(57)【要約】【課題】高い感度を有する磁場測定装置を提供する。【解決手段】磁場測定装置１００は、試料Ｓから交流磁場を発生させる交流磁場制御手段２と、交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により交流磁場を検出する磁気検出手段４と、磁気検出手段４に静磁場を与える静磁場発生手段６と、磁気検出手段４にスピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段８と、磁気検出手段４の磁化を検出するスピン磁化検出手段８と、を含み、交流磁場制御手段２は、交流磁場を制御することによって、第１高周波磁場パルス照射後、第２高周波磁場パルス照射前の間、および第２高周波磁場パルス照射後、第３高周波磁場パルス照射前の間に、スピンの位相をシフトさせる。【選択図】図１
2012103171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を検出するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める、磁場測定装置。
【請求項２】
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を検出するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める、磁場測定装置。
【請求項３】
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するための第１パルスシーケンスおよび第２パルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を測定するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記第１パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記第２パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第４高周波磁場パルスと、
前記第４高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第５高周波磁場パルスと、
前記第５高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第６高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、前記第４高周波磁場パルス照射後、前記第５高周波磁場パルス照射前の間、および前記第５高周波磁場パルス照射後、前記第６高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後および前記第６高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める、磁場測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記磁気検出手段は、ダイヤモンドである、磁場測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記高周波磁場発生手段は、高周波磁場の位相を制御する移相器を有している、磁場測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁場強度を精度よく計測するための磁場測定装置として、コンパスなど磁気力を用いたもの、磁気ホール素子などホール効果を用いたもの、磁気共鳴法を用いたもの、超伝導量子干渉計の原理を用いたものなどが知られている。これらは、サイズやコストの他、磁場に対する感度、分解能、磁場の絶対値が測定できるか否か、測定時間など、要求に応じて適宜選択されている。
【０００３】
近年、脳波（脳の磁場信号）の測定や磁性材料の表面の測定など、微小な領域から発生する微弱な磁場強度を測定できる磁場測定装置が求められている。このような磁場測定装置として、磁気共鳴法を用いた磁場測定装置は、高い感度を有し、かつ磁場の絶対値を高い分解能で測定することができるため期待されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、一般的なガウスメーターに用いられる磁気共鳴法とは異なり、Phase modulated pulse 技術を用いることにより、原子レベルの超小型磁気センサーで高感度に交流磁場強度を測定できることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J.R.Maze et. al., "Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond", Nature vol.455 2008 p644-648.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Phase modulated pulse 技術を用いた磁気センシングは、計測したい交流磁場の強度（振幅あるいは実効値）を、スピン歳差運動の回転位相シフトから評価する方法である。非特許文献１に記載の磁気センサーでは、下記式（１）で表される縦磁化ＭＺが検出され、式（１）から交流磁場強度δＢを求めることができる。
【０００７】
【数１】
2012103171.tif 000003
【０００８】
但し、Ｍ０は熱平衡状態における磁気センサーの磁化であり、δＢは交流磁場強度であり、γは、磁気センサーの磁気回転比であり、τはスピンエコー法に基づくパルスシーケンスにおけるパルス間隔である。
【０００９】
しかしながら、非特許文献１の技術では、縦磁化ＭＺと交流磁場強度δＢとが式（１）の関係にあるため、例えば、δＢがゼロのとき、ＭＺはＭ０となり、Ｍｚがゼロとはならない。さらに、δＢがゼロ近傍において微小な変化をしても、ＭＺは感度よく応答しない。このように、非特許文献１に記載の磁気センサーでは、δＢに対するＭＺの応答関数の線形性がよくないため、微小な交流磁場強度を感度よく測定することが困難である。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、高い感度を有する磁場測定装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明に係る磁場測定装置は、
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を検出するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める。
【００１２】
このような磁場測定装置によれば、交流磁場強度に対する縦磁化の応答関数をサイン型にすることができる。そのため、交流磁場強度の微小変化に対して検出される縦磁化は線形に変化する。したがって、交流磁場強度を高い感度で測定できる。
【００１３】
（２）本発明に係る磁場測定装置は、
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するためのパルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を検出するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスの照射後に照射され、前記スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める。
【００１４】
このような磁場測定装置によれば、交流磁場強度に対する縦磁化の応答関数をサイン型にすることができる。そのため、交流磁場強度の微小変化に対して検出される縦磁化は線形に変化する。したがって、交流磁場強度を高い感度で測定できる。
【００１５】
（３）本発明に係る磁場測定装置は、
試料から発生する交流磁場の強度を測定するための磁場測定装置であって、
前記試料から前記交流磁場を発生させる交流磁場制御手段と、
前記交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により前記交流磁場を検出する磁気検出手段と、
前記磁気検出手段に静磁場を与える静磁場発生手段と、
前記磁気検出手段に前記スピンを制御するための第１パルスシーケンスおよび第２パルスシーケンスを与える高周波磁場発生手段と、
前記磁気検出手段の磁化を測定するスピン磁化検出手段と、
を含み、
Ｚ軸の周りに所定の角周波数で回転する回転座標系において、
前記磁気検出手段に与えられる前記静磁場の方向および前記交流磁場の方向を、Ｚ軸方向とした場合、
前記第１パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第１高周波磁場パルスと、
前記第１高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第２高周波磁場パルスと、
前記第２高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第３高周波磁場パルスと、
を有し、
前記第２パルスシーケンスは、
前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させる第４高周波磁場パルスと、
前記第４高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる第５高周波磁場パルスと、
前記第５高周波磁場パルスを照射後に照射され、前記スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる第６高周波磁場パルスと、
を有し、
前記交流磁場制御手段は、前記交流磁場を制御することによって、前記第１高周波磁場パルス照射後、前記第２高周波磁場パルス照射前の間、および前記第２高周波磁場パルス照射後、前記第３高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、前記第４高周波磁場パルス照射後、前記第５高周波磁場パルス照射前の間、および前記第５高周波磁場パルス照射後、前記第６高周波磁場パルス照射前の間に、前記スピンの位相をシフトさせ、
前記スピン磁化検出手段は、前記第３高周波磁場パルス照射後および前記第６高周波磁場パルス照射後に、前記磁気検出手段の磁化を検出し、
前記スピン磁化検出手段の検出結果から前記交流磁場の強度を求める。
【００１６】
このような磁場測定装置によれば、交流磁場強度に対する縦磁化の応答関数をサイン型にすることができる。そのため、交流磁場強度の微小変化に対して検出される縦磁化は線形に変化する。したがって、交流磁場強度を高い感度で測定できる。さらに、測定結果から磁気共鳴とは無関係のバックグラウンドノイズを差し引くことができる。
【００１７】
（４）本発明に係る磁場測定装置において、
前記磁気検出手段は、ダイヤモンドであってもよい。
【００１８】
このような磁場測定装置によれば、高い空間分解能を有することができる。
【００１９】
（５）本発明に係る磁場測定装置において、
前記高周波磁場発生手段は、高周波磁場の位相を制御する移相器を有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態に係る磁場測定装置を模式的に示す図。
【図２】本実施形態に係る磁場測定装置において、磁気センサーに照射される高周波磁場のタイムチャート。
【図３】本実施形態に係る磁気センサーのスピンの状態を示す図。
【図４】本実施形態の第１変形例に係る磁場測定装置において、磁気センサーに照射される高周波磁場のタイムチャート。
【図５】本実施形態の第１変形例に係る磁気センサーのスピンの状態を示す図。
【図６】本実施形態の第２変形例に係る磁場測定装置において、磁気センサーに照射される高周波磁場のタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２２】
１．  磁場測定装置の構成
まず、本実施形態に係る磁場測定装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る磁場測定装置１００を説明するための模式図である。
【００２３】
磁場測定装置１００は、図１に示すように、交流磁場制御器２と、磁気センサー４と、静磁場発生器６と、ＲＦコイル（高周波磁場発生器）８と、を含む。
【００２４】
試料Ｓは、例えば、遺伝子、蛋白質、生体分子等の生物試料や、磁性体等である。試料Ｓは、交流磁場制御器２からの刺激を受けて、磁気センサー４に交流磁場を作る。磁場測定装置１００は、この磁気センサー４に作られた交流磁場の強度を測定することができる。これにより、例えば、試料Ｓにスピンがどの程度含まれているかなど、試料Ｓの磁気的、電気的な性質を知ることができる。なお、交流磁場の強度とは、交流磁場の振幅あるいは交流磁場の実効値をいう。
【００２５】
交流磁場制御器２（交流磁場制御手段の一例）は、試料Ｓから交流磁場を発生させる。交流磁場制御器２は、例えば、磁気的な刺激、電気的な刺激を試料Ｓに与えて、試料Ｓに交流磁場を発生させることができる。交流磁場制御器２は、例えば、磁気共鳴法により試料Ｓのスピンを操作して、交流磁場を発生させてもよい。この場合、交流磁場制御器２は、高周波磁場パルスを試料Ｓに照射することで、試料Ｓのスピンを操作する高周波磁場コイル（ＲＦコイル）であってもよい。交流磁場制御器２によって試料Ｓのスピンを操作することにより、スピン磁化に比例した微小な交流磁場を磁気センサー４に作ることができる。磁場測定装置１００では、この磁気センサー４に作られた交流磁場の強度を測定することで、どの程度のスピンが試料Ｓに含まれているかを評価することができる。
【００２６】
磁気センサー４（磁気検出手段の一例）は、試料Ｓが作る交流磁場中に位置し、スピンによる磁気共鳴により交流磁場を検出する。磁気センサー４は、例えば、ダイヤモンドであり、ダイヤモンド中の電子スピンによる磁気共鳴（電子スピン共鳴）により交流磁場を検出することができる。これにより、磁場測定装置１００は、高い空間分解能を有することができる。なお、磁気センサー４は、例えば、核磁気共鳴により交流磁場を検出してもよい。磁気センサー４の大きさは、例えば、数十ｎｍ３〜０．１μｍ３程度である。
【００２７】
静磁場発生器６（静磁場発生手段の一例）は、磁気センサー４に磁気共鳴を励起するための静磁場Ｂ０を与える。静磁場発生器６としては、例えば永久磁石、超伝導磁石等を用いることができる。
【００２８】
ＲＦコイル８（高周波磁場発生手段の一例）は、高周波磁場発生器として機能することができる。ＲＦコイル８は、磁気センサー４に磁気共鳴を励起するための高周波磁場を与えることができる。ＲＦコイル８が磁気センサー４に与える高周波磁場は、例えば、強度Ｂ１、角周波数ωであり、角周波数ωは、静磁場Ｂ０に対して磁気センサー４が磁気共鳴に励起されるように選択される。ＲＦコイル８は、この高周波磁場のパルス系列、すなわちパルスシーケンスを磁気センサー４に与えることで、磁気センサー４のスピンを制御することができる。ＲＦコイル８は、高周波磁場の位相を制御するための移相器を有していてもよい。
【００２９】
また、さらに、ＲＦコイル８は、磁気センサー４のスピン磁化を検出してもよい。すなわち、ＲＦコイル８は、スピン磁化検出手段としての機能を有していてもよい。磁場測定装置１００では、スピン磁化を、例えば、フリーインダクション測定法で測定してもよいし、ＣＷ−ＮＭＲにおいて、スピン磁化を変調操作し、それに伴う信号をＲＦコイル８によって検出することによりスピン磁化を測定してもよい。
【００３０】
なお、ここでは、ＲＦコイル８が、高周波磁場発生手段としての機能とスピン磁化検出手段としての機能とを有している場合について説明したが、高周波磁場発生手段とスピン磁化検出手段とが、別に設けられていてもよい。すなわち、磁場測定装置１００は、高周波磁場発生手段として機能するＲＦコイルと、スピン磁化検出手段として機能するＲＦコイルと、をそれぞれ有していてもよい。
【００３１】
２．  磁場測定装置の動作
次に、磁場測定装置１００の動作について説明する。図２は、磁気センサー４に照射される高周波磁場ＲＦ、および試料Ｓが磁気センサー４に作る交流磁場Ａのタイムチャートである。図３は、磁気センサー４のスピンの状態を示す図である。なお、図３（ａ）は、交流磁場Ａの強度δＢをゼロにした場合であり、図３（ｂ）は、交流磁場Ａの強度δＢを４δＢγτ／π＝π／２（γは磁気センサー４の磁気回転比、τはパルス間隔）を満たすように設定した場合である。すなわち、これは、式（１）において、ｃｏｓｉｎｅの中の位相がπ／２になる場合である。また、図２および図３において、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸の周りに所定の角速度ω（ω＝γＢ０、Ｂ０は静磁場強度）で回転する回転座標系である。すなわち、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に右回りに角速度ωで回転している回転座標系である。なお、Ｚ軸に沿う方向を静磁場の方向および交流磁場Ａの方向とする。また、図３では、スピンを、原点を基点としたベクトルで示している。
【００３２】
磁場測定装置１００では、ＲＦコイル８が、磁気センサー４のスピンを制御するためのパルスシーケンスを与える。このパルスシーケンスは、図２に示すように、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｙ）パルス（第１高周波磁場パルス）と、π／２（Ｙ）パルス照射後に照射され、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させるπ（Ｙ）パルス（第２高周波磁場パルス）と、π（Ｙ）パルスを照射後に照射され、スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｘ）パルス（第３高周波磁場パルス）と、を有している。また、交流磁場制御器２が、試料Ｓが作る交流磁場を制御することによって、π／２（Ｙ）パルス照射後、π（Ｙ）パルス照射前の間に、スピンの位相を所与の量だけシフトさせ、π（Ｙ）パルス照射後、π／２（Ｘ）パルス照射前の間に、スピンの位相を前記所与の量だけもどす。
【００３３】
磁場測定装置１００では、上述したパルスシーケンスおよび交流磁場Ａを磁気センサー４に与えることにより、計測したい交流磁場Ａの強度δＢを、スピン歳差運動の回転位相シフトから評価することができる（Phase modulated pulse 技術）。以下、詳細に説明する。
【００３４】
図２に示すように、磁気センサー４には、ＲＦコイル８によって、ｔ０〜ｔ１の間にπ／２（Ｙ）パルスが照射され、ｔ２〜ｔ３の間にπ（Ｙ）パルスが照射され、ｔ４〜ｔ５の間にπ／２（Ｘ）パルスが照射される。ＲＦコイル８は、例えば、磁気センサー４に対してＹ軸方向から高周波磁場を照射する。
【００３５】
ここで、π／２（Ｙ）パルスとは、回転座標系において、スピンを＋Ｙ軸に対して（Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に）右回りに９０°回転させる高周波磁場をいう。π／２（Ｙ）パルスにおいて、高周波磁場の時間関数は、Ｂ１ｓｉｎωｔ（Ｂ１は、高周波磁場強度）である。したがって、この高周波磁場は、回転座標系において、＋Ｙ軸に静止しているように見える。
【００３６】
また、π（Ｙ）パルスとは、回転座標系において、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させる高周波磁場をいう。π（Ｙ）パルスにおいて、高周波磁場の時間関数は、Ｂ１ｓｉｎωｔである。したがって、この高周波磁場は、回転座標系において、＋Ｙ軸に静止しているように見える。
【００３７】
また、π／２（Ｘ）パルスとは、回転座標系において、スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる高周波磁場をいう。π／２（Ｘ）パルスにおいて、高周波磁場の時間関数は、Ｂ１ｃｏｓωｔである。したがって、この高周波磁場は、回転座標系において、＋Ｘ軸に静止しているように見える。高周波磁場の位相の制御は、例えば、移相器によって行うことができる。
【００３８】
π／２（Ｙ）パルスが照射された後、π（Ｙ）パルスが照射されるまでの間隔（ｔ１〜ｔ２間）と、π（Ｙ）パルスが照射された後、π／２（Ｘ）パルスが照射されるまでの間隔（ｔ３〜ｔ４間）とは、同じ間隔τである。パルス間隔τは、例えば、Ｔ２（磁気センサー４のスピンの横緩和時間）によって決まる。
【００３９】
交流磁場Ａは、交流磁場制御器２によって、図２に示すように、時刻ｔ０以前、時刻ｔ２（ｔ２〜ｔ３間）、ｔ４以降の時刻では、強度０であり、ｔ１〜ｔ４において、磁場強度δＢ、周期２τを有する正弦波（δＢｓｉｎ（πｔ／τ））であるように制御される。なお、パルス間隔τがパルスの照射時間（ｔ０〜ｔ１間、ｔ２〜ｔ３間、ｔ４〜ｔ５間）に対して充分に大きいため、この式において、パルスの照射時間（ｔ２〜ｔ３間）は無視できるものとしている。交流磁場Ａは、試料ＳにＺ軸に沿う方向（静磁場の方向）から印加される。すなわち、交流磁場Ａは、静磁場を変調する変調磁場であるともいえる。
【００４０】
まず、交流磁場Ａの強度δＢがゼロの場合における磁気センサー４のスピンの振る舞いについて、図３（ａ）を参照しながら説明する。
【００４１】
磁気センサー４のスピンは、静磁場が与えられることにより、静磁場の方向である＋Ｚ軸に分極している（時刻ｔ０）。
【００４２】
この＋Ｚ軸に分極しているスピンは、π／２（Ｙ）パルスが照射されることにより、＋Ｘ軸に倒れる（時刻ｔ１）。＋Ｘ軸に倒れたスピンは、磁場の不均一性の影響によって＋Ｘ軸を中心としてＸＹ平面内に広がる（時刻ｔ２）。
【００４３】
次に、π（Ｙ）パルスが照射されることにより、スピンは、＋Ｙ軸に対して１８０°回転し、スピンの中心は−Ｘ軸方向を向く（時刻ｔ３）。ＸＹ平面内に広がっていたスピンは、リフォーカスし、−Ｘ軸に集束する（時刻ｔ４）。このようにスピンには、ｔ０〜ｔ４間に、π／２（Ｙ）パルスおよびπ（Ｙ）パルスからなるパルスシーケンス、すなわち、スピンエコー法に基づくパルスシーケンスが与えられる。
【００４４】
次に、π／２（Ｘ）パルスが照射されるが、スピンは、−Ｘ軸に集束しているため、π／２（Ｘ）パルスが照射されてもスピンはなんら変化しない（時刻ｔ５）。
【００４５】
次に、交流磁場Ａの強度δＢが４δＢγτ／π＝π／２の関係を満たす場合における磁気センサー４のスピンの振る舞いについて、図３（ｂ）を参照しながら説明する。
【００４６】
磁気センサー４のスピンは、静磁場が与えられることにより、静磁場の方向である＋Ｚ軸に分極している（時刻ｔ０）。
【００４７】
この＋Ｚ軸に分極しているスピンは、π／２（Ｙ）パルスが照射されることにより、＋Ｘ軸に倒れる（時刻ｔ１）。＋Ｘ軸に倒れたスピンは、磁場の不均一性によってＸＹ平面内に広がる。さらに、交流磁場Ａによって、スピンにはｔ１〜ｔ２間に下記式（２）の位相シフトが生じる。これにより、スピンは、＋Ｘ軸から＋Ｙ軸に向かう方向に回転する（時刻ｔ２）。
【００４８】
【数２】
2012103171.tif 000004
【００４９】
次に、π（Ｙ）パルスが照射されることにより、ＸＹ平面内に広がったスピンは＋Ｙ軸に対して１８０°回転する。さらに、交流磁場Ａによって、スピンには、ｔ３〜ｔ４間においても位相シフトが生じ、ｔ１〜ｔ２間に生じた位相シフト量だけ位相が戻る。これにより、スピンは、−Ｘ軸から＋Ｙ軸に向かう方向に回転する（時刻ｔ３）。ｔ３〜ｔ４間において生じるスピンの位相シフト量は、ｔ１〜ｔ２間におけるシフト量と同じである。結果として、ｔ４では、位相シフトθ＝π−（４δＢγτ）／πが生じる。４δＢγτ／π＝π／２の関係から、ｔ４では、位相シフトθ＝π／２が生じ、スピンは、＋Ｙ軸に集束する（スピンエコー）（時刻ｔ４）。
【００５０】
次に、π／２（Ｘ）パルスが照射されると、＋Ｙ軸に集束したスピンは、Ｘ軸を中心に９０°回転して＋Ｚ軸に沿う（時刻ｔ５）。π／２（Ｘ）パルスは、スピンエコーとして集束した横磁化を縦磁化に射影する役割を担う。
【００５１】
結果として、図３（ａ）に示すように、交流磁場Ａの強度δＢがゼロのときに縦磁化ＭＺがゼロ、図３（ｂ）に示すように、交流磁場Ａの強度δＢが４δＢγτ／π＝π／２の関係を満たすときにＭＺ＝Ｍ０（Ｍ０は、熱平衡状態における磁気センサー４の縦磁化）となる。ｔ５において得られる縦磁化ＭＺの大きさは、下記式（３）で表される。
【００５２】
【数３】
2012103171.tif 000005
【００５３】
磁場測定装置１００では、式（３）から交流磁場Ａの強度δＢを次のようにして求めることができる。縦磁化ＭＺは、スピン磁化検出手段（ＲＦコイル８）を用いてフリーインダクション測定法等で検出できる。また、Ｍ０は、例えばδＢを増加させて、ＭＺの最大値あるいはＭＺの最小値が得られればその絶対値がＭ０である。また、磁気センサー４の磁気回転比γは既知であり、パルス間隔τは、設定値である。したがって、式（３）から交流磁場Ａの強度δＢを求めることができる。
【００５４】
磁場測定装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５５】
磁場測定装置１００では、式（３）に示すように、交流磁場強度δＢに対する縦磁化ＭＺの応答関数がサイン型である。これにより、交流磁場強度δＢの微小変化に対して検出される縦磁化ＭＺは線形に変化する。したがって、交流磁場強度を高い感度で測定できる。このように磁場測定装置１００は、微小領域の微小な交流磁場強度を検出できるため、例えば、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置のプローブとして用いることができる。
【００５６】
３．  磁場測定装置の変形例
次に、本実施形態に係る磁場測定装置の変形例について説明する。なお、上述した本実施形態に係る磁場測定装置１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
【００５７】
（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図４は、第１変形例に係る磁場測定装置において、磁気センサー４に照射される高周波磁場ＲＦのタイムチャート、および試料Ｓが磁気センサー４に作る交流磁場Ａのタイムチャートである。図５は、磁気センサー４のスピンの状態を示す図である。なお、図５（ａ）は、交流磁場Ａの強度δＢをゼロにした場合であり、図５（ｂ）は、交流磁場Ａの強度δＢを４δＢγτ／π＝π／２を満たすように設定した場合である。また、図４および図５において、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸の周りに所定の角速度ω（ω＝γＢ０、Ｂ０は静磁場強度）で回転する回転座標系である。すなわち、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に右回りに角速度ωで回転している回転座標系である。なお、Ｚ軸に沿う方向を静磁場の方向および交流磁場Ａの方向とする。また、図５では、スピンを、原点を基点としたベクトルで示している。なお、本変形例に係る磁場測定装置の構成は、図１に示す磁場測定装置１００の例と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００５８】
本変形例では、ＲＦコイル８が磁気センサー４に与えるパルスシーケンスは、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｙ）パルス（第１高周波磁場パルス）と、π／２（Ｙ）パルス照射後に照射され、スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに１８０°回転させるπ（Ｘ）パルス（第２高周波磁場パルス）と、π（Ｘ）パルス照射後に照射され、スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（−Ｘ）パルス（第３高周波磁場パルス）と、を有している。以下、詳細に説明する。
【００５９】
図４に示すように、磁気センサー４には、ＲＦコイル８によって、ｔ０〜ｔ１の間にπ／２（Ｙ）パルスが照射され、ｔ２〜ｔ３の間にπ（Ｘ）パルスが照射され、ｔ４〜ｔ５の間にπ／２（−Ｘ）パルスが照射される。
【００６０】
ここで、π（Ｘ）パルスとは、回転座標系において、スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに１８０°回転させる高周波磁場をいう。π（Ｘ）パルスにおいて、高周波磁場の時間関数は、Ｂ１ｃｏｓωｔである。したがって、この高周波磁場は、回転座標系において、＋Ｘ軸に静止しているように見える。
【００６１】
また、π／２（−Ｘ）パルスとは、回転座標系において、スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させる高周波磁場をいう。π／２（−Ｘ）パルスにおいて、高周波磁場の時間関数は、Ｂ１ｃｏｓ（ωｔ＋π）である。したがって、この高周波磁場は、回転座標系において、−Ｘ軸に静止しているように見える。
【００６２】
まず、交流磁場Ａの強度δＢがゼロの場合における磁気センサー４のスピンの振る舞いについて、図５（ａ）を参照しながら説明する。
【００６３】
磁気センサー４のスピンは、静磁場が与えられることにより、静磁場の方向である＋Ｚ軸に分極している（時刻ｔ０）。
【００６４】
この＋Ｚ軸に分極しているスピンは、π／２（Ｙ）パルスが照射されることにより、＋Ｘ軸に倒れる（時刻ｔ１）。＋Ｘ軸に倒れたスピンは、磁場の不均一性の影響によって＋Ｘ軸を中心としてＸＹ平面内に広がる（時刻ｔ２）。
【００６５】
次に、π（Ｘ）パルスが照射されることにより、ＸＹ平面内に広がったスピンは、＋Ｘ軸に対して１８０°回転する（時刻ｔ３）。これにより、徐々にＴ２による広がりがなくなり（リフォーカス）、＋Ｘ軸に集束する（時刻ｔ４）。
【００６６】
次に、π／２（−Ｘ）パルスが照射されるが、スピンは、−Ｘ軸に集束しているため、π／２（−Ｘ）パルスが照射されてもスピンはなんら変化しない（時刻ｔ５）。
【００６７】
次に、交流磁場Ａの強度δＢが４δＢγτ／π＝π／２の関係を満たす場合における磁気センサー４のスピンの振る舞いについて、図５（ｂ）を参照しながら説明する。
【００６８】
磁気センサー４のスピンは、静磁場が与えられることにより、静磁場の方向である＋Ｚ軸に分極している（時刻ｔ０）。
【００６９】
この＋Ｚ軸に分極しているスピンは、π／２（Ｙ）パルスが照射されることにより、＋Ｘ軸に倒れる（時刻ｔ１）。＋Ｘ軸に倒れたスピンは、磁場の不均一性によってＸＹ平面内に広がる。さらに、交流磁場Ａによって、スピンには、ｔ１〜ｔ２間に式（２）の位相シフトが生じる。これにより、スピンは、＋Ｘ軸から＋Ｙ軸に向かう方向に回転する（時刻ｔ２）。
【００７０】
次に、π（Ｘ）パルスが照射されることにより、ＸＹ平面内に広がったスピンは、＋Ｘ軸に対して１８０°回転する。さらに、交流磁場Ａによって、スピンには、ｔ３〜ｔ４間においても、位相シフトが生じ、ｔ１〜ｔ２間に生じた位相シフト量だけ位相が戻る。これにより、スピンは、＋Ｘ軸から−Ｙ軸に向かう方向に回転する（時刻ｔ３）。ｔ３〜ｔ４間において生じるスピンの位相シフト量は、ｔ１〜ｔ２間におけるシフト量と同じである。結果として、ｔ４では、スピンに位相シフトθ＝π−（４δＢγτ）／πが生じる。４δＢγτ／π＝π／２の関係から、ｔ４では、位相シフトθ＝π／２が生じ、スピンは、−Ｙ軸に集束する（スピンエコー）（時刻ｔ４）。
【００７１】
次に、π／２（−Ｘ）パルスが照射されると、−Ｙ軸に集束したスピンは、＋Ｚ軸に倒れる（時刻ｔ５）。
【００７２】
結果として、図５（ａ）に示すように、交流磁場Ａの強度δＢがゼロのときに縦磁化ＭＺがゼロ、図５（ｂ）に示すように、交流磁場Ａの強度δＢが４δＢγτ／π＝π／２の関係を満たすときにＭＺ＝Ｍ０となる。ｔ５において得られる縦磁化ＭＺの大きさは、磁場測定装置１００と同様に式（３）で表される。したがって、本変形例においても、磁場測定装置１００と同様に、δＢに対する縦磁化ＭＺの応答関数がサイン型である。そのため、δＢの微小変化に対して検出される縦磁化ＭＺは線形に変化する。したがって、交流磁場を高い感度で測定できる。
【００７３】
（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図６は、第２変形例に係る磁場測定装置において、磁気センサー４に照射される高周波磁場ＲＦのタイムチャート、および試料Ｓが磁気センサー４に作る交流磁場Ａのタイムチャートである。なお、図６において、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸の周りに所定の角速度ω（ω＝γＢ０、Ｂ０は静磁場強度）で回転する回転座標系である。すなわち、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、Ｚ軸を回転軸としてＺ軸の正の方向に右回りに角速度ωで回転している回転座標系である。なお、Ｚ軸に沿う方向を静磁場の方向および交流磁場Ａの方向とする。また、図６では、スピンを、原点を基点としたベクトルで示している。なお、本変形例に係る磁場測定装置の構成は、図１に示す磁場測定装置１００の例と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００７４】
本変形例では、ＲＦコイル８は、スピンを制御するための第１パルスシーケンス（図３参照）および第２パルスシーケンス（図６参照）を与える。
【００７５】
第１パルスシーケンスは、図３に示すように、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｙ）パルス（第１高周波磁場パルス）と、π／２（Ｙ）パルスを照射後に照射され、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させるπ（Ｙ）パルス（第２高周波磁場パルス）と、π（Ｙ）パルスを照射後に照射され、スピンを＋Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｘ）パルス（第３高周波磁場パルス）と、を有している。なお、第１パルスシーケンスは、図３に示す磁場測定装置１００の例に係るパルスシーケンスと同様である。
【００７６】
第２パルスシーケンスは、図６に示すように、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（Ｙ）パルス（第４高周波磁場パルス）と、π／２（Ｙ）パルスを照射後に照射され、スピンを＋Ｙ軸に対して右回りに１８０°回転させるπ（Ｙ）パルス（第５高周波磁場パルス）と、π（Ｙ）パルスを照射後に照射され、スピンを−Ｘ軸に対して右回りに９０°回転させるπ／２（−Ｘ）パルス（第６高周波磁場パルス）と、を有している。
【００７７】
また、交流磁場制御器２は、試料Ｓの交流磁場を制御することによって、第１高周波磁場パルス照射後、第２高周波磁場パルス照射前の間に、スピンの位相を所与の量だけシフトさせ、第２高周波磁場パルス照射後、第３高周波磁場パルス照射前の間に、スピンの位相を所与の量だけもどし、第４高周波磁場パルス照射後、第５高周波磁場パルス照射前の間に、スピンの位相を所与の量だけシフトさせ、第５高周波磁場パルス照射後、第６高周波磁場パルス照射前の間に、スピンの位相をシフトさせる。
【００７８】
本変形例では、磁場測定装置１００と同様に、δＢに対する縦磁化ＭＺの応答関数がサイン型である。したがって、磁場測定装置１００と同様の作用効果を奏することができる。
【００７９】
さらに、本変形例では、ＲＦコイル８が、例えば、奇数回目の試行で第１パルスシーケンスを用い、偶数回目の試行で第２パルスシーケンスを用いる。ＲＦコイル８（スピン磁化検出手段）は、第３高周波磁場パルス照射後および第６高周波磁場パルス照射後に縦磁化ＭＺを測定する。得られた縦磁化ＭＺを平均演算する際に、奇数回目の測定結果を加算し、偶数回目の測定結果を減算して、最後に繰り返し回数で割る。これにより、磁気共鳴とは無関係のバックグラウンドノイズを平均値から差し引くことができる。
【００８０】
（３）第３変形例
次に、第３変形例について説明する。
【００８１】
上述した磁場測定装置１００の例では、交流磁場Ａが、交流磁場制御器２によって、図２に示すように、時刻ｔ０以前の時間（ｔ＜ｔ０）、時刻ｔ２（ｔ２〜ｔ３間）、時刻ｔ４以降の時間（ｔ＞ｔ４）において、強度がゼロであり、ｔ１〜ｔ４間において、δＢｓｉｎ（πｔ／τ）であるように制御される場合について説明した。これに対し、本変形例では、交流磁場Ａは、時刻ｔ０以前の時間（ｔ＜ｔ０）、時刻ｔ２（ｔ２〜ｔ３間）、時刻ｔ４以降の時間（ｔ＞ｔ４）において、強度０であれば特に限定されない。このような場合であっても、磁場測定装置１００と同様に、δＢに対する縦磁化ＭＺの応答関数がサイン型となり、磁場測定装置１００の例と同様の作用効果を奏することができる。例えば、交流磁場Ａは、時刻ｔ０以前の時間、時刻ｔ２、時刻ｔ４以降の時間において、強度０であり、ｔ１〜ｔ２間、およびｔ３〜ｔ４間でスピンの位相を変化させるような波形である。このときの波形は、特に限定されず、正弦波、矩形波、三角波等であってもよい。
【００８２】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８３】
２  交流磁場制御器、４  磁気センサー、６  静磁場発生器、８  ＲＦコイル、
１００  磁場測定装置
【図２】
2012103171.tif 000006
【図３】
2012103171.tif 000007
【図４】
2012103171.tif 000008
【図５】
2012103171.tif 000009
【図６】
2012103171.tif 000010
【図１】
2012103171.tif 000011