WO2014065694A1 - Method and device for optically measuring the distribution of characteristics of dispersed particles in liquids and gases - Google Patents
Method and device for optically measuring the distribution of characteristics of dispersed particles in liquids and gases Download PDFInfo
- Publication number
- WO2014065694A1 WO2014065694A1 PCT/RU2012/000927 RU2012000927W WO2014065694A1 WO 2014065694 A1 WO2014065694 A1 WO 2014065694A1 RU 2012000927 W RU2012000927 W RU 2012000927W WO 2014065694 A1 WO2014065694 A1 WO 2014065694A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- radiation
- scattering
- scattered
- distribution
- particles
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
- G01N15/0211—Investigating a scatter or diffraction pattern
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
- G01N21/51—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid inside a container, e.g. in an ampoule
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means, e.g. by light scattering, diffraction, holography or imaging
- G01N15/0211—Investigating a scatter or diffraction pattern
- G01N2015/0222—Investigating a scatter or diffraction pattern from dynamic light scattering, e.g. photon correlation spectroscopy
Definitions
- the invention relates to the field of optical diagnostics of physical media and can be used in instruments designed to measure the distribution of micro- and nanoparticles in liquids and gases, in particular, their concentration and size.
- Dispersed particles under the conditions of their production and / or existence, as a rule are not monodisperse. Therefore, quantitative information about their fractional composition, that is, about the distribution of particle sizes, is required at all stages of the creation and production of the corresponding products (pharmacological, food, etc.), as well as in rapid analyzes in biology and copper - tsine. In this case, measurements, as a rule, must be performed reliably, quickly and efficiently (on a time scale close to real).
- the sizes of micron particles are usually determined using optical microscopes and diffractometers, and nanoparticles, in most cases, using electron or scanning probe microscopes.
- the cost of high-resolution electron microscopes is very high (from 500 thousand US dollars or more).
- they are difficult to use and fundamentally unsuitable for the study of particles that exist only in the liquid phase (for example, many nanostructured drugs and biological fluids). Adjusted for a slightly lower price, the above also applies to scanning probe microscopes. Due to the fundamental impossibility of promptly taking measurements and the complexity of sample preparation, the use of such devices in the production process is a very difficult task. Even more complex is the task of adapting them to the nanoparticle manufacturing process.
- the Stokes model is based on the solution of the problem of the motion of a spherical particle in a viscous medium.
- the problem of measuring the size of nanoparticles by means of dynamic light scattering spectroscopy is far from successful completion.
- This method leads to significant errors due to the instability of the solution of the inverse problem scattering theory.
- it is necessary to improve both the instrumental part of obtaining information and the methods of analyzing the characteristics of the scattered signal.
- the prototype of the invention can serve as patent RU 2370752, G01N15 / 02, 2009 [1].
- This patent [1] describes a method for determining the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases by transmitting a laser beam through the analyzed medium, followed by measuring fluctuations in the radiation power scattered by the particles under study at relatively large angles with subsequent joint mathematical processing of the data obtained by solving the integral equation of the inverse scattering problem for radiation scattered at specified angles.
- an appropriate device for measuring the distribution of the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases containing a probe laser with an optical path for transporting laser radiation, a working cell with the studied medium installed in the path of the latter and placed in a plane laser beam scattering are single-element photodetectors located at different relatively large angles for detecting fluctuations in the power of radiation scattered by particles, each with a node Signal processing associated with a computer for the subsequent processing of all signals to obtain the desired result.
- the method and device according to [1] are based on measuring the fluctuation spectra of the power of scattered laser radiation.
- the scattering of radiation by particles performing Brownian motion is accompanied by an increase in the width of the spectrum of the initial radiation — diffusion broadening.
- the width of the spectrum of the scattered light is proportional to the coefficient of translational diffusion.
- the analyzed distribution of frequency shifts of the scattered radiation is approximated by Lorentz curves that determine the contribution of particles of a certain size. In the case of a polydisperse system, when W 201
- the task of the measuring device is to register the indicated frequency changes against the background of the frequency range ⁇ 10 15 Hz typical of laser radiation, and the required resolution of the measuring circuit of the device should be about 10 13 -N0 14 .
- Such high resolution requirements for comparison, in the best optical devices it is 10 4 -CH0 6
- the requirement to achieve a high dynamic range of the signal recorded by photodetectors up to 6-8 orders of magnitude
- the technical result achieved by the invention is to increase the accuracy of measuring the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases while increasing the reliability of the mathematical processing of measuring information.
- the specified technical result in part of the method is ensured by the fact that in the method for determining the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases by passing a laser beam through the analyzed medium, followed by measuring fluctuations in the radiation power scattered by the particles under study at relatively large angles subsequent joint mathematical processing of the obtained data by solving the integral equation of the inverse scattering problem for radiation scattered under the indicated angles, according to the invention, additionally measure the intensity distribution of scattered radiation at small scattering angles, and the solution of the integral equation of the inverse scattering problem is carried out taking into account the obtained data of additional measurements.
- small-angle scattering is preferably analyzed by constructing a scattering diagram for the static part of the scattered radiation signal.
- the device for measuring the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases containing a probe laser with an optical path for transporting laser radiation, is installed in the path of the last working cell with the medium under study and - single-element photodetectors located in the scattering plane of the laser beam, located at relatively large angles to it to detect fluctuations in the power scattered by the particle radiation of, each provided with signal preprocessing unit, svya- bound to the computer for further processing of signals obtained cheniem desired result, according to the invention further keeps the matrix co photodetector for registering low-angle diagrams we have scattered radiation and a lens that collects the light beam transmitted through the working cell, and the indicated matrix photodetector is located in the focal plane of the specified lens and, like single-element photodetectors, is equipped with a preliminary processing unit for the signals generated by it.
- a device for rotating the plane of polarization of radiation can be installed in front of the working cell in the path of the probe laser beam, and a polarizer is installed in front of each photodetector to isolate the vertical or horizontal component of the polarized scattered radiation.
- a causal relationship between the distinguishing features of the invention and the indicated technical result is that in the claimed invention two combined approaches harmoniously complement each other to the optical measurement of the laser beam scattered by the particles being investigated - by measuring single-element photodetectors of dynamic scattering under the relatively large angles of fluctuations in the radiation power and the measurement using a matrix photodetector of the time-averaged small-angle diffraction scattered by the same micro- or nanoparticles of the same laser radiation distributed in a liquid or gas.
- the combination of these two methods in principle allows one to reduce the number of used single-element photodetectors to one, which can greatly simplify the measuring circuit.
- Figure 1 shows a schematic diagram of a device according to the claimed invention
- figure 2 - radiation patterns of small-angle scattered radiation according to [2].
- a device for measuring the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases comprises a probe laser 1 with an optical path for transporting laser radiation (not shown), installed on the path of the last working cell 2 with the studied medium and placed in the scattering plane of the laser beam in this example, four single-element photodetectors 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 located at different relatively large angles to it to detect fluctuations in the power of the particle scattered by the particle x rays.
- the device further comprises an array photodetector 4 for recording a small angle scattered radiation pattern and a lens 5 collecting a light beam transmitted through a working cell, said matrix photodetector 4 being located in the focal plane of said lens 5.
- the lens may include a spatial filter to reduce effects of direct radiation.
- Each of the single-element photodetectors 3.1-3.4 and the matrix photodetector 4 are equipped with signal preprocessing units (not shown) connected to a computer (not shown) for subsequent processing of all signals to obtain the desired result.
- a device 6 for turning the plane of polarization of radiation can be installed in front of the working cell 2 in the path of the probe laser beam, and a polarizer 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, respectively, can be installed in front of each photodetector to isolate the vertical or horizontal polarization component of the scattered radiation.
- the small-angle scattering method is applicable for the study of particles of comparable or large wavelengths of probe radiation.
- the characteristic diffraction angle ⁇ / D where ⁇ is the wavelength of the probe radiation, D is the characteristic diameter of the scattering particle, must be consistent with the angular diameter of the matrix photodetector and cannot be less than the angular diameter of one pixel of its matrix.
- ⁇ the wavelength of the probe radiation
- D the characteristic diameter of the scattering particle
- the signal from particles with a characteristic size less than ⁇ (0.63 ⁇ m for the laser we use) in the method of dynamic light scattering can be analyzed quite reliably. At the same time, these particles are problematic in the method of small-angle light scattering.
- the combination according to the invention under consideration of the method of dynamic light scattering with the method of determining particle sizes based on the study of small-angle diffraction of laser radiation is harmoniously combined, since both methods in this case are based on the use of the same technical solutions - analysis of laser radiation scattered by suspended in liquid or gas, micro- or nanoparticles.
- the operation of the device according to the invention is as follows. Laser beam 1 with a power of 1 to 100 milliwatts enters cell 2 with the medium under study.
- the beam is partially scattered by micro or nanoparticles contained in a liquid or gas. Most of the incident radiation does not scatter or scatter at small angles. This radiation is detected by a matrix photodetector 4. A small part of the beam, having scattered at large angles on nanoparticles, enters photodetectors 3.1-3.4. Depending on the permitted direction of polarizers 7.1–7.5, located in front of the respective photodetectors, radiation with vertical or horizontal polarization is incident on their sensitive elements. The beats of the scattered optical signal in photodetectors 3.1–3.4 turn into fluctuations of the photocurrent. Further, these fluctuating electrical signals are processed in a computer. Signals are formed on the pixels of the photodetector array 4, which characterize a small-angle diagram of scattered radiation.
- the results are obtained after solving the complex inverse scattering problem, which will be described later.
- the final results are presented in a user-friendly form, for example, in the form of graphs or tables containing the sizes and concentrations of particles in the measured liquid or gas.
- the device 6 for turning the plane of polarization of the probe laser beam serves to select the horizontal or vertical direction of the plane of polarization of the radiation incident on the medium under study. It can be implemented in various ways: in the form of interchangeable mechanical polarizers, or in the form of an electronic device, for example, based on the Faraday effect. Depending on whether the directions of the allowed polarization planes of the probing radiation and photodetectors are aligned or crossed, the polarized or depolarized scattered radiation is measured.
- the method of mathematical processing of signals received by photodetectors 3.1-3.4 is as follows: the full spectrum of the scattered At any given angle of radiation, a medium can be represented as a decomposition into individual scattering spectra of particles of the same size. When scattered by 90 D, depolarized radiation occurs only for particles that do not have spherical symmetry, and can serve as an indicator of their presence in the scattering volume. In scattering at arbitrary angles, the depolarization of radiation during scattering is not so informative, however, in scattering at small angles, the role of depolarization is underestimated. For fluctuations in the power of scattered radiation, we have:
- ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) is the contribution to the signal received at the photodetector 3, installed at an angle ⁇ to the incident radiation from light scattered by particles with a characteristic diffusion broadening G. Since the scattering of a photon by submicron particles can be considered absolutely elastic, for the wave vectors of the photon before the scattering of Co and after the scattering of KE, the following relation holds :.
- D r is the diffusion coefficient of particles, the spectrum of scattered radiation on which is described by the Lorentz curve with a half-height width equal to G.
- ⁇ is the viscosity of the solution
- k is the Boltzmann constant
- T is the absolute temperature
- R is the hydrodynamic radius of the particle.
- a time-averaged signal can be obtained that depends in the small-angle approximation only on the scattering angle, which enters through the previously transmitted wave vector q.
- the time-averaged signal at each pixel can be written as a decomposition of the signals obtained by scattering by particles of different sizes:
- I R (q) is the signal normalized to a unit concentration from particles of radius R.
- B (R) is the concentration of particles with radius R.
- ⁇ 1 1, ie the scattered radiation is concentrated in a small angular region near the primary beam.
- Fig. 2 shows the radiation patterns of the scattered radiation.
- the decimal logarithms of the normalized scattering intensities of the incident radiation by particles of various shapes with the same characteristic dimensions are plotted along the vertical axis.
- the qR parameter is plotted along the horizontal axis, which is self-similar for particles of different sizes but of the same shape.
- the curves are numbered: 1 - a spherical layer; 2 - three-axis ellipsoid with an axis ratio of 0.5: 1: 1.5; 3 - four contacting ellipsoids of revolution; 4 is a cast model with characteristic dimensions of model 3.
- Equations (1) and (2) are fundamental to the mathematical processing of data according to the invention. For their direct joint solution, it is necessary to establish a connection between the integrands ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) and OD).
- One of the possible specific areas of industrial application of this invention is to provide a wide range of tasks related to the technological control of the parameters of various powders (including nanopowders) in the process of their production, conducting an express analysis of the powders used for the manufacture of pressed materials, measurement and control parameters of solutions containing suspended objects, including an extensive range of biological and pharmaceutical solutions.
Abstract
The invention relates to the art of optical analysis of physical media. In order to determine the distribution of particle concentration and size, a laser beam is passed through the medium under analysis and fluctuations in the power of the radiation scattered at large angles by the particles under examination are measured. In addition, the intensity distribution of the radiation scattered at small angles is measured, for which purpose the device is provided with a detector array. The integral equation of the inverse scattering problem is solved taking into account the additional measurements obtained.
Description
Способ и устройство для оптического измерения распределения параметров дисперсных частиц в жидкостях и газах Method and device for optical measurement of distribution of dispersed particles parameters in liquids and gases
Область техники Technical field
Изобретение относится к области оптической диагностики физических сред и может быть использовано в приборах, предназначенных для изме- рения распределения в жидкостях и газах параметров микро- и наночастиц, в частности, их концентрации и размеров. Дисперсные частицы по услови- ям их получения и/или существования, как правило, не являются монодис- персными. Поэтому количественная информация об их фракционном со- ставе, то есть о распределении частиц по размерам, требуется на всех ста- диях создания и производства соответствующей продукции (фармакологи- ческой, пищевой и др.), а также при экспесс-анализах в биологии и меди- цине. При этом измерения, как правило, необходимо производить надежно, быстро и оперативно (в масштабе времени, близком к реальному). The invention relates to the field of optical diagnostics of physical media and can be used in instruments designed to measure the distribution of micro- and nanoparticles in liquids and gases, in particular, their concentration and size. Dispersed particles under the conditions of their production and / or existence, as a rule, are not monodisperse. Therefore, quantitative information about their fractional composition, that is, about the distribution of particle sizes, is required at all stages of the creation and production of the corresponding products (pharmacological, food, etc.), as well as in rapid analyzes in biology and copper - tsine. In this case, measurements, as a rule, must be performed reliably, quickly and efficiently (on a time scale close to real).
Предшествующий уровень техники State of the art
В настоящее время размеры микронных частиц обычно определяют с по- мощью оптических микроскопов и дифрактометров, а наночастиц - в большинстве случаев с помощью электронных или сканирующих зондо- вых микроскопов. Однако, стоимость электронных микроскопов высокого разрешения весьма велика (от 500 тысяч долларов США и более). Кроме того, они сложны в применении и принципиально непригодны для иссле- дования частиц, которые существуют только в жидкой фазе (например, многих наноструктурированных лекарственных препаратов и биологиче-
ских жидкостей). С поправкой на несколько меньшую цену сказанное от- носится и к сканирующим зондовым микроскопам. Ввиду принципиальной невозможности оперативного проведения измерений и сложности пробо- подготовки, использование таких приборов в производственном процессе является очень сложной задачей. Еще более сложной выглядит задача по их адаптации в технологический процесс производства наночастиц. At present, the sizes of micron particles are usually determined using optical microscopes and diffractometers, and nanoparticles, in most cases, using electron or scanning probe microscopes. However, the cost of high-resolution electron microscopes is very high (from 500 thousand US dollars or more). In addition, they are difficult to use and fundamentally unsuitable for the study of particles that exist only in the liquid phase (for example, many nanostructured drugs and biological fluids). Adjusted for a slightly lower price, the above also applies to scanning probe microscopes. Due to the fundamental impossibility of promptly taking measurements and the complexity of sample preparation, the use of such devices in the production process is a very difficult task. Even more complex is the task of adapting them to the nanoparticle manufacturing process.
Указанных недостатков лишены спектрометры, основанные на рассеянии света. Они позволяют измерять распределение частиц по размерам непо- средственно в жидкой среде, не требуя сложной подготовки проб, и могут применяться в промышленных производственных процессах. These disadvantages are deprived of spectrometers based on light scattering. They make it possible to measure the particle size distribution directly in a liquid medium, without requiring complex sample preparation, and can be used in industrial production processes.
В настоящее время широкое распространение получила оптическая диаг- ностика размеров микрочастиц, основанная на спектроскопии динамиче- ского (квазиупругого) рассеяния света. Она уже представляет в значитель- ной степени развитую экспериментальную методику, используемую как вариант спектроскопии высокого разрешения. Приборы, работающие на этом принципе, выпускаются несколькими производителями (Malvern - Zetasizer Nano ZS, Photocor - Photocor Complex, Particle Sizing Systems - Nicomp). Методы определения размеров дисперсных частиц на основе ре- гистрации квазиупругого рассеяния света основаны на идентификации частиц по эффективному коэффициенту диффузии, а заключения об их размерах строятся на основе моделей, связывающих коэффициент диффу- зии частиц с их эффективным размером. Широкое распространение полу- чила модель Стокса, связывающая подвижность частицы с ее характерны- ми размерами и с вязкостью среды. В основе модели Стокса лежит реше- ние задачи о движении сферической частицы в вязкой среде. Несмотря на существенные успехи таких методик, проблема измерения размеров нано- частиц путём спектроскопии динамического рассеяния света далека от ус- пешного завершения. Известны ситуации, когда данный метод приводит к существенным ошибкам в силу неустойчивости решения обратной задачи
теории рассеяния. Для более эффективной реализации метода необходимо совершенствование как инструментальной части получения информации, так и способов анализа характеристик рассеянного сигнала. At present, optical diagnostics of microparticle sizes based on spectroscopy of dynamic (quasielastic) light scattering has become widespread. It already represents a significantly developed experimental technique used as a variant of high resolution spectroscopy. Devices working on this principle are produced by several manufacturers (Malvern - Zetasizer Nano ZS, Photocor - Photocor Complex, Particle Sizing Systems - Nicomp). Methods for determining the size of dispersed particles based on registration of quasielastic light scattering are based on the identification of particles by the effective diffusion coefficient, and conclusions on their sizes are based on models that relate the diffusion coefficient of particles to their effective size. The Stokes model was widely used, which relates the mobility of a particle to its characteristic dimensions and to the viscosity of the medium. The Stokes model is based on the solution of the problem of the motion of a spherical particle in a viscous medium. Despite the significant successes of such techniques, the problem of measuring the size of nanoparticles by means of dynamic light scattering spectroscopy is far from successful completion. There are situations when this method leads to significant errors due to the instability of the solution of the inverse problem scattering theory. For a more effective implementation of the method, it is necessary to improve both the instrumental part of obtaining information and the methods of analyzing the characteristics of the scattered signal.
Прототипом предлагаемого изобретения может служить патент RU 2370752, G01N15/02, 2009 [1]. В указанном патенте [1] описан способ оп- ределения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах путём пропускания через анализируемую среду лазер- ного луча с последующим измерением флуктуаций мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах под относительно большими углами с последующей совместной математической обработкой полученных дан- ных путём решения интегрального уравнения обратной задачи рассеяния для излучения, рассеянного под указанными углами. Там же описано соот- ветствующее устройство для измерения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах, содержащее зонди- рующий лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излу- чения, установленную на пути последнего рабочую кювету с исследуемой средой и помещенные в плоскости рассеяния лазерного луча одноэле- ментные фотоприёмники, расположенные к нему под разными относи- тельно большими углами для регистрации флуктуации мощности рассеян- ного на частицах излучения, каждый с узлом предварительной обработки сигналов, связанным с компьютером для последующей обработки всех сигналов с получением требуемого результата. Способ и устройство со- гласно [1] основаны на измерении спектров флуктуации мощности рассе- янного лазерного излучения. Рассеяние излучения на частицах, совер- шающих броуновское движение, сопровождается увеличением ширины спектра исходного излучения - диффузионным уширением. Ширина спек- тра рассеянного света пропорциональна коэффициенту трансляционной диффузии. Анализируемое распределение сдвигов частоты рассеянного излучения апроксимируется кривыми Лоренца, определяющими вклад час- тиц определенного размера. В случае полидисперсной системы, когда
W 201 The prototype of the invention can serve as patent RU 2370752, G01N15 / 02, 2009 [1]. This patent [1] describes a method for determining the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases by transmitting a laser beam through the analyzed medium, followed by measuring fluctuations in the radiation power scattered by the particles under study at relatively large angles with subsequent joint mathematical processing of the data obtained by solving the integral equation of the inverse scattering problem for radiation scattered at specified angles. It also describes an appropriate device for measuring the distribution of the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases, containing a probe laser with an optical path for transporting laser radiation, a working cell with the studied medium installed in the path of the latter and placed in a plane laser beam scattering are single-element photodetectors located at different relatively large angles for detecting fluctuations in the power of radiation scattered by particles, each with a node Signal processing associated with a computer for the subsequent processing of all signals to obtain the desired result. The method and device according to [1] are based on measuring the fluctuation spectra of the power of scattered laser radiation. The scattering of radiation by particles performing Brownian motion is accompanied by an increase in the width of the spectrum of the initial radiation — diffusion broadening. The width of the spectrum of the scattered light is proportional to the coefficient of translational diffusion. The analyzed distribution of frequency shifts of the scattered radiation is approximated by Lorentz curves that determine the contribution of particles of a certain size. In the case of a polydisperse system, when W 201
4 вклад в рассеяние дают частицы с разными коэффициентами диффузии, задача определения функции распределения рассеивающих частиц по раз- мерам сводится к сложной математической обработке экспериментальных спектров, в процессе которой приходится решать плохо обусловленную обратную спектральную задачу. Устойчивость решения этой задачи дости- гается с помощью математического метода регуляризации. Метод не по- зволяет различать частицы с близкими размерами на фоне шумов и помех в условиях искажений сигнала, вносимых реальной амплитудно-частотной характеристикой усилительного тракта. В водных растворах при наблюде- нии под углом 90 градусов и нормальной температуре для получения адек- ватных результатов о распределении размеров частиц диаметром около 1 нм необходимо прецизионно проанализировать распределение интенсив- ности рассеянного излучения для сдвигов частоты излучения в диапазоне от 1 до 200000 Гц. Задача измерительного прибора - зарегистрировать ука- занные изменения частоты на фоне типичного для лазерного излучения диапазона частот ~ 1015 Гц, причём необходимое разрешение измеритель- ной схемы прибора должно составлять около 1013-Н014. Столь высокие требования по разрешению (для сравнения, в лучших оптических приборах оно составляет 104-Ч06) в сочетании с требованием достижения высокого динамического диапазона регистрируемого фотоприёмниками сигнала (до 6-8 порядков) объясняют сложность достижения высококачественного ре- зультата без привлечения дополнительной информации о характеристиках рассеяния. 4, particles with different diffusion coefficients contribute to scattering; the problem of determining the size distribution function of scattering particles is reduced to complex mathematical processing of the experimental spectra, during which it is necessary to solve a poorly conditioned inverse spectral problem. The stability of the solution to this problem is achieved using the mathematical regularization method. The method does not allow one to distinguish particles with close sizes against the background of noise and interference under conditions of signal distortion introduced by the real amplitude-frequency characteristic of the amplification path. In aqueous solutions, when observed at an angle of 90 degrees and normal temperature, in order to obtain adequate results on the distribution of particle sizes with a diameter of about 1 nm, it is necessary to accurately analyze the distribution of scattered radiation intensity for shifts of the radiation frequency in the range from 1 to 200000 Hz. The task of the measuring device is to register the indicated frequency changes against the background of the frequency range ~ 10 15 Hz typical of laser radiation, and the required resolution of the measuring circuit of the device should be about 10 13 -N0 14 . Such high resolution requirements (for comparison, in the best optical devices it is 10 4 -CH0 6 ) in combination with the requirement to achieve a high dynamic range of the signal recorded by photodetectors (up to 6-8 orders of magnitude) explain the difficulty of achieving a high-quality result without involving additional information about scattering characteristics.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жид- костях и газах при повышении надежности математической обработки из- мерительной информации.
Указанный технический результат в части способа обеспечивается тем, что в способе определения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах путём пропускания через анализируемую среду лазерного луча с последующим измерением флуктуаций мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах под относительно боль- шими углами с последующей совместной математической обработкой по- лученных данных путём решения интегрального уравнения обратной зада- чи рассеяния для излучения, рассеянного под указанными углами, соглас- но изобретению дополнительно измеряют распределение интенсивности рассеянного излучения под малыми углами рассеяния, а решение инте- грального уравнения обратной задачи рассеяния осуществляют с учётом полученных данных дополнительных измерений. При этом малоугловое рассеяние предпочтительно анализируют путём построения диаграммы рассеяния для статической части сигнала рассеянного излучения. При со- вместной математической обработке полученных данных возможно до- полнительное использование компоненты излучения, деполяризованной как при малоугловом рассеянии лазерного излучения, так и при рассеянии на большие углы. The technical result achieved by the invention is to increase the accuracy of measuring the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases while increasing the reliability of the mathematical processing of measuring information. The specified technical result in part of the method is ensured by the fact that in the method for determining the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases by passing a laser beam through the analyzed medium, followed by measuring fluctuations in the radiation power scattered by the particles under study at relatively large angles subsequent joint mathematical processing of the obtained data by solving the integral equation of the inverse scattering problem for radiation scattered under the indicated angles, according to the invention, additionally measure the intensity distribution of scattered radiation at small scattering angles, and the solution of the integral equation of the inverse scattering problem is carried out taking into account the obtained data of additional measurements. In this case, small-angle scattering is preferably analyzed by constructing a scattering diagram for the static part of the scattered radiation signal. With the combined mathematical processing of the obtained data, it is possible to additionally use the radiation component depolarized both for small-angle scattering of laser radiation and for scattering at large angles.
В части устройства указанный технический результат обеспечивается тем, что устройство для измерения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах, содержащее зондирующий лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, установ- ленную на пути последнего рабочую кювету с исследуемой средой и по- мещённые в плоскости рассеяния лазерного луча одноэлементные фото- приёмники, расположенные к нему под относительно большими углами для регистрации флуктуации мощности рассеянного на частицах излуче- ния, снабженные каждый узлом предварительной обработки сигналов, свя- занным с компьютером для последующей обработки всех сигналов с полу- чением требуемого результата, согласно изобретению дополнительно со- держит матричный фотоприемник для регистрации малоугловой диаграм-
мы рассеянного излучения и объектив, собирающий прошедший через ра- бочую кювету световой пучок, причём указанный матричный фотоприём- ник расположен в фокальной плоскости указанного объектива и так же, как одноэлементные фотоприёмники, снабжён связанным с указанным компьютером узлом предварительной обработки вырабатываемых им сиг- налов. При этом на пути луча зондирующего лазера перед рабочей кюве- той может быть установлено устройство поворота плоскости поляризации излучения, а перед каждым фотоприёмником установлен поляризатор для выделения вертикальной или горизонтальной составляющей поляризации рассеянного излучения. In terms of the device, the indicated technical result is ensured by the fact that the device for measuring the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases, containing a probe laser with an optical path for transporting laser radiation, is installed in the path of the last working cell with the medium under study and - single-element photodetectors located in the scattering plane of the laser beam, located at relatively large angles to it to detect fluctuations in the power scattered by the particle radiation of, each provided with signal preprocessing unit, svya- bound to the computer for further processing of signals obtained cheniem desired result, according to the invention further keeps the matrix co photodetector for registering low-angle diagrams we have scattered radiation and a lens that collects the light beam transmitted through the working cell, and the indicated matrix photodetector is located in the focal plane of the specified lens and, like single-element photodetectors, is equipped with a preliminary processing unit for the signals generated by it. In this case, a device for rotating the plane of polarization of radiation can be installed in front of the working cell in the path of the probe laser beam, and a polarizer is installed in front of each photodetector to isolate the vertical or horizontal component of the polarized scattered radiation.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобре- тения и указанным техническим результатом заключается в том, что в за- являемом изобретении гармонично дополняют друг друга два совмещён- ных подхода к оптическому измерению рассеянного исследуемыми части- цами лазерного луча - измерением одноэлементными фотоприёмниками динамического рассеяния под относительно большими углами флуктуаций мощности излучения и измерением с помощью матричного фотоприёмни- ка усреднённой по времени малоугловой дифракции рассеянного на тех же распределённых в жидкости или газе микро-или наночастицах того же ла- зерного излучения. При этом удаётся сочетать два достаточно корректных решения обратной задачи рассеяния с использованием для каждой области соответствующих различных математических уравнений. Кроме того, со- четание указанных двух методов в принципе позволяет уменьшить число используемых одноэлементных фотоприёмников вплоть до одного, что может существенно упростить измерительную схему. A causal relationship between the distinguishing features of the invention and the indicated technical result is that in the claimed invention two combined approaches harmoniously complement each other to the optical measurement of the laser beam scattered by the particles being investigated - by measuring single-element photodetectors of dynamic scattering under the relatively large angles of fluctuations in the radiation power and the measurement using a matrix photodetector of the time-averaged small-angle diffraction scattered by the same micro- or nanoparticles of the same laser radiation distributed in a liquid or gas. In this case, it is possible to combine two fairly correct solutions of the inverse scattering problem using for each region the corresponding different mathematical equations. In addition, the combination of these two methods in principle allows one to reduce the number of used single-element photodetectors to one, which can greatly simplify the measuring circuit.
Следует отметить, что исследование малоуглового рассеяния рентгенов- ского и нейтронного излучения на микрочастицах известно (Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние / Свергун Д. И., Фейгин Л. А. // М., Наука, 1986, 280 с. [2]). Однако данная публикация не нарушает условия
«изобретательский уровень» заявляемого изобретения, так как в ней не предусматривается возможность сочетания данного подхода с динамиче- ским рассеянием флуктуаций мощности излучения. It should be noted that the study of small-angle scattering of x-ray and neutron radiation by microparticles is known (X-ray and neutron small-angle scattering / Svergun DI, Feigin L. A. // M., Nauka, 1986, 280 S. [2]) . However, this publication does not violate the terms “Inventive step” of the claimed invention, since it does not provide for the possibility of combining this approach with the dynamic scattering of fluctuations in the radiation power.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства согласно заявляе- мому изобретению; на фиг.2 - диаграммы направленности малоуглового рассеянного излучения согласно [2]. Figure 1 shows a schematic diagram of a device according to the claimed invention; figure 2 - radiation patterns of small-angle scattered radiation according to [2].
Вариант осуществления изобретения An embodiment of the invention
Устройство для измерения распределения концентрации и размеров мик- ро- и наночастиц в жидкостях и газах согласно изобретению содержит зондирующий лазер 1 с оптическим трактом для транспортировки лазерно- го излучения (не показан), установленную на пути последнего рабочую кювету 2 с исследуемой средой и помещённые в плоскости рассеяния ла- зерного луча в данном примере четыре расположенных под разными отно- сительно большими углами к нему одноэлементных фотоприёмника 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 для регистрации флуктуации мощности рассеянного на части- цах излучения. Устройство дополнительно содержит матричный фотопри- емник 4 для регистрации малоугловой диаграммы рассеянного излучения и объектив 5, собирающий прошедший через рабочую кювету световой пу- чок, причём указанный матричный фотоприёмник 4 расположен в фо- кальной плоскости указанного объектива 5. Объектив может содержать пространственный фильтр для уменьшения влияния прямого излучения. Каждый из одноэлементных фотоприёмников 3.1-3.4 и матричный фото- приёмник 4 снабжены узлами предварительной обработки сигналов (не показаны), связанными с компьютером (не показан) для последующей об-
работки всех сигналов с получением требуемого результата. На пути луча зондирующего лазера перед рабочей кюветой 2 может быть установлено устройство 6 поворота плоскости поляризации излучения, а перед каждым фотоприёмником установлен поляризатор соответственно 7.1 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 для выделения вертикальной или горизонтальной составляющей поля- ризации рассеянного излучения. A device for measuring the distribution of concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases according to the invention comprises a probe laser 1 with an optical path for transporting laser radiation (not shown), installed on the path of the last working cell 2 with the studied medium and placed in the scattering plane of the laser beam in this example, four single-element photodetectors 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 located at different relatively large angles to it to detect fluctuations in the power of the particle scattered by the particle x rays. The device further comprises an array photodetector 4 for recording a small angle scattered radiation pattern and a lens 5 collecting a light beam transmitted through a working cell, said matrix photodetector 4 being located in the focal plane of said lens 5. The lens may include a spatial filter to reduce effects of direct radiation. Each of the single-element photodetectors 3.1-3.4 and the matrix photodetector 4 are equipped with signal preprocessing units (not shown) connected to a computer (not shown) for subsequent processing of all signals to obtain the desired result. A device 6 for turning the plane of polarization of radiation can be installed in front of the working cell 2 in the path of the probe laser beam, and a polarizer 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, respectively, can be installed in front of each photodetector to isolate the vertical or horizontal polarization component of the scattered radiation.
Как уже отмечалось, метод малоуглового рассеяния применим для иссле- дования частиц сравнимых или больших длины волны зондирующего из- лучения. Характерный угол дифракции λ/D, где λ - длина волны зонди- рующего излучения, D - характерный диаметр рассеивающей частицы, должен согласовываться с угловым диаметром матричного фотоприемника и не может быть меньше углового диаметра одного пикселя его матрицы. Отсюда для используемых обычно лазеров видимого диапазона получаем ограничения на размеры исследуемых этим методом частиц. Они лежат в диапазоне от долей микрона до десятков микрон. Это как раз тот диапазон размеров, который приводит к сложности решения обратной задачи рас- сеяния в методе динамического рассеяния. Сигнал от частиц с характер- ным размером меньше λ (0.63 мкм для используемого нами лазера) в мето- де динамического рассеяния света может быть проанализирован достаточ- но надежно. В то же время эти частицы являются проблемными в методе малоуглового рассеяния света. Совмещение согласно рассматриваемому изобретению метода динамического рассеяния света с методом определе- ния размеров частиц на основе исследования малоугловой дифракции ла- зерного излучения гармонично сочетается, так как оба метода в данном случае основываются на использовании одинаковых технических решений - анализе лазерного излучения, рассеянного на взвешенных в жидкости или газе микро- или наночастицах.
Работа устройства согласно изобретению происходит следующим образом. Луч лазера 1 мощностью от 1 до 100 милливатт поступает в кювету 2 с ис- следуемой средой. Здесь луч частично рассеивается на микро или наноча- стицах, содержащихся в жидкости или газе. Большая часть падающего из- лучения не рассеивается или рассеивается на малые углы. Это излучение регистрируется матричным фотоприёмником 4. Малая часть луча, рассе- явшись на большие углы на наночастицах, попадает на фотоприёмники 3.1-3.4. В зависимости от разрешенного направления поляризаторов 7.1- 7.5, расположенных перед соответствующими фотоприемниками, на их чувствительные элементы попадает излучение с вертикальной или гори- зонтальной поляризацией. Биения рассеянного оптического сигнала в фо- топриемниках 3.1-3.4 превращаются во флуктуации фототока. Далее эти флуктуирующие электрические сигналы обрабатываются в компьютере. На пикселях матрицы фотоприёмника 4 формируются сигналы, характе- ризующие малоугловую диаграмму рассеянного излучения. Результаты получаются после решения сложной обратной задачи рассеяния, что будет описано далее. На экране монитора компьютера представляются итоговые результаты в удобном для пользователя виде, например, в виде графиков или таблиц, содержащих размеры и концентрации частиц в измеряемой жидкости или газе. Устройство 6 поворота плоскости поляризации зонди- рующего лазерного луча служит для выбора горизонтального или верти- кального направления плоскости поляризации падающего на исследуемую среду излучения. Оно может быть реализовано различным образом: в виде сменных механических поляризаторов, или в виде электронного устройст- ва, например, на основе эффекта Фарадея. В зависимости от того согласо- ваны или скрещены направления разрешенных плоскостей поляризации зондирующего излучения и фотоприёмников, измеряется поляризованное или деполяризованное рассеянное излучение. As already noted, the small-angle scattering method is applicable for the study of particles of comparable or large wavelengths of probe radiation. The characteristic diffraction angle λ / D, where λ is the wavelength of the probe radiation, D is the characteristic diameter of the scattering particle, must be consistent with the angular diameter of the matrix photodetector and cannot be less than the angular diameter of one pixel of its matrix. Hence, for commonly used visible lasers, we obtain restrictions on the sizes of the particles studied by this method. They range from fractions of a micron to tens of microns. This is precisely the size range that makes it difficult to solve the inverse scattering problem in the dynamic scattering method. The signal from particles with a characteristic size less than λ (0.63 μm for the laser we use) in the method of dynamic light scattering can be analyzed quite reliably. At the same time, these particles are problematic in the method of small-angle light scattering. The combination according to the invention under consideration of the method of dynamic light scattering with the method of determining particle sizes based on the study of small-angle diffraction of laser radiation is harmoniously combined, since both methods in this case are based on the use of the same technical solutions - analysis of laser radiation scattered by suspended in liquid or gas, micro- or nanoparticles. The operation of the device according to the invention is as follows. Laser beam 1 with a power of 1 to 100 milliwatts enters cell 2 with the medium under study. Here, the beam is partially scattered by micro or nanoparticles contained in a liquid or gas. Most of the incident radiation does not scatter or scatter at small angles. This radiation is detected by a matrix photodetector 4. A small part of the beam, having scattered at large angles on nanoparticles, enters photodetectors 3.1-3.4. Depending on the permitted direction of polarizers 7.1–7.5, located in front of the respective photodetectors, radiation with vertical or horizontal polarization is incident on their sensitive elements. The beats of the scattered optical signal in photodetectors 3.1–3.4 turn into fluctuations of the photocurrent. Further, these fluctuating electrical signals are processed in a computer. Signals are formed on the pixels of the photodetector array 4, which characterize a small-angle diagram of scattered radiation. The results are obtained after solving the complex inverse scattering problem, which will be described later. On the computer screen, the final results are presented in a user-friendly form, for example, in the form of graphs or tables containing the sizes and concentrations of particles in the measured liquid or gas. The device 6 for turning the plane of polarization of the probe laser beam serves to select the horizontal or vertical direction of the plane of polarization of the radiation incident on the medium under study. It can be implemented in various ways: in the form of interchangeable mechanical polarizers, or in the form of an electronic device, for example, based on the Faraday effect. Depending on whether the directions of the allowed polarization planes of the probing radiation and photodetectors are aligned or crossed, the polarized or depolarized scattered radiation is measured.
Метод математической обработки получаемых фотоприемниками 3.1-3.4 сигналов заключается в следующем: полный спектр рассеянного в иссле-
дуемой среде под любым углом излучения может быть представлен виде разложения по индивидуальным спектрам рассеяния частицами одного размера. При рассеянии на 90 D деполяризованное излучение возникает только для частиц, не имеющих сферической симметрии, и может служить индикатором их наличия в рассеивающем объеме. При рассеянии на про- извольные углы деполяризация излучения при рассеянии не столь инфор- мативна, однако при рассеянии на малые углы роль деполяризации недо- оценена. Для флуктуаций мощности рассеянного излучения имеем: The method of mathematical processing of signals received by photodetectors 3.1-3.4 is as follows: the full spectrum of the scattered At any given angle of radiation, a medium can be represented as a decomposition into individual scattering spectra of particles of the same size. When scattered by 90 D, depolarized radiation occurs only for particles that do not have spherical symmetry, and can serve as an indicator of their presence in the scattering volume. In scattering at arbitrary angles, the depolarization of radiation during scattering is not so informative, however, in scattering at small angles, the role of depolarization is underestimated. For fluctuations in the power of scattered radiation, we have:
где Α(Θ,Γ) - вклад в сигнал, полученный на фотоприёмнике 3, установлен- ном под углом Θ к падающему излучению от света, рассеянного частицами с характерным для них диффузионным уширением Г. Поскольку рассеяние фотона на субмикронных частицах можно считать абсолютно упругим, для волновых векторов фотона до рассеяния Ко и после рассеяния КЕ справед- ливо соотношение:.
где п - коэффициент преломления среды, в которую помещены взвешенные частицы. В этом случае для Г можно записать: r=Drq2, where Α (Θ, Γ) is the contribution to the signal received at the photodetector 3, installed at an angle Θ to the incident radiation from light scattered by particles with a characteristic diffusion broadening G. Since the scattering of a photon by submicron particles can be considered absolutely elastic, for the wave vectors of the photon before the scattering of Co and after the scattering of KE, the following relation holds :. where n is the refractive index of the medium in which the suspended particles are placed. In this case, for Γ we can write: r = D r q 2 ,
где Dr - коэффициент диффузии частиц, спектр рассеянного излуче- ния на которых описывается кривой Лоренца с шириной по полувысоте равной Г.
where D r is the diffusion coefficient of particles, the spectrum of scattered radiation on which is described by the Lorentz curve with a half-height width equal to G.
q = \KQ - KE \ = ~- - абсолютная величина изменения волно- вого вектора фотона в процессе рассеяния при рассеянии на угол Θ в среде с коэффициентом преломления п. Коэффициент диффузии D зависит от гидродинамических размеров рассеивателя. В частности, если рассеиваю- щая частица является сферически симметричной, то хорошим приближе-
нием является модель Стокса, в рамках которой:
q = \ K Q - K E \ = ~ - is the absolute value of the change in the wave vector of the photon during scattering during scattering by an angle Θ in a medium with a refractive index of n. The diffusion coefficient D depends on the hydrodynamic dimensions of the scatterer. In particular, if the scattering particle is spherically symmetric, then a good approximation This is the Stokes model, in the framework of which:
где: η— вязкость раствора, к— постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R - гидродинамический радиус частицы. where: η is the viscosity of the solution, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, R is the hydrodynamic radius of the particle.
На каждом пикселе матрицы фотоприёмника 4 в простейшем случае можно получить усредненный по времени сигнал, зависящий в приближе- нии малых углов только от угла рассеяния, который входит через введен- ный ранее переданный волновой вектор q. Усредненный по времени сиг- нал на каждом пикселе можно записать в виде разложения по сигналам, получаемым при рассеянии на частицах разного размера:
In each simple pixel of the photodetector array 4, in the simplest case, a time-averaged signal can be obtained that depends in the small-angle approximation only on the scattering angle, which enters through the previously transmitted wave vector q. The time-averaged signal at each pixel can be written as a decomposition of the signals obtained by scattering by particles of different sizes:
где IR(q) - нормированная на единичную концентрацию величина сигнала от частиц радиуса R. B(R) - концентрация частиц с радиусом R. where I R (q) is the signal normalized to a unit concentration from particles of radius R. B (R) is the concentration of particles with radius R.
При рассеянии излучения на неоднородностях с линейным размером D основная доля рассеянного излучения сосредоточена в области векторов рассеяния:
When radiation is scattered by inhomogeneities with a linear size D, the bulk of the scattered radiation is concentrated in the region of scattering vectors:
Если ϋ»λ, то θ«1, т. е. рассеянное излучение сосредоточено в малой уг- ловой области вблизи первичного пучка. Для частиц заметно больших длины волны рассеянного излучения на фиг 2 приведены диаграммы на- правленности рассеянного излучения. По вертикальной оси отложены де- сятичные логарифмы нормированных интенсивностей рассеяния падающе- го излучения частицами различной формы с одинаковыми характерными размерами. По горизонтальной оси отложен параметр qR, являющийся ав- томодельным для частиц разного размера, но одинаковой формы. Согласно рисунку кривые пронумерованы: 1 - шаровой слой; 2 - трёхосный эллипсо- ид с отношением осей 0,5 : 1 : 1,5 ; 3 - четыре соприкасающихся эллипсои- да вращения; 4 - литая модель с характерными размерами модели 3. Видно, что при углах рассеяния больших λ/R диаграмма рассеянного излучения для частиц одинакового характерного размера может существенно разли- чаться.
Для частиц одинаковой формы по анализу диаграммы малоуглового рас- сеяния можно сделать некоторые заключения о их внутренней структуре. Для полидисперсных смесей одновременное решение задачи о концентра- ции, размерах и строении частиц представляется малореальным. Как пра- вило, на практике возникают более простые задачи, когда характеристики индивидуальных рассеивающих частиц или же известны, или о них можно сделать достаточно достоверные заключения. Этот случай и будем рас- сматривать как основной для практической реализации. If ϋ λ λ, then θ 1 1, ie, the scattered radiation is concentrated in a small angular region near the primary beam. For particles of noticeably greater wavelength of the scattered radiation, Fig. 2 shows the radiation patterns of the scattered radiation. The decimal logarithms of the normalized scattering intensities of the incident radiation by particles of various shapes with the same characteristic dimensions are plotted along the vertical axis. The qR parameter is plotted along the horizontal axis, which is self-similar for particles of different sizes but of the same shape. According to the figure, the curves are numbered: 1 - a spherical layer; 2 - three-axis ellipsoid with an axis ratio of 0.5: 1: 1.5; 3 - four contacting ellipsoids of revolution; 4 is a cast model with characteristic dimensions of model 3. It can be seen that for scattering angles of large λ / R, the scattered radiation pattern for particles of the same characteristic size can significantly differ. For particles of the same shape by analyzing the small-angle scattering diagram, some conclusions can be drawn about their internal structure. For polydisperse mixtures, the simultaneous solution of the problem of the concentration, size, and structure of particles seems unrealistic. As a rule, in practice simpler problems arise when the characteristics of individual scattering particles are either known, or fairly reliable conclusions can be made about them. We will consider this case as the main one for practical implementation.
Уравнения (1) и (2) являются основополагающими для математической об- работки данных согласно изобретению. Для их прямого совместного ре- шения необходимо установить связь между подынтегральными функциями Α(Θ,Γ) и ОД). Equations (1) and (2) are fundamental to the mathematical processing of data according to the invention. For their direct joint solution, it is necessary to establish a connection between the integrands Α (Θ, Γ) and OD).
Промышленная применимость Industrial applicability
Одно из возможных конкретных направлений промышленного применения данного изобретения - обеспечение широкого круга задач, связанных с технологическим контролем параметров различных порошков (в том числе нанопорошков) в процессе их производства, проведение экспресс-анализа порошков, используемых для изготовления прессованных материалов, из- мерение и контроль параметров растворов, содержащих взвешенные объ- екты, в том числе обширной номенклатуры биологических и фармацевти- ческих растворов.
One of the possible specific areas of industrial application of this invention is to provide a wide range of tasks related to the technological control of the parameters of various powders (including nanopowders) in the process of their production, conducting an express analysis of the powders used for the manufacture of pressed materials, measurement and control parameters of solutions containing suspended objects, including an extensive range of biological and pharmaceutical solutions.
Claims
1. Способ определения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах путём пропускания через анализируемую среду лазерного луча с последующим измерением флуктуаций мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах под относительно боль- шими углами с последующей совместной математической обработкой по- лученных данных путём решения интегрального уравнения обратной зада- чи рассеяния для излучения, рассеянного под указанными углами, отли- чающийся тем, что дополнительно измеряют распределение интенсивно- сти рассеянного излучения под малыми углами рассеяния, а решение инте- грального уравнения обратной задачи рассеяния осуществляют с учётом полученных данных дополнительных измерений. 1. A method for determining the distribution of the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases by transmitting a laser beam through the analyzed medium, followed by measuring fluctuations in the radiation power scattered by the particles under study at relatively large angles, followed by mathematical processing of the data obtained by solving the integral equation of the inverse scattering problem for radiation scattered at indicated angles, characterized in that they additionally measure the distribution of nsivnosti scattered radiation at small scattering angles, and the solution of the integral equation of the inverse scattering problem is carried out taking into account the obtained data of additional measurements.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что малоугловое рассеяние анализи- руют путём построения пространственных корреляционных функций для флуктуирующей части сигнала рассеянного излучения. 2. The method according to claim 1, characterized in that the small-angle scattering is analyzed by constructing spatial correlation functions for the fluctuating part of the scattered radiation signal.
3. Способ по п.п. 1 или 2, отличающийся тем, что при совместной матема- тической обработке полученных данных дополнительно используют ком- поненту излучения, деполяризованную при малоугловом рассеянии лазер- ного луча. 3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that in the joint mathematical processing of the obtained data, an additional component is the radiation component depolarized by small-angle scattering of the laser beam.
4. Устройство для измерения распределения концентрации и размеров мик- ро- и наночастиц в жидкостях и газах, содержащее зондирующий лазер с оптическим трактом для транспортировки лазерного излучения, установ- ленную на пути последнего рабочую кювету с исследуемой средой и по- мещённые в плоскости рассеяния лазерного луча одноэлементными фото- приёмниками, расположенными к нему под относительно большими угла- ми для регистрации флуктуации мощности рассеянного на частицах излу- чения, каждый с узлом предварительной обработки сигналов, связанным с компьютером для последующей обработки всех сигналов с получением
требуемого результата, отличающееся тем, что оно дополнительно со- держит матричный фотоприемник для регистрации малоугловой диаграм- мы рассеянного излучения и объектив, собирающий прошедший через ра- бочую кювету световой пучок, причём указанный матричный фотоприём- ник расположен в фокальной плоскости указанного объектива и так же, как одноэлементные фотоприёмники, снабжён связанным с указанным компьютером узлом предварительной обработки вырабатываемых им сиг- налов. 4. A device for measuring the distribution of the concentration and size of micro- and nanoparticles in liquids and gases, containing a probe laser with an optical path for transporting laser radiation, a working cell with the studied medium installed in the path of the latter and placed in the laser scattering plane beam with single-element photodetectors located at relatively large angles to detect fluctuations in the power of radiation scattered by the particles, each with a signal preprocessing unit connected to a computer for subsequent processing of all signals to obtain the desired result, characterized in that it additionally contains an array photodetector for recording a small angle scattered radiation pattern and a lens that collects the light beam transmitted through the working cell, the specified matrix photodetector located in the focal plane of the specified lens and as single-element photodetectors, it is equipped with a preliminary processing unit for the signals generated by it connected to the specified computer.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на пути луча зондирующего лазера перед рабочей кюветой установлено устройство поворота плоскости поляризации излучения, а перед каждым фотоприёмником установлен по- ляризатор для выделения вертикальной или горизонтальной составляющей поляризации рассеянного излучения.
5. The device according to claim 4, characterized in that a device for rotating the plane of polarization of radiation is installed in front of the working cell in the path of the probe laser beam, and a polarizer is installed in front of each photodetector to isolate the vertical or horizontal component of the polarized scattered radiation.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012145430/28A RU2525605C2 (en) | 2012-10-26 | 2012-10-26 | Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors |
| RU2012145430 | 2012-10-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2014065694A1 true WO2014065694A1 (en) | 2014-05-01 |
Family
ID=50544955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2012/000927 WO2014065694A1 (en) | 2012-10-26 | 2012-11-12 | Method and device for optically measuring the distribution of characteristics of dispersed particles in liquids and gases |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2525605C2 (en) |
| WO (1) | WO2014065694A1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017051161A1 (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-30 | Malvern Instruments Limited | Cuvette carrier |
| WO2019143271A1 (en) * | 2018-01-19 | 2019-07-25 | Llc "Medtechnopark" | Optical method and apparatus for determining the concentration and morphology of particles suspended in a liquid sample in a wide range of turbidity |
| EP3521810B1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-11-27 | SICK Engineering GmbH | Analyser for the determination of fine dust |
| US10845287B2 (en) | 2015-09-23 | 2020-11-24 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| CN112730334A (en) * | 2020-12-23 | 2021-04-30 | 之江实验室 | Nanoparticle identification device and method based on electric dipole rotation scattering light detection |
| CN112782121A (en) * | 2020-12-25 | 2021-05-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Multi-angle optical particle counting and refractive index online measuring device and method |
| US11002655B2 (en) | 2015-09-23 | 2021-05-11 | Malvern Panalytical Limited | Cuvette carrier |
| US11187638B2 (en) | 2016-03-16 | 2021-11-30 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| US11199486B2 (en) | 2017-03-23 | 2021-12-14 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| CN114112820A (en) * | 2022-01-28 | 2022-03-01 | 中国科学院大气物理研究所 | Optical measurement device for distinguishing particle size and irregularity of atmospheric single particle |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2622761C2 (en) * | 2015-01-23 | 2017-06-19 | Вячеслав Геннадьевич Певгов | Method for early diagnosis of diseases by optical measurement of native biological fluid physical characteristics |
| RU2610942C1 (en) * | 2015-12-02 | 2017-02-17 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation |
| RU206033U1 (en) * | 2021-05-19 | 2021-08-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии" Министерства здравоохранения Российской Федерации | DEVICE FOR DETERMINING THE NUMBER OF PARTICLES AND DISTRIBUTING THEM AT VELOCITY IN LIQUID BIOLOGICAL MEDIA |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5185641A (en) * | 1990-11-03 | 1993-02-09 | Horiba, Ltd. | Apparatus for simultaneously measuring large and small particle size distribution |
| JP2009216575A (en) * | 2008-03-11 | 2009-09-24 | Shimadzu Corp | Particle size distribution measuring device, and volume concentration calculation method using it |
| RU2370752C1 (en) * | 2008-08-22 | 2009-10-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Лаборатория Оптико-Электронных Приборов" | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases |
| US20110181869A1 (en) * | 2008-09-26 | 2011-07-28 | Horiba, Ltd. | Particle characterization device |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4143349B2 (en) * | 2002-07-22 | 2008-09-03 | 株式会社堀場製作所 | Particle size distribution measuring method, particle size distribution measuring device, and particle size distribution measuring device measurement program |
| RU2334215C1 (en) * | 2007-01-29 | 2008-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Фортуна" ООО "Фортуна" | Gas medium dust content tester |
| RU81575U1 (en) * | 2008-10-09 | 2009-03-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" | DEVICE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF THE SIZES AND CONCENTRATIONS OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS AND GASES |
-
2012
- 2012-10-26 RU RU2012145430/28A patent/RU2525605C2/en not_active IP Right Cessation
- 2012-11-12 WO PCT/RU2012/000927 patent/WO2014065694A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5185641A (en) * | 1990-11-03 | 1993-02-09 | Horiba, Ltd. | Apparatus for simultaneously measuring large and small particle size distribution |
| JP2009216575A (en) * | 2008-03-11 | 2009-09-24 | Shimadzu Corp | Particle size distribution measuring device, and volume concentration calculation method using it |
| RU2370752C1 (en) * | 2008-08-22 | 2009-10-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Лаборатория Оптико-Электронных Приборов" | Device for measuring distribution of size and concentration of nanoparticles in liquids and gases |
| US20110181869A1 (en) * | 2008-09-26 | 2011-07-28 | Horiba, Ltd. | Particle characterization device |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108139316A (en) * | 2015-09-23 | 2018-06-08 | 马尔文仪器有限公司 | Cuvette load-bearing part |
| US10427163B2 (en) | 2015-09-23 | 2019-10-01 | Malvern Panalytical Limited | Cuvette carrier |
| WO2017051161A1 (en) * | 2015-09-23 | 2017-03-30 | Malvern Instruments Limited | Cuvette carrier |
| US10845287B2 (en) | 2015-09-23 | 2020-11-24 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| US11435275B2 (en) | 2015-09-23 | 2022-09-06 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| US11002655B2 (en) | 2015-09-23 | 2021-05-11 | Malvern Panalytical Limited | Cuvette carrier |
| CN108139316B (en) * | 2015-09-23 | 2021-11-23 | 马尔文帕纳科公司 | Cuvette carrier |
| US11747257B2 (en) | 2016-03-16 | 2023-09-05 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterization |
| US11187638B2 (en) | 2016-03-16 | 2021-11-30 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| US11199486B2 (en) | 2017-03-23 | 2021-12-14 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| US11906412B2 (en) | 2017-03-23 | 2024-02-20 | Malvern Panalytical Limited | Particle characterisation |
| WO2019143271A1 (en) * | 2018-01-19 | 2019-07-25 | Llc "Medtechnopark" | Optical method and apparatus for determining the concentration and morphology of particles suspended in a liquid sample in a wide range of turbidity |
| EP3521810B1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-11-27 | SICK Engineering GmbH | Analyser for the determination of fine dust |
| US10585029B2 (en) | 2018-01-31 | 2020-03-10 | Sick Engineering Gmbh | Analysis device for determining particulate matter |
| CN112730334A (en) * | 2020-12-23 | 2021-04-30 | 之江实验室 | Nanoparticle identification device and method based on electric dipole rotation scattering light detection |
| CN112730334B (en) * | 2020-12-23 | 2024-03-22 | 之江实验室 | Nanoparticle identification device and method based on electric dipole rotation scattered light detection |
| CN112782121A (en) * | 2020-12-25 | 2021-05-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Multi-angle optical particle counting and refractive index online measuring device and method |
| CN112782121B (en) * | 2020-12-25 | 2023-09-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | Multi-angle optical particle counting and refractive index online measuring device and method |
| CN114112820A (en) * | 2022-01-28 | 2022-03-01 | 中国科学院大气物理研究所 | Optical measurement device for distinguishing particle size and irregularity of atmospheric single particle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012145430A (en) | 2014-05-10 |
| RU2525605C2 (en) | 2014-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2525605C2 (en) | Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors | |
| Babick | Dynamic light scattering (DLS) | |
| Kaplan et al. | Diffuse-transmission spectroscopy: a structural probe of opaque colloidal mixtures | |
| Xu | Light scattering: A review of particle characterization applications | |
| Ma et al. | New developments in particle characterization by laser diffraction: size and shape | |
| Bayles et al. | Dark-field differential dynamic microscopy | |
| US11193877B2 (en) | Method for the characterization of objects by means of scattered radiation analysis and related instrumentations | |
| de Albuquerque et al. | Effect of needle‐like crystal shape on measured particle size distributions | |
| Grand et al. | Combined extinction and absorption UV–visible spectroscopy as a method for revealing shape imperfections of metallic nanoparticles | |
| WO2021088376A1 (en) | Method and system for measuring refractive index of particle by using polarization difference of scattered light | |
| Romanov et al. | Single‐particle characterization by elastic light scattering | |
| US7982874B2 (en) | Method and apparatus for measuring particle sizes in a liquid field of the invention | |
| Londoño et al. | Small-angle X-ray scattering to analyze the morphological properties of nanoparticulated systems | |
| Wishard et al. | Dynamic light scattering–an all-purpose guide for the supramolecular chemist | |
| Dillet et al. | Size determination by use of two-dimensional Mueller matrices backscattered by optically thick random media | |
| Kohlbrecher et al. | Transformation cycle between the spherically symmetric correlation function, projected correlation function and differential cross section as implemented in SASfit | |
| Singh et al. | Discriminating turbid media by scatterer size and scattering coefficient using backscattered linearly and circularly polarized light | |
| CN105092444A (en) | Measure method for combined distribution of nanometer particle concentration and geometrical characteristic quantity | |
| US10996159B2 (en) | Analysing nano-objects | |
| Yang et al. | Blood cell counting and classification by nonflowing laser light scattering method | |
| Hoffmann et al. | Determining nanorod dimensions in dispersion with size anisotropy nanoparticle tracking analysis | |
| JP3633169B2 (en) | Method for comparing light intensity distribution data of diffracted / scattered light and particle size distribution measuring apparatus | |
| CN106644864A (en) | Value determination method and measurement system of standard substance for detecting cutting properties of PM2.5 (Particulate Matter2.5) cutter | |
| Wang et al. | A real-time water quality measurement instrument for simultaneously detecting turbidity and particle size by using single-photon counting technique | |
| Tuersun et al. | Light extinction spectrometry for determining the size distribution and concentration of polydisperse gold nanospheres |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12887058 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205 DATED 02.07.2015) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12887058 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |