|
Датчики для измерения магнитных полей планетарного масштаба
|
|
|
|
Магнитные поля присутствуют повсюду в нашей Солнечной системе. Они исходят от Солнца, планет и лун и разносятся по межпланетному пространству солнечным ветром. Именно поэтому магнитометры — устройства, используемые для измерения магнитных полей, — используются практически во всех космических полетах, чтобы принести пользу научному сообществу Земли, планетологии и гелиофизики и, в конечном счете, обогатить знания всего человечества.
|
|
|
|
Эти приборы могут дистанционно исследовать недра планетарного тела, чтобы получить представление о его внутреннем составе, структуре, динамике и даже эволюции, основываясь на магнитной истории, запечатленной в слоях земной коры.
|
|
|
|
Магнитометры могут даже обнаружить скрытые океаны в пределах нашей Солнечной системы и помочь определить их соленость, тем самым давая представление о потенциальной обитаемости этих ледяных миров.
|
|
|
|
Флюксгейты являются наиболее широко используемыми магнитометрами для полетов в космос благодаря их проверенной производительности и простоте. Однако обычные размеры, вес и мощность приборов fluxgate могут препятствовать их использованию на небольших платформах, таких как CubeSats, а иногда и ограничивать количество датчиков, которые могут быть использованы на космическом аппарате для калибровки между датчиками, резервирования и устранения магнитного поля космического аппарата.
|
|
|
Традиционно для удаления магнитометров с флюксгеймом от загрязняющего магнитного поля, генерируемого самим космическим аппаратом, используется длинная штанга, и по меньшей мере два датчика используются для определения уменьшения влияния этого поля, чтобы его можно было исключить из измерений. Флюксгаты также не обеспечивают абсолютного измерения, а это означает, что их необходимо регулярно калибровать в космосе с помощью космических аппаратов, что может потребовать много времени и ресурсов.
|
|
|
|
Команда Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии в партнерстве с исследовательским центром НАСА имени Гленна в Кливленде, штат Огайо, создала прототип нового магнитометра под названием SiCMag, который может изменить способ измерения магнитных полей в космосе.
|
|
|
|
SiCMag использует твердотельный датчик, изготовленный из полупроводника на основе карбида кремния (SiC). Внутри SiC—датчика находятся квантовые центры — намеренно введенные дефекты или неоднородности атомного масштаба, которые генерируют сигнал магнитосопротивления, который можно обнаружить, отслеживая изменения электрического тока датчика, указывающие на изменения силы и направления внешнего магнитного поля.
|
|
|
|
Эта новая технология потенциально обладает невероятной чувствительностью и благодаря своей большой запрещенной зоне (т.е. энергии, необходимой для освобождения электрона из связанного состояния, чтобы он мог участвовать в электропроводности) способна работать в широком диапазоне экстремальных температур и жестких радиационных условиях, с которыми обычно сталкиваются в космосе.
|
|
|
|
Член команды NASA Glenn Дэвид Спри (David Spry) отмечает: "Материал SiC не только отлично подходит для измерения магнитного поля, но и здесь, в NASA Glenn, мы продолжаем разрабатывать надежную электронику из SiC, которая работает в жарких средах, значительно превышающих температурные ограничения кремниевой электроники. Эти технологии, основанные на SiC, когда-нибудь позволят проводить длительные роботизированные научные исследования поверхности Венеры при температуре 460°C".
|
|
|
|
SiCMag также очень мал — площадь датчика составляет всего 0,1 x 0,1 мм, а компенсационные катушки меньше копейки. Следовательно, десятки датчиков SiCMag могут быть легко установлены на космическом аппарате для лучшего устранения сложного загрязняющего магнитного поля, создаваемого космическим аппаратом, что уменьшает необходимость в длинной штанге для удаления датчиков от космического аппарата, как это реализовано на большинстве космических аппаратов, включая Psyche.
|
|
|
|
SiCMag обладает рядом преимуществ по сравнению с магнитометрами fluxgates и другими типами магнитометров heritage, в том числе с оптической накачкой атомарного пара. SiCMag - это простой прибор, который не использует оптику или высокочастотные компоненты, чувствительные к колебаниям температуры.
|
|
|
|
Система SiCMag low SWaP также позволяет использовать ее на небольших платформах, таких как CubeSats, что позволяет проводить одновременные пространственные и временные измерения магнитного поля, невозможные с помощью одного крупномасштабного космического аппарата. Эта возможность позволит составлять карты планетарного магнитного поля и осуществлять мониторинг космической погоды с помощью созвездий спутников CubeSats.
|
|
|
|
Мультиплатформенные измерения также были бы очень полезны на поверхности Луны и Марса для составления карт магнитного поля земной коры, определения состава и изучения магнитной истории этих тел.
|
|
|
|
SiCMag обладает истинной способностью к магнитному зондированию в нулевом поле (т.е. SiCMag может измерять чрезвычайно слабые магнитные поля), что недостижимо для большинства обычных атомно-паровых магнитометров из-за необходимого минимального магнитного поля, необходимого для работы датчика. А поскольку несущие спин электроны в SiCMag сосредоточены в квантовых центрах, они не ускользнут от датчика, что означает, что они хорошо подходят для длительных путешествий к ледяным гигантам или к краям гелиосферы.
|
|
|
|
Эта возможность также является преимуществом оптического аналога SiCMag, OPuS-MAGNM, твердотельного квантового магнитометра с оптической накачкой, разработанного Ханнесом Краусом и Андреасом Готтшоллом из группы твердотельной магнитометрии JPL. Преимущество SiCMag в том, что он чрезвычайно прост, в то время как OPuS-MAGNM обещает иметь более низкие шумовые характеристики, но использует сложные оптические компоненты.
|
|
|
|
По словам доктора Андреаса Готтшолла, "на самом деле, SiCMag и OPuS-MAGNM очень похожи. Прогресс в одной сенсорной системе напрямую влияет на преимущества другой. Таким образом, усовершенствования в области дизайна и электроники способствуют продвижению обоих проектов, эффективно удваивая отдачу от наших усилий, при этом мы по-прежнему обладаем гибкостью в различных областях применения".
|
|
|
|
SiCMag обладает способностью к самокалибровке благодаря своей абсолютной чувствительности, что является существенным преимуществом в условиях удаленного космоса. SiCMag использует метод спектроскопической калибровки, который также используется в атомно-паровых магнитометрах и называется магнитным резонансом (в случае SiCMag магнитный резонанс регистрируется электрически) для измерения частоты прецессии электронов, связанных с квантовыми центрами, которая напрямую связана с магнитным полем, в которое погружен датчик.
|
|
|
|
Это соотношение является фундаментальной физической константой в природе, которая не меняется в зависимости от времени или температуры, что делает отклик идеальным для калибровки измерений датчика.
|
|
|
|
"Если нам удастся добиться желаемого повышения чувствительности, которое мы ожидаем, используя изотопно более чистые материалы, SiC может изменить способ проведения магнитометрии в космосе благодаря привлекательной заменяемости, надежности и способности к самокалибровке", - говорит доктор Кори Кокрейн из JPL, главный исследователь SiCMag. технология.
|
|
|
|
НАСА финансирует исследования этой команды в области твердотельных квантовых магнитометрических датчиков в рамках своей программы PICASSO (Planetary Instrument Concepts для улучшения наблюдений за Солнечной системой) с 2016 года.
|
|
|
|
Источник
|
