- ● مقدمة
- ● محلل حجم الجسيمات
- ● مبدأ القياس
مقدمة
يعد توزيع حجم الجسيمات معلمة حاسمة في العديد من التطبيقات التي تتضمن مساحيق أو مشتتات، مثل مواد البناء والمستحضرات الصيدلانية والسيراميك والأصباغ الملونة والأسمدة والمستحلبات. ومع توسع نطاق التطبيقات، تتوسع أيضًا متطلبات طرق القياس من حيث نطاق الحجم ووقت القياس وقابلية التكرار.
ويشكل قياس الجسيمات القريبة من حدود نطاق القياس والكشف في الوقت نفسه عن أحجام الجسيمات الصغيرة (النطاق النانومتري) والجسيمات الكبيرة (النطاق المليمتري) للعينات متعددة النماذج أو الموزعة على نطاق واسع تحديًا خاصًا. ومع ذلك، تتغلب أجهزة تحليل حجم الجسيمات الحديثة التي تعمل بالحيود الليزري مثل Bettersizer S3 Plus على هذه التحديات من خلال تصميم نظام بصري مبتكر يكتشف الضوء المرتد للجسيمات الصغيرة جدًا ويلتقط الجسيمات الكبيرة بكاميرا CCD مدمجة عالية السرعة، مما يحقق مزيجًا من تقنية الحيود الليزري وتحليل الصور.
محلل حجم الجسيمات
Bettersizer S3 Plus
Particle Size and Shape Analyzer
Measurement range: 0.01 - 3,500μm (Laser System)
Measurement range: 2 - 3,500μm (Image System)
Bettersizer 2600
Laser Diffraction Particle Size Analyzer
Measurement range: 0.02 - 2,600μm (Wet)
Measurement range: 0.1 - 2,600μm (Dry)
Bettersizer ST
One-stop Particle Size Analyzer
Dispersion type: Wet
Measurement range: 0.1 - 1,000µm
Repeatability: ≤1% variation
طريقة القياس
تنطوي طريقة حيود الليزر لقياس حجم الجسيمات على تفاعل الليزر (ضوء أحادي اللون ومترابط) مع الجسيمات التي تحتاج إلى قياس حجمها. يتبع حيود الموجات الضوئية بواسطة الجسيمات نمطًا مميزًا اعتمادًا على حجمها: الجسيمات الأكبر حجمًا تبعثر ضوءًا أكثر في الاتجاه الأمامي. بالنسبة للجسيمات الأصغر من 100 نانومتر، تكون شدة التشتت متساوية تقريبًا في جميع الاتجاهات.
حيود الليزر في الجسيمات ذات الأحجام المختلفة
يتم تحديد شدة التشتت بواسطة أجهزة الكشف الثابتة اعتمادًا على الزاوية. وتضمن أنظمة حيود الليزر الحديثة مثل محلل حجم الجسيمات بالليزر Bettersizer S3 Plus تحديد شدة التشتت في نطاق زاوي مستمر من 0.02 - 165 درجة، أي في الاتجاه الأمامي والجانبي والخلفي. ويتم تحقيق ذلك عن طريق النظام البصري الفريد من نوعه للعدسة المزدوجة والإصابة المائلة (DLOI): يتم وضع عدسات فورييه (عدسة جماعية) بين الليزر والجسيمات وكذلك بين الجسيمات وأجهزة الكشف. تتفاعل الجسيمات مع الضوء داخل شعاع ليزر موازٍ. ويوفر هذا ميزة أنه يمكن أيضًا اكتشاف الضوء المتناثر بزوايا كبيرة جدًا (في اتجاه التشتت الخلفي) وبالتالي يمكن اكتشاف حتى الجسيمات الصغيرة جدًا وقياسها بدقة. وبفضل تقنية DLOI، يمكن أيضًا تجنب مشاكل إعدادات القياس التقليدية. ولذلك، لا يجب تحديد العدسات المناسبة لنطاق قياس حجم الجسيمات المقابل قبل القياس (بالمقارنة مع بصريات فورييه)، ولا ينتج عدم دقة القياس عن اختلاف المسافات بين الجسيمات والكاشف إذا لم تكن جميع الجسيمات تقع في مستوى واحد (بالمقارنة مع بصريات فورييه العكسية).
رسم تخطيطي لتقنية DLOI المبتكرة لتقنية DLOI المبتكرة في Bettersizer S3 PLUS ونظام كاميرا CCD (x0.5 و x10)
لحساب توزيع حجم الجسيمات من أطياف التشتت المقاسة، يتم تطبيق نظرية FRAUNHOFER أو MIE. تعتمد نظرية FRAUNHOFER على فرضية الجسيمات غير الشفافة والكروية: يتوافق النمط المبعثر مع صفيحة رقيقة ثنائية الأبعاد غير شفافة - يحدث الحيود عند الحواف فقط. لذلك لا توجد ثوابت مدخلات بصرية إضافية للمادة ضرورية لهذا الحساب. في المقابل، تستخدم نظرية MIE فرضية الجسيمات شبه الشفافة والكروية تقريبًا، مما يعني أن الضوء يتخلل المادة ويتشتت بشكل مرن عند ذرات الجسيم. ومن الضروري معرفة معامل الانكسار المركب للجسيمات والسائل أيضًا. تنطبق هذه النظرية على الجسيمات من جميع الأحجام.
ويوضح الشكل التالي مثالاً لتوزيع حجم الجسيمات المرجح بالحجم لمسحوق كربونات الكالسيوم - تم قياسه باستخدام جهاز Bettersizer S3 Plus. يمكن رؤية منحنى الإنتاجية التراكمي (الخط الأزرق) والرسم البياني الناتج (الشريط الأسود).
مثال على قياس حيود الليزر