Способ определения локального коэффициента ослабления в дисперсной среде Советский патент 1989 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к исследованию материалов и анализу чистоты среды и может быть использовано в коллоидной химии, в физике твердых тел, в оптике атмосферы и водных объемов.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение диапазона исследуемых сред.

На фиг, 1 схематически поясняется геометрия приема в точке С излучения.

рассеянного в точках на фиг. 2 схема установки для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 и 4 - представлены зависимости распределения коэффициента ослабления по длине кюветы, наполненной соответственно коллоидным раствором эмульсионного клея в дистиллированной воде и табачным дымом.

При распространении падающего монохроматического излучения по оси X интенсивность рассеянного света 1(х), регистрируемого в определенной точке, представляет собой сложную функцию от от X

Можно показать, что коэффициент ослабления в интервале (Х и Х) выражается как

K(Xq, Xg,

1

In (Xo)I (XB)

2(x,-x;)4 Г(х„)1(Хв)

Изобретение относится к области исследования материалов и анализа чистоты среды и может быть использовано в коллоидной химии, в физике твердых тел, в оптике атмосферы и водных объемов. С целью повышения точности измерений локальный коэффициент ослабления в дисперсной среде определяют пропусканием через дисперсную среду с двух противоположных сторон монохроматического излучения, которое рассеивается на дисперсных частицах. Затем измеряют интенсивности рассеянных лучей при прохождении монохроматического излучения как с одной, так и с противоположной сторон дисперсной среды. Локальный коэффициент ослабления определяют по формуле K_AB=ψ[LNI_AI_B/(I_AI_B)-φ], где K_AB - коэффициент ослабления монохроматического излучения в промежутке между точками А и В, I_A, I_B - интенсивности рассеянных лучей с малых объемов с центрами в точках А и В при прохождении монохроматического излучения с одной стороны, а I_A, I_B - при прохождении с противоположной стороны, ψ - коэффициент, обратно пропорциональный расстоянию между точками А и В, φ - коэффициент, зависящий от углов наблюдения рассеянных лучей. 4 ил.

I(x)

г n(x)N(x)V(x)I(x) ,.,дх УгЧх)

где N(x) - концентрация дисперсных

частиц;

V(x) - малый объем среды с центром в точке X; г(х) - расстояние от рассеивающего объема до точки наблюдения ; 1(х) - интенсивность падающегр

излучения;

Д(0) характеризует интенсивность рассеянного света по углам, а п(х) - возможное ослабление рассеянного света до регистрации, связанное, например, с вторичным рассеянием, погло- щением и т.д. (п(х) - та часть рассеянного луча, которая доходит до регистрирующего устройства), V коэффициент пропорциональности.

Пусть

m

r v - /fn(x)V(x)N(x) , - t(x)

Рассмотрим рассеяние монохромати- 35 ческого излучения, распространяющегося в среде по оси X с двух противоположных сторон среда, из малых объг емов с центрами в точках X и X g (фиг. 1). При прохождении излучения .40 слева направо интенсивности регистрируемых в точке С рассеянных лучей I(xg) и 1(ха) равны

KxJ m(x)(5(0Q)I(xQ);

Г Чв 1

Kxg) т(хв)р(0б)1(ха)ехр. - K(x)dJ

L хо .J где К(х) - коэффициент ослабления

падающего излучения в дисперсной среде; I(Xg) - интенсивность падающего

излучения в точке Х. Известно, что среднее значение К(х) в, интервале (Х,, XB) определяется как KB

JK(x)d,

. Яй. .

K(x, x)

Xg

10

-tf(e«,0el

0

5 0

5

0

5

0

где коэффициент q) (x, x.)

1 (B(ga)fi() In л // /Л N зависит только от

fi(-0o)fJ(v

формы индикатриссы рассеивающих частиц.

Следовательно, разбивая путь падающего лазерного излучения на интервалы (Х,,Х2), (Xj., Х,,), (Xj, Х) и

т.д. и регистрируя рассеянный свет с соответствующих малых объемов с центрами в точках X,, х, Xj,..., можно вычислить значения локальных коэффициентов ослабления в дисперсной среде. ..

В некоторых случаях с большой точностью можно полагать, что

Ч (9а,9е 0.

Это выполняется в случае, если d i Л, где d - размеры частиц; Л - длина волны излучения, тогда /3(0q)

f(T-ec,)(i(06) 3(); 0 const

и, следовательно, |5(0д) /5(0), р СТГ-бд )« |( ir-6g). В последнем случае либо наб:людение проводится с расстояния гораздо большого., чем длина среды, рассеивающей свет, либо размеры среды настолько малы, что позволяют регистрировать рассеянное излучение с различных точек среды под одним и тем же углом (путем параллельного перемещения регистрирующего устройства по отношению к рассматриваемой среде или наоборот).

В качестве исследуемой среды используются коллоидные растворы и табачный дым, которым наполняют;стеклянную кювету 1 с внутренним диаметром 2 и длиной 20 см. В оптическую схему входят лазер 2, полупрозрачное зеркало 3, система зеркал 4, вращающийся диск 5. Регистрация рассеянного излучения осуществляется с помощью объектива 6j монохроматора 7, фотоэлектронного умножителя 8 и цифрового вольтметра 9.

Способ осуществляют следующим образом.

Поляризованное по оси Z (ось Z

перпендикулярна плоскости ху, см. фиг. 2) излучение Up - N. лезера,

проходя через систему зеркал, попадает в кювету. С помощью вращающегося диска излучение лазера проходит через кювету то с одного, то с другого торца и рассеивается на дисперсных

частицах. Часть рассеянного света при ю рассеянного излучения, т.е. длина ло- помопди объектива фокусируется на входную щель монохроматора и регистрируется ФЭУ и цифровым вольтметром. Объектив, монохроматор и фотоумножитель жестко прикреплены друг с 15 гом и могут поворачиваться, вокруг точки D по направлению стрелок. Это позволяет регистрировать рассеянный свет из любой области кюветы.

Пример I. Исследовался кол-20 лоидньй раствор эмульсионного клея в дистиллированной воде. Учитывая, что среди дисперсных частиц эмульсии имеются такие, размеры которых больше дпины волны излучения, необходимо25

первоначально получать значения

а.0в).

Для зтого в кювету наливают хорошо, перемешанный, равномерно распреде- ленньй коллоидный раствор и, измеряя 30 ослабление прошедшего через кювету

получают эта- после чего нахо-

капьных областей, составляет 2 см, следовательно, ошибка определения локального коэффициента ослабления в первом эксперименте составляет + 0, G см 5 а во втором ± 0,005 .

Чем дальше друг от друга находятся точки X и Xg, между которыми из- меряется , Xg,), то тем точнее измерения.

Следует подчеркнуть, что погрешность измерений не носит систематического характера и не возрастает с увеличением расстояния между исследуемой областью и регистрирую1Ч1тм устройством. Предлагаемый способ можно применять как для исследований протяженных сред - атмосферы, водных объемов, так и в лабораторном анализе коллоидных растворов, твердых веществ и т.д.

Формула изобретения

лазерного излучения, ,11

лонное

Способ определения локального коэффициента ослабления в дисперсной

Эти значения ер(00, 00 ) используют- ,, среде, заключающийся в том, что на К(Хд, XB) N(X(j, Xg)

аначение К, о

дят значения ( (бд, б в ).

40

СЯ для нахождения , лд

с произвольным распределением эмульсионного клея в дистиллированной воде.

Пример 2. Во втором эксперименте кювета наполнялась табачным дымом. Известно, что средний размер частиц дыма составляет d 160 им. Регистрация рассеянного излучения производилась под углами б- 90° к распространению лазерного луча.

Принимая во внимание, что в обоих экспериментах лазерное излучение преимущественно ослабляется в среде благодаря поглощению и рассеянию частицами дыма и эмульсии, то полученные зависимости на фиг. 3 и 4 одновременно характеризуют распределение концентрации соответствующих дисперсных частиц. Абсолютная ошибка измерений оптической плотности (хц ,- Хд) х X К(Хд, Xg) между любыми двумя точками Х- и Хц в первом эксперименте со- где К ставляет ± 0,02, во втором ± 0,01.

правляют на исследуемую дисперсную среду монохроматическое излучение, регистрируют интенсивности рассеянного в двух точках среды излучения и определяют локальный коэффициент ослабления, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и расширения диапазона исследуемых сред, дополнительно направ- г ляют на исследуемую среду монохрома-- тическое излучение той же дпины волны в направлении, противоположном первоначальному, при этом регистрируют интенсивности излучения, рассеянного в тех же точках среды, что и при первоначальном измерении, а локальный коэффициент ослабления определяют из выражения

50

55

.в 1-lfif-)

А6

- локальный коэффициент ослабления монохроматическо-

14975256

Увеличение абсолютной погреганости в первом опыте связано с дополнительными измерениями значений ((0, б р, ). Таким образом, ошибка измерения сред- рего коэффициента ослабления зависит

Q

В

от расстояния между точками

В опытах расстояние между соседними

точками, откуда поступают сигналы

рассеянного излучения, т.е. длина ло-

капьных областей, составляет 2 см, следовательно, ошибка определения локального коэффициента ослабления в первом эксперименте составляет + 0, G см 5 а во втором ± 0,005 .

Чем дальше друг от друга находятся точки X и Xg, между которыми из- меряется , Xg,), то тем точнее измерения.

Следует подчеркнуть, что погрешность измерений не носит систематического характера и не возрастает с увеличением расстояния между исследуемой областью и регистрирую1Ч1тм устройством. Предлагаемый способ можно применять как для исследований протяженных сред - атмосферы, водных объемов, так и в лабораторном анализе коллоидных растворов, твердых веществ и т.д.

Формула изобретения

среде, заключающийся в том, что на

где К

правляют на исследуемую дисперсную среду монохроматическое излучение, регистрируют интенсивности рассеянного в двух точках среды излучения и определяют локальный коэффициент ослабления, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и расширения диапазона исследуемых сред, дополнительно направ- ляют на исследуемую среду монохрома-- тическое излучение той же дпины волны в направлении, противоположном первоначальному, при этом регистрируют интенсивности излучения, рассеянного в тех же точках среды, что и при первоначальном измерении, а локальный коэффициент ослабления определяют из выражения

где К

55

.в 1-lfif-)

А6

- локальный коэффициент ослабления монохроматическо-

ijf.tyr

Фиг.3

S

9ui.i

о о

о « в

// №

ФигА

го х,с/г