當(dāng)代激光顆粒分析技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

當(dāng)代激光顆粒分析技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

任 中 京

( 山東建材學(xué)院顆粒測試研究所, 濟(jì)南 250022)

摘 要：簡要介紹了當(dāng)代激光顆粒分析技術(shù)的最新主要的進(jìn)展。內(nèi)容涉及測試原理的發(fā)展、儀器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的突破、多次散射的處理、樣品分散系統(tǒng)的多樣化、顆粒形狀對測試的影響、顆粒散射模型、工業(yè)在線應(yīng)用等一系列理論和應(yīng)用問題。

關(guān)鍵詞：激光，粉體，顆粒，散射，測試

1 前言

著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說: 假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識都丟失了，只有一句話

傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來表達(dá)最多的信息呢? 我相信這句話是原子的假設(shè)，所有的物體都是用原子構(gòu)成的^[1] �！�可見物質(zhì)組成在人類文明中具有多么重要的意義。

20 世紀(jì)，人們對于宏觀與微觀的物理世界已經(jīng)有了相當(dāng)深入的了解，但是對于微觀粒子到宏觀物體之間的大量物理現(xiàn)象卻知之甚少。顆粒正是二者之間的中介物。如大顆粒主要表現(xiàn)為固體特性。隨著顆粒變小，流動性明顯增強(qiáng)，很像液體；顆粒進(jìn)一步變小，它將像氣體一樣到處飛揚(yáng)了；顆粒尺度再小，它的表面積則迅速增大，表面的分子所處狀態(tài)與大顆粒完全不同，顆粒的性質(zhì)將發(fā)生突變，顯示出某些令人震驚的量子特性! 現(xiàn)在, 世界上許多優(yōu)秀的

科學(xué)家正在這個介觀領(lǐng)域辛勤耕耘，大量具有特殊性能的材料將在這一領(lǐng)域誕生。導(dǎo)致顆粒

性質(zhì)發(fā)生如此變化的第一特征是它的大小^[2]。顆粒大小在人們的生活和生產(chǎn)中也非常重要。如水泥顆粒磨細(xì)些，水泥早期強(qiáng)度將明顯提高；藥品粒度越細(xì)，人體對它的吸收越好；磁性記錄材料越細(xì)，存儲密度越高。這樣的例子不勝枚舉。因此，顆粒超細(xì)化已經(jīng)成為提高材

料性能的重要手段。顆粒大小測定受到人們重視也就不足為奇了。人們?yōu)榱藴y定顆粒大小，

幾乎采用了可以想到的一切辦法^{[3, 4]}。由于篇幅所限，本文只介紹激光顆粒分析技術(shù)的概況。

2 激光怎樣測量顆粒大小

激光測量顆粒大小的方法有多種，其中包括光散射、光衍射、多普勒效應(yīng)、光子相關(guān)譜、光透法、消光法、光計數(shù)器、全息照相等，本文所說的激光顆粒分析專指通過檢測顆粒群的散射譜分布，分析其大小及分布的激光散射( 衍射) 顆粒分析技術(shù)。眾所周知，一束平行激光照射在顆粒上，將發(fā)生著名的夫瑯禾費(fèi)衍射，使用傅里葉變換透鏡匯集衍射光，在透鏡后焦面可得到此顆粒的衍射譜。如果顆粒是球體，則衍射譜是著名的Airy 圖形，中心的Airy 斑直徑與顆粒直徑成反比^[3]。若將一同心環(huán)陣光電探測器置于后焦面用于衍射譜的檢測，再配以信號處理系統(tǒng), 即構(gòu)成基本的激光衍射顆粒分析系統(tǒng)^[5] (見圖1) 。

當(dāng)光束中無顆粒存在時，光會聚在探測器中心; 當(dāng)小顆粒進(jìn)入光束時, 探測器的光強(qiáng)分布較寬；當(dāng)大顆粒進(jìn)入光束時，探測器光強(qiáng)分布較窄。如果進(jìn)入光束檢測區(qū)的是具有一定粒度分布的顆粒群, 則探測器的輸出為全部顆粒衍射譜的線性疊加，使用反演技術(shù)可根據(jù)衍射譜反求被測顆粒群的粒度分布^[6] 。激光衍射顆粒分析系統(tǒng)適用于粒度大于激光波長很多的顆粒，測量范圍大約在6Lm 以上，測量上限決定于透鏡焦距，已知最大可測到2000Lm.激光顆粒分析系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是非常突出的，其中包括(1) 測量速度快，其他方法無法比擬；(2)測量過程自動化程度高，不受人為因素干擾，準(zhǔn)確可靠；(3)衍射譜僅與顆粒大小有關(guān)，與顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)無關(guān)，因此適用面極廣。

3 從衍射到散射

使用衍射原理的激光顆粒分析系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是在小顆粒范圍測量誤差很大，特別是無法測量亞微米顆粒的大小。隨著顆粒技術(shù)的進(jìn)步，顆粒粒度迅速向超細(xì)發(fā)展，夫瑯禾費(fèi)衍射已不能滿足測試要求，必需采用更精確的Mie 理論。

Mie 散射理論是球形顆粒對單色光的散射場分布的嚴(yán)格解析解。夫瑯禾費(fèi)衍射是Mie 散射理論在特定條件下的近似。Mie 散射理論指出，當(dāng)顆粒直徑比入射光波長小得多時，顆粒的前向散射與后向散射場分布對稱；當(dāng)顆粒直徑與入射光波長近似時，前向散射比后向散射強(qiáng)，且散射場關(guān)于入射光軸呈周期分布；當(dāng)顆粒直徑比入射光波長大得多時，顆粒將只有前向散射場，這正與夫瑯禾費(fèi)衍射理論一致(見圖2) 。由此可見，Mie 散射理論比夫瑯禾費(fèi)衍射理論適用范圍更廣，更精確^{[7, 8]}。

為了適應(yīng)小顆粒散射譜的測量，光路也發(fā)生了重大變化，原平行光路由會聚光路取代。顆粒樣品由置于透鏡前改為透鏡之后，可接收的散射角達(dá)到70b。經(jīng)改進(jìn)的顆粒分析新光路測量范圍從0.1um 至數(shù)百um，只要改變樣品位置即可方便地調(diào)節(jié)測量范圍，不必更換透鏡^[9] 。至此，Mie 散射理論正式擔(dān)當(dāng)了顆粒分析的主角。

4 多重散射

激光散射顆粒分析在原理上要求被測顆粒無重疊隨機(jī)分散在與光路垂直的同一平面內(nèi)。但是這一要求在實(shí)際上很難做到，例如干粉從噴嘴噴出往往呈三維分布，前面的顆粒使平行激光發(fā)生散射，散射光遇到后面的顆粒再次散射，此過程經(jīng)歷多次，散射譜分布大大展寬，這種現(xiàn)象稱為多重散射�？梢宰C明，N 次散射光場的復(fù)振幅是單次散射光場的復(fù)振幅的N重卷積。顆粒分布得越厚，散射譜展寬越嚴(yán)重，顆粒分析結(jié)果將嚴(yán)重地向小顆粒偏移。為了抑制多重散射，人們曾采用了多種辦法。

我國學(xué)者分析了多重散射與顆粒濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)顆粒三維分布時仍存在最佳衍射濃度，在此濃度下，多重散射可以得到有效抑制^[10]。顆粒分布越厚，最佳衍射濃度則越小。在此理論指導(dǎo)下，我國研制的干粉激光顆粒分析儀，其測量結(jié)果可以同濕法激光顆粒分析儀相比。

5 反演——追求真實(shí)的努力

我們的測量對象很少有單一粒徑的顆粒集合，往往是有一定粒度分布的顆粒群。我們所測得的譜分布是由顆粒分布函數(shù)為權(quán)重的顆粒散射譜分布對所有粒徑的積分。在顆粒分析中的反演運(yùn)算即通過所測譜分布反求粒度分布(顆粒的散射譜分布作為理論已知)。反演正確與否直接關(guān)系到此技術(shù)的成敗。本文不想全面論述反演技術(shù)，只簡要介紹兩種反演思路。流行的一種方法是先假定被測顆粒粒度服從某種分布函數(shù)( 如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、R - R 分布等，然后疊代求取分布參數(shù)。如果預(yù)先的假定是錯的，那么反演結(jié)果必錯。

怎樣才能獲得真實(shí)可靠的結(jié)果呢? 我國研究人員發(fā)展了一種無約束自由擬合反演技術(shù)，即對粒度分布函數(shù)不作任何約束，令每一權(quán)重因子獨(dú)立地逼近最佳值。此技術(shù)已在儀器上應(yīng)用并取得良好效果，提高了顆粒大小分辨率，保證了反演結(jié)果的真實(shí)可靠性。此技術(shù)在其他場合也有應(yīng)用價值。

6 大小與形狀有關(guān)嗎?

通常認(rèn)為物體的大小與物體的形狀是互不相關(guān)的兩個概念。近期關(guān)于顆粒學(xué)的研究表明，顆粒大小的表征不僅與顆粒形狀有關(guān)，而且與顆粒測試的方法有關(guān)，這恐怕是人們預(yù)料不到的。以沉降法為例來說明。在重力場中，某非球形顆粒A 的最終沉降速度與另一同質(zhì)球體B的最終沉降速度相同，則定義顆粒A 的粒徑即為顆粒B 的球體直徑，稱為沉降粒徑。二者實(shí)際體積并不相同。與此相反，體積相同的兩顆粒，若形狀不同，一為球體另一為非球體，則其沉降粒徑也不同。由此看來顆粒大小與形狀有關(guān)。與沉降法類似，激光散射法所測粒徑也與形狀有關(guān)。截面積相同的兩顆粒，非球體的衍射譜比球體的譜寬。若用球體衍射譜度量非球體，則測試結(jié)果偏小。為了解決這種矛盾，我國學(xué)者引入橢圓顆粒衍射模型，即取非球體顆粒的最小外圓直徑為長軸，取其最大內(nèi)圓直徑為短軸，所作橢圓即為該顆粒的橢圓模型。顆粒的球體模型發(fā)展到橢圓模型是顆粒學(xué)的一個進(jìn)步，橢圓模型引入的實(shí)質(zhì)就是承認(rèn)顆粒大小與顆粒形狀有關(guān)，并把形狀因素引入大小度量的范疇。橢圓模型的引入，為激光顆粒分析用于非球形顆粒奠定了理論基礎(chǔ)，并有效地提高了測量精度^{[12, 13]}。

7 從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)第一線

事實(shí)上顆粒測試生產(chǎn)線早已需要一種顆粒在線檢測設(shè)備。例如粉磨設(shè)備的主要功能是將原料磨細(xì)，因此顆粒大小就成為粉磨工藝的首要檢測指標(biāo)，但是無論是沉降法還是庫爾特法，無論是圖像法還是超聲波法，均難擔(dān)此重任。目前人們只能靠檢測磨機(jī)負(fù)荷與監(jiān)聽磨機(jī)發(fā)出的聲音來判斷它的工作狀態(tài)，至于產(chǎn)品粒度則需數(shù)小時一次間隔取樣，到試驗(yàn)室分析，再返回現(xiàn)場調(diào)整磨機(jī)，由于檢測不及時，導(dǎo)致產(chǎn)品過粗或過粉磨現(xiàn)象司空見慣，造成的浪費(fèi)無法計算�，F(xiàn)在，激光顆粒分析技術(shù)的出現(xiàn)與成熟，為顆粒在線測試提供了可能。激光顆粒分析技術(shù)除前面談到的許多優(yōu)點(diǎn)外，還有一些優(yōu)點(diǎn)尚未引起人們的注意：(1)它可用于運(yùn)動顆粒群的實(shí)時顆粒分析；(2)它不但適用于液體中的顆粒，也適用于氣體中的顆粒。所有這些優(yōu)點(diǎn)都注定了這種測試方法必定要在現(xiàn)代化的顆粒生產(chǎn)線擔(dān)任在線粒度測試的主角。此技術(shù)在粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用必將改變磨機(jī)的控制模式，磨機(jī)將發(fā)揮出更大的潛力，能耗也將得到最大限度的節(jié)約。我國在氣流粉碎機(jī)方面的粒度在線測控研究工作業(yè)已取得可喜的成果。預(yù)計不久，選粉、造粒、噴霧、干燥、結(jié)晶等許多工藝過程都將由激光顆粒分析儀擔(dān)當(dāng)在線分析的重任。到那時，此種技術(shù)的潛力才可得到較為充分的發(fā)揮^{[11, 14]}。

8 結(jié)束語

激光顆粒分析技術(shù)的研究從70 年代起步，到今天才不過20 年的時間，它已經(jīng)在測量精度、測量速度、分辨能力、動態(tài)檢測能力等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)分析方法，在世界許多實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用表現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性，越來越多的產(chǎn)品正在選擇激光顆粒分析技術(shù)作為產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。此種技術(shù)并未止步，每年都有引人注目的發(fā)展和創(chuàng)新^[15-17]。難怪有人驚呼在材料檢測領(lǐng)域正刮起一股激光旋風(fēng)�？梢灶A(yù)期，這種先進(jìn)的顆粒分析技術(shù)必將對我國材料科學(xué)研究和粉體工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]費(fèi)曼, 費(fèi)曼物理學(xué)講義, 高等教育出版社, ( 1988) , 21

[2]T. Allen, Particle Size Measurement ( fourth edition ) ,New York , Chapman&Hall, ( 1990) , 124.

[3]童祜嵩, 顆粒粒度與比表面測量原理, 上�？萍嘉墨I(xiàn)出版社, ( 1989) , 11

[4]Yasuo Arai, Chemist ry of Powder Product ion, NewYork, Chapman&Hall, ( 1996) , 213.

[5]任中京等, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 9 - 3( 1987) , 59.

[6]宋菲君等, 物理, 17( 1978) , 851

[7]鄭剛等, 應(yīng)用激光, 12 - 5( 1992) , 220.

[8]王少清等, 激光雜志, 18 - 3( 1997) , 9.

[9]任中京, 應(yīng)用激光, 14 - 1( 1994) , 8.

[10]任中京, 應(yīng)用激光, 13 - 2( 1993) , 90.

[11] Ren Zhongjing et al. , SPIE, 2066( 1993) , 145.

[12]任中京、胡榮澤, 應(yīng)用激光, 15 - 4( 1995) , 8.

[13]任中京等, 中國激光, 23 - 10( 1996) , 127.

[14]A. P. Malcolmson, Cerami c Industry , 146 - 4( 1996 ) ,106.

[15]Anon, I nter Corom, 43 - 4( 1994) , 266.

[16]E. P. Emet s, J . Aerosol S ci . , 25( supply) ( 1994) , 1.

[17]Cai Xiaoshu, Ad v . Powder Technol . , No. 1( 1994) , 25