В процессе телевизионной диагностики, теплофизических процессов СВ–синтеза, газодинамического напыления, контроля технических параметров распыливателей ДВС и т.д., необходима оптимизация технологических параметров, влияющих на качественные показатели. Среда между датчиком и объектом наблюдения, состоящая из механических частиц, в достаточной степени искажает оптический сигнал. Эти частицы, обладающие малой общей массой, имеют “гигантскую разветвленную” поверхность и вносят решающий вклад в свойства дисперсионных систем, в атмосфере малые посторонние частицы определяют оптические свойства, перенос радиоактивности и т.д.

Имеющиеся методы определения фракционного состава используют рассеяние света при прохождении его через мутную среду. Размеры частиц, создающих мутность среды, и число их в единице объема определяют соответственно характер и интенсивность рассеянного света.

Принципиально оптические методы сводятся к измерению трех характеристик:

1. Прозрачность,
2. Степень поляризации рассеянного света,
3. Индикатрисы рассеяния.

В зависимости от диапазона размеров частиц применимы различные методы исследования дисперсности.

Пусть элементарный объем дисперсной среды освещается параллельным пучком света. В этом случае задача определения функции распределения частиц по размерам сводится к обращению интегрального уравнения Фредгольма первого рода [1]:

, (1)

где – ядро уравнения, известное из теории рассеяния света на отдельной частице, – экспериментально определяемая функция, – ее параметр.

Обращение уравнения (1) путем замены его алгебраической системой приводит к принципиальным трудностям, свойственным интегральным уравнениям первого рода. Получающаяся алгебраическая система плохо обусловлена – небольшие неточности в значениях и ,неизбежно возникающие из-за ошибок измерений или расчетов, приводят к серьезным ошибкам в определении функции . Формально правильное решение системы может содержать отрицательные корни, то есть оказывается физически бессмысленным. Задача становится некорректной, причем чем выше порядок системы, тем более чувствительны к ошибкам ее решения. Существует, однако, ряд случаев, при которых уравнение (1) удается обернуть точно и записать выражение для в явном виде.

К таким случаям относятся:

а) Метод спектральной прозрачности.

Физическая сущность этого метода, разработанного Шифриным К.С. с сотрудниками [2], состоит в измерении показателя рассеяния системы частиц в некотором объеме при вариации длины волны падающего излучения за счет изменения параметра .

Реализация этого метода заключается в экспериментальном нахождении коэффициента пропускания прямо прошедшего излучения через слой рассеивающих частиц толщиной при различных длинах волн в некотором спектральном интервале.

б) Метод полной индикатрисы [3].

Он пригоден, когда среда содержит оптически мягкие частицы, т.е. выполняется условие .

Этот метод основан на измерении индикатрисы рассеяния по всем направлениям.

в) Метод многоволнового обратного рассеяния [4].

Этот метод разработан применительно к лазерному зондированию атмосферы. Однако он может быть использован для определения различных рассеивающих сред. Задача сводится к обращению уравнения:

. (2)

Когда в эксперименте измеряется показатель рассеяния при нескольких длинах волн в направлении, противоположном направлению падающего излучения . Здесь - фактор рассеяния в направлении назад.

г) Статистический метод [5].

В его основе лежит изучение зависимости статистических характеристик светового поля и рассеивающей среды, полученной при решении уравнения распространения электромагнитных волн. Диапазон восстанавливаемого распределения частиц в этом методе составляет 0,02-4 мкм.

д) Метод малых углов [5,2].

Метод применим для анализа крупных частиц .

Он основан на измерении “ореола” вокруг направления на источник света. Рабочей формулой для определения функции распределения частиц по размерам является:

, (3)

где

, (4)

, (5)

. (6)

Здесь – интенсивность света, рассеянная полидисперсной системой частиц; – интенсивность света, падающего на частицу; – функция Неймана; –функция Бесселя первого рода.

В результате проведенного анализа видим, что выбор способа определения индикатрисы рассеяния зависит от размера частиц, на которых происходит рассеяние, физических условий проведения опыта (например: атмосферное зондирование или искусственный поток), а также от технологических условий эксперимента (наличие лазеров с различными длинами волн излучения).

Литература

1. Дейч М.Е., Филипов Г.А. Газодинамика духфазных сред. М.: Энергия., 1968.

2. Шифрин К.С. Излучение свойств вещества по однократному рассеянию // Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. Минск, 1971.

3. Шифрин К.С., Чаянова Э.А. Определение спектра частиц по индикатрисе рассеяния // Из. АН СССР., 1966. Т.2, №2.

4. Иванов А.П., Хайрулина А.Я., Чайковский А.П. Исследование параметров рассеивающих сред методами статистической оптики. Минск., 1980.

5. Шифрин К.С., Пунина В.А. Об индикатрисе рассеяния света в области малых углов // Из. АН СССР., 1968. Т.4, №7.