เครื่องวัดสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุนาโน

   ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในการสังเคราะห์วัสดุในปัจจุบัน ช่วยให้สามารถสังเคราะห์วัสดุแม่เหล็กที่มีขนาดเล็กมากๆ ระดับนาโนได้ ซึ่งถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย เนื่องจากวัสดุแม่เหล็กที่มีโครงสร้างระดับนาโนมีสมบัติหลายอย่างที่น่าสนใจและแตกต่างจากคุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กที่มีโครงสร้างปกติ ส่งผลให้มีการศึกษาวิจัยวัสดุแม่เหล็กประเภทนี้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน

   อย่างไรก็ตาม การศึกษาสมบัติแม่เหล็กของวัสดุนาโนนั้นจำเป็นต้องพัฒนาขีดความสามารถของเครื่องมือวัดสมบัติแม่เหล็กของวัสดุที่มีขนาดเล็กให้มีความไวมากยิ่งขึ้นกว่าเครื่องมือที่ใช้ปกติ ซึ่งการวัดสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุปกติทั่วไปจะใช้แมกนีโตมิเตอร์แบบตัวอย่างสั่น (vibrating sample magnetometer, VSM) เนื่องจากไม่ต้องเตรียมตัวอย่างที่ยุ่งยาก สามารถเก็บรวมรวมและประมวลผลการตรวจวัดได้อย่างรวดเร็ว แต่เครื่องมือนี้ใช้ได้ดีกับตัวอย่างที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่หรือต้องใช้ตัวอย่างในปริมาณที่ค่อนข้างมาก และเสถียรภาพในการสั่นตัวอย่างไม่ดีเท่าที่ควร ข้อจำกัดดังกล่าว จึงทำให้ไม่สามารถใช้เครื่องมือนี้วัดสมบัติของวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโนได้ หรือถ้าวัดได้ก็จะให้ผลการวัดที่ไม่ถูกต้อง ดังนั้นในกรณีที่ต้องการความถูกต้องในการวัด ต้องใช้แมกนีโตมิเตอร์แบบ SQUID ที่มีความไวในการวัดโมเมนต์แม่เหล็กสูง แต่ค่าใช้จ่ายในการวัดแต่ละครั้งก็สูงมาก เนื่องจากต้องมีระบบหล่อเย็นด้วยฮีเลี่ยมที่อุณหภูมิต่ำมากๆ อีกทั้งต้องมีการปิดกั้นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากสิ่งแวดล้อมอย่างดี ปัจจุบันมีการพัฒนามาใช้แมกนีโตมิเตอร์แบบเกรเดียนสลับ (Alternating gradient magnetometer, AGM) ซึ่งสามารถวัดสมบัติแม่เหล็กของวัสดุได้โดยไม่จำเป็นต้องอาศัยระบบหล่อเย็น ค่าใช้จ่ายในการวัดแต่ละครั้งไม่สูงนัก แต่ต้องสั่งผลิตและนำเข้าจากต่างประเทศ จึงมีราคาสูงมากเป็นอุปสรรคในการพัฒนาที่เกี่ยววัสดุแม่เหล็กในประเทศของเรา ทำให้ไม่สามารถแข่งขันกับนานาประเทศได้ การศึกษาสมบัติแม่เหล็กของวัสดุนาโนนั้นจำเป็นต้องพัฒนาขีดความสามารถของเครื่องมือวัดสมบัติแม่เหล็กของวัสดุที่มีขนาดเล็กให้มีความไวมากยิ่งขึ้นกว่าเครื่องมือที่ใช้ปกติ

2

การติดตั้งตัวอย่างเพื่อตรวจวัดสมบัติแม่เหล็ก

 

3

โปรแกรมควบคุมแมกนีโตมิเตอร์แบบเกรเดียนท์สลับ

       ดังนั้น ผศ.ดร.พงศกร  จันทรัตน์ อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงได้ทำการศึกษา ออกแบบและสร้างแมกนีโตมิเตอร์แบบเกรเดียนสลับ เป็นต้นแบบเครื่องมือใช้ตรวจวัดสมบัติแม่เหล็กของวัสดุที่มีโครงสร้างระดับนาโนหรือมีโมเมนต์แม่เหล็กต่ำโดยออกแบบและสร้างส่วนประกอบต่างๆ เพื่อใช้งานร่วมกับเครื่องกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้าขนาด 1.2 T ซึ่งมีความสามารถในการสร้างสนามแม่เหล็กเกรเดียนท์สร้างโดยขดลวด 2 ขด พันสวนทิศทางโดยใช้ลวดทองแดงจำนวน 644 รอบต่อขด เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กเกรเดียนท์แล้วใช้เครื่องขยายสัญญาณแบบ ล็อก-อิน จ่ายกระแสไฟฟ้าที่ความถี่เรโซแนนซ์ให้กับเครื่องขยายสัญญาณและส่งต่อให้กับขดลวดเกรเดียนท์อีกต่อหนึ่ง ระบบตรวจวัดการสั่นประกอบด้วยแท่งแก้วผนึกติดด้วยกาวกับแผ่นวัสดุสังเคราะห์เลดเซอร์โคเนียมไททาเนต (Lead zirconia titanate; PZT ) โดยแผ่น PZT ถูกยึดติดกับแท่งอลูมิเนียม ซึ่งยึดติดกับแขนกลโดยใช้สกรู ระบบตรวจวัดการสั่นสามารถขยับได้ในทิศทางแกน xyz เมื่อใช้งาน ตัวอย่างจะถูกยึดติดกับปลายแท่งแก้ว และจัดตำแหน่งให้อยู่กึ่งกลางของขดลวดเกรเดียนท์ด้วยแขนกล การทำงานของเครื่องที่สร้างขึ้นจะถูกควบคุมโดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะสแกนหาความถี่เรโซแนนซ์ของระบบตรวจจับการสั่นและดำเนินการวัดค่าแมกนีไตเซชันของตัวอย่างเพื่อแสดงผลเป็นกราฟฮิสเทอรีซิสพร้อมทั้งบันทึกข้อมูลเป็นไฟล์ Excel ตรวจวัดค่าคงตัวความไวของระบบที่สร้างขึ้น ได้ค่าคงตัวความไว เมื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบ จากผลที่ได้ชี้ว่าเครื่อง AGFM ที่สร้างขึ้นสามารถใช้เป็นต้นแบบในการพัฒนาเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดสมบัติแม่เหล็กของตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยๆ เช่นฟิล์มแม่เหล็ก และผงที่มีมวลน้อยมากๆ ได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้แล้วระบบแมกนีโตมิเตอร์แบบสนามแม่เหล็กเกรเดียนท์สลับยังสามารถตรวจวัดสมบัติแม่เหล็กของวัสดุตัวอย่างได้อย่างรวดเร็วเนื่องจากไม่จำเป็นต้องรอให้สนามแม่เหล็กที่ใช้ในการแมกนีไตซ์วัสดุคงตัวเหมือนดังเช่นในกรณีของแมกนีโตมิเตอร์แบบตัวอย่างสั่น( VSM)อีกด้วย

            อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ต้นแบบที่สร้างขึ้นยังมีความไวด้อยกว่าเครื่องที่ผลิตจำหน่ายในทางการค้าของต่างประเทศเล็กน้อย ทั้งนี้เนื่องจากระบบที่สร้างขึ้นยังขาดส่วนที่ทำหน้าที่ป้องกันการสั่นสะเทือนที่เกิดจากสิ่งแวดล้อม ซึ่งอาจจะเกิดจากคอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศ เครื่องจักรกล ตลอดจนปั๊มน้ำที่ใช้ในระบบระบายความร้อนของเครื่องกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้าเอง ซึ่งถ้าหากพัฒนาระบบให้สามารถป้องกันการสั่นเทือนจากสิ่งแวดล้อมเหล่านี้ได้ จะทำให้ระบบมีความไวในการตรวจวัดดีขึ้นเทียบเท่ากับเครื่องที่ผลิตจำหน่ายในการค้าได้

%e0%b8%9e%e0%b8%87%e0%b8%a8%e0%b8%81%e0%b8%a3 ที่มาข้อมูล          : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.พงศกร  จันทรัตน์

                          ภาควิชาฟิสิกส์    

                         คณะวิทยาศาสตร์

                         มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ 

เรียบเรียง      :  ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

                         สถาบันวิจัยและพัฒนทแห่ง มก.

                         โทร. 02 561 1474  

                           e-mail : rdiwan@ku.ac.th

 ผศ.ดร.พงศกร  จันทรัตน์