利用傅里葉紅外光譜復(fù)測(cè)al

利用傅里葉紅外光譜復(fù)測(cè)al

0小顆粒物質(zhì)分析大自然中有許多物質(zhì)是顆粒的狀態(tài)，如云中的云、霧、雪、雨、空氣中的懸浮顆粒和灰塵顆粒。粒子態(tài)物質(zhì)涉及到化工、冶金、動(dòng)力、建筑、醫(yī)藥、生物、食品、航天、軍事及大氣科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。其中典型的含粒子介質(zhì)包括：含炭黑及飛灰的火焰，射流及固體火箭尾噴焰，含微粒半透明材料如感光材料、含微粒紅外隱身涂料、納米粒子半導(dǎo)體材料如硒化鎘、硫化鉛等。目前，與動(dòng)力有關(guān)的煤、灰、碳黑粒子光譜特性的研究較多，而在其他領(lǐng)域有關(guān)金屬與金屬氧化物粒子的研究較少，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是在高溫下，這類粒子復(fù)折射率公開發(fā)表的數(shù)據(jù)很難找到。掌握小顆粒物質(zhì)的折射率在諸如半導(dǎo)體工業(yè)等要求純凈的行業(yè)中有重要意義，另外，物質(zhì)呈小顆粒狀與呈大塊狀時(shí)折射率不同，以此研究與發(fā)展能直接測(cè)量小顆粒物質(zhì)折射率的方法是有現(xiàn)實(shí)意義的，也是目前所迫切要求的。粒子的光學(xué)常數(shù)（復(fù)折射率）屬基本物性參數(shù)，與其組分、溫度、表面狀況有關(guān)。由于粒子的比表面積比其塊狀物質(zhì)大得多，且高溫粒子易聚集成團(tuán)，導(dǎo)致粒子表面狀況復(fù)雜，因此，粒子的光學(xué)常數(shù)并不等同于構(gòu)成粒子材料的光學(xué)常數(shù)。粒子的復(fù)折射率不能直接通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量（沒有直接測(cè)量的儀器），須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定其他量，然后結(jié)合相應(yīng)的理論模型反求，屬反問題研究。1復(fù)折射率的計(jì)算當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色平面電磁波投射到一各向同性均質(zhì)球形粒子上時(shí)，粒子的單色衰減、散射和吸收因子可由Lorenz螄Mie電磁理論表示為:式中：Re表示取復(fù)數(shù)實(shí)部；x=πD/λ，為尺度參數(shù)，D為粒徑，λ為波長(zhǎng)；S0為前向散射幅值函數(shù)；an及bn為Mie散射系數(shù)：式中：m=n-ik，為微粒相對(duì)其周圍介質(zhì)的復(fù)折射率；ξn=ψn-iXn，ψn(x）,χn(x）為Ricatti螄Bessel函數(shù)，滿足下面的遞推關(guān)系：其中：根據(jù)貝爾定律，假設(shè)粒子的散射為互不影響的獨(dú)立散射，忽略多次散射，粒子系的單色透射率τλ可由下式表達(dá)：式中：L為粒子系行程長(zhǎng)度。該式與描述非散射性介質(zhì)內(nèi)輻射能量衰減規(guī)律的貝爾公式相同，只是用粒子系單色衰減系數(shù)κλ代替了單色吸收系數(shù)，κλ由下式計(jì)算：式中：N為粒子數(shù)密度；P(D)為粒徑分布密度函數(shù)。因此P(D）、尺度參數(shù)x及其他幾何參量已知時(shí)，粒子的復(fù)折射率m直接與粒子系的透射率有關(guān)。但由于m為一復(fù)數(shù)，包含折射指數(shù)n及吸收指數(shù)k兩個(gè)變量，為了求解復(fù)折射率，還需補(bǔ)充附加條件進(jìn)行反演。同時(shí)，介質(zhì)的光學(xué)色散理論認(rèn)為：復(fù)折射率的實(shí)部與虛部可由K螄K關(guān)系式聯(lián)系起來：對(duì)于確定的粒子系，衰減因子與透射率一一對(duì)應(yīng)，因此，可以將直接衰減因子作為模擬參量。構(gòu)造一個(gè)滿足介質(zhì)色散K螄K關(guān)系式的復(fù)函數(shù)A(v)作為附加條件：式中：式中：Im,Re分別表示取復(fù)數(shù)的虛部和實(shí)部。比較公式(6)和公式(7)，則。根據(jù)K螄K關(guān)系式：因此，通過透射率實(shí)驗(yàn)及K螄K關(guān)系式，復(fù)函數(shù)A(v)可求，進(jìn)而可求得粒子的復(fù)折射率。2傅里葉光譜的優(yōu)勢(shì)粒子的紅外光譜參數(shù)是通過傅里葉光譜分析儀獲得的。在很多需要對(duì)材料的紅外輻射特性進(jìn)行測(cè)試、評(píng)價(jià)的應(yīng)用領(lǐng)域,都離不開紅外光譜輻射的測(cè)量。傅里葉變換紅外光譜儀是由紅外光源(硅碳棒和高壓汞燈)、干涉儀(邁克爾遜干涉儀)、樣品室、探測(cè)器、電子計(jì)算機(jī)和記錄儀等部件構(gòu)成，與傳統(tǒng)的棱鏡式、光柵式和漸變?yōu)V光片式光譜儀相比,傅里葉光譜儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1）入射輻射通量大。它不需要入射狹縫,因而，入射通量比有狹縫系統(tǒng)要大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。加上高響應(yīng)度探測(cè)器,保證了系統(tǒng)有很高的靈敏度。(2）測(cè)量速度快。傅里葉光譜儀采集的干涉圖的每一點(diǎn)均含有各個(gè)波長(zhǎng)的信息,得到一個(gè)完整的干涉圖的時(shí)間也是非常短。(3）波段范圍寬。本實(shí)驗(yàn)選用的儀器是日本JASCO傅里葉光譜分析儀FTIR螄6100。儀器的工作溫度范圍：60～1500°C；光譜范圍：0.67～25μm；粒徑：10～500μm。利用傅里葉變換技術(shù)進(jìn)行電磁光譜測(cè)量具有測(cè)量速度快，信噪比（50000:1）、分辨率高（通常為0.5cm-1），可同時(shí)處理一個(gè)光譜范圍的所有波長(zhǎng)以及重復(fù)性好等優(yōu)良特性。另外，在測(cè)量中傅里葉變換有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：輻射通過干涉儀進(jìn)行振幅調(diào)制后，透射到被測(cè)樣品上，透過樣品的光被檢測(cè)器接收，并經(jīng)過快速傅里葉處理后，得到樣品的透射光譜，只有經(jīng)過調(diào)制才可以被測(cè)量，因此，可以消除未被調(diào)制的背景輻射的影響。2.1研磨片的制備透射率實(shí)驗(yàn)采用Al2O3粒子和煤灰粒子兩種試樣，壓片透射率實(shí)驗(yàn)用的Al2O3壓片是由Al2O3粒子與KBr放入瑪瑙研磨鍋內(nèi)混合研磨再經(jīng)壓片機(jī)壓制而成。測(cè)量其透射率應(yīng)該保證一定的透明性，因此，壓片要很薄，同時(shí)表面應(yīng)盡量光滑。將壓片放入傅里葉變換紅外儀的測(cè)試光路，可直接測(cè)出其透射率光譜，煤灰粒子試樣的實(shí)驗(yàn)也是如此。2.1.1試樣制備和壓制粒子系紅外光譜實(shí)驗(yàn)中，試樣的制備及處理非常重要，如果試樣處理不當(dāng)，即使儀器的性能很好，也不會(huì)得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于固體試樣，經(jīng)常采用的方法有：壓片法、液體池法、薄膜法及溶液法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，本實(shí)驗(yàn)采用壓片法制備試樣。常用的紅外光譜實(shí)驗(yàn)分散介質(zhì)為KBr，實(shí)驗(yàn)中將Al2O3粒子/煤灰粒子與KBr充分混合研磨制成壓片，其制作過程如下：(1)將粒徑較大的光學(xué)純KBr粒子放入研缽中研磨成粒徑較小的粉末，因?yàn)?，?dāng)KBr粉末較粗時(shí)，壓片的透明性不好。(2)按5‰粒子質(zhì)量濃度，將Al2O3粒子/煤灰粒子試樣與細(xì)KBr粉末充分研磨混合。稱取0.1g粒子與KBr的混合物，由壓片機(jī)加壓200kg/cm2，壓制而成試樣壓片。(3)稱取0.1g純KBr粉末，壓片機(jī)加壓200kg/cm2壓制成與試樣厚度近似的透明薄片，做為參考片。由于KBr極易潮解，在以上實(shí)驗(yàn)過程中，利用紅外燈加熱以保證制備壓片在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。2.1.2透射率的測(cè)試及分析進(jìn)行試驗(yàn)前，采用日本JASCO公司提供的聚苯乙烯薄膜對(duì)光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定由標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行控制。標(biāo)定結(jié)果如圖1所示。為了抵消KBr對(duì)粒子系透射率的影響，首先，在儀器上對(duì)KBr參考片進(jìn)行透射率測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果存入計(jì)算機(jī)。然后，將試樣壓片放入測(cè)試光路，測(cè)試結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)后，會(huì)自動(dòng)減去KBr的影響，可直接得到粒子系的透射率光譜。2.2煤灰粒子的透射率與復(fù)折射率實(shí)驗(yàn)采用激光粒度分析儀對(duì)Al2O3和煤灰粒子進(jìn)行粒度分析，分析結(jié)果如下：平均粒徑為D軓32=4.2μm，壓片厚度為0.3mm,Al2O3粒子與KBr的質(zhì)量混合比為1∶100，測(cè)量所得透射率結(jié)果如圖2所示，反演所得Al2O3粒子的復(fù)折射率如圖3所示。煤灰粒子系透射率實(shí)驗(yàn)采用的煤灰粒子的密度為ρp=2245kg/m3，其中KBr壓片中介質(zhì)與粒子質(zhì)量比Ap=200，壓片厚度L=0.602mm，粒徑D=1.5μm。測(cè)量所得透射率結(jié)果如圖4所示，反演所得煤灰粒子的復(fù)折射率如圖5所示。3透射率誤差的影響將正問題結(jié)果作為符合Log螄Normal分布粒子系的標(biāo)準(zhǔn)透射率光譜，分別假設(shè)煤灰粒子透射率在整個(gè)實(shí)驗(yàn)光譜范圍內(nèi)存在±0.5%、±2%的相對(duì)誤差(當(dāng)透射率數(shù)值大于1.0時(shí)取為0.99)，并將帶有誤差的透射率作為反問題計(jì)算的已知量，其他條件不變，計(jì)算此時(shí)的復(fù)折射率值，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。可以看出：當(dāng)透射率存在偏差時(shí)，對(duì)實(shí)部的反演結(jié)果影響很小，幾條線幾乎重合，而對(duì)虛部的反演結(jié)果則存在很大影響。因此，透射率實(shí)驗(yàn)的精度直接影響復(fù)折射率的反演結(jié)果。當(dāng)其相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于0.5%時(shí)，可忽略其影響。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及啟示利用稀相均一粒子系的透射率光譜，結(jié)合精確Mie散射理論及色散K螄K關(guān)系式，建立求微粒復(fù)折射率的透射法計(jì)算模型。較以前提出的反演粒子復(fù)折射率的一些方法，不僅保持了粒子的自然