[发明专利]用于颗粒大小和浓度测量的检测方案

说明书

技术领域

本发明涉及测量颗粒大小和浓度的领域。更具体地说，涉及使用光学方法来测量颗粒大小和浓度。

背景技术

存在用于颗粒大小和浓度分析(PSA)的许多技术，它们可以在Terry Alan写的书籍“Introduction to Particle Size Analysis”T.Allen,Particle size analysis John Wiley&Sons；ISBN:0471262218；June,1983中回顾。最常用的技术是光学的，其基于测量到的颗粒与激光辐射的相互作用。特别地，当接近大约1微米和以下的颗粒大小范围时，因为颗粒的折射率的实部和虚部的影响，这些技术中的大多数遭受不准确性。例如，已知的是，在某些技术中，如基于夫琅和费谱线衍射分析的技术，吸收光的颗粒因吸收而产生的能量损失将导致尺寸过大，而在高浓度中，颗粒将因二次散射等而将导致尺寸过小。

对这些问题较不敏感的光学技术被已知为渡越时间(Time of Transition)或TOT。在该技术中，在时域而非幅度域来分析扫描的聚焦激光束和颗粒的相互作用，从而导致对折射率变化的低灵敏性。该技术的详细描述发表于论文“Improvements in Accuracy and Speed Using the Time-of-Transition Method and Dynamic Image Analysis For Particle Sizing by Bruce Weiner,Walter Tscharnuter,and Nir Karasikov”,[Particle Size Distribution III；Assessment and Characterization；Editor(s):Theodore Provder1；Volume 693,Publication Date(Print):June10,1998；Copyright1998American Chemical Society]。很多大程度上，在该技术中，来自相互作用信号的已知激光束轮廓的去卷积算法导出该大小。由聚焦激光束的已知体积内的每单位时间相互作用数导出浓度。

在TOT技术中，颗粒与聚焦扫描激光束相互作用。为了测量较小的颗粒，使用较小的聚焦点。然而，根据针对高斯激光束的衍射定律，如果光束的腰为D，则该光束的发散性与λ/D成比例，其中，λ是激光的波长。用于分辨小颗粒至焦点体积的能力与测量浓度时的准确性之间的折中是显见的。因而，如果TOT技术的目标是，解析并测量微米和亚微米范围的颗粒，则因为瞬时焦点体积小并且颗粒的相互作用率低，在测量低浓度的能力方面受限。在另一方面，采用更大的斑点将提高浓度测量率，但将使大小分析的质量和分辨率劣化。

可以利用较短波长可以实现改进。因为太短的波长将导致激光被光学装置吸收，所以这仅可以具有最多成为2倍的有限效果，而且在颗粒处于液体中的情况下，激光还被液体吸收。

本发明人以前的发明(US7746469)引入了用于在两个矛盾需求之间解耦的新技术和装置：分辨小颗粒的能力，和使用基于利用结构化激光束的单颗粒相互作用的测量结果来测量低浓度的能力。

因此，本发明的一目的是，提供这样的新检测方案，即，其由于相互作用信号对于颗粒直径的较低依赖性而提供较高灵敏度。

本发明的另一目的是，提供这样的新检测方案，即，由于固有的光噪声滤波而提供测量更高颗粒浓度的能力。

本发明的另一目的是，提供这样的新检测方案，即，提供根据颗粒沿正向散射和后向散射这两者中的相互作用信号来表征颗粒的能力。

本发明进一步的目的和优点将随着本描述的进行而呈现。

发明内容

本发明提供了一种颗粒尺寸和浓度测量的系统和方法，其包括以下步骤：提供聚焦合成结构化激光束，使该光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒的单位时间的相互作用数，以及利用算法来将相互作用信号映射到颗粒大小并将单位时间的相互作用数映射到浓度。

该颗粒可以在流体承载、气体承载，或者表面上，并且具有范围从亚微米至几千微米的大小。在本发明优选实施方式中，聚焦合成结构化激光束是暗光束。

可以通过在高斯激光束上采用掩模、通过直接修改激光腔、通过组合来自数个激光器的光束，或者通过对激光束的其它操纵(如在干涉测量或偏振修改方案中)来生成该结构化光束。该测量可以利用与扫描光束(包括暗场)的相互作用的持续时间来进行。本发明还提供了一种用于颗粒大小和浓度测量的系统。