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Hora del vuelo

Principios básicos del tiempo de vuelo aplicados a la medición de distancias por láser. El tiempo de vuelo ( ToF ) es la medición del tiempo que tarda un objeto, partícula u ond...

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Principios básicos del tiempo de vuelo aplicados a la medición de distancias por láser.

El tiempo de vuelo ( ToF ) es la medición del tiempo que tarda un objeto, partícula u onda (ya sea acústica, electromagnética, etc.) en recorrer una distancia a través de un medio. Esta información se puede utilizar para medir la velocidad o la longitud del recorrido, o para conocer las propiedades de la partícula o del medio (como la composición o el caudal). El objeto en movimiento se puede detectar directamente (tiempo de vuelo directo, dToF , por ejemplo, mediante un detector de iones en espectrometría de masas) o indirectamente (tiempo de vuelo indirecto, iToF , por ejemplo, mediante la luz dispersada por un objeto en velocimetría láser Doppler ). La tecnología de tiempo de vuelo ha encontrado aplicaciones valiosas en la monitorización y caracterización de materiales y biomateriales, incluidos los hidrogeles. [ 1 ] [ 2 ]

Descripción general

En electrónica , uno de los primeros dispositivos que utiliza este principio son los dispositivos de medición de distancia ultrasónicos, que emiten un pulso ultrasónico y pueden medir la distancia a un objeto sólido basándose en el tiempo que tarda la onda en rebotar de vuelta al emisor. El método ToF también se utiliza para estimar la movilidad de los electrones . Originalmente, se diseñó para la medición de películas delgadas de baja conductividad, y posteriormente se ajustó para semiconductores comunes. Esta técnica experimental se utiliza para estructuras metal-dieléctrico-metal [ 3 ] , así como para transistores orgánicos de efecto de campo [ 4 ] . Las cargas en exceso se generan mediante la aplicación del láser o del pulso de voltaje.

Angiografía por resonancia magnética creada mediante el método ToF.

En la angiografía por resonancia magnética (ARM), el método ToF es fundamental. En este método, la sangre que ingresa al área de imagen aún no está saturada, lo que genera una señal mucho mayor al usar un tiempo de eco corto y compensación de flujo. Se puede utilizar para la detección de aneurismas , estenosis o disecciones . [ 5 ]

En la espectrometría de masas de tiempo de vuelo , los iones son acelerados por un campo eléctrico hasta alcanzar la misma energía cinética, y la velocidad del ion depende de la relación masa-carga . Por lo tanto, el tiempo de vuelo se utiliza para medir la velocidad, a partir de la cual se puede determinar la relación masa-carga. [ 6 ] El tiempo de vuelo de los electrones se utiliza para medir su energía cinética. [ 7 ]

En la espectroscopia de infrarrojo cercano , el método ToF se utiliza para medir la longitud del recorrido óptico dependiente del medio en un rango de longitudes de onda ópticas, a partir de lo cual se puede analizar la composición y las propiedades del medio.

En la medición con caudalímetros ultrasónicos , el tiempo de vuelo (ToF) se utiliza para medir la velocidad de propagación de la señal aguas arriba y aguas abajo del flujo de un medio, con el fin de estimar la velocidad total del flujo . Esta medición se realiza en la misma dirección que el flujo.

En la velocimetría Doppler planar ( medición con caudalímetro óptico ), las mediciones de tiempo de vuelo (ToF) se realizan perpendicularmente al flujo, midiendo el momento en que las partículas individuales cruzan dos o más puntos a lo largo del flujo (las mediciones colineales requerirían velocidades de flujo generalmente altas y filtros ópticos de banda extremadamente estrecha).

En interferometría óptica, la diferencia de longitud de trayectoria entre los brazos de muestra y de referencia se puede medir mediante métodos de tiempo de vuelo (ToF), como la modulación de frecuencia seguida de la medición del desplazamiento de fase o la correlación cruzada de señales. Estos métodos se utilizan en sistemas de radar láser y de seguimiento láser para la medición de distancias de alcance medio y largo.

En la técnica de dispersión de neutrones por tiempo de vuelo , un haz de neutrones monocromático pulsado se dispersa al interactuar con una muestra. El espectro de energía de los neutrones dispersados ​​se mide mediante el tiempo de vuelo.

En cinemática , el tiempo de vuelo (ToF) es la duración durante la cual un proyectil viaja por el aire. Dada la velocidad inicialtú{\displaystyle u}de una partícula lanzada desde el suelo, la aceleración hacia abajo (es decir, gravitacional)a{\displaystyle a}y el ángulo de proyección del proyectil θ (medido con respecto a la horizontal), entonces una simple reordenación de la ecuación SUVAT

s=vt−12at2{\displaystyle s=vt-{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}at^{2}}

da como resultado esta ecuación

t=2vpecado⁡θa{\displaystyle t={\frac {2v\sin \theta }{a}}}

para el tiempo de vuelo de un proyectil.

En espectrometría de masas

Trampa de iones Shimadzu ToF

El principio de tiempo de vuelo se puede aplicar a la espectrometría de masas . Los iones son acelerados por un campo eléctrico de intensidad conocida. Esta aceleración da como resultado que un ion tenga la misma energía cinética que cualquier otro ion que tenga la misma carga. La velocidad del ion depende de la relación masa-carga . Se mide el tiempo que tarda la partícula en llegar a un detector a una distancia conocida. Este tiempo dependerá de la relación masa-carga de la partícula (las partículas más pesadas alcanzan velocidades menores). A partir de este tiempo y de los parámetros experimentales conocidos, se puede encontrar la relación masa-carga del ion. El tiempo transcurrido desde el instante en que una partícula sale de una fuente hasta el instante en que llega a un detector.

En los medidores de flujo

Un caudalímetro ultrasónico mide la velocidad de un líquido o gas a través de una tubería mediante sensores acústicos. Esto presenta algunas ventajas sobre otras técnicas de medición. Los resultados se ven ligeramente afectados por la temperatura, la densidad o la conductividad. El mantenimiento es económico porque no hay piezas móviles . Los caudalímetros ultrasónicos se presentan en tres tipos diferentes: caudalímetros de transmisión (tiempo de tránsito contrapropagante), caudalímetros de reflexión (Doppler) y caudalímetros de canal abierto. Los caudalímetros de tiempo de tránsito funcionan midiendo la diferencia de tiempo entre un pulso ultrasónico enviado en la dirección del flujo y un pulso ultrasónico enviado en la dirección opuesta. Los caudalímetros Doppler miden el desplazamiento Doppler resultante de la reflexión de un haz ultrasónico en partículas pequeñas en el fluido, burbujas de aire en el fluido o la turbulencia del fluido en movimiento. Los caudalímetros de canal abierto miden los niveles aguas arriba frente a canales o vertederos .

Los sensores ópticos de tiempo de vuelo constan de dos haces de luz proyectados en el fluido, cuya detección se interrumpe o se activa por el paso de pequeñas partículas (que se supone que siguen el flujo). Esto es similar a los haces ópticos utilizados como dispositivos de seguridad en puertas de garaje motorizadas o como disparadores en sistemas de alarma. La velocidad de las partículas se calcula conociendo la distancia entre los dos haces. Si solo hay un detector, la diferencia de tiempo se puede medir mediante autocorrelación . Si hay dos detectores, uno para cada haz, también se puede conocer la dirección. Dado que la ubicación de los haces es relativamente fácil de determinar, la precisión de la medición depende principalmente de lo pequeño que se pueda hacer el montaje. Si los haces están demasiado separados, el flujo podría cambiar sustancialmente entre ellos, por lo que la medición se convierte en un promedio en ese espacio. Además, varias partículas podrían estar entre ellos en un momento dado, lo que corrompería la señal, ya que las partículas son indistinguibles. Para que un sensor de este tipo proporcione datos válidos, debe ser pequeño en relación con la escala del flujo y la densidad de siembra. Los enfoques MOEMS producen paquetes extremadamente pequeños, lo que hace que dichos sensores sean aplicables en una variedad de situaciones. [ 8 ]

En física

Por lo general, el tubo de tiempo de vuelo utilizado en la espectrometría de masas es elogiado por su simplicidad, pero para mediciones de precisión de partículas cargadas de baja energía, el campo eléctrico y el campo magnético en el tubo deben controlarse con una precisión de 10 mV y 1 nT, respectivamente.

La homogeneidad de la función de trabajo del tubo se puede controlar mediante una sonda Kelvin . El campo magnético se puede medir con una brújula de flujo magnético . Las altas frecuencias se apantallan y amortiguan pasivamente con material absorbente de radar . Para generar un campo de frecuencias bajas arbitrarias, la pantalla se divide en placas (superpuestas y conectadas por condensadores) con una tensión de polarización en cada placa y una corriente de polarización en la bobina situada detrás de la placa, cuyo flujo se cierra mediante un núcleo externo. De este modo, el tubo se puede configurar para que actúe como una lente cuadrupolar acromática débil con una apertura con rejilla y un detector de línea de retardo en el plano de difracción para realizar mediciones con resolución angular. Al cambiar el campo, se puede cambiar el ángulo del campo de visión y se puede superponer una polarización deflectora para escanear todos los ángulos.

Cuando no se utiliza un detector de línea de retardo, el enfoque de los iones sobre un detector se puede lograr mediante el uso de dos o tres lentes Einzel colocadas en el tubo de vacío ubicado entre la fuente de iones y el detector.

La muestra debe sumergirse en el tubo con orificios y aberturas para permitir y evitar la entrada de luz dispersa, con el fin de realizar experimentos magnéticos y controlar los electrones desde su punto de partida.

Cámara

Tiempo de vuelo de un pulso de luz que se refleja en un objetivo.

Una cámara de tiempo de vuelo (cámara ToF), también conocida como sensor de tiempo de vuelo (sensor ToF), es un sistema de cámara de imágenes de rango para medir distancias entre la cámara y el sujeto para cada punto de la imagen basándose en el tiempo de vuelo , el tiempo de ida y vuelta de una señal de luz artificial, proporcionada por un láser o un LED . Las cámaras de tiempo de vuelo basadas en láser son parte de una clase más amplia de LIDAR sin escáner , en la que toda la escena se captura con cada pulso láser, a diferencia de punto por punto con un haz láser como en los sistemas LIDAR de escaneo. [ 9 ] Los productos de cámaras de tiempo de vuelo para aplicaciones civiles comenzaron a surgir alrededor del año 2000, [ 10 ] cuando los procesos de semiconductores permitieron la producción de componentes lo suficientemente rápido para tales dispositivos. Los sistemas cubren rangos de unos pocos centímetros hasta varios kilómetros.

Detector

Un detector de tiempo de vuelo (TOF) es un detector de partículas que puede discriminar entre una partícula elemental más ligera y otra más pesada del mismo momento utilizando su tiempo de vuelo entre dos centelleadores . [ 11 ] El primero de los centelleadores activa un reloj al ser golpeado, mientras que el otro lo detiene al ser golpeado. Si las dos masas se denotan pormetro1{\displaystyle m_{1}}ymetro2{\displaystyle m_{2}}y tienen velocidadesv1{\displaystyle v_{1}}yv2{\displaystyle v_{2}}Entonces, la diferencia de tiempo de vuelo viene dada por

Δt=L(1v1−1v2)≈Ldo2pag2(metro12−metro22){\displaystyle \Delta t=L\left({\frac {1}{v_{1}}}-{\frac {1}{v_{2}}}\right)\approx {\frac {Lc}{2p^{2}}}(m_{1}^{2}-m_{2}^{2})}

dóndeL{\displaystyle L}es la distancia entre los centelleadores. La aproximación se realiza en el límite relativista en el momentopag{\displaystyle p}ydo{\displaystyle c}denota la velocidad de la luz en el vacío.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lamanna, Leonardo; Rizzi, Francisco; Demitri, cristiano; Pisanello, Marco; Scarpa, Elisa; Qualtieri, Antonio; Sannino, Alessandro; De Vittorio, Massimo (1 de agosto de 2018). "Determinación de las propiedades estructurales y de absorción del hidrogel a base de celulosa mediante un enfoque ultrasónico de tiempo de vuelo de pulso-eco" . Celulosa . 25 (8): 4331– 4343. doi : 10.1007/s10570-018-1874-4 . ISSN 1572-882X . 
  2. ↑ Maffezzoli, A.; Luprano, AM; Montagna, G.; Nicolais, L. (1998-01-31). "Caracterización ultrasónica de la sorción de agua en hidrogeles de poli(2-hidroxietil metacrilato)" . Journal of Applied Polymer Science . 67 (5): 823– 831. doi : 10.1002/(SICI)1097-4628(19980131)67:5 < 823::AID-APP7 > 3.0.CO ; 2-V . ISSN 0021-8995 . 
  3. ↑ RG Kepler (1960). "Producción y movilidad de portadores de carga en cristales de antraceno". Phys. Rev. 119 ( 4): 1226. Bibcode : 1960PhRv..119.1226K . doi : 10.1103/PhysRev.119.1226 .
  4. ↑ M. Weis; J. Lin; D. Taguchi; T. Manaka; M. Iwamot (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistores orgánicos de efecto de campo: el método de tiempo de vuelo". J. Phys. Chem. C . 113 (43): 18459. doi : 10.1021/jp908381b .
  5. ↑ "Angiografía por resonancia magnética (ARM)" . Hospital Johns Hopkins . Consultado el 15 de octubre de 2017 .
  6. ↑ Cotter, Robert J. (1994). Espectrometría de masas por tiempo de vuelo . Columbus, OH: American Chemical Society . ISBN 0-8412-3474-4.
  7. ↑ Técnicas de tiempo de vuelo para la investigación de las distribuciones de energía cinética de iones y neutros desorbidos por excitaciones del núcleo
  8. ↑ Modarress, D.; Svitek, P.; Modarress, K.; Wilson, D. (julio de 2006). Sensores microópticos para estudios de flujo de capa límite (PDF) . Reunión de verano conjunta de ingeniería de fluidos de la ASME de EE. UU. y Europa de 2006. págs. 1037–1044 . doi : 10.1115/FEDSM2006-98556 . ISBN  0-7918-4751-9.
  9. ↑ Iddan, Gavriel J. ; Yahav, Giora (2001-01-24). "Imágenes 3D en el estudio (y en otros lugares…)" (PDF) . Actas de SPIE . Vol. 4298. San José, CA: SPIE (publicado el 29-04-2003). p. 48. doi : 10.1117/12.424913 . Archivado del original (PDF) el 12-06-2009 . Recuperado el 17-08-2009 . La cámara [de tiempo de vuelo] pertenece a un grupo más amplio de sensores conocidos como LIDAR sin escáner (es decir, radar láser sin escáner mecánico); un ejemplo temprano [1990] es [Marion W.] Scott y sus seguidores en Sandia.  
  10. ↑ "Evolución del producto" . 3DV Systems. Archivado del original el 28 de febrero de 2009. Consultado el 19 de febrero de 2009. Z -Cam, la primera cámara de vídeo de profundidad, se lanzó en 2000 y estaba dirigida principalmente a organizaciones de radiodifusión.
  11. ↑ "Detector TOF | Hamamatsu Photonics" . hep.hamamatsu.com . Consultado el 25/11/2024 .