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粒子计数器的原理

2012/11/16 9:38:23

粒子计数器的原理

光学粒子计数器是利用丁达尔现象（Tyndall Effect）来检测粒子。丁达尔效应是用John Tyndall的名字命名的[1]，通常是胶体中的粒子对光线的散射作用引起的。一束明亮的光照在空气或雾中的灰尘上，所产生的散射就是丁达尔现象。
当折射率变化时，光线就会发生散射。这就意味着在液体中，汽泡对光线的散射作用和固体粒子是一样的。米氏理论（Mie Theory）描述了粒子对光的散射作用。
Lorenz-Mie-Debye理论最早由Gustav Mie提出[2、3]，它描述了光是如何朝各个不同方向散射的。具体的散射情况决定于介质的折射率、粒子对光的散射作用、粒子的尺寸和光的波长。具体介绍米氏理论的细节超出了本文的范围；但是，有很多公共领域的应用都可以用来验证光是如何散射的[4]。
光的散射情况会随着粒子尺寸的变化而变化。在粒子计数器中，米氏理论最重要的结果以及它对光散射的预测都与之相关。当粒子尺寸比光的波长要小得多的时候，光散射主要是朝着正前方（图1a）。而当粒子尺寸比光波长要大得多的时候，光散射则主要朝直角和后方方向散射（图1b）。

图1光的散射与粒子尺寸的关系。

光可以看做是沿着传播方向进行垂直振荡的波。这一振荡方向就是所谓的偏振。入射光的偏振非常重要。在以前的例子里，光的散射是在入射光的偏振平面内进行测量的。
粒子尺寸在5μm时的散射情况类似（图2a）；而具有偏振现象，粒子尺寸在0.3μm（图2b）时的散射情况有很大不同。由于用对数表示，变化不到十倍的，都看不到了。

图2 垂直平面的散射作用。

散射光的强度随着频率的改变而变化：较短的波长意味较强的散射。在其他条件都相同的情况下，蓝光的散射强度大约是红光的10倍。大部分粒子计数器采用的都是近红外或红色激光；直到最近，这还都是最符合经济效益的选择。蓝色气体和半导体激光器价格都很贵；而且半导体激光器的使用寿命也很短。

空气粒子计数器
图3所示的粒子计数器是使用传感器的典型设计；气流、激光、以及聚光镜彼此成直角。
在传感器的出口处有一个真空装置，把空气经过传感器抽走。而空气中的粒子则将激光散射。散射光又会被后面的聚光镜聚焦到光学探测器上，随后把光转换成电压信号，并且进行放大和滤波。此后，这个信号从模拟的转换成数字信号，并且由微处理器对它进行分类。微处理器也会通过接口将计数器连接到控制数据收集系统上。

激光
气体激光器发明于1960年，而半导体激光器发明于1962年。开始时这些激光器很贵，但是随着它们变成具有经济效益时，在粒子计数器中，就用气体激光取代了白光。而到了20世纪80年代末，在绝大多数场合下，更便宜的半导体激光器又取代了气体激光器。
用于粒子计数的激光器有两种：一种是气体激光器，如氦氖（HeNe）激光器和氩离子（argon-ion）激光器；另外就是半导体激光器[5]。气体激光器能够生产强烈的单色光，有时甚至是偏振光。气体激光器产生准直高斯光束，而半导体激光器则产生出一个小的发散点光源，通常发散光有两个不同的轴，并且总是出现多种模式。由于发散光具有多轴性，半导体激光器通常都有一个椭圆形的输出，这带来了一定的挑战，也带来了一定的优势。不同轴的散射光意味着要么勉强接受这一椭圆形的输出，要么设计一套复杂而昂贵的光学镜来做补偿。另一方面，椭圆光束很适合用于某些应用，利用长轴，可以得到更好的覆盖范围。
总之，氦氖激光器的输出“直接可用”，无需增加任何光学元件。要想产生类似于氦氖激光器的光束，从半导体激光器出来的光必须经过透镜聚焦，这会导致光能的损耗。但是，半导体激光器的成本低、体积小、工作电压低、功耗小，成为粒子计数器的最佳选择。
在要求高灵敏度的应用中，氦氖激光器可以用于开式腔模式[6]，产生很大的功率（图4）。因为样本要通过光学空腔谐振器，当粒子浓度较高时，激光会中断（无法维持“Q”因子），所以此时这种类型的激光不适用。

入口喷嘴
进入粒子计数器的入口样本对计数器的分辨率起着至关重要的作用。入口有两种类形：一种是扁平的（宽10mm，高0.1mm），另一种是内径为2-3mm的圆形。入口喷嘴为扁平的时，通常激光束是一条与喷嘴同轴的窄线。
而入口喷嘴为圆形时，激光束则通常与入射口的轴线大致成直角。粒子会通过一个非常狭窄，强度很高的激光面。
每种类型的喷嘴各有优缺点。扁平喷嘴出来的气流速度相当均匀，它通过激光束中最强而且最均匀的部分，因此精度最高。
但是，扁平喷嘴的横截面小，意味着要求真空度高于圆形喷嘴，这样会增加能耗（这点非常重要，特别是在采用电池供电时）。扁平喷嘴的制造比较复杂，价格也较高，而且它和激光之间的配合也是一个问题。
圆形喷嘴比较简单，因为它的横截面较大，对于速度相同的气流，对真空度的要求也较低，所以当空气吸入时，能耗也较小。相对于扁平喷嘴，气流速度较低意味着每个粒子散射的光也更多。圆形喷嘴的缺点在于它会降低气流的均匀性，而且激光束的功率不是均匀的；光束会变粗，因而精度较低。
光学聚焦元件
粒子会朝各个方向散射光，其中最主要的还是正前方。随着粒子的变大，会有更多的光朝后面以及沿直角方向散射。光学聚焦元件则将光收集起来并且聚焦到探测器上，防止出现激光干扰。
光学聚焦器件会尝试只收集包含有用信号的光，而将无用光排除在外。杂散反射光会导致噪音，通常会在基线上产生一定的偏移，这会影响仪器的灵敏度。

图3空气粒子计数器的俯视图。

反射镜：凹面镜可以用来聚集光线并且把光线聚焦到探测器上。凹面镜作为灯光的反射镜，可以将从它的焦点发出的光反射回焦点。这是最常用的光学聚焦元件，可以用它做出小巧而且成本低的传感器。
透镜：用于粒子计数器的透镜通常都是成对出现的半球镜。它们可以有效地将图象（散射光）从一个焦点传输到另一个焦点（光电探测器）。在许多传感器中，也在透镜的另一端用一个反射镜来收集光线。
小心地运用遮蔽技术，例如限制光圈或视场光阑，可以进一步减少偏射光。用透镜将光线从一个平面传输到另一平面，以及偏光消除技术，这些与那些摄影技术中常用的办法并没有什么不同，但是要记住，粒子计数器使用的是单色光辐射，因此不必担心另外需要使用色差校正（不同波长的光折射后会聚焦在不同点上）。
Mangin镜：Mangin镜主要由一个负凹凸透镜和一个镜像凸形二次表面组成。这些过去常见于乙炔灯。现在，它们用在光学系统中，例如望远镜。

图4开腔式激光器。

Mangin镜在粒子计数器中是成对使用，类似于半球透镜。Mangin镜比透镜轻，但是比透镜宽。和半球透镜一样，它的功能是将图像从一个镜子的焦点传输到另一个镜子的焦点。
非成像粒子计数器：非成像粒子计数器不需要使用任何光学聚焦元件。光电探测器紧靠着试样的入口和激光，收集散射光。小型传感器（例如手持式传感器）往往包含光学元件，它含有一个非成像元件。

光电探测器
光电探测器每接收到一个光子就会产生电荷，从而将入射光转换成电脉冲。散射光的数量会随着粒子尺寸的增大而增多，同时散射光子也会到达光电探测器，于是，产生了与粒子尺寸成正比的电流脉冲。
光电二极管：光电二极管就是一个p-n结。当能量足够的光子撞上二极管时，就会产生一个可移动的电子和一个带正电的空穴。这些电荷会引起光电流，随后进行放大、滤波和分类处理。
雪崩光电二极管：雪崩光电二极管[7]是一个半导体光电倍增管。光子能引起雪崩光电二极管发生电子雪崩；可以用来检测光子并进行计数。

处理电路
信号处理电路对光电探测器产生的信号进行放大和滤波。
例如，图5a所示的（经夸张处理）信号来自粒子计数器。粒子产生了4个尖脉冲。基线有些波动，可能是声波（例如，来自泵）、电源的影响，也可能是由于空气从入口处高速涌入时产生的呼啸声的影响。基线的波动频率远远低于粒子产生的信号，可以用高通滤波器把它滤除。
这样还会留下高频干扰（可能来自处理电路），如图5b所示。高频干扰的频率远远高于粒子产生的信号，可以用低通滤波器把它滤掉。

图5光电探测器信号的放大和滤波。

经过滤波后的信号，由一系列的脉冲组成，脉冲的高度与粒子尺寸有关（图5c）。现在对这些信号进行分类，用脉冲幅度分析仪进行模拟数字转换。在转换成数字信号之后，可以这些经过分类的脉冲进行计数，最后送往控制系统。