基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法技术

基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法，属于纳米颗粒粒度检测技术领域。步骤1001，设置拟合目标函数和拟合初始值；步骤1002，确定聚焦束腰半径的调整范围；步骤1003，计算自相关函数均方根误差；步骤1004，增加聚焦束腰半径值；步骤1005，w0＞0.1um，返回步骤1003，w0≤0.1um，执行步骤1006；步骤1006，求得自相关函数均方根误差的最小值；步骤1007，得到聚焦束腰半径的最优值来修正非高斯自相关函数模型；步骤1008，重构核矩阵；步骤1009，反演颗粒粒度分布。在本基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法中，利用最优的聚焦束腰半径值修正非高斯相关函数理论模型，得到与实测数据相匹配的核矩阵，显著提高了超低浓度动态光散射测量的粒度反演准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法


[0001]基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法，属于纳米颗粒粒度检测


技术介绍

[0002]动态光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)已成为测量亚微米及纳米颗粒在液体分散系中的颗粒粒度及其分布的标准技术，被广泛应用于科学研究和工业生产中。该技术通过分析布朗运动粒子散射光强的自相关函数(Autocorrelation Function，ACF)来获得颗粒粒度分布(Particle Size Distribution，PSD)。但DLS测量受颗粒浓度限制。当颗粒浓度过低时，由于颗粒在散射体中扩散而引起的数量波动导致光强ACF在长延迟时段增加了一个额外的缓慢衰减(数量波动衰减)，此额外衰减同时包含粒度信息和浓度信息。由于该衰减段是常规浓度测量中所没有的，采用用于常规浓度的数据处理方法来估计PSD会把这一额外衰减当做布朗运动引起的衰减，从而在大粒径区间出现虚假峰且主峰向粒径减小的方向偏移。
[0003]长期以来，超低浓度下的DLS颗粒粒度测量问题一直未能得到很好的解决。为解决这一问题，本领域研究人员研究了各种去除数量波动分量的方法：
[0004](1)文献A.W.Willemse,E.J.Nijman,J.C.M.Marijnissen,H.G.Merkus,and B.Scarlets,“Photon Correlation Spectroscopy
–
Extending the limits of concentration,”KONA Powder Part.J.16,102
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115(1998)中，采用低通滤波器滤除颗粒数量波动引起的低频散射光强信号，用高频信号求取颗粒粒度。尽管该方法在理论上可行，但增加滤波器不仅会引入额外的噪声，而且改变了DLS实时自相关运算的工作模式。
[0005](2)文献M.J.Wang,J.Shen,J.C.Thomas,T.T.Mu,W.Liu,Y.J.Wang,J.F.Pan,Q.Wang,and K.S.Liu,“Particle size measurement using dynamic light scattering at ultra
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low concentration accounting for particle number fluctuations,”Materials 14(19),5683(2021)中，提出利用基线重置方法截断光强ACF中的数量波动分量，但截断位置受噪声影响大，未能从实测数据中恢复准确的PSD。
[0006](3)文献Q.Wang,J.Shen,M.J.Wang,J.C.Thomas,Y.J.Wang,W.Liu,X.Q.Li,and X.F.Li,“Measuring particle size in ultra
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low concentration suspensions by removing the number fluctuation contribution in dynamic light scattering,”Opt.Express 29(23),38567
‑
38581(2021)中提出通过对拟合的光强ACF进行微分来识别和分离数量波动分量，消除了噪声对截断位置的影响，从而得到了更准确的PSD。
[0007]但以上三种方法都损失了数量波动提供的粒度信息，从信息利用角度考虑，理想的PSD获取方法是分析包含数量波动分量在内的非高斯光强ACF，通过核函数重构(KFR)方法直接建立起非高斯ACF与PSD之间的关系来求取PSD。尽管该方法能够得到理想的模拟数据反演结果，但实测数据的反演结果与理论预期相去甚远，其原因在于实际的测量时间远远小于这一非高斯自相关模型所需要的信号采集时间，从而导致了实测ACF数据与理论非
高斯ACF模型不相吻合。
[0008]测量时间是影响光强ACF统计精度的一个重要因素。当研究对象是超低浓度悬浮液时，这一因素变得更为重要。在超低浓度条件下，获得正确的光强ACF需要测量时间持续105s，而DLS的测量时间通常为1min～10mins，这样常规的测量时间导致实测ACF畸变，尤其是ACF中的数量波动部分(非高斯项)的失真。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用光强自相关函数的均方根误差最小值确定聚焦激光束束腰半径的最优值，并利用此最优值修正实测自相关函数数据所对应的非高斯自相关理论模型，实现了实测数据与修正的理论模型相吻合，解决了常规测量时间导致的相关函数畸变，得到了与实测数据相匹配的重构核矩阵，显著提高了实测数据的反演精度的基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法。
[0010]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0011]步骤1001，设置拟合目标函数和拟合初始值；
[0012]步骤1002，确定聚焦激光光束束腰半径的调整范围；
[0013]步骤1003，拟合测量的光强自相关函数g
(2)
(τ)得到拟合的光强自相关函数并求取光强自相关函数的均方根误差；
[0014]步骤1004，保存光强自相关函数的均方根误差，并按照步长增加聚焦激光束束腰半径；
[0015]步骤1005，判断聚焦激光束束腰半径w0是否小于等于0.1um，如果聚焦激光束束腰半径w0＞0.1um，返回步骤1003，并顺序执行步骤1003～1004；如果聚焦激光束束腰半径w0满足w0≤0.1um，执行步骤1006；
[0016]步骤1006，求得光强自相关函数均方根误差的最小值；
[0017]步骤1007，得到均方根误差最小值所对应的聚焦激光束束腰半径w0的最优值，并利用此最优值修正非高斯光强自相关函数的理论模型；
[0018]步骤1008，计算等价电场自相关函数，并基于修正的自相关函数模型重构反演方程的核矩阵；
[0019]步骤1009，通过反演等价电场自相关函数求得颗粒粒度分布。
[0020]优选的，在步骤1006中，所述光强自相关函数均方根误差RMSE的最小值的表达式为
[0021][0022]其中，和g
(2)
(τ)分别表示拟合的光强自相关函数和实测的光强自相关函数，τ
j
为光子相关器第j通道对应的延迟时间(1≤j≤M)。
[0023]优选的，在步骤1001中，所述的拟合目标函数为：
[0024][0025]其中，β为相干因子，τ为延迟时间，Γ为衰减线宽，q为散射矢量，w0为聚焦激光束束腰半径，a为探测器接收孔半径，C
NG
为非高斯项幅值γ/<N>的拟合参数。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非高斯自相关函数的超低浓度动态光散射反演方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1001，设置拟合目标函数和拟合初始值；步骤1002，确定聚焦激光光束束腰半径的调整范围；步骤1003，拟合测量的光强自相关函数g
(2)
(τ)得到拟合的光强自相关函数并求取光强自相关函数的均方根误差；步骤1004，保存光强自相关函数的均方根误差，并按照步长增加聚焦激光束束腰半径；步骤1005，判断聚焦激光束束腰半径w0是否小于等于0.1um，如果聚焦激光束束腰半径w0＞0.1um，返回步骤1003，并顺序执行步骤1003～1004；如果聚焦激光束束腰半径w0满足w0≤0.1um，执行步骤1006；步骤1006，求得光强自相关函数均方根误差的最小值；步骤1007，得到均方根误差最小值所对应的聚焦激光束束腰半径w0的最优值，并利用此最优值修正非高斯光强自相关函数的理论模型；步骤1008，计算等价电场自相关函数，并基于修正的自相关函数模型重构反演方程的核矩阵；步骤1009，通过反演等价电场自相关函数求得颗粒粒度分布。2.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：申晋，王钦，王梦婕，刘伟，王雅静，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：