激光粒度分析仪及其应用刍议

　　1 引言

　　粒度分析在材料工程、食品工程、制药工程、石油化工、国防工业等领域具有重要作用。由于传统的粒度测量方法操作繁琐，耗时较长，已经越来越不能适应现代工业和科研快速反应的需求。现代新兴科技的发展使激光和微电子技术应用到粒度测量领域，完全克服了传统方法所带来的弊端，在大大减轻劳动强度的同时，加快了样品的检测速度，提高了检测结果的质量^[1-3] 。近年来，有关粒度分布的测试技术和测试方法有很多，而激光粒度分析方法，因测量速度快、精度高及准确度好等特点被人们普遍认同。

　　2 激光粒度分析仪的测量原理

　　当光线照射到颗粒上时会发生散射、衍射，其衍射、散射光强度均与粒子的大小有关。观测其光强度，可应用 Fraunhofer 衍射理论和 Mie散射理论求得粒子径分布(激光衍射/散射法)，使用Mie散射理论进行计算。光入射到球形粒子时可产生三类光：第一类，在粒子表面、通过粒子内部、经粒子内表面的反射光;第二类，通过粒子内部而折射出的光;第三类，在表面的衍射光。这些现象与粒子的大小无关，全都可以作为光散射处理。

　　一般地，光散射现象可以用经 Maxwell 电磁方程式严密解出的Mie散射理论说明。但是，实际使用起来过于复杂，为了求得实际的光强度，可根据入射波长λ和粒子半径r的关系，即：r<λ时，Rayleigh散射理论;r>λ时，Fraunhofer 衍射理论。

　　在使用上述理论时，应考虑到光的波长和粒子径的关系，在不同的领域使用不同的理论。粒子径大于波长的时候，由 Fraunhofer 衍射理论求得的衍射光强度和Mie散射理论求得的散射光强度大体是一致的。因此，可以把 Fraunhofer 衍射理论作为 Mie 散射理论的近似处理。这时，光散射(衍射)的方向几乎都集中在前方，其强度与粒子径的大小有关，有很大的变化。即表示粒子径固有的光强度谱，解出粒子的光强度分布(散射谱)就可以定出粒子径。当波长和粒子径很接近的时候，不能用 Fraunhofer 的近似式来表示散射强度。这时有必要根据Mie散射理论作进一步讨论。在Mie散射中的散射光强度由入射光波长、粒子径、粒子和介质的相对折射率来确定^[2-6] 。图 1为激光粒度分析仪工作原理简图。

　　3 激光粒度分析仪的特点

　　3.1 测量粒径范围广

　　激光粒度分析仪可进行从纳米到微米量级如此宽范围的粒度分布。约为：20nm~2000 μm，某些情况下上限可达3500μm;由于仪器使用过程中无须更换镜头及调整光学系统，提高了系统的稳定性，简化了操作过程。

　　3.2 适用范围广