Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме (стр. 1 )

на правах рукописи

АХМАДЕЕВ ИГОРЬ РАДИКОВИЧ

Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса

техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме

Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы

экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Бийск – 2008
Работа выполнена в Институте проблем химико-энергетических технологий

Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор,
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор,
	кандидат технических наук,
Ведущая организация:	Томский государственный университет

Защита состоится «26» июня 2008 г. в 1000 ч., в ауд. 403 г. к. на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 при Алтайском государственном техническом университете им. , г. Барна

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им.

Автореферат разослан «___» мая 2008 г.

Ученый секретарь

Общая характеристика работы

Актуальность работы

На всех стадиях своего развития человек тесно связан с окружающим миром. Гидросфера, атмосфера и литосфера Земли в настоящее время подвергаются нарастающему антропогенному воздействию. Наиболее масштабным и значительным является загрязнение среды не свойственными ей веществами природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Во многих технологических процессах образуются мелкие твердые или жидкие частицы, которые могут оказывать вредное воздействие на человека.

Часто в лабораторной практике требуется в реальном времени измерять процессы зарождения пылевого облака и его изменение во времени в ограниченном объеме (1…3 м3). Требования к оперативности контроля уровня загрязненности исключают применение известных методов оценки размеров частиц путем отбора проб.

Актуальность работы, таким образом, заключается в разработке оптического метода измерения дисперсного состава техногенного аэрозоля, что позволит создать мобильный экспресс-анализатор оценки динамики запыленности атмосферы жидкими и твердыми микрочастицами, способный провести анализ в заданном месте без влияния на измеряемый объект в любой момент времени.

Цель работы

Разработка бесконтактного метода измерения дисперсного состава аэрозоля во всем контролируемом объеме на основе закономерностей рассеяния излучения и создание лазерной установки для исследования генезиса техногенных загрязнений.

Задачи исследований

1. Обосновать выбранный за основу метод малоуглового рассеяния – метод анализа измеренной индикатрисы рассеяния.

2. Разработать математическую модель рассеяния зондирующего излучения в слое аэрозоля и на ее основе разработать метод определения функции распределения частиц по размерам.

3. Обеспечить аппаратурную и программную оснащенность метода: выбор источника зондирующего излучения, разработка блока регистрации излучения и создание программного обеспечения автоматизированной обработки измерительной информации.

4. Выбрать аппаратуру и устройства для апробации разработанной установки и имитаторов аэрозолей со стандартизированными свойствами.

5. Разработать методику проведения экспериментов.

6. Обеспечить экспериментальную проверку работоспособности метода и методики для оценки параметров аэрозолей различной природы.

Объектом исследования является метод измерения дисперсного состава аэрозоля, позволяющий без влияния на исследуемую среду в процессе ее генезиса производить оценку распределения частиц по размерам с высоким временным разрешением.

Методы исследования. Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем. Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием измерительного микроскопа и ситового анализа. Исследования проводились в одной из экспериментальных лабораторий ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск).

Научная новизна

1. Предложена новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от ограниченного слоя аэрозоля, позволяющая повысить информативность метода малоуглового рассеяния.

2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозолей, что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния.

3. Разработана и сконструирована схема лазерной измерительной установки, отличающаяся возможностью проведения анализа генезиса аэрозольных сред различной природы, начиная с момента их образования.

4. Экспериментально доказана возможность применения разработанного метода для всех жидких и твердых сыпучих материалов.

Практическая ценность состоит в возможности использования лазерной установки экспресс-анализа генезиса аэрозольных сред в лабораторной и промышленной практике для аналитического контроля техногенных загрязнений, а также для экологического мониторинга.

Реализация и внедрение

Разработанный метод и лазерная установка определения дисперсных параметров аэрозолей применяется при выполнении тематических работ в ИПХЭТ СО РАН. Модернизация лабораторной установки для малосерийного производства позволит внедрить установку для экспериментальных исследований в других организациях.

К защите представлены

1. Математическая модель рассеяния коллимированного лазерного излучения в ограниченном аэрозольном слое.

2. Метод и лазерная измерительная установка анализа генезиса дисперсного состава аэрозолей, позволяющая получить функцию распределения частиц различной природы по размерам в диапазоне от 1 до 100 мкм.

3. Методика проведения измерений.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;

- применением современной высокоточной исследовательской техники, ее тщательной калибровкой;

- хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных с помощью разработанного метода, с данными, полученными одновременно другими известными методами, а также воспроизводимостью полученных результатов.

Публикации

По материалам исследований диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, разработана методика измерений.

Апробация работы

Материалы работы обсуждались на научно-технических семинарах лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов и лаборатории материаловедения минерального сырья ИПХЭТ СО РАН, а также на различных конференциях, среди них: XII Joint International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Phisics” (Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2005); II International Workshop HEMs-2006, September 11-14, 2006, Belokurikha; II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, сентябрь 2005 г.); Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (г. Бийск, сентябрь 2006 г.); V Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 3-5 октября 2006г.); XIII рабочая группа "Аэрозоли Сибири" (г. Томск, 28 ноября - 1 декабря 2006 г.).

Личный вклад

Автору принадлежат основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработка физико-математической модели взаимодействия лазерного излучения со слоем аэрозоля, метода и аппаратуры для экспресс-анализа дисперсности аэрозолей.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 86 страниц текста, диссертация содержит 29 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, научная и практическая значимость полученных результатов, сформулирована цель работы, изложены основные выносимые на защиту положения, приведена краткая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены основные зависимости, позволяющие описывать характеристики аэрозольных сред: средние диаметры и виды распределений частиц по размерам.

Анализируются методы и устройства измерения параметров аэрозольных сред. Выбираются оптические методы, применение которых возможно к задаче мониторинга аэрозольных сред различной природы.

В заключении главы сформулированы задачи исследования, стоящие перед автором, преимущества и недостатки рассмотренных оптических методов для контроля дисперсных параметров аэрозольных сред.

Во второй главе описывается физико-математическая модель модифицированного метода малоуглового рассеяния в ограниченном слое аэрозоля.

Для построения оптических моделей облаков аэрозолей и расчетов характеристик рассеяния выбираются соответствующие законы распределения частиц f(D). Для различных состояний облака аэрозоля вычисляются полидисперсные коэффициенты рассеяния для данных функций распределения по размерам, которые затем сравниваются с экспериментально измеренными значениями.