Микросфера, летяща в кухо стъклено влакно може да измерва температурата, вибрациите и електричните полета с висока пространствена разделителна способност са установили учени от Института Макс Планк.
Стъклените влакна могат да се използват не само за пренос на данни. Тяхна по-особена разновидност може да играе ролята на многофункционален сензор с висока прецизност, както показват учени от Института Макс Планк за светлинна физика в Ерланген. В кухите фотонни кристални влакна те пускат микроскопична стъклена сфера, която има способността да възприема различни физични величини като електрично поле, температура или вибрации. С голяма точност за местоположението летящата частица систематизира данните за измерените величини в участъци със значителна дължина дори и при неблагоприятни условия като напр. в агресивна химична субстанция или във вътрешността на нефтопровод.
„В началото идеята беше разработване на сензор за отчитане радиоактивността във вътрешността на атомна електроцентрала“, разказва Таймен Ойзер от Института Макс Планк в Ерланген. За подобни цели често се използват стъклени влакна, изпълняващи ролята на оптични сензори. В конкретния случай се измерва по какъв начин се влияе от външни фактори светлинен лъч, пропуснат през влакното. С подобен влакно-оптичен сензор една физична величина може да бъде измерена и от разстояние. За измерване радиоактивността в ядрен реактор се препоръчва използването на влакно-оптичен сензор, понеже той може да обхване цялата повърхност, когато влакното бъде навито около реактора. Но както се оказва, радиоактивното лъчение затъмнява вътрешността на обикновените стъклени влакна, в резултат на което вътре не може да се разпространява светлина. Така че тези стъклени влакна отпадат като евентуален инструмент за измерване на радиоактивност.
Стъклените влакна, на които дължим предимно високите стойности при пренос на данни, а с това и бързата интернет-връзка, са снабдени във вътрешността си със стъклен канал с висока чупливост, покрит отгоре с обвивка от стъкло с ниска чупливост. Разликата в индекса на чупливост се грижи за това светлинният лъч да рефлектира на границата със стъклената обвивка. По този начин той остава в сърцевината подобно на водата в тръба и следва протежението на стъкленото влакно, дори ако то прави завои.
Два лазерни лъча направляват микросферата през кухо стъклено влакно
Обратно на това във фотонните кристални влакна (PCF), открити преди около 20 години от Филип Ръсел, директор на Института Макс Планк за светлинна физика, вътрешният канал е кух и по правило пълен с въздух. По цялата си дължина този кух канал е ограден от други кухи канали. Диаметърът на тези канали е само няколко пъти по-голям от дължината на светлинната вълна. Така каналите влияят върху разпространението на светлината. По-точно казано, те задържат светлина във вътрешния канал – подобно на някои специфични видове стъкло, разположени в обикновени видове стъкло. Но особените свойства на фотонните кристали правят възможни някои приложения, които са невъзможни при използване на обичайните стъклени влакна.
За екипа на Таймен Ойзер и Филип Ръсел от решаващо значение се оказва кухата сърцевина на влакната. Тъй като запълненото с въздух празно пространство не може да бъде затъмнено от радиоактивното лъчение, във фотонните кристални влакна те виждат интересна алтернатива на конвенционалните влакно-оптични сензори с оглед измерване на радиоактивност като краен резултат.
Дали фотонните кристални влакна принципно са подходящи за ролята на сензори, физиците от Ерланген проверяват, като първо използват влакната за измерване на електрични полета, вибрации и температура.
Като измервателна сонда те използват микроскопична стъклена сфера, която преминава през тънкия само няколко хилядни от милиметъра кух канал на кристалното влакно. За целта те пропускат през канала по един лазерен лъч от двата края на влакното. Сферата отразява светлината подобно на микроскопично огледало и вследствие сблъсъка на светлинните частици от двете страни получава натиск. При различна мощност на двата лазерни лъча сферата получава по-голям натиск от едната страна и така се движи с определена скорост през влакното. Подобно на осветяващата лампа при плоските скенери частицата може да регистрира определена величина по протежение на стъкленото влакно.
В условия на силно електрично поле през влакното навлиза по-малко светлина
За да измерят силата на дадено електрично поле, учените от Ерланген използват свойството на микросферата да се наелектризира при триене в други сферични частици. След което започва нейното пътешествие в кухото влакно. Така в електрично поле сферата бива отклонена от средата на канала към външната му част, като по този начин тя отразява по-голямо количество лазерна светлина, отколкото в нормална позиция. Това отслабване на светлината се измерва от фотодиод, разположен в единия край на влакното. Загубата е правопропорционална на силата на електричното поле, което по този начин се измерва от разстояние.
За да установят колко добра може да бъде разделителната способност при измерване пространственото разпределение на силата на полето при използване на летящата сфера, учените прокарват стъкленото влакно покрай много фини електроди, най-тънкият от които е само 200 микрометра (1 микрометър е равен на 1 хилядна от милиметъра). И наистина, със своя влакно-оптичен измервателен уред учените успяват прецизно да изобразят фината структура на електродите. „По същия начин с изключителна точност биха могли с помощта на магнитни сфери да се измерват магнитни полета“, обяснява Дмитри Бяков, докторант в Института Макс Планк в Ерланген и водещ автор на студията. По същия начин подлежат на определяне и вибрации, тъй като те също отклоняват частицата от средата на влакното. Електричните полета и вибрациите се различават в зависимост от поведението на различно заредени сферични частици.
Бяков и колегите му демонстрират още, че техните фотонни кристални влакна могат да измерват и температура. За целта те използват обстоятелството, че с покачване на температурата плътността на въздуха намалява и така частицата увеличава скоростта си при движение в канала на влакното. За да измерят скоростта, физиците облъчват сферата с допълнителна слаба лазерна светлина. При това те използват ефекта на Доплер, познат ни от преминаващите автомобили. Издаваните от тях звуци са по-високи (с по-голяма честота), когато се доближават към нас и стават по-ниски (с по-малка честота) с отдалечаването им от нас. Поведението на светлинната вълна е подобно на това на звуковата, когато тя се излъчва от движещи се обекти.
От флуоресцираща сфера до сензор за радиоактивност
При своя експеримент изследователите нагряват с печка част от влакното до температура от няколко стотин градуса по Целзий. Тези температури те успяват да измерят с точност до около 5 градуса. При този метод поради колебания в скоростта точността на местоположението се разминава само с няколко сантиметра. „Чрез въртяща се частица, чиято ротационна честота зависи от плътността на въздуха, измерванията биха могли да бъдат направени дори с точност до микрометър“, споделя Ойзер.
„Следващата ни цел е реализирането на сензора за радиоактивност“, казва Бяков. За целта учените възнамеряват да използват флуоресциращи сфери, които да излъчват абсорбираното радиоактивно лъчение под формата на видима светлина. Тогава промените в интензитета на флуоресценцията ще предоставят информация за степента на радиоактивност на мястото, на което се намира сферата.
Бяков вижда голям потенциал в новата технология. Теоретично разделителната способност на определено място е ограничена единствено от големината на частиците. При използване на наночастици измерването ще бъде възможно с точност до нанометър. Към момента максималната дължина на сензорното влакно е около 400м. При преминаване през фотонно кристално влакно лазерната светлина отбелязва загуби, поради което над определено разстояние стъклените сфери не подлежат на контролиране. Има обаче и фотонни кристални влакна със значително по-малки загуби. С тяхна помощ обхватът на сензорите с оптични влакна може да бъде увеличен до десетки километри.
Таймен Ойзер вижда в бъдеще многобройни възможности на приложение, особено когато се налагат измервания при неблагоприятни условия и на големи разстояния. „Пример за евентуално приложение са нефтопроводите“, обяснява физикът. Измерванията на вибрациите на един ранен етап могат да предотвратят евентуални щети при саботаж например. Сензорите могат да бъдат полезни и при високоволтовите електропроводи или трансформаторните станции. Така в тези съоръжения с един измервателен инструмент ще могат да бъдат дефинирани стойностите на три много важни за тези инсталации величини, а именно електрично поле, вибрации и температура.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари