液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究

摘要

光与颗粒物相互作用一直是研究的热点问题,光与颗粒物相互作用时会产生散射、透射、反射等现象,而这些光学现象与颗粒物粒径等自身属性存在着紧密的联系。Mie散射理论为研究球体和电磁波之间的相互作用提供了理论依据。许多学者研究了高效的算法以及开发了相应的计算程序,来得出准确的球形粒子的单散射特性。在传统的Mie公式中,包含球形颗粒的介质被假设为是一个非吸收性介质,而在很多情况下,介质为吸收性介质,那么在此前提下须对传统的Mie散射定律进行修正。在光散射的工程应用中,须对远场的散射强度作精确计算,而在吸收介质条件下经典的Mie散射定律所计算得到的散射光强与实际测量值存在差异,因此有必要研究吸收介质中颗粒物的表观光学特性。目前国外对表观光学特性的研究还属于理论分析阶段,而将表观光学特性应用到粒径测量等工程领域,并解决工程应用中间的科学问题是目前表观光学特性研究的重要方向。
　　本文从追溯吸收介质下颗粒的表观光学参量方程出发,以牛乳脂肪模拟液为研究对象,对其表观光学特性做了深入研究,得到了两种溶剂下脂肪颗粒的表观光学参量,量化了表观光学参量与Mie光学参量之间的差异。并研究了表观光散射现象与介质折射率虚部间的内在联系,确定了表观光学特性工程应用中的折射率虚部临界值。通过对颗粒物粒径解析实现表观光学特性的工程应用。主要的研究内容包括:
　　1.追溯了液态吸收介质下颗粒的表观光学参量方程,采用牛乳脂肪模拟液为研究对象,对乙酸乙酯和乙醇胺两种溶剂下脂肪颗粒表观光学特性及Mie散射特性做了仿真对比分析,量化了牛乳脂肪模拟液的表观散射系数与Mie散射系数之间的差值,计算结果表明,在同一波长同种介质条件下,二者之间的差值变化不大,这说明表观光学特性的变化规律与Mie光学特性的变化规律可比拟。研究了介质折射率虚部与表观光学现象之间的内在联系,给出了工程应用介质中质折射率虚部的临界值,小于此临界值,表观光学现象可忽略,在工程应用中可使用Mie光学参量。
　　2.建立了基于表观光学参量的颗粒粒径解析方程。首先分析了光全散射法测量颗粒粒径的理论基础,此方法中光学参数的计算都是基于经典的 Mie散射方程,而对于吸收介质,应采用吸收介质下表观光学参数代替经典的Mie光学参数,这给予该方法很好的理论补充,可提高反演方程解的准确性。推演了基于表观光学参量的颗粒粒径解析方程,通过自行设计的仿真系统对该方程所得结果作了仿真研究,绘制了不同波长激发时,基于Mie光学参量的粒径曲线及基于表观光学参量的粒径曲线,并对二者做了分析,分析结果表明,基于表观光学参量所获得的粒径值与基于Mie光学参量获得的粒径值之间存在差异,前者所得的值较小。
　　3.研究了液态介质下颗粒粒径测量的影响因素。首先建立了光学实验系统,包括光源、样品池、光电元件的选择及输运恒温系统的设计。完成了被测物及介质的选择。配制了牛乳脂肪模拟液,以乙酸乙酯和乙醇胺两种吸收介质进行溶解,并对其进行了均质预处理,使得其粒径分布趋于均匀,确定了模拟液的最优配制浓度。以自行设计的光学实验系统为平台,确定了散射光接收角度、模拟液激发波长、最优测量温度等因素。
　　4.对吸收介质下颗粒的表观光学特性及粒径解析方程的实验验证。首先验证了吸收介质下球形颗粒的表观光学特性,结果表明,依据表观光学特性计算的散射光强与实际值更为接近。对比分析了基于Mie散射的粒径解析方程获得的粒径测量值与基于表观散射的粒径解析方程获得的粒径测量值,分析结果表明,前者求得的粒径平均值偏大,可以说明,表观散射对颗粒粒径的测量存在影响,且通过实验证明,基于表观散射的粒径解析方程精度较高,具备工程应用价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2液态吸收介质下颗粒物的选取

1.3有关光散射理论的几个基本物理量

1.4颗粒物光学特性及其工程应用的研究现状

1.5表观光学特性应用研究中存在的科学问题

1.6课题的来源及研究内容

第2章 介质吸收与表观光学特性的关系研究

2.1近场条件下吸收介质中颗粒的Mie光学参量的推演

2.2液态吸收介质中颗粒的表观光散射参量

2.3吸收介质下颗粒Mie光学参量与表观光学参量对比分析

2.4吸收介质折射率虚部临界值的确定

2.5本章小结

第3章 吸收介质下颗粒粒径解析方程的建立

3.1颗粒的粒径

3.2颗粒物粒径测量的主要方法

3.3光全散射法颗粒粒径测量原理研究

3.4吸收介质中颗粒粒径方程的建立

3.5颗粒粒径测量仿真系统的建立

3.6颗粒粒径的仿真结果

3.7本章小结

第4章 颗粒粒径测量影响因素的实验研究

4.1液态介质下颗粒光学实验系统设计

4.2被测颗粒物及吸收介质的选择

4.3散射光接收最优角度的选取

4.4最优激发波长的选取

4.5测量温度的确定

4.6本章小结

第5章 表观光学特性及粒径解析方程的实验验证

5.1实验平台及条件的确定

5.2表观散射光强与Mie散射光强的量化差值实验

5.3基于表观散射系数粒径解析方程的实验验证

5.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢