JP3905737B2

JP3905737B2 - 干渉システム

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Publication number: JP3905737B2
Application number: JP2001318358A
Authority: JP
Inventors: ドガリウアリスタイド; ポペスキュガブリエル
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2002181510A; US6590664B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子を含む液体ベースのシステムに関し、特に混合物体中の粒子を特徴づけるシステムと方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くのプロセスおよび製品が、溶解していない粒子を含む液状媒体（liquid media）を有する。液状媒体中のこのような粒子の量と特性は、設計により規定されたり、あるいは制御不可能な特性であったり、あるいは冷却、潤滑、研磨、洗浄等のプロセスにおいて、液状媒体の使用から得られる副生産物であったりする。このような粒子を含むプロセスあるいは製品の効率は、このような粒子の濃度あるいは特性が所定の条件（時には理想的な条件）を満たしたときに最適となる。
【０００３】
未溶解の粒子を含む液状媒体の種類は、産業用あるいは家庭用の両方に幅広く広がっている。たとえば血液、消費可能な流体、産業上の廃棄物（水）、潤滑剤、スラリ等を含む。本発明の一実施例は、表面を研磨するのに用いられる種類の表面剥離性のスラリである。より予測可能な剥離特性を具備させるために、このような液状媒体中の粒子のサイズと濃度を特徴づけることが好ましい。
【０００４】
しかしある種のアプリケーションにおいては、粒子のサイズと濃度の分布は、大幅に変動する。これらのパラメータの変動は、特に製造プロセス中で監視することは非常に困難あるいは面倒なことである。ある例においては、粒子のサイズの分布は、プロセスの結果の均一性は安定しておらず受け入れられない。この不安定さは、時には混合物特有の特徴である。制御したり、あるいは少なくとも監視することにより、力学的にプロセスがより予測可能かつ再現可能となり、かくして製品の製造に、より高い経済的効率を付加することになる。
【０００５】
剥離性液状媒体においては、粒子のサイズの分布が好ましい値からずれることはそれほど珍しいことではない。このような状況下においては、このような変動を許容可能な範囲内に確保するために、検査を実行することが好ましい。初期の検査方法は、顕微鏡等の従来の解析機器を用いている。しかし、動作中に検査するためには、同じ解析方法／装置を適用することができず、かくしてこのような検査は、目視検査に限られる。蓄積した残留物の観測は、混合物の組成が変化していることを間接的に示すだけである。
【０００６】
混合物の不安定性は、大量生産においては特に問題があり、すなわち大量生産は製品毎の再現性が高いレベルで要求されるからである。例えば、時間を限った研磨操作は予測可能な結果が得られると期待されているが、研磨媒体の摩擦特性の変動は、研磨速度の変動と同様に変化し、その結果被研磨物からの材料の過剰な除去につながり、時にはワークピース／被研磨物そのものに非均一性が発生してしまう。多くの製造上のアプリケーションにおいては、媒体の特性の変動は、製造ライン中の監視を必要とするようなペースで発生する。しかし前述したように、従来の監視技術は、製造ライン中のアプリケーションには不向きなものである。
【０００７】
さらにまたプロセスのステップに対する仕様がますます厳しくなるにつれて、従来の技術は、受け入れがたい変動を十分に解決するような機能を有していない。他方では、液状媒体の属性、例えば粒子サイズの分布、沈降速度（rate of sedimentation）、凝集速度（rate of agglomeration）等は、十分な精度でもって知られているが、液状媒体中に懸濁した粒子を用いる様々なプロセスが、かなりの精度でもって開発されている。比較的正確かつ時間に依存した結果を得るために、定量的特徴化を実行する速度を改善する必要がある。本明細書においては、用語速度、レート、割合はほぼ類似の定義で用いている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
好ましい特性を維持するために、潤滑媒体内在る粒子の大きさと量を最小にする、あるいは少なくとも監視することが望ましい。かくして特定の物質の濃度あるいはサイズが、あるレベル以上になったときに、潤滑剤を取り替えるか、あるいは再度調整することができる。より一般的に述べると、液状媒体中に未溶解の粒子が入り込むのを監視するのが望ましい。これらの特性を連続的に監視する製造ラインで、材料を適切な時期に取り替えたり、保守作業を容易にし、装置の寿命あるいは効率をのばすことができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、本発明は、液状媒体中に懸濁された複数の粒子を含む混合物の特性を監視する方法を提供する。本発明により、コロイド状懸濁液（物）を監視する光学システムが得られる。本発明により、コロイド状懸濁液（物）内の粒子の特性を決める干渉システムと方法が得られる。
【００１０】
本発明の一実施例によれば、液状媒体中に懸濁した複数の粒子を含む混合物の特性を監視する方法が開示される。１未満のコヒレンス（coherence）を有するソースから、第１と第２の放射光部分が生成される。干渉信号が、第１放射光部分が基準パスを通過し、第２放射光部分が混合物内（にのびるパス）を通過した後、これらの部分を組み合わせることにより干渉（光）信号が生成される。
【００１１】
本発明の他の実施例によれば、コロイド状懸濁物（液）を監視する光学システムが得られる。本発明の光学システムは、懸濁液が機械的なシステム内で循環しながら、懸濁液のサンプルを受け入れるよう配置されたチェンバを有する。干渉計を配置して、基準放射光信号と懸濁液の特性を示すサンプル放射光信号とを組み合わせることにより、干渉パターンを生成する。
【００１２】
本発明の干渉システムは、第１と第２のカプラを具備した、第１、第２、第３の光ファイバを有する。第１カプラは、第１ファイバを通過した放射光を受光するよう構成され、第２ファイバを通して第１放射光部分を、そして第３ファイバを通して第２放射光部分を第２カプラに与える。本発明のシステムは、さらに第４と第５の光ファイバを有し、それぞれが第２カプラからの放射光を受光し、他のファイバで受光できるように放射光を送る。
【００１３】
粒子が沈降する間に、コロイド状懸濁液内の粒子の特性を決める方法においては、部分的にコヒレントな第１と第２の放射光部分を組み合わせることにより生成された、干渉パターン同士の強度の変化を測定する。各放射光部分は、同一のソースから生成される。第１部分は、懸濁液の一部を通過し、第２部分は基準パスを通過する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明により混合物の特性を監視する干渉システム１０が示されている。放射光ソース２０は、光学コヒレンスが１未満で、中心周波数がｆ_０の放射光２２（矢印で示す）を生成する。生成された放射光の第１部分２２ａが、基準パス２４ａ（双方向の矢印で示す）を横切る。基準パス２４ａは、光学長さを変更できる基準位置２６を有する。生成された放射光の第２部分２２ｂは、パス２４ｂ（双方向の矢印で示す）を通過し、パス２４ｂ上には、液状媒体２８を有し、この液状媒体２８は基準パス２４ａ上にはない。液状媒体２８は、懸濁した粒子を有する。第１部分２２ａが、基準位置２６に到達した後、そして第２部分２２ｂが液状媒体２８に到達した後は、第１部分２２ａと第２部分２２ｂが検出器３０に一致して入るように、基準パス２４ａとパス２４ｂは共通となる。
【００１５】
基準パス２４ａとパス２４ｂは、放射光ソース２０から出た後、検出器３０に到達する前に、オーバーラップしないことを強調するように図示されている。双方向の矢印の基準パス２４ａとパス２４ｂは、パスセグメントに沿って複数回伝搬するように反射していることを示す。例えば第２部分２２ｂは、液状媒体２８内を伝搬したり透過したりする。すなわち、パス２４ｂは、液状媒体２８中を通過するかあるいは液状媒体２８から反射した光学通路を表す。媒体から反射されると放射光はパスの同一部分を通過する、すなわち検出器３０に到達する前に第１方向に最初に伝搬し、そして次に第２方向に伝搬する。
【００１６】
検出器３０は、放射光ソース２０と液状媒体２８との間に配置することも可能である。このことは例えば、横切られたパスの一部が光ファイバ光学セグメント内にあるときに可能である。一般的に第１部分２２ａと第２部分２２ｂは、干渉技術に共通な様々な方法で、分割されたり組み合わされたりする。かくして基準パス２４ａとパス２４ｂのそれぞれに対する記号は、様々な要素の組み合わせで、送信したり、分離したり、コリメートしたり、分散したり、組み合わせたりして、検出器３０において干渉パターンを生成するために有効な繰り返しサブパスと解釈すべきである。
【００１７】
上記の実施例で説明したように、干渉システム１０は光学情報を提供し、その情報から液状媒体２８の物理的特性が決定できる。干渉システム１０により生成された干渉データから決定された特性は、コロイド状安定性と沈降速度と粒子サイズの分布を含む。
【００１８】
干渉システム１０に基づいたより詳細な例において、図２の干渉システム５０は、ブロードバンドソース６０を有し、これは例えば中心波長が１．３３μｍで、ＦＷＨＭ（最大値の半分の場所における全幅）の帯域が、６０ｎｍのような光を放射する、スーパールミネセントのダイオードである。ブロードバンドソース６０から放射された光は、２×２のファイバカプラ６８の第１入力／出力側に接続された、数本のうちの１本のシングルモード光ファイバ６２に直接結合される。この光は、シングルモード光ファイバ６２の他の３本のセグメントに沿った複数のパスに沿って流れる。２×２のファイバカプラ６８の、ブロードバンドソース６０が接続されたのと同一側から、第２のシングルモード光ファイバ６２が、検出器７２に接続され、第３、第４のシングルモード光ファイバ６２が、２×２のファイバカプラ６８の第２の入力／出力側に接続される。シングルモード光ファイバ６２のこのような１つのセグメントは、コリメータ７６と、このコリメータ７６から離間して配置されたミラー７８とともに、基準信号Ｓ_Ｒを提供する、基準アーム８０を構成する。基準信号Ｓ_Ｒが、ブロードバンドソース６０から検出器７２に、シングルモード光ファイバ６２に沿った基準パスを通過する。これは図１の基準パス２４ａに対応する。
【００１９】
シングルモード光ファイバ６２の第４セグメントは、サンプルハウジング８４の方向にのび、このサンプルハウジング８４は、液状媒体中の未溶解粒子からなる混合物８６を含む。サンプルハウジング８４は、開放ベッセル、あるいはチェンバ、あるいは従来の閉鎖チェンバで、１つあるいは複数の適宜の透過性光学フラットを具備する。同図に示されたものは、開放ベッセルである。
【００２０】
サンプルハウジング８４内に放射光された光の一部は、混合体内に懸濁された粒子から反射（後方散乱）され、光の一部は第４のシングルモード光ファイバ６２に再入射する。混合物内の懸濁粒子の濃度によって、反射される光の一部は、後方散乱を受け、その結果混合物内の異なる長さの複数のパスに沿って光が伝搬することになる。
【００２１】
サンプルハウジング８４と、第４のシングルモード光ファイバ６２は、サンプルアームを構成し、２×２のファイバカプラ６８を介して検出器７２に伝搬するサンプル信号Ｓ_Ｓを提供してこれを検出器７２内で基準信号Ｓ_Ｒと重ね合わせる。
【００２２】
サンプルハウジング８４は、機械的構成要素と配置装置とを有し、この配置装置が流体を機械的構成要素の周囲に配置する。配置装置により、機械的構成要素付近の流体の流れが、様々な機能、例えば化学的機能、機械的機能、流体的機能、潤滑的機能、冷却的機能を実行する。配置装置は、流体を機械的構成要素の周囲に流し、流体の流れを含む配置システムである。サンプルハウジングは、配置装置から流体を取り出して、サンプルハウジング８４内を通過させた後、その流体を元に戻すような監視回路内に形成される。監視回路は、機械的構成要素の機能をサポートする、流体システム内の解析ループである。
【００２３】
これを図３に示す。同図においてシステム９０は、機械的構成要素９１と、流体配置システム９２とを有し、この流体配置システム９２は、貯蔵容器９３と、第１フローパス９４と、第２フローパス９５とを有する。貯蔵容器９３は混合物を有する。第１フローパス９４は混合物を、機械的構成要素９１と貯蔵容器９３との間で巡回させ、第２フローパス９５は第１フローパス９４からの混合物を、干渉システム１０／５０内を巡回させる。
【００２４】
システム９０においては、サンプルハウジング８４は、混合物８６の一部が分析中、サンプルハウジング８４に入って出ていくという意味で、開放チェンバである。代表的なサンプルハウジング８４は、システム９０の第２フローパス９５内に挿入される（図４）。サンプルハウジング８４は、混合物８６を入れる入口９６と、混合物８６を出す出口９７と、放射光をサンプルハウジング８４内に入れてそこから出光する光学フラット９８とを有する。処理装置は、干渉システム１０／５０の検出器３０／７２からの強度情報を受領して、干渉情報をＳ_ＲとＳ_Ｓの間の時間とパス長さの差の関数として監視する。
【００２５】
例として、システム９０は、半導体製品を製造する際に不要材料を除去するのに用いられる化学機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）装置である。ＣＭＰシステムにおいては、機械的構成要素９１は研磨面に対応し、混合物８６は研磨面に沿って流れるスラリに対応する。
【００２６】
より一般的には、システム９０は流体に関連した動作する機械的構成要素である。例としては、流体システム、研磨機、燃焼エンジンおよび機械的構成要素の周囲に配置された液状媒体を有する機械的組立体を含む。
【００２７】
混合物８６に適用可能な以下の実験的解析は、部分的にコヒレントな光で生成された、干渉パターンに基づいている。一般的に光のコヒレンスは次式で表される。
【数１】

ここでωは周波数の２π倍で、τは検出器におけるＳ_ＲとＳ_Ｓとの間の時間遅延で、Ｓ_Ｄはスペクトラム密度である。
【００２８】
複数の信号を検出器７２で重ね合わせると検出器における強度は次式となる。
【数２】

ここで、ｋ＝２πｆ_０、ΔＬは、基準パス２４ａとパス２４ｂとの間（すなわち、放射光ソース２０と検出器３０との間）のパス長さの差である（図１）。この簡単な例においては、図２のブロードバンドソース６０で、図５で示された干渉パケット結果である。パケットは３０ミクロンの長さを有する。干渉システム５０のサンプルハウジング８４内の混合物８６において、光の複数のパス２４ｂは、混合物８６内の未溶解粒子からの光の四方に散らばった後方散乱から得られる。複数の監視用パケットは、基準信号Ｓ_Ｒと複数のパス２４ｂとの組み合わせから得られる。
【００２９】
図６は、６８分間にわたって混合物８６を解析した結果により得られたエネルギー密度のカーブを示す。すなわち各カーブａ−ｇは、基準信号Ｓ_Ｒが通過したパス長さΔＬが、後方散乱光の各パスに対し変化するにつれて、検出器で生成された干渉強度の連続値を示す。ここに示した実施例においては、ミラー７８を最大２ｍｍずらすことによりパス長さの変更が行われた。この領域においては、約０．１ｍｍずらすと、各カーブは光学フラットからの信号の反射に対応する特性ピークを有する。このピークを減算すると、ａ−ｇの一連のカーブは、粒子の沈降量（速度）に対応する信号値の一般的な減衰を示す。すなわち、混合物８６内の粒子が落ち着くと、後方散乱の量は減り、後方散乱光に関連した干渉信号の強度が消える（drops off）。ある時間にわたってエネルギー強度の変化は、粒子の沈降速度（割合）に比例する。かくして、混合物８６内のコロイド状の安定性は、一定のミラー位置に対し、検出器７２の信号強度を測定することにより（すなわち基準信号ＳＲに対するパス長さを変更することなく）、任意の時間間隔にわたって評価できる。
【００３０】
コロイド状安定性を測定する別の構成で、本発明のシステム１００を図７に示す。図２、５、７は、対応する構成要素は同じ部品番号を示している。本発明のシステム１００とシステム５０との違いは、第４のシングルモード光ファイバ６２がサンプルハウジングの側面に伸びる代わりに、シングルモード光ファイバ６２が混合物１０４を含む容器１０２の上の位置から光を伝送しそしてそこから反射を受けるように配置されていることである。混合物１０４は、懸濁した粒子が、混合物１０４の上部表面１０６から観測可能な距離だけ下の位置まで落ち着いた時点を示している。沈降が起こると、後方散乱に関連する光学パス長さが変動する。この変動は、検出器７２における信号の強度の変動を引き起こし、これによりコロイド状システムの不安定さを示すことになる。この影響は、図８において１％濃度の懸濁したシリカ製粒子の単分散した混合物に対して示されている。
【００３１】
図８のデータは、３０分間にわたり採られた４個の測定値を含む。３８ｎｍの位置近傍で発生したピークは、液体の上部表面からのFresnel 反射に対応する。これを用いて基準位置を確立することができ、この基準位置に関し粒子を沈降させることにより伝搬する距離を評価できる。各４個の測定値の間、幾分小さな信号ピークが４０と４１ｎｍの間にある。ピークの位置のシフト（変動）は、すべての粒子が落ち着いた反射表面１０６の下の距離に対応する。すなわち、干渉パターンの移動量の測定は、粒子が沈降する間、後方散乱光のパス長さの一般的な増加に対応する。光学パス長さの関数として強度ピークの時間とともに変動するシーケンシャルなパターンは、沈降速度の信頼できる指標である。例えば図９は、１％と４％の懸濁したシリカ製粒子に対する時間と光学パス長さの変化との関係を示している。沈降速度（１％濃度に対してはｖ_１、４％濃度に対してはｖ_２）は、それぞれの関連するプロットの傾斜に依存する。
【００３２】
本発明のシステム１００を、単分散した粒子を含む１つのコロイド状システムへ適用した例を示す。すなわち、すべての粒子はほぼ同一サイズであるために、すべての粒子は重力方向に向かって、ほぼ同一の正味速度を有する。同一の原理が、幅広く分散した粒子サイズを含むコロイド状システムにも適用可能である。検出器の信号のピークがシフトすることは、落ち着きつつある粒子のトレーリングエッジ（trailing edge）近傍で起きる反射に対応している。
【００３３】
沈降速度を特徴付け、コロイド状態の安定性を監視する測定方法を、例えば後方散乱により混合物から反射した光信号で干渉パターンを測定するシステムを例に説明する。同様な測定方法は、考察の対象となっている媒体を通る透過性の光学パスに基づいて行われる。しかし、部分的コヒレントソースを含む従来の干渉システムは、沈降速度を決定するために、十分に広いダイナミックレンジを提供することはできなかった。従来このような透過ベースの光学システムは、１体積％以上の固体構成要素を含む高密度の懸濁液の安定性を監視するには不十分であった。本発明の他の態様によれば、本発明の光学機器は、低濃度（直光の減衰が支配的なとき）から、高濃度（透過した光が完全に拡散するとき）の範囲にわたる粒子状懸濁液に対する透過測定が可能となるよう構成される。このような光学機器は、反対方向に平行ビームを送信するために、サンプルチェンバ近傍に配置された一対のコリメータを有する。
【００３４】
図１０の代表的な光学システム２００は、ブロードバンドソース６０、例えば中心波長が１．３３μｍで、ＦＤＨＭ帯域が６０ｎｍの光を放射するスーパールーティングミネセントダイオードを含む。ソースから放射光された光は、６本のシングルモード光ファイバ６２ａ〜６２ｆのうちの１本の光ファイバに直接結合される。ソース６０は、光ファイバ６２ａを介して、第１のカプラ６８ａの第１入力／出力サイドに接続される。その後、光は、他の５本の光ファイバに沿う複数のパス内を流れる。カプラ６８のソース６０が接続されたのと同一側から、第２の光ファイバ６２ｂが検出器７２に接続される。
【００３５】
第３、第４の光ファイバ６３ｃ、６３ｄは、カプラ６８ａの第２の入力／出力側に接続され、光ビームを２つの部分に分けて、そして各部分は図１の放射光部分２２ａと第２部分２２ｂのうちの１つに対応する。この光ファイバ６２ｃは、コリメータ７６と、このコリメータ７６から離間して配置されたミラー７８とともに、基準アーム８０を形成して、基準信号Ｓ_Ｒを提供する。かくして基準信号Ｓ_Ｒは、ソース６０から検出器７２に、３本の光ファイバ６２ａ、６２ｂ、６２ｃに沿った基準パス（図１のパス基準パス２４ａに対応する）を通過する。
【００３６】
第４の光ファイバ６２ｄは、第２ファイバカプラ６８ｂの第１入力／出力側に伸びる。第５、第６の光ファイバ６２ｅ、６２ｆはそれぞれ、互いに同一のパス長さを有し、これらはカプラ６８ｂの第２の入力／出力側に接続される。各光ファイバ６２ｅ、６２ｆは、サンプルチェンバ２０４に対し対象的に配置された一対のマッチしたコリメータ２０２の１つに接続され、一方から光を送信し、そして他方で光を受信（受光）する。コリメータ２０２を整合して、反対の伝搬方向に平行ビームを送信する。チェンバは、大気に対し開いていても閉じていてもよく、そして一対の対向する光学フラット２０６で形成され、チェンバ２０４の対向する側に配置されて、コリメータ２０２とチェンバ２０４との間で光の送信を容易にしている。比較的高濃度の懸濁粒子を含む液状媒体２０８を、チェンバ２０４内に配置して解析する。
【００３７】
かくしてソース信号Ｓ_Ｓは、４本の光ファイバ６２ｄ、６２ｅ、６２ｆ、６２ｂに沿ったパス内を伝搬し、さらに例えば液状媒体２０８内を伝搬して、図１のパス２４ｂに対応する検出器に伝搬する。
【００３８】
ソース６０から検出器７２に至る電界の主成分は次の通りである。
【数３】

ここで、Ｅ_１１とＥ_２２は、コリメータ２０２の別々の上での反射に関連するパスに対応する。Ｅ_１２は、第１のコリメータ２０２を通って放射光され、第２のコリメータ２０２に結合されるフィールドを表す。Ｅ_２１は、Ｅ_１２の時間的に逆に対応する部分であり、第２のコリメータ２０２を介して放射され、第１のコリメータ２０２に結合するフィールドに対応する。Ｌ_ｉ，ｊ、ｉ、ｊ＝１、２は、フィールドＥ_ｉ，ｊに関連する光学パス長さであり、ｋは、波ベクトルで、ｓは、図１０の基準アーム８０上を伝搬する光学パス長さである。
【００３９】
電界に対する上記の式に基づいて、検出器における光の発散または発光と、図１０の基準ミラー７８により設定された光学パス長さの関数として次のように表される。
【数４】

ここでＩ_０は定数で、Ｉ_ｉ，ｊは電界Ｅ_ｉ，ｊの基準フィールドでの和により与えられる干渉信号の振幅で、ｇはソース６０に関連するコヒレンスの複合度である。この放射光の式は、ミラー７８が基準アームをスイープする際の干渉ピークの位置を示す。結果的に得られた干渉ピークＰ１、Ｐ２、Ｐ１２の相対的強度の定性的グラフは、ミラー７８がパス長さＳ_Ｒを変える距離の関数として、図１０に示す。干渉ピークＰ１、Ｐ１’、Ｐ２’、Ｐ２は、それぞれ関連する主反射と整合している。例えばピークＰ１は、一方のコリメータ２０２の反射表面と整合しており、ピークＰ２は、他方のコリメータ２０２の反射表面と整合している。Ｌ_１２＝Ｌ_２１とすると、Ｉ_１２とＩ_２１に関連するピークは、媒体２０８を透過する複数の反射の同一パスに対し空間的に一致する。このことは、図１０のグラフの比較的大きなピークＰ_１２によって示される。コロイド状懸濁液の密度、すなわち媒体２０８が増加すると、ピークＰ_１２の幅は広がる。
【００４０】
コロイド状懸濁液内の粒子サイズの分布は、平行ビームを反対方向に伝搬するために、サンプルチェンバの周囲に配置された一対のコリメータを組み込んだシステム２００に対し記載された干渉計システムを用いて決定できる。沈降速度は、粒子のマスと体積に一部依存する。粒子の懸濁液を、例えば重力場、磁場、電場のように制御した場所におくと、粒子が落ち着く際にコロイド状に分散している光学透過を測定することにより、粒子サイズの分布を決定するための十分な情報が得られる。一般的に、制御した傾斜場をコロイド状の懸濁液にかけると、粒子の濃度の時間依存性に従うことにより、粒子サイズの分布を決定しそしてコロイド状の分散を介して光学透過が決定できる。
【００４１】
簡単な例示を与えるために、懸濁液が沈降する３つの状態を、図１１の連続する図に示す。各図において、ソース２１０はビーム２１２を、コロイド状懸濁液２１４のサンプル内を透過して、検出器２１６に送る。懸濁液は、ビームより基準高さｈだけ上に、表面領域２１８を有する。最初、懸濁液は、小粒子、中粒子、大粒子の均一の分布を有する。正常な重力場において、透過量Ｔは、時間ｔの関数で増加する。時間ｔの初期値は、ビームの前に均一の懸濁液が配置された時に設定される。ｔ＝０の時には、大粒子、中粒子、小粒子は均一に分散しており、検出器２１６は、ソース２１０から初期信号Ｔ_０を受け取る。最初の期間は、サンプルを通過する透過量は一定である。この期間は、粒子の全体濃度が表面より下の深さｈのところで一定である限り、長くなる。
【００４２】
粒子は、最大高さｈから徐々に沈む。時間ｔ＝ｔ１においては、すべての大粒子は、ビーム２１２の下に収まり、検出された光の強度はＴ_０からＴ_１に増えるが、その理由は、大粒子は光ビーム２１２がサンプルを通過する領域には、もはや存在しないからである。ｔ＝ｔ２においては、すべての中粒子は、ビーム２１２の下に落ち、信号の振幅はＴ_２に増加する。
【００４３】
粒子サイズの均一な分布のために、伝送量Ｔは次式のLambert-Beer の形式を有する。
【数５】

ここでＬはサンプルの厚さであり、Ｎ_ｉとσ_ｉは、半径Ｒ_ｉにより特徴づけられる粒子の濃度と散乱断面である。上記の透過量の関係は、相互作用しない粒子のシステムに適用され、これはまた懸濁液の濃縮が低いときには、すなわち１０％未満の時にはいつでも当てはまる。均一媒体の測定が罹患した時間ｔ_ｋで行われると、２つの連続する時間における透過量は、次式となる。
ｌｎ（Ｔ_ｋ）＝ｌｎ（Ｔ_ｋ−１）＋ＬＮ_ｋσ_ｋ
ここでＴ_ｋとＴ_ｋ−１は、時間ｔ_ｋとｔ_ｋ−１で測定された透過量である。一方Ｎ_ｋとσ_ｋは、期間Δｔ_ｋ＝ｔ_ｋ−ｔ_ｋ−１の間、検査された領域で存在しなくなった粒子を特徴づける。これらの粒子の濃度は次式で表される。
【数６】

散乱断面（scattering cross section）σｋは、以下の形式のStokesの法則から得られる。
【数７】

ここでηは、懸濁液の摩擦係数で、ρ_ｓは粒子の密度で、ρ_ｌは懸濁液の密度である。ｇは重力加速度である。液体と懸濁粒子の両方の屈折率を用いて、断面積σ_ｋが、各時間においてMie理論から計算できる。これに関しては例えば、Kokhanovsky, のOptics of Light Scattering Media: Problems and Solutions, John Wiley & Sons, 1999, を参照のこと。同文献のAppendix II においては、球状粒子の半径の関数として、光散乱断面積のソリューションが与えられている。しかし、Mie理論による数値計算が本明細書に開示した方法にもっとも適したものである。
【００４４】
上記のことに基づいて、時間毎に透過量を観測することにより、混合物内の特定の粒子のサイズと各サイズの粒子濃度を概算することができる。概算は、球状粒子に適当な計算式を用いて容易に計算できる。他のより複雑なアプローチも用いることができる。しかし、粒子サイズの分布を推論するため、あるいはこの分布のシフトを監視するために、球状近似が最も有効な結果を得られることが見いだされている。このことについてさらに、図１４、１５をもとに説明する。
【００４５】
粒子が球状であるとすると、関連散乱断面積を評価するには、何らの近似法も関係しない。測定中、各時点は、ダイナミックレンジのシステムの限界内の特定の粒子サイズに対応する。この寸法情報を評価し、これをさらに用いて、簡単なコンピュータルーティンを用いて、より正確に対応する断面を計算することができる。この方法では、粒子の初期濃度の情報は必要ではない。
【００４６】
反対の伝搬方向に並列ビームを送るために、サンプルチェンバの周囲に配置された一対のコリメータを組み込んだ干渉システムで、さらに大きなダイナミックレンジが得られる。例えばシステム２００は、ダイナミックレンジが約８０ｄＢで、１５０ｄＢもの高いダイナミックレンジが達成可能である。使用される検知システムのダイナミックレンジが大きくなることにより、粒子サイズの分布は高濃度の懸濁液に対しても得られる。
【００４７】
この方法は、標準的な３．７ミクロンのポリスチレン製のミクロソフィア（極小球体）の懸濁液に適用可能である。ポリスチレン製のミクロソフィアは、屈折率が１．５９で水に対する密度が１．０５である。水は懸濁液として用いられる。図１２は、１０時間にわたって測定された透過量の時間との関係を示す。実験により得られたカーブの鋭い傾斜は、ポリスチレンの懸濁液は高度に単分散していることを示している。このことは、前述の手順によるＮ_ｋに基づいて計算された特定粒子分布により確認される。図１３は、３．６μｍ〜３．８μｍの間に、Ｎ_ｋのピーク値があることを示している。この懸濁液の実験結果は、ポリスチレン製のミクロソフィアの製造により得られた上記の仕様と一致する。
【００４８】
上記の方法は、（１０．２＋／−０．４）μｍのアルミナ粉末を特徴づけるのにも適用できる。溶液は粉末と脱イオン水を混合することにより形成され、サンプルは凝集を制限するために、数分間超音波処理された。時間に依存する透過量と、粒子サイズの分布に対する実験結果を、図１４、１５に示す。測定はシステム２００で行われた。図１５の粒子サイズの分布は、ポリスチレン製のミクロソフィアに対し得られたもの（図１３）よりも広い。このデータからは、粒子サイズは不安定であることを示している。この結論は、懸濁液の凝集（agglomeration）特性と一致する。凝集した種のサイズの分布は、現実の粒子と同一速度で沈降する等価球状粒子に基づいている。実際の粒子形状に関連する詳細は、決定することが困難であるが、球状であるとの仮定から得られる情報は、多くのアプリケーションにおいて、特に目的が、混合物の一般的特性を監視したり、あるいは粒子サイズの分布の時間的変動を見る場合には十分である。ある種の状況においては、粒子の形状の詳細は、粒子サイズの分布を正確に決定するのには必要なことではない。
【００４９】
小粒子を含む懸濁液の測定に必要な時間を減らすために、遠心力の実験設計（cebtrifugal experimental design）が適用されるが、これは多くの沈降速度の測定に一般的である。本発明の実施例では、光学カプラと光ファイバ光学系を用いることを示している。これらを使用することにより、本発明により構成されたシステムの便宜性と効率を改善することができるが、このことは必ずしも必要なことではない。従来のビームスプリッタ、あるいは他の種類の光学ソースを用いて、本明細書に開示したシステムを構成することもできる。
【００５０】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】混合物の特性を決定する光学システム１０を表すブロック図。
【図２】図１の構成に従って混合物の特性を決定する一実施例のシステムの詳細図。
【図３】混合物の特性を製造ライン中でモニタする流体システムを表す図。
【図４】図３のシステム内で用いられるサンプルのハウジングを示す図。
【図５】図１、２、３のシステムにより生成された干渉信号の定性的特性を表す図。
【図６】図２のシステムにより得られる一連のエネルギー密度のカーブを表す図。
【図７】図１の構成に従って混合物の特性を決定する別の実施例のシステムの詳細図。
【図８】光学パス長さを変化させるために、沈降に関連したデータを表す図。
【図９】光学パス長さ内の変化と沈降速度との間の関係を表す図。
【図１０】図１の構成に従って混合物の特性を決定する別の実施例のシステムの詳細図。
【図１１】本発明の原理を示す沈降の簡単な例を表す図。
【図１２】図１０のシステムで測定された懸濁液を透過する透過量の変動を表す図。
【図１３】懸濁用の粒子サイズの分布の第１実験結果を表す図。
【図１４】図１０のシステムで測定された第２懸濁液を透過する透過量の変動を表す図。
【図１５】懸濁用の粒子サイズの分布の第２実験結果を表す図。
【符号の説明】
１０干渉システム
２０放射光ソース
２２放射光
２２ａ第１部分
２２ｂ第２部分
２４ａ基準パス
２４ｂパス
２６基準位置
２８液状媒体
３０検出器
５０干渉システム
６０ブロードバンドソース
６２シングルモード光ファイバ
６８２×２のファイバカプラ
７２検出器
７６コリメータ
７８ミラー
８０基準アーム
８４サンプルハウジング
８６混合物
９０システム
９１機械的構成要素
９２流体配置システム
９３貯蔵容器
９４第１フローパス
９５第２フローパス
９６入口
９７出口
９８光学フラット
１００システム
１０２容器
１０４混合物
１０６上部表面
２００光学システム
２０２コリメータ
２０４サンプルチェンバ
２０６光学フラット
２０８液状媒体
２１０ソース
２１１ビーム
２１２ビーム
２１４コロイド状懸濁液
２１６検出器
２１８表面領域

Claims

干渉システムであって、
（Ａ）放射光ソースと、
（Ｂ）２つの入力及び２つの出力を有する２×２光カプラと、
（Ｃ）前記放射光ソースと前記２×２光カプラの第１の入力とを接続する第１の光ファイバと、
（Ｄ）光検出器と、
（Ｅ）前記光検出器と前記２×２光カプラの第２の入力とを接続する第２の光ファイバと、
（Ｆ）基準アームと、
（Ｇ）前記基準アームと前記２×２光カプラの第１の出力とを接続する第３の光ファイバと、
（Ｈ）１つの入力及び２つの出力を有する１×２光カプラと、
（Ｉ）前記２×２光カプラの第２の出力と前記１×２光カプラの入力とを接続する第４の光ファイバと、
（Ｊ）前記１×２光カプラの第１及び第２の出力に接続され、検査対象のサンプルを受容するように構成されたサンプルアームとからなり、
前記サンプルアームは、前記サンプルを受容するための間隔を空けて互いに向き合って配置された第１及び第２のコリメータを有し、前記第１のコリメータは第５の光ファイバを介して前記１×２光カプラの第１の出力と接続され、前記第２のコリメータは第６の光ファイバを介して前記１×２光カプラの第２の出力と接続され、前記第１及び第２のコリメータは、互いに光を送受信できるよう整合しており、
前記放射光ソースから出力された放射光の第１の部分は、前記２×２光カプラを介して前記基準アームに入力され、前記放射光の第２の部分は、前記２×２光カプラ及び前記１×２光カプラを介して前記サンプルアームに入力され、
前記基準アームから戻ってきた前記放射光の第１の部分と前記１×２光カプラを介して前記サンプルアームから戻ってきた前記放射光の第２の部分とは、前記２×２光カプラの第２の入力へと出力され、干渉光として前記光検出器に入力される、干渉システム。
前記基準アームは、
前記第３の光ファイバからの前記放射光の前記第２の部分を受光するよう結合された第３のコリメータと、
前記第３のコリメータから離れて配置されたミラーと、
を有し、
前記基準アームは、前記第３の光ファイバから前記ミラーによって受光される前記放射光の前記第２の部分を、前記第３の光ファイバを介して反対の伝搬方向に送る
ことを特徴とする請求項１記載の干渉システム。