JPH01503178A - 流体中に分散される粒子の粒子サイズ分布測定方法および装置 - Google Patents

流体中に分散される粒子の粒子サイズ分布測定方法および装置

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JPH01503178A JP63506274A JP50627488A JPH01503178A JP H01503178 A JPH01503178 A JP H01503178A JP 63506274 A JP63506274 A JP 63506274A JP 50627488 A JP50627488 A JP 50627488A JP H01503178 A JPH01503178 A JP H01503178A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
B、mの1組の測定条件の関連する条件下でなされるmの測定、およびnの1組 の測定条件の関連する条件下でなされるnの測定に対して、前記サンプルにより 前記光ビームから散乱される光強度を検出し、ここに■は lに等しいかそれよ り大きい整数であり、nは0に等しいかそれより大きい整数であり、lとnとの 和は2に等しいかそれより太き(、前記謡◆nの測定条件の少なくとも2つは相 違しているものとする、 該検出段階が、 a、前記1組の1の測定条件の対応する1つの測定条件下で、前記散乱光の検出 された強度を時間の関数として各々表わすmの強度信号を発生し、 b、前記1組のnの測定条件の対応する1つの測定条件下で、検出された前記散 乱光の平均強度を各々表わすnの平均信号を発生する ことを含み、そしてさらに、 C1前記強度信号の対応するものの自己相関関数を各々表わし、かつ前記分布v (r)の関連する変換に各々等しいmの相関信号を発生し、 D、前記相関信号および前記平均信号に応答して、a、前記間の相関信号をブリ 処理して、複合相関信号を発生し、 b、前記複合相関信号および前記nの平均信号から複合散乱光信号を発生し、 C0前記の関連する変換および前記nの平均信号に関係づけられる複合変換演算 子J−1を決定し、d、前記の決定された複合変換演算子J−’に従って前記複 合散乱光信号を変換して、前記分布v(r)を表わす寸法分布信号を発生し、そ して E、前記強度信号が相互に独立であり、前記平均信号が相互に独立であるように 前記の■◆nの測定条件を制御する 諸段階を含むことを特徴とする粒子寸法分布測定方法。 (39)前記1のブリ処理する段階が。 a、前記の相関信号に応答して、該■の相関信号の零番目のモーメント以外の各 相関信号のモーメントの少なくとも1つを表わす簡のモーメント信号を発生し、 6、前記−のモーメント信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に対応する 重み付けされた直接和信号を発生することを含む特許請求の範囲第38項記載の 粒子寸法分布測定方法。 (40)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応している特許請求の範囲第38項記載の粒子寸法分布測定方法。 (41)前記のブリ処理する段階が、 a、前記■の相関信号に応答して、前記lの相関信号の対応するものの単位標準 化形式を各々表わす簡の単位標準化相関信号を発生し、 b、前記単位標準化相関信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に対応する 直接和信号を発生することを含む特許請求の範囲第38項記載の粒子寸法分布測 定方法。 (42)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応している特許請求の範囲第41項記載の粒子寸法分布測定方法。 (43)前記のブリ処理する段階が、前記■の相関信号の直接和を表わしかつ前 記複合相関信号に対応する直接和信号を発生することを含む特許請求の範囲第3 8項記載の粒子寸法分布測定方法。 (44)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応する特許請求の範囲第43項記載の粒子寸法分布測定方法。 明 細 書 流体中に分散される粒子の粒子 ズおよび
【技術分野] 本発明は、光散乱用機器に関し、特定すると流体中に分散された粒子の寸法分布 を測定するための光分散システムに関する。 【技術背景】
光散乱を使用することにより、試料中の粒子寸法の分布を測定する従来技術には 、従来数種のものがある。一般に、例えば流動する液体またはガス流内の個々の 粒子の寸法を測定するために、金粒子試料は一定の光源により照明され、粒子に より散乱される光の強度が検出される0粒子は、その粒子に直接関係づけられる 量により光を散乱する。一般に、より大きな粒子は、小さな粒子よりもより多( の光を散乱する。散乱量と粒子寸法との間の関係は、理論的計算または較正法の いずれかにより決定できる。一時に単一の粒子の場合、この関係の情報を用いれ ば、検出された散乱光強度によって粒子寸法の直接的測定値が提供される。試料 内の粒子寸法の分布は、試料内の各粒子を個々に、または試料の適当な部分を散 乱光検出装置中を通し1種々の粒子寸法を表にまとめることによって決定できる 。実際に、この方法は、0.5ミクロンより大きい粒子に制限される。さらに、 この方法は、粒子が個々に検出されねばならないから、比較的緩速である。この 技術は、従来技術において光粒子計数法(OPC) と称される。 光散乱による粒子寸法測定の第2の従来技術は、静的、または「クラシック」光 散乱法(CLS)と称される。 この方法は、被寸法測定粒子を含む試料の照明およびそれに続く種々の予定され た角度における散乱光強度の測定に基づく0分子内の破壊的干渉のため、粒子か ら散乱される光強度は1粒子の寸法および組成、ならびに測定がなされる角度に 依存する。散乱強度の角度的浮性に基づくこの粒子寸法測定方法は1個々の粒子 に限定される上述の第1の方法に比して、一群の粒子の寸法分布を測定するのに 使用できる。 CLS測定方法を実施するためには、流体内に分散される粒子試料が、入力軸線 に沿って照明され、散乱光の強度が、数種の予定された角度で測定される。各角 度における散乱光強度は、複数の検出装置を用いて同時に、あるいは単一の検出 器を試料の回りに動かして、各所望角度において強度の測定を可能にすることに より連続的に測定できる。 例えば、1ミクロンより大きい直径を有する大粒子の場合、散乱光束は、入力軸 線に関して前方に集中する。 大粒子の寸法測定のための機器は、レーザ回折装置と称される0例えば0.2ミ クロン程度の直径を有する小寸法粒子の寸法測定の場合、散乱光束は、入力軸線 に関してより低い角度およびより高い角度にて相当の大きさを有する。小さい粒 子で使用される角度的強度測定は、総積分または平均強度測定と称せられ、ジム (Zimm)プロットとして周知の形式で表示される。 光散乱により粒子寸法を測定するための第3の従来技術は、ダイナミック光散乱 法(DLS)であるが、これは光子相関分光法(PCS)または準弾性光散乱法 (QELS)としても知られているa John Wiley & 5ons  Inc、、 二z−ヨーク所在、 1983年発行、のB、E、Dahneke 著r Measurementof 5uspended Particles  by Quasi−Elastic LightScatteringJ参照 、この技術は、流体中に拡散する、すなわち溶媒分子およびその他の粒子との衝 突に起因してランダムに移動する一群の粒子を含む照明された試料から散乱され た光強度の時間に関する変動を測定することに基づく0例えば、粒子は液中に溶 解された高分子とし得るが、この場合高分子は、少数の荷電原子の損失によって イオン化され得る。 DSL技術に従うと、散乱光強度は、照明入力軸線に関する選択された角度にて 時間の関数として測定される。 検出器により任意の瞬間に検出される光強度は、拡散領域における各照明粒子か ら散乱される光間の干渉に依存して変わる0粒子はけ溶液中をランダムに拡散す るから1粒子から散乱する光の干渉は変化し、したがって検出器における強度は 変動する0粒子は、小さいほどより速く拡散するから、比較的小粒子の運動から 生ずる変動は、大粒子の運動から生ずる変動よりも速く変わる。かくして、検出 器にて散乱光変動の時間変動を測定することによって、粒子寸法の分布を表わす 情報が利用可能となる。さらに詳述すると、測定された強度の自己相関関数は、 流体中の粒子寸法の分布に関係づけられる。 Coul−ter Electr onics Inc、 Florida fHHialeah所在、により製造 されN4型光子相関スペクトロメータのような従来のDLS測定機器は、0.0 03ミクロン程度の粒子寸法を含む分布を測定するのに適当な被検出強度に対し て自己相関信号を供給する。したがって、この種のデバイスは。 上述の個々の粒子方法およびCLS法よりかなり下に延びる寸法測定範囲を有す る。 周知のDLS技術による粒子寸法測定は、一般に次の態様でなされる。被寸法測 定粒子は、流体中に分散または溶解されて、試料すなわちサンプルを形成する。 試料は、入力軸線に沿って送られるレーザビームによって照明」される、ビーム を発生するためには一般にレーザが使用されるが、代わりに非コヒーレント光源 を使用してもよい。 試料内の粒子から分散された光は、予定された角度に位置づけられた光電子増倍 管のような光検出器により検出される。特定の角度は、操作者により選択できる が、普通、一時には1つの角度のみが測定される。光検出器は、該検出器上に入 射する散乱光強度が変化するにつれて時間とともに変化する信号を生ずる。この 時間変化信号は、光検出器信号の自己相関関数を計算するため、自動相関器分析 器に供給される。自己相関器は、普通。 100程の離散時間点にて検出された散乱光の自己相関関数の値を計算する。こ の自己相関関数は、検出された散乱光の変動についての情報を含んでおり、この 情報から試料内の特定の寸法の分布についての情報を抽出できる。かくして、自 己相関関数(acf)は、DLS測定値の生データである。大抵の従来のDLS 測定は、この自己相関ステップを使って遂行されるが、強度信号の自己相関関数 は、その信号のパワスペクトルのフーリエ変換に対応することが知られている。 したがって、自己相関関数に内在するのと同じ粒子寸法分布情報を含むバワース ベクを発生するため、自己相関器に代えてスペクトル分析器を使用してもよい、 パワースペクトル信号に内在する周波数領域情報は、粒子寸法分布を決定するの に使用できる。 従来技術においては、自己相関関数から粒子寸法を抽出するのに数種の技術があ る。これらの技術で使用する場合、自己相関関数と寸法分布間の関係は、次のよ うに表わすことができる。すなわち、 g(t) = K(x(r)) (1)ここで、g(t)は自己相関関数(また は自己相関関数に密接に関係する関数、x(r)はめられる粒子寸法分布(Xは r、すなわち粒子半径の関数)、モしてKは粒子寸法を自己相関関数に関係づけ る関数(または演算子、直線または非直11)である、かくして、Kの正確な型 が与えられると、粒子寸法の任意の分布x(r)から生ずる自己相関関数が知ら れることになる。 自己相関関数g(t)は実際上は実際に測定されたものであるから、上述の関係 は粒子寸法を生ずるように反転されねばならない、すなわち、 x(r) = K−’ (g(t)) (2)したがって、粒子サンプルに対す る測定された自己相関関数に対して、これらの粒子に対する寸法分布は、測定さ れた自己相関関数g(t)に対して演算子に−1を適用することにより抽出でき る。演算子に−1は、演算子にの一般化された逆数である。しかしながら、実際 には、自己゛相関関数は複雑怪奇であるから、反転を遂行するための多数の周知 の技術はあるが、反転プロセスは一般に困難で複雑である。 1つの特に一般に使用される従来形式の抽出技術に対する型に−1の例は、次の 如くである。すなわち、3・(!!’M+α!り−’に’g (3)この例にお いて、匹はベクトルで、その成分は各寸法の粒子の割合を表わし、2はベクトル で、その成分は自己相関器Kにより計算されるところの、異なる時点における自 己相関関数の値を表わし%丘は3をgに関係づけるマトリックス、そして■は反 転の条件付けを増すマトリックスである K tはマトリクスhの転置である。 アルファ(α)は、解の際に課される条件付けの量を制御する。この場合の反転 演算子に−は、次のように書くことができる。すなわち、 K−’ = (4’4+ aij)−’に’ここで、αは従来通りに決定される 平滑パラメータである0反転は、普通、解に課される若干の非負の制約を伴って 遂行される。これらの制約は、形式上、反転演算子に−1の一部である。他の周 知の反転法は、柱状グラフ(ヒストグラム)法、単一値分解法、デルタ関数法お よびキュービックスプライン法である。 この抽出または反転法で表わされる寸法分布x(r)は、x(r)が包含する連 続分布として(この場合、分布は任意の寸法の粒子に対して画定される)、ある いはベクトル場合、粒子寸法の分布は、ある設定数の粒子寸法のみにて画定され る)のいずれかにて表わすことができる。ベクトルとは、それぞれ寸法rl、r 1.−−−−−+raの粒子からの分散光強度の相対割合を与える一部の数(x (r、)、x(r−)、−−−−−、x(r、))を表わす0寸法分布x (r )は、以下において寸法ヒストグラム3として言及される。 寸法分布x(r)および寸法ヒストグラム3は、各寸法の粒子からの散乱強度の 相対量により特徴づけられる粒子の相対割合を表わすから、「強度重み付け」関 数である。しかしながら、これらの強度重み付は関数は、散乱光の測定がなされ る角度に依存する。すなわち、異なる寸法の粒子の散乱光強度分布により表わさ れる各寸法の粒子の見掛けの割合は、測定がなされる角度に依存して変わる。そ れゆえ、異なる角度にて得られた寸法分布は、強度重み付は分布x(r)または ヒストグラム3を使用して直接比較できない。 従って、散乱角度の関数である単位粒子当り散乱される光の量は、理論的計算を 通じて、あるいは実験的方法により既知であれば、各角度における強度重み付は 寸法分布x(r)およびヒストグラム匹は、これらの関数を、対応する質量、体 積および数重み付は寸法分布にまず変換することにより直接比較できる0例えば 、強度重み付はヒストグラム3は、下式に従って変換できよう、すなわち、 y″ら この式において、!は、質量、体積または数重み付は寸法ヒストグラム、Cは、 強度重み付はヒストグラム匹および質量、体積または数重み付はヒストグラムy 間の変換マトリックスである。同様に、寸法分布x(r)は、対応する質量、体 積または数分布関数v(r)に変換し得る。これらの変換ヒストグラムおよび分 布関数は、すべて寸法粒子分布についての所望の角度依存情報を提供するから、 これらは一般的に下ではそれぞれ!およびv(r)として言及される。 体積重み付はヒストグラムおよび分布関数は、サンプル中における粒子の総体積 の割合の測定値を粒子寸法の関数として提供する0例えば、粒子サンプルの体積 の50%は、寸法0.1ミクロンの粒子に由来し、残りの50%は寸法0.3ミ クロンの粒子に由来する。同様に、質量重み付はヒストグラムおよび分布は、サ ンプル中の質量の測定値を寸法の関数として提供し、数重み付はヒスドグラメお よび分布は、サンプル中の粒子数の測定値を寸法の関数として提供する。同じ密 度の粒子に対して、質量および体積重み付はヒストグラムおよび関数は同じであ る0体積、質量および数重み付は寸法ヒストグラムおよび分布は、一般に、対応 する強度重み付は寸法ヒストグラムまたは分布よりも有用である。何故ならば、 前者は、他の手段により直接測定できる量に関係するからである。 従来形式の光分散測定技術は、すべて、分解能が低(、再現性に乏しい特徴を有 し、これがこの種の方法の主たる欠陥であった。 DLS寸法測定に関しては、 分解能を増そうとする努力がなされてきた0分解能を増すために使用される一般 的方法は、長期間にわたりまたは多数の短期間にわたり強度データを収集し、つ いで結果を平均することによって、あるいは数種の角度にて収集された強度デー タを使用することによって、測定値の信号対雑音比を改善使用とするものである 。 後者の方法の場合、異なる角度にて収集されたデータは実質的に独立であり、そ れゆえ1つの角度にて収集されたデータは、他の角度にて収集されたデータを補 足する0例えば、低散乱角度で収集されたデータは、一般に、サンプル中の大粒 子の存在により敏感であり、逆に大散乱角度で収集されたデータは、小粒子の存 在により敏感である。それゆえ、大寸法および小寸法の両者を含むサンプルは、 2またはそれ以上の角度からのデータを使用することによって精確に寸法測定で きる。この場合、比較的低い角度は大粒子についての情報を与え、比較的高い角 度は小粒子についての情報を与える。これに比して、単一の低角度における測定 は、小粒子について比較的小さなそして恐らく曖昧な情報しか与えず、したがっ て寸法測定の分解能は乏しくなろう。 寸法測定の分解能を増すための数種の角度を使用する従来の方法は、単に2また はそれ以上の角度で測定をなし、2またはそれ以上でなされた測定から得られた 体積重み付はヒストグラムを平均することを含む、記号を用いて表わすと、結果 を平均することにより数種の分散角度で得られた情報を結合する方法は、次のよ うに表わすことができる。 !+ = K−’ (g+ (t) 、θI)ここで、添字1,2.−=−、m は分散角θ、ないしθmでなされた測定をいう、演算子に一部の独立変数として θを含むことは、反転プロセスすなわち演算子に−1が、分散角度に依存するこ とを指示する0mの強度重み付はヒストグラムM I H−−−−−1! II の各々は、角度非依存性の体積重み付はヒストグラム! 、、−−−−−、y、 に変換され、ついでmの体積重み付はヒストグラムが、「向上された」分解能結 果yを生ずるように平均化されよう、すなわち、v = (1/m) [X、+  V、+ +++++ +X1m1しかしながら、この体積重み付は分布!は、 必ずしもすべてのデータにもっともよ(適合された解ではない。 単一の角度にて単一の測定に対して得られる寸法の分解能は、相当に低く、した がっである寸法の粒子の存在は、ある角度では検出できないことがある。かくし て、強度ヒストグラムが体積ヒストグラムに変換されてさえ、異なる角度で得ら れるヒストグラムは、非常に異なる明らかに矛盾する情報を与えることがある。 簡単に述べると、米国特許出願第817.048号に開示される発明は、CLS 測定およびDLS測定の最適の組合せに基づいて流体中に分散される粒子の寸法 分布の測定値を提供し、それにより比較的高い分解能の粒子寸法測定を特徴とす る測定をもたらす装置および方法を提供している。さらに詳述すると、その発明 に従うと、サンプルについて複数の角度における散乱光の検出された自己相関関 数を表わすDLSデータ、すなわちパワースペクトルが、それらの角度における 平均の縁検出強度を表わすCLSデータと最適の態様で結合され、角度非依存性 の高分解能寸法分布v(r)を与える0寸法分布は、連続関数v(r)またはヒ ストグラム!で表わすことができ、質量、体積、数、表面積またはその他の測定 値によって重み付けされた分布を表わすことができる。 例示として、DLSおよびCLSデータを結合するに際して、角度非依存性体積 重み付はヒストグラムは、下式により決定できる。すなわち、 y =J−’(g+(tLgx(t)e−−−−−+gm(t);i(θ、)、 −−−−−、i(θ、)、i(θ+a*I)1−−−−−1(θゎ))ここでg +(t)、、、、、g、mは、■の分散角θl+−−−+θ1において検出され た光強度から決定された自己相関関数。 i(θ、)、−−−−−i(θ、)、i(θm+IL−−−−−、l(θ10. )は、簡の分散角θI+−−−−−+θ、ならびにnの追加の角度θ1..。 −+ + + +、θsameにおける検出された平均強度、ここで節は1に等 しいかそれより大きい整数、nは0に等しいかそれよりおおき整数である。この 発明のこの形式において、DIS測定はlの角度にてなされ、CLS測定は、D LSがなされたのと同じ角度を含むmanの角度でなされる。 J″1は、すべてのデータに「最良の適合」をなすように自己相関関数および平 均強度値に同時に作用する単一の演算子である。これは、上述の式(4)に記載 されるmの別個のに−1の演算子(各角度に対して1つ)と対照をなしている。 この発明の語形式においては、自己相関関数および強度測定は、異なる角度でな く、同じ角度で、ただし難しい条件下、例えば温度、流体力学的溶液特性または 偏光角度、でなされ、これらがセンサに独立の強度特性を設定する。 この発明に従うと、演算子J−1は、CLS測定からの情報ならびにDLS測定 からの独立的情報を、異なる分散状態で測定された自己相関関数を適当に標準化 するように合体する。簡単にするため、以下の記述は、θ、で表わした角度でな されるものとして種々の測定を表わすが、測定は独立の強度特性をもたらす条件 下でなされることしか必要としない。 単一の手続きにおいて同時に行われる自己相関関数および古典的分散強度のJ− 変換に基づいて得られる分布yは、自己相関関数または古典的分散強度の両方で なくそのいずれか似基づ〈従来技術に比して、決定される粒子分布の寸法測定の 分解能の増大をもたらす。 簡単に述べると、米国特許出願第817.048号に開示される発明に従うと、 流体サンプルに分散される粒子の寸法分布v(r) (ここにrは粒子寸法を表 わす)を測定するためのシステムが提供される。システムは、入力軸線に沿って 送られる光ビームでサンプルを照明する手段を備える。コヒーレントまたは 非 コヒーレント光源いずれでも使用できる。 光検出器が設けられており、複数の角度θl +−−−+θ1にて前記入力軸線 から角度的に分散された腹の点にて光ビームからの光強度を検出する(ここでm は1に等しいかそれより大きい整数である)、検出器は、■の強度信号を発生す る。しかして、各強度信号は、mの点の対応する点における光ビームからの光の 検8された強度を時間の関数として表わす、この発明は1種々の形式において、 ホモダインまたはヘテロゲイン形態で具体化できる。ホモダイン形式においては 、強度信号測定中、唯一の散乱光のみが鳳の点において検出され、ヘテロゲイン 形式においては、ビームの一部が■の点において検出器に直接入射するから、強 度信号は、光ビームの散乱および非散乱部分から生ずるビート信号に対応する。 1形式として、自己相関プロセッサは、強度信号の対応する信号の自己相関関数 を各々表わすmの相関信号を発生する。相関信号の各々は、分布v(r)、ここ にi=1゜−−−、m 、の関連する変換J1に等しい、変換は、直線的または 非直線的である0強度信号に対する自己相関関数は、これらの信号のパワースペ クトルのフーリエ変換であり、自己相関プロセッサは、この発明の1形式におい ては、腸の相関信号を墓の時間領域自己相関信号g+(t)、ここにtは時間、 i = 1.−−一、+sである、として直接発生する自己相関器である。自己 相関プロセッサは、他の形式においては、閣の相関信号をmの周波数領域パワー スペクトル信号at(f) 、ここにfは周波数、i = 1.−−−、mとし て発生するスペクトル分析器を含む、パワースペクトル信号は、自己相関信号の フリエ変換であるから、パワースペクトル信号a、(f)は、自己相関信号g+  (t)と同じ情報を提供するのに使用できる。 光検出器はまた、園の点ならびに入力軸線から角度的に変位されたnの追加の点 、ここにnは0に等しいかそれより大きな整数である、にて光ビームからの散乱 光の時間平均強度を検出する。後者の検出器は、それぞれの脂◆nの点において 検出される散乱光の強度の時間平均を表わす平均時間を発生する。 サイズプロセッサが、相関信号および平均信号に応答して、分布v(r)を表わ す信号を発生する。サイズプロセッサは、■の相関信号の重み付けされた直接和 を表わす複合相関信号を発生する。サイズプロセッサは、変換J。 およびnの平均信号に関係づけられた複合変換演算子J″1を決定する。 サイズプロセッサは、決定された複合変換演算子に従って複合相関信号を変換し 、それによりCLSおよびDLS°両デー少データズ分布情報を合体し、寸法分 布v(r)を表わす合成信号を供給する。この発明に従えば、複合相関信号また は複合変換演算子のいずれかが、鳳の点の対応する点における散乱光の平・均強 度に実質的にスケーリングないし基準化される。このスケーリングないし標準化 によって、複合相関信号により表わされるDLSデータは、平均信号により表わ されるCLSデータと最適な態様で結合されることが可能となる。 この発明の1形式において、変換ハは直線変換であり、複合変換演算子J−’は 、関連する変換Jlに対する演算子の直接和に対応する演算子の一般化された逆 数である。逆変換演算子J−’は、関連する変換島の直接和に対応するマトリッ クスの逆数に対応し得る0代わりに、演算子J−1は、次式に対応してもよい、 すなわち、[、!’!!+α■]−1!!− ここで、シは、関連する変換J、に対応するマトリクスの直接和に対応するマト リクスであり、Vはマトリッスノの転置であり、■は条件づけマトリクスであり 、アルファ(a)は平滑化パラメータである0分布v(r)を表わすベクトルの 全成分は、0に等しいかそれより大きく抑制することができる。 他の形式において、関連する変換は非直線的であり、寸法分布はv(r l R )により特徴づけられる。ここで、Pは、k成分を宵する特徴化パラメータベク トルである。 この形式において、複合変換演算子J−1は、下式に対する2解法アルゴリズム である。すなわち、ここでiは整数1 +−−−1lI−jは整数1.−−−、 q%iは整数1、−−−、に、p!2はpの2番目の整数、 g+(tJ)は、 j番目の時間間隔ににおける前記角度のi番目に対する強度信号の自己相関関数 、そしてJl、は関連する変換に関係づけれた演算子である。モデル寸法分布v (r、p)は、例えば、パラメータ[およびσ、すなわちそれぞれ実際の寸法分 布の平均粒子寸法および実際の寸法分布の標準偏差により表わすことができる。 pρに対する解法アルゴリズムは、種々の自己相関関数のgiに対して種々の時 点1゜に対する残分、+tJ[v(r4)]−g+(tJ)の平方を最小にする 。 さらに詳述すると、v(r、p)は下式な有し得る。すなわちここでJl、演算 子は下式な有する、すなわち、ここで、r (r、θ1)は下式な有する。すな わち、ここで%nはサンプルの屈折率、λはサンプルを照明する光の波長、K、 はボルツマン定数、ηはサンプルの粘度そしてTは絶対温度である。 他の形式においては、複合相関信号演算子は、単位標準化されるべき■の相関信 号の重み付は直接和を制御し、そして複合変換演算子は、Iの点のそれぞれの点 において光ビームから散乱された光の平均強度に実質的にスケーリングされる。 さらに他の形式においては、複合相関信号発生器は、■の相関信号の重み付は直 接和を、鳳の点のそれぞれの点において光ビームから散乱される光の平均強度に 実質的にスケーリングされるように制御する。 この発明の他の形式においては、2またはそれ以上の分散角における測定値から 抽出される情報を使用する一般的方法は、ガウスのコイルを含め、ロッド状、楕 円型またはその他の型である粒子についての寸法および形状情報を決定するよう に応用できる。 その発明の他の形式においては、2またはそれ以上の分散角におけるCLSおよ びDLS測定をなす代わりに、この種の測定を、異なる条件組合せ、例えば異な る温度または流体力学的溶液特性または光ビームの偏光下で1つの角度で行い、 広範囲の種類のダイナミック系に対して向上された粒子特性分解能を生ずるよう に処理される相補的情報を提供することができる。 米国特許出願第817.048号に開示される発明の重要な側面は、複数の分散 角度からのCLS (古典的光分散)データおよびDLS (ダイナミック光分 散)データを結合することにより、粒子寸法測定の分解能および再現性が、従来 のCLSまたは単一角度DLS測定よりも改善され得るということである。 C LSデータおよびDLSデータを結合することは困難であり% CLSおよびD LSデータが単一かつ同時の分析において結合できる条件を決定することは複雑 なプロセスである。特に、2つの形式の光分散測定を結合する上における1つの 主たる問題は、異なる角度で得られたDLSデータを適正に標準化することにあ る。 簡単に言うと、「標準化」とは、異なる角度における自己相関関数(acf)の 振幅をCLSデータに関して調節し、全DLS角度からのデータが1つの包括的 モデル内において分析し得るようにすることである。 DLSデータのCLSデータに対する標準化は、下記の点を考えると重要である 。単一角度におけるCLS測定値は、各寸法の粒子により散乱される光強度によ り重み付けされた、測定中サンプル内の全寸法の粒子から分散された光の平均値 である。特定の寸法の粒子から特定の角度で分散された光の量は、粒子の寸法お よび散乱角度に依存して変わる。 CLSデータのみを使用して粒子寸法測定( すなわち多数の角度における平均強度測定)をなすために、選択された角度にお ける測定がなされ、ついで、角度分散強度の測定されたパターンに対応する粒子 寸法分布を見出すための分析手続きが使用される0選択される分布は、各角度に おいて、各寸法の粒子により散乱される光の角度依存強度で重み付けされた、分 布中のすべての粒子寸法から分散される光が、その角度における平均分散強度の 測定値に近いことを要する。 かくして、CLSデータは°、DLSデータの部分集合である。何故ならば、特 定の角度におけるCLS強度の大きさは、単に、その角度におけるホモダインD LS自己相関関数(acf)の零時点の値であるカラーである。 CLSデータ と DLSデータとの間の関係は、カーテシアン(X−Y−Z)座標においてC LSデータのプロットを考慮することによって理解できよう、しかして、この座 標において、X軸は分散角度(例えば0〜180°)を表わし、Y軸は分散強度 を表わす、この種の座標において、所与の粒子分布はX−Y平面において曲線と して表わされよう、任意の点における曲線の高さは、その点に対応する角度にお ける分散強度となろう、この曲線またはこの曲線に沿う少なくともある数の点は 、CLS測定値に対応する。 Z軸は、散乱強度自己相関関数の時間遅延を表わす、一般に、自己相関関数は、 減衰指数関数(または減衰指数関数の和)の型を有する。 CLS曲II(XY 平面内にある)に沿う多数の離散点が、DLS測定をなし得る角度に対応する。 各点(または角度)に対するDLSデータは、Y−2平面に平行な平面内に曲線 を画定する。これらの自己相関関数(1または複数の角度における)は、DLS データである。各角度における自己相関関数の形状は、一般に、すべての粒子が 同じでない限り、若干異なるであろう、それゆえ、米国特許出願第817,04 8号に記載される形式の測定においては、自己相関関数データのマトリクスが使 用される。従来技術においては、粒子寸法分布(低分解能)を得るのに、X−Y 平面のみにおける曲線のみまたは自己相関関数のただ1つだけしか分析されない であろう、米国特許出願第817.048号のシステムは、すべての遅延時間お よび全分散角度におけるおける自己相関関数の全値が存在する二次元「測定」平 面を利用する粒子分布測定を可能にするものである。この平面とX−Y平面との 交叉線が、CLSデータ曲線である6図示されるデータマトリックスを分析する ために、測定表面、より詳しくは、実際の測定がなされる測定表面上の離散点が 、粒子寸法分布のパラメータ(例えばヒストグラムビン高さ)が変わるときどの ように変わるかを記述するモデルが作られる。しかる後、特定の測定がなされる とき、測定される測定表面にもっとも近い測定表面をもたらす粒子寸法分布が、 真の粒子分布の最良の評価値となる。最良の評価値は、非負の最小二乗(NNL S)アルゴリズムのような曲線適合化アルゴリズムにより見出される。このプロ セスに対する標準化の重要な点は、曲線適合化を遂行するため、自己相関関数の 振幅、すなわち零時間値が自己相関関数が測定される角度にて正確にCLSデー タ曲線の振幅となるように、被測定自己相関関数(それらの絶対高に拘りなしに 普通に測定される)が標準化される必要があることである。この標準化が企画さ れないと、測定された測定表面は一般にモデル測定表面から異なる。何故ならば 、モデル測定表面においては、時間零における全自己相関関数がCLSデータ曲 線上にあるはずであるからである。それゆえ、被測定データは、このモデルに適 当であるように標準化される。 DLSデータ標準化を遂行するために、CLSデータ(すなわち、分散光の平均 強度)は、標準化定数を得るためすべてのDLS角度で測定されなければならな い、この理由のため、米国特許出願第817,048号は、DLSデータが■の 角度(+i>0)で測定され、CLSデータが、その諷の角度とnの追加の角度 で測定されるという分析法を特定している。すなわち、CLSデータは、すべて のDLS角度と、任意的に若干の追加の角度にて測定されることを要する。 しかしながら、DLS標準化のために使用されるCLSデータを正確に得ること は難しい、さらに重要なことは、標準化定数の小さなエラーが、抽出された寸法 分布に由々しいエラーをもたらすことである。それゆえ、データを分析するため に使用される改良されたモデルを見つけることが望ましい。 自己相関関数の数学的な形式のため、振幅情報は、自己相関関数に含まれる情報 の残りのもの、すなわちその形状に含まれる情報から数学的に分離し得る。数学 的変換を数種の方法の一つで遂行することにより、DLS振幅。 はモデルから除去でき、それにより曲線適合化を自己相関関数の振幅についての 情報なしに、すなわち米国特許出願第817,048号に記述されるような標準 化なしに遂行することが可能となる。 それゆえ、本発明の目的は、流体中に分散される粒子寸法の分布を測定するため の改良された装置および方法を提供することである。 本発明の他の目的は、比較的高分解能を有する改良された粒子寸法分布測定装置 および方法を提供することである。 [発明の概要] 簡単に述べると1本発明は、適当な角度においてCLS値に対してDLS自己相 関関数を標準化する必要なしに、CLS測定およびDLS測定の最適の結合に基 づいて流体中に分散された粒子の寸法分布の測定を可能にする改良された装置お よび方法を提供することである。 本発明の1形式においては、自己相関関数は、米国特許出願第817,044号 に記述されるのと同じやり方で決定され得る。その際、自己相関関数のすべての 形状情報は、各DLS角度における自己相関関数に基づいて未知の粒子寸法分布 のモーメントを計算することによって抽出される。各自己相関関数から、粒子寸 法分布のモーメントの異なるように重み付けされた評価値が得られる。1つの自 己相関関数からモーメントを抽出する方法はよ(知られており、科学文献に詳述 されている0粒子寸法分布の零番目のモーメントは、自己相関関数の振幅に直接 関係づけられる。より高次のモーメントおよび反転モーメントは、自己相関関数 の形状についての情報を含む。 自己相関関数からから十分の数のモーメントを決定することにより、その自己相 関関数内の実質的にすべての形状情報を利用することができる。 モーメントの抽出の後、振幅情報を含む零番目のモーメントを除き、CLSデー タ曲線(もしも測定されているならば)および全自己相関関数のすべての抽出さ れたモするため曲線適合化アルゴリズムが使用される(即ち標準化)、このよう に、本発明のこの形式においては、自己相関関数の振幅に関する情報を除き、す べての自己相関関数情報およびすべてのCLSデータが、分析に使用される。自 己相関関数の振幅情報は使用されないから、CLSデータに対する自己相関関数 の標準化はなされる要がない、さらに、CLSデータは、すべてのDLS角度で 測定される要はない。 CLSデータに対する DLSデータの標準化を必要としない本発明の他の形式 においては、自己相関関数内に通常存在する振幅情報は、各自己相関関数の振幅 を単位に標準化することにより明確に除去される。このような標準化は、遂行す るのが煩わしくなく、より重要なことは、各DLS角度においてCLS測定をな し、DLS測定をCLS測定で標準化することによってDLS測定に相当のエラ ーを導入する必要性を回避することである。単位標準化された DLS測定値は 、特別の変換(rDLS核(カーネル)」)により粒子寸法分布に関係づけられ る。変換は、(米国特許出願第817,048号に記述されるように)粒子寸法 分布なCLSデータにより標準化された自己相関関数に関係づけるDSL核と異 なる。一方、本発明のこの形式における単位標準化に依ると、CLS測定値はす べてのDLS角度でなされることを要しない。 CLSデータに対する DLSデータの標準化を必要としない本発明の第3の形 式においては、データ分析は、振幅を曲線適合化プロセスにおいて「浮動」パラ メータとすることによって、自己相関関数振幅についての情報を使用せずに遂行 できる。振幅を浮動化することは、DLSカーネルまたは自己相関関数なCLS データに関して標準化する代わりに、全自己相関関数の振幅が、曲線適合化にお いて未知の調節可能なパラメータとして処理されることを意味する。このプロセ スは、測定された測定表面へより一層接近するように自己相関関数振幅の自由な 調節を可能にすることに依って、測定された自己相関関数に整合させる上でモデ ル測定面により幅の広い自由を有効に与える。米国特許出願第817,048号 においては、自己相関関数の振幅は、CLS測定値により標準化された。その場 合、CLSデータ点の測定に何らかの小さいエラーがあると、全自己相関関数に 対応するエラーが強要されるが、これは1例えば、CLSデータ点が標準化のた めに使用されていた100のデータ点を含むことがある。本発明の第3の形式に おいては、自己相関関数の振幅は、自己相関関数それ自体のよって(曲線適合化 プロセスを通じて)決定され、単一の測定値が多数の他の測定値にエラーを導入 するような状況を阻止する。やはり、CLSデータは、すべてのDLSにおいて 測定されることを要せず、標準化は全く遂行されない。 さらに詳述すると、本発明は、流体サンプル中に分散される粒子の寸法分布v( r)、ここにrは粒子寸法を表わす、を測定するためのシステムを提供する。シ ステムは、入力軸線に沿って送られる光ビームでサンプルを照明するための光源 を備える。検出器または一組の検出器が設けられていて、各々−組の■の測定条 件の関連する条件下でなされるmの測定に対して、また各々n−組のの測定条件 の関連する条件下でなされるnの測定に対して、サンプルにより光ビームから散 乱される光強度を検出する。ここで、mは、1に等しいかそれより大きい整数で あり、nは、0に等しいかそれより大きい整数であり、そして、■と nの和は  2に等しいかそれより太き(、m+nの測定条件の少なくとも2つは異なって いる。 検出器は、前記1組のmの強度信号を発生するように構成されるが、その各強度 信号は、前記mの測定条件の対応する測定条件下において散乱光の検出された強 度を時間の関数として表わす、検出器はまた、nの平均信号を発生するように構 成されるが、その各平均信号は、前記1組のnの測定条件の対応する測定条件下 において検出される散乱光の平均強度を表わす。 自己相関器が設けられており、■の相関信号を発生する。各相関信号は、強度信 号の対応するものの自己相関関数を表わし、分布v(r)の関連する変換に等し い。 サイズプロセッサが設けられており、相関信号および平均信号に応答する。サイ ズプロセッサは、Iの相関信号に応答して、複合相関信号を発生するブリプロセ ッサを備える。サイズプロセッサはまた、複合相関信号およびnの平均信号から 複合散乱光信号を発生する。サイズプロセッサはまた、関連する変換およびnの 平均信号に関係づけられた複合変換演算子J−1を決定する。複合散乱光信号は 、決定された複合変換演算子J−’に従って変換され分布v(r)を表わす寸法 分布信号を発生する。 このシステムにおいては% glenの測定条件は1強度信号が相互に独立であ り、平均信号が相互に独立であるように制御される。 本発明の1形式においては、プロセッサは、■の相関信号に応答して、mのモー メント信号を発生する。ここで簡のモーメント信号は、■の相関信号の零番目の モーメント以外の■の相関信号の各々のモーメントの少なくとも1つを表わす、 ブリプロセッサはさらに、重み付けされた直接和信号を発生する。ここで、重み 付けされた和信号は、mのモーメント信号の直接和を表わし、複合相関信号に対 応する。 本発明の他の形式においては、ブリプロセッサは、節の相関信号に応答して、麿 の単位標準化相関信号を発生する。ここで、単位標準化相関信号の各々は、mの 相関信号の対応するものの単位標準化された形式を表わす。 ブリプロセッサは直接和信号を発生するが、この信号は、単位標準化相関信号の 直接和を表わし、複合相関信号に対応する。 本発明のさらに他の形式においては、ブリプロセッサは直接和信号を発生する。 この場合、この和信号は、mの相関信号の直接和を表わし、複合相関信号に対応 する。 本発明の上記形式の各々において、複合散乱信号は。 複合相関信号および平均信号の直接和とし得る。 本発明のこれらの形式において、「直接和」は。 McGraw Hill Book Company、ニューヨーク所在、 1 969年発行、165頁、G、D、 MostowおよびJ、H,Sampso n著「Linear AlgebraJに記述されるように定義される(詳記す ると、ベクトル空間U内のすべてのベクトルが和X”X 1÷−−一◆Xrlこ こでX、はUJ (j=1. +++++、 r)内にある、として1つのそし てただ1つの方法で表わすことができるならば、ベクトル空間Uはサブスペース U1.−−−−−.U−の直接和である)、さらに、一群の信号の「複合信号」 は、一連の要素信号により含まれる情報の全部または大部分を保存する要素信号 の任意の変換として定義される。「直接和」は、上にそのように定義された複合 信号の簡単な形式である。さらに、モーメント信号(これらは結合されるかもし れない)はまた、原自己相関関数から誘導される複合信号である。 複合変換演算子は1粒子寸法分布および複合信号内の各データ間の数学的関係を 含む変換演算子として定義される。 図面の簡単な説明 本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、図面を参照してなされた以下 の説明により、一層明らかとなろう。 第1図は1本発明を具体化した例示のシステムの該略図である。 第2図は、第1図のシステムの検出器および信号プロセッサの実施例を示すブロ ック図である。 第3図は、第1図のシステムの検出器および信号プロセッサの他の実施例を示す ブロック図である。 第4図は、第1図および第2図のシステムの動作を説明するフローチャートであ る。 第5〜7図は、第4図のデータ処理段階の3つの実施例の詳細フローチャートで ある。 第8および9図は、水中に分散されたポリスチレンラテックス球体の例示のサン プルに対して本発明の実施例により決定された質量重み付は寸法分布を示す図で ある。 第1O図は、本発明の実施例の動作を説明するためのフローチャートである。 第10A図は、本発明に対する例示のセンサ形式を示す概略図である。 第11〜13図は、第10図のフローチャートのデータ処理段階の3つの実施例 を示す詳細フローチャートである。 【実施例の説明〕 第1図は、本発明に従う例示のシステム10を示している。システム10は、流 体サンプル12内に分散された粒子寸法分布v(r)を表わす出力信号を提供す る。ここで、rは粒子寸法を表わす、サンプルは、例えば、粒子中に分散された 離散的粒子または巨大分子でもよいし、溶媒中のイオン化された巨大分子であっ てもよいし、エアロゾル内の離散粒子であってもよいし、あるいは寸法測定され るべき粒子が流体中に分散され、その流体中でブラウン運動を受ける任意の形態 でよい。 第1図の実施例において、サンプル12は、温度被制御屈折率整合媒体を満たし た槽室(バスチャンバ)14内に配される。システム10は、入力軸線24に沿 って送られレンズによりサンプル12上に焦点を結ぶ平行化光ビームを供給する 光源18を備えている0例示の実施例において、光源はレーザであるが、本発明 の他の形式にSいては、非コヒーレント光源も使用できる6本実施例は、非散乱 光が検出器に実質的に到達せしめられないホモダイン形式である0本発明のヘテ ロゲイン形式においては、光源18からの光ビームは、例えば第1図の破線22 により指示されるオプチカルファイバによって、センサ30に直接結合され得る 。光検出器28は、感知軸線32を有するセンサ30を備えるが、このセンサは 、サンプル12から等距離で弧36上にサンプル12の回りに角度的に分散され た複数の点に位置づけることができる0図示のように、入力軸線32は、軸I! 24に関して角度θだけ変位されている0本発明の種々の形式において、検出器 は弧36上に沿って逐次位置づけてもよいし、代わりに複数の光検出器が弧36 に沿って離散した点に固定されてもよい、検出器28は、線28aに沿って信号 プロセッサ40に出力信号を供給する0本実施例においては、アパーチャ形成デ バイス37および38が、センサ30にて検出される光が予定されたコヒーレン ス領域内にあるように、センサ30および軸線32に関して位置づけられている 。 加えて、本実施例は、軸線24に沿ってサンプルの前におよび軸線32に沿って それぞれ配置された1対の偏光器39aJ5よび39bを備えている。フィルタ 39aおよび39bは、予定された偏光をそれぞれ有する光ビームおよび散乱光 の一部のみを通過せしめる。これらのフィルタの偏光角度を選択的に制御するこ とにより、各直交偏光角に対し、単一角度θに対して実質的に独立の強度信号が 発生され得る0例えば、1形式においては、フィルタ39bは、右円偏波光を通 すものとし、フィルタ39bは、右円偏波光または左円偏波光を通すように選択 的に変えてよい0代わりに、フィルタ39aは乗置偏波光な通すものとし、フィ ルタ39Bは、2つの異なる直交偏光の一方により特徴づけられる光を通すよう に選択的に変えてよい。 第2図は、検出器28および信号プロセッサ4oに対する1形式を示すもので、 検出器28は、光電子増倍管44および関連するパルス弁別装置46および積分 装置48を備える。この形式においては、信号プロセッサ40は、自己相関装置 50、信号分析装置52およびコントローラ54を備える。 第3図は、代わりの形式を示すが、この形式にあっては、検出器28は、干渉計 60および光電子増倍管62と、光電子増倍管63右よび積分装置64とを備え るが、前者は、センサ30における光強度のパワースペクトルを表わす信号を供 給し、後者は、光センサにおける光強度の時間平均を表わす信号を供給する。信 号プロセッサ40は、信号分析装置66およびコントローラ68を備える。第2 図およびぢ3図において、信号分析装置は、信号分布v(r)を表わす出力信号 を供給する。 動作について略述すると、光源18は、入力軸線24に沿ってサンプル12を照 明し、検出器28のセンサ30は、アーク36上の複数の点においてサンプルに より散乱される光の強度を検出する。検出器28において測定される強度は、サ ンプルの散乱領域の各分子から分散される光の位相分布から生ずる干渉パターン である。 液体または気体サンプルにおいては、分子は運動状態にあり、検出器28におけ る干渉パターンは、散乱粒子の運動により変調される。外部電界の不存在の場合 、粒子の運動はランダムであり、熱変動にのみ起因する。これらのランダム運動 により惹起される検出器における散乱光電界の変動は、固定のランダムなプロセ スを含む、プロセスの二次モーメントは、下記のうように定義される。すなわち 、 ここでe(τ)は1時点τにおける検出器における散乱光の電界である。 g( t)は、プロセスの自己相関関数(acf)である、自己相関関数は、任意の時 点における分子の形態と、任意の時間後例えば非常に短い時間遅延後における分 子の形態間の相関の測定値である。検出器において測定される粒子の形態ならび に散乱電界は、原形態に密接類似しており、時間が経つと、その類似は減少する 。 第2図の形態において、散乱光の自己相関関数は、ディジタル相関装置50によ り決定される0代わりに、第3図の形態において、第2図の光電子増倍管−弁別 装置−自己相関装置の諸要素は、干渉計60および光電子増倍管62により置き 代えられる。後者の形態においては、自己相関関数のフーリエ変換であるパワー スペクトルが測定される。第2図および第3図の両形態において、得られる情報 は等価であり、パワースペクトル信号は DLSデーデーして明細書中に言及さ れる。2つの形式間の選択は、サンプル12により散乱される光の変動の迅速性 により決定される。好ましくは、0.Olマイクロ秒より緩速な時間スケールで 減衰する変動が、自己相関により測定され、0.01マイクロ秒より迅速な変動 は、干渉法により測定される。 第2図の光電子増倍管44および積分装置48および第3図の光電子増倍管63 および積分装置64は、検出器30における平均検出強度を表わす信号を供給す る。 これらの信号は、明細書中においてCLSデータとして言及される。 第1図および第2図のシステム10の諸要素18.28.44.46.48およ び50は、Langly Ford Instruments、マサチューセッ ツ州amherst所在、により製造されたモデルLSAZ÷光子相関スペクト ロメータおよびモデル1096相関器のような商業的に入手できる装置によって 一部実施できる0代わりに、これらの諸要素は、CoulterモデルN4光子 相関スペクトルロメータ、またはMalvern Instruments I nc、、マサチュウセツツ州Framingham所在、により製造されたSy stem 4700スペクトロメータ、またはAmtec、Villeneur e−Loubet、フランス所在、により製造されたシリースMM100Oスペ クトロメータ、ならびにCoulterモデル1096相関器により実施できる 。 第4図は、第1図および第2図のシステムの一般的動作を例示するフローチャー トを示すもので、Aで示されるデータ収集段階およびBで示されるデータ処理段 階を含んでいる。第1図および第2図に示される本発明に従えば、データ収集段 階Aは、2モードにおいて要素18および28で遂行される。第1のモードにお いては、DLS測定がmの異なる角度でなされ、自己相関装置50は、第4図に 置いてacf 1−−−acf mで指示されるmの相関関数を提供する。第2 モードにおいては、CLS測定が園の同じ角度と(mは lに等しいかそれより 大きい整数)、追加のnの角度(ここでnは0に等しいかそれより大きい整数) でなされ、積分装!48が第4図においてint 1.−=、int a+nで 指示される■÷nの積分された強度値を供給する。これらの自己相関関数および 積分強度測定は、同じ時間または逐次的になすことができる。何故ならば、各測 定に対して得られたデータは、実質的に独立であるからである0本発明の種々の 形式においては、逐次の一組の自己相関関数および平均速度測定が、異なる角度 でな(、同じ角度で、ただし異なる条件、例えば温度、流体力学的溶液特性、ま たは偏光角度下でなされ得る。これらの条件は、センサ30に独立の強度特性を 設定する0例えば、測定条件は、サンプル上に入射する光(入力光)の偏光およ びサンプルから散乱され検出器上に入射する光(出力光)の偏光を選択的に制御 することにより制御できる。入力および出力光の偏光は、同じ偏光であるように 制御してもよいしく例えば水平/水平、垂直/垂直、右円偏波/左円偏波、また は左円偏波/左円偏波)、直交偏光としてもよい(例えば水平/垂直、垂直/水 平、右円偏波/左円偏波、左円偏波/左円偏波)、また、逐次の一組の自己相関 関数および平均強度測定は、角度およびこれらの条件の種々の組合せでなされ得 る。 CLSおよびDLSデータが測定される角度および条件の任意の組合せに対して 、第5図、第6図および第7図は。 コントローラ540制御下で信号分析装置52により実施され得る3つの異なる 信号処理方法を例示している。 各方法は、Aで指示される標準化段階、Bで指示されるモデル化段階およびCで 指示される分析段階を含む。 第5〜7図の各形式において、標準化段階において、mの相関関数は、角度的強 度(CLS)データでまず標準化され、それによりそれらの相関信号が、mの検 出点に置ける平均検出強度の値にスケールされ、mの標準化自己相関関数を形成 する。ついで、複合自己相関関数が、mの標準化自己相関関数の直接和から形成 される。 モデル化段階においては、式の反転、すなわち、y=J−’ (g+ (t)  + −−−+ gwa (t) 、! (θ1)1−−−11(θ1)。 i(0m+1)+−−−+ 1(θ、、n))が遂行され得るように、分析的す なわち離散的モデルが、分析段階で使用するために構成される。第5図、第6図 および第7図は、各々、複雑条件の関数に対して従来の態様でモデルを構成する ための異なる例示的かつ既知の形式を示している。 第5図においては、モデル寸法分布が、全非零成分を有するヒストグラムとして 発生され、核Jが変換のために発生される。コンビ二一夕を使用して寸法分布v (r)を見出すために、非負最小二乗法(NNLS)を使用するプログラムディ ジタルコンピュータで、「最良適合化」を遂行する* Prentice Ha ll Inc、、ニューシャーシー州Englewood C11ffs所在、  1974年発行、のC,LawsonおよびR,Hanson著r Soli ng Least 5quare ProblemsJ参照。 第6図において、モデル寸法分布が、すべての非負成分をもつ平滑化ヒストグラ ムとして発生される。各シおよび平滑マトリックス■が形成され、特徴的(α) が発生される。ついで、J、Hおよびアルファについてマトリクス操作が遂行さ れ、直線的抑制を受ける最小のノルムを有する残差ベクトルを決定するように問 題を変換する、 J、Hおよびαを使用して寸法分布v(r)を見出すため、最 小距離プログラミング技術を使用するプログラムディジタルコンピュータで、直 線的制約を受ける残差のノルム【シ+V L−g+(tJ)を最小化し、ついで 、ν(r)を決定するためにマトリクス操作が遂行される。 Prentice Hall Inc、、ニューシャーシー州Englewood C11ffs所 在。 1974年発行の仁LawsonおよびR,Hanson著r Solving Least 5quare Problems J参照。 第7図においては、モデル寸法分布が、パラメータ化分布(pi、p2.−−− 、pk)により決定される。ここで、パラメータpi、p2−−−pkは寸法分 布を決定する。ついで、(PI)Ti−1,−−−、Kに関するDの導関数につ いて解析式が決定される。プログラムディジタルコンビ二一夕が、非直線最小二 乗適合化技術を使用して、プログラムGRADLSを使ってv(r)を特徴づけ るP、の最良値を決定する* McGraw HillBook Co、、ニュ ーヨーク所在、 1969年発行、のP、 R,Bevington著r De ta Reduction and Error Analysis fort he PhysicalSciencesJ参照e第5〜7図に示される本発明 の全形式において、自己相関関数が標準化され、ついで複合自己相関関数が形成 される。しかしながら、本発明の代わりの形式においては、自己相関関数は単位 標準化し、ついで複合自己相関関数を形成するように使用してもよい、ついで、 Jが標準化され、標準化変換演算子が、寸法分布を発生するように使用されよう 、さらに、第5図および第6図における複合自己相関関数は、標準化自己相関関 数(したがつてCLS強度)の直接和である。この場合、直線変換が使用される 0本発明の他の形式においては、第7図におけるように、非直線変換が使用され る。 さらに、上述のように、サンプルに対する散乱光のみが測定され、ホモダイン分 析に対する基準を形成する。 代わりに、測定は、光源から非散乱光により増大されるように散乱光についてな される場合もあり、実際には、ビート信号が、ヘテロゲイン分析に対する基準と して発生されるようになされる。それらの形式においては、信号g(t)は、検 出された強度の真の自己相関関数としてもよいし、例えば単に「密接に関係づけ られた」だけでもよい、この場合、バックグラウンドレベルが減算され、ついで 得られた信号の平方根が取られる。後者は、ホモダイン形態のガウスの光に特に 適当である。 第1図および第2図の好ましい実施例において、光源18、検出器28(要素4 4.46および48を含む)および自己相関装置50は、Langley Fo rd Model LSA2+光子相関スペクトロメータおよびLangley  Ford Model1096相関装置により提供される0、信号分析器52 およびコントローラ54は、Charles River DataSyste ms、 ?サチューセッツ州Natick所在により製造されたモデルユニバー ス137/Tデイジタルコンビユークの形式にあり、そしてこのコンピュータは 、ミシガ、ン州Absoft Co r −poration、ミシガン州Ro yal Oak所在、により製造されたFartrann 77 Compil erを有するUNOSオペレーティングシステムを有している。この形態の場合 、自己相関関数およびCLSデータが、2つの角度例えば90@オよび30゜で 集められる。データは、集められると、109B相関装置の内部メモリに自動的 に記憶される。2つの角度のデータが集められ記憶された後、直列(RS−23 2)ポートを介して転送される。 1096相関装置は、ライン当り5チヤンネ ルの形式でデータを送るように設定される。 R5−232ボートを介して受信 されるデータは、137/Tコンピユータ上のディスクファイルに直接酋己憶さ れる。 137/Tコンピユータデイスクフアイルに記憶される1096相関装置からの データのフォーマットは、信号処理プログラム、cont2ang、 fm、に 対する正しい形式にに変換される。このフォーマット変換は、プログラムcon dense。 fm、に従ってプログラムされる137/Tコンピユータを使用して、2組のデ ータ(各角度に対して1つ)を処理することによって遂行される。プログラムc ondense、 fm、の制御下で、137/Tコンピユータは、自己相関関 数データを、測定において使用されるサンプル時間(これも1096相関装置か らのデータセットに含まれる)とともに読み取り、原データの数チャンネルを凝 縮されたデータの1つのチャンネルに結合することによって、各角度に対する2 56チヤンネルのデータを2組の60チヤンネルのデータに凝縮する。処理され たデータは、137/Tコンビユーク上の新しいディスクファイルに書き出され る。データを凝縮するこのプロセスは、後続のデータ処理を速めるためにのみな されるのであり、得られる寸法測定結果に ゛実質的な影響を及ぼさない、つい で、137/Tコンと二一夕は、condense、 fm、の制御下で、デー タが測定された60の凝縮された自己相関関数点に対応して、第1の角度に対す る60の自己相関関数時間点を書き出す。データは、FORTRANフォーマッ ト5e15.6で書き出される。第1の角度に対する自己相関関数時間点に続い て、第2の角度に対する60の自己相関関数時間点が同じフォーマットで書き出 される。これに続いて、第1の角に対する60の凝縮された自己相関関数点が、 続いて第2の角に対する60の凝縮された自己相関関数点が書き出される。自己 相関関数点は、FORTRANフォーマット4e17.11で書き出される。 この点において、新ディスクファイルは、1096相関装置により収集される原 データに等価な再フォ−マツト化された凝縮データを含む、2つの角度に対する 時間点および自己相関関数点のみを含むこの新しいデータファイルは、ヘッダに より予め固定される。しかして、該ヘッダは、信号処理プログラムcont2a ng、 f+llに、データが如何に処理されるべきかを報知し、またプログラ ムに、サンプルの温度および粘度、散乱角のような他の情報を与える。ヘッダの 内容は、C0NTIN使用者マニニアル。 Heidelberg、 BRD所在、に記載されている。サンプルヘッダは、 137/Tコンピユータを使用してファイルに予め固定される。 ヘッダが、凝縮された2つの角度データを含むデータファイルに予め固定される と、プログラムcont2ang、 fmは、データを処理し、サンプルに含ま れる粒子の寸法分布の寸法を提供するように要求される。第8図および第9図は 、サンプルが、水中に分散された450Aおよび850A(半径)のポリスチレ ンラテックス球体の混合物を含む場合、この形態で発生される質量重みづけ寸法 分布v(r)を示している。測定は%20°の温度にて、144 ” (300 秒測定)および63.2°(900秒測定)の散乱角度でなされる。第8図は、 この例に対してcont2ang、 fmプログラムからのデータ出力の一部を 示し、第9図は、このデータのグラフ表示を示している。 このサンプルにおける大きい寸法の粒子は、小さい粒子の2倍以下である。光散 乱測定の場合、比較的密接するピークは、分解するのが極度に難しい、DLSお よびCLSデータを結合することによって得られる分解能の向上によって、第9 図に示されるように2つのピークの明瞭な分離が可能となる。 第1〜3図はまた、第5〜7図と関連して記述される実施例において必要とされ るようにDLSデータをCLSデータに対して標準化する必要のない本発明の実 施例を示している。非標準化実施例においては、第2図の信号分析装置52およ びコントローラ54ならびに第3図の信号分析装置66およびコントローラと6 8は、上述の本発明の標準化形式における対応する要素と相違している。好まし い形式において、これらの要素もまた、Charles River Data  System、マサチューセッツ州Natick所在、のモデルUniver se137/Tディジタルコンピュータの形式を有してよい、しかして該コンビ 二一夕は、追ってより詳細に記述されるようにプログラムされる。 第10図は、本発明の1つの非標準化形式における第1図および第2図のシステ ムの一般的動作を例示するフローチャートであり、Aで指示されるデータ収集段 階と、Bで指示されるデータ処理または分析段階を含んでいる。第1図および第 2図に示される本発明のこの非標準化形式に従うと、データ収集段階Aは、要素 18および28で2つのモードで遂行される。第1のモードにおいては、DLS 測定が、mの異なる測定条件でなされ(ここでmは1に等しいかそれより大きい 整数である)、そして自己相関装置50は、第10図においてacf 1.、。 acf raで指示される閣の自己相関関数を供給する。第2のモードにおいて は、CLS測定が、nの異なる測定条件(ここでnは零に等しいかそれより大き な整数であり、manは2に等しいかそれより大きい)、そして積分装置48は 、第4図においてint m+1.−−−、int (Ownで指示されるnの 積分された強度信号を供給するa manの測定条件のうちの少なくとも2つは 異なっている。これらの自己相関関数および積分強度測定は、粒子分布それ自体 が時間に関して実質的に変化しない限り、同時または逐次になされ得る。これは 、各測定に対して得られるデータが実質的に独立であるからである。好ましくは 、■の測定条件の各々は、nの測定条件の各々と異なるのがよいが、CLSおよ びDLS測定は同じ条件で行われてもよい。 最小のシステムにおいて、例示としてm=1そしてN−1の場合、異なる測定条 件において単一のDLS測定および単一のCLS測定を遂行してもよいし、ある いはa+=2およびn・0に対して、異なる測定条件において2つのDLS測定 を遂行してもよい、後者の場合、DLS測定は、実際には本質的に若干のCLS データを含む。 本発明の種々の形式において、自己相関関数および平均強度測定は、異なる測定 条件、例えば角度、温度、流体力学的溶液特性または偏光角度、すなわちセンサ 30に独立的強度特性を設定する任意の条件下でなされる。 また、種々の自己相関関数および平均強度測定は、角度およびこれらの条件の種 々の組合せでなし得る。 第1図に例示される実施例において、測定は、入力軸線24に関して測定して所 望の角度位置に制御下に位置づけられる単一のセンサによってなされる。ビーム 路内の偏光コントローラおよび/またはサンプル温度コントローラも、独立的測 定条件を設定するように使用され得る。しかしながら、CLS測定およびDLS 測定に対して別個のセンサを利用するのが特に有利である。これは、最適の収集 光学系に対する既知の基準が、それぞれのCLSおよびDLS測定に対して全く 反対であるからである。 CLS測定は、所与の角度において、散乱光が同じサンプルの比較的大きな部分 から収集されるときに、最高の信号対雑音比を有する。逆に、DLS測定の場合 には、収集光学系がサンプルの比較的小部分を見るときに高信号対雑音比が得ら れる。 CLS測定に対しては、2つの別個の弧状光ダイオートート検出器配列(ビーム 入力軸線に関して小角度、例えば6〜60度に対しては前方向配列、そして大角 度例えば60〜120度または90度士比較的小角度に対しては、側方向配列) が適当であり、DLS測定に対しては、光電子増倍管検出器に結合されたオプチ カルファイバの別個の弧状配列(例えば45.90および150度)が適当であ る。この配列は第10A図に略示されているが、簡単にするため、光源、サンプ ル、CLSセンサ配列およびDLSセンサ配列のみが示されている。第10A図 において、第1図の諸要素に対応する要素は、同じ参照番号で識別される。第1 0A図の形態において、サンプル12は、相対向する1対の平行平坦側壁を有す る矩形断面のキュベツトに保持されている。 CLS低角(0度に近い)センサ およびCLS高角(90度に近い)センサは、それぞれX−Y平面およびx−2 +面に存する弧状配列で配置されている。 DLS光ダイオード−配列も、x−2+面に存在する。 CLSおよびDLSデータが測定される角度および/または条件の任意の組合せ に対して、第11図、第12図および第13図は、コントローラ54の制御下で 信号分析装置52で実施できる3つの異なる信号処理段階を示している。各方法 は、予処理段階、モデル化段階および分析段階を含む、第11〜12図の各々に おいて、分析段階は、第5図と関連して記述したのと同じ非負最小二乗(NNL S)曲線適合化法であるが、代わりの曲線適合化技術も使用できる。第13図に おいては、分析段階は、第7図に示されるものと同じである。 第11図の形式においては、予処理段階において、mの自己相関関数の各々が、 そのモーメント(零番目のモーメント)を抽出するように先ず処理され、ついで 得られたmのモーメント信号が、重み付けされた直接和を形成するようにnのi nt信号と結合される。後者の複合散乱光信号は、ついで分析段階に転送される 。 寸法分布モデル化段階は、第5図と関連して記述したのと実質的に同様である。 ただし、モデルは、式の反転、すなわち、 v=J−’ (In、1−−−1mm1i(θee1)、+−−−+ 1(θ、 、ll>>が遂行されるように、分析段階で使用されるように構成される。ここ で1111は1番目の自己相関関数に対するモーメントを表わす(零番目のモー メントを除り)0代わりに、第6図に示され該図と関連して記述されるモデルを 構成する形式を使用することもできる。 第11図においては、モデル寸法分布が、すべての非負成分を有するヒストグラ ムとして発生され、核Jが変換のために形成される。この核を使用して寸法分布 v(r)を見出すため、非負最小二乗(NNLS)を使用するプログラムディジ タルコンピュータで「裁量適合化」を遂行する。 さらに詳述すると、自己相関関数から反転モーメントを抽出するため、ホモダイ ン散乱光自己相関関数G(t)は、下記のへテロダイン自己相関関数g(t)を 生ずるようにまず処理されねばならない。すなわち、g (t) = ((G  (t) −baseline) )/g (0)ここでbaselineは従来 の態様で測定できる(例えばAcademic Press、1976年発行、 のB、 Chu著r La5er LightScatteringJ参照)、 シかるときg(t)の自然対数は、遅延時間tでパワ列に曲線適合される。すな わち、In(g(t))”Ko101+に+t/l!+に*t”/2!+−−− (K++1”0+−−−9n)は、式に一、=C’に、により粒子寸法分布の反 転モーメント(k−1+l”l+−−−1nlに関係づけられる。ここで、C− 3πη/(kmTq″)、ηは粒子を分散させる流体の粘度、X、はボルツマン 定数、そしてTは絶対温度である。qは、q=4πn sin (θ/2)によ り定められる散乱ベクトルの大きさである。nは、粒子を分散させる流体の屈折 率、θは分散角、そしてλは入射光の波長である0反転モーメントは、粒子寸法 分布の反転中心直径の平均値、例えば−次反転モーメントは、反転直径の平均値 <1/d>、二次反転モーメントは、<<1/d”> −<1/d>9゜−m− −−である0通常モーメントは、<d>、<<d”> −<d>1>。 −−−−−である、この反転モーメント抽出が遂行されるプロセスは、 J、o f Che、 Phys、、vol、57.p 4814.1972年発行に詳 細に記述されている。 十分の数の反転モーメントが採られると、粒子寸法分布は完全に特定される。好 ましい実施例において、下式により定義される一次モーメントとともに十分採ら れれば、−次および二次反転モーメントで十分である。すなに、 =(1/C)  Σ(g(t+、+)−g’(t+))”(1+、+−1+)/21:0 ここでAは、自己相関関数における時間点の数に等しい、標準化ファクタを含む 第零次のモーメントは省略される。に上の正の添字は、モーメントを指示し、負 の添字は反転モーメントを指示する。 粒子寸法分布は、自己相関関数から抽出されるモーメントに関係づけられる。こ の結果、マトリックス式Kv=gは、核マトリックスにと寸法分布ベクトルyど の積を測定ベクトルCに関係づける。ここでベクトルyの成分は、数(vl)で ある、!のこれらの成分は、iにより指示される寸法の粒子の相対量、すなわち 所望の寸法分布を表わす、測定ベクトルgの成分は、自己相関関数およびCLS データから抽出されるモーメントおよび反転モーメントである。マトリックスに の成分は、下記のように定めることができる。まず、マトリクスは、1群の別個 の式のような式として表わすことができる。すなわち、ここで、Bはサイズヒス トグラムにおけるビンの数に等しく、Nは反転モーメントの数に等しく、Mは通 常モーメントの数に等しく、C,(θ)は、分布におけるi番目のサイズビンお よび散乱核θに対する強度変換ファクタ、 d+は分布における i番目のサイ ズビンにおける粒子に対する粒子直径である。モーメントに、は、散乱角θで分 類されて、分析において使用される各DLS敗乱角に対して異なるモーメントが 抽出されることを指示する。上述の式は、角マトリクスhのDLS関係成分を定 め、下式を与える。 KJI(θ):cl(θ) −dJ マトリクスには、米国特許出願第817,048号に記載されると同様に、直接 和により、核のCLS部分で増大される。 上で定められる成分をもつマトリクス式■・≦は、ついで、第5図と関連して上 述したように、非負最小二乗(NNLS)曲線適合化アルゴリズムで解かれる。 第12図においては、mの自己相関関数は、単位標準化され(すなわち、各自己 相関関数に対してg(0)・1であるように標準化される)、ついで「変更され た」核が、下式により表わされる式で使用される。 ここで、kは散乱角を指示し、iは寸法(ヒストグラムビン数)、jは時間(自 己相関関数に対する)、yは重量分布、q lk)はに番目の角における重量の 強度への変換である Ct (k)は、上に使用される Ct(θ)に対応する 、ここでθはに番目の核である。最後に、曲線適合化は、下式における(■1) を最小にすることにより決定される。 このプロセスにより、自己相関関数内の情報は、第11図におけるように、モー メントをまず抽出することなく、直接利用可能となる。加えて、n次(n#0) のモーメント内の情報のみでなく、自己相関関数内の全情報が利用される。モデ ル化段階および分析段階は、第11図におけるものと実質的に同じである。 第13図においては、一般化された曲線適合化技術が、全熱標準化されなかった 自己相関関数に適用される。一般に。 i=1 ここに、k=1.−−−、+m 、そしてj=1.−−−、各自己相関関数(A )における時間点の数。 ここで、A(θ5)は、標準化されないに番目の自己相関関数の振幅である。y は、下式な曲線適合化することにより得られる。 i=1 ここでに=1.−−−、m ここでV、は、全ヒストグラムビンに対して負でないように拘束され、A(θ駒 は、全DLS測定角に対して負でないように拘束される。 本発明は、その技術思想から逸脱することな(他の特定の形式において実施され る得るものである。それゆえ、提示の実施例は、すべての点において例示であり 、限定としてみらべきものではなく、技術に精通したものであれば、特許請求の 範囲において変更、変形し得るものである。 浄書(内容に変更なし) 浄、!(内容に変更なし) 0/?りI///Vf 1151:155ノ1.77ρρf−01!、ρρ1) ffIIIo、1)01f−1/ 1tJ5ff0111、Iρ5fil)j  /、/ρ31 l021.01ρl−σ/ 5.JJ5ffρ/!1.01t) f−1/ l;、l6Jf#t’11、ρρρf−ρ/ 1.1J01fO!I J、Ill;ffl/ 1llVffll /11j2ff10 1.1Ijf f0111.000f−11/、#1fflJ11、σl1l−II /、1; 1IfflJ、rl、0θOf−ρ/ 1.1)IダIfσI11、 uρf− ρ/ 1.II6ff(1110,0001−II !、1)lρff(111 ρ、ρ1ll)f−σ11ノfluff(131σ、lρρf−0/ L101 ff031σ、ρρθf−1)/ jJJ5ffl)Ill、ρρOf−0/  /、l1dffO!70.1)ρρf−011,1JOffl)Ill、ρρ0 f−0/ jil17ffllJI。 σ、IσOf−ρ/ /、IIりflσダ11.000f−011J!jiff ρ/Il、lθθf−ρ/ /、61?ffσ/!浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 手続補正書 平成元年6月12日 特許庁長官 吉 1)文 毅 殿 事件の表示 PCT/US88102222発明の名称 流体中に分散される粒 子の粒子サイズ分布測定方法および装置 補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 クールター エレクトロニクス オブニュー イングランド、インコー ホレイテッド/住 所 東京都中央区日本橋3丁目13番11号補正の対象 特許法第184条の5第1項の規定による書面の特許出願人の欄明細書の請求の 範囲の翻訳文 委任状および翻訳文 各1通 補正の内容 別紙の通り 請求の範囲を下記のように補正します。 「請求の範囲 (1)流体サンプル内に分散される粒子の寸法分布v (r)、ここにrは粒子 寸法を表わす、を測定する装置において、 A、入力軸線に沿って送られる光ビームで前記サンプルを照明する照明手段と、 B、mの1組の測定条件の関連する条件下でなされるmの測定、およびnの1組 の測定条件の関連する条件下でなされるnの測定に対して、前記サンプルにより 前記光ビームから散乱される光強度を検出するための検出手段と、ここにmはl に等しいかそれより大きい整数であり、nはOに等しいかそれより大きい整数で あり、mとnとの和は2に等しいかそれより大きく、前記manの測定条件の少 なくとも2つは相違しているものとする、を備え、前記検出手段が、 a、前記1組のmの測定条件の対応する1つの測定条件下で、散乱光の検出され た強度を時間の関数として各々表わすmの強度信号を発生するための手段と、 b、前記1組のnの測定条件の対応する1つの測定条件下で検出された前記散乱 光の平均強度を各々表わすnの平均信号を発生するための手段とを備え、そして さらに、 C1前記強度信号の対応するものの自己相関関数を各々表わし、かつ前記分布V (「)の関連する変換に各々等しいmの相関信号を発生するするための自己相関 手段と、 D、前記相関信号および前記平均信号に応答する寸法処理手段であって、 a、前記mの相関信号に応答して、複合相関信号を発生するためのブリプロセッ サ手段と、b、前記複合相関信号および前記nの平均信号から複合散乱光信号を 発生するための手段と、C1前記の関連する変換および前ME nの平均信号に 関係づけられる複合変換演算子J″′を決定するための手段と、 d、前記の決定された複合変換演算子J−1に従って前記複合散乱光信号を変換 して、前記分布v (r)なの単位標準化相関信号を発生するための手段と、表 わす寸法分布信号を発生する手段と を備える寸法処理手段と、 E、前記強度信号が相互に独立であり、前記平均信号が相互に独立であるように 前記のmanの測定条件を制御するための手段と を備えることを特徴とする粒子寸法分布測定装置。 (2)前記ブリプロセッサ手段が、 a、前記mの相関信号に応答して、該mの相関信号の零番目のモーメント以外の 各相関信号のモーメントの少なくとも1つを表わすmのモーメント信号を発生す るための手段と、 b、前記mのモーメント信号の直接和を表わし、かつ前記複合相関信号に対応す る重み付けされた直接和信号を発生するための手段と を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。 皿前記ブリプロセッサ手段が、 a、前記mの相関信号に応答して、該mの相関信号の対応するものの単位標準化 形式を各々表わすmれた反転である特許請求の範囲第1項記載の粒子す、前記単 位標準化相関信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に対応する直接和信号 を発生するための手段と を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。 B前記ブリプロセッサ手段が、前記mの相関信号の直接和を表わしかつ前記複合 相関信号に対応する直接和信号を発生するための手段を備える特許請求の範囲第 1項記載の粒子寸法分布測定装置。 旦り前記の複合散乱光信号を発生するための手段が、前記複合相関信号および前 記nの平均信号の直接和を生成するための手段を備え、該直接和が、前記複合散 乱光信号に対応している特許請求の範囲第2.3または4 い れかに記載の粒 子寸法分布測定装置。 11前記の関連する変換が直線変換であり、前記複合変換演算子J−1が、前記 の関連する変換に対する演算子の直接和に対応する演算子の一般化さ寸法分布測 定装置。 ユ前記反転変換演算子J−1が、(a)前記の関連する変換のマトリクスの直接 和に対応するマトリクスの反転に対応するか、(b) [!jtj+a■ドIM tに対応するか、ここで旦は、前記の関連する変換に対応するマトリクスの直  和に・応 るマトリクスであり、VはマトリクスJの紙価であり、旦は条牛づけ マトリクスであり、アルファ α は゛化パラメータである、(c) [Jt! U+α■ド1!Utに対応する、ここでlは、前記の関連する変換に対応するマ トリクスの官 和に・応するマトリクスであり、ltはマトリクスlの紙価であ り、旦は条件づCマトリクスで 、アルファ a は゛パラメータで リ、そし て?i v(r 表わベクトルの が、0に−しいかそれよ きく0束されるものと る、特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置 。 旦し前記の関連する変換が非直線であり、前記寸法分布が、v (r、 2)に より表わされ、ここで2はに成分を有する特性パラメータベクトルである、前記 複合変換演算子J−1が、次式に対する2解法アルゴリズムである、すなわち ここで、iは整数1.−−−、 m%jは整数1.−−−、 q、βは整数1. −−−、に、PJ2は旦のβ番目の成分、そしてgs (tj)は、j番目の時 間間隔における前記角のi番目に対する強度信号の自己相関関数であり、Jl、 は、関連する変換に関係づけられる演算子である、特許請求の範囲第1項記載の 粒子寸法分布測定装置。 二前記測定条件制御手段が、(a)前記mの強度信号の1または複数のものが、 前記入力軸線から角度的に変位された点において前記光ビームから散乱される光 の強度を表わし、前記nの平均信号の1または複数のものが、前記入力軸線から 角度的に変位されかつ前記強度信号が発生された前記点と異なる点において前記 散乱光の平均強度を表わすように前記検出手段の位置を設定するための手段を備 えるか、(b +i manの1 の小すくトも1つの?11 に乍 して、F LUサンプル にするHU己ビームからの′の ′ 、第1の−された ′ よ  に゛ 尺・に]l、かつi: に するUサンプルから 乱さ れる・・の ・・ 1.舌 1の された ′るよ に゛ ・に ′ るための  えるか、(c)1雪 manの1 の小なくとも1つの1に して、1舌サン プル に する1舌ビームからの′の ′を、第2の された偏゛′をよ に゛  ・に市ビし、かつ1皆 に ・ る″l己サすプルから 舌しされる′の ′を、″UU3Oされた ′  するよ に゛・に匍′するための (え、1舌 2のされた ′が、U第1の  された ′と畜交旦工6s6特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装 置。 ■丑流体すンプル内に分散される粒子の寸法分布v (r)、ここにrは粒子寸 法を表わす、を測定する方法において、 A、入力軸線に沿って送られる光ビームで前記サンプルを照明し、。 B、mの1組の測定条件の関連する条件下でなされるmの測定、およびnの1組 の測定条件の関連する条件下でなされるnの測定に対して、前記サンプルにより 前記光ビームから散乱される光強度を検出し、ここにmは1に等しいかそれより 大きい整数であり、nはOに等しいかそれより大きい整数であり、mとnとの和 は2に等しいかそれより大きく、前記manの測定条件の少なくとも2つは相違 しているものとする、 該検出段階が、 a、前記1組のmの測定条件の対応する1つの測定条件下で、前記散乱光の検出 された強度を時間の関数として各々表わすmの強度信号を発生し、b、前記1組 のnの測定条件の対応する1つの測定条件下で、検出された前記散乱光の平均強 度を各々表わすnの平均信号を発生する ことを含み、そしてさらに、 C6前記強度信号の対応するものの自己相関関数を各々表わし、かつ前記分布V (「)の関連する変換に各々等しいmの相関信号を発生し、 D、前記相関信号および前記平均信号に応答して、 a、前記mの相関信号をブリ処理して、複合相関信号を発生し、 b、前記複合相関信号および前記nの平均信号から複合散乱光信号を発生し、 C0前記の関連する変換および前記nの平均信号に関係づけられる複合変換演算 子J−1を決定し、前記複合散乱光信号を変換して、前記分布v(r)を表わす 寸法分布信号を発生し、そして E、前記強度信号が相互に独立で−あり、前記平均信号が相互に独立であるよう に前記のvanの測定条件を制御する 諸段階を含むことを特徴とする粒子寸法分布測定方法。 、、LLI前記ブリ処理する段階が、 13J−a、前記の相関信号に応答して、該mの相関信号の零番目のモーメント 以外の各相関信号のモーメントの少なくとも1つを表わすmのモーメント信号を 発生し、b、前記mのモーメント信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に 対応する重み付けされた直接和信号を発生することを含むか、ba、+’mの  舌0に応スして、i舌mの牢= の・応 るものの 亡 ′ ≦ 々わ mの  鴬 ゛ 9 し・ b、1. ユ ・ ヒ 蕾 の わしかっI″A 雷=に・応 る直 ト1を l1」」口1(土よ C′i″mの 90の直 和 わしかつUA 舌0に・店 る = るこ 上」L含J工特許請求の範囲第10項記載の粒子寸法分布測定方法。」 手続宇甫正書(方式) %式% 事件の表示 PCT/US88102222発明の名称 流体中に分散される粒 子の粒子サイズ分布測定方法および装置 補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 クールター エレクトロニクス オブニュー イングランド、インコー ホレイテッド住 所 東京都中央区日本橋3丁目13番11号

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)流体サンプル内に分散される粒子の寸法分布V(r)、ここにrは粒子寸 法を表わす、を測定する装置において、 A.入力軸線に沿って送られる光ビームで前記サンプルを照明する照明手段と、 B.mの1組の測定条件の関連する条件下でなされるmの測定、およびnの1組 の測定条件の関連する条件下でなされるnの測定に対して、前記サンプルにより 前記光ビームから散乱される光強度を検出するための検出手段と、ここにmは1 に等しいかそれより大きい整数であり、nは0に等しいかそれより大きい整数で あり、mとnとの和は2に等しいかそれより大きく、前記m+nの測定条件の少 なくとも2つは相違しているものとする、を備え、前記検出手段が、 a.前記1組のmの測定条件の対応する1つの測定条件下で、散乱光の検出され た強度を時間の関数として各々表わすmの強度信号を発生するための手段と、b .前記1組のnの測定条件の対応する1つの測定条件下で検出された前記散乱光 の平均強度を各々表わすnの平均信号を発生するための手段と を備え、そしてさらに、 C.前記強度信号の対応するものの自己相関関数を各々表わし、かつ前記分布v (r)の関連する変換に各々等しいmの相関信号を発生するするための自己相関 手段と、D.前記相関信号および前記平均信号に応答する寸法処理手段であって 、 a.前記mの相関信号に応答して、複合相関信号を発生するためのプリプロセッ サ手段と、 b.前記複合相関信号および前記nの平均信号から複合散乱光信号を発生するた めの手段と、 c.前記の関連する変換および前記nの平均信号に関係づけられる複合変換演算 子J−1を決定するための手段と、d.前記の決定された複合変換演算子J−1 に従って前記複合散乱光信号を変換して、前記分布v(r)を表わす寸法分布信 号を発生する手段と を備える寸法処理手段と、 E.前記強度信号が相互に独立であり、前記平均信号が相互に独立であるように 前記のm+nの測定条件を制御するための手段と を備えることを特徴とする粒子寸法分布測定装置。
  2. (2)前記プリプロセッサ手段が、 a.前記m相関信号に応答して、該mの相関信号の零番目のモーメント以外の各 相関信号のモーメントの少なくとも1つを表わすmのモーメント信号を発生する ための手段と、 b.前記mのモーメント信号の直接和を表わし、かつ前記複合相関信号に対応す る重み付けされた直接和信号を発生するための手段と を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  3. (3)前記の複合散乱光信号を発生するための手段が、前記複合相関信号および 前記nの平均信号の直接和を生成するための手段を備え、該直接和が、前記複合 散乱光信号に対応している特許請求の範囲第2項記載の粒子寸法分布測定装置。
  4. (4)前記プリプロセッサ手段が、 a.前記mの相関信号に応答して、該mの相関信号の対応するものの単位標準化 形式を各々表わすmの単位標準化相関信号を発生するための手段と、 b.前記単位標準化相関信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に対応する 直接和信号を発生するための手段と を請える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  5. (5)前記の複合散乱光信号を発生するための手段が、前記複合相関信号および 前記nの平均信号の直接和を生成するための手段を備え、該直接和が、前記複合 散乱光信号に対応している特許請求の範囲第4項記載の粒子寸法分布測定装置。
  6. (6)前記プリプロセッサ手段が、前記mの相関信号の直接和を表わしかつ前記 複合相関信号に対応する直接和信号を発生するための手段を備える特許請求の範 囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  7. (7)前記の複合散乱光信号を発生するための手段が、前記複合相関信号および 前記nの平均信号の直接和を生成するための手段を備え、該直接和が、前記複合 散乱光信号に対応している特許請求の範囲第6項記載の粒子寸法分布測定装置。
  8. (8)前記照明手段が、前記mの点を前記光ビームの一部で直接照明するための 手段を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  9. (9)前記照明手段が、前記ビームのいずれもが前記mの点のいずれをも直接照 明するのを阻止するための手段を含む特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布 測定装置。
  10. (10)前記自己相関手段が、前記mの相関信号を、時間領域自己相関信号gi (t)、ここでtは時間、i=1,−−−,mである、として発生するための自 己相関器を備え、前記mの自己相関信号の各々が、前記mの強度信号の対応する ものの自己相関に対応している特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  11. (11)前記自己相関手段が、前記mの相関信号を周波数領域スペクトル信号G 1(f)、ここでfは周波数、i=1,−−−,mである、として発生するため のパワースペクトル手段を備え、前記mのパワースペクトル信号の各々が、前記 mの強度信号の対応するもののパワースペクトルに対応している特許請求の範囲 第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  12. (12)前記の関連する変換が直線変換であり、前記複合変換演算子J−1が、 前記の関連する変換に対する演算子の直接和に対応する演算子の一般化された反 転である特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  13. (13)前記反転変換演算子J−1が、前記の関連する変換のマトリクスの直接 和に対応するマトリクスの反転に対応する特許請求の範囲第12項記載の粒子寸 法分布測定装置。
  14. (14)前記反転変換演算子J−1が[JtJ+αH]−1Jtに対応する、こ こでJは、前記の関連する変換に対応するマトリクスの直接和に対応するマトリ クスであり、JtはマトリクスJの転値であり、Hは条件づけマトリクスであり 、アルファ(α)は平滑化パラメータである、特許請求の範囲第12項記載の粒 子寸法分布測定装置。
  15. (15)前記反転変換演算子J−1が[JtJ+αH]−1Jtに対応する、こ ごでJは、前記の関連する変換に対応するマトリクスの直接和に対応するマトリ クスであり、JtはマトリクスJの転値であり、Hは条件づけマトリクスであり 、アルファ(α)は平滑化パラメータであり、そして前記分布関数v(r)を表 わすベクトルの全成分が、0に等しいかそれより大きく拘束されるものとする、 特許請求の範囲第12項記載の粒子寸法分布測定装置。
  16. (16)前記の関連する変換が非直線であり、前記寸法分布が、v(r,p)に より表わされ、ここでpはK成分を有する特性パラメータベクトルである、前記 複合変換演算子J−1が、次式に対するR解法アルゴリズムである、すなわち ▲数式、化学式、表等があります▼ ここで、iは整数1,−−−,m、jは整数1,−−−,q、lは整数1,−− −,K、Plはpのl番目の成分、そしてg1(tj)は、j番目の時間間隔に おける前記角のi番目に対する強度信号の自己相関関数であり、Jijは、関連 する変換に関係づけられる演算子である、特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法 分布測定装置。
  17. (17)m≧1、n≧1である特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  18. (18)m≧2、n=0である特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  19. (19)m≧1、n≧1である特許請求の範囲第2項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  20. (20)m≧2、n≧0である特許請求の範囲第2項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  21. (21)m≧1、n≧1である特許請求の範囲第4項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  22. (22)m≧2、n=0である特許請求の範囲第4項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  23. (23)m≧1、n≧1である特許請求の範囲第6項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  24. (24)m≧2、n=0である特許請求の範囲第6項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  25. (25)前記測定条件制御手段が、前記mの強度信号の1または複数のものが、 前記入力軸線から角度的に変位された点において前記光ビームから散乱される光 の強度を表わし、前記nの平均信号の1または複数のものが、前記入力軸線から 角度的に変位されかつ前記強度信号が発生された前記点と異なる点において前記 散乱光の平均強度を表わすように前記検出手段の位置を設定するための手段を備 える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装置。
  26. (26)前記測定条件制御手段が、前記m+nの測定の少なくとも1つの測定中 に作用して、前記サンプル上に入射する前記ビームからの光の偏光を、第1の予 定された偏光を有すように選択的に制御し、かつ前記検出手段上に入射する前記 サンプルから散乱される光の偏光を、前記第1の予定された偏光を有するように 選択的に制御するための手段を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布 測定装置。
  27. (27)前記測定条件制御手段が、前記m+nの測定の少なくとも1つの測定中 に作用して、前記サンプル上に入射する前記ビームからの光の偏光を、第2の予 定された偏光を有すように選択的に制御し、かつ前記検出手段上に入射する前記 サンプルから散乱される光の偏光を、前記第2の予定された偏光を有するように 選択的に制御するための手段を備え、前記第2の予定された偏光が、前記第1の 予定された偏光と直交している特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布測定装 置。
  28. (28)前記第1の予定された偏光が円形である特許請求の範囲第26項記載の 粒子寸法分布測定装置。
  29. (29)前記第1および第2の予定された偏光が円形である特許請求の範囲第2 7項記載の粒子寸法分布測定装置。
  30. (30)前記第1の予定された偏光が線形である特許請求の範囲第26項記載の 粒子寸法分布測定装置。
  31. (31)前記第1および第2の予定された偏光が線形である特許請求の範囲第2 7項記載の粒子寸法分布測定装置。
  32. (32)前記m+nの測定の少なくとも1つの測定中に作用し、前記サンプルの 温度を第1の予定された温度に選択的に制御し、かつ前記m+nの測定の少なく とも1つの他の測定中に作用し、前記サンプルの温度を第2の予定された温度に 選択的に制御するための手段を備える特許請求の範囲第1項記載の粒子寸法分布 測定装置。
  33. (33)前記検出手段が、前記のmの強度信号を発生するための第1のセンサ手 段と、前記のnの平均信号を発生するための第2のセンサ手段を備える特許請求 の範囲第25項記載の粒子寸法分布測定装置。
  34. (34)前記第2センサ手段が、離間された光センサより成る第1の曲線状の配 列と、離間された光センサより成る第2の曲線状の配列とを備え、前記第1の配 列が、前記サンプルの回りに配置された弧状線に沿って延びていて、該第1配列 内の光センサが、前記入力軸線から測定して比較的小角度だけ前記サンプルから 変位されており、前記第2の配列が前記サンプルの回りに配置される弧状線に沿 って延びていて、該第2配列内の光センサが、前記入力軸線から測定して90度 +比較的小角度だけ前記サンプルから変位されている特許請求の範囲第33項記 載の粒子寸法分布測定装置。
  35. (35)前記第1および第2配列が、直交平面内にある特許請求の範囲第34項 記載の粒子寸法分布測定装置。
  36. (36)前記サンプルに対する容器を保持するための手段を備えており、該容器 が、相対する平行な平坦側面を有し、かつ該側面によって限定される矩形断面を 有し、前記保持手段が、前記入力に垂直な1対の側面および前記入力軸線に平行 な他の1対の側面を保持するための手段を備える特許請求の範囲第34項記載の 粒子寸法分布測定装置。
  37. (37)前記サンプルに対する容器を保持するための手段を備えており、該容器 が、相対する平行な平坦側面を有し、かつ該側面によって限定される矩形断面を 有し、前記保持手段が、前記入力に垂直な1対の側面および前記入力軸線に平行 な他の1対の側面を保持するための手段を備える特許請求の範囲第35項記載の 粒子寸法分布測定装置。
  38. (38)流体サンプル内に分散される粒子の寸法分布v(r)、ここにrは粒子 寸法を表わす、を測定する方法において、 A.入力軸線に沿って送られる光ビームで前記サンプルを照明し、 B.mの1組の測定条件の関連する条件下でなされるmの測定、およびnの1組 の測定条件の関連する条件下でなされるnの測定に対して、前記サンプルにより 前記光ビームから散乱される光強度を検出し、ここにmは1に等しいかそれより 大きい整数であり、nは0に等しいかそれより大きい整数であり、mとnとの和 は2に等しいかそれより大きく、前記m+nの測定条件の少なくとも2つは相違 しているものとする、 該検出段階が、 a.前記1組のmの測定条件の対応する1つの測定条件下で、前記散乱光の検出 された強度を時間の関数として各々表わすmの強度信号を発生し、 b.前記1組のnの測定条件の対応する1つの測定条件下で、検出された前記散 乱光の平均強度を各々表わすnの平均信号を発生する ことを含み、そしてさらに、 C.前記強度信号の対応するものの自己相関関数を各々表わし、かつ前記分布v (r)の関連する変換に各々等しいmの相関信号を発生し、 D.前記相関信号および前記平均信号に応答して、a.前記mの相関信号をプリ 処理して、複合相関信号を発生し、 b.前記複合相関信号および前記nの平均信号から複合散乱光信号を発生し、 c.前記の関連する変換および前記nの平均信号に関係づけられる複合変換演算 子J−1を決定し、d.前記の決定された複合変換演算子J−1に従って前記複 合散乱光信号を変換して、前記分布v(r)を表わす寸法分布信号を発生し、そ して E.前記強度信号が相互に独立であり、前記平均信号が相互に独立であるように 前記のm+nの測定条件を制御する 諸段階を合むことを特徴とする粒子寸法分布測定方法。
  39. (39)前記mのプリ処理する段階が、a.前記の相関信号に応答して、該mの 相関信号の零番目のモーメント以外の各相関信号のモーメントの少なくとも1つ を表わすmのモーメント信号を発生し、b.前記mのモーメント信号の直接和を 表わしかつ前記複合相関信号に対応する重み付けされた直接和信号を発生するこ とを含む特許請求の範囲第38項記載の粒子寸法分布測定方法。
  40. (40)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応している特許請求の範囲第38項記載の粒子寸法分布測定方法。
  41. (41)前記のプリ処理する段階が、 a.前記mの相関信号に応答して、前記mの相関信号の対応するものの単位標準 化形式を各々表わすmの単位標準化相関信号を発生し、 b.前記単位標準化相関信号の直接和を表わしかつ前記複合相関信号に対応する 直接和信号を発生することを合む特許請求の範囲第38項記載の粒子寸法分布測 定方法。
  42. (42)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応している特許請求の範囲第41項記載の粒子寸法分布測定方法。
  43. (43)前記のプリ処理する段階が、前記mの相関信号の直接和を表わしかつ前 記複合相関信号に対応する直接和信号を発生することを含む特許請求の範囲第3 8項記載の粒子寸法分布測定方法。
  44. (44)前記の複合散乱光信号を発生する段階が、前記複合相関信号および前記 nの平均信号の直接和を生成することを含み、該直接和が、前記複合散乱光信号 に対応する特許請求の範囲第43項記載の粒子寸法分布測定方法。
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