激光粒度測試技術(shù)新進展

張福根  秦和義

珠海真理光學儀器有限公司

摘要正文：激光粒度儀的出現(xiàn)已經(jīng)將近50年，以其測量速度快、重復(fù)性好、量程寬、操作方便等優(yōu)勢，成為當今世界應(yīng)用.廣泛的粒度測量儀器。它是利用顆粒對光的散射（粒徑遠大于光波長時稱為“衍射”）現(xiàn)象測量顆粒大小及分布的。其賴以正常運行的物理規(guī)律是：顆粒越大，散射光的分布范圍越寬（通常用愛里斑的第.一暗環(huán)角尺寸描述），即散射光的分布和粒度分布一一對應(yīng)。

當前大多數(shù)激光粒度儀的測量過程都能在計算機的控制下自動完成。不過儀器內(nèi)部的運行還是可以分成以下三個步驟：（1）將待測的顆粒樣品送進測量光路，入射的激光束被顆粒散射；（2）散射光的空間分布信息被儀器接收，經(jīng)放大和AD轉(zhuǎn)換，送進計算機；（3）計算機軟件根據(jù)散射光的分布反演計算粒度分布。其中第（3）步又可分為兩個小步，即（3A）預(yù)先根據(jù)儀器光學系統(tǒng)參數(shù)和顆粒的折射率，計算該儀器測量范圍內(nèi)所有粒徑顆粒的理論散射光能分布，組成一個散射光能矩陣；（3B）根據(jù)接收到的散射光信息和散射光能矩陣，通過一個反演算法，計算出被測顆粒的粒度分布。從激光粒度儀的運行機理我們知道，獲得可靠的粒度測量結(jié)果的關(guān)鍵是：（1）獲得充分而的顆粒散射光分布信息；（2）散射光的分布與粒度分布存在內(nèi)在的一一對應(yīng)關(guān)系；（3）正確的反演算法。當前的各種儀器在上述三個方面都存在一定的缺陷，從而導致某些條件下會給出錯誤的測量結(jié)果。本文綜述作者及其團隊在克服上述缺陷方面所取得的進展。

1、散射光的測量盲區(qū)及解決方案。顆粒的散射光是分布在0°到180°的范圍的。顆粒越小，大角度方向散射光所占比重越大。很多情況下顆粒需要分散在液體介質(zhì)中進行測量。盛放介質(zhì)及顆粒的測量池用相互平行的兩塊平板玻璃作為照明光入射和散射光出射的窗口。由于液體的折射率總是大于1，因此當散射角大于某個臨界角（水的臨界角為48.7°）時，就會產(chǎn)生全反射，無法出射到空氣中，因而無法被測量到。再加上放置在空氣中的大角探測器與光軸的夾角通常為60°，儀器實際能接收的前向大散射角（從水介質(zhì)中看）是41°。后向散射也存在類似的全反射問題。因此當前儀器前向能接收的大散射角是41°，后向能接收的小散射角是139°，即41°到139°是測量盲區(qū)。這將導致400nm以細顆粒不能測量。作者團隊提出了一種斜置梯形測量窗口技術(shù)，能將前向大散射角擴大到80°，基本上解決了400nm以細顆粒的測量問題。

2、愛里斑的反常變化（ACAD）現(xiàn)象所帶來的困擾及解決方法。作者的團隊發(fā)現(xiàn)，對于透明的顆粒，雖然從較大的粒徑變化幅度看，顆粒越大，散射角越小，但是從較小的粒徑變化范圍看，有時會出現(xiàn)顆粒越大，散射角也越大的情況。這種現(xiàn)象稱為愛里斑的反常變化（ACAD）^[1]。這是客觀的物理規(guī)律，任何人都無法改變。這種現(xiàn)象導致了散射光的分布與粒度分布之間不再一一對應(yīng)。當被測顆粒的粒徑范圍正好處在反常區(qū)時，測量結(jié)果是不確定的^[2]。為克服這種不確定，當前.常用的方法是在計算光能矩陣時，假設(shè)顆粒有吸收。這種人為加吸收系數(shù)的方法雖然在表面上使測量結(jié)果穩(wěn)定，但同時導致測量結(jié)果的失真。作者團隊通過深入研究，推到出ACAD現(xiàn)象的規(guī)律^[1]，進而通過改進反演算法，不需要人為加吸收系數(shù)，也能得到穩(wěn)定并且真實的結(jié)果。

    3、不同反演模式產(chǎn)生不同粒度分析結(jié)果的困惑及反演算法的統(tǒng)一。 現(xiàn)在有些主流的儀器在軟件操作界面上，有幾種不同的反演計算模式給用戶選擇。對相同的樣品，選不同的反演模式時，會給出不同的測量結(jié)果。這顯然有悖于科學測量的客觀性和確定性。作者團隊對光散射規(guī)律有更透徹的研究，能夠用統(tǒng)一的反演算法分析所有類型的顆粒樣品，維護了科學測量儀器應(yīng)有的客觀性和確定性。

    作者團隊所取得的技術(shù)進展還有光線偏振濾波、折射率未知顆粒的測量等等。

關(guān)鍵詞：激光粒度儀；測量盲區(qū)；愛里斑的反常變化；ACAD；反演模式

參考文獻

[1] Linchao Pan et. al. Anomalous change of Airy disk with changing size of spherical particles. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative    Transfer 170 (2016) 83–89

[2] Linchao Pan et. al. Indetermination of particle sizing by laser diffraction in the anomalous size ranges. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 199 (2017) 20–25