SU1728742A1 - Оптический способ контрол объемного содержани частиц в растворе - Google Patents

Abstract

Использование: анализ материалов, а именно жидких сред с примес ми. Сущность изобретени : на кювету с анализируемой средой направл ют монохроматическое излучение лазера и принимают когерентную составл ющую излучени , обратно рассе нного , путем сканировани  в узком угле (около 1°) относительно направлени  обратного рассе ни  (180°). Контроль провод т сравнением распределени  интенсивности регистрируемого излучени  по углу с эталонными характеристиками. Это позвол ет регистрировать объемные концентрации частиц в растворе до нескольких дес тков процентов , 1 ил.

Description

(Л

С

Изобретение относитс  к оптическим средствам исследовани  и анализа материалов и может быть применено дл  измерений в твердых и жидких растворах в случае сильнопоглощающих и сильнорассеивающих сред.

Известен способ контрол  параметров частиц, заключающийс  в том, что на среду, содержащую частицы, направл ют импульсное монохроматическое излучение от лазера и измер ют коэффициент поглощени  в среде оптического излучени , по которому суд т о концентрации частиц.

Недостатком известного способа  вл етс  его неприменимость в случае сильнорассеивающих и сильнопоглощающих сред, так как такие среды практически непрозрачны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  оптический

способ контрол  дл  измерени  содержани  взвешенных частиц в потоке текущей среды, заключающийс  в том, что на поток текучей среды, содержащей частицы, направл ют монохроматический луч света, регистрируют излучение, отраженное от поверхности потока, и излучение, рассе нное в среде, и по величине отношени  световых сигналов определ ют уровень концентрации взвешенных частиц. Способ основан на том, что амплитуда излучени , отраженного от поверхности потока, линейно зависит от концентрации взвешенныхча- стиц, а рассе нный в среде после многократных отражений на частицах свет имеет посто нную амплитуду. Контроль осуществл ют сравнением с эталонным.

Недостатком известного способа  вл етс  неприменимость его к контролю пара-Ч

ю

00

ч

ю

метров частиц, в том числе и объемной концентрации их в сильно-рассеивающих и сильнопоглощающих средах. Известный способ применим в области преимущественно малых концентраций, где существует линейна  св зь между изменением показател  преломлени  и концентрацией частиц, и позвол ет измерить некую усредненную объемную концентрацию, завис щую как от концентрации частиц в среде, так и от их размеров и оптических характеристик.

Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона контролируемых сред на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие ,

На чертеже изображена схема устройства , реализующа  способ.

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем. Если на границу рассеивающей среды направить плоскую электромагнит- ную волну, то свет, попада  в среду, претерпевает многократное рассе ние. При этом в рассе нном свете существуют две составл ющих . Одна, некогерентна , возникает за счет последовательных перерассе ний на частицах среды, причем на выходе из среды в любом направлении она определ етс  суммой интенсивностей рассе нного света, 8 средах с большой концентрацией рассеивающих частиц эта составл юща  представ- л ет собой диффузное рассе ние, практически не завис щее от направлени  падающего света. Если обозначить через В угол между направлением падающего и рассе нного света, то дл  сильнорассеива- ющей среды отношение интенсивности рассе нного излучени  к интенсивности падающего излучени  1 ( 0)/1пад не зависит от в.

i Нар ду с иекогерентной существует ко- герентна  составл юща  рассе нного света . Если в падающем излучении выделить два произвольных луча, то дл  них существует такой путь рассе нного света, при котором рассе ние от обоих лучей идет по одним и тем же неоднородност м, но строго в противоположных направлени х. При этом два таких выход щих луча будут оставатьс  когерентными, поскольку фазовые искажени  дл  них строго одинаковы, так как происход т на одних и тех же неодно- родност х, только в противоположных направлени х .

При рассе нии света в обратном направлении (по отношению к падающему лу- чу) в окрестности угла разность фаз двух рассе нных лучей будет близка к нулю

двух рассе нных лучей с и интенсивность На

рассе ни  от этих

двух когерентных лучей будет определ тьс  величиной

li2(KorL(Ei + E2)2, где EI и Е2 - пол  рассе ни  от этих лучей.

Если Е1 Е2Л-Е,

(KorL4E2,(1)

Интенсивность ii2 HeKor некогерентно-рассе нного излучени  определ етс  как сумма интенсивностей полей рассе ни  этих двух лучей, т.е.

|12(некоО(Е12+Е22)л2Е2р)

Из соотношений (1) и (2) следует, что интенсивность рассе ни  двух когерентных лучей почти в 2 раза превосходит интенсивность некогерентного рассе ни .

Дополнительные преимущества использовани  когерентного рассе ни  вы вл ютс  в св зи с вли нием свойств среды на рассе нное излучение. Некогерентное рассе ние в сильно неоднородных системах практически не чувствительно к параметрам таких систем, поэтому создает равномерный по углам рассе ни  фон. Когерентное обратное рассе ние, наоборот, очень сильно зависит от свойств среды, а именно от объемной концентрации частиц, включающей зависимость от размеров частиц, и оптических свойств частиц, причем эта зависимость отражаетс  в величине амплитуды и полуширины распределени  интенсивности обратного рассе ни . Регистрацию когерентной составл ющей производ т в очень узкой области углов рассе ни , составл ющей 0 относительно направлени  обратного рассе ни , что определ етс  условием когерентности. В этом случае заведомо регистрируетс  полное распределение интенсивности, т.е. с включением тика, так как сам пик регистрируемого излучени  уже. Полученное распределение интенсивности сравнивают с эталонным распределением, в качестве которого используют аналогичную характеристику рассе ни  дл  среды с известными свойствами. При установлении отклонени  зарегистрированной характеристики от эталонной (по амплитуде пика обратного рассе ни  или его полуширине) устанавливают объемную концентрацию частиц в растворе.

Способ осуществл ют с помощью устройства , содержащего источник 1 монохроматического излучени  (лазер), установленную на пути излучени  плоскопараллельную пластину 2, кювету 3 с анализируемым раствором и систему регистрации рассе нного излучени , котора  включает длиннофокусную линзу 4, диафрагму 5, приемник 6, причем приемник б установлен с

возможностью перемещени  в фокальной плоскости линзы 4 дл  сканировани  угла рассе ни .

Способ осуществл ют следующим образом .

Луч света от источника 1 (лазера) направл ют на плоскопараллельную пластину 2,. при этом при отражении от верхней (фронтальной) плоскости пластины 2 луч попадает на кювету 3, заполненную средой, содержащей анализируемые частицы. Луч падает на кювету 3 под углом 9, отличным от 90°, чтобы исключить нормальное падение и отраженный свет. В контролируемой среде свет рассеиваетс , рассе нный свет, проход щий через пластину 2 в направлении обратного рассе ни , попадает после фокусировки линзой 4 на диафрагму 5 и приемник 6. Толщина пластины 2 подбираетс  из услови  разделени  двух лучей, иду- щих параллельно на приемник 6. После юстировки, проводимой в отсутствие среды дл  исследовани  в кювете 3, второй луч поглощаетс  нейтральными фильтрами. При измерени х при наличии среды в кюве- те 3 первый луч падает на кювету и многократно рассеиваетс . Рассе нное назад излучение фокусируют линзой 4 на диафрагме 5, при этом микрометрическим винтом перемещают диафрагму, сканиру  ее в фо- кальной плоскости линзы и регистрируют угловую зависимость рассе нного назад излучени , перемещение производитс  в узком угле±1° дл  регистрации всего распределени . Регистраци  рассе нного назад излучени  производитс  регистрирующим фотоумножителем с .последующим усилением электрического сигнала. Угловую зависимость рассе нного излучени  сравнивают с градуировочной (тарирован- ной) кривой рассе ни  от среды с частицами известного диаметра и объемной концентрации . По изменению величины максимума

кривой и ее полуширины устанавливают объемную долю взвешенных частиц в среде и тем самым производ т контроль изменени  объемного содержани  частиц в среде. Преимущество предлагаемого способа по сравнению в известным заключаетс  в расширении возможностей контрол  на сильнопоглощающие и сильнорассеивающие среды, в которых известный оптический способ не может определить объемные концентрации более 5%. При больших концентраци х частиц св зь показател  преломлени  с концентрацией частиц становитс  нелинейной, причем характер нели- нейности зависит от вида частиц, вследствие чего точность измерени  при концентраци х более 5% заметно падает. Предлагаемый способ свободен от этих недостатков .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Оптический способ контрол  объемного содержани  частиц в растворе путем направлени  на исследуемый раствор монохроматического излучени , регистрации, характеристики рассе нного в нем излучени , сравнении этой характеристики с аналогичной , полученной от эталонного образца, отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона контролируемых сред, на исследуемый раствор под углом , не равным 90°, направл ют плоскую волну монохроматического излучени , регистрируют путем сканировани  интенсивность когерентной составл ющей рассе нного излучени  в области углов ±1°/ относительно направлени  обратного рассе ни  и по отклонению профил  кривой распределени  зарегистрированной интенсивности при различных значени х углов от аналогичной эталонной кривой суд т об объемном содержании частиц в растворе.