Спосіб визначення розподілу за розмірами частинок металу у дисперсійних системах

Реферат: Спосіб визначення розподілу за розмірами частинок металу у дисперсійних системах, за яким одержують спектри поглинання. Розраховують сукупність спектрів поглинання дисперсійної системи для вибраного діапазону розмірів частинок металу, сумують ці спектри зі своїми ваговими коефіцієнтами, отримують модельований спектр, суміщають його з експериментальним і визначають вагові коефіцієнти, які відповідають розмірам частинок, а їх сукупність - розподілу за розмірами. UA 86830 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ РОЗПОДІЛУ ЗА РОЗМІРАМИ ЧАСТИНОК МЕТАЛУ У ДИСПЕРСІЙНИХ СИСТЕМАХ UA 86830 U UA 86830 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель стосується галузі вимірювальної техніки і може бути використана для визначення розподілів за розмірами частинок металів у дисперсійних системах, як то тверді золі, зависі металічних частинок у рідині - рідкі золі та гідрозолі, аерозолі. Відомий спосіб визначення розподілу за розмірами частинок металу у дисперсійній системі за допомогою електронного мікроскопа (Оура К. Введение в физику поверхности: Пер. с англ. / К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма - М.: Наука, 2006. - 490 с.). Однак, для використання електронної мікроскопії зразки повинні бути електропровідними, а також витримувати вакуумні умови, що перешкоджає вимірюванню твердих золів, а рідкі золі необхідно осушувати. Крім того, спосіб електронної мікроскопії для визначення розподілу за розміром є локальними, тому результати залежать від конкретної точки, в якій проводять дослідження. Найбільш близьким за сукупністю ознак і технічним результатом до корисної моделі, що заявляється, є спосіб визначення розмірів частинок у дисперсійних системах за спектром мутності (RU 2335760 С2 G01N15/02 від 13.06.2006), за яким визначається спектри поглинання та розсіяння, по інтенсивності спектру в двох областях та розсіянню визначається середній розмір частинок. Однак, цей спосіб дозволяє отримувати усереднені розміри частинок металу у дисперсійних системах тільки великих значень порядку мікронів, коли суттєвим є розсіяння світла. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб визначення розподілу за розмірами частинок металу у дисперсійних системах, шляхом одержання спектрів поглинання дисперсійної системи, що дасть змогу розширити діапазон досліджуваних об'єктів. Поставлена задача вирішується так, що одержують спектри поглинання дисперсійної системи, при цьому розраховують сукупність спектрів поглинання дисперсійної системи для вибраного діапазону розмірів частинок металу, сумують ці спектри зі своїми ваговими коефіцієнтами, отримують модельований спектр, суміщають його з експериментальним і визначають вагові коефіцієнти, які відповідають розмірам частинок, а їх сукупність - розподілу за розмірами. З літературних джерел відомо (Mie G. / Beiträge zur Optik trüber Medien, speziel kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. - 1908. -Bd. 25. -S. 377-448), що для розрахунку спектрів поглинання використовують теорію Мі, в якій розглядають сферичні частинки металу, що знаходяться у діелектричному середовищі, у рамках класичної електродинаміки. Ефективний переріз поглинання Cехt ,r  в теорії Мі для кульки радіуса r визначають із співвідношення: Cехt ,r   35 2   2n  1Re an  bn  , k 2 n1 де k  2 /  ,  - біжуча довжина хвилі. Коефіцієнти a n та bn задаються рівняннями: an  bn  m 2 jn x xjn x ' jn x mxj n mx '   1 1 m 2 jn mx  xhn  x  'hn  x mxj n mx ' jn x xjn x ' jn x mxj n mx '   1 1 jn mx  xhn  x  'hn  x mxj n mx ' , , 1 де штрих означає похідну за аргументом, jn x  та hn x  - сферичні функції Бесселя та 40 2 Ганкеля відповідно; x  kr - добуток модуля хвильового вектора на радіус частинки; m   / m - відносна комплексна діелектрична проникність матеріалу частинки, m - діелектрична проникність навколишнього середовища. Проте авторами вперше використано теорію Мі для отримання параметрів структури з експериментальних спектрів. Для цього обирають набір з n 45 радіусів частинок, які зображають вектором стовпцем R  r1, r2 ,... rn T ( T - операція транспонування). Для всіх частинок з вибраними радіусами на основі теорії Мі розраховують спектри поглинання у діапазоні довжин хвиль, де вимірювалися експериментальні спектри. Експериментальний спектр також зображають вектором стовпцем Е у "просторі" довжин , , , хвиль, що містить m компонент для i i  1 ... m . Розраховані спектри C ji j  1 ... n;i  1 ... m у цьому "просторі" формують матрицю C з n стовпцями та m стрічками, кожен елемент Ckl якої задає значення поглинання частинки з радіусом rk на довжині хвилі l . 1 UA 86830 U При такому зображенні кожну точку модельованого спектру Ul представляють лінійною , комбінацією розрахованих значень поглинання C ji j  1 ... n; на вибраній довжині хвилі l : n Ul  де 5  C jl j , j j 1 - вага вкладу j-тої частинки у сумарний спектр. Максимальне суміщення U E модельованого спектру з експериментальним досягають мінімізацією середньоквадратичного відхилення: m S   Ei  Ui 2 . i1 Точність апроксимації визначають з середньоквадратичного відхилення за формулою:  S m  Ei . i 1 10 15 20 25 30 35 Фіг. 1. Експериментальний - суцільна крива, та модельований - пунктирна крива, спектри поглинання гідрозолю золота. Фіг. 2. Розподіл за розмірами золотих частинок у гідрозолі, отриманий суміщенням експериментального та модельованого спектрів, де суцільна крива - розподіл за розмірами золотих частинок, отриманий з електронно-мікроскопічного зображення, а стовпці - результати. Отримані за запропонованим способом. Фіг. 3. Електронно-мікроскопічне зображення гідрозолю золота. Суть корисної моделі пояснюється наступним прикладом. Приклад 1 Як приклад дисперсійної системи використовують гідрозоль золота, отриманий відновленням металу з солі (Патент України на винахід № 98430, С08K 3/08, C01G 7/00 Опубл. 10.05.2012, Бюл. № 9). На фіг. 1 суцільною лінією зображений експериментальний спектр гідрозолю. Вимірювання проводять за допомогою двопроменевого спектрофотометра SPECORD M40 (Zeiss, Німеччина). Розраховують набір спектрів для радіусів частинок від 1 нм до 20 нм з кроком в 1 нм в теорії Мі. Значення кожного спектру множать на початкові вагові коефіцієнти  j , кожен з яких у даному випадку складає 1/20. Сумують ці добутки та отримують модельований спектр. Шляхом зміни вагових коефіцієнтів добиваються найменшого середньоквадратичного відхилення S між модельованим та експериментальним спектрами. Модельований спектр гідрозолю зображений пунктирною кривою (фіг. 1). Модельований та експериментальний спектри співпадають з точністю   5 % . На фіг. 2 зображені отриманий розподіл отриманих вагових коефіцієнтів за розмірами частинок. На цьому ж рисунку суцільною кривою для порівняння наведена гаусівська апроксимація розподілу за розмірами частинок того ж гідрозолю золота. Цей розподіл отримують з електронно-мікроскопічного зображення, наведеного на фіг. 3, способом сегментації зображення по порогу (Вудс Р. Цифровая обработка изображений / Р. Вудс, Р. Гонсалес. - Москва: Техносфера, 2006, - 1072 с.). Спосіб дає змогу визначати розподіл за розмірами частинок металів у твердих золях, зависях металічних частинок у рідині (рідкі золі та гідрозолі), аерозолях, що розширює діапазон досліджуваних речовин, що підтверджує отримання передбачуваного технічного результату. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб визначення розподілу за розмірами частинок металу у дисперсійних системах, за яким одержують спектри поглинання, який відрізняється тим, що розраховують сукупність спектрів поглинання дисперсійної системи для вибраного діапазону розмірів частинок металу, сумують ці спектри зі своїми ваговими коефіцієнтами, отримують модельований спектр, суміщають його з експериментальним і визначають вагові коефіцієнти, які відповідають розмірам частинок, а їх сукупність - розподілу за розмірами. 2 UA 86830 U 3 UA 86830 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4