استكشاف فوائد حيود الليزر في التحليل الحديث لحجم الجسيمات

توجد العديد من المواد المستخدمة في العديد من الصناعات، مثل الغذاء والدواء والحفز الكيميائي، في شكل مسحوق. إن توزيع حجم الجسيمات لجزيئات المسحوق له تأثير مهم على جودة وأداء المواد. يعد محلل حجم الجسيمات بالليزر أداة مهمة للكشف عن توصيف حجم الجسيمات لمواد المسحوق. يستخدم محلل حجم جسيمات حيود الليزر مبدأ تشتت مصدر الضوء لقياس المسحوق وله مزايا نطاق القياس الواسع وتحليل النتائج السريع والتكرار الجيد.

مبدأ العمل لمحلل حجم الجسيمات حيود الليزر

تستخدم قياسات حجم الجسيمات بالليزر مبدأ تشتت الضوء، الذي يعتمد على التشتت البصري وديناميكيات الجسيمات. يعتمد هذا المبدأ على التشتت البصري وديناميكيات الجسيمات، أي أن الضوء الذي يمر عبر وسط غير متجانس يتفاعل مع الجسيمات، ويمتص الضوء ويعكسه وينكسر ويرسله ويحيده بعيدًا عن مسار الضوء الأصلي. يقوم محلل حجم الجسيمات حيود الليزر بقياس الكثافة والتوزيع الزاوي للإشارات الضوئية المنتشرة بواسطة الجزيئات عن طريق تشعيع العينة بضوء الليزر ثم يستنتج توزيع حجم الجزيئات.

1. يولد الليزر شعاع ليزر أحادي اللون وأحادي الاتجاه موجه إلى العينة المراد قياسها.

2. تبعثر الجسيمات الموجودة في العينة شعاع الليزر، مما يشكل ضوءًا متناثرًا. ترتبط شدة وزاوية الضوء المتناثر من الجسيمات بحجم الجسيمات، حيث تشتت الجزيئات الأكبر كثافة ضوء أعلى وزاوية تشتت أصغر، والعكس صحيح.

3. يقوم محلل حجم جسيمات الليزر بجمع وتسجيل الإشارات الضوئية المنتشرة بواسطة الجسيمات.

4. يقوم محلل حجم جسيمات الليزر بتحليل الكثافة والتوزيع الزاوي للضوء المتناثر من الجزيئات لاستنتاج توزيع حجم الجزيئات في العينة.

يستخدم محلل حجم الجسيمات حيود الليزر هذا المبدأ لقياس توزيع حجم الجسيمات في العينة بسرعة ودقة. يستخدم محلل حجم الجسيمات حيود الليزر على نطاق واسع في تعدين المساحيق والأدوية والكيميائية والمواد الغذائية ومواد البناء وغيرها من مجالات تحليل حجم الجسيمات ومراقبة الجودة.

رسم تخطيطي لطريقة قياس حجم الجسيمات بالليزر

هيكل محلل حجم الجسيمات بالليزر

يمر الشعاع المنبعث من الليزر عبر مرشح مكاني وعدسة توسع الشعاع ليصبح شعاعًا متوازيًا من الضوء بطول موجي محدد. يتم تشتيت المسحوق الجسيمي في تيار هوائي أو وسط سائل. يتم نقله إلى غرفة العينة عن طريق نظام التشتت لضمان تفريق الجزيئات بشكل موحد. ينحرف الضوء الموازي وينتشر بواسطة حجرة العينة، ويتم تصوير الضوء المتناثر على المستوى البؤري بواسطة عدسة فورييه. يتم ترتيب كاشف ضوئي متعدد الحلقات على المستوى البؤري. يتم تحويل معلومات الضوء المتناثرة التي تكتشفها أجهزة الكشف إلى إشارات كهربائية، يتم قياسها بواسطة جهاز كمبيوتر لتوصيف توزيع حجم الجسيمات.

إجراء التصوير

1. الليزر: بشكل عام ليزر He-Ne أو ليزر أشباه الموصلات، الذي ينتج شعاع ليزر أحادي اللون وأحادي الاتجاه يشع العينة المراد قياسها؛

2. نظام العدسات: مقسم إلى عدسة توسيع شعاع ما قبل الإصابة ومرشح مكاني. يقوم نظام العدسات بموازاة وتصفية الشعاع المنبعث من الليزر لجعله يحتوي على شعاع أحادي اللون متوازي.

3. نظام التشتت: يعد التشتت المناسب للعينة شرطًا أساسيًا للحصول على نتائج تحليلية دقيقة، وفقًا للمشتتات المختلفة المقسمة إلى التشتت الرطب والتشتت الجاف. عادة ما يتم تحقيق التشتت الرطب عن طريق الموجات فوق الصوتية والتحريك. ويرتبط تأثير التشتت بوقت الموجات فوق الصوتية والتردد وسرعة التحريك؛ وينقسم التشتت الجاف إلى السقوط الحر والتشتت النفاث.

4. غرفة العينة ونظام التغذية: يتم نقل الجزيئات المراد قياسها إلى غرفة العينة من خلال نظام التغذية لضمان التشتت الموحد للجسيمات؛

5. الكاشفات الضوئية: تتوزع الكواشف الضوئية على المستوى البؤري لعدسة فورييه التي يمر من خلالها الضوء المتناثر وهي عديدة ومرتبة على شكل حلقة. يتم توزيع المستشعر في وسطه لتجميع نهاية الشعاع المنحرف، ويستخدم لتحديد تركيز حجم العينة. تستقبل أجهزة الكشف المحيطية زاوية توزيع الضوء المتناثر والطاقة وتحولها إلى إشارات كهربائية.

6. الكمبيوتر ونظام التصوير. يستقبل الكمبيوتر الإشارات الكهربائية ثم يقوم بقياسها واستقراءها للحصول على خصائص توزيع حجم الجسيمات.

تصنيف طرق اختبار تحجيم الجسيمات بالليزر

يمكن تقسيم طرق اختبار جهاز قياس حجم الجسيمات بالليزر إلى نوعين: جاف ورطب. نظرًا لاختلاف وسائل التشتيت المستخدمة في طرق الاختبار الجافة والرطبة، ستكون نتائج الاختبار مختلفة.

تستخدم الطريقة الجافة الهواء كوسيلة تشتيت. إنه يستخدم مبدأ التشتت المضطرب، والذي يتيح تشتيت جزيئات العينة بالكامل، ثم يتم إدخال العينة المشتتة في النظام البصري للاختبار.

المزايا: إنه سريع وسهل التشغيل ودقيق وقابل للتكرار. يمكنه اختبار العينات المذابة في الماء وهو مناسب للكشف عن توزيعات مختلفة لحجم الجسيمات الخشنة والناعمة.

العيوب: حجم العينة كبير وعوامل التأثير المعقدة.

تضيف الطريقة الرطبة العينة مباشرة إلى الماء أو الإيثانول ووسائط التشتيت الأخرى للتشتت. ومن ثم، من خلال النظام البصري، يتم حساب توزيع حجم الجسيمات.

المزايا: حجم العينة الصغير مناسب للكشف عن توزيع حجم الجسيمات الدقيقة.

العيوب: ضعف إمكانية تكرار نتائج القياس.

احتياطات:

تحاول التغذية الجافة اختيار ضغط أصغر لتقليل التأثير على جزيئات العينة وتجنب التجزئة الثانوية للجزيئات. بالنسبة لبعض العينات التي يصعب تشتيتها، مثل أكسيد الحديد، تكون الكثافة أكبر، وتحتاج إلى اختيار ضغط تشتت أكبر.

يتم تعديل التغذية الرطبة عن طريق تغيير معدل التحريك ووقت الموجات فوق الصوتية. بالنسبة لبعض العينات الأخف التي يمكن أن تطفو على وسط التشتيت، ينبغي تمديد وقت اختبار العينة لتسهيل التشتت الكامل للعينة. كما يجب أن يستخدم الاختبار الرطب الموجات فوق الصوتية لإزالة فقاعات الهواء، وإلا سيتم تشكيل قمم زائدة في النتائج.

عوامل التأثير على نتائج الاختبار:

1. اختيار المشتت: أحد الشروط المهمة لاختبار حجم جسيمات الليزر هو تشتت العينة. يمكن أن يؤدي اختيار المشتت المناسب إلى خفض التوتر السطحي للسائل، مما يؤدي إلى تدمير قوة فان دير فال بين الجزيئات. يتمثل الدور الرئيسي للمشتت في منع الجزيئات من الاستقرار والتخثر بحيث تكون مشتتة بشكل جيد. ومن الناحية النظرية، ينبغي اختيار المشتت كسائل شفاف ومتوازن بصريًا ولا يتفاعل مع العينة.

2. توزيع الكاشف: كلما زاد نصف قطر حلقة حيود الليزر، زادت زاوية الحيود، وضعف شدة الضوء. يمكن أن تؤدي زيادة عدد أجهزة الكشف إلى تقليل تسرب الإشارة وتحسين دقة نتائج القياس.

3. اختيار الظل: إذا كانت قيمة الظل عالية جدًا، فسيكون هناك تشتت متعدد ولا يمكن قياسه؛ إذا كانت قيمة الظل منخفضة جدًا، فلن يتم اكتشاف الإشارة بدرجة كافية للتأثير على دقة القياس.

4. اختيار المواد القياسية للمعايرة: لضمان دقة نتائج معايرة حجم الجسيمات بالليزر وإمكانية تتبعها، تحتاج إلى معايرة الجهاز بناءً على عمليات معينة لمواصفات معايرة الأجهزة الصناعية.

5. سرعة المسح: يمكن أن يؤدي المسح السريع إلى تحسين دقة البيانات وقابليتها للتكرار واستقرارها.

6. صيانة الأجهزة: درجة صيانة جهاز تحديد حجم جسيمات الليزر لها تأثير أكبر على نتائج الاختبار. يحتاج جهاز قياس حجم جسيمات الليزر إلى المعايرة والصيانة بانتظام.

احتياطات

(1) يجب تسخين محلل حجم جسيمات الليزر لمدة 15-30 دقيقة قبل الاستخدام؛

(2) متطلبات العينة: إزالة المواد العضوية والكربونات وتحلل العينة بالكامل قبل الاختبار. لقياس التشتت الديناميكي، كلما كان نطاق توزيع حجم الجسيمات أضيق، كلما كان ذلك أفضل؛

(3) المعيار الطبيعي للخلفية: يجب أن يكون الاتجاه التنازلي للطاقة الضوئية أقل من 80 على الأكثر، ويجب أن تكون شدة الضوء حوالي 80%؛

(4) تأكد من أن السطح الكامل لقناة التغذية المشتتة وقناة الكوفيت نظيف وأن الكوفيت مغلق جيدًا وخالي من التسرب.

(5) يجب أن يكون تشتت العينة جيدًا، لذا اختر المشتت المناسب ووقتًا كافيًا بالموجات فوق الصوتية ومعالجة التحريك.

(6) استخدام التظليل المستقر يمكن أن يضمن استنساخ النتائج.

خاتمة

تتميز أجهزة قياس حجم الجسيمات بالليزر بمزايا الدقة العالية وسرعة التحليل السريعة وإمكانية تكرار النتائج بشكل جيد. في نطاق توزيع حجم الجسيمات لاختبار الجسيمات الضيقة، يعد الأداء ميزة بارزة بشكل خاص. تستخدم علم الآثار والصيدلة والغذاء وعلوم المواد وغيرها من المجالات على نطاق واسع في البيئة.