Диссертация (Разработка методики и технических средств анализа нанообъектов на примере патогенных микроорганизмов в питьевой воде), страница 17

Информативность данных параметры необходимо подтвердить проведением статистической обработки.В спектре (Рис. 4.29) для патогенного микроорганизма при облучении лазером с рабочей длиной волны 1017 нм можно выявить следующие показатели:длина волны излучения лазера максимальной интенсивности (Hлмах); максимальная интенсивность лазерной моды (Iлмах); длина волны максимума лоренцевой линии стоксовой или антистоксовой составляющей излучения патогенного микроорганизма максимальной интенсивности (Hвмах); максимум интенсивности стоксовойили антистоксовой составляющей (Iвмах); порог интенсивности информативныхсигналов; размах между максимальными интенсивностями основной лазерноймоды и максимумом интенсивности, соответствующим патогенным микроорганизмам; размах между длинами волн основной лазерной моды и моды, соответствующей патогенным микроорганизмам.122Рис.

4.29. Спектральное распределение с характерными показателями: а –максимум лоренцевой линии основной лазерной моды, б – максимум стоксовойсоставляющей спектра, в – опорный уровень информативности сигналаПри автоматическом определении значения параметра длины волны, соответствующей максимуму лоренцевой линии стоксовой или антистоксовой составляющей спектра может быть предложен следующий способ.

Произвести сортировку по убыванию двумерного массива (табличной функции интенсивности отдлины волны) по столбцу интенсивности. Первый элемент, после сортировки встолбце интенсивность – максимальная интенсивность спектрального распределения лазера (Iлмах), а в столбце длин волн – параметр максимальной интенсивности основной лазерной моды (Hлмах).Максимальная интенсивность основной лазерной моды (Iлмах) определяетсяиз таблицы набора точечных данных спектра.

На Рис. 4.29 данный параметр характеризуется линией а и является максимальным значением интенсивности лазерного сигнала.Порог интенсивности информативных сигналов – параметр, позволяющийвыявить различные наборы точечных данных спектра без учета опорного уровняизлучения и возможных шумов. При автоматической обработке предлагается следующий алгоритм выявления информативных сигналов:1.

Определяется прямая линия тренда спектрального распределения.2. Определяется дисперсия спектра по интенсивности.1233. Удаляются точки в наборе данных ниже линии тренда.4. Повторяются операции 1-3 для стандартного образца спектрального распределения для питьевой воды, не содержащей патогенные микроорганизмы.Определяется рабочий интервал длин волн для основной лазерной моды.5. Из спектрального массива данных вычитают массив, содержащий наборданных основной лазерной моды с учетом ширины спектра, получая массив стоксовых и антистоксовых составляющих спектра. Таким образом, спектральное распределение разделено на две выборки (два массива данных) – основной лазерноймоды и стоксовой или антистоксовой составляющей спектра.Размах между рассчитанными интенсивностями основной лазерной моды истоксовой или антистоксовой составляющей спектра является относительной величиной и определяется разностью:ΔI=Iлмах - Iвмах(4.5)Размах между длинами волн основной лазерной моды и стоксовой или антистоксовой составляющей спектра является относительной величиной и определяется разностью:ΔH=Hвмах - Hлмах(4.6)Показатель соответствия выборочных параметров генеральной совокупности является комплексным критерием соответстви Hлмах, Iлмах.В первом приближении соответствие предлагается определять как произведение вероятностей каждого признака:P∑= P Hв∙PIв∙PСв∙PФв(4.7)где:PHв – значение соответствии по длине волны текущего замера:PHв = (1- HвI / HвМО)(4.8)HвМО – математическое ожидание длины волны стоксовой или антистоксовой составляющей спектра.PIв – значение соответствия по интенсивности:PIв = (1- IвI / IвМО)(4.9)124Iв МО – математическое ожидание интенсивности стоксовой или антистоксовой составляющей спектра.PСв – вероятность соответствия выборки генеральной совокупности покритерию Стьюдента.PФв – вероятность соответствия выборки генеральной совокупности покритерию Фишера.При оценке информативных параметров сигнала предлагается анализировать два состояния:1.

Нахождение математического ожидания длины волны лазерного излучения в случае облучения питьевой воды;2. Нахождение математического ожидания длины волны лазерного излучения в случае облучения раствора патогенных микроорганизмов.При первом состоянии определяется стабильность длины волны максимумалоренцевой линии основной лазерной моды, после чего параметры выборки сравниваются с данными стандартных образцов. За стандартный образец принимаетсяспектральное распределение, имеющее минимальное отклонение длины волны,соответствующей максимальной интенсивности линии, от длины волны основнойлазерной моды.Пример расчетных таблиц информативных параметров и критериев соответствия представлен ниже (Таблицы 11, 12)Таблица 11.Пример расчетной таблицы информативных параметров№ Hлмах1HвмахHлМОHвМОIлмах1017,7 1021,7 1017,79 1021,785 -5,01IвмахIлмоIвмо-7,43 -3,97 -15,69ΔIМО-11,706Таблица 12.Пример расчетной таблицы критериев соответствияPСв0,999PIв0,875969P Hв1,000259PΔI0,983546PΔH1,088861Pл∑0,558774Pв∑0,875321254.5.

Разработка требований к устройству макетного образца прибора,режимам и условиям эксплуатацииПредставим обоснования выбора источника излучения. Использование полупроводниковых излучателей для встраивания в прибор, реализующий разработанный метод контроля микробиологических параметров питьевой воды, неоправданно, в связи с появлением расплывания по частоте генерируемого излучения, вызванного полупроводниковой структурой излучателя. Данное заключениебыло получено в разделе 4.2 диссертации, спектральные распределения, отражающие данный эффект показаны на Рис. 4.23-4.26.Помимо этого, как известно, несмотря на значительно более низкую стоимость, полупроводниковые лазеры, тем не менее, обладают меньшим ресурсом,нежели твердотельные лазеры. Это обусловлено технологией изготовления полупроводниковых лазеров.Основные принципиальные отличия твердотельных лазеров, в качестве активной среды которых используются примесные кристаллы (или стекла) от лазеров других типов.

Данные отличия состоят в следующем [48]:1.Оптическая накачка от светового источника (лампы, полупроводникового лазера или источника света требуемой мощности и спектрального состава);2.Низкая концентрация активных атомов в матрице (0,01–10%) и возможность выбора их оптимальной концентрации;3.Возбуждаемые лазерные переходы являются сильно запрещеннымиэлектрическими дипольными переходами с вероятностью ~103–106 с-1,характерными для переходов внутри одной электронной оболочки сзаданной четностью;4.Оптические электронные переходы примесных ионов подверженысильному электронно-колебательному взаимодействию, во многихслучаях приводящему к сильному уширению линий переходов.126Принципиальные спектральные особенности активных сред твердотельных лазеров приводят к ряду важнейших лазерных характеристик, отличающихих от лазеров других типов [48]:1.Длительное время жизни на метастабильном лазерном уровне (10-2–10-4 с) дает возможность накапливать на нем электроны в течение импульса накачки и обеспечивает возможность работы лазера в режимемодулированной добротности, высвобождая мощные импульсы;2.Высокая теплопроводность кристаллов позволяет лазерам работать свысокой частотой повторения импульсов, обеспечивая большую выходную среднюю мощность (до десятка киловатт);3.Широкие линии лазерных переходов в корунде с титаном, в гранате счетырёхвалентным хромом, александрите и др.

позволяют осуществлять перестраиваемую по длине волны лазерную генерацию и эффективную генерацию сверхкоротких лазерных импульсов.При использовании в качестве лазерных центров, генерирующих излучение ионов (неодим, иттербия и т.д.), а также ионов хрома, возможно в твердотельных лазерах концентрировать величину энергии возбуждения на метастабильном лазерном уровне по трёх- и четырехуровневой схеме. Это позволяетобеспечить эффективную работу лазера в различных режимах работы, в том числе, используя модулирование добротности непрерывного лазера, излучающегокомплекс непрерывных мощных импульсов.Твердотельные лазеры, в-целом, обладают увеличенной яркостью и пиковой плотностью мощности, поскольку имеют возможность генерации излучения водномодовом (по ортогональной координате) режиме с высокой когерентностьюи поляризованностью в сочетании с модуляцией добротности лазера, которая неможет быть применена к лазерам других типов. Увеличенная плотность мощности в максимуме спектра излучения допускает эффективный обмен энергией излучения твердотельного источника в ближнем ИК диапазоне и видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра, посредством средствами нелинейной оптики.127Из вышеизложенного следует, что для встраивания в прибор автоматического контроля из соображений достижения в точке среды пороговой плотностимощности излучения, вызывающей эффект ВРМБ, следует использовать лазерныйисточник излучения, обеспечивающий одновременную генерацию на двух длинахволн (λ1=520…540 нм, λ2=1010…1030 нм) в импульсном режиме с применениемактивной модуляции добротности.На современном рынке существуют аналоги Российского производства,например, источники излучения, разрабатываемые производственным объединением ООО «Лазер-Компакт».Более дешевые лазеры китайских производителей (например, модели AOW-532, MPL-H-532 производства CNI Laser) хоть и создают необходимую плотность мощности, но излучают на одной длине волны, не имеют управления откомпьютера и характеризуются худшим качеством пучка, худшей долговременной стабильностью средней мощности, сильно зависящей от изменения температуры окружающей среды, большими габаритами, меньшей надежностью.Как подтверждено результатами исследований, требования к элементамоптоволоконного тракта, разработанные для проведения экспериментальной работы, полностью удовлетворяют требуемым условиям, и должны быть рекомендованы для встраивания в прибор для контроля микробиологических параметровводной среды.