В Арктическом НОЦ разрабатывают широкодиапазонный датчик тока
01.08.2023
Профессор кафедры фундаментальной и прикладной физики Северного (Арктического) федерального университета Дмитрий Макаров сообщил, что создаваемый ими в рамках реализации проекта НОЦ "Российская Арктика" широкодиапазонный датчик тока сможет измерять электрический ток в диапазоне от миллиампер до сотен ампер.
Новый прибор построен на основе монокристаллических алмазных пластин с NV-центрами, которые обладают уникальными квантовыми свойствами. Ученые САФУ провели ряд экспериментальных исследований, которые подтвердили, что датчик на этих принципах может быть создан. В лаборатории диагностики углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных полупроводниках с помощью монокристаллов алмаза уже измеряются токи от миллиампер до десятков ампер.
Датчика, способного вести измерения в таком широком диапазоне токов с высокой степенью точности, в настоящее время просто не существует. Во всем мире пока лишь идет активное обсуждение необходимости такого прибора.
В частности, он нужен там, где есть мощные аккумуляторные батареи. Например, в электротранспорте или в любых типах беспилотной техники, где величина тока может стремительно меняться в очень короткие временные промежутки. Регистрация изменений с помощью бортового компьютера позволит оптимизировать процесс разряда батареи и тем самым увеличить ее ресурс.
Но принципы, которые применяются в современных измерителях, не позволяют реализовать идею полностью. Диапазон возможностей и точность приборов на основе эффекте Холла, который в настоящий момент используется повсеместно, значительно ниже.
"Такие приборы на основе классических неквантовых принципов обладают малой чувствительностью", рассказал Дмитрий Макаров. "Они не способны измерять токи большой величины — просто сгорают. То есть работают только в узком диапазоне".
И здесь на помощь ученым приходят удивительные свойства искусственно выращенных монокристаллов с NV-центрами, изучением которых и занимаются в лабораториях НОЦ "Российская Арктика". NV-центры, которые очень чувствительны к магнитному полю, жестко встроены в алмазную решетку одного из самых твердых материалов в мире. Структура кристалла является сверхнадежной. Может работать и в космосе, и в радиационных условиях, не выходя из строя.
"Если такую пластину разместить неподалеку от проводника тока, то NV-центр будет чувствовать какой величины ток течет в проводнике с очень высокой степенью точности", продолжил Дмитрий Макаров. "По сути — это универсальный датчик. Мы уже подтвердили экспериментально его широкие возможности".
Полный цикл испытаний — измерение токов в сотни ампер — ученые завершат в ближайшие полгода, когда решат проблему перегрева и перегорания самих проводников. В ближайшие полгода будет создан прототип прибора. Основная проблема, которая стоит перед учеными — миниатюризация устройства, создание компактного и удобного в эксплуатации датчика с приемлемой ценой.
Интерес к разработке уже проявляет индустриальный партнер лаборатории, а также Фонд перспективных исследований, с которым сейчас ведется обсуждение финансирования финальной части исследований.
Источник: САФУ им. М.В. Ломоносова
Новый прибор построен на основе монокристаллических алмазных пластин с NV-центрами, которые обладают уникальными квантовыми свойствами. Ученые САФУ провели ряд экспериментальных исследований, которые подтвердили, что датчик на этих принципах может быть создан. В лаборатории диагностики углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных полупроводниках с помощью монокристаллов алмаза уже измеряются токи от миллиампер до десятков ампер.
Датчика, способного вести измерения в таком широком диапазоне токов с высокой степенью точности, в настоящее время просто не существует. Во всем мире пока лишь идет активное обсуждение необходимости такого прибора.
В частности, он нужен там, где есть мощные аккумуляторные батареи. Например, в электротранспорте или в любых типах беспилотной техники, где величина тока может стремительно меняться в очень короткие временные промежутки. Регистрация изменений с помощью бортового компьютера позволит оптимизировать процесс разряда батареи и тем самым увеличить ее ресурс.
Но принципы, которые применяются в современных измерителях, не позволяют реализовать идею полностью. Диапазон возможностей и точность приборов на основе эффекте Холла, который в настоящий момент используется повсеместно, значительно ниже.
"Такие приборы на основе классических неквантовых принципов обладают малой чувствительностью", рассказал Дмитрий Макаров. "Они не способны измерять токи большой величины — просто сгорают. То есть работают только в узком диапазоне".
И здесь на помощь ученым приходят удивительные свойства искусственно выращенных монокристаллов с NV-центрами, изучением которых и занимаются в лабораториях НОЦ "Российская Арктика". NV-центры, которые очень чувствительны к магнитному полю, жестко встроены в алмазную решетку одного из самых твердых материалов в мире. Структура кристалла является сверхнадежной. Может работать и в космосе, и в радиационных условиях, не выходя из строя.
"Если такую пластину разместить неподалеку от проводника тока, то NV-центр будет чувствовать какой величины ток течет в проводнике с очень высокой степенью точности", продолжил Дмитрий Макаров. "По сути — это универсальный датчик. Мы уже подтвердили экспериментально его широкие возможности".
Полный цикл испытаний — измерение токов в сотни ампер — ученые завершат в ближайшие полгода, когда решат проблему перегрева и перегорания самих проводников. В ближайшие полгода будет создан прототип прибора. Основная проблема, которая стоит перед учеными — миниатюризация устройства, создание компактного и удобного в эксплуатации датчика с приемлемой ценой.
Интерес к разработке уже проявляет индустриальный партнер лаборатории, а также Фонд перспективных исследований, с которым сейчас ведется обсуждение финансирования финальной части исследований.
Источник: САФУ им. М.В. Ломоносова