本文關(guān)鍵詞：用液芯柱透鏡測量液相擴散系數(shù)的研究　出處：《云南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：液相擴散系數(shù)是研究傳質(zhì)過程,計算傳質(zhì)速率及化工設(shè)計與開發(fā)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),它的精確測量對于物理、化學(xué)、生物等科學(xué)領(lǐng)域均具有重要的意義。液芯柱透鏡對液體折射率具有空間分辨特性,可用以觀察擴散過程,測量液相擴散系數(shù)。液體折射率的精確測量是將液芯柱透鏡應(yīng)用于液相擴散系數(shù)測量的前提條件,因此,合理設(shè)計液芯柱透鏡的參數(shù),提高其測量液體折射率的精度,對于測量液相擴散系數(shù)尤為重要。本博士論文利用自主設(shè)計的非對稱液芯柱透鏡,提出了測量液相擴散系數(shù)的幾種新方法,對液相擴散系數(shù)的測量展開了研究。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：1、分析了用液芯柱透鏡測量液體折射率的主要參數(shù),包括景深、折射率測量靈敏度、折射率最小分辨測量能力以及像差。詳細介紹了電子目鏡顯微鏡的景深公式推導(dǎo)過程,提出物理景深與幾何景深在數(shù)學(xué)上滿足“相或”而非“求和”關(guān)系的觀點,并利用毛細管成像系統(tǒng)驗證了電子觀測系統(tǒng)的總景深為幾何景深與物理景深中較大值這一論點的正確性。利用光線追跡法詳細推導(dǎo)了包括四個折射曲面的液芯柱透鏡的球差公式,為后續(xù)透鏡的設(shè)計提供了理論依據(jù)。2、推導(dǎo)出了玻璃毛細管、對稱柱透鏡、非對稱柱透鏡的焦距公式,比較了三者用于測量液體折射率的優(yōu)缺點。利用毛細管測量折射率的液體用量可低至5μL但是測量精度有限,對折射率的最小分辨測量能力在0.001RIU左右。對稱液芯柱透鏡的折射率最小分辨測量能力接近0.0002RIU,相較于毛細管有所提高,但是球差很大,在300gm左右,降低了成像質(zhì)量。非對稱液芯柱透鏡將對稱液芯柱透鏡的第四曲面的曲率半徑增大,這一微小的改變使其對液體折射率的分辨能力優(yōu)于0.0002RIU,球差低于5μm,大大提高了成像質(zhì)量,為準確測量液相擴散系數(shù)奠定了基礎(chǔ)。3、提出了一種測量液相擴散系數(shù)的新方法：瞬態(tài)圖像分析法。該方法以非對稱液芯柱透鏡作為擴散池及主要成像元件,通過測量和分析一幅任意時刻的瞬態(tài)擴散圖像,得到擴散體系的折射率及濃度的空間分布,基于Fick第二定律快速獲得擴散系數(shù)值。該方法將測量液相擴散系數(shù)的耗時,從傳統(tǒng)測量方法的5000-20000s大幅度地降低到10s以內(nèi)。用瞬態(tài)圖像分析法和等折射率薄層測量法分別測量了室溫下乙二醇在水中的無限稀釋擴散系數(shù),測量結(jié)果相近并與文獻值相符。4、提出了一種利用等折射率薄層法測量不同濃度液相擴散系數(shù)的新方法,這種方法不再限定擴散體系中相互接觸的兩種溶液初始濃度非常接近,只要選取合適的液體薄層,就可以測得相應(yīng)濃度的液相擴散系數(shù)。用乙二醇在其不同濃度的水溶液中的擴散實驗驗證了這種測量方法。5、用等折射率薄層測量法驗證了環(huán)境溫度、擴散溶質(zhì)種類以及濃度對擴散快慢的影響,并用視頻截圖可視化地顯示出擴散過程。測量了不同溫度下乙二醇在水中的無限稀釋擴散系數(shù),結(jié)果表明：隨著溫度的升高擴散系數(shù)值增大,測量得到的結(jié)果符合阿侖尼烏斯公式。測量了298.15K下,丙三醇、三甘醇在水中的無限稀釋擴散系數(shù),結(jié)果表明：分子量大的介質(zhì)的擴散系數(shù)小于分子量小的介質(zhì)的擴散系數(shù)。測量了不同濃度乙二醇在水中的擴散系數(shù),結(jié)果表明：濃度越高,擴散系數(shù)值越小。通過比較幾種擴散體系的擴散圖像,突出了利用非對稱液芯柱透鏡測量液相擴散系數(shù)可以實現(xiàn)擴散過程可視化的優(yōu)點。6、基于衍射光學(xué)中的柯林斯公式,利用快速傅里葉變換技術(shù)實現(xiàn)了對非對稱液芯柱透鏡中擴散過程的仿真�；跇�(biāo)量衍射理論,利用Matlab首先實現(xiàn)了對夫瑯和費小孔衍射及單縫衍射的仿真,仿真結(jié)果與實驗圖像較為接近,驗證了標(biāo)量衍射理論以及程序編寫的正確性。在此基礎(chǔ)上,對非對稱液芯柱透鏡中發(fā)生的擴散過程進行仿真,并與實驗圖像進行比較：當(dāng)選取觀察的等折射率液體薄層靠近上方溶液,濃度較小時,仿真得到的結(jié)果與實驗圖像較為相符；當(dāng)液體薄層靠近兩溶液分界面,濃度較大時,仿真得到的結(jié)果與實驗結(jié)果有很大的出入。這一結(jié)果對液體薄層的選擇對擴散系數(shù)計算結(jié)果的影響提供了另一個佐證,再次強調(diào)了等折射率薄層法中合理選擇液體薄層的重要性。
【學(xué)位授予單位】：云南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O436.1;O552.2

【參考文獻】

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1 李強;孫麗存;孟偉東;普小云;;用液芯變焦柱透鏡精確測量液體折射率[J];中國激光;2012年10期

2 孫晶華,王明;用光纖楊氏干涉測量液體的折射率[J];大學(xué)物理實驗;2005年01期

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本文編號：1325730