книги из ГПНТБ / Мяздриков О.Я. Дифференциальные методы гранулометрии

где Я—длина волны источника света; А— апертура.

Следовательно, если сближать геометрические изоб­ ражения двух точек, то их видимое разделение будет иметь место только до тех пор, пока контраст между этими точками, каждая из которых имеет определенную интенсивность, будет выше порога контрастности глаза. Если учесть, что в телевизионной аппаратуре контраст изображения определяется не только контрастностью объекта, но и параметрами канала изображения в це­ лом, то оказывается возможным повлиять на числовое значение коэффициента в выражении (35), не меняя ни длины волны X, ни апертуры А, т. е. улучшается допол­ нительное разрешение микроскопа.

При использовании телевизионной техники для реги­ страции частиц применяют источники света с длиной волны от близкой к инфракрасной до ультрафиолетовой областей. Учитывая физико-химическую индивидуаль­ ность анализируемых частиц, можно использовать их отражательную избирательность для определенной дли­ ны волны и, следовательно, получить наиболее эффек­ тивное разрешение при достаточной контрастности [51]. Необходимо отметить и такую особенность применения телевизионной техники в устройствах для регистрации частиц. Выбирая, например, систему с бегающим пят­ ном, оказывается возможным значительно снизить уро­ вень шумов и получить более линейную характеристику.

Общие принципы, основанные на использовании про­ мышленного телевидения, были реализованы в ряде схем, отличающихся друг от друга в основном размера­ ми. Соответствующие системы представляют собой или системы сканирования изображения образца, или систе­ мы сканирования в плоскости источника света. Первая комбинация — это сочетание обычного микроскопа и те­ левизионного устройства, в котором спроецированное на фотомозаику передающей трубки изображение препара­ та сканируется электронным лучом. К схеме такого типа может быть отнесен прибор, составленный из стандарт­ ных элементов, блок-схема которого приведена на рис. 7.

Препарат после оптического увеличения и электрон­ ного усиления изображается на экране, где создается

30

и система дополнительных растров. Расстояние меж­ ду растрами должно соответствовать диаметру регистри­ руемых частиц. Блок контроля изображения обеспечи­ вает регистрацию только тех частиц, которые находятся на одной линии растра. Если изображение частицы пере­ секает две или больше линий растра, то схема антнеовпадений с помощью линии задержки с временной за­ держкой на время, соответствующее развертке длины строки, запирает вход счетного устройства и тем самым исключается повторная ре­ гистрация уже зарегистри­ рованной частицы. Им­ пульсы, возникающие по длине растра, можно анали­ зировать по их длительно­ сти и тем самым обеспечить анализ распределения по размерам с помощью тех или иных электронных уст­ ройств. Очевидно, что при­ бор по рассмотренной схеме выдает результат почти мгновенно. Таким образом обеспечивается возможность регистрации частиц при

кратковременно возникающей ситуации.

С помощью такого прибора можно регистрировать частицы диаметром от 1 мкм с погрешностью 2% [51]. Диапазон размеров от 1 до 160 мкм может быть класси­ фицирован по 60 градациям размеров, причем время под­ счета не превышает 8 с. К сожалению, упомянутый об­

изображена на рис. 7, соответствует и регистратор ча­ стиц с телевизионным микроскопом, демонстрировав­ шийся на английской выставке научных и промышлен­ ных приборов в 1965 г. в Москве.

В системах сканирования в плоскости источника све­ та используют микроскоп, который работает в обратном ходе лучей, и проецирует на образец с катодно-лучевой трубки уменьшенное изображение светового бегающего пятна. Выходной сигнал с фотоумножителя и дополни­ тельных электронных блоков поступает на кинескоп. Развертка последнего синхронизирована с движением

31

бегающего светового пятна. В целом аппаратура, реали­ зующая телевизионные методы, даже при условии ис­ пользования стандартных блоков достаточно сложна и дорогостояща. Это, безусловно, ограничивает ее исполь­ зование, но возможности в демонстрационных целях должны рассматриваться как положительный фактор.

3. УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ И СИЛЫ ПРИЛИПАНИЯ

Рассмотренные два варианта электронно-оптических методов, как и метод чисто микроскопический, преду­ сматривают приготовление препаратов. Для ультрадис­ персных систем с размером частиц менее 10—20 мкм эта задача резко усложняется из-за агрегирования частиц вследствие возрастания сил сцепления между отдельны­ ми частицами.

Вторая особенность заключается в прилипании ча­ стиц к поверхностям любой конструкции того или иного устройства для анализа. Все это заставляет принимать некоторые специальные меры к аппаратуре, а поэтому явление прилипания должно быть предварительно, хотя бы качественно оценено. Известно, что сила, препятству­ ющая разделению двух твердых тел при неплоском кон­ такте между ними, пропорциональна произведению двух сомножителей, один из которых зависит от кривизны со­ прикасающихся поверхностей, а другой от природы тел и промежуточной среды между ними. Так, для силы при­ липания двух шаров с радиусами Г\ и г2 имеем

о"13— свободная энергия единицы поверхности од­ ного твердого тела и среды, т. е. фаз 1 и 3.

Следует отметить, что эта теория носит феноменоло­ гический характер, так как в ней не делается никаких специальных предположений о природе и закономерно­ стях сил взаимодействия сближенных участков, помимо их быстрого затухания с увеличением расстояния и об­ ратимо равновесного характера. Теория не явилась един­ ственной [3, 12], но именно она открыла путь к молеку­ лярной теории прилипания. Известно [19, 48], что силы

32

пластин которого значительно больше межэлектродного расстояния, напряженность электрического поля в меж­ электродной области

Учитывая известное выражение для поверхности сфе­ ры, получаем следующую формулу, определяющую пол­ ный заряд Q, приобретаемый сферической частицей, при е = 1:

В общем случае на частицу, находящуюся на верх­ нем электроде, действуют три силы, сумма которых рав­ на нулю:

С учетом выражений для заряда частицы Q и напря­ женности электрического поля Е в межэлектродной об­ ласти получим

Зная выражение веса частицы через плотность и раз­ мер частицы

3

34

являются напряжение на электродах и эквивалентный радиус исследуемых частиц.

Конструкция устройства, в котором реализован рас­ смотренный выше принцип, показана на рис. 9. Его ос­ новным элементом является стеклянная пластина на которую нанесен прозрачный электропроводный слой 2. Металлическая гайка 4 имеет электрический контакт со слоем 2. Прокладка 3 обеспечивает герметизацию кон­ струкции. В корпусе 5, изготовленном из диэлектрика, например полиметилметакрилата, установлен электрод 6, выполненный из густой металлической сетки. Разрез­ ное металлическое кольцо 7 обеспечивает жесткое креп­ ление сетчатого электрода и имеет электрический кон­ такт с клеммой П. Крышка 8 выполнена из прозрачного диэлектрика (полиметилметакрилата), имеет резьбу и уплотняется прокладкой 9. Штуцер 10 предназначен для подвода того или иного газа, что позволяет во внутрен­ ней области конструкции создать избыточное давление в пределах нескольких атмосфер. Это увеличивает элек­ трическую прочность межэлектродной газовой среды и, изменяя состав газа и его давление, позволяет исследо­ вать влияние этих факторов на величину сил прили­ пания.

Последовательность операций при измерении сил сводится к следующему: снимается крышка 8 и на элек­ тропроводное покрытие 2 наносятся частицы, силы при­ липания которых к материалу прозрачного покрытия предполагается исследовать. Затем внутренняя полость устройства герметизируется крышкой 8, после чего оно ставится под микроскоп 13. Через штуцер 10 создается давление газовой среде, а контакт / / и кольцо 4 под­ ключаются к регулируемому источнику напряжения.

Перемещая устройство под микроскопом и измеряя видимые в поле зрения частицы, выбираем наиболее крупную, например частицу 12. Так как частица, как правило, имеет неправильную форму, то целесообразнее измерить ее в двух взаимно перпендикулярных направ­ лениях и аппроксимировать сферой с диаметром, рав­ ным среднему арифметическому двух измерений. Посте­ пенно увеличивают напряжение на электродах до мо­ мента отрыва наблюдаемой частицы от электрода. Величина напряжения, при котором произошел срыв, фиксируется. Затем в поле зрения микроскопа выбира­ ется вторая частица несколько меньших размеров, вновь увеличивается напряжение до момента ее срыва и т. д.

В качестве примера на рис. 10 приведены данные по сферическому молибдену в паре с верхним электродом из стекла с прозрачным иридиевым покрытием.

Аналогичные опыты с различными веществами пока­ зали, что для частиц из тугоплавких материалов типа вольфрама, рения, тантала, молибдена, размер которых лежит в пределах от 0,5• 10— 6 до 2 5 - Ю - 6 м, напряжен­ ности электрического поля, при которых полностью раз­ рушаются связи, обусловленные силами прилипания, ле­ жат в пределах до 20 кВ/см; для частиц ферросилиция, силикохрома, перекиси бария, окиси меди и др. соответ­ ствующие напряженности электрического поля достига­ ют 50—60 кВ/см.

Приведенные данные показывают, что силы электри­ ческого поля при технически осуществимых значениях величин напряженности способны полностью скомпенси­ ровать силы прилипания и, следовательно, обеспечить разрушение агрегатов. Это тем более существенно, что указанная задача решается в условиях, когда дисперс­ ная система окружена газовой фазой, т. е. находится в условиях, соответствующих часто встречающейся ре­ альной обстановке.

37

4. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

В зависимости от условий приготовление препаратов на покровных стеклах осуществляется различными спо­ собами. Наиболее простой способ, когда частицы взве­ шены в воздухе и когда на покровное стекло они могут быть осаждены путем электро- и термопреципитации, инерционного отброса, осаждением под действием силы тяжести и т. д. [21]. Достаточно распространен способ термопреципитации, основанный на явлении термофореза — обеспыливания пространства вокруг нагретой по­ верхности. Эффективность соответствующих устройств зависит от скорости протекания потока и для полного осаждения частиц рекомендуется выполнение условия

где W-—сила термофореза; v— скорость потока;

ским током до 100—120° С.

Конструктивно термопреципитаторы представляют собой канал высотой несколько миллиметров, одну из стенок которого составляет покровное стекло, а внутри него расположен нагревательный элемент. Скорости по­ тока в канале не превышают 2—3 см/с. В некоторых ва­ риантах вместо покровного стекла применяется непре­ рывно движущаяся лента, используется подвижный на­ гревательный элемент и т. д.

непосредственно на фильтр. В результате фильтр прев­ ращается в тонкую прозрачную пленку, в которой за­ фиксированы частицы, подлежащие анализу. При осаж­ дении проб на фильтр и на покровное стекло в термопре-

38

ципитаторе нужно стремиться к оптимальной плотности их осаждения. Излишняя густота приведет к потере сче­ та; малое число частиц в поле зрения снижает точность анализа.

Таким образом, вопрос о представительности пробы крайне существен для обеспечения требуемой точности воспроизведения распределения дисперсионной совокуп­ ности частиц по анализируемой пробе.

Более сложным является изготовление препарата, когда проба находится в порошкообразном состоянии. В этом случае для ультрадисперсных систем неизбежно не просто комкование, но и возникновение агрегатов и вторичных частиц. Обычным способом является изго­ товление суспензий с добавкой различных поверхностно активных веществ. Принципиальная сторона такого спо­ соба не вызывает трудностей, но существенное осложне­ ние заключается в том, что даже для однокомпонентных систем данной физико-химической индивидуально­ сти требуется соответствующая дисперсионная жид­ кость и дефлотирующее вещество [21]. Кроме того, при отборе пробы необходимо учитывать возможность осаждения крупных частиц. Поэтому данный способ ока­ зывается непригодным для частиц с плотностью выше 3 г/см3 , начиная с размеров 20—30 мкм. Для таких ча­ стиц препарат готовится непосредственно на предмет­ ном стекле. В предыдущем параграфе было показано, что при напряженности порядка 30—50 кВ/см кулоновские силы полностью компенсируют силы сцепления и, следовательно, в таких условиях образование вторичных частиц, если не исключено вообще, то весьма маловеро­ ятно. В основу соответствующего устройства может быть положено устройство, схема которого изображена на рис. 9, при условии, что сетчатый электрод 6 будет заме­ нен сплошным тщательно отполированным электродом. Последовательность операций приготовления препарата сведется к следующему. На электрод 6 помещается по­ рошковая проба, причем никаких мер к ее равномерному распределению не принимается. Затем корпус гермети­ зируется, внутри его создается давление и подается на­ пряжение на электроды. Частицы придут в автоколеба­ тельное движение между электродами и равномерно рас­ пределятся в межэлектродном объеме, а после снятия

39