레이저 회절법

소개

입자 크기 분포는 분말 또는 분산체가 포함된 많은 응용 분야에서 중요한 파라미터입니다. 여기에는 건축 자재, 제약, 세라믹, 색소, 비료 및 유화가 포함됩니다. 응용 분야가 확장됨에 따라 크기 범위, 측정 시간 및 재현성 측면에서 측정 방법에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다.

측정 범위 한계에 가까운 입자들을 측정하고, 동시에 작은 입자(nanometer range)와 큰 입자(millimeter range)의 크기를 측정하는 것은 특히 도전적입니다. 그러나 Bettersizer S3 Plus와 같은 최신 레이저 회절 입자 크기 분석기는 매우 작은 입자의 후방 산란광을 탐지하고, 고속 CCD 카메라가 통합되어 큰 입자를 포착하는 혁신적인 광학 시스템 설계를 통해 이러한 문제를 극복합니다. 이를 통해 레이저 회절 기술과 이미지 분석의 결합을 실현합니다.

측정 방법

레이저 회절 입도 측정 방법은 레이저(단색 및 일관성 있는 빛)와 측정해야 할 입자 간의 상호작용을 포함합니다. 입자에 의한 빛의 회절은 입도의 크기에 따라 명확한 패턴을 따릅니다: 큰 입자는 전방 방향으로 더 많은 빛을 산란시키며, 100 nm보다 작은 입자는 거의 모든 방향에서 동일한 산란 강도를 가집니다.

레이저 회절 및 입도의 크기

회절 강도는 고정된 탐지기가 각도에 따라 결정합니다. Bettersizer S3 Plus와 같은 최신 레이저 회절 시스템은 0.02°에서 165°까지의 연속적인 각도 범위에서 산란 강도를 측정할 수 있도록 보장합니다. 즉, 전방, 측면 및 후방 방향에서 산란 강도를 측정할 수 있습니다. 이 기능은 독창적인 듀얼 렌즈 및 경사 입사(DLOI, Dual Lens and Oblique Incidence) 광학 시스템을 통해 달성됩니다: Fourier 렌즈(집광 렌즈)는 레이저와 입자 사이, 입자와 탐지기 사이에 배치됩니다. 입자는 평행 레이저 빔 내에서 빛과 상호작용하게 됩니다. 이 시스템의 장점은 후방 산란 방향과 같은 매우 큰 각도에서도 산란된 빛을 탐지할 수 있어, 매우 작은 입자도 정확하게 탐지하고 측정할 수 있다는 점입니다. DLOI 기술 덕분에 기존 측정 설정의 문제도 피할 수 있습니다. 따라서 측정 전에 입도 크기 범위에 적합한 렌즈를 선택할 필요가 없으며(푸리에 광학 시스템에 비해), 입자와 탐지기 사이의 거리 차이로 인한 측정 오류도 발생하지 않습니다(역푸리에 광학 시스템에 비해).

Bettersizer S3 PLUS의 혁신적인 DLOI 기술과 CCD 카메라 시스템(x0.5 및 x10)의 개략적인 도식

측정된 산란 스펙트럼에서 입도 분포를 계산하기 위해 (FRAUNHOFER) 또는 (MIE) 이론이 적용됩니다. (FRAUNHOFER) 이론은 불투명하고 구형인 입자에 대한 가설에 기초합니다: 산란 패턴은 불투명한 두 번째 차원의 얇은 판에 해당하며, 회절은 가장자리에만 발생합니다. 따라서 이 계산을 위한 추가적인 물질의 광학적 입력 상수는 필요하지 않습니다. 반면, (MIE) 이론은 거의 투명하고 구형인 입자에 대한 가설을 사용합니다. 이는 빛이 물질을 투과하고 입자의 원자에서 탄성적으로 산란된다는 의미입니다. 이론에는 입자와 액체의 복잡한 굴절률에 대한 지식이 필요합니다. 이 이론은 모든 크기의 입자에 적용 가능합니다.