光散射法在粒径分析中的应用

1、光散射法在粒径分析中的应用姚轩宇 11307110069光散射法概述颗粒粒径的测量方法主要有：筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法(库尔特法)和。其中光散射法是近年来最为广泛使用的一种颗粒测量方法，它属光学法，但与显微镜法不同，不是光学成像法。光散射法：特点与分类(1)适用性广。固体颗粒(粉末)、液滴、气泡都可以测量(2)粒径测量范围广：测量范围测量范围从几个纳米到从几个纳米到1000m1000m(3)测量准确，精度高测量准确，精度高，重复性好。测量误差可以限制在l一2之内。(4)测量速度快，试样的一次测量可以在很短的时间内完成，实时性好实时性好。(5)需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数少，

2、少数情况下，只要知道被测颗粒的相对折射率即可。(6)仪器的自动化和智能化程度高(7)在线测量。避免了由此可能产生的各种偏差，也不会对被测对象或测量环境造成干扰，测量结果更符合真实情况。光散射基础知识光散射基础知识 复折射率：复折射率： 不相关散射与相关不相关散射与相关散射散射 单散射与复散射单散射与复散射innNMIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSi MieMie散射具有（散射具有（1 1）散射光强度随角度分布变得十分复杂，粒子相对于波）散射光强度随角度分布变得十分复杂，粒子相对于波长的尺度越大，分布越复杂。（长的尺度越大，分

3、布越复杂。（2 2）当粒子的尺度加大时，前向散射与后）当粒子的尺度加大时，前向散射与后向散射之比随之增加，结果使前向散射之比随之增加，结果使前向向散射的波瓣增大。（散射的波瓣增大。（3 3）当粒子尺度比）当粒子尺度比波长大时，散射过程和波长的依赖关系就不密切了，这一点可以从云一波长大时，散射过程和波长的依赖关系就不密切了，这一点可以从云一般是发白的现象推测到。白色的云和蓝色天空反映了两种不同类型的散般是发白的现象推测到。白色的云和蓝色天空反映了两种不同类型的散射射。 MIEMIE散射)(8212202siirII),(),(*111NSNSi),(),(*222NSNSia 和l b 称为Mi

4、e 系数，它们与球形颗粒的大小、颗粒和介质的折射率有关。MIEMIE散射a 和b 称为Mie 系数，它们与球形颗粒的大小、颗粒和介质的复折射率m有关。MIEMIE散射 从中可以很容易看出，在入射方向上，散射强度为最强，然后随着角度增加，散射强度很快减小。 随着无因次参量 的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向散射强于后向散射。随着 进一步增大，散射光几乎全部集中在前向 = 0的附近，这种现象称米氏效应。MIEMIE散射 从中可以很容易看出，在入射方向上，散射强度为最强，然后随着角度增加，散射强度很快减小。 随着无因次参量 的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向散射强于后向散射。随着 进

5、一步增大，散射光几乎全部集中在前向 = 0的附近，这种现象称米氏效应。MIEMIE散射 RAYLEIGHRAYLEIGH散射分子散射、与粒径无关、散射光强与波长的四次方成反比，与分子散射、与粒径无关、散射光强与波长的四次方成反比，与粒径的六次粒径的六次方方成正比。成正比。在在瑞利散射范围内，散射光随散射角的瑞利散射范围内，散射光随散射角的分布图形都是一样的，前向散射与后向散射呈现处对称性分布图形都是一样的，前向散射与后向散射呈现处对称性“当当散射颗粒的线度远比波长小时，散射颗粒的线度远比波长小时，即颗粒粒度即颗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、这解的近似式就是瑞利公式，这种情况下的种情况下的散射散射称瑞利散射称瑞利散射。”瑞利散射光强的矢极图衍射散射（FRAUNHOFFER散射）衍射散射（FRAUNHOFFER散射）Fraunhoffer圆球衍射圆球衍射圆球直径圆球直径为为D D，迎光截面积，迎光截面积 a a，颗粒尺寸参数颗粒尺寸参数 ，P P点对于圆球点对于圆球中心的张角（称为半径张角，即中心的张角（称为半径张角，即散射角）为散射角）为，圆球中心到观察，圆球中心到观察平面的距离为平面的距离为r r021222sin)sin(2)(IJraI4/2Da/D唯象地说，颗粒的散射问题可归结为颗粒对入射光的衍射(Diffraction)

7、、入射光在颗粒表面的反射(Reflection)和进入颗粒的折射效应(Refraction)这三个部分构成。衍射与颗粒的折射率无关衍射与颗粒的折射率无关，而反射和折射则与颗粒折射率相关。当散射体的线度比波长大很多时，前向小角度范围内的散射主要由衍射引起，称这种散射为衍射散射。这种散射的主要特点是与材料性质(如折射率)和表面条件无关，而取决于颗粒的形状和大小，散射图形散射图形明亮而且集中在前方明亮而且集中在前方。根据衍射图形的形状和尺寸即可确定颗粒的形状和尺寸。根据衍射的性质，散射体越大，衍射光图形越向中心靠拢。所以对很大的散射颗粒，尽管对整个散射光来说，几何光学的作用是显著的，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应为主衍射效应为主。正是这个缘故，前向的小角散射与散射颗粒的折射率关系不大，利用前向散射测量颗粒尺寸范围也较大。衍射散射（FRAUNHOFFER散射）衍射散射（FRAUNHOFFER散射）由此可见，各暗环半径R是与圆球直径D相对应的，测得R1，即可求出D。由(4.10a)式还可以得出如下结论：小颗粒的散射角大，大颗粒的散射角小。小颗粒的散射角大，大颗粒的散射角小。这就是激光光散射法测量粒度分布的最基本原理。FRAUNHOFFER散射的应用对于无规排列的具有相同直径的颗粒群（即单分散颗粒群），其衍射图样与单个颗粒的衍射图样相同，只是衍射光强度增至的

9、倍数等于散射区内的颗粒数目。由于颗粒位置的随机性导致散射光位相的随机性，因此总散射强度可以是各粒子散射光强的总和(非相干叠加)。激光经透镜组扩束成直径约8毫米的平行光，此平行光穿过颗粒群后产生衍射，在接受透镜（Fourier变换透镜）的后聚焦平面被一多元光电探测器所检测。多元光电探测器由多个同心的半圆环光电探测器以及中间的一个小孔组成，各个半圆环光电探测器之间互相绝缘，小孔的后面为另一个光电探测器。光电探测器一般由31个半圆环组成衍射法是测量颗粒在前向某一小角度范围内的散射光能分布，从中求得颗粒的粒径大小和分布，为此又称为小角前向散射法。其测量上限可达1000 m或更大，测量下限测量下限为为1

10、m1m。在引入后向散射及侧向散射后，下限可达0.05m。由激光器(一般为HeNe激光器或半导体激光器)发出的光束经滤波和扩束后成为一直径约为810 mm的平行单色光，照射到测量区中的颗粒群时便会产生光的衍射现象。衍射散射/小角前向散射法更小的颗粒？ 当待测颗粒的直径D与入射光的波长相当时，衍射散射理论不再适用。考虑到大多数激光粒度分布仪使用的都是波长为632.8 nm的He-Ne激光，因此基于衍射散射理论所能测量的颗粒粒径的下限约为1 m。如果要测量粒径更小的颗粒群的粒度分布，就需要使用严格的Mie散射理论。MIEMIE散射的应用：多角度激光光散射技术Wyatt Technology 公司“根

11、据根据MieMie理论可知，颗粒的散射光分布与粒理论可知，颗粒的散射光分布与粒径相关，粒径不同时，径相关，粒径不同时，散射光散射光的分布就的分布就不不同。同。”MIEMIE散射的应用：多角度激光光散射技术 来自HeNe激光器的光束经空间滤波器改善断面上光能分布的均匀性后。经透镜聚焦形成一细小明亮的束腰，在束腰中定义一测量区A，其容积其容积要要足够足够小，使得每一瞬间只有一个颗粒流过小，使得每一瞬间只有一个颗粒流过。被测介质(液体或气体)由一进样系统送入仪器并流经测量区A。 当存在于介质中的颗粒经过测量区时，被入射激光照射产生散射光，多个角度下的散射光由光学系统采集，经光电系统转化成电信号。根据

12、光学系统所采集到的散射光信号可以确定颗粒的粒径大小。 待下一个颗粒流过测量区A时，光电系统又给出一个与其粒径相应的电信号。因此，测量到的是一个又一个的电脉冲，脉冲数脉冲数就就是是颗粒数。颗粒数。 动态光散射/光子相关光谱法 光子相关光谱法(PCS)的测量下限约为35nm，上限为23m，正是纳米颗粒的粒径范围。因此，在纳米颗粒的测量中获得了广泛应用。 光子相关光谱法的测量原理是建立在颗粒的布朗运动基础之上的。更小的颗粒 V2.0试样池c中盛有待测纳米颗粒试样的悬浮液，来自激光器的光束经光学系统聚焦后照射到试样池中，测量区中的颗粒群受到激光的照射产生散射光。在某一角度口下采集其散射光。由于纳米颗粒不断地做随机的布朗运动。布朗运动使得颗粒相对于光电倍增管的距离改变，各颗粒之间的相位也不断地变化。此外，布朗运动使颗粒不断地“进入”和“离开”光束，这就使得光电倍增管所接