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激光粒度儀如何獲得顆粒的散射光能譜分布

點擊次數:1271 發布時間:2017-09-04
所謂激光粒度儀是專指通過顆粒的衍射或散射光的空間分布(散射譜)來分析顆粒大小的儀器。根據激光散射原理,顆粒大小不同,散射光能量隨散射角度的分布也不同,此種分布稱為散射譜。激光粒度儀就是通過檢測顆粒群的散射譜反演顆粒大小及其分布的。

 

獲得顆粒散射譜的基本光路示意圖

1、為什麼散射/衍射激光粒度儀必須采用激光作光源
激光粒度儀是通過檢測顆粒的散射譜來分析顆粒大小與分布的,因此能否獲得清晰的散射譜至關重要,激光是一種準直性,單色性良好的光源,只有采用激光才能在散射/衍射粒度儀器中得到清晰的散射譜分布。用多種波長混合的光源不可能獲得清晰的散射譜,只能獲得多種散射譜的疊加,因此不能用于粒度儀。
在多種激光器中半導體激光與氣體激光相比,氣體光源波長短,線寬窄,單色性好,穩定性遠優于半導體光源。因此微納與大多數專業公司選用了氣體激光器作為測量光源。

2、激光粒度儀與其他方法相比有什么優勢?
激光粒度儀的光路實際是一個二維傅立葉變換器,因此具有傅立葉變換的許多特點:1、所有顆粒的散射信息是以光速并行傳輸到達光電探測器的,因此速度快;2、探測器可以做的非常窄大約幾個微米,因此分辨率非常高;3、測試過程顆粒散射不會受到人為因素的干擾,因此測試重復性超群;4、根據傅立葉變換的平移不變性,顆粒在樣品池中的運動速度不會影響頻譜分布,因此適用于動態顆粒的測試,這是其他粒度測試方法所*的,這成為了顆粒在線測試理論依據。

3、激光粒度儀測量下限是多少?
激光粒度儀測量粒度的原理是MIE散射理論。 MIE散射理論用數學語言描述了折射率為n、吸收率為m的特定物質的,粒徑為d球型顆粒,在波長為λ單色光照射下,散射光強度隨散射角θ變化的空間分布函數,此函數也稱為散射譜。根據MIE散射理論可以看出顆粒越大,前向散射越強而后向散射越弱;隨著顆粒粒徑的減小,前向散射迅速減弱而后向散射逐漸增強。激光粒度儀正是通過設置在不同散射角度的光電探測器陣列,測試顆粒的散射譜,由此確定顆粒粒徑的大小。這種散射譜對于特定顆粒在空間具有穩定分布的特征,因此稱此種原理的儀器為靜態激光粒度儀。
但是當顆粒粒徑小到一定的程度dm,與另一種更小顆粒dm-δ相比,如果二種顆粒的散射譜非常相似,以至不能被光電探測器陣列所分辨,就認為達到了激光粒度儀的測量極限,此粒徑dm就是激光粒度儀的測量下限。
此極限還與激光波長有關,研究表明紅光635nm波長的激光測量極限為50納米,而藍光405nm波長的激光測量理論極限為20nm。
理論上,靜態激光粒度儀欲分辨納米級的顆粒至少需要二個條件:1、具有測量后向散射的光電探測器陣列,2、需要用波長更短的激光器。在可見光的范圍內,20nm是靜態激光粒度儀的理論測量下限。

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