-
Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturvorrichtung nach Patentanspruch 1.
-
Solche Tieftemperaturvorrichtungen werden in der Tieftemperaturphysik eingesetzt, z. B. zur Entwicklung und zum Betrieb von Sensoren, die auf Tieftemperatureffekten wie Supraleitung basieren, oder um Tieftemperatureffekte (z. B. Quanteneffekte) zu studieren. Die bekannten Tieftemperaturvorrichtungen weisen einen Kaltkopf auf, der den Probenhalter, auf dem eine zu untersuchende Probe oder ein Sensor befestigt ist, auf die gewünschte Temperatur abkühlt. Der Kaltkopf und der Probenhalter sind in einem Tieftemperaturbehälter (Dewar), der häufig mindestens ein Untersuchungsfenster, durch welches die Probe einsehbar ist, aufweist, angeordnet. Häufig sind zwischen Tieftemperaturbehälter, welcher sich auf Raumtemperatur befindet, und dem kalten Probenhalter noch ein oder mehrere Strahlungsschilde angeordnet. Diese befinden sich auf unterschiedlichen, nach außen in Richtung des Tieftemperaturbehälters hin ansteigenden, Temperaturen und schirmen so den Probenhalter gegen Wärmestrahlung ab. Solche Strahlungsschilde sind notwendig um Temperaturen im Bereich unterhalb 10 K zu erreichen.
-
Temperaturen bis ca. 4 K werden inzwischen üblicherweise mit mechanischen Kühlern wie Gifford McMahon Kühlern oder Pulsrohrkühlern erzeugt. Um tiefere Temperaturen zu erreichen, sind Techniken wie die adiabatische Entmagnetisierung, 3 He/4 He Mischkühler, Joule Thompson Kühler, 4 He Sorptionskühler und 3 He Verdampfungskühler in Kombination mit Pulsrohrkühlem als Vorkühlung bekannt.
-
Pulsrohrkühler erzeugen aufgrund Ihrer Funktionsweise Vibrationen, die für gewisse Anwendungen störend sind, oder manche Anwendungen schwierig oder unmöglich machen. In der
DE 20 2004 018 469 U1 wird eine schwingungsdämpfende thermische Kopplung zwischen dem Kaltkopf und der Probe vorgeschlagen. Auf diese Weise werden die Vibrationen des Kaltkopfes, die durch die Längenänderung des Pulsrohrkühlers aufgrund der Oszillationen des Drucks des Arbeitsgases entstehen, eliminiert oder zumindest stark gedämpft.
-
Jedoch werden auch auf den Tieftemperaturbehälter (Dewar) Vibrationen übertragen, z. B. durch angeschlossene Kompressoren, Pumpen, Trittschall oder ähnliches. Für sehr vibrationsempfindliche Anwendungen muss der Probenhalter deshalb auch von den Vibrationen des Dewars entkoppelt werden. In der
DE 10 2007 028 865 B3 wird eine Tieftemperaturvorrichtung beschrieben, bei der die mindestens eine Untersuchungsöffnung flexibel mit dem Tieftemperaturbehälter verbunden ist. Diese Untersuchungsöffnung ist zudem starr mit dem Probenhalter, welcher wiederum eine flexible Verbindung zum Kaltkopf aufweist, verbunden. Diese Lösung erlaubt zwar eine Vibrationsentkopplung sowohl vom Kaltkopf als auch vom Dewar, ist jedoch in dem Fall wenn mehr als zwei Untersuchungsöffnungen nötig oder gewünscht sind sehr aufwändig und teuer. Zudem wird durch die dann nötigen zahlreichen starren Verbindungen zwischen den Untersuchungsfenstern (auf Raumtemperatur) und dem Probenhalter (je nach Kühltechnik zwischen 300 und < 10 mK) die thermische Isolierung des Probenhalters gegenüber den Untersuchungsfenstern immer schlechter. Eine höhere intrinsische Wärmelast durch die Tieftemperaturvorrichtung auf den Kaltkopf beeinträchtigt jedoch die tiefste erreichbare Temperatur und/oder die der Anwendung (z. B. zu untersuchende Probe oder Tieftemperatursensor) zur Verfügung stehende Kühlleistung. Da bei diesen tiefen Temperaturen üblicherweise nur geringe Kühlleistungen zur Verfügung stehen, ist die intrinsische Wärmelast unbedingt zu minimieren.
-
Aus der
DE 689 14 733 T2 ist eine Anordnung zum Charakterisieren von Halbleitern durch Hoch-Resolution-Elektro-Lumineszenz bei niedriger Temperatur bekannt, bei der der Tieftemperaturbehälter mehrere Untersuchungsfenster aufweist, der Probenhalter fest mit einem Kaltkopf verbunden ist und eine auf die Probe gerichtete Spiegeloptik in einer xy-Ebene bewegbar ist.
-
-
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte Tieftemperaturvorrichtung anzugeben, die die im Stand der Technik bestehenden Nachteile vermeidet und die es erlaubt, den Probenhalter von den Vibrationen sowohl des Kaltkopfes sowie des Tieftemperaturbehälters zu entkoppeln, und die Möglichkeit bietet, den Probenhalter mechanisch an eine außerhalb des Tieftemperaturbehälters angeordnete Vorrichtung zu koppeln, und damit die Position des Probenhalters relativ zu mindestens einem im Tieftemperaturbehälter angebrachten Untersuchungsfenster zu verändern.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
-
Der Tieftemperaturbehälter weist ein oder mehrere Untersuchungsfenster auf, durch welche von außerhalb des Tieftemperaturbehälters elektromagnetische Strahlung aus unterschiedlichen Richtungen direkt auf die Probe aufgebracht und/oder von der Probe emittierte Strahlung detektiert werden kann.
-
Dadurch, dass die starre Kopplung vom Probenhalter an ein Fixierelement keinen Raum für einen Strahlengang freihalten muss, kann sie im Vergleich zur aus dem Stand der Technik bekannten Lösung sehr klein bzw. dünn ausgeführt werden. Dies führt zu einer verbesserten thermischen Entkopplung des Probenhalters vom Tieftemperaturbehälter, was zu einer stark verringerten intrinsischen Wärmelast auf den Probenhalter und damit auf den Kaltkopf der Kühleinrichtung führt. Dadurch steht für die Tieftemperaturanwendung eine höhere Kühlleistung und/oder eine tiefere Temperatur zur Verfügung. Der Probenhalter ist zudem sowohl von den Vibrationen der Kühleinrichtung als auch der des Tieftemperaturbehälters entkoppelt, zumindest erfolgt eine starke Dämpfung.
-
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 1 können mit geringem konstruktiven Aufwand ein oder mehrere Untersuchungsfenster vorgesehen werden, durch die die Probe von außerhalb des Tieftemperaturbehälters einsehbar ist. Der Begriff einsehbar ist hier sehr breit zu verstehen und umschreibt, dass elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs direkt von außerhalb des Tieftemperaturbehälters auf die Probe gelangen und/oder von ihr detektiert werden kann. Selbstverständlich muss das Material der Untersuchungsfenster entsprechend dem gewünschten Wellenlängenbereich gewählt werden. Auch der Begriff Probe ist hier sehr breit zu verstehen. Er umfasst Materialproben, Sensoren jeder Art sowie beliebig komplexe experimentelle Aufbauten.
-
Die Untersuchungsfenster können somit auf einfache Weise so angeordnet werden, dass der direkte Zugang der elektromagnetischen Strahlung zur Probe aus den unterschiedlichsten Richtungen, eingeschlossen schräg (d. h. in einem beliebigen Winkel zwischen 0° und 90° zur Horizontalen) von oben oder unten, erfolgen kann. Zudem können die Untersuchungsfenster beliebig groß ausgeführt werden, ausreichende mechanische Stabilität des für die Untersuchungsfenster verwendeten Materials vorausgesetzt.
-
Der Probenhalter ist starr mit einer Vorrichtung außerhalb des Tieftemperaturbehälters verbunden. Mit anderen Worten ist die Probe somit mechanisch fest mit einer Vorrichtung außerhalb des Tieftemperaturbehälters verbunden und dabei mechanisch von der Tieftemperaturvorrichtung annähernd entkoppelt.
-
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 1 kann die Position des Probenhalters relativ zu dem mindestens einen Untersuchungsfenster mittels einer weiteren Vorrichtung verändert werden, wodurch es beispielsweise möglich ist, die Probe zu scannen. Zudem ist es möglich, definierte Schwingungen auf die Probe aufzubringen.
-
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 1 kann die Position des Probenhalters mittels einer weiteren Vorrichtung von außerhalb des Tieftemperaturbehälters durch eine Bewegung des mindestens einen Fixierelements relativ zum Tieftemperaturbehälter, verändert werden.
-
Mit der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird der Probenhalter starr mit eine vibrationsgedämpften, bzw. vibrationsarmen, Unterlage, insbesondere einem optischen Tisch verbunden. Dadurch kann die zu untersuchende Probe frei von Schwingungen, insbesondere der von der Kühleinheit und damit verbundenen Geräten wie Pumpen erzeugten Schwingungen, gehalten werden. Untersuchungseinrichtungen, die durch ein oder mehrere Untersuchungsfenster freien optischen Zugang zur Probe haben, können ebenfalls auf der vibrationsarmen Unterlage befestigt sein. Damit sind Probe und Untersuchungseinrichtungen auf dem gleichen, von der Kühleinrichtung entkoppelten, Vibrationsniveau.
-
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist innerhalb des Tieftemperaturbehälters mindestens ein Strahlungsschild zur thermischen Abschirmung der auf dem Probenhalter befestigten Probe angeordnet. Vorteilhafterweise sind mehrere Strahlungsschilde, die auf unterschiedlichen, nach innen kälter werdenden, Temperaturen gehalten werden, innerhalb des Tieftemperaturbehälters angeordnet.
-
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist das mindestens eine Untersuchungsfenster für Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig. Die Strahlung ist dabei durch das mindestens eine Untersuchungsfenster direkt zu der auf dem Probenhalter befestigten Probe führbar, um optische Untersuchungen, insbesondere von auf der vibrationsarmen Unterlage angeordneten Untersuchungseinrichtungen von außerhalb des Tieftemperaturbehälters zu ermöglichen. Es besteht somit eine Art „Sichtverbindung” für Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich von außerhalb des Tieftemperaturbehälters. Auch ist es denkbar die Untersuchungsfenster in Form von Blenden auszuführen, um Atom- oder Molekülstrahlen von außerhalb des Tieftemperaturbehälters zur Probe oder von ihr führen zu können. Dies kann anstatt oder zusätzlich zur elektromagnetischen Strahlung vorgesehen sein.
-
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist das mindestens eine Untersuchungsfenster aus einem Material hergestellt, welches über die gesamte Fläche des mindestens einen Untersuchungsfensters einen für die Strahlung homogenen Brechungsindex besitzt. Dadurch wird der Strahlengang von den Untersuchungseinrichtungen zur Probe nicht durch ein Vibrieren des Tieftemperaturbehälters – und damit der Untersuchungsfenster – beeinflusst. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn die Untersuchungseinrichtungen und der Probenhalter starr mit der selben vibrationsarmen Unterlage verbunden sind.
-
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird gewährleistet, dass die starren Verbindungen zwischen dem Probenhalter und dem mindestens einen Fixierelement optimal auf hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitiger niedriger thermischer Leitfähigkeit ausgelegt werden können. Jede beliebige Kombination aus einem Hohlprofil, eines Vollmaterials, eines Kompositmaterials, eines schaumartigen oder porösem Vollmaterials, eines Fachwerks bestehend aus Vollmaterial und/oder Hohlprofilen und/oder Profilen und verspannten Fäden ist dabei denkbar.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung sind den nachfolgenden Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsformen und den Zeichnungen zu entnehmen.
-
Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung.
-
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, mit der Möglichkeit auf einfache Weise mehrere Probenhalter starr mit dem Fixierelement zu verbinden.
-
3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit Fixierelementen am Boden des Tieftemperaturbehälters.
-
4a–c verschiedene Ausführungsformen der starren Verbindung zwischen Probenhalter und Fixierelementen.
-
Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Tieftemperaturvorrichtung (100) umfasst einen Tieftemperaturbehälter (101) in Form eines Dewars und eine Kühleinrichtung (102) mit einem Kaltkopf (103) der über eine thermische Kopplung (105) mit einem Probenhalter (104) verbunden ist. Die thermische Kopplung (105) ist flexibel ausgestaltet, um eine Vibrationsentkopplung, oder zumindest eine starke Dämpfung der Vibrationen, zwischen dem Probenhalter (104) und dem Kaltkopf (103) zu erreichen. Beispielsweise kann die thermische Kopplung mit einer Litze, eines oder mehrerer Drähte oder einer oder mehreren dünnen Folien eines thermisch gut leitenden Materials, wie z. B. Kupfer, ausgeführt sein. Auch eine spezielle Behandlung, insbesondere Wärmebehandlung wie Tempern, ist möglich, um die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des verwendeten Materials zu verbessern. Um die thermische Isolierung des Probenhalters (und damit der Probe) zu verbessern, ist innerhalb des Dewars ein Strahlungsschild (111) angeordnet. Bevorzugt ist das Strahlungsschild (111) mit einem weiteren Kaltkopf (113) der Kühleinrichtung, der eine höhere Temperatur als der Kaltkopf (103) bereitstellt, thermisch verbunden. Der Probenhalter (104) ist über ein mechanisch starres Verbindungselement (108) mit dem mindestens einen Fixierelement (109) verbunden. Dieses Fixierelement (109) ist flexibel mit dem Tieftemperaturbehälter (101) verbunden, um eine Vibrationsentkopplung, oder zumindest eine starke Dämpfung der Vibrationen, zwischen dem Fixierelement (109) und dem Tieftemperaturbehälter (101) zu erreichen. Diese flexible Verbindung (110) kann z. B. durch einen Faltenbalg erreicht werden. Das Verbindungselement (108) kann ein oder mehrere Kopplungselemente (107) aufweisen, die thermisch an das Strahlungsschild (111) gekoppelt sind. Diese thermische Kopplung (106) ist wie die thermische Kopplung (105) flexibel ausgeführt. Weiterhin umfasst der Tieftemperaturbehälter (101) mindestens ein Untersuchungsfenster (121). Ein Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit auf einfache, d. h. auf konstruktiv unaufwendige und kostengünstige Weise mehrere Untersuchungsfenster (121) vorzusehen, um von mehreren verschieden Seiten und/oder unterschiedlichen Richtungen von außerhalb des Tieftemperaturbehälters einen direkten optischen Zugang zur Probe zu ermöglichen.
-
Das Fixierelement (109) kann über eine Vorrichtung (131) starr mit einer vibrationsarmen Unterlage (130) verbunden werden, an der auch Untersuchungseinrichtungen (132) angebracht sein können, die über die Untersuchungsfenster einen direkten optischen Zugang zu der zu untersuchenden Probe haben. Die Vorrichtung (131) kann auch dergestalt sein, dass sie über ein Verschieben des Fixierelements gegenüber dem Tieftemperaturbehälters die Position des Probenhalters - und damit auch der Probe – gegenüber der Untersuchungsfenster (121) und gegebenenfalls auch gegenüber den Untersuchungseinrichtungen (132) verändern kann. Dabei bleiben Probenhalter, Probe, Fixierelement und Untersuchungseinrichtungen stets auf dem Vibrationsniveau der vibrationsarmen Unterlage (130) und entkoppelt von den Vibrationen des Tieftemperaturbehälters (101) und der Kühleinrichtung (102).
-
Es ist offensichtlich, dass der Probenhalter (104) über gegebenenfalls mehrere Verbindungselemente (108) auch mit mehreren Fixierelementen (109) verbunden werden kann. Naheliegend wäre eine Ausführung mit zwei gegenüber liegenden Fixierelementen, aber auch drei oder beliebig viele gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilte Fixierelemente, die möglicherweise in der Hochachse der Tieftemperatureinrichtung auch auf unterschiedlichen Ebenen liegen können, sind denkbar.
-
Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden werden nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Gleiche Komponenten werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und nicht noch einmal erläutert.
-
Bei dieser Ausführungsform sind zwei Fixierelemente, eines (109) am Boden und ein weiteres (109') an der Oberseite des Tieftemperaturbehälters (101), mit einem senkrechten Verbindungselement (218) verbunden. An diesem ist der Probenhalter (104) über des Verbindungselement (108) starr angebracht. Mit Vorteil kann bei dieser Ausführungsform auf konstruktiv einfache und platzsparende Weise durch das senkrechte Verbindungselement (218) die gesamte mechanische Verbindung zwischen Probenhalter (tiefste Temperatur) und Dewar (Raumtemperatur) sehr lang gestaltet werden, was sich besonders vorteilhaft auf die thermische Isolation des Probenhalters auswirkt. Mit anderen Worten kann somit die intrinsische Wärmelast auf einfache Weise minimiert werden. Zudem ist es bei dieser Ausführung besonders einfach möglich, einen oder mehrere weitere Probenhalter (214) starr mit den Fixierelementen (109, 109') zu verbinden. Diese weiteren Probenhalter können über weitere flexible thermischen Kopplungen (215) mit weiteren Kaltköpfen (213) der Kühleinrichtung (102) verbunden werden. Diese weiteren Kaltköpfe können sich auf anderen Temperaturniveaus befinden, z. B. bei Verwendung eines zweistufigen Pulsrohrkühlers bei ca. 4 K und/oder ca. 60 K.
-
Offensichtlich können auch zwei, drei, oder mehr senkrechte Verbindungselemente mit zugehörenden Fixierelementen vorgesehen sein, um die mechanische Stabilität der starren Verbindung vom Probenhalter zu den Fixierelementen zu erhöhen. Bei einer Version mit drei, vom Probenhalter aus gesehen jeweils im Winkel von 120° zueinender angebrachten, senkrechten Verbindungselementen wäre auch eine Verbindung (108) mittels verspannten Fäden denkbar.
-
Bei dieser Ausführungsform ist es möglich den Probenhalter mittels des mindestens einen unteren Fixierelements (109) und/oder mittels des mindestens einen oberen Fixierelements (109') mit der Vorrichtung (131) zu verbinden
-
3 zeigt eine dritte Ausführungsform, auch hier wird nur auf die Unterschiede zu den ersten beiden Ausführungsformen eingegangen.
-
Bei dieser Ausführungsform sind die Fixierelemente am Boden des Dewars angebracht, das Kopplungselement (307) ist als Boden des Strahlungsschildes ausgeführt. Dies gewährleistet einen großzügigen Probenraum und ungehinderten optischen Zugang zur Probe in der y-z-Ebene. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist ein einfacher mechanischer Aufbau und gute Zugangsmöglichkeiten zum Probenhalter bzw. zur Probe.
-
4 zeigt verschiedene Möglichkeiten für den Aufbau der Verbindungselemente (108, 218, 318). Als Material dafür eignet sich grundsatzlich jeder thermisch schlecht leitende Werkstoff mit ausreichender mechanischer Stabilität.
-
4a zeigt eine Ausführung mit einem Rohr oder einem beliebigen Hohlprofil, die sehr einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
-
In 4b ist die konstruktiv etwas aufwendigere Alternative mit ineinander geschachtelten Hohlprofilen mit unterschiedlichen Durchmessern gezeigt. Diese hat den jedoch Vorteil, dass dadurch das Verbindungselement effektiv länger wird und damit eine bessere thermische Isolation bietet.
-
4c zeigt eine Ausführung mit einem Vollmaterial, einem Kompositmaterial, einem schaumartigen oder porösen Vollmaterial, die sehr einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
-
4d zeigt eine weitere Ausführung mit einem Fachwerk aus beliebigen Profilen, Stangen Vollmaterial, Hohlprofilen und/oder verspannten Fäden. Mit einem solchen Aufbau lässt sich hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig minimaler thermischer Leitfähigkeit erreichen, da sich durch die Konstruktion als Fachwerk Materialien mit sehr kleinen Querschnitten einsetzen lassen.
-
Es ist offensichtlich, dass sich sämtliche hier beschriebenen Möglichkeiten bei der Ausführung der Verbindungselemente (108, 218, 318) beliebig kombinieren lassen.
-
Selbstverständlich ist der hier beschriebene Aufbau unabhängig von der Anzahl der Kühlstufen und der Art der eingesetzten Kühltechniken. Die Kühleinrichtung kann also beliebig viele Kühlstufen aufweisen, die wiederum flexibel oder starr miteinander verbunden sein können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Tieftemperaturvorrichtung
- 101
- Tieftemperaturbehälter (Dewar)
- 102
- Kühleinrichtung
- 103
- Kaltkopf
- 104
- Probenhalter
- 105
- thermische Kopplung
- 106
- thermische Kopplung
- 107
- Kopplungselement
- 108
- Verbindungselement
- 109
- Fixierelement
- 110
- flexible Verbindung
- 111
- Strahlungsschild
- 113
- weiterer Kaltkopf
- 121
- Untersuchungsfenster im Tieftemperaturbehälter
- 120
- Untersuchungsfenster im Strahlungsschild
- 130
- vibrationsarme Unterlage
- 131
- Vorrichtung
- 132
- Untersuchungseinrichtung
- 214
- Probenhalter
- 215
- thermische Kopplung
- 218
- senkrechtes Verbindungselement
- 307
- Kopplungselement
- 318
- Verbindungselement
