【誤訳訂正書】
【提出日】平成29年6月19日(2017.6.19)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】シングルビーム無線周波数原子磁力計
【技術分野】
【０００１】
[0001]  低磁場核磁気共鳴（ＬＦ−ＮＭＲ）、及び核四極共鳴としても知られているゼロ磁場核磁気共鳴は、無線周波数（ＲＦ）分光学を用いて材料を検出及び特徴付けするため、及び磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）などのようなイメージングでの応用のために用いられる。典型的に、低磁場及びゼロ磁場の測定は、従来の高磁場のＮＭＲ及びＭＲＩで達成可能である信号対雑音レベルより低い信号対雑音レベルを有するが、様々な特性を検出するために用いることができ、それらは、様々な爆発物、そして可能性としては幾つかの核材料や生物学的材料などの分光学的フィンガープリントなどのような、セキュリティでの応用を有する幾つかのものを含む。更に、低磁場の技術は、従来の高磁場のＮＭＲ及びＭＲＩでのような大きな超電導磁石の必要性を排除する。これによって、潜在的に、低磁場及びゼロ磁場のＮＭＲシステムを、よりポータブル化、小型化、及び低パワー化することを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  原子磁力計は、５メガヘルツ（ＭＨｚ）より下の周波数でのＲＦ磁場の検出において、ピックアップ・コイルに勝る信号対雑音に関する優位性を提供することが、以前に発表された研究で示されている。それらはまた、携帯性及び費用の点で、極低温冷却を必要とする超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）磁力計等のような他の代替的な検出器に勝る利点を提供する。しかしながら、既存のＲＦ感受性の原子磁力計は、なおも比較的大きな装置であり、レーザー・フィールドと原子蒸気との間の相互作用のジオメトリは、小型化に関しての見込みを制限する。サイズ、重量、及びパワーが制限される応用に関して、既存の原子磁力計もＳＱＵＩＤも、十分な解決法を提供しない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0003]  １つの実施形態において、無線周波数原子磁力計が提供される。無線周波数原子磁力計は、レーザーと、光検出器と、レーザーと光検出器との間のレーザー光の光路にあるベイパー・チャンバーと、レーザーにより発せられるレーザー光を円偏光するように構成された円偏光子であって、円偏光されたレーザービームは、ベイパー・チャンバーの原子のスピンを配向された状態にポンピングするように、及びベイパー・チャンバーの原子を調べるように構成され、調べることは、ローカル無線周波数磁場を検出することを包む、円偏光子と、少なくとも１つのＤＣ磁場コイルを含む直流（ＤＣ）磁場コイルのセットであって、レーザーにより発せられてベイパー・チャンバーへ向けられたレーザー光の光軸に対して４５度の向きでＤＣ磁場を生成するように構成され、更に、可調のＤＣ磁場強度を有するように構成される直流磁場コイルのセットとを含む。
【０００４】
[0004]  図面は例示的な実施形態のみを表すものであり、従って、範囲を制限するとみなされないことが理解された上で、例示的な実施形態を、添付の図面を用い、付加的な特性及び詳細とともに説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】[0005]  図１Ａは、内部ＤＣ磁場コイルを備えたシングルビーム無線周波数原子磁力計の例示的な実施形態の断面図を示す。
【図１Ｂ】[0006]  図１Ｂは、内部ＤＣ磁場コイルを備えたシングルビーム無線周波数原子磁力計の例示的な実施形態の断面図を示す。
【図２】[0007]  図２は、例示的なシングルビーム無線周波数原子磁力計システムのブロック図である。
【図３】[0008]  図３は、シングルビーム無線周波数原子磁力計システムを動作させる例示の方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0009]  低磁場での低いＳ／Ｎ比性能の理由の一部は、それらの低い磁場強度と関連する無線周波数の共鳴が、数百キロヘルツ（ｋＨｚ）乃至数メガヘルツ（ＭＨｚ）というかなり低い周波数であり、伝統的な高磁場のＮＭＲ及びＭＲＩのギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲ではないことである。約１ＭＨｚの周波数レンジの非常に弱いＲＦ信号は、従来のＲＦピックアップ・コイルでは、極めて効果的に検出されることができない。典型的なＮＱＲ信号は、実際、検出回路の熱雑音より弱い。
【０００７】
[0010]  この目的のために用いられている原子磁力計は、比較的大きく、幾何学的に小型化するのが困難である。直流（ＤＣ）磁場に非常に敏感であるが、ＮＭＲ及びＮＱＲに関連する無線周波数での磁場には敏感ではない小型の原子磁力計が構築されてきた。
【０００８】
[0011]  図１Ａは、シングルビーム無線周波数磁力計１００の一実施形態の断面図を例示する。シングルビームＲＦ磁力計１００は、レーザー１１０を含んでいる真空パッケージ１０２と、１／４波長板及び線形偏光子（レーザー源が、適切な軸に沿って十分に線形に偏波された光を発しない場合）１２０と、ベイパー・チャンバー１３０と、一組のＤＣ磁場コイル１４０と、光検出器１５０とを備えている。実施形態において、レーザー１１０は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。
【０００９】
[0012]  ベイパー・チャンバー１３０は、レーザー１１０により発せられるレーザービーム１１２の、レーザー１１０と光検出器１５０との間の光路に配置されるように構成される。ベイパー・チャンバー１３０は、アルカリ原子のチャンバーを含む。１つの実施形態においては、カリウム原子がベイパー・チャンバー１３０において用いられる。いくつかの実施形態では、ベイパー・チャンバー１３０はまた、当業者には知られているように、「バッファ」ガスや「クエンチング」ガスとして作用する他のガスも含む。これらは、典型的には、ヘリウムやアルゴンなどのような希ガス、及び窒素などのような二原子分子（特に「クエンチング・ガス」の役割で）を含む。１／４波長板及び線形偏光子は、レーザービーム１１２を円偏光する。当業者には知られているように、レーザービーム１１２は、レーザービーム１１２がポンプ・ビーム及びプローブ・ビームとして働くように構成される。従って、レーザービーム１１２は、光学的に、ベイパー・チャンバー１３０の原子をポンピングするように、及び調べるように構成されるシングルビームである。１組のＤＣ磁場コイル１４０は、電気的なＤＣバイアスが印加されたときに、レーザービーム１１２の光軸に対して４５度の向きの対応するＤＣ磁場が蒸気セルにおいてつくられるように構成される。
【００１０】
[0013]  動作中、レーザー１１０は固定周波数で保たれ、ベイパー・チャンバー１３０の原子に対してのローカルＲＦ磁場の影響により誘導される検出器信号における変調が検出される。ＲＦ磁場は、原子のゼーマン副準位の中での遷移を引き起こす効果を有する。
【００１１】
[0014]  ＤＣ磁場の方向が「Ｚ方向」と定義され、ＲＦ磁場が２本の軸の間の角度を二分しているＹ―Ｚ平面にある場合、ＲＦのＺ成分はＤＣ磁場Ｂ０を変調し、「パイ」偏光された光により結合された何れかの遷移がその周波数で共鳴する場合には、いわゆる「パイ」遷移を引き起こすであろう。しかしながら、一般に、この種の遷移はゼーマン副準位の中では許容されず、この成分の影響は無視することができる。
【００１２】
[0015]  ＲＦ磁場のＹ成分は、対照的に、左円偏光フィールドと右円偏光フィールドとの重ね合わせであり、減衰又はポンピングの非存在下で、隣接する準位間でのラビ・フロッピングを駆動するように、ゼーマン副準位を互いに結合する傾向がある。このラビ・フロッピングのプロセスの間に、磁気モーメントは、ｚ軸について螺旋状に動きつつ（ラーモア歳差運動）、ｙ軸からｘ軸について回転し、続いて負のｚ軸について回転する傾向がある。
【００１３】
[0016]  しかしながら、光学フィールドの光ポンピング効果は、この傾向に反対に作用する。その結果は、ラーモア歳差運動が継続するが、ラビ・フロップピング・プロセスと光ポンピング・プロセスとが定常状態に達する、という挙動となる。この定常状態解の正確な詳細は、自発的ではなくＲＦ磁場により駆動されているラーモア歳差運動が全ての原子に関して共通の相を有するという事実ほど重要ではない。このため、それは、光学フィールドの振幅に対しての変調を強いる。円偏光に関する選択規則があるため、原子によるレーザー光の吸収は、磁気モーメント・ベクトルの方位の関数である。RF磁場の不在下では、各原子がなおもラーモア歳差運動を個別に行うが、これらの歳差運動プロセスの相はランダムであるので、正味の光信号はない。ＲＦは、それが原子に課す相により検出される。
【００１４】
[0017]  ベイパー・チャンバー１３０の原子は、それらの共振周波数での磁場のみに影響されるが、共振周波数は、ＤＣ磁場コイル１４０により誘導されるＤＣ磁場の強さに応じて調整可能である。ＤＣ磁場の強さは、ＤＣ磁場コイル１４０に印加される電気的なＤＣバイアスを調節することによって、変えることができる。かくして、ＤＣ磁場強度は、ローカルＲＦ磁場の分光器測定を許容するように、スイープされることができる。
【００１５】
[0018]  １つの実施形態においては、サンプルが検出及び／又は特徴付けされるようにサンプルを励起するために、励起パルスを用いることができる。励起パルスは、ＲＦ電磁パルス（ＥＭ）である。
【００１６】
[0019]  図１Ｂは、シングルビームＲＦ原子磁力計１０１の別の実施形態の側面図を示す。この実施形態は、１組のＤＣ磁場コイルが真空パッケージ１０２の外側に位置することを除いて、図１Ａについて上述したものと同じ特徴を備えている。シングルビームＲＦ原子磁気計のこの実施形態の他の構成要素及び動作は、他の点では同一である。
【００１７】
[0020]  図２は、一実施形態による例示的なシングルビームＲＦ原子磁力計システム２００を示す。システム２００は、シングルビームＲＦ磁気原子磁力計２１０を含み、これは、レーザーと、ベイパー・チャンバーと、１／４波長板及び線形偏光子と、光検出器と、一組のＤＣ磁場コイルとを含む。シングルビームＲＦ磁気原子磁力計２１０は、マイクロプロセッサ２２２及びシステムメモリ２２４を含む計算装置２２０に結合される。システム２００はまた、励起プローブ２３０を備える。励起プローブ２３０は、ＮＭＲのようなパルス・シーケンスの励起パルスを発するように構成される。この励起パルスは、磁力計内の原子に対して共鳴することになるので、この応用では、励起している間にＤＣ磁場の大きさを変化させることにより磁力計を離調し、続いて、直流磁場の大きさをリセットすることにより、期待されるエコー信号に対して共振するように再び同調することを推奨する。いくつかの実施形態では、励起パルスに関しての周波数範囲は、検出される材料に応じて制限され得る。他の実施態様においては、広範囲にわたる周波数を、励起パルスにおいて使用することができる。さまざまな材料の共振周波数は、原子自体、分子の構造及びジオメトリ、そして、内部応力、不純物、及び結晶の不完全性による影響を受けるローカル電場勾配により、決定される。従って、周波数スペクトルは、爆発物や他の密輸品などのようなさまざまな材料の周波数に対して調整することができる。励起パルスは、テストされたサンプル材料がエコーパルスを発するように影響する。エコーパルスの予想される周波数及び位相は、印加された励起パルスの周波数及び位相により決定される。このエコーパルスは、シングルビーム原子ＲＦ磁力計２１０の検出器信号の変調を生じさせる。他の実施態様においては、励起プローブ２３０は用いられず、単に、サンプルのローカルＲＦ磁場により生じる変調が、シングルビームＲＦ原子磁力計２１０により検出される。
【００１８】
[0021]  分析装置２２０は、マイクロプロセッサ２２２と、システムメモリ２２４とを備える。システムメモリ２２４は命令を含み、命令は、原子磁力計からの検出器信号の読み出し及び分析を行うこと、励起パルスから得られる参照信号を用いて検出器を復調すること、及びサンプルの共振周波数を決定することを、プロセッサ２２２に行わせる。この決定から、プロセッサを、サンプルの分子構造の識別及び特徴付けを行うように、構成することができる。
【００１９】
[0022]  ディスプレイ２４０は、分析装置２２０にオプションとして結合され、上記の行われた検出信号分析の様々な結果、例えば、陽性又は陰性を示す指示、サンプルの識別又は特徴描写、又は信号分析の結果を表すその他のこの種の指示などを表示するように、構成することができる。ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイ、アクティブ・マトリックス液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、パッシブ・マトリックスＬＣＤ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、又はプラズマ・ディスプレイとすることができるが、これらには限定されない。それはまた、陽性又は陰性の結果を示すための、ＬＥＤライト信号や白熱電球などのような、単純なインジケータとすることもできる。
【００２０】
[0023]  図３は、ＮＭＲ／ＮＱＲ応用でのシングルビームＲＦ原子磁力計に関する例示の動作の方法を示しているフローチャートである。ブロック３０１で、シングルビームＲＦ原子磁力計のベイパー・チャンバーのアルカリ原子は、円偏光されたレーザービームによって光学的にポンプされる。ブロック３０３で、ＤＣ磁場が、光学的にポンピングされたアルカリ原子を含むベイパー・チャンバーに印加される。ＤＣ磁場は、一組のＤＣ磁場コイルにより生成される。ＤＣ磁場コイルにより印加されるＤＣ磁場の強さが、スイープされる。ＤＣ磁場コイルは、円偏光されたレーザービームの光軸に対して４５度の角度で配されるＤＣ磁場を印加するように、構成される。ＤＣ磁場の強さは、ＤＣ磁場コイルへの電気的なＤＣバイアスの強さを変えることによって、調節することができる。ＤＣ磁場の強さは、ベイパー・チャンバーのポンプされたアルカリ原子の共振周波数を調節する。ブロック３０５で、テストされるサンプルは、励起パルスにより励起される。１つの実施形態においては、励起パルスは、原子磁力計に外部の励起プローブにより生成される。励起パルスは、サンプルの原子を励起するために用いるＲＦパルスである。この励起パルスの周波数は、スイープされることができ、周波数の帯域を含むことができる。ブロック３０７で、励起パルスによるサンプルの励起により生成される、サンプルからのエコーパルスが検出される。エコーパルスの予想される周波数及び位相は、励起パルスの周波数及び位相により決定される。典型的には、励起パルスは５ＭＨｚ未満である。この場合は「エコー」パルスである、サンプルにより生成されるローカルＲＦ磁場は、検出器信号への変調を誘導する。他の実施形態では、励起パルスを使用することを全く必要とせず、その代わりに、シングルビームＲＦ原子磁力計は、単に、他の手段により生成されるローカルＲＦ磁場を検出するように構成される。ブロック３０９で、検出器での被変調信号は、励起パルス源から得られる参照信号により復調することができる。かくして、テストされるサンプルは、サンプル材料の共振周波数に基づいて特徴付けすることができる。
【００２１】
例示の実施形態
[0024]  例１は、無線周波数原子磁力計を含み、この無線周波数原子磁力計は、レーザーと、光検出器と、レーザーと光検出器との間のレーザー光の光路にあるベイパー・チャンバーと、レーザーにより発せられるレーザー光を円偏光するように構成される円偏光子であって、円形偏光されたレーザービームは、ベイパー・チャンバーの原子のスピンを配向された状態にポンピングするように、及びベイパー・チャンバーの原子を調べるように構成され、調べることは、ローカル無線周波数磁場を検出することを含む、円偏光子と、少なくとも１つのＤＣ磁場コイルを含む直流（ＤＣ）磁場コイルのセットであって、レーザーにより発せられてベイパー・チャンバーの方へ向けられたレーザー光の光軸に対して４５度の向きのＤＣ磁場を生成するように構成され、更に、可調のＤＣ磁場強度を有するように構成されるＤＣ磁場コイルのセットとを含む。
【００２２】
[0025]  例２は、真空パッケージを更に含む例１の無線周波数原子磁力計を含み、一組のＤＣ磁場コイルは真空パッケージの内側に位置し、真空パッケージはまた、レーザーと、光検出器と、ベイパー・チャンバーと、１／４波長板及び直線偏光子とを含む。
【００２３】
[0026]  例３は、真空パッケージを更に含む例１の無線周波数原子磁力計を含み、真空パッケージは、レーザーと、光検出器と、ベイパー・チャンバーと、１／４波長板及び線形偏光子とを含み、ＤＣ磁場コイルのセットは真空パッケージの外部に位置する。
【００２４】
[0027]  例４は、例１−３のいずれかの無線周波数原子磁力計を含み、ＤＣ磁場コイルのセットは、ＤＣ磁場コイルに印加される電気的なＤＣバイアスがスイープされることができ、ＤＣ磁場強度をスイープするように構成される。
【００２５】
[0028]  例５は、例１−４のいずれかの無線周波数原子磁力計を含み、ベイパー・チャンバーは、アルカリ原子とレーザーのレーザー光を含んでいるセルを備え、ＤＣ磁場コイルのセットは、ＤＣ磁場コイルのセットがベイパー・チャンバーのアルカリ原子に対してＤＣ磁場の影響を及ぼすように構成される。
【００２６】
[0029]  例６は、例１−５のいずれかの無線周波数原子磁力計を含み、円偏光子は、線形偏光子及び１／４波長板を備える。
[0030]  例７は、例１−６のいずれかの無線周波数原子磁力計を含み、円偏光子によって円偏光されたレーザー光は、ポンプ・ビーム及びプローブ・ビームの双方として構成される。
【００２７】
[0031]  例８は、原子磁力計を含む無線周波数原子磁力計システムを含み、原子磁力計は更に、レーザーと、光検出器と、レーザーと光検出器との間のレーザー光の光路にあるベイパー・チャンバーと、レーザーにより発せられるレーザー光を円偏光するように構成される円偏光子であって、円偏光されたレーザービームは、ベイパー・チャンバーの原子のスピンを配向された状態にするようにポンピングするように、及びベイパー・チャンバーの原子を調べるように構成され、調べることは、ローカル無線周波数磁場を検出することを含む、円偏光子と、少なくとも１つのＤＣ磁場コイルを含む直流（ＤＣ）磁場コイルのセットであって、レーザーにより発せられてベイパー・チャンバーへ向けられたレーザー光の光軸に対して４５度の向きのＤＣ磁場を生成するように構成され、更に、可調のＤＣ磁場強度を有するように構成される、ＤＣ磁場コイルのセットと、原子磁力計に接続されたマイクロプロセッサと、非一時的なコンピュータ可読媒体であって、原子磁力計からの信号を示すようにマイクロプロセッサに命令を提供するように構成されるコンピュータ可読媒体と、マイクロプロセッサと結合され励起パルスを生じるように構成される励起プローブとを含む。
【００２８】
[0032]  例９は、マイクロプロセッサに結合されるディスプレイを更に含む例８のシステムを含み、ディスプレイは、テストされているサンプルに関する情報を示すように構成される。
【００２９】
[0033]  例１０は例９のシステムを含み、ディスプレイは、テストされているサンプルの成分を示す。
[0034]  例１１は例９−１０のいずれかのシステムを含み、ディスプレイは、テストされているサンプルに特定の材料が存在するか否かを示す。
【００３０】
[0035]  例１２は例９−１１のいずれかのシステムを含み、ディスプレイは、発光ダイオード、白熱灯、又はその他のこの種のインジケータの何れかとすることができる。
【００３１】
[0036]  例１３は、例９−１１のいずれかのシステムを含み、ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイ、アクティブ・マトリックス液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、パッシブ・マトリックスＬＣＤ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、又はプラズマ・ディスプレイのいずれかである。
【００３２】
[0037]  例１４は例８−１３のいずれかのシステムを含み、励起パルスがスイープされる。
[0038]  例１５は例８−１４のいずれかのシステムを含み、ＤＣ磁場強度がスイープされる。
【００３３】
[0039]  例１６は、真空パッケージを更に含む例８−１５のいずれかのシステムを含み、ＤＣ磁場コイルのセットは真空パッケージの内側に位置し、真空パッケージはまた、レーザーと、光検出器と、ベイパー・チャンバーと、１／４波長板及び線形偏光子とを含む。
【００３４】
[0040]  例１７は、真空パッケージを更に含む例８−１５のいずれかのシステムを含み、真空パッケージは、レーザーと、光検出器と、蒸気室と、１／４波長板及び線形偏光子とを含み、ＤＣ磁場コイルのセットは真空パッケージの外部に位置する。
【００３５】
[0041]  例１８は、無線周波数原子磁力計を動作させる方法を含み、この方法は、レーザービームでベイパー・チャンバーのアルカリ原子をポンピングするステップと、アルカリ原子に、レーザービームの光軸に対して４５度の向きで、ＤＣ磁場コイルを用いて直流（ＤＣ）磁場を印加するステップと、励起パルスでサンプルを励起するステップと、エコーパルスによって生じる検出器信号の変調を検出するステップであって、エコーパルスは、サンプルに印加された励起パルスの影響によりサンプルから生じ、検出器信号は、ベイパー・チャンバーのアルカリ原子をポンピングするために用いられるレーザービームの測定値である、検出するステップと、励起パルスから得られる参照信号で検出器信号を復調するステップとを含む。
【００３６】
[0042]  例１９は、例１８の方法を含み、ローカル無線周波数磁場によって生じる検出器信号の変調を検出するステップであって、ローカル無線周波数磁場はサンプルから生じるものである、検出するステップと、ローカル無線周波数磁場を検出するために検出器信号を復調するステップとを含む。
【００３７】
[0043]  例２０は請求項１８−１９のいずれかの方法を含み、ＤＣ磁場コイルの電気的なＤＣバイアスがスイープされる。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】特許請求の範囲
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数原子磁力計（１００、１０１）であって、
レーザー（１１０）と、
光検出器（１５０）と、
前記レーザー（１１０）と前記光検出器（１５０）との間のレーザー光（１１２）の光路にあるベイパー・チャンバー（１３０）と、
前記レーザーにより発せられるレーザー光を円偏光するように構成される円偏光子（１２０）であって、円偏光されたレーザービーム（１１２）は、前記ベイパー・チャンバー（１３０）内の原子のスピンを配向された状態にポンピングするように、及び前記ベイパー・チャンバー（１３０）の前記原子を調べるように構成され、前記調べることが、ローカル無線周波数磁場を検出することを含む、円偏光子（１２０）と、
少なくとも１つのＤＣ磁場コイルを含む直流（ＤＣ）磁場コイル（１４０）のセットであって、前記レーザーにより発せられて前記ベイパー・チャンバーへ向けられた前記レーザー光の光軸に対して４５度の向きでＤＣ磁場を生成するように構成され、更に、可調のＤＣ磁場強度を有するように構成される、ＤＣ磁場コイルのセットと、
を含む無線周波数原子磁力計。
【請求項２】
前記ＤＣ磁場コイル（１４０）のセットは、前記ＤＣ磁場コイル（１４０）に印加される電気的なＤＣバイアスをスイープすることができ、ＤＣ磁場強度をスイープするように構成される、請求項１に記載の無線周波数原子磁力計（１００、１０１）。
【請求項３】
前記円偏光子（１２０）によって円偏光された前記レーザー光（１１２）が、ポンプ・ビーム及びプローブ・ビームの両方として構成される、請求項１に記載の無線周波数原子磁力計（１００、１０１）。