Britští fyzici vyvinuli novou metodu pro detekování podvodních objektů pomocí magnetických polí. Pole indukuje v kovových objektech elektrický proud a výsledná magnetická odezva se detekuje soustavou atomových magnetometrů.
Detekování objektů ve vodě pomocí elektromagnetického záření je velmi obtížné, protože světlo a další druhy záření při průchodu vodou slábnou. Neplatí to pro zvuk, a proto se za účelem detekce objektů v hlubších vodách nejčastěji využívá sonar. Problém však nastává v menších hloubkách, kde může být obrázek sonaru rozmazán odrazem ode dna.
Alternativou sonaru je magnetická detekce rozlišující magnetické objekty od těch nemagnetických. Používané obvody jsou pasivní, registrují pouze magnetické pole, vytvářené nějakým vodivým objektem. Existuje však výjimka – všechny ocelové části, tvořící trup lodi nebo ponorky, mohou být demagnetizovány, a tak je možno zkonstruovat objekt, který nevykazuje žádné známky magnetismu.
Krokem vpřed je v tomto směru magnetická indukční tomografie, která byla původně vyvinuta pro průmyslové monitorování. Ta využívá oscilující „primární“ magnetické pole, které indukuje v cílovém objektu elektrický proud a ten naopak produkuje „sekundární“ magnetické pole. Detekováním těchto „sekundárních“ polí by v zásadě bylo možné charakterizovat jakýkoliv objekt, který je elektrickým vodičem, a to s jedinou podmínkou: objekt, čidla a primární zdroj musejí být dostatečně blízko sebe.
Proti magnetické indukční tomografii žádné protiopatření neexistuje, ledaže by někdo dokázal zkonstruovat ponorku kompletně z plastu nebo z podobného materiálu, což ale v praxi není proveditelné. Jelikož má systém pracovat pod vodou, je třeba se vypořádat s řadou technických problémů. Klasická čidla s cívkou totiž nejsou dostatečně citlivá pro měření velmi slabých sekundárních polí. V případě použití takové metody by byla potřebná prakticky nedosažitelně silná primární pole.
Britští fyzici proto teď zkonstruovali nový detektor tvořený soustavou čtyř radiofrekvenčních atomových magnetometrů, které mohou být umístěny pod nebo nad nádobu s vodou. Takové magnetometry měří precesi atomových spinů ve výparech při pokojové teplotě. Tato precese (precese je periodický pohyb otáčení tělesa po plášti kužele s vrcholem v bodu opření osy) je velmi citlivá na přítomnost vnějších magnetických polí.
Primární pole spouští precesi spinů v magnetometrech. Pokud se jako odezva na primární pole neobjeví sekundární pole, spiny ve všech čtyřech magnetometrech vykonávají precesní pohyb se stejnou amplitudou a fází. Pokud se ve zkoumaném objektu indukuje sekundární magnetické pole, bude ovlivňovat precesi v různých magnetometrech odlišným způsobem. To znamená, že monitorováním amplitudy a fáze ve čtyřech senzorech je možné detekovat přítomnost vodivého objektu ve vodě a určit jeho polohu vzhledem ke každému ze senzorů.
K otestování této metody fyzici použili aluminiovou desku, která byla ponořená v nádobě se slanou vodou a umístěná 120 mm pod senzory. Byli 100% úspěšní v hledání předmětu, určit polohu se podařilo v 91 %. Slaná voda však přináší další neznámou do měřicího systému, protože má vyšší elektrickou vodivost než voda sladká.
Pokud má primární pole frekvenci 10 kHz, je vlnová délka primárního signálu daleko delší než vzdálenost, na kterou signál proniká. Tato konfigurace má několik výhod. Málo energie se šíří do hloubky, spotřebuje se méně energie a dochází k daleko menšímu odrazu od hlouběji umístěných objektů. Intenzita sekundárního pole podává jasnou indikaci o hloubce, ve které se objekt nachází.
Fyzici nyní chystají provést experimenty na otevřeném moři. Signál se může ve vodě šířit na vzdálenost kilometrů, pokud se sníží frekvence oscilací na několik stovek nebo desítek Hz. Takový systém může pak být dokonce napájen z baterie.
Někteří fyzici namítají, že citlivost těchto systémů je daleko nižší než citlivost tradičních magnetometrů s cívkou. Jenže nové magnetometry nejsou jen fyzikální hříčkou. Naopak jsou velice citlivé v širokém rozsahu frekvencí, ve kterém se nedají nahradit tradiční cívkou. Také se dají snadno ladit v širokém rozsahu frekvencí, což je s cívkou velmi obtížné.
Původní práce je uveřejněna v Applied Optics.
Mohlo by vás zajímat:
Kvantové
baterie pro počítače budoucnosti
Mobilní
optické hodiny měří nadmořskou výšku
Proč
je při praní tak důležité máchání?
Magnonová
spintronika