CH676055A5

CH676055A5 -

Info

Publication number: CH676055A5
Application number: CH2468/88A
Authority: CH
Inventors: Rainer Dr Rer Nat Behrle; Harald Dr Rer Nat Lenski
Original assignee: Dornier System Gmbh
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-11-30
Also published as: FR2619459B1; US5135048A; DE3726809C1; JPS6456398A; FR2619459A1

Description

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CH 676 055 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines einstellbaren Temperaturgradienten zwischen zwei Gebieten mit voneinander verschiedenen Temperaturen auf einer Platte.

Gasphasenkristallzucht-Experimente, wie zum Beispiel die des HgÜ2, stellen hohe Anforderungen an die thermischen Randbedingungen des Systems. Da jedoch während des Experimentverlaufes, beziehungsweise des Kristallwachstums, sich die relevanten Kristallabmessungen von wenigen Millimeter auf mehrere Zentimeter ändern, müssen auch die relevanten thermischen Randbedingungen kontinuierlich mitwachsen. Konkret bedeutet das, dass die gekühlte Fläche, auf der der Kristall wächst, kontinuierlich vergrössert werden muss, während die Umgebung möglichst isotrop auf etwas höherer Temperatur gehalten werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Vorrichtung zu schaffen, die auf einer Platte ein Gebiet höherer Temperatur, ein Gebiet niedrigerer Temperatur und ein dazwischenliegendes Gebiet mit definiertem, regelbaren Temperaturgradienten über lange Zeit aufrecht erhalten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von abhängigen Ansprüchen.

Kern der Erfindung ist die Verwendung eines Tropfens aus einer Flüssigkeit zur Regelung der Temperaturzufuhr oder -abfuhr an einer bestimmten Stelle. Die geometrische Anordnung der zwei Heizquellen oder Kühlelemente und des Tropfens ist beliebig. Bevorzugt sind die Heizquellen oder Kühlelemente jedoch radialsymmetrisch angeordnet, so dass auch der Temperaturgradient radialsymmetrisch von innen nach aussen beziehungsweise von aussen nach innen verläuft. Dies wird am einfachsten dadurch erfüllt, dass das erste Heizelement eine Ringform hat und das zweite Heizelement mit dem Tropfen in der Mitte des Rings angeordnet ist.

Der Tropfen kann in einem bevorzugten Ausführungsmodell aus Ferrofluid bestehen, der von einem Magnetfeld zentriert wird. Das Magnetfeld kann sowohl die Höhe als auch die Breite des Tropfens verändern.

Möglich ist auch die Zentrierung des Tropfens über eine verformbare Haut, die zum Beispiel aus Teflon oder einer anderen temperaturbeständigen Folie besteht, die den Tropfen in die gewünschte Form bringt. Diese Bauform wird bevorzugt in Verbindung mit der untengenannten mechanischen Parallelführung eingesetzt.

in einer Ausführungsform ist es auch möglich, dass der Tropfen allein von seiner Oberflächenspannung in der gewünschten Form gehalten wird.

Dazu ist die Platte zum Beispiel so beschichtet, dass sie die Flüssigkeit in der Mitte (Position des Tropfens) benetzt, darüberhinaus jedoch nicht benetzt.

Die Änderung der Anlagefläche des Tropfens an die Platte kann entweder durch eine Volumenänderung des Tropfens erfolgen, wozu zum Beispiel eine einfache Pumpe vorgesehen werden kann, oder sie erfolgt durch eine Abstandsänderung der Auflagefläche des Tropfens gegenüber der Platte. Die einfachste Ausführung ist hier eine Parallelführung, die den Tropfen von unten an die Platte hebt und damit je nach Spaltgrösse die Anlagefläche des Tropfens an der Platte verändert.

Für den Tropfen können zum Beispiel folgende Werkstoffe Verwendung finden: Flüssigmetall, Weichlot, Gallium oder Quecksilber.

Die Platte besteht bevorzugt aus einem Werkstoff, dessen Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit des Tropfens. Als besonders wirtschaftlich hat sich Glas erwiesen. Möglich ist ebenso die Verwendung temperaturbeständiger Kunststoffe oder von Keramiken.

Die Erfindung eignet sich ausser für Gaspha-senkristallzucht-Experimente auch für andere materialwissenschaftliche Experimente, bei denen ein Temperaturgradient erforderlich ist. Beide Experimentarten lassen sich sowohl unter Normalbedingungen als auch unter Mikro-Gravitation, zum Beispiel im Weltraum, durchführen.

Die Erfindung wird anhand dreier Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 und 2 je eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Schnitt,

Figur 3 eine schematische Darstellung von zwei gewünschten Temperaturgradienten.

Figur 1 zeigt eine Ausführung für ein Gaspha-senkristallzucht-Experiment. An einer Säule S befinden sich zwei Parallelführungen PF. Die obere Parallelführung hält die Platte P, die hier aus Glas besteht und auf der das Experiment stattfindet. An der Unterseite der Platte P ist auf ihrem Umfang das ringförmige Heizelement H1 angeordnet. Über der Platte P befindet sich ein Halter HA für Temperaturfühler und ein Isothermalschild TS zur Abschirmung und Verminderung der Wärmeverluste. An der unteren Paralielführung befindet sich der Montagefuss MF, der über eine Teflonisolation TI die Auflagefläche AF und die Heizeinrichtung H2, hier ein Folienheizelement, trägt. Auf der Auflagefläche AF befindet sich ein Tropfen TR aus Flüssigmetall, der in dieser Ausführung von einer Teflonhaut zusammengehalten wird.

Das Aussengebiet der Platte P wird auf der Temperatur T1 des Heizelements H1 gehalten, die Mitte der Platte über das Folienheizelement H2 und den Tropfen TR auf der Temperatur des Heizelements H2. Dadurch entsteht ein radialsymmetrischer Temperaturgradient von der Mitte der Platte P nach aussen. Für Kristallzucht-Experimente empfiehlt sich, dass die Temperatur T2 in der Mitte kälter ist als die Temperatur T1 aussen.

Die Erfindung ist auch für Experimente verwendbar, bei der die Temperatur aussen niedriger ist als innen oder für Experimente bei denen es weniger auf die Heizung als auf ein Kühlen ankommt.

Figur 2 zeigt ein ähnliches Experiment, bei dem über die Paralellführung PF wiederum die Platte P mit dem Heizelement H1 und der Montagefuss MF mit der Auflagefläche AF, dem Heizelement H2 und

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dem Tropfen TR gehalten wird. In dieser Ausführung besteht der Tropfen TR aus einem Ferrofluid, das vom Magneten M und einem Loch in der Mitte zentriert wird. Bei dieser Ausführung kann die Grösse der Anlagefläche des Tropfens TR an die Platte P ebenso wie bei der vorher gezeigten Ausführung durch Abstandsänderung mittels der Parallelführung PF geändert werden. Ein Zusammenführen der Auflagefläche AF des Tropfens mit der Platte P führt zu einer Verbreiterung des Tropfens.

Figur 3 zeigt schematisch, welche Temperaturverteilung (Temperatur T) bei einem Gasphasenkri-stallzucht-Experiment auf der Platte (Radius R) einzustellen ist. Die ausgezeichnete Linie zeigt den gewünschten Temperaturverlauf am Beginn des Experiments, die gestrichelte Linie zeigt ihn am Ende des Experiments. Da der Kristall K während des Experiments wächst, - von Kb auf Ke - soll auch seine Basis und damit das Gebiet der niedrigen Temperatur breiter werden. Dies gelingt durch Vergrösse-rung der Anlagefläche des Tropfens TR an der Platte P.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines einstellbaren Temperaturgradienten zwischen zwei Gebieten mit voneinander verschiedenen Temperaturen auf einer Platte (P), gekennzeichnet durch a) ein erstes Heizelement (H1) oder Kühlelement zum Einstellen der ersten Temperatur auf einem Gebiet der Platte (P),

b) einen Tropfen (TR), dessen Anlagefläche an der Platte (P) einstellbar ist und der eine Flüssigkeit enthält, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Platte (P) hat,

c) ein zweites Heizelement (H 2) oder Kühlelement zum Einstellen der zweiten Temperatur im Tropfen (TR).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (H1) oder Kühlelement Ringform hat und der Tropfen (TR) in dessen Mitte an der Platte (P) anliegt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Tropfen (TR) aus einem Ferrofluid, der von einem Magnetfeld (M) zentriert wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine plastische Haut, die dem Tropfen (TR) die gewünschte Form gibt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeit, deren Oberflächenspannung zur Ausbildung eines Tropfens (TR) mit mehr als 10 mm Durchmesser ausreicht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe zur Volumenänderung der Flüssigkeitsmenge des Tropfens (TR).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mechanische Versteileinrichtung, zum Beispiel eine Parallelführung (PF), zur Änderung der Auflagefläche des

Tropfens (TR).

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Tropfens (TR) aus Flüssigmetall.

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