Laserbeugung zur Partikelgrößenbestimmung – Theorie einfach in einer Abbildung erklärt

von Maria Ma, Thursday, 28th January 2021

Natürlich. Wir haben sehr gut geschriebene Notizen und Anleitungen. Und dank unserer Hilfe bei der Methodenentwicklung sind Fälle, in denen wir über die grundlegenden Theorien hinter der Technologie des Mastersizer 3000 nachdenken, selten. Nichtsdestotrotz müssen wir Probleme beheben, das Gerät herausfordern, SOPs anpassen… (Und wir werden neugierig.) Dann wird das Verständnis der Theorie entscheidend. Das einzige Problem ist – es scheint kompliziert zu sein. Daher fordere ich mich ständig heraus, wie ich die Theorie so einfach wie möglich kommunizieren kann. Es läuft jetzt auf „Vier Ereignisse“ und „Vier Szenarien“ hinaus.

Vier Ereignisse:

Einfallslicht trifft auf Partikel
Licht interagiert mit Partikel
Licht tritt aus dem Partikel aus
Ausgehendes Licht wird von Detektoren und der Software erkannt und analysiert

Vier Szenarien, von einfach bis komplex:

Bitte lesen Sie die Beschreibungen in der Tabelle entsprechend der Abbildung unten.

	Opak	Nicht opak
Ein Partikel / eine Größe	1. Ein opakes sphärisches Partikel beugt Licht nur an seinem Rand. Licht dringt nicht in das Partikel ein. Mathematisch folgt es einfach den Regeln einer mechanischen Welle, wie eine Wasserwelle, die an einem Stein vorbeigeht. Jede Größe hat ihr einzigartiges Beugungsmuster. Fraunhofer-Näherung kann angewendet werden, oder die Mie-Lösung mit einem sehr hohen Brechungsindex (z. B. 2,3, zur Orientierung: Stahl hat einen Brechungsindex von etwa 2,5).	2. Ein nicht opakes sphärisches Partikel streut Licht. In diesem Fall dringt das einfallende Licht, als elektromagnetische Welle, in das Partikel ein und interagiert mit seinen Elektronenwolken. Das Muster des Lichts, das aus dem Partikel austritt, wird durch die Mie-Lösung der Maxwell-Gleichungen beschrieben. Dieses gestreute Lichtmuster ist ebenfalls einzigartig für ein Partikel mit einer bestimmten Größe und bestimmten optischen Eigenschaften.
Größenverteilung	3. Um die Größenverteilung opaker Partikel herauszufinden, wird ein Iterationsalgorithmus angewendet, um die Partikelgrößen zu finden, die das erkannte Lichtmuster am besten passen. Fraunhofer-Näherung kann angewendet werden, oder die Mie-Lösung mit sehr hohen Brechungsindex.	4. Um die Größenverteilung nicht opaker Partikel herauszufinden, wird ein Iterationsalgorithmus angewendet, um die Partikelgrößen zu finden, die das erkannte Lichtmuster am besten passen. Mie-Lösung wird mit gegebenen optischen Eigenschaften angewendet.

Diese vier Szenarien, von einfach bis komplex, repräsentieren eine historische Entwicklung der Technologie. Heutzutage befinden wir uns fast immer im vierten Szenario – „nicht opake Partikel mit einem Größenverteilungsprofil“. Daher wird die Mie-Lösung, die die Lichtstreuung im Allgemeinen beschreibt, in den allermeisten Fällen verwendet. Sie deckt alle Größenbereiche und alle optischen Eigenschaften ab. Trotzdem verwenden wir weiterhin den Begriff „Laserbeugung“ aus historischen Gründen. Es kann verwirrend sein, aber hoffentlich nicht mehr, wenn Sie so weit gelesen haben. In Fällen, in denen die Partikel opak sind (z. B. Brechungsindex > 2) und/oder das Partikel groß genug ist (z. B. Größe größer als das 10-fache der Wellenlänge), kann die Mie-Lösung sich der Fraunhofer-Näherung annähern mit dem Vorteil einfacherer Berechnungen (was für moderne Computer jedoch nicht so ansprechend ist).

Die Grenzen der Technologie

„Laserbeugung“ ist eine „Erstprinzip“-Technologie, die keine Kalibration benötigt. Dies liegt daran, dass das winkelabhängige Profil des gestreuten Lichts direkt durch die Partikelgröße und ihre optischen Eigenschaften bestimmt wird. Es ist möglich, Partikelgrößen von 0,01µm – 3500µm zu messen. Außerhalb dieses Bereichs wird die Winkelabhängigkeit des gestreuten Lichts zu schwer zu erkennen. Am unteren Rand wird das gestreute Licht zu isotrop, während am oberen Rand das einfallende Licht kaum von seiner Einfallsrichtung abweicht.

Nicht-sphärische Formen

Neben Nicht-Opazität und Polydispersität ist die nicht-sphärische Partikelform eine weitere Komplexität. Zum einen depolarisieren unregelmäßig geformte kleine Partikel (<1μm) stärker in eine Richtung. Wir haben eine „Nicht-Sphärisch“-Option in der Software, die es ermöglicht, die Hochwinkelstreuung korrekt zu interpretieren. Andernfalls würde die Software die Unregelmäßigkeit als eine andere Partikelpopulation annehmen. Deshalb neigen einige Laserbeugungsgeräte dazu, bimodale Partikelgrößenverteilungen für nicht-sphärische Partikel zu berichten.

Optische Eigenschaftsoptimierer

Die optischen Eigenschaften – Brechungsindex (RI) – können noch komplizierter werden (als sie ohnehin schon sind), wenn es um nicht-sphärische Formen geht. Der RI hat einen realen Teil und einen imaginären Teil. Der reale Teil berücksichtigt die Brechung, während der imaginäre Teil für die Dämpfung, bekannt als „Absorptionsindex“, zuständig ist. Ein unregelmäßig geformtes Partikel neigt dazu, einen höheren Absorptionsindex zu haben, da die Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche Licht absorbieren. Falls wir über die Indexwerte nicht sicher sind, hat unsere Software einen „Optischen Eigenschaftsoptimierer“, der einen Bereich von Indexwerten scannt, um die zu finden, die am plausibelsten sind. Für weitere Diskussionen zögern Sie bitte nicht, mich zu kontaktieren, da es der befriedigendste Teil meines Jobs ist, Ihnen zu helfen!

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