Кафедра радиофизики и электроники

 

 

ОТЧЕТ

Учебно-производственной практики

 

 

Цель работы:

Изучить принципы работы лазерного спектрохронометра и провести кинетические эксперименты с нанострукруированными молекулярными системами. Изучить кинетику распада локализованного состояния частицы в потенциальном поле «яма-барьер» в линейной аппроксимации.

1.           Устройство и принцип работы экспериментальной установки – «лазерный спектрохронограф»

 

1.1 Назначение и схема установки лазерного спектрохронографа

 

 

Лазерный спектрохронограф – это прибор, который предназначен для регистрации кинетики люминесценции со спектральной селекцией до 0,1 нм и временной селекцией до 100 нс.

С помощью этой установки возможно изучать закономерности кинетики люминесценции исследуемых образцов, а также зависимость длительности свечения образцов от температуры и давления, магнитного поля и СВЧ – облучения и других факторов, влиящих на исследуемый образец.

Схема установки показана на рис. 1

 

Рисунок 1 – Схема установки (лазерный кинетический спектрохронограф)

Установку можно условно поделить на три блока (рис. 2) :

• Блок излучения(Лазер «LQ-125»)
• Блок управления(Генераторы импульсов «Г5-15» и «Г5-56»)
• Блок обработки сигналов(Монохроматор «МДР-206», Фото-электронный умножитель «ФЭУ-84», Осциллограф «GDS-840C»)

 

Рисунок 2 – Схема установки (лазерный кинетический спектрохронограф)

 

1.2      Описание экспериментальной установки

 

Падающее на исследуемый образец возбуждающее лазерное излучение вызывает люминесценцию в образце. Люминесценция от образца фокусируется с помощью линзы на вход монохроматора МДР-206, с помощью которого выделяется определенная длина излучения люминесценции. Далее с помощью ФЭУ электромагнитный сигнал люминесценции преобразовывается в электрический ток, который воспринимаются осциллографом. Работа лазерного излучения управляется с помощью генератора импульсов Г5-56. Временная селекция производится модулированием чувствительности ФЭУ-84, что достигается импульсом отрицательной полярности (~100В), подаваемым на его первый динод, через разделительный конденсатор. Этот импульс синхронизируется с возбуждающим импульсом лазера при помощи двух импульсных генераторов. Первый генератор Г5-56 синхронизирует момент открытия оптического модулятора лазера со вторым генератором Г5-15, мощность которого достаточна для поддержания «запирающего» напряжения ФЭУ-84.

 

1.2.1 Описание монохроматора МДР-204

 

Монохроматор МДР-204 предназначен для использования в качестве источника монохроматического излучения в спектральном диапазоне от 190 до 5000 нм.

Встроенный в монохроматор микропроцессорный контроллер обеспечивает автоматическую установку любой заданной длины волны в рабочем спектральном диапазоне. Управление сканированием производится от кнопок пульта управления, значение текущей длины волны высвечивается на встроенном дисплее.

Встроенный микропроцессорный контроллер обеспечивает управление двумя дополнительными шаговыми двигателями, а также прием и обработку сигналов от двух внешних приемников излучения. Подключение внешних устройств производится через разъемы, расположенные на корпусе монохроматора.

Устройство монохроматоров предусматривает возможность непосредственного подключения к монохроматору внешней ЭВМ через последовательный порт RS232 для управления и регистрации спектров.

Для работы с внешней ЭВМ используется программное обеспечение, работающее в среде MSWindows 9X/NT.

 

Таблица 1 – Технические характеристики монохроматора МДР-204

 

Спектральный диапазон, нм	190 - 5000
Оптическая схема	Эберта-Фасти
Фокусное расстояние объектива, мм	300
Относительное отверстие	1/6
Размеры дифракционной решетки, мм	40х50
Ширина щелей, мм	0-4
Количество выходных щелей	1
Обратная линейная дисперсия*, нм/мм	2.6
Разрешающая способность*	12000
Погрешность установки длины волны*, нм	0.5
Сходимость установки длины волны*, нм	0.1
Габаритные размеры, мм, не более	370х240х170
Масса, кг, не более	7.5

* параметр приведен для дифракционной решетки 1200 штр/мм

 

 

1.2.2 Краткая характеристика осциллографа GDS-840C

 

Осциллограф цифровой GDS-840C предназначен для исследования и измерения параметров периодических сигналов в полосе частот 0..250 МГц и однократных сигналов в полосе частот до 10 МГц. Осциллограф обеспечива­ет цифровое запоминание, цифровое измерение в диапазоне амплитуд от 2 мВ до 300 В и временных интервалов от 1 не до 10 с, автоматическую уста­новку размеров изображения, автоматическое измерение амплитудно - временных параметров входного сигнала с выводом результата измерения на экран дисплея.

Осциллограф обеспечивает возможность подключения к персональному компьютеру через стык GPIB, RS-232 или USB.

Осциллограф обеспечивает возможность подключения к внешнему лазерному принтеру, для распечатки результатов отображаемых на дисплее.

Коэффициент развертки осциллографа имеет значения от 1 нс/дел до 10 с/дел, в последовательности 1; 2,5; 5.

Таблица 2 - Технические данные осциллографа GDS-S40C

Коэффициенты отклонения каждо­го из каналов вертикального от­клонения	от 2мВ/дел до 5 В/дел в последова­тельности 1;2;5 при непосредствен­ном входе.
Пределы допускаемого значения по­грешности коэффициентов отклоне­ния каждого из каналов 1 и 2 на час­тоте 1 кГц	не превышает: •      при непосредственном входе 3% •      с делителем 1:10 - 4%
Полоса пропускания осциллографа при непосредственном входе	для периодического сигнала 250 МГц для однократного сигнала 10 МГц
Время нарастания переходной харак-
теристики каждого из каналов верти-	не более 1,4 не при коэффициентах
кального отклонения при непосред-	отклонения от 2 мВ/дел до 1 В/дел
ственном входе и периодическом	не более 1,6 не при коэффициентах
сигнале	отклонения 2 В/дел и 5 В/дел
Параметры входов каждого из кана­
лов усилителя:
• При непосредственном входе
активное сопротивление	1 МОм ±2%
входная емкость	не более 16 пФ
• С делителем 1:10
активное сопротивление	10 МОм ± 2%
входная емкость	не более 1 9 пФ
Допускаемое суммарное значение по-
стоянного и переменного напряжения
на входе каждого из каналов усили-
теля	не более 300 В
Предел перемещения луча по верти-
кали в каждом из каналов вертикаль-
ного отклонения, в зависимости от
положение переключателя В/дел не
менее
• 2 мВ/дел .. 50 мВ/дел	± 0.5 В
• 100 мВ/дел... 500 мВ/дел	± 5 В
• 1 В/дел,.. 5 В/дел	± 50 В

 

Осциллограф обеспечивает следующие режимы запуска развертки:

• Автоматический, с ручной установкой уровня синхронизации, для сигналов с частотой не менее 40 Гц;
• Автоматический, с автоматической установкой уровня синхрониза­ции, для сигналов с частотой не менее 40 Гц;
• Ждущий;
• Однократный;
• Выбор ТВ строки (SECAM, PAL и NTSC);
• По условиям длительности импульса (больше, меньше, равно не равно), условия для длительности импульса устанавливаются в пре­делах от 20 не до 10 с. Абсолютная погрешность определения дли­тельности импульса при запуске развертки не превышает ±(0,05-Т+20 нс), где Т - заданное значение длительности импульса.

Таблица 3 - Соотношение длительности импульса, дискретности задания длительности импульса и числа счета длительности импульсов

 

Длительность импульса	Дискретность установки	Число счета импульсов данной длительности
20 нс....980 нс	20 нс	1....49
1.00 мкс....9.98 мкс	20 нс	50....499
10 мкс....99.9 мкс	20 нс	500....4995
100 мкс....999 мкс	200 нс	500....4995
1.00 мс....9.99 мс	200 нс	5000....49950
10.0 мс....99.9 мс	2000 нс	5000....49950
100 мс....999 мс	20000 нс	5000....49950
1.00 с 10.0 с	200000 нс	5000....50000

 

 

1.3 Приготовление пленок

Растворы приготовлялись путем разведения порошкообразных ве­ществ в растворителе. В качестве растворителя была взята вода. Масса ком­поненты рассчитывалась по формуле m, где - молекулярный вес вещества, с - необходимая концентрация раствора, V - объём на который раз­водится раствор (для эритрозина = 879.86 г/моль). Далее полученный раствор заливал на стекло и растекали этот раствор по всей поверхности с помощью иголки, далее пленку нагревали до 60 и давали остыть.

Необходимые массы вещества взвешивались на аналитических лабораторных весах модели ВЛА-200 г. Ввиду сложности взвешивания на данных весах масс меньших 1 мг, растворы приготовлялись в концентрации моль/л. В дальнейшем растворы разбавлялись до нужной концентрации.

Рассмотрим характеристики весов ВЛА-200 г. Данные весы пред­назначены для точных определений массы при производстве анализов в раз - личных лабораториях. В основу конструкции весов положен принцип взве­шивания на равноплечем коромысле. Техническая характеристика весов приведена в таблице 4.

 

Таблица 4− Технические характеристики весов ВЛА-200 г

 

 

Наименование параметра	Значение
1. Наибольшая измеряемая масса, г	200
2. Цена деления оптической шкалы, мг/дел	0,1
3. Погрешность цены деления оптической шкалы, мг/дел	не более ± 0,003
4. Диапазон измерения по оптической шкале, мг	10
5. Вариация показаний, мг	не более 0,2
6. Погрешность из за неравноплечести коромысла, мг	не более 2
7. Время успокоения указателя равновесия коромысла, с	не более 40

 

 

1.4 Описание эксперимента

Полученные пленки ставили под прицел лазерного луча. Воздействие лазерного излучения на образец приводило к переходу молекул эритрозина в триплетное состояние. Сигнал люминесценции эритрозина, пройдя через монохроматор, попадал в ФЭУ и далее выводился на экране ос­циллографа, который осуществлял усреднение по 5 кривым. На компьютере фиксировалась усредненная кривая. На монохроматоре была выставлена длина волны 680 нм. Полученные значения параметров сигнала затем обрабатывались в пакете Origin.

Результаты эксперимента приведены на рис. 3.

 

Рисунок 3 – График интенсивности люминесценции полимерной пленки с молекулами эритрозина от времени.

2. Кинетика распада локализованного состояния в потенциальном поле «яма-барьер» при заданной температуре и подвижности частицы в режиме сильного трения

(Задача Крамерса)

 

 

Для нахождения вероятности преодоления потенциального барьера мигрирующей в потенциальном поле V(z) в режиме сильного трения частицей можно воспользоваться уравнением Фоккера-Планка в конфигурационном пространстве (уравнением Смолуховского).

 

 

Рисунок 4 − Редукция барьерноямного потенциала поверхности раздела фаз к потенциалу твердой стенки при уменьшении глубины ямы и высоты барьера.

 

Уравнение Смолуховского с начальными и граничными условиями для плотности вероятности g(z,t) обнаружения частицы в окрестности точки z в момент времени t в общем случае записывается в виде

Постоянная D в уравнении (1) – коэффициент диффузии подвижных молекул в потенциальном поле V(z); - произведение постоянной Больцмана на абсолютную температуру системы; - дельта-функция Дирака; - точка максимума потенциального барьера, определяющая характерный размер области локализации частицы.

Крамерсом был предложен приближенный метод расчета постоянного диффузионного потока из ямы, основанный на стационарном уравнении (1).

Или

где постоянный диффузионный поток из ямы

Равенство (4) может быть рассмотрено как дифференциальное уравнение относительно неизвестной функции плотности . Решая его методом вариации постоянной, получаем

где - неизвестная, подлежащая определению функция. Подставляя (5) в (4) находим

или

Интегрируя (6) по отрезку

и используя равенство (5) получаем

Проинтегрируем, теперь, (7) по отрезку и учтем, что функция нормирована на нем на единицу. Точка в нашем случае равна нулю: . Тогда

Из (8) находим искомый диффузионный поток вероятности выхода из ямы

 

 

 

 

Расчет диффузионного потока вероятности частицы выхода из ямы.

 

Линейная аппроксимация двуямного потенциала для одномерного случая:

 

 

 

Искомый диффузионный поток вероятности выхода из ямы представлен формулой:

 

 

 

Рассчитаем диффузионный поток вероятности выхода из ямы для линейной аппроксимации двуямного потенциала.

 

 

Для случая, когда .

Посчитаем внутренний интеграл

Внешний интеграл

 

Диффузионный поток вероятности выхода из ямы будет иметь вид:

 

Таким же образом можно посчитать для случая, когда . Тогда для диффузионного потока получим выражение:

 

 

Вывод: В ходе выполненной работы были изучены принципы работы лазерного спектрохронометра и проведены кинетические эксперименты с полимерными пленками с молекулами эритрозина, также были вычислен диффузионный поток вероятности выхода из потенциального поля «яма-барьер» в линейной аппроксимации для одномерной системы координат, также для трехмерной системы координат.

 

Скачать: otchet.docx