DE69020298T2

DE69020298T2 - Verfahren zur Klassifizierung von Teilchen.

Info

Publication number: DE69020298T2
Application number: DE69020298T
Authority: DE
Inventors: Barry John Downing; John David Salter
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2010-10-20
Also published as: CA2027949C; EP0424167B1; CA2027949A1; BR9005278A; EP0424167A3; ATE124138T1; EP0424167A2; AU6483290A; US5124662A; JPH03183934A; AU625588B2; KR910008405A; DE69020298D1; KR0162898B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klassifizieren von Teilchen.
In den Britischen Patentanmeldungen 2211299A und 2230099A wurde bereits vorgeschlagen, als Klassifikationskriterium zum Klassifizieren von Teilchenmaterial die Veränderung der dielektrischen Konstante eines Hohlraums zu verwenden, die durch das Vorhandensein eines zu klassifizierenden Teilchens in dem Hohlraum verursacht wird. In jedem Fall wird der Hohlraum, während das Teilchen in ihm angeordnet ist, einem Überstreichungs-Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt, und die von dem Hohlraum durchgelassenen Signale werden detektiert und analysiert. Anschließend werden die Teilchen klassifiziert und daraufhin eventuell entsprechend der durch das Vorhandensein des Teilchens bewirkten Veränderung der dielektrischen Konstante des Hohlraums in Gruppen sortiert. Die Veränderung der dielektrischen Konstante manifestiert sich als Veränderung der Resonanzfrequenz des Hohlraums oder als Veränderung der Amplitude des übermittelten Signals bei Resonanz.
Die elektromagnetische Strahlung wird plan polarisiert und dem Hohlraum derart zugeführt, daß ein bestimmtes elektrisches Feld in dem Hohlraum entsteht. Das elektrische Feld existiert in einer bestimmten Verteilung, und die Auswirkung auf die dielektrischen Eigenschaften des Hohlraums ist abhängig von der Form und der Ausrichtung des Teilchens und seiner Beziehung zu der betreffenden Verteilung des elektrischen Feldes. Somit verursachen unterschiedliche Formen und/oder Ausrichtungen von Teilchen aufgrund der unterschiedlichen Verhältnisse zu dem betreffenden, in dem Hohlraum vorhandenen elektrischen Feld Ungenauigkeiten bei der Klassifizierung.
US-A-4 211 970 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, die dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6 entsprechen und zum Bestimmen des Wassergehaltes isotropischer Proben vorgesehen sind. Das Material wird in einem zylindrischen Behälter plaziert, der drehbar in einer zylindrischen Schwingkammer gelagert ist. Durch Mikrowellenkoppler, die an winklig beabstandeten Positionen an der Kammer befestigt sind, wird der Kammer Mikrowellenstrahlung zugeführt. Die ausgesandte Strahlung wird detektiert und zum Bestimmen des Wassergehaltes der Probe verwendet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Klassifizieren eines Teilchens geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Plazieren des Teilchens in einem Hohlraum, Übertragung eines Überstreichungs-Frequenzbereiches plan polarisierter elektromagnetischer Strahlung durch den Hohlraum, Detektieren und Analysieren der von dem Hohlraum durchgelassenen Signale und, entsprechend einer durch das Vorhandensein des Teilchens in dem Hohlraum verursachten Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Hohlraums, Zuweisen einer Klassifikation zu dem Teilchen, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektromagnetische Strahlung in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen durch den Hohlraum geschickt wird und das Teilchen mindestens zeitweilig in der Mitte des durch das Ausgeben der Strahlung erzeugten kombinierten elektrischen Feldes angeordnet ist.
Bei der bevorzugten Version der Erfindung ist der Hohlraum kubisch ausgebildet, und das Teilchen ist mindestens zeitweilig in der Mitte des Hohlraums angeordnet.
Bei Verwendung zum Sortieren kann ein Strom von Teilchen nacheinander in einer Richtung, die von einer Ecke der Kubus-Gestalt zu der ihr diagonal gegenüberliegenden Ecke verläuft, durch die Mitte des Hohlraums geschickt werden.
Bei dem als Kubus ausgebildeten Hohlraum kann dem Hohlraum plan polarisierte Strahlung in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen zugeführt werden.
Vorzugsweise liegt die Strahlung im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Das Teilchen kann entsprechend den detektierten Veränderungen der Resonanzfrequenz des Hohlraums, der Signalamplitude bei Resonanz oder des Q-Faktors klassifiziert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Klassifizieren von Teilchen geschaffen, die einen Resonanz-Hohlraum, eine Einrichtung zum Plazieren jedes Teilchens in dem Hohlraum, eine Einrichtung zum Übertragen eines Überstreichungs-Frequenzbereiches elektromagnetischer Strahlung durch den Hohlraum bei in dem Hohlraum befindlichem Teilchen, und eine Einrichtung aufweist, die von dem Hohlraum durchgelassene Signale detektiert und analysiert und dem Teilchen entsprechend einer durch das Vorhandensein des Teilchens in dem Hohlraum verursachten Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Hohlraums eine Klassifikation zuweist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ausgabe-Einrichtung elektromagnetische Strahlung in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen durch den Hohlraum schickt, und daß die zum Plazieren des Teilchens in dem Hohlraum vorgesehene Einrichtung das Teilchen mindestens zeitweilig in der Mitte des durch das Ausgeben der Strahlung erzeugten elektrischen Feldes anordnet.
Bei einer Ausführungsform des kubisch ausgebildeten Hohlraums ist an einer Ecke des Hohlraums eine Eintrittsöffnung und an der diagonal gegenüberliegenden Ecke eine Austrittsöffnung vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist, die einen Strom von Teilchen nacheinander in einer von der Eintrittsöffnung zu der Austrittsöffnung verlaufenden Richtung durch die Mitte des Hohlraums schickt.
Im folgenden wird ein Beispiel der Erfindung anhand der Figur, die ein schematisches Schaubild einer ersten Ausführungsform zeigt, detailliert beschrieben.
Die Figur zeigt einen kubisch ausgebildeten Hohlraum 10, der an einer Ecke eine nicht abstrahlende Eintrittsöffnung 12 und an der diagonal gegenüberliegenden Ecke eine nicht abstrahlende Austrittsöffnung 14 aufweist. Teilchen 16 einer Teilchenmasse, die klassifiziert werden soll, werden in einer diagonal von der Eintrittsöffnung 12 zu der Austrittsöffnung 14 verlaufenden Richtung durch die Mitte des Hohlraums 10 geschickt. Dies kann in einer beliebigen geeigneten Weise erfolgen, beispielsweise indem man die Teilchen nacheinander durch Schwerkraft den gewünschten Weg entlang fallen läßt. Die Teilchen können als Strom, bei dem die Teilchen in Stromrichtung voneinander beabstandet sind, auf einem Förderband organisiert und dann in freiem Fall derart von dem Förderband abgeworfen werden, daß sie nacheinander durch den Hohlraum 10 fallen.
Ein Sensor 20 ist vorgesehen, um zu detektieren, wann ein Teilchen 16 in den Hohlraum eintritt, und um ein diese Tatsache angebendes Signal an einen zentralen Prozessor 22 zu übermitteln. Als Reaktion auf das Signal von dem Sensor 20 aktiviert der Mikroprozessor 22 gleichzeitig drei Mikrowellengeneratoren 24, die über drei geeignete Übertragungsleitungsstrukturen 26, welche an verschiedenen Flächen des kubischen Hohlraums 10 angeordnet sind, in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen jeweils einen Stoß oder eine kontinuierliche Welle plan polarisierter Mikrowellenstrahlung an den Hohlraum ausgeben. An gegenüberliegenden Flächen des kubischen Hohlraums 10 sind Mikrowellendetektoren 28 angeordnet, die die von dem Hohlraum durchgelassene Strahlung detektieren und dem Prozessor 22 die detektierte Strahlung angebende Signale zuführen.
Die Übertragungsleitungsstrukturen 26, die Detektoren 28, die nicht abstrahlenden Öffnungen 12 und 14 und die Seitenbemessung des kubischen Hohlraums 10 sind sämtlich entsprechend dem betreffenden Frequenzbereich und in Übereinstimmung mit bekannten theoretischen Prinzipien gewählt. Bei einer typischen Testvorrichtung weist die Kubus-Gestalt eine Seitenlänge von 300 mm auf, und die Öffnungen 12 und 14 weisen eine Seitenlänge von ungefähr 70 mm auf. Diese Abmessungen hängen selbstverständlich in jedem konkreten Fall von den Abmessungen der Teilchen ab, die von der Vorrichtung klassifiziert werden sollen.
Der zentrale Prozessor 22 analysiert die Signale von den Detektoren 28 und klassifiziert das Teilchen. Bei einer Teilchensortiervorrichtung kann der Prozessor 22 derart ausgebildet sein, daß er eine an einer stromabwärtigen Position angeordnete Separierungseinrichtung 30 betätigt, um die Teilchen entsprechend den ihnen zugewiesenen Klassifikationen in Gruppen zu unterteilen. Gemäß einem Beispiel kann die stromabwärtige Separierungseinrichtung ein Fluidausstoßsystem aufweisen, das zu einem geeigneten Zeitpunkt einen kurzzeitigen Ausstoß von Fluid, typischerweise Luft, abgibt, um bestimmte Teilchen 16A, indem sie aus dem Fallstrom von Teilchen heraus abgelenkt werden, von den übrigen Teilchen 16B abzuscheiden.
Bei jedem Stoß oder der kontinuierlichen Welle von Mikrowellenstrahlung ist das elektrische Feld rechtwinklig zu der Richtung der Ausbreitung der Strahlung durch den Hohlraum angeordnet. Normalerweise besteht eine Überlappung oder gegenseitige Beeinflussung der drei elektrischen Felder, die durch die drei separaten Impulse oder die Wellen erzeugt werden, wobei sich das größe Feld in der Mitte des Hohlraums befindet. Somit sind die sich durch die Mitte des Hohlraums bewegenden Teilchen in der Mitte sämtlichen drei Feldern ausgesetzt. Folglich hat die exakte Gestalt oder Ausrichtung des Teilchens, die - aufgrund der Verteilung des Feldes - eine spürbare Auswirkung auf ein einzelnes Feld haben könnte, kaum eine Auswirkung auf die kombinierten Reaktionen der drei Detektoren 28. Anders ausgedrückt, werden, indem das Teilchen durch drei zueinander rechtwinklige Felder geschickt wird, die Gestalt und die Ausrichtung des Teilchens in der Kombination der dem Prozessor 22 zugeführten Signale praktisch herausgemittelt.
Der Mikroprozessor führt einen Klassifikationsvorgang durch, der auf einem oder mehreren aus einer Vielzahl verschiedener Kriterien basiert, die mit der aufgrund des Vorhandenseins des Teilchens in dem Hohlraum entstehenden Veränderung von dessen dielektrischen Eigenschaften zusammenhängen. Die Basis kann beispielsweise eine Veränderung der Resonanzfrequenz des Hohlraums, eine Veränderung der Amplitude des bei Resonanz abgegebenen Signals oder eine Veränderung des Q-Faktors bei Resonanz sein. Selbstverständlich führt bei der Vorrichtung der Prozessor 22 den Klassifikationsvorgang unter Verwendung einer Kombination der von den drei Detektoren 28 empf angenen Signale durch.
Der Hohlraum 10 kann, falls gewünscht, eine geteilte Konstruktion aufweisen, wie in der Britischen Patentanmeldung 2230099A beschrieben ist, deren Inhalt hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist. Die Trennung verläuft in diesem Fall entlang einer den Hohlraum diagonal teilenden Ebene.
Die gezeigte Vorrichtung ist geeignet zum Sortieren von Partikulat oder Material in Gruppen. Gemäß einem bestimmten Anwendungsbeispiel können Diamanten oder diamanttragende Teilchen schnell und effizient von Nichtdiamant-Teilchen separiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Klassifizieren eines Teilchens (16), mit den folgenden Schritten: Plazieren des Teilchens (16) in einem Hohlraum (10), Übertragung eines Überstreichungs-Frequenzbereiches plan polarisierter elektromagnetischer Strahlung durch den Hohlraum (10), Detektieren und Analysieren der von dem Hohlraum (10) durchgelassenen Signale und, entsprechend einer durch das Vorhandensein des Teilchens (16) in dem Hohlraum (10) verursachten Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Hohlraums (10), Zuweisen einer Klassifikation zu dem Teilchen (16), dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen durch den Hohlraum (10) geschickt wird und das Teilchen (16) mindestens zeitweilig in der Mitte des durch das Ausgeben der Strahlung erzeugten kombinierten elektrischen Feldes angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchen (16) mindestens zeitweilig in der Mitte eines kubisch ausgebildeten Hohlraums (10) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von Teilchen (16) nacheinander in einer Richtung, die von einer Ecke des Hohlraums (10) zu der ihr diagonal gegenüberliegenden Ecke verläuft, durch die Mitte des Hohlraums (10) geschickt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt des Ausgebens eines Überstreichungs-Frequenzbereiches plan polarisierter elektromagnetischer Strahlung auf den Hohlraum (10) ein im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums liegender Überstreichungs-Frequenzbereich plan polarisierter elektromagnetischer Strahlung ausgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Teilchen entsprechend einer detektierten Veränderung der Resonanzfrequenz des Hohlraums (10), der Amplitude des durchgelassenen Signals bei Resonanz oder des Q-Faktors eine Klassifikation zugewiesen wird.

6. Vorrichtung zum Klassifizieren von Teilchen (16), mit einem Resonanz-Hohlraum (10), einer Einrichtung zum Plazieren jedes Teilchens (16) in dem Hohlraum (10), einer Einrichtung (24,26) zum Übertragen eines Überstreichungs- Frequenzbereiches elektromagnetischer Strahlung durch den Hohlraum (10) bei in dem Hohlraum (10) befindlichem Teilchen (16), und einer Einrichtung (28,22), die von dem Hohlraum (10) durchgelassene Signale detektiert und analysiert und dem Teilchen (16) entsprechend einer durch das Vorhandensein des Teilchens (16) in dem Hohlraum (10) verursachten Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Hohlraums (10) eine Klassifikation zuweist, dadurch gekenzeichnet, daß die Ausgabe-Einrichtung (24,26) elektromagnetische Strahlung in drei zueinander rechtwinkligen Richtungen durch den Hohlraum (10) schickt und die zum Plazieren des Teilchens (16) in dem Hohlraum (10) vorgesehene Einrichtung das Teilchen mindestens zeitweilig in der Mitte des durch das Ausgeben der Strahlung erzeugten elektrischen Feldes anordnet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (10) kubisch ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kubisch ausgebildete Hohlraum (10) an einer Ecke eine Eintrittsöffnung (12) und an der diagonal gegenüberliegenden Ecke eine Austrittsöffnung (14) aufweist, und daß die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist, die einen Strom der Teilchen (16) nacheinander in einer von der Eintrittsöffnung (12) zu der Austrittsöffnung (14) verlaufenden Richtung durch die Mitte des Hohlraums (10) schickt.