Μαγνητόμετρο

Γενικά με τον όρο μαγνητόμετρο ονομάζεται κάθε κατάλληλο όργανο για τη μέτρηση στοιχείων του γήινου μαγνητισμού.
Τα μαγνητόμετρα είναι όργανα υψηλής ακρίβειας. Από τις πρώτες μορφές τους τον 19ο αιώνα έως τα σύγχρονα ψηφιακά όργανα, η εξέλιξη των μαγνητομέτρων συνδέεται στενά με την πρόοδο της φυσικής, της γεωφυσικής και των διαστημικών επιστημώνRipka & Janosek, 2010, σ. 812.. Παράλληλα, η χρήση τους έχει επεκταθεί σε τομείς όπως η ιατρική απεικόνιση, η αρχαιολογία και η αεροναυτική, καθιστώντας τα απαραίτητα εργαλεία για την κατανόηση φυσικών φαινομένων και τη βελτίωση τεχνολογικών εφαρμογών.

Ιστορική εξέλιξη
Η ανάπτυξη των μαγνητομέτρων συνδέεται με την ιστορία της μελέτης του μαγνητισμού. Οι πρώτες ποσοτικές μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση απλών μαγνητικών βελόνων και γαλβανόμετρων. Κατά τον 19ο αιώνα, ο Καρλ Φρίντριχ Γκάους ανέπτυξε τη θεωρητική βάση για την ακριβή μέτρηση του γήινου μαγνητικού πεδίου, ενώ τα πρώτα πρακτικά όργανα σχεδιάστηκαν για γεωμαγνητικές έρευνεςCourtillot & Le Mouël, 2007, σ. 349.. Με την πρόοδο της ηλεκτρονικής και της κβαντικής φυσικής τον 20ό αιώνα, εμφανίστηκαν νέοι τύποι μαγνητομέτρων, όπως τα φερρομαγνητικά, τα επαγωγικά και τα κβαντικά μαγνητόμετρα.

Αρχές λειτουργίας
Η βασική αρχή λειτουργίας ενός μαγνητομέτρου έγκειται στην αλληλεπίδραση μεταξύ ενός μαγνητικού πεδίου και ενός φυσικού μεγέθους που μπορεί να ανιχνευθεί, όπως η ροή, η μαγνητική ροπή ή η συχνότητα ταλάντωσης ενός ατόμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιούν, τα μαγνητόμετρα μπορούν να καταταχθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες: φερρομαγνητικά, επαγωγικά και κβαντικάLenz & Edelstein, 2006, σ. 401..

Τα φερρομαγνητικά μαγνητόμετρα, όπως τα fluxgate, βασίζονται στη μεταβολή της μαγνητικής διαπερατότητας ενός πυρήνα όταν υποβάλλεται σε εξωτερικό πεδίο. Τα επαγωγικά μαγνητόμετρα, ή μαγνητοπυρήνες, λειτουργούν μέσω της επαγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα πηνίο λόγω της μεταβολής της μαγνητικής ροήςRipka, 2001, σ. 123.. Τέλος, τα κβαντικά μαγνητόμετρα, όπως τα μαγνητόμετρα συντονισμού πρωτονίων ή τα SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), εκμεταλλεύονται κβαντικά φαινόμενα για την επίτευξη εξαιρετικά υψηλής ευαισθησίαςClarke & Braginski, 2004, σ. 15..

Τύποι μαγνητομέτρων
Η ποικιλία των μαγνητομέτρων αντανακλά τις διαφορετικές ανάγκες μετρήσεων και τις τεχνολογικές απαιτήσεις κάθε εφαρμογής.

Fluxgate μαγνητόμετρα: Πρόκειται για τα πιο διαδεδομένα όργανα σε γεωμαγνητικές και διαστημικές αποστολές, χάρη στην αξιοπιστία και τη σταθερότητά τους. Λειτουργούν με έναν πυρήνα φερρομαγνητικού υλικού που διεγείρεται από εναλλασσόμενο ρεύμα και παράγουν σήμα ανάλογο της εξωτερικής μαγνητικής ροήςPrimdahl, 1979, σ. 119..

Κβαντικά μαγνητόμετρα: Περιλαμβάνουν τα μαγνητόμετρα πρωτονίων και τα οπτικά μαγνητόμετρα. Τα πρώτα χρησιμοποιούνται κυρίως στη γεωφυσική, ενώ τα δεύτερα, βασισμένα σε ατομική πόλωση, παρέχουν υψηλή ακρίβεια για μετρήσεις χαμηλής έντασης πεδίων, όπως στον εγκέφαλο ή την καρδιάBudker & Romalis, 2007, σ. 14..

SQUID μαγνητόμετρα: Αυτά τα υπεραγώγιμα όργανα επιτυγχάνουν την ανίχνευση εξαιρετικά ασθενών μαγνητικών σημάτων, καθιστώντας τα ιδανικά για εφαρμογές στην ιατρική (π.χ. μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου), αλλά και στη θεμελιώδη φυσικήClarke & Braginski, 2004, σ. 32..

Εφαρμογές

Τα μαγνητόμετρα βρίσκουν εκτεταμένη χρήση σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών και τεχνικών πεδίων.

Γεωφυσική και περιβαλλοντική επιστήμη: Η μελέτη του γήινου μαγνητικού πεδίου είναι θεμελιώδης για την κατανόηση της δυναμικής του πυρήνα της Γης, καθώς και για την πρόβλεψη φαινομένων όπως οι γεωμαγνητικές καταιγίδες. Μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση μεταλλικών κοιτασμάτων ή την παρακολούθηση ηφαιστειακής δραστηριότηταςTelford et al., 1990, σ. 127..

Αρχαιολογία: Η αρχαιομαγνητική μέθοδος επιτρέπει τον εντοπισμό θαμμένων δομών, μεταλλικών αντικειμένων και αρχαίων πυρών, χωρίς να απαιτείται ανασκαφή. Η μη καταστροφική αυτή προσέγγιση έχει αλλάξει ριζικά τη μεθοδολογία των αρχαιολογικών ερευνώνClark, 1996, σ. 88.).

Ιατρική: Στην ιατρική, τα μαγνητόμετρα τύπου SQUID έχουν καθιερωθεί ως βασικό εργαλείο για τη μέτρηση των μαγνητικών πεδίων που παράγονται από τη δραστηριότητα του εγκεφάλου (MEG) ή της καρδιάς (MCG). Η υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση των μετρήσεων αυτών προσφέρει σημαντικές διαγνωστικές πληροφορίεςHämäläinen et al., 1993, σ. 413..

Αεροναυτική και διαστημική τεχνολογία: Τα μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους και διαστημόπλοια για τον προσανατολισμό τους και την ανίχνευση μαγνητικών ανωμαλιών στους πλανήτες. Ενδεικτικά, τα όργανα των αποστολών Voyager και Juno παρείχαν κρίσιμα δεδομένα για τα μαγνητικά πεδία του Δία και του  ΚρόνουConnerney et al., 2018, σ. 227..

Βιομηχανία και ασφάλεια: Στη βιομηχανία, τα μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ποιότητας μεταλλικών προϊόντων, ενώ στον τομέα της ασφάλειας συμβάλλουν στον εντοπισμό όπλων ή εκρηκτικών σε αεροδρόμια μέσω της ανίχνευσης μαγνητικών ανωμαλιώνRipka & Janosek, 2010, σ. 814..

Προοπτικές και σύγχρονες εξελίξεις
Η ανάπτυξη νέων υλικών, όπως των νανομαγνητικών αισθητήρων, και η πρόοδος στις τεχνικές μικροκατασκευής οδηγούν στη δημιουργία μαγνητομέτρων μικρού μεγέθους με μεγάλη ευαισθησία και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ιδιαίτερα ενδιαφέροντα είναι τα λεγόμενα spintronic μαγνητόμετρα, τα οποία εκμεταλλεύονται την τεχνολογία του εγγενούς σπιν του ηλεκτρονίου για την ανίχνευση μαγνητικών αλλαγών σε νανοκλίμακαŽutić et al., 2004, σ. 133.

Παράλληλα, η ενσωμάτωση μαγνητομέτρων σε κινητές συσκευές, drones και αυτόνομα οχήματα διευρύνει συνεχώς το πεδίο εφαρμογών τους. Η σύγκλιση αισθητήρων με τεχνητή νοημοσύνη για την επεξεργασία σημάτων αναμένεται να επιτρέψει την ανάλυση μαγνητικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, με αυξημένη ακρίβεια και αυτονομίαDong et al., 2022, σ. 7..

Παραπομπές

Βιβλιογραφία
Budker, D., & Romalis, M. (2007). Optical magnetometry. Nature Physics, 3(4), 227–234. https://doi.org/10.1038/nphys566
Clarke, J., & Braginski, A. I. (Eds.). (2004). The SQUID Handbook: Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems. Wiley-VCH. ISBN 9783527402293
Clark, A. (1996). Seeing Beneath the Soil: Prospecting Methods in Archaeology. Routledge. ISBN 9780415129091
Connerney, J. E. P., et al. (2018). A new model of Jupiter’s magnetic field from Juno’s first nine orbits. Geophysical Research Letters, 45(6), 2590–2596. https://doi.org/10.1002/2018GL077312
Courtillot, V., & Le Mouël, J. L. (2007). The study of Earth’s magnetic field and geomagnetism. Comptes Rendus Geoscience, 339(5), 344–361. https://doi.org/10.1016/j.crte.2007.02.003
Dong, Y., et al. (2022). Artificial intelligence-enabled magnetic field sensing. Advanced Intelligent Systems, 4(7), 2200061. https://doi.org/10.1002/aisy.202200061
Hämäläinen, M., et al. (1993). Magnetoencephalography—theory, instrumentation, and applications. Reviews of Modern Physics, 65(2), 413–497. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.65.413
Lenz, J., & Edelstein, S. (2006). Magnetic sensors and their applications. IEEE Sensors Journal, 6(3), 631–649. https://doi.org/10.1109/JSEN.2006.874493
Primdahl, F. (1979). The fluxgate magnetometer. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 12(4), 241–253. https://doi.org/10.1088/0022-3735/12/4/001
Ripka, P. (2001). Magnetic Sensors and Magnetometers. Artech House. ISBN 9781580530576
Ripka, P., & Janosek, M. (2010). Advances in magnetic field sensors. IEEE Sensors Journal, 10(6), 1108–1116. https://doi.org/10.1109/JSEN.2010.2043429
Telford, W. M., Geldart, L. P., & Sheriff, R. E. (1990). Applied Geophysics (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 9780521320775
Žutić, I., Fabian, J., & Das Sarma, S. (2004). Spintronics: Fundamentals and applications. Reviews of Modern Physics, 76(2), 323–410. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.323

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 Earthquake forecasting techniques and more research on the study of electromagnetic fields
 USGS Geomagnetism Program
 Earth's Field NMR (EFNMR)
 Space-based magnetometers
 Practical guidelines for building a magnetometer by hobbyists – Part 1 Introduction 
 Practical guidelines for building a magnetometer by hobbyists – Part 2 Building 


Κατηγορία:Όργανα μέτρησης