Способ определения размеров сферичес-ких микрочастиц

(22) Заявлено с присоедине (23) Приорите 060478 (21) 2600017/18-25ием заявки М 9 -осударствениый комитет СССР по делам изобретений н открытийОпубли вано 230181, Бюллетень Йоликования Описания 2 30 1 8 1 К 543. 27 5 (088. 8) Дата 72) Авторы изобретен и В.Я.Толсти ин и 71) Заявит Институт экспериментальной метеорологи) СПОСОБ ОПРЕДЕЛ СФЕРИЧЕСКИХ Я РАЗМЕР РОЧАСТИЦ но от 20 а.м по техническспособ определ 0 ков Изобретение относится к технике измерения размеров микрочастиц и может быть использовано в различных областях науки и техники, где требуется точное измерение размеров прозрачных сферических микрочастиц, например в метеорологии для измерения дисперсного состава гидрометеоров, в механике и химии для анализа микроструктуры распыленных жидкостей.Известен фотоэлектрический способ измерения размеров движущихся микро- частиц, заключающийся в том, что частицу облучают световым потоком от одного источника по методу темного по- . ля, с.помощью объектива получают,ее иэображение на входном окне фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), и по амплитуде импульсов напряжения, возникающих на нагрузке ФЭУ при прохождении частицы в поле зрения объектива судят о размере частицы (1) .Однако этот способ не дает информации о пространственном движении частицы, а в случае, когда производятся измерения частиц с близкими размерами, сложна практическая реализация этого способНаиболее близки ой сущности является ения размеров микрочастиц, обладающих зеркально гладкими поверхностями, заклю" чающийся в том, что частицу облучают двумя световыми потоками, направленными под острым углом один к другому, получают ее изображение в вице двух светящихся точек, являющихся изображениями площадок на поверхности частицы, от которых отражается часть светового потока, попадающая затем в апертуру объектива, измеряют расстояние между этими светящимися точками, по которому и определяют размеры микрочастиц (2.Однако испольэовать этот способ для определения размеров прозрачных сферических микрочастиц затруднительДля таких частиц мал коэфФициентражения светового потока от их порхности. Кроме того, наряду с отраженными от поверхности частицы световыми пучками, попадающими в апертуру объектива регистрирующей системы, туда также попадают и преломленные частицей пучки, причем в зависимости от величины угла между облучающим световым потоком и оптической осью объектива, яркость преломленных пучков может значительно превышать яркость пучотраженных. Поэтому для наблюдения слабо светящихся точек, соответствующих отраженным от поверхности микрочастицы пучкам, на фоне находящихсяв непосредственной близости от нихярких точек, соответствующих преломленным микрочастицей пучкам, необходимы устройства с большим динамическим диапазоном разрешения по яркости(далее укаэанные точки называются со ответственно отраженной и преломленной точками) . Более того, при некоторых условиях наблюдение отраженныхточек вообще невозможно.Это происходит в том случае, когда отраженная и преломленная точки,возникающие от разных облучающих пучков, зачинают сливаться, т.е. Расстояние м .жду ними ьстановится равнымвеличине дифракционного предела разрешения. объектива системы регистрацииЬ = 1,22 % /А , где 1 - длина волныоблучающего светового потока; А - 20числовая апертура объектива. С уменьшением угла Ь между облучающим световым потоком и оптической осью объектива системы регистрации Ь растет.При малых Ъ 251(-Ц ) ),где и - показатель преломления вещества микрочастицы, Так как А ( Ь1.то наибольшее значение Ь составляетитксц(1-ц)где В - радиус микрочастицы. Для регистрации отраженной точки необходимо, чтобы ьмо, 7 Ь , откуда вытекает ограничение на й. При п=1,33,А=0,1,1=0,5 мкм, й,27,5 мкм. Это ограничение является также недостатком известного способа определения размеров микрочастиц.Можно выбрать угол Ь таким образом, .что в апертуру объектива системы регистрации не попадут лучи, преломленные микрочастицей. Для этого необхо" 45 димо, чтобы Ъ был больше Ьгр где . Ъг определяется формулой:С 96фСледует отметить, что при п 1,08 (т.е. практически для всех известных прозрачных в видимом оптическом диа-щазоне веществ, исключая газы, угол между облучающими световыми потоками становится тупым, т,е. ХЬ)Ъ 2 ), что уже не удовлетворяет требованию, изложенному в известном способе (2 Ь - острый). Если все же при ЬЪЬр, для определения размеров прозрачной сферической микрочастицы применять известный способ, то величина относи" 60 тельной погрешности Р в определении радиуса частицы определяется формулой:АПоскольку ооото 1 луА 1 Поу - И/2.При п=1,33, А=0,1, у 6,Как следует иэ приведенной вышеформулы,Р увеличивается с ростом б,Поэтому для сохранения точности измерений должно быть наложено ограничение не только на величину угла междуоблучающими световыми пучками, но ина величину угла между каждым из пучков и оптической осью объектива ре-.Гистрирующей системы.Следовательно, при измерении размеров микрочастиц по известному способу, необходимо облучать микрочастицы световыми пучками, направленнымив сторону объектива.Кроме того, с увеличением угла Ъкоэффициент отражения от поверхностичастицы лучей, попадающих в апертуруобъектива, стремится к своему минимальному значению, равному ( " 1 )к 0+1при Ь = 1, что накладывает более высокие требования на чувствительностьрегистрирующей системы к слабым световым потокам.Таким образом, известный способ.определения размеров прозрачных микрочастиц имеет следующие недостатки:а) при облучении прозрачных сферических микрочастиц часть облучающегосветового потока фокусируется микрочастицей,. за счет чего в плоскостиизображения регистрирующей системырядом с отраженной точкой появляетсяточка с большей яркостью. В результате, для разрешения отраженной точкина Фоне точки пРеломлений. :требуетсяприменение аппаратуры с высоким динамическим диапазоном по яркости. Однако даже в этом случае точность измерений невелика, так как наличие дифракционной структуры вокруг иэображения преломленной точки не позволяетточно определить положение точки отраженной;б) при определении размеров частиц, используя преломленные точки (и производя вычисления по другим формулам),точность измерений зависит от положения отраженной точки. Это связано стем, что наличие отраженной точки приводит к раэмытию изображения преломленной точки;в) ограничивается нижний предел измеряемых размеров микрочастиц, например для микрочастиц из воды размером 15 мкм.Цель изобретения - воэможность определения раэ.ров прозрачных частиц с одновременным повышением точности измерений.Поставленная цель достигается тем, что облучающие световые пучки направляют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы, а угол между ними устанавливают согласно зависимости:798552 7тической оси объектива регистрирующейсистемы, причем величина 0 определяется выражением (6). В то жевремя,как следует из этого же выражения,б = 0 при п = 1,617, Поскольку значение и отличается от п1,5 и отпн-" 1,7 не более, чем на 6,5, тов этом диапазоне показателей преломления можно облучать микрочастицуодним световым пучком, направленнымсо стороны объектива, вдоль его оптической оси, При этом фокусировка лучей на поверхности частицы происходит только для и = 1,617, а прии1,617 может возникнуть дополнительная ошибка в определении за счетсмещения точки фокусировки в меридиональной плоскости от поверхности частицы. Расстояние Ь , на которое смещается точка фокусировки от поверхности частицы при Ы = О, дается формулой: 20Ьп -Ь48При изменении и от 1,5 до 1,71. меняется от -1,25 й - фокусировка лучейвнутри частицы, до 0,192 - фокусировка вне частицы, Следовательно, ошибка за счет этого эффекта меньше ошибки, возникающей из-за наличия точкиФокусировки в сагиттальной плоскости,Поэтому для всех п от 1,498 до 1,7можно облучать частицу оДним световымпучком без ухудшения точности измерений.Осуществление предлагаемого способа происходит следующим образом.Рабочий объем с находящимися в неммикрочастицами помещают в поле зренияобъектива регистрирующей системы.Апертуру объектива, его фокусное расстояние, а также поле зрения объектива выбирают исходя из необходимой точ ности измерений, Объем освещаетсядвумя широкими световыми пучками, направленными со стороны объектива подуглом к его оптической оси, причемвеличина этого угла вычисляется по из вестному показателю преломления микрочастицы заранее с помощью (6),Если величина показателя преломления лежит в пределах от 1,498 до 1,7,то микрочастицу облучают одним световым пучком, направленным вдоль оптической о и объектива регистрирующейсистемы. Получив изображение микрочастицы в виде двух светящихся точек,фиксируют его, например на фотопленку,измеряют расстояние между ними, и,зная увеличение регистрирующей системы находят истинный размер микрочастицы с помощью (5), (7). Одновременнос измерением размеров микрочастиц можно, применив синхронные импульсные облучающие источники света, определитьтраектории движения частиц в поле зрения объектива регистрирующей системы.и скорость движения частиц,- Предлагаемый способ измерения размеров прозрачных сферических микрочас.тиц позволяет избежать применения регистрирующей аппаратуры с высоким разрешением по яркости, а также устранитьошибки в измерении размеров микрочастицы, присущие известному способу.1(роме того, способ позволяет расширить:диапазон измеряемых размеров микрочастиц. Формула изобретенияСпособ определения размеров сферическихмикрочастиц,включающий облучение частиц двумя световыми пучками, расположенными под острым углом друг к другу, получение при этом на экране регистрирующей системы от каждой частицы двух световых точек., по расстоянию между которыми судят о размерах частиц, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью определения размеров прозрачных частиц, облучающие световые пучки направляют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы, а угол между ними устанавливают согласно зависимости: 2 Ы =ВО 1 с 51 ь- - -4 с 1 Рсэп 4 Ьб 15где 2 с 6 - угол между световыми пучками 1п - показатель преломления вещества исследуемых частиц. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США Р 3563660,кл. С 01 И 15/02, опублик. 16,02,7 1,2, Авторское свидетельство СССР 9 387265, кл. С 01 И 15/02, 08.12,69798552Составитель О.Алексеева Редактор Т.кугрцшева Техред И. Голинка Корректор М.ВигулаПодписное Эаказ 10010/51 Тираж 918 вНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам иэобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушскан наб., д, 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4