Магнитные методы контроля — Контроль работ по металлопокрытиям

Магнитные методы контроля

Категория:

Контроль работ по металлопокрытиям

Магнитные методы контроля

Магнитные методы можно использовать только при контроле деталей из ферромагнитных материалов для выявления мест нарушения сплошности материала детали, расположенных на поверхности и в подповерхностных слоях, а в отдельных случаях — и внутри детали, т. е. трещин (усталостных, шлифовочных, закалочных, сварочных, ковочных, штамповочных), волосовин, закатов, расслоений (непараллельных поверхности), флокенов, надрывов, непроваров в сварных соединениях, неметаллических включений. Можно использовать эти методы для выявления ферритных включений в деталях из аустенитных сплавов.

Магнитными методами можно корректировать отдельные технологические процессы изготовления деталей (шлифование, термическую обработку, сварку, ковку, штамповку, протяжку и др.).

Благодаря высокой чувствительности, объективности, простоте и быстроте операций, четкости определения дефектов и надежности магнитные методы получили большое распространение в промышленности. Их преимуществом является также возможность контроля деталей сложной формы и любых размеров.

Магнитные методы контроля развивают в двух направлениях: с использованием в качестве индикаторов ферромагнитных порошков или электромагнитных и электронных систем. Рассмотрим магнитопорошковый, магнитоферрозондовый и магнитографический методы.

Магнитные методы контроля ферромагнитных деталей основаны на явлении возникновения магнитного поля рассеяния на поверхности намагниченной детали в местах расположения дефектов (нарушение сплошности материала или наличие включений с другой магнитной проницаемостью). Если на поверхности намагниченной детали создается магнитное поле рассеяния, значит в данном месте детали, вероятно, имеется дефект.

Для намагничивания изделий можно использовать переменный, постоянный, выпрямленный одно-, двухполуперйодный трехфазный ток, а также импульсный ток.

Переменный ток наиболее эффективен для выявления поверхностных дефектов, так как действие магнитного поля ограничивается поверхностными слоями изделия. Переменный ток необходим и для размагничивания деталей. Для выявления подповерхностных дефектов предпочтительнее постоянный ток, так как создаваемое им магнитное поле проникает глубоко в изделие и более равномерно распределяется по всему сечению детали. Однополу-периодный выпрямленный ток эффективен для выявления подповерхностных и поверхностных дефектов при магнитопорош-ковом способе контроля. Выпрямленный двухполупериодный и трехфазный ток по характеру создаваемых магнитных полей близки к постоянному току.

Большое значение для выявления дефектов имеет правильный выбор- напряженности магнитного поля, которая зависит от формы и расположения предполагаемого дефекта, а также магнитных характеристик материала контролируемого изделия. Слишком высокая напряженность магнитного поля может вызвать осаждение ферромагнитного порошка по всей поверхности изделия и появление «ложных» дефектов, недостаточная напряженность приводит к уменьшению возможности выявления подповерхностных дефектов и снижению чувствительности метода при выявлении мелких поверхностных дефектов.

Магнитопорошковый метод — один из наиболее распространенных методов магнитного контроля. Его используют для обнаружения поверхностных нарушений сплошности шириной у поверхности 0,001 мм и более, глубиной 0,01 мм и более. Чувствительность метода повышается при использовании флуоресцирующего магнитного порошка (магнито-люминесцентный метод). В этом случае минимальная ширина у поверхности выявляемого дефекта 0,0005 мм, а протяженность его в глубь изделия 0,005 мм.

При контроле изделий магнитопорошковым методом магнитные поля рассеяния, возникающие на поверхности контролируемых изделий в местах нарушения сплошности, выявляют с использованием ферромагнитного порошка. Над местом нарушения сплошности материала изделия накапливаются ферромагнитные частицы. Площадь, занимаемая порошком, значительно больше площади дефекта, поэтому можно выявить очень незначительные по размеру дефекты, что имеет большое практическое значение.

Эффективность метода определяется способностью магнитных частиц перемещаться под действием магнитных полей рассеяния. В процессе нанесения на деталь ферромагнитные частицы находятся во взвешенном состоянии в воздухе («сухой» метод) или в таких жидкостях, как минеральное масло, керосин или вода, т. е. в виде суспензии («мокрый» метод). Для увеличения подвижности частиц сухого порошка его можно 164 распылять в виде облака, при этом изделие иногда встряхивают.

Преимущества магнитопорошкового метода: возможность контроля любого , изделия, изготовленного из ферромагнитного материала; выявление с достаточной степенью надежности всех нарушений сплошности материала изделия, расположенных на поверхности или вблизи нее; высокая чувствительность; простота методики контроля и высокая производительность; возможность использования портативного оборудования.

МагнитОпорошковый метод допускает контроль деталей, после оксидирования, окраски или нанесения гальванического покрытия (цинка, кадмия, хрома и др.) при условии, что толщина немагнитного покрытия не превышает 80 мкм. При более толстых покрытиях над дефектом создается очень слабое поле рассеяния.

Магнитопорошковым методом не рекомендуют контролировать сварные швы ферромагнитных изделий, полученные с использованием электродов из аустенитной стали, так как ферромагнитный порошок может осаждаться на границе аустенит-ного шва (мнимые дефекты).

Недостатки магнитопорошкового метода: возможность контроля только изделий из ферромагнитного материала; необходимость использования специального оборудования; невозможность выявления дефектов, расположенных на глубине более 2 мм от поверхности, а также дефектов под немагнитными покрытиями толщиной более 80 мкм при использовании магнитной суспензии. На вероятность обнаружения дефекта влияют многие факторы, в том числе его очертания, ориентация и глубина залегания.

Магнитноферрозондовый метод разработан при изыскании простых способов обнаружения ферромагнитных включений в неферромагнитных материалах. В результате были разработаны магниточувствительные датчики — феррозонды, позволяющие измерять однородные и неоднородные магнитные поля.

Метод контроля основан на обнаружении и измерении магнитных полей, в том числе и полей рассеяния, возникающих в зоне дефектов, с помощью феррозондов — магнитодинамиче-ских магнитометров. Магнитометр — это прибор, позволяющий обнаруживать и измерять, магнитные поля, а также определять степень намагниченности ферромагнитного тела по создаваемому им в пространстве магнитному полю.

Преимущество метода — возможность с помощью феррозондов, применяемых в дефектоскопии, выявлять и измерять очень слабые магнитные поля небольших размеров.

С использованием феррозондов можно:
— выявлять нарушения сплошности в ферромагнитных материалах и изделиях из них, причем не только поверхностные и подповерхностные, как при магнитопорошковом методе, но и удаленные на 10—15 мм от поверхности изделия, что является существенным преимуществом данного метода;
— контролировать и сортировать стальные детали (в том числе и автоматически) по твердости (после термической обработки) ;

— контролировать толщину цементованного, азотированного и поверхностно-закаленного слоя изделия;
— судить о прочности кристаллической решетки твердого раствора, дисперсионном твердении и т. п.;
— получать качественную и количественную характеристики магнитных свойств материала изделия, по которым можно судить о структуре и механических свойствах при магнитострук-турном анализе;
— измерять толщину стенок сложных отливок и листов большой площади из неферромагнитных материалов;
— определять наличие магнитной фазы в немагнитных сплавах, ферромагнитных примесей и характер их распределения в цветных сплавах или других немагнитных материалах, выявлять остаточный аустенит;
— определять степень размагниченности изделий, подвергаемых магнитному контролю или шлифованию на плоскошлифовальных станках с магнитными столами.

Магнитографический метод контроля предназначен для выявления мест нарушения сплошности материала в сварных швах трубопроводов, резервуаров и листовых конструкций из ферромагнитных материалов. В качестве индикаторов магнитных полей рассеяния применяют магнитную ленту. В зависимости от применяемого типа магнитографического дефектоскопа можно контролировать сварные швы с толщиной свариваемого материала до 16 мм.

Этим методом хорошо выявляют поверхностные трещины. Внутренние дефекты (газовые и неметаллические включения, непровары и т. п.) обнаруживают в случае, если их размеры составляют приблизительно 8—10% толщины контролируемого шва.

Магнитографический контроль состоит в намагничивании зоны контролируемого сварного шва для создания над дефектом магнитного поля рассеяния, «записи» магнитного поля дефекта на магнитную ленту и воспроизведения «записи» на ленте. При воспроизведении «записанных» на ленте магнитных полей определяют расположение и размеры дефектов. Для намагничивания, как правило, применяют постоянный ток, так как необходимо выявлять в основном внутренние дефекты. Напряженность магнитного поля обычно выбирают экспериментально для четкого выявления характерных дефектов минимально допустимых размеров.

Реклама:

Читать далее:

Люминесцентный метод контроля

Статьи по теме:

Магнитный неразрушающий контроль. Магнитный контроль сварных швов

Магнитный неразрушающий контроль – это комплекс методов, направленных на выявление дефектов в изделиях из ферромагнитных металлов, сплавов без нарушения целостности поверхности. В основу данного способа исследования ложится взаимодействие контрольного металлического порошка с возникающими в результате намагничивания обследуемого объекта полями. При отсутствии дефектов на поверхности образуется равномерный слой, но любые искажения магнитного поля приведут к формированию характерных скоплений порошка, которые можно обнаружить во время проведения визуального осмотра с использованием вспомогательных средств.

Области применения метода магнитного контроля

Магнитный контроль деталей позволяет выявлять скрытые дефекты на промышленном, производственном оборудовании, инженерных коммуникациях, наземном, водном, воздушно-космическом транспорте, в сварных швах ответственных конструкций. Он актуален в тяжелой/легкой промышленности – на машиностроительных производствах, металлургических заводах, при контроле качества стальных/сварных изделий, конструкций, энергосетей, трубопроводов. Метод является эффективным при обнаружении дефектов с шириной от 0,001, глубиной – от 0,01, но не более 3 миллиметров (при условии скрытого дефекта), и позволяет принимать решение о замене ответственных элементов с целью предупреждения аварийных ситуаций.

Какие типы дефектов позволяет выявлять неразрушающий магнитный контроль:

• Непровары, наличие пор, трещин – магнитный контроль сварных швов дает возможность определить их качество непосредственно по факту приема работы или во время эксплуатации конструкции, детали, оборудования
• Несплошности, расслоения – эффективный контроль качества изделий в металлургической промышленности
• Мелкие подповерхностные дефекты всех типов, вкрапления инородных веществ в толщу металлов. Эти дефекты невозможно выявить капиллярным методом, так как фактически разрыва сплошной поверхности нет, поэтому контрольная жидкость не проникнет внутрь, а вот искажение магнитного поля не останется незамеченным

Метод эффективен только для поверхностей без немагнитных защитных покрытий (хрома и т.п.). В противном случае необходимо прибегнуть к проведению обследования методом постоянного (приложенного) магнитного поля, но с меньшей продуктивностью.

Магнитно-люминесцентный метод

Оборудование магнитного контроля в совокупности с магнитно-люминесцентным порошком (с добавлением люминофора) позволяет проводить более эффективный визуальный контроль результатов. В ультрафиолетовом свете можно с более высокой эффективностью обнаруживать дефекты на поверхностях темного цвета в условиях плохой освещенности. Суть методики при этом не меняется – деталь очищается, намагничивается, при необходимости – смачивается водой, покрывается порошком или суспензией на его основе. Разница состоит только в визуальном контроле – для выявления дефектов применяются УФ лампы. Люминофор, содержащийся в смеси, обеспечивает свечение высокой яркости именно в областях скрытых дефектов, формируя хорошо заметные пятна, бороздки.

В компании «ПОВЕРКОН» вы можете купить оборудование для магнитного контроля с гарантиями качества по выгодным ценам. В верхней части страницы указаны контактные номера телефонов для прямой связи с нашими компетентными специалистами, которые ответят на ваши дополнительные вопросы.

Магнитные методы контроля

Магнитные методы контроля применяются для ферромагнитных материалов. Они основаны на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Изделия контролируют в приложенном или остаточном магнитном поле. В намагниченном материале контролируемого объекта, при наличие несплошностей, вследствие пониженной магнитной проницаемости дефекта магнитные силовые линии будут огибать дефект, и при близком от поверхности объекта расположении несплошностей выходить на поверхность, создавая над дефектами местные магнитные полюса. Регистрируя наличие таких местных полюсов можно выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты ферромагнитного материала. По способу регистрации местных магнитных полюсов существуют: магнитопорошковый метод контроля (МПД), где дефекты регистрируют по наличию скоплений над дефектами магнитного порошка, наносимого на поверхность намагниченной детали; магнитографический (МГД), где регистрация дефектов проводиться с помощью намагничиваемой ленты, прикладываемой к контролируемой поверхности; феррозондовый, основанный на применении магниточувствительных приборов.

В лаборатории «ЛЕНТЕСТ» используется, в основном, магнитопорошковый метод контроля. При МПД на поверхность намагниченной детали наносят магнитную суспензию или сухой порошок. Под действием неоднородных магнитных полей рассеяния ферромагнитные частицы перемещаются к дефекту и скапливаются над ним, образуя визуально видимые валики. Используются также и магнитолюминисцентные порошки. МПД характеризуется высокой чувствительностью к тонким и мелким трещинам (раскрытие – 0,0025 мм., высота – 0,025 мм.), простотой, оперативностью, наглядностью, возможностью применения для деталей практически любых форм и размеров. В сравнении с капиллярным (цветным) методом выявления поверхностных дефектов МПД менее требователен к подготовке контролируемой поверхности детали.

Лаборатория «ЛЕНТЕСТ» оснащена современными магнитными приборами (дефектоскопами) и принадлежностями (порошки, суспензии), позволяющими обеспечить требуемый уровень качества магнитно-порошкового контроля.

В Таблице 1 приведены ориентировочные данные по стоимости и производительности контроля изделий различных типов.

Таблица 1

Виды контроля	Единица изм.	Средняя производительность одного специалиста**	Стоимость	Примечания
МПД сложных поверхностей поковок, литых изделий	кв.дм*	От 1 кв.дм/час	От 600 руб за 1кв.дм
МПД св.швов	пог.метр	10 пог. метров	От 600 руб за 1 пог.метр

* — измеряется площадь сканирования
** — в зависимости от конфигурации и других параметров поверхности

Назначение и практические возможности метода магнитной памяти металла

д.т.н., профессор Дубов А.А.

Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла (МПМ) от других магнитных методов неразрушающего контроля (НК) отмечались неоднократно в статьях [1, 2, 3] и в теоретических работах [4, 5, 6].

Основное назначение метода МПМ – определение на оборудовании и в конструкциях в режиме экспресс-контроля с использованием специализированных приборов и сканирующих устройств зон концентрации напряжений (ЗКН) – основных источников развивающихся повреждений.

ЗКН – это не только заранее известные области, где особенности конструкции создают различные условия для распределения напряжений, создаваемых внешней нагрузкой, но и случайно расположенные области, где в силу начальной неоднородности металла в сочетании с нерасчетными дополнительными рабочими нагрузками возникают большие деформации (как правило, деформации сдвига).

Геометрическим признаком магнитных аномалий, характеризующим ЗКН, является расстояние между экстремальными значениями собственного магнитного поля, кратное типоразмеру изделия (толщине, ширине, диаметру). Это расстояние соответствует минимальному расстоянию между соседними площадками скольжения или критическому размеру оболочки, возникающему, например, при потере устойчивости трубы.

Контроль методом МПМ осуществляется без зачистки металла и искусственного намагничивания. Используется остаточная намагниченность, которая сложилась естественным образом при изготовлении изделий и в процессе их эксплуатации.

Можно, конечно, сомневаться в том, что возможно выявление ЗКН и различных дефектов металла по магнитным аномалиям с неизвестной предысторией изделий [7]. Однако, известно, что критерий истины — практика! Многочисленные исследования, выполненные авторами метода на заводах-изготовителях, показали, что все однотипные изделия, изготовленные из одной марки стали и по одной технологии, имеют практически одинаковое распределение остаточной намагниченности, и только в зонах концентрации остаточных напряжений и различных неоднородностей структуры на отдельных изделиях при контроле фиксируются магнитные аномалии. И это не удивительно, так как при формировании, например, термоостаточной намагниченности изделий в процессе их изготовления определяющую роль играют внутренние напряжения, а не слабое внешнее геомагнитное поле.

При эксплуатации изделий исходная остаточная намагниченность (ОН) перераспределяется под действием рабочих нагрузок, и в ЗКН возникают магнитные аномалии, обусловленные геометрическими смещениями и типоразмером изделия.

Если в однотипных изделиях под действием рабочих нагрузок не возникают локальные ЗКН, то характер распределения ОН в них практически одинаковый. Для того чтобы убедиться в этом, необходимо было обследовать несколько тысяч однотипных узлов и изделий! На основе установленных закономерностей и значительного практического опыта обследования различных узлов оборудовании и конструкций авторами предложена методология безэталонной калибровки средств и методов контроля и соответствующая их метрология [3].

Диагностические параметры в методе МПМ:

1. Согласно ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009 [8] метод МПМ — метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР), возникающих на изделиях и оборудовании в зонах концентрации напряжений (ЗКН).

СМПР, отображающее остаточную намагниченность, сформировавшуюся естественным образом в процессе изготовления изделия, следует отличать от магнитных полей рассеяния (МПР), возникающих на дефектах металла и трещинах при искусственном намагничивании изделия (например, при выполнении магнитопорошковой дефектоскопии).

2. Для количественной оценки уровня концентрации напряжений (источников повреждений) определяется градиент нормальной (H_^y) и/или тангенциальной (H_^x) составляющих СМПР:

K_ин = |ΔНy| / Δx, при Δx->0 K_ин = dН / dx,    (1)

где Δx — расстояние между соседними точками контроля.

В отдельных случаях при контроле напряженно-деформированного состояния (НДС) оборудования используется градиент результирующего СМПР:

3. Среди основных расчетных диагностических параметров в методе МПМ применяется параметр m, характеризующий предельную деформационную способность материала:

m = К_ин^max / К_ин^cp,    (2)

где К_ин^max и К_ин^cp, соответственно, максимальное и среднее значения градиента поля, которые определяются при контроле методом МПМ однотипных узлов оборудования.

В ходе промышленных и лабораторных исследований на образцах установлено соотношение между предельными значениями магнитных и механических параметров:

m_пр = К_ин^max / К_ин^ср ≈ К_ин^пр / К_ин^в ≈ σ_пр / σ_в,    (3)

где значения К_ин^max и К_ин^ср, полученные в результате контроля однотипных узлов оборудования, соответствуют значениям К_ин^пр и К_ин^в, полученным в результате испытаний на растяжение образцов, изготовленных из той же марки стали, при достижении, соответственно, истинного предела прочности при разрушении σ_пр и условного предела прочности σ_в.

В экспериментальных исследованиях было установлено также, что, если фактический параметр m_ф ≥ m_пр, то в этом случае в металле контролируемого узла оборудования возникает предельное (критическое) состояние, при котором образуется макротрещина. Физическое обоснование параметра m_пр приведено в работах [3, 4, 5].

Здесь следует отметить, что раскрытие микротрещин при достижении предельного состояния металла составляет доли миллиметров, что является зоной нечувствительности для большинства методов НК. Поэтому некорректно сравнивать результаты контроля по методу МПМ, например, с результатами по УК, рентгену или ВК. И какие-либо замечания в адрес метода МПМ по перебраковке или недобраковке не приемлемы. Подтверждающими для результатов контроля в ЗКН с предельным состоянием металла являются металлография, измерение твердости или контроль, например, ультразвуком на поисковом уровне.

При значениях фактического магнитного параметра m_ф значительно больше m_пр, т. е. m_ф > m_пр, размеры трещин или различных дефектов в ЗКН становятся соизмеримыми с браковочными по существующим нормам для УК, рентгена и др. И в этом случае, при дополнительном контроле другими методами НК, такие дефекты выявляются.

Однако проблема состоит в определении этих областей непосредственно на металле оборудования и сварных соединениях из-за малых размеров ЗКН и отсутствия сведений о месте их расположения. Места возникновения ЗКН, как правило, не совпадают с расчетными данными. В сочетании результатов контроля по методу МПМ с другими методами НК резко повышается эффективность контроля. Именно при таком комплексном контроле основного металла и сварных соединений в настоящее время широко используется метод МПМ. В режиме экспресс-контроля без какой-либо подготовки поверхности методом МПМ выявляются ЗКН на объекте контроля (ОК), выполняется их классификация по градиенту СПМР и по расчетному параметру m, и затем в назначенных ЗКН делается дополнительный контроль ультразвуком или другими методами НК.

Рассмотрим далее отдельные примеры из практики применения метода МПМ.

На рис.1 показана схема контроля сварных швов трубопроводов и сосудов с применением сканирующего устройства Тип 1-8М и прибора типа ИКН (измерителя концентрации напряжений).

Рис.1. Схема контроля сварных швов сосудов с применением сканирующего устройства Тип 1-8М и прибора типа ИКН

На рис.2 приведены результаты контроля методом МПМ кольцевого сварного шва реактора полимеризации на предприятии «Anwil» (Влоцлавек, Польша).

Рис.2. Результаты контроля кольцевого сварного шва № 11 реактора полимеризации полихлорвинила R-701/3 на предприятии «Anwil» S.A. (Влоцлавек, Польша): [] — ЗКН

Наружная часть круговой магнитограммы соответствует СМПР (Н), а внутренняя часть – распределению градиента СМПР (dH/dx) вдоль периметра сварного шва. Пунктирными линиями выделены ЗКН, выявленные при контроле. Во всех ЗКН было рекомендовано выполнить дополнительный ультразвуковой контроль (УК).

После сопоставления результатов контроля методами МПМ и УК установлен браковочный уровень допустимых дефектов по градиенту СМПР (dH/dx). В дальнейшем, этот браковочный уровень использовался при контроле методом МПМ аналогичных сварных швов.

На рис.3 представлен фрагмент контроля газопровода через слой изоляции с использованием сканирующего устройства (СУ) с высокочувствительными датчиками измерения СМПР.

Рис.3. Фрагмент контроля газопровода через слой изоляции

Трубопроводы в пенополиуретановой (ППУ) изоляции стали широко применяться с целью снижения коррозионного износа металла. Однако, на трубопроводах в ППУ-изоляции, из-за меньшей потери тепла от металла трубы по сравнению с обычной изоляцией, перемещение трубы при самокомпенсации больше и, соответственно, уровень напряжений в зонах их концентрации больше. Кроме того, при расположении трубопроводов на опорах, установленных в зонах с нестабильными грунтами и в заболоченных местах, возникает проблема обеспечения расчетных перемещений, способствующая образованию повреждений. При этом основным местом образования ЗКН являются зоны термического влияния (ЗТВ) монтажной сварки. Некачественная монтажная сварка в сочетании с высоким уровнем напряжений при недостатке самокомпенсации температурных расширений являются причиной образования трещин в ЗТВ сварки.

На рис.4 показаны результаты контроля методом МПМ участка нефтепровода ⌀ 820 × 10 мм, расположенного на опорах вблизи П-образного компенсатора. В верхней части магнитограммы показано распределение СМПР (Н), а в нижней части – градиента dH/dx, измеренные вдоль поверхности изоляции. Из рис.4 видно, что вблизи опоры № 1, в сравнении с опорой № 2, зафиксирована аномалия в распределении СМПР, которая характеризует образование ЗКН.

Рис.4. Результаты контроля напряженно-деформированного состояния через слой изоляции участка нефтепровода ⌀ 820 × 10: ЗКН – зона концентрации напряжений вблизи опоры № 1

После снятия изоляционной муфты на сварном монтажном стыке, расположенном в ЗКН, был сделан контроль методом МПМ непосредственно по металлу трубы вдоль периметра этого стыка непосредственно по металлу трубы. На рис.5, а представлена магнитограмма, зафиксированная при контроле стыка методом МПМ. В нижней части данного стыка выявлено несколько локальных ЗКН, характеризующихся высокими значениями градиента СМПР (dH/dx). Затем в этих зонах был выполнен ультразвуковой контроль. По результатам УК на этом стыке были выявлены недопустимые дефекты в виде протяженных несплошностей в ЗТВ на глубине от 8 до 10 мм (вблизи корня шва). На рис.5, б для сравнения показана магнитограмма, зафиксированная на монтажном сварном стыке, расположенном вблизи опоры № 2 без ЗКН. Видно, что градиент СМПР (dH/dx) на этом стыке имеет относительно равномерное распределение. При выполнении УК на этом стыке недопустимых дефектов не обнаружено.

а)

б)

Рис.5. Результаты контроля методом МПМ монтажного кольцевого стыка, расположенного в ЗКН (а), и монтажного кольцевого стыка, имеющего по результатам МПМ удовлетворительное состояние (б)

На нефтепроводе ⌀ 820 × 10 мм были вскрыты еще 9 сварных монтажных стыков, расположенных в ЗКН вблизи опор, и на всех стыках при дополнительном НК методами МПМ и УК непосредственно по металлу выявлены недопустимые дефекты в виде несплошностей в ЗТВ.

Одной из проблемных задач в обеспечении надежности вращающихся механизмов является предотвращение внезапных усталостных повреждений валов, роторов дисков, лопаток и других узлов турбинных и компрессорных установок. Именно для решения этой задачи эффективно использовать магнитомеханическую память металла, обусловленную гистерезисом. Остаточная намагниченность, сложившаяся под действием фактических рабочих нагрузок, и измеряемое СМПР контролируемых узлов напрямую отображают формирование ЗКН – источников повреждений на самом раннем этапе их развития.

На рис.6 представлены магнитограммы, зафиксированные при контроле в 2019 году лопаток № 15 и № 17 ступени № 9 ротора паровой турбины К-15-41 цеха производства аммиака АО «ОХК «Уралхим» (Кирово-Чепецк).

а)

б)

Рис.6. Результаты контроля методом МПМ лопаток № 15 (а) и № 17 (б) ступени 9 турбины К-15-41

Лопатки ступени № 9 на дату контроля имели наработку ~190000 час. Однако из рис.6 видно, что эти лопатки по результатам контроля методом МПМ имеют различное состояние. На лопатке № 17 (рис.6, б) установлено резкое локальное изменение магнитного поля Н и его градиента (dH/dx), характеризующее ЗКН. При дополнительном контроле механических свойств путем измерения твердости в ЗКН лопатки № 17 отмечено снижение твердости по Бриннелю (HB) до величины 188-192 кгс/мм². Значение твердости (HB) на лопатке № 15 оказалось в пределах 216-225 кгс/мм², допустимых для стали 20Х13. На отдельных лопатках этой ступени в ЗКН зафиксировано упрочнение: величина твердости (НВ) достигала 260 кгс/мм².

В процессе длительного циклического нагружения лопаток поверхностный слой вначале упрочняется, а затем разупрочняется («разрыхляется») из-за образования микротрещин. Поэтому, для обеспечения надежности лопаток с выявленными ЗКН в условиях отсутствия возможности их замены рекомендуется выполнять шлифовку поверхности с удалением поврежденного слоя металла.

В заключение необходимо еще раз отметить основное назначение метода МПМ и области его применения:

• экспресс-контроль качества изделий машиностроения с целью выявления дефектов металла и локальных ЗКН;
• ранняя диагностика коррозионно-усталостных повреждений и оценка остаточного ресурса оборудования и конструкций;
• определение дефектов (расслоения, дефектов литья и других) в глубинных слоях металла за счет использования геометрических параметров СМПР, обусловленных площадками скольжения дислокаций в ЗКН;
• 100% обследование ОК с целью выявления локальных ЗКН – источников развития повреждений;
• повышение эффективности неразрушающего контроля ОК за счёт применения метода МПМ в комплексе с другими методами НК;
• сокращение материальных затрат на выполнение контроля за счёт отказа от искусственного намагничивания ОК и зачистки поверхности (а в отдельных случаях – от снятия изоляции с ОК).

С использованием метода МПМ предоставляется возможность исследовать структурные и механические свойства металла на физическом уровне при испытании образцов в лабораторных условиях.

Область применения метода МПМ распространяется на любые изделия, изготовленные из ферро- и парамагнитного материала. В настоящее время в энергетике, нефтехимии, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности России метод МПМ включен в ряд руководящих документов и отраслевых стандартов (более 60 документов).

Литература

1. Дубов А.А. Принципиальные отличительные признаки метода магнитной памяти металла и приборов контроля в сравнении с известными магнитными методами неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. 2003. № 12. С. 27-29.

2. Дубов А.А. Принципиальные отличия метода магнитной памяти металла от других известных магнитных методов неразрушающего контроля. Итоги и перспективы развития метода // Территория NDT. 2016. № 2. C. 64-68.

3. Дубов А.А. Метрологические аспекты в методе магнитной памяти металла // Мир измерений, 2018, № 3. С.42-45. №4. С.16-184.

4. Власов В.Т., Дубов А.А. Физические основы метода магнитной памяти металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2004. 424 с.

5. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса «деформация-разрушение». Ч.I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517 с.

6. Власов В.Т., Дубов А.А. Физическая теория процесса «деформация-разрушение». Ч. II. Термодинамика процесса. М.: ИД «Спектр», 2016. 228 с.

7. Горкунов Э.С., Ефимов А.Г., Шубочкин А.Е., Артемьев Б.В. К вопросу применения магнитного НК для определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкций // В мире НК, 2016, № 3. С. 52-55.

8. ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 1. Термины и определения.

9. ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 2. Общие положения.

10. ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Часть 3. Контроль сварных соединений.

11. Дубов А.А. Мониторинг рисков на основе ранней диагностики состояния металла оборудования и конструкций в зонах концентрации напряжений — источников развития повреждений // Химическая техника. 2016. № 4. С. 26-28.

12. Дубов А.А. Новые требования к методам и средствам диагностики напряженно-деформированного состояния материалов // Мир измерений. 2012. № 6. С. 38-42.

13. ГОСТ Р 52330-2005. Контроль неразрушающий. Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта. Общие требования.

14. ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования.

Магнитный контроль

Мы предлагаем услуги по проведению магнитного контроля.

Магнитные методы контроля основаны на индикации и анализе магнитных полей рассеяния, возникающих в местах расположения дефектов или изменении физико-механических и геометрических характеристик ферромагнитных изделий при воздействии на них магнитного поля. Магнитный поток, замыкаясь по изделию, помещенному в магнитное поле и имеющему дефект, например, в виде трещины, вынужден огибать препятствие с пониженной проницаемостью. При этом силовые линии выходят за пределы поверхности изделия. Там, где они выходят наружу и входят обратно в изделие, возникают магнитные полюсы. После снятия внешнего намагничивающего поля эти полюсы устанавливают над дефектом свое магнитное поле. В практике магнитной дефектоскопии его принято называть полем рассеяния потока около дефекта. Существуют несколько методов регистрации полей рассеяния над дефектом.

Изменение напряженности магнитного поля на дефектных участках регистрируется с помощью ферромагнитного порошка (магнитопорошковый метод контроля), магнитной ленты (магнитографический метод контроля), внесенной в исследуемые магнитные поля феррозонда (феррозондовый метод контроля) и пр. Электромагнитный (вихревых токов) неразрушающий контроль основан на регистрации изменения взаимодействия собственного электромагнитного поля катушки с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этой катушкой в контролируемом объекте.

Среди магнитных методов контроля наибольшее применение получила магнитопорошковая дефектоскопия.

Магнитопорошковый метод контроля предназначен для выявления поверхностных и подповерхностных (на глубине до 2 мм) дефектов типа нарушения сплошности изделий из ферромагнитных материалов: трещины, волосовины, расслоения, непроварка стыковых сварных соединений, закатов и т.п. Под действием электрического тока частицы ферромагнитного порошка, нанесенного на поверхность изделия, намагничиваются, перемещаясь в зону наибольшей неоднородности магнитного поля. Притягиваясь друг к другу, частицы выстраиваются в цепочки, ориентируясь по магнитным силовым линиям поля, и, накапливаясь, образуют характерные рисунки в виде валиков, по которым судят о наличии дефекта.

 

Наше оборудование

В нашем распоряжении имеются следующие средства магнитного контроля:

• магнитопорошковый дефектоскоп МД-6
• измеритель напряженности магнитного поля ИМАГ-400Ц
• измеритель концентрации напряжений ИКН-5М-32
• контрольный образец для магнитопорошковой дефектоскопии ст.20
• контрольный образец для магнитопорошковой дефектоскопии сталь 15Х25Т

 

Измеритель концентрации напряжений ИКН-5М-32

Defectoscopy / NDT St. Petersburg

Получить бесплатный электронный билет на выставку по промокоду ndtweb >>

Магнитным неразрушающим контролем называется спектр методик, которые нацелены на обнаружение недочетов в образцах, изготовленных из металла ферромагнитного типа. Также он применяется по отношению к сплавам, в которых не наблюдается нарушение поверхностного слоя.

Базируется методика на взаимодействии контрольного металлического порошка с образующимися в процессе намагничивания полями. Если погрешности отсутствуют, на внешнем слое появляется равномерное покрытие, однако любое магнитное искажение сформирует порошковое накопление, которое получится выявить при визуальном изучении при помощи специальных инструментов.

Магнитный метод контроля дает возможность увидеть скрытые дефекты, которые могут присутствовать в инженерных коммуникациях, промышленном производстве, в сварных швах и водных, воздушных, космических, наземных транспортных средствах

Часто к нему прибегают в области тяжелой и легкой промышленности, во время проверки сварных конструкций, энергосети и трубопровода. Методика отличается эффективностью при взаимодействии с недочетами, ширина которых составляет более 0,001 мм, при глубине 0,01-3 мм. Также с его помощью можно предупредить аварийные ситуации, увидев скрытые дефекты.

Магнитный метод контроля

Магнитный контроль способствует выявлению следующих разновидностей дефектов:

• При наличии непроваров, трещин и пор. Благодаря данному способу можно изучить качественные показатели шва прямо во время приема работы или при использовании образца.
• Расслоение или несплошные отрезки. Такая методика отличается эффективностью для обнаружения подобного рода дефектов в области металлургии.
• Малые поверхностные погрешности любой категории. Сюда можно поместить вкрапления инородного характера в металлическую толщу. Их нельзя найти при помощи капиллярной методики, так как разрывы фактически не присутствуют, поэтому контрольная жидкость не попадает внутрь, но искаженность магнитного типа сразу становится заметной.

Способ производителен только для той поверхности, где отсутствуют немагнитные защитные покрытия. В противном случае потребуется изучение за счет приложенного магнетического тока с пониженной степенью продуктивности.

На выставке будут представлены все позиции, которые нужны для осуществления магнитопопрошкового контроля:

• Магнетический дефектоскоп наряду с электромагнитом или намагничивающим приспособлением, за счет которого осуществляется намагничивание исследуемого образца.
• Магнитометр, который способен замерить свойства магнетического поля и показателей сырья.
• Индикаторы магнитного поля. С их помощью производится замер показателей магнитного поля.
• Контрольные образцы, оценивающие работоспособность и уровень чувствительности магнитного порошка.

Подобный способ контроля активно применяется в ж/д транспорте, в авиационной, судостроительной, химической, машиностроительной отраслях, а также в сфере машиностроения и нефтедобыче. Он пользуется популярностью благодаря высокой производительности, чувствительности и наглядности итогов исследования. Если грамотно пользоваться таким способом, можно обнаружить погрешности даже на самой начальной стадии их образования. 

Получить бесплатный электронный билет на выставку по промокоду ndtweb >>

 

 

Магнитный метод неразрушающего контроля

Магнитный метод неразрушающего контроля (МК) — один из методов контроля, не оказывающих разрушающее воздействие на испытуемый образец. В основе Магнитного контроля лежит анализ взаимодействие магнитного поля с образом, на основании которого составляется заключение о дальнейшей эксплуатации образца.

Магнитный метод можно разделить на несколько подметодов, в зависимости от характера получения информации об образце:

Магнитопорошковый
Магнитопорошковый метод дефектоскопии используется для выявление поверхностных и, залегающей на небольшой глубине, дефектов в ферромагнитных материалах, таких как железо, кобальт, никель и некоторые сплавы на их основе. 
Первым делом необходмио обработать образец магнитной суспензией.  
После нанесения суспензии, специалист намагничивает образцец. Намагничивание может осуществляться в результате воздействия на образец постоянным током, в результате чего возникает магнитное поле или же при воздействии уже созданного магнитного поля от внешнего источника.  После намагничивания частицы суспензии выстроятся вдоль линий магнитного поля, проходящих перпендикулярно электрическому току, вне зависимости от того, переменный он или постоянный.
    Наличие нарушения в структуре материала изменяет магнитное поле и создает его утечку, притягивающую частицы магнитной суспензии. Таким образом, дефект в материале обнаруживается визуальным методом. После этого характер дефекта исследуется с помощью других более детальных методов контроля, таких как Ультразвуковой метод.
После успешного проведения контроля образец необходимо размагнитить. Для этого используется специальное оборудование, работа которого противоположна работе намагничивающего устройства. Чтобы размагнитить деталь, необходимо подвергнуть её воздействию тока, равного или выше по силе, чем при намагничивании. После этого деталь оставляют на некоторое время для окончательного размагничивания.
     В качестве порошка или магнитной суспензии используют оксид железа. Размер частиц зависит от схемы проведения контроля. Так же для данных целей возможно использование определенных аэрозолей.
Об остальных методах Магнитного контроля мы расскажем Вам в следующий раз.

Пройти обучение и аттестацию специалистов по Магнитному методу неразрушающего контроля на I, II и III уровни, а так же аттестовать лабораторию неразрушающего контроля Вы сможете, обратившись к нам по номеру +7 (495) 663-71-07.

(PDF) Сравнение методов магнитного контроля, обычно используемых при управлении положением спутников

16

На основе результатов моделирования был разработан комбинированный алгоритм для обслуживания всех спутниковых режимов

путем переключения между подходящими контроллерами в зависимости от Satellite stats,

результаты моделирования показали эффективность использования разработанного алгоритма в переходных процессах

и вместо статистики ориентации спутника при сохранении общей потребляемой мощности.

7. Ссылки

[1] Марсель Дж. Сиди. «Спутниковая динамика и управление, практический инженерный подход

» .Cambridge Aerospace Series. Cambridge University Press, Cambridge, 1997.

[2] Джеймс Р. Вертц, редактор. «Определение и контроль спутникового отношения». Kluwer

Academic Publishers, Dordrecht, 2000.

[3] Вишневски Р. и Бланке М. (1999). Полностью магнитный контроль ориентации для спутника

с учетом градиента силы тяжести.Автоматика, 35 (7), с.1201–1214.

[4] Ян Томи, «магнитное управление ориентацией для спутников», 43-я конференция IEEE по Решению

и Control 2004, Атлантис, остров Парадайз, Багамы

[5] Вишневски Р. «Управление ориентацией спутников с использованием только электромагнитного срабатывания. «,

Докторская диссертация, Ольборгский университет, Дания, 1996

[6] Даниэль Вернон Геррант» Разработка и анализ полностью магнитного управления для стабилизации пикоспутников

«Магистерская диссертация, Калифорнийский политехнический государственный университет, 2005

[ 7] Марко Ловера и Алессандро Астольфи «Глобальный магнитный контроль ориентации спутника»,

43-я конференция IEEE по вопросам принятия решений и контроля, 2004 г. , Атлантида, остров Парадайз,

Багамы

[8] Кьелл Магне Фауске «Контроль отношения Ncube», Департамент инженерии

Кибернетика, NTNU, 2002

[9] Сайиджай П.Бхат и Аджит С. Дайн «Управляемость положения спутника под действием магнитного поля

» Труды 42-го IEEE, Конференция по принятию решений и контролю, Мауи,

Хараи, США, 2003 г.

[10] Кристиансен, Р. » Контроль ориентации мини-спутника ». Магистерская работа, NTNU, 2000

[11] Йенс Гиссельманн «Разработка системы активного определения магнитной ориентации и

системы управления пикоспутниками на наклонных круговых низких околоземных орбитах» Магистерская диссертация

, Школа аэрокосмической, механической и производственной инженерии ,

Портфолио инженеров и технологий, Университет RMIT, Германия, 2006 г.

Magnetic Control — обзор

VI Attitude Control

Когда космический корабль движется по своей траектории, он часто должен наводить различные устройства: антенны для передачи или приема информации, такие инструменты, как телескопы и тепловизоры, для сбора данных, двигательные установки для изменения траектории или солнечные батареи по направлению к Солнцу. Конкретные требования к управлению различаются в зависимости от миссии, поэтому каждая система управления ориентацией имеет уникальную конструкцию. Схема типовой системы ориентации показана на рис.11, где датчики ориентации обеспечивают угловую ориентацию, инерциальный измерительный блок обеспечивает угловые скорости, блок процессора обрабатывает данные ориентации и скорости и использует указанный закон управления для определения действий, которые необходимо предпринять, система команд и телеметрии принимает команды от миссии Центр управления и передает информацию обратно, электроника ориентации управляет исполнительными механизмами ориентации, и, если она есть, электроника движителя управляет движителями. Вращающие моменты, которые мешают космическому кораблю отклониться от его предпочтительной ориентации, являются результатом гравитационного градиента, геомагнитного поля, аэродинамики, давления солнечного излучения, гироскопических сил, выталкивания массы и гистерезиса или сил вихревых токов.

РИСУНОК 11. Схема управления отношением.

Пассивные системы включают гравитационно-градиентное или магнитное управление и не требуют определения положения, за исключением проверки. Нелинейная сила гравитационного градиента, которая выравнивает космический корабль по местной вертикали, проиллюстрирована на рис. 12, где сила, действующая на массу ближе к Земле, больше силы, действующей на массу дальше. Ферромагнитные стержни с гистерезисом или гасители вихревых токов с магнитным закреплением часто используются для рассеивания помех.Примером стабилизации гравитационного градиента является Луна, которая всегда обращена к Земле одной стороной. Добавление небольшого ротора с постоянной скоростью с осью, перпендикулярной местной вертикали, будет поддерживать это направление перпендикулярно плоскости орбиты и обеспечивать трехосную локальную вертикальную стабилизацию. Магнитные системы ориентации состоят просто из стержневого магнита или электромагнита, который выравнивает космический корабль по локальному вектору геомагнитного поля. В этих системах часто используются ферромагнитные стержни гистерезиса для рассеивания нежелательных помех.

РИСУНОК 12. Гравитационно-градиентная стабилизация. N _g = 3 n ² (a / R) ³ R × I · R , N _g = крутящий момент, n = среднее движение, a = расстояние от центр Земли, R = радиус Земли, I = Диадическая инерция.

Стабилизация вращения может быть достигнута путем вращения всего космического корабля или его части и используется, когда космический корабль должен указывать определенную ориентацию в течение некоторого периода времени.Когда часть космического корабля со стабилизированным вращением не вращается, этот элемент представляет собой «убирающуюся платформу» и удобен для установки различных инструментов и солнечных батарей. Крутящие моменты вокруг оси вращения должны создаваться для поддержания скорости вращения при наличии механического и электрического гистерезиса, а крутящие моменты, ортогональные оси вращения, требуются для прецессии оси вращения к другой ориентации. Это может быть выполнено с помощью дипольных моментов, которые взаимодействуют с геомагнитным полем или тягой от двигательной установки.Следует отметить, что при наличии диссипации энергии вращение тела не так, как его главный момент инерции, является нестабильным. Однако в космических аппаратах с сегментом сжатия, если рассеяние энергии в сегменте сжатия больше, чем в сегменте вращения, ось минимального момента инерции также остается стабильной.

Системы управления ориентацией с обратной связью или замкнутым контуром, схематически представленные на рис. 13, включают в себя систему определения ориентации, систему определения скорости и процессор, который может использовать определенные законы управления по команде.Эти системы обычно используются на космических аппаратах, требующих трехосной ориентации. Управляющие крутящие моменты могут быть достигнуты с помощью подруливающих устройств, импульсных колес и магнитных крутящих моментов, по отдельности или в комбинации. В чисто подруливающей системе используется либо монотопливо, либо двухкомпонентная силовая установка для создания крутящего момента по требованию. Колеса Momentum используются с пользой, особенно когда ожидается периодический крутящий момент, поскольку они могут усреднить свои эффекты без использования расходных материалов (см. Рис. 14). Обычно используются три колеса, а четвертое — запасное.Изменяя их скорость вращения, к космическому кораблю прилагается крутящий момент для сохранения желаемой ориентации. Со временем, в первую очередь из-за смещения крутящего момента космического корабля, скорости колес увеличиваются почти до максимума. Затем автоматически включаются тормоза для снижения их скорости, и требуется внешний крутящий момент, чтобы противодействовать этому крутящему моменту и поддерживать ориентацию. Эти внешние крутящие моменты могут быть получены от силовой установки или магнитных стержней крутящего момента. Стержни Torquer обычно состоят из катушек, намотанных на ферромагнитный стержень, и контролируемый ток проходит через катушки для развития желаемого магнитного дипольного момента.

РИСУНОК 13. Схема управления ориентацией с обратной связью.

РИСУНОК 14. ITHACO Torqwheel. (Любезно предоставлено ITHACO Space Systems, дочерней компанией B.F. Goodrich.)

Закон управления — это взаимосвязь между входом контроллера и его выходом; Используются несколько возможных законов управления. Законы управления «взрыва-взрыва» используют двоичный уровень крутящего момента, либо включен, либо выключен. Существует несколько вариантов, в том числе управление ударом с переключением положения, управление ударом с переключением положения и мертвой зоной, управление ударом с переключением положения и производной, управление ударом с переключением положения и производной с мертвой зоной и удар -контроль отрыва с оптимальным демпфированием.Пример этого последнего варианта на фазовой плоскости показан на рис. 15. Наиболее популярны законы пропорционального управления, включая пропорциональное управление, пропорционально-производное управление, пропорционально-интегральное управление и пропорциональное-интегрально-производное управление, последнее из которых является лучший способ минимизировать ошибки наведения.

РИСУНОК 15. Управление взрывом с оптимальным демпфированием.

d ² θ / dt ² = N / I + ( N _c / I ) Знак (θ + a ∣ d θ / dt ∣ d θ dt ), где

N = возмущающий момент = 0Nc = ControltorqueI = Massmomentofinertiaa = производный параметр

Магнитные стратегии для контроля нервной системы

Annu Rev Neurosci.Авторская рукопись; доступно в PMC 2020 8 января.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC6617523

NIHMSID: NIHMS1029805

Michael G. Christiansen

¹ Департамент здравоохранения и технологий, Швейцарский федеральный Технологический институт (ETH Zürich), Цюрих, Швейцария

Александр В. Сенко

² Департамент материаловедения и инженерии, Исследования Лаборатория электроники и Институт исследования мозга Макговерна, Массачусетс. Технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США

Полина Аникеева

² Департамент материаловедения и инженерии, Исследования Лаборатория электроники и Институт исследования мозга Макговерна, Массачусетс. Технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США

¹ Департамент медицинских наук и технологий, Швейцарский федеральный Технологический институт (ETH Zürich), Цюрих, Швейцария

² Департамент материаловедения и инженерии, Исследования Лаборатория электроники и Институт исследования мозга Макговерна, Массачусетс. Институт технологий, Кембридж, Массачусетс, США

Окончательная отредактированная версия этой статьи издателем доступна на Annu Rev Neurosci. См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Abstract

Из-за низкой проводимости и незначительной магнитной восприимчивости органическое вещество, магнитные поля могут проходить через ткани в неизменном виде и без производящие вредные эффекты. Их результирующая способность доставлять стимулы по беспроводной сети. для целей произвольной глубины в теле мотивировало их использование в качестве минимально инвазивные средства контроля нервной активности. Здесь мы рассматриваем механизмы и методы, которые связывают магнитные поля с изменениями электрохимических потенциалов через нейрональные мембраны.Биологическая магниторецепция, лежащая в основе механизмы которых остаются активной областью изучения, обсуждается как потенциальный источник вдохновения для схем искусственной магнитной нейромодуляции. В кратко рассмотрено появление магнитных свойств в материалах, чтобы прояснить различие между биомолекулами, содержащими железо или другие переходные металлы, и наночастицы феррита, которые обладают значительным суммарным моментом. Затем мы описываем последние разработки в области использования магнитных наноматериалов в качестве преобразователей, которые преобразовывать магнитные стимулы в формы, более легко воспринимаемые нейронными сигналами машины и обсудить возможности мультиплексного и двунаправленного управления, а также проблемы, связанные с доставкой в ​​мозг. Широкая палитра условия магнитного поля и набор механизмов, с помощью которых они могут быть в сочетании с нейронными сигнальными каскадами служит для подчеркивания желательности обмен между физикой магнетизма и нейробиологией, а также необходимость продолжение диалога между инженерным и нейробиологическим сообществами.

ВВЕДЕНИЕ

Системная нейробиология и почти все физиологические вмешательства в психиатрические пациенты полагаются на усиление или подавление активности специфические нейронные цепи или нейрональные подтипы.Исторически это было достигается с помощью фармакологии или хирургического вмешательства. За последние несколько десятилетий однако появилось множество подходов к нейромодуляции, некоторые из которых нашел широкое клиническое применение. Например, глубокая стимуляция мозга (DBS) при хроническом имплантированные электроды являются одобренным методом лечения болезни Паркинсона (Obeso et al. 2001) и исследуются как лечение психических расстройств. Другие методы, такие как оптогенетика, являются в основном занимается фундаментальными исследованиями в области нейробиологии (Deisseroth, 2015). Этот обзор посвящен классу нейромодуляции. подходы, которые полагаются на магнитные поля в качестве стимулов.

По сравнению с другими сигналами, такими как электрические поля, свет или ультразвук, которые могут использоваться для доставки стимулов в мозг, магнитные поля привлекательны благодаря их ограниченное связывание с биологической тканью (Янг и другие. 1980). Заметным исключением являются магнитные поля с большой производные по времени, которые используются для транскраниальной магнитной стимуляции и обсуждаются в разделе «Индуктивные методы».Способность магнитных полей проходить через корпус без повреждений и без вредных воздействий предполагает их использование в беспроводных сетях. доставка стимулов к глубинным целям. Для многих организмов, но не для всех, магнитные стимулы должны быть незаметными, что является желательной чертой для поведенческих экспериментов в что способность субъекта ощущать применение стимула может поставить под угрозу результаты. Примером может служить оптогенетика, в которой видимый свет, рассеянный с помощью волноводов или ткани могут быть видны субъектам периферически. Медицинское вмешательства также выиграют от полностью удаленных методов стимуляции, и действительно, одна из целей стратегии магнитной нейромодуляции — предложить средство DBS с системой, которая не полагается на физическое подключение к сайтам стимуляция. Это снизит инвазивность DBS-терапии и повреждение тканей. связанные с имплантированным оборудованием.

Некоторые организмы обладают магниторецепцией, способностью воспринимать магнитное поле. полей (Ритц и др., 2000, Вильчко и Вильчко, 2005).Хотя биофизическая механизмы, лежащие в основе магниторецепции, остаются плохо изученными (Johnsen et al. 2005), его существование предполагает, что обратное инженерия может быть интригующим подходом к разработке инструментов для магнитного контроля сверх нейронной активности, особенно если необходимый генетический механизм может быть переданы в определенные нейронные цепи, чтобы обеспечить селективную активацию с помощью магнитного стимулы.

В качестве альтернативы магнитные поля могут использоваться в качестве посредника почти для каждый тип стимула, на который нейроны эволюционировали, чтобы реагировать. Потому что все нейроны способны к электрическому и химическому взаимодействию, естественно рассматривать использование этих механизмов для внешней модуляции их активности. Один подход к сделать это с помощью магнитных полей, вызвать в мозгу электрические токи, которые может либо вызывать, либо подавлять потенциалы действия, как в транскраниальном магнитном стимуляция (ТМС). Альтернативно, локализованное срабатывание потенциалзависимых ионных каналов магнитными полями может стать возможным благодаря введению наноразмерных магнитоэлектрические композитные материалы (Guduru et al.2015).

Другие маршруты предлагаются специализированными нейронами, которые проявляют чувствительность к физические сигналы за счет включения белков, переносящих ионы, которые реагируют на определенные раздражитель, такой как свет, механические силы или изменения температуры. Такой канал белки могут быть трансгенно введены там, где они иначе отсутствовали бы, так как делается в оптогенетике с опсинами, микробными оптически чувствительными ионными каналами и насосы, чтобы сенсибилизировать нейроны к свету. По аналогии, белки, присущие млекопитающим сенсорные нейроны могут быть искусственно экспрессированы в нейронах глубоко в головном мозге, чтобы сделайте их чувствительными к механической силе или теплу.Использование магнитных материалов в качестве преобразователей, энергия магнитного поля может быть локально преобразована в тепло (Chen et al. 2015, Munshi и другие. 2017, Мунши и др. 2018) или сила (Ценг и др., 2012 г., Манникс и др., 2008 г., Ли и другие. 2014).

Стоит отметить, что магнитные подходы представляют собой подмножество более широкого попытка определить беспроводные средства стимуляции нейронов, такие как транскраниальные сфокусированный ультразвук (Legon et al.2014), временные помехи высокочастотным электрическим полям (Grossman et al.2017), ближний инфракрасный (NIR) свет освещение и NIR в сочетании с повышающим преобразованием наночастиц, которые позволяют транскраниальная доставка света для оптогенетической стимуляции глубоких структур головного мозга (Чен и др. , 2018). Ни один из этих подходы, однако, соответствуют комбинированному разрешению и глубине проникновения, обеспечиваемым магнитные поля.

ПРИРОДНОЕ МАГНИТОРЕЦЕПЦИЯ КАК МОДЕЛЬ

Поведенческие исследования показывают способность различных животных воспринимать магнитное поле Земли, включая насекомых, земноводных, рептилий, рыб, и птицы.Например, перелетным птицам предлагалось не только ориентироваться сами по себе, ощущая наклон поля (Wiltschko & Wiltschko 1972), но также могут определять местоположение по различение мельчайших локальных вариаций геомагнитного поля (Кишкинев и др., 2015). По аналогии с другими сенсорными входами такие как свет или звук, существование специализированных рецепторных клеток считалось для определения направления и напряженности магнитного поля. Биофизический механизмы, лежащие в основе магниторецепции в природе, были бы привлекательным источником откуда черпать вдохновение для разработки эффективных технологий включить магнитный контроль нервной системы. Можно представить либо эмуляцию эти механизмы косвенно или, возможно, манипулируют клетками, представляющими интерес для искусственно производить биомолекулы, необходимые для магнитной чувствительности. Хотя это имеет свои достоинства, эта линия рассуждений до сих пор сталкивалась с практическими трудности по двум вероятным причинам: 1) он не учитывает несходство между естественными магнитными сигналами и магнитными стимулами, доступными в лаборатории, и 2) однозначные механизмы естественного магниторецепции остаются неуловимыми, несмотря на десятилетия исследований и дискуссий.

Геомагнитное поле относительно слабое (от 50 до 60 мкТл) и может быть считается единообразным в масштабе организма и постоянным в масштабе времени поведение животных. Помимо редкого переходного импульса магнитного поля, связанного с удары молнии с очень близкого расстояния (Fuchset et al. 1998) или слабые электромагнитные сигналы, связанные с технологиями человека или солнечным ветром (LaBelle & Treumann 2002, Engels et al. al. 2014), геомагнитное поле, по-видимому, является основным магнитным стимул, имеющий эволюционное значение для животных в их естественной среде обитания.В напротив, типы магнитных полей, доступные в лаборатории, порядка величина более сильная в напряженности поля (например, ~ 1 Тл для TMS), может показывать резкие градиенты (например,> 100 Т / м) и могут действовать динамически, например, за счет вращающийся или чередующийся (). Пока изучение биологической магниторецепции представляет собой захватывающее исследовательское направление, использование полной палитры магнитных полей, доступных в лаборатории, может предлагают более удобный и надежный способ управления нервной системой, чем прямая эмуляция магниточувствительных молекулярных и клеточных механизмов.

Палитра искусственных магнитных стимулов, классифицированная в соответствии с пространственно-временные характеристики. ( a ) Почти однородные поля можно создать, например, с помощью катушки Гельмгольца (два токоведущих кольца разделенных расстоянием, равным их радиусу). ( b ) A коническая постоянный магнит, намагниченный вдоль своей азимутальной оси, создает поле на конце который быстро затухает с расстоянием, что приводит к сильному градиенту магнитного поля. Поля с различным пространственным распределением также можно разделить на категории по тому, как они меняются во времени.( c ) Магнитные поля могут оставаться постоянными в течение интересующие сроки. ( d ) Вращающиеся поля поддерживают постоянство величина при изменении направления, вращаясь вокруг некоторой оси. Простая, плоская показано вращение. ( e ) Переменные магнитные поля синусоидально изменить полярность и обычно генерируются путем подачи переменного тока на соленоид. Если линейные размеры соленоида намного меньше, чем соответствующей длине волны электромагнитного излучения, поле равно квазимагнитостатический.( f ) Импульсные поля, показывающие высокие дБ / dt, может быть сгенерирован путем разрядки кратковременного всплеска тока через катушка. Этот подход часто используется в импульсах TMS.

Несмотря на многие десятилетия научных поисков биофизического механизма лежащая в основе магниторецепция, консенсуса не было и ключевые вопросы остаются без ответа (Mouritsen 2018). Есть две основные гипотезы механизмов магниторецепции у наземных животных (): 1) радикальное магнитное воздействие парная химия, обычно предполагающая наличие криптохрома (Hore & Mouritsen, 2016), и 2) использование биоминерализованные магнитные наночастицы или сборки, сформированные из них для приведения в действие механотрансдукция (Kirschvink et al.2001). Третья гипотеза предполагает, что пластиножаберные рыбы, такие как акулы, могут воспринимать магнитные поля посредством чувствительного обнаружения наведенных электрических потенциалов (Kalmijn 1981, Paulin 1995).

Уроки предполагаемых механизмов магниторецепции. ( a ) Голуби — это пример организмов, которые чувствуют наклон магнитного поля Земли, а также иметь «карту смысл.» Считается, что они обнаруживают мельчайшие локальные изменения в магнитное поле и запомните эти вариации, чтобы облегчить навигацию. ( b ) Согласно гипотезе радикальной пары, криптохром генерирует радикальные пары при воздействии ультрафиолетового или синего света и слабомагнитных поля изменяют пропорцию радикальных пар в триплетном или синглетном состоянии, изменение генерации последующих продуктов, обнаруживаемых нейронами. ( c ) Наночастицы магнетита были обнаружены в многие животные и, возможно, могут взаимодействовать с магнитным полем Земли достаточно сильно, чтобы производить силы, обнаруживаемые нейронами. Магнетит 50 нм частица контрастирует с минерализованным ядром ферритина с точки зрения энергия взаимодействия с магнитным полем Земли (50 мкТл).Тепловая энергия при комнатной температуре обозначается как k _B T, где k _B — постоянная Больцмана, T — температура.

Многие считают образование радикальных пар вероятным объяснением «Чувство компаса» по крайней мере у некоторых организмов, и растущее количество биофизические, генетические и поведенческие данные согласуются с этой гипотезой и с представлением, что криптохром необходим для магниторецепции (Gegear et al. 2008, Muheim et al. 2016). Считается, что криптохром опосредует образование метастабильные радикальные пары при воздействии фотонов ультрафиолетового или видимого света с подходящей энергией и поляризацией, неравновесное состояние, которое вскоре наступит вдоль путей реакции к одному из двух возможных наборов продуктов (Muller & Ahmad 2011).Поскольку радикалы содержат неспаренные электроны, они демонстрируют чистый магнитный момент, а наличие и ориентация геомагнитного поля может влиять на долю этих радикальные пары, существующие в синглетном или триплетном состояниях. Это, в свою очередь, искажает продукты, возникающие в результате их реакции, и неизвестный в настоящее время механизм ниже по потоку предполагается использовать этот смещающийся баланс продуктов для преобразования нейронных Мероприятия. Одна убедительная форма доказательства, основанная на магнитном стимуле, — это использование переменные магнитные поля менялись в широком диапазоне частот от низких до вызывают переходы между синглетным и триплетным состояниями, которые, по-видимому, мешают с магниточувствительностью (Ritz et al. 2004 г., Wiltschko et al. 2015). Полный радикал парная гипотеза концептуально богаче и подробно обсуждается в недавнем всесторонний обзор Хора и Моуритсена (Hore И Mouritsen 2016). Для настоящего обсуждения наиболее интригующий аспект этой теории — элегантный способ, которым она правдоподобно обходит внутренняя энергетическая слабость магнитных взаимодействий с отдельными спиновыми моментами, просто требуя от него смещения пути метастабильного состояния в сторону возможного равновесия.

Вторая гипотеза магниторецепции позволяет обойти энергетическую слабость биомолекулярных взаимодействий с магнитными полями, вместо этого предполагая, что биоминерализованные магнитные материалы могут сыграть свою роль.Магнитные моменты этих частицы, которые на порядки больше момента неспаренного электрон, способны взаимодействовать с геомагнитным полем при энергиях значительно превышающий окружающий тепловой шум. Этот принцип иллюстрируется магнитотактические бактерии, содержащие магнитосомы, инвагинации клеточных мембран заполнены цепочками наночастиц магнетита (Fe ₃ O ₄ ), которые выровняйте с местным геомагнитным полем. В то время как магнетит предположительно биогенного происхождения был также идентифицирован у других организмов (Gould и другие.1978, Уолкотт и др. 1979, Киршвинк и др. 1985), включая людей (Kirschvink et al. 1992, Gilder et al. 2018), вероятно, он служит скорее метаболическому чем сенсорная функция, и доказательства зависимой от магнетита клеточной передачи сигналов остаются неуловимо (Treiber et al.2012, Edelman et al.2015). Пожалуй, самый Неопровержимое доказательство этой гипотезы исходит из обращения магнитного поля на противоположное. чувство компаса у различных организмов при применении миллисекундного магнитного пульс, явление, которое можно прямо объяснить остаточной намагничивание в магнитных частицах или их сборках, а не каким-либо другим теории (Голландия, 2010).

Чтобы извлечь полезные уроки из прогресса в этой области, стоит задуматься о том, какое значение может иметь каждая гипотеза для информирования магнитных технологии стимуляции, если бы это было правдой. Обратите внимание, что рассмотренные выше гипотезы являются не исключают друг друга, и что дополнительные непредвиденные механизмы, вероятно, Работа. Механизм криптохром-зависимой пары радикалов требует образования метастабильные химические интермедиаты посредством оптического возбуждения на поглощаемых длинах волн и разбросаны тканью.Подход, требующий как освещения, так и магнитного поля для стимулировать популяцию клеток в центральной нервной системе не дает четких преимущества перед существующими оптогенетическими методами. Если гипотеза магниторецепции через клеточное взаимодействие с наноразмерными биогенными кристаллами магнетита. в некоторых случаях естественная магниторецепция может иметь лежащую в основе механистическую сходство с методами, основанными на синтетических магнитных наночастицах, обсуждаемых на длина в следующем разделе.

МАГНИТОГЕНЕТИКА

Желание простых методов «магнитогенетики» привлекло значительный интерес в последнее время. По идее, эти методы были бы аналог оптогенетики (Deisseroth 2015) или хемогенетика (Rogan & Roth 2011), полагаясь исключительно на экспрессию одного белка, реагирующего на магнитное поле. Это видение привлекательно, потому что такие методы могут быть легко приняты сообщество нейробиологов, позволяющее сохранить многие из установленных методы, используемые в оптогенетике, устраняя при этом необходимость в имплантированных оптические волноводы или светоизлучающие устройства, которые доставляют стимулы в поведенческих эксперименты.

Эта цель была достигнута путем слияния ферритина, связывающего железо, с ионные каналы из семейства ваниллоидов с временным рецепторным потенциалом (TRPV). В Самый ранний опубликованный пример слитого ферритина с рецептором капсаицина, TRPV1 и показали, что воздействие слабого (5 мТл) быстропеременного (465 кГц) магнитного поля инициировал приток внутриклеточных ионов кальция (Ca ²⁺ ) (Stanley et al. 2012). Поскольку TRPV1 — это термочувствительный, проницаемый для Ca ²⁺ катионный канал (Катерина и др.1997), гистерезисный нагрев ферритина был предложен в качестве предполагаемого механизма активации канала (Stanley et al. 2012). В последующем исследовании то же самое ферритин-слитый TRPV1, по-видимому, активировался при применении сравнительно больших (~ 0,5 Тл) статические магнитные поля (Stanley et al. al. 2014). Независимое исследование представило доказательства того, что подобное слияние ферритина на другой канал TRPV, TRPV4, было достаточно для получения аналогичного эффект при в десять раз меньших величинах приложенного поля (50 мТл) (Wheeler et al.2016). Способность TRPV1 и TRPV4 к реакция на механические раздражители привела к гипотезе о том, что механизм, лежащий в основе наблюдаемое влияние магнитных полей на клеточную сигнализацию и поведение грызунов был механическим (Stanley et al., 2014, Wheeler et al., 2016). Одна аминокислота замещение в порах модифицированного TRPV1, как впоследствии сообщалось, преобразовало этот белок к хлорид-селективному каналу, активируемому аналогичными магнитными стимулами для получения ингибирующих эффектов (Stanley et al. 2016).

Энергетическая шкала взаимодействия ферритина с магнитными полями. Однако с магнитудой, использованной в этих исследованиях, было показано, что она составляет 4–10 на несколько порядков ниже температурных флуктуаций окружающей среды (Meister 2016) (), которые слишком слабы, чтобы непосредственно генерировать механически индуцированные конформационные изменения в белке. Хотя эти статьи выглядят осторожно в своих экспериментального исполнения, попытки выявления механизмов следует рассматривать как пробный. Например, функциональная эквивалентность ферригидритового сердечника наночастицы ферритина и магнетита, неявно предполагаемые в этой работе, не подтверждено литературой, характеризующей ферритин (Chasteen & Harrison 1999).Магнитные поля генерируются на шкале длины сантиметра, и чередование с частотами, соответствующими электромагнитное излучение с длиной волны более полукилометра называются «радиоволнами», что неточно, учитывая их квазимагнитостатическая природа (Stanley et al. 2012 г., Стэнли и др. 2014 г., Стэнли и др. 2016). Чтобы эти методы были правильно понят и распространен, дополнительные экспериментальные и теоретические необходимы исследования, чтобы раскрыть биофизические принципы, лежащие в основе наблюдаются физиологические эффекты.

Другой стратегией развития магнитогенетики была попытка идентифицировать ранее неизвестный магнитный рецептор. Если это действительно так, такое открытие будет одновременно улучшить понимание магниторецепции и предложить ценный технология генетически направленной магнитной стимуляции. Недавно было заявлено этот белок кластера железо-сера 1 (IscA1), выделенный через геномный скрининг Drosophila и переименован как MagR взаимодействует с криптохром генерирует крутящий момент в магнитных полях и действует как «магнитный белковый биокомпас »(Qin et al.2015). Были высказаны опасения по поводу основные механизмы магниторецепции, описанные в этой работе, тем более что данные, представленные в той же статье, показали, что намагниченность MagR составляет примерно в тысячу раз ниже, чем у ферритина (Мейстер 2016, Винкльхофер и Моуритсен 2016). Независимые усилия по воспроизведению основных результатов этой работы пока не удалось (Panget et al., 2017).

Эти исследования подчеркивают сильный импульс, который существует, чтобы предложить магнитогенетика как инструмент сообщества нейробиологов (Long et al. 2015) и дискуссии, которые они вызвали подчеркните необходимость уточнения или пересмотра нашего понимания основных физика этих систем.

ИНДУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ

Электромагнитная индукция — это явление, описываемое законом Фарадея, в котором изменяющийся во времени магнитный поток индуцирует электрические поля в проводящем средний. Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) основана на этом эффекте, но электромагнитная индукция также играет центральную роль в некоторых других типах методы беспроводной стимуляции мозга.

TMS, транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) и электросудорожная Все методы терапии (ЭСТ) основаны на прохождении тока через мозг, чтобы изменить нервное возбуждение. узоры. Предполагается, что это вызывает нейропластичность (Nitshe et al., 2008, Lefaucheur et al., 2017), хотя точный механизм какие долговременные поведенческие изменения проявляются, пока неясно. Понимание Эффекты TMS дополнительно усложняются неоднородностью индуцированного тока, вероятное значение ориентации стимулируемых аксонов, влияние длительности импульса (которая может либо усиливать, либо подавлять активность), и косвенная активация других областей мозга (Yasuo 2002, Ruff et al. 2009 г.). Некоторые попытки выяснить механизмы включают сочетание ТМС с фМРТ для коррелировать поведенческие изменения с гемодинамическими сигналами как прокси для нейронной активации (Бергманн и др., 2016). TMS показала многообещающе для лечения депрессии (Brunoni et al. 2017 г., Макклинток и др. 2018) и невропатическая боль, в то время как новые применения, такие как лечение инсульта и Болезнь Альцгеймера требует дальнейшего изучения (Lefaucheur et al. 2014).

TMS включает размещение катушки магнитного поля близко к коже головы и наложение миллисекундные импульсы тока через катушку для получения производных по времени от магнитное поле (дБ / dt ≈ 3 × 10 ⁴ Тл / с, пиковая амплитуда поля ~ 2 Тл), которые вызывают токи в головном мозге (Wagner et al.2007) (). Стимулируются только верхние 1-2 см коры непосредственно под катушкой, и путем разработки формы катушки поле может быть сконцентрировано до размеров пятна меньше диаметра катушки. Обычная геометрия катушки — восьмерка или Катушка-бабочка, которая имеет две слегка перекрывающиеся катушки, намотанные друг напротив друга направления (). Эта геометрия производит сосредоточенное поле в точке перекрытия катушек. Независимо от Форма катушки TMS, магнитное поле уменьшается по мере удаления от центра катушки, что означает, что поверхностные структуры мозга будут постоянно получать более сильную стимулом, чем более глубокие структуры мозга (Wagner et al. al.2007).

Электромагнитная индукция может использоваться для управления нейронной активностью. ( a ) Схема электромагнитной индукции в контекст TMS. Катушка бабочки держится над головой человека, а импульсный прикладывается ток, в результате чего возникает быстро увеличивающееся магнитное поле, которое индуцирует ток в головном мозге (из Wagner et al. al. 2007). ( b ) Примеры катушек TMS, одиночных и бабочка (с сайта magstim.com). ( c ) Электромагнитная индукция может быть использована для стимуляции глубоких структур мозга через имплантированные соленоиды миллиметрового размера (от Bonmassar et al.2012). ( d ) Имплантированные устройства могут питаться от электромагнитной индукции. Это устройство может быть имплантировано в животного и выпрямляет индуцированное напряжение от внешнего переменного магнитное поле в постоянный ток, который может стимулировать нейронную активность (из Freeman et al., 2017).

В то время как ТМС не может достичь глубоких структур головного мозга без стимуляции коркового ткани с большей интенсивностью, имплантация миниатюрных магнитных катушек предлагается в качестве альтернативы электродам DBS.Пример такого устройства состоял соленоида диаметром ~ 1 мм, подключенного проводами к аккумуляторной батарее, и генерировал магнитное поле, которое вызвало электромагнитную индукцию в соседней нервной ткани (). Считается, что это устройство потенциально невосприимчив к возможному отказу, вызванному глиальными рубцами, которые поражают имплантированные электроды из-за того, что индуцированные поля распространяются на несколько сотен микрон (Бонмассар и др., 2012). Этот также снизит опасения по поводу безопасности, связанные с электрохимическими реакциями на прямые интерфейсы между электродами и нервной тканью (Park et al. 2013, Ли и др. al 2016).

Связанные альтернативы электродам DBS включают имплантированные с индуктивным питанием устройств. В таких устройствах для подключения к внешней первичной обмотке используется измерительная катушка. через взаимную индуктивность, а мощность передается через переменный магнитный поле аналогично трансформатору. Один из примеров миниатюрного Было продемонстрировано, что имплантируемое устройство работает на расстоянии 7,5 см от силовой катушки в модель крысы (). Имеется приблизительный габаритами 2 × 0,5 × 0,5 мм и работает путем выпрямления наведенного напряжения на заданной резонансной частоте (например,г. 10 МГц) для создания постоянного тока электрическое поле, способное деполяризовать соседние нейроны (Freeman et al., 2017). Как и TMS, это устройство полагается на внешнее приложение магнитных полей, но в этом случае поле используется исключительно как источник беспроводного питания для электрического устройства. Другие виды миниатюры имплантированные электрические устройства с индуктивным питанием также были разработаны для Пример для управления светодиодами микромасштаба (μLED) для оптогенетики (Kwon et al. 2015).

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основы использования магнитных частиц

Методы с использованием магнитных материалов для стимуляции центральной нервной системы система, как правило, полагается на связь магнитных полей с другими стимулами, которые более легко обнаруживается нейрональными биохимическими механизмами.Роль магнитного материал в этом подходе должен обеспечить энергетически правдоподобную ручку на на которое может действовать магнитное поле. Несходство магнитных свойств между магнитный материал и окружающие его ткани служат основой для избирательное влияние поля. Чтобы понять, почему взаимодействие магнитное поле с такими материалами отличается от его взаимодействия с биомолекул или кластеров атомов, полезно рассмотреть происхождение их магнетизм ().

Бланки магнитного заказа.( a ) Парамагнетизм: несвязанных спинов случайным образом ориентированы в отсутствие приложенного поля, но асимптотически приближаются к полному выравниванию с приложением больших магнитных полей. ( b ) В ферромагнитные материалы, магнитные моменты самопроизвольно выравниваются чтобы дать материалу чистый магнитный момент. В антиферромагнетик материалы, соседние магнитные моменты выравниваются антипараллельно, чтобы полностью нейтрализовать, что приводит к нулевой чистой намагниченности.В ферримагнетиках материалов, соседние магнитные моменты ориентированы антипараллельно, но имеют неодинаковую величину, что приводит к чистому магнитному моменту материала. ( c ) Одноместный и многодоменные частицы: ниже критического размера, определяемого материалом свойств, все моменты внутри ферромагнитной частицы выровнены. На большем размеры, частицы образуют несколько доменов, чтобы минимизировать их магнитостатическое энергия. Для простоты доменная стенка изображена как резкая; в в действительности, между двумя противоположные домены.( d ) Суперпарамагнетизм: an ансамбль однодоменных частиц ферромагнетика или ферримагнетика имеет нулевую суммарную намагниченность при нулевом приложенном поле, но при приложении умеренные магнитные поля, моменты частиц совпадают с приложенным полем.

Хотя некоторые элементы, такие как железо или редкоземельные металлы, обладают более высокими показателями магнитных моментов, чем у других атомов, их присутствие в системе само по себе не составляют магнит. Магнитное поле, приложенное к совокупности таких атомов, реагируя на эффективную изоляцию друг от друга, приводит к парамагнитным поведение (Каллити и Грэм 2009) ().Это наблюдается в комнате температура в FeO (вюстите), который содержит атомы железа и кислорода в композиция из кристаллов каменной соли. Конкуренция тепловых флуктуаций с энергетическое влияние приложенного магнитного поля определяет степень, в которой такая совокупность моментов соответствует полю. Для парамагнитного материала энергии взаимодействия между полем и отдельными атомами настолько малы что даже такое сильное приложенное поле, как 1T, обычно создает значение намагниченности <1% от насыщения (полное выравнивание).Так как парамагнетизм - это по своей сути слабый эффект, такие материалы неоптимальны ручки для магнитного срабатывания ().

Когда атомы расположены в непосредственной близости, например, в кристалле, возможность самопроизвольного упорядочения их магнитных моментов иногда возникает (). Магнитные моменты атомы могут взаимодействовать друг с другом посредством «обмена взаимодействие », квантово-механическое явление, которое может происходить либо между ближайшими соседями или может передаваться через соседние немагнитные атомы (Каллити и Грэм 2009).Так как требует перекрытия волновых функций, обменные взаимодействия между атомами заметны только тогда, когда они разделены субнанометровыми расстояниями. Если это взаимодействие заставляет соседние магнитные моменты в кристалле выстраиваться в параллельно, например, как в объемноцентрированном кубическом кристалле металлического Fe, материал упоминается как «ферромагнитный» (). Если вместо этого обменное взаимодействие диски антипараллельные соосность и их моменты нейтрализуются, материал упоминается как «антиферромагнетик» (), например, FeO при температурах ниже -80 ° C (Fischer et al. 2009 г.). Средний Возможны «ферримагнитные» случаи с антипараллельным расположением несходные моменты или антипараллельное выравнивание неравных субпопуляций моменты, так что общая чистая намагниченность сохраняется (). Биоминерализованные кристаллы Fe ₃ O ₄ (магнетит) и грегит (Fe ₃ S ₄ ) попадают в эту категорию (Roberts et al. 2011). Кристаллические дефекты и поверхность эффекты в достаточно малых наноразмерных кристаллах могут играть значительную роль в определение свойств.В то время как белковая оболочка ферритина использовалась в качестве сайт зародышеобразования для роста различных синтетических наноматериалов (Jutz et al 2015) у людей и других у млекопитающих его минерализованное ядро ​​5,5-6,0 нм состоит из ферригидрита. (5Fe ₂ O ₃ 9H ₂ O) (Chasteen & Harrison 1999). Модель Fe ³⁺ ионы в кристалле ферригидрита антиферромагнитно упорядочены, но дефекты и поверхностные состояния приводят к неполному сокращению, оставляя слабую остаточную момент приблизительно 300 магнетонов Бора (Jutz et al 2015). Магнитное упорядочение — это эффект, возникающий из структура и не может быть сведена к наличию или отсутствию определенных элементалей составляющие. Приведенные выше примеры парамагнетиков, ферромагнетиков, антиферромагнетики и ферримагнетики получают свои магнитные свойства железа, и все же поведение этих материалов отличается заметно.

В макроскопическом объекте наличие магнитного упорядочения в масштабе кристалла часто не приводит к общей чистой намагниченности.Это потому что в отсутствие приложенного поля магнитостатическая энергия может быть уменьшена через спонтанное образование противоположных доменов (). Эти домены разделены доменами стены, где местная намагниченность постепенно меняется с одного направления на Другая. Эти стены имеют характерную ширину, которая зависит от прочности обменное взаимодействие и другие свойства материала. В частицах много меньше этой ширины, затраты энергии, связанные с формированием доменной стенки перевешивает результирующее снижение магнитостатической энергии, поэтому несколько доменов не образуют. Для магнетита приблизительное ограничение для однодоменного поведения составляет примерно 80 морских миль (Московиц и Банерджи 1979). Примечательно, что в конструкциях с линейными размерами в пределах этого диапазон, может возникнуть поведение, промежуточное между одно- и многодоменным состояниями, включая возможность вихревых состояний (Liu и другие. 2015, Ян и др. 2014).

Просто потому, что частица намагничена равномерно, не означает, что его момент сохраняет фиксированное направление. Действительно, моменты достаточно мелкие частицы быстро колеблются относительно своих кристаллических осей со скоростью который экспоненциально уменьшается с увеличением объема частицы для данного температура (Neél 1949).Когда магнитное поле применяется, если масштаб времени больше, чем характерный скорости колебаний, популяция этих частиц будет вести себя аналогично парамагнетизму, с тем важным отличием, что насыщение происходит в поле величины в тысячи или десятки тысяч раз меньше (от миллитесла до десятков миллитесла) в зависимости от их объема и намагниченности материала (). Такое поведение известно как «Суперпарамагнетизм», потому что популяция одного домена магнитные наночастицы действуют как совокупность магнитных моментов, которые индивидуально во много тысяч раз больше, чем у отдельных атомов (Бин и Ливингстон, 1959).

Именно эти большие эффективные моменты стали возможны благодаря ферро- или ферримагнитный порядок в кристаллах, который делает эти частицы такими полезными для внешняя магнитная манипуляция. Это отражается в цепях высокого качества, биоминерализованные наночастицы магнетита или грегита, полученные естественным отбором благоприятствует магнитотактическим бактериям (Moskowitz et al. al. 1993, Schüler & Франкель 1999, Faivre & Schüler 2008).

Синтез магнитных наночастиц

Наблюдение за тем, что высококачественные магнитные наночастицы могут быть генерируемые клетками, давали надежду на то, что необходимые гены могут быть переданы к клеткам млекопитающих, чтобы искусственно вызвать магниторецепцию.Это видение не еще реализовано, но был достигнут некоторый прогресс, в том числе введение Синтез наночастиц оксида железа в мезенхимальных стволовых клетках человека (Elfick et al. , 2017). Один барьер для трансфекция клеток мозга магнитосомными генами in vivo — это их большой размер, что представляет собой проблему для их упаковки в вирусные векторы.

Альтернативой генетической инженерии клеток для производства магнетита является для введения синтетического магнетита в организм, например, путем инъекции раствор наночастиц магнетита непосредственно в целевой области мозга (Chen et al.2015, Мунши и др. 2017). Наночастицы магнетита могут быть синтезируется различными способами, каждый из которых имеет определенные преимущества. За Например, соосаждение с дешевыми затратами дает большие количества магнетита и гидротермальные методы могут создавать интересные морфологии, например, пустотелые структур (Ву и др., 2015). Достигать высокая степень однородности размеров и высокая намагниченность насыщения (мера магнитных моментов частиц) высокотемпературный тепловой методы разложения часто являются предпочтительными (Kim и другие.2009 г., Park et al. 2004 г.). При термическом разложении синтеза раствор высококипящего точечные органические растворители и металлоорганический прекурсор (например, олеат железа или железо ацетилацетонат) нагревают до разложения металлоорганического прекурсор приводит к зарождению и росту наночастиц оксида железа (van Embden et al. 2015). Выбирая растворители, которые подвергаются радикальному разложению, способствуя окислительной среде, можно стимулировать получение фазово-чистого Fe ₃ O ₄ (Chen et al.2016, Hufschmid et al. 2015). Магнитные свойства на наночастицы можно влиять не только путем изменения их формы и размеров. но также путем введения других атомов переходных металлов, включая Co, Mn и Zn. Частичное замещение Fe ²⁺ на Zn ²⁺ позволяет увеличенная намагниченность насыщения по сравнению с магнетитом (Jang et al. 2009, Noh и другие. 2012), два других атома обычно используются для модификации магнитная анизотропия, свойство, которое обсуждается более подробно ниже в контекст нагрева наночастиц.Сродни чистому магнетиту, третичный феррит наночастицы, легированные этими атомами (Me _x Fe _3-x O ₄ , Me = Mn, Co, Zn) легко производится путем термического разложения с такой же высокой однородностью и кристалличность (Сан и др. 2004, Чен и др. 2013).

Магнитомеханические методы

Магнитные наночастицы в однородном магнитном поле испытывают крутящий момент который притягивает их намагниченность в направлении приложенного поля, и магнитные наночастицы в градиенте магнитного поля испытывают поступательное силу (как в магнитном пинцете) ().Эти два механизма взаимодействия магнитных наночастиц с магнитные поля позволяют частицам прикрепляться к биомолекулам, органеллам и клеткам приложить силы к этим конструкциям (Панкхерст и другие. 2003 г., Monzel et al. 2017). Сенсорные нейроны периферической нервной системы экспрессируют механочувствительные ионные каналы, отвечающие за осязание, баланс (через нейроны внутреннего уха) и болезненное давление (Delmas et al. 2011, Coste et al. 2010) (). Механочувствительные ионные каналы открываются в ответ на натяжение мембраны или непосредственно приложенная механическая сила.В принципе, сродни опсинам в оптогенетике. и дизайнерские рецепторы в хемогенетике, эти каналы могут быть трансфицированы в центральную нервную систему, чтобы обеспечить опосредованное магнитными наночастицами силовое управление нервной системой.

Стратегии использования синтетических наноматериалов для нейрональной стимуляции с магнитными полями. ( a ) Силы могут быть приложены к магнитному частицы в сильно неоднородных полях, и вращающие моменты могут быть созданы, если частицы проявляют анизотропию. ( b ) Магнитоэлектрические композитные наночастицы связать деформацию, возникающую в результате магнитострикции их сердечника, с пьезоэлектрическая оболочка, изменяющая электрическую поляризацию.( c ) Запаздывание реакции намагничивания на приложенное переменное магнитное поле, которое может быть графически представлено гистерезисом петли, приводит к рассеиванию тепла. ( d ) Сила или крутящий момент могут быть используется для активации механочувствительных ионных каналов. ( e ) Магнитоэлектрические композитные частицы, в принципе, могут быть использованы для запуска отклик потенциалзависимых ионных каналов. ( f ) Белки чувствительных к температуре каналов могут активироваться за счет тепла, рассеиваемого магнитные наночастицы, будь то наноразмерные или объемные эффекты. ( г ) Тепло также может быть использовано для запуска высвобождения химические агонисты или антагонисты, активирующие ионные каналы.

Использование магнитных наночастиц для активации механочувствительных ионов каналов было продемонстрировано in vitro с помощью патч-клэмп-исследований (Hughes et al. 2007) и визуализации кальция (Lee et al. 2014, Tay et al. 2017). Эти исследования опирались на устройства, похожие на магнитные пинцеты (Seo et al. al. 2016), которые создают высокие градиенты магнитного поля порядка 100 т / м. Это означает, что стимулируемые клетки должны находиться близко друг к другу. близость к магнитным элементам (от 10 до 100 микрон), и для этого Причина, по которой подход с сильным градиентом магнитного поля не может быть легко преобразован в исследования in vivo.

Напротив, возможно создание слабоградиентных магнитных полей над объемы, достаточные для размещения человека, например, магниты для МРТ. В виде отмечалось выше, однородные магнитные поля могут оказывать крутящий момент на магнитные наночастицы, особенно анизотропные. Этот подход, основанный на крутящем моменте, был используется для запуска некроза раковых клеток с использованием как анизотропных частиц, таких как как диски (Kim et al. 2009, Shen et al. 2017), а также цепочки изотропные частицы (Cheng et al.2017) в сочетании с низкочастотными однородными полями (<20 Гц) 10 мТл в амплитуда.По аналогии с магнитотермической нервной стимуляцией, которая была изначально вдохновленный лечением рака магнитной гипертермией, магнитомеханическая нервная стимуляция может работать наиболее эффективно при адаптации этого подход к разрушению опухоли, основанный на крутящем моменте, и уменьшение прилагаемых сил для физиологически безопасные уровни.

Еще одно интересное применение магнитных наночастиц в качестве силы. преобразователи находятся в каркасах для регенерации нейронов, которые могут быть задействованы без проводов. Нейроны реагируют на механические сигналы (Lamoureux et al. al.2002), а регенерация нервной системы может быть усилена механическим срабатывания (Смит и др. 2001, Абрахам и др. 2018). Прототип нейронной созданы регенерационные каркасы, приводимые в действие магнитными наночастицами. которые усиливают рост культивируемых сенсорных нейронов (Tay et al. 2018). В их состав входят гидрогели. пропитаны магнитными наночастицами, которые периодически растягиваются в ответ на периодическое приложение и удаление магнитного поля, действующего на нейроны. В будущем, возможно, появится возможность имплантировать такие каркасы для мостовидного нерва. травм, а затем наружно и неинвазивно применить медленно меняющийся магнитный поле для приведения в действие каркаса и стимулирования роста.Такие гидрогелевые каркасы могут быть рассасываемым, и, таким образом, магнитное срабатывание позволит устройствам, удаленно и не требуют эксплантации.

Магнитоэлектрические композиты

Поскольку все нейроны выражают потенциалзависимые ионные каналы, которые необходим для распространения потенциала действия, может быть полезно разрабатывать наноматериалы, способные преобразовывать внешние магнитные поля в локализованные электрические поля в окрестности мембраны в масштабе соответствующий клеточный аппарат (Kargol et al. 2012 г., Юэ и др. 2012) (,). Этот метод не основан на электромагнитной индукции, которая принципиально электродинамический по своему характеру, вместо этого находя свою основу в квазиэлектростатическое и квазимагнитостатическое поведение. По сути магнитоэлектрических материалов связь обычно слабая и проявляется только при температуры намного ниже, чем физиологическая среда (Brown et al. 1968). Магнитоэлектрический (мультиферроик) композиты предлагают более реальный подход и сочетают в себе материал, в котором деформация и намагниченность связаны (магнитострикция) с материалом, в котором деформация и электрическая поляризация связаны (пьезоэлектричество) (Nan et al.2008 г.). Напряжение внутри композитная структура затем связывает намагниченность и электрическую поляризацию (). На практике макроскопические версии таких композитов, демонстрирующих высокие коэффициенты связи, обычно работают на механический резонанс, чтобы максимизировать амплитуду деформации (Нан и др., 2008). Напротив, исследования, направленные на применять магнитострикционно-пьезоэлектрические наноразмерные композиты для нервной стимуляции прогнали эти частицы с помощью медленно меняющихся магнитных полей с частотами от 0 до 20 Гц и амплитуды 10 мТл (Guduru et al. 2015). Поскольку магнитоэлектрический отклик композит может быть ограничен свойствами материала любого компонента, это важно выбирать компоненты, которые обладают сильной магнитострикцией и пьезоэлектрический. К сожалению, многие сильно пьезоэлектрические материалы содержат свинец, что вызывает опасения по поводу токсичности при использовании в биологических условиях. Композитный наночастицы, предназначенные для нервной стимуляции на этапе исследования эксперименты включали CoFe ₂ O ₄ в качестве магнитострикционный компонент и BaTiO ₃ в качестве пьезоэлектрического компонента. (Гудуру и др.2015).

Магнитотермические методы

Ряд малоинвазивных стратегий нервной стимуляции имеют недавно появились, которые прямо или косвенно используют рассеиваемое тепло магнитными наночастицами в переменных магнитных полях с частотами в диапазоне от десятков кГц до низких МГц и амплитуд в десятки мТл. Этот нагрев возникает из-за работы, выполняемой магнитным моментом против диссипативных сил во время циклического отклика намагничивания (). Эти диссипативные силы могут включать трение с окружающей жидкой средой, когда вся частица физически вращается с вектором намагниченности или процессами затухания внутри кристалла, когда вектор намагниченности вращается независимо от движения частицы (Rosensweig, 2002).Какой из этих происходит быстрее, будет доминировать над поведением системы, но последнее имеет тенденцию преобладать, когда амплитуды переменного магнитного поля достаточно большой. Это связано с тем, что наночастицы демонстрируют предпочтительную ориентацию своих магнитный момент по отношению к кристаллу, явление, называемое «Анизотропия», а приложенные поля снижают энергетические барьеры разделение предпочтительных осей (Neél 1949 г.). Симметрия этих «легких топоров» и на высоту разделяющих их энергетических барьеров могут влиять свойства кристалл, форма частицы (Усов и Barandiaran 2012), штамм (Suzuki et al. al 1999), или поверхностные эффекты (Peddis et al 2008).Среди частиц с аналогичными свойствами материала и различного размера, барьер анизотропии приблизительно масштабируется с объемом (Neél 1949), что помогает объяснить решающую важность контроля размера и монодисперсности для синтетически произведенные магнитные наночастицы.

При просмотре магнитных наночастиц с макроскопической точки зрения периодическая задержка в реакции между их усредненной по населению намагниченностью и быстро переменное магнитное поле имеет удобное графическое представление в форма петель гистерезиса, которые принимают форму, отражающую конкретную реакция намагничивания.Несмотря на различия, модели, описывающие тепловыделение магнитных наночастиц предсказывает петли гистерезиса и находит их площадь, которая соответствует энергии, рассеиваемой за цикл поля. Примеры общих моделей с разными областями применимости включают линейные модели. теория отклика (действительна при малых амплитудах поля по сравнению с методом Стонера-Вольфарта коэрцитивное поле, «поле анизотропии») (Rosensweig 2002), динамический гистерезис (действительно при частоты низкие по сравнению с прецессией момента частицы) (Carrey et al.2011) и стохастический Модели Ландау-Лифшица-Гильберта (наиболее общие, но все еще содержащие упрощающие предположения) (Усов, 2010).

Сравнение пригодности ферримагентных частиц для отвода тепла к биомолекулам и слабомагнитным наночастицам, таким как ферригидритовое ядро ферритина можно предвидеть, учитывая влияние их магнитного свойства на петлях гистерезиса. Наночастица магнетита диаметром 20 нм. содержит ~ 500000 атомов железа в ферримагнитной решетке обратной шпинели.Это ферримагнитное упорядочение приводит к более высокой намагниченности по сравнению с другими фазы оксида железа, растянутые по шкале вертикальной оси. Анизотропия энергетический барьер увеличивается с увеличением объема частицы и позволяет коэрцитивные поля при достаточно больших приложенных амплитудах. Оба из них воздействия имеют тенденцию увеличивать площадь петли гистерезиса и приводить к увеличению рассеиваемая мощность. Напротив, ферригидритовый сердечник из ферритина, содержащий ~ 2500 атомов железа демонстрируют низкую намагниченность насыщения, которая возникает только из-за малого количества нескомпенсированных спинов в дефектах кристалла его в противном случае антиферромагнитное устройство. Кроме того, его малая анизотропия барьер, о чем свидетельствует низкая температура блокировки 40K, гарантирует, что он должен ожидается, что практически не будет гистерезиса при физиологических температурах (Честин и Харрисон, 1999).

Локальное повышение температуры может вызвать реакцию белки термочувствительных каналов, такие как TRPV1, и несколько исследований продемонстрировали стимуляцию после инъекций магнитных наночастиц и вирусная доставка трансгенов trpv1 и (Huang et al.2010, Стэнли и др. 2012 г., Chen et al. 2015). Приложения, использующие гистерезисное рассеивание тепла, могут быть разделены на две категории: те, которые полагаются на эффекты объемного нагрева, и те, которые опираясь на эффекты нагрева в наномасштабе (). Для первого требуется высококонцентрированная и локализованная капля. введенных наночастиц для нагрева себя и окружающей ткани, а также в сочетании с экспрессией TRPV1 это было продемонстрировано как жизнеспособный подход для нейромодуляции (Chen et al. 2015). С другой стороны, возможность нагрева на нанометровом уровне менее интуитивно понятна, если учитывая влияние масштабных соотношений на ожидаемую поверхность температура рассеивающей тепло наноразмерной сферы.Действительно, экстраполяция макроскопические уравнения переноса тепла в наномасштабе предполагают быстрое уравновешивание в масштабе времени в сотни наносекунд и бесконечно малое изменение температуры, которое уменьшается обратно пропорционально расстоянию (Keblinski et al. 2006, Meister 2016). Тем не менее, растущий и разнообразный совокупность экспериментальных данных противоречит этому прогнозу, вместо этого предполагая что температуры на наноразмерных границах раздела достигают установившегося состояния гораздо медленнее (секунды или даже десятки секунд) и может достичь эффективной температуры увеличивается на 10 с ° C в нанометровом диапазоне от наночастицы поверхности перед тем, как быстро окунуться в раствор (Huang et al.2010 г., Ридингер и др. 2013, Донг и Цинк 2014).

Использование наноразмерного нагрева для беспроводного управления откликом белки термочувствительных каналов нейромодуляции предшествуют не только общий подход к нагреванию для нейромодуляции, но также и большая часть работы, которая недавно были получены убедительные доказательства наноразмерного нагрева в аналогичных ситуации. В принципе, главное преимущество систем на основе наноразмеров нагрев состоит в том, что они требуют меньшего количества магнитного материала и избегают объемное тепловое воздействие на окружающие ткани.Эта работа часто включает таргетинг фрагменты, которые связывают магнитные наночастицы с клеточными мембранами или даже термочувствительный канал, конструктивная особенность, соответствующая непосредственной близости что, по-видимому, является необходимым условием для того, чтобы эффекты нагрева в нанометровом масштабе были актуальными. (Хуанг и др., 2010 г., Стэнли и др., 2012 г.). Техника была продемонстрировано, что запускает TRPV1 и управляет нейронной активностью и поведенческими реакциями в бодрствующем состоянии, свободно передвигающиеся мыши (Munshi et al. 2017). Совсем недавно это понятие было расширено до нейронного торможения. путем активации регулируемого по температуре хлоридного канала TMEM16A (Munshi et al.2018), предлагая путь к двунаправленная нейромодуляция, аналогичная хлоридным каналам, используемым для оптогенетика (Deisseroth 2015).

Наноразмерные эффекты гистерезисного нагрева также использовались как средство запуска высвобождения химических грузов с различных носителей, в том числе термочувствительные липосомы (Amstad et al. 2011) (), мезопористый частицы кремнезема (Rühle et al. 2016), а отдельные магнитные наночастицы функционализированы термолабильные связи (Riedinger et al.2013). Если выделяемые химические вещества могут действовать как агонист или антагонист для канального белка, тогда можно связать магнитные стимул к химическому срабатыванию или подавлению нейрональной активности, опосредованный теплом. Эта концепция была продемонстрирована для in vitro, при агонист TRPV1, аллилизотиоцианат, закрепленный на поверхности магнитного наночастицы через термочувствительные азидные связи использовались для стимуляции нейронов. экспрессирующие этот катионный канал (Romero et al.2016). Хотя этот подход был концептуально многообещающим, он был ограничен полезные нагрузки, подходящие для химического синтеза с поверхностями наночастиц с помощью термического лабильные связи, и количество, доступное для выпуска, было быстро исчерпано. Дальнейшая работа в этой области может способствовать дальнейшему развитию концепции за счет использования схемы выпуска, которые менее химически ограничены и сосредоточены на пары рецептор-агонист, которые чутко и последовательно реагируют на широкий спектр концентраций.

В ближайшие годы понимание физики, лежащей в основе наночастиц рассеивание тепла в магнитных полях может дать возможность продлить срок службы функциональность этих методик.Например, модели динамического гистерезиса имеют выявили возможность магнитотермического мультиплексирования, возможность селективно нагревают магнитные наночастицы с различными физическими или химическими свойств с использованием различных условий переменного магнитного поля (Christiansen et al. 2014). Это может позволить двунаправленное нейронное управление, будь то активация отдельного выпуска возбуждающие и ингибирующие соединения от носителей или избирательно активирующие TRPV1 или TMEM16A.

Пространственная избирательность воздействия магнитотермическими методами. в настоящее время ограничивается локализацией инъекции, но в обозримом будущем существуют возможности для более точного таргетинга благодаря наложению магнитостатические градиентные поля.Для такой конфигурации в регионах с большой магнитостатический вклад, чистое поле будет колебаться со смещением и магнитные наночастицы останутся насыщенными и в значительной степени не будут реагировать на накладывается переменная составляющая поля. В точке или на линии, где исчезнет магнитостатическое поле, магнитные наночастицы смогут подвергаются гистерезисному рассеиванию тепла. Точно такое же наложение переменные и статические магнитные поля в настоящее время используются в магнитных визуализация частиц для отделения сигнала от вокселей (Knopp & Buzug 2014), хотя амплитуду и частоту переменного поля необходимо увеличить. Эффективно создавая сильные переменные магнитные поля на частотах в сотни кГц в медицинских значимых рабочих объемах нетривиально, там не является фундаментальным препятствием для масштабирования (Christiansen et al., 2017), и эти технические возможности для методы мультиплексной и сайт-специфической нейромодуляции могут стимулировать дальнейшее развитие разработка необходимого инструментария.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПРОГНОЗ

Магнитные поля обеспечивают беспрецедентный доступ к процессам сигнализации возникающие на произвольной глубине внутри тела из-за пренебрежимо малого магнитного проницаемость и низкая проводимость тканей.Использование энергии магнитного поля как средства для управления нейрональной активностью, однако, требует передачи незаметного магнитные поля в стимулы, способные вызывать эндогенные или генетические сконструированные сигнальные каскады внутри этих клеток. Загадочное магнитовосприятие мигрирующие животные продолжают вдохновлять на энергичный поиск генетически закодированных оборудование, которое непосредственно реагирует на магнитные поля. Криптохром-зависимый механизм радикальной пары, предложенный в основе чувствительности магнитного компаса у птиц и насекомые, по-видимому, нуждаются в оптическом раздражении и, следовательно, не могут быть реализованы внутри тела без имплантированных источников света.Магнитосомы производства магнитотактические бактерии, в то время как они подходят для преобразования слабых магнитных полей в механические или тепловые раздражители, требуют слишком большого количества генетического материала для доставляться одним вирусным вектором.

Параллельно с фундаментальным исследованием биологической магниторецепции, использование синтетические наноматериалы являются многообещающим и постоянно расширяющимся средством контроля нейронных Мероприятия. Магнитные наночастицы могут опосредовать взаимодействие между магнитными полями. и клеточные механизмы, способные реагировать на тепло, силы и химические раздражители.Методы магнитной нейромодуляции во многих случаях могут быть реализованы без трансгены, полагаясь исключительно на эндогенно экспрессируемые ионные каналы у млекопитающих нейроны. Кроме того, рассматриваются наноматериалы, состоящие из магнетита. биосовместимость с известными примерами использования в качестве одобренных контрастных агентов для МРТ (Wang 2011) и многообещающие средства лечения опухоли головного мозга в недавнем клиническом исследовании фазы II (van Landeghem et al 2009). Одна нерешенная проблема — это доставка наноматериал к мишеням в головном мозге, который в настоящее время требует непосредственной инъекции.Хотя это не является серьезной проблемой для экспериментов на животных моделях, необходимость в прямая инъекция в нервную ткань может замедлить трансляцию в противном случае Перспективные методы магнитной нейромодуляции для клинического применения. Поставленные задачи путем доставки через гематоэнцефалический барьер являются предметом активных исследований, и ряд стратегий, включая моновалентные антитела (Niewoehner et al. 2014) и временную проницаемость барьер со сфокусированным ультразвуком (Hynynen et al. 2001, Szablowski et al.2018) или химические соединения (Cosolo et al. 1989) недавно появились, чтобы помочь транспорту молекул или вирусов, вводимых системно. Такие методы могут потребовать дополнительной инженерии для учета размеров магнитных наночастицы, необходимые для эффективного преобразования магнитных полей в тепловые (десятки нм), электрический (от десятков до сотен нм) или механический (сотни нм) стимулы.

Растущий интерес к подходам к магнитной нейромодуляции требует пристального внимания взаимодействие между физиками, химиками, инженерами и нейробиологами с целью оценить преимущества и преодолеть проблемы, связанные с этими методами.Понимание биофизических механизмов, управляющих трансдукцией магнитных стимулы в клеточные ответы важны не только для доставки надежных и надежные инструменты магнитной нейромодуляции для базового сообщества нейробиологов, но они являются ключевыми доработать эти инструменты в качестве будущих средств понимания и лечения болезней нервная система.

ССЫЛКИ

• Abraham J-A, Linnartz C, Dreissen G, Springer R, Blaschke S, et al. 2018. Направление роста нейронов и сети формирование нейронов коры головного мозга крысы циклическим субстратом потягиваться.Langmuir [PubMed] [Google Scholar]
• Amstad E, Kohlbrecher J, Müller E, Schweizer T., Textor M, Reimhult E. 2011. Триггерное высвобождение из липосом посредством магнитного срабатывания наночастиц оксида железа, содержащих Мембраны. Nano Lett. 11: 1664–70 [PubMed] [Google Scholar]
• Аникеева П., Ясанов А. 2016. Магнитогенетика: проблемы со спиной конверта. электронная жизнь 5: e19569. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Bean CP, Livingston JD. 1959 г. Суперпарамагнетизм.J. Appl. Phys. 30: S120 – S29 [Google Scholar]
• Бергманн Т.О., Карабанов А., Хартвигсен Г., Тильшер А., Зибнер HR. 2016 г. Комбинирование неинвазивных транскраниальных стимуляция мозга с помощью нейровизуализации и электрофизиологии: Current подходы и перспективы на будущее. NeuroImage 140: 4–19 [PubMed] [Google Scholar]
• Bonmassar G, Lee SW, Freeman DK, Polasek M, Fried S, Gale JT. 2012 г. Микроскопическая магнитная стимуляция нервная ткань. Nat. Comm. 3: 921 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Brown WF, Hornreich RM, Shtrikman S.1968 г. Верхняя граница магнитоэлектрика. Восприимчивость. Phys. Ред. 168: 574–77 [Google Scholar]
• Брунони А. Р., Чаймани А., Моффа А. Х., Разза Л. Б., Гаттаз В. Ф. и др. 2017 г. Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция для острого лечения серьезных депрессивных эпизодов Систематический обзор С помощью сетевого мета-анализа. JAMA Психиатрия 74: 143–153 [PubMed] [Google Scholar]
• Керри Дж., Мехдауи Б., Респод М. 2011. Простые модели динамического гистерезиса петлевые расчеты магнитных однодоменных наночастиц: приложение к оптимизация магнитной гипертермии.J. Appl. Phys. 109: 083921 [Google Scholar]
• Катерина MJ, Шумахер MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D. 1997. Рецептор капсаицина: a активируемый нагреванием ионный канал в болевом пути. Природа 389: 816. [PubMed] [Google Scholar]
• Честин Н. Д., Харрисон П.М. 1999 г. Минерализация ферритина: An Эффективные средства хранения железа. J. Struct. Биол. 126: 182–94 [PubMed] [Google Scholar]
• Чен Р., Кристиансен М.Г., Аникеева П. 2013. Максимизация гистерезисных потерь в Магнитные наночастицы феррита с помощью модельно-управляемого синтеза и материалов Оптимизация.САУ Нано 7: 8990–9000 [PubMed] [Google Scholar]
• Чен Р., Кристиансен М.Г., Сураков А., Мор А., Мацумото Ю. и др. 2016 г. Высококачественные наночастицы феррита через Настройка неводной окислительно-восстановительной фазы. Nano Lett. 16: 1345–1351 [PubMed] [Google Scholar]
• Чен Р., Ромеро Дж., Кристиансен М.Г., Мор А., Аникеева П. 2015. Беспроводной магнитотермический глубокий мозг стимуляция. Наука 347: 1477–80 [PubMed] [Google Scholar]
• Чен Р., Ромеро Дж., Кристиансен М.Г., Мор А., Аникеева П. 2015.Беспроводной магнитотермический глубокий мозг стимуляция. Наука 347: 1477–1480 [PubMed] [Google Scholar]
• Chen S, Weitenmier AZ, Zeng X, Linmeng H, Wang X, et al. 2018. Стимуляция глубокого мозга в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью оптогенетика, опосредованная наночастицами с повышением конверсии. Наука 359: 679–684 [PubMed] [Google Scholar]
• Cheng Y, Muroski ME, Petit DCMC, Mansell R, Vemulkar T, et al. 2017 г. Вращающееся магнитное поле вызывало колебания магнитные частицы для механического разрушения in vivo злокачественных глиома.J. Control. Выпуск 223: 75–84 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Christiansen MG, Howe CM, Bono DC, Perreault DJ, Anikeeva P. 2017. Практические методы создания переменные магнитные поля для биомедицинских исследований. Rev. Sci. Instrum. 88: 084301. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Кристиансен М.Г., Сенко А.В., Чен Р., Ромеро Г., Аникеева П. 2014. Магнитно-мультиплексный нагрев однодоменные наночастицы. Прил. Phys. Lett. 104: 213103 [Google Scholar]
• Cosolo WC, Martinello P, Louis WJ, Christophidis N.1989 г. Нарушение гематоэнцефалического барьера с помощью маннитол: динамика и электронно-микроскопические исследования. Являюсь. J. Physiol. 256: 443–447 [PubMed] [Google Scholar]
• Косте Б., Матур Дж., Шмидт М., Эрли Т.Дж., Ранаде С. и др. 2010 г. Piezo1 и Piezo2 являются важными компонентами отчетливые механически активируемые катионные каналы. Наука 330: 55–60 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Cullity BD, Graham CD. 2009 г. Введение в магнитные материалы. Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и Сыновья, Inc.[Google Scholar]
• Deisseroth K 2015 г. Оптогенетика: 10 лет микробных опсинов в нейробиология. Nat. Neurosci. 18: 1213–1225 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Delmas P, Hao Jizhe, Rodat-Despoix L. 2011. Молекулярные механизмы механотрансдукция в сенсорных нейронах млекопитающих. Nat. Rev. Neurosci. 12: 139–153 [PubMed] [Google Scholar]
• Dong J, Zink JI. 2014 г. Измерение температуры Внутренности магнитно-нагретых наночастиц. ACS Нано 8: 5199–207 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Эдельман Н.Б., Фриц Т. , Нимпф С., Пихлер П., Лауэрс М. и др.2015 г. Нет доказательств наличия внутриклеточного магнетита в предполагаемые магниторецепторы позвоночных, идентифицированные с помощью магнитного скрининг. PNAS 112: 262–67 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Элфик А., Ришитор Г., Моорас Р., Азфер А., Лунгаро Л. и др. 2017 г. Биосинтез магнитных наночастиц с помощью мезенхимальные стволовые клетки человека после трансфекции магнитотактическим бактериальный ген mms6. Sci. Представитель 7: 39755. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• van Embden J, Chesman ASR, Jasieniak JJ.2015 г. Тепловой синтез коллоидных нанокристаллы. Chem. Матер. 27: 2246–2285 [Google Scholar]
• Энгельс С., Шнайдер Н.Л., Лефельдт Н., Хайн С.М., Запка М. и др. 2014 г. Антропогенный электромагнитный шум мешает магнитный компас ориентации у перелетной птицы. Природа 509: 353. [PubMed] [Google Scholar]
• Faivre D, Schüler D. 2008. Магнитотактические бактерии и магнитосомы. Chem Rev. 108: 4875–4898 [PubMed] [Google Scholar]
• Фишер Г., Дане М., Эрнст А., Бруно П., Людерс М. и др.2009 г. Обменная муфта из переходного металла монооксиды: Расчеты электронной структуры. Phys. Ред. B 80: 014408 [Google Scholar]
• Freeman DK, O’Brien JM, Kumar P, Daniels B, Irion RA, et al. 2017 г. Нейронная система субмиллиметрового диапазона с индуктивным питанием. стимулятор. Фронт. Neurosci. 11: 659. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Fuchs F, Landers EU, Schmid R, Wiesinger J. 1998. Ток молнии и магнитное поле параметры, вызванные ударами молнии в высокие конструкции, относящиеся к вмешательство электронных систем.IEEE Trans. Электромагнит. Compat. 40: 444–51 [Google Scholar]
• Gegear RJ, Casselman A, Waddell S, Reppert SM. 2008 г. Криптохром опосредует светозависимый магниточувствительность у дрозофилы. Природа 454: 1014. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Гилдер С.А., Вак М., Кауб Л., Роуд С.К. , Петерсен Н. и др. 2018. Распределение носителей магнитной намагниченности в человеческий мозг. Sci. Rep. 8: 11363. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Gould JL, Kirschvink JL, Deffeyes KS.1978 г. У пчел есть магнит Остаточность. Наука 201: 1026–28 [PubMed] [Google Scholar]
• Гроссман Н., Боно Д., Дедич Н., Кодандарамайя С.Б., Руденко А. и др. 2017 г. Неинвазивная глубокая стимуляция мозга с помощью временные интерферирующие электрические поля. Клетка 169: 1029–1041 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Гудуру Р., Лян П., Хонг Дж., Родзински А., Хаджихани А. и др. 2015 г. Магнитоэлектрический «спин» на стимуляция мозга. Наномедицина 10: 2051–61 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Holland RA.2010 г. Дифференциальные эффекты магнитного импульсы на ориентацию естественно мигрирующих птиц. J. R. Soc., Интерфейс 7: 1617–25 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Hore PJ, Mouritsen H. 2016. Радикально-парный механизм Магниторецепция. Анну. Rev. Biophys. 45: 299–344 [PubMed] [Google Scholar]
• Хуанг Х., Деликанли С., Цзэн Х., Ферки Д.М., Pralle A. 2010. Дистанционное управление ионными каналами и нейроны за счет нагрева наночастиц магнитным полем. Nat. Nanotechnol.5: 602–06 [PubMed] [Google Scholar]
• Hufschmid R, Arami H, Ferguson RM, Gonzales M, Teeman E, et al. 2015 г. Синтез фазово-чистого и монодисперсного железа. наночастицы оксида путем термического разложения. Наномасштаб 7: 11142–11154 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Хьюз С., МакБейн С., Добсон Дж., Эль-Хадж А.Дж.. 2007 г. Выборочная активация механочувствительные ионные каналы с использованием магнитных частиц. J. R. Soc. Интерфейс 5: 855–863 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Хайнинен К., МакДаннольд Н., Выходцева Н., Джолес Ф.А.2001 г. Неинвазивная МРТ под контролем очаговое открытие гематоэнцефалического барьера у кроликов. Радиология 220: 640–646 [PubMed] [Google Scholar]
• Jang JT, Nah H, Lee JH, Moon SH, Kim MG, Cheon J. 2009. Критическое улучшение контрастности МРТ и гипертермические эффекты с помощью магнитного наночастицы. Энгью. Chem. Int. Эд. 48: 1234–1238 [PubMed] [Google Scholar]
• Johnsen S, Lohmann KJ. 2005 г. Физика и нейробиология магниторецепция. Nat. Rev. Neurosci. 6: 703–712 [PubMed] [Google Scholar]
• Ютц Г., ван Рейн П., Сантос Миранда Б., Бёкер А.2015 г. Ферритин: универсальный строительный блок для бионанотехнологий. Chem. Ред. 115: 1653–701 [PubMed] [Google Scholar]
• Kalmijn A 1981 г. Биофизика геомагнитного поля обнаружение. IEEE Trans. Magn. 17: 1113–24 [Google Scholar]
• Каргол А., Малкински Л., Карунту Г. 2012. Биомедицинское применение мультиферроидные наночастицы In Adv. Magn. Материал: InTech [Google Scholar]
• Keblinski P, Cahill DG, Bodapati A, Sullivan CR, Taton TA. 2006 г. Пределы локального обогрева по электромагнитно возбужденные наночастицы.J. Appl. Phys. 100: 054305 [Google Scholar]
• Ким Д.-Х, Рожкова Е.А., Уласов И. В., Бадер С.Д. Радж Т. и др. 2009 г. Биофункциональные магнитно-вихревые микродиски для направленного разрушения раковых клеток. Nat. Матер. 9: 165–171 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ким Д., Ли Н., Пак М., Ким Б. Х., Ан К., Хён Т. 2009. Синтез однородного ферримагнетика. нанокубы из магнетита. Варенье. Chem. Soc. 131: 454–455 [PubMed] [Google Scholar]
• Киршвинк Дж. Л., Кобаяши-Киршвинк А., Вудфорд Б. Дж..1992 г. Биоминерализация магнетита в человеческий мозг. PNAS 89: 7683–87 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Киршвинк Дж. Л., Уокер М. М., Чанг С. Б., Дизон А. Е., Петерсон К. А.. 1985 г. Цепочки однодоменного магнетита частицы в чавычи, Oncorhynchus tshawytscha. J. Comp. Physiol. А 157: 375–81 [Google Scholar]
• Киршвинк Дж. Л., Уокер М. М., Diebel CE. 2001 г. На основе магнетита магниторецепция. Curr. Opin. Neurobiol. 11: 462–67 [PubMed] [Google Scholar]
• Кишкинев Д., Чернецов Н., Пахомов А., Хейерс Д. , Моуритсен Х.2015 г. Евразийские камышевки компенсируют виртуальное магнитное смещение. Curr. Биол. 25: R822 – R24 [PubMed] [Google Scholar]
• Кнопп Т., Бузуг TM. 2012 г. Магнитная визуализация частиц: введение принципам визуализации и аппаратуре сканера. Springer Science & Business Медиа [Google Scholar]
• Kwon KY, Lee H-M, Ghovanloo M, Weber A, Li W. 2015. Дизайн, изготовление и упаковка интегрированный массив оптродов с беспроводным питанием для оптогенетики применение. Фронт.Syst. Neurosci. 9: 69. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• LaBelle J, Treumann RA. 2002 г. Авроральное радиоизлучение, 1. Шипение, Рев и всплески. Космические науки. Ред. 101: 295–440 [Google Scholar]
• Ламурё П., Рутель Г., Буксбаум Р. Э., Хайдерманн С. Р.. 2002 г. Механическое напряжение может указывать на аксональные судьба в нейронах гиппокампа. J. Cell Biol. 159: 499–508 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• van Landeghem FKH, Maier-Hauff K, Jordan A, Hoffmann K-T, Gneveckow U, et al. 2009 г. Патологоанатомические исследования пациентов с глиобластомой лечится термотерапией с использованием магнитных наночастиц. Биоматериалы 30: 52–57 [PubMed] [Google Scholar]
• Ли Дж.Х., Ким Дж.В., Леви М., Дао А., Но С.Х. и др. 2014 г. Магнитные наночастицы для сверхбыстрой механический контроль волосковых клеток внутреннего уха. ACS Нано 8: 6590–6598 [PubMed] [Google Scholar]
• Ли С.В., Фаллеггер Ф., Касс БДФ, Фрид С.И. 2016 г. Имплантируемые микрокатушки для внутрикортикальная магнитная стимуляция. Sci. Adv 2 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Lefaucheur J-P, Андре-Обадиа Н., Антал А., Аяче С.С., Бэкен С. и др.2014 г. Научно обоснованные рекомендации по терапевтическому использование повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС). Clin. Neurophysiol. 125: 2150–2206 [PubMed] [Google Scholar]
• Lefaucheur J-P, Antal A, Ayache SS, Benninger DH, Brunelin J, et al. 2017 г. Научно обоснованные рекомендации по терапевтическому использование транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS). Clin. Neurophysiol. 128: 56–92 [PubMed] [Google Scholar]
• Легон В., Сато Т.Ф., Оптиз А., Мюллер Дж., Барбур А. и др. 2014 г. Транскраниальный сфокусированный ультразвук модулирует активность первичной соматосенсорной коры у человека.Nat. Neurosci. 17: 322–329 [PubMed] [Google Scholar]
• Лю Х.Л., Ян Й., Нг Ц.Т., Чжао ЛИ, Чжан И и др. 2015 г. Магнитные вихревые нанокольца: новый класс агент гипертермии для высокоэффективной регрессии in vivo опухоли. Adv. Матер. 27: 1939–1944 [PubMed] [Google Scholar]
• Long X, Ye J, Zhao D, Zhang SJ. 2015 г. Магнитогенетика: дистанционная неинвазивная магнитная активация нейрональной активности с магниторецептор. Sci. Бык. 60: 2107–19 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Манникс Р.Дж., Кумар С., Кассиола Ф., Монтойя-Завала М., Файнштейн Э.2008 г. Наномагнитное срабатывание рецептор-опосредованная передача сигнала. Nat. Nanotechnol. 3: 36–40 [PubMed] [Google Scholar]
• McBain SC, Yiu HHP, Dobson J. 2008. Магнитные наночастицы для генов и доставки лекарств. Int. J. Наномедицина 3: 169–180 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• МакКлинток С.М., Рети И.М., Карпентер Л.Л., Макдональд В.М., Дубин М. и др. 2018. Консенсусные рекомендации для клинических Применение повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС) в Лечение депрессии.J. Clin. Психиатрия 79: 16cs10905 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Meister M 2016 г. Физические пределы магнитогенетика. электронная жизнь 5: e17210. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Monzel C, Vicario C, Piehler J, Coppey M, Dahan M. 2017. Магнитный контроль сотовых процессы с использованием биофункциональных наночастиц. Chem. Sci. 8: 7330–7338 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Московиц Б.М., Банерджи СК. 1979 г. Пределы размера зерен для псевдодобычи доменное поведение в магнетите: последствия для палеомагнетизм.IEEE Trans. Magn. 15: 1241–1246 [Google Scholar]
• Московиц Б. М., Франекль РБ, Базилинский Д.А. 1993 г. Рок-магнитные критерии для обнаружение биогенного магнетита. Планета Земля. Sci. Lett. 120: 283–300 [Google Scholar]
• Mouritsen H 2018. Дальняя навигация и магнитоприемник у мигрирующих животных. Природа 558: 50–59 [PubMed] [Google Scholar]
• Muheim R, Sjöberg S, Pinzon-Rodriguez A. 2016. Поляризованный свет модулирует светозависимая ориентация магнитного компаса у птиц.PNAS 113: 1654–59 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Müller P, Ahmad M. 2011. Светоактивированный криптохром реагирует с молекулярным кислородом с образованием радикальной пары флавин – супероксид Соответствует магниторецепции. J. Biol. Chem. 286: 21033–40 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Мунши Р., Кадри С.М., Pralle A. 2018. Переходный магнитотермальный нейрональный Выключение звука с помощью хлоридного канала аноктамина 1 (TMEM16A). Фронт. Неврологи 12 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Munshi R, Qadri SM, Zhang Q, Castellanos Rubio I, del Pino P, Pralle A. 2017 г. Магнитотермический генетический глубокий мозг стимуляция двигательного поведения у бодрствующих, свободно передвигающихся мышей. электронная жизнь 6: e27069. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Munshi R, Qadri SM, Zhang Q, Rubio IC, del Pino P, Pralle A. 2017. Магнитотермический генетический глубокий мозг стимуляция двигательного поведения у бодрствующих, свободно передвигающихся мышей. электронная жизнь 6: e27069. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Nan CW, Bichurin MI, Dong S, Viehland D, Srinivasan G. 2008. Мультиферроидный магнитоэлектрический композиты: историческая перспектива, статус и будущее направления.J. Appl. Phys. 103: 031101 [Google Scholar]
• Нил Л. 1949 г. Аня. Geophys. 5: 99–136 [Google Scholar]
• Niewoehner J, Bohrmann B, Collin L, Urich E, Sade H, et al. 2014 г. Повышенное проникновение в мозг и эффективность терапевтических антител с использованием моновалентный молекулярный челнок. 81: 49–60 [PubMed] [Google Scholar]
• Нитше М. А., Коэн Л.Г., Вассерман Е.М., Приори А., Ланг Н. и др. 2008 г. Транскраниальная стимуляция постоянным током: Состояние искусства 2008. Мозговая стимуляция. 1: 206–223 [PubMed] [Google Scholar]
• Но С.Х., На В., Джанг Дж.Т., Ли Дж.Х., Ли Э.Дж.2012 г. Управление наномасштабным магнетизмом с помощью Поверхностная и обменная анизотропия для оптимизированного ферримагнитного гистерезис. Nano Lett. 12: 3716–3721 [PubMed] [Google Scholar]
• Обесо Дж. А., Оланов К. В., Родригес-Ороз М. С., Крак П., Кумар Р., Ланг А. Э. 2001 г. Глубокая стимуляция мозга субталамическое ядро ​​или внутренняя часть бледного шара в Болезнь Паркинсона. N. Engl. Дж. Med. 345: 956–963 [PubMed] [Google Scholar]
• Пан К., Ю Х, Чен Й, Чу П, Ху М. и др. 2017 г. Одного MagR недостаточно для сотовой связи Кальций отвечает на магнитную стимуляцию.Фронт. Нейронные цепи 11 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Pankhurst QA, Connolly J, Jones SK, Dobson J. 2003. Применение магнитных наночастицы в биомедицине. J. Phys. D: Прил. Phys. 36: R167 – R181 [Google Scholar]
• Park H-J, Bonmassar G, Kaltenbach JA, Machado AG, Manzoor NF. 2013. Активация центральной нервной системы система, индуцированная микромагнитной стимуляцией. Nat. Comm. 4: 2463 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Park J, An K, Hwang Y, Park J-G, Noh H-J.2004 г. Ультра-крупномасштабный синтез монодисперсные нанокристаллы. Nat. Матер. 3: 891–895 [PubMed] [Google Scholar]
• Полин М.Г. 1995 г. Электроприем и компас чувство акулы. J. Theor. Биол. 174: 325–39 [Google Scholar]
• Педдис Д., Мансилла М.В., М0руп С., Каннас С., Мусину А. и др. 2008 г. Спин-кантинг и магнитная анизотропия в Сверхмалые наночастицы CoFe2O4. J. Phys. Chem. B 112: 8507–13 [PubMed] [Google Scholar]
• Цинь С., Инь Х, Ян Ц., Доу И, Лю Цз. И др.2016 г. Магнитный белковый биокомпас. Nat. Матер. 15: 217–226 [PubMed] [Google Scholar]
• Ридингер А., Гуардиа П., Курсио А., Гарсия М.А., Чинголани Р. и др. 2013. Субнанометрические измерения локальной температуры и Дистанционно контролируемое высвобождение лекарственного средства на основе азофункционализированного оксида железа Наночастицы. Nano Lett. 13: 2399–406 [PubMed] [Google Scholar]
• Ritz T, Adem S, Schulten K. 2000. Модель для фоторецепторов на основе магниторецепция у птиц. Биофиз. Дж. 390: 371–376 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ritz T, Thalau P, Phillips JB, Wiltschko R, Wiltschko W.2004 г. Эффекты резонанса указывают на радикально-парный механизм для птичьего магнитного компаса. Природа 429: 177. [PubMed] [Google Scholar]
• Робертс А.П., Чанг Л., Роуэн С.Дж., Хорнг С.С., Флориндо Ф. 2011. Магнитные свойства осадочного грейгит (Fe3S4): обновление. Rev. Geophys 49 [Google Scholar]
• Rogan SC, Roth BL. 2011 г. Дистанционное управление нейронной сигнализация. Pharmacol. Ред. 63: 291–315 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ромеро Г., Кристиансен М.Г. , Стокче Барбоса Л., Гарсия Ф., Аникеева П.2016 г. Локализованное возбуждение нервной системы Активность за счет быстрого магнитотермического высвобождения лекарственного средства. Adv. Функц. Матер. 26: 6471–78 [Google Scholar]
• Rosensweig RE. 2002 г. Нагревание магнитной жидкости с помощью переменное магнитное поле. J. Magn. Magn. Матер. 252: 370–74 [Google Scholar]
• Ruff CC, Driver J, Bestmann S. 2009. Сочетание TMS и фМРТ. Кора 45: 1043–1049 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Rühle B, Datz S, Argyo C, Bein T, Zink JI. 2016 г. Молекулярный наноразмер, активируемый суперпарамагнитный подогрев внешне стимулированных грузов выпуск.Chem. Commun. 52: 1843–46 [PubMed] [Google Scholar]
• Rühle B, Datz S, Argyo C, Bein T, Zink JI. 2016 г. Молекулярный наноразмер, активируемый суперпарамагнитный подогрев внешне стимулированных грузов выпуск. Химические коммуникации 52: 1843–1846 [PubMed] [Google Scholar]
• Schüler D, Frankel RB. 1999 г. Бактериальные магнитосомы: микробиология, биоминерализация и биотехнологические приложения. 52: 464–473 [PubMed] [Google Scholar]
• Seo D, Southard KM, Kim JW, Lee HW, Farlow J, et al.2016 г. Механогенетический набор инструментов для допроса передача сигналов клетки в пространстве и времени. Клетка 165: 1507–1518 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Шен Й, Ву Ц., Уеда TQP, Plaza GR, Лю Б. и др. 2017 г. Агрегаты удлиненных наночастиц при раке Ячейки для механического разрушения низкочастотным вращающимся магнитом Поле. Тераностика 7: 1735–1748 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Smith DH, Wolf JA, Meaney DF. 2001 г. Новая стратегия производства устойчивых рост аксонов центральной нервной системы: непрерывный механический напряжение.Tissue Eng. 7: 131–139 [PubMed] [Google Scholar]
• Стэнли С.А., Гагнер Дж. Э., Даманпур С., Йошида М., Дордик Дж. С., Фридман Дж. М.. 2012 г. Радиоволновой нагрев оксида железа. Наночастицы могут регулировать уровень глюкозы в плазме мышей. Наука 336: 604–08 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Стэнли С.А., Келли Л., Латча К.Н., Шмидт С.Ф., Ю X и др. 2016 г. Двунаправленное электромагнитное управление гипоталамус регулирует питание и обмен веществ. Природа 531: 647. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Стэнли С.А., Зауэр Дж., Кейн Р.С., Дордик Дж. С., Фридман Дж. М..2014 г. Дистанционное регулирование глюкозы гомеостаз у мышей с использованием генетически закодированных наночастиц. Nat. Med. 21: 92. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Сан С., Цзэн Х., Робинсон Д. Б., Рау С., Райс П. М.. 2004 г. Монодисперсный MFe ₂ O ₄ (M = Fe, Co, Mn) наночастицы. Варенье. Chem. Soc. 126: 273–279. [PubMed] [Google Scholar]
• Sun S, Zeng H. 2002. Контролируемый по размеру синтез наночастицы магнетита. Варенье. Chem. Soc. 124: 8204–8205 [PubMed] [Google Scholar]
• Suzuki Y, Hu G, van Dover RB, Cava RJ.1999 г. Магнитная анизотропия эпитаксиального тонкие пленки феррита кобальта. J. Magn. Magn. Матер. 191: 1–8 [Google Scholar]
• Сабловски Ю.О., Ли-Госселин А., Лю Б., Малунда Д., Шапиро М.Г. 2018. Акустически направленная хемогенетика для неинвазивного управления нервными цепями. Nat. Биомед. Англ. 2: 475–484 [PubMed] [Google Scholar]
• Тай А., Ди Карло Д. 2017. На основе магнитных наночастиц механическая стимуляция для восстановления механочувствительного ионного канала равновесие в нейронных сетях.Nano Lett. 17: 886–892 [PubMed] [Google Scholar]
• Тай А., Сохраби А., Пул К., Сейдлитс С., Ди Карло Д. 2018. 3D магнитная гиалуроновая кислота гидрогель для магнитомеханической нейромодуляции первичного дорсального корешка ганглиозные нейроны. Adv. Матер. 1800927 [PubMed] [Google Scholar]
• Treiber CD, Salzer MC, Riegler J, Edelman N, Sugar C, et al. 2012 г. Скопление богатых железом клеток в верхней части клюва голубей — это макрофаги, а не магниточувствительные нейроны. Природа 484: 367. [PubMed] [Google Scholar]
• Ценг П. , Джуди Дж., Ди Карло Д.2012 г. Магнитные наночастицы массивно-параллельная механическая модуляция одноячеечной поведение. Nat. Методы 9: 1113–1119 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Усов Н.А., Барандиаран Дж. 2012 г. Магнитные наночастицы с комбинированным анизотропия. J. Appl. Phys. 112: 053915 [Google Scholar]
• Усов Н.А. 2010 г. Петли гистерезиса низкой частоты суперпарамагнитные наночастицы с одноосной анизотропией. J. Appl. Phys. 107: 123909 [Google Scholar]
• Wagner T, Valero-Cabre A, Pascual-Leone A.2007 г. Неинвазивный человеческий мозг стимуляция. Анну. Преподобный Биомед. Англ. 9: 527–565. [PubMed] [Google Scholar]
• Уолкотт К., Гулд Дж., Киршвинк Дж. 1979. У голубей есть магниты. Наука 205: 1027–29 [PubMed] [Google Scholar]
• Ван Y-XJ. 2011 г. На основе суперпарамагнитного оксида железа Контрастные вещества для МРТ: Текущее состояние клинического применения. Quant. Imaging Med. Surg. 1: 35–40 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Wheeler MA, Smith CJ, Ottolini M, Barker BS, Purohit AM, et al. 2016 г. Генетически направленный магнитный контроль нервная система. Nat. Neurosci. 19: 756. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Wiltschko R, Thalau P, Gehring D, Nießner C, Ritz T, Wiltschko W. 2015. Магниторецепция у птиц: влияние радиочастотных полей. J. R Soc., Интерфейс 12: 20141103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Wiltschko W, Wiltschko R. 1972. Магнитный компас европейского Робинс. Наука 176: 62–64 [PubMed] [Google Scholar]
• Вильчко В., Вильчко Р.2005 г. Магнитная ориентация и магниторецепция у птиц и других животных. Дж. Комп. Physiol. Нейроэтол. Sens. Neural. Behav. Физиол 191: 675–693 [PubMed] [Google Scholar]
• Винкльхофер М., Моуритсен Х., 2016 г. Магнитный белок компас? bioRxiv: 094607 [Google Scholar]
• Wu W, Wu Z, Yu T, Jiang C, Kim W. 2015 г. Последние достижения в области магнитного железа оксидные наночастицы: синтез, поверхностные функциональные стратегии и биомедицинские Приложения. Sci. Technol. Adv. Матер. 16: 023501.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ян Y, Лю X, Lv Y, Herng TS, Xu X и ​​др. Ориентационно-опосредованное усиление магнитной гипертермии Fe ₃ O ₄ нанодиск. Adv. Функц. Матер. 25: 812–820 [Google Scholar]
• Ясуо Т., Йошиказу У. 2002. Основные механизмы ТМС. J. Clin. Neurophysiol. 19: 322–343. [PubMed] [Google Scholar]
• Янг Дж. Х., Ван М. Т., Брезович И. А.. 1980 г. Соображения по частоте / глубине проникновения при гипертермии токами магнитного поля.16: 358 [Google Scholar]
• Юэ К., Гудуру Р., Хонг Дж., Лян П., Наир М., Хизроев С. 2012. Магнитоэлектрические наночастицы для Неинвазивная стимуляция мозга. PLoS ONE 7: e44040. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

Проверка магнитных частиц: руководство

Магнитопорошковый контроль — это метод контроля, используемый для выявления дефектов на поверхности ферромагнитных материалов путем пропускания через них магнитного тока.

Его также можно использовать для обнаружения дефектов непосредственно под поверхностью материалов.Типы дефектов, которые он может обнаружить, включают трещины, поры, холодное нахлестание и отсутствие плавления боковых стенок в сварных швах.

Альтернативные условия:

• Магнитопорошковый контроль (MPI) также обычно называют испытанием на магнитных частицах (MT)

В этом руководстве мы будем использовать термины «магнитопорошковая инспекция» и «магнитопорошковая проверка» как синонимы, следуя альтернативным терминам, перечисленным выше.

При контроле магнитных частиц пропускают магнитный ток через проверяемый материал.Когда ток прерывается дефектом, магнетизм распространяется от этой точки, указывая на его присутствие и позволяя инспекторам определить его местоположение в материале.

Контроль с помощью магнитных частиц — один из наиболее часто используемых методов неразрушающего контроля (NDT), поскольку он быстрый и относительно недорогой.

Однако он работает только с материалами, которые могут быть намагниченными, называемыми ферромагнитными материалами, поэтому его применение несколько ограничено. Некоторые примеры ферромагнитных материалов включают сталь, кобальт, железо и никель.

[Контроль с помощью магнитных частиц — это лишь один из методов неразрушающего контроля (NDT), которые используют инспекторы. Подробнее о неразрушающем контроле и других методах, использованных в , данном руководстве .]

Как работают проверки магнитных частиц?

Для проведения теста на магнитные частицы инспекторы начинают с намагничивания материала, который они хотят проверить.

Если намагниченный объект не имеет дефектов, магнитное поле будет передаваться по всему материалу без каких-либо разрывов или прерываний.Но когда ток встречает дефекты в материале, он прерывается, заставляя его распространяться из этой точки и создавать так называемое поле рассеяния потока там, где находится дефект.

После того, как материал намагничен и дефекты создали эти вторичные поля рассеяния магнитного потока, инспекторы разбрасывают магнитные частицы по поверхности. Частицы будут притягиваться к вторичному полю, собираясь вокруг него и делая его видимым невооруженным глазом.

Инспекторы частиц обычно либо черного цвета, либо покрыты флуоресцентным красителем, чтобы их было легче увидеть.Эти частицы можно использовать в виде порошка или положить в жидкость.

История испытаний магнитных частиц

1868 год был первым зарегистрированным случаем, когда магнетизм был использован для проверки целостности материала.

В то время его использовали для проверки стволов пушек на наличие дефектов путем намагничивания стволов и последующего отслеживания их длины с помощью магнитного компаса в поисках каких-либо признаков разрыва магнитного тока. Когда появлялся разрыв, указывающий на наличие дефекта в цилиндре, стрелка компаса двигалась, позволяя людям определять местоположение изъянов, которые не были видны невооруженным глазом.

Пятьдесят лет спустя, в 1920-х годах изобретатель Уильям Хок обнаружил, что может использовать металлическую стружку для формирования узоров на намагниченной ферромагнитной поверхности. Эти узоры будут группироваться вокруг дефектов на поверхности, показывая их местоположение — точно так же, как сегодня для идентификации дефектов используются магнитные частицы.

В 1930-х годах железнодорожная промышленность начала использовать открытия Хока для проверки своих ферромагнитных материалов, а именно стали, и вскоре этот метод стал стандартным способом выявления дефектов в материалах.

Принципы тестов, используемых сегодня, в основном остаются такими же, как и при их первоначальной разработке. В то время MPI использовались для испытания стальных материалов путем их намагничивания с целью создания линий магнитного потока. Если бы эти линии были прерваны дефектом в материале, это стало бы ясно благодаря созданию второго магнитного поля или поля рассеяния магнитного потока в точке, где находится дефект.

Плюсы и минусы контроля магнитных частиц

Проверка магнитных частиц выполняется быстро и относительно недорого, но имеет некоторые ограничения.

Вот список плюсов и минусов MPI:

Плюсы

• Очень портативный и быстрый
• Результаты теста сразу видны на поверхности материала
• Никакой строгой предварительной очистки не требуется, и, как правило, ее можно избежать
• Обычно недорогой и не требует строгой предварительной очистки
• Чувствительный — он может обнаруживать мелкие / мелкие трещины на поверхности
• Может обнаруживать как поверхностные, так и приповерхностные признаки.
• Простота использования, не требует длительного обучения
• Гибкость — его можно использовать с объектами странной формы, даже на поверхностях, покрытых другими материалами.
• Может проверять детали неправильной формы (внешние шлицы, коленчатые валы, шатуны и т. Д.)

Минусы

• Только ферромагнитный материал может быть испытан с помощью MPI
• Могут быть обнаружены только поверхностные и подповерхностные (в большинстве условий на глубину около 0,100 дюйма) дефекты.
• После завершения испытания материал необходимо размагнитить, что может вызвать проблемы.
• Инспекторы должны достичь выравнивания между показаниями и магнитным потоком
• Одновременно можно исследовать только небольшие участки поверхности
• Краску необходимо удалить, если она толще примерно 0.005 «для работы MPI

Методы контроля магнитных частиц

Как мы уже говорили выше, инспекторы могут использовать порошок или водную суспензию для проведения магнитных испытаний.

Использование порошка называется сухим испытанием магнитными частицами (DMPT), а использование водной суспензии — испытанием влажными магнитными частицами (WMPT).

Инспекторы

могут выбрать использование флуоресцентных или нефлуоресцентных материалов как для методов питания, так и для водной суспензии, что позволяет им использовать подход, который сделает дефекты наиболее заметными для окружающей среды.

Двухэтапный обзор

Вот основной двухэтапный процесс того, как инспекторы применяют как мокрый, так и сухой методы испытания магнитными частицами:

• Намагнитите объект . Пропустите магнитный ток через материал. Если дефекты присутствуют, они будут создавать вторичное магнитное поле или поле рассеяния магнитного потока.
• Распространение металлических частиц на предмет . Распределите частицы металла по материалу или объекту в виде порошка или жидкости.Вторичное поле (поля) будет притягивать эти частицы к дефектам, делая их видимыми.

Хотя основы процесса довольно просты, есть несколько соображений относительно того, как выполняется каждый шаг. Они рассматриваются в следующем разделе этого руководства, озаглавленном «Рекомендации по намагничиванию ».

Некоторые из наиболее распространенных методов магнитных испытаний на месте включают:

• Хомут электромагнитный
• Датчики расхода
• Постоянный магнит
• Гибкая катушка
• Смежный кабель

Рекомендации по намагничиванию

Вот обзор наиболее общих соображений, которые учитывают инспекторы при проведении испытаний на магнитные частицы.

Способы намагничивания материала

Существует несколько различных методов намагничивания материала при проведении магнитопорошкового контроля. Вот пять наиболее часто используемых методов, которые также признаны различными органами по стандартизации, включая ASME (Американское общество инженеров-механиков).

• Техника продольного намагничивания
• Техника многонаправленного намагничивания
• Хомутовая техника
• Прод техника
• Техника кругового намагничивания

Перпендикулярное приложение

Магнитные силовые линии следует прикладывать перпендикулярно направлению электрического тока. Ток может быть постоянным (DC) или переменным (AC).

Чтобы провести тщательный анализ MPI, инспекторам необходимо дважды проверить материал. Это связано с тем, что дефект прерывает магнитный поток (или силовую линию) только в том случае, если поток перпендикулярен дефекту. Если они не перпендикулярны, поток не прервется, и дефект не будет идентифицирован.

Следовательно, инспекторы должны провести магнитное испытание дважды, чтобы убедиться, что они получили покрытие — один раз в одном направлении и еще раз в направлении, перпендикулярном первому направлению.

Прямое и косвенное намагничивание

Inspector может намагничивать материалы косвенным или прямым намагничиванием.

• Прямое намагничивание означает пропускание электрического тока непосредственно через материал, создавая в нем магнитное поле.
• Косвенное намагничивание относится к созданию магнитного поля в материале от внешнего источника вместо того, чтобы пропускать через него электрический ток.

Требования к электрическому току

Инспекторы используют несколько типов электрического тока при проведении магнитных испытаний.

Чтобы выбрать правильный ток для данной проверки, инспекторы должны учитывать:

• Форма объекта
• Типы дефектов, которые они ищут
• Материал объекта
• Насколько глубоко магнитное поле должно проникать в объект для достижения цели проверки

Вот список электрических токов и соответствующих рекомендаций для MT:

• AC (переменный ток) . Переменный ток используется для обнаружения дефектов на поверхности материалов — что не идеально для обнаружения подповерхностных дефектов, поскольку он может подвергаться «скин-эффекту», при котором электрический ток проходит только по поверхности и не проникает через нее.
• DC (постоянный ток) — полная волна . Также называемый FWDC, двухполупериодный постоянный ток используется для выявления дефектов, которые находятся непосредственно под поверхностью материалов, поскольку он может намагничивать материалы более глубоко, чем переменный ток. Глубина проникновения магнитного поля для постоянного тока зависит от силы тока, протекающего через материал.

DC (постоянный ток) — полуволна . Также называемый пульсирующим постоянным током или HWDC, полуволновой постоянный ток может достигать тех же результатов, что и двухполупериодный постоянный ток, но может обеспечивать более глубокое магнитное проникновение.

Оборудование для контроля магнитных частиц

Существует несколько различных типов оборудования для магнитопорошкового контроля, которое инспекторы используют в своей работе. Как правило, это оборудование используется для создания магнитных токов и полей в целях контроля.

Вот некоторые из наиболее распространенных типов оборудования для испытания магнитных частиц:

Магнитные мокрые скамейки

Магнитные столы позволяют инспекторам создавать круговые и продольные магнитные поля для испытаний с помощью магнитных частиц.

Магнитная мокрая скамья (фото: Magnaflux)

Блоки питания / генераторы электромагнитного тока

Блоки питания

позволяют инспекторам быстро и легко генерировать магнитный ток для MPI.

Портативный блок питания (фото: Magnaflux)

Магнитные хомуты

Инспекторы

используют магнитные ярмы для создания магнитного поля при проверке магнитных частиц.

Электромагнитное ярмо переменного / постоянного тока (фото: Magnaflux)

Шкафы, вытяжки и занавески

Кожухи, кожухи и занавески используются для достаточного затемнения зоны магнитопорошкового контроля до требуемых уровней.

Корпус (фото: Magnaflux)

Размагничивающие устройства

Размагничивающие устройства

помогают инспекторам удалить остаточный магнетизм после проведения магнитопорошкового контроля.

Настольный размагничиватель (фото: Magnaflux)

Стандарты и коды контроля магнитных частиц

Закон требует, чтобы при проведении определенных проверок инспекторы выполняли определенные действия при проведении испытаний с использованием магнитных частиц. Кроме того, инспектор, проводящий проверку, должен быть сертифицирован соответствующим органом по стандартизации.

Вот некоторые из международно признанных стандартов для магнитопорошкового контроля:

ASTM (Американское общество испытаний и материалов)

ISO (Международная организация по стандартизации)

CEN (Европейский комитет по стандартизации)

Узнайте больше о том, как Elios 2 помогает предоставлять высококачественные визуальные данные для внутренних проверок.

Алгоритм исключительно магнитного генетического / нечеткого управления отношением для CubeSat

[1] Мартель Ф., Пал П. и Псиаки М., «Активная магнитная система управления космическим кораблем, стабилизированным гравитационным градиентом», Proceedings 2-й ежегодной конференции AIAA / USU по малым спутникам , подсистемы, 1988 г., http://digitalcommons.usu.edu/smallsat/1988/all1988/19/.

[2] Вишневски Р. , «Контроль положения спутников с использованием только электромагнитного срабатывания», доктор философии.Докторская диссертация, Отдел инженерии управления, Ольборгский университет, Ольборг, Дания, 1996.

[3] Вишневски Р., «Подход с линейным изменением во времени к управлению положением спутников с использованием только электромагнитного срабатывания», Journal of Guidance , Управление и динамика , Vol. 23, № 4, 2000, с. 640–647. doi: https: //doi.org/10.2514/2.4609

[4] Вишневски Р. и Маркли Ф. Л., «Оптимальный контроль магнитного отношения», Всемирный конгресс IFAC , Пекин, июль 1999 г.

[5] Вишневски Р. и Бланке М., «Полностью магнитное управление ориентацией космического корабля, подверженного гравитационному градиенту», Automatica , Vol. 35, № 7, 1999, стр. 1201–1214. doi: https: //doi.org/10.1016/S0005-1098 (99) 00021-7

[6] Вишневски Р., «Скользящий режим управления ориентацией для спутников с магнитным приводом», Труды 14-го симпозиума IFAC по автоматическому управлению в аэрокосмической отрасли , Pergamon Press, Сеул, Корея, 1998.

[7] Висьневски Р.и Стауструп Дж., «Периодический синтез H_2 для управления ориентацией космического корабля с помощью магнитных сил», Journal of Guidance, Control, and Dynamics , Vol. 27, № 5, 2004 г., стр. 874–881. doi: https: //doi.org/10.2514/1.10457

[8] Маковец К. Л., «Нелинейный магнитный контроллер для трехосной устойчивости наноспутников», M.S. Диссертация, Политехнический институт Вирджинии. и Государственный университет, Блэксбург, штат Вирджиния, 2001.

[9] Псиаки М. Л., «Контроль положения магнитного крутящего момента с помощью асимптотического периодического линейно-квадратичного регулирования», AIAA Paper 2000-4043, 2000.

[10] Пулекки Т., Ловера М. и Верга А., «Оптимальный дискретный временной дизайн трехосных законов магнитного управления ориентацией», IEEE Transactions on Control Systems Technology , Vol. 18, № 3, 2010, с. 714–722. doi: https: //doi.org/10.1109/TCST. 2009.2024757

[11] Ловера М. и Варга А., «Оптимальное магнитное управление ориентацией спутников в дискретном времени», Труды 16-й Международной федерации Всемирный конгресс по автоматическому управлению , Прага, 2005 г., стр.157–162.

[12] Ловера М., Де Марчи Э. и Биттанти С., «Методы периодического контроля ориентации для малых спутников с магнитными приводами», IEEE Transactions on Control Systems Technology , Vol. 10, № 1, 2002, стр. 90–95. doi: https: //doi.org/10.1109/87.974341

[13] Рейханоглу М. и Хервас Дж. Р., «Трехосные магнитные алгоритмы управления ориентацией для малых спутников», Труды 5-й Международной конференции по последним достижениям в Космические технологии , IEEE Publ., Пискатауэй, Нью-Джерси, 2011 г., стр. 897–902.

[14] Ловера М. и Астолфи А., «Глобальное регулирование отношения с использованием магнитного контроля», Труды 40-й конференции IEEE по вопросам принятия решений и контроля , IEEE Publ. , Пискатауэй, штат Нью-Джерси, 2001, стр. 4604 –4609.

[15] Ловера М. и Астолфи А., «Глобальное магнитное управление ориентацией космического корабля с инерционным указанием», Journal of Guidance, Control, and Dynamics , Vol. 28, № 5, 2005, с. 1065–1072. doi: https: // doi.org / 10.2514 / 1.11844

[16] Ловера М. и Астолфи А., «Глобальный контроль магнитного отношения космических аппаратов», Труды 43-й конференции IEEE по принятию решений и управлению , IEEE Publ., Пискатауэй, штат Нью-Джерси, 2004. С. 267–272.

[17] Гравдал Дж. Т., «Магнитный контроль ориентации спутников», Труды 43-й конференции IEEE по вопросам принятия решений и контроля, , IEEE Publ., Пискатауэй, штат Нью-Джерси, 2004 г., стр. 261–266.

[18] Ван П., Штессель Ю. Б. и Ван Ю., «Управление положением спутников с использованием только магнитных сил», Труды 30-го Юго-Восточного симпозиума по теории систем , IEEE Publ. , Пискатауэй, штат Нью-Джерси, 1998, стр. 500–504.

[19] Ловера М. и Астолфи А., «Управление ориентацией космического корабля с помощью магнитных приводов», Automatica , Vol. 40, № 8, 2004, с. 1405–1414. doi: https: //doi.org/10.1016/j.automatica.2004.02.022

[20] Кулкарни Дж. и Кэмпбелл М., «Подход к управлению ориентацией магнитного момента спутников с помощью управления« H_Infinity »для LTV Systems », Труды 43-й конференции IEEE по решениям и управлению, , IEEE Publ., Piscataway, NJ, 2004.

[21] Вуд М. и Чен У., «Управление ориентацией спутников с магнитным приводом с неравномерным распределением инерции», Aerospace Science and Technology , Vol. 25, № 1, 2013, с. 29–39. doi: https: //doi.org/10.1016/j.ast.2011.12.005

[22] Корти А. и Ловера М., «Регулирование положения космических аппаратов с магнитными приводами: подход LPV», Control линейных систем с переменными параметрами с приложениями , Springer, New York, 2012, стр. 339–355.

[23] Геррант Д. В., «Разработка и анализ полностью магнитного управления для стабилизации пикоспутников», M.S. Диссертация, Калифорнийский политехнический государственный университет, Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, 2005.

[24] Мохаммед А., Боуджемай А., Чураки С. и Беньетту М., «Управление магнитным моментом для орбитального маневра низкоорбитального микроспутника. » Операции WSEAS по коммуникациям , Vol. 5, № 5, 2006, с. 947–994.

[25] Вуд М., Чен В. и Фертин Д., «Модельное прогнозирующее управление космическим аппаратом на низкой околоземной орбите с магнито-крутящими моментами», Международная конференция по приложениям управления, Труды 2006 IEEE , IEEE Publ., Пискатауэй, штат Нью-Джерси, октябрь 2006 г., С. 2908–2913.

[26] Лян Дж., Фуллмер Р. и Чен Ю., «Оптимальное во времени управление магнитным полем для малых космических аппаратов», 43-я Конференция IEEE по принятию решений и управлению , IEEE Publ. , Пискатауэй, Нью-Джерси, 2004 С. 255–260.

[27] Гейдари А., «Оптимальное по времени замкнутое управление ориентацией спутников, приводимых в действие Magnetica, с помощью нейронных сетей», M.S. Диссертация, Отделение аэрокосмической техники, Sharif Univ. of Technology, Тегеран, Иран, 2008.

[28] Хейдари А., Пуртакдуст С.Х. и Хейдари Х., «Магнитное управление ориентацией с использованием нечеткой логики», Труды Международного симпозиума IEEE по интеллектуальному управлению , IEEE Publ. ., Пискатауэй, Нью-Джерси, 2009, стр. 456–460.

[29] Силани Э. и Ловера М., «Магнитный космический аппарат управления ориентацией: обзор и некоторые новые результаты», Control Engineering Practice , Vol. 13, № 3, 2005 г., стр. 357–371. doi: https: //doi.org/10.1016/j.conengprac.2003.12.017

[30] Бхат С.П., «Управляемость нелинейных систем, изменяющихся во времени: приложения для управления ориентацией космических аппаратов с помощью магнитного срабатывания», IEEE Труды по автоматическому управлению , Vol. 50, № 11, ноябрь 2005 г., стр. 1725–1735. doi: https: //doi.org/10.1109/TAC.2005.858686

[31] Шустер М. Д., «Обзор представлений об установках», Journal of the Astronautical Sciences , Vol. 41, № 4, 1993, стр. 439–517.

[32] Вертц Дж. Р. и Ларсон Дж. У., Анализ и проектирование космических миссий , 3-е изд., Спрингер, Нью-Йорк, 1999, стр. 324, 366.

[33] Валладо Д.А. и Финклеман Д. ., «Критическая оценка сопротивления спутников и моделирование плотности атмосферы», Конференция специалистов по астродинамике AIAA / AAS , AIAA Paper 2008-6442, 2008.

[34] Вертц Дж. Р., Определение и контроль ориентации космического аппарата , Рейдель, Дордрехт, Нидерланды, 1978, стр. 566–570, 779–786.

[35] Финли К. и Наир М., «Международное опорное геомагнитное поле IGRF-11», Моделирование геомагнитного поля IAGA V-MOD, январь 2010 г., http://www. ngdc.noaa.gov/IAGA /vmod/igrf.html [доступ 10 февраля 2013 г.]

[36] Валладо Д.А., «CelesTrak: Astrodynamics Software», Исходный код MATLAB, CelesTrak, январь.2013 г., http://celestrak.com/software/vallado/matlab.zip [получено 19 февраля 2013 г.].

[37] Росс Т. Дж., Нечеткая логика с инженерными приложениями, , 3-е изд., Вили, Западный Суссекс, Англия, Великобритания, 2010 г., стр. 1–162.

[38] Голдберг Д. Э., Генетические алгоритмы: в поиске, оптимизации и машинном обучении , Аддисон Уэсли Лонгман, Рединг, Массачусетс, 1989, стр. 1–25.

[39] Эрнест Н. Д., «Совместное управление роем БПЛА на основе генетико-нечеткого подхода», М.С. Диссертация, кафедра аэрокосмической техники, инженерный колледж, Univ. of Cincinnati, Cincinnati, OH, 2012.

Исследовательские статьи, журналы, авторы, подписчики, издатели

		Как крупный международный издатель академических и исследовательских журналов Science Alert издает и разрабатывает названия в партнерстве с самыми престижные научные общества и издатели. Наша цель заключается в том, чтобы максимально широко использовать качественные исследования. аудитория.
		Мы прилагаем все усилия, чтобы поддержать исследователей которые публикуют в наших журналах. Есть масса информации здесь, чтобы помочь вам публиковаться вместе с нами, а также получить ценные услуги для авторов, которые уже публиковались у нас.
		2022 цены уже доступны. Ты может получить личную / институциональную подписку перечисленных журналы прямо из Science Alert. В качестве альтернативы вы возможно, пожелает связаться с выбранным вами агентством по подписке. Направляйте заказы, платежи и запросы в службу поддержки клиентов в службу поддержки клиентов журнала в Science Alert.
		Science Alert гордится своей тесные и прозрачные отношения с обществом.В виде некоммерческий издатель, мы стремимся к самым широким возможное распространение публикуемых нами материалов и на предоставление услуг высочайшего качества нашим издательские партнеры.
		Здесь вы найдете ответы на наиболее часто задаваемые вопросы (FAQ), которые мы получили по электронной почте или через контактную форму в Интернете. В зависимости от характера вопросов мы разделили часто задаваемые вопросы на разные категории.
		Азиатский индекс научного цитирования (ASCI) стремится предоставить авторитетный, надежный и значимая информация по освещению наиболее важных и влиятельные журналы для удовлетворения потребностей мировых научное сообщество.База данных ASCI также предоставляет ссылку к полнотекстовым статьям до более чем 25000 записей с ссылка на цитированные ссылки.

Страница не найдена »NDT Supply

Страна

Страна * Соединенные Штаты объединенное Королевство Афганистан Албания Алжир американское Самоа Андорра Ангола Ангилья Антарктида Антигуа и Барбуда Аргентина Армения Аруба Австралия Австрия Азербайджан Багамы Бахрейн Бангладеш Барбадос Беларусь Бельгия Белиз Бенин Бермудские острова Бутан Боливия Босния и Герцеговина Ботсвана Остров Буве Бразилия Британская территория Индийского океана Бруней-Даруссалам Болгария Буркина-Фасо Бурунди Камбоджа Камерун Канада Кабо-Верде Каймановы острова Центрально-Африканская Республика Чад Чили Китай Остров Рождества Кокосовые (Килинг) острова Колумбия Коморские острова Конго Конго, Демократическая Республика Острова Кука Коста-Рика Берег Слоновой Кости Хорватия (местное название: Hrvatska) Куба Кипр Чешская Республика Дания Джибути Доминика Доминиканская Республика Восточный Тимор Эквадор Египет Сальвадор Экваториальная Гвинея Эритрея Эстония Эфиопия Фолклендские (Мальвинские) острова Фарерские острова Фиджи Финляндия Франция Франция, Метрополитен Французская Гвиана Французская Полинезия Южные Французские Территории Габон Гамбия Грузия Германия Гана Гибралтар Греция Гренландия Гренада Гваделупа Гуам Гватемала Гвинея Гвинея-Бисау Гайана Гаити Острова Херда и Макдональда Святой Престол (государство-город Ватикан) Гондурас Гонконг Венгрия Исландия Индия Индонезия Иран (Исламская Республика) Ирак Ирландия Израиль Италия Ямайка Япония Иордания Казахстан Кения Кирибати Корея, Народно-Демократическая Республика Корея, Республика Кувейт Кыргызстан Лаосская Народно-Демократическая Республика Латвия Ливан Лесото Либерия Ливийская арабская джамахирия Лихтенштейн Литва Люксембург Макао Македония, Бывшая Югославская Республика Мадагаскар Малави Малайзия Мальдивы Мали Мальта Маршалловы острова Мартиника Мавритания Маврикий Майотта Мексика Микронезия, Федеративные Штаты Молдова, Республика Монако Монголия Монтсеррат Марокко Мозамбик Мьянма Намибия Науру Непал Нидерланды Нидерландские Антильские острова Новая Каледония Новая Зеландия Никарагуа Нигер Нигерия Ниуэ Остров Норфолк Северные Марианские острова Норвегия Оман Пакистан Палау Панама Папуа — Новая Гвинея Парагвай Перу Филиппины Питкэрн Польша Португалия Пуэрто-Рико Катар Воссоединение Румыния Российская Федерация Руанда Сент-Китс и Невис Санкт-Люсия Святой Винсент и Гренадины Самоа Сан-Марино Сан-Томе и Принсипи Саудовская Аравия Сенегал Сейшельские острова Сьерра-Леоне Сингапур Словакия (Республика Словакия) Словения Соломоновы острова Сомали Южная Африка Южная Георгия, Южные Сандвичевы острова Испания Шри-Ланка Санкт-ПетербургЕлена Сен-Пьер и Микелон Судан Суринам Острова Шпицберген и Ян-Майен Свазиленд Швеция Швейцария Сирийская Арабская Республика Тайвань Таджикистан Танзания, Объединенная Республика Таиланд Идти Токелау Тонга Тринидад и Тобаго Тунис Турция Туркменистан Острова Теркс и Кайкос Тувалу Уганда Украина Объединенные Арабские Эмираты Внешние малые острова США Уругвай Узбекистан Вануату Венесуэла Вьетнам Виргинские острова (британские) Виргинские острова (США) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара Йемен Югославия Замбия Зимбабве

.