Измеряя магнитные поля с помощью специальных магнитометров, можно предсказывать аварии на электросетях, находить залежи руды и даже диагностировать болезни сердца без операций. Но главная проблема таких приборов в том, что точные модели — громоздкие, а компактные — ненадежные: они ошибаются из-за помех и быстро ломаются. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из ПНППК и Дальневосточного государственного университета путей сообщения разработали волоконно-оптический миниатюрный магнитометр, который в 2 раза эффективнее аналогов.
Статья опубликована в сборнике трудов конференции «XV Международная конференция по фотонике и информационной оптике», 2026 г.
Магнитные поля окружают нас повсюду. Их создают любые работающие приборы: двигатели, линии электропередачи, процессоры в телефонах и компьютерах. Сами по себе они невидимы, но их изменения могут многое рассказать о скрытых явлениях. Например, перегрузка электросети меняет ее поле раньше, чем случится авария. Определив его магнитометром (специальное устройство для измерения), можно вовремя заметить опасность без контакта с проводами. В геологоразведке железная руда искажает земное поле — так возникает аномалия на поверхности. Обнаружив ее, геологи находят месторождение, не копая вслепую. А в авиации поле Земли служит естественным ориентиром: прибор определяет рельеф местности.
Кроме того, магнитные поля создаются не только техникой, но и самим человеком. Сердце, мозг и мышцы при работе порождают очень слабые магнитные сигналы. И здесь их измерение тоже дает важную информацию: по изменениям этих полей можно судить о работе органов без хирургических операций и даже без электродов. Например, датчик, поднесенный к груди, улавливает магнитные сигналы сердца. Если они отклоняются от нормы — значит, есть проблема, которую врач заметит до появления явных симптомов. Но чем слабее сигнал, тем ближе приходится подносить устройство, иначе оно просто ничего не различит.
Именно поэтому магнитометр должен быть маленьким и компактным. Но большинство существующих приборов — электронные, а их точность и надежность напрямую зависят от размера. Громоздкое устройство работает стабильно и не боится помех, однако применить его на практике трудно — не прижмешь к груди пациента, не закрепишь на борту самолета, не просунешь в узкий отсек подстанции. Если же уменьшить его до компактного размера, оно начнет ошибаться из-за внешних помех, а металлические контакты внутри быстро окислятся и выйдут из строя.
Более современными и надежными считаются оптические магнитометры. В них вместо металла и электричества используются свет и стеклянные нити — оптоволокно. Поэтому они не ржавеют, не боятся электромагнитных помех и, что важно для медицины и авиации, их можно сделать очень маленькими. Но и у них есть свой недостаток. В обычном оптоволокне свет идет не строго по нити, а частично расползается в стороны. Представьте, что вы светите лазерной указкой не в стену, а в воду — луч размывается, теряет четкость. Так и здесь: полезный сигнал от магнитного поля тонет в этих световых искажениях. Датчик начинает врать, что может привести к тому, что врач не заметит проблему с сердцем, а инженер пропустит начало аварии.
Сегодня инженеры пытаются решить эту проблему с помощью специальных отражающих покрытий внутри оптоволокна — они возвращают часть света обратно и немного уменьшают искажения. Но полностью убрать шум не получается: слабые магнитные сигналы все равно тонут в собственных световых помехах. Поэтому создание маленького, точного и надежного оптического магнитометра остается важной инженерной задачей.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из ПНППК и Дальневосточного государственного университета путей сообщения разработали волоконно-оптический миниатюрный магнитометр, который в 2 раза эффективнее аналогов.
В основе прибора — стеклянное волокно, которое закручено по спирали, как пружина. Обычный световой кабель, если его согнуть, начинает «рассеивать» свет — сигнал искажается. В реальных условиях датчик неизбежно изгибают при установке или во время работы, а закрученное волокно можно гнуть как угодно — свет остается чистым.
Обычный луч света проходит через волокно один раз и сразу выходит наружу. За одно короткое путешествие слабое магнитное поле почти не успевает на него повлиять — изменение получается настолько крошечным, что прибор просто не может его заметить. Поэтому ключевое новшество ученых в том, что они замкнули волокно в петлю. Теперь свет бегает по кругу много раз подряд. Представьте, что вы крутите карусель. Если толкнуть ее один раз, она едва качнется. Но если подталкивать ее на каждом круге, она будет раскручиваться все сильнее. Здесь то же самое: с каждым новым оборотом магнитное поле подталкивает световой луч, и даже очень слабое поле в итоге оставляет заметный след.
Чтобы оценить, как работает такая конструкция, ученые провели серию экспериментов. Они меняли силу тока и наблюдали, как меняется поведение светового луча. По полученным данным построили график.
— Мы сравнили два типа лучей: обычный и закрученный. Оказалось, что магнитное поле воздействует на второй луч в два раза сильнее. А если он бежит по замкнутой петле, эффект усиливается еще больше. В итоге наш прибор в 2 раза чувствительнее старых оптических схем. И еще один плюс в том, что благодаря спиральному волокну датчик не боится деформаций. Его можно гнуть и трясти — он не начнет врать, — рассказал Антон Чувызгалов, младший научный сотрудник кафедры «Общая физика» ПНИПУ.
Обычное оптоволокно при малейшем изгибе меняет свои свойства: свет в нем «расползается», и показания становятся неточными. А закрученная структура словно фиксирует правильное направление для света, делая прибор устойчивым к тряске и изгибам. То есть датчик сохраняет точность в любых полевых условиях — его можно смело брать туда, где обычная электроника выходит из строя.
В будущем это позволит создавать магнитометры, которые можно будет встраивать прямо в бур, который сверлит землю в поисках нефти, в роботов-разведчиков, обследующих завалы, или в портативные медицинские датчики, которые пациент носит на теле. Им будет все равно, трясут их или сгибают, — они продолжат выдавать точный результат. Это открывает дорогу к созданию компактных магнитометров.