アメリカの研究チームが、極端な環境下で強力な磁場を追跡し、将来の核融合発電所の診断能力を向上させることができる微型レーザー結晶センサーを開発しました。このチームはサンディア国立研究所に所属しており、サイズは鉛筆の消しゴム程度の希土類ガーネット結晶を使用しています。この装置は、通常の磁場センサーが対応できない条件下でも動作でき、これには強い放射線、電磁干渉、核融合プラズマが含まれます。このセンサーは2026年のR&D 100賞に応募されており、これは世界で最も革新的な100の技術を称える年次コンペティションです。
サンディアの物理学者であり、このセンサーの共同発明者であるイスラエル・オーウェンズ博士は、チームの進展に満足していると述べています。彼は「この技術は磁場の測定においてかなり重要な改善をもたらすと考えています。核融合、高エネルギー物理学、電力公社の研究にとって不可欠であると考えています。」と強調しました。
微型レーザー結晶センサーの設計と機能
この装置の内部構造には、小型レーザー、希土類ガーネット結晶、2つの光学フィルター、光検出器が含まれています。レーザーが結晶を通過すると、その偏光が回転します。さらに、磁場にさらされると、この回転の幅が変化し、センサーが磁場の強度を正確に測定できるようになります。サンディアによると、これらの結晶はセリウムアルミニウムガーネット（TSAG）やセリウムガリウムガーネット（TGG）などの希土類材料で作られています。これらの光学特性は電磁力の変化に応じて変わるため、磁場の測定に非常に適しています。サンディアの物理学者イスラエル・オーウェンズ博士は、実験室システムの光学機器を調整しています。
研究者たちは2021年にこのセンサーの開発を開始し、世界で最も強力な実験室放射源であるZマシン内部の測定を改善することを目指しました。Zマシンは基礎科学研究、磁化内張り慣性融合研究、国家安全保障の用途に使用されます。チームはサンディアの高エネルギー放射兆ボルト電子源III（HERMES III）および短パルス高強度ナノ秒X線発生器（SPHINX）でセンサーのテストを行いました。この装置の性能は従来の磁場センサーと同等でありながら、厳しい環境下でより安定した一貫した測定を提供します。
オーウェンズは、このセンサーがより正確であり、従来のセンサーが失敗する場所でも動作することを示しています。彼は「SPHINXでかなりのテストを行い、従来のセンサーと比較して、私たちが見た統計分布は小さいです。」と付け加えました。
未来の核融合研究における応用の可能性
チームによると、ガーネットベースのセンサーは、従来のセンサーのように頻繁にキャリブレーションやメンテナンスを必要とせず、運用コストを削減できます。絶縁体であり金属ではないため、放射線が強い環境で電子プローブに影響を与える可能性を回避できます。この技術は、強力な磁場が超高温プラズマを束縛するために使用される核融合エネルギー研究に特に価値があります。これらの磁場を正確に監視することは、プラズマの挙動を理解し、安定した炉の運転を維持するために重要です。オーウェンズは、このセンサーが最終的に従来の金属センサーが短絡するプラズマ環境で動作する可能性があると述べ、光ファイバーセンサーは放射線曝露により劣化することを指摘しました。
彼は声明の中で「私たちの技術は、従来のセンサーが短絡する領域で動作する独自の能力を持っています。」と述べました。
しかし、この技術はまだ開発中です。空気と真空での成功したテストの後、サンディアチームは低密度プラズマにおけるこのセンサーの性能を評価し始めました。最終的に、チームは商業核融合システムに必要な高密度プラズマ条件下でのテストを計画しています。サンディア放射線および電気科学センターの所長ブライアン・オリバーは、このセンサーの重要性を強調しました。彼は「磁気光センサー技術は、困難な放射線および電磁環境で変化する磁場を測定するための革新的な診断ツールです。」とまとめました。チームは昨年12月に特許を取得し、この技術を使用するためのライセンスを取得した企業もあります。