2015 Fiscal Year Research-status Report
生体磁気計測を目指した光ポンピング原子磁気センサによる多点同時・広域計測法の研究
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15K06106
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
伊藤 陽介 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20589189)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光ポンピング / 原子磁気センサ / 変調 / 多点計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生体磁気計測に向けて光ポンピング原子磁気センサのポンプ光、プローブ光にMRIやCTの技術応用することで、多点同時・広域計測の可能性を検討することを目的としている。平成27年度は、光ポンピング原子磁気センサにMRI的手法を適用するため、ポンプ光を変調し、周波数領域で分離した信号をプローブ光で複数同時に計測することを計画していた。この手法により、通常であれば1点でしか計測不可能であった光ポンピング原子磁気センサで複数点での磁気計測が可能となる。
まず、光チョッパを変調器として用い、変調周波数が信号強度に与える影響について調べた。その結果、スピン偏極の生成と緩和時間が有限であることにより、変調周波数が高くなるにつれ信号強度が低下し、感度もpTオーダとなった。この変調方式を用いて、ループコイルから発生する磁場分布の計測を行い、理論値とよく一致する結果が得られた。
またプローブ光の検出器をフォトダイオードアレイとして、磁場分布計測を行った。このとき、ポンプ光は変調せずに、検出器を変更したことによる影響を確認した。この場合でも、ポンプ光伝播方向の磁場分布を計測することができたが、フォトダイオードアレイ自身の電気雑音の影響が大きく、感度が低下した。しかしながら、これらの実験からMRI的手法を適用することにより、磁場の3次元空間分布の計測が可能となることがわかった。このとき、センサ特性の空間均一性に優れたハイブリッドセルを用いることでポストプロセスを簡素化することができる
次に、変調手法をEOMとして、ポンプ光の強度変調を行った。光チョッパの場合と異なり、EOMでは光強度を正弦波的に滑らかに変化させることができる。その結果、光チョッパの場合では変調周波数の高調波成分が強く出ていたが、EOMではそれがほとんど観測されず、効率の良い変調が可能であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画で実施を予定していた項目については概ね実施できた。またポンプ光変調による手法で実際に磁場分布を計測することができたことにより、本手法の実現可能性を確かめることができた。しかしながら、多点計測とした場合に、1点計測と比較して感度の低下がみられるが、これは装置の改良という観点からは検出器の電気回路の改良、信号処理としては加算平均等により十分改善が可能であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の方針としては、当初の計画の通り、CT的手法について検討を進める。平成27年度に実施したMRI的手法で、プローブ光の検出器をフォトダイオードアレイとしても計測が可能であったことから、プローブ光を分割して各点における磁気信号を計測する。さらにポンプ光を分割して計測を行い、それぞれの列の信号を含んだ信号から連立方程式を解くことにより計測が可能であるかどうかを確認する。プローブ光の本数を増やすことにより空間分解能や計測範囲が広くなると考えられるが、信号処理が複雑になっていくため、研究の進捗によりプローブ光の本数は加減し、CT的手法の実現可能性を検討する。
平成29年度には、これらMRI的手法とCT的手法の利点や改善点について総括し、光ポンピング原子磁気センサを用いた3次元磁場分布計測の高感度化や高分解能化等への課題を探る。
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| Causes of Carryover |
平成27年度においては、電気光学素子を安価でコンパクトな物を購入することでコストを削減することができた。当初は大きな入射径を有する電気光学素子によりポンプ光を変調することを企図していたが、多点計測を行うに際して入射径が小さくとも複数光学系に設置可能である物の方が今後の発展性に富むことがわかり、購入物品を変更した。この変更によって、より多くの成果が上がることとなり対外発表を予定より多くしたため、その差し引きで次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度の研究で磁場分布が計測できたので、平成28年度のCT的手法でも磁場分布を計測することを目標とする。このため、繰越金は必要な光学素子や、可動部品等の購入に充て、平成28年度分の助成金は予定通り、光ポンピング原子磁気センサの構成部品の購入に使用する予定である。
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