Светорассеяние нетканых и тканых материалов и интерферометрия аэрозольных частиц

Рассеяние света представляет собой одну из важнейших областей современной оптики. При этом наибольшего внимания заслуживает так называемая обратная задача: путем анализа рассеянного поля требуется описать объект, являющийся причиной этого рассеяния [1]. Решение подобных задач сопряжено с максимальными трудностями, но каждый успех, достигнутый в этой области, дает толчок развитию новых оптических способов измерения различных физических характеристик всевозможных объектов.

Существует целый ряд оптических материалов, которые по своей природе являются светорассеивающими. Это — оптические и цветные ситаллы, бескислородные и специальные стекла с наномерными микронеоднородно-стями и ионными красителями, поликристаллические шпинели и т. д. Развитие науки и технологий приводит к тому, что все чаще требуется измерять оптические характеристики и у традиционно «неоптических» материалов (лакокрасочные и электрохимические покрытия, ткани и нетканые материалы, бумага, керамика, пластмассы, фарфор и т. д.).

Таким образом, рассматриваемая тема актуальна и затрагивает фундаментальные вопросы взаимодействия света с материалами, оптического приборостроения различного назначения (космос, экология, медицина, промышленность и т. д.).

В развитие основных существующих теорий светорассеяния большой вклад внесли многие известные ученые: И. Г. Ламберт, Дж. Релей, Дж. Ми, О. Д. Хвольсон, В. Фок, М. Борн, С. Чандрасекар, М. М. Гуревич, П. Кубелка, Ф. Мунк, Г. Ван де Хюлст, А. А. Гершун, Н. А. Войшвилло, А. С. Топорец, М. Г. Каганер, К. С. Шифрин и др. [1 — 10].

Нетканые и тканые материалы используются для утилизации пыли и аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений, а также как пористые среды для фильтрации различных жидкостей. Для исследования различных микрофизических характеристик аэрозольных частиц на поверхности этих материалов, кинетики сорбции частиц в материалах и измерения их концентрации на поверхности, содержания влаги в материалах и кинетики ее испарения были реализованы методы рассеяния света в неупорядоченных системах. На основании многих экспериментов были найдены оптимальные условия измерения концентрации аэрозолей по углу рассеяния света, измерены коэффициенты деполяризации рассеянного света и найдено новое техническое решение по оптическому анализатору аэрозолей и влаги.

Предлагаемые физико-математические модели распределения концентрации и потоков в микропористых средах и когерентных эффектов при рассеянии света могут способствовать решению различных задач в оптике атмосферного аэрозоля в вентилируемых закрытых помещениях.

Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ измерения микрофизических характеристик аэрозольных частиц на поверхностях нетканых и тканых материалов, непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с этих поверхностей, измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц в вентилируемых закрытых помещениях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) поиск физических принципов и технических решений для создания высокочувствительных оптических анализаторов, детально исследующих размеры и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;

2) разработка и исследование оптического анализатора на основе интерферометра на встречных световых пучках;

3) разработка оптического способа й устройства непрерывного измерения количества испаряемой влаги с поверхности нетканых и тканых материалов;

4) исследование метрологических характеристик разработанных оптических анализаторов — чувствительности, диапазона измерений, погрешности и поиск способов их улучшения путем оптимизации рабочих параметров;

5) создание макетов оптических анализаторов и их апробация при решении практически значимых задач по измерению размеров и концентрации аэрозольных частиц;

6) модели кинетики сорбции в бипористых средах и когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах.

При решении поставленных в работе задач использованы методы рассеяния когерентного и некогерентного света, статистическая обработка экспериментальных данных, математическое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:

1) выполнены исследования оптических свойств нетканых и тканых материалов на основе рассеяния когерентного и некогерентного света;

2) разработан и исследован оптический способ непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с поверхности нетканых и тканых материалов;

3) создан макет оптического анализатора для непрерывного измерения размеров и концентрации аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;

4) на интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации получен патент 2 148 812 РФ;

5) рассмотрены условия локального неравновесия в пространстве транспортных пор и в объеме микропористых зон;

6) рассмотрены когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах.

Личный вклад автора:

— участие в экспериментальных исследованиях;

— макетирование оптических анализаторов;

— компьютерная обработка результатов измерений;

— аналитический обзор оптических методов измерения, основанных на светорассеянии;

— моделирование кинетики сорбции в бипористых средах;

— моделирование когерентных эффектов при рассеянии света в неупорядоченных системах.

Достоверность результатов измерений подтверждена:

— сравнением результатов экспериментальных измерений в исследованиях нетканых и тканых материалов, выполненных в разные годы;

— исследованием одних и тех же образцов разными методами (весоизмерительный и рассеяние света в малые телесные углы).

Практическая ценность работы:

1) полученные результаты позволили разработать макет оптического анализатора на основе гониометра ГС-5 (оптический влагомер) и реализовать оптический способ непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с нетканых и тканых материалов;

2) полученные результаты позволили разработать макет оптического анализатора для непрерывного измерения размеров и концентрации аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;

3) на способ измерения и устройство получен патент 2 148 812 РФ, МКИ G01N21/00, приоритет от 10.08.1998, опубликован 10.05.00, бюлл. № 13.

Полученные результаты могут использоваться в производственных организациях и в учебном процессе — при изучении дисциплин, связанных с применением лазеров в метрологических измерениях.

Реализация результатов исследований. Представленные в диссертации результаты исследований использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых в соответствии с планом прикладных и фундаментальных НИР Сибирской государственной геодезической академии:

— «Исследования и разработка оптического анализатора для аэрозолей и пыли». Госбюджетная НИР, №ГР 0196.437;

— «Разработка и исследование когерентнооптических систем со сверхширокоугольным обзором для измерения малых возмущений в прозрачных средах». Госбюджетная НИР, №ГР 0196.435;

— «Исследование интерферометра для возможностей непрерывного измерения малых перемещений в нанометровом диапазоне». Грант, №ГР 0198.3 198;

— «Исследование оптических анализаторов для гидрозолей, аэрозолей и пыли». Госбюджетная НИР, №ГР 0199.4 273.

Результаты исследований внедрены на предприятиях г. НовосибирскаАО «Северянка», завод полупроводниковых приборов. Разработанные интерференционный способ и устройство для измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц, оптические способы непрерывного измерения количества жидкости в нетканых и тканых материалах при испарении и соответствующая аппаратура внедрены в учебный процесс (курс лекций «Применение лазеров в метрологических измерениях», курсовые и дипломные работы, изготовление лабораторного оборудования кафедры, наглядные пособия по курсу лекций), что подтверждается актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся научные и технические основы построения оптических анализаторов, обеспечивающих непрерывное измерение количества испаряемой влаги с нетканых и тканых материалов, а также непрерывное измерение размеров и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере вентилируемых закрытых помещений, включающие:

— оптический способ рассеяния когерентного и некогерентного света на поверхности нетканых и тканых материалов;

— интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации;

— математические модели кинетики сорбции в бипористых средах и когерентных эффектов при рассеянии света в неупорядоченных системах.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных совещаниях и конференциях:

— Научно-практической конференции Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение». СО РАН, СО РАМН, МООС и ПР РФ, Новосибирск, 1996 г.;

— Международной нау ч н о-техн и ческой конференции «Научные основы высоких технологий», Россия, Новосибирск, 1997 г.;

— Третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1998 г.;

— Третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), посвященном памяти C.JI. Соболева (1908 — 1989), Новосибирск, 1998 г.;

— Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», посвященной 65-летию СГГА, Россия, Новосибирск, 1998 г.;

— Второй всесибирской промышленной выставке СИБПОЛИТЕХ-98, НАУКА СИБИРИ, ТЕХНОПАРК СИБИРИ, семинаре «Оптико-электронные приборы в задачах экологии и ресурсосберегающих технологиях», Новосибирск, 1998 г.;

— Международной научно-технической конференции «220 лет геодезическому образованию в России», посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии, Москва, 1999 г.;

— Четвертой всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1999 г.;

— Всероссийском экономическом форуме «Сибирь: Восток — Запад» Международной промышленной выставки «Сибирь: экспорт — импорт — 99», Россия, Новосибирск, 1999 г.;

— Первой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99», Россия, Санкт-Петербург, 1999 г.;

— Научно-технической конференции «Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации», посвященной 90-летию K.JI. Проворова, заслуженного работника геодезии и картографии, Новосибирск, 1999 г.;

— Четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-2000), посвященном памяти C.JI. Соболева (1908 -1989), Новосибирск, 2000 г.;

— Международной конференции «Прикладная оптика — 2000» Международного оптического конгресса «Оптика — XXI век», Россия, Санкт-Петербург, 2000 г.;

— Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Россия, Санкт-Петербург, 2000 г.;

— Научно-технических конференциях преподавателей СГГА, Новосибирск, 1995 -2001 г. г.

По материалам диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе: тезисы и доклады в материалах 10 международных конференций и конгрессов, патент РФ на изобретение, заявка на изобретение, 3 рукописи депонированы в ВИНИТИ, 8 зарегистрированных во ВНТИЦ научно-технических отчетов по госбюджетным НИР и гранту, в которых автор являлся исполнителем или ответственным исполнителем.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографии, включающей 87 наименований. Диссертация изложена на 171 странице, включая 20 таблиц и 54 рисунка.

4.3 Выводы.

Путем анализа поля экспериментальных точек определены параметры, характеризующие статистическое распределение случайной погрешности при определении увлажненности нетканых и тканых материалов по измерению степени поляризации рассеянного этими материалами лазерного излучения. Установлено, что закон распределения случайной погрешности хорошо аппроксимируется экспоненциальным распределением.

Заключение

.

В диссертации разработаны и исследованы научно-технические основы измерения микрофизических характеристик аэрозольных частиц на поверхностях нетканых и тканых материалов, непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с этих поверхностей, измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц в вентилируемых закрытых помещениях.

Найдены физические принципы и технические решения для создания высокочувствительных оптических анализаторов, детально исследующих размеры и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере вентилируемых закрытых помещений, позволившие разработать новый интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации. На способ и устройство получен патент 2 148 812 РФ, МКИ G01N21/00, приоритет от 10.08.1998, опубликован 10.05.00, бюлл. № 13.

Создан макет оптического анализатора для непрерывного измерения размеров и концентрации аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений.

Впервые проведены экспериментальные исследования оптических свойств нетканых и тканых материалов на основе рассеяния когерентного и некогерентного излучения.

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработаны оптический способ и устройство непрерывного измерения количества испаряемой влаги с поверхности нетканых и тканых материалов.

Создан макет оптического анализатора на основе гониометра ГС-5 (оптический влагомер), реализующий оптический способ непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с нетканых и тканых материалов.

Исследованы метрологические характеристики разработанного оптического способа измерения увлажненности нетканых и тканых материалов.

Рассмотрены теоретические модели кинетики сорбции в бипористых средах и когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах.

Разработанные интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации, обладающие рядом преимуществ по сравнению с известными аналогами, могут быть использованы для контроля концентрации аэрозолей в воздухе вентилируемых закрытых помещений.

Разработанный способ и методики измерений влажности тканых и нетканых материалов по измерению параметров рассеянного ими излучения могут быть реализованы как оптические методы неразрушающего контроля влажности различных материалов.

Таким образом, поставленные задачи решены, и цель диссертационной работы достигнута.