Время полета

Время полета ( ToF ) — это измерение времени, за которое объект, частица или волна (будь то акустическая, электромагнитная и т. д.) преодолевают расстояние через среду. Эту информацию затем можно использовать для измерения скорости или длины пути или как способ узнать о свойствах частицы или среды (например, о составе или скорости потока). Движущийся объект может быть обнаружен напрямую (прямое время полета, dToF , например, с помощью ионного детектора в масс-спектрометрии) или косвенно (непрямое время полета, iToF , например, с помощью света, рассеянного от объекта в лазерной допплеровской велосиметрии ). Времяпролетная технология нашла ценное применение при мониторинге и характеристике материалов и биоматериалов, включая гидрогели. ^[1]^[2]

Обзор

В электронике одними из первых устройств, использующих этот принцип, являются ультразвуковые устройства для измерения расстояния, 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, а затем адаптирован для обычных полупроводников. Данная экспериментальная методика применяется для структур металл-диэлектрик-металл. ^[3] а также органические полевые транзисторы. ^[4] Избыточные заряды генерируются применением лазера или импульса напряжения.

Магнитно-резонансный ангиограф, созданный методом ToF.

Для магнитно-резонансной ангиографии (МРА) ToF является основным методом. В этом методе кровь, попадающая в область изображения, еще не насыщена, что дает гораздо более сильный сигнал при использовании короткого времени эхо-сигнала и компенсации потока. Его можно использовать при обнаружении аневризмы , стеноза или расслоения . ^[5]

Во времяпролетной масс-спектрометрии ионы ускоряются электрическим полем до одинаковой кинетической энергии , причем скорость иона зависит от отношения массы к заряду . Таким образом, время полета используется для измерения скорости, по которой можно определить отношение массы к заряду. ^[6] Время полета электронов используется для измерения их кинетической энергии. ^[7]

В спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона метод ToF используется для измерения длины оптического пути, зависящей от среды, в диапазоне оптических длин волн, на основе которой можно анализировать состав и свойства среды.

При измерении ультразвуковым расходомером ToF используется для измерения скорости распространения сигнала вверх и вниз по потоку среды, чтобы оценить общую скорость потока. Это измерение производится в направлении, коллинеарном потоку.

В планарной доплеровской скорости (измерения с помощью оптического расходомера) измерения ToF проводятся перпендикулярно потоку по времени, когда отдельные частицы пересекают два или более мест вдоль потока (коллинеарные измерения обычно требуют высоких скоростей потока и чрезвычайно узкополосных оптических фильтров).

В оптической интерферометрии разность длин пути между образцом и эталонным плечом может быть измерена с помощью методов ToF, таких как частотная модуляция с последующим измерением фазового сдвига или кросс-корреляция сигналов. Такие методы используются в лазерных радарах и системах лазерного трекера для измерения расстояний на средних и больших расстояниях.

При времяпролетном рассеянии нейтронов импульсный монохроматический пучок нейтронов рассеивается образцом. Энергетический спектр рассеянных нейтронов измеряется по времени пролета.

В кинематике ToF — это продолжительность полета снаряда по воздуху. Учитывая начальную скорость $u$ частицы, выпущенной из земли, нисходящее (т.е. гравитационное) ускорение $a$ и угол проекции снаряда θ (измеренный относительно горизонтали), то простая перестановка уравнения SUVAT

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

результаты в этом уравнении

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

за время полета снаряда.

В масс-спектрометрии

Принцип времени пролета можно применить для масс-спектрометрии . Ионы ускоряются электрическим полем известной силы. 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 потребуется частице для достижения детектора на известном расстоянии. Это время будет зависеть от соотношения массы и заряда частицы (более тяжелые частицы достигают меньших скоростей). Исходя из этого времени и известных экспериментальных параметров, можно найти отношение массы к заряду иона. Время, прошедшее с момента, когда частица покидает источник, до момента, когда она достигает детектора.

В расходомерах

Ультразвуковой расходомер измеряет скорость жидкости или газа в трубе с помощью акустических датчиков. Это имеет некоторые преимущества перед другими методами измерения. На результаты незначительно влияют температура, плотность или проводимость. 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 с временем прохождения работают путем измерения разницы во времени между ультразвуковым импульсом, посылаемым в направлении потока, и ультразвуковым импульсом, посылаемым в противоположном направлении. Доплеровские расходомеры измеряют доплеровский сдвиг, приводящий к отражению ультразвукового луча от мелких частиц в жидкости, пузырьков воздуха в жидкости или турбулентности текущей жидкости. Расходомеры открытого канала измеряют уровни в верхнем течении перед лотками или водосливами .

Оптические времяпролетные датчики состоят из двух световых лучей, проецируемых в жидкость, обнаружение которых либо прерывается, либо инициируется прохождением мелких частиц (которые предположительно следуют за потоком). Это мало чем отличается от оптических лучей, используемых в качестве устройств безопасности в моторизованных гаражных воротах или в качестве триггеров в системах сигнализации. Скорость частиц рассчитывается, зная расстояние между двумя лучами. Если детектор только один, то разницу во времени можно измерить с помощью автокорреляции . Если имеется два детектора, по одному на каждый луч, то направление также можно узнать. Поскольку местоположение лучей относительно легко определить, точность измерения зависит, прежде всего, от того, насколько компактной может быть установка. Если лучи расположены слишком далеко друг от друга, поток между ними может существенно измениться, поэтому измерение становится средним по этому пространству. Более того, в любой момент времени между ними 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 посева. Подходы MOEMS позволяют получить чрезвычайно маленькие корпуса, что делает такие датчики применимыми в самых разных ситуациях. ^[8]

По 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 приходится контролировать в пределах 10 мВ и 1 нТл соответственно.

Однородность работы выхода трубки можно контролировать с помощью датчика Кельвина . Магнитное поле можно измерить с помощью феррозондового компаса . Высокие частоты пассивно экранируются и демпфируются 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 которого замыкается внешним сердечником. Таким образом, трубку можно сконфигурировать 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 зрения, можно изменить угол поля зрения и наложить отклоняющее смещение для сканирования под всеми углами.

Когда детектор с линией задержки не используется, фокусировка ионов на детекторе может быть достигнута с помощью двух или трех линз Эйнцеля, помещенных в вакуумную трубку, расположенную между источником ионов и детектором.

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

Камера

Времяпролетная камера (камера ToF), также известная как датчик времени пролета (датчик ToF), представляет собой дальнего действия систему камеры для измерения расстояний между камерой и объектом для каждой точки изображения на основе времени. -пролетное время — время прохождения туда и обратно искусственного светового сигнала, обеспечиваемого лазером или светодиодом . Лазерные времяпролетные камеры являются частью более широкого класса лидаров без сканера , в которых вся сцена захватывается каждым лазерным импульсом, а не поточечно с помощью лазерного луча, как в сканирующих системах лидар. ^[9]

Времяпролетные камеры для гражданского применения начали появляться примерно в 2000 году. ^[10] поскольку полупроводниковые процессы позволяли производить компоненты для таких устройств достаточно быстро. Системы охватывают диапазоны от нескольких сантиметров до нескольких километров.

Детектор

Детектор времени пролета (TOF) — это детектор частиц , который может различать более легкие и более тяжелые элементарные частицы с одинаковым импульсом, используя время их полета между двумя сцинтилляторами . Первый из сцинтилляторов при ударе активирует часы, а второй останавливает часы при ударе. Если обе массы обозначить $m_{1}$ и $m_{2}$ и имеют скорости $v_{1}$ и $v_{2}$ тогда разница во времени полета определяется выражением

\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

L

– расстояние между сцинтилляторами. Приближение находится в релятивистском пределе по импульсу

p

и

c

обозначает скорость света в вакууме.

См. также

Ссылки

^ 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 .
^ Маффеццоли, А.; Лупрано, AM; Монтанья, Г.; Николаис, Л. (31 января 1998 г.). «Ультразвуковая характеристика сорбции воды в гидрогелях поли(2-гидроксиэтилметакрилата)» . Журнал прикладной науки о полимерах . 67 (5): 823–831. doi : 10.1002/(SICI)1097-4628(19980131)67:5<823::AID-APP7>3.0.CO;2-V . ISSN 0021-8995 .
^ Р. Г. Кеплер (1960). «Производство и подвижность носителей заряда в кристаллах антрацена». Физ. Преподобный . 119 (4): 1226. Бибкод : 1960PhRv..119.1226K . дои : 10.1103/PhysRev.119.1226 .
^ М. Вейс; Дж. Лин; Д. Тагучи; Т. Манака; М. Ивамот (2009). «Анализ переходных токов в органическом полевом транзисторе: метод времени пролета». Дж. Физ. хим. С. 113 (43): 18459. doi : 10.1021/jp908381b .
^ «Магнитно-резонансная ангиография (МРА)» . Больница Джонса Хопкинса . Проверено 15 октября 2017 г.
^ Коттер, Роберт Дж. (1994). Времяпролетная масс-спектрометрия . Колумбус, Огайо: Американское химическое общество . ISBN 0-8412-3474-4 .
^ Времяпролетные методы для исследования распределения кинетической энергии ионов и нейтральных веществ, десорбированных возбуждениями ядра
^ Модарресс, Д.; Свитек, П.; Модарресс, К.; Уилсон, Д. (июль 2006 г.). Микрооптические датчики для исследования течения в пограничном слое (PDF) . 2006 г. Совместное американо-европейское летнее совещание ASME по разработке жидкостей. стр. 1037–1044. дои : 10.1115/FEDSM2006-98556 . ISBN 0-7918-4751-9 .
^ Иддан, Гавриэль Дж .; Яхав, Гиора (24 января 2001 г.). «3D-изображения в студии (и в других местах…)» (PDF) . Труды SPIE . Том. 4298. Сан-Хосе, Калифорния: SPIE (опубликовано 29 апреля 2003 г.). п. 48. дои : 10.1117/12.424913 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2009 г. Проверено 17 августа 2009 г. [Времяпролетная] камера принадлежит к более широкой группе датчиков, известной как лидар без сканера (т. е. лазерный радар без механического сканера); ранним примером [1990 г.] является [Мэрион В.] Скотт и его последователи в Сандиа.
^ «Эволюция продукта» . 3DV-системы. Архивировано из оригинала 28 февраля 2009 г. Проверено 19 февраля 2009 г. Z-Cam, первая видеокамера глубины, была выпущена в 2000 году и ориентирована в первую очередь на телерадиокомпании.

[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] Маффеццоли, А.; Лупрано, AM; Монтанья, Г.; Николаис, Л. (31 января 1998 г.). «Ультразвуковая характеристика сорбции воды в гидрогелях поли(2-гидроксиэтилметакрилата)» . Журнал прикладной науки о полимерах . 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] Р. Г. Кеплер (1960). «Производство и подвижность носителей заряда в кристаллах антрацена». Физ. Преподобный . 119 (4): 1226. Бибкод : 1960PhRv..119.1226K . дои : 10.1103/PhysRev.119.1226 .

[4] М. Вейс; Дж. Лин; Д. Тагучи; Т. Манака; М. Ивамот (2009). «Анализ переходных токов в органическом полевом транзисторе: метод времени пролета». Дж. Физ. хим. С. 113 (43): 18459. doi : 10.1021/jp908381b .

[hopkins-5] «Магнитно-резонансная ангиография (МРА)» . Больница Джонса Хопкинса . Проверено 15 октября 2017 г.

[6] Коттер, Роберт Дж. (1994). Времяпролетная масс-спектрометрия . Колумбус, Огайо: Американское химическое общество . ISBN 0-8412-3474-4 .

[7] Времяпролетные методы для исследования распределения кинетической энергии ионов и нейтральных веществ, десорбированных возбуждениями ядра

[8] Модарресс, Д.; Свитек, П.; Модарресс, К.; Уилсон, Д. (июль 2006 г.). Микрооптические датчики для исследования течения в пограничном слое (PDF) . 2006 г. Совместное американо-европейское летнее совещание ASME по разработке жидкостей. стр. 1037–1044. дои : 10.1115/FEDSM2006-98556 . ISBN 0-7918-4751-9 .

[Time-of-flight_camera_Iddan,_Yahav-9] Иддан, Гавриэль Дж .; Яхав, Гиора (24 января 2001 г.). «3D-изображения в студии (и в других местах…)» (PDF) . Труды SPIE . Том. 4298. Сан-Хосе, Калифорния: SPIE (опубликовано 29 апреля 2003 г.). п. 48. дои : 10.1117/12.424913 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2009 г. Проверено 17 августа 2009 г. [Времяпролетная] камера принадлежит к более широкой группе датчиков, известной как лидар без сканера (т. е. лазерный радар без механического сканера); ранним примером [1990 г.] является [Мэрион В.] Скотт и его последователи в Сандиа.

[Time-of-flight_camera_ZCam_history-10] «Эволюция продукта» . 3DV-системы. Архивировано из оригинала 28 февраля 2009 г. Проверено 19 февраля 2009 г. Z-Cam, первая видеокамера глубины, была выпущена в 2000 году и ориентирована в первую очередь на телерадиокомпании.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]