激光光散射法測量顆粒的粒度分布

1、專業(yè)實(shí)驗(yàn)（1）四：激光光散射法測量顆粒的粒度分布實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解光散射的一般規(guī)律；2、掌握光散射法測量顆粒粒度的基本原理和適用的粒度范圍；3、掌握粒度分布的基本表示方法；4、掌握GSL-101B和LS603型激光粒度分布儀的使用方法。預(yù)習(xí)要求認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)講義和相關(guān)參考資料，理解衍射散射理論和Mie散射理論測量顆粒粒度分布的基本原理及其適用范圍，掌握粒度分布的基本表示方法，對實(shí)驗(yàn)中所要使用的兩種激光粒度分布儀的操作方法有一個(gè)初步的認(rèn)識，選擇好適合待測Al2O3樣品的分散介質(zhì)和分散劑。三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備和試劑GSL-101B激光粒度分布儀；LS603型激光粒度分布儀；超聲波發(fā)生器：六偏磷酸鈉;蒸

2、儲水；待測Al203樣品。四、實(shí)驗(yàn)原理1、光散射的一般規(guī)律和分類粒度是顆粒的最基本、最重要的物理參數(shù)之一。測量粒度的方法很多，如：篩分析法、顯微鏡法（包括光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡）、電傳感法（Coulter計(jì)數(shù)器）、重力沉降法、離心沉降法、光散射法等，其中光散射法是比較新的一大類，它包括光散射法、X射線小角度散射法和消光法。光線在均勻介質(zhì)中通過時(shí)按直線方向傳播。但實(shí)際介質(zhì)總非絕對均勻。例如大氣中存在氣體密度的起伏，而且往往含有微塵或微小液滴。又如溶膠或懸浮液含有微小的固體顆粒。當(dāng)光束通過這類不均勻介質(zhì)時(shí)，除了透過以及可能發(fā)生的吸收外，入射光的一部分會偏離其原來的傳播方向，而投射到其它方向，這種現(xiàn)

3、象稱為光的散射。散射現(xiàn)象的理論處理很復(fù)雜。這里只討論不相關(guān)的單散射。不相關(guān)散射是指顆粒群中顆粒間距足夠大（遠(yuǎn)大于粒徑），或者顆粒在空間是無規(guī)分布的，它們的散射光不會因相干而抵消，此時(shí)各個(gè)顆粒的散射可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的。單散射是指每個(gè)顆粒的散射光產(chǎn)生再次散射的情況（復(fù)散射或稱多重散射）可以忽略。不相干散射和單散射都要求顆粒間的距離足夠大，即顆粒濃度足夠小。在散射的理論處理中，將散射體的折射率用一復(fù)數(shù)N表示，稱為復(fù)數(shù)折射率：N=n。ni（4.1）其中(4.2)n2+n2=s,nn=，/ce和卅別是散射體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，入是光在真空中的波長，C是光速。復(fù)數(shù)折射率N的實(shí)部n稱為折射率，其數(shù)值等于光

4、在真空中的傳播速度（相速度）與散射體中的傳播速度（相速度）之比，與普通折射率的意義相同；其虛部n稱為消光系數(shù)，反映了光因散射體的吸收作用而產(chǎn)生的衰減。這樣處理就將散射體對光的吸收歸并到復(fù)數(shù)折射率的概念中。若散射體的電導(dǎo)率（T=0,則n=0。需要指出的是，n,n,e和這些參數(shù)都與波長入有關(guān)。包含吸收的光散射規(guī)律除了與復(fù)數(shù)折射率N有關(guān)外，還與散射體顆粒的線度尺寸相對于入射光波長入的比值有關(guān)。以下只討論直徑為D的球形散射體，其幾何迎光截面積a=jtD2/4,此外定義其無量綱顆粒尺寸參數(shù)二D:二一（4.3）九根據(jù)光散射理論，當(dāng)光強(qiáng)為Io,波長為入的自然光（完全非偏振光）平行照射到一球形顆粒時(shí)，在散射角

5、（散射方向與入射方向的夾角）為。，距離散射體為r處的散射光強(qiáng)JI0、Is=1T（lli2）（4.4）8二r其中ii=S（N,u；）Si（N尸；）（4.5a）i2=S2（N,u,：）S2（N,u）（4.5b）i1,i2,Si,S2分別為垂直偏振散射光和水平偏振散射光的強(qiáng)度函數(shù)和振幅函數(shù)，S1,S2分別為&和多的共軻復(fù)數(shù)。由此可見，散射光的振幅函數(shù)和強(qiáng)度函數(shù)都與散射角8顆粒相對于介質(zhì)的折射率N、光的波長入以及顆粒直徑D有關(guān)。嚴(yán)格的光散射的電磁場理論應(yīng)該是把光波作為電磁波，在一定的顆粒形狀和尺寸所決定的邊界條件下，對顆粒內(nèi)部和外部區(qū)域的Maxwell方程求解，得出振幅函數(shù)和強(qiáng)度函數(shù)的表達(dá)式。在一般情

6、況下，無法得到嚴(yán)格解。Mie對于在均勻介質(zhì)中的均勻球形散射體對平面單色光的散射進(jìn)行了研究，并得出了嚴(yán)格解，其理論稱為Mie理論。根據(jù)顆粒尺寸參數(shù)a的大小，可以將散射分為三種：（1）當(dāng)a1時(shí)，即球形散射體的直徑遠(yuǎn)小于入射光波長（可取D1時(shí)，即球形散射體的直徑遠(yuǎn)大于入射光波長（可取DR.1N,由散射衍射理論得到的結(jié)果與Mie解相同，此時(shí)的散射稱為衍射散射；（3）當(dāng)口與1相差不是很大時(shí)，這時(shí)的散射介于Rayleigh散射和衍射散射之間，只能由復(fù)雜得多的Mie理論給出，這類散射可稱為Mie散射。2、利用衍射散射測量顆粒粒度的原理對衍射散射來說，顆粒的散射與其材料的本性，即是否吸收以及折射率的大小都無關(guān)

7、。利用衍射散射進(jìn)行粒度測量無需知道顆粒的折射率，因此它是一種應(yīng)用很廣泛的方法。衍射散射規(guī)律可用Fraunhoffer衍射解釋。Fraunhoffer衍射是指光源和觀察點(diǎn)與障礙物的距離與波長的乘積都遠(yuǎn)大于障礙物面積的衍射，又稱為遠(yuǎn)場衍射。這時(shí)入射光是近乎平行的。圖1Fraunhoffer圓球衍射如圖1所示為Fraunhoffer圓球衍射示意圖。其中圓球的直徑為D,迎光截面積a=nD2/4,顆粒尺寸參數(shù)a=nD/K,觀察平面上的P點(diǎn)對于圓球中心的張角(稱為半徑張角，即散射角)為以圓球中心到觀察平面的距離為r,則散射光在P點(diǎn)振幅函數(shù)4aJ1(二：sin)|SC)=S2(u)=S(1)-122sini

8、其中J1(usin8)是變量為otsinO的一階Bessel函數(shù)。根據(jù)(4.4)式和(4.5)式，可得在P點(diǎn)的衍射光強(qiáng).a223而6)2IC)IorIsm當(dāng)0tO時(shí)，JMasingf,故衍射圖中心的光強(qiáng)為(4.6)(4.7)因此2aI(0)Io,r(4.8)圖2Fraunhoffer衍射光強(qiáng)比值隨otsin的變化(4.9)Fraunhoffer衍射圖是中心對稱的。如圖2所示，隨著觀察平面上P點(diǎn)的張角增大，該點(diǎn)的光強(qiáng)比值I（6）/1（0）迅速減小，并呈振蕩形狀，即表現(xiàn)為明暗交替的強(qiáng)度逐漸減弱的光環(huán)。圖中光強(qiáng)比值1（/I（0）極小值處（暗環(huán)處）所對應(yīng)的asing值分別為：1.220兀，2.233T

9、T,3.238為。由對應(yīng)于各暗環(huán)的:sin值可求出相應(yīng)的散射角和觀察平面上相應(yīng)暗環(huán)的半徑R。例如對于第一暗環(huán)，asin01=1.220n,因此：神班亞a.1.220二1.220，1.220,第一暗環(huán)放射角方二arcsin=arcsin:、（4.10a）DD1220r第一暗環(huán)半徑R1=rtan1,當(dāng)待測顆粒的直徑D與入射光的波長入相當(dāng)時(shí)，衍射散射理論不再適用?？紤]到大多數(shù)激光粒度分布儀使用的都是波長為632.8nm的He-Ne激光，因此基于衍射散射理論所能測量的顆粒粒徑的下限約為1如果要測量粒徑更小的顆粒群的粒度分布，就需要使用嚴(yán)格的Mie散射理論。根據(jù)Mie散射理論，散射光的強(qiáng)度分布不僅與顆粒

10、的粒徑有關(guān)，還與顆粒相對于分散介質(zhì)的折射率有關(guān)，其表達(dá)式更加復(fù)雜。雖然如此，用Mie散射理論測量顆粒群的粒度分布的原理與衍射散射理論的相類似，即都是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法，根據(jù)相應(yīng)的散射光強(qiáng)分布公式，計(jì)算出對應(yīng)于所測得的散射光強(qiáng)分布的樣品的粒度分布，只不過前者使用的是Mie散射公式，后者使用的是較簡單的衍射散射公式。在具體測量時(shí)，由于小顆粒的散射角很大，所以需要增加一些大角度的光電探測器用來檢測小顆粒的散射光。五、實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)分別使用GSL-101B和LS603型兩種激光粒度分布儀測量同一種AI2O3樣品的粒度分布，這兩種激光粒度分布儀測量粒度的原理分別是衍射散射理論和Mie散射理論。(一)

11、用GSL-101B激光粒度分布儀測量樣品的步驟1 .試樣的制備(1)樣品池的清洗樣品池是否干凈，對測量結(jié)果有直接影響，一般情況下可以按照以下步驟清洗樣品池：(a)將樣品池中原有的樣品倒掉，用清水沖洗30秒；(b)向樣品池中加入清水和適量清洗劑，用超生波發(fā)生器清洗樣品池；(c)再用清水反復(fù)沖洗樣品池。(2)試樣的分散使試樣均勻分散在液體介質(zhì)中的過程稱為試樣的分散。對于不同試樣，應(yīng)選用不同的分散介質(zhì)和分散劑進(jìn)行分散。對于大多數(shù)試樣，一般可用水作為分散介質(zhì)，用六偏磷酸鈉作為分散劑(用量一般為0.51.0gL-1),在超聲波發(fā)生器中進(jìn)行超聲分散約2分鐘。2 .試樣的測量(1)打開GSL-10lB激光粒

12、度分布儀的電源開關(guān)，啟動控制GSL-10lB激光粒度分布儀的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行測量軟件。(2)點(diǎn)擊“系統(tǒng)設(shè)置”菜單的“輸入運(yùn)行參數(shù)”菜單項(xiàng)，不選擇“本底扣除”功能；(3)在清洗干凈的樣品池中加入分散介質(zhì)水和適量的分散劑六偏磷酸鈉，將樣品池放入儀器主機(jī)內(nèi)的樣品架中，點(diǎn)擊“測試”菜單中的“測試開始”菜單項(xiàng)啟動測試過程，測試完畢后，在彈出的“選擇”對話框中點(diǎn)擊“否N”按鈕，將本次測試的數(shù)據(jù)作為本底保存在計(jì)算機(jī)中；(4)點(diǎn)擊“系統(tǒng)設(shè)置”菜單的“輸入運(yùn)行參數(shù)”菜單項(xiàng)，填寫好“樣品名稱”、“采樣次數(shù)”(一般設(shè)置為15次)、“操作人員”等項(xiàng)目，并選擇“本底扣除”功能，“分布模型”設(shè)置為“自由模式”，“特殊項(xiàng)目”中

13、選擇“自動攪拌”；(5)將樣品池從儀器主機(jī)中取出，加入適量樣品并進(jìn)行超聲分散，然后用濾紙輕輕地將樣品池外壁上的水吸干凈，把樣品池放入儀器主機(jī)內(nèi)的樣品架中；(6)點(diǎn)擊“測試”菜單中的“攪拌”菜單項(xiàng)啟動攪拌電機(jī)，待攪拌1分鐘后，點(diǎn)擊“測試”菜單中的“測試開始”菜單項(xiàng)，然后點(diǎn)擊彈出的“輸入運(yùn)行參數(shù)”對話框中的“OK”按鈕啟動測試過程；(7)如果試樣濃度過高，即在采樣圖形中有紅色采樣條出現(xiàn)；或試樣濃度過低，即采樣條全部為藍(lán)色，這時(shí)點(diǎn)擊測試完畢后彈出的“選擇”對話框中的“是Y”按鈕，系統(tǒng)將顯示試樣濃度過高或過低。此時(shí)系統(tǒng)不處理采樣數(shù)據(jù)，因?yàn)闈舛冗^高或過低將降低儀器測量的準(zhǔn)確性。這時(shí)應(yīng)將樣品池從主機(jī)中取出

14、，若是濃度過低，可再向樣品池內(nèi)加入適量樣品并進(jìn)行超聲分散，然后重復(fù)上述步驟(5)和(6);若是濃度過高，則必須將樣品池中的試樣全部倒掉，并清洗樣品池，然后重新按照上述步驟(2)至(6)進(jìn)行操作，直到試樣濃度合適為止；(8)若試樣濃度合適，則在測試完畢后，點(diǎn)擊彈出的“選擇”對話框中的“是Y”按鈕，計(jì)算機(jī)將對測試結(jié)果進(jìn)行處理并給出最終結(jié)果；(9)點(diǎn)擊“文件”菜單中的“保存測試結(jié)果”菜單項(xiàng)將測試結(jié)果保存在計(jì)算機(jī)中；(10)點(diǎn)擊“文件”菜單中的“顯示結(jié)果數(shù)值”或“顯示頻率、累積曲線”或“顯示任意分級結(jié)果”菜單項(xiàng)，可以將測試結(jié)果以各種形式詳細(xì)顯示出來；(11)對同一試樣連續(xù)測量三次，如果測試結(jié)果沒有出現(xiàn)

15、系統(tǒng)性減小的情況，則表明樣品分散均勻，測試結(jié)果準(zhǔn)確；(12)點(diǎn)擊“文件”菜單中的“打印測試結(jié)果”菜單項(xiàng)打印測試結(jié)果。(二)用LS603型激光粒度分布儀測量樣品的步驟3 .測量單元預(yù)熱打開儀器測量單元的電源，一般要預(yù)熱半小時(shí)后，激光的功率才能穩(wěn)定。判斷激光功率是否達(dá)到穩(wěn)定的依據(jù)是背景光能分布的零環(huán)高度(參考第2步“系統(tǒng)對中”部分)是否保持穩(wěn)定。4 .系統(tǒng)對中所謂系統(tǒng)對中，就是使入射激光束的中心與圓環(huán)型光電探測器的中心相重合。操作方法如下：(1)啟動儀器控制軟件“OMEC激光粒度儀”，即可在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察到“背景光能分布”圖；(2)將循環(huán)進(jìn)樣樣品池插入儀器的測量窗口，然后向循環(huán)進(jìn)樣器的進(jìn)樣槽內(nèi)加

16、入3/4高度的分散介質(zhì)。打開循環(huán)進(jìn)樣器的電源，按下控制面板上的“進(jìn)樣控制”按鍵，使循環(huán)進(jìn)樣器內(nèi)的分散介質(zhì)循環(huán)起來；(3)交替旋轉(zhuǎn)儀器暗盒上的上、下兩個(gè)對中旋鈕，使“背景光能分布圖中零環(huán)(即0號探測器)的光能最高，約為5060,而其它環(huán)的相對較低。5 .系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊控制軟件中的“文件”，在下拉菜單中選擇“重新開始”，屏幕上彈出“新建”窗口，根據(jù)所使用的測試條件在其中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。6 .樣品的準(zhǔn)備(1)在50ml量杯內(nèi)裝入大約25ml分散介質(zhì)；(2)取適量有代表性的待測樣品，加入到量杯中；(3)往量杯中加入適量的分散劑(如果需要的話)，并用玻璃棒進(jìn)行攪拌。如果樣品在分散介質(zhì)中的分散性較差，應(yīng)

17、更換分散介質(zhì)或分散劑；(4)將量杯放入超聲波發(fā)生器的水槽內(nèi)，使水槽內(nèi)的水面高度達(dá)到量杯高度的約1/2,打開超聲波發(fā)生器的電源，超聲分散約2分鐘。超聲分散時(shí)注意用玻璃棒進(jìn)行攪拌；(5)關(guān)閉超聲波發(fā)生器的電源，取出量杯。7 .背景測量點(diǎn)擊“背景光能分布”圖下方的“背景”按鈕，待該按鈕上的“背景”字樣變成“樣品測量”字樣時(shí)，即可進(jìn)行樣品測量。8 .樣品測量將步驟4中準(zhǔn)備好的樣品邊攪拌邊倒入循環(huán)進(jìn)樣器的進(jìn)樣槽內(nèi)，并用分散介質(zhì)沖洗量杯，將沖洗后的分散介質(zhì)也倒入循環(huán)進(jìn)樣器的進(jìn)樣槽內(nèi)。點(diǎn)擊“樣品測量”按鈕，儀器將根據(jù)步驟3中設(shè)置的測量次數(shù)進(jìn)行測量，測試報(bào)告將一幅一幅地顯示在屏幕上。測量完畢，將顯示“測量結(jié)束

18、”。9 .保存和打印測試報(bào)告10 樣品池的清洗(1)測量完畢后，按下循環(huán)進(jìn)樣器控制面板上的“排放”按鈕，使進(jìn)樣槽內(nèi)的分散介質(zhì)排出。注意在分散介質(zhì)將要排干前，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉排放閥或循環(huán)泵；(2)向進(jìn)樣槽內(nèi)加入蒸儲水，開啟循環(huán)泵，洗滌循環(huán)進(jìn)樣器和樣品池，待“背景光能分布”圖中的零環(huán)高度基本不再變化時(shí)，按下“排放”按鈕，并在水將要排干之前及時(shí)關(guān)閉排放閥或循環(huán)泵；(3)重復(fù)步驟(2),直至“背景光能分布”圖中的零環(huán)高度恢復(fù)至對中之后的高度為止。然后將進(jìn)樣槽中的水全部排干，注意在水排干之前就要關(guān)閉循環(huán)泵。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 .注意不能用手直接觸摸樣品池的光學(xué)窗口部分。如果光學(xué)窗口上有殘留的水，可以用鏡頭紙小心地擦干。2 .循環(huán)進(jìn)樣器的進(jìn)樣槽中沒有水或其它分散介質(zhì)時(shí)，不能開啟循環(huán)泵；同樣，在進(jìn)樣槽中的水或分散介質(zhì)排干之前，就要及時(shí)關(guān)