光学式颗粒计数装置的研制

　　1　引　言

　　高新技术产业对微环境洁净技术提出了越来越高的要求,尤其是在代表科技发展战略方向的芯片制造、医学与药物和生物工程领域,对洁净技术的挑战将达到前所未有的深度和广度,洁净技术已成为衡量一个国家科学技术进步和工业水平高低的一个重要标志[1,2]。实践表明,洁净手术室、洁净护理单元、集成电路和生物药品生产全过程都要实行洁净控制,对微粒的污染控制和监测则是其中一个关键部分。本文叙述利用光学原理设计的一套实验装置,可用来对液体及气体介质中的颗粒状杂质的粒径大小和数量进行检测或实时监测。

　　2　工作原理

　　计数装置的光路部分结构如图1所示,它的工作原理如图2所示。根据光的散射规律[1],由于颗粒的消光(散射和吸收)作用,在颗粒9通过光路时,光电二极管1接收到的光能量要减少。单位时间内从原始的入射光能量E0中移去的总的光能量Eext为

　　光电二极管2用于接收被测颗粒前向45°±15°范围内的散射光,此时的光能量和粒径(E,D)之间有较好的单值对应关系,而且在小颗粒范围内受折射率影响最小,接收的光能量和粒径之间的对应关系为

　　3　模拟计算

　　在图1的结构中,有

　　由于光电二极管1的迎光面对于流过测量区中的被测颗粒所张的立体采光角不可能为零,造成在E1测量中混进了散射光,导致消光测量值和消光系数偏低,使得消光系数比其理论值要小。图3给出了消光系数测量偏差对测量结果影响的数值模拟结果。图中曲线1是光束断面为50μm的E-D(光能量和粒径)理论曲线(m=1·33),曲线2、3、4分别是混进了立体角0·5°、1°、10°前向散射光时的E-D理论曲线。由图中可看出,由于散射光的影响,对颗粒粒径测量的偏差还是相当明显的。

　　图4中曲线1是折射率m=1·33的理论消光曲线,曲线2是前向0°~5°空间立体角范围内的相对散射系数。曲线3是受前向0°~5°空间立体角散射光影响后的表观消光系数。由曲线3不难看出,在无因次参数α大于20(对于0·65μm入射光来说,相当于颗粒直径为4μm)时,表观消光系数趋近于1,即相当于几何光学的遮光方式。表观消光系数曲线在无因次参数α小于20时,相当于颗粒粒径小于4μm时,有明显的振荡性,即与粒径呈现多值性对应关系。

　　大量计算表明,理论消光系数与粒径之间呈多值性对应关系,且计算量较大,难以直接应用。但由于表观消光系数受光电二极管1对被测颗粒的张角的影响,在数μm时开始趋近于1,因此使得在对大粒径颗粒测量时,可用几何光学近似。即令式(3)中的Kext=1。其优点是避免了消光原理中消光系数的复杂计算和受被测颗粒折射率的影响而带来的测量偏差。