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基于米氏散射理论的激光粒度仪的介绍
&&&&&&摘要：微小颗粒态物质在日常生活和工业生产中有着很广泛的应用，尺寸的大小和分布情况直接关系到工业流程，产品质量以及能源消耗和生产过程的安全性。因此，准确方便地测量微小颗粒的直径（粒径）并得到粒径分布函数成为一个非常有意义的课题， 并由此发展了大量商业仪器。&&&&&&1 引 言&&&&&&迄今为止，在人们开发的多种利用微粒的物理性质确定其粒径分布的测量技术中，光散射技术以其非接触测量，方便快捷的特点而受到广泛关注[1]静态光散射法（即时间平均散射）测量散射光的空间分布规律，动态光散射则研究散射光在某固定空间位置的强度随时间变化的规律。动态光散射法理论较复杂、对实验装置的技术性能要求高、数据处理难度大。。根据光散射现象研究方向的不同，光散射技术可分为静态光散射法和动态光散射法。&&&&&&2 基于米氏散射理论的概述&&&&&&静态光散射法的理论基础是米氏理论，米氏理论是以其创始人Gustav Mie命名的。Gustav Mie全名是Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig Mie，他于1908年在《Annalen der Physik》上发表了一篇论述微粒对光散射效应的论文。该论文开创了一个新的专业，其研究方向就是微粒对光的散射和吸收作用。&&&&&&由米氏理论知当一束波长为，光强为的单色平面波照射到单个球形颗粒时，其散射光的光强分布为：&&&&&& （1）&&&&&&为入射光振动面与散射面的夹角，r 是观察点与散射体间的距离。强度函数i1，i2为：&&&&&& （2）&&&&&&其中， ai，bi为米氏系数，是粒子相对折射率m及无量纲参数的函数，可以用半整数阶贝塞尔函数和第二类汉克尔函数表示；的勒让德和一阶缔合勒让德函数表示[2]。&&&&&&由米氏理论我们可以得到不同粒径的颗粒的散射场光强的角分布量，选择适当的反演算法，就可得到样品的粒径分布状况。目前求粒径分布函数的方法主要有两种：非独立模式法（也称分布函数限制解法，Model dependent）和独立模式法（Model independent）[3]。非独立模式法就是预先假定被测微粒系统的粒径分布服从某个特定的分布函数，通常采用的是双参数分布函数，如正态分布函数，对数正态分布函数和Rosin-Rammler分布函数等。然后通过确定函数的参数来求得样品粒径分布。与之相反，独立模式则不对被测微粒系统的尺寸分布做任何假定，虽然过程很复杂，但理论上可以对任意分布的粒径体系进行求解。&&&&&&人们把米氏理论进行了两种近似简化处理，当颗粒尺寸远小于入射光波长时，可看作瑞利散射；当颗粒尺寸远大于波长时，又可简化为夫琅和费衍射。一般可根据Van de Hulst参数P来判定使用哪种近似计算。P＜0.3时，可作为瑞利散射处理；P&&30，适用夫琅和费衍射理论；，则必须采用米氏理论分析（其中）[4]。&&&&&&1963年，多宾斯（R.A.Dobbins）等人采用高压水银灯作光源，根据夫琅和费衍射理论首次成功实现了对粒子平均直径的测量。在光电接受部分使用微光度计测量散射光强分布，微光度计的径向位移用电容测微仪测量[5]。&&&&&&1970年，由于激光、光电技术及电子计算机的迅速发展和广泛应用，戴克（R.H.Dieck）在多宾斯等人的基础上，以输出功率为1mw的氢氖激光器作光源，探测器用扫描微光度计，数据处理由计算机完成。1976年，斯威辛班克（J.Swithenbank）等人采用氦氖激光器作光源，用多元环形光电探测器接收散射光能的办法实现了对粒子尺寸及其分布的测量。他们提出的这一测量系统，后来由英国的Malvern公司发展成定型产品[5]。&&&&&&1.激光器 2.扩束器 3.测量区 4.付立叶物镜 5.多元探测器 6.多路开关 7.放大电路&&&&&&8.A/D电路 9.接口电路 10.计算机 11.打印机 12.对中显示&&&&&&以夫朗和费衍射理论为指导设计的激光粒度仪，其原理是根据不同粒径的颗粒产生的衍射光随角度的分布不同，用阵列探测器探测激光通过颗粒后的衍射能量分布及其相应的衍射角度，由此反演出被测样品的粒径分布，其特点是被测颗粒粒径必须大于激光光波波长，通常根据此原理设计的仪器测量范围是3～1000微米，此项技术较为成熟[6，7]。国内外开发生产了许多相关产品，如英国马尔文公司，美国库尔特公司，美国布鲁克海文公司，德国SYMPATEC GmbH公司，中国重庆大学、天津大学以及淄博分析仪器厂等机构[7]近些年来，研究人员不断探索，采用各种方法拓展测量范围，并实现产品小型化，以使其方便耐用。主要方法是把米氏理论与夫琅和费衍射理论结合起来并辅以大角度，多探测器，侧向辅助探测的接收方案来拓展测量范围，使测量下限通常可以达到0.1微米，甚至更小。其典型产品有：。&&&&&&1. 英国马尔文公司开发的Mastersizer 2000激光粒度仪，测量范围：0.02～2000微米；&&&&&&2. 株式会社堀场所制作激光LA-920，测量范围：0.02～2000微米；HORIBA.LTD&&&&&&3. 珠海欧美克科技有限公司生产的LS800型激光粒度分析仪，测量范围：0.05～300微米；&&&&&&4. 济南润之科技有限公司生产的RISE-2008激光粒度仪，测量范围：0.02～800微米；&&&&&&5. 辽宁仪表研究所有限责任公司生产GSL-101BII激光粒度仪，测量范围：0.1～450微米；&&&&&&6. 成都精新粉体测试设备有限公司生产的JL-1177型激光粒度分布测试仪，测量范围：0.1～600微米；&&&&&&7. 丹东市百特仪器有限公司生产的BT-2002型激光，测量范围：0.68～951微米；&&&&&&8. 济南微纳仪器有限公司生产的JL9200便携式激光粒度仪，测量范围：0.1～300微米；&&&&&&9. 丹东超威粉体技术有限公司生产的激光粒度分布仪cly-2000 系列，测量范围：0.18～570/0.67～1240微米；&&&&&&10. 济南微纳仪器有限公司生产的JL9200便携式激光粒度仪，测量范围：0.1～300微米；&&&&&&由于不同类型的颗粒具有不同的物理及化学性质，国内外的公司和厂家也开发了具有针对性的激光粒度仪，使得激光粒度仪的应用更为广泛。比如济南润之科技有限公司采用超声分散法测量易团聚的超细颗粒；丹东市百特仪器有限公司采用包裹样品表面的方法测量磁性颗粒；珠海欧美克公司开发了干法粒度分析仪专门测量水泥或药品、磁性材料、淀粉等粉体样品等等。&&&&&&3 结束语&&&&&&通过科研人员的不懈努力，我们可以看到基于米氏散射理论和夫琅和费衍射理论的激光粒度仪的测量范围已经拓展到很宽的领域。然而在燃烧领域的研究中，人们希望把燃料粒子的尺寸和速度联系在一起。因而产生了一门新的测径技术&&激光多普勒技术，它可以同时满足测量例子速度和粒子尺寸的要求。它的适用范围较宽，可以测量运动速度高达104m/s的粒子，尺寸范围为3&m-5mm。可以预计，对激光多普勒技术的深入研究将带给我们更多的惊喜[5]。
（来源：中国化工仪器网）
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第十七届北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA 2017） 将继续坚持“分析科学 创造未来”的方向，围绕“生命南极获取270万年前冰芯！“最老冰棍”刷新纪录
　　近日，发表于《科学》杂志上的一篇文章指出，由普林斯顿大学领导的科研团队最近在巴黎举行的哥德斯密特大会上首次宣布，在南极钻取了一块来自270万年前的“百万年冰芯”，成为当之无愧的“老冰棍”。
　　而在此之前最长时间序列的冰芯来自约80万年前，包括我国在内的多国科学家，近年来苦苦寻找超过100万年的冰芯，但迟迟不见结果，这块来自270万年前的“老冰棍”一经发现就吸引了全球科学家的纷纷注目，因为“高龄”冰芯对于气候的演变的研究具有十分重大的意义。
▲钻取的冰芯
　　报道称，这块“百万年冰芯”是科研团队在位于南极西南极的艾伦山附近钻出的。艾伦山位于南极洲东部的多风带地区。
　　百万年冰芯气泡里“藏着”气候演变史
　　北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室主任、中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室副主任效存德表示，大约从1400万年前起，南极形成连续（不间断）的冰盖。但是冰盖是连续流体，雪花年复一年沉降到冰面，经长期压密和流变，最终在南极冰盖边缘以冰架崩解方式“下海”——融入海洋或在夏季融化流失，所以科研人员找不到最早期的冰，留下来的冰体相对“年轻”。
▲2017年7月效存德在北极朱诺峡湾冰川考察
　　效存德提出，研究冰芯记录有两种思路：一种是常见的从垂直方向钻取冰芯，一种是在冰盖边缘地带寻找出露的水平冰层，这也被人俗称“水平冰芯”，这种冰芯不积累现代降雪，从内陆流变而来的冰层就露在表面上，方便样品采集。冰中有微小的气泡，蓝光由于波长较短，都被散射出去，这种冰呈现出蓝色，因此也叫蓝冰。
▲阿拉斯加朱诺冰原地区的蓝冰
　　理论上讲，越古老的冰出露在冰盖边缘（或障碍物如山脉）的最前端，越往冰盖内陆越年轻。“垂直冰芯”的工作如同“翻阅新宗卷”，将历史不断往前延伸，优点是记录相对连续，容易解释气候演变，缺点在于年代不会太久远。在流变、地热和压力融点三重因素作用下，底部老冰不断损失，这也是科学家仅仅把期望值放在100万年左右的原因；冰盖边缘的“水平冰芯”工作如同“修补旧缺文”，优点是年代比冰盖底部（也就是垂直冰芯的最下端）久远，缺点是经过从冰盖内陆到边缘的长距离流变，加上复杂地形对冰体产生的强烈扰动，年层及其包含的信息到了冰盖边缘变得支离破碎、残缺不全。这种情况下，科学家可能需要经过长期积累，才可能拼出一个“模糊的故事”来。
　　“此前，许多远古气候预测模型都已经揭示出，远古时期低水平的二氧化碳浓度是推动当时的地球进入一系列‘冰河期’所必备的条件。”中国极地研究中心史贵涛博士表示，在冰芯气泡孔里，储藏着数万年前地球大气层的温室气体。此次研究的最大亮点是科研人员首次通过南极冰芯，找到了超过两百万年的气候信息的直接证据。
▲南极冰中包裹的气泡
　　对这块冰芯的研究发现，当时的二氧化碳水平还不到300ppm（百万分之一）——比今天的405ppm要低不少——这或许能为人们寻找“是什么触发了冰河期”这个问题的答案，提供线索。
　　而普林斯顿大学领导的科研团队说，他们下一次“钻冰远征队”或将发现年龄超过500万年的冰芯。
　　冰芯成为地球的“自然档案”
　　冰芯是人类在冰盖上钻孔获得的连续冰层。冰芯具有信息量大、高保真、高分辨率等特点。从冰芯中，科学家可以提取物理、化学、生物信息，而这些信息可以真实再现成冰时的环境特征。例如，冰芯中记录的冰雪累计量，可以反映降水程度。冰芯中的尘埃含量、同位素、化学元素等，都可以反映当时的大气环境。冰芯中雪粒的粒径可以反映温度的高低。冰芯的这些特性使之当之无愧地成为地球的“自然档案”，并对全球环境变化的研究产生重大贡献。
▲史前巨型病毒：西伯利亚阔口罐病毒(Pithovirus sibericum)
　　冰芯中中不仅藏着丰厚的历史信息，也可能藏着“史前怪物”。法国科学家2000年在西伯利亚永久冻土冰芯中采集到3万年前的病毒样本，2014年，首次对它进行了描述，命名为西伯利亚阔口罐病毒(Pithovirus sibericum)这是人类迄今已知最大的病毒，并且仍具感染性。据悉这是世界上第三种超大型病毒，已经在俄罗斯西伯利亚地区的永久冻土层中封存了3万多年，埋藏在地下30米处的晚更新世沉积层。另两种分别于2003年和2013年发现超大型病毒拟菌米米病毒(Mimivirus)和潘多拉病毒(Pandoravirus)。
　　冰芯还可以记录地球沙漠化、火山活动、大气温度变化、地震、海啸、降水、地磁场变化、宇宙射线强度、太阳活动、生物地球化学循环等等。
　　1997年，科学家在喜马拉雅山钻取了14m的冰芯一支，叫达索普冰芯。数据表示，在1991年的冰层中，SO42-浓度出现极高值。科学家预测，这是海湾战争引发的1991年春季科威特油井燃烧，烟尘在西风作用下带到喜马拉雅山地区。还是这个达索普冰芯，在年的冰层中，尘埃来源粒子（Ca2+、Mg2+和SO42-）的浓度季节变化在春季出现高值，科学家认为，这反映了亚洲干旱半干旱区春季的沙尘暴天气。
　　科学家在格陵兰冰层钻取的、一根长3030米的“冰芯”显示：l986年苏联切尔诺贝利核电站发生泄露时，放射性尘埃飘过了太平洋，影响到靠近北冰洋的格陵兰岛。截止2011年，在南极冰盖钻取到的最老的冰芯为欧洲科学家在冰穹C钻取的包含80万年气候变化记录的冰芯，以及日本科学家在冰穹F钻取的包含72万年气候记录的冰芯。科学家认为，南极冰盖应该有超过100万年的更古老的冰。
▲2005年中国南极科考队在南极大陆钻取的冰芯
　　欣喜的是，我国非常重视关于冰芯的研究工作，并且也取得了瞩目的研究成果。中国科学家利用氧同位素比率δ18O得出结论，青藏高原气候变化有一定差异，特别是南北差异和东西差异十分明显，并且反映出近100年来青藏高原在不断变暖。2008年，科学家从封存在南极冰芯中的气泡证实，在之前长达65万年的时间内，地球大气中三大温室气体：二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的浓度，从未像最近几百年这么高，与人类活动有关。2011年11月，中国南极科考队开始在南极冰盖最高点冰厚超过3000米的冰穹A地区进行深冰芯钻探工作，希望获得100万年以上的古老冰芯。主要是重建超过100万年的气候变化记录，通过冰芯气泡分析，研究温室气体在气候变化中的作用。
　　冰芯验证了Milankovich理论的部分正确性
　　Milankovich理论即米氏理论，它是塞尔维亚天文学家卢廷-米兰科维奇在20世纪40年代提出的关于气候变化的经典理论，该理论认为，地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期-间冰期旋回的根本原因。
▲冰芯的钻取
　　对于格陵兰冰芯的研究发现了气温、大气化学、大气环流以及陆地生物的N排放等的变化，亦存在轨道效应。末次间冰期以来青藏高原古里雅冰芯中的δ18O记录，也表现出20ka和4Oka左右的明显周期。
　　天文气候学研究表明，地球中低纬度气候变化主要受岁差效应的影响，而地轴倾斜效应对于气候变化的影响主要表现在极区。天文理论的这一预测结果，得到了青藏高原古里雅冰芯记录(显著的2Oka左右周期)和南极Vostok冰芯记录(其δ18O变化，偏心率的贡献为37%，地轴倾斜的贡献为23%，岁差贡献仅为ll%)的有力支持。而格陵兰冰芯记录中强烈的岁差周期，很可能说明北半球高纬度大气环流与季风环流之间存在强烈的耦合效应。青藏高原冰芯与格陵兰冰芯记录的气候变化相对于轨道效应引起的太阳辐射变化的滞后时间(约5ka)，与亚洲季风23ka的周期变化滞后于岁差变化的时间(约5ka)之间的一致性很可能说明了这一点。
　　而冰芯同时也否定了该理论。米氏理论的核心是强调了一个敏感区，即北半球高纬区。敏感区的气候变冷后，其信号被进一步放大、传输、进而影响其它地区。根据深海洋氧同位素的记载，北半球大陆冰盖在0.8MaB.P.前后（晚第四纪）冰盖波动的主导周期以100ka为主。当检验米氏理论适用到何种程度时，即考察产生于北半球的气候变化信号是否被大范围的传输，并进而影响全球。如果北半球的气候变化信号被大范围的传输，那么两半球晚第四纪气候变化周期应以100ka为主。然而，一些低纬地区并没有明显的100ka冰量周期，而是以20ka岁差周期为主，表明北半球冰盖的扩张、收缩变化并没有完全控制低纬区的气候变化。此外，南极冰芯中的甲烷纪录亦有强烈的20ka岁差周期。另外，把南极冰芯和格陵兰冰芯的甲烷记录进行对比发现，在第1冰消期时，气温增高北极要大大滞后于南极。从这个结果看，尽管北半球夏季太阳辐射在冰期旋回中有重要作用，但是不能否定南半球夏季太阳辐射的局地驱动作用，更不能说明冰期旋回的全球同时性。更多精彩文章请关注仪器＋资讯平台：！买耗材仪器，找木木西里：！
　　（作者：木木西里 参考自Science、科技日报、互动百科、中国新闻网。更多精彩文章关注微信公众号“木木西里”）
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mie theory
- 引用次数：3
The calculation of light scattering based on classic Mie theory is quite complex. So Fraunhofer diffraction theory, which is its approximate theory, is used in analysis of particles.
光散射的经典理论米氏理论计算比较复杂,因而通常在进行微粒分析时采用米氏理论的近似理论——夫朗和费衍射理论。
参考来源 - 人血红细胞光散射研究及蒙特卡罗仿真
mie theory
- 引用次数：2
According to Mie theory,the extinction parameters of ultrathin electric slice in 3mm wave band are calculated,when the particle size parameter k is small,the absorption take as the leading factor,when k is big,the scattering take as the leading factor.
应用米氏理论，计算了超薄导电片在3mm波段的消光参数，认为在粒径参数κ较小时，以吸收衰减为主；当κ较大时以散射衰减为主。
参考来源 - 超薄导电片衰减3mm波特性研究
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介绍了米氏散射的基本算法，利用米氏理论计算波长1。
Mie scattering algorithm is introduced and scattering irradiation of pulse laser with 1.
根据严格米氏理论，数值研究了大尺寸参数圆柱的彩虹现象，获得与实验相吻合的数值结果。
Based on Mie theory the rainbow intensity distribution is calculated, and numerical results agree with the experiment.
讨论了几何光学和艾里理论局限性，将米氏理论和几何光学结合，对彩虹现象给予了更为合理的解释。
The limitation of the geometric optics and Airy theory is discussed. And the rainbow phenomena are interpreted reasonably by using geometric optics and Mie theory.
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