Проточна кювета для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки

1. Проточна кювета для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, що містить корпус, вікно для введення зондувального випромінювання, вікно для реєстрації розсіяного світла, оптичну пастку для погашення променя зондувального випромінювання, яка відрізняється тим, що корпус додатково містить робочу камеру у вигляді циліндричної порожнини, вісь якої співвісна із вікном для реєстрації розсіяного світла та перпендикулярна до оптичної осі вікна для введення зондувального випромінювання, отвір, який співвісно із вікном для введення зондувального випромінювання з'єднує робочу камеру з оптичною пасткою, причому оптична пастка виготовлена у корпусі у вигляді циліндричної порожнини, вісь якої взаємно перпендикулярна до напрямку поширення зондувального випромінювання та осі циліндричної поверхні робочої камери і зміщена відносно осі напрямку поширення зондувального випромінювання вздовж осі циліндричної поверхні робочої камери на 5-10 мм, отвір із різьбою, що з'єднує нижню частину робочої камери із нижньою стінкою корпусу, отвір, що з'єднує верхню частину робочої камери із боковою стінкою корпусу, протилежною до вікна для введення випромінювання, отвір у вигляді зрізаного конуса, що з'єднує верхню частину робочої камери із U 2 UA 1 мікробіологічній, промисловості. [патент США apparatus" від скляний круглий 3 циліндр, основи якого паралельні між собою. Для протоку рідини всередині скляного циліндра виточений циліндричний канал, вісь якого проходить через центри основ по висоті циліндра і паралельна зовнішній поверхні циліндра. Зовнішня сторона скляного циліндра, на яку падає зондувальне лазерне випромінювання, є площиною перерізу, яка проходить через основи і паралель на оптичній вісі скляного циліндра. Зовнішня сторона скляного циліндра у напрямі, в якому реєструється розсіяне частинками світло, має циліндричну поверхню, утворену шляхом вирізання в об'ємі скляного циліндра вторинного циліндра, оптична вісь якого є одночасно перпендикулярна до оптичної осі проточного капіляру, напрямку реєстрації розсіяного частинками світла та паралельна до нормалі поверхні площини, на яку падає зондувальне випромінювання. При цьому оптична вісь вторинного циліндра лежить в одній площині із напрямком реєстрації розсіяного світла. Зона реєстрації частинок у кюветі формується на перетині напрямків поширення зондувального та реєструючого випромінювання з оптичною віссю проточного каналу, для кювети даного типу рівний 10-15м3, та визначається радіусом проточного каналу і геометричними розмірами циліндричної виїмки на поверхні скляного циліндру. Радіус вторинного циліндра, який утворює циліндричну виїмку на боковій стороні скляного циліндра, значно більший за радіус отвору циліндричного каналу, по якому протікає досліджувана рідина. Його чисельне значення визначається технічними розрахунками згідно вимог до формування зони реєстрації частинок шляхом врахування показників заломлення реєстрованих частинок та матеріалу кювети, геометричних розмірів кювети і аберацій світлових променів, зумовлених розсіяними частинками у зоні реєстрації. Недолік - технологія виготовлення кювети включає операції вирізання самої кювети з моноблочного шматка оптичного матеріалу з показником заломлення близьким до показника заломлення рідини, шліфування та полірування до оптичного класу чистоти поверхонь скляної кювети, що збільшує трудомісткість та собівартість її виготовлення, а в цілому знижує експлуатаційну і економічну ефективність об'єкту. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є проточна кювета, що містить корпус, на якому кріпиться вікно для введення лазерного випромінювання, співвісно до нього під кутом 180 градусів до корпусу кювети кріпиться оптична пастка із дзеркаль ною внутрішньою поверхнею і зовнішньою поверхнею, покритою чорною фарбою для погашення розсіяного випромінювання. Під кутом 90 градусів до зони реєстрації частинок у корпусі кріпиться вікно для реєстрації розсіяного світла, на яке до корпусу кювети кріпиться кожух фотоелектронного помножувача. Співвісно під кутом 180 градусів до вікна для реєстрації розсіяного світла до корпусу кювети кріпиться друга оптична пастка із дзеркальною внутрішньою поверхнею і зовнішньою поверхнею, покритою чорною 30016 4 поверхнею, покритою чорною фарбою для погашення розсіяного випромінювання, через яку виводиться потік досліджуваної речовини, наприклад потік аерозолі. Потік досліджуваної речовини вводиться співвісно із напрямком поширення лазерного променя через перший вхідний патрубок, який кріпиться на корпусі кювети. Потік аерозолі гідродинамічно фокусується у центрі зони реєстрації мікрочастинок шляхом створення обтікаючого потік аерозолі потоку чистого повітря , який вводиться через другий вхідний патрубок, закріплений на корпусі, співвісно до напрямку поширення потоку аерозолі, та виводиться через оптичну пастку. Зона реєстрації мікрочастинок у кюветі формується зовнішньою оптичною системою на перетині оптичних осей зі сторони вікна для реєстрації розсіяного світла та зі сторони вікна для реєстрації розсіяного світла з боку фотоелектронного помножувача зовнішніми оптичними фокусуючими системами. Захист від впливу зовнішнього світла здійснюється шляхом уміщення корпусу у зачорнений кожух [Суда К. Прибор для анализа распределений размеров субмикронных частиц по рассеянию света. // Приборы для научных исследований. - 1980. - №8. С.32-42]. Загальними суттєвими ознаками відомого та приладу, що заявляється, є наявність потоку досліджуваної речовини, корпусу, вікна для введення зондувального лазерного випромінювання, співвісно до нього під кутом 180 градусів розміщеної оптичної пастки для погашення променя зондувального випромінювання та розміщеної співвісно під кутом 90 градусів до зони реєстрації частинок вікна для реєстрації розсіяного світла. При роботі відомого приладу зондувальне лазерне випромінювання поширюється у потоці досліджуваної речовини. Його поширення супроводжується появою оптичного мерехтіння по напрямку поширення зондувального світлового потоку внаслідок розсіяння світла на мікрочастинках у досліджуваній речовині. Дані світлові сигнали реєструються фотоелектронним помнож увачем як шумові сигнали, які не несуть інформацію про досліджувані мікрочастинки, а їх позбавлення вимагає спеціальних алгоритмів та електронних схем обробки реєстрованого сигналу. Тому відома кювета конструктивно складна, передбачає наявність двох оптичних пасток для послаблення розсіяного світла, а також передбачає уміщення у світлонепроникливий кожух. Конструктивна складність відомої кювети робить процес її виготовлення трудомістким, що, як наслідок, збільшує її кінцевукорисної моделі поставлене В основу вартість. завдання удосконалити конструкцію проточної кювети для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, шляхом модифікації конструкції корпусу кювети таким чином, щоб зондуваль ний лазерний промінь поширювався у досліджуваному середовищі, при цьому перетинав потік досліджуваної рідини лише у зоні реєстрації мікрочастинок, що дасть змогу позбутись оптичного мерехтіння по напрямку 5 поширення зондувального світлового потоку внаслідок розсіяння світла на мікрочастинках у досліджуваній речовині із-за відсутності градієнтів оптичних показників заломлення, та спростить алгоритм та схеми обробки реєстрованих світлових сигналів, збільшить точність та однозначність вимірів, зменшить трудомісткість та вартість виготовлення кювети. Поставлена задача вирішується тим, що у проточній кюветі для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, що містить корпус, вікно для введення зондувального випромінювання, вікно для реєстрації розсіяного світла, оптичну пастку для погашення променя зондувального випромінювання, відповідно до винаходу, що корпус додатково містить робочу камеру у вигляді циліндричної порож нини, вісь якої співвісна із вікном д ля реєстрації розсіяного світла та перпендикулярна до оптичної осі вікна для введення зондувального випромінювання, отвір, який співвісно із вікном для введення зондувального випромінювання з'єднує робочу камеру з оптичною пасткою, причому оптична пастка виготовлена у корпусі у вигляді циліндричної порожнини, вісь якої взаємно перпендикулярна до напрямку поширення зондувального випромінювання та осі циліндричної поверхні робочої камери і зміщена відносно осі напрямку поширення зондувального випромінювання вздовж осі циліндричної поверхні робочої камери на 5-10мм, отвір із різьбою, що з'єднує нижню частину робочої камери із нижньою стінкою корпусу, отвір, що з'єднує верхню частину робочої камери із боковою стінкою корпусу, протилежною до вікна для введення випромінювання, отвір у вигляді зрізаного конусу, що з'єднує верхню частину робочої камери із боковою стінкою корпусу, на якій закріплене вікно для введення зондувального випромінювання, причому вісь конуса співпадає з напрямком поширення зондувального випромінювання, а вершина конуса співпадає з центром вікна для введення зондувального випромінювання, отвір з різьбою, що з'єднує нижню частину оптичної пастки із нижньою стінкою корпусу, отвір, що з'єднує верхню частину оптичної пастки із отвором між робочою камерою та боковою стінкою корпусу, чотири наскрізні отвори, симетричні та паралельні осі циліндричної поверхні робочої камери, які з'єднують протилежні бокові стінки корпусу, вхідний штуцер, який з'єднаний різьбовим з'єднанням із отвором у нижній частині робочої камери так, що продовження вхідного отвору штуцера перетинає точку перетину осей симетрії вікон кювети, верхній та нижній вихідні штуцери, причому нижній вихідний штуцер, який з'єднаний різьбовим з'єднанням із отвором у нижній частині оптичної пастки, містить обмежуючу діафрагму, а верхній вихідний штуцер запресований у отвір, що з'єднує верхню частину робочої камери із боковою стінкою корпусу, два кронштейни, між якими закріплений корпус, оптичну діафрагму, яка закріплена на кронштейні перед вікном для введення 30016 6 зондувального випромінювання, причому кріплення корпусу із кронштейнами здійснене через чотири наскрізні отвори чотирма гвинтами, а кріплення верхнього вихідного штуцера здійснене гайкою до кронштейну, причому корпус та штуцери виготовлені із хімічно інертного світлопоглинаючого матеріалу чорного фторопласту або ебоніту. Запропонована конструкція корпусу проточної кювети передбачає розміщення його елементів так, щоб вікно для реєстрації розсіяного світла знаходилось в області геометричної тіні для світла, розсіяного на вікні для введення зондувального випромінювання, оптична пастка для погашення променя зондувального випромінювання міститься по шляху променя у середині корпусу кювети, а задня стінка робочої камери знаходиться в області геометричної тіні для світла, розсіяного на вікні для введення зондувального випромінювання. Подача рідини сконструйована так, що досліджувана рідина заповнює порожнини корпусу кювети, а потік даної рідини переміщається в досліджуваному середовищі, перетинаючи при цьому зондуючий промінь під кутом 90 градусів. Поширення зондуваль ного променя світла у рідинному середовищі із-за відсутності значних градієнтів оптичних показників заломлення між досліджуваними частками та рідиною призводить до відсутності оптичного мерехтіння по напрямку поширення зондувального променя, а світлопоглинаючий матеріал корпусу кювети забезпечує поглинання квантів розсіяного світла. Вказані конструктивні доробки забезпечують реєстрацію оптичного сигналу, складові якого є розсіяне досліджуваними мікрочастками світло та інтенсивність молекулярного розсіяння світла досліджуваними рідинами. Це забезпечує зменшення рівня шумів на виході фотоприймача, а тому спрощується алгоритм та схема обробки реєстрованих світлових сигналів, збільшується точність та однозначність їх вимірів. Фіг.1-3 - загальний вигляд проточної кювети для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, зображений у проекціях, де 1 - корпус, 2 - кронштейн, 3 кронштейн, 4 - оптична діафрагма, 5 - вікно для введення зондувального випромінювання, 6 - вікно для реєстрації розсіяного світла, 7 - вхідний штуцер, 8 - верхній вихідний штуцер, 9 - нижній вихідний штуцер, 10 - робоча камера, 11 - оптична пастка, 12 отвір у вигляді зрізаного конусу, 13 циліндричний отвір, 14 - отвір для зливу рідини, 15 отвір, 16 - обмежуюча діафрагма, 17 - шайба, 18 гайка, 19 - гайка, 20 - металева шайба, 21 прокладка, 22 - гайка, 23 - гвинт, 24 - прокладка, 25 - наскрізний отвір, 26 - гвинт. Проточна кювета для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, у високо чистих рідинах містить корпус 1, два кронштейни 2 і 3, оптична діафрагма 4, вікно для введення зондувального випромінювання 5, вікно для реєстрації розсіяного світла 6, вхідний штуцер 7, верхній вихідний штуцер 8, нижній вихідний штуцер 9. У корпусі виточена циліндрична робоча камера 10, розміщена співвісно із вікном для 7 реєстрації розсіяного світла та симетрично щодо вікна для введення зондувального випромінювання, оптична пастка 11 у вигляді циліндричної порожнини, вісь якої взаємно перпендикулярна до напрямку поширення зондувального випромінювання та осі циліндричної поверхні робочої камери і зміщена відносно осі напрямку поширення зондувального випромінювання вздовж осі циліндричної поверхні робочої камери. Для подачі досліджуваної рідин в нижній частині корпусу виконано отвір із різьбою, з яким різьбовим з'єднанням поєднаний вхідний штуцер 7 так, що продовження вхідного отвору штуцера перетинає точку перетину осей симетрії вікон кювети. Співвісно із вікном для введення зондувального випромінювання 5 та напрямком поширення зондувального світлового випромінювання у корпусі виконані отвір 12 у вигляді зрізаного конусу, який з'єднує вікно для введення зондуваль ного випромінювання та робочу камеру, і циліндричний отвір 13, який є продовженням отвору 12, і з'єднує протилежну бокову стінку робочої камери із оптичною пасткою. При цьому діаметр отвору 13 зі сторони робочої камери принаймні у двічі більший за діаметр того ж отвору зі сторони оптичної пастки. Для зливу досліджуваної рідини у верхній частині робочої камери виконаний отвір 14, який з'єднує робочу камеру із боковою стінкою корпусу, протилежною до вхідного вікна. Для виходу повітря у процесі заповнення простору оптичної пастки рідиною у верхній частині пастки зроблено отвір 15, що з'єднує пастку із отвором для зливу рідини 14. Для зливу досліджуваної рідини із оптичної пастки у її нижній частині корпусу кювети виконано отвір з різьбою, з яким різьбовим з'єднанням поєднаний нижній вихідний штуцер 9, що який містить обмежуючу діафрагму 16. Забезпечення герметизації з'єднання вхідного штуцера 7 та нижнього вихідного штуцера 9 з корпусом кювети здійснюється за допомогою шайб 17 і гайок 18. Діаметри отворів 14, 15 та обмежуючої діафрагми 16 задані співвідношенням: d>d1>d2, де d - діаметр отвору 14 для зливу рідини з робочої камери, d1 - діаметр отвору 15 для випуску повітря із оптичної пастки, d2 - діаметр отвору обмежуючої діафрагми. Верхній вихідний штуцер 8 запресований через отвір 14 у корпус кювети та з'єднаний з кронштейном 2 за допомогою гайки 19 і металевої шайби 20. Вікно для введення зондувального випромінювання 5 поєднане з корпусом кювети шляхом встановлення у виїмку, яку зроблена на лицьовій стороні корпусу кювети, та фіксацією зверху через герметичну прокладку 21 гайкою 22, яка вкручується у кронштейн 2. Для обмеження зондувального випромінювання перед вікном співвісно із ним розміщена оптична діафрагма 4, яка гвинтом 23 з'єднана із кронштейном 2. Вікно для реєстрації розсіяного світла 6 поєднане з корпусом кювети шляхом встановлення його у виїмку, яку зроблена на лицьовій стороні корпусу 30016 8 кювети, та фіксацією зверху через герметичну прокладку 24 внутрішньою поверхнею кронштейну 3. При цьому центри виїмок обох вікон лежать на їх осях симетрії, які перетинаються під кутом 90 градусів у робочій камері корпусу кювети. Вікна виготовлені із матеріалу, оптично прозорого для зондувального світлового випромінювання, та хімічно стійкі для досліджуваних рідин. Зокрема, такими можуть бути сапфір, кварц, оптичне скло. У корпусі кювети симетрично та паралельно осі циліндричної поверхні робочої камери та осі вихідного вікна зроблені чотири наскрізні отвори 26, через які гвинтами 27 поєднані між собою корпус із кронштейнами кювети. Для цього корпус поміщається між кронштейни, виготовленні із металу з почорненою поверхнею, отриманою шляхом її хімічної обробки. Корпус кювети та вхідний і вихідні штуцери виготовлені із хімічно стійкого для досліджуваних рідин світлопоглинаючого матеріалу, такого як пластмаси чорний фторопласт або ебоніт. Роботу кювети мож на проілюструвати наступним прикладом. Рідина, що досліджується, через вхідний штуцер поступає у робочу камеру, заповнює її та всі внутрішні порожнини корпусу кювети і через вихідні патрубки 8 та 9 виводиться назовні. Шляхом вибору швидкості подачі потоку рідини та внутрішнього діаметру вхідного штуцера у робочі камері створюється ламінарний потік досліджуваної рідини, який протікає у досліджуваному рідинному середовищі. Сфокусований лазерний промінь через вікно для введення зондувального випромінювання та заповнені рідиною отвори 12 і 13, робочу камеру, попадає у оптичну пастку, де поглинається стінками корпусу кювети. При цьому зовнішня оптична система створює перетяжку променя, яка знаходиться у центрі робочої камери на місці перетину оптичних осей вікон кювети. Ламінарний потік досліджуваної рідини із завислими частками перетинає лазерний промінь в області перетяжки, утворюючи таким чином зону реєстрації мікрочастинок. Частинки розсіюють світло, яке через вікно для реєстрації розсіяного світла реєструється зовнішнім фотоприймачем. Запропоноване технічне рішення конструкції проточної кювети для реєстрації мікрочастинок у рідинах, підданих високому ступеню очистки, забезпечує проходження зондувального випромінювання так, що світло, розсіяне на вікні для введення випромінювання, потрапляє на задню стінку робочої камери і не потрапляє на бокову і передню стінки, оскільки вони знаходяться в області геометричної тіні. По ходу світлових променів відсутні значні градієнти оптичних показників заломлення, що дозволяє практично позбутись оптичного мерехтіння по напрямку їх поширення. Тому шумовий сигнал фотоприймача створюється лише молекулярним розсіянням рідинного середовища, а це дозволяє спростити алгоритм та схеми обробки реєстрованих світлових сигналів та збільшити точність і однозначність вимірів. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 30016 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601