НИТУ "МИСиС" и Университет страны Басков работают над уникальными микродатчиками магнитного поля для навигации и медицины

В НИТУ "МИСиС" под руководством приглашённого профессора Аркадия Жукова (Университет страны Басков, Испания) идёт разработка технологий массового получения совершенных/бездефектных аморфных магнитных материалов на основе железа и кобальта для микродатчиков магнитного поля с возможностью применения для навигации в отсутствии GPS и в медицине. Группа ученых уже получила первые образцы уникального материала, который может применяться для датчиков измерения магнитного поля с рекордной чувствительностью, миниатюрным размером и расширенными функциональными возможностями. Стоимость таких датчиков будет в десятки раз ниже современных аналогов.

На сегодняшний день самым эффективным и дорогим прибором для измерения магнитного поля из всех существующих является СКВИД магнитометр, обладающий рекордно высокой чувствительностью, достигающей 1 пТ (10-8 Гс, примерно в 20 000 000 слабее земного поля 5·10?33 Дж/Гц). Он используется для измерения еле заметных магнитных полей. На его исключительно высокую чувствительность к магнитному потоку опирается практически весь спектр медицинских и технических исследований. Однако недавно специалисты столкнулись с тем, что данный прибор невозможно применять в ряде случаев из-за его дороговизны и большого размера. Другими традиционными приборами для измерения магнитных полей являются феррозонды, однако и их размеры достаточно велики (отдельные модели - до 30 см).

Этим, а также поиском простого, не требующего дорогостоящей техники, способа изготовления, обусловлен непрерывно возрастающий интерес к микропроводам.

На базе МИСиС учеными под руководством Аркадия Жукова были проведены исследования особенностей формирования магнитных свойств и усовершенствованы технологии, позволяющие обнаружить дефекты исходных материалов, исследовать их природу, наметить пути снижения дефектности микропровода или уменьшить их влияние на магнитные свойства.

Полученный материал представляет собой тонкий магнитный микропровод, заключенный в стеклянную оболочку, диаметр которого составляет примерно 25 микрометров (на порядок тоньше человеческого волоса). Это уникальный магнитный материал может быть применен для разработки различных датчиков на его основе с рекордной чувствительностью и новыми функциональными возможностями. Так импеданс (электросопротивление в переменном токе) магнито-мягкого микропровода изменяется в 500-1000 раз при приложении слабого магнитного поля (всего в 10 раз сильнее поля Земли). Этот эффект (эффект гиганского магнитоимпеданса, ГМИ) был открыт несколько лет назад в Японии в традиционных магнитных материалах профессором Паниной, которая совсем недавно также продолжила свою научную карьеру в НИТУ "МИСиС". Это дает возможности применения данного материала в магнитных датчиках. Такой датчик способен определять величину и направление магнитного поля в любой точке пространства. В частности, он может при отсутствии сигнала заменить GPS, позволяя ориентироваться в пространстве по магнитному полю Земли. При этом магнитное поле измеряется по изменению магнито-импеданса (электрического сопротивления в переменном токе при высокой частоте). Физическая природа этого эффекта связана с так называемым скин-эффектом магнитного проводника: когда через образец пропускается высокочастотный ток, который концентрируется на поверхности образца, глубина проникновения тока зависит не только от частоты тока, но и от магнитной проницаемости образца.

"Наша разработка представляет собой совершенно новый эффект: более миниатюрная, менее дорогая и более чувствительная по сравнению с традиционно используемыми магнитометрами. Результаты исследований дали возможность получать материалы с заранее прогнозируемыми свойствами и управлять ими, что позволяет значительно ускорить технологический процесс. Они уже нашли свое применение в ряде мобильных устройств (с 2010 года ряд компаний, выпускающих сотовые телефоны, уже используют эту технологию в своих устройствах, как для игр, так и для навигации), био- и медицинской технике, а также автомобильной и авиационной промышленности", - отметил Аркадий Жуков.

Уникальный магнитный материал применяется для обеспечения электромагнитной безопасности в новых электромобилях. Как известно, в отсутствии двигателей внутреннего сгорания все механизмы приводятся в действие за счет электрического тока, что создает повышенный фон магнитных полей. С помощью датчика из микропровода, разработанного профессором С. Гудошниковым, который также недавно начал сотрудничество с МИСиС, в рамках европейского проекта проведена проверка магнитных полей электромобиля автоконцерна "FIAT" в Европе. Исследованный электромобиль предназначен для развоза почты и в будущем может быть оснащен датчиком из разработанного материала, позволяющим обеспечить его электромагнитную безопасность. Преимуществами разработанного датчика являются его миниатюрность, повышенная чувствительность, а также стоимость, которая в десятки раз ниже стоимости аналогов. Данный прибор позволит ориентироваться в подземных туннелях и других местах, где недоступны сигналы спутника. Кроме того миниатюрность датчика (размер датчика, разработанного из микропровода японской компанией "Aichi Steels", всего несколько миллиметров) предполагает его применение и в медицине. Уже продемонстрировано, что такой датчик позволяет измерять электрокардиограммы и магнитное поле мозга.

Магнитный микропровод с гигантским магнитоимпедансом как материал для магнитных датчиков уже запатентован Аркадием Жуковым в ряде международных патентов.

В Испании уже запатентованы прототипы магнитных меток для магазинов на основе этого материала. Суть его заключается в том, что на все продукты клеится этикетка, в которую вместо штрихкода встроен магнитный код - несколько проводов с разными свойствами,- которые позволяют проводить идентификацию объектов, в частности, считывать покупки в супермаркете с тележки, не обременяя стоянием в очередях.

Этот метод также рассматривался для применений американской компанией "Avery Dennison" - мировым производителем этикеток по одному из направлений - магнитные метки для багажа. Благодаря ему в процессе прохождения сквозь так называемые "ворота" в аэропортах считывается магнитный код, и багаж автоматически распределяется по пунктам назначения, без использования сканера.

Комбинируя химический состав, параметры процесса получения и методы термообработки микропроводов, профессор Жуков выявил возможность управлять магнитными свойствами микропровода. В процессе разработки были найдены новые составы для получения аморфного магнитно-мягкого микропровода и предложены оригинальные схемы датчиков на основе микропроводов с различными свойствами.

Аркадий Жуков - приглашенный в университет "МИСиС" ученый, профессор Университета страны Басков (Испания), доктор физико-математических наук, основатель компании "TAMAG", автор более 400 научных статей в журналах, 7 патентов, более 300 докладов на международных конференциях, индекс Хирша - 32. Область интересов - магнитные материалы, аморфные и нанокристаллические магнитные материалы, магнитные сенсоры.

www.misis.ru