Kvantmagnetometrar kan upptäcka och visualisera de minsta skadorna i ferromagnetiska material. Inom flygteknik eller fordonsindustrin kan de bidra till att avsevärt öka motståndskraften och säkerheten hos system och material.
Denna slutsats drogs av forskare från det nyligen avslutade Fraunhofer fyrprojektet QMag. De undersökte också användningen av kvantmagnetometrar inom biomedicin, flödesmätning och chipproduktion.
Strukturella defekter som sprickor, nederbörd eller andra ojämnheter i metalliska material leder till lokala förändringar i magnetfältet, vilket kan testas oförstörande med hjälp av magnetometrar. Kvantmagnetometrar är mycket känsligare än konventionell teknik och kan upptäcka även små magnetiska förändringar i material.
"Inom fordons- och rymdteknik är det viktigt att säkerställa tillförlitlighet och hållbarhet hos material, men de tekniker som hittills använts är antingen för stora eller inte tillgängliga för industrin", säger prof. Dr. Rüdiger Quay, projektledare för QMag och direktör från Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF.
I projektet "Quantum Magnetometry", eller kortfattat QMag, har Fraunhofer-forskare undersökt och vidareutvecklat kvantsensorer för specifika industriella tillämpningar. De arbetade med två kompletterande tillvägagångssätt:å ena sidan använde de optiskt pumpade magnetometrar (OPM), som kännetecknas av sin extremt höga magnetfältskänslighet, och å andra sidan använde de avbildningskvantmagnetometrar baserade på kvävevakans (NV). centrerar i diamant med extremt hög rumslig upplösning.
Båda teknikerna fungerar vid rumstemperatur och är lämpliga för industriella applikationer. Forskningsresultaten visar att kvantmagnetometrarna upptäcker förändringar i provernas magnetfält även när materialutmattningen ännu inte är synlig.
Forskarna använde OPM för att mäta förändringarna i magnetfältet hos ferromagnetiska materialprover medan de utsattes för cyklisk trötthet. De har alltså visat att kvantmagnetometrar upptäcker de minsta materialdefekterna mycket tidigare än konventionell teknik. Det var också möjligt att förkorta mättiden, vilket är mycket viktigt för användning i industriella processer som komponenttestning.
Vid materialtestning kan OPM:er och NV-magnetometrar användas på kompletterande sätt:Medan OPM:er ger en dynamisk signal från hela provet, kan NV-magnetometri användas för att mäta de magnetiska egenskaperna hos individuell skada på mikro- och nanoskala i detalj.
"Vid materialtestning kan kvantmagnetometrar hjälpa till att uppskatta felet hos ferromagnetiska komponenter innan materialen uppvisar igenkännbara sprickor. Detta spelar en särskilt viktig roll i säkerhetskritiska komponenter", säger Dr Simon Philipp, forskare vid Fraunhofer Institute for Mechanics of Material IWM.
Forskarna har även lyckats utveckla en ny NV-magnetometer som leder till snabbare resultat vid materialtestning och till och med möjliggör ytterligare tillämpningar:Bredfältsmagnetometern mäter magnetfält över en stor provyta på mycket kort tid och är därför lämplig för snabba mätningar i industriella tillämpningar.
"Bredfältsmagnetometern kan användas för karakterisering och optimering av ferromagnetiska material, men den är också mycket väl lämpad för applikationer inom biomedicin och medicinsk teknik. Organiska prover kan undersökas oförstörande och med avbildning", säger Niklas Mathes. forskare vid Fraunhofer IAF.
Forskarna nådde ytterligare framgång med användningen av OPM i flödesmätning:de har utvecklat en helt ny metod för att mäta vätskors flödeshastigheter i ett rör baserat på OPM. Magnetometrisk flödesmätning är en beröringsfri metod som kan appliceras på ett brett spektrum av media och är lämplig för användning i processtyrning. Denna metod representerar ett betydande framsteg, eftersom tidigare metoder för flödesmätning vanligtvis är invasiva.
Projektgruppen undersökte också användningen av kvantmagnetometrar i mikro- och nanoelektronik och chipproduktion och identifierade enorm potential:Inom kvalitetskontroll kan kvantmagnetometrar användas för att mäta elektriska kretsar och omedelbart upptäcka felaktiga transistorer, till exempel.
För att göra forskningsresultaten tillgängliga för industrin och för att testa de teknologier som utvecklats för specifika tillämpningar, inrättades två testanläggningar som en del av projektet. Ett magnetiskt avskärmat rum har installerats vid Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM, som kan användas för testmätningar.
"Den magnetiska miljön i testanläggningen har ett restfält på mindre än 5 nanotesla och erbjuder mycket hög brusdämpning. Detta gör att vi kan mäta även de minsta magnetfält som genereras av hjärnvågor. Vi gör denna miljö tillgänglig för industrin för mättjänster, " förklarar Dr. Peter Koss, forskare vid Fraunhofer IPM.
För att underlätta överföringen av kvantmagnetometrar till industrin inrättades ytterligare en testanläggning vid Fraunhofer IAF, som innehåller flera NV-magnetometrar. Det gör det möjligt för intresserade företag, särskilt små och medelstora företag och nystartade företag, att utvärdera fördelarna och potentialen med kvantmagnetometrar för deras specifika krav.
Tillhandahålls av Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF
