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激光粒度儀基礎(chǔ)知識
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激光粒度儀
所謂激光粒度儀是專指通過顆粒的衍射或散射光的空間分布（散射譜）來分析顆粒大小的儀器。
根據(jù)能譜穩(wěn)定與否分為靜態(tài)光散射粒度儀和動態(tài)光散射激光粒度儀
靜態(tài)光散射激光粒度儀
能譜是穩(wěn)定的空間分布。主要適用于微米級顆粒的的測試，經(jīng)過改進(jìn)也可將測量下限擴(kuò)展到幾十納米。
動態(tài)光散射原理的激光粒度儀
根據(jù)顆粒布朗運(yùn)動的快慢，通過檢測某一個或二個散射角的動態(tài)光散射信號分析納米顆粒大小，能譜是隨時間高速變化。動態(tài)光散射原理的粒度儀僅適用于納米級顆粒的測試。
光透沉降儀不是激光粒度儀
通常所說激光粒度分析儀是指衍射和散射原理的粒度儀，光透沉降儀，依據(jù)的原理是斯托克斯沉降定律而不是激光衍射/散射原理，因此這類儀器不能稱作激光粒度儀。
激光粒度儀如何獲得顆粒的散射光能譜分布
激光粒度儀是采用散射原理，通過檢測顆粒的散射譜來測定顆粒群粒度分布的專用儀器。獲得顆粒散射譜的基本光路示意圖見圖1
1、為什麼散射/衍射激光粒度儀必須采用激光作光源
激光粒度儀是通過檢測顆粒的散射譜來分析顆粒大小與分布的，因此能否獲得清晰的散射譜至關(guān)重要，激光是一種準(zhǔn)直性，單色性良好的光源，只有采用激光才能在散射/衍射粒度儀器中得到清晰的散射譜分布。用多種波長混合的光源不可能獲得清晰的散射譜，只能獲得多種散射譜的疊加，因此不能用于粒度儀。
在多種激光器中半導(dǎo)體激光與氣體激光相比，氣體光源波長短，線寬窄，單色性好，穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于半導(dǎo)體光源。因此微納與大多數(shù)專業(yè)公司選用了氣體激光器作為測量光源。
2、激光粒度儀與其他方法相比有什么優(yōu)勢？
激光粒度儀的光路實際是一個二維傅立葉變換器，因此具有傅立葉變換的許多特點：1、所有顆粒的散射信息是以光速并行傳輸?shù)竭_(dá)光電探測器的，因此速度快無與倫比；2、探測器可以做的非常窄大約幾個微米，因此分辨率非常高；3、測試過程顆粒散射不會受到人為因素的干擾，因此測試重復(fù)性超群；4、根據(jù)傅立葉變換的平移不變性，顆粒在樣品池中的運(yùn)動速度不會影響頻譜分布，因此適用于動態(tài)顆粒的測試，這是其他粒度測試方法所無法比擬的，這成為了顆粒在線測試?yán)碚撘罁?jù)。
3、激光粒度儀測量下限是多少？
激光粒度儀測量粒度的原理是MIE散射理論。 MIE散射理論用數(shù)學(xué)語言精確描述了折射率為n、吸收率為m的特定物質(zhì)的，粒徑為d球型顆粒，在波長為λ單色光照射下，散射光強(qiáng)度隨散射角θ變化的空間分布函數(shù)，此函數(shù)也稱為散射譜。根據(jù)MIE散射理論可以看出顆粒越大，前向散射越強(qiáng)而后向散射越弱；隨著顆粒粒徑的減小，前向散射迅速減弱而后向散射逐漸增強(qiáng)。附圖示意表示了以波長為尺度大、中、小顆粒的散射譜。激光粒度儀正是通過設(shè)置在不同散射角度的光電探測器陣列，測試顆粒的散射譜，由此確定顆粒粒徑的大小。這種散射譜對于特定顆粒在空間具有穩(wěn)定分布的特征，因此稱此種原理的儀器為靜態(tài)激光粒度儀。
但是當(dāng)顆粒粒徑小到一定的程度dm，與另一種更小顆粒dm-δ相比，如果二種顆粒的散射譜非常相似，以至不能被光電探測器陣列所分辨，就認(rèn)為達(dá)到了激光粒度儀的測量極限，此粒徑dm就是激光粒度儀的測量下限。
此極限還與激光波長有關(guān)，研究表明紅光635nm波長的激光測量極限為50納米，而藍(lán)光405nm波長的激光測量理論極限為20nm。
理論上，靜態(tài)激光粒度儀欲分辨納米級的顆粒至少需要二個條件：1、具有測量后向散射的光電探測器陣列，2、需要用波長更短的激光器。在可見光的范圍內(nèi)，20nm是靜態(tài)激光粒度儀的理論測量下限。
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2021-09
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