Гистерезис полевой зависимости сигнала электрооптического светорассеяния в аэрозолях (стр. 1 из 2)

Сушко Б.К.

Электрооптические эффекты в коллоидах и суспензиях [1-2] используются для структурного анализа этих сред, а также являются основой для целого ряда оптоэлектронных устройств. Работа посвящена экспериментальному исследованию низкочастотной динамики электрооптического светорассеяния, индуцируемого переменным электрическим полем в системе аэродисперсных частиц.

В последнее время эффекты светорассеяния широко используются при изучении свойств аэродисперсных систем [3]. Для изучения электрооптических эффектов в модельных аэрозолях была разработана установка, представляющая собой электрооптический фотометр с регистрацией света, рассеянного на аэрозольной струе под углами 45* и 90* к направлению светового пучка, и содержащая, кроме того, систему генерации высоковольтного ориентирующего напряжения и приборы для контроля дисперсного состава частиц.

Схема электрооптического фотометра изображена на рис. 1. Световой поток от источника света - лампы накаливания 1 проходит через поляризатор 2 и направляется системой линз в проточную электрооптическую ячейку 3. Прямой свет от источника 1 поглощается в светоловушке 4. Из генератора аэрозолей исследуемые аэродисперсные частицы поступают в электрооптическую ячейку 3 и попадают в межэлектродный объем, где подвергаются действию ориентирующего электрического поля. Свет, рассеянный аэрозольной системой, попадает на фотоумножитель 5 (ФЭУ). Электрический сигнал с выхода ФЭУ усиливается усилителем 6, выпрямляется синхронным детектором 7 и регистрируется системой регистрации 8. Измерение рассеянного светового потока производится на фоне черного тела, выполненного в виде конуса-светоловушки 9. Составными частями установки являются также задающий генератор 10 и высоковольтный трансформатор 11. Исследуемые аэрозоли проходят через электрооптическую ячейку 3 (перпендикулярно плоскости рисунка) в виде струи, омываемой потоком чистого воздуха. При подаче со вторичной обмотки трансформатора 11 гармонического сигнала ориентирующего поля на электроды ячейки 3 осуществляется периодическая ориентация аэродисперсных частиц в электрическом поле, зависящая от его напряженности и частоты, а также от заряда, материала и состояния поверхности частиц. При этом возникают периодические изменения пространственного распределения рассеянного частицами света (индикатрисы рассеяния). Ориентирующее напряжение, подаваемое на электрооптическую ячейку 3, вырабатывается высоковольтным трансформатором 11, управляемым с помощью звукового генератора 10 (типа ГЗ-56/1). Схема позволяет получать изменяющийся по гармоническому закону сигнал с амплитудой, регулируемой в пределах от 0 до 8 кВ и с частотой колебаний, меняющейся в пределах от 0,02 до 6 кГц. С помощью описанного электрооптического фотометра было проведено исследование полевых зависимостей сигнала электрооптического рассеяния света на несферических частицах хлорида аммония в синусоидальном электрическом поле.

Рис. 1. Блок-схема установки для исследования полевых зависимостей электрооптического светорассеяния в аэрозолях.

Ориентирующее напряжение, подаваемое на зажимы электрооптической ячейки с выхода трансформатора 11, изменяется по гармоническому закону. С помощью цифрового вольтметра 8, подключенного к выходу ФЭУ, и киловольтметра 14 при постоянной частоте изменения напряжения, равной 60 Гц, снималась полевая зависимость электрооптического отклика. Для каждого значения напряжения на обкладках ячейки фиксировались соответствующие им значения фотоотклика, и по полученным данным строилась зависимость электрооптического отклика от напряженности поля I=f(E) (рис.2). Так как напряженность поля в ячейке меняется не только по амплитуде, но и по знаку, то зависимость I=f(E изображена симметричной относительно оси ординат.

Рис. 2. Полевая зависимость электрооптического светорассеяния в синусоидальном электрическом поле частотой 60 Гц.

На основании экспериментально полученного графика полевой зависимости электрооптического эффекта путем графического дифференцирования определен ряд значений для полной S и дифференциальной SA крутизны электрооптического эффекта и по точкам построены зависимости S e SA от iai?y?aiiinoe электрического поля (рис.3). Полная крутизна S полевой зависимости характеризует спо-собность данной конкретной системы аэрозолей в условиях заданного поля создавать электрооптический эффект.

На участке оа кривой I(E) угол наклона кривой к оси абсцисс про-порционален начальной полной крутизне полевой зависимости Sн, которая харак-теризует электрооптические свойства аэрозолей в этой области и находится по формуле

. Величина на-чальной полной крутизны полевой зависимости позволяет судить об электрооптическом эффекте в области слабых полей. Далее полная крутизна увеличивается, и в диапазоне напряженностей поля, соответствующих "колену" полевой зависимости, достигает своих наибольших значений. На рис.2 "колено" перегиба кривой I(E) представле-но участком бв. Затем полная eрутизна изменяется почти по линейному закону, что характерно для области насыщения кривой. Аналогично вышеизложенному, для точки б кривой найдем максимальную полную крутизну SMAX полевой зависимости: . Здесь *МАХ - угол наклона касательной, проведенной к кривой I(E) в точку б из начала координат. Ве-личина максимальной полной крутизны характеризует данную систему аэрозолей с точки зрения получения наибольшего электрооптического эффекта. Общий вид зависимости S(E) полной крутизны S от напряженности поля Е приведена на рис.3. Как видно из графи-ка зависимости , полная крутизна электрооптического эффекта аэрозолей изменяется в довольно широ-ких пределах. Дифференциальная крутизна электрооптичес-кого эффекта представляет собой отношение приращения dI электрооптического отклика (светорассеяния) к вызвавшему его приращению напряженности электрического поля dE. Графически значение дифференциальной крутизны полевой зависимости для данной точки на графике можно определить, если провести касательную к кривой I (E) в данной точке (не из начала координат). Кривая зависимости дифференциальной крутизны от напряженности SA(E) oae?a приведена на рис.3. Она имеет приблизительно такой же вид, как и кривая S(E) зависимости полной крутизны электрооптического эффекта, но ее максимум расположен левее максимума кривой S(E) e выражен более явно. Понятие средней крутизны электрооптического эффекта соответствует существенно нелинейному режиму работы и может быть дано лишь при учете формы нелинейной полевой зависимости электрооптического эффекта. Нами была предпринята попытка полуавтоматического получения полевых зависимостей электрооптического эффекта с помощью осциллографического метода. Для решения этой задачи при различных значениях напряженности ориентирующего электрического поля, воздействующего на частицы в межэлектродном пространстве электрооптической ячейки, нами были получены и проанализированы осциллограммы сигнала электрооптического светорассеяния, снятые под углом 45* к направлению распространения света. При этом на электроды ячейки подавалось ориентирующее высоковольтное переменное напряжение частотой 60 Гц. При исследовании сигнала светорассеяния использовался метод фигур Лиссажу.

Рис. 3. Полевая зависимость I(E) электрооптического светорассеяния и соответствующие ей функции крутизны.

Рис.4. Осциллограммы и фигуры Лиссажу для сигналов электрооптического светорассеяния.

Для реализации метода на вход Y осциллографа подавалось напряжение, снимаемое с выхода фотоэлектронного умножителя, а на вход Х - пропорциональный напряженности поля в ячейке сигнал с выхода делителя напряжения 13. Регулировкой синхронизации всегда можно добиться появления на экране осциллографа неподвижной фигуры Лиссажу. На рис. 4 приведены осциллограммы сигнала электрооптического светорассеяния, полученные для различных значений напряженности ориентирующего электрического поля и соответствующие им фигуры Лиссажу. Частота изменения электрического поля во всех случаях одинакова и равна 60 Гц. Из осциллограммы а) видим, что при малых напряженностях поля (примерно до 500 В/см) электрооптический отклик на синусоидальное воздействие практически синусоидален, но при этом характеризуется двойной частотой по отношению к частоте ориентирующего поля (120 Гц). Фигура Лиссажу в этом случае имеет классическую форму правильной лежащей восьмерки. Увеличение напряженности поля до 1,5 кВ/см приводит к искажению формы восьмерки, при этом ее центральная точка смещается кверху, что свидетельствует об изменении фазовых соотношений сигналов, поступающих на входы Х и Y осциллографа. На изменение фазы регистрируемого сигнала относительно фазы ориентирующего напряжения при электрооптических исследованиях обращалось внимание в ряде работ по электрооптике коллоидов[4,5]. Сигнал, снимаемый с ФЭУ в области этих напряженностей поля, представляет собой искаженную синусоиду с удлиненными верхними и укороченными нижними обводами (осциллограмма b). При напряженностях ориентирующего поля порядка 3 кВ/см осциллограмма сигнала электрооптического отклика качественно соответствует осциллограмме изменения напряжения при двухполупериодном выпрямлении (осциллограмма c). При повышении напряженности электрического поля до 5 кВ/см наблюдается дальнейшее искажение сигнала фотоотклика. Генерируемые системой периодические импульсы отрицательной полярности с ростом напряжения на обкладках ячейки все более обостряются, что свидетельствует о расширении частотного спектра сигнала в область высоких частот, а промежутки между импульсами становятся все более пологими (осциллограмма d). Описываемые нелинейные явления объясняются насыщением электрооптического эффекта. При малых напряженностях ориентирующего поля степень ориентации ансамбля аэрозольных частиц увеличивается примерно пропорционально амплитуде электрического поля, при средних же значениях напряженности почти все частицы ориентируются по полю, и рост электрооптического эффекта практически прекращается. При повышении напряженности поля сверх этих значений, насыщение эффекта устанавливается все быстрее, что приводит к все большему обострению отрицательных импульсов, наблюдаемых на осциллограмме сигнала. Ecia?acei ia iaiii a?aoeea niyoua a aaeiii ianooaaa iieaao? caaeneiinou I=f(E) (e?eaay ia) e inoeeeia?aiio oioiioeeeea (oeao?o Eenna?o), iieo?aiio? aey iai?y?aiiinoae iiey, niioaaonoao?ueo ianuuaie? электрооптического yooaeoa (рис.5) и рассмотрим их более подробно. I?e iaei?aiee e?eauo ii?ii caiaoeou, ?oi iieaaay caaeneiinou I=f(E) niaiaaaao n inoeeeia?aiiie oieuei a iaeanoe i?aaaeuiuo iai?y?aiiinoae iiey (ii?yaea 8 eA/ni), a i?e iaiuoeo cia?aieyo iai?y?aiiinoe iieaaay caaeneiinou i?ioiaeo ia?ao ?anoiayueieny aiec aaoayie oeao?u Eenna?o.