Методы дифференциального обратного рассеяния и эмиссионной спектроскопии в экспериментальных исследованиях рассеивающих сред и плазмы

• Автор: Тимченко, Павел Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1 Оптические методы контроля многократно рассеивающих сред
1.1 Спектральные методы исследования биологических сред
1.2 Метод дифференциального обратного рассеяния
1.3 Оптические методы контроля легких фракций углеводородов
1.4 Оптические методы исследования кинетики газоразрядной плазмы
Глава 2 Экспериментальные исследования кинетики оптических характеристик
многократно рассеивающих сред при внешнем воздействии
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Изменения спектральной интенсивности обратного рассеяния биологической ткани при лазерном воздействии
2.3 Кинетика обратного рассеяния биологических тканей при внешнем воздействии
2.4 Пространственная локализация изменений оптического состояния биотканей при внешнем воздействии
2.5 Применение метода дифференциального обратного рассеяния для мониторинга
эффективности терапии
Глава 3 Экспериментальные исследования пространственных неоднородностей
многократно рассеивающих сред с помощью метода дифференциального обратного
рассеяния
3.1 Модифицированный экспериментальный стенд
3.2 Исследование закономерностей разрешения неоднородностей на модельных образцах
3.3 Применение метода обратного рассеяния для идентификации поглощающих
неоднородностей в биологических тканях
Глава 4 Контроль состава жидких многократно рассеивающих сред методом
дифференциального обратного рассеяния
4.1 Исследования па модельных средах
4.2 Контроль октанового числа смеси бензинов
Глава 5 Исследование характеристик плазмы незавершённого разряда в воздухе
атмосферного давления методом эмиссионной спектроскопии
5.1 Установка
5.2 Анализ спектра плазмы
5.3 Вращательная структура
5.4 Колебательная температура
5.5 Исследование пространственной структуры плазмы
5.6 Зависимость от характеристик системы возбуждения
Заключение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение
Актуальность работы. Одним из бурно развивающихся направлений современной физики является исследование многократно рассеивающих сред, где акту поглощения фотона предшествует множество актов его рассеяния. К таким средам относятся аэрозоли, биологические ткани, плотные газы и жидкости. Интерес к данному направлению обусловлен возможностью получения целостной информации и многофункциональной диагностики исследуемых объектов по их оптическим характеристикам.
Существующие оптические методы контроля многократно рассеивающих сред подразделяются на диагностические методы (абсорбционные методы [1], спектральный анализ биологических сред [2, 3, 4], бензина [5]), и методы визуализации (спекл-иитерферометрия [6]; метод оптической когерентной томографии [7]). Принцип работы методов визуализации базируется на выделении структурных неоднородностей среды, приводящей к пространственной модуляции ее оптических характеристик. Основная трудность реализации методов визуализации связана с размытием изображения за счет диффузного рассеяния оптического излучения, что существенным образом ограничивает глубину исследуемой среды, на которой удается обеспечить приемлемое разрешение. Диагностические методы, как правило, используют спектральные различия химических компонент многократно рассеивающих сред и основаны на измерении абсолютных значений оптических характеристик исследуемых сред. Однако большая вариабельность химического состава исследуемых сред, перекрытия спектров поглощения различных веществ приводит к значительным трудностям в интерпретации абсолютных измерений.
Большинство практически интересных случаев (лазеротерапия, процессы компаундирования в нефтехимической промышленности и другие) характеризуется наличием внешнего воздействия на многократно рассеивающую среду, которое, в свою очередь, обуславливает наличие кинетических процессов, приводящих к изменению либо химического состава, либо плотности, либо пространственного распределения структурных компонент среды, что в конечном итоге приводит к нестационарности спектральной плотности интенсивности рассеянного излучения. Регистрация и локализация области изменения оптических характеристики среды, а также анализ их функциональных зависимостей от параметров внешнего воздействия дает возможность идентификации наиболее важных параметров исследуемой среды и протекающих в них процессов.
Возможно и качественное изменение спектрально состава регистрируемого излучения при наличии возбужденных молекул вещества. Последний случай реализуется
Глава 2 Экспериментальные исследования кинетики оптических характеристик многократно рассеивающих сред при внешнем воздействии
Как следует из обзора, приведенного в главе 1, одним из наиболее эффективных методов, позволяющих определять параметры многократно рассеивающих сред, является метод обратного рассеяния и флуоресценции. Однако, во многих практически интересных случаях (лазеротерапия, медикаментозное лечение, процессы смешивания) наиболее интересным и диагностически важным является не статическое определение данных параметров, а исследование их изменения при внешнем воздействии. В большинстве известных работ [13, 14, 50, 51, 71] для корректного определения абсолютных параметров среды необходимо использовать излучение достаточно большой интенсивности. В тоже время известно, что интенсивное оптическое излучение приводит к возмущению исследуемой среды, что может приводить к качественному и количественному изменению внутренних кинетических процессов. Следовательно, при изучении кинетики многократно рассеивающих сред принципиальным является развитие метода обратного рассеяния, использующего диагностическое излучение малой интенсивности. Используя данные работ [204-205], можно показать, что для оптического диагностического излучения видимого диапазона спектра возмущения среды пренебрежимо малы при интенсивностях зондирующего излучения не превышающих 0,2 мВт/см2.
Целью данной главы является описание разработанного экспериментального стенда, реализующего метод дифференциального обратного рассеяния для изучения кинетики многократно рассеивающих сред при внешних воздействиях, а также исследование кинетики биологических сред при лазерном и оптическом воздействии. При этом диапазон мощностей лазерного и оптического излучения выбирался в соответствии с нормами, используемыми в лазеротерапии [206-208]. Основные результаты данной главы опубликованы в работах[209*, 210*, 211 *].
2.1 Экспериментальная установка
Для исследования кинетики многократно рассеивающих сред при внешнем воздействии был разработан многофункциональный экспериментальный стенд [181*, 210*], представленный на рисунке 2.1. Он состоит из двух частей, которые условно можно назвать локальным (рисунок 2.1а) и интегральным (рисунок 2.16) детекторами, реализующими алгоритм измерения дифференциального коэффициента обратного рассеяния (1.16) и (1.18) соответственно. Установка имеет раздельные каналы воздействия