Optisch gepumpte Magnetometer (OPM)

Projekt »QMag – Quantenmagnetrometrie«

Fraunhofer-Leitprojekt QMag

Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts QMag erforscht Fraunhofer IPM die Industrietauglichkeit von optisch gepumpten Magnetometern (OPM). So wollen wir unser Sensorik-Portfolio um Magnetfeldmessungen erweitern. OPM zeichnen sich durch extreme Messgenauigkeit aus, die direkt durch atomare Konstanten gegeben ist (siehe Abb. 1).

Dank ihrer Empfindlichkeit können OPM als Detektoren für die kernmagnetische Resonanz (nuclear magnetic resonance – NMR) eingesetzt werden. Üblicherweise werden in der Standard-NMR sehr starke Magnetfelder verwendet. Wir werden die aus dem Hochfeldbereich bekannten Methoden auf den Bereich sehr schwacher Magnetfelder (zero-to-ultra-low-field, ZULF) mit B < 1 µT bis in den Bereich des Erdmagnetfeldes (EF) mit B < 100 µT übertragen. Durch die daraus resultierenden niedrigen Frequenzen wollen wir die Kompatibilität von NMR-Signalen mit metallischen Komponenten verbessern. Ziel ist es, auf NMR basierende Flussmessgeräte zu bauen, welche mehrphasige Strömungen messen.

Zugleich wollen wir OPM für die Materialprüfung nutzbar machen. Hierfür werden wir OPM in Mikro-Ermüdungsaufbauten integrieren, um den zeitlichen Verlauf von magnetischen Streufeldern in Metallproben zu erfassen. Diese Streufelder werden durch Risse und Fehlstellen im Material erzeugt und können helfen,  kleinste Risse im Material bereits vor dem technischen Anriss zu detektieren. Die bisher bekannten Magnetfeldstärken dieser Streufelder liegen im mit OPM sehr leicht messbaren Bereich von nT - µT.

© Fraunhofer IPM
Grundprinzip eines OPM. Ein Dampf von Alkaliatomen wird in einem Magnetfeld Spin-polarisiert (i.e. ausgerichtet). Diese Spin-Polarisierung koppelt sich an das zu messende Magnetfeld und erzeugt eine messbare Frequenz. Diese Frequenz ist durch atomare Konstanten festgelegt und somit robust gegen Störeinflüsse.
© Fraunhofer IPM
Halbach-Magnete: Komponenten für die NMR-basierte Durchflussmessung (NMR: nuclear magnetic resonance, also kernmagnetische Resonanz).
© Fraunhofer IPM
Wir benutzen selbstgebaute Halbach-Magnete (links im Bild), um die zu messende Flüssigkeit zu polarisieren. Dies ermöglicht es uns, NMR-Signale in einer kontrollierten magnetischen Umgebung zu messen.

Fraunhofer-Leitprojekte

Fraunhofer stellt sich den aktuellen Herausforderungen für die deutsche Industrie. Mit den Leitprojekten setzt sie strategische Schwerpunkte, um konkrete Lösungen zum Nutzen für den Standort Deutschland zu entwickeln.

 

Leitprojekt »QMag«

Im Fraunhofer-Leitprojekt »QMag« werden Magnetometer weiterentwickelt und für die Anwendung erprobt.