Tiempo de vuelo

El tiempo de vuelo ( ToF ) es la medida del tiempo que tarda un objeto, partícula u onda (ya sea acústica, electromagnética, etc.) en recorrer una distancia a través de un medio. Esta información puede utilizarse para medir la velocidad o la longitud de la trayectoria, o como una forma de conocer las propiedades de la partícula o el medio (como la composición o la velocidad de flujo). El objeto en movimiento puede detectarse directamente (tiempo de vuelo directo, dToF , por ejemplo, a través de un detector de iones en espectrometría de masas) o indirectamente (tiempo de vuelo indirecto, iToF , por ejemplo, por la luz dispersada desde un objeto en la velocimetría láser Doppler ). La tecnología del tiempo de vuelo ha encontrado valiosas aplicaciones en el monitoreo y caracterización de materiales y biomateriales, incluidos los hidrogeles. ^[1]^[2]

Descripción general

En electrónica , uno de los primeros dispositivos que utilizan el principio son los dispositivos de medición de distancia ultrasónica, que emiten un pulso ultrasónico y pueden medir la distancia a un objeto sólido en función del tiempo que tarda la onda en rebotar de regreso al emisor. El método ToF también se utiliza para estimar la movilidad de los electrones . Originalmente, fue diseñado para la medición de películas delgadas de baja conductividad, luego ajustado para semiconductores comunes. Esta técnica experimental se utiliza para estructuras de metal-dieléctrico-metal ^[3], así como transistores orgánicos de efecto de campo. ^[4] Las cargas en exceso se generan mediante la aplicación del láser o el pulso de voltaje.

Angiografía por resonancia magnética realizada mediante el método ToF

En la angiografía por resonancia magnética (ARM), el ToF es un método subyacente importante. En este método, la sangre que ingresa al área de la imagen aún no está saturada, lo que le otorga una señal mucho más alta cuando se utiliza un tiempo de eco corto y compensación de flujo. Se puede utilizar en la detección de aneurismas , estenosis o disecciones . ^[5]

En la espectrometría de masas de tiempo de vuelo , los iones se aceleran mediante un campo eléctrico hasta alcanzar la misma energía cinética que la velocidad del ion, que depende de la relación masa-carga . Por lo tanto, el tiempo de vuelo se utiliza para medir la velocidad, a partir de la cual se puede determinar la relación masa-carga. ^[6] El tiempo de vuelo de los electrones se utiliza para medir su energía cinética. ^[7]

En la espectroscopia de infrarrojo cercano , el método ToF se utiliza para medir la longitud del camino óptico dependiente del medio en un rango de longitudes de onda ópticas, a partir de las cuales se puede analizar la composición y las propiedades del medio.

En la medición de caudal ultrasónico , el ToF se utiliza para medir la velocidad de propagación de la señal aguas arriba y aguas abajo del flujo de un medio, con el fin de estimar la velocidad total del flujo. Esta medición se realiza en una dirección colineal con el flujo.

En la velocimetría Doppler planar (medición con medidor de flujo óptico), las mediciones ToF se realizan perpendiculares al flujo midiendo el tiempo cuando las partículas individuales cruzan dos o más ubicaciones a lo largo del flujo (las mediciones colineales requerirían velocidades de flujo generalmente altas y filtros ópticos de banda extremadamente estrecha).

En interferometría óptica, la diferencia de longitud de trayectoria entre los brazos de muestra y de referencia se puede medir mediante métodos ToF, como la modulación de frecuencia seguida de la medición del desplazamiento de fase o la correlación cruzada de señales. Dichos métodos se utilizan en sistemas de radar láser y de seguimiento láser para la medición de distancias de mediano y largo alcance.

En la dispersión de neutrones por tiempo de vuelo , un haz de neutrones monocromáticos pulsados se dispersa por una muestra. El espectro de energía de los neutrones dispersados se mide a través del tiempo de vuelo.

En cinemática , ToF es la duración en la que un proyectil viaja a través del aire. Dada la velocidad inicial de una partícula lanzada desde el suelo, la aceleración descendente (es decir, gravitacional) y el ángulo de proyección del proyectil θ (medido en relación con la horizontal), entonces una simple reorganización de la ecuación SUVAT ${\estilo de visualización u}$ ${\estilo de visualización a}$

s=vt-{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}en^{2}

resultados en esta ecuación

t={\frac {2v\sin \theta }{a}}

para el tiempo de vuelo de un proyectil.

En espectrometría de masas

El principio del tiempo de vuelo se puede aplicar a la espectrometría de masas . Los iones son acelerados por un campo eléctrico de intensidad conocida. Esta aceleración da como resultado un ion que tiene la misma energía cinética que cualquier otro ion que tenga la misma carga. La velocidad del ion depende de la relación masa-carga . Se mide el tiempo que posteriormente tarda la partícula en llegar a un detector a una distancia conocida. Este tiempo dependerá de la relación masa-carga de la partícula (las partículas más pesadas alcanzan velocidades menores). A partir de este tiempo y de los parámetros experimentales conocidos, se puede encontrar la relación masa-carga del ion. El tiempo transcurrido desde el instante en que una partícula abandona una fuente hasta el instante en que llega a un detector.

En medidores de flujo

Un medidor de flujo ultrasónico mide la velocidad de un líquido o gas a través de una tubería utilizando sensores acústicos. Esto tiene algunas ventajas sobre otras técnicas de medición. Los resultados se ven ligeramente afectados por la temperatura, la densidad o la conductividad. El mantenimiento es económico porque no hay partes móviles . Los medidores de flujo ultrasónicos vienen en tres tipos diferentes: medidores de flujo de transmisión (tiempo de tránsito de contrapropagación), medidores de flujo de reflexión (Doppler) y medidores de flujo de canal abierto. Los medidores de flujo de tiempo de tránsito funcionan midiendo la diferencia de tiempo entre un pulso ultrasónico enviado en la dirección del flujo y un pulso ultrasónico enviado en dirección opuesta al flujo. Los medidores de flujo Doppler miden el desplazamiento Doppler que resulta en reflejar un haz ultrasónico de pequeñas partículas en el fluido, burbujas de aire en el fluido o la turbulencia del fluido que fluye. Los medidores de flujo de canal abierto miden los niveles aguas arriba frente a canales o vertederos .

Los sensores ópticos de tiempo de vuelo consisten en dos haces de luz proyectados en el fluido cuya detección se interrumpe o se activa por el paso de pequeñas partículas (que se supone que siguen el flujo). Esto no es muy diferente de los haces ópticos utilizados como dispositivos de seguridad en puertas de garaje motorizadas o como disparadores en sistemas de alarma. La velocidad de las partículas se calcula conociendo el espaciamiento entre los dos haces. Si solo hay un detector, entonces la diferencia de tiempo se puede medir mediante autocorrelación . Si hay dos detectores, uno para cada haz, entonces también se puede conocer la dirección. Dado que la ubicación de los haces es relativamente fácil de determinar, la precisión de la medición depende principalmente de lo pequeña que pueda ser la configuración. Si los haces están demasiado separados, el flujo podría cambiar sustancialmente entre ellos, por lo que la medición se convierte en un promedio sobre ese espacio. Además, múltiples partículas podrían residir entre ellos en un momento dado, y esto corrompería la señal ya que las partículas son indistinguibles. Para que un sensor de este tipo proporcione datos válidos, debe ser pequeño en relación con la escala del flujo y la densidad de siembra. Los métodos MOEMS producen paquetes extremadamente pequeños, lo que hace que dichos sensores sean aplicables en una variedad de situaciones. ^[8]

En física

Generalmente, el tubo de tiempo de vuelo utilizado en espectrometría de masas es elogiado por su simplicidad, pero para mediciones precisas de partículas cargadas de baja energía, el campo eléctrico y magnético en el tubo debe controlarse dentro de 10 mV y 1 nT respectivamente.

La homogeneidad de la función de trabajo del tubo se puede controlar mediante una sonda Kelvin . El campo magnético se puede medir mediante una brújula fluxgate . Las frecuencias altas se protegen y amortiguan pasivamente mediante material absorbente de radar . Para generar un campo de frecuencias bajas arbitrario, la pantalla se divide en placas (superpuestas y conectadas mediante condensadores) con tensión de polarización en cada placa y una corriente de polarización en la bobina detrás de la placa cuyo flujo está cerrado por un núcleo externo. De esta manera, el tubo se puede configurar para que actúe como una lente cuadrupolo acromática débil con una apertura con una rejilla y un detector de línea de retardo en el plano de difracción para realizar mediciones con resolución angular. Al cambiar el campo, se puede cambiar el ángulo del campo de visión y se puede superponer una polarización deflectora para escanear a través de todos los ángulos.

Cuando no se utiliza un detector de línea de retardo, el enfoque de los iones en un detector se puede lograr mediante el uso de dos o tres lentes Einzel colocadas en el tubo de vacío ubicado entre la fuente de iones y el detector.

La muestra debe sumergirse en un tubo con orificios y aperturas a favor y en contra de la luz parásita para realizar experimentos magnéticos y controlar los electrones desde el principio.

Cámara

Una cámara de tiempo de vuelo (cámara ToF), también conocida como sensor de tiempo de vuelo (sensor ToF), es un sistema de cámara de imágenes de rango para medir distancias entre la cámara y el sujeto para cada punto de la imagen en función del tiempo de vuelo , el tiempo de ida y vuelta de una señal de luz artificial, proporcionada por un láser o un LED . Las cámaras de tiempo de vuelo basadas en láser son parte de una clase más amplia de LIDAR sin escáner , en el que se captura toda la escena con cada pulso láser, a diferencia de punto por punto con un rayo láser como en los sistemas LIDAR de escaneo. ^[9]

Los productos de cámaras de tiempo de vuelo para aplicaciones civiles comenzaron a surgir alrededor del año 2000 ^[10], ya que los procesos de semiconductores permitieron la producción de componentes lo suficientemente rápido para tales dispositivos. Los sistemas cubren rangos que van desde unos pocos centímetros hasta varios kilómetros.

Detector

Un detector de tiempo de vuelo (TOF) es un detector de partículas que puede discriminar entre una partícula elemental más ligera y una más pesada del mismo momento utilizando su tiempo de vuelo entre dos centelleadores . El primero de los centelleadores activa un reloj al ser golpeado mientras que el otro detiene el reloj al ser golpeado. Si las dos masas se denotan por y y tienen velocidades y entonces la diferencia de tiempo de vuelo está dada por $Estilo de visualización m_{1}$ $Estilo de visualización m_{2}$ $estilo de visualización v_{1}$ $estilo de visualización v_{2}$

\Delta t=L\left({\frac {1}{v_{1}}}-{\frac {1}{v_{2}}}\right)\approx {\frac {Lc}{2p^{2}}}(m_{1}^{2}-m_{2}^{2})

donde es la distancia entre los centelleadores. La aproximación está en el límite relativista en el momento y denota la velocidad de la luz en el vacío.

{\estilo de visualización L}

{\estilo de visualización p}

{\estilo de visualización c}

Véase también

Referencias

^ Lamanna, Leonardo; Rizzi, Francisco; Demitri, cristiano; Pisanello, Marco; Scarpa, Elisa; Qualtieri, Antonio; Sannino, Alessandro; De Vittorio, Massimo (1 de agosto de 2018). "Determinación de las propiedades estructurales y de absorción del hidrogel a base de celulosa mediante un enfoque ultrasónico de tiempo de vuelo de pulso-eco". Celulosa . 25 (8): 4331–4343. doi :10.1007/s10570-018-1874-4. ISSN 1572-882X.
^ Maffezzoli, A.; Luprano, AM; Montagna, G.; Nicolais, L. (31 de enero de 1998). "Caracterización ultrasónica de la sorción de agua en hidrogeles de poli(2-hidroxietil metacrilato)". Journal of Applied Polymer Science . 67 (5): 823–831. doi :10.1002/(SICI)1097-4628(19980131)67:5<823::AID-APP7>3.0.CO;2-V. ISSN 0021-8995.
^ RG Kepler (1960). "Producción y movilidad de portadores de carga en cristales de antraceno". Phys. Rev . 119 (4): 1226. Bibcode :1960PhRv..119.1226K. doi :10.1103/PhysRev.119.1226.
^ M. Weis; J. Lin; D. Taguchi; T. Manaka; M. Iwamot (2009). "Análisis de corrientes transitorias en transistores orgánicos de efecto de campo: el método de tiempo de vuelo". J. Phys. Chem. C . 113 (43): 18459. doi :10.1021/jp908381b.
^ "Angiografía por resonancia magnética (ARM)". Hospital Johns Hopkins . Consultado el 15 de octubre de 2017 .
^ Cotter, Robert J. (1994). Espectrometría de masas de tiempo de vuelo . Columbus, Ohio: American Chemical Society . ISBN 0-8412-3474-4.
^ Técnicas de tiempo de vuelo para la investigación de distribuciones de energía cinética de iones y neutros desorbidos por excitaciones del núcleo
^ Modarress, D.; Svitek, P.; Modarress, K.; Wilson, D. (julio de 2006). Sensores microópticos para estudios de flujo en capa límite (PDF) . Reunión de verano conjunta de ASME entre Estados Unidos y Europa sobre ingeniería de fluidos de 2006. págs. 1037–1044. doi :10.1115/FEDSM2006-98556. ISBN 0-7918-4751-9.
^ Iddan, Gavriel J. ; Yahav, Giora (2001-01-24). "Imágenes 3D en el estudio (y en otros lugares…)" (PDF) . Actas de SPIE . Vol. 4298. San José, CA: SPIE (publicado el 29 de abril de 2003). pág. 48. doi :10.1117/12.424913. Archivado desde el original (PDF) el 2009-06-12 . Consultado el 2009-08-17 . La cámara [de tiempo de vuelo] pertenece a un grupo más amplio de sensores conocidos como LIDAR sin escáner (es decir, radar láser que no tiene escáner mecánico); un ejemplo temprano [1990] es [Marion W.] Scott y sus seguidores en Sandia.
^ "Evolución del producto". Sistemas 3DV. Archivado desde el original el 28 de febrero de 2009. Consultado el 19 de febrero de 2009. Z -Cam, la primera cámara de vídeo de profundidad, se lanzó en 2000 y estaba destinada principalmente a las organizaciones de radiodifusión.