跳到主要内容

话题

影像学

影像学

原子磁力计检测水下物体

18 Apr 2018

英国的物理学家提出了一种利用磁场检测水下物体的新技术。磁场在金属物体中感应出电流,并且所产生的磁回波被原子磁力计阵列检测到。

使用电磁辐射检测水中的物体非常困难,因为光和其他辐射在穿过水时会迅速衰减。声音不是这种情况,这就是声纳的原因“深水无与伦比”用于检测物体,根据 卢卡·玛穆吉(Luca Marmugi) 伦敦大学学院(UCL)。但是,在较浅的深度,来自海床的回声可能会将声纳遮挡到物体上。

声纳的替代方法是磁检测,可以区分磁性物体和非磁性物体。 Marmugi说,现有的方案是被动的–只需寻找物体产生的任何磁场。“有一个明显的[军事]对策,” explains Marmugi. “组成船体或潜艇的所有钢结构都可以消磁,您可以设计发动机来限制或取消所有磁签名。”

次要领域

前进的一种方法是磁感应断层扫描,最初是为工业监控而开发的。这使用了振荡“primary”磁场在目标物体中感应出电流,进而产生“secondary” magnetic fields. By detecting these 次要的 fields one can, in principle, characterize any object that is an electrical conductor – as long as the object, sensors and 主 source sufficiently close to one another.

“没有任何对策,除非您想完全用塑料制成的潜艇,而我不会’t think is feasible,” says Marmugi.

In practice, however, deploying magnetic induction tomography in water involves overcoming severe technical hurdles, says Marmugi. Classical coil sensors are not sensitive enough to measure very weak 次要的 fields, so unfeasibly strong 主 fields would be required.

现在,UCL的Marmugi及其同事创建了四个射频阵列 原子磁力计 可以放在水容器的下方或上方(请参阅视频)。这些磁力计通过测量室温蒸气中原子自旋的进动来工作,进动的精确性质对外部磁场的存在非常敏感。

进动触发

主场触发磁力计的自旋进动。如果没有一个次级磁场响应该初级磁场而被激发,则所有四个磁力计中的自旋以相同的幅度和相位进动。但是,目标中感应出的任何磁场都会以不同方式影响不同磁力计中的进动。因此,通过监视四个传感器中的振幅和相位,研究人员可以检测水中是否存在导电物体,还可以确定物体相对于每个传感器的位置。

研究人员证明,在传感器阵列下方120毫米的盐水烧杯中,铝板的检测成功率为100%,定位成功率为91%。盐水的电导率比淡水高,因此带来了其他挑战。

At the 10 kHz 主-field frequency used, the wavelength of the 主 signal is much longer than the range of the signal (the penetration distance). This near-field configuration had several advantages: little energy was projected deeper into the water, greatly reducing both the power consumption and the echo from deeper objects. Furthermore, the 次要的 field strength gives a clear indication of an object’s depth.

研究人员正在努力在开放水中测试测量方案。“如果将振荡频率降低到几百或几十赫兹,则可以达到[千米]的水中穿透距离。”Marmugi解释说。他说,这样的系统可能由电池供电。

比金属探测器更好?

原子物理学家 迈克尔·罗玛利斯 美国普林斯顿大学(University of Princeton University)的研究小组开发了一些有史以来最灵敏的磁力计,并将其描述为“a fine demonstration”尽管他指出报告的灵敏度远低于传统线圈检测器所能达到的最佳灵敏度。“老式金属探测器仅通过使用感应线圈进行拾取即可工作。我的问题是‘它真的比老式的金属探测器好吗?’ and it’对我而言,事实并非如此。”

阿尔恩·维肯布鲁克 美因茨大学的学生更加乐观:“蒸气室磁力计在很大的频率范围内都非常敏感,在这个频率范围内您无法真正构建非常敏感的线圈,” he says, “您还可以很容易地在宽范围内调谐频率,这对于线圈来说是非常困难的…There’关于蒸汽电池涡流检测的大量文献,但是我相信这是第一次’使用数组,并在水下检测到某些东西。”

该系统在 应用光学.

 

 

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者