DE69406683T2

DE69406683T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der formeigenschaften von teilchen

Info

Publication number: DE69406683T2
Application number: DE69406683T
Authority: DE
Inventors: Camiel Heffels
Original assignee: STICHTING TECH WETENSCHAPP; Technische Universiteit Delft
Current assignee: STICHTING TECH WETENSCHAPP; Technische Universiteit Delft
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2014-08-10
Also published as: EP0760090A1; EP0760090B1; US5764358A; NL9301446A; JPH09501773A; WO1995006238A1; AU7710094A; DE69406683D1

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zum Bestimmen der Formeigenschaften von Partikeln.
Es ist bekannt, die Partikelgrößenverteilung mit Hilfe der Lichtstreuug zu bestimmen. Bei dieser Prozedur wird ein Laserstrahl durch eine darin schwimmende Partikel enthaltende, transparente Zelle geleitet, und es wird die Intensität des Streulichts von den Partikeln mit Hilfe eines Fotodetektorfeldes bestimmt, welches eine Anzahl konzentrischer Ringe oder Ringteile enthält, die an ein Energiemeßgerät angeschlossen sind. Der Fotodetektor ist eine Scheibe aus einem Halbleitermaterial, und auf dem Halbleitermaterial sind die Ringe durch Ätzen von Trennlinien gebildet, um auf diese Weise die Ringe voneinander zu trennen.
Die Lichtstärkeschwankungen können statistisch verarbeitet werden, und die daraus erhaltenen Ergebnisse (z. B. graphische Ergebnisse) sind eine Anzeige für die Größenverteilung der Partikel. Bezug genommen wird auf den Artikel in dem Journal Applied Optics, Bd. 30, S. 4818-4823, 1991 mit dem Titel Deconvolution of Light Scattering Patterns by Observing Intensity Fluctuations, deren Autoren A. Boxman, H.G. Merkus, P.J.T. Verheijen und B. Scarlett sind.
Allerdings läßt sich Information über die Form der Partikel auch aus den Fluktuationen der Lichtintensität von seitens der Partikel gestreutem Licht ableiten. Die Teilchengröße wird als ein Steuerparameter in einer Anzahl individueller Prozesse verwendet, und bei veschiedenen dieser Prozesse ist die Form der Partikel ebenso wichtig wie, wenn nicht gar wichtiger als die bloße Größe der Teilchen. Beispiele sind Schleifvorgänge und Kristallisationsprozesse im industriellen Maßstab, wobei Agglomeration, gegenseitiger Abrieb der Teilchen und der Effekt von Zuschlagstoffen von Bedeutung für die Kristallform sind.
Weil Signalschwankungen, die von einem Detektorelement stammen, nicht nur von der Anzahl von Teilchen, sondern auch von deren Gestalt abhängen, muß man auch die Partikelform berücksichtigen, wenn man die Partikelgrößenverteilung für den Fall ermittelt, daß sich die Form der Partikel möglicherweise ändert.
Das Ziel der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Bestimmen der Formeigenschaft von Partikeln unter Verwendung einer Vorrichtung anzugeben, die an sich für die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung gut bekannt ist.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahlenbündel auf eine die darin strömenden Partikel enthaltende, transparente Zelle gelenkt wird und die Intensität des von den Partikeln gestreuten Lichts mit Hilfe eines Fotodetektorfeldes oder einer programmierbare Lichtventile enthaltenden Maske mit einem oder mehreren konzentrischen Ringen oder Ringteilen gemessen wird, wobei mindestens einer der Ringe oder Ringteile mit einem oder mehreren abgetrennten Segmenten ausgestattet ist, die Ringe und abgetrennten Segmente an ein Energiemeßgerät angeschlossen sind, dessen Signalamplituden statistisch verarbeitet werden, um Amplitudenklassen zu liefern, und die Formeigenschaften aus einem graphischen oder numerischen Vergleich der Amplitudenklassen ermittelt werden.
Die Amplitude der Signale von einem oder mehreren Ringen und die Amplitude der Signale von einem oder mehreren isolierten Segmenten können verarbeitet werden, um eine Amplituden-Häufigkeits- Verteilungsdarstellung zu schaffen, wobei die Formeigenschaften ermittelt werden aus der Differenz in der Amplituden-Häufigkeits- Verteilung von Signalen, die von dem Ring oder den Ringen stammen, und Signalen, die von dem abgetrennten Segment oder von abgetrennten Segmenten stammen.
Eine weitere Option besteht darin, daß die Amplitude der Signale von emer Anzahl abgetrennter Segmente eines Rings verarbeitet wird, um eme Korrelations-Darstellung zu erhalten, und die Formeigenschaften aus der Form dieser Darstellung ermittelt werden. Diese Option hat den Vorteil, daß die Formeigenschaften in einem charakteristischen Winkelspektrum ausgedrückt werden können.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen der Formeigenschaften von Partikeln. Eine Vorrichtung, die eine Lichtquelle oder eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels oder eines Laserstrahls enthält, eine transparente Zelle, durch die hindurch die Partikel laufen können, ein Fotodetektorfeld oder eine Maske, die programmierbare Lichtventile enthält, umfassend eine oder mehrere Ringe, die an ein Energiemeßgerät angeschlossen sind, und eine Berechnungseinrichtung zur statistischen Verarbeitung von, Signalamplituden, um Amplitudenklassen zu bilden, ist an sich bekannt. Die neuen Merkmale bestehen darin, daß auf mindestens einem der Ringe Segmente abgetrennt sind, welche abgetrennten Segmente an das Energiemeßgerät gekoppelt sind, und daß die Berechnungseinrichtung in der Lage ist, die Amplituden zu verarbeiten, die von Signalen seitens der Ringe stammen, und die von Signalen aus den getrennten Segmenten stammen, um Amplitudenklassen zu bilden und Korrelations- Koeffizienten zu berechnen.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Fotodetektor oder eine programmierbare Maske. Es ist bekannt, daß der Fotodetektor eine Anzahl konzentrischer Ringe oder Ringteile enthält, wobei die Möglichkeit besteht, jeden Ring mit einem Energiemeßgerät zu verbinden. Eine Maske enthält eine Anzahl konzentrischer, programmierbarer Lichtventile in Form von Ringen oder Ringteilen, über die das Lichtstrahlenbündel, welches auf ein Energiemeßgerät gekoppelt wird, gemessen wird, wie dies in der US-A-4 735 487 und der DE-A-35 38 413 beschrieben ist. In beiden Fällen ist es erfindungsgemäß notwendig, daß ein oder mehrere Segmente auf zumindest einem der Ringe oder Ringteile abgetrennt sind, welche Segmente gleichermaßen mit dem Energiemeßgerät verbunden werden können.
Im folgenden wird die Erfmdung detaillierter und unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laser- Beugungsapparatur zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Fotodetektors, der in der Vorrichtung nach Fig. 1 eingesetzt wird.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Signalenergie als eine Funktion der Ringnummern sowohl flir kugelförmige als auch für blockförmige Partikel gleicher Größe.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Signalenergie als Funktion der Nummer des keilförmigen Abschnitts auf einem Ring für - aufeinanderfolgend - einen einzelnen kugelförmigen Partikel, einen einzelnen Ellipsoid-Partikel und einen einzelnen blockförmigen Partikel.
Fig. 5 ist eine Darstellung der Signalamplituden-Häufigkeits- Verteilung für den Fall eines einzelnen faserförmigen Partikels und 200 Detektor-Ablesewerte.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung der Signal-Häufigkeits-Verteilung flir den Fall von 25 Partikeln und 200 Detektor-Ablesungen.
Fig. 7 zeigt ein Korrelationsdarstellung für kugelförmige, kubusförmige und ellipsoidförmige Partikel, basierend auf einer Simulation mit 25 identischen Partikeln und 200 Ablesungen.
Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Laser 1, der über einen Strahlaufweiter 2 ein Laserstrahlbündel auf eine transparente, optische Zelle 3 wirft, durch die hindurch Partikel strömen, bei denen eine Bestimmung der Form durchgeführt werden soll. Das von den Partikeln kommende Streulicht wird von einer Fourier-Linse 4 auf einen Fotodiodendetektor 5 fokusiert, der sich in einem Abstand von der Fourier-Linse 4 befindet, der der Brennweite dieser Linse entspricht. Wie Fig. 2 zeigt, enthält der Detektor 5 eine Scheibe, die aus einer Anzahl konzentrischer Ringe 6 (z. B. 32 Ringen) besteht, von denen jeder Ring in eine Anzahl keilförmiger Abschnitte 7 (z. B. 64 Abschnitte) unterteilt ist. Die Ringe 6 sind ebenso wie die keilförmigen Abschnitte 7 voneinander getrennt. In der Mitte der Detektorscheibe befindet sich ein Loch 8. Das durch dieses Loch gelangende Licht wird über eine Linse 9 einem Dunkeldetektor 10 zugeführt. Die optische Zelle 3 kann auch zwischen dem Fotodetektor und der Fourier-Linse 4 angeordnet werden; dies ist als umgekehrte Fourier-Anordnung bekannt.
Jeder der Ringe 6 und jeder der keilförmigen Abschnitte 7 ist an ein Energiemeßgerät 11 angeschlossen, welches die von dem Ring oder dem keilförmigen Abschnitt abgegebene. Energie mißt und die Signale über die betreffende Energieamplitude einem Rechner 12 zur statistischen Verarbeitung übermittelt. Die Ringe 6 liefern Signale, aus denen die radiale Intensitätsverteilung bestimmt wird, und die keilförmigen Abschnitte 7 liefern Signale, aus denen die Azimut-Schwankungen abgeleitet werden können.
Ein Signal Lik von der Scheibe stammt von einem keilförmigen Abschnitt mit der Nummer i, der sich auf einem Ring mit der Nummer k befindet.
Fig. 3 ist eine Darstellung der Relation zwischen der Ringnummer und der Energieamplitude für kugelförmige Partikel und für blockförmige Partikel.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Keilnummer und der Energieamplitude für kugelförmige Partikel, Ellipsoid-Partikel und blockförmige Partikel für eine festgelegte Orientierungsrichtung auf dem größten Ring.
Partikel mit sehr unterschiedlichen Orientierungsrichtungen fließen gleichzeitig durch die Zelle 3. Das Signal von einem keilförmigen Abschnitt für einen Satz von Partikeln ist eine Linearkombination der Keilsignale von einem einzelnen Partikel. Die Signalschwahkungen, die von einem einzelnen Detektorelement stammen, hängen nicht nur von der statistischen Anzahl der Partikel in der Zelle 3 ab, sondern auch von der Partikel-Form. Die Signalschwankung, die von einem einzelnen Keil 7 stammt, unterscheidet sich von der Signalschwankung von einem Ring 6. Die Art und Weise, in der die gemessenen Keilsignale mit den gemessenen Ringsignalen verglichen werden, ergibt sich aus der Signalamplituden-Häufigkeitsverteilung (SDF = signal frequency distribution).
Wenn die Partikel kugelförmig sind, hängt die Breite der Häufigkeitsverteilung ab von der Anzahl vön Partikeln innerhalb der Zelle (Poisson-Verteilung) und von der ungleichförmigen Intensitätsverteilung des Laserstrahls.
Wenn die Amplituden-Häufigkeitsverteilung für Ringsignale identisch ist mit der Amplituden-Häufigkeitsverteilung für die Signale von einem keilförmigen Abschnitt, dann gilt SFD (Lik = SFD (Lk), und die betreffenden Partikel sind kugelförmig.
Sind die Partikel nicht kugelförmig und erzeugen sie Energieschwankungen in azimutaler Richtung, so ist die obige Gleichung nicht mehr gültig.
Figuren 5 und 6 zeigen die Signalhäufigkeitsverteilungen für Signale, die von faserförmigen Partikeln stammen. Bei der Erstellung dieser Zeichnung wurde eine gaussförmiges Laserstrahlprofil angenommen (vergleiche Optics Communication 90 (1992) 1-6, Comparison of the diffraction theory and the generalized Lorenz Mie theory for a sphere arbitrarily located into a laser beam; Autore: G. Gréhan et al.)
Ein deutlicher Unterschied in der Signalhäufigkeitsverteilung stellt sich dann ein, wenn die Anzahl von Partikeln innerhalb der Zelle sich ändert. Eine große Anzahl von Partikeln in der Zelle bewirkt, daß der Mittelwert der Verteilung sich in Richtung höherer Signalwerte verschiebt und die Verteilung immer mehr einer Gauss'schen Verteilung ähnelt.
Fig. 7 ist eine Korrelationsdarstellung für kugelförmige, kubusförmige und ellipsoidförmige Partikel, basierend auf einer Simulation mit 25 identischen Partikeln und 200 aufeinanderfolgenden Ablesungen. Es wurden die Signale von dem äußersten Ring verwendet. Die Korrelations-Berechnung für Signale auf einem Ring, der in Segmente unterteilt ist, liefert Information bezüglich der tatsächlichen durchschnittlichen Partikelform. Eine detailliertere Erläuterung findet sich in dem Artikel mit dem Titel "The use of Azimuthal Intensity Variations in Diffraction Patterns for Partide Shape Characterization" in der Zeitschrift "Partide 8 Particle Systems Characterization", II (1994) S. 194-199, veröffentlicht von VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Deutschland.
Die für die Erfindung wesentlichen Merkmale sind darin zu sehen, daß mindestens ein Segment auf mindestens einem Ring abgetrennt ist, und daß die Verteilung der Amplitudenhäufigkeit der Signale von dem Segment verglichen wird mit der Verteilung der Amplitudenhäufigkeit der Signale, die von dem in Frage stehenden Ring stammen.
Wenn ein Ring in mehrere Segmente unterteilt ist, liefert eine Berechnung der Korrelation zwischen den Signalen von den Segmenten eine genaue Information über die mittlere Teilchenform.
Die Formmeßvorrichtung kann empfindlich gemacht werden für einen Teilchengrößenbereich, indem man sämtliche Ringe in keilförmige Abschnitte unterteilt.
Die Bestimmung der Partikelform ist per se von Wichtigkeit für die Bestimmung der Teilchengröße. Die Bestimmung der Teilchengröße wird ungenauer, wenn die Teilchen eine längliche Form haben. Durch Abtrennen von einem oder mehreren Keilen (Segmenten) auf einem Ring ist es möglich, bei jeder Teilchengrößenbestimmung festzulegen, ob die Form der Partikel wesentlich von der Kugelform abweicht. Wenn dies der Fall ist, ist die Bestimmung der Teilchengröße ungenau.
Die Lage der Zelle 3 zwischen der Linse 4 und dem Detektor 5 und die Einstellung der Größe des Streumusters durch Bewegen der Zelle sind nicht ausgeschlossen. Wird ein Detektor mit einem in Keile unterteilten Ring verwendet, kann man eine vorteilhafte Energiespitze dadurch suchen, daß man die Lage der Zelle verändert.
Eine Detektorscheibe, in der sämtliche Ringe mit einem abgetrennten Segment und sämtliche Segmente eine radiale Sequenz bilden, ist möglich.
Anstelle eines Fotodiodendetektors besteht die Möglichkeit der Verwendung eines polaren Ladungskopplungs-Bauelement-Feldes (CCD- Bauelement) oder einer programmierbaren Maske, in der sowohl ringförmige programmierbare Lichtventile in der Form von LCDS als auch keilförmige Segmente vorhanden sind.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Formeigenschaften von Partikeln, bei dem ein Lichtstrahlenbündel (1) auf eine darin strömende Partikel enthaltende, transparente Zelle gelenkt und die Intensität des von den Partikeln gestreuten Lichts mit Hilfe eines Fotodetektors (5) oder einer programmierbare Lichtventile enthaltenden Maske gemessen wird, der bzw. die einen oder mehrere konzentrische Ringe (6) oder Ringteile (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein oder mehrere konzentrische Ringe oder Ringteile mit einem oder mehreren getrennten Segmenten ausgestattet sind, und daß die Ringe (6) und getrennten Segmente an ein Energiemeßgerät, (11) angeschlossen sind, dessen Signalamplituden statistisch verarbeitet werden, um Amplitudenklassen zu liefern, und die Formeigenschaften aus einem graphischen oder einem numerischen Vergleich der Amplitudenklassen ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Signale von einem oder mehreren Ringen (6) und die Amplitude der Signale von einem oder mehreren getrennten Segmenten verarbeitet werden, um eine Amplituden-Häufigkeits- Verteilungsdarstellung zu schaffen, und die Formeigenschaften aus der Differenz der Amplituden-Häufigkeits-Verteilung von Signalen, die von dem Ring oder von den Ringen (6) stammen, und Signalen, die von dem getrennten Segment oder von getrennten Segmenten stammen, ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Signale von einer Anzahl getrennter Segmente eines Rings (6) verarbeitet werden, um eine Korrelations-Darstellung zu erzeugen, und die Formeigenschaften aus der Gestalt dieser Darstellung ermittelt werden.

4. Vorrichtung zum Bestimmen der Formeigenschaften von Partikeln, umfassend: eine Lichtquelle (1) zum Erzeugen eines Lichtstrahlenbündels, eine transparente Zelle (3), durch die Partikel hindurchlaufen können, einen Fotodetektor (5) oder eine programmierbare Lichtventile enthaltende Maske, mit einem oder mehreren Ringen (6), die an ein Energiemeßgerät (11) angeschlossen sind, und eine Berechnungseinrichtung (12) zum statistischen Verarbeiten von Signalamplituden, um Amplitudenklassen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem der Ringe ein oder mehrere Segmente abgetrennt sind, die an das Energiemeßgerät (11) gekoppelt sind, und daß die Berechnungseinrichtung (12) in der Lage ist, die Amplituden, die von den Signalen aus den Ringen (6) stammen, und die Amplituden, die von den Signalen aus den getrennten Segmenten stammen, zu verarbeiten, um Amplitudenklassen zu bilden.

5. Fotodetektorfeld, umfassend eine Anzahl konzentrischer Ringe (6) oder Ringteile (6) mit der Möglichkeit, jeden Ring an ein Energiemeßgerät (11) anzuschließen, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem der Ringe oder Ringteile (6) ein Segment oder mehrere Segmente abgetrennt sind, die ebenfalls an das Energiemeßgerät (11) anschließbar sind.

6. Maske mit einer Anzahl konzentrischer programmierbarer Lichtventile in Form von Ringen (6) oder Ringteilen (6), durch die hindurch ein Lichtstrahlenbündel (1) von einem mit einem Energiemeßgerät (11) gekoppelten Detektor (5) gemessen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem der Ringe (6) oder Ringteile (6) ein Segment oder mehrere Segmente abgetrennt sind, durch welche Segmente hindurch ein Lichtstrahlenbündel (1) von einem an ein Energiemeßgerät (11) angeschlossenen Detektor gemessen werden kann.