粒度表征 | 激光衍射基本原理和适用条件

激光衍射法是应用非常广泛的用于粒度分析的方法。具有操作简便，测试速度快，测试范围广，重复性和准确性好，可进行在线测量和干法测量等优点。

用激光衍射来测量粒径是非常简单的。测量颗粒的大小时，激光束直接照射颗粒，激光束的部分偏转可在颗粒后方形成一个典型的、环形明暗相间的光强分布图（我们称为衍射图案），然后通过特殊的检测器进行测量。粒径大小就是基于这些环形光强的间距计算出来的：大颗粒产生紧密的环形，小颗粒产生宽松的环形。最后通过不同的理论模型把衍射光强分布转换为粒度分布。因此，激光粒度仪是基于粒子激光衍射的角度与粒子的大小相对应的关系进行分析的仪器。

什么是激光？激光是由特殊光源产生的光，具有单色性、相干性和高度定向性的特点。

什么是衍射？衍射是光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。

激光粒度仪是将分散在空气或液体中的粒子被引导到激光束上，然后激光束被它们衍射，产生衍射图案。

衍射的角度取决于颗粒的大小，不同大小颗粒的样品，形成不同的衍射图案，检测器检测并分析这种衍射图案得到粒径分布。下面是一个小颗粒和一个大颗粒的衍射角和衍射图案。

图2：小颗粒和大颗粒的衍射角

图3：模拟两个球形粒子的衍射图案。粒子a)是粒子b)的两倍大

上面是衍射光通过径向截面的强度图(用红色箭头表示)。由方程可知，颗粒直径(d)越大，艾里圆盘越小。总而言之:更大的粒子表现出更“致密”的衍射图案。

上述所示的衍射图案代表了完美球形颗粒单一大小群体的理想情况。然而，实际样品由许多不同大小、有时也不同形状的颗粒组成。安东帕PSA数据分析使用了描述光粒子相互作用的两种衍射理论，即夫琅和费（Fraunhofer）理论和米氏（Mie）理论(图6)，它们都假设粒子形状为球形。夫琅和费理论比较简单，因为它没有考虑光的吸收、折射、反射或散射等现象。它适用于大的和/或不透明的粒子，并且不需要任何关于粒子光学特性的知识。然而，米氏理论没有考虑到其他光散射现象，因此需要了解特定波长下粒子的折射率。这包括折射率的实部(包括光弯曲)和虚部(光吸收和消光)。但是，在不清楚材料的折射率时，推荐使用夫琅和费法。

图4：夫琅和费法衍射理论示意图

图5：米氏衍理论示意图

安东帕PSA系列激光粒度仪

PSA有三种型号:990、1090和1190，每个型号都有三种配置：湿法(L)，干法(D)或湿法和干法(L/D)，这取决于仪器是否有湿法、干法或两者兼具的分散单元。

PSA低端型号PSA 990包含一个激光二极管(830 nm)和硅楔形探测器。与990相比，中档型号PSA 1090有一个额外的激光二极管(635 nm)和一个额外的探测器，这扩大了其衍射角测量范围。高端型号是PSA 1190，具有三个固态激光器和一个额外的CCD摄像机，可以同时看到样品形态。