散射光(或称漫射光)的强度与颗粒物的粒径、折射率、形状、入射光的波长以及散射角(测量角)等因素有关。其中主要影响因素是颗粒物的粒径和散射角。
(1)颗粒物粒径与入射光波长之间的关系
首先说明,关于颗粒物的粒度和粒度分布的定义,可参见有关文献资料。对于小于10μm的超细粉尘(烟尘、雾尘等),粒度常以粒径尺寸(颗粒物的半径,r)表示,单位为μm,粒度分布也常称为粒径分布。
根据颗粒物粒径与入射光波长之间的关系,光的散射现象可以分别加以讨论。
①如果颗粒物的尺寸比入射光的波长小得多,则光线以几乎相同的强度向各个方向散射,这种现象称为瑞利散射(Rayleigh Scattering)。例如,小于0.1μm的颗粒物对可见光的散射就属于瑞利散射。
②如果颗粒物的尺寸比入射光的波长大得多,则光线与颗粒物的作用可能是反射、折射或衍射,反射是一种表面效应,光线没有进入颗粒物,只是撞击颗粒物后改变了方向。折射发生在光进入颗粒物之后,光速和飞行方向的改变是由颗粒物材料的光学性质(折射率)决定的。衍射是光弯曲绕过一个物体时在颗粒物表面产生的干涉现象,也称为绕射,光线绕过颗粒物后主要向前散射,这种现象称为几何光学散射(Geometric Optics Scattering)。
③与上述两种现象不同,米氏散射(Mie scattering)发生在中间尺寸范围的颗粒物上,即颗粒物的粒径与入射光的波长相当或类似。前述两种散射现象中使用的“小得多”“大得多”是指二者相差很大,例如瑞利散射中所讲的“小得多”一般是指不大于λ/20,几何光学散射中所讲的“大得多”一般是指不小于20λ。(www.xing528.com)
大多数散射仪使用400 nm~700 nm波长的可见光。在经过充分处理的烟气流中,以亚微米级颗粒物(粒径小于1 000 nm)为主,袋滤除尘器和静电除尘器只能滤除直径大于1μm(1 000 nm)的颗粒物,对直径小于1μm的亚微米级颗粒物则难以滤除。因此,烟尘颗粒物对光的散射现象通常用米氏理论描述。
(2)散射角与散射光强度之间的关系
图3.5所示是当颗粒物的粒径与入射光波长大约在同一数量级时,不同测量角度上的米氏散射光强度。从该图可以看出,散射光的强度是散射角的函数,在不同角度上,散射光强的分布是不对称的。散射光强的分布轮廓类似于耳垂,有两个圆形突出部,光线既向前散射也向后散射,向前散射光强大于向后散射强光。后向散射又称反向散射,因为散射方向与入射方向是相反的。可以从后面、侧面和前面测量散射光的强度,根据测量角度的不同,将散射仪分别称为后向(Back Scattering)、侧向(Side Scattering)和前向(Forward Scattering)散射仪。
图3.5 不同观测角度上的米氏散射光强度
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