Способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров

Авторы патента:

Краснов Андрей Евгеньевич (RU)

Смирнов Виталий Михайлович (RU)

B82B1/00 - Наноструктуры

Владельцы патента RU 2657101:

Смирнов Виталий Михайлович (RU)
Краснов Андрей Евгеньевич (RU)

Использование: для управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров. Сущность изобретения заключается в том, что способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров заключается в регистрации оптического спектра, генерируемого создаваемой нанокристаллической структурой, сравнении оптического спектра с эталонными спектрами и формировании по результатам сравнения сигналов управления, при этом сигналы управления формируют путем повышения или снижения концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры. Технический результат - обеспечение возможности повышения точности контроля и воспроизводимости создаваемых нанокристаллических структур. 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано для управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров.

Предшествующий уровень техники

Одно из перспективных направлений защиты ценных бумаг, денежных купюр и различных промышленных изделий от подделки связано с выращиванием нанокристаллических маркеров в толще различных материалов под воздействием лазерного света [1].

Однако требуется не только выращивание нанокристаллических маркеров в толще различных материалов, но и управление их созданием, например, чтобы воспроизводимо получать различные наноструктуры.

Известен способ управления созданием наноструктур, заключающийся в том, что после создания нанострукуры визуально наблюдают оптический, спектр изображения наноструктурных фрагментов, а по результатам сравнения формируют управляющие сигналы для коррекции наноструктуры в следующем процессе ее создания (Максимовский С.Н., Радуцкий Г.А. Method for Producing a Colored Security Image within a sheet Material (Cпocoб создания цветного защитного изображения внутри листового материала), Международная заявка WO 2015/130192 А1, 2015).

Недостаток данного способа заключается в том, что управление созданием наноструктур осуществляется субъективно, что не позволяет ввести автоматизацию и, как следствие, приводит к большому времени процесса настройки создания различных наноструктур, а также не обеспечивает их воспроизводимость.

Для автоматизации процессов создания наноструктур было предложено анализировать их оптические, например, люминесцентные спектры; разработана технология их автоматического сравнение с эталонными спектрами по специальным мерам сходства, зависящим от моделей наблюдения и характера помех [2].

Недостатком этого подхода является то, что он не связан непосредственно с процессом формирования управляющих сигналов, а сам анализ спектров значительно зависит от уровня помех.

Наиболее близким к заявляемому из известных по своему назначению, технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ адаптивного управления плазменным процессом на основе использования нейронных сетей, формирующих управляющие параметры по оптическому спектру, генерируемому лазерной плазмой [Chi Yung Fu. Closed loop adaptive control of spectrum-producing step using neural networks (адаптивное управление в замкнутом контуре на основе пошагово изменяющегося спектра с использованием нейронных сетей). US 5841651 А. 1998].

Согласно данному способу искусственная нейронная сеть анализирует плазменный оптический спектр, и производит управляющие сигналы. Управление производится по одному или более входных макропараметров процесса в ответ на любое отклонение спектра от узкого ассортимента. При производстве плазменный реактор формирует плазму в ответ на входные макропараметры, такие как поток газа, давление и т.п. Реактор содержит окно, через которое наблюдается электромагнитный спектр, произведенный плазмой в реакторе. Спектр формируется оптическим спектрометром, который измеряет интенсивность поступающего оптического сигнала в различных длинах волн. Выход оптического спектрометра подается на нейросетевой анализатор, который анализирует множество сигналов отклонения, и формирует управление: должен ли соответствующий из входных параметров реактора быть увеличен или уменьшен.

Данный способ из-за использования нейросетевого сравнения оптических спектров с эталонными значениями устойчив к значительным спектральным помехам.

Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что он ориентирован на специфическую задачу управления плазменным реактором и не может быть непосредственно применен к решению задачи управления, изготовлением нанокристаллических структур с помощью лазерного метода высокоскоростной нанокристаллизации.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемый способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров базируется на том же принципе, что и прототип, т.е. на регистрации оптического спектра, генерируемого создаваемой нанокристаллической структурой, нейросетевого сравнения оптического спектра с эталонными спектрами, и формировании по результатам сравнения сигналов управления параметрами процесса создания нанокристаллических структур.

Однако, в предлагаемом способе, в отличие от прототипа сигналы управления параметрами процесса создания нанокристаллических структур производят в виде повышения или снижения концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры.

Целью изобретения является повышение оперативности создания нанокристаллических структур, а также их воспроизводимости при наличии отклонений от эталонных значений.

Указанные отличительные признаки, необходимые для реализации заявленного способа и достижения поставленной цели, обладают несомненной новизной в действии над материальными объектами - компонентами, входящими в химический состав нанокристаллической структуры.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящего изобретения варианта осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует примеры различных люминесцентных спектров, получаемых от нанокристаллических структур с различными химическими составами;

Фиг. 2 иллюстрирует способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров;

Фиг. 3 иллюстрирует зависимость ошибки различения эталонных спектров от значения отношения «Помеха/Сигнал» для многокритериальной и нейросетевой технологий.

На Фиг. 1 показаны:

- по оси абсцисс - отсчеты (нм) видимого диапазона оптического спектра;

- по оси ординат - отсчеты (о.е.) интенсивности люминесцентного излучения.

На Фиг. 2 показаны:

- 1 - широкополосный источник света, возбуждающий нанокристаллическую структуру (ИС);

- 2 - нанокристаллическая структура, созданная по n-ой технологии (НКС_n);

- 3 - спектральный датчик (СД);

- 4 - оптический спектр (Х_n);

- 5 - блок сравнения (БС);

- 6 - база данных (БД) эталонных оптических спектров;

- 7 -эталонный оптический спектр {S_n}

- 8 - блок управления распознаванием оптических спектров (БУР);

- 9 - меры сходства μ(X_n,S_k) распознаваемого оптического спектра 4 - (Х_n) и эталонного спектра 7 - (S_k);

- 10 - совокупность (и) управляющих сигналов;

- 11 - эталонных совокупностей концентраций {С_n};

- 12 - блок управления концентрациями компонентов (БУК), входящих в химический состав нанокристаллической структуры на основе эталонных совокупностей концентраций 11 {С_n} и совокупности 10 (u) управляющих сигналов.

На Фиг. 3 показаны:

- по оси абсцисс - значения (%) отношения «амплитуда помехи/амплитуда сигнала»;

- по оси ординат - значения (%) ошибки распознавания (различения);

- ромбики - зависимость для многокритериального алгоритма распознавания;

- квадратики - зависимость для нейросетевого алгоритма распознавания.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Предлагаемый способ нейроподобного снижения размерности оптических спектров осуществляется следующим образом.

Согласно предлагаемому способу для известных совокупностей концентраций 11 (С_n (n=1, 2, …, N) компонентов (веществ), входящих в химический состав эталонных нанокристаллических структур, формируют эталонные люминесцентные спектры 7 (S_n=(Sⁿ₁, Sⁿ₂, …, Sⁿ_M)^T), соответствующие данным нанокристаллическим структурам, где М - количество дискретных значений (отсчетов) каждого люминесцентного спектра, а T - операция транспонирования.

Формирование эталонных спектров 7 (S_n) иллюстрируется Фиг. 2. Луч широкополосного источника света 1 (ИС) возбуждает эталонную нанокристаллическую структуру 2 (НКС_n), а возбуждаемый свет (люминесцентный, инфракрасный) попадает на спектральный датчик 3 (СД), формирующий соответствующий эталонный оптический спектр 7 (S_n). Это спектр записывается в базу данных БД 6. Одновременно в 6 (БД) записывают эталонные совокупности 11 (С_n) концентраций компонентов, входящих в химический состав эталонных нанокристаллических структур n-го рецепта.

При создании пробного образца конкретной нанокристаллической структуры по n-ому рецепту, соответствующему эталонной совокупности концентраций 11 (С_n), регистрируют ее люминесцентный спектр 4 (Х_n=(Хⁿ₁, Xⁿ₂, …, Хⁿ_M)^T, и сравнивают его со всеми эталонными спектрами из 6 (БД), используя блок сравнения 6 (БД). 6 (БД) функционирует как на основе нейроподобного алгоритма сравнения по мерам 9 (μ_nk=μ(X_n, S_k) сходства, где n, k=1, 2, …, N, так и квадратичным мерам 9 (μⁿ_m=μ(Xⁿ_m,Sⁿ_m) сходства, где а m=1, 2, …, М. На основе данных мер блок управления распознаванием 8 (БУР) формирует совокупность управляющих сигналов 10 (u{μ_nk}).

Как видно из Фиг. 2, управление 10 (u), вырабатываемое в контуре обратной связи, осуществляет специализированный поиск в 6 (БД). Например, в простейшем случае для каждого n отыскивается максимальное значение 9 (μ(X_n, S_k), и по нему распознается принадлежность формируемого состава конкретному эталонному рецепту. На основе мер 9 (μ(Xⁿ_m, Sⁿ_m) регулируют концентрации компонентов, величинам которых пропорциональны значения 4 (Хⁿ_m), соответствующих m-ых отсчетов оптического спектра, полученного от нанокристаллической структуры, изготовляемой по n-му рецепту.

Высокую надежность распознавания дает нейросетевая технология, описанный в [3]. Так, на Фиг. 3 показана зависимость ошибки различения фрагментов эталонных люминесцентных спектров от значений отношения «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» для многокритериальной и нейросетевой технологий распознавания.

Наглядно видно преимущество нейросетевой технологии различения сигналов на фоне сильных помех по сравнению с многокритериальной технологией. Так, например, в предлагаемой технологии ошибки различения начинают проявляться лишь при отношении «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» >15%, в то время как при многокритериальном подходе - при отношении «амплитуда помехи/амплитуда сигнала» >9%

Проведенное исследование показало, что при создании различных защитных нанокристаллических меток необходимо стремится к тому, чтобы соответствующие им люминесцентные спектральные коды имели вариацию, не мене чем в 1,5÷2 раза превышающую уровень возможных помех. Помехи с уровнем 10%÷20% вполне реалистичны. Поэтому различные спектральные коды должны отличаться по вариации не менее чем на 15%÷20%. В свою очередь это накладывает ограничение на вариацию концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры. Вариации распределений концентраций, кодирующих нанокристаллические метки, не должна быть ниже 25%.

Промышленная применимость

Описанным способом могут быть тиражированы нанокристаллические структуры для защитных меток различных промышленных изделий с высокой точностью их воспроизводимости. Описанная выше технология, оптически контролирующая отклонение создаваемой нанокристаллической структуры от эталонного образца, и управляющая процессом минимизации этих отклонений путем изменения концентрации составных компонентов нанокристаллических структур, должна быть неотъемлемой частью технологии создания защитных меток в промышленных масштабах.

В настоящее время нет препятствий к промышленному внедрению заявляемого способа, т.к. все необходимые элементы для его реализации имеются: технология создания нанокристаллических структур, в том числе, сканирующие лазерные устройства; оптические спектрометры, работающие в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитных волн; контроллеры для сравнения регистрируемых оптических спектров с эталонными спектрами и формирования управляющих сигналов.

Источники, принятые во внимание

1. Maximovsky S., et all. Shattuckite synthesis and the pattern formation by the scanning laser beam. Tecnol. Metal. Mater. Miner. Poulo. V. 13. N. 3. 2016. P. 248-251.

2. Краснов A.E., Максимовский C.H., Смирнов B.M., Ставцев А.Ю. Метрологическое обеспечение защиты ценных бумаг, документов и товаров на основе нанотехнологий. Технологии XXI века в легкой промышленности (электронное научное издание). №7. Часть I. Раздел №4. 2013. Статья №6.

3. Краснов А.Е., Казаков К.В., Калачев А.А., Никольский Д.Н., Шевелев С.А. Сравнение эффективностей различения сигналов на фоне сильных помех на основе многокритериальной и нейросетевой технологий. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии: сборник трудов XIII Международной научно-практической конференции. / под ред. С.У. Увайсова - Москва: Ассоциация выпускников и сотрудников ВВИА им. проф. Жуковского, 2016, С. 257-259.

Способ управления созданием нанокристаллических структур на основе распознавания их оптических спектров, заключающийся в регистрации оптического спектра, генерируемого создаваемой нанокристаллической структурой, сравнении оптического спектра с эталонными спектрами и формировании по результатам сравнения сигналов управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля и воспроизводимости создаваемых нанокристаллических структур, сигналы управления формируют путем повышения или снижения концентраций компонентов, входящих в химический состав нанокристаллической структуры.

Изобретение относится к области физико-химического анализа материалов, более конкретно к определению термодинамической активности (в дальнейшем активности) компонентов в поверхностном слое наночастицы, находящейся в матрице в бинарной системе в равновесных условиях.

Способ получения нанолитографических рисунков с кристаллической структурой со сверхразвитой поверхностью // 2655651

Использование: для нанолитографических рисунков с кристаллической структурой со сверхразвитой поверхностью. Сущность изобретения заключается в том, что путем механического воздействия зонда на кремниевую подложку формируют пространственный профиль в виде области шириной 7 мкм и глубиной 800 нм, после чего дополнительно на поверхность подложки в рамках метода гидротермального синтеза наносят эквимолярный раствор ацетата цинка Zn(O2C2H3)2, гексаметилтетрамина C6H12N4 и N-цетил-N,N,N-триметиламмоний бромид.

Способ получения нанокапсул экстракта хлореллы в альгинате натрия // 2655620

Изобретение относится к области нанотехнологии и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул экстракта хлореллы в альгинате натрия характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используют альгинат натрия, а в качестве ядра - экстракт хлореллы, при этом экстракт хлореллы медленно добавляют в суспензию альгината натрия в петролейном эфире в присутствии 0,01 г Е472с в качестве поверхностно-активного вещества, затем перемешивают при 1000 об/мин, после чего полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:3, или 1:5, или 1:1.

Суперконцентрат углеродных нанотрубок и способ его получения // 2654959

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для изготовления композитных материалов. Углеродные нанотрубки и дисперсионную среду, представляющую собой вещество, имеющее угол смачивания по отношению к высокоупорядоченному пиролитическому графиту не более 120°, смешивают путём механической обработки до максимального размера агломератов углеродных нанотрубок не более 50 мкм.

Способ определения состава поверхностного слоя наночастицы, находящейся в матрице в бинарной системе // 2654956

Изобретение относится к области физико-химического анализа. Предложен способ определения состава поверхностного слоя двухкомпонентной наночастицы сферической формы в матрице, согласно которому с целью установления размерной зависимости состава поверхностного слоя наночастицы, сплав, содержащий наноразмерные частицы, подвергают термическому отжигу, определяют состав наночастицы и матрицы, а также средний радиус наночастицы.

Способ получения нанокапсул цианида калия // 2654714

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к фармацевтике. Способ получения нанокапсул цианида калия характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется каррагинан, в качестве ядра - цианид калия, при этом цианид калия добавляют в суспензию каррагинана в этаноле в присутствии препарата Е472 с, при массовом соотношении ядро:оболочка 1:1, или 1:3, или 5:1 соответственно, при перемешивании 1200 об/мин, затем добавляют петролейный эфир, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Способ получения нанокапсул солей лантаноидов в альгинате натрия // 2654712

Изобретение относится в области нанотехнологии, ветеринарной медицине и микробиологии. Способ получения нанокапсул солей лантаноидов в альгинате натрия характеризуется тем, что в качестве оболочки нанокапсул используется альгинат натрия, а в качестве ядра - соль лантаноидов при массовом соотношении ядро:оболочка 1:3, при этом соль лантаноида добавляют в суспензию альгината натрия в бутаноле, содержащую препарат Е472 с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1200 об/мин, далее приливают гексан, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Армированные композиции на основе органических волокон природного происхождения // 2654481

Настоящее изобретение относится к армированному композиционному материалу на основе органических волокон природного происхождения, применяемому в качестве тепловой или аккустической изоляции, а также к способу его получения.

Способ селективного лазерного фототермолиза раковых клеток плазмонно-резонансными наночастицами // 2653801

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для селективного лазерного фототермолиза раковых клеток плазмонно-резонансными наночастицами.

Медицинский робот // 2653795

Изобретение относится к медицинской робототехнике. Медицинский робот содержит корпус, размещенные в нем по меньшей мере одно средство передвижения с электроприводом(ами), анализирующее устройство и по меньшей мере один инструмент с электроприводом.