DE102021205192A1

DE102021205192A1 - Schnellkupplung zur Montage eines NMR-Probenkopf am Shimsystem

Info

Publication number: DE102021205192A1
Application number: DE102021205192.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Mayer; Franco Sestito
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-24
Also published as: US20220373622A1; CN115372397A; US11635478B2

Abstract

Eine Befestigungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen eines NMR-Probenkopfs (1) an einem NMR-Magneten (2), mit einem Einsatzteil (3) zur Befestigung des Probenkopfs an einem an der Unterseite starr mit dem Magneten verbundenen Haltesystem (4), wobei das Einsatzteil mittels mindestens eines Federelements (8) eine Kraft-variable Verbindung aufbauen kann, wobei der Probenkopf am Einsatzteil (3) mittels starrer Halteelemente (6) befestigbar ist, und wobei im geschlossenen Zustand zwischen dem Einsatzteil und den Halteelementen eine Verbindung ohne mechanisches Spiel vorhanden ist, während das Federelement unter Spannung steht, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einsatzteil und dem Haltesystem ein ringscheibenförmiges Vorspannelement (9) angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass das Vorspannelement durch Drehung um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil auf das Federelement drückt und dieses dadurch vorspannt, und dass das Federelement sowie die Halteelemente geometrisch derart gestaltet sind, dass in einem geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil und den Halteelementen eine Verbindung mit mechanischem Spiel von 0,5mm bis 5mm vorhanden ist, während das Federelement durch das Vorspannelement vorgespannt ist. Damit wird die Reibung und mithin der Verschleiß der beweglichen Komponenten bei Ein- und Ausbau erheblich reduziert und es wird auch eine einhändige Montage möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen eines NMR-Probenkopfs an einem NMR-Magneten, dessen Hauptachse parallel zu einer z-Richtung verläuft, mit einem Einsatzteil, welches dazu vorgesehen ist, zur Befestigung des NMR-Probenkopfs von unten her gegen ein an der Unterseite des NMR-Magneten angeordnetes, mit dem Magneten starr verbundenes Haltesystem, das Teil der Befestigungsvorrichtung ist, geschoben zu werden, wobei eine feste mechanische Verbindung zwischen Probenkopf und Einsatzteil einerseits und zwischen Einsatzteil und Haltesystem andererseits hergestellt werden kann, nachdem der NMR-Probenkopf gegen die dem Haltesystem abgewandte Unterseite des Einsatzteils bis zum Kontakt des oberen Endes des Probenkopfs mit dem oberen Ende des Haltesystems geschoben wurde, wobei das Einsatzteil so ausgebildet ist, dass mit Hilfe mindestens eines Federelements zusätzlich zu einem Formschluss auch eine Kraft-variable Verbindung zwischen dem Probenkopf und dem Haltesystem aufgebaut werden kann, wobei der Probenkopf am Einsatzteil mittels mehrerer jeweils einstückiger starrer Halteelemente von jeweils unabänderlicher fester Länge, die Teil der Befestigungsvorrichtung sind, befestigbar ist, und wobei in einem geschlossenen Zustand zwischen dem Einsatzteil und den Halteelementen eine Verbindung ohne mechanisches Spiel vorhanden ist, während das Federelement unter mechanischer Spannung steht.
Eine solche Anordnung ist bekannt aus der DE 10 2017 215 763 B3 (= Referenz [1]).
Hintergrund der Erfindung
Zur Analyse von Probenzusammensetzungen oder zur Strukturbestimmung von Stoffen in Proben werden NMR-Verfahren eingesetzt. Die NMR-Spektroskopie ist ein leistungsfähiges Verfahren der instrumentellen Analytik. Bei diesen NMR-Verfahren ist die Probe einem starken statischen Magnetfeld B₀ in einer z-Richtung ausgesetzt. Dabei kommt es zu einer Wechselwirkung mit den Kernspins des Probenmaterials, insbesondere zur Ausrichtung von Kernspins in der Messsubstanz. Sodann werden dazu orthogonale hochfrequente elektromagnetische Impulse in x- oder y-Richtung in die Probe eingestrahlt. Die zeitliche Entwicklung dieser Kernspins der Probe erzeugt wiederum hochfrequente elektromagnetische Felder, welche in der NMR-Apparatur detektiert werden. Aus den detektierten HF-Feldern können Informationen über die Eigenschaften der Probe integral über einen gewissen räumlichen Bereich erhalten werden. Insbesondere kann aus der Lage und Intensität von NMR-Linien auf die chemische Zusammensetzung sowie die chemischen Bindungsverhältnisse in der Probe geschlossen werden (siehe beispielsweise DE 10 2013 204 131 B3 = Referenz [2]).
Die Messprobe besteht in der Regel aus einem zylindrischen Probenröhrchen mit üblicherweise kreisrundem, ovalem oder rechteckigem Querschnitt, welches die feste oder flüssige Messsubstanz enthält. Das Probenröhrchen ist mindestens auf der Seite verschlossen, mit der es zuerst in den Probenkopf eindringt, und befindet sich typischerweise in einem Spinner. Probenröhrchen und Spinner werden mit Hilfe eines Transportsystems von außerhalb des Magneten in den Probenkopf transportiert. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass sich die Einführungsöffnung oben am Probenkopf befindet und das Probenröhrchen von oben in den Probenkopf eingeführt wird. Es ist jedoch auch denkbar, das Probenröhrchen von unten in eine dafür vorgesehene Öffnung in den Probenkopf einzuführen. Dieser Fall ist analog zum oben genannten und wird aus Übersichtlichkeitsgründen nicht explizit beschrieben. Wenn sich das Probenröhrchen in der Messposition befindet, dann befindet sich der Spinner innerhalb der Turbine. Die Turbine ermöglicht eine Rotation des Probenröhrchens (siehe beispielsweise DE 10 2013 212 312 B4 = Referenz [3]).
Die Firmenbroschüre „Manual Probes. User Manual Version 003“ Bruker BioSpin AG aus dem September 2009 (=Referenz [4]) beschreibt insbesondere in den Kapiteln 5.2 und 5.8 eine Befestigungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen eines NMR-Probenkopfs an einem NMR-Magneten, mit einem scheibenförmigen Einsatzteil, welches so ausgebildet ist, dass mit Hilfe eines Federelements zusätzlich zu einem Formschluss auch eine Kraft-variable Verbindung zwischen dem Probenkopf und dem Haltesystem aufgebaut werden kann. Die derzeit erhältlichen sogenannten „Standard Bore“ Probenköpfe werden mit Hilfe von zwei Schrauben an einem SHIM-System befestigt. Dies ist für den Anwender sehr umständlich, da er zum einen für die Montage des Probenkopfes unter den Magneten kriechen und dort in kniender Körperhaltung arbeiten muss. Zum anderen sind die relativ kleinen Schrauben aufgrund der Montageposition des Probenkopfs am Magneten sehr umständlich und normalerweise nur mit einem Spezialschraubenzieher anzuziehen. Wenn die Befestigungsschrauben angezogen sind, ist die Befestigung fix und kann sich nicht mehr an spätere Längenänderungen anpassen, die zum Beispiel durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden können. Diese Längenänderungen können dann ein mechanisches Spiel oder eine nicht zulässige axiale Spannung zwischen Probenkopf und Haltesystem hervorrufen.
Die heutigen sogenannten „Wide Bore“ Probenköpfe werden mit einem -an sich bereits bekannten- Schnellverschluss an das Haltesystem montiert. Durch die konstruktiv bedingte Kulissenform des Spannsystems wird beim Bedienen des Spannrings bereits am Anfang des Montagevorgangs die maximale Kraft auf den Probenkopf gebracht. Nach dem Überwinden dieser maximalen Kraft entspannt sich das System wieder und der Probenkopf ist mit einer nicht definierten Kraft bis hin zu einem möglicherweise nicht mehr tolerierbaren Spiel im SHIM-System der NMR-Apparatur montiert. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, müssen derzeit bei jedem Probenkopf die Halteelemente individuell auf das jeweilige SHIM-System eingestellt werden. Die eingestellte Kraft kann dabei aber nicht kontrolliert werden. Es kann lediglich geprüft werden, ob ein mechanisches Spiel (tolerabel oder nicht mehr tolerierbar) vorhanden ist oder eben nicht. Diese Umstände machten es bis vor kurzem unmöglich, den bereits von den „Wide Bore“ Probenköpfen bekannten Schnellverschluss nach Referenz [4] auch zur Montage von „Standard Bore“ Probenköpfen einzusetzen, da es bei den „Standard Bore“ Probenköpfen sehr wichtig ist, dass überhaupt kein Spiel respektive keine allzu hohe Kraft zwischen Probenkopf und SHIM-System vorhanden sind. Dazu kommt, dass beim bekannten Schnellverschluss von „Wide Bore“ Probenköpfen gemäß Referenz [4] keine Verriegelung gegen ein unbeabsichtigtes Öffnen vorhanden ist. Dies ist jedoch aufgrund von Sicherheitsbetrachtungen sowie daraus resultierenden Marketingüberlegungen bei den „Standard Bore“ Probenköpfen eine feste Anforderung. Die gattungsgemäße Befestigungsvorrichtung nach der bereits oben zitierten Referenz [1] hingegen weist im Gegensatz zur bisher üblichen Ausführung sowohl für „Wide Bore“ Probenköpfe als auch für den „Standard Bore“ Probenköpfe im montierten Zustand immer eine, in einem bestimmten Bereich definierte, Kraft auf, die zwischen dem Probenkopf und dem Haltesystem anliegt. Das Federelement ist dort so gestaltet, dass die Haltekraft bei der Betätigung des Halteelements kontinuierlich ansteigt und in der Endlage ihr Maximum erreicht. Durch diese Ausgestaltung des -an sich bereits bekannten-Federelements ist es jetzt nicht mehr möglich, dass in der Montage-Endlage ein Spiel zwischen Probenkopf und dem NMR-Magnetsystem oder einem SHIM System entstehen kann.
Aufgrund der durch die Befestigungsvorrichtung gemäß Referenz [1] eröffneten Möglichkeiten eines solchen Schnellverschlusses ist es nicht mehr möglich, dass der Anwender Fehlmanipulationen bei der Montage des NRM-Probenkopfs am Haltesystem, wie zum Beispiel beim Einstellen der Haltelemente bei einem „Wide Bore“ System, in Kauf nehmen muss. Da bei dem Schnellwechselsystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Längentoleranzen der beteiligten Komponenten mittels Federelementen aufgenommen werden, kann es nicht mehr vorkommen, dass sich das System in einem mechanisch undefinierten Zustand befindet.
Allerdings weist auch die deutlich verbesserte, in Referenz [1] offenbarte Befestigungsvorrichtung immer noch folgende Nachteile auf:

- Die Reibung des drehenden Federelementes führt am Halteelement zu Verschleiß.
- Die Reibung zwischen diesen beiden Teilen führt zu relativ großer Betätigungskraft.
- Es sind zum Einbau des NMR-Probenkopfes zumindest zwei Hände notwendig: Eine hält den NMR-Probenkopf, die andere betätigt die Verriegelungsvorrichtung.
- Die Montage des Schnellverschlusses an das Shimsystem (nämlich über Kopf) ist wegen des vorgespannten Federelements kompliziert.

Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsvorrichtung der eingangs definierten generischen Art mit möglichst einfachen technischen Maßnahmen so zu modifizieren, dass die oben aufgezählten Nachteile vollständig oder zumindest weitestgehend vermieden werden, ohne damit eine Minderung der Qualität der NMR-Messungen hervorzurufen, wobei der NMR-Probenkopf besonders kompakt bleiben soll und die Materialkosten sowie der Fertigungsaufwand reduziert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein schnelles Wechseln des Probenkopfes zu ermöglichen, ohne dadurch eine erheblich verkürzte Lebensdauer des Probenkopfes zu riskieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass bei einer gattungsgemäßen Befestigungsvorrichtung mit den eingangs definierten Merkmalen zwischen dem Einsatzteil und dem Haltesystem ein ringscheibenförmiges Vorspannelement angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass durch eine Drehung des Vorspannelements um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil das Vorspannelement auf das Federelement drückt und dieses dadurch vorspannt, und dass das Federelement des Einsatzteils sowie die Halteelemente geometrisch derart gestaltet sind, dass in einem geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil und den Halteelementen eine Verbindung mit mechanischem Spiel von 0,5mm bis 5mm vorhanden ist, während das Federelement durch das Vorspannelement vorgespannt ist.
Bei der aus Referenz [1] bekannten Lösung wurde das Federelement durch Verdrehen mit dem Haltelement am Probenkopf zum Eingriff gebracht und durch weiteres Drehen dann gespannt. Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hingegen wird das Einsatzteil mit den beiden Federelementen nicht mehr gedreht, sondern es steht fest. Stattdessen werden zum Einbau des Probenkopfes die Federelemente flachgedrückt und damit vorgespannt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung entsteht keinerlei Reibung aufgrund eines drehenden Federelements, welche am Halteelement beim Stand der Technik zu erhöhtem Verschleiß wegen der zwischen diesen beiden Teilen relativ großen erforderlichen Betätigungskraft führt.
Das Vorspannen der Federelemente, der Einbau des Probenkopfes und das Freigeben der Federelemente erfolgen schrittweise nacheinander, Dadurch kann der Einbau des NMR-Probenkopfes nunmehr sogar einhändig erfolgen, weil nicht mehr zwingend eine Hand den NMR-Probenkopf halten muss, während die andere die Verriegelungsvorrichtung betätigt, sondern der Probenkopf kann jetzt zusammen mit der Befestigungsvorrichtung in das Shimsystem eingeführt werden.
Die bislang relativ komplizierte über-Kopf-Montage des Schnellverschlusses an das Shimsystem wird wegen des vorgespannten Federelements spürbar erleichtert. Eine einfache Drehung des erfindungsgemäß ausgestalteten Vorspannelements bewirkt dann die endgültige Befestigung des NMR-Probenkopfes.
An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Vorteile der Erfindung nicht nur bei vertikalen NMR-Spektrometern, sondern ebenso auch bei NMR-Systemen mit horizontaler oder schräg liegender z-Achse erzielen lassen. Die angegebenen axialen Positionen müssen dann nicht mehr notwendig „oberhalb“ beziehungsweise „unterhalb“ des NMR-Magnetspulensystems liegen, sondern gegebenenfalls auch „rechts“ oder „links“ neben demselben. Jedenfalls spielt die Schwerkraft bei der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung eine untergeordnete Rolle.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Je nach speziellem Einsatzzweck können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung von Nutzen sein, bei denen das ringscheibenförmige Vorspannelement aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus Feder-Bronze, aufgebaut ist. Insbesondere kann das scheibenförmige Einsatzteil eine Federkulisse aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus Feder-Bronze wie etwa Berylco^®, aufweisen.
Von Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Kräfte, die aus dem Zusammenspiel von NMR-Magnet und magnetischen Materialien hervorgerufen werden, auf die Mechanik wirken. Zusätzlich kann ein magnetisches Material zu Feldstörungen führen, welche dann die NMR-Messung beeinflussen können.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsformen ist die Federkulisse einteilig aufgebaut. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass erstens eine kostengünstige Fertigung gemacht werden kann (keine Montagearbeit) und zum anderen der Bauraum optimaler ausgenutzt werden kann. Bei einem einteiligen Element braucht man keine Verbindungspartien, welche Bauraum benötigen. Dieser Bauraum kann für Federstärke und Federlänge genutzt werden. Dies wiederum ergibt mehr Federweg.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung, bei welchen mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier gleichmäßig um eine Achse senkrecht zur Ebene des Einsatzteils verteilt angeordnete Federelemente vorhanden sind. Dadurch entsteht bei der Betätigung kein Kippmoment.
Eine bevorzugte Klasse von Ausführungsformen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Magnet-abgewandten Unterseite des Haltesystems ein Halteabschnitt reversibel montierbar ist, welcher starr befestigt ist. Der Vorteil ist, dass der Schnellverschluss an bereits installierte NMR-Magnete respektive Haltesysteme nachgerüstet werden kann.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen ist der Halteabschnitt ringförmig ausgebildet und weist an seiner radial inneren Seite pro Federelement des Einsatzteils jeweils eine radial nach innen ragende Nase auf, wobei die Befestigungsvorrichtung auch unter der durch eine Drehung des Vorspannelements um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil hervorgerufenen Vorspannung der Federelemente als Schnellverschlusseinheit zusammengehalten wird. Durch die Nasen des Halteabschnitts wird erreicht, dass die ganze Schnellverschlusseinheit auch unter Vorspannung der Federelemente zusammengehalten wird. Das heißt, es ist möglich, die Federelemente durch Drehen des Rollenträgers vorzuspannen, was die Montage der Schnellverschluss-Einheit am Shimsystem vereinfacht, da die Federelemente nicht durch die Montage selbst gespannt werden müssen. Diese Montagevereinfachung ist besonders willkommen, weil die Montage, wie bereits erwähnt, über Kopf unter dem Magneten erfolgen muss.
Eine weitere, besonders bevorzugte Klasse von Ausführungsformen der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Federelemente an ihrem jeweiligen freien Ende eine gabelförmige Aufnahme aufweisen, in welche die Halteelemente bei der Montage mittels einer Drehung des Probenkopfs um seine Achse eingehängt werden können. Somit kann der Probenkopf in das Shimsystem eingeführt und mittels einer kleinen Drehbewegung um die Z-Achse mit seinen Halteelementen in den Gabeln der Federelemente eingehängt werden. Durch Zurückdrehen des Vorspannelements werden die Federelemente freigegeben und soweit entspannt, bis der Probenkopf mit seinen Halteelementen in der Endlage fixiert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass am Vorspannelement passend zu jeder gabelförmigen Aufnahme eines Federelements jeweils ein Nocken vorgesehen ist, welcher am jeweiligen Halteelement ansteht, um zu verhindern, dass durch Krafteinwirkung auf den Probenkopf dieser sich um seine Achse zurückdrehen kann, so dass die Halteelemente aus den gabelförmigen Aufnahmen gleiten können, wobei durch Zurückdrehen des Vorspannelements die Federelemente freigegeben und soweit entspannt werden, bis der Probenkopf mit seinen Halteelementen in der Endlage fixiert ist. Somit wird ein versehentliches Herunterfallen des Probenkopfes verhindert.
Bei ganz besonders bevorzugt Varianten dieser Weiterbildungen ist eine Verriegelungsvorrichtung gegen unbeabsichtigtes Lösen einer Halterung vorhanden, wobei die Verriegelungsvorrichtung beim Weiterdrehen des Vorspannelements bis zum Anschlag einrastet und dabei durch die Nocken am Vorspannelement, welche an den Halteelementen anstehen, ein Zurückdrehen des Probenkopfes und ein Herausgleiten der Halteelemente aus den gabelförmigen Aufnahmen verhindert wird. Durch einen derartigen Verriegelungsmechanismus ist das neue Befestigungssystem stets geschützt gegen unbeabsichtigtes Öffnen.
Diese Schritte zum Montieren des Probenkopfes und in umgekehrter Reihenfolge zum Demontieren können mit einer Hand ausgeführt werden, was speziell bei den beengten Platzverhältnissen unter dem NMR-Magneten vorteilhaft ist.
Für viele praktische Anwendungen ist eine Klasse von Ausführungsformen der Erfindung von Vorteil, bei denen das Einsatzteil scheibensegmentförmig aufgebaut ist, und dass jedes Scheibensegment des Einsatzteils ein Federelement trägt. Anstelle des Einsatzteils mit den Federelementen werden hier also separate Federelemente mechanisch mit dem Halteabschnitt verbunden. Die Hauptidee hinter dem Auftrennen der Federelemente ist einerseits, weniger Material zu benötigen (beispielsweise Berylco^® ist relativ teuer) und andererseits, die Federelemente bei einer spritzgusstechnischen Herstellung des Halteabschnittes in diesen zu integrieren
Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen ist zwischen dem Vorspannelement und dem Haltesystem eine Gleitlagerung vorgesehen. Der Vorteil ist, dass die Bedienkraft minimal ist. Die Gleitlagerung ist gegenüber der Kugellagerung vom WB viel einfacher für die Montage.
Alternativ oder ergänzend kann bei bevorzugten Weiterbildungen auch zwischen dem Vorspannelement und den Federelementen eine Gleitlagerung vorgesehen sein.
Diese Varianten lassen sich schließlich noch dadurch weiter verbessern, dass die Materialien der Gleitpartner in der Gleitlagerung so gewählt sind, dass die Bedienkraft und der Abrieb minimiert sind, wobei vorzugsweise PET-C und Feder-Bronze als Gleitpartner verwendet werden. Der Vorteil ist, dass durch diese Materialwahl direkt die Hauptkomponenten (Einsatzteil und Halteelement) als Gleitpartner eingesetzt werden können.
Bei einer alternativen Klasse von besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Einsatzteil scheibenförmig aufgebaut, und das Vorspannelement ist als Rollenträger mit darauf angeordneten Rollen ausgebildet. Dadurch entsteht im Wesentlichen nur noch Rollreibung, so dass die Betätigungskraft noch geringer ist, so dass noch weniger Verschleiß an den Halteelementen bei Betätigung der Vorrichtung entsteht.
Vorteilhaft sind Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen, bei welchen zumindest ein Teil der Rollen des Vorspannelements als Spannrollen ausgeführt sind, die bei Drehung des Vorspannelements um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil auf das Federelement drücken und dieses dadurch vorspannen.
Alternativ oder ergänzend zeichnen sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Rollen des Vorspannelements als Abstützrollen ausgeführt sind, die auf das Haltesystem drücken und bei Drehung des Vorspannelements um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil auf dem Haltesystem, insbesondere auf einer Bodenplatte eines Shimsystems des NMR-Magneten zur Feldformung des homogenen Magnetfelds in einem NMR-Spektrometer, reibungsarm abrollen.
Zum Einbau des Probenkopfes werden durch Drehen des Rollenträgers mit den darauf angeordneten Spannrollen, welche auf die Federelemente drücken, dieselben vorgespannt. Die nach oben versetzt angeordnete Abstützrollen laufen auf der Bodenplatte des Shimsystems, wo die ganze Schnellverschluss-Einheit daran befestigt ist.
Durch Zurückdrehen des Rollenträgers werden die Federelemente freigegeben und soweit entspannt, bis der Probenkopf mit seinen Halteelementen in der Endlage fixiert ist. Wird der Rollenträger bis zum Anschlag weitergedreht, rastet die Verriegelungsvorrichtung ein. Dabei wird durch Nocken am Rollenträger, welche an den Halteelementen anstehen, verhindert, dass durch Krafteinwirkung auf den Probenkopf dieser sich um die Z-Achse zurückdrehen und so die Halteelemente aus den Gabeln gleiten können, was zum Herunterfallen des Probenkopfes führen würde.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das scheibenförmige Einsatzteil als Schnellmontagevorrichtung ausgebildet, vorzugsweise als Bajonettverschluss, der insbesondere um die Scheibenachse parallel zur z-Richtung drehbar ist. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass man einen sehr kurzen Betätigungsweg der Montage des Probenkopfs am Haltesystem hat.
In der Praxis bewähren sich auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung, bei denen das Haltesystem als Shimsystem zur Feldformung des homogenen Magnetfelds in einem NMR-Spektrometer ausgebildet ist.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine NMR-Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung der oben beschriebenen Art, die ein NMR-Magnetsystem und gegebenenfalls auch ein Shimsystem sowie einen Kryostaten umfassen kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische räumliche Seitenansicht von schräg oben auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung mit einem ringscheibenförmigen Vorspannelement ohne Rollen;
1b die Anordnung von 1a als Explosionsdarstellung;
2a eine schematische räumliche Seitenansicht von schräg oben auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung mit einem ringscheibenförmigen, als Rollenträger ausgebildeten Vorspannelement mit darauf angeordneten Rollen;
2b die Anordnung von 2a als Explosionsdarstellung;
3 eine schematische vertikale Schnittansicht auf ein NMR-Spektrometer mit erfindungsgemäßer Befestigungsvorrichtung; und
4 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen am Haltesystem mit der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung montierten Probenkopf, und zwar in der linken Bildhälfte (O) im ersten, geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil und den Halteelementen, in der rechten Bildhälfte (G) im zweiten, geschlossenen Zustand.

Generell befasst sich die Erfindung mit einer modifizierten Befestigungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen eines NMR-Probenkopfes 1 an einem NMR-Magneten 2, dessen Hauptachse parallel zu einer z-Richtung verläuft, mit einem Einsatzteil 3, welches dazu vorgesehen ist, zur Befestigung des NMR-Probenkopfs 1 von unten her gegen ein an der Unterseite des NMR-Magneten 2 angeordnetes, mit dem Magneten 2 starr verbundenes Haltesystem 4, das Teil der Befestigungsvorrichtung ist, geschoben zu werden, wobei eine feste mechanische Verbindung zwischen Probenkopf 1 und Einsatzteil 3 einerseits und zwischen Einsatzteil 3 und Haltesystem 4 andererseits hergestellt werden kann, nachdem der NMR-Probenkopf 1 gegen die dem Haltesystem 4 abgewandte Unterseite des Einsatzteils 3 bis zum Kontakt des oberen Endes des Probenkopfs 1 mit dem oberen Ende des Haltesystems 4 geschoben wurde, wobei das Einsatzteil 3 so ausgebildet ist, dass mit Hilfe mindestens eines Federelements 8 zusätzlich zu einem Formschluss auch eine Kraft-variable Verbindung zwischen dem Probenkopf 1 und dem Haltesystem 4 aufgebaut werden kann, wobei der Probenkopf 1 am Einsatzteil 3 mittels mehrerer jeweils einstückiger starrer Halteelemente 6 von jeweils unabänderlicher fester Länge, die Teil der Befestigungsvorrichtung sind, befestigbar ist, und wobei in einem geschlossenen Zustand zwischen dem Einsatzteil 3 und den Halteelementen 6 eine Verbindung ohne mechanisches Spiel vorhanden ist, während das Federelement 8 unter mechanischer Spannung steht.
Die vorliegende Erfindung ist demgegenüber dadurch charakterisiert, dass zwischen dem Einsatzteil 3 und dem Haltesystem 4 ein ringscheibenförmiges Vorspannelement 9 angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass durch eine Drehung des Vorspannelements 9 um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil 3 das Vorspannelement 9 auf das Federelement 8 drückt und dieses dadurch vorspannt.
Erfindungsgemäß sind zudem das Federelement 8 des Einsatzteils 3 sowie die Halteelemente 6 geometrisch derart gestaltet sind, dass in einem geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil 3 und den Halteelementen 6 eine Verbindung mit mechanischem Spiel von 0,5mm bis 5mm vorhanden ist, während das Federelement 8 durch das Vorspannelement 9 vorgespannt ist.
In der Regel wird die Haltekraft bei der Betätigung der Halteelemente 6 kontinuierlich ansteigen und in der Endlage im zweiten, geschlossenen Zustand ihr Maximum erreichen.
Das scheibenförmige Einsatzteil 3 wird zumeist derart ausgebildet sein, dass mit Hilfe eines Federelements 8 zusätzlich zu einem Formschluss auch eine Kraft-variable Verbindung zwischen dem Probenkopf 1 und dem Haltesystem 4 aufgebaut werden kann, wobei das Federelement 8 so gestaltet ist, dass bei seiner Betätigung ein Federweg f ≥ 2mm ausgelöst wird.
Die 1a, 1b, 2a und 2b zeigen eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei welcher an der Magnet-abgewandten Unterseite des Haltesystems 4 ein Halteabschnitt 5 reversibel montierbar ist, welcher starr am Einsatzteil 3 befestigt ist. Der Halteabschnitt 5 umgibt das Einsatzteil 3 im montierten Zustand radial und wirkt dabei wie ein schützendes Gehäuse.
Der Halteabschnitt 5 kann ringförmig ausgebildet sein und an seiner radial inneren Seite pro Federelement 8 des Einsatzteils 3 jeweils eine radial nach innen ragende Nase 14 aufweisen, wobei die Befestigungsvorrichtung auch unter der durch eine Drehung des Vorspannelements 9 um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil 3 hervorgerufenen Vorspannung der Federelemente 8 als Schnellverschlusseinheit zusammengehalten wird. Die Nasen 14 halten das Vorspannelement 9. Daher ist die notwendige Anzahl der Nasen 14 unabhängig von der Anzahl der Federelemente 8.
Die Federelemente 8 weisen an ihrem jeweiligen freien Ende vorzugsweise eine gabelförmige Aufnahme 12 auf, in welche die Halteelemente 6 bei der Montage mittels einer Drehung des Probenkopfs 1 um seine Achse eingehängt werden können.
Am Vorspannelement 9 ist bei den gezeigten Ausführungsformen passend zu jeder gabelförmigen Aufnahme 12 eines Federelements 8 jeweils ein Nocken 13 vorgesehen ist, welcher am jeweiligen Halteelement 6 ansteht, um zu verhindern, dass durch Krafteinwirkung auf den Probenkopf 1 dieser sich um seine Achse zurückdrehen kann, so dass die Halteelemente 6 aus den gabelförmigen Aufnahmen 12 gleiten können, wobei durch Zurückdrehen des Vorspannelements 9 die Federelemente 8 freigegeben und soweit entspannt werden, bis der Probenkopf 1 mit seinen Halteelementen 6 in der Endlage fixiert ist.
Des Weiteren ist hier eine Verriegelungsvorrichtung 7 gegen unbeabsichtigtes Lösen einer Halterung vorhanden, wobei die Verriegelungsvorrichtung 7 beim Weiterdrehen des Vorspannelements 9 bis zum Anschlag einrastet und dabei durch die Nocken 13 am Vorspannelement 9, welche an den Halteelementen 6 anstehen, ein Zurückdrehen des Probenkopfes 1 und ein Herausgleiten der Halteelemente 6 aus den gabelförmigen Aufnahmen 12 verhindert wird.
Wie in den 1a bis 2b weiter zu erkennen ist, kann die Federkulisse des scheibenförmigen Einsatzteils 3 einteilig aufgebaut sein. In der Regel wird sie aus nichtmagnetischem Material, wie etwa Feder-Bronze, hergestellt sein.
Bevorzugt kann zwischen dem Vorspannelement 9 und dem Haltesystem 4 sowie alternativ oder ergänzend zwischen dem Vorspannelement 9 und den Federelementen 8 eine -in der Zeichnung nicht eigens dargestellte-Gleitlagerung vorgesehen sein. Die Materialien der Gleitpartner in der Gleitlagerung werden dann so gewählt, dass die Bedienkraft und der Abrieb minimiert sind, wobei vorzugsweise PET-C und Feder-Bronze als Gleitpartner verwendet werden.
Anstelle eines durchgängig ringförmigen Einsatzteils 3 wie bei der in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung kann -bei in der Zeichnung nicht eigens dargestellten Ausführungsformen- das Einsatzteil auch scheibensegmentförmig aufgebaut sein, wobei jedes Scheibensegment dieses segmentierten Einsatzteils ein Federelement 8 trägt.
Die 2a und 2b zeigen eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Einsatzteil 3 wiederum ringscheibenförmig aufgebaut und das Vorspannelement 9 als Rollenträger mit darauf angeordneten Rollen ausgebildet ist. Dabei ist Teil der Rollen des Vorspannelements 9 als Spannrollen 10 ausgeführt, die bei Drehung des Vorspannelements 9 um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil 3 auf das Federelement 8 drücken und dieses dadurch vorspannen.
Ein anderer Teil der Rollen ist als Abstützrollen 11 ausgeführt, die auf das Haltesystem 4 drücken und bei Drehung des Vorspannelements 9 um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil 3 auf dem Haltesystem 4, insbesondere auf einer Bodenplatte eines Shimsystems des NMR-Magneten 2 zur Feldformung des homogenen Magnetfelds in einem NMR-Spektrometer, reibungsarm abrollen.
3 zeigt schematisch, wie das erfindungsgemäße Befestigungssystem eine schnelle Montage beziehungsweise Demontage eines NMR-Probenkopfes 1 an einem NMR-Magneten 2 ermöglicht. Dazu wird zunächst das scheibenförmige Einsatzteil 3, an welchem der NMR-Probenkopf 1 mittels der Halteelemente 6 befestigt ist, von unten her gegen die Unterseite eines im NMR-Magneten 2 angeordneten, mit dem Magneten 2 starr verbundenen Haltesystems 4 geschoben. Anschließend wird durch eine Drehung des Einsatzteils 3 um seine Scheibenachse eine feste mechanische Verbindung zwischen Probenkopf 1 und Einsatzteil 3 einerseits und zwischen Einsatzteil 3 und Haltesystem 4 andererseits hergestellt.
Das Haltesystem 4 kann übrigens auch als Shimsystem zur Feldformung des homogenen Magnetfelds in einem NMR-Spektrometer ausgebildet sein.
4 schließlich verdeutlicht in einem schematischen Vertikalschnitt durch einen am Haltesystem 4 montierten Probenkopf 1, wie sich die relativen Abstände der beteiligten Systemkomponenten in den beiden hervorgehobenen Montagezuständen erfindungsgemäß verhalten, und zwar in der linken Bildhälfte (gekennzeichnet mit „O“) im ersten, geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil 3 und den Halteelementen 6 und in der rechten Bildhälfte (gekennzeichnet mit „G“) im zweiten, geschlossenen Zustand:

Unter den geometrischen Verhältnissen $(L 5_min + L 3_min) - (L 4_max - L 2_min) = dHE_min$
$(L 5_max + L 3_max) - (L 4_min - L 2_max) = dHE_max$
müssen die nachfolgenden geometrischen Bedingungen erfüllt sein:
Geometrische Bedingung für Spielfreiheit: $L 1 > dHE_max$
Geometrische Bedingung für Montierbarkeit: $dHE_max > 0$

Dabei bedeuten:

L1: ungespannte Höhe des Federelements 8
L2: Höhe der Halteelemente 6
L3: Höhe des Einsatzteils 3
L4: Höhe der NMR-Probe
L5: Höhe des Haltesystems 5
dHE: Spiel zwischen dem Einsatzteil 3 und den Halteelementen 6

Bezugszeichenliste

1: NMR-Probenkopf
2: NMR-Magnet
3: Einsatzteil
4: Haltesystem
5: Halteabschnitt
6: Halteelemente
7: Verriegelungsvorrichtung
8: Federelement
9: ringscheibenförmiges Vorspannelement
10: Spannrollen
11: Abstützrollen
12: gabelförmige Aufnahme
13: Nocken
14: Nase

Referenzliste:
Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Publikationen:

[1] DE 10 2017 215 763 B3 ≈ EP 3 454 068 B1 ≈ CN 109471052 B ≈ US 10 379 179 B2
[2] DE 10 2013 204 131 B3
[3] DE 10 2013 212 312 B4
[4] Firmenbroschüre „Manual Probes. User Manual Version 003“ Bruker BioSpin AG aus dem September 2009

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017215763 B3 [0002, 0059]
EP 3454068 B1 [0059]
CN 109471052 B [0059]
US 10379179 B2 [0059]
DE 102013204131 B3 [0059]
DE 102013212312 B4 [0059]

Claims

Befestigungsvorrichtung zum lösbaren Befestigen eines NMR-Probenkopfs (1) an einem NMR-Magneten (2), dessen Hauptachse parallel zu einer z-Richtung verläuft, mit einem Einsatzteil (3), welches dazu vorgesehen ist, zur Befestigung des NMR-Probenkopfs (1) von unten her gegen ein an der Unterseite des NMR-Magneten (2) angeordnetes, mit dem Magneten (2) starr verbundenes Haltesystem (4), das Teil der Befestigungsvorrichtung ist, geschoben zu werden, wobei eine feste mechanische Verbindung zwischen Probenkopf (1) und Einsatzteil (3) einerseits und zwischen Einsatzteil (3) und Haltesystem (4) andererseits hergestellt werden kann, nachdem der NMR-Probenkopf (1) gegen die dem Haltesystem (4) abgewandte Unterseite des Einsatzteils (3) bis zum Kontakt des oberen Endes des Probenkopfs (1) mit dem oberen Ende des Haltesystems (4) geschoben wurde, wobei das Einsatzteil (3) so ausgebildet ist, dass mit Hilfe mindestens eines Federelements (8) zusätzlich zu einem Formschluss auch eine Kraft-variable Verbindung zwischen dem Probenkopf (1) und dem Haltesystem (4) aufgebaut werden kann, wobei der Probenkopf (1) am Einsatzteil (3) mittels mehrerer jeweils einstückiger starrer Halteelemente (6) von jeweils unabänderlicher fester Länge, die Teil der Befestigungsvorrichtung sind, befestigbar ist, und wobei in einem geschlossenen Zustand zwischen dem Einsatzteil (3) und den Halteelementen (6) eine Verbindung ohne mechanisches Spiel vorhanden ist, während das Federelement (8) unter mechanischer Spannung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einsatzteil (3) und dem Haltesystem (4) ein ringscheibenförmiges Vorspannelement (9) angeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass durch eine Drehung des Vorspannelements (9) um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil (3) das Vorspannelement (9) auf das Federelement (8) drückt und dieses dadurch vorspannt, und dass das Federelement (8) des Einsatzteils (3) sowie die Halteelemente (6) geometrisch derart gestaltet sind, dass in einem geöffneten Zustand zwischen dem Einsatzteil (3) und den Halteelementen (6) eine Verbindung mit mechanischem Spiel von 0,5mm bis 5mm vorhanden ist, während das Federelement (8) durch das Vorspannelement (9) vorgespannt ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringscheibenförmige Vorspannelement (9) aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus Feder-Bronze, aufgebaut ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise drei oder vier gleichmäßig um eine Achse senkrecht zur Ebene des Einsatzteils (3) verteilt angeordnete Federelemente (8) vorhanden sind.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Magnet-abgewandten Unterseite des Haltesystems (4) ein Halteabschnitt (5) reversibel montierbar ist, welcher starr am Einsatzteil (3) befestigt ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (5) ringförmig ausgebildet ist und an seiner radial inneren Seite pro Federelement (8) des Einsatzteils (3) jeweils eine radial nach innen ragende Nase (14) aufweist, wobei die Befestigungsvorrichtung auch unter der durch eine Drehung des Vorspannelements (9) um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil (3) hervorgerufenen Vorspannung der Federelemente (8) als Schnellverschlusseinheit zusammengehalten wird.
Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (8) an ihrem jeweiligen freien Ende eine gabelförmige Aufnahme (12) aufweisen, in welche die Halteelemente (6) bei der Montage mittels einer Drehung des Probenkopfs (1) um seine Achse eingehängt werden können.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Vorspannelement (9) passend zu jeder gabelförmigen Aufnahme (12) eines Federelements (8) jeweils ein Nocken (13) vorgesehen ist, welcher am jeweiligen Halteelement (6) ansteht, um zu verhindern, dass durch Krafteinwirkung auf den Probenkopf (1) dieser sich um seine Achse zurückdrehen kann, so dass die Halteelemente (6) aus den gabelförmigen Aufnahmen (12) gleiten können, wobei durch Zurückdrehen des Vorspannelements (9) die Federelemente (8) freigegeben und soweit entspannt werden, bis der Probenkopf (1) mit seinen Halteelementen (6) in der Endlage fixiert ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungsvorrichtung (7) gegen unbeabsichtigtes Lösen einer Halterung vorhanden ist, wobei die Verriegelungsvorrichtung (7) beim Weiterdrehen des Vorspannelements (9) bis zum Anschlag einrastet und dabei durch die Nocken (13) am Vorspannelement (9), welche an den Halteelementen (6) anstehen, ein Zurückdrehen des Probenkopfes (1) und ein Herausgleiten der Halteelemente (6) aus den gabelförmigen Aufnahmen (12) verhindert wird.
Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (3) scheibensegmentförmig aufgebaut ist, und dass jedes Scheibensegment des Einsatzteils (3) ein Federelement (8) trägt.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorspannelement (9) und dem Haltesystem (4) eine Gleitlagerung vorgesehen ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorspannelement (9) und den Federelementen (8) eine Gleitlagerung vorgesehen ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Gleitpartner in jeweiligen der Gleitlagerung so gewählt sind, dass die Bedienkraft und der Abrieb minimiert sind, wobei vorzugsweise PET-C und Feder-Bronze als Gleitpartner verwendet werden.
Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzteil (3) scheibenförmig aufgebaut ist, und dass das Vorspannelement (9) als Rollenträger mit darauf angeordneten Rollen (10; 11) ausgebildet ist.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rollen des Vorspannelements (9) als Spannrollen (10) ausgeführt sind, die bei Drehung des Vorspannelements (9) um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil (3) auf das Federelement (8) drücken und dieses dadurch vorspannen.
Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Rollen des Vorspannelements (9) als Abstützrollen (11) ausgeführt sind, die auf das Haltesystem (4) drücken und bei Drehung des Vorspannelements (9) um seine Scheibenachse relativ zum Einsatzteil (3) auf dem Haltesystem (4), insbesondere auf einer Bodenplatte eines Shimsystems des NMR-Magneten (2) zur Feldformung des homogenen Magnetfelds in einem NMR-Spektrometer, reibungsarm abrollen.