PL232950B1 - Przesłona do zastosowań w komorze próżniowej do preparatyki próbek - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przesłona przeznaczona do stosowania w warunkach ultra-wysokiej próżni, zwłaszcza w komorze próżniowej do preparatyki próbek.

W trakcie uzyskiwania ultra-niskich ciśnień w komorze próżniowej wymagane jest wygrzewanie elementów do temperatury 200°C. W takich warunkach zachodzi desorpcja wody z wewnętrznych powierzchni elementów układu, co powinno pozwolić na redukcję ciśnienia gazów resztkowych w komorze próżniowej do poziomu niższego niż 10^-7 mbar.

Obecnie znanych jest kilka rozwiązań przesłon przystosowanych do pracy w warunkach wysokiej próżni. Od dawna stosowane są przesłony mechaniczne z ręcznym sterowaniem, napędzane silnikami elektrycznymi, bądź siłownikami pneumatycznymi. We wszystkich tych przypadkach wymagane jest przekazywanie ruchu od napędu umieszczonego na zewnątrz komory próżniowej do przesłony umieszczonej wewnątrz komory. Podstawową wadą tego rozwiązania jest potrzeba stosowania drogich przepustów wysokopróżniowych, które komplikują konstrukcję samej komory i czynią ją mniej uniwersalną.

Inne znane rozwiązanie polega na zastosowaniu elektromagnetycznego napędu sterującego przesłoną i umieszczanego wraz z nią we wnętrzu komory. W tym przypadku potrzebny jest jedynie przepust elektryczny niezbędny do zasilania napędu. Jego złącze może być umieszczone niemal w każdym miejscu, co daje znacznie więcej swobody podczas konstruowania komory. Jednakże, na skutek przepuszczania prądu elektrycznego przez cewkę elektromagnesu, w jego wnętrzu generowane jest ciepło. Odprowadzenie tego ciepła jest trudne, gdyż urządzenie umieszczone jest w próżni, co uniemożliwia wymianę ciepła poprzez przewodzenie i konwekcję. Ponadto w znanych rozwiązaniach stosuje się sprężynę, zapewniającą dwa stabilne położenia przesłony. Podwyższona temperatura może spowodować nieelastyczne odkształcenie materiału sprężyny, a jej długotrwałe pozostawienie w otwartej pozycji, bądź częste przełączanie, może doprowadzić do przegrzania elektromagnesu w napędzie przesłony. Powoduje to poważne ograniczenia w stosowaniu tego typu napędu.

Z opisu US 4533890 znany jest bistabilny element uruchamiający zawierający zespół magnesu trwałego zamocowany do wału przegubowego i parę elementów rdzenia osiowo umieszczonych po obu stronach zespołu magnesu trwałego. Rdzenie mają osiowo przeciwległe wewnętrzne i zewnętrzne pierścieniowe przedłużenia określone w każdym rdzeniu środkowym otworem osiowym, który podtrzymuje wał przegubowy i pierścieniowe wgłębienie, w którym przyjmowana jest cewka elektryczna. Zespół magnesu trwałego zawiera wewnętrzne i zewnętrzne pierścieniowe namagnesowane magnesy trwałe rozmieszczone promieniowo przez pierścień ferromagnetyczny w celu dopasowania do wewnętrznych i zewnętrznych przedłużeń rdzenia.

Celem wynalazku jest wprowadzenie przesłony o maksymalnej prostocie konstrukcji, wyposażonej w cewkę o niskiej emisji ciepła i jednocześnie w układ kontroli położenia bez dodatkowych czujników.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że napęd elektromagnetyczny przesłony stanowi dwupołożeniowy przełącznik elektromagnetyczny wyposażony w cewkę i usytuowany wewnątrz niej w rurce przesuwny magnes stały. Wokół rurki umieszczone są dwa skrajne ferromagnetyczne pierścienie zaś środkowo pomiędzy nimi - trzeci ferromagnetyczny pierścień. Wymienione pierścienie wykonane są z ferromagnetycznego, magnetycznie miękkiego materiału, a środkowy pierścień jest namagnesowany przez pole magnetyczne ulokowanego w środku rurki magnesu.

Uzwojenia segmentów cewki są przeciwnie nawinięte i wektory indukcji pola magnetycznego wytwarzanego przez każdy z segmentów mają przeciwne zwroty zaś pole wytwarzane przez jeden segment cewki jest zgodne z namagnesowaniem magnesu umieszczonego w jej wnętrzu, a pole drugiego segmentu - przeciwnie. Walcowy stały magnes wykonany jest korzystnie ze stopu SmCo.

Segmenty cewki napędu elektromagnetycznego stanowią jednocześnie podzespoły detektora położenia, w postaci autotransformatora ze zmienną przekładnią, w którym liczba uzwojeń pierwotnego i wtórnego segmentu/obwodu nawiniętych przeciwnie jest niezmienna natomiast rdzeń w postaci stałego magnesu jest przemieszczalny i stanowi element wyznaczający zmienną przekładnię transformatora.

Uzwojenia segmentów cewek mają wspólne wyprowadzenie środkowe połączone z jednymi z wejść dwóch wzmacniaczy przetwarzających sygnał napięciowy, których wyjścia połączone są z układem sumującym.

PL 232 950 B1

Układ ma zespół przełączania funkcji zmiany kierunku przemieszczania przesłony i funkcji detektora jej położenia.

Urządzenie umożliwia szybkie przełączanie pomiędzy dwoma stabilnymi położeniami przesłony. Przesłona jest utrzymywana w jednym z dwóch położeń, poprzez pole magnetyczne wytwarzane przez magnes umieszczony wewnątrz odpowiednio skonfigurowanego układu ferromagnetycznych pierścieni. Pole ruchomego magnesu, w stosunku do otaczających go elementów ferromagnetycznych, skonfigurowane jest w taki sposób by zapewnić tylko dwa stabilne położenia i uniemożliwić pozostanie przesłony w innej niedozwolonej pozycji. Taka konfiguracja nie wymaga stosowania sprężyn oraz znacznie upraszcza konstrukcję.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość zasilania cewki bardzo krótkimi impulsami prądu, co sprawia, że przesłona zużywa niewielką energię tylko w momencie jej przełączania, co czyni ją bardzo energooszczędną. Dodatkową zaletą wynalazku jest wyposażenie urządzenia w system kontroli położenia przesłony bez konieczności mocowania dodatkowych elementów bądź czujników. Zostało to osiągnięte poprzez zastosowanie cewki, która jednocześnie służy do napędu jak i do odczytu położenia przesłony. W przypadku uszkodzenia, zużycia lub awarii mogących doprowadzić do zacięcia się przesłony, system kontroli położenia zawiadomi użytkownika o ewentualnych kłopotach.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładzie wykonania na rysunkach,na których poszczególne figury przedstawiają: fig. 1 - napęd elektromagnetyczny przesłony w przekroju wzdłużnym, fig. 2 - uproszczony schemat napędu przesłony, fig. 3 - schemat stabilnego i niestabilnego położenia magnesu względem ferromagnetycznego pierścienia: a, b - położenia równowagi trwałej, c, d - magnes wychylony z położenia równowagi trwałej, e - stan równowagi chwiejnej, fig. 4 - schemat układu cewek napędu elektromagnetycznego, fig. 5 - uproszczone przedstawienie mechanizmu przełączania układu elektromagnetycznego.

fig. 6 - schemat układu detekcji położenia przesłony.

Przesłona 1, którą stanowi metalowa płytka, uruchamiana jest przez połączony z nią prowadnicą 2 elektromagnetyczny dwupołożeniowy przełącznik 3. Przełącznik 3 składa się z rurki 4 wykonanej z paramagnetyka, diamagnetyka lub słabego ferromagnetyka, umieszczonego suwliwie w rurce 4 walcowego stałego magnesu 5 oraz usytuowanych wokół rurki 4 segmentów elektromagnetycznej cewki 6. Uzwojenia segmentów cewki 6 są przeciwnie nawinięte. Cewka 6 zasilana jest prądem i z zasilacza Z.

Walcowy stały magnes 5, namagnesowany N-S wzdłuż osi przełącznika, swobodnie przemieszcza się wewnątrz rurki 4. Prowadnica 2 przymocowana jest z jednej strony do jednego z końców magnesu 5, a z drugiej połączona jest z przesłoną 1. Przemieszczanie się magnesu 5 pomiędzy końcami rurki 4 powoduje otwarcie lub zamknięcie przesłony 1. Kierunek przełączania przesłony 1 definiowany jest poprzez polaryzację napięcia zasilającego cewkę 6.

Magnes 5 może być wykonany ze stopu SmCo z uwagi na kilka czynników: wysoką wartość temperatury Curie; wysoką wartość remanencji; wysoką gęstość energii magnetycznej; odporność na korozję oraz bardzo zwartą litą strukturę, która nie zawiera dużej ilości gazów resztkowych, mogących uwalniać się podczas wygrzewania komory próżniowej.

Zamiast magnesów SmCo mogą być również zastosowane magnesy neodymowe oparte na stopie NdFeB, lecz mają one szereg ograniczeń. Przede wszystkim kompozycja stopu NdFeB powinna być dobrana w taki sposób, aby zapewnić wyższą temperaturę pracy, ponieważ dla powszechnie stosowanego stopu Nd.-Fe^.B jej wartość ogranicza się do około 80°C. Ponadto, duża zawartość żelaza sprawia, że taki materiał jest bardzo podatny na korozję. Możliwe jest również zastosowanie magnesu stałego wykonanego z innych materiałów magnetycznych, lecz mniejsza gęstość energii magnetycznej obniża wydajność napędu elektromagnetycznego, a słabszy magnes wymaga większego prądu zasilania cewki.

Wokół rurki 4 umieszczone są dwa skrajne ferromagnetyczne pierścienie 7, 8 zaś pomiędzy nimi - środkowy ferromagnetyczny pierścień 9. Pierścienie 7, 8, 9 umieszczone po zewnętrznej stronie rurki 4 służą do zapewnienia dwóch stabilnych położeń magnesu 5. Powinny one być wykonane z ferromagnetycznego, magnetycznie miękkiego materiału, np. z czystego niklu, kobaltu lub żelaza. Najważniejszym pierścieniem zapewniającym dwa stabilne położenia magnesu stałego jest środkowy

PL 232 950 B1 pierścień 9 umieszczony w środkowej części rurki 4. Jest on namagnesowany poprzez pole ulokowanego w środku rurki magnesu 5.

Energia oddziaływania magnetycznego w takim układzie osiąga minimum w konfiguracji, w której jeden z dwóch końców magnesu 5 znajdzie się w pobliżu otworu pierścienia (fig. 3 a, b) co sprawia że magnes posiada tylko dwa, równoważne sobie, stabilne położenia STB I i STB II, będące położeniami równowagi trwałej. Jeżeli oddalimy magnes od pierścienia (fig. 3 c, d), to wytrącimy magnes z położenia równowagi, a siły oddziaływania magnetycznego będą działały tak, by umieścić magnes z powrotem w pozycji z minimalną energią. W przypadku umieszczenia magnesu centralnie w środku pierścienia (fig. 3 e), znajdzie się on w stanie równowagi chwiejnej. Najmniejszy ruch lub wibracja sprawią, że powstaną siły, które przesuną magnes w jeden ze stanów z równowagą trwałą (fig. 3 a i 3 b).

Jeżeli do magnesu znajdującego w stabilnym położeniu (STB I) przyłożymy siłę, przesuwając go w kierunku pierścienia, to na skutek oddziaływania magnetycznego powstanie siła, która dążyć będzie do przywrócenia magnesu do pierwotnej pozycji. Jednakże, jeżeli nadal będziemy przesuwać magnes, to po przekroczeniu stanu równowagi chwiejnej, oddziaływanie z ferromagnetycznym pierścieniem wypchnie magnes w położenie stabilnej równowagi (STB II) jak na fig. 3 b.

Dwa dodatkowe ferromagnetyczne pierścienie 7, 8 umieszczone na końcach rurki 4 zwiększają siłę utrzymującą magnes 5 w położeniach równowagi trwałej. Pod wpływem pola magnesu pierścienie 7, 8 namagnesowują się, przy czym pomiędzy końcem walcowego magnesu 5 a najbliższym do niego pierścieniem działają siły przyciągania, które przeciwdziałają wytrąceniu magnesu 5 z położenia równowagi trwałej.

Wyloty rurki 4, w której znajduje się magnes, są zabezpieczone nakładkami 10. Małe otwory w nakładkach 10 umożliwiają podłączenie prowadnicy 2 uruchamiającej przesłonę 1 oraz wydostanie się powietrza z wnętrza rurki 4 podczas odpompowywania komory próżniowej. Nakładki te chronią również przed dostaniem się do wnętrza obcych elementów, zwłaszcza magnetycznych, które mogłyby być przyciągnięte przez magnes.

Cały układ umieszczony jest w obudowie 11 wykonanej z miękkiego magnetyka, aby zamknąć linie sił pola magnetycznego pomiędzy pierścieniami i zminimalizować wartość indukcji pola magnetycznego na zewnętrz urządzenia.

W przestrzeni pomiędzy pierścieniami 7, 8 umieszczone są segmenty cewki 6, nawinięte przeciwnie, jak przedstawiono na fig. 2 i fig. 4. Napięcie zasilające elektromagnes przykładane jest pomiędzy wyprowadzeniami W1 i W2 uzwojenia. W takiej konfiguracji wektory indukcji pola magnetycznego B1, B2 wytwarzanego przez każdy z segmentów będą mieć przeciwne zwroty. Pole wytwarzane przez jeden segment cewki 6 będzie zgodne z namagnesowaniem stałego magnesu 5 umieszczonego w jej wnętrzu, a pole drugiego przeciwnie.

Schematycznie działanie napędu można przedstawić w postaci układu magnesów (fig. 5). W tym przypadku pole wytwarzane przez pierwszy segment cewki 6 będzie wypychało ruchomy magnes 5 z jej wnętrza, podczas gdy pole wytwarzane przez drugi segment cewki 6 będzie wciągało magnes do środka. Taka konfiguracja pól powoduje przemieszczenie magnesu z pierwszego segmentu cewki 6 do drugiego.

Jeżeli zmienimy polaryzację zasilania na przeciwną, uzyskamy odwrotną konfigurację wektorów indukcji pola magnetycznego wytwarzanego przez segmenty cewki, a siły F1 oraz F2 przedstawione na fig. 5 zmienią swój zwrot na przeciwny. Skutkować to będzie przemieszczeniem się ruchomego magnesu 5 z drugiego segmentu cewki 6 do pierwszego. W czasie, kiedy cewka 6 nie jest zasilana, magnes 5 spoczywa utrzymywany pozycji równowagi trwałej poprzez oddziaływanie magnetostatyczne z ferromagnetycznymi pierścieniami 7, 8. Aby zamknąć lub otworzyć przesłonę 1, należy jedynie przepuścić przez cewkę 6 krótki impuls prądu o odpowiedniej polaryzacji. Dodatni impuls będzie przemieszczał przesłonę w jednym kierunku, a ujemny w przeciwnym. Możliwości technologiczne urządzenia mogą być poszerzane poprzez połączenie kilku segmentów napędu umożliwiające uz yskanie pośrednich położeń przesłony.

Wyprowadzenie W3 uzwojenia cewki 6 służy do kontroli położenia magnesu 5 wewnątrz napędu i tym samym umożliwia sprawdzenie pozycji przesłony 1. Po przełączeniu pozycji przesłony, segmenty cewki napędu działają w trybie autotransformatora.

Układ detekcyjny zasilany jest niskoprądowym zmiennym sygnałem z generatora próbkującego o częstotliwości w zakresie 10 Hz-100 kHz. Amplituda prądu próbkującego jest niewielka i tak dobrana, aby nie była w stanie wygenerować pola wystarczającego do poruszania przesłoną. Segmenty cewki 6 zawierają identyczną liczbę uzwojeń, a przekładnia napięciowa zależy od położenia ruchome

PL 232 950 B1 go magnesu, znajdującego się wewnątrz. Każdy z segmentów cewki połączony jest ze wzmacniaczami A1 oraz A2 (fig. 6), które przetwarzają sygnał napięciowy. Kolejny układ Σ dodaje oba sygnały, generując dodatnią lub ujemną wartość napięcia na wyjściu detektora. Sumą A1+A2 może być zero jedynie w przypadku gdy magnes znajdować się będzie dokładnie w środkowej części trans formatora pomiędzy segmentami (I) oraz (II) cewki. Najmniejsze odchylenie od tego położenia sprawi, że napięcia A1 oraz A2 będą mieć różną amplitudę i przestaną być skompensowane.

Segmenty cewki (I) oraz (II) nawinięte są w przeciwnych kierunkach, co sprawia, że sygnały A1 i A2 zawsze będą w przeciwfazie. Ich amplituda będzie natomiast zależeć od położenia magnesu czyli również przesłony. W takim układzie różnica amplitud proporcjonalna jest do odległości ruchomego magnesu względem środka cewki. Aby określić położenie i kierunek przesunięcia magnesu/przesłony wystarczy zmierzyć różnicę amplitud w obrębie dodatniego lub ujemnego pół-periodu sygnału AC. W tym celu zastosowane zostały dwie diody umieszczone przed sumatorem.

W tak zbudowanym czujniku znak sygnału będzie wskazywał na kierunek przesunięcia magnesu, podczas gdy wartość amplitudy pozwala na dokładne określenie jego położenia względem środka napędu. Sygnał detektora służyć może do nadzorowania prawidłowości działania przesłony, która przy normalnym trybie pracy powinna znajdować się w jednym z dwóch stanów równowagi stabilnej. Osiągnięcie zadanej dodatniej/ujemnej wartości progowej sygnału będzie świadczyło o tym, że przesłona została w pełni otwarta/zamknięta. W przypadku gdy zadana wartość nie zostanie osiągnięta, układ zasygnalizuje błąd, powodem którego może być, na przykład, usterka mechaniczna.

Ten sam układ cewek stosowany jest zarówno do przełączania przesłony jak i do monitorowania jej pracy, należy zatem rozdzielić te dwa układy tak, aby jeden nie zakłócał pracy drugiego. W układzie zastosowano zespół przełączania funkcji zmiany kierunku przemieszczania przesłony i funkcji detektora jej położenia. Mogą to być klucze mechaniczne lub elektroniczne. W momencie przełączania z zasilacza na cewkę podawany jest krótki impuls stałego prądu. W tym samym momencie układ detektora położenia chwilowo jest odłączany od cewki za pomocą kluczy ustawionych w pozycji otwartej. Tuż po zakończeniu podawania impulsu, układ detektora jest podłączany z powrotem do cewki tak, by móc sprawdzić poprawność położenia przesłony. Klucze są sprzężone ze sobą. Cały proces przełączania może być nadzorowany poprzez układ mikroprocesorowy lub komputer.

Ogólna zasada działania układu detekcyjnego położenia przesłony jest podobna do autotransformatora ze zmienną przekładnią. Zasadniczą różnicą jest to, że liczba uzwojeń pierwotnej i wtórnej cewki jest niezmienna, natomiast przekładnia transformatora zmienia się za pośrednictwem ruchomego cylindrycznego rdzenia wewnątrz. Kolejną odmiennością od autotransformatora jest to, że segmenty uzwojenia (I) i (II) są przeciwnie nawinięte. Sygnały z poszczególnych segmentów cewki są dodawane.

Cewki detektora położenia jednocześnie są podzespołami napędu elektromagnetycznego, co znacznie upraszcza całą konstrukcję przesłony. Takie rozwiązanie pozwoliło maksymalnie uprościć konstrukcję oraz wyeliminować zbędne elementy takie jak na przykład czujniki Halla, transoptory czy inne, które nie są odporne na wysoką temperaturę, bądź nie nadają się do zastosowań w warunkach ultra-wysokiej próżni. Istotnym parametrem wynalazku jest również ograniczenie liczby wyprowadzeń prądowo-napięciowych niezbędnych do sterowania przesłoną. Do sterowania napędem potrzebne są tylko dwa wyprowadzenia zasilające, podczas gdy trzecie wyprowadzenie niezbędne jest do kontroli położenia. W ten sposób można zminimalizować liczbę niezbędnych przepustów na wyposażeniu komory próżniowej

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przesłona przeznaczona do stosowania w warunkach ultra-wysokiej próżni, zwłaszcza w komorze próżniowej do preparatyki próbek, z elektromagnetycznym napędem uruchamiającym, umieszczonym wraz z przesłoną we wnętrzu komory, uruchamianym przez układ sterowania, znamienna tym, że napęd elektromagnetyczny stanowi dwupołożeniowy przełącznik elektromagnetyczny (3) wyposażony w cewkę (6) i usytuowany wewnątrz niej w rurce (4) przesuwny stały magnes (5), wokół rurki (4) umieszczone są dwa skrajne ferromagnetyczne pierścienie (7), (8) zaś środkowo pomiędzy nimi - ferromagnetyczny pierścień (9), wymienione pierścienie (7), (8), (9) wykonane są z ferromagnetycznego, magnetycznie miękkiego materiału, a środkowy pierścień (9) jest namagnesowany przez pole magnetyczne ulokowa

   PL 232 950 B1 nego w środku rurki (4) magnesu (5), przy czym uzwojenia segmentów cewki (6) są przeciwnie nawinięte i wektory indukcji pola magnetycznego wytwarzanego przez każdy z segmentów mają przeciwne zwroty zaś pole wytwarzane przez jeden segment cewki (6) jest zgodne z namagnesowaniem magnesu (5) umieszczonego w jej wnętrzu, a pole drugiego segmentu - przeciwnie.
2. 2. Przesłona według zastrz. 1, znamienna tym, że walcowy stały magnes (5) wykonany jest ze stopu SmCo.
3. 3. Przesłona według zastrz. 1, znamienna tym, że uzwojenia cewki (6) napędu elektromagnetycznego stanowią jednocześnie podzespoły detektora położenia w postaci autotransformatora ze zmienną przekładnią, w którym liczba uzwojeń pierwotnego i wtórnego segmentu/obwodu nawiniętych przeciwnie jest niezmienna natomiast przemieszczamy rdzeń w postaci stałego magnesu (5) jest przemieszczamy i stanowi element wyznaczający zmienną przekładnię transformatora.
4. 4. Przesłona według zastrz. 3, znamienna tym, że ma wspólne wyprowadzenie środkowe uzwojeń cewek (6) połączone z jednymi z wejść dwóch wzmacniaczy (A1), (A2) przetwarzających sygnał napięciowy, których wyjścia połączone są z układem sumującym (Σ).
5. 5. Przesłona według zastrz. 3, znamienna tym, że ma zespół przełączania funkcji zmiany kierunku przemieszczania przesłony i funkcji detektora jej położenia.