Устройство для определения размеров наночастиц в турбулентном воздушном потоке в зависимости от влияния изменений их общей концентрации Российский патент 2023 года по МПК G01N15/14 

Изобретение относится к области оптики, в частности к оптическим, диагностическим и контрольно-измерительным приборам, предназначенным для измерения распределения концентрации и размеров несферических частиц в жидкостях и газах, а также к области биологии и медицины и может быть применена в технологических комплексах контроля размеров нанопорошков при их производстве, при разработке новых технологий получения нанодисперсных веществ, для измерения размеров взвешенных в биологических жидкостях биополимерных частиц, фармпрепаратов и других субмикронных биологических объектах. Например, для измерения характерного размера субмикронных частиц оксида алюминия в ограниченном диапазоне размеров 300…800 нм.

Известен «Способ и устройство для определения количества субмикронных частиц», (патент RU №2037806, МПК G01N 15/14), в которых используют расчет отношения интенсивностей рассеяния света дисперсной средой под разными углами на одной длине волны, где луч света на длине волны λ₁, испускаемый источником, просвечивает измерительный объем V. Фотодетекторы, расположенные в различных угловых направлениях относительно главной оси распространения зондирующего излучения, собирают информацию о величине интенсивностей рассеяния I₁ и I₂ соответственно. Далее отношение полученных сигналов с выходов детекторов при различных размерах частиц обрабатывается с целью получения информации о среднем размере частиц. Также нередко в основе устройств использован расчет отношения интенсивностей рассеяния света на разных длинах волн, принятых под определенными углами, где наблюдение за рассеянным светом происходит на разных длинах волн λ₁ и λ₂ под определенными углами.

В существующих установках на основе устройств, использующих метод расчета отношения интенсивностей рассеянного излучения с разными поляризационными составляющими интенсивности на одной длине волны под определенными углами, где луч света, испускаемый источником, просвечивает измерительный объем V. Рассеянное излучение принимается фотоприемником через оптическую поляризационную систему, например, призма Глана или другой анализатор поляризации. Излучение, рассеянное частицами из измерительного объема, приобретает дополнительные составляющие поляризации в зависимости от параметров дисперсной среды, например, характерного размера.

Однако, недостатком данных устройств является невозможность их для определения размеров наночастиц с разными толщинами оболочек в условиях влияния изменений общий концентрации их в потоке.

Наиболее близким по технической сущности и взятым в качестве прототипа является «Устройство для измерения распределения размеров и концентраций несферических наночастиц в жидкостях и газах» (Патент RU 84548, МПК G01J 9/02, В82В 1/00). В результате анализа прототипа было выявлено, что у устройства при определении распределения концентрации и размеров несферических наночастиц в жидкостях и газах, содержащее лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, на пути которого установлена рабочая кювета с исследуемой средой, у противоположного выхода из которой установлен светопоглощающий экран, и фотоприемное устройство для регистрации рассеянного на наночастицах излучения с узлом предварительной обработки сигналов содержит фотоприемник, расположенный в плоскости рассеяния и фотоприемник, расположенный перпендикулярно плоскости рассеяния, относительно падающего луча лазера.

Недостатком данного технического решения является конструктивные особенности расположения фотоприемников по абсолютному перпендикуляру между собой, который может быть в динамике отклонен, что приводит к погрешности измерения, то есть снижению точности измерения, невозможности измерения толщины оболочки наночастиц в условиях влияния изменений общий концентрации их в потоке движущихся частиц, что в целом снижает функциональные возможности устройства.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства с одновременным повышением точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения размеров наночастиц в зависимости от изменений влияния общей концентрации частиц, содержащем лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, объем с исследуемой средой, линзы, фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния, согласно которому, введены пара коллиматоров, светоделитель, диафрагма, ирисовые диафрагмы, причем фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния установлены под углами 20-75° к объему с исследуемой средой, с возможностью определения толщины оболочки и среднего размера наночастиц непосредственно в потоке движущихся частиц, при этом устраняя влияние изменений концентрации наночастиц, а также нестабильность интенсивности излучения их.

Предложенное изобретение «Устройства для определения размеров наночастиц в зависимости от влияния изменений их общей концентрации» благодаря конструктивной особенности, установки фотодетекторов под углами 20-75° к объему исследуемой среды (кювету) позволяет устранить влияние изменений концентрации наночастиц и нестабильной интенсивности источника излучения непосредственно в потоке движущихся наночастиц на результаты измерений среднего размера наночастиц и толщины оболочки, тем самым расширяя функциональные возможности устройства с одновременным повышением точности измерения.

Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:

фиг. 1 - схема устройства;

фиг. 2 - 3D модель устройства.

Устройство состоит из твердотельного лазера 1 с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, коллиматоров 2, светоделителя 3, диафрагмы 4, опорного канала 5, оптической цилиндрической кюветы 6 с исследуемой средой, фото детекторов ФЭУ 7, ирисовых диафрагм 8, линз 9.

Устройство для определения размеров наночастиц в турбулентном воздушном потоке с учетом влияния изменений общей концентрации частиц (фиг. 1) содержит твердотельный лазер 1, после которого в направлении излучения луча расположено два коллиматора 2. После коллиматора луч проходит через светоделитель 3, расположенный на пересечении луча и опорным каналом 5. Луч после светоделителя 3 проходит через диафрагму 4 в кювет, при этом диафрагма расположена на расстоянии 200 мм от кювета. Также в направлении кюветы 6 расположены фотодетекторы 7 под углами 20-75°, к которым на расстоянии 5-10 мм расположены ирисовые диафрагмы 8 с отверстием 15-20 мм. От ирисовых диафрагм 8 на расстоянии 2F (120 мм) линзы 9. Размер линз 9 со стороны фотодетекторов 7 в диаметре равно 29 мм, а со стороны кюветы - диаметр линз равен 12 мм. В свою очередь линзы 9 находятся от кюветы 6 на расстоянии равном расстоянию между фото детекторами 7 и линзами 9, соответственно равным 2F (120 мм).

Устройство работает следующим образом:

Твердотельный лазер 1 излучает луч, который через коллиматор 2 проходит к светоделителю 3, который разделяет основное излучение в сторону исследуемых частиц, а часть на опорный канал 5 для устранения нестабильности интенсивности излучения лазера. Основное излучение, прошедшее через светоделитель 3 и диафрагму 4, облучает фиксированный объем частиц, находящихся в кювете 6. В свою очередь, облученные частицы начинают рассеивать свет в различных направлениях с разной интенсивностью. Поскольку интенсивность рассеянного света наночастицами находится в линейной зависимости с количеством рассеивающих свет частиц согласно теории Ми (Борн), то используя практическую комбинацию из двух фотоприемников 7, которые расположены под углами 20-75° к объему (кювету) с исследуемой средой (наночастицами) принимают сигнал с информацией о величине интенсивностей рассеяния I₁ и I₂ соответственно через ирисовые диафрагмы 8 и линзы 9 на различных угловых направлениях, после чего отношение полученных сигналов с выходов фотодетекторов 7 при различных размерах и толщин оболочек наночастиц обрабатывается и определяется средний размер исследуемых наночастиц и толщины оболочек их несмотря на влияние изменений концентрации частиц в турбулентном потоке движущихся частиц исследуемого объекта, что расширяет функциональные возможности устройства.

По своим технико-экономическим преимуществам по сравнению с известными аналогами предлагаемое устройство благодаря конструктивным особенностям позволяет определить толщину оболочки и средний размер наночастиц порядка 100 нм, непосредственно в потоке движущихся частиц, при этом благодаря установке фотодетекторов под углами 20-75° к объему с исследуемой средой появляется возможность устранения влияния изменений концентрации частиц и нестабильной интенсивности источника излучения и получить результаты измерений среднего размера частиц и толщины оболочки, тем самым повышая точность измерений, а в целом расширяя функциональные возможности устройства.

Изобретение относится к области оптики, в частности к оптическим, диагностическим и контрольно-измерительным приборам, предназначенным для измерения распределения концентрации и размеров несферических частиц в жидкостях и газах, и может быть применена в технологических комплексах контроля размеров нанопорошков при их производстве, при разработке новых технологий получения нанодисперсных веществ, для измерения размеров взвешенных в биологических жидкостях биополимерных частиц, фармпрепаратов и других субмикронных биологических объектах. Устройство содержит лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, объем с исследуемой средой, линзы, фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния. Дополнительно оно содержит пару коллиматоров, светоделитель, диафрагму, ирисовые диафрагмы. Причем фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния, установлены под углами 20-75° к объему с исследуемой средой. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства с одновременным повышением точности измерений. 2 ил.

Устройство для определения размеров наночастиц в жидкости, содержащее лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, объем с исследуемой средой, линзы, фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния, отличающееся тем, что введены пара коллиматоров, светоделитель, диафрагма, ирисовые диафрагмы, причем фотодетекторы, расположенные в плоскости рассеяния, установлены под углами 20-75° к объему с исследуемой средой.