Новости

Магнитные поля окружают нас повсюду. Их создают любые работающие приборы: двигатели, линии электропередачи, процессоры в телефонах и компьютерах. Сами по себе они невидимы, но их изменения могут многое рассказать о скрытых явлениях. Например, перегрузка электросети меняет ее поле раньше, чем случится авария. Определив его магнитометром (специальное устройство для измерения), можно вовремя заметить опасность без контакта с проводами. В геологоразведке железная руда искажает земное поле — так возникает аномалия на поверхности. Обнаружив ее, геологи находят месторождение, не копая вслепую. А в авиации поле Земли служит естественным ориентиром: прибор определяет рельеф местности.

 

Кроме того, магнитные поля создаются не только техникой, но и самим человеком. Сердце, мозг и мышцы при работе порождают очень слабые магнитные сигналы. И здесь их измерение тоже дает важную информацию: по изменениям этих полей можно судить о работе органов без хирургических операций и даже без электродов. Например, датчик, поднесенный к груди, улавливает магнитные сигналы сердца. Если они отклоняются от нормы — значит, есть проблема, которую врач заметит до появления явных симптомов. Но чем слабее сигнал, тем ближе приходится подносить устройство, иначе оно просто ничего не различит. 

 

Именно поэтому магнитометр должен быть маленьким и компактным. Но большинство существующих приборов — электронные, а их точность и надежность напрямую зависят от размера. Громоздкое устройство работает стабильно и не боится помех, однако применить его на практике трудно — не прижмешь к груди пациента, не закрепишь на борту самолета, не просунешь в узкий отсек подстанции. Если же уменьшить его до компактного размера, оно начнет ошибаться из-за внешних помех, а металлические контакты внутри быстро окислятся и выйдут из строя.

 

Более современными и надежными считаются оптические магнитометры. В них вместо металла и электричества используется свет и стеклянные нити — оптоволокно. Поэтому они не ржавеют, не боятся электромагнитных помех и, что важно для медицины и авиации, их можно сделать очень маленькими. Но и у них есть свой недостаток. В обычном оптоволокне свет идет не строго по нити, а частично расползается в стороны. Представьте, что вы светите лазерной указкой не в стену, а в воду — луч размывается, теряет четкость. Так и здесь: полезный сигнал от магнитного поля тонет в этих световых искажениях. Датчик начинает врать, что может привести к тому, что врач не заметит проблему с сердцем, а инженер пропустит начало аварии.

 

Сегодня инженеры пытаются решить эту проблему с помощью специальных отражающих покрытий внутри оптоволокна — они возвращают часть света обратно и немного уменьшают искажения. Но полностью убрать шум не получается: слабые магнитные сигналы все равно тонут в собственных световых помехах. Поэтому создание маленького, точного и надежного оптического магнитометра остается важной инженерной задачей.

 

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из ПНППК и Дальневосточного государственного университета путей сообщения разработали волоконно-оптический миниатюрный магнитометр, который в 2 раза эффективнее аналогов.

 

В основе прибора — стеклянное волокно, которое закручено по спирали, как пружина. Обычный световой кабель, если его согнуть, начинает «рассеивать» свет — сигнал искажается. В реальных условиях датчик неизбежно изгибают при установке или во время работы, а закрученное волокно можно гнуть как угодно — свет остается чистым.

 

Обычный луч света проходит через волокно один раз и сразу выходит наружу. За одно короткое путешествие слабое магнитное поле почти не успевает на него повлиять — изменение получается настолько крошечным, что прибор просто не может его заметить. Поэтому ключевое новшество ученых в том, что они замкнули волокно в петлю. Теперь свет бегает по кругу много раз подряд. Представьте, что вы крутите карусель. Если толкнуть ее один раз — она едва качнется. Но если подталкивать ее на каждом круге, она будет раскручиваться все сильнее. Здесь то же самое: с каждым новым оборотом магнитное поле подталкивает световой луч, и даже очень слабое поле в итоге оставляет заметный след.

 

Чтобы оценить, как работает такая конструкция, ученые провели серию экспериментов. Они меняли силу тока и наблюдали, как меняется поведение светового луча. По полученным данным построили график.

 

— Мы сравнили два типа лучей: обычный и закрученный. Оказалось, что магнитное поле воздействует на второй луч в два раза сильнее. А если он бежит по замкнутой петле, эффект усиливается еще больше. В итоге наш прибор в 2 раза чувствительнее старых оптических схем. И еще один плюс в том, что благодаря спиральному волокну датчик не боится деформаций. Его можно гнуть и трясти — он не начнет врать, — рассказал Антон Чувызгалов, младший научный сотрудник кафедры «Общая физика» ПНИПУ.

 

Обычное оптоволокно при малейшем изгибе меняет свои свойства: свет в нем «расползается», и показания становятся неточными. А закрученная структура словно фиксирует правильное направление для света, делая прибор устойчивым к тряске и изгибам. То есть датчик сохраняет точность в любых полевых условиях — его можно смело брать туда, где обычная электроника выходит из строя.

 

В будущем это позволит создавать магнитометры, которые можно будет встраивать прямо в бур, который сверлит землю в поисках нефти, в роботов-разведчиков, обследующих завалы, или в портативные медицинские датчики, которые пациент носит на теле. Им будет все равно, трясут их или сгибают, — они продолжат выдавать точный результат. Это открывает дорогу к созданию компактных магнитометров.

 

Источник: ПНИПУ

Читайте также:

Тэги: инновации технологии