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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Haltevorrichtung, die elektrostatische
Kräfte einsetzt, um einen Körper in einem Gefäß in einem stationären Schwebezustand, also
mechanisch nicht unterstützt, zu halten.
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Im Verlauf der neueren Forschung und Entwicklung von neuartigen Materialien wurde
vorgeschlagen, neuartige Materialien nicht auf der Erde, sondern im Weltraum zu entwickeln, wo
die äußerst geringen Gravitationskräfte bedeuten, daß Rohstoffe oder Artikel an einem Punkt im
Raum in einem stationären, berührungsfreien Zustand gehalten werden können, um ein Aufheizen,
Schmelzen, Erstarren oder andere Vorgänge an dem Material durchzuführen. Die Realisierung
dieses Vorschlages erfordert die Entwicklung nicht nur von Techniken zum Halten eines Körpers in
einem stationären, berührungsfreien Zustand, sondern auch von Techniken zum Aufheizen oder
Schmelzen eines solchen Körpers.
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Eine der Techniken zum Halten eines Körpers in einem stationären Schwebezustand ist es,
ein elektrostatisches Feld zu verwenden. Praktische elektrostatische Positionierer, die dieses
Konzept verwenden, wurden vorgeschlagen.
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Solche bekannten elektrostatischen Positionierer sind beispielsweise in dem US-Patent Nr.
4.521.854 und in einem Artikel mit dem Titel "Development of an electrostatic positioner for space
material processing" ("Entwicklung einer elektrostatischen Positioniervorrichtung für
Materialbearbeitung im Weltraum") in REVIEW OF SCIENTICFIC INSTRUMENTS, Bd. 56, Nr.2,
Februar 1985, S.307-317 offenbart worden. In einem typischen, in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind
ein Paar von schüsselförmigen Elektroden 1 vertikal voneinander beabstandet angeordnet, um
zwischen sich ein elektrisches Feld zu erzeugen, wobei eine Gleichstrom-Energiequelle 2
verwendet wird. Bei einem anderen, in Figur 2 gezeigten Beispiel sind vier kugelförmige
Elektroden 3 an den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnet und entsprechend mitt
unabhängigen Gleichstrom-Energiequellen 4 verbunden, um in dem durch die Elektroden 3
definierten Tetraeder ein elektrisches Feld aufzubauen. Die Spannung der Energiequelle 2 oder 4
wird so gesteuert, daß eine Abweichung in der Position des geladenen Körpers in dem durch die
Elektroden 1 oder 3 definierten Feld kompensiert und korrigiert wird.
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Die oben beschriebene Vorrichtung, bei der das elektrische Feld durch lediglich Anlegen
von Gleichstrom an die Elektroden 1 oder 3 erzeugt wird, bedarf einer Überwachung jeglicher
Abweichung bezüglich der Position des geladenen Körpers durch eine Videokamera oder dergl.
und eine Steuerung der Energiequelle 2 oder 4, so daß der Körper als Reaktion auf das
beobachtete Ergebnis mit einer kurzen Reaktionszeit in seine gewünschte Position zurückgeführt
wird. Dies führt zu technischen Schwierigkeiten beim Steuern der Position des geladenen Körpers
und beim Halten des Körpers im stationären Zustand.
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In dem zwischen den schüsselförmigen Elektroden 1 aufgebauten elektrischen Feld
existieren keine Haltekräfte zum Festhalten des Körpers in seitlicher Richtung. Solche seitlichen
Haltekräfte sind selbst bei dem durch die kugelförmigen Elektroden 3 aufgebauten Feld schwach.
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Es besteht somit das Problem, daß der angehobene Körper anfällig für eine Ablenkung oder
seitliches Ausbrechen ist.
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Um diese Probleme zu bewältigen, wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der
gitterförmige Elektroden verwendet werden (japanische Patentanmeldung Nr. 296782/1988).
Beispielsweise sind, wie in Figur 3 gezeigt, zwei Paare von parallelen, stabartigen Elektroden 5 so
angeordnet, daß sie sich gegensietig senkrecht schneiden, wodurch sie einen Raum in Form eines
Würfels definieren. Jedes Paar von Elektroden 5 ist mit einer Wechselstrom-Energiequelle 6 oder
einer Wechselstrom-Energiequelle, bei der dem Wechselstrom eine Gleichstromkomponente
überlagert ist, verbunden.
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Eine solche elektrostatische Positioniervorrichtung, die eine gerade Anzahl von
stabförmigen Elektroden 5 aufweist, welche einen kubischen Raum definieren und mit einer
Wechselstrom-Energiequelle 6 verbunden sind, weist anders als die schüsselförmige oder
kugelförmige Elektroden 1 oder 3 verwendende Vorrichtung sowohl Spannungs- als auch
Frequenzeinstellmittel auf, so daß sie eine verbesserte Fähigkeit zur Positionssteuerung des
schwebenden Körpers biete. Der Bereich oder die Zone der wirkungsvollen Positionssteuerung des
schwebenden Körpers ist jedoch klein, so daß es noch immer schwierig ist, den Körper auf stabile
Weise in einem stationären Schwebezustand zu halten.
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Ein weiterer Typ einer elektrostatischen Positioniervorrichtung ist in einem Artikel in
REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Vol. 57, No. 9, 1986, S.2250-2253 veröffentlicht, auf
dem der Oberbegriff von Anspruch 1 aufbaut, und der "Fluorescence Spectrometer for a Single
Electrodynamically Levitated Particle" ("Fluoreszenzspektrometer für ein einzelnes,
elektrodynamisch in einen Schwebezustand versetztes Partikel") betitelt ist. Dieser Artikel
beschreibt eine Anhebevorrichtung, die eine erste, ringförmige Elektrode und obere und untere
zweite Elektroden, die auf der durch die Ringelektrode definierten Achse auf jeder Seite des
Ringes liegen, umfaßt. Eine Wechselspannung, der eine Gleichstromkomponente überlagert sein
kann, wird zwischen den Elektroden angelegt.
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine elektrostatische Haltevorrichtung zu schaffen, die einen
weiten Bereich oder Zone aufweist, in dem die Position des schwebenden Körpers wirkungsvoll
auf stabile Weise gesteuert werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist eine elektrostatische Haltevorrichtung zum Festhalten einer
geladenen Probe im Raum, ohne sie physikalisch zu berühren, dadurch gekennzeichnet, daß sie
vier erste Elektroden, die einen Raum definieren und um eine hypothetische Mittelachse in zwei
einander zugeordneten, diagonal gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, wenigstens zwei
zweite Elektroden, die auf der Mittelachse liegen, eine Wechselstrom-Energiequelle, mit deren
entsprechenden Anschlüssen die zwei Paare erster Elektroden verbunden sind, und eine mit den
zweiten Elektroden verbundene Gleichstrom-Energiequelle, die so ausgebildet ist, daß an diese
eine Spannung angelegt wird, deren Polarität gleich jener der Probe ist, umfaßt, wodurch während
des Betriebes die geladene Probe stabil an einem Punkt auf der Mittelachse zwischen den zweiten
Elektroden gehalten wird.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden an den
Eckpunkten eines Quadrates angeordnet sind, wenn man entlang der Mittelachse blickt. Die ersten
Elektroden sind vorzugsweise länglich und erstrecken sich parallel zueinander und zu der
Mittelachse.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung
bestimmter bevorzugter Ausführungsformen klar, die unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 13
der beigefügten Zeichnungen gegeben wird, von denen zeigen:
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Figur 4 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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Figur 5 eine ebene Ansicht, welche die Bewegung einer Probe in der in Figur 4 gezeigten
Ausführungsform zeigt;
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Figur 6 eine weitere Ansicht, die ein anderes Bewegungsmuster der Probe zeigt;
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Figur 7 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfidnung;
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Figur 8 eine ebene Ansicht, welche die Beweglichkeit der ersten Elektroden bei der in Figur
7 dargestellten Ausführungsform zeigt;
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Figur 9 eine ebene Ansicht, welche die Form der konvex gebogenen Oberfläche der in der
in Figur 7 gezeigten Ausführungsform verwendeten ersten Elektroden zeigt;
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Figur 10 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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Figur 11 eine geschnittene Seitenansicht einer in der in Figur 10 dargestellten
Ausführungsform verwendeten ersten Elektrode;
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Figur 12 eine Ansicht einer ersten Modifikation der in Figur 10 dargestellten dritten
Ausführungsform; und
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Figur 13 eine Ansicht einer zweiten Modifikation der in Figur 10 dargestellten dritten
Ausführungsform.
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Durch alle Figuren werden die selben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Teile zu
bezeichnen.
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Zuerst wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 4, 5 und 6 eine erste bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Ein Ursprung O und eine vorzugsweise vertikal durch den Ursprung O führende Mittelachse
7 sind im Raum definiert. Vier erste, zylinderförmige Elektroden 8, 9, 10 und 11 sind parallel zu
der Achse 7 und an Positionen angeordnet, die von der Achse 7 gleich weit beabstandet sind und
die Eckpunkte eines Quadrates bilden, wenn man entlang der Mittelachse 7 blickt. Zwei zweite,
sphärische Elektroden 12 und 13 liegen auf der Achse 7, sind vertikal voneinander beabstandet,
liegen aber in dem durch die ersten Elektroden 8 bis 11 definierten Raum. Die zwei Paare
einander gegenüberliegender Elektroden 8, 9, 10 und 11 sind mit entsprechenden Anschlüssen
einer Wechseltrom-Energiequelle 14 verbunden. Die zweiten Elektroden 12 und 13 sind mit einer
Gleichstrom-Energiequelle 15 verbunden. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine elektrisch
geladene Probe.
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Die Wechselstrom-Energiequelle kann einen reinen Wechselstrom oder einen
Wechselstrom mit einem diesem überlagerten Gleichspannungsanteil liefern.
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Die Wechselstrom-Energiequelle 14 wird so gesteuert daß die Frequenz der Quelle 14 von
einem niedrigen Niveau in der Größenordnung von 1 Hz bis zu einem höheren Niveau in der
Größenordnung von Hunderten Hz verändert werden kann, in Abhängigkeit von der Masse, dem
Ladung, dem Druchmesser und dergl. der Probe 16.
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Wenn den zylindrischen ersten Elektroden 8-11 von der Quelle 14 eine Wechselspannung
zugeführt wird, werden die Polaritäten der Elektrodenpaare 8, 9 und 10, 11 abwechselnd
vertauscht, so daß wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt, elektrische Kraftlinien 17 zwischen den
Elektroden 8-11 erzeugt werden. Weil die elektrischen Feldlinien auf die Achse 7 zu gekrümmt
sind, neigt die geladene Probe 16 dazu, sich der der Achse 7 zu nähern, während sie mit einer
Frequenz ungefähr gleich der der Wechselstrom-Energiequelle 14 entlang der elektrischen
Kraftlinien 17 schwingt, wie in Figur 5 gezeigt; alternativ kann sie bei ihrer Annäherung an die
Achse 7 eine Spiralbewegung annehmen, wie in Figur 6 gezeigt. Schließlich wird die Probe 16 in
einem stationären Zustand auf der Mittelachse 7 gehalten. Ein Gleichstrompotential, das die
gleiche Polarität aufweist wie die der geladenen Probe 16, wird durch die Gleichstrom-
Energiequelle 15 an die zweiten Elektroden 12 und 13 angelegt, so daß eine Coulombkraft (das
heißt, eine elektrische Abstoßungskraft) auf die Probe 16 zwischen den zweiten Elektroden 12 und
13 wirkt. Die so erzeugte Coulombkraft steht im Gleichgewicht mit der Masse der Probe 16, und
die Probe 16 wird in einem stationären Schwebezustand gehalten und somit auch in Richtung der
Mittelachse 7 stabilisiert.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren 7, 8 und 9 wird als nächstes eine zweite
Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei der die ersten Elektroden 18-21 in Form von
Säulen mit halbkreisförmigem Querschnitt vorliegen. Jede erste Elektrode weist eine konvex
gekrümmte Oberfläche 23, die nach innen zu dem durch die ersten Elektroden 18-21 definierten
Raum weist, und eine flache Oberfläche 24, die von dem Raum 22 weg weist, auf. Die ersten
Elektroden 18-21 sind so angeordnet, daß sie in zueinander senkrechten Richtungen r&sub1; und r&sub2;
radial gegenüber der Mittelachse 7 beweglich sind.
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Bei der zweiten Auisführungsform werden die selben Effekte erreicht wie bezüglich der
ersten Ausführungsform oben beschrieben. Die halbkreisförmige Querschnittsform der ersten
Elektroden 18-21 bei der zweiten Ausführungsform wird deshalb eingesetzt, weil die äußere Hälfte
der zylindrischen ersten Elektroden 8-11 bei der ersten Ausführungsform in Figur 5 und 6 unnötig
ist. Die Form der ersten Elektroden bei der zweiten Ausführungsform trägt zu Einsparungen bei -
Größe und Gewicht bei, ohne die Wirksamkeit, mit der die Probe 16 in einem stationären
Schwebezustand gehalten wird, nachteilig zu beeinflussen.
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Außerdem können, weil die ersten Elektroden 18-21 der zweiten Ausführungsform so
angeordnet sind, daß sie unabhängig beweglich sind, elektrische Kraftlinien mit den Elektroden
18-21 in unterschiedlichen Abständen von der Mittelachse 7 erzeugt werden. Wenn die Probe 16
einen relativ großen Durchmesser aufweist, werden die Abstände zwischen den ersten Elektroden
18-21 erhöht, so daß zwischen den Elektroden 18-21 eine hohe Spannung angelegt werden kann;
demzufolge können die elektrostatischen Kräfte erhöht werden, um die Probe 16 zu halten. Wenn
die vier ersten Elektroden 18-21 nicht beweglich sind, können zwischen den ersten Elektroden
Entladungen auftreten, wenn die Spannung hoch ist, und die an die Elektroden angelegte
Spannung muß abgesenkt werden, um den elektrischen Zusammenbruch aufzuhalten. Bei der
zweiten Ausführungsform unterdrückt oder verhindert ein Vergrößern der Abstände zwischen den
vier ersten Elektroden elektrische Entladungen und beseitigt die Notwendigkeit, die angelegte
Spannung abzusenken, um eine Entladung zu beenden. Daher kann eine zum Anheben der Probe
ausreichende elektrostatische oder elektrische Kraft leicht aufrecht erhalten werden.
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Bei der zweiten Ausführungsform kann der Querschnitt der ersten Elektroden die Form
eines Halbmondes oder eines Kreissektors aufweisen. Die konvex gekrümmte Oberfläche jeder
der ersten Elektroden 18-21 kann durch eine Kurve definiert werden, die eine durch die Gleichung
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r&sub1; -r&sub2; = ±R²
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ausgedrückte orthogonale Hyperbel ist, wobei R eine Hälfte des Abstandes zwischen den
gegenüberliegenden konvexen Oberflächen der ersten Elektroden ist, wie in Figur 9 gezeigt.
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Die ersten Elektroden können so gestaltet und konstruiert sein, daß nur eine Elektrode jedes
Paares von gegenüberliegenden Elektroden beweglich ist.
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Bei der dritten, in Figur 10 dargestellten Ausführungsform sind die ersten Elektroden 26, 27,
28 und 29 mit Wärme abgebenden Abschnitten ähnlich wie Metall- oder Graphitheizern versehen,
die Wärme abgeben, wenn ihnen durch einen elektrischen Strom Energie zugeführt wird.
Wahlweise sind Heizelemente 46, die Wärme abgeben, wenn ihnen durch einen elektrischen
Strom Energie zugeführt wird, innerhalb der ersten Elektroden 26-29 angeordnet, wie in Figur 11
gezeigt. Die Wärme abgebenden Abschnitte oder Heizelemente 46 sind mit einer
Gleichstromoder Wechselstrom-Heizenergiequelle 30 verbunden.
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Es sollte bemerkt werden, daß eine Last 31 zwischen den ersten Elektroden 31 und der
Wechselstrom-Energiequelle 14 eingebaut ist, um eine Impedanz zu liefern, die ausreicht, um zu
verhindern, daß der Strom von der Hezenergiequelle 30 in die Wechselstrom-Energiequelle 14
fließt.
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Die dritte Ausführungsform kann die selben Effekte erzielen wie die, welche durch die
anderen Ausführungsformen erzielt werden. Weiterhin erzeugen die ersten Elektroden 26-29, weil
ein Strom von der Heizenergiequelle durch sie strömt, durch ihren eigenen Widerstand Wärme,
und diese Wärme wird auf die Probe 16 übertragen, um sie zu erwärmen oder zu schmelzen. In
einer Gasatmosphäre erfolgt die Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung. In einem
Vakuum, wie etwa dem Weltraum, wird die Wärme hauptsächlich durch Strahlung auf die Probe
16 übertragen.
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Die Last 31 ist angeordnet, um eine gewisse Impedanz zu erzeugen, die von dem Typ der
verwendeten Heizenergiequelle 30 abhängt, und ist in die Wechselstrom-Energiequelle 14
eingebaut, um jeglichen nachteiligen Effekt wegen des Fließens des Stromes von der
Heizenergiequelle 30 zu beseitigen.
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Somit dienen die ersten Elektroden 26-29 auch als Heizquellen, was die Gestaltung und den
Aufbau eines Heizofens vereinfacht, indem die Notwendigkeit von Abschirm- und Kühlmitteln für
die ersten Elektroden 26-29 beseitigt wird.
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Figur 12 zeigt eine erste Modifikation der dritten Asführungsform, bei der anstelle eines
direkten Aufheizens der ersten Elektroden 26-29 selbst Heizquellen 48 in Form von Lasern oder
dergl. zum Richten von Heizstrahlen 47, wie etwa Laserstrahlen oder dergl., auf die Probe 16
außerhalb des durch die ersten Elektroden 26-29 definierten Raumes 22 angeordnet sind. Diese
Modifikation kann die selben Effekte erreichen wie die durch die unmodifizierte dritte
Ausführungsform erreichten.
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Figur 13 zeigt eine zweite Modifikation der dritten Ausführungsform, bei der die ersten
Elektroden 26-29 transparent und aus durch Sputtern, Ionen-Plattieren oder Backen mit einer
transparenten, leitenden Beschichtung etwa NESA-coat, z.B. SnO&sub2;, InO&sub3;+SnO&sub2; oder TiO&sub2;,
beschichtetem Quarzglas 49 hergestellt sind. Halbkugelförmige Reflektoren 51 werden verwendet,
um Wärmestrahlen 47 von den Wärmequellen 48 auf die Probe 16 zu leiten. Die zweite
Modifizierung kann die selben Effekte erzielen wie die durch die unmodifizierte dritte
Ausführungform erreichten, und weist eine verbesserte Wirksamkeit beim Übertragen von Wärme
auf dieProbe 16 auf, weil die Strahlen 47 nicht von den ersten Elektroden 26-29 abgeschirmt
werden, welche für die Strahlen 47 transparent sind.