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  • 發布時間:2018-08-31 09:19 原文鏈接: 高次衍射對激光粒度分析的影響

    一、激光測粒度原理及高次衍射現象

    激光粒度分析是根據夫朗和費衍射原理設計的由氦氖激光器發出單色光經濾波和擴束后獲得平行光束當該平行光照射到樣品池中的顆粒群時便會產生光的衍射現象衍射光的強度分布與測量區中被照射的顆粒直徑和顆粒數有關在樣品池的后面放置一個由多個同心半圓環組成的多元光電探測器將照射到每個環面上的衍射光能量轉換成電信號輸出用于測量衍射光強及其空間分布通過計算機算出被測顆粒的粒徑分布。激光粒度分析是基于兩點假設進行的: (1)顆粒呈球形; (2)顆粒之間不產生多次衍射。對于微細顆粒可以近似的認為是球形但要使顆粒之間不產生多次衍射就需要顆粒群分散在同一平面上而事實上顆粒群在檢測區內很難呈二維分布對于動態顆粒群更是如此只要顆粒群不滿足二維分布的要求經過顆粒衍射的光就有可能發生二次衍射或高次衍射這是引起激光粒度分析中測量誤差的主要原因。

    二、高次衍射強度分析

    1.單層顆粒衍射能量

    當樣品池中的顆粒沿軸方向呈單層分布時衍射譜包含由顆粒產生的一次衍射譜和由顆粒間隙產生的透射頻項。

    一次衍射譜的總能量為: E1(1) = Si0

    進行歸一化處理后可得:

    < E1(1) > = ( S/ P) I 0= K I 0                                (1)

    式中: S 為檢測區單層顆粒總截面; I 0為入射光強度; P 為檢測區光束總截面積; K 為檢測區

    單層顆粒遮光比即單層顆粒的衍射幾率。

    透射項的總能量E1(0) 與透光總截面成正比: E1(0)= ( P - S ) I 0

    進行歸一化處理后可得:

    < E1(0)> = ( 1- K ) I 0                                      (2)

    那么單層顆粒衍射的能量分配式為:

    < E1> = < E1(0)> + < E1(1)> = ( 1- K ) I 0+ K I 0                 (3)

    2.雙層顆粒衍射能量

    雙層分布顆粒群的衍射譜由四項構成即二次衍射能量、衍射透射能量、透射衍射能量、

    透射能量。

    (1)二次衍射能量

    二次衍射能量為: E2(2)= S1S2I0

    進行歸一化處理后可得:< E2(2) > = K1KI0                                                             (4)

    式中: S 1S 2 分別表示雙層檢測區第一層、第二層顆粒總截面; K1= S1/ P K2= S2/ P分別表示雙層檢測區第一層、第二層顆粒的遮光比即雙層檢測區第一層、第二層顆粒的衍射幾率; P為檢測區光束總截面積。

    (2)二次透射能量

    二次透射能量為: E2(0) = ( P- S1) ( P - S2) I0

    進行歸一化處理后可得< E2(0)> = (1- K1) ( 1- K2) I0

    (3) 射透衍射能量

    透射衍射能量為E2(02) = ( P - S1) S2I0

    進行歸一化處理后可得:< E2(0) > = ( 1- K1) K2I0

    (4) 衍射透射能量

    衍射透射能量為:E2(20)= S1 (P - S2) I0

    進行歸一化處理后可得:E2(20)== K1( 1- K2)I0

    (5) 雙層顆粒衍射能量分析

    由上述分析可知歸一化的雙層顆粒衍射能量分配式為

    < E2> = < E2(0) > + < E2(02) > + < E2(20) >+ < E2(2) >

    當兩層顆粒大小相同濃度均勻時則有K1= K2= K上式可以合并為

    < E2> = < E2(0) > + < E2(1) > + < E2(2) >

         =( 1- K)2I0+ 2K(1- K) I0+ K2I0

    上式中的三項分別是:

    透射項:< E2(0) > = (1- K )2I0

    一次衍射項:< E2(1) > = < E2(02) > + < E2(20) >

                         = 2K(1- K) I0

    二次衍射項:< E2(2) > = K2I0

    上述分析定量地給出了衍射譜中各種成份之間的比例關系。

    3. 高次衍射強度分析

    由二次衍射強度分析可以較容易地得出高次衍射的能量分配式

    < En> = < En(0) >+ < En(1>+ < En(2>++ < En(i>+ < En(n>

    作為一種寬帶噪聲疊加在E1 是測量誤差的主要來源應盡量抑制。式中< En(i) >分別表示第i次衍射能量

    三、高次衍射對激光粒度分析的影響

    為了分析高次衍射對激光粒度分析的影響我們取I0= 1,則各項強度隨K值變化曲線如圖1、圖2所示。圖1為當n= 2時的E0E1EnE1-En變化曲線為當n= 3 時的E0E1E nE1-En變化曲線。

    對于四次及四次以上的高次衍射由于發生的幾率極小基本上可以忽略不計。如當分散相體積濃度為Cv= 10% K = 0. 20, 則發生四次衍射的幾率只有0. 16% 故此處不再進行考慮。

    四、結論

    綜上所述高次衍射譜是進行粒徑測量的主要誤差來源。理論分析表明當顆粒在分散介質中的體積濃度Cv= 19%8. 9%可分別有效地抑制二次衍射和三次衍射的發生獲得最大的有效信號強度。為了進一步確定顆粒在分散介質中的最佳體積濃度我們選用GBW(E) 120001微粒標準物質在激光粒徑分析儀上進行測試當取Cv =10% 獲得最小測量誤差。試驗證明對粒徑測量產生誤差的高次衍射主要是由二次衍射譜和三次衍射譜組成有效抑制產生二次衍射和三次衍射的最佳體積濃度為C0= 10%

     作者:雷建 趙紅霞    任中京  洛陽工業高等專科學校

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