التجريب آمنة في استرفاع الضوئية من قطرات مشحونة باستخدام مختبرات بعيد

Engineering

GE Global Research must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

استرفاع الضوئية أسلوب للرفع ميكرومتر الحجم كهرونافذية الكائنات باستخدام ضوء الليزر. استخدام أجهزة الكمبيوتر ونظم التشغيل الآلي وتجربة في استرفاع الضوئية يمكن التحكم عن بعد. هنا، نحن هذا نظام استرفاع بصرية الخاضعة لمراقبة عن بعد التي يتم استخدامها سواء بالنسبة للتعليم وأغراض البحث.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Galán, D., Isaksson, O., Enger, J., Rostedt, M., Johansson, A., Hanstorp, D., de la Torre, L. Safe Experimentation in Optical Levitation of Charged Droplets Using Remote Labs. J. Vis. Exp. (143), e58699, doi:10.3791/58699 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

ويعرض العمل تجربة تسمح دراسة العديد من العمليات الفيزيائية الأساسية، مثل ضغط فوتون، حيود الضوء أو حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية. في هذه التجربة، شعاع الليزر المركزة مشيراً إلى أرفع صعودا قطيرات. هي مرفوع القطرات من الضغط فوتون لشعاع الليزر مركزة الذي يوازن قوة الجاذبية. نمط الحيود التي تم إنشاؤها عند مضيئة بضوء الليزر يمكن أن تساعد على قياس حجم معالجة تجميعية المحاصرين. يمكن تحديد المسؤول عن الحبرية المحاصرين بواسطة دراسة عن الحركة عندما يتم تطبيق حقل كهربائي موجهة عمودياً. وهناك العديد من الأسباب التي تحفز هذه التجربة يتم التحكم فيها عن بعد. الاستثمارات اللازمة للإعداد يتجاوز المبلغ المتاح عادة في المختبرات التعليمية الجامعية. التجربة يتطلب ليزر من الفئة 4، التي تضر بالجلد والعينين ويستخدم التجربة الفولتية الضارة.

Introduction

حقيقة أن الضوء يحمل الزخم الذي اقترح أولاً كبلر عندما أوضح لماذا يشير ذيل المذنب دائماً بعيداً عن الشمس. وأبلغت أشكين ألف أولاً استخدام الليزر للتحرك وتعويض اللون للكائنات العيانية ودزيدزيك م. ج. في عام 1971 عندما أظهروا أن من الممكن أن أرفع ميكرومتر الحجم كهرونافذية كائنات1. تعرض الكائن المحاصرين التصاعدي توجيه شعاع الليزر. وانعكس جزء من شعاع الليزر على الكائن الذي فرض ضغط إشعاع على ذلك أن يكفي لموازنة الثقل. ومع ذلك، كان يتخلله معظم الضوء، من خلال كائن عازل. تغيير اتجاه الضوء أسباب ارتداد للكائن.  الأثر الصافي للارتداد لجسيمات وضعها في ملف تعريف حزمة ضبابي أن الحبرية سوف تتحرك نحو منطقة أعلى كثافة الضوء2. ومن ثم، يتم إنشاء موقف محاصرة مستقرة في مركز شعاع الليزر في موضع أعلى قليلاً من الجهة حيث يوازن ضغط الإشعاع الجاذبية.

نظراً للأسلوب استرفاع الضوئية يسمح الكائنات الصغيرة إلى المحاصرين والتحكم دون أن تكون على اتصال مع أي كائنات، يمكن دراسة الظواهر الفيزيائية المختلفة باستخدام المعالجة تجميعية ليفيتاتيد. ومع ذلك، يعرض التجربة تقييدان استنساخها وتطبيقها في المدارس أو الجامعات حيث تستطيع المؤسسات ليست كافة المعدات المطلوبة وأن هناك مخاطر معينة في عملية التدريب العملي الليزر.

المختبرات البعيدة (ريال) تتيح الوصول عن بعد عبر الإنترنت إلى معدات المختبرات الحقيقية للأنشطة التجريبية. ريال أول ما ظهرت في نهاية التسعينات، ومع ظهور الإنترنت، وأهميتها واستخدامها ظلت تنمو على مر السنوات، حيث تطورت التكنولوجيا وبعض شواغلها الرئيسية قد تم حلها3. ولكن جوهر ريال قد ظلت على حالها على مر الزمن: استخدام جهاز إلكتروني مع اتصال إنترنت الوصول إلى مختبر، ومراقبة ورصد تجربة.

نظراً لطبيعتها البعيدة، يمكن استخدام ريال لعرض الأنشطة التجريبية للمستخدمين دون تعريضهم للمخاطر التي قد تكون مرتبطة بأعمال مثل هذه التجارب. هذه الأدوات السماح للطلاب بقضاء المزيد من الوقت في العمل مع معدات المختبرات، ومن ثم تطوير مهارات المختبر أفضل. المزايا الأخرى للمتلازمة 1) تيسر للأشخاص المعاقين القيام بأعمال تجريبية، 2) توسيع النشرة مصورة التجارب التي تقدم للطلاب عن طريق تبادل ريال بين الجامعات و 3) زيادة المرونة في جدولة أعمال المختبرات، حيث يمكن أداؤها من المنزل عندما يتم إغلاق مختبر مادية. وأخيراً، تقدم ريال أيضا التدريب في تشغيل أنظمة الكمبيوتر التي تسيطر عليها، هي في الوقت الحاضر جزءا هاما من البحث والتطوير والصناعة. ولذلك، ريال فقط لا تقدم حلاً لكلا من المسائل المالية وسلامة أن المعامل التقليدية الحالية، ولكن أيضا توفير فرص تجريبية أكثر إثارة للاهتمام.

مع الإعداد التجريبية المستخدمة في هذا العمل، فمن الممكن قياس الحجم وتوجيه الاتهام لمعالجة تجميعية المحاصرين والتحقيق فيها حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية وتحليل كيف يمكن استخدام مصدر مشعة لتغيير التهمة في الحبرية4 .

في الإعداد التجريبية المقدمة، توجه صعودا ليزر قوية وتركز في وسط الخلية الزجاج4. الليزر 2 ث 532 nm ضخ صمام ثنائي الحالة الصلبة ليزر (CW)، حيث عادة ما يتم استخدام حوالي 1 واط (W). البعد البؤري للعدسة الملائمة هو 3.0 سم. قطرات يتم إنشاؤها مع موزع الحبرية بيزو وتنزل عن طريق شعاع الليزر حتى أنهم محاصرون تماما فوق تركيز الليزر. تعويض اللون يحدث عندما توجه قوة إلى الأعلى ضغط الإشعاع مساوياً للقوة التجاذبية الموجهة نحو الانخفاض. لا يكون هناك حدود الوقت العلوي لاحظ لتعويض اللون. أطول وقت معالجة تجميعية وقد حوصر 9 ساعات، وبعد ذلك، تم إيقاف تشغيل في الفخ. التفاعل بين الحبرية ومجال الليزر ينتج نمط حيود الذي يستخدم لتحديد حجم القطرات.

تتكون قطرات تنبعث من الموزع المياه والغليسيرول و 90% 10%. بسرعة تبخر الجزء المياه، تاركاً معالجة تجميعية والغليسيرول حجم 20 إلى 30 ميكرومتر في الفخ. الحد الأقصى لحجم التجميعية التي يمكن المحاصرين من حوالي 40 ميكرومتر. هناك لا التبخر ولاحظت بعد حوالي 10 ثانية. عند هذه النقطة، أن جميع المياه قد تبخرت. الوقت محاصرة طويلة دون أي التبخر يمكن ملاحظتها يشير إلى أن هناك امتصاص الحد الأدنى وأن الحبرية أساسا في درجة حرارة الغرفة. التوتر السطحي للقطرات يجعلهم كروية. المسؤول عن قطرات الناتجة عن موزع الحبرية يعتمد على الظروف البيئية في المختبر، حيث أنهم الأكثر شيوعاً أصبح سلبيا اتهم. الأعلى وأسفل الخلية الملائمة يتكون من قطبين وضعت 25 مم عن بعضها البعض. يمكن استخدامها لتطبيق العمودية الكهربائية التيار المباشر (DC) أو حقل التيار المتردد (AC) عبر الحبرية. الحقل الكهربائي ليست قوية بما يكفي لإنشاء أي أقواس، حتى إذا تم تطبيق 1000 فولت (V) عبر أقطاب كهربائية. إذا كان يتم استخدام حقل DC، الحبرية يتحرك صعودا أو هبوطاً في شعاع الليزر إلى موضع توازن مستقر جديد. إذا تم تطبيق حقل AC بدلاً من ذلك، يتذبذب الحبرية حول موقفها التوازن. حجم الذبذبات يعتمد على حجم والمسؤول عن الحبرية، شدة الحقل الكهربائي، وصلابة من فخ الليزر. يتم إسقاط صورة الحبرية على المراعية لموقف كاشف (مديرية الأمن العام)، الذي يتيح للمستخدمين لتعقب الموضع العمودي للمعالجة التجميعية.

ويعرض هذا العمل مبادرة ناجحة لتحديث التعليم والبحث باستخدام تكنولوجيات المعلومات والاتصالات من خلال RL مبتكرة في استرفاع الضوئية من قطرات المشحون الذي يوضح المفاهيم الحديثة في الفيزياء. ويبين الشكل 1 هيكل RL. ويبين الجدول 1 الإصابات الممكنة التي يمكن أن تسبب أشعة الليزر طبقاً لهذه الفئة؛ في هذا الإعداد، قد استخدم ليزر "الصف الرابع"، وهو أحد أخطر. يمكن أن تعمل مع تصل إلى 2.0 ث ليزر مرئية الإشعاع، حيث سلامة توفرها العملية البعيدة وضوح مناسبة لهذه التجربة. استرفاع الضوئية من قطرات مشحونة RL قدم في أعمال "غالان دال" et al. في عام 20185. في هذا العمل، يتضح كيف يمكن استخدامه على الإنترنت من المعلمين الذين يرغبون في إدخال الطلاب إلى المفاهيم الحديثة للفيزياء دون الحاجة إلى أن تشعر بالقلق إزاء التكاليف اللوجستية أو قضايا السلامة. الطلاب الوصول RL عن طريق إنشاء بوابة على الإنترنت يسمى "شبكة الجامعة من مختبرات التفاعلية" (أونيلابس-https://unilabs.dia.uned.es) الذي يمكن أن يجد جميع الوثائق المتعلقة بالنظرية المتعلقة بالتجربة واستخدام التجريبية برنامج الإعداد عن طريق تطبيق ويب. باستخدام مفهوم مختبر البعيد، العمل التجريبي في الفيزياء الحديثة التي تتطلب معدات مكلفة وخطيرة يمكن أن تتاح لمجموعات جديدة من الطلاب. وعلاوة على ذلك، لأنه يعزز التعلم الرسمي بتقديم الطلاب التقليدية مع المزيد من الوقت في المختبر والتجارب التي عادة لا يمكن الوصول إليها من خارج مختبرات البحوث.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: الليزر المستخدمة في هذه التجربة ليزر فئة الرابعة تسليم يصل إلى 1 ث الإشعاع ليزر مرئية. يجب أن جميع الموظفين الموجودين في مختبر الليزر أجرى التدريب على السلامة الكافية الليزر.

1-التدريب العملي على البروتوكول التجريبي

  1. سلامة
    1. تأكد من أن الجميع في المعمل على علم أن ليزر سوف تكون قيد التشغيل.
    2. قم بتشغيل مصباح تحذير الليزر في المختبر.
    3. تحقق من أنه لم يشاهد أو المعدن حلقات البالية ووضع على نظارات الليزر.
    4. تحقق من أن الأربعة ضوء استيعاب المجالس، الأقرب إلى التجربة، وهي في مكان.
    5. تحقق من المساحة بين الليزر والمجلس استيعاب للعقبات. أيضا تأكد من أن المسافة بين الخلية الملائمة وكتلة شعاع خالية من الكائنات.
  2. إعداد البرنامج والتجربة.
    1. قم بتشغيل الكمبيوتر مختبر. انتظر حتى يصبح جاهزاً للعمل.
    2. فتح مجلد بدء التشغيل عن بعد من على سطح المكتب، ثم انقر فوق رمز Main1806.vi. تشغيل البرنامج بواسطة الضغط على السهم في الزاوية اليسرى العليا.
      ملاحظة: وهذا يفتح برنامج التحكم (مثلاً، Labview) هو مبين في الشكل 2 و الشكل 3 ويتحول تلقائياً على إمدادات الطاقة الليزر والحقل الكهربائي. كافة الأزرار المشار إليه من الآن فصاعدا في هذا المقطع تشير إلى تلك التي تظهر في هذه الأرقام.
    3. ضمن "متغيرات نقابة"، وضع علامة على خانة الاختيار المسماة "الليزر Enable2 البعيد" السلطة وتعيين "current2 الليزر" إلى 25 حيث أن الشريحة طاقة الليزر للحق وينتهي في 25%. نلاحظ شعاع الليزر باستخدام نظارات الليزر المحاذاة للتأكد من أن الحزم ينتهي في تفريغ شعاع. إذا لم يكن الأمر كذلك، ضبط موضع تفريغ شعاع.
    4. تحقق من Drops2 وحرك غيض موزع الحبرية حتى تسقط القطرات في شعاع الليزر. القيام بذلك عن طريق ضبط مرحلة الترجمة التي تحمل الحرف A في الشكل 4. لهذا الغرض، بلطف دورة مسامير القيادة في القاعدة لمرحلة الترجمة حتى يتم التوصل إلى الموضع الذي تريده.
      1. إذا لم يسقط القادمة، تطبيق بعض الضغوط في المحاقن حتى يرد الحبرية في غيض الموزع. تمحو بعناية (نصيحة الهشة) باستخدام ورقة مع الأسيتون. ينبغي أن تبدأ القطرات الآن قادمة. عند حدوث ذلك، نبدأ من نقطة 1.2.4.
    5. رفع طاقة الليزر إلى حوالي 66% باستخدام الليزر الحالية 2 حقل الإدخال وفخ معالجة تجميعية. قم بإلغاء تحديد Drops2 بمجرد معالجة تجميعية المحاصرين.
      ملاحظة: يبين الشكل 5 الحبرية التقاطها في بيئة تجريبية. النقطة الخضراء أقل يناظر الحبرية الحقيقية، في حين أن العلوي هو انعكاسه على زجاج الخلية التي يقع الحبرية. من هذه اللحظة فصاعدا، سيكون الآن يتم تصويرها الحبرية المحاصرين إلى مديرية الأمن العام.
  3. تحديد حجم معالجة تجميعية.
    1. ضبط السلطة الليزر حتى موقف مديرية الأمن العام أقرب ما يكون إلى الصفر.
      ملاحظة: يمكن محاصرين قطرات أسفل أو أعلى المناصب السابقة التي شغلها الملائمة، اعتماداً على قوة الليزر أو الحجم والوزن. يتم إجراء هذه الخطوة لتحريك الصورة الحبرية إلى المركز لمديرية الأمن العام.
    2. الاحتفال بإنشاء نمط الحيود على الشاشة (انظر الشكل 1). التقاط صورة بكاميرا الويب التي يتم وضعها لمراقبة الشاشة من تحت.
      ملاحظة: بسبب النمط ضوء الليزر ديفراكتيد قبل الحبرية المحاصرين.
    3. استخدام الصورة لتحديد المسافات من السطر علامة الدنيا التعسفي 1 إلى اثنين في الصورة. المسافة إيجابية إذا كان أبعد عن الحبرية من علامة السطر 1، آخر سلبي. ثم إضافة 40 سم على كلا المسافات. الاتصال بأقرب 1، و أطول 2. استخدم 1 معادلة لحساب حجم الحبرية:
      Equation 1(1)
      حيث x هو المسافة العمودية من الحبرية إلى الشاشة (x = 23.5 سم)، λ هو الطول الموجي لضوء الليزر (λ = 532 nm) و Δn هو عدد هامش (عدد صحيح) بين الحدود الدنيا اثنين المستخدمة في العملية الحسابية.
      ملاحظة: عندما يتم تصويرها الحبرية في وسط مديرية الأمن العام، المسافة (x)، من الحبرية للشاشة هو 23.5 ± 0.1 سم. يمكن الاطلاع على شرح أكثر تفصيلاً للعملية في أعمال سويثينبانك J. et al. 6.
  4. تحديد قطبية المسؤول عن الحبرية.
    1. اختر علامة التبويب تشغيل الحق في نقابة المتغيرات وتعيين control2 ه-المجال DC إلى + 2 الخامس (انظر الشكل 3). كن حذراً، نظراً للجهد على مسرى الآن 200 V.
      ملاحظة: يتحدد الأقطاب تهمة الحبرية بمراقبة الكيفية التي تستجيب بها الحبرية لمجال الكهربائي عمودي تطبيقية. رسم تخطيطي لكيفية تطبيق الحقل الكهربائي يمكن أن ينظر في الشكل 6
  5. تحديد المسؤول عن الحبرية
    ملاحظة: إلى حساب المسؤول عن الحبرية، من الضروري أولاً لقياس حجم الحبرية. ويمكن تحديد وزن الحبرية ثم نظراً لكثافة السائل المعروف. الشكل 7 يصف الإجراء تخطيطياً.
    1. تعيين control2 ه-المجال DC إلى الصفر.
    2. تقدير وملاحظة قيمة متوسطة لموقف الحبرية التي تتبع مديرية الأمن العام تطبيع الموقف في الرسم البياني الموجي.
    3. ملاحظة قيمة قوة الليزر. وسوف تكون هذه القيمة وRad1 في المعادلة 2.
    4. تعيين control2 ه-المجال DC بين + 1 و + 5 فولت أو-1 و-5 فولت حيث أن الانخفاض يتحرك صعودا. الحبرية الآن في موضع جديد. ببطء تقليل قوة الليزر حتى الحبرية العودة في موضعه الأصلي كما ذكر في الخطوة 1.5.2. قم بتدوين قوة الليزر الجديدة (وRad2).
      إذا فقدت الحبرية، تحقق من Drops2 ونبدأ من الخطوة 1.2.4.
    5. استخدم الإجراء التالي لحساب المسؤول. أولاً، حساب القوة من المجال الكهربائي:
      Equation 2(2)
    6. تحديد المسؤول عن المطلق باستخدام التعبير
      Equation 3(3)
      هنا د هو المسافة بين الأقطاب وهو يو الجهد المطبق.

2-بعد التجريب البروتوكول

  1. الوصول البعيد المختبر.
    1. فتح صفحة ويب أونيلابس في مستعرض ويب: https://unilabs.dia.uned.es/
    2. حدد اللغة المطلوبة إذا لزم الأمر. تم العثور على الخيار في العنصر الأول من القائمة أسفل الرأس.
    3. تسجيل الدخول باستخدام البيانات التالية:
      اسم المستخدم: اختبار
      كلمة السر: اختبار
      ملاحظة: الإطار تسجيل الدخول تحت معلومات أخبار ومقدمة لصفحة ويب.
    4. اليسار في منطقة الدورة، بجوار منطقة تسجيل الدخول، انقر على شعار جامعة غوتنبرغ (غو).
    5. انقر فوق الارتفاع الضوئية الوصول إلى المواد من هذه التجربة.
    6. الوصول إلى المختبر البعيد عن طريق النقر على المختبرات البعيدة من استرفاع الضوئية. وبعد ذلك، تأكد من أن الإطار الرئيسي لإظهار صفحة ويب واجهة المستخدم الخاصة بالمختبر عن بعد، كما هو مبين في الشكل 8.
  2. قم بتوصيل المختبر "استرفاع الضوئية".
    ملاحظة: جميع التعليمات الواردة هنا تشير إلى الرقم 8.
    1. انقر على زر الاتصال . في حالة نجاح الاتصال، سيتم تغيير نص الزر إلى متصل.
      ملاحظة: عندما يتصل مستخدم إلى مختبر البعيد، تنبعث إشارة صوتية تحذر الأشخاص الآخرين في المنطقة المحيطة بها أن شخصا ما سيكون على السلطة والتلاعب الليزر عن بعد.
    2. انقر فوق تعقب قطرات والتحقق من أن يتم تلقي البيانات مديرية الأمن العام.
      ملاحظة: هناك لا قطرات التقاطها عند هذه النقطة، القيمة التي تم الحصول عليها غير ذات الصلة.
    3. انقر على عرض عام لتحديد كل العناصر من الإعداد: الليزر، موزع الحبرية، والخلية الملائمة ومديرية الأمن العام.
  3. فخ معالجة تجميعية.
    ملاحظة: جميع التعليمات الواردة هنا تشير إلى الرقم 8.
    1. متى المختبر بعيد متصل، انقر فوق الزر محاصرة قطرات لتصور الماصة وفوهة موزع الحبرية.
    2. انقر فوق الزر تشغيل الليزر تأسيس الاتصال بالليزر.
      ملاحظة: الليزر هو بدأ يدوياً وبمعزل عن بقية الصكوك نظراً لأنها يمكن أن تلحق الضرر بالبيئة إذا لم يتم محاذاتها بشكل صحيح.
    3. تعيين السلطة الليزر حوالي الربع الأول من غزة التحكم، الذي يقع تحت الزر تشغيل الليزر . انتظر حتى تظهر الضوء الأخضر.
    4. التحقق من المحاذاة الليزر.
      ملاحظة: إذا كان الليزر يتم محاذاتها بشكل صحيح، سوف ينظر شعاع ضوء الأخضر رقيقة. وبخلاف ذلك، سوف ينظر إلى بقعة خضراء متناثرة. في حالة محاذاة غير صحيحة، إيقاف تشغيل النظام، والاتصال بخدمات الصيانة في المعمل. للاتصال بخدمات الصيانة، انقر فوق الرمز الذي يمثل فقاعة كلام، الموجود في الركن الأيمن العلوي من صفحة ويب أونيلابس. ثم انقر على الرسالة المستخدم Admin ، قم بتدوين الرسالة أسفل تصف المشكلة واضغط إرسال. عادة ما يحدث هذا، حيث جميع البصريات ثابتة.
    5. زيادة قوة الليزر إلى 3/4 الشريط.
      ملاحظة: قوة 60% (550 ميغاواط) هو ما يكفي لالتقاط والحفاظ الحبرية مرفوع.
    6. اضغط على زر ابدأ قطرات لتشغيل موزع الحبرية.
    7. مشاهدة صورة كاميرا ويب، وانتظر حتى يتم إنتاج فلاش. وفي تلك اللحظة، تم التقاطه معالجة تجميعية. تحقق صورة كاميرا ويب مرة أخرى وتأكد من أن يتم الرفع معالجة تجميعية في وسط الخلية الملائمة. اضغط على زر إيقاف قطرات لإيقاف موزع الحبرية.
      ملاحظة: بشكل اختياري، من الممكن للحصول على معالجة تجميعية أكبر باصطياد العديد منهم وانتظارهم لدمج مع أحد التقاطها بالفعل. من الضروري أن نضع في اعتبارنا أنه إذا عدة يتم صيدها، الزيادات الحبرية جماعية حيث أن قوة الليزر قد لا تكون كافية للحفاظ على مرفوع.
  4. تحديد حجم معالجة تجميعية.
    ملاحظة: جميع التعليمات الواردة هنا تشير إلى الرقم 9.
    1. اضغط على زر التحجيم قطرات لمراقبة نمط حيود شكلتها الحبرية المحاصرين.
    2. اتبع نفس الإجراء كما هو الحال في البروتوكول التجريب العملي (1.3 الخطوة) لتحديد حجم الحبرية عن طريق نمط الحيود.
  5. تحديد قطبية تهمة الحبرية.
    ملاحظة: جميع التعليمات الواردة هنا تشير إلى الرقم 10.
    1. انقر فوق الزر تتبع قطرات لعرض الرسم البياني مديرية الأمن العام وعرض كاميرا ويب الماصة.
    2. انقر فوق علامة التبويب الحقل الكهربائي في أسفل يسار واجهة المستخدم.
    3. تعيين الجهد DC إلى 100 V. للقيام بهذا، انقر فوق الحقل الرقمي بحق التسمية DC (V) وقم بإدخال القيمة 100.
    4. التحقق من الرسم البياني عرض موقف الحبرية مديرية الأمن العام ومراقبة الحبرية يتحرك صعودا أم نزولا عند تطبيق مجال كهربائي.
      ملاحظة: يتم ترتيب الأقطاب اللوحات ذلك إذا تم تطبيق جهد إيجابي، سيتم نقل معالجة تجميعية مشحونة سلبا على أسفل ومعالجة تجميعية مشحونة بشكل إيجابي وسوف تتحرك صعودا.
    5. الآن تغيير قيمة الحقل الكهربائي والاختيار الحبرية يتحرك في الاتجاه المعاكس؛ ولهذا الغرض، أدخل-100 في حقل رقمي DC (V) .
  6. تحديد المسؤول عن الحبرية.
    ملاحظة: جميع التعليمات الواردة هنا تشير إلى الرقم 10.
    1. وبعد معالجة تجميعية المحاصرين، انقر فوق عرض تتبع قطرات .
    2. حدد من القائمة حقل كهربائي .
    3. تعيين الحقل الكهربائي DC إلى الصفر مع حقل رقمي DC (V) .
    4. تقدير وملاحظة قيمة متوسط من موقف الحبرية نظراً بالتخطيط وملاحظة قوة الليزر.
    5. تعيين الحقل الكهربائي DC إلى قيمة بين + 500 الخامس و-500 الخامس جعل الحبرية تغيير موقفها.
    6. تقليل أو زيادة قوة الليزر مع شريط التمرير حتى الحبرية العودة في موضعه الأصلي وكتابة القيمة الجديدة لقوة الليزر.
    7. اتبع الإجراء الموضح في الخطوة 1.5.5 لحساب المسؤول عن الحبرية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

عند محاذاة شعاع الليزر جيدا، وأسفل لوحة نظيفة، وعلى الفور تقريبا محاصرون القطرات. عند معالجة تجميعية المحاصرين يمكن البقاء في الفخ لعدة ساعات، وإعطاء متسع من الوقت لإجراء تحقيقات. دائرة نصف قطرها r من القطرات في المجموعة من 25 ≤ r ≤ 35 ميكرون وقد تم قياس هذه التهمة بين إناثها x10 1.1x10-17 -18 ج و ±5.5 x10 5.5x10-16 -17 جيم يبقى حجم القطرات، وفقا لدينا قياسات، ثابتة على مر الزمن، ولكن ببطء وسوف منتشر بتهمة بعيداً، إعطاء ردود فعل أصغر وأصغر من موقف الحبرية عند تطبيق مجال الكهربائي. وهذا يعطي للمستخدم فرصة لقياس رسوم مختلفة على الحبرية نفسه إذا كان هو أو هي المريض ما يكفي.

مختبر بعد وقد تم تطويرها باستخدام "المحاكاة" جافا/جافا سكريبت سهل7 ويمكن الوصول إليها عبر موقع على شبكة الإنترنت أونيلابس8. أما بالنسبة لبرامج السيطرة المحلية من المختبر، فقد وضعت باستخدام عنصر تحكم البرنامج. اتصال البرامج البعيدة والمحلية قد وضعت بعد، تم اختبارها على نطاق واسع، أعمال "الفوضى دال" et al. 9-فكرة إنشاء مختبر بعيد للارتفاع الحبرية بصري يرتكز على دعامتين: 1) للسماح للباحثين من أجزاء أخرى من العالم الذين ليس لديهم هذا الإعداد للعمل معها و 2) لإتاحة هذا النوع من التجربة للفيزياء الطلاب.

البيئة قد تم اختبارها على نطاق واسع سواء محلياً أو عن بعد لدعم عمل الباحثين. فقد ثبت أن التقاط قطرات يمكن أن يستغرق ما بين 2 ثانية و 1 دقيقة. ويرجع هذا الاختلاف محاذاة ماصة التنظيف والليزر. ولهذا السبب، يجري كمية صغيرة من الصيانة كل يوم لتمكين المختبر تعمل بشكل صحيح. مرة واحدة وقد تم القبض على الحبرية، ويمكن أن تحمل الرفع لفترات طويلة من الزمن، وصلت إلى أكثر من نصف ساعة، فترة كافية لأداء جميع المهام التي توفر هذا النظام. حقيقة أن عدة قطرات يمكن طيها والمحاصرين، تمكن المستخدمين من التحقق بسرعة تصحيح البروتوكولات المتعلقة بحساب شحنة أسلحة والكهربائية، كالاختلاف في النتائج بين نقطتين أنهار، وأكثر من قطره واحدة كبير مما إذا كانوا فقط مقارنة اثنين اشتعلت قطرات فريدة من نوعها في أوقات مختلفة. وبالإضافة إلى ذلك، نظراً للاستقرار و reconfigurability للبيئة، هو بمثابة أساس لإضافة أجهزة جديدة وتمكين وظائف جديدة وهكذا. مثال على هذه الحقيقة تحليل، يجري تنفيذها في الوقت الحاضر في جامعة غوتنبرغ، لدراسة تأثير العينات المشعة على ظاهرة الارتفاع الضوئية.

السبيل الفعال الوحيد للسماح لكثير من الطلاب الوصول إلى هذا النوع من الخبرة من خلال مختبر بعيد، أساسا لأسباب أمنية. وتبين البحوث مثل لوندغرين et al. أيضا، أن الطلاب خبرة في العمل مع مختبر بعيد مفيدة بقدر من المختبرات التقليدية10. البيئة يتيح للطلاب الأصغر سنا لاكتشاف مفهوم استرفاع البصرية عن طريق مراقبة كيف شعاع الليزر الفعال يمكن أن أرفع هذه المسألة. يمكن أن يعرض المعلم أيضا شحنة كهربائية للطلاب عن طريق دراسة الأقطاب القطرات. لمزيد من المعلومات المتقدمة الطلاب، الحساب من الحبرية يمكن تضمينها الكتلة والشحنة في بروتوكول العمل.

وقد استخدمت هذه المختبرات في فئة فيزياء في Halmstad، السويد، مع طلاب من "برنامج دبلوم البكالوريا الدولية" (IB) (www.ibo.org). المعلم يتبع البروتوكول البعيد هو موضح في الخطوة 2. وبعد التجربة، أجريت مقابلات مع الطلاب عن طريق طرح عليها أسئلة حول البيئة، والقياسات التي أجريت، والمفاهيم الفيزيائية الأساسية أنهم علموا، والفوائد والمساوئ التي ينظر إليها على أنها من استخدام مختبر بعد. عموما، فهم الطلاب العملية تتبع واحتساب حجم القطرات، الحصول على نتائج قريبة من الحجم الحقيقي لإسقاط المحاصرين. كانوا يدركون المخاطر التي ينطوي عليها استخدام أشعة الليزر ذات الطاقة العالية، واقترح البعض إضافة تحسينات لتصور التجربة، مثل شراء أفضل الكاميرات أو بما في ذلك عناصر زيادة حقيقة واقعة.

Figure 1
رقم 1: الهندسة المعمارية التجارب المختبرية البعيد. عدد مستخدمي الإنترنت الاتصال بصفحة ويب أونيلابس استخدام الكمبيوتر أو الأجهزة المحمولة. ويب البيئة يخدم المختبر بعد تطبيق جافا سكريبت التي تسمح بتشغيل عن بعد التجربة. يتصل هذا التطبيق إلى كمبيوتر يقع في المختبر من خلال جيل الخادم الوسيطة، التي تمكن الاتصال بين برامج LabVIEW وتطبيقات جافا سكريبت. وأخيراً، يتصل الكمبيوتر مختبر مع الإعداد التجريبية باستخدام برنامج LabVIEW وبطاقات دق اللازمة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: برنامج LabView: لوحة التكوين. يتم استخدام علامة التبويب التكوين في برنامج LabView في التجريب العملي على وضع لبدء التجربة قبل تشغيل الليزر على وبدأت القطرات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: برنامج LabView: تشغيل لوحة. يتم استخدام علامة التبويب التكوين في برنامج LabView في التجريب العملي على الوضع لتحديد المسؤول عن قطرات المحاصرين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: تفاصيل الإعداد التجريبية. موزع الحبرية ويرد في الجزء العلوي من الصورة، والخلية الموجودة في الوسط، وفي الجزء السفلي، كاميرا ويب. حرف ج: مرحلة الترجمة المستخدمة لضبط موضع الموزع داخل الخلية. الرسالة الثانية: العدسة المستخدمة من قبل مديرية الأمن العام إلى تصور الحبرية المحاصرين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
رقم 5: الرفع الحبرية المحاصرين. من الممكن في الصورة لرؤية واحدة من قطرات الرفع داخل خلية الإعداد. اللون الأخضر بسبب الليزر وحقيقة رؤية نقطتين بدلاً من واحدة أن الحبرية ينعكس على زجاج الخلية. وفي هذه الحالة، أن النقطة العليا هي الانعكاس والنقطة الأدنى الحبرية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
رقم 6: تكوين قطب كهربائي لتطبيق الحقول الكهربائية- الإعداد التجريبية لتطبيق مجال كهربائي على الحبرية. عندما يتم تطبيق جهد إيجابي، سوف تتحرك قطرات مشحونة بالسلبية أسفل وقطرات تهمة الإيجابية سوف تتحرك صعودا. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
رقم 7: البت في تهمة قطرات. رسم تخطيطي للإجراء لتحديد المسؤول عن المطلق الحبرية ليفيتاتيد بصريا. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 8
الرقم 8: واجهة معمل بعيد: محاصرة الحبرية. في التجريب البعيد، يتم استخدام واجهة تطبيق ويب هذا لفخ معالجة تجميعية. يتبين من الحبرية محاصرين في الصورة المقدمة من مختبر كاميرا ويب بسبب الضوء المتناثرة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 9
الشكل 9: واجهة المعمل البعيد: تحجيم معالجة تجميعية. في التجريب البعيد، يتم استخدام واجهة تطبيق ويب هذا لتحديد حجم معالجة تجميعية المحاصرين. نمط حيود المعروضة بواسطة كاميرا ويب مختبر ومقياس السماح للمستخدمين بتحديد حجم الحبرية المحاصرين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 10
الشكل 10: واجهة المعمل البعيد: تطبيق مجال الكهربائي- في التجريب البعيد، يتم استخدام واجهة تطبيق ويب هذا لتطبيق مجال الكهربائي إلى الحبرية المحاصرين. في هذا المثال، يتم تطبيق حقل كهربائي V AC 200. إشارة PSD مختبر يتم عرضها في الرسم البياني في الحق وأنه يظهر تغيير تتأرجح حركة الحبرية عقب مجال الكهربائي الذي طبق في جميع أنحاء t = 10 س. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

فئة ليزر الإصابة المحتملة
الفئة 1 غير قادر على التسبب في أي ضرر أثناء عملية عادية
الفئة 1 م لا تسبب أي نوع من الضرر إذا استخدمت لا جامعي الضوئية.
الفئة 2 أشعة الليزر المرئية التي لا تسبب إصابات في 0.25 s
فئة 2M إذا استخدمت لا جامعي البصرية، فغير قادرة على أحداث إصابات في 0.25 ثانية.
فئة 3R قليلاً غير آمنة ل intrabeam عرض؛ ما يصل إلى 5 مرات الفئة 2 الحد لليزر مرئية أو 5 مرات حد الطبقة 1 لأشعة الليزر غير مرئي
فئة 3B خطر العين على الرؤية المباشرة، وعادة لا عين بدل مخاطر لنشر الرؤية
الفئة 4 خطر العين والجلد للتعرض متناثرة وغير المباشرة على حد سواء

الجدول 1: تصنيف موجز بالليزر. الليزر المختلفة في السوق يمكن تصنيفها وفقا لخطورة بهم والمخاطر التي تنطوي عليها في استخدامها. ويبين الجدول أنواع مختلفة من أجهزة الليزر المتوفرة (في العمود الأيسر) وعلى خطر محتمل (في العمود الأيسر).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ويعرض هذا العمل إعداد للقيام بتجربة فيزياء حديثة التي هي قطرات مرفوع بصريا. يمكن إجراء هذه التجربة في طريقة التدريب العملي على تقليدية أو عن بعد. مع إنشاء نظام بعيد، يمكن الحصول على الطلاب والباحثين في جميع أنحاء العالم الوصول إلى الإعداد التجريبية. وهذا يضمن أيضا سلامة المستخدمين، نظراً لأنها لا تحتاج أن تكون في وجود ليزر عالية الطاقة والمجالات الكهربائية اللازمة للتجربة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمستخدمين التفاعل مع الأجهزة بطريقة بسيطة للغاية، عن طريق إرسال أوامر رفيعة المستوى عن طريق الكمبيوتر بسبب التشغيل الآلي للإنشاء. عند مقارنة بالإجراء العملي، يقدم التجريب بعد تجربة مشابهة جداً. واحدة من النقاط الرئيسية للتجربة قدم هو الحصول على حجم القطرات، نظراً لأنه له تأثير كبير على حسابات المسؤول عن المطلق. واستخدمت ثلاث طرق مختلفة لتحديد الحجم، وأنهم جميعا نتفق جيدا: (1) الأسلوب المبين أعلاه (باستخدام نمط حيود) (2) يتذبذب الحبرية مع حقل كهربائي عمودي واستخدام المرحلة الفرق بين الكهرباء الحقل والموقف و (3) لتصور ظل الحبرية على شاشة، ومع كاميرا تحديد الحجم. كما يجري إعداد برنامج الإعداد للبحث قطرات المحاصرين في فراغ. أولاً الحبرية المحاصرين في الهواء، ثم محاطة بالخلية، وتتم إزالة الهواء. وبهذه الطريقة، ستكون ممكنة التحقيق في خصائص معالجة تجميعية المحاصرين في فراغ.

مع مختبر بعد المقدمة، ويمكن تحديد التهمة وحجم الجسيمات عازل الحجم ميكرومتر. زيادة تطوير برنامج الإعداد وفرت وسيلة لدراسة التصادم الحبرية ميكرومتر الحجم باستخدام كاميرات عالية السرعة11. مع تركيب تجريبي كقاعدة، كانت قد أجرت التحقيق كوسيلة حساسة لتعقب موضع الجسيمات باستخدام السابر سنك12. لدينا أسلوب يستخدم للحصول على رسوم وحجم قطرات واحداً تلو الآخر. القياسات تأخذ بعض الوقت لأداء، ذلك أساسا أداة للعمل مع قطرات واحدة. إذا كان الهدف إحصائية جيدة الاستيلاء على عدد كبير من قطيرات، أساليب أخرى أفضل، مثل طريقة قدمها بولات13.

عندما يتم إجراء القياسات، هو الإفراج عن الحبرية وينحدر على الجزء السفلي من الخلية، وللأسف صنع الزجاج السفلي القذرة. وهذا قيداً طويل الأجل يمكن مبعثر على ضوء الليزر، مما يجعل صعوبة في فخ الحبرية القادمة. ومع ذلك، أن يتم حلها بسهولة مع التنظيف الدوري للخلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

هذا العمل قد حظي "المجلس السويدي للبحوث"، و "كارل Trygger´s مؤسسة" للبحث العلمي والإسبانية وزارة الاقتصاد والقدرة التنافسية في إطار مشروع مركز DPI2014-55932-C2-2-ر. بفضل ساناربسجيمناسيت للسماح لنا في محاولة RL مع الطلاب.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
GEM 532 Laser Quantum Green laser with adjustable power between 50 mW and 2 W
Lateral Effect Position Sensor THOR Lab PDP90A PSD to sensor the position of the droplet in the pipette
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric THOR Lab EDU-SPEB1/M Mirrors and other elements to control the laser beam 
Pipette Self made The chamber were the droplet is trapped was specially made for this setup
AC/DC Power supply Keithley Instruments, Inc. 2380-500-30 A power supply to generate the electric field (0V - 500V DC)
Power Distribution Unit APC AP7900 A PDU to remotelly connect the lab instrumentation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical levitation by radiation pressure. Applied Physics Letters. 19, 283-285 (1971).
  2. Roosen, G., Imbert, C. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: A theoretical and experimental study. Physics Letters. 59, (1), 6-8 (1976).
  3. Heradio, R., de la Torre, L., Galan, D., Cabrerizo, F. J., Herrera-Viedma, E., Dormido, S. Virtual and remote labs in education: A bibliometric analysis. Computers & Education. 98, 14-38 (2016).
  4. Isaksson, O., Karlsteen, M., Rostedt, M., Hanstorp, D. An optical levitation system for a physics teaching laboratory. American Journal of Physics. 8810, 88-100 (2018).
  5. Galan, D., Isaksson, O., Rostedt, M., Enger, J., Hanstorp, D., de la Torre, L. A remote laboratory for optical levitation of charged droplets. European Journal of Physics. 39, (4), 045301 (2018).
  6. Swithenbank, J., Beer, J., Taylor, D., Abbot, D., Mccreath, G. A laser diagnostic technique for the measurement of droplet and particle size distribution. 14th Aerospace Sciences Meeting, Aerospace Sciences Meetings. (1976).
  7. Christian, W., Esquembre, F. Modeling physics with easy java simulations. The Physics Teacher. 45, 475-480 (2007).
  8. de la Torre, L., Sanchez, J., Heradio, R., Carreras, C., Yuste, M., Sanchez, J., Dormido, S. Unedlabs - an example of ejs labs integration into moodle. World Conference on Physics Education. (2012).
  9. Chaos, D., Chacon, J., Lopez-Orozco, J. A., Dormido, S. Virtual and remote robotic laboratory using ejs, matlab and labview. Sensors. 13, ISSN 1424-8220 2595-2612 (2013).
  10. Lundgren, P., Jeppson, K., Ingerman, A. Lab on the web-looking at different ways of experiencing electronic experiments. International journal of engineering education. 22, 308-314 (2006).
  11. Ivanov, M., Chang, K., Galinskiy, I., Mehlig, B., Hanstorp, D. Optical manipulation for studies of collisional dynamics of micron-sized droplets under gravity. Optics Express. 25, 1391-1404 (2017).
  12. Galinskiy, I., et al. Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer. Optics express. 23, 27071-27084 (2015).
  13. Polat, M., Polat, H., Chander, S. Electrostatic charge on spray droplets of aqueous surfactant solutions. Journal of Aerosol Science. 31, 551-562 (2000).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics