光散射法在粒徑分析中的應用

1、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。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：測量范圍測量范圍從幾個納米到從幾個納米到1000m1000m(3)測量準確，精度高測量準確，精度高，重復性好。測量誤差可以限制在l一2之內。(4)測量速度快，試樣的一次測量可以在很短的時間內完成，實時性好實時性好。(5)需要知道的被測顆粒及分散介質的物理參數少，

2、少數情況下，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：復折射率： 不相關散射與相關不相關散射與相關散射散射 單散射與復散射單散射與復散射innNMIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSi MieMie散射具有（散射具有（1 1）散射光強度隨角度分布變得十分復雜，粒子相對于波）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。（長的尺度越大，分

3、布越復雜。（2 2）當粒子的尺度加大時，前向散射與后）當粒子的尺度加大時，前向散射與后向散射之比隨之增加，結果使前向散射之比隨之增加，結果使前向向散射的波瓣增大。（散射的波瓣增大。（3 3）當粒子尺度比）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)白的現象推測到。白色的云和藍色天空反映了兩種不同類型的散般是發(fā)白的現象推測到。白色的云和藍色天空反映了兩種不同類型的散射射。 MIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSia 和l b 稱為Mi

4、e 系數，它們與球形顆粒的大小、顆粒和介質的折射率有關。MIEMIE散射a 和b 稱為Mie 系數，它們與球形顆粒的大小、顆粒和介質的復折射率m有關。MIEMIE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 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 進一步增大，散射光幾乎全部集中在前向 = 0的附近，這種現象稱米氏效應。MIEMIE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 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 進

5、一步增大，散射光幾乎全部集中在前向 = 0的附近，這種現象稱米氏效應。MIEMIE散射 RAYLEIGHRAYLEIGH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，與粒徑的六次粒徑的六次方方成正比。成正比。在在瑞利散射范圍內，散射光隨散射角的瑞利散射范圍內，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處對稱性分布圖形都是一樣的，前向散射與后向散射呈現處對稱性“當當散射顆粒的線度遠比波長小時，散射顆粒的線度遠比波長小時，即顆粒粒度即顆粒粒度特征量特征量 = d = d 1 1，Mie Mie 解的近似式就是瑞利公式，

6、這解的近似式就是瑞利公式，這種情況下的種情況下的散射散射稱瑞利散射稱瑞利散射?！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圓球衍射圓球衍射圓球直徑圓球直徑為為D D，迎光截面積，迎光截面積 a a，顆粒尺寸參數顆粒尺寸參數 ，P P點對于圓球點對于圓球中心的張角（稱為半徑張角，即中心的張角（稱為半徑張角，即散射角）為散射角）為，圓球中心到觀察，圓球中心到觀察平面的距離為平面的距離為r r021222sin)sin(2)(IJraI4/2Da/D唯象地說，顆粒的散射問題可歸結為顆粒對入射光的衍射(Diffraction)

7、、入射光在顆粒表面的反射(Reflection)和進入顆粒的折射效應(Refraction)這三個部分構成。衍射與顆粒的折射率無關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(如折射率)和表面條件無關，而取決于顆粒的形狀和大小，散射圖形散射圖形明亮而且集中在前方明亮而且集中在前方。根據衍射圖形的形狀和尺寸即可確定顆粒的形狀和尺寸。根據衍射的性質，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

8、前向角度很小的前向散射光散射光仍然是仍然是衍射效應為主衍射效應為主。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）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論：小顆粒的散射角大，大顆粒的散射角小。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

9、倍數等于散射區(qū)內的顆粒數目。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。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1000 m或更大，測量下限測量下限為為1

10、m1m。在引入后向散射及側向散射后，下限可達0.05m。由激光器(一般為HeNe激光器或半導體激光器)發(fā)出的光束經濾波和擴束后成為一直徑約為810 mm的平行單色光，照射到測量區(qū)中的顆粒群時便會產生光的衍射現象。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與入射光的波長相當時，衍射散射理論不再適用。考慮到大多數激光粒度分布儀使用的都是波長為632.8 nm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1 m。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。MIEMIE散射的應用：多角度激光光散射技術Wyatt Technology 公司“根

11、據根據MieMie理論可知，顆粒的散射光分布與粒理論可知，顆粒的散射光分布與粒徑相關，粒徑不同時，徑相關，粒徑不同時，散射光散射光的分布就的分布就不不同。同?！盡IEMIE散射的應用：多角度激光光散射技術 來自HeNe激光器的光束經空間濾波器改善斷面上光能分布的均勻性后。經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，其容積其容積要要足夠足夠小，使得每一瞬間只有一個顆粒流過小，使得每一瞬間只有一個顆粒流過。被測介質(液體或氣體)由一進樣系統(tǒng)送入儀器并流經測量區(qū)A。 當存在于介質中的顆粒經過測量區(qū)時，被入射激光照射產生散射光，多個角度下的散射光由光學系統(tǒng)采集，經光電系統(tǒng)轉化成電信號。根據

12、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，脈沖數脈沖數就就是是顆粒數。顆粒數。 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35nm，上限為23m，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