アンテナ使わずセシウム原子で電磁波を測る技術：EMC試験の高度化や空間電磁界の可視化へ

産業技術総合研究所（産総研）は2016年7月11日、セシウム原子の共鳴現象を利用して電磁波の強度を測定する技術を開発したと発表した。一般的な電磁波測定で使われるアンテナが不要であり、電磁環境測定（EMC試験）の高度化や空間電磁界の可視化といった応用が期待できるという。

[庄司智昭，EE Times Japan]

アンテナを使わずに電磁波の強度を測定

　産業技術総合研究所（以下、産総研）は2016年7月11日、セシウム原子の共鳴現象を利用して電磁波の強度を測定する技術を開発したと発表した。電磁環境測定（EMC試験）の高度化や空間電磁界の可視化といった応用が期待できるとする。

　原子は特定の周波数の電磁波を受けると、電磁波に共鳴する2つのエネルギー状態の間で遷移（せんい）を繰り返す。この現象は「ラビ振動」と呼ばれ、その周波数は「ラビ周波数」と呼ばれる。

　ラビ周波数と電磁波の強度は比例関係にあり、その比例定数は原子の構造や基礎物理定数で決まるため、測定者や時期に依存しない。この性質を利用すると、アンテナを使わなくても、電磁波の強度をラビ周波数を測定することで求められる。

図1：電磁波強度の測定の原理 （クリックで拡大）出典：産総研

　産総研の物理計測標準研究部門高周波標準研究グループ主任研究員の木下基氏と、電磁界標準研究グループ主任研究員の石居正典氏は、9.2GHzの電磁波を受けるとラビ振動するセシウム原子による電磁波強度測定システムを開発した。具体的には、セシウムガスを封入したガラスセルを測定場所に置き、電磁波によってラビ振動するセシウム原子に、検出用レーザーを当て、その透過光の変調成分として現れるラビ周波数を検出。そのラビ周波数から電磁波強度を算出するシステムだ。

セシウム原子のラビ振動を利用した電磁波計測システム （クリックで拡大） 出典：産総研

1cmの空間分解能で測定

図2：セシウム原子のラビ周波数と電磁波強度の関係 出典：産総研

　図2は、強度の分かっている電磁波をガラスセルに照射して、ラビ周波数を測定した結果である。電磁波の強度とラビ周波数は、量子力学に基づく理論通りに比例し、セシウム原子のラビ周波数を測ることで、「電磁波強度を測定できることを確認した」（産総研）とする。

　図3左は、電磁波源から放射される電磁波の強度分布を測定した様子だ。電磁波源の前面にガラスセルを置き、その位置を変えながら測定している。検出用レーザーには半導体レーザーを用い、ガラスセルの移動する向きと平行な方向から照射している。この測定では、「1cmの空間分解能で測定できた」（産総研）という（図3右）。

図3：電磁波の強度分布測定の様子と測定結果 （クリックで拡大） 出典：産総研

　開発した測定技術は、セシウムガスが電磁波のセンサーとなるため、アンテナを必要としない。ラビ周波数の測定はレーザーを用いるため、金属ケーブルや光ファイバーなども不要。これにより、離れた場所からのワイヤレス測定が可能になる。

　また、検出用レーザーは微弱であるため、ラビ周波数の測定に影響は与えない。ガラスセルは小型にできるため、アンテナによる電磁波強度の計測では不可能な局所的な測定ができるようになり、高い空間分解能で電磁波強度を計測できるとした。

周波数の範囲を拡大へ

　今回、9.2GHzの周波数の電磁波で測定技術を実証しているが、産総研は今後、セシウム原子の中に多数存在するエネルギー状態から、電磁波に共鳴する2つのエネルギー状態を適切に選ぶことで、測定できる電磁波の周波数範囲を大幅に増やしていく方針だ。