تكنیك پالس : نوسان ساز های سینوسی

 

نوسان ساز های سینوسی کاربرد گسترده ای در الکترونیک دارند.این نوسان سلز ها منبع حامل فرستنده ها را تامین می کنندوبخشی از مبدل فرکانس را در گیرنده های سوپر هیترودین تشکیل می دهند.نوسان ساز ها در پاک کردن وتولید مغناطیسی در ضبط مغناطیسی و زمانبندی پالسهای ساعت در کار های دیجیتال به کار می روند.بسیاری از وسایل اندازه گیری الکترونیکی مثل ظرفیت سنج ها نوسان ساز دارند.

نوسان ساز های سینوسی انواع مختلفی دارند اما همه آنها از دو بخش اساسی تشکیل می شوند:

بخش تعیین کننده فرکانس که ممکن است یک مدار تشدید یا یک شبکه خازن مقاومتی باشد.مدار تشدید بسته به فرکانس لازم می تواند ترکیبی از سلف و خازن فشرده طولی ازخط انتقال یا تشدید کننده حفره ای باشد.البته شبکه های خازن مقاومتی فرکانس طبیعی ندارندولی می توان از جابه جایی فاز آنها برای تعیین فرکانس نوسان استفاده کرد.

 

نوسان ساز های سینوسی کاربرد گسترده ای در الکترونیک دارند.این نوسان سلز ها منبع حامل فرستنده ها را تامین می کنندوبخشی از مبدل فرکانس را در گیرنده های سوپر هیترودین تشکیل می دهند.نوسان ساز ها در پاک کردن وتولید مغناطیسی در ضبط مغناطیسی و زمانبندی پالسهای ساعت در کار های دیجیتال به کار می روند.بسیاری از وسایل اندازه گیری الکترونیکی مثل ظرفیت سنج ها نوسان ساز دارند.

نوسان ساز های سینوسی انواع مختلفی دارند اما همه آنها از دو بخش اساسی تشکیل می شوند:

بخش تعیین کننده فرکانس که ممکن است یک مدار تشدید یا یک شبکه خازن مقاومتی باشد.مدار تشدید بسته به فرکانس لازم می تواند ترکیبی از سلف و خازن فشرده طولی ازخط انتقال یا تشدید کننده حفره ای باشد.البته شبکه های خازن مقاومتی فرکانس طبیعی ندارندولی می توان از جابه جایی فاز آنها برای تعیین فرکانس نوسان استفاده کرد.

دوم بخش نگهدارنده که انرژی رابه مدار تشدید تغذیه می کند تا آن را در حالت نوسان نگه دارد.بخش نگه دارنده به یک تغذیه نیاز دارد. در بسیاری از نوسان ساز ها این قسمت قطعه ای فعال مثل یک ترانزیستور است که پالسهای منظمی را به مدار تشدید تغذیه می کند.

شکل دیگری از بخش نگهدارنده تشدید نوسان ساز یک منبع با مقاومت منفی یعنی قطعه یا مداری الکترونیکی است که افزایش ولتاز اعمال شده به آن سبب کاهش جریان آن می شود. قطعات نیمه رسانا یا مدار های متعددی وجود دارند که دارای چنین مشخصه ای هستند.

 

 سه دسته مشخص از نوسان ساز ها را می توان دسته بندی کرد که در ادامه این مقاله توضیح خواهم داد:

نوسان ساز های فید بک مثبت

ابتدا بهتر می دانم تا کمی در باره فید بک توضیح بدهم

به طور کلی هر سیستم دارای ورودی و خروجی می باشد حا لا اگر بنا به هر علتی مقداری از خرو جی را با ورودی ها ترکیب کرده و وارد یک سیستم کنیم به این کار فید بک گفته می شود که کار برد های فراوانی در دنیای تکنولوژی دارد برای نمونه از فید بک برای کنترول فرایند یک سیستم استفاده می شود مثلاَ در هنگام راه رفتن شما یک سیستم(خیلی مدرن) هستید که اطلاعات را با چشم خود گرفته و به مغز می فرستید ودر آنجا پردازش شده تصمیم می گیرید که چه کار کنید اما در مورد فید بک مثبت با ید بگویم که دو نوع فید بک را می توان در نظر گرفت منفی و مثبت. در فید بک مثبت که یک مثال جالب از آن را در بالا برایتان بیان کردم هدف اغلب کنترول یک فرایند است یک مثال دیگر فرض کنید یک ظرف از مایعی که در حال جوشیدن است در تماس با یک منبع گرما مثل شعله گاز قرار دارد با گرم شدن بیش از حد مایع از ظرف بیرون می ریزد وآتش را کم می کند و دمای مایع را کاهش می دهد وبا کاهش دمای ما یع آتش دوباره احیا می شود ومایع دو باره گرم شده وسر ریز می کند و دوباره ... اما در فید بک مثبت خرو جی به ورودی اضافه می شود واز فید بک مثبت به همین دلیل برای تشدید استفاده می شود همان مثال قبل را در نظر بگیرید با یک مایع آتشزا این بار با گرم شدن مایع و سر ریز آن آتش شدشدتر می شود وهمین طور تا آخر.

نکته مهم این است که در دنیای مادی همه چیز روبه میرایی و مردن میرود (ای روزگار نا مراد)وچیز هایی مثل اصطکاک همیشه(بعضی موقع های بیشتر)مزاحم هستند در باره نوسان هم میرایی باعث کاهش دامنه نوسان و از بین رفتن آن می شود بنا براین از فید بک مثبت برای جبران این میرایی استفاده می کنیم.

انواع مختلفی از نوسان ساز ها که از فید بک مثبت استفاده می کنند وجود دارد.

نوسان ساز هارتلی 

این نوسان ساز نمونه ای از نوسان ساز های فرکانس پایین است که با استفاده از مدار فرکانس را تعیین می کند ویک ترانزیستور نیز تامین کننده پالس های نگه دارنده است.مدار شکل زیر یک تقویت کننده امیتر مشترک را نشان می دهد که مدار بین کلکتور و بیس آن متصل شده است سر وسط سلف به طور موثر به امیتر متصل شده است (مقاومت منبع تغذیه برابر صفر فرض می شود). تقویت کننده امیتر مشترک سیگنال ورودی خود را معکوس می کند و سیگنال خروجی آن با سر وسط زمین شده سلف قبل از اعمال به بیس معکوس می شود.در نتیجه در این مدار ورودی را خود تقویت کننده تا مین می کند. یعنی فید بک مثبت قابل تو جهی که وجود دارد باعث ایجاد نوسان می شود و دامنه سیگنال (در فر کانس تشدید ) به سرعت افزایش می یابد.پالسهای ناشی از جریان بیس را پر می کنند در نتیجه جهت ولتاژ تو لید شده بیس را به طور منفی بایاس می کند با افزایش دامنه سیگنال ولتاز دو سر نیز زیاد می شود تا به حالت تعادل بر سد. حالت تعادل زمانی روی می دهد که اتلاف مدار ناشی از بار شدن خروجی مقاومت اهمی و جریان بیس با انرژی وارد شده از کلکتور به این خازن برابرشود.در این شرایط نهایی ترانزیستور می تواند به خوبی در بیشتر قسمتهای سیکل قطع باشد ودر هر قله مثبت بیس پالس ناگهانی به جریان بیس (وجریان کلکتو)اعمال شود.در فاصله زمانی بین دو فله متوالی از طریق شروع به تخلیه می کند. اما اگر یک ثابت زمانی در مقایسه با زمان تناوب نوسان بزرگ باشد مقدار کمی از ولتاژ دو سر در این فاصله زمانی از بین می رود و می توان را به عنوان یک منبع ثابت بایاس منفی در نظر گرفت . در بسیاری از نوسان ساز ها از این روش بایاس کردن استفاده می شود. این روش دارای مزیت جبران سازی برای هر گونه افت دامنه نوسان در اثر افزایش بار خروجی یا افت ولتاژ منبع تغذیه است.کاهش دامنه نوسان باعث کاهش بایاس می شود به طوری که ترانزیستور پالس های جریان بزرگتری برای ثابت نگه داشتن دامنه می گیرد.

 

 

نو سان ساز کلپیتس 

نکته مهم در شکل بالانیاز به وجود سه اتصال میان مدار تنظیم شده و ترانزیستور برای ایجاد فید بک مثبت است. امیتر به سر وسط سلف متصل می شود ولی می توان آن را به صورت معادل با استفاده از دو خازن برابر به طور سری مانند شکل بعد به شاخه خازنی مدار متصل کرد.در این نوسان ساز از یک فت اتصالی با مقاومت در مدار درین استفاده شده و مدار با خازن به در ین متصل شده است. بنا بر این مدار بر خلاف تغذیه مستقیم شکل اول به طور موازی تغذیه می شود.

خازن های تعیین کننده فرکانس و با خازن های ورودی و خروجی ترانزیستور موازی هستند و در نتیجه این خازنها در تعیین فر کانس نوسان نیز تاثیر دارند. با بزرگتر کردن و تا حد امکان تاثیر این خازنها به حد اقل می رسد.از سوی دیگر اگربه نوسانی با فر کانس بالا نیاز باشد خازنهای تنظیم باید خیلی کوچک باشند. در این موارد می توان از خازنهای ورودی و خروجی ترانزیستور به جایواستفاده کرد. یک خازن متغییر کوچک مانند شکل سوم برای تنظیم به دو سر سلف متصل می شود. در این مدار نیز که با پالسهای جریان گیت شارژ و از طریق تخلیه می شود به طور خود کار بایاس لازم را تامین می کند. برای آنکه امکان زمین شدن سر متغییر خازن (و در نتیجه بیس ترانزیستور) وجود داشته باشد یک چوک با امپدانس زیاد در فر کانس کار به مدار امیتر افزوده می شود.

هر سه نوسان ساز بالا که شرح دادم در کلاس برای دامنه های نوسان بزرگ عمل می کنند. برای به دست آوردن شکل موج سینوسی خروجی را باید از مدار گرفت. مثلا با سیم پیچی که مانند شکل اول و دوم به طور القایی به مدار متصل می شود.اگر خروجی از خود ترانزیستور گرفته شود مثلا از مقاومتی در مدار امیتر یا سورس قطار پالسی با فر کانس تکراری برابر با فرکانس تشدید به دست می آید.

 

 نوسان ساز راینارتز

 این نوسان ساز چون زیاد در گیرنده های ترانزیستوری استفاده می شود باید حتما در بارش می نوشتم.در این مدار فید بک مثبت با اتصال مدار کلکتور به مدار امیتر با القای متقابل وتامین می شود. و هر دوبه مدار تعیین کننده فرکانسنیز متصل هستند. این نوسان ساز به روش تقسیم ولتاژ پایدار می شود ولی همانطور که نشان داده شده است اثر بازوی پایینی مقسم ولتاژ باید با خازن کم مقاومتی خنثی شود تا سیگنال تولید شده در دوسرمستقیما بین بیس و امیتر اعمال شود . در نگاه اول به نظر می رسد که بخش تعیین کننده فرکانس در نوسان ساز راینرتز چهار اتصال دارد ولی اتصال مثبت و منفی منبع تغذیه در واقع مشترک هستند زیرا امپدانس منبع در فرکانس نوسان ناچیز است یا بهتر است که چنین باشد.

 

 

نوسان ساز کنترل شده کریستالی

 و اما از همه مهمتر که حتما باید در باره ا ش بدانید این مورد است چون در بعضی کاربرد ها لازم که نوسان ساز پایداری فرکانسی زیادی داشته باشد یعنی یک فر کانس ثابت را بدون وابستگی به عوامل دیگر تولید کند مثل منبع موج حامل در فرستنده ها اگر کنترل تلویزیون را دیده باشید احتمالا یک قطعه مکعبی زرد رنگ(کریستال) را در آن دیده اید یا مدار تلویزیون یا بعضی رادیو ها واز دیگر جاهایی که این نوسان ساز به کار می رود منابع تولید کننده پالسهای ساعت در کامپیوتر ها و سیستم های دیجیتال است . روش رایج برای به دست آوردن پایداری فرکانسی لازم استفاده از کریستال پیزوالکتریک برای کنترل فرکانس نوسان است .چنینکریستالهایی(بسته به ابعاد و شکلشان)دارای فرکانس تشدید طبیعی هستنددر عمل کریستال بین دو صفحه فلزی نصب می شود که اتصال الکتریکی با کریستال را ایجاد می کند . را ه های متعددی بزای اتصال کریستال به مدار نوسان ساز وجود دارد.که یک نمونه از آن در شکل بعدی آمده است در این شکل کریستال بین کلکتور و بیس ترانزیستور وصل شده تا نوسان ساز کلپیتس را تشکیل دهد . خازنهای داخلی کلکتور بیس و بیس امیتر فید بک مثبت را تامیین می کنند. مدار کلکتور نیازی به تنظیم ندارد سیم پیچ ثانویه ترانسفور ماتور نقطه ی خروجی را ایجاد می کند.

  

 

 

نوسان سازهای مقاومت منفی

همان طور که گفتم اگریک مدار تشدید به منبعی با مقاومت منفی مناسب متصل شود نوسان خواهد کرد. که تفاوت آن با نوسان ساز هایی که قبلا گفتم این است که تنها به دو اتصال به بخش تعیین کننده فرکانس نیاز دارد.منظور از مقاومت منفی قطعه ای است که مشخصه انقالی آن(نمودار ولتاژ _جریان) حد اقل در یک محدوده ی کو چک شیب منفی داشته باشد یعنی با افزایش ولتاژ لا اقل در بعضی از ناحیه های ولتاژی جریان آن کاهش یابدویا با افزایش جریان ولتاژ آن کاهش یابد.این عنصر می تواند یک قطعه خواص یا یک مدار باشد که یکی با کلی فکر طراحی کرده.

برای استفاده از یک مقاومت منفی در یک نوسان ساز از این نوع باید مقدار مقاومت منفی برابر مقدار مقاومت مثبت مدار تشدید متصل به آن باشد.

چون اصولا چیزی که باعث میرایی دامنه نوسان می شود مقاومت مثبت است(ای عنصر مزاحم)و تمام این قصه ها که گفتیم خلا صه اش این بود که چه طور این میرایی را جبران کنیم حا لا یک عنصر مطلوب مثل مقا ومت منفی را داریم که اثر میرایی مقاومت مثبت را از بین می برد.

 دیود تونل

 یکی ازقطعات نیمه رسانا که مشخصه اش یک مقاومت منفی را نشان می دهد دیود تونل است . این قطعه یک دیود است که غلظت ناخالصی درآن بسیار زیاد وپیوند آن بسیارنازک است. شکست در دیود تونل در مقاذیر بایاس معکوس خیلی پایین اتفاق می افتد و در نتیجه ناحیه ی مقاومت معکوس زیاد وجود ندارد.شیب منفی در بایاس مستقیم کم معمولا بین0.1 تا 0.3 ولت ایجاد می شود.(از این جا به بعد چند خط حرف بیخود...)_این مشخصه جالب و عجیب ومفیدو..به دلیل نفوذ در سد پتانسیل در پیوند با الکترونهایی که انرژی کافی برای عبور از این سد ندارند به وجود می آید. این اثر معروف به اثر تونل در فیزیک کلاسیک غیر قابل توجیه است ولی با مکانیک کوانتومی قابل توضیح است . دیود های تونل را می توان باظرفیت خیلی کمی تولید کرد و نوسان ساز هایی که با آن کار می کنند در فرکانسهای چند مگا هرتزی قابل ساخت هستند برای به دست آوردن بیشترین مقدار خروجی (یا همان به قول دانشجویان متعال برق ماکزیمم سویینگ متقارن) باید نقطه کار در وسط ناحیه مقاومت منفی قرار داده شود واضح است که دامنه خروجی کمتر از یک ولت می باشد.

 نوسان ساز پوش_ پول

 مشخصه مقاومت منفی را می توان از یک مدار دو ترانزیستوری نیز به دست آورد. نمونه این مدار در شکل زیر نشان داده شده است که اساس آن از یک ملتی ویبراتور استابل تشکیل می شود.اگر ترکیب وجود نداشته باشد شکل موج مربعی خروجی در هر دو کلکتور تولید خواهد کرد و ترانزیستورهابه طور متناوب بین قطع و اشباع تغییر وضعیت خواهند داد. وجود مدار تنظیم شده این عملکرد را اصلاح می کند زیرا سلف در فرکانس های پایین مسیری با امپدانس کم میان کلکتور ها ایجاد می کند در حالی که خازنها این کار را در فرکانس های بالا انجام می دهند که هر دو عملکرد معمولی مولتی ویبراتور را تحت تاثیر قرار خواهد داد عملکرد مدار منطبق بر فرکانس تشدید مدار تنظیم شده است که در آن مدار تنظیم شده بیشترین امپدانس را دارد و در نتیجه خروجی مدار سینوسی است در این فرکانس مقاومت موثر میان کلکتورها تقریبا برابر است که قابلیت هدایت متقابل ترانزیستور هاو تضعیف مدار های تزویج میان ترانزیستور هاست . یکی از این مدار های تزویج است ولی با خازن ورودی موازی است و این امر می تواند در تضعیف مدار تاثیر بگذارد . برای ایجاد نوسان باید مقاومت دینامیکی مدار بیشتر از باشد.

http://www.signals.ir

اسیلاتور کریستالی

 

یک اسیلاتور کریستالی مداری الکترونیکی است که از رزونانس مکانیکی یک کریستال در حال لرزش پیزوالکتریکی بهره می برد تا سیگنال الکتریکی با فرکانس بسیار دقیقی بوجود آورد. این فرکانس معمولا برای داشتن حسی از زمان (مانند در ساعت های مچی کوارتز) استفاده می شود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم کند و نیز فرکانس ها را در فرستنده های رادیویی پایدار (Stable) کند.

استفاده از تقویت کننده و فیدبک فرم دقیقی از یک اسیلاتور الکترونیکی است. به کریستال استفاده شده در آن برخی مواقع "کریستال زمان سنجی (timing crystal)" گفته می شود. در دیاگرام های شماتیکی، گاهی کریستال را با XTAL نمایش می دهند.

 
فهرست
- کریستال های برای اهداف زمان سنجی
- کریستال ها و فرکانس
- رزونانس سری یا موازی
- فرکانس های ساختگیSpurious frequencies
- یادداشت

 

کریستال های برای اهداف زمان سنجی

یک کریستال 4MHz کوچک کوارتز که داخل پکیج هم اندازه ی خود (HC-49/US) واقع شده است

  یک کریستال جامدی است که در آن اجزای تشکیل دهنده، اتم ها، مولکول ها، یا یون ها در یک ترتیب منظمی بسته بندی شده اند و الگوی تکراری خود را در هر سه بعد فضایی گسترش می دهند.
تقریبا هر چیزی که از مواد الاستیک ساخته شده می تواند مانند کریستال مورد استفاده قرار گیرد، با ترنسدیوسرهای (مبدل ها) متناسب، زیرا تمامی اجسام دارای فرکانس رزونانس طبیعی لرزش هستند. برای مثال، فولاد الستیسیته بالایی دارد و سرعت صوت در آن بالاست. این اغلب در فیلترهای مکانیکی، قبل از کوارتز، استفاده می شد. فرکانس رزونانس به اندازه، شکل، الاستیسیته و سرعت صوت در آن ماده بستگی دارد. کریستال های فرکانس بالا معمولا به شکل صفحه مستطیلی ساده ای بریده می شوند. کریستال های فرکانس پایین، مثل آن هایی که در ساعت های دیجیتالی استفاده می شود، به شکل یک دیاپازون (tuning fork) بریده می شوند. برای کاربردهایی که زمان سنجی بسیار دقیقی نمی خواهند از یک رزونانس کننده سرامیکی ارزان به جای کریستال کوارتز استفاده می شود.

 وقتی که یک کریستال کوارتز به طور صحیح بریده و سوار شد، می توانیم با قرار دادن آن در یک میدان الکتریکی (اعمال ولتاژ به الکترودی نزدیک یا روی کریستال) باعث خم شدن آن شویم. این ویژگی به نام پیزوالکتریک بودن (piezoelectricity) معروف است. وقتی میدان برداشته شود، کوارتز با بازگشت به شکل اولیه اش یک میدان الکتریکی تولید می کند که این می تواند یک ولتاژ تولید کند. این رفتار کریستال کوارتز شبیه مداری متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت (RLC Circuit) با فرکانس رزونانسی دقیق است.
 
کوارتز مزیت دیگری نیز دارد و آن کم بودن تغییرات اندازه آن با تغییرات دما است. لذا فرکانس رزونانس صفحه ی مان که به اندازه ی آن وابسته است، تغییر چندانی نمی کند. این یعنی که ساعت کوارتز، فیلتر یا اسیلاتر دقیق خواهد ماند. برای کاربردهای حساس اسیلاتور کوارتز در ظرفی که دمای آن کنترل شده است (به نام اجاق کریستال crystal oven) سوار می شود، و همچنین می تواند روی جذب کننده های ضربه shock absorbers ، که برای جلوگیری از اختلال هایی که ناشی از لرزش های مکانیکی خارجی است، قرار بگیرد.
 
کریستال های کوارتز زمان سنجی برای فرکانس های از ده ها کیلوهرتز تا ده ها مگاهرتز ساخته می شوند. سالانه بیشتر از دو میلیارد (2×109) کریستال تولید می شود. اکثر آن ها برای استفاده در ساعت های مچی، ساعت ها، و مدارات الکترونیکی هستند. هر چند، کریستال کوارتز داخل ابزارهای تست و اندازه گیری مثل شمارنده ها، سیگنال ژنراتورها و اسیلوسکوپ ها نیز پیدا می شود.

 کریستال ها و فرکانس

مدار اسیلاتور کریستالی نوسان را با گرفتن سیگنال ولتاژی از رزونانس کننده ی کوارتز، تقویت آن و فیدبک کردن آن به رزونانس کننده، نگه می دارد. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین می شود.

 یک کریستال معمول زمان سنجی از دو صفحه ی رسانا با یک برش (slice) یا دیاپازونی از کریستال کوارتز که بین آنها ساندویچ شده تشکیل شده است. هنگام راه اندازی به مدار حول کریستال سیگنال نویز اتفاقی ac اعمال می شود و کاملا بسته شانس کسر اندکی از آن در فرکانس رزونانس کریستال خواهد بود. بنابراین کریستال شروع به نوسان کردن همگام با آن سیگنال می کند. اسیلاتور سیگنال خروجی از کریستال را تقویت می کند و لذا فرکانس کریستال محکم تر می شود و سرانجام خروجی غالب اسیلاتور را شامل می شود. فرکانس طبیعی در مدار و در کریستال کوارتز تمام فرکانس های ناخواسته را فیلتر می کند.
 
یکی از مهمترین خصوصیات اسیلاتورهای کریستالی کوارتز این است که نویز در فاز بسیار کمی نشان می دهند. به زبانی دیگر سیگنال تولیدی آن ها یک تون خالص (pure tone) است. این آن ها را در مخابرات پر کاربرد می کند، جایی که سیگنال های پایدار مورد نیاز هستند. و همچنین در وسایل علمی که مرجع دقیق زمانی مورد نیاز است.
فرکانس خروجی یک اسیلاتور کوارتز یا فرکانس اصلی رزونانس آن یا یک ضریبی از فرکانس رزونانس آن به نام فرکانس اور تون (overtone) است.

  Q (ضریب کیفیت) معمول برای یک اسیلاتور کوارتز بین 10^4 تا 10^6 تغییر می کند. Q ماکزیمم برای یک اسیلاتور کوارتز بسیار پایدار می تواند به اینگونه تقریب زده شود که f فرکانس رزونانس به MHz است: Q = 1.6 × 107/f
تغییرات محیطی دما، رطوبت، فشار و لرزش می تواند فرکانس رزونانس یک کریستال کوارتز را تغییر دهد اما طراحی های گوناگونی وجود دارند که این اثرهای محیطی را کاهش می دهند. این ها شامل TCXO، MCXO و OCXO هستند مه در یادداشت توضیح داده شده اند. این طرح ها (به ویژه OCXO) وسایلی با پایداری کوتاه مدت عالی ایجاد می کنند. محدودیت هایی که در پایداری کوتاه مدت وجود دارد عمدتا به دلیل نویز اجزای الکترونیکی در مدار اسیلاتور است. پایداری بلند مدت با پیری کریستال محدود می شود.

به دلیل پیری و فاکتورهای محیطی چون دما و لرزش، نگه داشتن فرکانس آنها درون یک از 10^-10 فرکانس نامی آن ها، حتی برای بهترین اسیلاتورهای کوارتز، بدون تنظیم مستمر بسیار سخت خواهد بود. به همین علت اسیلاتورهای اتمی (atomic oscillators) برای کاربردهایی که نیاز به پایداری و دقت بهتری دارند استفاده می شوند.
اگر چه کریستال ها می توانند برای هر فرکانس رزونانسی ساخته شوند، به دلیل محدودیت های فنی، در عمل مهندسان مدار اسیلاتور کریستالی در حوالی فرکانس های استاندارد کمی طراحی می کنند مانند 10MHz، 20MHz و 40MHz. استفاده از مدار های مقسم فرکانس، چند برابر کننده ی فرکانس و phase locked loop برای سنتز کردن (ساختن) هر فرکانس دلخواه از فرکانس مرجع امکان پذیر است.

 مراقب باشید و تنها از یک اسیلاتور کریستالی در طراحی مدارات خود استفاده کنید تا از وقوع نمونه های ظریفی از خطاهای خودپایداری در الکترونیک (metastability in electronics) جلوگیری کنید. اگر این ممکن نیست تعداد کریستال اسیلاتورهای مجزا (PLLها) و دامنه های ساعتی متحد با آن های بایستی به شدت کم شوند با تکنیک هایی چون نصف کردن کلاک (Clock) موجود به جای استفاده از یک منبع جدید کریستالی. هر منبع مجزای کریستالی باید دقیقا توجیه شود زیرا هر کدام حالت های خطای محتمل غیر قابل رفعی را به علت برهم کنش چند کریستالی در وسیله، ایجاد می کنند
 
 Series or parallel resonance
 A quartz crystal provides both series and parallel resonance. The series resonance is a few kHz lower than the parallel one. Crystals below 30 MHz are generally operated at parallel resonance, which means that the crystal impedance appears infinite. Any additional circuit capacitance will thus pull the frequency down. For a parallel resonance crystal to operate at its specified frequency, the electronic circuit has to provide a total parallel capacitance as specified by the crystal manufacturer.
 Crystals above 30 MHz (up to >200 MHz) are generally operated at series resonance where the impedance appears at its minimum and equal to the series resistance. For this reason the series resistance is specified (<100 Ω) instead of the parallel capacitance. For the upper frequencies, the crystals are operated at one of its overtones, presented as being a fundamental, 3rd, 5th, or even 7th overtone crystal. The oscillator electronic circuits usually provides additional LC circuits to select the wanted overtone of a crystal.
 Spurious frequencies
 For crystals operated in series resonance, significant (and temperature-dependent) spurious responses may be experienced. These responses typically appear some tens of kHz above the wanted series resonance. Even if the series resistances at the spurious resonances appear higher than the one at wanted frequency, the oscillator may lock at a spurious frequency (at some temperatures). This is generally avoided by using low impedance oscillator circuits to enhance the series resistance difference.
 
Notation

 On electrical schematic diagrams, crystals are designated with the class letter "Y" (Y1, Y2, etc.) Oscillators, whether they are crystal oscillators or other, are designated with the class letter "G" (G1, G2, etc.) (See IEEE Std 315-1975, or ANSI Y32.2-1975) On occasion, one may see a crystal designated on a schematic with "X" or "XTAL", or a crystal oscillator with "XO", but these forms are deprecated

 Crystal oscillator types and their abbreviations:
 MCXO — microcomputer-compensated crystal oscillator
 OCVCXO — oven-controlled voltage-controlled crystal oscillator
 OCXO — oven-controlled crystal oscillator
 RbXO — rubidium crystal oscillators (RbXO), a crystal oscillator (can be a MCXO) synchronized with a built-in rubidium standard which is run only occassionally to save power
 TCVCXO — temperature-compensated voltage-controlled crystal oscillator
 TCXO — temperature-compensated crystal oscillator
 ATCXO — analogue temperature-compensated crystal oscillator
 VCXO — voltage-controlled crystal oscillator
 TSXO — temperature-sensing crystal oscillator, an adaptation of the TCXO

http://www.signals.ir/

بـررسی سـاختـمـان داخـلی و عملکرد ام.ار.آی.

 

 ام.ار.آی.‏ (تصویر برداری تشدید مغناطیسی) روش تولید تصاویر با جزییات کامل از بافت ها و ارگان های بدن بدون استفاده از پرتوهای ایکس و پرتوهای یونیزه شده میباشد که همین مزیت است

که سبب شده آن را از عکس برداری به کمک اشعه ایکس متمایز سازد.در زمان گذشته این گونه تصویر برداری از بافت را NMRI (تصویر برداری تشدید مغناطیسی هسته ای) مینامیدند چراکه در اوایل از پرتوهای یونیزه شده هسته ای جهت عکس برداری استفاده میشد اما بعد از گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی این پرتوهای یونیزه شده حذف شده و دستگاه به ‏ ام.ار.آی.‏ تغییر نام داد.دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ معمولا در غالب یک مکعب غول پیکر در ابعاد 3*2*2 (طول * عرض * ارتفاع) طراحی میشود هر چند با پیشرفت تکنولوژی مدل هایی روانه بازار شده اند که دارای ابعاد کوچکتری هستند.در داخل این دستگاه یک لوله ی افقی وجود دارد که از جلو به عقب درون یک مغناطیس حرکت میکند و به منفذ یا کالیبر مغناطیس موسوم است بیمار در حالی که به پشت بر روی یک میز مخصوص دراز کشیده وارد کالیبر شده و بسته به نوع اسکنی که قرار است بر روی وی انجام شود وی را تا حد مورد نیاز از سمت سر و یا پا وارد کالیبر می کنند تا زمانی که بافت هدف کاملا در مرکز میدان مغناطیسی قرار بگیرد. به کمک امواج رادیویی که در ادامه توضیح داده خواهد شد دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ میتواند یک نقطه کوچک به کوچکی یک مکعب به ضلع 0.5 میلیمتر را جهت اسکن انتخاب کند.سیگنال های فرستاده شده از طرف این نقطه کوچک به مرکز پردازش دستگاه موجب تولید تصاویر دو و یا سه بعدی از بافت هدف میشود .با تغییر پارامترهای آزمایش ‏ ام.ار.آی.‏ می توان تصاویر با ظواهر و کارایی های متنوع تولید کرد که اصلا قابل قیاس با تصویر تولید شده توسط دیگر اسکنرها از قبیل سی تی اسکن نیست.....

در سال 1970 پزشک و فیزیک دان آمریکایی به نام دکتر ریموند نامادین که فردی بسیار فهیم و آینده نگر بود تصمیم گرفت اسکنری را برای تصویربرداری از بدن انسان بسازد. و همین مسئله ، نقطه عطفی را در دنیای تصویربرداری به وجود آورد. او در آزمایشهای خود،‌ سلولهای بدخیم را از طریق جراحی وارد بدن موشها نمود و سپس آنها را مورد آزمون NMR قرار داد. دامادین متوجه شد که بافت توموری موشها به تحریک مغناطیسی پاسخ می دهد و اگر موشها را با یک پالس تشدید کننده بمباران کند هنگامی که گشتاور دو قطبی های مغناطیسی به حالت تعادل و آرامش می رسند هر یک از بافتهای سالم و توموری یک نوع سیگنال خاص خود را منتشر می کنند.

این سیگنالها بر حسب اینکه مربوط به بافتهای سالم یا ناسالم باشند می توانند کنتراست خاصی را بر روی تصویر ایجاد کنند. همین مسئله باعث شد تا فکر ساخت دستگاه تصویربرداری به مغز وی خطور کند. البته سالها قبل از دامادین،‌ فلیکس بلوچ، اصطلاحات T1، 2 T را برای نشان دادن مقدار زمانهای استراحت بکار برده بود.

دکتر دامادین در اوایل دهه 1970 متوجه شد که ساختمان آب در تصویربرداری MRI عنصری بسیار حیاتی است. زیرا هر مولکول آب در واقع یک دو قطبی بسیار قوی است ( قطب شمال و جنوب ) علت آن است که الکترونهای مدار هیدروژن زمان بیشتری را در مدارهای اطراف اتم اکسیژن می گذارنند این وضعیت باعث ایجاد یک منبع قوی برای تولید سیگنالهای MR می شود. دامادین ثابت کرد سیگنالهای فوق را می توان به صورت تصویری مخصوص، آشکار کرد و ثبت نمود.

دامادین به ارزش تشخیصی این اشعه مغناطیسی القا شده پی برد. او و همکارانش جهت تصویربرداری کل بدن انسان ( Whole body ) مدت 7 سال را برای طراحی و ساخت اولین اسکنر MRI صرف کردند. پس از فراز و نشیبهای فراوان بالاخره درروز سوم ژولای 1977 اولین تصویر دانسیته پروتون (Poroton density) از بدن انسان تهیه شد.

تصویربرداری فوق که به صورت اگزیال بود به مدت 4 ساعت و 45 دقیقه طول کشید. در این آزمون بیمار بایستی در هنگام تصویربرداری از لحاظ فیزیکی 106 مرتبه بر روی یک تخت حرکت داده می شد تا تهییج فضایی (Spatital excitation ) صورت می گرفت. طبقه گفته خود دکتر دامادین، چیزی که او را در این مدت 7 سال یاری می داد تنها قدرت و ایمان مذهبی درونیش بود.

دکتر دامادین نام اولین اسکنر خود را سرکش ( Indomitable ) گذاشت که در واقع نشان دهنده عزم، بی باکی و خستگی ناپذیری او در ساخت دستگاه مذکور بود. این دستگاه اکنون در مرکز تکنولوژی اسمیتسون واشنگتن (Smithson institute of technology ) قرار دارد.

دکتر پل لاتربور ( PAUL LAUTERBUR.Ph.D )

کتر لاتربود در حیطه اسپکتروسکپی با لوله های آزمایش دارای موفقیتهای چشمگیری بود. اما نمی توانست مسئله ضروری بودن خلوص ماده را برای بدست آوردن تجزیه اسپکتروسکپی نادیده بگیرد. او می دانست که با استفاده از اصول NMR می توان یک سری راهکارهای عملی جهت تهییج قسمتهایی از نمونه مورد آزمایش ارائه داد، سرانجام او به این نتینجه رسید که اگر بتوان میدان مغناطیسی گرادیان دار ضعیف و کنترل شده ای را بر روی میدان مغناطیسی استاتیک (Static) قویتری همپوشان کرد، آنگاه می توان برشی از نمونه با همان مقدار فرکانس را مجزا نمود، سیگنالهای آنرا آشکار کرد و نهایتاً به صورت یک تصویر درآورد. برای اثبات این اندیشه، او به مدت چند هفته تحقیقات و آزمایشهای طاقت فرسایی را انجام داد و بالاخره متقاعد شد که :

1- بااستفاده از سیگنالهای NMR می توان برش مغناطیسی را به وجود آورد.

2- مقدار این سیگنالها جهت بکارگیری اصول انتقال فوریه (FT) برای تشکیل تصویر کافی است.

3- برای بهبود کیفیت تصاویر، باید میدان مغناطیسی به اندازه کافی یکنواخت باشد.

در سال 1972 دکتر لاتر بور به منظور تصویربرداری از قسمتهای دلخواه حیوانات و گیاهان مختلف، گرادیانهای Gx و Gy و Gz را طراحی و از آنها استفاده نمود و بدین ترتیب قسمتی از وظیفه دشوار امتزاج و تکمیل سه تئوری فوق الذکر را به انجام رساند.

در سال 1988 رونالد ریگان ( Ronald Reagan ) رئیس جمهور وقت آمریکا، نشان ملی تکنولوژی (National Medical of Technology ) را به دکتر دامادین و دکتر لاتربور، تقدیم کرد. این جایزه که ارزنده ترین جایزه ملی امریکا محسوب می شود به دلیل سهم قابل توجه آنها در ارتقای تکنولوژی و گسترش رفاه ملی تقدیم ایشان گردید.

دانشمندان و فیزیکدانهای سراسر جهان نیز تحقیقاتی را به طور مداوم انجام می دهند و دانش پیشینیان خود را بهبود می بخشند. دنیای MRI مرهون افراد بیشماری است که از برجسته ترین آنها می توان به افراد زیر اشاره کرد.

دهه 1950 : دکتر اروین هان (Ervin Hahn): به خاطر کشف پالس سکانس اسپیناکوی هان کشف او چنان دگرگون کننده بود که نمی توان آن را با سایر کشفیات مقایسه نمود. او هم اکنون در دانشگاه برکلی (Brekeley) است.
دهه 1960: دکتر ارنست (R.R.Ernst) : او با ابداع محور مختصاف فاز (Phase) و فرکانس (Frequency) بر روی شبکه ماتریکس MR، حساسیت آشکارسازی سیگنالهای MRI را افزایش داده و همینطور از تبدیل فوریه در روند تصویربرداری فضایی (Spatital imaging process) استفاده نمود. علاوه بر آن، حساسیت و تعادل بین زاویه چرخش (Flip angle) را افزایش داد. قابل ذکر است که زاویه چرخش، اساس تصویربرداری سریع را تشکیل می دهد. دکتر ارنست هم اکنون در شهر زوریخ سوئیس زندگی می

دهه 1980: سرپیتر هانسفیلد (Sir peter Mansfield ): هانسفیلد اهل ناتینگهام انگلستان بوده و به دلیل کشف تصویربرداری گرادیان اکو در مقابل تصویربرداری مولتی اکو مشهور است. تصویربرداری گرادیان اکو مقدمه ای ضروری برای تصویربرداری MRI به طریق Real time می باشد. سرپیتر هانسفیلد به دلیل سهم زیادی که در تصویربرداری MRI داشت از طرف ملکه الیزابت دوم مفتخر به دریافت لف شوالیه (Knighte) شد.

وضوح بلافاصله بعد از ابداع سیستم MRI دستگاه های مذکور با سرعتی بی سابقه طراحی و ساخته شدند و بدین ترتیب دامادین و لاتربور توانستند افراد بیشتری را نسبت به این سیستم خوشبین نمایند. امروزه بیش از دو هزار دستگاه MRI در ایالات متحده امریکا و تقریباً‌ همین مقدار در دیگر کشورها وجود دارد. در ابتدا دستگاه های MRI تنها در ایالات متحده ساخته می شدند اما طولی نکشید که این صنعت به سایر نقاط جهان نیز کشیده شد.

هر یک از صادر کنندگان دستگاه های MRI نیز می خواستند که در بازار رقابت،‌ موفقیت بهتری را بدست آورند و بدین ترتیب بازار رقابت بین المللی MRI گرم شد و در نتیجه ان اصطلاحات جدید و واژه های گیج کننده به حوزه تکنیکی آن وارد شد. اپراتورها نیز در ابتدا با مشکلات زیادی توانستند زبان MRI را تثبت کنند. در نهایت، با افزایش تولید دستگاه های MRI و پراکندگی زیاد آن در سراسر کشور ایالات متحده، شکاف بین بخش صنعت و مرکز تصویربرداری MRI زیاد شد. سازندگان دستگاه های MRI برنامه های آموزشی پر سرو صدایی را به مدت یک تا دو هفته برای کارکنان ثابت MRI ترتیب دادند اما برخی از آنها هیچگونه آشنایی بامشاغل بهداشتی نداشتند. مشکلاتی که در رابطه با پروتکل ها و مسائل حفاظتی پیش می آمد معمولاً‌ از طریق تلفن به نزدیک ترین اداره مرکزی کارخانه سازنده اطلاع می دادند و پاسخ می گرفتند. حتی با تجربه ترین اپراتورها نیز نمی توانستند که در هنگام مواجه با بیماران مبتلا به هیجانهای کلاستروفوبیا ( تونل ترسی ) چگونه از کامپیوتر استفاده کنند و یا در چه مواردی باید کنتراست تصویر را برای مشاهده ضایعه ای خاص افزایش دهند.

امروزه قدرت مغناطیسی دستگاه های MRI را در سه سطح ضعیف، متوسط و قوی می سازند که هرکدام دارای مزایا و نقص های خاص خود می باشند اما با ابداع مواد حاجب تزریقی، دستگاه های MRI فوق هادی ( Super conducting ) با قدرت مغناطیسی بالا به عنوان مطلوب ترین روش تصویربرداری برای مشاهده ضایعات عصبی مطرح شدند. این مواد حاجب به منظور افزایش کنتراست تصاویر ساخته شده و در سال 1988 مورد تایید FDA قرار گرفتند.

پیشرفتهایی که در زمینه های الکترونیک و نرم افزارهای کامپیوتری MRA اتفاق افتاده باعث شد تا موارد کاربرد تصویربرداری نیز افزایش پیدا کند. به عنوان مثال امکان تصویربرداری از عروقی که به نام آنژیوگرافی تشدید مغناطیسی یا MRA معروف است فراهم شد. البته با وجود اینکه MRA هنوز در مراحل ابتدایی خود می باشد اما موضوعی است که علاقه و نظر بسیاری از افراد را به خود جلب کرده و در برخی موارد به عنوان راه حل نهایی انتخاب می شود. به طور کلی امروزه سیستم های تصویربرداری به طرف تصویربرداری غیرتهاجمی از شبکه عروقی بدن پیش می روند. این نوع تصویربرداری ها قادرند که آناتومی عروق مغزی را نشان دهند و همینطور میزان جریان خون آنها نیز محاسبه می نمایند. در حال حاضر چند نوع تصویربرداری MRA وجود دارد که از مهمترین آنها می توان به دو تکنیک (TOF) Time of Fight و Phase contrast اشاره نمود. با بکارگیری صحیح گرادیان اکو (gradient echoes ) ،‌ پیش اشباع (Presaturation ) اسکن سریع (fast scan)، پالس spoliter reminder و پالس آماده کننده (Preparatory Pulses) می توان کیفیت تصاویر را افزایش داد.

ایده اصلی:

‏ ام.ار.آی.‏ (تصویر برداری تشدید مغناطیسی) روش تولید تصاویر با جزییات کامل از بافت ها و ارگان های بدن بدون استفاده از پرتوهای ایکس و پرتوهای یونیزه شده میباشد که همین مزیت است که سبب شده آن را از عکس برداری به کمک اشعه ایکس متمایز سازد.در زمان گذشته این گونه تصویر برداری از بافت را NMRI (تصویر برداری تشدید مغناطیسی هسته ای) مینامیدند چراکه در اوایل از پرتوهای یونیزه شده هسته ای جهت عکس برداری استفاده میشد اما بعد از گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی این پرتوهای یونیزه شده حذف شده و دستگاه به ‏ ام.ار.آی.‏ تغییر نام داد.دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ معمولا در غالب یک مکعب غول پیکر در ابعاد 3*2*2 (طول * عرض * ارتفاع) طراحی میشود هر چند با پیشرفت تکنولوژی مدل هایی روانه بازار شده اند که دارای ابعاد کوچکتری هستند.در داخل این دستگاه یک لوله ی افقی وجود دارد که از جلو به عقب درون یک مغناطیس حرکت میکند و به منفذ یا کالیبر مغناطیس موسوم است بیمار در حالی که به پشت بر روی یک میز مخصوص دراز کشیده وارد کالیبر شده و بسته به نوع اسکنی که قرار است بر روی وی انجام شود وی را تا حد مورد نیاز از سمت سر و یا پا وارد کالیبر می کنند تا زمانی که بافت هدف کاملا در مرکز میدان مغناطیسی قرار بگیرد. به کمک امواج رادیویی که در ادامه توضیح داده خواهد شد دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ میتواند یک نقطه کوچک به کوچکی یک مکعب به ضلع 0.5 میلیمتر را جهت اسکن انتخاب کند.سیگنال های فرستاده شده از طرف این نقطه کوچک به مرکز پردازش دستگاه موجب تولید تصاویر دو و یا سه بعدی از بافت هدف میشود .با تغییر پارامترهای آزمایش ‏ ام.ار.آی.‏ می توان تصاویر با ظواهر و کارایی های متنوع تولید کرد که اصلا قابل قیاس با تصویر تولید شده توسط دیگر اسکنرها از قبیل سی تی اسکن نیست. یکی دیگر از کاربرد های ‏ ام.ار.آی.‏ ایجاد تصاویر با جزییات بسیار زیاد از عروق خونی بدون استفاده از مواد حاجب (کانتراست زا) می باشد. هر چند که استفاده از ماده حاجب وضوح تصاویر را بسیار بالا می برد اما تزریق آن بدون درد نیست و نیز ممکن است بدن بیمار به آن واکنش دهد. استفاده از ‏ ام.ار.آی.‏ در این زمینه به خصوص جهت تشخیص بیماری های آئورت ، عروق خونی ، کلیه ها و ریه ها را در اصطلاح MRA می گویند . معمولا پزشک معالج برای بیمارانی که دارای پیشینه آنوریسم شریانی هستند تصویربرداری MRA تجویز می کند

مواد حاجب (کانتراست زا) :

ماده حاجب که گاهی اوقات به ماده رنگی نیز مشهور است ماده ای است که جهت افزایش وضوح تصویر در اسکن آن را به ورید شخص بیمار تزریق می کنند. این امر سبب می گردد که ارگانها و نمای عروق روشن تر شود و در نتیجه پزشک راحت تر بتواند آنها را مشاهده نماید . این ماده بعد از انجام تست با نوشیدن مایعات فراوان از بدن شخص بیمار دفع خواهد شد .

ساختمان اسکنر ‏ ام.ار.آی.‏ :

سیستم های اصلی مورد استفاده در دستگاه ‏ ام.ار.آی.‏ عبارتند از:

1- میدان مغناطیسی استاتیک⁶

2- گرادیان و فرستنده RF

3-گرادیان مغناطیسی قائم قابل کنترل

مگنت ها بزرگترین و گرانبهاترین قسمت اسکنر ‏ ام.ار.آی.‏ هستند و باقی قسمت ها در اطراف این مگنت ها ساخته می شوند . دقت و قدرت این آهنربا به شدت برای تولید تصویر مهم است به طوری که در منفذ ‏ ام.ار.آی.‏ باید خطوط میدان یکنواخت برقرار باشد. به طور کلی انواع مغناطیس های مورد استفاده در ‏ ام.ار.آی.‏ جهت ایجاد میدان یکنواخت در منفذ دستگاه به سه دسته تقسیم می شوند :

مغناطیس های دایمی یا آهنرباهای ثابت⁷ : این مغناطیس ها از مواد فرومغناطیس تشکیل شده اند و می توانند برای ایجاد میدان مغناطیسی استاتیک استفاده شوند : آنها بسیار حجیم هستند به طوری که وزن آنها می تواند حتی به 100 تن نیز برسد. مزیت آهنرباهای ثابت هزینه نگهداری کمتر آنهاست اما پایداری مغناطیسی کم و عدم امکان تعویض آنها در صورت بروز مشکل از معایب آنها به شمار می رود. این آهنرباها دارای شدت میدانی در حدود 0.5 تا 5 تسلا می باشند.

مغناطیس های مقاومتی⁸ : این مغناطیس ها بر اساس "خاصیت القای مغناطیسی در اثر عبور یک جریان الکتریکی از سیم پیچ" ساخته می شوند که توانایی تشکیل میدانی به شدت 5 تسلا را دارا میباشند. در واقع این نوع مغناطیس سیم پیچی از جنس مس است که تشکیل یک آهنربای متناوب را می دهد. از مزایای آن میتوان به قیمت ارزان آن اشاره کرد ولی پایداری کم و توانایی تولید میدان محدود و همچنین مصرف انرژی الکتریکی نسبتا زیاد ، استفاده از این مگنت را پر هزینه کرده است.

مغناطیس های ابررسانا⁹ : زمانی که آلیاژ نیوبیوم¹⁰– تیتانیم توسط هلیم مایع در دمای 4 کلوین سرد می شود ابر رسانا تشکیل شده به طوری که تمام مقاومت خود را در برابر عبور جریان الکتریکی از دست می دهد. با ساختن سیم پیچ های الکترومگنت از سیم های ابر رسانا می توان میدان هایی با قدرت و پایداری خیلی زیاد ایجاد کرد. معمولا میدان های مغناطیسی تولیدی توسط این آهنرباها دارای شدتی بیش از 2 تسلا می باشد از این رو سبب شده که اکثر اسکنر های امروزی از چنین ساختاری در ساختمان اسکنر خود استفاده کنند .

از آنجا که بر اثر افزایش دما خاصیت ابر رسانایی سیم پیچ ها به شدت کاهش می یابد از این رو سیم های ابر رسانا معمولا در داخل محفظه ای به نام کریوستات¹¹ در هلیوم مایع فرو برده می شود. مشکلی که در اینجا وجود دارد این است که با وجود عایق بندی اطراف ظرف ، حرکت برونی هلیوم و همچنین دمای بالای محیط اطراف موجب می شود هلیوم موجود تبخیر شود. اما برای رفع این مشکل نیز چاره جویی هایی انجام شده که به قرار زیر می باشند:

روش معمول تر این است که به کمک کرایوکولر¹² مقداری از هلیوم تبخیر شده را به ظرف بازگردانیم .

روش دوم این است که به جای استفاده از کریوستات مستقیما سیم ها را سرد کنیم و مانع از افزایش دما شویم.

در هر حال از هر یک از مگنت های فوق که استفاده کنیم باید دارای این سه ویژگی مهم باشد :

تولید میدان یکنواخت در منفذ دستگاه

شدت میدان ثابت

نسبت نویز به سیگنال کم

به طور کلی این سه ویژگی موجب تولید تصاویر با رزولوشن مناسب و افزایش سرعت اسکن می شود .

گرادیان ها :

علاوه بر میدان های مغناطیسی یکنواخت در ‏ ام.ار.آی.‏ میدان های متغیر دیگری به نام گرادیان نیز وجود دارند. گرادیان های مغناطیسی توسط سه سیم پیچ قائم در جهات x, y, z اسکنر ایجاد شده اند .این سیم پیچ ها معمولا الکترومگنت های مقاومتی هستند که توسط تقویت کننده هایی با قابلیت تنظیم دقیق و سریع جهت و اندازه میدان ، تغذیه می شوند. این گرادیان ها دارای قدرتی در حدود 20 تا 100 میلی تسلا بر متر هستند . در حقیقت این گرادیان است که صفحه تصویر برداری را تعیین میکنند زیرا گرادیان های قایم به راحتی بر روی هر صفحه ای ایجاد می شوند. سرعت اسکن به عملکرد سیستم گرادیان وابسته است به طوری که گرادیان های قوی تر دارای سرعت تصویر برداری بیشتری هستند .

سیستم فرستنده امواج رادیویی¹⁴ :

سیستم فرستنده امواج رادیویی که می تواند امواجی را به صورت پالس ارسال کند از یک ترکیب کننده، یک تقویت کننده و یک فرستنده تشکیل شده است که معمولا در بدنه ی اسکنر ها جاسازی می شوند. توان فرستنده متغیر است به طوری که بیشینه توان آن در حدود 35 کیلووات است . گیرنده این امواج معمولا از یک سیم پیچ ، تقویت کننده و پردازنده سیگنال تشکیل شده است . در اسکنرها می توان از سیم پیچهای مجتمع¹³ به عنوان فرستنده و گیرنده استفاده نمود اما زمانی که بخواهیم از ناحیه کوچکی اسکن بگیریم بهتر است از سیم پیچ های کوچکی که بر روی عضو هدف متمرکز می شوند استفاده کرد تا تصویری با کیفیت وجزئیات بیشتر به دست آید .

از جدیدترین تکنولوژی های مورد استفاده در سیستم ‏ ام.ار.آی.‏ استفاده از آرایه فازی چند عنصره است که توانایی ایجاد چندین کانال داده به صورت موازی را دارا میباشد . با استفاده از این تکنولوژی سرعت تصویر برداری افزایش یافته ولی ممکن است در بازسازی تصاویر ایجاد آرتیفکت کند.

به طور خلاصه تصویر برداری به روش ‏ ام.ار.آی.‏ طی مراحل زیر انجام می گیرند:

قسمت مورد نظر ازبدن بیمار در یک میدان مغناطیسی ثابت و قوی قرار می گیرد.

یک سری میدانهای مغناطیسی متغیر¹⁵ با شدت کم به بیمار اعمال می شود.

در همان حال یکدسته امواج رادیویی با طول موج معین، به صورت پالس تابیده می شود.

پس از هر پالس امواج رادیویی، از بدن بیمار سیگنالهای الکتریکی دریافت می گردد.

این علایم توسط کامپیوتر پردازش شده و به صورت تصویر در روی صفحه نمایشگر ظاهر می شود .

در ادامه، روند مراحل فوق به طور کامل شرح داده می شود.

فیزیک اسپین ها:

بدن انسان از میلیاردها اتم تشکیل شده که این اتم ها اجزاء اصلی و تشکیل دهنده هر ماده در طبیعت است اتمها از قسمت های اساسی به نام هسته تشکیل شده اند همچنین دارای ذراتی هستند که از نظر الکتریکی دارای بار هستند و توانایی تشکیل میدان های الکتریکی خیلی کوچکی را دارند. الکترون ذره ای است با بار الکتریکی منفی که همواره در حال چرخش به دور محور فرضی خود است این نوع چرخش را اسپین می گویند . اسپین مانند بارالکتریکی یکی از مشخصات طبیعی و ضروری هر ذره است. جالب است بدانید که پروتون ها نیز دارای اسپین هستند و در جای نسبتا ثابت خود در هسته اتم، دارای چرخشی شبیه به آنچه در حرکت وضعی زمین مشاهده می کنیم هستند. هر الکترون و یا پروتون موجود در یک اتم دارای اسپینی برابر با 1/2 یا 1/2-

منبع: انجمن بیوالکتریک ایران

مختصری راجع به سنسورها در ربات

 

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند. عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.

سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل می‌آید:
a. سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند.
b. سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.
c. سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.
d. سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به‌ ‌همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.
  

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند. عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.
سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل می‌آید:
a. سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند.
b. سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.
c. سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.
d. سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به‌ ‌همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به سه قسمت تقسیم می‌شوند:
§ سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند.
i. سنسورهای تشخیص تماس
ii. سنسورهای نیرو-فشار

 

 

 

                                                                                              سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار می‌دهند.
دو روش عمده در استفاده از سنسورها وجود دارد:
i. حس کردن استاتیک: در این روش محرک‌ها ثابت‌اند و حرکت‌هایی که صورت می‌گیرد بدون مراجعه لحظه‌ای به سنسورها صورت می‌گیرد.به عنوان مثال در این روش ابتدا موقعیت شی تشخیص داده می‌شود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت می‌گیرد.
ii. حس کردن حلقه بسته: در این روش بازوهای ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل می‌شوند. اغلب سنسورها در سیستم‌های بینا این‌گونه‌اند.
حال از لحاظ کاربردی با نمونه‌هایی از انواع سنسورها در ربات آشنا می‌شویم:
a. سنسورهای بدنه (Body Sensors) : این سنسورها اطلاعاتی را درباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار داردفراهم می‌کنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیت‌هایی که در سوییچ‌ها حاصل می‌شود، به دست می‌آیند. با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات می‌تواند از شیب حرکت خود و این‌که به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکس‌العملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز می‌دهد.
b. سنسور جهت‌یاب مغناطیسی(Direction Magnetic Field Sensor): با بهره‌گیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطب‌نمای الکترونیکی هم ساخته شده است که می‌تواند اطلاعاتی را درباره جهت‌های مغناطیسی فراهم سازد. این امکانات به یک ربات کمک می‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصم‌گیری کند. این سنسورها دارای چهار خروجی می‌باشند که هرکدام مبین یکی از جهت‌ها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز می‌توان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکان‌پذیر ساخت.
c. سنسورهای فشار و تماس (Touch and Pressure Sensors) : شبیه‌سازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظر می‌رسد. اما سنسورهای ساده‌ای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این سنسورها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیل‌ها در دست‌اندازها استفاده می‌شود. این سنسورها در دست‌ها و بازوهای ربات‌ هم به منظورهای مختلفی استفاده می‌شوند. مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به ربات‌ها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک می‌کند. با توجه به این توضیحات می‌توان عملکرد آن‌ها را به چهار دسته زیر تقسیم کرد: 1- رسیدن به هدف، 2- جلوگیری از برخورد، 3- تشخیص یک شی.
d. سنسورهای گرمایی (Heat Sensors): یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمینستورها هستند. این سنسورها المان‌های مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر می‌کند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آن‌ها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف می‌کنند. نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپل‌ها هستند که آن‌ها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید می‌کنند. در استفاده از این سنسورها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطه‌ای که باید دمایش اندازه‌گیری شود، قرار می‌دهند.

 

e. سنسورهای بویایی (Smell Sensors): تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یک‌سری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولا هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیه‌ای مجزا، با ولتاژ 5+ ولت تغذیه می‌شود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخ‌گویی سنسور به محرک‌های محیطی فراهم می‌شود. برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت می‌کنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفاده‌های بعدی به کار می‌‌برند. اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل می‌کنند و سپس پاسخ‌های دریافتی از آن‌ها به شبکه‌ عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت می‌گیرد. نکته مهم درباره کار این سنسورها در این است که آن‌ها نمی‌توانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره‌ بگیرند. بلکه با اندازه‌گیری اختلاف بین آن‌ها به تشخیص بو می‌پردازند.
f. سنسورهای موقعیت مفاصل : رایج‌ترین نوع این سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتر برخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز ناپذیرند. این دسته انکدرها را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:
i. انکدرهای مطلق: در این کدگشا ها موقعیت به کد باینری یا کد خاکستری BCD (Binary Codded Decible ) تبدیل می‌شود. این انکدرها به علت سنگینی و گران‌قیمت بودن و اینکه سیگنال‌های زیادی را برای ارسال اطلاعات نیاز دارند، کاربرد وسیعی ندارند. همانطور که می‌دانیم به‌کار گیری تعداد زیادی سیگنال درصد خطای کار را افزایش می‌دهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدرها فقط در مواردی که مطلق بودن مکان‌ها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده می‌شود.
انکدرهای افزاینده: این کدگشا ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار می‌رود هستند، از روی شمارش قطارهای پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست می‌یابند. از روی فرکانس (عرض پالس‌ها) می‌توان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس در واحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارنی پی برد. حتی می‌توان جهت چرخش را نیز فهمید. فرض کنید سیگنال‌های A و B و C سه سیگنالی باشند که از کدگشا به کنترل‌کننده ارسال می‌شود. B سیگنالی است که با یک چهارم پریود تاخیر نسبت به A. از روی اختلاف فاز بین این دو می‌توان به جهت چرخش پی برد.  

e85.ir

 

نانو الكترونیك

 

در سال 1956 گوردون مور بنیان‌گذار اینتل تحلیلی ارایه كرد كه بر طبق آن هر 18 ماه تعداد ترانزیستورهای بكار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود كه نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیكونی در آن می‌تواند نتیجه این قوانین باشد.

این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام‌آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت كوچكتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ كند و درنتیجه انرژی كمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یك تراشه سیلیكون جای می‌گرفت. افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را كاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌تر این بود كه هر ترانزیستور تا حد امكان كوچكتر شود، این كوچك‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الكترونیك باید به فكر فناوریهای جایگزین بود، فناوری كه مشكلات گذشته را حل كرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و اینبار نانو تكنولوژی بود كه توانست به كمك الكترونیك بیاید و فناوری الكترونیك مولكولی یا همان نانو‌الكترونیك بنا نهاده شد.
نانو تكنولوژی یك رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی كه به مرور در حال بهتر شدن است نانو تكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن مانند نانوالكترونیك درواقع تولید كارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در این مقیاس توسعه یافته است....

در سال 1956 گوردون مور بنیان‌گذار اینتل تحلیلی ارایه كرد كه بر طبق آن هر 18 ماه تعداد ترانزیستورهای بكار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود كه نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیكونی در آن می‌تواند نتیجه این قوانین باشد.
این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام‌آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت كوچكتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ كند و درنتیجه انرژی كمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یك تراشه سیلیكون جای می‌گرفت. افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را كاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌تر این بود كه هر ترانزیستور تا حد امكان كوچكتر شود، این كوچك‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الكترونیك باید به فكر فناوریهای جایگزین بود، فناوری كه مشكلات گذشته را حل كرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و اینبار نانو تكنولوژی بود كه توانست به كمك الكترونیك بیاید و فناوری الكترونیك مولكولی یا همان نانو‌الكترونیك بنا نهاده شد.
نانو تكنولوژی یك رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی كه به مرور در حال بهتر شدن است نانو تكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن مانند نانوالكترونیك درواقع تولید كارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در این مقیاس توسعه یافته است.
صنعت الكترونیك امروزی مبتنی بر سیلیكون است سن این صنعت به حدود 50 سال می‌رسد و اكنون به مرحله‌ای رسیده است كه از لحاظ تكنولوژیكی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده است. در مقابل این فناوری، الكترونیك مولكولی قرار ارد كه در مراحل كاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الكترونیك سیلیكونی مطرح شود. الكترونیك مولكولی دانشی است كه مبتنی بر فناوری نانو بوده و كاربردهای وسیعی در صنعت الكترونیك دارد. با توجه به كاربردهای وسیع الكترونیك در محصولات تجاری بازار می‌توان با سرمایه‌گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الكترونیك در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سود‌دهی كلان محصولاتی بود كه جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌كنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد كه با سرمایه‌گذاری در این فناوری شاهد رشد و شكوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیكن با توجه به اهمیت نانوتكنولوژی و نیز نانو الكترونیك كه به عنوان یك شاخه كاربردی از نانو تكنولوژی مطرح است لزوم سرمایه‌گذاری كلان در درازمدت و ریسك‌پذیری و تشكیل مراكز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می‌شود.
برای پیشبرد فناوری نانو الكترونیك و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می‌شود كه با پیاده‌سازی این سه‌مرحله می‌توان نانو الكترونیك را جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی كرد ونسل جدیدی از محصولات الكترونیكی را وارد بازار ساخت.
مرحله اول:
مولكولی در نظر گرفته می‌شود باید كاربردهایی ساده ارزان و غیر پیچیده‌ای باشند تا اطمینان نسبی به الكترونیك مولكولی ایجاد شده و سرمایه‌گذاری‌ها به سمت آن هدایت شود و از طرفی كارایی این فناوری ثابت شود. به بیان ساده وشفاف و مقایسه نسل جدید محصولات كه بر پایه این فناوری جایگزین شده‌اند، توجیه كاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف‌كنندگان می‌تواند به عنوان بهترین حامی اقتصادی در این مرحله باشد.
مرحله دوم:
تولیدات اولیه الكترونیك مولكولی (نانو الكترونیك) باید مكملی برای فناوری سیلیكون باشند اینگونه نباشد كه انقلابی رااز همان آغاز و ابتدا شروع كرده و این ادوات و فناوریهای جدید تافته جدا بافته باشد و هیچ ربطی به فناوری سیلیكونی نداشته باشد زیرا فناوری سیلیكونی یك صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالكترونیك را بتوان مكملی برای فناوری سیلیكونی بكار برد شاهد پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در این فناوری نوپا بوده و جایگزین مناسبی برای نسل آینده محصولات الكترونیكی در نظر گرفته شده است.
مرحله سوم:
مرحله سوم مبحث كاملاً جدیدی است كه اصلاً در دسترس فناوری سیلیكون نبوده و نانوالكترونیك می‌تواند بعد از طی مراحل اول و دوم به آن بپردازد، یك مثال ساده وروشن این موضوع، نمایشگرها هستند، نمایشگرهای متداول كاملاً سخت و غیرقابل انعطاف هستند ولی با استفاده از الكترونیك مولكولی ومولكول‌هایی كه در صفحه نمایش استفاده داشته باشد بنابر این كابرد‌هایی وجود دارد كه از دسترس فناوری سیلیكون، آن هم بخاطر جامد و كریستالی بودن ذاتی‌اش دور بوده و برای الكترونیك مولكولی قابل دستیابی است. وقتی كه نانو الكترونیك جا افتاد و وارد بازار محصولات الكترونیك شد آنگاه می‌توان نسل جدیدی از محصولات را به دست آورد كه شامل پردازندهایی 1000 مرتبه سریعتر از نوع امروزی باشند. اگر این مرحله با موفقیت طی شود حدوداً یك دهه طول خواهد كشید تا نسل جدید محصولات الكترونیكی مبتنی بر الكترونیك مولكولی یا الكترونیك در ابعاد نانومتر (نانو الكترونیك) ظهور یابد.

بررسی امكانات موجود:
برای ساخت ابزارهای مولكولی باید دید از چه چیزهایی می‌توان استفاده كرد،‌وسایلی كه در اختیار است و تاكنون مدنظر بوده است به شرح ذیل هستند:
نانو لوله‌ها
حلقه‌های بنزنی
پلیمرها
DNA

نانو لوله‌ها:
اگر یك صفحه تخت گرافیكی مدنظر باشد و به شكلی بتوان آن را به صورت نواری در نظر گرفت و لوله كرد یك نانو لوله مفروض به دست می‌آید كه ساختار آن همان ساختار گرافیت بوده و یك هگزاگونال است. این ماده در سال 1991 در ژاپن كشف شده و به علت خصوصیات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. یك خاصیت جالب این مواد آن است كه بر حسب اینكه در چه جهتی خم شود دارای خاصیت نیمه‌هادی و یا فلزی می‌شود. قطر یك نانو لوله كمتر از 2 نانومتر است و از این نانو لوله می‌توان به عنوان یك سیم كوانتومی یا یك سیم غیرفعال استفاده كرد به عنوان مثال این لوله می‌تواند به عنوان یك سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یك الكترود به الكترود دیگر عمل كند كه این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می‌تواند باشد.
نانو لوله دارای خاصیت فلزی است این خاصیت رسانش نه فقط در طول بلكه در عرض نانو لوله نیز وجود دارد برای حالت سیمهای مولكولی غیرفعال، بهتر است كه نانو لوله دارای خاصیت رسانش باشد، اگر باشد، نانو لوله دارای گاف انرژی خواهد بود كه شبیه نیمه هادی خواهد شد. اگر نانو لوله كربنی روی سطحی قرار داده شود و نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) رابه سطح آن نزدیك شود، چنانچه ولتاژی را بین بستری كه نانو لوله روی آن قرار دارد و نوك STM اعمال شود جریانی عبور خواهد كرد، بر حسب مقدار جریانی كه عبور می‌كند، می‌توان تشخیص داد كه گاف انرژی چقدر است.

حلقه بنزنی:
حلقه‌های بنزنی به خاطر چگالی حالت بالا كه بر روی حلقه‌های خود دارند جانشینی برای سیمهای كوانتومی در نظر گرفته می‌شود.

پلیمرها:
از نمونه‌هایی كه به عنوالن سیمهای مولكولی فعال یا غیرفعال می‌توان نام برد پلی‌تیوفن (PT) یا پلی‌انیلین است كه داخل یك سیكلود كسترین1 (CD) قرار گرفته باشد این دو ماده در اصل پلیمرهایی هستند كه به عنوان قسمتهای هادی سیم بكار می‌روند این پلیمرها شبیه حلقه‌ بنزنی است كه به همدیگر چسبیده‌اند و دو سر آن به دو الكترود طلا وصل شده است. اتصالات سیمهای مولكلولی به الكترودهایش توسط اتم‌های گوگرد برقرار می‌شود سطحی كه این پلیمر بر روی آن قرار می‌گیرد ممكن است قسمتی از جریان را بكشد یعنی اینكه یك جریان اتلافی داشته باشد برای اینكه مانع از این جریان اتلافی شد باید این سیم را داخل یك حفاظ مولكولی قرار داد این حفاظ نیز شبیه نانو لوله كربنی است اما دارای قطر بسیار بزرگتر و ساختار پیچیده‌تری است لذا این لوله مولكولی مانع عبور جریان اتلافی از دیواره‌های سیم و انتقال آن به سطح تماس می‌شود.

DND:
DNA نمونه‌ای از سیم‌های فعال است. ساختمان DNA كاملاً شناخته شده است و به طور خودكار این ساختمان ایجاد می‌شود، برای تولید آن مانند پلیمرها مشكلی وجود ندارد فقط باید خواص آن مورد بررسی قرار گیرد تا متوجه چگونگی تغییرات آن شد برای این منظور به ذكر مثالی پرداخته می‌شود:
به منظور استفاده از DNA برای محاسبه جریان بر حسب ولتاژ، یك فاصله 8 نانومتری بین دو الكترود پلاتین مفروض می‌شود، پس با اعمال یك ولتاژ می‌توان جریان را محاسبه كرد.
نكته‌ای كه از شكل بالا برداشت می‌شود این است كه نمودار جریان بر حسب ولتاژ نموداری نامتقارن است، یعنی اینكه جریان برای ولتاژی مثلاً بین 1- و 2 ولت اجازه عبور ندارد در حالی كه برای 2- و 1- جریان می‌تواند عبور كند و این یعنی اینكه DNA می‌تواند عمل یكسوسازی را انجام دهد. در مورد هدایت از داخل DNA سه نظریه مد نظر است، یكی اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف خیلی بزرگ است. دیگر اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف كوچك ونیز اینكه DNA دارای خاصیت فلزی است.
موضوع در اصل این است كه DNA ماده بسیار پیچیده‌ای است كه شرایط محیطی به شكل بسیار زیادی می‌تواند بر روی خواص آن تاثیر بگذارد یكی از این شرایط محیطی موثر حضور آب است، DNA‌یی كه در محیط خشك باشد با DNAیی كه در محیط مرطوب باشد بسیار متفاوت است. لذا با توجه به شرایط محلی حاكم بر DNA نمی‌توان یك نتیجه قطعی در مورد اینكه DNA فلز است یا نیمه فلز بیان كرد اما آنچه كه مسلم است این است كه DNA یك نیمه هادی با گاف بزرگ است.
در حالت عادی یونهایی وجود دارد كه با دستكاری آنها می‌توان خواص هدایتی DNA را تغییر داد یعنی می‌توان امید داشت كه با افزودن یونهایی بتوان حتی آن را به فلز تبدیل كرد یك نكته جالب دیگر این است كه می‌توان از DNA به عنوان قالب استفاده كرد و در مكانهای مشخصی روی DNA یكسری فلزات را قرار داد تا یك سیم فلزی دور DNA ایجاد شود. در این حالت DNA به عنوان قالبی برای پایدار نگه داشتن سیم مورد نظر استفاده قرار گیرد. بررسی پایداری DNA با توجه به شرایط محلی حاكم بر سیستم نیز امكان‌پذیر است. هدایت DNA در دو مسیر مشخص صورت می‌گیرد. وقتی DNA را به عنوان هدایت‌كننده جریان در نظر گرفته شده یك بار می‌تواند در جهت موازی محورش جریان را عبور دهد و یك بار نیز می‌تواند عمود بر محورش جریان را عبور دهد، حال برای هدایت در جهت عمود بر محور می‌توان اینگونه فرض كرد كه وقتی نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) در بالای DNA قرار می‌گیرد جریان به شكل عمود از جفت‌های بازی كه وجود دارد وارد نوك STM می‌شود این كار می‌تواند هم به عنوان آزمایشی برای دیدن تصویر DNA و هم برای اندازه‌گیری عبور جریان جفت‌های بازی به كار رود ومی‌توان بدین شكل رسانش AT و CG (جفت‌های بازهایی كه در مارپیچ DNA وجود دارند) را محاسبه كرد.
DNA می‌تواند یك ابزار در تولید محصولات نانو‌الكترونیك كاربرد‌های فراوانی داشته باشد، با توجه به اینكه DNA به طور طبیعی در طبیعت و سلولهای موجودات زنده وجود دارد می‌توان از آن در تولید دیگر محصولات نانوتكنولوژی همانند نانوموتورها سود جست. كنترل و پایداری DNA نیز با توجه به خواص ذاتی و محلی آن امكان‌پذیر بوده و جای تامل و بحث دارد.

نتیجه‌گیری:
1ـ آنچه كه مسلم است، الكترونیك مولكولی دارای آینده‌ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تكامل است. از این رو توجه خاصی را می‌طلبد.
2ـ نتایج عملی رشد و توسعه شاخه‌های نانوتكنولوژی مانند نانوالكترونیك سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد كه در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل كاملاً جدیدی با قابلیت‌های منحصر به فرد خواهد بود.
3- نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار كارآمد در تولید محصولات نانوالكترونیك از اهمیت خاصی برخوردارند، ولیكن در این میان DNA به دلیل داشتن خواص محلی و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهمیت بیشتری برخوردار است.
4- با توجه به دو شاخص تعداد مقالات علمی و اختراعات ثبت‌شده، در نانو تكنولوژی می‌توان نتیجه گرفت كه این شاخصها می‌توانند اطلاعاتی مفید در مورد تكامل این فناوری را نشان دهند و برای طرح برنامه‌ها و استراتژیها مناسب باشند.
5- نانوتكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك به عنوان پدیده‌هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تكنولوژیكی را دارد. با توجه به اینكه هم‌اكنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش‌بینی اینكه كدامیك از محصولات آینده بهتری دارند (از نظر رقابتی) نیاز به بررسی بیشتر شاخصهای این فناروی در بخشهای صنعت و زیرمجموعه‌های این فناوری دارد.
6- با توجه به اهمیت فناری نانو و كاربردهای روزافزون آن در دنیا باید تحقیقات دانشگاهی و دولتی تواماً صورت گیرد و به علت اینكه اهداف تحقیقاتی این فناوری پایه‌ای و درازمدت است بخش صنعت توان سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقات درازمدت و مخاطره‌آمیز را نداشته، از این رو حمایت دولتمردان به عنوان پشتوانه‌ای مهم در این فناوری خواهد بود علاوه بر این ایجاد ساختارهای جدید در دانشگاهها و آزمایشگاههای ملی برای توسعه این فناوری لازم است نیازمندیها و انتظارات فناوری نانو و شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك فراتر از تمامی چیزهایی است كه مقررات سنتی دانشگاهی، آزمایشگاهی ملی و یا حتی تمام صنعت می‌تواند فراهم كند و به خاطر همین مشكلات است كه یك حركت و اندیشه ملی پایه‌ریزی و با حمایت دولتی در زمینه این فناوری حیاتی به نظر می‌رسد.
با توجه به پتانسیل‌های موجود ایران در زمینه مهندسی الكترونیك، لزوم یك مركز R&D دولتی كه به حمایت محصولات تولیدی الكترونیكی صنایع پرداخته و بتواند در آینده بازار تجاری محصولات نانو‌الكترونیك را به دست بگیرد به شدت حس می‌شود و اگر تدبیری اندیشیده نشود متاسفانه باید گفت كه همانند گذشته باید مصرف‌كننده خوبی بوده و شاهد سودهای كلان تجاری دیگر كشورها و سرمایه‌گذاران بود.
علیرضا سلمانیان شفا
منبع: ماهنامه صنعت برق