레이저 회절

소개

입자 크기 분포는 건축 자재, 의약품, 세라믹, 유색 안료, 비료 및 에멀젼과 같은 분말 또는 분산액을 포함하는 많은 응용 분야에서 중요한 파라미터입니다. 응용 분야의 범위가 확장됨에 따라 크기 범위, 측정 시간 및 재현성 측면에서 측정 방법에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다.

측정 범위 한계에 근접한 입자를 측정하고 다분산 또는 광범위하게 분포된 시료의 작은 입자(나노미터 범위)와 큰 입자(밀리미터 범위)의 입자 크기를 동시에 감지하는 것은 특히 까다로운 작업입니다. 그러나 최신 레이저 회절 입자 크기 분석기인 Bettersizer S3 Plus는 매우 작은 입자의 후방 산란광을 감지하고 통합 고속 CCD 카메라로 큰 입자를 포착하는 혁신적인 광학 시스템 설계를 통해 이러한 문제를 극복하여 레이저 회절 기술과 이미지 분석의 결합을 실현합니다.

측정 방법

입자 크기 측정의 레이저 회절 방법은 레이저(단색 및 일관된 빛)와 입자의 크기 측면에서 측정해야 하는 입자의 상호작용을 포함합니다. 입자에 의한 광파의 회절은 입자의 크기에 따라 뚜렷한 패턴을 따르는데, 입자가 클수록 순방향으로 더 많은 빛을 산란시킵니다. 100nm보다 작은 입자의 경우 산란 강도는 모든 방향에서 거의 동일합니다.

입자 크기가 다른 입자에서의 레이저 회절

산란 강도는 각도에 따라 고정된 검출기에 의해 결정됩니다. 레이저 회절 입자 크기 분석기 Bettersizer S3 Plus와 같은 최첨단 레이저 회절 시스템은 0.02 - 165°의 연속 각도 범위, 즉 전방, 측면 및 후방 방향에서 산란 강도를 측정할 수 있도록 보장합니다. 이는 고유한 듀얼 렌즈 및 경사 입사(DLOI) 광학 시스템을 통해 달성됩니다: 푸리에 렌즈(집합 렌즈)가 레이저와 입자 사이, 입자와 검출기 사이에 배치됩니다. 입자는 평행 레이저 빔 내에서 빛과 상호 작용합니다. 따라서 산란된 빛을 매우 넓은 각도(후방 산란 방향)에서도 감지할 수 있어 매우 작은 입자도 정밀하게 감지하고 측정할 수 있다는 장점이 있습니다. DLOI 기술 덕분에 기존 측정 설정의 문제도 피할 수 있습니다. 따라서 측정 전에 해당 입자 크기 측정 범위에 적합한 렌즈를 선택할 필요가 없으며(푸리에 광학에 비해), 모든 입자가 한 평면에 있지 않은 경우 입자와 검출기 간 거리가 달라 측정 부정확성이 발생하지 않습니다(역 푸리에 광학에 비해).

베터사이저 S3 PLUS와 CCD 카메라 시스템(x0.5 및 x10)의 혁신적인 DLOI 기법의 개략도

측정된 산란 스펙트럼으로부터 입자 크기 분포를 계산하기 위해 프라운호퍼 이론 또는 MIE 이론이 적용됩니다. 프라운호퍼 이론은 불투명하고 구형의 입자에 대한 가설을 기반으로 합니다. 산란 패턴은 얇은 불투명한 2차원 판에 해당하며 회절은 가장자리에서만 발생합니다. 따라서 이 계산에는 재료의 추가 광학 입력 상수가 필요하지 않습니다. 반면, MIE 이론은 빛이 물질을 투과하여 입자의 원자에서 탄력적으로 산란된다는 사실상 반투명하고 구형의 입자 가설을 사용합니다. 입자와 액체의 복잡한 굴절률에 대한 지식이 필요합니다. 이 이론은 모든 크기의 입자에 적용할 수 있습니다.

다음 그림은 탄산칼슘 분말의 부피 가중 입자 크기 분포의 예(Bettersizer S3 Plus로 측정)를 보여줍니다. 누적 처리량 곡선(파란색 선)과 결과 히스토그램(검은색 막대)을 볼 수 있습니다.

레이저 회절 측정 예시