Quantensensorik – Magnetfelder rein optisch messen

QT-RH105 heißt eines der ersten Produkte der Quantum Technologies GmbH. Der QT-RH105 ist ein fasergekoppelter Quantensensor und misst nach einem rein optischen Prinzip und auf kleinstem Raum Magnetfeldstärken. Dafür nutzt er die Magnetfeldabhängigkeit der Spin-Zustände von sogenannten Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamanten, den sogenannten NV-Zentren. Für dieses Verfahren muss ein Diamant so verändert werden, dass einige Kohlenstoffatome im Kristallgitter durch Stickstoff ersetzt werden. Benachbart zu jedem Stickstoffatom im Kristallgitter des Diamanten muss zusätzlich ein Kohlenstoffatom fehlen, eine sogenannte Vakanz.

Jedes dieser NV-Zentren ist ein kleines Quantensystem und in Summe agieren diese als Magnetfeld-Sensor, der rein optisch ausgelesen werden kann. Dazu werden die NV-Zentren mit grünem Licht (λ638 nm) aus. Wirkt ein Magnetfeld auf die NV-Zentren, verändern sich die Quantenzustände der NV-Zentren und damit auch die Fluoreszenz, die präzise gemessen werden kann. Die Intensität der Fluoreszenz ist damit ein Abbild des auf die NV-Zentren einwirkenden Magnetfelds (siehe doi.org/10.1002/ qute.202000037).

Technologisch grenzt sich das Verfahren auch dadurch von gängigen Messsystemen ab, dass die vektorielle Richtung des Magnetfeldes unerheblich ist. Durch das spezielle Herstellungsverfahren der Sensoren ist die Messung isotrop. Das sensitive Volumen aus Diamantpulver befindet sich auf der Spitze einer Glasfaser und ist damit nicht dicker als ein menschliches Haar.

Vorteile, neben dem winzigen Footprint, sind die perfekte galvanische Trennung und die hohe Geschwindigkeit der Messung. Der Sensorkopf ist vollständig nichtleitend und nichtmagnetisch und durch das rein optische Messkonzept ebenso unempfindlich auf jegliche elektromagnetische Störung, die entlang des Glasfaserkabels auftritt. Dadurch können völlig neue Messlösungen für Bereiche entwickelt werden, die mit elektrisch angebundenen Sensoren unmöglich sind. Die Sensortechnologie bietet nahezu unendliche Anwendungsmöglichkeiten, von der berührungslosen Messung von Stromflüssen bis hin zur präzisen Lagemessung von medizinischen Instrumenten.

Im Bereich der berührungslosen Stromsensorik können die Sensoren eingesetzt werden, um den Stromfluss in Leitern ohne direkten Kontakt zu erfassen, was besonders in Umgebungen wichtig ist, in denen Sicherheit und Isolierung eine große Rolle spielen, wie beispielsweise in Hochspannungsanwendungen. Des Weiteren bieten die Sensoren die Möglichkeit für galvanisch getrennte Messungen in verschiedensten Spannungsnetzen, sowohl in Nieder-, Mittel- als auch in Hochspannungsnetzen. Solche Messungen sind ebenso für Wechselstrom (AC) als auch für Gleichstrom (DC) möglich. Auch in der Elektromobilität können die Magnetfeldsensoren dazu beitragen, den Ladestrom und den Zustand von Batterien zu überwachen, indem sie die magnetischen Felder, die durch den Stromfluss in den Batteriezellen erzeugt werden, erfassen.

Durch die kleine Baugröße können die Sensoren im inneren von Elektromotoren oder Generatoren für die Steuerung ebenfalls von Nutzen sein, indem sie eine präzise Messung der Kommutierung ermöglichen, was eine optimale Steuerung und Umschaltung der Phasen des Motors zur Verbesserung seiner Leistung und Effizienz ermöglicht.

Durch das optische Messkonzept und die damit verbundene Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störungen, bieten die Sensoren auch für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, wie sie z.B. bei Offshore-Anlagen, in radioaktiven Umgebungen oder in chemischen Produktionsanlagen herrschen, viel Potenzial, wo andere herkömmliche Sensoren ungeeignet sind.