- 微型激光晶體傳感器能在極端環境中測量強磁場。
- 該技術對核融合、高能物理及電力行業研究至關重要。
- 傳感器不需頻繁校準，降低運營成本，適合惡劣環境。
- 技術仍在開發中，計劃在高密度等離子體中進行測試。
美國研究團隊開發出一款微型激光晶體傳感器，能夠在一些極端環境中追蹤強烈的磁場，並改善未來核融合電廠的診斷能力。該團隊來自桑迪亞國家實驗室，使用了一種大小約為鉛筆橡皮擦的稀土石榴石晶體。這款設備能夠在常規磁場傳感器往往無法應對的條件下運作，這些條件包括強烈的輻射、電磁幹擾和核融合等離子體。該傳感器已提交參加 2026 年的 R&D 100 獎，這是一項年度競賽，旨在表彰全球 100 項最具創新性的技術。
技術的重要性與應用
桑迪亞物理學家及該傳感器的共同發明人以色列·歐文斯（Israel Owens）博士指出，團隊對進展感到滿意。他強調：「我們認為這項技術在測量磁場方面是一個相當重大的改進。我們認為它對於核融合、高能物理和電力公用事業行業的研究將是必不可少的。」
該設備的內部結構包括一個小型激光器、一塊稀土石榴石晶體、兩個光學濾波器和一個光檢測器。當激光穿過晶體時，其偏振會發生旋轉。此外，暴露於磁場會改變這種旋轉的幅度，從而使傳感器能夠精確測量磁場的強度。根據桑迪亞的説法，這些晶體由稀土材料製成，如鈰鋁石榴石（TSAG）和鈰鎵石榴石（TGG）。由於其光學特性會隨電磁力的變化而改變，因此非常適合用於測量磁場。桑迪亞物理學家以色列·歐文斯博士正在調整其實驗室系統的光學設備。
研究人員於 2021 年開始開發該傳感器，目標是改善其 Z 機器內部的測量，該機器是全球最強大的實驗室輻射源。Z 機器用於基礎科學研究、磁化內襯慣性融合研究以及國家安全應用。該團隊在桑迪亞的高能輻射兆伏電子源 III（HERMES III）和短脈衝高強度納秒 X 射線發射器（SPHINX）進行了傳感器的測試。該設備的性能與常規磁場傳感器相當，同時在惡劣環境中提供了更穩定的一致測量。
歐文斯表示，該傳感器更為準確，並在常規傳感器失效的地方運行。他補充説：「我們在 SPHINX 進行了相當多的測試，與常規傳感器相比，我們看到的統計分佈較小。」
傳感器的獨特優勢
根據團隊的説法，基於石榴石的傳感器不需要像常規傳感器那樣頻繁校準和維護，這可以降低運營成本。由於它是電絕緣的而非金屬的，因此也避免了在輻射重的環境中可能影響電子探針的問題。這項技術對於核融合能量研究尤其具價值，因為在該領域中，強大的磁場用於約束超熱等離子體。準確監測這些磁場對於理解等離子體行為和維持穩定的反應堆運行至關重要。歐文斯表示，該傳感器最終可能在常規金屬傳感器短路的等離子體環境中運作，而光纖傳感器則因輻射暴露而降解。
他在一份聲明中指出：「我們的技術具有在常規傳感器會短路的區域運作的獨特能力。」
然而，該技術仍在開發中。在空氣和真空中成功測試後，桑迪亞團隊已開始評估該傳感器在低密度等離子體中的表現。最終，團隊計劃在商業核融合系統所需的高密度等離子體條件下進行測試。桑迪亞輻射與電氣科學中心主任布萊恩·奧利弗（Bryan Oliver）強調了該傳感器的重要性。他總結説：「磁光傳感器技術是一項變革性的診斷工具，能夠在困難的輻射和電磁環境中測量變化的磁場。」該團隊於去年 12 月獲得專利，並有一家公司已經授權使用這項技術。
微型激光晶體傳感器的潛在影響
這款微型激光晶體傳感器的開發標誌著在測量強磁場技術上的重大進步，特別是在核融合研究中。由於其在惡劣環境中的穩定性和準確性，這項技術有潛力改變傳統磁場測量方法，並促進更深入的科學探索。隨著核融合技術的進步，這種傳感器的應用可能會成為未來能源生產的重要組成部分，對於全球能源轉型具有重要意義。