毛细管成像法及其在液相扩散系数测量中的应用

在玻璃毛细管内充入待测折射率的液体介质后构成一个具有柱透镜功能的成像元件，以此为核心元件组成测量微量液体折射率的毛细管成像系统。用衍射光学方法处理毛细管成像系统，结合几何光学的分析方法，有效地减小成像系统的成像景深并提高折射率测量的灵敏度、改善毛细管成像系统的折射率空间分布测量能力。用此毛细管构成液相扩散池，利用毛细管成像法具有的折射率空间分布测量能力，研究液相扩散过程并测量扩散系数。为准确地测量液相扩散系数，以正交柱透镜成像方式为基础，提出了以溶液折射率为不变量的"等折射率测量法"；以双球透镜成像方式为基础，提出了以毛细管观察位置为不变量的"等观察高度测量法"。两种测量方法都可以消除扩散过程的时间零点和位置零点的测量误差，提高扩散系数测量结果的准确性。毛细管成像法在测定液相扩散系数中的成功应用，可以在扩散系数的测量方面，形成一种从基本测量方法到核心测量技术的完全自主知识产权。

液相扩散系数是研究传质过程, 计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据。玻璃毛细管是由四个同轴球面构成的轴对称成像元件，具有柱透镜的成像功能。在玻璃毛细管内充入待测折射率的液体介质后，就构成一个具有折射率空间分辨测量能力的成像系统。本项目以玻璃毛细管为核心元件，用项目组发明的“等折射率薄层移动测量法”和“等观察高度测量法”测量了多种溶液的液相扩散系数。研究中发现，玻璃毛细管作为一个关键的成像元件，存在折射率灵敏度不高，成像的球差突出和液芯折射率的分辨能力较差的问题。为了解决这些问题，我们设计并制作了非对称液芯柱透镜。用非对称液芯柱透镜替代玻璃毛细管，测量系统的折射率灵敏度从10mm/RIU提高到300mm/RIU；球差从近100um减小到5um，接近系统的衍射极限；液体折射率的分辨能力从1.5*10-3RIU提高到5*10-5RIU。用非对称液芯柱透镜作为成像元件和扩散池，测量液相扩散系数的溶液折射率差值从玻璃毛细管的0.1RIU降低到0.01RIU；测量时间从传统测量方法所需的几个小时，大幅度地减少到几秒钟。可以说，经过项目组的努力，用非对称液芯柱透镜通过成像分析测量液相扩散系数的方法已经接近成熟，非常可能取代传统测量方法，成为一种快速、准确地测量液相扩散系数的新方法。本项目发表期刊论文25篇（SCI：8篇，EI：12篇，中文核心：3篇，其它：2篇）；获得国家专利13项（发明专利：5项，实用新型专利：8项）；获得云南省自然科学二等奖1项；获得宝钢优秀教师奖1项；获得云南省高校教学名师称号1人；培养研究生10人。项目完成了规定的研究工作，基本实现了预定的研究目标。