Способ измерения концентрации и спектра размеров аэрозольных частиц

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 191 14 С 01 Я 150 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССРВ 705849, кл. С 01 Н 15/02, 1978,Патент США В 4211487,кл. 356-336, опублик. 1979..Жуланов Ю.В. и др. Использованиерезонатора ОКГ для повышения чувствительности лазерных аэрозольных,спектрометров. цАН СССР, 1975, 222,У 4, с, 810-812.(54)(57) .1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И СПЕКТРА РАЗИЕРОВ АЭРОЗОЛЬНЫХЧАСТИЦ, включающий формирование аэро.зольной струи, освещение части аэрозольной струи, анализ излучения, рассеянного частицами, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью увеличения динамического диапазона измеряемых размеров и концентраций частиц,достижения возможности одновременнойрегистрации параметров несколькихчастиц, уменьшения минимального регистрируемого размера частиц, формируют иэображение части освещенной аэрозольной струи на фотокатоде передающей телевизионной трубки, определяютспектр У (А) амплитудимпульсовчвстроках видеосигнала. за один кадр,концентрацию частиц и и спектр размеров частиц Е (а) определяют по соотношениямЮООаа ЧЧ(А) АА И(а) Ч(А)Ч(А) АА,о . о где Р - коэффициент пропорциональности между размером частицы и амйлитудой им - пульса в строке видеосигнала в диапазоне линейности передающей телевизионной трубки; Ч - измерительный объем аэрозоляа - размер частицы.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что подсветку части аэрозольной струи осуществляют плоскополяризованным лазерным излучением с длиной волны в сине-зеленой облас)А ти спектра, е3. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что направления строчного сканирования. электронным С" лучом поверхности фотокатода и аэрозольной струи устанавливают параллельными.4. Способ по п . 1, отличающ и й с я тем, что аэрозольную струюподсвечивают в течение времени, которое превосходит время пересечения изображением частицы поверхности фотокатода передающей телевизионной тру 8 кУ, концентрацию чаетиц определяют по числу строк телевизионного растра, в которых: амплитуда сигнала не равно нулю, функцию распределения частиц по размерам определяют по спектру амплитуд строк телевизионно-го растра.5. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что интенсивность подсветки части аэрозольной струи измеряют за время, меньшее времени пересечения поверхности фотокатода передающей телевизионной трубки изоб1173883 ражением частицы, спектр размеровчастиц определяют по амплитудам техчастей импульсов в строках видеосигИзобретение относится к способам измерения концентрации и распределения по размерам частиц аэрозолей и может быть применено, например, для контроля запыленности газовых сред.Известен способ измерения концентрации твердых аэрозольных частиц путем определения вероятности возникновения плазмы оптического пробоя в аэрозоле.Этот способ дает возможность,опеделять концентрацию твердых часиц в аэрозоле, содержащем как тверые, так и жидкие частицы. Недостатком способа является низкий динамический диапазон измерений, Этим способом невозможно измерять концентрации субмикронных частиц.Известен способ измерения концентрации и спектра размеров аэрозольных частиц облучением аэрозоля двумя ла.зерными лучами, из которых один служит для возбуждения колебаний жидкой частицы. Излучение второго лазера, рассеянное частицей, служит для регистрации амплитуды и частоты колеба- ний частиц. Этот способ не позволяет измерять параметры твердых частиц, одновременно регистрировать параметры .нескольких частиц и не пригоден для контроля субмикронных частиц.Наиболее близким техническим решением к описываемому является способ измерения концентрации и спектра размеров частиц аэрозоля, включающий формирование аэрозольной струи, освещение части аэрозольной струи, анализ . излучения, рассеянного частицами.Способ имеет низкий диапазон изме- Рений: частицы размером более 3-5 мкм вызывают срыв генерации лазера, а размером менее 0,2 мкм не регистрируются. Этот способ не позволяет регистрировать параметры. нескольких частиц одновременно (свет, рассеянный весколькими мелкими частицами, воспринимается ФЭУ как сигнал от одной . крупной частицы). нала, которые находятся в диапазонелинейности отклика передающей телевизионной трубки. Цель изобретения. - увеличениединамического диапазона измеряемых:размеров и концентрации частиц, обес"печение одновременной регистрации 5 параметров нескольких частиц, уменьшение минимального .регистрируемого,размера частиц.Достигается эта цель тем, что вспособе измерения концентрации испектра размеров аэрозольных частиц,включающем формирование аэрозольнойструи, освещение части аэрозольнойструи, анализ излучения, рассеянногочастицами, формируют изображение час ти освещенной аэрозольной струи нафотокатоде передающей телевизионнойтрубки, определяют спектр Р(А) амплитуд импульсов в. строках видеосигналаза один кадр, концентрацию частиц и 20 и спектр размеров частиц Е(а) определяют по соотношениямсо 00п=7Р(А) с 1 А; Е(а)=РР(А) ( Р(А) дА),о о где- коэффициент,пропорциональности между размером частицы и амплитудой импульса в строке видеосигналав диапазоне .линейности 30 передающей телевизионнойтрубки;7 - измерительный объем аэрозоляа - размер частицы.35 Направления строчного сканирования электронным лучом поверхностифотокатода и аэрозольной струи устанавливают параллельными. Аэрозольную струю подсвечивают в течение 40 времени, которое превосходит времяпересечения изображением частицы поверхности фотокатода передающей те"левизионной трубки, концентрацию частиц определяют по числу строк теле визионного растра,в которых амплитуда сигнала не равна нулю, функциюраспределения частиц по размерам оп-,3 1173883 4ределяют по спектру амплитуд строк лучом поверхности фотокатода и аэротелевизионного растра, зольной струи устанавливают паралИнтенсивность подсветки части лельными. Это приводит к увеличениюаэрозольной струи изменяют за время, длительности импульсов в строках и,меньшее времени пересечения поверх следовательно, к снижению требова ности фотокатода передающей телевизи- ний по быстродействию амплитудногоонной трубки изображением частицы, анализатора импульсов.спектр размеров частиц определяют по С целью снижения вероятности ложамплитудам тех частей импульсов в ных отсчетов частиц и увеличения точстроках видеосигналов, которые нахо- О ности амплитудного анализа спектрадятся в диапазоне линейности откли- видеоимпульсов аэрозольную струю подка передающей телевизионной трубки. свечивают в течение времени, котороеС цельюдальнейшего снижения мини- , превосходит время пересечения изобрамальногорегистрируемого размера частиц жением частицы поверхности фотокатодаподсветку аэрозольной струи осущест .передающей телевизионной трубки. В.вляют .плоскополяризованным лазерным этом случае концентрация частиц произлучением с длиной волны в сине-эепорциональна числу строк телевизионленой области спектра.ного растра, в которых амплитуда неОперация формирования изображения равна нулю. Концентрацию и спекгрна фотокатоде передающей трубки поз размеров частиц определяют, учитывая,воляет в дальнейшем при обработке что импульсом, несущим информацию овидеосигнала исключить влияние фоночастице, является вся строка телевивой засветки и таким образом уменьзионного растра,шить минимальный регистрируемый раз- Значительного увеличения динамичесмер частиц. Кроме того,.анализ изоб-.зоб, 25 кого диапазона измерений достигаютражения, сформированного на фотокато- при изменении интенсивности излучеде передающей телевизионной трубки, ния подсветки за время, меньшее врепозволяет одновременную регистрацию мени пересечения поверхности фотоканескольких частиц, поскольку импуль- тода передающей телевизионной трубкисы в строках телевизионного растра йзображением частицы. Спектр размеразделены временными интервалами.: ров частиц определяют по амплитудамСпособ позволяет увеличить динамичентех частей импульсов в строках видЕокий диапазон измерений размеров ЧЭС-" сигнала, которые находятся в диапазотиц за счет использования амппитудио, . не линейности отклика передающей тего анализа импульсов видеосигНала. . левизионной трубки. Такой вариантДинамический диапазон метода значи- реализации способа позвоЖпозволяет анализительнопревосходит динамический диа-фовать крупные частицы при низких иа-.пазон передающей телевизионной труб- тенсивностях подсветки, а мелкие часки (более чем в 30 раз) . тищя - при высоких интенсивностях.Измерение распределения импульсов При этом в обоих случаях амплитудавидеосигнала по амплитуде проводят ., импульса видеосигнала не выходит иэпри различных экспозициях подсветки, , диапазона линейности передающей телеаэрозоля, при этом определяют функцию визионной трубки.распределения частиц по размерам,учитывая, что с увеличением экспоэи- - На чертеже приведена схема измереции подсветки аэрозоля происходит 45 ния концентрации и спектра размероврегистрация все более мелких частщ . частиц аэрозоля. Аэрозольную струю 1.в телевизионном растре видеосигнала, .формируют с помощью двойного концент-,В измерениях, проведенных при нарас- . рического сопла 2. Часть аэрозольнойтающей подсветке, "проявляютсяф все. струи подсвечивают излучением 3 оптиболее мелкие частицы, таким образом, 50 ческого диапазона длин волн от источ 1 11сканирование интенсивносФН или дли- никаизлучения 4. Рассеянное аэрозоль-тельности подсветки позволяет фска- , ными частицами излучение 5 фокусирунировать" спектр размеров частиц, ют.с помощью микрообъектива 6 на .поверхности фотокатода 7 передающейДля снижения требований к быстро телевизионной трубки 8. Измеряютдействию аппаратуры, предназначенной распределение. импульсов в строках видля реализации способа, направления деосигнала телевизионного растра построчного сканирования электронным амплитуде .с помощью измерителя 9.5 11738 Пространственное положение исследуемой частицы определяют по выходным характеристикам напряжения блока развертки 10, По данным измерения распределения импульсов по амплитуде определяют распределение частиц по размерам и коцентрацию частиц.Использование в качестве источника излучения. лазера с плоскополяризованным излучением в сине-зеленой об ласти спектра позволяет, значительно снизить минимальный регистрируемый размер частиц.П р и м е р 1. Для измерений концентрации и спектра размеров аэрозоля 15 в производственном помещении производят следующие операции. Формируют аэрозольную струю, окруженную "рубаш:кой" фильтрованного воздуха, с помощью двойного концентрического сопла., 20 Через внутреннее сопло пропускают исследуемый аэрозоль, через внешнее конконцентрическое сопло - фильтрованный воздух со скоростью,близкой к скорости аэрозольной, струи (гидродинами ческая фокусировка аэрозольной струи).Освещают часть аэрозольной струи однородным по интенсивноати потоком света. Размер освещенной части струи ,устанавливается большим поля зрения Зе,птической системы, формирующей изоб-ажение .аэрозольной струи на фотокатоде. Формируют изображение аэрозольной струи на фотокатоде передающей 83 Фтелевизионной трубки ПТУ. С по-. мощью амплитудного анализатора импульсов АИопределяют спектр Р(А) амплитуд импульсов в строках видеосигнала за один кадр. Концентрацию и и спектр размеров части Г(а) определяют по соотношению (1).В качестве источника излучения используют осветительную систему микроскопа Полам.П р и м е р 2. Операции формиро вания аэрозольной струии изображения на фотокатоде передающей телевизионной трубки аналогичны описанным в примере 1. Отличие от примера 1 сос" тоит в том, что в качестве источника излучения подсветки используют импульсно-периодический лазер, излучение которого поляризовано в плоскости, перпендикулярной полю зрения оптической системы, формирующей иэображение аэрозольной струи на фотокатоде передаюшей телевизионной трубки.Способ позволяет увеличить динамический диапазон измеряемых размероваи концентраций частиц, уменьшить минимальный регистрируемый размер частицы, позволяет проводить одновременный анализ параметров нескольких частиц. Этот способ может быть применен для контроля аэрозоля на ответственных этапах сборки микроэлектронных схем, в комплексных исследованиях атмосферного аэрозоля.1173883 . Корректор Л. Пилипенко ехред И.Попович Редактор 0 ков 5267/2 Тираж 778 сударственного комитета Сам изобретений и открытий ва, Ж, Раушская наб.,одписн 4/5 11303 Проектна изводственно-полиграфическое;предприятие г. Ую