Научный руководитель — М.А. Бакин, СУНЦ МГУ
В связи с увеличением числа загрязняющих агентов в научных сообществах всё чаще обсуждается качество воды. На сегодняшний день на рынке нет достаточного количества доступных и простых приборов для анализа загрязнения воды частицами микронного и субмикронного уровня. Цель проекта — создания прибора-анализатора загрязнения. Задачи: провести исследование зависимости рассеяния света от концентрации и количества частиц, выбрать нужные формулы и физические законы, определиться с необходимым оборудованием, создать принципиальную схему и плату, создать необходимое ПО и напечатать корпус прибора.
В основе измерений лежит принцип рассеивания света мелкими частицами в воде, а именно теория рассеяния Ми и теория дифракции Фраунгофера. Это позволяет определить основные параметры частиц загрязнения: молекулярную массу, плотность, размер и форму наиболее крупных частиц. Чтобы определить приведенные выше показатели необходимы приборы для улавливания изменения светового потока. Величину светового потока до прохождения оптически более плотной среды и после мы можем измерить при помощи датчиков (она пропорциональна напряжению на датчиках). Для обработки полученных данных был использован микроконтроллер Atmega 328P-PU в силу его доступности, дешевизны, достаточного объема памяти и необходимой нам вычислительной мощности. Кроме этого, в состав прибора вошли кремниевые фотодиоды p-i-n типа, так как они довольно чувствительны и полностью покрывают весь диапазон длин волн, в котором производятся измерения.
Интенсивность света (I) можно определять при помощи закона Бугера- Ламберта: I = I0e−kλx. На экспериментальной установке проверена зависимость напряжения на датчике от концентрации частиц.
Одна из задач нашего проекта — установить скорость оседания частиц и их концентрацию в анализируемой пробе. Для начала мы использовали реакцию между Na2S2O3 и H2SO4 (концентрированной) для получения плотной оптической среды. При добавлении нескольких капель серной кислоты наблюдалось постепенное образование некоторого количества серы. При избытке кислоты в раствор переходило большое количество серы и раствор переставал пропускать волны всех длин. Нами была выбрана данная реакция, поскольку она часто используется для изучения кинетики реакций и дает нужную плотную оптическую среду.
Далее были приготовлены растворы FeCl3, Ni(NO3)2, CuSO4 и наночастиц кремния разной концентрации (последние были взяты на физическом факультете МГУ). В результате пропускания через них зелёного и красного лазера было установлено, что CuSO4 и Ni(NO3)2 наиболее сильно поглощают пропускаемый свет по сравнению с Fe в водном растворе и частицами кремния в изобутиловом спирте
С помощью прибора измерили под разными углами поток рассеянного света через разные вещества. Было установлено, что он прямо пропорционален концентрации. В зависимости от оптических свойств и размера частиц менялись показания прибора. Например, CuSO4 и Ni(NO3)2 плохо пропускают свет с длинной волны 850 нм, а FeCl3 и наночастицы пропускают его хорошо (при одинаковой концентрации).
Была создана принципиальная схема прибора, вытравлена плата, написано ПО для работы с выбранным МК и необходимыми датчиками, а также LCD дисплеем и сервоприводом. Написано приложение для сбора и обработки полученных с прибора данных. Удалось попеременно использовать лазеры с разной длиной волны, проводить замеры с фотодиода, расположенного на сервоприводе и усиливать полученный сигнал операционным усилителем. Была использована автокорреляционная функция — зависимость взаимосвязи между функцией (сигналом) и её сдвинутой копией от величины временного сдвига.
Произведена калибровка прибора на частицах различного размера и растворах разной концентрации и создан корпус для прибора.
Список использованных источников:
- Хоровиц П. Дифракция Фраунгофера.
- Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. Пособие: Для вузов – 6-е изд., стереот. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2003. – 848 с.
- Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. – Техносфера, 2007. – 368 с.
- Хилл У. Искусство схемотехники. В трёх томах. Издание 4-ое, дополненное и переработанное.