Summary
यह काम लघु स्वचालित photophoretic फँसाने रिग्स के निर्माण का वर्णन करता है और विशेषता है।
Abstract
यह पेपर एक स्वचालित, तेजी से फैब-संगत, फोटोफोरेटिक ट्रैप टेस्ट रिग प्रस्तुत करता है ताकि वॉल्यूमेट्रिक डिस्प्ले रिसर्च के लोकतंत्रीकरण और क्राउडसोर्सिंग को सक्षम किया जा सके। रिग का निर्माण एक लेजर कटर, 3-आयामी (3 डी) प्रिंटर और सामान्य हाथ उपकरणों का उपयोग करके 2 घंटे के भीतर किया जा सकता है। अपने वर्तमान रूप में, रिग का उपयोग निम्नलिखित महत्वपूर्ण मापदंडों का परीक्षण करने के लिए किया जा सकता है: कण प्रकार, जाल प्रकार, संख्यात्मक एपर्चर, और एयरफ्लो प्रति घंटे लगभग 250 नमूनों की दर से। मामूली संशोधन के साथ, रिग को पैरामीटर के एक बड़े सेट का परीक्षण करने के लिए बनाया जा सकता है, जैसे कि लेजर पावर और लेजर तरंग दैर्ध्य, उपयोगकर्ता की जरूरतों के आधार पर। रिग स्वचालित डेटा कैप्चर और विश्लेषण के लिए मशीन दृष्टि का उपयोग कर सकता है। परीक्षण रिग के संचालन और निर्माण को संक्षिप्त, आसान-से-पालन चरणों के साथ वर्णित किया गया है। बिजली और कण प्रकार पैरामीटर को कवर करने वाले चार-इकाई परीक्षण रिग 'फार्म' के परिणामों की सूचना दी जाती है। यह मंच पहुंच और लोकतंत्रीकरण के माध्यम से ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले पैरामीटर और शोधकर्ताओं के दायरे और संरचना को व्यापक बनाएगा।
Introduction
ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले (ओटीडी) विज्ञान कथा में देखे गए प्रदर्शन ज्यामिति को संभव बनाता है। यह फोटोफेरेसिस के माध्यम से एक कण को फँसाकर और कण 1,2,3,4 को रोशन करके संचालित होता है। फिर, अंतरिक्ष के माध्यम से उस कण को खींचना हवा में एक छवि बनाता है जिसे दर्शक दृष्टि 5 की दृढ़ता के अनुसार निरंतर के रूप में मानता है। यह स्क्रीनलेस 3 डी तकनीक इसे लंबे समय तक फेंकने वाले अनुमानों, लंबी रेत तालिकाओं और रैप-अराउंड डिस्प्ले 1 जैसे ज्यामिति प्रदर्शित करने की अनुमति देती है। ये ज्यामिति विशिष्ट रूप से सम्मोहक हैं क्योंकि उन्हें कोई स्क्रीन की आवश्यकता नहीं होती है और ऐसी सामग्री बनाते हैं जिसे लगभग हर कोण से देखा जा सकता है।
Brigham Young University के शोधकर्ताओं ने अपनी पहली पीढ़ी के फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम में एक बीम विस्तारक और गैल्वेनोमीटर स्कैनर का उपयोग करके प्रारंभिक सफलता पाई, साथ ही कई दर्पण और एक या एक से अधिक गोलाकार लेंस के साथ गोलाकार विपथन 1,4 के माध्यम से एक फोटोफोरेटिक जाल बनाने के लिए। इस पहली पीढ़ी के फँसाने वाले रिग में सटीक रंगीन प्रदर्शन रोशनी की अनुमति देने के लिए आरजीबी (लाल-हरे-नीले) लेजर भी शामिल थे। इस फँसाने प्रणाली का उपयोग करते हुए, OTDs एक जटिल पथ के माध्यम से एक कण को स्थानांतरित करके बनाए जाते हैं। यह दृष्टिकोण छवियों के आकार को एक घन सेंटीमीटर के नीचे तक सीमित करता है और वायरफ्रेम और अन्य विरल सामग्री 6,7 के लिए वास्तविक समय की छवियों की जटिलता को सीमित करता है। इसके अलावा, इस तकनीक की स्केलिंग photophoretic फँसाने 8 की असंगति द्वारा सीमित है। यदि एक एकल जाल / कण प्रणाली को अनुकूलित किया जा सकता है, तो डिस्प्ले को स्केलिंग को एक अनुकूलित जाल की प्रतिकृति बनाकर और कई कणों को सिंक्रोनस रूप से फँसाने और स्कैन करके प्राप्त किया जा सकता है। एक एकल जाल के साथ किसी भी समस्या को एक बहु-जाल प्रणाली में संयोजित किया जाएगा, इसलिए जाल और कण मापदंडों का सावधानीपूर्वक अनुकूलन महत्वपूर्ण है।
एक व्यक्तिगत जाल / फँसाने प्रणाली के अनुकूलन के लिए फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम 7 के प्रत्येक पैरामीटर के लिए व्यापक परीक्षण करने की आवश्यकता होती है। इस तरह के मापदंडों में कण प्रकार (पदार्थ, आकार, आकार), लेजर शक्ति, लेजर तरंग दैर्ध्य और संख्यात्मक एपर्चर (फोकल लंबाई, व्यास, झुकाव) शामिल हैं। परीक्षण और प्रत्येक पैरामीटर के लिए त्रुटि के माध्यम से परीक्षण और प्रयोग व्यक्तिगत जाल और एकाधिक तुल्यकालिक जाल का अनुकूलन करेगा। फिर भी, उन्हें एकत्र करने के लिए बड़ी मात्रा में डेटा की आवश्यकता होगी।
अतीत में, गोलाकार विपथन के माध्यम से फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग को अनुकूलित करने के लिए अनुसंधान और परीक्षण प्रक्रिया केवल दुनिया भर के मुट्ठी भर शोधकर्ताओं द्वारा की गई है1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . हाल ही में, ब्रिघम यंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने आवश्यक डेटा एकत्र करने के लिए एक एकल, बड़े, महंगे ट्रैपिंग सिस्टम पर भरोसा किया है, जिसके कारण परीक्षण और डेटा एकत्र करने की प्रक्रिया धीमी हो गई 1,7। हालांकि, 20181 में 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए एक समाधान के रूप में ऑप्टिकल ट्रैप डिस्प्ले पेश करने के बाद से, सभी आयु समूहों और कई महाद्वीपों के व्यक्तियों ने अनुसंधान में भाग लेने की इच्छा व्यक्त की है। ओटीडी में उत्पन्न रुचि के कारण, शोधकर्ता सभी इच्छुक पार्टियों को अनुसंधान प्रक्रिया में भाग लेने की अनुमति देने का एक तरीका खोजना चाहते हैं। फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग रिग्स की पिछली पीढ़ियों, जिसमें बीम स्प्लिटर और गैल्वेनोमीटर शामिल थे, बड़े पैमाने पर उत्पादन और क्राउडसोर्स 1,6 के लिए बहुत महंगे और समय लेने वाले थे, इसलिए एक अलग समाधान की आवश्यकता थी।
एक नया लघु फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग रिग विकसित किया गया है, जो सभी इच्छुक पार्टियों को अनुसंधान में भाग लेने और ऊपर उल्लिखित सभी महत्वपूर्ण मापदंडों के लिए जल्दी से परीक्षण करने और डेटा इकट्ठा करने की अनुमति देता है। वे किसी भी व्यक्ति द्वारा तेजी से गढ़े जा सकते हैं जिनके पास 3 डी प्रिंटर और लेजर कटर तक पहुंच है। यह डिजाइन लागत और जटिलता को कम करने, जोखिम को कम करने और स्वचालन, इंटरकनेक्टिविटी और लचीलेपन को अधिकतम करने का प्रयास करता है (चित्रा 1)। नया रिग फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग संभव के लिए सबसे सरल ऑप्टिकल सेटअप को नियोजित करता है: एक एकल लेजर और लेंस 10। छोटे रिग्स एक बार सेट अप होने के बाद उपयोग करने के लिए सरल हैं और प्रति घंटे लगभग 250 प्रयासों की दर से परीक्षण कर सकते हैं।
भविष्य के नागरिक वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं के परीक्षणों से इन रिग्स से एकत्र किए गए डेटा से 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए इसके उपयोग में फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग विकसित करने में काफी मदद मिलेगी, जिससे ट्रैपिंग पैरामीटर और व्यक्तिगत जाल के अनुकूलन की अनुमति मिलती है।
Protocol
1.3D मुद्रण और आवश्यक सामग्री के लेजर काटने
- 3 डी नीचे सूचीबद्ध सामग्री मुद्रित करें
- अनुपूरक फ़ाइल 1 में दी गई जानकारी के अनुसार एक फिलामेंट FDM (फ्यूज्ड डिपॉज़िशन मॉडलिंग) 3D प्रिंटर (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके लेंस धारक को मुद्रित करें। यह लेंस धारक 30 मिमी (व्यास) लेंस (चित्रा 2) के लिए है।
नोट:: फ़ाइल आसानी से अन्य लेंस फिट करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। - इसके बाद, कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म और धारक (चित्रा 2) (अनुपूरक फ़ाइल 2 और पूरक फ़ाइल 3) को प्रिंट करें।
नोट: यह ~ 2-14 घंटे ले जा सकते हैं, प्रिंट के विस्तार के आधार पर. प्रिंट का विवरण फँसाने की दर को प्रभावित नहीं करना चाहिए यदि फँसाने वाले पदार्थ का पर्याप्त रखा गया है (चरण 5.3.4)।
- अनुपूरक फ़ाइल 1 में दी गई जानकारी के अनुसार एक फिलामेंट FDM (फ्यूज्ड डिपॉज़िशन मॉडलिंग) 3D प्रिंटर (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके लेंस धारक को मुद्रित करें। यह लेंस धारक 30 मिमी (व्यास) लेंस (चित्रा 2) के लिए है।
- एक 3 डी लेजर कटर का उपयोग करना ( सामग्री की तालिका देखें), रिग टुकड़ों (चित्रा 3) (पूरक फ़ाइल 4-5) को काट दें।
नोट: यह कटौती चौथाई इंच मोटाई की किसी भी सामग्री पर की जा सकती है, लेकिन लकड़ी अनुशंसित सामग्री है। अनुपूरक फ़ाइल 4 में आवश्यक रिग टुकड़े होते हैं जो लकड़ी के टुकड़े में 12 x 12 पर फिट होते हैं। अनुपूरक फ़ाइल 5 में एक वैकल्पिक प्रकाश ढाल/ - एक ग्लास कटर का उपयोग करना ( सामग्री की तालिका देखें), एक मानक टेस्ट ट्यूब (~ 2.5 सेमी व्यास में) को लगभग आधे में काटें ताकि दो खुले सिरों के साथ आधा ~ 6.5 सेमी लंबा हो।
2. लकड़ी के रिग्स को इकट्ठा करना
नोट: लकड़ी के रिग को असेंबल करते समय, चरण 2.1 -2.5 में निर्देश "स्लाइड" कह सकते हैं, लेकिन टुकड़ों को उचित रूप से स्थित और निर्मित होने के लिए अधिक बल की आवश्यकता हो सकती है।
- आधार टुकड़ा नीचे Y प्रतीक के साथ ऊपर का सामना करना पड़ (चित्रा 1A) रखें।
- आधार के दोनों ओर दो लंबे पक्ष के टुकड़ों को पकड़ो, जबकि पहले लेजर धारक को एक छोर पर रखने के लिए फिसल गया है और दूसरी तरफ पहला टेस्ट ट्यूब धारक (चित्रा 1 बी, सी)।
- साइड में, कैमरा धारक पर दोनों इलेक्ट्रोमैग्नेट धारकों को स्लाइड करें। सुनिश्चित करें कि चुंबक धारकों को प्रत्येक पक्ष पर ~ 1 सेमी से अलग किया जाता है (चित्रा 1 डी)।
- चुंबक धारकों और कैमरा धारक को पहले टेस्ट ट्यूब धारक के बगल में एक इकाई के रूप में पर्ची करें, स्थान दिया। इसलिए, टेस्ट ट्यूब धारक और पहले इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक के बीच 1 सेमी (इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक के पीछे कैमरा धारक का किनारा 1 सेमी के लिए संदर्भ के रूप में काम कर सकता है) (चित्रा 1ई)।
नोट: दोनों कैमरा धारक और प्रकाश ढाल लघु फँसाने प्रणाली के प्राथमिक उपयोग के लिए आवश्यक नहीं हैं, लेकिन दोनों रिग सेटअप की एकरूपता के लिए अनुशंसित हैं।
- चुंबक धारकों और कैमरा धारक को पहले टेस्ट ट्यूब धारक के बगल में एक इकाई के रूप में पर्ची करें, स्थान दिया। इसलिए, टेस्ट ट्यूब धारक और पहले इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक के बीच 1 सेमी (इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक के पीछे कैमरा धारक का किनारा 1 सेमी के लिए संदर्भ के रूप में काम कर सकता है) (चित्रा 1ई)।
- इसके बाद, दोनों इलेक्ट्रोमैग्नेट धारकों के बाद दूसरे टेस्ट ट्यूब धारक को रखें ताकि दूसरे टेस्ट ट्यूब धारक और दूसरे इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक के बीच ~ 1 सेमी स्थान हो।
नोट: कुल मिलाकर, दो टेस्ट ट्यूब धारकों के बीच, ~ 4 सेमी स्थान है (कैमरा माउंट में 4 सेमी की चौड़ाई है, एक पोजिशनिंग संदर्भ के लिए) (चित्रा 1 एफ)।- यदि वैकल्पिक प्रकाश ढाल / अवरोधक (पूरक फ़ाइल 5) का उपयोग कर रहे हैं, तो कैमरा धारक से टेस्ट ट्यूब धारकों और इलेक्ट्रोमैग्नेट धारकों के विपरीत छोर पर प्रकाश ढाल को स्लाइड करें; यह केंद्र और परख ट्यूब और electromagnet धारकों संरेखित करने में मदद मिलेगी.
- दूसरे लेजर धारक को जगह में स्लाइड करें; कोई सटीक दूरी की आवश्यकता नहीं है। अनुशंसित दूरी 3-4 सेमी है, लेकिन इसे लेजर की लंबाई के आधार पर अलग-अलग होने की आवश्यकता हो सकती है।
- यदि वांछित है, तो एक ऑप्टिकल रेल ( सामग्री की तालिका देखें) को ट्रैपिंग सिस्टम के अन्य तत्वों को संरेखित करने के लिए सभी धारकों के नीचे खिसकाया जा सकता है। यह लेजर और टेस्ट ट्यूब (चित्रा 1 जी) के साथ लेंस को संरेखित करने के लिए विशेष रूप से उपयोगी होगा।
- विद्युत चुंबक ( सामग्री की तालिका देखें) को विद्युत चुंबक धारकों में रखें (चित्र 1H)।
3. निर्दिष्ट माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड के साथ सर्किट का कनेक्शन
- माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर कंप्यूटर मॉनिटर, कीबोर्ड और माउस प्लग इन करें ( सामग्री तालिका देखें)। माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड को स्टार्टअप करें और सुनिश्चित करें कि ऑपरेटिंग सिस्टम काम कर रहा है। मूल माइक्रोकंट्रोलर कॉन्फ़िगरेशन में कोई परिवर्तन आवश्यक नहीं है, हालांकि यदि वांछित हो तो VNC (वर्चुअल नेटवर्क कनेक्शन) और SSH (सुरक्षित शेल) दोनों का चयन किया जा सकता है। यह माइक्रोकंट्रोलर तक रिमोट एक्सेस की अनुमति देगा।
- एक वोल्टेज नियामक का उपयोग करके इलेक्ट्रोमैग्नेट नियंत्रण सर्किट का निर्माण करें ( सामग्री की तालिका देखें), एक ब्रेडबोर्ड, और कुछ तारों (चित्रा 4 ए)।
नोट:: माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड के लिए सभी पिन नंबर GPIO (सामान्य उद्देश्य इनपुट और आउटपुट) पिन हैं।- वोल्टेज नियामक को ब्रेडबोर्ड में रखें ताकि प्रत्येक पिन उचित उपयोग की अनुमति देने के लिए एक अलग पंक्ति में हो।
- माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर 5V पावर पिन में से एक के लिए वोल्टेज नियामक के इनपुट पिन को तार करें।
- माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर GPIO 23 के लिए वोल्टेज नियामक के समायोजित पिन तार।
- विद्युत चुंबक के इनपुट तार को वोल्टेज नियामक के आउटपुट पिन से कनेक्ट करें। फिर इलेक्ट्रोमैग्नेट के आउटपुट तार को माइक्रोकंट्रोलर पर एक ग्राउंड पिन से कनेक्ट करें; यह सबसे अच्छा है जब breadboard में एक और पंक्ति का उपयोग कर एक अतिरिक्त तार का उपयोग कर दो कनेक्ट करने के लिए प्राप्त किया जाता है.
4. सिस्टम के संचालन के लिए कोड अपलोड करना
नोट:: कोड अपलोड करने के लिए, या तो चरण 4.1 या चरण 4.2 का पालन करने की आवश्यकता है। चरण 4.1 कोड के सरल संस्करण के लिए निर्देश प्रदान करता है जो कैमरे का उपयोग नहीं करता है। चरण 4.2 किसी कैमरे का उपयोग करता है जो संस्करण के लिए निर्देश प्रदान करता है।
- अनुपूरक फ़ाइल 6 में दिए गए निर्देशों के साथ संरेखण में चरणों का पालन करें।
- टर्मिनल खोलें और आवश्यक फ़ाइलों को संग्रहीत करने के लिए स्थान पर नेविगेट करें। टर्मिनल कमांड 'mkdir' वांछित निर्देशिका नाम के बाद टाइप करके माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर एक नई निर्देशिका बनाएँ। इस निर्देशिका का उपयोग ट्रैप रिग चलाने के लिए फ़ाइलों को संग्रहीत करने के लिए किया जाएगा।
- नई निर्देशिका में अनुपूरक फ़ाइल 6 सम्मिलित करें. विवरण के लिए फ़ाइल के शुरुआती अनुभाग में रीडमी अनुभाग देखें. वांछित राशि के लिए परीक्षण संख्या को बदलने के बाद, कार्यक्रम चलाने के लिए तैयार है।
नोट:: इस फ़ाइल में एक आवश्यक चर है जिसे num_tries कहा जाता है जो एक रन में करने के लिए कितने परीक्षणों को नियंत्रित करता है। इस फ़ाइल में हमेशा कुछ विराम शामिल होते हैं, जिन्हें त्वरित परीक्षणों के लिए छोटा किया जा सकता है।
- नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर SQLite चलाएँ और देखें. इसके लिए पूरक फ़ाइल 7-11 और एक कैमरा और प्रासंगिक विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है।
- टर्मिनल 'Sudo apt-get install SQLite ब्राउज़र' और 'Sudo apt-get install sqlite3' में टाइप करके माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड पर आवश्यक डेटाबेस पुस्तकालयों को स्थापित करें। यह माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड को पूरक फ़ाइल 9 का उपयोग करके परीक्षणों से सभी डेटा को स्वचालित रूप से संग्रहीत करने की अनुमति देगा।
- सहेजें पूरक फ़ाइल 11, कैमरा स्क्रिप्ट के रूप में कैमरे पर main.py. यह एक फ़ाइल एक्सप्लोरर या कैमरे के लिए विकसित एकीकृत विकास वातावरण (आईडीई) के माध्यम से किया जा सकता है (सामग्री की तालिका देखें)।
नोट: IDE की अनुशंसा की जाती है क्योंकि यह उपयोगकर्ताओं को कैमरे के आउटपुट को देखने की अनुमति देता है, जो यह सुनिश्चित करने में मदद करता है कि कैमरा सही ढंग से ध्यान केंद्रित कर रहा है। - कैमरे को माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से कनेक्ट करें। कैमरे से ग्राउंड पिन सहित 4 पिन का उपयोग करें। जमीन पिन माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड की जमीन से कनेक्ट करना चाहिए. निम्न पिन के रूप में नीचे उल्लेख किया गया मैच होना चाहिए:
- GPIO 19 करने के लिए कैमरा पिन 8 कनेक्ट करें: यह पिन प्रत्येक जाल के परिणामों को पाई को वापस भेजता है।
- GPIO 17 करने के लिए कैमरा पिन 9 कनेक्ट करें: यह पिन कैमरे को खोज शुरू करने की अनुमति देता है।
- GPIO 5 करने के लिए कैमरा पिन 7 कनेक्ट करें: यह कैमरा स्थिति पिन है.
- सभी फ़ाइलों को संग्रहीत करने के लिए एक निर्देशिका बनाएँ। इस निर्देशिका को बनाने के बाद, निर्देशिका में अनुपूरक फ़ाइल 7-10 में प्रदान की गई के रूप में फ़ाइलों को सहेजें; उन्हें क्रमशः रीडमी.txt, main.py, electromagnet.py और test_insert.py का नाम बदलें।
- अनुपूरक फ़ाइल 7 (ReadMe.txt) के माध्यम से पढ़ें।
नोट:: रीडमी फ़ाइल प्रत्येक फ़ाइल क्या करता है और प्रत्येक फ़ाइल पर आवश्यक हो सकता है जो परिवर्तन, जैसे डेटाबेस की निर्देशिका पथ की आवश्यकता हो सकती है का एक अच्छा विवरण देता है। - चरण 4.2.1 में स्थापित डेटाबेस व्यूअर खोलें। नया डेटाबेस बटन क्लिक करें और डेटाबेस को अन्य फ़ाइलों के समान निर्देशिका में सहेजें. नया डेटाबेस test_insert.py में मिली डेटाबेस फ़ाइल के नाम से मेल खाना चाहिए।
- डेटाबेस के अंदर, डेटा को सहेजने के लिए नए डेटाबेस के अंदर एक तालिका बनाएँ। डेटाबेस में 5 फ़ील्ड, parameter_type, फंसे हुए, testname, testnum, और rigID हैं।
नोट:: तालिका अनुभाग निर्दिष्ट के रूप में सटीक होना चाहिए या Main.py और test_insert.py में अधिक परिवर्तन करने की आवश्यकता होगी।
5. परीक्षण की तैयारी
- लेंस धारक के अंदर लेंस रखकर लेंस तैयार करें। सुनिश्चित करें कि परीक्षण के दौरान लेंस धारक के अंदर रहता है। यहां कुछ गर्म गोंद की आवश्यकता हो सकती है।
नोट: रिग को फँसाने वाले क्षेत्रों के उचित गठन को सुनिश्चित करने के लिए एक गोलाकार द्वि-उत्तल का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। - लेंस (चरण 5.1) तैयार करने के बाद, लेंस धारक को ऑप्टिकल रेल पर रखें और लेजर धारक में लेजर ( सामग्री की तालिका देखें)।
नोट:: सामग्री की सूची में सुझाए गए लेजर को उपयोग करने से पहले कोई अंशांकन की आवश्यकता नहीं है। सुरक्षा चश्मा कभी भी लेजर उपयोग में है पहना जाना चाहिए.- लेंस और लेजर या अन्य प्रकाश स्रोत का उपयोग करके, लेजर के केंद्र बिंदु को ढूंढें और लेंस धारक को ऑप्टिकल रेल के साथ स्लाइड करें जब तक कि फोकल पॉइंट इलेक्ट्रोमैग्नेट पर केंद्रित न हो जाए।
नोट:: यह चरण फँसाने के लिए महत्वपूर्ण है; यदि फोकल पॉइंट इलेक्ट्रोमैग्नेट पर केंद्रित नहीं है, तो कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म कणों को फोकल पॉइंट में नहीं उठाएगा। - भविष्य के संदर्भ के लिए लकड़ी के आधार पर एक पेंसिल के साथ इस बिंदु को चिह्नित करें।
नोट: प्रत्येक लेंस पहले से ही एक फोकल लंबाई माप के साथ आता है, लेकिन ये माप हमेशा सही नहीं होते हैं।
- लेंस और लेजर या अन्य प्रकाश स्रोत का उपयोग करके, लेजर के केंद्र बिंदु को ढूंढें और लेंस धारक को ऑप्टिकल रेल के साथ स्लाइड करें जब तक कि फोकल पॉइंट इलेक्ट्रोमैग्नेट पर केंद्रित न हो जाए।
- फँसाने का हवाला तैयार करें
- सुनिश्चित करें कि लेजर ठीक से फिर से बंद कर दिया गया है।
- एक गर्म गोंद बंदूक का उपयोग करते हुए, मंच की सपाट सतह पर इलेक्ट्रोमैग्नेट के रूप में एक ही ध्रुवीयता के एक छोटे बटन चुंबक ( सामग्री की तालिका देखें) को गोंद करें ताकि इलेक्ट्रोमैग्नेट प्लेटफ़ॉर्म को पीछे हटा दे।
नोट: मैग्नेट की ध्रुवीयता को उचित रूप से मिलान किया जाना चाहिए ताकि प्लेटफ़ॉर्म को इलेक्ट्रोमैग्नेट द्वारा पीछे हटा दिया जाए, कणों को लेजर के बीम में धकेल दिया जाए ताकि फँसाया जा सके। - 3 डी-मुद्रित, कैंटिलीवर-जैसे प्लेटफ़ॉर्म लें और प्लेटफ़ॉर्म को काले एल्यूमीनियम पन्नी में कोट करें, जो प्लेटफ़ॉर्म को पिघलने से बचाता है।
नोट: नियमित पन्नी का उपयोग किया जा सकता है, लेकिन यह कैमरा सिस्टम का उपयोग करने के लिए बहुत अधिक चकाचौंध का कारण बनता है। काले पन्नी टेप का उपयोग करने का प्रयास करें ( सामग्री की तालिका देखें), जो कैमरे के साथ ठीक काम करता है (चित्रा 5 ए)। पन्नी की सिफारिश की जाती है क्योंकि इसे अन्य पदार्थों के परीक्षण के लिए आसानी से प्रतिस्थापित किया जा सकता है, लेकिन वांछित होने पर समान उत्पादों का उपयोग किया जा सकता है। - एल्यूमीनियम पन्नी के साथ मंच को कवर करने के बाद, प्लेटफ़ॉर्म के तिरछे पक्ष पर परीक्षण के लिए उपयोगकर्ता द्वारा चुने गए चयनित कण प्रकार को रखें (कण प्रकार विकल्पों के लिए सामग्री की तालिका देखें या चित्रा 6 ए देखें)।
- धीरे से परिपत्र धारक में कैंटिलीवर हथियार डालें ताकि चुंबक पक्ष बाहर का सामना कर रहा हो। फिर धीरे से एक ही धारक में टेस्ट ट्यूब डालें। यदि यह सही ढंग से किया गया है, तो चुंबक लगभग ग्लास को छू रहा होगा (चित्रा 5 बी)।
- टेस्ट ट्यूब को टेस्ट ट्यूब धारकों पर रखें ताकि प्लेटफ़ॉर्म इलेक्ट्रोमैग्नेट पर केंद्रित हो। यदि चुंबक को उचित रूप से कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म से जोड़ा गया है, तो कैंटिलीवर को इलेक्ट्रोमैग्नेट द्वारा पीछे की ओर पीछे की ओर की स्थिति में दिखाई देना चाहिए।
- कैमरे को प्लेटफ़ॉर्म के ऊपर / आसपास होने वाले किसी भी ट्रैप को कैप्चर करने के लिए कैमरा होल्डर में रखें। फिर अन्य सभी स्थितियों की दोबारा जांच करें (चित्रा 1I-J)।
6. परीक्षण की शुरुआत
नोट:: परीक्षण के लिए, या तो चरण 6.1 या चरण 6.2 का पालन करने की आवश्यकता है।
- चरण 4.1 से निर्देशों का उपयोग कर रहे हैं, तो फ़ाइल में प्रारंभ दबाएँ या टर्मिनल से सामान्य रूप से फ़ाइल प्रारंभ करें।
- चरण 4.2 से निर्देशों का उपयोग कर रहे हैं, तो इस परीक्षण को नीचे बताए गए पैरामीटर के साथ टर्मिनल से प्रारंभ करें।
- टर्मिनल कमांड का उपयोग करते हुए, कमांड "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter" के साथ उचित निर्देशिका के अंदर एक बार फ़ाइल सिस्टम चलाएं। main.py फ़ाइल अनुपूरक फ़ाइल 8 में प्रदान की गई है।
- test_num को वांछित परीक्षणों की संख्या से बदलें. परीक्षण पर केंद्रित पैरामीटर के प्रकार से Parameter_type को प्रतिस्थापित करें।
नोट: उदाहरण के लिए, यदि यह निर्धारित करने के लिए परीक्षण किए जा रहे थे कि संचालित लेजर सबसे अच्छा क्या है, तो Parameter_type को laser_power द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा, और exact_parameter को वर्तमान लेजर की ऑप्टिकल आउटपुट शक्ति द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा।
Representative Results
उपर्युक्त प्रोटोकॉल का पालन करके प्राप्त मुख्य परिणाम एक लघु फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग रिग बना रहा है, जो जल्दी से विभिन्न मापदंडों का परीक्षण कर सकता है। अब तक, इन रिग्स का उपयोग दो महत्वपूर्ण मापदंडों, लेजर शक्ति और कण प्रकार का परीक्षण करने के लिए किया गया है। कई लघु रिग्स के समानांतर चलने ने शोधकर्ताओं को बहुत तेज अवधि में बहुत बड़े नमूना आकारों के साथ डेटा एकत्र करने की अनुमति दी है।
उपरोक्त प्रोटोकॉल को विकसित करते समय आयोजित किया गया पहला परीक्षण, एक लेजर शक्ति परीक्षण था। इस परीक्षण के दौरान कैमरा डिटेक्शन सिस्टम के बिना एक एकल लघु रिग का उपयोग किया गया था, क्योंकि इसे अभी तक विकसित नहीं किया गया था; इसके बजाय, प्रोटोकॉल से चरण 4.1 का उपयोग किया गया था। इसके लिए एक शोधकर्ता को सभी ट्रैप डिटेक्शन के डेटा संग्रह के लिए उपस्थित होने की आवश्यकता थी। इस परीक्षण का लक्ष्य फँसाने के लिए आदर्श लेजर पावर आउटपुट निर्धारित करना था। रिग पर लेजर और लेंस के बीच एक ऑप्टिकल attenuator (चर तटस्थ घनत्व फिल्टर) रखकर, लेजर की ऑप्टिकल शक्ति varried था। चित्र 7 इस प्रयोग के परिणामों को दर्शाता है। एक उच्च ऑप्टिकल पावर आउटपुट फँसाने की उच्च दर के साथ मेल खाता है। पूर्ण शक्ति पर लेजर में इस परीक्षण के लिए उच्चतम दर्ज की गई ट्रैपिंग दर थी। हालांकि, यह परीक्षण ~ 120 mW की अधिकतम ऑप्टिकल शक्ति के साथ एक लेजर तक सीमित था।
दूसरा परीक्षण यह निर्धारित करना था कि किस सामग्री या पदार्थ में फँसाने की उच्चतम दर होगी। यह परीक्षण कैमरा डिटेक्शन सिस्टम के बिना एक विलक्षण लघु परीक्षण रिग का उपयोग करके आयोजित किया गया था। प्रत्येक कण के लिए 100 प्रयासों के नमूने के आकार के साथ दस अलग-अलग कणों का परीक्षण किया गया था (परीक्षण किए गए सभी पदार्थों को उनके विवरण के साथ सामग्री की तालिका में पाया जा सकता है)। नमूना आकार 100 तक सीमित था क्योंकि डेटा संग्रह के लिए प्रत्येक प्रयास में एक शोधकर्ता को देखने की आवश्यकता थी। सभी आवश्यक डेटा दो कार्य दिवसों में एकत्र किए गए थे। चित्रा 6A कण प्रकार परीक्षण के परिणामों को दर्शाता है। परीक्षण किए गए 10 सामग्रियों / कणों के प्रकारों में से, यह पाया गया कि हीरे के नैनोकणों (55-75%) और प्रिंटर टोनर क्रमशः 14% और 10% की दर के साथ दो सर्वश्रेष्ठ कण प्रकार थे (तालिका 1)।
पहले दो परीक्षणों के बाद, शोधकर्ताओं ने एक विलक्षण रिग तक सीमित महसूस किया, जिसके लिए परीक्षण के दौरान सक्रिय देखने की आवश्यकता थी; इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित चरण 4.2 के लिए नेतृत्व किया। इस विकल्प में एक कैमरा डिटेक्शन सिस्टम शामिल है, जो उपयोगकर्ताओं को एक समय में कई लघु परीक्षण रिग चलाने में सक्षम बनाता है और परीक्षण के लिए मौजूद उपयोगकर्ता की आवश्यकता नहीं होती है।
इस नए कैमरा सिस्टम के परीक्षण के लिए, कण प्रकार के परीक्षण का एक संशोधित पुन: परीक्षण आयोजित किया गया था। इस नए कण प्रकार के परीक्षण के लिए फिर से परीक्षण करने के लिए शुरू में उपयोग किए जाने वाले 10 में से केवल कुछ अलग-अलग कण प्रकारों का चयन किया गया था। चयनित कणों ने परीक्षण का एक नया दौर किया। चार लघु परीक्षण रिग के एक परीक्षण रिग "खेत" का उपयोग करते हुए, चयनित कणों में से प्रत्येक में 4,000 प्रयासों का कुल परीक्षण नमूना आकार था। एक बार फिर, सभी आवश्यक डेटा दो पूर्ण कार्यदिवसों में एकत्र किए गए थे (तालिका 2)। इस कण प्रकार के पुन: परीक्षण का प्राथमिक उद्देश्य नए कैमरा सिस्टम का परीक्षण करना था। इस परीक्षण ने प्रारंभिक कण प्रकार के परीक्षण से परिणामों की तुलना करने की अनुमति दी, जिसमें एक शोधकर्ता ने ट्रैप की रिपोर्ट की, कैमरा डिटेक्शन सिस्टम के परिणामों के लिए। परीक्षण के परिणाम मूल परीक्षणों की तुलना में थोड़ा अलग थे लेकिन फिर भी तुलनीय थे (चित्रा 6 बी)। प्रारंभिक परीक्षण से सबसे अच्छा कण प्रकार, हीरा नैनोकणों 55-75%, अभी भी फिर से परीक्षण में सबसे अच्छा था, लेकिन पहले की तुलना में थोड़ा कम फँसाने की दर थी। परिणामों में अंतर सबसे अधिक संभावना एक बड़े नमूना आकार और एक अपूर्ण कैमरा का पता लगाने प्रणाली के कारण है। हालांकि इस कण परीक्षण के परिणाम अपेक्षा से थोड़ा अलग थे, जब अन्य मापदंडों का परीक्षण किया जाता है जहां सामग्री स्थिर रहती है, जैसे कि लेजर पावर या लेंस फोकल लंबाई, कैमरा स्क्रिप्ट द्वारा एकत्र किए गए परिणाम विश्वसनीय होंगे।
किए गए सभी तीन परीक्षणों के परिणाम उन रिग्स के सापेक्ष हैं जिन पर वे प्रदर्शन किए गए थे, लेकिन डेटा में पाए जाने वाले रुझान अन्य अधिक सटीक फोटोफोरेटिक परीक्षण रिग्स पर परीक्षण किए जाने पर सच साबित होंगे। लघु परीक्षण रिग्स अन्य परीक्षण रिग्स को पूरी तरह से बदलने के लिए नहीं हैं। फिर भी, वे शोधकर्ताओं को अधिक सटीक रिग्स पर आगे के शोध के लिए रुझानों और खोजों को खोजने के लिए एडिसोनियन (परीक्षण और त्रुटि) परीक्षण में जल्दी और कुशलता से सभी मापदंडों और संभावनाओं का पता लगाने की अनुमति देने के लिए हैं।
चित्रा 1: पूरा लघु photophoretic परीक्षण रिग के साथ रिग प्रगति. आकृति चरण 2 और इसके उप-चरणों के साथ संगत है। (A) चरण 2.1 दिखाता है। (बी) चरण 2.2, दो लंबे पक्षों के साथ आधार को प्रदर्शित करता है। (सी) चरण 2.2, रिग के फ्रेम, दोनों पक्षों के साथ एक आधार, और पहले लेजर धारक और टेस्ट ट्यूब धारक से पता चलता है। (D) चरण 2.3 दोनों विद्युत चुंबक धारकों के साथ संयुक्त कैमरा धारक को दिखाता है। (ई) चरण 2.3.1 आंकड़े 1C, D. (F) चरण 2.4, दूसरा टेस्ट ट्यूब धारक और दूसरा लेजर धारक का संयोजन प्रदान करता है। (छ) वैकल्पिक प्रकाश शील्ड और ऑप्टिकल रेल को जोड़ा गया है। (ज) विद्युत चुंबक को इसके धारक में रखा जाता है। (I) लेजर और टेस्ट ट्यूब को उनके धारकों में रखा गया है। (जे) यह माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड के लिए शक्ति स्रोत के बिना पूरे पूर्ण परीक्षण टिग को दिखाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 2: 3 डी मुद्रित टुकड़े. इस आंकड़े में लेंस धारक, परिपत्र प्लेटफ़ॉर्म धारक और कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म शामिल हैं। 3 डी मुद्रित लेंस धारक के लिए डिजाइन पूरक फ़ाइल 1 में पाया जा सकता है। यह लेंस धारक, जब मुद्रित होता है, व्यास में 30 मिमी के लेंस के लिए होता है। अनुपूरक फ़ाइल 2-3 में प्लेटफ़ॉर्म धारक और प्लेटफ़ॉर्म के लिए डिज़ाइन होते हैं। प्लेटफ़ॉर्म धारक के पास चार सेट हैं जिनका उपयोग प्लेटफ़ॉर्म कर सकता है, लेकिन रिग के लिए डिज़ाइन किए गए के रूप में काम करने के लिए, प्लेटफ़ॉर्म को आकृति में इंगित छेदों का उपयोग करना चाहिए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 3: लेबल लेजर कट टुकड़े. यह आंकड़ा अनुपूरक फ़ाइल 4 के टुकड़ों को लेबल करता है, जिसमें वैकल्पिक प्रकाश ढाल को छोड़कर सभी लेजर-कटे हुए टुकड़ों के लिए फ़ाइल होती है। प्रिंटिंग के बाद, 1 आधार, 2 पक्ष, 2 लेजर धारक, 2 टेस्ट ट्यूब धारक, 2 इलेक्ट्रोमैग्नेट धारक और 2 कैमरा धारक (केवल एक आवश्यक है) होना चाहिए। वैकल्पिक प्रकाश ढाल अनुपूरक फ़ाइल 5 में पाया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 4: वोल्टेज नियामक और विद्युत चुंबक परिपथ। (A) संदर्भ के लिए, परिपथ का निर्माण करते समय। वोल्टेज नियामक में 3 पिन, एक समायोजन, इनपुट और आउटपुट होता है। (B) यह आकृति चरण 3 में वर्णित पूर्ण परिपथ को दर्शाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 5: प्लेटफ़ॉर्म तैयारी और टेस्ट-ट्यूब ट्रैप का हवाला देते हैं। (ए) परीक्षण करने से पहले, प्लेटफ़ॉर्म को तैयार किया जाना चाहिए। कणों का जलाशय जहां लेजर कणों को लेने के लिए चमकेगा, परीक्षण से तुरंत पहले मंच पर रखा जाएगा। काले एल्यूमीनियम पन्नी कणों से पहले मंच पर रखा जाना चाहिए। यह लेजर को प्लेटफ़ॉर्म के माध्यम से पिघलने से रोकता है। (बी) परीक्षण के दौरान, कणों का वास्तविक फँसाना टेस्ट ट्यूब के भीतर होता है, जो प्रत्येक जाल प्रयास के लिए मंच की लगातार स्वचालित गति सुनिश्चित करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 6: कण प्रकार परीक्षण (मैनुअल) और (कैमरा). (ए) सबसे अच्छी फँसाने की दर के साथ कण को खोजने के लिए 10 अलग-अलग कणों का एक परीक्षण आयोजित किया गया था। (बी) कैमरा डिटेक्शन सिस्टम के साथ एक दूसरा कण प्रकार परीक्षण आयोजित किया गया था। मूल 10 कणों में से केवल 4 का परीक्षण किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 7: लेजर शक्ति परीक्षण परिणाम. लेजर पावर टेस्ट के दौरान विभिन्न लेजर पावर स्तरों के लिए फँसाने की दर को मापा गया था। उच्च शक्तियों ने फँसाने की उच्च दरों का उत्पादन किया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
| काली शराब (पाउडर) | काली शराब (पेस्ट) | टंगस्टन (12 माइक्रोन) | टंगस्टन (1-5 माइक्रोन) | एल्यूमीनियम पाउडर | प्रिंटर टोनर | ग्रेफ़ाइट | डायमंड नैनोकणों (95%) | डायमंड नैनोकणों (55-75%) | निग्रोसिन | ||
| 1 | 2 | 2 | 1 | 0 | 3 | 2 | 1 | 5 | 2 | ||
| 1 | 3 | 2 | 0 | 1 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 3 | 1 | 1 | 3 | 1 | ||
| 2 | 1 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 1 | 3 | 0 | ||
| 6 | 7 | 5 | 4 | 1 | 10 | 4 | 5 | 14 | 4 | ||
| 6.00% | 7.00% | 5.00% | 4.00% | 1.00% | 10.00% | 4.00% | 5.00% | 14.00% | 4.00% | ||
तालिका 1: कण प्रकार के परीक्षण के परिणाम जिसमें सबसे अच्छी फँसाने की दर होगी। प्रत्येक सामग्री के लिए 25 के 4 सेटों में 100 प्रयासों का कुल नमूना आकार किया गया था।
| काली शराब पेस्ट | डायमंड नैनोकणों 55-75% | ग्रेफ़ाइट | टंगस्टन (12 माइक्रोन) |
| 2.10% | 11.70% | 10.60% | 6.40% |
तालिका 2: एक कैमरा डिटेक्शन सिस्टम के साथ आयोजित कण प्रकार परीक्षण के परिणाम। SQLite डेटाबेस से एकत्र किए गए डेटा. डेटा को शुरू में 4000 प्रति सामग्री के नमूना आकार के लिए 1000 के 4 सेटों में संकलित किया गया था। प्रत्येक सेट के लिए अलग-अलग रिकॉर्ड SQLite से संकलित नहीं किए गए थे; केवल कुल प्रतिशत संकलित किए गए थे।
अनुपूरक फ़ाइल 1: File_1 लेंस Holder.stl. इसमें लेंस धारक के लिए 3D मुद्रण फ़ाइल है ( चित्र 2 देखें). कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 2: File_2 Platform.stl. इसमें कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म के लिए 3D प्रिंटिंग फ़ाइल है ( चित्र 2 देखें)। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 3: File_3-प्लेटफ़ॉर्म होल्डर.stl. इसमें प्लेटफ़ॉर्म होल्डर के लिए 3D मुद्रण फ़ाइल है ( चित्र 2 देखें). कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 4: File_4-रिग Pieces.odg. इसमें रिग टुकड़ों के लिए लेजर-कटिंग फ़ाइल शामिल है ( चित्रा 1 और चित्रा 3 देखें)। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 5: File_5-लाइट Shield.odg. इसमें वैकल्पिक प्रकाश ढाल/अवरोधक के लिए लेजर-कटिंग फ़ाइल शामिल है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
पूरक फ़ाइल 6: File_6-Opt1.system.py. इसमें चरण 4.1 से अनुदेश के उपयोग के लिए संपूर्ण कोड है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 7: File_7-Opt2.Read Me.txt. इसमें 8-11 की अनुपूरक फ़ाइलों के लिए कुछ विवरण के साथ रीडमी फ़ाइल है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।
पूरक फ़ाइल 8: File_8-Opt2.main.py. इसमें चरण 4.2 में पाए गए निर्देशों के लिए मुख्य स्क्रिप्ट है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 9: File_9-Opt2.electromagnet.py. इसमें इलेक्ट्रोमैग्नेट को नियंत्रित करने वाले चरण 4.2 के लिए स्क्रिप्ट है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
अनुपूरक फ़ाइल 10: File_10-Opt2.test_insert.py. इसमें स्वचालित रूप से डेटाबेस में डेटा अपलोड करता है जो चरण 4.2 के लिए स्क्रिप्ट है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
पूरक फ़ाइल 11: File_11-Opt2.camera_controller.py. इसमें चरण 4.2.2 के दौरान कैमरे पर अपलोड करने के लिए आवश्यक स्क्रिप्ट है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें।
Discussion
वर्तमान प्रोटोकॉल में कई आवश्यक चरण होते हैं जो ट्रैपिंग रिग के स्वचालित चलने के लिए महत्वपूर्ण होते हैं। सबसे पहले, विद्युत चुंबक को निर्दिष्ट सर्किट के माध्यम से माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से उचित रूप से जोड़ा जाना चाहिए। विद्युत चुंबक के बिना, लघु परीक्षण रिग की कुल उपयोगिता खो जाती है। विद्युत चुंबक लेजर के पथ में कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म पर कण जलाशय को उठाकर प्रत्येक फँसाने के प्रयास को नियंत्रित करता है। प्रत्येक जाल प्रयास मंच को उठाने और कम करने का एक और चक्र है।
कैमरे का उपयोग केवल प्रोटोकॉल में वर्णित चरण 4.2 में किया जाता है, लेकिन यह उस विकल्प के लिए महत्वपूर्ण है। चरण 4.2 को यह पता लगाने के लिए एक कैमरे की आवश्यकता होती है कि क्या कोई कण फंस गया है, जिससे कई रिग्स से डेटा संग्रह की अनुमति मिलती है। यदि कैमरा सही ढंग से संलग्न नहीं है, तो रिग किसी भी ट्रैपिंग का प्रयास करने में सक्षम नहीं होगा।
तीसरा और सबसे महत्वपूर्ण कदम, चरण 5.2.1, लेजर को संरेखित और केंद्रित कर रहा है। लेंस को रखा जाना चाहिए ताकि फोकल पॉइंट इलेक्ट्रोमैग्नेट के ऊपर हो। कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म इलेक्ट्रोमैग्नेट के ऊपर फोकल पॉइंट से गुजरेगा, जिससे कणों को ट्रैप करने की अनुमति मिलती है। मान लीजिए कि केंद्र बिंदु विद्युत चुंबक के मध्य के ऊपर केंद्रित नहीं है। उस मामले में, यह सुनिश्चित करना चुनौतीपूर्ण हो जाता है कि कणों को ले जाने वाला कैंटिलीवर प्लेटफ़ॉर्म जाल बनाने के लिए फोकल पॉइंट से गुजरेगा। इससे जाल की कमी हो सकती है। यह भी आवश्यक है कि प्लेटफ़ॉर्म को इलेक्ट्रोमैग्नेट पर ऊंचा किया जाए ताकि लेजर पथ लगातार प्लेटफ़ॉर्म से संपर्क न कर सके। यह कैमरे को झूठी सकारात्मक रिपोर्ट करने का कारण बन सकता है। फोकल पॉइंट के स्थान को अधिक आसानी से समायोजित करने के लिए, रिग के सेटअप में ऑप्टिकल रेल का उपयोग करने का सुझाव दिया जाता है; यह उपयोगकर्ताओं को आसानी से लेंस धारक को पीछे या आगे स्लाइड करने के लिए फोकल पॉइंट को ठीक से स्थिति में लाने की अनुमति देगा। लेजर और टेस्ट ट्यूब / कैंटिलीवर भाग पहले से ही संरेखित हैं यदि रिग को उचित रूप से बनाया गया है; ऑप्टिकल रेल का उपयोग लेंस को अन्य भागों के साथ संरेखित रखेगा।
प्रोटोकॉल, चरण 4.1 और चरण 4.2 में दो अलग-अलग विकल्प विस्तृत हैं। पहला विकल्प, चरण 4.1, लघु दोहन रिग चलाने का मूल सरल तरीका है। यह विकल्प एक कैमरा सिस्टम के बजाय कणों का पता लगाने के लिए मानव आंख पर निर्भर करता है। यह विकल्प डेटा के छोटे सेट को जल्दी से या उन स्थितियों में एकत्र करने के लिए सबसे अच्छा है जहां लाइव प्रदर्शन वांछित है। पहले विकल्प का उपयोग पहले दो प्रयोगों के दौरान किया गया था, इससे पहले कि दूसरा विकल्प बनाया गया था। दूसरा विकल्प, चरण 4.2, स्वचालित पहचान और ट्रैपिंग के लिए एक कैमरे का उपयोग करता है, जिससे हजारों परीक्षणों को चलाने और बिना किसी मानव पर्यवेक्षण के डेटाबेस में प्रवेश करने की अनुमति मिलती है। कैमरे की सटीकता सटीक परीक्षण स्थिति पर निर्भर करती है; कुछ अधिक चिंतनशील सामग्री, जब परीक्षण किया जाता है, तो मानव का पता लगाने के साथ किए गए समान परीक्षणों की तुलना में कम सटीक फँसाने की दर दिखाई देती है। हालांकि, कैमरा स्क्रिप्ट में कई पैरामीटर को कैमरे की सटीकता बढ़ाने के लिए बदला जा सकता है। कैमरे की सटीक सटीकता कुछ ऐसी है जिसे सुधारा जा सकता है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण चिंता का विषय भी नहीं है क्योंकि लघु रिग प्रारंभिक परीक्षण के लिए हैं। दूसरे विकल्प को भी आसानी से एक एकल माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड से दो परीक्षण रिग चलाने के लिए संशोधित किया जा सकता है; उस संशोधन के लिए विवरण अनुपूरक फ़ाइल 7 में शामिल हैं।
वर्तमान कार्य मशीन सीखने के माध्यम से स्वचालित जाल का पता लगाने का एक अधिक सटीक और सुसंगत रूप विकसित कर रहा है। यह नई मशीन लर्निंग डिटेक्शन सिस्टम, जब समाप्त हो जाता है, तो सटीकता की बहुत अधिक दर (95% से ऊपर) के साथ फंसे हुए कणों का बेहतर पता लगाने के लिए कनवल्शनल तंत्रिका नेटवर्क का उपयोग करेगा, जो इस तरह के लघु परीक्षण रिग्स के उपयोग और प्रभाव को आगे बढ़ाएगा जो फोटोफोरेटिक ट्रैप डिस्प्ले रिसर्च के भविष्य पर हो सकता है।
अपने वर्तमान आधार रूप में, लघु फँसाने रिग कुछ मायनों में सीमित है। ये लघु रिग एक जाल होने के बाद कण को स्कैन करके वास्तविक ओटीडी बनाने में असमर्थ हैं। डिजाइन ओटीडी बनाने में भविष्य के उपयोग के लिए स्कैनर को जोड़े जाने की संभावना को भी सीमित करता है। डिजाइन की एक और सीमा एक विशिष्ट परीक्षण होने के लिए अतिरिक्त घटकों की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, लेजर पावर टेस्ट के दौरान विभिन्न ऑप्टिकल आउटपुट पावर स्तरों पर डेटा सेट एकत्र करने के लिए एक चर ऑप्टिकल एटेन्यूएटर का उपयोग किया गया था। इसी तरह, यदि कोई शोधकर्ता भविष्य के परीक्षण में लेजर तरंग दैर्ध्य का परीक्षण करना चाहता है, तो उन्हें इस काम में उपयोग किए जाने वाले लेजर के अलावा विभिन्न तरंग दैर्ध्य के साथ तुलनीय ऑप्टिकल शक्ति के कई अन्य लेजर की आवश्यकता होगी। रिग को प्रत्येक लेजर को पकड़ने के लिए अतिरिक्त संशोधनों की आवश्यकता होगी, यह प्रक्रिया उस गति को सीमित करेगी जिस पर इस तरह का परीक्षण किया जा सकता है, लेकिन यह अभी भी संभव होगा। यह डिजाइन प्रत्येक लेंस के लिए एक नए लेंस धारक को 3 डी प्रिंट करने की आवश्यकता से भी निर्धारित किया जाता है। डिजाइन और आवेदन भी गोलाकार द्विउत्तर लेंस तक सीमित हैं, जो उन क्षेत्रों को बनाने के लिए गोलाकार विपथन का उत्पादन करते हैं जहां फँसाना हो सकता है।
आगे बढ़ते हुए, भविष्य के अनुप्रयोगों में निरंतर परीक्षण और फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग पैरामीटर का अनुकूलन शामिल है। जैसा कि ऊपर संक्षेप में उल्लेख किया गया है, लघु फँसाने वाले रिग को आसानी से वाई-अक्ष और एक्स-अक्ष नियंत्रण के लिए स्कैनर जोड़कर एक बुनियादी सस्ती ओटीडी प्रणाली में संशोधित किया जा सकता है। लघु फँसाने रिग में उपयोग किए जाने वाले विद्युत चुंबक-नियंत्रित कण वितरण को भविष्य के उन्नत ओटीडी सिस्टम में भी लागू किया जा सकता है।
लघु फँसाने रिग अंततः अद्वितीय और अनुसंधान के इस क्षेत्र में अलग है क्योंकि यह सस्ती और जल्दी से गढ़ा जा सकता है, तेजी से बड़े पैमाने पर परीक्षण के लिए अनुमति देता है। इन रिग्स का मतलब फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग पैरामीटर के प्रारंभिक परीक्षण और अनुकूलन के लिए डिज़ाइन किए गए दुबला सिस्टम होना चाहिए। एक व्यक्तिगत रिग प्रति घंटे ~ 250 प्रयासों की दर से परीक्षण कर सकता है। कई अन्य प्रकार के फोटोफोरेटिक ट्रैपिंग सिस्टम या रिग्स को बेहतर स्वचालित प्रणालियों के लिए विकसित किया गया है या एक सफल ट्रैप 1,8 के बाद एक छवि बनाने के लिए कण को स्कैन करके अधिक पूरा किया गया है। ये लघु फँसाने वाली प्रणालियां ऐसी प्रणालियों के उपयोग को प्रतिस्थापित करने के लिए नहीं हैं। वे जल्दी से पैरामीटर और photophoretic फँसाने की शर्तों का परीक्षण करने के लिए शोधकर्ताओं को क्या अच्छा photophoretic फँसाने के लिए बनाता है की एक बेहतर समझ देने का इरादा कर रहे हैं. लघु फँसाने रिग photophoretic जाल अनुसंधान democratize और अनुसंधान के इस क्षेत्र में एडिसोनियन प्रयोग और प्रगति की एक नई लहर के लिए अनुमति देगा।
Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
लेखक कृतज्ञतापूर्वक राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन से वित्तीय सहायता को स्वीकार करते हैं। एनएसएफ पुरस्कार आईडी-1846477।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4In Plywood | NA | Sized to fit in Laser-cutter (normally 1 x 1 ft) | |
| 3D FDM Printer | Raise 3D | Pro 2 | Any equivalent equipment would suffice |
| 3D Laser-cutter Printer | Glow Forge | Basic | Any equivalent equipment would suffice |
| 5V Power Supply | AC/DC Adaptor | ||
| Alumiunum Powder | bioWORLD | 10576 | APS 17-30 micron |
| Black Aluminum Foil Tape | LLTP BF255 (on Amazon) | other types of foil (black foil) can be used instead if desired | |
| Black Liquor | a recycled byproduct formed during the pulping of wood | ||
| Button Magnet | Mealos | 8 x 2 mm | |
| Class 3B Laser 405 nm (Tube Laser) | M-16A405-300-G | Any Optical Output Power and wavelength could be used for testing. For reproducing this work 405 nm and ~120 mW should be used | |
| Diamond Nanoparticles 55-75% | SkySpring Nanomaterials | 0512HZ | 55-75% purity, APS 4-15 nm |
| Diamond Nanoparticles 95% | SkySpring Nanomaterials | 0510HZ | 95% purity, APS 3-4 nm |
| Electromagnet | Wuxue Wn Fang Electric | WP-P25/20 | |
| Glass cutter | Dyna-cut | model 500-1 | any standard glass cutter or wet-cutter could be used |
| Graphite powder | AeroMarine Products | 325 Mesh, APS 44 microns | |
| Jumper Wires | Elegoo | Male to Female wires and Male to Male wires are needed | |
| Lens | Surplus Shed | L8435 | 32 mm Daimeter, 80 mm Focal Length. Any 32 mm lens will fit into current lens holder design |
| Nigrosin (Formalin-Nigrosin) | Innovating Science | IS5818 | 30 mL , actually found on Amazon |
| Open MV Camera | Open MV | M7 | Any equivalent Open MV camera should work |
| Open MV IDE | Open MV | optional free to download integrated development enviroment from OpenMV | |
| Optical Attenuator (Variable Neutral Density Filters) | THORLABS | NDC-100C-2 | |
| Optical Rail | THORLABS | RLA1200 | 12'' optical rail |
| Printer Toner (CISinks Universal Toner) | CISinks | TN420,TN450, TN540, TN660, TN720 Toner powder. Found on Amazon | |
| Raspberry Pi | Raspberry PI | Pi-4 Model B | Any Pi 3 or 4, model B or B+ should suffice (referenced in text as a microcontroller board) |
| Tungsten Powder 12 Micron | Alfa Aesar | 10401-22 | APS 12 micron |
| Tungsten Powder 1-5 Micron | Alfa Aesar | 10400-22 | APS 1-5 micron |
| USB to Micro USB cord | Any company/ model will suffice | ||
| Voltage Regulator | STMicroelectronics | LM317t |
References
- Smalley, D., et al.
- Rohatschek, H. Direction, magnitude and causes of photophoretic forces. Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).
- Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment. Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).
- Ke, P. C., Gu, M. Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration. Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).
- Blundell, B. G. On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm. 3D Research. 8, 11 (2017).
- Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. Progress on photophoretic trap displays. Frontiers in Optics / Laser Science. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (2018).
- Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. Improving photophoretic trap volumetric displays. Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).
- Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis. SPIE Proceedings. 10723, 02 (2018).
- Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out. Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).
- Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam. Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).
