RU2448340C1 - Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method - Google Patents
Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2448340C1 RU2448340C1 RU2010134833/28A RU2010134833A RU2448340C1 RU 2448340 C1 RU2448340 C1 RU 2448340C1 RU 2010134833/28 A RU2010134833/28 A RU 2010134833/28A RU 2010134833 A RU2010134833 A RU 2010134833A RU 2448340 C1 RU2448340 C1 RU 2448340C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- radiation
- fluorescence
- scattering
- plane
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам оптического контроля фракционно-дисперсного состава многокомпонентных аэрозолей, и может быть использовано, например, при контроле состояния окружающей среды, в том числе при контроле за выбросами химических и микробиологических производств, чистоты воздуха в промышленных и населенных зонах, при защите от биологического терроризма.The invention relates to a control and measuring technique, in particular, to means for optical control of the fractionally dispersed composition of multicomponent aerosols, and can be used, for example, in monitoring the state of the environment, including monitoring emissions of chemical and microbiological productions, air purity in industrial and populated areas protected against biological terrorism.
Известен ламповый прибор для определения состава аэрозолей на основе люминесцентного анализа индивидуальных частиц по патенту РФ №2279663, МПК G01N 15/02, опубл. 20.11.2005 г. В этом приборе свет от лампового источника излучения собирается зеркально-линзовым фокусирующим объективом в анализируемый объем, через который проходят частицы аэрозоля. Переизлученные потоки света собираются оптической системой регистрации и направляются ею на полевую диафрагму, а затем - на фотоприемники. Устройство выполнено таким образом, что пространства телесных углов фокусировки и светосбора не пересекаются, и оптические оси фокусирующего объектива и оптической системы регистрации не совпадают. Далее сигналы направляются на систему обработки. Анализ сигналов позволяет сделать вывод о пофракционном составе аэрозолей.Known tube device for determining the composition of aerosols based on luminescent analysis of individual particles according to the patent of Russian Federation No. 2279663, IPC G01N 15/02, publ. November 20, 2005. In this device, light from a lamp radiation source is collected by a mirror-lens focusing lens into the analyzed volume through which aerosol particles pass. Re-emitted light streams are collected by the optical registration system and directed by it to the field diaphragm, and then to photodetectors. The device is designed in such a way that the spaces of solid focus angles and light collection do not intersect, and the optical axes of the focusing lens and the optical registration system do not coincide. Next, the signals are sent to the processing system. Signal analysis allows us to conclude that the aerosol composition is fractional.
Данное устройство позволяет достичь высокой покомпонентной чувствительности анализа за счет последовательного разделения сигналов по трем спектральным диапазонам люминесценции и рассеяния на исследуемых частицах. Однако применение в качестве элемента, собирающего оптический сигнал, линзового фокусирующего объектива, ведет к снижению уровня регистрируемого полезного сигнала и, как следствие, к снижению чувствительности при той же мощности возбуждающего источника.This device allows you to achieve high component-wise sensitivity of the analysis due to the sequential separation of signals in the three spectral ranges of luminescence and scattering on the studied particles. However, the use of a lens focusing lens as an element collecting an optical signal leads to a decrease in the level of the recorded useful signal and, as a result, to a decrease in sensitivity at the same power of the exciting source.
Кроме того, использование плоскости, проходящей через область анализа, в качестве предметной способствует влиянию неоднородной чувствительности приемника оптического излучения (ПОИ) на величину сигнала для смещенных из фокуса частиц.In addition, the use of a plane passing through the analysis region as an object contributes to the influence of the inhomogeneous sensitivity of the optical radiation receiver (POI) on the signal value for particles displaced from the focus.
Кроме того, наличие широкоугольного лампового источника излучения усложняет применение оптических ловушек для вывода излучения из проточной камеры и уменьшает эффективность подавления излучения оптических шумов.In addition, the presence of a wide-angle tube radiation source complicates the use of optical traps for removing radiation from the flow chamber and reduces the efficiency of suppressing the emission of optical noise.
Известна оптическая система регистрации в устройстве регистрации флуоресцирующих биологических частиц по патенту США на изобретение № US 5895922, МПК С12М 1/34; G01N 15/14; G01N 21/64, опубл. 20.04.1999 г., в которой для сбора излучения люминесценции применена изображающая линзовая оптика, т.е. изображение области анализа строится в плоскости диафрагмы перед приемниками. Такая оптика обладает довольно низкой эффективностью сбора излучения, что предъявляет дополнительные требования к обрабатывающей электронике и источнику излучения (с увеличением мощности растут габариты УФ-лазера, например, в качестве источника использовался лазер с длиной волны ≈ 100 см).Known optical registration system in the registration device of fluorescent biological particles according to US patent for the invention No. US 5895922, IPC С12М 1/34; G01N 15/14; G01N 21/64, publ. 04/20/1999, in which imaging lens optics was used to collect luminescence radiation, i.e. The image of the analysis area is built in the plane of the diaphragm in front of the receivers. Such optics have a rather low radiation collection efficiency, which imposes additional requirements on the processing electronics and the radiation source (the dimensions of the UV laser increase with increasing power, for example, a laser with a wavelength of ≈ 100 cm was used as a source).
Кроме того, в данном устройстве используется только один спектральный диапазон для сбора сигналов люминесценции (400-540 нм), что заметно ухудшает разделение частиц по независимым характеристикам. Размер частицы определяется методом последовательного прохождения частицы через два разнесенных лазерных луча, что заметно усложняет конструкцию прибора и повышает требования к точности юстировки оптической части прибора.In addition, this device uses only one spectral range to collect luminescence signals (400-540 nm), which significantly impairs the separation of particles by independent characteristics. The particle size is determined by the method of sequential passage of the particle through two spaced laser beams, which significantly complicates the design of the device and increases the accuracy requirements for alignment of the optical part of the device.
К тому же фоновый оптический шум, попавший в оптическую систему регистрации от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы, может быть снижен только электронным способом, что приводит к некорректной обработке данных, в том числе при регистрации слабых сигналов флуоресценции на уровне оптического фона.In addition, the background optical noise that got into the optical registration system from possible spurious illumination by the exciting radiation of system elements can only be reduced electronically, which leads to incorrect data processing, including the registration of weak fluorescence signals at the level of the optical background.
Известна электрооптическая система устройства для определения флуоресцирующих компонентов в аэрозолях по патенту США на изобретение № US 5999250, МПК G01N 15/14; G01N 15/00; G01N 21/64; G01N 15/02, опубл. 07.12.1999 г.Known electro-optical system of a device for determining fluorescent components in aerosols according to US patent for the invention No. US 5999250, IPC G01N 15/14; G01N 15/00; G01N 21/64; G01N 15/02, publ. 12/07/1999
Данная оптическая система содержит первый источник энергии для создания первого и второго лучей энергии, пересекающих путь частиц, проходящих периодически вдоль заранее определенного пути, в трех положениях, находящихся по ходу движения потока, второй источник энергии для создания луча возбуждающей энергии, пересекающего путь частиц в третьем положении, находящемся дальше по ходу движения потока по отношению к первому и второму положениям, первое зеркало, расположенное относительно пути частиц так, чтобы перенаправить полученный свет, излучаемый из первого и второго положений, в направлении первого ПОИ, второе зеркало, расположенное по отношению к пути частиц так, чтобы перенаправить свет, излучаемый из третьего положения, в направлении второго ПОИ, первый и второй детекторы энергии, расположенные в первом и втором пунктах приема оптического излучения, соответственно.This optical system contains a first energy source for creating the first and second energy rays crossing the path of particles passing periodically along a predetermined path in three positions along the flow, a second energy source for creating a beam of exciting energy crossing the particle path in the third position further downstream with respect to the first and second positions, a first mirror located relative to the particle path so as to redirect the received light emitted from the first and second positions, in the direction of the first POI, a second mirror located relative to the particle path so as to redirect the light emitted from the third position, in the direction of the second POI, the first and second energy detectors located in the first and second points receiving optical radiation, respectively.
Устройство содержит также два эллипсоидальных зеркала, первые фокусы которых расположены по отношению к заданному пути движения частицы вблизи ее первого и второго положений, и третьего положения, соответственно, а детекторы излученной энергии расположены во втором фокусе эллипсоидальных зеркал.The device also contains two ellipsoidal mirrors, the first foci of which are located relative to a given path of the particle near its first and second positions, and the third position, respectively, and the radiated energy detectors are located in the second focus of the ellipsoidal mirrors.
В этой системе для сбора сигналов рассеяния и люминесценции используются эллиптические зеркала (отдельное для рассеяния и отдельное для люминесценции). Первый фокус зеркал совпадает с точкой пересечения потока частиц и соответствующих лазерных пучков. Оптические сигналы рассеяния и люминесценции передаются зеркалами на ПОИ, помещенные во второй фокус зеркал. Числовая апертура таких зеркал не превышает 2π срад. что ограничивает эффективность их использования. По каналу люминесценции отсутствует возможность регистрировать люминесценцию в нескольких оптических диапазонах. В варианте исполнения оговаривается возможность применения серии зеркал, последовательных потоку, при этом в системе остается нерешенным вопрос создания потока частиц с заданными параметрами на большом удалении от выходного сопла камеры.This system uses elliptical mirrors (separate for scattering and separate for luminescence) to collect scattering and luminescence signals. The first focus of the mirrors coincides with the point of intersection of the particle flux and the corresponding laser beams. Optical scattering and luminescence signals are transmitted by the mirrors to the POI placed in the second focus of the mirrors. The numerical aperture of such mirrors does not exceed 2π srad. which limits the effectiveness of their use. On the luminescence channel, it is not possible to register luminescence in several optical ranges. In the embodiment, the possibility of using a series of mirrors in series with the flow is stipulated, while in the system the question of creating a particle stream with given parameters at a great distance from the exit nozzle of the chamber remains unresolved.
Так как эллиптические зеркала являются в данной схеме изображающими элементами (строится изображение источника во втором фокусе зеркал), то это накладывает определенные требования и ограничения на характеристики прибора из-за присутствия оптических аберраций для частиц, смещенных из фокуса зеркала (размер аберрации растет при увеличении смещения из фокуса).Since elliptical mirrors are image elements in this scheme (the image of the source is built in the second focus of the mirrors), this imposes certain requirements and limitations on the characteristics of the device due to the presence of optical aberrations for particles displaced from the focus of the mirror (the size of the aberration increases with increasing displacement out of focus).
В результате изображение области анализа во втором фокусе является сильно размытым и увеличенным, что приводит, с одной стороны, к необходимости увеличить площадь приемной площадки ПОИ, чтобы исключить виньетирование сигнала краями зеркал по другому каналу. Однако, с другой стороны, при росте размера ПОИ увеличивается доля возможных фоновых оптических шумов и снижается эффективность сбора сигнала по другому каналу регистрации (уменьшается площадь поверхности зеркала). Еще одним эффектом присутствия аберраций изображения частиц на приемнике является искажение сигналов при неоднородной чувствительности приемников.As a result, the image of the analysis region in the second focus is very blurry and enlarged, which leads, on the one hand, to the need to increase the receiving area of the POI in order to exclude vignetting of the signal by the edges of the mirrors on another channel. However, on the other hand, with an increase in the size of the optical arrays, the fraction of possible background optical noise increases and the efficiency of signal collection through a different recording channel decreases (the surface area of the mirror decreases). Another effect of the presence of aberrations of the particle image on the receiver is the distortion of signals with inhomogeneous sensitivity of the receivers.
Для борьбы с фоновыми оптическими шумами от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы используются оптические ловушки. Возможность борьбы с оптическими шумами, попавшими на поверхность зеркал, в данном патенте не рассматривается, хотя эффект увеличения приемной площадки ПОИ должен приводить к росту доли фонового оптического шума.Optical traps are used to combat background optical noise from possible spurious illumination by the exciting radiation of system elements. The possibility of combating optical noise that has fallen on the surface of the mirrors is not considered in this patent, although the effect of increasing the receiving area of the optical element should lead to an increase in the proportion of background optical noise.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является оптическая система регистрации в средствах для измерения спектров флуоресценции отдельных частиц аэрозоля, отобранных из окружающего воздуха, по патенту США на изобретение № US 2004125371, МПК G01N 21/64; G01J 3/30, опубл. 01.07.2004 г., выбранная в качестве прототипа.Closest to the technical nature of the claimed system is an optical recording system in means for measuring the fluorescence spectra of individual aerosol particles selected from ambient air, according to US patent for invention No. US 2004125371, IPC G01N 21/64;
Эта оптическая система содержит два пусковых лазера, последовательно расположенные источник излучения с фокусирующим объективом, устройство для формирования потока аэрозольных частиц, оптический элемент регистрации флуоресценции, передающий излучение из области регистрации частиц во вторую фокальную плоскость, а также систему оптических элементов, передающих излучение флуоресценции и рассеяния на приемные площадки приемников оптического излучения. В качестве источника излучения устройство содержит импульсный лазер с активной модуляцией добротности, который запускается по сигналу от детекторов, регистрирующих рассеяние частицей аэрозоля излучения пусковых лазеров. Пусковые лазеры сфокусированы на струю аэрозоля выше по потоку.This optical system contains two trigger lasers, a sequentially located radiation source with a focusing lens, a device for generating an aerosol particle stream, an optical fluorescence recording element transmitting radiation from the particle registration region to the second focal plane, and also a system of optical elements transmitting fluorescence and scattering radiation on receiving platforms of optical radiation receivers. As a radiation source, the device contains a pulsed laser with active Q-switching, which is triggered by a signal from detectors that record the scattering of the radiation from trigger lasers by an aerosol particle. Trigger lasers are focused on the aerosol stream upstream.
Данная оптическая система реализует способ измерения флуоресценции частиц аэрозоля в потоке, который включает формирование соплом сфокусированной аэрозольной струи заданного диаметра; определение анализируемого объема струи пересечением ортогональных струе пучков пусковых лазеров; детектирование света, рассеянного из окрестности анализируемого объема, набором детекторов, регистрирующих определенную длину волны луча пускового лазера; засвечивание частиц аэрозоля импульсным лазером, диаметр пучка которого соответствует размеру сфокусированной струи аэрозоля; сбор флуоресценции, излученной от частиц, находящихся в анализируемом объеме, и фокусировку ее в область детектирования.This optical system implements a method for measuring the fluorescence of aerosol particles in a stream, which includes the formation of a focused aerosol jet of a given diameter by a nozzle; determination of the analyzed volume of the jet by the intersection of launch laser beams orthogonal to the jet; detecting light scattered from the vicinity of the analyzed volume by a set of detectors recording a specific wavelength of the trigger laser beam; exposure of aerosol particles by a pulsed laser, the beam diameter of which corresponds to the size of the focused aerosol jet; collecting fluorescence emitted from particles in the analyzed volume, and focusing it in the detection region.
В оптической системе, реализующей способ, в качестве оптического элемента регистрации для сбора и передачи оптического сигнала на ПОИ используется отражающий объектив Шварцшильда, имеющий числовую апертуру 0,5. Эффективность сбора энергии частицы с помощью такого объектива составляет всего 10-15%, что предъявляет дополнительные требования к мощности ультрафиолетового (УФ) источника излучения. Оптическая схема позволяет передавать сигналы люминесценции на спектрограф с дальнейшим измерением спектра люминесценции. При этом предметная плоскость, совмещенная с осью потока частиц, передается объективом Шварцшильда на приемную площадку спектрографа. Такая конструкция оптической системы приводит к неизбежной зависимости сигнала от положения частицы внутри области анализа из-за возможного виньетирования сигнала на полевой диафрагме спектрографа либо из-за неоднородной чувствительности приемной площадки спектрографа к положению частицы внутри области анализа. Данная проблема широко обсуждается авторами патента, например, в статье Fluorescence spectra of atmospheric aerosol particles measured using one ore two excitation wavelengths: Comparison of classification schemes employing different emission and scattering results (7 June 2010/ Vol.18, No.12/ OPTICS EXPRESS/), где авторы указывают на возникающую в рассматриваемой системе зависимость регистрируемого сигнала от положения частицы в области анализа. Однако корректировка сигналов, исключающая данный эффект в оптической системе, в данном патенте не предусматривается.In an optical system that implements the method, a Schwarzschild reflective lens having a numerical aperture of 0.5 is used as an optical recording element for collecting and transmitting an optical signal to a POI. The efficiency of particle energy collection using such a lens is only 10-15%, which imposes additional requirements on the power of an ultraviolet (UV) radiation source. The optical scheme allows the transmission of luminescence signals to a spectrograph with further measurement of the luminescence spectrum. In this case, the object plane, combined with the axis of the particle flow, is transmitted by the Schwarzschild lens to the receiving platform of the spectrograph. This design of the optical system leads to the inevitable dependence of the signal on the position of the particle inside the analysis region due to the possible vignetting of the signal on the field diaphragm of the spectrograph or because of the inhomogeneous sensitivity of the receiving platform of the spectrograph to the position of the particle inside the analysis region. This problem is widely discussed by the authors of the patent, for example, in the article Fluorescence spectra of atmospheric aerosol particles measured using one ore two excitation wavelengths: Comparison of classification schemes employing different emission and scattering results (7 June 2010 / Vol.18, No.12 / OPTICS EXPRESS /), where the authors point to the dependence of the recorded signal on the position of the particle in the analysis area that arises in the system under consideration. However, the correction of signals that exclude this effect in the optical system is not provided in this patent.
Кроме того, для оценки размеров частиц, а также для определения нахождения частицы в области анализа в рассматриваемом патенте используются отдельные каналы возбуждения и регистрации рассеяния от двух лазерных диодов с длиной волны 635 нм и 640 нм, пучки которых ортогонально сфокусированы на струю аэрозоля. При попадании частицы в область анализа, по сигналу рассеяния частицей излучения лазерных диодов происходит запуск УФ-лазера. Подобная схема запуска УФ-лазера позволяет увеличить его долговечность, однако приводит к значительному конструктивному усложнению системы.In addition, to evaluate the particle size, as well as to determine the location of the particle in the analysis area, the patent in question uses separate excitation and scattering channels from two laser diodes with a wavelength of 635 nm and 640 nm, the beams of which are orthogonally focused on the aerosol jet. When a particle enters the analysis region, a UV laser is triggered by a particle scattering from the radiation of laser diodes. Such a scheme for launching a UV laser can increase its durability, but it leads to a significant structural complication of the system.
В данном устройстве оговаривается возможность повышения эффективности сбора излучения за счет применения эллиптического зеркала. Однако при этом приемник оптического излучения предполагается устанавливать во втором фокусе, что приводит к указанным выше проблемам, справедливым для объектива Шварцшильда, а именно к зависимости излучения частицы от положения в области анализа. Кроме того, в случае применения эллиптического зеркала изображение частиц, смещенных из первого фокуса, является аберрационным. Это может приводить к дополнительной зависимости величины сигнала от положения частицы вследствие виньетирования аберрационного изображения полевой диафрагмой спектрографа и к ухудшению спектрального разделения аберрационного изображения. Однако вопрос компенсации эффектов аберрации эллиптического зеркала в патенте также не рассматривается.This device stipulates the possibility of increasing the efficiency of radiation collection through the use of an elliptical mirror. However, in this case, the optical radiation receiver is supposed to be installed in the second focus, which leads to the above problems, which are valid for the Schwarzschild lens, namely, to the dependence of the particle radiation on the position in the analysis area. In addition, in the case of using an elliptical mirror, the image of particles displaced from the first focus is aberrational. This can lead to an additional dependence of the signal magnitude on the particle position due to vignetting of the aberration image by the field diaphragm of the spectrograph and to a deterioration in the spectral separation of the aberration image. However, the issue of compensation for the effects of aberration of an elliptical mirror is also not considered in the patent.
Кроме того, известная оптическая система не решает вопроса компенсации оптических шумов от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации. Наличие нескомпенсированных оптических шумов, ухудшение отношения «оптический сигнал/шум» приводит к искажению получаемых данных, а также к уменьшению чувствительности метода.In addition, the known optical system does not solve the problem of compensating optical noise from possible spurious illumination by the exciting radiation of the elements of the registration system. The presence of uncompensated optical noise, the deterioration of the optical signal / noise ratio leads to a distortion of the data obtained, as well as to a decrease in the sensitivity of the method.
Изобретение решает задачу повышения эффективности сбора оптических сигналов (ОС) от исследуемых частиц и их передачи на приемники оптического излучения (ПОИ) с последовательным разделением сигналов по спектральным диапазонам люминесценции и рассеяния на исследуемых частицах, а также уменьшения фоновых оптических шумов от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации и упрощения конструкции оптической системы.The invention solves the problem of increasing the efficiency of collecting optical signals (OS) from the studied particles and transmitting them to optical radiation receivers (POI) with sequential separation of signals according to the spectral ranges of luminescence and scattering by the studied particles, as well as reducing background optical noise from possible spurious illumination by exciting radiation elements of the registration system and simplification of the design of the optical system.
Технический результат от использования данного изобретения заключается в повышении уровня принимаемых оптических сигналов и увеличении точности измерений за счет использования в качестве оптического элемента регистрации одного глубокого эллиптического зеркала и определенного выбора местоположения предметной плоскости для системы линз, что позволяет обеспечить независимость регистрируемого сигнала от положения частицы внутри области анализа, а также в увеличении отношения «оптический сигнал/оптический шум» за счет диафрагмирования отдельных областей изображения торца эллиптического зеркала в плоскости приемной площадки ПОИ.The technical result from the use of this invention is to increase the level of received optical signals and increase the accuracy of measurements by using as an optical recording element one deep elliptical mirror and a certain choice of the location of the subject plane for the lens system, which ensures the independence of the recorded signal from the position of the particle inside the region analysis, as well as in increasing the ratio “optical signal / optical noise” due to apertures Nia end sections of an image plane in an elliptical mirror receiving PSI site.
Для достижения указанного технического результата, в способе оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, включающем формирование сфокусированной струи аэрозоля заданного диаметра, засвечивание частиц аэрозоля источником излучения, оптическая ось которого перпендикулярна струе аэрозоля, использование в качестве объектива регистрации излучения флуоресценции и упругого рассеяния оптического элемента регистрации, причем точка пересечения струи аэрозоля и оптической оси источника излучения совмещена с передним фокусом оптического элемента регистрации, передачу излучения флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц на приемники оптического излучения и преобразование полученных оптических сигналов в электрические для дальнейшей обработки и регистрации, согласно изобретению в качестве предметной плоскости, изображение которой формируется на приемных площадках приемников оптического излучения, выбирают плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, передают изображение струи аэрозоля из плоскости переднего фокуса оптического элемента регистрации в плоскость, совмещенную с задним фокусом оптического элемента регистрации, передают излучение из предметной плоскости на приемные площадки по меньшей мере двух приемников оптического излучения с помощью оптической системы передачи изображения, одновременно разделяют излучение по меньшей мере на два спектральных диапазона с помощью оптической системы спектрального разделения сигнала, в каждом из каналов регистрации излучения перед приемной площадкой соответствующего приемника оптического излучения устанавливают отдельные различные диафрагмы и выделяют границы области анализа и/или выделяют области, соответствующие определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния, и/или выделяют области, соответствующие изображениям оптических шумов от паразитной засветки источника излучения.To achieve the specified technical result, in the method of optical registration of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in a stream, including the formation of a focused aerosol jet of a given diameter, irradiating the aerosol particles with a radiation source, the optical axis of which is perpendicular to the aerosol jet, using fluorescence and elastic scattering as a registration lens optical registration element, and the point of intersection of the aerosol jet and the optical axis of the radiation source combined with the front focus of the optical recording element, the transmission of fluorescence and scattering of aerosol particles to optical radiation receivers and the conversion of the obtained optical signals into electrical ones for further processing and registration, according to the invention, as the subject plane, the image of which is formed on the receiving platforms of the optical radiation receivers, is selected the plane in which the distribution of fluorescence and scattering energy is insensitive to the position of the particle in the jet a rosol, transmit the image of the aerosol jet from the plane of the front focus of the optical registration element to a plane aligned with the back focus of the optical registration element, transmit radiation from the object plane to the receiving areas of at least two optical radiation receivers using an optical image transmission system, at the same time divide the radiation by at least two spectral ranges using an optical system for spectral separation of the signal in each of the radiation detection channels I set separate different apertures in front of the receiving platform of the corresponding optical radiation receiver and highlight the boundaries of the analysis area and / or highlight the areas corresponding to a certain spatial range of the angles of fluorescence and scattering radiation and / or select the areas corresponding to the images of optical noise from stray illumination of the radiation source.
В оптической системе регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке, содержащей последовательно размещенные источник излучения с фокусирующим объективом для фокусировки излучения лазера на поток аэрозольных частиц, оптический элемент регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, а также систему оптических элементов, передающих излучение флуоресценции и рассеяния на приемные площадки приемников оптического излучения, согласно изобретению в качестве предметной плоскости, оптически сопряженной с приемными площадками оптических приемников, выбрана плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, в системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации флуоресценции и рассеяния, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью, система дополнительно снабжена оптической системой спектрального разделения сигналов, предназначенной для разделения излучения флуоресценции и рассеяния по меньшей мере на два спектральных диапазона, системой диафрагм, предназначенной для выделения границ области анализа, диафрагменной системой, позволяющей выделять определенные области, соответствующие возможному оптическому шуму от паразитной засветки возбуждающего излучения.In an optical system for recording fluorescence and scattering signals of aerosol particles in a stream, containing a sequentially placed radiation source with a focusing lens for focusing laser radiation on a stream of aerosol particles, an optical element for recording fluorescence and elastic scattering, as well as a system of optical elements transmitting fluorescence and scattering radiation to receiving platforms of optical radiation receivers according to the invention as an object plane optically coupled to a receiving at the optical detector sites, a plane is chosen in which the distribution of fluorescence and scattering energy is insensitive to the position of the particle in the aerosol jet, at least two channels for recording fluorescence and scattering are formed in the system, in each of which there is a separate optical radiation receiver with a receiving platform, optically conjugated with the subject plane, the system is additionally equipped with an optical system for spectral separation of signals, designed to separate the radiation of the fluorescent scattering by at least two spectral ranges, a diaphragm system designed to highlight the boundaries of the region of analysis, a diaphragm system that allows you to select certain areas corresponding to the possible optical noise from spurious illumination of the exciting radiation.
При этом в качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния выбирают глубокое эллиптическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля, или параболическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.In this case, as an optical element for recording fluorescence and elastic scattering, choose a deep elliptical mirror, the front focus of which is paired with the plane of the aerosol jet, or a parabolic mirror, whose front focus is paired with the plane of the aerosol jet.
В качестве источника излучения используют импульсный лазер с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа, или импульсный лазер с активной модуляцией добротности, запускаемый по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного на поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера. В качестве источника излучения может быть также использовано по меньшей мере два импульсных источника излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.As a radiation source, a pulsed laser with passive Q-switching is used, the pulse frequency of which is commensurate with the average frequency of particles entering the analysis area, or a pulsed laser with active Q-switching, which is triggered by a control signal from an external radiation source focused on the flow of aerosol particles upstream relative to the main laser beam. At least two pulsed radiation sources focused at a common point of the aerosol jet can also be used as a radiation source.
В качестве оптической системы передачи изображения, передающей излучение из предметной плоскости на приемные площадки приемников оптического излучения, в случае использования эллиптического зеркала выбирают систему линз и спектроделительных зеркал, либо, в варианте изготовления с использованием параболического зеркала, систему линз и диспергирующего элемента.In the case of using an elliptical mirror, a system of lenses and spectro-splitting mirrors, or, in the embodiment using a parabolic mirror, a system of lenses and a dispersing element, is chosen as an optical image transmission system transmitting radiation from a subject plane to the receiving platforms of optical radiation receivers.
В качестве оптической системы спектрального разделения сигналов для эллиптического зеркала используют систему спектроделительных зеркал и оптических фильтров, либо, в варианте изготовления с использованием параболического зеркала, систему, состоящую из оптических фильтров и по меньшей мере одного диспергирующего элемента. В последнем случае в качестве диспергирующего элемента используют призму или систему призм, либо дифракционную решетку.As an optical system for spectral separation of signals for an elliptical mirror, a system of spectro-splitting mirrors and optical filters is used, or, in the embodiment using a parabolic mirror, a system consisting of optical filters and at least one dispersing element. In the latter case, a prism or a system of prisms or a diffraction grating is used as a dispersing element.
В качестве предметной плоскости, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, выбрана плоскость торца эллиптического зеркала или, в варианте изготовления, торца параболического зеркала.As the subject plane, in which the distribution of fluorescence and scattering energy is insensitive to the position of the particle in the aerosol jet, the plane of the end face of the elliptical mirror or, in the manufacturing embodiment, the end face of the parabolic mirror is chosen.
Кроме того, оптическая система может быть дополнительно снабжена по меньшей мере одним каналом регистрации, обеспечивающим измерение отдельных областей 2-углового рассеяния, включающим последовательно размещенные на оптической оси широкополосный оптический фильтр, полевую диафрагму и дополнительный приемник оптического излучения с приемной площадкой.In addition, the optical system can be additionally equipped with at least one recording channel that provides measurement of individual areas of 2-angle scattering, including sequentially placed on the optical axis of a broadband optical filter, a field diaphragm and an additional receiver of optical radiation with a receiving platform.
При этом в ней дополнительно формируется система диафрагм, предназначенная для выделения областей сигналов от частицы, соответствующих определенному пространственному диапазону углов излучения флуоресценции и рассеяния.At the same time, an aperture system is additionally formed in it, which is designed to highlight areas of signals from a particle corresponding to a certain spatial range of angles of fluorescence and scattering radiation.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена основная функциональная схема оптической системы регистрации; на фиг.2 - распределение энергии на торце эллиптического зеркала в зависимости от смещения Δ частицы из фокуса зеркала при а) Δ=0 мм, б) Δ=0,1 мм, в) Δ=0,2 мм; на фиг.3 - график, иллюстрирующий выделение области анализа в канале рассеяния (кривая 1 - с диафрагмированием приемной площадки ПОИ, кривая 2 - без диафрагмирования приемной площадки ПОИ); на фиг.4 - график соотношения шумов и полезного сигнала с уменьшением диаметра диафрагмы в канале рассеяния (кривая 1 - показывает интенсивность оптических шумов, кривая 2 - интенсивность полезного сигнала); на фиг.3 - вариант исполнения функциональной схемы оптической системы регистрации с использованием дополнительных ПОИ для измерения отдельных областей 2-углового рассеяния.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the main functional diagram of an optical registration system; figure 2 - the energy distribution at the end of the elliptical mirror depending on the displacement Δ of the particle from the focus of the mirror at a) Δ = 0 mm, b) Δ = 0.1 mm, c) Δ = 0.2 mm; figure 3 is a graph illustrating the allocation of the analysis region in the scattering channel (curve 1 - with the diaphragm of the receiving area of the POI, curve 2 - without diaphragm of the receiving area of the POI); figure 4 is a graph of the ratio of noise and the useful signal with a decrease in the diameter of the aperture in the scattering channel (curve 1 - shows the intensity of optical noise, curve 2 - the intensity of the useful signal); figure 3 is an embodiment of a functional diagram of an optical registration system using additional POI for measuring individual areas of 2-angle scattering.
Оптическая система регистрации, согласно изобретению, содержит последовательно размещенные источник излучения 1 с фокусирующим объективом 2 для фокусировки лазерного луча 3 на поток аэрозольных частиц. Поскольку ось этого потока перпендикулярна плоскости чертежа, на фиг.1 он показан в виде точки, совпадающей с первым, передним фокусом 4 оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, в качестве которого использовано глубокое эллиптическое зеркало 5, передающее излучение из области регистрации частиц в фокальную плоскость второго, заднего фокуса 6. При этом плоскость, проходящая через передний фокус 4 эллиптического зеркала 5, оказывается сопряженной с продольной плоскостью струи аэрозоля.The optical recording system according to the invention comprises a sequentially placed
Под глубоким эллиптическим зеркалом, применяемым в заявленной оптической системе, понимают такое, эффективность сбора излучения флуоресценции и рассеяния которого превышает 70%, в отличие от оптического элемента в прототипе, эффективность которого находится в пределах 10-15%.Under the deep elliptical mirror used in the claimed optical system, understand such a collection efficiency of fluorescence radiation and scattering which exceeds 70%, in contrast to the optical element in the prototype, the efficiency of which is in the range of 10-15%.
В качестве оптического элемента регистрации флуоресценции и упругого рассеяния, передающего изображение аэрозольной струи из переднего фокуса во второй, задний фокус, в варианте изготовления оптической системы может быть выбрано и параболическое зеркало, передний фокус которого сопряжен с плоскостью струи аэрозоля.As an optical element for recording fluorescence and elastic scattering, which transfers the image of an aerosol jet from the front focus to the second, back focus, a parabolic mirror can be selected in the embodiment of the optical system, the front focus of which is conjugated to the plane of the aerosol jet.
В качестве источника излучения 1 в заявленной оптической системе используют, например, импульсный лазер с пассивной модуляцией добротности, частота импульсов которого соизмерима со средней частотой поступления частиц в область анализа, в частности ультрафиолетовый (УФ) лазер. При этом под областью анализа (ОА) в заявленной оптической системе понимают область пересечения потока частиц аэрозоля и луча 3 лазерного источника излучения 1.As the
Однако в вариантах исполнения в качестве источника излучения может быть использован также импульсный лазер с активной модуляцией добротности, запускаемый по управляющему сигналу от внешнего источника излучения, сфокусированного па поток аэрозольных частиц выше по потоку относительно основного пучка лазера, либо, например, по меньшей мере два импульсных источника излучения, сфокусированных в общую точку аэрозольной струи.However, in embodiments, a pulsed laser with active Q-switching, triggered by a control signal from an external radiation source focused on the stream of aerosol particles upstream relative to the main laser beam, or, for example, at least two pulsed ones, can also be used as a radiation source radiation source focused at a common point of the aerosol jet.
В качестве предметной плоскости, оптически сопряженной с приемными площадками 7, 8 и 9 приемников оптического излучения (ПОИ) 10, 11 и 12, соответственно, выбрана плоскость, в которой распределение энергии флуоресценции и рассеяния нечувствительно к положению частицы в струе аэрозоля, а именно плоскость АА' торца 13 эллиптического зеркала 5.As a subject plane optically conjugated to receiving
В варианте изготовления, когда в качестве оптического элемента регистрации использовано параболическое зеркало, предметная плоскость должна быть расположена в плоскости его торца.In the manufacturing embodiment, when a parabolic mirror is used as the optical recording element, the object plane should be located in the plane of its end face.
Для того чтобы уменьшить числовую апертуру лучей на выходе эллиптического зеркала 5, вблизи торцевой поверхности 13 установлена рассеивающая линза (РЛ) 14.In order to reduce the numerical aperture of the rays at the output of the
Для передачи излучения из предметной плоскости АА', нечувствительной к положению частицы в струе аэрозоля, на приемные площадки 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, используют оптическую систему передачи изображения, включающую, например, размещенные на выходе рассеивающей линзы 14 линзы 15, 16, 17 и 18 и спектроделительные зеркала 19, 20 и 21, установленные на пути оптических лучей в каждом из трех каналов регистрации, соответственно.To transfer radiation from the object plane AA ', insensitive to the position of the particle in the aerosol jet, to the receiving
В варианте исполнения, когда в качестве оптического элемента регистрации использовано параболическое зеркало, оптическая система передачи изображения может включать, например, систему линз и диспергирующий элемент. В последнем случае в качестве диспергирующего элемента возможно использование призмы или системы призм, либо дифракционной решетки, однако специальных расчетов для такого варианта системы не производилось.In an embodiment where a parabolic mirror is used as the optical recording element, the optical image transmission system may include, for example, a lens system and a dispersing element. In the latter case, it is possible to use a prism or a system of prisms or a diffraction grating as a dispersing element, however, special calculations for this version of the system were not performed.
В заявленной оптической системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации флуоресценции и рассеяния, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью, о которых упоминалось выше. Оптимальным для решения поставленных задач числом каналов регистрации является три канала, позволяющих последовательно разделять полученные сигналы излучения флуоресценции и рассеяния на исследуемых частицах по трем спектральным диапазонам, как показано на фиг.1, хотя в вариантах исполнения, например, как показано на фиг.5, могут быть сформированы дополнительные каналы регистрации (один и более) со своими приемниками оптического излучения для измерения отдельных областей 2-углового рассеяния.In the claimed optical system, at least two fluorescence and scattering recording channels are formed, each of which has a separate optical radiation receiver with a receiving area optically coupled to the object plane, which was mentioned above. The optimal number of registration channels to solve the problems posed is three channels that allow one to sequentially separate the received fluorescence and scattering radiation signals from the particles under study into three spectral ranges, as shown in Fig. 1, although in embodiments, for example, as shown in Fig. 5, additional registration channels (one or more) can be formed with their own optical radiation detectors for measuring individual areas of 2-angle scattering.
Оптическая система спектрального разделения сигналов, предназначенная для разделения излучения флуоресценции и рассеяния на спектральные диапазоны, включает размещенные на выходе рассеивающей линзы 14 спектроделительные зеркала 19, 20 и 21 и широкополосные оптические фильтры 22, 23 и 24, установленные попарно в каждом из трех каналов регистрации, соответственно.An optical system for spectral separation of signals designed to separate fluorescence and scattering radiation into spectral ranges includes spectro-splitting mirrors 19, 20, and 21 located at the output of the scattering
В варианте исполнения оптической системы регистрации, использующей параболическое зеркало, оптическая система спектрального разделения сигналов может представлять собой систему, состоящую из оптических фильтров и по меньшей мере одного диспергирующего элемента, выполненного в виде призмы или системы призм, либо дифракционной решетки.In an embodiment of an optical recording system using a parabolic mirror, the optical system for spectral separation of signals may be a system consisting of optical filters and at least one dispersing element made in the form of a prism or prism system, or a diffraction grating.
Заявленная оптическая система регистрации содержит также систему диафрагм 25 и 26, предназначенную для выделения границ области анализа.The claimed optical registration system also contains an
Для борьбы с нежелательной засветкой от попадания слонового излучения УФ лазера в канал регистрации рассеяния заявленная оптическая система снабжена диафрагменной системой, содержащей бленды 27 и 28 ввода и вывода лазерного пучка, соответственно, диафрагму 29, а также оптическую ловушку 30 на выходе луча 3 источника излучения 1 из эллиптического зеркала 5.To combat unwanted illumination from the entry of elephant UV laser radiation into the scattering registration channel, the claimed optical system is equipped with a diaphragm system comprising a laser beam input and output blends 27 and 28, respectively, a
В варианте исполнения оптической системы, представленном на фиг.5, система снабжена одним дополнительным каналом регистрации, позволяющим совместно с другими каналами регистрации обеспечить измерение отдельных областей 2-углового рассеяния и флуоресценции и включающим последовательно размещенные на оптической оси дополнительный приемник оптического излучения (ПОИ) 31 с приемной площадкой 32, полевую диафрагму 33 и широкополосный оптический фильтр 34.In the embodiment of the optical system shown in FIG. 5, the system is equipped with one additional recording channel, which allows, together with other registration channels, to measure individual areas of 2-angle scattering and fluorescence and including an additional optical radiation detector (POI) 31 sequentially placed on the
При этом в оптической системе формируется система диафрагм, включающая полевые диафрагмы 35 и 36, дополнительно установленные в плоскости приемных площадок 7 и 8, соответственно, каналов флуоресценции, диафрагму 25, выполняющую роль полевой диафрагмы в канале рассеяния с приемной площадкой 9, а также полевую диафрагму 33, установленную в дополнительном канале регистрации, которые выделяют соответствующие зоны пространственного распределения излучения в плоскости АА'.In this case, an aperture system is formed in the optical system, including
Способ оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц осуществляют следующим образом.The method of optical registration of fluorescence and scattering of aerosol particles is as follows.
Луч 3 источника излучения 1, например, ультрафиолетового (УФ) лазера, сформированный фокусирующим объективом 2, пересекает под прямым углом поток исследуемых частиц (как уже упоминалось выше, направление потока ортогонально плоскости чертежа) в окрестности переднего фокуса 4 оптического элемента регистрации, в частности, переднего фокуса глубокого эллиптического зеркала 5 (фиг.1). Для ввода/вывода лазерного луча в эллиптическом зеркале 5 предусмотрены технологические отверстия ввода и вывода. Зеркало 5 имеет также два технологических отверстия под сопла, формирующие поток частиц аэрозоля (на фиг.1 не показаны).The
Движущаяся частица, попадая в область анализа (ОА), флуоресцирует в более длинноволновом диапазоне относительно возбуждающего пучка, а также рассеивает его УФ-излучение. Так как ОА находится в окрестности переднего фокуса 4 эллиптического зеркала 5, то промежуточное изображение частицы строится эллиптическим зеркалом 5 в окрестности второго, заднего фокуса 6. Поскольку для возбуждения используется импульсный лазер, положение частицы аэрозоля в момент высвечивания можно считать фиксированным в области анализа.A moving particle, falling into the analysis region (OA), fluoresces in the longer wavelength range relative to the exciting beam, and also scatters its UV radiation. Since OA is located in the vicinity of the
Вследствие оптических аберраций изображение излучающей частицы в заднем фокусе 6 эллиптического зеркала 5 является искаженным и зависимым от смещения Δ частицы из переднего фокуса 4 эллиптического зеркала, при этом смещение Δ находится в пределах ОА. Чтобы избавиться от эффекта зависимости величины сигнала, регистрируемого приемниками оптического излучения (ПОИ) 10, 11 и 12 с неоднородной чувствительностью приемных площадок 7, 8 и 9, соответственно, от положения частицы внутри ОА, в качестве предметной плоскости выбирают плоскость АА' - плоскость торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5. В плоскости АА' местное изменение плотности энергии при смещении частицы внутри ОА на величину Δ не превышает 2-3% для излучения, отраженного от вершины зеркала, и убывает до нуля для излучения, отраженного от краевых областей эллиптического зеркала (см. фиг.2). Изображение в сечении АА' является проекцией поверхности эллиптического зеркала 5, подсвеченной точечным источником, находящимся в его переднем фокусе 4.Due to optical aberrations, the image of the emitting particle in the
Для регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния в заявленной оптической системе сформированы по меньшей мере два канала регистрации, в каждом из которых размещен отдельный приемник оптического излучения с приемной площадкой, оптически сопряженной с предметной плоскостью. В оптимальном варианте выполнения оптической системы, как показано на фиг.1, сформированы три канала регистрации, из которых сигналы флуоресценции регистрируют, например, приемниками оптического излучения (ПОИ) 10 и 11, а сигналы рассеяния - ПОИ 12.To register fluorescence and scattering signals in the inventive optical system, at least two registration channels are formed, each of which has a separate optical radiation receiver with a receiving area optically coupled to the subject plane. In an optimal embodiment of the optical system, as shown in FIG. 1, three recording channels are formed, from which fluorescence signals are recorded, for example, by optical radiation receivers (POIs) 10 and 11, and scattering signals -
Как упоминалось выше, для уменьшения числовой апертуры лучей на выходе эллиптического зеркала 5 вблизи торцевой поверхности 13 установлена рассеивающая линза (РЛ) 14, которая строит мнимое уменьшенное промежуточное изображение плоскости АА' около своей передней главной плоскости. Например, при фокусном расстоянии линзы 14 f'=-42.8 промежуточное изображение смещено от передней главной плоскости линзы 14 на -7 мм и линейное увеличение будет равно β=0,83. Числовая апертура при этом уменьшается с NA=0,61 на выходе эллиптического зеркала 5 до NA=0,47 за рассеивающей линзой 14.As mentioned above, to reduce the numerical aperture of the rays at the exit of the
Для дальнейшего разделения сигнала по трем каналам регистрации применяют оптическую систему передачи изображения, включающую систему линз 15, 16, 17 и 18, передающую с заданным линейным увеличением изображение плоскости АА' на приемные площадки 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно, и систему спектроделительных зеркал 19, 20 и 21. Относительное положение элементов выбирают из условия минимизации габаритов и использования наименьшего количества оптических элементов. Габаритные параметры системы задаются относительным положением спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 и плоскости установки приемных площадок 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно.To further separate the signal through the three recording channels, an optical image transmission system is used, including a
В первом канале регистрации после поворота оптической оси установлена двояковыпуклая линза 15, передающая промежуточное изображение от рассеивающей линзы 14 на приемную площадку 7 ПОИ 10. Для рассматриваемого случая (при выборе рассеивающей линзы 14, например, с фокусным расстоянием f'=-42.8, как было установлено выше) фокусное расстояние линзы 15 будет f'=16,1 мм, линейное увеличение β=0,42.After rotation of the optical axis, a
В области между спектроделительными зеркалами 19 и 20 первого и второго каналов регистрации, соответственно, на главной оптической оси установлена положительная линза 16. Удаление линзы 16 от промежуточного изображения плоскости АА', построенного рассеивающей линзой 14, равно фокусному расстоянию линзы 16, при этом промежуточное изображение торцевой поверхности 13 строится линзой 16 в бесконечности. Для рассматриваемого случая для линзы 16 f'=52 мм.A
Для передачи изображения предметной плоскости (торцевой поверхности 13) на приемные площадки ПОИ второго и третьего каналов регистрации используют линзы 17 и 18, задние фокусы которых находятся в плоскости приемных площадок 8 и 9 ПОИ 11 и 12, соответственно. В приводимом примере фокусные расстояния линз 17 и 18 равны f'=21 мм и f'=41 мм, соответственно, тогда линейное увеличение системы линз 16 и 17 во втором канале регистрации составит β=f2/f1=0.4, а системы линз 16 и 18 в третьем канале - β=f2/f1=0.79. В силу габаритных требований, а также условия диафрагмирования центральной части для выделения границ области анализа (как будет описано ниже) на третьем канале строится увеличенное относительно других каналов изображение плоскости АА'. Таким образом, в рассматриваемом варианте общее линейное увеличение линзовой системы для первого и второго каналов регистрации будет равно β=0,33, для третьего канала - β=0,66.To transfer the image of the subject plane (end surface 13) to the receiving sites of the second and third recording channels, the
Выделение ширины регистрируемого спектрального диапазона по первому, второму и третьему каналам производится с помощью оптической системы спектрального разделения сигнала путем установки спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 с характерными кривыми отражения по каждому каналу, а также установкой широкополосных оптических фильтров 22, 23 и 24 перед приемными площадками 7, 8 и 9 ПОИ 10, 11 и 12, соответственно.The separation of the width of the recorded spectral range for the first, second and third channels is carried out using an optical system for spectral separation of the signal by installing spectro-splitting mirrors 19, 20 and 21 with characteristic reflection curves for each channel, as well as installing broadband
Необходимо отметить, что уровень сигнала упругого рассеяния много больше уровня сигнала флуоресценции. Это позволяет оптической системе, при необходимости, не теряя способности регистрировать слабые сигналы, более четко выделять границы области анализа сигналов диафрагмированием приемной площадки 9 в канале рассеяния (фиг.3), например, когда частица из-за неидеальности возбуждающего излучения может засвечиваться повторно вне области анализа. При этом диафрагма 25 выполняется с отверстием в виде окружности с диаметром, меньшим диаметра приемной площадки 9 ПОИ 12, устанавливается перед приемной площадкой ПОИ и работает совместно с полевой диафрагмой 26, установленной в плоскости промежуточного изображения ОА. Например, когда сигнал рассеяния регистрируется ПОИ 12, то полевая диафрагма 25, установленная перед его приемной площадкой 9, работает совместно с полевой диафрагмой 26 промежуточного изображения ОА.It should be noted that the level of the elastic scattering signal is much higher than the level of the fluorescence signal. This allows the optical system, if necessary, without losing the ability to detect weak signals, to more clearly distinguish the boundaries of the signal analysis region by diaphragming the
Как уже упоминалось, изображение плоскости АА' торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5 является проекцией внутренней поверхности эллиптического зеркала, подсвеченной точечным источником в первом фокусе. Поэтому при передаче изображения плоскости АА' на ПОИ 12 канала рассеяния (в рассматриваемом варианте выполнения оптической системы), в плоскости приемной площадки 9 канала рассеяния локализуются положения источников оптических шумов, связанных с рассеянием фонового возбуждающего излучения на зеркале 5 и соплах. Диафрагмирование в данной плоскости отдельных областей, являющихся источниками оптических шумов, позволяет повысить отношение «сигнал/шум». Например, установка кольцевой диафрагмы 25, диаметр которой меньше диаметра приемной площадки 9, в канале рассеяния приводит к уменьшению оптических шумов, при этом с уменьшением диаметра диафрагмы величина шума падает быстрее величины полезного сигнала, то есть растет отношение «сигнал/шум» (см. графики на фиг.4). Это позволяет выбрать необходимый минимальный размер диафрагмы при сохранении способности регистрировать слабые сигналы флуоресценции. В общем случае, в зависимости от пространственного распределения оптических шумов, профиль диафрагмы 25 может быть произвольным.As already mentioned, the image of the plane AA 'of the
Аналогичное диафрагмирование ПОИ 10 и 11 каналов флуоресценции в рассматриваемой оптической системе не используется, так как, с одной стороны. нежелательно уменьшение величины слабых сигналов, с другой стороны, элементы системы регистрации, на которые попадает возбуждающее излучение, можно считать не флуоресцирующими.A similar diaphragm POI of 10 and 11 fluorescence channels in the considered optical system is not used, since, on the one hand. a decrease in the magnitude of weak signals is undesirable, on the other hand, the elements of the registration system that receive the exciting radiation can be considered non-fluorescent.
Для борьбы с нежелательной засветкой от попадания фонового излучения УФ-лазерного источника излучения 1 в канал регистрации рассеяния устанавливают бленды 27 и 28 ввода и вывода лазерного пучка, полевую диафрагму 26 в промежуточном изображении ОА, диафрагму 29, а также оптическую ловушку 30 на выходе луча 3 лазерного источника 1 из эллиптического зеркала 5.To combat unwanted illumination from the background radiation of a UV
Распределение энергии в плоскости торцевой поверхности 13 эллиптического зеркала 5 однозначно задает картину 2-углового распределения излучения, исходящего от частицы в диапазоне углов отражения зеркала. Это позволяет получить данные о пространственной индикатрисе рассеяния возбуждающего излучения частицей или данные об индикатрисе флуоресценции.The energy distribution in the plane of the
При использовании одного и более дополнительных каналов регистрации возможно интегральное измерение сигналов рассеяния и флуоресценции по отдельным направлениям регистрации. Например, на фиг.5 показано использование для регистрации рассеяния ПОИ 12 и 31, а для регистрации флуоресценции - ПОИ 10 и 11. При этом в плоскости приемных площадок 9 и 32 каналов рассеяния и приемных площадок 7 и 8 каналов флуоресценции устанавливают полевые диафрагмы 25, 33 и 35, 36, соответственно, которые выделяют соответствующие зоны пространственного распределения излучения в плоскости АА', например, области рассеяния и флуоресценции в прямом, обратном или боковом направлениях. В рассматриваемом примере система спектрального разделения сигналов включает систему спектроделительных зеркал 19, 20 и 21 и широкополосных оптических фильтров 22, 23, 24 и 34. Тем самым предлагаемое устройство позволяет одновременно получать данные по флуоресценции и анализировать 2-угловую картину упругого рассеяния и флуоресценции излучения частицами аэрозоля.When using one or more additional recording channels, the integral measurement of scattering and fluorescence signals in individual recording directions is possible. For example, FIG. 5 shows the use of
Таким образом, использование заявленного способа оптической регистрации сигналов флуоресценции и рассеяния аэрозольных частиц в потоке и системы оптической регистрации, реализующей этот способ, позволяет существенно повысить эффективность сбора оптического излучения от исследуемых частиц и увеличить точность измерений за счет определенного выбора местоположения предметной плоскости для системы линз, что обеспечивает независимость регистрируемого сигнала от положения частицы внутри области анализа, а также уменьшить фоновые оптические шумы от возможной паразитной засветки возбуждающим излучением элементов системы регистрации путем увеличения отношения «оптический сигнал/оптический шум» за счет диафрагмирования отдельных областей изображения торца эллиптического зеркала в плоскости приемных площадок приемников оптического излучения.Thus, the use of the claimed method of optical registration of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in a stream and an optical registration system that implements this method can significantly increase the efficiency of collecting optical radiation from the studied particles and increase the measurement accuracy due to a certain choice of the location of the subject plane for the lens system, which ensures the independence of the recorded signal from the position of the particle inside the analysis area, as well as reduce background optical noise from possible spurious illumination by the exciting radiation of the elements of the registration system by increasing the ratio “optical signal / optical noise” due to the aperture of individual areas of the image of the end face of the elliptical mirror in the plane of the receiving sites of the optical radiation receivers.
Claims (23)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010134833/28A RU2448340C1 (en) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010134833/28A RU2448340C1 (en) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010134833A RU2010134833A (en) | 2012-02-27 |
| RU2448340C1 true RU2448340C1 (en) | 2012-04-20 |
Family
ID=45851730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010134833/28A RU2448340C1 (en) | 2010-08-23 | 2010-08-23 | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2448340C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108287129A (en) * | 2018-03-22 | 2018-07-17 | 中国计量大学 | The detection device of multichannel fluorescence Spectra bioaerosol particle |
| RU2763682C1 (en) * | 2021-06-09 | 2021-12-30 | Геннадий Евгеньевич Котковский | Optical system for determining aerosol compositions based on luminescent analysis of aerosol particles |
| RU2801546C1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-08-10 | Геннадий Евгеньевич Котковский | Method for recording luminescence and scattering signals from aerosol particles when they are excited in a jet and a system for its implementation |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547157C2 (en) * | 2013-05-07 | 2015-04-10 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Экран" | Laser system for aircraft landing on small-size runways |
| CN116698680B (en) * | 2023-08-04 | 2023-09-29 | 天津创盾智能科技有限公司 | Automatic monitoring method and system for biological aerosol |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1385034A1 (en) * | 1986-03-28 | 1988-03-30 | Институт высоких температур АН СССР | Device for measuring sizes and account concentration of disperse particles |
| SU1427252A1 (en) * | 1987-01-12 | 1988-09-30 | Институт Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср | Device for measuring luminescence |
| RU2023254C1 (en) * | 1991-06-24 | 1994-11-15 | Сергей Александрович Шиндин | Device for determining velocity and dimensions of particles |
| US5895922A (en) * | 1996-03-19 | 1999-04-20 | Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence | Fluorescent biological particle detection system |
| US5999250A (en) * | 1997-03-17 | 1999-12-07 | Tsi Corporation | System for detecting fluorescing components in aerosols |
| RU2279663C2 (en) * | 2004-06-07 | 2006-07-10 | Сергей Александрович Воробьев | Device for determining composition of aerosols |
-
2010
- 2010-08-23 RU RU2010134833/28A patent/RU2448340C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1385034A1 (en) * | 1986-03-28 | 1988-03-30 | Институт высоких температур АН СССР | Device for measuring sizes and account concentration of disperse particles |
| SU1427252A1 (en) * | 1987-01-12 | 1988-09-30 | Институт Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср | Device for measuring luminescence |
| RU2023254C1 (en) * | 1991-06-24 | 1994-11-15 | Сергей Александрович Шиндин | Device for determining velocity and dimensions of particles |
| US5895922A (en) * | 1996-03-19 | 1999-04-20 | Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence | Fluorescent biological particle detection system |
| US5999250A (en) * | 1997-03-17 | 1999-12-07 | Tsi Corporation | System for detecting fluorescing components in aerosols |
| RU2279663C2 (en) * | 2004-06-07 | 2006-07-10 | Сергей Александрович Воробьев | Device for determining composition of aerosols |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108287129A (en) * | 2018-03-22 | 2018-07-17 | 中国计量大学 | The detection device of multichannel fluorescence Spectra bioaerosol particle |
| RU2763682C1 (en) * | 2021-06-09 | 2021-12-30 | Геннадий Евгеньевич Котковский | Optical system for determining aerosol compositions based on luminescent analysis of aerosol particles |
| RU2801546C1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-08-10 | Геннадий Евгеньевич Котковский | Method for recording luminescence and scattering signals from aerosol particles when they are excited in a jet and a system for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010134833A (en) | 2012-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7554663B2 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
| US7525660B2 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
| EP0498644B1 (en) | High sensitive multi-wavelength spectral analyzer | |
| US5803606A (en) | Surface photothermic testing device | |
| ES2900803T3 (en) | flow cytometer | |
| US9816911B2 (en) | Flow cytometry optics | |
| RU2715368C1 (en) | Measuring device for determining different gases and concentrations of gases and method of determining different gases and concentrations of gases | |
| US7414717B2 (en) | System and method for detection and identification of optical spectra | |
| US20070285658A1 (en) | High-speed, rugged, time-resolved, raman spectrometer for sensing multiple components of a sample | |
| WO1995010759A1 (en) | Spectral wavelength discrimination system and method for using | |
| WO1991000994A1 (en) | Optical read head for immunoassay instrument | |
| KR101635656B1 (en) | An apparatus adapted for spectral analysis of high concentrations of gas | |
| CN106706589B (en) | Fluorescence detection system for cell analyzer | |
| RU2448340C1 (en) | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method | |
| CN108037111A (en) | Hand-held LIBS optical systems | |
| US7609379B2 (en) | Detecting laser-induced fluorescence emissions | |
| US20050231717A1 (en) | Fluorescence inspection spectrometer | |
| Kirkwood et al. | Imaging backscattered and near to backscattered light in ignition scale plasmas | |
| RU103920U1 (en) | OPTICAL SYSTEM OF REGISTRATION OF SIGNALS OF FLUORESCENCE AND THE SCATTERING OF AEROSOL PARTICLES IN THE FLOW | |
| CN108007570A (en) | Spectrometer and spectral detection system | |
| JPH03214038A (en) | Instrument for measuring aerosol, dust and the like spreaded in the air | |
| JPH07280732A (en) | Fluorescence spectrometer | |
| CN207730671U (en) | Hand-held LIBS optical systems | |
| RU2763682C1 (en) | Optical system for determining aerosol compositions based on luminescent analysis of aerosol particles | |
| CN213302015U (en) | Monochromator and sulfur dioxide analyzer |