了解光學激光粒子計數器的發展曆程

2015-02-20 11:54:00 admin

了解光（guāng）學（xué）激光粒子計數（shù）器（qì）的發展曆程

光學激光粒子計數器是隨著（zhe）工業生產對生產環境潔淨度要求的不（bú）斷提高而逐（zhú）步發展（zhǎn）起來的。國外光學激光粒子計數器發展迅速，形式多樣，性能穩步提升。美國在二十世紀八十年代生產出采樣量為28.3L/min的大流量（liàng）激光粒子計（jì）數器，九十年代生產出最小可測（cè）量粒（lì）徑（jìng）為0.1μm的（de）粒子（zǐ）計數器。九十年代初，粒子計數器的測（cè）試時間整個過程已縮短為1分鍾，同時檢測的對象不僅是空氣成份，也用於液體的檢測（cè）。且已實現對單分散散射光場的（de）二維分布的測定，對亞微米粒子的幾何結構的直接測定。

    我國的潔淨技術和設備與國外先進國家相比差距是明顯的（de），國內在二十世紀（jì）70年代開始研製和生產這類儀器，同時研製出標定這類儀器用的標準粒子。1975年開始生產的光散射激光粒子計數器比國外晚了二十年。當時的儀器采樣流量隻能做到300ml/min和1 L/min，光源為普通白（bái）光（guāng）。0.1μm潔淨技術和設備在國際上先進國家己成為（wéi）成熟技術，我國則在90年代剛剛起步。一直在致力於（yú）激光粒子計數器精度的提高，2005年利用齊明鏡設計的粒子計數器精度可以達到（dào）0.18μm。

    回顧國外激光粒子計數（shù）器的（de）發展曆史，17c.com可以從幾個方麵來加以認識。從光源來劃分（fèn）可以分為以（yǐ）白光作為光源，以He-Ne激光作為光源，以半導（dǎo）體激光器作為光源三種。下麵以白光照明的近（jìn）前向散射光收集形式的粒子計（jì）數器為例做一下簡單介紹。如圖1.2.1所示，基本結構是照明孔徑半角為5o，光陷阱消光半角為160，粒子散射光被探測器收集的最大半角（jiǎo）為160-250。此類激光粒子計數器的最小分辨粒徑在0.3μm或（huò）以上，因為白光（guāng）照明時光敏區（qū）強度不夠高，其光學收集係統較小，像差、色差、雜光等等缺陷，使白光激光粒子計數器的信噪比較低。同時其照明方式（shì）為臨界照明，光敏區（qū）光強是隨著燈（dēng）絲鬆散的周期性結構而變化，燈絲像引起的光敏區光強不均勻，從（cóng）而形成較（jiào）大程度的漏計和誤記。

       圖1白光照明近前向收集散射光粒子計數器結構示意圖

上世紀六十年代以來，由（yóu）於激光的出現，為光學（xué）激光粒子計數器提供了大功（gōng）率（lǜ）、高亮度、穩定性好的照明（míng）光源。由於激光光束強度高，在光（guāng）敏區中的光（guāng）照度遠大於白光，且（qiě）譜線單一，光束規則，易獲得（dé）較高的信噪比，大大提高了激光粒子計數器的靈敏度。

激（jī）光光（guāng）源中，He-Ne激光器的優點（diǎn）是激光強度穩定，缺點（diǎn）是光敏區（qū）光強均勻性差，功率（lǜ）低（dī），體（tǐ）積較大，且需要高壓供電。半導體激光器的使（shǐ）用大大減小了傳感器的體積並且較He-Ne激光器提高了光敏區（qū）光強均勻性，但是半導體激光器的激光光（guāng）束不穩定。

以上是根據照明光源（yuán）的分類，下麵根據照明光軸和散射光收集係統光軸的關係（xì），可以分為近（jìn）前向散射光收集結構和側向散射光收集（jí）結構[29]。近前向散射光收集形式結構如圖1.2.1所示（shì），側向（xiàng）散射光收集結構如圖1.2.2所示，即照明光軸（zhóu）與散射光收集光軸不在一（yī）條直線上，相互之間的夾角不等於Oo，圖1.2.2的夾角（jiǎo）為90度，這是最（zuì）常見的結構。

圖1.2.2側向散射光收集形式結構示（shì）意圖

根據光敏區與光諧振腔（qiāng）的（de）位置關（guān）係，通（tōng）常將光學傳感器分為內腔式和外腔式。根據激光器工作原理，激光器產（chǎn）生激光的前（qián）提條件是介質必須實現能（néng）級間的粒子數密度反轉，或者增益係數G>0。但是光波在實現了粒子數（shù）密度反轉分布的介質中傳播時還有（yǒu）各種損（sǔn）耗，主（zhǔ）要是激光工作物質的內部損耗和鏡麵損耗。因此，對於單頻腔式激光器，在理想情況下，腔內平均光強為

（1）

式中，I’為飽（bǎo）和光強，t1為透射係數（shù），a1為輸出反射鏡的（de）鏡麵損耗係數，GP0為非均勻增（zēng）益型介質的小訊號增益（yì）係數，L為增益介質的（de）長度。激光器輸出的光強為

（2）

由於tl <<1，故腔內光強遠比腔外光強大，約為100倍。所以內腔式激光粒子計數器大大提高（gāo）了光敏感區的照明光束強（qiáng）度，進一步減小了最小可探（tàn）測粒徑，滿足工業生產的需要。

    另外，也有的文獻從采樣流量來劃分，普遍的（de）有采樣流量為0.283L/min（0.01 cfm），2.83L/min（0.1cfm）, 28.3L/min（1.0cfm），這主要（yào）是激光粒（lì）子（zǐ）計數器廠家根據不同測量要求設計的，也有根據粒徑測量檔別來劃分的，這也是根據實際的用途設計和製造的。