Kvantemagnetometre opdager de mindste materialefejl på et tidligt tidspunkt

Kvantemagnetometre er i stand til at detektere og visualisere den mindste skade i ferromagnetiske materialer. Inden for rumfartsteknologi eller bilindustrien kan de bidrage til markant at øge modstandskraften og sikkerheden af ​​systemer og materialer.

Denne konklusion blev nået af forskere fra det nyligt afsluttede Fraunhofer fyrtårnsprojekt QMag. De undersøgte også brugen af ​​kvantemagnetometre i biomedicin, flowmåling og chipproduktion.

Strukturelle defekter såsom revner, nedbør eller andre uregelmæssigheder i metalliske materialer fører til lokale ændringer i magnetfeltet, som kan testes ikke-destruktivt ved hjælp af magnetometre. Kvantemagnetometre er meget mere følsomme end konventionelle teknologier og kan registrere selv små magnetiske ændringer i materialer.

"Inden for bil- og rumfartsteknik er det vigtigt at sikre pålideligheden og holdbarheden af ​​materialer, men de teknologier, der er brugt til dato er enten for store eller ikke tilgængelige for industrien," siger prof. Dr. Rüdiger Quay, projektleder for QMag og direktør fra Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF.

I projektet "Quantum Magnetometry", eller kort sagt QMag, har Fraunhofer-forskere undersøgt og videreudviklet kvantesensorer til specifikke industrielle applikationer. De arbejdede med to komplementære tilgange:På den ene side brugte de optisk pumpede magnetometre (OPM'er), som er karakteriseret ved deres ekstremt høje magnetfeltfølsomhed, og på den anden side brugte de billeddannende kvantemagnetometre baseret på nitrogen ledighed (NV). centrerer i diamant med ekstrem høj rumlig opløsning.

Begge teknologier fungerer ved stuetemperatur og er velegnede til industrielle anvendelser. Forskningsresultaterne viser, at kvantemagnetometrene registrerer ændringer i prøvernes magnetfelt, selv når materialetrætheden endnu ikke er synlig.

Forskerne brugte OPM'er til at måle ændringerne i magnetfeltet i ferromagnetiske materialeprøver, mens de blev udsat for cyklisk træthed. De har således demonstreret, at kvantemagnetometre opdager de mindste materialefejl meget tidligere end konventionelle teknologier. Det var også muligt at forkorte måletiden, hvilket er meget vigtigt for brug i industrielle processer såsom komponenttestning.

Ved materialetestning kan OPM'er og NV-magnetometre bruges på komplementære måder:Mens OPM'er giver et dynamisk signal fra hele prøven, kan NV-magnetometri bruges til at måle de magnetiske egenskaber af individuelle skader på mikro- og nanoskalaen i detaljer.

"I materialetestning kan kvantemagnetometre hjælpe med at estimere svigt af ferromagnetiske komponenter, før materialerne udviser genkendelige revner. Dette spiller en særlig vigtig rolle i sikkerhedskritiske komponenter," siger Dr. Simon Philipp, forsker ved Fraunhofer Institute for Mechanics of Materialer IWM.

Yderligere anvendelser inden for biomedicin, flowmåling og chipindustrien

Det er også lykkedes forskerne at udvikle et nyt NV-magnetometer, der fører til hurtigere resultater i materialetestning og endda muliggør yderligere anvendelser:Bredfeltsmagnetometeret måler magnetiske felter over et stort prøveområde på meget kort tid og er derfor velegnet til hurtige målinger i industrielle applikationer.

"Vidfeltsmagnetometeret kan bruges til karakterisering og optimering af ferromagnetiske materialer, men det er også meget velegnet til anvendelser inden for biomedicin og medicinsk teknologi. Organiske prøver kan undersøges ikke-destruktivt og med billeddiagnostik," siger Niklas Mathes. forsker ved Fraunhofer IAF.

Forskerne opnåede yderligere succes med brugen af ​​OPM'er til flowmåling:de har udviklet en helt ny metode til at måle væskestrømningshastigheder i et rør baseret på OPM'er. Magnetometrisk flowmåling er en berøringsfri metode, der kan anvendes på en lang række medier og er velegnet til brug i processtyring. Denne metode repræsenterer et betydeligt fremskridt, da tidligere metoder til flowmåling normalt er invasive.

Projektgruppen undersøgte også brugen af ​​kvantemagnetometre i mikro- og nanoelektronik og chipproduktion og identificerede et enormt potentiale:Inden for kvalitetskontrol kan kvantemagnetometre bruges til at måle elektriske kredsløb og umiddelbart opdage defekte transistorer, for eksempel.

Testfaciliteter til industrien

For at gøre forskningsresultaterne tilgængelige for industrien og for at teste de teknologier, der er udviklet til specifikke applikationer, blev der etableret to testfaciliteter som en del af projektet. Et magnetisk afskærmet rum er blevet installeret på Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM, som kan bruges til testmålinger.

"Det magnetiske miljø i testfaciliteten har et restfelt på mindre end 5 nanotesla og tilbyder meget høj støjundertrykkelse. Dette giver os mulighed for at måle selv de mindste magnetfelter, der genereres af hjernebølger. Vi stiller dette miljø til rådighed for industrien til måletjenester, " forklarer Dr. Peter Koss, forsker ved Fraunhofer IPM.

For at lette overførslen af ​​kvantemagnetometre til industrien blev der oprettet en yderligere testfacilitet hos Fraunhofer IAF, som indeholder flere NV-magnetometre. Det gør det muligt for interesserede virksomheder, især SMV'er og nystartede virksomheder, at vurdere fordelene og potentialet ved kvantemagnetometre i forhold til deres specifikke behov.

Leveret af Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF