颗粒混悬液光谱吸收系数及散射相函数测量方法研究

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颗粒混悬液的辐射特性参数是进行辐射传输方程求解的基础计算参数,获得高精确度的颗粒混悬液辐射特性参数对分析光线在介质中的分布具有重要作用。目前已发展一些基于电磁散射理论如Mie理论、T矩阵等方法求解颗粒的辐射物性参数,电磁散射理论求解时,要求颗粒为单一均质球形粒子或多层均质球形粒子,局限性较高。在实际生活和工程应用中,颗粒的外形、结构以及粒径尺寸往往不是质地均匀的球形或类球形,这些因素都将影响颗粒的辐射特性,正是由于颗粒形状及内部结构的复杂性和不确定性,理论研究的方法很难为工程实际问题提供准确数据。在实验测量获得颗粒混悬液辐射特性参数领域,由于颗粒与颗粒之间的散射作用以及比色皿玻璃容器的折射影响,将对颗粒混悬液辐射特性参数实验测量结果造成较大误差。因此实验测量方法需要进一步研究,提高颗粒混悬液辐射特性参数测量的精确度。只有获得高精度的颗粒混悬液辐射特性参数,才能更好地发展颗粒混悬液在多个领域的应用。本研究提出了颗粒混悬液光谱吸收系数及散射相函数测量的改进方法。通过分析影响测量精确度的因素,建立实验测量系统,选择光学常数和粒径分布已知的二氧化硅标准颗粒作为实验样本,通过实验测量获得其散射光实验值,归一化后与Mie理论值进行比较,获得散射光修正系数,用该修正系数修正其他颗粒的散射相函数并与Mie理论值进行对比验证。在400nm-900nm光谱范围内,建立能够消除比色皿玻璃界面多次折射和反射影响的数学计算模型,通过三层介质模型测量光学常数和粒径分布已知的二氧化硅标准颗粒实验样本,将实验测量得到的法向半球透射率等实验数据代入到能够消除散射影响的数学计算模型中进行计算,获得颗粒混悬液的光谱吸收系数,并与传统积分球测量方法以及Mie理论进行对比验证。结果表明,颗粒混悬液散射相函数测量改进方法能够显著提高散射相函数的测量精确度,并与Mie理论值高度吻合;当粒子尺寸参数大于10时,散射相函数修正系数可看作是一个常数;使用直径为2.53μm的标准二氧化硅粒子作为参考系统可用于校正任何未知粒子(尺寸参数>10)的散射相函数,将与待测颗粒尺寸相同或相近的颗粒作为参考系统可以提供更可靠的结果。颗粒混悬液光谱吸收系数测量改进方法测量获得的光谱吸收系数与Mie理论值吻合度较高,相比于传统积分球测量方法所获得的光谱吸收系数精确度提升明显,同时该方法适用于不同种类、不同浓度及粒径的颗粒混悬液光谱吸收系数的测量。本文对研究颗粒混悬液辐射特性具有重要的实际工程意义。
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