Timp de zbor

Timpul de zbor (adesea indicat cu TOF , din engleza Time Of Flight ) indică măsura timpului luat de un obiect, o particulă sau o undă ( acustică , electromagnetică sau de alt tip) pentru a parcurge o anumită distanță într-un mediu determinat.

Din măsurarea timpului este posibil să se obțină distanța parcursă, viteza și alte cantități, cum ar fi energia cinetică .

Principalele tehnici

Timpul de zbor indică diferitele tehnici bazate pe măsurarea timpului parcurs de obiect pentru a traversa mijloacele prestabilite.

Fizica particulelor

În fizica particulelor, măsurarea TOF este utilizată în principal pentru a determina tipul de particule detectate. Un experiment clasic de măsurare TOF constă din doi scintilatori la o distanță predefinită. Din măsurarea TOF, se obține viteza particulelor și, în consecință, variabila sa $\beta =v/c$ ${\ displaystyle \ beta = v / c}$ ${\ displaystyle \ beta = v / c}$ , care reprezintă relația dintre viteza particulei și viteza luminii . Cunoscând impulsul inițial al particulei, este posibil să derivăm masa particulei din ecuația simplă:

P=\gamma mv=\gamma m\beta c

{\ displaystyle P = \ gamma mv = \ gamma m \ beta c}

{\ displaystyle P = \ gamma mv = \ gamma m \ beta c}

unde este:

$P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ este pulsul particulei,
$\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ este factorul Lorentz , în funcție de $\beta$ ${\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ ,
$\beta$ ${\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ este raportul dintre viteza particulei $v$ ${\ displaystyle v}$ $v$ și viteza luminii $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ ,
$m$ ${\ displaystyle m}$ $m$ este masa particulei.

De exemplu, în experimentul care a condus la descoperirea antiprotonului , doi scintilatori amplasați la 12 m distanță au permis măsurarea TOF a pionilor și antiprotonilor produși de coliziune, cu un impuls de 1,19 GeV / c . TOF al pionilor a fost de 42 ns, în timp ce TOF al antiprotonilor a fost de aproximativ 50 ns: cunoașterea variabilei $\beta$ ${\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ (0,99 pentru pioni , 0,78 pentru antiprotoni , pentru acea valoare precisă a impulsului), a fost posibil să se urmărească tipul de particulă. ^[1]

Spectrometrie de masa

Shimadzu a cronometrat capcana ionică de zbor

În spectrometrie , tehnica TOF este utilizată pentru măsurători pe ioni accelerați de un câmp electric : ionii sunt accelerați la aceeași energie cinetică , totuși, datorită unui raport masă - încărcare diferit, au viteze diferite. Din acest motiv, măsurarea timpului de zbor permite obținerea vitezei ionilor , din care poate fi extras raportul masă - încărcare . ^[2] În special, în cazul electronilor (deoarece sarcina lor este invariabilă), măsurarea timpului de zbor permite derivarea energiei lor cinetice . ^[3]

Tehnica spectrometriei de masă timp de zbor (indicată prin acronimul TOFMS) se realizează cu ajutorul analizorului timp de zbor care este capabil să distingă ionii caracterizați de sarcină și masă diferite, care, dacă sunt accelerați de același potențial, vor parcurgeți un spațiu egal în momente diferite. Acest analizor particular poate fi cuplat numai cu unele surse, cele pulsate , cum ar fi MALDI . Pentru a depăși această limitare este posibil să poziționați echipamentul ortogonal față de sursă.

Electronică

În electronică , măsurarea TOF este utilizată pentru a estima mobilitatea electronică . Inițial, tehnica a fost utilizată pentru măsurarea filmelor subțiri cu conductivitate scăzută și a semiconductoarelor. Este frecvent utilizat pe structuri de joncțiune metal - dielectric - metal compozit ^[4] și pentru tranzistoare de tip OFET ( FET organic, cu semiconductor organic). ^[5] Sarcinile în exces sunt generate de fascicule laser sau impulsuri electrice .

Spectroscopie în infraroșu apropiat

În spectroscopia cu infraroșu apropiat (NIRS), metoda TOF este utilizată pentru a măsura distanțele parcurse de diferite lungimi de undă în același mediu, din care este posibil să se obțină compoziția și proprietățile mediului studiat.

Fluxmetrie optică și ultrasunete

Debitmetrul este un contor care vă permite să calculați debitul volumic prin măsurarea vitezei unui fluid sau gaz printr-o conductă.

Debitmetrele optice constau din două fascicule de lumină proiectate în fluid pentru a detecta trecerea particulelor mici care urmează fluxul. Viteza particulelor este calculată prin cunoașterea distanței dintre cele două fascicule. Dacă există un singur detector, diferența de timp poate fi măsurată prin autocorelare . Dacă există doi detectori, unul pentru fiecare fascicul, se poate deriva și direcția particulei. Deoarece poziția grinzilor este relativ ușor de determinat, acuratețea măsurării depinde în principal de dimensiunea setării. Dacă grinzile sunt prea depărtate, fluxul ar putea varia substanțial la mijloc, deci se poate obține o măsurare medie. Mai mult, deoarece particulele nu se disting, măsurarea ar putea fi afectată de erori, deoarece particulele ar putea trece între grinzi în orice moment. Pentru a furniza date valide, un astfel de senzor trebuie să fie mic în raport cu dimensiunea și densitatea debitului. Senzorii MOEMS (sisteme micro-opto-electromecanice) au dimensiuni reduse și, prin urmare, pot fi utilizați într-o mare varietate de situații. ^[6]

Tehnica TOF este, de asemenea, utilizată pentru a măsura viteza de propagare a semnalului în amonte și în aval de debit într-un mediu datorită debitmetrelor speciale cu ultrasunete . Rezultatele măsurătorilor de viteză totală ale debitului efectuate cu debitmetre cu ultrasunete sunt ușor afectate de temperatură , densitate și conductivitate . Există trei tipuri de debitmetre cu ultrasunete : transmisie, reflecție și canal deschis. Debitmetrele de transmisie măsoară diferența de timp dintre un impuls ultrasonic trimis în direcția fluxului și un impuls trimis în direcția opusă fluxului. Debitmetrele de reflecție măsoară deplasarea Doppler rezultată din reflexia unui fascicul de ultrasunete asupra particulelor mici din lichid, a bulelor de aer sau a turbulenței. Debitmetrele cu canal deschis măsoară nivelurile de debit în amonte de jgheaburi sau diguri .

Velocimetrie Doppler

Velocimetria planară Doppler (PVD) vă permite să măsurați viteza fluxului printr-un plan măsurând deplasarea Doppler în frecvența luminii împrăștiate de particulele conținute în flux. Tehnica TOF este utilizată pentru a măsura timpul în care particulele se deplasează prin două sau mai multe poziții de-a lungul liniei de curgere. Măsurarea se efectuează perpendicular pe debit, deoarece măsurătorile coliniare ar necesita în general debituri ridicate și filtre optice cu bandă extrem de îngustă.

Interferometrie optică

În interferometria optică , tehnica TOF permite măsurarea diferenței de cale optică dintre eșantion și mediul de referință: de exemplu , modulații de frecvență urmate de măsurători ale schimbării de fază sau de corelație încrucișată a semnalelor. Aceste metode sunt aplicate sistemelor care utilizează lasere pentru măsurarea distanțelor medii până la cele mari.

Cinematică

În cinematică , timpul zborului înseamnă timpul $t$ ${\ displaystyle t}$ $t$ în care un glonț rămâne în aer:

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

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

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

unde cantitățile:

$v$ ${\ displaystyle v}$ $v$ , viteza de lansare a glonțului,
$la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ , accelerația descendentă (de obicei accelerația gravitației ),
$\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ , unghiul de lansare a proiectilului,

sunt legate de ecuația mișcării :

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

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

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

Notă

^ Nobel Lecture, Owen Chamberlain: The early antiproton work
^ Cotter, Robert J., Spectrometrie de masă în timpul zborului , Columbus, OH, American Chemical Society, 1994, ISBN 0-8412-3474-4 .
^ Tehnici de timp de zbor pentru investigarea distribuțiilor de energie cinetică a ionilor și neutrilor desorbiți de excitațiile de bază
^ RG Kepler, Charge Carrier Production and Mobility in Anthracene Cristals , în Phys. Rev. , vol. 119, nr. 4, 1960, p. 1226, Bibcode : 1960PhRv..119.1226K , DOI : 10.1103 / PhysRev.119.1226 .
^ M. Weis, J. Lin, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamot, Analiza curenților tranzitori în tranzistorul cu efect de câmp organic: metoda timpului de zbor , în J. Phys. Chem. C , vol. 113, nr. 43, 2009, p. 18459, DOI : 10.1021 / jp908381b .
^ D. Modarress, P. Svitek, K. Modarress și D. Wilson, Senzori micro-optici pentru studiul fluxului stratului limită ( PDF ), în 2006 ASME Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting , iulie 2006.

Elemente conexe

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] Nobel Lecture, Owen Chamberlain: The early antiproton work

[2] Cotter, Robert J., Spectrometrie de masă în timpul zborului , Columbus, OH, American Chemical Society, 1994, ISBN 0-8412-3474-4 .

[3] Tehnici de timp de zbor pentru investigarea distribuțiilor de energie cinetică a ionilor și neutrilor desorbiți de excitațiile de bază

[4] RG Kepler, Charge Carrier Production and Mobility in Anthracene Cristals , în Phys. Rev. , vol. 119, nr. 4, 1960, p. 1226, Bibcode : 1960PhRv..119.1226K , DOI : 10.1103 / PhysRev.119.1226 .

[5] M. Weis, J. Lin, D. Taguchi, T. Manaka, M. Iwamot, Analiza curenților tranzitori în tranzistorul cu efect de câmp organic: metoda timpului de zbor , în J. Phys. Chem. C , vol. 113, nr. 43, 2009, p. 18459, DOI : 10.1021 / jp908381b .

[6] D. Modarress, P. Svitek, K. Modarress și D. Wilson, Senzori micro-optici pentru studiul fluxului stratului limită ( PDF ), în 2006 ASME Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting , iulie 2006.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]