Sensitive endoscopic diamond magnetometer for non-contact sensing in confined environments

Technische Samenvatting: Sensitieve Endoscopische Diamantmagnetometer voor Contactloze Sensoring in Beperkte Omgevingen

Probleemstelling
De transitie van kwantummagnetometrie van laboratoriumomgevingen naar praktische toepassingen wordt gehinderd door een hardnekkige afruil tussen de miniaturisering van de sensor en de magnetische sensitiviteit. Terwijl volumineuze systemen een hoge sensitiviteit bereiken, lijden endoscopische sondes doorgaans aan inefficiënte fluorescentiecollectie, wat leidt tot verminderde prestaties. Bestaande geminiaturiseerde NV-magnetometerontwerpen kampen met een fysieke flessenhals: het scheiden van de verre optische/elektronische backend van de sensorprobe via optische vezels beperkt de collectie van NV-fluorescentie vanwege de mismatch tussen de grote optische etendue van de diamant en de beperkte etendue van de vezel. Oplossingen met een enkele vezel worstelen met het verhogen van de collectie-efficiëntie zonder het excitatievolume te vergroten, terwijl het integreren van detectoren in de probekop de grootte en complexiteit vergroot, wat de voordelen van een endoscopisch vormfactor tenietdoet.

Methodologie
De auteurs presenteren een geminiaturiseerde diamantkwantummagnetometer die is ontworpen om deze afruil op te lossen door middel van een nieuwe optische architectuur en een compacte digitale backend.

• Architectuur van de Sensorkop: De kerninnovatie is een sensorkop van 6 mm diameter die gebruikmaakt van een gefuseerde multi-core vezelbundel. In plaats van een enkele vezel, scheidt het ontwerp excitatie en collectie in afzonderlijke kernen. Een kleine centrale vezel (14 µm kern, 0,12 NA) levert 532 nm excitatie licht naar een strak gecontroleerd volume binnen de diamant. Vier omliggende grotere vezels (200 µm kern, 0,22 NA) verzamelen de resulterende NV-fluorescentie. Een op maat gemaakte micro-objectief met een hoge numerieke apertuur, bestaande uit een 0,25-pitch gradiëntindex (GRIN) lens en een 1 mm sferische lens, koppelt de vezelbundel aan de diamant. Deze geometrie maximaliseert de fluorescentiecollectie zonder dat er detectoren of bulkoptica bij de probekop nodig zijn, waardoor de inzetbaarheid van de probe in beperkte ruimtes behouden blijft.
• Remote Backend en Controle: De optische en elektronische componenten (laser, detector, microgolfsynthese) zijn ondergebracht in een remote backend die via de vezelbundel en elektrische bedrading met de sensor verbonden is. Microgolfcontrole wordt gegenereerd door een Red Pitaya FPGA-platform.
• Real-time Tracking: Om snelle magnetische beeldvorming mogelijk te maken, maakt het systeem gebruik van een digitale closed-loop frequentie-trackingmethode. De FPGA genereert een frequentie-gemoduleerd microgolfsignaal en voert digitale lock-in detectie uit. Een discrete integraalcontroller werkt continu de microgolf-draaggolf frequentie bij om de Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) zero-crossing in real time te volgen. Dit elimineert de noodzaak voor herhaalde volledige spectrum ODMR-acquisities bij elk scantelpunt, wat continue magnetische veldmeting mogelijk maakt, zelfs wanneer de ODMR-contrast of lijnbreedte varieert (bijv. nabij ferromagnetische materialen).
• Experimentele Opstelling: De sensor werd getest in een magnetisch onafgeschermde omgeving. Voor karakterisering werd een extern biasveld uitgelijnd langs de [100] richting van de diamant om alle vier de NV-oriëntaties gelijktijdig aan te spreken, wat het optische contrast verhoogt.

Belangrijkste Resultaten

• Sensitiviteit: De sensor bereikte een open-loop magnetische veldgevoeligheid van 91 pT/√Hz over een 2 kHz meetbandbreedte in een onafgeschermde omgeving. Deze prestatie werd gemeten met het biasveld uitgelijnd langs de [100] richting. Een enkele-as [111] uitlijning leverde 169 pT/√Hz op.
• Prestatievergelijking: Het apparaat neemt een duidelijk gebied in binnen het landschap van sensitiviteit versus diameter, waarbij het een sensitiviteit van minder dan 100 pT/√Hz combineert met een endoscopische sensorkop van 6 mm. Het vertegenwoordigt de laagste gerapporteerde ruisvloer voor een endoscopische, vezelgekoppelde NV-sensorkop met een diameter onder de 10 mm.
• Batterij-imaging Applicatie: De sensor werd gebruikt om het magnetische veld van een commerciële lithium-ion pouch cel te beelden tijdens laad- en ontlaadcycli zonder elektrische contacten. Het systeem slaagde erin de storingsvelden in kaart te brengen, waarbij het onderscheid maakte tussen de ferromagnetische nikkel anode-tab en de niet-magnetische aluminium kathode-tab.
• Stroomdichtheid Reconstructie: Met behulp van de gemeten magnetische veldkaarten reconstrueerden de auteurs diepte-geïntegreerde sheet-stroomdichtheid kaarten ($K$) binnen de batterij. De reconstructie maakte gebruik van een real-space geregulariseerde inversiemethode, die grootschalige stroomstromingspatronen onthulde die consistent zijn met de batterijgeometrie, inclusclusief stroomspreiding vanuit de kathode-tab en convergentie naar de anode-tab tijdens het laden.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt aan te tonen dat dit de eerste endoscopische NV-magnetometer is die er succesvol in is geslaagd de fluorescentiecollectie-bottleneck aan te pakken door de excitatie- en collectiepaden te scheiden binnen een gefuseerde multi-core vezelbundel. Deze architectuur maakt een hoge sensitiviteit mogelijk zonder de kleine vormfactor van de probe in gevaar te brengen.

De auteurs stellen dat hun platform een hoge sensitiviteit, een probe-geometrie geschikt voor beperkte en drukke omgevingen, en real-time tracking mogelijkheden combineert. Deze combinatie opent nieuwe wegen voor niet-destructief testen en in-operando diagnostiek, wat hier specifiek is gedemonstreerd door de kwantitatieve magnetische beeldvorming van de stroomstroom in verpakte lithium-ion batterijen in onafgeschermde settings. Het werk suggereert dat dergelijke sensoren effectief kunnen opereren waar traditionele kwantummagnetometers (die cryogenica of afscherming vereisen) en andere compacte sensoren (die een gebrek aan sensitiviteit hebben) dat niet kunnen, met name in toepassingen die betrokken zijn bij dynamische magnetische omgevingen of ruimtelijk beperkte toegang.