基于光電響應(yīng)特性的激光粒度儀標(biāo)定法

王少清 任中京 張勇 張希明 何芳

（山東建筑材料工業(yè)學(xué)院激光應(yīng)用研究室 濟(jì)南 250022)

提要:用實(shí)驗(yàn)的方法研究了激光粒度儀的光電響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的標(biāo)定方法。并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

關(guān)鍵詞:激光拉度儀顆粒大小分析光電響應(yīng)

Abstract: A new method has been developed to calibrate laser particle sizer based on the exeperimental study of its photo-electric response characteristics. Measurements which have been made demonstrate the effectiveness of this method.

Keywords: laser particle sizer, particle size analysis, photo-electric response

激光粒度儀在粉末顆粒大小分析中越來越受到人們的重視。其心臟部分是光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。測(cè)量原理如圖1所示。

激光經(jīng)擴(kuò)束一準(zhǔn)直系統(tǒng)C以平行光照射載有待測(cè)顆粒的樣品窗S上，顆粒群的散射光由富立葉透鏡L接收，在L的后焦面上用環(huán)形列陣光電探測(cè)器D接收顆粒群的散射譜，轉(zhuǎn)換為光電流后再經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)E作I/V轉(zhuǎn)換放大和A/D轉(zhuǎn)換，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，從而得到被測(cè)樣品的顆粒分布。

可見，保證激光粒度儀測(cè)量準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵是其光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的正確響應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正確響應(yīng)的判據(jù)應(yīng)包括下面兩條：

1）每一單元的響應(yīng)均為線性；

2）各單元的響應(yīng)是一致的。

對(duì)激光粒度儀進(jìn)行標(biāo)定就是對(duì)其光電響應(yīng)特性進(jìn)行線性和均勻性校正。目前，已有多種標(biāo)定方法[1,2]，但都有不足之處，可概括為：一是物理意義不清楚，二是操作較復(fù)雜，三是適用范圍有限。本文作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光粒度儀的響應(yīng)特性，提出了一種新的標(biāo)定方法。該方法物理意義明確，操作簡(jiǎn)便，并適于各種多單元光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的標(biāo)定。

激光粒度儀光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)特性

實(shí)驗(yàn)測(cè)量激光粒度儀的光電響應(yīng)特性的方法如下：用一均勻穩(wěn)定的光源照射激光粒度儀的環(huán)形陣列光電探測(cè)器，同時(shí)用一標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)監(jiān)測(cè)光源的功率。在各種不同的光強(qiáng)1o下記錄光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的光強(qiáng)輸出I，作各I一Io曲線，即得到了各探測(cè)單元的響應(yīng)特性。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光粒度儀光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)有三個(gè)特點(diǎn)：

1．在均勻光照射下，各單元的光能響應(yīng)相差很大。實(shí)驗(yàn)用12位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)外幾路的輸出已達(dá)到A/D的飽和值4095時(shí)，最內(nèi)幾路還沒有明顯的響應(yīng)。這是由于環(huán)形陣列光電探測(cè)器內(nèi)外環(huán)的接收面積相差很大所致。表1給出了該探測(cè)器31個(gè)探測(cè)環(huán)中，部分探測(cè)環(huán)的接收面積，其最大與最小環(huán)的面積相差近兩千倍。

激光粒度儀光電響應(yīng)特性的校正方法

根據(jù)測(cè)得的響應(yīng)特性和正確響應(yīng)的兩條判據(jù)，校正分兩步進(jìn)行。

1．對(duì)各單元響應(yīng)特性的非線性校正即將每個(gè)單元的響應(yīng)曲線均校正為直線，以保證其對(duì)入射光的線性響應(yīng)。此時(shí)，可視不同的使用要求而采取不同的校正方法。如果在使用中，各探測(cè)單元的響應(yīng)可能從最小到最大全程變化，則需在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)保證線性響應(yīng)，即要把整個(gè)響應(yīng)曲線校正為一條直線．若探測(cè)單元僅工作在一個(gè)較小的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，則只需將與該范圍對(duì)應(yīng)的一段響應(yīng)曲線校正為直線即可，這比全程校正簡(jiǎn)單且精度高。在激光粒度分析中，由于顆粒群的散射光較弱，光電探測(cè)器接收到的光能量較小，故光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的響應(yīng)均較小．又從實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線圖2可知，當(dāng)光強(qiáng)響應(yīng)I小于某一值，各探測(cè)單元均為較好的線性響應(yīng)．因而可用有限范圍的擬合直線來代表各單元的響應(yīng)特性．圖3為輸入光強(qiáng)I。＜4000時(shí)第10、20和30三個(gè)單元的光強(qiáng)響應(yīng)，

線性較好．圖4是對(duì)它們作直線擬合的結(jié)果。這些直線即為經(jīng)校正得到的各單元的線性響應(yīng)特性。擬合直線的斜率稱為各單元的響應(yīng)度�？梢姽怆娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的響應(yīng)度是不均勻的。

2．對(duì)各單元響應(yīng)度的非均勻性校正

得到各單元的線性擬合直線后，作非均勻性校正就很簡(jiǎn)單了。只要把各條斜率不同的直線全部校正到某一條直線上即可。具體做法為：設(shè)Ki表示第i個(gè)單元的擬合直線的斜率，K。為所取的基準(zhǔn)直線的斜率，則第i個(gè)單元的響應(yīng)度校正因子定義為

為檢驗(yàn)校正的效果，做了兩種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

一是用不同強(qiáng)度的均勻光再照射環(huán)形陣列光電探測(cè)器，仍取第10、20和30三個(gè)單元，將其光強(qiáng)響應(yīng)按（2）式修正后，做出響應(yīng)曲線，結(jié)果見圖5．可見校正達(dá)到了預(yù)期的目的。

二是對(duì)同一粉末樣品的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。首先，對(duì)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出信號(hào)不做校正處理，直接進(jìn)行粒度分析，所得到的結(jié)果見圖6。出現(xiàn)了不應(yīng)有的“雙峰”分布和“翹尾”現(xiàn)象。再將該組信號(hào)用（2）式校正后進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見圖7,“雙峰”和“翅尾”均消失了．說明校正方法與校正結(jié)果的正確性。

聚焦強(qiáng)脈沖激光可以在金屬表面微區(qū)產(chǎn)生局部高溫，并使蒸發(fā)出的氣體離子化．氫離子及其它元素離子在1.3×10-4Pa真空中在強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)下快速離開零電位的金屬靶表面到達(dá)具有高壓的鋁過濾膜。這些到達(dá)過濾膜的入射離子在非晶鋁膜內(nèi)與原子碰撞，據(jù)LSS理論存在著兩種能量損失方式：

1）入射離子與固體中的原子核碰撞，稱為核阻止，其阻止本領(lǐng)以Sn表示。其值與入射離子能量E無關(guān)。

2）入射離子與固體中的電子碰撞。稱為電子阻止，其阻止本領(lǐng)以Se(E）表示．

經(jīng)文獻(xiàn)（5)(6）計(jì)算出鋼靶（零電位）中所含各類元素離化后在過濾鋁膜上電壓為負(fù)104伏時(shí)，氫離子在鋁膜中射程為200nm而碳離子射程為100nm，而其它原子序數(shù)更大的元素在非晶鋁膜中射程均為1～10nm遠(yuǎn)小于H+在鋁中的射程。由此可見只有高于104eV能量的氫離子才可穿透200nm的鋁膜在膜背側(cè)幾nm處產(chǎn)生二次電子，只有這些二次電子在強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)下達(dá)零電位鍍鋁的閃爍品體中，而后經(jīng)光電倍增管放大記錄，從而獲得鋼靶表面測(cè)點(diǎn)處氫離子濃度的信息。

我們應(yīng)用基于純物理過程的等離子計(jì)量方法的激光過濾式質(zhì)譜，曾測(cè)出焊縫剖面熔接區(qū)及過渡區(qū)各點(diǎn)氫離子的計(jì)數(shù)與非熔區(qū)本底氫離子計(jì)數(shù)，其比值稱為相對(duì)氫指數(shù)D．現(xiàn)已有用真空加熱驅(qū)出鋼中氣體用色相色譜法測(cè)出鋼試樣中平均單位質(zhì)量平均濃度的測(cè)試儀．由此，則可計(jì)算出微區(qū)氫含量。用此方法我們?cè)谖墨I(xiàn)[7]中報(bào)告了對(duì)A3碳鋼及ICr18Ni9Ti不銹鋼制成的U型預(yù)應(yīng)力彎頭的氫分布的測(cè)定，也曾報(bào)告了對(duì)這兩類鋼在接區(qū)剖面上各點(diǎn)相對(duì)氫指數(shù)的分布值[8]，為氫脆斷裂力學(xué)研究提供了數(shù)值依據(jù)。

我們將這種基于聚焦強(qiáng)脈沖激光產(chǎn)生等離子體而后再分析其物理、化學(xué)過程的分析計(jì)量方法命名為等離子計(jì)量分析術(shù)，激光等離子計(jì)量分析術(shù)有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，它是應(yīng)用激光的新的分析方法．在理論與實(shí)踐上有待進(jìn)一步完善與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee G.. Dodge，APPLED OPTICS，1984，,23

[2]王少清，王教方，應(yīng)用激光，1981,11.172