Магнитометр космический — Spacecraft magnetometer

Магнитометр – это прибор, который применяется для разведки магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов. По принципу действия прибор немного напоминает металлоискатель, который реагирует на металлические поверхности, за тем исключением, что он чувствителен к естественному магнитному полю Земли, а также крупным неметаллическим предметам, имеющим собственное остаточное поле. Устройство нашло свое применение в различных отраслях промышленности и науки, поскольку позволяет фиксировать природные аномалии, а также ускоряет поиски объектов.

Зачем используется магнитометр

Магнитометры реагируют на магнитное поле и выражают показатели его силы в различных физических единицах измерения. В связи с этим существует много типов данных приборов, каждый из которых адаптирован под определенную поисковую цель.

Модификации этих устройств применяются в десятках отраслях науки и промышленности:
  • Геология.
  • Археология.
  • Навигация.
  • Сейсмология.
  • Военная разведка.
  • Геохронология.

В геологии с помощью магнитометра осуществляется поиск полезных ископаемых без необходимости проводить пробное бурение для взятия образцов. Прибор позволяет зафиксировать богатую ископаемыми жилу и принять решение о целесообразности начала добычи в данном районе. Также с помощью данного оборудования можно определить, где находятся подземные источники питьевой воды, как они располагаются и их объем. Благодаря этому можно заблаговременно решить, где осуществить строительство колодца или скважины, чтобы добраться к воде без необходимости максимального углубления.

Magnitometry v geologii

Магнитометры используются в археологии при раскопках. Они позволяют реагировать на скрытые глубоко под землей фундаменты зданий, статуи и прочие объекты, которые имеют остаточную намагниченность. В первую очередь это обожженный кирпич или камень. Устройство реагирует на скрытые глубоко под землей старинные очаги и печи. С его помощью можно искать объекты во льду или снегу.

Магнитометр также используется в навигации. С его помощью осуществляется определение магнитного поля Земли, в результате чего можно получить данные о направлении движения в случае дезориентации. Такие приборы используют в авиации и морском транспорте. Магнитометры являются обязательным оборудованием на космических станциях и шаттлах.

В сейсмологии магнитометры, которые реагируют на магнитное поле Земли, позволяют предсказывать землетрясение, поскольку при изменении характеристик тектонических плит происходит нарушение привычных показателей поля. Таким способом можно определить свежие подземные трещины, сквозь которые может начаться извержение.

Magnitometry v seismologii

В военной разведке данное оборудование позволяет искать военные объекты, скрытые от обычных радаров. С помощью магнитометра можно выявить лежащую на морском или океанском дне подводную лодку.

В геохронологии по силе остаточной намагниченности можно определить возраст горных пород. Существуют и более точные методы, но с помощью магнитометра это можно сделать за считанные секунды, без необходимости осуществления дорогостоящего анализа.

Разновидности магнитометров по принципу действия
По принципу действия магнитометры разделяют на 3 вида:
  1. Магнитостатические.
  2. Индукционные.
  3. Квантовые.

Каждая разновидность реагирует на стороннее магнитное поле, используя определенный физический принцип. На базе этих трех разновидностей созданы различные узкоспециализированные виды магнитометров, которые являются более точными для измерений в определенных условиях.

Магнитостатические

Несмотря на внешнюю сложность данного прибора, он работает по вполне понятному физическому принципу. Внутри магнитометра находится небольшой постоянный магнит, реагирующий на магнитное поле, с которым контактирует. Магнит находится в подвешенном состоянии на упругой подвеске, позволяющей ему прокручиваться. Она практически не обладает своей жесткостью, поэтому не удерживает его и позволяет прокручиваться без сопротивления. Когда постоянный магнит реагирует с чужеродным полем направление которого или сила не совпадают с его собственным, происходит реакция притяжение или отторжения. В результате подвешенный постоянный магнит начинает проворачиваться, что фиксирует чувствительный датчик. Таким образом осуществляется измерение силы и направления стороннего магнитного поля.

Чувствительность магнитостатического прибора зависит от эталонного магнита, который в него установлен. Также на точность измерения влияет упругость подвески.

Индукционные

Индукционные магнитометры имеют внутри катушку с проволочной обмоткой из токопроводящего материала. Она находится под напряжением от аккумуляторного источника питания. Катушка создает собственное магнитное поле, которое начинает контактировать со сторонними полями, проходящими через ее контур. Чувствительные датчики реагируют на изменения, которые отображаются на катушке в результате такого взаимодействия. Они могут реагировать на вращение или колебания. У более сложных устройств датчики реагируют на изменение магнитной проницаемости сердечника катушки. Независимо от того каким образом фиксируется изменение, прибор отображает показатели внешних магнитных полей и позволяет определять местонахождение объектов, их размер и отдаленность.

Квантовые

Квантовый магнитометр реагирует на магнитный момент электронов, которые двигаются под действием внешних магнитных полей. Это дорогостоящее оборудование, которое применяется для лабораторных исследований, а также сложных поисков. Устройство фиксирует магнитный момент микрочастиц и напряженность измеряемого поля. Данное оборудование позволяет измерить напряженность слабых полей, в том числе тех которые находятся в космическом пространстве. Именно это оборудование применяется в георазведке для поиска глубоких залежей полезных ископаемых.

Отличие между приборами

Магнитометр представляет собой высокотехническое оборудование, которое может отличаться от других подобных приборов не только по физическому принципу реакции на изменение магнитного поля или чувствительности, но и по прочим характеристикам.

Устройства могут отличаться друг от друга по следующим критериям:
  • Наличию дисплея.
  • Количеству датчиков.
  • Наличию звукового индикатора.
  • Погрешности измерения.
  • Способу индикации.
  • Продолжительности непрерывной работы.
  • Габаритам и весу.

Что касается количества чувствительных датчиков, то чем их больше, тем более точным будет оборудование. Магнитометр может отображать свои измерения в числовом или графическом выражении. Сказать что лучше сложно, поскольку все зависит от особенностей условий, в которых проводится измерение. В определенных случаях нужно просто получить отображение показателей магнитного поля в цифрах, в то время как иногда больше нужно визуальное определение вектора его завихрений. Оптимальным вариантом являются комбинированные устройства, которые позволяют визуализировать показатели в цифровом и графическом отображении.

Похожие темы:

РубрикаПРИБОРЫ

Каждый, кто пробовал ставить на своего робота электронный компас задавался таким вопросом: а как, собственно, получить из этого прибора некую виртуальную стрелку, которая бы показывала на север? Если мы подключим к Ардуино самый популярный датчик HMC5883L, то получим поток чисел, которые ведут себя странным образом при его вращении. Что делать с этими данным? Попробуем разобраться, ведь полноценная навигация робота без компаса невозможна.

Во первых, устройство, которое часто называют компасом на самом деле является магнитометром. Магнитометр — это прибор, который измеряет напряженность магнитного поля. Все современные электронные магнитометры изготавливаются по технологии МЭМС и позволяют проводить измерения сразу по трем перпендикулярным осям. Так вот тот поток чисел, которые выдает прибор — это на самом деле проекции магнитного поля на три оси в системе координат магнитометра. Такой же формат данных имеют и другие устройства, используемые для позиционирования и навигации: акселерометр и гиротахометр (он же гироскоп).

На рисунке изображен простой случай, когда компас расположен горизонтально поверхности земли на экваторе. Красной стрелкой отмечено направление к северному полюсу. Пунктиром отмечены проекции этой стрелки на соответствующие оси.

Казалось бы, вот оно! Катет равен катету на тангенс противолежащего угла. Для того чтобы получить угол направления придется взять арктангенс отношения катетов:

H = atan(X/Y)

Если мы проведем эти несложные вычисления, мы действительно получим какой-то результат. Жаль только, что мы всё еще не получим верный ответ, ведь мы не учли кучу факторов:

  1. Смещение и искажение вектора магнитного поля Земли, вследствие внешних воздействий.
  2. Влияние тангажа и крена на показания компаса.
  3. Разница между географическим и магнитным полюсами — магнитное склонение.

В этой статье мы займемся изучением этих проблем и узнаем способы их решения. Но для начала посмотрим на показания магнитометра своими глазами. Для этого нам потребуется их как-то визуализировать.

Визуализация показаний магнитометра

Как известно, одна картинка лучше тысячи слов. Поэтому, для большей наглядности, воспользуемся 3D-редактором для визуализации показаний магнитометра. Для этих целей, можно использовать SketchUp с плагином «cloud» (http://rhin.crai.archi.fr/rld/plugin_details.php?id=678)

Разделителем может быть символ табуляции, пробел, точка с запятой и т.п. Всё это указывается в настройках плагина. Там же можно попросить склеить все точки треугольниками, что в нашем случае не требуется.

Самый простой способ сохранить показания магнитометра — передавать их через COM-порт на персональный компьютер в монитор последовательного порта, с последующим сохранением их в текстовый файл. Второй способ — подключить к Ардуино SD карту и записывать данные магнитометра в файл на SD карте.

Разобравшись с записью данных и с импортом их в SketchUp, попробуем теперь провести эксперимент. Будем вращать магнитометр вокруг оси Z, а управляющая программа в это время будет записывать показания датчика каждые 100 мс. Всего будет записано 500 точек. Результат этого эксперимента приведен ниже:

Что можно сказать, глядя на этот рисунок? Во-первых, видно, что ось Z действительно была зафиксирована — все точки расположены, более или менее, в плоскости XY. Во-вторых, плоскость XY немного наклонена, что может быть вызвано либо наклоном моего стола, либо наклоном магнитного поля Земли 🙂

Теперь взглянем на эту же картину сверху:

Первое, что бросается в глаза — центр координат находится совсем не в центре очерченного круга! Скорее всего, измеряемое магнитное поле чем-то «сдвинуто» в сторону. Причем это «что-то» имеет напряженность, выше оной у естественного поля Земли.

Второе наблюдение — круг немного вытянут в высоту, что указывает уже на более серьезные проблемы, о которых мы поговорим ниже.

А что получится, если вращать компас вокруг всех осей одновременно? Правильно, получится не круг, а сфера (точнее сфероид). Вот такая сфера получилась у меня:

Дополнительно к основным 500 точкам сферы, добавлены еще три массива, по 500 точек в каждом. Каждая из добавленных групп точек отвечает за вращение магнитометра вокруг фиксированной оси. Так, нижний круг получен вращением прибора вокруг оси Z. Круг справа — вращением вокруг оси Y. Наконец, плотное кольцо точек слева отвечает за вращение магнитометра вокруг оси X. Почему эти круги не опоясывают шар по экватору, читаем ниже.

Магнитное наклонение

На самом деле, последний рисунок может показаться немного странным. Почему будучи в горизонтальном состоянии, датчик показывает почти максимальное значение по оси Z?? Ситуация повторяется если мы наклоним прибор, например, осью X вниз — опять получим максимальное значение (левый круг). Получается, что на датчик постоянно действует поле направленное сквозь датчик вниз к поверхности земли!

Ничего необычного в этом на самом деле нет. Эта особенность магнитного поля земли называется магнитным наклонением. На экваторе поле направлено параллельно земле. В южном полушарии — вверх от земли под некоторым углом. А в северном полушарии, как мы уже наблюдали — вниз. Смотрим картинку.

Магнитное наклонение никак не помешает нам пользоваться компасом, поэтому не будем о нем особо задумываться, а просто примем к сведению это интересный факт.

Теперь же перейдем, непосредственно к проблемам.

Искажения магнитного поля: Hard & Soft Iron

В зарубежной литературе, искажения магнитного поля принято делить на две группы: Hard Iron и Soft Iron. Ниже приведена картинка, иллюстрирующая суть этих искажений.

Hard Iron

Даю справку. Интенсивность магнитного поля земли сильно зависит от земных координат, в которых оно измеряется. Например, в Кейп Тауне (Южная Африка) поле составляет около 0.256 Гс (Гаусс), а в Нью-Йорке в два раза больше — 0.52 Гс. В целом по планете, интенсивность магнитного поля варьируется в диапазоне от 0.25 Гс до 0.65 Гс.

Для сравнения, поле обычного магнитика на холодильник составляет 50 Гс, — это в сто раз больше чем магнитное поле в Нью Йорке!! Понятно, что чуткий магнитометр может легко запутаться, если рядом с ним возникнет один из таких магнитов. На квадрокоптере, конечно, таких магнитиков нет, но зато есть куда более мощные редкоземельные магниты вентильных двигателей, а еще электронные цепи контроллера, провода питания и аккумуляторная батарея.

Такие источники паразитного магнитного поля называют Hard Iron. Воздействуя на магнитометр, они придают некоторое смещение измеряемым значениям. Посмотрим, имеются ли Hard Iron искажения у нашей сферы. Проекция точек сферы на плоскость XY, выглядит следующим образом:

Видно, что облако точек имеет некоторое заметное смещение по оси Y влево. По оси Z смещение практически отсутствует. Ликвидировать такое искажение очень просто: достаточно увеличить или уменьшить получаемые от прибора значения на величину смещения. Например, калибровка Hard Iron для оси Y будет иметь вид:

Ycal_hard = Y — Ybias

где Ycal_hard — калиброванное значение;Y — исходное значение;Ybias — величина смещения.

Чтобы вычислить Ybias нам потребуется зафиксировать максимальное и минимальное значение Y, а затем воспользоваться простым выражением:

Ybias = (Ymin-Ymax)/2 — Ymin

где Ybias — искомая величина смещения;Ymin — минимальное значение оси Y;Ymax — максимальное значение оси Y.

Soft Iron

В отличие от Hard Iron, искажение типа Soft носит куда более коварный характер. Опять же, проследим этот вид воздействия на собранных ранее данных. Для этого, обратим внимание на то, что шар на картинке сверху, и не шар вовсе. Его проекция на ось YZ немного сплющена сверху, и слегка повернута против часовой стрелки. Вызваны эти искажения, наличием ферромагнитных материалов рядом с датчиком. Таким материалом является металлическая рама квадрокоптера, корпус двигателя, проводка, или даже металлические болты крепления.

Исправить ситуацию со сплющенностью поможет умножение показаний датчика на некоторый множитель:

Ycal_soft = Y * Yscale

где Ycal_hard — калиброванное значение;Y — исходное значение;Yscale — коэффициент масштабирования.

Для того чтобы найти все коэффициенты (для X,Y и Z) необходимо выявить ось с наибольшей разностью между максимальным и минимальным значением, и затем воспользоваться формулой:

Yscale = (Amax-Amin)/(Ymax-Ymin)

где Yscale — искомый коэффициент искажения по оси Y;Amax — максимальное значение на некоторой оси;Amin — минимальное значение на некоторой оси;Ymax — максимальное значение на оси Y;Ymin — минимальное значение на оси Y.

Другая проблема, из-за которой сфера оказалась повернутой, устраняется чуть сложнее. Однако, вклад такого искажения в общую ошибку измерения достаточно мал, и мы не будем подробно расписывать способ его «ручного» нивелирования.

Автоматическая калибровка

Надо сказать, получение вручную точных минимальных и максимальных показаний магнитометра задача не из простых. Для этой процедуры, как минимум, потребуется специальный стенд, в котором можно фиксировать одну из осей прибора.

Гораздо проще воспользоваться автоматическим алгоритмом калибровки. Суть этого метода состоит в аппроксимации облака полученных точек элипсоидом. Другими словами, мы подбираем параметры элипсоида таким образом, чтобы он максимально точно совпадал с нашим облаком точек, построенных на основе показаний магнитометра. Из подобранных таким образом параметров, мы сможем добыть величину смещения, коэффициенты масштаба и коэффициенты для ортогонализации осей.

В интернете можно найти несколько программ, пригодных для этого. Например, MagCal, или еще одна — Magneto. В отличие от MagCal, в Magneto рассчитанные параметры выводятся в готовом к использованию виде, без необходимости дополнительных преобразований. Именно этой программой мы и воспользуемся. Главная и единственная форма программы выглядит следующим образом:

В поле «Raw magnetic measurements» выбираем файл с исходными данными. В поле «Norm of Magnetic or Gravitational field» вводим величину магнитного поля Земли в точке нашей дислокации. Учитывая, что этот параметр никак не влияет на угол отклонения стрелки нашего виртуального компаса, я поставил значение 1090, что соответствует значению 1 Гаусс.

Затем жмем кнопку Calibrate и получаем:

  1. значения смещения по всем трем осям: Combined bias (b);
  2. и матрицу масштаба и ортогонализации: Correction for combined scale factors, misalignments and soft iron (A-1).

С помощью волшебной матрицы мы ликвидируем сплющенность нашего облака и устраним его легкое вращение. Общая формула калибровки выглядит следующим образом:

Vcal = A-1 * (V — Vbias)

где Vcal — вектор калиброванных значение магнитометра для трех осей;A-1 — матрица масштаба и ортогонализации;Vbias — вектор смещения по трем осям.

Влияние наклона магнитометра на вычисляемое направление

На очереди проблема номер два. В начале статьи мы уже попробовали вычислить угол между севером и стрелкой компаса. Для этого годится простая формула:

H = atan(Y/X)

где H — угол отклонения стрелки компаса от северного направления;X,Y — калиброванные значения магнитометра.

Представим теперь, что мы фиксируем ось X строго по направлению к северу, и начинаем вращать датчик вокруг этой оси (придаем крен). Получается, что проекция поля на ось X остается неизменной, а вот проекция на Y меняется. Согласно формуле, стрелка компаса будет показывать либо на северо-запад, либо на северо-восток, в зависимости от того, в какую сторону делаем крен. Это и есть, заявленная в начале статьи, вторая проблема электронного компаса.

Решить проблему поможет геометрия. Нам нужно всего лишь повернуть магнитный вектор в систему координат, заданную инклинометром. Для этого, поочередно перемножим две матрицы косинусов на вектор:

Vcal2 = Ry*Rx*Vcal

где Vcal — магнитный вектор, очищенный от Hard и Soft искажений;Rx и Ry — матрицы поворота вокруг осей X и Y;Vcal2 — магнитный вектор, очищенный от влияния крена и тангажа.

Пригодная для программы контроллера формула будет иметь вид:

Xcal2 = Xcal*cos(pitch) + Ycal*sin(roll)*sin(pitch) + Zcal*cos(roll)*sin(pitch) Ycal2 = Ycal*cos(roll) — Zcal*sin(roll) H = atan2( -Ycal2, Xcal2 )

где roll и pitch — наклоны вокруг осей X и Y;Xcal,Ycal,Zcal — вектор магнитометра (Vcal);Ycal2, Ycal2 — калиброванные значения магнитометра (Zcal2 не считаем — он нам не пригодится);H — угол между севером и стрелкой компаса.

(О том, кто такой atan2 можно узнать тут: http://en.wikipedia.org/wiki/Atan2)

Разница между географическим и магнитным полюсом

После того как мы получили более или менее точный угол отклонения стрелки компаса от северного направления, пришло время устранить еще одну проблему. Дело в том, что магнитный и географический полюсы на нашей планете, сильно различаются, в зависимости от того, где мы производим измерение. Другими словами, «север» на который показывает ваш походный компас, совсем не тот север где льды и ,белые медведи.

Для нивелирования этих различий, к показаниям датчика необходимо прибавить (или вычесть) определенный угол, называемый магнитным склонением. Например, в Екатеринбурге магнитное склонение имеет величину +14 градусов, а значит измеренные показания магнитометра следует уменьшить на эти же 14 градусов.

Для того чтобы выяснить магнитное склонение в ваших координатах, можно воспользоваться специальным ресурсом: http://magnetic-declination.com/

Заключение

В заключении несколько советов по навигации с помощью магнитометра.

  1. Калибровка должна проводиться именно в тех условиях, в которых беспилотник будет совершать реальный полет.
  2. Магнитометр лучше выносить из корпуса робота на штанге. Так на него будет влиять меньше шумов.
  3. Для вычисления направления лучше использовать связку компас + гироскоп. При этом их показания смешиваются по определенному правилу (data fusion).
  4. Если речь идет о летательном аппарате с большой курсовой скоростью, рекомендуется использовать связку компас + гироскоп + GPS.

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Магнито́метр — (от гр. μαγνητό — магнит + гр. μετρεω измеряю), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от измеряемой величины различают приборы для измерения напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента.

В зависимости от природы измеряемой величины магнитометры градуируются в тех или иных единицах (напряжённости магнитного поля, единицах магнитной индукции, направления магнитного поля и др.).

Магнитометры применяются в:

МАГНИТО́МЕТР, -а, м. Прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ (магнитных материалов).

[От греч. μαγνη̃τις — магнит и μετρέω — мерю]

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999;

Магнито́метр — (от гр. μαγνητό — магнит + гр. μετρεω измеряю), прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. В зависимости от измеряемой величины различают приборы для измерения напряжённости поля (эрстедметры), направления поля (инклинаторы и деклинаторы), градиента поля (градиентометры), магнитной индукции (тесламетры), магнитного потока (веберметры, или флюксметры), коэрцитивной силы (коэрцитиметры), магнитной проницаемости (мю-метры), магнитной восприимчивости (каппа-метры), магнитного момента. В зависимости от природы измеряемой величины магнитометры градуируются в тех или иных единицах (напряжённости магнитного поля, единицах магнитной индукции, направления магнитного поля и др.). Магнитометры применяются в: геологии, при поиске полезных ископаемых; археологии, при археологических раскопках; навигации на море, в космосе и авиации; военной разведке для обнаружения погружённых подводных лодок; биологии и медицине; сейсмологии (предсказании землетрясений); научных экспериментах; магнитной геохронологии.

Источник:Wipedia.org

магнитометр

1. физ. прибор для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов

Источник:Wiktionary.org

1 апреля 2019 года Fraunhofer-Gesellschaft запускает проект маяка «Квантовая магнитометрия» (QMag): Фрайбургские институты Фраунгофера IAF, IPM и IWM хотят перенести квантовую магнетометрию из области университетских исследований в промышленные приложения. В тесном сотрудничестве с тремя другими институтами Фраунгофера (IMM, IISB и CAP) исследовательская группа разрабатывает высокоинтегрированные квантовые магнитометры для визуализации с высоким пространственным разрешением и чувствительностью.

Проект маяка QMag позволяет использовать одиночные электроны для обнаружения мельчайших магнитных полей. Это позволяет использовать магнитометры в промышленности, например, для анализа дефектов наноэлектронных цепей, для обнаружения скрытых трещин материала или для реализации особенно компактных сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ). «Наши проекты маяков устанавливают важные стратегические приоритеты для разработки конкретных технологических решений для Германии в качестве экономического местоположения. QMag прокладывает путь к маяку Фраунгофера в области квантовых технологий. Амбиция превосходных ученых, участвующих в проекте, заключается в том, чтобы значительно совершенствовать технологию и определять ее на международном уровне. Таким образом, может быть достигнут долгосрочный переход революционных инноваций квантовой магнитометрии к промышленным применениям «,

Проект QMag действует до 2024 года и основан Fraunhofer-Gesellschaft и федеральной землей Баден-Вюртемберг на общую сумму 10 миллионов евро в равных долях. Институт прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF, Институт физических измерений Фраунгофера IPM и Институт механики материалов им. Фраунгофера IWM образуют основную команду консорциума QMag. «Объединение партнеров по проекту является исключительно уникальной особенностью QMag. Это делает Фрайбург ведущим исследовательским центром для промышленных квантовых датчиков — не только в Баден-Вюртемберге, но и по всей Германии», — говорит д-р Николь Хоффмайстер-Краут, министр Экономические вопросы в Баден-Вюртемберге. Фраунгофер IAF отвечает за общую координацию проекта маяка.

От классической до квантовой магнитометрии

Магнитометрия преследует две основные цели: измерять магнитные поля с высокой точностью и в наименьшем масштабе. Магнитометры интенсивно использовались в течение длительного времени — в качестве компасов для измерения магнитного поля Земли, для геологических исследований или для анализа наноструктурированных магнитных слоев в жестких дисках для хранения данных. За последние десятилетия были сделаны многочисленные прорывы в научном и техническом использовании магнитных полей, однако обнаружение самых маленьких магнитных полей с самым высоким пространственным разрешением при комнатной температуре оказалось большой научной проблемой.

На сегодняшний день существующие магнитные датчики имеют ограниченное применение для промышленного применения из-за их высокой стоимости и необходимых технических усилий, таких как охлаждение. Специально для визуализации полей, создаваемых только несколькими движущимися электронами, существующие магнитометры недостаточно чувствительны при комнатной температуре и не обладают требуемым пространственным разрешением.

Две взаимодополняющие системы для решения задач

Консорциум QMag поставил перед собой задачу перенести квантовую магнитометрию из лаборатории в область применения и сделать ее пригодной для использования в промышленности. Для этого институты Фраунгофера разработают два дополнительных магнетометра, которые способны измерять наименьшие магнитные поля и токи с самым высоким пространственным разрешением, соответственно с самой высокой магнитной чувствительностью, при комнатной температуре.

В частности, партнеры проекта стремятся продемонстрировать и протестировать две системы, основанные на одном физическом принципе и методе измерения, но предназначенные для разных применений: С одной стороны, сканирующий зондовый магнитометр на основе NV-центров в алмазе обеспечит высочайшую точность измерения наноэлектронных цепей. С другой стороны, будут реализованы измерительные системы на основе высокочувствительных магнитометров с оптической накачкой («ОПМ») для применений в области исследования материалов и анализа процессов.

Наноразмерная магнитометрия на основе NV-центров

Сканирующий зондовый магнитометр способен измерять магнитные поля с самым высоким пространственным разрешением при комнатной температуре. Магнитометр состоит из отдельных атомных вакансионных комплексов в кристаллах алмаза, которые функционируют как наименьший возможный магнит. Центральную роль играет азотный вакансионный центр («NV center») в алмазе. NV-центр развивается, когда удаляются два соседних атома углерода, а один заменяется атомом азота. Получающаяся вакансия тогда занята запасным электроном атома азота. Этот электрон обладает магнитным импульсом, который после ориентации можно использовать в качестве магнита для магнитного поля, которое должно быть измерено. В Qmag NV-центр будет помещен в наноразмерный наконечник алмазной измерительной головки. Когда этот наконечник датчика перемещается по образцу в сканирующем зондовом микроскопе, локальные магнитные поля могут быть измерены с чрезвычайно высоким пространственным разрешением. Таким образом, распределение электричества в наноэлектронных цепях можно сделать видимым, учитывая, что даже самый маленький электронный ток создает магнитное поле, которое можно визуализировать с помощью квантового магнитометра.

«Нашей целью является разработка квантовых магнитометров с исключительными сенсорными характеристиками, компактностью и режимом работы, которые обеспечивают инновационные промышленные применения и, кроме того, упрощают эволюцию сложных электронных систем в будущем», — говорит профессор доктор Оливер Амбахер, менеджер проекта и директор Фраунгофера IAF.

ОПМ для химической аналитики и испытаний материалов

Вторая система датчиков QMag использует зависимость электронных переходов в щелочных атомах от магнитного поля : магнитометры с оптической накачкой («ОПМ») представляют собой категорию датчиков, которые используются для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей. Как и NV-центры, OPM не требуют экстремального охлаждения и поэтому пригодны для промышленного использования. В центре внимания научной работы QMag лежит разработка комплексных измерительных систем на основе существующих прототипов магнитометров.

В ОПМ атомы щелочи в газовой фазе готовятся с помощью кругового поляризованного лазерного луча, так что все их магнитные моменты имеют одинаковую ориентацию. Внутри измеренных магнитных полей магнитные моменты испытывают синхронную прецессию, которая может быть измерена посредством поглощения лазерного луча соответствующей длины волны. Измерение может быть выполнено с такой высокой точностью, что даже магнитные поля диапазона Фемто-Теслы могут быть обнаружены — это примерно размер магнитных полей, которые наши мозговые волны создают, пока мы думаем. Благодаря своей чувствительности OPM могут использоваться в качестве детекторов сигналов ядерного магнитного резонанса («ЯМР»). «В QMag мы разрабатываем комплексные измерительные системы на основе существующих прототипов с одним датчиком, что открывает инновационные сценарии применения,

Кроме того, консорциум будет реализовывать демонстраторы для ключевых приложений для механики материалов. Магнитное обнаружение механических микротрещин является высокочувствительным инструментом для определения характеристик материалов и испытаний компонентов и, следовательно, очень важной областью применения. «Высокая чувствительность датчиков OPM на низких частотах и ​​при комнатной температуре открывает совершенно новые возможности применения для тестирования материалов. Дефекты микроскопических материалов можно измерять неразрушающим образом на основе их сигналов магнитного поля рассеяния», подчеркивает профессор д-р Питер Гумбш директор Fraunhofer IWM.

Наряду с основной командой, три дополнительных института Фраунгофера вносят свой научно-технический вклад в разработку ключевых компонентов квантовой технологии. Консорциум дополняется академическим опытом профессора доктора Йорга Врахтрупа (Университет Штутгарта) в области квантовых технологий на основе алмаза и профессора доктора Свенья Кнаппе (Университет Фрайбурга в сотрудничестве с Университетом Колорадо в Боулдере) в области атомной газовой магнитометрии.

image

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Citilink-kabinet.ru
Добавить комментарий