光ポンピング磁力計

光ポンピング磁力計について

光ポンピング磁力計は、光のポンピング技術を活用して磁場の強さを測定するための専用計測器です。この技術は主に、セシウムやルビジウム、カリウム、ヘリウムなどの気体セルをセンサー部に使用しており、非常に高い感度を持つことが特長です。

概要

近年、スピン偏極の緩和レートが小さくなる条件であるSERF（Spin-Exchange-Relaxation-Free）状態を利用することで、光ポンピング磁力計の感度は1Hz^(-1/2)あたりサブフェムトテスラのレベルに達することが可能になります。このSERF状況下での光ポンピング原子磁気センサは期待される技術の一つで、特に小さな測定体積でも高感度を保つことができ、高い空間分解能を伴う多チャンネルマッピングが可能です。これにより、超伝導量子干渉素子（SQUID）に匹敵する超高感度（約0.01fT/(Hz^1/2)）で測定を行うことができ、さらに冷却装置が不要であるため新たな脳磁図（MEG）用センサーとして注目されています。また、核磁気共鳴画像法（MRI）用の磁気センサーとしても利用が期待されています。

従来の強磁場MRIシステムでは、数テスラの強力な歳差磁場を印加して測定しますが、低磁場MRIではマイクロテスラ範囲の歳差磁場を利用できます。2013年には、80mTの分極磁場を印加した後に4mTの静磁場で核磁気共鳴画像撮像が報告されました。この技術が進展することで、MRI信号を地磁気レベルの弱い磁場下で検出することも可能になると考えられています。

長所

光ポンピング磁力計は、プロトン磁力計と比較して周波数が約100倍であり、これにより磁力値の精度が向上し、多くの計測桁数を確保できます。また、低消費電力で連続測定が可能なため、扱いやすさも大きな利点です。さらに、SQUIDと同等の高感度を冷却装置なしで実現できる点も魅力です。

短所

一方、このタイプのセンサーにも欠点があります。ゼーマン効果係数の正確な把握が難しかったり、光の吸収バンドが有限の周波数幅を持っているため、測定に影響が出る可能性があります。また、磁場と光軸との角度が少しでもずれると、感度に影響があるため、高感度を維持しつつ小型化することには限界があります。さらに、ダイナミックレンジが狭く、弱い磁場下での機能が求められます。

原理

この光ポンピング磁力計の原理として、原子の基底エネルギー準位が無磁場で縮退している点に注目します。外部磁場がかかると、電子スピンにより基底エネルギー準位が変化し、異なるエネルギー準位に分裂します。光を使って特定のエネルギー準位へ励起し、さらに光を再度照射することで、全ての原子が同じエネルギー準位に揃う状態を作ります。この状態で適切な電磁波を照射することにより、磁場強度を測定する基本的なメカニズムが構成されています。

主な用途

光ポンピング磁力計は、地磁気の測定、脳磁図（MEG）の取得、核磁気共鳴分光法、および核磁気共鳴画像法（MRI）など、多岐にわたって利用されています。これらの分野において、光ポンピング磁力計の高感度特性は特に役立っています。

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