СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ МЕНИСКА ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к оптической контрольно-измерительной технике и может быть использовано для физико-химического анализа жидкостей и поверхности твердых тел, в частности для определения смачивающей способности жидкости, изучения процессов растекания и испарения жидкостей, для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Известен способ определения толщины смачивающей пленки жидкости на твердой поверхности, включающий помещение жидкости в капилляр и изменение величины изменения длины ее столбика при его возвратно-поступательном движении по сухой поверхности канала капилляра; причем измерения осуществляют в фиксированном месте капилляра, а искомую величину толщины пленки жидкости определяют расчетным путем [1]. Основными недостатками известного способа являются невысокая точность, большие временные затраты и трудоемкость.

Известен способ определения краевого угла смачивания, позволяющий также определять и профиль мениска жидкости у поверхности твердого тела (образца) [2]. Способ включает приведение в контакт жидкости и исследуемой поверхности образца, освещение мениска сколлимированным монохроматическим излучением, измерение параметров интерференционной картины с помощью оптического микроскопа и расчет величины краевого угла смачивания с использованием значений этих параметров. Основным недостатком известного способа является невысокая точность измерений (составляющая ≈ λ_o/50 , где λ_o - длина волны излучения в вакууме).

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ исследования тонких слоев на поверхности проводящих и полупроводящих образцов, называемых микроскопией поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ-микроскопией) позволяющий также определять и профиль мениска жидкости у поверхности твердого тела [3-5]. Способ включает приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, пучком сколлимированного монохроматического излучения, преобразование падающего излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), воздействие ПЭВ на мениск и определение профиля мениска путем поточечного расчета толщины слоя жидкости в мениске по величине коэффициента отражения для составляющей излучения, соответствующей поляризации ПЭВ. Основным недостатком этого способа является малая глубина резкости (порядка λ_o/50 , что позволяет визуализировать лишь небольшую часть мениска у линии раздела поверхности образца и свободной поверхности жидкости [6].

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения профиля мениска жидкости, включающем приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, монохроматическим излучением, преобразование падающего излучения в ПЭВ и воздействие ею на мениск, регистрацию отраженного излучения и определение распределения толщины слоя жидкости в мениске, возбуждение ПЭВ осуществляют излучением, которое фокусируют в плоскости его падения, а распределение толщины жидкости в мениске определяют по величине угла падения соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ.

Фокусировка падающего излучения делает возможным возбуждения ПЭВ при любом значении толщины слоя h в мениске, а не только при значениях h допускающих согласование фазовой скорости ПЭВ и тангенциальной составляющей фазовой скорости плоской волны. Это объясняется тем, что сфокусированное излучение содержит непрерывный спектр плоских волн позволяющих возбуждать ПЭВ с максимальной эффективностью как на границе раздела "образец - окружающая среда", так и на границе раздела "образец - исследуемая жидкость" (т.е. при любой толщине h слоя жидкости примыкающего к образцу).

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 1, где обозначены: 1 - контейнер, снабженный прозрачным окном 2 и наполненный исследуемой 3; 4 - источник монохроматического излучения; 5- коллиматор; 6 - поляризатор; 7 - прозрачная призма, выполненная в виде полуцилиндра, герметично прилегающая плоской гранью к окну 2 и содержащая на этой грани оптический волновод, состоящий из прозрачной металлической пленки 8, являющейся одновременно образцом, 9 - фотоприемное устройство, подключенное к устройству обработки информации 10.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Призму 7 с нанесенной на ее основание однородной прозрачной пленкой 8 герметично укрепляют на окне 2 контейнера 1. Наполняют горизонтально размещенный контейнер 1 исследуемой жидкостью 3. С помощью источника 4, коллиматора 5 и поляризатора 6 получают пучок сколлимированного р-поляризованного монохроматического излучения с длиной волны λ_o и направляют его через цилиндрическую поверхность призмы 7 на образец-пленку 8 в области мениска жидкости 3. Причем размер сфокусированного пучка излучения вдоль вертикали должен превышать высоту мениска, а спектр углов падения излучения в пучке должен включать в себя углы возбуждения ПЭВ как на свободной от жидкости 3 поверхности пленки 8 ϕ_o , так и при наличии у поверхности пленки 8 бесконечно толстого (по сравнению с глубиной проникновения поля ПЭВ в жидкость 3) слоя исследуемой жидкости 3 ϕ_ож . Таким образом, сфокусированное падающее излучение возбуждает в пленке 8 ПЭВ по всей освещенной области. Так как энергия поля ПЭВ переносится, в основном, над поверхностью пленки 8, то фазовая скорость ПЭВ, а, следовательно, и угол возбуждения ПЭВ ϕ*o

, зависит от толщины h слоя жидкости 3, прилегающего к пленке 8. Величину угла ϕ*o , соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ в данном горизонтальном сечении мениска, характеризуемом значением координаты Z (ось Z направлена вдоль внешней поверхности образца-пленки 8 вертикально вверх), определяют по угловому положению минимума резонансного провала интенсивности в отраженном излучении, контролируемого фотоприемным устройством 9. Совокупность пар значений ϕ*o и Z, соответствующих выбранному числу горизонтальных сечений мениска, поступает на вход устройства обработки информации 10. Устройство 10, соотнося измеренные пары значений ϕ*o и Z с расчетной зависимостью ϕ*o (h), определяет профиль мениска, т.е. зависимость h(Z).

В качестве примера рассмотрим применение данного способа для определения профиля мениска оливкового масла у расположенного вертикально золотого образца. Окружающая среда - воздух. Образец выберем в виде прозрачной золотой пленки толщиной 54,0 нм нанесенной на плоскую грань стеклянной призмы с показателем преломления n₁= 1,71. Для возбуждения ПЭВ на внешней поверхности пленки выберем монохроматическое излучение с λ_o = 0,6328 мкм. На данной λ_o показатели преломления и поглощения напыленного золота n₂=0,15 и k₂=3,2, соответственно, а показатель преломления масла n₃=1,47 [7]. Для фокусировки излучения в плоскости его падения и обеспечения спектра углов падения излучения не менее 37^o30', что соответствует разности значений ϕ_ож = 75^o30' и ϕ_o = 38^o07', т.е. изменению угла возбуждения ПЭВ в области мениска масла, выберем радиус цилиндрической поверхности призмы 2 см, а ширину пучка сколлимированного излучения, падающего на призму, - равным 1,5 см.

На фиг. 2 приведена расчетная зависимость резонансного угла возбуждения ПЭВ ϕ*o

в описанной выше волноведущей структуре "призма - Au пленка толщиной 54 нм - слой масла толщиной h - воздух" от величины h. Из приведенного графика видно, что в данном случае заявляемый способ позволяет исследовать мениск масла вплоть до его горизонтального сечения в котором h ≈ λ_o . В случае же применения способа-прототипа (ПЭВ-микроскопии в сколлимированном монохроматическом излучении) доля визуального мениска масла в описанной волноведущей структуре глубина резкости составляет всего 25 нм или порядка λ_o/20. .

Предположим, что в результате измерений (таблица) получена следующая зависимость:
ϕ*o

(Z_o-Z)
где z_o=2,577 мм - вертикальная координата верхней точки мениска.

Тогда, соотнося пары значений ϕ*o

и Z с расчетной зависимостью ϕ*o(h) , приведенной на фиг. 2, получим профиль мениска масла у вертикально расположенного золотого образца (фиг. 3). Полученный профиль совпадает с профилем мениска масла у вертикально расположенного золотого образца, рассчитанного по методике [8].

Таким образом, данный способ позволяет увеличить глубину резкости метода ПЭВ-микроскопии при исследовании мениска жидкости более чем в 20 раз, что расширяет как возможности метода, так и класс исследуемых жидкостей и образцов.

Источники информации:
1. Железный Б.В. Способ определения толщины смачивающей пленки жидкости на твердой поверхности // А.с. SU N 397817, кл. G 01 N 13/00), 17.09.1973.

2. Гребенник И. П. Способ определения краевого угла смачивания // А.С. СССР, 1363019, G 01 N 13/00, 30.12.1987.

3. Rothenhausler B. , Knoll W. Surface plasmon microscopy // Nature, 1988, v. 332, No.6165, p. 615-617.

4. Никитин А.К., Тищенко А.А. Фазовая ПЭВ-микроскопия // Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, вып. 11, с. 76 - 79.

5. Тищенко А. А., Никитин А.К. ПЭВ в оптической микроскопии // Вестник РУДН (сер. физ.), 1993, N 1, с. 114-121.

6. Никитин А. К. , Рыжова Т.А. Регулирование контраста изображения и глубины резкости в ПЭВ-микроскопии // Письма в ЖТФ, 1996, Т. 22, вып. 9, с. 14-17. (прототип)
7. American Institute of Physics Handbook // N.Y., 1972.

8. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания // М.: Химия, 1976. - 231 с.

Изобретение относится к оптической контрольно-измерительной технике и может быть использовано для физико-химического анализа жидкостей и поверхности твердых тел, в частности для определения смачивающей способности жидкости, изучения процессов растекания и испарения жидкостей, для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей. Способ наиболее эффективен при определении профиля мениска жидкости в непосредственной близости от линии раздела поверхности образца и свободной поверхности жидкости. Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения профиля мениска жидкости, включающем приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, монохроматическим излучением, преобразование падающего излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) и воздействие ею на мениск, регистрацию отраженного излучения и определение распределения толщины слоя жидкости в мениске, возбуждение ПЭВ осуществляют излучением, которое фокусируют в плоскости его падения, а распределение толщины жидкости в мениске определяют по величине угла падения соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ. 3 ил.

Способ определения профиля мениска жидкости, включающий приведение в контакт образца и исследуемой жидкости, освещение участка образца, примыкающего к мениску, монохроматическим излучением, преобразование падающего излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) и воздействие ею на мениск, регистрацию отраженного излучения и определение распределения толщины слоя жидкости в мениске, отличающийся тем, что возбуждение ПЭВ осуществляют излучением, сфокусированным в плоскости его падения, а распределение толщины жидкости в мениске определяют по величине угла падения соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ.