(57)【要約】【課題】ガスセルの感度を向上させる。【解決手段】ガスセル１０は、閉空間を形成する部材１２と、この部材１２の内壁に形成された炭素膜と、閉空間に封入され、光により励起されスピン偏極する原子１１とを備える。【選択図】図４
2013170816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉空間を形成する壁面と、
前記壁面の内壁に形成された炭素膜と、
前記閉空間に封入され、光により励起されスピン偏極する原子と
を備えることを特徴とするガスセル。
【請求項２】
前記炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボンにより構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のガスセル。
【請求項３】
前記炭素膜の表面は、水素又は重水素により終端されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセルと、
前記ガスセルに光を照射する照射部と、
前記ガスセルを透過した前記光の偏光面の回転角を検出する検出部と
を備えることを特徴とする磁場測定装置。
【請求項５】
前記ガスセルを前記炭素膜の耐熱温度より低い所定の温度まで加熱する加熱部を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の磁場測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体から発生する磁場を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓や脳から発生する微弱な磁場を計測する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ポンプ光とプローブ光を用いて磁場を測定する光ポンピング磁力計が開示されている。非特許文献１及び非特許文献２には、アルカンやアルケン等の有機化合物を用いてセルの内壁をコーティングする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M.A. Bouchiat and J. Brossel, “Relaxation of Optically Pumped Rb Atoms on Paraffin-Coated Walls,” Physical review 147 41, July 8, 1966, p. 41-54
【非特許文献２】M.V.Balabas et al., “Polarized alkali vapor with minute-long transverse spin-relaxation time,” Physical review letters 105, 070801, May 11, 2010, p. 1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ポンピング式磁気センサーでは、原子を封入したガスセルが用いられる。このガスセル内の温度を上げると、原子の飽和蒸気圧が高くなり、感度が向上する。しかし、非特許文献１や非特許文献２のように、アルカンやアルケン等の有機化合物を用いてガスセルの内壁をコーティングした場合には、ガスセル内の温度を高くすると、コーティング材料の温度特性により、原子のスピン緩和時間が短くなってしまう。そのため、ガスセル内の温度を低くせざるを得なかった。
本発明は、ガスセルの感度を向上させることを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、閉空間を形成する壁面と、前記壁面の内壁に形成された炭素膜と、前記閉空間に封入され、光により励起されスピン偏極する原子とを備えることを特徴とするガスセルを提供する。
この構成によれば、ガスセルの感度を向上させることができる。
【０００７】
前記炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボンにより構成されてもよい。
この構成によれば、成膜条件を変更することにより、炭素膜の特性を細かく調整することができる。
【０００８】
前記炭素膜の表面は、水素又は重水素により終端されていてもよい。
この構成によれば、原子に対する炭素膜の吸着エネルギーを小さくすることができる。
【０００９】
本発明は、上述したガスセルと、前記ガスセルに光を照射する照射部と、前記ガスセルを透過した前記光の偏光面の回転角を検出する検出部とを備えることを特徴とする磁場測定装置を提供する。
この構成によれば、ガスセルの感度を向上させることができる。
【００１０】
前記磁場測定装置は、前記ガスセルを前記炭素膜の耐熱温度より低い所定の温度まで加熱する加熱部を備えてもよい。
この構成によれば、ガスセルの感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る磁場測定装置の構成を示す図
【図２】ガスセルの製造工程を示すフローチャート
【図３】ダイヤモンドライクカーボン膜の分類を示す図
【図４】製造されたガスセルを示す斜視図
【図５】コーティング膜の作用を説明する図
【図６】磁場測定装置の出力電圧と磁場の磁束密度との関係を示す図
【図７】変形例に係る磁場測定装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示す図である。磁場測定装置１は、生体から発生する磁場を測定する磁気センサーである。磁場測定装置１は、例えば心臓から発生する磁場（心磁）を測定する心磁計や、脳から発生する磁場（脳磁）を測定する脳磁計に用いられる。
【００１３】
磁場測定装置１は、ガスセル１０と、ポンプ光照射部２０と、プローブ光照射部３０（照射部の一例）と、検出部４０と、表示装置５０とを備える。ガスセル１０は、ガラスで形成された立方体の容器である。ガスセル１０内には、原子１１が封入される。原子１１は、例えばアルカリ金属原子（セシウム等）である。ガスセル１０は、加熱部６０に収容される。加熱部６０は、熱伝導率の高いセラミックで形成されている。加熱部６０には、電熱線等の発熱体が設けられている。加熱部６０は、この発熱体により、内部に収容されたガスセル１０を加熱する。
【００１４】
ポンプ光照射部２０は、光源２１と偏光部２２とを有する。光源２１は、レーザー光を放射する。光源２１から照射されたレーザー光は、偏光部２２に入射する。偏光部２２は、入射したレーザー光を偏光して、円偏光成分を有するポンプ光Ｌ１を通過させる。偏光部２２を通過したポンプ光Ｌ１は、ガスセル１０に照射される。ポンプ光Ｌ１が照射されると、ガスセル１０内の原子１１の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極した原子１１は、磁場によって歳差運動をする。
【００１５】
プローブ光照射部３０は、光源３１と偏光部３２とを有する。光源３１は、レーザー光を放射する。光源３１から照射されたレーザー光は、偏光部３２に入射する。偏光部３２は、入射したレーザー光を偏光して、直線偏光成分を有するプローブ光Ｌ２を通過させる。偏光部３２を通過したプローブ光Ｌ２は、ガスセル１０を透過する。このとき、プローブ光Ｌ２の偏光面は、ガスセル１０内の原子１１により回転させられる（ファラデー効果）。この偏光面の回転角は、磁場の強度に応じた大きさになる。
【００１６】
検出部４０は、偏光分離器４１と、第１の受光素子４２と、第２の受光素子４３と、信号処理回路４４とを備える。ガスセル１０を透過したプローブ光Ｌ２は、偏光分離器４１に入射する。偏光分離器４１は、入射したプローブ光Ｌ２をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する。偏光分離器４１で分離されたＰ偏光成分は、第１の受光素子４２に入射する。第１の受光素子４２は、Ｐ偏光成分を受光し、受光したＰ偏光成分に応じた電気信号を出力する。一方、偏光分離器で分離されたＳ偏光成分は、第２の受光素子４３に入射する。第２の受光素子４３は、Ｓ偏光成分を受光し、受光したＳ偏光成分に応じた電気信号を出力する。第１の受光素子４２及び第２の受光素子４３から出力された電気信号は、信号処理回路４４に入力される。信号処理回路４４は、入力された電気信号に基づき、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角を検出する。これにより、ポンプ光Ｌ１の照射方向（ｘ方向）とプローブ光Ｌ２の照射方向（ｙ方向）とに直交するｚ方向の磁場が測定される。表示装置５０は、例えば液晶ディスプレイである。表示装置５０は、磁場の測定結果を表示する。
【００１７】
図２は、ガスセル１０の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１１０のコーティング工程では、ガラスの板の上にコーティング膜１３が形成される。このコーティング膜１３は、ダイヤモンドライクカーボンにより構成されるダイヤモンドライクカーボン膜である。ダイヤモンドライクカーボン膜は、ダイヤモンドのＳＰ３結合とグラファイトのＳＰ２結合による炭素と水素とが混在したアモルファス構造の膜である。このダイヤモンドライクカーボン膜は、成膜温度が低いため、ガラスの板の上に形成することができる。
【００１８】
図３は、ダイヤモンドライクカーボン膜の分類を示す図である。図３では、上の頂点がダイヤモンド、左下の頂点がグラファイト、右下の頂点が水素を示す。ダイヤモンドライクカーボン膜は、例えば図３に示す領域Ｒ中の、テトラヘドラルアモルファスカーボン（ta-C）、スパッタアモルファスカーボン（sputtered a-C）、水素化アモルファスカーボン（a-C:H）及び水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン（ta-Ｃ:H）の少なくとも一種から構成される。
【００１９】
ダイヤモンドライクカーボン膜の特性は、ＳＰ３結合とＳＰ２結合の割合及び水素量によって決定される。例えば、ＳＰ３結合の比率が大きくなると、ダイヤモンドライクカーボン膜の特性は、ダイヤモンドの特性に近くなる。逆に、ＳＰ２結合の比率が大きくなると、ダイヤモンドライクカーボン膜の特性は、グラファイトの特性に近くなる。コーティング膜１３は、原子１１のスピン偏極の緩和を抑制するために用いられる。したがって、コーティング膜１３には、原子１１のスピン偏極の緩和を抑制するのに最適な特性を有するダイヤモンドライクカーボン膜が選択されるのが好ましい。
【００２０】
ダイヤモンドライクカーボン膜は、その成膜条件によって、ＳＰ３結合とＳＰ２結合の割合や水素量が変化する。この成膜条件には、例えば成膜方法、基板温度、原料が含まれる。例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法では、水素量の多い膜を形成することができる。プラズマＣＶＤ法では、例えば水素化アモルファスカーボン（a-C:H）又は水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン（ta-Ｃ:H）により構成されるダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。レーザアブレーション法では、水素量が少なくＳＰ３結合成分が多い膜を形成することができる。レーザアブレーション法では、例えばテトラヘドラルアモルファスカーボン（ta-C）により構成されるダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。なお、レーザアブレーション法では、成膜方法以外の成膜条件を変更することにより、水素量を増やすことが可能である。この場合には、ＳＰ３結合成分も若干増加する。スパッタ法では、レーザアブレーション法で形成されるダイヤモンドライクカーボン膜よりも水素量が少なく、表面のダンブリングボンドが出来やすいダイヤモンドライクカーボン膜を形成することができる。スパッタ法では、例えばスパッタアモルファスカーボン（sputtered a-C）により構成されるダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。
【００２１】
ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜方法としては、上述したプラズマＣＶＤ法、レーザアブレーション法、スパッタ法の他に、アークイオンプレーティング法、イオン蒸着法、イオンビーム法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜条件は、成膜対象のダイヤモンドライクカーボン膜の特性に応じて決定されればよい。
【００２２】
ステップＳ１２０の終端工程では、コーティング膜１３の表面が重水素で終端される。例えば、重水素ガスの雰囲気中でコーティング膜１３の表面にプラズマ処理が施される。これにより、コーティング膜１３の表面のダングリングボンドが重水素で終端される。ステップＳ１３０の切断工程では、ガラスの板が切断される。具体的には、ガラスの板が切断されて、ガスセル１０の上壁面、下壁面、側壁面を構成する６枚の部材１２（壁面の一例）が切り取られる。ステップＳ１４０の組立工程では、６枚の部材１２が組み立てられる。このとき、６枚の部材１２は、それぞれコーティング膜１３が形成された面が内側になるように組み立てられる。隣り合う部材１２は、低融点ガラス等の封止材で接合される。これにより、ガスセル１０の壁面が形成される。ただし、この時点では、ガスセル１０の上壁面を形成する部材１２は接合されない。
【００２３】
ステップＳ１５０のアンプル収納工程では、ガスセル１０内にアンプルが収容される。アンプルには、例えばアルカリ金属固体が封入されている。アンプルは、ガスセル１０の上面から内部に収納される。ステップＳ１６０の封止工程では、ガスセル１０が封止される。具体的には、ガスセル１０の上壁面を構成する部材１２が低融点ガラス等の封止材で接合される。ステップＳ１７０のアンプル破壊工程では、ガスセル１０内のアンプルが破壊される。具体的には、レーザー光がアンプルに照射され、アンプルに穴が開けられる。ステップＳ１８０の充填工程では、ガスセル１０内にアルカリ金属ガスが充填される。具体的には、加熱部６０によりガスセル１０が加熱される。これにより、アンプルに封入されたアルカリ金属が気化され、アンプルからアルカリ金属ガスが放出される。
【００２４】
図４は、製造されたガスセル１０を示す斜視図である。ガスセル１０においては、６枚の部材１２により閉空間が形成されている。この閉空間には、ガス化したアルカリ金属の原子１１が封入されている。ガスセル１０の内壁には、ダイヤモンドライクカーボンにより構成されるコーティング膜１３が形成されている。
【００２５】
図５は、コーティング膜１３の作用を説明する図である。ガスセル１０の内壁にコーティング膜１３が形成されていない場合には、図５（ａ）に示すように、スピン偏極した原子１１がガスセル１０のガラス面に直接衝突するため、スピン偏極が崩れ易い。一方、ガスセル１０の内壁にコーティング膜１３が形成されている場合には、このコーティング膜１３が、原子１１のスピン偏極の緩和を抑制する役割を果たす。そのため、図５（ｂ）に示すように、スピン偏極した原子１１がガスセル１０の内壁に衝突しても、スピン偏極が維持される。これにより、原子１１のスピン緩和時間Ｔが大きくなる。
【００２６】
また、コーティング膜１３は、炭素と水素からなるダイヤモンドライクカーボンにより構成されている。そのため、コーティング膜１３と原子１１の電子スピンとの相互作用を抑えることができる。また、コーティング膜１３の表面が重水素で終端されているため、この相互作用を一層抑えることができるとともに、原子１１に対するコーティング膜１３の吸着エネルギーが小さくなるため、上述した相互作用の時間を減らすことができる。
【００２７】
図６は、磁場測定装置１の出力電圧と磁場の磁束密度との関係を示す図である。図６において縦軸は、磁場測定装置１の出力電圧を示し、横軸は、磁場の磁束密度を示す。磁場測定装置１の出力電圧波形は、波形Ｈで示される。原子１１のスピン緩和時間をＴ、磁気回転比をγとすると、波形Ｈのピークの半値幅ΔＢは以下の式（１）で示される。
［数１］
△Ｂ＝１／Ｔγ・・・式（１）
【００２８】
半値幅△Ｂは、磁場測定装置１の感度に影響する。具体的には、半値幅△Ｂが小さいほど、ガスセル１０の感度が高くなる。上述したように、ガスセル１０の内壁にコーティング膜１３が形成されている場合には、原子１１のスピン緩和時間Ｔが大きくなる。この場合、上述した式（１）により半値幅△Ｂが小さくなるため、ガスセル１０の感度が向上する。
【００２９】
また、コーティング膜１３を構成するダイヤモンドライクカーボンは、例えば４００度の耐熱温度を有する。そのため、ガスセル１０内の温度を従来よりも高くすることができる。この場合、原子１１の飽和蒸気圧が高くなるため、ガスセル１０の感度が向上する。例えば、ガスセル１０内の温度は、コーティング膜１３の耐熱温度（例えば、４００度）より低い温度範囲において比較的高い温度に設定されるのが好ましい。この場合、加熱部６０は、コーティング膜１３の耐熱温度より低い所定の温度までガスセル１０を加熱する。
【００３０】
コーティング膜１３がパラフィンにより構成されている場合には、例えばガスセル１０内の温度が６０〜８０度になると、原子１１のスピン緩和時間が急速に減少してしまう。また、コーティング膜１３がアルケン系化合物により構成されている場合には、例えばガスセル１０内の温度が３３度以上になると、原子１１のスピン緩和時間が急速に減少してしまう。コーティング膜１３がダイヤモンドライクカーボンにより構成されている場合には、ガスセル１０内の温度を６０〜８０度以上の温度、又は３３度以上の温度に上げることができる。
【００３１】
また、コーティング膜１３を構成するダイヤモンドライクカーボンは、成膜条件を変更することにより、特性を細かく調整することができる。これにより、原子１１のスピン状態の緩和を抑制するのに最適な特性を有するコーティング膜１３を成膜することができる。
【００３２】
本発明は上述した実施形態に限定されず、以下のように変形してもよい。また、以下の変形例を相互に組み合わせてもよい。
【００３３】
（１）変形例１
コーティング膜１３を構成する物質は、ダイヤモンドライクカーボンに限定されない。コーティング膜１３は、炭素系物質を含む物質で構成される炭素膜であればよい。例えば、コーティング膜１３は、ダイヤモンド又はグラファイトにより構成されてもよい。ただし、コーティング膜１３は、ガスセル１０の材料の表面に成膜できるものが好ましい。また、コーティング膜１３は、ポンプ光Ｌ１やプローブ光Ｌ２を透過させるものが好ましい。
【００３４】
（２）変形例２
コーティング膜１３の表面を終端する物質は、重水素に限定されない。例えば、コーティング膜１３の表面は、水素で終端されてもよい。この場合にも、原子１１に対するコーティング膜１３の吸着エネルギーが小さくなるため、上述した相互作用の時間を減らすことができる。
【００３５】
（３）変形例３
磁場測定装置１は、ポンプ光とプローブ光を用いた２ビーム方式の磁気センサーに限定されない。例えば、磁場測定装置１は、単一の光をポンプ光とプローブ光に兼用する１ビーム方式の磁気センサーであってもよい。
【００３６】
図７は、１ビーム方式の磁場測定装置１Ａの構成を示す図である。この磁場測定装置１Ａは、上述した磁場測定装置１の構成のうち、ポンプ光照射部２０以外の構成を備える。この場合、磁場測定装置１Ａでは、プローブ光Ｌ２の照射方向と同一のｙ方向の磁場が測定される。
【００３７】
（４）変形例４
ガスセル１０は、複数設けられていてもよい。一般に、複数のガスセル１０が用いられる場合には、ガスセル１０間でコーティング膜１３の形成にばらつきが生じ易い。しかし、ダイヤモンドライクカーボン膜等の炭素膜は、成膜の再現性が高い。したがって、複数のガスセル１０が用いられる場合であっても、ガスセル１０間のコーティング膜１３の形成のばらつきが小さくなる。
【００３８】
（５）変形例５
ガスセル１０の製造方法は、実施形態で説明した方法に限定されない。例えば、ガスセル１０の下壁面と側壁面とがガラス成形により一体に形成されてもよい。また、ガスセル１０を組み立てた後に、コーティング工程及び終端工程が行われてもよい。この場合、例えば特開２００４−１１５８５３号公報に開示された方法を適用して、ガスセル１０の内壁にコーティング膜１３を形成してもよい。
【００３９】
（６）変形例６
ガスセル１０の材料は、ガラスに限定されない。ガスセル１０は、光透過性の高い材料で形成されればよい。例えば、ガスセル１０は、プラスチックで形成されてもよい。ガスセル１０の形状は、立方体に限定されない。例えば、ガスセル１０は、直方体、多面体、球体、又は円柱等の一部に曲面を有するものであってもよい。
【００４０】
（７）変形例７
原子１１は、固体、液体、または気体のうち、どの状態でガスセル１０に導入されてもよい。原子１１は、少なくとも測定時にガス化していればよく、常にガス状態である必要はない。
【００４１】
（８）変形例８
ガスセル１０が用いられる装置は、磁場測定装置１に限定されない。ガスセル１０は、光ポンピングの原理を利用した装置で用いることが可能である。例えば、ガスセル１０は、原子発振器に用いられてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…磁場測定装置、１０…ガスセル、１１…原子、１２…部材、１３…コーティング膜、２０…ポンプ光照射部、３０…プローブ光照射部、４０…検出部、５０…表示装置、６０…加熱部
【図１】
2013170816.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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