一、 激光粒度儀的原理與技術(shù)現(xiàn)狀
激光粒度儀是基于光衍射現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的,當(dāng)顆粒通過激光光束時(shí),顆粒表面會(huì)衍射光,而衍射光的角度與顆粒的粒徑成反向的變化關(guān)系,即大顆粒衍射光的角度小,小顆粒衍射光的角度大,如圖 1 所示。
換句話說,不同大小的顆粒在通過激光光束時(shí)其衍射光會(huì)落在不同的位置,位置信息反映顆粒大;如果同樣大的顆粒通過激光光束時(shí)其衍射光會(huì)落在相同的位置,即在該位置上的衍射光的強(qiáng)度疊加后就比較高,所以衍射光強(qiáng)度的信息反映出樣品中相同大小的顆粒所占的百分比多少,如圖 2 所示。這樣,如果能 夠同時(shí)測(cè)量或獲得衍射光的位置和強(qiáng)度的信息,就可得到粒度分布的結(jié)果。實(shí)際上激光衍射法就是采用一系列的光敏檢測(cè)器來測(cè)量未知粒徑的顆粒在不同角度(或者說位置)上的衍射光的強(qiáng)度,使用衍射模型,再通過數(shù)學(xué)反演,然后得到樣品顆粒的粒度分布。檢測(cè)器的排列在儀器出廠時(shí)就已根據(jù)衍射理論確定,在實(shí)際測(cè)量時(shí),分布在某個(gè)角度(或位置)上的檢測(cè)器接收到衍射光,說明樣品中存在有對(duì)應(yīng)粒徑的顆粒。
然后再通過該位置的檢測(cè)器所接收到的衍射光的強(qiáng)度,得到所對(duì)應(yīng)粒徑顆粒的百分比含量。但是,顆粒衍射光的強(qiáng)度對(duì)角度的依賴性是隨著顆粒粒徑的變小而降低,如圖 3 所示。當(dāng)顆粒小到幾百納米時(shí),其衍射光強(qiáng)對(duì)于角度幾乎完全失去依賴性,即此時(shí)的衍射光會(huì)分布在很寬的角度范圍內(nèi),而且單位面積上的光強(qiáng)很弱,這無疑增加了檢測(cè)的難度。
如何實(shí)現(xiàn)對(duì) 1 微米以下及寬粒徑范圍(一般幾十納米到幾千微米)的樣品的測(cè)量是激光衍射法粒度儀的技術(shù)關(guān)鍵。概括起來,目前有以下幾種技術(shù)和光路配置被采用:
1、多透鏡技術(shù)
多透鏡系統(tǒng)曾在二十世紀(jì)八十年代前被廣泛采用,它使用傅里葉光路配置即樣品池放在聚焦透鏡的前方,配有多個(gè)不同焦距的透鏡以適應(yīng)不同的粒徑范圍,如圖 4 所示,優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,只需要分布于幾十度范圍的焦平面檢測(cè)器,成本較低。缺點(diǎn)是如果樣品粒徑范圍寬的時(shí)候需要更換透鏡,不同透鏡的結(jié)果需要拼合,對(duì)一些未知粒徑的樣品用一個(gè)透鏡測(cè)量時(shí)可能會(huì)丟失信號(hào)或?qū)τ谟捎诠に囎兓瘜?dǎo)致的樣品粒徑變化不能及時(shí)反映。
多光源技術(shù)也是采用傅里葉光路配置即樣品池在聚焦透鏡的前方,一般只有分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器,為了增大相對(duì)的檢測(cè)角度,使該檢測(cè)器能夠接收到小顆粒的衍射光信號(hào),在相對(duì)于第一光源光軸的不同角度上再配置第一或第二激光器,如圖 5 所示。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是只需分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器,成本較低,測(cè)量范圍特別是上限可以比較寬,缺點(diǎn)是分布于小角度范圍的小面積檢測(cè)器同時(shí)也被用于小顆粒測(cè)量,由于小顆粒的衍射光在單位面積上的信號(hào)弱,導(dǎo)致小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比降低,這就是為什么多光源系統(tǒng)在測(cè)量范圍上限超過 1500 微米左右時(shí),若要同時(shí)保證幾微米以下小顆粒的準(zhǔn)確測(cè)量,需要更換短焦距的聚焦透鏡。另外,多透鏡系統(tǒng)在測(cè)量樣品時(shí),不同的激光器是依次開啟,而在干法測(cè)量時(shí),由于顆粒只能一次性通過樣品池,只有一個(gè)光源能被用于測(cè)量,所以一般采用多透鏡技術(shù)的干法測(cè)量的粒徑下限很難低于 250 納米。
3、多方法混合系統(tǒng)
多方法混合系統(tǒng)指的是將激光衍射法與其它方法混合而設(shè)計(jì)的粒度儀,激光衍射法部分只采用分布于幾十度角度范圍的檢測(cè)器,再輔以其它方法如 PCS 等,一般幾微米以上用激光衍射法測(cè)量,而幾微米以下的顆粒用其它方法測(cè)量,理論上講粒徑下限取決于輔助方法的下限,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低,總的測(cè)量范圍較寬,但因?yàn)椴煌姆椒ㄋ蟮淖罴训臏y(cè)量條件如樣品濃度等都不一樣,通常難以兼顧,另外由于不同方法間存在的系統(tǒng)誤差,在兩種方法的數(shù)據(jù)擬合區(qū)域往往較難得到理想的結(jié)果,除非測(cè)量前已經(jīng)知道樣品粒徑只落在衍射法范圍內(nèi)或輔助方法的范圍內(nèi)。另外多方法混合系統(tǒng)需采用兩個(gè)不同的樣品池,這對(duì)于濕法測(cè)量來講不是問題,因?yàn)闃悠房梢匝h(huán),但對(duì)干法而言樣品只能一次性通過樣品池而不能循環(huán),不能用兩種方法同時(shí)測(cè)量,因而多種方法混合系統(tǒng)在干法測(cè)量時(shí)的粒徑下限只能到幾百納米。
4、非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)技術(shù)及反傅里葉光路系統(tǒng)非均勻交叉大面積補(bǔ)償?shù)膶捊嵌葯z測(cè)及反傅里葉光路系統(tǒng)是二十世紀(jì)九十年代后期發(fā)展起來的技術(shù),采用反傅里葉光路配置即樣品池置于聚焦透鏡的后面,這樣使檢測(cè)器在極大的角度范圍內(nèi)排列,一般真正物理檢測(cè)角度可達(dá) 150 度,從而使采用單一透鏡測(cè)量幾十納米至幾千微米的樣品成為可能,光路示意圖如圖 6 所示,在檢測(cè)器的設(shè)計(jì)上采用了非均勻交叉而且隨著角度的增大檢測(cè)器的面積也增大的排列方式,既保證了大顆粒測(cè)量時(shí)的分辨率也保證了小顆粒檢測(cè)時(shí)的信噪比和靈敏度。無需更換透鏡及輔助其它方法就可測(cè)量從幾十納米到幾千微米的顆粒,即使是干法測(cè)量,其下限也可達(dá)到 0.1 微米。這種方法的缺點(diǎn)是儀器的成本相對(duì)于前面的幾種方法而言偏高。
二、 激光粒度儀選購(gòu)
激光粒度儀主要由光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng),分散進(jìn)樣系統(tǒng)及控制分析軟件組成,而光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)又包括光源,光路及檢測(cè)器等關(guān)鍵部分。在選擇激光粒度儀時(shí)要特別注意以下幾點(diǎn):
1、 光源
光源主要有氦氖氣體激光器和半導(dǎo)體固體激光器兩種,氦氖激光器具有線寬窄,單色性極好,
不受供電電壓波動(dòng)及溫度變化的影響,穩(wěn)定性高,特別是近些年來密封等技術(shù)的發(fā)展,其使用壽命有了很大提高,所以雖然氦氖激光器存在體積大,需高壓供電及價(jià)格高的缺點(diǎn),但仍然被一些高端儀器采用。而半導(dǎo)體激光器具有體積小,供電電壓低,使用壽命較長(zhǎng),相對(duì)氦氖激光器而言價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但其單色性差,線寬寬,穩(wěn)定性易受溫度變化及供電電源波動(dòng)的影響等缺點(diǎn)也限制了它在儀器中的應(yīng)用,當(dāng)然可以預(yù)見的是隨著半導(dǎo)體光源技術(shù)的提高,半導(dǎo)體固體激光器將會(huì)被更多的使用于粒度儀。另外要注意的是,激光器波長(zhǎng)對(duì)粒度測(cè)量的影響,當(dāng)顆粒較小時(shí),根據(jù)瑞利散射理論,散射光強(qiáng)與粒徑的六次方成正比,而與光源波長(zhǎng)的四次方成反比,所以選用短波長(zhǎng)的激光器更能提高小顆粒檢測(cè)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度及信噪比。
2、 在光路配置上,前面已有所提及,主要需要考慮的是儀器是否有穩(wěn)固的光學(xué)平臺(tái),是否有自動(dòng)對(duì)光功能,是否無需更換透鏡就可以測(cè)量寬的粒徑范圍;如果需干法測(cè)量,粒徑測(cè)量范圍下限是否能達(dá)到 0.1 微米而同時(shí)上限可達(dá) 1000 微米以上。
3、 檢測(cè)器是激光粒度儀的最關(guān)鍵部件之一,好的檢測(cè)器成本有時(shí)會(huì)占到整個(gè)粒度儀成本的四分之一以上,在 ISO13320 激光衍射法國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 6.7 章節(jié)中特別提到檢測(cè)器對(duì)儀器靈敏度和分辨率的影響,所以在選擇時(shí)不能只考慮檢測(cè)器中檢測(cè)單元的數(shù)量,還要看檢測(cè)器的幾何形狀,排列方式,檢測(cè)單元的面積及其真正的物理檢測(cè)角度。
4、樣品分散進(jìn)樣系統(tǒng)是保證樣品正確分散和進(jìn)樣的重要附件,濕法分散進(jìn)樣器需要有內(nèi)置超聲和攪拌及足夠力量的循環(huán)泵最好是離心泵,干法分散進(jìn)樣器需要有振動(dòng)進(jìn)樣功能,氣流壓力可調(diào),不同容量的樣品盤可選。另外,在樣品測(cè)量過程中樣品有時(shí)會(huì)不可避免地粘附在樣品池的窗口上,所以樣品池是否容易拆卸清潔也非常重要。
5、 軟件是用于儀器控制和數(shù)據(jù)分析的,數(shù)據(jù)采集速度越快越好。在 ISO13320 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中,特別提出如果顆粒粒徑小于幾十微米,需采用米氏理論,輸入正確的樣品折射率和吸收率以便能獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果,所以在軟件中需要有一般物質(zhì)的光學(xué)參數(shù)即折射率和吸收率的數(shù)據(jù)庫并能補(bǔ)充輸入這些光學(xué)參數(shù)。另外,數(shù)據(jù)輸出功能,用戶報(bào)告格式設(shè)計(jì)功能,量程擴(kuò)展功能等也是不可或缺的因素。如果再有中文軟件和中文說明書,對(duì)大部分中國(guó)用戶來說更是好的選擇。
6、 最后要提到的一點(diǎn)就是有關(guān)激光粒度儀測(cè)量的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性或精度等指標(biāo),這些指標(biāo)應(yīng)該是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品(如 NIST 可溯源的乳膠顆粒等)的某些特征值(如 D50,D10, D90 等),如果只在儀器樣本上簡(jiǎn)單地標(biāo)上 0.5%或更小而不指明針對(duì)性,勢(shì)必會(huì)誤導(dǎo)用戶,所以用戶在看到這些指標(biāo)時(shí),有必要確認(rèn)其針對(duì)性和具體含義。