一种表征介质洁净度的计数装置

　　1　引　　言

　　高新技术产业对微环境洁净技术提出了越来越高的要求,尤其是在代表科技发展战略方向的芯片制造、医学与药物和生物工程领域,对洁净技术的挑战将达到前所未有的深度和广度,洁净技术已成为衡量一个国家科学技术进步和工业水平高低的一个重要标志。实践表明,洁净手术室、洁净护理单元、集成电路和生物药品生产全过程都要实行洁净控制,其中对微粒的　　污染控制和监测仍是一个关键部分。利用光学原理设计了一套实验装置,可用来对液体或气体介质中的颗粒状杂质进行检测或实时监测,下面给出其工作原理和部分实验结果。

　　2　工作原理

　　计数装置的光路部分结构如图1所示。根据光的散射规律[1],由于颗粒的消光(散射和吸收)作用,在颗粒通过光路时,光电二极管1接收到的光能量要减少。单位时间内从原始的入射光中移去的总的光能量Eext为:

　　式中:I0为入射光强,消光截面Cext在数值上等于消光系数Kext与颗粒迎着光传播方向的投影面积a的乘积,即:

　　其中,无因次粒径参量α=(πD)/λ,λ是入射光的波长,D是球形颗粒的直径。al、bl为Mie系数,是折射率m和无因次粒径参量α的函数。

　　光电二极管2用于接收被测颗粒前向45°±15°范围内的散射光,此时的光能量和粒径(E-D)之间有较好的单值对应关系且在小颗粒范围内受折射率影响最小,接收的光能和粒径之间的对应关系为[4]:

　　3　模拟计算

　　在图1的结构中,有:

　　由于光电二极管1的迎光面对于流过测量区中的被测颗粒所张的立体采光角不可能为零,造成在E1测量中混进了散射光,导致消光测量值和消光系数偏低,使得表观的消光系数比其理论值要小。

　　图2给出了消光系数测量偏差对测量结果影响的数值模拟结果。曲线1是光束断面为50μm的E-D(光能和粒径)理论曲线(m=1.33),曲线2、3、4分别是混进了立体角0.5°、1°、10°前向散射光时的E-D理论曲线。由图中可看出,由于散射光的影响,对颗粒的粒径测量偏差还是相当明显的。

　　通过对a分别为5和50、折射率为1.33时的散射光强计算,结果如图3所示。可知,近前向的散射光强最强,而光电探测器对颗粒的最小张角所接收到的散射光恰恰是最前向的,由此带来的测量偏差当然是很大的了。

　　折射率m=1.33的理论消光曲线如图4中曲线1所示,曲线2是前向0°～5°空间立体角范围内的相对散射系数。曲线3是受前向0°～5°空间立体角散射光影响后的表观消光系数。由曲线3不难看出,在无因次参数α大于20(对于0.65μm入射光来说,相当于颗粒直径为4μm)时,表观消光系数趋近于1,即相当于几何光学的遮光方式。表观消光系数曲线在无因次参数α小于20时,相当于颗粒粒径小于4μm时,有明显的振荡性,即与粒呈现多值性对应关系。