DE102012101469A1

DE102012101469A1 - Wandfreie Klimakammer für einen akustischen Levitator

Info

Publication number: DE102012101469A1
Application number: DE201210101469
Authority: DE
Inventors: Moritz-Caspar Schlegel; Klaus-Jürgen Wenzel; Adnan Sarfraz; Manfred Hirsch
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: DE102012101469B4

Abstract

Zusammenfassend wird eine Vorrichtung und/oder Mischkammer zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, umfassend einen Gaseinlass (6) und eine Gasaustrittsöffnung (4), wobei diese so angeordnet ist, dass ein aus der Gasaustrittsöffnung (4) ausleitbares Atmosphärengas in einer Richtung strömt, die durch eine Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert wird, und wobei laminar strömend ausleitbares Atmosphärengas den Probenraum (3) in Form eines äußeren Hüllstromes ummantelt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer levitierten Probe vorgeschlagen, umfassend: – Anordnen einer Gasaustrittsöffnung außerhalb des Probenraumes eines akustischen Levitators; und – Ausbilden eines zumindest abschnittsweise laminar strömenden Hüllstroms eines Atmosphärengases oder Gasgemisches, der den Probenraum (3) wandfrei ummantelt; wobei die Richtung einer laminaren Strömung des Hüllstroms parallel zu einer zentralen Längsachse (8) des Levitators verläuft. Ebenso wird ein Kit zur Nachrüstung eines akustischen Levitators vorgeschlagen, umfassend eine Vorrichtung mit zumindest einem Gaseinlass (6), der mit einer Gasaustrittsöffnung (4) verbunden ist, wobei die Gasaustrittsöffnung (4) so bemessen ist, dass sie einen Transducer (1) oder einen Reflektor (2) des Levitators zumindest teilweise in dessen Längsrichtung aufnehmen kann, und wobei eine beim zumindest teilweisen Aufnehmen gebildete Ringschlitzdüse so angepasst ist, dass ein unter geeignetem Druck ausströmendes Atmosphärengas im wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines Probenraums des Levitators geleitet werden kann, wenn die Vorrichtung zumindest abschnittsweise formschlüssig mit dem Levitator verbunden ist und das ausströmende Gas einen den Probenraum des Levitators umgebenden Hüllstrom ausbildet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der kontaktfreien Probenmanipulation und betrifft die Klimatisierung flüssiger oder fester Proben, die berührungslos mittels akustischer Levitation gehalten werden.
Der Begriff der akustischen Levitation umfasst den physikalischen Hintergrund, relativ geringe Massen bzw. Volumina eines Materials innerhalb einer stehenden Ultraschallwelle frei schwebend halten zu können. Die Attraktivität des Prinzips der akustischen Levitation ergibt sich aus dem Vermeiden jedweder Wechselwirkung mit einem wie auch immer gearteten Probenträger. Die in Knotenpunkten der stehenden Welle gefangene Probe hat keinerlei Kontakt zu einem Probengefäß.
Das eröffnet die Möglichkeit, feste oder flüssige Proben frei zugänglich und ohne den Einfluss einer Gefäßwandung untersuchen bzw. prozessieren zu können.
Konventionelle Ansätze zur Klimatisierung einer mittels akustischer Levitation gehaltenen Probe erschöpfen sich in der Verwendung des Levitators im Inneren einer klimatisierten Kammer. Daraus ergibt sich einerseits ein vergleichsweise hoher apparativer Aufwand und andererseits eine geringe Flexibilität bei der Modifizierung einzelner Klimafaktoren. Insbesondere können die bis zum Erreichen eines stabilen Zustandes erforderlichen Zeitspannen unvertretbar groß sein, so dass zeitabhängige Untersuchungen der Probe nur eingeschränkt oder überhaupt nicht möglich sind.
Die Einsatzmöglichkeiten bekannter und kommerziell verfügbarer Livatatoren könnten jedoch wesentlich erweitert werden, wenn es gelänge, nur die gehaltene Probe bzw. den sie unmittelbar umgebenden Raum zu klimatisieren.
In diesem Zusammenhang wird eine Vorrichtung, zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre in einem Probenraum eines akustischen Levitators bzw. eine wandfreie Klimakammer für einen akustischen Levitator nach Anspruch 1, eine Mischkammer nach Anspruch 14, ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe gemäß Anspruch 15, sowie einen Kit nach Anspruch 21 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung, der Figur und aus den beigefügten Ansprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre in einem Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, die einen Gaseinlass und eine Gasaustrittsöffnung umfasst, wobei die Gasaustrittsöffnung so angeordnet ist, dass ein aus der Gasaustrittsöffnung ausleitbares Atmosphärengas in einer Richtung strömt, die durch eine Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer vom akustischen Levitator in dessen Probenraum ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert wird, und wobei laminar strömend ausleitbares Atmosphärengas den Probenraum in Form eines äußeren Hüllstromes ummantelt.
Vorteile ergeben sich daraus, dass der Hüllstrom des Atmosphärengases eine vom Levitator gehaltene Probe von außen ummantelt und gegenüber einem außerhalb des Probenraums vorherrschenden Klima und/oder Atmosphäre oder deren Veränderungen abschirmt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, im Bereich des Probenraumes des Levitators ein besonderes Klima zu erzeugen und/oder aufrecht zu erhalten, bzw. das im Bereich des Probenraumes bestehende Klima nach vorgegebenen Parametern gezielt zu verändern. So beeinflussbare Klimafaktoren betreffen beispielsweise die Gaszusammensetzung / Atmosphäre, die Temperatur, die Feuchte oder relative Feuchte, eine Ladungsträgerkonzentration oder beispielsweise auch eine Aerosolzusammensetzung. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise das Klima der Klimakammer der jeweils im Levitator gehaltenen Probe, der jeweiligen Messaufgabe oder den durchzuführenden Versuchen angepasst werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung besteht im Fehlen einer jeglichen festen Wandung oder jeglicher anderer aus einem Feststoff bestehenden Barriere. Damit ist eine im Levitator durch eine stehende akustische Welle haltbare Probe von außen jederzeit frei zugänglich, kann ergänzt oder entnommen werden oder ohne Abschattung, zusätzliche Absorption oder andere Wandeffekte, beispielsweise spektroskopisch charakterisiert oder anderweitig vermessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, wobei der Probenraum durch eine Raumausdehnung der vom akustischen Levitator ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert ist. Da sich eine mit dem fachgerecht betriebenen Levitator ausbildbare stehende akustische Welle zwischen einem ersten Transducer und einem dem Transducer gegenüberliegenden Reflektor oder zwischen dem ersten Transducer und einem ihm gegenüberliegenden zweiten Transducer ausbilden kann, bestimmt deren Raumausdehnung die maximale Ausdehnung des Probenraumes. In der Praxis wird sich der für die Probenaufnahme nutzbare Teil des Probenraumes beispielsweise auf die Bereiche der Schwingungsknoten beschränken. Der so definierte Raum bzw. die darin befindliche (levitierte) Probe kann mit der Vorrichtung über eine vorgebbare Zeit unter definierten klimatischen Bedingungen gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, die weiterhin eine Temperier-Vorrichtung aufweist.
Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich aus der Möglichkeit, die Temperatur des Probenraumes unmittelbar oder über die Temperatur des Hüllstroms zu steuern, zu stabilisieren oder auf einen vorbestimmten Wert einzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung nach Art der vorgenannten vorgeschlagen, die weiterhin zumindest eine Gaseinlassöffnung 6 umfasst, die mit der Gasaustrittsöffnung 4 so verbunden ist, dass ein in die Gaseinlassöffnung 6 eingeleitetes Gas die Vorrichtung durch die Gasaustrittsöffnung 4 verlässt.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass über die das an der Gaseinlassöffnung eingelassene Gas oder Gasgemisch die Zusammensetzung und/oder Temperatur des Hüllstroms verändert und/oder bestimmt werden kann. Mit mehreren Gaseinlassöffnungen können durch deren Anordnung zueinander mehrere Gase oder Gasmischungen auf eine gewünschte Art miteinander vermischt oder verwirbelt werden, bevor sie die Gasaustrittsöffnung verlassen und dabei den Hüllstrom oder ein Segment eines Hüllstromes bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass eine Innenkontur der den Hüllstrom erzeugenden Gasaustrittsöffnung 4 angepasst ist, einen Transducer 1 oder einen Reflektor 2 des Levitators zumindest abschnittsweise in Form eines in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufenden Langloches zu umgeben.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Form des Hüllstroms und damit die Ausdehnung des klimatisierten Raumes an die durch einen Transducer oder einen Reflektor vorgegebene laterale Ausdehnung des Probenraumes höchstmöglich angepasst werden kann, ohne das Vermögen des Levitators zu verringern, ein bestimmtes Probenvolumen stabil zu halten. Da der zu klimatisierende Raum damit eine kleinstmögliche Größe hat, kann das Klima des Probenraums somit einerseits leichter stabilisiert aber erforderlichenfalls ebenso innerhalb der geringstmöglichen Zeitspanne gezielt verändert werden.
Insbesondere ist die zum Probenraum weisende Innenkontur der Gasaustrittsöffnung so angepasst, dass sie in Umfangsrichtung des Transducers oder des Reflektors ein gekrümmt verlaufendes Langloch zu bilden vermag oder ein solches darstellt. Daraus ergeben sich Vorteile für die Stabilität der laminaren Strömung des aus der Gasaustrittsöffnung austretenden Atmosphärengases bzw. Atmosphärengasgemisches.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenkontur der Gasaustrittsöffnung 4 auf der Seite des Probenraums so angepasst, dass sie in Umfangsrichtung des Levitators zumindest abschnittsweise einen identischen oder annähernd identischen Abstand zu einer Außenkontur des Transducers 1 oder des Reflektors 2 einzunehmen vermag. Sich daraus ergebende Vorteile betreffen beispielsweise den raschen Gasaustausch zwischen dem Hüllstrom des Atmosphärengases und dem durch zwei einander gegenüberliegende Transducer bzw. einander gegenüber liegende Reflektor und Transducer an den Stirnseiten begrenzten Probenraum des akustischen Levitators.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators, d.h. eine Klimakammer für einen akustischen Levitator vorgeschlagen, wobei zwei Gasaustrittsöffnungen im gleichen radialen Abstand zu einer zentralen Symmetrieachse des Levitators anordenbar sind und wobei die zentrale Symmetrieachse parallel zu der Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum ausbildbaren stehenden akustischen Welle verläuft.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein Hüllstrom erzeugt werden kann, der zumindest abschnittsweise offen ist. In diesen Bereichen können beispielsweise in orthogonaler Richtung zu einer Längsachse des Levitators Instrumente in den Probenraum des Levitators eingeführt werden, ohne dabei ein Verwirbeln des Hüllstroms zu verursachen. Ebenso kann eine Messstrecke bzw. Strahlführung so angeordnet werden, dass sie vom Hüllstrom oder von dessen wechselnder Zusammensetzung nicht beeinflusst wird oder mit diesem nicht interagiert. Die bezeichnete Ausführungsform gestattet es, eine weitestgehend geschlossene Klimakammer bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators, d.h. eine Klimakammer für einen akustischen Levitator, vorgeschlagen, wobei eine Querschnittsfläche der Gasaustrittsöffnung 4 der Vorrichtung in einem montierten Zustand, d.h. in Kombination mit einem akustischen Levitator, den Transducer 1 oder den Reflektor 1 des akustischen Levitators vollständig umgibt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, bei geeigneter Parameterwahl und Form der Gasaustrittsöffnung, der Größe des Gasdrucks bzw. der Höhe einer Strömungsgeschwindigkeit einen den Probenraum vollständig geschlossen umgebenden Hüllstrom, d.h. eine vollständig geschlossene Klimakammer, erzeugen zu können.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass zumindest zwei Gasaustrittsöffnungen 4 konzentrisch zu einer zentralen Symmetrieachse 8 des Levitators anordenbar sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass zumindest ein doppelwandiger Hüllstrom erzeugt werden kann, der den Probenraum umgibt. Ein doppelter Hüllstrom bzw. ein doppelter Mantel laminar strömenden Atmosphärengases oder zweier verschiedener im Wesentlichen laminar strömender Atmosphärengase weist eine verbesserte Stabilität auf und gewährleistet eine gegenüber äußeren Einflussgrößen, Strömungen, oder Klimafaktoren weitestgehend unabhängige und verbesserte Klimatisierung des Probenraumes auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung entsprechend der hier vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele ein Ventil zur Regulation eines Druckes des die Gasaustrittsöffnung 4 verlassenden Atmosphärengasstromes auf. So kann der Volumenstrom des den Hüllstrom ausbildenden Atmosphärengases oder Atmosphärengasgemisches zuverlässig kontrolliert und reguliert werden. Beispiele für ein Ventil sind Nadelventile oder Feinnadelventile, die beispielsweise mit einem Druckminderer kombiniert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, die eine Gasaustrittsöffnung 4 umfasst, die angepasst ist, einen gasförmigen Hüllstrom zu erzeugen, der den Probenraum 3 des Levitators umgibt und weiterhin eine Temperier-Vorrichtung 7 aufweist, wobei die Temperier-Vorrichtung ausgewählt ist aus der Liste, umfassend: eine von einem temperierten Fluid durchströmte Kapillare 7, ein mit elektrischen Anschlüssen 7 versehenes Widerstandsheizelement oder ein Peltier-Element. Vorteile bestehen beispielsweise in hoher Stabilität der eingestellten Temperatur oder auch schnellen Schaltzeiten bei Temperaturänderungen oder Temperatur-Profilen. Besondere Vorteile ergeben sich aus der Möglichkeit einer automatischen Steuerung der Wärmeabgabe des Heizelements und einer damit erreichbaren automatisch steuerbaren Klimatisierung des Probenraumes sowie einer kompakten Bauform.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, einen den gesamten Levitator ummantelnden Hüllstrom zu erzeugen. Das hat den Vorteil, dass das Klima über lange Zeit stabil gehalten werden kann, da die Wärmekapazität des gesamten Levitators zur Stabilisierung des Klimas beiträgt. Durch eingeführte Manipulatoren im Hüllstrom verursachte Turbulenzen beeinflussen nur die Peripherie des klimatisierten Raumes, nicht aber den Probenraum des Levitators.
Gemäß vorstehender Ausführungsformen wird somit eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum bzw. eines definierten Klimas im Probenraum eines akustischen Levitators bereitgestellt, die sich durch das Fehlen einer festen Wandung oder Folie anderen derartigen Barriere auszeichnet. So wird bei zuverlässiger Klimatisierung des Probenraums der ungehinderte Zugang ermöglicht. Das bietet den Vorteil, dass eine einzelne oder mehrere in levitiertem Zustand gehaltene Proben entnommen, ergänzt, modifiziert, oder anderweitig untersucht oder prozessiert werden können, ohne dabei die Klimatisierung zu unterbrechen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Mischkammer 5, umfassend einen Gaseinlass 6 und eine Gasaustrittsöffnung 4 vorgeschlagen, wobei die Gasaustrittsöffnung angepasst ist, einen Transducer 1 oder einen Reflektor 2 eines akustischen Levitators so aufzunehmen, dass eine innere Kontur der Gasaustrittsöffnung 4 an ihrem zum Levitator weisenden oberen Rand mit einer äußeren Kontur des Transducers 1 oder des Reflektors 2 eine Ringschlitzdüse zur Erzeugung eines Hüllstroms des Atmosphärengases ausbildet. Neben vorstehend genannten Vorteilen, bietet das den Vorteil der weitestgehend universellen Verwendbarkeit der Mischkammer.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, umfassend: – Anordnen einer Gasaustrittsöffnung außerhalb des Probenraumes eines akustischen Levitators; und – Ausbilden eines zumindest abschnittsweise laminar strömenden Hüllstroms eines Atmosphärengases oder eines Atmosphärengasgemisches, der den Probenraum wandfrei ummantelt, wobei die Richtung einer laminaren Strömung des Hüllstroms parallel zu einer zentralen Längsachse des Levitators verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, das den Verfahrensschritt des Temperierens des Hüllstroms umfasst. Die Temperaturführung kann beispielsweise genutzt werden, die Viskosität einer flüssigen Probe auf einen gewünschten Wert einzustellen oder Messungen bei einer definierten Temperatur oder definierten Temperaturverläufen durchzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, das den Verfahrensschritt des Befeuchtens eines Gases umfasst, wobei das befeuchtete Atmosphärengas am Ausbilden des Hüllstroms beteiligt ist. Dadurch kann der Einfluss des Klimafaktors Feuchte auf eine kontinuierlich vermessene Probe untersucht werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, das den Verfahrensschritt des Mischens von zumindest zwei, sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheidenden Atmosphärengasen umfasst. Dieses hat den Vorteil, Gasaustausche beispielsweise an mikroporösen Materialien oder Katalysatoren (Zeolithe, Klathrate, MOFs, etc.) kontaktfrei durchzuführen und eine definierte Konzentration des Austauschgases einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, das angepasst ist für das Klimatisieren einer akustisch levitierten Probe, die ausgewählt sind unter: einer Flüssigkeit, einem Feststoff, einer Dispersion und/oder einer Mischung von miteinander in Wechselwirkung tretenden Komponenten.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe vorgeschlagen, das angepasst ist, flüssige Proben mit einer bei 22 °C typischen Viskosität von mindestens 0.43 mPas unter stabil eingestellten Klimabedingungen zu untersuchen. Dieses lässt beispielsweise Untersuchungen von konzentrationskontrollierten Kristallisationsprozessen aus Lösungen zu, ohne jegliche Einwirkung eines Probenträgermaterials und der umgebenen Atmosphäre erforderlich zu machen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kit zur Nachrüstung eines akustischen Levitators vorgeschlagen, wobei das/der Kit eine Vorrichtung mit zumindest einem Gaseinlass 6, der mit einer Gasaustrittsöffnung 4 verbunden ist, umfasst. Dabei ist die Gasaustrittsöffnung 4 so bemessen, dass sie einen Ultraschall-Transducer 1 oder einen zu einem Ultraschall-Transducer angepassten Reflektor 2 des Levitators zumindest teilweise in dessen Längsrichtung aufnehmen kann, wobei eine beim zumindest teilweisen Aufnehmen zwischen einer inneren Kontur der Gasaustrittsöffnung und der äußeren Kontur des aufgenommenen Transducers oder zwischen einer inneren Kontur der Gasaustrittsöffnung und der äußeren Kontur des aufgenommenen Reflektors gebildete Gasaustrittsöffnung so angepasst ist, dass ein unter geeignetem Druck ausströmendes Atmosphärengas im wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines Probenraums des Levitators geleitet werden kann, wenn die Vorrichtung zumindest abschnittsweise formschlüssig mit dem Levitator verbunden ist und das ausströmende Atmosphärengas einen den Probenraum ummantelnden Hüllstrom bilden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kit zur Nachrüstung eines akustischen Levitators vorgeschlagen, der weiterhin zumindest einen Adapterring mit einer Innenseite und einer Außenseite umfasst, wobei die Innenseite des Adapterrings an die Dimensionen des jeweiligen Transducers 1 oder des Reflektors 2 so angepasst ist, dass das ausströmende Atmosphärengas bei geeigneter Dosierung bzw. Volumenstrom einen Hüllstrom ausbildet, der den Probenraum des Levitators umgibt, wenn die Außenseite formschlüssig mit der Gasaustrittsöffnung 4 verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kit zur Nachrüstung handelsüblicher akustischer Levitatoren vorgeschlagen der sich dadurch auszeichnet, dass ein Adapterring an die Dimensionen handelsüblicher Modelle von akustischen Levitatoren angepasst ist. Mit Hilfe eines geeigneten Satzes von Adapterringen kann eine ansonsten einheitliche Mischkammer für verschiedene Modelle akustischer Levitatoren verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der vorstehend beschriebene Kit so modifiziert werden, dass die Vorrichtung zumindest eine weitere Gasaustrittsöffnung aufweist, die mit dem Gaseinlass 6 verbunden ist und so angepasst ist, dass ein ausströmendes Atmosphärengas einen den Probenraum ummantelnden äußeren Hüllstrom ausbildet. Durch die Abstimmung der unterschiedlichen Gasdrucke bieten sich die dem Fachmann der Fließtechnik bekannten Vorteile gezielten Dosierens, Mischens und beispielsweise der Gestaltung kontinuierlicher und diskontinuierlicher Gradienten eines oder mehrerer Parameter.
Gemäß weiterer Ausführungsformen kann der Nachrüstungs-Kit weiterhin eine Vorrichtung zur Einstellung einer Eigenschaft eines Atmosphärengasstromes umfassen, wobei die Eigenschaft ausgewählt ist unter: Volumenstrom, Zusammensetzung, Temperatur und/oder Feuchte. Das komplettiert das/den Kit.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und die dabei benannten strukturellen Komponenten und Elemente können beliebig miteinander kombiniert werden.
Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht eine typische Ausführungsform und dient zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der wandfreien Klimakammer. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
1 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Klimatisierung des Probenraumes eines akustischen Levitators bzw. zur Konditionierung einer in der Probenkammer akustisch levitierten Probe.
Wie ersichtlich, lässt sich mit der hier vorgeschlagenen Klimakammer eine das Probenmaterial im levitierten Zustand umgebende Atmosphäre bzw. Atmosphärengasmischung kontrolliert einstellen oder aufrechterhalten, ohne dass eine zusätzliche Barriere, etwa eine Folie oder Wandung die Zugänglichkeit der levitierten Probe einschränkt.
Das vorgeschlagene Prinzip beruht auf einem ringförmigen Atmosphärengasstrom, der die Probe umgibt. Der ringförmige Gasstrom kann durch einen oder durch mehrere Gasanschüsse zeitgleich gespeist werden. Somit wird ermöglicht, die gehaltene Probe umgebende Atmosphären unterschiedlicher Zusammensetzung und Feuchte einzustellen. In Abhängigkeit von den gewählten Bedingungen kann der Gasdruck des ringförmigen Gasstroms ein Vielfaches des Luftdrucks außerhalb des Levitators betragen, ohne die Lage-Stabilität der levitierten Probe zu beeinflussen. Beispielsweise kann der Gasdruck des ringförmigen Gasstroms bis zu 5 bar betragen.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Temperatur des Atmosphärengasstromes zu steuern. Eine Kühlung der Gaszufuhr, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff der durch eine geeignet angeordnete Kapillare geleitet wird und ein Beheizen eines Gasstromes, beispielsweise mit einer Heizspirale im Gehäuse der einer Mischkammer vergleichbaren Vorrichtung ermöglichen es, die jeweilige Temperatur über einen weiten Bereich zu rergulieren und einzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur T beispielsweise über einen Bereich von –50°C und 220°C frei wählbar eingestellt werden. Dabei beträgt die erreichbare Temperaturgenauigkeit bei T < 20°C +1 Grad und –0.5 Grad. Bei Temperaturen T oberhalb von T > 20°C beträgt die erreichbare Temperaturgenauigkeit typischerweise +/–1 Grad. Das bietet den Vorteil, in-situ Messungen über einen weiten Temperaturbereich durchführen zu können. Insbesondere können in-situ Messungen im Tieftemperaturbereich vorgenommen werden.
Das Probenmaterial ist innerhalb der eingestellten Atmosphäre frei zugänglich und nicht durch Wände z.B. Kaptonfolie abgeschirmt. Es sind keine weiteren Vorkehrungen notwendig, um das Probenmaterial von der umgebenen Atmosphäre abzuschirmen. Untersuchungen, die während der Levitation stattfinden, können somit ohne zusätzliche umgebende Materialien oder damit einhergehende Abschattungen oder Wechselwirkungen durchgeführt werden.
Insbesondere zeigt 1, wie eine Gehäusewandung der Vorrichtung 5 bzw. die Innenkontur einer Gasaustrittsöffnung 4 den akustischen Levitator (bzw. dessen Transducer oder Reflektor) so umschließt, dass zwischen Levitator 1 und Gasaustrittsöffnung der Vorrichtung – hier in Gestalt einer Mischkammer – eine ringförmige Schlitzdüse gebildet wird. Aus dieser ringförmigen Schlitzdüse oder Ringschlitzdüse austretendes Atmosphärengas bildet einen den Probenraum vollständig umschließenden Hüllstrom. Dabei wird unter einem Hüllstrom eine den Probenraum des Levitators von außen umgebende Schicht eines laminar strömenden Gases verstanden. Die Dicke einer solchen Mantel- oder Hüllströmung, die den Raum um die stehende akustische Welle ummantelt, kann beispielsweise nur wenige Millimeter oder Zentimeter betragen. Die Strömungsrichtung der Hüllströmung verläuft typischerweise parallel zur Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle. Dabei wird unter der Ausbreitungsrichtung der stehenden akustischen Welle eine Raumachse verstanden, die durch eine Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert wird.
Damit ist der Hüllstrom geeignet, den Probenraum und eine gegebenenfalls im Probenraum akustisch levitierte Probe von der äußeren Umgebung abzuschirmen, ohne selbst eine feste stoffliche Barriere, beispielsweise eine Folie oder Gehäuse-Wandung zu sein.
Der akustische Levitator kann mit der darin levitierten Probe ohne eine Beeinflussung durch störende Gefäßwandungen oder abschirmende Folien in den Messweg eines Mess-Strahls gebracht werden. Insbesondere bietet die Vorrichtung den Vorteil schneller Klimawechsel, da der klimatisierte Raum im Inneren vergleichsweise klein ist.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels werden Untersuchungen von niedrig- bis hochviskosen Flüssigkeiten und temperaturgesteuerte Untersuchungen von niedrig- bis hochviskosen Flüssigkeiten und Festkörpern vorgenommen.
Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung, Mischkammer, Verfahren und Kit in Kombination mit einem akustischen Levitator und einer darin gehaltenen Probe besteht darin, dass eine Möglichkeit zur effektiven Klimatisierung akustisch levitierter Proben geschaffen wird, die sich leicht in bestehende Aufbauten integrieren lässt. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung flexibel einsetzbar, robust und leicht zu transportieren.
Weiterhin wird eine zuverlässige Klimatisierung der levitierten Probe ermöglicht, ohne die jeweiligen Meßgeräte bzw. die bei einer Prozessierung eingesetzten Werkzeuge und Hilfsmittel ebenfalls klimatisieren zu müssen.
Zusammenfassend wird eine Vorrichtung und/oder Mischkammer zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre im Probenraum eines akustischen Levitators vorgeschlagen, umfassend einen Gaseinlass 6 und eine Gasaustrittsöffnung 4, wobei die Gasaustrittsöffnung so angeordnet ist, dass ein aus der Gasaustrittsöffnung 4 ausleitbares Atmosphärengas in einer Richtung strömt, die durch eine Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum vom akustischen Levitator ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert wird, und wobei laminar strömend ausleitbares Atmosphärengas den Probenraum 3 in Form eines äußeren Hüllstromes ummantelt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe, umfassend: – Anordnen einer Gasaustrittsöffnung außerhalb des Probenraumes eines akustischen Levitators; und – Ausbilden eines zumindest abschnittsweise laminar strömenden Hüllstroms eines Atmosphärengases oder eines Atmosphärengasgemisches, der den Probenraum 3 wandfrei ummantelt; wobei die Richtung einer laminaren Strömung des Hüllstroms parallel zu einer zentralen Längsachse 8 des Levitators verläuft. Ebenso wird ein Kit zur Nachrüstung eines akustischen Levitators, umfassend eine Vorrichtung mit zumindest einem Gaseinlass 6, der mit einer Gasaustrittsöffnung 4 verbunden ist vorgeschlagen, wobei die Gasaustrittsöffnung 4 so bemessen ist, dass sie einen Transducer 1 oder einen Reflektor 2 des Levitators zumindest teilweise in dessen Längsrichtung aufnehmen kann, wobei eine beim zumindest teilweisen Aufnehmen gebildete Ringschlitzdüse so angepasst ist, dass ein unter geeignetem Druck aus der Ringschlitzdüse ausströmendes Atmosphärengas im wesentlichen parallel zu einer Längsachse eines Probenraums des Levitators geleitet wird, wenn die Vorrichtung zumindest abschnittsweise formschlüssig mit dem Levitator verbunden ist und das ausströmende Gas einen den Probenraum des Levitators umgebenden Hüllstrom ausbildet.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Bezugszeichenliste

1: Transducer bzw. Reflektor
2: Reflektor bzw. Transducer
3: Probenraum
4: Gasaustrittsöffnung, Düse
5: Mischkammer, Gehäuse
6: Anschluss, Gaseinlass
7: Temperier-Vorrichtung, Kapillare oder elektrischer Anschluss
8: Symmetrieachse, zentrale Raumachse

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Atmosphäre in einem Probenraum (3) eines akustischen Levitators, umfassend einen Gaseinlass (6) und eine Gasaustrittsöffnung (4), wobei die Gasaustrittsöffnung so angeordnet ist, dass ein aus der Gasaustrittsöffnung (4) ausleitbares Atmosphärengas in einer Richtung strömt, die durch eine Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum vom akustischen Levitator ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert wird, und wobei laminar strömend ausleitbares Atmosphärengas den Probenraum (3) in Form eines äußeren Hüllstromes ummantelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Probenraum durch eine Raumausdehnung der vom akustischen Levitator ausbildbaren stehenden akustischen Welle definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: – eine Temperier-Vorrichtung (7).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Innenkontur der den Hüllstrom erzeugenden Gasaustrittsöffnung (4) angepasst ist, einen Transducer (1) oder einen Reflektor (2) des Levitators zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung zu umgeben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Innenkontur der Gasaustrittsöffnung (4) angepasst ist, ein in Umfangsrichtung des Transducers (1) oder des Reflektors (2) gekrümmt verlaufendes Langloch zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Innenkontur der Gasaustrittsöffnung (4) angepasst ist, in Umfangsrichtung des Levitators zumindest abschnittsweise einen identischen oder annähernd identischen Abstand zu einer Außenkontur des Transducers (1) oder des Reflektors (2) einzunehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest zwei Gasaustrittsöffnungen (4) im gleichen radialen Abstand zu einer zentralen Symmetrieachse (8) des Levitators anordenbar sind, wobei die zentrale Symmetrieachse (8) parallel zu der Verbindungslinie zwischen zwei Schwingungsknoten einer im Probenraum ausbildbaren stehenden akustischen Welle verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung weiterhin angepasst ist, sodass eine innere Kontur der Gasaustrittsöffnung (4) den Transducer (1) oder den Reflektor (1) vollständig umgeben kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass zumindest zwei Gasaustrittsöffnungen (4) konzentrisch zu einer zentralen Symmetrieachse (8) des Levitators anordenbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend ein Ventil zur Regulation eines Druckes eines die Gasaustrittsöffnung (4) verlassenden Atmosphärengasstromes.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Temperier-Vorrichtung ausgewählt ist unter: einer von einem temperierten Fluid durchströmten Kapillare (7), einem mit elektrischen Anschlüssen (7) versehenen Widerstandsheizelement oder Peltier-Element.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung angepasst ist, einen den gesamten Levitator ummantelnden Hüllstrom zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung durch das Fehlen einer festen Wandung oder einer Barriere den ungehinderten Zugang zur Probe ermöglicht.
Mischkammer (5), umfassend einen Gaseinlass (6) und eine Gasaustrittsöffnung (4), wobei die Gasaustrittsöffnung angepasst ist, einen Transducer (1) oder einen Reflektor (2) eines akustischen Levitators so aufzunehmen, dass eine innere Kontur der Gasaustrittsöffnung (4) an ihrem zum Levitator weisenden oberen Rand mit einer äußeren Kontur des Transducers (1) oder des Reflektors (2) eine Ringschlitzdüse zur Erzeugung eines Hüllstroms des Atmosphärengases ausbildet.
Verfahren zur Klimatisierung einer akustisch levitierten Probe, umfassend: – Anordnen einer Gasaustrittsöffnung (4) außerhalb des Probenraumes (3) eines akustischen Levitators; – Ausbilden eines zumindest abschnittsweise laminar strömenden Hüllstroms eines Atmosphärengases oder eines Atmosphärengasgemisches, der den Probenraum (3) wandfrei ummantelt; wobei die Richtung einer laminaren Strömung des Hüllstroms parallel zu einer zentralen Längsachse (8) des Levitators verläuft.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend: – Temperieren des Hüllstroms und/oder des Atmosphärengases.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin umfassend: – Befeuchten eines Atmosphärengases das am Ausbilden des Hüllstroms beteiligt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, weiterhin umfassend: – Mischen von zumindest zwei, sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheidenden Atmosphärengasen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die akustisch levitierte Probe ausgewählt ist unter: einer Flüssigkeit, einem Feststoff, einer Dispersion und/oder einer Mischung von miteinander in Wechselwirkung tretenden Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Flüssigkeit eine Viskosität bei 22 °C von ≥ 0.43 mPas hat.
Kit zur Nachrüstung eines akustischen Levitators, umfassend: – eine Vorrichtung mit zumindest einem Gaseinlass (6), der mit einer Gasaustrittsöffnung 4) verbunden ist, wobei die Gasaustrittsöffnung (4) so bemessen ist, dass sie einen Transducer (1) oder einen Reflektor (2) des Levitators zumindest teilweise in dessen Längsrichtung aufnehmen kann, wobei eine beim zumindest teilweisen Aufnehmen gebildete Ringschlitzdüse so angepasst ist, dass ein unter geeignetem Druck aus der Ringschlitzdüse ausströmendes Atmosphärengas im wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Probenraums des Levitators geleitet werden kann, wenn die Vorrichtung zumindest abschnittsweise formschlüssig mit dem Levitator verbunden ist.
Kit gemäß Anspruch 21, weiterhin umfassend: – einen Adapterring mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Innenseite an die Dimensionen des Transducers (1) oder des Reflektors (2) so angepasst ist, dass das ausströmende Atmosphärengas einen Hüllstrom ausbildet, der den Probenraum des Levitators umgibt, wenn die Außenseite formschlüssig mit der Gasaustrittsöffnung (4) verbunden ist.
Kit gemäß Anspruch 22, wobei der Adapterring an die Dimensionen handelsüblicher Modelle von Levitatoren angepasst ist.
Kit gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die Vorrichtung zumindest eine weitere Gasaustrittsöffnung aufweist, die mit dem Gaseinlass (6) verbunden ist und so angepasst ist, dass ein ausströmendes Atmosphärengas den Probenraum (3) in Form eines äußeren Hüllstroms ummantelt.
Kit gemäß Anspruch 21 bis 24, weiterhin umfassend eine Vorrichtung zur Einstellung einer Eigenschaft eines Atmosphärengasstromes, wobei die Eigenschaft ausgewählt ist unter: Volumenstrom, Zusammensetzung, Temperatur und/oder Feuchte.