CN115032128A - 一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置，属于光学测量领域。本发明利用球面反射镜、多角度选择器和面阵光电倍增管的组合，同时测量颗粒群更多散射角度的动态光散射信号，其中，样品池中心颗粒群发生散射，散射光经球面反射镜反射后，变为向内腔开口方向传播的平行光束；多角度选择器通过与不同微面元对应的多个小孔，实现多个角度的出射光选择；面阵光电倍增管一次性获取多个角度的动态光散射信息，避免了使用多个探测器探测不同角度动态光散射信息时存在的探测偏差问题，测量稳定性好，结合粒径分布反演算法，测量速度快、精度高，可同步测量粒径从纳米到微米分布较宽的颗粒群。

Description

一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置

技术领域

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置。

背景技术

粒径分布是指颗粒群的所有颗粒粒径大小的分布规律，是大量颗粒组成的颗粒群形状参数，通常采用颗粒群的平均粒度、粒度分布函数等方法描述。粒径分布的测量在化工、医药、环保、机械、轻工及食品等行业有广泛的应用，已经逐渐发展为现代测量学中的一个重要分支。

传统的颗粒粒径分布测量方法按其基本工作原理可分为筛分法、显微镜法、沉降法、库尔特法、光散射法，这些方法各具特点，但是受工作原理的限制，只有显微镜法和光散射法中的动态光散射法适用于对纳米颗粒粒径分布的测量，其他方法一般不适用于对微米以下的颗粒测量。其中，显微镜法制样繁琐、视场小、速度慢，而应用最广泛的是多角度动态光散射法。

多角度动态光散射是根据不同粒度颗粒在不同的散射角度具有不同的散射特性，从多个不同的散射角度测量光强自相关函数，并通过适当的权重系数将其结合到一个数据分析中获取颗粒粒度分布的一种技术。它可以获得更多的颗粒散射光信息，提高颗粒粒度分布的准确性，较单一角度动态光散射具有更强的鲁棒性和准确性。

目前，多角度动态光散射的测量装置较为单一，专利CN105891063A公开了一种多角度动态光散射粒径分布测量装置及方法，将样品池架设在一个旋转平台中心，将同一探测器绕平台360°旋转的方式工作，可实现对平台平面内多角度的动态光散射信息的测量，但由此无法保证测量的同步性，即对不同角度的同时测量，测量周期过长，无法满足于实际环境快速测量的要求，使用多个探测器探测不同角度的散射光信息则会存在探测偏差问题，且随着测量角度的增加会大幅增加仪器成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置，旨在解决现有测量装置无法保证测量同步性导致的探测偏差问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置，包括：激光器、样品池、球面反射镜、多角度选择器、面阵PMT（photomultiplier tube,面阵光电倍增管）、数字相关器和计算处理模块；所述激光器、样品池和球面反射镜共光轴，所述球面反射镜、多角度选择器和面阵PMT共光轴；所述样品池，位于激光器的出射光路上，用于容纳待测纳米颗粒悬浮液；所述球面反射镜，其反射面的焦点位于样品池的中心，用于接收纳米颗粒群产生的散射光，反射后平行出射；所述多角度选择器，具有多个小孔，且各小孔对应不同微面元，用于允许入射到小孔内的反射光出射，所述微面元分布于垂直于样品池的散射平面与球面反射镜的交线上；所述面阵PMT，用于接收所述多角度选择器的多路出射光，并将接收到的光强信息转换成电信号；所述数字相关器，用于计算在相同时间段接收到的不同出射光的电信号的自相关函数；所述计算处理单元，用于处理所述数字相关器输出的多角度对应的自相关函数，反演出待测纳米颗粒悬浮液中颗粒群粒径分布。

优选地，所述多角度选择器具有10°到175°之间以15°为间隔均匀分布的12个角度。

需要说明的是，本发明优选上述结构的多角度选择器，同步测量更多角度的散射光，以较低成本获取更多的散射光信息，并解决多个探测器探测存在的偏差问题，提高粒径分布计算的准确性。

优选地，所述多角度选择器为圆形，其半径大于球面反射镜的口径，且表面涂覆有吸光材料。

需要说明的是，其它散射平面和散射角度的光均会被未开孔的黑色部分阻挡，由此可实现测量角度的选择。

优选地，所述装置还包括：位于激光器与样品池之间的聚焦单元，用于将激光光束聚焦于相干体积内。

优选地，所述装置还包括：位于激光器与聚焦单元之间的分束镜和PIN管；所述分束镜，用于将激光器发出的光分成两束，一束入射到PIN管，另一束入射到聚焦单元；所述PIN管，用于探测光功率，以监测激光器功率的稳定性。

需要说明的是，本发明优选分束镜和PIN管构成参考光路，用于监测激光器的输出稳定性。

优选地，所述装置还包括：位于多角度选择器和面阵PMT之间的望远透镜组，用于对通过多角度选择器的平行光进行束宽压缩，使得面阵PMT能完整地接收各角度的散射光。

优选地，所述望远透镜组的共焦平面上设有孔径光阑，用于滤除非平行入射光。

优选地，所述望远透镜组与面阵PMT之间设有窄带滤光片，用于滤除除散射光波长以外的杂散光。

优选地，所述球面反射镜的侧壁分别设有光学窗口，所述光学窗口镀有增透膜，且中心与球面反射镜的焦点共线，使得激光光束由一侧光学窗口入射，通过球面反射镜焦点，由另一侧光学窗口出射。

需要说明的是，本发明优选上述结构的球面反射镜，从而减小反射光强对探测结果精度的影响。

优选地，所述样品池两侧封闭，侧面开口，所述开口用于注入样品。

需要说明的是，本发明优选上述结构的样品池，使得样品池可以横向摆放，无需竖直架设光路，降低了光路的校准难度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提出一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置，利用球面反射镜、多角度选择器和面阵光电倍增管的组合，同时测量颗粒群更多散射角度的动态光散射信号，其中，样品池中心颗粒群发生散射，散射光经球面反射镜反射后，变为向内腔开口方向传播的平行光束；多角度选择器通过与不同微面元对应的多个小孔，实现多个角度的出射光选择；面阵光电倍增管一次性获取多个角度的散射光信息，避免了使用多个探测器探测不同角度动态光散射信息时存在的探测偏差问题，测量稳定性好，结合粒径分布反演算法，测量速度快、精度高，可同步测量粒径从纳米到微米分布较宽的颗粒群。

附图说明

图1为本发明提供的一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置的结构示意图。

图2为本发明提供的散射模块工作原理示意图。

图3为本发明提供的接收模块的结构示意图。

图4为本发明提供的直径为20nm、200nm、2000nm球形颗粒的散射光强随散射角度的变化曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1.激光器；2.分束镜；3.PIN管；4.会聚透镜；5.散射模块；5-1.光学窗口；5-2.球面反射镜；5-3.样品池；5-4.光学窗口；5-5.角度选择器；6.接收模块；6-1.望远透镜组-物镜；6-2.小孔光阑；6-3.望远透镜组-目镜；6-4.窄带滤光片；7.面阵PMT；8.数字相关器；9.计算处理单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置的结构示意图。如图1所示，该测量装置包括：入射光路、参考光路、接收光路、动态光散射信息采集与处理单元。

所述入射光路包括激光器1、会聚透镜4、光学窗口5-1和样品池5-3。

所述参考光路包括：分束镜2和PIN管3。

所述接收光路包括：散射模块5和接收模块6。所述散射模块包括：球面反射镜5-2、角度选择器5-5。所述接收模块6包括：望远透镜组（6-1、6-3）、小孔光阑6-2和窄带滤光片6-4。

所述动态光散射信息采集与处理单元包括：面阵PMT 7、数字相关器8和计算处理单元9。

所述激光器1，可提供功率输出稳定、光束均匀、发散角小、单色性和偏振度高的连续激光。输出激光对样品池悬浮液中纳米颗粒群进行照射，使其产生散射光。

所述分束镜2将激光器发出的光分成两束，一束入射到PIN管3，一束入射到会聚透镜4。PIN管3是光电探测器，探测光功率，从而监测激光器功率的稳定性。

所述会聚透镜4，用于对激光光束聚焦，使其准确聚焦于相干体积内，也可采用其他聚焦模块。

图2为本发明提供的散射模块工作原理示意图。如图2所示，所述球面反射镜5-2，内腔表面材料为反射率很高的金属，侧壁两端在与球面焦点共线处开有两个通孔。球面反射镜外侧，两通孔处分别通过法兰结构固定贴有镀了增透膜的光学窗口（5-1和5-4）。盛有待测颗粒悬浮液的样品池5-3横向固定在内腔中，中心部分位于球面反射镜焦点处。激光光束通过一个光学窗口5-1入射内腔和样品池，样品池中心颗粒群发生散射，散射光经球面反射镜反射后，变为向内腔开口方向传播的平行光束。

如图2所示，所述角度选择器5-5，其具有多个小孔，每个小孔与所述球面反射镜上的某个微面元相对应，该微面元收集一定空间角度范围内的颗粒散射光，所有的微面元位于垂直于样品池的散射平面与球面反射镜的交线上，实现在同一散射平面上选择多个特定散射角度的散射光出射。

优选地，角度选择器5-5形状为圆形，尺寸略大于球面反射镜口径，上下表面均涂覆黑色吸光材料。根据几何关系计算选取的测量角度对应于角度选择器上的位置坐标，在坐标处开微小通孔，其它散射平面和散射角度的光均会被未开孔的黑色部分阻挡，由此可实现多个特定测量角度的选择。

优选地，所述角度选择器具有10°到175°之间以15°为间隔的12个角度，用于同步测量更多角度的散射光，以较低成本获取更多的散射光信息，并解决多个探测器探测存在的偏差问题，提高粒径分布计算的准确性。由于使用的面阵PMT 7的接收面积远小于上述平行散射光束的横截面积，如果直接接收光束，大部分散射光信息将无法接收。图3为本发明提供的接收模块的结构示意图。如图3所示，为解决该问题，本发明在球面反射镜5-2与面阵PMT7间加入望远透镜组（6-1、6-3），压缩原平行散射光束的束宽至能由面阵PMT 7完全接收。

由于其他杂散光和反射光的存在，在望远透镜组（6-1、6-3）的共焦面上设置小孔光阑6-2，用于滤除非平行入射光。

如图3所示，本发明增设窄带滤光片6-4，其通光波段在激光器的波长位置，因此非散射产生的光都会被滤除，只有散射光能通过。

面阵PMT 7，用于获取角度选择器出射的多个特定角度的散射光信息，并将接收到的散射光光强信息转换成电信号。其具有多个阴极与对应多阳极输出，可一次性获取多个角度的动态光散射信息，避免采用传统的将样品池架设在一个旋转平台中心，将同一探测器绕平台360°旋转的方式工作，实现了对不同角度的同时测量，测量周期短，满足于实际环境快速测量的要求。

数字相关器8，用于根据面阵PMT 7多个阳极输出的测量信号，得出多个阳极对应不同散射角度在相同时间段所接收的散射光的时域信号的自相关函数。其支持可调整的延迟时间范围，从而产生一个从25ns至1310s的相关函数，即动态范围超过1010，可获得多延迟时间对应的相关函数信息。

计算处理单元9，用于处理所述数字相关器输出的多角度对应的自相关函数，利用反演算法计算出待测悬浮液中颗粒群粒径分布。

图4为本发明提供的直径为20nm、200nm、2000nm球形颗粒的散射光强随散射角度的变化曲线。如图4所示，20nm颗粒的米氏散射光强在0-180°内呈现先减小，后增大的趋势，所以纳米级颗粒群测量时，按照散射光强的比例将大角度（大于90°）散射光的权重由1减小为0.5，可以更准确地获取散射光强信息，有利于粒径分布的反演，同时背向角度的引入有利于对于透光性较弱的样品的测量；200nm颗粒的米氏散射光强在0-180°内持续减小，在90°之后已减小一个数量级，因此亚微米级颗粒群测量时将大角度（大于90°）散射光的权重由1减小为0.1，可以更准确地获取散射光强信息，反演结果更准确。

整个装置的工作过程如下：激光器1输出的激光经入射光路聚焦后，会聚于球面反射镜5-2的内腔焦点。经内腔焦点处放置的样品池5-3悬浮液中的颗粒群散射后，向四周发射出散射光，被球面反射镜5-2反射后变为平行光束。该平行光束经接收光路进行角度选择、束宽压缩和杂散光滤除等处理后，由面阵PMT 7接收。面阵PMT 7接收的多角度散射光信息传递至数字相关器8进行相关函数计算，最后将计算结果送入计算处理单元9进行处理，通过反演算法计算，得到纳米颗粒群的粒径分布。

纳米颗粒群的粒径分布的测量方法如下：

步骤 (1) 测量样品的光强自相关函数。

(1-1)取定量原有颗粒悬浮液，加定量去离子水稀释作为测试样品。

(1-2)调整光路，使各元件满足等高、同轴等要求。

(1-3)开启激光器1，预热激光器1，直到其输出功率稳定。

(1-4)将被测颗粒悬浮液放入样品池，开启PIN管3、面阵PMT 7，将参考光路光信号以及被测颗粒群的多角度散射光信号转换成脉冲信号，这些脉冲信号的频率变化反映多个角度的散射光的光强波动。

(1-5)数字相关器8根据脉冲信号计算出在不同延迟时间 (j=1,2,…,M)的二阶光强自相关函数

。自相关函数的表达式为：

其中，

为对给定的散射角度，

为归一化的电场自相关函数，

是光强自相关函数

的基线，

是仪器常数，

为散射角度，R为散射角个数，

为延迟时间，M为相关通道数。

对于在固定散射角度

处的离散电场自相关函数

为：

其中，

，

是真空中的波长，n为非吸收介质的折射率，

为玻耳兹曼常数，T为胶体的热力学温度，

为分散介质的动力黏度。

表示粒度为

的颗粒在散射角

处的散射光强分数，可以通过Mie散射理论计算得到，

为颗粒粒径分布。

是散射角

处的权重系数，N是在反演粒径范围内所取的颗粒数。

步骤（2）动态光散射系统噪声水平标定。

在步骤（1）中测量已知粒径分布样品的光强自相关函数，根据反演结果与已知的粒径分布比较，逐次二分计算以标定真实的动态光散射系统噪声水平。

步骤（3）颗粒系散射光强分数仿真。

利用Mie散射理论计算颗粒群各粒径的颗粒物所对应的散射光强分数，并计算得到电场自相关函数。

步骤（4）利用训练好的神经网络，反演计算出样品的粒径分布。

利用训练好的神经网络，根据测得的光强自相关函数反演计算样品的粒径分布。

根据测得的样品颗粒群的粒径分布范围，调整各角度散射光的权重，各角度初始权重均为1；纳米级颗粒群，减小大角度（大于90°）散射光的权重为0.5；亚微米级颗粒群，减小大角度（大于90°）散射光的权重为0.1；重复上述操作，反演出样品的更精确的粒径分布。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同步测量多角度动态光散射的粒径分布测量装置，其特征在于，包括：

激光器、样品池、球面反射镜、多角度选择器、面阵PMT、数字相关器和计算处理单元；

所述激光器、样品池和球面反射镜共光轴，所述球面反射镜、多角度选择器和面阵PMT共光轴；

所述样品池，位于激光器的出射光路上，用于容纳待测纳米颗粒悬浮液；

所述球面反射镜，其反射面的焦点位于样品池的中心，用于接收纳米颗粒群产生的散射光，反射后平行出射；

所述多角度选择器，具有多个小孔，且各小孔对应不同微面元，用于允许入射到小孔内的反射光出射，所述微面元分布于垂直于样品池的散射平面与球面反射镜的交线上；

所述面阵PMT，用于接收所述多角度选择器的多路出射光，并将接收到的光强信息转换成电信号；

所述数字相关器，用于计算在相同时间段接收到的不同出射光的电信号的自相关函数；

所述计算处理单元，用于处理所述数字相关器输出的多角度对应的自相关函数，反演出待测纳米颗粒悬浮液中颗粒群粒径分布。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多角度选择器具有10°到175°之间以15°为间隔均匀分布的12个角度。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多角度选择器为圆形，其半径大于球面反射镜的口径，且表面涂覆有吸光材料。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：位于激光器与样品池之间的聚焦单元，用于将激光光束聚焦于相干体积内。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：位于激光器与聚焦单元之间的分束镜和PIN管；

所述分束镜，用于将激光器发出的光分成两束，一束入射到PIN管，另一束入射到聚焦单元；

所述PIN管，用于探测光功率，以监测激光器功率的稳定性。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：位于多角度选择器和面阵PMT之间的望远透镜组，用于对通过多角度选择器的平行光进行束宽压缩，使得面阵PMT能完整地接收各角度的散射光。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述望远透镜组的共焦平面上设有孔径光阑，用于滤除非平行入射光。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述望远透镜组与面阵PMT之间设有窄带滤光片，用于滤除除散射光波长以外的杂散光。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球面反射镜的侧壁分别设有光学窗口，所述光学窗口镀有增透膜，且中心与球面反射镜的焦点共线，使得激光光束由一侧光学窗口入射，通过球面反射镜焦点，由另一侧光学窗口出射。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品池两侧封闭，侧面开口，所述开口用于注入样品。

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