Maži, jautrūs magnetinio lauko detektoriai

Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) mokslininkai sukūrė naujo tipo magnetometrą – arba magnetinio lauko detektorių –, kuris konkuruoja su savo pirmtakų jautrumu, bet yra mažas ir pigus bei naudoja labai mažai energijos.

Susitraukimo jutikliai: Viršuje metalo atomai, esantys silicio kube (žalia spalva), yra sulygiuoti (rodyklės) su šviesa iš infraraudonųjų spindulių lazerio, šviečiančia į detektorių (mėlyna). Apačioje, esant silpnam magnetiniam laukui, kurį skleidžia, pavyzdžiui, bomba, atomai pasislenka iš eilės ir dabar gali sugerti lazerio šviesą.

Magnetometrai turi platų pritaikymo spektrą: kur yra elektros srovė, ten yra magnetinis laukas. Magnetinių laukų matavimai gali atskleisti informaciją apie žmogaus širdies ir smegenų elektrinį aktyvumą, besisukančio atomo cheminę tapatybę arba tiesiog metalo buvimą ar nebuvimą. Dėl mažo dydžio ir jautrumo naujieji jutikliai žada pagerinti bombų ir vaisiaus širdies plakimų aptikimą ir gali būti įtraukti į būsimus magnetinio rezonanso tomografijos (MRT) skaitytuvus.

Naujasis jutiklis, sukurtas NIST fiziko Johnas Kitchingas , susideda iš lazerio, elemento, kuriame yra išgaruotų metalo atomų, ir šviesos detektoriaus. Kai metalo atomai apšviečiami lazeriu, jie išsirikiuoja taip, kad nesugertų jokios šviesos. Tačiau net ir labai silpnas magnetinis laukas sutrikdo jų išlyginimą ir jie sugeria dalį šviesos. Šį pokytį užfiksuoja detektorius.

Kiti mokslininkai sukūrė panašius magnetometrus, tačiau Kitchingas ir jo komanda naudojo mikrogamybos būdus, kad sumažintų garų elementą, kurį jų įrenginyje sudaro kubinis milimetras silicio. Lazeris yra infraraudonųjų spindulių diodas, panašus į kompaktinių diskų įrenginiuose esančius diodas, todėl visus tris komponentus galima montuoti ant silicio lustų, todėl su jais dirbti lengviau.

Tokiems tikslams kaip savadarbių sprogstamųjų įtaisų ar nesprogusių šaudmenų aptikimas minų laukuose, mažas NIST jutiklių dydis ir mažas energijos suvartojimas gali turėti didelį skirtumą. Jutikliai gali būti sugrupuoti į matricas, todėl per tam tikrą laiką galima gauti daugiau duomenų. Prekyboje parduodami lazeriniai magnetiniai detektoriai yra sodos skardinių dydžio, jiems reikia 20 vatų galios ir kiekvienas kainuoja 20 000 USD, todėl sugrupuoti juos į matricas yra neįmanoma.

Ištaisymo darbuotojai naudoja šiuos didelius jutiklius, kad aptiktų nesprogusias minas ir kitus ginklus buvusiuose mūšio laukuose, tačiau tai varginanti procedūra, sako Markas Prouty, bendrovės prezidentas. Geometrija , San Chosė, Kalifornijoje, įmonė, gaminanti magnetinius jutiklius. Sunkius jutiklius reikia nešti pirmyn ir atgal per lauką, tada nešti atgal į biurą, kur magnetiniai duomenys sintetinami su GPS duomenimis, kad būtų sudaryti žemėlapiai. Tada darbuotojai turi grįžti į lauką su žemėlapiais iškasti ginklų.

Prouty sako, kad naudojant daugybę mažesnių jutiklių būtų galima surinkti momentinius duomenis ir iškasti [ginklus] lauke.

Prouty sako, kad savadarbių sprogstamųjų užtaisų aptikimas taip pat yra didelė problema kariuomenei. Sunku aptikti šias bombas naudojant atskirus magnetinius jutiklius, nes viskas rodoma, įskaitant transporto priemonę, ant kurios jutiklis sumontuotas, aiškina jis. Pavieniai jutikliai atlieka taškinius matavimus; jie gali aptikti metalo turintį objektą, pavyzdžiui, bombą, bet negali suteikti jokios informacijos apie jo vietą ar formą. Prouty sako, kad daugybė magnetinių jutiklių galėtų pateikti atsakymą vietoje.

Magnetiniai matavimai taip pat naudojami smegenų ir širdies tyrimui. Nervų veikla smegenyse sukuria labai silpnus magnetinius laukus – maždaug 10 dydžių mažesnius nei žemės. Norint išmatuoti šį silpną biomagnetizmą, reikalingi labai jautrūs magnetiniai detektoriai, vadinami SQUID, kuriems savo ruožtu reikia superlaidžių medžiagų. Jautriausius SQUID reikia atšaldyti iki kelių laipsnių absoliutaus nulio su skystu heliu; jie kainavo apie 2 mln.

Kitchingo magnetometrai yra beveik tokie pat jautrūs kaip SQUID ir gali veikti kambario temperatūroje. Jis sako, kad šiuo metu jie yra pakankamai jautrūs, kad išmatuotų magnetinius laukus iš širdies, bet ne iš smegenų. Vaisiaus širdies stebėjimui medicinos srityje skiriama daug dėmesio, tačiau tai sunku, nes neįmanoma uždėti elektrodų tiesiai ant vaisiaus gimdoje, sako Kitchingas. Jis sako, kad elektriniai laukai nepatenka į paviršių nepaveikti [motinos audinių], tačiau magnetiniai laukai patenka.

David Cohen 1960-aisiais atlikęs keletą pirmųjų biomagnetizmo matavimų, teigia, kad Kitchingo magnetometrai gali pasiekti tašką, kuriame galima išmatuoti širdį, tačiau jis skeptiškai vertina, kad jie bus naudojami smegenų veiklai tirti. Jis abejoja, ar prietaisas, kuriame naudojami NIST jutikliai biomagnetizmui aptikti, būtų pigesnis nei tie, kurie remiasi SQUID.

Kitas galimas jutiklių panaudojimas yra būsimuose MRT skaitytuvuose. Neinvazinėms biologinėms priemonėms tai gali būti tikrai įdomus dalykas, sako Yaelis Maguire'as , kuris prieš įkurdamas „ThingMagic“ Kembridže, MA, dirbo kurdamas miniatiūrinius branduolinio magnetinio rezonanso detektorius – technologiją, panašią į MRT. Šiuo metu MRT reikalingas atskiras kambarys, specializuoti technikai ir didelis stiprus magnetas. Maguire'as sako, kad prieigos prie aparatų kaina yra MRT problema. (Žr. Geresnes baltymų nuotraukas.) Labai jautrūs, pigūs magnetometrai, tokie kaip Kitching's, galėtų būti įtraukti į būsimus MRT skaitytuvus, kad būtų galima naudoti mažesnius magnetus, sumažinant jų kainą ir galimai nešiojamus.

Tačiau tokie klinikiniai pritaikymai yra po daugelio metų. Šiuo metu Kitchingas sako, kad tiria magnetometrų dydžio ir jautrumo kompromisą ir taip pat kuria lustus jiems nešioti.

paslėpti