Диссертация (Исследование оптического диэлектрического микрорезонатора для детектирования наночастиц), страница 14

Изменение спектральных характеристик позволяет сделать вывод оконцентрации и размере наночастиц. Кроме того, описываемый метод также89позволяет сделать оценку массы наночастицы, при условии наличияинформации о её поляризуемости.Концентрациянаночастицввоздухевычисляласьпосредствомопределения скорости изменения добротности для конкретного типа ОДМР ииспользования известного размера и типа наночастиц. Подробное описаниеэтого механизма приводится в разделе 5.2.Для воспроизведения описанной методики измерений была разработанаэкспериментальная установка. Описание оптической части сенсора даннойустановки приводится в статье [95].

Для возбуждения мод «шепчущей галереи»использовался перестраиваемый лазер VitaWave ECDL6707R с центральнойдлиной волны 670 нм и диапазоном перестройки порядка 15 ГГц. При этомОДМР располагался в проточной герметичной кювете, в качестве элементасвязисмикрорезонаторомпозиционированияпьезодвигатель,ОДМРприменяласьотносительнорегистрациятреугольнаяэлементапроходящегочерезсвязипризма,дляиспользовалсяОДМРизлученияосуществлялась с помощью фотодетектора, а сигнал с фотодетекторазаписывался с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) иобрабатывался специальной компьютерной программой.5.2 Обработка сигналаЦелью обработки сигнала является определение скорости деградациидобротности.

Особо стоит отметить, что для этого используются аттестованныеобразцы концентраций наночастиц, что в свою очередь позволяет связатьскорость деградации добротности с реальной концентрацией наночастиц.Другими словами передать на детектор единицу величины концентрациинаночастиц.При осаждении частиц не каждое соударение заканчивается прилипаниемчастицы к поверхности ОДМР. Вероятность такого события пропорциональнаконцентрации частиц, а также зависит от свойств поверхности микрорезонатора90и от степени покрытия поверхности осевшими ранее частицами. Такимобразом, в начальный момент времени, когда поверхность микрорезонатораещё «чистая» и число центров адгезии, на которые может прилипнуть частица,много больше уже осевших частиц, количество частиц, осаждаемых в единицувремени, постоянно. При этом число частиц на поверхности, а следовательно, иширина резонансной кривой оптической моды растут линейно.

Когда осевшихчастиц накапливается достаточно много для того, чтобы они началипрепятствовать прилипанию новых частиц, скорость осаждения частицуменьшается и затем выходит на насыщение. Указанное явление описываетсятеорией адсорбции с образованием слоя частиц. Полученный результатсогласуется с теорией абсорбции Ленгмюра [98].Подробно процесс обработки сигнала изложен в статье в [99], онвключает в себя следующие этапы:Выделение из трёх сигналов (основного, синхронизации и опорногоинтерферометра) временной последовательности «сырых» (raw) спектровОДМР. При этом, сигнал синхронизации используется для выделения спектров,а сигнал опорного интерферометра для передачи единицы величиныконцентрации наночастиц (рисунок 24.а).абРисунок 24.

а — исходные сигналы; б — частотный спектр ОДМР.91Первым этапом обработки сигналов пропускания ОДМР и синхронизацииявляется их разделение на две составляющие: прямой и обратный ходысканирования частоты лазера. Для этого определяется период сигналасинхронизации T по его Фурье-спектру. Далее происходит обработка сигналасинхронизации, состоящая в его разбиении на участки прямого и обратногоходов. Весь спектр пропускания ОДМР «нарезается» на единичные реализацииспектров таким образом, что одинаковые номера отсчётов в каждой реализациисоответствуют одной и той же частоте лазера(рисунок 24.б). Цветомобозначена интенсивность сигнала. Спектр нормируется по максимальнойвысоте пика.

По осям отсчеты осциллографа ζ.Вторым этапом обработки является нормирование и выпрямлениематрицы единичных спектров пропускания ОДМР. Этот этап проводится в тришага:Изкаждойвычитаетсяединичнойлинейныйнаклон,реализациивызванныйспектрапропусканияизменениемОДМРмощностиприперестройке частоты лазера и проявляющийся в виде наклона постояннойсоставляющей оптического излучения. Наклон для каждой единичнойреализации вычисляется по значениям первой и последней точек.Производится нормирование каждой строки на единицу. Для этоговычисляется максимальное и минимальное значение для каждой единичнойреализации (рисунок 25.а).Выравниваниемаксимумарезонанса.Составляетсяматрица-маска,которая состоит из нулей и единиц. Положение 1 соответствует наличию пика вэтой области, 0 – его отсутствию. В каждой единичной реализации спектраосуществляется сдвиг пика на центральную позицию с использованиемвстроенной функции Matlab циклической перестановки (рисунок 25.б).92абРисунок 25.

Частотные спектры ОДМР: а — нормированный; б— выпрямленныйНа третьем этапе происходит создание маски выпрямленного частотногоспектра в виде комбинации 0 и 1. При этом порог выбирается равным 0,5, чтосоответствует половине высоты пика. При суммировании строк этой матрицыполучается кривая, которая описывает зависимость ширины пика от времени.Кривая показана на рисунке 26.а.

На данном графике по оси X отложенысекунды, а по Y отсчеты. Для перерасчета значений оси Y из величиныотсчетов в величину оптической частоты используется амплитуда сканированиялазера, которая определяется по сигналу с опорного интерферометра сиспользованием масштабного коэффициента в МГц/отсчет.абРисунок 26. Кривые деградации добротности: а — номинальная; б— выпрямленная.93Пересчитанная кривая подвергается линейной фильтрации с нулевойфазой (рисунок 26.б.). На кривой можно выявить участок линейного роста.Красным отмечена аппроксимирующая кривая Ленгмюра.

Наклон этогоучастка,вычисленныйвМГц/с,пропорционаленскоростиосаждениянаночастиц на поверхность ОДМР. Для определения концентрации частиц всреде проводится градуировка с применением аттестованных образцов. Врезультате градуировки определяется коэффициент пропорциональности междунаклоном линейного участка кривой и концентрацией наночастиц в среде.Описание эксперимента детектирования малых концентраций5.3наночастиц в воздушной среде с помощью ОДМРДля измерения концентрации наночастиц необходимо прежде всегосоздать поток наночастиц аэрозоля TiO2 с известной концентрацией,полученный из нанопорошка TiO2 методом электрического взрыва проволоки(ЭВП).Методзаключаетсявбыстром(микросекундном)нагревеиэлектрическом взрыве отрезка титановой проволоки под воздействиемимпульса электрического тока высокой плотности (104 – 106 А/мм2) в смесиинертного газа с кислородом.

В процессе образуются высокоплотная парокапельная смесь, быстро расширяющаяся в окружающий газ с последующимрезким снижением концентрации пара и его конденсации с образованиемнаночастиц.В данном эксперименте концентрация наночастиц измерялась с помощьюОДМР и использования специально разработанной установки, подробноеописание которой приводится в работе [95]. Однако данная установка имеланедостаток – отсутствие воспроизводимости результатов экспериментов, и поэтойпричинесистемаподачиаэрозолябылаизменена.усовершенствованной системы диспергирования показана на рисунке 27.Схема94Рисунок 27. Схематичное изображение системы диспергированиянаночастиц диоксида титана в воздухе: а — в составе: 1 – компрессор; 2 –небулайзер; 3 – осушители с цеолитом; 4 – кювета; 5 – ОДМР; 6 – оптическаясистема связи; 7 – вытяжка; б — 1 Резонансная кривая с добротностью Q =109; в — ОДМР с возбужденной модой «шепчущей галереи»Данная система имеет следующий принцип работы: компрессор 1 подаетсжатый воздух со скоростью 2 л/мин в колбу небулайзера 2, заполненнуюгидрозолем.

Далее на входе в небулайзер диаметр трубки уменьшается,давление сжатого воздуха падает и, соответственно, вырастает скорость потокасжатого воздуха, что обеспечивает засасывание раствора частиц в областьпониженного давления из колбы. В результате на выходе получаетсянасыщенный TiO2 аэрозоль.Проходя через осушители 3, вода испаряется, а аэрозоль наночастицдиоксида титана попадает в кювету 4. Осушители представляют собой полыецилиндры с проложенной по осевой линии магистралью из сетчатого материла,при этом пространство между стенками осушителя и магистрали заполненоцеолитом.

В кювете 4 частицы адсорбируются на поверхности сменного95микрорезонатора 5 с последующими вводом и выводом излучения с помощьюпризмы 6. Неадсорбированные частицы попадают в вытяжку 7.Гидрозоль из наночастиц диоксида титана приготавливался в трехмассовых концентрациях: 1 мг/мл, 0,03 мг/мл, 0,001 мг/мл, в соответствии сметодикой [97].Измерение концентрации с помощью ОДМР включает несколько этапов.НапервомэтапеОДМРпомещаетсявкювету,затемкюветагерметизируется и подключается к системе диспергирования.После этого устанавливается связь с ОДМР посредством установлениязазора между призмой и ОДМР, сначала грубой механической подачей, затемтонкой подачей с помощью активации пьезоподвижки.

При этом на экранеосциллографа наблюдается отрицательный резонансный пик.На следующем этапе определяется добротность ОДМР, которая должнабыть не меньше 108.Далеесиспользованиемпоказаннойнарисунке27.асистемыдиспергирования осуществляется подача аэрозоля в кювету.В это время оператором осуществляется регулировка постояннойсоставляющей перестройки лазера таким образом, чтобы резонансный пик невыходил за пределы диапазона развертки осциллографа. В течение 600 секундпроизводится запись сигнала, после чего с помощью электронной микроскопиипроисходит дополнительное исследование микросферы ОДМР с налипшей нанее тонкой пленкой наночастиц (рисунок 27.в).Обработка полученного осциллографом сигнала выполнялась следующимобразом.Сначалапроисходитзаписьпоследовательностиспектровпропускания ОДМР с отображением резонансных кривых рабочей моды«шепчущейгалереи»ввидеотрицательныхпиков.Затемвсяпоследовательность спектров резонатора подвергается обработке с вычитаниемдрейфа резонансного пика и нормированием.

После этого происходитвычислениезависимостишириныпикаотвремени,подвергающейсядальнейшей фильтрации с целью очистки от шума. Далее определяется наклон96линейного участка полученной кривой, приравнивающийся к скоростирасширения рабочей моды резонатора. Полученная в результате скоростьрасширения пропорциональна скорости осаждения частиц на поверхностьОДМР.Измерение концентрации при помощи ОДМР подразумевает оценкуконцентрации наночастиц в объеме кюветы. На начальном этапе разработкиметодикидляконтроляконцентрациинаночастицаэрозоляTiO2предполагалось использовать анализатор аэрозоля KANOMAX модели 3521.Принципработыданногоанализаторазаключаетсявприменениипьезобалансного метода измерений на основе заряда аэрозольных частиц в полекоронного разряда.

После зарядки в поле коронного заряда частицыосаждаются на поверхность кварцевого пьезоэлемента, что в свою очередьменяетчастотуколебаниякварцевогокристалла.Однакоотсутствиечувствительности данного прибора к частицам меньше 100 нм не позволяетопределить наличие частиц в воздушном потоке и использовать данныйанализатор.По этой причине концентрация определялась с применением методадифференциальной электрической подвижности аэрозольных частиц и сиспользованием аэрозольного спектрометра TSI SMPS 3936, TSI Inc., США.Метод основывался на дифференциации аэрозольных частиц по размерам припрохождении их через электрическое поле с последующим изменениемтраектории движения заряженных частиц в зависимости от их размера,скорости потока аэрозоля и напряженности электрического поля.