Mintázat 2.óra

Innen: TételWiki
A lap korábbi változatát látod, amilyen Csega (vitalap | szerkesztései) 2011. december 19., 18:36-kor történt szerkesztése után volt. (Plazmabuborék határán fellépő Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával)

Az alábbi órán a különböző kísérleti technikák működési elvével foglalkoztunk. Fontos tudni, hogy a jelen órán vizsgált rendszereknél a válasz nem lineáris a perturbációval, azaz ha van két megoldásunk, akkor ezek lineárkombinációja nem lesz megoldás. A továbbiakban ezen az órán olyan technikákkal fogunk foglalkozni, amelyek segítségével a kis amplitudójú, vagy bonyolult geometriájú esetben a térbeli struktúrákat láthatóvá lehet tenni.

Kísérleti technikák

A következő technikákkal foglalkozunk az alábbiakban:

  • Árnyékleképezés (shadowgraph), schlieren technika
  • Polarizációs mikroszkópia (kettőstörés), fáziskontraszt és interferencia mikroszkópia
  • Periodikus struktúrák detektálása diffrakcióval (helyérzékeny fotodetektorok)
  • Sebességmérés áramlásokban (Particle Image Velocimetry - PIV, Particle Tracking)
  • Nem átlátszó rendszerek belsejében lejátszódó jelenségek vizualizálása (index matching, PEPT, DWS, MRI, CT)
  • CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

Árnyékleképezés (shadowgraph)

Lényege: intenzív, monokromatikus fényforrással optikai inhomogenitások árnyékképét hozzuk létre. A jelenség alapja, hogy a fény az optikailag sűrűbb közeg felé törik (hajlik el - lásd lentebb a bal oldali ábrát). Egy inhomogén optikai közeg (például egy gyertyaláng) különböző részei fókuszálják, más részei pedig defókuszálják a beérkező fénynyalábot, így kialakul egy árnyékkép. Az árnyékkép alakjából pedig következtetni tudunk a megfigyelt minta sűrűségeloszlására. Természetesen ez a technika csak optikailag átlátszó közegek esetén (pl. levegő, víz, üveg) alkalmazható.

A fenti, balról a második ábrán látható gradiens indexű lencse (gradient index lens) éppen úgy fókuszálja (vagy defókuszálja) a fényt, ahogy az árnyékleképezés során az inhomogén anyagok keresztülhaladó fénnyel is történik. A lencse működését a fenti ábra jól szemlélteti. Egy egyszerű, (például) kocka alakú tárgyról van szó, melynek törésmutatója inhomogén és így a domború lencsékhez hasonlóan fókuszálja a fényt.

Példa: Rayleigh-Bénard áramlás vizualizálása

Az árnyékleképezés bemutatására jó példa az alulról fűtött folyadékban (pl. szilikonolaj) kialakuló Rayleigh-Bénard áramlás. Ha elég nagy a függőleges hőmérséklet-gradiens (a pontos képletet egy későbbi órán), folyadékáramlás indul meg. Az alul lévő melegebb (emiatt kisebb sűrűségű) anyag fölfelé, míg a fölül lévő hidegebb (emiatt nagyobb sűrűségű) anyag lefelé igyekszik. Így kialakulhat egy körkörös föl- és leáramlás.

Árnyékleképezés napfénnyel

A Nap, mint fényforrás előnyei, hogy intenzív és nagyon nagy objektumokra is alkalmazható. Hátránya, hogy nem pontszerű, emiatt a keletkező kép széle elmosódott lesz. A felbontási küszöböt az alábbi vázlatos ábra alapján a következő egyenletekkel becsüljük.

A Nap, mint fényforrás alkalmazása során a felbontási küszöb becslése

\frac{\delta}{g} = tan \left( \frac{1}{2}^o \right) = 0,009
\Delta a = g \cdot tan \epsilon
\frac{\Delta a}{\delta} = \frac{tan \epsilon}{\tan \left( \frac{1}{2}^o \right)} \approx \frac{\epsilon}{\frac{1}{2}^o}

A fenti képletekből látható, hogy túl nagy, vagy túl kicsi relatív ernyőtávolság \left( \frac{g}{d} \right) esetén nem lesz jó a kép. Az optimális távolság: 20 \le \frac{g}{d} \le 30 között van.

Schlieren technika

A Schliere-technikával működő berendezés vázlatos képe

A Schlieren-technika segítségével optikailag átlátszó anyagban vizsgálhatunk kis sűrűség-inhomogenitásokat. A technika lényege, hogy az "A" helyen lévő kis sűrűség-inhomogenitást úgy jelenítjük meg, hogy a párhuzamos nyalábot összefókuszáló lencse gyújtópontjába egy pengét tolunk. Ha az "A" helyen lévő közeg teljesen homogén, akkor a kép hirtelen tűnik el, amikor a penge a fókuszpontba ér. Ha azonban az "A" helyen lévő közeg inhomogén, akkor a penge betolásával az ernyőn folytonosan változik a kép, és a direkt nyalábot kitakarva az inhomogenitás jól láthatóvá válik.

Plazmabuborék határán fellépő Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával

Egy függőleges cső aljában parabolatükröt helyeznek el. A fölülről érkező nyalábot a tükör fókuszálja, ennek következtében a csőben lévő gázban egy plazmabuborék jön létre (az alábbi, jobb oldali képen fehér tartomány). A buborék keletkezésekor egy lökéshullám indul meg gömb alakban kifelé, mely a parabolatükörről visszaverődve párhuzamos hullámfrontként halad előre, majd nekiütközik magának a buboréknak, aminek határa a lökéshullámmal való kölcsönhatás következtében instabillá válik (112 \mu s): kialakul az úgynevezett Richtmyer-Meshkov instabilitás (mely a Rayleigh-Taylor instabilitás egy formája, mindkettőről szó lesz a 4. órán).

Polarizációs mikroszkópia (kettőstörés)

Bizonyos kristályokban a lineárisan poláros fény sebessége függ attól, hogy melyik kristálytengely irányában halad. Ennek oka az, hogy az anyag anizotróp, és különböző mértékben polarizálható a különböző irányokban.

A különböző polarizációk szemléltetése

Kettőstörés: A (kettőstörő) kristályba belépő fény két sugárra bomlik, amelyek közül az egyik, az úgynevezett rendes vagy ordinárius sugár szabály szerint követi a törés törvényét, a másik, a rendellenes vagy extraordinárius sugár azonban nem. Így törik meg a rendes sugár és a rendellenes sugár a kettős töréskor.

A jelenség azzal magyarázható, hogy míg a rendes (ordinárius - o) sugár esetén a hullámfront pontjaiból rendes kör- (gömb)hullámok indulnak ki, a rendellenes (extraordinárius - e) sugár esetén ezek az elemi hullámok ellipszis alakot vesznek fel, aminek az az oka, hogy a kristály szerkezete miatt a kristályban az adott irányban megváltozik a fény terjedési sebessége. A rendellenes (eo) sugár esetén a törésmutató a beeső sugár irányától is függ, és (a törés törvényével szemben) a megtört sugár általában nem marad a beesési síkban.

Egytengelyű kristályokban általános esetben az optikai tengely és a nyaláb iránya jelöli ki az ordinárius és extraordinárius nyalábok vibrációs irányát. A mteszetet, ami mindkét nyalábot tartalmazza, fősíknak (principal section) nevezzük. Az ordinárius nyalábban a tér a fősíkra merőlegesen, míg az extraordinárius nyalábban a fősíkban oszcillál.

A törésmutató anizotrópia az extraordinárius (az optikai tengellyel párhuzamos polarizációjú) és az ordinárius (a tengelyre merőleges polarizációjú) nyalábokra vonatkozó törésmutatók különbsége: \Delta n = n_e - n_o

A kettőstörő anyag a két nyaláb (o és e) fázisát eltolja egymáshoz képest. Így a bejövő lineárisan poláros fény a mintát elhagyva általában elliptikusan poláros lesz. Ez a jelenség a kettőstörő anyagokban jól használható orientációs inhomogenitások vizsgálatára és azok időbeli változásának nyomon követésére - méghozzá polarizátorokkal felszerelt mikroszkóp segítségével.

A polarizációs mikroszkóp vázlatos felépítése

A mikroszkópba vékony \left( \sim 10 \mu m \right) szeletet téve a különböző orientációjú domének különböző mértékeben tolják el a két (o és e) nyaláb fázisát, így különböző színük (illetve monokromatikus fény esetén különböző intenzitásuk) lesz.

Megfelelően polarizált nyalábot használva a kettőstörő anyag árnyékleképezése optimalizálható.

Fáziskontraszt mikroszkópia

Interferencia mikroszkópia

Periodikus struktúrák detektálása diffrakcióval (helyérzékeny fotodetektorok)

Sebességmérés áramlásokban (Particle Image Velocity - PIV)

Sebességmérés áramlásokban (Particle Tracking)

Nem átlászó rendszerek belsejében lejátszódó jelenségek vizualizálása (index matching)

Nem átlászó rendszerek belsejében lejátszódó jelenségek vizualizálása (PEPT, DWS, MRI, CT)

CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

<<<Vissza az óra nyitólapjára

Hivatkozások