颗粒混悬液辐射特性参数测量方法研究

颗粒混悬液辐射特性参数测量方法研究颗粒态材料可以弥散在气体、液体及固体中,从而形成气溶胶、颗粒混悬液及固体复合材料。以微纳米流体及生物细胞混悬液为代表的颗粒混悬液在太阳能利用、微藻能源、生物检测等方面有重要应用。颗粒混悬液的辐射特性参数是进行相关热辐射传输分析及光场分析的基础物性参数。颗粒混悬液的辐射特性参数可以通过电磁理论及实验测量方法进行研究,但由于颗粒形貌及颗粒内部结构的复杂性和不确定性,理论研究方法很难为工程问题提供准确数据。在实验研究方面,由于粒子间的多重散射效应、盛装容器折射率与液体介质折射率不相同引起的多重界面反射效应以及粒子散射与界面反射的耦合作用,使得颗粒混悬液辐射特性的准确测量面临诸多困难。目前,颗粒混悬液辐射特性参数的精确测量方法还有待进一步研究。本文针对颗粒混悬液辐射特性的精确测量方法开展研究,通过分析影响混悬液辐射特性测量准确性的因素,发展颗粒混悬液体系,包括窗口材料、基液及颗粒辐射特性的精确测量方法,并搭建实验系统对典型颗粒混悬液体系的辐射特性参数进行实验研究。主要工作包括:作为颗粒混悬液测试器皿的窗口材料的工作波段一般要求有高透过率,现有方法难以精确测得弱吸收波段高透窗口材料的光学常数,而其光学常数的精确性会直接影响到颗粒混悬液辐射特性的测量精度。本文提出一种新的测量高透窗口材料光学常数的双光程透射与椭偏联合法,此方法克服了两种方法各自的缺点。当材料吸收非常弱时,椭偏法不能精确获得其光学常数;双光程透射法适用于测量弱吸收材料的光学常数,但是对于反演得到折射指数和吸收指数存在两组不同的解,其中只有一组是正解。在双光程透射与椭偏联合法中,椭偏法测量高透窗口材料的光学常数作为双光程透射法反演计算中的初始值,此方式可确保该方法获得正确解。用氟化钡材料来验证双光程透射与椭偏联合法,结果证实该方法可以获得可靠和高精度的高透窗口材料光学常数。应用该方法测量获得了高透波段氟化钡、氟化钙、氟化镁、硒化锌和硫化锌五种窗口材料不同温度下的光学常数。颗粒混悬液的基液一般是弱吸收介质,获得基液的光学常数是进一步分析颗粒辐射特性的重要参数。因对计算模型进行简化,现有测量方法难以精确获得其数值。本文建立玻璃-液体介质-玻璃三层介质模型,充分考虑了三层介质间多次透射及反射的影响,提出一种能够测量弱吸收波段液体介质光学常数的改进双光程透射法。以水为验证介质,通过对其折射指数和吸收指数的测量数据分析,实验结果说明该方法在所测波段范围内可以得到较高精度的结果。将提出的方法应用于NaCl溶液及食用油在可见光及近红外波段的光学常数的研究。对不同浓度的NaCl溶液的光学常数的测量及分析表明,NaCl溶液的吸收指数在低吸收波段内随着NaCl浓度的增加而增加,但在高吸收波段其吸收指数没有明显的变化。不同种类植物油吸收指数在低吸收波段存在较显著差别,因此对吸收指数的分析可用于植物油种类的辨别。颗粒混悬液光谱衰减系数的传统测量方法中所使用的光学模型并没有充分考虑空气/器皿和液体/器皿界面引起的介质内高阶透射及反射过程,而高阶项引起的误差会随着两相邻界面折射指数差值的增加而增大。通过对传统测量方法所使用的光学模型存在的问题进行深入分析,本文给出一种测量粒子混悬液光谱衰减特性的改进透射法,并与传统透射法的性能进行了对比分析,同时讨论了颗粒前向散射对光谱衰减特性测量的影响。改进透射法使用了更准确的光学模型,充分考虑了容器及介质界面引起的高阶透射项,因而与传统透射法相比具有更高的测量精度。传统透射法的测量精度随着混悬液光学厚度的减小而降低,此时由介质界面的多次反射引起的高阶透射项不能忽略。使用已知光学常数和粒径分布的二氧化硅标准粒子进行实验验证可知,由改进透射法测量得到的光谱衰减特性数据与LorenzMie理论计算值吻合很好,对不同粒径颗粒的混悬液光谱衰减系数的测量均具有较高精度。该方法可以有效应用于微纳米颗粒混悬液,如纳米流体的光谱衰减特性的测量。微藻细胞混悬液为一种典型的生物颗粒混悬液,能源微藻的辐射特性参数是求解光生物反应器辐射强度分布进而进行局部光照环境分析的必要参数。本文对一种淡水微藻(淡水小球藻)和三种海生微藻(海生拟球藻、椭球藻和杜氏盐藻)及培养基在紫外、可见光和近红外波段的辐射特性进行了实验研究。在所研究波段范围内四种微藻的衰减截面随着波长增大而减小,且测得的光谱衰减截面不依赖于藻细胞浓度。海生拟球藻、椭球藻和杜氏盐藻混悬液的衰减系数在300~1350nm波段随微藻浓度的增加而增大,但在1350~1800nm波段则没有明显的变化。由于现有非浸入式测量方法常常忽略器皿/样本与器皿/空气界面产生的多次反射的影响,因此颗粒混悬液散射相函数往往难以准确测量。本文给出了一种可方便获得粒子混悬液散射相函数的测量方法,该方法可消除测量器皿的影响。通过测量已知光学常数和粒径分布的标准粒子散射光强分布,并与Lorenz-Mie理论值对比得到每个散射角度的修正系数,将此系数去修