Sztatikus lézerfényszórás

A sztatikus lézerfényszórás bevált és pontos mérési módszer akár száraz, akár nedves minták szemcséi méreteloszlása meghatározásához. A Microtrac cég szemcseanalizátorok fejlesztésében és gyártásában szerzett már több mint 40 évnyi tapasztalatával piacvezető ezen a területen.

A sztatikus fényszórás a fény és a szemcsék közötti kölcsönhatás okozta jelenség. Jellemző szögfüggő fényintezitáseloszlási mintázatot mutat, a szemcsék ugyanis bizonyos irányokba jobban szórják a fényt. A fényszórás szöge és intenzitása a szóró szemcsék méretétől függ.

Így tehát a sztatikus fényszórás felhasználható szemcsék méreteloszlása meghatározására, szemcsék sokaságát lézerfénnyel meg kell világítani és a szórt fény intenzitása mintázatát széles szögtartományban kell regisztrálni kell.

Az alábbi rövid bevezető ismerteti a sztatikus fényszórás fizikai alapjait és bemutatja alkalmazását szemcseméretanalizátorokban.

A Microtrac cég sztatikus fényszórás alapján működő, többféle analizátort is kínál.

Termék áttekintése Kapcsolatfelvétel

Fraunhofer- és Mie-féle elmélet a sztatikus fényszórásban

A lézerfény és a szemcsék kölcsönhatásakor keletkező jellegzetes fényszórási mintázatot (pattern = intenzitáseloszlást) a fény elhajlása (diffraction), törése (refraction), visszaverődése (reflection) és elnyelődése (absorption) okozza (lásd ábrát).

Nagy szemcsék esetén a fényelhajlás (diffraction) a domináns jelenség, mely a szemcsék szélein (kontúrján) jön létre. Ezt a jelenséget kielégítően leírja az ún. Fraunhofer-elmélet. A "nagy szemcsék" ebben az összefüggésben a fény hullámhosszánál "lényegesen nagyobb" szemcséket jelent.

A kisebb szemcsék okozta fényszórási mintázat leírásakor és kiértékelésekor optikai tulajdonságokat, elsősorban a törésmutatót is figyelembe kell venni. Ezt a Mie-elmélet írja le, ami a fényelhajlást (diffraction) is tartalmazza, ezért a fényszórási jelenségek teljes értelmezését adja.

A szilárd anyagok többségénél ismert törésmutatójuk irodalmi értéke, ezért a Mie-elmélet nagyon megbízhatóan alkalmazható sztatikus fényszórás mérésnél. A sztatikus fényszórás mérést gyakran nevezik lézerfénydiffrakció vagy lézerdiffraktometria mérésnek is, függetlenül a mérendő szemcsék méretétől és a megnyilvánuló jelenségektől.

Sztatikus lézerfényszórás mérés - Ábra # 1

Fény és szemcsék kölcsönhatásakor fényelhajlás (diffraction), fénytörés (refraction), fényelnyelés (absorption) és fényvisszaverés (reflection) fordulhat elő.

Sztatikus fényszórás mintázatai leírása

Az ábra 1 µm és 10 µm méretű szemcsék szuszpenziói fényszórási mintázatait mutatja.

10 µm méretű szemcséknél a fényszórási mintázat jellegzetes gyűrűs szerkezetű, melyet főleg a fény elhajlásával lehet értelmezni. Nagyobb szemcséknél az elhajlási szögek kisebbek lennének és a gyűrűk közelebb húzódnának a középponthoz. Az intenzitásmaximumok is növekednének.

1 µm méretű szemcséknél már nem figyelhetők meg ezek a fényelhajlási gyűrűk. A fényszórási mintázat inkább diffúz, bár több fény szóródik előre, semmint oldalra vagy visszafelé. hátsó irányba. A szemcseméret csökkenésével a szórt fény összintenzitása is csökken és kevesebb fény szóródik előre és inkább több oldalsó irányba. A nagyon kis szemcséktől származó gyenge jelek kiértékelhetősége érdekében a mérést általában erősebb jelet adó, rövidebb hullámhosszú fénnyel végzik.

Az ábra mutatja a 1 µm és 10 µm méretű szemcsék keverékétől származó kétféle méret mintázata átfedéséből létrejövő eredő mintázatot is. A valódi minták általában sok, különböző méretű szemcsét tartalmaznak, melyek mindegyike hozzájárul az összesített szórt fényhez. Ezt megfelelően figyelembe kell venni a szemcsék méreteloszlása meghatározáskor.

Sztatikus lézerfényszórás mérés - Ábra # 2

Sztatikus lézerfényszórás mérés - Ábra # 2b

Sztatikus lézerfényszórás mérés - Ábra # 2c

Szórt fény mintázatai: 10 µm szemcsék (balra), 1 mm szemcsék (középen) és 10 µm és 1 µm szemcsék keveréke (jobbra) esetén. Közönséges lézerpointer világította meg a mintákat.

Sztatikus lézerfényszóráson alapuló mérőberendezés

Az ábra a sztatikus fényszórás mérés műszeres megvalósítását mutatja. Microtrac analizátorral végzett szemcsemérés során lézersugár hatol át a diszpergált mintán, ami lehet szuszpenzió, emulzió vagy légsugárba oszlatott por.
Mivel a szórt fény intenzitáseloszlása információval szolgál a szemcsék méreteloszlásáról, ezért a Microtrac analizátor méri a különböző szögekbe szóródó fényt - egészen 163°-ig. Az optika tengely irányában (on-axis) elhelyezett detektor méri a nagy szemcséktől származó, néha nagyon kis szórási szögekben szóródó, előre irányuló (forward) szórt fényt. A nagyobb szórási szögekben szóródó fényt az optikai tengellyel szöget bezáró (off-axis) detektor detektálja.
A mintát különböző szögekben megvilágító három lézer alkalmazásával a szórási szögek különösen széles tartományát sikerül lefedni. A mérés során folyamatosan mért adatok feldolgozása és kiértékelése a Fraunhofer- vagy a Mie-elmélet szerint történik. A Microtrac cég sztatikus lézerfényszórás mérésre alkalmazott 'Módosított Mie-algoritmusa' a szemcseméret-eloszlás pontos kiszámítására képes még (félig) átlátszó, opálos, gömbszerű vagy nem gömbszerű szemcsék esetében is.

Sztatikus lézerfényszórás mérés - Ábra # 3

Sztatikus fényszórás mérésére szolgáló Microtrac SYNC szemcseanalizátor kiépítése két detektorsorral és három lézer-fényforrással.

Microtrac MRB Termékek & Kapcsolat

A Microtrac cég sztatikus fényszórás alapján működő, többféle analizátort is kínál.

Termék áttekintése

Munkatársaink szívesen adnak tanácsot készülékeinkről és alkalmazási lehetőségeikről.

Forduljon hozzánk ingyenes konzultációért!

Sztatikus lézerfényszórás - Gyakori kérdések

Miért "sztatikus fényszórás" a módszer neve?

Sztatikus fényszórás esetében a megfigyelt szórt fényintenzitás mintázata (pattern) nem változik az időben. A "sztatikus" ("static") megjelölés tehát a mérési jelre vonatkozik. A szórt fényintenzitás mintázatát létrehozó szemcsék a mérés alatt általában mérőcellán haladnak keresztül, tehát mozognak - helyzetük nem sztatikus. Ha azonban a minta anyaga jól össze van keverve és homogén, akkor a mérendő térfogaton belül a szemcsék méreteloszlása messzemenően állandó és ilyen a fényszórási mintázat is.

Mi a különbség a dinamikus és a sztatikus fényszórás között?

Sztatikus fényszórás mérés során a szórt fényintenzitás szög szerinti eloszlását határozzák meg és értékelik ki. Dinamikus fényszórás mérés során viszont egy adott szögbe szórt fény hosszabb időtartam alatti intenzitásingadozását veszik fel. Mindkettővel meghatározható ugyan a fényt szóró szemcsék mérete, de a dinamikus módszer speciálisan nanoszemcsékre alkalmas, a sztatikus módszer pedig széles mérettartományban használható.

Helyes a Fraunhofer-féle közelítés sztatikus fényszórás esetében?

A Fraunhofer-féle közelítés csak a fényelhajlást (diffraction) veszi számításba, ez akkor engedhető meg a szemcsék méreteloszlása kiértékelésekor, ha a szemcseméretek jóval nagyobbak a beeső lézerfény hullámhosszánál. A sztatikus fényszórással végzett mérésre vonatkozó ISO 13320 szabvány szerint 50 µm a méréstartomány alsó határértéke, a gyakorlatban azonban gyakran sikerrel alkalmazzák le akár a kb. 5 µm szemcseméretig is.

Hogyan kapcsolódik a Mie-féle elmélet a sztatikus fényszóráshoz?

A Mie-féle elmélet gömbszerű szemcsék fényszórása mintázatát írja le - azok optikai tulajdonságai figyelembevételével. Ez az alapja a szemcsék mérete sztatikus fényszórással végzett meghatározásának. A Mie-féle elmélet a teljes mérettartományban alkalmazható, ami rendszerint 10 nm és 4 mm között van. Az elméletet Gustav Mie-ről nevezték el, aki 1908-ban a Maxwell-egyenletek megoldásaként írta le a fényszórást.

Milyen kapcsolat van a sztatikus fényszórás jelintenzitása és a szemcseméret között?

A nagy szemcsék jobban szórják a fényt mint a kisebbek. A szórt fény intenzitása csökkenése kb. 10^-6-szoros, ami azt jelenti, hogy egy 1000 nm méretű szemcséhez képest a 100 nm méretű átmérője 10-szer, térfogata 1000-szer és általa szórt fény intenzitása milliószor kisebb.

Milyen kapcsolat van a sztatikus fényszórás szórási szöge és a szemcseméret között?

A Fraunhofer-féle közelítésben az elhajlási (diffrakciós) szögek nőnek a szemcseméret csökkenésével. A Mie-féle elmélet fontos következtetése, hogy a nagy szemcsék jobban szórják előre a fényt, mint a kisebbek.

Milyen kapcsolat van a sztatikus fényszórás jelintenzitása és hullámhossza között?

A szemcse által szórt fény intenzitása sokkal nagyobb rövid, mint hosszú hullámhosszú fény esetén. A szórt fényintenzitás fordítottan arányos a hullámhossz negyedik hatványával, 1/λ⁴. A hosszú hullámhosszú fény viszont alkalmasabb nagyobb szemcsék mérete sztatikus fényszórással történő méréséhez.