Optisch gepumpte Quantenmagnetometer für transiente Elektromagnetik (OPTEM)

Abstract

Das Projekt OPTEM hatte das Ziel, innovative optisch gepumpte Magnetometer (OPM) für die geophysikalische Exploration tiefliegender mineralischer Lagerstätten zu entwickeln. Dabei sollte die transiente Elektromagnetik (TEM) genutzt werden, um Rohstoffquellen wie Massivsulfide, seltene Erden und Platingruppenelemente effizienter zu erkunden. Während konventionelle Sensoren wie Induktionsspulen und supraleitende SQUIDs entweder eine begrenzte Empfindlichkeit oder hohe Betriebskosten aufweisen, sollten OPMs als kryogenfreie und hochauflösende Alternative dienen. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Entwicklung eines vektoriellen OPM-Systems, das Messungen im Erdmagnetfeld ermöglicht und eine hohe Sensitivität aufweist.

Im Rahmen des Projekts wurden mehrere technologische Fortschritte erzielt. Ein zentraler Erfolg war die Implementierung von Heizelementen aus transparenten Oxiden auf den OPM-Zellfenstern, wodurch die Kondensation von Cäsium im optischen Strahlengang unterbunden und somit die Langzeitstabilität der Magnetometer verbessert wurde. Zudem wurde ein fasergekoppelter Sensorkopf entwickelt und in mehreren Iterationen optimiert. Erste Messungen im Labor zeigten eine hohe magnetische Sensitivität mit einem Rauschen unter 60 fT/√Hz und einer Bandbreite von über 5 kHz. Diese Erkenntnisse flossen in die Konstruktion zweier feldtauglicher Sensorköpfe ein, die mit integrierten Laserdioden ausgestattet wurden und vergleichbare Leistungswerte erreichten.

Die entwickelten Sensorköpfe konnten erfolgreich in einer robusten Halterung und einem wetterfesten Koffer unter realen Einsatzbedingungen im Feld getestet werden. Da die vom Projektpartner Supracon entwickelte Elektronik zu diesem Zeitpunkt noch nicht fehlerfrei funktionierte, wurde dieser Feldtest unter Verwendung von Laborelektroniken durchgeführt. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Systems wurde bestätigt und vielversprechende Ergebnisse erhalten.

Zusammenfassend konnte eine leistungsfähige Plattform für vektorielle Magnetfeldmessungen entwickelt werden. Die erzielten Fortschritte bieten eine solide Grundlage für weitere Optimierungen und die künftige Anwendung in geomagnetischen Messungen.