動(dòng)態(tài)光散射測量納米顆粒粒度的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、動(dòng)態(tài)光散射(dynamiclightscattering，DLS)技術(shù)是測量亞微米及納米顆粒粒度的有效方法。該方法通過測定散射光中微小的頻移及角度依賴性得到關(guān)于散射質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)行動(dòng)，可以求出溶液中顆粒的平動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，從而反演出其粒徑大小和分布。雖然動(dòng)態(tài)光散射的應(yīng)用前景樂觀，但是在小顆粒粒度測量過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過程要求苛刻，這使得大量、重復(fù)性的動(dòng)態(tài)光散射納米顆粒測試實(shí)驗(yàn)難度增加。尤其在研究多分散顆粒體系時(shí)，人工配制不同混合比例的溶液

2、，操作難度大而且精確度無法保證。 本文采用計(jì)算機(jī)模擬的方法研究動(dòng)態(tài)光散射顆粒測量技術(shù)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到含有顆粒粒度信息的隨機(jī)信號(hào)，使得大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)可以在短時(shí)間內(nèi)完成，從而為動(dòng)態(tài)光散射顆粒測量技術(shù)的研究提供方便而又可靠的輔助工具。由于計(jì)算機(jī)模擬不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，一些顆粒粒度分析理論的研究可以在更大的顆粒粒度范圍內(nèi)進(jìn)行。 通過深入研究動(dòng)態(tài)光散射理論和搭建動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)裝置，本文建立了計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)方案，其主要內(nèi)

3、容有：布朗運(yùn)動(dòng)的模擬，動(dòng)態(tài)光散射光強(qiáng)信號(hào)產(chǎn)生的模擬，信號(hào)自相關(guān)運(yùn)算，信號(hào)自相關(guān)曲線分析等。各部分之間相互聯(lián)系，形成一個(gè)完整的信號(hào)產(chǎn)生、提取和處理系統(tǒng)。 本文首先對(duì)顆粒的二維隨機(jī)行走進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)模擬。通過分析布朗運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，可知隨機(jī)行走的步長服從期望值為0、方差為√2Dbτ的正態(tài)分布。通過對(duì)三種隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和比較，選擇出一種最佳的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，并根據(jù)愛因斯坦關(guān)于經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)的特征進(jìn)行了檢

4、驗(yàn)，證明計(jì)算機(jī)模擬布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果符合經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)的特征。動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)產(chǎn)生的根本原因是多譜勒效應(yīng)，這就需要計(jì)算出顆粒相對(duì)觀測點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多譜勒頻移，并記錄下根據(jù)自拍技術(shù)得到帶有頻移信息的散射光強(qiáng)漲落信號(hào)時(shí)間序列。信號(hào)自相關(guān)運(yùn)算是對(duì)得到的散射光強(qiáng)漲落信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，得到自相關(guān)曲線。最后對(duì)自相關(guān)曲線進(jìn)行分析，進(jìn)而得到顆粒粒徑和分布。 對(duì)于單分散顆粒體系，采用自己編制的單分散顆粒體系的自相關(guān)曲線分析程序(權(quán)重和最小二乘法)

5、進(jìn)行分析得出計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與設(shè)定值基本吻合的結(jié)論。 對(duì)于多分散顆粒體系，研究了兩種不同粒徑的顆粒按三種不同的比例混合情況下的自相關(guān)曲線。利用Brookhaven公司相關(guān)分析軟件提供的非負(fù)最小二乘法(MNLS)對(duì)這三種情況下的自相關(guān)曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)反演，得出的結(jié)論與理論相符合。 本論文對(duì)動(dòng)態(tài)光散射顆粒粒度測量實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了探索性地研究，建立了一套完整的單分散顆粒體系的模擬計(jì)算軟件，并且完成了除數(shù)據(jù)反演部分外的多分散顆