光的衍射在工業(yè)中的應(yīng)用

..光的衍射在工業(yè)中的應(yīng)用大學(xué)物理討論報(bào)告組長：張仕康組員：岳紋、張方南、周游、周博文、周明伍中國石油大學(xué)〔北京勘查技術(shù)與工程12-4班光的衍射在工業(yè)中的應(yīng)用光的衍射決定光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)。氣體或液體中的大量懸浮粒子對光的散射,衍射也起重要的作用。在現(xiàn)代光學(xué)乃至現(xiàn)代物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)中,光的衍射得到了越來越廣泛的應(yīng)用。光的衍射衍射應(yīng)用大致可以概括為以下四個(gè)方面：①衍射用于光譜分析。如衍射光柵光譜儀。②衍射用于結(jié)構(gòu)分析。衍射圖樣對精細(xì)結(jié)構(gòu)有一種相當(dāng)敏感的"放大"作用,故而利用圖樣分析結(jié)構(gòu),如X射線結(jié)構(gòu)學(xué)。③衍射成像。在相干光成像系統(tǒng)中,引進(jìn)兩次衍射成像概念,由此發(fā)展成為空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處理。光瞳衍射導(dǎo)出成像儀器的分辨本領(lǐng)。④衍射再現(xiàn)波陣面。這是全息術(shù)原理中的重要一步相關(guān)介紹實(shí)驗(yàn)室里為了觀察衍射現(xiàn)象,總是由光源、衍射屏和接收衍射圖樣的屏幕<稱為接收屏>組成一個(gè)衍射系統(tǒng)。為了研究的方便,通常根據(jù)衍射系統(tǒng)中三者的相互距離的大小,將衍射現(xiàn)象分為兩類光的衍射,一類稱為菲涅耳衍射,另一類稱為夫瑯禾費(fèi)<J.Fraunhofer,1787-1826>衍射。所謂菲涅耳衍射,就是當(dāng)光源到衍射屏的距離或接收屏到衍射屏的距離不是無限大時(shí),或兩者都不是無限大時(shí)所發(fā)生的衍射現(xiàn)象?？梢娫诜颇苌渲?入射光或衍射光不是平行光,或兩者都不是平行光,如圖13-15<a>所示。所謂夫瑯禾費(fèi)衍射,就是當(dāng)光源到衍射屏的距離和接收屏到衍射屏的距離都是無限大時(shí),所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。可見在夫瑯禾費(fèi)衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一點(diǎn)的光都是平行光,如圖13-15<b>所示。夫瑯禾費(fèi)衍射的條件在實(shí)驗(yàn)室里可借助于透鏡實(shí)現(xiàn)。將光源放置在會聚透鏡L1的焦點(diǎn)上,則從L1透射的光,即衍射孔的入射光就是平行光；同時(shí)將接收屏放置在會聚透鏡L2的焦夫瑯禾費(fèi)衍射面上,則到達(dá)接收屏上任意一點(diǎn)的衍射光也是平行光以下介紹的在工業(yè)中的應(yīng)用一、在涂料工業(yè)中用的測試粒度及粒度分布的方法之一激光衍射光學(xué)法。

該法是基于顆粒能使光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象來測量顆粒的粒徑及粒徑分布的。即來自光源的光束穿過含有待測顆粒的器皿,在光與顆粒的相互作用下產(chǎn)生光的散射,用多元檢測器測量顆粒在各個(gè)角度的散射光信號,然后用合適的光學(xué)模型和數(shù)學(xué)程序?qū)⑸⑸湫盘栠M(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理,就可得到按試樣的體積比計(jì),以不同粒度范圍表示的等效球體體積粒徑分布。按儀器接受的散射信號可以分為衍射法、角散射法、全散射法、光子相關(guān)光譜法等。其中以激光為光源的激光衍射散射式粒度儀<習(xí)慣上簡稱此類儀器為激光粒度儀>發(fā)展最為成熟,在顆粒測量技術(shù)中已經(jīng)得到了普遍的采用。與上述各種方法相比,該方法的特點(diǎn)是:<1>適用性廣,既可測粉末狀的顆粒,也可測懸浮液和乳濁液中的顆粒;

<2>測試范圍寬,國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13320-1ParticleSizeAnalysis2LaserDiffractionMeth2ods2Part1:GeneralPrinciples中規(guī)定激光衍射散射法的應(yīng)用范圍為0.1～3000μm;<3>準(zhǔn)確性高,重復(fù)性好;<4>測試速度快;<5>可進(jìn)行在線測量。在涂料工業(yè)中該法也已得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同,某些涂料及相關(guān)產(chǎn)品已制定了相應(yīng)的測試方法標(biāo)準(zhǔn),如,國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310-13CoatingPowders2Part13:Par2ticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T3744云母珠光顏料。3測試儀器和測試方法本文所述實(shí)例采用SYMPATECHELOS/OASIS德國新帕泰克干濕二合一激光粒度儀測量顆粒的粒度及粒度分布。是基于激光衍射的測試原理,測量范圍0.1～875μm。對粉末狀試樣,選用干法直接測試;對乳化液和懸浮液等液態(tài)試樣,選用濕法直接測試試樣中顆粒的最原始狀態(tài)的粒度及粒度分布。4.1粒度及粒度分布的測定

粒徑及粒徑分布的測定是激光粒度儀最普遍的用途。對粉末涂料,已發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO8310—13CoatingPowders2Part13:ParticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction規(guī)定了用激光衍射法直接測量粉末涂料等效球體粒徑分布的方法。實(shí)際上該測試方法也適用其他干粉狀試樣的粒度測試。依照此測試方法曾對粉末涂料、二氧化鈦、鐵紅、珠光顏料、磷酸鋅、硫酸鋇、鋅粉等多種粉狀試樣進(jìn)行了粒度分布的測試。圖1為某種粉末涂料的粒度分布曲線<激光粒度儀還有以表格法、函數(shù)法表示的粒度分布以及其它一些粒徑參數(shù)值,在此從略>。

圖1粉末涂料的粒度分布圖

從圖1的數(shù)據(jù)可知,顆粒粒徑比例最高的在52.50～62.50μm范圍內(nèi),占顆粒總體積的12.28%;粒徑小于40.73μm的顆粒占總體積的50%。經(jīng)儀器計(jì)算得到體積平均粒徑<VMD>=43.04μm;表面積平均粒徑<SMD>=25.18μm。

原則上涂料中的所有顆粒物都可采用激光粒度儀測量其粒度和粒度分布。但受儀器測試范圍的限制,對超細(xì)顆粒<如納米材料>采用激光衍射散射式粒度儀已不能準(zhǔn)確測量其粒徑,應(yīng)選用根據(jù)光子相關(guān)光譜技術(shù)制備的儀器測量<顆粒粒度在1nm～1μm>。此外目前生產(chǎn)的激光粒度儀受設(shè)備材質(zhì)限制,分散介質(zhì)只能用水或乙醇的水溶液,因此在涂料工業(yè)中只能對水性體系的涂料及相關(guān)產(chǎn)品選用濕法直接測試,對溶劑型涂料及相關(guān)產(chǎn)品尚不能直接測試。

二、衍射在印染行業(yè)的應(yīng)用紫外一可見分光光度計(jì)用于吸收光譜分析的紫外-可見分光光度計(jì)的發(fā)展已相當(dāng)成熟。雖然目前市售的各種紫外-可見分光光度計(jì)在精度、自動化程度和功能完善程度等方面的差異很大,但基本構(gòu)XX包括光源、單色器、比色池、檢測系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)五大部分其中單色器將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的元件,稱為色散元件,它與入射狹縫、出射狹縫和斬光鏡等一起組成單色器。早期或簡易的設(shè)備通常采用棱鏡為色散元件,目前已不多見；而現(xiàn)代的紫外．可見分光光度計(jì),一般都采用光柵作為色散元件。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn),全息光柵光譜范圍廣,雜散光低,且可作到高光譜分辨率。光譜分析方法作為一種重要的分析手段,在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面,都發(fā)揮著極大的作用。無論是穿透吸收光譜,還是熒光光譜,拉曼光譜,如何獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍〔UV-IR,高光譜分辨率〔到0.001nm,自動波長掃描,完整的電腦控制功能極易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動測試系統(tǒng),使用電腦自動掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫,首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光,再通過衍射光柵色散為分開的波長〔顏色。利用每個(gè)波長離開光柵的角度不同,由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。光柵是利用光的衍射與干涉作用而制成的一種色散元件。當(dāng)入射光射到光柵表面時(shí),發(fā)生光的衍射和干涉,通過控制入射角變化,可反射出不同波長的單色光,達(dá)到色散效果。它的優(yōu)點(diǎn)是適用波長范圍寬、色散均勻和分辨率高等。缺點(diǎn)是經(jīng)色散的光譜會有重疊,而相互干擾,但通過選用適當(dāng)?shù)臑V光片,可消除次級光譜的干擾。光柵是現(xiàn)代光譜分析儀器的核心元件,有平面和凹面兩種。在制造工藝上,全息光柵已經(jīng)全面取代了刻劃光柵。為提高光能量的利用率,閃耀光柵的使用也日漸普遍,而凹面光柵的使用,使現(xiàn)代光譜分析儀器的分光系統(tǒng)得以大大簡化。的使用也日漸普遍,而凹面光柵的使用,使現(xiàn)代光譜分析儀器的分光系統(tǒng)得以大大簡化?？偨Y(jié)：光的衍射現(xiàn)象十分的有趣,在我們的學(xué)習(xí)中,已經(jīng)從簡單的光的衍射現(xiàn)象到討論其規(guī)律,并且能夠根據(jù)疊加原理說明在光的衍射現(xiàn)象里光的強(qiáng)度分布。其中工業(yè)應(yīng)用中光的衍射和其他光學(xué)性質(zhì)都有相互之間的應(yīng)用。總體來說,光的衍射的工業(yè)應(yīng)用,光的衍射應(yīng)用在于工業(yè)上面還需要進(jìn)行開發(fā)利用。不能僅僅局限于實(shí)驗(yàn)研究方面,相信在不久的將來,光的衍射應(yīng)用會在工業(yè)上帶來工大的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：[1]題目：粒度測試及激光衍射粒度測試法在涂料工業(yè)中的應(yīng)用/2008/08shtml