CC BY
13
УДК 004.35: 537.6: 544.77 А. Н. Темников
МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ СУСПЕНЗИИ
СУПЕРПАРАМАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
Ключевые слова: преобразование информации, ввод информации в ЭВМ, визуализация магнитного поля, суспензия
наночастиц
Описаны устройства ввода в ЭВМ информации о пространственном распределении магнитного поля. Основой этих устройств является суспензия однодоменных суперпарамагнитных наночастиц, выполняющая функцию магнитооптического преобразователя: высота слоя и, соответственно, оптическая плотность суспензии, помещенной в магнитное поле, зависит от распределения этого поля в пространстве.
Keywords: transformation of information, input of information in computer, visualization of magnetic field, suspension of
nanoparticles.
The devices for input into computer the information about spatial distribution of magnetic field are described. A basis of these devices is suspension of single domain superparamagnetic nanoparticles, carrying out function of magneto optical converter: height of a layer of suspension placed in magnetic field and, accordingly, its optical density, depends on distribution of this field in space.
Введение
Многие технические устройства функционируют, благодаря действию магнитного поля. При конструировании, сборке и настройке таких устройств нередко возникает необходимость ввода в ЭВМ информации о пространственном распределении магнитного поля. Обычно для получения этой информации используют сканирующие магнитометры, в которых чувствительный элемент (сенсор) может перемещаться в пространстве [1 - 3]. Большинство известных сенсоров выдают электрический сигнал, который с помощью аналого-цифрового преобразователя может быть преобразован в двоичный код, доступный ЭВМ [4 - 6].
Необходимость разработки и изготовления прецизионного механического привода для контролируемого перемещения сенсора, а также системы передачи сигнала от движущегося сенсора к ЭВМ приводит к существенному усложнению конструкции сканера. Кроме того, последовательный алгоритм работы сканера увеличивает время сбора информации, что исключает возможность работы в режиме реального времени. Для ускорения процесса сканирования увеличивают число сенсоров в сканере; наличие множества сенсоров позволяет увеличить количество данных, регистрируемых за один проход сканера и, соответственно, сократить число сканирований [7, 8]. При этом, однако, практически пропорционально числу сенсоров возрастает сложность системы и ее стоимость.
Альтернативой механическим сканерам являются специальные пленки, оптические свойства которых изменяются при помещении их в магнитное поле [9 - 10]. Они позволяют визуально или с помощью компьютерных программ обработки изображений исследовать распределение магнитного поля, в котором находится пленка.
По существу такие пленки выполняют функцию магнитооптического преобразователя (МОП). Их основным достоинством является
способность практически мгновенно осуществлять визуализацию магнитного поля в большой области пространства и получать его двумерное изображение. Ввод этого изображения в ЭВМ в настоящее время не является проблемой, так как в состав оборудования современных компьютеров, как правило, входит цифровая видеокамера.
Одна из таких пленок содержит микрокапсулы, заполненные суспензией частиц никеля, имеющих форму овсяных хлопьев (flakes). Плоские поверхности частиц хорошо отражают свет, и при отсутствии магнитного поля, когда частицы под действием силы тяжести располагаются горизонтально, пленка выглядит светлой. При помещении в магнитное поле частицы никеля ориентируются вдоль линий магнитной индукции. Там, где поле (и частицы никеля) оказываются перпендикулярными поверхности пленки, коэффициент ее отражения резко падает и эта часть пленки темнеет. Степень потемнения пленки зависит от величины и ориентации поля [9].
Действие другой пленки, так называемой магнитооптической индикаторной пленкой (MOIF -Magneto Optical Indicator Film), основано на эффекте Фарадея - вращении плоскости поляризации света веществом, находящимся в магнитном поле. Такие пленки обычно получают методами эпитаксии и пока они очень дороги [10, 11].
Возможными кандидатами на роль сенсоров магнитного поля являются магнитные наночастицы.
В данной работе исследуется возможность использования суспензии однодоменных суперпарамагнитных наночастиц в качестве МОП для ввода в ЭВМ информации о пространственном распределении магнитного поля.
Суспензия суперпарамагнитных наночастиц как магнитооптический преобразователь
Когда размер частиц ферромагнетика становится равным размеру одного магнитного домена, их свойства резко меняются. Эти частицы, даже при температуре ниже температуры Кюри
ферромагнетика, демонстрируют парамагнитное поведение. При этом каждая из них обладает очень большим магнитным моментом, благодаря спонтанной упорядоченности магнитных моментов всех атомов, входящих в состав частицы. Поэтому такие частицы называют суперпарамагнитными.
Суперпарамагнитные наночастицы
покрытые оболочкой из поверхностно-активного вещества могут длительное время находиться во взвешенном состоянии в органической жидкости или в воде. Поверхностно-активное вещество или сурфактант не только предотвращает агломерацию наночастиц, но и обеспечивает их диспергируемость в выбранном растворителе, а также предохраняет наночастицы от нежелательного влияния окружающей среды, например, от окисления кислородом воздуха [12, 13].
В настоящее время технология синтеза магнитных наночастиц достаточно отработана, на ряде примеров качественно продемонстрировано действие магнитного поля как на индивидуальные наночастицы, так и на их суспензии, доказана высокая стабильность суспензий наночастиц, установлены границы их биологической и экологической безопасности.
Для целей данного исследования однодоменные суперпарамагнитные наночастицы магнетита Бе304 были получены с помощью известной реакции гидролиза хлоридов железа БеС12 и БеС13 с участием аммиака [14]. Наночастицы покрывались оболочками из олеиновой кислоты, в качестве жидкой основы суспензии использовался керосин. Все необходимые для синтеза реагенты являются доступными, недорогими
крупнотоннажными продуктами. Они
использовались без какой-либо дополнительной очистки.
Первые качественные эксперименты показали, что полученная суспензия обладает способностью намагничиваться во внешнем магнитном поле. Суспензия поднимается по стенке пробирки вслед за находящимся снаружи движущимся магнитом. Если небольшое количество суспензии налить на поверхность тонкого стекла, под которым располагается магнит, то суспензия не растекается по всей поверхности стекла, а собирается над полюсом магнита, при его перемещении суспензия движется вслед за ним.
На рис. 1 представлен фотоснимок тонкого слоя суспензии наночастиц в узкой кювете установленной вертикально на одном из полюсов постоянного магнита. Видно, что высота слоя суспензии в различных областях пространства различна - она больше у края магнита, где, как показали теоретические расчеты [15], величина индукции магнитного поля больше. Черный цвет суспензии позволяет улучшить контраст изображения при использовании белого экрана. Форма свободной поверхности суспензии практически мгновенно изменяется при изменении положения кюветы и, соответственно, характеристик распределения магнитного поля, явления гистерезиса при этом не наблюдается. Этот
факт указывает на то, что магнитные частицы, определяющие поведение суспензии в магнитном поле, являются суперпарамагнитными.
Рис. 1 - Изображение суспензии наночастиц в узкой тонкостенной кювете, расположенной вертикально над полюсом постоянного цилиндрического магнита вдоль его диаметра
На рис. 2 приведен фотоснимок поверхности тонкого слоя дополнительно разбавленной керосином суспензии в широкой плоской тонкостенной кювете, установленной горизонтально на полюсе постоянного магнита цилиндрической формы. Дополнительное разбавление потребовалось для увеличения коэффициента пропускания суспензии. Можно видеть, что яркость изображения различна в разных областях - изображение темнее у края магнита. Это, очевидно, связано с изменением толщины слоя суспензии под действием магнитного поля, как показано на рис. 1.
Рис. 2 - Изображение тонкого слоя суспензии наночастиц, находящейся в широкой плоской тонкостенной кювете над полюсом постоянного цилиндрического магнита
Таким образом, суспензия однодоменных суперпарамагнитных наночастиц может быть использована в качестве МОП для получения и ввода в ЭВМ информации о пространственном распределении магнитного поля. Тонкостенная
кювета, вертикальная или горизонтальная, содержащая такую суспензию, по существу является особым видом сканера магнитного поля (назовем его МОП-сканер), в котором наночастицы, расположенные в различных областях пространства, выполняют функцию множества сенсоров. При этом они не только «чувствуют» локальное значение поля, но и управляют поведением суспензии, обеспечивая визуализацию распределения поля в пространстве.
В зависимости от целей исследования, могут быть использованы вертикальный или горизонтальный МОП-сканеры. В первом из них информация о распределении магнитного поля в пространстве отражается в форме свободной поверхности суспензии, находящейся в сканере. При перемещении вертикального сканера в горизонтальном направлении может быть получена и сохранена в ЭВМ полная картина распределения магнитного поля. Горизонтальный МОП-сканер позволяет получить эту картину в большой области пространства без механического перемещения сканера.
Обработка изображений магнитного поля в ЭВМ
Для дальнейшего анализа особенностей пространственного распределения магнитного поля необходимо получить информацию либо о форме контура определенной части изображения на фотоснимке, приведенном на рис. 1, либо о распределении оптической плотности по всей площади фотоснимка, представленного на рис. 2.
Контур части изображения на фотоснимке можно представить в виде функции одной переменной (координаты x). Оптическая плотность в нашем случае является функцией двух переменных (а именно, координат x и у) и может быть представлена в виде поверхности в трехмерном пространстве.
К сожалению, не удалось найти доступных компьютерных программ, способных выполнить нужные преобразования изображений. Поэтому для обработки фотоснимков были написаны специальные программы на языке
программирования Visual Basic (VB):
2D-to-1D - программа преобразования двумерных изображений в контурные кривые.
2D-to-3D - программа преобразования двумерных изображений в трехмерные.
Ниже кратко описывается принцип работы этих программ.
Каждый пиксель цветного изображения на экране монитора ЭВМ характеризуется параметром RGB, кодирующим уровень каждого из трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (B). В принципе, это дает возможность получения распределения оптической плотности для каждого из трех компонентов цветного изображения, или любого их сочетания. Согласно стандарту, белый цвет, который соответствует абсолютно прозрачному участку образца, кодируется значением «255». Черный цвет
(соответствующий абсолютно непрозрачному участку) кодируется значением «0».
Значение параметра RGB в VB может быть получено с помощью метода object.Point(x, y) в виде десятичного числа, двоичный код которого составлен из кодов трех компонент. Например, для белого цвета получится число 16777215, которое в двоичном представлении выглядит как 11111111 11111111 11111111. Подобные числа удобнее анализировать, если представить их в шестнадцатеричном виде. В этом случае белый цвет соответствует коду FFFFFF. Используя функцию обработки строковых переменных, Mid(str/ng, start[, length]), можно выделить нужный байт и использовать его значение, например, для построения трехмерного изображения.
При изменении оптической плотности изображения длина кода изменяется. Например, код черного цвета во всех представлениях будет равен 0. При изменении длины кода его обработка усложняется. Для фиксации длины кода использовался следующий прием. К коду цвета пикселя добавлялось число 224 = 16777216, которое в двоичном представлении выглядит как 1 00000000 00000000 00000000, а в шестнадцатеричном как 1 00 00 00. В этом случае код любого цвета будет содержать одинаковое число бит. Например, черный цвет будет соответствовать коду 1 00000000 00000000 00000000, который содержит значения всех трех байтов, кодирующих уровень основных цветов.
Программа с условным названием «2D-to-1D» используется в тех случаях, когда необходимо определить форму кривой, разделяющей две области двумерного изображения, имеющие разные параметры цвета. В нашем случае кривая представляет собой границу между суспензией наночастиц, имеющей почти черный цвет, и прозрачной воздушной средой. При помещении кюветы с суспензией в постоянное магнитное поле, форма границы изменяется в зависимости от положения кюветы и уровня суспензии в ней.
В ходе анализа из исходных фотоснимков программным способом вырезается фрагмент фиксированного размера, содержащий изображение одного и того же участка суспензии, от дна кюветы до границы раздела «суспензия/воздух», а также некоторой части воздушной среды над ней. Постоянный размер фрагмента позволяет проводить сравнение отдельных изображений. Цветное изображение на фрагменте переводится в черно-белое, затем осуществляется программное сканирование изображения.
Сканирование проводится по вертикали, сверху вниз. При переходе границы между воздухом и суспензией значение всех байтов параметра RGB резко изменяется. Программа фиксирует значения координат x и у, соответствующих этому переходу и записывает их в файл. Затем участок сканирования смещается по горизонтали и процедура сканирования по вертикали повторяется. В результате анализа формируется файл с набором пар значений координат (х и у), которые затем
используются для построения графика зависимости y = f(x), форма которого повторяет форму границы раздела между суспензией наночастиц и воздушной средой.
В программе 2D-to-3D, для упрощения анализа, цветное изображение переводится в серое, при этом все составляющие параметра RGB принимают одинаковые значения, соответствующие «уровню серого» выбранного пикселя. Загрузка изображения, его сканирование, построение трехмерного изображения и его сохранение в виде файла осуществлялось стандартными методами программирования.
Типичный результат работы программы 2D-to-3D представлен на рис. 3. Ясно видна локальная неоднородность в левой части 3D изображения магнитного поля, очевидно связанная с наличием внутреннего дефекта структуры магнита, вероятно, расположенного неглубоко от его поверхности. Следует отметить, что на поверхности магнита в этом месте не обнаружено каких-либо повреждений - сколов, раковин или трещин.
/
Рис. 3 - 3D изображение, полученное путем преобразования 2D изображения,
представленного на рис. 2
Особенности распределения магнитного поля в области дефекта были исследованы вертикальным МОП-сканером, а также сканером с датчиком Холла AD22151 (Analog Device) в качестве сенсора.
На рис. 4 вверху приведена кривая, полученная с помощью программы 2D-to-1D, и представляющая собой форму свободной поверхности суспензии наночастиц в вертикальном МОП-сканере, установленном на полюс постоянного магнита в области дефекта. На рис. 4 внизу приведены результаты измерения индукции магнитного поля у поверхности этого же полюса магнита, полученные при перемещении датчика Холла вдоль диаметра магнита, в том же направлении, в котором был установлен вертикальный МОП-сканер. Как видно, обе кривые практически одинаковы. Это позволяет говорить не только о качественном, но и количественном согласии результатов, полученных разными методами.
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
г, тт
Рис. 4 - Форма свободной поверхности суспензии наночастиц в вертикальном МОП-сканере (вверху) и распределение величины индукции магнитного поля в той же области пространства, полученное с помощью датчика Холла (внизу)
Заключение
Исследования в области нанотехнологий, как правило, затрагивают несколько областей научного знания [16 - 18]. Данную работу также можно рассматривать как пример интеграции информационных технологий и нанотехнологий. Синтез суперпарамагнитных наночастиц и приготовление их стабильной суспензии открывает дополнительные возможности для конструирования новых устройств регистрации и преобразования информации, упрощающих ее ввод в ЭВМ. Информацию о распределении магнитного поля в пространстве можно получить как по форме свободной поверхности суспензии наночастиц, так и по величине ее оптической плотности. Это является основанием для разработки различных конструкций сканеров магнитного поля, в которых функцию сенсоров выполняют находящиеся в суспензии наночастицы. Данные, полученные в настоящей работе, свидетельствуют о качественном и количественном согласии результатов исследования магнитного поля постоянных магнитов сканерами на основе наночастиц и традиционным методом.
Сканеры магнитного поля с магнитооптическим преобразователем на основе суспензии наночастиц (МОП-сканеры) обладают рядом преимуществ перед традиционными сканерами. Их отличает низкая себестоимость, простота изготовления, компактность конструкции, удобство использования, отсутствие потребности в источнике энергии, оперативность получения и наглядность представления информации,
возможность ее ввода в ЭВМ для последующей
обработки.
Литература
1. P. Keller, Technologies for Precision Magnetic Field Mapping, Metrolab Instruments, 16 p., www.metrolab.com
2. J.P. Hornak, J. Szumowski, R.G. Bryant, Magn. Reson. Med., 6, 2, 158-163 (1988)
3. I.M. Zainal, G.Y. Tian, Y. Li,17th World Conference on Nondestructive Testing, (Shanghai, China, October 25-28, 2008), http://www.ndt.net/article/wcndt2008/papers/405.pdf
4. J.E. Lenz, Proc. of IEEE, 78, 973-989 (1990)
5. J. E. Lenz, A.S. Edelstein, Sensors Journal, 6, 3, 631-649 (2006)
6. A.S. Edelstein, J. Phys.: Condens. Matter, 19, 16, 165217 (2007)
7. H.J. Ahn, K.R. Kim, Int. J. Precision Ing. Manufacturing-Green Technol, 1, 2, 125-129 (2014)
8. K. Skucha, P. Liu, M. Megens, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystem (TRANSDUCERS) 16th International Conference (Beijing, China, June 5-9, 2011), http://ieeexplore.ieee.org/xpl/article
9. Magnetic viewing film, https://en.wikipedia.org/wiki
10. V.I. Nikitenko, V.S. Gornakov, Yu.P. Kabanov, A.J. Shapiro, R.D. Shull, C.L. Chien, J.S.Jiang, S.D. Bader, J. of Magn. Magn. Mater, 258-259, 19-24 (2003)
11. MOIF - Magneto Optical Indicator Film for Magnetic Field Visualization, http://www.magneticmeasurements.com/
downloads.html#PRICELIST
12. Б.М.Берковский, В.Ф.Медведев, М.С.Краков, Магнитные жидкости, Химия, Москва, 1989, 240 с
13. Д.А. Баранов, Магнитные наночастицы: проблемы и достижения химического синтеза, http://www.nanometer.ru/2008/11/02/12255844853611_544 00.html
14. R. Massart, IEEE Trans. Magn. , 17, 1247-1248 (1981)
15. Л.А.Саркисян. Аналитические методы расчета стационарных магнитных полей, Энергоатомиздат, Москва, 1993, 288 с.
16. В.О. Ежков, Л.М.-Х. Биккинина, М.А. Поливанов, Вестник технологического университета, 16, 19, 241245 (2013)
17. В.Г Хозин.,Е.С. Зыкова, Вестник технологического университета, 16, 18, 178-181 (2013)
18. Р.А. Ибрагимов, Л.И. Киямова, Вестник технологического университета, 18, 7, 211-213 (2015)
© А. Н. Темников, к.ф.-м.н., доцент, кафедра физики КНИТУ, antemnikov@yahoo.com.
© A. N. Temnikov, PhD in Physics and Mathematics, Associate Professor, Physics Department, Kazan National Research Technological University, antemnikov@yahoo.com.
