Mastersizer2000激光粒度分析仪及其应用

　　自从1981年英国马尔文公司应用小角度激光散射技术成功地开发出Mastersizer系列激光衍射粒度分析仪以来,该系统得到不断更新和改进,被广泛用于制药、石油、水泥、油漆、涂料、矿产品加工、粉体及军工等领域。

　　特别是1998年新一代激光粒度分析仪Mas2tersizer 2000的问世为粒度分析提供了最佳的解决方案。本文通过对仪器的工作原理和性能以及实验中应注意的问题的介绍,以期仪器在科研中更好地发挥作用。

　　1　仪器工作原理

　　激光衍射法又称小角度激光光散射法,应用了完全的米氏散射理论,颗粒在激光束的照射下,其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系,而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减。仪器的工作原理如图1所示[1]。

　　由He2Ne激光器发射出的一束一定波长的激光,该光束通过滤镜后成为单一的平行光束,照射到颗粒样品后发生散射现象。

　　散射光的角度与颗粒的直径成反比关系,散射光经傅立叶或反傅立叶透镜后成像在排列有多个检测器的焦平面上,散射光的能量分布与颗粒直径的分布直接相关,通过接受和测量散射光的能量分布就可以得出颗粒的粒度分布特征[2,3]。衍射光强度I(θ)与颗粒粒径有如下关系

　　其中,θ是散射角度;R是颗粒半径;I(θ)是以θ角散射的光强度;n(R)是颗粒的粒径分布函数;K=2π/λ,λ为激光的波长; J1为第一型的贝叶斯函数。根据所测得的I(θ)可反求颗粒粒径分布n(R)[4]。激光粒度分析是在假定所测颗粒为球体的前提下进行。

　　2　仪器主要性能

　　(1)高能量高稳定性的激光光源。采用He2Ne激光器发射激光,波长为633 nm,该光源具有极高的稳定性和良好的抗震性和低的背景噪音。由于散射光强与光波的4次方的倒数呈正比,所以颗粒对于633 nm波长的散射光能量是普通固体激光器(波长大于700 nm)的2倍,提高了小颗粒散射信号的强度[5,6]。

　　(2)宽广的测量范围。测量物质范围为0.02~2 000μm。重现率优于0.5%,准确率则优于1%。

　　首先Mastersizer在主检测器的基础上,增加了大面积的前向和背向检测器群组,使检测角最高达到135°,粒度检测下限可达20 nm,从而可以检测纳米或亚微米级的颗粒。其次为了保证小颗粒的散射光强信号足够大,又有效降低大颗粒散射信号的噪音,Mastersizer采用了专利的非均匀交叉排列扇形检测器,检测器灵敏度的增加呈对数规律增加,使其始终保持高信噪比,并避免了散射信号的丢失。最后一个关键因素是Mastersi2zer采用了高能量的光源,在保证了检测器能够获得足够强的散射信号的同时又能够有效地减少和消除非散射光对检测器的影响,从而提高测量的精确性。