DE102004058565B4

DE102004058565B4 - Scanmikroskop

Info

Publication number: DE102004058565B4
Application number: DE102004058565.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Birk Holger; Dr. Storz Rafael; Dirk-Oliver Fehrer; Claus Kress
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2024-12-04
Also published as: JP2006113593A; JP2014052660A; DE102004058565A1; JP6359269B2

Abstract

Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung (1), einer Detektionseinrichtung (2), einer Elektronik (3) zum Betreiben des Scanmikroskops und einer Kühleinrichtung (4) für die Scaneinrichtung (1) und die Detektionseinrichtung (2), wobei die Kühleinrichtung (4) mit einem flüssigen Kühlmedium betreibbar ist, wobei die Kühleinrichtung (4) ein oder mehrere an zu kühlende Stellen der Scaneinrichtung (1) und der Detektionseinrichtung (2) angekoppelte Module oder Kühlmodule (6) aufweist und wobei das oder die Module oder Kühlmodule (6) mittels des Kühlmediums durchströmbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung, einer Detektionseinrichtung, einer Elektronik zum Betreiben des Scanmikroskops und einer Kühleinrichtung für die Scaneinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung.
Scanmikroskope der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt. Die bekannten Scanmikroskope weisen insbesondere eine Scaneinrichtung, eine Detektionseinrichtung und eine Elektronik zum Betreiben des Scanmikroskops auf. Aufgrund sich während des Betriebs erwärmender Komponenten weisen bekannte Scanmikroskope häufig eine Kühleinrichtung für mindestens eine Komponente des Scanmikroskops auf. Bekannte Kühleinrichtungen arbeiten üblicherweise mit Luft als Kühlmedium. Vereinzelt werden zur Kühlung von Detektoren der Detektionseinrichtung auch zusätzlich Peltier-Elemente eingesetzt.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Kühlleistung mit den bekannten Kühleinrichtungen häufig nicht ausreicht. Insbesondere im Bereich von Galvanometern der Scaneinrichtung und insbesondere bei schneller Zeilenablenkung können Leistungen > 10W entstehen. Bei ungenügender Kühlung können Schäden an einzelnen Komponenten des Scanmikroskops durch Überhitzung entstehen. Werden weiterhin Photomultiplier als Detektoren der Detektionseinrichtung verwendet, so entsteht Abwärme durch die Hochspannungsversorgung und Spannungsteiler der Dynoden. Hierbei wird das erzielbare Signal/Rausch-Verhältnis durch eine Erhöhung der Detektortemperatur stark verschlechtert.
Aus der US 5 708 371 A ist ein Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung, einer Detektionseinrichtung, einer Elektronik zum Betreiben des Scanmikroskop und einer Kühleinrichtung für eine Probe bekannt.
Aus der US 2004/0113059 A1 ist ein Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung, einer Detektionseinrichtung, einer Elektronik zum Betreiben des Scanmikroskops und einer Kühleinrichtung bekannt, wobei die Kühleinrichtung zur Kühlung einer als Detektionseinrichtung verwendeten CCD-Kamera dient. Die Art der Kühlung der CCD-Kamera wird in diesem Dokument nicht weiter erläutert.
Die US 2004/0188602 A1 zeigt ein Scanmikroskop mit einem gekühlten CCD-Array, wobei die Kühlung mittels flüssigem Stickstoff erfolgt. Weitere Details hinsichtlich der Kühlung sind in diesem Dokument nicht beschrieben.
Aus der JP H11- 271 663 A ist ebenfalls ein Scanmikroskop bekannt.
Die US 5 920 457 A zeigt eine Vorrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte. Dabei sind entlang einer Kühlleitung 230 mehrere Kühlplatten 220 angeordnet, die mit einem zu kühlenden elektronischen Gerät in Kontakt gebracht werden können.
Die US 5 181 382 A zeigt einen Mikroskopständer, bei dem ein Mikroskoptisch gekühlt werden kann. Hierzu ist eine Kühleinrichtung am Tisch montiert, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden kann. Von einer Kühleinrichtung für eine Scaneinrichtung und/oder eine Detektionseinrichtung eines Scanmikroskops ist hier nicht die Rede.
Des Weiteren zeigt die DE 201 02 017 U1 eine Kühleinrichtung für eine Objektaufnahmeplattform - Tisch oder Fuß - eines Mikroskops.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Scanmikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine besonders flexible und effektive Kühlung unterschiedlicher Komponenten mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.
Die voranstehende Aufgabe ist durch ein Scanmikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Scanmikroskop der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Kühleinrichtung mit einem flüssigen Kühlmedium betreibbar ist, dass die Kühleinrichtung ein oder mehrere an zu kühlende Stellen der Scaneinrichtung und der Detektionseinrichtung angekoppelte Module oder Kühlmodule aufweist und dass das oder die Module oder Kühlmodule mittels des Kühlmediums durchströmbar sind.
Derartige Module oder Kühlmodule können Wärme von den zu kühlenden Komponenten abführen, an die die Module oder Kühlmodule unter Erzeugung eines möglichst gut leitenden Wärmeübergangs angekoppelt sind.
Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop ein Scanmikroskop bereitgestellt, bei dem eine effiziente Kühlung mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.
Die Kühleinrichtung könnte zur Kühlung unterschiedlicher Komponenten des Scanmikroskops dienen. Da insbesondere im Bereich von Galvanometern der Scaneinrichtung, die zum Ablenken von Scanspiegeln dienen, eine starke Erwärmung auftreten kann, die letztendlich zu Überhitzungsschäden führen kann, könnte die Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens eines Galvanometers und zwar insbesondere im Bereich der Zeilenablenkung der Scaneinrichtung ausgebildet sein.
Zusätzlich hierzu ist die Kühleinrichtung zur Kühlung der Detektionseinrichtung ausgebildet. Hierbei ist insbesondere eine Kühlung eines oder mehrerer Photomultiplier günstig, die als Detektoren der Detektionseinrichtung eingesetzt werden können. Derartige Photomultiplier weisen üblicherweise Hochspannungsversorgungen und Spannungsteiler der Dynoden auf, die sich stark erwärmen. Letztendlich ist hierdurch eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses im Bereich der Detektionseinrichtung ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich könnte die Kühleinrichtung zur Kühlung der Elektronik ausgebildet sein, wobei sich hier insbesondere die Kühlung eines AD-Wandlers und/oder eines Microcontrollers anbietet, die üblicherweise während des Betriebs Abwärme erzeugen. Auch hier lässt sich einerseits eine Schonung der Komponente vor schädigender Überhitzung und andererseits die Entstehung eines wärmebedingten Rauschens vermeiden.
Zur Kühlung der Komponenten könnten die Komponenten einen oder mehrere Kanäle zur Durchströmung mittels des Kühlmediums aufweisen. In diesem Fall nimmt das Kühlmedium Wärme von den Komponenten direkt über das durchströmende Kühlmedium auf. Diese Wärme wird dann in geeigneter Weise mittels des Kühlmediums abgeführt. Mit anderen Worten sind hierzu die zu kühlenden Komponenten in geeigneter Weise mit einem oder mehreren Kanälen auszubilden.
Im Konkreten könnte die Scaneinrichtung und/oder das mindestens eine Galvanometer und/oder die Zeilenablenkung und/oder die Detektionseinrichtung und/oder der Photomultiplier und/oder die Elektronik und/oder der AD-Wandler und/oder der Microcontroller und/oder ein Gehäuse oder Sockel der genannten Komponenten und/oder ein Gehäuse oder Sockel einer anderen Komponente des Scanmikroskops einen oder mehrere Kanäle zur Durchströmung mittels des Kühlmediums aufweisen.
Zur Bereitstellung einer besonders leistungsfähigen und vielseitigen Kühleinrichtung könnte die Kühleinrichtung mit einer Peltier-Kühlung kombiniert sein. Dabei könnte die Kühleinrichtung derart ausgebildet sein, dass wahlweise ein Betrieb entweder der Kühleinrichtung mit dem flüssigen Kühlmedium oder der Peltier-Kühlung oder ein gleichzeitiger Betrieb beider Kühlungen realisierbar ist. Ein Benutzer könnte hier je nach Anwendungsfall die geeignete Form der Kühlung wählen.
Im Hinblick auf eine sichere Abführung von Abwärme des Scanmikroskops könnte die Kühleinrichtung einen vorzugsweise externen Kühlmedium-Luft-Wärmetauscher aufweisen. Zur Realisierung eines besonders kompakten Scanmikroskops könnte die Kühleinrichtung jedoch auch einen im Scanmikroskop oder in einem Scankopf angeordneten Wärmetauscher aufweisen. Hierbei ist auf den jeweiligen Anwendungsfall und auf die erforderliche Kühlleistung abzustellen.
Zur Gewährleistung einer sicheren Strömung des Kühlmediums zu den zu kühlenden Bereichen des Scanmikroskops könnte die Kühleinrichtung eine Kühlmedium-Pumpe aufweisen. Die Kühlmedium-Pumpe könnte derart ausgestaltet sein, dass die Durchflussmenge des Kühlmediums mittels der Kühlmedium-Pumpe einstellbar oder vorgebbar ist.
Hinsichtlich qualitativ besonders hochwertiger Messergebnisse könnte die Kühlmedium-Pumpe schwingungsarm oder schwingungsfrei sein. Hierdurch wäre vermieden, dass durch die Kühlmedium-Pumpe verursachte Schwingungen auf eine Probe oder einzelne Komponenten des Scanmikroskops oder auf das gesamte Scanmikroskop in störender Weise übertragen werden.
Im Konkreten könnte hierzu eine Membranpumpe verwendet werden, die einerseits schwingungsarm oder schwingungsfrei ist und andererseits eine lange Lebensdauer aufweist. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnten zusätzliche Dämpfer zur Verbesserung der Eigenschaften vorgesehen sein.
Das oder die Module oder Kühlmodule könnte oder könnten aus Metall ausgebildet sein, wobei hier vorzugsweise Kupfer verwendet werden könnte. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass das Material, aus dem die Module oder Kühlmodule hergestellt sind, eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zur Vermeidung einer Kontaktspannung könnten alle Module oder Kühlmodule aus dem gleichen Material hergestellt sein. Letztendlich könnten nur gleiche Materialien im Kühlkreislauf verwendet werden. Insbesondere könnten ein Kühler und ein Wärmetauscher aus dem gleichen Metall ausgebildet sein, um Kontaktspannungen über das Kühlmedium zu verhindern.
Der Vorteil einzelner Module oder Kühlmodule besteht unter anderem darin, dass die Module oder Kühlmodule sehr flexibel einsetzbar sind. Dabei könnten die Module oder Kühlmodule bei unterschiedlichen Anwendungen an unterschiedlichen Orten und zu kühlenden Stellen angeordnet werden. Hierzu könnten das oder die Module oder Kühlmodule an den zu kühlenden Stellen ankoppelbar oder montierbar und/demontierbar sein, ohne dass ein durch das Kühlmedium gebildeter Kühlkreislauf der Kühleinrichtung unterbrochen werden muss. Hierdurch ist eine besonders hohe Flexibilität der Kühleinrichtung bereitgestellt.
Im Konkreten könnte die Kühleinrichtung einen oder mehrere Schläuche oder eine oder mehrere Schlauchverbindungen aufweisen. Hierdurch ist eine flexible und individuelle Gestaltung der Kühleinrichtung - auf den jeweiligen Anwendungsfall und auf das jeweilige Mikroskop abgestimmt - ermöglicht. Insbesondere ist hierdurch eine individuelle und flexible Anordnung unterschiedlicher Module oder Kühlmodule ermöglicht. Als besonders geeignete Schläuche können Silikon-Schläuche verwendet werden. Zur Vermeidung einer Algenbildung und/oder eines Algenwuchses könnte oder könnten der oder die Schläuche oder Schlauchverbindungen oder Vorratsgefäße abgedunkelt oder in einem abgedunkelten Bereich angeordnet sein. Dabei könnten die zuvor genannten Komponenten auch mittels einer Abdeckeinrichtung abgedeckt sein.
Weiterhin im Hinblick auf eine besonders flexible Ausgestaltung der Kühleinrichtung könnte die Kühleinrichtung selbstschließende Kupplungen aufweisen. Hierdurch ist bei einer Umgestaltung der Kühleinrichtung und bei einem Austausch von bspw. Modulen oder Kühlmodulen ein ungewünschtes Austreten des Kühlmediums aus der Kühleinrichtung vermieden.
Im Hinblick auf eine sichere Funktion der Kühleinrichtung und zur Vermeidung der Ansammlung von Fremdkörpern, Fremdstoffen und dergleichen könnte die Kühleinrichtung einen Filter aufweisen. Der Filter könnte an geeigneter Stelle im Kühlkreislauf, vorzugsweise im Bereich einer Kühlmedium-Pumpe, angeordnet sein.
Als besonders preiswertes und problemlos handhabbares Kühlmedium könnte als Kühlmedium Wasser verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Kühlmedien denkbar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung könnte das Kühlmedium Zusatzstoffe, insbesondere zur Erhöhung der Wärmekapazität, zur Verhinderung von Algenwachstum, zur Verhinderung von Korrosion und/oder zur Gefrierpunktserniedrigung aufweisen. Hierbei ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen. Insbesondere für einen Transport des Scanmikroskops oder der Kühleinrichtung könnte ein Zusatzstoff zur Gefrierpunktserniedrigung in das Kühlmedium beigemischt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop könnte insbesondere bei Verwendung verschiedener, austauschbarer Galvanometer der Scaneinrichtung ein Kühlkörper oder ein Kühlmodul aufgrund flexibler Schläuche mitbewegt werden. Hierdurch ist eine besonders flexible Verwendung des Scanmikroskops bereitgestellt.
Mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Kühleinrichtung könnte ein luft- und damit auch weitgehend schalldichtes Gehäuse des Mikroskops auf einfache Weise realisiert werden. Wesentliche Komponenten der Kühleinrichtung können dabei außerhalb des Gehäuses des Scanmikroskops oder außerhalb eines Scankopfs angeordnet werden. Des Weiteren wird der Eintrag von Staub und Verschmutzungen aufgrund der Vermeidung bewegter Kühlluft signifikant reduziert.
Bei dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop kann beispielsweise eine Kühlleistung realisiert werden, bei der 50W im Scankopf mit einer Temperaturdifferenz von < 10°K bei einem Durchfluss von < 1 Liter/Minute abgeführt werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanmikroskops anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanmikroskops anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige

Fig. in einer schematischen Darstellung ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel eines Scanmikroskops mit einer Kühleinrichtung.

Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung ein Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung 1, einer Detektionseinrichtung 2, einer Elektronik 3 zum Betreiben des Scanmikroskops und einer Kühleinrichtung 4 für mindestens eine Komponente des Scanmikroskops. Im Hinblick auf eine besonders effiziente Kühlung arbeitet die Kühleinrichtung 4 mit einem flüssigen Kühlmedium.
Die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigte Kühleinrichtung 4 ist zur Kühlung der Elektronik 3 ausgebildet. Die Kühleinrichtung 4 könnte jedoch auch zur Kühlung der Scaneinrichtung 1 oder der Detektionseinrichtung 2 oder einer anderen beliebigen Komponente des Scanmikroskops ausgebildet sein.
Die Kühleinrichtung 4 weist eine Kühlmedium-Pumpe 5 zum Zirkulieren des Kühlmediums auf, das im vorliegenden Fall Wasser aufweist. Die Kühleinrichtung 4 weist ein an die Elektronik 3 ankoppelbares Kühlmodul 6 auf, das mit dem Kühlmedium durchströmt ist und die durch die Elektronik 3 erzeugte Wärme abführt.
Die Kühleinrichtung weist mehrere Schläuche 7 auf, die zwischen dem Kühlmodul 6 und einem Gehäuse der Kühleinrichtung 4 verlaufen. In dem Gehäuse der Kühleinrichtung 4 ist ein Wärmetauscher vorgesehen.
Das Scanmikroskop weist einen Laser 8 als Lichtquelle und ein Prisma 9 zur spektralen Auffächerung und Detektion bspw. eines von einer Probe reflektierten Lichtstrahls auf. Des Weiteren weist das Scanmikroskop ein Objektiv 10 auf. Der Übersichtlichkeit halber ist in der einzigen Figur kein Strahlengang eines Beleuchtungs- und/oder Detektionslichtstrahls eingezeichnet.
Kühlmodule 6 können an unterschiedliche Komponenten des Scanmikroskops angekoppelt werden. Hierbei ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Scanmikroskops wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Claims

Scanmikroskop mit einer Scaneinrichtung (1), einer Detektionseinrichtung (2), einer Elektronik (3) zum Betreiben des Scanmikroskops und einer Kühleinrichtung (4) für die Scaneinrichtung (1) und die Detektionseinrichtung (2), wobei die Kühleinrichtung (4) mit einem flüssigen Kühlmedium betreibbar ist, wobei die Kühleinrichtung (4) ein oder mehrere an zu kühlende Stellen der Scaneinrichtung (1) und der Detektionseinrichtung (2) angekoppelte Module oder Kühlmodule (6) aufweist und wobei das oder die Module oder Kühlmodule (6) mittels des Kühlmediums durchströmbar sind.
Scanmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung (4) zur Kühlung mindestens eines Galvanometers der Scaneinrichtung (1) ausgebildet ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 2, wobei die Kühleinrichtung (4) zur Kühlung der Zeilenablenkung ausgebildet ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühleinrichtung (4) zur Kühlung eines Photomultipliers ausgebildet ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kühleinrichtung (4) zur Kühlung der Elektronik (3) oder eines AD-Wandlers und/oder eines Microcontrollers ausgebildet ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Scaneinrichtung (1) und/oder das mindestens eine Galvanometer und/oder die Zeilenablenkung und/oder die Detektionseinrichtung (2) und/oder der Photomultiplier und/oder die Elektronik (3) und/oder der AD-Wandler und/oder der Microcontroller und/oder ein Gehäuse oder Sockel der genannten Komponenten und/oder ein Gehäuse oder Sockel einer anderen Komponente des Scanmikroskops einen oder mehrere Kanäle zur Durchströmung mittels des Kühlmediums aufweist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühleinrichtung (4) mit einer Peltier-Kühlung kombiniert ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kühleinrichtung (4) einen Kühlmedium-Luft-Wärmetauscher aufweist.
Scanmikroskop nach Anspruch 8, wobei der Kühlmedium-Luft-Wärmetauscher ein externer Kühlmedium-Luft-Wärmetauscher ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kühleinrichtung einen im Scanmikroskop angeordneten Wärmetauscher aufweist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kühleinrichtung (4) eine Kühlmedium-Pumpe (5) aufweist.
Scanmikroskop nach Anspruch 11, wobei die Kühlmedium-Pumpe (5) schwingungsarm oder schwingungsfrei ist.
Scanmikroskop nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Kühlmedium-Pumpe (5) eine Membranpumpe ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das oder die Module oder Kühlmodule (6) aus Metall-ausgebildet sind.
Scanmikroskop nach Anspruch 14, wobei das Metall Kupfer ist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei alle Module oder Kühlmodule (6) zur Vermeidung einer Kontaktspannung aus dem gleichen Material hergestellt sind.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das oder die Module oder Kühlmodule (6) an den zu kühlenden Stellen ankoppelbar oder montierbar und/oder demontierbar sind, ohne dass ein Kühlkreislauf der Kühleinrichtung (4) unterbrochen werden muss.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Kühleinrichtung (4) einen oder mehrere Schläuche (7) oder Silikon-Schläuche oder eine oder mehrere Schlauchverbindungen aufweist.
Scanmikroskop nach Anspruch 18, wobei der oder die Schläuche (7) oder Schlauchverbindungen oder Vorratsgefäße zur Vermeidung von Algenbildung und/oder -wuchs abgedunkelt oder in einem abgedunkelten Bereich angeordnet sind.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Kühleinrichtung (4) selbstschließende Kupplungen aufweist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Kühleinrichtung (4) einen Filter aufweist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Kühlmedium Wasser aufweist.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Kühlmedium Zusatzstoffe aufweist.
Scanmikroskop nach Anspruch 23, wobei die Zusatzstoffe zur Erhöhung der Wärmekapazität, zur Verhinderung von Algenwachstum, zur Verhinderung von Korrosion und/oder zur Gefrierpunktserniedrigung dienen.
Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Scanmikroskop ein konfokales Scanmikroskop ist.