Способ определения размеров сферичес-ких микрочастиц

Способ определения размеров сферичес-ких микрочастиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советсиик

Социалистических

Республик

<и1798552 (61) Дополнительное к авт, сеид-ву (22) Заявлено 060478 (21) 2600017/18-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 230181. Бюллетень Н9 3

Дата опубликования описания 2 30 1.8 1 (5 )М „з

G 01 N 15/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) ДК 543, 27 5. 3 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В.Я.Коровин и Ю.В.Толстиков (71) Заявитель

Институт экспериментальной метеорологии (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ

СФЕРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦ

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 микрочастиц, 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 f1) .

Однако этот способ не дает информации о пространственном движении частицы, а в случае, когда производятся измерения частиц с близкими размерами, сложна практическая реализация этого способа.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения размеров микрочастиц, обладающих зеркально гладкими поверхностями, заключающийся 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 f,2).

Однако испольэовать этот способ для определения размеров прозрачных сферических микрочастиц затруднительно. Для таких частиц мал коэффициент отражения светового потока от их поверхности. 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 пучков отраженных. Поэтому для наблюде79В552 ния слабо светящихся точек, соответствующих отраженным от поверхности микрочастицы пучкам, на фоне находящихся в непосредственной близости от них ярких точек, соответствующих преломленным микрочастицей пучкам, необходимы устройства с большим динамическим диапазоном разрешения по яркости (далее укаэанные точки называются со-2 ответственно отраженной и преломленной точками) . Более того, при некоторых условиях наблюдение отраженных точек вообще невозможно.

Это происходит в том случае, когда отраженная и преломленная точки, возникающие от разных облучающих пучков, начинают сливаться, т.е. Рассто- 15 яние м жду ними ь становится равным величине дифракционного предела разрешения. объектива системы регистрации

Л = 1,22 % /A где 1 - длина волны облучающего светового потока; А — 29 числовая апертура объектива. С уменьшением угла Ь между облучающим световым потоком и оптической осью объектива системы регистрации Ь растет.

При малых Ъ 25 ь lz(<-ц„) I, где и — показатель преломления вещества микрочастицы. Так как A (>>>

1 .то наибольшее значением составляет ©

HQKc ) 2.(i-ц>) > где R — радиус микрочастицы. Для регистрации отраженной точки необходимо, чтобы

66>Q® 7Ü, откуда вытекает ограничение на R. При n=l,ЗЗ,А=0,1,1=0,5 мкм, И,> 7,5 мкм. Это ограничение является также недостатком известного способа определения размеров микрочас-40 тиц.

Можно выбрать угол Ь таким образом, .что в апертуру объектива системы регистрации не попадут лучи, преломленные микрочастицей. Для этого необхо- 4$ димо, чтобы Ъ был больше Ьгр где . Ь определяется формулой:

cps - =-„ )

Следует отметить, что при п>1,08 50 (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) Ю ), что уже не удовлетворяет требованию, изложенному в известном способе (2Ь— острый). Если все же при Ь7 Ь р. для определения размеров прозрачной сферической микрочастицы применять известный способ, то величина относи- 60 тельной погрешности Р в определении радиуса частицы определяется формулой:

Х

Поскольку Ъоо,,то 1 уь о> — 1) /2.

При n-=1,33, А=O 1 и 6Ъ, Как следует иэ приведенной выше формулы,F увеличивается с ростом б .

Поэтому для сохранения точности измерений должно быть наложено ограничение не только на величину угла между облучающими световыми пучками, но и на величину угла между каждым из пучков и оптической осью объектива ре-. гистрирующей системы.

Следовательно, при измерении размеров микрочастиц по известному способу, необходимо облу ать микрочастицы световыми пучками, направленными в сторону объектива.

Кроме того, с увеличением угла Ь коэффициент отражения от поверхности частицы лучей, попадающих в апертуру объектива, стремится к своему минимальному значению, равному (" 1 ) (о

>1+1 при Ь = >, что накладывает более высокие требования на чувствительность регистрирующей системы к слабым световым потокам.

Таким образом, известный способ. определения размеров прозрачных микрочастиц имеет следующие недостатки: а) при облучении прозрачных сферических микрочастиц часть облучающего светового потока фокусируется микрочастицей,. за счет чего в плоскости изображения регистрирующей системы рядом с отраженной точкой появляется точка с большей яркостью. В результате, для разрешения отраженной точки на фоне точки .пРеломлений. :требуется применение 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 позволяет точно 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 с тем, 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> еров 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 эависимости

36-и

L»

2 с =8агсв п — — -4агсв п

15 15

798552

5

t0

И

25 ь 30

4

4(. 4arC sin п

R=R /sin 3.

Таким образом, чину угла ck (угол

4& -и 1; д (б) (7) выбрав по (6) велиар — острый уже при 65 где 2о — угол между световыми пучками

n — показатель преломления вещества исследуемых частиц.

На чертеже изображен ход лучей в меридиональном сечении микрочастицы.

Световые пучки 1 и 2 падают на про зрачную сферическую частицу 3 со стороны объектива 4 регистрирующей системы под углами о относительно оптичес- кой оси объектива 00 и преломляются частицей. При этом часть лучей из пучков 1 и 2, падающая на поверхность частицы под углом i, отражается от

I поверхности частицы в точках А и А фокусируется в точках B и В, а затем попадает в апертуру объектива (в общем случае, точки В и В не лежат на ! поверхностй микрочастицы). Таким образом, частица видна в микроскоп в ви де двух точек, являющихся изображениями точек В и В .

Обозначим расстояние между точками

В и В через 1R . Простые геометрические построения и использование одного из основных законов оптики, свя зывающего угол падения светового пучка на поверхность частицы, угол преломления этого пучка, показатель преломления вещества микрочастицы (закона Снеллиуса) позволяют получить связ между R u R в виде системы уравнений

Решение этой системы в общем случае весьма затруднительно и связано с большой погрешностью в определении истинного размера частицы R. Процедуру вычисления R можно существенно упростить, если выбрать угол таким, что бы точки В и В находились на поверхности частицы. Справедливы следующие соотношения :

sin#/sine = n (1) с = 4r — 2 i + Jh (2) где i — - угол, под которым световой

Фуч из освещенного пучка, попадающий в середину апертуры объектива, падает на поверхность микрочастицы;

r - угол преломления указанного луча;

f6 — угол между оптической осью объектива и рассматриваемым лучом после прохождения его через частицу.

При использовании длиннофокусного объектива углом )о можно пренебречь.

Условием фокусировки преломленного пучка на поверхности частицы является требование: g,где ы =в+1+с -4r (3)

Из (1) - (3) получаем при J5 (< 1: 55 (4) п ð 1,1), с помсщью (5) вычисляем величину sin i, а с помощью (7 ) по известным величинам R н увеличению регистрирующей системы определяем истинный размер частицы. Используя соотно шения (1-3), можно получить выражение для относительной ошибки измерения размера микрочастицы при ошибке Ь с в измерении угла о :Ер — - Д. . При изменении и от 1,1 до 1,7 величина tq меняется от 9,95 до 8,18. Поэтому при

Ъ вЂ” 1 5 f Ж 0,5% . Величина ошибки в измерении размера микрочастицы, связанная с неточностью определения ее показателя преломления, вычисленная с помощью (5), (7), равна Р - - (/ -А(1-) где - - — относительная ошиб/ h ка иэмерения и. При F 0,5% необходимо, чтобы ф — 6% °

Все приведенные выше рассуждения не учитывают тот факт, что наряду с фокусировкой лучей в меридиональной плоскости частицы происходит фокусировка в перпендикулярной (сагиттальной) плоскости, причем, в общем случае, эти точки фокусировки не совпадают. При этом может возникнуть ошибка, связанная с неточностью наводки объектива регистрирующей системы на точку, соответствующую фокусировке лучей s меридиональной плоскости.

Можно показать, что расстояние между рассматриваемыми точками фокусировки равно 4 -„„-тонин, тто приводит к относительной ошибке в измерении размеров микрочастицы:

4-п сов

R 4-Ьъ sinai (в данном случае углом ).пренебречь нельзя). Если ограничиться значениями n < 1,7, что не уменьшает общности рассмотрения, так как большинство веществ в видимом диапазоне спектра удовлетворяет указанному ограничению, то f 4 3,4 )Ъ . Если положение микрочастицы не фиксировано в поле зрения объектива системы регистрации, то это накладывает ограничение на размер поля зрения L, поскольку Р 4L /2F, где

F — фокусное расстояние объектива.

Для объектива с F = Зсм f не превышает 2%, если поле зрения не более

350 мкм.

С увеличением и возникает случай, когда от одного облучающего светового потока регистрируются две светящиеся точки. Граничное значение показателя преломления и при котором появляется вторая светящаяся точка от одного светового пучка, определяется иэ соотношения:

1-Ь 1 9 1 где и* = 1,498.

Таким образом, пРи n)n* ДлЯ измерения размеров мйкрочастиц можно использовать один облучающий световой пучок, направленный под углом сМ к оп798552

7 тической оси объектива регистрирующей системы, причем величина 0 определяется выражением (6). 8 то же время, как следует из этого же выражения, з6 = 0 при и = 1,617 . Поскольку значение и отличается от и* 1,5 и от

nèðêñ = 1,7 не более, чем на 6,5%, то в этом диапазоне показателей преломления можно облучать микрочастицу одним световым пучком, направленным со стороны объектива, вдоль его оптической оси. При этом фокусировка лу- 1О чей на поверхности частицы происходит только для n = 1,617, а при

n g 1,617 может возникнуть дополнительная ошибка в определении за счет смещения точки фокусировки в меридио- ll5 нальной плоскости от поверхности частицы. Расстояние l, на которое смещается точка фокусировки от поверхности частицы при Ы = О, дается формулой: 20

Ьп --8

4„8

При изменении и от 1,5 до 1,7(. меняется от -1,25R — фокусировка лучей внутри частицы, до 0,19R — фокусиров- 25 ка вне частицы, Следовательно, ошибка за счет этого эффекта меньше ошибки, возникающей из-за наличия точки фокусировки в сагиттальной плоскости.

Поэтому для всех и от 1,498 до 1,7 можно облучать частицу одним световым пучком без ухудшения точности измерений.

Осущестнление предлагаемого способа происходит следующим образом.

Рабочий объем с находящимися в нем микрочастицами помещают в поле зрения объектива регистрирующей системы.

Апертуру объектина, его фокусное расстояние, а также поле зрения объектива выбирают исходя из необходимой точ-40 ности измерений. Объем освещается двумя широкими световыми пучками, направленными со стороны объектива под углом к его оптической оси, причем величина этого угла нычисляется по из gg нестному показателю преломления микрочастицы заранее с помощью (6), Если величина показателя преломления лежит в пределах от 1,498 до 1,7, то микрочастицу облучают одним свето- go вым пучком, напранленным вдоль оптической о и объектива регистрирующей системы. Получив изображение микрочастицы н 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). Одновременно с измерением размеров микрочастиц можно, применив синхронные импульсные облучающие источники света, определить траектории движения частиц в поле зрения объектива регистрирующей системы. и скорость движения частиц, — Предлагаемый способ измерения размерон прозрачных сферических микрочас .тиц позволяет избежать применения регистрирующей аппаратуры с высоким разрешением по яркости, а также устранить ошибки в измерении размеров микрочастицы, присущие известному способу.

Кроме того, способ позволяет расширить: диапазон измеряемых размеров микрочастиц.

Формула изобретения

Способ определения размеров сферических микрочастиц, 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, отличающийся 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: где 2о — угол между световыми пучками j и — показатель преломления вещества исследуемых частиц.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3563660, кл. G 01 N 15/02, опублик. 16.02.7 1, 2. Анторское свидетельство СССР

9 387265, кл. G 01 N 15/02, 08.12,69 (прототип).

798552

Составитель О.Алексеева

Редактор Т.Кугрцшева Техред И. Голинка

Корректор М.Вигула

Подписное

Эаказ 10010/51 Тираж 918 вНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4