美國桑迪亞實驗室突破磁場量測技術，開發微型晶體感測器應對核融合極端環境

美國桑迪亞實驗室突破磁場量測技術

美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的研究團隊日前發表重大科技突破，開發出一款以雷射為基礎的微型晶體感測器，可在核融合研究等極端環境中精準追蹤強磁場，預期將大幅提升未來核融合發電廠的診斷能力。

這款感測器採用大小約與鉛筆橡皮擦相當的稀土石榴石晶體，能在常規磁場感測器難以應付的環境中正常運作，包括強輻射、電磁干擾以及融合電漿環境。該感測器已申請參加2026年R&D 100大獎——全球每年評選100項最具創新性技術的重要競賽。

感測器運作原理與核心優勢

該裝置由小型雷射、稀土石榴石晶體、光學濾波器及光偵測器組成。當雷射穿過晶體時，其偏振方向會發生旋轉；晶體暴露於磁場中時，旋轉量隨之改變，從而讓感測器精確量測磁場強度。

晶體由稀土材料製成，包括鋱鈧鋁石榴石（TSAG）與鋱鎵石榴石（TGG）。由於這類材料的光學特性隨電磁力變化而改變，因此特別適合用於磁場量測。相比傳統金屬感測器，新感測器具有多項優勢：電絕緣體特性避免了高輻射環境中的短路問題；材料穩定性更強，無需頻繁校準與維護，有望降低運營成本。

研發過程與實驗驗證

研究團隊自2021年起開始研發，初衷是改善Z Machine等世界最強大的實驗室輻射源內部的量測精度。Z Machine被用於基礎科學研究、磁化內爆慣性核融合研究以及國家安全應用。

團隊在桑迪亞的高能輻射百萬伏特電子源三號（HERMES III）及短脈衝高強度奈秒X射線輻射器（SPHINX）進行了廣泛測試，結果顯示其性能與傳統磁場感測器相當，且在惡劣環境中能提供更穩定一致的量測結果。物理學家Israel Owens博士表示，在SPHINX進行的大量測試中，相比傳統感測器，他們觀察到更小的統計誤差。

核融合能源應用的關鍵突破

這項技術對核融合能源研究具特殊價值。核融合裝置需利用強磁場約束超高溫電漿，精確監控這些磁場對於理解電漿行為及維持穩定的反應爐運作至關重要。

傳統金屬感測器在電漿環境內容易短路，光纖感測器則因輻射照射而性能退化。Owens強調，他們的技術具備在傳統感測器會短路的區域運行的獨特能力，未來或許能在電漿環境內部直接運作。

目前該技術仍在持續研發階段。在空氣和真空環境中成功完成測試後，團隊已開始在低密度電漿中評估感測器表現，並計劃最終在商業核融合系統所需的高密度電漿條件下進行測試。該感測器已於去年12月獲得專利授權，並已有一家企業取得技術授權，預期將加速技術商業化。