Fysikere sænker tærsklen for at detektere ekstremt svage magnetiske signaler

Fysikere ved Saarland Universitet har udviklet magnetfeltsensorer, der slår følsomhedsrekorder og åbner en lang række potentielle nye applikationer, fra berøringsfri målinger af den elektriske aktivitet i det menneskelige hjerte eller hjerne til detektering af malmaflejringer eller arkæologiske rester dybt under jorden. Professor Uwe Hartmann og hans forskerhold har udviklet et system, der gør det muligt for dem at detektere svage magnetiske signaler over store afstande i normale miljøer (intet vakuum, ingen lave temperaturer, ingen afskærmning), trods tilstedeværelsen af ​​mange kilder til interferens. Deres system kan registrere signalstyrker langt under en milliarddel af en tesla - cirka en million gange mindre end Jordens magnetfelt - og kan bruges til at detektere biomagnetiske signaler i menneskekroppen eller geofysiske fænomener.

Forskerteamet udstiller på Hannover Messe fra 1. april (hal 2, Stand B46) og leder efter partnere, som de kan udvikle deres teknologi til praktiske applikationer med.

Hvis læger vil undersøge en patients hjerte for at se, om det slår uregelmæssigt, de skal først fastgøre elektroder til patientens bryst, håndled og ankler. Det samme er tilfældet, når man forsøger at måle hjernens elektriske aktivitet. Patienten skal først forbindes, før den elektriske aktivitet i deres hjerne kan registreres. Men når tingene skal ske hurtigt, dette kan betyde, at læger mister værdifuld tid. Det ville være meget lettere, hvis der var en anordning svarende til en metaldetektor tilgængelig, der kunne fejes over patientens krop eller hoved, men stadig ville levere pålidelige resultater. Indtil nu, ikke-kontakt medicinske diagnostiske procedurer har mislykkedes, fordi de simpelthen ikke er egnede til daglig brug. Sensorer, der er følsomme nok til at måle de biomagnetiske felter, der produceres af menneskekroppen, skal fungere i meget omhyggeligt regulerede miljøer. De skal være godt afskærmet mod eksterne kilder til interferens, skal betjenes ved upraktisk lave temperaturer på under -200 ° C eller kræve et vakuum.

Nu, imidlertid, Professor Uwe Hartmann og hans team af eksperimentelle fysikere ved Saarland Universitet er lykkedes med at udvikle magnetfeltsensorer, der kan fungere under normale omgivelsesbetingelser, mens de stadig kan registrere signaler på meget lavt niveau, såsom de svage biomagnetiske felter produceret af mange af kroppens funktioner. 'Man kan sige, at præcisionen i vores teknik er som at kunne lokalisere et sandkorn i en bjergkæde. Vi kan registrere over relativt store afstande magnetiske felter, der er cirka en million gange svagere end Jordens magnetfelt - blot et par picotesla, det er en milliontedel af en milliontedel af en tesla, 'forklarer Uwe Hartmann. Indtil nu, sensorer, der arbejder under normale omgivelsesbetingelser, har været i stand til at detektere magnetfelter, der er omkring tusind gange mindre end Jordens magnetfelt.

Den virkelige udfordring, imidlertid, var ikke den knapt påviselige størrelse af selve signalerne. 'Hovedproblemet ved måling af disse bittesmå signaler i et normalt miljø er at kunne adskille signalerne rent fra de mange interferenssignaler, der uundgåeligt er til stede, siger Hartmann. Der er alle mulige faktorer, der genererer støj, eller som forfalsker det svage signal, som fysikerne er interesseret i. Kilder til interferens omfatter Jordens magnetfelt, elektriske apparater, bevægende trafik, signaler fra andre organer i kroppen eller endda fra solstorme. Hartmanns forskningsgruppe har i årevis arbejdet med magnetometre (magnetfeltsensorer), og de har med succes udviklet disse enheder til en lang række applikationer. 'I løbet af de sidste par år har Det er lykkedes os at øge følsomheden og selektiviteten af ​​vores magnetometre. Følsomheden, som vores sensorer nu demonstrerer, er ikke kun resultatet af vores kontinuerlige sensorudviklingsarbejde, men især forbedringerne i vores databehandlingssoftware, 'forklarer han.

Hartmann og hans team har været involveret i flere projekter, hvor deres fokus var på at filtrere interferenssignaler fra måledata. Forskerne i Saarbrücken har, for eksempel, udviklet et smart sensorkabel, hvor magnetometre er forbundet til hinanden i et netværk. En række af disse systemer testes i øjeblikket som komponenter i lufthavnstrafikstyringssystemer. I en anden ansøgning, sensorerne bruges til fjernovervågning af perimeterhegn. I dette tilfælde, systemet skal være i stand til at skelne og identificere alle de forskellige faktorer, der forårsager målbare ændringer i magnetfeltet. Forskergruppen udførte derfor et stort antal tests, hvor de simulerede ændringer i magnetfeltet, såsom dem, der opstår, når hegnet vibrerer, eller når det bliver ramt, og tildelte de resulterende signalmønstre til de tilsvarende kilder. Fysikerne har matematisk modelleret signalmønstrene, oversatte resultaterne til algoritmer og brugte disse til at programmere analysatoren - en proces, der løbende forbedres, efterhånden som stadig mere detaljerede data bliver tilgængelige. 'Vi bruger disse oplysninger til at lære systemet og til løbende at udvide dets muligheder. Det kan genkende typiske signalmønstre og automatisk tildele dem til forskellige kilder til interferens. Vi er nu i en position, hvor vi kan tildele måledata og signalmønstre meget præcist til deres respektive årsager, 'forklarer Hartmann.

Mens arbejdet, der udføres af professor Hartmann og hans team, i det væsentlige er grundforskning, der er en bred vifte af potentielle anvendelser til disse meget følsomme magnetometre. De kunne, for eksempel, bruges til diagnostiske formål inden for kardiologi eller neurologi, hvor de kunne supplere eksisterende teknikker såsom EKG (elektrokardiografi) eller EEG (elektroencefalografi). Et andet potentielt anvendelsesområde er i geofysisk sansning, når man søger efter råolie, mineralforekomster eller arkæologiske rester.

Forskergruppen viser deres arbejde på Hannover Messe, hvor de vil lede efter kommercielle partnere, især virksomheder inden for den medicinske teknologisektor, med hvem de kan udvikle deres teknologi til praktiske anvendelser.

Teamet vil demonstrere følsomheden af ​​deres sensorer i hal 2 (stand B46) ved at opdage overraskende eksempler på magnetiske objekter i den lokale nærhed.