Fiberoptisk sensor måler små magnetiske felter

Forskere har udviklet en lysbaseret teknik til måling af meget svage magnetfelter, såsom dem, der produceres, når neuroner brænder i hjernen. De billige og kompakte sensorer kan tilbyde et alternativ til de magnetiske resonansbilledsystemer (MRI), der i øjeblikket bruges til at kortlægge hjerneaktivitet uden den dyre køling eller elektromagnetiske afskærmning, der kræves af MR -maskiner.

"En bærbar, billigt hjernebilleddannelsessystem, der kan fungere ved stuetemperatur i uskærmede miljøer, ville muliggøre realtidskortlægning af hjerneaktivitet efter potentielle hjernerystelser på sportsbanen og i konfliktzoner, hvor virkningen af ​​sprængstof på hjernen kan være katastrofal, "sagde forskermedlem Babak Amirsolaimani fra University of Arizona, Tucson.

Som beskrevet i tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver , forskerne fremstillede de magnetiske sensorer ved hjælp af optiske fibre og en nyudviklet polymer-nanopartikelkomposit, der er følsom over for magnetfelter. Sensorerne kan registrere hjernens magnetfelt, som er 100 millioner gange svagere end jordens magnetfelt.

Forskerne viste også, at den nye sensor kan detektere det svage magnetiske mønster af et menneskeligt hjerteslag og har evnen til at detektere magnetiske udsving, der ændrer hvert mikrosekund fra et område så lille som 100 kvadrat mikron.

"Sensorens helt optiske design betyder, at den kan fremstilles billigt på en silicon-fotonikchip, gør det muligt at producere et system, der er næsten lige så lille som sensorens optiske fiber med en diameter på 10 mikrometer, "sagde Amirsolaimani." Flere sensorer kan derefter bruges sammen til at give hjernekortlægning med høj rumlig opløsning. "

De nye sensorer kan hjælpe forskere med bedre at forstå hjernens aktivitet og hjernesygdomme som demens og Alzheimers. De kan også være nyttige til måling af de magnetiske felter, der bruges til at forudsige vulkanudbrud og jordskælv, identificere olie og mineraler til udgravning og opdage militære ubåde.

Optisk detektion af magnetiske felter

Den optiske metode til påvisning af svage magnetfelter drager fordel af det faktum, at et magnetisk felt får polarisering af lys til at rotere, med rotationsgraden afhængig af det materiale, gennem hvilket lyset passerer. Forskerne udviklede et nyt kompositmateriale fremstillet af nanopartikler spredt i en polymer, der giver en påviselig polarisationsrotation i lys, når der er meget svage magnetfelter.

De valgte nanopartikler baseret på magnetit og kobolt, fordi disse materialer udviser meget høj magnetisk følsomhed. De optimerede derefter størrelsen, mellemrum og belægning af nanopartiklerne for at skabe et kompositmateriale, der er ekstremt følsomt over for magnetfelter.

Forskerne opdagede polariseringsrotationen ved hjælp af et optisk interferometer. Dette virker ved at opdele laserlys i to stier, den ene passerer gennem det meget følsomme materiale, mens den anden ikke gør det. Polarisationen af ​​hver lyssti detekteres og sammenlignes med måling af udsving i meget små magnetfelter.

Ved påvisning af svage magnetfelter, støj kan let dække over det signal, der detekteres. Af denne grund, forskerne brugte et interferometer -setup, der eliminerer omgivende miljøeffekter såsom vibrationer og temperatursvingninger. Denne opsætning holdt støjniveauet meget tæt på den teoretiske grænse for det optiske design, som var nøglen til at detektere meget svage magnetfelter.

Forskerne brugte sensorerne til at måle magnetfeltet skabt af elektriske impulser produceret under det menneskelige hjerteslag. De var i stand til at opdage et klart magnetisk signal med høj kontrast, demonstrere teknologiens potentiale som en simpel erstatning for elektrokardiografi, eller EKG, test, der normalt udføres for at opdage hjerteproblemer.

Næste, forskerne planlægger at studere sensorernes langsigtede stabilitet, og hvor godt de modstår miljøændringer. De ønsker også at fremstille flere hundrede sensorer til at lave et system til evaluering og billeddannelse af hele magnetfeltet i en menneskelig hjerne.