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Die zum Erzeugen von Ultradünnschnitten notwenige Relativbewegung zwischen Objekt und Messer des Ultramikrotoms wird üblicherweise entweder durch einen verfeinerten mechanischen Vorschub analog demjenigen der konventionellen Mikrotome für die Lichtmikroskopie oder durch einen sogenannten "thermischen Vorschub" bewirkt, wobei nach Fig. l am Grundkörper des Gerätes--l-über ein Trägerelement --2-- ein Vorschubelement--3--befestigt ist, welches erwärmt wird und dabei in vorausberechenbarer Weise seine Länge verändert. Hiebei schiebt sich der Halter--4--und mit ihm die Objektträgermechanik--7--in Pfeilrichtung vor.
(Die Objektträgermechanik selbst ist im einzelnen nicht dargestellt. ) Die bislang besten Resultate erhält man nach Fig. l, wenn man das Wendel--5--einer Glühlampe als Heizelement verwendet und diese im Innern des als Vorschubelement wirkenden Hohlkörpers --3-- aus einem Material mit besonders guten Wärme- und Temperaturleitungseigenschaften anordnet. (Vgl. österr. Patentschrift Nr. 237924 bzw. deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1885691.) Insbesondere ist bei diesem System die thermische Trägheit, welche eine zeitliche Verzögerung der Expansionsbewegung beim Ein-Aus-Schalten des Heizelementes bzw. beim Ändern der Heizleistung bewirkt, sehr gering und bei Schneidezyklen der üblichen Länge zwischen 5 und 15 sec nicht mehr störend.
Im allgemeinen wird der thermische Vorschub gemäss Fig. 1 dadurch geregelt, dass man die Betriebsspannung der Glühbirne mittels eines Potentiometers oder eines Regeltransformators --6-- verändert.
Verglichen mit dem diskontinuierlichen mechanischen Vorschub hat der thermische Vorschub eine höhere Präzision. Dafür müssen bei der üblichen Anordnung nach Fig. 1 zwei Nachteile in Kauf genommen werden, welche bei der praktischen Arbeit unter Umständen stören. Es nimmt nämlich bei steigender Temperatur des Vorschubelementes--3--der Wärmefluss über das Trägerelement --2-- an dem Grundköper die Wärmeabstrahlung sowie die Wärmeabfuhr durch Konvektion der umgebenden Luft stetig zu, bis sich schliesslich diese Verluste asymptotisch der Heizleistung--Ni--annähern und die Vorschubgeschwindigkeit dl/dt gegen 0 geht. Erhöht man dann die Heizleistung auf einen Wert > Ni, so wiederholt sich dieser Vorgang solange bis die Verluste auf N ansteigen, usw.
Man muss demnach bei jedem thermischen Vorschubsystem die Vorschubgeschwindigkeit dl/dt von Zeit zu Zeit durch ein Erhöhen der Heizleistung nachregulieren, wobei das System infolge der stetig steigenden Temperatur immer empfindlicher auf äussere Einflüsse-beispielsweise Luftströmungen-reagiert und schliesslich die Grenze bei der maximalen Heizleistung des Heizelementes erreicht wird. Ebenso störend wie dieses Phänomen ist die Zeitabhängigkeit des Vorschubes, welche dadurch bedingt ist, dass ein Vorschubsystem nach Fig. 1 einen stetigen Vorschub erzeugt. Eine gleichmässige Schnittfolge setzt hiebei vollkommen konstante Umlaufzeiten des Präparates beim Herstellen der Schnitte voraus, wie sie ausschliesslich mit motorbetriebenen Geräten reproduziert werden können.
(Als Umlaufzeit wird diejenige Zeitspanne bezeichnet, welche beim kontinuierlichen Betrieb des Gerätes zwischen der Abnahme eines Schnittes und des nächstfolgenden Schnittes verstreicht. ) Handbetriebene Geräte sind demnach für einen thermischen Vorschub nicht geeignet, weil von Hand aus hinreichend konstante Umlaufzeiten nicht reproduzierbar sind. Auch bei motorbetriebenen Geräten ergeben sich Schwierigkeiten, wenn man aus methodischen Gründen die Bahngeschwindigkeit des Präparates verändern muss und dadurch die Umlaufzeit des Präparates variiert.
"Die aufgeführten Schwierigkeiten lassen sich durch eine stossweise, mit dem Schneidezyklus synchronisierte Beheizung des Vorschubelementes (vgl. USA-Patentschrift Nr. 3, 487, 739 von MURPHY) nicht beheben, da der Wärmefluss vom Vorschubelement zu dem bei diesem System verwendeten massiven Marmorblock eine stetige Längenänderung des Vorschubelementes erzeugt, welche ihrerseits zeitabhängig ist und die Schnittdicke je nach der Länge des Schneidezyklus bzw. der Bahngeschwindigkeit des Präparates wechselnd und kaum reproduzierbar beeinflusst".
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die geschilderten Schwierigkeiten zu reduzieren bzw. auszuschalten. Beispielsweise wurde ein Ultramikrotom mit einem thermischen Vorschub beschrieben, bei dem die Wärmeverluste kompensiert werden. In einem andern thermischen Vorschubsystem werden die Temperaturen durch einen Temperaturfühler in Form eines Messwiderstandes auf der Basis einer Brückenschaltung mit angeschlossenem Verstärker konstant gehalten und durch einen Widerstand in der Brücke eingestellt. Eine mit dem Schneidezyklus gekoppelte Verschiebung des Vergleichswiderstandes soll bei diesem System einen stufenförmigen Anstieg der Temperatur bewirken, wobei jede Stufe einem Schneidezyklus bzw. einem Schnitt entspricht.
Ziel der Erfindung ist es, eine einfachere Eliminierung der oben diskutierten Nachteile des thermischen Systems zu erreichen, ohne dabei von den unterschiedlichen Raum-bzw. Vorschubsystem-Temperaturen und von der Dauer des Schneidezyklus abhängig zu sein. Sie betrifft ein zeitunabhängiges thermisches Vorschubsystem für Ultramikrotome und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorschubelement durch zwei Heizelemente erwärmt wird, von denen das erste in bekannter Weise die Wärmeverluste kompensiert, welche bei einer gegenüber der Umgebung erhöhten Temperatur des Vorschubelementes resultieren, und von denen das zweite eine Temperatursteigerung des Vorschubelementes durch Energieimpulse bewirkt, wobei eine mittelbar oder unmittelbar vom Antriebssystem der Präparatbewegung betätigte Schalteinrichtung die Abgabe einer konstanten Impulszahl pro Schneidezyklus bewirkt.
Besonders einfach ist es, als Heizelemente die Glühdrähte von Glühbirnen, insbesondere die beiden Glühdrähte einer Zweiwendelglühbirne zu verwenden. Erfindungsgemäss wird weiter das Vorschubsystem so ausgestaltet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Vorschubelement und der
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Umgebung, insbesondere zwischen Vorschubelement und einem Trägerelement, welches das Vorschubelement starr mit dem Grundkörper verbindet, zum Steuern des ersten Heizelementes zwecks Kompensation seiner Wärmeverluste erfasst und verwendet wird. Weiters wird erfindungsgemäss das Vorschubelement so ausgeführt, dass die Temperaturdifferenz durch die beiden Lötstellen eines Thermoelementes erfasst wird.
Eine andere erfindungsgemässe Alternative besteht darin, dass die Temperaturdifferenz durch zwei gesonderte Temperaturfühler erfasst wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Vorschubelement von einer Isolation umgeben ist, welche die Wärmeabgabe an die Umgebung durch Konvektion und Strahlung so weit reduziert, dass sie gegenüber der Wärmeableitung zum Träger zu vernachlässigen ist. Dies bringt den Vorteil, dass die Verlustleistung durch Wärmeabgabe praktisch der Temperaturdifferenz proportional wird und dass damit das auftretende Regelproblem sich in einfacher und bekannter Weise lösen lässt. Dies insbesondere, wenn erfindungsgemäss das Vorschubelement durch Konstruktionselemente aus einem Material mit schlechtem Wärmeleitvermögen und einem möglichst geringen Querschnitt starr mit dem Trägerelement verbunden ist, wobei überhaupt nur kleine Verluste entstehen.
Ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 2 in schematischer Darstellung. Wie in Fig. 1 ist der Grundkörper des Ultramikrotoms mit--l--bezeichnet. Auf ihm ist das Trägerelement --2-- in gutem Wärmekontakt starr befestigt. Mit Schrauben--8--aus schlecht wärmeleitendem Cr-Ni-Stahl von relativ kleinem Querschnitt ist an-2-das hohlzylindrische Vorschubelement --3-- montiert, welches in seinem Innern die als Glühlampen ausgebildeten Heizelemente--12 und 13--enthält und über einen-ebenfalls mit
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Trägerelement an allen Stellen praktisch die gleiche Temperatur aufweist, ist es aus einem Material von guter Temperaturleitfähigkeit, z. B. Aluminium, und möglichst massiv ausgebildet.
Das Vorschubelement ist gegen Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion mittels einer Isolation--9--, beispielsweise einem aufgeschäumten Kunststoff, so weit geschützt, dass diese Verluste gegenüber dem durch Wärmeableitung durch das Trägerelement --2-- klein bleiben. Zur Messung der Temperaturdifferenz A T zwischen Vorschubelement und Trägerelement sind zwei Bohrungen vorgesehen, in welche die Lötstellen--10 und 11--eines Thermoelementes eingeführt werden.
Die Signale des Thermoelementes werden einem Regelkreis zugeführt, welcher aus dem Thermoelement selbst, dem Heizelement --13-- und der Regeleinrichtung--14--besteht,
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ist dabei unerheblich, ob die Regeleinrichtung--14--des erfindungsgemässen Systems die Kompensation durch einen stetig fliessenden elektrischen Strom, der durch den Heizwiderstand --13-- fliesst, oder durch Stromimpulse bewirkt. Im Falle einer Impulsheizung kann die mittlere Leistung durch Einzelimpulse konstanter Energie--Ei--bei variabler Impulsfrequenz i oder durch eine konstante Impulsfrequenz y. bei variabler Impulsenergie Ei erreicht werden, wobei die Impulsenergie Ei wieder durch die Impulsdauer bei konstanter Heizspannung oder durch eine Variation der Heizspannung bei konstanter Impulsdauer in bekannter Weise verändert wird.
Soweit die Kompensation durch Heizimpulse erfolgt, ist lediglich Sorge zu tragen, dass die vom
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berechnen, indem man den Energiebetrag für jenen Vorschub A 1 zugrundelegt, der in Form einer Schnittdickenschwankung eben noch toleriert werden kann. Dieser Vorschub A 1 liegt bei Ultramikrotomen in der Grössenordnung von 10 bis 50 AE.
Neben der Thermokompensation umfasst das System einen Impulsvorschub, der auf der linken Bildhälfte der Fig. 2 dargestellt ist. Hier ist an die Netzspannung über einen Schalter-17-, dessen Kontrolle eine Signallampe --18-- gewährleistet, eine Elektronik --19-- angeschlossen, welche mit einem von der Antriebsmechanik gesteuerten Schalter--20--, einem Potentiometer--21--und mit einem zweiten Heizelement-12--, dem Wendel einer zweiten Glühbirne im Vorschubelement-3--, verbunden ist. Der elektronische Impulsgeber --19-- wird durch Betätigen des Schalters --20-- einmal im Laufe eines Schneidezyklus ausgelöst.
Die mittlere Vorschubrate pro Schneidezyklus, d. h. die Schnittdicke --D-- ist im Mittelwert eine Funktion der Energie der abgegebenen Einzelimpulse, wobei diese durch das Potentiometer --21-- verändert werden kann. Auch hier kann das Verändern der Einstellung von--21--eine Veränderung der Impulsenergie entweder durch eine Variation der Impulsdauer oder durch ein Verändern der Impulsspannung bei konstanter Impulsdauer bewirken.
Eine Variation des Ausführungsbeispieles kann darin bestehen, dass sich die beiden Glühdrähte--13 und 12--in einer einzigen"Zweiwendel-Glühlampe"befinden, wie sie beispielsweise häufig für Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen verwendet wird.
Das erfindungsgemässe, innerhalb der technischen Möglichkeiten weitgehend zeitunabhängig arbeitende thermische Vorschubsystem kann in der verschiedensten Weise ausgeführt und mit bekannten Elementen kombiniert werden, ohne seine kennzeichnenden Merkmale einzubüssen. Insbesondere sind das Material, die Form und die Anordnung des Vorschubelementes, der Elemente für die Temperaturmessung sowie des Heizelementes
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ohne Belang, soweit die kennzeichnenden Eigenschaften beibehalten werden. An der Stelle von Glühbirnen können beispielsweise Heizdrähte, an Stelle der Lötstellen --10/11-- des Thermoelementes Widerstandsthermometer verwendet werden.
Es ist unerheblich und allein nach fertigung-un anwendungsbedingten Faktoren zu entscheiden, in welchem Umfang die Regelung mit elektronischen bzw. konventionellen Elementen ausgestattet wird. Es ist im Sinne der Erfindung ohne Belang, ob Schaltelemente als konventionelle Drucktasten- oder Kippschalter, als Mikroschalter oder Lichtschranken bzw. Mikrolichtschranken ausgebildet werden. Es ist weiterhin unerheblich, in welcher Weise das erfindungsgemässe System mit dem zur Schneidebewegung des Präparates notwendigen Antrieb verbunden wird-insbesondere ob und auf welche Weise die elektrischen Schaltelemente von Vorschub und Antrieb gekoppelt werden.
Schliesslich ist die Art der Verbindung zwischen dem Vorschubelement und dem Trägerelement, an dem es befestigt ist, ohne Belang soferne nur der Wärmeübergangswiderstand zwischen Vorschubelement und Trägerelement gross genug ist, um einen zu starken Wärmeabfluss und damit eine zu hohe Verlustleistung auszuschalten.
PATENTANSPRÜCHE :
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Vorschubelement durch zwei Heizelemente erwärmt wird, von denen das erste in bekannter Weise die Wärmeverluste kompensiert, welche bei einer gegenüber der Umgebung erhöhten Temperatur des Vorschubelementes resultieren, und von denen das zweite in ebenfalls bekannter Weise eine Temperatursteigerung des Vorschubelementes durch Energieimpulse bewirkt, wobei eine mittelbar oder unmittelbar vom Antriebssystem der Präparatbewegung betätigte Schalteinrichtung die Abgabe einer konstanten Impulszahl pro Schneidezyklus bewirkt.
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