Способ измерения размеров микрочастиц Советский патент 1992 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям размеров и концентраций микрочастиц, и может быть использовано в метеорологии, биологии, медицине, химической технологии, контроле загрязнений окружающей среды и других областях, где требуется информация о количестве и размерах частиц в единице объема.

Известен способ измерения размеров частиц и их концентраций, основанный на измерении длительности фронта нарастания сигнала светорассеяния, полученного при перемещении частицы через счетную область.

Недостатком этого способа является зависимость результатов измерения от скорости пролета частицы через счетный объем и от рассеивающей способности микрочастиц, что приводит к существенным погрешностям измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения размеров микрочастиц, основанный на формировании пространственно разнесенных полос света с различными длинами волн электромагнитного излучения, движении микрочастиц нормально к плоскости полос и регистрации фотоприемниками рассеянного отдельной частицей излучения на различных длинах волн. Размер частицы определяют по временному совпадению импульсов рассеянного света, полученных с разных фотоприемников.

Одним из основных недостатков способа является невозможность измерения размеров частиц, сравнимых с длиной волны электромагнитного излучения.

В прототипе требуемый счетный объем должен быть получен в виде пространственно разделенных параллельных полос с различными длинами волн. При формировании такого счетного объема неиз бежно произой(Л

С

VI

ю о VI

VI

дет диафрагмирование формирующего счетный объем пучка света. Согласно теории дифракции крутизна фронтов полос света будет величиной ограниченной. Минимально возможным расстоянием, при котором обеспечивается работоспособность устройства, будет расстояние, при котором первые минимумы распределения интенсивности соседних полос в счетном объеме совпадают. Это расстояние зависит от величины диафрагмирования пучка света, фокусного расстояния оптической системы, формирующей счетную область, от порога ограничения сигнала, выбранного в канале регистрации. Расчеты показывают, что это расстояние имеет минимальную величину, изменяющуюся в диапазоне (0,5-2,0) А, где Я- длина волны света. Следовательно, для частиц с размерами, сравниваемыми с длиной волны (от (0,5-10) А), возникает существенная погрешность измерения размеров частиц.

Целью изобретения является повышение точности измерения размеров микрочастиц в диапазоне (0,5-10) Я.

Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения размеров микрочастиц, включающему световое зондирование частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее излучение фор- мируют в виде пространственно параллельных световых полос с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно к направлению движения микрочастиц, регистрацию рассеянного микрочастицами света и анализ полученных сигналов, полосы света в счетном объеме формируют из равномерно освещенных наложенных друг на друга световых полос с несовпадающими границами, при регистрации выделяют фронты сигналов рассеянного микрочастицами излучения на различных длинах волн, а о размере судят по перекрытию фронтов сигналов, принятых на различных длинах волн.

На фиг,1 показано распределение интенсивности света в счетной области в виде пространственно наложенных равномерно освещенных полос с несовпадающими границами и с различными длинами волн; на фиг.2 - осциллограммы на выходах фотоприемников при движении через счетную область частиц различных размеров п и гг..

Устройство, реализующее измерение размеров частиц по предложенному способу, содержит (фиг,3) полихромный источник 1 излучения, по оптической оси которого установлен коллиматор 2, прямоугольная диафрагма 3, дисперсионная призма 4, основание которой параллельно стороне прямоугольной диафрагмы и N-канальный спектрометр 5 с N фотоприемниками, установленный так, что его поле зрения пересекается с полем излучения, выходящим после преломляющей призмы 4, причем выход каждого фотоприемника соединен с соответствующим входом блока 7 совпадений через дифференцирующую цепочку 6. Блок

7 совпадений может быть реализован из схем совпадений (логические элементы типа 2-Й). В него также входят цифровые элементы, позволяющие организовать хранение и обработку полученной информации (например, триггеры 155 серии и приоритетный шифратор 155ИВ1). Код, полученный на выходе блока совпадений, адекватен размеру пересекающей счетный объем микрочастицы.

Предложенный способ осуществляют

следующим образом.

В начале формируют зондирующее излучение в виде пространственно параллельных равномерно освещенных наложенных

друг на друга световых полос с несовпадающими границами и различными длинами волн.

Для этого полихромное излучение от источника 1 направляется через коллиматор 2

на диафрагму 3, далее - на преломляющую призму 4, на выходе которой в силу дисперсии получаем положенные равномерно освещенные пучки света с несовпадающими границами и с различными длинами волн.

Расстояние между наложенными пучками определяется оптическими свойствами призмы 4 и расстоянием от призмы 4 до частицы, пересекающей пучки света.

При движении частицы через наложенные равномерно освещенные пучки света с несовпадающими границами и с различными длинами волн происходит рассеяние света частицей, при этом длительность фронта сигнала рассеяния зависит от крутизны распределения интенсивности светового пучка, от скорости перемещения частицы через пучки и от размера частицы. С увеличением размера длительность фронта увеличивается.

Рассеянное частицей излучение собирается оптической системой N-канального спектрометра 5 и попадает на фотоприемники, причем каждый фотоприемник настроен на длину волны, соответствующей

одному из пучков света. Дифференцирующие цепочки 6 выделяют сигнал, длительность которого равна длительности фронта сигнала светорассеяния. Этот сигнал подается на один из входов блока 7 совпадений.

Размер частицы определяется по перекрытию продифференцированных сигналов с разных фотоприемников. Блок 7 совпадений представляет собой совокупность схем совпадений, анализирующих наличие совпадения во времени сигналов с двух произ- вольных фотоприемников, а также устройство регистрации и кодировки информации. На выходе блока формируется код, соответствующий размеру частицы.

Пусть размер частицы меньше расстояния между любыми полосами света. Тогда при пролете частицы через счетную область продифференцированные импульсы во всех фотоприемниках не совпадают, следовательно, размер частицы меньше минимального расстояния между границами света.

При увеличении размера частицы происходит адекватное увеличение длительности сигнала на выходе любой дифференцирующей цепочки 6. В силу фик- сированности расстояний между границами полос происходит временное совпадение импульсов на входах блока 7 совпадений, если размер частицы больше расстояния между этими полосами. То есть, размер частицы больше расстояния перекрываемых частицей границ, но меньше расстояния не- перекрывшихся границ (лежит в диапазоне, например, 1,0-1,6 мкм).

При перекрытии частицей большего числа границ полос происходит временное совпадение большего числа продифференцированных сигналов. Зная пространственное расстояние между границами полос в счетной области и анализируя совпадение сигналов, можно определить размер микрочастицы.

Так как счетная область формируется в виде пространственно наложенных, а не разделенных пучков, то расстояние между пучками может быть уменьшено до величины Л/2, а в следствие квазиэквидистантности расстояния между границами пучков по величине интенсивности в счетной области

погрешности измерения размеров частиц, сравнимых с длиной волны света, могут быть уменьшены более чем в 2 раза, что позволяет повысить точность измерения

размеров частиц, сравнимых с длиной волны зондирующего излучения.

Влияние существующей расходимости полос в счетном объеме можно свести к незначительной величине за счет малой протяженности сетного объема.

Предложенный способ, как и прототип, не чувствителен к изменению скорости движения частиц через счетную область, так как изменение скорости вызывает лишь одинаковое по всем входам блока совпадений изменение длительности, но не сказывается на наличии совпадений импульсов во времени.

Формула изобретения

Способ измерения размеров микрочастиц, включающий световое зондирование частиц при движении их через счетный объем, в котором формируют зондирующее излучение в виде пространственно-параллельных световых полос с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно к направлению движения микрочастиц, регистрацию рассеянного микрочастицами света на различных длинах волн и анализ полученных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения размеров микрочастиц в диапазоне (0,5-1,0)Я, где Я-максимальная длина волны зондирующего излучения, формируют в счетном объеме равномерно освещенные, наложенные друг на друга световые полосы с несовпадающими границами, выделяют фронты сигналов рассеянного микрочастицами излучения на различных длинах волн, а о размере судят по перекрытию фронтов сигналов, зарегистрированных на различных длинах волн.

V

Фиг. 2

Использование: в метеорологии, биологии, медицине, химической технологии. Сущность изобретения: оптическое зондирование полихромным излучением с длинами волн, соизмеримыми с размерами движущихся частиц. В счетном объеме сформированы пространственно-параллельные, равномерно освещенные, наложенные друг на друга световые полосы с несовпадающими границами для разных длин волн. 4 ил.

Фиг. 4