Małe, czułe detektory pola magnetycznego

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) opracowali nowy typ magnetometru – lub detektora pola magnetycznego – który może konkurować z czułością swoich poprzedników, ale jest mały i tani oraz zużywa bardzo mało energii.

Czujniki obkurczania: U góry atomy metalu w sześcianie krzemu (zielony) są wyrównane (strzałki) ze światłem z lasera podczerwonego padającym na detektor (niebieski). Na dole, w obecności słabego pola magnetycznego – emitowanego na przykład przez bombę – atomy są przesunięte i mogą teraz absorbować światło z lasera.

Magnetometry mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań: tam, gdzie występuje prąd elektryczny, występuje pole magnetyczne. Pomiary pól magnetycznych mogą ujawnić informacje o aktywności elektrycznej ludzkiego serca i mózgu, chemicznej tożsamości wirującego atomu lub po prostu o obecności lub braku metalu. Ze względu na swój mały rozmiar i czułość nowe czujniki mogą poprawić wykrywanie bomb i uderzeń serca płodu i mogą zostać wykorzystane w przyszłych skanerach rezonansu magnetycznego (MRI).

Nowy czujnik, opracowany przez fizyka NIST John Kitching , składa się z lasera, komórki zawierającej odparowane atomy metalu i detektora światła. Kiedy atomy metalu są oświetlane przez laser, ustawiają się w taki sposób, że nie pochłaniają żadnego światła. Jednak obecność nawet bardzo słabego pola magnetycznego zaburza ich ustawienie i pochłaniają część światła. Ta zmiana jest rejestrowana przez detektor.

Inni badacze wykonali podobne magnetometry, ale Kitching i jego zespół wykorzystali techniki mikrowytwarzania do miniaturyzacji ogniwa parowego, które w ich urządzeniu składa się z milimetra sześciennego krzemu. Laser jest diodą podczerwieni podobną do tych w napędach CD, dzięki czemu wszystkie trzy elementy można zamontować na chipach krzemowych, co ułatwia ich pracę.

W przypadku zastosowań, takich jak wykrywanie improwizowanych urządzeń wybuchowych lub niewybuchów na polach minowych, niewielkie rozmiary i niskie zużycie energii przez czujniki NIST mogą mieć duże znaczenie. Czujniki można by pogrupować w macierze, co umożliwiłoby uzyskanie większej ilości danych w określonym czasie. Dostępne na rynku laserowe detektory magnetyczne są wielkości puszek po napojach gazowanych, wymagają 20 watów mocy i kosztują 20 000 dolarów każdy, więc grupowanie ich w tablice jest niewykonalne.

Pracownicy zajmujący się rekultywacją używają tych dużych czujników do wykrywania niewybuchów min lądowych i innej broni na dawnych polach bitew, ale jest to żmudna procedura, mówi Mark Prouty, prezes Geometria , firma z San Jose w Kalifornii, która produkuje czujniki magnetyczne. Ciężkie czujniki muszą być przenoszone tam i z powrotem przez pole, a następnie przenoszone z powrotem do biura, gdzie dane magnetyczne są syntetyzowane z danymi GPS w celu stworzenia map. Następnie robotnicy muszą wrócić na pole z mapami, aby wykopać broń.

Dzięki szeregowi mniejszych czujników byłoby możliwe zbieranie danych w migawce i wykopywanie [broni] w terenie, mówi Prouty.

Wykrywanie improwizowanych urządzeń wybuchowych to także duży problem dla wojska, mówi Prouty. „Trudno jest wykryć te bomby za pomocą pojedynczych czujników magnetycznych, ponieważ wszystko jest widoczne, w tym pojazd, na którym czujnik jest zamontowany”, wyjaśnia. Pojedyncze czujniki wykonują pomiary punktowe; potrafią wykryć obiekt zawierający metal, taki jak bomba, ale nie mogą podać żadnych informacji o jego lokalizacji ani kształcie. Szereg czujników magnetycznych może dać odpowiedź na miejscu, mówi Prouty.

Pomiary magnetyczne są również wykorzystywane do badania mózgu i serca. Aktywność nerwów w mózgu generuje bardzo słabe pola magnetyczne – około 10 rzędów wielkości mniejsze niż ziemskie. Pomiar tego słabego biomagnetyzmu wymaga bardzo czułych detektorów magnetycznych zwanych SQUID, które z kolei wymagają materiałów nadprzewodzących. Najbardziej wrażliwe kałamarnice muszą być schładzane ciekłym helem do kilku stopni od zera absolutnego; kosztują około 2 miliony dolarów.

Magnetometry Kitchinga są prawie tak czułe jak SQUID i mogą działać w temperaturze pokojowej. Mówi, że są obecnie wystarczająco czułe, aby mierzyć pola magnetyczne z serca, ale nie z mózgu. Jak mówi Kitching, monitorowanie serca płodu cieszy się dużym zainteresowaniem w medycynie, ale jest trudne, ponieważ nie można umieścić elektrod bezpośrednio na płodzie w macicy. Pola elektryczne nie docierają na powierzchnię nienaruszone [przez tkanki matki], ale pola magnetyczne tak, mówi.

David Cohen , który dokonał jednych z pierwszych pomiarów biomagnetyzmu w latach 60., mówi, że magnetometry Kitchinga mogą osiągnąć punkt, w którym można zmierzyć serce, ale jest sceptyczny, czy zostaną wykorzystane do badania aktywności mózgu. Wątpi, czy urządzenie wykorzystujące czujniki NIST do wykrywania biomagnetyzmu byłoby tańsze niż te, które opierają się na SQUID.

Innym potencjalnym zastosowaniem czujników są przyszłe skanery MRI. W przypadku nieinwazyjnych środków biologicznych może to być naprawdę interesująca rzecz, mówi Yael Maguire , który przed założeniem ThingMagic w Cambridge w stanie Massachusetts pracował nad miniaturyzacją detektorów magnetycznego rezonansu jądrowego, technologii podobnej do MRI. MRI wymaga obecnie własnego pokoju, wyspecjalizowanych techników i dużego, silnego magnesu. Koszt dostępu do maszyn to problem z MRI, mówi Maguire. (Zobacz Lepsze obrazy białek.) Bardzo czułe, tanie magnetometry, takie jak Kitchinga, można by włączyć do przyszłych skanerów MRI, umożliwiając im używanie mniejszych magnesów, obniżając ich koszty i potencjalnie czyniąc je przenośnymi.

Ale od takich zastosowań klinicznych dzieli nas wiele lat. W tej chwili Kitching mówi, że bada kompromis między rozmiarem a czułością magnetometrów, a także projektuje chipy do ich przenoszenia.

ukryć