CC BY
18
УДК 543.275.08.621.383.001.2
Н.В. Толстая, В.Л. Филиппов, В.Н. Казаков
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРОВ
В работе сформулированы основные задачи по совершенствованию методов изучения различных аспектов физики и химии аэродисперсных систем и разработки соответствующей измерительной аппаратуры, возникающие перед специалистами, работающими в области экологии, различных приложений атмосферной оптики (метеорологии), сельского хозяйства и в других отраслях (промышленность, медицина).
Ключевые слова: аэродисперсная система, атмосферная оптика, микронная и субмикронная частица, аэрозольный спектрометр, аэрозоль.
Рассмотрение основных методов дисперсного анализа аэрозолей показывает, что при всех существующих ограничениях, с которыми исследователь сталкивается при измерении размеров микронных и субмикрон-ных частиц, наибольшие преимущества характерны для оптикоэлектронного способа построения соответствующих приборов.
Оптико-электронные аэрозольные спектрометры привлекательны такими особенностями, как: возможность получения информации о спектрах размеров частиц в аэрозольной пробе в реальном масштабе времени и в форме, наглядной и удобной для последующего анализа; возможность исключить воздействие на аэрозольные частицы, следствием которого могло бы быть изменение их физико-химических свойств; наибольшей степенью приспособленности к исследованиям аэрозолей различной природы (жидких и твердых) как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Естественно, что оптико-электронным классификаторам частиц присущи и недостатки, важнейшие из которых - сложность учета зависимости результатов измерений от физико-химических свойств частиц и ограничения, обусловленные: наличием жестких требований к условиям аспирации аэрозольной пробы в прибор; ограниченностью чувствительности, не позволяющей измерять аэрозоли с размерами < 0.03 мкм; наличием предела разрешающей способности по счетной концентрации; временем анализа заданного объема пробы и т.д. Эти обстоятельства лишают данные приборы безусловной универсальности.
Классическая структурная схема оптико -электронного анализатора дисперсного состава частиц может быть показана на примере любой зарубежной или отечественной модели [1; 2]. Основными узлами являются: оптические системы каналов осветителя и приемника; устройство аспирации и разбавления аэрозольных проб; устройства предварительной обработки электрических сигналов, индикации и вывода информации.
Работа оптико-электронного классификатора аэрозолей построена на принципе измерения интенсивности излучения, рассеянного на одиночных аэрозольных частицах. Частицы аэрозоля, отобранные в прибор через узел аспирации, в своем движении попадают в так называемый чувствительный или счетный объем - интенсивно освещенную область, где происходит рассеяние света в соответствии с известными закономерностями. Часть рассеянного излучения собирается на фотоприемник и преобразуется в электрические сигналы, которые с этого момента представляют собой электрические образцы частиц и содержат информацию об их размерах, составе, форме, скорости движения и т.д.
Несмотря на то, что ни одна оптическая схема известных в настоящее время аэрозольных спектрометров существенной новизны не представляет, выбор ее и построение в каждом конкретном случае является сложным моментом, о чем свидетельствуют публикации по данному вопросу [2]. Одним из основных ограничений широкого применения обсуждаемых приборов является зависимость результатов измерений от оптических свойств вещества частиц и их формы.
В соответствии с теорией рассеяния электромагнитного излучения, индикатриса рассеяния излучения для частиц в релеевской области г «X образует два почти симметричных пространственных лепестка с максимумами в рассеянии лучистой энергии «вперед» и «назад», т. е. при 0°С и 180°С. С увеличением безразмерного параметра
где (г - радиус частицы, X - длина волны излучения), энергия перераспределяется в передний лепесток индикатрисы, причем угловое распределение энергии в переднем лепестке для частиц с г ~ X зависит только от размера частиц. Дальнейший рост параметра приводит к появлению добавочных лепестков, а релеевская теория уступает место теории Ми.
Для частиц с размерами, близкими к 1 мкм, передний лепесток индикатрисы (обязанный своим появлением дифракции Фраунгофера) содержит большую часть рассеянной энергии и его интенсивность в соответствии с [3] может быть записана следующим образом:
где З^р, в) - функция Бесселя первого порядка.
Граница переднего лепестка может быть определена из того значения параметра (р, в), при котором функция Бесселя первый раз обращает-
(2)
ся в нуль, а именно: вр
(3)
тах
Р
Этот предельный угол важен при сравнении оптических схем приборов, так как позволяет достаточно просто оценить способность счетчика регистрировать рассеянный поток излучения, слабо зависящий от оптических свойств и формы измеряемых частиц.
Ходкинсон [7] предложил два пути использования данного фактора: применение оптической схемы, отбирающей рассеянное излучение только из переднего лепестка или использование двух каналов, отбирающих излучение из переднего лепестка в совокупности с электроникой, позволяющей вычислять отношение полученных интенсивностей, которое, как оказалось, является линейной функцией размеров частиц.
Количественное сравнение счетчиков частиц по их способности отбирать излучение из переднего лепестка индикатрисы рассеяния является простым, но недостаточным. Поэтому эффективность приборов данного класса была определена как отношение количеств сосчитанных частиц (тех, которые выработали сигнал реакции больший установленного уровня срабатывания дискриминатора Яа) к большему числу частиц, которые прошли через счетный объем и имели размеры, превосходящие установленное пороговое значение гс.
_ 1 /-ооехр{(—[Д— Д0(т,г)]2:[2А?г2(Д)]}аГ'2 ,
с ~ 2пЩс ^0 <1г иЯс ДДд } ' (4)
где Ыгс - количество частиц, попавших в счетчик и имеющих размеры, которые превышают гс, Яо(ш, г) - реакция счетчика, как функция показателя преломления т и радиуса частиц г, АЯЯ - статистический разброс чувствительности.
Вычисления, выполненные для использованной авторами оптической схемы, в которой применены два фотоприемника расположенных под разными углами и включенных по алгоритму совпадений, показали, что эффективность счета в области частиц 0,25 < 2г (мкм) < 0,5 почти не зависит от показателя преломления, размеров частиц и их отклонения от сферичности.
Во многих случаях необходимо иметь сведения о частицах менее 0,2 мкм по радиусу, что дало бы возможность приблизиться к весьма актуальной проблеме изучения процессов нуклеации вещества из газообразной среды. В настоящее время опыт показывает, что возможности оптико-электронных аэрозольных спектрометров в этом отношении оказываются ограниченными. Это обстоятельство позволяет показать простой анализ выражения, описывающего амплитуду электрического сигнала на выходе предусилителя классификатора аэрозолей, которое имеет следующий вид:
и -пг2к п„к таф
ис - ПГ КуК^ф/Сд 2р1 2 , 2ро ч2 , (5)
11+л1/?1У V Л2^2/
где ку - коэффициент усиления предусилителя, ЯН - величина анодной нагрузки фотоприемника (обычно - фотоумножителя), уф- интегральная анодная чувствительность фотоумножителя (ФЭУ), г - радиус регистрируемой аэрозольной частицы, ка- фактор эффективности рассеяния излучения на частице, Вф - поверхностная яркость источника излучения, т -коэффициент потерь излучения на оптических элементах, р’1 - усредненный радиус кружка аберрационного рассеяния оптической системы осветителя, пересчитанный в область чувствительного объема, И1 - наименьший размер полевой диафрагмы, формирующей счетный объем прибора со стороны осветителя, в - увеличение оптической системы осветителя на участке «полевая диафрагма - счетный объем», - коэффициент, определяющий величину рассеянного лучистой энергии на частице, исходящей из элементарного телесного угла Дй/^ системы осветителя и попадающей в элементарный телесный угол Дй^ системы приемника, Q1 -нормировочный множитель, р2 - усредненный радиус кружка аберрационного рассеяния системы приемника, пересчитанный в область ее полевой диафрагмы, к2 - наименьший размер полевой диафрагмы, формирующей счетный объем прибора со стороны приемника, в2 - увеличение оптической системы приемника на участке «счетный объем - полевая диафрагма».
Следует отметить, что увеличение входной и выходной апертур (5) приемной и осветительной систем приводят к дополнительному усреднению индикатрисы рассеяния, повышая неоднозначность рабочих характеристик прибора. Таким образом, относительная ошибка при измерении величины потока рассеяния, вызванная наличием конечных размеров входной и выходной апертур прибора составит [4]:
где величина вторых производных функции индикатрисы рассеяния в точке (р0 и отношение Ф "/Ф вычисляются по методу парабол [5].
Анализ индикатрис рассеяния приведенных в [5] показал, что значения отношений Ф'" /Ф(ф0) не превышают 500 (наихудший вариант). Для наиболее часто встречающихся в приборах углов рассеяния эта величина варьирует в пределах:
Таким образом, наименьшие искажения результатов измерений будут наблюдаться у приборов с маленькими апертурами осветительной системы и большими апертурами приемника одновременно.
(6)
/Ф "/Ф(90°) / <50, /ф"/£(40-45°) /<40, /ф "/Ф(4-22°) / < 10 (7)
Увеличение яркости или мощности излучения, освещающего аэрозольные частицы, ограничено выбором между высокоинтенсивными источниками света (какими являются, например, галогенные лампы) и лазерами. В этом случае подчас решающим является то, что первые, излучая в широкой области спектра, позволяют в сочетании со спектральной характеристикой ФЭУ получить значительно более «гладкие» зависимости реакции прибора на частицы с различными п и x, чего нельзя достичь в случае применения в качестве источника лазеров.
Вклад усреднения индикатрисы в поток рассеяния может быть вычислен по формуле:
(&агпах~&а2)6 /6
24+Ьа?Г1ах6"/д ' ( )
где Аа = 1/Х2-1/Х1, АХ = Х2 - Х1 - интервал длин волн источника света, Ao2max=2,25■1012м2 (идеализированный случай исследования частицы, освещаемой белым светом лампы накаливания) [4].
Анализ индикатрис рассеяния показывает, что величина (Ф"'а /Ф)^ приблизительно равна 50 г2. Следовательно, отклонение // тем больше, чем больше радиус исследуемой частицы. Например, если АХ € [0,4-
0,8] мкм, то /<5Еа / < 0,29. При использовании источника света с АХ / X ~ 0,1 (Аа2 ~ 0,031012 м2) эта величина будет иметь значение < 0,98.
Значение Ф "'а / Ф более точно (а не по верхней границе а^) можно вычислить по формуле [4]:
0" / О = + — 4(*1 + *2)<Г _|_ /д\
*1 + *2 + О2’ ( )
где производные от (г1 + г2) как первого, так и второго порядков вычисляются по методике, приведенной в [5].
Следует иметь в виду, что применяемое для целей сглаживания градуировочных характеристик увеличение углов охвата оптической системы
осветителя может быть доведено лишь до некоторого разумного предела, за которым начинается быстрое ухудшение качества прибора, вызванное увеличением неравномерности освещенности области чувствительного объема и связанное с основными свойствами оптических систем [12].
Улучшение качества оптических систем (сведение к минимуму аберраций - шума оптического происхождения) эффективно сказывается при условии, что диаметр кружка аберрационного рассеяния становится соизмерим с размером чувствительного объема. Необходимо также отметить, что увеличение углов охвата позволяет свести к минимуму влияние на величину реакции прибора фактора неопределенности геометрической формы аэрозольных частиц [3].
Повысить чувствительность прибора можно также снижением уровня собственного шума прибора. Известно, что шум оптико -электронного устройства складывается из: флуктуаций излучения от объекта наблюдения, конструктивной засветки, определяемой продуманностью и качеством изготовления оптико-механических узлов прибора, фона, возникающего от свечения молекул воздуха в чувствительном объеме, собственного шума фотоприемника, шума усилительных и регистрирующих каскадов устройства. При определенных условиях наибольший вклад в величину собственного шума прибора дает рассеяние света на молекулах воздуха в счетном объеме.
Для анализа влияния компоненты молекулярного рассеяния в СО на результаты измерений сопоставим значения сечений углового рассеяния неполяризованного света на молекулах газа [18]. Для этих частиц с погрешностью 10% по сравнению с точным решением Ми справедливо
приближение: а = п ^™1П (^2^) зт2<р (10), где а - сечение углового
рассеяния для исследуемых частиц, m - коэффициент преломления аэрозоля. Следовательно, уменьшить вклад молекулярного рассеяния в фоновую засветку можно введением в СО более легкого, чем воздух, газа (уменьшение пм), уменьшением его давления и, главное, уменьшением величины СО. Первые два пути резко усложняют реализацию и эксплуатацию приборов, третий ведет к уменьшению объема выборки информации, что не всегда целесообразно [4].
Поскольку поток излучения на фотоприемнике будет состоять из рассеянного молекулами Fм и частицами F, то относительное отклонение рассеянного потока для характерных условий эксперимента (пм = 1,000293, Мм»2,543-1019см-3, т » 1,5, Р = 1 атм, Т= 293 К) легко находится как:
тМР =
\-з.
• 5,63 • 10
б
пип
(11)
где для удобства вычислений коэффициент учитывает подстановку V в [см-3], dm■m в [мкм] и имеет размерность длины в кубе.
Можно подсчитать, что для частиц с dmin > 0,1 мкм величина СО порядка 10-5 см3 (и меньше) обеспечит значение отклонения, вызванное молекулярным рассеянием, | ЙРмр I не более 1%.
Следует рассмотреть и влияние на результаты измерений следующих факторов: неоднородности поверхностной яркости источника В; конечных размеров выходной апертуры осветительной системы а, и у, а также протяженности счетного объема вдоль оптической оси; наличия аберраций р.
Если яркость источника определить как функцию L ^, у), то величина светового потока, попадающего на светочувствительную площадку приемника, будет иметь следующую зависимость от В ^, у) [14;17]:
Fb = f aJ ^ОчъЦх^пгЧш^а)*
(12)
где в точке X = Y = 0 яркость источника Lo(yo) = const, Ф(и) - индикатриса рассеяния в направлении и, т1 и т2 - коэффициенты пропускания осветительной и приемной систем, а1 - выходная апертура осветителя, а2 -входная апертура приемной системы.
Для предварительных оценок можно воспользоваться упрощенным выражением вида:
где F - «идеальный» поток, рассчитанный по формуле (12) с учетом В0(х, у) = const, производные L"xx и L"yy вычисляются в точке х = у = 0.
Предположив, что яркость источника постоянна и равна В0, можно оценить влияние на результаты измерений второго и третьего факторов [4]. Искомое отклонение результатов измерений, вызванное неравномерностью освещенности в СО, запишется как:
№1 =
1 _. 1+2у
l+2jtg2(a1/2)+y2
(13) ,,ли №1= 1 ~ 2tg(a,/2+l) ' (14)
где у = р/У0 <<1, 2тлх ~ У0, в - аберрации системы, Бтах и 8тЫ - максимальная и минимальная площадь сечения пучка в СО, а формула (14) применима для без аберрационного случая.
Отметим, что требование | 8Fн | < 10% приводит к необходимости граничного условия для апертуры осветительной системы:
гЕ2(а/2) < 0,23 • у2 + 310-3 + 0,12 у (15).
Как правило, в фотоэлектрических счетчиках аэрозольных частиц в качестве фотоприемника применяются фотоэлектронные умножители, обладающие большой чувствительностью, коэффициентом усиления и низким уровнем собственных шумов. С учетом этого оказывается достаточным вводить в последующих электронных и регистрирующих схемах небольшие коэффициенты усиления, обеспечивающие практически незаметный собственный уровень шума оконечных каскадов.
Данные, получаемые с помощью счетчиков ядер Айткена [6], позволяют обнаруживать частицы размером от 0,001 до 0,1 мкм и, в ряде случаев, имеют большую ценность несмотря на то, что позволяют только регистрировать ядра конденсации без градации их по размерам. Однако, применив в оптико-электронных классификаторах аэрозольных частиц режим счета электронов [11], можно автоматизировать процесс измере-
ния фракции аэрозольных частиц, имеющих размеры г> 0,03 мкм, и сделать эти приборы в какой-то степени конкурентоспособными со счетчиками ядер Айткена.
Обозначив длительность рабочего сигнала тс (время прохождения частицы через счетный объем прибора) и учитывая, что средняя интенсивность вылета электронов с фотокатода (электронов, обусловленных темновым шумом и фоновыми засветками) за секунду составляет Лф, можно записать выражение для вероятности появления в произвольно выбранном временном интервале временной шкалы одного, двух, трех и т. д. электронов одновременно [15]:
Рп = ехР(-МфТс), (16)
где (п' - число электронов в интервале тс).
Построив дискриминатор, работающий по признаку наличия определенного количества электронов в заданном временном интервале, можно интерпретировать, количество которых быстро уменьшается с увеличением п' и может быть сведено к незначительной величине по сравнению с количеством реальных частиц, регистрируемых за равное время измерения.
Погрешность в определении величины регистрируемых пороговых световых сигналов, а следовательно, и размеров мельчайших аэрозольных частиц, можно оценить на основе соотношения:
5*=\ = Т^’ (17)
л исигн
которое будет отличаться формой записи для разных принципов построения электронных схем дискриминации амплитуд сигналов.
Упомянутые выше факторы шума в сочетании с возможностями повышения энергообеспеченности оптической схемы и принципами построения электронной схемы обработки сигналов становятся естественным ограничением на пути совершенствования оптико-электронного измерения размеров аэрозольных частиц и определяют достижимую минимальную границу диапазона размеров обсуждаемых приборов.
По своему характеру устройство, обеспечивающее отбор аэрозольной пробы из окружающей среды в счетный объем, является своеобразным согласующим звеном между изменяющимися в широких пределах параметрами окружающей среды и строго заданными условиями движения пробы внутри прибора. Изучению условий аспирации посвящено несколько фундаментальных теоретических и экспериментальных работ [12; 13], которые выделяют ряд факторов, оказывающих решающее влияние на работу прибора, и предлагают формулы для оценки качества работ соответствующих устройств когда:
• тонкостенная трубка не ориентирована по отношению к вектору скорости невозмущенного потока аэрозоля V:
г3=Au = l-3,2kcJfЙІA4kІf (18)
где Аи - инерционный коэффициент аспирации, кс - число Стокса, V -скорость движения пробы в трубке;
• отбор при анизокинетической аспирации производится в трубку, направленную точно навстречу потоку аэрозольной пробы:
«з=Л„ = 1 + (|-1)л<,. (19)
Здесь ркс - некоторая функция, зависящая от числа Стокса и отношения
Выполненные с помощью этих формул оценочные расчеты показывают, что при значительной разнице между скоростью движения аэрозоля в невозмущенном потоке вне прибора и внутри него возникают больше потери крупных фракций. Поэтому первой задачей устройства аспирации является обеспечение условий минимального искажения состава аэрозольной пробы, по крайней мере, в заданном диапазоне размеров частиц. Вместе с этим необходимо отметить то, что большая скорость движения аэрозольной пробы по каналам системы аспирации влечет за собой уменьшение времени экспозиции частиц в счетном объеме и соответствующую потерю чувствительности прибора. С другой стороны, после попадания аэрозоля в прибор необходимо обеспечить его ламинарное движение до счетного объема, учитывая, что при малой скорости движения и малом сечении каналов аспирации значительные потери частиц могут возникать за счет их оседания на стенках каналов.
Наконец, большое значение играет качество разбавления аэрозольной пробы, необходимость которого возникает в тех случаях, когда исследуются аэрозольные системы большой плотности, а также - при условии увеличения чувствительности прибора до величины порядка г ~ 0,03 мкм (количество частиц с г < 0,1 мкм даже в естественном атмосферном воздухе возрастает до 105 см-3 [4; 5]). Разбавитель, естественно, должен отвечать всем перечисленным требованиям к узлу аспирации, а также стабильностью коэффициента разбавления независимо от размеров, попадающих в него частиц.
Существуют три способа формирования счетного объема индикатри-сометра - механический, оптический и оптико-электронный. Логично, что принцип и качество выделения чувствительного объема в приборе во многом определяет его технические характеристики [9; 10; 16]. Соответственно, у каждого существуют свои достоинства и недостатки.
Как показывают расчеты, вся область счетного объема может быть разделена на ряд зон, в каждой из которых реакция фотоприемника на мар-
керные частицы одного размера будет находиться в одинаковых пределах. Конфигурация этих зон зависит от сочетания светосилы, одновременного воздействия глубины резкости, степени контрастности, углов полей зрения оптических систем осветителя и приемника в рабочей спектральной области прибора, соотношения между размерами счетного объема и величиной остаточных аберраций систем, а также - степени отработанности технологии настройки оптической схемы прибора в целом. Монодисперсные маркерные частицы с идеализированной функцией распределения, попадая случайным образом в разные по чувствительности зоны, будут вырабатывать в фотоприемнике различные по амплитуде сигналы, которые можно поставить в соответствие частицам различного размера.
Разделение всей области счетного объема на зоны с эквивалентной чувствительностью и то обстоятельство, что вероятность попадания частицы в любую из них пропорциональна только ее площади, дает возможность вычислить наиболее вероятный вес М той зоны, которая в каждом конкретном случае в наибольшей степени будет характеризовать качество формирования СО:
где Цк - весовой коэффициент чувствительности к -зоны, площадь которой равна АБк Б- площадь всей чувствительной области счетного объема.
Известно также [1], что реакция прибора (для центральной точки счетного объема) как функция размера частиц может быть записана приближенно в виде
(п*изменяется от 2 до 6 для разных значений г). Формально подобную зависимость можно интерпретировать как условие, согласно которому каждой амплитуде одиночного сигнала от маркерных частиц одного размера, но попавших в разные зоны счетного объема, будет сопоставляться частица с некоторым фиктивным размером частицы:
Следовательно, можно оценить вероятное отклонение максимума трансформированного счетным объемом распределения частиц по размерам от некоторого эталонного значения:
(20)
(21)
а' = г — гм = пУЯМ,
а относительную величину этого отклонения
64=^1- пУМ (22)
принять за меру погрешности, вносимой различной чувствительностью зон счетного объема в процесс измерения размеров частиц.
Способ формирования счетного объема непосредственным образом влияет на один из важных параметров классификатора аэрозольных частиц - его разрешающую способность в отношении счетных концентраций. Практически удобна в этом случае оценка, сформулированная на основании условия, согласно которому для заданного значения допустимой надежно измеряемой счетной концентрации частиц в единице объема Ы0 и величины чувствительного объема прибора V ожидаемое количество частиц, попадающих в чувствительный объем группами, составляет 10% от всех случаев попадания [3; 9]. Эта оценка приводит к простому выражению: М0У = 0,1. (23).
Предположим, что оптическая система прибора является достаточно совершенной и размеры создаваемого ею изображения светящейся точки определяются только дифракцией света. Полагая, что рабочую спектральную область анализатора характеризуют X ~ 0,6 мкм, нетрудно найти, что радиус первого темного кольца в изображении точки (по которому обычно оценивают предельную разрешающую способность оптической системы) равен:
1 22Х
У'2а'=20° = ^^7 = 21 ‘ 10'5СМ И У2а"=30° = 14 ‘ 10_5сМ-
На основании этих оценок, казалось бы, можно сделать вывод, что минимально достижимые размеры счетного объема близки к величине V0 ~ (0,002)3 см3. Таким образом, не учитывая неоднородность поля освещенности в зоне счетного объема можно утверждать о разрешении счет-
7 _3
ных концентраций частиц Ы0 ~ 10 см .
С другой стороны, известно, что дифракционное пятно в совершенном приборе с круглым зрачком состоит из яркого центрального пятна, окруженного кольцами, максимальные значения освещенности Ет (где т - номер кольца, освещенность в центре дифракционной фигуры принята равной единице) в которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Максимальные значения освещенности Ет
т 1 2 3 4 5
Ет 0,0175 0,0042 0,0016 0,0008 0,0004
Подобные цифры показывают, что границу пятна рассеяния в изображении точки следует проводить, по крайней мере, по четвертому темному кольцу. Следовательно, минимально допустимые размеры счетного объема не могут
быть менее 0,009x0,009x0,009 см3 при 2а' = 20° и 0,006 X 0,006 X 0,006 см3 при 2a/= 30°, что соответствует N0 ~ 4,5-105 — 1,5-10б см3.
Таким образом, для решения поиска оптимальных решений отдельных узлов и выработку критериев, позволяющих наглядно и максимально полно сравнивать и отбирать наиболее рациональные пути построения оптико-электронных аэрозольных спектрометров, представляется целесообразным ввести показатели эффективности анализатора аэрозолей, которые должны учитывать несколько основных моментов.
1. Условия, известные (или заданные) до опыта, на которые экспериментатор влиять не может:
• предполагаемый диапазон размеров;
• диапазон концентраций частиц в аэрозольной пробе;
•границы значений оптических констант п и х вещества частиц;
• скорость диффузии заряженных частиц, скорость седиментации отдельных фракций аэрозоля, форма частиц;
• условия измерений, среди которых важны - температура, влажность, скорость ветра.
2. Элементы решения, зависящие от экспериментатора (конструктора), в том числе:
• структура (тип) оптической схемы прибора;
• апертура применяемых объективов;
• размеры и конфигурация чувствительного объема;
• спектральная характеристика и величина остаточных аберраций оптических систем;
• эксплуатационные возможности прибора.
Нетрудно видеть, что ввести единый показатель эффективности, учитывающий все перечисленные параметры, по-видимому, не представляется возможным. Поэтому целесообразно опираться на набор обобщенных параметров, создающих возможно полное представление о качественных характеристиках прибора, а именно:
1. показатель качества прибора как функции размера анализируемой
где 3] - относительная погрешность реакции прибора на вариации комплексного показателя преломления вещества аэрозольной частицы, 32, 34 - относительные среднеквадратичные приборные ошибки в измерении ее размеров, - относительная среднеквадратичная ошибка в измерении концентраций частиц;
2. минимальный и максимальный размер регистрируемых прибором
частиц с ошибкой порядка 6 ^
3. величину допустимой надежно измеряемой счетной концентрации частиц в пробе Nотр
частицы IV =
і
(24)
Такая оценка показателя качества прибора обязывает экспериментаторов или конструктора оценить параметры практически всех узлов, вносящих сколько-нибудь существенный вклад в ошибку измерений в требуемых условиях применения аэрозольного спектрометра. Он может быть легко расширен или отображен графически, а также должен служить в качестве одной из паспортных характеристик прибора.
Источники
1. Беляев С.П., Никифорова Н.К. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей. М.: Энергоиз-дат, 1981.
2. Филиппов В.Л., Казаков В.Н., Толстая Н.В. Спектрометрия дисперсного состава аэрозолей. Казань: Изд-во КГЭУ, 2009.
3. Alexander E. Martens. Measurement of Stall particles using light-scattering: a survey of the current state of the art. Annals New-York Academy of Sciences, 1966.
4. Польский Ю.Е., Филиппова Н.В. Фотоэлектрические счетчики частиц (Точностные характеристики, области применения) II Всес. конф. «Оптич. методы исследования потоков» (Тезисы докл.). Новосибирск, 1993.
5. Шифрин К.С. Таблицы по светорассеянию. Т. 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.
6. Carl M. Peterson. Measuring and Relating Atmospheric Pollution to Meteorological Perameters. J. Air. Pol. Control Ass. 18. № 10. 1968.
7. Hodkinson I.R., Greenfild I.R. Responsе Calculations for Light-Scattering Aerosol Counters and Photometers Appl. Opt. 4, 11, 1965.
8. Юнге Х. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М., 1965.
9. Филиппов В.Л. Счетный объем оптико-электронного аэрозольного спектрометра как мера его разрешающей способности // Журнал прикладной спектроскопии. 1982. Т. XXXVI, № 4.
10. Казаков В.Н., Филиппов В.Л., Болсуновский В.К. Устройство для измерения размеров и счетных концентраций аэрозольных частиц. Авт. свидетельство № 739376. 15.06.1980.
11. Мейсон Б.Дж. Физика облаков. Л., 1961.
12. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. Л.: Машиностроение, 1975.
13. Волощук В.М. Введение в гидродинамику грубодисперсных аэрозолей. Л. : ГИМИЗ, 1971.
14. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.
15. Румшинский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1976.
16. Васильев И.И., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Прибор для измерения размеров частиц аэрозоля ПИВАЧ 0,3-30 В сб. VI Всес. симп. по распространению лазерного излучения (Тезизы докл. Т. 2). Томск, 1981.
17. Прикладная оптика под ред. Заказнова Н.П. М.: Машиностроение, 1988.
18. Александров Э.Л., Ковалев А.Ф., Юдин К.Б., Ясевич Н.П. // Труды ИЭМ, 1972. Вып. 2 (36).
Зарегистрирована 28.11.2009 г.
