研究论文集（理论篇）－－论文六：用激光粒度仪测量大颗粒时使用衍射理论的误差

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@2006珠海欧美克科技有限公司专业知识普及文档 论文六 用激光散射法测量大颗粒时使用衍射理论的误差 内容简介 激光粒度仪是根据光的散射原理测量颗粒大小的。光的散射现象可以用米氏(Mie)理论严格描述，但是米氏理论的数值计算非常复杂。传统的看法是：：当颗粒远远大于光波长(>2pm)时，其散射可以用相对比较简单的夫朗和费(Fraunhoff) 衍射理论描述。本文作者通过实验发现，用衍射理论分析大颗粒的散射光能数据时，会在 lum 附近“无中生有”出一个粒度分布峰来。本文首先描述和分析了上述现象，然后用光学理论进行了解释，证实这是由衍射理论的误差造成的，最后指出只有当颗粒的折射率带有虚部，9即颗粒具有吸收性时，衍射理论才能在激光粒度仪中使用。 用激光散射法测量大颗粒时使用衍射理论的误差 张福根(珠海欧美克仪器有限公司广东珠海) 荣跃龙(珠海欧美克仪器有限公司广东珠海) 程路 (南开大学物理系) 摘要 从实验数据、物理和几何光学的定性分析及Mie 理论的严格计算等三个方面证明了即使是远远大于光波长的颗粒的散射光场，其实际光能分布与衍射理论给出的结果之间也有不可忽略的误差：表现为较大散射角上实际的散射光能远大于衍射理论光能。按照衍射理论的计算结果，这一误差等效于1mm左右的颗粒产生的光能分布。如果颗粒对光具有吸收性，则误差将显著减少。 关键词：衍射；Mie散射；光能分布 引言 在激光散射测粒领域，，人们普遍认为较大颗粒(一般都指直径大于 2mm 的颗粒)的光散射可以用该颗粒的投影圆片的衍射来描述。然而作者在多年的激光测粒实际工作中，发现即便是直径大致为100-200mm 的颗粒，用衍射理论推算的分布与实测光能分布之间也存在明显的差异。本文首先给出一组实测结果与衍射理论结果的比较，指出其差异，然后从物理光学、几何光学以及Mie理论等几个方面对这种现象进行了分析，最后得出用衍射理论计算大颗粒的散射光能分布在一般情况下是有很大误差的，并且这种误差会导致对被测样品粒度分析的错误。 L·衍射理论光能与实测光能的差异 笔者在用国家标准物质研究中心公布的GBW(E)12条列标准粒子(直径均大于2mm)校准激光粒度仪时，发现在较大散射角上实测光能显著大于理论计算光能，如图1如示。 图1 实测光能分布与理论值的比较(细线表示实测光能分布粗线表示衍射理论光能能布) 在此各种光能分布都作了归一化处理，即把1-32单元上的总光能规定为1。从图中可以看出。衍射理论光能与实测光能在24单元以前的变化趋势基本一致(高度相差较大系归一化处理所致)，但在24单元以后，衍射理论值越来越小，而实测值则越来越大。在此把这种现象称作“翘尾”。该现象有以下三种可能的解释： (1)标准粒子中混有相当数量的极细( 关闭