新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注, 其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、 光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。 在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关, 然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息, 因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。 基于光谱消光法, 利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题, 并根据Mie理论计算消光矩阵。 针对噪声问题, 采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。 未添加噪声情况下, 颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ, 在波长范围300~500 nm之间的反演相对误差最小, 对应平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。 添加随机噪声情况下, 将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱, 经过数据比较发现在波长范围200~600 nm之间的反演相对误差最小。 当添加0.5%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76~80.15 nm, 5.60~6.61 nm和0.995 8×1010~1.005 9×1010个·cm-3; 当添加1.0%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87~80.27 nm, 5.36~9.00 nm和0.992 4×1010~1.027 7×1010个·cm-3。 反演结果随着随机噪声的增大, 变化范围也明显增大即反演相对误差增大, 并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。 为了减少随机噪声导致的不稳定性, 对100次反演结果进行平均得到平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度。 当随机噪声从0.5%增大至1.0%时, 其反演结果的相对误差均增大, 但是反演得到的粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%, 这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。 研究表明, 光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、 快速的表征手段, 也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。
消光法 光谱分析 复合纳米材料 局域表面等离子体共振 Mie理论 Tikhonov正则化 Light extinction Spectroscopic analysis Nanocomposites Localized surface plasmon resonance Mie theory Tikhonov regularization 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3039
上海理工大学上海市介入医疗器械工程研究中心，上海 200093
提出一种基于连续透射消光光谱的粒径测量方法。基于Mie散射理论和人工蜂群算法对颗粒粒径进行反演，结果表明，单峰分布时颗粒的体积频率分布曲线相对均方根误差（RRMSE）低至0.08%，双峰分布时颗粒的体积频率分布曲线RRMSE低至3.49%。用编号为GBW120134、GBW120024和GBW120041的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行了对比实验。结果表明，单峰分布时D50粒径的相对误差在10%以内，双峰分布时D50粒径的相对误差在20%以内。
散射 消光法 光谱 粒径测量 人工蜂群算法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2129002
1 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093
2 中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
采用蒙特卡罗方法模拟光子在散射介质中传输的物理过程，研究发散光束对消光法粒径测量的影响。将平行入射光条件下数值结果与Lambert-Beer模型进行对比验证，分析了入射光发散角变化对消光光谱的影响。搭建基于发散光束的消光实验平台，分别在入射光平行和发散条件下测得三种聚苯乙烯乳胶球标准颗粒消光光谱，其与蒙特卡罗模拟结果变化趋势基本一致。数值和实验消光谱的粒径反演结果表明：随发散角增大，测得粒径与标称值误差越大，发散角为5°时粒径的反演误差均在4.62%以内，但发散角为20°时标称粒径0.2、0.8、2.88 μm的颗粒样品测量误差分别为4.25%、12.75%、-9.55%。进行误差修正，通过蒙特卡罗方法建立的发散光束数值模型构造系数矩阵，对粒径0.8 μm的颗粒在发散角为5~20°的实验消光谱反演，误差在2.00%以内。
颗粒测量 消光法 蒙特卡罗方法 发散光束 反演 Particle sizing Light extinction method Monte Carlo method Divergent beam Inversion
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
基于Mie理论分析单分散Au-Ag合金纳米球消光特性随粒径和波长的变化情况。在理论计算中，根据金属纳米颗粒中自由电子平均自由程的缩短效应对Au-Ag合金纳米颗粒的介电函数进行修正。基于消光特性提出了三种确定粒径和浓度的拟合公式，包括共振波长法、双波长消光法和改进的双波长消光法。结果表明，只要测得颗粒的消光谱，就能利用拟合公式反演颗粒的粒径和浓度。此外，对比三种方法的灵敏度和粒径范围发现，相比其他方法，共振波长法的原理更简单、速度更快。
散射 Mie理论 消光法 Au-Ag合金纳米球 局域表面等离激元共振 反演 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0729001
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域, 在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中, 由于颗粒的消光系数存在理论复杂、 计算繁琐、 收敛速度慢以及求解不稳定等问题, 很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。 且在众多波长的消光数据中, 存在较多重复冗余的信息, 也很大程度上增加了反演算法的时间。 针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、 反演效率低的问题, 提出了基于主成分分析(PCA)和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。 基于Mie散射理论对不同粒径、 不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算, 通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算, 实现了最优特征波长的选取, 利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型, 并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。 通过仿真计算, 比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度, 并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。 针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验, 搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统, 测量了粒径范围在0.5~9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。 仿真和实验结果表明: 基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性, 利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性, 可实现光谱数据的降维。 相比传统的BP神经网络模型, 基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高, 对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。 而且, 被选取的波长数较少时, PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。 利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证, 预测结果可瞬时输出, 颗粒粒径分布误差在5%以内, 验证了该算法的可行性。
粒径测量 光谱消光法 最优特征波长 PCA-BP神经网络 Particle size measurement Spectral extinction method Optimal characteristic wavelength PCA-BP neural network 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3639
1 上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所发动机技术发展研究室, 上海 201109
基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm~76.9 μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。
测量 多波长消光法 图像法 跨微米尺度 混合颗粒 粒径测量
西安电子科技大学 物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
为了研究球形Au纳米颗粒的消光特性及共振波长与环境折射率的关系, 采用Mie理论计算了直径为20, 40, 60和80 nm的球形Au纳米颗粒在不同折射率的介质环境中的消光谱, 并利用消光法实验测量了这4种粒径的Au纳米颗粒在不同浓度糖水中的吸光度, 取得了糖水介质环境的折射率与浓度之间的关系及其色散规律, 以及Au纳米颗粒的消光系数及共振波长随环境折射率变化的数据。结果表明, 介质环境糖水浓度一定时, Au颗粒半径增大, 消光峰值红移; 颗粒半径一定时, 周围介质环境糖水浓度增大, 消光峰值红移; Au纳米颗粒的共振波长与糖水浓度呈线性关系, 20, 40, 60, 80 nm的Au纳米颗粒对应的线性斜率分别为0.106 0, 0.135 5, 0.193 8, 0.265 8, 斜率随粒径尺寸的增大而增大。该结论为探索纳米颗粒的折射率敏感性奠定了基础。
纳米颗粒 散射 消光法 色散 吸光度 nanoparticles scattering extinction method absorbance dispersion
1 四川大学原子与分子物理研究所, 四川 成都 610065
2 四川大学化学工程学院, 四川 成都 610065
建立了碳氢燃料在反射激波作用下高温裂解碳烟生成的检测系统, 利用激光消光法测量了甲苯/氩气在高温条件下裂解生成碳烟的产率。 实验条件: 甲苯摩尔浓度0.25%和0.5%, 压力约2和4 atm, 温度1 630～2 273 K。 获得了碳烟产率随温度、 压力和燃料浓度的变化规律。 碳烟产率随温度变化呈高斯分布, 随着压力或浓度的增大, 碳烟产率增大, 碳烟产率最大达55%。 产率的峰值温度随压力变化不大, 但甲苯摩尔浓度从0.25%增大到0.5%时, 峰值温度从1 852变为1 921 K。 对比了压力为4 atm, 燃料摩尔浓度为0.5%的甲基环己烷和甲苯的碳烟产率, 甲基环己烷裂解碳烟产率峰值对应的温度为2 045 K, 比甲苯约高135 K, 但其最大碳烟产率仅有甲苯的1/8。 结果为研究发动机内碳烟颗粒物排放及碳烟形成机理提供了实验依据。
激光消光法 碳烟产率 碳氢燃料 高温裂解 Laser-extinction method Soot yield Hydrocarbon fuel High-temperature pyrolysis 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3481
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
利用单波长激光通过扬尘空间发生散射消光衰减的特性, 设计了开放光程的颗粒物浓度检测方法及系统。该方法利用双峰正态分布模型模拟颗粒物粒径分布, 实时计算一定空间范围内的扬尘颗粒物浓度, 具有响应速度快、测量动态范围宽的优点, 适合浓度高、变化快、空间范围大的扬尘颗粒物浓度测量。通过水溶胶模拟实验与烟尘实验验证了该方法的可行性。实验数据表明, 系统量程可达0~400mg/m3, 分辨率为0.05mg/m3, 响应时间小于1 s。
消光法 Mie散射 开放光程 扬尘浓度 在线测量 light extinction Mie scattering open path fugitive dust concentration online measurement
