СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОУГЛОВОЙ ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам определения малоугловой индикатрисы рассеяния, и может быть использовано для определения гранулометрического состава аэрозолей.

Известен способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния, по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его на рассеивающую среду, пучок коллимированного оптического излучения, прошедший через рассеивающую среду, и поток рассеянного излучения направляют на клиновидную диафрагму, за которой регистрируют малоугловую индикатрису рассеяния [Оптико-электронные методы изучения аэрозолей/ С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В. В. Смирнов, Г.И. Щелчков. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 232 с.].

Недостатком такого способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния является возможность проведения измерений лишь за пределами пучка прошедшего через рассеивающую среду коллимированного оптического излучения.

Известен также способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния [Кузнецов В. И. Оптико-механическая промышленность. 1958, т.8, 11], по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его через рассеивающую среду, пучок коллимированного оптического излучения, прошедший через рассеивающую среду, и поток рассеянного излучения направляют на призму полного внутреннего отражения перпендикулярно к грани, противолежащей углу 90^o, регистрируют интенсивности потоков оптического излучения, прошедших призму полного внутреннего отражения и имеющих одинаковые пространственные положения.

Недостатком устройства для определения малоугловой индикатрисы рассеяния является существенное искажение малоугловой индикатрисы рассеяния в области угла в 0^o, из-за того, что рассеянные пучки, падающие под углом, близким к углу полного внутреннего отражения испытывают как преломление, так и отражение. При этом лучи, рассеянные в направлении 0^o, также испытывают полное внутреннее отражение и не проходят до фотоприемника.

Известен способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния [Шифрин К. С. Изучение свойств вещества по однократному рассеянию. В кн.: Теоретические прикладные проблемы рассеяния света. 1971, с. 228-244], по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, направляют его через рассеивающую среду. Собирают параллельные потоки оптических излучений: пучок, прошедший через рассеивающую среду, и пучки, рассеянные на ней на разные углы, - с помощью объектива, регистрируют мощности потоков оптических излучений, рассеянных на одинаковые углы в фокальной плоскости этого объектива, определяющих индикатрису рассеяния.

Недостатком способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния является ограничение диапазона углов измерения интенсивностей размером фокального пятна прошедшего рассеивающую среду пучка коллимированного оптического излучения.

Известен также способ измерения малоугловой индикатрисы рассеяния по авторскому свидетельству 1323927 [И.Л. Максимова, Л.П. Шубочкин, В. В. Тучин. Способ измерения индикатрисы рассеяния. Авт.св. 1323927 по МПК G 01 N 21/47, БИ 26 от 15.07.87], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что направляют пучок коллимированного излучения на рассеивающий образец. Дополнительно формируют пучок опорного излучения, когерентного с излучением, падающим на рассеивающий образец. За рассеивающим образцом пространственно совмещают пучок опорного излучения с пучком излучения, прошедшим рассеивающий образец. Для каждого угла (для определения интенсивности рассеянного излучения) измеряют интенсивности излучения в минимуме и максимуме полученной интерференционной картины, затем поочередно перекрывают пучки опорного и прошедшего через рассеивающий образец оптического излучения и измеряют интенсивности указанных пучков. Интенсивность рассеянного в требуемом направлении излучения определяют по формуле

где контраст интерференционной картины;
I₁ - интенсивность пучка излучения, прошедшего рассеивающий образец;
I₂ - интенсивность пучка излучения, когерентного с излучением, падающим на образец.

Недостатком способа измерения малоугловой индикатрисы рассеяния является сложная процедура определения интенсивности рассеяния на каждом угле, состоящая из пяти этапов и включающая измерение четыре раза величин потоков оптического излучения, а также математическую обработку измеренных величин.

Задачей изобретения является упрощение способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния во всей малоугловой области (включая направление угла в 0^o).

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения малоугловой индикатрисы рассеяния, по которому формируют пучок коллимированного оптического излучения, разделяют его на когерентные опорный и зондирующий пучки равной интенсивности, зондирующий пучок оптического излучения направляют через рассеивающую среду, затем пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, а также поток оптического излучения, рассеянного на рассеивающей среде на малые углы, и пучок опорного оптического излучения совмещают в плоскости, в которой регистрируют величины интенсивностей излучения. Согласно изобретению пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, и пучок опорного оптического излучения фокусируют в плоскости регистрации величины интенсивностей оптического излучения. При этом угол пересечения оптических осей опорного и зондирующего пучков оптического излучения выбирают так, чтобы период интерференционной картины указанных пучков превышал диаметры фокальных пятен опорного и зондирующего пучков. Одновременно фокальные пятна пучков зондирующего и опорного оптического излучения совмещают в одном из минимумов интерференционной картины.

Положительный эффект достигается за счет того, что период интерференционной картины выбирают больше диаметров фокальных пятен пучков опорного и зондирующего оптического излучения. Поэтому в плоскости регистрации интенсивностей потоков рассеянного излучений интенсивность прошедшего рассеивающую среду зондирующего оптического излучения не превышает порога чувствительности используемого фотоприемника (за счет совмещения положения фокального пятна пучка прошедшего через рассеивающую среду зондирующего оптического излучения с пространственным положением интерференционного минимума), и регистрируют только рассеянное оптическое излучение. Это позволяет определять индикатрису рассеяния во всей малоугловой области, включая направление зондирующего пучка (направление в 0^o) путем проведения однократных замеров на каждом угловом положении. При этом сокращается общее время проведения измерений.

На чертеже приведена оптическая схема предлагаемого способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния.

В таблице приведена малоугловая индикатриса рассеяния.

Устройство для реализации способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния содержит источник когерентного оптического излучения 1, коллиматор 2, светоделительную пластину 3, поворотное зеркало 4, объективы 5, 6, фотоприемник 7.

В качестве источника когерентного оптического излучения 1 может быть использован любой лазер, имеющий необходимую мощность, например гелий-неоновый. В качестве коллиматора 2 могут быть использованы два фотообъектива, имеющих разные фокусные расстояния и позволяющие сформировать пучок оптического излучения необходимого диаметра. В качестве объективов 5, 6 могут быть использованы два одинаковых серийно выпускаемых объектива, в качестве фотоприемника 7 может быть использован фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

При реализации способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния формировали пучок коллимированного оптического излучения 8 гелий-неонового лазера ЛГ-79, диаметром 10 мм. Этот пучок коллимированного оптического излучения с помощью светоделительной пластины 3, представляющей из себя плоскопараллельную пластину из стекла К-8 толщиной 30 мм, разделяли на пучки опорного 9 (отраженный от светоделительной пластины) и зондирующего 10 (прошедший светоделительную пластину) оптического излучения. Светоделительную пластину 3, по отношению к направлению распространения коллимированного оптического излучения, устанавливали под углом ≈45^o. Мощности этих пучков выравнивали с помощью набора серых фильтров с общим коэффициентом ослабления в 15 раз, устанавливаемых в зондирующий пучок 10. Пучок зондирующего оптического излучения 10 с помощью поворотного зеркала 4 направляли на струю газа 11 диаметром не более 15 мм, содержащую частицы металлического железа диаметрами 25÷30 мкм. Пучки зондирующего оптического излучения: прошедший 12 и рассеянный 13 на разные углы в этой струе - с помощью объектива 6 (Юпитер-21М) фокусировали на плоскость подвижной диафрагмы 14 шириной 0,5 мм, перпендикулярно к ней. Пучок опорного оптического излучения 9 также фокусировали с помощью объектива 5 (Юпитер-21 М), имеющего фокусное расстояние 200 мм, световой диаметр 50 мм, на плоскости подвижной диафрагмы 14 под углом в 6^o к направлению зондирующего пучка. Фокальные пятна опорного пучка 9 и зондирующего пучка 10, прошедшего рассеивающую среду, оптического излучения сводили в одной точке на плоскости подвижной диафрагмы 14, совпадающей с областью наименьшей интенсивности одного из минимумов интерференционной картины. Расстояние между объективом 6 и газовой струей 11 устанавливали равным 200 мм. Период интерференционной картины при взаимодействии двух пучков оптического излучения длиной волны 0,6328 мкм, сходящихся под углом 6^o, составляет 6,04 мкм, который почти в 2 раза превышает диаметр фокального пятна, составляющего 3,1 мкм.

За подвижной диафрагмой 14 располагали фотоприемник 7. Индикатрису рассеяния, находящуюся в горизонтальной плоскости, проходящей через фокальное пятно пучка зондирующего оптического излучения 12, прошедшего через рассеивающую среду 11, регистрировали с помощью фотоприемника 7, при сканировании подвижной диафрагмой 14 вдоль отрезка длиной 2 см со скоростью 30 м/с. Между подвижной диафрагмой 14 и фотоприемником 7 располагали клиновидную диафрагму 15 для уменьшения диапазона величин измеряемых потоков пучков рассеянного оптического излучения. Сигналы фотоприемника 7, в качестве которого использовали фотоэлектронный умножитель ФЭУ-114, запоминали с помощью осциллографа С8-12. Таким образом, малоугловую индикатрису рассеяния, в диапазоне углов [0^o, 5,7^o[, определяли за время ≈6,7•10^-4 с.

В таблице приведена усредненная по времени экспериментально полученная малоугловая индикатриса рассеяния. Малоугловые индикатрисы рассеяния получены при зондировании излучением с длиной волны 0,6328 мкм потока воздуха, содержащего частицы металлического железа диаметрами 25÷30 мкм. Усредненная по нескольким реализациям малоугловая индикатриса рассеяния нормирована на величину мощности потока излучения, рассеянного в направлении угла 0^o.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам определения малоугловой индикатрисы рассеяния, и может быть использовано при гранулометрическом анализе аэрозолей. Для разделения потоков рассеянного и прошедшего рассеивающую среду оптического излучения в плоскости фотоприемника используют опорный когерентный пучок. Пучки опорного и прошедшего рассеивающую среду излучения фокусируют. Фокальные пятна указанных пучков совмещают в одном из минимумов интерференционной картины. При этом период интерференционной картины опорного и зондирующего пучков оптического излучения выбирают больше диаметров фокальных пятен указанных пучков. Техническим результатом является упрощение способа определения малоугловой индикатрисы рассеяния во всей малоугловой области (включая направление угла в 0^o). 1 табл., 1 ил.

Способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния, заключающийся в том, что формируют пучок коллимированного оптического излучения, разделяют его на когерентные опорный и зондирующий пучки равной интенсивности, зондирующий пучок оптического излучения направляют через рассеивающую среду, затем пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, а также поток оптического излучения, рассеянного на рассеивающей среде на малые углы, и пучок опорного оптического излучения совмещают в плоскости, в которой регистрируют величины интенсивностей излучения, отличающийся тем, что пучок коллимированного оптического излучения, прошедшего через рассеивающую среду, и пучок опорного оптического излучения фокусируют в плоскости регистрации величины интенсивностей оптического излучения, при этом угол пересечения оптических осей опорного и зондирующего пучков оптического излучений выбирают так, чтобы период интерференционной картины указанных пучков превышал диаметры фокальных пятен опорного и зондирующего пучков, одновременно фокальные пятна пучков зондирующего и опорного оптического излучений совмещают в одном из минимумов интерференционной картины.