Содержание к диссертации
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК 9
-
Электрооптические свойства приэлектродной области МЖ 9
-
Измерение оптических констант тонких пленок 11
-
Электроотражение на границе электрод-МЖ..: 24
-
Численный синтез многослойных оптических систем 28
2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 40
-
Объект исследования 40
-
Описание экспериментальных установок 43
-
Экспериментальная установка по определению концентрационной зависимости оптических констант МЖ эллипсометрическим методом 43
-
Установка и результат измерения отражательной способности МЖ в статическом электрическом поле 49
-
Автоматизированная установка и результаты измерения отражательной способности МЖ в импульсном электрическом поле 65
2.3 Оценка погрешности экспериментальных данных 70
-
Проверка нормальности распределения погрешности экспериментальных данных 70
-
Определение минимального количества автоматизированных измерений отклика 74
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ В ПРИЭЛЕКТРОДНОЙ ОБЛАСТИ МЖ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 77
-
Результаты измерений комплексного показателя преломления МЖ эллипсометрическим методом 77
-
Определение оптических характеристик многослойной структуры МЖ в электрическом поле 80
-
Система рекуррентных соотношений отражательной способности многослойной структуры с поглощающими слоями для световой волны, падающей под углом к нормали 80
-
Определение оптических параметров однослойной структуры с прозрачным электродом84
-
Определение дисперсии показателя преломления МЖ 89
-
Определение оптических констант разноконцентрированной МЖ по экспериментальным данным отражательной способности в статическом электрическом поле 93
-
Определение динамики оптических констант слоистой структуры МЖ в импульсном электрическом поле 96
3.3 Теоретическое обоснование формирования плоскопараллельной структуры в
приэлектродной области дисперсной системы 104
4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СПЛОШНОГО СПЕКТРА С ПОМОЩЬЮ
ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ С МЖ 116
-
Оптимизация параметров электроуправляемого спектрофотометра 116
-
Восстановление спектра излучения по экспериментально полученным данным матрицы откликов 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 149
Введение к работе
Вот уже несколько десятилетий внимание широкого круга исследователей привлечено к уникальному технологическому материалу - магнитной жидкости (МЖ), взаимодействие которой с внешними электрическими и магнитными полями, приводит к широкому спектру эффектов, нашедших свое практическое применение в различных областях науки и техники [11,19,20,102].
Специфической особенностью изучения МЖ, есть быстрорастущее число и значение оптических исследований [33,60,63,90]. Наиболее успешно такие исследования проводятся с применением средств и методов математического моделирования.
Особенно ярко выражены с точки зрения наблюдения и регистрации электрооптические эффекты в МЖ, в частности - электроотражение света от границы раздела электрод-МЖ. Полученная с помощью света информация может быть использована для набора и анализа сведений о строении электрохимической границы раздела и о кинетике протекающих на ней процессов [24,44,68,88,98]. МЖ является дисперсной системой, которая характеризуется большим рассеянием света [114], что затрудняет применение стандартных физико-химических методов как рефрактометрия и нефелометрия. Численный анализ данных отражательной способности границы раздела электрод-жидкость дает возможность бесконтактной диагностики характеристик и свойств структуры МЖ в приповерхностной области, а также позволяет получить как качественные, так и количественные результаты определения комплексного показателя преломления МЖ в электрическом поле.
Взаимодействие малых субмикронных частиц с электродом представляет интерес для электроочистки слабо проводящих коллоидных систем (технические масла, углеводородное топливо и т.д.). Для этого особенно важно использование бесконтактного контроля и анализа физико-химических свойств приэлектодной области коллоида, подвергающегося очистке.
В настоящее время имеется ряд авторских свидетельств на устройства, работающие по принципу электроуправления отражательной способностью МЖ [1,22]. Управление электрическим полем оптическими характеристиками данных устройств позволяет использовать их в качестве рабочего элемента электроуправляемого спектрофотометра [119,120], основными достоинствами, которого были бы миниатюрность, отсутствие трущихся деталей и возможность фиксации изменяющегося во времени спектрального состава излучения. Для этого необходимо провести исследование приэлектродной области МЖ с целью выяснения факторов, влияющих на изменение отражательной способности под действием статического и импульсного электрического поля.
Экспериментальное исследование электрооптических свойств и структуры приэлектродной области МЖ в электрическом поле можно существенно расширить за счет внедрения средств автоматизации измерений, вычислительной техники и прикладного математического обеспечения. Автоматизация измерений позволяет в режиме реального времени накапливать информацию об отраженном излучении, а статистическая обработка на ЭВМ может существенно уменьшить погрешность и увеличить надежность экспериментальных данных. Численные методы нелинейной минимизации, формализованные на ЭВМ, позволяют решать задачи (корректно и некорректно поставленные) определения или восстановления неизвестных параметров и характеристик изучаемой системы.
В настоящее время актуальным является создание аппаратной части и программно-алгоритмической базы автоматизированного оптико-физического комплекса для регистрации и анализа больших массивов экспериментальных данных отражательной способности, с последующим определением характеристик многослойной структуры приэлектродной области МЖ. Показатели преломления и толщины многослойной структуры приэлектродной области МЖ можно рассчитать, применяя методы математического моделирования. Численные методы нелинейной минимизации, формализованные на ЭВМ, позволяют решать задачи (корректно и некорректно поставленные) определения или восстановления неизвестных параметров и характеристик изучаемой структуры.
Если в части создания аппаратного контура магнитожидкостных устройств ранее были получены результаты [1,22,119], то в области разработки средств автоматизации и численного анализа экспериментальных данных спектрофотометрических измерений отражательной способности приэлектродной области МЖ имеется существенный пробел. Его восполнению в значительной мере посвящена настоящая диссертационная работа.
К числу основных относились задачи разработки практических алгоритмов и прикладных программ для регистрации данных отражательной способности приэлектродной области МЖ, с последующим определением и оптимизацией оптических параметров слоистой системы, а также идентификации оптических образов и восстановление сплошного спектра, падающего на данную структуру. Последняя задача предполагает интерпретацию результатов косвенного эксперимента и связана с некорректной задачей решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода.
В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования многослойной структуры в приэлектродной области МЖ для определения и оптимизации параметров электрофоретической ячейки, с помощью которой восстанавливается сплошной спектр видимого излучения за период действия импульса управляющего напряжения. Исследование включает в себя разработку методики фиксации динамики формирования многослойной структуры в приэлектродной области МЖ под действием статического и импульсного электрического поля. Эта методика должна быть основана на измерении отражательной способности приэлектродной области МЖ в статическом и импульсном электрическом поле, что необходимо для получения
6 информации о структуре и динамике ее оптических констант, а также оптимизации параметров многослойной структуры электрофоретической ячейки для эффективного решения задачи восстановления сплошного спектра.
В ходе достижения цели работы были поставлены и решены следующие инженерно-физические и научно-технические задачи:
Математическое моделирование и определение оптических констант и геометрических размеров многослойной структуры по экспериментальным данным спектров отражательной способности электрофоретической ячейки с МЖ, находящейся под действием статического и импульсного электрического поля.
Численное решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, восстанавливающего спектр излучения по заранее заданному набору откликов с электрофоретической ячейки в импульсном электрическом поле.
Разработка автоматизированной экспериментальной установки для регистрации и анализа электрооптических характеристик приэлектродной области МЖ в импульсном электрическом поле.
Измерение оптических характеристик ячейки с прозрачным электродом и МЖ, определение влияния постоянного и импульсного электрического поля на отражательную способность ячейки для получения информации о формировании многослойной структуры приэлектродной области МЖ.
Проведение статистической обработки результатов.
Научная новизна результатов.
В работе впервые представлены следующие результаты: 1. Показано, что расчет оптических характеристик приповерхностной модели многослойной плоскопараллельной структуры адекватно описывает фиксируемые экспериментально спектры отражательной способности электрофоретической ячейки. Выполнен численный поиск оптических параметров и характеристик данной структуры в статическом и импульсном электрическом поле.
Впервые получены экспериментальные данные спектральных характеристик отражательной способности электрофоретической ячейки в импульсном электрическом поле, позволяющие судить о формировании многослойной структуры приэлектродной области МЖ.
Решены задачи распознавания оптических образов и восстановления сплошного спектра излучения, падающего на электрофоретическую ячейку с МЖ, находящуюся под действием импульсного электрического поля.
Минимизировано число обусловленности матрицы откликов, зависящих от длины и амплитуды управляющих импульсов, расстояния между электродами, а также внутренней структуры элктрофоретической ячейки с МЖ и угла падения излучения с целью эффективного решения задач идентификации и восстановления спектров видимого излучения.
Впервые применена модификация стандартного подхода к решению вырожденной СЛАУ с использованием процедуры сингулярного разложения, повышающая его эффективность и заключающаяся в цифровой фильтрации постоянной составляющей матрицы откликов методом БПФ.
Созданное программное обеспечение содержит:
Драйвер регистрации экспериментальных данных, считываемых синхронно с подачей управляющего напряжения.
Вариант БПФ для фильтрации постоянной составляющей матрицы откликов.
Алгоритм численного решения дискретного аналога интегрального уравнения Фредгольма первого рода.
Процедуры многопараметрической нелинейной оптимизации гладких функционалов качества оптико-физической системы.
Процедуры статистической обработки экспериментальных данных.
Практическая ценность:
1 .Разработана методика бесконтактного анализа физико-химических свойств приэлектродной области МЖ, находящейся под действием импульсного электрического поля. Методика включает в себя математический аппарат, позволяющий по данным отражательной способности электрофоретической ячейки определить параметры и характеристики многослойной структуры приэлектродной области МЖ.
2.У совершенствована методика восстановления спектра излучения видимого диапазона с помощью магнитожидкостного электроуправляемого спектрофотометра. Данная методика основана на взаимодействии излучения с многослойной структурой, формируемой импульсным электрическим полем в приповерхностной области МЖ. Результаты могут быть использованы для динамического спектрофотометрического анализа. На защиту выносится:
Физическая и математическая модели, адекватно описывающие формирование многослойной плоскопараллельной структуры МЖ в приэлектродной области под действием статического и импульсного электрического поля.
Для импульсного электрического поля методика восстановления сплошного спектра видимого излучения, падающего на поверхность электрофоретической ячейки с МЖ.
Математическое моделирование экспериментальных данных отражательной способности, свидетельствующее об образовании под действием электрического поля в приповерхностной области МЖ слоя с повышенной концентрацией дисперсной фазы, толщина которого соизмерима с длиной волны видимого излучения.
Результаты численной минимизации, подтверждающие формирование слоя с пониженным содержанием магнетита, который отделяет частицы высококонцентрированного слоя от электрода при увеличении напряженности электрического ПОЛЯ.
Анализ динамики отражательной способности, показывающий, что в импульсном электрическом поле в приэлектродной области МЖ формируется многослойная структура, состоящая из большего количества слоев.
1. Состояние проблемы. Литературный и патентный поиск
