DE102013203555B3

DE102013203555B3 - Electrostatic levitator for use in measuring system, has electrode system for generating electrostatic field, in which sample is set into floating condition, where electrode system has three main electrodes

Info

Publication number: DE102013203555B3
Application number: DE201310203555
Authority: DE
Inventors: Christian Neumann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-03-02

Abstract

The electrostatic levitator (1) has an electrode system for generating an electrostatic field, in which a sample (200) is set into a floating condition, where the electrode system has three main electrodes (3). The main electrodes are formed in an elongated manner and are arranged along an edge of a virtual building block (17), at which the edges of the building block are adjacent without main electrodes. The main electrodes are arranged to one another in an orthogonal manner. A holder (5) is made from ceramic material. An independent claim is included for a measuring system with holding frames.

Description

Levitationstechniken finden insbesondere bei der hochgenauen Messung thermophysikalischer Materialeigenschaften, wie beispielsweise Viskosität, Oberflächenspannung oder Dichte von Proben, beispielsweise metallischen Werkstoffen, Anwendung.Levitation techniques are used in particular in the highly accurate measurement of thermophysical material properties, such as, for example, viscosity, surface tension or density of samples, for example metallic materials.

Bei derartigen Messungen ist insbesondere die elektrostatische Levitation, bei der die Probe in einem elektrostatischen Feld zum Schweben gebracht wird, geeignet. Sofern die Feldstärke ausreichend ist, um die Gewichtskraft der Probe zu überwinden, schwebt die Probe im Hochvakuum völlig frei von jeglichem Kontakt. Durch die Abwesenheit von mechanischem Kontakt mit einem Behälter, chemischen Reaktionen mit anderen Materialien oder physikalischen Effekten an Grenzflächen können über eine berührungslose Messung unverfälschte und sehr genaue Messergebnisse erzielt werden.In such measurements, in particular, the electrostatic levitation, in which the sample is levitated in an electrostatic field, suitable. If the field strength is sufficient to overcome the weight of the sample, the sample floats in a high vacuum completely free from any contact. The absence of mechanical contact with a container, chemical reactions with other materials, or physical effects at interfaces can provide unadulterated and very accurate measurement results through non-contact measurement.

Ferner haben elektrostatische Levitatoren den Vorteil, dass durch die elektrostatische Levitation keine Heizwirkung aus dem elektrostatischen Feld auf die Probe übertragen wird. Dadurch kann die Heizleistung unabhängig von der Feldstärke geregelt werden, so dass auch Messungen bei tieferen Temperaturen möglich sind.Furthermore, electrostatic levitators have the advantage that no heating effect is transferred from the electrostatic field to the sample by the electrostatic levitation. As a result, the heating power can be regulated independently of the field strength, so that measurements at lower temperatures are possible.

Bekannte Levitatoren weisen eine Vielzahl von Elektroden auf, beispielsweise sechs. Aus „Aufbau und Regelung eines elektrostatischen Levitators”, Tilo Meister, Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Ruhr-Universität Bochum, 2000, ist ein elektrostatischer Levitator bekannt, der zwei plattenförmige Hauptelektroden sowie vier plattenförmige Seitenelektroden aufweist.Known levitators have a plurality of electrodes, for example six. From "Construction and Regulation of an Electrostatic Levitator", Tilo Meister, Dissertation, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology of the Ruhr University Bochum, 2000, an electrostatic levitator is known which has two plate-shaped main electrodes and four plate-shaped side electrodes.

Aus DE 699 12 403 T2 und US 2011/0214982 A1 sind Levitatoren mit plattenförmigen oder stabförmigen Elektroden bekannt.Out DE 699 12 403 T2 and US 2011/0214982 A1 Levitators with plate-shaped or rod-shaped electrodes are known.

JP 02-146973 A bzw. JP 02-615944 B und DE 690 23 522 T2 offenbaren Levitatoren, die mit einer Wechselstromquelle betrieben werden. Das in diesen Levitatoren erzeugte elektrische Feld verläuft dabei zwischen benachbarten Elektroden, wobei sich eine Probe kontinuierlich innerhalb einer Stabilitätszone bewegt. JP 02-146973 A respectively. JP 02-615944 B and DE 690 23 522 T2 disclose levitators powered by an AC power source. The electric field generated in these levitators runs between adjacent electrodes, whereby a sample moves continuously within a stability zone.

Jede der Elektroden muss mit einem eigenen Hochspannungsverstärker verbunden sein, so dass bei dem vorbekannten elektrostatischen Levitator bei nicht erdgebundenen Versuchen sechs Hochspannungsverstärker notwendig sind. Da ein stabiles Gleichgewicht in einem Potentialminimum eines elektrostatischen Feldes nicht möglich ist (Earnshaw-Theorem), ist eine aufwändige permanente und hochfrequente Nachjustierung der Feldstärken erforderlich, um die Probe stabil zu positionieren. Daher müssen die Hochspannungsverstärker in der Lage sein, die von einem Regler ausgegebenen Sollwerte schnell und präzise umzusetzen. Da derartige Hochspannungsverstärker relativ teuer sind, ist der vorbekannte Levitator aufgrund der Vielzahl von notwendigen Hochspannungsverstärkern mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden.Each of the electrodes must be connected to its own high-voltage amplifier, so that in the prior art electrostatic levitator for non-terrestrial experiments six high-voltage amplifiers are necessary. Since a stable equilibrium in a potential minimum of an electrostatic field is not possible (Earnshaw Theorem), a complex permanent and high-frequency readjustment of the field strengths is required to stably position the sample. Therefore, the high voltage amplifiers must be able to quickly and accurately translate the setpoints output from a controller. Since such high-voltage amplifiers are relatively expensive, the previously known levitator is associated with a high financial outlay due to the large number of necessary high-voltage amplifiers.

Bei dem vorbekannten elektrostatischen Levitator sind die Seitenelektroden darüber hinaus zumindest teilweise seitlich der Probe angeordnet, so dass der Zugang zu der Probe, für beispielsweise Messgeräte oder einen Heizlaser, begrenzt ist.Moreover, in the prior art electrostatic levitator, the side electrodes are at least partially disposed laterally of the sample so that access to the sample, for example, for measuring devices or a heating laser, is limited.

Die vorbekannten Levitationstechniken werden zumeist auf der Erde durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft durch die Levitationstechnik zwar überwunden wird, jedoch nicht aufgehoben werden kann. Dies führt dazu, dass verschiedene Kräfte auf die flüssige Probe einwirken, so dass diese in ihrer Geometrie leicht verformt wird und nicht sphärisch bleibt.The previously known levitation techniques are mostly performed on earth. This means that the gravity is overcome by the levitation technique, but can not be lifted. This results in different forces acting on the liquid sample, so that it is slightly deformed in its geometry and does not remain spherical.

Es ist daher eine Bestrebung, Levitation auch in einer schwerelosen Umgebung durchzuführen, so dass die Levitation nur noch zur Feinpositionierung der Probe dient. Die bekannten Levitatoren sind jedoch mit einem großen Platzbedarf verbunden, so dass diese nicht ohne weiteres in einen schwerelosen Raum verbracht werden können.It is therefore an effort to perform levitation in a weightless environment, so that the levitation is only used for fine positioning of the sample. However, the known levitators are associated with a large amount of space, so that they can not be easily spent in a weightless room.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrostatischen Levitator sowie ein Messsystem mit einem elektrostatischen Levitator zu schaffen, das einen vereinfachten Aufbau mit einer möglichst geringen Anzahl von Elektroden aufweist, wobei gleichzeitig der Platzbedarf möglichst reduziert ist.It is therefore an object of the present invention to provide an electrostatic levitator and a measuring system with an electrostatic levitator, which has a simplified structure with the smallest possible number of electrodes, at the same time the space required is reduced as possible.

Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.The invention is defined by the features of claim 1.

Der erfindungsgemäße elektrostatische Levitator weist ein Elektrodensystem zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes auf, indem eine Probe in einen Schwebezustand versetzbar ist, wobei das Elektrodensystem mindestens drei Hauptelektroden aufweist. Die Hauptelektroden sind langgestreckt ausgebildet und jeweils entlang einer Kante eines virtuellen Quaders angeordnet, wobei jede Hauptelektrode jeweils an einer Kante des virtuellen Quaders angeordnet ist, an die ausschließlich Kanten des Quaders ohne Hauptelektrode angrenzen und wobei mindestens zwei Hauptelektroden orthogonal zueinander angeordnet sind.The electrostatic levitator according to the invention comprises an electrode system for generating an electrostatic field in which a sample can be placed in a suspended state, wherein the electrode system has at least three main electrodes. The main electrodes are elongate and each arranged along one edge of a virtual cuboid, each main electrode is respectively disposed on an edge of the virtual cuboid, adjoining only edges of the cuboid without main electrode and at least two main electrodes are arranged orthogonal to each other.

Die Hauptelektroden sind somit beabstandet voneinander angeordnet, wobei zwischen den Elektroden ein Abstand von mindestens einer Kantenlänge des Quaders besteht. Dadurch können sich um die Elektroden jeweils elektrostatische Felder ausbilden, die im mittleren Bereich des Quaders aufeinander treffen, jedoch nicht durch direkt angrenzende Elektroden beeinflusst sind. Dadurch, dass mindestens zwei Hauptelektroden orthogonal zueinander angeordnet sind, lässt sich die Position der Probe in vorteilhafter Weise in zumindest zwei Hauptrichtungen beeinflussen.The main electrodes are thus spaced from each other, wherein between the electrodes is a distance of at least one edge length of the cuboid. This can be about the Electrodes each form electrostatic fields that meet in the central region of the cuboid, but are not affected by directly adjacent electrodes. Because at least two main electrodes are arranged orthogonal to one another, the position of the sample can advantageously be influenced in at least two main directions.

Der erfindungsgemäße elektrostatische Levitator ist somit von einfachem Aufbau und besitzt eine geringe Anzahl von Hauptelektroden. Somit muss der elektrostatische Levitator nur eine relativ geringe Anzahl von Hochspannungsverstärkern aufweisen, so dass die Kosten und der Raumbedarf deutlich reduziert sind.The electrostatic levitator according to the invention is thus of simple construction and has a small number of main electrodes. Thus, the electrostatic levitator need only have a relatively small number of high voltage amplifiers, so that the cost and space requirements are significantly reduced.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der elektrostatische Levitator vier Hauptelektroden aufweist, die jeweils entlang einer Kante des virtuellen Quaders angeordnet sind, wobei jeweils zwei Hauptelektroden parallel zueinander angeordnet sind. Die Hauptelektroden dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung verlaufen somit in zwei parallelen Ebenen, wobei zwei in einer Ebene parallel zueinander angeordnete Hauptelektroden orthogonal zu den anderen beiden parallel in der zweiten Ebene zueinander angeordneten Hauptelektroden verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass eine Positionierung der Probe über die vier Hauptelektroden auf besonders vorteilhafte Weise möglich ist. Durch die langgestreckte Ausbildung der Hauptelektroden entsteht ein kreiszylindrisches elektrostatisches Feld um jede Stabelektrode. Iso-Potentiale der elektrostatischen Felder von zwei parallel zueinander angeordneten Hauptelektroden treffen in der Mitte zwischen den beiden Hauptelektroden aufeinander und es wird eine Rinne gebildet. In dieser Rinne liegt die Probe und durch eine Verstärkung der elektrostatischen Felder der parallel zueinander verlaufenden Hauptelektroden kann die Probe in eine Richtung orthogonal zu der Ebene, in der die beiden Hauptelektroden liegen, verschoben werden. Durch eine Veränderung der Feldstärke einer Hauptelektrode im Verhältnis zu der anderen Hauptelektrode kann die Probe parallel zu der Ebene, in der die beiden Hauptelektroden liegen, und in einer Richtung orthogonal zu den beiden Hauptelektroden bewegt werden.Preferably, it is provided that the electrostatic levitator has four main electrodes which are each arranged along an edge of the virtual cuboid, wherein two main electrodes are arranged parallel to each other. The main electrodes of this embodiment of the invention thus run in two parallel planes, wherein two main electrodes arranged parallel to one another in a plane are orthogonal to the other two main electrodes arranged parallel to one another in the second plane. This has the advantage that a positioning of the sample on the four main electrodes is possible in a particularly advantageous manner. The elongated design of the main electrodes creates a circular cylindrical electrostatic field around each rod electrode. Iso-potentials of the electrostatic fields of two main electrodes arranged parallel to each other meet in the middle between the two main electrodes and a channel is formed. In this groove is the sample and by amplifying the electrostatic fields of the parallel main electrodes, the sample can be displaced in a direction orthogonal to the plane in which the two main electrodes lie. By changing the field strength of one main electrode relative to the other main electrode, the sample can be moved parallel to the plane in which the two main electrodes lie and in a direction orthogonal to the two main electrodes.

Durch die Anordnung des zweiten Paares von Hauptelektroden orthogonal zu dem ersten Paar von Hauptelektroden wird verhindert, dass sich die Probe in Richtung der zwischen den Iso-Potentialen des ersten Paares von Hauptelektroden gebildeten Rinne unkontrolliert bewegen kann, da die zwischen dem zweiten Paar von Elektroden gebildete zweite Rinne orthogonal zu der ersten Rinne verläuft. Das erste Paar von Hauptelektroden ermöglicht somit eine Regelung der Position der Probe in eine erste Raumrichtung, das zweite Paar von Hauptelektroden eine Regelung der Position der Probe in eine zweite Raumrichtung. Für die Regelung in die dritte Raumrichtung ist es notwendig, das Verhältnis der mittleren Feldstärken des ersten Hauptelektrodenpaars zu den mittleren Feldstärken des zweiten Hauptelektrodenpaars zu regeln.The arrangement of the second pair of main electrodes orthogonal to the first pair of main electrodes prevents the sample from being able to move in an uncontrolled manner in the direction of the groove formed between the iso-potentials of the first pair of main electrodes since the groove formed between the second pair of electrodes second groove orthogonal to the first groove runs. The first pair of main electrodes thus enables a regulation of the position of the sample in a first spatial direction, the second pair of main electrodes a regulation of the position of the sample in a second spatial direction. For the regulation in the third spatial direction, it is necessary to regulate the ratio of the mean field strengths of the first main electrode pair to the mean field strengths of the second main electrode pair.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Hauptelektroden ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte Regelung der Positionen der Probe, wobei lediglich vier Elektroden und somit vier Hochspannungsverstärker notwendig sind. Dadurch, dass die Hauptelektroden in zwei voneinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind, ist die Probe in einer parallel zu den Ebenen der Hauptelektroden angeordneten Probenebene rundum zugänglich. Dadurch können Messgeräte und beispielsweise Heizgeräte sowie ein Probenmagazin in vorteilhafter Weise angeordnet werden.The inventive arrangement of the main electrodes thus allows a particularly advantageous control of the positions of the sample, with only four electrodes and thus four high-voltage amplifiers are necessary. Characterized in that the main electrodes are arranged in two spaced-apart planes, the sample is in a parallel to the planes of the main electrodes arranged sample plane completely accessible. As a result, measuring devices and, for example, heaters and a sample magazine can be arranged in an advantageous manner.

Die Hauptelektroden können als Stabelektroden, vorzugweise als Rundstäbe, ausgebildet sein.The main electrodes may be formed as stick electrodes, preferably as round rods.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Hauptelektroden an einer gemeinsamen Halterung angeordnet sind. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Probe in der Probenebene rundum zugänglich ist, da die beiden Halterungen mit jeweils einem Hauptelektrodenpaar mit den Hauptelektroden zueinander gewandt angeordnet werden können, ohne das eine Verbindung zwischen den beiden Halterungen notwendig ist, die den Zugang zu der Probe behindern könnte.It is preferably provided that in each case two main electrodes arranged parallel to one another are arranged on a common holder. This advantageously makes it possible for the sample to be completely accessible in the sample plane, since the two holders can be arranged with one main electrode pair facing the main electrodes, without requiring a connection between the two holders, which provides access to the Sample could hinder.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Halterung aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, besteht. Dieses Material ist hochpräzise fertigbar und darüber hinaus für die verwendete Hochspannung nicht leitend, so dass zwischen den Hauptelektroden, die in einer Halterung angeordnet sind, keine elektrische Verbindung entsteht.It is preferably provided that the holder consists of a ceramic material, preferably of aluminum oxide. This material is highly precise manufacturable and also not conductive for the high voltage used, so that no electrical connection between the main electrodes, which are arranged in a holder.

Die Hauptelektroden können beispielsweise in die Halterung eingelassen sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung eine Nut aufweist, die zwischen den an der Halterung angeordneten Hauptelektroden angeordnet ist, wobei die Nut mindestens einen hinterschnittenen Bereich aufweist. Im Gebrauch kann es dazu kommen, dass die Probe abdampft und Material der Probe auf der Halterung niederschlägt. Bei der Verwendung von metallischen Proben kann es dazu kommen, dass eine elektrisch leitende Schicht auf der Halterung entsteht. Durch eine Nut, die einen hinterschnittenen Bereich aufweist, wird verhindert, dass an der Halterung zwischen den Hauptelektroden eine die Hauptelektroden verbindende elektrisch leitende Schicht entsteht. Das aus der Probe abgedampfte Material schlägt auf einem geraden Weg auf der Halterung nieder. Der hinterschnittene Bereich wird somit mangels geradem Zugangsweg nicht oder nur geringfügig bedampft, so dass auch über einen längeren Zeitraum keine leitende Schicht zwischen den Hauptelektroden entsteht. Dadurch kann der erfindungsgemäße Levitator über einen längeren Zeitraum verwendet werden, ohne dass die Halterung gereinigt oder ausgetauscht werden muss.The main electrodes can be embedded in the holder, for example. In a particularly preferred embodiment it is provided that the holder has a groove which is arranged between the main electrodes arranged on the holder, wherein the groove has at least one undercut region. In use, the sample may evaporate and precipitate material of the sample on the holder. When using metallic samples, it may happen that an electrically conductive layer is formed on the holder. By a groove having an undercut area, it is prevented that forms an electrically conductive layer connecting the main electrodes to the holder between the main electrodes. The material evaporated from the sample strikes a straight path down the bracket. The undercut area is thus not or only slightly steamed because of a lack of a straight access path, so that no conductive layer is formed between the main electrodes even over a relatively long period of time. As a result, the levitator according to the invention can be used over a longer period of time without having to clean or replace the holder.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Nut einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Dadurch entstehen zwei hinterschnittene Bereiche, so dass der Zeitraum, in dem keine die Hauptelektroden verbindende elektrisch leitende Schicht entsteht, noch weiter vergrößert ist.It is preferably provided that the groove has a T-shaped cross section. This results in two undercut areas, so that the period in which no electrically conductive layer connecting the main electrodes is formed is further increased.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass drei Regler die Hauptelektroden ansteuern, wobei jeweils ein Regler die Position der Probe in eine Raumrichtung regelt.In one embodiment of the invention, it is provided that three regulators drive the main electrodes, wherein in each case a controller regulates the position of the sample in a spatial direction.

Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Levitators im Bereich der Erdgravitation ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ebenen, in denen die Hauptelektroden angeordnet sind, sich horizontal erstrecken. Bei der Regelung des erfindungsgemäßen Levitators kann dabei vorgesehen sein, dass die beiden unten angeordneten Hauptelektroden ein positiv geladenes elektrostatisches Feld erzeugen, so dass die ebenfalls positiv geladene Probe durch das Feld nach oben gedrückt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass alle Hauptelektroden ein positiv geladenes elektrostatisches Feld erzeugen. Bei dem vorbekannten Levitator ist zumeist vorgesehen, dass die oben angeordnete Elektrode ein negativ geladenes Feld erzeugt, so dass die Probe durch das Feld nach oben gezogen wird. Es hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Regelung der Position der Probe mit einem positiv geladenen elektrostatischen Feld, das die Probe nach oben drückt, im Vergleich zu der Regelung im Stand der Technik verbessert ist.When using the levitator according to the invention in the field of earth gravity it is preferably provided that the planes in which the main electrodes are arranged extend horizontally. In the regulation of the levitator according to the invention, it may be provided that the two main electrodes arranged below produce a positively charged electrostatic field, so that the likewise positively charged sample is forced upwards through the field. In particular, it can be provided that all the main electrodes generate a positively charged electrostatic field. In the previously known levitator, it is usually provided that the electrode arranged at the top generates a negatively charged field, so that the sample is pulled upwards through the field. It has been found that the control according to the invention of the position of the sample with a positively charged electrostatic field which pushes the sample upwards is improved in comparison with the regulation in the prior art.

Die Erfindung sieht ferner ein Messsystem mit einem erfindungsgemäßen elektrostatischen Levitator vor, wobei der Levitator in einem sich in Längsrichtung erstreckenden Halterahmen angeordnet ist. Das Messsystem weist mindestens ein optisches Messgerät und mindestens ein optisches Heizgerät, beispielsweise einen Heizlaser, auf. Durch das Vorsehen eines sich in Längsrichtung erstreckenden Halterahmens kann das Messsystem in Querrichtung relativ schmal ausgebildet sein, insbesondere wenn weitere Teile des Levitators, wie Regler und Hochspannungsverstärker, in Längsrichtung an dem Rahmen angeordnet sind. Dadurch lässt sich das Messsystem in vorteilhafter Weise auch in schmalen langgestreckten Platzverhältnissen, wie sie in einer Rakete vorliegen, einsetzen. Durch die kompakte Ausbildung des Messsystems lässt sich somit das Messsystem in vorteilhafter Weise an einen Ort, an dem Schwerelosigkeit herrscht, verbringen.The invention further provides a measuring system with an electrostatic levitator according to the invention, wherein the levitator is arranged in a longitudinally extending holding frame. The measuring system has at least one optical measuring device and at least one optical heating device, for example a heating laser. By providing a longitudinally extending holding frame, the measuring system can be made relatively narrow in the transverse direction, in particular if further parts of the levitator, such as regulators and high-voltage amplifiers, are arranged longitudinally on the frame. As a result, the measuring system can advantageously be used even in narrow, elongated space conditions, such as those found in a rocket. Due to the compact design of the measuring system, the measuring system can thus be advantageously transferred to a place where weightlessness prevails.

Bei dem erfindungsgemäßen Messsystem kann vorgesehen sein, dass das Messgerät und/oder das Heizgerät in Längsrichtung des Halterahmens benachbart zu dem Halterahmen angeordnet ist und das Mess- bzw. Heizsignal über eine Spiegelanordnung auf die Probe lenkbar ist. Auf diese Weise kann ein seitlicher Zugang durch das Messgerät oder das Heizgerät erfolgen, ohne dass in Querrichtung zum Halterahmen ein wesentlich größerer Platzbedarf besteht. Durch eine derartige Anordnung lässt sich somit die zumindest in Querrichtung des Halterahmens kompakte Ausgestaltung im Wesentlichen beibehalten. Die im Rahmen der Erfindung verwendeten optischen Messgeräte können für den technischen Betrieb, d. h. für die Positionsbestimmung der Probe und somit als Eingangssignal für die Regler dienen als auch für die im Rahmen der Bestimmung der Materialeigenschaften vorzunehmende Probenvermessung.In the measuring system according to the invention, provision can be made for the measuring device and / or the heating device to be arranged in the longitudinal direction of the holding frame adjacent to the holding frame and for the measuring or heating signal to be steered to the sample via a mirror arrangement. In this way, a lateral access can be made by the meter or the heater without a much larger space requirement in the transverse direction to the support frame. By virtue of such an arrangement, the compact design, at least in the transverse direction of the holding frame, can thus be essentially retained. The optical measuring devices used in the invention can be used for the technical operation, d. H. for the determination of the position of the sample and thus serve as an input signal for the controller as well as for the to be carried out in the context of the determination of the material properties sample measurement.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Messsystems mit einem erfindungsgemäßen Levitator, 1 a schematic side view of a measuring system according to the invention with a levitator according to the invention,

2 eine schematische Ansicht der Anordnung der Hauptelektroden in einem erfindungsgemäßen Levitator und 2 a schematic view of the arrangement of the main electrodes in a levitator according to the invention and

3 eine schematische Darstellung eines von zwei Hauptelektroden erzeugten elektrostatischen Feldes. 3 a schematic representation of an electrostatic field generated by two main electrodes.

1 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 100 mit einem erfindungsgemäßen Levitator 1 schematisch in der Seitenansicht dargestellt. Das Messsystem 100 weist einen Halterahmen 102 auf, an dem der Levitator 1 angeordnet ist. 1 is an inventive measuring system 100 with a levitator according to the invention 1 schematically shown in the side view. The measuring system 100 has a holding frame 102 on, at which the Levitator 1 is arranged.

Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, weist der Levitator 1 ein Elektrodensystem 2 mit vier Hauptelektroden 3 auf. Die Hauptelektroden 3 sind paarweise angeordnet und bilden ein erstes Hauptelektrodenpaar 4a und ein zweites Hauptelektrodenpaar 4b. Die Hauptelektroden 3 des ersten Hauptelektrodenpaars 4a sind parallel zueinander und orthogonal zu den Hauptelektroden 3 des zweiten Hauptelektrodenpaars 4b angeordnet, die ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind.How best 2 It can be seen that the levitator 1 an electrode system 2 with four main electrodes 3 on. The main electrodes 3 are arranged in pairs and form a first main electrode pair 4a and a second main electrode pair 4b , The main electrodes 3 of the first main electrode pair 4a are parallel to each other and orthogonal to the main electrodes 3 of the second main electrode pair 4b arranged, which are also arranged parallel to each other.

Über die beiden Elektrodenpaare 4a und 4b kann ein elektrostatisches Feld erzeugt werden, in dem eine Probe 200 in einen Schwebezustand versetzbar ist.About the two electrode pairs 4a and 4b An electrostatic field can be generated in which a sample 200 can be placed in a suspended state.

Die Hauptelektroden 3 sind langgestreckt als Stabelektroden ausgebildet. Vorzugsweise sind die Hauptelektroden 3 als Rundstäbe ausgebildet und kann aus einer Aluminiumlegierung bestehen. The main electrodes 3 are elongated designed as stick electrodes. Preferably, the main electrodes 3 formed as round rods and may consist of an aluminum alloy.

Der Levitator 1 weist für die beiden Paare von Hauptelektroden 3 jeweils eine Halterung 5 auf, in die die Hauptelektroden 3 eingelassen sind. Die Halterungen 5 sind dabei so angeordnet, dass die Hauptelektroden 3 einander gegenüberliegend angeordnet sind.The Levitator 1 indicates for the two pairs of main electrodes 3 one holder each 5 on, in which the main electrodes 3 are admitted. The brackets 5 are arranged so that the main electrodes 3 are arranged opposite one another.

Zwischen den Hauptelektroden 3 weist die Halterung 5 eine Nut 7 auf, die sich parallel zu den Hauptelektroden 3 erstreckt. Die Nut 7 ist T-förmig ausgebildet und weist somit zwei hinterschnittene Bereiche 9 auf. Durch die Nut 7 mit den hinterschnittenen Bereichen 9 wird verhindert, dass von der Probe 200, die beispielsweise eine metallische Probe ist, Material abdampft und auf der Oberfläche der Halterung 5 eine durchgängige elektrisch leitende Schicht zwischen den Hauptelektroden 3 bildet. Der hinterschnittene Bereich 9 der Nut 7 wird dabei von dem abgedampften Material der Probe 200 nicht oder nur im geringen Maße erreicht, so dass das auf der Oberfläche der Halterung 5 niedergeschlagene Material keine durchgängige Verbindung zwischen den Hauptelektroden 3 bilden kann. Dadurch wird erreicht, dass eine Halterung 5 in einem erfindungsgemäßen Levitator 1 über einen langen Zeitraum genutzt werden kann, ohne dass diese gereinigt oder ausgetauscht werden muss, weil es aufgrund von niedergeschlagenem Material zu einer elektrischen Verbindung zwischen den Hauptelektroden 3 gekommen ist.Between the main electrodes 3 has the bracket 5 a groove 7 on, which are parallel to the main electrodes 3 extends. The groove 7 is T-shaped and thus has two undercut areas 9 on. Through the groove 7 with the undercut areas 9 will prevent from the sample 200 , which is for example a metallic sample, evaporates material and on the surface of the holder 5 a continuous electrically conductive layer between the main electrodes 3 forms. The undercut area 9 the groove 7 is thereby of the evaporated material of the sample 200 not achieved or only to a small extent, so that on the surface of the holder 5 deposited material no continuous connection between the main electrodes 3 can form. This ensures that a holder 5 in a levitator according to the invention 1 be used over a long period of time, without having to be cleaned or replaced, because it is due to depressed material to an electrical connection between the main electrodes 3 has come.

Die Halterungen 5 sind vorzugsweise aus einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid gefertigt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Halterung 5 aus einem anderen Material, beispielsweise aus einem Kunststoff wie Polytetrafluorethylen, besteht. Die Halterungen 5 weisen ferner Durchgangsbohrungen auf, durch die Leitungen 11 zu den Hauptelektroden führbar sind, über die die Hauptelektroden 3 mit Hochspannungsverstärkern 13 verbunden sind. Ferner weist der Levitator 1 in 1 nicht dargestellte Regler auf, über die die Hochspannungsverstärker und somit das elektrostatische Feld der Hauptelektroden 3 geregelt werden kann, wodurch eine Positionierung der Probe 200 im Schwebezustand erfolgt.The brackets 5 are preferably made of a ceramic material, such as alumina. Of course it is also possible that the holder 5 made of a different material, for example of a plastic such as polytetrafluoroethylene. The brackets 5 have further through holes, through the lines 11 are feasible to the main electrodes, over which the main electrodes 3 with high voltage amplifiers 13 are connected. Furthermore, the Levitator 1 in 1 not shown controller, via which the high voltage amplifier and thus the electrostatic field of the main electrodes 3 can be regulated, thereby positioning the sample 200 in limbo.

Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, sind die Hauptelektroden 3 entlang der Kanten 15 eines virtuellen Quaders 17 angeordnet. Die vier Hauptelektroden 3 sind dabei an nicht benachbarten Kanten des Quaders 17 angeordnet. Mit anderen Worten: Jede Hauptelektrode 3 ist jeweils an einer Kante 15 des virtuellen Quaders 17 angeordnet, an die ausschließlich Kanten 15a des Quaders 17 ohne Hauptelektrode 3 angrenzen.How best 2 can be seen, are the main electrodes 3 along the edges 15 a virtual cuboid 17 arranged. The four main electrodes 3 are at non-adjacent edges of the cuboid 17 arranged. In other words: every main electrode 3 is always on one edge 15 of the virtual cuboid 17 arranged to the exclusively edges 15a of the cuboid 17 without main electrode 3 adjoin.

Das erste Hauptelektrodenpaar 4a ist dabei in einer horizontalen unteren Ebene 18 und das zweite Hauptelektrodenpaar 4b in einer oberen horizontalen Ebene 19 angeordnet. Die Lagebezeichnung der Ebenen 18, 19 bezieht sich selbstverständlich nur beim Einsatz des erfindungsgemäßen Levitators 1 im erdgebundenen Versuch, wobei sich dann die untere Ebene 18 und die obere Ebene 19 in X/Y-Richtung erstrecken und in Z-Richtung voneinander beabstandet sind. Die negative Z-Richtung ist dabei die Richtung der Gravitationskraft.The first main electrode pair 4a is in a horizontal lower level 18 and the second main electrode pair 4b in an upper horizontal plane 19 arranged. The location name of the levels 18 . 19 Of course, this refers only to the use of the levitator according to the invention 1 in the earthbound attempt, taking then the lower level 18 and the upper level 19 extend in the X / Y direction and are spaced apart in the Z direction. The negative Z-direction is the direction of the gravitational force.

Wie aus 2 ersichtlich ist, hat die erfindungsgemäße Anordnung der Hauptelektroden 3 den Vorteil, dass die Probe 200 zumindest in der Probenebene 21, die parallel zu der unteren Ebene 18 und der oberen Ebene 19 angeordnet ist, von allen Seiten zugänglich ist, so dass Messgeräte und beispielsweise ein Heizgerät, wie beispielsweise ein Heizlaser, auf einfache Art und Weise Zugang zu der Probe 200 erhalten. Dadurch lassen sich in besonders vorteilhafter Weise Messungen an der Probe 200 durchführen, wobei gleichzeitig ein Aufheizen der Probe 200 beispielsweise über einen Heizlaser auf besonders einfache Art und Weise möglich ist. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der Hauptelektroden 3 einen sehr einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Levitators 1.How out 2 can be seen, has the inventive arrangement of the main electrodes 3 the advantage of having the sample 200 at least in the sample level 21 parallel to the lower level 18 and the upper level 19 is arranged, accessible from all sides, so that gauges and, for example, a heater, such as a heating laser, in a simple way access to the sample 200 receive. This makes it possible to measure the sample in a particularly advantageous manner 200 perform while heating the sample at the same time 200 For example, via a heating laser in a particularly simple manner is possible. In addition, the arrangement of the invention allows the main electrodes 3 a very simple structure of the levitator according to the invention 1 ,

In 3 ist die Funktion des erfindungsgemäßen Levitators 1 schematisch dargestellt. Die Ansichtsrichtung der 3 ist dabei in Richtung der Längserstreckung der Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a.In 3 is the function of the levitator according to the invention 1 shown schematically. The viewing direction of 3 is in the direction of the longitudinal extent of the main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a ,

Die Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a erzeugen jeweils ein elektrostatisches Feld 23, das eine Kreiszylinderform bildet. In 3 sind die Iso-Potentiale 23a der elektrostatischen Felder 23 gezeigt. Die Iso-Potentiale 23a treffen zwischen den Hauptelektroden 3 aufeinander und bilden eine erste Rinne 25. Da die Probe 200 positiv geladen ist und erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das elektrostatische Feld 23 der Hauptelektroden 3 ebenfalls eine positive Ladung aufweist, wird die Probe 200 von dem elektrostatischen Feld 23 nach oben in Richtung des zweiten Hauptelektrodenpaars 4b gedrückt. Das untere Hauptelektrodenpaar 4a ermöglicht somit lediglich eine Bewegung der Probe 200 in eine Richtung parallel zu der Längsrichtung der Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a. Das obere Hauptelektrodenpaar 4b bildet in gleicher Weise ein elektrostatisches Feld, wobei aufgrund der Anordnung der Hauptelektroden 3 des oberen Hauptelektrodenpaars 4b in eine Richtung orthogonal zu den Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a erstreckt sich die von dem elektrischen Feld des oberen Hauptelektrodenpaars 4b gebildete zweite Rinne orthogonal zu der ersten Rinne 25. Somit wird eine Justage der Position der Probe 200 in alle Raumrichtungen möglich und die Position der Probe 200 wird festgelegt.The main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a each generate an electrostatic field 23 forming a circular cylinder shape. In 3 are the iso-potentials 23a the electrostatic fields 23 shown. The iso-potentials 23a meet between the main electrodes 3 on top of each other and form a first groove 25 , Because the sample 200 is positively charged and provided according to the invention that the electrostatic field 23 the main electrodes 3 also has a positive charge, the sample becomes 200 from the electrostatic field 23 upward in the direction of the second main electrode pair 4b pressed. The lower main electrode pair 4a thus allows only a movement of the sample 200 in a direction parallel to the longitudinal direction of the main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a , The upper main electrode pair 4b forms an electrostatic field in the same way, due to the arrangement of the main electrodes 3 of the upper main electrode pair 4b in a direction orthogonal to the main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a extends from the electric field of the upper main electrode pair 4b second gutter formed orthogonal to the first gutter 25 , Thus, an adjustment of the position of the sample 200 possible in all spatial directions and the position of the sample 200 is set.

Zur Regelung der Position der Probe 200 wird das Verhältnis der Feldstärken der elektrostatischen Felder 23 der Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a zueinander verändert, so dass die erste Rinne 25 in X-Richtung verschoben wird. Für eine Regelung in Y-Richtung wird das Verhältnis der Feldstärken der elektrostatischen Felder des zweiten Hauptelektrodenpaars 4b entsprechend zueinander verändert, so dass sich die zweite Rinne in Y-Richtung verschiebt. Für eine Regelung der Position der Probe 200 in Z-Richtung werden die elektrostatischen Felder der Hauptelektroden 3 des unteren Hauptelektrodenpaars 4a und des oberen Hauptelektrodenpaars 4b zueinander jeweils gleich gehalten und die Stärken der elektrostatischen Felder des unteren Hauptelektrodenpaars 4a im Vergleich zu dem oberen Hauptelektrodenpaar 4b verändert.To control the position of the sample 200 is the ratio of the field strengths of the electrostatic fields 23 the main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a changed each other, leaving the first trough 25 is moved in the X direction. For a Y-direction control, the ratio of field strengths of the electrostatic fields of the second main electrode pair becomes 4b changed in accordance with each other, so that the second channel shifts in the Y direction. For a regulation of the position of the sample 200 in the Z direction, the electrostatic fields of the main electrodes 3 of the lower main electrode pair 4a and the upper main electrode pair 4b each held equal to each other and the strengths of the electrostatic fields of the lower main electrode pair 4a compared to the upper main electrode pair 4b changed.

Die Regelung des erfindungsgemäßen Levitators 1 kann vorsehen, dass die elektrostatischen Felder der Hauptelektroden 3 alle positiv geladen sind, so dass die positiv geladene Probe 200 durch die Hauptelektroden 3 auf ihre Position gedrückt wird.The regulation of the levitator according to the invention 1 may provide that the electrostatic fields of the main electrodes 3 all are positively charged, leaving the positively charged sample 200 through the main electrodes 3 is pressed into position.

Neben den Hauptelektroden 3 kann der erfindungsgemäße Levitator 1 Nebenelektroden aufweisen, die in den Fign. nicht dargestellt sind. Diese können für Feinjustierungszwecke vorgesehen sein. Die Nebenelektroden können auch an den Kanten 15a des virtuellen Quaders 17 angeordnet sein, an denen keine Hauptelektrode 3 angeordnet ist.In addition to the main electrodes 3 can the levitator according to the invention 1 Having side electrodes, which in the Fign. are not shown. These may be provided for fine adjustment purposes. The sub-electrodes can also be on the edges 15a of the virtual cuboid 17 be arranged at which no main electrode 3 is arranged.

Wie in 1 dargestellt ist, ist der Halterahmen 102 des erfindungsgemäßen Messsystems 100 langgestreckt ausgebildet. Dadurch besitzt das Messsystem 100 in Querrichtung eine relativ kompakte Ausgestaltung, so dass das erfindungsgemäße Messsystem 100 auch beispielsweise in einer Rakete angeordnet werden kann und somit in vorteilhafter Weise in einen Bereich der Schwerelosigkeit verbracht werden kann. Das Messsystem 100 kann ein optisches Messgerät 104 sowie einen Heizlaser 106 aufweisen, die in Längsrichtung des Halterahmens 102 benachbart zu dem Halterahmen 102 angeordnet sind. Das optische Messgerät 104 erhält Sichtkontakt mit der Probe 200 über einen Spiegel 108, so dass eine sehr kompakte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems 100 erreicht werden kann. In gleicher Weise kann der Laser 106 die Probe 200 ebenfalls über einen Spiegel 108 bestrahlen, indem der von dem Heizlaser 106 erzeugte Laserstrahl über den Spiegel 108 auf die Probe 200 gelenkt wird.As in 1 is shown, is the holding frame 102 the measuring system according to the invention 100 elongated trained. This is what the measuring system has 100 in the transverse direction a relatively compact configuration, so that the measuring system according to the invention 100 Also, for example, can be arranged in a rocket and thus can be spent in an advantageous manner in a range of weightlessness. The measuring system 100 can be an optical measuring device 104 and a heating laser 106 have, in the longitudinal direction of the holding frame 102 adjacent to the support frame 102 are arranged. The optical measuring device 104 gets visual contact with the sample 200 over a mirror 108 , so that a very compact embodiment of the measuring system according to the invention 100 can be achieved. In the same way, the laser 106 the sample 200 also over a mirror 108 irradiate by the heating laser 106 generated laser beam over the mirror 108 to the test 200 is steered.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erfindungsgemäße Levitator lediglich drei Hauptelektroden auf. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der finanzielle Aufwand für den erfindungsgemäßen Levitator geringer ist, da aufgrund der reduzierten Anzahl von Hauptelektroden auf einen Hochspannungsverstärker verzichtet werden kann. Die Regelung des Levitators ist jedoch aufwändiger, da für die Regelung der Position der Probe in einer Raumrichtung eine gleichzeitige Regelung von mehreren Hauptelektroden notwendig ist. Dadurch wird die Positionsregelung der Probe 200 wesentlich aufwändiger.In an embodiment of the invention, not shown, the levitator according to the invention has only three main electrodes. Such a configuration has the advantage that in comparison to the previously described embodiment, the financial expense for the levitator according to the invention is lower, since due to the reduced number of main electrodes can be dispensed with a high-voltage amplifier. However, the control of the levitator is more complex, since the simultaneous control of several main electrodes is necessary for the regulation of the position of the sample in one spatial direction. This will cause the position control of the sample 200 much more complex.

Claims

Electrostatic levitator ( 1 ) with an electrode system ( 2 ) for generating an electrostatic field ( 23 ), in which a sample ( 200 ) is suspendable, the electrode system ( 2 ) at least three main electrodes ( 3 ), characterized in that the main electrodes ( 3 ) elongated and each along an edge ( 15 ) of a virtual cuboid ( 17 ), each main electrode ( 3 ) each on one edge ( 15 ) of the virtual cuboid ( 17 ), to which only edges ( 15a ) of the cuboid ( 17 ) without main electrode, at least two main electrodes ( 3 ) are arranged orthogonal to each other and wherein about each main electrode ( 3 ) is formed a circular cylindrical electrostatic field.

Levitator according to claim 1, characterized in that four main electrodes ( 3 ) each along an edge ( 15 ) of a virtual cuboid ( 17 ) are arranged, wherein in each case two main electrodes ( 3 ) are arranged parallel to each other.

Levitator according to one of claims 1 or 2, characterized in that the main electrodes ( 3 ) are formed as stick electrodes

Levitator according to one of claims 2 or 3, characterized in that in each case the two main electrodes arranged parallel to one another ( 3 ) on a common support ( 5 ) are arranged.

Levitator according to claim 4, characterized in that the holder ( 5 ) consists of a ceramic material.

Levitator according to claim 4 or 5, characterized in that the main electrodes ( 3 ) in the holder ( 5 ) are admitted.

Levitator according to one of claims 4 to 6, characterized in that the holder ( 3 ) a groove ( 7 ), which between the on the bracket ( 5 ) arranged main electrodes ( 3 ) is arranged, wherein the groove ( 7 ) at least one undercut area ( 9 ) having.

Levitator according to claim 7, characterized in that the groove ( 7 ) has a T-shaped cross-section.

Levitator according to one of claims 1 to 8, characterized in that three regulators the main electrodes ( 3 ), with one controller each controlling the position of the sample ( 200 ) in a spatial direction.

Measuring system ( 100 ) with an electrostatic levitator ( 1 ) according to any one of claims 1 to 9, wherein the levitator ( 1 ) in a longitudinally extending support frame ( 102 ) and at least one optical measuring device ( 104 ) and at least one optical heater ( 106 ).

Measuring system according to claim 10, characterized in that the measuring device ( 104 ) and / or the heater ( 106 ) in the longitudinal direction of the holding frame ( 102 ) adjacent to the support frame ( 102 ) is arranged and the measuring or heating signal via a mirror arrangement ( 108 ) to the test ( 200 ) is steerable.