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光ポンピング磁力計 モジュール QZFM Gen-2.0 | 株式会社ナノシード

PRODUCT INDEX製品情報

デモ機あり

QUSPIN

光ポンピング磁力計 モジュール QZFM Gen-2.0

製品カテゴリー 光ポンピングモジュール(OPM)
製品名 QZFM Gen-2.0

光ポンピング磁力計 液体ヘリウム不要 新世代の生体磁気センサ

光ポンピング磁力計 QZFM Gen-2.0は、低磁場環境下において非常にセンシティブな光ポンピング磁力計モジュールです。 センサーヘッドは、常温で作動し液体ヘリウムを必要としません。またレーザー、ファイバーなどの部品は温度管理のための特殊設計をしており、コンパクトで使いやすい デザインとなっております。QZFMは、校正を自動に行い2軸測定できます。 また小型のモジュールは、マウス一つで簡単に操作できるように
すべての機能を網羅するように設計されています。

  • 超高感度
  • 常温作動
  • コンパクト
  • 簡単操作
本ページの構成

仕様

フィールド感度 15fT以下/√Hz in 3-100 Hz band
ダイナミックレンジ ±5nT
測定軸 Z軸のみ/Y軸のみ/Z軸&Y軸(同時)
スタンドオフ <6mm(先端からセル中心まで)
校 正 Internal reference(automated)
シグナルアウトプット アナログ、USB
寸 法 12.4×16.6×24.4mm(センサー部)/3.1×11.0×16.5cm(装置部)
消費電力 5W(0.7 W センサー部)
ケーブル長 6.5m(標準)
原子種 ルビジウム

構成製品

センサー、コントロール装置部、電源、ケーブル、ソフトウェア

使用条件

  • ◎周囲磁場 50nT以下
  • ◎64ビットコンピュータ Windows7以降

用途

MEG(脳磁図)、MCG(心磁図)等の研究用途

QZFMのノイズ・フロアの一例

下記のQZFMのノイズフロアは、3層のミューメタル 磁界とフェライト層の内部で計 測しました。このノイズトレースは、両方のシングル軸及び2軸の測定を含みます。

外観とサイズ

事例動画(脳磁図 ノッティンガム大学)

事例動画(心磁図装置 米国Genetesis社 CardioFlux)

FAQ

  • QZFM専用のヘッドキャップは販売しているか?

    QZFMのホルダーのCADデータを提供できますのでお客様によりヘッドキャップをデザイン可能です。
    またQUSPIN社独自のヘッドキャップの販売は予定しています。
  • どのように使用するか?

    以下実際の構成となります。

  • デモ機のレンタルは可能か?

    価格提示後、借用書サインいただければ2~3週間までの貸し出しは対応いたします。
    使用条件は環境磁場、50nT以下ですのでシールドルームが必須です。ご注意ください。

  • マスターモジュールとスレイブモジュールとは何か?

    2個以上のセンサを稼働させる際に、1つのモジュールをマスターモジュールとして設定し、残りはスレイブモジュールとなります。
    マスターモジュールは、モジュレーション信号をスレイブモジュールに送信します。

QZFMの構造

図1: レーザダイオード①は、アルカリ原子の共鳴周波数に同調する光を生成する。光ビームはコリメートされ、アルカリ原子の蒸気を含むガラスセル②を通過するように進む。透過光ビームは、フォトダイオード③に向かう。

QuSpinゼロ磁場磁力計(QZFM, QuSpin Zero-Field Magnetometer)は、単一レーザビームによるゼロ磁場共鳴が基本となる。QZFMの基本的な構成を図1に示す。精密に同調された半導体レーザ(1)からの光は、ルビジウム原子(2)を含むガラス蒸気セルを通過し、光検出器(3)で捕捉される。バックグラウンド磁場がゼロに等しいとき、ルビジウム原子はほぼ透明になる。光路に垂直な方向の磁場を印加すると、ルビジウム原子はより多くの光を吸収する。光検出器は、この透過度の変化を感知し、蒸気セルを透過した光に比例する電流を生成する。このようにして、磁気信号は、電気信号に変換され、ゼロ磁場磁力計を構成する

ゼロ磁場(ZF)共鳴の概念 [Dupont Roc, 1969] を説明するために、磁力計が絶対ゼロ磁場環境にあると仮定する。光ビームに垂直な方向に磁場を印加し、印加した磁場の振幅を正から負の値に掃引させると、ルビジウム原子の透過度が変化する際に透過度が最大になるのは、原子がゼロに極めて近い磁場を経験するときである。印加磁場の関数として光検出器の出力を見ると、出力はローレンツ曲線の形状となることがわかる。このローレンツ曲線の出力は、ZF共振(図2参照)と呼ばれる、磁力計の応答である。その代表する幅(半値全幅、FWHM)は、QZFMでは約30nTである。

磁場値は、ローレンツのピークからの偏差によって与えられる。この偏差を測定する簡単な方法は、ロックイン検出によって得ることができるローレンツ曲線の微分係数を確認することである。ここでは、内部コイルを用いて約1kHzの小さな振動磁場(変調磁場と呼ぶ)を印加する。変調周波数を基準とする位相検波型ロックインアンプを用いて、光検出器出力を復調し、分散曲線と呼ばれる反対称曲線を生成する(図2参照)。分散曲線は、ゼロ磁場で最大勾配となり、磁力計の出力としての役割を担う。

図2: ゼロ磁場(ZF)共鳴は、蒸気セルを通る光ビームに垂直な方向に磁場が正の値から負の値に走査されるときの光検出器の出力である。ZF共鳴の典型的な半値全幅(FWHM)は30nTである。ロックインアンプで復調された出力(エラー信号とも呼ばれる)は、非対称ローレンツ曲線の形状を与える。

磁力計の感度軸は、(光ビームに垂直な平面上に投影された)変調場の方向によって定義される。(光ビームに垂直な)2つの直交軸に対する磁力計の感度を同時に最大化するため、2つの別々の直交コイルを使用して2つの別々の変調磁場を印加する。

いくつかの光ポンピング磁力計(OPM, Optically Pumped Magnetometer) が互いに近接して配置されるマルチチャネルシステムでは、隣接するセンサーからの干渉を回避するために、すべてのセンサーを共通の駆動信号で変調する。「マスター」に指定された電子モジュールが変調信号を生成し、それを「スレーブ」として指定される他の全ての電子モジュールに分配する。同じ変調駆動信号でセンサーを動作させると、エイリアシング効果が解消されるが、問題が1つ残る。それは、隣接するセンサーからの変調磁場の重ね合わせが、蒸気セルが受ける正味の変調磁場の有効場の方向をわずかに変化させ、それによって磁力計の感度軸の方向を変化させる恐れがあることである。我々は、このいわゆる「クロストーク」効果を軽減するための解決策を開発し、大規模マルチチャネルシステムに実装している。

ゼロ磁場光ポンピング磁力計(ZF−OPM) は、非常に感度が高く、動作のためにゼロ磁場環境を必要とするので、これらのセンサーを動作させるために磁気的に遮蔽された環境が必要となる。磁気的に遮蔽された部屋(MSR)は完全ではなく、一般に、いくらかの残留場(数十ナノテスラ[nT])が内部に存在する。これらの残留磁界により、通常、背景の磁場を全体的にオフセットしてゼロ化できる大型コイルをMSRに装備することがユーザーに求められる。これは必ずしも現実的ではない。それに代わるものとして、我々は、3軸直交磁気コイルをセンサーヘッド内で組み合わせ、各OPMの蒸気セルの周囲の磁場を局所的にゼロにすることを可能にした。この磁場ゼロ化コイルは、50nTまでの残留磁場を補正でき、プロセスは完全に自動化されているため数秒しかかからない。複数のセンサーが近接して動作しているとき、磁場ゼロ化プロセスは全てのセンサーに対して同時に実行され、各センサーに加わる磁場を可能な限りゼロにすることで、全てのセンサーからの合計磁場がなくなるようにする。磁場ゼロ化プロセスは、OPMによって印加されるバックグラウンド磁場が著しく変化するたびに、またはセンサー配置が変化するたびに繰り返されるものとする。

我々のZF−OPMの帯域幅は約150Hzであり、システムの物理的性質によって制限されている。OPMの周波数応答は、150Hzでロールオフする1次ローパスフィルタのように振る舞う。さらに我々は、周波数500Hzを超える残留応答を除去する6次ハードウェアデジタルフィルタを用いている。帯域幅を広げた場合にはその代わりに感度が落ちる。磁力計応答の非補償型の線形性(印加磁場振幅の関数としての出力電圧振幅)は、ゼロ磁場付近のエラー信号の非線形性から影響を受ける(例えば、1nTの磁場振幅は、線形性から1%の偏差を引き起こす可能性がある)。
センサーの性能を最適化するために、蒸気セルを約150℃に加熱して蒸気密度を増加させる。これにより、セル近傍のセンサーハウジングの温度はわずかに上昇する。

参考文献:

Dupont-Roc, J., Haroche, S. & Cohen-Tannoudji, C., “Detection of very weak magnetic fields (10-9 gauss) by Rb zero-field level crossing resonances”, Phys. Lett., A 28, 638–639 (1969)

参考文献

  • In-situ Overhauser-enhanced nuclear magnetic resonance at less than 1 μT using an atomic magnetometer, Journal of Magnetic Resonance, 2019
  • Development of an optical pumped gradiometric system to detect magnetic relaxation of magnetic nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019
  • On-scalp MEG system utilizing an actively shielded array of optically-pumped magnetometers, NeuroImage, 2019
  • Optical Co-registration of MRI and On-scalp MEG, Scientific Reports, 2019
  • Experimental Constraint on an Exotic Spin- and Velocity-Dependent Interaction in the Sub-meV Range of Axion Mass with a Spin-Exchange Relaxation-Free Magnetometer, Physical Review Letters, 2018
  • Optically Pumped Magnetometers for Magneto-Myography to Study the Innervation of the Hand, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2018
  • Nondestructive in-line sub-picomolar detection of magnetic nanoparticles in flowing complex fluids, Scientific Reports, 2018
  • A bi-planar coil system for nulling background magnetic fields in scalp mounted magnetoencephalography, NeuroImage, 2018
  • Cognitive neuroscience using wearable magnetometer arrays: Non-invasive assessment of language function, NeuroImage, 2018
  • Detection of Fetal Arrhythmia by Using Optically Pumped Magnetometers, JACC Clin. Elec., 2018
  • Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system, Nature, 2018
  • Using optically-pumped magnetometers to measure magnetoencephalographic signals in the human cerebellum, biorxiv, 2018
  • Requirements for coregistration accuracy in on-scalp MEG, Brain Topography, 2018
  • Cognitive neuroscience using wearable magnetometer arrays: Non-invasive assessment of language function, NeuroImage, 2018
  • High-sensitivity operation of single-beam optically pumped magnetometer in a kHz frequency range, Meas, Sci. Tech, 2017
  • A new generation of magnetoencephalography: Room temperature measurements using optically-pumped magnetometers, NeuroImage, 2017
  • Magnetic microscopic imaging with an optically pumped magnetometer and flux guides, App Phys Lett, 2017
  • Toward noninvasive monitoring of ongoing electrical activity of human uterus and fetal heart and brain, Clinical Neurophysiology, 2017
  • Ultra-sensitive magnetic microscopy with an optically pumped magnetometer, Scientific Reports, 2016
  • Fetal magnetocardiography using optically pumped magnetometers: a more adaptable and less expensive alternative?, Prenatal Diagnosis, 2016
  • Measuring MEG closer to the brain: Performance of on-scalp sensor arrays, NeuroImage, 2016
  • A compact, high performance atomic magnetometer for biomedical applications, Phys Med Biol, 2014
  • Current Status and Future Prospects of Perinatal MEG, Springer, 2014

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