Flugzeit - Time of flight

Grundlegende Flugzeitprinzipien für die Laserentfernungsmessung.

Die Flugzeit ( ToF ) ist die Messung der Zeit, die ein Objekt, ein Teilchen oder eine Welle (sei es akustisch, elektromagnetisch usw.) braucht, um eine Strecke durch ein Medium zurückzulegen. Diese Informationen können dann verwendet werden, um Geschwindigkeit oder Weglänge zu messen oder um Informationen über die Eigenschaften des Partikels oder Mediums (wie Zusammensetzung oder Durchflussrate) zu erhalten. Das sich bewegende Objekt kann direkt (zB über einen Ionendetektor bei der Massenspektrometrie) oder indirekt (zB durch von einem Objekt gestreutes Licht bei der Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessung ) detektiert werden .

Überblick

In der Elektronik sind eines der ersten Geräte, die das Prinzip anwenden, Ultraschall-Entfernungsmessgeräte, die einen Ultraschallimpuls aussenden und in der Lage sind, die Entfernung zu einem festen Objekt anhand der Zeit zu messen, die die Welle benötigt, um zum Sender zurückzuprallen. Die ToF-Methode wird auch verwendet, um die Elektronenmobilität abzuschätzen . Ursprünglich war es für die Messung von schwach leitfähigen Dünnschichten konzipiert, später angepasst für gängige Halbleiter. Diese experimentelle Technik wird für Metall-Dielektrikum-Metall-Strukturen sowie organische Feldeffekttransistoren verwendet. Die Überladungen werden durch Anlegen des Laser- oder Spannungspulses erzeugt.

Magnetresonanzangiograph nach der ToF-Methode

Für die Magnetresonanzangiographie (MRA) ist ToF eine wichtige zugrunde liegende Methode. Bei dieser Methode ist das Blut, das in den abgebildeten Bereich eindringt, noch nicht gesättigt, wodurch es bei Verwendung einer kurzen Echozeit und einer Flusskompensation ein viel höheres Signal erhält. Es kann bei der Erkennung von Aneurysmen , Stenosen oder Dissektionen verwendet werden .

Bei der Flugzeit-Massenspektrometrie werden Ionen durch ein elektrisches Feld auf die gleiche kinetische Energie mit der Geschwindigkeit des Ions in Abhängigkeit vom Masse-Ladungs-Verhältnis beschleunigt . So wird die Flugzeit zur Geschwindigkeitsmessung verwendet, aus der das Masse-Ladungs-Verhältnis bestimmt werden kann. Die Flugzeit von Elektronen wird verwendet, um ihre kinetische Energie zu messen.

In der Nahinfrarot-Spektroskopie wird die ToF-Methode verwendet, um die medienabhängige optische Weglänge über einen Bereich optischer Wellenlängen zu messen, aus denen Zusammensetzung und Eigenschaften der Medien analysiert werden können.

Bei der Ultraschall-Durchflussmessermessung wird ToF verwendet, um die Geschwindigkeit der Signalausbreitung vor und nach der Strömung eines Mediums zu messen, um die Gesamtströmungsgeschwindigkeit abzuschätzen. Diese Messung erfolgt in kollinearer Richtung mit der Strömung.

Bei der Planar-Doppler-Geschwindigkeitsmessung (optische Durchflussmessermessung) werden ToF-Messungen senkrecht zur Strömung durchgeführt, indem die Zeit gemessen wird, wenn einzelne Partikel zwei oder mehr Stellen entlang der Strömung durchqueren (kollineare Messungen würden im Allgemeinen hohe Strömungsgeschwindigkeiten und extrem schmalbandige optische Filter erfordern).

In der optischen Interferometrie kann der Weglängenunterschied zwischen Proben- und Referenzarmen durch ToF-Methoden gemessen werden, wie z. B. Frequenzmodulation gefolgt von Phasenverschiebungsmessung oder Kreuzkorrelation von Signalen. Solche Verfahren werden in Laserradar- und Lasertrackersystemen zur mittellangen Entfernungsmessung eingesetzt.

Bei der Neutronen-Flugzeitstreuung wird ein gepulster monochromatischer Neutronenstrahl an einer Probe gestreut. Das Energiespektrum der gestreuten Neutronen wird über die Flugzeit gemessen.

In der Kinematik ist ToF die Dauer, in der sich ein Projektil durch die Luft bewegt. Ausgehend von der Anfangsgeschwindigkeit eines vom Boden abgeschossenen Teilchens, der Abwärtsbeschleunigung (dh der Erdbeschleunigung ) und dem Projektionswinkel des Projektils θ (gemessen relativ zur Horizontalen), ergibt sich eine einfache Neuordnung der SUVAT-Gleichung

ergibt diese Gleichung

für die Flugzeit eines Projektils.

In der Massenspektrometrie

Shimadzu-Ionenfalle ToF

Für die Massenspektrometrie kann das Flugzeitprinzip angewendet werden . Ionen werden durch ein elektrisches Feld bekannter Stärke beschleunigt . Diese Beschleunigung führt dazu, dass ein Ion die gleiche kinetische Energie hat wie jedes andere Ion, das die gleiche Ladung hat. Die Geschwindigkeit des Ions hängt vom Masse-zu-Ladungs-Verhältnis ab . Gemessen wird die Zeit, die das Teilchen anschließend benötigt, um einen Detektor in bekannter Entfernung zu erreichen. Diese Zeit hängt vom Masse-zu-Ladungs-Verhältnis des Partikels ab (schwerere Partikel erreichen niedrigere Geschwindigkeiten). Aus dieser Zeit und den bekannten experimentellen Parametern kann man das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis des Ions ermitteln. Die verstrichene Zeit von dem Moment an, in dem ein Teilchen eine Quelle verlässt, bis es einen Detektor erreicht.

In Durchflussmessern

Ein Ultraschall-Durchflussmesser misst mit akustischen Sensoren die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases durch ein Rohr. Dies hat einige Vorteile gegenüber anderen Messtechniken. Die Ergebnisse werden geringfügig von Temperatur, Dichte oder Leitfähigkeit beeinflusst. Die Wartung ist kostengünstig, da keine beweglichen Teile vorhanden sind . Ultraschall-Durchflussmesser gibt es in drei verschiedenen Typen: Transmissions-Durchflussmesser (kontrapropagierende Laufzeit), Reflexions-(Doppler-)Durchflussmesser und Offenkanal-Durchflussmesser. Laufzeit-Durchflussmesser arbeiten, indem sie die Zeitdifferenz zwischen einem in Flussrichtung gesendeten Ultraschallpuls und einem entgegen der Flussrichtung gesendeten Ultraschallpuls messen. Doppler-Durchflussmesser messen die Doppler-Verschiebung, die dazu führt, dass ein Ultraschallstrahl von kleinen Partikeln in der Flüssigkeit, Luftblasen in der Flüssigkeit oder der Turbulenz der strömenden Flüssigkeit reflektiert wird. Offene Gerinne-Durchflussmesser messen oberstromige Pegel vor Gerinnen oder Wehren .

Optische Flugzeitsensoren bestehen aus zwei in die Flüssigkeit projizierten Lichtstrahlen, deren Detektion entweder unterbrochen oder durch den Durchgang kleiner Partikel (von denen angenommen wird, dass sie der Strömung folgen) ausgelöst wird. Dies ist den optischen Strahlen nicht unähnlich, die als Sicherheitseinrichtungen in motorisierten Garagentoren oder als Auslöser in Alarmsystemen verwendet werden. Die Geschwindigkeit der Partikel wird berechnet, indem der Abstand zwischen den beiden Strahlen bekannt ist. Wenn nur ein Detektor vorhanden ist, kann die Zeitdifferenz über Autokorrelation gemessen werden . Wenn zwei Detektoren vorhanden sind, einer für jeden Strahl, kann auch die Richtung bekannt sein. Da die Lage der Strahlen relativ einfach zu bestimmen ist, hängt die Genauigkeit der Messung in erster Linie davon ab, wie klein der Aufbau gemacht werden kann. Wenn die Strahlen zu weit voneinander entfernt sind, kann sich die Strömung zwischen ihnen erheblich ändern, sodass die Messung ein Mittelwert über diesen Raum wird. Darüber hinaus könnten sich zu einem bestimmten Zeitpunkt mehrere Partikel zwischen ihnen befinden, und dies würde das Signal verfälschen, da die Partikel nicht unterscheidbar sind. Damit ein solcher Sensor gültige Daten liefert, muss er im Verhältnis zum Maßstab der Strömung und der Saatdichte klein sein. MOEMS- Ansätze führen zu extrem kleinen Gehäusen, wodurch solche Sensoren in einer Vielzahl von Situationen anwendbar sind.

In Physik

Normalerweise wird die in der Massenspektrometrie verwendete Flugzeitröhre wegen ihrer Einfachheit gelobt, aber für Präzisionsmessungen geladener niederenergetischer Teilchen müssen das elektrische und das magnetische Feld in der Röhre auf 10 mV bzw. 1 nT kontrolliert werden.

Die Arbeitsfunktion Homogenität des Rohres kann durch eine gesteuert werden Kelvin - Sonde . Das Magnetfeld kann mit einem Fluxgate-Kompass gemessen werden . Hohe Frequenzen werden durch Radar-absorbierendes Material passiv abgeschirmt und gedämpft . Um ein beliebiges niederfrequentes Feld zu erzeugen, wird der Schirm in Platten geteilt (überlappend und durch Kondensatoren verbunden) mit einer Vorspannung auf jeder Platte und einem Vorstrom auf der Spule hinter der Platte, deren Fluss durch einen äußeren Kern geschlossen wird. Auf diese Weise kann die Röhre so konfiguriert werden, dass sie als schwache achromatische Quadrupollinse mit einer Apertur mit einem Gitter und einem Verzögerungsliniendetektor in der Beugungsebene wirkt, um winkelaufgelöste Messungen durchzuführen. Durch Ändern des Feldes kann der Winkel des Sichtfelds geändert werden und eine Ablenkvorspannung kann überlagert werden, um durch alle Winkel zu scannen.

Wenn kein Detektor mit Verzögerungsleitung verwendet wird, kann die Fokussierung der Ionen auf einen Detektor durch die Verwendung von zwei oder drei Einzellinsen erreicht werden, die in der Vakuumröhre zwischen der Ionenquelle und dem Detektor angeordnet sind.

Die Probe sollte in die Röhre mit Löchern und Öffnungen für und gegen Streulicht eingetaucht werden, um magnetische Experimente durchzuführen und die Elektronen von Anfang an zu kontrollieren.

Siehe auch

Verweise