計測自動制御学会東北支部 第 330 回研究集会 (2020.12.2)
資料番号 330-1

原子磁力計による高感度金属検出機の開発

Development of high-sensitive metal detector
using atomic magnetometer〇高橋俊也 ∗ , 正路裕也 ∗ , Saenyot Khanuengchat∗ , 大坊真洋 ∗〇 Shunya Takahashi∗ , Yuya Shoji∗ , Saenyot Khanuengchat∗ , Masahiro Daibo∗∗∗

岩手大学大学院

Iwate University Graduate School

キーワード : 光ポンピング原子磁力計 (Optical pumping atomic magnetometer),
非破壊検査 (Non-destructive testing), 金属検出機 (Metal detector)
連絡先 : 〒020-8551 岩手県盛岡市上田 4-3-5 岩手大学理工 大坊研究室
大坊真洋, Tel.: 019-621-6983, Email: daibo@iwate-u.ac.jp

1 はじめにより, 金属粒子の異物検出に価格が安く比較的小型な磁気センサを搭載した金属検出機の重要性がさらに高

近年, 電子部品の製造過程や食品の製造過程においまっている 2) .て金属粒子の異物混入が問題となっている. 例として,粒子径の小さな金属粒子から発生する磁場は, 磁我々の生活に欠かせない電子部品であるリチウムイオ性 体 も し く は 渦 電 流 で あ っ て も, い ず れ も 非 常 にン電池への金属粒子混入が挙げられる. リチウムイオ

微弱であり, これらの異物を発見するためには高感

ン電池はスマートフォンやノートパソコンをはじめ,

度 の 磁 気 セ ン サ が 求 め ら れ る.

電気自動車, 家庭用太陽光発電電力を自家消費するた

微弱な磁場検出には, SQUID(Superconducting QUantum Interference

めの小型蓄電池としても採用が増えている. しかしな

Device) 磁力計が筆頭であったが, 超伝導効果を用いがら, 普及が進む中においても, 未だリチウムイオン電るため冷却に大量の液体ヘリウムを必要とし, ランニ池の信頼性には不安を抱えている. その一因として挙ングコストが高く小型化にも向いていない. そこでげられているのは金属粒子の混入であり, それを核に我々は, SQUID 磁力計に代わる高感度磁気センサとしして金属イオンから析出し, より大きな金属粒となり,て, 光ポンピング原子磁力計を金属検出機に応用した.

やがて異常発熱や発火を引き起こすことが問題となっ光ポンピング原子磁力計は円偏光ビームによるアルカている 1) .

リ金属原子のスピン偏極を利用した高感度磁気センサ

異物混入は, 電子部品の製造過程だけではなく, 食であり, SQUID 磁力計の報告されている最高感度を品産業においても大きな問題となっている. 食品原料

理論上上回ると報告されている 3) . また光ポンピングの輸入時点で異物が付着している場合や, 機械の経年原子磁力計は, アルカリ金属を封入したガラスセルを劣化による部品の一部が欠けて混入することがある.

100 度 〜 200 度程度に暖めれば動作可能なため, ラン異物混入は企業の大きなイメージダウンに繋がりかねニングコストを抑えることができるといったメリットないため, X 線異物検出機や磁気センサを搭載した金がある. この特徴から産業や科学研究のみならず医療属検出機を用いて製造過程における金属粒子の異物混分野などの様々な分野での応用が期待されている. 本入の発見に力を入れている. しかしながら, X 線異物研究では光ポンピング原子磁力計の高感度を活かし,µ検出機は, X 線を使用し食品を透視することで金属以数百 m から数 mm の金属試料検出のための高感度金外にもガラスや樹脂などの異物を発見することが可能属検出機を開発することを目的とする.

であるものの高価かつ大型である. このような背景に

1

Fig. 1 Block diagram of small magnetic sample detection system.

2 実験装置イルで交流磁場を印加するとアルカリ金属原子にトルクが生じ, 原子のスピンが傾く. それに伴い, プローブ

Fig. 1 に光ポンピング原子磁力計による金属試料検光の旋光が生じる. これを PBS で p 偏光と s 偏光に出システムのブロック図を示す. このシステムは, 高分ける. それらの差動信号をフォトダイオードにより感度に磁気信号を検出する光ポンピング原子磁力計と,光から電流に変換し, 増幅し電圧として出力している.

金属試料を振動させる加振部の 2 つに分けられる. 光

結果として交流磁場の情報を得ることができる 6, 7, 8) .

ポンピング原子磁力計のガラスセルの付近で金属試料を振動させ, 同期検波することにより, 雑音に埋もれた金属試料が発生する微弱な繰り返し磁気信号（交流)2.2 加振部の検出が可能となる.

光ポンピング原子磁力計の磁場検出部分であるガラ

2.1 光ポンピング原子磁力計

スセル付近で金属試料を振動させ雑音に埋もれた微弱

我々の光ポンピング原子磁力計は, Rb, He, N2 を封な繰り返し磁気信号 (交流) を検出するには, 光ポンピ入したガラスセル, 半導体レーザ, 加熱レーザシステ

ング原子磁力計を高感度な動作点に設定する必要があム, レーザの偏光度を測定するシステムにより構成さる. まず, 磁気シールドボックス内部を 3 軸ヘルムホれている. 磁気シールドボックス内部にある 3 軸ヘルルツコイルを用いて適切な直流磁場を印加し, ゼロ磁ムホルコイルの中心にアルカリ金属などを封入したガ場環境にする. 金属試料を振動させるためにモーターラスセルを SiC プレート上に固定しアラミド繊維のや加振器などの磁場を発生するものを磁気シールド紐で吊るす. SiC プレートを加熱用レーザーを使ってボックス内部に置くと磁気シールドボックス内部のゼ加熱し, ガラスセルの表面温度を非接触計測して, PIDロ磁場環境を保つことができない. そこで加振部であ制御により設定温度に維持する. 加熱によりガラスセるスピーカーは磁気シールドボックスの外部に置き,ル内の Rb 原子を高密度の蒸気にした状態で磁気シースピーカーに接続した紐を磁気シールドボックス内部

ルドボックス内部の 3 軸ヘルムホルツコイルを使い二に通し, 端部を磁気シールドボックス外部にあるバネ次高調波成分を用いたゼロ磁場校正方法によって測定に接続することにより金属試料を振動させる.

4). 次に,光ポンピング原子磁力計で計測される磁気信号は,楕円偏光のレーザー光をガラスセルに入射させた. 楕

距離の増加に伴い急激に減衰するため, 高い S/N 比で円偏光の円偏光成分は, 光ポンピングとして機能し, 直計測するには, 光ポンピング原子磁力計のガラスセル線偏光成分は, 磁場を計測するプローブ光として機能に可能な限り近い距離で金属試料を振動させる必要がする 5) . なお, 一つのビームでポンピングとプロービある. また, 金属試料を交換する度に, 位置が変わらングを実現するために, 波長はルビジウムの D2 線よないよう取り付ける必要がある. 常に同じ位置や高さりも, わずかにディチューニングした. ヘルムホルコに金属試料を取り付けるために 3D プリンタを用いてする空間の磁場を絶対ゼロ磁場に校正した

2ABS 樹脂製のケースを作製した. Fig. 2 に金属試料をゼロ磁場環境にした. 次に, システム全体のノイズを固定するためのケースの写真を示す. まず 2 のケースとアラミド繊維の紐を接着剤で固定する. 次に,Oの調べるために金属試料を挿入していない各直径ごとのケースを 4 mm の振幅で光ポンピング原子磁力計のガケースに金属試料を挿入し, ケース内で金属試料が動ラスセルから 7 mm〜11 mm の距離で振動させた. そかないよう固定をする. この 2 つのケースを絶縁テーの時のノイズレベルの振幅と位相をロックインアンププで重ねることで金属試料を交換しても常に同じ位置で同期検波して計測した. 最後に, 金属試料を挿入しに設置できるようにした. Fig. 3 にガラスセルと金属たケースを, ノイズを調べたときと同様にガラスセル試料の位置の図を示す.

から 7 mm〜11 mm の距離で振動させた. 金属試料がO1発生する磁気信号の振幅と位相をロックインアンプで同期検波して計測した. 実験条件の各パラメータの値の詳細を Table1 に示す.

Table 1 Conﬁguration parameters of the opticalpumping atomic magnetometer and vibration
system.

Fig. 2 Case made by a 3D printer.

各パラメータ値

セル温度

211 度

レーザー波長780.003 nm

光パワー

2.38 mW

金属試料の振動振幅

4 mm

金属試料の振動周波数

9 Hz

ガラスセル壁からの距離

7 mm〜11 mm

使用する金属試料

ϕ0.3〜ϕ1.5(SUJ2),(ネオジム磁石で着磁)ϕ0.5〜ϕ1.5(SUS304)

4 実験結果Fig. 4 に鉄球とステンレス球のそれぞれの直径を変Fig. 3 Illustration of the position of the glass

えたときの実験結果を示す. 縦軸は信号 [dB], 横軸はcell and small magnetic sample.

直径 [mm](対数目盛) を表す. グラフの赤線は鉄球の実験結果を, 青線はステンレス球の実験結果を示す. 黒
色の破線は金属試料を挿入していないケースのみを振動させたときのノイズである. 緑色の破線は, 光ポンピング原子磁力計本来のノイズを表す. 実験結果より

3 実験方法

直径 0.5 mm 以上の鉄球, および直径 0.6 mm 以上の光ポンピング原子磁力計で測定可能な金属試料のステンレス球の信号が検出できた. 直径 0.4 mm 以下最小径を調べるために, 鉄球 (SUJ2) とステンレス球の鉄球, および直径 0.5 mm のステンレス球の信号は,(SUS304) の直径を変え, それぞれの試料が発生する本システムのノイズ付近であった. 直径 1 mm 以上の磁場の計測を行った. まず, 光ポンピング原子磁力計

鉄球の信号が変化していないのは, 鉄球が発生する磁のセル温度, レーザ波長, 光パワーを調整し, 磁気シー場が強すぎて光ポンピング原子磁力計が飽和している

ルドボックス内部を 3 軸ヘルムホルツコイルによってためだと考える. また光ポンピング原子磁力計本来の3

参考文献

ノイズが-107 [dB] に対し, -84.5 [dB] までノイズが上昇している. 得られた実験結果と光ポンピング原子磁1) 神山 敦: リチウムイオン電池の信頼性と安全性に力計本来のノイズから概算すると, 測定可能な鉄球のµついて, REAJ 誌, 40-4 (2018)

最小径は直径約 200 m となる.

2) 金井 貴志: 異物検出機の原理と適切な運用方法, ア
ンリツテクニカル, 89, 44/52, (2014)3) I. K. Komiunis, T. W. Kornack, J. C. Allred andM. V. Romalis: A subfemtotesla multi-channel
atomic magnetometer, Nature, DOI: 10.1038/nature01484, 422, 596/599 (2003)
4) K. Saenyot, Y. Shoji, S. Takahashi and M.
Daibo:

Zero Magnetic Field Calibration forSingle-Beam Atomic Magnetometers Using Second Harmonics, IEEE Magnetics Letters, 10,
DOI:10.1109/LMAG.2019.2944804 (2019)5) M. Daibo et al: Atomic Magnetometer Pumped
by Elliptically Polarized Single Laser Beamand Miniaturization by using the MicroelecFig. 4 The relationship between the sample

tromechanical Syste, BIT s 3rd Annual World

diameter and the signal.

Congress of Smart Materials, 133, Proc. AVANIRiverside Bangkok Hotel, Bangkok, Thailand(2017)
6) M. Daibo: Ultrahigh sensitivity magnetic ﬁeld
measurement by optically pumped atomic mag-5 結論

netometer, The 1st Joint International Sym光ポンピング原子磁力計を用いることにより, 直径

posium of Iwate University (IU) and King

0.5 mm の鉄球および直径 0.6 mm のステンレス球のMongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

磁気信号を検出することができた. この検出感度は, 測(KMITL), Iwate University, Morioka, Japan

定条件や使用環境によるが, 市販の高感度金属検出機(2017)の感度と比較して同等の感度であった. 原子磁力計の7) K. Otowa, M. Daibo: An atomic magnetometer

感度が高いのにも関わらず, 従来の金属検出機と同等realized by in situ decomposing rubidium azideの感度になった理由は, 同期検波のための振動が光学using a femtosecond laser in a cell fabricated by

系に伝達して発生してしまう機械的ノイズと磁気シー

MEMS technology, The 1st Joint International

ルドボックスが揺れることで生じる磁気ノイズが混入

Symposium of Iwate University (IU) and Kingし, ノイズが 22.5 [dB] ほど上昇しているためだと考Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

える. 試料由来の磁気信号以外の環境ノイズを低減し,(KMITL), Iwate University, Morioka, (2017)

原子磁力計本来のノイズでシステムを動作させると直8) Y. Shoji, S. Khanuengchat, S. Takahashi and M.

径約 200 m の鉄球が発生する磁場を測定することがDaibo: DC-Bias-Magnetic-Field Dependence ofできる. この感度は, 従来の金属検出機よりも高感度

Step Response in an Elliptically Polarized Single-である. したがって, 光学系や磁気シールドボックス

Beam Atomic Magnetometer, 2020 8th Interna-を振動させてしまう機構を改善をする必要がある.

tional Electrical Engineering Congress, ChiangµMai, Thailand (2020)4