浅谈激光粒度仪散射理论(精选)

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1、浅谈激光粒度仪散射理论扌術要：文小从激光粒度仪的工作原理入手，简单概述了散射理论的发展历史，介绍了瑞利散射定律、米氏散射(Mie散射)、Fraunhofer衍射并对比了Fraunhofer衍射和Mie散射理论。一激光粒度仪的工作原理当光线通过不均匀介质时，会发生偏离其直线传播方向的散射现象，它是由吸收、反射、折射、透射和衍射的共同作用引起的。散射光形式屮包含冇散射体大小、形状、结构以及成分、组成和浓度等信息。因此，利用光散射技术可以测量颗粒群的浓度分布与折射率大小，还可以测量颗粒群的尺寸分布。激光粒度

2、仪的结构如图1所示。图1激光粒度仪的简单装置图由激光器(一般为He・Ne激光器或半导体激光器)发出的光束。经空间滤波器和扩束透镜后，得到了一个平行单色光束，该光束照射到由分散系统传输过来的颗粒样品后发牛散射现彖。研究表明，散射光的角度和颗粒直径成反比，散射光强随角度的增加呈对数衰减。这些散射光经傅立叶透镜后成像在排列有多环光屯探测器的焦平面上。多环探测器上的中央探测器用来测定样品的体积浓度，外围探测器用來接收散射光的能量并转换成电信号，而散射光的能量分布与颗粒粒度分布直接相关。通过接收和测量散射光的能

3、量分布就可以反演得出颗粒的粒度分布特征。二散射理论的发展史激光粒度仪主要依据Fraunhofer衍射和Mie散射两种光学理论。卜•面就激光粒度仪散射理论的发展丿力史作简要阐述：散射理论的研究开始于上一世纪的70年代。1871年，瑞利(LordRayleigh)首先提出了著名的瑞利散射定律，并用电子论的观点解释了光散射的木质〔门。瑞利散射定律的适用条件是散射体的尺寸要比光波波长小。1908年，米氏(G.Mie)通过电磁波的麦克斯韦方程，解出了一个关于光散射的严格数学解，得出了任意直径、任意成分的均匀粒子

4、的散射规律，这就是著名的米氏理论I?】。1957年，H.C.VandeHulst出版了关于微小粒子光散射现象的专著，总结了粒子散射的普遍规律，受到科技界人士的广泛注意，这本专著被认为是光散射理论领域的经典文献［习。1969年，M.Kerker系统论述了光及电磁波散射的一般规律，为散射理论的进一步发展做出了贡献［41o1983年，C.F.Bohren,O.R.Huffman综合前人的成果，乂发表了关于微小粒子对光散射及吸收的一般规律，更全面地解释了光的各种散射现象〔5〕。至此，散射理论的体系建立起来了。

5、1976年J.Swithenbank等人利用米氏理论在d»入吋(d为散射粒子的直径，X为光波波长)的近似式——夫琅和费(Franhofer)tW射理论发展了激光粒度仪〔6］,开辟了散射理论在计量测试屮的又一新领域。由于光散射法适用范围宽，测量时不受颗粒光学特性及电学特性参数的影响，因此在随后的三十年时间内已成为粒度计量屮最为重要的方式之一。三散射理论的介绍1.瑞利散射定律1871年，瑞利首先从理论上解释了光的散射现彖，并通过对远小于光波波长的微小粒子散射进行了精密的研究，得出了著名的瑞利散射定律，这就

6、是散射光强度与入射光波长的四次方成反比，W：Isca-1/X4式中，Isca为相应于某一观察方向(与入射光成。角)的散射光强度，九为入射光的波长。瑞利认为，一束光射入散射介质后，将引起散射介质屮每个分子作强迫振动。这些作强迫振动的分子将成为新的点光源，向外辐射次级波。这些次级波与入射波叠加后的合成波就是在散射介质屮传播的折射波。对均匀散射介质来说，这些次波是相干的，其干涉的结果，只冇沿折射光方向的合成波才加强，其余方向皆因干涉而抵消，这就是光的折射。如杲散射介质出现不均匀性，破坏了散射体Z间的位置关系

7、，各次波不再是相干的，这时合成波折射方向因干涉而加强的效果也随Z消失，也就是说其它方向也会有光传播，这就是散射［叮。2.米氏散射Mie散射1908年G.Mie⑺在屯磁理论的基础上，对平面单色波被位于均匀散射介质中具有任意直径及任意成分的均匀球体的散射得出了严格数学解。根据Mie散射理论⑻，介质屮的微小颗粒对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大小、相对折射率、入射光的光强、波长和偏振度以及相对观察方向(散射角)有关。激光粒度仪正是通过对散射光的不同物理量进行测量与计算，进而得到粒径的大小、分布及颗粒的浓度

8、等参数。当一束强度为I。的自然光或平面偏振光入射到各向同性的球形颗粒时，散射光强分别为⑼：=^7/0+

9、S2(^a,m)

10、2］(1)■1(0)=+S22cos2(p］(2)式中:B、九、a如前所述，m=(n-ir

11、)为颗粒相对于周围介质的折射率(r)不为零表示颗粒有吸收)，r为颗粒到观察而的距离，①为入射光的电矢量相对于散射面的夹角，而S］、S2分别为垂直及平行于散射平面的振幅函数分量，是由Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数⑹。3.