關于激光粒度分析技術基礎內容簡介粒度及粒度的表征各種粒度分析方法的比較激光衍射法的原理及技術特點納米粒度測量技術粒度分析實際操作分析結果評估第2頁,共98頁，2024年2月25日，星期天關于顆粒的基本概念晶粒：指單晶顆粒，即顆粒內為單相，無晶界。一次顆粒：指含有低孔隙率的一種獨立的粒子。它能被電子顯微鏡觀察到。團聚體：是由一次顆粒為降低表面勢能而通過范德華力或固定的橋鍵作用形成的更大顆粒。團聚體內含有相互連接的孔隙網絡，它能被電子顯微鏡觀察到。二次顆粒：指人為制造的粉料團聚粒子。目前，所謂“納米材料”的功能絕大多數體現為團聚體的功能，其粒度能被激光粒度儀精確測出。若能將團聚體分散成一次顆粒，則將表現出納米顆粒更多的特性。第3頁,共98頁，2024年2月25日，星期天粒度的定義Feret直徑-平行切面之間的距離.Martin直徑-等分線直徑最長直徑最短直徑等效周長直徑-同等周長的圓圈直徑等效投影面積直徑-與投影面積相同的圓面直徑等效表面積直徑等效體積直徑第4頁,共98頁，2024年2月25日，星期天顆粒形狀針狀，角狀，樹枝狀，纖維狀，片狀，粒狀，不規則狀，瘤狀，球狀等形狀系數：被測顆粒大小與其體積或面積之間的關系形狀因數：與顆粒等體積的圓球的表面積與顆粒的表面積之比應用：顆粒形狀千差萬別。在實際測量中，根據某種測量特性，可利用顆粒的形狀系數/因數恢復為原來特定的顆粒形狀，增加結果的可靠性第5頁,共98頁，2024年2月25日，星期天等效體積直徑等效表面積直徑等效重量直徑最短直徑最長直徑等效沉降速率直徑篩分直徑第6頁,共98頁，2024年2月25日，星期天粒子大小的定義用一元數值來表示粒子大小時，這個值就叫做粒子的代表粒徑。對于有不同大小粒子分布的粉末體，使用平均粒徑統一分析實驗值。“粒子大小”定義方法有許多種，根據定義方法，大小關系有時能夠逆轉。實際測量中僅選擇粒子的某一物理量、幾何量來表征。XDpV=Dp3π/6同樣大小體積V同樣大小投影面積SDPXS=Dp2π/4(a)

幾何學的特性終點下落速度相同DpXUtUtUt=Dp2?g(ρp-ρ)/18μXΞDpXΞDp(ｂ)動力學的特性XΞDp激光激光相同圖案(c)光學的特性XDp第7頁,共98頁，2024年2月25日，星期天等效直徑不規則形狀的顆粒，顆粒大小取決于測定方法每種測定方法僅表征某種特定的物理參數（長度，面積，體積，沉降速度等）將該被測物理參數與球形顆粒等效，即為等效直徑等效直徑有多種：篩分直徑，Stokes直徑，投影直徑，體積直徑，面積直徑，Feret直徑等有相同直徑的顆粒，形狀可能完全不同粒度分布測量需要足夠多的顆粒統計分析第8頁,共98頁，2024年2月25日，星期天大體上同體積但是形狀不同的粒子在比較大小的時候，根據比較的基準，大小關系也不同。能夠通過的圓孔直徑（μｍ） 100 ＜ 113能夠通過的篩子眼（μｍ） 100 ＞ 80投影面積（×10-9ｍ2） 7.85 ＞ 6.4表面積（×10-8ｍ2） 3.14 ＜ 3.84體積（×10-11ｍ3） 5.23 ＞ 5.1280μｍ立方體所謂的粒子大小100μｍ球80μｍ80μｍ第9頁,共98頁，2024年2月25日，星期天平均直徑簡單數量平均值D〔1,0〕，D〔2,0〕，D〔3,0〕1克大小均為1微米的二氧化硅（密度2.5）樣品大約有760×109個顆粒D〔3,2〕表面積力矩平均值，依賴于d3D〔4,3〕體積或質量力矩平均值，依賴于d4不同的測量方法給出不同的平均直徑所有的平均直徑都是正確的第10頁,共98頁，2024年2月25日，星期天各種方法對球體粒徑平均值的不同表征

－－－對于三個直徑分別為1、2、3單位的球體，表征它們的平均值電子顯微鏡法：取長度平均值——D[1，0]

平均直徑=（1+2+3）/3=2.00=∑d/n

圖像分析儀：取面積平均值——D[2，0]平均直徑=Sq.rt.{(12+22+32)/3}=2.16=Sq.rt.(∑d2/n)

電場感應法：取顆粒的體積平均值——D[3，0]平均直徑=Cubert.{(13+23+33)/3}=2.20=Cubert.(∑d3/n)激光衍射法：取平均當量體積值——D[4，3]，因為它不需要顆粒數 如果顆粒的密度不變，這個值與平均當量重量值是一致的

D[4,3]=(14+24+34)/(13+23+33)=2.72=∑d4/∑d3

D[3,2]=(13+23+33)/(12+22+32)=2.57=∑d3/∑d2

第11頁,共98頁，2024年2月25日，星期天哪種表征或結果是“正確”的？都正確，都反映了顆粒的某種特性即使是球體，不同的方法也給出不同的平均值在描述粒徑大小時，必須同時指明測定方法才有意義不同粒度測定方法之間的比較沒有意義不同方法之間的比較必須轉化成同一粒徑的定義直徑粒度(直徑)x第12頁,共98頁，2024年2月25日，星期天平均值、中間值和最頻值平均值：粒度分布的某種算術平均值，如D〔1,0〕，D〔2,0〕，D〔3,0〕，D〔3,2〕，D〔4,3〕等中間值：把整個分布恰好平分的顆粒大小數值，一般表述為D〔X,0.5〕，D50最頻值：頻率分布中最常出現的數值，即曲線的最高點對于高斯分布，三者恰好會出現在相同位置；但若是多峰分布，則其差別較大第13頁,共98頁，2024年2月25日，星期天代表性粒徑的含義表示粒徑分布X的時候，作為他的代表值，最大值

Xmax

,最小值

Xmin被常常采用；50%中值粒徑和模徑（峰值粒徑）也被經常使用。X50

:50%徑(直徑中值)Xmode :模徑(最頻粒子徑,峰值)但是，

X50和

Xmode等的值根據測量粒子量

y的基準(個數，體積等)發生變化，因此，有必要采用不同的標記來區別個數模徑和體積50%徑等。直徑中值50%

模徑累計（積分）分布頻率分布Q%第14頁,共98頁，2024年2月25日，星期天數量、長度和體積/質量平均值每一次的測量結果須注明測量手段和表達形式不同的表達形式之間的轉換差異巨大使用電子顯微鏡測量時，指定以體積/質量表達測量結果，若忽視或丟失1個10微米的顆粒，則與忽視或丟失1000個1微米的顆粒結果相同實測的和導出的結果，后者可用于批量樣品測量的相對比較根據實際工藝流程選擇相對應的測量手段/測量特性第15頁,共98頁，2024年2月25日，星期天不同的粒徑表達基準數量基準

＝N體積基準

＝4/3π（D/2）3＝（D3/6）πΣnN=221μm:10個2μm:8個3μm:3個4μm:1個10/22→45％8/22→36％3/22→14％1/22→5％面積基準

＝(D/2)2π＝（D2/4）π

Σn(D2/4)π=85/4π12/4π×10個22/4π×8個＝10/4π＝32/4π＝27/4π＝16/4π32/4π×3個42/4π×1個→12％（10/4）π（85/4）π→38％（32/4）π（85/4）π→32％（27/4）π（85/4）π→19％（16/4）π（85/4）π1μm×10個2μm×8個3μm×3個4μm×1個總計=22個Σn(D3/6)π=219/6π13/6π×10個23/6π×8個＝10/6π＝64/6π＝81/6π＝64/6π3３/6π×3個43/6π×1個→5％（10/6）π（219/6）π→29％（64/6）π（219/6）π→37％（81/6）π（219/6）π→29％（64/6）π（219/6）π第16頁,共98頁，2024年2月25日，星期天銀河系中天體個數與體積的對比轉換直徑天體數量數量體積(Km)（個）百分比百分比10-100070000.299.961-10175000.50.030.1-1350000099.30.01總數3524500100.0100.0第17頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光粒度測試中的典型分布

－－－相同比例的5nm和50nm球形顆粒NUMBERVOLUME=pr343INTENSITY=d6Diameter(nm)Relative%inclass5101005011Diameter(nm)Relative%inclass51010050110001Diameter(nm)Relative%inclass5101005011,000,000第18頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

常見粒度分析方法統計方法代表性強,動態范圍寬分辨率低篩分方法：>38微米沉降方法

0.01-300微米光學方法

0.0008-2,800微米非統計方法分辨率高代表性差,動態范圍窄顯微鏡方法，重復性差 光學類：>1微米

電子類：>0.001微米電阻感應法

0.5-1200微米統計方法代表性強,動態范圍寬分辨率低篩分方法：>38微米

沉降方法

0.01-300微米光學方法

0.0008-2,800微米第19頁,共98頁，2024年2月25日，星期天篩分技術關鍵參數：篩孔大小，篩盤直徑，篩框深度Tyler系列：以目表示篩孔大小，200目為基準，最小為400目（38微米）ISO標準篩：直接標出篩孔直徑，最小篩孔尺寸為45微米設備包括試驗套篩及振篩機，確保一定的圓周搖動和上下振動優點：簡單，便宜，易于分級，樣品量大，結果表示為重量粒徑分布第20頁,共98頁，2024年2月25日，星期天篩分第21頁,共98頁，2024年2月25日，星期天篩分法使用數種不同網眼的篩子進行篩選，計算個篩子上剩下的粒子的重量，根據比例來求分布的方法。第22頁,共98頁，2024年2月25日，星期天篩分技術的缺點小于38微米的干燥粉末難以測量，濕式篩分的重現性極差不適合粘性或成團的材料分析測量時間越長，顆粒定向運動機會越多，結果越小不能測量懸浮樣品或乳劑分辨率依賴與篩孔的選擇第23頁,共98頁，2024年2月25日，星期天顯微鏡技術直接查看顆粒的形狀，結構（實心，空心，疏松或多孔等）以及表面形貌測量范圍：普通光學顯微鏡，1-200微米；透射電子顯微鏡（TEM)，0.001-10微米；掃描電子顯微鏡（SEM)，0.005-50微米最基本也是最實用的測量方法，結果表示為二維尺寸計數方法：點計法，線計法，帶計法，框計法一般要求被測顆粒不少于600個發展趨勢：半自動和全自動測量裝置，輔以圖像分析和處理軟件，應用廣泛第24頁,共98頁，2024年2月25日，星期天顯微鏡第25頁,共98頁，2024年2月25日，星期天忽略了一個10μ的顆粒相當于漏檢了1000個1μ的小球10μ1μ第26頁,共98頁，2024年2月25日，星期天顯微鏡技術的缺點取樣量極其有限（0.01-0.1克），不具備代表性樣品制備麻煩，有時需要納米級固定薄膜，測量成本高測量過程人為因素影響過大，時間長，易疲勞僅能用于質量或生產控制的簡單判斷，或用作其他測量方法的輔助工具（分散狀態，絮凝與否）第27頁,共98頁，2024年2月25日，星期天空氣透過技術（費氏法）原理：粉末樣品的氣體透過能力與粉末的比表面有關，籍此求出樣品的比表面積并由此得到顆粒的平均粒度樣品要求：均勻干燥，形狀等軸性好，施壓時不易變形，破碎或聚結取樣量應為試樣真密度的兩倍以上，且真密度已知常用于質量或生產控制的基本判斷，設備簡單，操作方便缺點：分辨率低，重現性差，人為因素影響較大第28頁,共98頁，2024年2月25日，星期天圖像解析法開始取樣粒子像攝影圖像處理抽取特征處理計算統計粒子徑分布結束平滑化、去除微粒子（噪聲）、分離、圓形分離、細線化、強調、邊界檢出等等面積(等效徑)、周長、最大長、形狀參數等等

第29頁,共98頁，2024年2月25日，星期天電阻感應技術原理：在電解質溶液中，利用外加在小孔管內外的電極，在小孔管周圍形成恒電流設計的電阻感應區。在負壓的作用下，通過小孔的每個顆粒取代相同體積的電解液，產生電位脈沖，脈沖信號的強弱與通過小孔管的顆粒大小成正比測量方法：體積定量、時間定量、再計數定量、通道峰值數目定量等測量精度高，有很好的準確性和重復性優點：既能給出數量統計又能給出體積分布，特別適合于臨床血細胞的分析第30頁,共98頁，2024年2月25日，星期天電阻感應法優點：能測量絕對顆粒數在工業上應用存在許多缺點：難于測量乳液，也不能測量噴霧。干粉需要懸浮在介質中測量。必須在電解質中測量，也難于測量有機物料。該法需要校準標準，費用高，并且其粒度在蒸餾水和電解質中會發生變化。對于粒度分布范圍較寬的物料，該法測量速度慢。并且不易測量小于2微米的顆粒。測量帶孔的顆粒會產生較大的誤差，因為測定的是其殼層。密實的物料或大顆粒難以測量，因為在此之前這些顆粒已經沉降了。

第31頁,共98頁，2024年2月25日，星期天電解質溶液細孔吸引-+電阻感應法第32頁,共98頁，2024年2月25日，星期天電阻感應技術的缺點測量范圍有限，一般下限為0.4微米，而且每個小孔管的動態范圍僅為：2%-60%操作較為復雜，粒度分布范圍較寬的樣品容易堵塞小孔管很難保證顆粒通過小孔瞬間的狀態，易造成峰形拖尾或重疊，引起計數誤差必須在電解液中測量，不適合乳劑或有機材料，也不適合密度較大或者多孔性樣品該方法需要經常校準，測試成本高第33頁,共98頁，2024年2月25日，星期天沉降分析技術基于如下假設：顆粒為球形剛體，沉降時互不干擾且僅作層流流動，沉降容器足夠大且無溫度梯度Stokes公式是所有沉降儀采用的基本工作原理，必須知道顆粒和液體的密度及粘度，且顆粒沉降的雷諾系數應遠小于1測量方法：重力沉降，2-50微米；離心沉降，2-10微米；光透沉降（可見光，X射線）等局限性：小于2微米的顆粒布朗運動占主導地位，大于50微米的顆粒沉降是湍流狀態應用領域：油漆，陶瓷，顏料，造紙等第34頁,共98頁，2024年2月25日，星期天沉降法應用斯托克斯方程,通過測量粒子沉降速度來決定粒度分布,分為:

沉降管5-200微米

X光吸收沉降0.1-300微米離心沉降0.01-200微米第35頁,共98頁，2024年2月25日，星期天液相沉降法在密度(ρ0),粘度系數(η0)的溶劑中的存在的直徑(D)、密度(ρ)的粒子。由于重力的影響，它按著Stokes沉降方式以一定的速度下沉。在實際的樣品中，存在大量的粒子，根據大小，其沉降速度也不同。即從大粒子開始依次沉降下去。另外，在自然重力下沉降的同時，還存在著分子熱運動（布朗運動），小的粒子很難沉降，測量就要花很多時間。測量面t=0t=t1t=t2t=t3第36頁,共98頁，2024年2月25日，星期天沉降分析技術的缺點測量速度慢：1顆1微米的SiO2（密度2.5)顆粒在20℃的水中在重力作用下沉降1cm需要1小時被測材料的密度不能太大也不能太小，且能找到與被測試樣適用的沉降介質和分散劑必須嚴格控制測量溫度不能測量不同密度材料的混合樣品試驗條件苛刻，所需其他設備較多，如分析天平，恒溫水浴，顯微鏡，粘度計，比重計，超聲波分散器等第37頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光衍射技術準確地描述：小角激光光散射（LALLS，LittleAngelLaserLightScattering)，符合ISO13320標準，適用范圍，0.1-3000微米原理：顆粒的最大光強衍射角與其粒徑成反比組成部分：激光發生器，光學組件，檢測元件，樣品分散單元，數據處理軟件等優點：范圍寬，速度快，自動化程度高，重現性好，結果一般表示為體積百分比分布D〔4,3〕缺點：被測材料的光學參數，典型的統計測量方法（光強Intensity對直徑d6數學轉換），特殊樣品的分散條件第38頁,共98頁，2024年2月25日，星期天測量理論激光和顆粒的相互作用：顆粒截面的衍射，內外表面的反射，介質與顆粒的折射，顆粒對光的吸收夫朗和費（Fraunhofer)理論假設：1.所有顆粒都是球形的；2.所有顆粒都遠大于入射光波長；3.僅考慮正向小角度的衍射；4.所有顆粒都是完全不透明的；5.顆粒與分散介質間的折射率接近。米氏理論（MieTheory）：充分考慮激光與顆粒之間的相互作用，能更精確地預測多角度散射圖與球形顆粒粒度之間的關系，但必須知道測量系統的光學特性I（θ）=Ia（θ）+Ib（θ），其中Ia（θ）和Ib（θ）分別表示垂直偏振光和水平偏振光的散射光強第39頁,共98頁，2024年2月25日，星期天ThePrinciple

SmallparticlesscatterlightatwideanglesLaserParticlesDetectorFourierLensBeamLargeparticlesscatterlightatnarrowangles第40頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光與顆粒之間的相互作用

光入射到球形顆粒的時候可以產生出如圖所示的四種光。①在粒子表面的反射光②通過粒子內部，經粒子內表面的反射光③通過粒子內部而折射出的光④在表面的衍射光入射光入射光反射光衍射光折射光內部反射光內部反射光內部反射光穿透光第41頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光衍射/散射方法大粒子時小粒子時（直徑約１０μm）衍射光譜（直徑約0．１μm）激光側翼和后方探測器56785678012345678012345678相對強度接收器相對強度接收器前方環狀探測器側翼和后方探測器前方環狀探測器激光24312431第42頁,共98頁，2024年2月25日，星期天logdiameterloganglelogintensitylogdiameterloganglelogintensityMieTheory與FraunhoferTheory-MieTheory真實粒子可能是任何形狀入射到顆粒的光的出路包括散射,透射,反射,折射,與顆粒的光學特性有關.較早的激光衍射系統因光學構造和計算機的限制而不能利用完全的米氏理論,只能用米氏理論的近似或子集,如:Fraunhofer理論.-FraunhoferTheory

粒子是完全不透明的扁平狀(類似硬幣);

所有到達顆粒的光均被散射,散射光與粒子表面光學性質無關第43頁,共98頁，2024年2月25日，星期天MieTheory

強度

I0波長λ的光被半徑為

a的粒子所散射，距離粒子中心R、與入射光方向成θ的散射光的散射光強度

Iθ用下式表示。

I0λ28π2R2Iθ=(i1+i2)入射光粒子観察面θ散射光i2=Σ∞n=12n+1n(n+1){bnπn+anτn}2i1=Σ∞n=12n+1n(n+1){anπn+bnτn}2其中Sn’(β)Φn(α)-mΦn’(α)Sn(β)Sn’(β)Φn(α)-Φn’(α)Sn(β)另外Sn’(β)Sn(α)-mSn’(α)Sn(β)Sn’(β)Sn(α)-Sn’(α)Sn(β)an=bn=1πn=sinθPn(1)(cosθ)τn=δθPn(1)(cosθ)δΦn(α)=

Sn(α)+iCn(α)√Cn(α)=(-1)nπα2J-(n+1/2)(α)Sn(α)=√πα2J-(n+1/2)(α)μ1:介質中的光的折射率率μ2:粒子中光的折射率λ0:空氣中光的波長λ:介質中光的波長λ=λ0/μ1i1:垂直于觀側面的偏振光成分i2:平行于觀側面的偏振光成分m:相對折射率

m=μ2/μ1α:粒徑參數

α=2πa/λβ:β=mαPn(1):連帶Legendre函數Jn:Bessel函數偏光面第44頁,共98頁，2024年2月25日，星期天Fraunhofer的假設顆粒是不透明的(主要指大顆粒，金屬粉末，顏料等)顆粒形狀基于片狀或條狀顆粒的直徑應遠大于入射光波長(D>>40l，ISO13320-25mm)散射角度較小（僅考慮前向散射，小于45°）所有大小顆粒的散射系數均為2.00一般地，da1/q;Iad2

，所以*，q~35/d，測量1um的顆粒散射角度為35°*AerosolScienceEd.CNDaviesAcademicPress(1966)page343第45頁,共98頁，2024年2月25日，星期天ISO13320AnnexA:

Theoreticalbackgroundoflaser

diffractionHistoricallytheFraunhoferApproximationwasthebasisofthefirstopticalmodelemployedforparticlesizemeasurement.-Thiswasbecauseofthelimitedangularinformation,andthelimitedprocessingpowerofearlycomputers:“Inpracticetheapproximationisvalidforlargeparticles(diameteratleast40timesthewavelengthofthelight).”Equivalentto>>25MicronsIftheparticlesizeisgreaterthanabout

50μm,thentheFraunhoferapproximationgivesgoodresults.-Itnaturallyfollowsthatitisunsuitableformaterialslessthan50μmand,infact,furtheron,wecomeacrossthefollowing:“Forparticlessmallerthanabout50μm,theMietheoryoffersthebestgeneralsolution.”第46頁,共98頁，2024年2月25日，星期天折射率的影響Bimodalseparation(caesin/fat)Normallyexpectsymmetrical(log-normal)plotforemulsionsFraunhofer-falsegenerationoflargematerialtoexplainscatteringRIdata:(HannahResearchInstitute):DDMuiretal(1991),Characterizationofdairyemulsionsbyforwardlobelaserlightscattering-applicationtocreamliqueursMilchwissenschaft,46(11),691-694Caesinsize-260nmc.f.P.Walstra(1990),J.DairySci.,73,1965-1979第47頁,共98頁，2024年2月25日，星期天Mie與Fraunhofer的區別n=m=2.05-0i=Fraunhofer=m=1.12-0i=m=1.20-0i-35.00%-30.00%-25.00%-20.00%-15.00%-10.00%-5.00%0.00%5.00%10.00%0.11101001000Fraunhofer(vs.Mie).839mm,1.11mm,2mm,15mm,30mm,40mm,and167mmlatexspheresn=m=2.05-0i=Fraunhofer=m=1.12-0i=m=1.20-0i.839mm,1.11mm,2mm,15mm,30mm,40mm,and167mmlatexspheres第48頁,共98頁，2024年2月25日，星期天測量裝置激光光源：提供單色，相干，平行的光束，要求穩定性高，壽命長，信噪比低光學器件：激光束處理單元，準直系統，樣品通道位置，接受透鏡角度，必須保證顆粒測量的光信號能實時全面的傳送到檢測器單元檢測器：由光敏硅片按儀器的檢測角度和幾何形狀離散組成，其數量與排列方式直接影響儀器的分辨率樣品遞送系統：使樣品通過激光束的不同方式，一般為懸浮液/乳液循環系統，也可通過壓縮機/真空系統直接測量干粉樣品測量軟件：利用不同的數學模型解析散射圖譜得到樣品的粒度分布結果第49頁,共98頁，2024年2月25日，星期天原子核電子能級處于正常能級的電子接受能量被激發到較高能級的電子能級躍遷，釋放光能釋放光能能量轉換連續的受激躍遷過程激光的產生過程第50頁,共98頁，2024年2月25日，星期天電磁波的頻率與波長第51頁,共98頁，2024年2月25日，星期天光源選擇的前提

超長的使用壽命，7年以上

卓越的使用性能，相位，強度一致性好

能及時啟動，穩定時間短，無需warm-up

激光強度可以調整

體積小巧，抗振性強第52頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光器的波長1000nm100nmIRUVNearIRNearUVVisible400nm700nmHORIBALASER650nmWhenallcolorsarepresent,produceswhitelightLASERAcronym:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationProducescoherentbeam,allowslasertobeintense,highlydirectional,andverypureincolor(wavelength).TypesofLasers:Semiconductor,Gas,Liquid,FreeElectronHORIBALASER405nm第53頁,共98頁，2024年2月25日，星期天兩類常用激光器的差異固體二極管激光器：光源穩定性好，壽命長(約20萬小時）啟動電壓低(約5伏)，穩定時間短（約2ms）體積小巧，相位一致閑置時呈關閉狀態，無衰減氣體激光器（如He-Ne等)：啟動電壓高(約2000伏)，穩定時間長（約0.5-3hrs）光源穩定性差，壽命短（約5萬小時）體積龐大，需要支架固定，抗震性差閑置時，光強易衰減

第54頁,共98頁，2024年2月25日，星期天光電轉換檢測器固態二極管檢測器(Solidstatediodedetectors)當光子撞擊時，產生了電子空穴對二極管之間的高壓加速了電子運動被加速的電子獲的足夠的能量進一步導致電離度的增加，如同雪崩一樣。最初的光子能雪崩式產生大量的(約106)電子，這個數量級遠大于普通的光電備增器(photomultiplierdetector)因此有了新一代的雪崩式光子－電子計數器檢測器第55頁,共98頁，2024年2月25日，星期天檢測器排列方式有效檢測區域檢測盲區非均勻交叉扇形檢測器設計第56頁,共98頁，2024年2月25日，星期天十字交叉星形離散排列方式3937353836UPREARDOWNFRONT3228242016128410015913172125293337111519232731343026221814106210114RINGOFFIRSTMINIMUMFROMRETICULE35373941363840第57頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光粒度分析儀光路圖BeamLaserFourierLensParticleSampleChamberDetectorArraySampleParticlesLightScatteredfromParticlesMeasuredScatteredLightIntensityProfile第58頁,共98頁，2024年2月25日，星期天經典激光儀器分析光路第59頁,共98頁，2024年2月25日，星期天PIDS技術（偏振光強度差）PIDSPatternsforSubmicronPSL(FINGERPRINTS)第60頁,共98頁，2024年2月25日，星期天循環泵排水管側翼探測器后方探測器濾光器鎢燈光束擴大器試樣粒子He-Ne激光散射光圖像馬達聚光鏡頭環狀探測器超聲波探針加試料槽并用He-Ne激光和適用于測定小粒子徑段波長的鎢燈實現超寬范圍測定。經典激光儀器分析光路第61頁,共98頁，2024年2月25日，星期天光路復雜，對樣品池要求特殊樣品池難于拆卸、清洗，并易損壞光路鎢燈熱效率導致光暈鎢燈濾光片光純度與光效率的矛盾雙光路的背景不一致，光學理論不一致局限性第62頁,共98頁，2024年2月25日，星期天He-Ne激光器普通藍光光源經典激光儀器分析光路第63頁,共98頁，2024年2月25日，星期天反傅立葉變換光路樣品池扇形主檢測器背散射檢測器光強監測器大角度檢測器第64頁,共98頁，2024年2月25日，星期天納米粒度測量技術經典動態光散射技術（DynamicLightScattering)，也稱光子相關光譜法（PCS，PhotonCorrelationSpectroscopy)，是最早應用于納米測量的基本方法原理：懸浮在介質中的納米顆粒由于受到布朗運動的作用，當激光照射時，其散射光信號的時間變化譜圖與被測顆粒粒徑大小有關，應用相關技術解析譜圖的起伏漲落求得平移擴散系數從而獲得粒徑尺寸一般地，納米顆粒的散射信號極其微弱，通常需要光電倍增管和信號相關器，為避免多重散射效應，樣品的濃度應控制在ppm級結果一般表示為平均水力直徑，它既不同于通常所用的質量平均徑，也不同于激光衍射方法得到的體積平均粒徑第65頁,共98頁，2024年2月25日，星期天納米測量技術新進展經典方法的局限性：1.被測物料必須是同質球形的，且顆粒間不存在相互作用；2.顆粒在光路中僅發生單一散射現象，且無多重散射行為；3.被測體系的濃度范圍必須嚴格限定背散射技術：改變傳統90°的檢測角度，降低多重散射影響，提高被測樣品濃度至百分之幾十光纖通道：簡化樣品制備程序，讓樣品直接暴露在光纖通道，減少環境因素對測量的干擾（樣品皿，稀釋劑等）異相頻率干涉：與傳統時間自相關光譜比較，該方法得到的信號強度增加了幾個數量級，提高了儀器的分辨率數學處理模型：計算機技術的發展，傳統Stokes-Einstein方程能夠更加精確更加迅速的得到更加接近實際的結果第66頁,共98頁，2024年2月25日，星期天粒度分析操作儀器檢查：環境潔凈，溫度恒定，應避免過多電干擾，機械振動和光線照射檢查所有系統元件都已正確連接，諸如樣品分散裝置和傳輸裝置打開電源后，應給予儀器足夠的穩定時間，如He-Ne激光器至少需要半個小時以上的預熱過程設定儀器工作狀態，如光強檢查，測量范圍，光學參數，創建模型等儀器自檢與背景測量：中心定位，對焦調節，空白試驗，實時顯示儀器狀態第67頁,共98頁，2024年2月25日，星期天分散技術試樣檢查：憑視覺或借助顯微鏡檢查試樣的分散狀態代表性取樣：采用特定的分樣技術，準備足夠量的代表性試樣。必要時，利用篩分技術去除超出量程的粗大顆粒并作好記錄液體分散：選擇合適的分散介質，比要時添加相應的分散劑輔助分散。涂抹，攪拌和超聲波等都是常用的分散手段干粉分散：保證足夠多的試樣，避免粗大顆粒的統計劣勢；根據樣品性質，選擇合適的進樣方式；壓縮空氣須除油，除水；調節空氣壓力和真空度，產生適當的剪應力第68頁,共98頁，2024年2月25日，星期天取樣誤差與分散誤差第69頁,共98頁，2024年2月25日，星期天取樣誤差與分散誤差樣品中如果含有大于100微米的顆粒，那么取樣的代表性在很大程度上決定分析結果的可靠性如果樣品中的顆粒大多小于10微米，那么樣品的分散技術將極大影響分析結果的重復性第70頁,共98頁，2024年2月25日，星期天干法測量中的分散問題第71頁,共98頁，2024年2月25日，星期天濕法測量中分散的理論和實際曲線第72頁,共98頁，2024年2月25日，星期天球形顆粒的表征濃度與粒度分布樣品最佳測試濃度與顆粒粒度分布范圍有關樣品濃度與激光束寬度，測量區域路徑長度，顆粒的光學特性和檢測器單元的精度有關為確定最佳樣品濃度，需進行多次測量比較典型顆粒激光衍射測量濃度的上限與下限第73頁,共98頁，2024年2月25日，星期天片狀顆粒測量的表征濃度與粒徑分布第74頁,共98頁，2024年2月25日，星期天濃度控制測量光路中應有一定的顆粒濃度以保證儀器最低的信噪比，同時，為避免復雜散射，測定濃度也應有上限一般說來，濃度范圍受到激光束寬度，測量區路徑長度，顆粒的光學特性和檢測器靈敏度的影響顆粒的分布寬度直接影響試樣的最佳測量濃度為確定顆粒的最佳濃度范圍，應在不同顆粒濃度下進行多次測量濕法分散時，避免空氣泡對濃度的影響；干法測量也應保證穩定的物質流第75頁,共98頁，2024年2月25日，星期天誤差分析與判斷試樣制備：不正確的取樣技術和/或不合適的傳輸裝置，導致顆粒沒有完全通過光路不正確的分散方式（液體介質，分散劑和超聲波），導致團聚顆粒不充分分散，或使不該破碎的顆粒被粉碎測量前或期間，試樣中含有氣泡，顆粒長大，再團聚，溶解或蒸發，或者溫度變化導致折射系數的改變理論上的偏離球形假設的偏離，導致粒徑分布加寬顆粒表面并非光滑，折射系數中虛部常依賴于光的波長而變得更加不確定第76頁,共98頁，2024年2月25日，星期天誤差分析與判斷顆粒對光的作用通常是不均勻的，如多孔性材料，會導致大量細小顆粒的明顯出現，但實際并不存在錯誤的光學模型，如使用夫朗和費模型計算亞微米級的試樣不正確的光學參數，導致散射譜圖的錯誤解析對理論模型約束條件的正確選用，依賴于制造商的儀器設計，檢測器的排布，信噪比的處理和經驗積累第77頁,共98頁，2024年2月25日，星期天粉體顆粒粒度是產品的主要質量指標，它可用來預測產品穩定性、紙張涂層特性、顏料覆蓋能力、水泥凝固時間、藥物活性，食品色澤及口感等等，也是選擇分離設備，預測濾餅層的滲透性或比阻等的依據。粉體顆粒粒度在各個環節的實時監控是現代化生產的重要手段。為什么他們關心粒度分布？第78頁,共98頁，2024年2月25日，星期天激光粒度分析儀的應用051015202530AerospaceCementCeramicsChemicalsCosmeticsEnvironmentEnergyFood/DrinkMetalsMineralsPharmaceuticalUni/Govt051015202530AerospaceCementCeramicsChemicalsCosmeticsEnvironmentEnergyFood/DrinkMetalsMineralsPharmaceuticalUni/Govt第79頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域大多數行業中高品質的產品，在很大程度上，都取決于生產過程中的粒度控制，例如：水泥和爐窯等大多數的礦業領域，原材料都需要作粉體處理陶瓷工業中原料粒子的大小左右著燒結后的物理特性催化劑的粒徑大小直接影響化學反應效率制藥行業中藥品顆粒的大小控制著溶解速度和效用食品的保質期和口感與粒徑關系密切第80頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（一）1.電子元器件電容、壓電元件、濾光器、電阻元件等很多電子零部件都是由陶瓷制成的為了提高鈦酸鋇、氧化鋅、氧化鈦、碳酸鈣、鋁等主要原料的性能，需要添加各種金屬氧化物2.磁性材料氧化鐵，釹鐵硼等磁性材料通常作為精細加工的添加劑，例如，涂在磁帶上的氧化鐵，決定著VTR的顏色的好壞，盒式磁帶的音色的好壞。但是，一般情況下，濕法分散容易團聚，通常使用空氣作為分散介質的干法分散裝置測定其粒徑分布第81頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3.磚瓦制造磚的用途非常廣泛。其原材料的粒徑分布在很大程度上決定了加工是否簡易，色澤是否優美及使用的耐久性等諸多因素在建筑物和景觀中使用的各種各樣的瓦，其堅固性，耐光性，耐水性，耐氣候性等優點也取決于所使用的特定地域的粘土粒徑分布4.磨料磨具研磨劑的粒徑分布對于提高研磨特性非常重要，不僅僅是研磨劑制造方需要進行生產控制，購買使用方也必須進行粒徑監測，如鋁研磨劑、鉆石研磨劑等。CMP，化學機械拋光，新興的半導體硅片生產方法，其漿料粒徑須嚴格控制應用領域（二）第82頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（三）5.精細陶瓷瓷器彩繪時使用的染料、發色器具等均受到粒徑的影響陶瓷是在數百度到近2000℃的高溫下燒結而成的，燒結程度決定著產品的好壞，而能夠左右燒結程度的就是所含原材料的粒徑分布6.絕緣瓷瓶高壓變電器使用的瓷瓶也是一種精細陶瓷，耐更高電壓的瓷瓶研究正在研發之中7.陶瓷引擎普通使用的金屬制馬達不耐高溫，需用水冷卻，燃燒效率低陶瓷引擎耐高溫，無需冷卻，而且像CO2等廢氣排放也大大降低。目前，正成為以汽車制造商為首的各研究機構的熱點第83頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（四）8.潤滑油的穩定性和壽命潤滑油往往使用乳膠，其油滴的大小影響了其穩定性和壽命。另外，壓延板材等的表面冷卻時使用的乳膠油滴的粒子徑分布也大大地左右著壓延潤滑性。乳膠的粒徑分布決定自身的穩定性因而對壽命也有很大影響。9.輪胎和其他橡膠制品的質量管理10.開采油田時的石油和混入物的檢查開采油田時常常檢查泥沙等非石油混入物。由混入量可推測使用儲量。在其他資源/能源等調查和開采過程中，粒子徑測定裝置也非常重要。第84頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（五）11.二次電池的開發和制造研制開發鎳-氫電池一直很熱門。制造該電池的原料要用到吸氫合金。原料吸氫合金的粒徑分布的不同將導致電池的使用壽命，充電、放電效率有很大差異，成為影響產品品質的重要因素。

12.塑料類的開發開發高性能樹脂，提高抗熱，抗壓等能力，符合加工簡單，透明度高等特征。需要在樹脂中混入各種粒子，粒徑跨越0.1μm至數10μm很寬的范圍。13.涂料、顏料的開發涂料和顏料的粒徑給印染時的顏色、光澤、退色等情況以很大的影響。從選擇材料到產品出廠，粒徑管理都發揮著重要的不可替代的作用。特別是從亞微粒子到微階粒子的控制成為需求頻度最大的范圍第85頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（六）14.開發催化劑以廢氣用催化劑為首，很多化學公司都開始開發各種各樣的催化劑。粒徑測定是不可或缺的重要實驗之一。粒子徑從亞微粒子到數10μm的范圍內都能自由控制，向著更細微化的道路前進。粒子變小則表面積增大，催化效率就能提高。也常常同時使用比表面積計。15.開發新藥/質量管理新藥研究和制造過程的粒徑控制非常重要。例如，胃藥在到達胃粘膜之前不能被融化掉，而到達后就發揮作用的醫藥的粒子徑管理。植物用藥也如此，控制粒徑使藥物達到某一目的地發揮藥效。在醫藥領域不但粒子徑，比表面積也是很大的檢查項目。另外，對于溶解于分散介質的產品，如果想知道造粒粒子的實際粒子徑的時候，干式測定也很常用。16.水泥的生產和開發水泥質量的好壞與其成分的粒子徑分布有很大關系第86頁,共98頁，2024年2月25日，星期天應用領域（七）17.土壤的檢查農用化學和環境監測，土壤質量的好壞直接關系到農作物的收成18.開