Summary
terahertz आवृत्तियों के लिए एक अंडाकार waveguide समानांतर थाली ज्यामिति के आधार पर एक अपवर्तक सूचकांक संवेदक को लागू करने के लिए प्रक्रिया में वर्णित है यहाँ. विधि waveguide संरचना के गुंजयमान आवृत्ति में बदलाव की निगरानी के माध्यम से तरल पदार्थ की एक छोटी मात्रा के अपवर्तक सूचकांक के एक माप पैदावार
Protocol
1. सेंसर डिजाइन और निर्माण
- एक या अधिक एकीकृत cavities (या "grooves") के साथ एक waveguide समानांतर प्लेट डिजाइन. आंकड़े 1 और 2 देखें. ज्यामिति कि हमारे पिछले 8,9 प्रकाशनों में दिए गए पर आधारित हो सकता है या विशेष रूप से विशेष रूप से आवेदन के लिए बनाया गया है. निम्नलिखित सामान्य मार्गदर्शक सिद्धांत का सुझाव दिया है:
- प्लेट दूरी: इस प्रयोग में 1mm की थाली रिक्ति TE1 मोड के लिए प्रभावी युग्मन के लिए विशेष प्रकाशिकी के लिए आवश्यकता के बिना किया जाता है. यह भी ब्याज की आवृत्तियों पर एकल मोड प्रसार सुनिश्चित करता है. जब अन्य प्लेट spacings का उपयोग कर, बहुपद्वति प्रचार फैलाव, और युग्मन दक्षता माना जाना चाहिए.
- Spacers: यह प्लेट रिक्ति ढांकता हुआ spacers का उपयोग कर बनाए रखा है. बहुत वर्दी मोटाई के साथ कांच के छोटे टुकड़े उत्कृष्ट spacers हमारे मामले में, हम एक बिखर खुर्दबीन स्लाइड से shards का उपयोग है 1 मिमी + / एक मोटाई के साथ - 3 सुक्ष्ममापी. प्लेट का आकार: खुद प्लेटें काफी व्यापक है कि वे अनंत माना जा सकता है इनपुट किरण की तुलना में होना चाहिए. (हमारे मामले में, एक 1.2 सेमी किरण के लिए 4.75 सेमी) एक प्लेट की मोटाई ज्यादा त्वचा गहराई से अधिक मोटा होना, और मोटा प्लेट (> 1 सेमी) waveguide के ऊपर या नीचे गुजर ऊर्जा की संभावना को कम करने के लिए सिफारिश कर रहे हैं और डिटेक्टर तक पहुंच गया. प्रचार लंबाई पर्याप्त हो सकता है है कि नाली कम से कम दो बार अपने स्वयं के इनपुट और आउटपुट चेहरे से दूर चौड़ाई है, लेकिन के फैलाव को कम करने के लिए कम से कम करना चाहिए.
- नीचे प्लेट ज्यामिति: नाली के लिए आसान पहुँच के लिए अनुमति देने के लिए, नीचे waveguide प्लेट काफी ऊपर थाली से अधिक व्यापक हो सकता है, जबकि नाली लगभग फैली (लेकिन काफी नहीं है) थाली की पूरी चौड़ाई चाहिए. (चित्रा 1 देखें) यह यह बहुत आसान नाली का उपयोग करने के लिए और भरने के स्तर की निगरानी करता है.
- शिकंजा: दोनों के ऊपर और नीचे की थाली एक विस्तार इतना है कि शिकंजा लहर पकड़ डाला जा सकता हैया तो grooves या प्रचार पथ निरोधक के बिना एक साथ गाइड. (चित्रा 1 देखें) नीचे की थाली में छेद करते हुए नहीं हैं शीर्ष पिरोया जाता है.
- गुहा ज्यामिति: अन्य कारकों के बीच नाली के लिए डिजाइन वांछित गुंजयमान आवृत्ति, वांछित linewidth, और चुने हुए प्लेट रिक्ति पर निर्भर करेगा. यह बहुत संकीर्ण या बहुत उथले grooves के लिए अपने निर्माण की तकनीक की सीमाओं पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है. Multichannel संवेदन के लिए एकाधिक grooves अतिरिक्त 10 आवश्यकताओं है.
- Ungrooved संस्करण: एक एक नाली बिना हर पहलू में समान डिजाइन भी गढ़े जाना चाहिए करने के लिए एक संदर्भ के रूप में इस्तेमाल किया जा.
- Waveguide के निर्माण मशीनिंग के द्वारा किया जा सकता है. महत्वपूर्ण: इनपुट चेहरे पर विशेष रूप से कुंद नहीं, प्लेटों के किनारों. गोल किनारों कई मशीन की दुकानों में सुरक्षा कारणों के लिए मानक अभ्यास कर रहे हैं, लेकिन इनपुट चेहरे पर एक गोल किनारे संकेत बिगाड़ना जाएगा.
- विधानसभाप्रक्रिया. बाद दो प्लेटों गढ़ा गया है, वे waveguide में इकट्ठा किया जाना चाहिए.
- एल वर्ग या अन्य फ्लैट वस्तुओं का प्रयोग करने के लिए दो फ्लैट सतहों के साथ एक दूसरे से सीधा एक संरचना बनाने. क्षैतिज सतह पर नीचे प्लेट रखें और यह ऊर्ध्वाधर सतह के खिलाफ फ्लश दबाएँ. ढांकता हुआ spacers प्लेस के रूप में संभव के रूप में पेंच छेद (स्क्रू प्रति, दो प्रत्येक पक्ष पर एक) के करीब है, सावधान किया जा रहा करने के लिए नाली नहीं बाधा डालती या इनपुट चेहरे से परे का विस्तार.
- ध्यान ऊर्ध्वाधर सतह के खिलाफ ऊपर की थाली फ्लश जगह है और यह स्लाइड नीचे करने के लिए नीचे की थाली और spacers पर बैठने के लिए. पकड़े दोनों प्लेटों ऊर्ध्वाधर सतह के खिलाफ फ्लश, शिकंजा डालें. उन्हें नीचे भाड़ संवर्द्धित एक बारी पैटर्न में. इस प्रक्रिया में एक पूरी तरह से फ्लैट इनपुट चेहरे और वर्दी प्लेट रिक्ति के साथ एक waveguide की ओर जाता है.
2. प्रायोगिक उपकरण
इस प्रोटोकॉल के उपयोगकर्ता हा जाती हैएक प्रसारण ज्यामिति terahertz समय डोमेन स्पेक्ट्रोमीटर (हमारे मामले में, Picometrix 4000 टी रे में) और उपयोग समय डोमेन waveforms और फूरियर आवृत्ति डोमेन को बदलने प्राप्त करने के साथ परिचित है.
- Confocal विन्यास. यदि वर्तमान पहले से ही नहीं, चार लेंस एक confocal अभिविन्यास में किरण पथ में पेश किया जाना चाहिए क्रम में पथ के मध्य में एक तंग ध्यान प्रदान करने के लिए.
- फोकल बिंदु पर एक छेद रखें. एपर्चर काफी बड़े के लिए waveguide के माध्यम से छोड़कर प्रचार से सभी विकिरण ब्लॉक होना चाहिए. छेद के आकार बीम waveguide में प्रचार (हमारे मामले में, 12 मिमी) आकार का निर्धारण करेगा.
- जगह एपर्चर पीछे तुरंत एपर्चर के साथ संपर्क में इनपुट चेहरे के साथ और waveguide प्रचार ऑप्टिकल अक्ष के साथ यथासंभव गठबंधन अक्ष के साथ, waveguide. यहाँ संरेखण महत्वपूर्ण है - प्रतिबिंब, फैलाव कट ऑफ और गूंजनेवाला आवृत्तियों में भिन्नता है, और मैं अन्यssues waveguide के अनुचित संरेखण के कारण उत्पन्न हो सकती है. Repeatable स्थान सुनिश्चित करने के लिए एक सुरक्षित धारक का उपयोग.
- सिरिंज धारक: यह उपयोगी है एक संरचना है कि जगह में सिरिंज धारण टिप इतना है कि नाली के साथ गठबंधन किया है. ऐसा करने से आप अपने हाथ में सिरिंज की गति की वजह से भरने में गलतियों की संभावना को कम कर सकते हैं.
3. नमूना तैयार
- प्रक्रिया सफाई: waveguide साफ करें. प्रयोग से किसी भी अवशेषों को हटाने के लिए एक उपयुक्त विलायक में अच्छी तरह से waveguide के दोनों प्लेटों को धो लें. संपीड़ित हवा के साथ सूखी उड़ा. 1.3 के रूप में पुनः.
- तैयारी सिरिंज. सर्वोत्तम परिणामों के लिए, हम प्रत्येक सामग्री पार प्रदूषण को रोकने के लिए एक अलग सिरिंज का उपयोग करने की सलाह देते हैं. यदि यह संभव नहीं है, सिरिंज भी वही विलायक के साथ साफ किया जाना चाहिए.
- उचित भरण मात्रा का परीक्षण करने के लिए किये जाने वाले तरल पदार्थ के साथ सिरिंज भरें. कोई बुलबुले को खत्म करने की कोशिश करो.
- उपकरण के रूप में (2.3) में वर्णित में ungrooved संदर्भ waveguide रखें. Ungrooved waveguide के एक संदर्भ तरंग ले लो, तो हटा दें. यह केवल एक बार हर कुछ घंटे प्रत्येक प्रयोगात्मक सत्र के दौरान आवश्यक स्पेक्ट्रोमीटर समय डोमेन के संकेत के दीर्घकालिक स्थिरता पर निर्भर करता है.
- तंत्र में साफ grooved waveguide रखें, के रूप में (2.3) में वर्णित
- खाली grooved waveguide के लिए एक तरंग ले लो. नोट: यह हर समय waveguide हटा दिया है और साफ किया जाना चाहिए. हटाने की प्रक्रिया और disassembly waveguide की ज्यामिति में बहुत छोटे बदलाव के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. इन बदलावों खाली और भरे grooves लेकिन नहीं मनाया बदलाव के पूर्ण गुंजयमान आवृत्ति को प्रभावित करेगा, इसलिए प्रत्येक "पूर्ण" अपने "खाली" बदलाव की गणना संदर्भ माप की आवश्यकता है.
- Waveguide हिल के बिना, धारक में जगह में भर सिरिंज डाल दिया. धीरे धीरे नाली भरने, रखते हुएदेखना कि भरण अच्छा है, कोई बुलबुले या अतिप्रवाह के साथ. (कैसे सही भरण राशि का निर्धारण करने के लिए चर्चा खंड में वर्णित है.) एक और तरंग लो.
- यदि एक से अधिक नाली प्रणाली है, grooves भरने और waveforms ले वांछित के रूप में जारी है.
- Waveguide निकालें और साफ (चरण 3 के रूप में).
- आवश्यक के रूप में कई बार के रूप में दोहराएँ. सर्वोत्तम परिणामों के लिए, प्रत्येक नमूने के लिए कई डेटा सेट त्रुटि को कम करने के लिए सिफारिश की है.
5. प्रतिनिधि परिणाम
इन waveforms के डेटा विश्लेषण सरल है और आवृत्ति डोमेन के लिए बदलने के लिए experimenter सामान्य तकनीकों का पालन कर सकते हैं. चित्रा 3 में दिए गए उन लोगों के रूप में आवृत्ति स्पेक्ट्रा परिणाम चाहिए. ये और चुकता किया जा सकता है और संदर्भ के लिए विद्युत पारेषण जैसे चित्रा 4 स्पेक्ट्रा प्राप्त तरंग द्वारा विभाजित. linewidth और केंद्रीय आवृत्ति खाली और पूर्ण waveguides के लिए अनुनादों मीटर हो सकता हैइन स्पेक्ट्रा से easured, या Lorentzian फिट बैठता शुद्धता को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है.
गुंजयमान तरल की वजह से बदलाव केवल खाली और पूर्ण waveguides के लिए अनुनादों मनाया केंद्रीय आवृत्तियों के बीच अंतर है. एक अपवर्तक सूचकांक माप के लिए परिवर्तित करने के लिए, पाली और आरआई के बीच संबंध स्थापित किया जाना चाहिए. यह प्रयोगात्मक ज्ञात सूचकांक के नमूनों के साथ इस प्रक्रिया के बाद, या computationally 9 सूचकांक में जाना जाता है, या analytically का उपयोग कर के नमूने के साथ भरा नाली के सिमुलेशन मोड मिलान तकनीक 8 द्वारा आयोजित किया जा सकता है. के एक बार आरआई वक्र बनाम एक बदलाव की स्थापना की है, अज्ञात नमूनों की आरआई माप सही किया जा सकता है.
वहाँ कुछ विशेष त्रुटि है कि इस प्रक्रिया के दौरान हो सकता है. बुलबुले या नाली के भरने में गलतियों शोर या गलत डेटा में परिणाम है, जो कारण है कि हम प्रत्येक सा के लिए एकाधिक डेटा सेट की सिफारिश कर सकते हैंसामग्री mple. Waveguides की नियुक्ति में त्रुटि का एक अन्य लगातार स्रोत है. यदि संदर्भ और सेंसर waveguides वास्तव में एक ही संरेखण में रखा जाता है, किसी भी विचार या अन्य कलाकृतियों दोनों के लिए ही हो सकता है और ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम के बाहर बांट देंगे. अगर संरेखण थोड़ा दूर है, प्रतिबिंब बाहर विभाजित नहीं और बज रहा ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा में मनाया जाएगा (कुछ मामूली बज 4 चित्र में देखा जा सकता है). यदि यह वांछनीय डेटा फिर से लेना नहीं है, यह संभव है तरंग समय डोमेन trimming पहले प्रतिबिंब दिखाई देता है इस बज को समाप्त करने के लिए, लेकिन यह बहुत वर्णक्रमीय संकल्प और इसलिए अपवर्तक सूचकांक संकल्प के रूप में अच्छी तरह से सीमित है कम कर देता है.
चित्रा 1 प्रासंगिक के रूप में चिह्नित भागों के साथ waveguide की तस्वीर. ध्यान दें कि नाली ई विस्तार नहीं करताntire लंबाई या waveguide और संरचना की चौड़ाई में बनाया गया है, इतना है कि बढ़ते हार्डवेयर नाली या विकिरण प्रसार की राह में बाधा डालती है.
चित्रा 2 grooved waveguide के योजनाबद्ध.
चित्रा 3. (क) संदर्भ waveguide के लिए नमूना आवृत्ति स्पेक्ट्रा (काला), कोई तरल भरण (नीला) के साथ grooved waveguide, और तरल के साथ grooved waveguide इस मामले में, tetradecane (लाल). 1 ते और ते 3 प्रचार मोड के लिए cutoff आवृत्तियों दिखाया जाता है, के रूप में पानी वाष्प अवशोषण लाइनों (ख) खाली और पूर्ण grooved waveguides के लिए अनुनादों Closeup हैं.
![चित्रा 4]("Files/ftp_upload/4304/4304fig4.jpg)
चित्रा 4. खाली और पूर्ण grooved waveguides के लिए विद्युत संचरण स्पेक्ट्रा. आवृत्ति में दो गुंजयमान सुविधाओं के बीच अंतर गुंजयमान (Δf) पाली, जो अपवर्तक सूचकांक संबंधित है.
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Discussion
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि परीक्षण के अंतर्गत तरल के अपवर्तक सूचकांक एक व्यापक बैंडविड्थ पर गुहा प्रतिध्वनि की आवृत्ति पर ही निर्धारित नहीं है, करना चाहिए. यह कुछ अलग फायदे हैं. सबसे पहले, हालांकि हमारे माप लक्षण वर्णन प्रयोजनों के लिए एक ब्रॉडबैंड terahertz स्रोत का इस्तेमाल किया है, एक भी एक एकल आवृत्ति आवृत्ति tunability का केवल एक सीमित डिग्री, एक दृष्टिकोण है कि बहुत कम खर्चीला हो सकता है और साथ THz स्रोत के साथ एक बराबर संवेदन प्रणाली का निर्माण कर सकता है अधिक कॉम्पैक्ट. दूसरा, संवेदन दृष्टिकोण एक एकल waveguide में कई grooves शामिल द्वारा parallelized किया जा सकता है 10. प्रत्येक नाली एक ज्यामिति थोड़ा अलग है, और इसलिए संवेदन के लिए एक अलग आवृत्ति. एक ब्रॉडबैंड terahertz नाड़ी का प्रयोग, एक अपवर्तक सूचकांक (और बदलाव) कई तरल नमूनों के लिए स्वतंत्र रूप से और साथ ही यह निर्धारित कर सकते हैं. यह समानांतर संवेदन क्षमता आसानी से एक पारंपरिक में शामिल नहीं किया जाएगासमय डोमेन terahertz माप प्रणाली, जिसमें एक समय में केवल एक ही तरल मापा जाता है.
इस प्रयोगात्मक तकनीक के साथ सबसे महत्वपूर्ण चिंता स्थिरता और repeatability है. और waveguide और भरने मात्रा विधानसभा नियुक्ति त्रुटि की एक बड़ी राशि नहीं तो अनुरूप लागू कर सकते हैं. एक सुसंगत भरण मात्रा बनाए रखने के कुछ मायनों में पूरा किया जा सकता है. एक, इस प्रक्रिया के रूप में दिखाया गया है, उच्च परिशुद्धता सीरिंज का उपयोग सटीक संस्करणों को मापने है. एक अन्य विधि से 9 नाली में वास्तविक भरने के स्तर की निगरानी के लिए एक लेजर interferometric प्रणाली का उपयोग करने के लिए है. सर्वश्रेष्ठ सिरिंज मात्रा निर्धारित या ऊंचाई को भरने के लिए, सबसे अच्छा परिणाम धीरे - धीरे नाली भरने और गुंजयमान सुविधा के इसी बदलाव की निगरानी के द्वारा प्राप्त कर रहे हैं. जब नाली भरा हुआ है और तरल अतिप्रवाह के लिए शुरू होता है, गुंजयमान सुविधा अपने सबसे कम आवृत्ति पर होगा. पहले इस अतिप्रवाह / संतृप्ति poin मात्रा या भरने की ऊंचाईसबसे अच्छा विकल्प है और आवृत्ति बनाम डिवाइस के आरआई प्रतिक्रिया बदलाव इस मूल्य का उपयोग कर calibrated किया जाना चाहिए.
Waveguide विधानसभा और मात्रा भरने के अलावा कई अन्य महत्वपूर्ण विचार कर रहे हैं. क्रॉस संदूषण सावधान सफाई प्रक्रियाओं के माध्यम से बचा जाना चाहिए. वाष्पीकरण हल्का अणुओं के लिए विचार किया जाना चाहिए और इन मामलों में संकल्प को सीमित कर सकते हैं. सामान्य तौर पर इस प्रक्रिया के आरआई संकल्प एक ही सामग्री के एकाधिक डेटा सेट के बीच भिन्नता से सीमित है, लेकिन repeatability में भविष्य सुधार तंत्र के वर्णक्रमीय संकल्प द्वारा निर्धारित सीमा के संकल्प को कम कर सकते हैं.
इस तकनीक के लिए भविष्य सुधार एक बंद चैनल सेंसर डिजाइन अनुकूल भरने की त्रुटियों को समाप्त करने के लिए और सतत प्रवाह की निगरानी और एक विश्वसनीय सफाई तकनीक है कि waveguide के disassembly की आवश्यकता नहीं है के विकास की अनुमति शामिल हैं. वहाँ कुछ सीमाएँ हैं किnonpolar तरल पदार्थ प्रतिबंध के रूप में, ध्रुवीय अणु द्वारा मजबूत terahertz अवशोषण के कारण - तकनीक के लिए निहित हैं, लेकिन संकल्प और repeatability के रूप में दूसरों को काफी सुधार के लिए संभावित है. के रूप में खड़ा है, यह तकनीक आरआई संवेदन और निगरानी के लिए एक सरल और लागत प्रभावी औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से, इस तकनीक के रूप में स्थापित किया गया है.
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Disclosures
ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.
Acknowledgments
इस परियोजना के हिस्से में राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा और संपर्क कार्यक्रम के माध्यम से वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला द्वारा समर्थित किया गया.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10 μl syringe | Hamilton | 80314 | High precision syringe |
| Liquid alkanes | Acros Organics | Samples for calibration and testing | |
No specific equipment is required. Suitable test materials and solvents are left to the experimenter's discretion. The high-precision syringes used in this procedure are listed in the table below, but the experimenter may wish to use syringes of a different volume or design, including digital syringes for improved accuracy. The test alkanes used in this experiment are also listed. |
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References
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