了解光學激光粒子計數器的發展歷程

2015-02-20 11:54:00 admin

了解光學激光粒子計數器的發展歷程

光學激光粒子計數器是隨著工業生產對生產環境潔凈度要求的不斷提高而逐步發展起來的。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的大流量激光粒子計數器，九十年代生產出最小可測量粒徑為0.1μm的粒子計數器。九十年代初，粒子計數器的測試時間整個過程已縮短為1分鐘，同時檢測的對象不僅是空氣成份，也用于液體的檢測。且已實現對單分散散射光場的二維分布的測定，對亞微米粒子的幾何結構的直接測定。

    我國的潔凈技術和設備與國外先進國家相比差距是明顯的，國內在二十世紀70年代開始研制和生產這類儀器，同時研制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只能做到300ml/min和1 L/min，光源為普通白光。0.1μm潔凈技術和設備在國際上先進國家己成為成熟技術，我國則在90年代剛剛起步。一直在致力于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0.18μm。

    回顧國外激光粒子計數器的發展歷史，我們可以從幾個方面來加以認識。從光源來劃分可以分為以白光作為光源，以He-Ne激光作為光源，以半導體激光器作為光源三種。下面以白光照明的近前向散射光收集形式的粒子計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為160-250。此類激光粒子計數器的最小分辨粒徑在0.3μm或以上，因為白光照明時光敏區強度不夠高，其光學收集系統較小，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。同時其照明方式為臨界照明，光敏區光強是隨著燈絲松散的周期性結構而變化，燈絲像引起的光敏區光強不均勻，從而形成較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，由于激光的出現，為光學激光粒子計數器提供了大功率、高亮度、穩定性好的照明光源。由于激光光束強度高，在光敏區中的光照度遠大于白光，且譜線單一，光束規則，易獲得較高的信噪比，大大提高了激光粒子計數器的靈敏度。

激光光源中，He-Ne激光器的優點是激光強度穩定，缺點是光敏區光強均勻性差，功率低，體積較大，且需要高壓供電。半導體激光器的使用大大減小了傳感器的體積并且較He-Ne激光器提高了光敏區光強均勻性，但是半導體激光器的激光光束不穩定。

以上是根據照明光源的分類，下面根據照明光軸和散射光收集系統光軸的關系，可以分為近前向散射光收集結構和側向散射光收集結構[29]。近前向散射光收集形式結構如圖1.2.1所示，側向散射光收集結構如圖1.2.2所示，即照明光軸與散射光收集光軸不在一條直線上，相互之間的夾角不等于Oo，圖1.2.2的夾角為90度，這是最常見的結構。

圖1.2.2側向散射光收集形式結構示意圖

根據光敏區與光諧振腔的位置關系，通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，激光器產生激光的前提條件是介質必須實現能級間的粒子數密度反轉，或者增益系數G>0。但是光波在實現了粒子數密度反轉分布的介質中傳播時還有各種損耗，主要是激光工作物質的內部損耗和鏡面損耗。因此，對于單頻腔式激光器，在理想情況下，腔內平均光強為

（1）

式中，I’為飽和光強，t1為透射系數，a1為輸出反射鏡的鏡面損耗系數，GP0為非均勻增益型介質的小訊號增益系數，L為增益介質的長度。激光器輸出的光強為

（2）

由于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了光敏感區的照明光束強度，進一步減小了最小可探測粒徑，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），這主要是激光粒子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制造的。