2021 Fiscal Year Annual Research Report
マルチモーダルシステムに向けた光ポンピング磁気センサの高感度化と広帯域化
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21H03807
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
伊藤 陽介 京都大学, 工学研究科, 講師 (20589189)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光ポンピング磁気センサ / 生体磁気計測 / SERF / スカラー型OPM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，脳や心臓などの形態情報および機能情報の取得に向け，磁気共鳴画像（ MRI ）と機能的 MRI （ fMRI ），脳磁図計測（ MEG ），心磁図計測（ MCG ）とが計測可能な超高感度マルチモダリティ生体磁気計測システムの実現を目指し，光ポンピング磁気センサ（ OPM ）の超高感度化および広帯域化，広ダイナミックレンジ化を行うことである．
2021年度は，本研究の核となる高感度かつ広帯域なセンサセルの理論的な検討と作製、評価を行った．
当初想定していたスピン交換衝突緩和フリー（SERF）型のセンサについては，Bloch方程式および密度行列を使用した計算のどちらの場合についても10-100倍程度プローブに使用する原子の密度が高い場合に高い感度が得られることが分かった．しかしながら，計測帯域幅については，ポンプに使用する原子の密度が高いほうが良く，さらにポンプ光の強度についても多く必要であった．
この結果を踏まえて，近年注目を集めているスカラー型のセンサについても検討をした．このセンサはスピン偏極の歳差運動の周波数から磁場の強度を求めるものであり，アルカリ金属原子の密度がSERF型と比べて2桁低くとも高い計測感度が得られ，計測帯域幅についても1 kHzを超える広帯域が得られることが分かった．このスカラー型の場合は，むしろ密度が高すぎると計測感度が低下することがわかり，セルの温度を室温に近づけて動作させることも可能であった．磁場は信号源からの距離の二乗に反比例して弱くなることから，動作温度を下げて信号源に近づけられることは大きなメリットである．
そのため，翌年度以降の検討ではSERF型に加え，スカラー型のセンサについても検討をしていく．
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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
研究実績の概要に記載したとおり，高感度および広帯域なセンサの実現に必要なセンサセルの条件がわかり，SERF型，スカラー型ともに評価試験を実施できた．最適な条件については，レーザ光の強度や波長などにもよるため，引き続き検討をしていく必要があるが，翌年度以降に実施する広帯域化の検討などにより，さらに改善できると見込まれる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実績の概要にも記載したが，SERF型に加えて，スカラー型のセンサについても検討をしていく．具体的には，ポンプ光を複数本に分岐させ，それぞれを光チョッパやEOM 等で異なる周波数に変調することでプローブ光進行方向の，プローブ光の受信部分を20チャネルのフォトダイオードアレイで構成することで，ポンプ光の伝播方向の多点計測を実現を目指す．また，勾配磁場を印加することで，それぞれのポンプ光の位置におけるラーモア周波数を変化させ，計測帯域を変えることで，より高感度な計測が可能になる条件を探索する．多点計測時にはポンプ光を変調することから，最適な動作条件が変化することが考えられるため，数値計算により理論的にも最適な条件を探索する．また，上記の勾配磁場を印加した条件において，ポンプ光を変調しない場合はプローブ光通過領域の信号の積分が受信部にて検出される．この場合，勾配磁場により計測帯域が場所ごとに変化しているため，全体として十分に広い周波数帯域が得られる．これを勾配磁場強度を変化させて計測し，サブfTレベルの計測感度と100 kHz を超える計測帯域を両立させられるかを調べる．また，検出した信号を負帰還させることで，さらに広帯域化が可能かについても計測を行なう．
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