DE3723996C1

DE3723996C1 - Apparatus for the ultra-fast cooling of liquid metal droplets

Info

Publication number: DE3723996C1
Application number: DE19873723996
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Herlach Dieter M; Gerd Warmbold; Helmut Dipl-Ing Grill; Bernd Prof Dr Feuerbacher
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1987-07-21
Filing date: 1987-07-21
Publication date: 1988-11-03

Abstract

The apparatus operates by the gap-cooling method, in which a falling droplet (10) of a metal melt is pressed flat between two cooling jaws (20, 21) moved relative to one another and is cooled at an ultra-rapid rate. The driving devices (18, 19) for the cooling jaws (20, 21) each contain an electromagnet with a fixed core. Displaceable on the core is an acceleration element (53) which carries the cooling jaws (20, 21) and is composed of a light alloy with good electrical conductivity. The acceleration elements (53) have a low mass and are moved with a high acceleration when the coils are excited. As a result, extremely short cooling times are achieved. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum ultra schnellen Abkühlen flüssiger Metalltropfen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for ultra rapid cooling of liquid metal drops after the Preamble of claim 1.

Es ist bekannt, flüssige Metalltropfen unter reinsten Bedingungen ultraschnell abzukühlen. Ziel ist es dabei, durch das extrem rasche Abkühlen die schmelzflüssige Probe in metastabiler kristalliner oder amorpher Konfiguration einzufrieren. Um dies zu erreichen, sind in der Regel Abkühlraten von 10⁶ K/s und mehr erforderlich.It is known to cool liquid metal drops ultrafastly under the purest conditions. The aim is to freeze the molten sample in a metastable crystalline or amorphous configuration through the extremely rapid cooling. To achieve this, cooling rates of 10 ⁶ K / s and more are usually required.

Das Prinzip des ultraschnellen Abkühlens besteht darin, in kurzer Zeit einen guten thermischen Kontakt zwischen einem dünnen, flüssigen Metallfilm und einem die Wärme gut ableitenden Substrat herzustellen. Man erkennt sowohl kontinuierliche (z. B. das Melt-Spinning-Verfahren) als auch diskontinuierliche (z. B. das Splat-Kühlen) Verfahren.The principle of ultra-fast cooling is good thermal contact between a thin, liquid metal film and one the warmth to produce a well-draining substrate. You can see both continuous (e.g. the melt spinning process) as also discontinuous (e.g. splat cooling) Method.

Während das Melt-Spinning-Verfahren in industriellem Maßstab zur Produktion amorpher Metallbänder eingesetzt wird, dient das Splat-Kühl-Verfahren zur definierten Herstellung von amorphen Metallen für Labor untersuchungen.During the melt spinning process in industrial Scale used for the production of amorphous metal strips the Splat cooling process is used for the defined Manufacture of amorphous metals for the laboratory investigations.

Zur Gruppe der Splat-Kühl-Verfahren zählt die Hammer- Amboß-Methode. Dabei wird die Probe unter Nutzung elektromagnetischer Levitationstechnik tiegelfrei auf geschmolzen. Bei Erreichen einer vorgegebenen Proben temperatur, wird das elektromagnetische Haltefeld aus geschaltet. Die flüssige Metallprobe fällt dann senk recht nach unten, und passiert eine Lichtschranke, die ihrerseits über eine Zeitverzögerung eine Hammer- und Amboß-Mechanik ansteuert. Befindet sich der Tropfen zwischen den Kühlbacken, so schlagen diese zusammen und formen ein sogenanntes Splat. Um eine möglichst hohe Abkühlrate zu erreichen, wird das Kühlbackenmaterial ein Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärme gewählt (z. B. Cu).The group of Splat cooling processes includes the hammer Anvil method. The sample is used electromagnetic levitation technology without crucibles melted. When a predetermined sample is reached temperature, the electromagnetic holding field is off switched. The liquid metal sample then falls right down, and passes a light barrier that in turn over a time delay a hammer and Controls the anvil mechanism. There is the drop between the cooling jaws, they beat together and form a so-called splat. To be as high as possible To achieve cooling rate, the cooling jaw material a material with high thermal conductivity and more specific Heat selected (e.g. Cu).

Flüssige Metalle besitzen im allgemeinen ein sehr stark ausgeprägtes Oxidationsverhalten, besonders bei hohen Temperaturen. Daher muß der ganze Vorgang des Splat- Kühlens entweder in reiner Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuumbedingungen erfolgen. Aber selbst unter Verwendung handelsüblicher Schutzgase oder von Vakuum im Druckbereich bis 10^-6 mbar liegen die Rest verunreinigungen von Sauerstoff und sonstigen reaktiven Gaskomponenten (z. B. H₂O-Dampf) immer noch so hoch, daß eine Oberflächenkontamination der heißen Proben oberfläche nicht vermieden werden kann. Daher ist man bei der Herstellung reinster amorpher Metalle z. B. für grundlegende Laboruntersuchungen auf die Nutzung von Ultra-Hoch-Vakuum-Bedingungen angewiesen.Liquid metals generally have a very pronounced oxidation behavior, especially at high temperatures. The entire process of splat cooling must therefore be carried out either in a pure protective gas atmosphere or under vacuum conditions. But even when using commercially available protective gases or a vacuum in the pressure range up to 10 ^-6 mbar, the residual impurities of oxygen and other reactive gas components (e.g. H ₂ O steam) are still so high that surface contamination of the hot sample surface does not can be avoided. Therefore one is in the production of purest amorphous metals such. B. relies on the use of ultra-high vacuum conditions for basic laboratory tests.

Die technische Realisierung einer Splat-Kühlvorrichtung zum ultraschnellen Abschrecken metallischer Schmelzen im Ultra-Hoch-Vakuum erfordert insbesondere die Lösung folgender technischer Probleme:The technical realization of a Splat cooling device for ultra-fast quenching of metallic melts in ultra high vacuum requires the solution in particular following technical problems:

- The maximum cooling rate that can be achieved is determined by the final speed of the stamp. Since the Acceleration distance is usually very short extremely high initial accelerations necessary to the required high stamp speeds to reach.
- Since the cooling process under ultra-clean environments must take place, the plant in one Ultra-high vacuum receivers can be integrated. This requires full compatibility all components with the ultra high vacuum Conditions such as bakability and low ent gassing behavior.

In verschiedenen Labors werden Vorrichtungen benutzt, die einen mechanischen oder pneumatischen Antrieb für die Kühlbacken verwenden, sowie solche Vorrichtungen, die das Prinzip der elektromagnetischen Beschleunigung nutzen. Mechanische oder pneumatische Antriebe haben den Nachteil, daß die zu bewegenden Massen groß sind. Ferner bestehen Schwierigkeiten bei der Verwendung derartiger Vorrichtungen im Ultra-Hoch-Vakuum. Bei elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen wird über Treiberspulen eine Kondensatorbatterie entladen, so daß der ferromagnetische Kern der Spule zusammen mit Kühl backe in die Spule eingezogen wird (ferromagnetisches Prinzip). Hierbei sind wegen der hohen spezifischen Massendichte des Kernes hohe Beschleunigungen und kurze Bewegungszeiten der Kühlbacken ebenfalls schwer realisierbar.Devices are used in various laboratories which have a mechanical or pneumatic drive for use the cooling jaws, as well as such devices, which is the principle of electromagnetic acceleration use. Have mechanical or pneumatic drives the disadvantage that the masses to be moved are large. There are also difficulties in use such devices in ultra-high vacuum. At electromagnetic drive devices is about Driver coils discharge a capacitor bank, so that the ferromagnetic core of the coil together with cooling jaw is drawn into the coil (ferromagnetic Principle). Here are because of the high specific Mass density of the core high accelerations and short Movement times of the cooling jaws are also difficult realizable.

Splat-Kühlvorrichtungen, bei denen eine oder beide Kühl backen über schnellwirkende Ventile hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sind, sind bekannt aus der Zeit schrift Rev. Sci. Instruments, Vol. 34 (1963), 445 f und aus DE-OS 34 11 499. Splat-Kühlvorrichtungen mit elektromagnetischem Antrieb der Kühlbacken werden in verschiedenen Labors benutzt.Splat coolers where one or both are cooling bake hydraulically or via fast-acting valves pneumatically driven are known from the time font Rev. Sci. Instruments, Vol. 34 (1963), 445 f and from DE-OS 34 11 499. Splat cooling devices with electromagnetic drive of the cooling jaws are in different laboratories.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der die Kühlbacken eine geringe Masse haben, um von der elektro magnetischen Antriebsvorrichtung stark beschleunigt zu werden, und dadurch die Abkühlungszeit der Metalltropfen zu verkürzen.The invention has for its object a direction of the preamble of claim 1 specified type to create the cooling jaws have a small mass to go from the electro magnetic drive device accelerated too and thereby the cooling time of the Shorten metal drops.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 5 angegebenen Merkmalen.This object is achieved with the invention 5th in the characterizing part of claim 1 specified features.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben die elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen stationäre Kerne. Jeder Kern wirkt auf einen linear geführten Beschleunigungskörper aus elektrisch leitfähigem Material ein. Der Beschleunigungskörper kann aus einem Material geringer spezifischer Massendichte und hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, wie beispielsweise Aluminium, so daß mit relativ geringer elektrischer Energie hohe Beschleunigungen und kurze Ansprechzeiten möglich sind.In the device according to the invention electromagnetic drive devices stationary Cores. Each core acts on a linear one Accelerator body made of electrically conductive Material. The accelerator can consist of one Material with low specific mass density and high electrical conductivity exist, such as Aluminum, so that with relatively low electrical Energy high accelerations and short response times possible are.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die nach der Lenz'schen Regel abstoßende Kraftwirkung zwischen einer stromdurchflossenen Spule und einem diamagnetischen, elektrisch gut leitenden Material zur Erzielung der Beschleunigung aus. Hierzu wird eine Spule aus mehreren hundert Wicklungen verwendet, die einen fest integrierten stationären Kern aus hochpermeablem Material enthält. Der hochpermeable Spulenkern dient zur Verstärkung des von der stromdurchflossenen Spulen erzeugten magnetischen Flusses. Ein auf den Spulenkern über Schrumpfsitz aufgebrachtes Gleitlager dient zur Führung eines relativ leichtgewichtigen Be schleunigungskörpers, der die Kühlbacke trägt. Bei Erregung der Spule wird der Beschleunigungskörper von der Spule abgestoßen. Die Verwendung eines Be schleunigungskörpers aus einem Werkstoff mit geringem spezifischen Gewicht, wie Aluminium, und gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit bietet den Vorteil einer Reduzierung der zu beschleunigenden Masse, wobei dennoch infolge der induzierten Wirbelströme eine hohe Abstoßungskraft zur Spule erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine wesentliche Reduzierung der zu beschleunigenden Masse erreicht und die Möglichkeit eröffnet, bei gleicher Antriebsenergie eine höhere Endgeschwindigkeit der Kühlbacken und so mit eine höhere Abkühlgeschwindigkeit der Metall tropfen zu erzielen im Vergleich zu dem ferro magnetischen Prinzip.The device according to the invention uses the after Lenz 's rule repulsive force between a current-carrying coil and a diamagnetic, electrically well conductive material to achieve the Acceleration off. For this, a coil is made up of several used a hundred windings that fixed one integrated stationary core made of high permeability Contains material. The highly permeable coil core serves to reinforce the coils through which the current flows generated magnetic flux. One on the core Slide bearing applied over shrink fit is used for Management of a relatively lightweight Be accelerator body that carries the cooling jaw. At Excitation of the coil will accelerate the body repelled the coil. The use of a Be accelerator body made of a material with low specific weight, such as aluminum, and at the same time good electrical conductivity offers the advantage a reduction in the mass to be accelerated, whereby nevertheless high due to the induced eddy currents Repulsive force to the coil is reached. Through the The device according to the invention becomes an essential one Reduction in mass to be accelerated and opens the possibility with the same drive energy a higher top speed of the cooling jaws and such with a higher cooling rate of the metal to achieve drops compared to the ferro magnetic principle.

Ein weiteres Problem, das sich beim Splat-Kühlen ergibt, besteht darin, die Kühlbacken hinreichend lange in Anlage am flachgedrückten Flüssigkeitstropfen zu halten. Wenn die Kühlbacken unter Einschluß des Flüssigkeitstropfens gegeneinanderschlagen, besteht die Gefahr, daß die Kühlbacken anschließend zurückfedern. Another problem with splat cooling is, the cooling jaws are long enough in contact with the flattened liquid drop hold. If the cooling jaws including the Beating liquid drops against each other, there is Danger of the cooling jaws springing back afterwards.

Die Erfindung befaßt sich ferner mit dem Problem, zu verhindern, daß die Kühlbacken nach dem Gegeneinander schlagen unverzüglich zurückfedern, und bezweckt eine möglichst lange Einwirkungszeit der Kühlbacken auf den zusammengedrückten Metalltropfen.The invention also addresses the problem of prevent the cooling jaws from facing each other bounce back immediately, and aims to As long as possible exposure time of the cooling jaws on the compressed metal drops.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 5 angegebenen Merkmalen.This object is achieved with the invention that in claim 5 specified features.

Hiernach haben die Kühlbacken in ihren Rückzugs positionen gleiche Abstände vom Fallweg der Tropfen. Die eine Kühlbacke wird mit geringerer Energie und/oder mit einem zeitlichen Vorlauf bewegt, so daß beide Kühl backen entlang der Fallinie, jedoch mit unter schiedlichen Energien, aufeinandertreffen. Hierbei wirkt die langsamere Kühlbacke als Bremse für die schnellere Kühlbacke. Dadurch wird vermieden, daß die Kühlbacken auseinanderfedern.After that, the cooling jaws have their retreat positions equal distances from the drop path of the drops. The one cooling jaw is with less energy and / or moved with a lead time, so that both cooling bake along the fall line, but with under different energies, meet. Here the slower cooling jaw acts as a brake for the faster cooling jaw. This will prevent the Spread the cooling jaws apart.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 und 6 bis 8 angegeben.Advantageous refinements and developments of Invention are in the subclaims 2 to 4 and 6 to 8 specified.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigtThe following is with reference to the drawings an embodiment of the invention explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum ultraschnellen Abkühlen flüssiger Metall tropfen und Fig. 1 is a schematic representation of the device for ultrafast cooling of liquid metal drops and

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine der beiden Antriebsvorrichtungen, teilweise in Explosions darstellung. Fig. 2 shows a longitudinal section through one of the two drive devices, partially in an exploded view.

Gemäß Fig. 1 wird die Probe 10, die aus einem kleinen Metallkörper besteht, in einer Heizvorrichtung 11 zum Schmelzen gebracht. Die Heizvorrichtung 11 weist eine Levitationsspule 12 auf, welche an eine Wechselstrom quelle 13 mit einer Frequenz im Bereich von mehreren 100 kHz angeschlossen ist. Durch die Erregung mit Wechselstrom bewirkt die Levitationsspule 12, daß die Probe 10 berührungsfrei im Spuleninnern in der Schwebe gehalten und gleichzeitig durch Wirbelströme aufgeheizt wird, so daß ein Schmelzentropfen entsteht. Der Aufbau der Levitationsspule 12 ist hier nur schematisch dar gestellt. Die Levitationsspule 12 ist bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.Referring to FIG. 1, the sample 10, which consists of a small metallic body, placed in a heating apparatus 11 to melt. The heating device 11 has a levitation coil 12 , which is connected to an alternating current source 13 with a frequency in the range of several 100 kHz. Due to the excitation with alternating current, the levitation coil 12 has the effect that the sample 10 is held in contact with the inside of the coil without being suspended and at the same time is heated by eddy currents, so that a melt drop occurs. The structure of the levitation coil 12 is shown here only schematically. The levitation coil 12 is known and is not the subject of the present invention.

Wenn die Erregung der Levitationsspule 12 beendet wird, fällt die Probe 10 entlang des vertikalen Fallweges 14 infolge der Schwerkraft nach unten. Am Fallweg 14 ist der Detektor 15 angeordnet, der nach Art einer Licht schranke ausgebildet ist und einen Lichtsender 16 und einen Lichtempfänger 17 aufweist. Der Detektor 15 erkennt das Herunterfallen der Probe 10 und veranlaßt die Erregung der Antriebsvorrichtungen 18 und 19 für die beiden Kühlbacken 20 und 21. Die Kühlbacken 20 und 21 sind auf entgegengesetzten Seiten des Fallweges 14 unterhalb des Detektors 15 angeordnet. Die Kühlbacken 20, 21 treffen sich genau im Fallweg 14, wenn sich die Probe 10 zwischen diesen Kühlbacken befindet. Dabei gibt die Probe 10 Wärme an die Kühlbacken 20, 21 ab und es entsteht ein flacher Splat 22. Die Antriebs vorrichtungen 18 und 19 sind stationär, jedoch können ihre Positionen eingestellt werden. Die Kühlbacken 20, 21 werden von den Antriebsvorrichtungen 18, 19 in noch zu erläuternder Weise linear aufeinander zu bewegt. In Fig. 1 sind beide Kühlbacken 20, 21 in ihrer Rückzugsposition dargestellt.When the excitation of the levitation coil 12 is stopped, the sample 10 falls down along the vertical drop path 14 due to gravity. On the fall path 14 , the detector 15 is arranged, which is designed in the manner of a light barrier and has a light transmitter 16 and a light receiver 17 . The detector 15 detects the falling of the sample 10 and causes the drive devices 18 and 19 to be excited for the two cooling jaws 20 and 21 . The cooling jaws 20 and 21 are arranged on opposite sides of the drop path 14 below the detector 15 . The cooling jaws 20, 21 meet exactly in the drop path 14 when the sample 10 is between these cooling jaws. The sample 10 emits heat to the cooling jaws 20, 21 and a flat splat 22 is formed . The drive devices 18 and 19 are stationary, but their positions can be adjusted. The cooling jaws 20, 21 are moved linearly towards one another by the drive devices 18, 19 in a manner still to be explained. In Fig. 1, both cooling jaws 20, 21 are shown in their retracted position.

Das Signal des Detektors 15 wird über einen Verstärker 23 einer Verzögerungsstufe 24 zugeführt, deren Verzögerungszeit entsprechend der Fallzeit der Probe einstellbar ist. Das Ausgangssignal der Verzögerungs stufe 24 steuert über einen Verstärker 25 einen Hochspannungsschalter 26, bei dem es sich um eine Entladungsröhre ("Spark gap") handelt. Der Hoch spannungsschalter 26 verbindet den Kondensator 29 mit der Antriebsvorrichtung. Der Kondensator 29 wird vor dem Triggerimpuls von der Hochspannungsquelle 27 über den Widerstand 28 aufgeladen. Wenn der Hochspannungs schalter 26 vom Verstärker 25 einen Triggerimpuls empfängt, wird er leitend. Dadurch wird der Kondensator 29 schlagartig über die Antriebsvorrichtung 18 ent laden. Der Entladestrom kann je nach eingestellter Hochspannung größer als 200 A sein.The signal of the detector 15 is fed via an amplifier 23 to a delay stage 24 , the delay time of which can be set in accordance with the fall time of the sample. The output signal of the delay stage 24 controls an amplifier 25, a high-voltage switch 26 , which is a discharge tube ("Spark gap"). The high voltage switch 26 connects the capacitor 29 to the drive device. The capacitor 29 is charged by the high voltage source 27 via the resistor 28 before the trigger pulse. When the high voltage switch 26 receives a trigger pulse from the amplifier 25 , it becomes conductive. As a result, the capacitor 29 is suddenly loaded ent via the drive device 18 . Depending on the set high voltage, the discharge current can be greater than 200 A.

Die Antriebsvorrichtung 19 ist in gleicher Weise wie die Antriebsvorrichtung 18 über einen schnell schaltenden Hochspannungsschalter 32 mit dem Kondensator 33 verbunden. Die Steuerung des Hoch spannungsschalters 32 erfolgt durch das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 24 über ein weiteres Ver zögerungsglied 34 und einen Verstärker 35.The drive device 19 is connected to the capacitor 33 in the same way as the drive device 18 via a fast-switching high-voltage switch 32 . The control of the high voltage switch 32 is carried out by the output signal of the delay element 24 via a further delay element 34 and an amplifier 35 .

Die Hochspannungsquellen 27 und 30 werden auf unter schiedliche Spannungen eingestellt, wobei die Hochspannungsquelle 27 z. B. 2 kV liefert, während die Hochspannungsquelle 30 3 kV liefert. Dadurch werden die Kondensatoren 29 und 33 unterschiedlich vorgeladen und die Antriebsvorrichtungen 18 und 19 werden mit unterschiedlichen Energien beaufschlagt. Die Antriebs vorrichtung 19, wird mit einer höheren Energie ver sorgt, wobei durch die Verzögerungsstufe 34 die Steuerung dieser Antriebsvorrichtung 19 relativ zu der anderen Antriebsvorrichtung 18 noch verzögert ist. Wenn der Detektor 15 eine Probe entdeckt, treiben die Antriebsvorrichtungen 18 und 19 die Kühlbacken 20 und 21 gegeneinander. Beide Kühlbacken treffen sich im Fallweg 14, jedoch hat beim Aufprall die Kühlbacke 21 die größere kinetische Energie. Die Kühlbacke 21 wirkt als Bremse für die langsamere Kühlbacke 20. Beide Kühl backen bleiben eine gewisse Zeit gegeneinandergedrückt.The high voltage sources 27 and 30 are set to under different voltages, the high voltage source 27 z. B. 2 kV supplies, while the high voltage source 30 supplies 3 kV. As a result, the capacitors 29 and 33 are precharged differently and the drive devices 18 and 19 are acted upon with different energies. The drive device 19 is provided with a higher energy, the control of this drive device 19 being delayed relative to the other drive device 18 by the delay stage 34 . When the detector 15 detects a sample, the drive devices 18 and 19 drive the cooling jaws 20 and 21 against each other. Both cooling jaws meet in the fall path 14 , but the cooling jaw 21 has the greater kinetic energy on impact. The cooling jaw 21 acts as a brake for the slower cooling jaw 20 . Both cooling jaws remain pressed together for a certain time.

Die Schaltung zum Laden der Kondensatoren 29 und 33 als Energiequellen für die Spulen der Antriebsvorrichtungen 18, 19 sind im Gegensatz zu der bisher üblichen Technik als Hochspannungskreise ausgebildet, d. h. die Hoch spannungsquellen 27, 30 liefern jeweils eine Spannung von mehr als 800 V. Diese hohe Spannung ermöglicht es, die aus den Spulen und den Kondensatoren bestehenden LC-Glieder so auszulegen, daß der Beschleunigungs vorgang die gesamte erste Viertelperiode der gedämpften periodischen Schwingung des LC-Kreises nutzt und somit zu einer effektiven Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie führt. Diese Viertelperiode dauert etwa 1 ms.The circuit for charging the capacitors 29 and 33 as energy sources for the coils of the drive devices 18, 19 are in contrast to the conventional technology designed as high voltage circuits, ie the high voltage sources 27, 30 each deliver a voltage of more than 800 V. This high Voltage makes it possible to design the LC elements consisting of the coils and the capacitors so that the acceleration process uses the entire first quarter period of the damped periodic oscillation of the LC circuit and thus leads to an effective use of the available energy. This quarter period lasts about 1 ms.

Die Heizvorrichtung 11, der Detektor 15 sowie die Antriebsvorrichtungen 18 und 19 mit den Kühlbacken 20, 21 befinden sich in einem Ultra-Hoch-Vakuum im Innern eines Vakuumbehälters VB, der auf Drücke bis zu 10^-10 mbar evakuiert werden kann. Für diese niedrigen Drücke muß das Spulensystem der Antriebsvorrichtungen 18, 19 ausgelegt sein. In der Wand des Vakuumbehälters VB ist über der Heizvorrichtung 11 ein Fenster 70 vorgesehen. Außerhalb des Vakuumbehälters 34 befindet sich ein Quotientenpyrometer 36, das durch das Fenster 70 hindurch auf die Probe 10 gerichtet ist, um deren Temperatur zu messen.The heating device 11 , the detector 15 and the drive devices 18 and 19 with the cooling jaws 20, 21 are located in an ultra-high vacuum inside a vacuum container VB , which can be evacuated to pressures of up to 10 ^-10 mbar. The coil system of the drive devices 18, 19 must be designed for these low pressures. A window 70 is provided in the wall of the vacuum container VB above the heating device 11 . Outside the vacuum container 34 there is a quotient pyrometer 36 , which is directed through the window 70 onto the sample 10 in order to measure its temperature.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt der Antriebsvorrichtung 19. Die Antriebsvorrichtung 18 ist in gleicher Weise ausgebildet. Fig. 2 shows a longitudinal section of the drive device 19. The drive device 18 is designed in the same way.

Ein Gehäuse 37 aus Edelstahl enthält die ringförmige Spule 38, die aus zahlreichen Windungen aus einem mit Teflon isolierten Draht besteht. Das Gehäuse 37 ist mit einem Deckel 39 abdichtend verschlossen. Dieser Deckel weist einen in das Gehäuse hineinragenden Zylinder 40 auf, der durch die zentrische Öffnung der Spule 39 hindurchragt und die Spule trägt. Am Ende des Zylinders 40 ist ein Dichtring 41 angebracht, der gegen den Gehäuseboden 42 drückt und eine Durchgangsöffnung 43 im Gehäuseboden umgibt. In den Zylinder 40 ist der aus Ferritmaterial bestehende Kern 44 eingesetzt. Der Kern 44 besteht aus einem fest im Gehäuse montierten hoch permeablen Werkstück (VACOPERM 100, lieferbar durch Vacuumschmelze Hanau). Dieser Kern 44 erstreckt sich über die axiale Länge der Spule 38 und er weist einen Ansatz 44 a auf, der durch die Öffnung 43 hindurchragt und von dem Gehäuse nach außen absteht. Der Ansatz 44 a ist von einer Hülse 45 aus Edelstahl umgeben, die längslaufende Gleitschienen 46 hat, welche durch längs laufende Nuten voneinander getrennt sind. Im Innern des Gehäuses 37 befindet sich ferner ein Teflonring 47, der den Raum zwischen der Spule 38 und dem Gehäuseboden 42 vollständig ausfüllt.A housing 37 made of stainless steel contains the ring-shaped coil 38 , which consists of numerous turns of a wire insulated with Teflon. The housing 37 is sealed with a cover 39 . This cover has a cylinder 40 protruding into the housing, which protrudes through the central opening of the coil 39 and carries the coil. At the end of the cylinder 40 there is a sealing ring 41 which presses against the housing base 42 and surrounds a through opening 43 in the housing base. The core 44 made of ferrite material is inserted into the cylinder 40 . The core 44 consists of a highly permeable workpiece (VACOPERM 100, available from Vacuumschmelze Hanau), which is permanently mounted in the housing. This core 44 extends over the axial length of the coil 38 and it has an extension 44 a which protrudes through the opening 43 and protrudes outwards from the housing. The approach 44 a is surrounded by a sleeve 45 made of stainless steel, which has longitudinal sliding rails 46 , which are separated from one another by longitudinal grooves. In the interior of the housing 37 there is also a Teflon ring 47 which completely fills the space between the coil 38 and the housing base 42 .

Im Deckel 39 ist ein Dichtring 48 vorgesehen, der für einen abdichtenden Abschluß zwischen Gehäuse und Deckel sorgt. Die Zuführung der Hochspannung zur Spule 38 erfolgt über zwei Hochspannungsdurchführungsstücke 49, 50, die durch Elektronenschweißen vakuumdicht in den Deckel 39 eingebracht sind.In the cover 39 , a sealing ring 48 is provided, which ensures a sealing seal between the housing and the cover. The high voltage is supplied to the coil 38 via two high-voltage bushings 49, 50 , which are introduced into the cover 39 in a vacuum-tight manner by means of electron welding.

Das Gehäuse 37 ist zusammen mit dem Deckel 39 an einer Halterung 51 montiert, welche ihrerseits an einer Montageplatte 52 axial verstellbar angeordnet ist.The housing 37 is mounted together with the cover 39 on a holder 51 , which in turn is arranged axially adjustable on a mounting plate 52 .

Auf den Gleitschienen 46 der Buchse 45 ist der Al-Gleitkörper 53 längsverschiebbar geführt. Dieser Gleitkörper weist einen flanschartigen Teller 54 auf, der von einer zylindrischen Buchse 55 radial absteht. An dem dem Teller 54 abgewandten Ende der Buchse be findet sich ein Boden 56, der mit Schraublöchern 57 versehen ist. Schrauben, die durch die Schraublöcher hindurchgesteckt werden, sind in den Boden einer aus Edelstahl bestehenden Gleitbuchse 58 eingeschraubt, welche passend in das Innere der Buchse 55 eingesetzt ist. Der Boden 59 der Gleitbuchse 58 ist mit einer zentrischen Öffnung 60 versehen, die hinter einer im Boden 56 vorgesehenen zentrischen Öffnung 61 größeren Durchmessers angeordnet ist. Die Gleitbuchse 58 gleitet auf den Gleitschienen 46, so daß der Beschleunigungs körper 53 relativ zur Antriebsvorrichtung 19 längs verschiebbar und mit geringer Reibung geführt ist. Die einstückig geformten Teile 54, 55 und 56 des Be schleunigungskörpers 53 bestehen aus einem leicht gewichtigen Metall, z. B. aus Aluminium. On the slide rails 46 of the bush 45 , the Al slide body 53 is guided so as to be longitudinally displaceable. This sliding body has a flange-like plate 54 which projects radially from a cylindrical bush 55 . At the plate 54 facing away from the socket be there is a bottom 56 which is provided with screw holes 57 . Screws that are inserted through the screw holes are screwed into the bottom of a sliding bushing 58 made of stainless steel, which is inserted appropriately into the interior of the bushing 55 . The bottom 59 of the sliding bush 58 is provided with a central opening 60 which is arranged behind a central opening 61 of larger diameter provided in the bottom 56 . The sliding bush 58 slides on the slide rails 46 , so that the acceleration body 53 is longitudinally displaceable relative to the drive device 19 and is guided with low friction. The integrally molded parts 54, 55 and 56 of the acceleration body 53 Be made of a light weight metal, for. B. made of aluminum.

Die Kühlbacke 21 ist eine dickwandige Scheibe aus gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Kupfer. Diese Scheibe weist eine glatte Vorderseite auf und ist an ihrer Rückseite mit einer zentrischen Gewindebohrung 21 a versehen, in die der Gewindezapfen 63 eines aus Edel stahl bestehenden Halters 62 eingeschraubt wird. An dem der Kühlbacke 21 abgewandten Ende ist der Halter 62 mit einer Gewindebohrung 64 versehen, in die der Gewinde zapfen 65 b eines Dornes 65 eingeschraubt ist. Die Spitze 65 a des Dornes 65 ist koaxial zur Öffnung 60 gerichtet. Der Dorn 65 befindet sich in der Bohrung 61, wobei die Öffnung 60 durch ein ebenfalls in der Bohrung 61 angeordnetes Widerlager 66 in Form eines flachen Kupferplättchens versperrt ist. Der Dorn 65 bildet zusammen mit dem Widerlager 66 eine Stoßdämpf einrichtung zum Abstützen der Kühlbacke 21. Wenn die Kühlbacke 21 zusammen mit dem Beschleunigungskörper 53 gemäß Fig. 2 nach rechts bewegt wird und gegen ein Hindernis stößt, dann verformt die Spitze 65 a das Widerlager 66, wobei sie in die Öffnung 60 eindringt. Auf diese Weise wird ein Teil der Bewegungsenergie vernichtet, so daß die zusammenprallenden Kühlbacken 20 und 21 längere Zeit zusammenbleiben und nicht elastisch auseinanderfedern.The cooling jaw 21 is a thick-walled disk made of a good heat-conducting material, e.g. B. made of copper. This disc has a smooth front and is provided on its back with a central threaded bore 21 a , in which the threaded pin 63 of a stainless steel holder 62 is screwed. At the end facing away from the cooling jaw 21 , the holder 62 is provided with a threaded bore 64 , into which the threaded pin 65 b of a mandrel 65 is screwed. The tip 65 a of the mandrel 65 is directed coaxially to the opening 60 . The mandrel 65 is located in the bore 61 , the opening 60 being blocked by an abutment 66 likewise arranged in the bore 61 in the form of a flat copper plate. The mandrel 65 forms, together with the abutment 66, a shock absorbing device for supporting the cooling jaw 21 . If the cooling jaw 21 is moved together with the accelerating body 53 according to FIG. 2 to the right and strikes an obstacle, then the tip 65 a deforms the abutment 66 , penetrating into the opening 60 . In this way, part of the kinetic energy is destroyed, so that the colliding cooling jaws 20 and 21 remain together for a longer time and do not spring apart elastically.

Der Außendurchmesser der Kühlbacke 21 und des Halters 62 ist gleich dem Außendurchmesser des Bodens 56.The outside diameter of the cooling jaw 21 and the holder 62 is equal to the outside diameter of the bottom 56 .

Die beschriebene elektromagnetische Splat-Kühlapparatur kann überall dort eingesetzt werden, wo im Labormaßstab unter ultrareinen Bedingungen Metallschmelzen ultra schnell abgeschreckt werden sollen. Dies ist u. a. wichtig bei der Herstellung von amorphen Metallen, metastabilen kristallinen Metallphasen, feinstkörnigen Legierungen, übersättigten Legierungssystemen und mono dispersen Systemen.The described Splat electromagnetic refrigerator can be used wherever on a laboratory scale under ultra-clean conditions, metal melts ultra to be quickly deterred. This is u. a. important in the production of amorphous metals, metastable crystalline metal phases, fine-grained Alloys, supersaturated alloy systems and mono disperse systems.

Claims

1. Device for ultrafast cooling of liquid metal drops, with

- a detector ( 15 ) for detecting a metal drop falling out of a heating device ( 11 ) along a drop path ( 14 ),
- Two transverse to the fall path ( 14 ) movable cooling jaws ( 20, 21 ), which are moved towards each other in response to the signal from the detector ( 15 ) in order to flatten the metal drop with rapid cooling and
- Electromagnetic drive devices ( 18, 19 ) with coils ( 38 ) for moving the cooling jaws ( 20, 21 ),

characterized in that each drive device ( 18, 19 ) has a stationary core ( 44 ), and in that the cooling jaws ( 21 ) are carried by an accelerating body ( 53 ) made linearly with respect to the core and made of diamagnetic material with good electrical conductivity.

2. Device according to claim 1, characterized in that the acceleration body ( 53 ) on the side facing the coil ( 38 ) has a flat plate ( 54 ) whose diameter corresponds approximately to the outside diameter of the coil ( 38 ).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the acceleration body ( 53 ) has a shock absorbing device ( 65, 66 ) for supporting the cooling jaw ( 21 ).

4. The device according to claim 3, characterized in that the shock absorbing device ( 65, 66 ) contains a plastically deformable interchangeable abutment ( 66 ).

5. Device for ultrafast cooling of liquid metal drops, with

in particular according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling jaws ( 20, 21 ) with different energy, namely the cooling jaw ( 21 ) with low energy can be accelerated in time before the cooling jaw ( 20 ) with high energy, so that they Fall path of the metal drop meet and the cooling jaw ( 21 ) brakes the other with lower energy.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the coil ( 38 ) of each electromagnetic drive device ( 18, 19 ) via a high-voltage switch ( 26, 32 ) with a capacitor ( 29, 33 ) is connected, which of a High voltage source ( 27, 30 ) is supplied.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heating device ( 11 ), the detector ( 15 ), the drive devices ( 18, 19 ) and the cooling jaws ( 20, 21 ) are housed in a vacuum container (VB) and that each coil ( 38 ) is arranged in a vacuum-tight housing ( 3 ) inside the vacuum container (VB) .

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the acceleration body ( 53 ) on an extension ( 44 a) of the core ( 44 ) of the associated coil ( 38 ) is slidably guided.