Diffraction laser

Introduction

La distribution de la taille des particules est un paramètre crucial dans de nombreuses applications impliquant des poudres ou des dispersions, telles que les matériaux de construction, les produits pharmaceutiques, les céramiques, les pigments colorés, les engrais et les émulsions. À mesure que la gamme d'applications s'élargit, les exigences en matière de méthodes de mesure augmentent en termes de plage de taille, de temps de mesure et de reproductibilité.

Il est particulièrement difficile de mesurer les particules proches des limites de la plage de mesure et de détecter simultanément les tailles des petites (plage du nanomètre) et des grandes particules (plage du millimètre) pour les échantillons polymodaux ou largement distribués. Cependant, les granulomètres modernes à diffraction laser tels que le Bettersizer S3 Plus relèvent ces défis grâce à un système optique innovant qui détecte la lumière rétrodiffusée des très petites particules et capture les grosses particules à l'aide d'une caméra CCD intégrée à grande vitesse, réalisant ainsi une combinaison de la technologie de diffraction laser et de l'analyse d'images.

Méthode de mesure

La méthode de diffraction laser pour la détermination de la taille des particules implique l'interaction d'un laser (lumière monochromatique et cohérente) avec des particules dont la taille doit être mesurée. La diffraction des ondes lumineuses par les particules suit un schéma distinct en fonction de leur taille : les particules plus grosses diffusent davantage de lumière dans la direction avant. Pour les particules de moins de 100 nm, l'intensité de la diffusion est presque la même dans toutes les directions.

Diffraction laser sur des particules de différentes tailles

L'intensité de la diffusion est déterminée par des détecteurs fixes en fonction de l'angle. Les systèmes de diffraction laser les plus modernes, tels que l'analyseur de taille de particules par diffraction laser Bettersizer S3 Plus, garantissent la détermination des intensités de diffusion dans une plage angulaire continue de 0,02 à 165°, c'est-à-dire dans le sens avant, latéral et arrière. Ce résultat est obtenu grâce au système optique unique à double lentille et incidence oblique (DLOI) : Des lentilles de Fourier (lentille collective) sont placées entre le laser et les particules ainsi qu'entre les particules et les détecteurs. Les particules interagissent avec la lumière dans un faisceau laser parallèle. L'avantage est que la lumière diffusée peut également être détectée à de très grands angles (dans la direction de la diffusion vers l'arrière), ce qui permet de détecter et de mesurer avec précision même de très petites particules. La technologie DLOI permet également d'éviter les problèmes liés aux installations de mesure conventionnelles. Ainsi, il n'est pas nécessaire de sélectionner les lentilles appropriées pour la gamme de mesure de la taille des particules correspondante avant la mesure (par rapport à l'optique de Fourier), et les imprécisions de mesure ne résultent pas des différentes distances entre les particules et le détecteur si toutes les particules ne se trouvent pas dans un même plan (par rapport à l'optique de Fourier inversée).

Schéma de la technique DLOI innovante du Bettersizer S3 PLUS et du système de caméra CCD (x0,5 et x10)

Pour calculer la distribution de la taille des particules à partir des spectres de diffusion mesurés, on applique la théorie de FRAUNHOFER ou de MIE. La théorie de FRAUNHOFER est basée sur l'hypothèse de particules opaques et sphériques : le modèle diffusé correspond à une fine plaque opaque bidimensionnelle - la diffraction ne se produit que sur les bords. En revanche, la théorie MIE repose sur l'hypothèse de particules pratiquement translucides et sphériques, ce qui signifie que la lumière pénètre dans la matière et est diffusée de manière élastique au niveau des atomes de la particule. La connaissance de l'indice de réfraction complexe des particules et du liquide est nécessaire. Cette théorie est applicable aux particules de toutes tailles.

La figure suivante montre un exemple de distribution granulométrique pondérée en fonction du volume d'une poudre de carbonate de calcium - mesurée avec un Bettersizer S3 Plus. La courbe de débit cumulé (ligne bleue) et l'histogramme qui en résulte (barre noire) peuvent être observés.

Exemple de mesure par diffraction laser