Введение к работе
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. В медицине, биологии и смежных областях одним из объектов исследования являются биологические взвешенные частицы - форменные элементы кровы, бациллы и пр.
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 единицы).
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 метрдрв 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 Dnun 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.
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 нсаюлько 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.
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.
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").
-
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.
-
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.
-
Полученные соотношения для аппаратной функции прибора, анализирующего оптический размер взвешенных частиц, учитывают неоднородность профиля интенсивности лазерного пучка по прем декартовым координатам.
-
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
отсутствии ограпичений 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.
