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动态光散射(dynamiclightscattering,DLS)技术是测量亚微米及纳米颗粒粒度的有效方法。该方法通过测定散射光中微小的频移及角度依赖性得到关于散射质点的动态行动,可以求出溶液中颗粒的平动扩散系数,从而反演出其粒径大小和分布。虽然动态光散射的应用前景乐观,但是在小颗粒粒度测量过程中,对实验环境和实验过程要求苛刻,这使得大量、重复性的动态光散射纳米颗粒测试实验难度增加。尤其在研究多分散颗粒体系时,人工配制不同混合比例的溶液,操作难度大而且精确度无法保证。
本文采用计算机模拟的方法研究动态光散射颗粒测量技术,可以在较短的时间内得到含有颗粒粒度信息的随机信号,使得大量的重复性实验可以在短时间内完成,从而为动态光散射颗粒测量技术的研究提供方便而又可靠的辅助工具。由于计算机模拟不受实验条件的限制,一些颗粒粒度分析理论的研究可以在更大的颗粒粒度范围内进行。
通过深入研究动态光散射理论和搭建动态光散射实验装置,本文建立了计算机模拟的实验方案,其主要内容有:布朗运动的模拟,动态光散射光强信号产生的模拟,信号自相关运算,信号自相关曲线分析等。各部分之间相互联系,形成一个完整的信号产生、提取和处理系统。
本文首先对颗粒的二维随机行走进行布朗运动模拟。通过分析布朗运动动力学方程,可知随机行走的步长服从期望值为0、方差为√2Dbτ的正态分布。通过对三种随机数发生器产生的伪随机数进行检验和比较,选择出一种最佳的随机数发生器对布朗运动进行模拟,并根据爱因斯坦关于经典布朗运动的特征进行了检验,证明计算机模拟布朗运动的结果符合经典布朗运动的特征。动态光散射信号产生的根本原因是多谱勒效应,这就需要计算出颗粒相对观测点运动产生的多谱勒频移,并记录下根据自拍技术得到带有频移信息的散射光强涨落信号时间序列。信号自相关运算是对得到的散射光强涨落信号时间序列进行自相关运算,得到自相关曲线。最后对自相关曲线进行分析,进而得到颗粒粒径和分布。
对于单分散颗粒体系,采用自己编制的单分散颗粒体系的自相关曲线分析程序(权重和最小二乘法)进行分析得出计算机模拟结果与设定值基本吻合的结论。
对于多分散颗粒体系,研究了两种不同粒径的颗粒按三种不同的比例混合情况下的自相关曲线。利用Brookhaven公司相关分析软件提供的非负最小二乘法(MNLS)对这三种情况下的自相关曲线进行了数据反演,得出的结论与理论相符合。
本论文对动态光散射颗粒粒度测量实验的计算机模拟进行了探索性地研究,建立了一套完整的单分散颗粒体系的模拟计算软件,并且完成了除数据反演部分外的多分散颗粒体系的模拟计算程序。虽然国内有对单分散颗粒体系的研究,但是只完成了部分模拟。对于多分散颗粒体系的模拟,从目前检索的情况看,还未发现国内有关于这方面的研究文献。
此动态光散射颗粒粒度测量实验模拟软件系统,可以作为动态光散射颗粒测试技术研究的有效工具,尤其为多分散颗粒体系的相关理论的研究提供了实验平台。