Små, känsliga magnetfältsdetektorer

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en ny typ av magnetometer – eller magnetfältsdetektor – som konkurrerar med känsligheten hos sina föregångare men är liten och billig och använder väldigt lite ström.

Krympsensorer: Överst är metallatomer inuti en kiselkub (grön) i linje (pilar) med ljus från en infraröd laser som lyser på en detektor (blå). I botten, i närvaro av ett svagt magnetfält – emitterat till exempel av en bomb – förskjuts atomerna ur linje och kan nu absorbera ljus från lasern.

Magnetometrar har ett brett utbud av potentiella tillämpningar: där det finns en elektrisk ström finns det ett magnetfält. Mätningar av magnetfält kan avslöja information om den elektriska aktiviteten hos det mänskliga hjärtat och hjärnan, den kemiska identiteten hos en snurrande atom eller helt enkelt närvaron eller frånvaron av metall. På grund av sin ringa storlek och känslighet lovar de nya sensorerna att förbättra upptäckten av bomber och fostrets hjärtslag, och de kan införlivas i framtida magnetisk resonanstomografi (MRI) skannrar.

Den nya sensorn, utvecklad av NIST-fysiker John Kitching , består av en laser, en cell som innehåller förångade metallatomer och en ljusdetektor. När metallatomerna belyses av lasern, riktar de sig så att de inte absorberar något av ljuset. Närvaron av även ett mycket svagt magnetfält stör emellertid deras inriktning och de absorberar en del av ljuset. Denna förändring registreras av detektorn.

Andra forskare har gjort liknande magnetometrar, men Kitching och hans team använde mikrotillverkningstekniker för att miniatyrisera ångcellen, som i deras enhet består av en kubikmillimeter kisel. Lasern är en infraröd diod som liknar de i CD-enheter, så alla tre komponenterna kan monteras på silikonchips, vilket gör dem lättare att arbeta med.

För applikationer som detektering av improviserade explosiva anordningar eller oexploderad ammunition i minfält kan NIST-sensorernas ringa storlek och låga energiförbrukning göra stor skillnad. Sensorerna kan grupperas i arrayer, vilket gör det möjligt att få in mer data under en viss tid. Kommersiellt tillgängliga laserbaserade magnetiska detektorer är lika stora som läskburkar, kräver 20 watt effekt och kostar $20 000 styck, så att gruppera dem i arrayer är ogenomförbart.

Saneringsarbetare använder dessa stora sensorer för att upptäcka oexploderade landminor och andra vapen på tidigare slagfält, men det är en tråkig procedur, säger Mark Prouty, president för Geometri , ett företag i San Jose, CA, som tillverkar magnetiska sensorer. De tunga sensorerna måste bäras fram och tillbaka över ett fält och sedan bäras tillbaka till ett kontor, där magnetisk data syntetiseras med GPS-data för att göra kartor. Sedan måste arbetarna gå tillbaka till fältet med kartorna för att gräva upp vapnen.

Med en uppsättning mindre sensorer skulle det vara möjligt att samla in data i en ögonblicksbild och gräva upp [vapen] i fältet, säger Prouty.

Upptäckten av improviserade sprängladdningar är också ett stort problem för militären, säger Prouty. Det är svårt att upptäcka dessa bomber med individuella magnetiska sensorer eftersom allt dyker upp, inklusive fordonet som sensorn är monterad på, förklarar han. Enstaka sensorer gör punktmätningar; de kan upptäcka ett metallinnehållande föremål som en bomb men kan inte ge någon information om dess plats eller form. En rad magnetiska sensorer skulle kunna ge ett svar på plats, säger Prouty.

Magnetiska mätningar används också för att studera hjärnan och hjärtat. Nervaktivitet i hjärnan genererar mycket svaga magnetfält - cirka 10 storleksordningar mindre än jordens. Att mäta denna svaga biomagnetism kräver mycket känsliga magnetiska detektorer som kallas SQUIDs, som i sin tur kräver supraledande material. De känsligaste Bläckfiskarna måste kylas till inom några få grader av absolut noll med flytande helium; de kostar cirka 2 miljoner dollar.

Kitchings magnetometrar är nästan lika känsliga som SQUIDs och kan fungera i rumstemperatur. Han säger att de för närvarande är tillräckligt känsliga för att mäta magnetfält från hjärtat men inte från hjärnan. Fosterhjärtövervakning får mycket uppmärksamhet inom det medicinska området men är svårt eftersom det inte är möjligt att placera elektroder direkt på ett foster i livmodern, säger Kitching. Elektriska fält kommer inte till ytan opåverkade [av moderns vävnader], men magnetiska fält gör det, säger han.

David Cohen , som gjorde några av de första mätningarna av biomagnetism på 1960-talet, säger att Kitchings magnetometrar kan komma till den punkt där du kan mäta hjärtat, men han är skeptisk till att de kommer att användas för att studera hjärnaktivitet. Han tvivlar på att en enhet som använder NIST-sensorerna för att upptäcka biomagnetism skulle sluta bli billigare än de som är beroende av SQUID.

En annan potentiell användning för sensorerna är i framtida MRI-skannrar. För icke-invasiva biologiska åtgärder kan detta vara en riktigt intressant sak, säger Yael Maguire , som, innan han grundade ThingMagic, i Cambridge, MA, arbetade med att miniatyrisera kärnmagnetiska resonansdetektorer, en teknik som liknar MRI. MRT kräver för närvarande ett eget rum, specialiserade tekniker och en stor, stark magnet. Kostnaden för tillgång till maskinerna är ett problem med MR, säger Maguire. (Se bättre bilder av proteiner.) Mycket känsliga, billiga magnetometrar som Kitchings skulle kunna inkorporeras i framtida MRI-skannrar, vilket gör det möjligt för dem att använda mindre magneter, sänka kostnaderna och potentiellt göra dem bärbara.

Men sådana kliniska tillämpningar är många år bort. Just nu säger Kitching att han studerar avvägningen mellan storleken och känsligheten på magnetometrarna och designar även chips för att bära dem.

Dölj