211service.com
Små, følsomme magnetfeltdetektorer
Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en ny type magnetometer – eller magnetfeltdetektor – der konkurrerer med sine forgængeres følsomhed, men er lille og billig og bruger meget lidt strøm.
Krympende sensorer: Øverst er metalatomer inde i en siliciumterning (grøn) justeret (pile) med lys fra en infrarød laser, der skinner på en detektor (blå). I bunden, i nærvær af et svagt magnetfelt - udsendt af for eksempel en bombe - flyttes atomerne ud af justering og kan nu absorbere lys fra laseren.
Magnetometre har en bred vifte af potentielle anvendelser: hvor der er en elektrisk strøm, er der et magnetfelt. Målinger af magnetiske felter kan afsløre information om den elektriske aktivitet af det menneskelige hjerte og hjerne, den kemiske identitet af et roterende atom eller blot tilstedeværelsen eller fraværet af metal. På grund af deres lille størrelse og følsomhed lover de nye sensorer at forbedre detektion af bomber og føtale hjerteslag, og de kan blive inkorporeret i fremtidige magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scannere.
Den nye sensor, udviklet af NIST-fysiker John Kitching , består af en laser, en celle indeholdende fordampede metalatomer og en lysdetektor. Når metalatomerne belyses af laseren, justerer de sig således, at de ikke absorberer noget af lyset. Tilstedeværelsen af selv et meget svagt magnetfelt forstyrrer deres justering, og de absorberer noget af lyset. Denne ændring registreres af detektoren.
Andre forskere har lavet lignende magnetometre, men Kitching og hans team brugte mikrofremstillingsteknikker til at miniaturisere dampcellen, som i deres enhed består af en kubikmillimeter silicium. Laseren er en infrarød diode, der ligner dem i cd-drev, så alle tre komponenter kan monteres på siliciumchips, hvilket gør dem nemmere at arbejde med.
Til applikationer som detektion af improviserede eksplosive enheder eller ueksploderet ammunition i minefelter, kan den lille størrelse og lave strømforbrug af NIST-sensorerne gøre en stor forskel. Sensorerne kunne grupperes i arrays, hvilket gør det muligt at få flere data på en given tid. Kommercielt tilgængelige laserbaserede magnetiske detektorer er på størrelse med sodavandsdåser, kræver 20 watt strøm og koster 20.000 $ hver, så det er umuligt at gruppere dem i arrays.
Saneringsarbejdere bruger disse store sensorer til at opdage ueksploderede landminer og andre våben på tidligere slagmarker, men det er en kedelig procedure, siger Mark Prouty, præsident for Geometri , et firma i San Jose, CA, der fremstiller magnetiske sensorer. De tunge sensorer skal bæres frem og tilbage over en mark og derefter bæres tilbage til et kontor, hvor magnetiske data syntetiseres med GPS-data for at lave kort. Så skal arbejderne gå tilbage til marken med kortene for at grave våbnene op.
Med en række mindre sensorer ville det være muligt at samle data i et øjebliksbillede og grave [våben] op i marken, siger Prouty.
Opdagelsen af improviserede sprængladninger er også et stort problem for militæret, siger Prouty. Det er svært at opdage disse bomber med individuelle magnetiske sensorer, fordi alt dukker op, inklusive det køretøj, sensoren er monteret på, forklarer han. Enkelte sensorer tager punktmålinger; de kan opdage en metalholdig genstand som en bombe, men kan ikke give nogen information om dens placering eller form. En række magnetiske sensorer kunne give et svar på stedet, siger Prouty.
Magnetiske målinger bruges også til at studere hjernen og hjertet. Nerveaktivitet i hjernen genererer meget svage magnetfelter - omkring 10 størrelsesordener mindre end jordens. Måling af denne svage biomagnetisme kræver meget følsomme magnetiske detektorer kaldet SQUID'er, som igen kræver superledende materialer. De mest følsomme SQUID'er skal afkøles til inden for et par grader af det absolutte nulpunkt med flydende helium; de koster omkring 2 millioner dollars.
Kitchings magnetometre er næsten lige så følsomme som SQUID'er og kan fungere ved stuetemperatur. Han fortæller, at de i øjeblikket er følsomme nok til at måle magnetiske felter fra hjertet, men ikke fra hjernen. Fosterhjerteovervågning får meget opmærksomhed på det medicinske område, men det er svært, fordi det ikke er muligt at placere elektroder direkte på et foster i utero, siger Kitching. Elektriske felter kommer ikke til overfladen upåvirket [af moderens væv], men det gør magnetiske felter, siger han.
David cohen , der foretog nogle af de første målinger af biomagnetisme i 1960'erne, siger, at Kitchings magnetometre kan nå det punkt, hvor man kan måle hjertet, men han er skeptisk over, at de vil blive brugt til at studere hjerneaktivitet. Han tvivler på, at en enhed, der bruger NIST-sensorerne til at detektere biomagnetisme, ville ende med at blive billigere end dem, der er afhængige af SQUID.
En anden potentiel anvendelse for sensorerne er i fremtidige MR-scannere. For ikke-invasive biologiske foranstaltninger kunne dette være en virkelig interessant ting, siger Yael Maguire , som før grundlæggelsen af ThingMagic i Cambridge, MA, arbejdede på at miniaturisere kernemagnetiske resonansdetektorer, en teknologi, der ligner MRI. MR kræver i øjeblikket sit eget lokale, specialiserede teknikere og en stor, stærk magnet. Omkostningerne ved adgang til maskinerne er et problem med MR, siger Maguire. (Se bedre billeder af proteiner.) Meget følsomme, billige magnetometre som Kitchings kunne inkorporeres i fremtidige MR-scannere, hvilket gør dem i stand til at bruge mindre magneter, hvilket reducerer deres omkostninger og potentielt gør dem bærbare.
Men sådanne kliniske anvendelser er mange år væk. Lige nu siger Kitching, at han studerer afvejningen mellem størrelsen og følsomheden af magnetometrene og designer også chips til at bære dem.