§6.7. Магнитожидкостные датчики

Встатических ЭМУ для усиления магнитного потока (потокосцепления) используются сердечники из магнитных материалов. Использование в качестве сердечников ЭМУ МЖ (или МРЖ) позволяет создавать на их основе датчики. Рассмотрим несколько возможных вариантов конструкции таких датчиков.

Центробежный датчик вращения (рис. 6.18) включает в себя полый цилиндр 1, содержащий МЖ 2, датчик магнитного поля (например, холловский) 3 и постоянный магнит 4. Цилиндр может вращаться вокруг собственной оси. В состоянии покоя цилиндра МЖ скапливается в его нижней части (рис. 6.18, а). В непосредственной близости от датчика магнитный материал отсутствует, магнитное поле постоянного магнита рассеивается в пространстве по всем направлениям и поэтому слабо влияет на датчик Холла. При вращении цилиндра с определенной скоростью МЖ под действием центробежной силы образует слой на внутренней поверхности цилиндра (рис. 6.18, б). Создаваемые постоянным магнитом линии

Рис. 6.18. Центробежный датчик вращения:

а – в состоянии покоя; б – в состоянии вращения (В – силовые линии магнитного поля; 1 – полый цилиндр; 2 – магнитная

жидкость; 3 – датчик магнитного поля; 4 – постоянный магнит)

225

магнитной индукции замыкаются через слой МЖ, и поле концентрируется вблизи магнита. В результате датчик Холла реагирует на увеличение напряженности магнитного поля, и его сигнал является индикатором вращения цилиндра.

Датчик угла наклона изображен на рис. 6.19. В U-образной трубке находится МЖ (или МРЖ). Обмотки трансформатора установлены на одном из колен трубки, выполняющем функцию сердечника. При протекании по первичной обмотке переменного тока во вторичной обмотке индуцируется переменное напряжение. Уровень жидкости располагается примерно на половине высоты обмоток. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, зависит от взаимной индукции обмоток. В исходном состоянии основание датчика расположено горизонтально, уровни магнитной жидкости в обоих коленах трубки одинаковы (рис. 6.19, а). Отклонение основания на некоторый угол изменит уровень жидкости в сердечнике (рис. 6.19, б), что приведет к изменению взаимной индукции и, следовательно, к изменению напряжения на вторичной обмотке. Установив взаимосвязь между напряжением во вторичной обмотке и углом наклона основания, можно создать датчик.

Акселерометр (датчик ускорения) изображен на рис. 6.20.

МЖ (или МРЖ) заполняет трубку или цилиндр, играющий роль сердечника трансформатора. При изменении расположения МЖ вза-

Рис. 6.19. Датчик угла наклона: а – исходное состояние; б – при наклоне (1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка;

3 – U-образная трубка; 4 – магнитная жидкость)

226

имная индукция первичной и вторичной обмоток будет изменяться. Соответственно будет меняться и напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке. Если в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, возникает ускорение а, то поверхность МЖ изменяет свое положение на угол φ (при этом tg φ = –а/g, где g – ускорение свободного падения), что вызывает изменение коэффициента взаимной индукции и напряжения на вторичной обмотке.

Схожий принцип действия положен в основу работы датчика частоты (скорости) вращения объекта.

Возможность применения магнитных жидкостей в различных областях зависит от требований, предъявляемых к устройствам, в которых они используются.

§ 6.8. Жидкости с низкой концентрацией наноразмерных магнитных частиц

Жидкости с низкой концентрацией наноразмерных МЧ (массовая доля не более 5 %) применяются в медицинской диагностике и терапии в составе различных препаратов, вводимых перорально* (при обследовании органов желудочно-кишечного тракта) или внутривенно. Необходимость обеспечения совместимости таких препаратов с организмом человека требует применения водной дисперсионной среды**. В зависимости от назначения в жидкие неоднородные системы вводятся ПАВ, имеющие сродство к МЧ. При необходимости к ПАВ можно присоединить различные биологические молекулы.

*Пероральный прием препаратов означает их введение через рот путем проглатывания.

**В состав препаратов с водной дисперсионной средой включают различные буферные растворы (например, 0,9 %-й раствор NaCl), обеспечивающие при внутривенном введении совместимость с компонентами крови.

227

Пероральное введение таких жидкостей применяется в МРТ для повышения контраста. Жидкости с наноразмерными МЧ, вводимые внутривенно, еще не имеют разрешения на использование в РФ, однако в ряде стран уже проводятся их клинические испытания.

Повышение контраста в МРТ. Метод МРТ основан на эффек-

те ядерного магнитного резонанса. В большинстве установок МРТ в качестве источника однородного магнитного поля используется электромагнит, в котором за счет охлаждения жидким гелием материал обмотки переходит в сверхпроводящее состояние, позволяющее обеспечить высокую плотность тока и соответственно достичь индукции магнитного поля 19 Тл и более*. При проведении исследований частота переменного магнитного поля выбирается в соответствии с частотами резонансного поглощения биологически важными элементами (13С, 31Р и др.). Например, для чаще всего используемого 1Н частота резонанса составляет 42 МГц при индукции поля 1 Тл. Воздействие переменного магнитного поля резонансной частоты переводит протоны водорода, входящего в молекулу воды, из равновесного состояния (суммарный магнитный момент равен 0) в состояние с ненулевым магнитным моментом. После прекращения воздействия переменного магнитного поля протоны водорода за некоторый интервал времени возвращаются в равновесное состояние. Томограф фиксирует выделение энергии во время релаксации предварительно возбужденных протонов и показывает локальные неоднородности магнитного поля, в соответствии с которыми происходит компьютерная обработка информации и построение изображения. Если перед проведением МРТ в желудочно-кишечный тракт ввести препарат, содержащий МЧ (контрастное вещество), то получаемые изображения будут более контрастны (за счет создания больших́ неоднородностей магнитного поля, вызываемых различными механизмами накопления МЧ в исследуемых органах и тканях, а также на их границах). Применение препаратов на основе МЧ (магнетит, маггемит и др.) позволяет в ряде случаев заменить ком-

* Значение зависит от внутреннего диаметра катушки электромагнита, при обследовании человека применяют установки с индукцией поля до 3 Тл.

228

плексные соединения гадолиния, оказывающие токсическое воздействие на организм человека.

Гипертермическая эмболизация* основана на закупорке крове-

носных сосудов под действием локального разогрева. Такой разогрев может быть обеспечен применением жидких дисперсионных сред с наноразмерными МЧ. Такие жидкости могут вводиться в организм через кровеносные сосуды в точке, удаленной от места эмболизации. Воздействие неоднородного магнитного поля приводит к направленному движению МЧ по кровеносным сосудам (за счет пондеромоторной силы) и концентрации их в требуемой области. Дополнительно приложенное в области эмболизации переменное магнитное поле частотой несколько сотен килогерц разогревает МЧ за счет потерь энергии при их перемагничивании и возникающих в них вихревых токов. В результате кровеносный сосуд разогревается до температуры 42…45 °С и закупоривается.

Принцип управления движением МЧ по кровеносным сосудам может быть использован для адресной доставки молекул лекарственного препарата (например, к опухолевым образованиям).

Данный метод терапии обычно применяют при комбинированном лечении онкологических заболеваний в комплексе с химиотерапией и лучевым воздействием.

Пример комплекса на основе МЧ, используемого для визуализации опухолевых клеток, приведен на рис. 6.21. МЧ представляют собой кристаллиты магнетита. Для обеспечения биосовместимости МЧ покрываются углеводом (декстраном), к поверхности которого прикрепляются молекулы белка (эпидермального фактора роста, ЭФР), стимулирующего рост и созревание клеток), которые преимущественно соединяются с опухолевыми клетками. Комплексы

* Эмболизация – медицинская процедура, состоящая в избирательной закупорке кровеносных сосудов специальными препаратами.

229