CC BY
21ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Особенности анализа микрофотографий образцов, полученных в результате инициации СВЧ разрядов в смесях порошков
Качмар В.В.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
E-mail: vv. kachmar@fpl gpi. ru
В настоящей работе представлена методика компьютерного анализа микрофотографий образцов, которые получаются в результате микроволновых экспериментов с порошковыми смесями. Помещённые в плазмохимический реактор смеси порошков облучаются гиротронными импульсами мощностью до 450 кВт и длительностью до 10 мс, что приводит к инициации разрядов внутри и на поверхности смесей и развитию цепных химических реакций в объёме реактора. На данном методе основаны эксперименты, целью которых является 1) проведение имитационных испытаний металлов для лунных миссий [1]; 2) синтез катализаторов на оксидных носителях [2]. Переход от одного вида экспериментов к другому происходит посредством изменения порошковой смеси и установки металлических пластин: в случае имитационных испытаний смесь представляет собой лабораторный аналог лунного реголита, над которым устанавливаются металлические образцы; в случае синтеза катализаторов — это, например, смесь платины с оксидом, при этом металлические пластины из реактора изымаются.
В результате имитационных экспериментов на тестируемые металлы осаждаются частицы реголита, что приводит к модификации металлической поверхности. В свою очередь, результатом экспериментов по синтезу катализаторов является сама порошковая смесь: под влиянием СВЧ-энергии частицы платины осаждаются на оксиды, создается каталитическая система. В каждом эксперименте строятся распределения частиц по размерам: в имитационных испытаниях это осажденные на металлические пластины частицы реголита, в синтезе катализаторов — осажденные на оксиды частицы платины.
19-21 октября 2021 г
Необходимость построения распределений в обоих экспериментах заключается в следующем. В случае экспериментов с реголитом важно повторить распределение реальных лунных образцов, которое является одним из фундаментальных характеристик лунного грунта. В экспериментах по синтезу катализаторов по распределениям можно судить об активности и селективности катализаторов. Это означает, что размеры частиц платины должны быть не более 10 нм и описываться узким гауссовым распределением.
Для решения задачи о построении распределений используются методы электронной микроскопии и компьютерные методы обработки микрофотографий. Для наблюдения проводящих металлических пластин с частицами реголита использовался сканирующий электронный микроскоп (SEM — Scanning Electron Microscopy). Основную часть каталитической системы составляют диэлектрики, при SEM-методе заряд на диэлектриках накапливается, эта проблема устраняется при использовании просвечивающего электронного микроскопа (TEM — Transmission Electron Microscopy). Разные методы микроскопии привели к двум различным алгоритмам анализа микрофотографий.
Ч
Рис. 1. SEM-микрофотография частиц реголита на тантале (слева) и идентифицированные на ней частицы реголита (справа).
Показано, что вследствие контрастности SEM-изображений подходит наиболее простой метод сегментации изображений — глобальная бинаризация (thresholding): частицы реголита имеют отличную от фона (металлической поверхности) интенсивность, этот контраст сохраняется по всему изображению и поэтому для сегментации изображения достаточно выбрать два цвета — один для фона, второй для частиц (рис. 1). Однако для усиления контрастности изображения необходимо прибегнуть к
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
предварительной его обработке фильтрами (например, методы Фурье-фильтрации).
Особенностью TEM-изображений является низкий контраст между анализируемыми частицами платины и оксидов, который, кроме того, зависит от конкретной области микрофотографии (рис. 2). Для сегментации таких изображений необходимы методы, учитывающие локальные особенности микрофотографий — локальная бинаризация (local thresholding) и разбиение графов (graph cut). Для них интенсивности фона и частиц являются зависящими от конкретной области изображения параметрами.
... .
Рис. 2. ТЕМ-микрофотография частиц платины на оксиде алюминия А1203 (слева) и идентифицированные на ней частицы платины.
После получения бинарных изображений
идентифицированные частицы аппроксимируются эллипсами, и выводится таблица с площадями частиц. Это даёт возможность рассчитать их линейные размеры, за которые принимаются диаметры эквивалентных по площади окружностей, и построить распределения частиц по размерам.
Разработанная методика призвана помочь в автоматизации анализа микрофотографий. В рамках описанных экспериментов проблема автоматизации актуальна и продиктована большим количеством изображений образцов, для которых необходимо получать распределения.
Автор выражает благодарность научному коллективу проекта ГЗ БВ10 2021.
1. Skvortsova N.N., Maiorov S.A., Malakhov D.V. et al. JETP Letters. 2019, 109(7), 452-459.
2. Skvortsova N.N., Shishilov O.N., Akhmadullina N.S. et al. Ceram Int. 2021, 47, 3978-3987.
