微小颗粒辐射和散射光谱的测量系统的制作方法

本发明属于微小颗粒测量领域，特别是一种微小颗粒辐射和散射光谱的测量系统，及基于颗粒辐射和散射光谱获得光学常数的方法。

背景技术：

微小颗粒的辐射特性及其对入射辐射的散射特性是自然界和工业生产过程中存在的基本科学问题。锅炉炉膛内炭黑、飞灰颗粒对炉内辐射传热影响显著；大气中气溶胶对太阳辐射的散射是气象观测必须考虑的因素；微小尺寸颗粒的辐射或散射在太阳能高效利用、隐身材料等领域中普遍存在。

以上应用背景中颗粒尺寸足够小，使得颗粒辐射、散射特性呈现波动效应，因此常常基于电磁理论进行计算分析，在电磁理论中，颗粒的光学常数是计算其它辐射特性参数的基本输入参数。很多研究工作已证明，合理选取光学常数对计算颗粒辐射特性的重要性，光学手册中查取的相同化学成分介质的光学常数，或基于理论模型计算出的光学常数，与特定应用背景下的颗粒的光学参数仍有明显差别。

在实际样品颗粒辐射、散射光谱的基础上，通过经典mie理论解析解推导得到的光学参数更加具有实际参考价值。但是通过现有的技术测量出的颗粒辐射、散射能量，用于经典mie理论解析解，会因为近似求解带来各种误差。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种微小颗粒辐射和散射光谱的测量系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微小颗粒散射和辐射光谱的测量系统，所述测试系统包括：

腔体：所述腔体设有多个透明窗口，且所述腔体为可旋转的腔体；

气悬浮装置：位于腔体内部，用于保证颗粒悬浮于气体环境中，并保持旋转运动状态，使得颗粒呈现球形颗粒的辐射、散射特性；

光源产生装置：设置在一个透明窗口后侧，用于产生检测散射或辐射光谱时，所需的入射光源；

散射或辐射能量检测装置：设置在透明窗口后侧，用于检测散射或辐射能量；

颗粒图像获得装置：设置在透明窗口后侧，用于获得颗粒的图像。

当测量散射光谱时，所述光源产生装置为激光源产生装置；所述散射能量检测装置包括多个光导纤维和多个探测装置，所述多个探测装置对应多个透明窗口设置，探测装置前设置光导纤维；

激光源产生装置从一个透明窗口入射激光源，不同方向散射能量从其他透明窗口通过光导纤维到达探测装置，从而测量微小颗粒的散射光谱。

当测量辐射光谱时，所述光源产生装置为co2多模激光器；所述辐射能量检测装置包括设置在颗粒下方的凹面镜，具有矩形开口的挡光物，透镜ⅲ和辐射强度测量仪；

所述co2多模激光器发射加热的激光束通过透明窗口，经凹面镜汇聚到颗粒上，颗粒在空间某方向的辐射能量经矩形开口的挡光物，由透镜ⅲ汇聚后通过腔体的窗口，由辐射强度测量仪测得辐射强度。

所述辐射强度测量仪为单色仪或红外分光仪。

所述颗粒图像获得装置包括：透镜ⅰ，透镜ⅱ、屏幕和摄像机；

所述透镜ⅰ和透镜ⅱ设置在颗粒的一侧，且设置在一条直线上，分别将颗粒的侧面和上面图像成像在屏幕上；所述屏幕设置在一个透明窗口后侧，摄像机设置在屏幕前方偏上侧或者偏下侧，用于拍摄屏幕上的颗粒图像。

一种利用上述的测量系统测量散射和辐射光谱的方法，

当测量散射光谱时，颗粒置于垂直向上的气流中，调整气流速率，直至颗粒平稳悬浮于气体中；光源产生装置的入射光源从腔体的一个窗口射入；以入射方向为轴，调整腔体测试窗口的位置，测得该方向的散射强度；

当测量辐射光谱时，颗粒置于垂直向上的气流中，调整气流速率，直至颗粒平稳悬浮于气体中；在平衡重力的状态下，利用co2多模激光束将颗粒加热至熔融状态，利用液态颗粒的表面张力形成球形颗粒；调整腔体测试窗口的位置，测得该方向的辐射强度。

一种基于上述方法测量的散射和辐射光谱获得光学常数的方法，具体步骤如下：

(1)测量微小颗粒的散射和辐射光谱；

(2)在颗粒尺寸确定的情况下，建立测试方向的散射和辐射能量随颗粒光学常数的依变模型；

(3)以试验测试数值为输入参数，通过反演计算颗粒的光学参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本申请测试对象为单个颗粒，消除了多颗粒系统中颗粒之间相互散射所带来的误差，所得光学参数是直接反映样品颗粒的辐射、散射特性的本征参数。

(2)本申请采用气悬浮装置，使得颗粒处于悬浮、旋转状态，从而确保测试对象几何形状接近球形，或确保颗粒辐射、散射特性呈现出球形颗粒的特性，因此光学参数推导模型可基于经典的mie理论解析解，减少了理论模型近似求解带来的误差。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1本申请测量系统结构示意图。

附图标记说明：

1-腔体，2-颗粒，3-光源产生装置，4-凹面镜，5-透镜ⅰ，6-透镜ⅱ，7-屏幕，8-摄像机，9-挡光物，10-透镜ⅲ，11-辐射强度测量仪。

具体实施方式

本发明属于微小颗粒辐射物性测量领域，先测量单个微小颗粒的辐射或散射能量，再基于经典mie理论推导得到微小颗粒光学常数。该方法包括两个部分，一部分是测量单个微小颗粒辐射强度或散射能量的实验系统，另一个部分是联合辐射或散射能量测量值和mie理论建立微小颗粒光学常数的计算模型。

确定实验样品尺寸范围。根据材料光学常数尺寸效应原理，当颗粒尺寸小于微观粒子运动的平均自由程时，需要考虑粒子光学参数随尺寸变化的关系，考虑实验设备的可测范围，本方法在保证微小颗粒的尺寸大于其微观粒子运动的平均自由程同时，需尽可能采用与实际颗粒尺寸接近的颗粒作为实验样品。

样品形成球形颗粒的辐射、散射效应。本方法的光学参数推导模型是以mie理论为基础，mie理论是基于电磁理论推导单个球形颗粒辐射特性的解析解。因此实验样品的形态应尽可能接近球形，或者采取合理措施使得样品颗粒呈现球形颗粒的辐射、散射特性。

设定颗粒散射能量测试方向。颗粒对入射辐射的散射能量分布与颗粒尺寸、入射辐射的方向密切相关，因此测试方向可依据估算结果，设定在散射能量较大的方向。

设定高温颗粒辐射能量测试方向。当颗粒的温度明显高于环境温度，可依据颗粒的辐射能量推导该温度下颗粒的光学常数，确定颗粒在空间某个方向的辐射强度与颗粒对整个空间辐射能量的关系，有助于设置辐射强度测试的方位。

本方案的光谱测试系统具备两种功能：一、单个颗粒散射光谱测试；二、单个高温颗粒辐射光谱测量。该辐射、散射光谱测试系统的结构图如图1，测试系统包含一个单个颗粒的气悬浮装置，保证颗粒2悬浮于气体环境中，颗粒同时保持一定的速度旋转，使得颗粒呈现球形颗粒的辐射、散射特性，在颗粒气悬浮装置外一个带多个透明窗口、可旋转的腔体1。当系统用于测量颗粒散射光谱时，装置3中入射辐射从一个窗口射入，不同方向散射能量从其他窗口通过光导纤维到达探测装置。当系统用于测量高温颗粒辐射光谱时，仪器3换为co2多模激光器，发射加热的激光束通过窗口，经凹面镜4汇聚到颗粒2上，颗粒在空间某方向的辐射或散射能量经具有矩形开口的挡光物9，由透镜10汇聚后通过腔体的窗口，由单色仪或红外分光计，即仪器11，测得辐射强度。透镜5和6分别将粒子的侧面和上面图像成像在屏幕7上，由摄像机8拍摄颗粒图像。

本方案中的颗粒光学常数计算模型的理论基础是mie理论，在其它条件确定的情况下。建立测试方向的辐射、散射能量随颗粒光学常数的依变模型，以实验测试数值为输入参数，通过合理的反演算法计算相应的颗粒光学常数。采用该方案获得的颗粒光学常数，可用于更复杂形态的颗粒或颗粒系统的辐射特性的模拟计算。

实施例一

辐射光谱测量

该样品颗粒置于垂直向上的气流中，调整气流速率，直至颗粒平稳悬浮于空气，在平衡重力的状态下，利用co2多模激光束将测试样品加热至熔融状态，利用液态颗粒的表面张力形成球形颗粒。调整腔体测试窗口的位置，测得该方向的辐射强度，确定颗粒在空间某个方向的辐射强度与颗粒对整个空间辐射能量的关系，建立测试方向的辐射强度与高温颗粒光学常数的依变模型，通过合理的反演算法计算相应的颗粒光学常数。

实施例二

散射光谱测量

该样品颗粒置于垂直向上的气流中，调整气流速率，直至颗粒平稳悬浮于空气，光源的入射辐射从腔体的一个窗口射入。以入射方向为轴，调整腔体测试窗口的位置，测得该方向的散射强度，建立测试方向的散射强度与颗粒光学常数的依变模型，通过合理的反演算法计算相应的颗粒光学常数。