قدرت کریستال: حسگرهای میدان مغناطیسی برای تحقیقات فیوژن

اخبار — ALBUQUERQUE، N.M. «کریستال ها – چه به شکل جواهرات، دانه های برف یا نمک خوراکی – غیر قابل انکار زیبا هستند.

در آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، محققان در حال بررسی کاربرد کمتر زیبایی‌شناختی برای آنها هستند: اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی شدید در برخی از سخت‌ترین محیط‌های تجربی در علم.

این تیم سنسوری ایجاد کرده است که از کریستال خاکی کمیاب و نور لیزر برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی شدید مورد نیاز برای تحقیقات همجوشی، آزمایش‌های توان پالسی و فیزیک با انرژی بالا استفاده می‌کند. این فناوری می تواند به محققان کمک کند تا اندازه گیری های دقیق را در مکان هایی که سنسورهای معمولی ممکن است با تشعشع، تداخل الکتریکی یا شرایط پلاسما دست و پنجه نرم کنند، جمع آوری کنند. این سنسور در جوایز R&D100 امسال ارائه شد.

اسرائیل اونز، فیزیکدان ساندیا و یکی از مخترعان این حسگر، می گوید: «ما واقعاً از اینکه همه چیز به کجا می رود هیجان زده هستیم. ما فکر می کنیم که این فناوری یک پیشرفت بسیار بزرگ در اندازه گیری میدان های مغناطیسی است. ما فکر می کنیم که این امر به ویژه برای تحقیقات در زمینه همجوشی، فیزیک انرژی بالا و صنعت انرژی ضروری است.”

سنسور Sandia نور لیزر را از طریق یک کریستال کوچک به اندازه یک پاک کن مداد می فرستد. کریستال ها از ترکیب عناصر خاکی کمیاب مانند گارنت آلومینیومی تربیوم اسکاندیم یا گارنت گالیوم تربیوم ساخته شده اند. عناصر خاکی کمیاب فلزات مفیدی هستند که در واقع کمیاب نیستند، فقط خالص کردن آنها بسیار دشوار است. بیشتر این تصفیه در حال حاضر در چین انجام می شود.

کارشناسان Sandia به رهبری اوونز، یک گارنت را با یک لیزر کوچک، دو فیلتر نور و یک آشکارساز نور ترکیب کردند. هنگامی که نور لیزر از کریستال عبور می کند، نور می چرخد. یک میدان مغناطیسی موازی با ضلع بلند گارنت میزان چرخش نور را هنگام عبور از کریستال تغییر می دهد. اوونز گفت: با اندازه گیری دقیق این چرخش، سیستم می تواند قدرت میدان مغناطیسی را تعیین کند.

پیشگام در قدرت پالس

اوونز در سال 2021 شروع به تحقیق در مورد چگونگی استفاده از گارنت های خاکی کمیاب برای اندازه گیری میدان های مغناطیسی کرد، با توجه به محیط های چالش برانگیز مانند آنچه در ماشین Z Sandia یافت می شود.

ماشین Z قدرتمندترین منبع آزمایشگاهی تشعشع در جهان است. برای تحقیقات علوم پایه، تحقیقات همجوشی اینرسی بر روی آسترهای مغناطیسی و برای کاربردهای امنیت ملی استفاده می شود. آزمایش‌ها بر روی تأسیساتی مانند Z به تشخیصی بستگی دارد که می‌تواند سیگنال‌های با تغییر سریع را بدون تحت تأثیر قرار گرفتن تشعشع یا نویز الکترومغناطیسی دریافت کند.

گارنت های خاکی کمیاب مواد دی الکتریک هستند، نوعی عایق الکتریکی، که معمولاً در خازن ها یافت می شود که در همه چیز از RAM کامپیوتر گرفته تا پست های برق استفاده می شود. خواص ذاتی این مواد با میدان های الکترومغناطیسی خارجی به گونه ای تغییر می کند که برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی مفید است. الکترومغناطیس نیروی بنیادی جهان است که توصیف می کند که چگونه میدان های الکتریکی و مغناطیسی دو روی یک سکه هستند.

تیم اوونز با استفاده از محاسبات، آزمایش‌های کوچک و آزمایش‌های مقیاس بزرگ منبع الکترونی مگاولت تابشی پرانرژی ساندیا III و رادیاتور پرتو ایکس نانوثانیه‌ای با پالس کوتاه با شدت بالا، معروف به SPHINX، نشان داد که حسگرهای زمین کمیاب می‌توانند به اندازه حسگرهای کریستالی مغناطیسی بهتری داشته باشند. مقاومت در برابر تشعشعات شدید و تداخل امواج الکترومغناطیسی.

اوونز گفت: “ما تست های زیادی را در SPHINX انجام داده ایم و در مقایسه با سنسورهای معمولی شاهد گسترش آماری کمتری بوده ایم.” مزایایی از نظر دقت و دقت اندازه گیری و همچنین توانایی کار در محیط های چالش برانگیز که از سنسورهای معمولی در دسترس نیستند، وجود دارد.

سنسور مبتنی بر گارنت همچنین مانند سنسورهای معمولی نیازی به کالیبراسیون و نگهداری مکرر نخواهد داشت که می تواند هزینه های عملیاتی را کاهش دهد.

آینده ای پربار در همجوشی

یکی از محیط های چالش برانگیز برای دستگاه های الکترونیکی، داخل پلاسمای یک راکتور همجوشی است. محققان از روش های مختلفی برای محدود کردن پلاسما و القای همجوشی استفاده می کنند. بسیاری از این روش ها از میدان های مغناطیسی شدید استفاده می کنند.

اوونز گفت: «مطالب زیادی در زمینه همجوشی وجود دارد. “آنها پلاسما را با استفاده از میدان های مغناطیسی قوی در جای خود نگه می دارند. برای آنها مهم است که بتوانند محدودیت مغناطیسی پلاسمای خود را اندازه گیری کنند. فناوری ما این توانایی منحصر به فرد را دارد که در مناطقی کار کند که سنسورهای معمولی در آنها کوتاه است.”

اوونز گفت: در تئوری، حسگرهای مبتنی بر گارنت می توانند در پلاسماها کار کنند که در آن حسگرهای فلزی معمولی مانند B-dots کوتاه می شوند و حسگرهای نوری معمولی به دلیل تشعشع تیره می شوند. سنسورهای نوری نیز باید برای گرفتن سیگنال کافی طولانی باشند، که می تواند باعث افزایش نویز و خطر شکستگی شود.

این فناوری هنوز در حال توسعه است. اوونز گفت که این تیم سنسور را در خلاء و هوا آزمایش کرده است و شروع به آزمایش آن در پلاسمای کم چگالی کرده است. هدف نهایی آزمایش آن در یک پلاسمای با چگالی بالا است که با توان مورد نیاز برای همجوشی قابل مقایسه است.

برایان اولیور، مدیر مرکز علوم تابشی و برق ساندیا، گفت: «فناوری سنجش نوری مغناطیسی، تشخیصی برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی مختلف در محیط‌های پرتوهای خشن و الکترومغناطیسی است. میدان مغناطیسی یک پارامتر بسیار مهم برای درک پدیده‌های مرتبط با فناوری شتاب‌دهنده جریان فوق‌العاده مانند شتاب‌دهنده‌های ماشین Z و زحل، تولید انرژی تابشی و همجوشی، رعد و برق و خرابی الکتریکی است.

این تیم در ماه دسامبر حق ثبت اختراع این سنسور را دریافت کرد و یک شرکت یک گزینه مجوز غیر انحصاری را برای تجاری سازی این فناوری پذیرفته است.

این تحقیق توسط برنامه تحقیق و توسعه تحت هدایت آزمایشگاه Sandia، که همچنین پشتیبانی بیشتری را برای توسعه حسگرها برای کاربردهای دیگر ارائه کرده است، تامین شده است.