RU2108563C1

RU2108563C1 - Method determining profile of meniscus of liquid

Info

Publication number: RU2108563C1
Application number: RU97104137A
Authority: RU
Inventors: А.К. Никитин
Original assignee: Российский Университет Дружбы Народов
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-04-10

Abstract

FIELD: optical instrumentation, physico-chemical analysis of liquids and surfaces of solid bodies, specifically for determination of wetting ability of liquid, study of processes of spreading and evaporation of liquids, determination of coefficient of surface tension of liquids. SUBSTANCE: method determining profile of meniscus of liquid includes bringing sample and examined liquid to contact, illumination of section of sample adjoining meniscus with monochromatic radiation, conversion of incident radiation to surface electromagnetic wave and action with it on meniscus, recording of reflected radiation and determination of distribution of thickness of layer of liquid in meniscus, excitation of surface electromagnetic wave by radiation that is focused in plane of its incidence. Distribution of thickness of liquid in meniscus is determined by value of incidence angle corresponding to most effective excitation of surface electromagnetic wave. EFFECT: method is most of all effective when determining profile of meniscus of liquid in close proximity to line separating surface of sample and free surface of liquid. 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптической контрольно-измерительной технике и может быть использовано для физико-химического анализа жидкостей и поверхности твердых тел, в частности для определения смачивающей способности жидкости, изучения процессов растекания и испарения жидкостей, для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей. The invention relates to optical control and measuring equipment and can be used for physicochemical analysis of liquids and the surface of solids, in particular for determining the wetting ability of liquids, studying the processes of spreading and evaporation of liquids, to determine the surface tension coefficient of liquids.

Известен способ определения толщины смачивающей пленки жидкости на твердой поверхности, включающий помещение жидкости в капилляр и изменение величины изменения длины ее столбика при его возвратно-поступательном движении по сухой поверхности канала капилляра; причем измерения осуществляют в фиксированном месте капилляра, а искомую величину толщины пленки жидкости определяют расчетным путем [1]. Основными недостатками известного способа являются невысокая точность, большие временные затраты и трудоемкость. A known method for determining the thickness of a wetting film of liquid on a solid surface, comprising placing the liquid in the capillary and changing the magnitude of the change in the length of its column when it is reciprocating along the dry surface of the channel of the capillary; moreover, the measurements are carried out in a fixed location of the capillary, and the desired value of the thickness of the liquid film is determined by calculation [1]. The main disadvantages of this method are the low accuracy, high time and laboriousness.

Известен способ определения краевого угла смачивания, позволяющий также определять и профиль мениска жидкости у поверхности твердого тела (образца) [2]. Способ включает приведение в контакт жидкости и исследуемой поверхности образца, освещение мениска сколлимированным монохроматическим излучением, измерение параметров интерференционной картины с помощью оптического микроскопа и расчет величины краевого угла смачивания с использованием значений этих параметров. Основным недостатком известного способа является невысокая точность измерений (составляющая ≈ λ_o/50 , где λ_o - длина волны излучения в вакууме).A known method for determining the contact angle, also allows you to determine the profile of the meniscus of the liquid at the surface of a solid (sample) [2]. The method includes bringing into contact of the liquid and the test surface of the sample, illuminating the meniscus with collimated monochromatic radiation, measuring the parameters of the interference pattern using an optical microscope and calculating the value of the contact angle using the values of these parameters. The main disadvantage of this method is the low measurement accuracy (component ≈ λ _o / 50, where λ _o is the radiation wavelength in vacuum).

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ исследования тонких слоев на поверхности проводящих и полупроводящих образцов, называемых микроскопией поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ-микроскопией) позволяющий также определять и профиль мениска жидкости у поверхности твердого тела [3-5]. Способ включает приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, пучком сколлимированного монохроматического излучения, преобразование падающего излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), воздействие ПЭВ на мениск и определение профиля мениска путем поточечного расчета толщины слоя жидкости в мениске по величине коэффициента отражения для составляющей излучения, соответствующей поляризации ПЭВ. Основным недостатком этого способа является малая глубина резкости (порядка λ_o/50 , что позволяет визуализировать лишь небольшую часть мениска у линии раздела поверхности образца и свободной поверхности жидкости [6].The closest in technical essence to this invention is a method for studying thin layers on the surface of conductive and semiconducting samples, called microscopy of surface electromagnetic waves (PEV microscopy), which also allows you to determine the profile of the meniscus of the liquid at the surface of a solid [3-5]. The method includes bringing the sample and the test liquid into contact, illuminating the portion of the sample adjacent to the meniscus with a beam of collimated monochromatic radiation, converting the incident radiation to a surface electromagnetic wave (SEW), applying the SEW to the meniscus and determining the meniscus profile by pointwise calculation of the thickness of the liquid layer in the meniscus the magnitude of the reflection coefficient for the radiation component corresponding to the polarization of the SEW. The main disadvantage of this method is the shallow depth of field (of the order of λ _o / 50, which allows you to visualize only a small part of the meniscus at the dividing line of the sample surface and the free surface of the liquid [6].

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения профиля мениска жидкости, включающем приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, монохроматическим излучением, преобразование падающего излучения в ПЭВ и воздействие ею на мениск, регистрацию отраженного излучения и определение распределения толщины слоя жидкости в мениске, возбуждение ПЭВ осуществляют излучением, которое фокусируют в плоскости его падения, а распределение толщины жидкости в мениске определяют по величине угла падения соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ. The essence of the invention lies in the fact that in the method of determining the profile of the meniscus of the liquid, including bringing into contact of the sample and the test fluid, illuminating the portion of the sample adjacent to the meniscus with monochromatic radiation, converting the incident radiation into the SEW and its impact on the meniscus, recording the reflected radiation and determining the distribution of the thickness of the liquid layer in the meniscus, the SEW is excited by radiation, which is focused in the plane of its fall, and the distribution of the thickness of the liquid in the meniscus is determined t largest angle of incidence corresponding to the most effective excitation SEW.

Фокусировка падающего излучения делает возможным возбуждения ПЭВ при любом значении толщины слоя h в мениске, а не только при значениях h допускающих согласование фазовой скорости ПЭВ и тангенциальной составляющей фазовой скорости плоской волны. Это объясняется тем, что сфокусированное излучение содержит непрерывный спектр плоских волн позволяющих возбуждать ПЭВ с максимальной эффективностью как на границе раздела "образец - окружающая среда", так и на границе раздела "образец - исследуемая жидкость" (т.е. при любой толщине h слоя жидкости примыкающего к образцу). Focusing of the incident radiation makes it possible to excite the SEW for any value of the layer thickness h in the meniscus, and not only for values of h that allow matching the phase velocity of the SEW and the tangential component of the phase velocity of the plane wave. This is explained by the fact that focused radiation contains a continuous spectrum of plane waves that make it possible to excite SEWs with maximum efficiency both at the sample – environment interface and at the sample – test liquid interface (i.e., for any layer thickness h fluid adjacent to the sample).

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 1, где обозначены: 1 - контейнер, снабженный прозрачным окном 2 и наполненный исследуемой 3; 4 - источник монохроматического излучения; 5- коллиматор; 6 - поляризатор; 7 - прозрачная призма, выполненная в виде полуцилиндра, герметично прилегающая плоской гранью к окну 2 и содержащая на этой грани оптический волновод, состоящий из прозрачной металлической пленки 8, являющейся одновременно образцом, 9 - фотоприемное устройство, подключенное к устройству обработки информации 10. The method can be implemented, for example, using a device, a diagram of which is shown in FIG. 1, where are indicated: 1 - a container equipped with a transparent window 2 and filled with the test 3; 4 - source of monochromatic radiation; 5- collimator; 6 - polarizer; 7 - a transparent prism made in the form of a half cylinder, hermetically adjacent a flat face to the window 2 and containing on this face an optical waveguide consisting of a transparent metal film 8, which is simultaneously a sample, 9 - a photodetector connected to the information processing device 10.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Призму 7 с нанесенной на ее основание однородной прозрачной пленкой 8 герметично укрепляют на окне 2 контейнера 1. Наполняют горизонтально размещенный контейнер 1 исследуемой жидкостью 3. С помощью источника 4, коллиматора 5 и поляризатора 6 получают пучок сколлимированного р-поляризованного монохроматического излучения с длиной волны λ_o и направляют его через цилиндрическую поверхность призмы 7 на образец-пленку 8 в области мениска жидкости 3. Причем размер сфокусированного пучка излучения вдоль вертикали должен превышать высоту мениска, а спектр углов падения излучения в пучке должен включать в себя углы возбуждения ПЭВ как на свободной от жидкости 3 поверхности пленки 8 φ_o , так и при наличии у поверхности пленки 8 бесконечно толстого (по сравнению с глубиной проникновения поля ПЭВ в жидкость 3) слоя исследуемой жидкости 3 φ_ож . Таким образом, сфокусированное падающее излучение возбуждает в пленке 8 ПЭВ по всей освещенной области. Так как энергия поля ПЭВ переносится, в основном, над поверхностью пленки 8, то фазовая скорость ПЭВ, а, следовательно, и угол возбуждения ПЭВ φ $\binom{*}{o}$ , зависит от толщины h слоя жидкости 3, прилегающего к пленке 8. Величину угла φ $\binom{*}{o}$ , соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ в данном горизонтальном сечении мениска, характеризуемом значением координаты Z (ось Z направлена вдоль внешней поверхности образца-пленки 8 вертикально вверх), определяют по угловому положению минимума резонансного провала интенсивности в отраженном излучении, контролируемого фотоприемным устройством 9. Совокупность пар значений φ $\binom{*}{o}$ и Z, соответствующих выбранному числу горизонтальных сечений мениска, поступает на вход устройства обработки информации 10. Устройство 10, соотнося измеренные пары значений φ $\binom{*}{o}$ и Z с расчетной зависимостью φ $\binom{*}{o}$ (h), определяет профиль мениска, т.е. зависимость h(Z).The device operates and the method is as follows. A prism 7 with a uniform transparent film 8 deposited on its base is hermetically mounted on the window 2 of the container 1. A horizontally placed container 1 is filled with the test liquid 3. Using a source 4, a collimator 5 and a polarizer 6, a beam of collimated p-polarized monochromatic radiation with a wavelength λ is obtained _o and direct it through the cylindrical surface of the prism 7 at a sample-film 8 in the region of the meniscus 3. Moreover, the liquid size of a focused radiation beam along the vertical must exceed the height of the meniscus, range of incidence angles in the beam should include angles excitation SEW as free liquid 3 film surface 8 φ _o, and the presence at the surface of film 8 infinitely thick (compared with the depth of penetration of the field SEW in liquid 3) sample liquid layer 3 φ _ozh . Thus, focused incident radiation excites in the 8 PEV film over the entire illuminated region. Since the energy of the SEW field is transferred mainly above the surface of the film 8, the phase velocity of the SEW, and, consequently, the angle of excitation of the SEW φ $\binom{*}{o}$ depends on the thickness h of the liquid layer 3 adjacent to the film 8. The angle φ $\binom{*}{o}$ corresponding to the most efficient SEW excitation in a given horizontal meniscus section characterized by the value of the Z coordinate (the Z axis is directed vertically upward along the outer surface of the film sample 8), they are determined from the angular position of the minimum of the resonance intensity dip in reflected radiation controlled by the photodetector 9. The set of pairs values of φ $\binom{*}{o}$ and Z, corresponding to the selected number of horizontal meniscus sections, is fed to the input of the information processing device 10. Device 10, correlating the measured pairs of values of φ $\binom{*}{o}$ and Z with the calculated dependence φ $\binom{*}{o}$ (h), defines the meniscus profile, i.e. dependence h (Z).

В качестве примера рассмотрим применение данного способа для определения профиля мениска оливкового масла у расположенного вертикально золотого образца. Окружающая среда - воздух. Образец выберем в виде прозрачной золотой пленки толщиной 54,0 нм нанесенной на плоскую грань стеклянной призмы с показателем преломления n₁= 1,71. Для возбуждения ПЭВ на внешней поверхности пленки выберем монохроматическое излучение с λ_o = 0,6328 мкм. На данной λ_o показатели преломления и поглощения напыленного золота n₂=0,15 и k₂=3,2, соответственно, а показатель преломления масла n₃=1,47 [7]. Для фокусировки излучения в плоскости его падения и обеспечения спектра углов падения излучения не менее 37^o30', что соответствует разности значений φ_ож = 75^o30' и φ_o = 38^o07', т.е. изменению угла возбуждения ПЭВ в области мениска масла, выберем радиус цилиндрической поверхности призмы 2 см, а ширину пучка сколлимированного излучения, падающего на призму, - равным 1,5 см.As an example, consider the use of this method to determine the profile of the meniscus of olive oil in a vertically located gold sample. The environment is air. We choose a sample in the form of a transparent gold film 54.0 nm thick deposited on a flat face of a glass prism with a refractive index of n ₁ = 1.71. To excite the SEW on the outer surface of the film, we choose monochromatic radiation with λ _o = 0.6328 μm. At this λ _o, the refractive indices and absorption of the deposited gold are n ₂ = 0.15 and k ₂ = 3.2, respectively, and the refractive index of the oil is n ₃ = 1.47 [7]. To focus the radiation in the plane of its incidence and to provide a spectrum of angles of incidence of radiation of not less than 37 ^o 30 ', which corresponds to the difference between the values φ _ozh = 75 ^o 30' and φ _o = 38 ^o 07 ', i.e. a change in the SEW excitation angle in the oil meniscus region, we select the radius of the cylindrical surface of the prism 2 cm, and the beam width of the collimated radiation incident on the prism is equal to 1.5 cm.

На фиг. 2 приведена расчетная зависимость резонансного угла возбуждения ПЭВ φ $\binom{*}{o}$ в описанной выше волноведущей структуре "призма - Au пленка толщиной 54 нм - слой масла толщиной h - воздух" от величины h. Из приведенного графика видно, что в данном случае заявляемый способ позволяет исследовать мениск масла вплоть до его горизонтального сечения в котором h ≈ λ_o . В случае же применения способа-прототипа (ПЭВ-микроскопии в сколлимированном монохроматическом излучении) доля визуального мениска масла в описанной волноведущей структуре глубина резкости составляет всего 25 нм или порядка λ_o/20. .In FIG. 2 shows the calculated dependence of the resonant angle of excitation SEW φ $\binom{*}{o}$ in the waveguide structure described above, "prism - Au film 54 nm thick - oil layer of thickness h - air" of the value of h. From the graph shows that in this case the inventive method allows you to explore the meniscus of the oil up to its horizontal section in which h ≈ λ _o . In the case of applying the prototype method (PEV microscopy in collimated monochromatic radiation), the proportion of the visual oil meniscus in the described waveguide structure, the depth of field is only 25 nm or about λ _o / 20. .

Предположим, что в результате измерений (таблица) получена следующая зависимость:
φ $\binom{*}{o}$ (Z_o-Z)
где z_o=2,577 мм - вертикальная координата верхней точки мениска.Suppose that as a result of measurements (table), the following dependence was obtained:
φ $\binom{*}{o}$ (Z _o -Z)
where z _o = 2.577 mm is the vertical coordinate of the upper point of the meniscus.

Тогда, соотнося пары значений φ $\binom{*}{o}$ и Z с расчетной зависимостью φ $\binom{*}{o}$ (h) , приведенной на фиг. 2, получим профиль мениска масла у вертикально расположенного золотого образца (фиг. 3). Полученный профиль совпадает с профилем мениска масла у вертикально расположенного золотого образца, рассчитанного по методике [8].Then, correlating the pairs of values of φ $\binom{*}{o}$ and Z with the calculated dependence φ $\binom{*}{o}$ (h) of FIG. 2, we obtain the profile of the meniscus of oil in a vertically located gold sample (Fig. 3). The obtained profile coincides with the profile of the oil meniscus in a vertically located gold sample calculated according to the procedure [8].

Таким образом, данный способ позволяет увеличить глубину резкости метода ПЭВ-микроскопии при исследовании мениска жидкости более чем в 20 раз, что расширяет как возможности метода, так и класс исследуемых жидкостей и образцов. Thus, this method allows you to increase the depth of field of the method of SEV microscopy in the study of the meniscus of the liquid by more than 20 times, which expands both the capabilities of the method and the class of studied liquids and samples.

Источники информации:
1. Железный Б.В. Способ определения толщины смачивающей пленки жидкости на твердой поверхности // А.с. SU N 397817, кл. G 01 N 13/00), 17.09.1973.Sources of information:
1. Iron B.V. A method for determining the thickness of a wetting liquid film on a solid surface // A.S. SU N 397817, class G 01 N 13/00), 09/17/1973.

2. Гребенник И. П. Способ определения краевого угла смачивания // А.С. СССР, 1363019, G 01 N 13/00, 30.12.1987. 2. Grebennik I.P. A method for determining the wetting angle // A.S. USSR, 1363019, G 01 N 13/00, 12.30.1987.

3. Rothenhausler B. , Knoll W. Surface plasmon microscopy // Nature, 1988, v. 332, No.6165, p. 615-617. 3. Rothenhausler B., Knoll W. Surface plasmon microscopy // Nature, 1988, v. 332, No.6165, p. 615-617.

4. Никитин А.К., Тищенко А.А. Фазовая ПЭВ-микроскопия // Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, вып. 11, с. 76 - 79. 4. Nikitin A.K., Tishchenko A.A. Phase SEV microscopy // Letters in ZhTF, 1991, v. 17, no. 11, p. 76 - 79.

5. Тищенко А. А., Никитин А.К. ПЭВ в оптической микроскопии // Вестник РУДН (сер. физ.), 1993, N 1, с. 114-121. 5. Tishchenko A. A., Nikitin A.K. SEW in optical microscopy // Bulletin of RUDN University (ser. Phys.), 1993, N 1, p. 114-121.

6. Никитин А. К. , Рыжова Т.А. Регулирование контраста изображения и глубины резкости в ПЭВ-микроскопии // Письма в ЖТФ, 1996, Т. 22, вып. 9, с. 14-17. (прототип)
7. American Institute of Physics Handbook // N.Y., 1972.6. Nikitin A. K., Ryzhova T. A. Regulation of image contrast and depth of field in PEV microscopy // Letters in ZhTF, 1996, V. 22, no. 9, p. 14-17. (prototype)
7. American Institute of Physics Handbook // NY, 1972.

8. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания // М.: Химия, 1976. - 231 с. 8. Sum B.D., Goryunov Yu.V. Physicochemical fundamentals of wetting and spreading // M .: Chemistry, 1976. - 231 p.

Claims

The method of determining the profile of the meniscus of the liquid, including bringing into contact of the sample and the test liquid, illuminating the portion of the sample adjacent to the meniscus with monochromatic radiation, converting the incident radiation to a surface electromagnetic wave (SEW) and affecting the meniscus, recording the reflected radiation and determining the distribution of layer thickness liquid in the meniscus, characterized in that the SEW is excited by radiation focused in the plane of its fall, and the distribution of the liquid thickness in the menis ke is determined by the value of the angle of incidence corresponding to the most effective excitation of SEW.