(57)【要約】【課題】  混合物質を破壊することなく混合比を定量でき、かつ、定量精度が高い、混合物質の混合比の非破壊定量分析方法及びその装置を提供する。【解決手段】  測定する混合物質２を装填する容器３と、容器３を加熱する電気炉４と、電気炉４に勾配磁場を印加する電磁コイル５と、重量を測定する秤６と、秤６に混合物質２を装填する容器３を鉛直に吊るす部材６ａと、混合物質の温度を測定する熱電対７とを有する装置を使用し、勾配磁場中で混合物質２が受ける磁気力を、秤６を使用して磁場無印加のときの重量と勾配磁場印加のときの重量との差から測定し、この磁気力と、混合物質２を構成する異種物質の既知の各々の磁化率とから、異種物質の混合比を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
勾配磁場中で混合物質が受ける磁気力を測定し、この磁気力と混合物質を構成する異種物質の各々の既知の磁化率とから、混合物質中の異種物質の混合比を求めることを特徴とする、混合物質の混合比の非破壊定量分析方法。
【請求項２】
混合物質を構成する異種物質の数が３以上のｎである場合に、ｎ−１個の異なる温度でそれぞれ勾配磁場中の混合物質が受ける磁気力を測定し、上記ｎ−１個の異なる温度におけるそれぞれの磁気力と、上記ｎ−１個の異なる温度のそれぞれにおける上記混合物質を構成する異種物質の各々の既知の磁化率とから、異種物質の混合比を求めることを特徴とする、混合物質の混合比の非破壊定量分析方法。
【請求項３】
前記勾配磁場中で混合物質が受ける磁気力の測定は、混合物質の磁場無印加のときの重量と勾配磁場印加のときの重量との差から求めることを特徴とする、請求項１又は２に記載の混合物質の混合比の非破壊定量分析方法。
【請求項４】
測定する混合物質を装填する容器と、この容器を加熱する電気炉と、この電気炉に勾配磁場を印加する電磁コイルと、重量を測定する秤と、この秤に上記混合物質を装填する容器を鉛直に吊るす部材と、上記混合物質の温度を測定する熱電対とを有することを特徴とする、混合物質の混合比の非破壊定量分析装置。
【請求項５】
前記電磁コイルは超伝導コイルであることを特徴とする、請求項４に記載の混合物質の混合比の非破壊定量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体、液体、気体を問わず、混合物質の混合比を定量的に測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、混合物質の混合比を測定する方法には（１）化学分析法、（２）Ｘ線分析法等が知られている。
【０００３】
（１）の化学分析法は、化学薬品を用いて混合物質の試料を分解抽出した上で混合物質の重量を測定する方法である。（２）のＸ線分析法は、試料にＸ線を照射し、混合物質の比をＸ線回折ピーク比から求める方法、或いは蛍光Ｘ線強度比から求める方法である。
【非特許文献１】井口  洋夫  著  実験化学講座９巻  丸善株式会社、初版発行１９７４年  ｐ．１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記方法のうち、（１）は化学薬品を用いて試料を分解抽出する方法であり分解抽出に時間を要し、且つ、試料を破壊することになり、また、必ずしも分解抽出できるとは限らない。（２）のＸ線回折ピーク比から求める方法は、結晶性物質である場合だけに適用できる。また、蛍光Ｘ線強度比から求める方法は、混合物質を構成する異種物質の種類によっては、蛍光Ｘ線の波長が互いに干渉するため、定性的な評価に止まり、定量精度は必ずしも高くない。
【０００５】
上記課題を解決するために本発明は、混合物質を破壊することなく混合比を定量でき、かつ、定量精度が高い、混合物質の混合比の非破壊定量分析方法、及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析方法は、勾配磁場中で混合物質が受ける磁気力を測定し、この磁気力と混合物質を構成する異種物質の各々の既知の磁化率とから、混合物質中の異種物質の混合比を求めることを特徴とする。
この方法は、混合物質が勾配磁場から受ける力、すなわち、磁気力を測定し、この磁気力を、勾配磁場の大きさと、混合物質の平均的磁化率と、混合物質の形状とに基づいた関数として表し、この関数を利用して混合物質の平均的磁化率を求める。この平均的磁化率を、混合物質を構成する異種物質の既知の各々の磁化率と、異種物質の混合比との関数として表し、この関数から、異種物質の混合比を求める。
【０００７】
また、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析方法は、混合物質を構成する異種物質の数が３以上のｎである場合に、ｎ−１個の異なる温度で勾配磁場中の混合物質が受ける磁気力を測定し、ｎ−１個の異なる温度におけるそれぞれの磁気力と、ｎ−１個の異なる温度のそれぞれにおける混合物質を構成する異種物質の各々の既知の磁化率とから、異種物質の混合比を求めることを特徴とする。
この方法によれば、磁化率は一般に温度の関数であるので、混合物質を構成する異種物質の数が３以上の場合であっても、異種物質の混合比を求めることができる。
また、勾配磁場中で混合物質が受ける磁気力の測定は、混合物質の磁場無印加のときの重量と勾配磁場印加のときの重量との差から求める。
【０００８】
さらに、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析装置は、測定する混合物質を装填する容器と、この容器を加熱する電気炉と、この電気炉に勾配磁場を印加する電磁コイルと、重量を測定する秤と、この秤に上記混合物質を装填する容器を鉛直に吊るす部材と、上記混合物質の温度を測定する熱電対とを有することを特徴とする。電磁コイルとして、超伝導コイルを使用すれば好ましい。
この構成によれば、秤に混合物質を装填する容器が鉛直に吊るされているので、容器に混合物質を充填し、磁場を印加しない状態の秤による重量測定値と、勾配磁場を印加した状態での秤による重量測定値とから、容易に混合物質の勾配磁場から受ける磁気力を測定することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の方法によれば、勾配磁場により物質が受ける磁気力から混合比を求めるので、混合物質を破壊せずに混合比を求めることができる。また、今日では、超伝導コイルを低コストで利用することができるので、勾配磁場強度を強くすることができ、定量精度を高くすることができる。また、物質は、強磁性体、反磁性体、あるいは、常磁性体のいずれかであるが、超伝導コイルを使用すれば、磁化率が小さい、反磁性体、あるいは、常磁性体混合物質についても本発明の方法を適用でき、例えば、セラミックス、プラスチックスあるいは有機物質等にも適用できる。また、固体のみならず、各種の混合気体や混合液体にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
はじめに、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析装置を説明し、次にこの装置を用いて、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析を行う方法を説明する。
図１は、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析装置の構成を示す図である。図において、本発明の非破壊定量分析装置１は、測定する混合物質２を入れる容器３と、容器３を所定の温度に加熱するための電気炉４と、容器３に搭載された混合物質２に勾配磁場を印加するための電磁コイル５と、電子秤６と、容器３を鉛直に吊るして電子秤６に接続する部材６ａと、容器３に搭載された混合物質２の温度を測定する熱電対７とを有している。
【００１１】
容器３は、磁化率の小さな材料からなる容器が好ましく、例えばアルミナや、白金製のの坩堝が好ましい。電磁コイルは、超伝導コイルが好ましい。また、この例では、勾配磁場を混合物質２に印加するために、容器３を電磁コイル６の出口付近に設置しているが、厳密には、磁束密度Ｂと磁束密度の勾配ｄＢ／ｄｚの積が最大になる点に設置すれば、最小の電流で最大の磁場勾配が得られる。
【００１２】
図１の装置を用いて、本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析方法を実施するには以下のようにして行う。
（ａ）初めに、容器３に混合物質２を装填することなく、電気炉４を加熱せず、且つ、磁場を印加しない状態で、電子秤６により容器３の重量Ｇｃを測定する。
この工程は、以下に説明する工程（ｄ）の測定値から容器３の重量Ｇｃを差し引くために行う。
（ｂ）次に、容器３に混合物質２を装填することなく、測定に使用する勾配磁場と同じ大きさの勾配磁場を印加した状態で、電気炉４を、混合物質２を構成する異種物質の種類がｎ種類であれば、適宜選択したｎ−１種類の温度に昇温する。例えば、ｎ＝２であれば、室温だけでよく、ｎ＝３であれば、２種類の温度に昇温する。このｎ−１のそれぞれの温度において、電子秤６により容器３の重量ＧCHを測定する。
この工程は、以下に説明する工程（ｄ）の測定値から容器３が勾配磁場から受ける磁気力を差し引くために行う。すなわち、磁化率の小さな容器３を使用するといえども、勾配磁場中で容器３は磁気力を受け、また、容器３の磁化率は温度によって変化するためである。もちろん混合物質の磁化率が容器３の磁化率に比べて大きく、測定誤差が無視できる場合には、特定の温度、例えば室温で測定したＧCHを共通に使用できる。
（ｃ）次に、容器３に混合物質２を装填し、電気炉４を加熱せずに、且つ、磁場を印加しない状態で、電子秤６により重量ＧT を測定する。
この工程は、以下に説明する工程（ｄ）の測定値から混合物質２の重量ＧM と容器３の重量Ｇc を差し引くために行う。ＧT は混合物質２の重量ＧM と容器３の重量ＧC の和である。
（ｄ）次に、容器３に混合物質２を装填した状態で、勾配磁場を印加し、且つ、電気炉４により昇温し、上記（ｂ）で説明したｎ−１種類のそれぞれの温度において、電子秤６の示す重量ＧTHを測定する。
【００１３】
次に、測定した上記諸々の重量から、混合物質２の混合比を求める方法を説明する。
以下の説明は、混合物質２の容器３内における形状が円筒形をなしている場合である。この場合にはＧｏｕｉ法（非特許文献１参照）を用いることができる。もちろん、混合物質２の形状によってそれぞれ最適な計算方法を適用できる。
【００１４】
磁化率の異なる異種物質が混合した混合物質は、異種物質の磁化率、異種物質の混合比、及び、混合物質の形状に応じた、混合物質全体の平均的磁化率を有している。混合物質を勾配磁場中におくと、混合物質の各領域は、勾配磁場強度と混合物質の磁化率に応じた磁気力を受ける。この磁気力を混合物質全体にわたって積分することにより、混合物質が受ける磁気力ＦZ が求まる。Ｇｏｕｉ法によれば、磁気力Ｆz は（１）式で表される。
【数１】
2005308552.tif 000003
ここで、磁場印加方向はｚ軸方向であり、Ｓは円筒状混合物質の断面積〔ｍ2 〕、Ｌは円筒状混合物質の高さ〔ｍ〕、μ0 は真空透磁率〔Ｈ／ｍ〕、ｍs は混合物質の質量〔Ｋｇ〕、χm は混合物質の質量磁化率〔ｍ3 ／ｋｇ〕、ＢL は混合物質の上端における磁束密度〔テスラ〕、及び、Ｆm は混合物質の任意の位置ｚにおける単位断面体積が勾配磁場から受ける磁気力である。
【００１５】
ところで、容器３に混合物質２を充填し、勾配磁場を印加し、電気炉４により混合物質２を上記ｎ−１種類の温度のいずれかに昇温した際の、混合物質２を装填した容器３が磁場勾配から受ける磁気力、すなわち、混合物質２が受ける磁気力と容器３が受ける磁気力の合力の磁気力Ｆ’は、上記工程（ｄ）で測定したＧTH、及び、（ｃ）で測定したＧT から、次式（２）で求められる。
【数２】
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【００１６】
また、容器３が受ける磁気力ＦC は、上記工程（ｂ）で測定したＧCH、及び、（ａ）で測定したＧC から、次式（３）で求められる。
【数３】
2005308552.tif 000005
混合物質２が受ける磁気力Ｆは、Ｆ’からＦC を引くことによって求まり、（２）式、（３）式を用いて次式（４）で表される。
【数４】
2005308552.tif 000006
【００１７】
（４）式のＦが（１）式のＦz に等しいと置くことによって、混合物質２の平均的磁化率である質量磁化率χm は、次式（５）で表される。
【数５】
2005308552.tif 000007
【００１８】
次に、上記（５）式によって求めた混合物質２の質量磁化率χm から、混合比を求める方法を説明する。初めに、混合物質２を構成する異種物質の種類が２種類である場合を説明する。
異種物質１及び異種物質２の磁化率をそれぞれχm1及びχm2とし、異種物質１及び異種物質２の混合比をそれぞれｆ1 及びｆ2 とすると、混合物質２の磁化率χm は次式（６）で表される。
【数６】
2005308552.tif 000008
さらに、ｆ1 とｆ2 の間には次式（７）の関係があり、
【数７】
2005308552.tif 000009
上記（６）式、（７）式から、混合比ｆ1 は次式（８）で表される。
【００１９】
【数８】
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（８）式は、（５）式を用いて求めた混合物質２の磁化率と、異種物質１及び異種物質２の磁化率χm1及びχm2とから、異種物質１の混合比ｆ１が求まることを示している。また、異種物質２の混合比ｆ2 も同様に求まることを示している。
【００２０】
次に、異種物質の種類が３種類以上の場合を説明する。
上記（６）式、（７）式は、ｆ1 、ｆ2 を未知数とした連立方程式である。従って、ｎ種類の異種物質のそれぞれの混合比を求めるためには、ｎ種類の異種物質のそれぞれの混合比｛ｆn ｝を未知数とした（ただし｛ｆn ｝はこれらの未知数の集合を表すとする）、ｎ個の方程式が必要である。ところで、物質の磁化率は、一般に温度依存性を有し、次式（９）で近似することができる。
【数９】
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ここで、χmnはｎ番目の異種物質の磁化率であり、Ｃn1、Ｃn2は、χmnを温度Ｔの一次式として近似する定数である。従って、ｎ種類の異種物質のｎ−１種類の温度における磁化率｛χmn｝T をあらかじめ求めておき（ただし、｛χmn｝T は、これらの磁化率の集合を表すのとする）、ｎ−１種類の温度においてそれぞれ、上記（ａ）〜（ｄ）の測定を行い、それらの測定値と（５）式を用いてｎ−１種類の温度における混合物質の｛χm ｝T を計算し（ただし、｛χm ｝T は、これらの磁化率の集合を表すものとする）、この｛χm ｝T と｛χmn｝T とから形成される、未知数｛ｆn ｝に関するｎ−１個の方程式と、｛ｆn ｝の和が１になる方程式とから、未知数｛ｆn ｝に関するｎ個の方程式が得られるので、ｎ種類の異種物質のそれぞれの混合比｛ｆn ｝を求めることができる。
【実施例】
【００２１】
本発明者らは、勾配磁場印加の下で、固体ビスマスと固体アルミニウムの混合比を変えて重量を測定し、各混合比における試料全体の磁化率を求めた。
【００２２】
室温における実施例について説明する。
ビスマス粉末とアルミニウム粉末の所定配合量をアルミナ製容器に計り取り、この容器を電子天秤に吊るした。前もって試料の入ってない状態で、測定治具セット（容器、熱電対、吊り下げ用磁製管等）の重量を測定しておいた。
【００２３】
図２は、本発明方法を実施したビスマス粉末−アルミニウム粉末の混合粉末の平均的磁化率の測定結果を示す図であり、縦軸は質量磁化率で表した混合粉末の磁化率を示し、横軸はビスマスのモル比を示す。測定された混合粉末の平均的磁化率は、アルミニウム粉末単独の磁化率からビスマス粉末単独の磁化率までビスマスのモル比の増加に伴い減少することが分かる。すなわち、混合比の変化に伴って試料の磁化率が大きく変化することが分る。なお、図２に示した“Ｉ”の印は容器内での試料の混合状態の不均一性の影響を見る
ために、容器上部にアルミニウム、下部にビスマスを配置したものとその逆に配置した場合に測定される磁化率の変化の幅を示す。混合粉末の不均一混合に伴う磁化率への影響は小さいことがわかる。
【００２４】
上記実施例は本発明の限られた実施例であり、発明の範囲を限定するものでない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の方法及び装置によれば、混合物質を破壊することなく、かつ、高い精度で混合比を定量できる。また、各種の混合気体や混合液体にも適用することができる。また、磁化率の大きな物質に限らず、セラミックやプラスチックといった磁化率の小さな物質にも適用できる。従って、広い産業技術分野にわたって、化学定量法やＸ線定量法が困難な場合、例えば、混合物質から混合物質を構成する異種物質を化学的に分離することが困難な場合、結晶構造を有さないためにＸ線回折強度が得られない場合、あるいは、蛍光Ｘ線定量が困難な場合に使用すれば、極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の混合物質の混合比の非破壊定量分析装置の構成を示す図である。
【図２】本発明方法を実施したビスマス粉末−アルミニウム粉末の混合粉末の平均的磁化率の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    混合物質の混合比の非破壊定量分析装置
２    混合物質
３    容器
４    電気炉
５    電磁コイル
６    電子秤
６ａ  部材
７    熱電対
【図１】
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【図２】
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