2.2. Đề xuất về khoa học
2.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện
I đã đưa ra quan điểm, kích thước hạt khi đề cập trong nghiên cứu này
là kích thước tương đương của hạt mưa với hạt hình cầu có cùng đáp ứng quang điện. Bởi thế, có thể coi hạt mưa như là một vật hình cầu. Hạt mưa có tiêu cự ngắn nên có thể coi nó như một vật đen tuyệt đối. Bởi thế, có thể sử dụng viên bi sắt có kích thước biết trước để tiến hành thực nghiệm nhằm xác định các điểm đặc trưng của xung quang điện thu được rồi từ đó đưa ra các đề xuất.
Sử dụng mơ hình thực nghiệm (hình 2.2), lần lượt thả các viên bi (hạt) với kích thước khác nhau biết trước qua khoảng đo. Khi hạt rơi cắt ngang qua chùm sáng song song do nguồn sáng LED 1 và thấu kính hội tụ 3 tạo ra làm suy giảm cường độ ánh sáng nhận được trên cảm biến quang. Điều này khiến xung quang điện thu được trên photodiode 6 thay đổi theo trong suốt q trình chuyển động
của hạt qua khoảng đo có độ rộng LS. Xung quang điện sau khi được đưa qua các
g w1 w2 1– Nguồn sáng
2 – Khối cấp điện cho nguồn sáng
3 – Thấu kính tạo chùm song song 4 – Màn khe nhạy sáng
Fl: tiêu cự của thấu kính 3 LS: độ rộng khoảng đo
Hình 2.2. Mơ hình thực nghiệm xác định xung quang điện Với các hạt có kích thước khác nhau nhận thấy các xung quang điện thu được cũng có những dạng khác nhau.
2.2.1.2. Phân tích các xung quang điện Dạng xung quang điện có hai chồi
5 – Thấu kính hội tụ chùm song song 6 – Cảm biến quang
7 – Khối khuếch đại và lọc
w1, w2: lần lượt là độ rộng khe nhạy sáng 1, 2
Xung quang điện thu được trên cảm biến quang khi có hạt đi qua khoảng đo của mơ hình thực nghiệm. Giá trị nhỏ nhất của xung quang điện đạt được ở điểm hạt che giữa tâm khe nhạy sáng (điểm 2 và 4 trong hình 2.3). Giá trị lớn nhất của xung quang điện đạt được ở điểm hạt nằm ở trung tâm khoảng cách giữa hai khe nhạy sáng (điểm 3 trong hình 2.3). Biên độ của chồi xung quang điện thể hiện lượng ánh sáng bị suy hao khi hạt đi qua khoảng đo. Khoảng cách giữa các sườn xung thể hiện thời gian hạt đi qua một qng đường nào đó nằm trong khoảng đo.
Khơng làm mất tính tổng qt, xét xung quang điện được đảo lại (hình 2.4) so với xung quang điện mơ tả ở hình 2.3.
Umax1 Umax2 l1 l2 l3 1 2 3 4 t1 t2 t3 g Umin 2 1 43 w1 w2
Hình 2.4. Hình dạng xung hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi Xét quãng đường hạt rơi từ điểm 1 2 3 4 với điểm 1, 2 cách đều tâm khe
nhạy sáng có độ rộng w1, điểm 3,4 cách đều tâm khe nhạy sáng có độ rộng w2, khoảng cách giữa hai khe là g như mơ tả trên hình 2.4.
Gọi qng đường hạt rơi từ điểm 1 đến điểm 2 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l12 và tương ứng với chồi xung từ điểm 1 đến điểm 2
Quãng đường hạt rơi từ điểm 2 đến điểm 3 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l23 và tương ứng với chồi xung từ điểm 2 đến điểm 3
Quãng đường hạt rơi từ điểm 3 đến điểm 4 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l34 và tương ứng với chồi xung từ điểm 3 đến điểm 4
Quãng đường l12, l23, l34 không đổi.
- Xét với cùng một cỡ hạt đường kính D đi qua khoảng đo với các vận tốc khác nhau.
Độ rộng khoảng đo rất nhỏ so với chiều cao mà hạt rơi nên có thể coi vận tốc hạt
đi qua khoảng đo là đều. Gọi các vận tốc đó lần lượt là v1 ,v1, và v1 ,v1, khơng đổi
khi hạt đi qua dải sáng
Hạt rơi với vận tốc v1 , thời gian hạt đi hết quãng đường l12, l23, l34 lần lượt là t12,
t23, t34
Hạt rơi với vận tốc v1, , thời gian hạt đi hết quãng đường l12, l23, l34 lần lượt là
t ,,t , ,t ,
12 23 34
Khi đó, thời gian hạt đi trên những quãng đường l12, l23, l34 được tính như sau:
t
t
t
41
Ứng với từng vận tốc, xét các tỷ số:
Thay (2.1), (2.2), (2.3) vào (2.4) thu được
k'
Rút gọn n ở cả từ số là mẫu số thu được
(2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) Từ (2.5) và (2.7), có thể thấy k ' k tức là với cùng một cỡ hạt, tỷ số k không đổi khi vận tốc hạt thay đổi.
- Xét các hạt có đường kính khác nhau bay cùng vận tốc qua khoảng đo
Khi đường kính D của hạt càng lớn thì lượng áng sáng mất đi càng nhiều dẫn
đến giá trị lớn nhất Umax1 và Umax2 của các chồi xung càng lớn, biên độ của các điểm xung càng tăng khiến độ rộng các chồi xung tăng lên. Mà khoảng cách, độ rộng của hai khe nhạy sáng là không đổi nên khoảng trũng giữa hai chồi xung sẽ bị thu hẹp lại. Điều này có nghĩa rằng các khoảng thời gian t12, t34 tăng lên còn t23 giảm khi D tăng.
k
k
Mà theo kết luận phần trên, ở cùng cỡ hạt, khi vận tốc thay đổi thì tỷ số k khơng thay đổi. Do đó: khi đường kính D của hạt tăng thì tỷ số k giảm.
Như vậy với dạng xung hai chồi có thể dựa vào tỷ số k ở biểu thức 2.5 để tính đường kính hạt. Đây là một biến số không thay đổi khi vận tốc của một hạt rơi biến đổi và biến số này giảm khi đường kính hạt tăng.
Khi sử dụng tỷ số k để tính kích thước hạt thì chỉ có thể tính được khi có khoảng trũng giữa hai chồi xung tức có dạng xung hai chồi. Mà dạng xung hai chồi chỉ có thể có được khi t23>0. Điều này chỉ xảy ra khi D < w1+w2+g. Trong khoảng đường kính này:
Khi D g, điểm cực tiểu bắt đầu có xu hướng tăng dần lên tức Umin tăng lên tiến dần đến Umax khi D tăng.
Khi D < g, điểm cực tiểu bằng khơng và có xu hướng đi ngang một đoạn trước khi đi lên để tạo thành chồi xung tiếp theo, độ rộng khoảng đi ngang của điểm cực tiểu tỉ lệ nghịch với đường kính D. (xem phục lục 1 hình các xung quang điện khi thả các hạt đường kính khác nhau qua khoảng đo của thiết bị thiết kế ở mục 2.3.4).
Do đó, cần lựa chọn điểm xác định tỷ số k sao cho càng gần điểm cực đại càng tốt nhưng lại không rơi vào khu vực có khả năng xảy ra nhiễu ở các đỉnh xung. Cụ thể tác giả sẽ trình bày ở mục 2.2.2.
Khi D w1+w2+g thì t23 = 0, lúc này dạng xung trở thành xung một chồi.
tăng bằng và vượt điểm cực đại (hình 2.5). Khi đó, điểm cực tiểu của dạng xung hai chồi trở thành điểm cực đại của dạng xung một chồi. Thử nghiệm với tập các hạt có đường kính ở dải quan sát, biên độ cực đại của xung, diện tích bao bởi xung thay đổi đồng biến với đường kính hạt. Hình 2.5 là ví dụ xung quang điện sau tiền xử lý thu được khi đo trên oscillo với đường kính hạt trong dải kích thước này khi thả hạt mẫu qua phần cứng thiết kế ở mục 2.3.4. Với đường kính hạt D = 8mm thì biên độ xung cực đại Umax = 2,8V; với đường kính hạt D = 10mm
thì biên độ xung cực đại Umax = 4,28V; với đường kính hạt D = 12mm thì biên độ
xung cực đại Umax = 4,28V và bằng đầu do rơi vào trạng thái bão hòa của mạch
khuếch đại. Như vậy có thể dựa vào biên độ cực đại của xung, độ bằng đầu của xung để nội suy ra đường kính của hạt khi kích thước hạt ở dải đo lớn hơn hoặc bằng tổng khoảng cách giữa các khe và chiều rộng của hai khe.
(a) (b)
(c)
a. Xung quang điện của hạt có đường kính D=10mm
b. Xung quang điện của hạt có đường kính D = 8mm
c. Xung quang điện của hạt có đường kính D=12mm