RU49620U1 - DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS - Google Patents
DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS Download PDFInfo
- Publication number
- RU49620U1 RU49620U1 RU2005121651/22U RU2005121651U RU49620U1 RU 49620 U1 RU49620 U1 RU 49620U1 RU 2005121651/22 U RU2005121651/22 U RU 2005121651/22U RU 2005121651 U RU2005121651 U RU 2005121651U RU 49620 U1 RU49620 U1 RU 49620U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical path
- laser
- cuvette
- liquids
- microparticles
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения микрочастиц в жидкостях. Устройство может быть применено, в частности, в биологии и технике для измерения размеров и концентрации кластеров в различных жидкостях. Устройство для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях содержит лазер с оптическим трактом для исследуемой жидкости, на одном выходе из кюветы последовательно по ходу луча размещены фотоприемник и электронный блок для математической обработки сигнала с накопительной системой регистрации сигнала, а у второго выхода из кюветы установлен светопоглощающий экран. Усовершенствование прибора заключается в том, что оптический тракт для транспортировки лазерного излучения содержит светоделительный шеврон, расщепляющий лазерный пучок на два луча, один из которых, опорный, составляет (0,01÷0,001) часть мощности основного луча, при этом перед входом в кювету опорного луча установлен оптический компенсатор для уравнивания оптического хода опорного луча с оптическим ходом рассеянной в кювете частью излучения основного луча. Устройство позволяет сократить длительность одного измерения, оно имеет небольшие весогабаритные характеристики при высоких диагностических возможностях.The utility model relates to optical diagnostic devices for measuring microparticles in liquids. The device can be used, in particular, in biology and technology for measuring the size and concentration of clusters in various liquids. The device for measuring clusters and microparticles in liquids contains a laser with an optical path for the liquid under study, a photodetector and an electronic unit for mathematically processing the signal with an accumulative signal recording system are placed sequentially along the beam at one exit from the cuvette, and a light-absorbing screen is installed at the second exit from the cuvette . The improvement of the device lies in the fact that the optical path for transporting laser radiation contains a beam-splitting chevron splitting the laser beam into two beams, one of which, the reference, is (0.01 ÷ 0.001) part of the power of the main beam, while before entering the reference cell beam, an optical compensator is installed to equalize the optical path of the reference beam with the optical path of the part of the radiation of the main beam scattered in the cell. The device allows to reduce the duration of one measurement, it has small weight and size characteristics with high diagnostic capabilities.
Description
Полезная модель относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения микрочастиц в жидкостях. В частности, предложенный прибор может быть применен в биологии и технике для измерения размеров и концентрации так называемых «больших молекул» - кластеров в различных жидкостях. В воде, например, характерные размеры кластеров составляют от 1 до 10 000 нм.The utility model relates to optical diagnostic devices for measuring microparticles in liquids. In particular, the proposed device can be used in biology and technology to measure the size and concentration of the so-called "large molecules" - clusters in various liquids. In water, for example, the characteristic cluster sizes range from 1 to 10,000 nm.
Широко известны методы измерения микрочастиц в растворах, основанные на использовании микроскопов [1]. К сожалению для регистрации сверхмалых кластеров с размерами ~ 1нм требуются уникальные, т.е. дорогостоящие и громоздкие микроскопы, например, с электронными пучками, которые в водных растворах применять невозможно из-за их сильного поглощения водой. Во всех случаях использование этих дорогостоящих немобильных устройств существенно ограничивает возможности практического оперативного контроля за изменениями кластерной структуры жидкости под воздействием, например, внешних энергоисточников, что необходимо для развития ряда перспективных технологий.Widely known are methods for measuring microparticles in solutions based on the use of microscopes [1]. Unfortunately, registration of ultra-small clusters with sizes of ~ 1 nm requires unique ones, i.e. expensive and bulky microscopes, for example, with electron beams, which cannot be used in aqueous solutions because of their strong absorption by water. In all cases, the use of these expensive non-mobile devices significantly limits the possibility of practical operational control over changes in the liquid cluster structure under the influence of, for example, external energy sources, which is necessary for the development of a number of promising technologies.
Для решения задачи измерения кластеров может быть применен метод лазерной корреляционной спектроскопии (ЛКС) [2], реализованный в диагностическом приборе «PhotoCor», выбранном нами в качестве прототипа [3]. Это лазерный корреляционный спектрометр, в котором для измерения микрочастиц в жидкостях применен физический принцип построения функции корреляции рассеянного на этих частицах излучения. Данные о размерах микрочастиц получают путем математической обработки результатов экспериментальных измерений этой функции. Прибор содержит гелий-неоновый лазер, кювету с исследуемой жидкостью, линзы, светопоглотитель, фотоэлектронный усилитель, усилитель-дискриминатор сигнала ФЭУ, электронный блок обработки сигнала с ФЭУ и компьютер.To solve the cluster measurement problem, the method of laser correlation spectroscopy (LCS) [2], implemented in the PhotoCor diagnostic device, which we selected as a prototype [3], can be used. This is a laser correlation spectrometer in which the physical principle of constructing the correlation function of the radiation scattered by these particles is applied to measure microparticles in liquids. Data on the size of microparticles is obtained by mathematical processing of the results of experimental measurements of this function. The device contains a helium-neon laser, a cuvette with the studied liquid, lenses, a light absorber, a photoelectronic amplifier, an amplifier-discriminator of a PMT signal, an electronic signal processing unit with a PMT, and a computer.
Луч гелий-неонового лазера через линзу попадает в кювету с исследуемой жидкостью, где происходит его частичное рассеяние на микрочастицах. Рассеянное излучение с помощью фокусирующей линзы The helium-neon laser beam through the lens enters the cell with the studied liquid, where it partially scatters on the microparticles. Scattered radiation with a focusing lens
поступает в фотоэлектронный умножитель с усилителем-дискриминатором сигнала. Далее электрический сигнал обрабатывается в компьютере по специальной программе для вычисления размеров и концентрации микрочастиц.enters the photoelectronic multiplier with an amplifier-discriminator signal. Next, the electrical signal is processed in a computer according to a special program for calculating the size and concentration of microparticles.
Основная часть лазерного излучения проходит через кювету без потерь и затем поглощается светопоглощающим экраном, установленным рядом с кюветой.The main part of the laser radiation passes through the cell without loss and is then absorbed by a light-absorbing screen mounted next to the cell.
Физический принцип действия ЛКС-спектрометра основан на использовании известного физического явления, связанного с взаимодействием света (лазерного излучения) с движущимися в прозрачной среде частицами. В результате такого взаимодействия из-за известного в классической физике эффекта Допплера, очень небольшая часть (10-3÷10-9) лазерного излучения с частотой ν рассеивается на этих движущихся (колеблющихся) частицах, при этом рассеянное излучение изменяет свой спектр, в нем наблюдается частотный сдвиг Δν. За пределами кюветы наблюдается рассеянное излучение с частотами ν±Δν. В водных растворах при нормальной температуре характерное диффузное движение кластеров приводит, как правило, к допплеровскому сдвигу частоты Δν от 1 до 10000гц.The physical principle of the LKS spectrometer is based on the use of the well-known physical phenomenon associated with the interaction of light (laser radiation) with particles moving in a transparent medium. As a result of this interaction, due to the Doppler effect known in classical physics, a very small part (10 -3 ÷ 10 -9 ) of laser radiation with a frequency ν is scattered by these moving (oscillating) particles, while the scattered radiation changes its spectrum in it a frequency shift Δν is observed. Outside the cell, scattered radiation with frequencies ν ± Δν is observed. In aqueous solutions at normal temperature, the characteristic diffuse motion of clusters leads, as a rule, to a Doppler frequency shift Δν from 1 to 10,000 Hz.
Задача измерительного прибора ЛКС - зарегистрировать эти изменения частоты на фоне типичного для лазерного излучения диапазона частот ~ 1015 гц, при этом необходимое разрешение измерительной схемы прибора должно составлять приблизительно 10-14÷10-12.The task of the LKS measuring device is to register these frequency changes against the background of the frequency range of ~ 10 15 Hz typical of laser radiation, while the necessary resolution of the measuring circuit of the device should be approximately 10 -14 ÷ 10 -12 .
Для решения такой технически сложной задачи в измерительном приборе «PhotoCor» использован дорогой высококачественный ФЭУ, работающий в накопительном режиме счета фотонов, сигнал с ФЭУ поступает на уникальную, специально разработанную электронную плату-коррелятор. Но тем не менее даже применение этих дорогих, уникальных устройств в наиболее важном для практики случае небольших концентраций малоразмерных кластеров, когда рассеяние излучения является особенно слабым, не освобождает от необходимости обеспечения длительного времени накопления сигнала. При таком режиме работы на каждое измерение требуется затратить много времени, что является существенным недостатком прибора.To solve such a technically difficult task, the PhotoCor measuring device used an expensive high-quality PMT operating in the cumulative photon counting mode, the signal from the PMT was fed to a unique, specially developed electronic correlator board. Nevertheless, even the use of these expensive, unique devices in the case of small concentrations of small clusters, when radiation scattering is especially weak, which is most important for practice, does not exempt from the need to ensure a long signal accumulation time. With this mode of operation, a lot of time is required for each measurement, which is a significant drawback of the device.
Техническим результатом предложенного нами технического решения является устранение указанных недостатков прибора «PhotoCor», а именно:The technical result of the proposed technical solution is the elimination of the indicated disadvantages of the PhotoCor device, namely:
- Существенное сокращение длительности одного измерения;- A significant reduction in the duration of one measurement;
- Уменьшение весогабаритных характеристик;- Reduction of weight and size characteristics;
- Замена дорогих узлов прибора (гелий-неонового лазера, ФЭУ...) на надежные дешевые полупроводниковые изделия (эта замена производится при сохранении высоких диагностических возможностей нового прибора);- Replacement of expensive components of the device (helium-neon laser, PMT ...) with reliable cheap semiconductor products (this replacement is made while maintaining the high diagnostic capabilities of the new device);
Для достижения этого технического результата предложено усовершенствовать известное устройство для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях, содержащее лазер с оптическим трактом для To achieve this technical result, it is proposed to improve the known device for measuring clusters and microparticles in liquids, containing a laser with an optical path for
транспортировки лазерного излучения, на пути которого установлена кювета для исследуемой жидкости, на одном выходе из кюветы последовательно по ходу луча размещены фотоприемник и электронный блок математической обработки сигнала с накопительной системой регистрации сигнала, а у второго выхода из кюветы установлен светопоглощающий экран.transporting laser radiation, in the path of which a cuvette for the test liquid is installed, a photodetector and an electronic mathematical processing unit with a cumulative signal recording system are placed sequentially along the beam at one exit from the cuvette, and a light-absorbing screen is installed at the second exit from the cuvette.
Усовершенствование заключается в том, что в оптический тракт для транспортировки лазерного излучения перед кюветой устанавливают светоделительный шеврон, расщепляющий лазерный пучок на два луча, один из которых опорный, составляет (0,01÷0,001) часть мощности основного луча, при этом перед входом в кювету опорного луча установлен оптический компенсатор для уравнивания оптического хода опорного луча с оптическим ходом рассеянной в кювете частью излучения основного луча.The improvement consists in the fact that a beam splitter chevron is installed in front of the cell in the optical path for transporting laser radiation, splitting the laser beam into two beams, one of which is the reference, is (0.01 ÷ 0.001) part of the main beam power, while before entering the cell An optical compensator is installed to equalize the optical path of the reference beam with the optical path of the part of the radiation of the main beam scattered in the cuvette.
Существо полезной модели поясняется прилагаемой схемой устройства для измерения кластеров и микрочастиц в жидкостях.The essence of the utility model is illustrated by the attached device diagram for measuring clusters and microparticles in liquids.
Устройство содержит полупроводниковый лазер 1, на выходе которого установлен светоделительный шеврон 2, в котором от основного луча 3 отщепляется опорный луч 4, составляющий (0,01÷0,001) часть мощности основного луча. На пути лучей от светоделительного шеврона 2 размещена кювета 5 для исследуемой жидкости, имеющая два входа - один для прохождения основного луча 3, а второй - для опорного луча 4 и два выхода, на одном из которых установлен светопоглощающий экран 6, а на втором фотоприемник 7. Далее по ходу луча из фотоприемника 7 последовательно установлены - электронный блок 8 математической обработки сигнала и компьютер (ЭВМ) 9.The device comprises a semiconductor laser 1, at the output of which a beam-splitting chevron 2 is installed, in which the reference beam 4 is split off from the main beam 3, which constitutes (0.01 ÷ 0.001) part of the power of the main beam. In the path of the rays from the beam-splitting chevron 2 there is a cell 5 for the test fluid, which has two inputs - one for passing the main beam 3, and the second for the reference beam 4 and two outputs, one of which has a light-absorbing screen 6, and the second photodetector 7 Further down the line from the photodetector 7 are sequentially installed - an electronic unit 8 for mathematical processing of the signal and a computer (computer) 9.
Перед входом 1 в кювету 5 опорного луча 4 установлен оптический компенсатор 10.Before entering 1 into the cell 5 of the reference beam 4, an optical compensator 10 is installed.
Действие нашего прибора «кластерометра» происходит следующим образом. Луч полупроводникового лазера 1 мощностью от 1 до 100 милливатт поступает на светоделительный шеврон 2, в котором от основного луча 3 отщепляется опорный луч 4. Далее оба луча поступают в кювету 5 с исследуемой жидкостью. Здесь основной луч частично рассеивается на микрочастицах (кластерах), содержащихся в жидкости. Большая часть основного луча не рассеивается, она выходит из кюветы и поглощается светопоглотительным экраном 6. Опорный луч 4 (гетеродин), прежде чем смешаться с частью рассеянного излучения, поступает в оптический компенсатор 10, где путем введения оптических пластин разной толщины происходит уравнивание разницы оптического хода лучей опорного и рассеянного излучений, что обеспечивает условия [2] для возникновения биений амплитуды суммарного излучения на входе в фотоприемник 7, где эти биения превращаются в флуктуации фототока. Далее в электронном блоке 8, этот флуктуирующий электрический сигнал обрабатывается с помощью специальных, но относительно несложных математических методов и поступает в ЭВМ 9 для представления итоговых результатов в удобном для пользователя виде, содержащем размеры и концентрации кластеров.The action of our device "clusterometer" is as follows. A beam of a semiconductor laser 1 with a power of 1 to 100 milliwatts is fed to a beam splitting chevron 2, in which a reference beam 4 is split off from the main beam 3. Then, both beams enter a cell 5 with the test liquid. Here, the main beam is partially scattered on the microparticles (clusters) contained in the liquid. Most of the main beam is not scattered, it leaves the cell and is absorbed by the light-absorbing screen 6. The reference beam 4 (local oscillator), before being mixed with part of the scattered radiation, enters the optical compensator 10, where the optical path difference is equalized by introducing optical plates of different thicknesses reference and scattered radiation, which provides the conditions [2] for the appearance of beats of the amplitude of the total radiation at the entrance to the photodetector 7, where these beats turn into fluctuations of the photocurrent. Further, in the electronic unit 8, this fluctuating electrical signal is processed using special, but relatively simple mathematical methods, and is sent to computer 9 to present the final results in a user-friendly form containing cluster sizes and concentrations.
Применение в предложенном устройстве гетеродинного приема со смешиванием рассеянного излучения с опорным сигналом позволяет существенно увеличить полезный сигнал. Здесь отношение амплитуд сигнала гетеродина к рассеянному сигналу может составить от 100 до 10000. Особенно сильно этот выигрыш проявляется при работе со слабыми сигналами, т.е. в тех практически ценных случаях, когда размеры и концентрация кластеров в жидкости малы.The use of a heterodyne reception device in the proposed device with mixing of scattered radiation with a reference signal can significantly increase the useful signal. Here, the ratio of the amplitudes of the local oscillator signal to the scattered signal can range from 100 to 10,000. This gain is especially pronounced when working with weak signals, i.e. in those practically valuable cases when the size and concentration of clusters in a liquid are small.
Названное обстоятельство позволяет работать с малыми временами измерений и исследовать тонкие детали функции рассеяния, что, например, открывает актуальную для практики возможность регистрации пространственной формы кластеров. Прибор фирмы «PhotoCor» подобные исследования обеспечить не может. Еще одно преимущество предложенного устройства связано с использованием простого полупроводникового приемника вместо уникального ФЭУ и, как следствие, - более дешевого электронного блока обработки сигналов.The aforementioned circumstance makes it possible to work with short measurement times and to study the fine details of the scattering function, which, for example, opens up the practical possibility of registering the spatial shape of clusters. The device of the PhotoCor company cannot provide such studies. Another advantage of the proposed device is associated with the use of a simple semiconductor receiver instead of a unique PMT and, as a result, a cheaper electronic signal processing unit.
Использованные источники информации:Sources of information used:
1. «Оптика», монография Г.С.Ландсберга М. 1957 г.1. "Optics", a monograph by G.S. Landsberg M. 1957
2 «Лазерная корреляционная спектроскопия в медицине», изд. «Друк», монография Ю.И.Бажара, Л.А.Носкина, Одесса, 2002 г.2 “Laser correlation spectroscopy in medicine”, ed. “Druk”, monograph by Yu.I. Bazhar, L. A. Noskin, Odessa, 2002
3 I.K.Yudin et al. Int.J.Thermophys, №18, (pp l237-1248), 19973 I.K. Yudin et al. Int.J. Thermophys, No. 18, (pp l237-1248), 1997
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005121651/22U RU49620U1 (en) | 2005-07-11 | 2005-07-11 | DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005121651/22U RU49620U1 (en) | 2005-07-11 | 2005-07-11 | DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU49620U1 true RU49620U1 (en) | 2005-11-27 |
Family
ID=35868205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005121651/22U RU49620U1 (en) | 2005-07-11 | 2005-07-11 | DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU49620U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
-
2005
- 2005-07-11 RU RU2005121651/22U patent/RU49620U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|---|---|---|
| Block et al. | Modulated 3D cross-correlation light scattering: Improving turbid sample characterization | |
| Brambilla et al. | High-sensitivity imaging with multi-mode twin beams | |
| Coles et al. | Simultaneous measurements of angular scattering and intensity scintillation in the atmosphere | |
| CN101699265A (en) | Device and method for measuring scattering particles by using dynamic polarized light | |
| Pour et al. | Use of a hydrogel polymer for reproducible surface enhanced Raman optical activity (SEROA) | |
| CN101122555A (en) | High concentration super fine granule measuring device and method based on backward photon related spectrum | |
| RU2012145430A (en) | METHOD AND DEVICE FOR OPTICAL MEASUREMENT OF DISTRIBUTION OF SIZES AND CONCENTRATIONS OF DISPERSED PARTICLES IN LIQUIDS AND GASES USING SINGLE-ELEMENT AND MATRIX PHOTO RECEIVERS OF LASER RADIATION | |
| CN105043930A (en) | Detection device and method for metal steam atomic density of microstructure alkali metal gas chambers | |
| US20150021491A1 (en) | Method and apparatus for measuring concentration of advanced-oxidation active species | |
| Molesky et al. | Femtosecond stimulated Raman spectroscopy by six-wave mixing | |
| Mead et al. | An echelon-based single shot optical and terahertz Kerr effect spectrometer | |
| CN201622228U (en) | Dynamic polarized light scattered grain measuring device | |
| US3732014A (en) | Electromagnetic radiation apparatus for analyzing small particles | |
| Huang et al. | Trace analysis of gases and liquids with spontaneous Raman scattering based on the integrating sphere principle | |
| RU2370752C1 (en) | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases | |
| CN101968434A (en) | DFWM (Degenerate Four-Wave Mixing) spectroscopic technology based method for determining date of cultural relics | |
| RU49620U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING CLUSTERS AND MICROPARTICLES IN LIQUIDS | |
| CN106342212B (en) | High reflection mirror laser back scattering measurement mechanism | |
| US10866094B2 (en) | Method for measuring spatial rotation angles of objects | |
| CN102494975A (en) | Single beam cross-correlation high concentration nanoparticle measuring apparatus and method thereof | |
| CN117571705A (en) | Quantum confocal imaging device and method based on entangled photons | |
| Deng et al. | High-sensitivity hemoglobin detection based on polarization-differential spectrophotometry | |
| Whitmore et al. | Six orders of magnitude dynamic range in capillary electrophoresis with ultrasensitive laser-induced fluorescence detection | |
| Wang et al. | Detection of the minimum concentrations of α-lactose solution using high-power THz-ATR spectroscopy | |
| Rossi et al. | Diffractive spectroelectrochemistry. Use of diffracted light for monitoring electrogenerated chromophores |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20100712 |