DE2440376C3 - Particle size analysis of polydisperse systems with the help of laser light scattering - Google Patents
Particle size analysis of polydisperse systems with the help of laser light scatteringInfo
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- DE2440376C3 DE2440376C3 DE19742440376 DE2440376A DE2440376C3 DE 2440376 C3 DE2440376 C3 DE 2440376C3 DE 19742440376 DE19742440376 DE 19742440376 DE 2440376 A DE2440376 A DE 2440376A DE 2440376 C3 DE2440376 C3 DE 2440376C3
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilchengrößen-Analyse von polydispersen Systemen, insbesondere Farbstoffdispersionen, mit Hilfe der Laser-Streulichtmessung, bei dem zunächst zu jedem Streuwinkel 0,das Frequenzspektrum des gestreuten Lichtes gemessen wird, dann zu jedem Frequenzspektrum die Halbwertsbrejte Av ermittelt und hieraus die Funktion Av (P) berechnet wird, wobei k eine bekannte Funktion des Streuwinkels Θ,- ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, Die Vorrichtung geht aus von einem Streulichtspektrometer mit einer Laserlichtquelle, einer Meßküvette und einem Photodetektor zur kohärenten Demodulation des gestreuten Lichtes, einem Frequenzanalysator zur spektralen Zerlegung des demodulierten SignrIs und einem Rechner zur Bestimmung der Teilchenparameter.The invention relates to a method for particle size analysis of polydisperse systems, in particular dye dispersions, with the aid of laser scattered light measurement, in which the frequency spectrum of the scattered light is first measured for each scattering angle 0, then the half-value range Av is determined for each frequency spectrum and from this the Function Av (P) is calculated, where k is a known function of the scattering angle Θ, -. The invention also relates to a device for performing this method. The device is based on a scattered light spectrometer with a laser light source, a measuring cuvette and a photodetector for coherent demodulation of the scattered light, a frequency analyzer for the spectral decomposition of the demodulated signal and a computer for determining the particle parameters.
Die optischen Methoden bieten den besonderen Vorzug, daß die Meßsonde Licht p-aktisch keine mechanischen Störungen des Systems verursacht, und daß optische Messungen .sehr schnell ausführbar sind im Gegensatz zu allen Verfahren, die mit einem mechanischen Teilchentransport verknüpft sind. Unter den Streulichtverfahren ist bisher hauptsächlich die Messung der Streuintensität als Funktion des Streuwinkels angewandt worden, die alle auf der Streutheorie von M i e beruhen. Diese Methoden sind in ihrem Anwendungsbereich begrenzt, da überhaupt nur relativ enge Verteilungsbreiten und unter diesen nur kugelförmige Teilchen mit bekannten optischen Brechungs- und Absorptionsindices analysierbar sind. Nachfolgend wird ein davon wesentlich verschiedenes Streulicht-Verfahren beschrieben, mit dem an Farbstoffsuspensionen im Teilchenbereich unterhalb von etwa 1 μ»π gute Ergebnisse erzielt wurden.The optical methods offer the particular advantage that the measuring probe does not p-act pactively causes mechanical disturbances of the system, and that optical measurements can be carried out very quickly in the In contrast to all processes that are linked to mechanical particle transport. Under the The scattered light method has hitherto mainly been the measurement of the scattering intensity as a function of the scattering angle have been applied, all of which are based on the scattering theory of M i e. These methods are in theirs The range of application is limited, as there are only relatively narrow distribution widths and, among these, only spherical ones Particles with known optical refractive indices and absorption indices can be analyzed. The following is a diffuse light method that is significantly different from this described, with which good results on dye suspensions in the particle range below about 1 μ »π were achieved.
Das Verfahren benutzt die bekannte Tatsache, daß die ungeordnete, statistische Bewegung von monodispersen Streuteilchirt aufgrund des optischen Dopplereffektes (F i g. 1) zu einer definierten Verbreiterung im Spektrum des gestreuten Lichts (Fig.2) führt. Es ist bekannt, daß die Verbreiterung des Streulichtes eines einfallenden Lichtbündels von exakt monochromatischem Spektrum lorentzförmig ist mit einer halben Halbwertsbreite Avs. die in Einheiten der reziproken Schwingungsdauer gegeben ist durchThe method uses the known fact that the disordered, statistical movement of monodisperse scattering particles due to the optical Doppler effect (FIG. 1) leads to a defined broadening in the spectrum of the scattered light (FIG. 2). It is known that the broadening of the scattered light of an incident light beam with an exactly monochromatic spectrum is Lorentz-shaped with half a half-width Avs. which is given in units of the reciprocal period of oscillation by
DT k2 D T k 2
k =k =
'/■n'/ ■ n ==
ηη ==
(DT translatorischer Diffusionskoeffizienl; (D T translational diffusion coefficient;
(4.-Γ n//o) sin {(-)/2), Streuvektor;(4.-Γ n // o) sin {(-) / 2), scatter vector;
Streuwinkel;Scattering angle;
Vakuum-Wellenlänge des einfallendenVacuum wavelength of the incident
Lichts;Light;
Brechungsindex des Mediums.)Refractive index of the medium.)
Über eine Messung der Frequenzbreite des Streulichts läßt sich also der Diffusionskoeffizient der Translation bestimmen. Dieser wiederum ist über die für kugelförmige Teilchen gültige Sokes-Einstein-Gleichung By measuring the frequency width of the scattered light, the diffusion coefficient of Determine translation. This in turn is based on the Sokes-Einstein equation, which is valid for spherical particles
D7 =D 7 =
K"T 6.T ι/r K " T 6.T ι / r
mit dem Teilchenradius r verknüpft (Kn = Boltzmann-Faktor, T = absolute Temperatur, i\ = Viskosität des Mediums). Die Anwendung dieser Relation auf nichtkugelförmige Teilchen liefert eine Teilchengröße, die dem Radius eines bezüglich des Diffusionskoeffizienten äquivalenten, kugelförmigen Teilchens entspricht. Für in Wasser (200C) suspendierte Teilchen im Radienbereich von 25 nm bis 500 nm erhält man bei einem Streuwinkel von 90° Halbwertsbreiten Λν.ν von etwa 500 bis 24 Hz.linked to the particle radius r (Kn = Boltzmann factor, T = absolute temperature, i \ = viscosity of the medium). The application of this relation to non-spherical particles yields a particle size which corresponds to the radius of a spherical particle which is equivalent in terms of the diffusion coefficient. For suspended in water (20 0 C) particles in the radius range of 25 nm to 500 nm is obtained at a scattering angle of 90 ° half-value widths Λν.ν from about 500 to 24 Hz.
For derartige Messungen ist die außerordentlich hohe spektrale Auflösung 1'Advsvon etwa 3 χ 10'3 nötigThe extraordinarily high spectral resolution 1'Advs of about 3 χ 10 ' 3 is necessary for such measurements
(VMch.(Ap=0,6 μ)=5 χ W Hz; 4vs£20Hz),(VMch. (Ap = 0.6 μ) = 5 χ W Hz; 4vs £ 20Hz),
Der apparative Aufwand ist trotzdem sehr gering. Man benutzt als Strahlungsquelle einen Gas-Laser, z, B, einen He-Ne-Laser mit Emission bei Ao = 0,6328 μπι.The outlay on equipment is nevertheless very low. A gas laser, e.g. one, is used as the radiation source He-Ne laser with emission at Ao = 0.6328 μπι.
Die Frequenzanalyse des Streulichts erfolgt nach Demodulation ties gestreuten Lichtes auf elektrischem Wege, entweder nach dem Heterodyn- oder nach dem Homodyn-Verfahren. Die Demodulation des Streulichtspektrums, d. h. seine Transformation in einen niederfrequenten Bereich, wird durch Differenzfrequenzbildung erreicht, im heterodynen Fall zwischen Streulicht und direktem Laserlicht, im homodynen Fall zwischen den einzelnen Komponenten des Streulichtspektrums selbst. Diese jeweils überlagerten Lichtkomponenten erzeugen am Ort des Photodetektors im allgemeinen ein Interferenzmuster, dessen Raumfrequenz mit kleiner werdendem Öffnungswinkel ebenfalls abnimmt Durch zwei Blenden wird ein so enger Lichtkanal ausgeblendet, daß die gesamte wirksame Detektorfläche von nur einer Kohärenzfläche Oberdeckt, d. h. zu allen Zeiten jeweils von einem einheitlichen Intensitätspegel bestrahlt wird. Diese Intensität ändert sich nun in der Zeit mit den Differenzfrequenzen (Schwebungsfrequenzen) aller aufgefangenen Lichtkomponenten. Entsprechend ändert sich auch der Signalstrom des Detektors. Man kann dann die Frequenzanalyse des Lichts durchführen m durch eine elektronische Frequenzanalyse der Signalspannung, deren Quadrat das heterodyne bzw. homodyne Leistungsspekturm des Streulichts darstellt. Wenn die Halbwertsbreite eines lorentzförmigen Streulichtspektrums — wie oben — mit Avs und mit Avhei bzw. j-> Avhom entsprechend die Halbwertsbreiten des heterodyn bzw. homodyn gemessenen Leistungsspektrums bezeichnet werden, so giltThe frequency analysis of the scattered light takes place after demodulation of the scattered light by electrical means, either according to the heterodyne or the homodyne method. The demodulation of the scattered light spectrum, ie its transformation into a low-frequency range, is achieved by differential frequency formation, in the heterodyne case between scattered light and direct laser light, in the homodyne case between the individual components of the scattered light spectrum itself Interference pattern, the spatial frequency of which also decreases with decreasing opening angle. A light channel so narrow that the entire effective detector surface is covered by only one coherence surface, ie irradiated at all times by a uniform intensity level, is blocked out by two diaphragms. This intensity now changes over time with the difference frequencies (beat frequencies) of all light components captured. The signal current of the detector changes accordingly. The frequency analysis of the light can then be carried out by an electronic frequency analysis of the signal voltage, the square of which represents the heterodyne or homodyne power spectrum of the scattered light. If the half-width of a Lorentz-shaped scattered light spectrum - as above - is denoted by Avs and Avhei or j-> Avhom corresponding to the half-widths of the heterodyne or homodyne measured power spectrum, then the following applies
2 ■ Avs=2 ■ OVhe, = OVhom 2 ■ Avs = 2 ■ OV he , = OVho m
und sowohl aas Heterodyn- als auch das Homodynspektrum sind wieder lorentzförmig. Da es i. a. einfacher ist, Homodynspektren zu messen, wird die weiter;: Darstellung auf den Fall des homodynen Nachweises beschränkt. Dabei soll dann mit Av jeweils die Halbwertsbreite des Homodynspekirums bezeichnet werden.and both the heterodyne and the homodyne spectrum are again Lorentz-shaped. Since it is generally easier to measure homodyne spectra, the further ;: representation is limited to the case of homodyne detection. The half-width of the homodyne spectrum should then be denoted by Av.
Bei dem Verfahren zur Teilchengrößen-Analyse gemäß dem Oberbegriff dieser Anmeldung wird also zunächst zu diskreten Streuwinkeln Θ, das Frequenzspektrum des gestreuten Lichtes gemessen, anschließend zu jedem Frequenzspektrum die Halbwertsbreite Av ermittelt und hieraus die Funktion Av (k2) berechnet.In the method for particle size analysis according to the preamble of this application, the frequency spectrum of the scattered light is first measured at discrete scattering angles Θ, then the half-value width Av is determined for each frequency spectrum and the function Av (k 2 ) is calculated from this.
Gemäß Formel 1 ergibt sich für monodisperse Systeme für Av (k1) eine Gerade mit der Steigung Dt. Aus der Formel für den translatorischen Diffusionskoeffizienten Dj erhält man dann den Teilchenradius r. According to formula 1, a straight line with the slope Dt results for monodisperse systems for Av (k 1 ) . The particle radius r is then obtained from the formula for the translational diffusion coefficient Dj.
An kugelförmigen Polystyrol-Lptices wurden Testmessungen durchgeführt, die in jeder Hinsicht zufriedenstellend ausfielen. Die vom Hersteller angegebenen Lateü-Radien konnten mit großer Genauigkeit aus der .Streulichtmessung bestätigt werden. Darüber hinaus ergab sich aus der Auftragung der Frequenzbreite Av über dem Quadrat des Streuvektors k2 der theoretisch geforderte lineare Zusammenhang (Fig. 3). Die Auswertung der spektralen Messung bei einem Winkel Θ zur Ermittlung der Halbwcrtsbreite Av geschieht so, daß an die Meßkurve eine Lorentzverteilung optimalTest measurements were carried out on spherical polystyrene lptices, which turned out to be satisfactory in every respect. The lathe radii specified by the manufacturer could be confirmed with great accuracy from the scattered light measurement. In addition, plotting the frequency width Av over the square of the scattering vector k 2 resulted in the theoretically required linear relationship (FIG. 3). The evaluation of the spectral measurement at an angle Θ to determine the half-width Av is done in such a way that a Lorentz distribution is optimal on the measurement curve
40 angepaßt wjrd, deren Halbwertsbreite dann das Resultat darstellt (Fig, 4), 40 adjusted, the half-width of which then represents the result (Fig, 4),
Nach diesen an rnonodispersen Teilchen getesteten Meß- und Auswerteverfahren wurden polydisperse, in Wasser und anderen Flüssigkeiten suspendierte, organische Farbstoffteilchen untersucht. Das Ergebnis dieser Messungen war ein nichtlinearer Verlauf der Δν flfc2)-Kurve derart, daß im Winkelbereich unterhalb von etwa 130° eine einheitlich positive Krümmung auftritt Oberhalb von etwa 130" steigt die Kurve dann meistens etwas schwächer an und kann sich je nach Probe, Betrag und Vorzeichen der Krümmung ändern (siehe Abb. 7 und 8). Gemeinsames Kennzeichen der untersuchten polydispersen Systeme war eine positive Krümmung der Av fit2}-Kurve im Winkelbereich bis etwa 130°.Polydisperse organic dye particles suspended in water and other liquids were investigated using these measurement and evaluation methods, which had been tested on non-disperse particles. The result of these measurements was a non-linear course of the Δν flfc 2 ) curve in such a way that a uniformly positive curvature occurs in the angular range below about 130 °. Change the amount and sign of the curvature (see Fig. 7 and 8) The common characteristic of the investigated polydisperse systems was a positive curvature of the Av fit 2 } curve in the angular range up to about 130 °.
Das oben beschriebene Verfahren ist daher nicht mehr anwendbar.The method described above can therefore no longer be used.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch im Fall von polydispersen Systemen eine Aussage über die charakteristischen Teilchendaten mit Hilfe der Laserlichtstreuung zu gewinnen.The invention is now based on the object of making a statement about, even in the case of polydisperse systems to obtain the characteristic particle data with the help of laser light scattering.
Diese Aufgabe wird erfindungsgernpS in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches beschriebenen Weise gelöst Weiterbildungen der Erfindung sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This task is according to the invention in the im Characteristic part of the claim described manner solved further developments of the invention and a device suitable for carrying out the method according to the invention are set out in the subclaims described.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt im Zusammenhang mit der neuen Meßapparatur die Durchführung einer kompletten Teilchengrößenanalyse in wenigen Minuten. Dadurch wurde der Einsatz als Routineanalysengerät ermöglicht Die so gewonnenen charakteristischen Teilchendaten stimmen sehr gut mit den Werten überein, die man z. B. mit Hilfe der Scheibenzentrifugen-Meßmethode erhältThe method according to the invention allows it to be carried out in conjunction with the new measuring apparatus a complete particle size analysis in a few minutes. This made use as a routine analysis device The characteristic particle data obtained in this way agree very well with the Values that you can e.g. B. using the disc centrifuge measuring method receives
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Aulsführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigtIn the following, the invention will be described in greater detail on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing described. It shows
Fig. 1 das Prinzip der Frequenzänderung be> der Laserlichtstreuung,Fig. 1 be> the principle of frequency change Laser light scattering,
Fig.2 die Frequenzverbreiterung infolge des Streuprozesses, Fig. 2 the frequency broadening as a result of the scattering process,
F i g. 3 Av (k2) für monodisperse Latices,F i g. 3 Av (k 2 ) for monodisperse latices,
Fig.4 die Auswertung durch Anpassung einer Lorentz-Funktion,4 shows the evaluation by adapting a Lorentz function,
F i g. 5 den Aufbau der Streulichtküvette,F i g. 5 the structure of the scattered light cuvette,
F i g. 6 den Aufbau der Meßapparatur,F i g. 6 the construction of the measuring apparatus,
Fig. 7 Av (k1) Diagramm einer polydispersen Farbstoffdispersion,7 Av (k 1 ) diagram of a polydisperse dye dispersion,
Fig.8 Av (k2) Diagramm einer polydispersen Farbstoffdispersion.Fig. 8 Av (k 2 ) diagram of a polydisperse dye dispersion.
Die Fig. 1—4 wurden bereits in der Einleitung erläutert. F i g. 5 zeigt «Thematisch den Aufbau der Streul'^hiküvette. Die Küvette besteht aus dem zylindrischen Glasgefäß 1 mit den beiden seitlichen Rohransätzen 2 und 3. Die beiden Rohre 2 und.3 sind in Richtung der Küvettenachse nach oben umgewinkelt. Das Rohr 2 ist etwa in der Mitte der Küvette angesetzt und besteht aus Schwarzglas. Die Küvette wird in der Apparatur so justiert, daß der Primärlichtstrahl 4 in die Achse des seitlichen Rohransatzes 2 einfällt Der Primärstrahl wird dann außerhalb des zylindrischen Meßraumes 1 durch Vielfachreflexion uno Absorption in der Rohrwandung praktisch vollkommen ausgelöscht. Das Rohr 2 wirkt also als Lichtfalle für den Primärstrahl 4.Figs. 1-4 have already been explained in the introduction. F i g. 5 shows “Thematically the structure of the Streul '^ hi cuvette. The cuvette consists of the cylindrical glass vessel 1 with the two lateral pipe sockets 2 and 3. The two pipes 2 and 3 are in The direction of the cuvette axis is angled upwards. The tube 2 is placed approximately in the middle of the cuvette and is made of black glass. The cuvette is adjusted in the apparatus so that the primary light beam 4 into the The axis of the lateral tube extension 2 is incident. The primary beam is then outside the cylindrical Measurement space 1 practically completely extinguished by multiple reflection and absorption in the pipe wall. The tube 2 thus acts as a light trap for the primary beam 4th
Der Boden des zylindrischen Meßgefäßes I ist konisch ausgebildet. An seinem tiefsten Punkt ist dasThe bottom of the cylindrical measuring vessel I is conical. At its lowest point this is
Röhrchen 3 angesetzt. Es dient zum Absaugen der Meßflüssigkeit 5 und zum Einfüllen von Spülflüssigkeiten. Diese Anordnung erlaubt ein automatisiertes zyklisches Beschicken der Küvette von abwechselnd Spül- und Meßflüssigkeit, so daß die Messung einer großen Probenzahl automatisch ablaufen kann.Tube 3 attached. It is used to suck off the measuring liquid 5 and to fill in rinsing liquids. This arrangement allows an automated cyclic loading of the cuvette alternately Rinsing and measuring liquid so that a large number of samples can be measured automatically.
In Fig.6 ist der optische und elektronische Teil der Meßapparatur schematisch dargestellt. Die ausgezogenen Linien repräsentieren den Signal- und Datenfluß, die gestrichelten Linien deuten die Steuerfunktionen an. Der Laserstrahl eines in der TEMoo-Schwingung strahlenden He-Ne-Lasers 6 (A0 = 0,6328 μπι) wird mittels einer langbrennweitigen Linse 7 (f = 60 cm) in eine Küvette 8 fokussiert, in der sich die zu untersuchende Substanz befindet. Der Durchmesser des Strahls in der Küvette 8 ist ungefähr 100 μπι. Zwischen der Küvette 8 und dem Laser 6 ist eine Blende 9 angeordnet, die völlig geschlossen werden kann.The optical and electronic part of the measuring apparatus is shown schematically in FIG. The solid lines represent the signal and data flow, the dashed lines indicate the control functions. The laser beam of a He-Ne laser 6 (A 0 = 0.6328 μm) radiating in the TEMoo oscillation is focused into a cuvette 8 by means of a long focal length lens 7 (f = 60 cm) in which the substance to be examined is located . The diameter of the beam in the cuvette 8 is approximately 100 μm. Between the cuvette 8 and the laser 6 there is a shutter 9 which can be completely closed.
»rnlflnrln C ♦ ~r\t ,linl·.»Rnlflnrln C ♦ ~ r \ t , linl ·.
die Halbwertsbreite ο der Teilchengrößenverteilunj durch Anpassung einer logarithmischen Normalvertei lung an den Wertesatz \d,\ nach der Methode de: kleinsten Fehlerquadrates. Die Auswertung geht in einzelnen so vor sich, daß jedem Wertepaar (zliv k2, gemäß der folgenden Formeln ein äquivalentei Durchmesser d,zugeordnet wird:the half- width ο of the particle size distribution by adapting a logarithmic normal distribution to the set of values \ d, \ according to the method de: least square error. The evaluation proceeds in such a way that each value pair (zliv k 2 , according to the following formulas , is assigned an equivalent diameter d:
durch eine Doppellochblendenanordnung 10 auf die Photokathode eines Photovervielfachers 11 und wird dort demoduliert und ca. 10'fach verstärkt. Mit der Doppellochblendenanordnung 10 kann die Apertur so weit verringert werden, daß die gesamte wirksame Detektorfläche von nur einer Kohärenzfläche überdeckt wird. Der mit dem Detektor erfaßte Intensitätspegel ist dann räumlich konstant. Photoverfielfacher 11 und Doppellochblende 10 sind auf einer optischen Bank montiert, die um das Küvettenzentrum schwenkbar ist. Auf diese Weise kann der Streuwinkel Θ, im Bereich von 10° bis 170° in Schritten von z.B. 10° mit einer Genauigkeit von ± 1/150' eingestellt werden.through a double aperture diaphragm assembly 10 onto the photocathode of a photomultiplier 11 and is demodulated there and amplified approx. 10 times. With the double pinhole arrangement 10, the aperture can be so can be greatly reduced so that the entire effective detector surface is covered by only one coherence surface will. The intensity level detected with the detector is then spatially constant. Photo multiplier 11 and double pinhole diaphragm 10 are mounted on an optical bench which can be pivoted about the center of the cuvette. In this way, the scattering angle Θ can be in the range from 10 ° to 170 ° in steps of e.g. 10 ° with a Accuracy of ± 1/150 'can be set.
Das Frequenzspektrum des gestsreuten Lichts ist in F i g. 2 dargestellt. Die spektrale Zerlegung erfolgt nach dem Homodynverfahren. Dabei werden die im Streulicht vorhandenen Frequenzkomponenten aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des Photovervielfachers 11 miteinander gemischt. Durch die Mischung treten Summen und Differenzfrequenzen auf. Während die Summenfrequenzen im optischen Gebiet liegen und nicht zur Anzeige gebracht werden, liegen die Differenzfrequenzen (Schwebungsfrequenzen) im Niederlrequenzbereich. Die Frequenzanalyse des Streulichts kann dann durch eine elektronische Frequenzanalyse der am Arbeitswiderstand des Photovervielfachers abgegriffenen Signalspannung erfolgen. Unter der Bedingung der homodynen Frequenzanalyse gilt für lorentzförmige Leistungsspektren des Streulichts (Halbwertsbreite Av.s). daß auch die homodynen elektrischen LeistungsspeKtren lorentzförmig sind (Halbwertsbreite Δι·/,™) und daß ferner die Bedingung Avhom = 2 ■ Avs erfüllt ist.The frequency spectrum of the scattered light is shown in FIG. 2 shown. The spectral decomposition takes place according to the homodyne method. The frequency components present in the scattered light are mixed with one another due to the non-linear characteristic of the photomultiplier 11. As a result of the mixture, sums and difference frequencies occur. While the sum frequencies are in the optical area and are not displayed, the difference frequencies (beat frequencies) are in the low frequency range. The frequency analysis of the scattered light can then be carried out by an electronic frequency analysis of the signal voltage tapped at the working resistor of the photomultiplier. Under the condition of the homodyne frequency analysis, the following applies for Lorentz-shaped power spectra of the scattered light (half- width Av.s). that the homodyne electrical power spectra are Lorentz-shaped (half- width Δι · /, ™) and that the condition Av hom = 2 Avs is also fulfilled.
Das niederfrequente Signal wird am Vorverstärker 12 verstärkt und anschließend dem Frequenzanalysator 13 zugeführt. Der Frequenzanalysator 13 ist ein sogenannter Reai-Time-Analysator und besteht aus einer großen Zahl von parallel geschalteten Festfrequenzfiltern, an denen das Signal gleichzeitig ansteht Es können sowohl analog als auch digital arbeitende Frequenz-Analysatoren benutzt werden, z. B. auch ein Fourier-Analysator. Das Ausgangssignal an den Filtern im Frequenzanalysator 13 wird durch den Scanner 14 rechnergesteuert abgetastet und im Rechner 15 gespeichert. Aus den gespeicherten Daten bestimmt der Rechner die Halbwertsbreite Δν der Frequenzverteilung unter gleichzeitiger Glättung des mit statistischen Schwankungen behafteten Signals. Anschließend ermittelt der Rechner 15 den mittleren Teilchendurchmesser d undThe low-frequency signal is amplified at the preamplifier 12 and then fed to the frequency analyzer 13. The frequency analyzer 13 is a so-called real-time analyzer and consists of a large number of fixed frequency filters connected in parallel, on which the signal is present at the same time. Both analog and digital frequency analyzers can be used, e.g. B. also a Fourier analyzer. The output signal at the filters in the frequency analyzer 13 is scanned by the scanner 14 under computer control and stored in the computer 15. From the stored data, the computer determines the half- width Δν of the frequency distribution while at the same time smoothing the signal with statistical fluctuations. The computer 15 then determines the mean particle diameter d and
D,k]D, k]
KnTK n T
l.-i ,,(I,l.-i ,, (I,
Δν, ist, wie oben erläutert, die halbe Halbwertsbreite de; |-, gemessenen homodynen Frequenzspektrums des Streu lichts, k, der Streuvektor, der wesentlich eine Funktior desStreuwinkelsö,ist.As explained above, Δν is half the width at half maximum de; | -, measured homodyne frequency spectrum of the scattered light, k, the scatter vector, which is essentially a function of the scattering angle.
Man erhält so einen Wertesat/, von Teilchendurch messern c/„ die als Häufigkeitsdichte interpretiert wird An diese Häufigkeitsdichte wird dann die logarithm! sehe Normalverteilung, die durch die beiden Parametei d und ο gekennzeichnet ist, unter der Bedingung de; kleinsten Fehlerquadrates optimal angepaßt.This gives a set of values /, of particle diameters c / ", which is interpreted as the frequency density. The logarithm is then used for this frequency density! see normal distribution, which is characterized by the two parameters d and ο, under the condition de; optimally adapted to the smallest error square.
Die Rechnerausgabe erfolgt durch einen Schreibe! oder Γ-ucker 16, der Bedienungsdialog mit den Rechner durch die Bedienungseinheit 17.The computer output is done by a letter! or Γ-ucker 16, the operating dialog with the Computer through the control unit 17.
Die Steuerung der Meßapparatur erfolgt vollautoma tisch durch den Rechner 15, dzr im Echtzeitbetrieb arbeitet. Neben den bereits erwähnten Rechen- unc Speicherfunktionen werden folgende Steuerfunktioner durch den Rechner ausgeführt:The control of the measuring apparatus takes place fully automatically table by the computer 15, dzr works in real time. In addition to the computing and storage functions already mentioned, the following control functions are carried out by the computer:
1. Schließen der Blende 9 im Laserprimärstrahl zui Bestimmung des Rauschpegels.1. Close the aperture 9 in the primary laser beam to determine the noise level.
2. Einstellung des Winkels Θ, zur Messung de; gestreuten Lichts nach einem vorgewählten Winkelprogramm. 2. Setting the angle Θ, for measuring de; scattered light according to a preselected angle program.
3. Ermittlung und Anpassung des optimalen Verstärkungsgrades des Vorverstärkers 12 an die Intensi-3. Determination and adaptation of the optimal gain of the preamplifier 12 to the intensity
4. Einstellung der Integrationszeit der Filter irr Frequenzanalysator 13.4. Setting the integration time of the filters in the frequency analyzer 13.
5. Einstellung der Anzahl, Frequenz und Reihenfolge der Signalabfrage am Ausgang der Filter durch der Scanner.5. Setting the number, frequency and sequence of the signal polling at the output of the filter by the Scanner.
6. Überwachen auf Übersteuerung der Frequenzfiltet 8 und des Photovervielfachers 11.6. Monitoring for overloading of the frequency filter 8 and the photomultiplier 11.
Die automatische Steuerung der Meßfunktion e. aubi eine wesentliche Verkürzung der Analysenzeit. Der Rechner steuert die Integrationszeit der Filter im Frequenzanalysator 13, die Reihenfolge und die Zahl der Abtastungen in der Weise, daß die Meßzeit bei einer vorgegebenen Meßgenauigkeit minimal wird. Diese Steuerung des Meßvorganges ermöglicht eine komplette Teilchenanalyse in wenigen Minuten bei minimalem Bedienungsaufwand. Im Gegensatz dazu liegen die Analysenzeiten bei anderen vergleichbaren Meßverfahren zwischen einigen Stunden und einigen Tagen. Die Bedienung beschränkt sich auf das Einfüllen der Probe in die Meßküvette 8 und einige analysenspezifische Eingaben an der Bedienungseinheit 17 im Dialog mit dem Rechner 15. Der gesamte Meßvorgang bis zum fertigen Protokoll und die Rückführung des Gerätes in einen definierten Ausgangszustand wird also von der Meßapparatur selbstätig ausgeführtThe automatic control of the measuring function e. aubi a significant reduction in the analysis time. The computer controls the integration time of the filters in the Frequency analyzer 13, the order and the number of samples in such a way that the measurement time at a predetermined measurement accuracy is minimal. This control of the measuring process enables a complete Particle analysis in a few minutes with minimal effort. In contrast, the Analysis times for other comparable measuring methods between a few hours and a few days. the Operation is limited to filling the sample into the measuring cell 8 and some analysis-specific Entries on the operating unit 17 in dialogue with the computer 15. The entire measuring process up to The finished protocol and the return of the device to a defined initial state is therefore handled by the Measuring apparatus carried out automatically
Hierzu ft Blatt 7.cichnuncenFor this purpose sheet 7.cichnuncen
Claims (4)
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