動態(tài)光散射測粒中濃度與復(fù)散射的關(guān)系研究

何欣燦,岳成鳳,張軍朋

(華南師范大學(xué),廣東廣州 510006)

動態(tài)光散射測粒中濃度與復(fù)散射的關(guān)系研究

何欣燦,岳成鳳,張軍朋

(華南師范大學(xué),廣東廣州 510006)

針對光散射中的樣品顆粒濃度改變時出現(xiàn)復(fù)散射的現(xiàn)象,設(shè)計探究顆粒濃度與復(fù)散射關(guān)系實驗。得出結(jié)論為顆粒濃度很稀時,光強與濃度成正比,復(fù)散射基本不表現(xiàn)。

顆粒濃度;復(fù)散射;光強;粒徑

光散射現(xiàn)象普遍存在人們?nèi)粘Ｉ钪?如果能充分利用散射光技術(shù)區(qū)分析散射介質(zhì)的性質(zhì),可以得到顆粒的粒徑,大小,折射率等參數(shù)信息。然而,很多測量儀器并沒有考慮到顆粒復(fù)散射的問題,導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。為了探究當(dāng)顆粒濃度改變時如何對復(fù)散射產(chǎn)生影響,筆者做了以下的實驗探究,從而得到不同顆粒濃度下的光強的分布,并分析研究光強變化引起斜率改變的曲線,得出顆粒濃度對復(fù)散射光強的影響以及如何避免復(fù)散射的結(jié)論及建議。

1 動態(tài)光散射原理

1.1 光散射現(xiàn)象

光散射現(xiàn)象是指光在傳播過程中,由于介質(zhì)的非均勻性或有其它介質(zhì)的存在而使其一部分能量偏離原來的傳播方向,從而在入射光方向以外的方向上也能探測到光能量的現(xiàn)象[1]。按照散射光相對于入射光是否有頻移可以將散射分為三類:散射中心靜止,散射光相對于入射光不發(fā)生頻率改變,稱為彈性光散射、靜態(tài)光散射或經(jīng)典光散射;由于散射中心的布朗運動引起的多普勒效應(yīng),使散射光頻率相對于入射光頻率發(fā)生微小改變的散射稱為動態(tài)光散射或準(zhǔn)彈性光散射。筆者只討論動態(tài)光散射(也叫準(zhǔn)彈性光散射),主要研究的動態(tài)光散射中的濃度與復(fù)散射問題。

1.2 PCS顆粒測量原理

動態(tài)光散射測粒系統(tǒng)主要組成部分有氦氖激光器、凸透鏡、甄別器、光電接收器、相關(guān)器和計算機等[2]。

如圖所示,為 PCS顆粒測量系統(tǒng)的工作原理。

圖1 PCS顆粒測量系統(tǒng)原理圖

1.3 復(fù)散射原理

光散射可分為單散射和復(fù)散射。復(fù)散射是當(dāng)溶液的濃度足夠大,散射中心不完全暴露在原始入射光中,這種情況下由于散射體之間距離太近,光透過散射體時就很容易發(fā)生相干散射,這時的散射總光強就不能簡單相加。簡單的說,復(fù)散射就是部分顆粒并不暴露在原始入射光線,而是對其他顆粒的散射光再次進(jìn)行散射[3]。

2 不同顆粒濃度下復(fù)散射作用效果實驗

2.1 實驗設(shè)計

實驗儀器有:光電倍增管、激光器、JD-2型氦氖激光電源、相關(guān)器、純水器、超聲分散器、恒溫系統(tǒng)、實驗樣品:北京石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室生產(chǎn)的單分散二氧化硅微球樣品(參考粒徑為400 nm和800 nm)

2.2 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

2.2.1 參考粒徑為400納米的樣品顆粒

(1)分析復(fù)散射對光強的影響

利用400 nm的單分散二氧化硅微球樣品進(jìn)行實驗,每滴入5微升記錄數(shù)據(jù),每滴重復(fù)三次,分別記下每次光子數(shù)以及對應(yīng)的光功率。為了減少誤差,實驗采用的數(shù)據(jù)應(yīng)選擇固定不變的光功率下對應(yīng)的光子數(shù)。根據(jù)選取的光子數(shù)以及對應(yīng)的顆粒濃度滴數(shù),做出光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線圖,如圖2所示。

圖2 400納米樣品光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線

由曲線可以看出,在顆粒濃度很稀時,光強與顆粒濃度成正比關(guān)系,基本符合〈Is〉=NIs(1)公式,此時復(fù)散射基本不起作用。在滴入樣品滴數(shù)逐漸增大時,曲線的斜率變小,復(fù)散射開始起作用,光強隨顆粒濃度增大的幅度變地緩慢。當(dāng)?shù)稳霕悠返螖?shù)增大到一定程度時,在30滴左右時,光子數(shù)趨向一個基本不變值,也就是光強保持基本不變。此時,復(fù)散射起主要作用,光強與濃度關(guān)系不再成正比。

為了更好看出樣品光強與濃度關(guān)系曲線的斜率變化情況,找出具體復(fù)散射發(fā)生變化的位置,根據(jù)圖2,擬合算出每點的斜率,再做出斜率與濃度的關(guān)系曲線圖,但是由于其斜率的波動比較大,看不出規(guī)律。為了看出斜率變化規(guī)律,選擇波動的曲線的中位線,畫出400納米斜率與濃度變化關(guān)系圖,如圖4所示。由圖可以看出,斜率在濃度較低時基本變化不大,除了少部分的波動外,在滴入滴數(shù)為13滴左右前,斜率基本是不變的,也就是光強還是與顆粒濃度成正比。從13滴左右開始,濃度增大時,斜率開始變小,說明了復(fù)散射開始表現(xiàn),影響光強的線性增加。在32滴左右,濃度已經(jīng)增大到一定程度了,斜率基本降為零,光強不再隨濃度的增加而增加,復(fù)散射已經(jīng)起主要作用。結(jié)論與上述分析一致。

圖3 400納米斜率與濃度變化關(guān)系圖

(2)分析復(fù)散射對測量粒徑結(jié)果的影響

PCS技術(shù)就是通過得到光強的自相關(guān)函數(shù),由計算機算出得到粒徑等信息。那么隨著顆粒濃度的增大,復(fù)散射的出現(xiàn)會不會影響測量粒徑的結(jié)果呢?根據(jù)這個思路,實驗過程中,隨著顆粒濃度的增大,記錄每次反演出的粒徑,做出測量粒徑與顆粒濃度的關(guān)系圖,如圖3所示。(畫圈的地方是測量粒徑偏離實際粒徑較大的地方)

圖4 400納米樣品的測量粒徑與濃度關(guān)系圖

由上圖可看出,當(dāng)顆粒濃度較低時,測量所得的粒徑大小在400納米附近波動,基本與參考粒徑相符合。而當(dāng)濃度增大時,在滴入滴數(shù)為37滴左右時,也就是復(fù)散射起主要作用時,測量粒徑與濃度曲線開始波動很大,大大偏離400納米,說明此時復(fù)散射已經(jīng)影響粒徑的測量結(jié)果,使測得的粒徑與實際不相符合[3-4]。

由上述分析可知,復(fù)散射不僅影響光強的變化,還影響粒徑的測量結(jié)果。當(dāng)顆粒濃度達(dá)到一定程度時,光強不再與濃度成正比關(guān)系,測量所得粒徑也波動較大,測量有較大的誤差。

2.2.2 參考粒徑為800納米的樣品顆粒

為了提高實驗可靠性及準(zhǔn)確性,同時探究不同粒徑下的顆粒濃度與復(fù)散射關(guān)系,筆者采用800納米的樣品顆粒重復(fù)以上實驗。利用北京石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室生產(chǎn)的800 nm的單分散二氧化硅微球樣品進(jìn)行實驗,每滴入5微升記錄數(shù)據(jù),每滴重復(fù)三次,分別記下每次光子數(shù)以及對應(yīng)的光功率,同時還記下對應(yīng)測量粒徑大小[5]。

(1)分析復(fù)散射對光強的影響

由選取的固定光功率下的光子數(shù)做出光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線圖,如圖5所示,由圖像可知,同400納米樣品顆粒類似,除了微小的波動外,在顆粒濃度較稀時,光子數(shù)基本與濃度成正比,此時復(fù)散射基本不起作用;濃度繼續(xù)增大,在滴入10滴左右開始,光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線發(fā)生波動,說明復(fù)散射開始起作用;在濃度增加到一定程度時,光強不再隨之成正比,而是趨向一個穩(wěn)定不變值。結(jié)論與用400納米樣品顆粒做的實驗相仿。不同的是800納米樣品光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線沒那么平滑,波動比較大,而且濃度較小時就開始有復(fù)散射作用,筆者分析,這可能是與粒徑有關(guān)。在濃度一樣時,粒徑越大,復(fù)散射作用越顯著。

圖5 800納米樣品光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線

做出參考粒徑為800納米樣品的斜率與濃度的關(guān)系曲線圖,同理,為了看出斜率變化規(guī)律,選擇波動的曲線的中位線,畫出800納米濃度與斜率關(guān)系圖,如圖6所示。由圖可以看出,在滴入滴數(shù)為10滴前,也就是斜率在濃度較低時,斜率除了少部分的波動外,它基本是不變的。也說明了隨濃度的增大,光強還是與顆粒濃度成正比的。與400納米不同,在滴入滴數(shù)為10左右開始,800納米樣品的斜率就變小,說明800納米樣品比400納米樣品較快表現(xiàn)復(fù)散射,復(fù)散射影響光強的線性增加。當(dāng)濃度增大到一定程度時,斜率基本降為零,也就是光強不再隨濃度的增加而增加。結(jié)論與上述分析一致。

圖6 800納米濃度與斜率關(guān)系圖

(2)分析復(fù)散射對測量粒徑結(jié)果的影響

根據(jù)記錄的粒徑測量結(jié)果與濃度數(shù)據(jù),做出參考粒徑為800納米樣品的測量粒徑與濃度關(guān)系圖,如圖7所示(畫圈的是測量粒徑與實際粒徑偏離較大的地方)。

圖7 800納米樣品的測量粒徑與濃度關(guān)系圖

800納米是參考粒徑,而根據(jù)多次測量結(jié)果得知該樣品的實際粒徑是不止800納米的,而是1 200納米左右。由圖像可知,當(dāng)濃度較低時,該樣品測量粒徑一開始是在1 200納米左右浮動,測量粒徑與實際基本符合。當(dāng)濃度增大時,測量粒徑開始波動較大,與實際粒徑相差較大。與參考粒徑為400納米不相同,參考粒徑為800納米樣品從第8滴左右開始,測量粒徑就波動較大,也就是比參考粒徑為400納米的樣品更早出現(xiàn)復(fù)散射,而且復(fù)散射的作用效果明顯比較強。

2.3 實驗結(jié)論

通過探究顆粒濃度與復(fù)散射關(guān)系實驗,分析光子數(shù)與濃度關(guān)系曲線圖,得出結(jié)論為樣品顆粒濃度很稀時,光子數(shù)與濃度成正比關(guān)系,也就是光強與顆粒濃度成正比關(guān)系,基本符合 〈Is〉= NIs(1)公式,此時散射主要是單散射,復(fù)散射基本不起作用。在滴入樣品滴數(shù)逐漸增大時,曲線斜率變小,復(fù)散射開始起作用,光子數(shù)隨顆粒濃度增大的幅度變緩慢,也就是光強變化與 〈Is〉= NIs(1)公式有一定差距。當(dāng)?shù)稳霕悠返螖?shù)增大到一定程度時,光子數(shù)趨向一個基本不變值,也就是光強保持基本不變。此時,復(fù)散射起主要作用,光強與濃度關(guān)系不再符合〈Is〉=NIs(1)公式。此外,顆粒粒徑大小也會影響復(fù)散射作用。粒徑越大,復(fù)散射作用越大。顆粒的實際粒徑越大,復(fù)散射表現(xiàn)越明顯,測量結(jié)果越不準(zhǔn)確。

因此,在實際應(yīng)用當(dāng)中,若只需要研究單散射,就需要排除復(fù)散射的影響,可以通過降低顆粒濃度以避免減小復(fù)散射的影響,或者選擇粒徑較小的顆粒進(jìn)行是呀。若要測量顆粒粒徑,尤其要注意避免出現(xiàn)復(fù)散射,否則測量結(jié)果的誤差很大。

3 結(jié) 論

文章是在單散射基礎(chǔ)上研究復(fù)散射,并設(shè)計及探究了顆粒濃度與復(fù)散射的關(guān)系實驗。創(chuàng)新之處在于利用斜率的方法分析濃度與光強關(guān)系曲線圖,找出復(fù)散射發(fā)生的位置。這種方法簡單可行,操作性強,又具有創(chuàng)新性。

實驗需要改進(jìn)的地方有兩點:

(1)實驗數(shù)據(jù)較少,只有兩組樣品數(shù)據(jù)。由于實驗室的資源比較稀缺,每種樣品的數(shù)量不多,價格又相對昂貴,為了節(jié)約資源,所以本次實驗只選用了400納米和800納米的樣品進(jìn)行實驗,導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)相對較少。

(2)實驗結(jié)論沒有構(gòu)建復(fù)散射模型去驗證。由于實驗條件有限,沒有對復(fù)散射進(jìn)行建模。

[1] Van de Hulst H C.Multiple lights scattering:tables, formulas and application[M].New York:Academic Press,1980.

[2] 江洪,等.光學(xué)設(shè)計性實驗研究[J].大學(xué)物理實驗, 2014(6):30-31.

[3] 李紹新.動態(tài)光散射測量粒徑分布的格雷碼編碼遺傳算法反演運算[J].計算物理,2008(25、3): 323-329.

[4] Cashwell E D,Everett C J.A Practical Mannual on Monte Carlo Method for Random[J].Walk Problems: Pergam on Press,1959.

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大學(xué)物理實驗,2014(6):18-19.

The Research of the Relationship Between the Particle Concentration and M ultiple Scattering

HE Xin-can,YUE Cheng-feng,ZHANG Jun-peng
(South China Normal University,Guangdong Guangzhou 510006)

Because of the particle concentration,multiple scatteringworks.To find when themultiple scattering starts play amajor role in scattering,the paper puts forward an experiment to explore the relationship between the particle concentration and themultiple scattering.

particle concentration;multiple scattering;light intensity;particles size

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.005

1007-2934(2015)05-0014-04

2015-05-28