光散射法在粒徑分析中的應(yīng)用

1、光散射法在粒徑分析中的應(yīng)用姚軒宇 11307110069光散射法概述顆粒粒徑的測(cè)量方法主要有：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法(庫(kù)爾特法)和。其中光散射法是近年來(lái)最為廣泛使用的一種顆粒測(cè)量方法，它屬光學(xué)法，但與顯微鏡法不同，不是光學(xué)成像法。光散射法：特點(diǎn)與分類(1)適用性廣。固體顆粒(粉末)、液滴、氣泡都可以測(cè)量(2)粒徑測(cè)量范圍廣：測(cè)量范圍測(cè)量范圍從幾個(gè)納米到從幾個(gè)納米到1000m1000m(3)測(cè)量準(zhǔn)確，精度高測(cè)量準(zhǔn)確，精度高，重復(fù)性好。測(cè)量誤差可以限制在l一2之內(nèi)。(4)測(cè)量速度快，試樣的一次測(cè)量可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，實(shí)時(shí)性好實(shí)時(shí)性好。(5)需要知道的被測(cè)顆粒及分散介質(zhì)的物理參數(shù)少，

2、少數(shù)情況下，只要知道被測(cè)顆粒的相對(duì)折射率即可。(6)儀器的自動(dòng)化和智能化程度高(7)在線測(cè)量。避免了由此可能產(chǎn)生的各種偏差，也不會(huì)對(duì)被測(cè)對(duì)象或測(cè)量環(huán)境造成干擾，測(cè)量結(jié)果更符合真實(shí)情況。光散射基礎(chǔ)知識(shí)光散射基礎(chǔ)知識(shí) 復(fù)折射率：復(fù)折射率： 不相關(guān)散射與相關(guān)不相關(guān)散射與相關(guān)散射散射 單散射與復(fù)散射單散射與復(fù)散射innNMIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSi MieMie散射具有（散射具有（1 1）散射光強(qiáng)度隨角度分布變得十分復(fù)雜，粒子相對(duì)于波）散射光強(qiáng)度隨角度分布變得十分復(fù)雜，粒子相對(duì)于波長(zhǎng)的尺度越大，分布越復(fù)雜。（長(zhǎng)的尺度越大，分

3、布越復(fù)雜。（2 2）當(dāng)粒子的尺度加大時(shí)，前向散射與后）當(dāng)粒子的尺度加大時(shí)，前向散射與后向散射之比隨之增加，結(jié)果使前向散射之比隨之增加，結(jié)果使前向向散射的波瓣增大。（散射的波瓣增大。（3 3）當(dāng)粒子尺度比）當(dāng)粒子尺度比波長(zhǎng)大時(shí)，散射過(guò)程和波長(zhǎng)的依賴關(guān)系就不密切了，這一點(diǎn)可以從云一波長(zhǎng)大時(shí)，散射過(guò)程和波長(zhǎng)的依賴關(guān)系就不密切了，這一點(diǎn)可以從云一般是發(fā)白的現(xiàn)象推測(cè)到。白色的云和藍(lán)色天空反映了兩種不同類型的散般是發(fā)白的現(xiàn)象推測(cè)到。白色的云和藍(lán)色天空反映了兩種不同類型的散射射。 MIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSia 和l b 稱為Mi

4、e 系數(shù)，它們與球形顆粒的大小、顆粒和介質(zhì)的折射率有關(guān)。MIEMIE散射a 和b 稱為Mie 系數(shù)，它們與球形顆粒的大小、顆粒和介質(zhì)的復(fù)折射率m有關(guān)。MIEMIE散射 從中可以很容易看出，在入射方向上，散射強(qiáng)度為最強(qiáng)，然后隨著角度增加，散射強(qiáng)度很快減小。 隨著無(wú)因次參量 的增大，散射光強(qiáng)分布的對(duì)稱性開始變差，前向散射強(qiáng)于后向散射。隨著 進(jìn)一步增大，散射光幾乎全部集中在前向 = 0的附近，這種現(xiàn)象稱米氏效應(yīng)。MIEMIE散射 從中可以很容易看出，在入射方向上，散射強(qiáng)度為最強(qiáng)，然后隨著角度增加，散射強(qiáng)度很快減小。 隨著無(wú)因次參量 的增大，散射光強(qiáng)分布的對(duì)稱性開始變差，前向散射強(qiáng)于后向散射。隨著 進(jìn)

5、一步增大，散射光幾乎全部集中在前向 = 0的附近，這種現(xiàn)象稱米氏效應(yīng)。MIEMIE散射 RAYLEIGHRAYLEIGH散射分子散射、與粒徑無(wú)關(guān)、散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的四次方成反比，與分子散射、與粒徑無(wú)關(guān)、散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的四次方成反比，與粒徑的六次粒徑的六次方方成正比。成正比。在在瑞利散射范圍內(nèi)，散射光隨散射角的瑞利散射范圍內(nèi)，散射光隨散射角的分布圖形都是一樣的，前向散射與后向散射呈現(xiàn)處對(duì)稱性分布圖形都是一樣的，前向散射與后向散射呈現(xiàn)處對(duì)稱性“當(dāng)當(dāng)散射顆粒的線度遠(yuǎn)比波長(zhǎng)小時(shí)，散射顆粒的線度遠(yuǎn)比波長(zhǎng)小時(shí)，即顆粒粒度即顆粒粒度特征量特征量 = d = d 1 1，Mie Mie 解的近似式就是瑞利公式，

6、這解的近似式就是瑞利公式，這種情況下的種情況下的散射散射稱瑞利散射稱瑞利散射?！比鹄⑸涔鈴?qiáng)的矢極圖衍射散射（FRAUNHOFFER散射）衍射散射（FRAUNHOFFER散射）Fraunhoffer圓球衍射圓球衍射圓球直徑圓球直徑為為D D，迎光截面積，迎光截面積 a a，顆粒尺寸參數(shù)顆粒尺寸參數(shù) ，P P點(diǎn)對(duì)于圓球點(diǎn)對(duì)于圓球中心的張角（稱為半徑張角，即中心的張角（稱為半徑張角，即散射角）為散射角）為，圓球中心到觀察，圓球中心到觀察平面的距離為平面的距離為r r021222sin)sin(2)(IJraI4/2Da/D唯象地說(shuō)，顆粒的散射問(wèn)題可歸結(jié)為顆粒對(duì)入射光的衍射(Diffraction)

7、、入射光在顆粒表面的反射(Reflection)和進(jìn)入顆粒的折射效應(yīng)(Refraction)這三個(gè)部分構(gòu)成。衍射與顆粒的折射率無(wú)關(guān)衍射與顆粒的折射率無(wú)關(guān)，而反射和折射則與顆粒折射率相關(guān)。當(dāng)散射體的線度比波長(zhǎng)大很多時(shí)，前向小角度范圍內(nèi)的散射主要由衍射引起，稱這種散射為衍射散射。這種散射的主要特點(diǎn)是與材料性質(zhì)(如折射率)和表面條件無(wú)關(guān)，而取決于顆粒的形狀和大小，散射圖形散射圖形明亮而且集中在前方明亮而且集中在前方。根據(jù)衍射圖形的形狀和尺寸即可確定顆粒的形狀和尺寸。根據(jù)衍射的性質(zhì)，散射體越大，衍射光圖形越向中心靠攏。所以對(duì)很大的散射顆粒，盡管對(duì)整個(gè)散射光來(lái)說(shuō)，幾何光學(xué)的作用是顯著的，但是就角度很小的

8、前向角度很小的前向散射光散射光仍然是仍然是衍射效應(yīng)為主衍射效應(yīng)為主。正是這個(gè)緣故，前向的小角散射與散射顆粒的折射率關(guān)系不大，利用前向散射測(cè)量顆粒尺寸范圍也較大。衍射散射（FRAUNHOFFER散射）衍射散射（FRAUNHOFFER散射）由此可見，各暗環(huán)半徑R是與圓球直徑D相對(duì)應(yīng)的，測(cè)得R1，即可求出D。由(4.10a)式還可以得出如下結(jié)論：小顆粒的散射角大，大顆粒的散射角小。小顆粒的散射角大，大顆粒的散射角小。這就是激光光散射法測(cè)量粒度分布的最基本原理。FRAUNHOFFER散射的應(yīng)用對(duì)于無(wú)規(guī)排列的具有相同直徑的顆粒群（即單分散顆粒群），其衍射圖樣與單個(gè)顆粒的衍射圖樣相同，只是衍射光強(qiáng)度增至的

9、倍數(shù)等于散射區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)目。由于顆粒位置的隨機(jī)性導(dǎo)致散射光位相的隨機(jī)性，因此總散射強(qiáng)度可以是各粒子散射光強(qiáng)的總和(非相干疊加)。激光經(jīng)透鏡組擴(kuò)束成直徑約8毫米的平行光，此平行光穿過(guò)顆粒群后產(chǎn)生衍射，在接受透鏡（Fourier變換透鏡）的后聚焦平面被一多元光電探測(cè)器所檢測(cè)。多元光電探測(cè)器由多個(gè)同心的半圓環(huán)光電探測(cè)器以及中間的一個(gè)小孔組成，各個(gè)半圓環(huán)光電探測(cè)器之間互相絕緣，小孔的后面為另一個(gè)光電探測(cè)器。光電探測(cè)器一般由31個(gè)半圓環(huán)組成衍射法是測(cè)量顆粒在前向某一小角度范圍內(nèi)的散射光能分布，從中求得顆粒的粒徑大小和分布，為此又稱為小角前向散射法。其測(cè)量上限可達(dá)1000 m或更大，測(cè)量下限測(cè)量下限為為1

10、m1m。在引入后向散射及側(cè)向散射后，下限可達(dá)0.05m。由激光器(一般為HeNe激光器或半導(dǎo)體激光器)發(fā)出的光束經(jīng)濾波和擴(kuò)束后成為一直徑約為810 mm的平行單色光，照射到測(cè)量區(qū)中的顆粒群時(shí)便會(huì)產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象。衍射散射/小角前向散射法更小的顆粒？ 當(dāng)待測(cè)顆粒的直徑D與入射光的波長(zhǎng)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(zhǎng)為632.8 nm的He-Ne激光，因此基于衍射散射理論所能測(cè)量的顆粒粒徑的下限約為1 m。如果要測(cè)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。MIEMIE散射的應(yīng)用：多角度激光光散射技術(shù)Wyatt Technology 公司“根

11、據(jù)根據(jù)MieMie理論可知，顆粒的散射光分布與粒理論可知，顆粒的散射光分布與粒徑相關(guān)，粒徑不同時(shí)，徑相關(guān)，粒徑不同時(shí)，散射光散射光的分布就的分布就不不同。同?！盡IEMIE散射的應(yīng)用：多角度激光光散射技術(shù) 來(lái)自HeNe激光器的光束經(jīng)空間濾波器改善斷面上光能分布的均勻性后。經(jīng)透鏡聚焦形成一細(xì)小明亮的束腰，在束腰中定義一測(cè)量區(qū)A，其容積其容積要要足夠足夠小，使得每一瞬間只有一個(gè)顆粒流過(guò)小，使得每一瞬間只有一個(gè)顆粒流過(guò)。被測(cè)介質(zhì)(液體或氣體)由一進(jìn)樣系統(tǒng)送入儀器并流經(jīng)測(cè)量區(qū)A。 當(dāng)存在于介質(zhì)中的顆粒經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)時(shí)，被入射激光照射產(chǎn)生散射光，多個(gè)角度下的散射光由光學(xué)系統(tǒng)采集，經(jīng)光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。根據(jù)

12、光學(xué)系統(tǒng)所采集到的散射光信號(hào)可以確定顆粒的粒徑大小。 待下一個(gè)顆粒流過(guò)測(cè)量區(qū)A時(shí)，光電系統(tǒng)又給出一個(gè)與其粒徑相應(yīng)的電信號(hào)。因此，測(cè)量到的是一個(gè)又一個(gè)的電脈沖，脈沖數(shù)脈沖數(shù)就就是是顆粒數(shù)。顆粒數(shù)。 動(dòng)態(tài)光散射/光子相關(guān)光譜法 光子相關(guān)光譜法(PCS)的測(cè)量下限約為35nm，上限為23m，正是納米顆粒的粒徑范圍。因此，在納米顆粒的測(cè)量中獲得了廣泛應(yīng)用。 光子相關(guān)光譜法的測(cè)量原理是建立在顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)之上的。更小的顆粒 V2.0試樣池c中盛有待測(cè)納米顆粒試樣的懸浮液，來(lái)自激光器的光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后照射到試樣池中，測(cè)量區(qū)中的顆粒群受到激光的照射產(chǎn)生散射光。在某一角度口下采集其散射光。由于納米顆粒不斷地做隨機(jī)的布朗運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)使得顆粒相對(duì)于光電倍增管的距離改變，各顆粒之間的相位也不斷地變化。此外，布朗運(yùn)動(dòng)使顆粒不斷地“進(jìn)入”和“離開”光束，這就使得光電倍增管所接