光散射法在粒徑分析中的應用

光散射法在粒徑分析中的應用姚軒宇11307110069光散射法概述顆粒粒徑的測量方法主要有：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應法(庫爾特法)和光散射法。其中光散射法是近年來最為廣泛使用的一種顆粒測量方法，它屬光學法，但與顯微鏡法不同，不是光學成像法。光散射法：特點與分類(1)適用性廣。固體顆粒(粉末)、液滴、氣泡都可以測量(2)粒徑測量范圍廣：測量范圍從幾個納米到1000μm(3)測量準確，精度高，重復性好。測量誤差可以限制在l％一2％之內(nèi)。(4)測量速度快，試樣的一次測量可以在很短的時間內(nèi)完成，實時性好。(5)需要知道的被測顆粒及分散介質(zhì)的物理參數(shù)少，少數(shù)情況下，只要知道被測顆粒的相對折射率即可。(6)儀器的自動化和智能化程度高(7)在線測量。避免了由此可能產(chǎn)生的各種偏差，也不會對被測對象或測量環(huán)境造成干擾，測量結(jié)果更符合真實情況。光散射基礎知識

光散射基礎知識復折射率：不相關散射與相關散射單散射與復散射

Mie散射

Mie散射具有（1）散射光強度隨角度分布變得十分復雜，粒子相對于波長的尺度越大，分布越復雜。（2）當粒子的尺度加大時，前向散射與后向散射之比隨之增加，結(jié)果使前向散射的波瓣增大。（3）當粒子尺度比波長大時，散射過程和波長的依賴關系就不密切了，這一點可以從云一般是發(fā)白的現(xiàn)象推測到。白色的云和藍色天空反映了兩種不同類型的散射?！癕ie理論自1908年被提出，它給出了均勻介質(zhì)球引起平面電磁波散射的精確解?！?/p>

Mie散射a和lb稱為Mie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。

Mie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)的復折射率m有關。

Mie散射從中可以很容易看出，在入射方向上，散射強度為最強，然后隨著角度增加，散射強度很快減小。隨著無因次參量α的增大，散射光強分布的對稱性開始變差，前向散射強于后向散射。隨著α進一步增大，散射光幾乎全部集中在前向θ=0的附近，這種現(xiàn)象稱米氏效應。

Mie散射從中可以很容易看出，在入射方向上，散射強度為最強，然后隨著角度增加，散射強度很快減小。隨著無因次參量α的增大，散射光強分布的對稱性開始變差，前向散射強于后向散射。隨著α進一步增大，散射光幾乎全部集中在前向θ=0的附近，這種現(xiàn)象稱米氏效應。電導率不為0的物質(zhì)，如金屬、石墨等

Mie散射

Rayleigh散射分子散射、與粒徑無關、散射光強與波長的四次方成反比，與粒徑的六次方成正比。在瑞利散射范圍內(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)處對稱性“當散射顆粒的線度遠比波長小時，即顆粒粒度特征量α=πdλ<<1，Mie解的近似式就是瑞利公式，這種情況下的散射稱瑞利散射?！比鹄⑸涔鈴姷氖笜O圖衍射散射（Fraunhoffer散射）衍射散射（Fraunhoffer散射）Fraunhoffer圓球衍射圓球直徑為D，迎光截面積a，顆粒尺寸參數(shù)α，P點對于圓球中心的張角（稱為半徑張角，即散射角）為θ，圓球中心到觀察平面的距離為r唯象地說，顆粒的散射問題可歸結(jié)為顆粒對入射光的衍射(Diffraction)、入射光在顆粒表面的反射(Reflection)和進入顆粒的折射效應(Refraction)這三個部分構(gòu)成。衍射與顆粒的折射率無關，而反射和折射則與顆粒折射率相關。當散射體的線度比波長大很多時，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是與材料性質(zhì)(如折射率)和表面條件無關，而取決于顆粒的形狀和大小，散射圖形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。所以對很大的散射顆粒，盡管對整個散射光來說，幾何光學的作用是顯著的，但是就角度很小的前向散射光仍然是衍射效應為主。正是這個緣故，前向的小角散射與散射顆粒的折射率關系不大，利用前向散射測量顆粒尺寸范圍也較大。衍射散射（Fraunhoffer散射）衍射散射（Fraunhoffer散射）圓環(huán)！由此可見，各暗環(huán)半徑R是與圓球直徑D相對應的，測得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。這就是激光光散射法測量粒度分布的最基本原理。Fraunhoffer散射的應用對于無規(guī)排列的具有相同直徑的顆粒群（即單分散顆粒群），其衍射圖樣與單個顆粒的衍射圖樣相同，只是衍射光強度增至的倍數(shù)等于散射區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)目。由于顆粒位置的隨機性導致散射光位相的隨機性，因此總散射強度可以是各粒子散射光強的總和(非相干疊加)。激光經(jīng)透鏡組擴束成直徑約8毫米的平行光，此平行光穿過顆粒群后產(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器所檢測。多元光電探測器由多個同心的半圓環(huán)光電探測器以及中間的一個小孔組成，各個半圓環(huán)光電探測器之間互相絕緣，小孔的后面為另一個光電探測器。

但是！光電探測器一般由31個半圓環(huán)組成衍射法是測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。其測量上限可達1000μm或更大，測量下限為1μm。在引入后向散射及側(cè)向散射后，下限可達0.05μm。由激光器(一般為He—Ne激光器或半導體激光器)發(fā)出的光束經(jīng)濾波和擴束后成為一直徑約為8—10mm的平行單色光，照射到測量區(qū)中的顆粒群時便會產(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？當待測顆粒的直徑D與入射光的波長λ相當時，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1μm。如果要測量粒徑更小的顆粒群的粒度分布，就需要使用嚴格的Mie散射理論。

Mie散射的應用：多角度激光光散射技術WyattTechnology公司“根據(jù)Mie理論可知，顆粒的散射光分布與粒徑相關，粒徑不同時，散射光的分布就不同?！?/p>

Mie散射的應用：多角度激光光散射技術來自He—Ne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)透鏡聚焦形成一細小明亮的束腰，在束腰中定義一測量區(qū)A，其容積要足夠小，使得每一瞬間只有一個顆粒流過。被測介質(zhì)(液體或氣體)由一進樣系統(tǒng)送入儀器并流經(jīng)測量區(qū)A。當存在于介質(zhì)中的顆粒經(jīng)過測量區(qū)時，被入射激光照射產(chǎn)生散射光，多個角度下的散射光由光學系統(tǒng)采集，經(jīng)光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電信號。根據(jù)光學系統(tǒng)所采集到的散射光信號可以確定顆粒的粒徑大小。待下一個顆粒流過測量區(qū)A時，光電系統(tǒng)又給出一個與其粒徑相應的電信號。因此，測量到的是一個又一個的電脈沖，脈沖數(shù)就是顆粒數(shù)。動態(tài)光散射/光子相關光譜法光子相關光譜法(PCS)的測量下限約為3～5nm，上限為2～3μm，正是納米顆粒的粒徑范圍。因此，在納米顆粒的測量中獲得了廣泛應用。光子相關光譜法的測量原理是建立在顆粒的布朗運動基礎之上的。更小的顆粒V2.0試樣池c中盛有待測納米顆粒試樣的懸浮液，來自激光器的光束經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后照射到試樣池中，測量區(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的布朗運動。布朗運動使得顆粒相對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，布朗運動使顆粒不斷地“進入”和“離開”光束，這就使得光電倍增管所接收到的散