光散射法在粒徑分析中的應(yīng)用

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)和光散射法。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(lèi)(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)量范圍從幾個(gè)納米到1000μm(3)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。(5)需要知道的被測(cè)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(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(xiàn)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：不相關(guān)散射與相關(guān)散射單散射與復(fù)散射

Mie散射

Mie散射具有（1）散射光強(qiáng)度隨角度分布變得十分復(fù)雜，粒子相對(duì)于波長(zhǎng)的尺度越大，分布越復(fù)雜。（2）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)果使前向散射的波瓣增大。（3）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(lài)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(lèi)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(chēng)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(guān)。

Mie散射a和b稱(chēng)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)。

Mie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α的增大，散射光強(qiáng)分布的對(duì)稱(chēng)性開(kāi)始變差，前向散射強(qiáng)于后向散射。隨著α進(jìn)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(chēng)米氏效應(yīng)。

Mie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α的增大，散射光強(qiáng)分布的對(duì)稱(chēng)性開(kāi)始變差，前向散射強(qiáng)于后向散射。隨著α進(jìn)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(chēng)米氏效應(yīng)。電導(dǎo)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(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(duì)稱(chēng)性“當(dāng)散射顆粒的線(xiàn)度遠(yuǎn)比波長(zhǎng)小時(shí)，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(chēng)瑞利散射。”瑞利散射光強(qiáng)的矢極圖衍射散射（Fraunhoffer散射）衍射散射（Fraunhoffer散射）Fraunhoffer圓球衍射圓球直徑為D，迎光截面積a，顆粒尺寸參數(shù)α，P點(diǎn)對(duì)于圓球中心的張角（稱(chēng)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(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)、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)，而反射和折射則與顆粒折射率相關(guān)。當(dāng)散射體的線(xiàn)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(chēng)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，但是就角度很小的前向散射光仍然是衍射效應(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）圓環(huán)！由此可見(jiàn)，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。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。

但是！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(chēng)為小角前向散射法。其測(cè)量上限可達(dá)1000μm或更大，測(cè)量下限為1μm。在引入后向散射及側(cè)向散射后，下限可達(dá)0.05μm。由激光器(一般為He—Ne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8—10mm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)λ相當(dāng)時(shí)，衍射散射理論不再適用。考慮到大多數(shù)激光粒度分布儀使用的都是波長(zhǎng)為632.8nm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1μm。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。

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

Mie散射的應(yīng)用：多角度激光光散射技術(shù)來(lái)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(xì)小明亮的束腰，在束腰中定義一測(cè)量區(qū)A，其容積要足夠小，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)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)就是顆粒數(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(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(kāi)”光束，這就使得光電倍增管所接收到的散