DE2137895C3 - Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur einer in einem gyromagnetischen Resonanzspektrometer untersuchten Probe - Google Patents

Description

Die t-.rfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I

Eine solche Probensonde ist bekannt aus »Experimentelle Technik der Physik« XII(IVM). I dft bis 1OK.

π Bei dieser bekannten Probensondc ist die Probenstation von einem Isoliermantel in Form eines zylindrischen Dewargcfaßes umgeben Fiin Probenröhrchen ist zentral innerhalb dieses Dcwargefäßes /wischen einem oberen und einem unteren Haltete!! gehalten, wobei um das Probenröhrchen herum ein Ringkanal gebildet wird. An den Halteteilen sind Anschlußstutzen befestigt, deren Bohrungen über Durchbrüche der Haltctcilc mit dem Ringkanal verbunden sind. Über die Anschlußstutzen wird von einer äußeren Heizein-

6', richtung oder Kühlvorrichtung ein warmer bzw. kalter Luftstrom geleitet, um die Probe über Raumtemperatur zu erwärmen oder unter Raumtemperatur abzukühlen.

Bei dieser bekannten Anordnung ist die Temperatur schwer zu regeln. Sowohl einer Erwärmung als auch einer Abkühlung der Probe sind Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der vorliegenden Art eine genaue Temperaturregelung in einem weiten Temperaturbereich zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruch 1 aufgeführten ι ο Maßnahmen gelöst.

Bei der erfmdungsgemäßen Vorrichtung sind Kühleinrichtung und Heizeinrichtung unmittelbar in der Probensonde selbst angeordnet. Dadurch braucht die Kälte oder Wärme nicht über Schläuche od. dgl. zu der Probensonde transportiert zu werden, so daß höhere und tiefiere Temperaturen erreichbar sind. Die kurzen Wege zwischen Kühl- oder Heizeinrichtung gestatten eine genaue Regelung der Probentemperatur.

Es bietet Schwierigkeiten, eine Kühlvorricntung zu regeln um eine bestimmte, unterhalb der Raumtemperatur liegende Temperatur aufrechtzuerhalten. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es, die Regelung tiefer Temperaturen auf die Regelung der Heizung zurückzuführen. Das Joule-Thomson-Kühlaggregat bringt das Arbeitsgas bei ausgeschalteter Heizung auf eine Temperatur, weiche die untere Grenze des Temperaturbereichs bestimmt. Zur Erzielung höherer Temperaturen wird das Arbeitsgas durch so die Heizeinrichtung wieder erwärmt, wobei die Temperaturregelung auch bei weit unterhalb der Raumtemperatur liegenden Temperaturen durch Regelung der Heizleistung erfolgt.

Bei einer Betriebstemperatur über der Raumtemperatur dient das Arbeitsgas als wärmeübertragendes Medium zur Übertragung der Wärme von der Heizung auf die Probe.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. ίο

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung is: nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Frontansicht der Vorrichtung; j>

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer Seitenansicht;

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht, hei der einige Teile weggeschnitten sind, der röhrenförmigen Anordnung, die sich über die Lange >o einer Probensonde nach Fig. 1 erstreckt;

Fie 4 zeigt ebenfalls eine perspektivische Ansicht der ProbeiiM-indc nach Fig. 1. wobei am Kopf und am Boden vorhandene Teile weggelassen sind.

Die folgende Beschreibung bezieht sich zunächst, ü wo nicht anders vermerkt, auf F'g. 1, während die perspektivischen Ansichten nach Fig. 3 and 4 im wesentlichen das Verständnis der Fig I erleichtern sollen Dabei ist in allen Abbildungen fur gleiche Teilt· das gleiche Bezugszeichen verwendet worden. to

Wie Figi 1 zeigt, besteht die Probensonde aus einem Alurniniumkörper, der aus einem geschlossenen Stück herausgearbeitet ist und einen Kopfteil IA und einen davon herabhängenden Teil in Gestalt eines im allgemeinen rechteckigen Rahmens IB, in den die elektrischen und mechiiblschen Bauteile eingepaßt sind, aufweist.

An dem Kopfteil 1/1 ist ein Nylonblock IC mittels Schrauben, die z. B. bei ID (Fig. 2 und 4) gezeigt sind, befestigt, und an dem untersten Teil des Rahmens Iß ist mit Schrauben, von denen eine bei IF gezeigt ist, ein Verteilerblock IE aus Kupfer befestigt, nachdem er mit zwei Dübeln IFA und IFB in der richtigen Lage angeordnet wurde. Die Hauptaufgabe des Nylonblocks IC besteht darin, in einer Bohrung eine Turbine 3QA (Fig. 4) aufzunehmen, die zusammen mit Stabilisierungsflügeln 30ß einen Teil einer Turbinenanordnung 30 aus Nylon bildet, in deren axialer Bohrung der obere Teil des Probenhalterrohres 31 unter Reibung eingeführt ist, wobei die Turbine mittels eines komprimierten Gases in Drehung versetzt wird, das ihr von einer Düse IG (Fig. 1) zugeführt wird, die über das Anschlußrohrstück IGA versorgt wird. Zusätzlich umfaßt der Block IC noch ein oberes Polytetrafluoräthylenlager IH, in dem die Probenhalterung in Zusammenwirkung mit einem unteren, noch zu beschreibenden Lage·. ;n Drehung versetzt wird. Die Untersuchung rotierender Proben ist in der NMR-Technik gut bekannt, und es v/erden daher im einzelnen nur solche Dinge im folgenden beschrieben, die mit dem Aufbau in eigentümlicher Weise verbunden sind.

Die Probensonde nach Fig. 1 ist ganz besonders für ein NMR-Spektrometer gedacht, in dem das polarisierende Feld von einem Permanentmagneten geliefert wird, der einen Arbeitsspalt bestimmter Länge besitzt, wobei der Rahmen Iß in seiner Dicke, die sich aus der Seitenansicht nach Fig. 2 ergibt, so gewählt ist. daß er in diesen Spalt paßt. Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung sei angenommen, daß die Probensonde für ein Magnetsystem gedacht ist, in dem die Sondenach&e, grob gesprochen, vertikal verläuft, und der Kopfteil IA oben angeordnet ist. obgleich es keine Gründe gibt, die Längsachse der Probensonde (die im weiteren als Sondenachv bezeichnet wird) nicht auch in einer bestimmten radialen Richtung zur Achse des polarisierenden Magnetfeldes anzuordnen, solange diese Achse das Feld im rechten Winkel durchschneidet.

Ein Dewar-Gefäß 2 (eigentlich nur ein Teil eines Dewar-Gefäßes, nämlich ein Dewar-Gefäß ohne Boden) fällt mit seiner Längsachse im wesentlicher, mit der Sondenachse zusammen und ist an deren unterem Ende in einer zentrischen Bohrung \K angeordnet, welche durch das untere Abschlußglied des Rahmens Iß hindurchverläuft und in der das Dewar-Gefäß 2 mit Hüte eines Silikon-Gummistückes I /. abgedichtet gehalten ist. An seinem oberen Ende ist das Dewar-Gefaß 2 von einer Kunststoff-Hülse 3 gehalten, die ir. cine . entrischc Bohrung 1Λ7 im Kopfteil \A eingepaßt ist und mit ihren Seitenwänden über einen dazwischenliegenden Mc -.,ingring 4 verbunden is?, desse.i Aufgabe darin besteht, den Zusammenbau der Anordnung/u erleichtern, indem er einen gewissen Neigungswinkel heim Hinschieben der Tufnol-Hülse 3 in die Bohrung XM erlaubt. Das Dewar-Gefäß 2 wird an der Tufnc-I-Hulse 3 mit eine Dichtungsmittel, i> Iv Silikongummi, das bei IA angedeutet ist, befestigt. Auf diese Weise ist ein thermisch isolierender zylindrischer Innenraum bestimmt, der durch die Probensonde hindurch verläuft. Innerhalb dieses Raumes werden von unten nach oben in axialem Abstand zueinander eine Joule-Thomson-Abkühlungseinrichtung in Kleinbauweise 5, eine Beheizungs- und Fühlereinheit 6, ein Stopfen 7, der das untere Lager 8 für die Probendrehungseinrichtung trägt₄ und ein zylin-

drischer Spulenkörper 9 aus Glas, auf den eine Empfängerspule 10 aufgewickelt ist und der in das untere Ende der Kunststoff-Hülse 3 eingepaßt ist, angeordnet. Das Dewar-Gefäß 2 besitzt einen zylindrischen Teil ohne Metallspiegel, der entsprechend der Empfängerspule 10 angeordnet ist und so als »Fenster« wirkt, durch welches die Hochfrequenzenergie zur Einstrahlung auf die NMR-Substanz ungehindert durchtreten kann. Zur Geringhaltung von Wirbelstromverlusten ist die Metallisierung in Längsrichtung an zwei Stellen unterbrochen, so daß Paare von identischen, hal'nzylindrischen Schichten oberhalb und unterhalb des genannten »Fensters« entstehen.

Die Abkühlungseinrichtung ist in eine Glasfaserhülse 11 eingeschlossen, die nach Art eines T-Stückes mit einem rechtwinkligen Flansch 12 verbunden ist. der zwischen den Verzweigungsblock IE aus Kupfer und das untere Abschlußglied des Rahmens Iß mittels einer dazwischenliegenden Dichtung 13 eingeklemmtist. Am oberen Teil der Glasfaserhülse 11 sind Längsschlitze vorgesehen, wie sie im Querschnitt bei 14 und 15 erkennbar sind, die dazu dienen, daß das Arbeitsgas auf seinem Rückwege in die Hülse 11 eintreten kann, spiralförmig entlang Windungen der Abkühlungseinrichtung 5 geführt wird, die Bohrung IEA im Block XE erreicht und schließlich durch das Rohr 16 in die Atmosphäre entweicht.

Eine abgestuft ausgebildete Überbrückungshülse 17 aus einem geeigneten Material niedriger Wärmeleitfähigkeit und ausreichender Festigkeit zwischen — 100 und -t-150° C ist an einem Ende in die Hülse 11 so weit eingepaßt, als es die Schulter XlA erlaubt, und am anderen Ende in einen Kupfermantel 18, wobei die Schlitze wie 14 und 15 mit entsprechenden Schlitzen in der Schulter XlA. wie sie in Fig. 3 bei \1D gezeigt sind, in Übereinstimmung angeordnet sind. Ein O-Ring 17C ist in einer inneren Nut 175 eingepaßt und dichtet die Bohrung der Überbrükkungshülse 17 gegen die Außenfläche der Düse SA der Abkühlungseinrichtung 5 ab.

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6/42 eines Spulenkörpers 6/1 aus Kupfer gepaßt, der einen Teil der Einheit 6 bildet. Die Wangen 6/11 und 6/42 sind mit umfangsmäßig im Abstand zueinander angeordneten Längsnuten versehen, die Gaskanäle darstellen. Zwischen den Wangen und dem Zylinderkörper 6/43, der zwischen diesen verläuft und auf den eine Heizspirale 6ß gewickelt ist. besteht eine geringe Abstufung. Dadurch wird zwischen der Außenfläche der Heizspirale 6Γ und der Innenfläche des Mantels 18 ein Luftspalt ausgebildet. Der Spulenkörper 6/1 aus Kupfer ist mit einer kleinen zylindrischen Verlängerung 6/14 versehen, die lose in die obere Bohrung der Überbrückungshülse 17 hineinverläuft, und auf diese Weise einen ringförmigen Gaskanal zwischen der Bohrung und der Verlängerung bestimmt. In eine axiale Bohrung des Spulenkörpers 6/4 ist in gutem Wärmekoniakt dazu ein Platindetektor 6C (Fig. 3) eingesetzt, wobei die Bohrung an beiden Enden abgedichtet verschlossen ist, so daß kein Gas über den Detektor hinweg fließen kann.

Die Glasfaserhülse 11, die Überbrückungshülse 17 und der Kupfermantel 18 mit dem darin befindlichen Spulenkörper 6/4 bilden eine zylindrische Einheit koaxial angeordneter Teile, in der die Teile in Reibungsanlage zusammengehalten sind und zusätzlich mittels eines Epoxidharzes, z. B. Araldit, befestigt sind.

Der Kupfermantel 18 ist bei 18/4 abgestuft; über diese Stufe ist die innere Bohrung eines äußeren Kupfermantels 19 gepaßt, die bei 19/1 einen verringerten Durchmesser besitzt und an der Kante 19B zu ihrem Ursprünglicher! Durchmesser aufgeweitet ist. Der Stopfen 7 ist Unter Druck in die Bohrung des äußeren Kupfcrmantcls 19 eingepaßt und mit umfangsmäßig im Abstand zueinander angeordneten Längsnuten zur Bildung von Gaskänälen versehene Das untere Lager 8 der Probendrehungseinrichtung ist in einer Aus-

nehmung IA eng anliegend eingepaßt.

Eine äußere Glashülse 20 ist an einem Ende der Kante 19ß übergestreift und am anderen Ende über die in diesem Bereich 3A im Außendurchmesser verringerte Kunststoff-Hüle 3 geschoben.

Beim Betrieb der Einrichtung wird das Arbeitsgas durch die Einlaßverbindung 21 im Kopfteil XA und das Einlaßrohr 22 (siehe Fig. 1 und 2) eingeführt, das entlang einer Seite des Rahmens IU verläuft und mit der Abkühlungseinrichtung 5 über einen Verbindungsstopfen 23 verbunden ist, der in den Zylinderkörper 5ß der Abkühlungseinrichtung5 eingeschraubt ist. und an seinem Ende mittels eines O-Ringes 23/1 abgedichtet ist, wobei der Zylinderkörper gleitend in eine Aufnahmebohrung des Verzweigungsblocks XE aus Kupfer eingepaßt ist und ein O-Ring 24 eine gasdichte Verbindung zwischen der Bohrung und dem Zylinderkörper herstellt. Mittels einer Madenschraube SC ist der Zylinderkörper 5ß in dieser Bohrung gesichert. Das Arbeitsgas fließt in

jo axialer Richtung durch die Abkühlungseinrichtung 5. tritt durch eine schmale öffnung in der Düse SA aus und in die Überbrückungshülse 17 ein, strömt durch den Ringkanal um die Verlängerung 6/14, durch die Nuten in der Wange 6/42, über die Heizspirale 6ß.

durch die Nuten in der Wange 6/41, durch die Nuten im Stopfen 7 und schließlich durch den Spulenkörper 9.

An dieser Stelle muß man sich vorstellen, daß sich ein zylindrischer Probenhalter innerhalb der Probensonde befindet, der durch das obere Lager XH in seitlirhpr Rirhtnno fpstophaltpn ict und in axialpr Rirh-

tung mittels eines Höckers an seinem unteren Ende, der in das untere Lager 8 eingepaßt ist, drehbar gelagert ist. Zwischen der Wandung des Probenhalters und etwa der oberen Hälfte der Bohrung in der Kunststoff-Hülse 3 darf nur ein sehr geringer Abstand (z. B. 0,076 mm) bestehen, während die untere Hälfte der Bohrung ausreichend ausgedreht ist, um in genügendem Umfange sicherzustellen, daß der drehende Probenhalter nicht an die Kunststoff-Hülse 3 anstößt, was natürlich immer wahrscheinlich wird, je mehr man sich von dem oberen Lager IH nach unten entfernt.

Der geringe Abstand am oberen Ende der Tufnol-Hülse 3 bewirkt, daß das Arbeitsgas, das am oberen Teil des Spulenkörpers 9 aus Glas angekommen ist, einen geringeren Widerstand beim Durchströmen durch die öffnungen ?>B in der Tufnol-Hülse 3 findet und dementsprechend nach unten in einem Ringkanal fließt, dessen äußere Begrenzung von der Innenwand des Dewar-Gef äßes 2 gebildet wird und dessen innere Begrenzung durch die Außenfläche der Glashülse 20, den äußeren Kupfermantel 19, die Überbrückungshülse 17 und den Oberteil der Glasfaserhüls'e 11 gebildet wird, wobei das Gas dann anschließend - wie bereits beschrieben - durch die Schlitze 14 und 15 hindurchtritt.

In der vorher beschriebenen Probensonde stellt die Probenhalterung einen Raum innerhalb des Spulen-

körpers 9 aus Glas dar, der sich zu einem guten Teil oberhalb und unterhalb der Empfängerspule 10 erstreckt. Hs ist klar, daß in dem Maße, in dem das Arbeitsgas durch die Probenhalterung tritt, die Probe einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, wodurch ditir Magnetische Suszeptibilität der Probe beeinflußt wird und infolgedessen die Auflösung des beobachteten Spektrums verschlechtert wird ■. Dadurch, daß der Gasstrom nach dem Durchtritt durch die Probenhalterung umgekehrt wird und in einem die Probenhalterung umgebenden Ringraum weitergeleitet wird, wird bewirkt, daß der Gradient, der durch das in umgekehrter Richtung fließende Gas in der Probe hervorgerufen wird, gerade den Gradienten auslöscht, der durch das in Vorwärtsrichtung fließende Gas erzeugt worden ist. Um weiterhin den Temperaturgradienten Um den Einfluß eines abwärts gerichteten Temperaturgradienten auf die NMR-Probe von dem von der Temperatursteuerufig nicht miterfaßten Teil oberhalb der Offnungen 3B (siehe besonders Fig. 3) gering zu

halten, ist vorgesehen, daß die Länge der Probensäule kurzer bemessen ist als die gesamte Länge der temperäfurgesteuerten Zone, die etwa von dem Bereich nahe des unteren Lagers 8 bis zu den Mündungen 3ß verläuft. Als ein guter Kompromiß hat sich eine etwa

ίο 3 cm lange Säule erwiesen mit einem Abstand von etwa 1 cm zwischen der freien Oberfläche der Säule und den Mündungen 3ß.

Fig. 1 zeigt weiter eine Anzahl von Teilen, z. B. Feldmodulationsspulen 25 und 26 und die allgemein mit 27 bezeichneten Bauteile, die einen Teil der Empfängerspulenbrücke bilden. Diese brauchen nicht im

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obere Teil des Dewar-Gefäßes in einem guten Abstand von den öffnungen 3ß angeordnet; man darf ebenfalls annehmen, daß die ausgedrehte untere Hälfte der Bohrung in der Kunststoff-Hülse 3 von Einfluß auf den Ausgleich des Gradienten ist.

Hinsichtlich der Heizungs- und Fühlereinheit 6 kann man leicht erkennen, daß wegen des sehr guten wärmeleitenden Kontaktes zwischen der Heizspirale 6ß und dem Platin-Detektor 6C (Fig. 3) einerseits Und dem festen Spulenkörper 6/4 aus Kupfer andererseits zwischen diesen Teilen nur ein sehr geringer W^rmeleitungswiderstard besteht, so daß, selbst, wenn die Arbeitsgaszufuhr unterbrochen wird, das Rückkopplungssystem, das die Heizung und den Detektorwirksam verbindet, ein Durchbrennen der Heizung verhindert. Vom Standpunkt des Benutzers aus ist dies natürlich ein sehr wertvolles Merkmal und erfüllt seinen Zweck weit eher als andere Arten von Sicherungseinrichtungen, denn es ist so lange wirksam, wie die Rückkopplung, die die Probensondentemperatur reguliert, richtig arbeitet, wobei ein Fehler in der Rückkopplung beim normalen Betrieb der Probensonde vom Benutzer leicht festcestellt werden kann.

Es mag zunächst so erscheinen, als ob dadurch, daß das Arbeitsgas die doppelte Rolle eines Kühlungsmittels und eines Wärmeüberträgers erfüllen muß, die Kühlwirkung des Gases unregelmäßig wird, wenn gerade eine Beheizung der Probe vorgenommen wird. Dies ist jedoch nicht so, weil der Joule-Thomson-Effekt unabhängig von der Temperatureinstellung immer vorhanden ist. Wenn durch die Rückkopplungssteuerung eine Heizung verlangt wird, d. h. wenn die Temperatur der Probe über die Umgebungstemperatur erhöht werden soll, fällt zwar auch die Temperatur des ankommenden Arbeitsgases beim Durchtritt durch die Düse SA, jedoch wird dieser Abkühlungseffekt durch die Wärme überkompensiert, die das Gas beim Überströmen der Heizung aufnimmt, so daß im Endergebnis das rückkehrende Gas tatsächlich Wärme an die Windungen der Abkühlungseinrichtung abgibt und das stromaufwärts von der Düse ankommende Gas erwärmt. Bei höheren Temperatur-Einstellungen der Rückkopplungssteuerung ist die Temperatur des Gases in der Nähe der Düse fast gleich der des rückkehrenden Gases, so daß die Windungen der Abkühlungsvorrichtung als Wärmeaustauscher wirksam, werden und die Wärmeabgabe an die Atmosphäre gering halten, während eine bestimmte Aufheiztemperatur der Probe im Probenhalter aufrechterhalten wird.

dung nicht direkt betroffen sind und den im Aufbau einer NMR-Probensonde allgemein üblichen Techniken folgen.

In gleicher Weise sind auch weitere Einzelheiten weggelassen worden, z. B. die Art der Verbindungen zwischen der Beheizung und dem Detektor über Leitstreifen, die entlang der Glasfaserhülse 11 und dem Flansch 12 verlaufen, da diese nur beiläufig mit den Hauptkonstruktionsmerkmalen zusammenhängen. Eine Leitung IWL in dem Stopfen IHA (Fig. 4) dient zur Zuführung der Hochfrequenzleistung über den Brückenkreis 27 zur Bestrahlung der NMR-Probe und zur Aufnahme des NMR-Resonanzsignals aus diesem Brückenkreis. Die Zuleitung \K im Stopfen \KA versorgt die Feldmodulationsspulen 25 und 26 mit Niederfrequenzleistung und die Heizspirale 6Ö mit Wechselstrom zur Beheizung; zusätzlich wird mittels dieser Zuleitung das Signal des Detektors 6C (Fig. 3) dem äußeren Stromkreis der rückkopplungsgesteuerten Beheizungseinrichtung zugeführt.

Die in Fig. 1 dargestellte Probensonde ist für den Gebrauch innerhalb eines Temperaturbereiches von -100° C bis + 150° C vorgesehen. Sie kann von dem Benutzer mittels des Handgriffes 32 ergriffen und in den Arbeitsspalt des polarisierenden Magneten eingesetzt werden, der mit geeignet angeordneten Führungen versehen ist.

Es wird ein im wesentlichen konstanter Arbeitsgasdruck von 100 atü zwischen +40° C und - 100° C und 56 atü zwischen +40° C und + 150° C benutzt. Dabei wird zwischen -50° C und -100° C Argon ι und für den übrigen Temperaturbereich Stickstoff

so verwendet.

Im Gegensatz zu gewissen bekannten Sonden ergab das obere Lager für die Probendrehung keine Vereisungsprobleme, auch wenn die niedrigsten Temperaturen Tag für Tag aufrecht erhalten wurden. Das Problem kann bei bekannten temperaturveränderlichen Probensonden sehr schwerwiegend sein, und in extremen Fällen ist ein vollständiges Festfressen des Rohres nicht unbekannt. Es wird angenommen, daß die Begrenzung der temperaturgeregelten Zone auf ein verhältnismäßig kleines Volumen und die Umkehrung der Strömungsrichtung des Arbeitsgases hinreichend unterhalb des oberen Lagers, etwa 6 cm, sicherstellt, daß die Temperatur an der Probestation nur geringen EinfluB auf das Lager hat. Ein weiterer Faktor, der zu diesem höchst erwünschten Ergebnis beiträgt, ist vielleicht, daß sich das obere Ende des Dewargefäßes 2 merklich, etwa 3 cm, oberhalb der Öffnungen 3S befindet.

Dadurch, daß das obere Lager bei Änderung der Einstellung der temperaturveränderlichen Probensonde nicht starken Temperaturveränderungen ausgesetzt ist, ist es rnöglidh, ein sehr enges Spiel zwischen dem umlaufenden Probenhalterrohr und der damit zusammenwirkenden Innenfläche des oberen Lagers über den gesamten Probensondenbereich einzuhalten, ohne ein mechanisches Festfressen durch Zusammenziehung des Lagers bei niedrigen Temperaturen zu riskieren.

Die Vermeidung feiner Druckeinsteilungen zur Erzielung der gewünschten Probentemperatur, wie sie bei bekannten Probensonden erforderlich ist, bei denen flüssiger Stickstoff zur Regelung niedrigerer Temperaturen verwendet wird, ist sehr bequem für den Benutzer, insbesondere, da solche Einsteilungen gewöhnlich als reine Sleueruriger! durchgeführt wurden, im Gegensatz zu dem automatischen Arbeiten der hier beschriebenen Regelung, bei welcher die Heizmittel in einem geschlossenen Kreis durch den Temperaturfühler gesteuert werden.

Dadurch, daß eine sehr enge thermische Kupplung zwischen der Heizung und dem Temperaturfühler

hergestellt ist und die Heizung gerade stromauf von der Probenstation angeordnet ist, wird sichergestellt, daß bei einem Regelkreis von ausreichender Kreisvefstärkung die Zeitkonstante des Temperaturregelsystems besonders kurz ist. Das macht es möglich, den

ίο Temperatursollwert in vergleichsweise kurzer Zeit sehr gut anzunähern, ohne daß von dem Benutzer ein anderer Bedienüngsvorgang als die Einstellung einer Skalenscheibe verlängt würde.

Der Ausdruck »Kühlvorrichtung in Kleinbauweise« bezieht sich auf eine auf dem Joule-Thomson-Effekt beruhende Einrichtung. Eine für die unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschriebene Ausführüngsform geeignete Kühlvorrichtungkann kommerziell bezogen werden (Vgl. britische Patentschrift 863 961).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   !.Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur einer in einem gyromagnetischen Resonanzspektrometer untersuchten Probe mit

   a) einem in den Luftspalt des Magneten des Resonanzspektrometers einsetzbaren Probenkopf,

   b) einem Probenträger zur Halterung der Probe in dem Probenkopf innerhalb eines Vorlauf-Gasströmungsweges

   c) einer Kühleinrichtung zur Beschickung des Vorlauf-Gasströmungsweges mit gekühltem Gas

   d) einer Heizeinrichtung zur Beschickung des Vorlauf-Gasströmungsweges mit erwärmtem Gas

   dadurch gekennzeichnet, daß

   e) die Kühleinrichtung aus einem Joule-Thomson-Wärmetauscher (5) besteht, der in dem Probenkopf (IA, IB) angeordnet ist und einen von einem unter Druck stehenden Arbeitsgas gespeisten und über eine Düse (SA) in den Vorlauf-Gasströmungsweg mündenden Gaskanal aufweist,

   f) die Heizeinrichtung (6) zwischen der Düse (5/1) und dem Probenträger im Vorlauf-Gasströmungsweg angeordnet und zur Erwärmung des aus der Düse (5/4) austretenden Arbeitsgases lusgeb'det ist,

   g) in dem Probenkopf 'IA, IB\ ein Rücklauf-Gasströmungsweg vorgesel :n ist, der stromabwärts von der Probe vom Vorlauf-Gasströmungsweg abzweigt, mit letzterem in Wärmekontakt steht und das Arbeitsgas über den Joule-Thomson-Wärmetauscher (5) abfuhrt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6) eine elektrische Heizwendel (6fl) umfaßt.
3. λ. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (6B) auf einen Spulenkörper (6/4 ) aus einem gut wärmeleitenden Material gewickelt ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (6C) zur Messung der Temperatur der Heizeinrichtung (6) vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4. gekennzeichnet durch eine mit dem Temperaturfühler (6C) zusammenwirkende Regelschaltung fur die Heizeinrichtung (6).
6. fi. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, d;i durch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (6C) in eine Bohrung des Spulenkörper (6/4 ) in gutem Wärme kontakt /u diesem dicht eingesetzt ist.
7. 7. Vurriehlung nach einem tier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf-Gasströmungsweg einen geraden Leitungsweg bildet und vom Rücklauf-Gasströmungsweg mantelförmig umgeben ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) der Gaskanal des Joule-Thomsort-Wärmetauschers (S) von einer zylindcrförmig aufgewickelten Rohrwendel gebildet ist.

   b) die Rohrwendel von einer Hülse (11) unter Bildung eines wendeiförmigen Gasweges zwischen Rohrwendel und Hülse (11) umgeben ist,

   c) die am Ende der Rohrwendel vorgesehene Düse (5/4) dicht in einen die Heizeinrichtung (6) und den Probenträger aufnehmend->n inneren Rohrmantel (17 bis 20, 3) geführt ist, welcher stromabwärts von der Probe mit radialen Durchbrüchen (3B) versehen ist,

   d) der innere Rohrmantel (17 bis 20,3) und die Hülse (11) unter Bildung eines Ringkanals von einem äußeren Rohrmantel (2) umgeben sind,

   e) der Ringkanal und der wendeiförmige Gasweg über öffnungen (14, 15) an dem der Düse (SA) zugekehrten Ende der Hülse (11) miteinander in Verbindung stehen.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch^ gekennzeichnet, daß der innere Rohrmantel (17 bis 20, 3) im Bereich zwischen Düse (SA) und Heizeinrichtung (6) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rohrmantel (17 bis 20, 3) im Hereich der Heizeinrichtung aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem inneren Rohrmantel (17 bis 20, 3) zwischen Heizeinrichtung (6) und Probe ein mit Längskanälen versehener Stopfen (7) sitzt, der eines von zwei Lagern (8, IH) fur den als Röhrchen ausgebildeten und um seine Achse rotierbaren Probenträger aufnimmt.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das ii, dem ΐ topfen (7) enthaltene Lager als Axiallager (8) und das andere Lager als Radiallager (IW) ausgebildet ist, und daß das Radiallager (IH) in einem solchen Abstand von den Durchbrüchen in dem inneren Mantelrohr (17 bis 20. 3) vorgesehen ist, daß es von der Tempei itur des Arbeitsgases im wesentlichen nicht beeinflußt ist.