飛行時間

飛行時間( ToF ) は、物体、粒子、または波 (音響波、電磁波など) が媒体中を一定の距離を移動するのにかかる時間の測定です。この情報は、速度や経路長を測定したり、粒子や媒体の特性 (組成や流量など) を知るために使用できます。移動する物体は、直接 (直接飛行時間、dToF、例えば質量分析におけるイオン検出器による) または間接 (間接飛行時間、iToF 、例えばレーザードップラー速度測定における物体からの散乱光による) に検出できます。飛行時間技術は、ハイドロゲルを含む材料や生体材料のモニタリングと特性評価において貴重な応用例が見出されています。^{[ 1 ] [ 2 ]}

電子工学において、この原理を用いた初期のデバイスの1つは超音波距離測定装置であり、超音波パルスを発信し、波が発信器に反射して戻ってくるまでの時間に基づいて固体物体までの距離を測定できる。ToF法は電子移動度の推定にも使用される。元々は低導電性薄膜の測定用に設計されたが、後に一般的な半導体用に調整された。この実験手法は、金属-誘電体-金属構造^{[ 3 ]}や有機電界効果トランジスタ^{[ 4 ]}にも使用される。過剰電荷はレーザーまたは電圧パルスの印加によって生成される。

磁気共鳴血管造影（MRA）では、ToFが主要な基礎手法です。この手法では、撮像領域に流入する血液はまだ飽和していないため、短いエコー時間とフロー補正を使用すると、信号がはるかに高くなります。動脈瘤、狭窄、解離の検出に使用できます。^{[ 5 ]}

飛行時間型質量分析法では、イオンは電場によって同じ運動エネルギーまで加速され、イオンの速度は質量電荷比に依存します。したがって、飛行時間は速度を測定するために使用され、そこから質量電荷比を決定できます。^{[ 6 ]}電子の飛行時間は、その運動エネルギーを測定するために使用されます。^{[ 7 ]}

近赤外分光法では、ToF法を用いて、様々な波長範囲における媒体依存の光路長を測定し、そこから媒体の組成や特性を分析することができる。

超音波流量計による測定では、ToF（ToF：飛行時間）を用いて、媒体の流れの上流側と下流側における信号伝搬速度を測定し、総流速を推定します。この測定は、流れと平行な方向で行われます。

平面ドップラー流速測定法（光フローメーター測定）では、ToF測定は流れに垂直な方向で行われ、個々の粒子が流れに沿って2つ以上の場所を通過するタイミングを計測することによって行われます（直線的な測定では、一般的に高い流速と非常に狭帯域の光フィルターが必要になります）。

光干渉法では、サンプルアームと参照アーム間の光路差は、周波数変調とそれに続く位相シフト測定や信号の相互相関などのToF法によって測定できる。このような方法は、中長距離距離測定用のレーザーレーダーやレーザートラッカーシステムで使用されている。

中性子飛行時間散乱法では、パルス状の単色中性子ビームを試料に照射し、散乱させた中性子のエネルギー分布を飛行時間によって測定する。

運動学において、ToFは発射体が空中を移動する時間である。初速度が与えられている場合${\displaystyle u}$地面から発射された粒子の下向き（すなわち重力による）加速度${\displaystyle a}$そして、発射体の投射角θ（水平面に対する相対角度）を用いると、SUVAT方程式を単純に変形するだけで

${\displaystyle s=vt-{\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}at^{2}}$

この方程式の結果

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

発射体の飛行時間について。

質量分析には飛行時間原理を適用できます。イオンは既知の強度の電場によって加速されます。この加速により、イオンは同じ電荷を持つ他のイオンと同じ運動エネルギーを持ちます。イオンの速度は質量電荷比に依存します。その後、粒子が既知の距離にある検出器に到達するまでの時間が測定されます。この時間は粒子の質量電荷比に依存します（重い粒子ほど速度が遅くなります）。この時間と既知の実験パラメータから、イオンの質量電荷比を求めることができます。粒子が光源から出てから検出器に到達するまでの経過時間。

超音波流量計は、音響センサーを使用してパイプ内の液体または気体の速度を測定します。これは、他の測定技術に比べていくつかの利点があります。結果は、温度、密度、または導電率によってわずかに影響を受けます。可動部品がないため、メンテナンスは安価です。超音波流量計には、透過（逆伝播時間）流量計、反射（ドップラー）流量計、および開水路流量計の 3 種類があります。伝播時間流量計は、流れの方向に送信された超音波パルスと流れの反対方向に送信された超音波パルスの時間差を測定することによって機能します。ドップラー流量計は、流体中の小さな粒子、流体中の気泡、または流れる流体の乱流のいずれかによって超音波ビームが反射されることによって生じるドップラーシフトを測定します。開水路流量計は、水路または堰の前の上流側のレベルを測定します。

光学式飛行時間センサーは、流体中に照射される2本の光線で構成され、その検出は、流れに沿って移動すると想定される微粒子の通過によって中断または開始されます。これは、電動ガレージドアの安全装置や警報システムのトリガーとして使用される光ビームと似ています。粒子の速度は、2本の光線間の間隔を知ることで計算されます。検出器が1つしかない場合は、自己相関によって時間差を測定できます。各光線に1つずつ検出器がある場合は、方向も知ることができます。光線の位置は比較的容易に特定できるため、測定精度は主にセットアップをどれだけ小さくできるかに依存します。光線間の距離が大きすぎると、その間の流れが大きく変化する可能性があり、測定値はその空間の平均値になります。さらに、任意の時点で複数の粒子が光線間に存在する可能性があり、粒子は区別できないため、信号が劣化します。このようなセンサーが有効なデータを提供するには、流れのスケールとシード密度に比べて小さくなければなりません。MOEMS方式では極めて小型のパッケージが実現するため、このようなセンサーはさまざまな状況で応用可能です。^{[ 8 ]}

質量分析に用いられる飛行時間型質量分析管は、その簡便さが高く評価されることが多いが、荷電低エネルギー粒子の精密測定を行うには、管内の電場と磁場をそれぞれ10mVと1nT以内に制御する必要がある。

管の仕事関数の均一性はケルビンプローブで制御できます。磁場はフラックスゲートコンパスで測定できます。高周波はレーダー吸収材によって受動的に遮蔽および減衰されます。任意の低周波磁場を生成するために、スクリーンはプレート（コンデンサで接続され、重なり合っている）に分割され、各プレートにバイアス電圧が印加され、プレートの後ろのコイルにバイアス電流が流れます。このコイルの磁束は外側のコアによって閉じられています。このようにして、管は、グリッド付き開口部と回折面内の遅延線検出器を備えた弱い無色四重極レンズとして動作するように構成でき、角度分解測定を行うことができます。磁場を変更することで視野角を変更でき、偏向バイアスを重ね合わせることで全角度をスキャンできます。

遅延線検出器を使用しない場合、イオン源と検出器の間にある真空管内に配置された2つまたは3つのアインツェルレンズを使用することで、イオンを検出器に集束させることができる。

磁気実験を行い、電子を最初から制御するためには、試料を迷光の侵入を防ぐための穴や開口部のある管に浸す必要がある。

• 伝搬遅延
• 往復時間
• 到着時刻
• 送信時刻