Способ измерения размеров микрочастиц

(51)5 О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ЗМ огии, биолотехнологии. ское зондиием с длина- размерами ном объеме енно-паралнные, нало Е ПОЛОСЫ С для разных висим сти пр от расстиц, чностям(71) Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева(56) Макальский Л,М. и др. Измерение скоростей концентрации и размеров аэрозоля оптико-электронным прибором. - В кн.: Материалы физико-химической, промышленной и приборной секций И Всесоюзной конференции по аэрозолям. - М,; Наука, 1977, с, 160-161.Авторское свидетельство СССР 1 ч. 1434333, кл, 0 01 К 15/14, 1988. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям размеров и концентраций микрочастиц, и может быть использовано в метеорологии, биологии, медицине, химической технологии, контроле загрязнений окружающей среды и других областях, где требуется информация о количестве и размерах частиц в единице объема.Известен способ измерения размеров частиц и их концентраций, основанный на измерении длительности фронта нарастания сигнала светорассеяния, полученного при перемещении частицы через счетную область. достатком этого способа является засть результатов измерения от скоро- лета частицы через счетный объем и сеивающей способности микрочао приводит к существенным погрешизмерения,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯМИКРОЧАСТИЦ(57) Использование: в метеоролгии, медицине, химическойСущность изобретения: оптичерование полихромным излученми волн, соизмеримыми сдвижущихся частиц. В счетсформированы пространствдельные, равномерно освещеженные друг на друга световьнесовпадающими границамидлин волн. 4 ил. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения размеров микро- частиц, основанный на формировании пространственно разнесенных полос света с различными длинами волн электромагнитного излучения, движении микрочастиц 3 нормально к плоскости полос и регистрации фь фотоприемниками рассеянного отдельной с,) частицей излучения на различных длинах,( волн. Размер частицы определяют по временному совпадению импульсов рассеянного света, полученных с разных фотоприемников.Одним из основных недостатков спосо-- а ба является невозможность измерения размеров частиц, сравнимых с длиной волны электромагнитного излучения.В прототипе требуемый счетный объем должен быть получен в виде пространственно разделенных параллельных полос с различными длинами волн, При формировании такого счетного объема неизбежно произой10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дет диафрагмирование формирующего счетный объем пучка света. Согласно теории дифракции крутизна фронтов полос света будет величиной ограниченной. Минимально возможным расстоянием, при котором обеспечивается работоспособность устройства, будет расстояние, при котором первые минимумы распределения интенсивности соседних полос в счетном объеме совпадают. Это расстояние зависит от величины диафрагмирования пучка света, фокусного расстояния оптической системы, формирующей счетную область, от порога ограничения сигнала, выбранного в канале регистрации. Расчеты показывают, что это расстояние имеет минимальную величину, изменяющуюся в диапазоне 0,5-2,0) Л, где Л - длина волны света. Следовательно, для частиц с размерами, сравниваемыми с длиной волны (от (0,5-10) Л), возникает существенная погрешность измерения размеров частиц.Целью изобретения является повышение точности измерения размеров.микрочастиц в диапазоне (0,5-10) Л.Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения размеров микрочастиц, включающему световое зондирование частиц при движении их через счетный обьем, в котором зондирующее излучение формируют в виде пространственно параллельных световых полос с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно к направлению движения микрочастиц, регистрацию рассеянного микрочастицами света и анализ полученных сигналов, полосы света в счетном объеме формируют из равномерно освещенных наложенных друг на друга световых полос с несовпадающими границами, при регистрации выделяют фронты сигналов рассеянного микрочастицами излучения на различных длинах волн, а о размере судят по перекрытию фронтов сигналов, принятых на различных длинах волн.На фиг,1 показано распределение интенсивности света в счетной области в виде пространственно наложенных равномерно освещенных полос с несовпадающими границами и с различными длинами волн; на фиг,2 - осциллограммы на выходах фотоприемников при движении через счетную область частиц различных размеров г и га.Устройство, реализующее измерение размеров частиц по предложенному спасобу, содержит (фиг,3) полихромный источник 1 излучения, по оптической оси которого установлен коллиматор 2, прямоугольная диафрагма 3, дисперсионная призма 4, основание которой параллельно стороне прямоугольной диафрагмы и М-канальный спектрометр 5 с й фотоприемниками, установленный так, что его поле зрения пересекается с полем излучения, выходящим после преломляющей призмы 4, причем выход каждого фотоприемника соединен с соответствующим входом блока 7 совпадений через дифференцирующую цепочку 6. Блок 7 совпадений может быть реализован из схем совпадений (логические элементы типа 2-И). В него также входят цифровые элементы, позволяющие организовать хранение и обработку полученной информации (например, триггеры 155 серии и приоритетный шифратор 155 ИВ 1). Код, полученный на выходе блока совпадений, адекватен размеру пересекающей счетный обьем микрочастицы.Предложенный способ осуществляют следующим образом.В начале формируют зондирующее излучение в виде пространственно параллельных равномерно освещенных наложенных друг на друга световых полос с несовпадающими границами и различными длинами волн.Для этого полихромное излучение от источника 1 направляется через коллиматор 2 на диафрагму 3, далее - на преломляющую призму 4, на выходе которой в силу дисперсии получаем положенные равномерно освещенные пучки света с несовпадающими границами и с различными длинами волн, Расстояние между наложенными пучками определяется оптическими свойствами призмы 4 и расстоянием от призмы 4 до частицы, пересекающей пучки света.При движении частицы через наложенные равномерно освещенные пучки света с несовпадающими границами и с различными длинами волн происходит рассеяние света частицей, при этом длительность фронта сигнала рассеяния зависит от крутизны распределения интенсивности светового пучка, от скорости перемещения частицы через пучки и от размера частицы, С увеличением размера длительность фронта увеличивается.Рассеянное частицей излучение собирается оптической системой М-канального спектрометра 5 и попадает на фотоприемники, причем каждый фотоприемник настроен на длину волны, соответствующей одному из пучков света. Дифференцирующие цепочки 6 выделяют сигнал, длительность которого равна длительности фронта сигнала светорассеяния. Этот сигнал подается на один из входов блока 7 совпадений. Размер частицы определяется по перекры1742677 50 55 тию продифференцированных сигналов сразных фотоприемников. Блок 7 совпадений представляет собой совокупность схемсовпадений, анализирующих наличие совпадения во времени сигналов с двух произвольных фотоприемников, а такжеустройство регистрации и кодировки информации. На выходе блока формируетсякод, соответствующий размеру частицы.Пусть размер частицы меньше расстояния между любыми полосами света. Тогдапри пролете частицы через счетную областьпродифференцированные импульсы во всехфотоприемниках не совпадают, следовательно, размер частицы меньше минимального расстояния между границами света.При увеличении размера частицы происходит адекватное увеличение длительности сигнала на выходе любойдифференцирующей цепочки 6, В силу фиксированности расстояний между границамиполос происходит временное совпадениеимпульсов на входах блока 7 совпадений,если размер частицы больше расстояниямежду этими полосами. То есть, размер частицы больше расстояния перекрываемыхчастицей границ, но меньше расстояния неперекрывшихся границ(лежит в диапазоне,например, 1,0-1,6 мкм),При перекрытии частицей большего 30числа границ полос происходит временноесовпадение большего числа продифференцированных сигналов. Зная пространственное расстояние между границами полос всчетной области и анализируя совпадение 35сигналов, можно определить размер микрочастицы.Так как счетная область формируется ввиде пространственно наложенных, а неразделенных пучков, то расстояние между 40пучками может быть уменьшено до величины Я/2, а в следствие квазиэквидистантности расстояния между границами пучков повеличине интенсивности в счетной области45 погрешности измерения размеров частиц, сравнимых с длиной волны света, могут быть уменьшены более чем в 2 раза, что позволяет повысить точность измерения размеров частиц, сравнимых с длиной волны зондирующего излучения,Влияние существующей расходимости полос в счетном объеме можно свести к незначительной величине за счет малой протяженности сетного объема.Предложенный способ, как и прототип, не чувствителен к изменению скорости движения частиц через счетную область, так как изменение скорости вызывает лишь одинаковое по всем входам блока совпадений изменение длительности, но не сказывается на наличии совпадений импульсов во времени. Формула изобретения Способ измерения размеров микрочастиц, включающий световое зондирование частиц при движении их через счетный объем, в котором формируют зондирующее излучение в виде пространственно-параллельных световых полос с различными длинами волн, ориентированных перпендикулярно к направлению движения микрочастиц, регистрацию рассеянного микрочастицами света на различных длинах волн и анализ полученных сигналов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения размеров микрочастиц в диапазоне (0,5-1,0) Л, где Л - максимальная длина волны зондирующего излучения, формируют в счетном объеме равномерно освещенные, наложенные друг на друга световые полосы с несовпадающими границами, выделяют фронты сигналов рассеянного микрочастицами излучения на различных длинах волн, а о размере судят по перекрытию фронтов сигналов, зарегистрированных на различных длинах волн.1742677 3 оставитель Д.Горбачевехред М.Моргентал Корректор ЗЛончакова Редактор Л.Гратилл роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 2279 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5