用米氏散射理论对光阻法微粒检测原理的诠释

目前,世界上700/0的制造加工行业都要不同程度地涉及微粒材料[1],而对于微粒的相关研究主要集中于工程技术的革新与进步,理论上,美国Iowa大学的多位学者对光阻法微粒检测中微粒形状的有关问题进行了深入的探讨[2,3],但对于光阻法技术所依据的根本性原理的深入研究却十分少见.

　　长期以来,对于光阻法原理的传统解释如图1[3]所示.含有微粒的液体在真空源作用下虹吸进入检测区,在与液流垂直的方向上有光束通过,左边光源发出的光由于受到液体中粒子的作用,光强减弱,右侧的传感光电器件检测到这一信号的变化,形成负电压脉冲,因此,每当有粒子通过检测区的通道时,探测器都会产生一个负脉冲.传统的理论认为,该负脉冲幅值与粒子的截面积即其所能遮挡光束的最大面积成正比.通过计录负脉冲的个数,可求得粒子的个数.通过判断负脉冲的大小,可判断粒子截面积的大小,从而得出其直径范围.文献[3]用数学式表达了对光阻法的解释,即

式中:E为微粒检测过程中由光电传感器件产生的电压脉冲幅度;a为微粒的有效遮挡面积(假定为πd2/4);A为光电器件的有效接收面积,也可认为是样品池迎着光路的截面积;E0是当没有微粒通过样品池时,光电传感器件所产生的基准电压.

1　分析与讨论

1.1　对传统理论的分析

　　式(1)遵循一种假设,即投射到微粒表面的光被微粒全部吸收或反射.如果微粒具有较大的电导率或介电常数,且微粒粒径远大于入射光波长时,这种假设可以认为是成立的[4].但是,在光阻法微粒检测的实际应用中,检测的粒子一般为零电导率,且介电常数也较小,反应这些物理参数的直接表现就是粒子对光具有较弱的吸收性.同时,粒子粒径与光波长只差一个数量级,在这种状况下,用米氏散射理论来分析投射光的传播情况更为合理.

米氏散射理论阐述了处于光束中的微粒对光的散射情况,它认为散射光强Isca是关于微粒折射率m与表征微粒大小的无因次参数α和散射角θ的函数.其中,α=πd/λ,d为微粒粒径,λ为入射光波长.图2是在m=1.33-0.05 i时,由米氏散射理论计算的在不同α下光散射强度对θ的分布情况,即Isca(θ)曲线. 

　　物质对光吸收的强弱,主要表现为其折射率虚部的大小.由于光阻法微粒检测中微粒对光的吸收很弱,所以取m=1.33-0.05 i,其虚部较小,满足“微吸收”的条件,因而不存在照射在微粒上的光被完全吸收的可能.由图2可知,散射光完全沿后向180°附近出射的情况(即反射)并未出现,所以这一部分光被完全反射的假设也不成立,则传统的对于光阻法的解释缺乏有效的理论支持.可以认为,光阻法原理只是在特定的情况下基于人们习惯认为的光遮挡现象,而要做出一般性的更为合理的解释,则必须研究光在传播过程中的吸收与散射,推导光电探测器接受光能的情况.