Способ определения распределения по размерам и концентрации включений в частично прозрачных сильно рассеивающих материалах

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа определения распределения по размерам и концентрации включений в частично прозрачных сильно рассеивающих материалах. Способ включает в себя получение в качестве экспериментальных данных спектральных коэффициентов диффузного отражения или пропускания слоев материала известных толщин. Распределение включений по размерам задается в параметрической форме, а параметры распределений рассчитываются минимизацией функции невязки между спектральным показателем рассеяния, рассчитываемым по теории Ми, и спектральным показателем рассеяния, определяемым путем решения обратной задачи переноса излучения. Результат решения обратной задачи получается путем минимизации функции невязки между экспериментально измеренным коэффициентом диффузного отражения или пропускания и рассчитанным по асимптотическим формулам при помощи теории переноса излучения для коэффициента отражения или пропускания. Технический результат заключается в повышении информативности и точности исследований. 4 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно- измерительной техники, в частности к измерению структурных свойств многофазных сильно рассеивающих и слабо поглощающих сред оптическими методами, может быть использовано для исследования размеров пор и прочих включений в керамике, стекле и других дисперсных системах. Изобретение может найти применение в медицине, коллоидной химии, для контроля загрязнений окружающей среды и других отраслях, где необходимо вести быстрый контроль размеров или содержания включений дисперсных систем.

Известны способы определения размеров включений, основанные на рассеянии излучения, где в качестве экспериментальных данных используются спектры направленного пропускания при небольших концентрациях рассеивающих примесей [1-6].

Возможности этих методов ограничены плотной керамикой с небольшой объемной долей включений или сильно разбавленными растворами.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ, который основан на расчете коэффициентов экстинкции при помощи теории Ми и решении обратной задачи переноса излучения в трехпотоковом приближении для непоглощающего материала [7]. При решении обратной задачи определяется эффективная оптическая толщина, зависящая как от показателей рассеяния, так и от индикатрисы рассеяния, а в качестве экспериментальных данных используются спектры диффузного пропускания.

Недостатком прототипа является возможность анализировать только непоглощающие материалы и двухфазные системы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности получаемых данных и расширение области применимости оптических методов анализа структуры частично прозрачных рассеивающих материалов.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности и точности исследований структурных свойств дисперсных систем в области их частичной прозрачности, возможность получения данных о структурных свойствах (распределение пор и включений по размерам) на натурном изделии.

Технический результат изобретения достигается путем оптимизации параметров распределения пор или включений по размерам и их объемной доли таким образом, чтобы спектральный показатель рассеяния, определяемый расчетом по теории Ми, совпал с результатом решения обратной задачи переноса излучения.

Входными данным для процесса оптимизации служат: стартовые параметры распределений по размерам, стартовое значение объемных долей включений для каждой из фаз, действительная и мнимая часть показателей преломления материала включений для каждой из фаз и материала среды, спектральные коэффициенты диффузного отражения или пропускания слоев различных толщин, измеренные в диапазоне длин волн частичной прозрачности материала.

Способ определения распределения по размерам и концентрации включений в частично прозрачных сильно рассеивающих материалах, отличающийся тем, что в качестве экспериментальных данных используют спектральные коэффициенты диффузного отражения или пропускания слоев материала известных толщин, распределение включений по размерам задаются в параметрической форме, а параметры распределений рассчитываются минимизацией функции невязки между спектральным показателем рассеяния , рассчитываемым по теории Ми и спектральным показателем рассеяния , определяемым путем решения обратной задачи переноса излучения:

Спектральный показатель рассеяния по теории Ми, рассчитывается:

Результат решения обратной задачи получается путем минимизации функции невязки:

между экспериментально измеренным коэффициентом диффузного отражения или пропускания , и рассчитанным по асимптотическим формулам при помощи теории переноса излучения для коэффициента отражения:

или пропускания:

где

- параметр, связанный с формой индикатрисы рассеяния;

- параметр, учитывающий направление падения излучения;

μ0 - косинус угла падения параллельного пучка на поверхность рассеивающего слоя при измерении коэффициента отражения;

- альбедо однократного рассеяния;

- оптическая толщина слоя;

- объемная доля включений ν-й фазы;

- набор параметров, определяющих распределение включений по размерам;

- индексы суммирования по длинам волн, фазам, диаметрам и толщинам, соответственно;

Ω, Е, N, М - общее число точек длин волн, фаз включений, дискретов по диаметру и геометрических толщин, соответственно;

- длина волны;

- спектральный показатель рассеяния, рассчитываемый по теории Ми;

- эффективность рассеяния шаром диаметром Di из материала ν-й фазы;

- спектральный показатель рассеяния, определяемый путем решения обратной задачи переноса излучения;

- показатель поглощения;

- измеренный спектральный коэффициент диффузного отражения или пропускания для слоя толщиной hj;

- коэффициент диффузного отражения или пропускания для слоя толщиной hj, рассчитанный по теории переноса излучения;

hj - геометрическая толщина j-го слоя;

А1 и А2 - коэффициенты отражения освещаемой внешним источником (верхней) и тыльной (нижней) границ слоя при диффузном падении излучения изнутри слоя;

- объемное распределение частиц ν-й фазы диаметром Di (нормированное на единицу для каждой из фаз).

На фиг. 1 представлена иллюстрация принципов, лежащих в основе предлагаемого способа.

Расчет спектрального показателя рассеяния производится по формуле:

--L

где - объемная доля включений ν-й фазы;

- спектральная эффективность рассеяния для шара диаметром Di с оптическими свойствами ν-й фазы, рассчитываемая по теории Ми;

- относительная объемная доля включений ν-й фазы диаметром Di среди суммарного объема включений ν-й фазы;

N - число дискретов по диаметрам рассеивателей;

Σ - число фаз.

Для расчета среднего косинуса угла рассеяния шаром диаметром Di используется известное выражение теории Ми:

где - коэффициенты, рассчитываемые по теории Ми и зависящие от относительного комплексного показателя преломления материала включений ν-й фазы и среды, и дифракционного параметра xim, равного ; - целые числа.

Средний косинус угла рассеяния совокупности включений рассчитывается по формуле:

Распределение включений по размерам задается в параметрической форме в виде суммы пиков, нормированных на единицу:

где L - число пиков распределения включений по размерам;

k - индекс, задающий номер пика;

- постоянные коэффициенты;

- любое распределение, задаваемое парамерами и , например, логнормальное или гауссово.

Распределение включений всех фаз по размерам полностью определяется совокупностью параметров: .

Обратная задача для определения спектрального показателя рассеяния строится на основе асимптотических формул для спектрального коэффициента отражения:

или пропускания

где

где - показатель поглощения;

hj - геометрическая толщина j-го слоя;

μ0 - косинус угла падения параллельного пучка на поверхность рассеивающего слоя;

и - коэффициенты отражения освещаемой внешним источником (верхней) и тыльной (нижней) границ слоя при диффузном падении излучения изнутри слоя, рассчитываемые путем усреднения формул Френеля для угловой зависимости коэффициента зеркального отражения [8].

Обратная задача решается путем минимизации функции невязки между измеренными и рассчитанными коэффициентами диффузного отражения или пропускания для слоев материала нескольких толщин по параметрам и :

где М - число слоев различной толщины.

При известной зависимости показателя поглощения материала среды от длины волны минимизация функции невязки может производиться только по параметру . В этом случае для решения обратной задачи будет достаточно измерить спектральный коэффициент отражения или пропускания слоя одной толщины (М=1).

Следующим шагом является построение функции невязки показателей рассеяния и ее минимизация:

где Ω - число точек в спектре.

Минимизация производится в пространстве параметров, задающих распределение по размерам , или их объемную долю .

На каждом шаге цикла оптимизации производится пересчет и в соответствии с приведенными формулами.

Минимизация функции может производиться, как по нескольким или одному из параметров распределения, так и по всей совокупности.

Предложенный способ отличается быстротой получения результата, так как он не требует сложной подготовки и специального оборудования.

Решение обратной задачи строится на аналитических выражениях для коэффициентов отражения или пропускания, метод отличается быстротой численной обработки.

Изобретение поясняется конкретным примером выполнения способа определения распределения пор по размерам в кварцевой керамике. Кварцевая керамика является двухфазной дисперсной системой. Одной фазой в ней является кварцевое стекло, второй - поры, заполненные воздухом.

На фиг. 2 показаны результаты измерения спектров коэффициента диффузного отражения при помощи ИК-Фурье спектрометра is50 с интегрирующей сферой IntegratIR. По спектрам коэффициента отражения проводилось решение обратной задачи и оптимизация в соответствии с описанным способом.

На фиг. 3 приведены спектры показателя рассеяния, определенного путем решения обратной задачи и расчетом по теории Ми после окончания процесса оптимизации. Оптимизация позволила определить параметры распределения пор по размерам. Форма распределения задавалась логнормальной зависимостью.

На фиг. 4 приведено распределение пор по размерам, определенное предлагаемым оптическим способом в сравнении с измеренным методом ртутной порозиметрии.

Приведенные результаты показывают, что оптический способ позволяет определить распределение включений по размерам (в данном случае пор) и демонстрирует согласие с альтернативным методом ртутной порозиметрии.

Оптический способ имеет ряд преимуществ по сравнению с ртутной порозиметрией, способ позволяет анализировать закрытые поры, анализ занимает не более 1 минуты при нескольких часах для ртутной порозиметрии и позволяет анализировать больший объем материала.

Предлагаемый способ позволяет расширить допустимую область концентраций до 10-15 объемных процентов за счет учета многократного рассеяния при помощи теории переноса излучения и анализировать многокомпонентные дисперсные системы.

Способ строится на одновременном определении спектрального показателя рассеяния дисперсной системы путем решения обратной задачи переноса излучения и расчетом по теории Ми. Для решения обратной задачи переноса излучения используются формулы, описанные в [9]. Основы теории Ми описаны в литературе [10]. Теоретические основы способа описаны в работе [8].

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что для решения используются асимптотические формулы, которые позволяют анализировать материалы с поглощением. Рассчитываемая по теории Ми индикатриса рассеяния является изменяемым в процессе оптимизации параметром, что повышает точность получаемых данных.

ЛИТЕРАТУРА

1 Jones A.R. Light scattering for particle characterization // Progress in Energy and Combustion Science. 1999. V. 25. P. 1-53.

2. Peelen J.G.J., Metselaar R. Light scattering by pores in polycrystalline materials: Transmission properties of alumina // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. N 1. P. 216-220.

3. Chen, W.W., B. Dunn. Characterization of Pore Size Distribution by Infrared Scattering in Highly Dense ZnS // Journal of the American Ceramic Society. 1993. V 76/ N 8. P. 2086-2092.

4. Mei L., Somesfalean G., Svanberg S. Light propagation in porous ceramics: porosity and optical property studies using tunable diode laser spectroscopy. // Appl. Phys. A. 2014. V. 114. N 2. P. 393-400.

5. V.I. Bredikhin, E.M. Gavrishchuk, V.B. Ikonnikov, E.V. Karaksina, L.A. Ketkova, S.P. Kuznetsov, and O.A. Mal'shakova. Optical losses in polycrystalline CVD ZnS // Inorganic Materials. 2009. V. 45. N 3. P. 235-241.

6. Патент РФ №2441218, МПК G01N 15/02 Способ определения дисперсности и концентрации частиц в аэрозольном облаке / В.А. Архипов, А.А. Павленко, С.С. Титов, О.Б. Кудряшова, С.С. Бондарчук. №2010143653/28; заявл. 25.10.2010; опубл. 27.01.2012, Бюл. №3 - 12 с.

7. Manara J., Caps R., Raether F., Fricke J. Characterization of the pore structure of alumina ceramics by diffuse radiation propagation in the near infrared // Optics Communications. 1999. V.168. P. 237-250.

8. Э.П. Зеге и И.Л. Кацев. Определение оптических характеристик рассеивающей среды по отражению от полубесконечного слоя // Журнал прикладной спектроскопии. - 1980. - Т. 33. - №3. - С. 550-556.

9. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. - 664 с.

10. Миронов Р.А., Забежайлов М.О., Георгиу И.Ф., Черепанов В.В., Русин М.Ю. Определение размеров пор в частично прозрачной керамике по спектрам коэффициента полного отражения // Оптика и спектроскопия. - 2018. - Т. 124. - №3. - С. 295-302.

Способ определения распределения по размерам и концентрации включений в частично прозрачных сильно рассеивающих материалах, отличающийся тем, что в качестве экспериментальных данных используют спектральные коэффициенты диффузного отражения или пропускания слоев материала известных толщин, распределение включений по размерам задается в параметрической форме, а параметры распределений рассчитываются минимизацией функции невязки между спектральным показателем рассеяния (SMIEm)), рассчитываемым по теории Ми, и спектральным показателем рассеяния (SINVm)), определяемым путем решения обратной задачи переноса излучения:

спектральный показатель рассеяния по теории Ми, рассчитывается:

,

результат решения обратной задачи получается путем минимизации функции невязки:

между экспериментально измеренным коэффициентом диффузного отражения или пропускания (Rdiƒ_MEASm, hj)) и рассчитанным по асимптотическим формулам при помощи теории переноса излучения для коэффициента отражения:

или пропускания:

где

- параметр, связанный с формой индикатрисы рассеяния;

- параметр, учитывающий направление падения излучения;

μ0 - косинус угла падения параллельного пучка на поверхность рассеивающего слоя при измерении коэффициента отражения;

- альбедо однократного рассеяния;

h0=(SINVm)+K(λm)) ⋅ hj - оптическая толщина слоя;

ƒν - объемная доля включений ν-й фазы;

{T, 〈D〉, σ}k - набор параметров, определяющих распределение включений по размерам;

m, ν, i, j - индексы суммирования по длинам волн, фазам, диаметрам и толщинам, соответственно;

Ω, Σ, N, М - общее число точек длин волн, фаз включений, дискретов по диаметру и геометрических толщин, соответственно;

λm - длина волны;

SМIЕm) - спектральный показатель рассеяния, рассчитываемый по теории Ми;

Qpacc iν - эффективность рассеяния шаром диаметром Di из материала ν-й фазы;

SINVm) - спектральный показатель рассеяния, определяемый путем решения обратной задачи переноса излучения;

K(λm) - показатель поглощения;

Rdiƒ_MEASm, hj) - измеренный спектральный коэффициент диффузного отражения или пропускания для слоя толщиной hj;

Rdiƒ_CALm, hj) - коэффициент диффузного отражения или пропускания для слоя толщиной hj, рассчитанный по теории переноса излучения;

hj - геометрическая толщина j-го слоя;

А1 и А2 - коэффициенты отражения освещаемой внешним источником (верхней) и тыльной (нижней) границ слоя при диффузном падении излучения изнутри слоя;

Fνi(Di) - объемное распределение частиц ν-й фазы диаметром Di (нормированное на единицу для каждой из фаз).



 

Похожие патенты:

Использование: для портативной спектроскопии диффузного отражения. Сущность изобретения заключается в том, что оптическое устройство для получения спектра отражения, содержит: a) средство для вырабатывания надлежащего света; b) средство для передачи и приема указанного света указанной подложкой, причем указанное средство представляет собой оптический зонд, выполненный из материала поли(метилметакрилата) (ПММА), содержащий: точно два компактных коаксиальных стержня из ПММА, вложенные друг в друга, для захвата и для освещения, внутренний стержень (13) длиннее, чем наружный стержень (12), внутренний стержень (13) изолирован от наружного стержня (12) с помощью полузеркального изолятора (14); c) средство для захвата отраженного света, который был отражен из глубины подложки, внутренним стержнем (13); d) средство для отделения указанного диффузно отраженного света от зеркально отраженного света для получения информации о концентрации хромофоров в указанной подложке.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа аспирационной оптической спектрометрии аэрозольных частиц. При осуществлении способа направляют линейно поляризованное излучение на область, уменьшающую мощность направленного линейно поляризованного излучения, фокусируют излучение в счетном объеме, находящемся перед этой областью, и измеряют излучение за этой областью, пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения оптических характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для определения оптических параметров аэрозольных частиц в атмосфере.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения оптических характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для определения оптических параметров аэрозольных частиц в атмосфере.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается установки для исследования материалов и растворов методом объемных индикатрис светорассеяния. Установка включает в себя источник излучения, измерительный элемент, измерительный блок, блок питания и держатель для установки образцов.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано в лазерной терапии при надвенном лазерном облучении крови. Измеряют интенсивность лазерного излучения и при помощи средств локального фотометрического измерения интенсивность отраженного лазерного излучения.

Изобретение относится к оптической измерительной технике. Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий состоит: из зеркального эллипсоида с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси, предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида; небольшой интегрирующей сферы с пироэлектрическим приемником излучения, чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы; и экрана, предназначенного для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник.

Изобретение относится к оптической измерительной технике. Устройство для измерения коэффициентов отражения и излучения материалов и покрытий состоит: из зеркального эллипсоида с отверстием, выполненным под углом 5-20° к его оси, предназначенным для ввода излучения на образец, плоскость которого проходит через нижний фокус эллипсоида; небольшой интегрирующей сферы с пироэлектрическим приемником излучения, чувствительная поверхность которого расположена на поверхности сферы; и экрана, предназначенного для устранения прямого попадания излучения, отраженного от поверхности образца на фотоприемник.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для количественной оценки флюоресценции и оптических свойств тканей in vivo содержит оптический зонд.

Изобретение относится к детектированию аффинностей связывания. Устройство (1) для применения при обнаружении аффинностей связывания содержит подложку (2), не имеющую волновода.

Изобретение может быть использовано в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Выпускная система двигателя содержит выпускной патрубок (48) с датчиком (162) твердых частиц, фильтр твердых частиц и контроллер (12).

Изобретение относится к измерительной технике. Фотоэлектрический способ определения среднего размера и средней концентрации частиц пыли включает преобразование импульсного напряжения в световой поток, зондирование области исследуемой среды световым пучком, разделение светового потока, преобразование данных потоков в электрические сигналы.

Изобретение относится к способу и системе регулирования мощности нагрева нагревателя кислородного датчика в целях снижения вероятности его деградации под действием воды.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа аспирационной оптической спектрометрии аэрозольных частиц. При осуществлении способа направляют линейно поляризованное излучение на область, уменьшающую мощность направленного линейно поляризованного излучения, фокусируют излучение в счетном объеме, находящемся перед этой областью, и измеряют излучение за этой областью, пропускающей излучение, рассеянное в счетном объеме.

Изобретение относится к исследованию дисперсных характеристик аэрозолей различной природы и может быть использовано в метеорологии, в нанопроизводстве, для контроля нанобезопасности на рабочих местах, для определения ингаляционной дозы при применении аэрозольных форм доставки лекарственных средств.

Изобретение относится к установкам для определения зависимости физических свойств горных пород от форм и видов связи насыщающей их воды и может быть использовано в нефтяной геологии.

Изобретение относится к способу и системе определения величины пористости, связанной с органическим веществом, в скважине или в продуктивных пластах. Техническим результатом является создание усовершенствованного способа оценки величины пористости, связанной с органическим веществом геологического материала.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно может быть использовано для определения остаточной водонасыщенности порового пространства в образцах горных пород методом десатурации с использованием полупроницаемых керамических мембран в компьютеризированных станциях геолого-технологических исследований скважин и в петрофизических лабораториях.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения оптических характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для определения оптических параметров аэрозольных частиц в атмосфере.

Изобретение относится к измерительной технике. Фотоэлектрический способ определения среднего размера и средней концентрации частиц пыли включает преобразование импульсного напряжения в световой поток, зондирование области исследуемой среды световым пучком, разделение светового потока, преобразование данных потоков в электрические сигналы.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа определения распределения по размерам и концентрации включений в частично прозрачных сильно рассеивающих материалах. Способ включает в себя получение в качестве экспериментальных данных спектральных коэффициентов диффузного отражения или пропускания слоев материала известных толщин. Распределение включений по размерам задается в параметрической форме, а параметры распределений рассчитываются минимизацией функции невязки между спектральным показателем рассеяния, рассчитываемым по теории Ми, и спектральным показателем рассеяния, определяемым путем решения обратной задачи переноса излучения. Результат решения обратной задачи получается путем минимизации функции невязки между экспериментально измеренным коэффициентом диффузного отражения или пропускания и рассчитанным по асимптотическим формулам при помощи теории переноса излучения для коэффициента отражения или пропускания. Технический результат заключается в повышении информативности и точности исследований. 4 ил.

Наверх