Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам



Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам
G01N2015/0294 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2698500:

Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (РОССТАНДАРТ) (RU)

Изобретение относится к области приборостроения, более конкретно к методам определения функции распределения частиц по размерам в нанометровом диапазоне. Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам основан на анализе изменений как амплитудных, так и фазовых соотношений интерферограмм, полученных до и после введения в рабочий объем интерферометра аэрозоля или взвеси частиц. Частицы аэрозоля или взвеси изменяют комплексный показатель преломления среды, в которой взвешены частицы, что приводит, в свою очередь, к изменению амплитуды и фазы зондирующего электромагнитного излучения. Технический результат - расширение диапазона размеров измеряемых частиц и уменьшение погрешности их измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, более конкретно к методам определения функции распределения частиц по размерам в нанометровом диапазоне. Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам основан на анализе изменений как амплитудных, так и фазовых соотношений интерферограмм, полученных до и после введения в рабочий объем интерферометра аэрозоля или взвеси частиц. Частицы аэрозоля или взвеси изменяют комплексный показатель преломления среды, в которой взвешены частицы, что приводит, в свою очередь, к изменению амплитуды и фазы зондирующего электромагнитного излучения.

Известны приборы для определения функции распределения частиц по размерам в нанометровом диапазоне [1], среди которых необходимо отметить приборы моделей TSI - SMPS 3043, TSI SMPS 3785, GRIMM - SMPS+C. Приборы работают в диапазоне размеров частиц аэрозолей от 2.5 до 1000 нм с различным количеством размерных диапазонов (от 54 до 167). Данные приборы основаны на использовании зависимости подвижности заряженных частиц от их размера и напряженности электрического поля и включают в себе: нейтрализатор, в котором частицы подвергаются воздействию радиоактивного излучения, в качестве источников которого используется Kr85 или Am241, или источник рентгеновского излучения с энергией кванта достаточной для ионизации частицы (при этом достигается стационарное распределение зарядов); дифференциальный анализатор подвижности (ДАП), представляющий из себя цилиндрический конденсатор, в котором на частицы воздействуют силы электрического поля, силы Стокса и аэродинамические силы. Кнудсеном в его работе [2] определена зависимость между электрической подвижностью частиц и параметрами ДАП, что и дало возможность получить уравнение, связывающее диаметр частицы Dp с напряжением на обкладках конденсатора V, числом элементарных зарядов на частице п, скоростью потока воздуха qsh и геометрией ДПА (С - поправка Каннингема-Милликена, r2 - внешний диаметр конденсатора, r1 - внутренний диаметр конденсатора, L - длина конденсатора) в виде:

Dp=(2neCVL/[3μqshln(r2/r1)].

Исходя из этого, частицы одной подвижности, т.е. одного заряда и диаметра достигнут выходного отверстия ДПА, находящегося на расстоянии L от входного отверстия, заодно и тоже время. Изменяя напряжение на обкладках конденсатора, размер частиц на его выходе также будет меняться, тем самым, снимая зависимость числа регистрируемых частиц от напряжения, определяется функция распределения частиц по размерам.

Регистрация частиц на выходе ДПА осуществляется счетчиком ядер конденсации (CNC), при этом поступающие на его вход частицы оказываются в среде насыщенного пара жидкости, где их размер увеличивается в силу процесса нуклеации. Подсчет укрупненных частиц осуществляется, как правило, лазерным счетчиком частиц. Кроме перечисленных выше устройств, приборы также снабжены системой прокачки аэрозоля с известным расходом и системой измерения температуры и давления в силу зависимости поправки Каннингема-Милликена от длины свободного пробега, которая в свою очередь зависит от температуры и давления. Входящей в прибор электронной частью и программным обеспечением осуществляется как управление, так и вычислительные операции с учетом внешних условий, при которых производились измерения.

Недостатками таких приборов являются:

- зависимость заряда частиц аэрозоля не только от размера частиц, но и от их электрической проводимости, что приводит к зависимости показаний прибора от природы их происхождения;

- зависимость показаний прибора от функции распределения измеряемых частиц по их электрической проводимости.

Известен также прибор ДАС-2702 [3]. Прибор состоит из диффузионной батареи, пробоотборной системы с системой клапанов, счетчика аэрозольных частиц, счетчика ядер конденсации с блоком укрупнения, электронного блока, а также системы контроля параметров аэрозоля.

Диффузионная батарея представляет собой различные наборы фильтрующих сеточек, образующих ступени, на которых осаждаются аэрозольные частицы при прохождении аэрозоля через батарею.

Счетчик аэрозольных частиц и счетчик ядер конденсации предназначены для измерений счетной концентрации аэрозольных частиц в различных размерных диапазонах.

Блок укрупнения предназначен для увеличения размеров мелкодисперсных аэрозольных частиц за счет конденсации на них паров укрупняющей жидкости до величин, различимых оптической системой счетчика ядер конденсации.

Электронный блок осуществляет управление работой спектрометра, обработку, вычисление, отображение результатов измерений, а также хранение и передачу данных на компьютер через интерфейс USB. Принцип работы спектрометра с применением диффузионной батареи основан на определении коэффициента диффузии по измеренному коэффициенту проскока - доле частиц, прошедшей через ступень диффузионной батареи без осаждения. Размер аэрозольных частиц определяется по эффективности осаждения этих частиц, зависящей от коэффициента их диффузии в газовом потоке.

Принцип работы спектрометра без диффузионной батареи основан на измерении рассеянного аэрозольными частицами оптического излучения. Рассеянное частицей излучение регистрируется фотодиодным детектором. Интенсивность светового импульса пропорциональна размеру аэрозольных частиц, а количество импульсов определяет число аэрозольных частиц. Спектрометр имеет три режима работы:

• режим измерений параметров аэрозольных частиц в размерном диапазоне от 0,01 до 0,2 мкм (DAS);

• режим измерений параметров аэрозольных частиц в размерном диапазоне от 0,2 до 10 мкм (Submicron);

• режим измерений общей счетной концентрации аэрозольных частиц (СРС).

Диффузионная батарея используется только в режиме DAS.

Принцип работы спектрометра с применением диффузионной батареи основан на определении коэффициента диффузии по измеренному коэффициенту проскока - доле частиц, прошедшей через ступень диффузионной батареи без осаждения. Размер аэрозольных частиц определяется по эффективности осаждения этих частиц, зависящей от коэффициента их диффузии в газовом потоке.

Работа спектрометра без диффузионной батареи основана на измерении рассеянного аэрозольными частицами оптического излучения. Рассеянное частицей излучение регистрируется фотодиодным детектором. Интенсивность светового импульса пропорциональна размеру аэрозольных частиц, а количество импульсов определяет число аэрозольных частиц. Основным недостатком прибора, работающего в режиме DAS, является представление результатов измерения только в одномодовом режиме при различных моментных функциях первого и второго порядка.

Наиболее близким из технических решений является прибор Zetasizer Nano ZS [4]. Прибор состоит из двух источников излучения (лазеры на длинах волн излучения: 633 нм и 532 нм); оптической системы; измерительной кюветы; фотоприемного устройства и системы обработки сигнала с его выхода. Принцип работы прибора основан на аппаратурной реализации метода динамического рассеяния света (ДРС). Измерительная кювета с исследуемым раствором частиц освещается узким лучом оптического излучения монохроматического, когерентного источника, т.е. лучом лазера с одной длиной волны λ0 в вакууме. Свет, когерентно рассеянный диспергированными частицами, детектируется на угле θ по отношению к направлению начального распространения. Предполагается, что частицы в растворе не коагулируют и не разбухают. Частицы в растворе совершают броуновское движение под действием молекул жидкости. В результате плотность частиц в среде флуктуирует со временем. Следовательно, флуктуирует рассеянное на частицах излучение лазера. Поле рассеянной волны является суперпозицией полей, рассеянных на броуновских частицах [5]. Для получения информации о частицах в растворе определяется автокорреляционная функция интенсивности I(t)\

GI(τ)=(I(t)I(t+τ))

В случае полидисперсного распределения сферических частиц по размерам, при допущении того, что исследуемые частицы не взаимодействуют между собой и рассеяние света является однократным, корреляционная функция может быть представлена в виде [6]:

где - средняя интенсивность света рассеянная частицами одного типа,

а коэффициент затухания Гi связан с диаметром частицы di через коэффициент диффузии Di соотношением:

где kB - постоянная Больцмана; Т - температура; η - динамическая вязкость жидкости;

qi - разность волновых векторов падающей и рассеянной волны. Модуль q определяется как

где n0 - показатель преломления среды, заполняющей рассеивающий объём.

При анализе данных обычно пользуются не автокорреляционной функцией интенсивности GI(τ), а функцией gi - автокорреляционной функцией поля, определяемая как G1=A+(g1)2 Для полидисперсного распределения функция g1 имеет вид:

Здесь коэффициент Вiii) содержит информацию о распределении частиц по размерам. В интегральной форме:

Существует несколько общих методов обработки данных позволяющих определить функцию распределения частиц по размерам [7]. Недостатком этого прибора является то, что все эти методы не работают, если размеры частиц различаются между собой менее чем в три раза.

Интерферометрический метод определения распределения частиц по размерам основан на анализе изменений амплитудных и фазовых соотношений интерферограмм, полученных до и после введения частиц в рабочий объем интерферометра Фабри-Перо.

Решение задачи по определению функции распределения частиц по размерам (d) сводится к решению системы линейных уравнений:

Здесь: N1, …, N„ - концентрации частиц диаметром d1, d2, ..., dn; λ1, λ2, …, λn - длины волн зондирующего излучения, m0 - коэффициент преломления среды, в которой находятся частицы, ΔLi - расстояние между максимумами функции P(L) на i-ой длине волны зондирующего излучения, которое определяется экспериментально. Мнимая часть сечения экстинкции Im(S(λп,dn)) вычисляется на каждой из длин волн λi и каждого из размеров. После этого и вычисляется счетная концентрация частиц каждого из размеров Nj, …, Nn.

Это следует из того, что для интерферометра Фабри-Перо интенсивность излучения на его выходе P(l)=E(L)E*(l) (Е- напряженность электрического поля) равна:

где: E*(L) - комплексно сопряженная с E(L) величина; k=2π/λ - волновое число (λ - длина волны зондирующего излучения); P(z0) - интенсивность излучения на входе интерферометра; α=2πNk-2ReS(0), β=km0+Nk-2ImS(0) - величины характеризующие изменение амплитуды интерферограммы - α и β -изменение фазы {ReS(0) - действительная часть сечения экстинкции, ImS(0) -мнимая часть сечения экстинкции, R - среднее геометрическое коэффициентов отражения зеркал интерферометра, Т - коэффициент пропускания интерферометра, равный Т=1-R (предполагается, что потери в интерферометре отсутствуют) [8]. Если зависимость функции P(L) от параметра L известна, тогда действительная и мнимая части сечения экстинкции S(0) могут быть получены из соотношения для Р(L). Действительно, записывая условие максимума Pmax(Ln) или минимума функции p(l) в виде 2Lnβ=2πn, получим

где n=1, 2, 3, …, откуда

где ΔL=Ln+l-Ln - расстояние между максимумами функции P(L), что и позволяет определять функцию распределения частиц по размерам. Произведение NRes(0) может быть найдено из отношения т.е.

Вводя обозначение q=ехр(-αΔL/2) и используя соотношения и Ln+l=Ln+ΔL, получим

где q - решение кубического уравнения вида

Однако в эти выражения входит счетная концентрация N, поэтому для определения размера частиц по теории Ми рассчитывается отношение ImS(0)/ReS(0). Затем из экспериментально полученных интерферограмм вычисляется отношение NImS(0)/NReS(0), и диаметр частиц определяется по вычисленному по теории Ми отношению ImS(0)/ReS(0) при известном коэффициенте преломления частиц и их вырожденном законе распределения.

Таким образом, предложенный метод расширяет диапазон размеров измеряемых частиц и уменьшает погрешность их измерения.

На фиг. 1 представлена схема устройства реализующего метод измерения, которая состоит из источника излучения (1), генерирующего оптическое излучение в широком диапазоне длин волн; подключенные к нему последовательно акустооптический фильтр (2) и коллиматор (3) формируют спектральные и пространственные характеристики излучения, которое поступает на вход интерферометра Фабри-Перо (4), на выходе которого фиксируется и обрабатывается фотоприемным устройством (5) интерференционная картина, где осуществляется математическая обработка и вывод результатов на ПЭВМ.

Последовательно изменяя длину волны излучения с помощью акустооптического фильтра, на выходе интерферометра измеряется расстояние между максимумами интерферограмм ΔLn которые позволяют определить численные значение правой части линейных уравнений. Таким образом, получают систему неоднородных линейных уравнений с правой частью, определяемой длиной волны зондирующего излучения, решение которой и позволяет определить значения функции распределения частиц по размерам.

Устройство по реализации метода измерения применяется для измерения параметров наночастиц в природных (минеральная вода) и технологических средах [9], также оно входит в состав Государственного первичного эталона единиц дисперсных параметров аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов ГЭТ 163-2010 [10].

ЛИТЕРАТУРА

1. Калечиц В. Нанотехнология: измерение параметров частиц./ Наноиндустрия, №5, 2010 г., с. 70-75.

2. Knutson Е.О., Whitby К.Т. Aerosol classification by mobility: apparatus theory and applications // J. Aerosol Sci., 1975, 6, 443.

3. Романов П.С., Пантелова X.M. Возможности применения диффузионной аэрозольной спектрометрии. Территория науки. №2, 2016. с. 47-52

4. https://kdsi.ru/

5. Berne J., Pecora R. Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology, and Physics // Willey-Nescience. - N.Y., 1976.

6. Камминс Г., Пайк Э. Спектроскопия оптического смещения и корреляция фотонов / Пер. с англ. - М: Изд-во «Мир», 1978.

7. Шифрин К.С., Колмаков И.Б. Влияние ограничения интервала измерения индикатрисы в области малых углов // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана, 1966, т. 2, №8, с. 851-858.

8. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Реальный интерферометр Фабри - Перо. -Ленинград: Машиностроение, 1983, с. 175.

9. Красовский П.А., Карпов О. В.и др. Исследование метрологических характеристик аппаратуры для измерений параметров наночастиц в природных и технологических средах // Измерительная техника. - 2010, № 1, с. 3-8.

10. Лесников Е.В., Карпов О.В., Балаханов М.В., Балаханов Д.М., Данькин ДА. Государственный первичный эталон единиц дисперсных параметров аэрозолей, взвесей и порошкообразных материалов ГЭТ 163-2010 // Измерительная техника, 2013, № 1,с. 3-6.

Способ измерения функции распределения частиц по размеру, заключающийся в воздействии оптического зондирующего излучения на исследуемую дисперсную среду, формирование которого осуществляется с помощью оптической системы и регистрации сигнала на ее выходе, отличающийся тем, что изменение длины волны зондирующего излучения позволяет определить функцию распределения частиц по размерам за счет применения амплитудных и фазовых соотношений интерферограмм, полученных до и после содержания частиц в исследуемой среде.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к оптике и аналитической технике и может быть применено для определения наличия следовых количеств летучих веществ. Способ регистрации следовых количеств веществ в газовой среде, вызывающих поверхностную оптическую сенсибилизацию галоидного серебра под действием света в трехслойной тонкой пленочной структуре, содержащий зеркальный серебряный слой, защитный слой и слой из галогенида серебра, по изменению формы кривой коэффициента отражения падающего излучения от угла падения, отличающийся тем, что одновременно с засветкой молекул светом с частотой излучения, совпадающей с линией поглощения и вызывающей поверхностную оптическую сенсибилизацию, включается постоянное электрическое поле, параллельное плоскости пленок.

Изобретение относится к оптическим сенсорам и может быть использовано для детектирования различных веществ или иных наноразмерных объектов и определения концентрации веществ в очень малых количествах молекул с использованием комбинационного рассеяния света.

Изобретение относится к области люминесцентного анализа вещества и касается способа селективного определения ионов тяжелых металлов в водных средах люминесцентной мультизондовой системой.

Данное изобретение относится к области методов анализа механизмов поведения взрывчатых веществ (ВВ) при термических воздействиях и может быть использовано для исследования продуктов терморазложения ВВ.

Группа изобретений относится к определению оксидов азота в ракетных окислителях и может найти применение в лабораториях для контроля качества ракетных топлив. Способ определения содержания оксидов азота в ракетных окислителях заключается в охлаждении навески окислителя, постоянном измерении мощности светового потока, проходящего через слой паров над поверхностью окислителя, фиксации температуры пробы при достижении максимального значения мощности светового потока и расчете массовой доли оксидов азота.

Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности, в частности к способу количественного определения суммы флавоноидов в плодах боярышника мягковатого (Crataegus submollis Sarg).

Изобретение относится к области сельского хозяйства и касается способа дифференциального регулирования подачи воды для широкозахватных дождевальных машин. Способ включает в себя измерение влажности почвы в полевых условиях непрерывно и автономно и определение необходимого количества воды для полива.

Изобретение относится к устройству, содержащему интегрированный вычислительный элемент (ICE), расположенный для оптического взаимодействия с электромагнитным излучением от текучей среды и, таким образом, формирования оптически провзаимодействовавшего излучения, соответствующего характеристике текучей среды, и способу использования устройства.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается устройства для исследования толщины и диэлектрических свойств тонких пленок. Устройство включает в себя два лазера с различной длиной волны, делительный кубик, расширитель светового потока, линзу, два поляризатора, устройство нарушения полного внутреннего отражения, зеркало, фокусирующий объектив и светочувствительную матрицу.

Группа изобретений относится к интерферометрии. При осуществлении способа излучение вводят в двухмодовый волновод, часть которого занимает анализируемое вещество, и выводят через фигурную диафрагму, где на расстоянии, превышающем на порядок среднюю длину волны используемого излучения (>10λ), регистрируют интерференционную картину, получаемую в результате интерференции собственных мод волновода.

Устройство предназначено для регистрации пространственного распределения фазовой задержки, вносимой оптически прозрачным микрообъектом, и измерению его характеристик.

Способ заключается в том, что объект освещают широкополосным светом, формируют пучок излучения, переносящий изображение объекта, делят его на два идентичных пучка, один из которых пространственно фильтруют, формируя волну с известной формой волнового фронта, совмещают направления распространения волновых фронтов, осуществляют спектральную фильтрацию этих пучков и регистрируют двумерное спектральное интерференционное изображение.

Способ заключается в том, что объект освещают широкополосным светом, формируют пучок излучения, переносящий изображение объекта, делят его на два идентичных пучка, один из которых пространственно фильтруют, формируя волну с известной формой волнового фронта, совмещают направления распространения волновых фронтов, осуществляют спектральную фильтрацию этих пучков и регистрируют двумерное спектральное интерференционное изображение.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается интерферометра для определения показателя преломления инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ).

Лазерно-интерференционный измеритель градиента давления в жидкости относится к области измерительной техники и может быть использован в гидроакустике для измерения градиента давления гидросферы.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа визуализации оптических неоднородностей. Способ включает в себя регистрацию по крайней мере двух изображений фонового экрана при наличии оптической неоднородности в кадре.

Изобретение относится к области фазовой микроскопии и касается дифракционного фазового микроскопа. Микроскоп включает в себя два источника света с разными длинами волн, микрообъектив, тубусную линзу, дифракционную решетку на пропускание, первую и вторую линзы дифракционного фазового модуля, пространственный фильтр с окнами для прохождения 1-го и 0-го порядка дифракции, делительный куб, спектральные фильтры и матрицу фотодетекторов.

Способ получения спектральных цифровых голографических изображений, реализуемый устройством, заключается в формировании коллимированного широкополосного светового пучка, его селективной дифракции в акустооптическом фильтре, делении его на два пучка, пропускании одного из них через исследуемый объект.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для систем автоматического измерения концентрации газов. Устройство для измерения концентрации газов содержит химический поглотительный патрон, оптическую систему, состоящую из конденсорной линзы, плоскопараллельной пластины (зеркала), подвижной газовоздушной камеры, имеющей три сквозные полости, ограниченные плоскопараллельными стеклянными пластинками, двух призм полного внутреннего отражения, зеркала, зрительной трубы с объективом, окуляра и щелевой диафрагмы с подвижной отчетной шкалой.

Изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторной диагностике, основанной на генетическом методе выявления критериев, свидетельствующих о тяжести клинического течения гемофилии.

Изобретение относится к области приборостроения, более конкретно к методам определения функции распределения частиц по размерам в нанометровом диапазоне. Интерферометрический метод определения функции распределения частиц по размерам основан на анализе изменений как амплитудных, так и фазовых соотношений интерферограмм, полученных до и после введения в рабочий объем интерферометра аэрозоля или взвеси частиц. Частицы аэрозоля или взвеси изменяют комплексный показатель преломления среды, в которой взвешены частицы, что приводит, в свою очередь, к изменению амплитуды и фазы зондирующего электромагнитного излучения. Технический результат - расширение диапазона размеров измеряемых частиц и уменьшение погрешности их измерения. 1 ил.

Наверх