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Die
Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren
mindestens eines Sensors in einer kryostatischen Anlage, mit einem
Stempel und mindestens einem Sensor, sowie eine kryostatische Anlage
mit einer Vakuumkammer, einer Kühlvorrichtung
und einer in die Vakuumkammer hineinragenden Warmbohrung.
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In
der magnetischen Kryo-Messtechnik, die mit supraleitenden Quanteninterferrometern (SQUIDs)
als hochempfindliche magnetische Sensoren arbeitet, ist für ein ausreichendes
Signal-Rausch-Verhältnis
(signal to noise ratio, SNR) die reproduzierbare Positionierung
der Sensoren möglichst
nahe am zu untersuchenden Objekt erforderlich, das sich in der Regel
außerhalb
des Kryostaten bei Raumtemperatur befindet.
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Die
Sensoren selbst sind in einem Dewar-Gefäß angeordnet, das mit einem
Kühlmittel, beispielsweise
flüssigem
Helium oder flüssigem Stickstoff,
gefüllt
ist. Die Sensoren sollen dabei möglichst
einfach in das Dewar-Gefäß einführbar und
entnehmbar sein, um beispielsweise defekte Sensoren schnell austauschen
zu können.
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Dies
wird beispielsweise durch die Verwendung eines Messstabes als Positioniervorrichtung
für Sensoren
erreicht. Dabei werden die benötigten
Sensoren an einem En de des Messstabes fixiert und dann über ein
vertikales Zugangsrohr mit dem Stab von oben in den Kryostaten eingeführt. Das
zu vermessende Messobjekt befindet sich in dieser Ausgestaltung
unterhalb des Kryostaten. Am den Sensoren abgewandten Ende des Messstabes
befindet sich eine Flanschvorrichtung, mit der der Messstab am Kryostaten
fixiert wird.
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Nachteilig
ist, dass es mit einem solchen Messstab nicht möglich ist, Sensoren beispielsweise unterhalb
einer in den Kryostaten hineinragenden horizontalen Warmbohrung
anzuordnen. Eine horizontale Warmbohrung wird beispielsweise verwendet, um
industrielle pharmakologische Untersuchungen an Versuchstieren durchzuführen. Zwischen
der Warmbohrung und dem Innenraum des Dewar-Gefäßes, der mit Kühlmittel
gefüllt
ist, ist eine innere Vakuumkammer angeordnet, die den Innenraum
der Warmbohrung von dem mit Kühlmittel
gefüllten
Innenraum des Dewar-Gefäßes thermisch
isoliert.
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Bei
einem solchen Versuchsaufbau sind die meisten Positionen um die
horizontale Warmbohrung herum mit einer in Form eines Messstabes
ausgebildeten Positioniervorrichtung nicht zugänglich. So sind mit einem von
oben eingeführten
Messstab beispielsweise keine Sensoren unterhalb der Warmbohrung
oder um die Warmbohrung herum anzuordnen.
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Eine
Möglichkeit
zur Positionierung von Sensoren um die Warmbohrung herum ist das
Einfügen der
Sensoren in eine Schaumstoffmasse. Dabei werden die Sensoren in
die Masse gesteckt, die dann um die Warmbohrung, bzw. um die die
Warmbohrung umgebende innere Vakuumkammer, herum angeordnet wird.
Die tatsächliche
Sensorposition wird durch Messung bestimmt (Kalibrierung) und entsprechend in
den Auswertungen berücksichtigt.
Die Genauigkeit ist dabei stark von der verwendeten Kalibriermethode abhängig.
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Der
Schaumstoff kann jedoch nicht einfach durch beispielsweise ein Zugangsrohr
in den ansonsten verschlossenen Kryostaten eingeführt werden. Der
Schaumstoff muss um die Warmbohrung herum angeordnet werden, solange
der Kryostat geöffnet und
die Warmbohrung frei zugänglich
ist. Erst nachdem der Schaumstoff um die Warmbohrung herum positioniert
ist, wird der Kryostat geschlossen, das Kühlmittel eingefüllt und
die zur Isolation verwendeten Vakuen aufgebaut. Nach dem Einfüllen des
Kühlmittels
befinden sich die Sensoren auf Betriebstemperatur. Erst dann kann
die Funktionstüchtigkeit
der Sensoren überprüft werden.
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Stellt
sich heraus, dass ein Sensor beispielsweise defekt ist oder sich
nicht in einer optimalen Position zum Messobjekt befindet, kann
der Schaumstoff mit den darin enthaltenen Sensoren nicht einfach
aus dem Kryostaten entnommen werden. Dazu müssen die isolierenden Vakuen
belüftet,
das Kühlmittel
entnommen und der Kryostat geöffnet
werden. Dies ist sehr zeit- und damit kostenaufwändig.
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Aus
der
DE 198 40 652
A1 ist ein Kryostat mit SQUID-Sensoren bekannt, der jedoch
keine Warmbohrung aufweist und bei dem sich daher das oben geschilderte
Problem nicht stellt.
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Aus
der
DE 195 45 742
A1 ist ein SQUID-System mit einer oberen Befestigungsvorrichtung
bekannt, die jedoch ebenfalls nicht für Kryostat mit einer Wahrbohrung
vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung
für die
Positionierung mindestens eines Sensors in einer kryostatischen Anlage
so zu verbessern, dass auch Positionen um eine Warmbohrung herum
einfach und reproduzierbar zugänglich
sind und die Wartung und der Austausch einzelner Sensoren schnell
und einfach möglich
ist.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe dadurch, dass am Stempel einer gattungsgemäßen Positioniervorrichtung
eine Kette mit einer Mehrzahl von Gliedersegmenten gelagert ist,
wobei ein erstes Gliedersegment am Stempel gelagert ist und jeder
Sensor an einem Gliedersegment angebracht ist.
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Eine
erfindungsgemäße Positioniereinrichtung
ist so ausgebildet, dass sie beispielsweise durch ein Zugangsrohr
in eine kryostatische Anlage einführbar ist. Beim Einführen trifft
das letzte Gliedersegment, das das dem Stempel entgegen gesetzte Ende
der Kette bildet, als erstes auf die die Warmbohrung umschließende innere Vakuumkammer. Dieses
Gliedersegment gleitet an der inneren Vakuumkammer ab und wird von
den nachfolgenden Gliedersegmenten um die innere Vakuumkammer herum geschoben.
Ist die Positioniervorrichtung ganz in die kryostatische Anlage
eingeführt,
liegt vorteilhafterweise der Stempel auf der inneren Vakuumkammer auf
und die Gliedersegmente umschließen die Warmbohrung.
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Somit
ermöglicht
die Erfindung eine reproduzierbare Positionierung von Sensoren im
Kryostaten, obwohl kein direkter gradliniger Zugang zur Messposition
gegeben ist.
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Im
Falle eine Defekts oder eines Umbaus des experimentellen Aufbaus
kann die Positioniervorrichtung einfach aus der kryostatischen Anlage entnommen
werden. Ein defekter oder auszutauschender Sensor kann durch die
modulare Anordnung der Sensoren auf Gliedersegmenten einfach ersetzt
werden.
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In
einer kryostatischen Anlage können
Sensoren zur Messung verschiedener Messgrößen, beispielsweise der Temperatur
oder des Magnetfeldes, Verwendung finden. Zur Messung minimaler
magnetischer Flüsse
werden beispielsweise so genannte SQUIDs (superconducting quantum
interference device) verwendet. Dabei macht man sich einen Quanteneffekt
zunutze, der in einem supraleitenden Ring mit Josephson-Kontakten
auftritt. Jeder Sensor ist dabei an einem einzigen Gliedersegment
angebracht. Auch mehrere Sensoren an einem Gliedersegment sind denkbar.
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Vorteilhafterweise
ist die Bewegung der Gliedersegmente der Kette relativ zueinander
nur in einer Ebene möglich.
Dabei sind beispielsweise, ähnlich einer
Fahrradkette, zwei miteinander verbundene Gliedersegmente relativ
zueinander nur um eine gemeinsame Schwenkachse schwenkbar, eine
Translationsbewegung auf einander zu oder von einander weg ist jedoch
ausgeschlossen. Dadurch wird bewirkt, dass beim Einführen der
Positioniervorrichtung ein jedes Gliedersegment von dem nachfolgenden
in Umfangsrichtung der Warmbohrung weiter geschoben wird und nicht
etwa seitlich ausbrechen kann.
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Vorzugsweise
weist das letzte Gliedersegment, das das dem ersten Gliedersegment
und dem Stempel entgegen gesetzte Ende der Kette bildet, ein Verbindungselement
auf, mit dem es mit dem Stempel verbindbar ist. Dabei kann entweder
der Stempel oder das letzte Gliedersegment beispielsweise eine Verbindungsnase
aufweisen, die in eine am jeweils anderen Bauteil dafür vorgesehene
Ausnehmung eingreift.
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Vorteilhaft
ist, wenn das Verbindungselement im mit dem Stempel verbundenen
Zustand die Bewegung des letzten Gliedersegmentes relativ zum Stempel
nur in einer Richtung senkrecht zu der von der Kette definierten
Ebene einschränkt.
Die von der Kette definierte Ebene entsteht, wenn die Kette mit dem
Stempel an zwei Stellen verbunden ist.
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Weist
beispielsweise das letzte Gliedersegment eine Verbindungsnase und
der Stempel eine entsprechende Aussparung auf, kann die Verbindungsnase
beispielsweise durch Hineingleiten in die Aussparung mit dieser
in Eingriff gebracht werden. In diesem Zustand ist ein Verschwenken
des letzten Gliedersegmentes relativ zum Stempel um eine gemeinsame
Schwenkachse sowie ein Herausgleiten der Verbindungsnase in eine
zum Hineingleiten entgegen gesetzte Richtung weiterhin möglich, eine
Bewegung in Richtung der Schwenkachse wird jedoch verhindert. Die
geschlossene Kette ist dann O-förmig und
stets in einer Ebene angeordnet.
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Eine
erfindungsgemäße kryostatische
Anlage umfasst eine oben beschriebene Positioniervorrichtung, wobei
die Gliedersegmente im Dewar-Gefäß um die
die Warmbohrung umgebende innere Vakuumkammer herum angeordnet sind.
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Da
die Gliedersegmente mit den auf ihnen montierten Sensoren um die
innere Vakuumkammer herum angeordnet sind, weisen die Sensoren eine definierte
und reproduzierbar einstellbare Position zum auszumessenden Objekt
innerhalb der Warmbohrung auf.
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Vorteilhafterweise
ist um die innere Vakuumkammer herum ein eine radiale Bewegung der
Gliedersegmente verhinderndes Radialführungselement angeordnet, das
beispielsweise eine magnetische Schirmung ist. Dabei meint eine
radiale Bewegung eine Bewegung senkrecht zu einer Längsachse
der Warmbohrung, also radial nach außen oder radial nach innen.
Die Gliedersegmente befinden sich zwischen der die Warmbohrung zur
Isolierung umschließenden
inneren Vakuumkammer und dem Radialführungselement. Dadurch wird
die Position der Gliedersegmente weiter fixiert und der Einfluss
mechanischer Schwingungen auf die Position der Sensoren und damit
auf das Messergebnis gedämpft.
Die Gliedersegmente können
dazu spezielle Federelemente aufweisen, mit denen sie an dem Radialführungselement
anliegen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, ist das
Radialführungselement
bei spielsweise als magnetische oder elektrische Schirmung ausgebildet,
so dass störende
Einflüsse
anderer Felder als der zu messenden abgeschirmt werden.
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Dieser
Aufbau ist zudem unanfällig
gegen Vibrationen einer Pumpe, die zur Aufrechterhaltung der isolierenden
Vakuen benötigt
wird.
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Vorzugsweise
weist die Anlage eine axiale Bewegung der Gliederelemente verhinderndes
Axialführungselement
auf. Eine axiale Bewegung meint in diesem Fall eine Bewegung parallel
zu einer Längsachse
der Warmbohrung. Im Fall einer geschlossenen Kette ist entspricht
eine axiale Bewegung eines Gliedersegments einer Bewegung aus der
von der Kette definierten Ebene heraus.
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Um
die Gliedersegmente und die auf ihnen montierten Sensoren in ihrer
Position fixiert zu halten, wird die axiale Bewegung der Segmente
durch das Axialführungselement
verhindert. Dies geschieht beispielsweise durch Führungsschienen,
die radial außen
auf der die Warmbohrung zur Isolation umschließenden inneren Vakuumkammer
oder radial innen am Radialführungselement
angebracht sind. Vorzugsweise umfasst die kryostatische Anlage eine Kombination
beider Möglichkeiten.
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Vorzugsweise
umfasst die Anlage ein Zugangsrohr, durch welches die Positioniereinrichtung in
den Kryostaten einführbar
ist.
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Nachdem
die Gliedersegmente beim Einführen
der Positioniervorrichtung an der inneren Vakuumkammer anliegen,
ist eine Bewegung des Gliedersegmentes in radialer oder axialer
Richtung relativ zur Längsachse
der Warmbohrung beispielsweise durch verschiedene Führungselemente
oder die spezielle Form der Gliedersegmente und ihrer Verbindung
verhindert. Beim weiteren Einführen
der Positioniervorrichtung in das Zugangsrohr schieben sich die
Gliedersegmente um die innere Vakuumkammer herum.
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Bevorzugt
ist die Kette so ausgebildet dass sie genau dann genau einmal um
die gesamte Warmbohrung herum verläuft, wenn der Stempel auf die Wand
trifft, die die innere Vakuumkammer umgibt. Die Kette steht dann
bevorzugt mit dem Verbin dungselement am letzten Gliedersegment ist
mit dem Stempel in Eingriff. Vorzugsweise wird dabei eine Bewegung
des letzten Gliedersegmentes relativ zum Stempel in axialer Richtung
relativ zur Längsachse der
Warmbohrung verhindert, eine Bewegung in Umfangsrichtung der Warmbohrung
ist aber weiter möglich.
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Wird
die Positioniervorrichtung nach dem Einführen abgekühlt, kommt es zu einer Längenkontraktion
der Positioniervorrichtung und die Kette wird kürzer. Dadurch, dass das letzte
Gliedersegment auch im mit dem Stempel verbundenen Zustand relativ
zum Stempel in Umfangsrichtung der Warmbohrung beweglich am Stempel
angeordnet ist, kann der Eingriff zwischen letztem Gliedersegment
und Stempel gelöst
werden. So wird verhindert, dass die Kette durch die Längenkontraktion
beim Abkühlen
Druck auf die Warmbohrung ausübt.
Auf diese Weise werden Belastungen der Warmbohrung durch temperaturbedingte
Spannungen verhindert. Gleichzeitig stabilisiert die Verbindung
des letzten Gliedersegmentes mit dem Stempel die Kette in axialer
Richtung und erhöht
die Stabilität
und Reproduzierbarkeit der Sensorpositionen.
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Vorzugsweise
ist das Zugangsrohr im Wesentlichen senkrecht zur Warmbohrung angeordnet. Auf
diese Weise werden das Einführen
der Positioniervorrichtung und das Herumlegen der Gliedersegmente
um die Warmbohrung vereinfacht.
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Im
Folgenden wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt
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1 eine
kryostatische Anlage ohne Positionierungsvorrichtung,
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2 einen
Ausschnitt aus einer kryostatischen Anlage mit Positioniervorrichtung,
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
der Positioniervorrichtung und
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4 ein
Gliedersegment.
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1 zeigt
eine kryostatische Anlage mit einem Kryostaten 1, in dem
sich eine horizontale Warmbohrung 2 befindet. Der Innenraum
der Warmbohrung 2 befindet sich auf Zimmertemperatur. Um die
Warmbohrung 2 von einem sie umgebenden Kaltraum 3 thermisch
zu isolieren, ist die Warmbohrung 2 von einer inneren Vakuumkammer 4 umgeben.
Um diese herum ist eine magnetische Schirmung 5 angeordnet.
Um den Kaltraum 3 thermisch von dem die kryostatische Anlage
umgebenden Labor zu isolieren, ist der Kaltraum 3 mit einer äußeren Vakuumkammer 6 umgeben.
Der gesamte Kaltraum 3, zu dem auch das von der magnetischen
Schirmung 5 umschlossene Volumen gehört, wird vollständig mit einem
Kühlmittel,
beispielsweise flüssigem
Stickstoff oder Helium, gefüllt.
Das Innere der magnetischen Schirmung 5 ist über ein
Zugangsrohr 7 von außen zugänglich.
Bei der in 1 dargestellten Versuchsanordnung
sind die meisten Sensorpositionen, die sich um die Warmbohrung 2 herum
befinden, durch einen herkömmlichen
Messstab, an dessen unterem Ende sich zu positionierende Sensoren
befinden, nicht zugänglich.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus einer kryostatischen Anlage. Gezeigt ist die
horizontale Warmbohrung 2, die von der inneren Vakuumkammer 4 umgeben
ist. Radial außen
schließt
sich die magnetische Schirmung 5, deren Innenraum durch
ein vertikales Zugangsrohr 7 zugänglich ist. In dieses Zugangsrohr 7 ist
eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 8 eingeführt worden.
Zu erkennen ist ein Stempel 9, an dem eine Kette mit einer
Mehrzahl von Gliedersegmenten 10 gelagert ist. Jedes die ser
Gliedersegmente 10 kann einen Sensor oder mehrere Sensoren,
die in 2 nicht gezeigt sind, tragen.
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Während des
Einführens
der Positioniervorrichtung 8 durch das vertikale Zugangsrohr 7 trifft
zunächst
ein letztes Kettenglied auf die die Warmbohrung 2 umschließende innere
Vakuumkammer 4. Es wird aus der vertikalen Bewegung abgelenkt
und schiebt sich durch weiteres Einführen der Positioniervorrichtung 8 in
das Zugangsrohr 7 um die innere Vakuumkammer 4 herum.
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Trifft
am Ende des Einschiebevorgangs der Stempel 9 auf die innere
Vakuumkammer 4, liegt die Kette aus Gliedersegmenten 10 einmal
um die Warmbohrung 2 herum zwischen der radial äußeren Wand
der inneren Vakuumkammer 4 und der magnetischen Schirmung 5.
Die in diesem Fall von der magnetischen Schirmung 5 erfüllte Aufgabe,
die Gliedersegmente 10 nah an der Warmbohrung 2 zu
halten, kann auch von einer elektrischen Schirmung oder einem Radialführungselement übernommen werden.
Sind zumindest einige der Gliedersegmente 10 mit SQUID-Sensoren zur hochempfindlichen
Bestimmung eines Magnetfeldes bestückt, bietet sich eine magnetische
Schirmung 5 an, um den störenden Einfluss externer Magnetfelder
auszuschließen.
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3 zeigt
den letzten Abschnitt des Einführens
der Positioniervorrichtung 8 in das vertikale Zugangsrohr 7 der
kryostatischen Anlage. Beim Einführen
der Positioniervorrichtung 8 schiebt sich die Kette aus
Gliedersegmenten 10 in Richtung eines Pfeiles 11 um
die die Warmbohrung 2 isolierende innere Vakuumkammer 4.
Dabei wird die Kette aus Gliedersegmenten 10 von der magnetischen
Schirmung 5 geführt.
Ein radiales Ausbrechen in Richtung einer Längsachse L der Warmbohrung 2 ist
durch die spezielle Ausgestaltung der Gliedersegmente 10,
auf die später
näher eingegangen
werden wird, nicht möglich.
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Das
letzte Gliedersegment 10 weist ein Verbindungselement,
das in 3 durch eine Führungsnase 12 gebildet
ist, auf. Im Stempel 9 der Positioniervorrichtung 8 ist
eine zur Führungsnase 12 korrespondierend
ausgebildete Aussparung 13 vorgesehen. Trifft der Stempel 9 beim
Einführen
der Positioniervorrichtung 8 in das vertikale Zugangsrohr 7 auf die
innere Vakuumkammer 4 schiebt sich die Führungsnase 12 in
die dafür
im Stempel 9 vorgesehen Aussparung 13. Die Kette
aus Gliedersegmenten 10 liegt dann einmal um die innere
Vakuumkammer herum. Die Kette liegt dann in einer Ebene, die senkrecht
zur Längsachse
L verläuft.
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Durch
die Führungsnase 12 und
die Aussparung 13 ist eine axiale Bewegung der Gliedersegmente 10 parallel
zur Längsachse
L der Warmbohrung 2 unmöglich.
Eine radiale Bewegung der Gliedersegmente 10 wird dadurch
verhindert, dass die Gliedersegmente 10 an der magnetischen
Schirmung 5 anliegen. Lediglich eine Bewegung der Gliedersegmente 10 in
Umfangsrichtung entlang des Pfeils 11 oder in entgegengesetzter
Richtung ist weiterhin möglich.
So wird verhindert, dass die durch das starke Abkühlen der
Positioniervorrichtung 8 hervorgerufene thermische Längenänderung
der Gliedersegmente 10 einen Druck auf die innere Vakuumkammer 4 bzw.
die darin liegende Warmbohrung 2 ausübt.
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Durch
die stabile Fixierung der Gliedersegmente 10 und der daran
befestigten Sensoren wird der Einfluss etwaiger mechanischer Schwingungen, die
beispielsweise durch an die innere und äußere Vakuumkammer 4, 6 angeschlossenen
Pumpen hervorgerufen werden, verringert.
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4 zeigt
ein Gliedersegment 10. Dieses Gliedersegment 10 wird über ein
erstes und zweites Verbindungselement 14, 15 mit
anderen Gliedersegmenten 10 verbunden. Durch die spezielle
Ausgestaltung des ersten und zweiten Verbindungselementes 14, 15 können aneinander
gelagerte Gliedersegmente 10 nur um eine durch die verbundenen
Verbindungselemente verlaufende Schwenkachse gegeneinander verschwenkt
werden. Eine Bewegung miteinander verbundener Gliedersegmente 10 in
andere Richtungen ist nicht möglich.
Dadurch wird die aus diesen Gliedersegmenten 10 bestehende
Kette stabilisiert und die Position der auf den Gliedersegmenten 10 befestigten
Sensoren reproduzierbar. Das Gliederelement 10 in 4 weist
ein Federelement 16 auf, mit dem das Gliedersegment 10 an
der Innenseite der magnetischen Schirmung 5 anliegt. Durch die
Verwendung eines Federelementes 16 werden mechanische Schwingungen,
die von der von der magnetischen Schirmung 5 oder anderen
Bauteilen der kryostatischen Anlage auf die Gliedersegmente 10 übertragen werden
könnten,
gedämpft.
Dies hat eine erhebliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur Folge.
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- 1
- Kryostat
- 2
- Warmbohrung
- 3
- Kaltraum
- 4
- Innere
Vakuumkammer
- 5
- Magnetische
Schirmung
- 6
- Äußere Vakuumkammer
- 7
- Zugangsrohr
- 8
- Positioniervorrichtung
- 9
- Stempel
- 10
- Gliedersegment
- 11
- Pfeil
- 12
- Führungsnase
- 13
- Aussparung
- 14
- Erstes
Verbindungselement
- 15
- Zweites
Verbindungselement
- 16
- Federelement