激光粒度儀應用導論之原理篇

        激光粒度儀應用原理介紹
??目前，激光顆粒分析儀在顆粒表征中的應用已經(jīng)非常廣泛。測量對象涵蓋固體粉末、懸浮液（包括固-液、氣-液和液-液等兩相流體）和液滴三種形式的顆粒體系。應用領域包括學術研究機構(gòu)、技術開發(fā)部門和生產(chǎn)監(jiān)控部門。從臺商用儀器誕生至今已有50年，作者在這個方向上從事研發(fā)工作近30年。盡管如此，由于被測物體的粒子系統(tǒng)比較抽象，而且激光粒度儀的原理和技術比較復雜，而且本身還存在一些有待改進的問題，筆者覺得 科學技術問題介紹粒度分析儀既流行又專業(yè)，可以幫助讀者更好地了解、選擇和使用產(chǎn)品。這一系列文章的定位很受歡迎。不過，為了讓一些希望深入了解該技術的讀者獲得更多、更深入的相關知識，作者在本文的適當位置添加了“高級知識"。只是想了解激光粒度儀的讀者可以跳過這些內(nèi)容。
??首先需要說明的是，這里所說的激光粒度儀是指基于靜態(tài)光散射原理的粒度檢測設備。目前還有一種粒度分析儀也是基于光散射原理，同樣采用激光作為照明光源，但稱為動態(tài)光散射（DLS）粒度分析儀。前者是根據(jù)不同粒徑的粒子產(chǎn)生的散射光的空間分布來計算粒徑（認為這種分布不隨時間變化），后者是通過測量粒徑的變化來分析粒徑以固定散射角隨時間散射光；前者適用于約0.1微米至數(shù)千微米的粒子測量，而后者適用于1微米至1納米（千分之一微米）的粒子測量。激光粒度分析儀英文也叫基于激光衍射法的粒度分析技術。
?? 【進階知識1】嚴格來說，將激光粒度儀的原理描述為“衍射法"是不準確的，甚至會產(chǎn)生誤導。從物理上講，光的衍射和散射是不同的。源于光的波動性的“光的衍射"理論已被實驗證實，但尚未從理論上認識到光是一種電磁波。這個時期大約是 19 世紀上半葉。早些時候當時，人們認為光的傳播路徑是一條直線，就像不受外力作用的粒子作勻速直線運動一樣。這個說法在歷shi上被稱為“光粒子論"。后來人們發(fā)現(xiàn)光有波浪形。那時人們所知道的只有水波，所以“顏"字里有水。 “光的衍射"描述的是光波在傳播過程中遇到障礙物，會改變原來的傳播方向，跑到障礙物后面的現(xiàn)象，所以衍射又稱“衍射"。描述衍射現(xiàn)象的理論稱為衍射理論。遠場衍射理論的近似表述（即在遠離障礙物的位置觀察衍射）稱為“夫瑯禾費衍射"。衍射理論沒有考慮光場與物質(zhì)（障礙物）的相互作用，而只是對這種現(xiàn)象的量綱描述，因此是一種近似理論。它只適用于遠大于光波長的障礙物（“粒子"就是障礙物）（激光粒度儀使用的光源大多為紅光，波長范圍為0.6～0.7微米），以及測量散射角范圍小于 5° 的情況。
?? 1870年代麥克斯韋提出電磁波理論后，他發(fā)現(xiàn)光也是一種電磁波。光的衍射現(xiàn)象本質(zhì)上是由電磁場和障礙物相互作用引起的。衍射理論是電磁波理論的近似表達。嚴格的電磁波理論認為，光在行進過程中遇到障礙物并與之相互作用改變原來的行進方向。這種現(xiàn)象通常稱為光散射。電磁波理論可以描述任意大小物體對光的散射，散射光的方向也是任意的。無論是早期還是現(xiàn)在，在用激光粒度儀測量粒度時，都假設顆粒是球形的。如果進一步假設粒子是均勻的和各向同性的，則可以使用嚴格的電磁波理論推導出散射光場的嚴格解析解（稱為“米氏散射理論"）。
??現(xiàn)在市場上的大多數(shù)激光粒度分析儀都使用米氏散射理論作為物理基礎。因此，說目前激光粒度儀使用的物理原理是衍射法是不準確的，甚至可能被誤認為是早期基于衍射理論的一種儀器。
??第1臺商用激光粒度分析儀于1968年設計，雖然當時已經(jīng)提出了米氏理論，但受當時計算機計算能力的限制，很難用它來快速計算散射各種大小粒子的光場。的價值。因此，當時的激光粒度分析儀采用夫瑯禾費衍射理論來計算散射光場，這就是為什么將這一原理稱為激光衍射法。這個名字一直沿用至今。然而，“光散射法"一詞在世界范圍內(nèi)逐漸增多。