光ひかりポンピング磁力じりょく計けい

光ひかりポンピング磁力じりょく計けい（ひかりポンピングじりょくけい英語えいご: optically pumped atomic magnetometer）または光ひかりポンピング原子げんし磁気じきセンサは、光ひかりポンピングを利用りようして磁場じばの大おおきさを計測けいそくすることを目的もくてきとした計測けいそく器き。

概要がいよう[編集へんしゅう]

センサー部ぶにセシウム、ルビジウム、カリウム、ヘリウム等ひとしの気体きたいセルが使用しようされる^[1]。近年きんねん、スピン偏へん極きょくの緩和かんわレートが小ちいさくなる状態じょうたい(SERF:Spin-Exchange-Relaxation-Free) を利用りようすれば,センサの感度かんどが 1 Hz^1/2 あたりサブフェムトテスラのオーダーまで到達とうたつ可能かのうであるという報告ほうこくがなされ、SERF状態じょうたいで動作どうさする光ひかりポンピング原子げんし磁気じきセンサに期待きたいが寄よせられている^[2]^[3]。また、測定そくてい体積たいせきが小ちいさくても十分じゅうぶんな感度かんどを保たもつことが期待きたいでき、多たチャンネル化かにより高たかい空間くうかん分解能ぶんかいのうを持もった磁場じば計測けいそくが可能かのうになると予想よそうされ、光ひかりポンピング原子げんし磁気じきセンサはこのSERF条件じょうけんを利用りようすることで原理げんり的てきに超ちょう伝導でんどう量子りょうし干渉かんしょう素子そし（SQUID）を凌しのぐ測定そくてい感度かんど (~0.01 fT/(Hz^1/2)) を達成たっせいでき、かつ冷却れいきゃく装置そうちを必要ひつようとしないことから新あらたな脳のう磁図(MEG)用ようのセンサとして期待きたいされている^[2]。また、核かく磁気じき共鳴きょうめい画像がぞう法ほう (MRI) 用ようの磁気じきセンサとしても期待きたいされている^[4]^[5]^[6]。従来じゅうらいの強つよ磁場じば MRIでは数すうテスラもの歳とし差さ磁場じばを印加いんかする一方いっぽうで、低てい磁場じばMRIではマイクロテスラ領域りょういきの歳とし差さ磁場じばで計測けいそくを行おこなう。2013年ねんには 80 mT の分極ぶんきょく磁場じばを印加いんかしたのち 4 mT の静せい磁場じばで核かく磁気じき共鳴きょうめい画像がぞうの撮像さつぞうが報告ほうこくされた^[7]

強つよ磁場じばMRIでは信号しんごうは測定そくてい周波数しゅうはすうの（したがって歳とし差さ磁場じばの）平方根へいほうこんでスケールする。環境かんきょう温度おんどにおける熱ねつ的てきスピン偏へん極きょくが周波数しゅうはすうの一いち乗じょうに比例ひれいするのに加くわえ、ピックアップコイルに誘さそえ起おこされる電圧でんあつも磁化じか歳とし差さの周波数しゅうはすう（ラーモア周波数しゅうはすう）に比例ひれいするためである。しかし、地磁気ちじきの約やく1000倍ばい程度ていどの磁場じばを予あらかじめ印加いんかして偏へん極きょくずみの核かくスピンを光ひかりポンピング磁力じりょく計けいで検知けんちする場合ばあい、NMR信号しんごう強度きょうどは歳とし差さ磁場じばとは独立どくりつとなり、地磁気ちじき程度ていどの極きわめて弱よわい磁場じば下かでのMRI信号しんごう検知けんちが可能かのうとなる^[4]^[5]。低てい磁場じばMRI は強つよ磁場じばMRIと比較ひかくしてコスト面めんやコンパクト性せいにおいて優位ゆうい性せいを有ゆうする^[4]^[5]。

長所ちょうしょ[編集へんしゅう]

プロトン磁力じりょく計けいに比くらべて周波数しゅうはすうが約やく100倍ばいなので磁力じりょく値ちの読よみとり桁数けたすうも2ケタ程度ていど増ふやすことが容易よういなので高こう感度かんど^[1]
プロトン磁力じりょく計けいに比くらべて低てい消費しょうひ電力でんりょく^[1]
連続れんぞく測定そくていが可能かのう^[1]
超ちょう伝導でんどう量子りょうし干渉かんしょう素子そし（SQUID）に匹敵ひってきする高こう感度かんどを冷却れいきゃく装置そうちなしに達成たっせい可能かのう^[2]

短所たんしょ[編集へんしゅう]

ゼーマン効果こうか係数けいすうが正確せいかくにわかっていない^[1]
光ひかりの吸収きゅうしゅうバンドが有限ゆうげんの周波しゅうは数すう幅ぶくを持もつ^[1]
磁場じばと光ひかり軸じくとの角度かくどがわずかながら影響えいきょうを与あたえる^[1]
構造こうぞう上じょう、高こう感度かんどを維持いじするためには小型こがた化かには限界げんかいがある(～1cm³)ので集積しゅうせき化かが困難こんなん
ダイナミックレンジが狭せまく、0付近ふきんの磁場じば強度きょうどで機能きのうする。

原理げんり[編集へんしゅう]

詳細しょうさいは「光ひかりポンピング」を参照さんしょう

原子げんしの基底きていエネルギー準じゅん位いは無む磁場じば下したでは縮退しゅくたいしているが、磁場じば下かでは電子でんしのスピンに起因きいんするゼーマン効果こうかによって基底きていエネルギー準じゅん位い $A 1$ と、この準じゅん位いよりも微妙びみょうな差さ（典型てんけい的てきには 10⁻⁸ eV オーダー）だけ高たかいエネルギー準じゅん位いの $A 2$ に分裂ぶんれつする。

ここで、磁場じば下かにある基底きてい状態じょうたいの原子げんしに $B - A 1$ だけのエネルギーを持もつ光ひかり ( $h ν にゅー = B - A 1$ ) を照射しょうしゃして励起れいき準じゅん位い $B$ に励起れいきすると、やがて原子げんしは光ひかりを自然しぜん放出ほうしゅつして、ほぼ同おなじ確かく率りつで準じゅん位い $A 1$ と $A 2$ に緩和かんわする^[1]。さらに光ひかりを照射しょうしゃし続つづけると、準じゅん位い $A 2$ にある原子げんしは光ひかりエネルギーが異ことなるので準じゅん位い $B$ に励起れいきできないのに対たいして準じゅん位い $A 1$ の原子げんしは再ふたたび光ひかりを吸収きゅうしゅうして準じゅん位い $B$ へと励起れいきする^[1]。これを繰くり返かえすことにより全すべての原子げんしが準じゅん位い $A 2$ に揃そろう状態じょうたいになり光こう吸収きゅうしゅうが起おこらなくなる^[1]。このように一ひとつのエネルギー準じゅん位いに揃そろえることを光ひかりポンピングという^[1]。

次つぎにこの状態じょうたいで $A 2 - A 1$ のエネルギー差さに相当そうとうするエネルギーをもつ電磁波でんじはを照射しょうしゃすると、準じゅん位い $A 2$ にあった原子げんしが誘導ゆうどう放出ほうしゅつによって基底きていエネルギー $A 1$ に緩和かんわすることにより、光ひかり吸収きゅうしゅうが再現さいげんする^[1]。ゼーマン効果こうかによる分裂ぶんれつ幅はば $A 2 - A 1$ は、弱よわい磁場じば下かでは磁場じば強度きょうどに比例ひれいするので、照射しょうしゃする電磁波でんじはの周波数しゅうはすうを光ひかり吸収きゅうしゅうが再現さいげんするように制御せいぎょしてその周波数しゅうはすうを測定そくていすることにより、磁場じば強度きょうどを導みちびき出だすことができる^[1]。

主おもな用途ようと[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m “光ひかりポンピング磁力じりょく計けいのしくみ”. 2016年ねん9月がつ10日とおか閲覧えつらん。^{[出典しゅってん無効むこう]}
^ ^a ^b ^c “超ちょう高こう感度かんど光こうポンピング原子げんし磁気じきセンサの開発かいはつと医用いようイメージング”. 京都大学きょうとだいがく大学院だいがくいん工学こうがく研究けんきゅう科か電気でんき工学こうがく専攻せんこう生体せいたい医い工学こうがく講座こうざ生体せいたい機能きのう工学こうがく分野ぶんや小林こばやし研究けんきゅう室しつ. 2016年ねん9月がつ10日とおか閲覧えつらん。
^ Fitzgerald, Richard, 清水しみず富士夫ふじお. "news 新あたらしい原子げんし磁力じりょく計けいでサブフェムトテスラの感度かんどを達成たっせい." パリティ 18.12 (2003): 44-47.
^ ^a ^b ^c “廉価れんかでコンパクトな携帯けいたい型がた MRI” (PDF). NEDO海外かいがいレポート (986). (2006-10-04).
^ ^a ^b ^c Shoujun Xu; Valeriy V . Yashchuk; Marcus H. Donaldson; Simon M. Rochester; Dmitry Budker; Alexander Pines (2006-08-22). “Magnetic resonance imaging with an optical atomic magnetometer” (PDF). 全米ぜんべい科学かがくアカデミー会報かいほう 103 (34): 12668-12671. doi:10.1073/pnas.0605396103.
^ Mathieu Sarracanie; Cristen D. LaPierre; Najat Salameh; David E. J. Waddington; Thomas Witzel; Matthew S. Rosena (2015年ねん). “Low-Cost High-Performance MRI”. Scientific reports 5: 15177. doi:10.1038/srep15177.
^ Savukov, I; Karaulanov, T (2013年ねん). “Magnetic-resonance imaging of the human brain with an atomic magnetometer”. Applied Physics Letters 103 (043703). doi:10.1063/1.4816433.

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

小川おがわ徹とおる「光ひかりポンピング磁力じりょく計けい」（PDF）『電氣でんき學會がっかい雜誌ざっし』第だい85巻かん第だい927号ごう、1965年ねん、1962-1965頁ぺーじ、doi:10.11526/ieejjournal1888.85.1962。
阿部あべ善よし右みぎ衛門えもん、和田わだ龍彦たつひこ「高こう感度かんど磁気じきセンサの現状げんじょう」『計測けいそくと制御せいぎょ』第だい17巻かん第だい9号ごう、1978年ねん、690-696頁ぺーじ、doi:10.11499/sicejl1962.17.690。
牧野まきの雅彦まさひこ著ちょ、物理ぶつり探査たんさ学会がっかい編へん『物理ぶつり探査たんさハンドブック』1998年ねん、第だい9章しょう3節せつ頁ぺーじ。
小林こばやし哲生てつお「高こう感度かんど光こうポンピング原子げんし磁気じきセンサ」『応用おうよう物理ぶつり学会がっかい誌し』第だい80巻かん第だい3号ごう、応用おうよう物理ぶつり学会がっかい、2011年ねん、211-215頁ぺーじ、doi:10.11470/oubutsu.80.3_211。
土田つちた昌宏まさひろ、笈きゅう田でん武範たけのり、小林こばやし哲生てつお「光ひかりポンピング原子げんし磁気じきセンサを用もちいた MR 信号しんごう検出けんしゅつのための磁場じば分布ぶんぷ解析かいせき」『電気でんき学会がっかい論文ろんぶん誌し A』第だい132巻かん第だい3号ごう、2012年ねん、220-226頁ぺーじ、doi:10.1541/ieejfms.132.220。
鎌田かまた啓吾けいご、伊藤いとう陽介ようすけ、夏川なつかわ浩明ひろあき、岡野おかの一久かずひさ、水谷みずたに夏彦なつひこ、小林こばやし哲生てつお「原子げんし磁気じきセンサモジュールによる事象じしょう関連かんれん脱だつ同期どうき及および事象じしょう関連かんれん脳のう磁界じかいの計測けいそく」『電子でんし情報じょうほう通信つうしん学会がっかい技術ぎじゅつ研究けんきゅう報告ほうこく MBE, ME とバイオサイバネティックス』第だい114巻かん第だい258号ごう、2014年ねん、31-36頁ぺーじ。
鎌田かまた啓吾けいご「超ちょう高こう感度かんど光こうポンピング原子げんし磁気じきセンサの開発かいはつと生体せいたい磁気じき計測けいそく」『京都きょうと大学だいがく大学院だいがくいん工学こうがく研究けんきゅう科か博士はかせ論文ろんぶん』学位がくい記き番号ばんごう工こう博はく第だい4036号ごう第だい31945号ごう、京都大学きょうとだいがく、2015年ねん3月がつ23日にち、doi:10.14989/doctor.k18994。
小林こばやし哲生てつお「光ひかりポンピング原子げんし磁気じきセンサ」『電気でんき学会がっかい誌し』第だい136巻かん第だい1号ごう、電気でんき学会がっかい、2016年ねん、26-29頁ぺーじ、doi:10.1541/ieejjournal.136.26。
「カリウム原子げんし光こうポンピング磁力じりょく計けいの作成さくせいと磁気じき感度かんど評価ひょうか」（PDF）。

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]

光ひかりポンピング磁力じりょく計けいによる成分せいぶん磁場じば測定そくてい法ほうならびに補償ほしょう磁場じばに関係かんけいする誤差ごさおよび安定あんてい度ど

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[pomp-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m “光ひかりポンピング磁力じりょく計けいのしくみ”. 2016年ねん9月がつ10日とおか閲覧えつらん。^{[出典しゅってん無効むこう]}

[research05-2] “超ちょう高こう感度かんど光こうポンピング原子げんし磁気じきセンサの開発かいはつと医用いようイメージング”. 京都大学きょうとだいがく大学院だいがくいん工学こうがく研究けんきゅう科か電気でんき工学こうがく専攻せんこう生体せいたい医い工学こうがく講座こうざ生体せいたい機能きのう工学こうがく分野ぶんや小林こばやし研究けんきゅう室しつ. 2016年ねん9月がつ10日とおか閲覧えつらん。

[パリティ-3] Fitzgerald, Richard, 清水しみず富士夫ふじお. "news 新あたらしい原子げんし磁力じりょく計けいでサブフェムトテスラの感度かんどを達成たっせい." パリティ 18.12 (2003): 44-47.

[NEDO海外レポート986-4] “廉価れんかでコンパクトな携帯けいたい型がた MRI” (PDF). NEDO海外かいがいレポート (986). (2006-10-04).

[pnas-5] Shoujun Xu; Valeriy V . Yashchuk; Marcus H. Donaldson; Simon M. Rochester; Dmitry Budker; Alexander Pines (2006-08-22). “Magnetic resonance imaging with an optical atomic magnetometer” (PDF). 全米ぜんべい科学かがくアカデミー会報かいほう 103 (34): 12668-12671. doi:10.1073/pnas.0605396103.

[Sarracanie-6] Mathieu Sarracanie; Cristen D. LaPierre; Najat Salameh; David E. J. Waddington; Thomas Witzel; Matthew S. Rosena (2015年ねん). “Low-Cost High-Performance MRI”. Scientific reports 5: 15177. doi:10.1038/srep15177.

[Savukov-7] Savukov, I; Karaulanov, T (2013年ねん). “Magnetic-resonance imaging of the human brain with an atomic magnetometer”. Applied Physics Letters 103 (043703). doi:10.1063/1.4816433.

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