УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КЛАСТЕРОВ И МИКРОЧАСТИЦ В ЖИДКОСТЯХ

Полезная модель относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения микрочастиц в жидкостях. В частности, предложенный прибор может быть применен в биологии и технике для измерения размеров и концентрации так называемых «больших молекул» - кластеров в различных жидкостях. В воде, например, характерные размеры кластеров составляют от 1 до 10 000 нм.
Широко известны методы измерения микрочастиц в растворах, основанные на использовании микроскопов [1]. К сожалению для регистрации сверхмалых кластеров с размерами ~ 1нм требуются уникальные, т.е. дорогостоящие и громоздкие микроскопы, например, с электронными пучками, которые в водных растворах применять невозможно из-за их сильного поглощения водой. Во всех случаях использование этих дорогостоящих немобильных устройств существенно ограничивает возможности практического оперативного контроля за изменениями кластерной структуры жидкости под воздействием, например, внешних энергоисточников, что необходимо для развития ряда перспективных технологий.
Для решения задачи измерения кластеров может быть применен метод лазерной корреляционной спектроскопии (ЛКС) [2], реализованный в диагностическом приборе «PhotoCor», выбранном нами в качестве прототипа [3]. Это лазерный корреляционный спектрометр, в котором для измерения микрочастиц в жидкостях применен физический принцип построения функции корреляции рассеянного на этих частицах излучения. Данные о размерах микрочастиц получают путем математической обработки результатов экспериментальных измерений этой функции. Прибор содержит гелий-неоновый лазер, кювету с исследуемой жидкостью, линзы, светопоглотитель, фотоэлектронный усилитель, усилитель-дискриминатор сигнала ФЭУ, электронный блок обработки сигнала с ФЭУ и компьютер.
Луч гелий-неонового лазера через линзу попадает в кювету с исследуемой жидкостью, где происходит его частичное рассеяние на микрочастицах. Рассеянное излучение с помощью фокусирующей линзы
поступает в фотоэлектронный умножитель с усилителем-дискриминатором сигнала. Далее электрический сигнал обрабатывается в компьютере по специальной программе для вычисления размеров и концентрации микрочастиц.
Основная часть лазерного излучения проходит через кювету без потерь и затем поглощается светопоглощающим экраном, установленным рядом с кюветой.
-3
-9
Физический принцип действия ЛКС-спектрометра основан на использовании известного физического явления, связанного с взаимодействием света (лазерного излучения) с движущимися в прозрачной среде частицами. В результате такого взаимодействия из-за известного в классической физике эффекта Допплера, очень небольшая часть (10÷10) лазерного излучения с частотой ν рассеивается на этих движущихся (колеблющихся) частицах, при этом рассеянное излучение изменяет свой спектр, в нем наблюдается частотный сдвиг Δν. За пределами кюветы наблюдается рассеянное излучение с частотами ν±Δν. В водных растворах при нормальной температуре характерное диффузное движение кластеров приводит, как правило, к допплеровскому сдвигу частоты Δν от 1 до 10000гц.
15
-14
-12
Задача измерительного прибора ЛКС - зарегистрировать эти изменения частоты на фоне типичного для лазерного излучения диапазона частот ~ 10 гц, при этом необходимое разрешение измерительной схемы прибора должно составлять приблизительно 10÷10.
Для решения такой технически сложной задачи в измерительном приборе «PhotoCor» использован дорогой высококачественный ФЭУ, работающий в накопительном режиме счета фотонов, сигнал с ФЭУ поступает на уникальную, специально разработанную электронную плату-коррелятор. Но тем не менее даже применение этих дорогих, уникальных устройств в наиболее важном для практики случае небольших концентраций малоразмерных кластеров, когда рассеяние излучения является особенно слабым, не освобождает от необходимости обеспечения длительного времени накопления сигнала. При таком режиме работы на каждое измерение требуется затратить много времени, что является существенным недостатком прибора.
Техническим результатом предложенного нами технического решения является устранение указанных недостатков прибора «PhotoCor», а именно:
- Существенное сокращение длительности одного измерения;
- Уменьшение весогабаритных характеристик;
- Замена дорогих узлов прибора (гелий-неонового лазера, ФЭУ...) на надежные дешевые полупроводниковые изделия (эта замена производится при сохранении высоких диагностических возможностей нового прибора);
Для достижения этого технического результата предложено усовершенствовать известное устройство для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях, содержащее лазер с оптическим трактом для
транспортировки лазерного излучения, на пути которого установлена кювета для исследуемой жидкости, на одном выходе из кюветы последовательно по ходу луча размещены фотоприемник и электронный блок математической обработки сигнала с накопительной системой регистрации сигнала, а у второго выхода из кюветы установлен светопоглощающий экран.
Усовершенствование заключается в том, что в оптический тракт для транспортировки лазерного излучения перед кюветой устанавливают светоделительный шеврон, расщепляющий лазерный пучок на два луча, один из которых опорный, составляет (0,01÷0,001) часть мощности основного луча, при этом перед входом в кювету опорного луча установлен оптический компенсатор для уравнивания оптического хода опорного луча с оптическим ходом рассеянной в кювете частью излучения основного луча.
Существо полезной модели поясняется прилагаемой схемой устройства для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях.
Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, на выходе которого установлен светоделительный шеврон 2, в котором от основного луча 3 отщепляется опорный луч 4, составляющий (0,01÷0,001) часть мощности основного луча. На пути лучей от светоделительного шеврона 2 размещена кювета 5 для исследуемой жидкости, имеющая два входа - один для прохождения основного луча 3, а второй - для опорного луча 4 и два выхода, на одном из которых установлен светопоглощающий экран 6, а на втором фотоприемник 7. Далее по ходу луча из фотоприемника 7 последовательно установлены - электронный блок 8 математической обработки сигнала и компьютер (ЭВМ) 9.
Перед входом 1 в кювету 5 опорного луча 4 установлен оптический компенсатор 10.
Действие нашего прибора «кластерометра» происходит следующим образом. Луч полупроводникового лазера 1 мощностью от 1 до 100 милливатт поступает на светоделительный шеврон 2, в котором от основного луча 3 отщепляется опорный луч 4. Далее оба луча поступают в кювету 5 с исследуемой жидкостью. Здесь основной луч частично рассеивается на микрочастицах (кластерах), содержащихся в жидкости. Большая часть основного луча не рассеивается, она выходит из кюветы и поглощается светопоглотительным экраном 6. Опорный луч 4 (гетеродин), прежде чем смешаться с частью рассеянного излучения, поступает в оптический компенсатор 10, где путем введения оптических пластин разной толщины происходит уравнивание разницы оптического хода лучей опорного и рассеянного излучений, что обеспечивает условия [2] для возникновения биений амплитуды суммарного излучения на входе в фотоприемник 7, где эти биения превращаются в флуктуации фототока. Далее в электронном блоке 8, этот флуктуирующий электрический сигнал обрабатывается с помощью специальных, но относительно несложных математических методов и поступает в ЭВМ 9 для представления итоговых результатов в удобном для пользователя виде, содержащем размеры и концентрации кластеров.
Применение в предложенном устройстве гетеродинного приема со смешиванием рассеянного излучения с опорным сигналом позволяет существенно увеличить полезный сигнал. Здесь отношение амплитуд сигнала гетеродина к рассеянному сигналу может составить от 100 до 10000. Особенно сильно этот выигрыш проявляется при работе со слабыми сигналами, т.е. в тех практически ценных случаях, когда размеры и концентрация кластеров в жидкости малы.
Названное обстоятельство позволяет работать с малыми временами измерений и исследовать тонкие детали функции рассеяния, что, например, открывает актуальную для практики возможность регистрации пространственной формы кластеров. Прибор фирмы «PhotoCor» подобные исследования обеспечить не может. Еще одно преимущество предложенного устройства связано с использованием простого полупроводникового приемника вместо уникального ФЭУ и, как следствие, - более дешевого электронного блока обработки сигналов.
Использованные источники информации:
1. «Оптика», монография Г.С.Ландсберга М. 1957 г.
2 «Лазерная корреляционная спектроскопия в медицине», изд. «Друк», монография Ю.И.Бажара, Л.А.Носкина, Одесса, 2002 г.
3 I.K.Yudin et al. Int.J.Thermophys, №18, (pp l237-1248), 1997