基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

动态光散射实验中散射光偏振状态的研究

颗粒散射光的偏振状态对提高动态光散射实验系统空间相干性和测量结果正确性有着重要影响,因此研究散射光的偏振状态具有重要现实意义的。本文利用米散射理论分析了入射光与散射光偏振状态之间的关系,在此基础上揭示了在动态光散射中使用垂直偏振光作为入射光的理论依据,并在实验中验证了上述理论的正确性。     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

颗粒溶液颗粒尺寸及浓度的差分偏振弹性散射光谱在线分析方法

偏振弹性散射光谱技术的基本原理为在偏振光入射条件下,根据出射光的偏振特性不同可以筛选出浅表层组织的单次散射光信息和深层组织的漫散射光信息。该研究的创新点在于将这种方法应用于颗粒溶液检测,目的是在颗粒溶液原始状态下实现对颗粒尺寸及浓度的同时检测。设计了一个共轴笼式光学系统,测量了聚苯乙烯微球颗粒溶液某一角度的背向散射信号,通过控制入射端和收集端偏振片的偏振方向获得了颗粒溶液的偏振平行光谱与偏振垂直光谱,两者之差即偏振差分光谱对应颗粒的单次散射信息,将该单次散射信息与Mie散射数据库进行比对获得颗粒的尺寸,然后在颗粒尺寸作为已知的条件下进一步分析偏振垂直光谱,将该垂直光谱对应的颗粒溶液的漫散射信息代入光漫散射下的近似表达式拟合得到颗粒的浓度信息。将实验结果与样品提供值进行了比对,并进一步分析了在获取颗粒数浓度时,颗粒直径的方差分布对结果的影响,最终验证了该实验方法的可行性。该方法的潜在应用包括对标准颗粒制造厂商的产品在线检测以及对牛奶制品中脂肪和蛋白质的浓度检测研究。     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径,以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布,提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强,然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对,获得颗粒的数量分布,进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布,利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布,并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比,实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。     

基于后向散射的高浓度纳米颗粒粒度分布测量方法研究

传统的动态光散射法通常采集侧向散射进行纳米颗粒粒度分布的测量,由于多次散射的影响,利用侧向散射不能准确测量高浓度样品的颗粒粒度分布。针对该问题,对后向散射测量方法进行了研究,在实验基础上提出了后向散射最佳光程的判断准则。在不同样品浓度下,用侧向散射和后向散射方法对标称粒径分别为110 nm、220 nm的聚苯乙烯乳胶球颗粒进行了测量。实验结果表明,对于高浓度的待测样品,后向散射测量方法通过自适应调整光程,在最优光程处进行测量,能够有效得到高浓度纳米颗粒的粒径及粒度分布,测量结果相对误差为2.72%。     

基于单模光纤的DLS粒径测量研究

动态光散射技术是一种测量纳米颗粒粒径分布的最有效方法。为了克服高浓度样品溶液中存在的多重散射效应, 本文基于单模光纤搭建了一套DLS实验系统, 传输光纤的输出端与接收光纤的接收端都作了抛光磨平处理。在模拟复杂工业环境下, 分别用低浓度单分散、不同浓度单分散以及高浓度多分散性标准聚苯乙烯乳胶球悬浮液检测了该系统的适用性。实验结果表明, 利用该系统可快速准确的测量体积分数达40%的聚苯乙烯乳胶球悬浮液中的纳米颗粒粒径及其分布。     

角度组合对多角度动态光散射测量的影响

针对多角度动态光散射中角度组合对颗粒粒度分布测量的影响,对5组模拟的双峰分布颗粒体系(114/457 nm,202/800 nm,307/541 nm,433/721 nm和600/900 nm)分别选取3、4、5和6个散射角,采用不同角度组合进行测量.粒度反演结果表明,在选取同样数量散射角条件下,不同的角度组合会得到不同的测量结果.当选取的各散射角对应的Mie散射光强差异显著,特别是对应光强值包含了Mie散射光强曲线的极大值和极小值点时,测量结果更准确.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行的测量实验,实验结果与反演结果一致.这种角度组合影响的原因在于,随着散射角的增多,得到的颗粒粒度信息也相应增加,但只有增加的散射角所对应的散射光强显著不同时,才会较多地增加颗粒粒度信息,从而改善测量效果;否则,增加的信息会被增加的角度校准噪声所抵消.     

拖曳效应对低相干动态光散射测量粒径的影响

低相干动态光散射技术利用低相干干涉计的特性,有效抑制了从浓悬浮液中散射的多次散射光,从而能够检测到的单散射光信号中获取颗粒的动态信息。该技术以单散射理论为解析基础,为避免多重散射的影响,测量区域一般局限于固-液界面附近。分析了固-液界面附近壁的拖曳效应对粒径测量值的影响。利用相位调制低相干动态光散射装置,对体积分数为10%的不同粒径的标准聚苯乙烯溶液进行了检测。通过对结果考虑拖曳效应进行修正,发现不同粒径的粒子在界面附近10～30μm范围内的测量值与给定粒径值标准偏差在5%以内。表明在低相干动态光散射光程可分割测量中,考虑拖曳效应的影响,可以对固-液界面附近的测量结果通过修正并得到准确的颗粒大小信息。     

高浓度超细颗粒的后向光子相关光谱测量技术研究

针对光子相关光谱颗粒粒径测量法不能在线测量高浓度超细颗粒的问题,通过分析溶液浓度对光子相关光谱测量法的影响,设计了一种后向散射光路,提出了后向光子相关光谱测量法.实验采用50 nm、100 nm以及500 nm三种标准乳胶球颗粒,在不同的浓度下分别用两种方法进行了测试.结果证明,后向光子相关光谱测量法能有效抑制多重散射的影响,适用于高浓度超细颗粒粒径的在线测量.     

切比雪夫雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

雾霾天气已严重影响人们的日常生活,通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。矿物粒子、灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征,因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。“日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射,散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、复杂折射率、粒子形变、波纹参数)。采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法,仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系,结果表明：粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大,粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变;具体分析散射角度为10°时,得到粒径对Is和Qs的数值影响最大,当粒径r<1 μm时,Is随粒径呈现抛物线趋势;切比雪夫粒子形变的增大,Is呈现先增大后减小的趋势。     

微小颗粒的光散射数值模拟

简单介绍了以经典Mie理论为基础的光散射测量技术在颗粒直径和颗粒浓度测量中广泛的应用。分别以Mie理论和离散偶极子近似理论(DDA)为基础, 用数值计算方法分析了球型颗粒的光散射特性，给出了微小颗粒对平行入射光散射的强度函数和散射偏振度的数值计算方法。得到了强度函数和偏振度随相关物理参量变化的三维图，为微小颗粒散射研究提供了一种三维视图。计算结果表明：当尺度参量x＜4时，2种方法所得结果差异不大；随尺度参量增大，2种方法所得结果出现较大差异。与经典Mie理论相比，由于离散偶极子近似理论可以解决各种形状的颗粒散射问题，其应用前景更广泛。     

尘埃粒子计数器中光源对传感器光通量的影响分析

在Mie散射理论基础上，由单分散射的光强表达式导出在偏振光的入射条件下一定立体角内的散射光通量的表达式，并与自然光入射作比较。计算了在相同强度不同光源入射下，尘埃粒子计数器的两种常用散射光收集系统收集的散射光通量。结果表明：采用近前向散射光收集系统得到的光通量相等；而采用直角方向散射光收集系统时两者并不相等，且在平面偏振光入射时，收集的散射光通量还跟探测器中心与入射光偏振方向夹角有关。用MATLAB编程计算，得出了在探测器中心与偏振方向的夹角成90°或270°位置时，收集的散射光通量有极值的结论，为激光尘埃计数器传感器光学设计提供了依据。     

双峰分布颗粒体系的多角度动态光散射数据反演

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法,对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600 nm,200/600 nm,300/600 nm和350/600 nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明,采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据,可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(＞350 nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于,多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息,加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声,因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

光散射聚集速率测定中T矩阵方法的应用

聚集速率是评估胶体体系特性及稳定性的关键参数, 静态光散射和动态光散射则是测量聚集速率的两个重要方法. 然而, 用静态光散射和动态光散射测量聚集速率时, 需要知道有关单粒子和双粒子聚集体光散射特性的数据. 为此, 通常需要把动、静两种方法结合, 才能消去这个数据. 以前各种近似理论曾用来解决这个问题, 但因粒子尺寸和形状的限制, 结果并不理想. 而T矩阵方法可以不受粒子大小和形状的限制计算其光散射特性. 本工作用T矩阵方法直接计算静态光散射和动态光散射所必须的粒子散射特性, 并将该法得到的聚集速率与动静态光散射结合法得到的聚集速率进行了比较, 两者结果很接近. 本工作为简化静态光散射和动态光散射测量聚集速率, 扩展其应用范围开辟了新途径. 关键词： T矩阵')" href="#">T矩阵 光散射法 聚集速率     

Scattered Light Photometer for On-Line monitoring of size distribution parameters and particle number concentration

A scattered light photometer which monitors the particle number concentration of aerosols is described. The photometer measures the scattered light from illuminated submicron particle clouds with known material properties at certain scattering angles. Intensity ratios in combination with the degree of polarization are used to determine the mean particle diameter and the geometric standard deviation of an assumed log-normal particle size distribution. The determination of the particle size distribution is based on an algorithm which compares the measured and calculated (Mie theory) relative intensity quantities described. Furthermore, the particle number concentration is monitored from a single absolute intensity measurement at one scattering angle. In order to obtain quantitative results a spherical particle shape is required.     

视细胞浓度分布对散射光偏振性的影响

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点,引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论,并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置,散射光束的偏振性呈现波动性变化,视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性,散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。