Чтобы удержать раскалённую плазму в реакторе термоядерного синтеза, нужны сверхмощные магнитные поля. Измерять их в таких экстремальных условиях крайне сложно: обычные датчики выходят из строя из-за радиации, электромагнитных помех и высоких температур. Учёные из Национальных лабораторий Сандии создали крошечный кристаллический сенсор, который способен работать там, где традиционные приборы бессильны.
Датчик размером с ластик карандаша построен на основе редкоземельного гранатового кристалла. Внутри него лазерный луч проходит через кристалл, и его поляризация поворачивается. Под действием магнитного поля угол этого поворота меняется — по изменению и определяют силу поля. В конструкции используются кристаллы вроде тербий-скандий-алюминиевого граната (TSAG) и тербий-галлиевого граната (TGG), оптические свойства которых чувствительны к электромагнитным воздействиям.
Как устроена технология
Система состоит из небольшого лазера, самого кристалла, двух оптических фильтров и детектора света. Поскольку датчик полностью диэлектрический и не содержит металла, он не замыкается в условиях сильной радиации и электромагнитных наводок. Кроме того, ему почти не требуется частая калибровка, что снижает затраты на обслуживание.
Разработку начали в 2021 году, чтобы улучшить измерения на установке Z Machine — самом мощном лабораторном источнике излучения в мире. Затем сенсор проверили на установках HERMES III и SPHINX. В жёстких условиях он показал такую же точность, как обычные датчики, но с заметно меньшим разбросом данных.
«Мы считаем, что эта технология — существенный шаг вперёд в измерении магнитных полей, — говорит физик Израэль Оуэнс (Israel Owens), один из изобретателей. — Она будет особенно важна для исследований термоядерного синтеза, физики высоких энергий и энергетической отрасли».
Зачем это нужно для термоядерной энергетики
В будущих термоядерных реакторах магнитные поля используются для удержания плазмы температурой в миллионы градусов. Точный и надёжный контроль этих полей критически важен для стабильной работы установки. Обычные металлические зонды в таких условиях часто коротко замыкаются, а оптоволоконные датчики деградируют под действием радиации.
Новый кристаллический сенсор, по словам разработчиков, может работать даже внутри плазменной среды. Пока устройство успешно испытали в воздухе и вакууме. Сейчас команда проверяет его в плазме низкой плотности, а в перспективе планирует тесты в условиях, близких к тем, что будут в коммерческих термоядерных системах.
Директор центра радиационных и электрических наук Сандии Брайан Оливер (Bryan Oliver) назвал технологию «прорывной диагностикой» для измерения переменных магнитных полей в сложных радиационных и электромагнитных условиях. Команда уже получила патент, а одна компания приобрела лицензию на разработку.
Если сенсор успешно пройдёт дальнейшие испытания, он может стать важным инструментом для создания устойчивых и контролируемых термоядерных реакторов. Маленький кристалл способен сыграть большую роль в одной из самых сложных инженерных задач современности — обуздании энергии звёзд на Земле.
