安全なリモート ・ ラボを使用して帯電液滴の光の浮上実験

要約

光の浮上は、レーザ光を用いたマイクロ メートル サイズの誘電体を浮上の方法です。コンピューター ・ オートメーション ・ システム、光の浮上実験を利用したをリモートで制御することができます。ここでは、我々 の存在は、リモートで制御される光浮上システムの両方で使用教育および研究目的。

要約

仕事は、光子の圧力、光の回折や電場中の荷電粒子の動きなど、多くの根本的な物理過程の研究を可能にする実験を提示します。この実験では集光レーザー ビーム ポインティング上向きに液滴を浮揚させます。水滴は重力を分散させるレーザー光の光子圧力によって浮上します。レーザー光で照らされたときに作成された回折パターンがトラップされた液滴のサイズを測定できます。閉じ込められた液滴の電荷は、縦向電気フィールドが適用されたときにその動きを研究することによって決定できます。リモートで制御されるをこの実験をやる気にさせる理由はいくつかあります。学部教育研究所で通常利用可能な金額を超えると、セットアップに必要な投資。実験は、皮膚や目に有害であるクラス 4 のレーザーを必要とし、実験使用有害な電圧。

概要

光が勢いを運ぶという事実は、彼はなぜ彗星の尾が常に太陽から離れてポイントを説明するときまずケプラーによって示唆されました。A. Ashkin によって報告された巨視的オブジェクトをトラッピングしレーザーの使用と彼らはマイクロメータを浮揚することが可能であるを示した 1971 年に j. m. Dziedzic サイズ誘電体¹。閉じ込められたオブジェクトにさらされた上方監督レーザー ビーム。レーザー光線の一部は重力を相殺するのに十分だったがそれに放射圧を課されるオブジェクトに反映されます。ただし、光のほとんどは、誘電体のオブジェクトを介して屈折しました。ライトの方向の変更は、オブジェクトの反動を引き起こします。 ガウスビームのプロファイルは、粒子の反跳の純効果は、液滴が最高照度²の地域へ移動することです。したがって、安定したトラッピングの位置が放射圧が重力のバランスをとる焦点の少し上の位置にレーザー光の中心に作成されます。

光浮遊法小物に閉じ込められて、異物と接触することがなく制御されるので、この異なった物理的な現象は浮遊液滴を使用して学ぶことができます。但し、実験は再現していないすべての機関は、必要な機器を買う余裕ができるので、レーザーの実践的な操作で特定のリスクがあるので、学校や大学で適用の 2 つの制限を示します。

リモート研究所 (RLs) は、実験的活動の実際の実験装置にオンラインのリモート アクセスを提供しています。RLs は初めてインターネットの出現で、90 年代の終わりに登場し、技術が進んだ、主要な心配のいくつかは解決³をされていると、その重要性と使用を長年にわたって成長しています。ただし、RLs のコアは同じまま時間をかけて: ラボにアクセス制御し、実験を監視するインターネット接続を備えた電子デバイスの使用。

彼らのリモートの性質のため、そのような実験の実現と関連付けられるかもしれないリスクにさらすことがなく、ユーザーに実験的活動を提供する RLs を使用できます。これらのツールは、実験装置とより多くの時間を費やす学生を許可して、それゆえより良い実験技術を開発します。RLs の他の利点は、1) 容易にしている実験的作業を実行し、次に 2) 大学間 RLs を共有することによって学生に提供される実験のカタログを展開 3) 実験室作業のスケジューリングの柔軟性を高める障害者の帰ってから実行できるので物理学研究所は閉鎖します。最後に、RLs はまたオペレーティング システム、コンピューター制御の研究、開発と業界の重要な部分を今日ある研修を提供します。したがって、RLs は財務と安全性の両方の問題への解決策を提供できないのみ伝統的なラボを現在ももっと面白い実験機会を提供が。

この作業で使用する実験装置、それはサイズを測定し、閉じ込められた液滴の充電、電場中の荷電粒子の運動を調査、放射線源を使用して液滴⁴料金を変更する方法を分析することが可能.

提示実験のセットアップ、強力なレーザーは上向きに指示、ガラス セル⁴の中心に焦点を当てた。レーザーが 2 W 532 nm ダイオード励起固体レーザー (CW)、通常約 1 ワット (W) を使用します。トラップ レンズの焦点距離は 3.0 cm。 液滴ピエゾ液滴ディスペンサーで生成され、レーザーの焦点上だけ引っ掛かるまでレーザー光により下降です。トラップは、上方から力監督放射圧が下方指示重力と等しい場合に発生します。トラップの観察上の時間制限はありません。液滴が閉じ込められている最長時間は 9 時間でその後、オフになっていた罠。ドロップレットとレーザー場の相互作用は、液滴の大きさを決定するために使用される回折パターンを生成します。

ディスペンサーから放出される液滴は 10% グリセロールと 90% 水から成っています。水の一部はすぐに罠で 20 に 30 μ m の大きさで分類されたグリセロール液滴を残して蒸発します。トラップできる液滴の最大サイズは約 40 μ m です。約 10 後に観察された蒸発がない s。この時点で、すべての水が蒸発して期待されます。最小限の吸収があることと、液滴は基本的に常温では観察可能な蒸発は生じない長いトラップ時間を示します。液滴の表面張力は球になります。液滴ディスペンサーによって発生するドロップレットの料金は、どこ彼ら一般に負に帯電する実験室の環境の条件によって異なります。トラップ セルの上下 25 mm 間隔で設置する 2 つの電極で構成されています。彼らは、液滴に垂直電気直流 (DC) または交流電流 (AC) フィールドを適用する使用できます。電界は 1000 ボルト (V) は電極に適用される場合でも、任意の円弧を作成するのに十分ではありません。DC フィールドを使用する場合、液滴によって、上下がレーザ光線で新しい平衡位置に移動します。AC フィールドを適用すると、液滴は、平衡位置のまわり発振します。振動の大きさは、サイズと、電場の強さとレーザー トラップの剛性、液滴の料金によって異なります。液滴の画像は、液滴の垂直方向の位置を追跡することができます位置敏感検出器 (PSD) 上に投影されます。

この作業は、教育・研究の情報と通信技術革新的な RL を通じて物理学の近代的な概念をあらわす帯電液滴の光の浮上の使用を近代化の成功したイニシアチブを示します。図 1は、RL のアーキテクチャを示しています。表 1は、レーザーがそのクラスによると引き起こす可能性が可能な傷害を示していますこの設定で、最も危険なは、クラス IV レーザーが使用されています。それはので、遠隔操作によって提供される安全性は明確にこの実験に適した目に見えるレーザー放射の最大 2.0 W で動作できます。帯電液滴の光学浮揚 RL は 2018年⁵+ ガランらの仕事で発表されました。この作業でどのように使えるオンライン コスト、物流や安全上の問題を懸念することがなく物理学の現代概念に彼らの学生を紹介したい教師を示した。学生は、大学ネットワーク インタラクティブ研究所と呼ばれる web ポータルを通じて RL をアクセス (UNILabs - https://unilabs.dia.uned.es) の実験と実験の使用に関連する理論に関するすべてのドキュメントを見つける彼らすることができますweb アプリケーションを使って設定します。遠隔実験システムの概念を使用して、コストと危険な装置を必要とする現代物理学の実験的作業可能にできる学生の新しいグループに。また、形式的な学習を強化しより多くの検査時間と普通は研究所の外部アクセスできない実験伝統的な学生を提供することによって。

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プロトコル

注: この実験で使用されているレーザーは最大 1 W 目に見えるレーザー放射を提供するクラス IV レーザーです。全員レーザー研究所の存在は、適切なレーザー安全研修を行っている必要があります。

1. 実践的な実験的なプロトコル

1. 安全性
   1. ラボの誰もがレーザーをオンになります注意してくださいいることを確認します。
   2. ラボでレーザー警告ランプを点灯します。
   3. ない時計や金属のリングを着用するか、レーザー眼鏡かけるとをチェックしてください。
   4. 4 光の吸収板、実験に最も近い、場所でことを確認します。
   5. レーザーと障害物に吸収板の間隔を確認します。またトラップ セルとビームの隙間をブロック チェックは、オブジェクトから無料です。
2. ソフトウェアと実験を準備します。
   1. ラボ コンピューターをオンにします。それが動作するように準備ができているまで待ちます。
   2. デスクトップからリモート起動フォルダーを開き、 Main1806.viのアイコンをクリックします。左上隅の矢印を押してプログラムを実行します。
      注:図 2および図 3に示すように、コントロールのプログラム (例えばLabview) が開き、自動的にレーザーと電場の両方電源をオンします。さあ今からこのセクションで参照されるすべてのボタンは、これらの数字に表示されるを参照してください。
   3. 「EJS 変数」、["レーザー リモート Enable2"力をという名前のチェック ボックスをオンし右にレーザー パワー スライドが 25% で終わるので、「レーザー電流 2」を 25 に設定します。ビームがビーム ダンプで終わるようにアライメント レーザー ゴーグルを使用してレーザ光を観察します。ない場合は、ビームのダンプの位置を調整します。
   4. Drops2をチェックし、水滴がレーザービームに陥るまで液滴ディスペンサーのヒントを移動します。図 4の A の文字でマークされた翻訳段階を調整することによってこれを行います。その目的のためゆっくりネジを回す駆動翻訳段階の基地で目的の位置に到達するまで。
      1. 滴を来ていない場合は、ディスペンサーの先端に液滴が表示されるまで注射器でいくつかの圧力を適用されます。慎重にそれを拭き取る (壊れやすいヒント) アセトンの用紙を使用します。水滴来るを開始する必要があります。この場合、ポイント 1.2.4 からやり直します。
   5. レーザー現在 2入力フィールドと液滴の罠を使用しての約 66% にレーザー パワーを上げます。液滴が閉じ込められているとすぐには、 Drops2をオフにします。
      注:図 5は、実験環境でキャプチャされた液滴を示しています。下の緑の点上部の 1 つは、液滴が置かれているセルのガラスでの反射実際の液滴に対応します。この瞬間から PSD にトラップされた液滴を今イメージででしょう。
3. 液滴のサイズを決定します。
   1. PSD の位置はできるだけゼロに近くまでは、レーザー出力を調整します。
      注: 以前のトラップの位置は、レーザー出力やサイズ ・重量に応じて上または下に液滴をトラップことができます。この手順を実行して、液滴の画像を PSD の中央に移動します。
   2. 画面に作成される回折パターン (図 1参照)。下から画面を観察に配置されている web カメラで写真を撮る。
      注: パターンは、閉じ込められた水滴によって回折レーザー光によるものです。
   3. 画像を使用して、ラインからの距離マーク イメージで 1 ~ 2 任意の最小値を決定します。距離は正行マーク 1、否定的な他よりもさらに液滴が場合です。次に、両方の距離を 40 cm を追加します。₁最短と最長₂を呼び出します。液滴のサイズを計算する方程式 1 を使用します。
      (1)
      、 xは画面に液滴からの垂直方向の距離 (x = 23.5 cm)、 λはレーザー光の波長 (λ = 532 nm)、 Δnは縞 (整数) 2 つの解の間の数計算に使用します。
      注: 液滴の psd ファイルの途中でイメージを作成するときの画面に液滴からの距離 (x) は 23.5 ± 0.1 cm。J. Swithenbankらの仕事のプロセスの詳細な説明を見つけることができます。⁶。
4. 液滴の充満の極性を決定します。
   1. タブを実行 EJS 変数の右側に選択し、 E フィールド DC control2を +2 V (図 3を参照) に設定します。気をつけて、電極上の電圧は 200 V です。
      注: 液滴充満の極性は、液滴が垂直電場に応答する方法を観察することによって決定されます。図 6に、電界の適用方法のスケッチを見ることができます。
5. 液滴の電荷を決定します。
   注: 液滴の料金を計算するには、必要がある最初液滴のサイズを測定するには液体の密度が知られているので、液滴の重量を決定しことができます。図 7では、手順を概略説明します。
   1. E フィールド DC control2をゼロに設定します。
   2. 推定し、グラフ波形のpsd ファイルを正規化位置トレースで液滴の位置の平均値をメモします。
   3. レーザー パワーの値に注意してください。この値は、式 2 で F_Rad1になります。
   4. +1 の間E フィールド DC control2を設定 +5 や-1 および-5 ボルトドロップは上方向に移動できるように。ドロップレットは、新しい位置に今。ゆっくりと液滴が 1.5.2 の手順で説明したように元の位置に戻るまでは、レーザー出力を下げます。新しいレーザー力 (F_Rad2) を書き留めます。
      液滴が失われたDrops2を調べ、1.2.4 の手順からやり直します。
   5. 請求金額の計算は、次の手順を使用します。まず、電場から受ける力を計算します。
      (2)
   6. 式を使用して絶対の電荷を決定します。
      (3)
      ここでdは電極間の距離、 Uは印加電圧。

2. 遠隔実験プロトコル

1. 遠隔実験システムにアクセスします。
   1. Web ブラウザーに UNILabs web ページを開く: https://unilabs.dia.uned.es/
   2. 必要な場合は、目的の言語を選択します。オプションは、ヘッダーの下のメニューの最初の項目であります。
   3. 次のデータでログインします。
      ユーザー名: テスト
      パスワード: テスト
      注: ログイン フレームはウェブページのニュースや紹介情報の下です。
   4. ログイン エリアの横にある、コース」領域では、ヨーテボリ大学 (GU) のロゴを左クリックします。
   5. 光の浮上実験の材料にアクセスするをクリックします。
   6. アクセスリモート光浮上実験室をクリックしてリモート研究室。その後、web ページをリモート研究所、図 8に示すように、ユーザー インターフェイスのメインのフレームを確認します。
2. 光の浮上実験室に接続します。
   注: ここにすべての指示は、図 8を参照してください。
   1. [接続] ボタンをクリックします。接続が成功した場合は、ボタンのテキストが接続に変更されます。
      注: ユーザーは、遠隔実験システムに接続するとき誰かが電源を入れ、レーザーをリモートで操作を周辺地域の他の人々 に警告する音響信号を出力します。
   2. 液滴を追跡をクリックし、PSD データが受信されていることを確認してください。
      注: この時点で捕獲した液滴がない、得られた値は無関係です。
   3. セットアップのすべての要素を識別するために一般的なビューをクリックして: レーザー、液滴ディスペンサー、トラッピング セル、psd ファイル。
3. 液滴をトラップします。
   注: ここにすべての指示は、図 8を参照してください。
   1. 遠隔実験システムを接続すると、ピペットと液滴ディスペンサー ノズルを視覚化する液滴をトラッピングボタンをクリックします。
   2. レーザーへの接続を確立するレーザーをオンにボタンをクリックします。
      注: レーザーは配置が正しくない場合は、環境に損傷を与えることができるので手動で、楽器の残りとは関係なく開始されます。
   3. レーザー出力のレーザーをオンにボタンの下にあるコントロール ストリップの最初の四半期の周りを設定します。緑のライトが表示されるまで待ちます。
   4. レーザーの配置を確認します。
      注: レーザーが配置が正しく場合、薄い緑色の光のビームが表示されます。それ以外の場合、散乱の緑色の点が認識されます。配置が正しくない場合、システムをシャット ダウンし、ラボのメンテナンス サービスにお問い合わせください。保守サービスに連絡、マンガの吹き出しのアイコンをクリックして UNILabs の web ページの左上隅に位置します。管理者ユーザーメッセージの [クリックして、下部に問題を説明するメッセージを書き留め、送信を押します。これ通常は発生しません、すべての光学系が固定されているので。
   5. 3/4 バーのためのレーザー出力を増加します。
      注: 60% の力 (550 mW) 浮上をキャプチャし、液滴を維持するのに十分です。
   6. 液滴ディスペンサーをオンに開始を削除ボタンを押します。
   7. ウェブカメラの画像を見るし、フラッシュが作成されるまで待ちます。その瞬間、液滴がキャプチャされています。ウェブカメラの画像をもう一度確認し、トラップのセルの中央に液滴を浮上することを確認します。液滴ディスペンサーをオフにドロップを停止ボタンを押します。
      注: 必要に応じて、それはそれらのいくつかをキャッチし、既にキャプチャされて 1 つにマージするそれらを待っている大きな液滴を得ることが可能です。心に留めている場合いくつか必要だがキャッチ、液滴の質量が増加して、レーザー パワーが浮上それを維持するのに十分にできない場合があります。
4. 液滴のサイズを決定します。
   注: ここでのすべての手順は、図 9を参照してください。
   1. 閉じ込められた液滴によって形成される回折パターンを観察する液滴のサイズ変更ボタンを押します。
   2. 実践的な実験プロトコル (手順 1.3) 回折パターンによる液滴のサイズを決定するためのように同じ手順に従います。
5. 液滴電荷極性を決定します。
   注: ここでのすべての手順は、図 10を参照してください。
   1. PSD グラフとピペットのウェブカメラ ビューを表示する液滴を追跡ボタンをクリックします。
   2. ユーザー インターフェイスの左下にある電界タブをクリックします。
   3. DC 電圧を 100 V に設定します。これを行うには、 DC (V)ラベルの右側に数値フィールドをクリックし、値を 100 を入力します。
   4. 液滴の位置を示す PSD グラフを調べると、液滴が上方向に移動か電気のフィールドが適用されたときに下。
      注: 場合は肯定的な電圧は、負に帯電液滴が下方に移動し、正に帯電液滴が上方に移動、プレートの極性は整理されます。
   5. 今電場と液滴が反対方向に移動チェックの値を変更します。この目的のためには、 DC (V)の数値フィールドに-100 を入力します。
6. 液滴の料金を決定します。
   注: ここでのすべての手順は、図 10を参照してください。
   1. 閉じ込められた液滴を持つ液滴を追跡ビューをクリックします。
   2. 電界のメニューを選択します。
   3. 直流電場DC (V)の数値フィールドをゼロに設定します。
   4. 推定グラフによって与えられる液滴位置の平均値に注意してくださいし、のレーザー出力に注意してください。
   5. 直流電場を +500 V ~-500 V 液滴の位置を変更する値を設定します。
   6. 削減または液滴が元の位置に戻るまでにスライダーとレーザーの力を高めるし、レーザー パワーの新しい値を書き留めます。
   7. 1.5.5 液滴料金の計算手順で説明されている手順に従ってください。

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結果

レーザー ビームを配置も底板がきれいと、滴はほとんどすぐに閉じ込められています。液滴が追い詰められたとき、トラップに調査のための時間はたっぷり数時間滞在できますそれ。液滴の半径rは 25 ≤ r ≤ 35 μ m の範囲で、1.1x10^-17 ±1.1 x10^-18 C と 5.5x10^-16 ±5.5 x10^-17 C. 間測定した充電当社の測定では、時間をかけて、定数、液滴?...

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ディスカッション

この作品は、液滴の浮上の光学的現代物理学実験を遂行するためのセットアップを示します。実験は、伝統的な実践的な方法でまたはリモートから実行できます。リモート システムの確立と学生と世界中の研究者は、実験の設定へのアクセスを得ることができます。彼らはレーザ ・実験に必要な電界の存在する必要はありませんので、これはまたユーザーの安全を保証します。さらに、ユ?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
GEM 532	Laser Quantum		Green laser with adjustable power between 50 mW and 2 W
Lateral Effect Position Sensor	THOR Lab	PDP90A	PSD to sensor the position of the droplet in the pipette
Advanced Educational Spectrometer Kit, Metric	THOR Lab	EDU-SPEB1/M	Mirrors and other elements to control the laser beam
Pipette	Self made		The chamber were the droplet is trapped was specially made for this setup
AC/DC Power supply	Keithley Instruments, Inc.	2380-500-30	A power supply to generate the electric field (0V - 500V DC)
Power Distribution Unit	APC	AP7900	A PDU to remotelly connect the lab instrumentation