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
Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、プロジェクト CICYT DPI2014-55932-C2-2-r. の下で科学的な研究とスペイン語省経済と競争力のスウェーデン研究評議会、カール Trygger´s 財団に支えられてきたさせるための Sannarpsgymnasiet のおかげで私たちは学生で RL を試してください。
Materials
| 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 |
Referências
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