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米氏散射理论是通过麦克斯韦电磁理论严格推导出的、用来描述表面光滑的球体对光的散射规律的解析解。它考虑了散射体(颗粒)的光学特性(折射率和吸收系数)以及介质的光学特性。由于米氏理论考虑了样品的折射率、吸收率、反射率,考虑了介质的折射率等因素,因此它对具有不同光学特性的样品都能精确得到解析解,由此得到的粒度测试结果更准确,并且适用于从超细的亚微米级颗粒到较粗的毫米级颗粒,是现代激光粒度仪普遍采用的理论基础。虽然米氏散射理论运算起来更复杂,但在计算机技术如此发达的今天,这已经不是什么缺点了。现在几乎所有品牌的激光粒度仪都用米氏散射理论。弗朗和弗衍射理论是早期激光粒度仪采用的一种光学理论,它是米氏散射理论的简化版,它不考虑样品和介质的折射率、吸收率和反射率等因素,因此计算简便,所以为早期激光粒度仪所采用。它描述大于 25 微米(激光波长的 40 倍)的颗粒的衍射规律是精确的,对小于 25um 的颗粒误差较大,并且颗粒越小误差越大。为了与以前的激光粒度仪进行数据对比,大部分的激光粒度仪还保留弗朗和弗衍射理论这一选项。
Mie氏散射理论的实验研究众所周知,Mie氏散射理论主要用于从亚微米至微米的尺寸段,在微米以下至纳米的光散射则近似为形式更明晰简单的瑞利散射定律,而对大于微米至毫米的大粒子则近似为意义明确的夫琅和费衍射规律。用这些定律可成功解释各类散射现象,并指导颗粒的粒度分布的测试技术,Mie氏散射理论是对处于均匀介质中的各向均匀同.性的单个介质球在单色平行光照射下的Maxwell方程边界条件的严格数学解,它是目前颗粒测试中的主流理论。下面我们在分析国内外颗粒散射理论和测试技术基础上设计了一套采用光子技术测量亚微米量级颗粒散射信息的实验系统来对Mie氏散射理论进行更加深入的研究。为了将亚微米乃至纳米范围内的颗粒更加精确地测量其粒径大小,实验中采用光子技术,合理地设计样品池与入射光之间的角度,很好地提高了实验精度,得到与Mie 理论吻合较好的结果,并创新提出采用光纤探头结合光电倍增管与光子计数器作探测器的粒度仪,较有限环靶更好地适用于亚微米颗粒的粒度测试,并可更好的和计算机接口,提高测试水平,从而大大提高了小颗粒粒度测量的分辨能力,并在此基础上探测性地研究新一代亚微米颗粒检测仪器。该研究采用高时空分辨率观测技术,以物理模拟结合实验测量为主要研究手段。采用He-Ne激光光源照射到均匀分散的颗粒上,用光纤接受散射信号,通过光电倍增管将散射信号放大后,用光子计数器来测量激光作用下各微粒的散射信息。通过对散射信号的分析计算,可得到所测场中颗粒物理参数的定量结果。 本实验采用的光路示意图如下:http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305251136_441470_388_3.jpg如图1所示,进行Mie氏散射实验,最主要的问题就是如何将颗粒的散射光信号进行更加精确的探测,围绕这一主要问题我们将实验光路进行了更为周密的设计,其中主要表现在本次实验引入了光子技术,采用光纤采集散射信号,经过光电倍增管将信号放大后并通过光子计数器表征出来,这样一来我们可以探测到极为微弱的散射光,大大提高了探测精度;同时为了防止杂散光的出现,我们将激光器置于整个散射系统的外部,仅让激光通过一个小孔进入散射系统,这也为探测到准确的散射信号提供了有力的保障。入射光线与样品池之间夹角的确定为什么要确定样品池与入射光线之间的夹角,在这里说明一下,首先我们看一下当光线垂直样品池入射的情况,如图2所示,n0 =1,n1=1.33, n2=1.5 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305251136_441471_388_3.jpg[/fon
基于动态光散射原理的纳米粒度仪的研制任中京, 陈栋章 (济南微纳颗粒技术有限公司, 济南)摘要:介绍了基于动态光散射原理的纳米粒度仪的工作原理和设计, 重点讲述了我公司自研制的CR128数字相关器的设计原理与性能特点, 以及利用该器件成功研制出的winner801光子相关纳米粒度仪的特性。关键词.. 纳米粒度仪;动态光散射(DLS);光子相关谱(PCS);数字相关器纳米颗粒的尺度一般在1-100nm之间, 是介于原子、分子和固体体相之间的物质状态。由于纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应, 使它具有不同于常规固体的新特性。在纳米态下, 颗粒尺寸更是对其性质有着强烈的影响, 纳米材料的粒度大小是衡量纳米材料最重要的参数之一。而常规的基于静态光散射原理的激光粒度仪的测量下限己接近极限, 但仍旧不能对纳米颗粒的粒度测试得出理想的结果甚至无能为力。光子相关光谱(Photon Correlation Spectroscopy,简称PCS)法已被证明是一种适于测量纳米及亚微米颗粒粒度的有效方法。PCS技术也成为动态光散射(Dynamic Light Scattering, 简称DLS) 技术, 主要是研究散射光在某一固定空间位置的涨落现象。其颗粒粒度测量原理建立在颗粒的布朗运动基础之上。由于颗粒的布朗运动, 一定角度下的散射光强将相对于某一平均值随机涨落。PCS技术就是通过这种涨落变化的快慢间接地得到相关颗粒粒度的信息。1 动态光散射基本原理基于动态光散射原理的颗粒粒度测试基本原理如图1.1所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441893_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441894_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441895_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441897_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441898_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281054_441899_388_3.jpg最后再对四路基线求其平均值用于数据分析, 以免突变的光强引起光强自相关函数发生畸变。在如上的算法的基础上, 我们所研制的C R 12 8 数字相关器采用F PG A 技术, 以硬件方式实现。如图2 .1所示, 主要由取样时间发生器、取样时间、光子计数器、12 8 相关运算模块、基线运算模块、相关数据存储器、数据输出及控制电路组成。其工作原理为:选取适当的取样时间, 并在该时间段内将输入的光子数连续计数, 并将计数结果进行128 路自相关运算及基线