Jste zde

Novinka od Q.ANT - kvantový magnetický senzor

Antonín Vojáček, 25. Březen 2024 - 20:00

V roce 2022 jsem v článku "Živá ukázka kvantových senzorů" informoval o technologii Q.ANT pro měření a detekci malých částic. V letošním roce budou vývojáři od Q.ANT na veletrhu Hannover Messe předvádět další zajímavou novinku - velmi citlivé senzory magnetického pole vhodné i pro realizaci magnetického propojení strojů a lidí.

Tzv. NV magnetometry jsou ve vědě zkoumány již mnoho let. V laboratorních podmínkách bylo možné prokázat vhodnost NV senzorů pro měření nejmenších magnetických polí až pod 1 pT. To odpovídá magnetickým polím, která jsou 50 000 000krát menší než magnetické pole Země. Q.ANT si pak dal za cíl převést tuto technologii do spolehlivých senzorů vhodných pro průmyslové použití.

Q.ANT Magnetic Field Sensor

Velmi citlivá měření magnetického pole dříve vyžadovala objemné vybavení a speciální laboratorní podmínky. Nové magnetometry Q.ANT však fungují spolehlivě i v každodenních podmínkách při nichž umožňují při pokojové teplotě měření i velmi malých magnetických polí v rozsahu 300 pikotesla. To dosud bylo možné pouze chlazením senzorových systémů na absolutní nulu při -273 °C nebo zahřátím až na 150 °C.

Mezi základní výhody použití NV Q.ANT magnetometru patří:

Provoz při pokojové teplotě
Vysoká citlivost (pT/sqrt(Hz))
Velká šířka pásma (dc – kHz)
Velký dynamický rozsah (až několik T)
Bezkontaktní princip měření
Integrovatelná vektorová magnetometrie
Možnost miniaturizace
Je biokompatibilní

To lze například využít u svalové aktivity, která generuje extrémně jemné magnetické pole. Možnost jeho spolehlivé měření umožňuje koncipovat nové typy rozhraní člověk-stroj, například pro spolehlivé, intuitivní ovládání exoskeletonů, robotů a avatarů. To je však ještě hudba budoucnosti, nicméně taková magnetická rozhraní, jejich detekce, interpretace a převod za účelem ovládání zařízení a strojů je cílem produktové řady senzorů magnetického pole společnosti Q.ANT. Nicméně jednou z aktuálních počátečních oblastí je již použití jako nativní ovládání protéz pro osoby se zdravotním postižením. Navíc s citlivostí až 100 pikotesla existují potenciální průmyslové aplikace v analýze součástek a materiálů, jako je testování baterií a rozvaděčů, analýza desek plošných spojů nebo zjišťování vad v materiálových strukturách. Potenciální aplikace jsou také v navigaci pro vozidla na zemi, ve vodě i ve vzduchu, v geofyzice, nauce o materiálech a nanotechnologii.

V současné době se objevují konkrétní scénáře možného použití zejména v následujících oblastech:

Protetika (Prosthetics) - lokálně rozlišené měření svalových signálů pro řízení protéz a exoskeletonů (MMG).
Lékařská technika - včasná detekce onemocnění mozku a lokalizované měření a detekce svalových signálů, monitorování srdce a pacienta.
Automobilové a mobilní aplikace - systémy pro lokalizaci, navigaci, identifikaci a komunikaci.
Elektronická kontrola a kontrola materiálu - kontrola kvality nebo analýza poruch elektrických a elektronických součástek, např. nosiče obvodů nebo pevné disky; detekce poruchových proudů v napájecích čipech nebo bateriích. Identifikace vad v materiálové struktuře součástí.
Geofyzika - průzkum magnetických polí v nitru Země pro výzkum deskové tektoniky a ložisek nerostů.
Nauka o materiálech a nanotechnologie - charakterizace magnetických materiálů a nanočástic ve výzkumu biologických procesů a magnetických jevů v nanoměřítku v biofyzice a nanotechnologii.

Základní parametry Q.ANT NV magnetometru.

Jak pracují NV Q.ANT magnetometry ?

NV magnetometry pracují na základě principů kvantové fyziky, kde lze dusíková volná místa (NV) vytvořená v diamantech použít k vysoce přesnému měření fyzikálních veličin, jako jsou magnetická pole. V laboratorních podmínkách pak již bylo dosaženo citlivosti v rozsahu sub-pikotesla.

V srdci každého NV-Diamond magnetického senzoru se tedy nachází diamant (viz pozice 1). Diamant se stává citlivým na magnetické pole vložením prázdného prostoru atomové mřížky a atomu dusíku, tzv. NV dopování. Mikrovlny pak přivedou NV dopanty do stavu citlivého na magnetické pole (viz pozice 2). Následně tak vnější magnetické pole má vliv na stav senzoru (viz pozice 3). NV diamant se ozařuje zeleným laserem a to způsobuje, že NV dopanty fluoreskují červeným světlem (viz pozice 4). Červené fluorescenční světlo se mění se změnou vnějšího magnetického pole (viz pozice 5). Následně fotodetektor detekuje množství fluorescenčního světla, které je úměrné právě působícímu externímu slabému magnetickému pólu (viz pozice 7). Řídicí jednotka nakonec zpracovává data fotodetektoru a monitor provádí uživatelsky přívětivé zobrazení signálu (viz pozice 8).

Princip funkce Q.ANT NV magnetometru.

Další úroveň evoluce - gradiometr

Jak již bylo zmíněno výše, NV magnetometr od společnosti Q.ANT dočasně umožňuje měření velmi malých magnetických polí v rozsahu 300 pikotesla při pokojové teplotě. Dalším cílem vývoje je další nová generace snímačů magnetického pole - tzv. gradiometrů, tedy měření gradientu (numerická rychlost změny) magnetické pole nebo gravitace. Kromě další miniaturizace gradiometrického měření je cílem i účinně potlačit šum pozadí a zvýšit rozlišení běžně použitelného snímače až 10 pT. Cíle je také systém skládající se z elektronických součástek a vláknových senzorových hlavic umístěných / integrovaných spolu v místě měření a tak výrazně zjednodušit integraci do aplikací pro mobilní použití i mimo laboratoř a pokojové teploty.

Plánovaný další vývoj Q.ANT technologie NV měření magnetického pole.

Závěr

Q.ANT je plodná společnost a tak se jistě se v nějakém dalším článku k ní vrátím a představím nějaký další z jejich zajímavých produktů. Bude také opět vystavovat i na letošním veletrhu Hannover Messe v dubnu. Tam právě bude jako premiéru představovat zde popisovaný NV magnetometr.