさを計算するか、または別に提供し得る。例として、コントローラー３２は、ベクトルコンポーネント３４によってそれぞれのＸ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトルの大きさの値を格納し、かつ／または実質的に常に更新し得る。
【００１４】
磁場ＢＸおよびＢＹによってＸ軸およびＹ軸における外部磁場の成分を打ち消すことに基づいて、正味の磁場をＺ軸に整列させると、Ｚ軸磁場発生器２６は、磁場ＢＺのＤＣ成分の大きさを調節することにより、Ｚ軸における外部磁場の大きさを決定するように構成され得る。特に、ポンプビームＯＰＭＰによるアルカリ金属１４の励起によって、アルカリ金属１４は、スピン交換工程におけるアルカリ金属１４の核スピン同位体（単数または複数）１６との衝突に基づいて、核スピン同位体（単数または複数）１６を偏極する。従って、核スピン同位体（単数または複数）１６は、Ｘ軸および／またはＹ軸における磁場に応答して、対応するラーモア歳差運動周波数でＺ軸まわりに歳差運動させられ得る。従って、磁場ＢＸおよびＢＹのうちの少なくとも１つは、核スピン同位体（単数または複数）１６が歳差運動させられ得るように、核スピン同位体（単数または複数）１６のラーモア歳差運動周波数におおよそ等しい周波数を有するＡＣ成分を含み得る。
【００１５】
図２は、本発明の局面に従ってセンサーセル５０の例を図示している。例として、センサーセル５０は、図１の例におけるセンサーセル１２に対応し得、従って、図２の例の以下の説明において図１の例への参照がなされる。センサーセル５０は、図２の例において、３つの直交軸に対して配向されているように明示されている。特に、図２の例は、Ｘ軸５２、Ｙ軸５４、およびＺ軸５６を明示している。図２の例はまた、センサーセル５０の各軸に作用する磁場を明示している。特に、磁場ＢＸは、Ｘ軸５２に沿って提供され、磁場ＢＸは、ＤＣ成分ＢＸ＿ＤＣと、ことによるとＡＣ成分ＢＸ＿ＡＣとを含むように明示されている。同様に、磁場ＢＹは、Ｙ軸５４に沿って提供され、磁場ＢＹは、ＤＣ成分ＢＹ＿ＤＣと、ことによるとＡＣ成分ＢＹ＿ＡＣとを含むように明示されている。磁場ＢＺは、ＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣとＡＣ成分ＢＺ＿ＡＣとの両方を含むように明示されている。磁場ＢＸおよびＢＹのうちの１つ、またはその両方は、それぞれのＡＣ成分ＢＸ＿ＡＣおよびＢＹ＿ＡＣを含み得ることが、理解される。
【００１６】
従って、図１の例を再び参照すると、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動は、センサー１２の内部にＡＣ磁場を生成し得る。従って、内部磁場は、核スピン同位体（単数または複数）１６のラーモア歳差運動周波数で変調されている振幅を有するアルカリ金属１４のラーモア歳差運動周波数でアルカリ金属１４の粒子の歳差運動を刺激し得る。その結果、センサーセル１２から出るプローブビームＯＤＥＴは、核スピン同位体（単数または複数）１６のラーモア歳差運動周波数で変調されている振幅を有するアルカリ金属１４のラーモア歳差運動周波数でのアルカリ金属１４の歳差運動に部分的に対応するファラデー回転を含み得る。従って、核スピン同位体（単数または複数）１６およびアルカリ金属１４の粒子の歳差運動はまた、Ｚ軸における正味の磁場のベクトル成分の大きさに依存し得る。従って、検出システム３０は、プローブビームＯＰＲＢのアルカリ金属１４との相互作用の結果としてセンサーセル１２から出るプローブビームＯＤＥＴに基づいて、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動を監視することにより、Ｚ軸における正味の磁場の大きさを決定するように構成され得る。
【００１７】
例えば、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数は、局部発振器から生成されたような外部（つまり、磁力計システム１０の外部）磁場の大きさに対応する事前決定された値と比較され得る。従って、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数の事前決定された値からのずれは、Ｚ軸に沿った外部磁場の大きさおよび方向を示し得る。別の例として、Ｚ軸まわりのセンサーセル１２の物理的回転が、慣性空間と比較して核スピン同位体（単数または複数）１６の測定された歳差運動周波数に影響し得るので、核スピン同位体（単数または複数）１６は、磁場ＢＺに応答して逆の方向に歳差運動する２つの核スピン同位体１６を含み得る。その結果、２つの核スピン同位体１６の歳差運動周波数は、センサーセル１２の回転に応答して、等しく、かつ逆に影響され得る。従って、２つの核スピン同位体１６の歳差運動周波数の和が、事前決定された周波数値と比較されることにより、Ｚ軸に沿った外部磁場の大きさを決定し得る。このように、Ｚ軸に沿った外部磁場の大きさの決定は、センサーセル１２のＺ軸まわりの回転に無感応であり得る。
【００１８】
検出システム３０は、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転の周波数に基づいて、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数を決定し得る。検出システム３０は、センサーセル１２を通して提供された磁場の異なる周波数に基づいて、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転の歳差運動周波数を区別し得る。例えば、磁場ＢＺのＡＣ成分ＢＺ＿ＡＣは、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動に関連したアルカリ金属１４の歳差運動の刺激のための磁場ＢＸおよびＢＹのうちのそれぞれの１つ、またはその両方のＡＣ成分ＢＸ＿ＡＣおよびＢＹ＿ＡＣとは有意に異なり得る。１つの例として、ＡＣ成分ＢＺ＿ＡＣは、約５０ｋＨｚであり得る一方、磁場ＢＸおよびＢＹのうちのそれぞれの１つ、またはその両方のＡＣ成分ＢＸ＿ＡＣおよびＢＹ＿ＡＣは、約５０Ｈｚ（例えば、おおよそＸｅの固有歳差運動周波数）であり得る。さらに、以前に説明されたように、Ｘ／Ｙ平面における外部磁場の成分から生じるプローブビームＯＤＥＴのファラデー回転は、ＤＣ磁場またはほぼＤＣ磁場に基づき、従って、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転は、おおよそゼロである周波数を有する。
【００１９】
核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数を決定すると、検出システム３０は、実質的に安定した周波数基準から生成されたような事前決定された値と歳差運動周波数を比較することにより、値間の誤差を決定し得る。従って、検出システム３０は、信号ＦＤＢＫを介して磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣの大きさを調節することにより、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数を事前決定された値におおよそ等しいように変え得る。その結果、核スピン同位体（単数または複数）１６が事前決定された値におおよそ等しくなると、Ｚ軸に沿った正味の磁場は、核スピン同位体の事前決定された歳差運動周波数と関連付けられた値におおよそ等しく、それによって、フィードバック信号ＦＤＢＫから生じる磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣは、外部磁場のＺ軸成分とおおよそ等しく、かつ逆である。フィードバック信号ＦＤＢＫから生じる磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣの大きさは、Ｚ軸における外部磁場のベクトルの大きさに直接対応する。従って、検出システム３０は、フィードバック態様で、磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣを制御することにより、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数を事前決定された値におおよそ等しいように維持し、従って、外部磁場のＺ軸成分の大きさを実質的に常に監視し得る。従って、磁力計システム１０は、核スピン同位体（単数または複数）１６の歳差運動周波数を決定することに基づいて、Ｚ軸における外部磁場のベクトル成分のＮＭＲ検出を実装し得る。
【００２０】
Ｘ軸およびＹ軸のベクトルの大きさに加えて、Ｚ軸における外部磁場のベクトルの大きさは、信号ＤＥＴを介してコントローラー３２に提供される。例として、コントローラー３２は、ベクトルコンポーネント３４によってそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における外部磁場のベクトルの大きさの値を格納し、かつ／または実質的に常に更新し得る。そのうえ、コントローラー３２は、スカラーコンポーネント３６によって外部磁場のスカラーの大きさを計算し得る。例として、スカラーコンポーネント３６は、それぞれのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における外部磁場のベクトルの大きさのベクトル和を計算し得る。その結果、コントローラー３２は、磁力計システム１０における単一センサーセル１２を使用して、ＥＰＲおよびＮＭＲ検出の実装に基づいて、外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方を計算し得る。その結果、磁力計システム１０は、全場スカラー磁力計の感応性と、一組のベクトル磁力計のより大きなバンド幅およびベクトル測定能力とを組み合わせ得る。
【００２１】
図３は、本発明の局面に従った磁力計システム１００の別の例を図示している。図３の例において、磁力計システム１００は、単一センサーセル１０２を使用して、ＥＰＲ磁力計とＮＭＲ磁力計との両方の測定特性を実装し得る。磁力計システム１００は、外部の印加された磁場の測定を要求し得る種々の用途のうちの任意のものにおいて実装され得る。
【００２２】
例えば、センサーセル１０２は、種々の形状およびサイズのガラスケーシングであり得る。センサーセル１０２は、アルカリ金属１０４と、第一の核スピン同位体１０６と、第二の核スピン同位体１０８とを含む。例として、アルカリ金属１０４は、ＲｂまたはＣｓ蒸気であり得る。核スピン同位体１０６および１０８は、それぞれ１２９Ｘｅおよび１３１Ｘｅのような希ガスであり得る。磁力計システム１００は、光ポンプビームＯＰＭＰを生成するように構成されているポンプレーザー１１０を含み、光ポンプビームＯＰＭＰは、一組のオプティクスによってセンサーセル１０２を通るように向けられることにより、アルカリ金属１０４を偏極し、さらにスピン交換工程において核スピン同位体１０６および１０８を偏極するように、アルカリ金属１０４の粒子を励起状態まで刺激する（つまり、励起する）。
【００２３】
図３の例において、磁力計システム１００は、３つの直交軸の各々において磁場を生成するように構成されている磁場システム１１２を含む。特に、磁場システムは、磁場ＢＸを生成するＸ軸磁場発生器１１４と、磁場ＢＹを生成するＹ軸磁場発生器１１６と、Ｚ軸に沿った磁場ＢＺを生成するＺ軸磁場発生器１１８とを含み、Ｚ軸は、図３の例において１２０で明示されている。例として、磁場ＢＺは、Ｚ軸１２０におけるＤＣ成分（つまり、ＤＣオフセット）を有するＡＣ磁場であり得、Ｚ軸は、ポンプビームＯＰＭＰと実質的に同一直線状にあり得、磁場ＢＸおよびＢＹは、各々、１つまたは両方が図２の例に明示されているようなＡＣ成分を有するＤＣ磁場であり得る。Ｚ軸１２０に沿った磁場ＢＺに応答して、アルカリ金属１０４の粒子、および核スピン同位体１０６および１０８は、センサーセル１０２において歳差運動し得る。図３の例において、アルカリ金属１０４は、ωＡによって表示されている周波数で歳差運動し、第一の核スピン同位体１０６は、ωＢによって表示されている周波数で歳差運動し、第二の核スピン同位体１０８は、ωＣによって表示されている周波数で歳差運動する。図３の例において、第一および第二の核スピン同位体１０６および１０８は、互いに対して逆の方向に歳差運動するように明示されている。
【００２４】
アルカリ金属１０４の粒子の歳差運動は、正味ＤＣ磁場に対応する軸まわりであり得、正味ＤＣ磁場は、外部磁場を含み、磁力計システム１００は、その外部磁場を計算するように構成されている。磁力計システム１００はまた、プローブビームＯＰＲＢを生成するように構成されているプローブレーザー１２２を含み、プローブビームＯＰＲＢは、ポンプビームＯＰＭＰおよび磁場ＢＺに対しておおよそ直交するように、センサーセル１０２を通るように向けられる。図３の例においてＯＤＥＴとして明示されている、センサーセル１０２から出るプローブビームは、アルカリ金属１０４の粒子の歳差運動に対応するファラデー回転を示し得る。センサーセル１０２から出るプローブビームＯＤＥＴは、検出システム１２６における偏光回転検出器１２４に提供され、検出システム１２６は、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転を決定するように構成され、プローブビームＯＤＥＴは、Ｘ／Ｙ平面における正味の磁場の成分を示し得る。
【００２５】
偏光回転検出器１２４は、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転と関連付けられ得る信号ＰＲＥを信号プロセッサー１２８に提供し得る。図３の例において、信号プロセッサー１２８は、フィードバック信号ＦＤＢＫを磁場システム１１２に提供するように構成されている磁場コントローラー１３０を含む。フィードバック信号ＦＤＢＫは、フィードバック成分ＦＤＢＫＸおよびＦＤＢＫＹを含み、ＦＤＢＫＸおよびＦＤＢＫＹは、正味の磁場をＺ軸１２０に整列させるためにＸ／Ｙ平面における正味の磁場の成分をおおよそゼロに設定することに基づいて、フィードバック態様で、プローブビームＯＤＥＴのファラデー回転を実質的に軽減するように、それぞれのＸ軸およびＹ軸磁場発生器１１４および１１６にそれぞれの磁場ＢＸおよびＢＹを調節するように命令する。従って、磁場ＢＸおよびＢＹの大きさは、等しく、かつ逆の態様で、それぞれのＸ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトルの大きさに直接対応する。従って、磁力計システム１００は、アルカリ金属１０４の粒子の歳差運動の特性を決定することに基づいて、Ｘ軸およびＹ軸における外部磁場のベクトル成分のＥＰＲ検出を実装し得る。
【００２６】
磁場ＢＸおよびＢＹによってＸ軸およびＹ軸における外部磁場の成分を無効にすることに基づいて、正味の磁場をＺ軸に整列させると、Ｚ軸磁場発生器１１８は、磁場ＢＺのＤＣ成分の大きさを調節することにより、Ｚ軸１２０における外部磁場の大きさを決定するように構成され得る。例えば、図２の例に関して以前に説明されたものと同様に、磁場ＢＸおよびＢＹのうちの少なくとも１つは、核スピン同位体１０６および１０８が歳差運動させられ得るように、核スピン同位体１０６および１０８のラーモア歳差運動周波数におおよそ等しい周波数を有するＡＣ成分を含み得る。応答において、ＡＣ磁場ＢＳＴは、センサーセル１０２の内部に生成される。従って、内部磁場ＢＳＴは、おおよそ核スピン同位体１０６および１０８のラーモア歳差運動周波数での振幅変調を用いて、アルカリ金属１０４の粒子の歳差運動を刺激し得る。その結果、センサーセル１０２から出るプローブビームＯＤＥＴは、核スピン同位体１０６および１０８のラーモア歳差運動周波数でのアルカリ金属１０４の歳差運動に部分的に対応するファラデー回転を含み得る。従って、核スピン同位体１０６および１０８ならびにアルカリ金属１０４の粒子の歳差運動はまた、Ｚ軸１２０における正味の磁場のベクトル成分の大きさに依存し得る。従って、検出システム１２６は、プローブビームＯＰＲＢのアルカリ金属１０４との相互作用の結果としてセンサーセル１０２から出るプローブビームＯＤＥＴに基づいて、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動を監視することにより、Ｚ軸１２０における正味の磁場の大きさを決定するように構成され得る。
【００２７】
図３の例において、検出システム１２６は、基準信号ＬＯを生成するように構成されている局部発振器１３２を含む。基準信号ＬＯは、Ｚ軸１２０に沿った外部磁場の事前決定された大きさに対応するような実質的に安定した周波数の基準信号に対応し得る。従って、核スピン同位体１０６および１０８の組み合わせた歳差運動周波数の基準信号ＬＯからのずれは、Ｚ軸１２０に沿った外部磁場の大きさおよび方向を示し得る。そのうえ、核スピン同位体１０６および１０８が磁場ＢＺに応答して逆の方向に歳差運動するので、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数は、センサー磁力計システム１００の回転に応答して、等しく、かつ逆に影響される。従って、信号プロセッサー１２８は、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和を基準信号ＬＯと比較することにより、Ｚ軸１２０に沿った外部磁場の大きさを決定するように構成され得る。このように、Ｚ軸１２０に沿った外部磁場の大きさの決定は、磁力計システム１００のＺ軸１２０まわりの回転に無感応であり得る。
【００２８】
歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和と基準信号ＬＯとの比較に応答して、信号プロセッサー１２８は、値間の誤差を決定し得る。従って、磁場コントローラー１３０は、信号ＦＤＢＫのフィードバック成分ＦＤＢＫＺを介して磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣの大きさを調節することにより、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和を基準信号ＬＯにおおよそ等しいように変え得る。その結果、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和が基準信号ＬＯにおおよそ等しくなると、Ｚ軸１２０に沿った正味の磁場は、事前決定された歳差運動周波数と関連付けられた値におおよそ等しく、それによって、フィードバック信号ＦＤＢＫから生じる磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣは、外部磁場のＺ軸成分とおおよそ等しく、かつ逆である。フィードバック信号ＦＤＢＫから生じる磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣの大きさは、Ｚ軸１２０における外部磁場のベクトルの大きさに直接対応する。従って、検出システム１２６は、フィードバック態様で、磁場ＢＺのＤＣ成分ＢＺ＿ＤＣを制御することにより、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和を基準信号ＬＯににおおよそ等しいように維持し、従って、外部磁場のＺ軸成分の大きさを実質的に常に監視し得る。従って、磁力計システム１００は、核スピン同位体１０６および１０８の歳差運動周波数ωＢおよびωＣの和を決定することに基づいて、Ｚ軸１２０における外部磁場のベクトル成分のＮＭＲ検出を実装し得る。
【００２９】
それぞれのＥＰＲおよびＮＭＲ実装において、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各々における外部磁場のベクトル成分を決定すると、信号プロセッサー１２８は、信号ＤＥＴを介してベクトル成分の値をコントローラー１３４に提供し得る。例として、コントローラー１３４は、ベクトルコンポーネント１３６によってそれぞれのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における外部磁場のベクトルの大きさの値を格納し、かつ／または実質的に常に更新し得る。そのうえ、コントローラー１３４は、例えば、それぞれのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸における外部磁場のベクトルの大きさのベクトル和に基づいて、スカラーコンポーネント１３８によって外部磁場のスカラーの大きさを計算し得る。その結果、コントローラー１３４は、磁力計システム１００における単一センサーセル１０２を使用して、ＥＰＲおよびＮＭＲ検出の実装に基づいて外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさＢＥＸＴとの両方を計算し得る。その結果、磁力計システム１００は、全場スカラー磁力計の回転安定性および感応性と、一組のベクトル磁力計のより大きなバンド幅およびベクトル測定能力とを組み合わせ得る。
【００３０】
上記で説明された前述の構造的および機能的な特徴の点から、本発明の種々の局面に従った方法論が、図４を参照してよりよく認識される。説明の簡単の目的のために、図４の方法論は連続的に実行するように示されかつ説明されているが、本発明に従って、いくつかの局面が、本明細書中に示されかつ説明された順序とは別の順序で、かつ／または本明細書中に示されかつ説明された局面とは別の局面と同時に発生しうるので、本発明は、図示されている順序によって制限されないことが理解され、かつ認識される。そのうえ、図示されている特徴のすべてが、本発明の局面に従った方法論を実装するために要求されるわけではないこともある。
【００３１】
図４は、本発明の局面に従った、３つの直交軸における外部磁場のスカラーの大きさとベクトルの大きさとの両方を測定する方法１５０の例を図示している。１５２において、第一の磁場が、３つの直交軸のうちの第一の軸に沿って印加され、第一の磁場は、センサーセルにおけるアルカリ金属粒子を歳差運動させるように構成されている。第一の軸は、Ｚ軸であり得、第一の磁場は、ＡＣ成分とＤＣ成分との両方を有し得る。１５４において、プローブビームが、センサーセルを通して提供される。プローブビームは、直線偏光ビームであり得る。１５６において、外部磁場に応答するアルカリ金属粒子の歳差運動の特性が、センサーセルを通るプローブビームの特性に基づいて決定され得る。歳差運動の特性は、センサーセルから出るプローブビームのファラデー回転に基づいて識別され得るような、Ｚ軸から離れた軸の歳差運動の角度に対応し得る。１５８において、３つの直交軸のうちの第二の軸および第三の軸における第二の磁場および第三の磁場の大きさは、それぞれ、アルカリ金属粒子の歳差運動の特性に基づいて、外部磁場を実質的に打ち消すようにフィードバック態様で制御される。第二および第三の磁場は、それぞれのＸ軸およびＹ軸におけるＤＣ成分であることにより、ＥＰＲ態様で外部磁場をＺ軸に整列させ得る。
【００３２】
１６０において、センサーセルにおける少なくとも１つの核スピン同位体の歳差運動が、監視される。歳差運動は、核スピン同位体（単数または複数）を刺激するためにＸ軸およびＹ軸のうちの１つまたは両方において印加されたＡＣ磁場成分に基づき、核スピン同位体（単数または複数）は、ポンプビームによって刺激されているアルカリ金属のスピン交換に基づいて、核スピン偏極される。歳差運動は、おおよそ核スピン同位体（単数または複数）のラーモア歳差運動周波数でのプローブビームのファラデー回転に基づいて監視され得、おおよそ核スピン同位体（単数または複数）のラーモア歳差運動周波数でのプローブビームのファラデー回転は、アルカリ金属に影響する誘導内部磁場に基づく。１６２において、第一の軸に沿った第一の磁場の大きさは、フィードバック態様で、少なくとも１つの核スピン同位体の実質的に一定の歳差運動を維持するように制御される。第一の磁場の大きさを制御することは、核スピン同位体（単数または複数）の歳差運動周波数を事前決定された周波数基準と比較することにより、ＮＭＲ態様でＺ軸における外部磁場の成分を実質的に無効にすることに基づき得る。１６４において、外部磁場のベクトルの大きさとスカラーの大きさとの両方は、第一、第二、および第三の磁場の大きさに基づいて計算される。ベクトルの大きさは、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸において印加された磁場の大きさに対応し得、スカラーの大きさは、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸において印加された磁場のベクトル和に基づき得る。
【００３３】
上記で説明されてきたものは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想像可能な組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識する。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲の内にあるすべてのそのような変更、改変、および変化を包含するように意図される。
【符号の説明】
【００３４】
１０  磁力計システム
１２  センサーセル
１４  アルカリ金属
１６  核スピン同位体
１８  ポンプレーザー
２０  磁場システム
２２  Ｘ軸磁場発生器
２４  Ｙ軸磁場発生器
２６  Ｚ軸磁場発生器
２８  プローブレーザー
３０  検出システム
３２  コントローラー
３４  ベクトルコンポーネント
３６  スカラーコンポーネント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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