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光纤传感器测量微小的磁场

发布:guangxuedaren    |    2018-10-08 10:09    阅读:490
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美国亚利桑那大学的研究人员开发出了一种基于光学的新技术,可用于测量非常弱的磁场。新技术的灵敏度足以从大脑和心脏探测磁场,比如当大脑神经元放电时产生的磁场。这种廉价而紧凑的传感器可以替代目前用于绘制大脑活动图谱的磁共振成像(MRI)系统,而无需MRI机器所要求的昂贵的冷却或电磁屏蔽系统。
    “一种便携式、低成本的脑成像系统可以在室温下无屏蔽的环境下工作,在运动场上和冲突地区发生潜在脑震荡后,该系统可以实时绘制脑活动图谱。”来自亚利桑那大学的研究员Babak Amirsolaimani说。研究人员利用光纤和一种新开发的对磁场敏感的聚合物-纳米颗粒复合材料,制造出了磁传感器。这种传感器可以探测到大脑的磁场,其强度比地球磁场弱1亿倍。研究人员还发现,这种新型传感器可以探测到由人类心跳产生的弱磁场,并能探测到每微秒在100平方微米范围内发生变化的磁波动。        Amirsolaimani说:“这种传感器的全光学设计意味着它可以在硅光电子芯片上以低廉的成本被制造出来,从而有可能制造出一种几乎与传感器10微米直径光纤一样小的系统。然后多个传感器可以一起使用,提供高空间分辨率的大脑活动图谱。”
       这种新的传感器可以帮助科学家更好地了解大脑的活动和大脑疾病,如痴呆和阿尔茨海默氏症。它们还可以用来测量磁场,预测火山爆发和地震,勘探石油和矿产,用于挖掘和探测军事潜艇。
       探测弱磁场的光学方法利用了磁场导致光的偏振旋转的原理,旋转的程度取决于光通过的材料。研究人员开发了一种由分散在聚合物中的纳米颗粒组成的新型复合材料,当存在非常弱的磁场时,这种材料可以在光下进行可检测的偏振旋转。
        研究人员选择了基于磁铁矿和钴的纳米颗粒,因为这些材料具有很高的磁灵敏度。随后,他们优化了纳米颗粒的大小、间距和涂层,创造了一种对磁场极其敏感的复合材料。利用光学干涉仪检测了偏振旋转。这是通过将激光分裂成两条路径来实现的,其中一条路径通过高灵敏度的材料,而另一条则不通过。通过检测各光路的偏振,对比可以测量出极弱磁场中的波动。
          在检测弱磁场时,噪声很容易掩盖被检测到的信号。出于这个原因,研究人员使用了一种干涉仪来消除震动、温度波动等环境影响。利用干涉仪使噪声水平非常接近光学设计的理论极限,这是实现检测极弱磁场的关键。
        心电图检查通常用于检测心脏问题,研究人员使用传感器测量人类心跳时产生的电脉冲产生的磁场。他们能够检测出清晰的磁信号,显示出高对比度,体现了这项技术作为心电图检查(EGC)的简单替代技术的潜力。接下来,研究人员计划研究这些传感器的长期稳定性,以及它们如何抵御环境变化。另外他们还想通过利用数百个传感器来制造一个系统,用以评估和成像人类大脑的整个磁场。

研究人员开发了一种全光传感器,可以探测非常微弱的磁场,比如神经元放电产生的磁场。随着进一步的发展,传感器(左)可以减少以匹配光纤直径(红色在右边)。

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