RU2279663C2 - Device for determining composition of aerosols - Google Patents
Device for determining composition of aerosols Download PDFInfo
- Publication number
- RU2279663C2 RU2279663C2 RU2004117012/28A RU2004117012A RU2279663C2 RU 2279663 C2 RU2279663 C2 RU 2279663C2 RU 2004117012/28 A RU2004117012/28 A RU 2004117012/28A RU 2004117012 A RU2004117012 A RU 2004117012A RU 2279663 C2 RU2279663 C2 RU 2279663C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- angle
- analyzed volume
- optical
- focusing lens
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам оптического контроля фракционно-дисперсного состава частиц аэрозоля, и может быть использовано, например, при контроле состояния окружающей среды.The invention relates to a measurement technique, in particular to devices for optical control of the fractionally dispersed composition of aerosol particles, and can be used, for example, in monitoring the state of the environment.
Известно устройство для анализа дисперсного состава частиц аэрозолей [С.П.Беляев, Н.К. Никифорова и др. Оптико-электронные методы анализа аэрозолей. М.: Энергоиздат, 1981. Стр.24-74].A device for analyzing the dispersed composition of aerosol particles [S.P. Belyaev, N.K. Nikiforova et al. Optoelectronic aerosol analysis methods. M .: Energoizdat, 1981. P. 24-74].
С помощью указанного устройства производится анализ загрязнения воздуха аэрозольными веществами в промышленных и жилых помещениях, а также открытой атмосферы. Конечной целью анализа является как можно более точная оценка дисперсного и химического состава контролируемого аэрозоля и определение с высокой чувствительностью покомпонентной концентрации загрязнителей.Using this device, an analysis of air pollution by aerosol substances in industrial and residential premises, as well as an open atmosphere, is performed. The ultimate goal of the analysis is the most accurate assessment of the dispersed and chemical composition of the controlled aerosol and the determination of the component-wise concentration of pollutants with high sensitivity.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в авторском свидетельстве (прототип) [В.Н.Казанов и др. Схема малогабаритного анализатора дисперсного состава аэрозольных частиц. Оптико-механическая промышленность, 1976, №6, стр.50-54].The closest in technical essence to the proposed invention is the device described in the copyright certificate (prototype) [V.N.Kazanov et al. Scheme of a small-sized analyzer of the dispersed composition of aerosol particles. Optical-mechanical industry, 1976, No. 6, p. 50-54].
Устройство содержит последовательно установленные вдоль оптической оси ламповый источник излучения, систему формирования пучка, содержащую линзовый фокусирующий объектив для формирования анализируемого объема, оптическую систему регистрации, содержащую собирающий объектив, оптическая ось которого не совпадает с осью фокусирующего объектива, полевую диафрагму для подавления фоновых засветок и фотоприемник. При этом выходные зрачки фокусирующего и собирающего объектива ограничены круглыми апертурами, а их оптические оси не совпадают.The device comprises a tube radiation source sequentially installed along the optical axis, a beam-forming system containing a lens focusing lens for generating the analyzed volume, an optical recording system containing a collecting lens, the optical axis of which does not coincide with the axis of the focusing lens, a field diaphragm for suppressing background illumination, and a photodetector . In this case, the exit pupils of the focusing and collecting lens are limited by round apertures, and their optical axes do not coincide.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Свет от лампового источника излучения собирается системой формирования луча и фокусируется линзовым фокусирующим объективом в пределах телесного угла Ωв в анализируемый объем, через который проходят частицы аэрозоля. При их взаимодействии с лучом возникают вторичные переизлученные потоки света, которые собираются в пределах телесного угла Ω оптической системой регистрации и направляются ею на полевую диафрагму и затем - на фотоприемник. Для того, чтобы избежать засветки фотоприемника возбуждающим излучением, устройство выполнено таким образом, что пространства телесных углов Ωв и Ω не пересекаются, и оптические оси фокусирующего объектива и оптической системы регистрации не совпадают. Далее сигналы направляются на систему обработки, которая может быть внутренним или внешним по отношению к устройству блоком. Анализ сигналов позволяет сделать вывод о пофракционном составе аэрозолей.The light from the tube radiation source is collected by the beam forming system and focused by the lens focusing lens within the solid angle Ω into the analyzed volume through which the aerosol particles pass. When they interact with the beam, secondary reemitted streams of light arise, which are collected within the solid angle Ω by the optical recording system and directed by it to the field diaphragm and then to the photodetector. In order to avoid exposure of the photodetector to exciting radiation, the device is designed in such a way that the spaces of solid angles Ωв and Ω 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, which may be an internal or external unit to the device. Signal analysis allows us to conclude that the aerosol composition is fractional.
Недостатком указанного прибора является низкая чувствительность при оценке концентрации микрочастиц аэрозолей разных фракций по сигналам флуоресценции частиц.The disadvantage of this device is the low sensitivity when assessing the concentration of microparticles of aerosols of different fractions from the signals of fluorescence of the particles.
Причиной указанного недостатка является то, что примененные в приборе оптические элементы, осуществляющие фокусировку возбуждающего излучения на струю с пробой и сбор переизлученного индивидуальной частицей сигнала, не обеспечивают оптимальное соотношение апертур телесных углов пространств возбуждения и светосбора Ωв и Ω, соответственно при люминесцентном анализе.The reason for this drawback is that the optical elements used in the device, which focus the exciting radiation onto a jet with a sample and collect the signal reradiated by an individual particle, do not provide the optimal ratio of the apertures of the solid angles of the excitation and light collection spaces Ωв and Ω, respectively, during luminescent analysis.
Техническая задача, которую решает предлагаемое устройство, - экспресс анализ многокомпонентных аэрозолей по сигналам светорассеяния и собственной флуоресценции индивидуальных частиц малого размера с возможностью оценки их покомпонентной концентрации с использованием лампового источника возбуждения микрочастиц.The technical problem that the proposed device solves is the express analysis of multicomponent aerosols by light scattering and intrinsic fluorescence signals of individual small particles with the possibility of evaluating their component-wise concentration using a tube source of microparticle excitation.
Технические результаты получаемые с помощью предлагаемого изобретенияTechnical results obtained using the invention
- достижение при люминесцентном анализе высокой чувствительности по оценке покомпонентной концентрации микрочастиц аэрозолей разных фракций.- the achievement in luminescent analysis of high sensitivity by evaluating the component-wise concentration of aerosol microparticles of different fractions.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа фракционно-дисперсного состава частиц аэрозоля, содержащем последовательно установленные вдоль оптической оси ламповый источник возбуждения, систему формирования пучка света, содержащую фокусирующий объектив для формирования анализируемого объема, оптическую систему регистрации, содержащую собирающий объектив, оптическая ось которого не совпадает с оптической осью фокусирующего объектива, полевую диафрагму и фотоприемники, фокусирующий и собирающий объективы выполнены таким образом, что величины их апертурных внешних половинных линейных углов α и β соответственно, измеренные относительно центра анализируемого объема, имеют значенияThe specified technical result is achieved by the fact that in the device for analyzing the fractional dispersed composition of aerosol particles containing a tube source of excitation sequentially installed along the optical axis, a light beam forming system containing a focusing lens for generating the analyzed volume, an optical recording system containing a collecting lens, an optical the axis of which does not coincide with the optical axis of the focusing lens, the field aperture and photodetectors, focusing and collecting about injective performed so that the value of their outer half linear aperture angles α and β, respectively, measured with respect to the center of the analyzed volume, have the meanings
25°≤α≤45°25 ° ≤α≤45 °
45°≤β≤55°,45 ° ≤β≤55 °
а в фокусирующий объектив введены зеркальные элементы, обеспечивающие формирование конусообразного пучка света, имеющего внешнюю конусообразную поверхность, ограниченную утлом 2α, и внутреннюю поверхность пучка, ограниченную линейным углом 2α2, при этом 0,1·α≤α2≤0,55·αand mirror elements are introduced into the focusing lens, which ensure the formation of a cone-shaped light beam having an external cone-shaped surface bounded by the angle 2α and an internal surface of the beam bounded by a linear angle 2α2, with 0.1 · α≤α2≤0.55 · α
Автору неизвестно устройство, в котором использованы признаки, являющиеся отличительными в предлагаемом техническом решении.The author does not know the device in which the features that are distinctive in the proposed technical solution are used.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - схема взаимной конфигурации внешних образующих углов фокусирующего α и регистрирующего β объективов и указан центр анализируемого объема. На фиг.3 - расчетные кривые зависимости чувствительности (производительности) прибора при различных уровнях фоновой засветки от величины угла α, под которым световой диаметр выходного элемента фокусирующего объектива виден из анализируемого объема прибора, а также от величины угла светосбора β, на фиг.4 - ход лучей в фокусирующем объективе, содержащем зеркальный элемент с центральным зеркалом.Figure 1 presents a schematic diagram of the proposed device. Figure 2 is a diagram of the mutual configuration of the outer generatrix of the angles of the focusing α and the recording β lenses and the center of the analyzed volume is indicated. Figure 3 - calculated curves of sensitivity (productivity) of the device at different levels of background illumination on the angle α, at which the light diameter of the output element of the focusing lens is visible from the analyzed volume of the device, as well as on the magnitude of the light collection angle β, figure 4 - ray path in a focusing lens containing a mirror element with a central mirror.
Предлагаемое устройство состоит из следующих последовательно расположенных вдоль оптической оси прибора элементов:The proposed device consists of the following elements located in series along the optical axis of the device:
1 - оптическая ось прибора, 2 - ламповый источник излучения, 3 - система формирования пучка света, 4 - фокусирующий объектив, 5 - анализируемый объем, 6 - сопло подачи пробы, 7 - система регистрации, 8 - собирающий объектив, 9 - полевая диафрагма, 10 - фотоприемники. При этом 11 - оптическая ось собирающего объектива 8, 12 - центр анализируемого объема 5, 13 и 14 - границы вдоль оси Y, соответственно, реального анализируемого объема, размеры которого определяются формой перетяжки возбуждающего луча и струи, и всего пространства в области анализируемого объема, передаваемого через полевую диафрагму 9. Размеры последнего размыты за счет ограниченности глубины резкости собирающего объектива.1 - the optical axis of the device, 2 - a tube radiation source, 3 - a system for generating a light beam, 4 - a focusing lens, 5 - an analyzed volume, 6 - nozzle for feeding a sample, 7 - registration system, 8 - collecting lens, 9 - field diaphragm, 10 - photodetectors. In this case, 11 is the optical axis of the
Кривыми 15-17 представлена зависимость от угла сбора регистрирующего объектива β производительности анализа Q(α, β, Kn) при различных уровнях коэффициента засветки Kn и угле фокусировки α=40°.Curves 15-17 show the dependence on the recording angle β of the recording lens β of the analysis performance Q (α, β, Kn) at various levels of the illumination coefficient Kn and the focus angle α = 40 °.
Кривыми 18-20 представлена зависимость Q(α, β, Kn) от ос при разных значениях регистрирующего угла β, при коэффициенте засветки (Kn=0,03).
На фиг.4 представлена схема фокусирующего объектива, содержащего внутреннее зеркало 21 и внешнее 22, которые формируют диаграмму углов, состоящую из полого конуса, с внутренней поверхностью, образованной фигурой вращения половинного апертурного угла α2.Figure 4 presents a diagram of a focusing lens containing an
Устройство выполнено таким образом, что оптические оси 1 и 11 фокусирующего 4 и собирающего 8 объективов соответственно проходят через центр 12 анализируемого объема 5 и не совпадают. При этом в пространстве формируются углы фокусировки α и светосбора β соответственно.The device is designed in such a way that the
Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:
Свет лампового источника 2 собирается системой формирования пучка света 3 и формируется в виде излучения необходимого спектрального диапазона. Фокусирующий объектив 4 фокусирует сформированное излучение на анализируемый объем прибора 5.The light of the lamp source 2 is collected by the system of formation of the light beam 3 and is formed in the form of radiation of the required spectral range. A focusing lens 4 focuses the generated radiation on the analyzed volume of the
В анализируемый объем с помощью сопла подачи пробы 6 подаются частицы аэрозоля. При пересечении частицей аэрозоля анализируемого объема 5 возникает вторичный, переизлученный частицей поток, который преобразуется, собирается и формируется оптической системой регистрации 7. При этом переизлученный частицей свет собирается высокоапертурным собирающим объективом 8, задача которого - формирование светового потока на систему полевых диафрагм 9. При этом полевая диафрагма 9 может являться входным отверстием для спектрального устройства, на фигуре отдельно не показанного. После полевой диафрагмы 9 собранное излучение попадает на фотоприемники 10, вырабатывающие соответствующие электрические сигналы. Размеры полевой диафрагмы 9 согласованы с изображением анализируемого объема 5, которое строится в плоскости первой собирающим объективом 8. При этом через полевую диафрагму 9, по ходу оси 11 объектива 8, передается изображение отрезка, включающего точку центра анализируемого объема 12, края реального анализируемого объема 13 и точку 14, соответствующую размытию границы анализируемого объема за счет конечности глубины резкости объектива 8, отрезок от точки 12 до точки 14 на фиг.2.Aerosol particles are fed into the analyzed volume using the nozzle for feeding sample 6. When the aerosol particle crosses the analyzed
Принципы оптимизации оптической системы прибора с ламповым источником состоят в следующем.The principles of optimizing the optical system of a device with a tube source are as follows.
Измерения любых сигналов, в том числе световых, измеряемых фотоприемниками, производятся с ошибкой, которую принято характеризовать величиной η отношения сигнал/шум. Для фотоприемника указанное соотношение можно выразить величинойMeasurements of any signals, including light, measured by photodetectors, are made with an error, which is usually characterized by the value of η signal-to-noise ratio. For a photodetector, this ratio can be expressed as
где N=fs·τ - общее количество полученных за время измерения τ полезных сигнальных фотоотсчетов;where N = fs · τ is the total number of useful signal photocounts obtained during the measurement of τ;
fs и fn - средние частоты возникновения во время прохождения частицы через анализируемый объем сигнальных и шумовых отсчетов фотоприемника соответственно.fs and fn are the average frequencies of occurrence during the passage of a particle through the analyzed volume of signal and noise samples of the photodetector, respectively.
При измерениях отношение η не должно быть ниже определенного значения.In measurements, the ratio η should not be lower than a certain value.
Поток флуоресценции в хорошем приближении пространственно изотропен. Поэтому интенсивность регистрируемого сигнала флуоресценции fs в выделенном спектральном диапазоне пропорциональна величине:The fluorescence flux in a good approximation is spatially isotropic. Therefore, the intensity of the recorded fluorescence signal fs in the selected spectral range is proportional to:
fs=Kr·ρв·σф· Ω,fs = Kr · ρв · σф · Ω,
где Ω - величина телесного угла, в пределах которого собирается оптической системой регистрации поток флуоресценции частицы;where Ω is the value of the solid angle within which the particle fluorescence flux is collected by the optical registration system;
ρв - плотность потока возбуждающего излучения в анализируемом объеме прибора;ρв is the flux density of the exciting radiation in the analyzed volume of the device;
σф - величина площади поперечного сечения флуоресценции частицы;σф - the value of the cross-sectional area of the fluorescence of the particle;
Kr - коэффициент пропускания соответствующего регистрирующего канала.Kr is the transmittance of the corresponding recording channel.
Как известно, величина максимальной плотности потока излучения, которую можно получить в некотором объеме при использовании источника излучения, обладающего величиной габаритной яркости J, равна:As you know, the value of the maximum radiation flux density, which can be obtained in a certain volume when using a radiation source having an overall brightness J, is:
ρв=J·Кпр· Ωв,ρв = J
где Кпр - коэффициент пропускания оптической системы формирования пучка;where KPR is the transmittance of the optical system of beam formation;
Ωв - величина телесного угла, под которым сфокусированное от источника излучение сходится к изображению светящегося тела источника, которое в приборе совпадает с анализируемым объемом. Теперь выражение для fs можно переписать в виде: Ωв is the value of the solid angle at which the radiation focused from the source converges to the image of the luminous body of the source, which in the device coincides with the analyzed volume. Now the expression for fs can be rewritten as:
fs=K1·J·σф· Ω· Ωв,fs = K1 · J · σf · Ω · Ωв,
где К1 - коэффициент пропорциональности where K1 is the coefficient of proportionality
Аналогично можно выразить интенсивность шумового сигнала fn:Similarly, you can express the intensity of the noise signal fn:
fn=fз+fт,fn = fz + ft,
где fз и fт - частоты выхода шумового отсчетного электрона, связанные с недостаточно подавленным излучением фоновой засветки в приборе и темнового тока фотоприемника соответственно.where fz and ft are the output frequencies of the noise reading electron associated with insufficiently suppressed radiation from the background light in the device and the dark current of the photodetector, respectively.
Очевидно, что интенсивность fз в общем случае пропорциональна потоку F1 возбуждающего излучения источника 2, введенному через анализируемый объем 5 в аналитическую часть прибора.Obviously, the intensity fz is generally proportional to the flux F1 of the exciting radiation of source 2, introduced through the analyzed
F1~ρв·Sв=J· Ωв·Sв,F1 ~ ρв · Sв = J · Ωв · Sв,
где Sв - площадь поперечного сечения анализируемого объема в направлении, перпендикулярном возбуждающему излучению.where Sb is the cross-sectional area of the analyzed volume in the direction perpendicular to the exciting radiation.
Очевидно также, что величина fз пропорциональна количеству фонового излучения F2, прошедшего на фотоприемник через полевую диафрагму 9, которая является размытым изображением анализируемого объема 5 в направлении оси 11 регистрирующего объектива 8. При этом нетрудно показать, чтоIt is also obvious that the fz value is proportional to the amount of background radiation F2 transmitted to the photodetector through the field diaphragm 9, which is a blurred image of the analyzed
F2~Sp· Ω,F2 ~ Sp
где Sp - площадь поперечного сечения пространства в районе анализируемого объема 5, изображение которого умещается в габаритах полевой диафрагмы 9.where Sp is the cross-sectional area of space in the region of the analyzed
Исходя из этого, можно записать:Based on this, you can write:
fз~J·Sв·Sp· Ωв· Ωfз ~ J · Sв · Sp · Ωв · Ω
При анализе аэрозолей, чтобы обеспечить необходимую чувствительность прибора к концентрации определяемой фракции аэрозоля, необходимо за время анализа Т успеть пропустить через прибор определенное количество микрочастиц. При этом скорость анализа микрочастиц определяется производительностью прибора по объемному расходу пробыWhen analyzing aerosols, in order to ensure the necessary sensitivity of the device to the concentration of the determined aerosol fraction, it is necessary to have a certain amount of microparticles pass through the device during the analysis T. The rate of analysis of microparticles is determined by the performance of the device according to the volumetric flow rate of the sample
Q=v·SпQ = v
где v - линейная скорость струи с пробой;where v is the linear velocity of the jet with a breakdown;
Sп - площадь поперечного сечения анализируемого объема прибора в направлении, перпендикулярном струе аэрозоля.Sp - the cross-sectional area of the analyzed volume of the device in the direction perpendicular to the aerosol jet.
Скорость V можно выразить через длительность импульса свечения τ, какThe velocity V can be expressed in terms of the duration of the glow pulse τ, as
где Z - размер анализируемого объема прибора вдоль струи пробы.where Z is the size of the analyzed volume of the device along the jet of sample.
Тогда выражение для объемного расхода преобразуется к виду:Then the expression for the volumetric flow rate is converted to:
где ϑ - размер анализируемого объема.where ϑ is the size of the analyzed volume.
Очевидно, что для обеспечения максимальной производительности и чувствительности анализа следует ускорять поток пробы v. Однако, при этом будет уменьшаться время τ прохождения частицы через анализируемый объем. Но, согласно выражению для η, время τ нельзя сделать как угодно малым, так как упадет отношение сигнал/шум измерений и вырастет их ошибка. Из выражения для η можно записать:Obviously, to maximize the performance and sensitivity of the analysis, sample flow v should be accelerated. However, this will decrease the time τ of the passage of the particle through the analyzed volume. But, according to the expression for η, the time τ cannot be made arbitrarily small, since the signal-to-noise ratio will drop and their error will increase. From the expression for η we can write:
В приведенной формуле величину η следует понимать, как заданное минимальное значение отношения сигнал/шум, уровень которого следует выдерживать в процессе измерений для обеспечения возможности анализа микрочастиц по их сигналам свечения.In the above formula, the value of η should be understood as a given minimum value of the signal-to-noise ratio, the level of which should be maintained during the measurement process to enable the analysis of microparticles by their glow signals.
С учетом последней формулы выражение для Q можно привести к виду:Given the last formula, the expression for Q can be reduced to:
где значения fn и fs определяются приведенными выше выражениями для них;where the values of fn and fs are determined by the above expressions for them;
Кс - коэффициент пропорциональности.Ks is the coefficient of proportionality.
Очевидно, что максимальная производительность и чувствительность анализа будет обеспечиваться прибором при максимально возможной величине Q.Obviously, the maximum performance and sensitivity of the analysis will be provided by the device at the maximum possible value of Q.
Однако возможности увеличения функции Q ограничены. Получение его максимального значения требует оптимизации конфигурации оптической схемы прибора.However, the possibilities for increasing the Q function are limited. Getting its maximum value requires optimizing the configuration of the optical circuit of the device.
Рассмотрим условия получения оптимальных соотношений элементов.Consider the conditions for obtaining optimal ratios of elements.
Ограничимся случаем, когда в шумовом сигнале роль темновых токов пренебрежимо мала по сравнению с шумами, связанными с фоновым излучением засветки. Можно показать, что наличие темновых токов не повлияет на полученные ниже выводы. Однако с целью упрощения анализа будем считать fт=0.We restrict ourselves to the case when the role of dark currents in a noise signal is negligible compared to the noise associated with the background radiation of the illumination. It can be shown that the presence of dark currents will not affect the conclusions drawn below. However, in order to simplify the analysis, we assume ft = 0.
Это условие часто выполняется путем выбора фотоприемника, у которого темновые токи не влияют на измерения.This condition is often fulfilled by choosing a photodetector in which dark currents do not affect the measurements.
С учетом вышеизложенного можно записать:Based on the foregoing, we can write:
где Kn - коэффициент пропорциональности, характеризующий уровень шумов прибора за счет фоновой засветки.where Kn is the proportionality coefficient characterizing the noise level of the device due to background illumination.
Как видно из фиг.2,As can be seen from figure 2,
Sв=(Z·X).Sv = (Z · X).
Размеры анализируемого объема вдоль координат Х и Y приблизительно совпадают.The dimensions of the analyzed volume along the X and Y coordinates approximately coincide.
При этом Sp - площадь сечения пространства около анализируемого объема, соответствующего размерам полевой диафрагмы 9, являющейся размытым изображением поперечного сечения анализируемого объема 5. Изображение в плоскости диафрагмы объема 5 размывается из-за конечной глубины резкости объектива 8, а также из-за его аберраций, которые быстро увеличиваются с увеличением светосилы, то есть угла β объектива.In this case, Sp is the cross-sectional area of the space near the analyzed volume corresponding to the size of the field diaphragm 9, which is a blurred image of the cross section of the analyzed
Из фиг.2 видно, что даже для идеального [А.С.Дубовик. Прикладная оптика. М.: Недра, 1982, стр.32-61] объектива размытие анализируемого объема в силу конечности глубины резкости первого приведет к величине площади передаваемого на фотоприемники поперечного сечения:From figure 2 it can be seen that even for the ideal [A.S. Dubovik. Applied Optics. M .: Nedra, 1982, pp. 32-61] of the lens, the blurring of the analyzed volume due to the finiteness of the depth of field of the first will lead to the size of the cross-sectional area transmitted to the photodetectors:
Sp~Z·Y·(1+tg2(β))2 Sp ~ Z Y (1 + tg 2 (β)) 2
Зависимость аберраций от величины угла можно ввести с учетом того, что сферические аберрации при малых углах имеют 3-й порядок малости, то есть пропорциональны углу в 3-й степени. Объективы имеют скомпенсированные аберрации. Однако значение остаточных аберраций также быстро увеличивается при росте апертурного угла объектива. Рост общих аберраций ускоряется при увеличении поля изображения. Поэтому мы ввели влияние аберраций объектива в виде:The dependence of aberrations on the magnitude of the angle can be introduced taking into account the fact that spherical aberrations at small angles are of the 3rd order of smallness, that is, they are proportional to the angle to the 3rd degree. Lenses have compensated aberration. However, the value of residual aberrations also increases rapidly with an increase in the aperture angle of the lens. The growth of general aberrations accelerates as the image field increases. Therefore, we introduced the influence of lens aberrations in the form:
Sp~Z·Y·(1+tg2(β))2·(1+0,018·β3)2.Sp ~ Z · Y · (1 + tg 2 (β)) 2 · (1 + 0.018 · β 3 ) 2 .
Нетрудно увидеть, что аберрационный сомножитель, последний в правой части, в выражении для площади изображения диафрагмы Sp, соответствует размытию линейного размера при угле β=30° на ~16%. При характерном размере анализируемого объема Z~0,1 мм это составит 0,016 мм, что характеризует объектив, как весьма высококачественный. С учетом всего вышеизложенного можно записать:It is easy to see that the aberration factor, the last on the right side, in the expression for the image area of the diaphragm Sp, corresponds to a blur of the linear size at an angle β = 30 ° by ~ 16%. With a characteristic size of the analyzed volume Z ~ 0.1 mm, this amounts to 0.016 mm, which characterizes the lens as very high quality. Based on the foregoing, we can write:
С учетом вышеизложенного можно записать для производительности:Based on the foregoing, you can write for performance:
где Kc - коэффициент пропорциональности.where Kc is the coefficient of proportionality.
В выражении для Q учтено также влияние на сигнал величины аберраций фокусирующего объектива в зависимости от угла α.The expression for Q also takes into account the effect on the signal of the magnitude of the aberrations of the focusing lens depending on the angle α.
Из полученного выражения видно, что для реализации максимальной производительности, а значит и чувствительности прибора, необходимо максимизировать величину анализируемого объема ϑ. При этом, чтобы уменьшить влияние шумов, необходимо каждый раз стремиться к минимальному размеру Z анализируемого объема в сечении, поперечном зондирующему лучу света.It can be seen from the obtained expression that in order to realize the maximum productivity, and hence the sensitivity of the device, it is necessary to maximize the value of the analyzed volume ϑ. At the same time, in order to reduce the effect of noise, it is necessary each time to strive for the minimum size Z of the analyzed volume in the cross section transverse to the probe light beam.
Необходимо соблюдать условие:It is necessary to observe the condition:
Со·ϑ≪1,Co · ϑ≪1,
где Со - верхний предел общей счетной концентрации исследуемого аэрозоля.where Co is the upper limit of the total concentration of the studied aerosol.
В этом случае максимальная величина анализируемого объемаIn this case, the maximum value of the analyzed volume
ϑ~0,1·Со-1 θ ~ 0,1 · Co -1
не зависит от величин Ω и Ωв.independent of the values of Ω and Ωв.
Пространства телесных углов, в которых фокусируется возбуждающее излучение, Ωв, и собирается переизлученный частицей свет, Ω, не должны иметь взаимного пересечения. В противном случае возбуждающее излучение, мощность которого на много порядков выше мощности переизлученного частицей света, попадет в оптические тракты фотоприема и насытит их высокоинтенсивной фоновой помехой, которая полностью подавит слабый импульсный полезный сигнал.The spaces of solid angles in which the exciting radiation is focused, Ωв, and the light reradiated by the particle, Ω, are collected, should not have mutual intersection. Otherwise, the exciting radiation, whose power is many orders of magnitude higher than the power of the light reradiated by the particle, will fall into the optical paths of the photodetector and saturate them with high-intensity background noise, which completely suppresses a weak pulsed useful signal.
Величина телесного угла в пространстве возбуждающего излученияThe value of the solid angle in the space of the exciting radiation
Ωв=2π(1-cos(α)), Ωв = 2π (1-cos (α)),
где, в соответствии с фиг.2, α - половина апертурного линейного угла, ограничивающего конусное пространство телесного угла Ωв, в котором фокусируется возбуждающее излучение.where, in accordance with figure 2, α is the half of the aperture linear angle bounding the conical space of the solid angle Ωв, in which the exciting radiation is focused.
В соответствии с описанием работы устройства-прототипа для телесного угла собирающего объектива можно записать:In accordance with the description of the operation of the prototype device for the solid angle of the collecting lens, you can write:
Ω=2π(1-cos(β))-f(α), Ω = 2π (1-cos (β)) - f (α),
гдеWhere
Для каждого Z максимальный анализируемый объем получится при выполнении условия:For each Z, the maximum analyzed volume will be obtained when the condition:
ϑ~Z·X·Y~Z3·ctg(α).ϑ ~ Z · X · Y ~ Z 3 · ctg (α).
ОтсюдаFrom here
Z~(ϑ·tg(α))(1/3).Z ~ (ϑ · tg (α)) (1/3) .
С учетом вышеизложенного выражение для производительности анализа можно привести к виду:Based on the foregoing, the expression for analysis performance can be reduced to the following:
На фиг.3 кривыми 15-17 представлена зависимость от апертурного внешнего половинного линейного угла регистрирующего объектива β производительности анализа Q при различных уровнях коэффициента засветки Kn и угле фокусировки α=40°.Figure 3 curves 15-17 shows the dependence on the aperture external half linear angle of the recording lens β of the analysis performance Q at various levels of illumination coefficient Kn and focus angle α = 40 °.
Из представленной зависимости видно, что только при отсутствии засветки, Kn=0, производительность анализа монотонно увеличивается с ростом светосбора регистрирующего объектива β. Этот случай не реализуем на практике. При наличии шумов в зависимости Q от β имеется максимум, который соответствует оптимальному углу светосбораIt can be seen from the presented dependence that only in the absence of illumination, Kn = 0, the analysis performance monotonically increases with increasing light collection of the recording lens β. This case is not realizable in practice. In the presence of noise, there is a maximum in the dependence of Q on β, which corresponds to the optimum angle of light collection
β~(45-55)°β ~ (45-55) °
В кривых 18-20 зависимости Q от α также имеется максимум. Указанная зависимость при разных значениях регистрирующего угла β при небольшом коэффициенте засветки (Kn=0,03) приведена на фиг.3.In curves 18–20, the dependence of Q on α also has a maximum. The indicated dependence at different values of the recording angle β with a small illumination coefficient (Kn = 0.03) is shown in Fig. 3.
Видно, что максимум в зависимости Q от α наблюдается при величине углаIt can be seen that the maximum in the dependence of Q on α is observed at the angle
α~(25-45)°.α ~ (25-45) °.
Наши исследования показали, что аналогичные выводы можно сделать и при других реально допустимых значениях засветки, Kn.Our studies have shown that similar conclusions can be drawn for other really valid flare values, Kn.
Представленные на фиг.3 зависимости 18-20 Q(α) от α свидетельствует о том, что в области максимума эта зависимость является слабой. Так, в областиThe dependences of 18-20 Q (α) on α presented in FIG. 3 indicate that in the region of the maximum this dependence is weak. So, in the area
25°≤α≤45°25 ° ≤α≤45 °
значение Q (α) для всех возможных ситуаций анализа изменяется не больше, чем на 30%. При уходе аргумента α из указанной области значений производительность пробы может уменьшиться на порядок и более.the value of Q (α) for all possible situations of analysis does not change by more than 30%. If argument α leaves the indicated range of values, the sample productivity may decrease by an order of magnitude or more.
Таким образом, можно сделать вывод, что для получения наибольшей чувствительности прибора к отдельным фракциям, необходимо применить оптическую систему, в которой телесный угол, в пределах которого возбуждающее излучение фокусируется в анализируемый объем прибора, должен быть ограничен снаружи линейным углом, значение половины которого находится в пределахThus, we can conclude that in order to obtain the highest sensitivity of the device to individual fractions, it is necessary to use an optical system in which the solid angle, within which the exciting radiation is focused into the analyzed volume of the device, must be limited outside by a linear angle, half of which is in the limits
25°≤α≤45°.25 ° ≤α≤45 °.
При этом величина половины линейного угла, ограничивающего телесный угол светосбора системы регистрации, должна иметь значение:In this case, the value of half the linear angle limiting the solid angle of the light collection of the registration system should have a value:
45°≤β≤55°.45 ° ≤β≤55 °.
Приведенные условия свидетельствуют о том, что оба объектива в оптимизированном устройстве - формирующий и собирающий - должны обладать большими угловыми апетурами α и β соответственно или, что тоже самое, большой светосилой.The above conditions indicate that both lenses in an optimized device — forming and collecting — must have large angular apertures α and β, respectively, or, which is the same, a large aperture.
Так, например угловая апертураSo, for example, an angular aperture
2α=60°2α = 60 °
соответствует светосилеcorresponds to aperture
R=1,7.R = 1.7.
При этом объективы должны строить не размытое за счет аберраций изображение предмета размером (0.1-0.5 мм) в диапазоне длин волн 200-400 нм. Объективы работают с конечного расстояния до предмета на конечное расстояние до изображения.In this case, the lenses must build an image of an object with a size (0.1-0.5 mm) that is not blurred due to aberrations in the wavelength range of 200-400 nm. Lenses work from a finite distance to the subject at a finite distance to the image.
Как известно из литературы (Л.A.Запрягаева, И.С.Свешникова. Расчет линзовых объективов. М. МИГАиК, 1980. 129 с., стр.56-62), чтобы достичь указанного качества для линзового объектива необходимо применение до 10 линз. Поэтому линзовые объективы указанного качества обладают низким коэффициентом пропускания и большим уровнем фоновой засветки, возникающей за счет рассеяния света на линзах. Для обеспечения ахроматизма в объективах целесообразно использовать такие материалы, как крон и флинт, которые непрозрачны в ультрафиолетовой области, работа в которой необходима для рассматриваемого прибора, т.к. указанная область обеспечивает наиболее универсальное возбуждение имеющегося в атмосфере аэрозоля.As is known from the literature (L.A. Zapryagaeva, I.S.Sveshnikova. Calculation of lenses. M. MIGAiK, 1980. 129 pp. 56-62), in order to achieve the specified quality for a lens, up to 10 lenses are necessary . Therefore, lenses of this quality have a low transmittance and a high level of background illumination arising from the scattering of light on the lenses. To ensure achromaticity in the lenses, it is advisable to use materials such as crowns and flints, which are opaque in the ultraviolet region, the work in which is necessary for the device in question, because this region provides the most universal excitation of the aerosol present in the atmosphere.
В то же время известно [Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов и др. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1981, стр.268-270], что объективы с применением зеркальных элементов типа объектива Кассегрена обеспечивают высокое качество изображений при больших угловых апертурах и малом уровне рассеянного света.At the same time, it is known [B.N. Begunov, N.P. Zakaznov and others. Theory of optical systems. M .: Mashinostroenie, 1981, pp. 268-270], that lenses using mirror elements such as the Cassegrain lens provide high image quality with large angular apertures and a low level of scattered light.
Объектив Кассегрена формирует конусообразный пучок света, имеющий внешнюю конусообразную поверхность, ограниченную линейным углом 2α. При этом внутренняя поверхность пучка, образующаяся из-за экранирующего действия малого зеркала объектива 21, ограничена линейным углом 2α2. Для максимального пропускания объектива половинный угол α2 должен быть как можно меньше. Для объектива Кассегрена характерно соотношение:The Cassegrain lens forms a cone-shaped light beam having an outer cone-shaped surface bounded by a linear angle of 2α. In this case, the inner surface of the beam, which is formed due to the shielding action of the small mirror of the
0,1·α≤α2≤0,5·α.0.1 · α≤α2≤0.5 · α.
Таким образом, можно записать, что для оптимального прибора фокусирующий объектив должен содержать элемент из двух зеркал с центральной экранировкой пучка. При этом апертурный угол объектива ограничен снаружи конусной поверхностью, образующая которой имеет уголThus, it can be written that for an optimal device, the focusing lens should contain an element of two mirrors with a central screening of the beam. In this case, the aperture angle of the lens is bounded externally by a conical surface, the generatrix of which has an angle
25°≤α≤45°,25 ° ≤α≤45 °,
а изнутри - конусной поверхностью, ограниченной угломand from the inside - a conical surface bounded by an angle
0,1·α≤α2<0,5·α.0.1 · α≤α2 <0.5 · α.
Можно оценить, во сколько раз указанное техническое решение позволит увеличить производительность анализа по сравнению с прототипом.You can evaluate how many times the specified technical solution will increase the analysis performance compared to the prototype.
Зададимся углами: α=40°, α2=10°, β=45°. Уровень засветки зададим величиной Kn=0.03.Let us set the angles: α = 40 °, α2 = 10 °, β = 45 °. The exposure level is set by the value Kn = 0.03.
Из графиков фиг.3 видно, что эти параметры соответствуют величине производительности Q~0.12 условных единиц.From the graphs of figure 3 it can be seen that these parameters correspond to a value of productivity Q ~ 0.12 conventional units.
Применим для расчета значения улов, использованных в устройстве-прототипе:Applicable to calculate the value of the catch used in the prototype device:
α=14°, угол β=20°.α = 14 °, angle β = 20 °.
Нетрудно рассчитать, что эти параметры соответствуют величине производительности Q меньше 0.01 условных единиц. Видно, что производительность уменьшилась более, чем в 10 раз. Следует помнить, что в устройстве-прототипе должен быть применен многолинзовый объектив. Для угла фокусировки 2α~80° указанный объектив должен содержать не менее 5 линз. Если учесть, что приблизительно такой же объектив должен быть установлен на светосборе около источника излучения, ясно, что пропускание, например, в ультрафиолетовой области для такой оптической системы будет ~10%. Таким образом, производительность прототипа будет более чем на порядок хуже производительности предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство может быть использовано в областях производства и жизнедеятельности, где требуется экспрессный и чувствительный анализ фракционного состава многокомпонентного аэрозоля, например при контроле за выбросами химических и микробиологических производств, чистоты воздуха в промышленных и населенных зонах, при защите от биологического терроризма и при космических исследованиях с целью обнаружения жизни в атмосфере других планет.It is easy to calculate that these parameters correspond to a value of productivity Q less than 0.01 conventional units. It can be seen that productivity has decreased by more than 10 times. It should be remembered that a multi-lens lens should be used in the prototype device. For a focus angle of 2α ~ 80 °, the specified lens must contain at least 5 lenses. Given that approximately the same lens should be mounted on the light gathering near the radiation source, it is clear that the transmission, for example, in the ultraviolet region for such an optical system will be ~ 10%. Thus, the performance of the prototype will be more than an order of magnitude worse than the performance of the proposed device. The proposed device can be used in the areas of production and life, where rapid and sensitive analysis of the fractional composition of a multicomponent aerosol is required, for example, when controlling emissions of chemical and microbiological industries, air purity in industrial and populated areas, while protecting against biological terrorism and in space research with the purpose of detecting life in the atmosphere of other planets.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004117012/28A RU2279663C2 (en) | 2004-06-07 | 2004-06-07 | Device for determining composition of aerosols |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004117012/28A RU2279663C2 (en) | 2004-06-07 | 2004-06-07 | Device for determining composition of aerosols |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004117012A RU2004117012A (en) | 2005-11-20 |
RU2279663C2 true RU2279663C2 (en) | 2006-07-10 |
Family
ID=35866816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004117012/28A RU2279663C2 (en) | 2004-06-07 | 2004-06-07 | Device for determining composition of aerosols |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2279663C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2448340C1 (en) * | 2010-08-23 | 2012-04-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method |
-
2004
- 2004-06-07 RU RU2004117012/28A patent/RU2279663C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КАЗАКОВ В.Н. и др. Схема малогабаритного анализатора дисперсного состава аэрозольных частиц. Оптико-механическая промышленность, 1976, №6, стр.50-52. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2448340C1 (en) * | 2010-08-23 | 2012-04-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Method for optical detection of fluorescence and scattering signals of aerosol particles in stream and optical system for realising said method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004117012A (en) | 2005-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5533055B2 (en) | Optical measuring apparatus and optical measuring method | |
JP5381741B2 (en) | Optical measuring apparatus and optical measuring method | |
US7525660B2 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
US7554663B2 (en) | Systems and methods for use in detecting harmful aerosol particles | |
JP5667079B2 (en) | Compact detector for simultaneous detection of particle size and fluorescence | |
JPH05346390A (en) | Particle analyzer | |
US10302545B2 (en) | Automated drop delay calculation | |
JPS63500334A (en) | Scattered light measurement device by biological cells for flow cytometer | |
GB2441251A (en) | An optical arrangement for a flow cytometer | |
US20120274925A1 (en) | Axial light loss sensor system for flow cytometery | |
JP7429643B2 (en) | Optical flow cytometer for epifluorescence measurements | |
CN107478550A (en) | The triple channel emerging system of real-time detection of particles size and property | |
JP2869423B2 (en) | Device for analyzing particles in fluids | |
JPH0224535A (en) | Particle analyzing apparatus | |
RU2279663C2 (en) | Device for determining composition of aerosols | |
JPH0921741A (en) | Analyzer for particle in fluid | |
JPH0792076A (en) | Grain analyzing device | |
JPH0486546A (en) | Specimen inspection device | |
RU2583859C1 (en) | High-aperture rc-gas analyser | |
US11287364B2 (en) | System, apparatus and method for off-axis illumination in flow cytometry | |
Kochelaev et al. | Optical recording system for a flow-through optical method of analyzing bioaerosols | |
RU152730U1 (en) | LASER GAS ANALYZER | |
JP2835692B2 (en) | Device for analyzing particles in fluids | |
Cabalo et al. | Deep-UV solid state light sources in the tactical biological sensor | |
JPH046440A (en) | Particle analyzer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070608 |