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基于静态光散射原理的粒度分析技术:理论研究

发布时间:2015年9月21日 来源:中国颗粒学会

1、颗粒对光的散射现象的研究

事先计算出各种类型(大小、形状和电磁参数)颗粒的散射光能分布,是激光粒度检测技术的基础性工作。对于均匀、各向同性的非磁性圆球形颗粒,米氏理论已经给出了单颗粒散射的严格解析解,其表达式是多种特殊函数(无穷级数)的交叉组合,数值计算相当复杂。而现实的问题是:颗粒大多数情况下并不是圆球形的;激光束理论上说是高斯光束;测量时颗粒必须要有足够的浓度,以使取样有代表性,散射信号也够强;有时颗粒外表面包了一层膜,因此是不均匀的;有时颗粒还有磁性等等。在这些情况下,散射光场该如何计算?

上海理工大学的蔡小舒、沈建琪、徐峰等人用几何光学近似(GOA)方法计算了水中的大气泡(相对折射率小于1)的散射光分布;把散射光场的几何光学近似算法从平面波扩展到高斯光束,并且分别考虑了球体和扁球体作为散射体的情形;研究了膜包覆球体的光散射、磁性颗粒和膜包覆磁性颗粒的光散射以及扁球体对任意取向、位置、形状的入射光的散射;此外还研究了各种浓度的单分散球体组成的单层结构的散射光的角分布和透射。

2、对数据反演算法的研究

数据反演算法是激光粒度测试技术的关键技术之一。数据反演是指根据直接测得的光能分布数据反推被测样品的粒度分布,光能分布是各种大小颗粒散射光能的线性叠加。从形式看只要求逆矩阵就能得出粒度分布,实际上光能矩阵是病态矩阵,不能直接求逆。

上海理工大学沈建琪等人对重复投影法进行了改进:增加了非负设定,以及平滑约束,用于前向光散射的数据反演。该方法适用于任何分布的颗粒群,非常快速,对高达20%的噪声仍可获得满意的结果。

天津大学的葛宝臻、魏永杰等研究了改进的牛顿法和共轭梯度法在粒度分布数据反演中的应用,并考虑了噪声的影响,提出了减少噪声影响的方案。

3、静态光散射现象在其它领域的应用

光在遇到颗粒后,由于反射、折射、吸收等现象的存在,使得光子束的动量发生改变,从而形成光对颗粒的作用力,这种作用力可以用来进行微小颗粒的捕获、移动、拉伸等操控。上海理工大学的徐峰等人在光波对颗粒的作用方面进行的研究工作包括:推导出了均匀球体表面光压的严格的广义洛仑兹-米氏理论(GLMT)解和几何光学(GO)近似解,整形光束施加到扁球体上的辐射纽矩的解析解,以及任意方向、任意位置的整形光束对扁球体的辐射压力(RPF)的严格理论。

华南师范大学则提出了一种全新的,用动、静态光散射技术相结合测量亚微米颗粒的折射率的方法。

我国学者在激光粒度仪的基础理论方面已经进行了深入的研究,在完善某些细节的同时,他们正努力扩展光散射理论的应用范围。