Установка для исследования материалов и растворов методом объемных индикатрис светорассеяния
INSTALLATION FOR MATERIAL AND SOLUTION ANALYSIS BY METHOD OF VOLUMETRIC LIGHT SCATTERING INDICATRIX

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в химии и материаловедении для исследования наночастиц в жидких, газовых средах и твердотельных наноструктурированных материалах методом индикатрис светорассеяния.
Известна установка для исследования наноструктурированных материалов и химических реакций методом индикатрис светорассеяния (https://moluch.ru/archive/66/11066/). Установка содержит лазер, фотодиоды,  печатную плату, Arduino Mega 2560, компьютер.
Недостатки – фотодиоды расположены радиально в одной плоскости, что  позволяет измерять интенсивность рассеянного света только в одном положении, этого недостаточно для точного анализа исследуемого образца, кроме того, для управления установкой и обработки данных используется стороннее программное обеспечение компании National Instruments.
Известно устройство для исследования материалов методом индикатрис светорассеяния, содержащее расположенные в одной плоскости источник излучения и фотоприемники, размещенные по окружности таким образом, что ось источника излучения проходит через центр окружности, держатели для установки образцов исследуемых сред и материалов, первый из которых для образцов жидких и газообразных сред, содержащих наночастицы, а второй для образцов прозрачных твердотельных наноструктурированных материалов обеспечивают размещение образцов в центре окружности размещения фотоприемников, а третий держатель для образцов непрозрачных твердотельных наноструктурированных материалов обеспечивает размещение этого образца на линии окружности размещения фотоприемников по ходу излучения за центром окружности размещения фотоприемников, при этом фотоприемники электрически соединены с входом блока операционных усилителей, выход которого соединен с входом микроконтроллера, который связан с компьютером. Между источником излучения и фотоприемниками по ходу излучения размещена оптическая система линз, увеличивающая диаметр луча до заданного размера, а третий держатель для образцов непрозрачных твердотельных наноструктурированных материалов закреплен на валу сервопривода, электрический вход которого связан с микроконтроллером (патент RU167044, МПК G01N 21/00, опубл. 20.12.2016 г.). Принято за прототип.
Недостатком является низкая информативность получаемых в ходе измерения индикатрис статического рассеяния света и недостаточные условия, созданные для уменьшения влияния сторонней засветки фотодиодов.
Задачей изобретения является создание установки для исследования материалов методом индикатрис светорассеяния, исключающей недостатки аналогов.
Технический результат - повышение информативности объемных индикатрис светорассеяния.
Задача решается, а технический результат достигается установкой для исследования материалов и растворов методом объемных индикатрис светорассеяния, включающей измерительный элемент, источник излучения в виде лазера,  фотоприемники в виде фотодиодов, операционные усилители, микроконтроллер, держатель для установки образцов исследуемых сред и материалов, причем фотодиоды электрически соединены с входом блока операционных усилителей, выход которого соединен с входом микроконтроллера, который связан с компьютером. В отличие от прототипа измерительный элемент выполнен из PLA-пластика в виде дуги с размещенными на ней pin-фотодиодами с возможностью ее вращения относительно источника излучения через определенные промежутки времени на заданный угол посредством сервопривода, к валу которого закреплен один конец  измерительного элемента, при этом второй конец измерительного элемента с помощью шарикового подшипника зафиксирован вокруг оси источника излучения, который представляет собой маломощный красный лазер, связанный с блоком питания, причем исследуемый образец расположен внутри сферы вращения измерительного элемента, а рабочая зона, в которую помещается исследуемый образец, изолирована от внешней засветки с помощью полусферического корпуса, который имеет светопоглощающую поверхность и расположен вокруг траектории движения измерительного элемента, при этом установка имеет измерительный блок, в котором размещены электрическая схема, генератор сигнала, микроконтроллер, индикаторы работы установки, тумблеры переключения и выход для подключения к компьютеру и сети.
Согласно изобретению рабочая зона оснащена универсальным зажимом, позволяющим фиксировать кюветы и подложки для размещения исследуемого образца в определенной точке рабочей зоны.
Технический результат достигается следующим.
Использование лазера малой мощности с соответствующей длиной излучения (красный лазер - 650 нм) приводит к отсутствию нежелательного разогрева исследуемых образцов и нежелательной люминесценции. Установка обеспечивает отсутствие механического контакта измерительного  элемента с образцом, так как образец взаимодействует только с лазерным пучком. Фотодиоды, расположенные вдоль дуги измерительного элемента, который выполнен с возможностью вращения относительно образца, обеспечивают регистрацию интенсивности рассеянного света в объеме.  Все это приводит к повышению информативности объемных индикатрис светорассеяния.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана заявляемая установка для исследования материалов и растворов методом объемных индикатрис светорассеяния.
Установка включает измерительный элемент 1 из PLA-пластика в виде дуги, источник излучения 2 в виде маломощного красного лазера,  фотоприемники 3 в виде pin-фотодиодов, операционные усилители 4, микроконтроллер 5, держатель 6 для установки образцов исследуемых сред и материалов, причем фотодиоды электрически соединены с входом блока операционных усилителей, выход которого соединен с входом микроконтроллера, который связан с компьютером (не показано).  Измерительный элемент 1 имеет возможность вращения относительно источника излучения 2 через определенные промежутки времени на заданный угол посредством сервопривода 7, к валу которого закреплен один конец  измерительного элемента, при этом второй конец измерительного элемента с помощью шарикового подшипника 8 зафиксирован вокруг оси источника излучения, причем исследуемый образец расположен внутри сферы вращения измерительного элемента, а рабочая зона, в которую помещается исследуемый образец, изолирована от внешней засветки с помощью полусферического корпуса 9, который имеет светопоглощающую поверхность и расположен вокруг траектории движения измерительного элемента. Блок питания обозначен позицией 10, электрическая схема - 11, индикаторы работы установки - 12, тумблеры переключения - 13 и выходы для подключения к компьютеру и сети - 14.
Установка работает следующим образом.
Перед началом измерения исследуемый образец закрепляется с помощью держателя 6 и рабочая зона закрывается с помощью полусферического корпуса 9. Далее с помощью тумблера 13 включается блок питания 10, регулирующий интенсивность источника излучения 2. После этого с помощью компьютера (не показано), который подсоединен к установке через предусмотренный выход 14, задаются параметры и условия измерения. После запуска измерения на компьютере измерительный элемент 1 приводится в движение и двигается по поверхности полусферы относительно образца на заданный в программе угол с помощью закрепленного с одной стороны дуги сервопривода 7 и подшипника 8, закрепленного с другой. Интенсивность рассеянного на образце света фиксируется с помощью фотодиодов 3, далее сигнал усиливается за счет операционных усилителей 4, расположенных на электрической схеме 11, и преобразуется в цифровой с помощью микроконтроллера5, соединенного с компьютером через выход 14. После окончания измерения загорается световой индикатор 12.
Использование лазера малой мощности с соответствующей длиной излучения (красный лазер - 650 нм) приводит к отсутствию нежелательного разогрева исследуемых образцов и нежелательной люминесценции. Установка обеспечивает отсутствие механического контакта измерительного  элемента с образцом, так как образец взаимодействует только с лазерным пучком. Фотодиоды, расположенные вдоль дуги измерительного элемента, который выполнен с возможностью вращения относительно образца, обеспечивают регистрацию интенсивности рассеянного света в объеме.  Все это приводит к повышению информативности объемных индикатрис светорассеяния.
Таким образом, заявляемая установка для исследования материалов методом индикатрис светорассеяния позволяет повысить информативность объемных индикатрис светорассеяния.