Лазерный спектрометр аэрозолей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ - ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ < ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ )

СИПАИЛО Игорь Петрович

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР АЭРОЗОЛЕЙ 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степвни кандидата (риоико-математичоских наук

РФ 5--ОД

•У м:м I

На праваи рукописи

Автор

Москва» 1995

Работа выполнена я Москоосяои государственной инженерно-физическом институте ( техническом университете )« .

Научини руководитель:

Официальные оппоненты!

доктор физико-математических наук профессор И. Г. Гончаров

доктор физико-матенатйчвскик наук А.И.'Неизвестный

доктор физико-математических наук Н.И. ахова»

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательски

институт неорганических материалов.

Защита состоится

.72

199Я

часов

на заседании диссертационного совета K053.O3.OS в МИФИ по адресу:

9

114409г Москваг Каширское шоссе» 31» тел 323-91-А7» 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан .^ФО^СР\ 1995 г.

Просим принять участие о работе Совета или прислать отзыв в одном экземпляре» заверенный печать» организации.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физмко-матеиатических наук

С.Т.' Корнилов

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени. Аэрозоли широко распространен!.! о природе и встречаются в столь многих областях человеческой деятельности» что кк. значение, трудно переоценить. Загрязнение атмосферы дипот золой» химическими и радиоаклиоными выбросами - одна из самых острых проблем настоящего времени. Помимо химической природы частит определяющей свойства аэрозолей» большое значение имеет их дисперсный состав. Некоторые органические пили г например сахарная или мучная» обладают способность.» взрываться и вызывать пожары» причем взрывоопасная концентрация помимо химической природы и других факторов в сильной степени зависит от.дисперсного состава. Методы» эффективногть улавливания аэризалеи во многой определяются распределением соответствующих аэрозольных частиц па размерам. Оснооыыми характеристиками аэродисперсных сред кроме ее химического состава являются концентрация частиц и функция распределения их по размерам. Приборы? определяющие эти характеристики» могут быть использованы во многих областях народного хозяйства» как например».-

в Гидрометеослужбе - для контроля загрязнения воздуха в городах» для наблодения атмосферных аэроволей > '

в автомобильной и авиационной промышленности» в энергетике -для исследования и контроля распыла топливных смесей >

Анализ распределения по размерам позволит обоснованно выбирать способы улавливания аэрозолей» контролировать их Эффективность '

а химической и нефтеперерабатывающей промышленности - для контроля за технологическими процессами »

в пищевой п^опышлснмости - для контроля содержания извещенных в вослухо частиц иуки» кр. чиала и т.п. о произьодс гвенных помещениях с цсльм предотвращения по тления взрывоопасных концентраций »

для контроля за содержанием аэрозолей в цехах и боксах» где производят особо чистке материалы и поэтому накладывается жесткие условия на чистоту воздуха» например т.. .»три производстве .полунрос одни- , . ков» микроэлектронных схем и т.п. ,

"При решении' большинства названных задач определенно функции распределения частиц по размерам производится либо путем визуального счета частиц» либо с помощь» фотографирования» что является чрезвычайно трудоемким^ процессом и приводит к большим погрешностям измерений. Оптические методы исследования дисперсных сред» не требующие непосредственйого контакта с исследуемым объектом» более надежны и более перспективны» поэтому в настоящее иреня у нас и за рубетон получают распространение приборы для счета аэрозольных частиц и определения их дисперсного состава» использующие именно оптические методы, о большинстве основанные на регистрации рассеянного света. Примен^ни? лазерного излучения открывает новые возможности в зтом направлении. Поэтому весьма актуально проведение исследований» направленных на создание лазерных спектрометров аэрозолей» чему и посвящена данная диссертация.

Поль настоящей работы'состоит в разработке и применении методов определения концентрации и спектра размеров аэрозольных частиц» использующих регистрации лазерного излучения» рассеянного на этих частицах для создания универсального прибора» определяющего такие характеристики.

Научная.новизна и защищаемые положения.

1 . Предложен метод определения концентрации и функции распределения по размерам аэрозольным частиц» использующим малоугловое рассеяние ы•резонаторе газоього лазера» что обеспечивает нсзанисипость отклика сисгени от состава вещества аэрозольных частиц.

Предложена и реализована оптическая схема для определения, сон-ист рации и дисперсного состава аэрозолей» основанная на регистрации налоуглового рассеяния в резонаторе газового лазера? с системой поданлония света паразитного рассеяния на оптический элементах.

3. Обнаружен эффект фокусировки аэрозольной струи» заключавшийся

о той» что при течении аэрозоля через конический капилляр -происходит уменьшение на порядок диаметра аэрозольного потока по срабнони*« с размером выходного отверстия капилляра» что объясняется Существованием поперечного градиента давления» обусловленного вязкостью средн.

4. На основе обнаруженного э<р<ректа создано простое инфекционное устройство» позволяющее получить аэрозольный поток с поперечным размером порядка 10 мкм. •

5. Разработанная внутрирезонаториая оптическая схема на основе газового лазера использована при соодании и выпуске опытной партии универсальных спектрометров аэрозолей» позволявших измерять спектр размеров в диапазоне от 0»23 мкм до 5 мкм < о внедрении на предприятии Р-6575 от 03.11.85. ). ' '

6. Разработан и создан экспериментальный макет фотоэлектрического спектрометра микрочастиц» использующий в качестве источника света непрерывный полупроводниковый лазер с полосковым излучателем» сферическую микролйноу для формирования светового пучка» а в качестве приемника рассеянного излучения два полупроводниковых фотодиода» расположенные симметрично по обе стороны от аэрозольной струи» что позволило отказаться от высоковольтных блоков питания» существенно уменьшить габаритные размеры» вес и потребление электроэнергии.

Практическая ценность работы заключается в обосновании методики» использующей малоугловое рассеяние в резонаторе газового лазера» • позволившей создать универсальный лазерный спектрометр аэрозолей» результаты измерений.которого не зависят от материала регистрируемых частиц. Предложенная схема подавления света рассеянного на оптических деталях является важным элементом при регистрации света малоуглового рассеяния» существенно повышает чувствительность спектрометра. Обнаруженное явление самофокусировки аэрозольной струи и его исследование позволило создать простое инфекционное устройство для лазерных спектрометров аэрозолей.. Созданный малогабаритный опытный образец лазерного спектрометра аэрозолей» использующий полупроводникоиые

; .■ '" / 5 - "\ i: V ' -. ■

элементы» показывает возможности испояьзовэнил инфекционных полупроводниковых лазеров и определяет никоторые требования к ним.

, Результаты- работы - оьаснование выбора оптической, схени - ЛСЛг — схема подавления спета» рассеянного на опгичесьих элемент**» исг.-.-ч зованы при изготовлении ешмтнон пар тип •лалзримх cnei; грои«г|»о:> ил . предприятии а/я Р-6375 .< акт о внедрении от 03.11.1985 г.>.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на Г.! с с с. о ю п нон нетпузовской кон^прст--ции по применении ПКГ ( Москва» МВТУ им. Баумана» 1976 г-.)» на Всесоюзной конференции по нелинейной оптике < Тбилиси» 1976 г.). Пп результатам работы получено 4'аагорских Сйидцтсльства- Разработанный - лазерный спектрометр аэрозолей дсмомг.трировался на ЕЛИХ СССР и был удостоен золотой недали.

Публикации.

По результатам работы получено 4 авторски» свидетельства» опубликовано 3 научных работы» список которых приведен в конце автореферата.

..... Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения» пяти глап и Заключения. 1< конце работы приводен список цитируемой литературы из 104 напн^ьо-вании. Общий объем работы составляет l"ît5 машинописных сгранмц» включая 40 рисунков на 45 стр.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Ведении обоснована необходимость исследовании и сформулированы цель и основные направления исследований. №зл?.гаются пояп-г.ония» пшга-синьи; на защиту.

Диссертация начинается обзором основных методов определитп дисперсного состава и концентрации аэрозолей» причем клйссичсссис методы рассмотрены кратко» основное внимание уделено методам» использующим лазерное излучение. Представлены способы непросредетсенпого измерения размеров аэрозольных час гиц» такие как оптически л иикроско пия» электронная микроскопия» у ль тр амикрос конн « и мик роф<;т ог-ра<|ч ipo-ванис. Отмечаете я » что :пи методы диагностики аэрозолей могут дав» гь наиболее полную 'информацию» но имеют гледушчпе с ijwec rt-eni шп недостатки! очень большая 'длительность н трудоемкости прсщссеп» сильная утоилдемость отнцалора» от которого требуется постоянной напряжение зрения» субъективность и большая погрешность анализа как но числу частиц» так и по отнесению и;< к размерной Фракции» необходиасть ci большинстве случаев производить предваритель-

нее осаждение частиц на специальные подложки» сложность автоматизации процессов измерения. В конце раздела описывается применение голо • графических методов для поучения аэрозолей. Рассмотрены оптические методы определения размеров частиц» такие как метод спектров Тиндаляг использование поляризационным характеристик рассеянного света» определение размеров частиц по ослаблению 'светового пучка» лазерная допплеровская спектроскопия» использование диаграммы направленности рассеянного излучения» измерение интенсивности рассеянного света» использование собственного свечения нагретых аэрозольных частиц. В конце обзора сделаны краткие выводы по ми годам диагностики» суть которых сводится к следувщему. Прямые методы диагностики являются длительными» трудоемкими» причем многие из ни): и субъективны» а ряд прямых методов может служить только для грубой оценки дисперсного состава и счетной.концентрации. Кос пенные методы обладают болыаеМ мощностью» позволяют ( особенно некоторые из них ) быстро и непосредственно получить распределение частиц но размерам путем автоматизации процесса измерений» что исключает элемент субъективности. Наиболее перспективны методы» использующие лазерную технику» поскольку позволяют достигать более высоких результатов. Представляется очевидным» что использование лазерной, допплеровскои спектроскопии и голографических методов»несмотря на то» что они являются одними из самых точных методом» нецелесообразно для. создания промышленного переносного прибора. Можно tfowwa i н » что наиболее целесообразным и перспективным для создания промышленного образца спектрометра аэрозолей» работающем в реальном масштабе времени» представляется использование метода светорассеяния» и котором достаточно простыми средствами может быть достигнута желаемая степень автоматизации.

Рассматриваются особенности рассеяния cueTS милыми частицами. Для правильной оценки и обоснования выбора способа определения размеров аэрозольных частиц приведены результаты расчетов на ЗПМ сечений рассеяния лазерного излучения с использованием теории .Ми. Вычисления выполнены для для разной геометрии сбора рассеянного евг.-та и для частиц различного состава. Анализируя расчетные данные для случая сбора света рассеянного под большими углами С 94 градусов )» можно указать следующис основные характерные признаки • 1.. Ход кривых для монохроматического света имеет немонотонный характер < осцилляции функции Ми ).

2. Рассеяние на поглощающих- частицах ( комплексное значение п ) в области d > Д примерно на порядок меньше рассеяния на прозрачных частицах.

Более благоприятные предсказания имеются О случае рассеяния на малые углы относительно направления падающего йзлучения. Анализируя расчетные данные» можно указать следующие особенности малоуглового рассеяния '

1. Сохраняется немонотонность припой светорассеяния.

2. Отсутствуют систематические различия между поглощающими и прозрачными частицами. Результаты для всех поглощаюцих части» леж^т па одной монотонной кривой» а для нолгогломаищих - располагаются вокруг

этом кривой как среднего значения

3."' Интенсивное гь'"рассвяния'"'"впврея"- сдшвственно 6ояь»<ч-чпм в - другие

углы И- с уволмчиниои размера частиц -эта разниц» ни pri:. 1 i.

К недостаткам .регистрации . р ассе яш i ч п-> i ч. .-,.. .

отнести трудность э^фчитиимого раздаленмч « cw.r.iiorn nj'in ♦ !->.■,•■>—

го аэрозольные час. тицыГ и рассоин1 юге) с.пч t о., itd ос oúcni ;с ч ч,.> ч ч практическом реализации а того, метода. Нркмеиенич .«и: троп«,чр.,1! .кчщ. .1 о лазерного излучения с у тн снно "ли ёадачу» ч /ч, д, > ,i¡;.cv

нетод малоуг лосого рассеяния наиболее перспективным для нос. j poetщч универсального прибора» обеспечивющим «ракгическу» неаависииосгь результатов измерений от материала аэрозольных частиц.

. В диссертации определяйте я осиовпмо ;орэкт«»ристи1;и спектрометров аэрозолей» использующих явление светорассеяния на одиночных частицах. Показано» что величина измерительного объема» образующегося при пересечении аэрозольной струи со световыи пучком» непосредственно определяет максимально допустимую кондентрациг аэрозоля. Это требует всемерного уменьепия этого обизма» что обычно достигается фокусировкой светового пучка. Однако возможности такой фокусировки ограничены диаметром 'аэрозольной струи» поскольку распределение интенсивности в пределах измерительного объема должно быть равномерным. Показаны причини» ограничивающие чувствительность » Т-с. минимальный дманптр измеряемых р on п пых частиц.

При сравнительном описании оптических схем пэрогнмьны;, спектрометров отмечается» что использование г г с i-; с. г р ии сборо рассеянного света близком к ИТ хотя и приводит и сглэжиплпим иси.пл-ляции калийровочнш'| кривой» но но устраняет зависимости р сч-.ч|/ч> i аточ I ГЧНГрСЧ (ИИ ОТ Г: г' ' ' - ■ . т :' 'Л С» Ч р оз о Л L. f ШХ ЧаСТИЦ. ïïojtomîj была соор.чма схема для pet- í re трлц| !и ч i ■. г ,чоч чг > i р ; с a я! ii-i я г описание которпи приво-

дится. Обнаружено » что сущ.-стаг>ннум помеху при регистрации сонта малоуг лов ого р зс.е 4¡ кч я представляет р ■?>: с с -ч 1ме (fa оптический -:ч i ¡ . :-

Нормирования осиемаищего пучка.. Предложена достаточно эффектпыпг'я схема для подавления света такого паразитного рассеяния» суть котором сводится к следующему. Собиравшая линза уст анл» лив -Л ст <. я т-хкнн о бр л.,; : чтоом и :ч-н_'р и Ti; j счи oí>!,rn находилс я о ее ( ч. у г. с > тогда свет» ч ' : ч янный на аэрозоле» превратится после .»юи линзы в «араллил-и'-.и пучок. Свет паразитного рассеяния на оптических элементах будет сфокусирован в плоскости изображений» где размещается непрозрачный экран с размером несколько большим» чем изображение рассеивающего эли'минта. Подобным способен потно практически полностью подэг, m ь сосг расе q.íhh -¡ П'Л оптических ;:ei;\Jiíi'(, В конце данного раздела проанализированы Denomino недостатки предложенной схемы регистрации света малоуглевого р асе ■.: я: та. Для устрг.ириип этих недостатков проямоаеио шгич; т нр ou а гь а фоноле niii1 маг, .: м i: луч света пепосре А1 ' ! ü см ¡но ц р ;ат ■'р е raoonorо лалора» где интенсивность излучеты на два порядка г, что. Кроме того в этом случае отпадает необходимость в специальной оптике для фокусировки излучения в измерительный объем» поскольку no-j.no использовать фокусирующие свойства сферического резонатора лдоерп. Осе это существенно упрощает оптическую схему» ее истироику» делает ее более стабильной» более устойчивой к механическии зозлоисгпияш

что существенно «ля переносного прибора.

Большое значение имеют системы ввода аэрозолей в лазерный луч. ГЧ'.спределение интенсивности по сечению лазерного луча при генерации, основной поперечной моды ТЕМео имеет вид функции. Гаусса. Аля того» чтобы частицы одинаковых размеров при введении-в сиетовой луч давали одинаковую амплитуду интенсивности рассеянного излучения •независимо от места пролета в измерительной объеме» необходимо иметь однородное распределение интенсивности в этом объеме-- Это обстоятельство накладывает ограничения на диаметр аэрозольной струи 15а И а это*1 причине нельзя.сколь.угодно остро (¡юкусирокать

лазерный луч» хотя такая фокусировка эффективно .повышает чувствительность ЛСЛ как аа счет увеличения интенсивности евьтл п измерительном обтемс-»' так и аа счет, уменьшения .ег.о величины. Отсюда'следует > что диаметр аэрозольной • струи желательно' иметь меньше для уменьшения, иммерительного объема. Обычно дли этой цели используется азродинап: ¡~ ческая фокусировка. Условия работы такого инфекционного устройств?, трс'.упт согласования величин потоков аэрозоля и чистого воздуха, и полдержания такого' рехипа во время измерений. При невыполнении этого, условия возникают зоны турбулентности и фокусировка нарушается, , ' •' •'

Г! настоящей работе обнаружено яиление. самофокусировки".аэрозоль ~ ной струи в суживающемся коническом'капилляре» которое можно использовать для создания простых инжекционных устройств с фокусировкой «хзророльной струи. Проведено теоретическое н экспериментальное исследование этого явления. - " •

Как известно» при течении вязкой несжимаемой-жидкости по цилиндрической трубе» давление постоянно по сечению- трубы. Поэтому для нахождения подъемной силы» действующей на частицу» учитывают ее взаимодействие с отр.ахеннын от стенок полем возмущения» создаваемым самой ' частицей. Известно» что при малых числах рейнальдса К'е» когда мржно. пренебречь нелинейный чл&ном в уравнении Нлвье-Стокса» описывающим Поведение жндкЬсти» сила» действуищая'на частицу» равна, нулю. При этом радиальная функция распределения частиц искажается лишь в тонком пристеночном слое порядка размера частиц. .

Б настоящей работе рассматривается истечение газа» в которой вйвешенм частицы» через суживающийся ионический капилляр при налих числах Рейнольдса. Предполагается» что скорость газа много меньше скорости звука в гаае» и поэтому последний можно рассматривать как несжимаемую жидкость. -'- '

Рассматривается течение несжимаемого газа по капилляру. Можно считать» что внутри капилляра поседение газа, описывается системой уравнений Навье-Стокса и непрерывности. Нелинейным членом в уравнении На(¿ье-Стокса пренебрегаете»» поскольку Не << 1. Из решения этой системы можно видеть».что при течении вязкой* среды в коническом капилляре поперечный градиент давлений отличен от нуля. При этом для сходящегося течения градиент давления направлен к оси'конуса. Такое распределение давления оказывает фокусиру ьше'е действие на частицы при протекании аэрозольных систем.

Для описания движения аэрозольных частиц в коническом капилляре приравниваем градиентную, силу силе Стокса и получаем уравнений»

определяющее J положение частицы в поперечной сечении капилляра.. Из решения этого уравнения-следуят»- что для существования фокусировки аэрозольной струи необходимо г чтобы расход газа О превысил некоторое пороговое значение • QH » причбм фокусправка более крупных частиц начинается раньше» чем мелких ( при меньших перепадах давления на к^нтглляре ): При увеличении выходного размера капилляра для получения фокусировки нужно увеличивать расход rana через кнпиллмр» по т.ри тгои значительно увеличивается' число ГСп. Течение газа г. большими Re 'не онисызасп'.ч ура в нениями Мавье-Стокса» а которых отброшен нелинейным член- С 51 тон случае можно "пренебрегать вязкостью при рассмотрении движения газа. Тогда поток газа подчиняется уравнению Кернулли» кото-ров ппи'-мпяет трмеиив газ«* ь. отсу г стьии jioncpwiHurti градиентз дпелг-ния. Это означает» что при больших числах rr; «тр лиг von« it rpim «¡«оку -сировки. Следовательно» в конических капиллярах- с больший выходным отверстием фокусировк.а не должна наблвдатыгя.

сировки. Следовательно» в конических капиллярах с большим выходным ■отвгарс гиен фокусировка не должна наблпдатьс я.

В работе, описано- экспериментальное определение режимов» при ■которых наблюдается 'фокусировка аэрозольных частиц. Исследовались капилляры с. диаметром выходного отверстия от 2® мкм до 20€> мкм. Для определения области параметров (выходного диаметра капилляра» к г-.ьу с нос i и б » давления па входе капилляра Pit при коюрых пкгот' пчсно i, :¡ 11 oí. í; ч d. с i'ii j), аорозоля» была co-Sp*.! la кс парике! п а льна.я

уста! ion i;a . ппрооольная струя» пепрщаш №я лазерным лучом» наблюдалась и и.мерилась с tiui'ioiiibu микроскопа» расположенного перпендикулярно ачрозольной струе м освещающему лучу.

Струя а т/юоолк у пересекающая луч лазера» видна в микроскоп как широкая освещенная полоса.. При определенно!! значении давления Р ^ на входе клпмллмр'л найлюдлс. тс я появление п центре струи яркой узкой линии. С IJDеличе!|ием давления яркость линии и центре ' возрастает» а остальном части с грум уменьшается до'полного исчезновения. Это можно объяснить теп» что давление» при котором начинают фокуси-рооп |ьс.ч аэрозольное частицы» зависит от их размера. Причем» чем крупнее чатицы» тем при меньшем давлении они начинают фокусироваться.

Яри« дальнейшем увеличении дав лгни.-i змдиинн диаметр сфокусированной аэрозольной струи практически не меняется» п затем наступает изменение ламинарного характера течения на турбулентный. Были построены . графики зависимости Рм и Рс ( давление» соответствующее развитию турбулентности в струе. ) от диаметра выходного отверстия капилляра d • для. разных .значении конусности В» которые показывают» что- между Рц и Рс существует область давлении при^ которых наблюдается фокусировка» причем эта область уменьшается . г. увеличением диаметра выходного отверстия капилляра» стремясь к нулю при й - 100 мкм. В работе описано влияние размера частиц на их фокусировку в конических капиллярах. В этих экспериментах использовался набор i-юнодисперсных аэрозолей латексов. Для сравнения с теорией необходимо знать расход Я аэрозолей через капилляр» а не давление Р. Поэтому предварительно измерялся расход чистого воздуха через капилляр для различных давлений на его входе» после чего для каждого капилляра

строились графики зависимости расхода О от оходнйго давления. Для капилляра с выходным диаметром <1 - 107 мкм эта зависимость хорошо аироксимирусчс и кривой типа

а для капилляра с • Л =20 нки

а. = я ■+ аУр"1

3 = с -ь2> Р

Для течения воздуха и капилляре с. с! = 107 мим число Р'ейиольдса Ко >> 1 I поэтому вязкостью воздуха ыокно пренебречь и для описания течения воспользоваться уравнением Бернулли» иа которого следует» что

0 га/Р

Для случая Не << 1» когда вязкость играет главную роль» течение описываете я уравнениями Павье-Стокса» из решении которых следует» что

б

Это и подтверждается соответствующими экспериментальными результатами. Таким образом фокусировка частиц аэрозоля б коническом капилляре объясняется существованием при течении саза поперечной градиентном силы» обусловленной вязкость«) воздуха. Для капилляров с (3 > 100 mi.ii фокусировка отсутствует» так как в этом случае при рассмотрении течения газа вязкостью можно пренебречь ( 1<роме тонкого пограничного пристеночного слоя >. Для таких капилляров справедливо уравнение Берпуллит описывающее течение газа-без поперечного градиента давления.

Краткие выводы по этому разделу сводятся к следующему. Теоретические и экспериментальные исследования показали» что обнаруженный эффект фокусировки аэрозольной струи в коническом капилляре . объясняется влиянием вязкости сре&ы ( воздуха ). <

Из всех систем ввода аэрозолей фокусирующими свойствами обладаот сопло с аэродинамической фокусировкой» и рассмотренный выше конический капилляр. Последний заметно отличается простотой конструкции и изготовления. Для его работы необходимо лишь поддерживать давление.на входе в определенном диапазоне» который может быть достаточно широк. Г (¿жим фоку сирбвки в определенной степени зависит'от размеров, частиц (большие частицы фокусируются легче) и диаметра выходного отверстия. Так для капилляра с <1 = 107 мкм диаметр выходящей струи уменьшается только до величины 60 пкм. С этом случае можно гоеорить' лишь о частичной фокусировке. Но даже такая частичная фокусировка иоайт зш.'стно уменьшить погрешность аэрозольного спектрометра» как это показано ниже при обсуждении погрешностей прибора.

Теперь мо&на в целом рассмотреть лазерный спектрометр аэрозолей . ( Л С.'( > » использующий малоугловое рассеяние в резонаторе газового лазера. Приводится общее, описание прибора. Оптическая схема в качестве приемника рассеянного света использует фотоумножитель кпа ФЗ/-60» электрические импульсы которого анализируются электронным устройством,

описание которого дано s диссертации. Рассмотрена также пневматическая система ЛСп» предъявляемые к ней требования.

Для практического нспольлопаии.ч JICA необходимо» чтобы с.п обладал " прокалиброванной е- размерах- частиц Лии а лоО .измерении. Г;_ it',;'.;.г-ципе калибровочную кривую i-iotno рассчитать ко теории Ни. Но tru; для этого Надо принимать со впиманин кроне теории рлссеьнил с.н:т.< eue и многие ' приборные парлметрн» то такци о&иисккость получают зкепериментальным способом с помощью моподмспорсиых чустпц. г< jaiii.iin работе калибровка ЛСА . . производилась с: использованием отичестьс-пних опитн.гх латсксов с размерами от 0.2 мг.м до S мкм. На полученной кривой для размеров с d > 0.5 мкм отчет ливо пропаяяпи. ч KP.»:t-fí>Hi!:i интенсивности рассеянного света» достаточно хорошо »ог.прт-гьплдчщмч характер - соответствующей теоретической зависимости для ri » I » ó (показатель преломления для латекса ft,1- i »59 ) . I' .к-унс: rm кэлибро-* вочной кривой ЛСА ml пользу G re л усреднены;» я монотонная плпи«*миос ib. В конце раздела дан анализ погрешностей .ЛСА. Точность определения размеров аэрозольных частиц можно характеризовать таким параметром км: разрешение» т.е.. возможность различать частицы близких размеров. Основные эффекты» которые могут приводить к уширеши пику, распределения по размерам и увеличению погрешности ' ЛСЛ» следующие : - 1. Неоднородность освещении частиц в измерительном объеме 2. Статистические эффекты ушн'рения.

Погрешности из-за совпадений частиц.

. ¡Ч'ч-.брос ра м к'роп латгкг! iHX частиц/ примелж.'мих длл г.-t ли;:,р i i .'Il i*> ( и'..ч 1деа,м>н.х a i-iot iq/imchípc t юс »ь >.

l\p o.-se • тше nap e'-n ic л>.:1 ihuk причин на it o г p i'iior: ; ь и :. : |.„. ; i:-i ■! il C. ñ (j /.m ir Pi ряд л Г'1 IJ г ;< i^m îcï ,-tp £-,i.; , т-.и-ие как» ншфямер н-.г'":- м л;. ( юг;т;>

[.¡' i í-í: : к т : ¡r '!-■ 'J'/ r <;inp:-ui¡m.>!>ат ел я ии:тулм.ег» i ц-г -т :,/'.; i .l m, ьг-лгп'''i шя г..-'Н-.i .. j г ni г> с. ! i iOCTH i i'-í луч chí i:î .. Одмлко при

rip г i-i'i чы loi ( i .опг. труг.р с--.* 'Л M î. i : з ги>'. причин иг; tïpebt нпа ть

'..'/.И! И'.Ц ïîjlfd VM 1TOIÎ .

ïTp !-.t iu.hrrt Ju,t att-'i пкллд л rr or ре юности .>!c-'i ( -i у tc г:.'. ра-тброса xjpuiitciiiic'lrtit ib'cit'ini и' г.'-.ль ;jy chtix при |;™либрсвгсе прибора ) fea юг осцилляции кривой.езрторрссечнил. Согласно приьеденмын теоретическим оц^нкг.п ¡-и ' о п р о д с л'- hriüi.i l- и t п достигать 20 У. - 25 /;.

для поглощапщнх частиц подобиям инг р ск'нос ï h сущсст [.CHH-rj H'?lllil!lt!>

поскольку от«-утсгвуит осцилляции криигй ::е)(?т'-.;:>,-><; сеяния. Одн-тко» как ужа отмечалось выше» в случае малоуглового рассеяния осцилляции калибровочной кривой для lienorлоцаювих частиц н всех показателей преломления происходят относительно монотонной кривой для поглощаичкх частиц t. at; ср«.'Д111'ГО ;ji-rj.чf.пмм. M.u..> rcí"j noc-'т-днюю и.}'ti¡¡¡ выбрать п качеств уннперс-я.чь ной кал иброгочнон зивичтостп» пригодном для частиц uj любых натеригчлов. (Три этом погрешность для поглощающих частиц не будит превышать 10л > а для ттроирачннх частиц an счет ос цилл погрешность возрастает до 20 - 23Х дл:т некотормк днапаоинос рл-.зи-гр

Отдельный раздел посвящен применению полупроводнпкозих олеичпо в лазерных спектрометрах аэрозолей. Рассмотрены особенности использования полупроводникового лазера в качестве источника света

- 12 - .' V ' ',

для ЛСА» обозначен круг задач» где перспективно .использование таких приборов. Применение инжекционных полупроводниковых лазеров особенно перспективно еще и по следующей причине- Как отмечалось выше» необходимо всемерно уменьшать измерительный объём ЛСА. . Однако в приборах» предназначенных для контроля запыленности производственных помещении» особенно чистых комнат» ввиду малой концентрации аэрозольных частиц для получения достоверных результатов требуется обеспечить повышенную пропускную способность инжекционного устройства. Обычно это составляет 1 литр в минуту» что определяется соответствующими ГОСТами. Такая пропускная способность может быть обеспечена как увеличением скорости прокачки аэрозоля» так и увеличением поперечного сечения аэрозольной струи» т.е. увеличением измерительного объема. Сколько-нибудь существенно увеличить скорость прокачки аэрозоля не представляется возможным» поэтому необходимо увеличивать диаметр аэрозольной струи» что противоречит необходимости всемерного уменьшения измерительного объема. Для совмещения этих требований сечение освещающего пучка в области пересечения с- аэрозольной струей стали делать с помощью специальной астигматической аптики в форме сильно вытянутого эллипса. Это позволяет при сравнительно большом диаметре аэрозольной струи» определяемой большой осью эллиптического сечения светового пучка» получить достаточно малый измерительный объем и» следовательно» высокую интенсивность излучения в нем за счет малой величины перпендикулярного размера <малой оси эллипса) поперечного сечения светового пучка. .Однако получение такой "полос-ковой " геометрии сечения' светобого луча требует специальной астигматической оптики. Испольоование в качестве источника света полупроводниковых инхекционных лазеров». излучающая область которых имеет форму полоски размером порядка 10'^см х см существенно упрощает

задачу -формирования светового пучка полосковой геометрии. ' В работе рассмотрены особенности электронных схем для полупроводниковых фотоприемных устройств'» основные требования» предъявляемые к ним. Описана разработанная схема малошумящего предусилителя для. Фотоприемного устройства на, основе полупроводниковых фотодиодов. Экспериментально обнаружено» что- постоянная фоновая засветка не меняет чувствительности фотоприемного устройства на основе фотоди- : ода ФД-24к» что» повидимому» связано с тем» что уровень дробовых шумов» создаваемых такой подсветкой» ниже уровня собственных шумов регистрирующей электроники. Отсюда видно» что при использовании фотодиодов в качестве приемников излучения чувствительность ЛСА будет в первую очередь определяться чувствительностью электронных усилителей С и» конечно» интенсивностью излучения Полупроводникового лазера ). В диссертации дано описание разработанного лазерного спектрометра аэрозолей на'нолупроводниковых элементах. При выборе оптической схемы ЛСА с целью упрощения и уменьшения размеров было решено отказаться от оптики для сбора рассеянного света. Два фотодиода типа ФД~24к с величиной светочувствительной площадки 78 мм*» расположенные друг против друга в непосредственной близости от измерительного объема» позволяют простым способом обеспечить Эффективную регистрацию рассеянного излу-

чения. Поскольку излучение полупроводникового лазера имеет большуо дифракционную расходимость (десятки градусов-)>_то возникает необходимость его фокусировки в измерительный обьем. Б качестве оснизниго элемента формирования светового пучка' была выбрана иикрояинпа о виде стеклянном с.уеры радиусом в несколько сотен микрон. Сравнительно большие аберрации шариковом микролинзы» работающей при максимально возможной апертуре < для наиболее полного сбора излучения полупронод-никопого л'аоера) п данном случае способствует' улучшению однородности освещения измерительного объема. По об.е стороны от итого обесмл рас -положены диа фотодиода ФД-?.-'|к» включенных параллельно. п?роаоль;и* я струя направляется так» чтобы измерительный объем находился на оси» совяиняииии икнтри чю I ОДИОДОВ . Дл>1 акенврименчальнр;! проиерг.м СIIл.'л ра^роиитс.!их отпиая кикс 1 рукчи'-т аб'лрмтчтй ьзнерптгльмом кам^рп.

Оптическая схема была собрана с полупроводниковым инт.екнионнмм лазером типа ИЛ1Ш-203' с мщносты» излучения в нвпрсрыниом режиме до 13 мВт ( Л. = 810 - ООО мкм ).

Регистрация электрических сигналов производилась многоканальный амплитудный анализатором типа АИ-256. Для получения аэрозоля промолодилось распыление водной суспезии монодиспорсных латексных частиц диаметром 1 мкм. Было получено отношение сигнал/шум порядка 3-4 при мощности лазерного излучения около 10 мВт. Несложные оценки ттока-змваит! что при выходном мощности и'олученич в 40 мВт ( лазеры с такой и даже большой мощностью уже выпускаются ) можно получить минимальный размер ииморясных аэрозольных частиц 0.5 мкм.

II Заключении приведены основные результаты работы» которые

сводятся к следующему !

1. Приведенное описание и анализ различных методов 'диагностики а:»ро.солой ссидс >сльс гву от о том» что прямые истоды диагностики являются длительными» трудоемкими» а многие ио них и субъективны. Косвенные методы обладают больней мощностью» позволяют (особенно некоторые из них > быстро и непосредстьеино получать распределение частиц по

.размерам.путем автоматизации процесса измерений.Наиболее перспективны методы» использующие лазерную технику» поскольку позволяют достигать болей высоких результатов. Наиболее целесообразным и перспективным для создания промышленного образца спектрометра аэрозолей» работающим в реальном масштабе времени» представляется использование метода светорассеяния» *в котором достаточно простыни средствами может быть достигнута желаемая степень, автоматизации. Однако у*е в первых работах» посвященных ЛСА» отмечалось» что результаты измерений сильно зависят от материала аэрозольных частиц» причем эта зависимость по многом определяется геометрией сбора рассеянного света.

2. Проведены теоретические расчеты сечений рассеяния лазерного у1злучеиия а различные углы на сферических частицах для. веществ с различными показателями преломления и поглощения. Показаны возможности» а также Преимущества использования метода малоуглового

рассеяния лазерного излучения для построения спектрометров аэрозолей» которые заключаются в том» что лишь в случав рассеяния "вперед" под малыми углами к оси падающего светового пучка калибровочная кривая» полученная с помощью эталонных частиц» справедлива для частиц практически любого состава вещества. Применение направленного лазерного излучения существенно облегч.ает задачу практической реализации метода малоуглового рассеяния. Этому способствует также и тот факт» что основная часть рассеянного света распространяется именно в малые углы

3. Создана и экспериментально; испытана оптическая схема» использующая малоугловое рассеяние в резонаторе газового лазера» где интенсивность излучения на два порядка превышает выходную. Отпадает, необходимость в специальной оптике для формирования освеща»и|его'пучка»чта существенно упрощает оптическую схему и делает ее более стабильной.

4. Разработан и создан опытный образец универсального лазерного спектрометра аэрозолей ( ЛСА )» 'использующего малоугловое рассеяние в резонаторе газового лазера. Применение системы подавления света» рассеянного на оптических элементах позволило увеличить чувстви-.... тельность спектрометра и довести нижний предел размеров измеряемых аэрозольных частиц до в»23 мкм.

5. Обнаружен эффект фокусировки Аэрозольной струи, в сужающихся конических капиллярах» проведены .теоретические и экспериментальные исследования фокусирующих свойств конических капилляров» которые показали» что такая фокусировка объясняется ьлиянием вязкости среды

< воздуха >. Б случае» когда влияние вязкости незначительно ( капилляры с большим выходным отверстием )» . фокусировка не наблюдается.

На основе проведенных йсследованйй создано, простое инжекционное устройство для лазерных спектрометров аэрозолей» позволяющее получить Сфокусированную аэрозольную струя диаметром порядка 10'мкм.

6. Выполнены измерения; малоуглового рассеяния на мьнодисперсных аэрозольных частицах ( латексах ) : и ' построены 'универсальные'.'... калибровочные кривые для ЛСА. '■'• .

7. Проведен анализ погрешностей лазерного Спектрометра аэрозолей» использующего малоугловое рассеяние» который-показал» что основной вклад для прозрачных частиц дают осцилляции"кривой светорассеяния. Для некоторых размеров неопределенностьизмерений может достигать 20-25Х. Для поглощающих частиц подобная погрешность не превьшает 10Х. О. Показана возможность использовать в качестве : источника . ;и приемника излучения полупроводниковые инжекционные.лазерыНепрерывного действия и полупроводниковые фотодиоды соответственно» что позволяет существенно уменьшить габариты и энергопотребление 'приборов для определения концентрации и дисперсного состава аэрозолей..

9. Разработана и. исследована малошумящая электронная схема . для регистрации^электрических сигналов фотодиодов. Испытано фотоприемное устройство на основе фотодиода в указанной электронной схеме.'

10. Разработана конструкция измерительной камеры и создан макет ЛСА с использованием предложенного фотоприемного, устройства и полупроводникового лазера в качестве источника света» что позволило отказаться от высоковольтных блоков питания для лазера и для ФЗУ. На основании

проведенных экспериментальный оценок показано» что для получения нижнего предела размеров частиц в 0»5 мкм необходимая мощность

источника' дйяжма ймт|» порядк»- 4® мВт. ---------------------

Оптическая схема» использующая малпуглйяое рассеяние в резонаторе газового лазера» с системой подавления света» рассеянного на оптических элементах» внедрена предприятии п/я Р-6575 и использована для поизводства опытной партии универсальных лазерных спектрометров УЯСЛ-i < акт о внедрении от 03.lt.8S. ). т * ' ' ■..'•".•' ."•.'*■..............'■

Основные' результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Нахутин И.Е.» Калении В.И.» Рубежный В.Г.» Сипайло H.H. Универсальный лазерный спектрометр продолен. // ПТЗ. 1983. Мб» - с.143-,-149.' ■ 2- Зеленин В.Н.» Константинов И.Е,». Салимо» О.Н. Сипайло И.П.

Устройство для высокотемпературного диспергирования материалов и определения размеров образующихся частиц. // ФХОМ. 1981. М4» с.47.

3. Быковский Л.Л.» Наицтим И.Е.» Полуэктов П.II.» Сипайло И.П. и др. 'Фокусировка аврозолцнай струи в сужающихся капиллярах. //

Коллоидный .журнал. 1980. N1» с. 114.

4. Калечим В.И.» Иахцтин И.Е.У Сипайло И.П. и др. Спектрометр аэрозоле». A.c. Н 59В394 от 21. 11. 77. '

5. Быковский O.A.» Нахутин И.Е.» Сипайло И.ТТ. и др. Устройство для фокусировки аэрозольной струи. A.c. N 5S4625 от 22.08.77.

6. Быковский Ю.А.» Нахутин И.Е.» Сипайло И.П. и др. Спектрометр для аэрозолей. A.c. Н 591047 от 7.10.1977. // '

Б.И. 1932. N1» с.269. 7. Гончаров И.Г.» Сипайло И.П. Фотоэлектрический спектрометр

микрочастиц. A.c. N 1395994 от 15.01.88. //'Б.И. 1988. N18.