211service.com
Kleine, gevoelige magnetische velddetectoren
Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw type magnetometer – of magneetvelddetector – ontwikkeld die de gevoeligheid van zijn voorgangers evenaart, maar klein en goedkoop is en heel weinig stroom verbruikt.
Krimpsensoren: Bovenaan zijn metaalatomen in een siliciumkubus (groen) uitgelijnd (pijlen) met licht van een infraroodlaser die op een detector (blauw) schijnt. Aan de onderkant, in de aanwezigheid van een zwak magnetisch veld, bijvoorbeeld uitgezonden door een bom, zijn de atomen uit de lijn verschoven en kunnen ze nu licht van de laser absorberen.
Magnetometers hebben een breed scala aan potentiële toepassingen: waar een elektrische stroom is, is er een magnetisch veld. Metingen van magnetische velden kunnen informatie onthullen over de elektrische activiteit van het menselijk hart en de hersenen, de chemische identiteit van een ronddraaiend atoom of gewoon de aan- of afwezigheid van metaal. Vanwege hun kleine formaat en gevoeligheid beloven de nieuwe sensoren de detectie van bommen en foetale hartslagen te verbeteren, en kunnen ze worden opgenomen in toekomstige MRI-scanners (magnetic resonance imaging).
De nieuwe sensor, ontwikkeld door NIST-fysicus John Kitching , bestaat uit een laser, een cel met verdampte metaalatomen en een lichtdetector. Wanneer de metaalatomen door de laser worden verlicht, worden ze zodanig uitgelijnd dat ze geen licht absorberen. De aanwezigheid van zelfs een zeer zwak magnetisch veld verstoort echter hun uitlijning en ze absorberen een deel van het licht. Deze verandering wordt geregistreerd door de detector.
Andere onderzoekers hebben soortgelijke magnetometers gemaakt, maar Kitching en zijn team gebruikten microfabricagetechnieken om de dampcel te miniaturiseren, die in hun apparaat bestaat uit een kubieke millimeter silicium. De laser is een infrarooddiode die lijkt op die in cd-drives, dus alle drie de componenten kunnen op siliciumchips worden gemonteerd, waardoor ze gemakkelijker te bewerken zijn.
Voor toepassingen zoals de detectie van geïmproviseerde explosieven of niet-ontplofte munitie in mijnenvelden, kunnen de kleine afmetingen en het lage stroomverbruik van de NIST-sensoren een groot verschil maken. De sensoren kunnen in arrays worden gegroepeerd, waardoor het mogelijk is om in een bepaalde tijd meer gegevens te verzamelen. In de handel verkrijgbare op laser gebaseerde magnetische detectoren zijn zo groot als frisdrankblikjes, hebben 20 watt vermogen nodig en kosten $ 20.000 per stuk, dus het is onpraktisch om ze in arrays te groeperen.
Saneringswerkers gebruiken deze grote sensoren om niet-ontplofte landmijnen en andere wapens op voormalige slagvelden te detecteren, maar het is een vervelende procedure, zegt Mark Prouty, president van geometrie , een bedrijf uit San Jose, CA, dat magnetische sensoren maakt. De zware sensoren moeten heen en weer over een veld worden gedragen en vervolgens terug naar een kantoor worden gedragen, waar magnetische gegevens worden gesynthetiseerd met GPS-gegevens om kaarten te maken. Daarna moeten de arbeiders terug naar het veld met de kaarten om de wapens op te graven.
Met een reeks kleinere sensoren zou het mogelijk zijn om gegevens in een momentopname te verzamelen en [wapens] in het veld op te graven, zegt Prouty.
De detectie van geïmproviseerde explosieven is ook een groot probleem voor het leger, zegt Prouty. Het is moeilijk om deze bommen te detecteren met individuele magnetische sensoren omdat alles verschijnt, inclusief het voertuig waarop de sensor is gemonteerd, legt hij uit. Enkele sensoren voeren puntmetingen uit; ze kunnen een metaalhoudend object zoals een bom detecteren, maar kunnen geen informatie geven over de locatie of vorm. Een array van magnetische sensoren zou ter plekke een antwoord kunnen geven, zegt Prouty.
Magnetische metingen worden ook gebruikt om de hersenen en het hart te bestuderen. Zenuwactiviteit in de hersenen genereert zeer zwakke magnetische velden - ongeveer 10 orden van grootte kleiner dan die van de aarde. Het meten van dit zwakke biomagnetisme vereist zeer gevoelige magnetische detectoren, SQUID's genaamd, die op hun beurt supergeleidende materialen nodig hebben. De meest gevoelige SQUID's moeten met vloeibaar helium tot enkele graden van het absolute nulpunt worden gekoeld; ze kosten ongeveer $ 2 miljoen.
De magnetometers van Kitching zijn bijna net zo gevoelig als SQUID's en kunnen bij kamertemperatuur werken. Hij zegt dat ze momenteel gevoelig genoeg zijn om magnetische velden vanuit het hart te meten, maar niet vanuit de hersenen. Foetale hartmonitoring krijgt veel aandacht in de medische wereld, maar is moeilijk omdat het niet mogelijk is om elektroden rechtstreeks op een foetus in de baarmoeder te plaatsen, zegt Kitching. Elektrische velden komen niet onaangetast naar de oppervlakte [door de weefsels van de moeder], maar magnetische velden wel, zegt hij.
David Cohen , die in de jaren zestig enkele van de eerste metingen van biomagnetisme deed, zegt dat de magnetometers van Kitching het punt kunnen bereiken waarop je het hart kunt meten, maar hij is sceptisch dat ze zullen worden gebruikt om hersenactiviteit te bestuderen. Hij betwijfelt of een apparaat dat de NIST-sensoren gebruikt om biomagnetisme te detecteren, uiteindelijk goedkoper zou zijn dan apparaten die op SQUID vertrouwen.
Een ander potentieel gebruik voor de sensoren is in toekomstige MRI-scanners. Voor niet-invasieve biologische maatregelen kan dit heel interessant zijn, zegt Yael Maguire , die, voordat hij ThingMagic oprichtte, in Cambridge, MA, werkte aan het miniaturiseren van nucleaire magnetische resonantiedetectoren, een technologie die vergelijkbaar is met MRI. MRI heeft momenteel een eigen ruimte, gespecialiseerde technici en een grote, sterke magneet nodig. De kosten van toegang tot de machines zijn een probleem met MRI, zegt Maguire. (Zie Betere afbeeldingen van eiwitten .) Zeer gevoelige, goedkope magnetometers zoals die van Kitching zouden kunnen worden ingebouwd in toekomstige MRI-scanners, waardoor ze kleinere magneten kunnen gebruiken, waardoor de kosten omlaag gaan en ze mogelijk draagbaar worden.
Maar dergelijke klinische toepassingen zijn nog vele jaren verwijderd. Op dit moment zegt Kitching dat hij de wisselwerking tussen de grootte en gevoeligheid van de magnetometers bestudeert en ook chips ontwerpt om ze te dragen.