Время полета ( ToF ) - это измерение времени, затрачиваемого объектом, частицей или волной (акустической, электромагнитной и т. Д.) На преодоление расстояния через среду. Затем эту информацию можно использовать для установления стандарта времени (например, атомного фонтана ), как способ измерения скорости или длины пути или как способ узнать о свойствах частицы или среды (таких как состав или скорость потока). Движущийся объект может быть обнаружен напрямую (например, с помощью детектора ионов в масс-спектрометрии) или косвенно (например, с помощью света, рассеянного от объекта в лазерной доплеровской велосиметрии ).
Обзор [ править ]
В электронике одним из первых устройств, использующих этот принцип, являются ультразвуковые устройства для измерения расстояния, которые излучают ультразвуковой импульс и могут измерять расстояние до твердого объекта на основе времени, необходимого для отражения волны обратно к излучателю. Метод ToF также используется для оценки подвижности электронов . Первоначально он был разработан для измерения тонких пленок с низкой проводимостью, позже адаптирован для обычных полупроводников. Этот экспериментальный метод используется для структур металл-диэлектрик-металл [1], а также для органических полевых транзисторов. [2] Избыточные заряды генерируются при применении лазера или импульса напряжения.
Для магнитно-резонансной ангиографии (МРА) ToF является основным методом. В этом методе кровь, попадающая в область изображения, еще не насыщена, что дает гораздо более высокий сигнал при использовании короткого времени эхо-сигнала и компенсации потока. Его можно использовать при обнаружении аневризмы , стеноза или расслоения . [3]
Во времяпролетной масс-спектрометрии ионы ускоряются электрическим полем до той же кинетической энергии, что и скорость иона, в зависимости от отношения массы к заряду . Таким образом, время пролета используется для измерения скорости, по которой можно определить отношение массы к заряду. [4] Время пролета электронов используется для измерения их кинетической энергии. [5]
В ближней инфракрасной спектроскопии метод ToF используется для измерения длины оптического пути, зависящей от среды, в диапазоне длин оптических волн, на основе которых можно анализировать состав и свойства среды.
При измерении ультразвуковым расходомером ToF используется для измерения скорости распространения сигнала вверх и вниз по потоку среды, чтобы оценить общую скорость потока. Это измерение выполняется в направлении, коллинеарном потоку.
В планарной доплеровской велосиметрии (измерение оптического расходомера) измерения ToF выполняются перпендикулярно потоку по времени, когда отдельные частицы пересекают два или более местоположения вдоль потока (для коллинеарных измерений обычно требуются высокие скорости потока и чрезвычайно узкополосные оптические фильтры).
В оптической интерферометрии разница в длине пути между образцом и эталонным плечами может быть измерена методами ToF, такими как частотная модуляция с последующим измерением фазового сдвига или взаимная корреляция сигналов. Такие методы используются в лазерных радарах и лазерных системах слежения для измерения расстояний на средних и дальних дистанциях.
При времяпролетном рассеянии нейтронов импульсный монохроматический нейтронный пучок рассеивается на образце. Энергетический спектр рассеянных нейтронов измеряется по времени пролета.
В кинематике ToF - это продолжительность полета снаряда по воздуху. Учитывая начальную скорость частицы, запущенной с земли, ускорение вниз (т.е. гравитационное) и угол проекции снаряда θ (измеренный относительно горизонтали), тогда простая перестановка уравнения SUVAT
приводит к этому уравнению
на время полета снаряда.
В масс-спектрометрии [ править ]
Принцип времени пролета может применяться в масс-спектрометрии . Ионы ускоряются электрическим полем известной силы. Это ускорение приводит к тому, что ион имеет такую же кинетическую энергию, что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношения массы к заряду . Затем измеряется время, за которое частица достигает детектора на известном расстоянии. Это время будет зависеть от отношения массы к заряду частицы (более тяжелые частицы достигают более низких скоростей). Из этого времени и известных экспериментальных параметров можно найти отношение массы к зарядуиона. Время, прошедшее с момента, когда частица покидает источник, до момента, когда она достигает детектора.
В расходомерах [ править ]
Ультразвуковой расходомер измеряет скорость жидкости или газа через трубу с помощью акустических датчиков. Это имеет некоторые преимущества перед другими методами измерения. На результаты немного влияют температура, плотность или проводимость. Обслуживание недорогое, потому что нет движущихся частей . Ультразвуковые расходомеры бывают трех различных типов: расходомеры с трансмиссией (время прохождения в обратном направлении), расходомеры с отражением (доплеровские) и расходомеры с открытым каналом. Расходомеры времени прохождения работают путем измерения разницы во времени между ультразвуковым импульсом, отправленным в направлении потока, и ультразвуковым импульсом, отправленным в противоположном направлении. Доплеровские расходомеры измеряют доплеровский сдвигчто приводит к отражению ультразвукового луча от мелких частиц в жидкости, пузырьков воздуха в жидкости или турбулентности текущей жидкости. Расходомеры в открытых каналах измеряют уровни перед лотками или водосливами .
Оптические времяпролетные датчики состоят из двух световых лучей, проецируемых в жидкость, обнаружение которых либо прерывается, либо инициируется прохождением мелких частиц (которые, как предполагается, следуют за потоком). Это не отличается от оптических лучей, используемых в качестве устройств безопасности в моторизованных гаражных воротах или в качестве триггеров в системах сигнализации. Скорость частиц рассчитывается, зная расстояние между двумя лучами. Если есть только один детектор, то разницу во времени можно измерить с помощью автокорреляции.. Если есть два детектора, по одному для каждого луча, то направление также может быть известно. Поскольку расположение лучей относительно легко определить, точность измерения зависит, прежде всего, от того, насколько малой может быть установка. Если лучи расположены слишком далеко друг от друга, поток между ними может существенно измениться, поэтому измерение становится средним по этому пространству. Более того, несколько частиц могут находиться между ними в любой момент времени, и это повредит сигнал, поскольку частицы неразличимы. Чтобы такой датчик предоставлял достоверные данные, он должен быть небольшим по сравнению с масштабом потока и плотностью посева. Подходы MOEMS позволяют получить чрезвычайно маленькие корпуса , что делает такие датчики применимыми в различных ситуациях. [6]
В физике [ править ]
Обычно времяпролетную трубку, используемую в масс-спектрометрии, хвалят за простоту, но для точных измерений заряженных частиц низкой энергии электрическое и магнитное поле в трубке необходимо контролировать в пределах 10 мВ и 1 нТл соответственно.
Работа гомогенность трубки можно управлять с помощью зонда Кельвина . Магнитное поле можно измерить с помощью феррозондового компаса . Высокие частоты пассивно экранируются и демпфируются материалом, поглощающим радары.. Для создания произвольного поля низких частот экран разделен на пластины (перекрывающиеся и соединенные конденсаторами) с напряжением смещения на каждой пластине и током смещения на катушке за пластиной, поток которой замыкается внешним сердечником. Таким образом, трубка может быть сконфигурирована так, чтобы действовать как слабая ахроматическая квадрупольная линза с апертурой с сеткой и детектором линии задержки в плоскости дифракции для выполнения измерений с угловым разрешением. Изменяя поле, можно изменить угол поля зрения и наложить отклоняющее смещение для сканирования по всем углам.
Когда детектор с линией задержки не используется, фокусировка ионов на детекторе может быть достигнута с помощью двух или трех линз Эйнцеля, помещенных в вакуумную трубку, расположенную между источником ионов и детектором.
Образец должен быть погружен в трубку с отверстиями и отверстиями для защиты от рассеянного света, чтобы проводить магнитные эксперименты и контролировать электроны с самого начала.
См. Также [ править ]
- Задержка распространения
- Время в оба конца
- Времяпролетная камера
- Время прибытия
- Время передачи
Ссылки [ править ]
- ^ RG Кеплер (1960). «Производство носителей заряда и мобильность в кристаллах антрацена». Phys. Ред . 119 (4): 1226. Bibcode : 1960PhRv..119.1226K . DOI : 10.1103 / PhysRev.119.1226 .
- ^ М. Вайс; J. Lin; Д. Тагучи; Т. Манака; М. Ивамот (2009). "Анализ переходных токов в органических полевых транзисторах: времяпролетный метод". J. Phys. Chem. C . 113 (43): 18459. дои : 10.1021 / jp908381b .
- ^ "Магнитно-резонансная ангиография (MRA)" . Больница Джона Хопкинса . Проверено 15 октября 2017 .
- ^ Коттер, Роберт Дж. (1994). Времяпролетная масс-спектрометрия . Колумбус, Огайо: Американское химическое общество . ISBN 0-8412-3474-4.
- ^ Методы времени пролета для исследования распределения кинетической энергии ионов и нейтралов, десорбированных возбуждениями ядра
- ^ Modarress, D .; Свитек, П .; Modarress, K .; Уилсон, Д. (июль 2006 г.). «Микрооптические датчики для исследования течения в пограничном слое» (PDF) . 2006 Совместное американо-европейское летнее совещание ASME по проектированию жидкостей : 1037–1044. DOI : 10.1115 / FEDSM2006-98556 . ISBN 0-7918-4751-9.
