利用紫外激光感生电流表征食用糖的粒径

中文题目：利用紫外激光感生电流表征食用糖的粒径

论文题目：Potential of ultraviolet laser pulse-induced current for characterizing the grain size of table sugar

录用期刊/会议：Heliyon (JCR Q2)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e21195

录用/见刊时间：2023-10-18

作者列表：

1） 刘学聪 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博22

2） 赵   昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师

3） 苗昕扬 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师

4） 詹洪磊 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程系教师

摘要:

本文提出了一种测试随机堆积颗粒大小的新方法——激光诱导电流（Laser-induce current，简称LIC）。使用纳秒脉冲紫外激光诱导糖的等离子体，并通过外加偏压测量LIC的变化。随着糖粒径的增加，LIC呈现谷状行为，粒径在250-380微米的临界范围时，LIC随外加偏压变化的斜率为0.031 nA/V。外加5 V偏压，当粒径大于550微米和小于180微米时，LIC变化的强度分别比临界范围时增加30%和27%。研究表明，这种现象源于颗粒形态、热力学和力学性质之间的相互作用，LIC方法可以在低功耗情况下，非接触式测量颗粒大小。

背景与动机:

人们对于食品的质量和安全性越来越关注，食品颗粒大小是评价其质量的一个重要指标。然而，传统的粒径测试方法需要使用一些昂贵且复杂的仪器，且需要消耗大量的能量，不够环保。因此，需要一种新的、低耗能的方法来测试食品的粒径大小。

设计与实现:

图1（a）为实验测试示意图。将样品颗粒均匀地填充到石英比色皿中，使用KrF准分子激光器在室温下辐照样品，用Keithley2400源表提供偏压并监控激光感生电流响应。图1（b）为11个激光脉冲辐照时的LIC响应，其平均值为10.39 nA。所选迹线几乎是三角形和对称的，峰值、10%–90 %上升时间、半高宽分别为10.25 nA、0.09 s、0.11 s。

图1（a）LIC响应测试示意图（b）外加偏压200 V、单脉冲激光能量33.9 mJ时的LIC响应结果

实验结果及分析:

如图2所示，随着糖粒径的增加，LIC呈现谷状行为，粒径在250-380微米的临界范围时，LIC非常弱。粒径小于180微米时，LIC变化的强度比临界范围时增加130%（外加100 V偏压）和27%（外加5 V偏压）。在这种情况下，等离子体产生和膨胀过程中的能量是LIC信号的主要贡献者。等离子体发射取决于晶体尺寸，较小尺寸的晶粒导致激光烧蚀中更高的蒸发效率，并形成具有更高温度和更高密度的等离子体。因此，当粒径小于临界范围时，LIC随粒径尺寸的减少而增加。

当粒径大于550微米时，LIC变化的强度比临界范围时增加73%（外加100 V偏压）和30%（外加5 V偏压）。在这种情况下，屈服应力大于等离子体产生和膨胀的能量过程施加的冲击压力，糖表现为弹性固体，有助于形成高温和高密度的等离子体，从而产生更高的LIC。

图2 不同偏压下糖的LIC与颗粒直径的依赖关系

结论:

粒度分析对于提高糖的质量至关重要。本文提出了用于颗粒度表征的非接触、低功耗LIC检测方法，建立了测试等效电路模型，阐明了激光-糖相互作用机理，揭示了糖的粒径大小与LIC之间的关系。LIC方法有望为研究食品的质量和安全性提供重要参考。

作者简介:

刘学聪，博士研究生，研究方向为油气光学探测技术。在IEEE Sens J、IEEE Trans Instrum Meas、Opt Laser Technol等期刊发表论文15篇，其中第一作者SCI论文6篇。获第十三届王涛英才奖学金、2023年中国仪器仪表学会学术年会优秀学术成果、国际光电科学与前沿技术研究生创新论坛特等奖。

通讯作者简介:

赵昆，教授，控制科学与工程学科博士生导师，研究方向为油气光学探测技术与智能制造。