DE112017000679B4

DE112017000679B4 - Parallele dipollinienfalle mit variablem spalt sowie entsprechendes verfahren

Info

Publication number: DE112017000679B4
Application number: DE112017000679.1T
Authority: DE
Inventors: Oki Gunawan
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: CN109075026B; US9978493B2; GB2563810B; US10460863B2; GB2563810A; CN109075026A; JP2019522347A; US20180247748A1; JP6916810B2; WO2017182890A1; GB201817913D0; DE112017000679T5; US20170301445A1

Abstract

Parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle), die aufweist:ein Paar Dipollinienmagneten, die durch einen variablen Spalt g voneinander getrennt sind, wobei die Dipollinienmagnete diametral magnetisierte zylindrische Magnete sind, deren Magnetisierungen auf natürliche Weise relativ zueinander orientiert sind; undein diamagnetisches Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fallensysteme einer magnetischen parallelen Dipollinie (parallel dipole line, PDL) und insbesondere auf Techniken zum Einstellen des magnetischen Potentials unter Verwendung eines variablen Spaltes in einer PDL-Falle sowie auf ein entsprechendes Verfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektromagnetische und optische Fallensysteme spielen eine wichtige Rolle in der Physik: z.B. Penning-Fallen, lineare lonenfallen (Paul-Fallen), magnetooptische Fallen, optische Fallen und diamagnetische Fallen. Sie werden verwendet, um Materie zu isolieren, die es ermöglicht, verschiedene hochpräzise Messungen durchzuführen, um die intrinsischen Eigenschaften der Materie zu extrahieren und verschiedene grundlegende Experimente in der Physik durchzuführen.
Ein solches System, das kürzlich entwickelt wurde, ist eine parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle). Eine PDL-Falle ermöglicht ein Einfangen eines diamagnetischen zylindrischen Objekts unter Verwendung von quer magnetisierten Magneten, die als PDL-System dienen. Das Hauptmerkmal der Falle ist das „Kamelrücken-Magnetpotential“ entlang der Längsachse, das ein stabiles Einfangen bereitstellt. Vgl. z.B. Gunawan et al., „A parallel dipole line system“, Applied Physics Letters 106, S. 062407-1-5 (Februar 2015) (im Folgenden „Gunawan“); und US-Patent US 8 895 355 B2 , US-Patent US 9 093 377 B2 und US-Patent US 9 236 293 B2 , die in Cao et al. unter dem Titel „Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials“ veröffentlicht wurden.
Das Magnetfeldprofil (d.h. das Kamelrücken-Potential) entlang der Längsachse ist aufgrund der festen Länge (L) und des Radius (a) sowie der Magnetisierung (M) des Magneten festgelegt. Für einige Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, dieses Magnetfeldprofil und -potential steuern zu können.
Die Druckschrift WO 2007 / 125 129 A1 betrifft eine Struktur mit Permanentmagneten, die geeignet ist, mindestens eine magnetische Mulde zum Einfangen und/oder Führen und/oder Filtern mindestens eines diamagnetischen Partikels oder eines Partikels mit einer magnetischen Suszeptibilität, die geringer ist als die magnetische Suszeptibilität eines den Partikel umgebenden Mediums, zu bilden. Die Struktur umfasst mindestens zwei Permanentmagnete, die nebeneinander angeordnet sind, in einer ersten Ebene, so dass der Abstand zwischen einander zugewandten Flächen der Permanentmagnete einen ersten Luftspalt definiert, wobei die magnetischen Mulden oberhalb der Permanentmagnete und/oder oberhalb des ersten Luftspalts und/oder im ersten Luftspalt gebildet werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine parallelen Dipollinienfalle (PDL-Falle) und ein Verfahren zum Betreiben derselben, deren Merkmale in den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Ausführungsformen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung basiert auf Techniken zum Einstellen des magnetischen Potentials unter Verwendung eines variablen Spaltes in der PDL-Falle.
Die PDL-Falle weist ein Paar Dipollinienmagnete, die durch einen variablen Spalt g voneinander getrennt sind, und ein diamagnetisches Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt, auf.
Ein beispielhaftes System weist mehrere PDL-Fallen auf, die verbunden sind, um ein Dipollinienspursystem zu bilden, wobei jede der PDL-Fallen eine PDL-Falle der Erfindung aufweist, und wobei eine Längsachse der Dipollinienmagnete von mindestens einer der PDL-Fallen gekrümmt ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer PDL-Falle weist ein Bereitstellen der PDL-Falle mit einem Paar von Dipollinienmagneten und einem diamagnetischen Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt, sowie ein Öffnen eines Spaltes g zwischen den Dipollinienmagneten auf.
Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Darstellung ist, die die Parameter für ein Modellieren des Magnetfeldes eines diametralen Magneten in zwei Dimensionen (2D) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 eine Darstellung ist, die die Parameter für ein Modellieren des Magnetfeldes eines diametralen Magneten in drei Dimensionen (3D) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine Darstellung ist, die das Energiepotential des in einer Falle einer parallelen Dipollinie (PDL) gefangenen Schwebeobjekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Darstellung ist, die einen Spalt g veranschaulicht, der zwischen den zylindrischen Magneten in einer PDL-Falle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geöffnet wurde;
5 eine Darstellung ist, die ein gefangenes Objekt veranschaulicht, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung über einer PDL-Falle schwebt, wobei die Magneten sich berühren;
6 eine Darstellung ist, die einen Spalt g zwischen den Magneten veranschaulicht, wodurch das schwebende gefangene Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herabgesenkt wird;
7 eine Darstellung ist, die den Spalt veranschaulicht, der auf g'vergrößert wurde, wodurch das schwebende gefangene Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter herabgesenkt wird;
8 eine Darstellung ist, die den Spalt veranschaulicht, der zu einem kritischen Spalt gc vergrößert wurde, bei dem das Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch die Falle fällt;
9 ein Diagramm ist, das die Schwebehöhe des gefangenen Objekts als Funktion des Spaltes g gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 ein Diagramm ist, das das längliche Magnetfeldprofil als Funktion des Spaltes g gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
11 ein Diagramm ist, das das Magnetfeld am gefangenen Objekt als Funktion des Spaltes g gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
12 eine Darstellung ist, die eine Vorderansicht eines fest angebrachten Abstandhalters veranschaulicht, der verwendet wird, um gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Spalt zwischen den Magneten herzustellen;
13 eine Darstellung ist, die eine Draufsicht des fest angebrachten Abstandhalters veranschaulicht, der verwendet wird, um gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Spalt zwischen den Magneten herzustellen;
14 eine Darstellung ist, die eine Vorderansicht einer Befestigungsanordnung zum Variieren eines Spaltes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
15 eine Darstellung ist, die eine Seitenansicht der Befestigungsanordnung zum Variieren eines Spaltes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16 eine Darstellung ist, die eine Draufsicht der Befestigungsanordnung zum Variieren eines Spaltes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
17 eine Darstellung ist, die eine Vorderansicht einer PDL-Falle mit einem zwischen den Magneten hergestellten Spalt g veranschaulicht, der eine Sichtlinie zwischen den Magneten von einer Oberseite der PDL-Falle nach unten öffnet, wo beispielsweise eine Lichtquelle und Fotodetektoren verwendet werden können, um eine Position des gefangenen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu ermitteln;
18 eine Darstellung ist, die eine Seitenansicht der PDL-Falle mit dem Spalt g sowie der Lichtquelle und den Fotodetektoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
19 eine Darstellung ist, die eine Seitenansicht der PDL-Falle veranschaulicht, wobei der Spalt g sowie die Lichtquelle und die Fotodetektoren verwendet werden, um eine Position des gefangenen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erkennen;
20 eine Darstellung ist, die eine Seitenansicht der PDL-Falle veranschaulicht, wobei der Spalt g sowie die Lichtquelle und die Fotodetektoren verwendet werden, um eine andere Position des gefangenen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erkennen;
21 eine Darstellung ist, die eine Vorderansicht einer PDL-Falle veranschaulicht, in der das schwebende Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine ornamentale Form aufweist;
22 eine Darstellung ist, die eine Seitenansicht einer PDL-Falle veranschaulicht, in der das schwebende Objekt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine ornamentale Form aufweist;
23 eine Darstellung ist, die eine Querschnittsansicht einer beispielhaften PDL-Falle von vorne veranschaulicht, deren Längsachse z.B. bogenförmig gekrümmt ist;
24 eine Darstellung ist, die eine Draufsicht der beispielhaften PDL-Falle mit einer bogenförmigen Längsachse veranschaulicht;
25 eine Darstellung ist, die eine Draufsicht mehrerer Segmente der beispielhaften PDL-Falle mit gerader und bogenförmiger Längsachse veranschaulicht, die zu einer Dipollinienspur zusammengefügt sind;
26A eine Darstellung ist, die zylindrische diametrale Magnete gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
26B eine Darstellung ist, die beispielhaften Stabmagnete veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hierin werden Techniken zum Einstellen eines magnetischen Potentials in einem Fallensystem einer parallelen Dipollinie (PDL) durch Ändern eines Spaltes zwischen den Magneten bereitgestellt. Wie im Folgenden im Einzelnen beschrieben, kann dies dazu dienen, eine Schwebehöhe des gefangenen Objekts zu verändern, das Magnetfeld am gefangenen Objekt zu variieren sowie den Raum zwischen den Magneten zu öffnen, um weitere Vorrichtungen anzubringen und/oder Experimente durchzuführen (z.B. Experimente, die einen optischen Strahl zwischen den Magneten erfordern). Die Einzelheiten eines PDL-Fallensystems, wie sie sich auf die vorliegenden Techniken beziehen, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Im Allgemeinen besteht eine PDL-Falle jedoch aus einem magnetischen parallelen Dipolliniensystem, das sich aus einem Paar quer magnetisierter (auch diametral genannt) zylindrischer Magnete zusammensetzt, die sich auf natürliche Weise miteinander verbinden. Die Magnete haben eine langgestreckte Form wie ein Zylinder, Stab oder Streifen, deren Magnetisierung in Querrichtung (senkrecht zur Längsachse) erfolgt. Diese Magnete werden hier als „Dipollinien-“ oder „diametrale“ Magnete bezeichnet. Ein diamagnetisches zylindrisches Objekt wie ein Graphitstab kann in der Mitte gefangen werden. Vgl. z.B. Gunawan und die US-Patente US 8 895 355 B2 , US 9 093 377 B2 und US 9 236 293 B2 . Das diamagnetische zylindrische Objekt schwebt über dem Paar diametraler Magnete. Die wichtigste Entdeckung und das zentrale Merkmal der PDL-Falle ist das Vorhandensein eines „Kamelrücken-Magnetpotentials“ entlang der Längsachse (z-Achse), d.h. einer Magnetfeldverstärkung nahe der Kante der Dipollinie, die bei diametrischen Magneten mit einer Länge über der kritischen Länge Lc auftritt, wobei Lc -2,5a für ein Paar zylindrischer diametrischer Magnetsysteme gilt und wobei a der Radius des Magneten ist.
Um die derzeitigen Techniken zu verstehen, muss das Magnetfeld einer Dipollinie oder eines zylindrischen diamagnetischen Magnetsystems analysiert werden. Das Magnetfeld B eines sehr langen (L >> a) zylindrischen diametralen Magneten (B_DM) in zwei Dimensionen (2D) wurde von K.T. Mc Donald, Ph501 Electrodynamics, Problem Set 5, Princeton University, 1999 (40 Seiten) wie folgt wiedergegeben: $B_{D M} (x, y) = \frac{μ_{0} M a^{2}}{2 (x^{2} + y^{2})} [(x^{2} - y^{2}) \hat{x} + 2 x y \hat{y}]$
wobei M die Volumenmagnetisierung des Magneten und µ₀ die magnetische Permeabilität im Vakuum ist. Vgl. zum Beispiel 1.
Das Magnetfeld eines diametralen Magneten mit endlicher Länge L in drei Dimensionen (3D) wird bei Gunawan wie folgt beschrieben: $B_{D M} (x, y, z) = \frac{μ_{0} M a}{4 π} \int_{0}^{2 π} \sum_{n = 1,2} \frac{{(- 1)}^{n}}{u_{n}^{2} + s^{2} + u_{n} \sqrt{u_{n}^{2} + s^{2}}} [\begin{matrix} x - a cos ϕ \\ y - a sin ϕ \\ u_{n} + \sqrt{u_{n}^{2} + s^{2}} \end{matrix}] cos ϕ d ϕ$
wobei s² =(x-acoϕ)² +(y-asinϕ)²und u_1,2 = z ± L/2 ist. Vgl. zum Beispiel 2.
Wie vorstehend beschrieben, schwebt das diamagnetische zylindrische Objekt wie in 3 dargestellt über dem Paar diametraler Magnete in der PDL-Falle. Das 2D-Modell des Magnetfeldes reicht aus, um die Schwebewirkung des Objekts in der Mitte der Falle auf Gleichgewichtshöhe y₀ zu beschreiben.
Diese Höhe yo kann nach der bei Gunawan angegebenen Gleichung wie folgt gelöst werden: $\frac{ρ g_{0} a}{μ_{0} M^{2}} \frac{χ + 2}{χ} + ƒ_{Y} ({\bar{y}}_{0}, \bar{L}) = 0$
wobei für einen langen Magneten (L>>a) gilt: f_Y (y) = 8y ( 3 - y ²) (1- y ²)/(1 + y ²)⁵ wobei y = y / a ist, χ die magnetische Suszeptibilität des Stabes ist, ρ die Massendichte des Stabes ist, g₀ die Fallbeschleunigung ist.
Das äußere Magnetfeld eines langen zylindrischen diametralen Magneten ist identisch mit dem Feld eines Dipolliniensystems, bei dem der Dipol in Querrichtung zeigt. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass das äußere Feld einer gleichmäßig magnetisierten Kugel einem Punktdipol entspricht. Das Feld eines diametralen Magneten oder eines Dipolliniensystems in Gleichung 1 kann (in Polarkoordinaten) wie folgt dargestellt werden: $B_{DL} = \frac{μ_{0} m_{L}}{2 π r^{2}} (cos θ \hat{r} + sin θ \hat{θ})$
wobei m_L = Mπa² der magnetische Dipolstärke pro Längeneinheit und $r = \sqrt{x^{2} + y^{2}}$
ist.
Solange somit die Dipolstärke pro Längeneinheit (m_L) gleich ist, ist das Magnetfeld identisch. Dies bedeutet, dass sich die zylindrischen Magnete in einer PDL-Falle nicht berühren müssen. Zwischen den Magneten kann ein Spalt g geöffnet werden (vgl. 4), und die Feldverteilung ist identisch, mit der Ausnahme, dass sie um eine Konstante verkleinert wird (und das gefangene Objekt schwebt tiefer). Dieses Konzept kann genutzt werden, um die Höhe zu steuern, in der das gefangene Objekt über der Falle schwebt, indem der (variable) Spalt zwischen den Magneten gesteuert wird.
Wie insbesondere in den 5 bis 8 gezeigt, wird ausgehend von einer Konfiguration, in der sich die Magnete berühren (kein Spalt - 5), ein Spalt g zwischen den Magneten gebildet (6). Wenn der Spalt g vergrößert wird, z.B. von g auf g' (7), wobei g > g' ist, verringert sich die Höhe des schwebenden Stabes (yo) (d.h. der Stab wird herabgesenkt), bis das Objekt bei einem kritischen Spalt gc fällt (8), wobei g > g' > gc ist.
9 zeigt ein Diagramm, das die Schwebehöhe (des gefangenen Objekts) als Funktion des Spaltes g darstellt. Wie in 9 dargestellt, nimmt die Schwebehöhe mit zunehmendem Spalt g ab, bis der kritische Spalt gc erreicht ist und das Objekt durch die Falle fällt. In 9 werden die Schwebehöhe yo und der Spalt g in Bezug zum Radius des Magneten a gemessen. Vgl. auch die 10 und 11, die das längliche Magnetfeld bzw. das Magnetfeld am gefangenen Objekt als Funktion des Spaltes g darstellen.
Auf der Grundlage des Vorstehenden wurde hier festgestellt, dass der Spalt zwischen den beiden Magneten gesteuert werden kann, um mehrere bemerkenswerte Vorteile zu erzielen. Wie zum Beispiel vorstehend beschrieben, kann der Spalt verwendet werden, um die Schwebehöhe des gefangenen Objekts zu steuern. Durch Verändern des Spaltes kann auch das maximale Magnetfeld am gefangenen Objekt gesteuert werden (vgl. 11), das Magnetfeldprofil entlang der Langsachse (z) und das damit verbundene Einschlusspotential „Federkonstante“ k_X, k_Y, k_Z können gesteuert werden, und der Raum zum Anbringen verschiedener Vorrichtungen oder Durchführen von Experimenten kann geöffnet werden, z.B. damit ein optischer Strahl für die Objekterkennung vertikal hindurch kann. Die Federkonstante des Potentialeinschlusses in eine bestimmte Richtung wird als zweite Ableitung des Einschlusspotentials am Gleichgewichtspunkt angegeben: k_u = ∂U_T ²(u)/∂u² wobei u die räumliche Dimension x, y oder z ist.
Um das gefangene Objekt schwebend zu halten (im Gegensatz dazu, dass das Objekt durch die Falle fällt), muss der Spalt g kleiner als der kritische Spalt gc gehalten werden, d.h. g < gc. Für eine PDL-Falle wird der kritische Spalt gc, ab dem das gefangene Objekt nicht mehr schwebt, wie folgt wiedergegeben: $g_{C} = 2 \sqrt[5]{\frac{- 2.069 μ_{0} M^{2} a^{4} χ}{ρ g (2 + χ)}} - 2 a$
Alternativ kann der Spalt kontinuierlich geöffnet werden, bis das Objekt fällt, und mit diesem kritischen Spaltwert kann die magnetische Suszeptibilität des Objekts bestimmt werden: $χ_{min} = - \frac{2}{1 + \frac{2.069 μ_{0} M^{2} a^{4}}{ρ g {(a + g_{C} / 2)}^{5}}}$
Es werden hier mehrere Techniken bereitgestellt, um einen variablen Spalt in der PDL-Falle anzuwenden. In einer ersten beispielhaften Ausführungsform wird ein fest angebrachter (Größen-)Abstandhalter zwischen den Magneten verwendet. Vgl. zum Beispiel 12 (Vorderansicht) und 13 (Draufsicht, d.h. aus Sicht A - vgl. 12). Wie in den 12 und 13 dargestellt, werden zwischen den diametralen Magneten massive, fest angebrachte Abstandhalter eingesetzt. Zu geeigneten Abstandhaltern zählen nichtferromagnetische Materialien wie Kunststoff, Metall und Holz, ohne darauf beschränkt zu sein. Ferromagnetische Materialien können die Feldverteilung in der Falle verfälschen. Durch eine starke Anziehungskraft zwischen den Magneten werden die Abstandhalter fest im Raum zwischen den Magneten eingespannt und benötigen in der Regel keine zusätzlichen Mittel, um die Abstandhalter an Ort und Stelle zu halten. Die Breiten der Abstandhalter können einfach gewechselt werden, um einen Spalt einer anderen Größe zu erhalten. Dadurch ist diese Technik einfach und kostengünstig umzusetzen. Die Verwendung eines fest angebrachten Abstandhalters erlaubt jedoch keine feinen, variablen Spalteinstellungen.
So wird nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform eine Befestigungsanordnung für einen unveränderlichen oder für einen variablen Spalt vorgestellt, bei der jeder der Magnete der PDL-Falle an separaten Halterungen befestigt wird. Die Halterungen können bei einer Befestigungsanordnung zum Variieren eines Spaltes verstellt werden. Vgl. zum Beispiel 14 (Vorderansicht), 15 (Seitenansicht) und 16 (Draufsicht, d.h. aus Sicht B - vgl. 14). Wie in den 14 bis 16 dargestellt, kann die Position der Halterungen (an denen die Magnete befestigt sind) durch eine verstellbare Schraube (oder einen ähnlichen Mechanismus), die eine Halterung mit der anderen verbindet, relativ zueinander verändert werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich z.B. auf der Seite der Struktur eine Schraube, die beim Drehen eine Seite der Befestigung bewegt (näher an die andere Seite der Befestigung heran oder weiter weg von der anderen Seite der Befestigung) und so den Spalt steuert. Zusätzliche Schraube(n) zum Arretieren der Position der Befestigung können ebenfalls bereitgestellt werden, um die starke Zugkraft zwischen den Magneten zu überwinden.
In beiden Fällen, d.h. unveränderlicher Abstandhalter oder Befestigungsanordnung zum Variieren eines Spaltes, ist der zwischen den Magneten geöffnete Spalt g vorzugsweise über die Länge der Magnete hinweg gleichmäßig, d.h. zwischen den Magneten ist an einem Ende der PDL-Falle der gleiche Spalt g wie am gegenüberliegenden Ende der Falle vorhanden. Diese Anordnung bringt die Magneten in eine berührungslose Position zueinander, d.h. die Magnete befinden sich nebeneinander, sind aber durch einen (konstanten) Spalt g getrennt, der die Magnete in eine berührungslose Position zueinander bringt.
Ein Vorteil der Einführung eines Spaltes zwischen den Magneten in einer PDL-Falle besteht wie vorstehend dargestellt darin, dass durch diesen Spalt zusätzliche Komponenten in der PDL-Falle angebracht werden können. Bei einer beispielhaften Ausführungsform öffnet die Einführung eines Spaltes g zwischen den Magneten z.B. eine Sichtlinie zwischen den Magneten von der Oberseite der PDL-Falle bis nach unten. Vgl. zum Beispiel 17 (Vorderansicht) und 18 (Seitenansicht). Diese Anordnung stellt mehr Platz bereit, sodass eine Vielfalt von verschiedenen Vorrichtungen in der Falle verwendet werden kann. In dem in den 17 und 18 dargestellten Beispiel werden eine Lichtquelle und Fotodetektoren z.B. (oberhalb bzw. unterhalb) der Falle angebracht. Zu geeigneten Lichtquellen gehören Glühlampen, Leuchtdioden und/oder Laser, ohne darauf beschränkt zu sein, und zu geeigneten Fotodetektoren zählen Halbleiter-Fotodetektoren und/oder Fotowiderstände (LDR), ohne darauf beschränkt zu sein.
Die Lichtquelle und die Fotodetektoren können verwendet werden, um die Position des Objekts in der Falle zu ermitteln. Wie insbesondere zum Beispiel in der US-Patenanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2017 / 0 045 433 A1 von Gunawan et al. „Parallel Dipole Line Trap Viscometer and Pressure Gauge“ beschrieben, kann die Bewegung (in diesem Fall Schwingungen) des gefangenen Objekts in der PDL-Falle überwacht werden. Durch einen (Sichtlinien-)Spalt g für die Lichtquelle und die Fotodetektoren zwischen den Magneten kann die Position des Objekts in der Falle leicht ermittelt werden. Während sich das Objekt innerhalb der Falle bewegt, wie insbesondere in 18 dargestellt, geht es zwischen der Lichtquelle und den Fotodetektoren hin und her. In diesem Beispiel sind zwei Fotodetektoren dargestellt. Dies dient jedoch nur zur Veranschaulichung, und je nach Bedarf können mehr (oder weniger) Fotodetektoren verwendet werden. Wenn sich das Objekt auf die linke Seite der Falle bewegt, hindert es das Licht der Quelle daran, den Fotodetektor auf der linken Seite zu erreichen. Vgl. 19. Wie in 19 dargestellt, erreicht Licht von der Quelle den Fotodetektor jedoch von der rechten Seite.
Wenn sich das Objekt auf die rechte Seite der Falle bewegt, hindert es das Licht der Quelle daran, den Fotodetektor auf der rechten Seite zu erreichen. Vgl. 20. Wie in 20 dargestellt, erreicht Licht von der Quelle den Fotodetektor jedoch von der linken Seite.
Wie vorstehend beschrieben, kann es sich bei dem gefangenen Objekt um einen Stab, wie z.B. ein zylindrischer Graphitstab, handeln. Das gefangene Objekt kann jedoch ein beliebiges längliches diamagnetisches Objekt sein. Vgl. z.B. 21 (Vorderansicht) und 22 (Seitenansicht), wo das schwebende Objekt eine ornamentale Form aufweist (in diesem Beispiel eine Querschnittssternenform). In der Praxis kann der Graphitstab in jede ornamentale Form modelliert oder geformt werden, die noch Schweben und stabiles Einfangen erlaubt. Einige mögliche Anwendungen dieser Ausführungsform beinhalten ornamentale Darstellungen, bei denen das gefangene Objekt über den Magneten schwebt, ohne darauf beschränkt zu sein. Nur als Beispiel: Graphit kann modelliert oder z.B. durch 3D-Druck sogar in die gewünschte Form gebracht werden. Grundsätzlich kann das Objekt jede beliebige Form haben, solange es in einem stabilen Zustand in der Schwebe gehalten werden kann. Um ein einfaches, nicht einschränkendes Beispiel zu verwenden, kann das Objekt in die Form eines Raumschiffs, Flugzeugs, Zugs usw. gebracht/modelliert werden.
In den vorstehenden Beispielen werden die PDL-Fallen mit Dipollinienmagneten mit geraden Längsachsen gebildet (z.B. wie im Fall von zylinderförmigen Magneten). Dies ist jedoch keine Voraussetzung. Hier werden Beispiele vorgesehen, bei denen die Dipollinienmagneten gekrümmt sind, wie die in den 23 (Querschnittansicht von vorne) und 24 (Draufsicht) dargestellten bogenförmigen Dipolmagnete. Wie in den 23 und 24 dargestellt, kann das System in einem Spalt- und Halterungssystem in verschiedenen Anordnungen befestigt werden.
Dadurch kann ein beispielhaftes PDL-Fallensegment mit verschiedenen Längsachsenformen, z.B. gerade und/oder bogenförmig, erreicht werden. Der Krümmungsradius des bogenförmigen Dipollinienmagneten wird durch die Länge des zu fangenden diamagnetischen Stabes bestimmt, da sich der Stab frei zwischen den Magneten bewegen muss, ohne deren Oberfläche zu berühren. Mit dieser Bedingung kann der Mindestkrümmungsradius (gemessen in der Mittellängsachse des Magneten) wie folgt ausgedrückt werden: $R > (l^{2} - g^{2}) / 2 g - a,$
wobei I die Länge des diamagnetischen Stabes und g der Spalt zwischen den Magneten ist. Dabei können verschiedene Segmente der geraden und/oder bogenförmigen PDL-Fallen zu einem größeren beispielhaften Fallensystem oder einer „Dipollinienspur“ wie z.B. in 25 dargestellt verbunden werden. In diesem System ist das diamagnetische Objekt immer noch zwischen den Dipollinienmagneten gefangen, bewegt sich aber frei entlang der Spurlinien.
Wie vorstehend beschrieben, können die Magnete der vorliegenden PDL-Fallen eine langgestreckte Form wie ein Zylinder, Stab oder Streifen haben, deren Magnetisierung in Querrichtung (senkrecht zur Längsachse) erfolgt. Ein Beispiel für diese Magnete ist (im Querschnitt) in den 26A und 26B dargestellt, die zylindrische diametrale Magnete bzw. Stabmagnete zeigen. Alle diese Magnete haben eine Magnetisierung senkrecht zu ihren Längsachsen (z.B. in den in den 26A und 26B dargestellten Beispielen würde die Längsachse in die und aus der Seite zeigen).

Claims

Parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle), die aufweist: ein Paar Dipollinienmagneten, die durch einen variablen Spalt g voneinander getrennt sind, wobei die Dipollinienmagnete diametral magnetisierte zylindrische Magnete sind, deren Magnetisierungen auf natürliche Weise relativ zueinander orientiert sind; und ein diamagnetisches Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt.
PDL-Falle nach Anspruch 1, wobei das diamagnetische Objekt einen diamagnetischen Stab aufweist.
PDL-Falle nach Anspruch 2, wobei der diamagnetische Stab einen Graphitstab aufweist.
PDL-Falle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem diamagnetischen Objekt um ein langgestrecktes diamagnetisches Objekt handelt, das eine ornamentale Form aufweist.
PDL-Falle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die diametral magnetisierten zylindrischen Magnete durch mindestens einen Abstandhalter dazwischen voneinander getrennt sind.
PDL-Falle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die PDL-Falle weiterhin eine Befestigungsanordnung für den variablen Spalt g aufweist, bei der die Dipollinienmagnete an separaten Halterungen befestigt sind.
PDL-Falle nach Anspruch 6, bei der die Befestigung weiterhin eine Schraube aufweist, die die Halterungen verbindet, und bei der die Schraube zum Einstellen einer Position der Halterungen verwendbar ist, um den variablen Spalt g zwischen den Dipollinienmagneten zu variieren.
PDL-Falle nach Anspruch 7, wobei die Befestigung weiterhin mindestens eine weitere Schraube zum Arretieren der Position der Halterungen aufweist.
PDL-Falle nach einem der vorherigen Ansprüche, die weiterhin aufweist: eine Lichtquelle über den Dipollinienmagneten und mindestens einen Fotodetektor unter den Dipollinienmagneten, wobei sich der mindestens eine Fotodetektor durch den variablen Spalt g, der die Dipollinienmagneten trennt, in einer Sichtlinie der Lichtquelle befindet.
PDL-Falle nach Anspruch 9, wobei die Lichtquelle aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glühlampen, Leuchtdioden, Lasern und einer Kombination davon besteht, und wobei der Fotodetektor aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Halbleiter-Fotodetektoren, Fotowiderständen und Kombinationen davon besteht.
Verfahren zum Betreiben einer PDL-Falle, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen der PDL-Falle mit einem Paar Dipollinienmagneten und einem diamagnetischen Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt; und Öffnen eines Spaltes g zwischen den Dipollinienmagneten, wobei die Dipollinienmagnete diametral magnetisierte zylindrische Magnete sind, deren Magnetisierungen auf natürliche Weise relativ zueinander orientiert sind.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin folgende Schritte aufweist: Anbringen mindestens eines Abstandhalters zwischen den Dipollinienmagneten, um den Spalt g zwischen den Dipollinienmagneten zu öffnen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die PDL-Falle weiterhin eine Befestigungsanordnung zum Variieren des Spaltes g aufweist, bei der die Dipollinienmagneten an separaten Halterungen befestigt sind, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: Einstellen einer Position der Halterungen zueinander, um den Spalt g zwischen den Dipollinienmagneten zu öffnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Befestigungsanordnung zum Variieren des Spaltes g weiterhin eine Schraube aufweist, die die Halterungen verbindet, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: Drehen der Schraube, um die Position der Halterungen zueinander einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin folgende Schritte aufweist: Verwenden mindestens einer anderen Schraube, um den Spalt g zu arretieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das weiterhin folgende Schritte aufweist: Variieren des Spaltes g, um eine Höhe zu ändern, in der das diamagnetische Objekt über den Dipollinienmagneten schwebt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das diamagnetische Objekt einen diamagnetischen Stab aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei es sich bei dem diamagnetischen Objekt um ein langgestrecktes diamagnetisches Objekt handelt, das eine ornamentale Form aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die PDL-Falle weiterhin eine Lichtquelle über den Dipollinienmagneten aufweist und mindestens einen Fotodetektor unter den Dipollinienmagneten, und wobei sich der mindestens eine Fotodetektor durch den Spalt g, der die Dipollinienmagneten trennt, in Sichtlinie der Lichtquelle befindet, wobei das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist: Ermitteln einer Position des diamagnetischen Objekts in der PDL-Falle unter Verwendung der Lichtquelle und des Fotodetektors.