DE69828345T2

DE69828345T2 - Kreuzkorrelationsverfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung der Effekte von Mehrfachstreuung

Info

Publication number: DE69828345T2
Application number: DE69828345T
Authority: DE
Inventors: William V. Lakewood Meyer; Michael H. Hudson Cheung; James A. Lock; David S. Santa Barbara Cannell; Jr Adin J. Cleveland Heights Mann; Jixiang Bridgewater Zhu; Padetha Strongsville Tin; Thomas W. Cleveland Taylor; Anthony E. Costa Mesa Smart
Original assignee: OHIO AEROSPACE INST BROOK PARK; OHIO AEROSPACE INSTITUTE BROOK PARK
Current assignee: OHIO AEROSPACE INST BROOK PARK; OHIO AEROSPACE INSTITUTE BROOK PARK
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: EP0899548B1; EP0899548A3; EP0899548A2; US5956139A; DE69828345D1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der optischen Messung verschiedener Arten von Medien und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von physischen Eigenschaften von Teilchen enthaltenden Medien durch Verwendung der dynamischen Lichtstreuung; wobei die Erfindung jedoch weitere Anwendungsbereiche aufweist und zur Messung einer weiten Vielzahl von physikalischen Eigenschaften von Medien, beispielsweise Gas, Flüssigkeit und festen Medien, verwendet werden kann, wobei diese Medien eine weite Vielzahl von Substanzen enthalten, beispielsweise Teilchen, Kolloide, Verbindungen und dergleichen. Zwar weist die Erfindung einen weiten Bereich von Anwendungen auf, wird jedoch unter speziellem Bezug auf Teilchen enthaltende Medien beschrieben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beginnend mit dem Aufkommen des Lasers hat sich die dynamische Lichtstreuung als unschätzbares Verfahren zum Bestimmen der dynamischen Eigenschaften einer Vielzahl von Systemen erwiesen. Sie wird zur Untersuchung der Ordnungsparameterdynamik nahe den kritischen Punkten sowohl von reinen Flüssigkeiten als auch von Zweistoffgemischen verwendet. Sie hat sich als das genaueste Verfahren erwiesen, das zum Bestimmen des Diffusionskoeffizienten von Makromolekülen wie Proteinen und Polymeren sowie desjenigen von anderen Teilchen bekannt ist. Da der Radius eines kugelförmigen Teilchens durch die Kenntnis von dessen Diffusionskoeffizienten bestimmt werden kann, ist die dynamische Lichtstreuung zu einem wichtigen Werkzeug zur Messung der Größe kolloidaler Teilchen geworden. Es wurde festgestellt, daß sich Licht, das von einer Sammlung von Teilchen gestreut wird, die an einer Stelle in dem Fernfeld detektiert werden, mit der Zeit verändert, da die suspendierten Teilchen diffundieren. Die Veränderung der Intensität des erfaßten gestreuten Lichtes in der Zeit kann zeitlich korreliert werden, um eine Autokorrelationsfunktion zu erzeugen, die Aufschluß hinsichtlich des Diffusionskoeffizienten der Teilchen gibt, der wiederum von dem Durchmesser des Teilchens abhängt. Praktisch ist die Messung der Autokorrelationsfunktion ein genaues und sicheres Verfahren zum Bestimmen des Diffusionskoeffizienten und des Durchmessers der Teilchen in stark verdünnten Systemen. Allgemein kann das Verfahren der dynamischen Lichtstreuung zur Messung der dynamischen Eigenschaften vieler relativ lichtdurchlässiger Proben verwendet werden.
Zwar ist die Verwendung eines autokorrelierten Signals bekanntlich bei stark verdünnten Systemen von Nutzen, jedoch wurde festgestellt, daß durch das mehrfache Streuen von Licht bei vielen Proben, auch bei konzentrierteren kolloidalen Suspensionen, das gemessene Signal verzerrt wird und mithin die Bestimmung der Dynamik oder des Diffusionskoeffizienten stark ungünstig beeinflußt wird.
Bei mäßig stark streuenden Proben rührt nicht das gesamte gestreute Licht, das aus der Probe austritt, aus einfacher Streuung her. Unter diesen Bedingungen kann es schwierig werden, Daten in sicherer Weise zu interpretieren. Eine Ausnahme von dieser Situation tritt im Bereich von äußerst stark streuenden Proben auf, wo die Photonen als durch die Proben hindurch diffundierend behandelt werden können In diesem Fall können unter bestimmten Umständen nutzbringende Informationen zur kurzzeitigen Dynamik des Prozesses, der zur Streuung führt, entnommen werden.
In dem Bemühen, das Problem des mehrfachen Lichtstreuens zu beseitigen, wurden mehrere Strategien entwickelt. Zu diesen Strategien zählen das Berechnen der Wirkungen des mehrfachen Streuens, wenn nur wenige Streuungen pro einfallendem Photon auftreten, der Versuch zur Simulierung der Wirkung des mehrfachen Streuens mit dem Computer im Zwischenstreuregime, der Versuch zur Berechnung der Wirkungen des mehrfachen Streuens im Bereich des diffundierenden Photons und der Versuch zur Feststellung von Streugeometrien, bei denen entweder das mehrfache Streuen oder dessen Wirkungen teilweise oder gänzlich unterdrückt werden.
Gegenwärtig werden die besten Ergebnisse mit dem Versuch erzielt, die Wirkungen des mehrfachen Streuens zu unterdrücken. Das wirksamste experimentelle Verfahren, das bisher zur Bewältigung des mehrfachen Streuens entwickelt wurde, ist das von Phillies entwickelte Korrelationsverfahren. Das Verfahren von Phillies gründet sich darauf, daß die Wellenvektoren des einfallenden und des gestreuten Lichts, damit das einfallende Licht in einer bestimmten Richtung gestreut wird, mit dem der Schwankung der für das Streuen verantwortlichen Dielektrizitätskonstante in einer Braggschen Gleichung k_inc = k_s ± q verbunden werden müssen. Hierbei ist k_inc der Wellenvektor des einfallenden Lichts, k_s ist der des gestreuten Lichts und q ist der Wellenvektor der für das Streuen verantwortlichen Schwankung. Auf Grund dieser Braggschen Bedingung lassen sich zwei verschiedene Strahldetektorkombinationen ausrichten, so daß gleichzeitig Licht gesammelt wird, das mit der gleichen Schwankung gestreut wird. Natürlich sammeln die zwei Detektoren ebenfalls Licht, das mehrfach gestreut hat. Das führt zu Detektorsignalen i_A(t) und i_B(t), die sowohl aus einfach streuenden als auch aus mehrfach streuenden Beiträgen stammen. Die einfach streuenden Beiträge sind jederzeit stark miteinander korreliert, während die mehrfach streuenden Bestandteile nur schwach korreliert sind. Durch Messung der zeitlichen Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Detektorausgänge <i_A(τ)i_B(0)> werden dann die gleichen Informationen geliefert, wie sie in dem einfach streuenden Limit unter Verwendung einer herkömmlichen Einfachstrahl- und Einfachdetektoranordnung erhalten würden, um <i(τ)i(0)> zu messen. Zwar war diese Technik für das Bestimmen von Teilchendurchmessern in konzentrierten Lösungen vielversprechend, jedoch ist das Doppelstrahl- und Doppeldetektorsystem kostspielig und schwer auszurichten, wodurch der Nutzen dieser Technik praktisch minimiert wird.
In dem Artikel von W. V. Meyer et al.: "A Single Wavelength Cross-Correlation Technique which suppresses Multiple Scattering", Technical Digest Series, Bd. 14, Optical Society of America, Washington DC, USA, wurde der theoretische Gedanke von Einfarben-Kreuzkorrelationsverfahren, welcher die Grundlage der vorliegen den Erfindung ist, erstmalig vorgeschlagen. Der Inhalt dieses Artikels sowie neuartige Verfahren, die zur Durchführung dieses Analyseverfahrens notwendig sind, sind in den folgenden Kapiteln zusammengefaßt.
Im Lichte des Standes der Technik zum Bestimmen der dynamischen Eigenschaften von verschiedenen Systemarten besteht die Notwendigkeit eines einfachen, kostengünstigen und genauen Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen, wie beispielsweise Flüssigkeitssysteme mit einer Vielzahl von Teilchenkonzentrationen, und zum Messen anderer Arten von Licht streuenden Systemen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Messen der dynamischen Wellenstreuung, bei der ein einstrahliges Mehrdetektorsystem zur Minimierung von Mehrfachstreuproblemen und zur Bereitstellung von genauen Ergebnissen für die dynamischen Eigenschaften einer Vielzahl von Systemen, beispielsweise eines Teilchen enthaltenden Flüsigkeitssystems, über einen weiten Bereich von Teilchenkonzentrationen verwendet wird. Die Minimierung und/oder Beseitigung der Wirkungen der mehrfachen Streuung von durch die Teilchen enthaltende Probe gestreuten Wellen erfolgt durch Kreuzkorrelation von Wellen, die durch einen einzelnen Strahl, beispielsweise einen Laserstrahl, gestreut werden, der von einem oder von mehreren Detektoren detektiert wird. Wie zu erkennen, ist das Kreuzkorrelationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf Laserstrahlen, sichtbare Lichtquellen oder dergleichen beschränkt. Es kann jede Art von Lichtquelle verwendet werden, darunter Laser, ultraviolettes Licht, Infrarotlicht, Ultraschallwellen usw. sowie Kombinationen derselben. Praktisch betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer physikalischen Eigenschaft einer Probe mittels Führen einer einzigen Wellenquelle durch die Probe, Detektieren von zumindest einem Teil der Wellenquelle, die von der Probe gestreut wurde, und Verarbeiten des Signals von mehreren Detektoren zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft der Probe.
In einer spezielleren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung eine Wellenquelle, beispielsweise einen Laser, der einen Strahl erzeugt. Der Strahl wird durch eine Probe geführt, beispielsweise durch eine Flüssigkeit mit Teilchen darin. Zumindest ein Teil der durch die Probe aus dem einfallenden Strahl heraus gestreuten Wellen wird von zwei oder mehreren Detektoren detektiert, von denen jeder ein Signal erzeugt, das sich als Reaktion auf die Intensität der gestreuten, an einen speziellen Detektor gelangenden Welle verändert. Ein Detektor, beispielsweise ein Lichtdetektor, könnte aus einer Lichtleitfaser bestehen, die zumindest einen Teil der gestreuten Wellenquelle, beispielsweise eines Lasers, aufnimmt und die Wellenquelle zu einem Sensor leitet, beispielsweise einer Photovervielfacherröhre, einer Impulse zählenden Avalanche-Photodiode oder einem analogen Festkörperdetektor. Die Detektoren sind derart positioniert, daß Wellen, die von der Probe einfach aus der Wellenquelle heraus gestreut werden und an die Detektoren gelangen, Detektorausgangssignale erzeugen, die miteinander korreliert sind. Bei einer solchen Anordnung sind zwei Detektoren so angeordnet, daß sie jeweils einen Teil der in dem gleichen einzelnen Streufleck oder dem Kohärenzbereich liegenden, gestreuten Wellen sammeln. Bei einer alternativen Anordnung oder einer Anordnung zusätzlich zu der oben beschriebenen sind die zwei oder mehreren Detektoren derart angeordnet, daß Wellen, beispielsweise Licht, das von der Probe mehrmals gestreut wurde, Detektorausgangssignale erzeugen, die nicht oder nur schwach miteinander korreliert sind. Bei einer solchen Anordnung sind die Detektoren in einem ausreichenden Abstand voneinander getrennt, so daß der Trennungsabstand größer als der Abstand ist, über den ein mehrfaches Streuen räumlich in der Richtung der Trennung der Detektoren korreliert ist. Vorzugsweise sind die Detektoren so positioniert, daß sie einfach gestreute Wellen sammeln, die stark korreliert sind und in einem ausreichenden Abstand voneinander beabstandet sind, so daß mehrfach gestreute Wellen nicht oder nur schwach korreliert werden. Die Positionierung der Detektoren in einer solchen Konfiguration ist möglich, da eine gestreute Wellenquelle, beispielsweise von einer Flüssigkeit mit Teilchen darin gestreutes Licht, räumlich nicht einheitlich ist, sondern statt dessen Bereiche von kohärenten gestreuten Wellen bildet, wobei diese Bereiche bei einfach gestreuten Wellen größer als bei mehrfach gestreuten Wellen sind. Mit anderen Worten, einfach gestreute Wellen bilden typischerweise größere Flecken oder Kohärenzbereiche als mehrfach gestreute Wellen. Praktisch rührt ein einfaches Streuen von Wellen von einer Probe von dem Bereich der primären Erleuchtung her, beispielsweise dem kleinen Querschnitt einer fokussierten Wellenquelle, während ein mehrfaches Streuen dazu neigt, aus einem größeren unscharfen "Lichthof" (halo) um den einfallenden Strahl herum zu entstehen und mithin von einer sehr viel größeren Quelle zu kommen scheint. Da das Streuen durch eine räumlich inkohärente Quelle entsteht, werden ihre räumlichen Kohärenzeigenschaften von den scheinbaren Abmessungen der Quelle bei Betrachtung durch den Detektor bestimmt. Folglich verursacht eine einfach gestreute Welle Streuflecken oder Kohärenzbereiche, die typischerweise in einer Richtung viel größer sind, als sie in einer anderen sind. Die von einer einfach gestreuten Welle verursachten Flecke sind in der Richtung groß, in der die Quelle klein erscheint, beispielsweise quer zu der einfallenden Wellenquelle, und klein in der Richtung, in der die Quelle groß erscheint, d.h. parallel zu der einfallenden Wellenquelle. Deshalb weist der Fleck, welcher der einfachen Streuung entspricht, eine hohe räumliche Kohärenz gegenüber einem größeren Bereich als der Fleck auf, welcher der mehrfachen Streuung entspricht. Mehrfach gestreute Wellen verursachen ebenfalls Flecken, jedoch, da die kleinste Quellenabmessung beim mehrfachen Streuen größer als beim einfachen Streuen ist, sind Mehrfachstreuflecke kleiner als Einfachstreuflecke in einer Richtung, die zu der einfallenden Wellenquelle unparallel ist. Deshalb wurde festgestellt, daß dann, wenn eine dicht fokussierte Wellenquelle, beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Durchmesser d, der durch eine Probe läuft, gestreute Wellen erzeugt, die in einer zu der Wellenquelle unparallelen Richtung korreliert werden können. Durch Sammeln der gestreuten Wellenquelle an zwei oder mehreren Orten, die in einer zu der Wellenquelle unparallelen Richtung getrennt sind, kann man durch Kreuzkorrelation der zwei Detektorausgänge zwischen einfach gestreuten Wellen und mehrfach gestreuten Wellen unterscheiden. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lassen sich wirksam die physikalischen Eigenschaften von Proben mit einem Teilchengrößenbereich von 10 Ångström bis auf mindestens etwa 10 Mikrometer und mehr, vorzugsweise mit einem Teilchengrößenbereich von 30 Ångström bis auf 3 Mi krometer bestimmen und können zum Analysieren der physikalischen Eigenschaften der Probe über einen weiten Bereich von Teilchenkonzentrationen verwendet werden. Zu den physikalischen Eigenschaften, die aus den detektierten gestreuten Wellen heraus bestimmt werden können, gehören, jedoch ohne Beschränkung darauf, die Größe und/oder Verteilung von Teilchengrößen in der Probe.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Detektoren in einem Bereich positioniert, der im wesentlichen quer zu der Wellenquelle liegt, d.h. einem einfallenden Strahl oder einer einfallenden Welle. Die Richtung, die quer zu der Wellenquelle liegt, ist die Richtung, in der die einfach streuenden Flecken am größten sind. In einer solchen Richtung wird die Länge der einfach streuenden Flecken annähernd durch (λ/D_w)R berechnet, wobei λ die Wellenlänge der Wellenquelle ist, D_w die Breite der Taille der Wellenquelle ist und R der Abstand der zwei Detektoren von dem Streuvolumen ist. Wie jedoch zu erkennen ist, können die Detektoren an jedem Bereich um die Probe herum positioniert werden, um die gestreute Wellenquelle zu detektieren.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das zur Verarbeitung des Ausgangs der mehreren Detektoren verwendete Analyseverfahren eine analoge Kreuzkorrelation und/oder eine digitale Kreuzkorrelation umfassen. Die analoge Kreuzkorrelation kann zur Bestimmung der zeitlichen Kreuzkorrelationsfunktion <i_A(t)i_B(t – τ)> verwendet werden, wobei i_A(t) und i_B(t – τ) die Ausgangssignale zweier analoger Detektoren A und B zu den Zeiten t bzw. t – τ sind und die Klammern < > eine Zeitmittelung bezeichnen. Die digitale Kreuzkorrelation kann zur Bestimmung der Kreuzkorrelationsfunktion <n_A(t)n_B(t – τ)> verwendet werden, wobei n_A(t) und n_B(t – τ) die Anzahl der detektierten Impulse ist, die während eines kurzen Zeitraums von den Detektoren A und B während der auf die Zeit t bzw. t – τ zentrierten Zeitabstände erzeugt werden. Weiterhin könnten die Ausgänge der Detektoren durch Messen der spektralen Kreuzdichte von zwei oder mehreren Signalen i_A(t) und i_B(t) und/oder der Signalimpulsströme n_A(t) und n_B(t) verarbeitet werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können das Verfahren und die Vorrichtung entweder in dem Autokorrelationsmodus oder dem Kreuzkorrelationsmodus verwendet werden. Die Autokorrelation der detektierten gestreuten Wellenquelle erfolgt durch Verarbeitung nur des von einem einzigen Detektor erzeugten Signals. Die Kreuzkorrelation der detektierten gestreuten Wellenquelle erfolgt durch Verarbeitung von Daten von zwei oder mehreren Detektoren. Das Umschalten zwischen Autokorrelation und Kreuzkorrelation kann durch das Verbinden und/oder Trennen der Detektoren und/oder durch einen Hardware- und/oder einen Software-Schalter vorgenommen werden. Infolgedessen kann die gleiche Vorrichtung je nach Notwendigkeit entweder als herkömmliches dynamisches Lichtstreuinstrument verwendet werden oder in dem Kreuzkorrelationsmodus zur Unterdrückeung der Wirkungen der mehrfachen Streuung verwendet werden. Bei Proben, beispielsweise Gasen oder Flüssigkeiten, die mit Wellenstreukomponenten wie Teilchen beinhalten, in denen die Teilchenkonzentration ausreichend verdünnt ist, um somit ein unbedeutendes mehrfaches Streuen aufzuweisen, kann das herkömmliche dynamische Wellenstreuen (die Autokorrelation) gewählt werden, da die Autokorrelation für eine relativ schnelle und genaue Teilchenbemessung bei solchen Systemen sorgt. Wenn jedoch das mehrfache Streuen sehr stark wird, wie das typischerweise bei allen außer den am meisten verdünnten Proben geschieht, soll die Kreuzkorrelation gewählt werden, um das mehrfache Streuen zu unterdrücken. Da konzentrierte Proben in der Praxis oft anzutreffen sind und da eine Verdünnung der Proben nicht immer ausführbar oder erwünscht ist, ist die Verwendung der Autokorrelation stark eingeschränkt, jedoch kann zur genauen und schnellen Bestimmung verschiedener physikalischer Eigenschaften solcher Proben die Kreuzkorrelation verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Detektoren jede Anordnung bilden, die ein Ausgangssignal erzeugt, das sich als Reaktion auf die Intensität oder die Leistung verändert, die an den Detektor gelangt. Des weiteren können solche Vorrichtungen derart gefertigt werden, daß sie nur einen Teil der gestreuten Welle aufnehmen, die an einen gegebenen Bereich gelangt. Eine solche Modifizierung des Betrags der an die Detektoren gelangenden Welle kann durch die Verwendung von Linsen, Spiegeln, verschiedenen Blendenöffnungen und/oder Polarisatoren erfolgen, die zum Einschränken des aufgenommenen Teils der Welle auf denjenigen, der aus einem Bereich in der Probe herrührt, verwendet werden können. Ein solcher Bereich kann, braucht jedoch nicht, der Bereich zu sein, der von dem einfallenden Strahl erleuchtet wird. Des weiteren oder alternativ läßt sich das Einschränken des Betrags der an einen Detektor gelangenden gestreuten Wellen dadurch erreichen, daß Lichtleitfasern, entweder Einzelmoden- oder Mehrmoden-Lichtleitfasern, in Verbindung mit Linsen, entweder mit herkömmlichen oder mit Gradientenlinsen, verwendet werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Wellenquelle auf eine relativ schmale Taille innerhalb der Probe fokussiert. Durch das Fokussieren des Strahls kommt es zu der erwünschten Wirkung, daß die Strecke größer wird, über die das einfache Streuen korreliert wird, ohne daß wesentlich auf die Strecke eingewirkt wird, über die das mehrfache Streuen korreliert wird. Durch das Fokussieren des Wellenquellenstrahls wird die Größe der Einfachstreuflecken erhöht, wobei eine geringe Auswirkung auf die Größe der Mehrfachstreuflecken besteht. Vorzugsweise sind die Detektoren derart positioniert, daß sie eine einfach gestreute Welle detektieren, die im wesentlichen von der schmalen Taille der Wellenquelle ausgeht.
Gemäß der Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung nach der Definition in den Ansprüchen 1 und 14 ist während des Positionierens der Detektoren und/oder während des Betriebs der Detektoren ein Polarisator zwischen den Detektoren und der Probe positioniert. Eine große Anzahl von Proben erzeugt polarisierte, einfach gestreute Wellen. In der Tat erzeugen viele Proben stark polarisierte, einfach gestreute Wellen und schwach polarisierte, mehrfach gestreute Wellen. Beim Positionieren der Detektoren wird der Polarisator zum Sperren der einfach gestreuten Wellen verwendet. Der Polarisator sperrt nur die einfach gestreuten Wellen, und die Detektoren werden voneinander beabstandet, bis die Detektorausgänge die von den Detektoren detektierten gestreuten Wellen nicht korrelieren oder nur minimal korrelieren. Sobald der gewünschte Abstand der Detektoren erzielt ist, wird der Polarisator entfernt oder umpositioniert, damit die einfach gestreuten Wellen an die Detektoren gelangen können. Durch Verwendung eines Polarisators zum Positionieren der Detektoren lassen sich die De tektoren richtig voneinander beabstanden, um das von mehrfach gestreuten Wellen verursachte Signal einzuschränken oder zu beseitigen. Mithin werden die von den Detektoren empfangenen korrelierten Daten durch die Detektierung von einfach gestreuten Wellen durch die Probe verursacht oder im wesentlichen verursacht. Wenn der Polarisator zwischen der Probe und den Detektoren in Position gehalten wird, wirkt der Polarisator als auch Filter, um zumindest einen Teil der mehrfach gestreuten Wellen zu beseitigen. Mehrfach gestreute Wellen werden nur teilweise polarisiert. Durch Verwendung eines Polarisators wird ein wesentlicher Betrag von mehrfach gestreuten Wellen ausgefiltert, und mithin wird die Menge der Geräusche, die durch die Detektierung von mehrfach gestreuten Wellen durch die Detektoren erzeugt wird, weiter vermindert.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Probe in einen Probenbehälter eingelegt, der die Probe in Position halten kann, so daß die Wellenquelle durch die Probe hindurch geleitet werden kann. Vorzugsweise ist der Probenbehälter im wesentlichen lichtdurchlässig, so daß er die Wellenquelle nicht behindert. An dem Probenbehälter kann eine polierte Fläche vorhanden sein, so daß die Verzerrung der Wellenquelle weiter vermindert wird, wenn diese durch den Probenbehälter läuft. Ebenso kann ein Behälter mit passendem Brechungsindex verwendet werden, um parasitäres Streuen zu vermindern und den Brechungsindex der Probe auszugleichen. Wenn ein Behälter mit passendem Brechungsindex verwendet wird, wird der Behälter mit passendem Brechungsindex mit einer Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex befüllt, und die Probe wird in den Behälter mit passendem Brechungsindex eingebracht und wird zumindest teilweise in die Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex getaucht. Der Behälter mit passendem Brechungsindex kann auch polierte Flächen aufweisen, um die Verzerrung der Wellenquelle zu vermindern, wenn diese durch den Behälter mit passendem Brechungsindex läuft.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Detektoren in einem im wesentlichen gleichen Abstand von der Wellenquelle in der Probe beabstandet.
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Detektoren alle im wesentlichen an der gleichen Stelle an der Wellenquelle in der Probe ausgerichtet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Hauptaufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum einfachen und genauen Analysieren einer oder mehrerer Eigenschaften der Probe durch Analysieren der gestreuten Wellenquelle aus der Probe zu schaffen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine einzelne Wellenquelle, beispielsweise einen Laser, in eine Probe richtet, beispielsweise in eine Teilchen enthaltende Flüssigkeit, und zum Detektieren von zumindest einem Teil der gestreuten Wellenquelle aus der Probe mit zwei oder mit mehreren Detektoren, und zur Kreuzkorrelation der detektierten Wellenquelle zur Bestimmung von einer oder von mehreren Eigenschaften der Probe.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Richten einer Wellenquelle in eine Probe und zum Detektieren von zumindest einem Teil der gestreuten Wellen aus der Probe mit zwei oder mit mehreren Detektoren und zur Kreuzkorrelation der detektierten gestreuten Wellen zu schaffen, um die detektierten, gestreuten Wellen zu unterdrücken und durch Analysieren der detektierten, einfach gestreuten Wellen eine oder mehrere Eigenschaften der Probe zu bestimmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, daß die mehreren Detektoren derart voneinander beabstandet sind, daß die Detektoren einfach gestreute Wellen stark korrelieren und mehrfach gestreute Wellen aus einer Probe nur schwach oder gar nicht korrelieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, die Detektoren in einer ausreichenden Entfernung voneinander zu beabstanden, so daß sie mehrfach gestreute Wellen nur schwach oder gar nicht korrelieren, und ausreichend eng zueinander zu beabstanden, so daß sie innerhalb eines einzelnen Flecks einer einfach gestreuten Welle positioniert sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, daß Linsen, Spiegel, Blendenöffnungen, Polarisatoren und dergleichen verwendet werden, um detektierte gestreute Wellen nur auf gestreute Wellen zu begrenzen, die aus einem wohldefinierten Bereich in der Probe stammen, um die Detektierung eines Teils der mehrfach gestreuten Wellen zu beschränken und/oder die Detektoren zu positionieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, Detektoren mit Lichtleitfasern für die Einfach- oder die Mehrfachmoden in Verbindung mit Linsen zu verwenden, um die Detektierung von gestreuten Wellen nur auf gestreute Wellen zu begrenzen, die aus einem wohldefinierten Bereich in der Probe stammen.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, die Wellenquelle in einer Probe zu fokussieren, um die Größe von Flecken von einfach gestreuten Wellen zu erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen Polarisator zu verwenden, um die mehreren Detektoren vor dem Analysieren der detektierten gestreuten Wellen für eine oder für mehrere Eigenschaften der Probe zu positionieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die mehrere Moden einschließlich dem Autokorrelationsmodus und dem Kreuzkorrelationsmodus für Informationen aufweist, die von einem oder von mehreren der Detektoren empfangen werden.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden für den Fachmann aus der Lektüre der folgenden Beschreibungen zusammen mit den anliegenden Zeichnungen erkennbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nunmehr wird auf die Zeichnungen verwiesen, die verschiedene Ausführungsformen darstellen, welche die Erfindung in physischer Form und in bestimmten Teilen und Anordnungen von Teilen annehmen kann, wobei:
die 1A–1C das Streuen einer fokussierten Quellenwelle, die durch eine Teilchen enthaltende Probe läuft, und die Ausbildung von einzelnen und von mehreren Streuflecken, die Positionierung von Detektoren innerhalb eines einzelnen Streuflecks und die Verwendung eines Polarisators zur Positionierung der Detektoren darstellen;
2 eine graphische Darstellung der Mehrfachstreuvorrichtungen ist, welche die zwei Detektoren in Ausrichtung an im wesentlichen der gleichen Position an der Fokaltaille der Quellenwelle darstellt;
3 eine graphische Darstellung der normalisierten Autokorrelationsfunktionen zur Erhöhung der Konzentrationen von Polystyrolkügelchen von 0,107 μm Durchmesser in Wasser ist;
4 eine graphische Darstellung der normalisierten Kreuzkorrelationsfunktionen zur Erhöhung der Konzentration von Polystyrolkügelchen von 0,107 μm Durchmesser in Wasser ist;
5 eine graphische Darstellung der berechneten Durchmesserwerte von Polystyrolkügelchen von 0,107 μm Durchmesser in Wasser ist, gemessen bei erhöhter Konzentration mit einem Kreuzkorrelationsverfahren und einem Autokorrelationsverfahren; und
6 eine graphische Darstellung des Teilchendurchmessers, abgeleitet von Kreuzkorrelations- und Autokorrelationsfunktionen, für von den Detektoren ausgeführte Messungen bei Streuwinkeln von 60°, 90°, 120° und 135° ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen die Darstellungen dem Zweck dienen, die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nur zu veranschaulichen, und nicht dem Zweck dienen, dieselbe einzuschränken, wobei in 1A, welche das Streuen einer fokussierten Quellenwelle als Beispiel zeigt, ein Laserstrahl 10 zu einer Probenzelle 50 hin gerichtet ist, die eine Probe enthält, die aus einer Flüs sigkeit besteht, in der Teilchen suspendiert sind. Der Laserstrahl wird von einer Fokallinse 80 fokussiert, wodurch eine Fokaltaille 20 in der Probenzelle 50 erzeugt wird. D_w stellt die Breite der Fokaltaille 20 dar. Wenn der Laserstrahl 10 durch die Teilchen enthaltende Flüssigkeit läuft, wird um den Laserstrahl 10 herum ein Lichthof 22 gebildet. Der Lichthof wird durch das mehrfache Streuen des Lichts von dem Laserstrahl durch die Probe verursacht. D_h, stellt die Breite des Lichthofs 22 dar. D_w ist viel kleiner als D_h. 1A stellt auch gestreutes Licht 14 dar. Das streuende Licht 14 enthält sowohl einfach gestreute Wellen als auch mehrfach gestreute Wellen. Die einfach gestreuten Wellen sind Licht von dem Laserstrahl, das ein einziges Mal in der Probe gestreut wurde, bevor es aus der Probenzelle 50 austrat. Das mehrfach gestreute Licht ist Licht, das mehrmals in der Probe gestreut wurde, bevor es aus der Probenzelle 50 austrat. Das Licht, das gestreut ist, ist in seiner Intensität räumlich nicht einheitlich, sondern bildet statt dessen Flecke oder Lichtkohärenzbereiche 16, 18 und dunkle Bereiche zwischen den Flecken. Die Flecke verändern sich mit der Zeit und werden dabei heller und blenden sich dann aus und erscheinen dann noch einmal an anderen Stellen wieder, wenn die Teilchen in der Probe diffundieren. Wie in 1A gezeigt ist, werden die größeren Flecke 16 von einfach gestreutem Licht gebildet, und die kleineren Flecke 18 werden von mehrfach gestreutem Licht gebildet. Die Höhe der Flecke 16, 18 ist eine Funktion der Wellenlänge λ des Laserstrahls 10, des Abstands R vom Bereich des Lichtstreuens und der Breite D_w des Laserstrahls in der Probe. Die Höhe des durch einfaches Streuen gebildeten Flecks 16 ist annähernd gleich (λ/D_w)R, und die Höhe des durch mehrfaches Streuen gebildeten Flecks 18 ist annähernd gleich (λ/D_h)R. Da D_w viel kleiner als D_h ist, ist die Höhe des Flecks 16 viel größer als die Höhe des Flecks 18. Wie zu erkennen ist, läßt sich die Höhe des Flecks 16 durch Verengung der Fokaltaille des Laserstrahls 10 (insbesondere durch Verkleinerung von D_w) vergrößern. Wie festgestellt wurde, ändert sich durch Verengen der Fokaltaille des Laserstrahls 10 die Breite des Lichthofs 22 nicht wesentlich, und mithin läßt sich die Höhe des Flecks 16 durch Verengen der Fokaltaille 20 sehr stark ändern, ohne die Höhe des Flecks 18 wesentlich zu ändern.
In den 1B und 1C sind nunmehr Detektoren 70, 72 derart positioniert, daß sie einfach gestreutes Licht in dem Fleck 16 detektieren. Die Detektoren 70, 72 sind eng genug voneinander beabstandet, um dadurch einfach gestreutes Licht innerhalb eines einzelnen Flecks 16 zu empfangen, jedoch in einer ausreichenden Entfernung voneinander beabstandet, so daß die Detektoren kein mehrfach gestreutes Licht innerhalb eines einzelnen Flecks 18 detektieren. Es wurde festgestellt, daß das meiste einfach gestreute Licht in einer einzigen Richtung stark polarisiert ist, mehrfach gestreutes Licht jedoch nicht. Deshalb können gemäß der Hauptausführungsform die Detektoren 70, 72 in der in 1C gezeigten Weise durch Verwendung eines Polarisators positioniert werden. Wie in 1C gezeigt, ist der einfach gestreute Lichtfleck 16 in der durch den Pfeil angezeigten Richtung stark polarisiert (linear polarisiert). Wie gezeigt, bestehen mehrfach gestreute Flecke 18 aus Licht, das nicht linear polarisiert ist. Während der Positionierung der Detektoren wird der Polarisator 24 zwischen den Flecken 16, 18 und den Detektoren 70, 72 positioniert. Der Polarisator wird gedreht, bis der Polarisator das gesamte oder einen sehr großen Teil des gestreuten Lichts des Flecks 16 sperrt. Da das mehrfach gestreute Licht nicht linear polarisiert ist, sperrt der Polarisator 24 die Flecke 18 nicht vollständig. Während der Polarisator einfach gestreutes Licht (den Fleck 16) sperrt, werden die Detektoren voneinander weg bewegt, bis beide Detektoren kein Licht mehr detektieren oder im wesentlichen nicht mehr detektieren, das innerhalb eines einzelnen, mehrfach gestreuten Lichtflecks 18 gestreut ist. Auf diese Weise wird das Ausmaß, in dem die Detektoren 70, 72 mehrfach gestreutes Licht korrelieren, sehr stark vermindert, und dadurch wird die Genauigkeit, Wirksamkeit und/oder Geschwindigkeit der Messungen erhöht. Wie zu erkennen, kann der Polarisator 24 während der Messung der Eigenschaften der Probe verwendet werden. Wird der Polarisator benutzt, wird der Polarisator gedreht, bis das polarisierte Licht des Flecks 16 durch den Polarisator hindurch laufen kann. Zwar kann der Polarisator nicht das gesamte unerwünschte, mehrfach gestreute Licht ausfiltern, jedoch filtert der Polarisator einen Teil des mehrfach gestreuten Lichts aus und erhöht mithin potentiell die Geschwindigkeit, Wirksamkeit und/oder Genauigkeit der Messung der Eigenschaften der Probe. Die Einstellung des Abstands der Detektoren 70, 72 wird bei der oder ohne die Verwendung des Polarisators sehr viel einfacher im Vergleich zu früheren Ausrichtungsverfahren unter Verwendung zweier Laser und zweier Detektoren. Typi scherweise beträgt die Zeit zur richtigen Positionierung der Detektoren für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weniger als zehn Minuten.
In 2 ist nunmehr der Laserstrahl 10 in Richtung zu einem Behälter 40 mit passendem Brechungsindex gerichtet, der eine Flüssigkeit 42 mit passendem Brechungsindex und die Probenzelle 50 enthält. Die Probenzelle 50 enthält eine Suspension 60 von kleinen Teilchen, wobei diese Teilchen analysiert werden sollen, um den durchschnittlichen Durchmesser der Teilchen zu ermitteln. Wie dargestellt, sind zwei Detektoren 70, 72 oberhalb und unterhalb der Ebene 12 in Position, wobei diese Ebene diejenige ist, die senkrecht zu der Polarisationsrichtung des Laserstrahls 10 liegt, und wobei der Laserstrahl 10 in dieser Ebene liegt. Vorzugsweise sind die zwei Detektoren 70, 72 auf der Fokaltaille 20 ausgerichtet und sind jeweils mit Streuwellenvektoren 30, 32 ausgerichtet. Wie gezeigt, ist der Laserstrahl 10 in eine Fokaltaille 20 fokussiert. Das Fokussieren des Laserstrahls 10 kann durch Verwendung einer Fokussierlinse oder eines Spiegels erfolgen, die nicht dargestellt sind. 2 stellt auch den Behälter 40 mit passendem Brechungsindex dar, der bewirkt, daß das in einem gegebenen Winkel in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Wellenquelle gestreute Licht auf die Linie fokussiert wird, entlang derer die Detektoren angebracht sind. Durch das Fokussieren des von dem Behälter mit passendem Brechungsindex gestreuten Lichts wird bewirkt, daß die Detektoren mehr Photonen detektieren und sich mithin Wirksamkeit und Geschwindigkeit der Messung erhöhen. Die von den zwei Detektoren aufgezeichneten Informationen werden kreuzkorreliert, und es wird der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Teilchen in der Probenzelle berechnet.
FUNKTIONSWEISE DER VORRICHTUNG
Nunmehr wird die spezielle Funktionsweise der Vorrichtung beschrieben. Es wird eine Probenzelle gewählt, die vorzugsweise ein Prüfröhrchen aus einem durchsichtigen Glasbehälter mit einem Innendurchmesser von 10,1 mm und einem Außendurchmesser von 11,6 mm ist, wobei jedoch auch andere Abmessungen oder Materialien für die Probenzelle verwendet werden können. Die Probenzelle wird fest auf der Achse des aus durchsichtigem Glas bestehenden zylindrischen Behälter 40 mit passendem Brechungsindex gehalten. Der Behälter mit passendem Brechungsindex enthält ein Fluid mit passendem Brechungsindex, beispielsweise Wasser oder Decalin. Der Behälter mit passendem Brechungsindex besitzt einen Innendurchmesser von 80 mm und einen Außendurchmesser von 84,6 mm; jedoch sind die Abmessungen des Behälters mit passendem Brechungsindex nicht auf diese Abmessungen beschränkt. Die aus Glas bestehende Probenzelle und der Behälter mit passendem Brechungsindex erzeugen nur eine geringe Wirkung auf das Verhalten des Laserstrahls. Die Wirkung auf den Laserstrahl läßt sich vermindern, wenn eine kleine ebene Fläche an der Probenzelle und/oder dem Behälter mit passendem Brechungsindex poliert wird.
Der Laserstrahl wird mit einem Argonionenlaser mit einer Vakuumwellenlänge von 514,5 nm erzeugt. Der Laserstrahl wird durch Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 100 mm gebündelt, um einen Fokaltaillendurchmesser (e^–2) von etwa 88 μm zu bilden. Wie zu erkennen, können auch andere Arten von Laserstrahlen und andere Wellenlängen verwendet werden. Des weiteren können auch andere Arten von Fokussierlinsen und/oder Spiegeln verwendet werden oder können vollkommen beseitigt werden. Weiterhin können auch wirksam andere Taillendurchmesser verwendet werden.
Wie in 2 dargestellt ist, liegt die Fokaltaille 20 im wesentlichen in der Mitte der Probenzelle 50 und kreuzt die Probenzelle horizontal, senkrecht zu der vertikalen Achse der Probenzelle. Der Laserstrahl tritt vorzugsweise durch einen nicht gezeigten kleinen, polierten, flachen Bereich in den Behälter mit passendem Brechungsindex ein, um so die Kreissymmetrie des Strahls zu bewahren. Das gestreute Licht, das dadurch entsteht, daß der Laserstrahl mit den Teilchen innerhalb der Probenzelle in Berührung kommt, wird von zwei Detektoren 70, 72 gesammelt. Die Detektoren enthalten zwei Lichtleitfasern mit Kernen 74, 76, die für 633 nm eine Einfachmode sind. Es können jedoch auch andere Lichtleitfasern, entweder mit einer oder mit mehreren Moden, verwendet werden. Des weiteren brauchen die Detektoren keine Lichtleitfasern zu enthalten, können jedoch jede Art eines Lichtdetektors sein. Die beiden Enden der Fasern sind poliert, brauchen jedoch keine spezielle optische Anordnung aufzuweisen. Die Kerne der Fasern sind um annähernd 0,25 mm getrennt. Die Enden der zwei Fasern wurden von der Fokaltaille um annähernd 170 mm beabstandet. Der Abstand der Detektoren wird gewählt, da bei diesem Abstand von der Fokaltaille die größte Menge an gestreutem Licht, das bei einem gegebenen Streuwinkel aus der Probenzelle austritt, durch Brechung der Außenfläche des Behälters mit passendem Brechungsindex in der in 2 gezeigten Weise in eine annähernde vertikale Fokuslinie gebracht wird. Des weiteren können Linsen, Spiegel, Blendenöffnungen usw. allein oder in Kombination mit Lichtleitfasern verwendet werden, um den genauen Teil des Probenvolumens zu definieren, von dem das streuende Licht aufgenommen wird, um detektiert zu werden.
Der 0,25 mm betragende Abstand der zwei Detektoren wird auch derart gewählt, daß er innerhalb der berechneten Größe eines Flecks für einfach gestreutes Licht liegt. Die Größe eines Flecks für einfach gestreutes Licht bei einem speziellen System ist annähernd gleich der Wellenlänge des Lichtstrahls, dividiert durch den Durchmesser des Lichtstrahls an der Fokaltaille, multipliziert mit dem Abstand der Detektoren von der Fokaltaille. Bei dem vorliegenden System liegt die Größe des einfach streuenden Flecks in der Größenordnung von annähernd einem Millimeter ((0,5154 μm/88 μm) 170 mm ≈ 1 mm), und der Abstand der Detektoren von nur 0,25 mm ist ausreichend klein genug, um Licht innerhalb eines Flecks von einfach gestreutem Licht zu sammeln.
Der eine Detektor ist derart positioniert, daß er sich oberhalb der horizontalen Ebene befindet, welche den Laserstrahl enthält, und der andere Detektor ist unterhalb der horizontalen Ebene positioniert, die den einfallenden Strahl enthält. Wie jedoch zu erkennen ist, können die zwei Detektoren beide oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene des Laserstrahls positioniert sein. Ebenso wurde festgestellt, daß durch Positionierung der Detektoren etwas oberhalb oder etwas unterhalb der horizontalen Ebene des Lasers die Streulichteffekte mehrerer innerer Reflexe, die davon herrühren, daß der Laserstrahl mit der Probenzelle und/oder dem Behälter mit passendem Brechnungsindex in Kontakt steht, sehr stark vermindert werden. Weiter wurde festgestellt, daß der Streulichteffekt zu mehr Problemen führte, wenn die Konzentration der Teilchen in der Probenzelle abnahm.
In 2 ist der Winkel der Detektoren gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls durch Φ dargestellt. Es wurde festgestellt, daß Proben, die mehrfaches Streuen aufweisen, eine anscheinende schmale Linienquelle (einfach gestreutes Licht, das direkt von dem Strahl selbst ausgeht) offenbaren, die innerhalb eines viel größeren und diffuseren Bereiches liegt. Diese diffuse Quelle ist Licht, das aus dem erleuchtenden Strahl heraus gestreut wurde und anschließend zusätzlich einmal oder mehrmals gestreut wurde. Da diese Quelle größer als der erleuchtende Strahl erscheint, ist der Fleck, den sie erzeugt, vertikal viel kürzer als die 0,25 mm betragende Trennung der Fasern und trägt mithin wenig zu der Kreuzkorrelation der von den zwei Detektoren erzeugten Signale bei. Da sowohl die einfach als auch die mehrfach streuenden Quellen ungefähr das gleiche Maß parallel zu dem einfallenden Strahl aufweisen, wird wenig oder gar nicht gegenüber dem mehrfachen Streuen unterschieden, wenn die Fasern parallel und nicht quer zu dem Strahl getrennt wären. Das von jeder Faser der Detektoren gesammelte Licht wird zu einer aktiv gelöschten Avalanche-Siliciumphotodiode geliefert, die einzelne Photonen zählen kann. Diese Detektoren erzeugen TTL-Pegel-Impulse von annähernd 10 Nanosekunden mit Geschwindigkeiten, die proportional der augenblicklichen optischen Leistung sind, die an jeden Detektor gelangt. Die entstehenden Impulsströme n_A(t) und n_B(t) wurden einem digitalen Korrelator zugeführt, der entweder die zeitliche Autokorrelationsfunktion G(τ) = <n(t)n(t – τ)> (1)für jeden Impulsstrom oder die zeitliche Kreuzkorrelationsfunktion GAB(τ) = <nA(t)nB(t – τ)> = <nB(t)nA(t – τ)> (2)für beide berechnete.
Der Korrelator mißt die Anzahl der Zählwerte, die während jedes Intervals (t, t + 1) empfangen wurden, das in den Gleichungen 1 und 2 mit n(t) bezeichnet ist. Durch gleichzeitiges Bilden der Produkte aus dem laufenden n-Wert und den n-Werten, die 256 verschiedenen Verzögerungszeiten τ entsprechen, und Ansammeln dieser Produkte eine ausreichende Zeitlang kann ein annehmbar genaue Messung entweder von G(τ) oder von G_AB(τ) gebildet werden.
Es wurden zwei Proben mit Teilchen unterschiedlichen Durchmessers getestet, und zwar Polystyrollatexkügelchen von 107 nm und 204 nm. Die Teilchen wurden in destilliertes Wasser eingebracht, und es wurden Konzentrationen im Bereich von 0,0017 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% getestet. Die Probenzellen wurden versiegelt, damit keine Staubteilchen die Probe verschmutzen konnten. Die Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex war destilliertes Wasser, um dem Brechungsindex der Flüssigkeit in der Probenzelle zu entsprechen; jedoch hätten auch Flüssigkeiten mit anderem Brechungsindex verwendet werden können, die einen anderen Brechungsindex als die Flüssigkeit in der Probenzelle aufweisen. Die Teilchendurchmesser wurden zu Anfang unter Verwendung der dynamischen Lichtstreuung mit herkömmlicher Optik in stark verdünnten Suspensionen gemessen, um den Teilchendurchmesser der Proben zu überprüfen. In solchen verdünnten Suspensionen ist im wesentlichen kein mehrfaches Streuen vorhanden. Es wurden Proben mit verschiedener Konzentration durch Verdünnen einer Suspension von Polystyrollatexkügelchen hergestellt und mit einer nominellen Konzentration von 10 Gew.-% angewandt, wie sie von den Herstellern durch Eindampfen bis zur Trockenheit bestimmt und als um nicht weniger als ±10% variierend festgestellt wurde. Das Verdünnungsmittel im destillierten Wasser wurde gefiltert, um weniger Staub zu haben. Es wurde als unnötig befunden, die Proben nach dem Verdünnen weiter zu filtern. Die Probenröhrchen wurden vor dem Füllen und dem Versiegeln der Probenröhrchen mit Parafilm mit in ähnlicher Weise gefiltertem Wasser gespült, damit kein Staub die Proben verunreinigen konnte.
Die 3 bis 6 offenbaren die Ergebnisse des Messens der Proben mit Kügelchen von #107 nm sphärischen Durchmesser über eine weite Vielzahl von Konzentrationsbereichen. 3 stellt normalisierte Autokorrelationsfunktionen zum Erhöhen der Konzentrationen von Polystyrollatexkügelchen von 0,107 nm in destilliertem Wasser dar. Die Messungen wurden bei einem Streuwinkel von 90° (Φ = 90°) unter Verwendung von einer der Lichtleitfasern vorgenommen, um das gestreute Licht zu sammeln. Das Experiment wurde durch Messen einer Reihe von einzelnen Detektor-Autokorrelationsfunktionen für Proben mit verschiedenen Konzentrationen begonnen, wobei jede Messung 300 Sekunden lang angesammelt wurde. Bei verdünnten Suspensionen im Bereich von 0,0017 Gew.-% bis etwa 0,05 Gew.-% wurde festgestellt, daß die normalisierte Korrelationsfunktion G(τ) im wesentlichen exponentiell war, wie beispielhaft von den obersten zwei Kurven in 3 bezeugt wird. Die Ergebnisse für die normalisierte Korrelationsfunktion [G(τ)/B – 1] als Funktion der Verzögerungszeit τ sind in einer halb-logarithmischen graphischen Darstellung in 3 für sechs verschiedene Konzentrationen gezeigt. Die graphische Darstellung in 3 wurde durch Normalisierung jeder gemessenen Korrelationsfunktion durch Dividieren derselben durch die Grundlinie B erstellt, die aus den Gesamtzahlen der während des Laufs der Verarbeitung empfangenen Zählwerte ermittelt wurde. Bei höheren Konzentrationen, wie sie in 3 dargestellt sind, wurden Abweichungen von einem rein exponentiellen Abfall immer deutlicher, wobei der exponentielle Abfall zu einer geraden Linie auf einer solchen halb-logarithmischen graphischen Darstellung führt. Der rasche anfängliche Abfall, auf den ein viel langsamer abfallendes Endstück folgt, wie es in der Autokorrelationsfunktion offensichtlich ist, ist bei den am meisten konzentrierten Proben bemerkenswert. Autokorrelationsfunktionen mit dieser allgemeinen Form sind üblicherweise aus stark streuenden Proben festzustellen, die sich der Grenze der diffundierenden Photonen nähern. Zur Quantifizierung des Trübungsgrades der Proben wurde ein Leistungsmesser verwendet, um den Anteil der Leistung des einfallenden Strahls zu messen, der durch die 10,1 mm messenden Proben hindurchgelassen wird. Wie die Ergebnisse zeigen, lassen Proben mit Konzentrationen von mehr als etwa 0,2 Gew.-% einen nicht gestreuten Anteil des einfallenden Strahls von weniger als 0,6% hindurch, und dieser Anteil nimmt bei höherer Konzentration noch steiler ab. Auf Grund des äußerst starken Streuens, welches Proben mit einer Konzentration von mehr als etwa 0,1 Gew.-% aufweisen, weichen die in 3 gezeigten Autokorrelationsfunktionen stark von einem einzelnen exponentiellen Abfall ab. Das ist eine direkte Folge des sich sammelnden Lichts, das vor dem Austritt aus der Probe mehr als einmal gestreut wurde. Durch jeden dieser Streuvorgänge wird das Spektrum des gestreuten Lichts sehr stark verbreitert, was zu einem raschen anfänglichen Abfall der gemessenen Korrelationsfunktionen führt.
Für die gleichen Proben wurden Kreuzkorrelationsfunktionen G_AB(τ) zur Ermittlung des Umfangs erhalten, in dem die räumliche Kreuzkorrelation die unerwünschten Auswirkungen des mehrfachen Streuens vermindert. Die Ergebnisse des Kreuzkorrelationsexperiments sind in 4 dargestellt. Die in 4 gezeigten Messungen zeigen [G_AB(τ)/B – 1] als Funktion von τ auf einer halb-logarithmischen graphischen Darstellung. Da der abfallende Abschnitt von G_AB(τ) nur ein kleiner Anteil der Grundlinie B für die Kreuzkorrelationsdaten ist, insbesondere für Proben mit höherer Konzentration, wurde B für jede Datengruppe durch Einrichten auf einen einzelnen exponentiellen Abfall plus einer Grundlinie ermittelt. Wie in 4 dargestellt, sind die Kurven von [G_AB(τ)/B – 1] im wesentlichen alle linear und stellen dar, daß die Kreuzkorrelationsdaten für sämtliche gemessenen Konzentrationen mit einem einzelnen exponentiellen Abfall in Einklang standen. Dieses Ergebnis steht in deutlichem Kontrast zu den Ergebnissen der in 3 gezeigten Kreuzkorrelationsmessungen. Wie erwartet, ergaben verdünnte Proben genau exponentielle Kreuzkorrelationsfunktionen, wie durch ihre lineare Form auf einer halb-logarithmischen graphischen Darstellung demonstriert wird. Jedoch wiesen die Proben mit hoher Konzentration das gleiche lineare Verhalten und die Steigung wie diejenigen mit niedriger Konzentration auf. Mithin demonstrieren die Daten, daß der einfache Kniff der räumlichen Kreuzkorrelation geeignet ist, nützliche dynamische Lichtstreuungsmessungen selbst bei Proben zuzulassen, die so stark streuen, daß die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon die Probe durchquert, ohne gestreut zu werden, nur etwa eins zu 10⁶ beträgt. Mehr einfach gestreute Photonen sind bei größeren Streuwinkeln auf Grund des Streuens nahe dem Rand der Zelle und der Sammelfähigkeit der Zellengeometrie zu sehen. 4 stellt auch dar, daß bei dem niedrigen Konzentrationsbereich der erfaßte Abschnitt von G_AB(τ), wobei τ = 0 für die Kreuzkorrelationsfunktion, nicht größer als 0,42 ist, wohingegen sich der erfaßte Abschnitt für die Autokorrelationsfunktion der Eins näherte. Zu diesem Ergebnis kommt es immer, selbst wenn kein mehrfaches Streuen erfolgt, da das Produkt der Streuintensität an zwei verschiedenen Punkten (Kreuzkorrelationsabschnitt) stets kleiner als das Qua drat der Intensität an einem gegebenen Punkt (Autokorrelationsfunktion) ist, da das Fleckenfeld mit dem streuenden Licht darin eine weniger als vollkommene räumliche Korrelation aufweist. Der Erfassungswert der gemessenen Kreuzkorrelationsfunktionen nahm mit höherer Probenkonzentration stark ab und fiel dabei von etwa 0,42 bei verdünnten Proben auf etwa 2,5 × 10^–3 bei der Probe von 0,5 Gew.-% und auf nur etwa 7 × 10^–4 bei der Probe von 1,0 Gew.-% ab. Wie die Daten zeigen, trägt das mehrfache Streuen sehr wenig zu der Kreuzkorrelationsfunktion bei. Mithin wurden nur etwa 8% von dem Licht, das von der Probe von 0,5 Gew.-% gestreut und von jeder Faser gesammelt wurde, einfach gestreut, und mithin wurden 92% mehrfach gestreut. Eine offensichtliche Folge der Verwendung von Kreuzkorrelationsfunktionen ist, daß zur Bewahrung der Meßgenauigkeit die Bewertung der Grundlinie kritischer wird, da der erfaßte Abschnitt kleiner wird und deshalb längere Beobachtungszeiten vonnöten machen kann.
Die Daten wurden an der gemessenen Kreuzkorrelation und Autokorrelation quantitativ mit der zwei kumulanten Gleichung GA(t) = A exp [–2(k1 τ – {k2/2} τ2)] + B (3)analysiert, wobei A, B, k₁ und k₂ einstellbar sind. Der erste Kumulante wurde durch k1 = Dq2 (4)auf einen effektiven Diffusionskoeffizienten D bezogen, wobei q der Streuwellenvektor ist, der durch q = (4τn/λ)sin(Φ/2) (5)in den Gleichungen gegeben ist, n der Brechungsindex der Flüssigkeit in der Probenzelle und Φ der Streuwinkel ist. Ein Scheindurchmesser der Teilchen wird aus D = kbT/6πηα (6)errechnet, wobei k_b die Bolzmannsche Konstante ist, T die absolute Temperatur, n die Viskosität und α der Scheinradius der Teilchen ist.
Die Ergebnisse der Analyse sind in 5 zusammengestellt, die den Scheindurchmesser der Teilchen als Funktion der aus der Autokorrelations- wie auch der Kreuzkorrelationsfunktion abgeleiteten Konzentration darstellt. Die Ergebnisse aus der Autokorrelation und der Kreuzkorrelation stimmen bei der niedrigsten Konzentration angemessen gut überein, weichen jedoch bei Proben mit höherer Konzentration wesentlich voneinander ab. 5 stellt dar, daß durch mehrfaches Streuen die Autokorrelationsfunktionsdaten stark entstellt werden können, was mithin zu Scheindurchmessern der Teilchen führen kann, die um mehrere Größenordnungen von dem tatsächlichen Durchmesser abweichen. Insbesondere beginnen die Ergebnisse, die durch Autokorrelationsmessungen erhalten wurden, systematisch von dem richtigen Wert abzuweichen, wenn die Probenkonzentration größer als etwa 0,01 Gew.-% wird. Diese Abweichung wird in dramatischer Weise bedeutsamer, wenn sich die Konzentration weiter erhöht. Die mit Hilfe der Kreuzkorrelation gewonnene Messung zeigte kaum solche Tendenzen und demonstrierte dadurch, wie nützlich ein solches Verfahren selbst bei höheren Teilchenkonzentrationen in Suspensionen ist.
In 6 wurden nunmehr Vergleiche zwischen der Autokorrelationsfunktion und der Kreuzkorrelationsfunktion bei anderen Winkeln als 90° vorgenommen. Die Teilchengröße der verwendeten Polystyrolkügelchen betrug 107 nm, und es wurden Streuwinkel von 60°, 90°, 120° und 135° verwendet. Die Daten wurden durch Anpassen der Korrelationsfunktion mit Hilfe von Gleichung 3 analysiert. Die aus der Autokorrelationsfunktion entnommenen Werte des Durchmessers werden durch mehrfaches Streuen bei den Proben mit höherer Konzentration stark beeinflußt. Die Ergebnisse sind auch von dem Streuwinkel abhängig, was eine systematische Unterschätzung der Teilchengröße ergibt, die zunehmend schlechter wird, wenn sich der Winkel mehr in Richtung nach vorn bewegt. Dagegen zeigen die Werte des aus der Kreuzkorrelationsfunktion entnommenen Durchmessers selbst bei der höchsten Konzentration keine systemati sche Abhängigkeit von dem Streuwinkel. Der Test wurde für Teilchen mit der Größe von 214 nm dupliziert. Die Ergebnisse waren ähnlich denen für die Teilchen von 107 nm, indem die Autokorrelationsfunktion bei höheren Konzentrationen stark von genauen Messungen abwich, mit der Kreuzkorrelationsfunktion jedoch in einem weiten Bereich von Konzentrationen die Teilchengröße genau bestimmt wurde.
Die Daten in 6 demonstrieren, daß bei der Ausführung von Messungen der dynamischen Lichtstreuung zur Unterscheidung von einfachen und mehrfachen Streuungen die räumliche Kreuzkorrelation verwendet werden kann, um auf den Durchmesser der Teilchen in einem flüssigen Medium zu folgern. Die Daten in 6 stellen auch dar, daß der für die Detektoren gewählte Streuwinkel nicht auf einen spezifischen Winkel für die Kreuzkorrelation beschränkt ist
Die Ausrichtung der Detektorfasern konnte, wie festgestellt wurde, auch ziemlich gut an den Goniometerwinkel und die Anlegung des einfallenden Strahls angepaßt werden, war jedoch in Bezug auf die Drehung der Faserhalteanordnung kritischer, um die Faserkerne in vertikaler Richtung in Ausrichtung mit der Fleckdehnung anzulegen. Bei dem Experiment wurden einfache Sammelvorrichtungen verwendet, die aus aneinander grenzenden unbedeckten Fasern ohne Fokussierlinse bestanden. Die Ergebnisse zeigen, daß unbedeckte Lichtleitfasern, die als Sammelausgänge verwendet werden, die räumlichen Bereiche nicht einschränken, aus denen das Streuen so schmal wie bei herkömmlichen Fasern gesammelt wird. Wie festgestellt wurde, nahmen die Fasern das gesamte Licht innerhalb ihrer numerischen Apertur auf, die bei Einmoden-Fasern typischerweise 0,1 betrug. Jede Faser sammelte Licht entlang der gesamten Probe, was nicht die effektivste Methode zur selektiven Unterscheidung von mehrfach gestreutem Licht ist. Eine verbesserte Konstruktion bestände darin, Fokallinsen zu verwenden, um das aufgenommene Licht auf dasjenige zu beschränken, das von einem lokalisierten Abschnitt der Probe ausgeht. Die Verwendung von unbedeckten Fasern hat jedoch den Vorteil, daß sie äußerst leicht und auch kosteneffektiv ist. Zwar kanalisieren sowohl eine herkömmliche Optik als auch die bei dem Experiment verwendete Anordnung das in einem gegebenen Winkel streuende Licht zu einem Detektor, jedoch ist es bei herkömmlicher Optik üblich, auch die physikalische Länge und die Höhe des Bereichs zu beschränken, aus dem Licht festgestellt werden kann. Mithin kann allein aus diesem Grund eine durchkonstruierte herkömmliche Optik ein mehrfaches Streuen etwas besser als bloße Fasern unterscheiden. Trotzdem wird bei Proben, die weniger als 10% des einfallenden Strahls hindurchlassen, sehr wohl anerkannt, daß sehr starkes mehrfaches Streuen selbst von herkömmlichen optischen Anordnungen gesammelt wird, wobei die gemessenen Autokorrelationsfunktionen gleichzeitig verzerrt werden. Mithin wurde festgestellt, daß die räumliche Kreuzkorrelation selbst bei nicht unterscheidender Sammeloptik sichere Korrelationsfunktionen für Proben erbringen kann, die weniger als 1 Teil in einer Million des einfallenden Strahls hindurchleiten. Unter Bedingungen einer starken Dämpfung wie bei mehr konzentrierten Proben sammelt die optische Geometrie einfach gestreutes Licht vorzugsweise von dort, wo der Strahl in die Zelle eintritt, eher als in herkömmlicher Weise von der Mitte der Zelle. Das geschieht, da durch die Geometrie Licht gesammelt wird, das in einem Winkel zu dem Strahl gestreut ist, unabhängig davon, wo entlang beim Strahlengang die Streuung auftritt, mit Ausnahme einiger kleiner Effekte von Lichtaberrationen in dem zylindrischen Gefäß und Behälter. Bei stark getrübten Proben wurden dadurch die einfach streuenden Vorgänge überwältigend begünstigt, bei denen die Gesamtstrecke, die vor und nach der Streuung in der Probe durchlaufen wird, minimal ist.
Die Wirkungen von mehrfach gestreutem Licht lassen sich auch durch Verwendung eines Polarisators mindern. Ein Polarisator ermöglicht nur, daß die Fasern einen Teil des nicht polarisierten Lichts aufnehmen, und mindert mithin die Empfindlichkeit der Kreuzkorrelationsfunktion gegen mehrfache Streuung.
Neben der Beschränkung des festgestellten Streubereichs mit Lichtblenden, Linsen usw. besteht eine weitere offenkundige Verbesserung an der Geometrie in der Verwendung eines viel stärker fokussiertern einfallenden Strahls. Durch Fokussieren des einfallenden Strahls erhöht sich die Größe der einzeln streuenden Flecke und wird der Vorteil möglich, die Faserkerne stärker trennen zu können. Mit dieser Anordnung erhöht sich auch die Größe des Bereichs, aus dem mehrfaches Streuen entstehen kann, und mithin vermindern sich die Größe der mehrfach streuenden Flecke und deren Verteilung auf die Kreuzkorrelationsfunktion. Des weiteren kann die bedeutende Ver kleinerung des Verhältnisses der Signalamplitude zur Meßbasis bei der Kreuzkorrelationsfunktion, wenn das mehrfache Streuen sehr stark wird, zur Bestimmung des Verhältnisses der einfachen zur mehrfachen Streuung verwendet werden. Die Quadratwurzel des Verhältnisses der Signalamplitude zur Meßbasis ist proportional dem Verhältnis des einfachen Streuens zu der insgesamt gestreuten Energie unter der Voraussetzung, daß die Fasern weit genug auseinander liegen, um eine vernachlässigbare Kreuzkorrelation aus dem mehrfachen Streuen zu erbringen. Durch Kombination des Verhältnisses der Signalamplitude der Kreuzkorrelation zur Meßbasis bei direkter Messung der Gesamtstreuung werden Messungen des einfach streuenden Querschnitts selbst bei stark getrübten Medien möglich.
Die Fähigkeit, angemessen leicht interpretierbare Messungen des dynamischen Lichtstreuens an stark streuenden Proben vorzunehmen, ist sowohl bei der Grundlagenforschung als auch in industriellen Anwendungsbereichen von Wert. Zu Beispielen für Forschungsbereiche, bei denen das mehrfache Streuen von Bedeutung ist und Messungen zur Zeit schwierig sind, zählen die Untersuchung der Teilchendynamik in stark zusammenwirkenden Systemen, der Erscheinung eines kritischen Punktes und biologischen und medizinischen in VIVO-Studien. Beispiele für die vielen industriellen Anwendungsbereiche sind die Charakterisierung verschiedener Aufschlämmungen zur Verwendung beim Schleifen und Polieren, Untersuchungen von Anstrichteilchen, das Dimensionieren von Teilchen in konzentrierten Suspensionen und die Qualitätskontrolle von Teilchen, die kolloidale Zwischenstadien enthalten können.
Die Erfindung wurde an Hand einer bevorzugten Ausführungsform und von Alternativen derselben beschrieben. Es wird angenommen, daß sich dem Fachmann bei der Lektüre und dem Verständnis der ausführlichen Beschreibung der Erfindung ohne weiteres viele Modifizierungen und Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen anbieten. Die Erfindung soll alle diese Modifizierungen und Änderungen beinhalten, soweit sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Vorrichtung zum Analysieren einer Teilchen enthaltenden Flüssigkeit, aufweisend eine einen zu der Flüssigkeit gerichteten Lichtstrahl (10) ausbildende Lichtwellenquelle zum Erzeugen von gestreuten Lichtwellen (14), eine Detektoranordnung zum Detektieren zumindest eines Teils der gestreuten Lichtwellen an zumindest zwei verschiedenen Orten, und einen Analysierer zum Analysieren empfangener gestreuter Lichtwellen, um zumindest eine physikalische Eigenschaft der Teilchen in der Flüssigkeit zu bestimmen, wobei die Detektoranordnung eine Mehrzahl von von der Flüssigkeit beabstandeten Detektoren (70, 72) aufweist, die detektierten Streulichtwellen im wesentlichen einfach gestreute Lichtwellen sind, und der Analysierer Mehrfachstreueffekte von der empfangenen gestreuten Lichtwelle mittels Kreuzkorellation der von der Detektoranordnung empfangenen Signale minimiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Polarisator (24) mit einer einstellbaren Polarisation entfernbar zwischen der Flüssigkeit und zumindest einem der Detektoren (70, 72) positionierbar ist, um zum Positionieren der Detektoranordnung einen wesentlichen Anteil der einfach gestreuten Lichtwellen abblockt.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 definiert, wobei die Lichtwellenquelle ein Laserstrahl (10) ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 oder 2 definiert, wobei die bestimmte physikalische Eigenschaft der Teilchen die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen in der Flüssigkeit ist.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, wobei die Mehrzahl von Detektoren (70, 72) bei einem Streuwinkel (ϕ) von größer als 0° relativ zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (10) liegt.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 definiert, einen Fokussierer (80) zum Bündeln des Lichtstrahls (10) bzw. der Lichtwellenquelle zu einer schmalen Fokustaile (20) in der Flüssigkeit aufweisend.
Eine Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert, einen Flüssigkeitsbehälter (50) mit einer polierten Oberfläche zum Reduzieren einer Verzerrung des Lichtstrahls (10) aufweisend.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, einen eine Flüssigkeit (42) mit passendem Brechungsindex beinhaltenden Behälter (40) mit passendem Brechungsindex aufweisend, wobei der Flüssigkeitsbehälter in dem Behälter (40) mit passendem Brechungsindex positioniert wird.
Vorrichtung wie in Anspruch 7 definiert, wobei der Behälter (40) mit passendem Brechungsindex eine polierte Oberfläche zum Reduzieren einer Verzerrung des Laserstrahls (10) aufweist.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert, wobei die Mehrzahl von Detektoren (70, 72), vorzugsweise zumindest 2 Detektoren (70, 72), im wesentlichen auf die Fokustaile (20) ausgerichtet sind.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 definiert, wobei die Mehrzahl von Detektoren (70, 72), vorzugsweise zumindest zwei Detektoren (70, 72), von der Fokustaile (20) mit im wesentlichen gleichen Abständen beabstandet sind.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definiert, wobei der Polarisator (24) mit einstellbarer Polarisation zwischen der Flüssigkeit und zumindest einem der Detektoren (70, 72) positioniert und zum Abblocken eines wesentlichen Anteils von mehrfach gestreutem Licht (14) eingestellt wird.
Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 11 definiert, wobei die Mehrzahl von Detektoren (70, 72) innerhalb eines einzelnen Flecks (Speckle) (16, 18) des gestreuten Lichts (14) positioniert wird.
Eine Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 5 bis 12 definiert, wobei der Detektor (70, 72) bei einem im wesentlichen gleichen Winkel zu der Fokustaile (20) orientiert ist.
Optisches Verfahren zum Analysieren einer Flüssigkeit mit Teilchen, welches eine Lichtwellenquelle streut, wenn diese durch die Flüssigkeit geführt wird, die Schritte aufweisend: a. Erzeugen einer Lichtwellenquelle; b. Aussetzen der Flüssigkeit der Lichtwellenquelle zum Erzeugen von gestreuten Lichtwellen; c. Detektieren zumindest eines Teils der gestreuten Lichtwellen bei einer Mehrzahl von Orten, wobei der Schritt des Detektierens mindestens zwei Detektoren (70, 72) aufweist, jeder von den Detektoren (70, 72) bei einem der Orte positioniert wird, mindestens zwei der Detektoren (70, 72) innerhalb eines einzelnen Flecks (16, 18) positioniert werden und mindestens ein Polarisator (24) mit einstellbarer Polarisation an einen wesentlichen Anteil von einfach gestreuten Lichtwellen zum Positionieren der Detektoranordnung abzubloc ken entfernbar zwischen der Flüssigkeit und mindestens einem der Detektoren (70, 72) positioniert wird; und d. Analysieren der detektierten gestreuten Lichtwellen, um eine physikalische Eigenschaft der Teilchen in der Flüssigkeit zu bestimmen, wobei der Schritt des Analysierens eine Kreuzkorellation der detektierten gestreuten Lichtwellen zum minimieren der Effekte von vielfach gestreuten Lichtwellen aufweist, zu minimieren.
Verfahren wie in Anspruch 14 definiert, wobei der Schritt des Detektierens das Detektieren von im wesentlichen einfach gestreuten Lichtwellen aufweist.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 oder 15 definiert, wobei der Schritt des Detektierens zumindest zwei Detektoren (70, 72) aufweist, wobei jeder der Detektoren an einem der Orte positioniert wird.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 16 definiert, wobei zumindest zwei der Detektoren (70, 72) innerhalb eines einzelnen Flecks (16, 18) positioniert sind.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 17 definiert, den Schritt eines Fokussierens der Lichtwellenquelle zum Bündeln der Lichtwellenquelle zu einer schmalen Fokustaile (20) in der Flüssigkeit aufweisend.
Verfahren wie in Anspruch 18 definiert, den Schritt des Anordnens der Detektoren (70, 72) im wesentlichen bei der Fokustaile (20) aufweisend.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 18 oder 19 definiert, wobei die Detektoren (70, 72) von einer Fokustaile (20) im wesentlichen mit gleichen Abständen beabstandet sind.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 20 definiert, wobei die Lichtwellenquelle ein Laserstrahl ist.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 21 definiert, wobei die bestimmte physikalische Eigenschaft die durchschnittliche Teilchengröße der Teilchen in der Flüssigkeit aufweist.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 22 definiert, wobei die Lichtwellenquelle mittels einer aus der Gruppe, bestehend aus einer Linse, einem Spiegel und Kombinationen aus diesen, ausgewählten Vorrichtung fokussiert wird.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 23 definiert, wobei der Detektor (70, 72) eine optische Faser aufweist.
Verfahren wie in einem der Ansprüche 14 bis 24 definiert, wobei der Polarisator (24) mit einstellbarer Polarisation zwischen der Flüssigkeit und zumindest einem der Detektoren (70, 72) positioniert und zum Abblocken eines wesentlichen Anteils von mehrfach gestreutem Licht (14) eingestellt wird.