Способ определения показателя ослабления рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ РАССЕИВАЮЩЕЙ СРЕДЫ С СИЛЬНО ВЫТЯНУТОЙ ИНДИКАТРИСОЙ РАССЕЯНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Науменко Елена Константиновна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения показателя ослабления рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния, заключающийся в том, что берут два образца исследуемой рассеивающей среды для первого образца задают величину 11 1 ,где 1 - объемная концентрация частиц в первом образце, равная доле объема, занимаемого частицами в единице объема рассеивающей среды,1 - геометрическая толщина слоя первого образца для второго образца задают величину 2 22 ,где 2 объемная концентрация частиц во втором образце, 2 - геометрическая толщина слоя второго образца 11892 1 2009.04.30 при освещении образцов коллимированным пучком света измеряют коэффициент пропускания для первого образца 1 и коэффициент пропускания для второго образца 2 определяют оптическую толщину 1 слоя толщиной 1 из уравнения 11 затем определяют показатель ослаблениярассеивающей среды, нормированный на единичную объемную концентрацию частиц в среде, из выражения 1 1 1 причем объемную концентрацию частиц в образцах и геометрическую толщину слоя образцов выбирают с возможностью выполнения условий однократного рассеяния. Изобретение относится к экспериментальной физике, в частности к определению показателя ослабления рассеивающих сред с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния. Показатель ослабления является одной из важнейших оптических характеристик, который широко используется для оптической диагностики структуры и состава природных и технических рассеивающих сред (атмосферный аэрозоль, гидрозоли внутренних и открытых водоемов, суспензии биологических клеток, порошкообразных материалов, пигментов, используемых в печатной и лакокрасочной промышленности и мн.др.). Точность решения обратных задач оптики рассеивающих сред в значительной степени определяется(зависит) точностью измерения оптических характеристик, по величине которых восстанавливается дисперсный состав рассеивающей среды и (или) оптические свойства вещества рассеивающих частиц. Наличие даже незначительных ошибок приводит к неустойчивости систем уравнений, разбалтыванию решений и неоднозначным результатам восстановления искомых параметров. Поэтому вопрос о точности измерений характеристик рассеянного излучения, в том числе и показателя ослабления, имеет важное значение для оптической диагностики дисперсных сред. Известен нефелометрический способ измерения показателя ослабления для непоглощающих и слабопоглощающих рассеивающих сред (при этих условиях показатель ослабления практически равен показателю рассеяния), основанный на измерении интенсивности рассеянного излучения в некотором заданном направлении и определении показателя ослабления с использованием корреляционного соотношения связи между интенсивностью рассеянного излучения, рассеянного в заданном направлении, и показателем ослабления 1. Основной недостаток способа состоит в том, что необходима априорная информация о наличии корреляционного соотношения. Обычно такую информацию можно получить, выполнив предварительно большой объем измерений 1 или вычислений 2, моделирующих рассеивающие свойства, для интересующего типа рассеивающей среды с целью получения устойчивых, статистически обоснованных соотношений. Наиболее близким к заявляемому является способ определения показателя ослабления, основанный на измерении коэффициента пропускания коллимированного пучка света слоем рассеивающей среды и определении показателя ослабления с использованием закона Бугера 3 (прототип). Недостаток данного способа состоит в наличии принципиально неустраняемых ошибок, обусловленных тем, что при регистрации пропускания приемником с конечной угловой апертуройпомимо прямо проходящего ослабленного излучения в приемник попадает поток излучения, рассеянного в пределах апертурного угла приемника. Следовательно, из измерений пропускания получаем заниженные значения показателя ослабления. 11892 1 2009.04.30 Вопросу анализа возможных ошибок измерения показателя ослабления способом прототипа уделено внимание во многих экспериментальных работах применительно к разным рассеивающим средам и условиям эксперимента. В 3-5, например, было показано, что ошибка измерений показателя ослабления среды, состоящей из крупных частиц (больше 10 мкм) стандартными фотометрами может достигать 100 . В общем случае рассеянный поток, попадающий в приемник при измерениях пропускания излучения слоем частиц,зависит от большого числа параметров, которые априори не известны. По этой причине оценить ошибки измерения показателя ослабления базисным методом не представляется возможным. Для рассеивающих сред с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния вопрос о влиянии рассеянного излучения на точность измерения показателя ослабления (в частности,для суспензий биологических клеток) становится критическим. Результаты вычислений согласно модели, предложенной в 6 для описания рассеивающих свойств эритроцитов,показали, что интенсивность излучения, рассеянного образцами разбавленной крови в направлениях, близких к направлению распространения коллимированного пучка света, на 4-6 порядков больше интенсивности излучения, рассеянного в обратных направлениях(90-180). В такой ситуации даже при малых апертурных углах в приемник попадает значительная доля рассеянного излучения, что приводит к большим неконтролируемым ошибкам измерения показателя ослабления. Задачей изобретения является повышение точности определения показателя ослабления рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния. Точность измерения показателя ослабления зависит от многих геометрических и оптических параметров апертурного угла приемника, геометрии эксперимента и оптических характеристик рассеивающей среды, большинство из которых априори не известны. Исключить вклад рассеянного излучения принципиально невозможно, поэтому стремятся минимизировать его влияние изменением геометрии эксперимента и характеристик оптической системы, в первую очередь, уменьшая угловую апертуру приемника и увеличивая базу экспериментальной установки. Поставленная задача решается следующим образом. В способе определения показателя ослабления рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния берут два образца исследуемой рассеивающей среды для первого образца задают величину 111,где 1 - объемная концентрация частиц в первом образце, равная доле объема, занимаемого частицами в единице объема рассеивающей среды,1 - геометрическая толщина слоя первого образца для второго образца задают величину 222,где 2 - объемная концентрация частиц во втором образце,2 - геометрическая толщина второго образца при освещении образцов коллимированным пучком света измеряют коэффициент пропускания для первого образца Т 1 и коэффициент пропускания для второго образца Т 2 определяют оптическую толщину 1 рассеивающего слоя толщиной 1 из уравнения 22 12 1( 1 ) ,11 затем определяют показатель ослаблениярассеивающей среды, нормированный на единичную объемную концентрацию частиц в среде, из выражения 1 / 11 /1 1 . причем объемную концентрацию рассеивающих частиц в образцах и толщину образцов выбирают с возможностью выполнения условия однократного рассеяния. Приготавливают два образца суспензии исследуемых частиц, один из которых имеет заданную величину 111, где 1 - объемная концентрация частиц, равная доле 11892 1 2009.04.30 объема, занимаемого частицами в единице объема суспензии, 1 - геометрическая толщина слоя, второй образец имеет величину 222, где 2 - объемная концентрация частиц, 2 - геометрическая толщина слоя, измеряют коэффициенты пропускания 1 и Т 2 соответствующих образцов при освещении коллимированным пучком света, определяют оптическую толщину 11 рассеивающего слоя толщиной 1 из решения уравнения 22 12 1( 1 ) , затем определяют показатель ослабления рассеи 11 вающих сред, нормированный на единичную объемную концентрацию, по формуле 1 / 11 /1 1 . При выборе значений С инеобходимо выполнение условий однократного рассеяния. Предлагаемый способ измерения показателя ослабления позволяет повысить точность определения показателя ослабления при измерениях коэффициента пропускания приемником с априори неизвестными значениями угловой апертуры, оптических и микроструктурных параметров рассеивающей среды путем учета влияния вклада рассеянного излучения. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема эксперимента по измерению показателя ослабления,на фиг. 2 - угловое распределение интенсивности рассеянного излучения,на фиг. 3 - доля рассеянного потока, попадающего в приемник, в зависимости от угловой апертуры приемника,на фиг. 4 - сравнение спектральных зависимостей показателя ослабления, полученных известным (прототип) и заявляемым способом,на фиг. 5 - относительные отклонения значений показателя ослабления, полученных известным (прототип) и заявляемым способом. Способ измерения показателя ослабления осуществляют следующим образом. Приготавливают для измерений два образца один образец суспензии исследуемых частиц в жидкой среде с заданной величиной 111, где 1 - объемная концентрация частиц, равная доле объема, занимаемого частицами в единице объема суспензии, 1 - геометрическая толщина слоя,второй образец суспензии исследуемых частиц в жидкой среде с заданной величиной 222, где 2 - объемная концентрация частиц, 2 - геометрическая толщина слоя,измеряют коэффициент пропускания Т 1 для первого образца, соответствующего значению 1,затем измеряют значение коэффициента пропускания Т 2 для второго образца, соответствующего значению а 2,определяют оптическую толщину 11 рассеивающего слоя толщиной 1 из решения уравнения 22 12 1( 1 ) ,11 затем определяют показатель ослабления, нормированный на единичную объемную концентрацию, по формуле 1 / 11 /1 1 . Объемную концентрацию и толщину слоя выбирают таким образом, чтобы коэффициенты пропускания 1 и 2 попадали в интервал значений 0,08-0,1 Т 0,8-0,85 и максимально отличались по величине. При измерении пропускания излучения слоем рассеивающей среды в приемник попадает поток излучения, представляющий собой сумму двух потоков,(1) 11892 1 2009.04.30- поток прямо проходящего коллимированного пучка света, ослабленного в соответствии с законом Бугера(2)0 (-) , - поток излучения, рассеянного освещенным объемом исследуемого образца(3)00 ,0 - поток освещающего коллимированного пучка света, - оптическая толщина рассеивающего слоя(4), - геометрическая толщина слоя,С - объемная концентрация частиц, равная доле единичного объема, занимаемого частицами в единице объема суспензии, - показатель ослабления, нормированный на единичную объемную концентрацию частиц исследуемой рассеивающей среды,- освещенный объем рассеивающего слоя, - сечение коллимированного освещающего пучка света, - величина пропорциональна интегралу от индикатрисы рассеяния по телесному углу, равному угловой апертуре приемника. Индикатриса рассеяния - функция, описывающая угловое распределение рассеянного излучения с длиной волныдля системы частиц с функцией распределения частиц по размерами оптическими постоянными вещества частици 2 гдеи- значения действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления вещества частиц по отношению к показателю преломления окружающей среды,А - константа, включающая геометрические и оптические параметры измерительного прибора. На фиг. 2 показаны зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяниядля длины волны 550 нм, вычисленные для модели образца крови, разбавленного собственной плазмой. Параметры модели следующие показатель преломления плазмы крови 1,36, действительная часть комплексного показателя преломления эритроцитов 1,41, мнимая часть комплексного показателя преломления эритроцитов 0,0083. Свойства эритроцитов аппроксимировались сферами эквивалентного объема. Значения модального (или наиболее вероятного) радиуса задавались равными 012,285 мкм (кривая 1) и 022,965 мкм (кривая 2). Система эритроцитов описывалась гаммараспределением частиц по размерам с параметром полуширины 1. Интенсивность излучения, рассеянного суспензией эритроцитов в интервале углов рассеяния до 30, на 3-4 порядка больше, чем для углов 30-40 и на 5-6 порядков, чем в направлениях 90-180. Поток рассеянного излучения, попадающего в апертуру приемника при измерении коэффициента пропускания слоем суспензии частиц, находится путем интегрирования интенсивности рассеянного излучения- угол рассеяния, численно равный половине плоского угла, соответствующего угловой апертуре приемника. Из формул (5)-(6) следует, что при заданной длине волны освещающего излучениявеличина рассеянного потока, попадающего в апертуру приемника, является сложной функцией размеров, комплексного показателя преломления веще 5 11892 1 2009.04.30 ства исследуемых частиц и показателя преломления окружающей их среды. В экспериментальных исследованиях большинство указанных параметров не известны и, следовательно, определить величину потокапрактически невозможно. Для широкого круга рассеивающих сред с малым поглощением излучения можно оценить возможные ошибки определения показателя ослабления величиной , равной отношению рассеянного потока, попадающего в апертуру приемника, к потоку, рассеянному во всех направлениях На фиг. 3 показаны зависимости доли рассеянного потока, попадающего в приемник, от угловой апертуры приемника для модели образца разбавленной крови с параметрами, приведенными выше. Из данных фиг. 3 следует, что из измерений коэффициента пропускания (прототип) приемником с угловой апертурой 4-5 доля рассеянного потока, не дающая вклада в ослабление прямо проходящего излучения и, следовательно, занижающая значения показателя ослабления, составляет 20-25 . При угловой апертуре 8-10 значениядостигают 40-50 . Относительная ошибка определения показателя ослабления зависит от соотношения междуи-(3) и увеличивается с увеличением оптической толщины рассеивающего слоя (4). При выполнении условий однократного рассеяния относительное угловое распределение рассеянного излучения не изменяется при изменении толщины слоя. Согласно 3, для сильно вытянутых индикатрис рассеяния при небольших значениях оптической толщины слоя 3 - 4 угловое распределение рассеянного излучения в пределах углов рассеяния 10 также слабо зависит от геометрической толщины слоя. Следовательно, при условиях, близких к условиям однократного рассеяния, интегральные потоки рассеянного излучениядля двух образцов будут практически одинаковыми. Тогда коэффициенты пропускания для двух образцов с различными значениями а можно записать в виде(11) 1 из (8), (9) получаем уравнение относительно неизвестной величины 122 12 1( 1 ) . 11 Решая уравнение (12) методом наименьших квадратов, находим значение оптической толщины 1 и определяем значение показателя ослабления , нормированного на единичную объемную концентрацию, по формуле 1 / 11 /1 1 .(13) Пример экспериментальной реализации способа. Определение показателя ослабления образцами разбавленной крови. Образцы готовились из крови здорового человека следующим образом из донорской крови путем центрифугирования была получена плазма, затем к 1000 мкл плазмы было добавлено 20 мкл цельной крови. Объемная концентрация эритроцитов в цельной крови была равна 0,42(т.е. показатель гематокрита цельной крови составлял 42 ). Объемная концентрация 2 11892 1 2009.04.30 эритроцитов С в разбавленных образцах равна отношению объема эритроцитов, содержащихся в 20 мкл цельной крови к полному объему приготовленного образца С 200,42 / 10200,00824. Для измерений использовались две кюветы разной толщины 11 мм и 22 мм. Измерения коэффициента пропускания выполнены на стандартном спектрофотометре 500 7. При измерениях использовалась кювета сравнения,наполненная плазмой крови без эритроцитов. Результаты измерений коэффициента пропускания в интервале длин волн 860-700 нм приведены в таблице 1 для кюветы с толщиной 11 мм - в графе 2 и 2 для кюветы с толщиной 22 мм - в графе 3. Соответствующие значения показателя ослабления, нормированные на единичную объемную концентрацию эритроцитов, определяемые известным способом (прототип), приведены в графе 4 для 21 мм и в графе 5 для 22 мм. В графе 6 приведены значения 1,определяемые заявляемым способом из измерений 1 и 2 и соответствующие значения показателя ослабления - в графе 7. Спектральные зависимости показателей ослабления, определяемых по способу прототипа (кривая 1 из измерений пропускания при толщине слоя 1 мм и кривая 2 из измерений при толщине слоя 2 мм) и по заявляемому способу (кривая 3), показаны на фиг. 4. Как отмечалось выше, по способу прототипа получаем заниженные значения показателя ослабления. При этом чем меньше толщина слоя, тем меньше помехи от рассеянного излучения, попадающего в апертуру приемника, тем ближе значения показателя ослабления к значениям, определяемым по заявляемому способу. На фиг. 5 приведены спектральные зависимости отклонения значений показателя ослабления, определяемых по способу прототипа, по отношению к значениям, определяемым заявляемым способом кривая 1 - 1- (1)100/, кривая 2 - 2- (2)100/. Из данных фиг. 5 видно, что при толщине слоя 1 мм значения, определяемые по способу прототипа, занижены на 8-9 , а при толщине слоя 2 мм - на 24-25 . Применение заявляемого способа увеличивает точность определения показателя ослабления рассеивающих сред и обеспечивает возможность использования стандартных спектрофотометров с неизвестной априори угловой апертурой для измерений спектральных зависимостей показателя ослабления. 1. Горчаков Г.И., Розенберг Г.В. Изв. АН СССР Сер. физика атмосферы и океана, 3.6. - 1967. - С. 611-617. 2. Науменко Е.К., Пришивалко А.П. , О нефелометрическом методе измерения прозрачности рассеивающих сред ЖПС. - 1972. - Т. 17. -4. - С. 687-694. 3. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. - Мн. Наука и техника, 1969. - 592 с. 4. Аникин П.П. О вкладе рассеянного излучения в спектральное пропускание полупрозрачных облаков Сб. Радиационные свойства перистых облаков / Под ред. Е.М. Фейгельсон. - М. Наука, 1989. - С. 156-162. 5. Зеге Э.П. , Кацев И.Л., Полонский И.Н., Прихач А.С., Влияние рассеянного излучения на точность измерения оптической толщины тонких облаков солнечным фотометром,Изв.АН СССР, сер.физ.атм.и океана. - 1994. - Т. 30. -3. - С. 328-336. 6. Науменко Е.К. Влияние агрегации эритроцитов на рассеивающие свойства крови,Журнал прикладной спектроскопии. - Т. 70. -3. - С. 375-380. 7.Е,., ,. 6163., (, , , 2006)61630. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.