美国桑迪亚国家实验室开发稀土石榴石磁光传感器，用于聚变与高能物理强磁场测量

美国桑迪亚国家实验室研究人员开发出一种基于稀土石榴石晶体和激光的磁光传感器，可用于测量聚变研究、脉冲功率实验和高能物理实验中的强磁场。该技术面向辐射、电磁干扰或等离子体等复杂环境，旨在解决传统传感器在这些场景下测量困难的问题，并已提交今年R&D 100大奖评选。

桑迪亚国家实验室的研究人员利用一种稀土石榴石来测量强磁场，例如聚变研究和高能物理实验所需的磁场。图中，晶体正被绿色激光照射

这套传感系统由微小稀土石榴石晶体、小型激光器、两个滤光片和一个光探测器组成。研究团队使用的晶体材料包括铽钪铝石榴石、铽镓石榴石等。当激光穿过晶体时，光束会发生旋转;若沿晶体长边方向存在磁场，光束在晶体中传播时的旋转角度会随之改变。研究人员通过精确测量这一旋转变化，进而推算磁场强度。

该项目由桑迪亚国家实验室物理学家以色列·欧文斯带领。欧文斯表示，这项技术有望成为磁场测量方面的重要进展，尤其适用于聚变研究、高能物理以及电力相关实验环境。研究团队自2021年起推进相关工作，重点面向桑迪亚Z装置等高辐射、高电磁噪声实验平台。Z装置是强脉冲功率实验设施，用于基础科学、磁化衬套惯性约束聚变等研究，对诊断系统的抗干扰能力和快速信号捕捉能力要求很高。

研究人员通过计算、小规模实验以及在高能辐射实验平台上的大规模测试，验证了稀土石榴石传感器的磁场测量性能。欧文斯称，相关测试显示，与传统传感器相比，该传感器统计偏差更小，在测量准确度和精度方面具备优势，并可进入传统传感器难以工作的复杂环境。同时，这种基于石榴石的传感器不需要像部分传统传感器那样频繁校准和维护，有助于降低运行成本。

在聚变研究中，强磁场常被用于约束等离子体。欧文斯表示，测量等离子体磁约束对于聚变研究十分关键，而石榴石基传感器理论上可在等离子体环境中工作。相比之下，传统金属传感器在等离子体中可能短路，传统光纤传感器则可能因辐射变暗，并面临信号噪声和断裂风险。

目前，该技术仍处于研发阶段。研究团队已在真空和空气环境中完成测试，并开始在低密度等离子体中开展试验。下一步目标是在与聚变发电所需密度相当的高密度等离子体中进行测试。桑迪亚方面表示，磁光传感器技术可用于测量复杂辐射和电磁环境中的变化磁场，对理解超高电流加速器、辐射产生、聚变能源研究、闪电和电击穿等现象具有重要意义。

据介绍，该团队已在12月获得相关专利，一家公司获得了该技术商业化的非独家许可选择权。该研究由桑迪亚国家实验室实验室定向研究与开发基金资助，相关计划还支持将该类传感器拓展至其他应用场景。