了解光学激光粒子计数器的发展历程

2015-02-20 11:54:00 admin

了解光学激光粒子计数器的发展历程

光学激光粒子计数器是随着工业生产对生产环境洁净度要求的不断提高而逐步发展起来的。国外光学激光粒子计数器发展迅速，形式多样，性能稳步提升。美国在二十世纪八十年代生产出采样量为28.3L/min的大流量激光粒子计数器，九十年代生产出最小可测量粒径为0.1μm的粒子计数器。九十年代初，粒子计数器的测试时间整个过程已缩短为1分钟，同时检测的对象不仅是空气成份，也用于液体的检测。且已实现对单分散散射光场的二维分布的测定，对亚微米粒子的几何结构的直接测定。

    我国的洁净技术和设备与国外先进国家相比差距是明显的，国内在二十世纪70年代开始研制和生产这类仪器，同时研制出标定这类仪器用的标准粒子。1975年开始生产的光散射激光粒子计数器比国外晚了二十年。当时的仪器采样流量只能做到300ml/min和1 L/min，光源为普通白光。0.1μm洁净技术和设备在国际上先进国家己成为成熟技术，我国则在90年代刚刚起步。一直在致力于激光粒子计数器精度的提高，2005年利用齐明镜设计的粒子计数器精度可以达到0.18μm。

    回顾国外激光粒子计数器的发展历史，我们可以从几个方面来加以认识。从光源来划分可以分为以白光作为光源，以He-Ne激光作为光源，以半导体激光器作为光源三种。下面以白光照明的近前向散射光收集形式的粒子计数器为例做一下简单介绍。如图1.2.1所示，基本结构是照明孔径半角为5o，光陷阱消光半角为160，粒子散射光被探测器收集的最大半角为160-250。此类激光粒子计数器的最小分辨粒径在0.3μm或以上，因为白光照明时光敏区强度不够高，其光学收集系统较小，像差、色差、杂光等等缺陷，使白光激光粒子计数器的信噪比较低。同时其照明方式为临界照明，光敏区光强是随着灯丝松散的周期性结构而变化，灯丝像引起的光敏区光强不均匀，从而形成较大程度的漏计和误记。

       图1白光照明近前向收集散射光粒子计数器结构示意图

上世纪六十年代以来，由于激光的出现，为光学激光粒子计数器提供了大功率、高亮度、稳定性好的照明光源。由于激光光束强度高，在光敏区中的光照度远大于白光，且谱线单一，光束规则，易获得较高的信噪比，大大提高了激光粒子计数器的灵敏度。

激光光源中，He-Ne激光器的优点是激光强度稳定，缺点是光敏区光强均匀性差，功率低，体积较大，且需要高压供电。半导体激光器的使用大大减小了传感器的体积并且较He-Ne激光器提高了光敏区光强均匀性，但是半导体激光器的激光光束不稳定。

以上是根据照明光源的分类，下面根据照明光轴和散射光收集系统光轴的关系，可以分为近前向散射光收集结构和侧向散射光收集结构[29]。近前向散射光收集形式结构如图1.2.1所示，侧向散射光收集结构如图1.2.2所示，即照明光轴与散射光收集光轴不在一条直线上，相互之间的夹角不等于Oo，图1.2.2的夹角为90度，这是最常见的结构。

图1.2.2侧向散射光收集形式结构示意图

根据光敏区与光谐振腔的位置关系，通常将光学传感器分为内腔式和外腔式。根据激光器工作原理，激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间的粒子数密度反转，或者增益系数G>0。但是光波在实现了粒子数密度反转分布的介质中传播时还有各种损耗，主要是激光工作物质的内部损耗和镜面损耗。因此，对于单频腔式激光器，在理想情况下，腔内平均光强为

（1）

式中，I’为饱和光强，t1为透射系数，a1为输出反射镜的镜面损耗系数，GP0为非均匀增益型介质的小讯号增益系数，L为增益介质的长度。激光器输出的光强为

（2）

由于tl <<1，故腔内光强远比腔外光强大，约为100倍。所以内腔式激光粒子计数器大大提高了光敏感区的照明光束强度，进一步减小了最小可探测粒径，满足工业生产的需要。

    另外，也有的文献从采样流量来划分，普遍的有采样流量为0.283L/min（0.01 cfm），2.83L/min（0.1cfm）, 28.3L/min（1.0cfm），这主要是激光粒子计数器厂家根据不同测量要求设计的，也有根据粒径测量档别来划分的，这也是根据实际的用途设计和制造的。