الفلك

كيف تأخذ في الاعتبار استجابة المرشح في حسابات كثافة التدفق الحراري والانعكاس؟

كيف تأخذ في الاعتبار استجابة المرشح في حسابات كثافة التدفق الحراري والانعكاس؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا أستخدم الثعبان لحساب كثافة التدفق الحراري وكثافة التدفق المنعكس لنموذج كويكب متعدد الأوجه ، حيث تحتوي كلتا المعادلتين على وظيفة بلانك.

حاليًا ، أقوم بدمج وظيفة Planck عبر ممر النطاق للمرشح. على سبيل المثال ، باستخدام مرشح قناة IRAC 2 الخاص بالتلسكوب الفضائي Spitzer Space Telescope ، أقوم بدمجه بطول موجة فعال يبلغ 4.493 ميكرون مع عرض نطاق يبلغ 1.010 ميكرون. هل هذه هي الطريقة الصحيحة للقيام بذلك ، نظرًا لأن هذا المرشح له توزيع مرشح ذو قبعة علوية؟

بالنسبة للحالة ، بالنسبة لكثافة التدفق المنعكس ، أقوم بدمجها مع ممر النطاق لمرشح جونسون القياسي V بطول موجة فعال يبلغ 0.551 ميكرون وعرض نطاق يبلغ 88 ميكرون. ومع ذلك ، فإن مرشح V هذا له توزيع غاوسي المظهر. كيف آخذ ذلك بعين الاعتبار؟


مقياس بولوميتر يعمل عند عتبة الديناميكا الكهربائية الكمية للدائرة

عادةً ما تكون مستشعرات الإشعاع القائمة على تأثير التسخين للإشعاع الممتص سهلة التشغيل ومرنة من حيث تردد الإدخال ، لذا فهي تستخدم على نطاق واسع في اكتشاف الغاز 1 ، والأمن 2 ، وتصوير تيراهيرتز 3 ، والملاحظات الفيزيائية الفلكية 4 والتطبيقات الطبية 5. تظهر حاليًا العديد من التطبيقات المهمة من تكنولوجيا الكم وخاصة من الدوائر الكهربائية التي تتصرف ميكانيكيًا الكم ، أي الديناميكا الكهربية الكمية للدائرة 6. أدى هذا المجال إلى ظهور كاشفات الميكروويف أحادية الفوتون 7،8،9 وجهاز كمبيوتر كمي متفوق على أجهزة الكمبيوتر الفائقة الكلاسيكية في مهام معينة 10. تتمتع المستشعرات الحرارية بإمكانية تعزيز مثل هذه الأجهزة لأنها لا تضيف ضوضاء كمومية وهي أصغر وأبسط وتستهلك حوالي ستة أوامر من حيث الحجم أقل من مكبرات الصوت البارامترية المستخدمة بشكل متكرر 11. ومع ذلك ، على الرغم من التقدم الكبير في السرعة 12 ومستويات الضوضاء 13 لأجهزة الاستشعار الحرارية ، لم يسبق لأي مقياس ضغط أن يلبي عتبة الديناميكا الكهربية الكمية للدائرة ، والتي تقع في ثابت زمني يبلغ بضع مئات من النانو ثانية واستبانة طاقة متزامنة بترتيب 10ح جيجاهيرتز (حيث ح هو ثابت بلانك). نوضح هنا تجريبياً مقياس ضغط يعمل عند هذه العتبة ، بقوة مكافئة للضوضاء تبلغ 30 زيبتوات لكل جذر تربيعي هرتز ، يمكن مقارنتها بأقل قيمة تم الإبلاغ عنها حتى الآن 13 ، عند ثابت الوقت الحراري بأمرين من حيث الحجم أقصر ، عند 500 نانوثانية. يتم قياس هاتين القيمتين مباشرة على نفس الجهاز ، مما يعطي تقديرًا دقيقًا لـ 30ح جيجاهيرتز لتحليل الطاقة المسعرية. تنبع هذه التحسينات من استخدام طبقة أحادية الجرافين ذات حرارة نوعية منخفضة للغاية 14 كمادة فعالة. الحد الأدنى لثابت الوقت المرصود البالغ 200 نانوثانية هو أقل بكثير من أوقات الإزالة لما يقرب من 100 ميكروثانية تم الإبلاغ عنها للكيوبتات فائقة التوصيل 15 ويتطابق مع المقاييس الزمنية لخطط القراءة المستخدمة حاليًا 16 ، 17 ، مما يتيح تطبيقات الديناميكا الكهربية الكمومية للدوائر لمقاييس البول.


الملخص

تشكل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) خطر التعرض المهني بسبب استخدامها الشائع عبر القطاعات الصناعية والمهنية. مع تعرض الملايين من العمال سنويًا ، تصبح مراقبة التعرض الشخصي للمركبات العضوية المتطايرة مهمة مهمة. على هذا النحو ، هناك حاجة لتحسين تقنيات الرصد الحالية عن طريق زيادة الحساسية وتقليل تكاليف التحليل. في الآونة الأخيرة ، طور مختبرنا تقنية جديدة للتحليل تعرف باسم الامتصاص الحراري الضوئي (PTD). يستخدم PTD نبضات من الضوء المرئي عالي الطاقة لامتصاص التحليلات حراريًا من المواد الماصة الكربونية ، مع ورق البوكي أحادي الجدار ذو الأنابيب النانوية الكربونية (BPs) الذي يتمتع بأفضل أداء إجمالي. لتطبيق هذه التقنية الجديدة بشكل أكثر فاعلية للتحليل الكيميائي ، يجب اكتساب فهم أفضل للإطار النظري للظواهر الحرارية وراء PTD. كانت أهداف العمل الحالي ثلاثة أضعاف: قياس الاستجابة الحرارية لـ BP أثناء التشعيع بالضوء وتحديد أفضل طريقة لإجراء مثل هذه القياسات وتحديد التوصيل الحراري لـ BPs. تم تعريض BPs لأربع كثافة طاقة ، تم إنتاجها بواسطة نبضات ضوئية ، تتراوح من 0.28 إلى 1.33 جول / سم 2 ، تم إنتاجها بواسطة مصباح فلاش زينون. تم الحصول على قياسات درجة الحرارة الناتجة عن طريق مزدوج حراري سريع الاستجابة (T / C) مثبت على BPs من خلال ثلاث تقنيات (الضغط والالتصاق والتضمين). أدت زيادة درجة الحرارة المقاسة بواسطة T / C باستخدام تقنيات الالتصاق والضغط إلى قيم مماثلة ، 29.2 ± 0.8 إلى 56 ± 3 درجة مئوية و 29.1 ± 0.9 إلى 50 ± 5 درجة مئوية ، على التوالي ، بينما تم قياس زيادة درجة الحرارة عن طريق دمج T / C في BP أظهر زيادات أكبر إحصائيًا تتراوح من 35.2 ± 0.9 إلى 76 ± 4 درجة مئوية. تمت أيضًا مقارنة درجات حرارة ذروة BP لكل تقنية تركيب مع درجات الحرارة الناتجة عن مصدر الضوء ، مما أدى إلى درجات حرارة عالية مدمجة توضح أكثر تحويل لدرجة الحرارة بين التقنيات (74-86٪). بناءً على هذه النتائج ، تم التوصل إلى أن تضمين T / Cs في BP هو أفضل طريقة لقياس استجابة BP الحرارية أثناء PTD. بالإضافة إلى ذلك ، عمل العمل الحالي على نمذجة الموصلية الحرارية لشركة بريتيش بتروليوم باستخدام تقنية مقارنة ثابتة الحالة ووجد أن موصلية المادة تبلغ 10.6 ± 0.6 واط / م 2. ستساعد نتائج العمل الحالي في تمهيد الطريق للتطورات المستقبلية لطريقة PTD من خلال السماح بحساب كثافة الطاقة اللازمة للوصول إلى درجة حرارة المواد الماصة المرغوبة وتوفير وسيلة لمقارنة تقنيات تصنيع BP وتقييم ملاءمة BP لـ PTD قبل إجراء تجارب PTD مع التحليلات ذات الأهمية. من المتوقع أن تمتص المواد الماصة ذات الموصلية الحرارية الأكبر بشكل متساوٍ وتتحمل التعرض لكثافة الطاقة العالية.


2 البيانات

2.1 اضطراب الكثافة المحايدة

تم إطلاق القمر الصناعي CHAMP في عام 2000 في مدار دائري تقريبًا والذي انخفض تدريجياً من ارتفاع حوالي 450 كم حتى دخل الغلاف الجوي للأرض مرة أخرى في عام 2010. مكّن مقياس التسارع الموجود على متن CHAMP من اكتشاف اضطرابات كثافة الكتلة المحايدة صغيرة مثل 1 × 10 14 كجم م −3 بدقة زمنية تبلغ 10 ثوانٍ. يمكن الحصول على مجموعة البيانات الكاملة المُعالجة مسبقًا الخاصة بالكثافات المحايدة على مدى عمر CHAMP بالكامل ، بما في ذلك معلومات الموقع ، من Förster و Doornbos (2019). نظرًا للاختلافات في الارتفاع ، فإن الدراسات السابقة التي تستخدم قياسات CHAMP قد عمدت عادةً إلى تطبيع الكثافات المحايدة إلى ارتفاع مشترك باستخدام نماذج لارتفاع مقياس الغلاف الحراري (على سبيل المثال ، H. Liu et al. ، 2005). لقد استخلصنا بدلاً من ذلك اضطرابات كثافة الكتلة المحايدة من متوسط ​​كثافة "الخلفية" ، أي الانحراف عن الكثافة الذي يحركه تدفق الطاقة الشمسية فوق البنفسجية (EUV) ، على غرار الطريقة التي استخدمها Clausen et al. (2014) و Clemmons et al. (2008).

(1)

Δρ ستشمل الاضطرابات الزمنية والمكانية على حد سواء ، ولكن من المؤكد تقريبًا أن النطاق الزمني الذي تتغير عليه كثافة الغلاف الحراري هو عدة ساعات أطول من 5 دقائق التي يلتقطها متوسط ​​كثافة الخلفية ، لجميع الارتفاعات التي شاهدها CHAMP (Sutton et al. ، 2009 Wang et al. . ، 2020 Wilson et al. ، 2006). لذلك ، Δρ يكاد يكون مقياسًا لكيفية مقارنة منطقة الاهتمام بالمنطقة التي مر بها القمر الصناعي للتو. مقياس زمني مدته 5 دقائق لـ 〈ρ〉 قصير بما فيه الكفاية بحيث يجب إزالة الميزات الكبيرة الحجم ، مثل تحسينات الكثافة بسبب تغير الإشعاع الشمسي مع قربه من النقطة الشمسية الفرعية ، في الغالب منρ.

نظرًا لأن مجموعة بيانات CHAMP تمتد لسنوات عديدة ، وتشمل كل من ذروة الدورة الشمسية 23 وجزءًا من انحدار الدورة 24 ، فمن المهم أن يتم تقليل التأثيرات الهامة لـ EUV الشمسي على كثافة الكتلة المحايدة (Walterscheid ، 1989) النتائج. إن استخدام هذه الطريقة لتحديد كثافة الكتلة المحايدة للاضطراب ، بدلاً من النظر إلى كثافات الارتفاع الطبيعية ، يزيل بالكامل تقريبًا تأثير تغيير التدفق الشمسي (على سبيل المثال ، F10.7 البث الراديوي) بسبب أخذ عينات البيانات الخمس دقائق الماضية فقط لكل نقطة بيانات. بالإضافة إلى ذلك ، يقلل النطاق الزمني القصير المستخدم أيضًا من تغيرات الكثافة الموسمية والارتفاعات. تعمل هذه العملية بشكل جيد للغاية في استخراج تغييرات الكثافة فقط التي ترجع إلى عدم التجانس المكاني ، ولكنها غير قادرة لاحقًا على إظهار التغيرات الزمنية في منطقة معينة بسبب أحداث مثل العواصف الفرعية ما لم يحدث تغيير الكثافة بسرعة غير مسبوقة. من غير المحتمل أن يكون للعواصف الفرعية تأثير كبير على الكثافات المحايدة ، لأنها في الأساس ظاهرة ليلية. تعد تقنية استخراج اضطرابات كثافة الكتلة المحايدة أيضًا أقل فاعلية بالقرب من القطب المغناطيسي وقد تؤدي إلى نتائج زائفة عند حساب المتوسط ​​، حيث أن الدقائق الخمس السابقة المستخدمة لطرح كثافة الخلفية يمكن أن تكون من أي وقت محلي على الجانب الليلي أو بجانب النهار وتكون متغير أكثر.

في هذه الدراسة ، قمنا بإهمال Δρ من مجموعة بيانات CHAMP بأكملها إلى منطقة متساوية (200 × 400 كم) قطب شبكي من خط عرض 60 درجة في إحداثيات مغنطيسية أرضية مصححة معدلة الارتفاع (AACGM Shepherd ، 2014). يبلغ ارتفاع كل خلية شبكية 2 درجة في خط عرض AACGM مع زيادة العرض الطولي حيث تقترب الشبكة من القطب الشمالي AACGM. تم أيضًا تجميع البيانات لاحقًا في 8 قطاعات زاوية ساعة صندوق النقد الدولي ، محددة بزاوية صندوق النقد الدولي بذ وبض يجعل المتجه إحداثيات الغلاف المغناطيسي الشمسي الأرضي (GSM). يتم أخذ معلومات صندوق النقد الدولي في نقطة القياس باستخدام مجموعة بيانات OMNI ذات الدقة 1 دقيقة (المسترجعة من http://omniweb.gsfc.nasa.gov) ويتم إزاحتها زمنياً من المركبة الفضائية للقياس إلى الأرض (King & Papitashvili ، 2005). يظهر توزيع قياسات CHAMP المستخدمة في هذه الدراسة لكل صندوق زاوية ساعة في الشكل 1 ، من حيث خط عرض AACGM و MLT. من الجدير بالملاحظة أن هناك بيانات أقل في اتجاه الشمال والجنوب بحتض ، والمزيد من البيانات الأقرب إلى القطب AACGM حيث تميل مدارات CHAMP إلى التداخل. زاوية الساعة خلال 5 دقائق المتضمنة في حساب 〈ρلم يتم احتسابه في صندوق النقد الدولي binning ، لكننا وجدنا أن فرض مرشح لاستخدام فترات ثابتة من صندوق النقد الدولي فقط لا يؤثر بشكل كبير على التوزيع المكاني لـρ. حتى مرشح صندوق النقد الدولي الثابت منخفض التمرير لبضع دقائق فقط ، مثل المرشح الذي استخدمه هالاند وآخرون. (2007) لإزالة فترات صندوق النقد الدولي "غير المستقرة" ، يقلل بشكل كبير من كمية البيانات المتاحة في تحليلنا. لذلك اخترنا عرض نتائج غير مصفاة من الآن فصاعدًا.

توزيع قياسات كثافة الكتلة المحايدة لـ CHAMP في إحداثيات AACGM MLat-MLT ، أعلى من 60 درجة MLat ، مرتبة حسب قطاع زاوية ساعة IMF. الدوائر متحدة المركز مفصولة بخط عرض 10 درجات ويتم عرض MLT حول الجزء الخارجي من كل قطعة أرض. AACGM ، الإحداثيات المغنطيسية الأرضية المصححة بضبط الارتفاع CHAMP ، تحدي الحمولة الصافية للأقمار الصناعية ، IMF ، المجال المغناطيسي بين الكواكب MLT ، التوقيت المحلي المغناطيسي.

2.2 تدفق بوينتينغ

(2) أين ميكرومتر0 هي نفاذية الفضاء الحر ، ه هو المجال الكهربائي الأيونوسفيرى ، δ ب هو اضطراب المجال المغناطيسي (الانحراف عن المجال الأرضي) و هو متجه الوحدة الموازي للمجال المغنطيسي الأرضي. س موجب للأسفل ، مما يشير إلى أن الغلاف المغناطيسي يقود طبقة الأيونوسفير. يشير التدفق السلبي (أو التصاعدي) إلى أن الأيونوسفير قد يقود الغلاف المغناطيسي كمولد تيار من خلال دينامو الرياح الأيونوسفيرية. نحصل على معلومات المجال الكهربائي من SuperDARN وقياسات المجال المغناطيسي المضطرب من AMPERE ، على نطاق عالمي ، ونجمعها باستخدام المعادلة 2 والطريقة التي وصفها Waters et al. (2004) على نفس الشبكة المستخدمة لاضطرابات الكثافة المحايدة.

توجد بيانات متداخلة من AMPERE و SuperDARN حاليًا بين عامي 2010 و 2017 ، ومثل عملية تجميع الكثافة المحايدة ، لم نقم أيضًا بتصفية الأوقات لظروف صندوق النقد الدولي الثابتة. من المهم ملاحظة أنه من خلال عدم تصفية مجموعات بيانات AMPERE و SuperDARN بهذه الطريقة ، فإننا لا نأخذ في الحسبان حقيقة أن الأيونوسفير لا يستجيب بشكل فوري وكامل للتغيير في ظروف قيادة صندوق النقد الدولي (Murr & Hughes ، 2001). سيعني هذا عمومًا أن تدفقات Poynting الإحصائية أثناء توجهات صندوق النقد الدولي جنوبًا (شمالًا) هي أقل من التقدير (المبالغة في التقدير) لأنها تشمل القيم المحسوبة أثناء ظروف صندوق النقد الدولي المتغيرة.

2.2.1 المجال الكهربائي

يتكون SuperDARN (Chisham et al. ، 2007 Greenwald et al. ، 1995 Nishitani et al. ، 2019) من 36 (اعتبارًا من 2020) رادارًا عالي التردد في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي. تُقاس سرعات دوبلر خط البصر لبلازما المنطقة F (ارتفاع 250 كم) بواسطة كل رادار ضمن مجال رؤية كبير يمتد على بضعة آلاف من الكيلومترات ، والتي يتم تجميعها جميعًا معًا بناءً على نصف الكرة الأرضية. يتم تطبيق التوافق التوافقي الكروي (Ruohoniemi & Greenwald ، 1996) على السرعات الشبكية لحل الإمكانات الكهروستاتيكية العالمية اللحظية ، ، والتي ترتبط بالمجال الكهربائي للغلاف الأيوني بواسطة ه = −∇Φ. باستخدام حل الجهد الكهربائي ، يمكن حساب متجه المجال الكهربائي الكامل في أي موضع في نصف الكرة ، وهو ما تم القيام به لكل خلية شبكية مستخدمة لتجميع بيانات CHAMP. عند استخدام بيانات SuperDARN بهذه الطريقة ، من الشائع أيضًا استخدام نموذج إمكانات كهربائية تجريبية (على سبيل المثال ، Thomas & Shepherd ، 2018) يعتمد على صندوق النقد الدولي "لملء الفجوات" للمناطق التي تندر فيها بيانات سرعة SuperDARN. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا إلى ظهور مناسبات تعتمد فيها الخرائط العالمية لـ بشكل كبير على النموذج التجريبي إذا لم يكن هناك بيانات إدخال كافية. في هذه الدراسة ، استخدمنا نموذج Thomas and Shepherd (2018) في خرائط الدقة التي تبلغ دقيقتين للإمكانات الكهربائية التي تم استخدامها ، ولكن فقط في الأوقات التي كانت فيها 200 نقطة أو أكثر من نقاط بيانات SuperDARN الشبكية متاحة في الخريطة. هذا يعني أنه تم تضمين الخرائط التي تحتوي على كمية كبيرة من البيانات المقاسة التي تقيد التوافق التوافقي الكروي لـ Φ. مائتي نقطة جيدة بشكل عام بما يكفي لضمان انتشار معقول للبيانات على مستوى العالم ، مع تقليل كمية الخرائط "القابلة للاستخدام" التي تبلغ مدتها دقيقتين بحوالي 55٪ (Billett et al.، 2018). وتجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لطبيعة استخدام التوافق العالمي ، سيكون هناك بلا شك مناطق عرضية من المجالات الكهربائية الزائفة حيث قد تكون البيانات متفرقة ، مما سيزيد الخطأ في حساب تدفق Poynting اللاحق. تقلل عتبة نقطة البيانات المتشابكة 200 من هذا الخطأ ، ولكنها لن تقضي عليه تمامًا. ومع ذلك ، فإن انتشار بيانات SuperDARN في أوقات محلية معينة يختلف باختلاف التوقيت العالمي ، وبالتالي فإن الخطأ الناجم عن تناثر البيانات سوف "ينفد" في جميع الأوقات المحلية عندما يتم حساب متوسط ​​تدفقات Poynting في النهاية.

2.2.2 اضطراب المجال المغناطيسي

يستخدم AMPERE (Anderson et al. ، 2014) مقاييس مغناطيسية على متن كوكبة القمر الصناعي Iridium لاشتقاق خرائط عالمية لكل من FACs في نصف الكرة الشمالي والجنوبي. يتم أخذ عينات من المجال المغناطيسي في الموقع على ارتفاع حوالي 780 كم ، ثم الاضطرابات التي تسببها FACs (δ ب) عن طريق طرح المجال المغناطيسي الجوهري للأرض باستخدام نموذج IGRF (Thébault et al. ، 2015). ثم يتم إجراء مزيد من التصحيحات لمراعاة تحيزات المستشعرات المختلفة ، والمخلفات والضوضاء (Anderson et al. ، 2000) ، ثم يتم تطبيق التوافق التوافقي الكروي لتوفير الاضطرابات في كل وقت محلي وخطوط عرض. أخيرًا ، يتم تطبيع قيم البيانات المجهزة على ارتفاع 250 كم (لتتناسب مع الارتفاع المفترض لقياسات SuperDARN Yeoman et al. ، 2008) لحساب تقارب خطوط المجال المغناطيسي مع انخفاض الارتفاع (باستخدام العلاقة 3/2 الموصوفة بواسطة Knipp et al. ، 2014). على غرار الحقول الكهربائية المشتقة من SuperDARN ، تؤدي عمليات التركيب التوافقي الكروية AMPERE إلى حدوث بعض الأخطاء الصغيرة عند تحديد تدفق Poynting في المناطق التي تكون فيها أقمار إيريديوم الصناعية متباعدة. ويرجع ذلك إلى انحراف ميل مدارهم عن القطب المغناطيسي ، مما يتسبب في تغطية مكانية غير متساوية فيما يتعلق بالإحداثيات المغناطيسية.

δ ب شبكة فيما يتعلق بإحداثيات AACGM متباعدة بمقدار 1 درجة في خط العرض وساعة (15 درجة) من MLT ، مع دقة زمنية تبلغ دقيقتين ونافذة تكامل مدتها 10 دقائق. بعد ذلك ، تضمن تجميع الاضطرابات المغناطيسية على نفس الشبكة المستخدمة لبيانات CHAMP التكرار فوق كل خلية شبكة AMPERE ، ثم تجميع كل نقطة بيانات على كل خلية شبكة CHAMP متداخلة. خلايا تحتوي على خليتين أو أكثر δ ب ثم تم حساب المتوسط ​​على مدار كل خطوة زمنية.


المواد والأساليب

تصميم مقياس الانكسار.

تم تصميم مقياس حيود SAXS / WAXS لزيادة النطاق الديناميكي لـ ف يمكن تسجيلها بهندسة تشتت على المحور. لتحقيق هذا الهدف ، كان تقليص حاجز الحزمة أسهل وأقل تكلفة من زيادة حجم الكاشف ، ومع ذلك ، هناك حدود عملية للحد الأدنى لأبعاد حاجز الحزمة ، نظرًا لدورها في حماية الكاشف من الحزمة المباشرة ومن مصادر التشتت المنبع من العينة. حجم حزمة الأشعة السينية ، وتباعد الحزمة ، وموقع مصادر تشتت المنبع كلها عوامل في هذا الاختيار. وجدنا أن حاجز شعاع التنجستن بقطر 1 مم كان كبيرًا بما يكفي لحماية الكاشف من الحزمة المباشرة. علاوة على ذلك ، كانت فتحة طرف الموازاة بقطر 0.35 مم والموجودة بالقرب من عينة الشعيرات الدموية صغيرة بما يكفي لضمان عدم تسرب الأشعة السينية من نافذة البريليوم الأخيرة على طول مسار حزمة الأشعة السينية إلى ما بعد البعد 1 مم من حاجز الحزمة وتلوث إشارة التشتت في منطقة SAXS. بالنظر إلى الهندسة والأبعاد الموضحة في الشكل 2 ، فإن نطاق ف يمتد من ∼0.02 إلى 2.5 أ -1 .

تم إنشاء غرفة تطهير He بين العينة وكاشف MarCCD بمكونات خفيفة الوزن من البولي كربونات والأكريليك وتم تركيبها على الكاشف عبر لوحة محول من الألومنيوم مزودة بأختام دائرية. تم لصق حاجز الحزمة على فيلم Kapton 80 ميكرون محصور بين لوحة المحول و MarCCD. تم تصنيع رقصة لضمان تمركز حاجز الحزمة بشكل صحيح على الحزمة قبل لصقها على فيلم Kapton. تم إرفاق مخروط بلاستيكي مصنوع حسب الطلب (RedEye) في مقدمة الحجرة وتم تثبيته على لوحة المحول عبر قضبان الألمنيوم الملولبة. تم تجهيز لوحة المحول بمدخل غاز وموصلات مخرج في الأعلى والأسفل ، على التوالي. تمت تغطية الفتحة الموجودة في مقدمة المخروط بورقة رقيقة من مايلر (6 ميكرون) ، حيث تم ثقب فتحة بقطر 1.5 مم. تسهل أنابيب الموازاة التي يتم تطهيرها من خلال He ، وعينة الدعم الشعري ، والحجرة التي يتم تطهيرها بالهيدروجين الاقتراب القريب من عينة الشعيرات الدموية أثناء تعريض سطحها العلوي لنبضات ليزر بيكو ثانية (انظر العرض الموسع في الشكل 2 مرسومًا على نطاق واسع).تسرب الهيليوم من طرف الموازاة ومن الفتحة الموجودة في نافذة مايلر في الغرفة التي تم تنظيفها بواسطة He يغسل عينة الشعيرات الدموية بالهيليوم من كلا الجانبين ، مما يضمن مسارًا خاليًا من العوائق يتم تطهيره بين عينة الشعيرات الدموية وموقد الحزمة. يزيل هذا النهج التلوث عن طريق الانتثار "الجوي" ، الذي تكون قدرته على الانتثار أكبر بمقدار ∼49 × من تلك الخاصة بالهيليوم (مقاييس قوة التشتت مثل مربع كثافة الإلكترون).

إدارة الأضرار الحرارية / الإشعاعية.

لا يؤدي الاستثارة الضوئية لعينة البروتين إلى حدوث انتقال هيكلي فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى ترسيب الطاقة الزائدة في المحلول وتوليد قفزة في درجة الحرارة. إذا لم يتم نقل عينة البروتين بين لقطات الليزر ، فإن الحد الأقصى لتكرار التكرار الذي يمكن عنده تكرار قياس المضخة والمسبار يتم تحديده بواسطة البروتين وأوقات الاسترداد الحراري. للتغلب على هذا القيد ، تم تركيب عينة الشعيرات الدموية على دعامة ترموستاتية وربطت بمرحلة ترجمة خطية قادرة على 5ز التسارع (مرحلة باركر MX80L وجهاز تحكم Aerotech Soloist MP10). تم الحصول على بيانات التشتت باستخدام تسلسل حركة-توقف-اكتساب مع إزاحة الشعيرات الدموية 240 ميكرومتر بين نبضات مسبار المضخة على مدى ضربة 24 مم. على النقيض من الترجمة المستمرة ، يتيح لنا نهج الإيقاف والتوقف والاكتساب هذا الحفاظ على تداخل الليزر والأشعة السينية في العينة حتى في حالات التأخير الطويل للمضخة والمسبار. نطاق ترجمة العينة 24 مم يعادل 100 تعريض للأشعة السينية لكل ضربة. مع وصول النبضات بمعدل تكرار 41 هرتز ، تتطلب كل ضربة 2.5 ثانية. عند الحصول على صور تشتت تم حلها بمرور الوقت ، تكررت السكتة المتزامنة 11 مرة لدمج 1100 نبضة للأشعة السينية على الكاشف قبل القراءة. كان الحد الأقصى لعدد الفوتون لكل بكسل مع هذا التعرض كافياً للاستفادة من النطاق الديناميكي 16 بت للكاشف. عند الحصول على بيانات التشتت الثابت ، تم تحويل المروحية عالية السرعة إلى وضع التقطيع الخالي من النفق ذو 11 حزمة (انظر مصدر الأشعة السينية) ، مما سمح لنا بالحصول على صورة تشتت ثابتة ذات كثافة مماثلة بضربة واحدة فقط لمرحلة الترجمة.

كميزة إضافية ، ينشر تسلسل التوقف والإيقاف والاكتساب الآثار الضارة لتلف إشعاع الأشعة السينية على 100 حجم عينة منفصل ، مع الانتشار الذي يسهل تبادل البروتين بين حالات التعرض المتكررة. على الرغم من أن هذا النهج يقلل من معدل تراكم البروتين المتضرر من الإشعاع ، فإن الآثار السيئة لإشعاع الأشعة السينية لا مفر منها ، ويجب تبادل العينة. لذلك ، استخدمنا مضخة حقنة لسحب قسامة جديدة من محلول البروتين في الشعيرات الدموية بعد كل صورة. بالنسبة لهذه التجربة ، كان معدل استهلاك البروتين حوالي 16 ميكرولتر لكل 100 صورة ، مما يعني أنه تم استبدال حجم المحلول داخل حد مرحلة الترجمة في المتوسط ​​مرة واحدة كل 43 صورة. تم استخدام طريقة التشغيل هذه لكل من قياسات الانتثار الثابتة والمتحولة زمنياً.

هذا النهج المشترك للترجمة والتدفق متفوق على أسلوب التدفق وحده. التدفق في الشعيرات الدموية هو عبارة عن صفحي مع ملف تعريف سرعة مكافئ. وبالتالي ، فإن البروتين الموجود بالقرب من جدار الشعيرات الدموية يتحرك ببطء شديد ويعاني من جرعة زائدة من الأشعة السينية ، مما ينتج عنه تركيز عالٍ من الجذور التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور البروتين وتجميعه وترسبه على الأسطح الشعرية. مع بروتوكولنا ، لم نلاحظ بعد رواسب البروتين على جدار الشعيرات الدموية المترجمة. علاوة على ذلك ، فإن القياسات المتكررة لنمط التشتت تظهر القليل من الأدلة ، إن وجدت ، على الضرر الإشعاعي للبروتين.

بروتوكول الحصول على البيانات.

تم الحصول على صور التشتت التي تم حلها بالوقت عند تأخيرات زمنية متباعدة لوغاريتميًا تمتد من 100 ps إلى 10 ms مع أربع نقاط زمنية لكل عقد. تم تضمين نقطة زمنية سالبة في السلسلة (تصل نبضة الأشعة السينية قبل نبضة الليزر بمقدار 1 نانوثانية) ونقطة في الوقت صفر. قمنا أيضًا بتضمين مجموعة من الصور المشذرة لاستخدامها كصور مرجعية عند اختلاف بيانات التشتت التي تم حلها بمرور الوقت. من الناحية النظرية ، يتم تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S / N) لاختلافات التشتت عندما يكون عدد الصور المنعزلة بين البيانات التي تم حلها بمرور الوقت قابلاً للمقارنة مع الجذر التربيعي للعدد الإجمالي للصور في السلسلة الزمنية. نظرًا لأن عدد النقاط الزمنية في هذه السلسلة هو 35 ، فإن العدد الأمثل للصور التي تم إيقافها هو حوالي ستة. قمنا بتضمين ثماني صور في هذه الدراسة ، مع تضمين الصور في بداية ونهاية السلسلة الزمنية.

دقة الوقت التجريبية.

تمثل اختلافات التشتت التي تم حلها بالزمن الواردة هنا متوسط ​​18700 نبضة مسبار. وبالتالي ، من الأهمية بمكان أن يكون وقت وصول نبضات الليزر والأشعة السينية قابلاً للتكرار بدقة عالية بالنسبة إلى مدة نبضة الأشعة السينية البالغة 94 حصانًا. تحقيقا لهذه الغاية ، قمنا بتطوير نظام توقيت قائم على مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة (FPGA) قادر على التحكم في مراحل المروحيات المستخدمة لعزل نبضات الأشعة السينية المفردة ، وكذلك مرحلة مذبذب الليزر. سيتم نشر تفاصيل نظام التوقيت هذا في مكان آخر. عندما يتم تشغيلها على مراحل بشكل صحيح ، يتم تشغيل النبضات الناتجة عن إنتاج FPGA ، عند الطلب ، ونبضات الليزر والأشعة السينية التي يمكن التحكم في فصلها الزمني إلكترونيًا من البيكو ثانية إلى الثواني بدقة 10 ps. مع نظام التوقيت هذا ، وجد أن خطأ جذر متوسط ​​التربيع بين التأخيرات الزمنية المستهدفة والوقت المقاس على مدى عدة ساعات be8 ps ، وهو قصير مقارنة بمدة نبضة الأشعة السينية البالغة 94 حصانًا ، على النحو المطلوب. وبالتالي ، فإن الدقة الزمنية لمقياس الحيود هذا تمليه بواسطة الالتواء بالليزر (35 ps) ونبضات الأشعة السينية (∼94 ps) ، والتي تبلغ 100 ps (FWHM).

تخفيض وتحليل البيانات.

تم إجراء التكامل الزاوي لصور التشتت ثنائية الأبعاد بواسطة برنامج نصي من Python يقوم بتعيين وحدات بكسل على الكاشف إلى حلقات حلقية من ف مفصولة بـ 0.01 أ -1. تم حساب العدد المتكامل من التهم في كل سلة بعد رفض الزنجر. تم استخراج المساهمات الفردية لأنماط التشتت الثابت من البيانات بواسطة إجراء المربعات الصغرى. تتضمن المعلمات في تحليل المربعات الصغرى هذا النواقل الشعرية والعازلة والكميات التي يمكن قياسها والجزء الحجمي للبروتين المرتبط بتركيز البروتين. أدى الاختلاف بين أنماط تشتت المخزن المؤقت المكتسبة عند درجتي حرارة إلى توليد إشارة حرارية معايرة. تم حساب الاختلافات التي تم حلها بمرور الوقت عن طريق طرح أنماط التشتت المحسوبة والمُقحمة من أنماط التشتت التي تم حلها بمرور الوقت. تم تحليل هذه الاختلافات من خلال روتين تركيب عالمي مشفر في LabView. يستخدم هذا الروتين المربعات الصغرى الخطية لإنشاء أنماط تشتت خاصة بالأنواع وفقًا لتعدادها المعتمد على الوقت ، كما هو محدد بواسطة نموذج يتم تنقيح ثوابت المعدل بواسطة المربعات الصغرى غير الخطية Marquardt-Levenberg. يتم حساب حل معادلات المعدل ، التي تمثل وظيفة استجابة الأداة بالإضافة إلى تأثيرات التشبع في ظل الاستثارة الضوئية عالية الطلاقة ، عن طريق التكامل العددي على أساس زمني لوغاريتمي.

قوة SAXS المتكاملة.

لمحلول مخفف من جسيمات متطابقة ، شدة التشتت الأمامي ، أنا(0) يتناسب مع (نص - نب) 2 أين نص و نب هي عدد الإلكترونات في الجسيم وفي حجم مكافئ من المخزن المؤقت ، على التوالي. النقل الجماعي داخل وخارج تأثير البروتين نص، في حين تؤثر التغيرات في حجم البروتين نب. ∼21,580 أ 3. عدد الإلكترونات في حجم مكافئ من المخزن المؤقت هو 7272 (بافتراض كثافة إلكترون عازلة 0.337 هـ - /أ 3). لذلك ، إذا زاد حجم البروتين بنسبة 0.1٪ (∼22 أ 3 ), أنا(0) من المتوقع أن يتغير بنحو -0.6٪. إذا هرب جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون من البروتين دون تغيير حجم البروتين ، أنا(0) من المتوقع أن تتغير بحوالي -1.2٪. العدد المتكامل للفوتونات المكتشفة في منطقة SAXS هو كمية قابلة للقياس تتناسب مع أنا(0). وبالتالي ، فإن قوة SAXS المدمجة حساسة للغاية لكل من النقل الجماعي وتغيرات الحجم.

تحضير العينة والتعامل معها.

تم تحضير ميوجلوبين حوت العنبر عند 3 ملي مولار (50 مجم / مل) في 150 ملي مولار كلوريد الصوديوم ، 50 ملي مولار من محلول تريس ، ودرجة الحموضة 7.4. تم تقليل العينة في قنينة تم تطهيرها من ثاني أكسيد الكربون مع زيادة 3 أضعاف من الديثيونيت لإنتاج مبكو. تم استخدام مضخة حقنة (هاميلتون PSD3) لتحميل محلول البروتين في عينة شعيرية مصهورة من السيليكا (يبلغ قطرها 600 ميكرومتر من هيلجنبرج سماكة جدار 60 مم بطول 10 ميكرون) موضوعة عند تقاطع أشعة الليزر والأشعة السينية ( انظر عينة الهندسة في الشكل 2). تم التحكم في درجة حرارة العينة بواسطة دعامة حرارية (22.0 درجة مئوية) ، وسيتم نشر تفاصيلها بشكل منفصل.

تركيز مبكو المستخدم في هذا العمل هو عند الحد الأعلى لنطاق 5-50 مجم / مل الذي تم الإبلاغ عنه في دراسات SAXS الثابتة السابقة لـ MbCO ، والتي أبلغت عن نصف قطر الدوران (صجي) من 15.6 (31). تكشف مؤامرة غينية لنمط تشتت مبكو الثابت المذكور هنا عن منطقة خطية يتوافق منحدرها مع صجي 16.0 Å ، وهي مشابهة جدًا للقيمة المنشورة. تظهر الدراسات ذات الصلة التي تتضمن بروتين هيموجلوبين خافت تم تحويره لمنع انتقال بنية R-T سلوكًا مشابهًا جدًا لـ MBCO. يشير استرداد نتائج مماثلة مع كل من أنواع البروتين الأحادي والثنائي بقوة إلى أن إشارات SAXS / WAXS المستردة من غير المرجح أن تكون قطعة أثرية للتركيز.

مصدر الأشعة السينية.

تم الحصول على بيانات تشتت المحلول على خط الحزمة ID14B BioCARS (اتحاد مصادر الإشعاع المتقدمة) في مصدر الفوتون المتقدم أثناء عملية زيادة الرصيد المستمرة على مدار 24 حزمة. في هذا الوضع ، يتم تحميل حلقة التخزين بحزم إلكترون 15 نانومتر متباعدة بمقدار 153 نانوثانية. عندما تمر هذه العناقيد من خلال زوج ترادفي من مموجين طولهما 2.5 مترًا (بفترتين 23 و 27 مم) ، يتم توليد أشعة سينية مكثفة. تم ضبط فجوات المندلات لتعظيم تدفق الأشعة السينية عند 12 كيلو فولت. تم وضع شقوق الشعاع الأبيض بالقرب من نقطة المنتصف بين التموجات ومرايا التركيز Kirkpatrick-Baez إلى 0.9 × 0.6 مم (ح × الخامس) لاختيار المخروط المركزي من إشعاع المموج. توفر هذه الأبعاد حل وسط معقول بين العرض الطيفي وطاقة النبض وحجم البقعة المركزة ، وتقدم نبضات 6 μJ (∼3 × 10 9 فوتون @ 12 كيلو فولت) مع عرض نطاق ترددي 320 فولت (FWHM) إلى 80 × 50 ميكرومتر (ح × الخامس) بقعة في موضع العينة. تم تشغيل المرايا ذات التركيز الرأسي والأفقي عند 3.8 مراد لتعيين قطع الطاقة العالية أسفل التوافقي الثاني المتموج ، وبالتالي إنتاج مصدر أكثر نقاءً من الناحية الطيفية لإشعاع 12 كيلو فولت (18).

تم عزل نبضات الأشعة السينية المفردة من قطار النبض السنكروتروني بواسطة مروحية محملة بالحرارة ومروحية عالية السرعة ومصراع ميلي ثانية. تم تطوير مفرمة الحمل الحراري (شركة Precision Instruments) من قبل شركة BioCARS ، وتنتج دفعات قصيرة من نبضات الأشعة السينية بمعدل تكرار يبلغ 82 هرتز. تم تطوير المروحية المتزامنة عالية السرعة (32) في يوليش بألمانيا. وهو يعتمد على دوار مثلث مدعوم على محمل مغناطيسي ويدور عند ∼997 هرتز ، وهو تناغم فرعي من السنكروترون. تم تصنيع الدوار الخاص بهذه المفرمة وفقًا لمواصفاتنا لتوفير إمكانيات الفرم عبر الأنفاق والفتحات. يسمح وضع التشغيل عديم النفق بالتبديل السريع من 1 إلى نوضع حزمة (ن هو عدد صحيح فردي) عن طريق ترجمة المروحية رأسيًا. في هذه الدراسة ، استخدمنا وضع حزمة واحدة لجميع قياسات التشتت التي تم حلها بمرور الوقت ، ووضع 11 حزمة لجميع قياسات الانتثار الثابت. يعمل التشغيل في وضع 11 حزمة على تعزيز تدفق الأشعة السينية الذي يمر عبر العينة ويسرع في الحصول على البيانات. لاحظ أنه يمكن أيضًا استخدام وضع 11 حزمة لتسريع الحصول على البيانات التي تم حلها بمرور الوقت بما يتجاوز 1.5 μs ، وهي مدة تسلسل 11 حزمة. يتم فتح مصراع الملي ثانية ، الذي تم تطويره في المعاهد الوطنية للصحة (سيتم نشره في مكان آخر) ، عند الطلب لنقل النبضة المفردة أو مجموعة النبضات التي يتم إرسالها بواسطة المروحيين المتزامنين.

متعدد الألوان مقابل تشتت أحادي اللون.

عادة ما يتم الحصول على بيانات تشتت الأشعة السينية بإشعاع أحادي اللون. ومع ذلك ، هذا ليس خيارًا لهذه الدراسات التي تم حلها بمرور الوقت ، حيث أن الانخفاض في التدفق المتوقع عند إدخال أحادي اللون في حزمة التموج سيكون 300 ضعف ، ووقت جمع البيانات المطلوب لتحقيق S / N مماثل لتلك الممثلة في الشكل 4أ ستزيد بعامل مماثل. وهكذا ، فإن أنماط التشتت المكتسبة مع الطيف المتموج غير المتماثل الموضح في الشكل 2 تمثل التفافًا لهذا الطيف بنمط الانتثار أحادي اللون. يتسبب العرض المحدود للطيف (2.7٪ FWHM) وذيله ذي الطول الموجي الطويل في حدوث تحول طور متواضع لخصائص الانتثار وانخفاض طفيف في سعة تعديلها (18). من الواضح ، لمقارنة اختلافات التشتت التي تم حلها بالزمن المُبلغ عنها هنا مع أنماط الانتثار النظرية ، يجب أولاً تحويل النتائج النظرية مع طيف الأشعة السينية المقاس.

مصدر الليزر.

أنتج نظام ليزر بيكو ثانية عالي الطاقة (Spectra Physics Spitfire Pro و Light Conversion TOPAS) نبضات ليزر مكثفة وقابلة للضبط ومتزامنة. تم تعديل مذبذب ليزر Tsunami Ti: الياقوت ليعمل عند 70.4 ميجاهرتز ، وهو خامس تناغمي فرعي لتردد الراديو الدائري ، وتم ضبطه على 780 نانومتر. قام هذا المذبذب ببذر المضخم المتجدد ومضخم الصوت المتعدد ، والذي أنتج نبضات 5 مللي جول ، 1.2 حصان. تضخ هذه النبضات مضخمًا بصريًا حدوديًا TOPAS مزودًا بمولدات توافقية لإنتاج نبضات قابلة للضبط عبر الطيف المرئي بأكمله. تم تعديل ليزر مضخة التمكين لتوليد نبضات حسب الطلب بدلاً من العمل بتردد التكرار القياسي 1 كيلو هرتز. تم توسيع ناتج TOPAS في تلسكوب وتم تسليمه من خلال المنظار إلى أنبوب توصيل الحزمة بين أقفاص الليزر والأشعة السينية. تم توجيه نبضات الليزر إلى مقصورة الأشعة السينية من خلال متاهة مبطنة بالرصاص على السقف وتوجيهها إلى مجموعة من بصريات تكييف الشعاع قبل التركيز على العينة. تشتمل بصريات تكييف الشعاع على مستوى مبني محليًا لمد النبضات إلى 35 ps ، وبصريات أسطوانية لتوليد شعاع بيضاوي 5∶1 ، ومرشح مكاني ذو شق موشوري لتنظيف المظهر المكاني للشعاع ، وإمالة- معوض Berek قابل للضبط للتحكم في استقطاب الليزر ، وجهاز بصري آلي يركز النبضات على عينة الشعيرات الدموية. نظرًا للمسار الذي يبلغ طوله 30 مترًا بين أقفاص الليزر والأشعة السينية ، فإن موضع شعاع الليزر المركّز حساس للتغيرات الحرارية طويلة المدى بين أقفاص الأشعة السينية والليزر. للتعويض عن هذا الانجراف ، يتم تسجيل موضع البقعة بشكل دوري بكاميرا مزودة ببصريات تصوير 1∶1 وإعادة توسيطها عن طريق ترجمة بصرية التركيز وفقًا للمقاس x- و ذ- خطأ في الموضع. بالنسبة لهذه التجارب ، تم تركيز النبضات المستقطبة دائريًا عند 480 نانومتر على 115 × 600 ميكرومترم 2 في موقع العينة. كانت طاقة النبض 115 ميكرو جول ، والتي تُترجم إلى كثافة طاقة تبلغ 2.1 مللي جول / مم 2. عند كثافة الطاقة هذه ، يتم امتصاص ما يقرب من 1.9 فوتون لكل جزيء بروتين.


3. النتائج والمناقشة

3.1. ضمان جودة قياسات الكربون الأسود

[16] يركز هذا القسم على مراقبة الجودة وخطوات الضمان المتخذة لتعويض بيانات تركيز BC التي تم قياسها عند التنبيه لمدة 13 عامًا. بالنسبة لمقاييس مراقبة الجودة ، تم وضع البيانات في إدارة بيانات البحث وأنظمة مراقبة الجودة أو RDMQ (حزمة مراقبة جودة البيانات التي طورتها خدمة الأرصاد الجوية في كندا). تم تطوير الخوارزميات لصياغة عملية الإبلاغ للتحقق من صحة البيانات. تم إبطال البيانات من مجموعة البيانات كلما تعطلت الأداة أو كان عادم السيارة المحلي موجودًا. بين 75٪ و 95٪ ، تم استرداد البيانات لمدة 13 عامًا باستخدام عملية مراقبة الجودة هذه.

[17] أثناء تحسين دقة تقديرات تركيز كتلة BC ، كان التركيز الرئيسي هو مراعاة التغيرات الموسمية في معامل التوهين الخاص بالموقع ، k (SS) ، والذي يستخدم لتحويل الامتصاص البصري إلى كتلة الكربون الأسود. لقد تبين سابقًا أنه في كندا ، يختلف k (SS) من موقع إلى آخر [ شارما وآخرون.، 2002]. يرجع هذا على الأرجح إلى عمر الهباء الجوي ونوعه وتكوينه. تم استخدام مجموعة فرعية من البيانات (9 أشهر من القياسات) المأخوذة في Alert في ورقة سابقة لتوضيح هذه النقطة. في هذه الورقة ، النتائج من نوفمبر 1998 إلى أبريل 2002 معروضة لتشمل أي تغيرات بين السنوات التي قد تكون موجودة في مجموعة البيانات.

[18] يوضح الشكل 2 أ العلاقة بين BC التي تم الحصول عليها بواسطة مقياس الأجواء ، BCايث، (باستخدام معامل التوهين المحدد الموصى به من الشركة المصنعة وهو 19 م 2 جم -1) و BCالحرارة تم الحصول عليها عن طريق التقنية الحرارية ، في أليرت. في المتوسط ​​، تتفق كلتا الطريقتين جيدًا (كما هو موضح في الشكل 2 أ) مع معامل الارتباط r 2 = 0.82 ، ومنحدر 0.85 ± 0.10 (N = 85) وتقاطع 0.09 ± 0.02 مما يشير إلى أن 19 م 2 جم -1 قد تكون قابلة للتطبيق على بيانات مقياس الأجواء في التنبيه. ومع ذلك ، فإن الانحدار مثل هذا يتأثر بشدة بالنقاط القليلة الموجودة في الطرف العلوي من التوزيع.

[19] يوضح الشكل 2 ب سلسلة زمنية من k (SS) ، مشتقة من امتصاص مقياس الحرارة ، BCايث و BCالحرارة [ شارما وآخرون.، 2002]. خلال فترة الضباب الملوث في القطب الشمالي من نوفمبر إلى أبريل ، كان متوسط ​​قيمة k (SS) 19.8 ± 0.9 م 2 جم -1 ولكن خلال فترة الضباب خارج القطب الشمالي من مايو إلى أكتوبر ، كانت أعلى بكثير وأكثر تقلبًا (28.8) ± 2.5 م 2 جم -1). خلال فصلي الشتاء والربيع ، تكون الهباء الجوي قديمة ومختلطة داخليًا وبشرية المنشأ ، بينما تشهد المنطقة خلال الصيف الحد الأدنى من المصادر من صنع الإنسان. تتكون الهباء الجوي المتأثر بالمصادر الإقليمية في تلك المنطقة من الكبريت الحيوي المشتق من المياه الغنية بـ DMS على طول أطراف منطقة حزمة الجليد ، وملح البحر الأولي ، والجزيئات العضوية من الفقاعات التي تنفجر بفقاعات الهباء الجوي التي تتأثر بشكل أكبر بالهباء الجوي المنتج إقليميًا للكبريت الحيوي البحري المشتق من ثنائي ميثيل الكبريتيد ، ملح البحر البحري ، والجسيمات العضوية من انفجار الفقاعات بفعل الرياح ، والغبار من مناطق اليابسة ذات المنشأ البشري الأدنى [ مينهاوت وآخرون., 1996 سيروا وباري, 1999 نورمان وآخرون., 1999 ليك وبيغ, 1999 ليك وآخرون.، 2002]. خلال فصل الصيف ، تكون الإزالة الرطبة أكبر ، ويكون النقل بعيد المدى أضعف بكثير [ ايفرسن، 1996] مما أدى إلى تركيزات منخفضة للغاية. قد يكون الانتثار الكبير خلال الصيف ناتجًا أيضًا عن زيادة عدم اليقين التحليلي. لا يوجد اتجاه موجود في 3 سنوات من قيم k (SS) وما لم تكن هناك تغييرات جذرية في مصادر BC ومصادر الهباء الجوي الأخرى ، فلا يوجد سبب لتغييرات جذرية في k (SS) وبالتالي ، بناءً على هذا الافتراض ، كانت هذه القيم تطبق على قياسات الامتصاص لمقياس الأجواء لتصحيح تأثيرات الهباء الجوي الحقيقي.

[20] يوضح الشكل 3 أ السلسلة الزمنية لمتوسط ​​6 ساعات من تركيزات قبل الميلاد من 1989 إلى 2002 في أليرت.هناك انخفاض رتيب ملحوظ خلال فترة 13 عامًا 60٪ لجميع البيانات ، و 56٪ لفصل الشتاء / الربيع (أكتوبر-مايو) ، و 54٪ للصيف (يونيو-سبتمبر). ومع ذلك ، يبدو أن تركيزات BC في نهاية الفترة تستقر. دعماً لتأثير BC على المناخ ، يوضح الشكل 3 ب سلسلة زمنية من الكبريتات ، وهي مكون مهم آخر للهباء الجوي في القطب الشمالي. سبق نشر تحليل اتجاهات الكبريتات للبيانات بين 1980 و 1995 [ سيروا وباري، 1999]. هنا تم اختيار فترة زمنية مماثلة لتركيزات قبل الميلاد. نظرًا لأن BC والكبريتات تأتي في الغالب من نفس مصادر الاحتراق خلال الشتاء والربيع ، فهناك انخفاض مماثل في الكبريتات بنسبة 56٪ خلال الشتاء ، و 29٪ لجميع البيانات ، و 9٪ للصيف خلال فترة الـ 13 عامًا هذه. هناك فرق كبير في اتجاهات الشتاء والصيف. يمكن أن يعزى هذا الاختلاف إلى انخفاض في مصادر الانبعاث البشرية المنشأ والحيوية ، ولكن الإجابة الأكثر تحديدًا لا تزال تتطلب مزيدًا من التحقيق في النمذجة. يمكن أن يكون الانخفاض في الكبريتات مرتبطًا أيضًا بانخفاض نسبة الكبريت في محتوى الوقود في أوروبا خلال التسعينيات [ باوتشر وفام, 2002 ].

[21] هناك اختلاف موسمي مميز في كولومبيا البريطانية (الشكل 4) مع أعلى تركيزات من يناير إلى أبريل (حوالي 96 نانوجرام م -3) وأدنى من يونيو إلى سبتمبر (حوالي 8 نانوجرام م -3). في المتوسط ​​، كانت التركيزات خلال الصيف أقل 12 مرة من تلك في الشتاء. بالمقارنة ، تم قياس متوسطات الشتاء والصيف قبل الميلاد البالغة 80 و 8 نانوغرام متر مكعب ، على التوالي ، في سبيتسبيرجن [ هاينتزنبرج وليك، 1994] وبارو [ بودين، 1995]. كما ذكر أعلاه ، يمكن أن يتأثر التباين الموسمي بالاختلافات الموسمية في النقل والإزالة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتغير انبعاثات BC في مناطق المصدر. وبالتالي ، يتم استكشاف المساهمة النسبية للنقل والتباين في الانبعاثات في اتجاهات BC في الأقسام التالية.

3.2 النقل الجوي وتحليل الكتلة

[22] يعد التنبيه موقعًا فريدًا حيث يتأثر هذا الموقع بانبعاثات BC من مصادر مختلفة في خطوط العرض الدنيا وفقًا للانتقال الجوي (الشكل 1). من أجل تحديد مناطق المصادر المختلفة للانبعاثات التي من المحتمل أن تؤثر على التنبيه ، تم تطبيق تقنيات تحليل الكتلة الموصوفة سابقًا على مجموعة البيانات الكاملة. تم إنشاء هذه القطاعات على أساس المسارات الأكثر تمثيلاً القادمة من هذا القطاع باستثناء التداخلات بين المجموعتين. كانت المسارات الخلفية متاحة كل 6 ساعات ، واستخدمت متوسطات 6 ساعات لتركيزات BC المقابلة لوقت المسارات.

[23] يوضح الشكل 5 دالة الكثافة الاحتمالية لمسارات العودة لمدة 10 أيام التي تصل إلى التنبيه من مناطق المصدر المحتملة كما هو موضح في المجموعات الست المختلفة. هنا يتم تمثيل المجموعات بواسطة خطوط. تم تعيين تسميات محددة لهذه المجموعات: AL لألاسكا ، C-R لوسط روسيا ، الاتحاد الأوروبي كأوروبا ، ARC مثل القطب الشمالي ، E-R مثل شرق روسيا ، و N-A مثل أمريكا الشمالية. كان 41 في المائة من المسارات الخلفية لمدة 10 أيام في قطاع القطب الشمالي ، بينما كان معدل النقل من القطاعات الروسية والأوروبية وأمريكا الشمالية في حدود 8 إلى 27 ٪. كان الباقي من قطاع ألاسكا. كانت هناك بعض الاختلافات بين السنة في النقل لجميع القطاعات. بالنسبة لفصل الشتاء والصيف (الأخير موضح بين قوسين) ، كان 23٪ (13٪) من النقل من قطاع الاتحاد السوفيتي السابق (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) ، 5٪ (10٪) من AL ، 10٪ (6٪) ) من الاتحاد الأوروبي ، 30٪ (17٪) من NA ، و 32٪ (55٪) من قطاعات ARC ، على التوالي. انخفض النقل بنحو 40٪ من الشتاء إلى الصيف لجميع القطاعات باستثناء القطب الشمالي وألاسكا.

[24] يوضح الشكل 6 توزيع متوسط ​​تركيزات الكتلة قبل الميلاد بالساعة لفصل الشتاء (الشكل 6 أ) والصيف (الشكل 6 ب) عند التنبيه لكل قطاع مسار. كانت تركيزات كولومبيا البريطانية أعلى خلال فصل الشتاء منها في الصيف مع وجود أكثر الاختلافات اللافتة للنظر في قطاع الاتحاد السوفيتي السابق. ارتبطت أعلى تركيزات BC مع النقل من القطاعات E-R و C-R خلال فصل الشتاء. كان أعلى متوسط ​​هندسي هو 134 نانوغرام في المتر المكعب. وبالمقارنة ، فإن التركيزات الصيفية قبل الميلاد البالغة 7 نانوغرام م -3 متشابهة في جميع القطاعات. يتم دعم ذلك أيضًا من خلال خريطة تدرج التركيز التي توضح علاقة مستقبل المصدر المحتمل في الشكل 7. تمثل كل شبكة تركيز متوسط ​​تركيز كتلة BC الذي لوحظ عند التنبيه المرتبط بالمسارات التي تمر عبر تلك الشبكة. خلال فصل الشتاء ، يكون تركيز كولومبيا البريطانية أعلى بالنسبة للمسارات من الاتحاد السوفياتي السابق حيث توجد الصناعات الرئيسية (مصادر نقطة مثل نوريلسك في شمال سيبيريا وفي شبه جزيرة كولا في روسيا الأوروبية) ، والعديد من السكان ، وبالتالي جلب مستويات أعلى من قبل الميلاد إلى القطب الشمالي. تكون الطبقة الحدودية خلال فصل الشتاء مستقرة للغاية وطبقية بسبب درجات الحرارة المنخفضة وعدم وجود ضوء الشمس. أيضًا ، يكون تكوين السحب وترددها في حده الأدنى ، مما يقلل من كشط الجسيمات. وبالتالي تبقى الملوثات في الطبقة الحدودية لفترات زمنية أطول. ومع ذلك ، تم ترجمة المسارات خلال الصيف إلى القطب الشمالي مما يمثل كتل هوائية أكثر تجانساً بين جميع القطاعات. كما أن إزالة الهباء الجوي عن طريق هطول الأمطار يكون أعلى أيضًا خلال فصل الصيف ويمكن أن يساهم أيضًا في انخفاض تركيزات BC. يؤكد اختبار Kruskal-Wallis المتعدد 95٪ (الشكل 6) أنه في الصيف ، لم تكن جميع القطاعات مختلفة بشكل كبير ولكن في الشتاء ، كانت قطاعات E-R و C-R أعلى بكثير من جميع القطاعات الأخرى.

[25] وتجدر الإشارة إلى أن هناك خطأ في عدم اليقين مرتبط بحسابات المسارات الخلفية خاصة بسبب ندرة البيانات في المناطق النائية مثل القطب الشمالي. عادة ما يزداد هذا الخطأ مع عودة المرء في الوقت المناسب. ومع ذلك ، لا يزال هذا التحليل يتمتع ببعض القوة في تحديد مناطق المصدر والتي عند دمجها مع بيانات جرد الانبعاثات يمكن أن تسفر عن مؤشر موثوق به لمنشأ BC.

3.3 انبعاثات الكربون الأسود

[26] حتى الآن ، ترتبط الملاحظات في Alert بنقل الانبعاثات من مناطق المصادر المختلفة إلى موقع المستقبل هذا. هل الاتجاه الهابط في كولومبيا البريطانية يرجع أيضًا إلى تغير الانبعاثات في منطقة المنشأ؟ لاستكشاف هذا ، تم حساب المتوسط ​​السنوي لانبعاثات BC عن طريق احتراق الوقود الأحفوري للفترة 1989-1998 باستخدام منهجية كوك وآخرون. [1999] للمناطق المحيطة بالقطب الشمالي. تشمل المناطق المستخدمة في الحسابات اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق وأوروبا وأمريكا الشمالية نظرًا لأن حجم النقل إلى التنبيه هو الأكثر شيوعًا من هذه القطاعات. يوضح الشكل 8 متوسط ​​الانبعاثات السنوية من كولومبيا البريطانية في أوروبا وأمريكا الشمالية والاتحاد السوفياتي السابق من 1989 إلى 1998. وكان أكبر تغيير في انبعاثات كولومبيا البريطانية في قطاع الاتحاد السوفياتي السابق مقارنة بالاثنين الآخرين. حدث انخفاض كبير في انبعاثات كولومبيا البريطانية لقطاع الاتحاد السوفياتي السابق. ويرجع ذلك على الأرجح إلى التباطؤ الاقتصادي نتيجة لانهيار الاتحاد السوفياتي السابق في عام 1991. كما لوحظ تأثير تباطؤ اقتصادي مماثل في انبعاثات غازات أخرى مثل ثاني أكسيد الكبريت من المصاهر في الاتحاد السوفياتي السابق خلال نفس الفترة. فترة من الزمن [ Idimechev وآخرون., 1995 بوزنياكوف، 1993]. هناك قدر كبير من عدم اليقين في انبعاثات كولومبيا البريطانية لكل من 1991 و 1992 بالنسبة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق حيث لم يتم الإبلاغ عن جميع البيانات لهذين العامين. لذلك يجب استخدامها بحذر شديد. كما لوحظ نقص مماثل في البيانات عن ثاني أكسيد الكبريت لعامي 1991 و 1992 [ أليكسييف، 1996]. على عكس انبعاثات كولومبيا البريطانية في الاتحاد السوفياتي السابق ، زادت تلك الموجودة في قطاعي أمريكا الشمالية وأوروبا بشكل طفيف.

[27] الشكل 9 يقارن لكل سنة من 1990 إلى 1998 ، النقل المرجح لانبعاثات BC ، وتركيزات BC المقابلة للقطاعات كما هو مبين في المسارات الخلفية ، وكذلك تردد النقل إلى التنبيه من أمريكا الشمالية وأوروبا والاتحاد السوفيتي السابق القطاعات. تم تطبيع جميع القيم لأرقام 1990. تظهر النتائج في جميع القطاعات الثلاثة أن تركيزات كتلة BC قد انخفضت بنسبة تصل إلى 60٪ من 1990 إلى 1998. هناك انخفاض أكبر في تركيزات BC في قطاعي أمريكا الشمالية وأوروبا بنسبة تصل إلى 10٪ مقارنة بالقطاع السابق قطاع اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. يوضح الشكل 9 أ أنه بالنسبة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق ، انخفضت تركيزات BC بنسبة 55٪ من عام 1990 إلى عام 1998 ، وهو ما يمثل انخفاضًا بنسبة 80٪ في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الموزونة للنقل. خلال نفس الفترة الزمنية ، كان انتقال كولومبيا البريطانية متغيرًا مع قمم (+ 20٪) في 1993 و 1994 وأدنى مستوى في 1996 (-35٪). بدت كل من تركيزات BC وانبعاثات الكربون المنقولة الموزونة متشابهة في عامي 1996 و 1997. تختلف أنماط قطاعي أمريكا الشمالية وأوروبا اختلافًا كبيرًا عن القطاع الروسي كما هو موضح في الشكلين 9 ب و 9 ج. انخفضت الاتجاهات في تركيزات BC خلال نفس الفترة الزمنية ، لكن الاتجاهات في انبعاثات النقل المرجح من هذه المناطق وتواتر النقل من هذه القطاعات إلى التنبيه لا تتوافق مع الانخفاض في تركيزات BC. وبالتالي فإن التغيير في انبعاثات الكربون الحيوي الموزون أثناء النقل لا يمكن أن يفسر وحده الاتجاه في تركيزات BC المرصودة من قطاعي أمريكا الشمالية وأوروبا. ومع ذلك ، فإن العمليات التي تحدث في الكتل الهوائية ودوران الغلاف الجوي في طريقها إلى التنبيه قد تفسر بعض الاختلافات. قد يكون النقل على طول المسارات البحرية قد ساهم في زيادة الإزالة بواسطة السحب وهطول الأمطار. وهكذا تتم إزالة الملوثات من قطاع أمريكا الشمالية إلى حد كبير قبل أن تصل إلى القطب الشمالي. ويرجع ذلك أساسًا إلى "الرفع القوي" للكتل الهوائية التي يمكن أن تنقل الملوثات إلى ارتفاعات أعلى مما يحد من التأثير على الطبقة الحدودية للقطب الشمالي. على سبيل المثال ، يوضح الشكل 10 متوسط ​​الارتفاع فوق سطح الأرض كدالة للوقت الخلفي لكل مسار متوسط ​​لفصلي الشتاء والصيف للمجموعات الست ، كما تمت مناقشته في القسم السابق والموضح في الشكل 5. هناك اختلاف واضح في ارتفاع المسارات في القطاعات الثلاثة ، ألاسكا وأوروبا وشرق روسيا خلال فصلي الشتاء والصيف. في فصل الشتاء من هذه القطاعات الثلاثة ، كانت نقطة المنشأ في 10 أيام في الماضي تقع على ارتفاع 1.5-2.5 كم ربما بسبب تأثير الحمل الحراري فوق شمال المحيط الأطلسي وشمال المحيط الهادئ. كان للقطاعات الأخرى مسارات تسير على ارتفاعات منخفضة. وبالتالي ، قد تكون الاختلافات في ارتفاعات الطرود مسؤولة عن نقل الانبعاثات حيث أن لها تأثيرًا على كيفية تأثير إطلاق الملوثات على مستوى الأرض على الكتلة الهوائية. من ناحية أخرى، إيكهاردت وآخرون. [2003] أظهر أنه بسبب التدفق الأيسلندي المعزز ، لا يتم نقل انبعاثات أمريكا الشمالية مباشرة إلى القطب الشمالي ولكن يتم نقلها بشكل أكثر كفاءة إلى أوروبا حيث تتحد مع الانبعاثات الأوروبية ويتم نقلها في النهاية إلى القطب الشمالي [ بوتنهايم وآخرون, 2003 ].


2 النظام التجريبي والشروط والقياسات

2.1 النظام التجريبي.

الهيكل التجريبي عبارة عن غرفة بقياس 5.7 × 4.6 م مع ارتفاع سقف 2.17 م. في هذا العمل ، تم إغلاق نافذتين في الهيكل دائمًا بينما كان الباب مفتوحًا دائمًا. يقع الباب على الجدار الغربي في الزاوية الجنوبية الغربية ويبلغ عرضه 0.91 مترًا وارتفاعه 2.0 مترًا. تم تبطين جميع الجدران الداخلية والسقف بألواح جبسية بسمك 1.6 سم وتم إنشاء الأرضية من رصف خرساني بسمك 2.54 سم فوق هيكل دعم من الرمل والخشب.

تم إنتاج الحرائق في التجارب والنماذج بواسطة شعلتين من البروبان بأبعاد أفقية 0.32 م في 0.32 م وارتفاع 0.4 م. تم استخدام ثلاثة ملفات تعريف HRR في التجارب ، مدة كل منها 5 دقائق: HRR ثابت 200 كيلو واط ، وملف HRR ثابت 400 كيلو واط ، وملف تعريف HRR "ثلاثي". بدأ المظهر الجانبي النهائي عند 40 كيلو واط ، وزاد خطيًا إلى 400 كيلو واط بمقدار 90 ثانية ، وانخفض خطيًا إلى 40 كيلو واط بمقدار 5 دقائق قبل إيقاف التشغيل. تم تقدير معدل ضربات القلب التجريبي باعتباره معدل التدفق الكتلي الذي تم قياسه بواسطة وحدة التحكم في التدفق مضروبًا في حرارة احتراق البروبان بافتراض الاحتراق الكامل. تم تثبيت موقع الحريق على بعد 1.5 متر من الجدار الشمالي و 3.0 متر من الجدار الغربي إلى وسط الموقد الأول. عندما تمت إضافة الموقد الثاني لاختبارات 400 كيلوواط ، لم يتم تحريك الموقد الأول.

تم أخذ قياسات التدفق الحراري ودرجة الحرارة خلال كل تجربة باستخدام ملفات تعريف نموذجية لأجهزة الاستشعار التي تقع على بعد 2 متر تقريبًا من نار ثابتة تبلغ 200 كيلو وات كما هو موضح في الشكل 1. في هذا الشكل ، توجد المزدوجة الحرارية 01 بالقرب من السقف ويتم تباعد الأزواج الحرارية المتبقية بالتساوي يوضح الاتجاه الرأسي الانتقال من طبقة الغاز العلوية الساخنة إلى الطبقة السفلية الأكثر برودة. بالنسبة للمزدوجات الحرارية الأقرب للنار وللحرائق الأكبر التي تبلغ 400 كيلو وات ، كانت درجات الحرارة القصوى تتراوح بين 400-500 درجة مئوية. يتم أخذ تدفقات الحرارة في الشكل 1 من الجانب الأمامي لميزاني حرارة لهب اتجاهي (DFTs) ، حيث يشير الجانب الأمامي إلى الجانب المواجه لأسفل باتجاه النار. كانت تدفقات الذروة الحرارية النموذجية أقل من 10 كيلو واط / م 2 ، باستثناء DFTs التي شهدت اصطدامًا باللهب حيث يمكن أن تصل التدفقات الحرارية إلى 25 كيلو واط / م 2. قدر العمل السابق على تكوين DFT هذا الشكوك التجريبية بين 9٪ و 13٪ لنطاق التدفقات الحرارية التي لوحظت في هذه التجربة [16].

2.2 قياسات تدفق الحرارة ودرجة الحرارة.

في الهيكل التجريبي ، تم جمع بيانات التدفق الحراري باستخدام DFTs التي تم إنشاؤها باتباع الطرق التي حددها Kokel et al. [17]. تتكون DFTs من ألياف السيراميك العازلة المحصورة بين لوحين فولاذيين مربعين بعرض 11.43 سم وسماكة 0.1905 سم. كان سمك هذا العزل في البداية 2.54 سم وتم ضغطه إلى 2.22 سم بواسطة أربعة براغي وفواصل. يتم تثبيت المزدوجة الحرارية من النوع K في وسط اللوحة بين اللوح والعزل باستخدام مربع رفيع من مخزون الرقائق الفولاذية. يتم حساب صافي التدفق الحراري في كل DFT عن طريق حل معادلة التوصيل الحراري العابر 1D في ألواح العزل والصلب التي تقارب درجات حرارة اللوحة كدرجات حرارة مزدوجة حرارية.

يوجد ما مجموعه 28 DFTs في الهيكل وهي مقسمة بين حوامل الجدار والسقف كما هو موضح في الشكل 2. هناك ثمانية حوامل سقف بإجمالي 16 DFTs مثبتة أفقيًا تشكل شبكة 1 متر تقريبًا على السقف. يحتوي كل حامل على أربعة مزدوجات حرارية متباعدة بشكل متساوٍ على طول الشريط الرأسي الداعم مع وجود مزدوج حراري علوي في السقف. تحتوي كل من الحاملتين الجداريتين على ستة DFTs مثبتة رأسياً مرتبة في صفين من ثلاثة DFTs على ارتفاعات 0.96 و 1.9 متر مع 0.45 متر بين DFTs في كل صف. يوجد ازدواج حراري واحد فوق مركز DFT في كل صف.


كيف تأخذ في الاعتبار استجابة المرشح في حسابات كثافة التدفق الحراري والانعكاس؟ - الفلك

عادة ما يكون الامتصاص وإعادة الإشعاع اللاحق للضوء بواسطة العينات العضوية وغير العضوية نتيجة لظواهر فيزيائية راسخة توصف بأنها إما ضوئي أو التفسفر الوميض الفوسفوري. يكون انبعاث الضوء من خلال عملية التألق متزامنًا تقريبًا مع امتصاص ضوء الإثارة بسبب التأخير الزمني القصير نسبيًا بين امتصاص الفوتون والانبعاث ، والذي يتراوح عادةً أقل من ميكرو ثانية في المدة. عندما يستمر الانبعاث لفترة أطول بعد إطفاء ضوء الإثارة ، يشار إلى هذه الظاهرة باسم الفسفرة.

شكل 1 - مجهر Epi-Fluorescence

وصف العالم البريطاني السير جورج ج.ستوكس لأول مرة الفلورة في عام 1852 وكان مسؤولاً عن صياغة المصطلح عندما لاحظ أن الفلورسبار المعدني ينبعث من الضوء الأحمر عندما يضيء بواسطة الإثارة فوق البنفسجية. لاحظ ستوكس أن انبعاث الفلورة يحدث دائمًا بطول موجي أطول من الطول الموجي لضوء الإثارة. أظهرت التحقيقات المبكرة في القرن التاسع عشر أن العديد من العينات (بما في ذلك المعادن والبلورات والراتنجات والعقاقير الخام والزبدة والكلوروفيل والفيتامينات والمركبات غير العضوية) تتألق عند تعريضها للأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك ، لم يبدأ استخدام الفلوروكروم في التحقيقات البيولوجية حتى الثلاثينيات من القرن الماضي لتلطيخ مكونات الأنسجة والبكتيريا ومسببات الأمراض الأخرى. كانت العديد من هذه البقع محددة للغاية وحفزت تطوير مجهر التألق.

أصبحت تقنية الفحص المجهري الفلوري أداة أساسية في علم الأحياء والعلوم الطبية الحيوية ، وكذلك في علم المواد بسبب السمات التي لا تتوفر بسهولة في أوضاع التباين الأخرى مع الفحص المجهري البصري التقليدي. لقد أتاح تطبيق مجموعة من الفلوروكرومات تحديد الخلايا والمكونات الخلوية شبه المجهرية بدرجة عالية من الخصوصية وسط مادة غير متألقة. في الواقع ، فإن مجهر التألق قادر على الكشف عن وجود جزيء واحد. من خلال استخدام علامات التألق المتعددة ، يمكن للمجسات المختلفة تحديد العديد من الجزيئات المستهدفة في وقت واحد. على الرغم من أن مجهر التألق لا يمكن أن يوفر دقة مكانية أقل من حد الانعراج لسمات عينة معينة ، فإن اكتشاف الجزيئات الفلورية تحت هذه الحدود يتم تحقيقه بسهولة.

تُظهر مجموعة متنوعة من العينات تألقًا ذاتيًا (بدون تطبيق الفلوروكرومات) عندما يتم تشعيعها ، وهي ظاهرة تم استغلالها تمامًا في مجالات علم النبات ، وعلم البترول ، وصناعة أشباه الموصلات. على النقيض من ذلك ، غالبًا ما تكون دراسة الأنسجة الحيوانية ومسببات الأمراض معقدة مع تألق ذاتي باهت للغاية أو ساطع وغير محدد. ذات قيمة أكبر بكثير للدراسات الأخيرة هي الفلوروكرومات المضافة (تسمى أيضًا الفلوروفور) ، التي تثيرها أطوال موجية محددة من الضوء المشع وتنبعث منها ضوء شدة محددة ومفيدة. الفلوروكرومات عبارة عن بقع ترتبط بالبنى المرئية أو الفرعية المرئية ، وغالبًا ما تكون محددة للغاية في استهداف التعلق بها ، ولها عائد كمي كبير (نسبة امتصاص الفوتون إلى الانبعاث). يرتبط النمو الواسع النطاق في استخدام الفحص المجهري الفلوري ارتباطًا وثيقًا بتطوير مركبات فلورية اصطناعية جديدة وتحدث بشكل طبيعي مع ملامح كثافة معروفة للإثارة والانبعاثات ، إلى جانب أهداف بيولوجية مفهومة جيدًا.

أساسيات الإثارة والانبعاث

تتمثل الوظيفة الأساسية لمجهر التألق في تشعيع العينة بنطاق محدد ومطلوب من الأطوال الموجية ، ثم فصل الفلورة المنبعثة الأضعف بكثير عن ضوء الإثارة. في المجهر الذي تم تكوينه بشكل صحيح ، يجب أن يصل الضوء المنبعث فقط إلى العين أو الكاشف بحيث يتم تثبيت الهياكل الفلورية الناتجة مع تباين عالٍ على خلفية داكنة جدًا (أو سوداء). تخضع حدود الكشف عمومًا لظلام الخلفية ، وعادة ما يكون ضوء الإثارة أكثر سطوعًا من عدة مئات من الآلاف إلى مليون مرة من التألق المنبعث.

يتضح في شكل 1 هو رسم تخطيطي مقطوع لمجهر epi-fluorescence الحديث المجهز لكل من الفحص المجهري الفلوري المرسل والمنعكس. يحتوي المنور العمودي في وسط المخطط على مصدر الضوء في أحد طرفيه (يُسمى المصباح الأسقفي) وبرج مكعب المرشح في الطرف الآخر. يتكون التصميم من مجهر ضوئي أساسي منعكس يكون فيه الطول الموجي للضوء المنعكس أطول من طول الإثارة. يعود الفضل إلى Johan S. Ploem في تطوير المصباح الرأسي للفحص المجهري للضوء المنعكس. في الإنارة العمودية الفلورية ، يتم إنتاج الضوء ذي الطول الموجي المحدد (أو نطاق محدد من الأطوال الموجية) ، غالبًا في المناطق فوق البنفسجية أو الزرقاء أو الخضراء من الطيف المرئي ، عن طريق تمرير ضوء متعدد الأطياف من مصباح تفريغ القوس أو مصدر آخر عبر الطول الموجي انتقائي الإثارة منقي. الأطوال الموجية التي يمر بها مرشح الإثارة تنعكس من سطح أ ثنائي اللون (يُطلق عليه أيضًا اسم أ مزدوج اللون) مرآة أو شعاع ، من خلال هدف المجهر لغسل العينة بضوء شديد. إذا تألقت العينة ، فإن ضوء الانبعاث الذي تم جمعه بواسطة الهدف يمر مرة أخرى عبر المرآة ثنائية اللون ويتم ترشيحه لاحقًا بواسطة حاجز (أو انبعاث) مرشح ، الذي يمنع أطوال موجات الإثارة غير المرغوب فيها. من المهم ملاحظة أن التألق هو الوضع الوحيد في الفحص المجهري البصري حيث تنتج العينة ، بعد الإثارة ، الضوء الخاص بها. يشع الضوء المنبعث من جديد كرويًا في جميع الاتجاهات ، بغض النظر عن اتجاه مصدر الضوء المثير.

إن إضاءة Epi-fluorescence هي الاختيار الساحق للتقنيات في الفحص المجهري الحديث ، ويتم وضع المنور العمودي للضوء المنعكس بين أنابيب مشاهدة الملاحظة وفتحة الأنف التي تحتوي على الأهداف. تم تصميم المنور لتوجيه الضوء إلى العينة عن طريق تمرير ضوء الإثارة أولاً عبر هدف المجهر (والذي يعمل في هذا التكوين بمثابة مكثف) في الطريق نحو العينة ، ثم استخدام نفس الهدف لالتقاط التألق المنبعث. هذا النوع من المنور له مزايا عديدة. يخدم هدف مجهر الفلورة أولاً كمكثف مصحح جيدًا وثانيًا كمجمع ضوئي مكون للصورة. كونه مكونًا واحدًا ، يكون الهدف / المكثف دائمًا في محاذاة مثالية. يمر معظم ضوء الإثارة الذي يصل إلى العينة من دون تفاعل ويبتعد عن الهدف ، وتقتصر المنطقة المضيئة على تلك التي يتم ملاحظتها من خلال العدسات (في معظم الحالات). على عكس الوضع في بعض تقنيات تحسين التباين ، تتوفر الفتحة العددية الكاملة للهدف عندما يتم تكوين المجهر بشكل صحيح لإضاءة كولر. أخيرًا ، من الممكن الجمع مع أو التناوب بين التألق الضوئي المنعكس ومراقبة الضوء المنقولة والتقاط الصور الرقمية.

الشكل 2 - مرشحات الإسفار

كما هو معروض في شكل 1، يشتمل الإنارة الرأسية للضوء المنعكس على مصباح تفريغ قوسي في النهاية الخلفية (عادة ما يكون الزئبق أو موقد الزينون). ينتقل ضوء الإثارة على طول المصباح العمودي على المحور البصري للميكروسكوب ، ويمر عبر العدسات المجمعة وفتحة غشاء متغيرة وقابلة للتوسيط ، ثم من خلال غشاء مجال متغير وقابل للتوسيط (انظر شكل 1). ثم يصطدم الضوء بمرشح الإثارة حيث يحدث اختيار النطاق المطلوب وانسداد الطول الموجي غير المرغوب فيه. تصل الأطوال الموجية المحددة ، بعد المرور عبر مرشح الإثارة ، إلى مرآة تقسيم الحزم ثنائية اللون ، وهي عبارة عن مرشح تداخل متخصص يعكس بكفاءة الضوء ذي الطول الموجي الأقصر ويمرر الضوء ذي الطول الموجي الأطول بكفاءة. يميل جهاز إرسال الأشعة ثنائي اللون بزاوية 45 درجة فيما يتعلق بضوء الإثارة الوارد ويعكس هذه الإضاءة بزاوية 90 درجة مباشرة من خلال النظام البصري الموضوعي وعلى العينة. يتم جمع انبعاث الإسفار الناتج عن العينة المضيئة بواسطة الهدف ، ويعمل الآن في وظيفته المعتادة لتشكيل الصورة. نظرًا لأن الضوء المنبعث يتكون من أطوال موجية أطول من إضاءة الإثارة ، فإنه قادر على المرور عبر المرآة ثنائية اللون وإلى الأعلى إلى أنابيب المراقبة أو الكاشف الإلكتروني.

ينعكس معظم ضوء الإثارة المتناثر الذي يصل إلى المرآة ثنائية اللون باتجاه مصدر الضوء ، على الرغم من أن كمية دقيقة غالبًا ما تمر عبرها ويمتصها الطلاء الداخلي لكتلة المرآة. قبل أن يصل التألق المنبعث إلى العدسة أو الكاشف ، يجب أن يمر أولاً عبر الحاجز أو مرشح القمع. يحجب هذا المرشح (يمنع) أي ضوء إثارة متبقي ويمرر أطوال موجات الانبعاث الأطول المطلوبة. في معظم أجهزة الإضاءة المنعكسة ، يتم دمج مرشح الإثارة والمرآة ثنائية اللون ومرشح الحاجز في كتلة بصرية (يشار إليها غالبًا باسم مكعب) ، كما هو موضح في الشكل 2. مجاهر الفلورة الحديثة قادرة على استيعاب ما بين أربعة وستة مكعبات مضان (عادة على برج دوار أو من خلال آلية منزلقة انظر شكل 1) والسماح للمستخدم بإرفاق مرشحات الإثارة والحاجز البديلة بسهولة ، بالإضافة إلى المرايا ثنائية الألوان.

يجب أن يمكّن تصميم الإنارة الرأسية المستخدم من ضبط المجهر لإضاءة كولر ، مما يوفر فتحة ساطعة وحتى مضيئة عبر مجال الرؤية بأكمله. يجب أن تضمن عدسات التكثيف المصححة للنظام البصري أن صورة الحجاب الحاجز للفتحة المركزية مترافقة مع الفتحة الخلفية للهدف المركز. في أجهزة الإضاءة الحديثة ، تكون صورة الحجاب الحاجز المركّز مسبقًا والمركزي في الوسط مترافقًا مع العينة المركزة ومستوى الحجاب الحاجز العيني الثابت.

عادة ما يشتمل المصباح المضيء على مرشح قمع ضوء الأشعة تحت الحمراء. يجب ألا يتسرب المصباح نفسه من أطوال موجات فوق بنفسجية ضارة ، ويفضل أن يشتمل على مفتاح لإغلاق المصباح تلقائيًا إذا تم فتح السكن عن غير قصد أثناء التشغيل. يجب أن يكون المصباح قويًا بما يكفي لتحمل انفجار محتمل (مصباح تفريغ القوس) أثناء التشغيل. في المصابيح الحديثة ، تم تجهيز مقبس المصباح بمقابض ضبط للسماح بتوسيط صورة المصباح القوسي داخل الفتحة الخلفية للهدف (في إضاءة كولر ، هذه الطائرات مترافقة). في مكان ما في مسار الضوء ، عادةً ما يكون أقرب إلى المصباح ويسبق مرشح الإثارة ، من المستحسن أن يكون لديك مصراع لمنع ضوء الإثارة تمامًا عندما لا يتم عرض العينة أو تصويرها باستخدام الكاشف. بالإضافة إلى ذلك ، يجب توفير شروط لمرشحات الكثافة المحايدة (إما على عجلة أو برج أو شريط تمرير) لتمكين المستخدم من تقليل شدة إضاءة الإثارة.

تحول ستوكس

تُفقد الطاقة الاهتزازية عندما تسترخي الإلكترونات من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية. نتيجة لفقدان الطاقة ، عادةً ما يتم تحويل طيف انبعاث فلوروفور متحمس إلى أطوال موجية أطول عند مقارنته بطيف الامتصاص أو الإثارة (لاحظ أن الطول الموجي يختلف عكسيًا إلى طاقة الإشعاع). تُعرف هذه الظاهرة الموثقة جيدًا باسم قانون ستوكس أو تحول ستوكس. مع زيادة قيم تغيير Stokes ، يصبح من الأسهل فصل الإثارة عن ضوء الانبعاث من خلال استخدام مجموعات مرشح التألق.

عادةً ما تكون ذروة شدة انبعاث الفلوروفور (أو الامتصاص) أقل في الطول الموجي والحجم من تلك التي تظهرها ذروة الإثارة ، وغالبًا ما يكون المظهر الطيفي للانبعاث (منحنى) صورة معكوسة (أو تقريبًا) لمنحنى الإثارة ، ولكن يتم الانتقال إلى أطوال موجية أطول ، كما هو موضح في الشكل 3 بالنسبة لـ Alexa Fluor 555 ، وهو عبارة عن مسبار مفيد يمتص الضوء في المنطقة الصفراء والخضراء وينتج انبعاث أصفر برتقالي. من أجل تحقيق أقصى كثافة مضان ، فإن الفلوروفور (غالبًا ما يطلق عليه a صبغ) عادةً عند أطوال موجية بالقرب من أو عند ذروة منحنى الإثارة ، ويتم اختيار أوسع نطاق ممكن من أطوال موجات الانبعاث التي تشمل ذروة الانبعاث للكشف عنها. يعتمد اختيار أطوال موجات الإثارة والانبعاث عادةً على مرشحات التداخل (الشكل 2). بالإضافة إلى ذلك ، ستعتمد الاستجابة الطيفية للنظام البصري المجهر أيضًا على عوامل مثل كفاءة انتقال الزجاج (بسبب الطلاءات المضادة للانعكاس) ، وعدد عناصر العدسة والمرايا ، واستجابة نظام الكاشف.

الشكل 3 - خصائص امتصاص الفلوروفور والانبعاثات

يتم تحقيق الفصل الفعال والكشف عن الإثارة وأطوال موجات الانبعاث في الفحص المجهري الفلوري من خلال الاختيار المناسب للمرشحات لمنع أو تمرير نطاقات الطول الموجي المحددة في المناطق الطيفية فوق البنفسجية والمرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. تم تصميم أجهزة الإنارة الرأسية الفلورية بغرض التحكم في ضوء الإثارة من خلال تطبيق إدخال مرشح قابل للتبديل بسهولة (موازن الكثافة المحايدة وإثارة التداخل) في مسار الضوء في الطريق نحو العينة ، ومرة ​​أخرى في المسار بين العينة و أنابيب المراقبة أو نظام الكشف بالكاميرا. ربما تكون أهم المعايير ، في ضوء شدة انبعاث الفلورة المنخفضة نسبيًا (انظر المناقشة أعلاه) ، هي أن يكون مصدر الضوء المستخدم للإثارة سطوعًا كافيًا بحيث يمكن تعظيم ضوء الانبعاث الضعيف ، وأن تمتلك الفلوروكرومات خصائص امتصاص كافية والانبعاثات الكمومية.

إن الكفاءة التي يمتص بها حامل الفلور معين فوتونًا من ضوء الإثارة هي وظيفة المقطع العرضي الجزيئي ، ويُعرف احتمال الامتصاص باسم معامل الانقراض. تشير معاملات الانقراض الأكبر إلى أن امتصاص الفوتون (أو الكم) في منطقة طول موجة معينة يكون أكثر احتمالًا. يشير العائد الكمي إلى نسبة عدد الكميات المنبعثة مقارنة بتلك الممتصة (وعادة ما تكون قيمة بين 0.1 و 1.0). قيم العائد الكمي أقل من 1 هي نتيجة فقدان الطاقة من خلال المسارات غير الإشعاعية ، مثل الحرارة أو تفاعل كيميائي ضوئي ، بدلاً من المسار الإشعاعي للفلورة. معامل الانقراض ، العائد الكمي ، متوسط ​​شدة الإضاءة لمصدر الضوء ، وعمر التألق كلها عوامل مهمة تساهم في كثافة وفائدة انبعاث التألق.

يتلاشى ، التبريد ، والتبييض الضوئي

غالبًا ما يتم تشغيل مجموعة واسعة من الظروف التي تؤثر في النهاية على إعادة إشعاع انبعاث الفلورة وبالتالي تقليل الكثافة. المصطلح العام لتقليل كثافة انبعاث الفلورة هو بهوت، وهي فئة شاملة يتم عادةً تقسيمها إلى أقسام فرعية إخماد و photobleaching الظواهر للحصول على أوصاف أكثر دقة. التبييض الضوئي هو التحلل الذي لا رجعة فيه لجزيئات الفلورسنت في الحالة المثارة بسبب تفاعلها مع الأكسجين الجزيئي قبل الانبعاث. يتم استغلال حدوث التبييض الضوئي في تقنية تعرف باسم استعادة التألق بعد التبييض الضوئي (فراب) ، وهي آلية مفيدة للغاية للتحقيق في انتشار وحركة الجزيئات البيولوجية. تعتمد الطريقة على التبييض الضوئي لمنطقة محددة بشكل حاد من العينة عن طريق اندفاع مكثف من ضوء الليزر ، مصحوبًا بالمراقبة اللاحقة لمعدلات ونمط استعادة التألق في المنطقة المبيضة ضوئيًا. تقنية ذات صلة ، تُعرف باسم فقدان التألق في التبييض الضوئي (يواجه) ، لرصد انخفاض التألق في منطقة محددة تقع بجوار منطقة مبيضة ضوئيًا. على غرار FRAP ، فإن التقنية الأخيرة مفيدة في التحقيق في الحركة الجزيئية والديناميات في الخلايا الحية.

الشكل 4 - معدلات التبييض الضوئي في مضاعفة العينات المصبوغة

المقدمة في الشكل 4 هو مثال نموذجي على التبييض الضوئي (التلاشي) الذي لوحظ في سلسلة من الصور الرقمية التي تم التقاطها في نقاط زمنية مختلفة لثقافة ملطخة متعددة لخلايا الأرومة الليفية للبشرة الهندي Muntjac deer. كانت النوى ملطخة بمشتق ثنائي بنزيميدازول (Hoechst 33258 مضان أزرق) ، بينما تم تلوين الهيكل الخلوي للميتوكوندريا والأكتين باستخدام MitoTracker Red CMXRos (مضان أحمر) ومشتق phalloidin مترافق مع Alexa Fluor 488 (مضان أخضر على التوالي). تم أخذ النقاط الزمنية في فواصل زمنية مدتها دقيقتان باستخدام مرشح مضان مع عرض النطاق الترددي الذي تم ضبطه لإثارة الفلوروفورات الثلاثة في وقت واحد مع تسجيل إشارات الانبعاث المجمعة أيضًا. لاحظ أن جميع الفلوروفورات الثلاثة لها كثافة عالية نسبيًا في الشكل 4 (أ)، لكن كثافة Hoechst fluorophore (الزرقاء) تبدأ في الانخفاض بسرعة في دقيقتين وتختفي تمامًا تقريبًا في 6-8 دقائق. تعتبر بقع الميتوكوندريا والأكتين أكثر مقاومة للتبييض الضوئي ، لكن شدة كلاهما تنخفض بشكل ملحوظ على مدار التسلسل الزمني (10 دقائق).

تؤدي عملية استرخاء الحالة المثارة للإخماد إلى انخفاض شدة التألق من خلال مجموعة متنوعة من الآليات التي تنطوي على فقد الطاقة غير الإشعاعي وغالبًا ما تحدث نتيجة عوامل مؤكسدة أو وجود أملاح أو معادن ثقيلة أو مركبات الهالوجين. في بعض الحالات ، ينتج التبريد عن نقل الطاقة إلى جزيء آخر (يُطلق عليه اسم متقبل) ، والذي يتواجد بالقرب من الفلوروفور المتحمس ( جهات مانحة) ، وهي ظاهرة تُعرف باسم نقل طاقة الرنين الفلوري (أقلق). أصبحت هذه الآلية الخاصة أساسًا لتقنية مفيدة تتضمن دراسة التفاعلات الجزيئية والجمعيات على مسافات بعيدة جدًا عن الدقة الجانبية للمجهر البصري.

مصادر ضوء الإسفار

من النتائج المؤسفة لمستويات الانبعاث المنخفضة في معظم تطبيقات الفحص المجهري الفلوري أن عدد الفوتونات التي تصل إلى العين أو كاشف الكاميرا منخفض جدًا أيضًا. في معظم الحالات ، تكون كفاءة جمع المجاهر الضوئية أقل من 30 في المائة ويتراوح تركيز العديد من الفلوروفور في نطاق المسار البصري في المناطق الميكرومولارية أو النانوية. من أجل توليد شدة إضاءة كافية للإثارة لإنتاج انبعاث قابل للكشف ، من الضروري وجود مصادر ضوء قوية مدمجة ، مثل مصابيح تفريغ القوس القصير ذات الطاقة العالية. أكثر المصابيح شيوعًا هي مواقد الزئبق ، وتتراوح قوتها الكهربائية من 50 إلى 200 واط ، وموقد زينون التي تتراوح من 75 إلى 150 واط (انظر الشكل 5). عادةً ما يتم تشغيل مصادر الضوء هذه بواسطة مصدر تيار خارجي مباشر ، مما يوفر طاقة بدء تشغيل كافية لإشعال الموقد من خلال تأين البخار الغازي والحفاظ عليه مشتعلًا بأقل وميض.

عادةً ما يكون مصدر الطاقة الخارجي لمصباح التفريغ القوسي المجهر مزودًا بمؤقت لتتبع عدد ساعات تشغيل الموقد. تفقد مصابيح القوس كفاءتها ومن المرجح أن تتحطم إذا تم استخدامها بعد عمرها الافتراضي (200-300 ساعة). لا توفر مواقد الزئبق كثافة متساوية عبر الطيف من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء ، ويتم إنفاق الكثير من شدة المصباح في الأشعة فوق البنفسجية القريبة. تحدث قمم الشدة البارزة عند 313 و 334 و 365 و 406 و 435 و 546 و 578 نانومتر. في الأطوال الموجية الأخرى في منطقة الضوء المرئي ، تكون الشدة ثابتة على الرغم من أنها ليست شديدة السطوع (لكنها لا تزال قابلة للاستخدام في معظم التطبيقات). عند النظر في كفاءة الإضاءة ، فإن القوة الكهربائية للمصباح ليست الاعتبار الرئيسي. بدلاً من ذلك ، فإن المعلمة الحرجة هي متوسط ​​النصوع الذي يجب مراعاته ، مع مراعاة سطوع المصدر ، وهندسة القوس ، والانتشار الزاوي للانبعاثات.

الشكل 5 - مصابيح فلورية ذات تفريغ القوسي

في السنوات القليلة الماضية ، شهد الفحص المجهري البصري زيادة في استخدام مصادر ضوء الليزر ، ولا سيما ليزر الأرجون والأرجون والكريبتون (أيون). تتمتع هذه الليزرات بفضائل حجم المصدر الصغير ، والتباعد المنخفض ، والأحادية اللون تقريبًا ، والسطوع المتوسط ​​العالي. لقد أصبحوا ضروريين في مسح الفحص المجهري متحد البؤر ، وهي تقنية أثبتت أنها أداة قوية في تقديم صور مضان حادة للغاية من خلال رفض الضوء غير المركّز الذي تمت إزالته من المستوى البؤري للعينة. تنجز المجاهر متحد البؤر هذه المهمة من خلال المسح النقطي أو الخطي بالتصوير المتزامن من خلال فتحة مترافقة. يمكن تخزين المقاطع البصرية للعينات في كمبيوتر مضيف وإعادة بنائها في الصورة النهائية ، والتي يتم عرضها بعد ذلك على الشاشة.

مصطلحات التصفية

أصبحت المصطلحات الشائعة المطبقة على مجموعات مرشحات الفحص المجهري مضانًا مربكة نتيجة للأحرف الأولى والرموز المختلفة المستخدمة من قبل الشركات المصنعة المختلفة لتحديد المرشحات الخاصة بهم. في الأساس ، هناك ثلاث فئات رئيسية من المرشحات: الإثارة (يشار إليها غالبًا باسم المثيرون)، حاجز (انبعاث) ، وأجهزة تقسيم الحزم ثنائية اللون (أو المرايا ثنائية اللون). كانت المرشحات الفلورية تُصنع في السابق بشكل حصري تقريبًا من زجاج مصبوغ أو جيلاتين محصور بين لوحين زجاجيين. ومع ذلك ، فإن الاتجاه الحالي هو تصنيع مرشحات عالية الدقة مع بصريات تداخل لمرشحات الإثارة لتمرير أو رفض أطوال موجية للضوء مع خصوصية كبيرة ونقل عالي. مقسمات الحزم ثنائية اللون هي مرشحات تداخل متخصصة مصممة لعكس أو تمرير ضوء أطوال موجية محددة عند وضعها في مسار الضوء بزاوية 45 درجة (انظر الشكلان 1 و 2). تصنع المرشحات الحاجزة بالزجاج الملون أو الطلاءات المتداخلة (أو مزيج من الاثنين).

تشمل الاختصارات التي يستخدمها المصنعون لتحديد خصائص مرشحات الإثارة الخاصة بهم ما يلي: UG (زجاج فوق بنفسجي) و BG (زجاج أزرق). غالبًا ما يتم الإشارة إلى مرشحات الممر القصير كـ KP(ك هو اختصار لـ kurz ، وهو ما يعني "قصير" باللغة الألمانية) أو ببساطة SP. يقوم العديد من الشركات المصنعة الآن بتسمية مرشحات التداخل الخاصة بهم بالتعيين إذا. تعد مرشحات تداخل الإثارة ذات النطاق الضيق مفيدة بشكل خاص إذا كان تحول Stokes صغيرًا.

تشمل الاختصارات أو الاختصارات لمرشحات الحاجز ما يلي: LP أو إل لفلاتر طويلة ، ص أو GG للزجاج الأصفر أو هلام (ألماني) ، ص أو RG للزجاج الأحمر OG أو ا للزجاج البرتقالي ، ك لـ kante ، وهو مصطلح ألماني للحافة (مرشح) ، و بكالوريوس لتصفية الحاجز. عندما يرتبط نوع المرشح أيضًا برقم ، مثل BA515، يشير هذا التعيين إلى الطول الموجي (بالنانومتر) عند 50 في المائة من الحد الأقصى للإرسال.

كما يتم وصف مقسمات الحزم ثنائية الألوان بالعديد من الاختصارات بما في ذلك سي بي اس لمقسم شعاع لوني ، DM لمرآة ثنائية اللون ، المعارف التقليدية لـ "teiler kante" ، الألمانية لتقسيم الحواف ، FT لـ "farb teiler" (الألمانية لتقسيم الألوان) ، و RKP لتمرير انعكاس قصير. يجب اعتبار كل هذه المصطلحات قابلة للتبديل ، ويتم دائمًا تصنيع مقسمات الأشعة الحديثة ثنائية اللون بطبقات تداخل على الزجاج البصري (على عكس الأصباغ العضوية أو المعدنية). تم تصميم الأغشية الرقيقة للتداخل لإنتاج انعكاسية عالية لأطوال موجية أقصر وإرسال عالي لأطوال موجية أطول. يتم توجيه مقسمات الحزم ثنائية اللون بزاوية 45 درجة إلى مسار ضوء الإثارة الذي يدخل الكتلة الضوئية من خلال مصباح الإضاءة الفلورية المنعكسة. وتتمثل مهمتهم الأساسية في إعادة توجيه أطوال موجات الإثارة المختارة (الأقصر) عبر الهدف وعلى العينة. تتمتع هذه المرشحات المتخصصة أيضًا بوظائف إضافية تتمثل في تمرير انبعاث الفلورة ذات الطول الموجي الأطول إلى مرشح الحاجز ، وعكس أي ضوء مثير متناثر في اتجاه المصباح.

الشكل 6 - نيكون B-2E (إثارة زرقاء متوسطة النطاق)

المقدمة في الشكل 6 هي ملفات تعريف الإرسال لمجموعة مرشحات الفلورة النموذجية المستخدمة في المجاهر الحديثة. يُظهر طيف مرشح الإثارة (المنحنى الأحمر) مستوى عاليًا من الإرسال (حوالي 75 بالمائة) بين 450 و 490 نانومتر بطول موجة مركزي (CWL) من 470 نانومتر. تعكس المرآة ثنائية اللون (المنحنى الأصفر) الأطوال الموجية في منطقة طيف الإثارة ، بينما تمر أطوال موجية أعلى وأقل بكفاءة عالية نسبيًا. لاحظ أن الإرسال بنسبة صفر بالمائة على منحنى المرآة ثنائي اللون يتوافق مع انعكاس بنسبة 100 بالمائة. يعمل الانخفاض الواضح في ملف النقل بين 450 و 500 نانومتر ، والذي يمثل ذروة في الانعكاس ، على عكس نطاق الأطوال الموجية التي تمر من مرشح الإثارة بزاوية 90 درجة وعلى العينة. المكون الأخير في القطار البصري ، وهو مرشح انبعاث أو حاجز (منحنى أبيض) ، ينقل أطوال موجية في منطقة الضوء المرئي الأخضر ، في نطاق يتراوح بين 520 و 560 نانومتر. تم تصميم الحدود بين نطاقات الطول الموجي المنقولة والمنعكسة لمختلف الأطياف المتراكبة لتكون شديدة الانحدار قدر الإمكان لضمان الفصل الكامل تقريبًا بين الأطوال الموجية المنعكسة والمرسلة. يعد نمط ارتفاع وانخفاض الجيوب الأنفية الذي يظهر في طيف المرآة ثنائي اللون تأثيرًا شائعًا لعملية ترسيب الأغشية الرقيقة المعروفة باسم رنين. أداء مجموعة المرشح هذا رائع وهو دليل واضح على التقدم السريع الذي تم تحقيقه في تقنية مرشح تداخل الأغشية الرقيقة.

تُشتق تسمية المرشح التي تستخدمها نيكون من مزيج من المصطلحات التي يعود تاريخها إلى أوائل التسعينيات. في ذلك الوقت ، تم إنتاج جميع تركيبات المرشحات التكميلية من نيكون باستخدام معطف من الصعب تقنية الرش ، ولكن العديد من المرشحات المتاحة حاليًا تستفيد من طرق الطلاء الأكثر نعومة الأحدث. على الرغم من أن المعاطف اللينة أكثر عرضة للرطوبة وتدهور الحرارة ، ويجب التعامل معها بعناية أكثر من مرشحات الغلاف الصلب ، إلا أنها تظهر كثافات بصرية ذات قيمة حظر أعلى وتوفر سهولة أكبر في ضبط نطاقات الطول الموجي المحددة. يوفر فهم تسميات كود تركيبة مرشح نيكون آلية لتحديد ما إذا كانت مجموعة معينة ستؤدي بشكل كافٍ إلى فلوروفور معين.

يشير الحرف الأول في رمز تعيين المرشح الأبجدي الرقمي الخاص بشركة Nikon إلى المنطقة الطيفية لإثارة الطول الموجي (على سبيل المثال ، الأشعة فوق البنفسجية, الخامس, ب، و جي، وهي اختصارات بسيطة للأشعة فوق البنفسجية والبنفسجية والأزرق والأخضر على التوالي). الرقم الذي يلي رمز الإثارة يتعلق بعرض نطاق مرور مرشح الإثارة: 1 لإثارة النطاق الضيق ، 2لإثارة النطاق المتوسط ​​والواسع ، و 3 لإثارة النطاق الواسع جدًا. أخيرًا ، يحدد حرف واحد أو أكثر يتبع رقم حجم ممر الإثارة خصائص مرشح الحاجز. حرف الكود أ يشير إلى مرشح حاجز طويل قياسي مع أدنى طول موجة مقطوع ، بينما ب يعين قيمة طول موجي قطع أعلى لمرشح انبعاث الممر الطويل. يتم تحديد مرشحات انبعاث ممر الموجة بالحرف ه (بالإشارة إلى المصطلح "مُحسَّن") للإشارة إلى أدائهم المتفوق فيما يتعلق بالقضاء على التقاطع. ال E / C. المرشحات عبارة عن مجموعات تداخل بطبقة ناعمة مصممة للحصول على أفضل أداء مع مجسات معينة ، مثل DAPI و FITC و TRITC و Texas Red.

ميزانية ضوء الإسفار

يعد تقدير تدفقات الضوء في مجهر مضان نموذجي مفيدًا لتحديد القيود التي ستتم مواجهتها في إنتاج الصور الرقمية أو أثناء الملاحظة المرئية للعينات. يُفترض أن مصدر الإثارة ، لهذا التمرين ، هو مصباح تفريغ قوس زينون قياسي بقدرة 75 وات مع كثافة تدفق ضوئي متوسطة تقارب 400 شمعة لكل مليمتر مربع (للمصادر الأخرى ، انظر الجدول 1). عندما يتم جمع خرج المصباح وتوجيهه من خلال مرشح تداخل بحجم 490 نانومتر (له عرض نطاق يبلغ 10 نانومتر و 75 في المائة من الإرسال) ، سيمر حوالي 2 ملي واط من الضوء. بعد الانعكاس بواسطة مرآة ثنائية اللون فعالة بنسبة 90 في المائة ، يدخل تدفق ضوئي قدره 1.8 ملي واط إلى الفتحة الخلفية لهدف المجهر باعتباره شعاع الإثارة.

مع هدف 100x بفتحة عددية 1.4 ، ستكون مساحة العينة المضيئة 12 × 10 × E (-6) سنتيمترات مربعة ، بافتراض مجال رؤية دائري يبلغ قطره حوالي 40 ميكرومتر. عندئذٍ يكون تدفق الضوء على العينة حوالي 150 واط لكل سنتيمتر مربع ، وهو ما يتوافق مع كثافة تدفق تبلغ 3.6 × 10 × E (20) فوتونًا لكل سنتيمتر مربع. وبالتالي ، فإن شدة إضاءة العينة أعلى بحوالي 1000 مرة من تلك الحادثة على سطح الأرض في يوم مشمس.

يعتمد انبعاث التألق الناتج عن تدفق الضوء الذي تمت مناقشته أعلاه على خصائص الامتصاص والانبعاث للفلوروفور ، وتركيزه في العينة ، وطول المسار البصري للعينة. من الناحية الرياضية ، أنتج التألق (F) بواسطة المعادلة:

فورمولا 1 - أنتجت الإسفار

أين σ هو المقطع العرضي للامتصاص الجزيئي ، س هو العائد الكمي ، و أنا هو تدفق الضوء الساقط (كما هو محسوب أعلاه). بافتراض أن الفلورسين هو الفلوروفور ، فإن المقطع العرضي للامتصاص (σ) 3 × 10 × هـ (-16) سم مربع لكل جزيء ، س يساوي 0.99 ، مما ينتج عنه قيمة F 100،000 فوتون في الثانية لكل جزيء. إذا كان تركيز الصبغة 1 ميكرومول لكل لتر ويتم توزيعه بشكل موحد في قرص قطره 40 ميكرومتر بسماكة 10 ميكرومتر (حجم يساوي 12 بيكولتر) ، فهناك ما يقرب من 1.2 × 10 × E (-17) مول من الصبغة أو 7.2 مليون جزيء في المسار البصري. إذا تم إثارة جميع الجزيئات في وقت واحد ، فسيكون معدل انبعاث التألق 7.2 × 10 × E (11) فوتونًا في الثانية (بالنظر إلى ناتج F وعدد جزيئات الصبغة). السؤال المهم هو كم عدد الفوتونات المنبعثة التي سيتم الكشف عنها وإلى متى يمكن أن يستمر معدل الانبعاث هذا؟

الجدول 1 - الكثافة المضيئة لمصادر الضوء المختارة

خروفتيار
(امبير)
تدفق مضيئة
(لومينز)
يعني مضيئة
الكثافة (cd / mm2)
حجم القوس
(ح × ث)
(مليمتر)
قوس عطارد
(100 واط)
5220017000.25 × 0.25
زينون أرك
(75 واط)
5.48504000.25 × 0.50
زينون أرك
(500 واط)
30900035000.30 × 0.30
التنغستن
الهالوجين
82800454.2 × 2.3

كفاءة الكشف هي دالة لكفاءة الجمع البصري والكفاءة الكمية للكاشف. هدف الفتحة 1.4 عددي مع إرسال 100 بالمائة (حالة غير واقعية) له كفاءة تجميع قصوى ، مقيدة بزاوية قبول تبلغ حوالي 30 بالمائة. تبلغ كفاءة النقل للمرآة ثنائية اللون 85 بالمائة وكفاءة مرشح الحاجز 80 بالمائة. عندئذٍ تبلغ كفاءة التجميع الإجمالية حوالي 20 بالمائة أو 140 مليار فوتون في الثانية. إذا كان الكاشف عبارة عن جهاز تقليدي مقترن بالشحن (اتفاقية مكافحة التصحر) ، فإن كفاءة الكم تبلغ حوالي 50 في المائة لانبعاث الفلورسين الأخضر (عند 525 نانومتر) ، لذا فإن الإشارة المكتشفة ستكون 70 مليار فوتون في الثانية أو حوالي 10 في المائة من التألق المنبعث. حتى مع وجود كاشف مثالي (كفاءة كمية 100٪) ، يمكن اكتشاف حوالي 20٪ فقط من فوتونات انبعاث التألق.

تعتمد مدة انبعاث الفلورة على معدل تدمير الفلوروفور نتيجة التبييض الضوئي. بالنسبة للفلورسين في محلول ملحي مؤكسج ، تشير القياسات إلى أن كل جزيء يمكن أن يصدر فقط حوالي 36000 فوتون قبل تدميره. في بيئة غير مؤكسجة ، ينخفض ​​معدل التدمير الضوئي حوالي عشرة أضعاف ، لذلك يتم إنتاج 360 ألف فوتون لكل جزيء فلوريسئين. سيكون تجمع الصبغة بالكامل ، في هذا المثال (7.2 مليون جزيء) ، قادرًا على إنتاج ما لا يقل عن 2.6 × 10 × E (11) وبحد أقصى 2.6 × 10 × E (12) فوتون. بافتراض معدل انبعاث 100000 فوتون في الثانية لكل جزيء محسوب أعلاه ، يمكن أن يستمر التألق لمدة 0.3 إلى 3 ثوانٍ فقط قبل التدمير الضوئي. في حالة اكتشاف 10 بالمائة من تدفق الفوتون ، سيتم الحصول على إشارة 7.2 × 10 × E (10) إلكترونات في الثانية.

باتباع حجة هذا المثال ، إذا كان الكاشف عبارة عن كاميرا CCD 1000 × 1000 بكسل ، فسيتم توزيع هذه الإشارة على مليون جهاز استشعار ، مع ما يقرب من 72000 إلكترون لكل جهاز استشعار. بالنسبة لجهاز CCD ذو الدرجة العلمية مع مستشعرات 9 ميكرومتر مربعة ، تبلغ سعة تخزين البئر الكاملة حوالي 80000 إلكترون وضوضاء القراءة أقل من 10 إلكترونات. سيتم بعد ذلك تحديد نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى حد كبير عن طريق ضوضاء إحصائية للفوتون تساوي الجذر التربيعي للإشارة ، حوالي 268. في جميع الحالات تقريبًا ، يمكن أن يستمر هذا المستوى العالي للإشارة لفترة وجيزة جدًا قبل حدوث التدمير الضوئي . الحل الوسط الذي يستخدمه معظم المتخصصين في الميكروسكوب لإطالة فترة المراقبة هو تقليل شدة تدفق الضوء الساقط بحيث يتم تحفيز جزء صغير فقط من جزيئات الفلوروفور في حوض الصبغة وتعريضها للتدمير الضوئي. وبالتالي ، نادرًا ما تساوي نسبة الإشارة إلى الضوضاء الحد الأقصى النظري وتتراوح عادةً بين 10 و 20 في الفحص المجهري الفلوري.

كشف الجزيئات المفردة

في ظل الظروف المثالية ، غالبًا ما يكون من الممكن اكتشاف انبعاث التألق من جزيء واحد ، بشرط أن تكون الخلفية البصرية وضوضاء الكاشف منخفضة بدرجة كافية. كما نوقش أعلاه ، يمكن لجزيء فلوريسئين واحد أن يصدر ما يصل إلى 300000 فوتون قبل أن يتم تدميره عن طريق التبييض الضوئي. بافتراض كفاءة جمع وكشف بنسبة 20 في المائة ، سيتم اكتشاف حوالي 60 ألف فوتون. باستخدام الثنائي الضوئي للانهيار الجليدي أو كاشفات CCD المضاعفة للإلكترون لهذه التجارب ، تمكن الباحثون من مراقبة سلوك الجزيئات المفردة لعدة ثوانٍ وحتى دقائق. المشكلة الرئيسية هي القمع الكافي للضوضاء الخلفية البصرية. نظرًا لأن العديد من المواد المستخدمة في بناء العدسات والمرشحات المجهرية تعرض مستوى معينًا من التألق الذاتي ، فقد تم توجيه الجهود في البداية نحو تصنيع مكونات الفلورة منخفضة للغاية. ومع ذلك ، سرعان ما أصبح واضحًا أن تقنيات الفحص المجهري الفلورية تستخدم الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) قدمت التركيبة المرغوبة من الخلفية المنخفضة وتدفق الضوء العالي الإثارة.

الفحص المجهري للانعكاس الداخلي الكلي (TIRFM) يستفيد من الموجة الزائلة التي يتم تطويرها عندما ينعكس الضوء تمامًا داخليًا على السطح البيني بين وسيطين لهما مؤشرات انكسار مختلفة. يتم توضيح مبدأ استخدام مصدر ضوء خارجي في الشكل 7 (أ). في هذه التقنية ، يتم توجيه شعاع من الضوء (عادة شعاع ليزر ممتد) من خلال منشور ذي معامل انكسار عالٍ ، مثل الزجاج أو الياقوت ، والذي يتاخم وسط معامل انكسار منخفض من الزجاج أو المحلول المائي. إذا تم توجيه الضوء إلى المنشور أعلى من الزاوية الحرجة ، فسوف ينعكس الشعاع بالكامل داخليًا عند الواجهة. تطور ظاهرة الانعكاس موجة زائلة عند الواجهة عن طريق توليد مجال كهرومغناطيسي يتخلل حوالي 200 نانومتر أو أقل في مساحة مؤشر الانكسار السفلي. تكون شدة الضوء في الموجة الزائلة عالية بما يكفي لإثارة الفلوروفورات بداخلها ، ولكن بسبب عمقها الضحل ، يكون الحجم المتحمس صغيرًا جدًا. والنتيجة هي خلفية منخفضة المستوى للغاية لأن القليل جدًا من العينة يتعرض لضوء الإثارة (فقط هذا الجزء ضمن مسافة 200 نانومتر من الواجهة).

الشكل 7 - مجهر مقلوب تكوينات TIRFM

يمكن أيضًا إجراء الفحص المجهري للانعكاس الداخلي الكلي من خلال تعديل الإضاءة epi التي تم استخدامها في تقنيات widefield (كما هو موضح في الشكل 7 (ب)). تتطلب هذه الطريقة هدف فتحة عددية عالية جدًا (على الأقل 1.4 ، ولكن يفضل 1.45 إلى 1.6) وإضاءة جزئية لمجال الميكروسكوب من جانب واحد بواسطة رياضة صغيرة أو إضاءة أكثر انتظامًا بواسطة حلقة رقيقة. تقدم نيكون أهداف 60x و 100x TIRF مع فتحة عددية 1.49. مطلوب وسط غمر عدسة ذات معامل انكسار عالي وزجاج غطاء المجهر لتحقيق زاوية الإضاءة مما يؤدي إلى انعكاس داخلي كلي. كما هو معروض في الشكل 7 (ب)، أشعة الضوء تخرج من عنصر العدسة الأمامية الموضوعية بزاوية أقل من الزاوية الحرجة (يُشار إليها بـ ابيض (1)) في الشكل 7 (ب)) بعيدًا عن المجهر. عندما يتم زيادة الزاوية إلى الزاوية الحرجة أو بعدها (يشار إليها بزاوية ا (2) في الشكل 7 (ب)) ، إجمالي نتائج الانعكاس الداخلي.

تقنيات التألق المتقدمة الأخرى الشائعة ، مثل نقل طاقة الرنين الفلوري (أقلق) واستعادة الفلورة بعد التبييض الضوئي (فراب) ، بالإضافة إلى التحليل الطيفي ، غالبًا مع الانعكاس الداخلي الكلي لتحقيق معلومات إضافية ، كما هو ممكن مع نظام الإضاءة المعياري Nikon Ti2-LAPP. والنتيجة هي أداة قوية للغاية لدراسة الفلوروفورات الفردية والجزيئات ذات العلامات الفلورية. الفوائد الناتجة عن دراسة خصائص الجزيئات المفردة بدأت للتو في التقدير. وهكذا ، فإن النطاق الحالي للفحص المجهري البصري يمتد الآن من الجزيء المفرد إلى الحيوان بأكمله.

الاستنتاجات

يجمع مجهر التألق الحديث بين قوة المكونات البصرية عالية الأداء والتحكم المحوسب في الأداة والحصول على الصور الرقمية لتحقيق مستوى من التطور يفوق بكثير مستوى الملاحظة البسيطة بالعين البشرية. يعتمد الفحص المجهري الآن بشكل كبير على التصوير الإلكتروني للحصول على المعلومات بسرعة عند مستويات الإضاءة المنخفضة أو بأطوال موجية غير مرئية بصريًا. هذه التحسينات التقنية ليست مجرد تزيين للنافذة ، ولكنها مكونات أساسية لمجهر الضوء كنظام.

لقد ولى العصر الذي كان فيه الفحص المجهري البصري أداة وصفية بحتة أو لعبة فكرية. في الوقت الحاضر ، يشكل تكوين الصورة الضوئية الخطوة الأولى فقط نحو تحليل البيانات. ينجز المجهر هذه الخطوة الأولى بالاشتراك مع أجهزة الكشف الإلكترونية ومعالجات الصور وأجهزة العرض التي يمكن اعتبارها امتدادًا لنظام التصوير. إن التحكم المحوسب في التركيز ، وموضع المرحلة ، والمكونات البصرية ، والمصاريع ، والمرشحات ، والكاشفات قيد الاستخدام على نطاق واسع ويتيح التلاعب التجريبي الذي لم يكن ممكنًا بشريًا باستخدام المجاهر الميكانيكية. أدى التطبيق المتزايد للبصريات الكهربائية في الفحص المجهري الفلوري إلى تطوير ملاقط بصرية قادرة على معالجة الهياكل أو الجزيئات الخلوية الفرعية ، وتصوير الجزيئات المفردة ، ومجموعة واسعة من التطبيقات الطيفية المعقدة.

المؤلفون المساهمون

كينيث ر. سبرينغ - مستشار علمي ، لوسبي ، ماريلاند ، 20657.

مايكل دبليو ديفيدسون - مختبر المجال المغناطيسي الوطني العالي ، 1800 East Paul Dirac Dr. ، جامعة ولاية فلوريدا ، تالاهاسي ، فلوريدا ، 32310.

منتجات نيكون ذات الصلة

التحفيز الضوئي و TIRF

وحدات الإضاءة لإضافة إمكانية التحفيز الضوئي (التحويل / التنشيط) و FRAP و TIRF لأنظمة التصوير من نيكون.

مصادر الاضاءة

توفر نيكون مصادر ضوء لمجموعة واسعة من احتياجات التصوير ، بدءًا من الأنظمة المحورية للتنظير المجسم إلى أجهزة الإضاءة القائمة على LED لتطبيقات epi-fluorescence ووحدات الليزر القوية لتطبيقات التصوير المتقدمة. تتضمن العديد من حلول الإضاءة لدينا تطبيقات فريدة ويمكن تشغيلها للتحكم عالي السرعة.


شذوذ التدفق الحراري والتضاريس المتبقية في منطقة ماسكارين الساخنة المنتفخة (المحيط الهندي)

نراجع قرارات التدفق الحراري في قاع البحر ونقدم ملاحظة جديدة لتدفق الحرارة في جزيرة موريشيوس ، والتي تعد جزءًا من مسار منطقة ريونيون الساخنة طويل العمر. يبلغ متوسط ​​التدفق الحراري البحري 66 ± 11 ميغاواط متر مربع ويتوافق مع القيمة على الأرض البالغة 61 ± 18 ميغاواط متر مربع الموجودة في موريشيوس. نظرًا لأن هذه القيم لا تنحرف بشكل كبير عن نموذج لوح التبريد المرجعي ، فإن تآكل الغلاف الصخري لا يبدو آلية محتملة لتشكيل الانتفاخ. تم تأكيد عدم وجود إعادة تسخين كبيرة بسبب تأثير عمود الوشاح على قاعدة الغلاف الصخري من خلال النمذجة الحرارية. علاوة على ذلك ، فإن الاتساق بين البيانات البرية والبحرية هو حجة ضد إعادة التوزيع العرضي للحرارة بالقرب من محور الانتفاخ. نقوم أيضًا بتحليل الميزات واسعة النطاق للغلاف الصخري للمحيط ، والتي لا تعد مجرد وظيفة لتبريد اللوحة ويمكن أن تعكس الاختلافات في التضاريس الديناميكية للوشاح. يُظهر التباين الطبوغرافي المتوقع على طول الانتفاخ السعة والطول الموجي مقارنة بالنقاط الساخنة الأخرى. يزداد كل من حجم التضخيم الطبوغرافي وطول الموجة شمالًا مع زيادة عمر البراكين. يتبع التدفق المقدر للمواد من الوشاح نفس الاتجاه ، حيث يكون أكبر في الجزء الشمالي من الانتفاخ. يمكن أن تكون النتيجة أن التضاريس المتبقية وتدفق الطفو أصغر في البركان النشط في ريونيون دليلًا على أن نشاط العمود قد انخفض بمرور الوقت.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


مقدمة

في هذه المساهمة ، نناقش الضوضاء في مجهر القوة الذرية غير المتصل بتعديل التردد (NC-AFM) باستخدام الكابولي كمستشعرات للقوة وانحراف الحزمة الضوئية (OBD) للكشف عن الإشارة.يوضح الشكل رقم 1601 مخططًا تخطيطيًا لإعداد NC-AFM استنادًا إلى OBD لتوضيح مسار الإشارة والكميات التي تصف الضوضاء. غالبًا ما تكون الكميات المقاسة التي تمت مناقشتها هنا إشارات كهربائية مكافئة للكميات التي تصف التذبذب الميكانيكي للكانتيليفر. يحدد إجراء المعايرة الموضح في القسم 1 من ملف المعلومات الداعمة & # 1601 علاقة بين التمثيل في الوحدات الميكانيكية والكهربائية. أثناء عملية NC-AFM ، ناتئ مع تردد eigenfrequency F0 متحمس للتذبذب عند تردد الرنين Fص، والذي يختلف عن تردده الذاتي من خلال إزاحة التردد & # 916F = FصF0 عندما يكون هناك تلميح & # 8211 التفاعل السطحي. التذبذب الميكانيكي ، أي الإزاحة الدورية ض(ر) ناتئ مع السعة أ، إلى إشارة التذبذب الخامسض(ر) بواسطة الكاشف الحساس للموضع (PSD) المتصل بالمضخم. السعة أ من هذه الإشارة يتم تحديدها واستقرارها إلى قيمة محددة مسبقًا بواسطة حلقة التغذية الراجعة للسعة. تتضمن معالجة الإشارة في NC-AFM إزالة تشكيل إشارة الإزاحة الكابولية الدورية الخامسض(ر) وكذلك الترشيح في مجال التردد لإحداث تحول التردد & # 916F(ر) تحمل المعلومات على الطرف & # 8211 التفاعل السطحي [1]. عادة ما يتم إجراء عملية الاستخلاص بواسطة دائرة حلقة مغلقة الطور (PLL) [2]. كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل رقم 1601 ، يمكن أن تتحلل استجابة السعة لوحدة PLL رسميًا إلى استجابة السعة جيدهن من المستخلص واستجابة السعة جيمنقي مرشح في حلقة أو إخراج. خصائص جيمنقي يمكن للمستخدم ضبطه حسب احتياجات التجربة.

شكل 1: تمثيل تخطيطي لمسار الإشارة في نظام NC-AFM بناءً على انحراف الحزمة الضوئية مع إزالة تشكيل التردد باستخدام PLL. استجابة السعة من PLL جيPLL = جيمنقي × جيدهن تنقسم إلى أجزاء الاستخلاص والتصفية ، والتي تم وصفها بواسطة جيدهن و جيمنقي. الكميات الخامسض و & # 916F وصف إشارات الإدخال والإخراج الخاصة بـ PLL في عملية NC-AFM بينما هي الكثافة الطيفية لقدرة الضوضاء المقابلة مركّبة على الإشارات.

شكل 1: تمثيل تخطيطي لمسار الإشارة في نظام NC-AFM بناءً على انحراف الحزمة الضوئية wi.

تتكون الضوضاء في NC-AFM بشكل أساسي من ثلاث مساهمات: الضوضاء الناتجة عن الإثارة الحرارية لناتيل أو مستشعر قوة آخر ، والضوضاء الناتجة عن نظام الكشف وإلكترونيات معالجة الإشارات [3،4] ، وعدم الاستقرار الناشئ عن تفاعل القوة طرف الفحص المجهري مع السطح وكذلك الناشئة عن حلقات التغذية المرتدة التي تثبت سعة التذبذب الكابولي والمسافة السطحية للطرف # 8211 [5]. هنا ، نحقق في الضوضاء لحالة التفاعل السطحي للطرف المهمل & # 8211 ونناقش الكثافة الطيفية للضوضاء الحرارية الناتجة عن إزاحة ناتئ بالإضافة إلى الكثافة الطيفية للضوضاء المكافئة للإزاحة التي قدمها نظام الكشف. يتم تنفيذ ذلك هنا بحثًا عن الحدود النهائية للكشف التي تحددها الضوضاء الحرارية ، في حين أن الدراسة المنهجية لطرف & # 8211 عينة ضوضاء التفاعل الموجودة في أي تصوير NC-AFM أو تجربة التحليل الطيفي ستكون موضوع العمل القادم. هنا ، نركز تمامًا المناقشة على NC-AFM القائم على الكابول ، ومع ذلك ، يمكن بسهولة نقل المفاهيم والإطار النظري والاستراتيجيات التجريبية لتحليل الضوضاء إلى أنظمة تعتمد على مستشعرات القوة الأخرى وخطط الكشف.

في ظل ظروف الفراغ الفائق (UHV) ، عادةً ما تكون الضوضاء الحرارية للناتئ صغيرة مقارنة بضوضاء نظام الكشف بسبب ارتفاع س- عامل ناتئ في الفراغ [6]. تمت مناقشة مصادر الضوضاء الآلية في إعداد انحراف الحزمة الضوئية (OBD) مؤخرًا بالتفصيل [3] ووجد أن مصادر الضوضاء الرئيسية هي ضوضاء طلقة ناشئة عن جهاز الكشف الضوئي بالإضافة إلى ضوضاء جونسون الناشئة عن المقاومات في المضخم الأولي. يتم إنشاء مزيد من الضوضاء في الصمام الثنائي الليزري الذي يمثل بشكل أساسي ضوضاء كمومية من أجل طاقة الخرج الصغيرة وضوضاء التنقل بين النمط من أجل طاقة خرج كبيرة [3]. قد تؤدي الانعكاسات الخلفية لشعاع الليزر في مرنان الليزر البصري إلى زيادة نمط التنقل. قد تتزعزع بقعة الليزر الموجودة على الثنائي الضوئي بسبب التداخل البصري ، مما يؤدي إلى إنشاء أنماط بقع متغيرة بمرور الوقت بسبب تقلبات درجة الحرارة وعدم الاستقرار الميكانيكي. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه من خلال تشغيل الصمام الثنائي الليزري مع تعديل التردد الراديوي ، يمكن تقليل مساهمة مصدر الضوء في إجمالي الضوضاء إلى أدنى حد لا يُذكر [3].

ترتبط قضية الضوضاء ارتباطًا وثيقًا بمتطلبات نظام NC-AFM لمعالجة الإشارات المتغيرة في الوقت المناسب. عرض النطاق الترددي للكشف ب اللازمة لاسترداد المعلومات الكاملة الموجودة في & # 916F(ر) تعتمد الإشارة عند خرج نظام PLL على المكونات الطيفية المنتجة أثناء تجربة المسح أو التحليل الطيفي. عمليا ، أقصى عرض النطاق الترددي القابل للاستخدام بالأعلى تُعرَّف بالكثافة الطيفية الكلية للإزاحة والضوضاء كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل رقم 1602. في هذا الشكل ، نعرض الكثافة الطيفية للإزاحة د ض (F) موجود عند إدخال مزيل تشكيل التردد مع مساهمات إشارة القياس والضوضاء (انظر الشكل # 1601) كدالة للتردد F. هذه الكمية هي جذر الكثافة الطيفية للقدرة من جانب واحد د ض (F) ، المشتق من إشارة الإزاحة الخامسض(ر) عبر تحويل فورييه كـ

أين س هو عامل المعايرة الذي يحول الجهد إلى إزاحة على النحو المحدد في القسم 1 من ملف المعلومات الداعمة & # 1601 وتحويل فورييه لإشارة الإزاحة الخامسض مع:

في حالة غياب الطرف والتفاعل السطحي # 8211 ، د ض هي ذروة حادة تتركز في ناتئ eigenfrequency F0 (F0 = 70 كيلو هرتز في الشكل & # 1602) بما في ذلك مساهمات الضوضاء من و ، والتي سيتم وصفها بالتفصيل أدناه. في وجود طرف & # 8211 التفاعل السطحي ، يتم إزاحة ذروة الرنين بالمقدار (= & # 872250 هرتز في الشكل & # 1602) الناجم عن جزء الوقت الثابت من التفاعل. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر النطاقات الجانبية التي تمثل المكونات الطيفية في الخامسض(ر) تم إنشاؤه أثناء المسح أو التحليل الطيفي. من أجل التبسيط ، نفترض هنا إجراء مسح ضوئي للطرف الموجود على السطح بسرعة الخامسر حيث تمويج دوري (فترة أس) من السطح & # 916F م يخلق تعديل جيبي على التردد Fم = الخامسر/أس (Fم = 30 هرتز في الشكل & # 1602) ، أي & # 916F(ر) = + ΔF م الخطيئة (2 & # 960Fم + & # 966). على نحو فعال ، هذا هو تعديل التردد الخامسض(ر) مع مؤشر تعديل & # 916F م /Fم إنتاج عدد لا حصر له من التوافقيات الأعلى مع تناقص سريع للطاقة [4]. ويعتمد عدد القمم الجانبية التي يمكن الكشف عنها على دليل التشكيل للإشارة وخصائص ضوضاء نظام القياس. بالنسبة للقياس الافتراضي الموضح في الشكل رقم 1602 ، توجد قممتان فقط للنطاق الجانبي أعلى بكثير من مستوى الضوضاء الأرضية. هنا ، عرض النطاق الترددي المناسب بالأعلى يتم تعريفه بواسطة تردد ذروة النطاق الجانبي الثانية.

الشكل 2: تمثيل توضيحي للكثافة الطيفية لإزاحة ناتئ متحمس للتذبذب بسعة 10 نانومتر بترددها الذاتي F0 = 70 كيلو هرتز بدون طرف & # 8211 تفاعل عينة (منحنى أسود) ومع طرف & # 8211 تفاعل عينة أدى إلى تعديل التردد (منحنى أحمر). يتم رسم البيانات لتردد تعديل Fم = 30 هرتز ، سعة تعديل & # 916F م = 1 هرتز ومتوسط ​​تحول التردد = & # 872250 هرتز. أرضية ضوضاء نظام كشف نموذجية = 150 fm / (خط منقط) بالإضافة إلى ضوضاء حرارية بناءً على خصائص ناتئ (ك = 2.5 نيوتن / م ، س0 = 100000) إلى الإشارة. يوضح الشكل الداخلي بشكل تخطيطي كيفية مسح الطرف على العينة ذات الدورية المكانية أس بسرعة مسح تبلغ الخامسر ينتج عنه تعديل في التردد Fم = الخامسر/أس. تمويج السطح & # 916ض ينتج سعة تعديل & # 916F م حيث يكون مؤشر التعديل & # 916F م /Fم = 1/30 لهذا المثال.

الشكل 2: تمثيل توضيحي للكثافة الطيفية لإزاحة ناتئ متحمس له.

يستخرج مزيل تشكيل التردد انزياح التردد & # 916F(ر) من إشارة الإزاحة الدورية الخامسض(ر) وللحصول على إشارة عشوائية ، تظهر الطاقة في النطاقات الجانبية لـ د ض (F) في الكثافة الطيفية لقدرة إزاحة التردد د Δ F (Fم) ، والتي يمكن تمثيلها على النحو التالي:

تردد التحول & # 916F(ر) على مقياس زمني يتم تحديده في تجربة التصوير من خلال الدورية المكانية للهيكل الممسوح ضوئيًا وسرعة المسح ، بدلاً من فترة تذبذب ناتئ. لذلك ، فإن طيف إشارة تغيير التردد الموجودة عند خرج مزيل التشكيل له قدرة كبيرة فقط في نطاق طيفي محدود من Fم. عرض النطاق الترددي للكشف ب لذلك ، عادةً ما يقتصر المزيل للتشكيل على قيمة من 100 هرتز إلى 1 كيلو هرتز. نظرًا لأنه يتم تحويل الضوضاء بواسطة مزيل التشكيل بطريقة مماثلة ، فإننا نحدد الكثافة الطيفية للضوضاء وتحول التردد والكثافة الطيفية لقدرة إزاحة التردد والضوضاء ، على التوالي ، ونناقش مساهمات الضوضاء المنفصلة وإشارة تحويل التردد & # 916F، حيث أن إسهامات الضوضاء الناتجة عن الإثارة الكابولية الحرارية ونظام الكشف ينتج عنها خصائص طيفية مختلفة. عرض النطاق الترددي للكشف ب وبالتالي ، تعتمد خصائص انتشار الضوضاء على استجابة سعة PLL جيPLL = جيمنقي × جيدهن، والتي يمكن أن تتأثر عادة بالمشغل من خلال إعدادات المرشح (انظر الشكل & # 1601).

لفهم تأثير المعلمات التجريبية المختلفة وإعدادات مرشح PLL ، وهو الرقم الأكثر ضجيجًا في تجربة NC-AFM ، نستمد نماذج الضوضاء بناءً على معلمات النظام. يتم اختبار الفرضيات والاستنتاجات مقابل واقع تجارب NC-AFM ، من خلال مقارنة أرقام الضوضاء وإعدادات المرشح لثلاثة أنظمة NC-AFM استنادًا إلى مخطط OBD ومقارنة النتائج التجريبية بالإعدادات المتوقعة للتشغيل الأمثل للضوضاء. نجد ذلك من خلال الاختيار الصحيح للناتيل ، باستخدام إلكترونيات الكشف المحسنة وإعدادات مرشح PLL المناسبة ، إشارة تحويل التردد & # 916F يمكن اكتشافها عند حد منخفض للضوضاء الحرارية عبر عرض النطاق الترددي ب أي أكثر من 100 هرتز للتشغيل في درجة حرارة الغرفة تحت ظروف UHV. تمت مناقشة اعتماد الحد الحراري وأرقام الضوضاء الأخرى على المعلمات التجريبية ذات الصلة بالتفصيل.

ضوضاء النزوح

هنا ، نناقش ضوضاء الإزاحة المفروضة على إشارة الإزاحة الخامسض(ر) في حالة الطرف المهمل والتفاعل السطحي # 8211. عادة ما تكون الإشارة الخامسض(ر) هو جهد متذبذب جيبي صاخب ويمكن وصف الضوضاء في مجال التردد بالكثافة الطيفية للإزاحة والضوضاء. هذا هو الجذر التربيعي للكثافة الطيفية لقدرة الإزاحة والضوضاء ، والتي تتناسب مع الطاقة غير المرغوب فيها لكل فترة تردد مخزنة في النظام المتذبذب.

ناتئ غير متحمس عمدًا ولكن في حالة توازن مع حمام حراري عند درجة حرارة تي يعرض تقلبات عشوائية تؤدي إلى ضوضاء قابلة للقياس في إشارة الإزاحة الكابولية. يمكن توقع هذه الضوضاء من خلال نموذج محدد في القسم 2 من ملف معلومات الدعم & # 1601. علاوة على ذلك ، فإن جميع المكونات الكهربائية والبصرية التي تشكل جزءًا من نظام الكشف تنتج ضوضاء ، متراكبة على إشارة الإزاحة. لذلك ، يمكن وصف الكثافة الطيفية للقدرة لضوضاء إشارة الإزاحة الإجمالية على أنها

حيث وتمثل المساهمات الحرارية ونظام الكشف. يمكن تمثيل الكمية المشتقة في القسم 2 من ملف المعلومات الداعمة & # 1601 على النحو التالي:

هنا ، يتم حسابه فقط لوضع التذبذب الأساسي مع التردد الذاتي F0، الكزازة ك0 و س-عامل س0 نظرًا لأن مساهمة التوافقيات الأعلى في الكثافة الطيفية الكلية لقدرة الضوضاء صغيرة ، فإن الوضع الأساسي يحتوي على 97 ٪ أو أكثر من إجمالي الطاقة المستخرجة بواسطة الكابول من الحمام الحراري. لفحص الضوضاء عند التوافقيات الأعلى ، F0, ك0 و س0 يجب استبدالها بالقيم النمطية ذات الصلة Fن, كن و سن (راجع القسم 2 من ملف معلومات الدعم & # 1601). يتم عرض الكثافة الطيفية للضوضاء على النحو المحدد في المعادلة & # 1601 في الشكل رقم 1603 أ للمعلمات التجريبية النموذجية التي تظهر ذروة حادة عند F0 = 70 كيلو هرتز (لاحظ المقياس اللوغاريتمي للترتيب) الذي يبرز بعيدًا عن أرضية الضوضاء البيضاء عند استخدام إلكترونيات الكشف عن الضوضاء المنخفضة. الذروة الحادة في نتائج الرنين الكابولي. عالية بشكل خاص س- تعمل ناتئ العامل على تضخيم القوة الطيفية البيضاء للإثارة الحرارية فقط في نطاق ضيق من الترددات حولها F0 وفقًا للمعادلة & # 1602. تخضع ضوضاء نظام الكشف الممثلة بجودة المكونات البصرية والإلكترونية المستخدمة في نظام الكشف. على عكس الضوضاء الحرارية ، وهي كمية ثابتة لناتئ ودرجة حرارة معينة ، يمكن تقليل ضوضاء أرضية نظام الكشف عن طريق التحسينات التقنية لنظام الكشف [3،7،8].

الشكل 3: تمثيل توضيحي لخصائص الضوضاء لناتئ مع F0 = 70 كيلو هرتز ، ك = 2.5 نيوتن / م و س0 = 100000 متحمس فقط من خلال ملامسته للحمام الحراري في درجة حرارة الغرفة. (أ) الكثافة الطيفية لضوضاء الإزاحة الكلية المحسوبة (الخط الصلب) مقارنة بمساهمة الضوضاء الحرارية (الخط المنقط بالشرطة) وضوضاء نظام الكشف = 150 fm / (الخط المنقط). (ب) مقارنة بين الكثافة الطيفية لضوضاء الإزاحة الحرارية (F0 ± Fم) على النحو الوارد في المعادلة & # 1602 (خط متصل) وتقريب المعادلة & # 1603 (خط متقطع) للناتئ مع تردد زاوية من F0/(2س0) = 0.35 هرتز. النظر في ناتئ التذبذب كمرشح تمرير منخفض ميكانيكي لضوضاء الإزاحة القريبة F0، يحدد تردد الزاوية النقطة التي يتم عندها تخفيف الضوضاء بمقدار dB 3. عند ترددات التشكيل أكبر من تردد الزاوية ، تنخفض بشكل أساسي إلى 1 /Fم.

الشكل 3: تمثيل توضيحي لخصائص الضوضاء لناتئ مع F0 = 70 كيلو هرتز ، ك = 2.5 نيوتن / م و س.

ضوضاء تحويل التردد

يستخرج مزيل تشكيل التردد لنظام NC-AFM استجابة ناتئ للطرف & # 8211 التفاعل السطحي من النطاقات الجانبية لطيف تردد التذبذب الكابولي (انظر الشكل رقم 1602) وينتج الكثافة الطيفية لقوة الإشارة الموجودة في النطاقات الجانبية ، أي الكثافة الطيفية لقوة الإزاحة د ض (F) إلى الكثافة الطيفية لقدرة إزاحة التردد د Δ F (Fم) من خلال عملية الإستخلاص. مساهمة الضوضاء في هذا الطيف هي أكثر أرقام الضوضاء ذات الصلة في قياسات NC-AFM ويمكن حسابها من ضوضاء دخل مزيل التشكيل عن طريق تطبيق وظيفة نقل مزيل التشكيل المناسبة وتقريب للحصول على تعبير بسيط ولكنه دقيق لطيف قدرة الإزاحة الحرارية كثافة . حيث يتم تمثيل ضوضاء التردد كدالة لتردد التشكيل Fم، من المستحسن تمثيل ضوضاء الإزاحة كدالة لـ F0 ± Fم. بالنسبة إلى ، نستخدم التقريب التالي [1] بدلاً من النتيجة الدقيقة من المعادلة & # 1602:

هذا التعبير هو تقريب جيد جدًا لترددات التعديل Fم يتجاوز تردد الزاوية ناتئ F0/(2س0) كما هو موضح في الشكل & # 1603 ب. يغطي هذا التقريب معظم النطاق الطيفي ذي الصلة عمليًا حيث أن تردد الزاوية أصغر من 1 هرتز للارتفاعس ناتئ. ينتج عن الجمع بين المعادلة & # 1601 والمعادلة & # 1603 تعبيرًا بسيطًا ودقيقًا عن الكثافة الطيفية للطاقة لضوضاء الإزاحة الإجمالية في نظام FM-AFM يعمل في ظروف Q عالية الجودة [4]:

للحصول على الكثافة الطيفية لقدرة الضوضاء لإشارة تغيير التردد الموجودة عند خرج مزيل التشكيل ، يتم تطبيق استجابة سعة مزيل التشكيل للضوضاء ، ونجد [4]

كما يتضح من المعادلة & # 1605 ، فإن مساهمة الضوضاء الحرارية في إجمالي الضوضاء مستقلة عن تردد التعديل Fم، في حين يتم تضخيم مساهمة قدرة نظام الكشف والضوضاء بواسطة مربع تردد التشكيل. نلاحظ كذلك أن إجمالي قوة الضوضاء في & # 916F يعتمد على مقلوب سعة التذبذب الكابولي التربيعية.

تظهر الكثافة الطيفية لضوضاء إزاحة التردد ومكوناتها كما هو موضح في المعادلة رقم 1605 كدالة لتردد التعديل Fم في الشكل رقم 1604 للظروف التجريبية النموذجية التي تتجاهل قيود النطاق الترددي. تشير هذه النتيجة بوضوح إلى المعلمات التجريبية التي تحدد ضوضاء إزاحة التردد: يتم تحديد الحد الحراري بواسطة درجة الحرارة تي وخصائص ناتئ ، وهي النسبة F0/(ك0س0). ناتئ مع معين F0 و ك0، فمن المهم للغاية أن تسفر عن فعالية عالية س- العامل الذي قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن الجوهري س- عامل [9] إذا كان المرء مهتمًا بتقليل حد الضوضاء الحرارية إلى أدنى قيمة ممكنة. تعتمد مساهمة الضوضاء من نظام الكشف على النطاق الترددي المطلوب ب (نطاق من Fم) وجودة نظام الكشف الذي يمثله. بشكل عام ، المقاييس مع معكوس سعة التذبذب الكابولي أ. في الشكل & # 1604 ، يظهر حد الضوضاء الحرارية لخصائص ناتئ نموذجي ولأجل تي = 300 كلفن كخطوط منقطة بالشرطة تمثل مختلفًا س-عوامل. من الشكل رقم 1604 يمكننا أن نستنتج أرضية ضوضاء الإزاحة لنظام الكشف التي يجب ألا يتم تجاوزها للقياس المحدود للضوضاء الحرارية.نحدد عرض النطاق للقياس الحراري المحدود بالضوضاء بالتردد حيث تتساوى مساهمات الكثافة الطيفية لضوضاء إزاحة التردد وإجماليها. يتوافق هذا التردد مع نقطة العبور بين الخطوط المنقطة والمتقطعة في الشكل رقم 1604.

الشكل 4: تمثيل توضيحي للكثافة الطيفية للضوضاء لإجمالي ضوضاء زحزحة التردد = لنظام بدون قيود على عرض النطاق. يتكون إجمالي الضوضاء من مساهمات من الضوضاء الحرارية = مؤامرة مختلفة س- عوامل وضجيج نظام الكشف عن إزاحة التردد المخططة لقيم مختلفة لضوضاء الأرضية =. معلمات الكابولي والتذبذب هي F0 = 70 كيلو هرتز ، ك0 = 2.5 نيوتن / م و أ = 10 نانومتر.

الشكل 4: تمثيل توضيحي للكثافة الطيفية للضوضاء لإجمالي ضوضاء إزاحة التردد = f.


شاهد الفيديو: كيفية حساب كمية الحرارة في المبادلات الحرارية (أغسطس 2022).