激光粒度儀應用導論之原理篇

        激光粒度儀應用原理介紹
??目前，激光顆粒分析儀在顆粒表征中的應用已經(jīng)非常廣泛。測量對象涵蓋固體粉末、懸浮液（包括固-液、氣-液和液-液等兩相流體）和液滴三種形式的顆粒體系。應用領(lǐng)域包括學(xué)術(shù)研究機構、技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)監控部門(mén)。從臺商用儀器誕生至今已有50年，作者在這個(gè)方向上從事研發(fā)工作近30年。盡管如此，由于被測物體的粒子系統比較抽象，而且激光粒度儀的原理和技術(shù)比較復雜，而且本身還存在一些有待改進(jìn)的問(wèn)題，筆者覺(jué)得 科學(xué)技術(shù)問(wèn)題介紹粒度分析儀既流行又專(zhuān)業(yè)，可以幫助讀者更好地了解、選擇和使用產(chǎn)品。這一系列文章的定位很受歡迎。不過(guò)，為了讓一些希望深入了解該技術(shù)的讀者獲得更多、更深入的相關(guān)知識，作者在本文的適當位置添加了“高級知識"。只是想了解激光粒度儀的讀者可以跳過(guò)這些內容。
??首先需要說(shuō)明的是，這里所說(shuō)的激光粒度儀是指基于靜態(tài)光散射原理的粒度檢測設備。目前還有一種粒度分析儀也是基于光散射原理，同樣采用激光作為照明光源，但稱(chēng)為動(dòng)態(tài)光散射（DLS）粒度分析儀。前者是根據不同粒徑的粒子產(chǎn)生的散射光的空間分布來(lái)計算粒徑（認為這種分布不隨時(shí)間變化），后者是通過(guò)測量粒徑的變化來(lái)分析粒徑以固定散射角隨時(shí)間散射光；前者適用于約0.1微米至數千微米的粒子測量，而后者適用于1微米至1納米（千分之一微米）的粒子測量。激光粒度分析儀英文也叫基于激光衍射法的粒度分析技術(shù)。
?? 【進(jìn)階知識1】嚴格來(lái)說(shuō)，將激光粒度儀的原理描述為“衍射法"是不準確的，甚至會(huì )產(chǎn)生誤導。從物理上講，光的衍射和散射是不同的。源于光的波動(dòng)性的“光的衍射"理論已被實(shí)驗證實(shí)，但尚未從理論上認識到光是一種電磁波。這個(gè)時(shí)期大約是 19 世紀上半葉。早些時(shí)候當時(shí)，人們認為光的傳播路徑是一條直線(xiàn)，就像不受外力作用的粒子作勻速直線(xiàn)運動(dòng)一樣。這個(gè)說(shuō)法在歷shi上被稱(chēng)為“光粒子論"。后來(lái)人們發(fā)現光有波浪形。那時(shí)人們所知道的只有水波，所以“顏"字里有水。 “光的衍射"描述的是光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物，會(huì )改變原來(lái)的傳播方向，跑到障礙物后面的現象，所以衍射又稱(chēng)“衍射"。描述衍射現象的理論稱(chēng)為衍射理論。遠場(chǎng)衍射理論的近似表述（即在遠離障礙物的位置觀(guān)察衍射）稱(chēng)為“夫瑯禾費衍射"。衍射理論沒(méi)有考慮光場(chǎng)與物質(zhì)（障礙物）的相互作用，而只是對這種現象的量綱描述，因此是一種近似理論。它只適用于遠大于光波長(cháng)的障礙物（“粒子"就是障礙物）（激光粒度儀使用的光源大多為紅光，波長(cháng)范圍為0.6～0.7微米），以及測量散射角范圍小于 5° 的情況。
?? 1870年代麥克斯韋提出電磁波理論后，他發(fā)現光也是一種電磁波。光的衍射現象本質(zhì)上是由電磁場(chǎng)和障礙物相互作用引起的。衍射理論是電磁波理論的近似表達。嚴格的電磁波理論認為，光在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物并與之相互作用改變原來(lái)的行進(jìn)方向。這種現象通常稱(chēng)為光散射。電磁波理論可以描述任意大小物體對光的散射，散射光的方向也是任意的。無(wú)論是早期還是現在，在用激光粒度儀測量粒度時(shí)，都假設顆粒是球形的。如果進(jìn)一步假設粒子是均勻的和各向同性的，則可以使用嚴格的電磁波理論推導出散射光場(chǎng)的嚴格解析解（稱(chēng)為“米氏散射理論"）。
??現在市場(chǎng)上的大多數激光粒度分析儀都使用米氏散射理論作為物理基礎。因此，說(shuō)目前激光粒度儀使用的物理原理是衍射法是不準確的，甚至可能被誤認為是早期基于衍射理論的一種儀器。
??第1臺商用激光粒度分析儀于1968年設計，雖然當時(shí)已經(jīng)提出了米氏理論，但受當時(shí)計算機計算能力的限制，很難用它來(lái)快速計算散射各種大小粒子的光場(chǎng)。的價(jià)值。因此，當時(shí)的激光粒度分析儀采用夫瑯禾費衍射理論來(lái)計算散射光場(chǎng)，這就是為什么將這一原理稱(chēng)為激光衍射法。這個(gè)名字一直沿用至今。然而，“光散射法"一詞在世界范圍內逐漸增多。