Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц

Коломиец, Сергей Михайлович

Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Коломиец, Сергей Михайлович АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Обнинск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1997 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц»

Автореферат диссертации на тему "Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц"

УДК 537.874.4:621.375 + 551.510.42

КОЛОМИЕЦ Сергей Михайлович

ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.21 - лазерная физика

А втореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена в Институте экспериментальной метеорологии НПО "Тайфун" Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ст. н. с. Горчаков Г.И.,

доктор физико-математических наук, профессор Ринкевичус Б.С.

Ведущая организация - Научно - исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова.

Защита состоится "02" _ 1997 г . в /¿Г часов на

заседании диссертационного совета Д 003.49.04 в Институте общей физики РАН (117942, Москва, ул. Вавилова, 38).

С диссертацией можно ознакомиться е библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, профессор Петров Г.Д.,

диссертационног о

"ВтБ. Сигачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во многих задачах помимо классификации по размерам, весьма важной является и классификация частиц по их форме, позволяющая качественно оценивать природу частиц.

Размер частиш - понятие, требующее уточнения. Геометрические размеры характеризуют форму частиц, причем чем сложнее форма, тем больше размеров необходимо для ее описания. В связи с этим часто используют игнорирующие форму так называемые эквивалентные размеры - оптический (характеризующий рассеяние света частицами и зависящий от комплексного показателя преломления их материала) и аэродинамический (характеризующий движение частиц относительно среды и зависящий от плотности их материала). Очевидно, наиболее полное описание частиц дает совокупность всех указанных размеров.

В практически важном диапазоне размеров 0.1...100 мкм для указанного анализа широко используются оптико - электронные (в том числе, лазерные) методы. Суть их состоит в освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов, формируемых частицами при их пролете через определенным образом выделенную область пучка - так называемый счетный объем.

Если среднее число частиц в счетном объеме много больше единицы, то реализуется так называемый нефелометрический режим. При этом для определения функции распределения частиц по размерам требуется решение обратной задачи, вообще говоря, некорректной. Значительно проще с этой точки зрения методы, основанные на анализе сигналов от индивидуальных частиц - не ансамблей (среднее-число частиц в счетном объеме много меньше единиил).

Именно эти методы и рассматриваются в диссертации. В этом случае абсолютная концентрация частиц достаточно просто зависит от средней частоты повторения указанных сигналов, однако верхний предел ее измерений ограничен допустимой вероятностью одновременного нахождения в счетном объеме двух и более частиц -так называемыми многократными совпадениями.

Разнообразие как практических задач, так и характеристик исследуемых дисперсных систем (диапазонов размеров и концентраций взвешенных частиц) обусловило разнообразие рассматриваемых методов и соответствующих приборов.

Известные телевизионные методы, основанные на формировании изображений частиц, дают возможность оценивать форму проекции частицы только на одну плоскость, что не позволяет достоверно анализировать случайно ориентированные несферические частицы даже простейших форм. Кроме того, для обеспечения высокой разрешающей способности по размерам необходимо ограничение счетного объема вдоль оси светового пучка допустимой глубиной резкости, что является весьма сложной задачей.

Наиболее распространены в настоящее время методы определения оптического размера, основанные на анализе амплитуд импульсов рассеянного частицами света. Переход от традиционных осветителей к лазерным позволил значительно улучшить отдельные основные технические характеристики соответствующих приборов, называемых фотоэлектрическими счетчиками или спектрометрами (ФЭС), в частности, уменьшить нижний предел измерений по размеру Бтт примерно до 0,1 мкм. Однако для обеспечения высокой разрешающей способности по размерам в этих методах (в том числе, и лазерных) обычно используется так называемое механическое формирование счетного объема, при котором диаметр светового пучка заведомо превосходит диаметр потока исследуемой среды. Но такое формирование применимо лишь в случае слабофокусированных пучков диаметром 0,5 мм и выше, что накладывает ограничения либо на чувствительность, либо на диапазон измерений по концентрации.

В методах определения аэродинамического размера повышение разрешающей способности .по размерам сопровождается обычно уменьшением диапазонов измерений по размерам или по концентрации.

То есть, известные методы, основанные преимущественно на формировании и анализе одиночных световых сигналов от каждой

частицы, имеют ограничения по различным параметрам, причем улучшение какой-то одной характеристики обычно влечет за собой ухудшение другой.

Повышение" требований к уровню средств измерений в известных задачах, а также появление новых задач приводит к необходимости как дальнейшего развития известных, так и разработки новых методов измерений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - исследование и разработка лазерных методов определения размеров и формы индивидуальных взвешенных частиц путем формирования и анализа нескольких световых сигналов от каждой частицы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Впервые предложены методы определения геометрических размеров взвешенных частиц, позволяющие регистрировать в одной плоскости световые сигналы, соответствующие проекциям каждой частицы на две или три взаимно перпендикулярные плоскости.

Впервые получены соотношения, которые дают возможность однозначного определения всех трех главных геометричесгах размеров произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида по параметрам ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости.

Впервые получены соотношения, описывающие аппаратную функцию прибора для определения оптического размера взвешенных частиц с учетом неоднородности профиля интенсивности лазерного пучка по гарем декартовым координатам (что соответствует освещению • частиц квазинепрерывным сфокусированным пучком).

Впервые предложены методы определения оптического размера взвешенных частиц, основанные на освещении, при котором от каждой частицы формируется несколько импульсов рассеянного света.

Показано, что эти методы по сравнению с известными позволяют обеспечить высокую разрешающую способность по размерам при произвольном соотношении диаметров светового пучка и потока частиц.

Впервые предложено освешдть седиментирующие частицы лазерным пучком, сканируема» в направлении движения частиц. Показано, что предложенное освещение по сравнению с традиционным

позволяет в шесть - семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации.

Впервые показано, что при освещении частиц, колеблющихся в поле внешней гармонической силы (в акустическом или электрическом поле), двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами возможно одновременное определение как аэродинамического размера частиц, так и амплитуды внешней силы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Предложенные методы определения размеров и формы взвешенных частиц являются основой для проектирования приборов аналогичного назначения для различных областей науки и техники. Соответствующие способы и устройства защищены 36 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в Институте экспериментальной метеорологии НПО " Тайфун " при разработке приборов, которые использовались в исследованиях по тематике института (в частности, при контроле запыленности атмосферы в районе Чернобыльской АЭС после аварии). Один из приборов был установлен на борту космической орбитальной станции "Мир" и полностью выполнил намеченную программу работ. Отдельные экземпляры ФЭС переданы сторонним предприятиям (ГосНИИ органической химии и технологии, НПО "ВНИИ оптико-физических измерений"). Некоторые результаты исследований использовались в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша и в Институте космических исследований при разработке аэрозольных приборов аналогичного назначения. Результаты измерений микроструктуры аэрозоля, полученные с помощью разработанных приборов, переданы заинтересованным предприятиям (Институт физики атмосферы АН СССР, НПО "Базальт").

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Предложенный телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц позволяет регистрировать в одной плоскости одновременно при изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости.

2. Полученные соотношения в явном виде выражают главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с

формой трехосного эллипсоида через параметры ее проекций на три взаимно перпендикулярных плоскости.

3. Полученные соотношения для аппаратной функции прибора, анализирующего оптический размер взвешенных частиц, учитывают неоднородность профиля интенсивности лазерного пучка по ирем декартовым координатам.

4. Предложенные методы, основанные на освещении частиц сканируемым световым пучком, с формированием от каждой частицы нескольких световых сигналов, позволяют без ухудшения разрешающей способности по размерам увеличить диапазон измерений по концентрации:

- при определении оптического размера - на порядок;

- при определении аэродинамического размера - в 6...7 раз.

5. Разработанные приборы для определения оптического размера частиц имеют высокую разрешающую способность по размерам при огясутпявии огралтепий на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации были представлены на Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1978 г.), на III Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике " (Москва, 1979 г.), на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983 г.), на Всесоюзном семинаре "Применение лазерных средств измерений в науке и технике " (Киев, 1983 г.), на III Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде ( Обнинск, 1985 г.), на научно - технической конференции " Микроклимат - 85 " (Вильнюс, 1985 г.), на IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Барнаул, 1988г. ), на XV Всесоюзной конференции " Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем " ( Одесса, 1989 г.), на Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994 г.), на IV Международной школе -семинаре - выставке " Лазеры и современное приборостроение " ( Санкт-Петербург, 1995 г.), на Международной конференции "Прикладная оптика - 96" (Санкт-Петербург, 1996г.), на XIV Международной конференции по нуклеации и атмосферному аэрозолю

(Хельсинки, 1996 г.).

Один из разработанных приборов в составе измерительного комплекса "Фон" в 1988 г. экспонировался на ВДНХ СССР и был отмечен серебряной медалью.

Основные результаты исследований опубликованы в 64 работах (в том числе, в 36 описаниях изобретений), из которых 44 работы выполнены без соавторов. В диссертацию включены результаты, которые были получены лично автором или при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии (184 наименования); содержит 202 страницы машинописного текста (включая библиографию) и 57 рисунков.

Во введении дана общая характеристика работы, определена ее актуальность. Приведен краткий обзор состояния исследований по теме диссертации. Сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и защищаемые положения.

В первой главе рассматривается методы определения геометрических размеров взвешенных частиц, причем основное внимание . уделяется несферическим частицам, форму которых можно аппроксимировать эллипсоидами.

В первом параграфе проанализирована связь коэффициентов уравнения трехосного эллипсоида произвольной ориентации с параметрами его проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости координат. Показано, что сумма квадратов длин проекций эллипсоида на три взаимно перпендикулярные оси координат является инвариантом и равна сумме квадратов главных размеров эллипсоида. Получены соотношения, в явном виде выражающие главные полуоси А, В, С через измеряемые параметры - три площади проекций (Sxy, Syz, SXz) на плоскости координат и три длины проекций (21х, 21у, 21z) на оси координат:

А2 = Ji + ¿-/¿г2 - J22-cos(q>/3),

В2 = Ji - /Ji2 - J22' fcos(tp/3) + Из" sin(<p/3) J,

C2 = Ji -

/jiz - J22-[cos(q>/3) - sin(<p/3)],

где

2Ji3 + Jз3 - 3Ji-J22 cos Ф = -;

2(Ji2 - J22)3/2

3Ji = lx2 + lv2 + lz2; 3J22 = (Sxy2 + Sxz2 +■ Syz2)A2;

J33 = J33(Sxy. Syz, SXz. lx. ly. lz)-

Зная эти размеры, можно определить и ориентацию частицы (эллипсоида) в пространстве. Оценены возможные погрешности определения этих главных размеров.

Во втором параграфе рассмотрен новый телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц, позволяющий регистрировать в одной плоскости одновременно два или три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на взаимно перпендикулярные плоскости.

В известных телевизионных методах обычно используется светлопольное освещение - соответствующий объектив строит на фотокатоде видеокамеры изображение частицы ("темное") на фоне изображения ("светлого") поперечного сечения пучка подсветки. При этом для взвешенных частиц (не на подложке) одна из основных сложностей состоит в ограничении счетного объема вдоль оси светового пучка допустимой глубиной резкости. В рассматриваемом же методе отсутствие подложки используется как положительный фактор. Для получения второй проекции, очевидно, частицу необходимо осветить вторым пучком, перпендикулярным исходному. В рассматриваемом случае в качестве второго пучка можно использовать исходный, развернув его на 90°. При этом дополнительная оптическая система переносит в область потока и исходное (такое же, как и в известных методах) изображение частицы. Соответственно, на фотокатоде видеокамеры формируется два изображения каждой частицы, определяемые ее проекциями на взаимно-перпендикулярные плоскости. Если же аналогичным образом выходной световой пучок развернуть еще раз на 90° (в плоскости, перпендикулярной плоскости первого разворота), то в этом случае частица освещается тремя взаимно перпендикулярными пучками, и на фотокатоде видеокамеры формируется одновременно три изображения

одной и той же частицы - "вид прямо", "вид сверху", "вид сбоку".

Существенно, что расстояния между изображениями зависят от положения частицы относительно осей пучков. В связи с этим возможно ограничение счетного объема допустимой глубиной резкости при использовании в качестве критерия либо расстояния между изображениями, либо соотношения размеров различных проекций по одной и той же оси координат, что значительно проще, чем в известных методах (использующих световые пучки с заданной степенью пространственной когерентности и последующую нетривиальную обработку изображений).

Таким образом, значительно более высокая, чем в известных методах, информативность измерений реализуется при упрощении формирования счетного объема, при использовании только одного осветителя ' и одной видеокамеры. При этом, как и в известных методах, нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел по концентрациям - 105 см-3.

В третьем параграфе исследована форма сигнала при пролете малой частицы через лазерный пучок.

Проанализировано влияние размера частицы на форму импульса рассеянного света, возникающего при пролете частицы через световой пучок с некоторым профилем интенсивности 1(х,у), причем 1(х,0) > 1(х,у), а характерный размер пучка много больше размера частицу. Показано, что для частицу, движущейся со скоростью V в направлении ОУ, длительность указанного импульса по некоторому относительному уровню зависти от квадрата размера частицы, если для профиля интенсивности в точке у0, соответствующей выбранному уровню (2у0 * выполняется соотношение С(х,у0) - С(х,0) »"О,

С = [с121(х,у)/с1Х2 + а21(х,у)/с!У2]/81(х,у).

Для сферических частиц определение их геометрического размера возможно при любом расстоянии траектории частицы от оси пучка. Для частиц с формой эллипсоидов возможно определение их размера в направлении потока. Однако указанное расстояние зависит от ориентации эллипсоида. В то же время, этой зависимостью можно пренебречь, если размер пучка в направлении, перпендикулярном направлению потока, заведомо превосходит диаметр потока.

Рассмотрен вид сигнала от частиц, возникающего при их пролете через область интерференции двух лазерных пучков. Показано, что глубина модуляции сигнала от частицы с формой эллипсоида зависит от ее размера в направлении, перпендикулярном направлению полос.

В рассматриваемых случаях погрешности измерений определяются, главным образом, электронным трактом. Современная элементная база позволяет обеспечить нижний предел измерений по размерам, равный примерно 1 мкм.

В четвертом параграфе рассмотрен фотоэлектрический метод анализа геометрических размеров несферических частиц (имеющих форму эллипсоида вращения), основанный на рассмотренном выше анализе формы сигнала от частиц. Предложена схема формирования нескольких систем интерференционных полос, ориентированных в различных направлениях. Получены соотношения, позволяющие определять оба характерных размера частиц .с формой эллипсоида вращения при их произвольной ориентации в пространстве.

Уступая по информативности предложенному телевизионному, этот метод на два порядка превосходит последний по скорости анализа частиц (что весьма важно для медицины, биологии); ¡При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел измерений по концентрации - 103 см-3.

Во второй главе изложены результаты исследования влияния структуры лазерных пучков на характеристики методов определения оптического размера частиц.

В первом параграфе этой главы рассматривается аппаратная функция ФЭС при освещении потока частиц сфокусированным квазинепрерывным лазерным пучком.

Полагается, что профиль интенсивности I пучка имеет следующий вид. В направлении потока частиц (в направлении ОУ) профиль является гауссовым с характерным размером б (по уровню е-1); в направлении, перпендикулярном потоку и оси пучка (в направлении ОХ) профиль имеет плоскую вершину шириной 2С и гауссовы "крылья" с тем же характерным размером б. В направлении оси пучка (в направлении 02) закон изменения интенсивности принят таким же, как и для чисто гауссова пучка. При этом степень фокусировки пучка характеризуется безразмерным параметром л0 ™ 2г0Аб02, где к = 2л/х - волновое число излучения с^длиной волны Л; г0 -координата, определяющая размер счетного объема по оси 02; 2б0 ■=

- 26(г =0) - минимальный ( в "перетяжке" ) диаметр пучка. Относительная ширина плоской вершины характеризуется параметром А = С/б0, а степень квазинепрерывности - параметром н уТ/260.

Поскольку освещение частиц является квазинепрерывным, то при пролете частицы (с некоторой скоростью V) через пучок формируется не один фотоэлектрический импульс, а несколько - пачка импульсов (рис. 1). Аппаратная функция g(u') задавалась в виде функции распределения амплитуд и' максимальных импульсов в каждой пачке от одиночных монодисперсных частиц, причем и'/и„. = 1/1га, где ит = и' (х = 0; у = 0; г = 0), 1т = I (х = 0; у = 0; г = 0).

Полагается, что в направлении

5 у/60) счетный объем ограничен координатой 1,0: ш < 10 = уТ/260 < 1. В на-

правлении ограничен

0т\ счетный объем координатой Т10:

|т\| < т\0 = 2г0Дб02. где гс не зависит от размера частиц; а в направлении 0£, (£, = х/б0) -координатой 141 < При оптическом формировании счетного объема 40 определяется заданным уровнем и0 дискриминации электронного тракта (£0 зависит от размера частиц), а при оптико - электронном или механическом формировании определяется фиксированной координатой х0 (и не зависит от размера частиц). Для указанного профиля интенсивности выведены соотношения, описывающие аппаратную функцию я(и') с параметрами

Рис. 1.

= А = 0 эти

ц0; 1;0; А; и0/ит. В предельном случае Т10 соотношения переходят в известное соотношение, соответствующее освещению частиц нерасходящимся непрерывным гауссовым пучком.

Фокусировка и (или) конечность частоты повторения световых импульсов (характеризуемых безразмерными параметрами По2-заметно увеличивают относительную ширину аппаратной функции. При этом для сравнительно несложно реализуемого случая А > 1 эта ширина приблизительно равна т\02 + . С увеличением А аппаратная

функция по виду приближается к П-образной функции независимо от отношения и0/ит.

Зная зависимость и = и(0), где О - диаметр частицы, по известным соотношениям нетрудно найти ^(Б) - искомую аппаратную функцию. Ширина е(О) определяет одну из важнейших характеристик прибора - разрешающую способность по размерам.

На рис. ?. приведен вид §(и") для некоторых значений указанных параметров т)0. А и ио/ит ^0,7.

Оценено влияние амплитудного разрешения фотоприемника на ширину аппаратной Функции ФЭС в целом (для идеальной приемной системы). Для лазерного ФЭС "Дельта - 3"' с квазинепрерывным освещением частиц (описанного в главе 6) расчетное и экспериментальное значения ширины аппаратной функции близки друг к другу.

Во втором параграфе этой главы рассмотрено влияние на измерения многократных совпадений" - одновременного нахождения в счетном объеме прибора нескольких частиц. Так называемая статистика отсчетов (связь между истинной' N и измеренной М концентрациями частиц) определена для произвольного соотношения

между временем t пролета частицы через счетный объем прибора и длительностью X импульсов освещения. Пусть г Е t/t, тогда

М = N•И - (1 - йг)-ехр(- а)]/а(1 + г),

где « я NV0, V0 - величина счетного объема. В предельных случаях это соотношение переходит в известные соотношения для отсчетов с мертвым временем продлевающегося типа (г ■* <*>) и для мгновенных независимых отсчетов (г < 1).

В третьем параграфе исследованы погрешности определения концентрации полидисперсного аэрозоля. Показано, что в лазерных ФЭС с высокой однородностью освещенности счетного объема и непрерывным освещением потока частиц, для падающих функций распределения частиц по размерам реальная погрешность за счет многократных совпадений обычно не превышает погрешности, вычисленной по некоторой "номинальной" длительности импульсов рассеянного частицами света. Если же функция распределения имеет явно выраженную моду, то для оценки погрешности в качестве характерной длительности необходимо использовать длительность импульса, соответствующую модальному значению функции распределения. В противном случае реальная погрешность может в несколько раз превосходить погрешность, вычисленную по "номинальной" длительности.

Рассмотрено влияние разрешающей способности по размерам на погрешности определения концентрации полидисперсных частиц с размером, превосходящим некоторый заданный размер, что представляет интерес для задач, связанных с контролем различных "чистых" (обеспыленных) технологических газов и жидкостей. С использованием П-образного вида атааратной функции проведена оценка по максимуму этих погрешностей для различных значений параметра обратно-степенного распределения частиц по размерам.

Показано, что сравнительно небольшие погрешности (10...20%) обеспечиваются лишь при высоком разрешении по размерам (R = 15...20). При этом для реальных аппаратных функций погрешности будут меньше указанных.

В третьей главе рассматриваются новые методы определения оптического размера частиц.

В первом параграфе исследовано освещение частиц непрерывным

лазерным пучком, сканируемым в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемой среды, причем период сканирования не превышает времени пролета частиц через счетный объем прибора. Рассматриваемое освещение приводит, по сравнению с освещением неподвижным непрерывным пучком, к некоторой дополнительной неоднородности освещенности счетного объема в направлении потока частиц, на первый взгляд ухудшая характеристики соответствующего прибора. Однако при этом может быть существенно уменьшена неоднородность в направлении ОХ, в случае неподвижного пучка наиболее значительная.

Показано, что рассматриваемое освещение частиц эквивалентно освещению неподвижным квазинепрерывным пучком с периодом повторения импульсов, равным периоду сканирования, причем профиль интенсивности эквивалентного пучка имеет в направлении сканирования плоскую вершину с размером, равным амплитуде сканирования, практически независимо от профиля интенсивности сканируемого пучка. При этом для аппаратной функции справедливы соотношения, полученные в главе- 2. Соответственно, рассматриваемое освещение позволяет получить достаточно высокое разрешение по размерам и для гауссова профиля интенсивности пучка, причем формирование счетного объема может быть оптико -электронным, не имеющим ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц. Существенно, что этот результат достигается без потерь световой мощности. Если сравнение со случаем освещения частиц неподвижным пучком вести при одинаковой мощности пучка и одинаковой (высокой) разрешающей способности по размерам, то рассматриваемое освещение дает возможность:

- при одинаковой величине скорости анализа исследуемой среды (определяющей ^щ) - на порядок уменьшить размер пучка в направлении сканирования, увеличив тем самым на порядок Ищах и чувствительность измерений (что фактически означает уменьшение 0ш1п);

- при одинаковом сечении пучка (одинаковом Опнп) - на два порядка увеличить диапазон измерений по концентрации (уменьшить Мш1п при неизменном Мщах).

Здесь Ипип! Ищах - нижний и верхний пределы измерений по концентрации, Бпип - нижний предел измерений по размерам.

То есть, оказывается возможным улучшение одних основных

характеристик ФЭС без ухудшения других характеристик.

Рассмотрено освещение частиц несколькими сканируемыми пучками, разнесенными либо вдоль потока, либо в перпендикулярном направлении, а также освещение частиц пучком, сканируемым в направлении потока. Каждый из этих вариантов имеет определенные достоинства и может использоваться в каких-то конкретных задачах.

Во втором параграфе исследованы особенности формирования сигналов от частиц при освещении их неподвижными лазерными пучками: либо кольцевым, либо двумя разнесенными в направлении потока гауссовыми пучками с некоторыми заданными соотношениями интенсивностей и характерных размеров. Предложены некоторые схемы преобразования гауссова пучка в кольцевой пучок практически без потерь световой мощности.

Показано, что и в этом случае возможно улучшение одних характеристик без ухудшения остальных характеристик. В частности, возможно достижение высокой разрешающей способности по размерам без ухудшения чувствительности измерений.

Несмотря на то, что такое освещение уступает по своим возможностям освещению сканируемыми пучками, сравнительная простота его реализации имеет преимущества для ряда задач.

В третьем параграфе исследованы некоторые новые схемы ачплитудно-временной обработки импульсов, позволяющие сравнительно просто реализовать оптико - электронное формирование счетного объема (не имеющее ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц) применительно к рассмотренному освещению частиц. Рассмотрены схемы, позволяющие существенно уменьшить погрешности, обусловленные многократными совпадениями присутствием в счетном объеме одновременно двух и более частиц.

Таким образом, рассмотренные новые методы определения оптического размера взвешенных частиц позволяют получить высокую разрешающую способность по размерам при диаметре светового пучка, заведомо меньшем диаметра потока частиц.

При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 0,1 мкм, а верхний предел измерений по концентрациям - 105 см"3.

В четвертой главе рассмотрены новые методы определения аэродинамического размера частиц.

В первом параграфе анализируется определение указанного размера при движении частиц в поле силы тяжести.

Для определения скорости седиментации (зависящей от аэродинамического размера) предложено освещать частицы лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц со скоростью пучка, как минимум, в три раза превышающей максимальную скорость частиц. При этом определение скорости осуществляется (как и в известных время - пролетных методах) путем измерения интервала времени между соседними импульсами, формируемыми каждой частицей. Показано, что наличие выделенных моментов времени, соответствующих началу каждого цикла сканирования, позволяет обеспечить разделение импульсов от нескольких частиц, находящихся одновременно в счетном объеме. Разработана блок - схема соответствующего двухканального селектора. С учетом такой селекции оказывается возможным в шесть - семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

Во втором параграфе рассмотрены особенности сигналов от колеблющихся частиц (в акустическом или электрическом поле), освещаемых двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами (интерференционные полосы перпендикулярны направлению колебательного движения частицы). Выходной сигнал (свет, рассеянный частицей) в этом случае является частотно -модулированным, причем измеряемой величиной является изменение его периода. Оценены возможности определения как амплитуды колебаний частиц, так и сдвига фазы этих колебаний относительно внешней силы. Показано, что при определении амплитуд колебаний возможно (по сравнению с известными методами):

- в пять раз повысить верхний предел измерений по размерам (до 50 мкм) при неизменности нижнего предела (1 мкм);

- в два раза уменьшить нижний предел измерений по размерам (до 0,5 мкм) при неизменности диапазона измерений Ощах/Отш = Ю.

При определении сдвига фазы колебаний диапазон измерений по размерам в той или иной мере (в зависимости от выбранных параметров) совпадает с диапазоном, соответствующим определению амплитуд колебаний. Если же известны и амплитуда, и сдвиг фазы, то возможно одновременное определение и размера частицы (аэродинамического), и амплитуды внешней силы (например, заряда частицы при известной напряженности электрического поля).

В третьем параграфе рассмотрены возможности повышения

виброустойчивости акустооптических гетеродинных интерферометров применительно к определению аэродинамического размера колеблющихся частиц.

Исследована дифракция лазерного лучка на двух перекрывающихся в пространстве акустических волнах с разнесенными частотами. Показано, что при определенных условиях возможно получение относительно малых сдвигов частоты между дифрагированными пучками без уменьшения углов дифракции и при использовании только одной акустооптической ячейки. Соответственно, при этом может быть существенно упрощена реализация виброустойчивого интерферометра.

В развитие этого подхода рассмотрены особенности дифракции лазерного пучка на двух акустических волнах, распространяющихся в движущейся жидкости (данная задача выходит за рамки диссертации, но представляет самостоятельный практический интерес). В этом случае при интерференции пучков различных порядков дифракции возникает составляющая сигнала, частота которой зависит от скорости жидкости. Следовательно, в отличие от распространенных лазерных доплеровских анемометров (ДЦА), в данном случае возможен контроль и гомогенных жидкостей. Показано, что при подобного рода контроле нижний предел измерений по скорости (Ю-2 мм/с) существенно меньше, чем для ультразвуковых расходомеров и может быть близок к соответствующей величине для ДЦА при контроле гетерогенных сред.

Рассмотрены возможности компенсации лирамидальности светоделительных (смесительных) призм лазерных интерферометров. Показано, что при определенных условиях с использованием призм даже низкой группы точности сравнительно простыми котировками (поворотами вокруг соответствующих осей и параллельным перемещением призм) можно получить интерференционные полосы достаточной для многих задач ширины - около 1 см.

В пятой главе рассмотрены возможности совершенствования отдельных блоков ФЭС.

В первом параграфе анализируются новые схемы оптико -механических дефлекторов на основе вращающегося зеркала. В них за счет введения дополнительных неподвижных элементов оказывается возможным уменьшить частоту вращения зеркала без уменьшения частоты сканирования, обеспечив близость длительности прямого

хода и периода сканирования. При этом в пределах угла сканирования (большего), определяемого собственно зеркалом, эти дополнительные элементы обеспечивают поочередное, несколько раз, сканирование в пределах меньшего угла. То есть, уменьшается амплитуда сканирования собственно зеркала и во столько же раз возрастает частота сканирования пучка (при неизменной скорости вращения зеркала). Это позволяет одновременно обеспечить высокую частоту сканирования и не слишком малую длительность импульсов рассеянного частицами света, причем требуемые для ФЭС параметры сканирования могут быть реализованы сравнительно просто.

Предложенная схема на основе магнитоэлектрического дефлектора позволяет при заданной амплитуде сканирования повысить максимальную частоту сканирования. Если же заданной является максимальная частота сканирования, то в рассматриваемой схеме удваивается амплитуда сканирования.

• Во втором параграфе анализируются новые схемы приемной системы. Одна из них, состоящая из двух эллиптических зеркал и одного конического, дает возможность • для сопряженных точек асферических зеркал одновременного выполнения и.условия синусов Аббе, к условия Гершеля. При этом указанные точки являются не только анаберационными, но и апланатическими. Соответственно, оказывается возможным оптическое (резкое) ограничение счетного объема вдоль оси пучка и при светосильной асферической приемной системе, т.е. при высокой чувствительности измерений.

Аналогичный результат достигается и в схеме с одним эллиптическим зеркалом за счет определенной конструкции - явной асимметрии в направлении потока частиц и в перпендикулярных направлениях. При этом одновременно возможно и заметное снижение требований к точности изготовления указанного зеркала.

Предложена схема уменьшения влияния виньетирования в приемной системе на разрешающую способность по размерам. Применительно к освещению частиц кольцевым пучком или двумя пучками, разнесенными в направлении потока, эта схема позволяет перейти от параллельного анализа сигналов к последовательному. Вследствие этого приемная система может быть выполнена одноканальной, что,заметно упрощает реализацию.

В третьем параграфе рассматриваются некоторые , новые схемы контроля стабильности чувствительности ФЯС. называемые иначе

калибраторами. В отличие от известных, они позволяют контролировать стабильность чувствительности ФЭС практически постоянно, синхронно с измерением размеров и концентрации исследуемых частиц. При этом сам калибратор не влияет на результаты измерений, а исследуемые частицы не влияют на результаты контроля.

В четвертом параграфе рассмотрены требования к аэрозольному тракту прибора, предназначенного для анализа водного аэрозоля. Определены условия, при которых можно пренебречь изменением размеров частиц водного аэрозоля при его движении по тракту, температура которого отличается от начальной температуры воздушной фазы.

Если 1 - длина аэрозольного тракта (от входа до счетного объема), Ц - расход воздуха через тракт, то для типичных ситуаций изменением размеров частиц можно пренебречь при 1/0 < 1 с/см2.

В шестой главе рассмотрены особенности отдельных блоков и узлов и основные технические характеристики трех разновидностей ФЭС: "Дельта", "Дельта - 3" (лазерных) и "Микрон" (осветитель -лампа накаливания). Эти приборы разработаны под руководством и при непосредственном участии автора на основе исследований, результаты которых изложены в предыдущих главах.

В первом из них используется освещение потока частиц кольцевым пучком, сформированным из исходного гауссова пучка с помощью аксикона; во втором - освещение сканируемым пучком; в третьем - освещение двумя пучками, разнесенными в направлении потока. Во всех трех приборах достигнуты высокие значения одновременно нескольких основных характеристик. Экспериментально реализованное оптико-электронное формирование счетного объема позволило получить высокую разрешающую способность по размерам при диаметре светового пучка, заведомо меньшем диаметра потока частиц. При этом в ФЭС "Дельта" и "Дельта - 3" нижний предел измерений по размерам (0,2 мкм и 0,1 мкм) соответствует уровню, достигнутому лишь в приборах с прокачкой частиц через резонатор лазера (и достаточно "жесткими" требованиями к конструкции прибора); ФЭС "Микрон" характерен весьма широким (15 мм) диаметром аэрозольного тракта. Результаты измерения атмосферного аэрозоля всеми тремя разработанными приборами согласуются друг с другом и с результатами измерений другими приборами:

"ТБ1 -3030", "1?оусо - 218", "Коусо - РС 241", "АЗ - 5".

Сравнительные характеристики указанных приборов приведены в таблице, где ¡Эшп. Отах _ нижний и верхний пределы измерений по размерам; Итт, Ищах - нижний и верхний пределы измерений по концентрации; Оа - объемная скорость анализа; И - разрешающая способность по размерам, определяемая как величина, обратная относительной полуширине аппаратной функции (на полувысоте). Отметим, что по принятой классификации I? < 10 соответствует низкой; 10 < I? < 20 - высокой; И > 20 - свервысокой разрешающей способности [65].

ФЭС 0тах> Ипнп- • Итах Оа,см3/с Я

мкм см' -3

"Дельта" 0,2 ... 30 1,4-10° .. 1,2 103 0,7 18

"Дельта - 3" 0,12... 5 2,8-10° .. 1,0 104 0,35 18

"Микрон" 1 100 1,0-10° ... 0,7 103 1.0 12

То есть, с учетом диапазона измеряемых концентраций, лазерные ФЭС "Дельта" и "Дельта -3" соответствуют требованиям многих задач физики атмосферы, а ФЭС "Микрон" весьма удобен для ряда прикладных задач.

В заключении приведены основные научные результаты и выводы.

В диссертации исследованы лазерные методы определения размеров и формы индивидуальных (не ансамблей) взвешенных частиц в диапазоне размеров 0,1...100 мкм и концентраций 10°...105 см-3. Эти методы основаны на формировании и анализе нескольких световых сигналов от каждой частицы и позволяют существенно улучшить одни основные технические характеристики соответствующих приборов без ухудшения других характеристик.

Основные научные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработаны новые методы определения геометрических размеров взвешенных частиц (их,формы).

- Впервые предложен телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц, позволяющий регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы,

соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости. По сравнению с известными методами в нем при существенно более высокой информативности измерений упрощается формирование счетного объема. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел по концентрациям - 105 см-3.

- Впервые получены соотношения, в явном виде выражающие главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида через площади ее проекций-на три взаимно перпендикулярные плоскости координат и длины ее проекций на соответствующие оси координат.

- Впервые предложен метод, основанный на анализе амплитудно-временных параметров импульсов рассеянного частицами света, и позволяющий определять главные геометрические размеры произвольно ориентированных частиц с формой эллипсоида вращения. Уступая по информативности предложенному телевизионному методу, он на два порядка превосходит последний по скорости анализа частиц. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел измерений по концентрации - 103 см-3.

2. Исследовано влияние структуры лазерных пучков на характеристики методов определения оптического размера взвешенных частиц.

- Впервые получены соотношения, описывающие аппаратную функцию фотоэлектрического счетчика частиц (ФЭС) для случая освещения потока частиц сфокусированным квазинепрерывным лазерным пучком. Определена зависимость относительной ширины аппаратно} функции от параметров пучка. Расчетное значение ширины аппаратной функции для ФЭС "Дельта - 3" (с указанным освещением) близко к экспериментальному значению. Определено влияние относительной ширины аппаратной функции на погрешности определения концентрации атмосферного (полидисперсного) аэрозоля.

3. Разработаны новые методы определения оптического размера взвешенных частиц.

- Впервые предложено освещать поток частиц непрерывным лазерным пучком, сканируемым в направлении, перпендикулярном направлению потока. При определенных условиях такое освещение эквивалентно освещению неподвижным квазинепрерывным пучком, параметры которого определяются параметрами сканирования.

Показано, что, по сравнению с освещением неподвижным пучком той же мощности, предложенное освещение позволяет на порядок увеличить чувствительность и диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 0,1 мкм, а верхний предел измерений по концентрациям - 105 см-3.

4. Разработаны новые методы определения аэродинамического размера взвешенных частиц.

- Впервые предложено освещать седиментирующие частицу лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц. Показано, что предложенное освещение по сравнению с освещением двумя разнесенными пучками позволяет в шесть - семь раз увеличить верхний предел измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

- Впервые показано, что освещение частиц, колеблющихся в поле внешней гармонической силы (в акустическом или электрическом поле), двумя пересекающимися лазерными луч)сами с разнесенными частотами позволяет одновременно определять как размер частиц, так и амплитуду внешней силы. При этом по сравнению с известными методами возможно в пять раз увеличить верхний предел измерений по размерам (до 50 мкм) при неизменности нижнего предела (1 мкм).

5. Предложены, разработаны и внедрены в практику новые схемные решения отдельных блоков и узлов ФЭС (осветителя, приемной системы, блока электронной обработки сигналов), позволяющие улучшить конкретные характеристики указанных приборов.

6. На основе выполненных исследований под руководством и при непосредственном участии автора разработаны, изготовлены, и внедрены в практику три модификации ФЭС с высокой разрешающей способностью по размерам и отсутствием ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц. Две лазерные модификации ("Дельта", "Дельта-3") имеют нижний предел измерений по размерам 0,1...О,2 мкм, что известными методами достигается лишь при прокачке частиц через резонатор • лазера, с соответствующими весьма "жесткими" требованиями к конструкции прибора. Третья модификация ("Микрон") характерна довольно широким (15 мм) диаметром аэрозольного тракта, что весьма удобно для ряда прикладных задач. Эти приборы в совокупности перекрывают

практически важный диапазон размеров Ю-1...102 мкм и концентраций 10°...104 см"3 и могут использоваться в различных областях науки и техники. Результаты измерения атмосферного аэрозоля разработанными приборами согласуются друг с другом и с результатами измерений другими аэрозольными приборами аналогичного назначения. Отдельные экземпляры ФЭС поставлены сторонним предприятиям.

Разработанные методы определения размеров и формы взвешенных частиц могут использоваться при проектировании приборов аналогичного назначения для различных областей науки и техники. Соответствующие способы и устройства защищены 36 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Тагам образом, совокупность выполненных исследований представляет собой решение важной научно-технической проблемы -разработки инженерно-физических основ лазерных приборов для определения размеров и формы индивидуальных взвешенных частиц путем формирования и анализа нескольких световых сигналов от каждой частицы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Гетеродинный способ измерения оптического пути. Авт. св. 715929 СССР / Гудзенко А.И., Захарченко C.B., Коломиец С.М. Тиценко A.A. // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1980.

- N. 6.

2. Дубатов В.М., Коломиец С.М., Мишуненков Н.И. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей со сканируемым лазерным пучком // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", ч. 1. -Одесса. - 1989. - С. 218.

3. Коломиец С.М. 0 возможности компенсации пирамидальности призм лазерного интерферометра // Материалы Всесоюзного симпозиума по распространению оптического излучения в дисперсной среде ( г. Обнинск ). - Москва. - 1978. - С. 315

- 317.

4. Коломиец С.М. 0 возможности уменьшения погрешностей, связанных с. неоднородностью освещенности рабочего объема в

фотоэлектрических лазерных датчиках аэрозолей // Труды ИЭМ.

- 1980. - Вып. 25 (93).- С. 26-30.

5. Коломиец С.М. Способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 857789 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 31.

6. Коломиец С.М. Селектор импульсов. Авт. св. 864530 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 34.

7. Коломиец С.М. Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений. Авт. св. 894350 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 48.

8. Коломиец С.М. Устройство для измерения размеров движущихся взвешенных частиц. Авт. св. 922596 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 15.

9. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 940013 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 24.

10. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 940014 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 24.

11. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 940564 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1983. - N. 15.

12. Коломиец С.М. Уменьшение неоднородности освещенности счетного объема фотоэлектрических счетчиков при сканировании светового пучка // Тезисы докладов II1 Всесоюзного совещания по атмосферной оптике и актинометрии, ч. 1. - Томск. - 1983.

- С. 229 - 231.

13. Коломиец С.М. Двухлучевой интерферометр удвоенной чувствительности // Оптико - механическая промышленность. -1983. - N. 6. - С. 30 - 31.

14. Коломиец С.М. Устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 1122095 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1985. - N. 20.

15. Коломиец С.М. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1179160 СССР // Бюллетень "Открытия, изобретения ". - 1985. - N. 34.

16. Коломиец С.М. Лазерный фотоэлектрический счетчик аэрозолей // Тезисы докладов 1I1 Всесоюзного совещания по

распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Ч. 3. - Обнинск. - 1985. - С. 92 - 95.

17. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1278682 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1986. - N. 47.

18. Коломиец С.М. Устройство для измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1278683 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1986. - N. 47.

19. Коломиец С.М. Оптико - электронное устройство для измерения размеров и концентрации дисперсных частиц. Авт. св. 1341549 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1987. -N. 36.

20. Коломиец С.М. Устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 1377681 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1988. - N. 8.

21. Коломиец С.М. Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц. Авт. св. 1420488 СССР // Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1988. - N. 8.

22. Коломиец С.М. Погрешности измерения концентрации фонового атмосферного аэрозоля фотоэлектрическими счетчиками // Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, ч. 2. - Барнаул -Обнинск. - 1988. - С. 31 - 33.

23. Коломиец С.М. О статистике отсчетов в фотоэлектрических счетчиках взвешенных частиц // Труды ИЭМ. - 1989. - Вып. 48 (138). - С. 137 - 140.

24. Коломиец С.М. Об испарении частиц водного аэрозоля при их движении по " теплому " капилляру // Труды ИЭМ. - 1989. -Вып. 48 (138). - С. 148 -151.

25. Коломиец С.М. Погрешности оптико-электронных анализаторов аэрозолей // Оптико - механическая промышленность. - 1989. -N. 10. - С. 19-21.

26. Коломиец С.М. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1474526 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1989. - N. 15.

27. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц и устройство для его осуществления. Авт. св. 1516889 СССР // Бюллетень

" Открытия, изобретения ". - 1989. - N.39.

28. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1520399 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1989. - N. 41.

29. Коломиец С.М. Об определении геометрических размеров частиц с псмощью фотоэлектрических счетчиков // Труды ИЭМ. - 1990.

- Вып. 51 (142). - С. 121 - 125.

30. Коломиец С.М. Дефлектор светового пучка. Авт. св. 1539721 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1990. - N. 4.

31. Коломиец С.М. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1643994 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1991. - N. 15.

32. Коломиец С.М. Устройство для измерения и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1643995 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1991. - N. 15.

33. Коломиец С.М. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей со сканируемым лазерным пучком // Измерительная техника. -1991. - N. 9. - С. 43 - 45.

34. Коломиец С.М. Лазерные фотоэлектрические счетчики атмосферного аэрозоля // Советско - американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля. - Санкт - Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - С. 181 - 188.

35. Коломиец С.М. Способ определения характеристик взвешенных частиц и устройство для его осуществления. Патент 1807336 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1993. - N. 13.

36. Коломиец С.М. Способ анализа пар импульсов в фотоэлектрических счетчиках аэрозолей. Патент 2006284 РФ // Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1994. - N. 2.

37. Коломиец С.М. Способ анализа пар импульсов в фотоэлектрических счетчиках аэрозолей. Патент 2006285 РФ // Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1994. - N. 2.

38. Коломиец С.М. 0 погрешности измерения концентрации атмосферного аэрозоля лазерными ФЭС // Труды ИЭМ. - 1995. -Вып. 25 (160). - С. 82 - 87.

39. Коломиец С.М. Аппаратная функция лазерного фотоэлектрического счетчика аэрозолей // Труды ИЭМ. - 1995.

- Вып. 25 (160). - С. 88 - 93.

40. Коломиец С.М. Об измерении подвижности взвешенных частиц с

помощью ЛДИС // " Лазеры и современное приборостроение ". Тезисы докладов IV Международной школы-семинара-выставки . -СПб.: Российский центр лазерной физики, 1996. - С. 21.

41. Коломиец С.М. Способ анализа взвешенных частиц. Патент 2054652 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1996. -N 5.

42. Коломиец С.М. 0 контроле геометрических размеров взвешенных частиц // Тезисы докладов Международной конференции " Прикладная оптика - 96 ". - СПб, 1996.

43. Коломиец С.М. Оценка формы несферических частиц телевизионными методами // Тезисы докладов Международной конференции " Прикладная оптика - 96 ". - СПб,' 1996.

44. Коломиец С.М. Лазерный измеритель скорости жидкости // "Лазеры и современное приборостроение". Тезисы докладов IV Международной школы-семинара-выставки . - СПб. : Российский центр лазерной физики, 1996. - С. 22.

45. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И. Способ контроля стабильности коэффициента преобразования фотоэлектрического регистратора взвешенных частиц. Авт. св. 1395995 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1988. - N. 18.

46. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И. Способ контроля стабильности коэффициента преобразования фотоэлектрического регистратора взвешенных частиц. Авт. св. 1546712 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1990. - N. 4.

47. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1642327 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1991. - N. 14.

48. Коломиец С.М., Осадчев Л.А. Гетеродинный интерферометр с планарным акустооптическим модулятором // Тезисы докладов 11 Всесоюзной научно - технической конференции " Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике ". Секция " Оптико - электронные квантовые приборы". - Москва. - 1979. - С. 501 - 502.

49. Коломиец С.М., Пункевич B.C. Способ измерения дисперсности взвешенных частиц. Патент 1800317 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1993. - N. 9.

50. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт.

св. 913172 СССР // Бюллетень " Открытия , изобретения ". -1982. - N. 10.

51. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Некоторые возможности совершенствования фотоэлектрических счетчиков аэрозолей // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). - С. 17 - 28.

52. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Фотоэлектрическое устройство для анализа дисперсной среды. Авт. св. 1081478 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ".- 1984.- N. 11.

53. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Оптико-электронный способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц и устройство для его реализации (его варианты). Авт. св. 1173265 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1985. - N. 30.

54. Коломиец С.М., Щелчков Г.И. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 692353 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1982. - N. 41.

55. Комплексные измерения характеристик аэрозоля и аэроионов в приземном слое атмосферы / Кикас Ю.Э., Коломиец С.М., Корниенко В.И. и др. // Труды ИЭМ. - 1990.- Вып. - 51 (142).

- С. 109 - 117.

56. Лазерный анализатор аэрозолей " Дельта " для контроля чистоты воздуха / Коломиец Г.А., Коломиец С.М., Мишуненков Н.И., Смирнов В.В. // Оптико - механическая промышленность.

- 1989. - N. 12. - С. 21 - 24.

57. Микрофизические характеристики пылевого аэрозоля по данным советско - американского эксперимента (Таджикистан, 1989) / Андронова A.B., Исаков А.И., Коломиец С.М. и др. // Известия РАН. Серия ФАО. - Т. 28. - N. 8. - С. 798 - 800.

58. Тищенко A.A., КолбинИ.И., Коломиец С.М. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1550367 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1990. - N. 10.

59. Устройство для измерения размеров взвешенных в жидкостях частиц. Авт. св. 1078283 СССР / Коломиец С.М., Кулаков Б.П, Никитюк Н.В. и др. // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1984. - N. 9.

60. Фотоэлектрический регистратор дисперсных частиц. Авт. св.

798553 СССР / Захарченко С.В., Коломиец С.М., Смирнов В.В., Яскевич Г.Ф.// Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1981. -N. 3.

61. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей " Дельта " / Коломиец Г.А., Коломиец С.М., Мишуненков Н.М., Смирнов В.В. // Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, ч. 2. - Барнаул -Обнинск. - 1988. - С. 20 - 21.

62. Kolomiets S.M. On definition of the parameters of non -spherical particles // Proceeding of the International aerosol simphosium. - Moscow. - 1994. - P. 86 - 92.

63. Kolomiets S.M. Aerosol photoelectrical counter "Micron" // Proceeding of the International aerosol simphosium. Moscow. - 1994. - P. 97 - 102.

64. Size distribution of dust, aerosol measurement during the Soviet - aroerican experiment in Tadzhikistan, 1989 / Smirnov V.V., Sviridenkov M.A., Kolomiets S.M. and others // Atm. Environ.- 1993.- V. 27.- P. 2481 - 2486.

ЛИТЕРАТУРА

65. Смирнов В.В. Основные характеристики спектрометров аэрозолей // Труды Института экспериментальной метеорологии. - 1984. - Вып. 7 (112). - С. 3 - 17.

^¿■raofuzyvt/b а f* oyvin£ -Zee тан 6 ju.e. НПО "Жаиу>ум". Заксу M9S егт /<Р.О{.3/,

aSrz-eui £ п. J., mct/Msnc -fOO-?/^.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Коломиец, Сергей Михайлович, Обнинск

/у

- & а _ у л у ¿с

< : '

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Научно -производственное объединение "Тайфун"

ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

На правах рукописи

КОЛОМИЕЦ Сергей Михайлович

ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Обнинск - 1997 г.

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................................3

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ (ИХ ФОРМЫ). . . 18

1.1. Частица с формой трехосного эллипсоида и ее проекции

на плоскости координат ..............................20

1.2. Телевизионный метод определения размеров частиц ... 28

1.3. Форма сигнала при пролете малой частицы через

лазерный пучок ......................................35

1.4. Фотоэлектрический метод определения размеров частиц . 44

2. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ

МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ............51

2.1. Аппаратная функция фотоэлектрического счетчика (ФЭС). 53

2.2. Статистика отсчетов в ФЭС............................73

2.3. Определение концентрации полидисперсного аэрозоля . . 77

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ....................89

3.1. Освещение частиц сканируемыми лазерными пучками ... 93

3.2. Освещение частиц неподвижными лазерными пучками . . . 106

3.3. Амплитудно - временной анализ импульсов ..............117

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ ..............135

4.1. Движение частиц в поле силы тяжести.........137

4.2. Движение частиц в поле гармонической внешней силы . . 147

4.3. Особенности акустооптической гетеродинной интерферометрии ......................................155

5. ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ ФЭС ... . 169

5.1. Дефлектор......................169

5.2. Приемная система ....................................179

5.3. Схема контроля стабильности чувствительности .... 191

5.4. Аэрозольный тракт применительно к водному аэрозолю . 198

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ НЕКОТОРЫХ ФЭС И РЕЗУЛЬТАТЫ

ИХ ИСПЫТАНИЙ.......................204

6.1. Лазерный ФЭС " Дельта "..............204

6.2. Лазерный ФЭС " Дельта - 3 "............227

6.3. ФЭС " Микрон "...................232

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................241

ЛИТЕРАТУРА.........................245

ПРИЛОЖЕНИЕ: Акты об использовании результатов диссертационной

работы......................260

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие аэрозольных технологий, возрастание технологических и экологических требований к допустимому содержанию механических примесей в жидкостях и газах обусловили повышение интереса к анализу дисперсности взвешенных частиц -определению их размеров и концентраций. Информация о дисперсности частиц необходима в самых разных областях науки и техники - в электронной, оптической, химической промышленности, порошковой металлургии, физике атмосферы и т.д. [93, 115, 119, 153]. Весьма широк спектр проблем, связанных с анализом параметров аэродисперсных систем, и в физике атмосферы [12, 13, 36, 116]. Аналогичные проблемы, связанные с контролем биологических взвешенных частиц - форменных элементов крови, бацилл и т.д. -важны и для медицины, биологии [122], где помимо определения размеров и концентрации частиц, весьма важной является и классификация частиц по их форме, позволяющая качественно оценивать природу частиц.

Эти и другие практические задачи стимулируют интерес к развитию методов определения концентрации, размеров и формы взвешенных частиц.

Размер частицы - понятие, требующее уточнения. Геометрические размеры характеризуют форму частиц, причем чем сложнее форма, тем больше размеров необходимо для ее описания. В связи с этим часто используют игнорирующие форму так называемые эквивалентные размеры - оптический (характеризующий рассеяние света частицами и зависящий от комплексного показателя преломления их материала) и аэродинамический (характеризующий движение частиц относительно среды и зависящий от плотности их материала) Очевидно, наиболее полное описание частиц дает совокупность всех указанных размеров.

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Для различных практических задач концентрация исследуемых частиц (в диапазоне размеров 10"1...101 мкм) может меняться в весьма широких пределах. Так, если для "чистых" технологических помещений характерна концентрация частиц 10~3...10~2 см-3 [153], то для облаков и туманов она составляет 102...103 см-3, а для дымов - до 105...106 см"3 [12, 13, 36, 116].

Методов определения размеров и концентрации взвешенных частиц, как отмечается в [158], известно около шестидесяти. Среди них в практически важном диапазоне размеров 0.1...100мкм широко используются оптико - электронные методы, в том числе и лазерные [93, 94, 115]. Суть их состоит в освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов, формируемых частицами при их пролете через определенным образом выделенную область пучка - так называемый счетный объем.

Если среднее число частиц в счетном объеме много больше единицы, то реализуется так называемый нефелометрический режим. При этом для определения функции распределения частиц по размерам требуется решение обратной задачи, вообще говоря, некорректной. Значительно проще с этой точки зрения методы, основанные на анализе сигналов от индивидуальных частиц - не ансамблей (среднее число частиц в счетном объеме много меньше единицы).

Именно такие методы и рассматриваются в диссертации. В этом случае абсолютная концентрация частиц достаточно просто зависит от средней частоты повторения указанных сигналов, однако верхний предел ее измерений ограничен допустимой вероятностью одновременного нахождения в счетном объеме двух и более частиц -так называемыми многократными совпадениями.

Известные телевизионные методы, основанные на формировании изображений частиц (обычно при светлопольном освещении) [ИЗ, 115, 117], позволяют определять форму их проекции только на одну плоскость. Очевидно, при этом весьма затруднительно достоверно анализировать случайно ориентированные несферические частицы даже простейших форм. Кроме того, специфика анализа взвешенных частиц (не на подложке) для уменьшения погрешностей измерений требует ограничения счетного объема вдоль оси светового пучка, что в известных методах реализуется достаточно сложным образом. Диапазон измерений по размерам (отношение верхнего предела к нижнему) составляет 30...50; нижний предел определяется разрешающей способностью формирующей оптики и равен примерно 1 мкм,

Методы определения геометрического размера, не связанные с формированием изображений частиц (фотоэлектрические), основаны обычно на амплитудно - временном анализе импульсов, возникающих при пролете частицы через световой пучок - как правило, измерении их длительности [8, 11, 14, 139] или глубины модуляции [92, 126,

127, 154, 155, 159]. В этих методах предельная частота анализа частиц может быть весьма высокой - до 103...104 с-1 (на два порядка выше, чем в телевизионных методах), что весьма важно для некоторых задач. Несколько меньше, чем в телевизионных, может быть и нижний предел измерений по размерам. Однако все фотоэлектрические методы информацию о форме не дают, а частицы неявно полагаются сферическими. Кроме того, характерные размеры неоднородностей интенсивности светового пучка должны быть, как правило, сравнимы с размерами частиц. При этом допустимый размер счетного объема в направлении оси пучка уменьшается с уменьшением размера частиц.

В методах измерения оптического размера (наиболее распространенных в настоящее время) переход от традиционных осветителей к лазерным позволил значительно улучшить отдельные основные технические характеристики соответствующих приборов, называемых фотоэлектрическими счетчиками или спектрометрами (ФЭС), в частности, уменьшить нижний предел измерений по размерам Dmin до примерно 0,1 мкм. Диапазон измерений по размерам в этих методах может составлять 102.

Одна из основных характеристик ФЭС - его разрешающая способность по размерам, определяемая как величина, обратно пропорциональная относительной ширине аппаратной функции (реакции прибора на монодисперсный аэрозоль) [133]. Монохроматичность излучения лазера обусловила существенно большие, чем для случая белого света, осцилляции рабочей характеристики (зависимости амплитуда импульса рассеянного света - размер частицы). С точки зрения влияния на разрешение по размерам наличию осцилляций можно поставить в соответствие некоторое формальное уширение аппаратной функции (зависящее от амплитуды осцилляций). В связи с этим для лазерных ФЭС обеспечение достаточно узкой реальной аппаратной функции является еще более важным, чем для приборов с использованием белого света.

В настоящее время для этого в основном используется так называемое механическое формирование счетного объема, при котором диаметр светового пучка заведомо превосходит диаметр потока исследуемой среды. Практически такое формирование применимо лишь для слабофокусированных пучков (диаметром примерно 0,5 мм и выше) и широко используется в лазерных ФЭС с Dmln ~ 0,1...О,2 мкм.

При этом счетный объем находится внутри резонатора маломощного (обычно He-Ne) лазера, за счет чего обеспечивается весьма высокая освещенность потока частиц - это приборы фирм "PMS", "Royco" (США) и разработки НИФХИ им. Л.Я. Карпова. Однако для реализации таких приборов требуются лазеры специальной конструкции и отработанная технология производства - по этой причине у нас в стране серийный их выпуск так и не был налажен. Кроме того, существенными могут быть и погрешности, связанные с забором частиц из исследуемой среды и их течением в аэрозольном тракте. Особенности конструкции аэрозольного тракта могут заметно влиять на результаты измерений - показания однотипных приборов, измеряющих некий "эталонный" аэрозоль, могут отличаться друг от друга на порядок [167, 169, 170]. Если для контроля сред с малыми концентрациями частиц основная особенность "внутрирезонаторных" приборов - высокая интенсивность при значительном диаметре лазерного пучка - является несомненным достоинством, то для многих других задач эта особенность несущественна.

В связи с этим практический интерес представляет разработка более простых приборов (с использованием лазеров обычной конструкции), обеспечивающих, тем не менее, высокую разрешающую способность по размерам при Dmln ~ 0,1... 0,2 мкм. В основе таких приборов может быть так называемое оптико-электронное формирование счетного объема, не имеющее ограничений на соотношение диаметров потока исследуемой среды и светового пучка. Но в известных реализациях такого формирования [94, 115], как правило, невелика разрешающая способность по размерам.

Методы определения аэродинамического размера можно разделить на две группы. К первой из них относятся методы, основанные на измерении скорости седиментации частиц [1, 93, 95, 115, 124]. Однако они применимы лишь для анализа сравнительно крупных частиц (101... 102 мкм), для которых скорость седиментации заведомо превосходит скорость возможных конвективных движений среды. При этом обычно невелик и верхний предел измерений по концентрации.

Ко второй группе относятся методы, основанные на анализе параметров колебаний частиц в поле гармонической внешней силы (в электрическом или акустическом поле) [93, 95, 104, 124, 176]. Измеряемой величиной в этом случае обычно является амплитуда

колебаний частицы. Эти методы применимы преимущественно для сравнительно малых частиц (10°...101 мкм). При этом невелик и верхний предел измерений по размерам.

То есть, известные методы (основанные преимущественно на формировании и анализе одиночных световых сигналов от каждой частицы) имеют ограничения по различным параметрам, причем улучшение какой-то одной характеристики обычно влечет за собой ухудшение другой.

Потенциально значительно более широкими возможностями обладают методы, использующие анализ нескольких (двух и более) световых сигналов от каждой частицы, однако последние сравнительно мало освещены в литературе.

Повышение требований к средствам измерений в известных задачах, а также появление новых задач требует как дальнейшего развития известных, так и разработки новых методов измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Впервые получены соотношения, которые дают возможность однозначного определения всех трех главных геометрических размеров произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида по параметрам ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости.

Впервые получены соотношения, описывающие аппаратную функцию прибора для определения оптического размера взвешенных частиц с учетом неоднородности профиля интенсивности лазерного пучка по трем декартовым координатам (что соответствует освещению частиц квазинепрерывным сфокусированным пучком).

Впервые предложены методы определения оптического размера взвешенных частиц, основанные на освещении, при котором от каждой

частицы формируется несколько импульсов рассеянного света. Показано, что эти методы по сравнению с известными позволяют обеспечить высокую разрешающую способность по размерам при произвольном соотношении диаметров светового пучка и потока частиц.

Впервые предложено освещать седиментирующие частицы лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц. Показано, что предложенное освещение по сравнению с традиционным позволяет в шесть - семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Предложенный телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц позволяет регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости.

2. Полученные соотношения в явном виде выражают главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида через параметры ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости.

3. Полученные соотношения для аппаратной функции прибора, анализирующего оптический размер взвешенных частиц, учитывают неоднородность профиля интенсивности лазерного пучка по трет декартовым координатам.

- при определении оптического размера - на порядок;

- при определении аэродинамического размера - в 6... 7 раз.

5. Разработанные приборы для определения оптического размера частиц имеют высокую разрешающую способность по размерам при отсутствии ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации были