光散射法在粒径分析中的应用

衍射散射/小角前向散射法
光电探测器一般由3wenku.baidu.com个半圆环组成
• 衍射法是测量颗粒在前向某一小角度范围内的散射光能分布，从中求得颗粒的
粒径大小和分布，为此又称为小角前向散射法。 • 其测量上限可达1000 μm或更大，测量下限为1μm。在引入后向散射及侧向散射 后，下限可达0.05μm。 • 由激光器(一般为He—Ne激光器或半导体激光器)发出的光束经滤波和扩束后成 为一直径约为8—10 mm的平行单色光，照射到测量区中的颗粒群时便会产生光 的衍射现象。
光散射法在粒径分 析中的应用
姚轩宇 11307110069
光散射法概述
• 颗粒粒径的测量方法主要有：筛分法、显微镜 法、沉降法、电感应法(库尔特法)和光散射法。 其中光散射法是近年来最为广泛使用的一种颗 粒测量方法，它属光学法，但与显微镜法不同， 不是光学成像法。
光散射法：特点与分类
(1)适用性广。固体颗粒(粉末)、液滴、气泡都可以测量
MIE散射的应用： 多角度激光光散 射技术
Wyatt Technology 公司
MIE散射的应用：多角度激光光散射技术
• 来自He—Ne激光器的光束经空间滤波器改善断面上光能分布的 均匀性后。经透镜聚焦形成一细小明亮的束腰，在束腰中定义一 测量区A，其容积要足够小，使得每一瞬间只有一个颗粒流过。 被测介质(液体或气体)由一进样系统送入仪器并流经测量区A。 • 当存在于介质中的颗粒经过测量区时，被入射激光照射产生散射 光，多个角度下的散射光由光学系统采集，经光电系统转化成电 信号。根据光学系统所采集到的散射光信号可以确定颗粒的粒径 大小。 • 待下一个颗粒流过测量区A时，光电系统又给出一个与其粒径相 应的电信号。因此，测量到的是一个又一个的电脉冲，脉冲数就 是颗粒数。
衍射散射（FRAUNHOFFER散射）
由此可见，各暗环半径R是与圆球直径D相对应的，测得R1，即可求出D。由 (4.10a)式还可以得出如下结论：小颗粒的散射角大，大颗粒的散射角小。这就是 激光光散射法测量粒度分布的最基本原理。
FRAUNHOFFER散射的应用
• 对于无规排列的具有相同直径的颗粒群（即单分散颗粒群），其 衍射图样与单个颗粒的衍射图样相同，只是衍射光强度增至的倍 数等于散射区内的颗粒数目。由于颗粒位置的随机性导致散射光 位相的随机性，因此总散射强度可以是各粒子散射光强的总和(非 相干叠加)。 • 激光经透镜组扩束成直径约8毫米的平行光，此平行光穿过颗粒群 后产生衍射，在接受透镜（Fourier变换透镜）的后聚焦平面被一 多元光电探测器所检测。多元光电探测器由多个同心的半圆环光 电探测器以及中间的一个小孔组成，各个半圆环光电探测器之间 互相绝缘，小孔的后面为另一个光电探测器。
(7)在线测量。避免了由此可能产生的各种偏差，也不会对被测对象或测量环 境造成干扰，测量结果更符合真实情况。
光散射基础知识
光散射基础知识
• 复折射率：
N n n 'i
• 不相关散射与相关散射
• 单散射与复散射
I0 I s 2 2 (i1 i2 ) MIE散射 8 r * i1 S1 ( N , , ) S1 ( N , , ) * i2 S2 ( N , , ) S2 ( N , , )
动态光散射
• 试样池c中盛有待测纳米颗粒试样的悬浮液，来自激光器的光束 经光学系统聚焦后照射到试样池中，测量区中的颗粒群受到激 光的照射产生散射光。
• 在某一角度口下采集其散射光。由于纳米颗粒不断地做随机的 布朗运动。布朗运动使得颗粒相对于光电倍增管的距离改变， 各颗粒之间的相位也不断地变化。此外，布朗运动使颗粒不断 地“进入”和“离开”光束，这就使得光电倍增管所接收到的 散射光信号围绕某一平均值随时间不断地起伏涨落。
• 当试样的粒径较小时，其布朗运动较快，散射光信号的起伏涨 落也相应地较快；反之，当粒径较大时，颗粒的布朗运动较慢， 散射光信号的起伏涨落也就较慢。散射光信号的瞬时变化中包 含有被测试样粒径大小的信息。
动态光散射
“在相同时间内，分子尺寸大的粒子引起光强 度波动较小粒子慢”
动态光散射
MIE散射
a 和b 称为Mie 系数，它们与球形颗 粒的大小、颗粒和介质的复折射率 m有关。
MIE散射
• 从中可以很容易看出，在入射方向上，散射强度为最强，然后随着 角度增加，散射强度很快减小。 • 随着无因次参量α 的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向 散射强于后向散射。随着α 进一步增大，散射光几乎全部集中在前 向θ = 0的附近，这种现象称米氏效应。
“根据Mie理论可知，颗粒的散射光分布与粒 径相关，粒径不同时，散射光的分布就不 同。”
更小的颗粒 V2.0
• 动态光散射/光子相关光谱法
• 光子相关光谱法(PCS)的测量下限约为3～5nm，上限 为2～3μm，正是纳米颗粒的粒径范围。因此，在纳米 颗粒的测量中获得了广泛应用。 • 光子相关光谱法的测量原理是建立在颗粒的布朗运动 基础之上的。
衍射散射（FRAUNHOFFER散射）
衍射散射（FRAUNHOFFER散射）
Fraunhoffer圆球衍射
圆球直径为D，迎光截面积 a， 颗粒尺寸参数 α，P点对于圆球 中心的张角（称为半径张角，即 散射角）为θ，圆球中心到观察 平面的距离为r
a I ( ) 2 2 r
2
2 J 1 ( sin ) sin I 0
“当散射颗粒的线度远比波长小时， 即颗粒粒度特征量α =π d λ <<1， Mie 解的近似式就是瑞利公式，这 种情况下的散射称瑞利散射。”
瑞利散射光强的矢极图
分子散射、与粒径无关、散射光强与波长的四次方成反比，与 粒径的六次方成正比。在瑞利散射范围内，散射光随散射角的 分布图形都是一样的，前向散射与后向散射呈现处对称性
MIE散射
• 从中可以很容易看出，在入射方向上，散射强度为最强，然后随着角度增加， 散射强度很快减小。 • 随着无因次参量α 的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向散射强于后 向散射。随着α 进一步增大，散射光几乎全部集中在前向θ = 0的附近，这种现 象称米氏效应。
MIE散射
RAYLEIGH散射
(2)粒径测量范围广：测量范围从几个纳米到1000μm (3)测量准确，精度高，重复性好。测量误差可以限制在l％
一2％之内。
(4)测量速度快，试样的一次测量可以在很短的时间内完 成，实时性好。
(5)需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数少，少数情况
下，只要知道被测颗粒的相对折射率即可。 (6)仪器的自动化和智能化程度高
2
Mie散射具有（1）散射光强度随角度分布变得十分复杂，粒子相对于波 长的尺度越大，分布越复杂。（2）当粒子的尺度加大时，前向散射与后 向散射之比随之增加，结果使前向散射的波瓣增大。（3）当粒子尺度比 波长大时，散射过程和波长的依赖关系就不密切了，这一点可以从云一 般是发白的现象推测到。白色的云和蓝色天空反映了两种不同类型的散 射。
2
a D2 / 4 D /
衍射散射（FRAUNHOFFER散射）
• 唯象地说，颗粒的散射问题可归结为颗粒对入射光的衍射(Diffraction)、 入射光在颗粒表面的反射(Reflection)和进入颗粒的折射效应(Refraction)这 三个部分构成。衍射与颗粒的折射率无关，而反射和折射则与颗粒折射 率相关。 • 当散射体的线度比波长大很多时，前向小角度范围内的散射主要由衍射 引起，称这种散射为衍射散射。 • 这种散射的主要特点是与材料性质(如折射率)和表面条件无关，而取决 于颗粒的形状和大小，散射图形明亮而且集中在前方。根据衍射图形的 形状和尺寸即可确定颗粒的形状和尺寸。根据衍射的性质，散射体越大， 衍射光图形越向中心靠拢。所以对很大的散射颗粒，尽管对整个散射光 来说，几何光学的作用是显著的，但是就角度很小的前向散射光仍然是 衍射效应为主。正是这个缘故，前向的小角散射与散射颗粒的折射率关 系不大，利用前向散射测量颗粒尺寸范围也较大。
MIE散射
I0 I s 2 2 (i1 i2 ) 8 r * i1 S1 ( N , , ) S1 ( N , , ) * i2 S2 ( N , , ) S2 ( N , , )
2
a 和l b 称为Mie 系数，它们与 球形颗粒的大小、颗粒和介质 的折射率有关。
更小的颗粒？
• 当待测颗粒的直径D与入射光的波长λ 相当时， 衍射散射理论不再适用。考虑到大多数激光 粒度分布仪使用的都是波长为632.8 nm的 He-Ne激光，因此基于衍射散射理论所能测 量的颗粒粒径的下限约为1 μ m。如果要测量 粒径更小的颗粒群的粒度分布，就需要使用 严格的Mie散射理论。