激光粒度儀應(yīng)用導(dǎo)論之原理篇

        激光粒度儀應(yīng)用原理介紹
??目前，激光顆粒分析儀在顆粒表征中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。測(cè)量對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域包括學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、技術(shù)開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)監(jiān)控部門(mén)。從臺(tái)商用儀器誕生至今已有50年，作者在這個(gè)方向上從事研發(fā)工作近30年。盡管如此，由于被測(cè)物體的粒子系統(tǒng)比較抽象，而且激光粒度儀的原理和技術(shù)比較復(fù)雜，而且本身還存在一些有待改進(jìn)的問(wèn)題，筆者覺(jué)得 科學(xué)技術(shù)問(wèn)題介紹粒度分析儀既流行又專(zhuān)業(yè)，可以幫助讀者更好地了解、選擇和使用產(chǎn)品。這一系列文章的定位很受歡迎。不過(guò)，為了讓一些希望深入了解該技術(shù)的讀者獲得更多、更深入的相關(guān)知識(shí)，作者在本文的適當(dāng)位置添加了“高級(jí)知識(shí)"。只是想了解激光粒度儀的讀者可以跳過(guò)這些內(nèi)容。
??首先需要說(shuō)明的是，這里所說(shuō)的激光粒度儀是指基于靜態(tài)光散射原理的粒度檢測(cè)設(shè)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(chēng)為動(dòng)態(tài)光散射（DLS）粒度分析儀。前者是根據(jù)不同粒徑的粒子產(chǎn)生的散射光的空間分布來(lái)計(jì)算粒徑（認(rèn)為這種分布不隨時(shí)間變化），后者是通過(guò)測(cè)量粒徑的變化來(lái)分析粒徑以固定散射角隨時(shí)間散射光；前者適用于約0.1微米至數(shù)千微米的粒子測(cè)量，而后者適用于1微米至1納米（千分之一微米）的粒子測(cè)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(shù)。
?? 【進(jìn)階知識(shí)1】嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，將激光粒度儀的原理描述為“衍射法"是不準(zhǔn)確的，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)。從物理上講，光的衍射和散射是不同的。源于光的波動(dòng)性的“光的衍射"理論已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但尚未從理論上認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波。這個(gè)時(shí)期大約是 19 世紀(jì)上半葉。早些時(shí)候當(dāng)時(shí)，人們認(rèn)為光的傳播路徑是一條直線(xiàn)，就像不受外力作用的粒子作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一樣。這個(gè)說(shuō)法在歷shi上被稱(chēng)為“光粒子論"。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)光有波浪形。那時(shí)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(guò)程中遇到障礙物，會(huì)改變?cè)瓉?lái)的傳播方向，跑到障礙物后面的現(xiàn)象，所以衍射又稱(chēng)“衍射"。描述衍射現(xiàn)象的理論稱(chēng)為衍射理論。遠(yuǎn)場(chǎng)衍射理論的近似表述（即在遠(yuǎn)離障礙物的位置觀察衍射）稱(chēng)為“夫瑯禾費(fèi)衍射"。衍射理論沒(méi)有考慮光場(chǎng)與物質(zhì)（障礙物）的相互作用，而只是對(duì)這種現(xiàn)象的量綱描述，因此是一種近似理論。它只適用于遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍為0.6～0.7微米），以及測(cè)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(fā)現(xiàn)光也是一種電磁波。光的衍射現(xiàn)象本質(zhì)上是由電磁場(chǎng)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(dá)。嚴(yán)格的電磁波理論認(rèn)為，光在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物并與之相互作用改變?cè)瓉?lái)的行進(jìn)方向。這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為光散射。電磁波理論可以描述任意大小物體對(duì)光的散射，散射光的方向也是任意的。無(wú)論是早期還是現(xiàn)在，在用激光粒度儀測(cè)量粒度時(shí)，都假設(shè)顆粒是球形的。如果進(jìn)一步假設(shè)粒子是均勻的和各向同性的，則可以使用嚴(yán)格的電磁波理論推導(dǎo)出散射光場(chǎng)的嚴(yán)格解析解（稱(chēng)為“米氏散射理論"）。
??現(xiàn)在市場(chǎng)上的大多數(shù)激光粒度分析儀都使用米氏散射理論作為物理基礎(chǔ)。因此，說(shuō)目前激光粒度儀使用的物理原理是衍射法是不準(zhǔn)確的，甚至可能被誤認(rèn)為是早期基于衍射理論的一種儀器。
??第1臺(tái)商用激光粒度分析儀于1968年設(shè)計(jì)，雖然當(dāng)時(shí)已經(jīng)提出了米氏理論，但受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，很難用它來(lái)快速計(jì)算散射各種大小粒子的光場(chǎng)。的價(jià)值。因此，當(dāng)時(shí)的激光粒度分析儀采用夫瑯禾費(fèi)衍射理論來(lái)計(jì)算散射光場(chǎng)，這就是為什么將這一原理稱(chēng)為激光衍射法。這個(gè)名字一直沿用至今。然而，“光散射法"一詞在世界范圍內(nèi)逐漸增多。