Способ определения размеров броуновских частиц

 

Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с присущим каждой неоднородности своим размером образующих ее частиц. Цель - расширение области применения путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах. Способ заключается в использовании свойства ограниченной временной когерентности многомодовых лазеров. Излучение лазера направляется в интерферометр Майкельсона, в одном из плеч которого вместо зеркала расположена исследуемая среда. Обратно рассеянньй свет смешивается в плоскости приема с опорной волной, приводя к образоваш-по интерференционных флуктуации интен- . сивности. Однако вследствие ограниченной длины когерентности ul. последние обусловлены взаимодействием с опорной волной лишь части рассеянного излучения, приходящего из объема среды протяженностью порядка Л1 с глубины, определяемой длиной опорного пл еча. Измеряя ее величину и измеряя всякий раз полуширину спектра мощности флуктуации, рассчитываются размеры частнц на каждой глубине макронеоднородной среды с разрешением порядка длины когерентности излучения . 2 ил. i (Л IND 00 ел

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1402850 А 1

А!1 4 G О! N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ф р,, )3. с

1 ! «Ф

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4034463/31-25 (22) 06.03 ° 86 (46) 15.06.88. Бюл. М 22 (?1) Институт физики АН БССР (72) А. П. Иванов, А, А. Кумейша и А. П. Чайковский (53) 539.215 ° 4(088,8) (56.) Патент США М 3680961,. кл, G 01 N 15/02, 1972.

Ва1огу FuJime Quasi — elastic

light scattering from solutions of

macromolecules. I. Ворр1ег broadening

of light scattered from Solutions of

tobacco mosaic Virus Particles.

7. of the Physical Society of Уарап„

1970, ч. 29, М 2, р. 419-420.

Цель — расширение области применения путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах. Способ заключается в использовании свойства ограниченной временной когерентности многомодовых лазеров. Излучение лазера направляется в интерферометр Майкельсона, в одном из плеч которого вместо зеркала расположена исследуемая среда. Обратно рассеянный свет смешивается в плоскости приема с опорной волной, приводя к образованию интерференционных флуктуаций интен- . сивности. Однако вследствие ограниченной длины когерентности dl послед 2 ние обусловлены взаимодействием с Я опорной волной лишь части рассеянного излучения, приходящего из объема среды протяженностью порядка и 1 с С" глубины, определяемой длиной опорного плеча. Измеряя ее величину и изме- Я ряя всякий раз полуширину спектра мощности флуктуаций, рассчитываются размеры частиц на каждой глубине light макронеоднородной среды с разрешением {, ) порядка длины когерентности излучения. 2 ил. 00 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ БРОУНОВСКИХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с присущим каждой неоднородности своим размером образующих ее частиц.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!

402850

Изобретение относится к оптике рассеивающих сред и может быть использовано для экспрессного определения по обратно рассеянному излучению размеров частиц по трассе зондирования в макронеоднородных средах с присущим каждой макронеоднородности своим размером образующих ее частиц.

Цель изобретения — расширение об- 10

1 ласти применения способа путем определения размеров частиц в макронеоднородных средах.

В устройстве для осуществления предлагаемого способа использован ин- 15 терферометр Майкельсона,, в одном из плеч которого расположена исследуемая макронеоднородная среда. В качестве источника излучения используют многомодовый лазер непрерывного дей- 20 ствия в режиме ТЕИ 0@0. Длина и 1 когерентности его излучения на центральной длине волны Л определяется шириной 8Л спектрального интервала (числом q возбужденных аксиальных мод) и имеет величину Л /Л Л. Подбо— ром режима работы источника величину

A A выбирают такой, чтобы длина dl когерентности была равна линейному размеру меньшей из макронеоднородно- 30 стей вдоль трассы зондирования. Это условие позволяет при равенстве длины опорного плеча оптической глубине

Е центра -й макронеоднородности

1 регистрировать в плоскости приема

: флуктуации интенсивности, обусловлен, ные интерференцией с опорной волной

, света, рассеянного толькс частицами соответствующей )-й макронеоднородно сти и точно определять их размер. 1О

Если длина dl когерентности пре вышает линейныи размер какой-либо из макронеоднородностей вдоль трассы зондирования, например k--й, то при ее,циагносцировании (равенстве длины опорного плеча оптической глубине Z области ее локализации) вклад в регистрируемый интерференционный сиг:.ал будут давать не только частицы дчагносцируемой k-й макронеоднородно-сти, но и рассеиватели из смежных слоев среды, что в итоге снижает точность определения размера частиц на

Q, iàíí0é оптической глубине 7, к.

В противоположном случае, когда длина LI 1 когерентности существенна, меньше размеров макронеоднородностей среды, информативные флуктуации ин— тенсивности, обусловленные интерфе" ренцией с опорной волной рассеянного света из диагносцируемого объема среды протяженностью d будут малы по сравнению с флуктуациями интенсивности (самобиениями) всего осталь— ного некогерентного с опорным полем рассеянного света и прочими помехами и, следовательно, рассмотренная ситуация невыгодна с энергетической точки зрения, так как приводит к погрешности измерений вследствие низких отношений сигнал/шум.

Поэтому для реализации оптимальных с точки зрения точности измерений и энергетики условий длина когерентности используемого источника должна соответствовать ожидаемому масштабу макронеоднородностей среды, На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 — зависимость модуля функции y(Z) временной когерентности от разности хода Z = ст, (где с — скорость света при разной выходной мощности Р; t, — время распространения аксиальной моды), Способ осуществляют следующим образом.

Излучение источника 1 делится светоделителем 2 на проходящий и отраженный пучки. Проходящий пучок падает на зеркало 3 опорного плеча, а отраженный пучок направляется в исследуемую макронеоднородную среду 4.

Укаэанные пучки будем называть далее опорным и объектным. Отраженный зеркалом 3 и светоделителем 2 опорный пучок сводится в плоскости приема (диафрагма 5) с обратно рассеянным и прошедшим через светоделитель 2 излучением.

Для удобства отсчета диагносцируемой глубины среды целесообразно провести начальное уравнивание длины

Z опорного плеча (расстояние от све н тоделителя 2 до зеркала 3) с расстоянием от светоделителя 2 до передней границы среды 4. В этом случае последующее увеличение длины опорного плеча на величину Е обеспечит в плоскости приема интерференцию с опорт ной волной лишь излучения, рассеянного объемом среды протяженностью

В1 с центром на оптической глубине и

Z = Z /п (где и — показатель преломl f .пения среды; Z > — длина опорного плеча на глубине „ ). Эта интерференционз 1402850 ная картина в плоскости приема (диа- микронного фрагма 5) представляет собой сложную ленного от структуру, изменяющуюся во времени стояние R вследствие броуновского движения ча1

5 -3 стиц. Флуктуация фототока i детектора Г 210

6, пропорциональные флуктуациям освещенности отверстия диафрагмы 5, назовем информационным интерференционным сигналом (ИИС). Весь остальной рас- 0 сеянный свет сложится с опорным полем некогерентно и не даст вклада в ИИС.

При этом необходимо выполнение следующих условий. Во-первых, время усреднения схемы регистрации должно 15 быть существенно меньше времени

Б корреляции броуновского движения частиц, но значительно больше времени

7„ когерентиости излучения источника, во-вторых, размер r< диаграммы 5 пе- 20 ред детектором 6 должен быть меньше радиуса корреляции r однократно рассеянного диагносцируемым объемом пол

I ля. Указанные требования легко реализуются на практике. Например, в ни- 2 жеописанном эксперименте при использовании лазерного излучения с, длиной ко г ерентно сти, равной Д 1 = 6 см, 9 „ å 2 10 с и диаметре зондирующего пучка, равном 2 r = 2 мм, условия З6 регистрации информационного интерференционного сигнала-от j-го диагно- : сцируемого объема среды с частицами

К(, Z ;) =Zi(t,, Е ) i(t +Z, Z ))

С2 Z(Z )п (Zo), и (2, 2 ) 1 ) (2п2 — 2п2 )dZ +

j . o размера (с в а 10 с), удаплоскости приема на рас1 м, следующие:

-Ц с 0) (р е2 (.„=2 .10 с, hR

,), („ -" — - = 0,5 мм. г

Одновременно с регистрацией информативных флуктуаций интенсивности (вследствие интерференции опорной волны и когерентного ей рассеянного света) детектор 6 будет. регистрировать и более слабые флуктуации интенсивности, порожденные интерференцией рассеянных частицами полей между собой (самобиения рассеянного света—

CPC) не несущие информации о послойной структуре среды. Эти флуктуации имеют более широкий спектр и . при диагносцировании удаленных объемов среды могут искажать результаты измерений полуширины спектра мощности ИИС. Для оценки вклада CPC в коро реляционную функцию К (f(, 7, .) фототока (Фурье-преобразование которой определяет спектр мощности флуктуаций и соответственно его полуширину), необходимо воспользоваться соотношением:

9 (Z)T (Z) + CZ (d В) $

0 0 где С - постоянная;

1 — интенсивность источника света;

;AH — площадь поперечного сечения зондирующего пучка;

7 — время излучения источника;

r и — соответственно коэффициент. обратного рассеяния частицы и концентрация частиц;

R — расстояние от поверхности среды до плоскости приема; — модуль функции временной когерентности излучения источника;

R ((), Е) — корреляционная функция броуновского движения частиц на глубине Z среды;

T(Z) — -пропускание среды до глубины Z, равное ехр -(е 6(Z )dZ) о (2, Z) I 2 (2nZ — 2nZ )dZ dZ, )(.. -:.:показатель ослабления .направленного излучения; п - показатель преломления;

Š— оптическая глубина; — уровень неоднородности.

Соотношение (1) получено для дальнейшей зоны приема в предположени- ях однократности рассеяния и малости

50 изменения оптических характеристик среды на расстояниях порядка длины а1 когереитности. Первый член опрео деляет вклад в К(2(., Z ) информативного интерференционного сигнала, второй — самобиений рассеянного света (CPC) ° Если микрофизические параметры среды неизвестны, то вклад CPC может быть оценен экспериментально при перекрытом опорном пучке.

1402850

Полученная зависимость (Z) представлена графически на фиг„ 2, где кривая 7 соответствует (Е) при Р =

20 мВт, кривая 8 соответствует (Е) при P 130 мВт, кривая 9 соответствует j(Z) при P = 270 мВт и кривая 10 соответствует (Е) при P.

720 мВт.

Формула изобретения

Способ определения размеров броуновских частиц, основанный на облучении среды со взвешенными в ней 15 . частицами пучком когерентного лазер1, ного излучения, регистрации полушири ны спектра мощности флуктуаций интенсивности обратно рассеянного средой излучения и расчете по ней разме- 20 ра частиц, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем определения разме- . ров-частиц в макронеоднородных средах, длину когерентности: 11 излуче- 25 ния источника выбирают равной меньшему размеру макронеоднородностей вдоль трассы зондирования, разделяют исходное лазерное излучение на объектный и опорный пучки, облучают объектным пучком исследуемую среду, сводят в плоскости приема опорный пучок и обратно рассеянное средой излучение, проводят начальное уравнивание до плоскости приема оптических путей опорного излучения и света, отраженного передней границей среды, увеличивают оптический путь опорного излучения на величину Е, равную опо

1 э тической глубине среды, на которой с с пространственным. разрешением Д 1 определяется размер частиц и регисто рируют при каждом Z полуширину спектра мощности флуктуаций интенсивно сти, обусловленных интерференцией опорной волны и излучения, рассеянного диагносцируемым объемом среды протяженностью Д 1 с центром на глубине Z о

1402850

/(Е)

08

Составитель Р, Иванов

Редактор А. Ревин Техред Л. Сердюкова Корректор О. Кравцова

Заказ 2847/30

Подписное

Тираж 847

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4