مستقبل عدد أجهزة الاستشعار في مادة السكك الحديدية الكشف عن الحقل المغنطيسية

مقدمة: خط الكينتوم في التصوير المغنطيسي للسبب

وقد ظل التصوير بالرنين المغناطيسي، الذي كان يشكل منذ وقت طويل حجر الزاوية في التشخيص الطبي غير الغاشم، مما يوفر تناقضا مفصلا غير دقيق دون إشعاع مخفف، ومع ذلك فإن أكثر نظم التصوير بالرنين المغناطيسي تقدما تحد من حساسية أجهزة الكشف عن المواد المغناطيسية، وظهور أجهزة استشعارية كمية - تستخدم آثارا ميكانيكية كبيرة لقياس الميادين ذات الدقة الافتراضية - تعد على مدى العقد.

فيزياء مستشعرات الكينتوم:

وتقيس أجهزة الاستشعار الكميصية الحقول المغناطيسية عن طريق ظواهر مثل التخزين والتشابك والانسجام في العمود الفقري، وتشمل الأنواع الأكثر دراسة لتطبيقات الرنين المغناطيسي مراكز فرز النيتروجين في الماس، والأجهزة التداخلية الكميّة التي تعمل بالموازاة، والمغنطيسيات الذرية القائمة على بخارات ألكالية مضخة بصرامة، وتمنح كل التكنولوجيا مزايا متميزة في الحساسية مكانية.

مراكز الأشعة فوق البنفسجية في الماس

مراكز الأشعة الوطنية هي عيوب في الماس تُستبدل فيها ذرة النيتروجين ذرة كربونية متاخمة للشواغر، وتُظهر هذه المراكز تقلبات ذات تأثير دوار يمكن قراءتها بصري، مما يجعلها أجهزة مغناطيسية قوية تعمل في الغرفة مع حلول مكانية دون ميكرومتر.

المغنطيسية الذرية

وتستخدم أجهزة المغناطيس المضخة على نحو مضلل (OPMs) بخار معدنية من الككالي (مثلاً، السيزيوم أو اليرق) التي تفترض أن تكون عوارضها الذرية موجودة في مجال خارجي، ويمكن أن تقوم المنظمة، من خلال قياس الضوء الليزري المبثوق، بكشف التغيرات الميدانية التي تهبط إلى مستويات فيرموناتيكا، ومن المهم أن هذه الأجهزة لا تحتاج إلى التبريد المغنطيفي، مما يجعلها متجانسة، كما أنها تنتج عدة شركات.

SQUIDs

وكانت أجهزة التدخل الكمي المؤثرة هي معيار الذهب بالنسبة للمغنطيسية الحساسة من حيث الأشعة فوق البنفسجية لعدة عقود، مع وجود حساسيات أقل من 1 ف و/أو هرتز، غير أنها تتطلب تبريد الهيليوم السائل الذي يضيف التكلفة والتعقيد، وقد تؤدي التطورات الأخيرة في الموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية إلى تخفيف هذا التقييد، ولكن مراكز التصوير بالأشعة دون الوطنية والتصوير التشغيلي تكتسب مساراً لعملية تعيين الغرف.

الحدود الحالية للنظم التقليدية لنظم تبادل المعلومات

لفهم لماذا أجهزة الاستشعار الكمي مُقنعة جداً من المهم التعرف على قيود أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي اليوم

التجارة بين نسبة الإشارة إلى الإشارة والقرار

وتعتمد المبادرة التقليدية على الكشف عن المواد المشعة باستخدام أجهزة التكتل اللاسلكية، وتحفز الإشارة من الحركات النووية المفترسة على حدوث تطاير في الفحم، ولكن نسبة الإشارة إلى الأرقام تُحد من الوصلات السطحية بشكل متواز تقريباً مع القوة الميدانية الثابتة B0.

مضيق الوقت

ونظراً لأن الكشف عن المواد الخليعة غير فعال في جوهره، فإن هناك حاجة إلى متوسطات متعددة لتحقيق النجاح في عمليات الفحص الشامل، وطول فترات المسح، مما يؤدي إلى عدم ارتياح المريض، أو إلى استخدام أدوات الحركة اليدوية، أو انخفاض الناتج، وقد تتطلب أجهزة الاستشعار الكينتوم، مع ارتفاع درجة حساسية أوامرها، مستويات أقل بكثير من المتوسطات - بل وحتى عمليات الاقتناء ذات الطلقات الواحدة.

مفاوضو القرار المكاني

إن حل الرنين المغناطيسي التقليدي محدود أساساً من خلال قوة التدرج وضم نطاق الترميز في إطار الرذاذ، وفي حين أن الأشعة المقطعية المغناطيسية النافذة يمكن أن تكشف الإشارات التي تعتمد على مستوى الأوكسجين عند مستويات الألف متر، فإن الهياكل الغرامية - مثل الأعمدة الكروية الفردية أو شبكات الناعم الصغيرة - لا تزال بعيدة المنال، ولا سيما مراكز الأشعة دون الحمراء.

How Quantum Sensors Address these Challenges

وقد تغلبت أجهزة الاستشعار الكهرمائية على العديد من القيود المفروضة على الفحم المستخرج بالكشف عن الحقل المغناطيسي مباشرة عند المصدر - وغالبا ما يكون على سطح العينة - بدلا من أن يُستخدم بواسطة هوائي بعيد، وهذا القرب يحسن بشكل كبير من كفاءة التقارب.

الكشف المباشر عن الحقول المغنطيسية

وبدلاً من قياس الفولط الذي يسببه المغناطيس المسبق، تقوم أجهزة الاستشعار الكمي بقياس المجال المغناطيسي ] ]، عادة عن طريق التحول في زيمان للدوارات الإلكترونية أو النووية، وهذا التحول يتناسب مع المجال المغناطيسي المحلي ويمكن قراءته مع الدق الحساس الذي يتكون من ثلاثة عناصر على طول نطاق ضيق.

تعزيز الوعي في الترددات المنخفضة

فالكعكات المُنتجة لديها حساسية ضعيفة في الترددات المنخفضة بسبب قانون فاراداي الذي ينص على أن مقياس الفولطية المُستحث مع معدل التغير في التدفق، وعلى عكس ذلك، فإن أجهزة الاستشعار الكينتوم لديها استجابة مُتدرجة من العاصمة إلى مئات الكيلورتز، مما يجعلها مثالية لكشف إشارات التصوير بالرنين المغناطيسي المُرتفع، وهذه القدرة مفيدة جداً في مجال الاسترخاء.

عملية الغرفة

وتعمل مراكز التصوير المتناهي الصغر والصور المحتوية على مركب أو بالقرب من درجة الحرارة المحيطة، مما يزيل الحاجة إلى أجهزة التبريد السائلة، وهذا لا يقلل من التكلفة فحسب، بل يتيح أيضاً الاندماج في نظم رنين متنقلة وناقصة للرعاية، وعلى سبيل المثال، أظهرت عدة مجموعات ] مفاعلات مائية في 6 ميغاواط ] باستخدام نظم متناقضة متطورة تتنافسة مع بعضها البعض.

البحوث الجارية والحواجز التقنية

وعلى الرغم من هذه المزايا، لا تزال هناك تحديات هندسية كبيرة قبل أن تصبح أجهزة الاستشعار الكمية روتينية في الرنين المغناطيسي السريري.

الاتساق والاتساق

ويعتمد جهاز الاستشعار الكمي على الحفاظ على تماسك دوله الرئيسية، وفي وجود درجات المغنطيسية في الميدان، أو الضوضاء الحرارية، أو الاضطرابات البيئية الأخرى، يتدهور التفكك بسرعة، ويخفف من ذلك في مراكز المركبات النووية باستخدام تسلسلات من الماس النباتي المضغوط على أساس سطح الأرض، والنبض الديناميكي، وبالنسبة للأجهزة الكهربائية، يلزم توفير الحماية الدقيقة والتعويض الفعال للميادين الخارجية.

Array Scaling and Crossote

To achieve clinically useful field of view (FOV) and spatial coverage, large arrays of quantum sensors are needed. However, each sensor must be individually read out, and cross talk between adjacent sensors can complicate field reconstruction. Researchers are exploring optical multiplexing for NV centers and radiofrequency modulation schemes for OPMs. Recent work by [FLT: University]Har

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة في مجال الرصد والمراقبة والإشراف

ويجب وضع أجهزة الاستشعار الكمي بالقرب من العينة، وغالباً ما تكون داخل المغناطيسية، مما يطرح تحديات للاستقرار الميكانيكي، ومقاومة التدخل في إطار الترددات المتوسطة (إذا استخدم في نظام تقليدي عالي الحقول)، وراحة المرضى، ويتمثل نهج واعد في ] إعادة تركيب مقياس RF كلياً مع صفيفة حساسية كمية تعمل في موقع منخفض جداً.

التكلفة والأسعار

وفي حين أن مراكز الأشعة الوطنية في الماس أصبحت أرخص بسبب التقدم في نمو الترسبات الكيميائية، فإن ارتفاع مستوى وفرة الماس الأحادي الفلزات يظل باهظ التكلفة، أما نظم إدارة المركبات، فتعتمد من ناحية أخرى على خلايا البخار السائبة والبصريات الليزرية التي يجري التقليل منها ببطء، وستكون وفورات الحجم والبحوث المستمرة للمواد ضرورية لخفض تكاليف أجهزة الاستشعار الكمية التقليدية إلى ما يقرب من الكم.

تشخيص طبي ثوري

أما التطبيق الأكثر إلحاحاً وتأثيراً للأشعة المقطعية المخففة فيجري تصوير طبي حيث تترجم المكاسب الناتجة عن الحساسية مباشرة إلى نتائج سريرية أفضل.

Ultra-High-Resolution Structural Imaging

مع مراكز الأشعة الوطنية، حقق الباحثون 2-5 ميكروم ] في التصوير الشهيد، مما يمكن أن يسمح بتصوير مسارات المواد البيضاء، والطبقات الارتجاعية، وحتى الأعصاب الفردية.

التصوير بالرنين المغناطيسي المُهمل في برنامج ميكروك

(ب) أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحالية التي تكتشف إشارات السحب من عيار 1 ملم، ومحدودة بالاستجابة من جانب الأشعة السينية والإشارة إلى المتوسط، ويمكن أن تتيح أجهزة الاستشعار الكهرمائية، عن طريق قياس الاضطرابات في الحقل المغناطيسي مباشرة من [(FLT:0]) التيارات الأشعة دون الحمراء ، رسم خرائط مباشرة للنشاط العصبي - جعل الأشعة فوق البنفسجية مقياساً مباشراً لوظيفة في الدماغية بدلاً من 100.

الكشف المبكر عن السرطان

ويمكن أن تكشف أجهزة الاستشعار المتعددة المؤشرات التقليدية عن الأورام الصغيرة التي تبلغ من عيار واحد إلى 2 ملم، ويمكن أن تحدد، مع حساسيتها العليا، آفات الخبيثة في أحجام مقياس فرعي عن طريق الكشف عن احتمالية المغناطيس المتغير للأنسجة النشطة من الناحية الأيضية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الكميائية في (أ)

تطبيقات أوسع نطاقاً في العلم والصناعة

وإلى جانب التصوير الطبي، فإن أجهزة الاستشعار الميدانية المغناطيسية الكمي تستعد لتعطيل العديد من الميادين.

الجيوفيزياء واستكشاف الموارد

يمكن للمغنطيسية المحمولة جواً والأرضية (مثلاً، أجهزة SQUID و OPM) أن ترسم خرائط للهياكل الجيولوجية دون السطحية بدقة غير مسبوقة، وتستخدم هذه النظم في ترفيه طبقات المياه الجوفية، والودائع المعدنية، ومخازن النفط عن طريق كشف الهالات في الميدان المغناطيسي للأرض.

الدفاع والأمن

ويعتمد الكشف عن المواد المغمورة على الكشف عن الشذوذ المغناطيسي (MAD) ويمكن لمغنطيسية الكينتوم اكتشاف التوقيعات المغناطيسية الضعيفة للغاية للسفن المغمورة التي تزيد مداها عن أجهزة المغناطيس المفلورة الكلاسيكية، وبالمثل، يمكن استخدامها في تحديد الذخائر غير المنفجرة المدفونة [الحرب الفرعية:1] أو أجهزة التفجير الصنعية.

استكشاف الفضاء

ويجري إدماج أجهزة الاستشعار الكمي في البعثات الساتلية لرسم خرائط الحقول المغناطيسية الكواكبية، على سبيل المثال، تستخدم بعثة NASA MAVEN مغنطيسيا لدراسة الغلاف الجوي المريخي، ولكن البعثات المقبلة يمكن أن تستخدم مراكز للأشعة دون الوطنية أو مبيدات الآفات في الدقة العالية.

الفيزياء الأساسية

(ب) إن الحساسية القصوى للمستشعرات الكميّة تتيح اختبارات التناظرات الأساسية والبحث عن المواد المظلمة، وقد استخدمت التجارب في معهد الشيريل و مختبرات " إلوس ألموس " الوطنية مراكز للبث الخفيف في البحث عن تفاعلات شبيهة بالغاز.

رأس الطريق: التكامل والتوحيد

ولكي تصبح أجهزة الاستشعار الكمية معدات قياسية في نظم التصوير بالرنين المغناطيسي، يجب بلوغ عدة معالم.

تطوير محركات البلوغ والجزر

وتقوم شركات مثل Q-CTRL] و] Kantum Diamond Technologies]] بتطوير الكترونيات والبرمجيات الرقابية التي تجرد تعقيد مراقبة الكمية، مما يجعل من السهل على مهندسي أجهزة الاستشعار المتعددة الأطراف أن يدمجوا أجهزة الاستشعار دون خبرة في مجال الفيزياء الكميائية العميقة.

الموافقة التنظيمية والتقييم السريري

وسيتعين على إدارة الأغذية والمخدرات بالولايات المتحدة والوكالة الأوروبية للميدينيات الموافقة على أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الكمي، وهذا يتطلب إجراء محاكمات سريرية واسعة النطاق تثبت السلامة والفعالية، وقد نجحت بالفعل التجارب الأولية التي أجريت على مجموعة ميغ التي تتخذ من منظمة حظر الألغام المضادة للأفراد مقرا لها، وتقوم عدة مراكز طبية أكاديمية بتخطيط دراسات تجريبية بشأن الرنين الكمي للأشعة المميتة في سرطان الثدي وتصويب.

النظم الهجينة: الجمع بين الكمية والاستشعارات الكلاسيكية

وفي الأجل القريب، قد تكون النظم الهجينة التي تستخدم أجهزة الاستشعار الكمي للاستنفاد [و] FLT:1]] (وإلا فيما تحل محل) الفول التقليدية لنموذج الإبلاغ الموحد هي أكثر الطرق عملية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُدمج صفيفة الاستشعار الكمي في مجموعة من المواد الكيميائية السبعة في إضافة قدرة على التركيز على الموجات المحلية العالية الاستبانة.

خاتمة

إن إدماج أكبر أجهزة الاستشعار الكمي في الفيزياء والميدان المغناطيسي ليس خيالا بعيد المنال - بل يحدث الآن - ومن مراكز التصوير الفيزيائي في الماس إلى البخار الذري، فإن هذه أجهزة الاستشعار توفر الحساسية، والحل، والقابلية للتأثر، التي لا يمكن أن تضاهيها أجهزة الاستشعار الكلاسيكية، وفي حين أن تحديات الاتساق والتكلفة والتكامل لا تزال قائمة، فإن سرعة الكشف عن التقدم تتسارع في غضون السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

For further reading, see the recent review by Baron et al. in Nature (2021) ] on NV centers in biology, and the U.S. National Quantum Initiative for policy updates. Also explore the work