SU1485070A1

SU1485070A1 - Способ определения среднего размера и концентрации светорассеивающих частиц и устройство для его осуществления

Info

Publication number: SU1485070A1
Application number: SU874270758A
Authority: SU
Inventors: Oleg V Angelskij; Petr P Maksimyak
Original assignee: Univ Chernovitskij G
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1987-04-20
Publication date: 1989-06-07

Description

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к оптическим способам и устройствам контроля дисперсных сред , может найти приИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к оптическим способам и устройствам контроля дисперсных сред, и может найти применение в микробиологии, медицине, электронной и химической промышленностях, а также. при контроле загрязнения окружающей среды.

Цель изобретения — повышение точности, сокращение времени анализа и его упрощение.

На фиг. I изображена блок-схема устройства, реализующего .способ определения среднего размера и концентрации светорассеивающих частиц; на фиг. 2 — схема интерферометра поперечного сканирования; на фиг. 3 — типичный вид поперечной

2

менение в микробиологии, медицине, электронной и химической промышленности при контроле загрязнения окружающей среды. Целью изобретения является повышение точности, сокращение времени анализа и упрощение. Среду с исследуемыми частицами подвергают зондированию параллельным пучком высококогерентного света. Прошедший через среду свет расщепляют амплитудно на два пучка равной интенсивности, которые соосно смешивают, формируя в плоскости фотоприемника интерференционную картину от ансамбля светорассеивающих частиц, Последовательно смещая в поперечном направлении две составляющие расщепленного пучка друг относительно друга, определяют полуширину поперечной корреляционной функции, а также усредненное значение по- <5 перечной функции когерентности, из которых находят средний размер частиц и концентрацию частиц в среде. 2 с. п. ф-лы,

3 ил.

корреляционной функции Г(р) в зависимости от величины поперечного смещения р.

Устройство содержит источник 1 излучения, телескопическую систему 2, оптическую кювету 3, интерферометр 4 поперечного сканирования,объектив 5,апертурную 6 и полевую 7 диафрагмы, фотоэлектрический блок 8 регистрации.

Интерферометр 4 поперечного сканирования состоит из первой 9 и второй 10. идентичных, склеенных большими основаниями трапецеидальных призм и с углами у оснований, равными 45°, и плоского зеркала 1 1. На большом основании первой призмы 9 нанесено полупрозрачное светоделящее покрытие, а на ее малом основании — зеркально-отражающее покрытие. Плоское зер511 ,,,, 1485070

1485070

кало 1 1 находится в оптическом контакте с малым основанием второй призмы 10 посредством слоя иммерсионной жидкости 12 с показателем преломления, равным показателю преломления материала призмы, и $ связано с механизмом 13 юстировки и микроперемещения, обеспечивающем смещение в направлении, нормальном к его плоскости.

Способ определения среднего размера и концентрации светорассеивающих частиц поясняется на примере работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает излучение одномодового лазера. Телескопическая система 2 служит для расширения пучка и 15 формирования волны с плоским фронтом.

При прохождении этой волны через исследуемую среду, помещенную в плоскопараллельную кювету 3, происходит рассеяние излучения. Рассеянное излучение попадает в интерферометр 4 поперечного сканирования. В интерферометре обеспечивается расщепление пучка на две равноинтенсивных составляющие, взаимное поперечное смещение расщепленных составляющих и последующее их смещение. Объектив 5 прое- 25 цирует изображение ансамбля светорассеивающих частиц в плоскость полевой диафрагмы 7, непосредственно за которой расположен фотоэлектрический блок 8 регистрации. Апертурная диафрагма 6 позволяет ограничивать спектр принимаемых прост- 30 ранственных частот поля рассеянного излучения.

Путем измерения интенсивностей результирующего поля 1_Махс и 1_Ьин для разностей хода пучков в плечах интерферометра соответственно О и λ/2 по формуле 35

V = Г (О) = -Гмалсс 4“ I миц

определяют видность V или степень когерентности Г (О) изображения ансамбля дд светорассеивающих частиц при нулевом относительном смещении между пучками. Аналогично определяют степень когерентности поля для различных поперечных смещений между пучками. Поперечное смещение осуществляют перемещением зеркала 11 с по- 45 мощью механизма 13 микроперемещения.

Поперечная функция Ц (у) когерентности граничного поля излучения, прошедшего через светорассеивающую среду, несет информацию о корреляционной функции ф_г (р) изображения системы частиц и связана с 50 ней следующим соотношением:

<1 (р) = Фг (р) + ι~, (1)

Нормированная поперечная корреляционная функция Ф<($/ф_о(0) изображения монодисперсного ансамбля N частиц соответствует нормированной корреляционной функции фДу) изображения для одной частицы:

Щ ₌2Й:<?) (?)_ ₌ 44 (£1

ψ_ζ(0) Ν%(0) 44,(0)’

(2)

Для сферической частицы радиуса К величина ф„ (ίΓ/Φο(0) определяется площадью перекрытия наложенных изображений частицы в зависимости от поперечного смещения р между центрами изображений частицы:

/^{<²- "К² агс51п£-].

(3)

При ρ = 2К, φ_Ή (Г>) = 0, т. е. по нулевому значению поперечной корреляционной функции изображения частиц, можно определить их радиус. Однако переход ф„ (р) 0

довольно плавный, поэтому возникает погрешность определения К. Эта погрешность особенно существенна для полидисперсного ансамбля частиц. Более эффективным является определение К по полуширине корреляционной функции. Решение уравнения (3) для случая, когда фДр) = 1/2, дает

К=1,238р„. (4)

Для полидисперсного ансамбля частиц К соответствует среднему значению радиусов частиц.

Объемную концентрацию С светорассеивающих частиц определяют из следующих соображений. Пусть 5_О — площадь поперечного сечения падающего пучка, а 5 — суммарное сечение светорассеивающих частиц. Определив на основании предыдущих измерений Р, получаем, что

5 = ΝπΡ²,

где N — число светорассеивающих частиц в объеме (ά — геометрическая толщина кюветы).

Тогда объемная концентрация частиц

Л/ _ 5

^С 8„ ά 8_ояРМ (5)

Значение’ ί^, определяется видностью интерференционной картины при поперечном смещении р >>2Р. Из предположения пропорциональности интенсивностей поля поперечному сечению падающего пучка получаем

где 1^ — когерентная составляющая, обусловленная нерассеянным пучком и равная усредненному значению поперечной функции Г_г когерентности.

1ма.кс4~ Тни

Бикс = 4 (5_О—25) ф- 25; 1^«= 25,

Тогда

р — V — 1мии __ |__К

5

1485070

ό

откуда 5 = (

4-ΤΧο

2-П

)5,,

_тогда с « (1^-ξ) . (6)

Для полидисперсного ансамбля рассеивающих частиц соотношение (6) выполняется хуже. Погрешность в определении С тем больше, чем больше отклонение от монодисперсности.

Таким образом, полуширина ψ_Η(ρ) дает значение К. По отношению (6) определяем С.

Повышение точности, экспрессное™ и сни жение трудоемкости в предлагаемом способе и устройстве, его реализующем, достигается за счет того, что операция статического осреднения локальных значений поля осуществляется здесь интерференционно уже в оптическом тракте.

10

15

20

Claims

Формула изобретения

1. Способ определения среднего размера и концентрации светорассеивающих частиц, включающий зондирование среды с иссле- 25 дуемыми частицами параллельным пучком когерентного света, измерение интенсивности прошедшего через среду светового излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, сокращения времени анализа и его упрощения, прошедший среду све- 30 товой пучок амплитудно расщепляют на две составляющие равной интенсивности, соосно смешивают эти две составляющие, формируют изображение ансамбля светорассеивающих частиц в плоскости приемного фоторегистратора, производят последовательное 35 поперечное смещение смешиваемых составляющих прошедшего светового пучка друг относительно друга, для каждого положения поперечного смещения составляющих в плоскости приемного фоторегистратора измеряют вндность результирующей интерференцион- ⁴⁰

ной картины, определяют поперечную функцию когерентности поля рассеянного излучения, из которой находят полуширину р_псоответствующей ей корреляционной функции и усредненное значение Γθ, поперечной функции когерентности, при этом радиус К и концентрацию С светорассеивающих частиц определяют из соотношений

К = 1,238^;

^{с (}2—Ιί.2κν

где ά — геометрическая толщина слоя исследуемой среды.
2. Устройство для определения среднего размера и концентрации светорассеивающих частиц, содержащее источник высококогерентного светового излучения, на оптической оси которого последовательно размещены элемент расширения пучка, оптическая кювета с исследуемой средой, полевая диафрагма, приемный фоторегистратор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены последовательно размещенные по ходу луча между оптической кюветой и полевой диафрагмой интерферометр поперечного сканирования, объектив и аппертурная диафрагма, причем интерферометр поперечного сканирования выполнен в виде первой и второй трапецеидальных призм с углами у больших оснований, равными 45°, плоского зеркала и механизма микроперемещения, при этом первая и вторая трапецеидальные призмы склеены большими основаниями, большое и малое основания первой трапецеидальной призмы снабжены соответственно полупрозрачным и зеркальноотражающим покрытиями, плоское зеркало, установленное в оптическом контакте с малым основанием второй трапецеидальной призмы при помощи иммерсионной жидкости, соединено с механизмом микроперемещения.

7 4

фиг.1

6

1485070

/⁷^