Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, доктор технических наук Коломиец, Сергей Михайлович

• Коломиец, Сергей Михайлович
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Коломиец, Сергей Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ (ИХ ФОРМЫ)

1.1. Частица с формой трехосного эллипсоида и ее проекции

на плоскости координат

1.2. Телевизионный метод определения размеров частиц

1.3. Форма сигнала при пролете малой частицы через

лазерный пучок

1.4. Фотоэлектрический метод определения размеров частиц

2. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ

МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

2.1. Аппаратная функция фотоэлектрического счетчика (ФЭС)

2.2. Статистика отсчетов в ФЭС

2.3. Определение концентрации полидисперсного аэрозоля

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

3.1. Освещение частиц сканируемыми лазерными пучками

3.2. Освещение частиц неподвижными лазерными пучками

3.3. Амплитудно - временной анализ импульсов

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

4.1. Движение частиц в поле силы тяжести

4.2. Движение частиц в поле гармонической внешней силы

4.3. Особенности акустооптической гетеродинной интерферометрии

5. ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ ФЭС

5.1. Дефлектор

5.2. Приемная система

5.3. Схема контроля стабильности чувствительности

5.4. Аэрозольный тракт применительно к водному аэрозолю

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ НЕКОТОРЫХ ФЭС И РЕЗУЛЬТАТЫ

ИХ ИСПЫТАНИЙ

6.1. Лазерный ФЭС " Дельта "

6.2. Лазерный ФЭС " Дельта - 3 "

6.3. ФЭС " Микрон "

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ: Акты об использовании результатов диссертационной

работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц»

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие аэрозольных технологий, возрастание технологических и экологических требований к допустимому содержанию механических примесей в жидкостях и газах обусловили повышение интереса к анализу дисперсности взвешенных частиц -определению их размеров и концентраций. Информация о дисперсности частиц необходима в самых разных областях науки и техники - в электронной, оптической, химической промышленности, порошковой металлургии, физике атмосферы и т.д. [93, 115, 119, 153]. Весьма широк спектр проблем, связанных с анализом параметров аэродисперсных систем, и в физике атмосферы [12, 13, 36, 116]. Аналогичные проблемы, связанные с контролем биологических взвешенных частиц - форменных элементов крови, бацилл и т.д. -важны и для медицины, биологии [122], где помимо определения размеров и концентрации частиц, весьма важной является и классификация частиц по их форме, позволяющая качественно оценивать природу частиц.

Эти и другие практические задачи стимулируют интерес к развитию методов определения концентрации, размеров и формы взвешенных частиц.

Размер частицы - понятие, требующее уточнения. Геометрические размеры характеризуют форму частиц, причем чем сложнее форма, тем больше размеров необходимо для ее описания. В связи с этим часто используют игнорирующие форму так называемые эквивалентные размеры - оптический (характеризующий рассеяние света частицами и зависящий от комплексного показателя преломления их материала) и аэродинамический (характеризующий движение частиц относительно среды и зависящий от плотности их материала) Очевидно, наиболее полное описание частиц дает совокупность всех указанных размеров.

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Для различных практических задач концентрация исследуемых частиц (в диапазоне размеров 10"1...101 мкм) может меняться в весьма широких пределах. Так, если для "чистых" технологических помещений характерна концентрация частиц 10~3...10~2 см-3 [153], то для облаков и туманов она составляет 102...103 см-3, а для дымов - до 105...106 см"3 [12, 13, 36, 116].

Методов определения размеров и концентрации взвешенных частиц, как отмечается в [158], известно около шестидесяти. Среди них в практически важном диапазоне размеров 0.1...100мкм широко используются оптико - электронные методы, в том числе и лазерные [93, 94, 115]. Суть их состоит в освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов, формируемых частицами при их пролете через определенным образом выделенную область пучка - так называемый счетный объем.

Если среднее число частиц в счетном объеме много больше единицы, то реализуется так называемый нефелометрический режим. При этом для определения функции распределения частиц по размерам требуется решение обратной задачи, вообще говоря, некорректной. Значительно проще с этой точки зрения методы, основанные на анализе сигналов от индивидуальных частиц - не ансамблей (среднее число частиц в счетном объеме много меньше единицы).

Именно такие методы и рассматриваются в диссертации. В этом случае абсолютная концентрация частиц достаточно просто зависит от средней частоты повторения указанных сигналов, однако верхний предел ее измерений ограничен допустимой вероятностью одновременного нахождения в счетном объеме двух и более частиц -так называемыми многократными совпадениями.

Известные телевизионные методы, основанные на формировании изображений частиц (обычно при светлопольном освещении) [ИЗ, 115, 117], позволяют определять форму их проекции только на одну плоскость. Очевидно, при этом весьма затруднительно достоверно анализировать случайно ориентированные несферические частицы даже простейших форм. Кроме того, специфика анализа взвешенных частиц (не на подложке) для уменьшения погрешностей измерений требует ограничения счетного объема вдоль оси светового пучка, что в известных методах реализуется достаточно сложным образом. Диапазон измерений по размерам (отношение верхнего предела к нижнему) составляет 30...50; нижний предел определяется разрешающей способностью формирующей оптики и равен примерно 1 мкм,

Методы определения геометрического размера, не связанные с формированием изображений частиц (фотоэлектрические), основаны обычно на амплитудно - временном анализе импульсов, возникающих при пролете частицы через световой пучок - как правило, измерении их длительности [8, 11, 14, 139] или глубины модуляции [92, 126,

127, 154, 155, 159]. В этих методах предельная частота анализа частиц может быть весьма высокой - до 103...104 с-1 (на два порядка выше, чем в телевизионных методах), что весьма важно для некоторых задач. Несколько меньше, чем в телевизионных, может быть и нижний предел измерений по размерам. Однако все фотоэлектрические методы информацию о форме не дают, а частицы неявно полагаются сферическими. Кроме того, характерные размеры неоднородностей интенсивности светового пучка должны быть, как правило, сравнимы с размерами частиц. При этом допустимый размер счетного объема в направлении оси пучка уменьшается с уменьшением размера частиц.

В методах измерения оптического размера (наиболее распространенных в настоящее время) переход от традиционных осветителей к лазерным позволил значительно улучшить отдельные основные технические характеристики соответствующих приборов, называемых фотоэлектрическими счетчиками или спектрометрами (ФЭС), в частности, уменьшить нижний предел измерений по размерам Dmin до примерно 0,1 мкм. Диапазон измерений по размерам в этих методах может составлять 102.

Одна из основных характеристик ФЭС - его разрешающая способность по размерам, определяемая как величина, обратно пропорциональная относительной ширине аппаратной функции (реакции прибора на монодисперсный аэрозоль) [133]. Монохроматичность излучения лазера обусловила существенно большие, чем для случая белого света, осцилляции рабочей характеристики (зависимости амплитуда импульса рассеянного света - размер частицы). С точки зрения влияния на разрешение по размерам наличию осцилляций можно поставить в соответствие некоторое формальное уширение аппаратной функции (зависящее от амплитуды осцилляций). В связи с этим для лазерных ФЭС обеспечение достаточно узкой реальной аппаратной функции является еще более важным, чем для приборов с использованием белого света.

В настоящее время для этого в основном используется так называемое механическое формирование счетного объема, при котором диаметр светового пучка заведомо превосходит диаметр потока исследуемой среды. Практически такое формирование применимо лишь для слабофокусированных пучков (диаметром примерно 0,5 мм и выше) и широко используется в лазерных ФЭС с Dmln ~ 0,1...О,2 мкм.

При этом счетный объем находится внутри резонатора маломощного (обычно He-Ne) лазера, за счет чего обеспечивается весьма высокая освещенность потока частиц - это приборы фирм "PMS", "Royco" (США) и разработки НИФХИ им. Л.Я. Карпова. Однако для реализации таких приборов требуются лазеры специальной конструкции и отработанная технология производства - по этой причине у нас в стране серийный их выпуск так и не был налажен. Кроме того, существенными могут быть и погрешности, связанные с забором частиц из исследуемой среды и их течением в аэрозольном тракте. Особенности конструкции аэрозольного тракта могут заметно влиять на результаты измерений - показания однотипных приборов, измеряющих некий "эталонный" аэрозоль, могут отличаться друг от друга на порядок [167, 169, 170]. Если для контроля сред с малыми концентрациями частиц основная особенность "внутрирезонаторных" приборов - высокая интенсивность при значительном диаметре лазерного пучка - является несомненным достоинством, то для многих других задач эта особенность несущественна.

В связи с этим практический интерес представляет разработка более простых приборов (с использованием лазеров обычной конструкции), обеспечивающих, тем не менее, высокую разрешающую способность по размерам при Dmln ~ 0,1... 0,2 мкм. В основе таких приборов может быть так называемое оптико-электронное формирование счетного объема, не имеющее ограничений на соотношение диаметров потока исследуемой среды и светового пучка. Но в известных реализациях такого формирования [94, 115], как правило, невелика разрешающая способность по размерам.

Методы определения аэродинамического размера можно разделить на две группы. К первой из них относятся методы, основанные на измерении скорости седиментации частиц [1, 93, 95, 115, 124]. Однако они применимы лишь для анализа сравнительно крупных частиц (101... 102 мкм), для которых скорость седиментации заведомо превосходит скорость возможных конвективных движений среды. При этом обычно невелик и верхний предел измерений по концентрации.

Ко второй группе относятся методы, основанные на анализе параметров колебаний частиц в поле гармонической внешней силы (в электрическом или акустическом поле) [93, 95, 104, 124, 176]. Измеряемой величиной в этом случае обычно является амплитуда

колебаний частицы. Эти методы применимы преимущественно для сравнительно малых частиц (10°...101 мкм). При этом невелик и верхний предел измерений по размерам.

То есть, известные методы (основанные преимущественно на формировании и анализе одиночных световых сигналов от каждой частицы) имеют ограничения по различным параметрам, причем улучшение какой-то одной характеристики обычно влечет за собой ухудшение другой.

Потенциально значительно более широкими возможностями обладают методы, использующие анализ нескольких (двух и более) световых сигналов от каждой частицы, однако последние сравнительно мало освещены в литературе.

Повышение требований к средствам измерений в известных задачах, а также появление новых задач требует как дальнейшего развития известных, так и разработки новых методов измерений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - исследование и разработка лазерных методов определения размеров и формы индивидуальных взвешенных частиц путем формирования и анализа нескольких световых сигналов от каждой частицы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Впервые предложены методы определения геометрических размеров взвешенных частиц, позволяющие регистрировать в одной плоскости световые сигналы, соответствующие проекциям каждой частицы на две или три взаимно перпендикулярные плоскости.

Впервые получены соотношения, которые дают возможность однозначного определения всех трех главных геометрических размеров произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида по параметрам ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости.

Впервые получены соотношения, описывающие аппаратную функцию прибора для определения оптического размера взвешенных частиц с учетом неоднородности профиля интенсивности лазерного пучка по трем декартовым координатам (что соответствует освещению частиц квазинепрерывным сфокусированным пучком).

Впервые предложены методы определения оптического размера взвешенных частиц, основанные на освещении, при котором от каждой

частицы формируется несколько импульсов рассеянного света. Показано, что эти методы по сравнению с известными позволяют обеспечить высокую разрешающую способность по размерам при произвольном соотношении диаметров светового пучка и потока частиц.

Впервые предложено освещать седиментирующие частицы лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц. Показано, что предложенное освещение по сравнению с традиционным позволяет в шесть - семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

Впервые показано, что при освещении частиц, колеблющихся в поле внешней гармонической силы (в акустическом или электрическом поле), двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами возможно одновременное определение как аэродинамического размера частиц, так и амплитуды внешней силы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Предложенные методы определения размеров и формы взвешенных частиц являются основой для проектирования приборов аналогичного назначения для различных областей науки и техники. Соответствующие способы и устройства защищены 36 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в Институте экспериментальной метеорологии НПО " Тайфун " при разработке приборов, которые использовались в исследованиях по тематике института (в частности, при контроле запыленности атмосферы в районе Чернобыльской АЭС после аварии). Один из приборов был установлен на борту космической орбитальной станции "Мир" и полностью выполнил намеченную программу работ. Отдельные экземпляры ФЭС переданы сторонним предприятиям (ГосНИИ органической химии и технологии, НПО "ВНИИ оптико-физических измерений"). Некоторые результаты исследований использовались в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша и в Институте космических исследований при разработке аэрозольных приборов аналогичного назначения. Результаты измерений микроструктуры аэрозоля, полученные с помощью разработанных приборов, переданы заинтересованным предприятиям (Институт физики атмосферы АН СССР, НПО "Базальт").

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Предложенный телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц позволяет регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости.

2. Полученные соотношения в явном виде выражают главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида через параметры ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости.

3. Полученные соотношения для аппаратной функции прибора, анализирующего оптический размер взвешенных частиц, учитывают неоднородность профиля интенсивности лазерного пучка по трет декартовым координатам.

4. Предложенные методы, основанные на освещении частиц сканируемым световым пучком, с формированием от каждой частицы нескольких световых сигналов, позволяют без ухудшения разрешающей способности по размерам увеличить диапазон измерений по концентрации:

- при определении оптического размера - на порядок;

- при определении аэродинамического размера - в 6... 7 раз.

5. Разработанные приборы для определения оптического размера частиц имеют высокую разрешающую способность по размерам при отсутствии ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации были представлены на Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1978 г.), на III Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике " (Москва, 1979 г.), на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983 г.), на Всесоюзном семинаре "Применение лазерных средств измерений в науке и технике " (Киев, 1983 г.), на III Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде ( Обнинск, 1985 г.), на научно - технической конференции " Микроклимат - 85 " (Вильнюс, 1985 г.), на IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде ( Барнаул, 1988 г. ), на XV

Всесоюзной конференции " Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем " ( Одесса, 1989 г.), на Международном аэрозольном симпозиуме ( Москва, 1994 г.), на IV Международной школе -семинаре - выставке " Лазеры и современное приборостроение " ( Санкт-Петербург, 1995 г.), на Международной конференции "Прикладная оптика - 96" (Санкт-Петербург, 1996г.), на XIV Международной конференции по нуклеации и атмосферному аэрозолю (Хельсинки, 1996 г.).

Один из разработанных приборов в составе измерительного комплекса "Фон" в 1988 г. экспонировался на ВДНХ СССР и был отмечен серебряной медалью.

Основные результаты исследований опубликованы в 64 работах (в том числе, в 36 описаниях изобретений), из которых 44 работы выполнены без соавторов. В диссертацию включены результаты, которые были получены лично автором или при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии (184 наименования); содержит 202 страницы машинописного текста (включая библиографию) и 57 рисунков.

В первой главе рассмотрены новые методы определения геометрических размеров взвешенных частиц, причем основное внимание уделяется несферическим частицам, форму которых можно аппроксимировать эллипсоидами.

Исследована связь коэффициентов уравнения трехосного эллипсоида произвольной ориентации с параметрами его проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости; показано, что для указанного эллипсоида сумма квадратов длин его проекций на три взаимно перпендикулярные оси координат является инвариантом и равна сумме квадратов его главных размеров; впервые получены соотношения, в явном виде выражающие главные размеры указанного эллипсоида через площади его проекций на три взаимно перпендикулярных плоскости координат и длины его проекций на соответствующие оси координат.

Предложен новый телевизионный метод формирования изображений

- и -

взвешенных частиц, позволяющий регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на взаимно перпендикулярные плоскости. По сравнению с известными методами в нем существенно более высокая информативность измерений достигается при упрощении формирования счетного объема (его ограничения вдоль оси светового пучка). При этом, как и в известных методах, нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел по концентрациям - 105 см-3.

Для частицы, имеющей форму трехосного эллипсоида, этот телевизионный метод с использованием упомянутых соотношений дает возможность однозначного определения как всех трех главных геометрических размеров частицы, так и ее ориентации в пространстве.

Предложен метод определения геометрического размера по форме сигнала от малой частицы, пролетающей через лазерный пучок; показано, что для частиц с формой эллипсоида возможно (при определенных условиях) определение их геометрического размера в направлении потока. Это же справедливо и для случая пролета указанных частиц через область интерференции двух лазерных пучков - для частиц с формой эллипсоида определяется их размер в направлении, перпендикулярном направлению полос.

Предложена схема формирования нескольких систем интерференционных полос, ориентированных в различных направлениях.

Получены соотношения, позволяющие по размерам в нескольких направлениях определять оба главных геометрических размера произвольно ориентированных частиц с формой эллипсоида вращения.

Рассматриваемый метод, уступая по информативности предложенному телевизионному методу, на два порядка превосходит последний по скорости анализа частиц. А это обстоятельство особенно важно для задач медицины, биологии.

При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел измерений по концентрации - 103 см-3.

Во второй главе изложены результаты исследования влияния структуры лазерных пуков на характеристики методов определения оптического размера взвешенных частиц, что позволяет более обоснованно подходить к расчету лазерных ФЭС.

Получены и проанализированы соотношения, описывающие аппаратную функцию ФЭС для случая освещения потока частиц сфокусированным квазинепрерывным лазерным пучком, имеющим профиль интенсивности достаточно общего вида - с плоской вершиной и гауссовыми крыльями. Показано, что для практически важных случаев сравнительно слабой фокусировки и высокой частоты повторения импульсов света, характеризуемых некоторыми малыми безразмерными параметрами, относительная ширина аппаратной функции приблизительно равна сумме квадратов указанных параметров. Расчетное значение ширины аппаратной функции для ФЭС "Дельта - 3" близко к экспериментальному значению.

Получены и проанализированы соотношения, описывающие погрешности ФЭС, обусловленные одновременным присутствием в счетном объеме нескольких частиц, для случая освещения частиц импульсами света произвольной длительности, что представляет интерес для расчета некоторых схем ФЭС.

Оценены такого рода погрешности для ряда конкретных видов функции распределения по размерам частиц атмосферного аэрозоля применительно к лазерных ФЭС с высокой однородностью освещенности счетного объема и непрерывным освещением потока частиц.

Рассмотрено влияние разрешающей способности по размерам на погрешности определения концентрации полидисперсных частиц с размером, превосходящим некоторый заданный размер, что представляет интерес для задач, связанных с контролем различных "чистых" (обеспыленных) технологических газов и жидкостей. Проведена оценка этих погрешностей для различных значений параметра обратно-степенного распределения частиц по размерам.

Показано, что сравнительно небольшие погрешности (10...20 %) обеспечиваются лишь при высоком разрешении по размерам (15...20).

В третьей главе рассмотрены новые методы определения оптического размера взвешенных частиц, основанные на формировании и анализе нескольких импульсов света, рассеянного каждой частицей.

Исследованы особенности формирования фотоэлектрических сигналов при освещении частиц непрерывным лазерным пучком, сканируемым в направлении, перпендикулярном направлению потока исследуемой среды. Показано, что указанное освещение эквивалентно

освещению неподвижным квазинепрерывным пучком с периодом повторения импульсов, равным периоду сканирования, причем профиль интенсивности эквивалентного пучка имеет в направлении сканирования плоскую вершину с размером, равным амплитуде сканирования, практически независимо от профиля сканируемого пучка. При этом для аппаратной функции справедливы соотношения, полученные в главе 2. Соответственно, рассматриваемое освещение позволяет получить достаточно высокое разрешение по размерам и для гауссова профиля интенсивности пучка, причем формирование счетного объема может быть так называемым оптико-электронным, обеспечивающим отсутствие ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц. Существенно, что этот результат достигается без потерь световой мощности. Показано, что, по сравнению с освещением неподвижным пучком той же мощности, предложенное освещение позволяет на порядок увеличить чувствительность и диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 0,1 мкм, а верхний предел измерений по концентрациям - 105 см-3.

То есть, оказывается возможным улучшение одних основных характеристик без ухудшения остальных характеристик.

Предложено освещение частиц несколькими сканируемыми пучками, разнесенными либо вдоль потока, либо в перпендикулярном направлении, а также освещение пучком, сканируемым в направлении потока. Каждый из этих вариантов имеет определенные достоинства и может использоваться в каких-то конкретных задачах.

Рассмотрено освещение частиц неподвижными лазерными пучками: либо кольцевым, либо двумя разнесенными в направлении потока гауссовыми пучками с некоторыми заданными соотношениями интенсивностей и характерных размеров. Предложены некоторые схемы преобразования гауссова пучка в кольцевой пучок практически без потерь световой мощности.

Показано, что и в этом случае возможно достижение высокой разрешающей способности по размерам.

Несмотря на то, что такое освещение уступает по своим возможностям освещению сканируемыми пучками, сравнительная простота его реализации имеет преимущества для ряда задач.

Характерной особенностью рассмотренных вариантов освещения

является наличие от каждой частицы как минимум двух импульсов рассеянного света. Это дает возможность сравнительно просто реализовать оптико-электронное формирование счетного объема (не имеющее ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц), а также уменьшить погрешности, обусловленные многократными совпадениями. Разработаны схемы соответствующих блоков амплитудно-временной обработки импульсов.

В четвертой главе рассмотрены новые методы определения аэродинамического размера взвешенных частиц.

Для определения скорости седиментации (зависящей от аэродинамического размера) предложено освещать частицы лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц со скоростью пучка, как минимум, в три раза превышающей максимальную скорость частиц. При этом определение скорости осуществляется (как и в известных время - пролетных методах) путем измерения интервала между соседними импульсами, соответствующими каждой частице. Показано, что наличие выделенных моментов времени, соответствующих началу каждого цикла сканирования, позволяет обеспечить селекцию импульсов от различных частиц. Рассмотрена блок - схема соответствующего двухканального селектора. С учетом такой селекции оказывается возможным в шесть - семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

Рассмотрены особенности сигналов от колеблющихся частиц (в акустическом или электрическом поле), освещаемых двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами (интерференционные полосы перпендикулярны направлению колебательного движения частицы). Выходной сигнал (свет, рассеянный частицей) в этом случае является частотно -модулированным, причем измеряемой величиной является изменение его периода. Оценены возможности определения как амплитуды колебаний частиц, так и сдвига фазы этих колебаний относительно внешней силы. Показано, что при анализе амплитуд колебаний возможно (по сравнению с известными методами):

- в пять раз повысить верхний предел измерений по размерам (до 50 мкм) при неизменности нижнего предела (1 мкм);

- в два раза уменьшить нижний предел измерений по размерам (до 0,5 мкм) при неизменности диапазона измерений Отах/Бт1п = 10.

При анализе фазы колебаний диапазон измерений по размерам в той или иной мере (в зависимости от выбранных параметров) совпадает с диапазоном, соответствующим анализу амплитуд. При этом помимо размера частицы одновременно возможно определение и амплитуды внешней силы.

Рассмотрены возможности повышения виброустойчивости акустооптических гетеродинных интерферометров применительно к определению аэродинамического размера колеблющихся частиц.

Исследована дифракция лазерного лучка на двух перекрывающихся в пространстве акустических волнах с разнесенными частотами. Показано, что при определенных условиях возможно получение относительно малых сдвигов частоты между дифрагированными пучками без уменьшения углов дифракции и при использовании только одной акустооптической ячейки. Соответственно, при этом может быть существенно упрощена реализация виброустойчивого интерферометра.

В развитие" этого подхода рассмотрены особенности дифракции лазерного пучка на двух акустических волнах, распространяющихся в движущейся жидкости (данная задача выходит за рамки диссертации, но представляет самостоятельный практический интерес). В этом случае при интерференции пучков различных порядков дифракции возникает составляющая сигнала, частота которой зависит от скорости жидкости. Следовательно, в отличие от распространенных лазерных доплеровских анемометров (ЛДА), в данном случае возможен контроль и гомогенных жидкостей. Показано, что при подобного рода контроле нижний предел измерений по скорости (10~2 мм/с) существенно меньше, чем для ультразвуковых расходомеров и может быть близок к соответствующей величине для ЛДА при контроле гетерогенных сред.

Рассмотрены возможности компенсации пирамидальности светоделительных (смесительных) призм лазерных интерферометров. Показано, что при определенных условиях с использованием призм даже низкой группы точности сравнительно простыми юстировками (поворотами вокруг соответствующих осей и параллельным перемещением призм) можно получить интерференционные полосы достаточной для многих задач ширины - около 1 см.

В пятой главе рассмотрены новые схемные решения отдельных блоков и узлов ФЭС, позволяющих улучшить определенные

характеристики указанных приборов.

Предложены схемы оптико - механического дефлектора на основе вращающегося зеркала, которые позволяют обеспечить высокую частоту сканирования и не слишком малую длительность импульсов рассеянного частицами света одновременно. При этом требуемые для ФЭС параметры сканирования могут быть реализованы без особых сложностей.

Предложенная схема на основе магнитоэлектрического дефлектора позволяет при заданной амплитуде сканирования повысить максимальную частота сканирования. Если же заданной является максимальная частота сканирования, то в рассматриваемой схеме удваивается амплитуда сканирования.

Предложены схемы, позволяющие обеспечить оптическое (резкое) ограничение счетного объема вдоль оси пучка и при светосильной асферической приемной системе, т.е. при высокой чувствительности измерений. Одновременно возможно и заметное снижение требований к точности изготовления указанной системы.

Предложена схема уменьшения влияния виньетирования в приемной системе на разрешающую способность по размерам. Применительно к освещению частиц кольцевым пучком или двумя пучками, разнесенными в направлении потока, эта схема позволяет перейти от параллельного анализа сигналов к последовательному. Вследствие этого приемная система может быть выполнена одноканальной, что заметно упрощает реализацию.

Предложены схемы контроля стабильности чувствительности ФЭС, в отличие от известных, позволяющие проводить контроль практически постоянно, синхронно с измерением размеров и концентрации исследуемых частиц. При этом сам контроль не влияет на результаты измерений, а исследуемые частицы не влияют на результаты контроля.

Рассмотрен случай изменения размеров частиц водного аэрозоля при их движении по капилляру, температура которого отличается от начальной температуры воздуха. Получены соотношения, позволяющие достаточно просто оценить конкретные требования к конструктивным параметрам капилляра, обеспечивающие пренебрежимо малое относительное изменение размера частиц вследствие их испарения или роста.

В шестой главе рассмотрены особенности отдельных блоков и узлов и основные технические характеристики трех разновидностей ФЭС: "Дельта", "Дельта - 3" (лазерных) и "Микрон" (источник света -лампа накаливания).

Эти приборы разработаны под руководством и при непосредственном участии автора на основе исследований, результаты которых изложены в предыдущих главах.

В первом из них используется освещение потока частиц кольцевым пучком, сформированным из исходного гауссова пучка с помощью аксикона; во втором - освещение сканируемым пучком; в третьем - освещение двумя пучками, разнесенными в направлении потока. Во всех трех приборах достигнуты высокие значения одновременно нескольких основных характеристик. Экспериментально реализованное оптико-электронное формирование счетного объема позволило получить высокую разрешающую способность по размерам (более 10) при диаметре светового пучка, заведомо меньшем диаметра потока частиц. При этом в ФЭС "Дельта" и "Дельта - 3" нижний предел измерений по размерам (0,2 мкм и 0,1 мкм) соответствует уровню, достигнутому в приборах с прокачкой частиц через резонатор лазера (и достаточно "жесткими" требованиями к конструкции прибора); ФЭС "Микрон" характерен весьма широким (15 мм) диаметром аэрозольного тракта. Результаты измерения атмосферного аэрозоля всеми тремя разработанными приборами согласуются друг с другом и с результатами измерений другими приборами аналогичного назначения: "Т81 - 3030", "Иоусо -218", "Еоусо - РС 241", "АЗ - 5".

То есть, с учетом диапазона измеряемых концентраций, лазерные ФЭС "Дельта" и "Дельта -3" вполне соответствуют требованиям многих задач физики атмосферы, а ФЭС "Микрон" весьма удобен для ряда прикладных задач.

В заключении изложены основные научные результаты и выводы.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ (ИХ ФОРМЫ)

Геометрические (линейные) размеры характеризуют размеры частиц "в чистом виде", в отличие от разного рода эквивалентных размеров, в частности, оптического. Существенно, что несферические частицы - весьма распространенный объект исследования - наиболее полно можно описать лишь набором их геометрических размеров.

Методы определения геометрических размеров частиц (их формы) можно разделить на две группы. К одной из них относятся методы, основанные на формировании изображений частиц и последующем анализе этих изображений - эти методы обычно называют телевизионными [ИЗ, 115, 117]. Основное их достоинство - высокая информативность, возможность определения формы проекции частицы на выделенную плоскость - так называемую плоскость наводки. При этом, однако, предельная частота анализа частиц сравнительно невелика - как правило, она не превосходит 50 с-1. Кроме того, при анализе именно взвешенных частиц (не на подложке) для уменьшения погрешностей измерений требуется ограничение счетного объема вдоль оптической оси светового пучка допустимой глубиной резкости, что достигается весьма сложным путем.

В то же время для практики несомненный интерес представляют задачи, связанные со сравнительно быстрым анализом формы частиц. В частности, в медицине для диагностики ряда заболеваний крови необходимо определять наличие малого количества деформированных (имеющих форму, близкую к сфере) эритроцитов на фоне большого количества недеформированных ( имеющих форму, близкую к диску ) [122]. В связи с этим общее количество частиц, проанализированных за приемлемое время, должно быть весьма большим. Кроме того, самостоятельный интерес представляет задача определения (оценки) формы несферических частиц при их произвольной ориентации.

Ко второй группе относятся фотоэлектрические методы, основанные либо на анализе индикатрисы рассеяния частиц [115, 161], либо на амплитудно - временном анализе импульсов, возникающих при пролете частицы через световой пучок - как правило, измерении их длительности [8, 11, 14, 139 ] или глубины модуляции [ 92, 126, 127, 154, 155, 159 ]. В этих методах предельная частота анализа частиц может быть весьма высокой - до

103...104 с-1, что весьма важно для некоторых задач. Однако другие характеристики не вполне соответствуют требованиям практики.

Так, в методах [8, И, 14, 139] соответствующей оптикой формируется пучок с явно неоднородным профилем интенсивности, например, резкими границами " свет - тень и измеряется длительность импульсов, возникающих при пересечении частицей указанных неоднородностей. Нижний предел измерений по размерам при этом определяется разрешающей способностью формирующей оптики, глубиной резкости и составляет примерно 5...10 мкм.

В методах, основанных на измерении глубины модуляции сигнала, возникающего при пролете частицы через область интерференции двух лазерных пучков [92, 126, 127, 154, 155], указанный нижний предел измерений - менее 1 мкм. Однако при этом динамический диапазон измерений по размерам невелик - как правило, не более 10, что ограничивает область применения этих методов лишь частицами, не сильно отличающимися от монодисперсных.

Следует отметить, что указанные методы информацию о форме не дают, а частицы неявно полагаются сферическими.

В то же время значительный практический интерес представляют задачи, связанные с исследованием полидисперсных взвешенных частиц, причем в одних случаях частицы заведомо сферические -капли жидкости в газе, пузырьки газа в жидкости, а в других -заведомо несферические.

Чем сложнее форма частиц, тем большим количеством параметров она характеризуется, соответственно, тем больше необходимо измеряемых параметров и тем сложнее методы измерений. Однако несмотря на разнообразие возможных геометрических форм, в подавляющем большинстве случаев с приемлемой для практики точностью эти формы можно аппроксимировать эллипсоидами ( в предельных случаях - "иглами" и "дисками"). Поэтому в дальнейшем под несферическими будут пониматься частицы, имеющие форму эллипсоида.

Рассмотрим вопрос об ориентации частиц. Известно, что при сдвиговых течениях ( например, в жидкости между двумя вращающимися соосными цилиндрами ) возможна преимущественная ориентация взвешенных частиц [ 100, 143, 144 ]. Однако в подавляющем большинстве приборов частицы движутся в обычном

ламинарном потоке, причем скорость их практически не отличается от скорости потока. Соответственно, число Рейнольдса для частицы Ие « 0. Но при йе < 1 частицы сохраняют начальную ориентацию [12]. Для не слишком малых частиц (с размером, превосходящим 1 мкм) за время измерения примерно 10"4 с среднеквадратичный угол их поворота в пространстве, обусловленный вращательной броуновской диффузией, не превосходит единиц градусов. То есть, можно считать, что несферические частицы в счетном объеме ФЭС имеют произвольную (но неизменную) ориентацию. В этом общем случае эллипсоид описывается шестью параметрами: тремя характерными (главными) размерами и тремя значениями углов ориентации относительно выбранной системы координат.

С учетом вышеизложенного рассмотрим возможности совершенствования методов определения геометрических размеров частиц.

1.1. Частица с формой трехосного эллипсоида и ее проекции на плоскости координат

Для однозначного определения всех трех характерных размеров эллипсоида и трех углов, определяющих его ориентацию в пространстве, необходимо, очевидно, иметь шесть уравнений. При этом соответствующие шесть измеряемых параметров должны быть независимы друг от друга. В принципе, возможны различные подходы к решению этой задачи. Исходя из возможностей практической реализации, примем, что известными являются проекции эллипсоида на три взаимно перпендикулярные плоскости, т.е. три соответствующих эллипса [77].

Таким образом, для определения параметров эллипсоида необходимо установить их связь с параметрами указанных эллипсов.

Пусть каноническое уравнение эллипсоида имеет вид:

X'2 У'2 г'2

- + - + - = 1, (1.1)

А 2 В 2 С 2

где А, В, С - его полуоси, причем система координат X'Ч'Ъ' связана с эллипсоидом.

Положим, что ориентация этой системы относительно лабораторной системы координат 1X1 определяется углами Эйлера Ф, # [28, 91], а начала обеих систем совпадают. Тогда (1.1) запишется в виде:

а ц-Х2 + а22-У2 + а33-г2 + 2а12-ХУ + + 2а23-Уг + 2а13-хг + а44 = О,

(1.2)

где коэффициенты а13 = а31 (1,3 = 1,2,3,4) известным образом зависят от А, В, С, ф, А [28].

Как известно [91], уравнение (1.2) имеет инварианты:

11 = а11 + а22 + азз>

а11 а12 а12 а22

+

а2 2 а2 3

а2 3 а3 3

+

а11 а13

а13 азз

(1.3)

1з =

а11 а12 а2 2 а13 а2 3

а12 а13

23 33

Для уравнения (1.1) и, следовательно, для (1.2) эти инварианты зависят только от А, В, С. Итак, зная 115 12, 13, из (1.3) можно определить искомые размеры эллипсоида. То есть, задача сводится к тому, чтобы выразить инварианты через параметры, поддающиеся измерению [77].

Из (1.2) с помощью соответствующих вычислений можно найти проекции эллипсоида на плоскости ХОУ, ХОг, ХОЪ.

Рассмотрим, например, проекцию на плоскость ХОУ. Очевидно, она определяется совокупностью точек, максимально удаленных от оси 02. Т.е. эти точки являются экстремальными для линий, соответствующих сечениям эллипсоида плоскостями, проходящими через ось 02.

Из (1.2) нетрудно найти производные йх/йг; бу/бг. Оказывается, что обе они одновременно равны нулю при выполнении условия:

а13-Х2 + а23•У2 + а33•г = 0.

Это и есть уравнение линии, точки которой максимально удалены от оси ог. Если далее из (1.2) найти Ъ = 1(1,4) и подставить его в указанное уравнение, то полученное уравнение эллипса и описывает проекцию эллипсоида на плоскость ХОУ:

ЬЦ'Х2 + Ь22 • У2 + 2Ь12 -ХУ + Ь33 = 0, (1.4)

где

Ьц = = (а11-а33 а13 2)/а44,

Ь22 = = (а22'а33 _ а2 3 2)/а4 4 .

Ь12 = = (а12-а33 _ а13 'а2 3)/а4 4'

Ьзз = = ~ азз-

Аналогичный вид имеют и проекции эллипсоида на остальные плоскости.

Очевидно, свободный член Ь33 в (1.4) не зависит от ориентации эллипса в плоскости 102 и есть (с точностью до численного коэффициента) не что иное, как квадрат площади этого эллипса. Тогда имеем:

азз = Вхуг/Ж2.

Аналогично

а11 = $>у2г/Хг, а 22 = 5>хг2/%г.

Итак, инвариант имеет ясный геометрический смысл суммы квадратов площадей проекций эллипсоида на три взаимно перпендикулярные плоскости. При этом, как отмечалось в [132], эта сумма пропорциональна квадрату площади поверхности эллипсоида:

Зху2 + Бу22 + йх22 = (А2В2 + В2С2 + А2С2)-Я2/3. (1.5)

Таким образом, коэффициенты эллипсоида (1.2) а11г а22, азз определяются квадратами площадей проекций этого эллипсоида на плоскости, перпендикулярные соответствующим осям. Для эллипса, как предельного случая эллипсоида, справедливо аналогичное утверждение. Нетрудно показать, что для него коэффициенты при квадратичных членах определяются квадратами длин проекций эллипса на оси, перпендикулярные рассматриваемым осям.

Так, для (1.4) Ьц = 1у2, Ь22 = где 21у, 21х -

проекции эллипса на оси ОУ, ОХ, то есть длины проекций эллипсоида

(1.2) на указанные оси. Если 212 - длина проекции эллипсоида на ось 01 (определяемая либо в плоскости 101, либо в плоскости Y0Z), то можно записать следующие соотношения:

а11 ' а2 2 о 2 а12 = 122/а44,

а2 2 'азз ~ а2 32 = 1х2/а44, (1.6)

а11 'азз -Я 2 а13 = 1у2/а44.

Очевидно, свободный член в (1.2) не зависит от выбора системы координат. Тогда, учитывая, что для канонического уравнения (1.1) аи = В2-С2, а22 = А2-С2, а33 = А2-В2, а44 = - А2-В2-С2, из выражения для 12 и соотношения (1.6) получаем:

1Х2 + 1у2 + 122 = А2 + В2 + С2. (1.7)

Итак, для трехосного эллипсоида сумма квадратов длин его проекций на три взаимно перпендикулярные оси координат равна сумме квадратов его главных размеров.

Для инварианта 13 наглядного геометрического смысла установить не удалось. Однако этот инвариант можно выразить через измеряемые параметры - квадраты длин проекций на оси координат и квадраты площадей проекций на плоскости координат - в виде различных комбинаций, имеющих размерность квадрата объема.

С учетом сказанного, можно записать систему уравнений для определения искомых размеров эллипсоида:

А2+ В2+ С2 =

< А2-В2 + В2-С2 + А2-С2 = ЗJгг, (1.8)

А2-В2-С2 =

где

з^ = 1х2 + 1у2 + 122,

32 (^ху ^х г ^у)>

J33 = (lx2'Syz2 + ly2'Sxz2 + lz2'Sxy2)/X2

- 2- lx2 • ly2 • lz2 + 2-/P ;

p=l 4.1 4 . "I 4 _ q 2 . q 2 . q 2/^6 + n 2.1 2.о 2/o 2_ г _ хх ху ±z °xy °xz °yz /'"' x xz °xy

- jr2-ly2-lz2)/jr4 + ly2-lz2-Sxz2(Sxy2 - 3t2-lx2-l/)/jr4 + + lx2'ly2'SyZ2(Sxz2 ~ Ji2 ' lx 2 • lz 2 )/7Г4 .

В частности, для уравнения ( 1.1 ), очевидно,

1 х 2 " у2 = ^Xy2/JC2, lx2"lz2 = Sxz2/3t2, ly2-lz2 = SyZ2/Jt2, P = 0.

Система уравнений (1.8) эквивалентна кубическому уравнению

X3 - 3VX2 + 3J22-X - J33 = 0. (1.9)

Каждый из корней Х1; Х2, Х3 этого уравнения должен соответствовать одному из искомых параметров А2, В2, С2, поскольку все эти параметры входят в него симметричным образом. То есть, (1.9) должно иметь только действительные корни. Тогда, в соответствии с [91], решение (1.9) запишем в тригонометрическом виде:

А2 = J1 + 2-y/J12 - J22 • cos(ф/3),

В2 = J1 - |Д2 - J22- [cos(q>/3) + /З sin (ф/3) ], (1.10)

Сг = J1 - |/j^2 — J22 • [cos(9/3) - |/3~ sin(ip/3)],

где

¿3J ^ ^ J ^ 3 J ^ * J 2

COS Ф = ---.

2(J12 - J22)372

Итак, соотношения (1.10) явным образом выражают размеры эллипсоида А2, В2, С2 через измеряемые параметры Jls J2, j3. Зная эти размеры, в принципе можно определить и ориентацию эллипсоида в пространстве, например, исходя из системы уравнений:

1Х2 = A2-tu2 + B2-t122 + C2-t132,

ly2 = А2•t212 + В2• t222 + С2•t232, (1.11)

lz2 = А2•t312 + B2-t322 + C2-t332,

где tu (1, j = 1, 2, 3) известным образом выражаются через углы Эйлера [28].

Однако определение ориентации - достаточно экзотическая задача, поэтому не будем на ней останавливаться, а перейдем к анализу (1.10).

В общем случае (1.10) описывает все возможные эллипсоиды, при этом cos((p/3) может быть как положительным, так и отрицательным, a Ji > J2 > J3. В частности, для эллипсоида вращения (сфероида) справедливо соотношение:

(2Ji3 + J33 - З^-Х,2)2 = 4-(J!2 - J22)3-

Тогда, поскольку |cos <p| - 1, из (1.10) получаем: при cos ф = + 1 (вытянутый сфероид)

Аг = J1 + 2-i/Ji2 - J22,

.___ (1.12) В2 = С2 = Ji - /Ji2 - J22,

а при cos ф = - 1 (сплюснутый сфероид)

A2 = В2 = Ji + i/Ji2 - J22,

__ (1.12')

С J ^ S \/ ^ l ^ 2

Случай 2Ji3 + J33 - Ji'J23 = 0 соответствует вырождению эллипсоида в сферу, при этом Ji = J2 = J3, но cos q> = l.

Тогда из (1.12) имеем:

А2 = В2 = С2 = Jí. (1.13)

Рассмотрим теперь случай сильно вытянутого эллипсоида (" иглы "): А2 » В2, С2. При этом, как нетрудно показать, ^ » Ь, ^з. Тогда соотношения (1.10) принимают вид:

А2 « - +

В2 « J22/2J1 - ^з/Ш^ + ^-^^Л^4 - 3^/33^, (1.14)

С2 « J22/2J1 - ^з/Ш^ - J1•/Jг4AJ14 ~ З^/ЗЗ^.

При этом для эллипсоида вращения = 411^33/3.

Итак, для предельных случаев соотношения (1.10) могут быть существенно упрощены.

Рассмотрим возможные погрешности определения размеров эллипсоида, причем для оценок положим, что

51х/1х = 51у/1у = 51г/1г =

= 5БХ у/БХу 63Х2/3Х2 53у2/3у2 61/1,

где 61Х/1Х, ... - относительные погрешности измерения параметров 1Х, ... .

Абсолютные погрешности 5А, 5В, 6С определяются, с одной стороны, погрешностями нахождения инвариантов Зг _ ^ по измеряемым параметрам, а с другой стороны - погрешностями, обусловленными вычислениями по соотношениям (1.10), (1.12), (1.13), (1.14).

Легко видеть, что « ЬЗг/Зг ~ 51/1. Погрешность же

533/33, в принципе, может быть значительно большей. Однако если J1 х ¿г2 « то б<13/13 ~ бJ1/J1 «61/1. С увеличением отклонения формы эллипсоида от сферической, как показывает анализ, уменьшается относительный вклад б^ДГ3 в суммарную погрешность 6А, 6В, 5С. Так, уже при А : В : С = 1 : 2 : 4 погрешность, обусловленная б^Г3, меньше погрешностей, обусловленных б^, б>12.

В общем случае соотношения для 6А, 6В, 5С достаточно сложны. В то же время анализ их для ряда конкретных случаев показывает, что в весьма широком диапазоне соотношений размеров эллипсоида (от случая А = В = С до случая А » В, С) можно считать, что

6А, 5В, 6С < (1. . .5) -51.

Выше отмечалось, что в ряде задач представляет интерес контроль частиц, имеющих форму сфероида. Поэтому рассмотрим, насколько можно упростить измерения по сравнению со случаем трехосного эллипсоида.

Положим для определенности, что В = С = И. Поскольку в этом случае неизвестных параметров четыре, а не шесть, то можно ограничиться проекциями лишь на две взаимно перпендикулярные плоскости, например, ХОУ, 101. При этом по-прежнему возможно определение инварианта имеющего для рассматриваемого случая

вид:

= 1х2 + 1у2 + 122 = А2 + 2Кг (1.15)

Инварианты 12, по двум проекциям, вообще говоря, определить нельзя. Поэтому для составления второго уравнения, выражающего А, Н через измеряемые параметры, воспользуемся тем обстоятельством, что для каждого из эллипсов (т.е. для обеих проекций) одна из полуосей есть не что иное, как И, независимо от ориентации эллипсоида. Рассмотрим для определенности плоскость ХОУ и примем, что Аху - вторая полуось соответствующего эллипса.

Тогда, очевидно,

с 2 _ ц-2 . р2 . д 2 °ху л 11 Лху •

В то же время, исходя из вида инварианта для эллипса [28], имеем:

12х + 1у2 = К2 + АХУ2.

Таким образом, радиус эллипсоида вращения можно определить по любой из его проекций:

/(1Х2 + 1у2)2 - Зху2/Я2

/а*2 + 122)2 - зХ22/тг2

(1.16)

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Коломиец, Сергей Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации исследованы лазерные методы определения размеров и формы индивидуальных (не ансамблей) взвешенных частиц в диапазоне размеров 0,1.-.100 мкм и концентраций 10°.105 см-3. Эти методы основаны на формировании и анализе нескольких световых сигналов от каждой частицы и позволяют существенно улучшить одни основные технические характеристики соответствующих приборов без ухудшения других характеристик.

Основные научные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработаны новые методы определения геометрических размеров взвешенных частиц (их формы).

- Впервые предложен телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц, позволяющий регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости. По сравнению с известными методами в нем при существенно более высокой информативности измерений упрощается формирование счетного объема. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел по концентрациям - 105 см-3.

- Впервые получены соотношения, в явном виде выражающие главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида через площади ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости координат и длины ее проекций на соответствующие оси координат.

- Впервые предложен метод, основанный на анализе амплитудно-временных параметров импульсов рассеянного частицами света, и позволяющий определять главные геометрические размеры произвольно ориентированных частиц с формой эллипсоида вращения. Уступая по информативности предложенному телевизионному методу, он на два порядка превосходит последний по скорости анализа частиц. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 1 мкм, а верхний предел измерений по концентрации - 103 см-3.

2. Исследовано влияние структуры лазерных пучков на характеристики методов определения оптического размера взвешенных частиц.

- Впервые получены соотношения, описывающие аппаратную функцию фотоэлектрического счетчика частиц (ФЭС) для случая освещения потока частиц сфокусированным квазинепрерывным лазерным пучком. Определена зависимость относительной ширины аппаратной функции от параметров пучка. Расчетное значение ширины аппаратной функции для ФЭС "Дельта - 3" (с указанным освещением) близко к экспериментальному значению. Определено влияние относительной ширины аппаратной функции на погрешности определения концентрации атмосферного (полидисперсного) аэрозоля.

3. Разработаны новые методы определения оптического размера взвешенных частиц.

- Впервые предложено освещать поток частиц непрерывным лазерным пучком, сканируемым в направлении, перпендикулярном направлению потока. При определенных условиях такое освещение эквивалентно освещению неподвижным квазинепрерывным пучком, параметры которого определяются параметрами сканирования. Показано, что, по сравнению с освещением неподвижным пучком той же мощности, предложенное освещение позволяет на порядок увеличить чувствительность и диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам. При этом нижний предел измерений по размерам может составлять 0,1 мкм, а верхний предел измерений по концентрациям - 105 см-3.

4. Разработаны новые методы определения аэродинамического размера взвешенных частиц.

- Впервые предложено освещать седиментирующие частицы лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц. Показано, что предложенное освещение по сравнению с освещением двумя разнесенными пучками позволяет в шесть - семь раз увеличить верхний предел измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

- Впервые показано, что освещение частиц, колеблющихся в поле внешней гармонической силы (в акустическом или электрическом поле), двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами позволяет одновременно определять как размер частиц, так и амплитуду внешней силы. При этом по сравнению с известными методами возможно в пять раз увеличить верхний предел измерений по размерам (до 50 мкм) при неизменности нижнего предела (1 мкм).

5. Предложены, разработаны и внедрены в практику новые схемные решения отдельных блоков и узлов ФЭС (осветителя, приемной системы, блока электронной обработки сигналов), позволяющие улучшить конкретные характеристики указанных приборов.

6. На основе выполненных исследований под руководством и при непосредственном участии автора разработаны, изготовлены и внедрены в практику три модификации ФЭС с высокой разрешающей способностью по размерам и отсутствием ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц. Две лазерные модификации ("Дельта", "Дельта-3") имеют нижний предел измерений по размерам 0,1.О,2 мкм, что известными методами достигается лишь при прокачке частиц через резонатор лазера, с соответствующими весьма "жесткими" требованиями к конструкции прибора. Третья модификация ("Микрон") характерна довольно широким (15 мм) диаметром аэрозольного тракта, что весьма удобно для ряда прикладных задач. Эти приборы в совокупности перекрывают практически важный диапазон размеров 10"1. Л0г мкм и концентраций 10°.104 см~3 и могут использоваться в различных областях науки и техники. Результаты измерения атмосферного аэрозоля разработанными приборами согласуются друг с другом и с результатами измерений другими аэрозольными приборами аналогичного назначения. Отдельные экземпляры ФЭС поставлены сторонним предприятиям.

7. Разработанные методы определения размеров и формы взвешенных частиц могут использоваться при проектировании приборов аналогичного назначения для различных областей науки и техники. Соответствующие способы и устройства защищены 36 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Таким образом, совокупность выполненных исследований представляет собой решение важной научно-технической проблемы -разработки инженерно-физических основ лазерных приборов для определения размеров и формы индивидуальных взвешенных частиц путем формирования и анализа нескольких световых сигналов от каждой частицы.

Основные научные выводы.

1. Предложенный телевизионный метод формирования изображений взвешенных частиц позволяет регистрировать в одной плоскости одновременно три изображения каждой частицы, соответствующие ее проекциям на три взаимно перпендикулярные плоскости.

2. Полученные соотношения в явном виде выражают главные геометрические размеры произвольно ориентированной частицы с формой трехосного эллипсоида через площади ее проекций на три взаимно перпендикулярные плоскости координат и длины ее проекций на соответствующие оси координат.

3. Полученные соотношения для аппаратной функции приборов, анализирующих оптический размер взвешенных частиц, учитывают неоднородность профиля интенсивности лазерного пучка по трем декартовым координатам.

4. Освещение потока частиц непрерывным лазерным пучком, сканируемым в направлении, перпендикулярном направлению потока, позволяет на порядок увеличить чувствительность и диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

5. Освещение седиментирующих частиц лазерным пучком, сканируемым в направлении движения частиц, позволяет в шесть -семь раз увеличить диапазон измерений по концентрации без ухудшения разрешающей способности по размерам.

6. Освещение частиц, колеблющихся в поле внешней гармонической силы (в акустическом или электрическом поле), двумя пересекающимися лазерными пучками с разнесенными частотами позволяет одновременно определять как аэродинамический размер частиц, так и амплитуду внешней силы. При этом возможно в пять раз увеличить верхний предел измерений по размерам при неизменности нижнего предела.

7. Разработанные приборы для определения оптического размера частиц имеют высокую разрешающую способность по размерам при отсутствии ограничений на соотношение диаметров светового пучка и потока частиц. Эти приборы в совокупности перекрывают практически важный диапазон размеров 10"1 . 102 мкм и концентраций 10° . 104 см"3.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Коломиец, Сергей Михайлович, 1997 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров М.М., Ким В.М., Матвеев В.Н. Лазерный измеритель размеров аэрозолей // Труды Института экспериментальной метеорологии ( ИЭМ ). - 1980. - Вып. 25 (93). - С. 43 - 51.

2. Аэрозольный фотоэлектрический анализатор. Авт. св. 851198 СССР / Куценогий К.П., Семенов А.Г., Анкилов А.И. и др. // Бюллетень " Открытия , изобретения ".- 1981. - N. 28.

3. Беляев С.П., Гончаров Н.В., Дубровин М.А. Исследование характеристик и модификация счетчика аэрозольных частиц АЗ-5 // Труды ИЭМ. - 1980. - Вып. 25 (93). - С. 31 - 37.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 719 с.

5. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов: 0 редукции к идеальному прибору в науке и технике. - М.: Сов. радио, 1979. - 272 с.

6. Васильев И.И., Ильин Г.И. Устройство для измерения размеров и счетной концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 1121602 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1984. - N. 40.

7. Васильев И.И., Ильин Г.И. Фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц. Авт. св. 1121603 СССР // Бюллетень "Открытия, изобретения ". - 1984 - N. 40.

8. Васильев И. И., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Способ измерения размеров частиц аэрозоля. Авт. св. 1032370 СССР// Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1983.- N. 28.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. -576 с.

10. Вереникина Н.М., Рожкова О.М. Оптическая система для выравнивания интенсивности по сечению лазерного пучка . Авт. св. 986194 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1984. - N. 7.

И. Верещагин И. П., Макальский J1.M., Пашин М.М. Устройство для измерения размеров движущихся в прозрачных средах микрочастиц. Авт. св. 436269 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1974. - N. 26.

12. Волковицкий O.A., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 198 с.

13. Волковицкий O.A., Седунов Ю.С., Семенов Л.П. Распространение

интенсивного лазерного излучения в облаках. - л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 312 с.

14. Гончаров Н.В. Устройство для измерения размера частиц аэрозоля в потоке. Авт. св. 55446Б СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1977. - N. 14.

15. Гончаров Н.В. Лазерный счетчик аэрозолей // Труды ИЭМ. -

1984. - ВЫП. 7 (112). - С. 29-36.

16. Гольданский В.И., Куценко A.B., Подгорецкий М.Н. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М. : Физматгиз. -1959. - 411 с.

17. Горчаков Г.И., Метревели Д.М., Геттер Д.М. и др. Двухлучевой фотоэлектрический счетчик частиц атмосферного аэрозоля // Сообщения АН ГССР. - 1982. - Т. 104. - N. 3,- С. 605-607.

18. Гетеродинный способ измерения оптического пути. Авт. св. 715929 СССР / Гудзенко А.И., Захарченко C.B., Коломиец С.М. Тищенко A.A. //Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1980. - N. 6.

19. Дубатов В.М., Коломиец С.М., Мишуненков Н.И. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей со сканируемым лазерным пучком // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", ч. 1. -Одесса. - 1989. - С. 218.

20. Детектор аэрозолей. Авт. св. 486251 СССР / Корсуньский Г.А., Доманский В.И., Шкондин В.П. и др. // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1975. - N. 36.

21. Жуланов Ю.В. Разрешающая способность лазерных аэрозольных спектрометров // Труды ИЭМ. - 1980. - Вып. 25 (93) . -С. 17 - 19.

22. Жуланов Ю.В. Невский И. А., Никитин О.Н., Способ определения счетной концентрации частиц в дисперсных средах. Авт. св. 1182341 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -

1985. - N. 36.

23. Жуланов Ю. В., Невский И. А., Никитин О.Н. Способ определения счетной концентрации частиц в дисперсных средах. Авт. св. 1182343 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1985 . - N. 36.

24. Жуланов Ю.В., Садовский Б.Ф., Петрянов И.В. Использование резонатора ОКГ для повышения чувствительности лазерных

аэрозольных спектрометров // Доклады АН СССР. - 1975. Т. 222. - N. 4. - С. 810 - 812.

25. Захарюженков П.И., Матвеев В.Н. О некоторых искажениях, вносимых трактом фотоэлектрический датчик-дискриминатор // Труды ИЭМ. - 197Б. - Вып. 3 (65). - С. 83 - 88.

26. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики. - СПб.: Политехника, 1993. - 216 с.

27. Иванова Л.С., Мишуненков Н.И., Шмаков В.Н. Обработка данных от фотоэлектрического счетчика аэрозолей в реальном времени // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). - С. 54 - 57.

28. Ильин В.А., Поздняк Э.Г. Аналитическая геометрия. - М.: Наука, 1968. - 232 с.

29. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Справочник. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.

30. Исламов М. С. Устройство дня преобразования апертурного угла светового потока. Авт. св. 805238 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 6.

31. Исламов М.С. Оптическое устройство. Авт. св. 892397 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ".- 1981. - N. 47.

32. Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико - электронных приборов. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986. - 175 с.

33. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. -М.: Сов. радио, 1968. - 472 с.

34. Казаков В.Н., Филиппов В.П., Болсуновский В.К. Устройство для измерения размеров и счетной концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 739376 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1980. - N. 21.

35. Кайро B.C., Смирнов В.В. Лазерный анализатор дисперсных аэрозолей // Порошковая металлургия. - 1980. - N. 10. -С. 93 - 96.

36. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 455 с.

37. Коломиец С. М. О возможности компенсации пирамидальности призм лазерного интерферометра // Материалы Всесоюзного симпозиума по распространению оптического излучения в дисперсной среде ( г. Обнинск ). - Москва. - 1978.

С. 315 - 317.

38. Коломиец С.М. О возможности уменьшения погрешностей, связанных с неоднородностью освещенности рабочего объема в фотоэлектрических лазерных датчиках аэрозолей // Труды ИЭМ.

- 1980. - Вып. 25 (93).- С. 26-30.

39. Коломиец С.М.. Способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 857789 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 31.

40. Коломиец С.М. Селектор импульсов. Авт. св. 864530 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 34.

41. Коломиец С.М. Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений. Авт. св. 894350 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 48.

42. Коломиец С.М.. Устройство для измерения размеров движущихся взвешенных частиц. Авт. св. 922596 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 15.

43. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт . св. 940013 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 24.

44. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 940014 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1982. - N. 24.

45. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 940564 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1983. - N. 15.

46. Коломиец С.М. Уменьшение неоднородности освещенности счетного объема фотоэлектрических счетчиков при сканировании светового пучка // Тезисы докладов III Всесоюзного совещания по атмосферной оптике и актинометрии , ч. 1. - Томск. - 1983.

- С. 229 - 231.

47. Коломиец С.М. Двухлучевой интерферометр удвоенной чувствительности // Оптико - механическая промышленность. -1983. - N. 6. - С. 30 - 31.

48. Коломиец С.М.. Устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 1122095 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1985. - N. 20.

49. Коломиец С.М. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1179160 СССР // Бюллетень " Открытия,

изобретения ". - 1985. - N. 34.

50. Коломиец С. М. Лазерный фотоэлектрический счетчик аэрозолей // Тезисы докладов III Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, ч. 3. - Обнинск. - 1985. - С. 92 - 95.

51. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1278682 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1986. - N. 47.

52. Коломиец С.М. Устройство для измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1278683 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1986. - N. 47.

53. Коломиец С.М.. Оптико - электронное устройство для измерения размеров и концентрации дисперсных частиц. Авт. св. 1341549 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1987. - N. 36.

54. Коломиец С.М.. Устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 1377681 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения V - 1988. - N. 8.

55. Коломиец С.М. Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц. Авт. св. 1420488 СССР // Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1988. - N. 8.

56. Коломиец С.М. Погрешности измерения концентрации фонового атмосферного аэрозоля фотоэлектрическими счетчиками // Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, ч. 2. - Барнаул -Обнинск. - 1988. - С. 31 - 33.

57. Коломиец С.М. О статистике отсчетов в фотоэлектрических счетчиках взвешенных частиц // Труды ИЭМ. - 1989. - Вып. 48 (138). - С. 137 - 140.

58. Коломиец С.М. Об испарении частиц водного аэрозоля при их движении по " теплому " капилляру // Труды ИЭМ. - 1989. -Вып. 48 (138). С. 148 -151.

59. Коломиец С.М. Погрешности оптико-электронных анализаторов аэрозолей // Оптико - механическая промышленность. - 1989. -N. 10. - С. 19 - 21.

60. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1474526 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1989. - N. 15.

61. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и

концентрации взвешенных частиц и устройство для его осуществления. Авт. св. 1516889 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1989. - N.39.

62. Коломиец С.М.. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1520399 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1989. - N. 41.

63. Коломиец С.М. Об определении геометрических размеров частиц с помощью фотоэлектрических счетчиков // Труды ИЭМ. - 1990. - Вып. 51 (142). - С. 121 - 125.

64. Коломиец С.М.. Дефлектор светового пучка. Авт. св. 1539721 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1990. - N. 4.

65. Коломиец С.М.-. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1643994 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1991. - N. 15.

66. Коломиец С.М. Устройство для измерения и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1643995 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1991. - N. 15.

67. Коломиец С.М. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей со сканируемым лазерным пучком // Измерительная техника. 1991. - N. 9. - С. 43 - 45.

68. Коломиец С.М. Лазерные фотоэлектрические счетчики атмосферного аэрозоля // Советско - американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля. - Санкт - Петербург: Гидрометеоиздат, 1992. - С. 181 - 188.

69. Коломиец С.М.. Способ определения характеристик взвешенных частиц и устройство для его осуществления. Патент 1807336 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1993. N. 13.

70. Коломиец С.М.. Способ анализа пар импульсов в фотоэлектрических счетчиках аэрозолей. Патент 2006284 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1994. - N. 2.

71. Коломиец С.М.. Способ анализа пар импульсов в фотоэлектрических счетчиках аэрозолей. Патент 2006285 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения". - 1994. - N. 2.

72. Коломиец С.М. О погрешности измерения концентрации атмосферного аэрозоля лазерными ФЭС // Труды ИЭМ. - 1995. -Вып. 25 (160). - С. 82 - 87.

73. Коломиец С.М. Аппаратная функция лазерного фотоэлектрического счетчика аэрозолей // Труды ИЭМ. - 1995.

- Вып. 25 (160). - С. 88-93.

74. Коломиец С.М. Об измерении подвижности взвешенных частиц с помощью ЛДИС // " Лазеры и современное приборостроение ". Тезисы докладов IV Международной школы-семинара-выставки . -СПб.: Российский центр лазерной физики, 1996. - С. 21.

75. Коломиец С.М. Способ анализа взвешенных частиц. Патент 2054652 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1996. -N 5.

76. Коломиец С.М. О контроле геометрических размеров взвешенных частиц // Тезисы докладов Международной конференции " Прикладная оптика - 96 - СПб, 1996.

77. Коломиец С.М. Оценка формы несферических частиц телевизионными методами // Тезисы докладов Международной конференции " Прикладная оптика - 96 - СПб, 1996.

78. Коломиец С.М. Лазерный измеритель скорости жидкости // " Лазеры и современное приборостроение Тезисы докладов IV Международной школы-семинара-выставки . - СПб.: Российский центр лазерной физики, 1996. - С. 22.

79. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И.. Способ контроля стабильности коэффициента преобразования фотоэлектрического регистратора взвешенных частиц. Авт. св. 1395995 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1988. - N. 18.

80. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И.. Способ контроля стабильности коэффициента преобразования фотоэлектрического регистратора взвешенных частиц. Авт. св. 1546712 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1990. - N. 4.

81. Коломиец С.М., Мишуненков Н.И.. Фотоэлектрический регистратор взвешенных частиц. Авт. св. 1642327 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1991. - N. 14.

82. Коломиец С.М., Осадчев Л.А. Гетеродинный интерферометр с планарным акустооптическим модулятором // Тезисы докладов II Всесоюзной научно - технической конференции " Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике ". Секция " Оптико - электронные квантовые приборы".

- Москва. - 1979. - С. 501 - 502.

83. Коломиец С.М., Пункевич Б.С. Способ измерения дисперсности взвешенных частиц. Патент 1800317 РФ // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1993. - N. 9.

84. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 913172 СССР // Бюллетень " Открытия , изобретения ". - 1982.

- N. 10.

85. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Некоторые возможности совершенствования фотоэлектрических счетчиков аэрозолей // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). - С. 17 - 28.

86. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Фотоэлектрическое устройство для анализа дисперсной среды. Авт. св. 1081478 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ".- 1984.- N. 11.

87. Коломиец С.М., Смирнов В.В. Оптико-электронный способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц и устройство для его реализации (его варианты). Авт. св. 1173265 СССР // Бюллетень " Открытия , изобретения ". 1985. - N. 30.

88. Коломиец С.М., Щелчков Г.И. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 692353 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1982. - N. 41.

89. Коломийцов Ю. В. Интерферометры. - J1.: Машиностроение, 1976.

- 296 с.

90. Комплексные измерения характеристик аэрозоля и аэроионов в приземном слое атмосферы / Кикас Ю.Э., Коломиец С.М., Корниенко В.И. и др. // Труды ИЭМ.-1990. - Вып. - 51 (142).

- С. 109 - 117.

91. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1968. - 720 с.

92. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. - М.: Наука, 1983. - 213 с.

93. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. - Л.: Химия, 1974. - 275 с.

94. Кулаков Б.П., НикитюкН.В., Тищенко A.A. Счетчики малых частиц, взвешенных в жидких средах // Зарубежная электроника. - 1985. - N. И. - С. 50-61.

95. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия / Клочков В. П., Козлов Л.Ф., Потыкевич И.В. и др. - Киев : Наукова думка, 1985. - 759 с.

96. Лазерный анализатор аэрозолей " Дельта " для контроля

чистоты воздуха / Коломиец Г.А., Коломиец С.М., Мишуненков Н.И., Смирнов В.В. // Оптико - механическая промышленность.

- 1989. - N. 12. - С. 21 - 24.

97. Лазерный счетчик частиц / Жуланов Ю.В., Никитин О.Н., Сапрыкин К. Г. и др. // Приборы и техника эксперимента.-1983. - N. 3. - С .177-180.

98. Лазерный фотоэлектрический анализатор дисперсной фазы ЛАС-0,2 / Жуланов Ю.В., Макавеев П.Ю., Никитин О.Н. и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1982. - N. 6. -С. 147 - 150.

99. Лактионов А. Г., Щелчков Г. И. Об измерении микроструктуры тумана двумя типами фотоэлектрических приборов // Труды ИЭМ. - 1970. - Вып. 9. - С. 16 - 21.

100. Левин Л.М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей.

- М.: Академиздат, 1961. - 267 с.

101. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы.- М.: Мир, 1979.- 421 с.

102. Мануйлов К.К. Алгоритм программной коррекции амплитудных искажений при фотоэлектрической спектрометрии аэрозолей. Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша АН СССР. Препринт. - 1986.- N. 156. - 15 с.

103. Мануйлов К.К. Методы численной обработки результатов фотоэлектрической спектрометрии аэрозолей // Труды ИЭМ. 1989. - Вып. 48 (138). - С. 141 - 148.

104. Матвеев О.М. Способ анализа взвешенных частиц. Авт. св. 507807 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1976.

- N. И.

105. Медников Е.П. Акустическая коагуляция и осаждение аэрозолей.

- М.: Издательство АН СССР, 1963. - 236 с.

106. Мошкин Б.Е., Гнедых В.И. Спектрометр аэрозолей для изучения облаков планеты Венера // Труды ИЭМ. - 1989. - Вып. 48 (138). - С. 151 - 161.

107. Микрофизические характеристики пылевого аэрозоля по данным советско - американского эксперимента (Таджикистан, 1989) / Андронова A.B., Исаков А.И., Коломиец С.М. и др. // Известия РАН. Серия ФАО.- Т. 28. - N. 8. - С. 798 - 800.

108. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. - М.: Наука, 1970. - 295 с.

109. Невзоров А.Н. Самолетный измеритель частиц облаков и осадков

// Труды Главной геофизической обсерватории. - 1972. - Вып. 276. - С.189-195.

110. Никифорова Н.К. О применении лазерных осветителей в фотоэлектрических счетчиках аэрозолей // Изв. АН СССР. Серия ФАО . - 1979. - N. 4. - С. 452 - 455.

111. Никифорова Н.К. О некоторых особенностях лазерных ФЭС // Труды ИЭМ. - 1980. - Вып. 25 (93). - С.20-25.

112. Никифорова Н.К. Способ калибровки фотоэлектрических спектрометров аэрозолей. Авт. св. 1035476 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1985. - N. 30.

ИЗ. Об измерении микроструктуры кристаллических туманов телевизионным спектрометром аэрозолей " Аспект -10 " / Кузнецов В. В., Никифорова Н. К., Павлова JI.H. и др. // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). - С. 101 - 106.

114. Овод В.И. Расчет характеристик оптических анализаторов микрочастиц с учетом сходимости неравномерного освещающего лазерного пучка // Оптико-механическая промышленность. 1986. - N. 10. - С. 1-4.

115. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей / Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В. и др. - М.: Энергоиздат, 1981.

232 с.

116. Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах / Бисярин

B.П., Соколова А.В., СухонинЕ.В. и др. - М.: Наука, 1977. -176 с.

117. Панов В.Н., Яскевич Г.Ф. Телевизионный спектрометр аэрозолей " Аспект - 10 " // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). -

C. 36 - 48.

118. Перник. Однородность освещенности и потери мощности в лазерном пучке, прошедшем через пространственный фильтр // Приборы для научных исследований (рус.перевод). - 1974. -N. И. - С. 37 - 41.

119. Петров Г.Д. Некоторые проблемы измерения параметров аэрозолей // Методы и средства измерений параметров дисперсных сред. Сборник научных трудов. - М.: Изд. НПО " ВНИИФТРИ ", 1991. - С. 17 - 21.

120. Петрушин А.Г., Смирнов В.В. Особенности лазерной спектрометрии частиц аэрозоля // Труды ИЭМ. - 1980,- Вып. 25 (93). - С. 10 - 16.

121. Повышение точности и чувствительности ультрамикроскопического метода / Степанищев О.В., Кузьмин C.B., Безручко С.И. и др. // Коллоидный журнал. - 1985. - N. 2. - С. 407-410.

122. Приезжев A.B., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в медицине и биологии. - М. : Наука,' 1989. -240 с.

123. Пришивалко А.П., Вабенко В.А., Кузьмин В.Н. Рассеяние и поглощение света неоднородными и анизотропными сферическими частицами. - Минск: Наука и техника, 1984. - 263 с.

124. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. - М.: Мир, 1987. -278 с.

125. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М. : Сов. радио, 1977. - 366 с.

126. Ринкевичус B.C. Лазерная диагностика потоков.- М.: Изд. МЭИ, 1990. - 288 с.

127. Ринкевичус B.C., Янина Г.Н. Определение размеров оптических неоднородностей при помощи доплеровского измерителя скорости // Прикладная физическая оптика. Труды МЭИ. М.: Изд. МЭИ, 1971. - Вып. 94. - С. 76 - 82.

128. Самолетный фотоэлектрический измеритель облачных капель / Александров Э.Л., ЛачихинА.В., Посадский В. И. и др. // Труды ИЭМ. - 1978. - ВЫП. 19 (72). - С. 71 - 82.

129. Седунов Ю.С. Ошибки измерения, обусловленные попаданием нескольких частиц в счетный объем // Изв. АН СССР. Серия ФАО. - 1969. - N. 8. - С. 810 - 817.

130. Седунов Ю.С. Ошибки измерения распределения дискретных величин // Изв. АН СССР. Серия ФАО. - 1970. - N. И. -С. 1153 - 1162.

131. Седунов Ю.С. Искажения функции распределения // Метрология.

- 1970. - N. 1. - С. 30 - 37.

132. Свиркунов П.Н. Флуктуации площади проекции частиц неправильной формы // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. - 7 (112). -С. 130 - 134.

133. Смирнов В.В. Основные характеристики спектрометров аэрозолей // Труды ИЭМ . - 1984 . - Вып. 7 (112). - С. 3 - 17.

134. Смирнов В. В. Фотоэлектрический счетчик дисперсных частиц Авт. св. 857812 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ".

- 1981 . - N. 31.

135. Смирнов B.B., Яскевич Г.Ф. Некоторые особенности построения оптического тракта ФЭС // Труды ИЭМ. - 1976. - Вып. 14 (59).

- С. 109 - 118.

136. Справочник конструктора оптико - механических приборов / Кругер М.Я., Панов В.А., Кулагин В. В. и др. - Л.: Машиностроение, 1967. - 760 с.

137. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики.

- М. : Наука, 1966. - 724 с.

138. Тищенко A.A., Колбин И.И., Коломиец С.М. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров и концентрации взвешенных частиц. Авт. св. 1550367 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения - 1990. - N. 10.

139. Устройство для измерения размеров взвешенных в жидкостях частиц. Авт. св. 1078283 СССР / Коломиец С.М., Кулаков Б.П, Никитюк Н.В. и др. // Бюллетень " Открытия, изобретения ". -1984. - N. 9.

140. Фотоэлектрический регистратор дисперсных частиц. Авт. св. 798553 СССР / Захарченко C.B., Коломиец С.М., Смирнов В.В., Яскевич Г.Ф. // Бюллетень "Открытия, изобретения". - 1981. -N. 3.

141. Фотоэлектрический счетчик аэрозолей " Дельта " / Коломиец Г. А., Коломиец С.М., Мишуненков Н. И., Смирнов В. В. //Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, ч. 2. - Барнаул -Обнинск. - 1988. - С. 20 - 21.

142. Фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц типа АЗ-5. Техническое описание. В/О " Машприборинторг ". - М. - 1972.

- 33 с.

143. Фукс H.A. Механика аэрозолей. - М.: Академиздат, 1955. -349 с.

144. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир, 1976. - 630 с.

145. Хухлаев К.К., Воробьев С.А. Камера для проточного анализа микрочастиц. Авт. св. 1068777 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1984. - N. 3.

146. Хюлст Ван де Г. Рассеяние света малыми частицами. - М. : Иностранная литература, 1961. - 536 с.

147. Шел, Эрган, Хендрик. Исследование распределения частиц

аэрозоля по размерам методом рассеяния внутри резонатора газового лазера // Приборы для научных исследований (рус.перевод). - 1973. - N. 9. - С. 31 - 35.

148. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. - М.: Мир, 1972. -381 с.

149. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М.: Гостехиздат, 1951. - 288 с.

150. Шкурин Г.П. Справочник по электро - и электронным измерительным приборам. - М.: Воениздат, 1972. - 448 с.

151. Юдин К. Б. Фотоэлектрический измеритель размеров и концентрации аэрозольных частиц. Авт. св. 807145 СССР // Бюллетень " Открытия, изобретения ". - 1981. - N. 7.

152. Юдин К.Б. Учет "мертвого" времени при анализе дисперсного состава аэрозолей // Труды ИЭМ. - 1984. - Вып. 7 (112). -С. 61 - 64.

153. Cooper D.W. Particle contamimation and microelectronic manufacturing: an Introduction // Aerosol Science and Technology. - 1986. - N. 5. - P. 287 - 300.

154. Farmer W.M. Measurement of particle size, number density and velocity using a laser interferometer // Appl. Opt.- 1972. -N. II. - P. 2603 - 2612.

155. Faxvog F.R. Detection of airborne particles using optical extinction measurement // Appl. Opt. - 1974 - N. 8 -P. 1913 - 1919.

156. Fine particles: Aerosol generation, measurement, sampling and analysis / Ed. Liu B.Y. - New York: Acad. Press, 1976. -837 p.

157. Flow ultramicroscope method of determining the number concentration and particle analysis of aerosols and hidrosols / Derjagin B.V., Vlasenko G.J., Storoshilova A.I. and others // J. Coll. Sci. - 1962. - N. 17. - P. 605 - 627.

158. Garver L. Particle size analysis // Indust. research. 1971. - V. 13. - N. 8. - P. 40 - 43.

159. Gollub J., Chanbay I., Flyogare W. Optical heterodyne measurement of cloud droplet size distributions // Appl. Opt. - 1973. - N. 12. - P. 2838 - 2840.

160. Heyder J., Poth C., Stalhofen 11F. Particle size analysis of airborne particle smaller than 0,3 jam in diameter //

Pazticle size analysie / Ed. Groves H.Z. and Uyatt-Sargent J.I. - London. - 1972. - P. 53 - 60.

161. Hirst E., Kage P.H. Experimental and theoretical light scattering profiles from spherical and non - spherical particles // Proceeding of the International specialty conference " Aerosols and atmospheric optics ". - Snowbird, Utah, USA. - 1994.

162. Jaenicke R. The optical particle counter: cross-sensitivity and coincidence // J. Aerosol Sci. - 1972. - N. 7. -P. 95 - 111.

163. Knollenberg R. G., NeishW. E. A new electro-optical technique for particle size measurements // Proc. Electrooptical System Design Conf. - 1969. - P. 594 - 608.

164. Kogelnik H., Li T. Laser beams and resonators // Appl. Opt. - 1966. - N. 10. - P. 1550 - 1567.

165. Kolomiets S.M. On definition of the parameters of non - spherical particles // Proceeding of the International aerosol simphosium. - Moscow. - 1994. - P. 86 - 92.

166. Kolomiets S.M. Aerosol photoelectrical counter " Micron " // Proceeding of the International aerosol simphosium. -Moscow. - 1994. - P. 97 - 102.

167. Kruger J., Leuschner A.H. A comparative assessment of the behaviour of optical particle size counters for aerosols // Atm. Environ. - 1968.- N. 12.- P. 2011 - 2013.

168. Laser velocimetry and particle sizing / Eds. Thompson H.D., Stevenson W.H. - Washington : Hemisphere publ. corporat., 1978. - 554 p.

169. Liu B.Y., Berglund R.M., Agarwal J.K. Experimental studies of optical particle counters // Atm. Environ. - 1974. -N. 7. - P. 117 - 125.

170. Liu B.Y., Szymanski W. W., Ahn Kang-Ho. An aerosol size distribution measurement by laser and white light optical particle counters // J. Environ. Sci. - 1985. - N. 3. -P. 19 - 24.

171. Light scattering device for sizing and velocity of large droplets utilizing a ring shaped laser beam / Glantsching W. J., Gola M.W., Chen Sow and others // Appl. Opt. - 1982. -N. 13. - P. 2456 - 2460.

172. May К.R., Pomercy N. P., Nilbs S. Sampling techniques for large windborne particles // J. Aerosol Sci. - 1976. - N. 1.

- P. 53 - 62.

173. McFaden P., Smith A. An automatic flow ultramicroscope for submicron particle counting and size analysis // J. Coll. and Interf. Sci. - 1973. - N. 3. - P. 573 - 583.

174. Mercer T.T. Aerosol technology in hazard evaluation . - New York: Acad. Press, 1973. - 428 p.

175. Moon B.R., Ross N.M., Goulas A. Optical particle size analyser. Patent 2040443 GB // U.K. patent application. -1980. - Int. cl. G 01 N 21 / 47.

176. Muzumder M.K., Ware R.E. Aerosol particle charge and size analiser. Patent 4633714 USA. // USA patent application. -1987. - Int. cl. G 01 N 29 / 00.

177. Size distribution of dust aerosol measurement during the Soviet-american experiment in Tadzhikistan, 1989 / Smirnov V.V., Sviridenkov M.A., Kolomiets S.M. and others // Atm. Environ.- 1993,- V. 27.- P. 2481 - 2486.

178. Yan der Moulen A., Van Elzakker B.G. Size resolution of laser optical particle counters // Aerosol Sci. and Technol.

- 1986. - N. 3. - P. 313 - 324.

179. Nikiforova N.K., Sedunov Yu.S. An investigation of errors arizing in photoelectric counters - aerosol particle analysers // J. Aerosol Sci. - 1972. - N. 3. - P. 441 - 453.

180. Schuster B.C., Knollenberg R.G. Detection and sizing of small particles in an open cavity gas laser // Appl. Opt. -1972. - N. 10. - P. 1515 - 1520.

181. Suda K. Instrumentation for the size determination of submicron psrticles systems by sideway light scattering method // Rev. Sci. Instrum. - 1980.- N. 8,- P. 1049 - 1058.

182. Umhaner H. Particle size distribution analysis by scattered light measurements using an optically defined measuring volume // J. Aerosol Sci. - 1983. - N. 6. - P. 765 - 770.

183. Yamado Y., Miyamoto K., Koizumi A. Size measurements of latex particles by laser aerosol spectrometer // Aerosol Sci. and Technol. - 1986. - N. 3. - P. 377 - 384.

184. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Гл. ред. Голямина И.П.-М.: Сов. энциклопедия, 1979. - 400 с.

- 261 - утвЕРЩМЗ Директор Института прикладной

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Коломийца С.М. "Лазерные методы определения размеров и формы взвешенных частиц"

Мы, нижеподписавшиеся, вед. н. с. Лебедев В.Н., ст. н. сотр. Мануйлов К.К. составили настоящий акт о том, что результаты упомянутой диссертационной работы:

- соотношения, описывающие аппаратную функцию фотоэлектрического

счетчика частиц \ФЭС\ для случая освещения частиц сфокусированным квазинепрерывным лазерным пучком,

- методы определения оптического размера взвешенных частиц,

- схемные решения отдельныых блоков и узлов ФЭС использованы в 1980-1990г., в ИПМ РАН при разработке аэрозольных приборов по тематике института (фотоэлектрический счетчик аэрозоля комплекса МНК-95, счетчик ККМ-45 И др.).

Использование этих результатов позволило оптимизировать характеристики и конструкцию указанных приборов и соответственно улучшить метрогические характеристики.

А

Ведущий научный сотрудник, к.ф.-м.н. В.Н. Лебедев-

Старший научный сотрудник /ЛУСЛ—к. к. Мануйлов

- г&г-

ОТО И- с, . Гр^Гр},; ЭТОЙ

функции освещения Я пучком: ¿еренмй по

¡еОРреКЛОК о опеотр?

;3ав, отделом, д ф, ; профессор /ои^^р Ст' - к-т-я- ........-