Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали компактный магнитометр высокой точности с новой схемой, применимый в разных сферах, от геологии до медицины.
Магнитометры — это приборы для измерения магнитных полей, которые широко используются в науке и технике. Их применяют в геологии для поиска месторождений полезных ископаемых и металлов. Они улавливают магнитное поле Земли, а аномалии указывают на залежи железной руды или пустоты.
С помощью таких приборов определяют опасность для буровых станков и угольных шахт, ищут подводные лодки и корабли, неразорвавшиеся боеприпасы, намагниченные детали в двигателях. Магнитометры используют и для авиационной навигации. Также они важны в клинических исследованиях по мониторингу состояния мозга и сердца, для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний и патологий центральной нервной системы (например, эпилепсии).
Оптические магнитометры работают на основе света. Обычно он колеблется во всех направлениях, как морская волна или верёвка, которую хаотично трясут. Можно заставить его колебаться либо только в одной плоскости (линейно), либо по кругу — это называется поляризацией света. В магнитометрах важен именно «закрученный» свет, поскольку он позволяет увеличить чувствительность прибора.
Сегодня Россия зависит от импорта таких устройств, поэтому наработки в этой сфере крайне важны для перспективы создания отечественной продукции. Современные технологии требуют создания более компактных и точных датчиков. Учёные Пермского Политеха разработали упрощённую схему магнитометра, способную улавливать поля порядка 0,01 Тл, что полезно в навигации по магнитным линиям, контроле качества металлов и их поиске под землёй. Такое магнитное поле примерно в 200 раз слабее того, что у магнитов туристических сувениров!
Для улавливания светового излучения в современных датчиках используют специальное оптическое SPUN-волокно (от английского spun — «скрученный»). В отличие от обычного, сохраняющего только линейную поляризацию, оно значительно меньше искажает излучение при изгибах и перепадах температуры. А главное, работает только с «закрученным» светом, что и нужно для измерения.
Современные технологии требуют создания более простых и при этом точных датчиков, чтобы облегчить их использование. Учёные Пермского Политеха разработали схему магнитометра, которая позволяет сделать его конструкцию более компактной.
«Традиционно в таких устройствах используется оптическое волокно длиной 1 километр, плотно намотанное в виде катушки. Мы заменили его на короткий отрезок волокна длиной всего 10 метров, замкнутый в кольцо, то есть оптический резонатор. Благодаря этому даже при малой длине свет проходит большое расстояние за счёт многократных оборотов. Это значительно уменьшает габариты устройства», — комментирует разработку Антон Чувызгалов, младший научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ.
Для «закручивания» света в SPUN-волокне нужна отдельная деталь — кристаллическая пластинка. Без этого оптический магнитометр не сможет работать. Однако дополнительные детали добавляют лишний вес и усложняют конструкцию, делая её менее удобной в применении.
«Обычно такие пластинки — это отдельные детали из кристаллов, — поясняет научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ кандидат технических наук Даниил Гилёв. — Чтобы конструкция была компактнее, мы сделали проще: соединили два типа волокон. В месте их сварки линейная поляризация автоматически превращается в круговую. Так вся система остаётся удобной для датчиков».
Пермские исследователи провели эксперимент, в ходе которого пропускали ток и создавали магнитное поле, которое улавливало SPUN-волокно: чем сильнее был ток, тем больше «закручивался» свет. Полученные данные подтвердили, что SPUN-волокно действительно способно засекать поля от 0,01 Тл.
Учёные Пермского Политеха отмечают, что дальнейшие исследования позволят повысить чувствительность разработанного магнитометра, что может способствовать применению таких датчиков и в медицине. Это важный шаг для отечественного производства: в будущем отечественные устройства могут стать доступной альтернативой существующим зарубежным аналогам, сочетая высокую точность с малыми габаритами.