Kwantummagnetometers kunnen de kleinste schade in ferromagnetische materialen detecteren en visualiseren. In de lucht- en ruimtevaarttechnologie of de auto-industrie kunnen ze helpen de veerkracht en veiligheid van systemen en materialen aanzienlijk te vergroten.

Tot deze conclusie kwamen onderzoekers van het onlangs voltooide Fraunhofer-vuurtorenproject QMag. Ze onderzochten ook het gebruik van kwantummagnetometers in de biogeneeskunde, stroommeting en chipproductie.

Structurele defecten zoals scheuren, neerslag of andere onregelmatigheden in metalen materialen leiden tot lokale veranderingen in het magnetische veld, die niet-destructief kunnen worden getest met behulp van magnetometers. Kwantummagnetometers zijn veel gevoeliger dan conventionele technologieën en kunnen zelfs kleine magnetische veranderingen in materialen detecteren.

"In de auto- en ruimtevaarttechniek is het essentieel om de betrouwbaarheid en duurzaamheid van materialen te garanderen, maar de technologieën die tot nu toe worden gebruikt zijn ofwel te groot of niet beschikbaar voor de industrie", zegt prof. dr. Rüdiger Quay, projectmanager van QMag en directeur van het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vastestoffysica IAF.

In het project 'Quantum Magnetometry', of kortweg QMag, hebben Fraunhofer-onderzoekers kwantumsensoren voor specifieke industriële toepassingen onderzocht en verder ontwikkeld. Ze werkten met twee complementaire benaderingen:aan de ene kant gebruikten ze optisch gepompte magnetometers (OPM's), die worden gekenmerkt door hun extreem hoge magnetische veldgevoeligheid, en aan de andere kant gebruikten ze beeldvormende kwantummagnetometers op basis van stikstofvacancy (NV). centra in diamant met extreem hoge ruimtelijke resolutie.

Beide technologieën werken bij kamertemperatuur en zijn geschikt voor industriële toepassingen. Uit de onderzoeksresultaten blijkt dat de kwantummagnetometers veranderingen in het magnetische veld van de monsters detecteren, zelfs als de materiaalmoeheid nog niet zichtbaar is.

De onderzoekers gebruikten OPM's om de veranderingen in het magnetische veld van ferromagnetische materiaalmonsters te meten terwijl ze werden blootgesteld aan cyclische vermoeidheid. Zo hebben ze aangetoond dat kwantummagnetometers de kleinste materiaaldefecten veel eerder detecteren dan conventionele technologieën. Ook was het mogelijk om de meettijd te verkorten, wat erg belangrijk is voor gebruik in industriële processen zoals het testen van componenten.

Bij materiaaltesten kunnen OPM's en NV-magnetometers op complementaire manieren worden gebruikt:terwijl OPM's een dynamisch signaal van het gehele monster leveren, kan NV-magnetometrie worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van individuele schade op micro- en nanoschaal in detail te meten. P>

"Bij het testen van materialen kunnen kwantummagnetometers helpen het falen van ferromagnetische componenten in te schatten voordat de materialen herkenbare scheuren vertonen. Dit speelt een bijzonder belangrijke rol bij veiligheidskritische componenten", zegt dr. Simon Philipp, onderzoeker aan het Fraunhofer Institute for Mechanics of Materialen IWM.

Verdere toepassingen in de biogeneeskunde, flowmeting en de chipindustrie

De onderzoekers zijn er ook in geslaagd een nieuwe NV-magnetometer te ontwikkelen die tot snellere resultaten bij materiaaltests leidt en zelfs verdere toepassingen mogelijk maakt:de breedveldmagnetometer meet magnetische velden over een groot monsteroppervlak in zeer korte tijd en is daarom geschikt voor snelle metingen in industriële toepassingen.

"De breedveldmagnetometer kan worden gebruikt voor de karakterisering en optimalisatie van ferromagnetische materialen, maar is ook zeer geschikt voor toepassingen in de biogeneeskunde en medische technologie. Organische monsters kunnen niet-destructief en met beeldvorming worden onderzocht", zegt Niklas Mathes, onderzoeker bij Fraunhofer IAF.

Verder succes boekten de onderzoekers met het gebruik van OPM's bij debietmeting:ze hebben op basis van OPM's een geheel nieuwe methode ontwikkeld voor het meten van de stroomsnelheden van vloeistoffen in een leiding. Magnetometrische flowmeting is een contactloze methode die kan worden toegepast op een breed scala aan media en geschikt is voor gebruik in procescontrole. Deze methode betekent een aanzienlijke vooruitgang, aangezien eerdere methoden voor flowmeting doorgaans invasief zijn.

Het projectteam onderzocht ook het gebruik van kwantummagnetometers in de micro- en nano-elektronica en de productie van chips en identificeerde een enorm potentieel:bij kwaliteitscontrole kunnen kwantummagnetometers worden gebruikt om bijvoorbeeld elektrische circuits te meten en defecte transistors onmiddellijk te detecteren.

Testfaciliteiten voor de industrie

Om de onderzoeksresultaten toegankelijk te maken voor de industrie en om de ontwikkelde technologieën voor specifieke toepassingen te testen, zijn in het kader van het project twee testfaciliteiten opgezet. Bij het Fraunhofer Instituut voor Fysische Meettechnieken IPM is een magnetisch afgeschermde ruimte geïnstalleerd, die gebruikt kan worden voor testmetingen.

“De magnetische omgeving in de testfaciliteit heeft een restveld van minder dan 5 nanotesla en biedt een zeer hoge ruisonderdrukking. Hierdoor kunnen we zelfs de kleinste magnetische velden, gegenereerd door hersengolven, meten. We stellen deze omgeving beschikbaar aan de industrie voor meetdiensten, " legt Dr. Peter Koss, onderzoeker bij Fraunhofer IPM uit.

Om de overdracht van kwantummagnetometers naar de industrie te vergemakkelijken, werd bij Fraunhofer IAF nog een testfaciliteit opgezet, die verschillende NV-magnetometers bevat. Het stelt geïnteresseerde bedrijven, vooral kleine en middelgrote bedrijven en start-ups, in staat de voordelen en het potentieel van kwantummagnetometers voor hun specifieke vereisten te evalueren.

Geleverd door Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Vastestoffysica IAF