способ измерения размеров микрочастиц

Формула изобретения

Способ измерения размеров микрочастиц, включающий световое зондирование частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее излучение формируют в виде пространственно-разделенных параллельных полос света, ориентированных перпендикулярно к направлению движения частиц, регистрацию рассеянного микрочастицами света и анализ сигнала, отличающийся тем, что полосы света в счетном объеме формируют в виде пространственно-разделенных параллельных и вложенных друг в друга систем полос интерференции разных длин волн с различными расстояниями между максимумами полос интерференции для каждой длины волны, при регистрации выделяют сигналы рассеяния от частиц на каждой длине волны, а о размере частицы судят по совокупному анализу формы промодулированных рассеянием сигналов, принятых на разных длинах волн.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям размеров и концентраций микрочастиц, и может быть использовано в метеорологии, биологии, медицине, химической технологии, при контроле загрязнения окружающей среды и в других областях, где требуется информация о количестве и размерах частиц в единице объема.

Известен способ измерения размеров частиц и их концентрации, осуществляемый следующим образом: излучение лазерного источника с помощью нелинейных оптических элементов преобразуется в гармоники, счетный объем освещается с помощью фокусирующей оптики на основной частоте излучения лазера и ее гармониках, в приемном тракте основная частота и гармоники разделяются и регистрируются интенсивности на каждой частоте, размер частиц определяется по соотношению интенсивностей [1]

Недостатками этого способа являются, во-первых, зависимость показаний от материала частиц: во-вторых, в области перехода от релеевского режима (r ) к режиму преобладания дифракционной составляющей в сигнале (r >> ) подверженность рабочих характеристик счетчика осциляциям, наличие участков типа плато или впадин (т.е. типичные недостатки фотоэлектрических малоугловых счетчиков, хотя уровень паразитной засветки фотоприемников значительно снижен за счет наличия канала контроля за интенсивностью источника); в-третьих, низкая эффективность преобразования лазерного излучения в гармоники, в-четвертых, большой разброс по частоте за счет кратности неизбежно уменьшает число длин волн, на которых существуют эффективные фотоприемники, что приводит к сокращению базы для совокупного анализа и снижению точности. Поэтому данный метод не позволяет полностью исключить влияния материала частиц на точность измерения их размеров.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения размеров микрочастиц [2] основанный на световом зондировании частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее световое излучение сформировано в виде пространственно-разделенных параллельных световых полос с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно направлению движения микрочастиц и регистрации фотоприемниками рассеянного отдельной частицей излучения на различных длинах волн. Размер частицы определяют по перекрытию фронтов сигналов, зарегистрированных на различных длинах волн.

Одним из основных недостатков способа являются ограниченные размеры счетного объема, в результате чего либо уменьшится чувствительность метода, либо снижается диапазон измеряемых частиц.

В прототипе требуемой счетный объем должен быть получен в виде ограниченного числа разделенных параллельных полос с различными длинами волн. Если увеличивать расстояния между рабочими фронтами полос, то возможна регистрация частиц и большого и малого размеров, но с низкой точностью (порядка 10 мкм и хуже). Уменьшая расстояния (меняя характеристики оптической системы, формирующей счетную область), значительно уменьшается разброс размеров измеряемых частиц, при этом увеличивается точность определения их размеров.

Можно отметить и еще один существенный недостаток способа: невозможность создания крутых фронтов формируемых цветных полос, что приводит к искажению информации о количестве перекрытых одновременно полос при отклонении движения частиц от перпендикулярного направления.

Цель изобретения повышение точности измерения размеров частиц и увеличение допустимо возможных измеряемых концентраций.

Цель достигается тем, что осуществляется световое зондирование частиц при движении их через счетный объем, в котором зондирующее излучение формируют в виде пространственно-разделенных параллельных полос света с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно к направлению движения частиц, регистрируется рассеянный микрочастицами свет и анализируются полученные сигналы: при этом отличие заключается в том, что полосы света в счетном объеме формируют в виде равномерно освещенных пространственно-разделенных параллельных и вложенных друг в друга систем полос интерференции разных длин волн с различными расстояниями между максимумами полос интерференции для каждой длины волны, а при регистрации выделяют сигналы рассеянного частицами излучения на каждой из длин волн и о размере частицы судят по совокупному анализу формы промодулированных рассеянием сигналов, принятых на разных длинах волн.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 один из вариантов построения осветительной системы устройства для формирования вложенной системы интерференционных полос; на фиг.3 дополнительный вариант построения осветительной системы устройства для формирования полос интерференции; на фиг.4 сигналы на выходе ФД на различных длинах волн при пролете частицы через счетный объем.

Устройство (фиг.1) содержит блок 1 передатчика, который включает в себя расположенные на одной оптической оси полихромный источник излучения и фокусирующее устройство. Сфокусированное излучение каждой длины волны образует наложенные друг на друга полосы интерференции, составляющие счетный объем 2. Приемная система 3, состоящая из собирающей оптики и приемников излучения для каждой длины волны (возможно использование одного приемника и несколько светофильтров), собирает рассеянное частицей излучение перпендикулярно движению частиц и оптической оси системы. С выходов приемной системы 3 электрические сигналы, соответствующие каждой длине волны, поступают на соответствующие входы анализатора 4 импульсов, который проводит совместный анализ этих сигналов по заданному алгоритму и по результатам анализа выдает информацию о размере частиц. Светоловушка 5 служит для уменьшения паразитных засветок в системе и установлена на оптической оси блока 1 и счетного объема 2.

Счетный объем 2 формируется путем пересечения светового пучка блока передатчика и полем зрения приемной системы. Схема прососа (не показана) обеспечивает движение частиц перпендикулярно плоскости чертежа.

Блок 1 передатчика формируется следующим образом. Используя несколько источников излучения, например несколько лазеров с различными рабочими длинами волн или различные моды многомодового лазера, или применяя полихромный источник излучения, и используя несколько светофильтров, формируют пары монохроматичных и когерентных пучков, падающих на оптическую фокусирующую систему (фиг.2) равноудаленно от оптической оси. В результате интерференции в фокусе собирающей оптической системы наблюдаются порядки интерференции для каждой пары с расстояниями L_i между максимумами зависящими от длины волны излучения, используемого в паре, и расстояния между падающими парными лучами d_i:

L_i= где f фокусное расстояние оптической собирающей системы.

Возможны варианты типа использования источников с различными длинами волн, равноудаленными от оптической оси (фиг.3), так как из формулы (1) следует, что расстояния между интерференционными полосами можно менять, варьируя только длины волн источника излучения.

При движении частицы через равномерно расположенные полосы интерференции одной длины волны происходит рассеяние света частицей: рассеянное частицей излучение собирается оптической системой фотоприемного тракта и попадает на фотоприемники, из которых состоит приемная система 3, формируя импульсы рассеяния при пролете через каждую полосу света. Если размеры частицы меньше расстояния между полосами интерференции одного цвета, то количество импульсов на фотоприемнике соответствует числу используемых полос интерференции (порядка 8-10 полос каждого цвета). При увеличении размера частицы сигнал оказывается промодулированным рассеянием для каждой длины волны по-разному (фиг.4).

Невозможно сформировать в счетном объеме большое число полос равной интенсивности с малым периодом для определения размера частиц в диапазоне порядка (10-100) мкм (для точности определения размера частицы хотя бы в 5 мкм в требуемом диапазоне размеров частиц было бы необходимо наличие в счетном объеме приблизительно 30 порядков интерференции, причем с равной интенсивностью, что не представляется возможным). Использование же системы из нескольких разнопериодных интерференционных структур позволит, увеличивая величину периода между максимумами интерференции (уменьшая количество необходимых порядков интерференции, что обеспечит наличие удовлетворительного отношения сигнал/шум), повысить разрешающую способность метода, и поскольку счетный объем 2 получается более компактным (из-за вложенности цветных интерференционных картин друг в друга), то автоматически повышается допустимая измеряемая концентрация частиц, как обратная функция от величины счетного объема.

Периоды для интерференционной картины каждого цвета подбираются так, чтобы матрица анализа имела однозначную зависимость от размера частиц. Для всех частиц, например, начиная с 10 до 100 мкм через (2-5) мкм, количество импульсов рассеяния и глубина их модуляции будут различными хотя бы для одного из цветов интерференции. Чем больше используется длин волн излучения, тем лучше разрешающая способность метода.

В прототипе диапазон измеряемых частиц изменяется от Т_мин/2 наименьшего полупериода полос до половины длины счетного объема, причем Т_мин в силу дифракции не может быть меньше нескольких длин волн. Пределы измеряемых счетных концентраций изменяются от 10 до 10⁴ см^-3.

Аналогичные характеристики предлагаемого способа: диаметр частиц от минимальной длины волны до полудлины счетного объема, концентрации до 10⁵ см^-3.

Анализ импульсов рассеяния от частиц, пересекающих счетный объем, образованный системой вложенных друг в друга интерференционных структур с различными длинами волн, происходит следующим образом. Приемник оптических сигналов в простейшем случае представляет из себя собирающую систему и линейку ФД, перед каждым из которых установлен интерференционный фильтр, настроенный на соответствующую длину волны. Сигнал с каждого фотодиода, однозначно связанный с длиной волны, поступает на решающее устройство (анализатор 4 импульсов), где по заданному алгоритму определяется тот диапазон размеров, которому принадлежит данная частица.

Алгоритм проведения анализа размеров микрочастиц построен таким образом, что позволяет уменьшить мертвое время анализатора за счет проведения параллельного анализа формы импульсов рассеяния по различным каналам, соответствующим различным длинам волн (при этом форма сигнала рассеяния однозначно связана с отношением периода интерференции данной длины волны к размеру пролетевшей частицы).