Время полета

Хронометраж вещества в среде

Основные принципы времени пролета, применяемые в лазерной дальномерности

Время пролета ( ToF ) — это измерение времени, необходимого объекту, частице или волне (будь то акустическая, электромагнитная и т. д.) для прохождения расстояния через среду. Затем эта информация может быть использована для измерения скорости или длины пути, или как способ узнать о свойствах частицы или среды (таких как состав или скорость потока). Движущийся объект может быть обнаружен напрямую (прямое время пролета, dToF , например, с помощью детектора ионов в масс-спектрометрии) или косвенно (косвенное время пролета, iToF , например, с помощью света, рассеянного от объекта в лазерной доплеровской велосиметрии ). Технология времени пролета нашла ценное применение в мониторинге и характеристике материалов и биоматериалов, включая гидрогели. ^{[1] [2]}

Обзор

В электронике одним из первых устройств, использующих этот принцип, являются ультразвуковые дальномерные устройства, которые излучают ультразвуковой импульс и способны измерять расстояние до твердого объекта на основе времени, необходимого волне для отражения обратно к излучателю. Метод ToF также используется для оценки подвижности электронов . Первоначально он был разработан для измерения тонких пленок с низкой проводимостью, позже адаптирован для обычных полупроводников. Этот экспериментальный метод используется для структур металл-диэлектрик-металл ^[3] , а также для органических полевых транзисторов. ^[4] Избыточные заряды генерируются путем применения лазера или импульса напряжения.

Магнитно-резонансный ангиограф, созданный методом ToF

Для магнитно-резонансной ангиографии (МРА) ToF является основным базовым методом. В этом методе кровь, поступающая в область изображения, еще не насыщена, что дает ей гораздо более высокий сигнал при использовании короткого времени эха и компенсации потока. Его можно использовать для обнаружения аневризмы , стеноза или расслоения . ^[5]

В масс-спектрометрии времени пролета ионы ускоряются электрическим полем до той же кинетической энергии , при этом скорость иона зависит от отношения массы к заряду . Таким образом, время пролета используется для измерения скорости, из которой можно определить отношение массы к заряду. ^[6] Время пролета электронов используется для измерения их кинетической энергии. ^[7]

В ближней инфракрасной спектроскопии метод ToF используется для измерения длины оптического пути, зависящей от среды, в диапазоне оптических длин волн, на основании чего можно проанализировать состав и свойства среды.

В ультразвуковом расходомере ToF используется для измерения скорости распространения сигнала вверх и вниз по потоку среды, чтобы оценить общую скорость потока. Это измерение выполняется в коллинеарном направлении с потоком.

В планарной доплеровской велосиметрии (измерение с помощью оптического расходомера) измерения ToF производятся перпендикулярно потоку путем измерения времени, когда отдельные частицы пересекают два или более мест вдоль потока (коллинеарные измерения, как правило, требуют высоких скоростей потока и чрезвычайно узкополосных оптических фильтров).

В оптической интерферометрии разница в длине пути между плечами образца и эталона может быть измерена методами ToF, такими как частотная модуляция с последующим измерением сдвига фаз или кросс-корреляцией сигналов. Такие методы используются в лазерных радарах и лазерных трекерах для измерения расстояний средней и большой дальности.

В нейтронном времяпролетном рассеянии импульсный монохроматический нейтронный пучок рассеивается образцом. Энергетический спектр рассеянных нейтронов измеряется с помощью времени пролета.

В кинематике ToF — это длительность полета снаряда по воздуху. Если заданы начальная скорость частицы, выпущенной с земли, нисходящее (т.е. гравитационное) ускорение и угол проекции снаряда θ (измеренный относительно горизонтали), то простая перестановка уравнения SUVAT ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle a}$

${\displaystyle s=vt-{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}at^{2}}$

результаты в этом уравнении

${\displaystyle t={\frac {2v\sin \theta }{a}}}$

для времени полета снаряда.

В масс-спектрометрии

Ионная ловушка Shimadzu ToF

Принцип времени пролета может быть применен для масс-спектрометрии . Ионы ускоряются электрическим полем известной напряженности. Это ускорение приводит к тому, что ион имеет ту же кинетическую энергию , что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношения массы к заряду . Измеряется время, которое впоследствии требуется частице, чтобы достичь детектора на известном расстоянии. Это время будет зависеть от отношения массы к заряду частицы (более тяжелые частицы достигают более низких скоростей). Из этого времени и известных экспериментальных параметров можно найти отношение массы к заряду иона. Прошедшее время с момента, когда частица покидает источник, до момента, когда она достигает детектора.

В расходомерах

Ультразвуковой расходомер измеряет скорость жидкости или газа через трубу с помощью акустических датчиков. Это имеет некоторые преимущества по сравнению с другими методами измерения. Результаты незначительно зависят от температуры, плотности или проводимости. Техническое обслуживание обходится недорого, поскольку в нем нет движущихся частей . Ультразвуковые расходомеры бывают трех различных типов: расходомеры пропускания (время встречного распространения), расходомеры отражения (доплеровские) и расходомеры с открытым каналом. Расходомеры времени прохождения работают, измеряя разницу во времени между ультразвуковым импульсом, отправленным в направлении потока, и ультразвуковым импульсом, отправленным в противоположном направлении потока. Доплеровские расходомеры измеряют доплеровский сдвиг, приводящий к отражению ультразвукового луча от мелких частиц в жидкости, пузырьков воздуха в жидкости или турбулентности текущей жидкости. Расходомеры с открытым каналом измеряют уровни выше по течению перед лотками или водосливами .

Оптические датчики времени пролета состоят из двух световых лучей, проецируемых в жидкость, обнаружение которых либо прерывается, либо инициируется прохождением мелких частиц (которые, как предполагается, следуют за потоком). Это не отличается от оптических лучей, используемых в качестве устройств безопасности в моторизованных гаражных воротах или в качестве триггеров в системах сигнализации. Скорость частиц рассчитывается путем знания расстояния между двумя лучами. Если имеется только один детектор, то разницу во времени можно измерить с помощью автокорреляции . Если имеется два детектора, по одному для каждого луча, то направление также может быть известно. Поскольку местоположение лучей относительно легко определить, точность измерения зависит в первую очередь от того, насколько мала может быть установка. Если лучи находятся слишком далеко друг от друга, поток может существенно измениться между ними, таким образом, измерение становится средним по этому пространству. Более того, между ними в любой момент времени может находиться несколько частиц, и это исказит сигнал, поскольку частицы неразличимы. Чтобы такой датчик предоставлял достоверные данные, он должен быть небольшим по сравнению с масштабом потока и плотностью засева. Подходы MOEMS дают чрезвычайно малые пакеты, что делает такие датчики применимыми в самых разных ситуациях. ^[8]

В физике

Обычно времяпролетную трубку, используемую в масс-спектрометрии, хвалят за простоту, но для точных измерений заряженных частиц низкой энергии электрическое и магнитное поле в трубке необходимо контролировать в пределах 10 мВ и 1 нТл соответственно.

Однородность рабочей функции трубки можно контролировать с помощью зонда Кельвина . Магнитное поле можно измерить с помощью феррозондового компаса . Высокие частоты пассивно экранируются и гасятся радиопоглощающим материалом . Для создания произвольного поля низких частот экран разделен на пластины (перекрывающиеся и соединенные конденсаторами) с напряжением смещения на каждой пластине и током смещения на катушке за пластиной, поток которой замыкается внешним сердечником. Таким образом, трубку можно настроить так, чтобы она действовала как слабая ахроматическая квадрупольная линза с апертурой с сеткой и детектором линии задержки в плоскости дифракции для выполнения измерений с разрешением по углу. Изменяя поле, можно изменить угол поля зрения и наложить отклоняющее смещение для сканирования по всем углам.

Если детектор с линией задержки не используется, фокусировка ионов на детекторе может быть достигнута с помощью двух или трех линз Эйнцеля, размещенных в вакуумной трубке, расположенной между источником ионов и детектором.

Образец следует погрузить в трубку с отверстиями и апертурами для и против рассеянного света, чтобы проводить магнитные эксперименты и контролировать электроны с самого начала.

Камера

Время пролета светового импульса, отраженного от цели

Камера времени пролета (ToF-камера), также известная как датчик времени пролета (ToF-датчик), представляет собой систему дальномерной камеры для измерения расстояний между камерой и объектом для каждой точки изображения на основе времени пролета , времени прохождения сигнала искусственного света туда и обратно, обеспечиваемого лазером или светодиодом . Камеры времени пролета на основе лазера являются частью более широкого класса безсканирующих ЛИДАРов , в которых вся сцена захватывается каждым лазерным импульсом, в отличие от поточечного захвата лазерным лучом, как в сканирующих ЛИДАР-системах. ^[9]

Продукция с камерами времени пролета для гражданского применения начала появляться около 2000 года, ^[10] поскольку полупроводниковые процессы позволили производить компоненты достаточно быстро для таких устройств. Системы охватывают диапазоны от нескольких сантиметров до нескольких километров.

Детектор

Детектор времени пролета (TOF) — это детектор частиц , который может различать более легкую и более тяжелую элементарную частицу с одинаковым импульсом, используя время их пролета между двумя сцинтилляторами . Первый из сцинтилляторов активирует часы при ударе, а другой останавливает часы при ударе. Если две массы обозначены и и имеют скорости , то разница во времени пролета определяется как ${\displaystyle m_{1}}$ ${\displaystyle m_{2}}$ ${\displaystyle v_{1}}$ ${\displaystyle v_{2}}$

${\displaystyle \Delta t=L\left({\frac {1}{v_{1}}}-{\frac {1}{v_{2}}}\right)\approx {\frac {Lc}{2p^{2}}}(m_{1}^{2}-m_{2}^{2})}$

где — расстояние между сцинтилляторами. Приближение находится в релятивистском пределе по импульсу и обозначает скорость света в вакууме. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle c}$

Смотрите также

• Задержка распространения
• Время в пути туда и обратно
• Время прибытия
• Время передачи

Ссылки

1. Ламанна, Леонардо; Рицци, Франческо; Дмитрий, Кристиан; Пизанелло, Марко; Скарпа, Элиза; Квальтьери, Антонио; Саннино, Алессандро; Де Витторио, Массимо (01 августа 2018 г.). «Определение абсорбционных и структурных свойств гидрогеля на основе целлюлозы с помощью ультразвукового импульсно-эхо-времяпролетного метода». Целлюлоза . 25 (8): 4331–4343. дои : 10.1007/s10570-018-1874-4. ISSN  1572-882X.
2. Maffezzoli, A.; Luprano, AM; Montagna, G.; Nicolais, L. (1998-01-31). "Ультразвуковая характеристика сорбции воды в гидрогелях поли(2-гидроксиэтилметакрилата)". Journal of Applied Polymer Science . 67 (5): 823–831. doi :10.1002/(SICI)1097-4628(19980131)67:5<823::AID-APP7>3.0.CO;2-V. ISSN  0021-8995.
3. RG Kepler (1960). "Производство и подвижность носителей заряда в кристаллах антрацена". Phys. Rev. 119 ( 4): 1226. Bibcode :1960PhRv..119.1226K. doi :10.1103/PhysRev.119.1226.
4. M. Weis; J. Lin; D. Taguchi; T. Manaka; M. Iwamot (2009). «Анализ переходных токов в органических полевых транзисторах: метод времени пролета». J. Phys. Chem. C. 113 ( 43): 18459. doi :10.1021/jp908381b.
5. "Магнитно-резонансная ангиография (МРА)". Больница Джонса Хопкинса . Получено 15 октября 2017 г.
6. Коттер, Роберт Дж. (1994). Времяпролетная масс-спектрометрия . Колумбус, Огайо: Американское химическое общество . ISBN 0-8412-3474-4.
7. Методы времени пролета для исследования распределения кинетической энергии ионов и нейтралов, десорбированных возбуждениями ядра
8. Модарресс, Д.; Свитек, П.; Модарресс, К.; Уилсон, Д. (июль 2006 г.). Микрооптические датчики для исследований течения в пограничном слое (PDF) . 2006 ASME Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting. стр. 1037–1044. doi :10.1115/FEDSM2006-98556. ISBN 0-7918-4751-9.
9. Iddan, Gavriel J. ; Yahav, Giora (2001-01-24). "3D-визуализация в студии (и в других местах…)" (PDF) . Труды SPIE . Том 4298. Сан-Хосе, Калифорния: SPIE (опубликовано 2003-04-29). стр. 48. doi :10.1117/12.424913. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-06-12 . Получено 2009-08-17 . Камера [Time-of-flight] принадлежит к более широкой группе датчиков, известных как безсканирующие ЛИДАРы (т. е. лазерный радар без механического сканера); ранним примером [1990] является [Marion W.] Scott и его последователи в Sandia.
10. "Эволюция продукта". 3DV Systems. Архивировано из оригинала 28.02.2009 . Получено 19.02.2009 . Z-Cam, первая камера глубинного видео, была выпущена в 2000 году и была ориентирована в первую очередь на вещательные организации.