激光粒度儀應用導論之原理篇

        激光粒度儀應用原理介紹
??目前，激光顆粒分析儀在顆粒表征中的應用已經非常廣泛。測量對象涵蓋固體粉末、懸浮液（包括固-液、氣-液和液-液等兩相流體）和液滴三種形式的顆粒體系。應用領域包括學術研究機構、技術開發部門和生產監控部門。從臺商用儀器誕生至今已有50年，作者在這個方向上從事研發工作近30年。盡管如此，由于被測物體的粒子系統比較抽象，而且激光粒度儀的原理和技術比較復雜，而且本身還存在一些有待改進的問題，筆者覺得 科學技術問題介紹粒度分析儀既流行又專業，可以幫助讀者更好地了解、選擇和使用產品。這一系列文章的定位很受歡迎。不過，為了讓一些希望深入了解該技術的讀者獲得更多、更深入的相關知識，作者在本文的適當位置添加了“高級知識"。只是想了解激光粒度儀的讀者可以跳過這些內容。
??首先需要說明的是，這里所說的激光粒度儀是指基于靜態光散射原理的粒度檢測設備。目前還有一種粒度分析儀也是基于光散射原理，同樣采用激光作為照明光源，但稱為動態光散射（DLS）粒度分析儀。前者是根據不同粒徑的粒子產生的散射光的空間分布來計算粒徑（認為這種分布不隨時間變化），后者是通過測量粒徑的變化來分析粒徑以固定散射角隨時間散射光；前者適用于約0.1微米至數千微米的粒子測量，而后者適用于1微米至1納米（千分之一微米）的粒子測量。激光粒度分析儀英文也叫基于激光衍射法的粒度分析技術。
?? 【進階知識1】嚴格來說，將激光粒度儀的原理描述為“衍射法"是不準確的，甚至會產生誤導。從物理上講，光的衍射和散射是不同的。源于光的波動性的“光的衍射"理論已被實驗證實，但尚未從理論上認識到光是一種電磁波。這個時期大約是 19 世紀上半葉。早些時候當時，人們認為光的傳播路徑是一條直線，就像不受外力作用的粒子作勻速直線運動一樣。這個說法在歷shi上被稱為“光粒子論"。后來人們發現光有波浪形。那時人們所知道的只有水波，所以“顏"字里有水。 “光的衍射"描述的是光波在傳播過程中遇到障礙物，會改變原來的傳播方向，跑到障礙物后面的現象，所以衍射又稱“衍射"。描述衍射現象的理論稱為衍射理論。遠場衍射理論的近似表述（即在遠離障礙物的位置觀察衍射）稱為“夫瑯禾費衍射"。衍射理論沒有考慮光場與物質（障礙物）的相互作用，而只是對這種現象的量綱描述，因此是一種近似理論。它只適用于遠大于光波長的障礙物（“粒子"就是障礙物）（激光粒度儀使用的光源大多為紅光，波長范圍為0.6～0.7微米），以及測量散射角范圍小于 5° 的情況。
?? 1870年代麥克斯韋提出電磁波理論后，他發現光也是一種電磁波。光的衍射現象本質上是由電磁場和障礙物相互作用引起的。衍射理論是電磁波理論的近似表達。嚴格的電磁波理論認為，光在行進過程中遇到障礙物并與之相互作用改變原來的行進方向。這種現象通常稱為光散射。電磁波理論可以描述任意大小物體對光的散射，散射光的方向也是任意的。無論是早期還是現在，在用激光粒度儀測量粒度時，都假設顆粒是球形的。如果進一步假設粒子是均勻的和各向同性的，則可以使用嚴格的電磁波理論推導出散射光場的嚴格解析解（稱為“米氏散射理論"）。
??現在市場上的大多數激光粒度分析儀都使用米氏散射理論作為物理基礎。因此，說目前激光粒度儀使用的物理原理是衍射法是不準確的，甚至可能被誤認為是早期基于衍射理論的一種儀器。
??第1臺商用激光粒度分析儀于1968年設計，雖然當時已經提出了米氏理論，但受當時計算機計算能力的限制，很難用它來快速計算散射各種大小粒子的光場。的價值。因此，當時的激光粒度分析儀采用夫瑯禾費衍射理論來計算散射光場，這就是為什么將這一原理稱為激光衍射法。這個名字一直沿用至今。然而，“光散射法"一詞在世界范圍內逐漸增多。