Представлены основные характеристики переносимых воздухом микро/наночастиц, их влияние на здоровье человека и нормативы качества воздушной среды. Международные стандарты классифицируют микрочастицы по размеру (PM10, PM2,5, PM1, UFP), определяют предельно допустимые концентрации и методики их контроля. Особое внимание уделяется контролю углероди вируссодержащих микрочастиц. Для мониторинга воздушной среды в закрытых помещениях, в транспорте требуются портативные датчики микро-, наночастиц с возможностями их классификации по размеру и электрофизическим характеристикам.Детектирование микрочастиц включает сортировку попадающих в детектор микро/наночастиц по размеру и типу материала и собственно детектирование однотипных частиц с последующей классификацией по размеру, электрофизическим и морфологическим характеристикам. Разделение нано и микрочастиц по размеру перед детектированием повышает чувствительность и селективность детектора как по размерам, так и по материалу. Для интеграции в сенсоре Lab-on-Chip типа рассмотрены методы виртуального импактора и диэлектрофореза. Детектирование микрочастиц осуществляется с выделением дисперсной фазы из аэрозоля с последующим анализом либо непосредственно в воздушном потоке. Приведена классификация методов детектирования по быстродействию и функциональным возможностям. Среди методов детектирования частиц микронных и субмикронных размеров наиболее пригодны для миниатюризации и серийного изготовления Lab-on-Chip сенсоров мультиволновые фотоэлектрические, МЭМС, конденсаторные элементы.Технологии микроэлектромеханики, микрофлюидики и микрооптики позволяют создавать портативные сенсорные системы типа Lab-on-Chip для детектирования твёрдых частиц микронного и субмикронного размера. Представлен прототип детектора микро-, наночастиц на основе алюмооксидной технологии с использованием МЭМС элементов для компактного сенсора Lab-on-Сhip типа. Предлагаемая конструкция многофункционального портативного детектора микро/наночастиц воздушной (газовой) среды перспективна для применения в промышленности, транспорте, медицине, общественных и жилых помещениях.
Приборы и методы измерений
2022. — Выпуск 1
Содержание:
Твердотельные эрбиевые лазеры, излучающие в спектральной области 1,5–1,6 мкм, представляют большой интерес для различных практических применений. Из доступных на сегодня лазерных материалов для получения стимулированного излучения в области 1,5 мкм наибольшее распространение получили фосфатные стёкла, легированные ионами Er3+. Однако максимальные выходные мощности таких лазеров ограничены несколькими сотнями милливатт из-за низких термических характеристик стекла, поэтому поиск подходящей кристаллической матрицы для ионов эрбия является актуальным и в настоящее время.В работе представлены результаты исследований спектроскопических свойств кристалла иттрий-гадолиниевого силиката, легированного ионами эрбия и иттербия – Er3+,Yb3+:YGdSiO5 (YGSO). Измерены спектры поглощения и люминесценции в поляризованном свете, определены времена жизни возбуждённых состояний активных ионов. Измерения спектров поглощения из возбуждённого состояния показали, что полоса поглощения из возбуждённого состояния не перекрывается с полосой усиления в спектральной области 1,5–1,6 мкм. Проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттербия к ионам эрбия. Выполнен расчёт спектров поперечных сечений вынужденного излучения и усиления.
Ключевые слова
Тулиевые лазеры с диодной накачкой, работающие в спектральной области около 2 мкм, находят широкое применение в различных областях, таких как хирургия, дальнометрия и дистанционное зондирование атмосферы. В статье продемонстрирован макет твердотельного Tm:KYW лазера, работающий в режиме пассивной модуляции добротности с насыщающимся поглотителем на основе поликристаллического Cr:ZnSe, синтезированного методом химического газофазного осаждения.Максимальная выходная мощность лазера в непрерывном режиме генерации достигала ≈ 0,65 Вт на длине волны 1940 нм при дифференциальной эффективности по поглощённой мощности накачки 55 %. В режиме пассивной модуляции добротности при использовании насыщающегося поглотителя Cr:ZnSe c начальным пропусканием 95 % энергия лазерных импульсов составила 26 мкДж, максимальная частота следования импульсов достигала 6 кГц при падающей мощности накачки 2.2 Вт. При использовании насыщающегося поглотителя с начальным пропусканием 90 % энергия лазерных импульсов достигала 40 мкДж, длительность импульсов не превышала 10 нс.На основе полученных результатов можно сделать вывод, что данные кристаллы являются перспективными активными средами для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне около 2 мкм, для применения в составе хирургических систем и систем лазерной дальнометрии. Предполагается использование разработанного макета лазера в составе комплекса по измерению порог оптического разрушения насыщающихся поглотителей и нелинейных кристаллов в области 2 мкм.
Ключевые слова
В атомной энергетике, в геологоразведке, при контроле радиоактивного загрязнения почв и сырья, используемого при строительстве, одним из важнейших радиоактивных элементов, который необходимо контролировать, является 238U. Наиболее оптимально для контроля 238U использовать радионуклид 234mPa, активность которого из-за малости времени его жизни (≈ 1,2 мин) однозначно связана с активностью 238U даже при условии нарушения векового равновесия в исследуемом образце. Исследована и продемонстрирована на простейших примерах возможность использования гамма-излучения нуклида 234mPa для определения 238U с помощью сцинтилляционного детектора в среде, содержащей естественные радионуклиды. Предложенный алгоритм определения содержания 238U основан на моделировании методом Монте-Карло отклика детектора на излучение радионуклида 234mPa на его монолинии 1001 кэВ и последующей обработке экспериментального спектра прибора, включающей винеровскую фильтрацию сигнала. Этот способ позволяет определить содержание 238U в сплошной однородной среде при наличии в ней естественных радионуклидов. Алгоритм определения содержания радионуклида включает в себя несколько основных этапов.Фильтрация на основе алгоритма Винера позволяет выделить медленно меняющуюся часть спектра. Результаты Монте-Карло моделирования дают возможность определить эффективность регистрации в ограниченном информативном участке спектра, включающем наряду с пиком 1001 кэВ от нуклида 234mPa, являющегося продуктом распада радионуклида 234Th, и ближайший к нему пик мешающего радионуклида из цепочки распада 232Th. Этот участок спектра по определению не содержит никаких других линии гамма-излучения от естественных радионуклидов – продуктов распада как ториевой, так и урановых цепочек. Указанные два пика на исследуемом участке спектра могут быть отделены друг от друга в среде с типичной концентрацией 234Th.Анализ результатов измерения активности обеднённого металлического урана в соответствии с предложенным алгоритмом показывает возможность определения содержания 238U с погрешностью 3–5 %.
Ключевые слова
Приведено описание метода определения вязкости разрушения хрупких материалов индентированием. Количественно вязкость разрушения характеризуется критическим коэффициентом интенсивности разрушения KIC . Использование атомно-силовой микроскопии и наноиндентирования позволило разработать и применить способы повышения точности определения KIC . Для определения KIC необходимо точно определять параметры и размеры отпечатков индентирования и образованных вокруг них трещин. В качестве метода визуализации вместо классических оптической и сканирующей электронной микроскопий предложен альтернативный высокоразрешающий метод атомно-силовой микроскопии.Проведено сравнение трёх методов визуализации. Рассмотрено два типа раскрытия трещин: по ширине без смещения материала по вертикали и по высоте без раскрытия по ширине. Методы оптической и сканирующей электронной микроскопий из-за отсутствия контакта с поверхностью исследуемых образцов не определяют трещины с раскрытием по высоте менее 100 нм (для оптической) и менее 40–50 нм (для сканирующей электронной микроскопии). Трещины с раскрытием по ширине определяют в рамках своей разрешающей способности. Оптическая и сканирующая электронная микроскопии не могут обеспечить точную визуализацию области деформации и формирующихся трещин при применении малых нагрузок (меньше 1,0 Н). Применение атомно-силовой микроскопии приводит к повышению точности определения длины диагонали отпечатка до 9,0 % и определения длины трещины до 100 % по сравнению с оптической микроскопией и до 67 % по сравнению со сканирующей электронной микроскопией. Метод атомно-силовой микроскопии благодаря пространственной трёхмерной визуализации и высокой точности (по XY ± 0,2 нм, по Z ± 0,03 нм) расширяет возможности применения индентирования с применением низких нагрузок.Предложен способ повышения точности определения KIC за счёт измерения микротвёрдости с наноиндентора. Установлено, что наноиндентирование приводит к повышению точности определения KIC на 16–23 % и исключает образование микротрещин в отпечатке.
Ключевые слова
Применение в оптических приборах склеенных линзовых компонентов позволяет повысить качество изображения телескопических и фотографических объективов или оборачивающих систем за счёт устранения ряда аберраций, а также обеспечивает уменьшение световых потерь в оптической системе прибора. Традиционный производственный процесс склеивания линз предусматривает последовательное выполнение комплекса технологических операций и занимает существенный промежуток времени. Цель исследований заключалась в повышении точности и производительности технологического процесса склейки линз за счёт совершенствования оптической системы контрольно-измерительного прибора и автоматизации операции совмещения оптических осей линз путём введения электронной системы отсчёта и механизмов для микроперемещений оптических деталей.Предложена методика центрирования двух- и трёхкомпонентных оптических блоков по автоколлимационному блику, обеспечивающая точность совмещения менее 0,5 мкм. Показана возможность конструктивной модернизации классического автоколлимационного микроскопа СТ-41 с параллельным разделением отображаемой выходной информации в визуальном и телевизионном каналах. Предложена автоматизированная система управления процессом сведения автоколлимационных точек в приборе. Программными методами на экране монитора формируется шаблон электронной сетки, на которую проецируются изображения автоколлимационных точек, определяется величина децентричности 2Δe и подаётся корректирующее управляющее напряжение на три шаговых двигателя и толкатели для поперечной подвижки приклеиваемой оптической детали. Разработано специализированное программное обеспечение для автоматического сведения положения автоколлимационного перекрестия в центр измерительной шкалы сетки, основанное на сочетании двух методов – «наименьших квадратов» и «последовательного приближения». Соблюдение ряда технологических переходов и сопутствующий контроль геометрических параметров позволяют добиться большей точности при определении величины эксцентриситета перекрестия совмещаемых оптических осей
Ключевые слова
Создание систем освещения помещений с возможностью изменения его параметров в пространстве и во времени является перспективным направлением в рамках системы «интеллектуальная окружающая среда». Целью данной работы было создание методики расчёта освещённости, создаваемой светодиодными матрицами, которая не требует применения специализированных программных продуктов и адаптирована к возможности варьирования параметров светодиодов и освещаемых помещений. Обоснована актуальность создания системы освещения помещений, имитирующей условия естественного освещения с учётом необходимости его изменения по спектральному составу во времени, в пространстве с учётом физического и психологического состояния человека.Проанализирована возможность использования известных компьютерных программ для расчёта распределения освещённости в помещении.Разработана методика расчёта распределения освещённости на плоскости при использовании как плоской светодиодной матрицы, так и матрицы с наклонным расположением плоскостей отдельных светодиодов. Показано, что распределение освещённости является функцией индикатрисы силы света светодиода, расположения его в пространстве, количества светодиодов в матрице.Произведён расчёт распределения освещённости для различных источников света, состоящих из RGB светодиодов, как для настольного, так и для потолочного освещения. Установлено, что при использовании матриц, содержащих одинаковые светодиоды, велика неравномерность распределения освещённости. Наклонное расположение плоскостей светодиодов незначительно увеличивает равномерность, уменьшая максимальную освещённость. Для потолочного освещения вариант равномерного распределения светодиодов в пределах потолочной плоскости обеспечивает более равномерное освещение, чем при расположении такого же количества светодиодов в виде групп матриц.Результаты моделирования светодиодных источников свидетельствуют о необходимости модернизации простых ортогональных матриц, содержащих однотипные элементы с одинаковым для всех элементов режимом питания, с целью повышения равномерности освещённости и экономичности. Такая модернизация может осуществляться за счёт изменения геометрии матриц, дифференциации режимов питания отдельных светодиодов. Разработанная программа расчёта может дополняться опциями для введения перечисленных выше изменений, а также опциями для анализа спектрального распределения излучения в пространстве.
Ключевые слова
Анализ плана лучевого лечения является неотъемлемой частью процесса предлучевой подготовки, в результате которого принимается решение о методике лечения пациента. Целью данной работы являлась разработка математической модели определения продолжительности сеанса лучевой терапии на этапе предлучевой подготовки.Авторами предложены формула и алгоритм расчёта продолжительности сеанса облучения пациента на этапе дозиметрического планирования лучевого лечения. Разработано программное обеспечение расчёта продолжительности сеанса облучения, учитывающее значения всех параметров сеанса лучевой терапии: методику облучения, количество мониторных единиц, характеристики радиотерапевтического оборудования, количество радиационных полей, параметры полей облучения (углы поворота радиотерапевтического стола, коллиматора, штатива аппарата), наличие/ отсутствие дозомодулирующих устройств, мощность дозы, продолжительность верификации положения пациента. В программе предусмотрена установка стандартных параметров плана облучения для различных локализаций и методик путём выбора конкретного шаблона из выпадающего списка. В случае, если дозиметрический план не соответствует ни одному из шаблонов, в программе предусмотрен ввод параметров плана вручную.Произведена оценка отклонений, рассчитываемых разработанной программой значений продолжительности сеанса лучевой терапии от истинных значений. Измерения проведены для 300 случаев: исследованы по 100 случаев для каждой методики облучения (IMRT, VMAT, 3D). Максимальное выявленное отклонение рассчитанного значения от истинного составило 2,3 % для методики облучения 3DCRT, для методик облучения IMRT и VMAT отклонение составило менее 1 %. Выявлено, что с увеличением количества процедур, напрямую связанных с действиями персонала, увеличивается и величина отклонения рассчитанного значения с измеренным.Разработанное программное обеспечение позволяет оценивать временные параметры выбранных подходов дозиметрического планирования на рабочем месте медицинского физика. Оценка длительности сеанса лучевой терапии на этапе предлучевой подготовки способствует выбору оптимальной методики лучевого лечения с учётом индивидуальных параметров сеанса облучения в каждом конкретном клиническом случае.