Время пролета: методы измерения и применения.

Введение

Время пребывания вещества в среде

Эта информация может быть использована для измерения скорости или длины пути, а также для изучения свойств частицы или среды (например, состава или скорости потока). Обнаружение перемещающегося объекта может быть прямым (прямое измерение времени пролета, dToF, например, с помощью ионного детектора в масс-спектрометрии) или косвенным (косвенное измерение времени пролета, iToF, например, по рассеянному свету от объекта в лазерной допплеровской велосиметрии). Технология измерения времени пролета нашла ценное применение в мониторинге и характеристике материалов и биоматериалов, включая гидрогели.

В массовой спектрометрии

Принцип времени пролета применим для масс-спектрометрии. Ионы ускоряются электрическим полем известной напряженности. Это ускорение приводит к тому, что все ионы с одинаковым зарядом приобретают одинаковую кинетическую энергию. Скорость иона зависит от его отношения массы к заряду. Измеряется время, за которое частица достигает детектора, расположенного на известном расстоянии. Это время зависит от отношения массы к заряду частицы (более тяжелые частицы достигают меньшей скорости). Зная это время и известные экспериментальные параметры, можно определить отношение массы к заряду иона. Время пролета – это интервал времени от момента выхода частицы из источника до момента ее регистрации детектором.

В расходомерах

Ультразвуковой расходомер измеряет скорость жидкости или газа в трубе с помощью акустических датчиков. Это имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения. На результаты незначительно влияют температура, плотность или электропроводность. Обслуживание недорого, поскольку отсутствуют движущиеся части. Ультразвуковые расходомеры бывают трех типов: расходомеры на основе измерения времени прохождения (контрапропагандирующие), расходомеры Доплера (отражающие) и расходомеры для открытых каналов. Расходомеры времени прохождения работают, измеряя разницу во времени между ультразвуковым импульсом, посылаемым по направлению потока, и ультразвуковым импульсом, посылаемым против направления потока. Расходомеры Доплера измеряют эффект Доплера, возникающий при отражении ультразвукового луча от мелких частиц в жидкости, пузырьков воздуха в жидкости или турбулентности потока. Расходомеры для открытых каналов измеряют уровни потока выше по течению перед водосливами или порогами. Оптические датчики времени пролета состоят из двух световых лучей, проецируемых в жидкость, обнаружение которых прерывается или инициируется прохождением мелких частиц (предполагается, что они движутся вместе с потоком). Это не сильно отличается от оптических лучей, используемых в качестве датчиков безопасности в автоматических гаражных воротах или в качестве триггеров в системах сигнализации. Скорость частиц рассчитывается, исходя из расстояния между двумя лучами. Если имеется только один детектор, разницу во времени можно измерить методом автокорреляции. Если имеется два детектора, по одному для каждого луча, можно также определить направление. Поскольку положение лучей относительно легко определить, точность измерения в первую очередь зависит от того, насколько компактной может быть конструкция. Если лучи расположены слишком далеко друг от друга, поток может существенно измениться между ними, в результате чего измерение станет усредненным по этому пространству. Кроме того, в любой момент времени между лучами может находиться несколько частиц, что исказит сигнал, поскольку частицы неразличимы. Для обеспечения достоверности данных такой датчик должен быть небольшим по сравнению с масштабом потока и плотностью засева. Технологии MOEMS позволяют создавать чрезвычайно компактные устройства, что делает такие датчики применимыми в различных ситуациях.

An ultrasonic flow meter measures the velocity of a liquid or gas through a pipe using acoustic sensors. This has some advantages over other measurement techniques. The results are slightly affected by temperature, density or conductivity. Maintenance is inexpensive because there are no moving parts. Ultrasonic flow meters come in three different types: transmission (contrapropagating transit time) flowmeters, reflection (Doppler) flowmeters, and open channel flowmeters. Transit time flowmeters work by measuring the time difference between an ultrasonic pulse sent in the flow direction and an ultrasound pulse sent opposite the flow direction. Doppler flowmeters measure the doppler shift resulting in reflecting an ultrasonic beam off either small particles in the fluid, air bubbles in the fluid, or the flowing fluid's turbulence. Open channel flow meters measure upstream levels in front of flumes or weirs. Optical time of flight sensors consist of two light beams projected into the fluid whose detection is either interrupted or instigated by the passage of small particles (which are assumed to be following the flow). This is not dissimilar from the optical beams used as safety devices in motorized garage doors or as triggers in alarm systems. The speed of the particles is calculated by knowing the spacing between the two beams. If there is only one detector, then the time difference can be measured via autocorrelation. If there are two detectors, one for each beam, then direction can also be known. Since the location of the beams is relatively easy to determine, the precision of the measurement depends primarily on how small the setup can be made. If the beams are too far apart, the flow could change substantially between them, thus the measurement becomes an average over that space. Moreover, multiple particles could reside between them at any given time, and this would corrupt the signal since the particles are indistinguishable. For such a sensor to provide valid data, it must be small relative to the scale of the flow and the seeding density. MOEMS approaches yield extremely small packages, making such sensors applicable in a variety of situations.

В физике

Обычно трубку времени пролета, используемую в масс-спектрометрии, хвалят за простоту, но для прецизионных измерений заряженных частиц с низкой энергией электрическое и магнитное поля в трубке должны контролироваться с точностью до 10 мВ и 1 нТ соответственно. Однородность работы выхода трубки может контролироваться зондом Кельвина. Магнитное поле можно измерить с помощью флюксометра. Высокие частоты пассивно экранируются и демпфируются материалом, поглощающим радиолокационные сигналы. Для генерации произвольных полей низкой частоты экран разделен на пластины (перекрывающиеся и соединенные конденсаторами) с напряжением смещения на каждой пластине и током смещения на катушке за пластиной, магнитный поток которой замыкается внешним сердечником. Таким образом, трубку можно сконфигурировать для работы как слабая ахроматическая квадрупольная линза с апертурой, сеткой и детектором линии задержки в плоскости дифракции для углоразрешающих измерений. Изменяя поле, можно изменять угол обзора и накладывать отклоняющее напряжение для сканирования по всем углам. Если детектор линии задержки не используется, фокусировка ионов на детекторе может быть достигнута с помощью двух или трех эйнзельных линз, расположенных в вакуумной трубке между источником ионов и детектором. Образец следует помещать в трубку с отверстиями и апертурами для защиты от и использования рассеянного света при проведении магнитных экспериментов и для контроля электронов с момента их возникновения.