Способ определения вероятности выживания кванта в дисперсных средах Советский патент 1989 года по МПК G01N21/47 

1

Изобретение относится к оптике дисперсных (мутных) сред и может быть использовано для исследования молекулярного состояния вещества, в технологии производства рассеивающих и поглощающих сред, в прикладной оптике и гидрооптике, в оптике атмосферы для анализа свойств атмосферного аэрозоля, для контроля качества красящих веществ и т. д.

Вероятность выживания кванта или альбедо однократного рассеяния является одной из важнейших характеристик любой среды при воздействии на нее излучением. Эта веЈь

J

О5 GO СП СП

личина широко используется для анализа свойств среды в нейтронной физике, физике воздействия гамма-излучения, в оптике в широком диапазоне длин волн, в технологических процессах наиболее важное значение имеет для характеристики частиц и порошков с заранее заданными светорассеиваю- щими свойствами. В самом общем случае альбедо однократного рассеяния (вероятность выживания кванта) А определяется как отношение коэффициента рассеяния к сумме коэффициентов рассеяния и поглощения. По величине вероятности выживания

кванта судят о частицах, формирующих ере-световой поток от слоя, полученного увелиду, об отражательной и поглощательнойчением его поперечных и продольных опти

способности среды (слоя), о количествеческих размеров, и нормируют на величину

энергии, которое поглощается средой в дан-падающего светового потока. Это значение

ных конкретных условиях. Измерение Л не-5 обозначают R. Впервые получена универобходимо для контроля загрязнений окру-сальная формула, которая учитывает как изожающей среды. Наиболее сложным является определение вероятности выживания кванта Л в сильно мутных средах в условиях, когда определяющими процессами является многократное рассеяние.Ю

Цель изобретения - повышение точности определения вероятности выживания

тропное, так и анизотропное рассеяние. Вид математических соотношений, используемых для расчета Л, приведен в формуле изобретения. Эксперименты и сравнения с расчетами по методу Монте-Карло доказывают, что способ применим для определения любых Л, включая ,9999 (фиг. 1).

кванта в дисперсной среде.Компоненты индикатрисы рассеяния (т|-р),

На фиг. 1 представлена зависимость средний косинус угла рассеяния индикатри- отраженного слоем дисперсной среды свето- - сы рассеяния и ц, - дополнительный па- вого потока Фя от поперечных оптичес- раметр, учитывающий рассеяния в ортого- ких размеров слоя; на фиг. 2 - схема проведения измерений.

На схеме обозначены падающий световой поток 1, сформированный объем рассеивающей дисперсной среды 2 фотопри- 20 емник 3, отраженный средой световой поток 4, прошедший среду поток 5 и полупрозрачное зеркало 6.

Способ осуществляют следующим образом.

В исследуемой среде формируют плоский слой в форме прямоугольного параллеленальном направлении, рассчитываются еле

дующим образом:

жй

(-y)sinycosydy;

о

$ -tJЈ- 2Ј- x(-Y)sinycosydr,

Щг.ц:

4 x(y)sin2ydy;

25

F F1+FS+F3,

где x(f) - интенсивность рассеяния под углом

пипеда, рассеивающий объем освещают кол-Пример 1. Готовят модельную взвесь

лимированным световым потоком, измеря25 мл латекса полистирола с концентрациют отраженный световой поток, увеличи- ей 3,0% с известной индикатрисой рассея- вают поперечные размеры слоя геометричес- 30 ния ,8167; ,0085; (,0437 (инди- ки или посредством увеличения концентра-катриса измерена на нефелометре ФАН-1,

ции взвеси дисперсной среды, вновь измеряют отраженный световой поток, сравнивают его значение с полученным ранее и, если различие составляет больше погрешпроинтегрирована графически; размер частиц латекса 3,0-3,8 мкм), разбавляют 1000 мл дистиллированной воды и добавляют 0,01 г красителя. Полученную взвесь носги определения светового потока, продол- 35 частично поглощающей среды помещают в жают увеличение поперечных размеров достеклянную кювету с размерами мм;

получения двух равных значении отраженного светового потока. В целях оптимизации способа (уменьшения многостадийности) производят увеличение поперечных размеров дисперсной среды в геометрической прогрессии (например, последовательно увеличивая поперечные оптические размеры в 6-8 раз). Исследования показывают, что максимальные поперечные размеры, необходимые для

тропное, так и анизотропное рассеяние. Вид математических соотношений, используемых для расчета Л, приведен в формуле изобретения. Эксперименты и сравнения с расчетами по методу Монте-Карло доказывают, что способ применим для определения любых Л, включая ,9999 (фиг. 1).

средний косинус угла рассеяния индикатри- сы рассеяния и ц, - дополнительный па- раметр, учитывающий рассеяния в ортого-

нальном направлении, рассчитываются еле

дующим образом:

жй

(-y)sinycosydy;

о

$ -tJЈ- 2Ј- x(-Y)sinycosydr,

Щг.ц:

4 x(y)sin2ydy;

проинтегрирована графически; размер частиц латекса 3,0-3,8 мкм), разбавляют 1000 мл дистиллированной воды и добавляют 0,01 г красителя. Полученную взвесь 5 частично поглощающей среды помещают в стеклянную кювету с размерами мм;

0

мм. Размер. X совпадает с направлением падения на кювету коллими- рованного монохроматического светового по тока (длина волны 633 нм).

Принципиальная схема измерения световых потоков приведена на фиг. 2. Эта схема стандартная и широко применяется на практике. Величина падающего светового потока 7600 о.е. Интенсивность отра

Изобретение относится к оптике дисперсных сред и может быть использовано для исследования молекулярного состояния вещества в технологии производства дисперсных сред, порошков с заданными светорассеивающими свойствами, в прикладной оптике для контроля атмосферного аэрозоля, гидрооптике. Цель изобретения - повышение точности определения вероятности выживания кванта в дисперсной среде. Изобретение повышает точность определения вероятности выживания кванта в дисперсных /мутных/ средах. Повышение точности достигается тем, что основную информацию получают по многократному рассеянному излучению, которое является помехой в других методах. С этой целью формируют слой рассеивающей среды известной индикатрисы рассеяния, измеряют отраженный поток и увеличивают поперечные размеры слоя до получения постоянного /в пределах 5%/ отраженного потока, полученный слой увеличивают по толщине в направлении падения светового потока до тех пор, пока его прозрачность не станет нулевой, после чего вновь измеряют отраженный поток и по его значению с помощью разработанного алгоритма вычисляют вероятность выживания кванта в дисперсной среде. 2 ил.

получения повторяющихся значении отра- д женного интегрального светового потока

жепного потока (на фиг. 1 представлена зависимость отраженного светового потока слоем дисперсной среды от поперечных оптических размеров; сплошные линии - расчет по методу Монте-Карло, точки -

413 о.е. Аналогичные измерения повторяют со взвесью, помещенной в кювету больших поперечных размеров ( мм; Хо мм). Отраженный световой поток составляет 527 о.е. Разность численных знаэксперимент и расчет авторов), составля- 50 чений отраженных световых потоков превы- при ,999 и зависят от величи-шает ошибку измерения, поэтому вновь увены вероятности выживания кванта А.

Далее полученный слой увеличивают в направлении падающего светового потока, измеряя одновременно прошедший световой поток до тех пор, пока значение прошед- 55 шего светового потока не уменьшится до величины 0,1-0,2% от величины падающего потока. После этого измеряют отраженный

личивают поперечные размеры до УО мм и при измерении отраженного потока Фк получают- 657 о.е. При У0 мм о.е. Это значение .равно предыдущему с учетом погрешности измерения. Следующий этап - увеличение толщины слоя с полученными поперечными размерами. Взвесь помещают в кювету

женного интегрального светового потока

413 о.е. Аналогичные измерения повторяют со взвесью, помещенной в кювету больших поперечных размеров ( мм; Хо мм). Отраженный световой поток составляет 527 о.е. Разность численных значений отраженных световых потоков превы- шает ошибку измерения, поэтому вновь увеличивают поперечные размеры до УО мм и при измерении отраженного потока Фк получают- 657 о.е. При У0 мм о.е. Это значение .равно предыдущему с учетом погрешности измерения. Следующий этап - увеличение толщины слоя с полученными поперечными размерами. Взвесь помещают в кювету

с размерами мм, мм. Измеряют пропущенный световой поток и сравнивают его с падающим. Наиболее просто увеличение толщины слоя осуществляется в кювете Бейли. При мм величина прошедшего потока составляет 11 о.е. или 0,Н%. Измеряют отраженный поток полученного слоя. Величина равна 734 о.е. или фя/ф ,0966. По формулам рассчитывают Л (0,892+0,008) с относительной погрешностью 2%.

Пример 2. Использовали латекс с размером частиц ,08 мкм. Длина волны излучения 633 нм. В этом случае индикатриса рассеяния является релеевской, поэтому д:(у)3/4(1+со527). По формулам вычислили: т(,2; ц,0,15. Слой дисперсной мутной среды формировали в кювете с размерами мм; мм. Измеряли отраженный световой поток. о.е. При мм о.е. Вновь увеличивали У о и ZQ до 100 мм ( о.е.). Увеличивали толщину слоя до мм, измеряли прошедший поток (,9 о.е.). Так как ФлР/ф0 0,1%, то измеряли отраженный поток полученного слоя (2310 о.е.), откуда ,304. По формулам рассчитывали ,818.

Предлагаемый способ определения вероятности выживания кванта Л в дисперсных средах обеспечивает возможность определения Л в условиях многократного рассеяния, в связи с чем отсутствует необходимость модификации среды, возможность достаточно простой технической реализации способа с использованием стандартной аппаратуры, кроме того, достигается повышение точности определения Л в условиях многократного рассеяния, которое является основным источником информации, а не помехой.

Формула изобретения

Способ определения вероятности выживания кванта в дисперсных средах, заклю0

чающийся в том, что приготавливают взвесь частиц исследуемого вещества с известной индикатрисой рассеяния, формируют плоский рассеивающий слой в форме прямоугольного параллелепипеда, освещают слой пучком монохроматического коллимированного излучения известной интенсивности Ф0, измеряют отраженный световой поток и рассчитывают вероятность выживания светового кванта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения вероятности выживания кванта в дисперсной среде, после отраженного светового потока увеличивают поперечные относительно направления падения излучения оптические размеры рассбивающего слоя, вновь измеряют отраженный световой поток, сравнивают полученную величину с предыдущей, повторяют эти операции до получения в двух последовательных измерениях одинаковых значений отраженного светового потока, после чего из0 меряют величину пропускания излучения полученным слоем, увеличивают оптическую толщину полученного слоя в направлении падающего светового потока до получения нулевого значения пропускания, измеряют

5 отраженный световой поток Фк вновь полученного слоя и рассчитывают вероятность Л выживания кванта из выражения

- 9- Ргп( х } - Т

где P - a2/3 + b; cosa - q/2-(

ab±r- n-d..r Pl ) - -j- + c, , c--. r - t(l -

-4ц)3; Ј(l±|-f; к фд/фо; b M/rM E( - 1)-8|д2Ј-16цаЈ+20 -Ј)(- 4ц-ь +2|л2); 8и2Ј(1-4|а)-2а,(1-4ц + 2|л2)-(1-Ј)(1-4|а)2; a, -E(l -4ц)+(п+(3);

r|, p, |x - параметры индикатрисы рассеяния, рассчитываемые по известным соотношениям.

ФК/Фс

0.8- 0.7- 0.6- 0.5- №

оз020.1W 20 50 100 200 500 1000 оа

Фиг.1

,999

,99