對顆粒進(jìn)行光學(xué)計數(shù)、測量尺寸的高靈敏傳感器及方法
【專利摘要】一種單顆粒光學(xué)傳感器，該傳感器具有高的靈敏度，并且響應(yīng)于較濃的懸浮物，使用較窄的光束非均勻地照射光學(xué)傳感器區(qū)域。該區(qū)域小于流動通道，從而傳感器僅響應(yīng)于流動通過該通道的總顆粒數(shù)中的一部分，探測具有任意相關(guān)直徑的大量顆粒。因為不同的顆粒軌跡流動通過受到不同強度照射的區(qū)域部分，所以對結(jié)果展開卷積。使用了兩種展開卷積方法：改進(jìn)的矩陣求逆或連續(xù)減法。這兩種方法都使用了利用經(jīng)驗測量得到的或通過理論模型計算得到的多個基本矢量，并且通過這些基本矢量得到剩余的基本矢量。對傳感器進(jìn)行混濁補償。公開了幾種使用消光或光散射探測，或者同時使用這兩者的實施例。
【專利說明】對顆粒進(jìn)行光學(xué)計數(shù)、測量尺寸的高靈敏傳感器及方法
[0001] 本申請是PCT國際申請日為2003年6月18日、申請?zhí)枮?3821924.7 (國際申請?zhí)枮镻CT / US2003 / 016220)、名稱為“對顆粒進(jìn)行光學(xué)計數(shù)、測量尺寸的高靈敏傳感器及方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
_2] 發(fā)明背景
[0003]1.發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及用于光學(xué)傳感的方法和裝置，包含對流體懸浮物中具有不同尺寸的單個顆粒進(jìn)行計數(shù)和測量尺寸，并且本發(fā)明尤其涉及這樣的方法和裝置，這些方法和裝置與常規(guī)設(shè)計的光學(xué)傳感器相比可以實現(xiàn)更高的靈敏度和重合濃度。
[0005]2.相關(guān)技術(shù)描述
[0006]有必要回顧一下光學(xué)顆粒計數(shù)的常規(guī)方法的理論基礎(chǔ)，下文中將光學(xué)顆粒計數(shù)稱作單顆粒光學(xué)傳感(SPOS)。用于實施SPOS的傳感器基于消光(LE)或光散射(LS)的物理技術(shù)，或者結(jié)合使用兩者的物理技術(shù)。常規(guī)SPOS傳感器的光學(xué)設(shè)計基于在圖1中示意表示的LE技術(shù)。使包含氣體或液體的一種流體流過物理流動通道10，在該流體中懸浮有不同尺寸的顆粒，并且該物理流動通道10典型地具有矩形橫截面。規(guī)定該流動通道的兩個相對的平行表面12和14是不透明的，而垂直于這對不透明表面的其余兩個相對的平行表面16和18是透明的，其包含流動通道10的“前”窗和“后”窗。具有合適形狀的光束20進(jìn)入流動通道10的前窗16，通過流動的流體和顆粒，從后窗18離開該流動通道10，并且投射到距離較遠(yuǎn)的消光探測器I\E。
[0007]將前窗16和后窗18在沿著由X軸規(guī)定的方向上的寬度定義為“a”(圖1)。將流動通道10在沿著由平行于入射光束光軸的y軸規(guī)定的方向上的寬度定義為“b”。使得我們關(guān)注的懸浮顆粒沿著由z軸定義的方向(圖1中從頂部到底部)以一種穩(wěn)定的適當(dāng)流動速度F通過流動通道10，其中表示該流動速度的單位為毫升(ml) /秒或者毫升(ml)/分鐘。
[0008]傳感器的光學(xué)傳感區(qū)域22( “0SZ”)或“觀察體積”是由流動通道10的四個內(nèi)表面和橫穿該通道10的帶狀光束規(guī)定的空間區(qū)域。得到的OSZ的形狀類似于一個薄的、近似為矩形的板(具有如下所述的凹的上表面和下表面)，其中將其最小厚度定義為2W，并且它的方向垂直于流動通道10的縱軸(圖1)。典型的照射光源24是激光二極管，發(fā)出橢圓形光束或圓形光束，而且該光束沿著兩個互相正交的軸中的每個軸都具有高斯強度分布，并且在該光束的中央處具有最大強度。為了生成與流動通道10的前窗和后窗一起規(guī)定OSZ所需的入射光束形狀，典型地需要兩種光學(xué)元件。第一種光學(xué)元件通常為透鏡26，用于使起始的準(zhǔn)直光束聚焦到流動通道10的中心處(x-y平面)。聚焦光束“腰部”或?qū)挾?w與該透鏡的焦距成正比，并且與起始的準(zhǔn)直光束寬度成反比，其中該起始準(zhǔn)直光束的寬度由其I / e2強度值規(guī)定。如果聚焦光束的橫截面不是圓形的，那么該聚焦光束的寬度2w還取決于光束的方向。
[0009]第二種光學(xué)元件典型地是圓柱透鏡28，用于“散焦”，并且由此使得光束在一個方向上變寬，即沿著X軸方向變寬。實際上，圓柱透鏡28使得光束轉(zhuǎn)變成平行于X軸橫穿流動通道10的聚焦“線光源”，而如果沒有該圓柱透鏡28的話，該光束將會是投射到流動通道上的均勻聚焦光束(具有橢圓或圓形的橫截面)。選擇圓柱透鏡28的焦距和位置，從而使得在流動通道中心處得到的沿X軸的光束寬度(由其I / e2強度點規(guī)定)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流動通道10的寬度a。因此，傳感器的前窗16僅捕獲高斯光束的頂部部分，并且在該部分中的強度幾乎是均勻的。為了獲得最佳傳感器分辨率，必須要求入射強度在流動通道10的寬度方向(X軸方向)上的分布基本是均勻的。得到的帶狀光束沿z軸的強度分布也是高斯分布，在OSZ的中心處最亮并且在其“上”和“下”邊緣/表面處下降到I / e2，其中在這些強度點之間的距離規(guī)定了 OSZ的厚度2w。
[0010]0SZ22的形狀不同于圖1中顯示的理想化的、矩形板形狀。而是，OSZ在y-ζ平面的橫截面形狀類似于蝴蝶結(jié)，或者沙漏，這是因為入射光束沿著y軸聚焦造成的。但是，假設(shè)傳感器的光學(xué)設(shè)計已經(jīng)得到了最優(yōu)化，那么聚焦透鏡的焦距將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流動通道的深度b。因此，聚焦光束的“場深度”將會顯著大于流動通道的深度b，其中該“場深度”定義為在該點處光束厚度擴展到2_2 X 2w的兩點之間沿y軸的距離。因此，沿y軸的光強度變化將會最小。
[0011]帶狀光束通過流體顆粒懸浮物并且投射到適當(dāng)?shù)墓馓綔y器Du上(典型地是硅光電二極管)。當(dāng)OSZ中沒有顆粒時，探測器Du接收到最大照射。通過OSZ的顆粒會即刻“阻斷”投射到探測器I\E上的少部分入射光束，這使得探測器1^的光電流輸出和相應(yīng)的由適當(dāng)信號調(diào)整裝置產(chǎn)生的電壓的即刻下降。得到的信號包含高度為Λ'Ε的負(fù)向脈沖30，而該脈沖疊加在具有相對較大幅度V。的直流“基線”電平32上，如圖2示意表示的情況。顯然，顆粒越大，脈沖高度Λ的絕對幅度就越大，并且脈沖高度Λ &與V。之間的比值也就越大。
[0012]由電路34對探測器信號進(jìn)行處理，該電路通過從中減去固定的直流電壓或者使用適當(dāng)?shù)母咄V波器進(jìn) 行“交流耦合”，從而有效地去除該基線電壓％。這使得可以捕獲所需的具有不同高度AVu的負(fù)向脈沖。然后，進(jìn)一步“調(diào)整”所得到的信號脈沖，典型地包含對其進(jìn)行反轉(zhuǎn)和放大。使用快速、高分辨率模擬/數(shù)字(A / D)轉(zhuǎn)換器使每個脈沖數(shù)字化，這使得可以以較高的準(zhǔn)確度確定脈沖的高度。通過使用具有已知直徑d的“標(biāo)準(zhǔn)”顆粒(典型的是聚苯乙烯膠乳球)生成一個校準(zhǔn)表，其中直徑d的范圍跨越所需的尺寸范圍。將該d的分立值的集合存儲在計算機存儲器中，并且典型地將其顯示為1gA^slog d，其中通過一條連續(xù)曲線連接這些點。通過校準(zhǔn)表值的內(nèi)插，可以容易地將該測得的脈沖高度AVu的集合轉(zhuǎn)化為顆粒直徑d的集合。
[0013]大體上，有幾種物理機制可以對消光效應(yīng)有貢獻(xiàn)。這些物理機制包含折射、反射、衍射、散射以及吸收。對于顯著大于入射光波長(入射光束波長典型地為0.6-0.9微米(μπι))的顆粒來說，折射和反射這兩種機制在LE效應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。在折射的情況下，分別根據(jù)顆粒的折射率比周圍流體的折射率大還是小，而使入射到顆粒上的光射線偏向光束的軸線或者偏離光束的軸線。如果兩種折射率差別足夠大并且(小)探測器元件Ι\Ε距離流動通道足夠遠(yuǎn)，那么折射光射線將會發(fā)生足夠大的偏轉(zhuǎn)，使得它們不會投射到探測器隊￡上，從而產(chǎn)生需要的信號Λ'Ε。反射機制必然伴隨折射，并且顆粒和流體之間的折射率“對比”越大，由顆粒反射的入射光所占的比例也就越大。典型地，衍射現(xiàn)象對LE信號具有可以忽略的影響，這是因為與主要強度的最大值和最小值相關(guān)的角度小于由遠(yuǎn)處的探測器Du規(guī)定的典型立體角。[0014]但是，與此不同的是，光散射現(xiàn)象典型地對LE信號具有重要貢獻(xiàn)。對于其尺寸與入射光波長相當(dāng)或者小于入射光波長的顆粒來說，散射是占主導(dǎo)地位的機制。散射光強度的幅度和角度分布取決于顆粒的尺寸、形狀以及方向，還取決于折射率之間的差和光束的波長。公知的Mie散射理論和瑞利散射理論詳細(xì)描述了光散射強度的特性。散射偏離入射光束光軸的光量越大，到達(dá)消光探測器Du的光通量就越小。
[0015]對于被高度染色的顆粒來說，吸收機制是顯著的。這種效應(yīng)的程度取決于入射光的波長，還取決于顆粒的尺寸。對于尺寸顯著大于波長的顆粒來說，吸收對總LE信號的貢獻(xiàn)是顯著的。
[0016]在顆粒尺寸和LE信號的幅度Λ\Ε之間存在一種簡單的、近似的關(guān)系。當(dāng)OSZ中沒有顆粒時，入射到探測器Du上的總光通量與照射的面積Atl成正比。這可以近似地表示為:
[0017]A0≈2aw (1)
[0018]假設(shè)入射到流動通道10上的光束強度沿該流動通道的寬度a和在光束的厚度2w上都是均勻的(即假設(shè)該光束具有矩形分布，而不是具有高斯分布)。
[0019]如果額外再做出簡化假設(shè)，其中假設(shè)顆粒完全阻斷投射到該顆粒上的光(即，理想的100%消光)，那么由該顆粒阻斷的光的比例為ΛΑ / Atl，其中/ ΛΑ代表顆粒的橫截面積。所以，對于直徑小于2w的顆粒來說，消光信號的脈沖高度可以表示為:
[0020]AVle = (ΔΑ / A0)V0 ⑵
[0021]為了簡化，假設(shè)顆粒是球形的并且是均質(zhì)的，從而避免了與顆粒形狀和方向有關(guān)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。因此，對于直徑為d的顆粒，量ΛΑ可以通過下式得到
[0022]Δ A= 31 d2 / 4 (3)
[0023]如果顆粒阻斷了小于100%的入射到其上的光，例如其中對于消光來說占據(jù)主導(dǎo)地位的機制主要是光散射，而不是折射和反射，那么量△ A代表“有效”橫截面積，并且該面積小于實際物理面積。
[0024]可以通過下式得到通過OSZ的顆粒速度V
[0025]v=F / ab (4)
[0026]脈沖寬度Λ t代表顆粒通過0SZ，即通過規(guī)定了寬度2w的I / e2強度點之間的時間。如果相比于量2w，忽略了顆粒的尺寸，那么可以通過下式得到脈沖寬度
[0027]Δ t = 2w / V (5)
[0028]有指導(dǎo)意義的是，計算用于典型的LE傳感器，即型號為LE400-1E的傳感器(顆粒測量尺寸系統(tǒng)，Santa Barbara, CA)的上述參數(shù)值，其中a = 400 μ m, b=1000 μ m,2w ~35 μ m,并且假設(shè) F=60ml / min。
[0029]A0 = 1.4 X IO4 μ m2
[0030]V = 250cm/ sec
[0031]At= 14xlCT6sec = 14 μ sec
[0032]可以可靠探測到的(即其中Λ'Ε超過典型的r.m.s噪聲水平至少兩倍)典型的最小顆粒直徑大約為1.3 μ m。這對應(yīng)于一種為0.000095或小于0.01%的物理阻斷比ΛΑ /
A00
[0033]理論上，增加光源的強度并不會對消光類型傳感器的靈敏度產(chǎn)生影響或者是降低消光類型傳感器的顆粒尺寸極限。對于給定的基線電壓Vtl，脈沖高度AVu僅取決于由顆粒有效阻斷的被照射探測器面積所占的比例ΛΑ / A00 (將在后面討論樣本混濁的影響。)僅當(dāng)較強的光源具有較弱的噪聲時，傳感器才能可靠地探測有效阻斷區(qū)域的微小比例變化，并且因此可以可靠探測較小的顆粒直徑。但是，任何由增加了的S / N比所導(dǎo)致的性能提高僅代表了一種二階效應(yīng)，并且通常起不到顯著作用。
[0034]使用上述用于LE類型傳感器的參數(shù)，我們可以得到對OSZ的有效體積Vffiz的估計。
[0035]Vosz=2abw=l.4χ107 μ m3=l.4xlCT5cm3 (6)[0036]OSZ體積的倒數(shù)I / Vosz等于Icm3流體中(即Iml)包含的“觀察體積”的數(shù)量，即對于上述例子，I / Vosz ^ 7X104。
[0037]量I / Vosz提供了對傳感器的“重合極限”的一種度量，即在假設(shè)顆粒在整個流體內(nèi)均勻隔開并且每個顆粒在任意給定時間實際上占據(jù)一個觀察體積的情況下，顆粒每次一個地通過OSZ時的顆粒濃度(顆粒數(shù)/ ml)。當(dāng)然，實際上顆粒是在整個流體中隨機分布的。因此，該顆粒濃度相對于該“理想值”應(yīng)該有顯著的降低，即按照10: I或者更大的比例降低，從而確保在OSZ中每次僅出現(xiàn)一個顆粒。通常將傳感器的實際重合極限定義為這樣一種濃度，在該濃度下，僅有1%的顆粒數(shù)與同時通過OSZ的兩個或多個顆粒相關(guān)，這可能會導(dǎo)致具有被放大了的脈沖高度的單個被測脈沖。因此，傳感器的有效重合極限典型地僅為I / Vrez值的10% (或者更少)。通過上述例子，這意味著重合濃度大約為7000個顆粒/ ml。實際上，給定設(shè)計的傳感器的重合極限還是顆粒尺寸的函數(shù)。在顆粒非常精細(xì)，即顆粒的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于OSZ的有效厚度2w的情況下，所指示的值是合適的。當(dāng)顆粒的尺寸與參數(shù)2w相當(dāng)或者大于2w時，該重合極限會顯著降低。因此，實際上我們通常選擇在顆粒濃度僅為上述給定值的50% (或更少)的情況下收集數(shù)據(jù)，從而消除錯誤的顆粒“計數(shù)”以及所得到的顆粒尺寸分布(PSD)的畸變。
[0038]對于涉及較濃的懸浮和擴散的用途，非常希望增加傳感器的重合濃度，以便需要對起始樣本進(jìn)行較小程度的稀釋。第一，這種改進(jìn)降低了稀釋該樣本所需要的清潔流體的體積，并且降低了稀釋流體必須無顆粒污染物的程度。第二，并且是更重要的，如果有可能會導(dǎo)致PSD的顯著變化，例如由于顆粒聚集度的提高，那么對開始較濃的懸浮物的較大程度稀釋就可能是不可行的。例子包含通過被稱作化學(xué)機械平面化(CMP)的方法實現(xiàn)的用于處理半導(dǎo)體晶片的PH敏感氧化物“漿”。另外，對于多種用途而言，并不必要但有效的是增加SPOS方法的靈敏度，即降低最小可探測顆粒尺寸。重合濃度的提高和LE類型傳感器的靈敏度的改善通常是相關(guān)的，并且可以通過多種方式來同時實現(xiàn)對這兩個參數(shù)的改善。
[0039]提高消光類型傳感器的靈敏度的最顯而易見的方法是降低照射的橫截面積Atlt5使用上面的例子，可以通過降低側(cè)面通道尺寸a，或者降低入射光束厚度2w，或者降低這兩者從而實現(xiàn)提高靈敏度。關(guān)于后一種工作的過程，僅可以將OSZ的有效厚度2w降低到一個有限的程度。這種限制是由聚焦透鏡的焦距、流動通道的深度以及起始光束的寬度之間的關(guān)系導(dǎo)致的?？紤]到高斯光束光學(xué)元件的特性和由衍射導(dǎo)致的限制，實際上不可能使參數(shù)2w降低到低于大約5μm以下。這種降低僅代表了對于在上面的例子中假設(shè)的35 μπι值的七倍的改善。而且，為了獲得用于較小顆粒的較高尺寸分辨率，有效的是保持消光脈沖高度AVle對顆粒直徑d的二次方依賴性，這種二次方依賴性僅對于(遠(yuǎn)遠(yuǎn))小于2w的d值才能獲得。因此，為了實現(xiàn)用于多種重要用途的最佳性能，通常不希望使OSZ的厚度顯著薄于大約10 μ m。
[0040]相反，降低OSZ的側(cè)面尺寸a則似乎更有吸引力，例如從400 μ m(使用上面的例子)降低到40 μ m。對于第一個近似(忽略非線性信號/噪聲效應(yīng))，該Atl的十倍降低會導(dǎo)致有效橫截面積的類似的十倍降低，而該降低是實現(xiàn)一種給定的阻斷區(qū)域的比例Δ Aui / A(!所需的。
[0041]這種流動通道10的寬度的十倍降低還會導(dǎo)致另一個顯著優(yōu)勢。OSZ的體積(等式6)也會降低十倍，這導(dǎo)致重合濃度也降低十倍。因此，工作樣本濃度可以提高十倍，這使得開始較濃的顆粒擴散所需的稀釋程度降低十倍。當(dāng)然，不是通過使上述通道寬度a降低十倍，而是通過使通道深度b降低十倍也可以實現(xiàn)相同的重合濃度的十倍增加。但是，將不會獲得傳感器靈敏度的提高。顯然，盡管尺寸“a”和“b”就確定Vrez而言會起到相同的作用，并且因此對確定重合濃度會起到相同的作用，但是就影響傳感器靈敏度而言，它們起到的作用是不同的。
[0042]不幸的是，所提出的方法中存在一個嚴(yán)重的劣勢。實際上不可能將尺寸a (或b)降低到這樣一種程度(即顯著小于100 μπι)，這是由于那些對于熟悉SPOS技術(shù)使用的任何人來說都是十分明顯的原因。這樣小的尺寸幾乎會導(dǎo)致流動通道10的阻斷，這是因為在稀釋的流體中不可避免會存在污染物(“臟的”)顆粒和/或存在相對于樣本來說較大的顆粒，例如尺寸過大的“異類”，和較小的“基本”顆粒的聚集。通常，LE類型傳感器中流動通道10的最小側(cè)面尺寸(a或者是b)應(yīng)該至少比我們所關(guān)注的樣本中可能存在的最大顆粒大至少兩倍，并且優(yōu)選的是大三倍到四倍。否則，頻繁發(fā)生流動通道的阻斷將會不可避免，從而抵消了 SPOS技術(shù)相對于可替換的被稱作“電子區(qū)域”或“阻抗孔”傳感(如“Coultercounter”,由Beckman-Coulterlnc, Hialeah, FL制造)的單顆粒傳感技術(shù)的主要優(yōu)勢之一。
[0043]原有的增加常規(guī)SPOS類型傳感器靈敏度的方法之一是使用光散射(LS)的方法，而不是使用消光的方法。如果使用LS技術(shù)，那么當(dāng)OSZ中沒有顆粒時，背景，或者基線信號在理想情況下為零。(實際上，由于污染物和溶劑分子的散射，再加上光源、探測器和放大器的貢獻(xiàn)，總是存在低電平噪聲。)因此，對于一種給定的顆粒尺寸和組成，簡單地通過提高光源的強度，就可以增加由通過OSZ的顆粒導(dǎo)致產(chǎn)生的被測信號脈沖的高度。通過這一簡單快捷的手段就可以實現(xiàn)能夠探測0.2 μ m甚至更小的單個顆粒的傳感器。
[0044]幸運的是，通過采用一種完全不同的測量方法，與常規(guī)的LE或LS傳感器相比，通過SPOS裝置可以實現(xiàn)顯著更高的靈敏度和重合濃度。得到的新裝置和方法構(gòu)成了本發(fā)明的基礎(chǔ)。該新傳感器的光學(xué)設(shè)計中的最顯著的差別在于用于規(guī)定OSZ的光束。現(xiàn)在該光束包含探測流動通道10的窄區(qū)域的薄“筆狀”光(與I軸對準(zhǔn))，而不是類似于延伸到整個流動通道上的薄“帶狀”光(即在x-y平面中，圖1)。該光束典型地具有一種近似的高斯強度分布和圓橫截面，實際上僅照射流過該傳感器的顆粒的一小部分。得到的照射面積A0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)傳感器中的典型值，該常規(guī)傳感器要求光束橫跨流動通道10的整個寬度(X軸)。根據(jù)定義，新光束的強度在側(cè)面方向(X軸)和顆粒流動方向(z軸)上的強度都非常不均勻。 [0045]因此，根據(jù)通過傳感器的顆粒的軌跡，這些顆粒必然暴露于不同的最大光強度的不同水平(即在Z=O處)。現(xiàn)在，由顆粒生成的信號脈沖高度不僅取決于它的尺寸，還取決于它通過流動通道10的路徑。對于給定的顆粒尺寸，通過照射光束中央的顆粒將會產(chǎn)生具有最大高度的LE (或LS)脈沖，其中在光束中央處的強度最高，而那些通過具有較小強度區(qū)域的顆粒將會產(chǎn)生具有相應(yīng)降低了的高度的脈沖。因此，使用強度分布不均勻(通常，但不必是高斯)的光束會導(dǎo)致所謂的“軌跡模糊”問題。許多研究者已經(jīng)嘗試使用多種方法來解決這一問題。
[0046]二 十多年前，D.J.Holve 和 S.A.Self 在 Applied Optics, Vol.18, N0.10，pp.1632-1652(1979)中以及 D.J.Holve，在 J.Energy, Vol.4, N0.4, pp.176-183(1980)中就討論過在遠(yuǎn)程原處測量由不受限制的顆粒導(dǎo)致的散射光信號的情況下的軌跡模糊問題。使用了一種基于非負(fù)最小平方(NNLS)過程的數(shù)學(xué)展開卷積方法，從而“反轉(zhuǎn)” 了由在自由空間內(nèi)移動的燃燒顆粒產(chǎn)生的測量得到的光散射脈沖高度的集合。測量體積由具有高斯強度分布的帶狀(橢圓)光束、偏軸遠(yuǎn)距離針孔和探測器規(guī)定，并且反轉(zhuǎn)成像在光束上。Holve等人明確地否定了公知的矩陣求逆方法，這是因為他們認(rèn)為當(dāng)將該方法應(yīng)用于他們的典型光散射數(shù)據(jù)時，該方法是無效的。根據(jù)所提供的結(jié)果和解釋，很明顯的是，使用他們的光散射方法和NNLS展開卷積過程所能獲得的PSD分辨率和準(zhǔn)確度較差。多模分布要求彼此間距較大的顆粒尺寸種群，從而使用所提到的裝置和方法可以合理“干凈”地解決這種多模分布。
[0047]如在Holve的文章中公開的，從中探測到散射光的測量區(qū)域源自照射光束的一部分橫截面。如將會討論的那樣，本發(fā)明還使用強度在空間上不均勻的光束，優(yōu)選的是這種光束具有圓形高斯分布。但是，本發(fā)明充分地“包容”了這種不均勻性。也就是說，測量區(qū)域包含光束的整個橫截面而不只是包含具有最高(以及變化最小)強度的中央?yún)^(qū)域。使得將要對其進(jìn)行計數(shù)和測量尺寸的顆粒均勻流過受限的、精確定義的空間(流動通道)，在該空間中所測量的任意給定尺寸的顆粒比例是固定的并且最終是已知的。從其中收集數(shù)據(jù)的區(qū)域類似也是固定并且是精確定義的，而且該區(qū)域?qū)︻潉雍凸鈱W(xué)失準(zhǔn)有較大的抵抗能力?？紤]到與本發(fā)明有關(guān)的物理設(shè)計的固有穩(wěn)定性和不同特性，如果與根據(jù)Holve方法獲得的結(jié)果相比，我們發(fā)現(xiàn)PSD結(jié)果不僅具有高的靈敏度，而且具有優(yōu)越的、無前例的顆粒尺寸分辨率，那么我們不應(yīng)該感到驚奇。另外，我們還可以看到，Holve的系統(tǒng)僅限于將光散射用作探測方法。相反，本發(fā)明中提出的新裝置和方法可以制成無論是基于光散射還是基于消光都同樣有效的各種可能的傳感器。
[0048]部分因為使用Holve等人描述的裝置和方法所獲得的PSD結(jié)果的有限質(zhì)量，所以隨后我們意識到需要開發(fā)出替換的方法，這些方法使得可以有效地將高斯光束用于顆粒尺寸確定。當(dāng)然，如果合適，最簡單的解決方法是消除高斯光束其本身，這是問題的根源。在美國專利3851169(1974)中，F(xiàn)oxvag提出了改變激光束的強度分布，從而降低其高斯分布中固有的非均勻性。另外，G.Grehan 和 G.6ouesbet 在 Appl.0ptics, Vol.25, N0.19,PP.3527-3537(1986)中描述了在聚焦之前的擴展光束中使用一種“反高斯”校正濾波器，由此產(chǎn)生了“平頂”光束分布，從而在擴展的區(qū)域上具有基本上均勻的強度。Fujimori等人在美國專利5316983(1994)中使用了一種“軟”濾波器從而將高斯激光束轉(zhuǎn)化為平坦的強度分布。
[0049]其它的方法涉及在物理上對流動顆粒進(jìn)行限制，從而迫使它們通過激光束的中央部分，在該中央部分的強度基本上是均勻的。J.Heyder在Aerosol Science, Vol.2,p.341(1971)中描述了一個例子。Bowen等人在美國專利4850707(1989)中也采用了這樣一種方法，使用了一種具有高斯強度分布的聚焦橢圓激光束，并且該橢圓的主軸遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于包含流動顆粒的液力聚焦“通道”的寬度。因此，當(dāng)所有顆粒通過光束時，它們都暴露于基本上相同的最大強度。
[0050]Hodkinson 在 Appl.0ptics, Vol.5, p.893(1966)中和 Gravitt 在美國專利3835315(1974)中較早地提出了一種用于調(diào)節(jié)高斯光束的方法，該方法是確定在兩個不同的散射角同時探測到的峰值散射強度信號的比。理想情況下，該比值不取決于入射到顆粒上的強度，并且根據(jù)Mic理論，該比值僅與顆粒的尺寸有關(guān)。使用Hirleman，Jr.等人在美國專利4188121 (1980)中提出的方法，可以提高該方法的可靠性。測量多于兩個散射角度的峰值散射強度并且計算所有散射強度值對的比值。將這些比值與校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，從而確定顆粒直徑。
[0051]提出了幾種方法，用于僅選擇那些基本上通過高斯光束中央的顆粒。J.R.Fincke等人在 J.Phys.E:Sc1.1nstrum, Vol.21, pp.367-370 (1988)中描述了一種類似于 Holve 等人使用的裝置的方案，該方案用于收集來自遠(yuǎn)距離原處測量體積的偏軸散射光。使用了一種分束器，用于將散射光分布在兩個探測器之間，其中每個探測器都具有自己的針孔孔徑。其中一個孔徑小于測量體積中的光束腰部。該探測器用于“選擇”適用于由第二探測器測量的顆粒，其中該第二探測器具有相當(dāng)大的孔徑，這可以確保這些顆?；旧贤ㄟ^光束的中央，并且因此可以用于計數(shù)和測量尺寸。盡管該方法具有簡單性和明顯的吸引力，但是它最終還是被作者否定了，這是因為很難保持各種光學(xué)元件之間準(zhǔn)確的、穩(wěn)定的對準(zhǔn)。(如上所述，這種否定并非與Holve等人獲得的PSD結(jié)果的有限質(zhì)量無關(guān)。)
[0052]另一些方法提出使用兩個具有不同直徑的同心激光束，這兩個激光束聚焦到公共區(qū)域，顆?？梢詸M向流動通過該區(qū)域，并且外側(cè)光束的直徑顯著大于內(nèi)側(cè)光束的直徑。使用兩個探測器測量由通過每個各自光束的顆粒散射的光信號的幅度，并且這些光束具有不同的波長(色彩)或偏振態(tài)。只有那些通過較大測量光束的中央部分的顆粒根據(jù)較小的“確認(rèn)”光束產(chǎn)生信號，其中在較大測量光束的中央部分的強度基本上是均勻的。Goulas等人在美國專利4348111(1982)和Adrian在美國專利4387993 (1983)中描述了使用兩種不同色彩的光束的方案。Bachalo在美國專利4854705(1989)中描述了同心兩光束方法的一種變形。使用了一種數(shù)學(xué)等式來處理兩個獨立測量得到的信號幅度以及已知的光束直徑和強度，從而確定顆粒軌跡，并且最終確定顆粒尺寸。Knollenberg在美國專利4636075(1987)中描述了這種方法的一種變形，其中使用具有不同偏振態(tài)的兩個聚焦、同心光束。使用一種拉長的、橢圓光束形狀來降低獲得可接受的顆粒尺寸分辨率和較高的濃度極限所需的光束直徑比。
[0053]Flinsenberg等人在美國專利4444500(1984)中描述了雙光束方法的另一種變型。再一次使用了寬“測量”光束和較窄的“確認(rèn)”光束，但是在這種情況下，后者位于前者之外，這使得兩個光束具有相同的色彩和偏振態(tài)。包含兩個光束軸線的平面平行于顆粒的流動速度方向。使得通過每個光束分別探測到的兩個散射信號完全重合，就可以確保僅對這樣一些顆粒進(jìn)行計數(shù)和測量尺寸，這些顆粒橫穿該窄光束，并且因此橫穿了寬測量光束的中央?yún)^(qū)域。Hirleman.Jr.等人還在美國專利4251733 (1981)中描述了雙光束方法的另一種變型。通過使用兩個物理上分開的高斯光束，可以根據(jù)兩個散射光信號脈沖的相對幅度從而確定顆粒軌跡。這又使得可以計算在沿著顆粒軌跡的任何地方入射到顆粒的強度，并且根據(jù)該強度可以確定顆粒尺寸。
[0054]其它方法利用了在激光多普勒測速中經(jīng)常使用的干涉測量技術(shù)，也就是使兩個相干激光光束相交從而在空間局部區(qū)域獲得固定的邊緣圖案。如果軌跡上的差別可以得到解決或補償，那么根據(jù)峰值散射強度可以確定顆粒尺寸。Erdmann等人在美國專利4179218(1979)中提出了一種直接的方案，這種方案認(rèn)識到了該顆?？梢援a(chǎn)生與每個顆粒通過的邊緣數(shù)量有關(guān)的一系列散射光脈沖。脈沖的數(shù)量確定了顆粒與由邊緣圖案確定的“探測”體積的中央有多接近，在該中央處邊緣數(shù)量是最大的并且強度也是最大的，其對應(yīng)于每個高斯光束的中央。C.F.Hess 在 Appl.0ptics, Vol.23，N0.23，pp.4375-4382 (1984)中和在美國專利4537507(1985)中提出了一種可替換的方法。在一種實施例中，兩個具有不同尺寸的相干光束相交，從而形成了一種邊緣圖案。該較小的光束“識別”較大光束的中央?yún)^(qū)域，并且在該中央?yún)^(qū)域處具有基本上均勻(最大)的強度。包含最大交流調(diào)制的信號指示出，顆粒已經(jīng)通過了該邊緣圖案的中央，并且因此通過了較大光束的中央。在通過低通濾波作用去除了交流成分后，從“基礎(chǔ)”(直流)信號中提取顆粒的尺寸。在第二實施例中，將具有同一種色彩的兩個相交激光束用于在具有第二種色彩的較大第三光束的中央處確定邊緣圖案。第一探測器根據(jù)散射光信號的交流成分確定顆粒是否基本上通過了該邊緣圖案的中央。如果確定為是，記錄通過第二探測器獲得的由該大光束產(chǎn)生的散射光的脈沖高度。Bachalo在美國專利4329054(1982)中提出了通過使用具有不同色彩或偏振態(tài)的附加的小“指針”光束從而區(qū)分邊緣圖案的中央部分，其中該邊緣圖案的中央部分對應(yīng)于每個高斯光束的中央部分，而該附加的小“指針”光束響應(yīng)于一個單獨的探測器裝置。
[0055]最后，為了解決高斯光束/軌跡模糊問題，已經(jīng)提出了多種其它技術(shù)。Bonin等人在美國專利5943130(1999)中描述了一種用于使聚焦激光束快速掃描通過測量體積的方法，其中這種掃描會導(dǎo)致每當(dāng)光束穿過顆粒時就會產(chǎn)生散射強度脈沖?？紤]到高的掃描頻率和速度以及較低的顆粒速度，當(dāng)每個顆粒在測量體積中時，它都會被掃描幾次?？梢允沟玫降亩鄠€脈沖重合光束強度分布，并且利用一種使顆粒尺寸與散射光強度相關(guān)的校準(zhǔn)響應(yīng)函數(shù)可以將該高斯配合的最大值映射到顆粒直徑。DeFreez等人在美國專利6111642(2000)中提出了一種“流動孔徑”技術(shù)。設(shè)計一種顆粒/流體傳遞噴嘴從而使出現(xiàn)的顆粒的側(cè)面速度分布近似與激光束的高斯強度分布相匹配。散射信號的積分時間的增加近似地補償了入射光水平的降低，其中散射信號的積分時間的增加是由較低的速度造成的，而入射光水平的降低是由顆粒軌跡與光軸之間距離增加導(dǎo)致的。因此，在理想情況下，凈積分散射信號獨立于顆粒軌跡。Girvin等人在美國專利6016194 (2000)中提出了一種改進(jìn)方法，該方法使用一種線性探測器陣列從而單獨地探測基本上與每種顆粒軌跡相關(guān)的散射光信號。可以調(diào)整每個探測器元件的增益從而補償側(cè)面方向上系統(tǒng)的凈信號響應(yīng)中剩余的變化，其中該變化是由噴嘴速度和激光束強度分布之間的不完全匹配、不同探測器效率之間的差別以及其它影響因素導(dǎo)致的。
[0056]發(fā)明概沭
[0057]本發(fā)明的目的是提供一種SPOS裝置和方法，該裝置和方法可以提供顯著較高的靈敏度并且能夠有效地響應(yīng)于流體懸浮物，其中該流體懸浮物相對較濃，并且其顆粒濃度高于本領(lǐng)域中常見的顆粒濃度，并且因此不需將流體懸浮物稀釋到現(xiàn)有技術(shù)SPOS裝置所要求的稀釋程度。[0058]根據(jù)本發(fā)明的SPOS裝置使得懸浮物流過物理上精確定義的測量流動通道。引導(dǎo)較窄的光束通過該測量流動通道從而照射測量流動通道內(nèi)的光學(xué)傳感區(qū)域，該光束和光學(xué)傳感區(qū)域的尺寸與測量流動通道的尺寸相關(guān)，從而該SPOS裝置響應(yīng)于流過測量流動通道的顆粒總數(shù)的一小部分，這導(dǎo)致該SPOS裝置會有效地響應(yīng)于較濃的流體懸浮物。光束非均勻地照射光學(xué)傳感區(qū)域，該光束具有中央最大強度部分并且在離開該最大強度部分的不同位置處具有連續(xù)降低的強度，從而一些顆粒具有通過該最大強度部分的軌跡，而另一些顆粒具有通過較低強度部分的軌跡，并且還有一些顆粒具有位于該區(qū)域之外的軌跡。
[0059]測量流動通道的厚度尺寸方向與光束的軸線方向相同，寬度或側(cè)面尺寸方向垂直于光束，并且流動方向垂直于該厚度和寬度尺寸方向。在寬度方向上，光束遠(yuǎn)遠(yuǎn)窄于測量流動通道，而且該光束受到聚焦后其寬度場遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度尺寸，從而光束具有在厚度尺寸上基本保持不變的有效寬度。選擇被定義為在光束中兩個相對位置之間的寬度的有效寬度，其中在該兩個位置處所述激光強度下降到所述最大強度的給定的比例，例如I / Θ2，從而在要被測量尺寸的顆粒范圍內(nèi)可以有效地測量顆粒的尺寸，并且典型的情況是該有效寬度基本上為要被測量尺寸的最大顆粒尺寸的I / 2。光束的強度在側(cè)面方向上和顆粒流動的方向上是十分不均勻的，并且可能具有高斯強度分布。光束的截面可能是圓形的或是橢圓形的，并且與在平行于顆粒流動的方向上相比，光束在垂直于顆粒流動方向上的截面更寬。
[0060]本發(fā)明的SPOS裝置使用了一種光探測器并且可以按照消光或光散射原理進(jìn)行工作。實際上，一些傳感器實施例同時包含這兩種探測技術(shù)。該光探測器探測來自該區(qū)域的光，從而提供脈沖高度信號，其中每個脈沖高度信號響應(yīng)于流過所述區(qū)域的顆粒，并且該脈沖高度信號是被測顆粒的尺寸和軌跡的函數(shù)，以及當(dāng)給定尺寸的顆粒流過該區(qū)域的最大強度部分時該顆粒提供最大脈沖高度信號，而流過該區(qū)域的較小強度位置時該顆粒提供較小的脈沖高度信號。這些脈沖高度信號共同形成一種脈沖高度分布(PHD)。統(tǒng)計數(shù)量很大的給定尺寸的顆粒流過該區(qū)域的較小強度位置。
[0061]使用不均勻光束會導(dǎo)致“軌跡模糊”問題。為此，該裝置和方法包含用于對脈沖高度分布進(jìn)行數(shù)學(xué)上展開卷積運算的裝置，從而提供懸浮物中顆粒的顆粒尺寸分布。根據(jù)本發(fā)明，該展開卷積方法相對于現(xiàn)有技術(shù)中描述的展開卷積有了改進(jìn)。本發(fā)明提出使用兩種展開卷積技術(shù):一種技術(shù)使用矩陣求逆，另一種使用連續(xù)減法。
[0062]這兩種技術(shù)都使用矩陣。根據(jù)本發(fā)明，建立矩陣的過程得到了簡化。該矩陣具有列基本矢量，每個基本矢量對應(yīng)于特定的顆粒尺寸。在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)有人提出根據(jù)實際經(jīng)驗使所有列基本矢量的值基于具有均勻、已知尺寸的顆粒的測量結(jié)果。因為該矩陣可能具有大量的列(在本申請中提出了 32、64和128)，所以根據(jù)本發(fā)明，僅這些列基本矢量中的一個或幾個需要按照經(jīng)驗以已知尺寸顆粒的測量結(jié)果為基礎(chǔ)，或者可替換的，這些列基本矢量都不需要按照經(jīng)驗以已知尺寸顆粒的測量結(jié)果為基礎(chǔ)。通過根據(jù)經(jīng)驗得到的列基本矢量進(jìn)行內(nèi)插或者外插從而計算其余的列基本矢量。本發(fā)明還提出，還可以根據(jù)理論模型計算這些列基本矢量中的一些或者全部。如果通過這種方法計算出了它們中的一些，那么可以通過根據(jù)由現(xiàn)有數(shù)據(jù)計算得到的列基本矢量進(jìn)行內(nèi)插和/或外插，計算其余列基本矢量。
[0063]提出通過矩陣求逆從而修改展開卷積的方法。每個列基本矢量對于一行在一個位置處具有最大計數(shù)脈沖高度，該最大計數(shù)脈沖高度與對應(yīng)于和該列基本矢量相關(guān)的已知尺寸顆粒的脈沖高度通道相關(guān)，并且連續(xù)列的最大計數(shù)脈沖高度值設(shè)置在矩陣的對角線上。通過將該對角線之下的所有項都設(shè)置為零從而對該矩陣進(jìn)行修改，也就是說將一個列中對應(yīng)于大于該最大計數(shù)脈沖高度值的脈沖高度值的所有項都設(shè)置為零。這改善了結(jié)果的準(zhǔn)確度、信噪比以及可復(fù)現(xiàn)性。
[0064]所提出的通過連續(xù)減法進(jìn)行展開卷積的方法涉及建立具有多個列的矩陣，每列都包含基本矢量，而該基本矢量包含已知尺寸顆粒的脈沖高度分布，每個連續(xù)列都包含連續(xù)變大尺寸顆粒的基本矢量，以及包含最大尺寸顆粒的脈沖高度分布的最大尺寸基本矢量。該連續(xù)減法算法包含以下步驟:
[0065]以行中最大數(shù)量值對應(yīng)于最大脈沖高度的基本矢量開始；
[0066]用一個系數(shù)按比例縮放列基本矢量，其中該系數(shù)對應(yīng)于PHD中與該列序號匹配的行的值；從該PHD中減去所述按比例縮放的基本矢量，從而形成展開卷積的PHD(dPHD)的一個元素，該減法的結(jié)果是得到了具有較小顆?？倲?shù)的中間PHD矢量；
[0067]使用剩余的基本矢量重復(fù)該過程，直到整個PHD基本上被消耗完并且形成了展開卷積的dPHD的所有元素。
[0068]使用脈沖高度和直徑之間關(guān)系的校準(zhǔn)曲線，可以將dPHD中每個展開卷積后的脈沖高度值轉(zhuǎn)換為唯一的顆粒直徑，其中該直徑與該脈沖高度值有關(guān)，從而產(chǎn)生原始的顆粒尺寸分布PSD。通過對該原始PSD進(jìn)行歸一化可以將其轉(zhuǎn)化為最終PSD，其中該歸一化是通過使該原始PSD乘以值I / (K實現(xiàn)的，其中(K是由所述裝置實際探測到的顆粒對于每種尺寸d的顆粒所占的比例。
[0069]當(dāng)流體懸浮物比較濃時，消光類型的傳感器可能會受到混濁的影響。可以通過三種方法之一提供對混濁的補償。第一,感應(yīng)混濁和非混濁液體的基線電壓電平并且計算比值，并且使用該比值增加消光信號的幅度，從而使得混濁液體的基線電壓電平近似增加到非混濁液體的基線電壓電平。第二，根據(jù)計算得到的比值校正由混濁液體產(chǎn)生的脈沖高度信號。第三，根據(jù)該比值對起始光束的強度進(jìn)行調(diào)整從而補償混濁。
[0070]本發(fā)明的一種實施例包含一種消光(LE)探測器和一種光散射(LS)探測器。來自該區(qū)域的散射光通過掩模投射到該(LS)探測器上，其中該掩模用于選擇與光束的夾角在第一和第二角度之間的散射光。將透射通過該區(qū)域的光引導(dǎo)到該LE探測器。另一種實施例使用光纖，將光從光源傳輸?shù)焦鈱W(xué)傳感區(qū)域并使所述光投射通過該區(qū)域，以及使用光纖，將光從該區(qū)域傳輸?shù)絃E探測器。來自該區(qū)域的散射光通過掩模，該掩模用于選擇與光束的夾角在第一和第二角度之間的散射光，并且由該LS探測器收集該散射光。還有一種實施例包含光源和分束器，該分束器用于提供被引導(dǎo)通過位于測量流動通道內(nèi)的一對光學(xué)傳感區(qū)域的兩束光，每個光束都具有與不同范圍的顆粒尺寸相兼容的有效寬度。另一種實施例包含光散射探測器和用于使一部分光通過位于可旋轉(zhuǎn)輪上的多個掩模之一的裝置，還包含用于通過使該輪旋轉(zhuǎn)到需要的方向來選擇這些掩模之一的裝置，其中每個掩模規(guī)定了不同的角度，在該角度之間對光進(jìn)行收集和散射。最后一種實施例使較寬的準(zhǔn)直光束投射通過光學(xué)傳感區(qū)域。該光束具有中央軸線，以及僅捕獲那些緊密圍繞該光束中央軸線的光射線的接收孔徑。這使得光束的有效寬度在垂直于光束軸線的方向上基本上降低到所要測量尺寸的最大顆粒尺寸的I / 2。光纖將光射線耦合到探測器中。
[0071]附圖簡述[0072]參考附圖，可以更充分地理解本發(fā)明的這些和其它目的、特征以及優(yōu)勢，其中
[0073]圖1是傳統(tǒng)的常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)LE傳感器中典型使用的光學(xué)方案的簡化框圖；
[0074]圖2是由圖1的常規(guī)LE傳感器產(chǎn)生的取決于時間的輸出信號電壓的簡化表示；
[0075]圖3是本發(fā)明的LE類型傳感器的簡化框圖，下文中將其稱作“新LE類型傳感器”，其使用較窄的聚焦光束照射在較薄的流動通道中流動的顆粒；
[0076]圖4顯示了一種通過圖3的LE類型傳感器獲得的典型脈沖高度分布(PHD)，其使用了直徑為1.588 μ m的均勻聚苯乙烯乳膠(標(biāo)準(zhǔn))顆粒；
[0077]圖5是顯示了對于具有非均勻、高斯強度分布的入射光束而言，顆粒軌跡和得到的PHD之間關(guān)系的不意圖；
[0078]圖6比較了使用該新LE類型傳感器獲得的直徑為1.588 μ m和2.013 μ m的聚苯乙烯乳膠(標(biāo)準(zhǔn))顆粒的PHD ；
[0079]圖7比較了使用該新LE類型傳感器獲得的用于八種不同尺寸的均勻聚苯乙烯乳膠(標(biāo)準(zhǔn))顆粒的PHD，其中這八種尺寸為:0.806μπι、0.993 μπι、1.361m、1.588 μ m、2.013 μ m、5.03 μ m、10.15 μ m 以及 20.0 μ m ；
[0080]圖8Α顯示了用于圖7中顯示的八種聚苯乙烯乳膠(標(biāo)準(zhǔn))顆粒懸浮物的最大測量得到的脈沖高度與顆粒直徑之間的關(guān)系；
[0081]圖8B對用于最大脈沖高度(被表示為100%消光的比例)與顆粒直徑之間關(guān)系的理論預(yù)測(理想的消光，高斯光束)和試驗結(jié)果(圖8A，實線圈)進(jìn)行了比較，其中理論曲線所顯示的光束寬度(I / Θ2)為10μπι(開方塊)、11μπι(開圓圈)以及12μπι(開三角)；
[0082]圖9顯示了作為顆粒直徑d的函數(shù)的被測傳感器效率在0.806到20.0 μ m顆粒直徑范圍內(nèi)對顆粒直徑的依賴性；
[0083]圖10顯示了對于不同光束寬度的最大脈沖高度(表示為100%消光比)和顆粒直徑之間關(guān)系的理論預(yù)測(理想的消光，高斯光束)，其中這些光束寬度為:6 μ m(開圓圈)、911111(開方塊)、1211111(開三角)、1511111(閉圓圈)、1811111(閉方塊)以及21 μ m(閉三角)；
[0084]圖11是本發(fā)明的LS類型傳感器的簡化框圖，下文中將該LS類型傳感器稱作“新LS類型傳感器”，其使用較窄的、聚焦光束照射在較薄的流動通道中流動的顆粒；
[0085]圖12是由新LS類型傳感器產(chǎn)生的取決于時間的輸出信號電壓的簡化表示；
[0086]圖13A和13B包含能夠用于對測量得到的PHD數(shù)據(jù)展開卷積的兩種數(shù)學(xué)算法(分別是矩陣求逆和連續(xù)減法)的流程圖；
[0087]圖14是總結(jié)新LE類型傳感器和LS類型傳感器的工作和結(jié)構(gòu)的流程圖，包含獲得PSD所需的測量和計算步驟；
[0088]圖15A顯示了使用新LE類型傳感器通過樣本“A”(乳膠的三模式，0.993μπκ1.361m、1.588 μ m)獲得的被測PHD (64通道分辨率)；
[0089]圖15B顯示了使用新LE類型傳感器通過樣本“B” (與樣本“A”相同，但僅有50%的0.993 μ m乳膠)獲得的被測PHD ；
[0090]圖15C顯示了使用新LE類型傳感器通過樣本“C” (與樣本“A”相同，但僅有25%的0.993 μ m乳膠)獲得的被測PHD ；
[0091]圖16A和16B顯示了一種用于對被測PHD展開卷積的代表性32 X 32矩陣，其中該矩陣是通過位于從0.722到20.0 μ m的尺寸范圍內(nèi)的九個測得的基本矢量得到的；[0092]圖17顯示了通過三模式樣本和“C”獲得的被測PHD矢量(32X I)(與圖15A、15B、15C中相同，但具有32通道分辨率)，以及使用矩陣求逆和連續(xù)減法通過展開卷積獲得的dPHD矢量，其中該展開卷積使用了圖16A和16B中的三種測得的PHD矢量的矩陣；
[0093]圖18A顯示了使用矩陣求逆算法，通過用于樣本“A”(乳膠三模式，圖15A)的被測PHD從而計算獲得的dPHD (64通道);
[0094]圖18B顯示了使用矩陣求逆算法，通過用于樣本“B”(乳膠三模式，圖15B)的被測PHD從而計算獲得的dPHD ；
[0095]圖18C顯示了使用矩陣求逆算法，通過用于樣本“C”(乳膠三模式，圖15C)的被測PHD從而計算獲得的dPHD ；
[0096]圖19A顯示了使用連續(xù)減法，通過用于樣本“A” (乳膠三模式，圖15A)的被測PHD從而計算獲得的dPHD (64通道);
[0097]圖19B顯示了使用連續(xù)減法，通過用于樣本“B” (乳膠三模式，圖15B)的被測PHD從而計算獲得的dPHD ；
[0098]圖19C顯示了使用連續(xù)減法，通過用于樣本“C” (乳膠三模式，圖15C)的被測PHD從而計算獲得的dPHD ；
[0099]圖20A顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，通過算得的dPHD(圖19A)獲得的用于樣本“A”的PSD (濃度)；
[0100]圖20B顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，通過算得的dPHD(圖19B)獲得的用于樣本“B”的PSD (濃度)；
[0101]圖20C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，通過算得的dPHD(圖19C)獲得的用于樣本“C”的PSD (濃度)；
[0102]圖21A顯示了為脂肪乳膠(體積占0.05% )樣本測量得到的PHD(32通道)；
[0103]圖21B顯示了為與圖21A中使用的相同樣本測量得到的PHD，但是添加了具有0.993 μπι乳膠顆粒(3.25 X IO5 / ml)的低濃度“突出”；
[0104]圖21C顯示了為與圖21B中使用的相同樣本測量得到的PHD，但是僅加入了 25%具有0.993μπι乳膠顆粒(8.13xl04 / ml)的低濃度“突出”；
[0105]圖22A顯示了通過對圖21A中的PHD展開卷積(連續(xù)減法)從而計算獲得的dPHD (有效脈沖高度區(qū)域)；
[0106]圖22B顯示了通過對圖21B中的PHD展開卷積(連續(xù)減法)從而計算獲得的dPHD (有效脈沖高度區(qū)域)；
[0107]圖22C顯示了通過對圖21C中的PHD展開卷積(連續(xù)減法)從而計算獲得的dPHD (有效脈沖高度區(qū)域)；
[0108]圖23A顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，根據(jù)算得的dPHD(圖22A)獲得的PSD (濃度，擴展尺寸)；
[0109]圖23B顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，根據(jù)算得的dPHD(圖22B)獲得的PSD (濃度，擴展尺寸)；
[0110]圖23C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，根據(jù)算得的dPHD(圖22C)獲得的PSD (濃度，擴展尺寸)；
[0111]圖24A顯示了根據(jù)包含脂肪乳膠(體積占0.5%)和乳膠顆粒(2.013和10.15 μπι)的“突出”的混濁樣本測量得到的PHD(64通道)，而并沒有對樣本混濁對信號電壓的影響進(jìn)行校正；
[0112]圖24B顯示了根據(jù)圖24A的PHD計算得到的dPHD (連續(xù)減法);
[0113]圖24C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)，根據(jù)圖24B的dPHD獲得的“原始”PSD(沒有對傳感器效率進(jìn)行校正)；
[0114]圖25A顯示了根據(jù)與24A中相同的樣本獲得的被測PHD(64通道)，但是將基線信號電平提高到了沒有混濁情況下的正常水平；
[0115]圖25B顯示了根據(jù)圖25A的PHD計算獲得的dPHD (連續(xù)減法)；
[0116]圖25C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)，根據(jù)圖25B中計算得到的dPHD獲得的“原始” PSD (沒有對傳感器效率進(jìn)行校正)；
[0117]圖26A、26B和26C是顯示三種技術(shù)的框圖，這三種技術(shù)可以用于補償樣本混濁對由新LE類型傳感器產(chǎn)生的信號的影響；
[0118]圖27A顯示了為用于CMP處理的含水硅漿(充分濃的)測量得到的PHD (32通道)；
[0119]圖27B顯示了根據(jù)圖27A中的PHD計算得到的dPHD(連續(xù)減法，有效脈沖高度區(qū)域，擴展尺寸)；
[0120]圖27C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，根據(jù)圖27B中算得的dPHD獲得的PSD (濃度，擴展尺寸);
[0121]圖28A顯示了為與圖27A中所使用的相同硅漿樣本獲得的被測PHD(32通道)，但是其中添加了 0.993 μπι乳膠顆粒(1.30x10s / ml)的低濃度“突出”；
[0122]圖28B顯示了根據(jù)圖28A中的PHD計算得到的dPHD(連續(xù)減法，擴展尺寸)；
[0123]圖28C顯示了使用校準(zhǔn)曲線(圖8A)和傳感器效率(圖9)，根據(jù)圖28B中計算得到的dPHD獲得的PSD (濃度，擴展的比例)；
[0124]圖29是顯示本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的框圖；
[0125]圖30是顯示本發(fā)明第二實施例的框圖；
[0126]圖31是顯示本發(fā)明第三實施例的框圖；
[0127]圖32是顯示本發(fā)明第四實施例的框圖；
[0128]圖33是顯示本發(fā)明第五實施例的框圖；以及
[0129]圖34是顯示本發(fā)明第六實施例的框圖。
[0130]發(fā)明詳沭
[0131]本發(fā)明的裝置和方法是由傳感器根據(jù)消光或光散射實現(xiàn)的，該傳感器用于對流體懸浮物中的顆粒進(jìn)行計數(shù)和測量尺寸。使得一定數(shù)量的懸浮物以受控流速在受限的、精確定義的測量流動通道中流過該新傳感器。與常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)中同類傳感器一樣，該新傳感器響應(yīng)于單個顆粒通過“光學(xué)傳感區(qū)域”，或稱為0SZ。因此，與現(xiàn)有的傳感器一樣，該新傳感器也可以歸類為單顆粒光學(xué)傳感(SPOS)裝置。但是，如通過下面的描述可以知道的那樣，該新傳感器的特征與使用常規(guī)SPOS方法獲得的那些特征有顯著的區(qū)別。為了簡化起見，下面的多數(shù)描述將涉及一種新的消光或者LE類型傳感器。但是，如將在下面討論的那樣，通過簡單的變化，可以同樣有效地將該新裝置和方法用于實現(xiàn)光散射或者LS類型SPOS裝置。每種新傳感器，無論是LE類型還是LS類型，都被設(shè)計成在顯著高于常規(guī)SPOS裝置的濃度下有效工作，并且還被設(shè)計用于提供顯著較高的靈敏度。[0132]實現(xiàn)SPOS傳感器重合濃度的顯著增加要求OSZ體積Vrez類似地大幅降低。如果將降低流動通道10的深度b用作降低Vm的手段，那么為了避免尺寸過大的顆粒導(dǎo)致的流動通道10的頻繁阻塞，對該深度b所能降低到的程度是有實際限制的。因此，要求顯著降低照射流動通道中的流體顆粒混合物和投射到探測器Db上的入射光束的橫截面積Am當(dāng)然，降低受照射面積Atl會產(chǎn)生另一個重要的優(yōu)勢，那就是最小可探測顆粒直徑的顯著降低。參數(shù)Atl越小，通過OSZ中央的給定尺寸的顆粒就會立刻“阻斷”(即折射、反射、散射和吸收)入射到流動通道和探測器上的全部光的越大比例。
[0133]該新SPOS方法的主要限定特征并不簡單只是受照射區(qū)域的尺寸Atl的顯著下降，從而導(dǎo)致Vffiz的顯著降低和靈敏度的提高。而是，該方法考慮到了由此規(guī)定的照射光束以及得到的OSZ的特性。如圖3中所示，在本光學(xué)設(shè)計中含有兩種固有的重要、新穎的特征。第一，單獨由入射光束(連同測量流動通道35的前窗36和后窗37)規(guī)定了 0SZ。沿著x軸限制流體顆粒懸浮物的側(cè)壁38和39不再對規(guī)定OSZ起到作用(圖3)。第二，不可以再用單個值描述與OSZ有關(guān)的物理體積；而是，它現(xiàn)在取決于被測顆粒的尺寸。
[0134]如在圖3中示意的那樣，該新方法利用激光源40發(fā)出的光束41照射測量流動通道35，其中透鏡42對該光束進(jìn)行聚焦從而形成具有較窄橫截面的光束44，即小于常規(guī)LE類型傳感器中流動通道的典型受照射寬度a (圖1)。因此，由“筆狀”光束46以及流動通道的前窗和后窗近似規(guī)定了所得到的0SZ，其中該前窗和后窗之間的距離為尺寸b。圖3中的示意圖提供了由聚焦光束46規(guī)定的OSZ的簡化圖形。第一，如圖3中表示的近似圓柱形區(qū)域所暗示的那樣，包含OSZ的照射區(qū)域并沒有界限分明地規(guī)定出來。而是，如將在下面討論的那樣，OSZ的外邊界是“模糊的”，其延伸到所示的區(qū)域之外。第二，假設(shè)已經(jīng)使通過流動通道10的光束聚焦，那么該光束的寬度典型是不均勻的。而是，在聚焦光束情況下，該光束的寬度在測量通道35的深度上是變化的。光束腰在通道的深度上的變化程度取決于該聚焦光束場的深度，其中將該聚焦光束場的深度定義為光束腰在該處增長到其最小值的2_2倍的點之間的距離(y軸)。理想情況下，該場的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通道厚度b，這導(dǎo)致在整個流動通道上的相對均勻的光束寬度。
[0135]因此，除了照射光的顯著不同的強度分布之外，該新傳感器的物理設(shè)計還具有根本性的改變。在常規(guī)設(shè)計中，流動通道10的物理寬度和OSZ的有效寬度(X軸)是相同的，并且等于尺寸“a”。但是，該新傳感器中流動通道的物理寬度(也定義為“a”)典型地遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光束的標(biāo)稱寬度2w，并且因此對OSZ沒有顯著影響。因此，對于使確定了流動通道(和0SZ)深度b的前窗36和后窗37分開的隔離器(或者小板子)38和39來說，不再要求它們是不透明的或者就光學(xué)度量標(biāo)準(zhǔn)而言是平滑的，從而避免由邊緣導(dǎo)致的散射。這是一種顯著的優(yōu)勢，使得可以更容易地和更廉價地制造流動通道。
[0136]通常情況下，使用一種“圓”光束是方便而有效的，其中入射強度理想地僅取決于距離光軸(與y軸重合，并且x=z=0，如圖3中所示)的徑向距離r。典型的是，使用一種“高斯”光束，即一種具有高斯強度分布的光束，并且在y=b / 2處，用下式在焦平面(光束的腰最小)中對該高斯強度分布進(jìn)行描述
[0137]I (r) = 10exp (_2r2 / w2) (7)
[0138]其中對于假設(shè)的圓光束，r2=x2+z2。
[0139]量2w是包含多數(shù)入射光通量的虛構(gòu)圓柱的直徑。其表面上的強度等于I / e2，其中e是自然對數(shù)的基數(shù)，或者等于光束中央處(r=0)強度值Itl的0.135倍?；旧?00%的包含在入射光束中的光通量(除了光學(xué)界面處的反射和光束中的顆粒的消光作用導(dǎo)致的損失之外)橫穿流動通道中的流體顆?；旌衔锊⑶彝渡涞竭h(yuǎn)處的探測器I\E上。這使得探測器I\E所提供的消光信號的形式是一種向下延伸的脈沖，其中該脈沖類似于圖2中在I / V轉(zhuǎn)換器放大器34的輸出處的脈沖30。
[0140]這些特性與常規(guī)LE類型傳感器中使用的照射方案有顯著的不同。在常規(guī)方法中，起始光束沿著流動通道的側(cè)(X)軸極大地擴展，從而其寬度(I / Θ2強度)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前窗(和0SZ)的寬度a。因此，入射光強沿著X軸(即對于y=z=0)有較小變化，其中光束沿著X軸進(jìn)入流動通道，這是因為光在沿X軸擴展的高斯光束的頂部處被捕獲。因此，通過OSZ的顆粒將會經(jīng)歷基本上相同的最大光束強度(即在Z=O處)，而無論該顆粒的軌跡如何。理想情況下，規(guī)定軌跡的X和I的特定值對得到的傳感器響應(yīng)，即脈沖高度沒有任何影響。
[0141]常規(guī)光學(xué)設(shè)計和用于該新傳感器中的方案之間的差別不會比此更大了。在該新傳感器中，通過精心的設(shè)計，可以使得入射強度按照流動通道寬度上位置的函數(shù)具有很大的變化。在其中入射光束具有對稱(圓形)高斯分布的情況下，由等式(7)給出了強度的變化，其中r=x。在光束的中央處(X=Z=O)獲得了最大強度Itl，其中為了簡化，X=O代表通道的中間點(并且側(cè)壁在x=±a / 2處)。我們可以注意到，X=土w，Z=O處的強度基本上降低到了 0.13510O隨著離開光束的距離的增加，強度下降很快，例如在x=±2w，z=0處下降到
0.0181。，以及在 x=±4w，z=0 處下降到 0.000331。。
[0142]由顆粒通過該新OSZ從而產(chǎn)生的消光信號是具有深遠(yuǎn)意義的。第一，如對于常規(guī)LE類型傳感器的情況一樣，由顆粒通過OSZ產(chǎn)生的脈沖高度八\^通常是隨著顆粒尺寸的增加而增加的，其中所有其它因素保持作用相等。通常，顆粒越大，就會從入射光束中“去除”越大比例的光，從而入射光束不能到達(dá)探測器I\E。但是，現(xiàn)在通過使用該新傳感器，從光束“去除”的光所占的比例取決于顆粒的準(zhǔn)確軌跡，更加具體地說，就是顆粒距離光束中央(x=0)的最小距離|x|。(如上面討論的那樣，如果場具有適當(dāng)大的深度，并且假設(shè)光束寬度沿著流動通道的深度方向上近似不變，那么對于第一近似，傳感器的響應(yīng)將不會隨軌跡在y軸上的值而發(fā)生顯著變化。)
[0143]對于具有給定尺寸和成分的顆粒而言(為了簡化，下文中假設(shè)顆粒是球形的并且是均質(zhì)的)，當(dāng)顆粒通過光束中央(X=O)時獲得了最大“信號”或者脈沖高度。具有給定的有效橫截面積ΛΑ的顆粒在光束中央處阻斷最大量的入射光，其中在該處的強度是最大的。沿著不同軌跡通過流動通道的相同尺寸顆粒所受到的最大水平照射是變化的，但是變小的，這些顆粒與光軸之間的最小距離|x|不同。與光軸的距離越遠(yuǎn)，入射到顆粒上的積分強度也就越低，因此，從光束中去除的光通量也就越少，并且得到的脈沖高度也就越小。因此，該響應(yīng)包含一種具有脈沖高度的連續(xù)“頻譜”，其范圍從對于通過光束中央的軌跡為脈沖高度最大值，到對于遠(yuǎn)離入射光束(|x|?w)的軌跡的脈沖高度基本上為零(即不能區(qū)分該脈沖高度和噪聲波動)。最大脈沖高度取決于光束腰2W和顆粒尺寸，以及在某些情況下取決于顆粒和周圍液體的折射率。(這取決于就對于總消光信號的貢獻(xiàn)而言，光散射與折射和反射相比占據(jù)了多大的比例)。一種關(guān)鍵的假設(shè)是，顆粒軌跡是在流動通道中是隨機分布的(即以相同的頻率發(fā)生)。考慮到所使用的流動通道的典型尺寸和較低的流動速度，這種假設(shè)通常是有效的。還假設(shè)了通過傳感器的顆粒的數(shù)量足夠大，從而對于具有任意給定的X軸值(即在任意(窄)的X值范圍上)的軌跡來說，可以忽略具有該軌跡的顆粒數(shù)量的統(tǒng)計波動。
[0144]因此，對于該新傳感器來說，顆粒尺寸和脈沖高度之間的關(guān)系與通過常規(guī)設(shè)計的傳感器獲得的關(guān)系有很大區(qū)別。在常規(guī)設(shè)計傳感器中，給定尺寸(和成分)的顆粒導(dǎo)致具有幾乎一致高度的脈沖，而無論它們的軌跡如何。這一特征是對于常規(guī)SPOS方法而言最重要的傳感器設(shè)計目標(biāo)。例如，當(dāng)測量具有基本上一致尺寸的聚苯乙烯乳膠“標(biāo)準(zhǔn)”顆粒時，脈沖高度典型地會出現(xiàn)小變化，而這種變化是由對于給定的Z軸值，在OSZ內(nèi)的入射光束強度沿著X軸和y軸發(fā)生變化導(dǎo)致的。這些變化最終確定了傳感器的分辨率。因此，得到的PSD寬度主要取決于OSZ上的殘余非均勻照射，而不是顆粒直徑的實際范圍。
[0145]相比而言，對于該新傳感器設(shè)計而言，顆粒尺寸分辨率具有明顯的惡化。當(dāng)單個顆粒通過傳感器時，它導(dǎo)致了一種消光脈沖，該消光脈沖的高度AVu可以在給定的最大值和基本上為零的范圍內(nèi)變化。反過來，如果是單個的被測脈沖，那么不可能僅根據(jù)該脈沖高度的信息就確定產(chǎn)生該脈沖的顆粒尺寸。例如，較小但是直接通過光軸的顆粒產(chǎn)生對于該種尺寸(和成分)顆粒來說是有可能得到的最大脈沖高度?？商鎿Q的，根據(jù)顆粒尺寸和軌跡，大的多但是相對遠(yuǎn)離光軸通過的顆粒產(chǎn)生實際上相同的脈沖高度。盡管與小顆粒相比，大顆?？梢越孬@更大的入射照射面積，但是入射到大顆粒上的平均強度小于入射到小顆粒上的強度。因此，得到的脈沖高度可能與小顆粒產(chǎn)生的脈沖高度相同。顯然，有無數(shù)個顆粒直徑和最小光束軌跡距離的對{d，|x|}可以產(chǎn)生相同的脈沖高度。顆粒直徑d和得到的脈沖高度Λ實際上是互相“分離”。這就是在上述的相關(guān)技術(shù)描述中提到的“軌跡模糊”問題，二十多年來該問題一直激勵著研究者尋找一種基于光散射的新方案，以使用高斯光束確定顆粒尺寸。
[0146]上述的軌跡模糊問題的影響好像使得新的窄光束傳感器相對而言不能用于需要的顆粒測量尺寸用途。但是，令人高興的是，這樣一種悲觀的估計是沒有道理的。僅當(dāng)人們堅持將該新方法來獲得單個顆?；蛘呦鄬^少數(shù)量的顆粒的尺寸時，該新LE類型傳感器的分辨率才是差的。如將在后面說明的那樣，可以通過對脈沖高度數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)展開卷積，將與該新傳感器相關(guān)的表面上較差的尺寸分辨率恢復(fù)到一種非?？梢越邮艿乃?。由于下面這個原因，可以實現(xiàn)有效傳感器分辨率的大大提高:該新傳感器是用于面對包含在感興趣的樣本中具有每個相關(guān)直徑或者直徑范圍的統(tǒng)計數(shù)量很大的顆粒。正是這種條件使得該新傳感方法對于顆粒尺寸分析非常有效，并且這種條件與“污染物”用途中的情況形成了鮮明的對比。在那種情況下，使傳感器暴露于數(shù)量較少的任意給定尺寸的顆粒，在這種情況下通常不能獲得統(tǒng)計上大量的顆粒。
[0147]該新聚焦光束傳感器的“原始”響應(yīng)，類似于其常規(guī)SPOS傳感器，包含脈沖高度分布(PHD)，即顆?！坝嫈?shù)”與脈沖高度Λ'Ε之間關(guān)系的直方圖。脈沖高度比例圖典型地分為較大數(shù)量(如32、64或128)的“通道”或“箱”，其中每個通道包含脈沖高度電壓的適當(dāng)窄的范圍，從而規(guī)定了 PHD的電壓分辨率。通常方便的是，建立在對數(shù)電壓比例圖上均勻間隔的通道。對新脈沖的測量導(dǎo)致存儲在直方圖中的適當(dāng)脈沖高度通道中的顆粒數(shù)的值加一。理想情況下，用足夠長的時間從感興趣的顆粒懸浮物中收集數(shù)據(jù)，從而得到的PHD從數(shù)量統(tǒng)計上看是可靠的，并且因此是平滑的和可復(fù)現(xiàn)的。這意味著對于所有I，例如在有128個通道的情況下為I < I < 128，在第I個脈沖高度通道中收集的顆粒數(shù)的值N1從統(tǒng)計來看是大量的，相對于由統(tǒng)計“噪聲”導(dǎo)致的波動具有壓倒性的優(yōu)勢。假設(shè)是Poisson統(tǒng)計，那么這意味著對于所有I，隊》隊2_2。
[0148]圖4中顯示了由該新LE類型傳感器產(chǎn)生的PHD的一種代表性例子。該樣本包含直徑為1.588微米(μ m)的均勻聚苯乙烯乳膠顆粒(Duke, Scientific, Palo, Alto, CA)的10000: 1(按照體積)原料懸浮物水稀釋液。在48秒的數(shù)據(jù)收集時間內(nèi)，由總共83702個顆粒產(chǎn)生了該PHD。所使用的流動速度為20ml / min，這使得所分析的總樣本體積為16ml，平均脈沖率為1744 / sec0按照重量，該原料懸浮物的濃度為I %。如果顆粒體積Vp等于
2.lOxlO—cm3，以及密度P等于1.05，那么這等效于數(shù)量濃度為4.54xl09 / ml。稀釋后，流過該傳感器的顆粒濃度為4.54x10s / ml。該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)LE類型傳感器典型推薦的濃度水平(即為了避免顯著的重合效應(yīng))，實際上是高出50倍還要多。實際上，還可以顯著提高該濃度(至少兩倍)，而不會引入由重合效應(yīng)導(dǎo)致的PHD形狀的顯著畸變。
[0149]僅是因為該新傳感器僅響應(yīng)于通過它的顆?？倲?shù)的一小部分，才可能有如此高水平的顆粒濃度。使用圖4的例子，通過該傳感器的顆?？倲?shù)隊為乂~4.54X IO5 /mlX16ml=7.26X IO60傳感器實際上響應(yīng)的顆粒數(shù)Np為83702，從而得到了圖4的PHD。因此，對測量得到的PHD實際上有貢獻(xiàn)的直徑為d=l.588m的顆粒所占比例為1.15Χ 10_2或者0.0115，其中通過C^d=Np / Nt規(guī)定了該Φρ將比例(^稱作“傳感器效率”。
[0150]如果發(fā)現(xiàn)該傳感器效率相當(dāng)小，那么我們不應(yīng)該感到奇怪。在其中是緊密聚焦光束的情況下，流動通道的寬度a必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該聚焦光束的標(biāo)稱寬度2w。因此，通過傳感器的多數(shù)顆粒暴露于可忽略的光強水平，這是因為它們的軌跡距離光軸較遠(yuǎn)，即Ixl >>?。因此，僅全部顆粒的一小部分可以“阻斷”足夠的光從而獲得相對于占據(jù)優(yōu)勢的噪聲水平來說是可探測的脈沖。絕大多數(shù)顆粒通過傳感器而并沒有被探測到。 [0151]盡管這種局限性似乎是嚴(yán)重的，但是實際上它的影響不大，這是因為兩個原因。第一，產(chǎn)生可探測、可測量脈沖的顆粒的比例于給定的傳感器寬度a來說是固定的，SP使該值隨顆粒直徑d而發(fā)生變化。第二，該新傳感方法用于為根據(jù)規(guī)定在開始時很濃的樣本確定顆粒尺寸分布(PSD)。如果需要進(jìn)行稀釋的話，那么即使在稀釋之后，任意給定尺寸(即位于任意(窄的)尺寸范圍之內(nèi))的顆粒的濃度根據(jù)定義還是較高的。假設(shè)一種合適的流動速度和數(shù)據(jù)收集時間，那么得到的PHD將會具有一種可接受的信噪比，并且具有低水平的統(tǒng)計波動。因此，即使可獲得顆粒中的僅一小部分會對原始數(shù)據(jù)起作用，得到的PHD還是代表樣本中被忽略的絕大多數(shù)顆粒。因此，可以通過該“低效的”新傳感器獲得代表整個樣本的可靠和準(zhǔn)確的PSD。
[0152]估計虛構(gòu)的、近似為圓柱型的體積的寬度2%是有效的，該體積環(huán)繞著光軸，并且該寬度代表直徑為d的顆粒的有效0SZ。根據(jù)定義，通過該虛構(gòu)區(qū)域的任何顆粒都將導(dǎo)致可以被探測到和量化的脈沖(即通過其脈沖高度)。該寬度2%直接相關(guān)于傳感器效率
并且由下式定義
[0153]2ψλ=ΦλΧ? (8)
[0154]圖4中顯示的PHD是通過具有為2mm或2000 μ m的流動通道寬度的傳感器獲得的。因此，根據(jù)等式8，可以得到對于1.588 μ m顆粒的情況，2wd=23 μ m。對于與此相同的傳感器，所估計的光束寬度在10到Ilym之間(在下面對其進(jìn)行討論)。因此，對于1.588μπι顆粒，圓柱形狀的OSZ的有效寬度略微大于高斯光束標(biāo)稱寬度的兩倍。[0155]圖4中顯示的PHD還具有幾個另外的值得注意的特征。第一，由于顆粒軌跡橫跨較大的Ixl值范圍，所以均勻顆粒通過傳感器實際上產(chǎn)生了包含寬的脈沖高度范圍的PHD。在這種情況下，這些脈沖高度的范圍從大約為5毫伏(mV)的單個脈沖探測閾值(由占據(jù)優(yōu)勢的均方根噪聲水平?jīng)Q定)到分布的標(biāo)稱“端點”的近似為326mV的最大值。(這不包含少量的“異類”脈沖，其中這些脈沖是由延伸到500mV的顆粒聚集和尺寸過大的基本顆粒導(dǎo)致的)?？紤]到顆粒的均勻性，那么這種65倍脈沖高度范圍只能歸因于顆粒軌跡的差別。(通過第一近似，我們可以忽略光束寬度在流動通道深度上的變化，如前面討論過的那樣。)
[0156]第二，如預(yù)料的那樣，該PHD具有極高的不對稱性，在較小的脈沖高度方向上具有極大的彎曲。顯然，有很多顆粒軌跡對大范圍的Ixl值(以及，因此對光束強度)進(jìn)行采樣，而只有相對較少的顆粒軌跡接近了高斯分布的中央部分，在該中央部分處，強度基本上是均勻的。該PHD隨著脈沖高度增加，顆粒數(shù)量展現(xiàn)出了一種寬的、平滑的上升趨勢，從而加速上升到較陡的峰值，隨后是迅速下降到代表零脈沖事件的基線。在分布的上端處的該陡峭的“截止”規(guī)定了最大脈沖高度，下文中稱作μΛ'ε。在圖4中顯示的PHD的情況下，該值大約為326mV。在該最大值處收集到的數(shù)量代表了通過或非常接近光束中央(即X?O的軌跡)的顆粒，而在光束中央處由顆?！白钄唷钡目?cè)肷涔馔康谋壤强赡艿玫降淖畲笾?。在較小脈沖高度通道中收集到的顆粒數(shù)代表了遠(yuǎn)離光軸通過的顆粒；參數(shù)|x|越大，得到的脈沖高度越小。
[0157]圖5顯示了顆粒軌跡和得到的脈沖高度之間的關(guān)系。軌跡“A”產(chǎn)生了具有最大脈沖高度μΛ'ε的消光脈沖，其中該最大脈沖高度緊臨PHD的上部截止之前。軌跡“B”、“C”、“D”和“E”與光軸之間的距離逐漸增大，這些軌跡產(chǎn)生了具有相應(yīng)降低的脈沖高度的脈沖，并且顆粒數(shù)量也逐漸降低。最終，隨著脈沖高度在圖中5的PHD的下方左側(cè)角落處到達(dá)探測極限(?5mV)，每通道的顆粒數(shù)量接近零。
[0158]如前面討論過的那樣，PHD的復(fù)現(xiàn)能力應(yīng)該僅取決于不同通道中包含的顆粒數(shù)量大于統(tǒng)計波動的程度。因此，PHD的“可靠性”(即平滑性和復(fù)現(xiàn)性)應(yīng)該取決于一次測量期間計數(shù)的顆?？倲?shù)。對于給定的顆粒尺寸，顯然存在最小數(shù)量的應(yīng)該被計數(shù)和分析的脈沖，如果低于該最小數(shù)量，那么PHD應(yīng)該會由于統(tǒng)計噪聲從而在每次測量中展現(xiàn)出顯著的、不可復(fù)現(xiàn)的“結(jié)構(gòu)”。而且，該新傳感器產(chǎn)生的PHD僅適用于這樣一種情況:在數(shù)據(jù)收集期間，探測到了較大數(shù)量的、具有統(tǒng)計意義數(shù)量的相同尺寸的顆粒。僅當(dāng)這種條件成立時，我們才可以獲得最佳的、可復(fù)現(xiàn)的PHD結(jié)果，并且使用在下面討論的方法可以通過該PHD結(jié)果獲得相應(yīng)準(zhǔn)確的、具有代表性的顆粒尺寸分布(PSD)結(jié)果。
[0159]在圖4中所示的使用1.588 μ m聚苯乙烯乳膠產(chǎn)生PHD的情況下，對一種新鮮的16ml相同原料懸浮物所進(jìn)行的第二測量得到了非常類似的PHD結(jié)果，其中探測到了 83327個顆粒。顆?？倲?shù)的差別精確位于均方根(289)范圍之內(nèi)。我們可以試探性地得出以下結(jié)論:由傳感器采樣的用于每次測量的顆粒數(shù)量足夠大，從而產(chǎn)生具有可接受復(fù)現(xiàn)性的PHD (通過互相重疊兩個或多個PHD從而得到證實)。
[0160]根據(jù)上面的討論，我們可以清楚地看到，使新傳感器暴露于較大的顆粒應(yīng)該會產(chǎn)生偏向較大脈沖高度的PHD。具體而言，對應(yīng)于通過或非常接近于光軸的顆粒軌跡的最大脈沖高度ΜΛ'Ε—定會增加。如圖6中所示，比較d=l.588m情況下獲得的PHD “A”和d=2.013 μ m情況下獲得的PHD “B”，我們可以發(fā)現(xiàn)情況的確如此。后者包含濃度為0.45%(Wt)的聚苯乙烯乳膠球(Duke Scientific)的2000: I (vol)原料懸浮物稀釋液,等同于1.0X109顆粒/ ml。使用圖4中使用的相同數(shù)據(jù)收集時間和流動速度以及由此得到的平均計數(shù)率1.739 / sec，通過總共83481個顆粒產(chǎn)生PHD “B”。
[0161]非常明顯的是，PHD “B” (2.013 μ m)和PHD “A” (1.588 μ m)的形狀非常相似。僅有的顯著區(qū)別是最大脈沖高度μΛ ν?Ε的值，現(xiàn)在該值在482mV處出現(xiàn)。PHD “B”的峰值似乎比觀察較小顆粒得到的值更陡峭(即更窄)。但是，考慮到脈沖高度通道在對數(shù)電壓比例圖中具有相同的寬度，那么該評價就主要是認(rèn)知的問題。因此，與位于比例圖中較低脈沖高度值處(如326mV)的通道相比，位于較高脈沖高度值處(如482mV)的通道將會包含較寬的電壓范圍。
[0162]通過第一近似，簡單地通過沿著X軸按照線性方式將用于d=l.588 μ m情況的PHD “拉伸”到較高脈沖高度值，可以通過用于d=l.588 μ m的PHD得到用于d=2.013 μ m的PHD，從而使這兩個PHD曲線的最大截止“邊緣”重合。通過將一個乘法系數(shù)應(yīng)用于與PHD“A”的每個通道相關(guān)的脈沖高度值，可以實現(xiàn)上述這種作用。該系數(shù)等于用于PHD “B”的最大脈沖高度μΛ ν?Ε除以用于PHD “A”的對應(yīng)值，即482 / 326=1.48。
[0163]比較所獲得的用于一系列均勻顆粒尺寸群的PHD是有指導(dǎo)意義的，其中這些均勻顆粒尺寸群包含較大范圍的顆粒直徑。圖7中顯示了并在表1中總結(jié)了，所獲得的用于直徑范圍從0.806到20.0Oym的統(tǒng)計數(shù)量很大的聚苯乙烯乳膠標(biāo)準(zhǔn)顆粒的單個PHD的代表性結(jié)果。(注意:可以使用相同的傳感器和光學(xué)參數(shù)，獲得用于近似為0.6 μ m大小的顆粒的PHD，該PHD具有降低了的、但是可接受的信噪比。)與前面一樣，使用20ml / min的流動速度，通過測量16ml適當(dāng)稀釋的原料懸浮物從而獲得圖7所示的每個PHD。用絕對值(mV)和5V或5000mV( “基線”電壓，V0)的百分比來表示最大脈沖高度ΜΛ'E。這是代表入射光通量的100%消光的可能出現(xiàn)的最大脈沖高度。在圖7中，將每個PHD都繪制成相對數(shù)量分布，即每個通道中的數(shù)量除以為進(jìn)行研究的樣本收集到的總數(shù)。
[0164]如上面討論過的那樣，可以通過采用最近的較小尺寸的PHD( 即“B”)，并使用合適的乘法系數(shù)?( “C”)/ mAVle( “B”)使其向較大脈沖高度值移動，從而近似得到圖7中任意給定的PHD (如“C”)。因為PHD具有自相似性，所以這是可以實現(xiàn)的。該過程非常有效，因為可以將其用于計算，而不是測量用于任意顆粒尺寸的相當(dāng)精確的PHD，其中這些顆粒尺寸位于已經(jīng)測量的PHD所用于的尺寸之間。如將在下面討論的那樣，該操作是用于對測得的PHD進(jìn)行“展開卷積”的數(shù)學(xué)過程的一個重要步驟。
[0165]通過圖7 (和表1)我們可以清楚地看到，由該新傳感方法產(chǎn)生的用于均勻尺寸顆粒的PHD可以探測顆粒直徑的較小變化。如圖8A中所示，最大脈沖高度Μ Δ Vle在較寬的(即大于25倍)的尺寸范圍內(nèi)隨著顆粒尺寸的增加而顯著增加。盡管由給定尺寸的顆粒產(chǎn)生的PHD是寬的并且根據(jù)定義在分辨率方面是差的，但是實際上，我們可以提出表面上相矛盾的意見，即該新傳感方法的尺寸“分辨率”實際上是較高的。下面，通過結(jié)合這樣一個過程，該觀點將變得明顯:該過程用于對通過具有不同尺寸的顆?；旌象w獲得的PHD數(shù)據(jù)進(jìn)行“反轉(zhuǎn)”或展開卷積，從而最終獲得感興趣的PSD。目前，指出下面這一點就足夠了:圖7的結(jié)果說明了顆粒尺寸的較小變化會導(dǎo)致與*^^^有關(guān)的電壓的顯著、可測量的變化。如將在下面看到的那樣，信號響應(yīng)的該特征是一種必要(盡管并非是充分的)條件，它使得可以將展開卷積過程用于從測得的PHD中提取具有較高分辨率的PSD。[0166]有指導(dǎo)意義的是，將測得的光阻斷率，即表示為最大飽和電壓Vtl (5伏)的百分比的ΜΛ'Ε，與由普通光阻斷模型預(yù)測的值進(jìn)行比較。這假設(shè)了一個顆粒，無論其尺寸如何，都有效地去除了入射到其上的100%的光，其中入射光投射到面積為JId2 / 4的圓盤上，從而忽略了光散射對LE信號的貢獻(xiàn)，而光散射在尺寸足夠小的情況下占據(jù)主導(dǎo)地位。圖SB中顯示了該比較，其中具有三組模型計算，并且假設(shè)寬度為10μπι(開方塊)、11μπι(閉圓圈)和12 μ m(開三角)的高斯光束。(這些值與使用移動狹縫光束分布器對光束腰進(jìn)行獨立測量所得到的結(jié)果是一致的:12±2μπι。)
[0167]如可以從圖SB中看到的，用于d=5.03ym和10.15μπι的ΜΛ\Ε(實圓圈)的測量值與10 μ m(開方塊)和11 μ m(開圓圈)的假設(shè)光束寬度最接近相符，其中ΜΛ'Ε表示為最大可能值Vtl (5伏)的百分比。因此，平均值10.5 μ m代表最佳估計。在該5-10 μ m尺寸范圍的上端，簡單光折射應(yīng)該在消光現(xiàn)象中占據(jù)主導(dǎo)地位。低于5 μ m,這種相符性就沒那么好了，并且隨著顆粒尺寸的降低，這種相符性也逐漸降低。實際上，該區(qū)域的理論值應(yīng)該低于測量值，這是因為所使用的自然模型忽略了光散射效應(yīng)。顆粒越小，散射對總LE信號的相關(guān)貢獻(xiàn)量也就越大，并且因此如上面觀察到的那樣，理論值和測量值之間的差別程度也就越大。
[0168]如果有效光束寬度大約為10.5μπι，那么得到的用于ΜΛ'Ε的值應(yīng)該接近用于顯著大于該尺寸的顆粒的“飽和值”。具體而言，沒有被通過光束中央的ΙΟμπι顆粒阻斷，而被20μπι顆粒阻斷的光束在總光通量中所占的比例在下降。因此，MA'EKd的斜度，無論是測得的還是算得的，隨著d的增加而“翻滾”，逐漸接近用于大于大約10 μ m的d值的100%mAVleo在該比例圖的小直徑端，μΛ'ε比d的斜度隨著d的降低而降低，這是因為散射對LE信號的貢獻(xiàn)變小。因此，在整個尺寸比例圖上光阻斷率的曲線的形狀類似于S形。不幸的是，測得的信號和算得的光阻斷率在d=20 μ m處的相符性并不像在5.03和10.15 μ m處那樣好。算得的用于10和I lym的光束寬度的比值分別為99%和98% ;而測得的比值“僅為”90%。該差異的可能原因是不理想的光束強度分布，該強度分布與根據(jù)模型假設(shè)的理想高斯形狀有顯著的差別。不理想光學(xué)元件的存在、不完全的光束圓形化以及可能出現(xiàn)的失準(zhǔn)都可能導(dǎo)致在光束高強度區(qū)域周圍的較低強度光區(qū)域的非對稱圖案。即使與主光束有關(guān)的多數(shù)光線有效受到大顆粒的阻斷，對應(yīng)于這些非理想?yún)^(qū)域的光線也可以到達(dá)探測器。因此，20 μ m顆粒通過光軸會導(dǎo)致入射光的小于100%的消光。
[0169]重要的是，理解傳感器效率(td對顆粒直徑d的依賴。顆粒越大，顆?？梢越孬@或“阻斷”的入射光通量的比例也就越大。因此，與較小的顆粒相比，大顆?？梢栽陔x光軸較遠(yuǎn)的地方被探測到，而該較小的顆?？赡軙?，即使它與該較大顆粒的軌跡相同，或者甚至離光軸更近。因此，很明顯的是，可以被探測到并且對PHD有貢獻(xiàn)的顆粒所占比例(定義為Φ d)，隨著顆粒尺寸的增加而增加(除了由Mie散射原理所描述的散射強度隨顆粒尺寸的非單調(diào)變化效應(yīng)。)
[0170]圖9顯示了基于圖7和表1中所示的結(jié)果，對于尺寸范圍在0.806-20.0ym之間的聚苯乙烯乳膠顆粒所獲得的(i)dKd的值。為了計算各種<^值，有必要獨立確定在各個PHD測量期間通過傳感器的顆粒總數(shù)。通過測量按照合適(非常大)的系數(shù)進(jìn)行稀釋的已知體積的每種懸浮物，可以確定這些值，其中使用具有大約100%計數(shù)效率的常規(guī)傳感器(基于LE和LS方法的結(jié)合)進(jìn)行測量。通過用在PHD測量期間計數(shù)的顆粒值除以流過傳感器的懸浮物體積中存在的全部顆粒數(shù)，可以獲得用于每個直徑d的(i)d值。
[0171]如圖9中所示，(td值隨著顆粒直徑的降低而單調(diào)降低，從用于d=20.0 μ m的0.030降低到用于d=0.0806μm的0.0053，這代表了幾乎是六倍的降低。如預(yù)料的那樣，OSZ的有效寬度隨著顆粒直徑的降低而縮減。當(dāng)顆粒尺寸低于大約1.5μm時，該新傳感器的效率“翻轉(zhuǎn)”并且以增加的斜率立即下降到零。該特征簡單地證實了當(dāng)將LE方法用于足夠小的顆粒時，該方法是不能起到作用的，即使其中光束寬度小到lOym。就是在該點處，使用LS方法(將在下面討論)變?yōu)橛行У摹５牵ㄟ^圖7我們還可以清楚地看到，對于顆粒直徑小到0.8 μ m(甚至更小)的情況，PHD結(jié)果具有好的信噪比。
[0172]因為％與<i)d成比例，所以我們可以清楚地看到，如圖9中所示，有效OSZ的寬度隨顆粒直徑的增加而增加，而其增加的方式與<^隨(1增加的方式相同。如上面討論的那樣，所分析的顆粒越大，光束的影響就沿著X軸就延伸到流動通道上越遠(yuǎn)的地方。可以將其當(dāng)作該新傳感器的“非線性”響應(yīng)，其中它的效率總體上隨著顆粒直徑的增加而增加。這種特性對于通過對PHD進(jìn)行展開卷積獲得想要得到的PHD的過程有重要的意義，特別是對于包含寬范圍顆粒尺寸的樣本。
[0173]根據(jù)等式8我們可以清楚地看到，流動通道寬度的降低可以提高傳感器對于所有直徑的效率。這將使較大(但是仍然小)比例的顆粒通過光束影響的區(qū)域，即有效0SZ。因此，在理論上，簡單地通過降低尺寸“a”就可以提高傳感器對于所有尺寸顆粒的效率。但是，實際上，有兩個原因?qū)е逻M(jìn)行這種“提高”并不是有效的或者是值得做的。
[0174]第一，尺寸“a”的降低意味著流動通道的橫截面積AF=aXb相應(yīng)的降低。但是，在不會對樣本懸浮物的流動產(chǎn)生過多阻礙的情況下，對于就該面積可以降低到多低存在一種實際的限制。另外，該尺寸的降低會導(dǎo)致測得的脈沖高度的誤差，這是由于所導(dǎo)致的顆粒的高速度引起的。對于給定的流動速度F，通過OSZ的顆粒的速度與尺寸“a”的變化趨勢相反(等式4)。如果該速度太快，那么所得到的信號脈沖相應(yīng)地將在時間上變得更窄，這會潛在地導(dǎo)致與放大器裝置帶寬有關(guān)的測得的脈沖高度的誤差(即降低)。我們可以通過降低流動速度來避免這一問題。但是，這將降低測量得到的PHD的統(tǒng)計準(zhǔn)確度，即在一段給定時間內(nèi)，所能探測到的每種相關(guān)尺寸的顆粒將會成比例減少。
[0175]可替換的，我們可以考慮增加流動通道的深度b，將其作為補償寬度a降低的一種手段，從而使量Af基本上保持恒定，并且由此將顆粒速度恢復(fù)到可接受的值。但是，這會導(dǎo)致兩種不良結(jié)果。第一，用于每種顆粒尺寸的有效OSZ的體積將會正比于“b”的增加而增加(假設(shè)OSZ的有效寬度沒有變化)。重合濃度將會按照“b”的增加系數(shù)而降低，由此對該新傳感器應(yīng)用于比較濃的懸浮物的能力起到了不良影響。第二，“b”的顯著增加會導(dǎo)致PHD和得到的PSD的分辨率降低，這是由于光束(假設(shè)該光束是聚焦的)寬度和流動通道深度上的有效OSZ的較大變化造成的。使PHD的理想上陡峭的“截止”在最大脈沖高度ΜΛ 處變寬，這會導(dǎo)致通過對PHD進(jìn)行展開卷積獲得的PSD的分辨率的降低。
[0176]因此，通過上述方法中的一個或多個極大地增加傳感器效率是不現(xiàn)實的。幸運的是，這種性能上的“限制”實際上并不是缺點，盡管表面上似乎如此。實際上，在至少一個重要方面中，它是優(yōu)點。第一，如上面討論的那樣，該新傳感器用于暴露于比較濃的樣本。探測到的顆粒的小比例(如通過圖9，為0.005到0.03)仍然轉(zhuǎn)化成對PHD有貢獻(xiàn)的每種尺寸顆粒的較大的絕對數(shù)量。第二，并且是更重要的，較低的傳感器效率為要求對起始樣本懸浮物進(jìn)行預(yù)先稀釋的用途提供了顯著的優(yōu)勢。根據(jù)圖9中顯示的值，用于該新傳感器的重合濃度值比通過常規(guī)LE類型傳感器獲得的對應(yīng)值大大約I / (^倍，即大大約30到200倍。(該比較假設(shè)對于常規(guī)LE類型傳感器具有相同的光束寬度2w、流動通道尺寸a和b。)因此，對較濃懸浮物所進(jìn)行的稀釋就比常規(guī)傳感器所需的稀釋程度小得多，即小I / <i>d倍。因此，稀釋流體(如水、有機溶液等等)可以相應(yīng)地比通常使用的稀釋流體“臟”(就污染物顆粒而言)。實際上，這是一個重要的優(yōu)勢。
[0177]通過上述討論和圖8A和SB中顯示的結(jié)果，很明顯的是，該新傳感器對于其直徑顯著大于光束寬度的顆粒具有降低的分辨率。這里，名詞“分辨率”指對于顆粒直徑的給定(單位)變化，ΜΛ'Ε的變化，即μλ'ε比d的斜率。在尺寸比例圖的小尺寸端，該斜率隨著d的降低而降低，并且因此分辨率也隨著d的降低而降低?？紤]到普遍存在的噪聲波動，由可以測量得到的最小脈沖高度AU角定探測最小顆粒的閾值。應(yīng)該理解，該新傳感方法可以在其上產(chǎn)生可接受的分辨率的顆粒直徑范圍取決于對光束寬度的選擇，此時所有其它變量保持不變。如果光束寬度顯著增加，那么ΜΛ'ε比d的最大斜率區(qū)域，即曲線的拐點，將向較大顆粒尺寸方向偏移；光束寬度越大，偏移也就越大。然后，可以將傳感器有效地用于以可接受的分辨率獲得用于較大顆粒的PSD?？傊?，根據(jù)對光束寬度的選擇，可以將使用該新傳感方法獲得的PHD響應(yīng)“縮放”到較大的顆粒直徑。圖10顯示了光束寬度對于算得的mAVle比d的S形曲線的影響(假設(shè)100%的消光)。所使用的光束寬度包含6 μ m(開圓圈)、9μ--(開方塊)、12μ--(開三角)、15μ--(閉圓圈)、18μ--(閉方塊)以及21μ--(閉三角)。在最后一種情況下，對應(yīng)于10到90%飽和范圍內(nèi)的最大脈沖高度，可接受的分辨率范圍偏移了 5-30 μ m。
[0178]相反，如果光束尺寸顯著降低，那么ΜΛ'ε比d的最大斜率點將向較低直徑方向偏移。但是，應(yīng)該理解，可以被探測到的顆粒最小尺寸不會出現(xiàn)相應(yīng)的顯著降低。理論上，對于給定(小)顆粒直徑的*^^^值將會隨著光束寬度的降低而增加。但是實際上，該新LE類型傳感器可以在顆粒尺寸比例圖的低端獲得的性能改善是有限制的。第一，衍射原理會對能夠獲得多小的光束施加一種限制。實際上，在3-5 μ m這種尺寸下，聚焦光束場的深度將會非常窄，這要求使用非常薄的流動通道從而在通道深度上實現(xiàn)光束寬度(并且因此OSZ寬度)的可接受的最小變化?？紤]到用于通道深度的實際值(即b>100 μ m)，為了避免頻繁的阻塞，不可避免的要求光束寬度在通道深度上具有顯著的變化。這將對最大脈沖高度截止的陡峭程度和得到的PSD的分辨率產(chǎn)生不良影響。
[0179]第二，在顆粒尺寸比例圖的小尺寸端，光散射機制將會在LE信號中占據(jù)主導(dǎo)地位。盡管聚焦光束的寬度降低，但是從光束中有效去除的入射光通量的絕對比例非常小，并且會隨著顆粒直徑的降低而降低。理論上，任意高背景信號電平Vtl的存在并不會影響探測器以及相關(guān)電子系統(tǒng)探測疊加在Vtl上并具有非常小高度的脈沖的能力。但是，實際上，對于可以測量得到的AVu有一個下限，這是由與光源、探測器、信號調(diào)節(jié)裝置和電源有關(guān)的多種“噪聲”源所導(dǎo)致的Λ'Ε波動造成的。樣本懸浮物中的污染物顆粒也對測得的信號波動有貢獻(xiàn)。當(dāng)脈沖高度下降到低于某個值時，脈沖實際上消失了，即不能區(qū)分該脈沖和由這些噪聲源導(dǎo)致的Λ波動。
[0180]因此，采用以窄聚焦光束對受限空間內(nèi)的顆粒進(jìn)行照射的該新方法增加靈敏度，就要求將探測模式從消光轉(zhuǎn)變?yōu)楣馍⑸?LS)。那么，當(dāng)顆粒通過OSZ時所產(chǎn)生的信號就會取決于由顆粒產(chǎn)生的散射光強度在所選散射角范圍內(nèi)的幅度和角度分布。有效的信號脈沖將不再會受到與入射光束有關(guān)的高背景光水平的影響，而這種情況會在使用LE方法時發(fā)生。圖11中示意顯示了典型地用于實施該新LS測量方法的簡單光學(xué)方案。該裝置在許多基本方面，即包含光源40、聚焦光學(xué)元件42以及薄的測量流動通道35，與用于該新LE類型傳感器(圖3)的裝置是相同的。特別的是，我們典型地使用具有高斯強度分布的窄聚焦光束46，并且該光束通過具有薄的尺寸b的流動通道，這種方案與用于該新LE類型傳感器的方案基本上是相同的。兩種方案典型的唯一不同之處在于光束寬度2w，其中與該新LE類型傳感器相比，該LS類型新方法可以選擇使用更小的光束寬度，從而獲得更高的靈敏度。
[0181]該新LS類型傳感器與LE類型傳感器相比的主要設(shè)計差別在于添加了光收集裝置，典型地為一個或多個透鏡，從而收集來自通過OSZ的單個顆粒的散射光線，其中這些散射光線是由入射光束產(chǎn)生的。該透鏡系統(tǒng)設(shè)計用于收集位于特別的、最佳角度范圍內(nèi)的散射光，其典型地包含較小的散射角度。在圖11顯示的方案中，將掩模50放置在第一收集透鏡的前面。掩模50包含外部不透明環(huán)52和內(nèi)部不透明區(qū)域54，它們構(gòu)成了透明環(huán)56。掩模50僅允許散射角為Θ的光線投射到第一收集透鏡62上，其中Θ位于由角01和02規(guī)定的虛擬環(huán)形圓錐之內(nèi)(即Q1S θ < θ2)。典型的，該透鏡的中央位于入射光束的軸線上，并且與流動通道的中央之間具有合適的距離(即該透鏡的焦距)，這可以使得該透鏡捕獲來自O(shè)SZ的部分偏離的散射光線，并且這些散射光線變成近似是準(zhǔn)直的。然后，可以使用第二透鏡64將得到的平行散射光線聚焦到適當(dāng)?shù)?小面積)探測器I\s上。由一個或多個電子電路對該得到的信號進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，并且這些電子電路典型地包含電流到電壓的轉(zhuǎn)換功能和放大功能。
[0182]如上面所暗示的，由該光學(xué)方案產(chǎn)生的信號\s和圖2中顯示的由LE類型傳感器產(chǎn)生的信號之間存在一種至關(guān)重要的差別。與該LE類型傳感器不同，該LS類型傳感器通過設(shè)計防止了來自流動通道后窗的入射光束到達(dá)探測器I\s。取而代之，通過適當(dāng)?shù)男〉牟煌该鞴馐肮怅@”(如內(nèi)部不透明區(qū)域54) “捕獲”入射光束，或者通過小反射鏡使入射光束偏轉(zhuǎn)從而遠(yuǎn)離用于收集來自O(shè)SZ的散射光線的透鏡。因此，在LS信號中現(xiàn)在不存在較大的“基線”電平Vtl，其中該Vtl必然存在于由LE類型傳感器產(chǎn)生的總信號中。理想地，該新“基線”信號電平為零，即當(dāng)沒有顆粒時在OSZ中不會存在由光源產(chǎn)生的散射光。實際上，當(dāng)然的，由于流動通道的后窗表面上的缺陷或者粘在上面的污染物，將會存在少量由來自流動通道的前窗和/或后窗表面散射的光導(dǎo)致的背景光。另外，由于懸浮在稀釋流體中的小污染物顆粒所導(dǎo)致的散射，背景光可能會出現(xiàn)波動。還有，對于某些樣本，背景光可能會出現(xiàn)波動，這是由大量超精細(xì)顆粒產(chǎn)生的，這些顆粒包含總顆粒數(shù)中的大部分，但是這些顆粒太小以至于無法對其進(jìn)行單獨探測。
[0183]當(dāng)具有足夠大尺寸的顆粒通過由入射高斯光束和流動通道35的前窗和后窗規(guī)定的OSZ時，由探測器Du和相關(guān)信號調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生的輸出信號中會出現(xiàn)瞬時脈沖。通常情況下，假設(shè)這些顆粒具有相同的軌跡，我們自然地認(rèn)為顆粒越大，由較大顆粒散射的光量就越多，那么因此信號脈沖的高度也就越大。如果情況果真如此的話，那么輸出信號\s將會類似于圖12中示意顯示的用于具有增加的直徑WdZd3)的顆粒和相同|X|值的輸出信號。實際上，實際的脈沖高度不僅取決于顆粒的尺寸，還取決于顆粒的成分，具體而言就是顆粒對于入射波長的折射率(以及周圍流體的折射率)和吸收率(如果存在的話)。脈沖高度還取決于光束的波長，以及如果顆粒不是球形和均質(zhì)的，那么脈沖高度還取決于顆粒通過OSZ時的取向。最后，對于尺寸與波長相當(dāng)或大于波長的顆粒，散射強度隨散射角的變化而有顯著變化。因此，在這種情況下，脈沖高度取決于收集和測量散射光的角度范圍。
[0184]經(jīng)典Mie散射原理對散射光“輻射圖案”(即強度與角度之間的關(guān)系)與所有這些變量之間的關(guān)系進(jìn)行了描述，其中考慮到了散射光波在顆粒內(nèi)的互相干涉。通常情況下，顆粒越大，顆粒內(nèi)干涉所導(dǎo)致的散射強度的角度依賴性也就越復(fù)雜(即各向異性的)。為了使LS類型傳感器的響應(yīng)和性能最優(yōu)化，必須將對散射光的收集限制在一定的角度Θ范圍內(nèi)，對于該角度范圍，在最大可能或期望的尺寸范圍內(nèi)，凈集成響應(yīng)△ 隨著具有給定成分(即折射率)的顆粒直徑d的增加而單調(diào)增加。通常，可以通過選擇接近正向的較小角度范圍從而滿足該要求。通過這種方式，我們可以避免由強度隨角度發(fā)生變化導(dǎo)致的集成散射強度隨著顆粒尺寸的增加反而降低的現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象對于較大的角度由于Mie顆粒內(nèi)干涉的原因而特別明顯。
[0185]由新LS類型傳感器產(chǎn)生的信號^在兩個特征方面與由LE類型傳感器產(chǎn)生的信號有顯著不同。第一，由顆粒通過OSZ導(dǎo)致的信號脈沖和“總”信號Vu在LS類型傳感器的情況下基本上是相同的。在LS類型傳感器中不存在LE類型傳感器中伴隨我們所研究的脈沖出現(xiàn)的較高背景信號電平。(同樣的情況也適用于常規(guī)LS類型傳感器。它包含圖1中顯示的方案，并且類似地添加了一個或多個用于收集和測量除入射光束之外的來自O(shè)SZ的一定角度范圍散射光的透鏡和探測器裝置。)因此，在導(dǎo)致低幅度脈沖的較小顆粒的情況下，實際上使用LS方法獲得的信噪比應(yīng)該顯著地優(yōu)于使用LE方法所能獲得的信噪比。如果顆粒越小，得到的脈沖越弱，那么隨著脈沖接近占據(jù)主導(dǎo)地位的噪聲波動，該優(yōu)勢也就越重要。理解LS方法相對于LE方法的固有優(yōu)勢的一種方法是意識到LS方法基于“零探測”。也就是說，理想地，在零背景信號的情況下進(jìn)行脈沖的數(shù)量探測。從信號/噪聲角度看，這與用于LE方法的情況形成了 鮮明對比，其中該LE方法要求高的“普通模式丟棄”?！捌胀Ｊ健毙盘朶總是存在于原始信號\E中，并且必須被減去或者被抑制，從而提取出我們所感興趣的信號脈沖(通常該脈沖是小的)。
[0186]LS信號還有另一個重要的和有區(qū)別性的特征。通過增加入射光束的功率，理論上可以提高與AU則量結(jié)果有關(guān)的信噪比，從而增加OSZ內(nèi)所有點處入射到顆粒上的光強度。因此，理論上我們可以像在常規(guī)LS傳感器中那樣，通過增加光源的功率從而降低新LS傳感器的探測尺寸下限。最終，根據(jù)與懸浮物流體和/或光源和探測系統(tǒng)有關(guān)的噪聲波動，可以實現(xiàn)最低的尺寸極限。當(dāng)然，如上面討論的那樣，通過降低入射光束的寬度2w，也可以提高新LS類型傳感器的顆粒尺寸下限，其中假設(shè)入射光束的功率不變。這顯然會增加入射到通過光軸(X=O)的顆粒上的最大強度，并且因此也會增加用于給定尺寸顆粒的所得到的最大脈沖的高度。但是，由于受到衍射理論的限制(建立最小光束寬度)和過長的場深度導(dǎo)致聚焦光束在流動通道深度b上過大的變化，這種提高靈敏度的方法最終達(dá)到一個削弱返回點。
[0187]相反，光源功率的增加對使用LE方法所能測量的最低顆粒尺寸則具有較小的影響。例如，光源功率變?yōu)樵瓉淼亩稌?dǎo)致基線信號電平變?yōu)樵瓉淼亩叮?%(圖2)。由具有相同尺寸和軌跡的顆粒產(chǎn)生的脈沖高度也將變?yōu)樵瓉淼亩?，濺射光束寬度沒有變化。但是，與較高的基線信號電平有關(guān)的噪聲波動的均方根幅度典型地也會近似變?yōu)樵瓉淼亩?，這是因為這些波動通常與光源有關(guān)并且因此與輸出功率成比例。因此，我們可以預(yù)計對于LE類型傳感器而言，信號/噪聲水平有很小提高或者沒有提高。因此，提高光源的功率只會導(dǎo)致LE方法可實現(xiàn)的探測尺寸下限有很小的降低或者不會導(dǎo)致降低。僅當(dāng)與光源有關(guān)的/[目噪比隨著功率的增加而提聞時才可以實現(xiàn)提聞。
[0188]當(dāng)均勻尺寸的顆粒流動通過新LS類型傳感器時，根據(jù)它們的軌跡，它們單獨暴露于最大入射強度的不同值，這些值由等式7給出，其中r=X，z=0。(為了簡化，可以假設(shè)顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光束寬度，使得給定顆粒上的每個點在任意給定時刻都暴露于相同的強度。)因此，與在新LE類型傳感器中相同，由給定尺寸的顆粒產(chǎn)生的脈沖高度AVu取決于距離入射光軸(Z = O)最近的距離|x|。距離|x|越小,值A(chǔ)Vli;越大。因此,與新LE方法類似，當(dāng)均勻顆粒懸浮物以一種合適的流動速度通過新LS類型傳感器時，它會產(chǎn)生變化較大的脈沖高度Λ Vls分布。得到的PHD的形狀在性質(zhì)上與使用新LE方法獲得的PHD高度非對稱形狀很相似，圖4、6和7對此進(jìn)行了舉例說明。也就是說，脈沖計數(shù)(y軸)在最小可測量脈沖高度處(恰好高于噪聲波動)較小并且隨著脈沖高度Mis的增加而增加。脈沖計數(shù)值在最大脈沖高度處積累到峰值，稱作對應(yīng)于用于|X|~O時的顆粒軌跡。假設(shè)顆粒濃度低于用于該尺寸顆粒的重合濃度(在前面討論過)，那么理想情況下上面的脈沖計數(shù)MA'S下降到零，從而在任意給定時刻最多有一個顆粒有效地占據(jù)0SZ。當(dāng)然，與那些用于通過新LE方法產(chǎn)生典型PHD的顆粒相比，使用該新LS方法獲得的PHD通常適合較小顆粒，并且通常都是這種情況。
[0189]如上面所述，利用新LS方法產(chǎn)生的用于均勻顆粒的PHD的形狀，即脈沖計數(shù)與AVls的關(guān)系，在性質(zhì)上類似于利用新LE方法產(chǎn)生的用于均勻(典型地較大)顆粒的PHD的形狀。兩種PHD都具有一個顯著特征，那就是在它們各自的峰值脈沖計數(shù)之后跟有一個陡峭的“截止”，其中該峰值與最大脈沖高度值?和ΜΛ ^相符。但是，應(yīng)該理解，盡管兩種PHD在性質(zhì)上是相似的 ，但是它們的形狀有大量差別，即使對于相同的顆粒尺寸，例如d=l μ m，情況也是如此。新LS類型傳感器的“前端”設(shè)計，即聚焦光束和較薄的流動通道，與用于新LE類型中的“前端”設(shè)計基本上是相同的。因此，兩種類型的傳感器的區(qū)別之處就在于光探測的裝置和方法以及由每種方法產(chǎn)生的響應(yīng)脈沖的類型和幅度，即使在具有相同尺寸顆粒的情況下也是如此。對于新LS方法，響應(yīng)僅由光散射產(chǎn)生，并且如果其它相關(guān)變量保持不變的話，它的幅度Mis與入射到顆粒上的光強度成比例。
[0190]相反，對于新LE方法，響應(yīng)的幅度Λ\Ε是入射到顆粒上的強度的更為復(fù)雜的函數(shù)。第一，該響應(yīng)是由多種物理效應(yīng)，即折射(和反射)以及光散射聯(lián)合作用的結(jié)果。但是，散射現(xiàn)象以一種“相反”的形式表現(xiàn)了自己的作用。也就是說，入射光通量的一小部分在它們到達(dá)探測器之前被從光束中去除。第二，在利用新LE方法的典型尺寸范圍內(nèi)，在顆粒上的入射強度有很大不同。因此，并不令人驚奇的是，|x|的給定變化導(dǎo)致的脈沖高度的成比例變化取決于顆粒尺寸和軌跡，并且通常對于兩種方法來說是不同的。類似的，脈沖高度隨顆粒直徑的成比例變化取決于顆粒直徑和軌跡，并且通常對于兩種方法來說也是不同的。為了獲得對兩種方法產(chǎn)生的PSD的詳細(xì)形狀的可靠理論估計，就要求嚴(yán)格應(yīng)用用于不同尺寸顆粒的折射、反射和散射物理理論基礎(chǔ)(Mie理論)，并且還要嚴(yán)格應(yīng)用高斯光束光學(xué)元件。
[0191]通過上面的討論，很明顯的是，就變化的顆粒尺寸而言，新LS類型PHD的特性與新LE類型PHD的特性是近似的，如圖7中顯示的那樣。盡管新LS類型PHD的詳細(xì)形狀(脈沖數(shù)與的關(guān)系)與新LE類型PHD的詳細(xì)形狀之間存在差別，但是兩種類型的PHD具有一個共同的特征。對應(yīng)于較大的顆粒直徑，一個PHD會向較高的脈沖高度值偏移。特別的，并且是更重要的，最大脈沖高度值隨著顆粒尺寸的增加而逐漸增加。當(dāng)然，該特性假設(shè)了新LS類型傳感器被適當(dāng)和準(zhǔn)確地設(shè)計，具有適當(dāng)?shù)奶綔y散射角度范圍，從而確保mAV1s與(1的單調(diào)響應(yīng)。存在兩個互相競爭的效應(yīng)。一方面，收集散射光的角度范圍越大，得到的脈沖高度Mis就越大，因此對于給定尺寸顆粒的信噪比也就越大，這會導(dǎo)致高的靈敏度，即一種較低的顆粒尺寸探測極限。另一方面，所收集的散射角度和實際角度范圍自身越小，顆粒內(nèi)Mie干涉的效應(yīng)也就越小(并且后果越不嚴(yán)重)。因此，探測到的散射強度發(fā)生“反轉(zhuǎn)”的可能性也就越小，即在希望得到的尺寸范圍內(nèi)?和d之間的關(guān)系具有單調(diào)特性。
[0192]如前面對新LE類型PHD所進(jìn)行的討論，通過使用適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)將新LS類型PHD向較高M(jìn)is值的方向“拉伸”，就可以以合理的準(zhǔn)確度通過對較小尺寸Cl=Cl1測得的PHD構(gòu)建用于給定顆粒直徑d=d2的新LS類型PHD。(通常情況下，優(yōu)選的是使用對數(shù)脈沖-高度比例圖，即脈沖數(shù)與的對數(shù)之間的關(guān)系。)該比例系數(shù)通過最終和初始最大截止脈沖高度值的比確定，即ΜΛ Ud2) / mAVls(CI1)0實際上，與通過新LE方法一樣，我們可以使用包含具有適當(dāng)直徑間隔的理想尺寸范圍的均勻顆粒懸浮物集合測量一組新LS類型的PHD。然后，可以通過利用適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)所進(jìn)行的線性拉伸操作，在兩個相鄰的測得的PHD之間進(jìn)行插值，從而計算得到對應(yīng)于這兩個測得的尺寸之間的任意尺寸的PHD。
[0193]最后，除了由兩種新方法產(chǎn)生的PHD形狀的相似點/不同點之外，還有新LS類型傳感器的響應(yīng)的另一特征，即在性質(zhì)上類似于，但是在數(shù)量上不同于新LE類型傳感器的相應(yīng)的特征。該特征就是有效OSZ的寬度2wd，以及通過等式8與2wd和流動通道寬度a相關(guān)的相應(yīng)的傳感器效率Φρ對于新LE類型傳感器，參數(shù)(K說明了下面這個事實的原因:在數(shù)據(jù)收集期間通過傳感器的總顆粒數(shù)中僅有一小部分被探測到并且因此對PHD有貢獻(xiàn)。在上面結(jié)合新LE類型傳感器進(jìn)行描述的涉及虛構(gòu)的、近似圓柱形OSZ的相同概念也適用于新LS類型傳感器。對于具有給定直徑的顆粒，在固定的、選擇的散射角范圍上收集的集成散射光強度隨入射到顆粒上的光強的降低而降低。因此，顆粒軌跡離入射光軸的最近距離x| (即ζ=0)越大，響應(yīng)的幅度八\^就越小。在一些最大|Χ|值處，脈沖高度會充分降低從而實際上不能從總信號中占據(jù)主導(dǎo)地位的噪聲波動中區(qū)分出該脈沖，由此使得顆粒不能得到探測。因此，該Ixl值規(guī)定了用于具有給定直徑d的顆粒的有效(近似圓柱形)OSZ的半徑％。然后可以使用等式8容易地確定用于該尺寸的傳感器效率。
[0194]因此，很明顯的是，顆粒直徑d越大，顆粒最接近入射光軸而同時仍然允許顆粒被探測到的距離|x|越大。因此，顆粒越大，有效OSZ的寬度2wd越大，并且因此用于該較大尺寸顆粒的傳感器效率越大。(或2wd)和d之間的這種單調(diào)關(guān)系假設(shè)了正確設(shè)計新LS類型傳感器，從而在感興趣的尺寸范圍內(nèi)，AVu隨著具有給定成分的顆粒直徑d的增加而單調(diào)增加。因此，用于新LS類型傳感器的(K會隨著d的增加而增加，這與在新LE類型傳感器中相同。但是，我們不應(yīng)該期望隨d的增加會遵循與圖9中總結(jié)的為新LE方法發(fā)現(xiàn)的關(guān)系相同的關(guān)系。在性質(zhì)上，我們應(yīng)該期望小(1與(1之間關(guān)系的特征對于新LS方法和LE方法來說都是相同的。但是，在數(shù)量上，我們應(yīng)該期望這兩種方法的該特性的細(xì)節(jié)將彼此不同，這是由于散射和折射/反射(減去小的散射貢獻(xiàn)量)的物理特性之間的本質(zhì)差別造成的。
[0195]就傳感器效率而言，還存在新LS響應(yīng)與新LE傳感器的另外的、重要的不同特性。如已經(jīng)討論過的那樣，通過增加入射光功率并假設(shè)所有其它設(shè)計參數(shù)保持不變，可以提高新LS類型傳感器的靈敏度，即顆粒尺寸下限降低了。與該提高相關(guān)的是傳感器效率(K的提高?？紤]到為給定顆粒尺寸獲得的脈沖高度和軌跡距離|X|會隨著入射到顆粒上的光強的增加而成比例地增加，上述這點是很明顯的。因此，軌跡可以距離光軸更遠(yuǎn)，而同時仍然可以實現(xiàn)對顆粒的探測。因此，用于具有相同直徑d的顆粒的有效OSZ的寬度2%和相應(yīng)效率將會隨著入射光功率的增加而增加(按照某種非線性函數(shù)方式)。得到的曲線描述了小(1和(1之間的關(guān)系(圖9中顯示了用于新LE類型傳感器的該曲線)，并且將按照某種方式向用于每個值d的一組較高(K值方向移動。
[0196]總而言之，就入射光束功率而言，新LS類型傳感器的特性在性質(zhì)上和數(shù)量上都與新LE類型傳感器的特性不同，并且至少有兩個重要的不同之處。第一，用于新LS類型傳感器的尺寸探測閾值通常會隨著入射光功率的增加而增加。這種特性典型地并不適用于新LE類型傳感器，除非與光源相關(guān)的信噪比也隨光束功率的增加而增加(或者，使用一種不同的“更安靜的”光源和/或探測器以及相關(guān)的信號調(diào)節(jié)電路)。第二，與新LS類型傳感器相關(guān)的傳感器效率通常也會隨著入射光功率的增加而增加。典型地不會獲得新LE類型傳感器的該特性，除非與功率增加的光源相關(guān)的信噪比有改善。
[0197]最后，如果入射光功率增加，那么由新LS類型傳感器產(chǎn)生的用于具有給定尺寸和成分的顆粒的PHD將會按照比例向較高的脈沖高度值方向移動。因此，由新LS類型傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)的該方面意味著由包含具有不同尺寸的均勻顆粒的一組樣本產(chǎn)生的PHD集合僅對于特定入射光功率而言才有數(shù)量意義。如果功率增加了，那么PHD將會相應(yīng)地向較高脈沖高度值方向移動。有趣的是，該特性與對于新LE類型傳感器所期望和觀察到的特性類似，盡管是由于不同的原因引起的。如果入射光功率增加了給定的百分比，那么“基線”電壓Vtl和脈沖高度都會按照相同的百分比增加。因此，圖7中顯示的用于特定顆粒直徑集合的PHD將會在脈沖高度值上向上移動相同的百分比。
[0198]現(xiàn)在，我們將考慮一個關(guān)鍵的任務(wù)，就是將通過懸浮顆粒樣本獲得的“原始”數(shù)據(jù)，即PHD轉(zhuǎn)換成我們最終希望實現(xiàn)的顆粒尺寸分布，或PSD。有效的是，在概念上將該任務(wù)與常規(guī)LE類型或LS類型傳感器中要求的操作進(jìn)行比較。在常規(guī)LE或LS類型傳感中，由顆粒通過OSZ導(dǎo)致的脈沖高度幾乎與它的軌跡無關(guān)，這是因為入射光的強度被設(shè)計為對于給定z軸值(如z=0)其在流動通道中(即沿著X軸)是近似恒定的。因此，理想情況下，給定尺寸的顆粒會導(dǎo)致具有基本上相同高度的脈沖，并且因此得到的PHD實際上等效于最終希望得到的PHD。在給定的、測得的脈沖高度Λ'Ε(或者AVJ與顆粒直徑d之間都存在一一對應(yīng)的關(guān)系。如果較大或較小尺寸的顆粒通過傳感器，那么得到的脈沖高度就分別會較大或者較小。包含脈沖高度與顆粒直徑之間關(guān)系的“校準(zhǔn)曲線”是利用簡單的內(nèi)插根據(jù)PHD獲得PSD所唯一需要的。使用常規(guī)SPOS方法獲得原始PHD數(shù)據(jù)等效于確定最終的、希望得到的PSD。
[0199]相反，如上面所討論的，新LE (或LS)類型傳感器的響應(yīng)是非?！爸苷鄣摹?。即使在具有單一尺寸的顆粒這種最簡單的情況下，得到的PHD包含寬范圍的脈沖高度，即從僅僅高于占據(jù)主導(dǎo)地位的噪聲波動的最小值開始，到與該尺寸有關(guān)的最大值ΜΛ'Ε(或mAVJ）。因此，在具有變化較大的顆粒尺寸的情況下，得到的PHD包含更寬范圍的脈沖高度。在脈沖高度和脈沖尺寸之間不再有簡單的對應(yīng)關(guān)系。因此，將包含在PHD中的顆粒計數(shù)與脈沖高度值之比的集合轉(zhuǎn)換為希望得到的尺寸分布，即顆粒計數(shù)比顆粒直徑就不再是一個簡單直接的過程了。
[0200]將PHD轉(zhuǎn)換為希望得到的PHD要求三個不同的過程。第一，必須使用專用數(shù)學(xué)算法使原始PHD反轉(zhuǎn)，或展開卷積。它的目的是將由新LE(或LS)類型傳感器產(chǎn)生的“寬范圍”PHD轉(zhuǎn)換為實際上等效于使用常規(guī)LE(或LS)類型傳感器得到的“陡峭的”理想化PHD。這樣一種理想化的、展開卷積后的PHD，下文中稱作dPHD，具有這樣一個特性，即具有給定高度的所有脈沖△、(或都專屬于具有給定尺寸的顆粒(總是假設(shè)顆粒具有給定的成分)。該dPHD等效于在所有對原始PHD有貢獻(xiàn)的顆粒都通過入射光束的中央(軸)的情況下所獲得的dPHD。
[0201]然后執(zhí)行第二直接過程。通過校準(zhǔn)曲線(如圖8A中所示的曲線)的簡單內(nèi)插從dPHD獲得初級的或者“原始的”PSD，其中該曲線適用于所使用的特定的新LE(或LS)類型傳感器。該過程允許將dPHD中的每個展開卷積脈沖高度值一一轉(zhuǎn)換為與該值相關(guān)的唯一顆粒直徑，從而產(chǎn)生原始PSD。然后，需要進(jìn)行第三過程將由此獲得的原始PSD轉(zhuǎn)換為在數(shù)量上準(zhǔn)確的最終PSD。原始PSD的每個直徑通道中的顆粒數(shù)量是實際上對測得的PHD起作用的該尺寸顆粒數(shù)量。如上面討論的那樣，典型的是，這僅是在數(shù)據(jù)收集期間存在于通過傳感器的樣本懸浮物體積中相同尺寸(即在由直徑通道規(guī)定的尺寸范圍之內(nèi))顆?？倲?shù)的一小部分。由新LE(或LS)類型探測器實際探測到的該部分顆粒的比例(K隨著顆粒直徑的d的變化而有顯著變化，如圖9中所示。因此，在第三過程也就是最后的過程中，用適用于每個直徑通道的值I / 乘以包含在該原始PSD直徑通道中的顆粒數(shù)量。該操作產(chǎn)生最終的、我們希望得到的PSD，該PSD描述了我們所估計的存在于在數(shù)據(jù)獲取期間通過傳感器的樣本懸浮物中的每種尺寸顆粒的數(shù)量?？梢岳脙?nèi)插，根據(jù)傳感器效率曲線0dKd，獲得用于每個直徑值d的值I /
[0202]這里提出了兩種獨立的用于對測量得到的PHD展開卷積以獲得dPHD的算法，下文中稱作“矩陣求逆”和“連續(xù)減法”。實施這兩種算法中的任意一種都要基于這樣一個特性，即與常規(guī)SPOS傳感器一樣，新LE (或LS)類型傳感器的響應(yīng)是累加性的。因為通過傳感器的顆粒一次會導(dǎo)致一個信號脈沖，所以可將得到的PHD看作包含對應(yīng)于多種尺寸顆粒的單個PHD的線性組合，或者加權(quán)總和，其中這些單個PHD稱作“基本矢量”(該術(shù)語在線性代數(shù)中是公知的)。這些基本矢量中的每個都代表系統(tǒng)對統(tǒng)計數(shù)量很大的具有單個給定尺寸的顆粒的響應(yīng)。例子包含圖4中顯示的用于d=l.588 μ m的PHD，以及圖7中顯示的八個PHD。
[0203]可以將測量得到的PHD稱作PHD(AV)，其中取決于所使用的新傳感器的類型，AV代表脈沖高度AVu或Miso它被認(rèn)為是通過N個基本矢量的線性組合得到的，這些基本矢量稱作 PHDJ/ AV)，其中 I=l，2，...，N。PHD1 ( / Λ V)是用于 d=^ 的矢量；PHD2 ( Λ V)是用于(1=(12的矢量，...并且PHDn (AV)是用于(1=4的矢量。因此，可以將PHD ( / V)寫作
[0204]PHD (AV) = C1PHD1 ( Δ V) +C2PHD2 ( Δ V) +...+CnPHDn ( Δ V) (9)
[0205]這些加權(quán)系數(shù)Cl，c2，...，cN組成了希望得到的等式9的解。這些系數(shù)代表了每個dPHD通道中的值。[0206]圖7中顯示的八個測量得到的PHD組成了可以用于對任意測得的PHD展開卷積的基本矢量。但是，很明顯的是，這些矢量太少以至于不能通過計算得到具有可接受脈沖高度分辨率的dPHD，并且因此不能通過計算得到具有相應(yīng)可接受尺寸分辨率的PSD。典型的是，我們必須使用大量基本矢量，這些基本矢量之間的間距更緊密(就脈沖高度而言)，以便可以在最終PSD中獲得合理的分辨率。通過測量類似的大量均勻顆粒樣本從而獲得適當(dāng)間隔的較大數(shù)量(如32、64或128)基本矢量是不實際的(如果可能的話，考慮到了缺乏足夠多樣的市場上可以購買到的顆粒尺寸標(biāo)準(zhǔn))。
[0207]但是，根據(jù)本發(fā)明，所要求的大量基本矢量可以從試驗性產(chǎn)生的較少數(shù)量的矢量(如圖7中顯示的八個矢量)開始，通過一個或多個直接過程獲得。如前面討論過的，可以通過沿脈沖高度軸“拉伸”已經(jīng)存在的(如試驗確定的)具有較小最大脈沖高度值的PHD，從而獲得具有希望得到的最大脈沖高度值?(或ΜΛ O的PHD。將已經(jīng)存在的PHD的每個通道的脈沖高度值乘以一個系數(shù)，其中該系數(shù)等于“目標(biāo)”值Μ Λ ^ (或Μ Λ Vls)與較低值的比值。相反地，可以將具有高于“目標(biāo)”值的較大最大脈沖高度值的PHD “壓縮”到希望得到的值，并且這種壓縮是通過將較小的最大脈沖高度值與較大的最大脈沖高度值的比值(小于單位值)用作乘法系數(shù)從而實現(xiàn)的。因此，在理論上，通過小的基本矢量起始集合(測得的)，使用這些拉伸或壓縮操作，可以獲得任意數(shù)量的基本矢量。如果不是試驗性地確定少數(shù)基本矢量，那么還可以通過簡單理論模型計算這些少數(shù)的基本矢量。然后，可以通過對這些“算得的”基本矢量進(jìn)行內(nèi)插和/或外插從而計算得到剩余的列基本矢量。還可以通過該理論模型計算所有要求得到的基本矢量。
[0208]可以使用兩種算法解等式9。圖13Α中的流程圖示意性地總結(jié)了稱作矩陣求逆的常規(guī)的、公知的方法。有兩個起始量PHD和Μ。用黑體寫出的量PHD是一個IXN列矢量，包含“源”數(shù)據(jù)。第一(即頂部)列值是測得的PHD的第一通道中的顆粒數(shù)。第二列值是測得的PHD的第二通道中 的顆粒數(shù)，依此類推。最后，第N列(即底部)值是測得的PHD的第N(最后)通道中的顆粒數(shù)。根據(jù)希望得到的PSD的分辨率選擇參數(shù)N，其中參數(shù)N等于脈沖高度通道(以及對應(yīng)的原始PSD的顆粒直徑通道)的數(shù)量。典型值為32、64以及128。量M是包含N個基本矢量的方形(NXN)矩陣，每個基本矢量都是一個單獨的I XN列矢量。因此，M的第一列包含PHD1 ( Δ V);第二列包含PHD2 (AV) ;...以及第N列包含PHDn ( Λ V)。
[0209]通過線性代數(shù)的知識可以得到等式9的解，
[0210]
c = M4* 膽(IO)
[0211]其中Μ—1是矩陣M的逆矩陣。使Μ—1乘以源矢量PHD會產(chǎn)生希望得到的結(jié)果，即I XN列矢量C，而該矢量c是構(gòu)成希望得到的dPHD矢量的一部分。必須使N個通道中的每個單獨內(nèi)容(值)乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)，從而首先使這些內(nèi)容的和，即Cl+C2+...+cN，等于對測得的PHD有貢獻(xiàn)的顆粒總數(shù)，因此確保了顆粒的總數(shù)恒定。
[0212]稱作連續(xù)減法的第二種方法用于解等式9。這代表了用于對測得的PHD展開卷積的一種新穎和有效的技術(shù)。在新LE(或LS)類型傳感器的情況下，該連續(xù)減法方法提供了一種用于對PHD展開卷積的特別有效和有用的過程。如上面討論的那樣，LE(或LS)類型傳感器的響應(yīng)的與眾不同之處在于用于均勻尺寸顆粒的PHD形狀。具體而言，該形狀具有高度的非對稱性，具有陡峭的截止，并且因此具有精確定義的最大脈沖高度值*^^或*^^。從展開卷積過程的角度來看，這是一個非常重要和有用的特性。具有最大脈沖高度值的PHD通道(假設(shè)它包含統(tǒng)計上大量的顆粒)標(biāo)識了 PSD中可能存在的最大顆粒尺寸(除了尺寸過大的異類)。這是一種基本矢量的直徑Cl1，其中該基本矢量具有與在測得的PHD中發(fā)現(xiàn)的最大脈沖高度相符的最大脈沖高度值。
[0213]該連續(xù)減法算法在概念上是簡單的。從起始PHD中減去帶有適當(dāng)加權(quán)或比例、系數(shù)的最大尺寸基本矢量PHD1 (AV)的貢獻(xiàn)量(其中加權(quán)或比例、系數(shù)反映了對原始PSD起作用的該尺寸顆粒的數(shù)量)。該減法的結(jié)果是得到“中間” PHD矢量，它具有較小的顆?？倲?shù)和較小的剩余最大脈沖高度值。然后，使用對應(yīng)于更小尺寸顆粒的剩余基本矢量連續(xù)重復(fù)該操作，直到整個起始PHD實際上“消失了”，或者基本上“被消耗了”為止，從而實際上沒有了有用的顆?；蛴杏玫耐ǖ馈?br> [0214]圖13B中的流程圖示意性地描述了該連續(xù)減法算法。復(fù)制起始測得的PHD列矢量，并且將其作為中間列矢量b。另外，最終將變成解(dPHD)的列矢量C，被初始化為零(即一個全零的I XN列矢量)。如前面那樣，該NXN方形矩陣M包含被選擇用于執(zhí)行展開卷積的N個基本矢量。然后使用計算“循環(huán)”:I=N, N-1，...，I以及，在I循環(huán)內(nèi)，J=N，N-1,...,K在較大的I循環(huán)中，以I=N作為開始，并且將矩陣M的第I列乘以矢量b的第I個元素。這就變成新的I XN列矢量，稱作a。然后，將矢量c中的第I個元素設(shè)置為與矢量b的第I個元素相等，并且從矢量b中減去矢量a。
[0215]接下來，計算進(jìn)入次要的J循環(huán)。從J = N開始，根據(jù)矢量b中第J個元素的值做出決定。如果該值小于零，那么將該第J個元素設(shè)置為零。在該第J個元素大于零或等于零這兩種情況下，該J循環(huán)都跳回到開始處，對J=N-1也重復(fù)此詢問，并且按照相同的方式一直進(jìn)行到J=l。在J循環(huán)結(jié)束之后，計算返回到I循環(huán)的開始處。然后對于I=N-1重復(fù)進(jìn)行I循環(huán)內(nèi)的操作。這些操作包含計算矢量a，使矢量c的第I個元素與矢量b的第I個元素相等，以及從矢量b 中減去矢量a。在I循環(huán)的所有循環(huán)進(jìn)行完之后，我們可以獲得矢量c，即希望得到的dPHD。
[0216]圖14包含總結(jié)了本發(fā)明的LE(或LS)類型傳感器的操作結(jié)構(gòu)和發(fā)明方法的示意圖，包含了獲得最終希望得到的PSD所需的所有測量和計算步驟。結(jié)合圖3的傳感器描述了本發(fā)明的原理，并且包含本發(fā)明原理的LE類型傳感器100響應(yīng)于比較濃的顆粒懸浮物，從而產(chǎn)生輸出可以觀察到，輸出L的電壓基線電平V低于沒有混濁時的基線電壓Vc^這種在電壓上的降低是由混濁導(dǎo)致的，而混濁是由通過傳感器100的比較濃的懸浮物引入的。在102處引入混濁校正，這導(dǎo)致總信號V\E，并且基線電壓水平提高到V。。通過104處的減法，可以從'E2中有效地去除信號的直流成分(或交流耦合)，并且信號還在104處反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生脈沖高度信號Λ'ε?？商鎿Q的，同樣包含本發(fā)明的原理的LS類型傳感器106也可以提供脈沖高度信號Miso如圖15Α中所示，脈沖高度分析儀108將脈沖高度信號Λν(Λ'Ε* 組織成脈沖高度分布PHD。在110處執(zhí)行使用了矩陣求逆或連續(xù)減法的展開卷積計算，從而產(chǎn)生展開卷積后的PHD，即dPHD。該展開卷積計算需要矩陣M，其中該矩陣M在112處構(gòu)建，并且具有與特定顆粒直徑相對應(yīng)的列基本矢量。如將在下面解釋的，這些列基本矢量是在113處通過發(fā)送已知尺寸的多個顆粒由傳感器(LE或LS)測量得到或者在114處計算得到。
[0217]如圖19A中所示，dPHD在116處通過使用校準(zhǔn)曲線118被轉(zhuǎn)換為“原始”PSD(顆粒尺寸分布)，其中該曲線繪制了如圖8A中所示的脈沖高度mAV與顆粒直徑之間的關(guān)系。然后，在120處將該原始PSD轉(zhuǎn)換為最終PSD結(jié)果。通過使原始PSD乘以圖9中所示的來自傳感器效率曲線122的I / ，從而使原始PSD歸一化，并且在124處通過來自樣本體積分析的體積因數(shù)對原始PSD進(jìn)行調(diào)整。
[0218]為了獲得具有最高可能的可復(fù)現(xiàn)性和分辨率的PSD，有必要對從中通過展開卷積獲得了 PSD的測得的PHD的質(zhì)量進(jìn)行最優(yōu)化，具體而言，要對該測得的PHD的信噪比和可復(fù)現(xiàn)性進(jìn)行最優(yōu)化。因此，如已經(jīng)指出的那樣，具有每種相關(guān)尺寸(即每種小范圍的相關(guān)尺寸)的統(tǒng)計上的大量顆粒必須通過新傳感器的OSZ并且被探測到。但是，還有另一種同樣關(guān)鍵的因素影響著PHD (以及隨后得到的PSD)結(jié)果的質(zhì)量。這涉及與照射光束的空間分布相對應(yīng)的顆粒軌跡，如下面討論的那樣。
[0219]回顧圖4中顯示的用于均勻(1.588 μ m)聚苯乙烯乳膠球的PHD是有效的。很明顯的是，該PHD具有高的動態(tài)范圍，即用于(近似)最高脈沖高度通道的顆粒計數(shù)(?5600)與測量得到的用于最低通道的顆粒數(shù)量的高比值。該高比值的原因是；對流體和顆粒通過該新傳感器流動通道的流動進(jìn)行設(shè)計，從而產(chǎn)生通過通道寬度(X軸)的基本上一致的顆粒軌跡分布。以近似相等的概率對所有軌跡中離光軸最近的距離|x|進(jìn)行采樣。因此，特別的是，顆粒將會通過光束的中央部分(即具有圖5中接近于A的軌跡)，這導(dǎo)致最大數(shù)量的顆粒處于基本上最大的脈沖高度值處。顆粒還將以相等的概率通過所有強度較小的區(qū)域，在連續(xù)減小的脈沖高度值處產(chǎn)生連續(xù)減少的顆粒數(shù)量。
[0220]如果顆粒流動以這樣一種方式發(fā)生畸變從而導(dǎo)致對值|X|的不均勻采樣，那么用于均勻顆粒的得到的PHD的形狀將會與圖4中顯示的形狀不同。具體而言，在低等級的裝置中(如具有差的流體設(shè)計)，這些軌跡可能以這樣一種方式聚集，從而導(dǎo)致顆粒避開光束的中央、高強度區(qū)域。在這種情況下，PHD的高數(shù)量峰值部分實際上會被截斷，這導(dǎo)致最大數(shù)量與最小數(shù)量之間的較小比值。
[0221]如果顆粒軌跡分布中存在顯著的空間不均勻性，那么必須將該非理想分布保留用于所有PHD測量。這些基本矢量，無論是測量得到的還是計算得到的，都必須相關(guān)于與在對未知樣本測量期間產(chǎn)生的相同非均勻軌跡分布。否則，dPHD和相應(yīng)的PSD將會出現(xiàn)顯著的畸變。實際上，考慮到所涉及的變量數(shù)量，很難(如果可能的話)在延長了的時間段內(nèi)保持顆粒軌跡的一種特定的、非均勻的空間分布。因此，實際上有必要以這樣一種方式設(shè)計流動通道和相關(guān)的流體系統(tǒng)，以及照射/探測光學(xué)系統(tǒng)，從而產(chǎn)生基本上均勻的軌跡空間分布。
[0222]有指導(dǎo)意義的是，使用具有簡單的、已知尺寸分布的樣本，檢測用于將測得的PHD轉(zhuǎn)換為原始PSD的展開卷積過程的有效性。圖15A、15B和15C顯示了使用新LE類型傳感器獲得的PHD，其中該PHD用于一系列的三種均勻聚苯乙烯乳膠“標(biāo)準(zhǔn)”顆粒(Duke，Scientific, Palo, Alto, CA)的混合物，每個包含三種尺寸:0.993 μ m、1.361 μ m以及
1.588 μ m。通過使16ml的顆粒懸浮物以流速F=20ml / min通過傳感器從而獲得每個PHD,這導(dǎo)致了 48秒的數(shù)據(jù)收集時間。使用64個通道構(gòu)建這些PHD，其中這些通道均勻地分布在Δ Vle對數(shù)比例圖上,從5mv到5000mv。選擇64通道和16ml樣本體積導(dǎo)致每個通道中所收集的顆粒數(shù)量具有可接受的低統(tǒng)計波動，產(chǎn)生了在展開卷積之后穩(wěn)定的、可復(fù)現(xiàn)的dPHD，以及產(chǎn)生了得到的PSD中非常好的尺寸分辨率，如下面可以看到的那樣。
[0223]圖15A中使用的樣本包含0.5ml預(yù)先稀釋的0.993 μ m乳膠原料，加上Iml預(yù)先稀釋1.361 μ m乳膠原料，加上2ml預(yù)先稀釋的1.588 μ m乳膠原料。在所有情況下，原始乳膠原料包含l%(w/w)固體(密度P =1.05)，并且預(yù)先稀釋系數(shù)為1000: I。圖15B中使用的樣本與圖15A中使用的樣本相同，除了僅使用了一半數(shù)量的0.993 μ m乳膠原料(即不是使用了 0.5ml，而是使用了 0.25ml)。圖15C中使用的樣本與圖15B中使用的樣本相同，除了
0.993 μ m乳膠原料的數(shù)量再次降低了兩倍(即不是使用了 0.25ml，而是使用了 0.125ml)。在這三種PHD中包含的顆粒數(shù)量分別為102911 (A) ,90709(B)以及81827(C)。
[0224]圖15A、15B和15C中顯示的PHD具有重要的性質(zhì)上的特征，如下面所述。第一，如預(yù)期的那樣，在每個PHD中都有寬范圍的值，并且具有在前面對應(yīng)于均勻尺寸顆粒看到的(如在圖4、6和7中)特征性的“左衰落”形狀(即從高Λ'Ε值下降到低八^值)。盡管獲得了寬范圍的脈沖高度，但是潛在的PSD的三模式特征對于這三種樣本的每一個都是非常顯而易見的。第二，在每個PHD中都有特征性的陡峭的“截止”，其中該截止規(guī)定了用于整個分布的PHD的上端，即最大脈沖高度值ΜΛ'Ε，如可以在用于均勻尺寸顆粒的PHD中看到的一樣。對于所有這三種樣本，?Ε的值(即在最高通道的中點處)都是326mV。(如前面討論過的那樣，這忽略了由于尺寸過大顆粒和可能存在的重復(fù)導(dǎo)致的在較大脈沖高度處少量顆粒的存在。)
[0225]通過將上述展開卷積過程應(yīng)用于圖15A、15B、15C中顯示的測得的PHD以驗證它們的有效性。有指導(dǎo)意義的是，比較使用相同數(shù)據(jù)通過所提出的兩種展開卷積算法獲得的dPHD結(jié)果。第一，顯示可以用于通過這兩種技術(shù)中任意一種對測得的PHD矢量展開卷積的示例性矩陣是有效的。為了便于顯示包含在該矩陣和矢量中的多個項，使用低通道分辨率32是有效的，而不是使用圖15A、15B、15C中用的PHD的值64。因此，在圖16A和16B中，顯示了適當(dāng)?shù)?2X32矩陣，其中為了便于顯示將所有項都四舍五入為小數(shù)點后三位數(shù)。
[0226]該矩陣的每行與連續(xù)脈沖高度通道相對應(yīng)，其中增加的行序號指示增加的脈沖高度信號。如上面討論的那樣，該矩陣的每列代表與一種顆粒尺寸相對應(yīng)的基本矢量。如前面討論過的那樣，通過測量用于多個均勻聚苯乙烯乳膠顆粒的PHD，根據(jù)試驗獲得了這些基本矢量中的九個。將測得的每個基本矢量分配給矩陣中這樣的列:這些列的最大數(shù)值位于矩陣對角線線上，即在該處行序號與列序號是相同的。在圖16A和16B中顯示的32X32示例中，測得的基本矢量(與所指示的直徑有關(guān))占據(jù)列#6 (0.722 μ m)、#8 (0.806 μ m)、#12 (0.993 μ m)、#17 (1.361 μ m)、#19(1.588 μ m)、#20(2.013 μ m)、#26 (5.03 μ m)、#29(10.15 μ m)以及#31(20μπι)。已經(jīng)對用于每列基本矢量的項進(jìn)行了歸一化，從而在每種情況下的峰值都是單位值。然后，用“理論性”基本矢量填充該矩陣中剩余的23個空列，其中所獲得的每個項都是通過對位于相應(yīng)項附近的測得的矢量進(jìn)行內(nèi)插或外插而實現(xiàn)的，這等效于前面討論過的“伸展”操作。
[0227]圖17中顯示了代表用于這三個不同樣本的測得的32通道PHD的源數(shù)據(jù)列矢量。(將圖15A、15B、15C中顯示的PHD中的相鄰?fù)ǖ缹Φ膬?nèi)容相加，從而獲得必要的32通道值)。圖17中還顯示了分別用于這三個不同樣本的通過對PHD展開卷積獲得的結(jié)果，其中該展開卷積是通過矩陣求逆的方法得到的(圖13A)。每個得到的dPHD都清楚地證實了(即使通過這種表的形式)每個分布的三模式特征，顯示了三種乳膠尺寸標(biāo)準(zhǔn)的較“分明”的分離(考慮到使用32通道所導(dǎo)致的分辨率限制)。通過直接的矩陣求逆過程，并且在沒有做出涉及潛在PSD形狀假設(shè)的情況下，成功地“去除” 了由于傳感器響應(yīng)對顆粒軌跡的依賴性導(dǎo)致的脈沖高度在寬頻譜范圍內(nèi)的“模糊”，而在原始PHD中可以看到這種“模糊”。
[0228]有幾個細(xì)節(jié)值得注意。第一，可以使用新SPOS方法通過“整理”用于反轉(zhuǎn)測得的PHD數(shù)據(jù)的矩陣從而持續(xù)獲得較高質(zhì)量的dPHD結(jié)果，即包含很少的(并且僅低幅度的)偽“噪聲”分布，如圖17中所示。這包含將位于對角線上單位元素之下的次級項(其中多數(shù)典型地在開始時較小)設(shè)置為零。這些項與該列中那些脈沖高度值大于最大數(shù)脈沖高度值的脈沖計數(shù)相對應(yīng)。第二，通過矩陣求逆算法產(chǎn)生的每個dPHD典型地包含用于多個通道(箱)的負(fù)值。顯然，應(yīng)該將這些非物理值設(shè)定為零。然后，對剩余通道中的項進(jìn)行重新歸一化，從而顆粒總數(shù)等于在對應(yīng)的測得的PHD中原始收集到的顆?？倲?shù)。第三，與用于圖17中dPHD的三個主要峰值(即具有三個最大顆粒數(shù)的通道)相關(guān)的脈沖高度對于三個樣本是相同的，即65mV(行12)、198mV(行17)以及309mV(行19)。對圖8A的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行內(nèi)插會產(chǎn)生對應(yīng)的顆粒直徑，即0.94 μ m、1.31 μ m以及1.55μπι?？紤]到被選中用于該矩陣求逆計算的32通道的有限分辨率，這些值應(yīng)該被認(rèn)為是與已知尺寸相符的。最后，確實至少近似觀察到了從樣本A到B到C的0.933μπι顆粒(行12)數(shù)量上的逐漸的、兩倍的降低(將在下面討論)。
[0229]接下來，將這些結(jié)果與使用新方法(連續(xù)減法)根據(jù)相同起始PHD數(shù)據(jù)獲得的dPHD進(jìn)行比較是有效的，其中使用了相同的32通道分辨率。矩陣和測得的PHD列矢量與那些用于矩陣求逆的矢量是相同的。同樣在圖17中顯示了使用連續(xù)減法算法獲得的dPHD。顯然，在通過這兩種不同展開卷積過程產(chǎn)生的值之間存在一種通道間(即dPHD列矢量中的列與列之間)很好的相符性。具體而言，對于與這三個期望得到的乳膠峰值相關(guān)的通道(包含行11-3和16-22)基本上是相符的。僅在低幅度的臨時偽項中存在偏差，其中這些低幅度的臨時偽項在較低脈沖高度通道中占據(jù)主導(dǎo)地位(即行1-10號)。之所以發(fā)生這些情況是因為求逆算法中沒有充分考慮到潛在的PHD數(shù)據(jù)中不可避免的統(tǒng)計噪聲。矩陣求逆方法比連續(xù)減法算法會產(chǎn)生更多的這種貢獻(xiàn)量?？紤]到連續(xù)減法算法所占有的另外“信息”和如此產(chǎn)生的dPHD系統(tǒng)性地從最大脈沖高度通道演化為最小脈沖高度通道這一事實，我們對上述這點就不會感到驚奇。在任何情況下，除了上述的小噪聲貢獻(xiàn)量，我們可以得到下面關(guān)于由這兩種展開卷積過程產(chǎn)生的dPHD結(jié)果的結(jié)論:1)非常好，考慮到絕對準(zhǔn)確度(即對應(yīng)于脈沖高度值的顆粒直徑)和分辨率:以及2)基本上是相同的。
[0230]通過使用更高的、64通道分辨率從相同的PHD數(shù)據(jù)獲得的dPHD結(jié)果，可以加強上述這些結(jié)論?，F(xiàn)在，起始PHD包含64X1列矢量，對應(yīng)于圖15A、15B、15C中顯示的64通道數(shù)據(jù)。該矩陣為64X64陣列，所具有的項數(shù)量是圖16A和16B中顯示的矩陣的項數(shù)量的4倍。而且，將九個測得的基本矢量用于作為構(gòu)建該64X64矩陣的起始點。通過與前面分析中產(chǎn)生32X1基本矢量所用相同的測得的PHD獲得這些新64X1(列)矢量。這些新矢量占據(jù)列的 11 號(0.722 μ m)、15 號(0.806 μ m)、24 號(0.993 μ m)、34 號(1.361 μ m)、37 號(1.588 μ m)、41 號(2.013 μ m)、51 號(5.03 μ m)、58 號(10.15 μ m)以及 61 號(20.0 μ m)。
[0231]圖18A、18B、18C中顯示了通過矩陣求逆獲得的64通道dPHD。圖19A、19B、19C中顯示了通過連續(xù)減法獲得的對應(yīng)的結(jié)果。此外，這兩套結(jié)果之間非常相符，可以與圖17中總結(jié)的使用32通道分辨率觀察到的相符程度相比。如前面那樣，三個峰值分離得很分明，但是具有兩倍的脈沖高度分辨率的優(yōu)勢。在矩陣求逆結(jié)果(圖18A、18B、18C)的較低脈沖高度區(qū)域還可以觀察到的一些不重要的“噪聲”貢獻(xiàn)量，而對于64通道連續(xù)減法結(jié)果(圖19A、19B、19C)則幾乎觀察不到人為的結(jié)果。因此，我們可以再次得到這樣的結(jié)論:使用連續(xù)減法算法獲得的dPHD結(jié)果略微優(yōu)于通過矩陣求逆獲得的結(jié)果。
[0232]為了將dPHD結(jié)果(通過這兩種展開卷積算法中的任意一種獲得的)轉(zhuǎn)換為希望得到的最終PSD結(jié)果，僅剩下兩個直接的計算過程。第一，使用用于所使用的傳感器的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線，即圖8A中顯示的曲線，必須將dPHD轉(zhuǎn)換為“原始”PSD。第二，考慮到較低的傳感器效率，必須將得到的原始PSD對于所有測得的顆粒尺寸進(jìn)行歸一化。因此，原始PSD的每個通道中包含的顆粒數(shù)量必須乘以相關(guān)用于該通道的直徑d的系數(shù)I / (K，其中通過內(nèi)插從圖9獲得所得到的歸一化值代表所估計的存在于在數(shù)據(jù)收集期間通過傳感器的樣本懸浮物體積中每種尺寸顆粒的數(shù)量。使這些數(shù)量除以樣本體積(對于上述的三模式乳膠樣本為16ml)會得到所估計的樣本懸浮物中每種尺寸顆粒的濃度。圖20A、20B、20C中顯示了得到的“濃度”PSD，對應(yīng)于通過連續(xù)減法獲得的dPHD(圖19A、19B、19C)并且表示為樣本懸浮物的每ml中的顆粒數(shù)量(除以1000)。
[0233]有指導(dǎo)意義的是，將使用新LE類型傳感器獲得三種PSD中每個數(shù)量峰值中發(fā)現(xiàn)的顆粒濃度與獨立獲得的估計量進(jìn)行比較。使用具有100%計數(shù)效率的常規(guī)(聯(lián)合LE+LS)SPOS儀器測量用于制備樣本A、B和C的單個原料乳膠懸浮物的濃度。為了避免由重合效應(yīng)所導(dǎo)致的測得PHD的畸變，要求采用濃度高得多的稀釋系數(shù)。表II中總結(jié)了這些比較。使屬于圖20A、20B、20C中濃度PSD的三個“峰值”中的每個的直方圖條的貢獻(xiàn)量相加，以獲得所顯示的用于每種乳膠標(biāo)準(zhǔn)尺寸的濃度。
[0234]顯然，考慮到所使用的任何展開卷積過程的固有局限性，包括這里討論的兩種方法的固有局限性，該相符性是非常好的。當(dāng)然，我們不能期望使用新LE類型傳感器獲得的PSD的分辨率和絕對準(zhǔn)確度就像使用常規(guī)傳感器獲得的那樣好。但是，考慮到所使用光學(xué)設(shè)計上的根本不同和所需要的較復(fù)雜的展開卷積方法，應(yīng)該說使用新LE類型傳感器獲得的結(jié)果的質(zhì)量還是很好的。最后，重要的是認(rèn)識到下面這點:圖20A、20B、20C中顯示的PSD結(jié)果極大地優(yōu)于由任何“整體”技術(shù)產(chǎn)生的典型結(jié)果，其中所有尺寸的顆粒同時對測量得到的信號起作用。對于后者來說，為了獲得所估計的PSD，必須使用一種適當(dāng)?shù)乃惴ㄊ蛊浞崔D(zhuǎn)，而所獲得的估計的PSD通常具有相對有限的分辨率和準(zhǔn)確度。這樣的整體技術(shù)包含作為頻率的函數(shù)的超聲衰減，以及著名的“激光衍射”，該技術(shù)基于經(jīng)典Mie散射和Fraunhofer衍射的結(jié)合。
[0235]接下來，有指導(dǎo)意義的是，檢查新LE類型傳感器對于包含連續(xù)的(“平滑”)、較寬顆粒直徑分布的樣本懸浮物的響應(yīng)。具體而言，將精力集中于“多數(shù)為亞微米”的膠態(tài)懸浮物是有效的，其中絕大多數(shù)顆粒，即使基于體積加權(quán)，也都小于I微米(lym)。很多具有商用意義和研究意義的應(yīng)用都設(shè)計使用這種膠態(tài)懸浮物。例子包含:1)超精細(xì)無機顆粒的水“泥漿”，通常為氧化物，例如硅氧化物、鋁氧化物以及鈰氧化物，它們被用于半導(dǎo)體集成電路制造過程當(dāng)中的硅晶片表面的CMP處理；2)設(shè)計用于靜脈注射的均質(zhì)水中油乳劑，用于腸道外營養(yǎng)、藥物運送(如麻醉)以及作為用于超聲成像的對比劑；3)墨水、染料和顏料，用于墨水注入和常規(guī)打?。?)均質(zhì)人工飲料乳劑,包含可食用油滴,其包含調(diào)味劑和調(diào)色齊IJ，表面涂有乳化劑并且懸浮于水中；5)水紙涂層擴散，典型地包含碳酸鈣、高嶺土、二氧化鈦或者有機聚合體，例如乳膠；6)聚合體懸浮物，用于油漆、涂層以及粘合劑。
[0236]對于這些應(yīng)用和其它應(yīng)用來說，通常可以確定樣本懸浮物中的最大顆粒是有效的，即那些包含PSD的最外面“尾部”的顆粒(如大于?Iym)的數(shù)量和尺寸分布。獲知PSD尾部中顆粒的體積或者質(zhì)量所占比例(即在總顆粒體積或質(zhì)量中所占的百分比)通常為我們所研究的乳劑、懸浮物或者擴散的質(zhì)量和/或穩(wěn)定性提供了明確指示。如果該材料是膠狀不穩(wěn)定的，那么占據(jù)PSD尾部的顆粒的體積比例將會隨著時間“增長”，并且此時系統(tǒng)向不可逆聚集和/或相位分離發(fā)展。對整個PSD的描述，典型需要一種“整體”技術(shù)，例如激光衍射或動態(tài)光散射，并且這種描述在本質(zhì)上通常缺乏探測與顆粒/滴聚集早期相關(guān)的PSD小變化所需的靈敏度。相反，SPOS技術(shù)可以探測與多種不穩(wěn)定階段相關(guān)的PSD數(shù)量上非常小的變化，這是因為這種技術(shù)僅響應(yīng)包含于PSD最外面尾部的較大顆粒。即使基于體積加權(quán)，該尾部也可能僅包含在整個PSD中占很小比例(典型地小于〈0.1 % )的顆粒。但是，PSD的這種小比例經(jīng)常為整個懸浮物的穩(wěn)定提供一種唯一的“窗口”。
[0237]就SPOS技術(shù)得到懸浮或擴散的質(zhì)量信息的能力而言，可以得到與上面相同的結(jié)論。SPOS方法已經(jīng)被證實對于確定多種基于顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量是非常有效的，如果不是必要的，甚至是在沒有討論長期穩(wěn)定性問題的時候。這些產(chǎn)品或中間處理材料的質(zhì)量通常與位于PSD尾部的外側(cè)區(qū)域的顆粒所占比例有很大的關(guān)系。通常必須使這些顆粒的存在的數(shù)量最小化，或者全部排除，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能。因此，可以使用為尾部獲得的數(shù)量或體積加權(quán)PSD來優(yōu)化用于控制顆粒制造過程的參數(shù)。后者的例子包含用于油/水乳劑的制備的均質(zhì)化和 Microfluidization?(Microfluidics Corp., Newton, MA)，其中壓力、溫度、孔尺寸、成分的化學(xué)計量、通過的數(shù)量以及其它變量都對PSD有影響。其它例子包含用于產(chǎn)生聚合體的乳劑聚合化(使用一批、半批或連續(xù)反應(yīng)器)，以及壓粉和磨粉。D.F.Driscoll等人在Int’ J.Pharm, Vol.219,pp.21-37(2001)中描述了與用于確定可注入油脂乳劑的穩(wěn)定性和質(zhì)量的激光衍射相比，常規(guī)LE類型SPOS方法的優(yōu)越性。
[0238]與常規(guī)傳感方法相比，新LE類型傳感方法提供了兩種潛在的顯著優(yōu)勢。第一，需要對開始的較濃懸浮物進(jìn)行程度小得多的稀釋。該特征通常是非常重要的，即對于那些可能會變得膠化不穩(wěn)定并且因此易于發(fā)生聚集的系統(tǒng)是非常重要的，這是由于常規(guī)LE或LS傳感器為了避免顆粒重合而通常要求進(jìn)行大量稀釋所導(dǎo)致的。一個重要的例子包含CMP漿，其中通過顆粒表面上的電荷使其穩(wěn)定并且通過周圍流體的較高或較低的PH使其得以保持。對這些漿的顯著(100或1000倍)稀釋可能會使pH發(fā)生足夠大的變化從而顯著降低顆粒上的電勢，這使得在相鄰顆粒之間產(chǎn)生Van der Waals吸引力，從而克服靜電斥力，因而有助于產(chǎn)生聚集。
[0239]第二，新LE類型SPOS方法通常可以獲得可接受的低尺寸閾值(如〈0.7 μ m)，而不需要借助單獨的LS測量，即單獨使用消光。得到的LE類型信號對流動通道內(nèi)表面的惡化相對不敏感，這是由于顆粒吸收(涂層)或由懸浮流體引起的化學(xué)所致的損失(如刻蝕)所導(dǎo)致的。盡管由于流體表面界面處強烈的散射，這些效應(yīng)會使LS類型傳感器的性能顯著惡化，但是除了在極端情況下，它們通常對LE信號的質(zhì)量具有較小的影響。因此，對于多數(shù)重要應(yīng)用來說，在長時間內(nèi)，對于流動通道的維護(hù)(清潔)的要求是較低的。
[0240]考慮到上述因素，回顧可以通過新LE類型傳感器獲得的、用于典型的較濃的膠狀懸浮物的一些典型結(jié)果是有效的。圖21A、21B、21C到23A、23B、23C總結(jié)了用于包含用于腸道外營養(yǎng)的可注入(水中油)油脂乳劑的三種樣本的結(jié)果。每種樣本包含濃度大約為
0.05% (按照體積)的油脂滴，而這是通過“原料”液體乳劑(Liposyn 111,20% (w / v),Abbott Laboratories,N.Chicago, IL)的400:1稀釋后獲得的。這等效于最終懸浮物的每ml滴體積比例為5X10_4。樣本“A”僅包含油脂滴，而樣本“B”和“C”包含加入的均勻0.933 μ m聚苯乙烯乳膠顆粒，其中對于“B”為3.25X 105顆粒/ ml，對于“C”為8.13X104顆粒/ ml。如果按照體積比例表示的話，所加入的乳膠“突出”等效于對于“B”為每ml懸浮物加入1.67X 10_7ml，對于“C”為每ml懸浮物加入4.17X 10_8ml。與油脂滴的體積比例相比，所加入的乳膠突出濃度分別等效于334ppm(每百萬的部分?jǐn)?shù))和84ppm。
[0241]圖21A、21B、21C分別顯示了對于三種樣本的測得的PHD，其中使用了 32個脈沖高度通道，并且這些通道間隔均勻地分布在對數(shù)比例圖上。在每種情況下，從16ml的樣本體積開始，以20ml / min的流動速度，在48秒的時間內(nèi)收集數(shù)據(jù)。對于高于大約14mV的脈沖高度，用于樣本A的PHD顯示出了隨著脈沖高度的增加而平滑降低的被測顆粒數(shù)量。考慮到對于具有大于分布的平均尺寸(大約0.2 μ m)的顆粒來說，潛在的PSD應(yīng)該具有相似的隨著液滴尺寸增加而降低的數(shù)量(在下面將得到證實)，上述情況就不會令人驚奇了。PHD下降到低于14mV的情況是由于對于所使用的探測器來說，最大脈沖高度μΛ'ε小于14mV的顆粒太小(即小于大約0.7 μ m)，以至于無法單獨探測到它們。傳感器效率在低于此電平后會迅速下降。用于樣本B的PHD清楚地顯示出了由于加入的乳膠突出而導(dǎo)致的混濁。對于由樣本C產(chǎn)生的PHD也會出現(xiàn)同樣的情況，但是由于所添加乳膠顆粒的4倍減少從而表現(xiàn)出了顯著較小的影響。
[0242]圖22A、22B、22C分別顯示了使用連續(xù)減法算法，通過對圖21A、21B、21C的PHD進(jìn)行展開卷積從而獲得的dPHD。這些dPHD展現(xiàn)了預(yù)期的惡化特性，模仿了預(yù)期的油脂滴的潛在尺寸分布?，F(xiàn)在，在圖22B中可以更加清楚地看到所添加的乳膠突出，并且在圖22C中比在圖22B中稍模糊地看到所加入的乳膠突出。所顯示的dPHD僅用于μΛ'ε≥21.3mV，這是因為低于此值，由于探測力和分辨率的降低以及顆粒重合等原因，分布將會發(fā)生畸變并且不可靠。這些效應(yīng)會導(dǎo)致上面提到過的在圖21A、21B、21C中看到的測得的PHD中的“翻滾”。
[0243]圖23A、23B、23C顯示了以原始懸浮物中顆粒濃度表示的對于三種樣本所得到的PSD。如前面討論過的那樣，使用圖8A中的校準(zhǔn)曲線和圖9中的傳感器效率曲線，從而通過對應(yīng)的圖22A、22B、22C的dPHD獲得這些PSD。垂直濃度軸得到了極大的擴展，從而可以更加清楚地看到分布的詳細(xì)情況。在圖23B、23C中可以清楚地看到加入的乳膠突出的影響。
[0244]有指導(dǎo)意義的是，在數(shù)量上比較每種乳膠突出的測得的影響和預(yù)期的影響之間的關(guān)系。已知的加入乳膠的濃度對于樣本B大約為2.33X IO5顆粒/ ml，對于樣本C大約為
5.83 X IO4顆粒/ ml ο通過分別從用于樣本B和C的PSD中減去用于樣本A的PSD從而估計得到對應(yīng)的測量值。通過將從0.90到1.06微米的四個直方圖考慮在內(nèi)，可以解釋由添加的乳膠導(dǎo)致的對PSD的多數(shù)貢獻(xiàn)量。與實際添加的值3.25X IO5 / ml相比，得到的用于樣本B的提高后的顆粒濃度為3.01 X IO5 / ml。用于樣本C的相應(yīng)值為8.85X IO4 / ml (測得的)比8.13X104 / ml (已知的)?？紤]到加入乳膠顆粒的較小濃度和展開卷積過程的固有的苛刻特征，以及獲得最終PSD所需的相應(yīng)計算，應(yīng)該認(rèn)為上述兩組值是非常相符的。
[0245]上述直方圖代表了使用新LE方法在常規(guī)情況下可以獲得的結(jié)果，其中這些結(jié)果用于多種膠狀懸浮和擴散的PSD的大顆粒尾部。通常，出于前面提到過的原因，有必要或是為了方便，需要程度盡可能小地稀釋開始時較濃的樣本。因此，在許多情況下，通過流動通道的懸浮物的濃度較高，并且因此必定非?；鞚?。因此，與通過比較透明的樣本的光強度相t匕，通過該混濁樣本的光強度在流動通道的厚度b上顯著下降。
[0246]對于得到的LE信號Λ來說，有兩個結(jié)果。第一，在(0SZ中)無顆粒情況下足夠大以用于產(chǎn)生可探測脈沖的“基線”直流電平Vtl將會降低。理想情況下，根據(jù)Beer法則，稱作Vtci的新基線電壓電平與無混濁情況下的電平Vtl相關(guān)，
[0247]Vt0 = V0exp (- α χ) (11)
[0248]其中χ是光束橫穿樣本通過的距離(即x=b)，并且α是吸收或衰減的相關(guān)系數(shù)，通常以cm—1為單位來表示。如果假設(shè)樣本不過分混濁，那么可以假設(shè)等式11是準(zhǔn)確的，從而由于強的多重散射，將不會展現(xiàn)出理想化的衰減與距離之間關(guān)系的特性。
[0249]樣本混濁的第二種結(jié)果是:由通過OSZ的可探測顆粒導(dǎo)致的(負(fù)向)脈沖的高度(電壓)也會下降。對于給定的顆粒，得到的測得脈沖高度Λ V\E與沒有混濁情況下脈沖高度值相比，其值將會下降，并且如果混濁不很嚴(yán)重并且是線性系統(tǒng)響應(yīng)的話，那么下降的比例與Vtci相對于Vtl下降的比例是相同的。因此，如果不對脈沖高度集合做出校正，那么得到的PHD將會系統(tǒng)性地向較低脈沖高度值方向移動。對于通過對PHD展開卷積從而獲得的dPHD來說，情況也是一樣的。因此，得到的PSD將會向較小的顆粒直徑方向移動，即樣本中所有顆粒的尺寸都會被系統(tǒng)性低估。
[0250]有幾種用于解決由樣本混濁導(dǎo)致的脈沖高度變小問題的方法，其中該問題典型地是由于大量超精細(xì)顆粒位于尺寸探測閾值之下導(dǎo)致的，即這些顆粒太小從而對PHD沒有直接貢獻(xiàn)。在第一種、最簡單的方法中，可以將每個測得的脈沖高度“重新歸一化”(實時進(jìn)行或者在數(shù)據(jù)收集之后進(jìn)行)到它無混濁情況下的“理想”值A(chǔ)Vm該值通過下式與測得的脈沖高度AV\E相關(guān)，
[0251]AVle(V0Nt0) X AVtle (12)
[0252]比例系數(shù)為Vtl / Vtci，其中需要將所有測得的脈沖高度乘以該比例系數(shù)從而獲得對應(yīng)于可忽略混濁的一組新的理想化脈沖高度。通過使基本上無顆粒的流體通過傳感器可以容易地測量無樣本混濁情況下的基線電壓電平\?？梢詫⒃撝荡鎯ζ饋硪詡溆?，如在要分析一種混濁樣本時可以使用該值，或者可以使用清潔流體在每次新的樣本分析之前對該值進(jìn)行重新測量。通過在數(shù)據(jù)收集之前，使一部分樣本懸浮物通過傳感器可以測量存在混濁情況下的基線電平VV
[0253]至少有兩種方法可以確定最容易的模擬方法包含使用具有適當(dāng)(RC)時間常數(shù)的有源或無源濾波器，在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)(如I秒)測量總信號\E(t)的時間平均值?？梢允褂渺o態(tài)或流動懸浮物從而測量該平均值。在后一種情況下，由于可探測顆粒導(dǎo)致的分立脈沖將會影響測得的平均值。但是，考慮到平均脈沖速率典型地低于10000 / sec并且脈沖寬度通常短于10-12 μ sec，從而通常情況下該影響的程度是較小的，其導(dǎo)致脈沖具有小于10%的“占空比”。測量Vtci的第二種方法包含在混濁樣本流過傳感器時使總信號\E(t)的較大部分(如lO-lOOmsec)數(shù)字化(使用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，并且在收集用于該樣本的脈沖高度數(shù)據(jù)之前分析得到的數(shù)字化信號。可以將適當(dāng)編程的計算機用于識別和測量位于分立脈沖任意一側(cè)并且對應(yīng)于希望得到的基線電平Vtci的信號“平坦”(除了由噪聲導(dǎo)致的小波動之外)部分。
[0254]圖26A是用于通過將脈沖高度重新歸一化到無混濁情況下的預(yù)期值，從而補償混濁的裝置的一種實施例的框圖。該傳感器具有光源126和聚焦透鏡127，其中該聚焦透鏡將光束128導(dǎo)引通過測量流動通道130，并且該光束照亮測量流動通道130之內(nèi)的光學(xué)傳感區(qū)域131。流體懸浮顆粒132流動通過測量流動通道130，并且流動通過測量流動通道130的一小部分顆粒132流動通過光學(xué)傳感區(qū)域131。當(dāng)顆粒132流動通過光學(xué)傳感區(qū)域131時，光受到阻斷并且LE類型光探測器Du探測到該阻斷，并將其作為從基線電壓Lt向下延伸的脈沖134?？梢杂^察到，基線電壓V和脈沖134小于流體懸浮物并不混濁情況下得到的基線電壓Vtl和脈沖135。轉(zhuǎn)換器136響應(yīng)于顆粒132的通過而將光探測器Dle產(chǎn)生的電流信號(t)轉(zhuǎn)換成電壓信號\E(t)。
[0255]為了計算校正系數(shù)G，一種非混濁液體通過該系統(tǒng)并且在138處測量基線電壓V。。然后，被測懸浮物通過該系統(tǒng)并且在140處測量基線電壓νΛ然后在142處計算比G=Vtl /V。
[0256]對轉(zhuǎn)換器136產(chǎn)生的信號\E(t)進(jìn)行處理，通過使用交流耦合從該信號中減去直流部分，并且使得到的信號在144處反轉(zhuǎn)。然后，由可調(diào)整增益放大器146對輸出A'ET(t)進(jìn)行放大，其中該放大器的增益受到校正系數(shù)G控制。如在圖148中看到的，校正后的信號AVLE(t)包含具有正確脈沖高度150的正確測量尺寸的脈沖。
[0257]圖24A、24B、24C和圖25A、25B、25C分別總結(jié)了使用上述第一種方法對測量得到的脈沖高度進(jìn)行重新歸一化之前和重新歸一化之后用于混濁樣本的典型結(jié)果。該樣本包含較濃的油脂滴的“雙突出”懸浮物，并且是通過與前面使用的相同的原料乳膠得到的。油脂滴濃度大約為0.5% (按照體積)，即比用于前面討論過的測量的濃度大十倍。從視覺角度看，得到的懸浮物高度混濁。將均勻乳膠顆粒(2.013 μ m和10.15 μ m)的兩個“突出”添加到混濁樣本懸浮物中。所添加的乳膠顆粒濃度足夠大從而可以在數(shù)據(jù)收集期間產(chǎn)生足夠的、統(tǒng)計上穩(wěn)定的數(shù)量，但是顆粒數(shù)量足夠小從而對于懸浮物的總混濁性具有可以忽略的影響。
[0258]圖24A顯示了用于濃縮油脂滴和添加的乳膠顆粒的混合物的測得的PHD(64通道)。圖24B顯示了通過展開卷積(連續(xù)減法)根據(jù)該PHD獲得的dPHD。圖24C顯示了對于傳感器效率進(jìn)行校正之前的得到的原始PSD。很明顯，與乳膠突出有關(guān)的兩個峰值向基本上低于不存在濃縮油脂滴情況下獲得的用于雙模型乳膠混合物自身的值低得多的直徑方向移動。顯示出的這兩個峰值的平均直徑大約為1.5 μ m和6.5 μ m。
[0259]測得的用于該混濁樣本的平均基線電平Lt為3.45伏，這相對于無混濁情況下獲得的5.00伏的正常值有顯著的降低。因此，應(yīng)該可以通過使用為5.00 / 3.45或者1.45的系數(shù)對原始PHD重新歸一化并且重復(fù)展開卷積計算從而恢復(fù)準(zhǔn)確的PSD結(jié)果。圖25A中顯示了重新歸一化得到的PHD，并且圖25B中顯示了通過展開卷積(連續(xù)減法)獲得的dPHD。圖25C中顯示了對應(yīng)的原始PSD。現(xiàn)在，相關(guān)于乳膠突出(大約為1.9μπι和9.8μπι)的兩個峰值的位置就非常接近于預(yù)期值了。
[0260]還有一種方法可以用于處理顯著混濁的樣本?？梢詫⑿盘柼幚硐到y(tǒng)設(shè)計為可以自動調(diào)整的，從而在開始時，即在收集脈沖高度數(shù)據(jù)之前就基本上消除了混濁的影響。通過適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)裝置可以使起始的、受到抑制的基線電平AC增加，從而使它接近于無混濁情況下獲得的值％。例如，可以使用具有可調(diào)整、壓控增益的放大器裝置。可以將反饋電路裝置用于感應(yīng)被調(diào)節(jié)的輸出信號的幅度并且增加該放大器裝置的增益，直到輸出基線電壓達(dá)到希望得到的“理想”電平Vtl為止。圖26Β中顯示了該第二種方法。與前面一樣，轉(zhuǎn)換器136提供信號\E(t)。在這種情況下，由可調(diào)整增益放大器152對該信號進(jìn)行放大，并且該放大器的增益受到校正系數(shù)G的控制。對放大后的信號GXVJt)進(jìn)行調(diào)整，使得基線電平等于“理想”電平N0?，F(xiàn)在，對該信號進(jìn)行處理，這些處理包含減去直流成分以及在154處使脈沖反轉(zhuǎn)，從而再一次產(chǎn)生圖148中所示的具有正確脈沖高度150的正確尺寸脈沖的輸出。
[0261]可替換的，可以將用于控制顆粒尺寸測量裝置的計算機用于(結(jié)合數(shù)模轉(zhuǎn)換器)控制放大器裝置的增益，從而達(dá)到希望實現(xiàn)的基線電平％。在另一種方法中，可以將一種模擬乘法器裝置用于使未校正的起始信號\E(t)乘以實際上等于Vtl / VtlT的第二電壓，其中在數(shù)據(jù)收集之前或數(shù)據(jù)收集期間通過\E(t)的時間平均獲得Vc/的值。
[0262]這些用于將VtlT提高到Vtl的電子方法實際上包含一種自動增益控制或者AGC系統(tǒng)，該系統(tǒng)對樣本混濁的變化導(dǎo)致的基線電平的變化進(jìn)行一次性(在數(shù)據(jù)收集之前)或連續(xù)(在數(shù)據(jù)收集期間)的補償。然后，如上面討論過的那樣，使用希望的展開卷積算法和相關(guān)過程收集和分析數(shù)據(jù)。得到的PHD基本上是準(zhǔn)確的，并且并不向較低直徑方向移動，而如果不是如此的話，混濁將會導(dǎo)致發(fā)生這種情況。(該結(jié)論假設(shè)混濁并不是過大的以致導(dǎo)致非線性響應(yīng))。
[0263]存在一種與上述第二種方法相關(guān)的第三種方法，該方法基本上可以用于將基線電平恢復(fù)到無混濁情況下獲得的值。并不是使用具有可調(diào)整增益的放大器裝置來增加輸出信號，而是使光源裝置的強度增加相同的希望的系數(shù)Vtl / νΛ該方法假設(shè)在通常情況下，該光源裝置的輸出功率小于可實現(xiàn)輸出功率的一半，這使得如果需要的話可以實現(xiàn)2倍輸出或者更大的增加。圖26C中顯示了該方法，其中控制系數(shù)G控制光源126提供的光束強度。然后，直接將來自轉(zhuǎn)換器136的輸出信號\E(t)連接到要對其進(jìn)行處理的156處，在該處減去直流成分并且使脈沖反轉(zhuǎn)。再一次正確地估計了輸出脈沖150的尺寸。
[0264]圖21A、21B、21C到圖23A、23B、23C中總結(jié)了在數(shù)據(jù)收集之前將基線電平恢復(fù)到V。的該第二種方法，其中該方法用于測量0.05%油脂乳膠樣本(光面的和有突出的)。與無混濁情況下％=5.00伏相比，未校正的測得基線電平Vc/為4.82伏。通過等式11和x=0.02cm,我們可以獲得α =1.83CHT1。在圖24A、24B、24C和圖25A、25B、25C顯示的0.5%油脂乳膠樣本中，用于VQT的測得的值3.45伏意味著α =18.55CHT1，該值在理論上應(yīng)該比用于濃度比其小十倍的濃縮樣本的值α大十倍。實際上，存在很好的相符性。小的差異可以歸因于試驗誤差或由多重散射導(dǎo)致的偏離了 Beer法則。
[0265]圖27A、27B、27C以及圖28A、28B、28C總結(jié)了將新LE類型傳感器用于另一種膠狀懸浮物的結(jié)果(32通道分辨率)，其中該膠狀懸浮物是一種含水硅漿，濃度為12.5% (vol)，其用于CMP處理?？梢栽诓贿M(jìn)行稀釋的情況下對每個樣本進(jìn)行測量，這是因為硅的折射率較接近于水的折射率值。盡管得到的混濁仍然是顯著的，但是它還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用于相同濃度懸浮物的典型值，其中這些相同濃度的懸浮物中包含的顆粒的折射率與周圍液體折射率的匹配程度較差。
[0266]圖27A顯示了用于完全濃縮硅CMP漿的測得的PHD。圖27B中顯示了可靠脈沖高度范圍內(nèi)的得到的dPHD(擴展的y軸)。圖27C中顯示了表示為原始樣本懸浮物中顆粒濃度的得到的PSD。使y軸擴展了 20倍從而著重表現(xiàn)了位于PSD尾部的較低濃度的顆粒。
[0267]然后，使相同的起始硅漿帶有非常低濃度的0.993m乳膠顆粒，即1.30X 105 / ml。圖28A中顯示了測得的PHD并且圖28B中顯示了得到的dPHD，其中乳膠突出的影響是非常明顯的。圖28C中顯示了最終的濃度PSD?？梢匀菀椎靥綔y到添加的乳膠顆粒。如果考慮到這些添加的乳膠突出僅代表總顆粒體積的大約0.5ppm，那么這對于新LE類型傳感器來說是一種突出的能力。因此，該方法具有足夠的靈敏度從而可以對由于多種物理和化學(xué)應(yīng)力因素導(dǎo)致的基于硅的CMP漿中的異類顆粒族進(jìn)行可靠的和大量的探測。這種潛在的有破壞作用的過大尺寸顆粒的增加經(jīng)常與CMP處理過程中晶片表面上缺陷的增加相關(guān)，而這會導(dǎo)致可用集成電路裝置的產(chǎn)量降低。如果具有在處理期間監(jiān)視潛在不穩(wěn)定CMP漿的“健康狀態(tài)”的能力，并且這種能力對有問題的顆粒的濃度的非常微小變化具有靈敏度以及需要程度很小的稀釋或不需要稀釋，那么這種能力代表了 CMP漿度量學(xué)中的一個顯著進(jìn)步。
[0268]表1
[0269]
【權(quán)利要求】
1.一種通過補償濃的流體懸浮物樣本的混濁從而對單顆粒光學(xué)測量尺寸傳感器進(jìn)行補償?shù)姆椒?，其中該單顆粒光學(xué)測量尺寸傳感器用于測量所述懸浮物樣本中的顆粒尺寸，所述傳感器按照消光原理進(jìn)行工作，由此光探測器產(chǎn)生具有基線電壓電平和對顆粒導(dǎo)致的光阻斷的響應(yīng)的信號Vu(t)，其中所述對顆粒導(dǎo)致的光阻斷的響應(yīng)是從所述基線電壓電平向下延伸的脈沖，所述方法包含: 使非混濁懸浮物通過所述傳感器； 測量響應(yīng)于所述非混濁懸浮物而產(chǎn)生的基線電壓電平Vtl ； 使所述濃的懸浮物樣本通過所述傳感器； 測量響應(yīng)于所述濃的懸浮物樣本而產(chǎn)生的基線電壓VtlT ； 計算比值G = V。/ VQT ;以及 根據(jù)G調(diào)整所述傳感器，從而當(dāng)所述較濃的懸浮物樣本通過所述傳感器時補償所述混濁。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，從所述信號Vu(t)中有效地減去所述基線電壓νΛ將剩余信號反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生脈沖高度信號△ Vj (t)，使用可調(diào)整增益放大裝置對所述脈沖高度信號Λ'Ετα)進(jìn)行放大，并且通過所述比值G控制所述可調(diào)整增益放大裝置，從而提供得到補償?shù)拿}沖高度信號Λ'/α)。
3.如權(quán)利要求1所 述的方法，其中由所述傳感器響應(yīng)于所述濃的懸浮物樣本而產(chǎn)生的信號Ut)受到可調(diào)整增益放大裝置的放大，并且通過所述比值G控制所述可調(diào)整增益放大裝置的增益，從而提供具有得到補償?shù)幕€電壓Vtl的得到補償?shù)男盘朶E(t)，從所述得到補償?shù)男盘朶E(t)中減去所述基線電壓Vtl,并且剩余信號反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生得到補償?shù)拿}沖高度信號A'E(t)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單顆粒光學(xué)測量尺寸傳感器包含產(chǎn)生具有可調(diào)整強度的光束的光源，其中所述強度響應(yīng)于所述比值G而增加，從而補償所述混濁。
【文檔編號】G01N15/02GK103792168SQ201410023880
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2002年7月17日
【發(fā)明者】D·F·尼科利, P·托姆巴斯 申請人:安捷倫科技有限公司