王少清 任中京 張勇 張希明 何芳
(山東建筑材料工業(yè)學(xué)院激光應(yīng)用研究室 濟(jì)南 250022)
提要:用實(shí)驗(yàn)的方法研究了激光粒度儀的光電響應(yīng)特性,在此基礎(chǔ)上提出了一種新的標(biāo)定方法。并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。
關(guān)鍵詞:激光拉度儀顆粒大小分析光電響應(yīng)
Abstract: A new method has been developed to calibrate laser particle sizer based on the exeperimental study of its photo-electric response characteristics. Measurements which have been made demonstrate the effectiveness of this method.
Keywords: laser particle sizer, particle size analysis, photo-electric response
激光粒度儀在粉末顆粒大小分析中越來(lái)越受到人們的重視。其心臟部分是光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。測(cè)量原理如圖1所示。
激光經(jīng)擴(kuò)束一準(zhǔn)直系統(tǒng)C以平行光照射載有待測(cè)顆粒的樣品窗S上,顆粒群的散射光由富立葉透鏡L接收,在L的后焦面上用環(huán)形列陣光電探測(cè)器D接收顆粒群的散射譜,轉(zhuǎn)換為光電流后再經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)E作I/V轉(zhuǎn)換放大和A/D轉(zhuǎn)換,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理,從而得到被測(cè)樣品的顆粒分布。
可見(jiàn),保證激光粒度儀測(cè)量準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵是其光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的正確響應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正確響應(yīng)的判據(jù)應(yīng)包括下面兩條:
1)每一單元的響應(yīng)均為線性;
2)各單元的響應(yīng)是一致的。
對(duì)激光粒度儀進(jìn)行標(biāo)定就是對(duì)其光電響應(yīng)特性進(jìn)行線性和均勻性校正。目前,已有多種標(biāo)定方法[1,2],但都有不足之處,可概括為:一是物理意義不清楚,二是操作較復(fù)雜,三是適用范圍有限。本文作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光粒度儀的響應(yīng)特性,提出了一種新的標(biāo)定方法。該方法物理意義明確,操作簡(jiǎn)便,并適于各種多單元光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的標(biāo)定。
激光粒度儀光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)特性
實(shí)驗(yàn)測(cè)量激光粒度儀的光電響應(yīng)特性的方法如下:用一均勻穩(wěn)定的光源照射激光粒度儀的環(huán)形陣列光電探測(cè)器,同時(shí)用一標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)監(jiān)測(cè)光源的功率。在各種不同的光強(qiáng)1o下記錄光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的光強(qiáng)輸出I,作各I一Io曲線,即得到了各探測(cè)單元的響應(yīng)特性。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光粒度儀光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的響應(yīng)有三個(gè)特點(diǎn):
1.在均勻光照射下,各單元的光能響應(yīng)相差很大。實(shí)驗(yàn)用12位A/D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)外幾路的輸出已達(dá)到A/D的飽和值4095時(shí),最內(nèi)幾路還沒(méi)有明顯的響應(yīng)。這是由于環(huán)形陣列光電探測(cè)器內(nèi)外環(huán)的接收面積相差很大所致。表1給出了該探測(cè)器31個(gè)探測(cè)環(huán)中,部分探測(cè)環(huán)的接收面積,其最大與最小環(huán)的面積相差近兩千倍。
激光粒度儀光電響應(yīng)特性的校正方法
根據(jù)測(cè)得的響應(yīng)特性和正確響應(yīng)的兩條判據(jù),校正分兩步進(jìn)行。
1.對(duì)各單元響應(yīng)特性的非線性校正即將每個(gè)單元的響應(yīng)曲線均校正為直線,以保證其對(duì)入射光的線性響應(yīng)。此時(shí),可視不同的使用要求而采取不同的校正方法。如果在使用中,各探測(cè)單元的響應(yīng)可能從最小到最大全程變化,則需在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)保證線性響應(yīng),即要把整個(gè)響應(yīng)曲線校正為一條直線.若探測(cè)單元僅工作在一個(gè)較小的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),則只需將與該范圍對(duì)應(yīng)的一段響應(yīng)曲線校正為直線即可,這比全程校正簡(jiǎn)單且精度高。在激光粒度分析中,由于顆粒群的散射光較弱,光電探測(cè)器接收到的光能量較小,故光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的響應(yīng)均較小.又從實(shí)測(cè)響應(yīng)曲線圖2可知,當(dāng)光強(qiáng)響應(yīng)I小于某一值,各探測(cè)單元均為較好的線性響應(yīng).因而可用有限范圍的擬合直線來(lái)代表各單元的響應(yīng)特性.圖3為輸入光強(qiáng)I。<4000時(shí)第10、20和30三個(gè)單元的光強(qiáng)響應(yīng),
線性較好.圖4是對(duì)它們作直線擬合的結(jié)果。這些直線即為經(jīng)校正得到的各單元的線性響應(yīng)特性。擬合直線的斜率稱(chēng)為各單元的響應(yīng)度??梢?jiàn)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各單元的響應(yīng)度是不均勻的。
2.對(duì)各單元響應(yīng)度的非均勻性校正
得到各單元的線性擬合直線后,作非均勻性校正就很簡(jiǎn)單了。只要把各條斜率不同的直線全部校正到某一條直線上即可。具體做法為:設(shè)Ki表示第i個(gè)單元的擬合直線的斜率,K。為所取的基準(zhǔn)直線的斜率,則第i個(gè)單元的響應(yīng)度校正因子定義為
為檢驗(yàn)校正的效果,做了兩種驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
一是用不同強(qiáng)度的均勻光再照射環(huán)形陣列光電探測(cè)器,仍取第10、20和30三個(gè)單元,將其光強(qiáng)響應(yīng)按(2)式修正后,做出響應(yīng)曲線,結(jié)果見(jiàn)圖5.可見(jiàn)校正達(dá)到了預(yù)期的目的。
二是對(duì)同一粉末樣品的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。首先,對(duì)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出信號(hào)不做校正處理,直接進(jìn)行粒度分析,所得到的結(jié)果見(jiàn)圖6。出現(xiàn)了不應(yīng)有的“雙峰”分布和“翹尾”現(xiàn)象。再將該組信號(hào)用(2)式校正后進(jìn)行粒度分析,結(jié)果見(jiàn)圖7,“雙峰”和“翅尾”均消失了.說(shuō)明校正方法與校正結(jié)果的正確性。
聚焦強(qiáng)脈沖激光可以在金屬表面微區(qū)產(chǎn)生局部高溫,并使蒸發(fā)出的氣體離子化.氫離子及其它元素離子在1.3×10-4Pa真空中在強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)下快速離開(kāi)零電位的金屬靶表面到達(dá)具有高壓的鋁過(guò)濾膜。這些到達(dá)過(guò)濾膜的入射離子在非晶鋁膜內(nèi)與原子碰撞,據(jù)LSS理論存在著兩種能量損失方式:
1)入射離子與固體中的原子核碰撞,稱(chēng)為核阻止,其阻止本領(lǐng)以Sn表示。其值與入射離子能量E無(wú)關(guān)。
2)入射離子與固體中的電子碰撞。稱(chēng)為電子阻止,其阻止本領(lǐng)以Se(E)表示.
經(jīng)文獻(xiàn)(5)(6)計(jì)算出鋼靶(零電位)中所含各類(lèi)元素離化后在過(guò)濾鋁膜上電壓為負(fù)104伏時(shí),氫離子在鋁膜中射程為200nm而碳離子射程為100nm,而其它原子序數(shù)更大的元素在非晶鋁膜中射程均為1~10nm遠(yuǎn)小于H+在鋁中的射程。由此可見(jiàn)只有高于104eV能量的氫離子才可穿透200nm的鋁膜在膜背側(cè)幾nm處產(chǎn)生二次電子,只有這些二次電子在強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)下達(dá)零電位鍍鋁的閃爍品體中,而后經(jīng)光電倍增管放大記錄,從而獲得鋼靶表面測(cè)點(diǎn)處氫離子濃度的信息。
我們應(yīng)用基于純物理過(guò)程的等離子計(jì)量方法的激光過(guò)濾式質(zhì)譜,曾測(cè)出焊縫剖面熔接區(qū)及過(guò)渡區(qū)各點(diǎn)氫離子的計(jì)數(shù)與非熔區(qū)本底氫離子計(jì)數(shù),其比值稱(chēng)為相對(duì)氫指數(shù)D.現(xiàn)已有用真空加熱驅(qū)出鋼中氣體用色相色譜法測(cè)出鋼試樣中平均單位質(zhì)量平均濃度的測(cè)試儀.由此,則可計(jì)算出微區(qū)氫含量。用此方法我們?cè)谖墨I(xiàn)[7]中報(bào)告了對(duì)A3碳鋼及ICr18Ni9Ti不銹鋼制成的U型預(yù)應(yīng)力彎頭的氫分布的測(cè)定,也曾報(bào)告了對(duì)這兩類(lèi)鋼在接區(qū)剖面上各點(diǎn)相對(duì)氫指數(shù)的分布值[8],為氫脆斷裂力學(xué)研究提供了數(shù)值依據(jù)。
我們將這種基于聚焦強(qiáng)脈沖激光產(chǎn)生等離子體而后再分析其物理、化學(xué)過(guò)程的分析計(jì)量方法命名為等離子計(jì)量分析術(shù),激光等離子計(jì)量分析術(shù)有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,它是應(yīng)用激光的新的分析方法.在理論與實(shí)踐上有待進(jìn)一步完善與發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[2]王少清,王教方,應(yīng)用激光,1981,11.172