RU2370752C1 - Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases - Google Patents
Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases Download PDFInfo
- Publication number
- RU2370752C1 RU2370752C1 RU2008134268/28A RU2008134268A RU2370752C1 RU 2370752 C1 RU2370752 C1 RU 2370752C1 RU 2008134268/28 A RU2008134268/28 A RU 2008134268/28A RU 2008134268 A RU2008134268 A RU 2008134268A RU 2370752 C1 RU2370752 C1 RU 2370752C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- nanoparticles
- photodetector
- concentration
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения распределения концентрации и размеров наночастиц в жидкостях и газах. В частности, предложенный прибор может быть применен в комплексах технологического контроля размеров нанопорошков при их производстве, при разработке новых технологий получения нанодисперсных веществ, в биологии и медицине для измерения размеров взвешенных в биологических жидкостях биополимерных частиц, фармпрепаратов и других субмикронных биологических объектов. В воде, например, характерные размеры измеряемых объектов составляют от 0,2 до 1000 нм.The invention relates to optical diagnostic devices for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids and gases. In particular, the proposed device can be used in complexes of technological control of the sizes of nanopowders in their production, in the development of new technologies for producing nanodispersed substances, in biology and medicine for measuring the sizes of biopolymer particles suspended in biological fluids, pharmaceuticals, and other submicron biological objects. In water, for example, the characteristic sizes of measured objects range from 0.2 to 1000 nm.
Прототипом предлагаемого устройства является «устройство для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях» (RU 49620, G01J 9/02, 11.07.2005, [Л1]). В результате эксплуатации упомянутого устройства были выявлены недостатки и возникли новые задачи, требующие изменения некоторых технических решений, заложенных в упомянутом устройстве.The prototype of the proposed device is a "device for measuring clusters and microparticles in liquids" (RU 49620,
При использовании устройства [Л1] обнаружилось влияние обратно отраженного и рассеянного на входной грани кюветы излучения на характеристики работы лазера. К стабильности работы лазера, особенно в области низких частот (до 100 кГц) изменений его мощности предъявляют чрезвычайно высокие требования, выполнить которые удается только при создании для работы лазера условий, обеспечивающих устранение попадания в него паразитных бликов на длине волны излучения лазера. Наибольшие проблемы вызывает излучение, отраженное от передней грани кюветы. Для решения упомянутой проблемы вводят (фиг.1) наклон в положении кюветы 7 относительно падающего на нее от лазера 1 луча.When using the device [L1], the effect of the back-reflected and scattered radiation on the input face of the cell of the radiation on the laser operation characteristics was detected. Extremely high requirements are imposed on the stability of the laser, especially in the low-frequency region (up to 100 kHz) of changes in its power, which can be met only when conditions are created for the laser to eliminate spurious glare at the laser radiation wavelength. The greatest problems are caused by radiation reflected from the front of the cell. To solve the aforementioned problem, a tilt is introduced (Fig. 1) in the position of the
При этом отраженный луч поглощается специально установленным дополнительным поглотителем 10.In this case, the reflected beam is absorbed by a specially installed
Другим решением названной проблемы является использование оптического изолятора - устройства, которое не позволяет обратно отраженному или рассеянному излучению попасть в резонатор лазера.Another solution to this problem is the use of an optical insulator - a device that does not allow back-reflected or scattered radiation to get into the laser cavity.
Для уменьшения флуктуаций мощности лазера в области частот в герцовом диапазоне нами была применена стабилизация мощности лазера с использованием сигнала с дополнительно установленного фотоприемника, проводящего мониторинг выходного излучения в низкочастотной области.To reduce fluctuations in the laser power in the frequency range in the hertz range, we used stabilization of the laser power using a signal from an additionally installed photodetector that monitors the output radiation in the low-frequency region.
В корпусе полупроводникового лазера часто устанавливается фотодиод, на который падает излучение, выходящее через «глухое» зеркало лазера. Сигнал этого фотодиода может быть использован для контроля и стабилизации мощности излучения, выходящего через другое, выходное зеркало. Однако в упомянутом приборе использовать данный фотодиод в составе системы стабилизации мощности невозможно по следующим причинам:In the case of a semiconductor laser, a photodiode is often mounted on which radiation is emitted through a “dull” laser mirror. The signal of this photodiode can be used to control and stabilize the power of the radiation coming out through another output mirror. However, it is impossible to use this photodiode in the power stabilization system in the mentioned device for the following reasons:
а) для полупроводникового лазера характерна большая расходимость выходного пучка (до 40°), поэтому встроенный в лазер фотодиод не перекрывает весь пучок, выходящий через «глухое» зеркало; иa) the semiconductor laser is characterized by a large divergence of the output beam (up to 40 °), therefore, the photodiode built into the laser does not overlap the entire beam exiting through the “blind” mirror; and
б) оптическая ось пучка лазера перемещается в пространстве.b) the optical axis of the laser beam moves in space.
Все это приводит к тому, что выходной сигнал этого фотодиода всегда содержит переменную составляющую, которая является помехой в системе стабилизации мощности лазера.All this leads to the fact that the output signal of this photodiode always contains a variable component, which is an obstacle in the laser power stabilization system.
С учетом этого система стабилизации выходной мощности полупроводникового лазера должна выглядеть следующим образом (фиг.2).With this in mind, the stabilization system of the output power of a semiconductor laser should look as follows (figure 2).
Излучение полупроводникового лазера 1 попадает на светоделитель 2, с помощью которого небольшая часть энергии (несколько процентов) направляется на фотоприемное устройство (ФПУ) 3, перед которым установлена собирающая линза 4 и диафрагма 5. Сигнал ФПУ используется для создания обратной связи в системе стабилизации мощности 6. Основная часть излучения попадает в кювету 7 с исследуемым раствором, за которой расположен светопоглащающий экран 8. При таком построении оптической схемы мощность излучения, попадающего в кювету, пропорциональна мощности излучения в цепи обратной связи.The radiation from the
В качестве светоделителя (2) может быть использована толстая плоскопараллельная пластина (фиг.3). При большой толщине пластины 2 на фотоприемник (3) цепи обратной связи системы стабилизации мощности попадает только пучок ВС, пучки B1C1, B2C2, и т.д., возникающие при отражении от плоскостей пластины, на фотоприемник (3) не попадают. В случае тонкой светоделительной пластины на фотоприемник будут попадать пучки ВС, B1C1, B2C2 и т.д., которые будут интерферировать с образованием низкочастотных колебаний фототока и таким образом создавать низкочастотный шум в системе стабилизации мощности.As a beam splitter (2), a thick plane-parallel plate can be used (Fig. 3). With a large thickness of the
Для деления выходного пучка полупроводникового лазера возможно применение в качестве светоделителя (2) трехгранной призмы (фиг.4), у которой на грань LM можно нанести просветляющее покрытие для уменьшения отражения излучения.To divide the output beam of a semiconductor laser, it is possible to use a trihedral prism as a beam splitter (2) (Fig. 4), in which an antireflection coating can be applied to the LM face to reduce radiation reflection.
Известно, что поляризация излучения полупроводникового лазера подвержена значительным флуктуациям. Фотоприемник (3) цепи обратной связи системы стабилизации мощности измеряет суммарную мощность двух ортогональных поляризаций. В процессе измерений используется излучение только одной поляризации (перпендикулярной плоскости фиг.2-4), излучение второй поляризации создает дополнительный шум на выходе фотоприемника (3) цепи обратной связи. Для устранения этого шума необходимо между лазером 1 и светоделителем 2 установить поляризатор 9 (фиг.2-4), который обеспечивает пропускание излучения только той поляризации, которая используется в измерениях, при этом стабилизируется мощность именно этой поляризации.It is known that the polarization of radiation from a semiconductor laser is subject to significant fluctuations. The photodetector (3) of the feedback loop of the power stabilization system measures the total power of two orthogonal polarizations. In the measurement process, radiation of only one polarization is used (perpendicular to the plane of FIGS. 2-4), the radiation of the second polarization creates additional noise at the output of the photodetector (3) of the feedback circuit. To eliminate this noise, it is necessary between the
Повышение требований к точности определения размеров наночастиц и увеличения диапазона измеряемых размеров вплоть до долей нанометра привело к требованию увеличения диапазона регистрируемых фотоприемником (3) частот рассеянного сигнала. Названные выше меры позволили увеличить достоверность результатов в области низких частот, но оказались недостаточными для расширения полосы частот принимаемого сигнала. Решение этого вопроса мы достигли постановкой нескольких фотоприемных устройств (3), принимающих сигналы под разными углами рассеяния. Дело в том, что эффективная в смысле получения конечных результатов частота принятого сигнала пропорциональна квадрату синуса половинного угла рассеяния. По этой причине приемник, расположенный под большим углом рассеяния, позволяет детализировать низкочастотную область сигналов, а приемник, расположенный под малым углом рассеяния, позволяет детализировать высокочастотную область сигналов. При использовании четырех приемников, расположенных под углами 35, 60, 90 и 145 градусов, нам удалось расширить эффективную полосу принимаемого сигнала примерно в 10 раз. Данный выбор количества и углов расположения приемных каналов представляется нам близким к оптимальному с точки зрения удовлетворения как конструктивных, так и алгоритмических (связанных с возможностями математической обработки) требований.An increase in the requirements for the accuracy of determining the size of nanoparticles and an increase in the range of measured sizes up to fractions of a nanometer has led to the requirement to increase the range of frequencies of the scattered signal recorded by the photodetector (3). The measures mentioned above made it possible to increase the reliability of the results in the low-frequency region, but were insufficient to expand the frequency band of the received signal. We reached a solution to this problem by setting up several photodetector devices (3) that receive signals at different scattering angles. The fact is that the frequency of the received signal, effective in the sense of obtaining final results, is proportional to the square of the sine of the half scattering angle. For this reason, a receiver located at a large scattering angle allows you to detail the low-frequency region of the signals, and a receiver located at a small scattering angle allows you to detail the high-frequency region of the signals. Using four receivers located at angles of 35, 60, 90 and 145 degrees, we were able to expand the effective band of the received signal by about 10 times. This choice of the number and location angles of the receiving channels seems to us close to optimal in terms of satisfying both constructive and algorithmic (associated with the capabilities of mathematical processing) requirements.
Дополнительным преимуществом использования нескольких угловых каналов является возможность определения диаграммы рассеяния, что дает дополнительную информацию о размерах исследуемых частиц.An additional advantage of using several angular channels is the ability to determine the scattering diagram, which gives additional information about the sizes of the particles under study.
Физический принцип действия спектрометра квазиупруго рассеянного света (КУРС-спектрометра) основан на использовании известного физического явления, связанного с взаимодействием лазерного излучения с движущимися (в результате Броуновского движения) в прозрачной среде частицами. В результате такого взаимодействия из-за известного в классической физике эффекта Доплера небольшая часть (10-3÷10-9) лазерного излучения с частотой ν рассеивается на этих движущихся (блуждающих) частицах, при этом рассеянное излучение изменяет свой спектр, в нем наблюдается частотный сдвиг Δν. За пределами кюветы (7) наблюдается рассеянное излучение с частотами ν±Δν. В водных растворах при наблюдении под углом 90 градусов и нормальной температуре характерное диффузное движение кластеров рассматриваемых размеров приводит к доплеровским сдвигам частоты излучения в диапазоне от 1 до 200000 Гц.The physical principle of operation of a quasi-elastic scattered light spectrometer (CURS spectrometer) is based on the use of a well-known physical phenomenon associated with the interaction of laser radiation with moving particles (as a result of Brownian motion) in a transparent medium. As a result of this interaction, due to the Doppler effect known in classical physics, a small part (10 -3 ÷ 10 -9 ) of laser radiation with a frequency ν is scattered by these moving (stray) particles, while the scattered radiation changes its spectrum, and a frequency shift Δν. Outside the cell (7), scattered radiation with frequencies ν ± Δν is observed. In aqueous solutions, when observed at an angle of 90 degrees and normal temperature, the characteristic diffuse motion of clusters of the sizes under consideration leads to Doppler shifts of the radiation frequency in the range from 1 to 200000 Hz.
Задача измерительного прибора КУРС - зарегистрировать эти изменения частоты на фоне типичного для лазерного излучения диапазона частот ~1015 Гц, при этом необходимое разрешение измерительной схемы прибора должно составлять приблизительно 1014÷1013. Столь высокие требования по разрешению (в лучших оптических приборах оно составляет 106÷104) в сочетании с требованием достижения высокого динамического диапазона, регистрируемого приемниками сигнала (до 6-8 порядков), в сочетании с возросшими требованиями к качеству проводимых измерений потребовали новых физических решений, так как даже самая современная элементная база прецизионных усилителей не позволяет получать сигналы требуемого качества.The purpose of the COURSE measuring device is to register these frequency changes against the background of the frequency range ~ 10 15 Hz typical of laser radiation, while the necessary resolution of the measuring circuit of the device should be approximately 10 14 ÷ 10 13 . Such high resolution requirements (in the best optical instruments it is 10 6 ÷ 10 4 ), combined with the requirement to achieve a high dynamic range recorded by signal receivers (up to 6-8 orders of magnitude), in combination with increased requirements for the quality of measurements, they required new physical solutions, since even the most modern element base of precision amplifiers does not allow receiving signals of the required quality.
Результатом предложенных технических решений является устранение указанных ограничений, а именно:The result of the proposed technical solutions is the elimination of these restrictions, namely:
- существенное уменьшение минимальных измеряемых частот изменений рассеянного сигнала за счет повышения качества излучения лазера (1) вследствие использования описанных ранее мер;- a significant decrease in the minimum measured frequencies of changes in the scattered signal by improving the quality of laser radiation (1) due to the use of the measures described above;
- существенное увеличение (в 10 раз) максимальных измеряемых эффективных частот изменений амплитуды рассеянного сигнала за счет использования одновременного измерения сигнала по приемным каналам, различающимся по углу рассеяния.- a significant increase (by 10 times) of the maximum measured effective frequencies of changes in the amplitude of the scattered signal due to the use of simultaneous measurement of the signal along the receiving channels, which differ in the scattering angle.
Устройство (фиг.5) содержит лазер 1, на выходе которого установлен оптический изолятор 11. На пути луча от лазера 1 размещена кювета 7 для исследуемой жидкости, на выходе из которой установлен светопоглощающий экран 8 для устранения паразитных бликов от прошедшего излучения. Под несколькими углами рассеяния относительно падающего луча расположены фотоприемные устройства 3 с узлами предварительной обработки сигналов, связанные с компьютером (на схеме не указан), в котором осуществляется математическая обработка сигналов.The device (Fig. 5) contains a
Действие заявленного КУРС-спектрометра происходит следующим образом. Луч лазера 1 мощностью от 1 до 100 милливатт поступает в кювету 7 с исследуемой жидкостью. Здесь луч частично рассеивается на наночастицах, содержащихся в жидкости. Большая часть луча не рассеивается, она выходит из кюветы и поглощается светопоглотительным экраном 8. Часть луча, рассеявшись на наночастицах, попадает на фотоприемные устройства 3. Биения рассеянного оптического сигнала в фотоприемнике превращаются во флуктуации фототока. Далее в компьютере (ЭВМ) этот флуктуирующий электрический сигнал обрабатывается с помощью заранее определенных математических методов и на экране монитора представляются итоговые результаты в удобном для пользователя виде, содержащем размеры и концентрации наночастиц.The claimed KURS-spectrometer is as follows.
Применение в предложенном устройстве нескольких приемных каналов, а также способов улучшения характеристик излучения лазера позволяет существенно расширить диапазоны размеров и концентраций исследуемых наночастиц.The use of several receiving channels in the proposed device, as well as methods for improving the characteristics of laser radiation, can significantly expand the ranges of sizes and concentrations of the studied nanoparticles.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008134268/28A RU2370752C1 (en) | 2008-08-22 | 2008-08-22 | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008134268/28A RU2370752C1 (en) | 2008-08-22 | 2008-08-22 | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2370752C1 true RU2370752C1 (en) | 2009-10-20 |
Family
ID=41263040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008134268/28A RU2370752C1 (en) | 2008-08-22 | 2008-08-22 | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2370752C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460988C1 (en) * | 2011-06-01 | 2012-09-10 | Александр Павлович Белоглазов | Method of measuring particle size distribution in wide range of concentrations and apparatus for realising said method (versions) |
WO2014065694A1 (en) * | 2012-10-26 | 2014-05-01 | Pevgov Vyacheslav Gennadjevich | Method and device for optically measuring the distribution of characteristics of dispersed particles in liquids and gases |
RU2618597C2 (en) * | 2015-05-19 | 2017-05-04 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for aspiration optical spectrometry of aerosol |
RU2622761C2 (en) * | 2015-01-23 | 2017-06-19 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method for early diagnosis of diseases by optical measurement of native biological fluid physical characteristics |
RU183438U1 (en) * | 2018-04-05 | 2018-09-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Device for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids |
-
2008
- 2008-08-22 RU RU2008134268/28A patent/RU2370752C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460988C1 (en) * | 2011-06-01 | 2012-09-10 | Александр Павлович Белоглазов | Method of measuring particle size distribution in wide range of concentrations and apparatus for realising said method (versions) |
WO2014065694A1 (en) * | 2012-10-26 | 2014-05-01 | Pevgov Vyacheslav Gennadjevich | Method and device for optically measuring the distribution of characteristics of dispersed particles in liquids and gases |
RU2525605C2 (en) * | 2012-10-26 | 2014-08-20 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors |
RU2622761C2 (en) * | 2015-01-23 | 2017-06-19 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method for early diagnosis of diseases by optical measurement of native biological fluid physical characteristics |
RU2618597C2 (en) * | 2015-05-19 | 2017-05-04 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for aspiration optical spectrometry of aerosol |
RU183438U1 (en) * | 2018-04-05 | 2018-09-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Device for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5164784A (en) | CW doppler lidar | |
CN104089855B (en) | A kind of polarized light scatter measures the method and device of particulate matter | |
US8675184B2 (en) | Direct detection Doppler LIDAR method and direction detection Doppler LIDAR device | |
CN103499391B (en) | Spectral measurement system | |
CN207408276U (en) | A kind of air concentration of suspended particles measuring device of high-precision wholegrain footpath covering | |
RU2370752C1 (en) | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases | |
US8659759B2 (en) | Laser based cavity enhanced optical absorption gas analyzer | |
CN106569227B (en) | Atmospheric aerosol particulate matter detecting laser radar and inversion method | |
CN207991998U (en) | A kind of airborne back scattering cloud particle survey meter and meteorological detecting devices | |
US8797514B2 (en) | Localized dynamic light scattering system with doppler velocity measuring capability | |
JP2008032548A (en) | Light scattering detection device | |
CN103499393B (en) | The measuring method of spectrum | |
CN102735430B (en) | Method and device for detecting phase delay | |
FI69370B (en) | FOERFARANDE FOER MAETNING AV EGENSKAPERNA HOS ETT PLASTSKIKT MED HJAELP AV INFRAROED STRAOLNING | |
CN104833816B (en) | Laser Doppler speed measuring device and its speed-measuring method based on rotating grating | |
CN103592652B (en) | Bifrequency Doppler laser radar detection system based on single four marginal technology of solid FP etalons | |
CN111007526B (en) | System and method for suppressing optical noise of continuous wave all-fiber coherent Doppler laser speed measurement radar | |
CN109580541B (en) | Optical heterodyne cavity ring-down spectroscopy measurement device and method | |
CN108344671A (en) | A kind of airborne back scattering cloud particle survey meter, meteorological detection equipment and cloud particle detection method | |
US7920262B2 (en) | Systems for measuring backscattered light using rotating mirror | |
US5572321A (en) | Detector for measuring the luminous intensity scattered by thin films of colloidal media | |
RU81575U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF THE SIZES AND CONCENTRATIONS OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS AND GASES | |
JPWO2019116461A1 (en) | Far-infrared light source, far-infrared spectroscope | |
CN111721968A (en) | Method for measuring gas flow velocity based on double-optical comb system | |
CN106342212B (en) | High reflection mirror laser back scattering measurement mechanism |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20100607 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: PLEDGE Effective date: 20110805 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20120314 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120823 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130910 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170719 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170823 |