RU2183828C1

RU2183828C1 - Procedure determining indicatrix of diffusion of small angle

Info

Publication number: RU2183828C1
Application number: RU2000132585A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Мышкин; И.А. Тихомиров; В.Н. Цимбал; Б.П. Иваненко
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: instrumentation, granulometric analysis of aerosols. SUBSTANCE: in agreement with invention reference coherent beam is employed to divide flows of scattered radiation and radiation passed through scattering medium of optical radiation in plane of photodetector. Beams of reference radiation and radiation passed through scattering medium are focused. Focal spots of above-mentioned beams are matched in one of minima of interference picture. In this case period of interference picture of reference and sounding beams of optical radiation is chosen to be larger than diameters of focal spots of specified beams. EFFECT: simplified procedure of determination of indicatrix of diffusion in entire region of small angles, direction of angle of zero degree included. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам определения малоугловой индикатрисы рассеяния, и может быть использовано для определения гранулометрического состава аэрозолей. The invention relates to a control and measuring technique, in particular to methods for determining a small-angle scattering indicatrix, and can be used to determine the particle size distribution of aerosols.

Известен способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния, по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его на рассеивающую среду, пучок коллимированного оптического излучения, прошедший через рассеивающую среду, и поток рассеянного излучения направляют на клиновидную диафрагму, за которой регистрируют малоугловую индикатрису рассеяния [Оптико-электронные методы изучения аэрозолей/ С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В. В. Смирнов, Г.И. Щелчков. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 232 с.]. There is a method of determining a small-angle scattering indicatrix, by which a beam of collimated optical radiation is formed, directed to a scattering medium, a beam of collimated optical radiation transmitted through a scattering medium, and a scattered radiation stream are directed to a wedge-shaped diaphragm, behind which a small-angle scattering indicatrix is recorded [Optoelectronic aerosol study methods / S.P. Belyaev, N.K. Nikiforova, V.V. Smirnov, G.I. Clicks. - M .: Energoatomizdat, 1981. - 232 p.].

Недостатком такого способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния является возможность проведения измерений лишь за пределами пучка прошедшего через рассеивающую среду коллимированного оптического излучения. The disadvantage of this method of determining the small-angle scattering indicatrix is the possibility of taking measurements only outside the beam of collimated optical radiation transmitted through the scattering medium.

Известен также способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния [Кузнецов В. И. Оптико-механическая промышленность. 1958, т.8, 11], по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его через рассеивающую среду, пучок коллимированного оптического излучения, прошедший через рассеивающую среду, и поток рассеянного излучения направляют на призму полного внутреннего отражения перпендикулярно к грани, противолежащей углу 90^o, регистрируют интенсивности потоков оптического излучения, прошедших призму полного внутреннего отражения и имеющих одинаковые пространственные положения.There is also a method for determining the small-angle scattering indicatrix [Kuznetsov V. I. Optical-mechanical industry. 1958, v. 8, 11], which form a beam of collimated optical radiation, direct it through a scattering medium, a beam of collimated optical radiation passing through a scattering medium, and a stream of scattered radiation is directed to a prism of total internal reflection perpendicular to the face opposite angle 90 ^o , the intensities of the optical radiation fluxes transmitted through the prism of total internal reflection and having the same spatial position are recorded.

Недостатком устройства для определения малоугловой индикатрисы рассеяния является существенное искажение малоугловой индикатрисы рассеяния в области угла в 0^o, из-за того, что рассеянные пучки, падающие под углом, близким к углу полного внутреннего отражения испытывают как преломление, так и отражение. При этом лучи, рассеянные в направлении 0^o, также испытывают полное внутреннее отражение и не проходят до фотоприемника.The disadvantage of the device for determining the small-angle scattering indicatrix is a significant distortion of the small-angle scattering indicatrix in the region of an angle of 0 ^o , due to the fact that scattered beams incident at an angle close to the angle of total internal reflection experience both refraction and reflection. In this case, the rays scattered in the direction of 0 ^o also experience total internal reflection and do not pass to the photodetector.

Известен способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния [Шифрин К. С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию. В кн.: Теоретические прикладные проблемы рассеяния света. 1971, с. 228-244], по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его через рассеивающую среду. Собирают параллельные потоки оптических излучений: пучок, прошедший через рассеивающую среду, и пучки, рассеянные на ней на разные углы, - с помощью объектива, регистрируют мощности потоков оптических излучений, рассеянных на одинаковые углы в фокальной плоскости этого объектива, определяющих индикатрису рассеяния. There is a method of determining a small-angle scattering indicatrix [Shifrin K. S. The study of the properties of a substance by a single scattering. In: Theoretical applied problems of light scattering. 1971, p. 228-244], which form a beam of collimated optical radiation, direct it through a scattering medium. Parallel flows of optical radiation are collected: the beam passing through the scattering medium and the beams scattered through it at different angles — using a lens, record the powers of the flows of optical radiation scattered at equal angles in the focal plane of this lens, which determine the scattering indicatrix.

Недостатком способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния является ограничение диапазона углов измерения интенсивностей размером фокального пятна прошедшего рассеивающую среду пучка коллимированного оптического излучения. The disadvantage of the method for determining the small-angle scattering indicatrix is the limitation of the range of intensities measurement angles by the size of the focal spot of the beam of collimated optical radiation transmitted through the scattering medium.

Известен также способ измерения малоугловой индикатрисы рассеяния по авторскому свидетельству 1323927 [И.Л. Максимова, Л.П. Шубочкин, В. В. Тучин. Способ измерения индикатрисы рассеяния. Авт.св. 1323927 по МПК G 01 N 21/47, БИ 26 от 15.07.87], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что направляют пучок коллимированного излучения на рассеивающий образец. Дополнительно формируют пучок опорного излучения, когерентного с излучением, падающим на рассеивающий образец. За рассеивающим образцом пространственно совмещают пучок опорного излучения с пучком излучения, прошедшим рассеивающий образец. Для каждого угла (для определения интенсивности рассеянного излучения) измеряют интенсивности излучения в минимуме и максимуме полученной интерференционной картины, затем поочередно перекрывают пучки опорного и прошедшего через рассеивающий образец оптического излучения и измеряют интенсивности указанных пучков. Интенсивность рассеянного в требуемом направлении излучения определяют по формуле

где

контраст интерференционной картины;
I₁ - интенсивность пучка излучения, прошедшего рассеивающий образец;
I₂ - интенсивность пучка излучения, когерентного с излучением, падающим на образец.There is also a method of measuring a small-angle scattering indicatrix according to the copyright certificate 1323927 [I.L. Maximova, L.P. Shubochkin, V.V. Tuchin. A method of measuring the scattering indicatrix. Auto St 1323927 according to IPC G 01 N 21/47, BI 26 from 07.15.87], selected as a prototype, which consists in directing a beam of collimated radiation to a scattering sample. Additionally, a beam of reference radiation is formed, coherent with radiation incident on the scattering sample. Behind the scattering sample, the reference radiation beam is spatially aligned with the radiation beam transmitted through the scattering sample. For each angle (to determine the intensity of the scattered radiation), the radiation intensities are measured at the minimum and maximum of the obtained interference pattern, then the reference and transmitted optical beams are alternately blocked and the intensities of these beams are measured. The intensity of the radiation scattered in the desired direction is determined by the formula

Where

contrast interference pattern;
I ₁ - the intensity of the radiation beam transmitted through the scattering sample;
I ₂ - the intensity of the beam of radiation coherent with the radiation incident on the sample.

Недостатком способа измерения малоугловой индикатрисы рассеяния является сложная процедура определения интенсивности рассеяния на каждом угле, состоящая из пяти этапов и включающая измерение четыре раза величин потоков оптического излучения, а также математическую обработку измеренных величин. The disadvantage of the method for measuring the small-angle scattering indicatrix is the complicated procedure for determining the scattering intensity at each angle, consisting of five steps and including measuring four times the magnitudes of the optical radiation fluxes, as well as the mathematical processing of the measured values.

Задачей изобретения является упрощение способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния во всей малоугловой области (включая направление угла в 0^o).The objective of the invention is to simplify the method of determining the small-angle scattering indicatrix in the entire small-angle region (including the direction of the angle of 0 ^o ).

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения малоугловой индикатрисы рассеяния, по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, разделяют его на когерентные опорный и зондирующий пучки равной интенсивности, зондирующий пучок оптического излучения направляют через рассеивающую среду, затем пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, а также поток оптического излучения, рассеянного на рассеивающей среде на малые углы, и пучок опорного оптического излучения совмещают в плоскости, в которой регистрируют величины интенсивностей излучения. Согласно изобретению пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, и пучок опорного оптического излучения фокусируют в плоскости регистрации величины интенсивностей оптического излучения. При этом угол пересечения оптических осей опорного и зондирующего пучков оптического излучения выбирают так, чтобы период интерференционной картины указанных пучков превышал диаметры фокальных пятен опорного и зондирующего пучков. Одновременно фокальные пятна пучков зондирующего и опорного оптического излучения совмещают в одном из минимумов интерференционной картины. The problem is achieved in that in the method for determining the small-angle scattering indicatrix, by which a beam of collimated optical radiation is formed, it is divided into coherent reference and probe beams of equal intensity, the probing optical radiation beam is sent through a scattering medium, then a beam of collimated optical radiation transmitted through the scattering medium, as well as a stream of optical radiation scattered by small angles on a scattering medium, and a beam of reference optical radiation combine in the plane in which the values of the radiation intensities are recorded. According to the invention, a beam of collimated optical radiation transmitted through a scattering medium and a beam of reference optical radiation are focused in the registration plane of the magnitude of the intensities of the optical radiation. The intersection angle of the optical axes of the reference and probing beams of optical radiation is chosen so that the period of the interference pattern of these beams exceeds the diameters of the focal spots of the reference and probing beams. At the same time, the focal spots of the probe and reference optical radiation beams are combined in one of the minima of the interference pattern.

Положительный эффект достигается за счет того, что период интерференционной картины выбирают больше диаметров фокальных пятен пучков опорного и зондирующего оптического излучения. Поэтому в плоскости регистрации интенсивностей потоков рассеянного излучений интенсивность прошедшего рассеивающую среду зондирующего оптического излучения не превышает порога чувствительности используемого фотоприемника (за счет совмещения положения фокального пятна пучка прошедшего через рассеивающую среду зондирующего оптического излучения с пространственным положением интерференционного минимума), и регистрируют только рассеянное оптическое излучение. Это позволяет определять индикатрису рассеяния во всей малоугловой области, включая направление зондирующего пучка (направление в 0^o) путем проведения однократных замеров на каждом угловом положении. При этом сокращается общее время проведения измерений.A positive effect is achieved due to the fact that the period of the interference pattern is chosen more than the diameters of the focal spots of the beams of the reference and probing optical radiation. Therefore, in the plane of registration of the intensities of the scattered radiation fluxes, the intensity of the probing optical radiation transmitted by the scattering medium does not exceed the sensitivity threshold of the used photodetector (due to combining the position of the focal spot of the beam of the probing optical radiation transmitted through the scattering medium with the spatial position of the interference minimum), and only scattered optical radiation is recorded. This allows you to determine the scattering indicatrix in the entire small-angle region, including the direction of the probe beam (direction of 0 ^o ) by conducting single measurements at each angular position. This reduces the total measurement time.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния. The drawing shows an optical diagram of the proposed method for determining the small-angle scattering indicatrix.

В таблице приведена малоугловая индикатриса рассеяния. The table shows the small-angle scattering indicatrix.

Устройство для реализации способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния содержит источник когерентного оптического излучения 1, коллиматор 2, светоделительную пластину 3, поворотное зеркало 4, объективы 5, 6, фотоприемник 7. A device for implementing the method for determining the small-angle scattering indicatrix contains a coherent optical radiation source 1, a collimator 2, a beam splitter plate 3, a rotary mirror 4, lenses 5, 6, a photodetector 7.

В качестве источника когерентного оптического излучения 1 может быть использован любой лазер, имеющий необходимую мощность, например гелий-неоновый. В качестве коллиматора 2 могут быть использованы два фотообъектива, имеющих разные фокусные расстояния и позволяющие сформировать пучок оптического излучения необходимого диаметра. В качестве объективов 5, 6 могут быть использованы два одинаковых серийно выпускаемых объектива, в качестве фотоприемника 7 может быть использован фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). As a source of coherent optical radiation 1, any laser having the required power, for example helium-neon, can be used. As a collimator 2, two photo lenses with different focal lengths and allowing the formation of an optical beam of the required diameter can be used. As lenses 5, 6, two identical commercially available lenses can be used; as a photodetector 7, a photo-electron multiplier (PMT) can be used.

При реализации способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния формировали пучок коллимированного оптического излучения 8 гелий-неонового лазера ЛГ-79, диаметром 10 мм. Этот пучок коллимированного оптического излучения с помощью светоделительной пластины 3, представляющей из себя плоскопараллельную пластину из стекла К-8 толщиной 30 мм, разделяли на пучки опорного 9 (отраженный от светоделительной пластины) и зондирующего 10 (прошедший светоделительную пластину) оптического излучения. Светоделительную пластину 3, по отношению к направлению распространения коллимированного оптического излучения, устанавливали под углом ≈45^o. Мощности этих пучков выравнивали с помощью набора серых фильтров с общим коэффициентом ослабления в 15 раз, устанавливаемых в зондирующий пучок 10. Пучок зондирующего оптического излучения 10 с помощью поворотного зеркала 4 направляли на струю газа 11 диаметром не более 15 мм, содержащую частицы металлического железа диаметрами 25÷30 мкм. Пучки зондирующего оптического излучения: прошедший 12 и рассеянный 13 на разные углы в этой струе - с помощью объектива 6 (Юпитер-21М) фокусировали на плоскость подвижной диафрагмы 14 шириной 0,5 мм, перпендикулярно к ней. Пучок опорного оптического излучения 9 также фокусировали с помощью объектива 5 (Юпитер-21 М), имеющего фокусное расстояние 200 мм, световой диаметр 50 мм, на плоскости подвижной диафрагмы 14 под углом в 6^o к направлению зондирующего пучка. Фокальные пятна опорного пучка 9 и зондирующего пучка 10, прошедшего рассеивающую среду, оптического излучения сводили в одной точке на плоскости подвижной диафрагмы 14, совпадающей с областью наименьшей интенсивности одного из минимумов интерференционной картины. Расстояние между объективом 6 и газовой струей 11 устанавливали равным 200 мм. Период интерференционной картины при взаимодействии двух пучков оптического излучения длиной волны 0,6328 мкм, сходящихся под углом 6^o, составляет 6,04 мкм, который почти в 2 раза превышает диаметр фокального пятна, составляющего 3,1 мкм.When implementing the method for determining the small-angle scattering indicatrix, a beam of collimated optical radiation of an 8 LG-79 helium-neon laser with a diameter of 10 mm was formed. This beam of collimated optical radiation using a beam splitter plate 3, which is a plane-parallel plate of K-8 glass with a thickness of 30 mm, was divided into beams of the reference 9 (reflected from the beam splitter plate) and probe 10 (transmitted through the beam splitter plate) optical radiation. The beam splitter plate 3, with respect to the direction of propagation of the collimated optical radiation, was set at an angle of ≈45 ^o . The powers of these beams were aligned using a set of gray filters with a total attenuation coefficient of 15 times installed in the probe beam 10. A beam of probe optical radiation 10 was directed using a rotary mirror 4 to a gas stream 11 with a diameter of not more than 15 mm containing metallic iron particles with a diameter of 25 ÷ 30 microns. Beams of probe optical radiation: transmitted 12 and scattered 13 at different angles in this jet — using a lens 6 (Jupiter-21M), they were focused on the plane of movable diaphragm 14 with a width of 0.5 mm, perpendicular to it. The beam of reference optical radiation 9 was also focused using a lens 5 (Jupiter-21 M) having a focal length of 200 mm, a light diameter of 50 mm, on the plane of the movable diaphragm 14 at an angle of 6 ^o to the direction of the probe beam. The focal spots of the reference beam 9 and the probe beam 10, which passed through the scattering medium, of optical radiation were reduced at one point on the plane of the movable diaphragm 14, which coincided with the region of the lowest intensity of one of the minima of the interference pattern. The distance between the lens 6 and the gas stream 11 was set equal to 200 mm The period of the interference pattern in the interaction of two beams of optical radiation with a wavelength of 0.6328 μm, converging at an angle of 6 ^o , is 6.04 μm, which is almost 2 times the diameter of the focal spot of 3.1 μm.

За подвижной диафрагмой 14 располагали фотоприемник 7. Индикатрису рассеяния, находящуюся в горизонтальной плоскости, проходящей через фокальное пятно пучка зондирующего оптического излучения 12, прошедшего через рассеивающую среду 11, регистрировали с помощью фотоприемника 7, при сканировании подвижной диафрагмой 14 вдоль отрезка длиной 2 см со скоростью 30 м/с. Между подвижной диафрагмой 14 и фотоприемником 7 располагали клиновидную диафрагму 15 для уменьшения диапазона величин измеряемых потоков пучков рассеянного оптического излучения. Сигналы фотоприемника 7, в качестве которого использовали фотоэлектронный умножитель ФЭУ-114, запоминали с помощью осциллографа С8-12. Таким образом, малоугловую индикатрису рассеяния, в диапазоне углов [0^o, 5,7^o[, определяли за время ≈6,7•10^-4 с.A photodetector 7 was located behind the movable diaphragm 14. A scattering indicatrix located in a horizontal plane passing through the focal spot of the probe optical beam 12 passing through the scattering medium 11 was recorded using a photodetector 7 when scanning with a movable diaphragm 14 along a 2-cm-long segment at a speed 30 m / s A wedge-shaped diaphragm 15 was placed between the movable diaphragm 14 and the photodetector 7 to reduce the range of measured fluxes of scattered optical radiation beams. The signals of the photodetector 7, which was used as a photomultiplier tube FEU-114, were stored using a S8-12 oscilloscope. Thus, the small-angle scattering indicatrix, in the range of angles [0 ^o , 5.7 ^o [, was determined over a time of ≈6.7 • 10 ^-4 s.

В таблице приведена усредненная по времени экспериментально полученная малоугловая индикатриса рассеяния. Малоугловые индикатрисы рассеяния получены при зондировании излучением с длиной волны 0,6328 мкм потока воздуха, содержащего частицы металлического железа диаметрами 25÷30 мкм. Усредненная по нескольким реализациям малоугловая индикатриса рассеяния нормирована на величину мощности потока излучения, рассеянного в направлении угла 0^o.The table shows the time-averaged experimentally obtained small-angle scattering indicatrix. Small-angle scattering indicatrixes were obtained by probing by radiation with a wavelength of 0.6328 μm an air stream containing particles of metallic iron with diameters of 25–30 μm. Averaged over several implementations, the small-angle scattering indicatrix is normalized to the power of the radiation flux scattered in the direction of the angle 0 ^o .

Claims

The method for determining the small-angle scattering indicatrix, which consists in the fact that a beam of collimated optical radiation is formed, is divided into coherent reference and probe beams of equal intensity, the probing optical radiation beam is sent through a scattering medium, then a beam of collimated optical radiation transmitted through the scattering medium, and the flow of optical radiation scattered by small angles on the scattering medium and the beam of reference optical radiation are combined in a plane in which the radiation intensity values are recorded, characterized in that the beam of collimated optical radiation transmitted through the scattering medium and the reference optical radiation beam are focused in the plane of registration of the optical radiation intensities, while the intersection angle of the optical axes of the reference and probe optical radiation beams is selected so that the period of the interference pattern of these beams exceeded the diameters of the focal spots of the reference and probing beams, while the focal spots beams of probe and reference optical radiation are combined in one of the minimums of the interference pattern.