DE3940769A1 - Schwebevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwebevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann beispielsweise in einer Raumstation eingesetzt werden, um für wissenschaftliche Materialexperimente im Raum verwendet zu werden.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Anordnung, die von W.K. Rhim, M. Collender, M.T. Hyson, W.T. Simms und D.D. Elleman in dem Artikel "Development of an electrostatic positioner for space material processing" in Rev. Sci. Instrum., 56, Februar 1985, Seiten 307 bis 317, offenbart ist. Hierin sind eine geladene Probe 1, ein Positionsdetektor 2 zur Erfassung der Lage der Probe 1, und eine variable Leistungsquelle 3, deren Ausgangsspannung sich in Übereinstimmung mit dem Signalausgang des Positionsdetektors 2 ändert, dargestellt. Weiterhin sind ein Paar planarer Elektroden 4 a und 4 b, die jeweils mit einem Anschluß der Leistungsquelle 3 verbunden und einander gegenüber angeordnet sind, Gleichspannungsquellen 5 a und 5 b sowie Ring­ elektroden 6 a und 6 b, von denen jede eine zugeordnete der planaren Elektroden 4 a, 4 b umgibt und an die durch die Gleichspannungsquellen 5 a bzw. 5 b eine höhere Spannung angelegt ist als an die zugehörigen planaren Elektroden 4 a, 4 b, vorgesehen.

Im Betrieb wird die Lage der positiv geladenen Probe 1 ständig vom Positionsdetektor 2 überwacht und der Ausgang der variablen Leistungsquelle 3 wird so gesteuert, daß, wie Fig. 1 zeigt, die Probe 1 in vertikaler Richtung jeweils in gleichem Abstand zwischen den oberen und unteren Elektroden gehalten wird. Da an die Ringelektrode 6 a und 6 b höhere Spannungen angelegt sind als an die zugehörigen planaren Elektroden 4 a und 4 b, wird die Probe 1 auch in horizontaler Richtung stationär gehalten.

Hierdurch kann ein Experiment, beispielsweise indem eine in dieser Weise gehaltene Probe durch Licht­ bestrahlung oder dergleichen erhitzt wird, in einer Raumstation durchgeführt werden.

Bei der vorbeschriebenen bekannten Schwebevorrichtung treten jedoch die folgenden Probleme auf. Da die Lage der Probe nur durch die planaren und die Ring­ elektroden gesteuert wird, ist es nicht möglich, die Probe gesteuert zu drehen, so daß sie gleich­ mäßig erhitzt wird. Zusätzlich ist es nicht möglich, die Zerstörung einer Mikrogravitätsbe­ dingung, die ein wesentliches Merkmal von wissen­ schaftlichen Materialexperimenten im Raum ist, beispielsweise durch die selbsttätige Drehung der Probe selbst infolge von Konvektion zu vermeiden.

Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwebevorrichtung zu schaffen, bei der eine Probe in gesteuerter Weise gedreht werden kann und dadurch eine gleichmäßige Er­ hitzung der Probe in einer Mikrogravitätsumgebung für Experimentierzwecke möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schwebevorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft somit eine Schwebevorrichtung mit einem Positionsdetektor zur Erfassung der Lage einer Probe, einer variablen Leistungsquelle, deren Ausgangsspannung sich in Abhängigkeit vom Signalausgang des Positionsdetektors ändert, einem Paar von planaren Elektroden, die jeweils mit einem der beiden Anschlüsse der variablen Leistungsquelle verbunden und einander gegenüber­ liegend angeordnet sind, und einer Ringelektrode, die jede der planaren Elektroden umgibt und an die eine höhere Spannung als an die zugeordnete planare Elektrode durch eine Gleichspannungsquelle angelegt ist, wodurch mittels der planaren und der Ringelektroden die Probe stationär in einer gewünschten Lage gehalten wird, und sie zeichnet sich dadurch aus, daß die Ringelektrode in eine Mehrzahl von kreisförmigen Elektroden unterteilt ist und daß eine Wechselspannungsquelle, deren Ausgangsspannung sich periodisch verändert, mit jedem Paar von benachbarten kreisförmigen Elektroden verbunden ist.

Somit dienen die unterteilten Ringelektroden, d.h. die kreisförmigen Elektroden, sowohl als Mechanismus zum stationären Halten der Probe in horizontaler Richtung als auch als Mechanismus zum Drehen der Probe in gesteuerter Weise. Es ist daher möglich, eine selbsttätige Drehung der Probe zu verhindern und außerdem die Probe kontrolliert zu drehen, indem durch die Wechsel­ spannungsquelle an jedes Paar von benachbarten kreisförmigen Elektroden ein elektrisches Wechsel­ feld angelegt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist wenigstens ein Elektromagnet in einer vorbe­ stimmten Lage außerhalb der Ringelektrode vorge­ sehen, und die Probe wird mittels des vom Elektromagneten erzeugten magnetischen Feldes in gesteuerter Weise gedreht.

Durch Veränderung der magnetischen Feldverteilung durch Anwendung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion durch Elektromagneten wird ein Strom in der Probe erzeugt und diese wird in kontrollierter Weise gedreht durch Zusammenwirken des Stromes und des magnetischen Feldes.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine Strahlungsquelle vorgesehen, die eine schwebende Probe mit einer Vielzahl von hochenerge­ tischen Strahlen aus verschiedenen Richtungen bestrahlt, um eine ausschließliche Drehkraft auf die Probe auszuüben.

Hochenergiestrahlen von der Strahlungsquelle werden der schwebenden Probe aus mehreren Richtungen zugeführt, so daß eine Drehkraft auf die Probe einwirkt.

In diesem Fall wird durch diese Bestrahlung nur eine Drehkraft auf die Probe ausgeübt, jedoch keine eine lineare Bewegung erzeugende Kraft.

In einer weiteren Ausbildung schließlich ist ein drehbar angetriebener Permanentmagnet vorge­ sehen, während ein magnetisches Feld auf den die Probe enthaltenden Raum einwirkt.

Da der das in die Probe enthaltenden Raum erzeugte magnetische Feld bildende Permanentmagnet rotiert, treten Wirbelströme in der Probe auf, und diese Wirbelströme und das magnetische Feld erzeugen zusammen eine Lorentzkraft, die in der gleichen Richtung wie der Drehrichtung des Permanentmagneten auf die Probe einwirkt, so daß diese rotiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schwebevorrichtung,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 4(A) und 4(B) die Anziehung zwischen dem Magnet­ feld und der auf die Probe ein­ wirkenden Kraft gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 die Schwebevorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel in anderer Form,

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung nach der Er­ findung,

Fig. 8 die durch die Drehung des Permanent­ magneten in Fig. 7 auf die Probe einwirkende Drehkraft,

Fig. 9 das vierte Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung in anderer Form, und

Fig. 10 das vierte Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung in einer weiteren Form.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Schwebevorrichtung nach der Erfindung, und die gleichen Elemente wie die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Weiterhin sind Wechselspannungsquellen 7 a und 7 b vorgesehen, die jeweils in Reihe mit einer der Gleichspannungsquellen 5 a, 5 b geschaltet sind. Die die planaren Elektroden 4 a und 4 b umgebenden Ring­ elektroden 6 a, 6 b umfassen jeweils vier durch Aufteilung erhaltene kreisförmige Elektroden. Jedes Paar aneinandergrenzender kreisförmiger Elektroden ist mit den entgegengesetzten Polen der zuge­ ordneten der Wechselspannungsquellen 7 a, 7 b verbunden.

Der Spitzenwert der Spannung der Wechselspannungs­ quellen 7 a, 7 b wird so eingestellt, daß er niedriger als die Ausgangsspannung der Gleich­ spannungsquellen 5 a, 5 b ist.

Im Betrieb wird die Lage der positiv geladenen Probe 1 vom Positionsdetektor 2 ständig überwacht, und der Ausgang der variablen Leistungsquelle 3 wird gesteuert, so daß die Probe 1 in vertikaler Richtung jeweils im gleichen Abstand von den oberen und unteren Elektroden zwischen diesen gehalten wird. Da die an die Ringelektroden 6 a, 6 b angelegte Spannung selbst dann, wenn die Ausgangs­ spannung der Wechselspannungsquellen 7 a, 7 b am niedrigsten ist, größer ist als die an die planaren Elektroden 4 a, 4 b angelegte Spannung, wird die Probe 1 stationär in horizontaler Richtung gehalten.

Zusätzlich kann die Drehung der Probe 1 durch ge­ eignete Einstellung der Frequenz und Spannung der Wechselspannungsquellen 7 a, 7 b gesteuert werden. Da die Ladung auf der Probenoberfläche zusammen mit der Probe 1 rotiert, ist es möglich, eine stabile Drehbewegung zu erhalten, die synchron mit der Frequenz der Wechselspannungsquellen 7 a, 7 b ist. Unter der Annahme, daß die Anzahl der eine Ringelektrode 6 a, 6 b bildenden kreisförmigen Elektroden gleich n und die Frequenz der Wechsel­ spannungsquellen 7 a, 7 b gleich f ist, dreht sich die Probe 1 mit einer Anzahl von n × f Umdrehungen.

Somit kann ein Experiment, bei dem eine Probe 1, die in dieser Weise gehalten wird, durch Bestrahlung mit Licht oder dergleichen aufgeheizt wird, beispielsweise in einer Raumstation wirksam durch­ geführt werden.

Obgleich im vorhergehenden Beispiel eine Ringelektrode in eine Mehrzahl von kreisförmigen Elektroden unterteilt ist, um sowohl als Mechanismus zum stationären Halten der Probe in horizontaler Richtung als auch als Mechanismus zum gesteuerten Drehen der Probe zu dienen, ist festzustellen, daß die gleiche vorteilhafte Wirkung durch getrennte Anordnung von Elektroden für die Steuerung der Drehung und durch unabhängige Verbindung dieser Elektroden mit Wechselspannungsquellen erhalten werden kann.

Obgleich im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von eine Ringelektrode bildenden kreisförmigen Elektroden zyklisch angeordnet ist, brauchen diese Elektroden nicht in einer exakt zyklischen Weise arrangiert zu sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schwebevor­ richtung nach der Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 3, 4(A) und 4(B) be­ schrieben.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Schwebe­ vorrichtung, und Fig. 4(A) und 4(B)stellen die Beziehung zwischen dem Magnetfeld und der auf die Probe wirkenden Kraft dar. Die Schwebevorrichtung weist Elektromagnete 10, 11, 12 und 13 für die Drehung auf, die aus vier in gleichem gegenseitigem Abstand um die eine Ringelektrode 6 a herum angeordneten Solenoidspulen bestehen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieser Schwebe­ vorrichtung beschrieben.

Die Elektroden 4 a, 4 b, 6 a und 6 b sowie die Arbeits­ weise der Schwebevorrichtung in bezug auf das stationäre Halten der Probe 1 sind die gleichen wie bei der bekannten Vorrichtugn.

Wenn die Probe 1 schwebt und stationär zwischen den planaren Elektroden 4 a, 4 b gehalten wird, werden die Elektromagnete 10, 11, 12 und 13 jeweils mit Wechselströmen gespeist, die die gleiche Amplitude und Periode besitzen, jedoch in der Phase um 90° voneinander abweichen. Die Fign. 4(A) und 4(B) zeigen die auf die Probe 1 wirkende Kraft, wenn der N-Pol am oberen Ende des Elektromagneten 10 und der S-Pol am oberen Ende des Elektromagneten 12 gebildet werden, sowie der Elektromagnet 11 am oberen Ende sich in einem Übergangszustand vom S-Pol zum N-Pol und der Elektromagnet 13 sich am oberen Ende in einem Übergangszustand vom N-Pol zum S-Pol befinden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 4(A) und 4(B) kann das von den Elektro­ magneten 10, 11, 12 und 13 erzeugte magnetische Gesamtfeld in zwei Komponenten aufgeteilt werden, nämlich die Komponente Bv in vertikaler Richtung und die Komponente Bh in horizontaler Richtung, welche die Elektromagneten 10 und 11 schneidet. Die Pfeile in diesen Figuren bedeuten Wirbelströme, die durch die sich ändernden Magnetfelder Bv und Bh lokal induziert werden. Die Gesamtwirbelströme können in zwei Komponenten aufgeteilt werden, nämlich den Strom Iv in vertikaler Richtung und den Strom Ih in horizontaler Richtung.

Entsprechend dem Gesetz für die elektromagnetische Induktion erzeugt das Zusammenwirken von Bv und Iv die Kraft Fv, während das Zusammenwirken von Bh und Ih die Kraft Fh erzeugt, so daß eine Drehkraft gebildet wird.

Obgleich im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel vier Elektromagnete in der horizontalen Ebene vorgesehen sind, ist festzustellen, daß, wenn gemäß Fig. 5 acht Elektromagnete verwendet werden, von denen vier, zum Beispiel die Elektromagnete 10, 13, 14 und 17, in geeigneter Weise miteinander kombi­ niert sind, es ebenfalls möglich ist, die Probe 1 in vertikaler Richtung zu drehen. Wenn die Elektromagnete 10, 13, 15 und 16 miteinander kombi­ niert werden, kann die Probe 1 in einer um 45° geneigten Ebene gedreht werden.

Obwohl in den vorstehenden Ausführungsbeispielen vier oder acht Elektromagneten verwendet wurden, kann die Anzahl der eingesetzten Elektromagenten auch eins oder jede andere Zahl betragen.

Weiterhin können, obwohl in den Ausführungsbeispielen scheiben- und ringförmige Elektroden benutzt wurden, entweder scheiben- oder ringförmige Elektroden allein vorgesehen sein.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Fig. 6 erläutert, in der die gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 1 verwendeten gleiche oder entsprechende Elemente kennzeichnen. Laser­ strahlen 20 und 21 werden aus verschiedenen Richtungen auf die Probe 1 gelenkt, derart, daß nur eine Drehkraft auf diese ausgeübt wird. Die Laserstrahlen 20 und 21 werden von Laser- Oszillatoren ausgegeben, die so ausgebildet sind, daß die jeweiligen Brennweiten und Bestrahlungs­ orte in gewünschter Weise eingestellt werden können. Beispielsweise werden die Laser-Oszillatoren 22 und 23 so eingestellt, daß die Laserstrahlen 20 und 21 mit dem gleichen Ausgangspegel auf jeweils einen von zwei Bestrahlungspunkten gerichtet sind, die in bezug auf den Schwerpunkt der Probe 1 symmetrisch liegen, und in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, die nahe den Tangenten an die Probe 1 in den beiden symmetrischen Bestrahlungs­ punkten liegen.

Die Probe 1 befindet sich im Schwebezustand und wird wie bei der bekannten Vorrichtung stationär gehalten, wobei ein erster Bestrahlungspunkt auf der Probe 1 durch den Laserstrahl 20 des Laser-Oszillators 22 aus einer Richtung bestrahlt wird, die nahe der Tangente an die Probe 1 in diesem Bestrahlungspunkt liegt. Zusätzlich wird ein zweiter Bestrahlungspunkt, der symmetrisch zum ersten Be­ strahlungspunkt in bezug auf den Schwerpunkt der Probe 1 liegt, durch den Laserstrahl 21 des Laser-Oszillators 23 aus einer Richtung bestrahlt, die nahe der Tangente an die Probe 1 im zweiten Bestrahlungspunkt liegt. Als Folge hiervon wird die Probe 1 durch die Laserstrahlen 20 und 21 um ihre vertikale Achse gedreht, ohne deren Lage zu ändern. Mit anderen Worten, die Probe 1 wird durch die Laserstrahlen 20 und 21 gedreht; jedoch wird keine eine lineare Bewegung bewirkende Kraft auf sie ausgeübt.

Somit wird die Probe 1 durch die Bestrahlung mit den beiden Laserstrahlen 20 und 21 in jeder ge­ wünschten Richtung zur Drehung gezwungen, wodurch die Richtung der Probe 1 in gewünschter Weise geändert werden kann.

Obgleich im vorstehenden Ausführungsbeispiel zwei Laserstrahlen 20 und 21 verwendet werden, können auch drei oder mehr Laserstrahlen eingesetzt werden. Auch zeigt das Ausführungsbeispiel eine elektro­ statische Schwebevorrichtung; die Erfindung kann jedoch auch bei einer elektromagnetischen Schwebe­ vorrichtung angewendet werden, wobei die gleichen Vorteile wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel erreicht werden. Obgleich das Ausführungsbeispiel Laserstrahlen 20 und 21 als Hochenergiestrahlen zur Ausübung einer Drehkraft auf die Probe 1 nennt, können auch andere Hochenergiestrahlen, zum Beispiel Strahlen aus geladenen Teilchen, zur Erzielung der gleichen Wirkung eingesetzt werden.

Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 für die gleichen oder entsprechenden Elemente verwendet werden. Ein stabförmiger Permanent­ magnet 22 ist so angeordnet, daß er die Mittelachse 0 der Elektroden 4 a, 4 b, 6 a und 6 b symmetrisch zu dieser im rechten Winkel schneidet. Der Permanent­ magnet 22 wird durch einen nicht gezeigten Antrieb um die Mittelachse 0 gedreht.

Während die Probe 1 stationär im Schwebezustand gehalten wird, wird der Permanentmagnet 22 beispielsweise in Richtung des Pfeiles A in Fig. 7 gedreht. Als Folge hiervon dreht sich die Probe 1 in gleicher Richtung wie der Permanentmagnet 22 gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Fig. 8 zeigt die durch die magnetische Induktion auf die Probe 1 wirkende Kraft. Hierin bedeuten die Richtung des Magnetfeldes des Permanent­ magneten 22, die Stromkomponente der als Ergebnis der Änderungen des Magnetfeldes des Permanent­ magneten 22 erzeugten Wirbelströme, die die Drehbewegung bewirkt, und die auf die Probe 1 durch das Zusammenwirken von Wirbelstrom und Magnetfeld ausgeübte Kraft. Es ist festzustellen, daß der Einfluß der elektromagnetischen Induktion in diesem Fall als auf dem Äquator der Probe 1 wirkend angesehen wird.

Fig. 9 stellt eine andere Form des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 dar, bei der ein U-förmiger Permanent­ magnet 23 anstelle des stabförmigen Permanent­ magneten 22 verwendet wird und der Permanentmagnet 23 zwischen der scheibenförmigen Elektroden 4 a und der Ringelektrode 6 a angeordnet ist, wobei er um die Mittelachse 0 rotiert. In diesem Fall ist es auch möglich, die gleichen Vorteile wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel zu erzielen. Obwohl nach Fig. 9 der Permanentmagnet 23 zwischen die Elektroden 4 a und 6 a greift, kann er auch außerhalb der Ringelektrode 6 a liegen.

Fig. 10 zeigt eine weitere geänderte Form des Aus­ führungsbeispiels nach Fig. 7, bei der die scheiben­ förmige Elektrode 4 a aus einem Permanentmagneten besteht und den Permanentmagneten 22 ersetzt; und die Elektrode 4 a wird zur Drehung um die Mittelachse 0 angetrieben. Auch diese Anordnung bietet die gleichen Vorteile wie die vorbeschriebenen Ausführungen.

Obwohl in den vorangehenden Ausführungsbeispielen die Probe 1 um die Mittelachse 0 gedreht wird, ist es möglich, die Probe 1 in einer hiervon abweichenden Richtung zu drehen, wenn die Drehachse des Permanentmagneten in eine andere Ebene, beispielsweise eine vertikale Ebene, übergeführt wird.

Es ist somit möglich, die Probe in kontrollierter Weise zu drehen und damit ein Experiment durchzu­ führen, bei dem die Probe in einer Mikrogravitäts­ umgebung gleichförmig erhitzt wird.

Claims (5)

1. Schwebevorrichtung mit einem Positionsdetektor zur Erfassung des Lage einer Probe, einer variablen Leistungsquelle, deren Ausgangs­ spannung sich in Abhängigkeit vom Signalausgang des Positionsdetektors ändert, einem Paar von planaren Elektroden, die jeweils mit einem der beiden Anschlüsse der variablen Leistungsquelle verbunden und einander gegenüberliegend angeordnet sind, und einer Ringelektrode, die jede der planaren Elektroden umgibt und an die eine höhe Spannung als an die zugeordnete planare Elektrode durch eine Gleichspannungsquelle angelegt ist, wodurch mittels der planaren und der Ringelektroden die Probe stationär in einer gewünschten Lage gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Drehen der stationär gehaltenen Probe (1) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringelektrode (6 a, 6 b) aufgeteilt ist und eine Mehrzahl von kreis­ förmigen Elektroden umfaßt, und daß die Ein­ richtung zum Drehen der Probe (1) eine Wechselspannungsquelle (7 a, 7 b) aufweist, deren Ausgangsspannung sich periodisch ändert und die mit jedem Paar von benachbarten kreis­ förmigen, die Ringelektrode (6 a, 6 b) bildenden Elektroden verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Probe (1) wenigstens einen Elektromagneten (10 bis 17) aufweist, der in einer vorbe­ stimmten Lage außerhalb der Ringelektrode (6 a, 6 b) zum Drehen der Probe (1) mittels des Magnetfeldes des Elektromagneten (10 bis 17) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Probe (1) eine Strahlenquelle (22, 23) aufweist, die die Probe (1) mit einer Mehrzahl von Hochenergiestrahlen aus verschiedenen Richtungen bestrahlt, um eine ausschließliche Drehkraft auf die Probe (1) auszuüben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Probe (1) einen Permanentmagneten (22, 23, 4 a ) aufweist, der zur Drehung angetrieben wird, während er ein magnetisches Feld in dem Raum erzeugt, in dem sich die Probe (1) befindet.