Статическое Рассеяние Лазерного Света

Статическое светорассеяние - это устоявшийся и точный метод измерения характеристик размера частиц как сухих, так и влажных образцов. Microtrac является мировым лидером в этой технологии с более чем 40-летним опытом разработки и производства анализаторов частиц.

Статическое светорассеяние - это явление, возникающее при взаимодействии света с частицами. Оно создает характерные узоры, зависящие от угла, в которых свет преимущественно рассеивается частицами в определенных направлениях. Угол светорассеяния и интенсивность зависят от размера вовлеченных частиц. Поэтому статическое светорассеяние может использоваться для измерения распределения частиц по размерам, когда ансамбль частиц освещается лазерным лучом и результирующая картина светорассеяния регистрируется в широком угловом диапазоне.

Статическое Рассеяние Лазерного Света - SYNC

Узнайте больше об анализаторе размера и формы частиц, используемом в этой статье.

Обзор оборудования Свяжитесь с нами!

Теория Фраунгофера и Ми в статическом светорассеянии

Характерные картины светорассеяния, которые образуются при взаимодействии лазера с частицами, обусловлены дифракцией, преломлением, отражением и поглощением (как показано на рисунке). Для крупных частиц доминирующим механизмом является дифракция, возникающая на контуре частиц. Это в достаточной степени описывается так называемой теорией Фраунгофера. "Крупные частицы" в данном контексте означает "значительно большие, чем длина волны света". Для описания и оценки структуры рассеянного света более мелких частиц необходимо учитывать оптические свойства, в основном показатель преломления. Это описывается теорией Ми, которая, однако, также включает дифракцию и, следовательно, позволяет всесторонне оценить явления светорассеяния. Литературные значения доступны для показателей преломления почти всех твердых тел, поэтому теория Ми может быть очень надежно применена для статического светорассеяния. Статическое светорассеяние часто называют лазерной дифракцией или лазерной дифрактометрией, даже независимо от размера рассматриваемых частиц и происходящих явлений.

Когда свет взаимодействует с частицами, могут происходить дифракция, преломление, поглощение и отражение.

Описание картины светорассеяния

На рисунке показаны картины светорассеяния суспензий с размером частиц 1 мкм и 10 мкм соответственно. Для частиц размером 10 мкм картина светорассеяния показывает характерную кольцевую структуру, которую можно объяснить, главным образом, дифракцией. Для более крупных частиц углы дифракции будут меньше, а кольца будут ближе к центру. Кроме того, увеличилась бы интенсивность дифракционных максимумов. Для частиц размером 1 мкм эти дифракционные кольца больше не наблюдаются. Картина светорассеяния довольно размытая, но больше света рассеивается в прямом направлении, чем в сторону или назад. С уменьшением размера частиц общая интенсивность рассеянного света уменьшается, и меньше света рассеивается в прямом направлении, а больше рассеивается в сторону. Чтобы по-прежнему оценивать слабые сигналы от очень мелких частиц, На рисунке также показаны диаграммы светорассеяния от смеси частиц размером 1 мкм и 10 мкм, причем диаграммы рассеяния двух размеров перекрываются. Реальные образцы обычно содержат частицы разных размеров, и все они вносят вклад в общий рассеянный свет. Это необходимо соответствующим образом учитывать при оценке и вычислении распределения по размерам.

Картина светорассеяния из частиц размером 10 мкм (слева), частиц размером 1 мм (в центре) и смеси частиц размером 10 мкм и 1 мкм (справа). Для освещения использовалась имеющаяся в продаже лазерная указка.

Измерительные приборы для статического светорассеяния

Инструментальная реализация статического светорассеяния в измерительном устройстве показана на рисунке. При измерении размера частиц с помощью прибора SYNC Microtrac лазерный луч проникает в дисперсный образец, который может быть суспензией, эмульсией или порошком в воздушном потоке. Поскольку интенсивность рассеянного света дает информацию о распределении частиц по размерам, технология Microtrac измеряет этот рассеянный свет под различными углами до 163°. Осевой детектор в прямом направлении измеряет иногда очень мелкие углы дифракции, создаваемые крупными частицами. Большие углы покрываются внеосевым детектором. При использовании трех лазеров, освещающих образец под разными углами, покрывается особенно широкий диапазон углов светорассеяния. Данные непрерывно записываются во время измерения, анализируются и оцениваются в соответствии с теорией Фраунгофера или Ми. запатентованный алгоритм Microtrac "Модификация теории Mи" вычисляет точное распределение частиц по размерам даже для (полупрозрачных), непрозрачных, круглых и некруглых частиц.

Установка анализатора частиц Microtrac SYNC для статического анализа рассеяния света с двумя детекторными решетками и тремя лазерными источниками света.

Microtrac MRB Продукты & Контакты

Узнайте больше об анализаторе размера и формы частиц, используемом в этой статье.

Обзор оборудования

Наша команда экспертов будет рада проконсультировать вас о вашем применении и о нашем ассортименте продуктов.

Свяжитесь с нами для получения бесплатной консультации

Статическое Рассеяние Лазерного Света - Часто задаваемые вопросы

Почему метод называется "статическое светорассеяние"?

При статическом светорассеянии наблюдаемая картина со временем не меняется. Поэтому термин "статический" относится к измеряемому сигналу. Частицы, которые генерируют картину светорассеяния, обычно перемещаются через измерительную ячейку во время анализа, поэтому они не являются статичными. Однако, если материал образца хорошо перемешан и однороден, распределение по размерам в рассматриваемом объеме в значительной степени остается постоянным, как и картина светорассеяния.

В чем разница между статическим и динамическим светорассеянием?

При статическом светорассеянии регистрируется и оценивается световая картина, зависящая от угла. При динамическом светорассеянии колебания интенсивности рассеянного света в течение более длительного периода времени измеряются под одним углом светорассеяния. Из обоих методов можно определить размер рассеянных частиц, при этом динамический метод особенно подходит для наночастиц, а статическое светорассеяние может гибко использоваться для широкого диапазона размеров.

Верно ли приближение Фраунгофера для статического светорассеяния?

Приближение Фраунгофера учитывает только дифракцию, но допустимо для оценки распределения частиц по размерам, если оно значительно больше длины волны падающего лазерного света. ISO 13320 определяет 50 мкм в качестве нижнего предела, но на практике приближение Фраунгофера часто разумно использовать для частиц размером до 5 мкм.

Что такое теория Ми?

Теорию Ми можно использовать для описания картины светорассеяния сферическими частицами с учетом их оптических свойств. Это основа для анализа размера частиц со статическим светорассеянием. Теория Ми применима ко всему диапазону размеров, который обычно составляет от 10 нм до 4 мм для статического светорассеяния. Она назван в честь Густава Ми, который в 1908 году описал рассеяние света, решив уравнения Максвелла.

Как интенсивность светорассеяния связана с размером частиц?

Крупные частицы рассеивают больше света, чем мелкие. Уменьшение интенсивности рассеянного света происходит примерно в 10⁶ раз, что означает, что частица размером 100 нм имеет в 10 раз меньший диаметр, в 1000 раз меньший объем и в миллион раз меньшую интенсивность рассеяния по сравнению с частицей размером 1000 нм.

Как угол светорассеяния связан с размером частиц?

В приближении Фраунгофера углы дифракции увеличиваются с уменьшением размера. Важным следствием теории Ми является то, что крупные частицы рассеивают больше света в прямом направлении, чем мелкие частицы.

Как интенсивность светорассеяния связана с длиной волны?

Интенсивность светорассеяния частицы намного выше для света с короткой длиной волны, чем для света с более длинной длиной волны. Это рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны, 1/λ4. Однако длинноволновый свет лучше подходит для измерения более крупных частиц.