SU913171A1 - Способ дисперсного анализа частицi - Google Patents

Description

Изобретение относится к технике измерения размеров, концентрации и характеристик движения частиц, взвешенных в газах или жидкостях, и может найти применение в механике, химии, геофизике при контроле загрязнения окружающей среды.

Известен способ измерения дисперсионного состава аэрозолей, включающий освещение исследуемых частиц и измерение интенсивности света, рассеянного каждой частицей, либо их ансамблем под определенными углами, по которой судят о размерах этих частиц [ 13.

Недостатком этого способа является сравнительно низкая разрешающая способность.

Известен также способ, имеющий более высокую разрешающую способность ИОднако данный способ требует обеспечения прососа исследуемых частиц через измерительный объем, поддержания

2

с высокой точностью постоянства скорости прососа, принятия мер по предотвращению попадания в рабочий объем 2-х и более частиц одновременно и т.д. Кроме того, общим недостатком известных способов является невозможность определения пространственного положения частиц.

Известен способ дисперсионного анализа, включающий освещение и формирование изобраххений исследуемых частиц, измерение размеров полученных изображений, по которым судят о размерах самих частиц. При этом некоторое повышение разрешающей способности достигается применением освещения по методу темного поля[^.

Однако указанным методом невозможно определять размеры частиц, диаметр которых менее дифрационного предела, разрешающей способности оптики, т.е.

.^О,6Ц

3 9,

где ά - минимальный размер частицы, который может быть измерен;

Л " длина волны источника света;

А - численная апертура объектива в пространстве предметов.

При использовании известного способа для дисперсионного анализа частиц, находящихся в объеме, апертура объектива А не должна превышать О,ΙΟ,2, поскольку в противном случае исследуемые объекты будут находится на малых расстояниях от-передней поверхности линзы объектива (менее 10 мм), осаждаться на нее и ухудшать изображение. Следовательно, при измерении частиц в объеме величина ά оказывается >3~5 мкм. Кроме того, известный метод не позволяет определить координаты частиц в·пространстве, если их размеры

Цель изобретения - повышение разрешающей способности и определение координат частиц в пространстве

Поставленная цель достигается формированием изображений с увеличением .

• 0,'6Ί ·λ· N ¹

где А - численная апертура объектива в пространстве предметов;

λ - длина волны источника света;

N - разрешающая способность регистратора

и измерением диаметра центрального максимума в дифракционной картине Эйри и внешнегодиаметра расфокусированного изображения частиц на фиксированном уровне, интенсивности и распределения интенсивности в изображении.

На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа .

Частичка малых размеров 1 (фиг.1) освещается световым пучком 2 и находится в плоскости наводки 3 оптической системы (либо, в простейшем случае, объектива) 4. Изображение 5 фиксируется в плоскости регистратора 6 .

Заменим частицу 1 точечным источником света, тогда изображение 5 точечного источника 1 формируется в плоскости 6 также в виде точки, οοι— ласно законам геометрической оптики. Однако вследствие дифракции на входном зрачке оптической системы в плос71 4

кости регистрации изображение 5 имеет вид чередующихся светлых и темных колец, так называемая картина Эйри, с распределением интенсивности, показанным на фиг.2 (кривая 7). Длительность фронтов нарастания и спада центрального максимума όγ определяет (по Релею) разрешающую способность объектива 4 в пространстве изображений. С изменением интенсивности источника происходит уменьшение амплитуды центрального и боковых мак-* симумов в изображении; величина <Г остается неизменной и определяется толь ко параметрами оптической системы.

При формировании изображений протяженных объектов, для которых <3 и,

(. 0 .-минимальный размер объекта),

$ -определяет степень размытия границ изображений в плоскости регистратора. Распределение интенсивности в изображении в этом случае имеет вид фиг.З·

В качестве регистратора используют как правило, либо фотопленку, либо пе редающую телевизионную трубку, на фотокатод которой проецируется изображение. Каждый из этих регистраторов имеет собственную разрешающую способность, определяющуюся размерами светочувствительных элементов. В фотогра фической и телевизионной технике параметры оптической системы подбирают таким образом, чтобы разрешающая способность объектива была выше разрешающей способности регистрирующей системы. Это значит, что величина $ у оптической системы должна быть мень ше элемента светочувствительного слоя регистратора. Например, для передающих телевизионных трубок диаметр ячейки фотокатода (как и диаметр пятна электронного луча считывающего изображения) составляет 20-40 мкм, поэтому объектив оптической системы должен иметь разрешение

хд, 20-40 0<-£-, мкм

Р

а так как л 0,61Λ

'М—¹⁰

где N - разрешающая способность, лин/нм (А, мм).

В противном случае заметны плавные переходы у резких границ изображений, т.е. теряется четкость. Величина

А

и' 0,6ϊ·λ' N

5

913171

6

определяет максимальное значение полезного увеличения оптической системы .

Рассмотрим далее структуру изображения объекта диаметром 5

Здесь, как и в случае точечного источника, изображение имеет вид чередующихся светлых и темных колец (фи г. 2)10 Радиус первого темного кольца также определяется дифракцией на входном зрачке оптической системы. И если кривая 7 на фиг. 2 отражает распределение интенсивности частиц диаметром 15 с]ц~ °^/· , ^{то П}Р^И 8 ^< 8¼ и той же интенсивности источника получают кривые 8 и 9 (8^7 8^). Иными словами, уменьшение размера частицы приведет лишь к уменьшению контраста ее изоб- 20 режения.

Таким образом, спроектировав эти изображения, например, на фотокатод передающей телевизионной трубки,и ^змерив амплитуду видеоимпульса от 25 них, можно связать ее значение с диаметром объекта и получить сведения о размерах частиц, меньших, разрешающей способности оптической системы.

При этом оказывается, что если изоб- зо ражение формируется по методу светлого поля, то даже незначительные ·' уменьшения размеров объектов (в 1,5~

2 раза по сравнению с 8ц)приводят к существенному уменьшению амплитуды ₃₅ видеоимпульса и, практически, невозможности его анализа из-за наличия шумов и ограниченной контрастной чувствительности регистраторов. Более приемлемо в этом смысле формирова- ₄₀ ние изображения по методу темного поля, поскольку амплитуда видеоимпульса в этом случае зависит, кроме размера частицы, еще и от интенсивности источника, увеличивая которую ₄₅ можно значительно расширить диапазон регистрируемых частиц в сторону малых размеров. Причем режим темного поля может быть реализован любым известным способом. _5θ

Однако если оптическая система имеет увеличение < рсйдн ’ то часть частиц (при их случайном распределении в плоскости наводки? будет потеряна для анализа, поскольку их изоб- ⁵⁵ ражения могут спроектироваться в промежутки между строками растра ( в случае телевизионного регистратора), размеры которых имеют тот же порядок, что и сами строки.

Чтобы этого не произошло, в предлагаемом способе увеличение выбирается из условия р>7 Далее, из

фиг. 2 следует также, что, кроме отличия по амплитуде, импульсы от час тиц различных размеров имеют и различную длительность, если ее измерять на некотором фиксированном пороге 11^ т.е. имеется возможность определять размер частиц не только по амплитуде, но и по длительности импульса от их изображений, что в случае телевизионного регистратора является более удобным.

Все выше изложенное относится к частицам, находящимся в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью регистратора 6 (фиг.1), так называемой плоскости наводки оптической системы, При измерении частиц, движущихся в объеме произвольным образом, оказывается, что только часть из них попадает в плоскость наводки и может быть измерена посредством выполнения выше перечисленных операций. Для анализа микрообъектов, не попавших в плоскость наводки, в предлагаемом способе используется тот факт, что изображение такой частицы формируются в риде кружка рассеяния, диаметр 2р которого определяется только парамет рами оптической системы и величиной смещения частицы относительно плоскости наводки X (фиг.1)

Я·

где 8 - радиус выходной линзы объектива;

ί - фокусное расстояние.

Это позволяет как селектировать объекты, находящиеся вне плоскости наводки, так-и определять величину смещения д X частицы относительно этой плоскости. Кроме того, как показывают эксперименты, распределение интенсивности внутри кружка рассеяния зависит от направления смещения частицы.

Способ осуществляется следующим образом.

Собирают устройство по фиг.1 причем увеличение оптической системы выбирают из условия β? н~ » Затем проводят калибровку. Пропускают последовательно частички различных ( известных ) размеров перпендикулярно

7

913171

8

оптической оси объектива 4 таким образом, чтобы они проходили в плоскости наводки 3. Измеряют амплитуду видеоимпульса (в случае телевизионного регистратора) и размер центрального максимума дифракционной картины Эйри для каждого размера. Строят градуировочные кривые зависимости амплитуды видеоимпульса и размера изображения· от размера частиц, которыми пользуются в дальнейшем при измерениях. Затем помещают·частички на пред метное стекло и устанавливают последнее в плоскость 3 (фиг.1). С помощью подвижки подфукусируют изображение. Перемещая предметное стекло с частичками вдоль оптической оси объектива, снимают зависимость диаметра. внешнего кольца дифракционного изображения от величины смешения ДХ. Этой зависимостью пользуются в дальнейшем при определении координат частиц в пространстве. После калибровки приступают к измерениям. Используемые частицы неизвестных размеров пропус- 25 кают перед объективом 4 и освещают их от импульсного источника света. Определяют размер частиц, больших разрешающей способности оптики, известным способом. Для определения размеров частиц, меньших разрешающей споснобности оптической системы, измеряют амплитуду видеоимпульсов и диаметр центрального максимума на фиксированном уровне тех изображений, распределение интенсивности в которых имеет вид диска Эйри (фиг.2). По градуировочным кривым находят истинный размер частиц. Для определения координат частиц в пространстве измеряют внешний диаметр светлого кольца у расфокусированных изображений.

По градуировочной зависимости определяют величину смещения этой частицы Δ X от плоскости наводки 3, а по наличию или отсутствию пика интенсивности в центре изображения определяют с какой стороны от плоскости наводки находится частица в момент импульса. Используя серию импульсов, определяют траекторию, скорость и направление ее движения. Процесс измерения может быть автоматизирован.

Таким образом, за счет формирования изображения исследуемых объектов

15

20

30

35

40

45

50

55

с увеличением р> > ο£ΐ λν~ ’ ^измеР^ения

диаметра центрального максимума в диффракционной картине Эйри на фиксированном уровне, размера расфокусированного изображения частицы, интенсивности и распределения интенсивности по изображению появляется возможность измерять объекты, размеры которых значительно меньше дифракционного предела разрешения оптических систем, и их координаты в пространстве.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ дисперсного анализа частиц, включающий освещение исследуемых частиц, по методу темного поля и измерение размеров их изображений, о та ю щ и й с я тем, что, с повышения разрешающей способи определения координат часпространстве, измеряют диацентрального максимума в дифΛN лич целью ности тиц в метр

   ракционной картине Эйри от каждой частицы на фиксированном уровне, внешний диаметр расфокусированного изображения, интенсивность и распределение интенсивности в изображении и по измеренным параметрам судят о размерах и координатах частиц, причем изображение частиц формируют с увеличением

   β⁷ 0,61X · N '

   где А - численная опертура.объектива в пространстве предметов ;

   длина волны источника света; разрешающая способность регистратора изображений.