【国家标准(GB)】 粒度分析 激光衍射法

ICS 19. 120
中华人民共和国国家标准
GB/T19077.1—2003
粒度分析
激光衍射法
Particle size analysis-Laser diffraction method(ISO 13320-1:1999,Farticle sizc analysis-Laser diffraction methods-Part 1:General prineiples,MOD)2003-04-15发布
中华人民共和国
国家质量监督检验检疫总局
2003-09-01实施
本部分修改采用S013320-1：1999粒度分析激光衔射法本部分与IS0）133201：1999的主要差异是作了编辑性修改。本部分的附录A至附录足资料性附录，本部分由中国有色金属工业协会提出。本部分由全国有色金属标推化技术委员会归本部分起草单位：中南大学粉末治金研究所。本部分土要起草人：寄弃、七华、陈亮、张先韬
GB/T 19077.1—2003
第1部分：总则》。
GB/T 19077.1--2003
ISO前言
因际标准化组！(IS)是各国家标准化团体（IS）成员团体）的一个世界范由的联盟，国际标催的制定工作通常是通过TSO的技术委员会进行的，对束个已成立了技术员会的专业领域感兴趣的成员团都有权参加该委员会。与IS）有联络的官方和非它方的国际组织也参与这项工作，IS们在有关电工技术标化方面与国际电I委员会（1EC)紧密合作。不国际标谁是根据IS)/IFE导则第3部分所作的规定起草的委员会所采纳的国际标准毕案需分发给各成员闭体投票表决，作为国际标准发布时要求至少75%的成员团伴投票批准。
国际标准TSO13320-1是出技术委员会SC)/T(21/S；1（筛子，筛分和其他粒度测试方法）制定的。本国际标所泌及的方法为非筛分法。1S013320在总标题“粒度分析
第1部分：基本原理
第2部分：转换过程的有效性
附录A率D为资料性附录。
激光衍射法“下包括以下部分：引言
GE/T19077.1--2003
现在，利用激光衔射技术的粒度测量方法在许多不同领域得到广泛成用，这项技术的成功基于这样的事实：它能应用于各种颗粒系统中凡速度快、能白动化操作，可使用许多商用设备；但是，设备的正确使用、结果的正确分析都需小心谨慎。因而，有必要针对运用激光衍射技本分析颗粒粒度制定一个标准，H川的是为赖度分析在质量控制方面提供方法。
最初，激光衔射技术并始小角射因此，这一技术还有如下名称：夫限和费（Fraunhafer）衍射讼：一(近似的)正向光线散射法：
一小角度激光散射法I.ALLS)。
但是，这一技术范围凹扩大，包括更人角度范困内的光缴射-除了采用近似理论如关琅利费衔射和不规则衔射外，还州用米氏（Mie)理论：徽光衍射技术基于以下现象：粒子在各个方向产生散射光而形成的光强度图取决十粒子大小。现有设备假定粒子的形状是球形的。图1显示了单个粒了散射谱的特征：育低强避交替变化-进而显示小颗粒散射角度比人颗粒的宽，
图1两种球形粒子的散射图（a颗粒粒径为b颗粒的2倍）在一定限度内，系列粒了的散射图形等同于名个粒子散射图形的普加。通过运用数学叠合法程序俊用光学模型计算单位体积题粒在所选粒意区问的散射图，就可计算出颗粒的体积粒度分范。这一散射图形最接近下所测出的图形(也可参见附录A)。典型的激光衍射装置包括：光源（通常为激光）颗粒分敷装置，测量散射谱的探测器和-台用于控制设备和计算颗粒粒度分布的计算机，需要注意的是，激光衔射技术不能分辨单颗粒和由单颗粒象集成的团粒这两者产生的散射。通常，团粒的最整颗粒粒度与堆集尺寸有关，但有时题粒粒度分布也能反映而单个颗粒的粒度。用于大多数赖粒样品中含有闭粒或凝骤，而人们通常感兴趣的是原始颗粒的粒度分布。因此常在盘前将试样分散成原始颗粒。以前,设备只能用于角度小于14°的散射这就不能应用于测量尺寸约为1μm的小颗粒。受到这样限制的惊内是：颗粒越小,在人角度的散射越明显（从附录A也可看出这-点），现在许多设备能在更大的散射角进行测星，有的达到15这主要是通过应用如更短波长光源、更多更大的透镜和使用两束激光或更大面积及适当数堂的探测器。因此，测量下限可到.1 μm有些设备测革下限可到0.02μm。
粒度分析
激光衍射法
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本部分通过分析颗粒的角度光散射图，对测量意双相系的颗粒粒度分布提供梢导，这些双相系包括：粉未体、水雾、烟雾剂、悬浮液、乳状液以及液体中的气泡等。本标准不针对特定产品的粒度大小测量提出其体要求，可用F测量粒度范围在0. 1eTn-~3 ILrL的颗粒。对于非球形颗粒，内于这一技术假定其光学模型中的颗粒为球形，因此可以获得等效球形粒度分布。这一粒度分布结果可能与基于其他物理原理的测量方法所得结果有所不同（如沉降法，端分法）。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过木部分引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随斥所有的修改单（不包括勘误的内穿容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用下本部分。[SO 9276-1;1990粒度分析结果的表示第1部分：图示法3定义和符号
以下的定义和符号适用于本标推，3.1定义
吸收absorption
光束在媒介中传播时·山下熊量转换而导致的光束强度消减。3. 1.2
变异系数 coefficient of varialion相对测量精度（必）：标准偏差除以总体平均值乘以100(对于标准正态分布，中位值等于平均值）。3. 1.3
复合折射率 N,complex refractive index一个颗粒的拆射率,由实部和虚(吸收)组成：N, p
相对折射率 mrelative refractive index颗粒复合折射率与介质折射率之比：m =Np/nm
重叠合法deconvolution
通过测量散射图而得出全部颗粒粒度分布的数学程序。3. 1. 6
衍射diffraction
光在传播时碰到颗粒阻碍而偏离直线，绕着颗粒轮廓传播，出其几何阴影区的物理现象。3. 1.7
消光extinction
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推媒介中传播的光由于被吸收和放射而发生衰减的现象。3. 1. 8
模型矩阵imodcl matrix
矩阵中包含不间粒度区间的单位体积的光散射矢罩，与探测器的几何形状成比例.从模型计算中得。
多元散射 multiple scattering多个颗粒的光散射图，它不再是单个颗粒散射图的总和（与单儿散射相比)。3. 1. 10
浊度/试样光学浓度obscuration/oplical concentratinn由于颗粒的消光（散射或吸收)而衰减的人射光的白分率。3. 1. 11
光学模型optical model
用」计算模型矩阵中光学均匀球休的理论模型，根据需要常配有某一特楚组合的复合折射率,例如夫和费（Fraunholer)衔射不娩则衔射，米氏（Mie)散射：3. 1. 12
反射reection
遭过表需使光线返回，不改变光的波长。3. 1. 13
折射retraction
光从一种介质进人另-种介质巾，传播方向发生了改变，以而改变了光传播的速度；遵守斯耳折射定律: \maino.n,sing,.
敢射scat1ering
描述光在两种介质界面间改变传播方尚现象的通用术语。3. 1, 15
Escatteringpattern
散射围
因散射而产生的与角度或空间位置有关的光强图（分别为()和()），或者是考虑丁探测元件的灵嫩度和儿问形状的相关能量值，3. 1. 16
单元散射single scattering
单个颗粒对总体散射图的贡献，它完全独立于其他颗粒。3.1.17
正态粒度分布的宽度widthofnormalsizedistribation粒度分布的标难偏差(绝对值)或者变异系数(相对百分比)。往；对于正态分布,15%左存的赖检落在半均值的士2倍标准偏差之内,或者 99. 7%左右的颗粒落在平均值的士3倍标准偏差之内,
3.2符号
额粒体积分数，%：
f透镜的焦距，mta
[（8）题粒光散射（散射图)的角强度分布；（）探洲元件上(通过探测器测量散时图)颗粒光散射的率问强度分布：：表示折射率的虚数部分：
i探测元件n的光电流，pA：
波数，2元/；
颗粒折射率的虚数(吸收)部分t
包含频粒的光照路长度+IITEL:
L光电流的失盘,*+?+
颗粒对介质的指对综合折射率：介质折射率的实部：
颗粒折射率的实部，
N.颗粒的复合折射率；
从焦点到焦面的径向距离，un!
颗粒在十戏分散器中的速度；
颗粒直径，m;
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颗粒的中位径,μm:为体积基准，即50%体积的赖粒直径小于这个值，另50%体积的颗粒直s
轻大于这个值：
表示在累积粒度分布曲线中，10%体积的颗粒直径比此值小，umt表示准累积粒度分布山线中，90必体积的颗粒直径比此值小，111：a无量粒度参数，ra/：
8相对于人射方向的散射确度：
光线在介质中相对丁介质边界垂直方向的角度（见斯涅耳定律，参见折射）：光线在颗粒中相对1颗粒边界垂直方向的角度（见斯涅耳定律，参见折射）：人介质中（液体或气体/空气）光源的波长+nm；在干式分散器中颗粒的旋转速度。ft
A原理
一个有代表性的试样，在装有适当液体或气体的容器中分散成适当浓度，然后使其通过单色光求（通常是激光》，光避到颗粒后以各种角度散射，由多元探测器测量这些光束，并口记录散射图上和应的数值用于随后的分析。然后通过适当的光学模型和数学程序转化记录下来的散射光数据，计算某一粒度赖粒相对于总体积的百分比，从而得出整度体机分布。5激光衍射装置
图中捐述了一个典型的激光衍射装置。在常规衍射装置中，光源（通带都是激光)用来产生单色的、相十的和平行的光束，随后是光束处理单元，通常是带有积分过滤器的一个光束放大器，产生·束折展的近乎理想状态的光束来照射分散的题赖。一个有代长性的试样，分散成足够浓度，与传输介质（腋体或气体）一起通过测量光束区，这个测氧区域成在透镜的有效工作距离之内。有时，颗粒流被激光束直接照射测量，诸如被体制剂，喷雾剂以及体中的气泡，在另外的情况下，诸如乳状液,糊状体和粉末体等典型的试样,能够在合适的液体分散见附录（)。通常用分散剂（润湿剂)和/或机械外力（搅拌超市波）米分散团粒以及稳定分散效果，列于避些搬休分散剂.普遵使用循环系统，它有-一个光学衡最系统，分散器上通带装配搅择器，随声波元件、浆和导梵，
通过十粉分散装置（干式分样器），十粉末转变成悬浮状态，在这过程中机械力用米分散圳粒，同时采用了一个能给分散器定量输送试样的喂料装置。分散装置使用压缩气体的能量或压登能草来分散赖粒，形成悬浮颗粒，通过测量区+悬浮颗粒然后被送进收集颗粒的真空管道的人口。有两种方式使颗粒进人邀光束，一种是在通常情况下，让颗粒在收集透镜（即傅立叶透镜）前面的3
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某：-段有效工作范围之内进人平行光束（见图3a）。在所谓的改博立叶光学系统中，颗粒在收集透镜之后进人会率光束光路（见图31）独度探测器：
鼓治：
·直射光；
-傅文叶选+
未末被透镜4收集的散射光；
粒子，
徽光源：
8-光束处理单元
避镜1的作距离；
一多元探器：
11一透镜1的焦。
图2邀光衍射装置示例
传统测装置（傅立叶光路）的优点是，在透镜T作距离之内充许样品室有一个较宽的路径长度，第一种装置（反傅文叶光路）对样品室的路径长度有一定限制，但能测量到人角度方向的散射光这对于亚微来赖粒是：常布用的。反傅立光路主要用于湿法测，但若通过透镜的焦所合理段计样品池密光然，也可用于于法测尽。
人射光束和题粒的相互作用就形成了不同角度下不同光强的散射图（见附录A），由直射光和散射光组成的光强角度分布I（的），被一个正像透镜或个透镜纠聚焦到多元探測器上，透镜（或通镜组）就会形成一个散射图，在限定范阐内散射图彤状不依赖于光束中的赖粒位置。因此，连续的光强角度分布［（的)在多元探测器上就被转变成一个连续的空间光强分布[（r）。记求的颗粒系统散射图与所有随机相对位置上单个颗粒的散射图的总和是相同的。注意：仅仅在有限的光散射角度范国内的散射光被透镜收集到，同样+这些光才可被探测器探到，探测器一般龙用大量的光电二极管组成，一些仪器使用一个光电二极管与移动狭缝相连结。光电二极管将空问的光强分布I(r)转变成一系列光电流，随后电子元件将光电流转化成一系列强度或能量失量L：并使之数字化，其就代表散射图，中央元件用来测量非散射光的强度，道过计算，进行光学浓度的测量。一些仪器提供一种特殊几何形状的中央元件，以便迅过移动操测器或透镜米进行探鸿器中心定位和再聚焦。必须固定探测器的位置以防止来自于表面的反射光再进入光学系统计算机用来控制测量及储存和控制探测信号-储存和/或计算适当形式的光学模型（通常为一个矩阵模型，它包含单莅粒度的单位体识的光蔽射关量，与探测器的见何形状和更嫩感成比例?及算题粒粒度分布（见附录A),同时计算机也可以用来自动控制仪器：出于仪器的生产广家不同或者同一个公司的型号不同，这就使仪器硬件和软件上疗在着一些重大的差别。具体的仪器都应该有足够正确区别这些益别的信息,在附录 B的介绍中,就提供了激光衍射的详细说明。
探测器：
前沿透镜：
一粒子团，
一作距离：
焦版。
光束］；
一光来2；
反傅文叶遥镜：
-----试样池+
5--探测器阵列1；
探测器阵列2:
探测器阵刻3h
8）悔立叶光路：颗粒在透镜之前井在其工作距离之内的平行光束甲背散射探洲器阵列
h)反假立叶光路：颗粒位士遥镜与探测器之间的会亲光束里图3激光衍射装置示例
6操作步骤
6. 1准备工作
6. 1. 1仪器安装
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仪器应该放在一个十净的环境中，并目此环境避免过多电下优和机械振动，以及温度变动和直接光照。操作区应足通风的·仪器应有一个刚性光学平台，或者应放在·一个固定的桌子或凳子上，以避免光学系统频繁的对光调整，
警告：仪器发射系统配备-个低电压激光源，它能导致眼晴永远的伤害.不要去看激光束的直射光或者它的反射光：避免用反射面划断激光束。必须工解当激光发射帮的安全指用：6. 1.2分散液体
任何一种巴知折射率的光学透明液体都可以使用。这样，许多液体都可作为粉末的液体分散剂，附录心介绍了对分散羧的要求。如果-种有机液体用作分散剂，那么要遵寸当地健康和安全规章。当使用高蒸气压的液体时成使用槽盖.以防止在超声波浴上方形成危险的热气率集和/或在流体中由于蒸发产生低温区而导致折射率的波动。
6. 1. 3分散气体
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对于十分散剂和喷雾容器，有时使用压缩气体，它必须不含油、水和微粒。为此，底使用一个带过滤器的干燥器，任何真空单元都应与测量区离开，以便输山的热空气不会影响到测量区。应防风，以免干扰犹颗粒流的稳定，
6,2试样检查、准备、分散和试样浓度6.2.1试样检查
用耳视或借助显微镜检查要分析的试样，首先估计试样的粒度范围和颗粒形状，然后，捡在颗粒是否已充分分散。
如果所分析的试伴对于材料某一批具有代表性并已被充分分散，则其所测得的粒度分布结果仅对所代表的那·批试样有效。
6.2.2试样准备
对于！粉末，过适当分样技术（例旋转分样技术），束制备一个具行代表性的和体积合适的试样以备训量。如果需要非常少量的试样或者在湿粉末情沉下，可从混合得常好的成样产剂中取得部分试样。普剂可避免取样出错，剂是作混合时用个勺逐滴向试样中滴加分散剂而形成的。只要混合物形成块状物，就应一滴一滴增加分敬剂，并且加人每滴后都要继续混合。音剂的最好样式就像蜂蜜或牙。如果出于出错而使混合料变稀，那么它就小能使用.须重新制作，如果最人粒度超过了测量范围，那么须预先除去原料中太粗的颗粒，例如预先筛分，在这种情况下须确定并记求除去的数量或百分比，虫于对水雾烘雾刻、液体中的气泡想通过取栏或释释而不改变其颗粒度分几乎不太能，册此只要它们浓度适当（见6.2.3和6.2.1)，就应对它们直接测量。6.2.3试样分散
6.2.3.1十粉末可在空气或液体中分散。分散过程应符合测基月的-比如必须确定星否测定团粒或把甜粒破碎成切始颗粒，
6.2.3.2应使用一个合适的干分傲器：一般使用压缩空气或真空作为分散剂，它们通过剪应力和题粒与题粒之问或颗粒与器壁之间的机械分散力相结合（见图4）。对1干分散，应测量其有代表性的试伴，注意试样数氧要足够多，这样能在·个较宽的粒度分布范围内测量，从而克服粗颗粒较差的统计代表性。既要做到单个颗粒不要被破碎，又要使整个试样分散良好。通常用下分散剂与用腋体分散剂相比较，在理想情况下的结果应是致的。另外种方法就是通过改变分散能量（例如初始空气压力）来显示粒度分布的变化，检查分散和被碎的程度。通常开始时随着分散能的增大.分蔽程度提高，细粉的数量增多，当到达稳定态时，粒度分布将不随能量增高而变。继续增大扩散能时，由于颗粒的破碎而使细粉的数重新增加，在某些场合，以高流速通过一个台阶时，也能发现成团现象。稳定平台的中心表明有最佳分散能，但是要注意，这种稳定态并不经常被发现（例如对于那些高度团或者易碎的题粒）。）剪力产生的速度梯度
b）粒了间的碰撞
）粒子与间的证
图4粉末干分散过程
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6,2,3. 3对于液体分散剂的准备,一系列被体都可应用。附录C提出『一些要求和建议。一般而言，制成高剂、搅拌和超声波都很容易使液休的颗粒很好分散。第一步通过规觉（或显微镜）检查悬浮液的分散情况，也可直接在激光衍射仪器中对悬浮液进行测量.测量时伴随适当的超声波据动。如果试样充分分散并且题粒不易碎或不可溶,测量的粒度分布应没有太人变化，为广测量的可重现性，试样的最小体积应随着粒度范围的增宽而增加-以便足够数章的大颗赖不被漏掉，因此，超出试样光学浓度，需要增加悬浮这些试样的液体的体积。例如,试样的粒度范用大约在 2 μm～~200 um,则需要至少 E00 trl. 悬浮剂来分散至少 0. 3 mL 试样。并且在次测量过程中测呈时间或者探测器读出的数据成足以保证测最的精确度，适当的测量条件应根据实验需求的测量精度建立.。6.2. 4试样浓度
在分散剂颗粒液度应大于某-最小值。对十许多仪器，为了在探测器中得到一个可接受的信噪比，至少要5%体积分数。同样它也应有浓度限，为了避免多元散射（光接连被多个颗粒散射），刘那些大于2门μm的颗粒，浓度上限约为%。基于同样的现由+对于小于20m的颗粒,其浓度值虚保持在15%以下，一般来说，多心散时在较大散射角时出现。若没行多元散射校止，细的计算数量将超过真实值。如果一定要在高浓度下工作的话，应纠正多元散射带米的识差，否则将会出现系统设差5中提供了初让估计的度。
[—,限：
2F限。
轮径/m
激光衍射系统中对于窄范围分布的典型粒子浓度上下限与粒子大小的函数[测置路径2mm（对数横坐标与纵坐标)图5虽仅仅作为一个例子,供是说明最佳浓度与颗粒粒度是有--定比例的。对于较小颗粒,需要较低的浓度。例如,在带右 2 mm 测量路径的镜头内，直经约为 1 um 的题赖+需要的测量浓度约为(0.002%：然面对于颗粒直径为100m的颗粒则需要大约0.2%的浓度。因此，颗粒粒度的分布宽度影响最佳的试样测罩浓度。而且，如图5所示的浓度范围，受到求口激光束宽度、量区的路径长度、颗粒的死学特正和探测器单元的摘度的影响。基于以上观点，对于征何典型试样的原料，为了确楚其颗粒最佳浓度范围,应在不同颗粒浓度下进行多次测最。
6. 3 测量
6.3.1程序
一个典型的通过激光衍射来测定颗粒粒度分布的测量由以下几步构成：月）打开仪器，建立空白测量值在选择个合适的颗粒粒度范围和光学部分正确对光之后对无颗题粒的介质进行空白值测量，这些信号值被储存下来，在H后的试样测最过程中，这些空门值被从试样获得的数据中去除而行到纯试样测GB/T 19077.1—2003
愈的信号位。
b）分散试样散射图的测量
大体上..每次测量时间允许在很短的附间间隔内完成多次探测扫描，典型的用2s进行1000次描。对于每·个探测单元，都可计算出一个平均信号值.有时还给出标准偏差。数据储存在计算机存储器中。每个探测器元件上的信号强度取决」探面积、光的强度及其转化成电信号的效率。探测性的调平座（大小和位胃）和透镜的焦距决定若各元件的散射角范用。一般米说，所有这些因索都由设计「家决定并存储在计算机中，
大多数仪器也测量中心激光束的强度，分散试样和空白实验之间的差别作为浓度值给出，这个值就表示了散射光总量和颗粒浓度c）合适光学模型的选择wwW.bzxz.Net
最常使用的是大琅和费理论或者米氏理论。有时用其他些近似理论来进行散射矩阵的计算，当用米氏理论时，颗粒和介质的折射率或它们的比率都应输入仪器、用它们来进行矩阵模型的计算（见随录D）。选取折射率的虚数部分的较小值(0.01i~0.1i)用来克服颗粒表面粗髓所带来的影响。注：茗假定的复介折射率有微小差别，则会导致颗粒较度分布的显著差异。为了得到真实且可追溯的结果，必须知道所使用的折射率值。）将散射图转变成颗粒粒度分布对一个给定的颗粒粒度分布，重叠合法的步骤是进行散射图的反向计算。事实上，测量数据总含有一些随机的和系统的误差，可导致错误的粒度分布结果。不同的仪器采用不尽相同的数学处埋程序，它们包含了衍射图的实测值与计算值间的权偏差（例如.最小平方）、一些约束条件（例如.颗粒数量必须是正的）和/或粒度分布曲线平滑化。某些程序用观察到的探测信号的变化来进行这些数据的适当加权和计算颗粒粒度分布的可信度区间。6.3.2注意项
在开始测量前和测量中的任何时候，都应邀守说明书上给出的相关说明，下而的事项应引起重视：a）在打开仪器电源前要明确所有系统的元件部已正确安装：所有颗粒分散装置和传输发置（诸如超市波浴、于分散器、真空人和真空室)都应接地，以防止由十静电反应引起有机溶剂或炙尘爆炸，
b）打开电源后，应给予充足时间使仪露稳定气体激光（诸如HeNe激光）通带都要半个多小时以上的预热时间。
检查仪器状况。如果需要的话，确定需要的测鼠范固和透镜。通过观探测器的强度，确定探测器已对中并位于透镜的燃面位骨。没有颗粒时，在仪器的基…安装方式和处散装置下的背景识岑应该在特定范围之下。如果不是这种情况·必要的话要检查和清洗光学元件以确保仪器正常运转，
d）确定颗粒通过激光束时是在透镜的特定工作距离之内，以使所有颗粒的相散射光线能射到透镜，再聚焦到探测器上成像（这样避免了渐晕效应）。用已知粒度分布的标准试样在规定的时间间隔内对仪器进行校准，使夜器的精确性和准确性e)
都衍合要求（参见 6. 4 和 G. 5. 2)。如果尼避式分散，则要检查分散剂中无空气池。应避免使用泡沫洗涤剂，f
g）如果为干式分散，通过视觉或随后浓度值的检食，分散器剂量装置应产尘跑定的物质流。h）对于烟雾和水雾，决不允许有口光直接地或经由赖粒散射进人探测器，并且颗粒或液滴的流动应是均勾的，
i）如果可能的话.检查光学模型对粒粒度分作的影响（相对折射率），尤H对有大部分粒子直径小于10m的试样来说更应如此，
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