Магнитная диагностика станет проще и доступней

В рамках гранта «Исследование композитных мультиферроиков на основе сегнетоэлектрических монокристаллов с целью создания высокочувствительных магнитных сенсоров, в том числе для медицинских приборов» Российского научного фонда, группа ученых НИТУ «МИСиС» займется разработкой датчиков для магнитнокардиографии и магнитоэнцефалографии. Результаты исследования ученые представят к 2020 году.

Одним из важных трендов в развитии современной медицины является переход к неинвазивным способам диагностики заболеваний. Это, в частности, методики, направленные на детектирование и измерение сверхслабых магнитных полей, индуцируемых электрическими токами, протекающими в нервных клетках.

Изучение таких магнитных полей в области центральной нервной системы называют магнитоэнцефалографией, а в области сердечной мышцы — магнитокардиографией. Главным преимуществом этих методик перед различными видами томографии является возможность исследовать быстропротекающие процессы. Это позволяет диагностировать на ранних стадиях и исследовать такие заболевания, как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, шизофрения, хронический алкоголизм, а также невралгии различного генезиса. В то же время, потребность детектирования сверхслабых магнитных полей вынуждает использовать в качестве магнитного датчика сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы). Однако для стабильной работы таких датчиков требуется постоянно охлаждать аппарат, а это приводит к усложнению конструкции и существенному удорожанию прибора.

Летом 2018 года команда ученых кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков (МПиД) НИТУ «МИСиС» выиграла грант Российского научного фонда на разработку датчиков сверхслабых магнитных полей на основе композитных мультиферроиков. В Рабочую группу вошли: руководитель проекта, старший научный сотрудника центра коллективного пользования «Материаловедение и металлургия» Дмитрий Киселев, заведующий кафедрой МПиД Юрий Пархоменко, доценты кафедры Михаил Малинкович и Александр Быков, инженер Андрей Турутин, ассистент кафедр Илья Кубасов и аспирант Александр Кислюк.

Композитные мультиферроики — материалы, способные эффективно преобразовывать внешнее магнитное поле в электрический сигнал.

В разрабатываемых композитных мультиферроиках в качестве одного слоя используются бидоменные кристаллы ниобата лития (LiNbO3), а в качестве другого  магнитострикционные аморфные металлы (Метглас). Данная конфигурация композитного мультиферроика была разработана в сотрудничестве НИТУ «МИСиС» и Университета Авейру (Португалия). Исследования магнитоэлектрических свойств композитных материалов на основе бидоменных кристаллов ниобата лития начались на кафедре в 2014 году, в рамках совместной работы с приглашённым ученым, профессором Николаем Соболевым из Университета Авейру (Португалия).

В проекте будут изучены факторы, влияющие на чувствительность таких материалов к магнитному полю, а также разработаны решения, направленные на получение максимума соотношения «полезный сигнал-шум» в сверхчувствительных сенсорах магнитного поля.

Накопленный опыт позволит усовершенствовать методики измерения предела детектирования магнитного поля при помощи композитных мультиферроиков.

На сегодняшний день чувствительность первых лабораторных прототипов достигает 200 фТл (фемтотесла = 10-15 тесла, т.е. датчики улавливают магнитное поле крайне малой величины), чего уже сейчас должно быть достаточно для детектирования магнитного поля сердца человека. Для того, чтобы датчики могли конкурировать со СКВИДами, необходимо повысить их чувствительность. Это планируется сделать за счет изучения способов уменьшения внешнего акустического и электромагнитного шума, а также усовершенствования конструкции разрабатываемого датчика магнитного поля.

Рис. 1 3D-модель датчика магнитного поля на основе композитных мультиферроиков.

Рис. 2 Фото лабораторного прототипа сенсора.

Исследования проводятся в рамках гранта

Поделиться