Час польоту

Time of flight (ToF) — це вимірювання часу, необхідного об'єкту, частинці або хвилі (акустичній, електромагнітній тощо) для проходження певної відстані через середовище. Ця інформація може бути використана для вимірювання швидкості або довжини шляху, або як спосіб отримання інформації про властивості частинки чи середовища (такі як склад або швидкість потоку). Об'єкт, що рухається, може бути виявлений безпосередньо (прямий час прольоту, dToF, наприклад, за допомогою йонного детектора в мас-спектрометрії) або опосередковано (непрямий час прольоту, iToF, наприклад, за світлом, розсіяним об'єктом у лазерній доплерівській велосиметрії). Технологія вимірювання часу прольоту знайшла цінне застосування в моніторингу та характеристиці матеріалів і біоматеріалів, включно з гідрогелями.^[1][2]

У електроніці одним із найперших пристроїв, що використовували цей принцип, були пристрої для вимірювання відстані за допомогою ультразвуку, які випромінюють ультразвуковий імпульс і здатні вимірювати відстань до твердого об'єкта на основі часу, необхідного хвилі для повернення до випромінювача. Метод ToF також використовується для оцінювання рухливості електронів. Спочатку він був розроблений для вимірювання тонких плівок із низькою провідністю, а згодом адаптований для звичайних напівпровідників. Ця експериментальна методика використовується для структур метал—діелектрик—метал ^[3], а також для органічних польових транзисторів.^[4] Надлишкові заряди генеруються шляхом прикладання лазерного або імпульсу напруги.

Для магнітно-резонансної ангіографії (MRA) ToF є основним методом, що лежить в її основі. У цьому методі кров, що входить в область, яка візуалізується, ще не насичена, що забезпечує значно вищий сигнал при використанні короткого часу ехо та компенсації потоку. Метод може використовуватися для виявлення аневризми, стенозу або дисекції.^[5]

У мас-спектрометрії часу прольоту йони прискорюються електричним полем до однакової кінетичної енергії, причому швидкість йона залежить від його відношення маси до заряду. Таким чином, час прольоту використовується для вимірювання швидкості, з якої можна визначити відношення маси до заряду.^[6] Час прольоту електронів використовується для вимірювання їхньої кінетичної енергії.^[7]

У спектроскопії ближнього інфрачервоного діапазону метод ToF використовується для вимірювання залежної від середовища оптичної довжини шляху в діапазоні оптичних довжин хвиль, за якою можна аналізувати склад і властивості середовища.

У вимірюваннях за допомогою ультразвукового витратоміра ToF використовується для вимірювання швидкості поширення сигналу вище та нижче за течією потоку середовища, щоб оцінити загальну швидкість потоку. Це вимірювання виконується в напрямку, колінеарному до потоку.

У планарній доплерівській велосиметрії (вимірюванні оптичним витратоміром) вимірювання ToF виконуються перпендикулярно до потоку шляхом визначення часу, коли окремі частинки перетинають дві або більше точок уздовж потоку (колінеарні вимірювання зазвичай вимагали б високих швидкостей потоку та надзвичайно вузькосмугових оптичних фільтрів).

В оптичній інтерферометрії різницю довжин шляху між вимірювальним і опорним плечима можна вимірювати методами ToF, такими як частотна модуляція з подальшим вимірюванням фазового зсуву або взаємна кореляція сигналів. Такі методи використовуються в системах лазерного радара та лазерних трекерах для вимірювання відстані на середніх і великих дальностях.

У розсіюванні нейтронів методом часу прольоту імпульсний монохроматичний пучок нейтронів розсіюється зразком. Енергетичний спектр розсіяних нейтронів вимірюється за часом прольоту.

У кінематиці ToF — це тривалість, протягом якої снаряд рухається в повітрі. Якщо задано початкову швидкість ${\displaystyle u}$ частинки, запущеної із землі, напрямлене вниз (тобто гравітаційне) прискорення ${\displaystyle a}$ та кут кидання снаряда θ (виміряний відносно горизонталі), тоді просте перетворення рівняння SUVAT

${\displaystyle s=vt-{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}at^{2}}$

дає таке рівняння

${\displaystyle t={\frac {2v\sin \theta }{a}}}$

для часу прольоту снаряда.

Принцип часу прольоту може застосовуватися для мас-спектрометрії. йони прискорюються електричним полем відомої напруженості. Це прискорення надає йону такої самої кінетичної енергії, як і будь-якому іншому йону з таким самим зарядом. Швидкість йона залежить від відношення маси до заряду. Вимірюється час, який згодом потрібен частинці, щоб досягти детектора, розташованого на відомій відстані. Цей час залежатиме від відношення маси до заряду частинки (важчі частинки досягають нижчих швидкостей). За цим часом та відомими експериментальними параметрами можна визначити відношення маси до заряду йона. Це час, що минув від моменту, коли частинка залишає джерело, до моменту, коли вона досягає детектора.

Ультразвуковий витратомір вимірює швидкість рідини або газу в трубі за допомогою акустичних датчиків. Це має певні переваги перед іншими методами вимірювання. На результати незначно впливають температура, густина або провідність. Технічне обслуговування є недорогим, оскільки немає рухомих частин.

Ультразвукові витратоміри бувають трьох різних типів: витратоміри з передаванням (витратоміри з протилежним напрямком поширення), витратоміри з відбиттям (доплерівські витратоміри) та витратоміри у відкритому каналі. Витратоміри часу проходження працюють шляхом вимірювання різниці в часі між ультразвуковим імпульсом, надісланим у напрямку потоку, та ультразвуковим імпульсом, надісланим проти напрямку потоку. Доплерівські витратоміри вимірюють доплерівський зсув, що виникає внаслідок відбиття ультразвукового променя від дрібних частинок у рідині, бульбашок повітря в рідині або турбулентності потоку рідини. Витратоміри у відкритому каналі вимірюють рівні вище за течією перед водозливами або швидкотоками.

Оптичні датчики часу прольоту складаються з двох світлових променів, спрямованих у рідину, виявлення яких переривається або ініціюється проходженням дрібних частинок (які вважаються такими, що рухаються разом із потоком). Це подібне до оптичних променів, що використовуються як пристрої безпеки в моторизованих гаражних воротах або як тригери в системах сигналізації. Швидкість частинок обчислюється за відомою відстанню між двома променями. Якщо є лише один детектор, різницю в часі можна виміряти за допомогою автокореляції. Якщо є два детектори, по одному для кожного променя, тоді можна також визначити напрямок. Оскільки положення променів відносно легко визначити, точність вимірювання залежить переважно від того, наскільки малим можна зробити пристрій. Якщо промені розташовані надто далеко один від одного, потік між ними може істотно змінитися, тому вимірювання стає середнім значенням для цієї ділянки. Крім того, між ними в будь-який момент часу можуть перебувати кілька частинок, що спотворюватиме сигнал, оскільки частинки неможливо розрізнити. Щоб такий датчик надавав достовірні дані, він має бути малим порівняно з масштабом потоку та густиною засівання. Підходи на основі MOEMS дають змогу створювати надзвичайно малі корпуси, що робить такі датчики придатними для різноманітних ситуацій.^[8]

Зазвичай трубку часу прольоту, що використовується в мас-спектрометрії, хвалять за простоту, але для точних вимірювань заряджених частинок з низькою енергією електричне та магнітне поля в трубці мають контролюватися відповідно в межах 10 мВ та 1 нТл.

Однорідність роботи виходу трубки можна контролювати за допомогою атомно-силового мікроскопа з зондом Кельвіна. Магнітне поле можна вимірювати за допомогою ферозондового компаса. Високі частоти пасивно екрануються та заглушуються радаропоглинальним матеріалом. Для генерації довільних низькочастотних полів екран розділяється на пластини (що перекриваються та з'єднані конденсаторами), з напругою зміщення на кожній пластині та струмом зміщення в котушці за пластиною, магнітний потік якої замикається зовнішнім осердям. У такий спосіб трубку можна налаштувати для роботи як слабка ахроматична квадрупольна лінза з апертурою, а також із ґратчастим і детектором із лінією затримки в дифракційній площині для проведення вимірювань із розділенням за кутом. Змінюючи поле, можна змінювати кут поля зору, а дефлектувальне зміщення можна накладати для сканування всіх кутів.

Якщо детектор із лінією затримки не використовується, фокусування йонів на детекторі можна здійснити за допомогою двох або трьох лінз Ейнцеля, розміщених у вакуумній трубці між йонним джерелом та детектором.

Зразок слід занурювати в трубку з отворами та апертурами для захисту від стороннього світла та проти нього, щоб проводити магнітні експерименти й контролювати електрони від моменту їхнього виникнення.

• Затримка поширення
• Час затримки