1.3.1.2 Методы, основанные на оптических свойствах аэрозоля

К прямым методам (с некоторой оговоркой) определения размеров частиц относятся оптическая и электронная микроскопия – весьма трудоемкие методы, использующиеся, как правило, лишь при детальном исследований структур частиц. Увеличение в электронном микроскопе составляет 20-30 тысяч раз и фотографическим путем может быть доведено до 100-500 тысяч раз, а предел видимости 0,4 нм. Изучение веществ приходится вести в очень тонком слое в условиях вакуума. Применение более толстых слоев ведет к поглощению энергии и нагреванию (даже испарению) объекта.

Косвенные оптические методы связаны с решением обратной задачи рассеяния излучения аэрозолем. Обратная задача состоит в том, что заданы условия освещения и распределение светового поля в среде, т. е. известными считаются характеристики светового пучка до и после рассеяния, и требуется определить физические свойства объёма вещества, в котором происходило рассеяние. Обратная задача теории рассеяния в этом случае состоит в нахождении неизвестной функции f(r) по экспериментально определенным функциям φ(х) и F(x, r). Обращение уравнения Фредгольма путем замены его алгебраической системой приводит к принципиальным трудностям, свойственным интегральным уравнениям первого рода.

К.С. Шифриным [11] была решена задача обращения интегрального уравнения с целью нахождения функции распределения частиц по размерам

где ; – функция Неймана I порядка; ; С – нормировочная постоянная.

Это соотношение даёт возможность определения спектра размеров частиц по экспериментально найденной индикатрисе рассеянного света I( ). Результаты определения функциии f(r) не зависят от величины коэффициента преломления частиц.

Существует ряд случаев, при которых уравнение Фредгольма удается обернуть точно и записать выражение для в явном виде. Они сводятся к измерению трех характеристик аэрозоля:

• прозрачность,

• степень поляризации рассеянного света,

• индикатриса рассеяния.

• В зависимости от диапазона размеров частиц применимы различные методы исследования дисперсности.

• Метод спектральной прозрачности (МСП). Исходным для МСП является уравнение:

где I() – интенсивность прошедшего через аэрозоль излучения; – интенсивность зондирующего излучения; C_n – счетная концентрация дисперсной фазы аэрозоля; l – длина оптического пути; Q – фактор эффективности ослабления зондирующего излучения; D – диаметр частиц;  – длина волны зондирующего излучения; m – комплексный показатель преломления конденсированной фазы аэрозоля, f(D) – функция распределения частиц по размерам.

МСП, описанный в [12] и основанный на решении обратной задачи при восстановлении функции распределения оптически мягких частиц по размерам, применим в области, где зависимость фактора эффективности ослабления (Q) от длины волны () наиболее сильно выражена (в области до первого максимума функции Q). Устойчивое решение возможно, если прозрачность определена на всем интервале длин волн. Тем не менее, если учитывать асимптотику поведения спектрального коэффициента пропускания, то требуемый интервал длин волн можно сузить. Но все же обратная задача нахождения диаметров частиц аэрозоля по данному выражению некорректна. Указанная некорректность является неизбежной для рассматриваемого метода. Предлагается решать эту задачу с помощью так называемых регуляризующих алгоритмов.

Физическая сущность этого метода, разработанного Шифриным К.С. с сотрудниками, состоит в измерении показателя рассеяния системы частиц в некотором объеме при вариации длины волны падающего излучения за счет изменения параметра ρ. Реализация этого метода заключается в экспериментальном нахождении коэффициента пропускания прямо прошедшего излучения через слой рассеивающих частиц при различных длинах волн в некотором спектральном интервале.

При оценке минимального и максимального диаметров субмикронных частиц, измеряемых МСП, использовались предположения, что если размеры частиц много меньше длины волны излучения, то имеет место релеевское рассеяние, а если размер частиц много больше длины волны, то взаимодействие излучения с частицей определяется законами геометрической оптики. Технология реализации МСП связана, как правило, с использованием тепловых источников зондирующего излучения в сочетании со сканирующими спектральными приборами.

МСП позволяет измерять дисперсность неустановившейся гетерогенной системы с высокими скоростями ее движения при высокой фоновой освещенности, регистрировать частицы с диаметрами от десятков нанометров, использовать малое количество датчиков в зоне измерения с возможностью контроля реальных технологических процессов. Для измерения геометрических и скоростных характеристик облака субмикронного аэрозоля совместно с методом спектральной прозрачности целесообразно использование высокоскоростной видеосъемки, что расширяет возможности метода и повышает ин формативность измерений. Такой экспериментальный комплекс позволит проводить измерения как в процессе создания и эволюции аэрозоля, так и в установившейся среде.

Метод полной индикатрисы (МПИ). Метод полной индикатрисы пригоден, когда среда содержит оптически мягкие частицы, т.е. выполняется условие . Этот метод основан на измерении индикатрисы рассеяния по всем направлениям [13].

Фотоэлектрические методы. В 1903г Р. Зигмонди и Г. Зиденгонф предложили оптический метод изучения систем, содержащих частицы коллоидных размеров – ультрамикроскопия. По этому методу наблюдается свет, рассеянный одиночными частицами. Частицы кажутся святящимися точками на темном фоне, вследствие чего разрешающая способность микроскопа резко возрастает. Метод ультрамикроскопии дал возможность определить средние размеры частиц в поле. Для этого вручную сосчитывали число частиц N в рассматриваемом объеме V сильно разбавленного золя. Ультрамикроскопия позволила судить о форме частиц, т.к. интенсивность света, рассеиваемого сферическими частицами, не изменяется со временем, а анизодиаметрические частицы вследствие вращательного броуновского движения мерцают.

Для изучения аэрозолей Б. Дерягин и Г. Власенко предложили поточный ультрамикроскоп. Воздух, содержащий аэрозольные частицы, проходит через камеру с постоянной объемной скоростью. Так как рассеяние света частицей зависит от её размеров, то в этом счетчике можно было с помощью оптического клина подбирать такую освещенность, при которой частицы до определенного размера наблюдаться не будут. Таким путем оказалось возможным оценивать распределение частиц по размерам [14].

Нефелометрический метод основан на регистрации прямого, бокового и обратного рассеянного светового излучения [15]. На методе бокового рассеяния света работают все современные приборы контроля счетной концентрации аэрозольных частиц, например АЗ-10 производства НПО ЭКО-ИНТЕХ, модели 1.108 и 1.109 фирмы GRIMM, модели 3886 и 3887 фирмы KANOMAX. Фотоэлектрический счетчик частиц "Royco-218" имеет диапазон измеряемых размеров частиц по диаметру 0,5-5 мкм, верхний предел измеряемых концентраций – 2·10² см^-3.Эти приборы зарекомендовали себя с самой лучшей стороны при контроле параметров чистых помещений. Их недостаток состоит в том, что функция отклика зависит не только от размера частицы, но и от комплексного показателя преломления (состоящего из рассеивающей и поглощающей компонент) и угла наблюдения. Поэтому при измерении одинаковых размерных спектров аэрозолей латекса и сажи будут получены разные результаты. Требуется калибровки прибора на конкретный тип аэрозолей или ввод опытных поправочных коэффициентов (приборы откалиброваны по латексам). Невыполнение этих процедур увеличивает погрешность измерений, тем не менее, приборы этого типа заняли ведущее положение на мировом рынке.

Измеренный с помощью фотоэлектрических методов размер частицы называется оптическим эквивалентным диаметром (радиусом), и часто в силу вышеуказанных причин не соответствует другим характеристикам размеров. Общий недостаток этих классов методов состоит в том, что при измерениях невозможно разделить интересующие частицы и аэрозольный фон.

Немецкая фирма FRITSCH предлагает для проведения измерений концентраций частиц с размерами 0,08-2000 мкм прибор ANALY SETTE 22 MicroTec plus. В этом приборе один полупроводниковый лазер с излучением зеленого цвета отвечает за измерение маленьких частиц, в то время как инфракрасный полупроводниковый лазер закрывает диапазон более крупных частиц.

Эта же фирма позиционирует свою технологию FRITSCH-ZOOM, реализованную в приборе ANALY SETTE 22 NanoTec класса High-End, с диапазоном измерения частиц размером 0,01-2000 мкм. Для повышения точности и чувствительности прибора для частиц с размером 0,01-0,1 мкм дополнительно используется обратное рассеяние, для чего фирма FRITSCH одной из первой в данной области ввела использование второго лазерного пучка красного цвета. Этот луч через микроотверстие в центре детектора облучает помещенную непосредственно перед ним пробу и измеряет уровень обратного рассеяния.

В работе [16] с помощью спектронефелометра выполнялись поляризационные измерения коэффициента направленного аэрозольного рассеяния на пяти углах рассеяния θ =15, 45, 110, 135, 165 для девяти длин волн в интервале 0.44 – 0.69 мкм. На основе этих данных решалась обратная оптическая задача и оценивались параметры аэрозольной среды.

Метод малых углов (ММУ). Одним из случаев, когда теория даёт аналитическое выражение для F(x, r), является случай индикатрисы рассеяния под малыми углами, когда функция f(r) явно выражается через интеграл от φ(х) и некоторое несложное ядро [17].

Таким образом, метод светорассеяния под малыми углами является одним из методов решения обратной задачи светорассеяния. В основе этого метода лежит экспериментальное определение индикатрисы рассеяния света под малыми углами, содержащей информацию о дисперсном составе частиц, на которых происходит рассеяние. Он основан на измерении “ореола” вокруг направления на источник света. Метод малых углов применим для анализа крупных частиц

^.

В таблице 1.1 приведены сведения о применимости некоторых оптических методов.

Таблица 1.1 – Сравнение метода спектральной прозрачности, метода малых углов и метода полной индикатрисы по диапазонам размеров измеряемых частиц [18]

Характеристика	МСП	МПИ*	ММУ*
Диапазон размеров измеряемых частиц, мкм	0,1 – 10,0	0,2 – 100,0	2,0 – 100,0

* – данные приведены для длины волны 632,8 нм

Метод многоволнового обратного рассеяния. Этот метод разработан применительно к лазерному зондированию атмосферы, однако он может быть использован для определения различных рассеивающих сред. Измеряется показатель рассеяния при нескольких длинах волн в направлении, противоположном направлению падающего излучения.

Метод однолучевой голографии Фраунгофера. Наиболее полную информацию о структуре дисперсного потока частиц, включая размеры, распределение частиц в исследуемом объеме и их скорость, дают голографические методы, позволяющие получить объемное изображение объекта. При определении дисперсного потока частиц наиболее удобной оказывается однолучевая схема, позволяющая голографировать объекты, перемещающиеся с высокой скоростью. Эта схема мало чувствительна к вибрации элементов оптической схемы и проста в исполнении. Голография является двухстадийным процессом: первая стадия – на фотопленке регистрируется информация об исследуемом объекте в виде интерференционной картины; вторая стадия – восстановление объемного изображения путем освещения голограммы пучком когерентного квазимонохроматического света [19].

Анализ полученного изображения проводится или путем непосредственного наблюдения под микроскопом или микрофотографированием. Если голографируемый объем достаточно велик (20–30 см³) , то при поле зрения микроскопа 1 мм² потребуется сделать большое количество фотографий. В этом случае более оперативным является способ прямого наблюдения. Однако он утомителен и требует исключения яркого фона из нулевого порядка, что усложняет требования к монтажу установки восстановления. Если на стадии получения и восстановления голограммы применяются лазеры, излучающие свет с различной длиной волны, то следует учитывать искажения в масштабе восстановительного изображения. При использовании плоских волн поперечное искажение равно отношению длин волн ₁/₂. Для рубинового и гелиево-неонового лазеров это искажение не превышает 9%. Предельное разрешение голографической системы определяется дифракционным пределом разрешения, связанным с длиной волны, и разрешающей способностью фотопленки.

1.3.1.3 Методы, основанные на электрической подвижности аэрозольных частиц

Метод измерений основан на сепарации аэрозольных частиц по размерам при прохождении их через электрическое поле, где заряженные аэрозольные частицы меняют свою траекторию движения зависимости от их размера, скорости потока аэрозоля, напряженности электрического поля и геометрии классификатора.

Как уже было показано, зависимость между дифференциальной электрической подвижностью Z и размером частицы для сферических частиц описывают уравнением:

Зависимость Z между дифференциальной электрической подвижностью и параметрами цилиндрического классификатора описывают уравнением в соответствии с международным стандартом:

,

где q_sh – скорость потока аэрозоля в классификаторе; r₁ – наружный радиус внутреннего цилиндра классификатора; r₂ – внутренний радиус наружнего цилиндра классификатора; U – напряжение постоянного тока, создающего электрическое поле; L – эффективная длина между входом и выходом потока аэрозоля в классификаторе.

Из этих двух уравнений может быть получена формула

^,

позволяющая определить размер частицы, выходящей из электростатического поля классификатора, если известно количество элементарных зарядов на частице.

Классификаторы могут быть различной конструкции: цилиндрические, радиальные, с параллельными пластинами и т.д. [20]. Для создания электростатического поля используют регулируемый источник постоянного высокого напряжения до 20 кВ.

Датчик аэрозолей электростатический ДАЭС-3 имеет диапазон измеряемых размеров частиц по диаметру 0,005-0,5 мкм и предел измеряемых концентраций 10⁶ см^-3 [21]. Возможности электростатического счетчика аэрозолей TSI некоторых марок: диапазон измеряемых размеров по диаметру 0,0056-1 мкм; предел измеряемых концентраций 10²- 10⁷ см^-3. Классификаторы TSI, откалиброванные на стандартных PSL NIST сферах, имеют тот же недостаток не учета реальных комплексных показателей преломления вещества частиц, что и фотоэлектрические счетчики.

Одним из физических методов, позволяющих контролировать дисперсность аэрозолей, является метод пьезокварцевого микровзвешивания. Осаждаемые частицы при взаимодействии с пьезодатчиком вызывают изменение величины его спонтанной поляризации, в результате на выходе получают скачок напряжения, который будет свидетельствовать о количестве попадающих капель на пластину в единицу времени, т.е. плотности покрытия. При введении поправок по кинетической энергии (по изменении частоты, амплитуды) определяют дисперсность аэрозоля. Распределение пьезодатчиков по периметру и центру поля позволит получить полную характеристику дисперсности [22].