【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光入射到球形顆粒的時(shí)候可以產(chǎn)生出如圖所示的四種光。 ① 在粒子表面的反射光 ② 通過(guò)粒子內(nèi)部，經(jīng)粒子內(nèi)表面的反射光 ③ 通過(guò)粒子內(nèi)部而折射出的光 ④ 在表面的衍射光 入射光 入射光 反射光 衍射光 折射光 內(nèi)部反射光 內(nèi)部反射光 內(nèi)部反射光 穿透光 42 激光衍射 /散射方法 大粒子時(shí) 小粒子時(shí) （直徑約 １０μm） 衍射光譜 （直徑約 0．１μm） 激光 側(cè)翼和后方探測(cè)器 5 6 7 8 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 相對(duì)強(qiáng)度 接收器 相對(duì)強(qiáng)度 接收器 前方環(huán)狀探測(cè)器 側(cè)翼和后方探測(cè)器 前方環(huán)狀探測(cè)器 激光 2 4 3 1 2 4 3 1 43 log intensity log intensity Mie Theory與 Fraunhofer Theory Mie Theory ? 真實(shí)粒子可能是任何形狀 ? 入射到顆粒的光的出路包括散射 ,透射 ,反射 ,折射 , 與顆粒的光學(xué)特性有關(guān) . 較早的激光衍射系統(tǒng)因光學(xué)構(gòu)造和計(jì)算機(jī)的限制而不能利用完全的米氏理論 , 只能用米氏理論的近似或子集 , 如 : Fraunhofer 理論 . Fraunhofer Theory ? 粒子是完全不透明的扁平狀 (類似硬幣 )。 ? 所有到達(dá)顆粒的光均被散射 , 散射光與粒子 表面光學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān) 44 Mie Theory 強(qiáng)度 I0波長(zhǎng) λ 的光被半徑為 a的粒子所散射，距離粒子中心 R、與入射光方向成 θ的散射光的散射光強(qiáng)度 Iθ用下式表示。 I 0 λ 2 8π 2 R2 Iθ = ( i1 + i2 ) 入射光 粒子 観察面 θ 散 射 光 i2 = Σ ∞ n=1 2n+1 n(n+1) {bn π n + an τ n} 2 i1 = Σ ∞ n=1 2n+1 n(n+1) {an π n + bn τ n} 2 其中 Sn’(β)Φn(α) mΦn’(α)Sn(β) Sn’(β)Φn(α) Φn’(α)Sn(β) 另外 Sn’(β) Sn(α) mSn’(α) Sn(β) Sn’(β) Sn(α) Sn’(α) Sn(β) an = bn = 1 πn= sinθ Pn(1)(cosθ) τ n= δθ Pn(1)(cosθ) δ Φn(α) = Sn(α) + iCn(α) √ Cn(α) = ( 1)n πα 2 J (n+1/2)(α) Sn(α) = √ πα 2 J (n+1/2)(α) μ 1: 介質(zhì)中的光的折射率 率 μ 2: 粒子中光的折射率 λ 0: 空氣中光的波長(zhǎng) λ: 介質(zhì)中光的波長(zhǎng) λ=λ 0/μ 1 i1: 垂直于觀側(cè)面的偏振光成分 i2: 平行于觀側(cè)面的偏振光成分 m: 相對(duì)折射率 m = μ 2/μ 1 α: 粒徑參數(shù) α = 2πa/λ β: β= mα Pn(1): 連帶 Legendre函數(shù) Jn: Bessel 函數(shù) 偏光面 45 Fraunhofer的假設(shè) ? 顆粒是不透明的 (主要指大顆粒，金屬粉末，顏料等 ) ? 顆粒形狀基于片狀或條狀 ? 顆粒的直徑應(yīng)遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng) (D40l， ISO13320 25mm) ? 散射角度較?。▋H考慮前向散射，小于 45176。 ） ? 所有大小顆粒的散射系數(shù)均為 ? 一般地， d a 1/q。 I a d2 ， 所以 *， q~ 35/d ，測(cè)量 1um的顆粒散射角度為 35176。 * Aerosol Science Ed. C N Davies Academic Press (1966) page343 47 折射率的影響 ? Bimodal separation (caesin/fat) ? Normally expect symmetrical (lognormal) plot for emulsions ? Fraunhofer false generation of large material to explain scattering ? RI data: (Hannah Research Institute): DD Muir et al (1991) , Characterization of dairy emulsions by forward lobe laser light scattering application to cream liqueurs Milchwissenschaft, 46 (11), 691 694 ? Caesin size 260nm . P. Walstra (1990), J. Dairy Sci., 73, 1965 1979 48 Mie與 Fraunhofer的區(qū)別 ? = m= 0i = Fraunhofer = m= 0i = m= 0i % % % % % % % % % % 1 10 100 1000 Fraunhofer (vs. Mie) .839m m, m m, 2 m m, 15 m m, 30 m m, 40 m m, and 167 m m latex spheres 49 測(cè)量裝置 ? 激光光源：提供單色，相干，平行的光束，要求穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)，信噪比低 ? 光學(xué)器件：激光束處理單元，準(zhǔn)直系統(tǒng)，樣品通道位置，接受透鏡角度，必須保證顆粒測(cè)量的光信號(hào)能實(shí)時(shí)全面的傳送到檢測(cè)器單元 ? 檢測(cè)器：由光敏硅片按儀器的檢測(cè)角度和幾何形狀離散組成，其數(shù)量與排列方式直接影響儀器的分辨率 ? 樣品遞送系統(tǒng)：使樣品通過(guò)激光束的不同方式，一般為懸浮液 /乳液循環(huán)系統(tǒng)，也可通過(guò)壓縮機(jī) /真空系統(tǒng)直接測(cè)量干粉樣品 ? 測(cè)量軟件：利用不同的數(shù)學(xué)模型解析散射圖譜得到樣品的粒度分布結(jié)果 50 原子核 電子 能級(jí) 處于正常能級(jí)的電子 接受能量 被激發(fā)到較高能級(jí)的電子 能級(jí)躍遷，釋放光能 連續(xù)的受激躍遷過(guò)程 激 光 的 產(chǎn)生 過(guò)程 51 電磁波的頻率與波長(zhǎng) 52 光源選擇的前提 超長(zhǎng)的使用壽命， 7 年以上 卓越的使用性能，相位，強(qiáng)度一致性好 能及時(shí)啟動(dòng)，穩(wěn)定時(shí)間短，無(wú)需 warmup 激光強(qiáng)度可以調(diào)整 體積小巧，抗振性強(qiáng) 53 激光器的波長(zhǎng) 1000nm 100nm IR UV Near IR Near UV Visible 400nm 700nm HORIBA LASER 650nm When all colors are present, produces white light ? LASER ? Acronym: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ? Produces coherent beam, allows laser to be intense, highly directional, and very pure in color (wavelength). ? Types of Lasers: Semiconductor, Gas, Liquid, Free Electron HORIBA LASER 405nm 54 兩類常用激光器的差異 固體二極管激光器： ?光源穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng) (約 20萬(wàn)小時(shí)） ?啟動(dòng)電壓低 (約 5伏 )，穩(wěn)定時(shí)間短（約2ms） ?體積小巧，相位一致 ?閑置時(shí)呈關(guān)閉狀態(tài)，無(wú)衰減 氣體激光器（如 HeNe等 )： ?啟動(dòng)電壓高 (約 2022伏 )， 穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)（約 ） ?光源穩(wěn)定性差，壽命短（約 5萬(wàn)小時(shí)） ?體積龐大，需要支架固定，抗震性差 ?閑置時(shí)，光強(qiáng)易衰減 55 光電轉(zhuǎn)換檢測(cè)器 ? 固態(tài)二極管檢測(cè)器 (Solid state diode detectors) ? 當(dāng)光子撞擊時(shí)，產(chǎn)生了電子空穴對(duì) ? 二極管之間的高壓加速了電子運(yùn)動(dòng) ? 被加速的電子獲的足夠的能量進(jìn)一步導(dǎo)致電離度的增加，如同雪崩一樣。 ? 最初的光子能雪崩式產(chǎn)生大量的 (約 106 )電子，這個(gè)數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于普通的光電備增器 ( photomultiplier detector) ? 因此有了新一代的雪崩式光子－電子計(jì)數(shù)器檢測(cè)器 56 檢測(cè)器排列方式 有效檢測(cè)區(qū)域 檢測(cè)盲區(qū) 非均勻交叉扇形 檢測(cè)器設(shè)計(jì) 57 十字交叉星形離散排列方式 39 37 35 38 36 UP REAR DOWN FRONT 32 28 24 20 16