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随着现代科技的进步和经济的发展,纳米材料和纳米产业在我国国民经济中所起的作用越来越大。在纳米材料的生产及使用中,其颗粒大小和形状对材料的性能起着决定性的作用,粒形和粒度是影响粒子物理特性特别是光散射特性的重要参数。动态光散射系统光路的研究对光子相关光谱技术和其它相关技术的进一步发展有很大的促进作用,因为针对不同的样品需要不同的光路设计,针对不同的测量需求也需要不同的光路。为了满足不同的测量需求,我们需要对传统的光路进行重新设计。所以自主搭建一套可以方便进行调节和修改光路的动态光散射系统具有重要的现实意义。
本文自主设计与搭建了可以方便进行调节和修改光路的动态光散射系统,并在此基础上进行了相关的测量,本文主要内容包括:
动态光散射实验系统中样品池的研制。详细介绍了动态光散射系统中样品池需要满足的几个物理条件和实验要求,并针对它们进行相关的设计与制作,本文设计的样品池温控模块主要由基于负温度系数热敏电阻(NTC)构建的温度采样电路、单片机控制平台和基于帕尔贴效应的半导体制冷器(TEC)的驱动所组成。开关电源作为输出电源控制。同时运用PID算法输出控制量,利用单片机的定时器进行PWM控制,控温速度快,精度高达±0.1℃,可以对动态光散射系统中的样品进行精密的恒温控制。制作完毕后样品池可以很好的用于实验。
动态光散射实验系统中光接收光路的设计。针对散射光的接收光路进行了相关的理论分析与研究,并利用波动光学的空间相干性原理及几何光学的透镜成像理论进行光路设计,设计了一种透镜前置型双光阑式光接收光路。最后通过实验来验证所提出的设计标准和性能判据的正确性,此光接收光路可以进行比较大范围的相关调节,这为具体实验和研究时带来了很大的方便与可操作性。
动态光散射系统的遮光设计。由于是自己组建的实验系统,在实际的实验测量过程中,影响到测量结果的噪声和误差有很多,针对这些噪声,本文从光电倍增管的遮光和散射光路的遮光两个方面分别进行研究和设计,其最后实验的结果证明此设计效果不错。
在自组建的这套动态光散射系统上进行了下面几方面的研究:1)不同的散射光强对球形纳米颗粒测量的影响。对于球形颗粒来说,激光功率需达到一定的强度才能获得比较好的相关曲线,光子计数才能达到一定的值,进而才能够更准确地反演得到颗粒的粒径、分散度等信息。2)光接收光路中透镜成像的变化对测量结果的影响。实验结果表明,当散射光路中的透镜离样品池的距离不满足透镜成像规律时,将对测量结果有很大的影响,使得相关函数曲线产生畸变,光子计数的稳定性下降等;以透镜的成像位置为分界点,实验还得出:对于相同的距离,透镜靠近样品要比远离样品对结果的影响更大。通过这个实验,也更加验证了利用成像规律来设计光路的正确性。3)两光阑间距离的改变对测量结果的影响。实验表明两光阑间的距离哪怕只有微小的变化,测量结果也会受到很大的影响,特别是每秒光子数会急剧下降,相关函数曲线会受到干扰而变得不平滑也不纤细。4)实验还验证了动态光散射系统中,在90°的散射角方向,球形样品散射光的偏振态与入射光偏振态一致,非球形样品散射光的偏振态与入射光偏振态不一致。