Портативный спектрометр динамического рассеяния света

Портативный спектрометр динамического рассеяния света относится к измерителям размеров наночастиц, использующих метод динамического рассеяния света (фотонной корреляционной спектроскопии).

Уменьшение весо-габаритных характеристик и потребляемой мощности достигается благодаря тому, что оптическая схема содержит диодный лазер 1 со встроенной коллимирующей линзой 2, термостат выполнен в виде держателя 4 из теплопроводного материала и снабжен измерителем 5 температуры, система счета фотонов 7 построена на лавинном фотодиоде, а анализирующий блок 6 содержит цифровой коррелятор и аналоговый процессор на мало потребляющих интегральных схемах, подключаемых к компьютеру 10 по USB шине 9.

(1 п. Ф-лы, 1 илл.)

Полезная модель относится к измерителям размеров наночастиц, использующих метод динамического рассеяния света (фотонной корреляционной спектроскопии).

Известны спектрометры динамического рассеяния света для измерения размеров наночастиц, содержащие лазер, луч которого фокусируется в кювете, содержащей исследуемую среду, фотоприемное устройство для регистрации рассеянного на наночастицах излучения, цифровой многоканальный коррелятор и компьютер, см., например: Photon Correlation Spectroscopy in Particle Sizing. Walther Tscharnuter, Brookhaven Instruments Corporation, Holtsville, NY, USA. Encyclopedia of Analytical Chemistry R.A. Meyers (Ed.), John Wiley & Sons Ltd., 2000.

К недостаткам известных устройств следует отнести сложность используемого оборудования, большие геометрические размеры и вес, а также значительную потребляемую мощность.

Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является фотонный корреляционный спектрометр для измерения размеров наночастиц в жидкостях, содержащий лазер с блоком фокусировки излучения в исследуемую жидкость, помещенную в кювету, которая находится в термостате, систему счета фотонов, включающую оптический коллимирующий блок, фотоприемное устройство и усилитель-дискриминатор, выходной сигнал которого анализируется цифровым коррелятором, подключенным к компьютеру, выполняющему управление прибором и обработку данных с помощью специальной программы, (см., I.К.Yudin, G.L.Nikolaenko, V.I.Kosov, V.A.Agayan, M.A.Anisimov, and J.V.Sengers, "A compact photon correlation spectrometer for research and education, International Journal of Thermophysics, 18, 1237-1248, 1997).

К недостаткам описанной конструкции следует отнести сложность используемого оборудования, значительную потребляемую мощность и большие габариты, что обусловлено широким использованием унифицированных универсальных узлов лазера, термостата, системы счета фотонов и анализирующего блока.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, значительное уменьшение весогабаритных характеристик и потребляемой мощности, что обеспечивает портативность устройства и возможность его использования в полевых условиях.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, включающем оптическую схему, содержащую лазер с блоком фокусировки излучения в исследуемую жидкость, помещенную в кювету, которая находится в термостате, систему счета фотонов, включающую оптический коллимирующий блок, фотоприемное устройство и усилитель-дискриминатор, выходной сигнал которого анализируется цифровым коррелятором, подключенным к компьютеру, выполняющим управление прибором и обработку данных с помощью специальной программы, по предложенной полезной модели оптическая схема измерения содержит диодный лазер со встроенной коллимирующей линзой, термостат выполнен в виде держателя из теплопроводного материала и снабжен измерителем температуры, система счета фотонов построена на лавинном фотодиоде, а анализирующий блок содержит цифровой коррелятор и аналоговый процессор на мало потребляющих интегральных схемах, подключаемых к компьютеру по USB шине.

Описанное исполнение спектрометра позволяет выполнить его в виде портативного моноблока, питание которого возможно по USB шине без использования дополнительного блока питания. В случае использования в качестве компьютера любого ноутбука возможно создание автономной системы измерения размеров наночастиц, которая может работать в полевых условиях.

На чертеже схематично представлено устройство миниатюрного анализатора размеров наночастиц.

Спектрометр содержит диодный лазер 1 с асферической линзой 2, которая фокусирует лазерный луч в центре кюветы 3 с исследуемым образцом. Кювета 3 размещена в держателе 4 из теплопроводного материала и снабжена платиновым термометром 5, связанным с анализирующим блоком 6. Рассеянный свет принимается системой счета фотонов 7, снабженной асферической линзой 8. В качестве фотоприемника рассеянного света используется микропиксельный лавинный фотодиод (диод МЛФД). Выходной сигнал с выхода МЛДФ поступает на усилитель-дискриминатор и далее на цифровой коррелятор анализирующего блока 6. Алгоритм работы коррелятора соответствует математическому определению временной корреляционной функции. Измеренная корреляционная функция с выхода коррелятора по шине 9 USB подается на компьютер 10, осуществляющий обработку результатов измерения и расчет распределения размеров наночастиц.

Для проверки предлагаемого технического решения миниатюрного анализатора наночастиц был изготовлен опытный образец, в котором в качестве источника когерентного излучения использовался лазерный диод с пассивной системой охлаждения без термостабилизации. В данном приборе использовался одномодовый лазерный диод с длиной волны излучения 650 нм. В зависимости от задачи возможно использование других лазерных диодов с длиной волны излучения в диапазоне 405980 нм.

Кювета 3 с исследуемой жидкостью помещается в держатель 4. Температура держателя 4 измеряется платиновым термометром 5 с помощью специального аналогового процессора. Данная система позволяет осуществлять активный режим стабилизации температуры в диапазоне от 10°C до 90°C при погрешности 0.1°C.

Рассеянный свет собирается на светочувствительной площадке МЛФД с помощью асферической линзы 8. Для получения максимальной чувствительности фотоприемника используется режим счета фотонов с пассивной схемой восстановления МЛФД после приема каждого фотона. Для уменьшения потребляемой мощности используется пассивная схема стабилизации температуры МЛФД.

Выходные импульсы МЛФД через усилитель-дискриминатор подаются на специализированный цифровой коррелятор анализирующего блока 6. Коррелятор работает в реальном масштабе времени, что обеспечивает максимальное быстродействие и точность измерения размеров наночастиц. Данный коррелятор построен на программируемых логических структурах, что позволяет выбирать оптимальные схемы измерения корреляционных функций, задавая их из программы управления прибором. В данном приборе применяются две основные схемы измерения корреляционных функций - с линейной и логарифмической шкалой времени, что позволяет получить оптимальные условия измерения размеров наночастиц как в монодисперсных, так в полидисперсных системах.

В качестве компьютера 10 в спектрометре может применяться любой серийный компьютер с USB входом, включая ноутбуки и планшеты, с установленным на нем специализированным пакетом прикладных программ. Возможно использование встроенного специализированного микропроцессорного устройства.

Портативный спектрометр динамического рассеяния света, содержащий оптическую схему, включающую лазер с блоком фокусировки излучения в исследуемую жидкость, размещенную в кювете, находящейся в термостате, систему счета фотонов, включающую оптический коллимирующий блок, фотоприемное устройство и усилитель-дискриминатор, связанный с цифровым коррелятором, подключенным к компьютеру, управляющему прибором по специальной программе, отличающийся тем, что оптическая схема содержит диодный лазер со встроенной коллимирующей линзой, термостат выполнен в виде держателя из теплопроводного материала и снабжен измерителем температуры, система счета фотонов построена на лавинном фотодиоде, а анализирующий блок содержит цифровой коррелятор и аналоговый процессор на мало потребляющих интегральных схемах, подключаемых к компьютеру по USB-шине.