EP2068103B1

EP2068103B1 - Messmodul zur schnellen Messung von elektrischen, elektronischen und mechanischen Bauteilen bei kryogenen Temperaturen sowie Messeinrichtung mit einem solchen Messmodul

Info

Publication number: EP2068103B1
Application number: EP08020788.9A
Authority: EP
Inventors: Olivier Zogmal; Daniel Guy Baumann; Frank Lehnert
Original assignee: Bruker Switzerland AG
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2008-11-29
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: US7667476B2; DE102007055712A1; US20090146676A1; EP2068103A2; EP2068103A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Messmodul zur Messung und Prüfung eines Messobjektes mit einer evakuierbaren Messkammer zur Aufnahme des Messobjekts und mit einem Kontaktelement, wobei das Messobjekt während des Mess- und/oder Prüfvorganges mit einer ersten Kontaktfläche des Kontaktelementes thermisch verbunden ist, und mit mindestens einem Kaltkopf, der mit einer zweiten Kontaktfläche des Kontaktelementes thermisch verbunden werden kann, wobei der Kaltkopf mit Hilfe eines aus mindestens einer Kältestufe bestehenden Kryokühlers bis hinunter auf kryogene Temperaturen gekühlt werden kann, und wobei das Kontaktelement aus thermisch gut leitendem Material besteht, und die erste und zweite Kontaktfläche auf gegenüber liegenden Seiten des Kontaktelementes liegen, und wobei sich der Kaltkopf und das Kontaktelement während des Mess- und/oder Prüfvorganges in einer evakuierbaren Umgebung befinden und miteinander thermisch leitend verbunden sind.
Eine derartige Messeinrichtung ist bekannt aus [2]. Ein Messmodul mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist z.B. aus DE 22 03 844 A1 bekannt.
Durch Abkühlung kann das thermische Rauschen von elektronischen Baukomponenten reduziert werden. Das thermische Rauschen entsteht durch statistische Bewegungen der Ladungsträger und durch unregelmäßige, temperaturabhängige Gitterschwingungen, die durch Stöße auf die Ladungsträger übertragen werden. Es äußert sich durch eine Rauschspannung V_R an den Enden von elektrischen Leitern. Bei einem ohmschen Widerstand R, der sich auf der Temperatur T befindet, ist die Rauschspannung im Frequenzbereich Δf gegeben durch [3], [4]: $|V_{R}| = \sqrt{4 kRT \cdot Δ f}$
wobei k = 1.38,10^-23 Ws/K (= Boltzmann-Konstante)
Durch Verkleinerung der Temperatur T von metallischen Leitern verkleinert sich auch dessen Widerstand R, so dass das Produkt R·T and damit die thermische Rauschspannung V_R besonders stark reduziert wird. Deshalb wird dieses Kühlverfahren heute für empfindliche Messgeräte und Sensoren genutzt, wie sie z.B. in der NMR-Spektroskopie [1] vorkommen. Man erreicht dort eine markante Verbesserung der Messempfindlichkeit, d.h. des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (= SI-NO).
Für die Entwicklung von solchen Messgeräten oder Sensoren mit gekühlten elektrischen und elektronischen Komponenten müssen deshalb im Vorfeld geeignete elektronische und elektrische Bauteile (z.B. Kabel, Widerstände, Transistoren usw.) beurteilt und einer Qualitätsprüfung (z.B. thermisches Zyklieren) unterzogen werden. Zu diesem Zweck werden Prüfanlagen benötigt, die es erlauben, einzelne elektronische Komponenten und ganze elektronische Schaltungen auf ihre Einsatz- und Prüftemperatur zu kühlen, mit dem Ziel, deren Eigenschaften und Spezifikationen zu ermitteln und an ihnen Qualitätstests durchzuführen.
Die einfachste und am weitesten verbreitete Methode zur Kühlung auf kryogene Temperaturen erfolgt mit Hilfe von flüssigem Stickstoff (LN2), oder in selteneren Fällen mit flüssigem Helium (LHe). Die zu messenden Komponenten (elektronische Bauteile oder Schaltungen, mechanische Bauteile oder Kombinationen davon) werden in ein mit LN2 oder mit LHe gefülltes Dewar-Gefäß eingetaucht und abgekühlt. Qualitätsprüfungen (z.B. Temperaturzykliertests) und/oder die Ermittlung von elektrischen oder mechanischen Eigenschaften an Komponenten können so durchgeführt werden.
Die Nachteile dieser Methode sind, dass die tiefste kryogene Temperatur durch die Siedetemperatur des Flüssiggases ( 77K bei LN2 und 4.2K bei LHe) gegeben ist, und die Prüflinge wegen den hohen Abkühlraten extremen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Zudem können sich auf den Prüflingen Kondenswasser und Eis bilden.
Bei einer etwas fortgeschrittenere Abkühlmethode ist das zu kühlende Messobjekt an einem thermisch gut leitenden Kontaktelement befestigt, das durch ein Kühlmedium (z.B. LN2 oder LHe) auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Um die thermischen Verluste klein zu halten, ist die ganze Anordnung in einer evakuierten Kammer untergebracht, wodurch auch die Bildung von Kondenswasser und Eis vermieden wird [2]. Solche Anlagen sind aber nur bei Temperaturen knapp über dem Siedepunkt des Kühlmediums effizient. Wenn Prüflinge weit über dem Siedepunkt (aber weit unter Raumtemperatur) getestet werden müssen, dann muss dies durch zusätzliches Heizen des Kontaktelementes erreicht werden, was wiederum zu erhöhtem Verlust an Kühlmedium und zu erhöhten Kosten führt (insbesondere wenn das Kühlmedium LHe ist). Nachteilig ist auch hier, dass der Anwender immer auf das Kühlmedium angewiesen ist und immer dafür sorgen muss, dass genügend Reserve davon vorhanden ist. Zudem hat eine solche Anlage den Nachteil, dass der Anwender verstehen muss, mit kryogenen Flüssigkeiten umzugehen.
Darüber hinaus sind Messmodule bekannt, bei denen die Kühlung nicht durch ein kryogenes Kühlmedium, sondern durch einen Kryokühler mit geschlossenem Kühlkreis erfolgt [2]. Der Nachteil dieses Messmoduls ist, dass der Kryokühler zuerst ausgeschaltet werden muss und anschließend eine lange Wartezeit folgt, bis der Kryokühler sich genügend aufgewärmt hat, und die Kammer, in der sich der Prüfling befindet, geöffnet werden kann.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Messmodul und eine Messeinrichtung vorzuschlagen, mit denen derartige lange Wartezeiten vermieden werden können, um das Kühlen von Messobjekten anwendungsfreundlicher zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Messmodul ist der Kryokühler samt Kaltkopf in einer Kühlkammer untergebracht, welche von der Messkammer räumlich getrennt und unabhängig von dieser evakuierbar ist, wobei das Kontaktelement thermisch isoliert von der Außenwand des Messmoduls befestigt, Teil einer Trennwand zwischen der Messkammer und der Kühlkammer ist und eine lokale thermische Verbindung von der Messkammer zur Kühlkammer herstellt, und wobei eine Kontaktierungseinrichtung zur Änderung des Wärmeflusses im hermetisch geschlossenen Zustand des Messmoduls vorgesehen ist, mit deren Hilfe der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf und dem Kontaktelement entweder hergestellt oder stark vergrößert, oder unterbrochen oder stark verkleinert werden kann. Erfindungsgemäß umfasst die Kontaktierungseinrichtung ein Verbindungselement, das zwischen Kaltkopf und Kontaktelement angeordnet ist und permanent in enger thermischer Verbindung mit dem Kaltkopf und dem Kontaktelement steht, wobei das Verbindungselement mindestens einen Hohlraum aufweist, der mit einem bei kryogenen Temperaturen gut leitendem Fluid gefüllt werden kann, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Verbindungselementes und dadurch auch der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf und dem Kontaktelement geändert werden kann. Auch hierdurch können verkürzte Abkühlzeiten und Aufwärmzeiten realisiert werden, wobei auf bewegliche mechanische Komponenten verzichtet werden kann, was zu einer konstruktiv sehr einfachen Lösung führt.
Mit einem alternativen, nicht beanspruchten Messmodul kann ein Kühlvorgang ohne Kryoflüssigkeiten realisiert werden, wobei durch den variabel einstellbaren Wärmefluss zwisehen Kaltkopf und Kontaktelement die Prüftemperatur der Messobjekte innerhalb des gegebenen Temperaturbereichs frei wählbar ist.
Der Kryokühler kann während des Kühlens oder Aufwärmens des Messobjektes kalt bleiben. Die Abkühlraten für das Messobjekt können somit gegenüber dem Stand der Technik um etwa die vom Kryokühler-Hersteller spezifizierte Abkühlzeit des Kryokühlers verkürzt werden, weil der Kryokühler nicht von neuem abgekühlt werden muss. Die typische Abkühlzeit eines Kryokühlers liegt etwa zwischen 40 und 60 Minuten. Zudem wird eine unnötige thermische Belastung des Kryokühlers vermieden.
Die getrennten Kammern für das Messobjekt und den Kryokühler ermöglichen zudem eine optimale thermische Isolation zwischen der Messkammer und dem Kühlkopf.
Die Abkühlrate ΔT_K/Δt und die Aufwärmrate ΔT_W/Δt sind mit dem erfindungsgemäßen Messmodul frei einstellbar und können so gewählt werden, dass das Messobjekt nicht beschädigt wird.
Darüber hinaus können die gewünschten Abkühlzyklen automatisch ausgeführt werden, wobei deren Anzahl frei wählbar ist.
Das erfindungsgemäße Messmodul ist einfach bedienbar und erlaubt ein einfaches Montieren und Wechseln der Messobjekte.
Alternativ kann in einer nicht beanspruchten Ausführungsform die erfindungsgemäße Kontaktierungseinrichtung einen pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Antrieb umfassen, oder eine Kombination davon, oder einen Handantrieb, mit dem der Kaltkopf und das Kontaktelement mechanisch aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden können, wobei der Kaltkopf und das Kontaktelement entweder gegeneinander gedrückt oder räumlich getrennt werden, so dass der Wärmefluss zwischen ihnen vergrößert bzw. verkleinert wird. Der Antrieb ermöglicht sowohl das Kontaktieren des Messobjekts mit dem Kühlkopf über die beiden Kontaktflächen des Kontaktelements als auch die Trennung desselben Kontakts auf einfache und schnelle Art und Weise.
Vorzugsweise umfasst das Kontaktelement einen Wärmetauscher, der mit einem kryogenen Fluid, insbesondere flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, betrieben wird und zur Vorkühlung des Kontaktelementes dient. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform ist eine hohe Abkühlrate für Messobjekte, die eine hohe Wärmekapazität besitzen, so dass die Abkühlzeit weiter verkürzt werden kann. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messmoduls sind mindestens ein Temperatursensor und mindestens ein Heizer vorgesehen, die zur Regelung der Temperatur des Kontaktelementes dienen. Weitere Temperatur-Sensoren können auch am Messobjekt befestigt sein, damit dessen Temperatur direkt gemessen und geregelt werden kann.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Kryokühler zwei Stufen mit jeweils einem Kaltkopf aufweist, wobei der Kaltkopf der ersten Stufe mit einem Wärmetauscher, der zur Verflüssigung von Stickstoff-Gas dient, thermisch verbunden ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die für die Vorkühlung benötigte Kryoflüssigkeit autonom erzeugt, d.h. nicht mehr extern angeschafft werden muss. Die Erfindung betrifft auch eine Messeinrichtung mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Messmodul, wobei das Kontaktelement thermisch isoliert von der äußeren Umgebung des Messmoduls befestigt ist. Beispielsweise kann das Kontaktelement am einen Ende der balgenförmigen Trennwand zwischen Mess- und Kühlkammer befestigt sein, wodurch es von der Außenwand des Messmoduls thermisch isoliert ist.
Besonders vorteilhaft ist eine Messeinrichtung, die ein Messmodul umfasst, bei dem der Kryokühler zwei Stufen mit jeweils einem Kaltkopf aufweist, wobei der Kaltkopf der ersten Stufe mit einem Wärmetauscher, der zur Verflüssigung von Stickstoff-Gas dient, thermisch verbunden ist, und wobei die erste Stufe des Kryokühlers über den Wärmetauscher mit einem Stickstoffseparator verbunden ist, durch den das Stickstoff -Gas direkt aus der Luft gewonnen und dem Wärmetauscher zugeführt werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen im Rahmen der Ansprüche Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

Fig. 1a: eine Messeinrichtung mit einem einstufigen Kryokühler im nicht kontaktierten Zustand;
Fig. 1b: eine Messeinrichtung mit einem einstufigen Kryokühler im kontaktierten Zustand;
Fig. 2a: eine Messeinrichtung mit einem einstufigen Kryokühler und einem Wärmetauscher im nicht kontaktierten Zustand;
Fig. 2b: eine Messeinrichtung mit einem einstufigen Kryokühler und einem Wärmetauscher im kontaktierten Zustand;
Fig. 3a: eine Messeinrichtung mit einem zweistufigen Kryokühler und einem Wärmetauscher im nicht kontaktierten Zustand;
Fig. 3b: eine Messeinrichtung mit einem zweistufigen Kryokühler und einem Wärmetauscher im kontaktierten Zustand;
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Messeinrichtung mit einem einstufigen Kryokühler und einem Verbindungselement mit variabler thermischer Leitfähigkeit;
Fig. 5a: eine Messeinrichtung nach dem Stand der Technik, bei der die Abkühlung des Kontaktelementes mittels einer Kryoflüssigkeit erfolgt; und
Fig. 5b: eine Messeinrichtung nach dem Stand der Technik, bei der die Abkühlung des Kontaktelementes mittels eines Kryokühlers erfolgt.

Fig. 5a zeigt eine Messeinrichtung nach dem Stand der Technik. Ein Messmodul 10' dient zur Kühlung, Messung und Prüfung eines Messobjektes 6. Das zu kühlende Messobjekt 6 ist an einem thermisch gut leitenden Kontaktelement 5' befestigt, das durch ein Kühlmedium (z.B. LN2 oder LHe) auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Um die thermischen Verluste klein zu halten, ist die ganze Anordnung in einer evakuierten Kammer 4' untergebracht, wodurch auch die Bildung von Kondenswasser und Eis vermieden wird. Die gewünschte Messtemperatur kann z.B. mittels eines Controllers 36, eines Heizers 7 und Temperatur-Sensoren 35a, 35b geregelt werden. Um die Effizienz zu steigern bzw. den Verlust an Kühlmedium zu minimieren, kann zusätzlich noch die Zufuhr des Kühlmediums über Ventile 12, 13 geregelt werden.
Fig.5b zeigt eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Messeinrichtung, die sich von der in Fig.5a darin unterscheidet, dass die Kühlung nicht durch ein kryogenes Kühlmedium, sondern durch einen Kryokühler 1a mit geschlossenem Kühlkreis erfolgt. Ein Messmodul 10" umfasst einen Kaltkopf 1b und ein Kontaktelement 5". Der Kaltkopf 1 b kann mit Hilfe des mindestens eine Kältestufe umfassenden Kryokühlers 1a bis hinunter auf kryogene Temperaturen gekühlt werden. Das Kontaktelement 5" besteht aus thermisch gut leitendem Material und ist zwischen dem Messobjekt 6 und dem Kaltkopf 1b positioniert. Diese Komponenten befinden sich während des Mess- und/oder Prüfvorganges in einer evakuierten Umgebung und sind miteinander thermisch leitend verbunden.
Der Kaltkopf 1 b, der von der ersten Kühlstufe des Kryokühlers 1a mit einer bestimmten Kühlleistung gekühlt wird, ist fix mit einem Kontaktelement 5" verbunden, welches ohne thermische Last im Idealfall die Temperatur des Kaltkopfes 1b annimmt. Auf das Kontaktelement 5" kann dann das zu prüfende Messobjekt 6 montiert werden. Die Temperatur des Kontaktelementes 5" bzw. des Messobjektes 6 kann mit dem Controller 36, Heizer 7 und Temperatur-Sensoren 35a, 35b geregelt werden.
Fig. 1a, 1b zeigen eine erste nicht beanspruchte Ausführungsform 10a eines Messmoduls. Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen umfasst das Messmodul 10a ein Zweikammersystem mit einer Kühlkammer 3 und einer Messkammer 4, die unabhängig voneinander evakuierbar sind. In der Kühlkammer 3 befindet sich der Kryokühler 1a mit seinem Kaltkopf 1b und einem geschlossenem Kühlkreis. Als Kryokühler 1a kann eine Stirling-, eine Gifford-McMahon- oder eine Pulse-Tube-Kühlapparatur benutzt werden. Die Kühlkammer 3 ist während des Messbetriebs evakuiert und isoliert dadurch den Kryokühler 1a thermisch von seiner Umgebung.
Das zu messende Messobjekt 6 befinden sich in der ebenfalls evakuierten Messkammer 4 und ist auf einer ersten Kontaktfläche 9a mit einem Kontaktelement 5b fest verbunden. Das Kontaktelement 5b ist als Teil der Trennwand zwischen den beiden Kammern 3, 4 ausgebildet und dient als lokale thermische Verbindung von der Kühlkammer 3 zur Messkammer 4. Das Kontaktelement 5b ist an einer zur Außenwand des Messmoduls thermisch isolierten Stelle befestigt.
Der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf 1 b und dem Kontaktelement 5b wird dadurch geändert, dass mit Hilfe eines pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Antriebes 8, einer Kombination davon, oder per Handantrieb, der Kaltkopf 1 b und das Kontaktelement 5b mechanisch aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden, und dass dadurch der Kaltkopf 1b und das Kontaktelement 5b entweder gegeneinander gedrückt (Fig. 1b) oder räumlich getrennt werden (Fig. 1a), so dass der Wärmefluss zwischen ihnen groß resp. klein wird. Im ersten Fall kontaktiert der Kaltkopf 1b das Kontaktelement 5b an einer zweiten Kontaktfläche 9b und das Kontaktelement 5b wird samt Messobjekt 6 durch den Kryokühler auf die gewünschte Temperatur abgekühlt. Im zweiten Fall wird der Kontakt zwischen dem Kaltkopf 1b und der zweiten Kontaktfläche 9b des Kontaktelementes 5b getrennt, so dass das Kontaktelement 5b samt Messobjekt 6 wieder aufgewärmt werden, ohne dass der Kryokühler 1a vorher abgeschaltet werden muss.
Der Controller 36 mit angeschlossenem Heizer 7 und Temperatur-Sensor 35a ermöglicht eine Regelung der Temperatur des Kontaktelementes 5b und damit des Messobjektes 6 auf den gewünschten Wert. Zum Aufwärmen bewegt der Antrieb 8 das Kontaktelement 5b vom Kaltkopf 1b weg und unterbricht dadurch den Wärmefluss zwischen ihnen (Fig. 1b). Der Heizer 7 ermöglicht dann eine rasche Aufwärmung des Kontaktelementes 5b und des Messobjektes 6. Der Kryokühler 1a läuft weiter, und der Kaltkopf 1b kühlt sich, da er thermisch nicht mehr belastet ist, auf die tiefstmögliche Temperatur ab. Der Anwender ist bei dieser Ausführungsform nicht auf kryogene Flüssigkeiten angewiesen.
Eine verbesserte Ausführungsform 10b des Messmoduls ist in Fig.2a und Fig.2b dargestellt. Sie führt zu einer massiven Reduktion der Abkühlzeiten und unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform darin, dass ein Kontaktelement 5a mit einem Wärmetauscher vorgesehen ist, der von einer Kryoflüssigkeit (LN2 oder LHe) durchflossen wird und dadurch eine Vorkühlung des Kontaktelementes 5a sowie des Messobjektes 6 erlaubt. Das Einlassventil 12 und das Auslassventil 13 steuern den Fluss des Kühlmediums. Während des Abkühlvorganges sind die Ventile 12 und 13 geöffnet, und die in einem Dewar-Gefäß 11 vorhandene Kryoflüssigkeit wird z.B. durch Erzeugung eines Überdruckes im Dewar-Gefäß 11 durch isolierten Leitungen in den Wärmetauscher des Kontaktelementes 5a gedrückt, wodurch dieses vorgekühlt wird. Die Abkühlzeiten bis hinunter zum Siedepunkt der Kryoflüssigkeit werden im Vergleich zu einer Abkühlung mit dem Kryokühler alleine (z.B. einem Gifford-McMahon-Kryokühler) auf diese Weise massiv verkürzt.
Sobald das Kontaktelement 5a die Temperatur der Kryoflüssigkeit erreicht hat, werden die Ventile 12 und 13 wieder geschlossen. Der Antrieb 8 bewegt dann das Kontaktelement 5a nach unten und verbindet dieses thermisch mit dem Kaltkopf 1b (siehe Fig.2b). Die Temperatur des Kontaktelementes 5a wird mit dem Temperatursensor 35a gemessen und kann dann mit dem Heizer 7 geregelt werden.
Zum Aufwärmen wird das Kontaktelement 5a mit Hilfe des Antriebes 8 nach oben bewegt, wodurch dessen thermischer Kontakt zum Kaltkopf 1b wieder unterbrochen wird (siehe Fig.2a). Anschließend ermöglicht der Heizer 7 eine beschleunigte Aufwärmung des Kontaktelementes 5a und damit auch des Messobjektes 6. Bei dieser Abkühlmethode sollte jedoch stets darauf geachtet werden, dass im Dewar-Gefäß 11 immer genügend Kryoflüssigkeit vorhanden ist.
Eine weitere nicht beanspruchte Ausführungsform 10c des Messmoduls ist in Fig.3a und Fig.3b illustriert. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig.2a und Fig.2b darin, dass ein zweistufiger Kryokühler 2a verwendet wird, und dass die erste Stufe dieses Kryokühlers 2a dazu dient, N2-Gas zu verflüssigen, um damit das Kontaktelement 5a, das bereits in der Variante von Fig.3a und Fig.3b gezeigt ist, vorzukühlen. Ein Einlassventil 20 steuert den Zufluss der Luft zu einem Stickstoffseparator 21. Der in der Luft bereits vorhandene Stickstoff wird mittels des Stickstoffseparators 21 zuerst von den übrigen Gasen getrennt, bevor er zu einem Wärmetauscher 22 geführt und dort verflüssigt wird. Der Wärmetauscher 22 ist thermisch mit einem Kaltkopf 2b der ersten Stufe des Kryokühlers 2a verbunden, wodurch er auf die erforderliche Temperatur hinunter gekühlt wird. Der verflüssigte Stickstoff wird dann mit Hilfe einer Pumpe 23 durch ein Auslassventil 24 geleitet, das zur Steuerung des im Wärmetauscher 22 verflüssigten Stickstoffs dient, und in das Dewar-Gefäß 11 gefördert. Die Ventile 20, 24 ermöglichen das Ein- bzw. Ausschalten der Stickstoffverflüssigung. Sind die Ventile 12, 13 zum Vorkühlen des Kontaktelementes 5a geöffnet bzw. geschlossen, dann sind die Ventile 20, 24 geschlossen bzw. geöffnet. Ein Kaltkopf 2c der zweiten Stufe des Kryokühlers 2a übernimmt die Kontaktierung des Kontaktelements 5a analog zu dem Kaltkopf 1b in Fig. 2a, 2b.
Fig.4 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Messmoduls, bei dem keine bewegten mechanischen Teile innerhalb des Vakuumbereiches benötigt werden. Der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf 1b und dem Kontaktelement 5b wird dadurch geändert, dass zwischen beiden Elementen ein Verbindungselement 31 eingebaut ist, das permanent in enger thermischer Verbindung mit dem Kaltkopf 1b und dem Kontaktelement 5b steht. Das Verbindungselement 31 weist mindestens einen Hohlraum auf, in den ein bei kryogenen Temperaturen gut leitendes Gas hinein gepresst oder wieder herausgepumpt wird, wodurch der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf und dem Kontaktelement groß resp. klein wird.
Wird nun das bei kryogenen Temperaturen gut leitende Gas (z.B. He) in das Verbindungselement 31 oder von diesem weg geleitet, so vergrößert bzw. verkleinert sich die thermische Leitfähigkeit des Verbindungselementes 31. Beim Hineinpressen des Gases erreicht man auf diese Weise eine Vergrößerung des Wärmeflusses zwischen dem Kontaktelement 5b und dem Kaltkopf 1b, so dass das Kontaktelement 5b und mit ihm auch das Messobjekt 6 abgekühlt werden.
Das Verbindungselement 31 ist über ein Einlassventil 33 mit einer Gasdruckflasche 37 und über ein Auslassventil 34 mit einer Vakuum-Pumpe 32 verbunden. Zum Abkühlen des Messobjektes 6 wird das Einlassventil 33 geöffnet, das Auslassventil 34 geschlossen, und das Verbindungselement 31 über die Gasdruckflasche 37 mit Gas gefüllt. Dadurch wird die thermische Leitfähigkeit des Verbindungselementes groß, und als Folge davon das Kontaktelement 5b sowie das Messobjekt 6 abgekühlt. Wenn das Messobjekt 6 die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird seine Temperatur mit dem Sensor 35a und dem Heizer 7 geregelt.
Zum Aufwärmen des Messobjektes 6 wird das Einlassventil 33 geschlossen und das Auslassventil 34 geöffnet. Danach wird das Verbindungselement 31 mit der Vakuum-Pumpe 32 leer gepumpt, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Verbindungselementes 31 wieder klein wird, und das Kontaktelement 5b mit Hilfe des Heizers 7 problemlos wieder aufgewärmt werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Abtrennung von Messkammer 4 und Kühlkammer 3 wird eine optimale Isolation der Messkammer 4 vom Kaltkopf 1b, 2c realisiert, sobald der Kaltkopf 1b, 2c vom Kontaktelement 5a, 5b wegbewegt wird. Das erfindungsgemäße Messmodul 10a, 10b, 10c mit dem erfindungsgemäßen Zweikammer-System hat den Vorteil, dass der Kryokühler 1a, 2a während des Kühlens oder Aufwärmens des Messobjektes 6 immer kalt bleibt. Dadurch werden die Abkühlraten für das Messobjekt 6 kürzer, weil der Kryokühler 1a, 2a nicht von neuem abgekühlt werden muss, und zudem wird eine unnötige thermische Belastung des Kryokühlers 1a, 2a vermieden. Das erfindungsgemäße Messmodul und damit auch die erfindungsgemäße Messeinrichtung besitzt eine hohe Flexibilität, da das Kontaktelement 5a, 5b je nach Anwendung leicht angepasst oder gewechselt werden kann.

Referenzliste

[1] Patent EP 0 878 718 A1 : NMR-Messvorrichtung mit gekühltem Messkopf
[2] http://www.lakeshore.com/desertcryo/custom/index.html
[3] J.B Johnson, Thermal agitation of electricity in conductors, Phys. Rev., vol.32, pp.97-109, 1928
[4] H. Nyquist, Thermal agitation of electricity in conductors, Phys. Rev., vol.32, pp.110-113, 1928

Bezugszeichenliste

1a: einstufiger Kryokühler
1b: Kaltkopf des einstufigen Kryokühlers
2a: Zweistufiger Kryokühler
2b: Kaltkopf der ersten Stufe des zweistufigen Kryokühlers
2c: Kaltkopf der zweiten Stufe des zweistufigen Kryokühlers
3: Kühlkammer
4: Messkammer
4': Kammer (Stand der Technik)
5a: Kontaktelement mit Wärmetauscher
5b: Kontaktelement
5': Kontaktelement (Stand der Technik)
5": Kontaktelement (Stand der Technik)
6: Messobjekt
7: Heizer
8: Antrieb
9a: erste Kontaktfläche des Kontaktelements
9b: zweite Kontaktfläche des Kontaktelements
10a: Messmodul
10b: Messmodul
10c: Messmodul
10d: erfindungsgemäßes Messmodul
10': Messmodul (Stand der Technik)
10": Messmodul (Stand der Technik)
11: Dewar-Gefäß
12: Einlassventil für Vorkühlung
13: Auslassventil für Vorkühlung
20: Einlassventil für Stickstoffverflüssigung
21: Stickstoffseparator
22: Wärmetauscher für die Stickstoffverflüssigung
23: Pumpe
24: Auslassventil für das flüssige Stickstoff
31: Verbindungselement
32: Vakuum-Pumpe
33: Einlassventil
34: Auslassventil.
35a: Temperatur-Sensor
36: Controller
37: Gasdruckflasche

Claims

Messmodul zur Messung und Prüfung eines Messobjektes (6) mit einer evakuierbaren Messkammer (4) zur Aufnahme des Messobjekts (6), mit einem Kontaktelement ( 5b), wobei das Messobjekt (6) während des Mess- und/oder Prüfvorganges mit einer ersten Kontaktfläche (9a) des Kontaktelementes ( 5b) thermisch verbunden ist, und mit mindestens einem Kaltkopf 1b, 2b, 2c), der mit einer zweiten Kontaktfläche (9b) des Kontaktelementes ( 5b) thermisch verbunden werden kann, wobei der Kaltkopf (1b, 2b, 2c) mit Hilfe eines aus mindestens einer Kältestufe bestehenden Kryokühlers (1a, 2a) bis hinunter auf kryogene Temperaturen gekühlt werden kann, wobei das Kontaktelement ( 5b) aus thermisch gut leitendem Material besteht, und die erste und zweite Kontaktfläche (9a,9b) auf gegenüber liegenden Seiten des Kontaktelementes (5b) liegen, und wobei sich der Kaltkopf und das Kontaktelement ( 5b) während des Mess- und/oder Prüfvorganges in einer evakuierbaren Umgebung befinden und miteinander thermisch leitend verbunden sind, wobei das Messmodul eine Kühlkammer (3) umfasst, welche von der Messkammer (4) räumlich getrennt und unabhängig von dieser evakuierbar ist, und der Kryokühler (1a, 2a) samt Kaltkopf in der Kühlkammer (3) untergebracht ist, wobei das Kontaktelement ( 5b) thermisch isoliert von der Außenwand des Messmoduls befestigt, Teil einer Trennwand zwischen der Messkammer (4) und der Kühlkammer (3) ist und eine lokale thermische Verbindung von der Messkammer (4) zur Kühlkammer (3) herstellt, und wobei eine Kontaktierungseinrichtung zur Änderung des Wärmeflusses im hermetisch geschlossenen Zustand des Messmoduls vorgesehen ist, mit deren Hilfe der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf (1b, 2b, 2c) und dem Kontaktelement ( 5b) entweder hergestellt oder stark vergrößert, oder unterbrochen oder stark verkleinert werden kann dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung ein Verbindungselement (31) umfasst,
das zwischen Kaltkopf (1b) und Kontaktelement (5b) angeordnet ist und permanent in enger thermischer Verbindung mit dem Kaltkopf (1b) und dem Kontaktelement (5b) steht, und
dass das Verbindungselement (31) mindestens einen Hohlraum aufweist, der mit einem bei kryogenen Temperaturen gut leitendem Fluid gefüllt werden kann, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Verbindungselementes (31) und dadurch auch der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf (1b) und dem Kontaktelement (5b) geändert werden kann.
Messmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (5b) einen Wärmetauscher umfasst, der mit einem kryogenen Fluid, insbesondere flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, betrieben wird und zur Vorkühlung des Kontaktelementes dient.
Messmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (35) und mindestens ein Heizer (7) vorgesehen ist, die zur Regelung der Temperatur des Kontaktelementes (5b) dienen.
Messmodul nach einem den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokühler (2a) zwei Stufen mit jeweils einem Kaltkopf (2b, 2c) aufweist, wobei der Kaltkopf (2b) der ersten Stufe mit einem Wärmetauscher (22), der zur Verflüssigung von Stickstoff-Gas dient, thermisch verbunden ist.
Messeinrichtung mit einem Messmodul nach einem den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen (23, 37) zum Zuführen und Abpumpen eines bei kryogenen Temperaturen gut leitendem Fluid in den bzw. aus dem Hohlraum des Verbindungselements (31) vorgesehen sind, wodurch der Wärmefluss zwischen dem Kaltkopf (1b) und dem Kontaktelement (5b) vergrößert bzw. verkleinert werden kann.
Messeinrichtung mit einem Messmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Kryokühlers (2a) über den Wärmetauscher (22) mit einem Stickstoffseparator (21) verbunden ist, durch den das Stickstoff -Gas direkt aus der Luft gewonnen und dem Wärmetauscher (22) zugeführt werden kann.