10.12. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

Б. Томпсон

10.12.1. Потребность в методе

Вопрос об измерении размера частиц имеет длинную историю и технически является трудной задачей. Однако эти измерения играют важную роль и необходимы во многих исследованиях. Для решения этой задачи разработано много разных методов, в том числе и чисто оптических. Голография может удовлетворить определенным требованиям в данной области, но без претензий на универсальность. Основное достоинство голографии состоит в том, что с ее помощью можно исследовать динамические ситуации, причем детальное изучение частиц выполняется на восстановленных с голограмм изображениях. Рассмотрим объем, заполненный движущимися частицами; сфотографировать этот объем — задача невозможная, если размеры отдельных частиц много меньше занимаемого ими пространства. Например, если частицы имеют диаметр и находятся в объеме то глубина фокуса изображающей системы, которая способна разрешить много меньше 1 см! Однако можно зарегистрировать голограмму Фраунгофера частиц в таком объеме и последовательно

восстановить с нее изображение ансамбля частиц. Таким образом быстропротекающие события регистрируются на голограмме, с которой впоследствии восстанавливаются статические изображения.

10.12.2. Применения

Метод измерения размера частиц с помощью голограмм Фраунгофера, рассмотренных в § 4.2, был предложен в 1963 г. [1, 3]. С тех пор на эту тему написано большое число статей, и в последних обзорах можно найти достаточно ссылок на ранние работы (см., например, 14, 7]). Первоначально метод был использован для исследования капелек тумана, возникающего в естественных условиях [2, 51, но затем нашел широкое применение для измерения и расчета параметров частиц в различных других исследованиях.

Рис. 1. Схематическое представление голографической системы для анализа размеров частиц, в которой используется голограмма Фраунгофера с осевым опорным пучком.

На рис. 1 приведена типичная схема установки, используемая для голографического определения размеров частиц. Освещение лучше всего осуществлять импульсным рубиновым лазером; этот лазер эбеспечивает время экспозиции которое требуется при разрешении в несколько микрометров и при средней скорости частиц 100 см/с. Естественно, что более высокие скорости требуют еще меньших экспозиций. Луч света рубинового лазера с модулированной добротностью проходит через пространственный фильтр, коллимируется (следует отметить, что коллимирование не является обязательным) и освещает исследуемый объем. Реальный объем, который может быть исследован, зависит от требуемого разрешения, но обычно он равен нескольким кубическим сантиметрам при размерах частиц от и более. Прежде чем записать голограмму, бывает выгодно ввести некоторое увеличение голограммы, чтобы облегчить требование к разрешающей способности регистрирующего материала. Исследуемый объем записывается целиком (на рис. 1 указаны типичные плоскости записи). Детали оптического оборудования гаких систем зависят от специфики применения и природы исследуемого явления.

Рис. 2. а — голограмма распределения маленьких частичек пыльцы (диаметром около 20 мкм); б - изображение, восстановленное с части этой голограммы. (Согласно Тайлеру [9].)

Первоначальное применение метода к исследованию капелек тумана привело к более широким областям применения для решения самых различных задач, связанных с измерениями размеров частиц и аэрозолей. Применение этого метода к исследованию энергетических аэрозолей и работы форсунок ракет рассматривалось в работах [6, 8]. Другими примерами служат исследования частиц в камерах Вильсона, частиц морского планктона, выхлопа ракетных двигателей, двухфазных потоков, стекловолокна, пылевой эрозии, снежинок и кристалликов льда, а также записи информации электронным лучом. Разумеется, что обсуждать здесь все эти области применения невозможно.

Разработка различных применений голографического метода для исследования частиц привела к необходимости дополнительного изучения самого голографического процесса и в результате к расширению диапазона его применимости; например, голографический метод стали использовать для исследования очень больших и совсем маленьких частиц, а также эффектов, связанных с изменениями показателя преломления.

На рис. 2, а представлена голограмма ансамбля небольших частиц пыльцы растений диаметром около Изображение, восстановленное с части этой голограммы, показано на рис. 2, б. Хорошая резкость края частиц свидетельствует о том, что было получено разрешение порядка

В данной области применений голографии все еще наблюдается большая активность, используются методы записи голограмм как с осевой, так и внеосевой геометрией, и можно ожидать, что будут получены новые существенные результаты.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)