Ученые Пермского Политеха создали компактный магнитометр вдвое эффективнее аналогов

Магнитные поля окружают нас повсюду: их создают двигатели, линии электропередачи, процессоры телефонов и компьютеров. Изменения этих полей могут многое рассказать о скрытых явлениях. Например, перегрузка электросети меняет ее поле раньше, чем произойдет авария. Зафиксировав это магнитометром, можно вовремя заметить опасность без контакта с проводами.

В геологоразведке железная руда искажает естественное магнитное поле Земли, создавая аномалии на поверхности. Обнаружив их, геологи находят месторождения без раскопок. В авиации магнитное поле служит естественным ориентиром для определения рельефа. Кроме того, магнитные сигналы генерирует сам человек: сердце, мозг и мышцы при работе создают слабые поля. Их изменения позволяют судить о работе органов без хирургического вмешательства.

Однако для измерения слабых сигналов датчик должен быть очень близко к объекту, а значит, компактным. Большинство существующих магнитометров — электронные, и их точность зависит от размера: крупные устройства надежны, но неудобны в применении, а миниатюрные быстро выходят из строя из-за окисления контактов и электромагнитных помех.

Оптические магнитометры: преимущества и недостатки

Более перспективны оптические магнитометры, в которых вместо металла используется свет и стеклянные нити — оптоволокно. Они не ржавеют, не боятся помех и могут быть очень маленькими. Однако у них есть серьезный недостаток: свет в обычном оптоволокне частично расползается в стороны, из-за чего полезный сигнал от магнитного поля тонет в световых искажениях. Инженеры пытаются решить проблему с помощью отражающих покрытий, но полностью убрать шум не удается.

Новое решение: спиральное волокно и замкнутая петля

Ученые Пермского Политеха и их коллеги разработали волоконно-оптический магнитометр, который в два раза эффективнее аналогов. В основе прибора — стеклянное волокно, закрученное по спирали, как пружина. В отличие от обычного светового кабеля, при изгибе которого сигнал искажается, спиральное волокно можно гнуть как угодно — свет остается чистым. Это делает датчик устойчивым к тряске и деформациям.

Ключевое новшество в том, что волокно замкнуто в петлю: свет бегает по кругу много раз. С каждым оборотом магнитное поле подталкивает луч, и даже очень слабое поле оставляет заметный след. Эксперименты показали, что закрученный луч реагирует на магнитное поле в два раза сильнее обычного, а в замкнутой петле эффект усиливается еще больше.

«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 два 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.

В будущем такие магнитометры можно будет встраивать в буры для поиска нефти, в роботов-разведчиков или в портативные медицинские датчики. Они будут сохранять точность в любых полевых условиях, где обычная электроника выходит из строя.