У Вас возникли вопросы или Вы хотите узнать больше о нас и наших приборах?
Звоните нам или используйте нашу контактную форму:
Измерение распределения частиц по размерам - это уже давно используемая технология, основанная на хорошо известном более ста лет принципе рассеяния света от малых частиц. Коммерческое применение данной технологии измерения частиц стало возможным однако только с появлением мощных и доступных в ценовом отношении лазерных систем и компьютеров.
Здесь Вашему вниманию предлагается краткий вводный экскурс в основы технологии измерения распределения частиц по размерам с использованием статического рассеяния света. Пояснения ко всем основным терминам Вы также можете найти в четко структурированной энциклопедии.
В двадцатых годах прошлого столетия швейцарский астроном Р.Й. Тюмплер обнаружил, что удаленные скопления звезд излучают более тусклый свет, чем следовало бы ожидать, судя по их удаленности. Он сделал вывод, что часть света звезд теряется по пути к Земле. Несколько лет спустя американский астроном Э.П. Хаббл в ходе наблюдений констатировал, что среднее число видимых галактик по направлению к центру Млечного Пути в созвездии Стрельца намного меньше, чем, к примеру, в направлении Большой Медведицы. Наряду с ярко светящимися газовыми облаками, состоящими преимущественно из водорода, на так называемом галактическом уровне также можно найти многочисленные темные участки, которые практически полностью поглощают свет, поступающий от расположенных за ними объектов. Так была открыта межзвездная пыль.
Межзвездная пыль состоит большей частью из крайне малых частиц – их стандартный диаметр находится в диапазоне от 0,1 до 1 мкм, – которые рассеивают и поглощают звездный свет. Поскольку подобные частицы нельзя исследовать при помощи альтернативных методик, например, электронной микроскопии, важную роль в исследовании астрономами межзвездной, или даже межпланетной пыли играло и продолжает играть применение теории рассеяния света.
В лаборатории, в определенной степени для решения земных задач, условия немного проще. Или, наверное, лучше сказать: Приходится иметь дело с другими вызовами. Оптическую конструкцию всей системы здесь, разумеется, можно отрегулировать под параметры поставленной задачи и, по крайней мере, имеется больше информации об исследуемом материале проб, чем в случае с космическими частицами. Звездный свет с его широким спектром длины волн можно заменить монохроматическим лазерным светом, а химический состав материала пробы часто хорошо известен. В то же время возникают новые сложности, прежде всего связанные с надлежащим приготовлением измеряемого скопления частиц.
В целом принцип конструкции всегда одинаков: Луч света, как правило, испускаемый лазером, просвечивает измеряемую пробу, после чего при помощи детектора регистрируется распределение интенсивности, образующееся за ней в результате рассеяния. Уже здесь следует обратить внимание на то, что измеряемое скопление частиц должно находиться в достаточно разбавленном виде и не должно образовывать комки – или лучше сказать: агломераты. Измеренное распределение интенсивности затем отображается системой многочисленных, более или менее концентрических колец, расстояние между которыми сопоставимо с размером частиц. Большие частицы создают тесно расположенные кольца, маленькие частицы - кольца, расположенные шире. Если теперь определить расстояние между отдельными кольцами, по нему можно рассчитать размер частицы.
Прежде чем обратиться к конкретному варианту технической реализации данного простого принципа, следует немного узнать об основных характеристиках действующих физических процессов.
При облучении частицы светом возникают различные эффекты, которые вместе приводят к ослаблению или затуханию падающего луча света. Затухание в целом является суммой абсорбции и рассеяния.
Сначала обратимся к абсорбции. При ней часть электромагнитной энергии падающего света поглощается частицей и трансформируется в иной вид энергии, большей частью в тепло. Данное тепло затем отдается снова в виде инфракрасного излучения (теплового излучения) или в виде конвекции окружающей среды, эффект. который не имеет значения для динамического лазерного рассеяния. Величина абсорбции для достаточно крупных, непрозрачных частиц определяется исключительно их геометрическим сечением. „Достаточной крупных“ в данном случае означает, что их диаметр значительно больше длины волны используемого света. Для меньших размеров частиц, а также для просвечивающих частиц условия сложнее, необходимо знать коэффициент абсорбции материала, чтобы связать друг с другом абсорбцию и размер частиц. В теории Ми абсорбция играет важную роль. Однако подробнее об этом позже.
Теперь рассмотрим рассеяние. Здесь в целом принято различать во-первых две разных формы рассеяния: Неупругое рассеяние, при котором изменяется энергия, а, следовательно, и длина волны света, и упругое рассеяние, при которой длина волны остается неизменной. Нас интересует только последний вариант, в связи с чем неупругое рассеяние будет исключено из рассмотрения, а под „рассеянием“ всегда подразумевается „упругое рассеяние“.
Рассеянием называется все, что отклоняет падающий свет от его первоначального направления. Здесь можно выделить три составляющих, во-первых, отражение, во-вторых преломление (рефракцию) и, в-третьих, дифракцию.
Отражение происходит главным образом на поверхности частицы и описывается геометрической оптикой согласно закону „угол падения равен углу отражения“. При рассмотрении общей динамики изменения создаваемого рассеянием распределения интенсивности с угловой зависимостью отражение на поверхности сферы имеет очень ровную составляющую. Вместе с тем принципиально возможно и отражение на внутренних граничных поверхностях прозрачных материалов, что особенно важно в сочетании с преломлением света.
При преломлении согласно закону преломления Снеллиуса изменяется направление луча света при переходе между двумя материалами с различным коэффициентом преломления. Луч света, который, например, попадает на каплю дождя, преломляется в направлении середины капли, после чего при дальнейшем прохождении на внешнем крае капли всегда снова отражается внутрь капли. Часть излучения при каждом отражении покидает каплю. Данным эффектом, к примеру, можно объяснить появление радуги, а также разнообразные структурные особенности распределений интенсивности, наблюдаемых на частицах при измерении лазерного рассеяния.
Чтобы понять суть дифракции, необходимо представить себе луч света как широкий фронт волны, который попадает на частицу и частично ее огибает, наподобие волны на водной поверхности, которая наталкивается на опору или более крупное препятствие. В результате наложения различных элементов разорванного фронта волны (взаимное наложение) позади частицы образуется характерный рисунок искривления, точный контур которого описывается в теории Фраунгофера и однозначно определяется диаметром частицы.
Показанный здесь рисунок является графическим представлением амплитуды рассеяния сферической частицы, которую можно точно описать при помощи так называемой функции Бесселя. Здесь хорошо виден центральный дифракционный максимум только для очень малых углов рассеяния, обладающий наибольшей интенсивностью рассеянного света. По мере перехода к большим углам рассеяния – а, следовательно, к большим расстояниям от центра детектора соответствующего измерительного прибора – попеременно следуют темные и светлые кольца, расстояние между которыми, как уже говорилось ранее, напрямую взаимосвязано с диаметром частиц: Чем уже кольца, тем больше частица, и наоборот.
Вместе с тем все сказанное ранее, строго говоря, действует только в отношении достаточно крупных частиц, причем „достаточно крупных“ здесь так же, как и для абсорбции, означает, что их диаметр намного больше длины волны используемого света. Для диаметров частиц размером, равным длине световой волны, используется уже вкратце упомянутая ранее теория Ми. Теория Ми представляет собой полное решение уравнений Максвелла для рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах. Что это значит? Можно представить себе, что электромагнитные световые волны, образно говоря, прицепляются к атомам и молекулам внутри частицы и заставляют их колебаться. Данные колебания в свою очередь также создают электромагнитные волны, точнее говоря световые волны одинаковой длины волны (как уже было сказано, речь здесь идет только об упругом рассеянии), излучаемые во всех возможных направлениях. В результате наложения отдельных волн из различных фрагментов частицы происходит формирование характерного распределения интенсивности, которое в отличие от дифракции Фраунгофера можно наблюдать не только в прямом направлении, но и под углами рассеяния, превышающими девяносто градусов.
На основе уравнений Максвелла, которые дают лишь общее описание распространения электромагнитных волн, Густав Ми в начале 20-го столетия исследовал эффекты при рассеянии света в коллоидных растворах металлов, в особенности рассеяние света на мелких частицах золота, и одним из первых разработал для них полноценную теорию, которая позже была названа его именем.
Теперь, после того, как мы, по крайней мере в общем виде, познакомились с основными процессами, действующими при рассеянии света, необходимо подробно остановиться на исполнении оптической конструкции лазерного прибора для измерения размера частиц. Схематически изложенную ранее базовую компоновку можно реализовать при помощи двух различных концепций. Наряду с перечисленными компонентами (лазер – измерительная ячейка – детектор) в траекторию луча требуется также включить собирающую линзу, которая фокусирует рассеянный свет на детекторе. Поскольку собирающая линза из распределенного в пространстве рассеянного света в месте нахождения частицы (в измерительной ячейке) формирует ее образ Фурье (на детекторе), собирающую линзу также называют линзой Фурье. Расположение данной линзы Фурье определяет основное различие между так называемым традиционным исполнением и инверсной конструкцией Фурье.
Начнем с традиционного варианта исполнения. Здесь генерируется достаточно широкий, параллельный лазерный пучок, в который затем помещается измерительная ячейка с рассеивающими частицами. Между измерительной ячейкой и детектором размещается линза Фурье. Поскольку при таком расположении фокусное расстояние линзы Фурье определяет диапазон измерений, для изменения последнего требуется сменить линзу. Она должна быть отрегулирована с предельной точностью, поскольку особенно на крупных частицах измеряются очень малые углы, а отклонение линзы Фурье в данном случае напрямую существенно влияет на результат измерений. Еще одним недостатком данной компоновки является ограниченная возможность для измерения больших углов рассеяния. А данные большие углы рассеяния, как мы знаем, необходимы для измерения действительно малых частиц.
Учитывая это, примерно 25 лет назад альтернативным решением стало внедрение инверсной конструкции Фурье. FRITSCH GmbH стала первой компанией, которая в первой модели серии ANALYSETTE 22 использовала инверсную оптику Фурье для определения размера частиц. В отличие от традиционной конструкции здесь линза Фурье располагается перед измерительной ячейкой, так что через нее проходит не параллельный, а сходящийся лазерный пучок. Рассеянный свет при этом фокусируется непосредственно на детекторе без дополнительных оптических элементов. Несмотря на отсутствие принципиальных отличий в компоновке отдельных компонентов (лазер – линза Фурье – измерительная ячейка – детектор), различные варианты исполнения инверсной оптики Фурье отличаются местами весьма существенно в основных деталях.
В широко распространенном варианте исполнения малые углы рассеяния – т.е. крупные частицы – охватываются главным детектором, а для измерения больших углов рассеяния малых частиц используется боковая система детекторов. Для очень больших углов рассеяния, близких к 180°, необходимо интегрировать вторую систему, которая зачастую состоит из источника синего света – обычно СИД – с оптикой и детектором.
Главным недостатком данной конструкции является то, что при каждом измерении охватывается весь доступный для прибора диапазон измерений (только диапазон очень малых диаметров можно целенаправленно измерять или пропускать подключением/отключением второго источника света). Почему это является недостатком? Подавляющее большинство измеряемых проб демонстрирует распределение по размерам, которое охватывает только часть полного диапазона измерений используемого прибора. Поэтому широкий диапазон измерений интересен в основном тогда, когда анализу необходимо подвергнуть максимально большое количество различных систем проб. Таким образом, во многих случаях или даже в большинстве случаев при таком исполнении инверсной оптики Фурье охватывается ненужный размерный диапазон, за что приходится платить высокую цену: снижение точности измерения, низкое разрешение размеров частиц и ухудшение чувствительности. И чем больше полный диапазон измерений прибора, чем сильнее проявляется этот эффект. Почему так происходит?
В простейшем случае проба состоит из строго монодисперсного материала, т.е. распределение интенсивности демонстрирует простую кольцевую структуру, по которой можно напрямую определять размер частиц. Чем точнее данное распределение интенсивности поддается измерению, тем точнее будет конечный результат. Иными словами, точность измерения напрямую зависит от числа измерительных каналов, доступных для текущего интервала измерения. Поэтому если при измерении всегда охватывается максимальный эффективный диапазон измерений, дифракционные кольца с достаточной интенсивностью, например, для пробы с крупными частицами, будут всегда ограничены центральной областью детектора. Число детекторных элементов в данной центральной зоне, естественно, сравнительно небольшое, в то время как внешние каналы для подобного материала в определенной степени остаются без дела.
Для сравнения приведем следующий пример: Ситуация сопоставима с той, при которой напряжение батарейки на 1,5 В измеряется прибором, диапазон измерений которого настроен на 0 - 1000 В…
Для разделения двух соседних размеров частиц, следуя аналогичной аргументации, также вытекает зависимость разрешения от эффективного числа используемых детекторных элементов: Для точного измерения незначительных различий в интенсивности распределения обязательно требуется максимально большое число элементов.
Чтобы исключить данный недостаток излишне широкого диапазона измерений, в приборах серии ANALYSETTE 22 используется запатентованный компанией FRITSCH GmbH принцип регулируемой позиции измерительной ячейки. При этом изменяется положение измерительной ячейки между линзой Фурье и детектором, благодаря чему охватываемый диапазон измерений может регулироваться в соответствии с конкретными требованиями. Вот как это работает:
На левом рисунке представлена ситуация для крупных частиц. Когда измерительная ячейка далеко удаляется от детектора, слабо рассеянные лучи света перекрывают весь детектор и используют для измерения все каналы.
Когда же измерительная ячейка позиционируется близко к детектору, сильно рассеянные лучи света от малых частиц измеряются с полным разрешением детектора.
При необходимости обе позиции ячейки также можно комбинировать, чтобы при измерении охватывался весь доступный диапазон измерений прибора, но при этом с удвоенным эффективным числом детекторных элементов.
La dispersión del láser determina el volumen de las partículas. Esto significa que, con ayuda de la dispersión del láser, el resultado de una medición permite saber, por ejemplo, qué porcentaje del volumen total de la muestra tiene partículas más pequeñas de un tamaño determinado. Por norma general, este índice característico se conoce como Q3(x).
También se puede saber qué porcentaje del volumen total de la muestra tiene partículas situadas dentro de un intervalo de tamaños determinado. Este índice característico se conoce como dQ3(x).
Ilustración: Distribución del tamaño de partículas de cenizas volátiles, medida con un ANALYSETTE 22 MicroTec plus. La línea trazada es la curva de acumulaciones Q3(x) y las barras representan los valores de dQ3(x).
