WO2011124339A1 - Device for generating pressures in sample containers - Google Patents

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WO2011124339A1
WO2011124339A1 PCT/EP2011/001546 EP2011001546W WO2011124339A1 WO 2011124339 A1 WO2011124339 A1 WO 2011124339A1 EP 2011001546 W EP2011001546 W EP 2011001546W WO 2011124339 A1 WO2011124339 A1 WO 2011124339A1
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WO
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piston
sample container
pressure
magnetic
electromagnet
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/001546
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen Kempf
Hans Robert Kalbitzer
Alexander Meier
Original Assignee
Universität Regensburg
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Publication date
Application filed by Universität Regensburg filed Critical Universität Regensburg
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/042Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow
    • F04B17/044Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow using solenoids directly actuating the piston
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • F04B43/046Micropumps with piezoelectric drive

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating pressures in a fluid in a sample container, in particular a sample container for use in high-pressure spectroscopy. Furthermore, the invention relates to a device for examining sample fluids by means of high-pressure spectroscopy and a method for spectroscopic examination see, in particular NMR spectroscopy examination of a sample.
  • High-pressure NMR spectroscopy makes it possible to characterize conformational states of biomedically interesting macromolecules at high pressure with high resolution, which occur only in low concentrations under normal pressure and therefore not or at most difficult to detect.
  • variable fluid pressures in the range from 0.1 MPa to over 100 MPa, in some cases up to 600 MPa, are required for such investigations.
  • rapid pressure jumps allow kinetic processes to be measured and traced at atomic resolution.
  • High-pressure liquid chromatography also requires pressures in the range of a few 10 MPa and currently up to 100 MPa. Here, however, the generation of pressures of over 100 MPa and their temporal stabilization would be of great interest. Further applications of sample fluids under high pressures are conceivable, for example in chemistry (eg reaction kinetics), in materials science (eg surface treatment, investigation of alloys and mixed fluids) and in physics (eg investigation of dynamic processes at high pressures, etc.).
  • chemistry eg reaction kinetics
  • materials science eg surface treatment, investigation of alloys and mixed fluids
  • physics eg investigation of dynamic processes at high pressures, etc.
  • US 6,507,101 B 1 discloses an NMR cell system for NMR spectroscopy on supercritical fluids.
  • the NMR cell system includes an external pumping system that can be used to generate hydraulic pressure in the cell. In the cell, pressures of up to 30 MPa are produced at temperatures of up to 400 ° C to produce pressure and temperature conditions beyond the critical point to produce a supercritical fluid.
  • a piezo-hydraulic compressor in which a hydraulic power transmission is used to increase the working stroke of the piezoelectric element.
  • the compressor is designed to generate pressure oscillations in a working medium that are used in a Sterling process for cold generation. Nevertheless, even in this pressure generator, the maximum pressure is limited by the maximum stroke of the piezoelectric element, the compressibility of the pressure medium and not least by the durability of the membrane.
  • piezoelectric elements with a, despite hydraulic translation, large required stroke are relatively expensive.
  • DE 10 2007 053 549 discloses an electromagnetic hydraulic pump in which an armature is mounted axially displaceable radially within a coil.
  • the anchor has a diameter which is greater than the diameter of an axially fixedly connected to this anchor
  • Piston which projects axially into a central recess of a pole core.
  • a sealing ring On the inner wall of the recess is a sealing ring, so that in the fluid-filled centric recess, a hydraulic pressure can be produced.
  • a compression device for leakage losses of hydraulic fluid is provided in the hydraulic pump.
  • the armature is pulled by a magnetic coil in the direction pointing to the pole core.
  • the invention has for its object to provide an apparatus and method for generating pressures in a fluid in a sample container, in particular a sample container for use in high-pressure spectroscopy, which allow the generation of high pressures and pressure jumps with high pressure change rates by simple means.
  • the device comprises a sample container for receiving the fluid with a piston which is mounted so displaceable relative to the sample container that changes the volume enclosed in the sample container during displacement of the piston.
  • the piston is non-positively connected to a magnetic or magnetizable element.
  • the device further comprises an electromagnet which is arranged in the vicinity of the magnetic or magnetizable element such that a force can be exerted on the piston by means of its magnetic field via the magnetic or magnetizable element, by means of which the piston is movable relative to the sample container in order to move to generate a pressure to the sample container.
  • the device comprises a control device for actuating the electromagnet such that a predetermined temporal pressure profile is generated in the sample container.
  • the piston is driven by the frictional connection with the magnetic or magnetizable element directly from the electromagnet.
  • the frictional connection between the piston and the magnetic or magnetizable element may be a simple mechanical coupling, which is formed for example via a push rod, but unlike the prior art requires no interposition of a hydraulic medium. This can avoid problems with the compressibility of the hydraulic medium.
  • the design is extremely simple, robust and compact enough to be ideally combined with a variety of analytical equipment.
  • the pushing force of the piston corresponds to a pressure within that fluid.
  • the pressure in the sample container can be controlled simply and directly via a simple control of the coil current.
  • the force required for pressure generation is exerted on the fluid via an axially displaceable piston which at the same time closes the sample container in cooperation with the sealing means. Therefore, unlike in the prior art, the sample container does not have to be closed by a membrane, which usually can be a weak point in the generation of high pressures.
  • the sealing means are formed by a sealing ring, which is arranged between a portion of the piston and a portion of the sample container.
  • the sealing ring preferably has an oblong-oval cross section whose diameter is greater in a first direction than in a second direction, the first direction being parallel to the displacement direction of the piston.
  • Such a cross-sectionally oval configuration of the sealing ring is particularly suitable for sealing the piston against the sample container over the entire required stroke of the piston.
  • the sample container on an annular support on which the sealing ring rests with its side facing the sample container, and a radially inwardly facing peripheral surface adjacent to the annular bearing surface and on which the sealing ring with its radially outer Side is present.
  • the sealing ring preferably surrounds a portion of the piston, so that the sealing ring rests with its radially inner side on the portion of the piston.
  • one of said annular bearing surface opposite surface is formed, against which the sealing ring abuts with its side facing away from the sample container.
  • the sealing ring between two radially spaced circumferential surfaces and two axially spaced surfaces is constrained and thus ensures a secure sealing between piston and sample container. It should be noted that the further the piston is displaced in the direction of the sample container, the more the sealing ring is compressed, so that the sealing effect is expediently increased with increasing pressures in the sample container.
  • the piston preferably comprises a radially acting piezo element, by the actuation of which at least a portion of the sealing ring can be pressed against the peripheral surface of the sample container facing radially inward.
  • a radially acting piezoelectric element By controlling this radially acting piezoelectric element, therefore, the sealing effect of the sealing element can be selectively further enhanced, for example, in situations in which particularly high pressures are to be generated in the sample container.
  • the notion of a "radially acting piezoelectric element" merely indicates that the piezoelectric element has at least one expansion component in the radial direction and, above all, serves to delimit the term from an axial piezoelectric element described below.
  • the sample body is closed by an elastic membrane and the piston has a radially acting piezoelectric element, by the actuation of a portion of the membrane, which is located between an inserted into the sample container portion of the piston and a wall of the sample container, against the Wall of the sample container can be pressed.
  • the membrane In the activated state of the piezoelectric element, the membrane is effectively relieved by being wedged between the piston and the sample container wall. In this way, high pressures can be combined with a sufficient lifetime of the membrane. It is important, however, that the radially acting piezoelectric element is driven synchronously with the piston movement. However, this is technically feasible down to the microsecond range.
  • an annular, axially acting piezoelectric element may be provided which surrounds the opening of the interior of the sample container covered by the membrane radially on the outside and by the actuation of which the membrane is pressed against the sample container.
  • the membrane is pressed firmly against the sample container in an annular area surrounding the opening of the sample container and thus sealed against it.
  • the control means is programmed to drive the electromagnet to produce pressure jumps of 10 MPa / ms or more and / or maximum pressures of 100 MPa or more, preferably 400 MPa or more in the fluid, the control being simply controlled by the controller Coil current can be done.
  • the device according to the invention it is possible with the device according to the invention to generate such pressures and pressure change rates.
  • the cross-sectional area of an opening of the sample container closed by the piston is less than 3 mm 2, and more preferably less than 1.5 mm. With such a small cross-sectional area, the desired pressures beyond 100 MPa can be produced with very moderate forces, which can be readily produced with an electromagnet.
  • the volume of the sample container is preferably less than 5 ml, more preferably less than 3 ml.
  • the force which can be exerted by the electromagnet via the magnetic or magnetizable element on the piston is more than 100 N, preferably more than 170 N.
  • the force F which is exercisable by the electromagnet via the magnetic or magnetizable element, and the cross-sectional area A q of the opening of the
  • Sample container which is closed by the piston-> 1 OOMPa, preferably -> 400MPa.
  • the piston has an axially acting piezoelectric element, by the actuation of which the piston can be extended or shortened in the axial direction.
  • An extension or shortening of the piston in the axial direction has a similar effect as the axial displacement of the piston, so that the pressure in the sample container can be modulated by controlling the axial piezoelectric element.
  • this structure allows to preset a certain pressure by moving the piston and then to modulate it by the operation of the axial piezoelectric element. Since in this case the piezoelectric element is not responsible for the complete pressure build-up, the initially mentioned limited stroke of a piezoelectric element in combination with the displaceable piston is unproblematic.
  • the combination of a piston individually controllable for displacement and an individual one controllable axial piezoelectric element allows both the generation of very fast pressure jumps as well as a very precise adjustment of pressures.
  • the axially acting piezoelectric element can be used to generate ultrasonic waves, for example with frequencies in the 100 kHz range.
  • ultrasonic waves can be generated in the sample liquid, opening up a new and promising field of application.
  • the chemical reaction kinetics in liquids can be influenced by ultrasound. In the context of the invention, this can be combined in combination with the very high pressures and pressure jumps that can be generated.
  • a particularly interesting use of the axially acting piezoelectric element as an ultrasonic source results in connection with high-pressure NMR spectroscopy.
  • the inventors suggest that excitation with ultrasound waves can induce a change in the topology or the conformational equilibrium of proteins, which can be detected directly by NMR spectroscopy.
  • the topology eg, the secondary, tertiary, and quaternary structures of the proteins
  • physical and chemical properties of the proteins such as hydrophobic properties, solubility, and the like, also change.
  • the use of the piezo element as an ultrasound source opens up completely new possibilities for investigating the behavior and properties of proteins in NMR spectroscopy.
  • Another application for ultrasonic waves relates to an alternative type of pressure measurement in which the pressure dependence of the propagation velocity of sound waves in liquids is utilized.
  • the propagation velocity of sound waves is inversely proportional to the root of the liquid density, which in turn increases with pressure. For this reason, it is possible to draw conclusions about the fluid pressure via transit time measurements of ultrasonic waves. Instead of explicitly measuring transit times, the inventors further propose to determine the propagation velocity (and via this the pressure) over the resonant frequency.
  • the end of the sample vessel opposite the piezoelectric element can be designed so that it efficiently reflects the sound waves. Depending on the pressure or density of the sample medium would then result in a slightly different resonant frequency, which are detected can.
  • a standing wave can be obtained at an excitation frequency of 100 kHz in a sample container having a length of at least about 7 mm, and at a resonance frequency of 1 MHz with a sample container length of at least about 0.7 mm.
  • ultrasonic waves in the 100 kHz range are suitable for the formation of standing waves in sample containers of a typical size.
  • the sample containers can be specially designed for the formation of desired ultrasonic resonant modes.
  • the axially acting piezoelectric element is actuated by the same control device as the above-mentioned electromagnet in order to modulate the pressure preset by means of the electromagnet to a desired total pressure.
  • means are furthermore provided in order to transmit the voltage applied to the axially acting piezoelectric element as current pressure value to the control device.
  • the axially acting piezoelectric element is used not only as an additional pressure generator, but at the same time as a pressure sensor.
  • the pre-pressure generated with the aid of the electromagnet can be measured and thereby precisely adjusted.
  • an additional pressure modulation are generated.
  • the piezoelectric pressure modulation can be performed in the microsecond range.
  • the actual pressure in the liquid can also be measured directly at the piezoelectric element by causing its deformation, which is caused by the electromagnetically generated pre-pressure and the piezoelectric pressure modulation, to be contactless, e.g. is detected by optical distance sensors.
  • an additional piezoelectric sensor element may be provided in the sample container, which is designed EMC compatible.
  • the electromagnet comprises a rod-shaped ferromagnetic coil core, which is arranged coaxially with the magnetic or magnetizable element.
  • the electromagnet is preferably bipolar controllable.
  • the piston can not only be pushed in the direction of the sample container to generate a pressure, but also actively retracted to produce a very rapid pressure drop in the sample container.
  • both positive and negative pressure jumps can be generated with large increase or decrease rates.
  • A is the pole face of the coil core and ⁇ its permeability.
  • R denotes the electrical resistance of the coil and n its number of turns.
  • the non-positively connected to the piston magnetizable element is formed by a ferromagnetic core, which is surrounded by a coil.
  • a magnetic element may be provided in the form of a permanent magnet.
  • the magnetic or magnetizable element is connected to the piston via a non-magnetic guide element. Due to the non-magnetic guide element, the location of the force generation, d. H. the electromagnet is located some distance from the sample container.
  • the guide element requires little more space than a hydraulic line, but avoids the problems described above in terms of the compressibility of the working medium and the need to provide a membrane.
  • the solenoid can also be accommodated in a place where there is enough space available. For example, in applications involving samples subject to static or alternating electromagnetic fields, such as in NMR applications, the electromagnet may be located sufficiently far from these electromagnetic fields to avoid field disturbance.
  • the electromagnet and the magnetic or magnetizable portion are surrounded by an electromagnetic shield, in particular a shield comprising a shielding fleece, shielding foils, or shielding composite plates of a Ni-Fe alloy or a functionally similar alloy.
  • the Ni-Fe alloy may contain other components in lower concentrations, such as Cu and Mo. This can avoid EMC problems.
  • a shield it can be achieved, for example, that the electromagnet and the magnetic or magnetizable section do not disturb the NMR magnetic field in the region of the sample in a function-impairing manner.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a high-pressure NMR spectrometer with a device for generating pressures according to a development of the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of a portion of a sample container, which is closed by a piston and a sealing ring.
  • Fig. 3 shows a similar longitudinal sectional view as Fig. 2, but in which, in addition, an axially acting and a radially acting piezoelectric element is provided.
  • FIG. 4 shows an electromagnet and a magnetizable element for use in the pressure generating device of FIG. 1.
  • Fig. 5 shows an electromagnet and a magnetic element for use in the pressure generating device of Fig. 1.
  • Fig. 6 shows an alternative sealing of the sample container by means of a membrane which is supported by piezoelectric activation.
  • Fig. 7 shows a further alternative sealing of the sample container by means of a membrane which is supported by piezoelectric activation
  • FIG. 1 shows a schematic representation of components of a high-pressure NMR spectrometer 10.
  • the NMR spectrometer 10 comprises a sample container 12 with an interior space 14 which can be filled with a sample fluid.
  • the sample container is in a strong static magnetic field, which is generated by schematically illustrated NMR coils 16.
  • the sample container is closed by a piston 18, which cooperates with a sealing ring 20.
  • the piston 18 has an elongated portion 22 which projects into the interior 14 of the sample container 12.
  • the piston 18 is displaceable in the axial direction of the sample container 12, so that it protrudes different distances in the interior 14 of the sample container 12 and thereby changes the volume enclosed in the sample container 12 when moving the piston.
  • the axial displacement direction is indicated by an arrow 25 in FIG.
  • the sealing ring 20 has an elongate oval cross-section, the diameter of which is greater in the direction parallel to the displacement direction 25 than in the direction transverse thereto.
  • the piston 18, the sealing ring 20 and the sample container 12 cooperate in such a way that the gap between the piston 18 and the container 12 is sealed over the entire stroke length of the piston 18, which is required for pressure generation. This is favored by the oval cross section of the sealing ring 20.
  • the interior 14 of the sample container 12 has a step-shaped enlargement, which in the representation of FIG. 2 comprises a horizontal annular support surface 24 and a vertical peripheral surface 26.
  • the sealing ring 20 rests with its side facing the sample container 12 on the annular bearing surface 24 and is located with its radially outer side of the radially inwardly facing peripheral surface 26 at. Furthermore, the sealing ring 20 lies with its radially inner side on the elongated piston portion 22 and with its side facing away from the sample container 12 at one of the annular bearing surface 24 opposite surface 28 of the piston 18 at.
  • the sealing ring 20 is constrained more strongly between the four surfaces mentioned, the further the piston 18 is displaced in the direction of the sample container 12. This means that the sealing effect expediently increases, the higher the pressure generated by the piston 18 in the inner space 14 of the sample container 12.
  • the piston 18 is followed by a non-magnetic guide rod 30 formed of plastic, for example.
  • the guide rod 30 is mounted axially displaceably in schematically illustrated guides 32.
  • a magnetizable or magnetic section 34 which is marked in the schematic view of FIG. 1 by dotted filling, is arranged in the FIG. 1 end of the guide rod 30.
  • an electromagnet 36 is arranged in the vicinity of the magnetic or magnetizable portion 34.
  • the electromagnet 36 comprises a rod-shaped ferromagnetic core 38, which is surrounded by a coil 40.
  • the ferromagnetic core 38 is disposed coaxially with the magnetic or magnetizable portion 34.
  • the coil 40 or its power supply (not shown) can be controlled bipolar via a control device 42.
  • the control device 42 may be, for example, a PC on which a corresponding control program is stored.
  • FIG. 4 shows by way of example a schematic structure of the electromagnet 36 and the section 34, which in this case is a magnetizable section.
  • 4 shows a schematic representation of the coil 40 surrounding the ferromagnetic coil core 38.
  • the magnetizable section 34 is also here formed by a ferromagnetic core, which is arranged at the end of the non-magnetic guide rod 30 remote from the sample container 12 (see FIG. 1).
  • a housing 44 made of plastic or other solid, non-magnetic material is shown, in which the spool core 38 fixed and the guide rod 30 is slidably mounted with the magnetizable portion 34, as indicated by the arrow 46.
  • the magnetizable portion 34 is magnetized by a coil 48 having a polarization opposite to that of the electromagnet 36.
  • a permanent magnet 50 may be provided as a magnetic element, as shown in Fig. 5.
  • the coil 48 of Fig. 4 can be omitted.
  • the remainder of FIG. 5 is consistent with FIG. 4 and will therefore not be described again.
  • the electromagnet 36 and the magnetizable portion 34 and permanent magnet 50 are surrounded in the illustration of Fig. 4 and Fig. 5 by an electromagnetic shield 52, which is represented by a dashed line.
  • This shield consists of a nickel-iron alloy, also known as mu-metal.
  • Nickel and iron may also be other constituents such as Cu and Mo.
  • Mu metal has a high permeability which causes the magnetic flux of low frequency magnetic fields to concentrate in the material.
  • the shield 52 may be in the form of a Ablevlieses, shielding or Ableverbundplatten. The shield 52 is important so that the magnetic field in the NMR spectrometer 10 is not disturbed by the electromagnet 36 and the magnetizable portion 34 and the permanent magnet 50.
  • a suitable current to the coil 40 of the electromagnet 36, an axial force is exerted on the magnetized portion 34 and the permanent magnet 50, respectively, by which the piston 18 is pushed over the guide rod 30 in the direction of the sample container 12.
  • the elongated portion 22 of the piston 18 penetrates into the interior 14 of the sample container 12 and thus reduces the volume of the inner space 14, whereby the pressure is increased therein.
  • the pressure is proportional to the thrust, d. H. proportional to the current in the coil 40 of the electromagnet 36 and to the magnetic flux density in the section 34 which, in the case of the embodiment of FIG. 4, is in turn proportional to the flow of current through the coil 48.
  • a special feature of the invention is that can be generated by a simple control of the coil current or the coil currents a virtually arbitrary predetermined time pressure curve.
  • This predetermined temporal pressure curve may comprise both a constant pressure maintained at a precise value and the generation of predetermined pressure jumps in the millisecond range.
  • is the permeability and A is the pole face of the spool core 38
  • n corresponds to the number of turns and / of the coil length.
  • the device described has a number of particular advantages.
  • the pressure generator formed by the device is extremely small and compact and therefore can be easily integrated into spectroscopy devices or other testing or analysis devices. It allows the production of electronically controlled pressure profiles of almost arbitrary shape, limited only by maximum pressures in the range of several 100 MPa and pressure change rates in the range of several 10 MPa / ms. As a result, the pressure generating device is particularly ideally suited for high pressure NMR spectroscopy. Due to the spatial separation of solenoid 36 and piston 18 EMC problems in the sample area can be largely avoided, especially when the shield 52 described is used.
  • the force of the electromagnetic actuator can be mechanically transferred to the sample fluid, and the stroke of the actuator is therefore not limited by the compressibility of a hydraulic medium.
  • Another advantage is that the membranes commonly used in hydraulic applications can be dispensed with. Since the membranes usually represent a weak point, especially at high pressures, this represents a significant design advantage with regard to the generation of very high pressures. With the device, a stroke of the piston 18 of several millimeters can be achieved, with which it is possible to produce pressures of several 100 MPa for samples with liquid volumes of one or a few milliliters, even if the sample has, for example, the compressibility of water.
  • the arrangement of the sealing ring 20 between the surfaces 24, 26, 28 and the outer periphery of the elongated portion 22 of the piston 18 allows a secure seal over the entire stroke of the piston 18.
  • the sealing effect increases, the deeper the elongated Section 22 of the piston 18 is inserted into the interior 14 of the sample container 12, that is, the higher the pressure in the sample container 12.
  • the pressure generating device described can be used especially for high-pressure NMR spectroscopy and optical analysis methods such as Fourier transform infrared spectroscopy or UV spectroscopy.
  • a further advantageous use is in the field of high-pressure liquid chromatography.
  • the use of the device is not limited to these applications, but a variety of applications are conceivable in which the production of precisely controlled pressure profiles is of importance.
  • An example would be a mobile pressure generator with adjustable pressure for calibration of pressure sensors. In addition to a calibration with a constant output pressure as possible, the pressure generator allows to generate predetermined pressure profiles or pressure jumps, whereby the dynamic characteristics of pressure sensors could be checked.
  • FIG. Fig. 3 shows a similar sectional view of the piston 18 and a portion of the sample container 12 as in Fig. 2, and the corresponding components are denoted by the same reference numerals.
  • the essential difference from the embodiment of FIG. 2 is that the elongate portion 22 of the piston 18 is formed of a radially acting piezoelectric element 54 and an axially acting piezoelectric element 56.
  • the radially acting piezoelectric element 54 can be controlled via a schematically illustrated control line 58 by the control device 42 so that it expands in a direction transverse to the piston axis and thereby a portion of the sealing ring 20 radially outward against the radially inwardly facing circumferential surface 26th suppressed.
  • the term "radially acting" piezoelectric element 54 is intended to indicate that the expansion direction of the piezoelectric element 54 has at least one radial component, but that this expansion would take place only in the radial direction. and this radial component is effective in the additional sealing effect.
  • the axially acting piezoelectric element 56 causes the piston 18, namely its elongated section 22, to be lengthened or shortened in the axial direction, as a result of which the pressure in the interior 14 of the sample container 12 can additionally be modulated.
  • a greater effective stroke can be generated.
  • a signal line 60 for driving the axially acting piezoelectric element 56 is shown schematically under reference numeral 60.
  • the axially acting piezoelectric element 56 can be used not only to generate a pressure but also to measure the applied pressure. Therefore, it is advantageous if, via the signal line 60, the electrical voltage or piezoelectric charge applied to the axially acting piezoelectric element 56 can also be transmitted to the control device 42 as the current pressure value.
  • a pre-pressure generated by means of the electromagnet 36 can be measured by means of the axially acting piezo element 56 and precisely adjusted in response to the measurement.
  • the axially acting piezo element 56 can be switched as an actuator in order to use the inverse piezo effect, i. H. a deformation due to an applied electrical voltage to generate a modulation of the form. This piezoelectric pressure modulation can be performed in the microsecond range.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a part of a device according to the above-mentioned second embodiment, in which the sample container 12 is sealed by a membrane 62.
  • the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals as in the previous FIGS. 1 to 5.
  • the sample container 12 is closed at its upper end by a membrane 62. 6 shows in solid lines the piston 18 in a retracted position in which it exerts no pressure on the membrane and the fluid in the interior of the sample container 12.
  • the piston 18 comprises, as described above, both an axially acting piezoelectric element 56 for pressure modulation and a radially acting piezoelectric element 54, the function of which in connection with the diaphragm 62 will be described below.
  • Fig. 6 also shows in a dashed line in a schematic manner a state in which the piston 18 has been displaced in the direction of the sample container 12 and penetrated into the inner space thereof to generate a pressure in the interior.
  • the membrane 62 is stretched.
  • considerable tensile loads and loads due to the fluid pressure in the gap between the piston 18 and the wall of the sample container 12 would usually occur - in particular on the vertical sections of the diaphragm 62 in the illustration of FIG. 6.
  • FIG. 6 shows in a dashed line in a schematic manner a state in which the piston 18 has been displaced in the direction of the sample container 12 and penetrated into the inner space thereof to generate a pressure in the interior.
  • the membrane 62 is stretched.
  • considerable tensile loads and loads due to the fluid pressure in the gap between the piston 18 and the wall of the sample container 12 would usually occur - in particular on the vertical sections of the diaphragm 62 in the illustration of FIG. 6.
  • the radially acting piezoelectric element 54 is activated in the state of maximum advancement of the piston 18 so as to expand radially, thereby pressing the vertical portion of the diaphragm 62 against the inner wall of the sample container 12. This relieves the diaphragm, and in particular its vertical sections in the illustration of FIG. 6, and improves the seal.
  • This piezoelectrically assisted sealing makes higher pressures and pressure rates achievable than with a simple membrane.
  • the radially acting piezoelectric element 54 is driven at the right time for crimping the membrane.
  • These Control is also preferably adopted by the same controller 52 shown in the previous drawings. This allows the feed of the piston, the axial modulation of the piston length over the axially acting piezoelectric element 56 and the pinching of the membrane between the radially acting piezoelectric element 54 and the sample container 12 can be easily synchronized.
  • FIG. 1 Another embodiment with a membrane 62 for sealing the sample volume 14 is shown in FIG.
  • the membrane 62 is clamped with a mounting ring 66 on the sample container 12.
  • the diaphragm is pushed down by operation of the piston 18 to thereby pressurize the sample fluid.
  • an annular, axially acting piezoelectric element 64 is provided, which is arranged on the side facing away from the sample of the membrane 62.
  • the radially inner edge of the annular piezoelectric element 64 approximately coincides with the radially outer edge of the inner space 14 of the sample container 12.
  • the annular piezoelectric element 64 When the plunger 18 is pushed down to pressurize, the annular piezoelectric element 64 is actuated to expand in the axial direction, to support the attachment ring 66, thereby ensuring a tight connection between the sample container 12 and the membrane 62 around the sample liquid , By the annular piezoelectric element 64, a very good seal between the membrane 62 and the sample container 12 can be ensured even if adjacent surfaces of the membrane 62 on the one hand and the sample container 12 on the other hand are not perfectly flat or the mounting ring 66 is not perfectly parallel to the surface of the sample container 12 is arranged. It should be noted that upon actuation of the piston 18 extremely high pressures are produced which would cause escape of the sample liquid even through the smallest gaps or passages.
  • a flange 68 is provided, on which a spring 70, which is shown only symbolically, is supported, with which the piston 18 is biased in the direction of the sample container 12.
  • the bias causes the force applied to the piston 18 by the solenoid 36 (not shown in FIG. 7) to produce a predetermined pressure. bring to the biasing force of the spring 70 is reduced. In this way, larger pressure peaks can be achieved with the same power of the electromagnet.
  • an optical distance sensor 72 is provided on the flange 68, with which the distance between the flange 68 and the piston 18 can be measured. As a result, the deflection of the piston 18 can be determined, from which in turn, if necessary with reference to reference measurements, the pressure in the sample container 12 can be determined.
  • the distance sensor 72 can therefore be used as a simple and precise means for determining the pressure in the interior 14 of the sample container 12.

Abstract

The invention relates to a device for generating pressures in a fluid in a sample container 12, in particular a sample container 12 for use in high-pressure spectroscopy. The device comprises a sample container 12 for receiving the fluid and a piston 18 displaceably supported relative to the sample container 12, such that the volume enclosed in the sample container 12 changes as the piston 18 is displaced. The piston is non-positively connected to a magnetic or magnetizable element 34. The device further comprises an electromagnet 36 disposed near the magnetic or magnetizable element 34, so that a force can be applied to the piston 18 by the magnetic field thereof by means of the magnetic or magnetizable element 34, by which force the piston 18 can be displaced relative to the sample container 12 in order to generate a pressure in the sample container 12. Finally, the device comprises a control device 42 for actuating the electromagnet 36, such that a prescribed pressure curve over time is generated in the sample container 12.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken in Probenbehältern  Device for generating pressures in sample containers
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken in einem Fluid in einem Probenbehälter, insbesondere einem Probenbehälter zur Verwendung in der Hochdruckspektroskopie. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Untersuchung von Probenfluiden mittels Hochdruck-Spektroskopie sowie ein Verfahren zur spektroskopi- sehen Untersuchung, insbesondere NMR-Spektroskopieuntersuchung einer Probe. The present invention relates to a device for generating pressures in a fluid in a sample container, in particular a sample container for use in high-pressure spectroscopy. Furthermore, the invention relates to a device for examining sample fluids by means of high-pressure spectroscopy and a method for spectroscopic examination see, in particular NMR spectroscopy examination of a sample.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG In zahlreichen Verfahren in der Biologie, Medizin, Chemie und physikalischen Chemie werden Fluidproben unter hohen Drücken untersucht. Ein Beispiel für ein solches Verfahren stellt die hochauflösende Hochdruck-NMR-Spektroskopie dar. Die Hochdruck-NMR- Spektroskopie erlaubt es, konformationelle Zustände von biomedizinisch interessanten Makromolekülen bei hohem Druck mit hoher Auflösung zu charakterisieren, die unter Normal- druck nur in geringer Konzentration vorkommen und daher nicht oder allenfalls schwer detek- tierbar sind. Ein Beispiel für derartige Zustände sind Zwischenzustände in der Proteinfaltung und -fehlfaltung, die auch in der deutschsprachigen Literatur üblicherweise als Faltungs- „Intermediates" bezeichnet werden, und die bei der enzymatischen Katalyse eine große Rolle spielen. Insofern sind derartige Intermediates als mögliche Zielstrukturen für die Wirkstoff- entwicklung von großem Interesse. Beispielsweise konnten unter Mitwirkung eines der Erfinder mit Hochdruck-NMR-Untersuchungen seltene Intermediates für das Prionenprotein identifiziert werden, welches für die Entwicklung von BSE verantwortlich ist (siehe Kremer, W., Kachel, N., Kuwata, K., Akasaka, K., & Kalbitzer, H. R. (2007): Species specific differences in the intermediate states of human and Syrian hamster prion protein detected by high pressu- re NMR spectroscopy. J. Biol. Chem. 282, 22689-22698). BACKGROUND OF THE INVENTION In many biology, medicine, chemistry and physical chemistry processes fluid samples are being tested under high pressures. An example of such a method is high-resolution, high-pressure NMR spectroscopy. High-pressure NMR spectroscopy makes it possible to characterize conformational states of biomedically interesting macromolecules at high pressure with high resolution, which occur only in low concentrations under normal pressure and therefore not or at most difficult to detect. An example of such states are intermediate states in protein folding and misfolding, which are also commonly referred to as folding "intermediates" in German literature, and which play a major role in enzymatic catalysis For example, with the co-operation of one of the inventors with high-pressure NMR investigations, it was possible to identify rare intermediates for the prion protein which is responsible for the development of BSE (see Kremer, W., Kachel, N., Kuwata, K., Akasaka, K., & Kalbitzer, HR (2007): Species specific differences in the intermediate states of human and Syrian hamster prion protein detected by high press NMR spectroscopy, J. Biol. Chem., 282, 22689-22698 ).
Für derartige Untersuchungen werden grundsätzlich variable Fluiddrücke im Bereich von 0,1 MPa bis über 100 MPa, in manchen Fällen bis 600 MPa benötigt. Neben der Erzeugung von hohen Fluiddrücken ist auch die Erzeugung von schnellen Drucksprüngen von großem Interesse. Wie in der Dissertation von Martin Reinhard Arnold,„Hochdruck NMR", Universität Regensburg (2002) gezeigt wurde, erlauben schnelle Drucksprünge es, kinetische Vorgänge zu messen und in atomarer Auflösung zu verfolgen. In principle, variable fluid pressures in the range from 0.1 MPa to over 100 MPa, in some cases up to 600 MPa, are required for such investigations. In addition to the generation of high fluid pressures and the generation of rapid pressure jumps is of great interest. As shown in the dissertation by Martin Reinhard Arnold, "Hochdruck Hochdruck NMR", University of Regensburg (2002), rapid pressure jumps allow kinetic processes to be measured and traced at atomic resolution.
Neben der Hochdruck-NMR-Spektroskopie werden hohe Drücke jedoch auch in anderen Analyse- oder Spektroskopieverfahren benötigt. Beispiele hierfür sind die Fouriertransforma- tions-Infrarotspektroskopie oder die UV-Spektroskopie. Auch die Hochdruck- Flüssigkeitschromatografie (high-pressure liquid chromatography, HPLC) erfordert Drücke im Bereich von einigen 10 MPa und gegenwärtig bis zu 100 MPa. Hier wäre jedoch die Erzeugung von Drücken von über 100 MPa und deren zeitliche Stabilisierung von großem Interesse. Weitere Anwendungen von Probenfluiden unter hohen Drücken sind denkbar, beispielsweise in der Chemie (z. B. Reaktionskinetik), in den Materialwissenschaften (z. B. Oberflächenbehandlung, Untersuchung von Legierungen und Mischfluiden) und in der Physik (z. B. Untersuchung dynamischer Vorgänge bei hohen Drücken etc.). Die US 6,507, 101 B 1 offenbart ein NMR-Zellensystem für die NMR- Spektroskopie an superkritischen Fluiden. Das NMR-Zellensystem umfasst ein externes Pumpsystem, mit dem ein hydraulischer Druck in der Zelle erzeugt werden kann. In der Zelle werden Drücke von bis zu 30 MPa bei Temperaturen von bis zu 400°C erzeugt, um zur Herstellung eines superkritischen Fluids Druck und Temperaturbedingungen jenseits des kritischen Punktes zu er- zeugen. However, in addition to high-pressure NMR spectroscopy, high pressures are also required in other analysis or spectroscopy methods. Examples include Fourier transform infrared spectroscopy or UV spectroscopy. High-pressure liquid chromatography (HPLC) also requires pressures in the range of a few 10 MPa and currently up to 100 MPa. Here, however, the generation of pressures of over 100 MPa and their temporal stabilization would be of great interest. Further applications of sample fluids under high pressures are conceivable, for example in chemistry (eg reaction kinetics), in materials science (eg surface treatment, investigation of alloys and mixed fluids) and in physics (eg investigation of dynamic processes at high pressures, etc.). US 6,507,101 B 1 discloses an NMR cell system for NMR spectroscopy on supercritical fluids. The NMR cell system includes an external pumping system that can be used to generate hydraulic pressure in the cell. In the cell, pressures of up to 30 MPa are produced at temperatures of up to 400 ° C to produce pressure and temperature conditions beyond the critical point to produce a supercritical fluid.
Eine weitere Hochdruckzelle für NMR-Messungen ist in der US 6,486,672 Bl offenbart. Üblicherweise werden hohe Drücke in NMR-Zellen hydraulisch erzeugt. Die NMR-Zellen sind dabei von einer Membran verschlossen, auf die von außen das Hydraulikmedium ein- wirkt. Dabei stellt die Widerstandsfähigkeit der Membran in der Regel die Obergrenze für die erzeugbaren Drücke dar. Another high-pressure cell for NMR measurements is disclosed in US 6,486,672 Bl. Usually, high pressures are generated hydraulically in NMR cells. The NMR cells are closed by a membrane on which the hydraulic medium acts from outside. The resistance of the membrane is usually the upper limit for the pressures that can be generated.
Zur Erzeugung des Hydraulikdrucks werden üblicherweise Spindelpressen oder Kolbenpumpen verwendet. Mit Spindelpressen lassen sich hydraulische Drücke ausreichend genau ein- stellen, allerdings erlauben sie keine schnellen dynamischen Druckänderungen, und insbesondere gestatten sie es nicht, schnelle Drucksprünge in der Größenordnung von 10 MPa/ms zu erzeugen. Für Drucksprunganwendungen wird üblicherweise ein Vordruck erzeugt und dann durch schnelles Öffnen und Schließen von Hochdruckventilen moduliert. Dies erfordert jedoch einen verhältnismäßig großen apparativen Aufwand. Außerdem sind Spindelpressen wegen des zu langsamen Druckauf baus nicht für sich schnell wiederholende Drucksprünge, wie sie in der Spektroskopie notwendig sind, geeignet. Mit Kolbenpressen lassen sich die erwünschten Drücke schnell herstellen, aber nicht ausreichend präzise steuern. To generate the hydraulic pressure usually spindle presses or piston pumps are used. With screw presses, hydraulic pressures can be controlled with sufficient accuracy. however, they do not allow rapid dynamic pressure changes and, in particular, do not allow for rapid pressure jumps of the order of 10 MPa / ms. For pressure jump applications, a pre-pressure is usually generated and then modulated by rapid opening and closing of high-pressure valves. However, this requires a relatively large amount of equipment. In addition, spindle presses are not suitable for rapidly repeating pressure jumps, as they are necessary in spectroscopy, because of the too slow Druckauf construction. With piston presses, the desired pressures can be quickly produced, but not sufficiently precise control.
Eine Alternative zu Kolbenpumpen oder Spindelpressen stellt die Druckerzeugung mit piezoelektrischen Elementen dar, die sich grundsätzlich präzise und schnell ansteuern lassen, problematisch hierbei ist jedoch der verhältnismäßig geringe Hub von Piezoelementen. Dies hat zur Folge, dass aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikmediums und des Probenfluids im Rahmen des zur Verfügung stehenden Hubes kaum Drücke von mehr als einigen 10 MPa erzeugt werden können. An alternative to piston pumps or screw presses is the generation of pressure with piezoelectric elements, which can basically be controlled precisely and quickly, but the problem here is the relatively low stroke of piezoelectric elements. This has the consequence that, due to the compressibility of the hydraulic medium and the sample fluid within the available stroke hardly pressures of more than a few 10 MPa can be generated.
Aus der WO 2009/010971 A2 ist ein piezo-hydraulischer Kompressor bekannt, bei dem eine hydraulische Kraftübersetzung zur Vergrößerung des Arbeitshubes des Piezoelementes verwendet wird. Der Kompressor ist zur Erzeugung von Druckoszillationen in einem Arbeitsmedium bestimmt, die in einem Sterling-Prozess zur Kälte-Erzeugung dienen. Dennoch ist auch bei diesem Druckgenerator der Maximaldruck durch den Maximalhub des Piezoelements, die Kompressibilität der Druckmediums und nicht zuletzt durch die Haltbarkeit der Membran begrenzt. Außerdem sind Piezoelemente mit einem, trotz hydraulischer Übersetzung, großen erforderlichen Hub verhältnismäßig teuer. From WO 2009/010971 A2 a piezo-hydraulic compressor is known in which a hydraulic power transmission is used to increase the working stroke of the piezoelectric element. The compressor is designed to generate pressure oscillations in a working medium that are used in a Sterling process for cold generation. Nevertheless, even in this pressure generator, the maximum pressure is limited by the maximum stroke of the piezoelectric element, the compressibility of the pressure medium and not least by the durability of the membrane. In addition, piezoelectric elements with a, despite hydraulic translation, large required stroke are relatively expensive.
Die DE 10 2007 053 549 offenbart eine elektromagnetische Hydraulikpumpe, bei der ein Anker radial innerhalb einer Spule axial verschieblich gelagert ist. Der Anker hat einen Durch- messer, der größer ist als der Durchmesser eines axial fest mit diesem Anker verbundenenDE 10 2007 053 549 discloses an electromagnetic hydraulic pump in which an armature is mounted axially displaceable radially within a coil. The anchor has a diameter which is greater than the diameter of an axially fixedly connected to this anchor
Kolbens, der axial in eine zentrische Ausnehmung eines Polkerns ragt. An der Innenwand der Ausnehmung liegt ein Dichtring an, sodass in der fluidgefüllten zentrischen Ausnehmung ein hydraulischer Druck herstellbar ist. In der Hydraulikpumpe ist eine Kompressionseinrichtung für Leckageverluste von Hydraulikfluid vorgesehen. Zum Aufbringen eines hydraulischen Drucks wird der Anker von einer Magnetspule in die auf den Polkern weisende Richtung gezogen. Piston, which projects axially into a central recess of a pole core. On the inner wall of the recess is a sealing ring, so that in the fluid-filled centric recess, a hydraulic pressure can be produced. In the hydraulic pump, a compression device for leakage losses of hydraulic fluid is provided. For applying a hydraulic Pressure, the armature is pulled by a magnetic coil in the direction pointing to the pole core.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Drücken in einem Fluid in einem Probenbehälter, insbesondere einem Probenbehälter zur Verwendung in der Hochdruckspektroskopie anzugeben, die das Erzeugen hoher Drücke und von Drucksprüngen mit hohen Druckänderungsraten mit einfachen Mitteln gestatten. The invention has for its object to provide an apparatus and method for generating pressures in a fluid in a sample container, in particular a sample container for use in high-pressure spectroscopy, which allow the generation of high pressures and pressure jumps with high pressure change rates by simple means.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 23 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 23. Advantageous developments are specified in the dependent claims.
Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Probenbehälter zur Aufhahme des Fluids mit einem Kolben, der relativ zum Probenbehälter derart verschiebbar gelagert ist, dass sich das im Probenbehälter eingeschlossene Volumen beim Verschieben des Kolbens ändert. Der Kolben ist kraftschlüssig mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Element verbunden. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Elektromagneten, der in der Nähe des magnetischen oder magnetisierbaren Elementes so angeordnet ist, dass durch sein Magnetfeld über das magnetische oder magnetisierbare Element eine Kraft auf den Kolben ausübbar ist, durch die der Kolben relativ zum Probenbehälter bewegbar ist, um in dem Probenbehälter einen Druck zu erzeugen. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern des Elektromagneten derart, dass in dem Probenbehälter ein vorbestimmter zeitlicher Druckverlauf erzeugt wird. According to the invention, the device comprises a sample container for receiving the fluid with a piston which is mounted so displaceable relative to the sample container that changes the volume enclosed in the sample container during displacement of the piston. The piston is non-positively connected to a magnetic or magnetizable element. The device further comprises an electromagnet which is arranged in the vicinity of the magnetic or magnetizable element such that a force can be exerted on the piston by means of its magnetic field via the magnetic or magnetizable element, by means of which the piston is movable relative to the sample container in order to move to generate a pressure to the sample container. Finally, the device comprises a control device for actuating the electromagnet such that a predetermined temporal pressure profile is generated in the sample container.
Erfindungsgemäß wird der Kolben durch die kraftschlüssige Verbindung mit dem magnetischen oder magnetisierbaren Element unmittelbar vom Elektromagneten angetrieben. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kolben und dem magnetischen oder magnetisierbaren Element kann dabei eine einfache mechanische Kopplung sein, die beispielsweise über eine Schubstange gebildet wird, die aber anders als im Stand der Technik keine Zwischenschaltung eines hydraulischen Mediums benötigt. Dadurch lassen sich Probleme mit der Kompressibilität des hydraulischen Mediums vermeiden. Darüber hinaus ist der Aufbau extrem einfach, robust und so kompakt, dass er sich auf ideale Weise mit einer Vielzahl von Analyseeinrichtungen kombinieren lässt. Durch die Betätigung des Kolbens über den magnetischen oder magnetisierbaren Abschnitt und den Elektromagnet lässt sich die Kraft, mit der der Kolben in Richtung auf den Probenbehälter geschoben wird, durch den Spulenstrom im Elektromagneten unmittelbar steuern. Da sich durch Bewegung des Kolbens das Volumen des im Probenbehälter eingeschlossenen Fluids ändert, entspricht die Schubkraft des Kolbens einem Druck innerhalb dieses Fluids. Mit anderen Worten lässt sich über eine einfache Steuerung des Spulenstroms der Druck in dem Probenbehälter einfach und direkt steuern. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die zur Druckerzeugung benötigte Kraft über einen axial verschiebbaren Kolben auf das Fluid ausgeübt, der gleichzeitig den Probenbehälter - in Zusammenwirkung mit dem Dichtmittel - verschließt. Anders als im Stand der Technik muss der Probenbehälter daher nicht durch eine Membran verschlossen werden, die in der Regel eine Schwachstelle bei der Erzeugung hoher Drücke darstellen kann. In einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten Ausführungsform werden die Dichtmittel durch einen Dichtring gebildet, der zwischen einem Abschnitt des Kolbens und einem Abschnitt des Probenbehälters angeordnet ist. Dabei hat der Dichtring vorzugsweise einen länglich-ovalen Querschnitt, dessen Durchmesser in einer ersten Richtung größer als in einer zweiten Richtung ist, wobei die erste Richtung parallel zur Verschiebungsrichtung des Kol- bens ist. Eine derartige im Querschnitt ovale Ausgestaltung des Dichtringes eignet sich besonders für eine Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Probenbehälter über den gesamten erforderlichen Hubweg des Kolbens. According to the invention, the piston is driven by the frictional connection with the magnetic or magnetizable element directly from the electromagnet. The frictional connection between the piston and the magnetic or magnetizable element may be a simple mechanical coupling, which is formed for example via a push rod, but unlike the prior art requires no interposition of a hydraulic medium. This can avoid problems with the compressibility of the hydraulic medium. In addition, the design is extremely simple, robust and compact enough to be ideally combined with a variety of analytical equipment. By actuating the piston via the magnetic or magnetizable section and the electromagnet, the force with which the piston is pushed in the direction of the sample container can be directly controlled by the coil current in the electromagnet. Since movement of the piston changes the volume of the fluid trapped in the sample container, the pushing force of the piston corresponds to a pressure within that fluid. In other words, the pressure in the sample container can be controlled simply and directly via a simple control of the coil current. According to a first embodiment of the invention, the force required for pressure generation is exerted on the fluid via an axially displaceable piston which at the same time closes the sample container in cooperation with the sealing means. Therefore, unlike in the prior art, the sample container does not have to be closed by a membrane, which usually can be a weak point in the generation of high pressures. In an advantageous development of the first embodiment, the sealing means are formed by a sealing ring, which is arranged between a portion of the piston and a portion of the sample container. In this case, the sealing ring preferably has an oblong-oval cross section whose diameter is greater in a first direction than in a second direction, the first direction being parallel to the displacement direction of the piston. Such a cross-sectionally oval configuration of the sealing ring is particularly suitable for sealing the piston against the sample container over the entire required stroke of the piston.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten Ausführungsform weist der Probenbehälter eine ringförmige Auflage auf, auf der der Dichtring mit seiner dem Probenbehälter zugewandten Seite aufliegt, und eine nach radial innen weisende Umfangsfläche, die an die ringförmige Auflagefläche angrenzt und an der der Dichtring mit seiner radial äußeren Seite anliegt. Ferner umgibt der Dichtring vorzugsweise einen Abschnitt des Kolbens, sodass der Dichtring mit seiner radial inneren Seite an dem Abschnitt des Kolbens anliegt. Dabei ist an dem Kolben eine der genannten ringförmigen Auflagefläche gegenüberliegende Fläche ausgebildet, an der der Dichtring mit seiner dem Probenbehälter abgewandten Seite anliegt. In an advantageous development of the first embodiment, the sample container on an annular support on which the sealing ring rests with its side facing the sample container, and a radially inwardly facing peripheral surface adjacent to the annular bearing surface and on which the sealing ring with its radially outer Side is present. Further, the sealing ring preferably surrounds a portion of the piston, so that the sealing ring rests with its radially inner side on the portion of the piston. In this case, on the piston one of said annular bearing surface opposite surface is formed, against which the sealing ring abuts with its side facing away from the sample container.
In dieser Ausführung wird der Dichtring zwischen zwei radial beabstandeten Umfangsflächen und zwei in Axialrichtung beabstandeten Flächen eingezwängt und gewährleistet somit eine sichere Abdichtung zwischen Kolben und Probenbehälter. Man beachte, dass der Dichtring umso mehr komprimiert wird, je weiter der Kolben in Richtung auf den Probenbehälter verschoben ist, sodass die Dichtwirkung zweckmäßigerweise bei steigenden Drücken im Probenbehälter verstärkt wird. In this embodiment, the sealing ring between two radially spaced circumferential surfaces and two axially spaced surfaces is constrained and thus ensures a secure sealing between piston and sample container. It should be noted that the further the piston is displaced in the direction of the sample container, the more the sealing ring is compressed, so that the sealing effect is expediently increased with increasing pressures in the sample container.
Vorzugsweise umfasst der Kolben im Bereich des von dem Dichtring umgebenen Abschnittes ein radial wirkendes Piezoelement, durch dessen Betätigung zumindest ein Abschnitt des Dichtringes gegen die nach radial innen weisende Umfangsfläche des Probenbehälters drückbar ist. Durch Ansteuerung dieses radial wirkenden Piezoelementes kann daher die Dich- tungswirkung des Dichtelementes gezielt weiter verstärkt werden, beispielsweise in Situationen, in denen besonders hohe Drücke in dem Probenbehälter zu erzeugen sind. Der Begriff eines„radial wirkenden Piezoelements" weist lediglich daraufhin, dass das Piezoelement zumindest eine Ausdehnungskomponente in radialer Richtung hat und dient vor allem der begrifflichen Abgrenzung von einem unten beschriebenen axialen Piezoelement. In the region of the section surrounded by the sealing ring, the piston preferably comprises a radially acting piezo element, by the actuation of which at least a portion of the sealing ring can be pressed against the peripheral surface of the sample container facing radially inward. By controlling this radially acting piezoelectric element, therefore, the sealing effect of the sealing element can be selectively further enhanced, for example, in situations in which particularly high pressures are to be generated in the sample container. The notion of a "radially acting piezoelectric element" merely indicates that the piezoelectric element has at least one expansion component in the radial direction and, above all, serves to delimit the term from an axial piezoelectric element described below.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird der Probenkörper durch eine elastische Membran verschlossen und weist der Kolben ein radial wirkendes Piezoelement auf, durch dessen Betätigung ein Abschnitt der Membran, der sich zwischen einem in den Probenbehälter eingeführten Abschnitt des Kolbens und einer Wand des Probenbehälters befindet, gegen die Wand des Probenbehälter gedrückt werden kann. Im aktivierten Zustand des Piezoelements wird die Membran dadurch, dass sie zwischen Kolben und Probenbehälterwand eingezwängt ist, effektiv entlastet. Auf diese Weise lassen sich hohe Drücke mit einer ausreichenden Lebensdauer der Membran vereinbaren. Wichtig hierbei ist jedoch, dass das radial wirkende Piezoelement synchron mit der Kolbenbewegung angesteuert wird. Dies ist jedoch technisch bis in den Mikrosekundenbereich hinein ohne Weiteres machbar. According to a second embodiment, the sample body is closed by an elastic membrane and the piston has a radially acting piezoelectric element, by the actuation of a portion of the membrane, which is located between an inserted into the sample container portion of the piston and a wall of the sample container, against the Wall of the sample container can be pressed. In the activated state of the piezoelectric element, the membrane is effectively relieved by being wedged between the piston and the sample container wall. In this way, high pressures can be combined with a sufficient lifetime of the membrane. It is important, however, that the radially acting piezoelectric element is driven synchronously with the piston movement. However, this is technically feasible down to the microsecond range.
In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des radial wirkenden Piezoelementes zur Abdichtung auch ein ringförmiges, axial wirkendes Piezoelement vorgesehen sein, welches die durch die Membran bedeckte Öffnung des Innenraums des Probenbehälters radial außen umgibt und durch dessen Betätigung die Membran gegen den Probenbehälter gedrückt wird. Dadurch wird die Membran in einem ringförmigen, die Öffnung des Probenbehälters umgebenden Bereich fest gegen den Probenbehälter gedrückt und damit diesem gegenüber abgedichtet. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung so zur Ansteuerung des Elektromagneten programmiert, dass in dem Fluid Drucksprünge um 10 MPa/ms oder mehr und/oder maximale Drücke von 100 MPa oder mehr, vorzugsweise 400 MPa oder mehr erzeugt werden, wobei die AnSteuerung einfach durch die Steuerung des Spulenstroms erfolgen kann. Wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, derartige Drücke und Druckänderungsraten zu erzeugen. In an alternative embodiment, instead of the radially acting piezoelectric element for sealing, an annular, axially acting piezoelectric element may be provided which surrounds the opening of the interior of the sample container covered by the membrane radially on the outside and by the actuation of which the membrane is pressed against the sample container. As a result, the membrane is pressed firmly against the sample container in an annular area surrounding the opening of the sample container and thus sealed against it. Preferably, the control means is programmed to drive the electromagnet to produce pressure jumps of 10 MPa / ms or more and / or maximum pressures of 100 MPa or more, preferably 400 MPa or more in the fluid, the control being simply controlled by the controller Coil current can be done. As will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment, it is possible with the device according to the invention to generate such pressures and pressure change rates.
Vorzugsweise beträgt die Querschnittsfläche einer Öffnung des Probenbehälters, die durch den Kolben verschlossen wird, weniger als 3 mm2 und besonders vorzugsweise weniger als 1,5 mm . Bei einer so geringen Querschnittsfläche lassen sich die gewünschten Drücke jenseits von 100 MPa mit sehr moderaten Kräften erzeugen, die ohne weiteres mit einem Elektromagneten erzeugbar sind. Das Volumen des Probenbehälters beträgt vorzugsweise weniger als 5 ml, besonders bevorzugt weniger als 3 ml. Vorzugsweise beträgt die Kraft, die von dem Elektromagneten über das magnetische oder magnetisierbare Element auf den Kolben ausübbar ist, mehr als 100 N, vorzugsweise mehr als 170 N. Vorzugsweise gilt für die Kraft F, die von dem Elektromagneten über das magnetische oder magnetisierbare Element ausübbar ist, und die Querschnittsfläche Aq der Öffnung des Preferably, the cross-sectional area of an opening of the sample container closed by the piston is less than 3 mm 2, and more preferably less than 1.5 mm. With such a small cross-sectional area, the desired pressures beyond 100 MPa can be produced with very moderate forces, which can be readily produced with an electromagnet. The volume of the sample container is preferably less than 5 ml, more preferably less than 3 ml. Preferably, the force which can be exerted by the electromagnet via the magnetic or magnetizable element on the piston is more than 100 N, preferably more than 170 N. Preferably applies to the force F, which is exercisable by the electromagnet via the magnetic or magnetizable element, and the cross-sectional area A q of the opening of the
F  F
Probenbehälters, die durch den Kolben verschlossen wird— > 1 OOMPa , vorzugsweise — > 400MPa .  Sample container, which is closed by the piston-> 1 OOMPa, preferably -> 400MPa.
Vorzugsweise weist der Kolben ein axial wirkendes Piezoelement auf, durch dessen Betätigung der Kolben in Axialrichtung verlänger- bzw. verkürzbar ist. Eine Verlängerung bzw. Verkürzung des Kolbens in axialer Richtung hat eine ähnliche Wirkung wie die axiale Ver- Schiebung des Kolbens, sodass sich der Druck im Probenbehälter durch Ansteuerung des axialen Piezoelements modulieren lässt. Beispielsweise gestattet es dieser Aufbau, einen bestimmten Druck durch Verschieben des Kolbens voreinzustellen und dann durch den Betrieb des axialen Piezoelements zu modulieren. Da in diesem Fall das Piezoelement nicht für den vollständigen Druckaufbau verantwortlich ist, ist der eingangs erwähnte begrenzte Hub eines Piezoelements in Kombination mit dem verschiebbaren Kolben unproblematisch. Die Kombination aus einem individuell zur Verschiebung ansteuerbaren Kolben und einem individuell ansteuerbaren axialen Piezoelement gestattet sowohl die Erzeugung sehr schneller Drucksprünge als auch eine sehr präzise Einstellung von Drücken. Preferably, the piston has an axially acting piezoelectric element, by the actuation of which the piston can be extended or shortened in the axial direction. An extension or shortening of the piston in the axial direction has a similar effect as the axial displacement of the piston, so that the pressure in the sample container can be modulated by controlling the axial piezoelectric element. For example, this structure allows to preset a certain pressure by moving the piston and then to modulate it by the operation of the axial piezoelectric element. Since in this case the piezoelectric element is not responsible for the complete pressure build-up, the initially mentioned limited stroke of a piezoelectric element in combination with the displaceable piston is unproblematic. The combination of a piston individually controllable for displacement and an individual one controllable axial piezoelectric element allows both the generation of very fast pressure jumps as well as a very precise adjustment of pressures.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform lässt sich das axial wirkende Piezoelement zur Erzeugung von Ultraschallwellen ansteuern, beispielsweise mit Frequenzen im 100 kHz- Bereich. Dadurch lassen sich zusätzlich zu den durch den Elektromagneten eingestellten hohen Drücken Ultraschallwellen in der Probenflüssigkeit erzeugen, die ein neues vielversprechendes Anwendungsgebiet eröffnen. Beispielsweise lässt sich die chemische Reaktionskinetik in Flüssigkeiten durch Ultraschall beeinflussen. Im Rahmen der Erfindung wird dies in Kombination mit den sehr hohen erzeugbaren Drücken und Drucksprüngen kombinierbar. In a particularly preferred embodiment, the axially acting piezoelectric element can be used to generate ultrasonic waves, for example with frequencies in the 100 kHz range. As a result, in addition to the high pressures set by the electromagnet, ultrasonic waves can be generated in the sample liquid, opening up a new and promising field of application. For example, the chemical reaction kinetics in liquids can be influenced by ultrasound. In the context of the invention, this can be combined in combination with the very high pressures and pressure jumps that can be generated.
Eine besonders interessante Verwendung des axial wirkenden Piezoelementes als Ultraschallquelle ergibt sich im Zusammenhang mit der Hochdruck-NMR-Spektroskopie. Die Erfinder vermuten, dass durch Anregung mit Ultraschallwellen eine Änderung der Topologie bzw. des konformationellen Gleichgewichts von Proteinen induziert werden kann, die durch die NMR- Spektroskopie unmittelbar erfassbar ist. Mit der Topologie (z. B. der sekundären, tertiären und quartären Strukturen der Proteine) ändern sich auch physikalische und chemische Eigenschaften der Proteine, wie hydrophobe Eigenschaften, Löslichkeit und dergleichen. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass sich durch die Verwendung des Piezoelements als Ultraschallquelle ganz neue Möglichkeiten eröffnen, das Verhalten und die Eigenschaften von Proteinen in der NMR-Spektroskopie zu untersuchen. A particularly interesting use of the axially acting piezoelectric element as an ultrasonic source results in connection with high-pressure NMR spectroscopy. The inventors suggest that excitation with ultrasound waves can induce a change in the topology or the conformational equilibrium of proteins, which can be detected directly by NMR spectroscopy. With the topology (eg, the secondary, tertiary, and quaternary structures of the proteins), physical and chemical properties of the proteins, such as hydrophobic properties, solubility, and the like, also change. In this context, it can be expected that the use of the piezo element as an ultrasound source opens up completely new possibilities for investigating the behavior and properties of proteins in NMR spectroscopy.
Eine weitere Anwendung für Ultraschallwellen betrifft eine alternative Art der Druckmessung, bei der die Druckabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in Flüssigkeiten ausgenutzt wird. Another application for ultrasonic waves relates to an alternative type of pressure measurement in which the pressure dependence of the propagation velocity of sound waves in liquids is utilized.
Konkret ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen umgekehrt proportional zur Wurzel der Flüssigkeitsdichte, die ihrerseits mit dem Druck zunimmt. Daher lässt sich über Laufzeitmessungen von Ultraschallwellen auf den Flüssigkeitsdruck rückschließen. Anstatt Laufzeiten explizit zu messen, schlagen die Erfinder ferner vor, die Ausbreitungsgeschwindigkeit (und über diese den Druck) über die Resonanzfrequenz zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann das dem Piezoelement gegenüberliegende Ende des Probengefäßes so ausgebildet werden, dass es die Schallwellen effizient reflektiert. Je nach Druck bzw. Dichte des Probenmediums ergäbe sich dann eine etwas andere Resonanzfrequenz, die detektiert werden kann. Eine stehende Welle kann bei einer Anregungsfrequenz von 100 kHz in einem Probenbehälter mit einer Länge von mindestens ungefähr 7 mm, und bei einer Resonanzfrequenz von 1 MHz mit einer Probenbehälterlänge von mindestens rund 0,7 mm erhalten werden. Somit sind Ultraschallwellen im 100 kHz-Bereich für die Ausbildung von stehenden Wellen in Pro- benbehältern typischen Ausmaßes geeignet. Darüber hinaus können die Probenbehälter speziell für die Ausbildung von erwünschten Ultraschall-Resonanzmoden ausgebildet werden. Specifically, the propagation velocity of sound waves is inversely proportional to the root of the liquid density, which in turn increases with pressure. For this reason, it is possible to draw conclusions about the fluid pressure via transit time measurements of ultrasonic waves. Instead of explicitly measuring transit times, the inventors further propose to determine the propagation velocity (and via this the pressure) over the resonant frequency. For this purpose, the end of the sample vessel opposite the piezoelectric element can be designed so that it efficiently reflects the sound waves. Depending on the pressure or density of the sample medium would then result in a slightly different resonant frequency, which are detected can. A standing wave can be obtained at an excitation frequency of 100 kHz in a sample container having a length of at least about 7 mm, and at a resonance frequency of 1 MHz with a sample container length of at least about 0.7 mm. Thus, ultrasonic waves in the 100 kHz range are suitable for the formation of standing waves in sample containers of a typical size. In addition, the sample containers can be specially designed for the formation of desired ultrasonic resonant modes.
Obwohl der genannte Ultraschallbereich von besonderem Interesse ist, sind auch weitere periodische Anregungen im Bereich von 0,1 Hz bis 10 THz für die Untersuchung von Proteinen interessant. Although the aforementioned ultrasonic range is of particular interest, other periodic excitations in the range of 0.1 Hz to 10 THz are also of interest for the investigation of proteins.
Vorzugsweise wird das axial wirkende Piezoelement von der selben Steuereinrichtung angesteuert, wie der oben genannte Elektromagnet, um den mit Hilfe des Elektromagneten voreingestellten Druck zu einem erwünschten Gesamtdruck zu modulieren. Preferably, the axially acting piezoelectric element is actuated by the same control device as the above-mentioned electromagnet in order to modulate the pressure preset by means of the electromagnet to a desired total pressure.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind ferner Mittel vorgesehen, um die an dem axial wirkenden Piezoelement anliegende Spannung als aktuellen Druckwert an die Steuereinrichtung zu übertragen. In dieser Ausführung wird das axial wirkende Piezoelement nicht nur als zusätzlicher Druckerzeuger, sondern gleichzeitig als Drucksensor verwendet. Beispielsweise kann mit Hilfe des axial wirkenden Piezoelements der mit Hilfe des Elektromagneten erzeugte Vordruck gemessen und dadurch präzise eingestellt werden. Darüber hinaus kann mit Hilfe des inversen Piezoeffektes, d.h. der Deformation in Folge einer angelegten elektrischen Spannung, eine zusätzliche Druckmodulation erzeugt werden. Die piezoelektrische Druckmodulation kann im Mikrosekundenbereich durchgeführt werden. Alternativ lässt sich der aktuelle Druck in der Flüssigkeit auch direkt am Piezoelement messen, indem dessen Deformation, die durch den elektromagnetisch erzeugten Vordruck und die piezoelektrische Druckmodulation hervorgerufen wird, kontaktlos, z.B. über optische Abstandsensorik erfasst wird. Alternativ kann auch ein zusätzliches piezoelektrisches Sensorelement in dem Probenbehälter vorgesehen sein, welches EMV-verträglich ausgelegt ist. In an advantageous development, means are furthermore provided in order to transmit the voltage applied to the axially acting piezoelectric element as current pressure value to the control device. In this embodiment, the axially acting piezoelectric element is used not only as an additional pressure generator, but at the same time as a pressure sensor. For example, with the aid of the axially acting piezoelectric element, the pre-pressure generated with the aid of the electromagnet can be measured and thereby precisely adjusted. Moreover, with the aid of the inverse piezoelectric effect, i. the deformation due to an applied electrical voltage, an additional pressure modulation are generated. The piezoelectric pressure modulation can be performed in the microsecond range. Alternatively, the actual pressure in the liquid can also be measured directly at the piezoelectric element by causing its deformation, which is caused by the electromagnetically generated pre-pressure and the piezoelectric pressure modulation, to be contactless, e.g. is detected by optical distance sensors. Alternatively, an additional piezoelectric sensor element may be provided in the sample container, which is designed EMC compatible.
Vorzugsweise umfasst der Elektromagnet einen stabförmigen ferromagnetischen Spulenkern, der koaxial mit dem magnetischen oder magnetisierbaren Element angeordnet ist. Ferner ist der Elektromagnet vorzugsweise bipolar ansteuerbar. Dadurch kann der Kolben nicht nur in Richtung auf den Probenbehälter geschoben werden, um einen Druck zu erzeugen, sondern auch aktiv zurückgezogen werden, um einen sehr raschen Druckabfall im Probenbehälter zu erzeugen. Dadurch lassen sich sowohl positive als auch negative Drucksprünge mit großen Anstiegs- bzw. Abfallraten erzeugen. Vorzugsweise gilt für die Zeitkonstante τ des Elektromagneten: r = μμ0η2— R < 50ms , besonders vorzugsweise < 10ms . Preferably, the electromagnet comprises a rod-shaped ferromagnetic coil core, which is arranged coaxially with the magnetic or magnetizable element. Furthermore, the electromagnet is preferably bipolar controllable. As a result, the piston can not only be pushed in the direction of the sample container to generate a pressure, but also actively retracted to produce a very rapid pressure drop in the sample container. As a result, both positive and negative pressure jumps can be generated with large increase or decrease rates. Preferably, for the time constant τ of the electromagnet: r = μμ 0 η 2 -R <50 ms, particularly preferably <10 ms.
Hierbei ist / die Länge der Spule, A die Polfläche des Spulenkerns und μ dessen Permeabilität. R bezeichnet den elektrischen Widerstand der Spule und n deren Windungszahl. Bei einer solchen Wahl der Spulen- und Kernparameter lassen sich gewünschte Zeitkonstanten erhal- ten, die Drucksprünge im Millisekundenbereich erlauben. Here is / the length of the coil, A is the pole face of the coil core and μ its permeability. R denotes the electrical resistance of the coil and n its number of turns. With such a choice of the coil and core parameters, desired time constants can be obtained which allow pressure jumps in the millisecond range.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das mit dem Kolben kraftschlüssig verbundene magnetisierbare Element durch einen ferromagnetischen Kern gebildet, der von einer Spule umgeben ist. In an advantageous embodiment, the non-positively connected to the piston magnetizable element is formed by a ferromagnetic core, which is surrounded by a coil.
Alternativ kann jedoch ein magnetisches Element in Form eines Permanentmagneten vorgesehen sein. Alternatively, however, a magnetic element may be provided in the form of a permanent magnet.
Vorzugsweise ist das magnetische oder magnetisierbare Element über ein nicht-magnetisches Führungselement mit dem Kolben verbunden. Durch das nicht-magnetische Führungselement kann sich der Ort der Krafterzeugung, d. h. der Elektromagnet in einiger Entfernung von dem Probenbehälter befinden. In der Praxis benötigt das Führungselement kaum mehr Platz als eine Hydraulikleitung, vermeidet jedoch die oben beschriebenen Probleme hinsichtlich der Kompressibilität des Arbeitsmediums und die Notwendigkeit, eine Membran vorzusehen. Durch das Führungselement kann der Elektromagnet ferner an einem Ort untergebracht werden, an dem ausreichend Platz zur Verfügung steht. Bei Anwendungen mit Proben, die statischen oder wechselnden elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind, beispielsweise bei NMR- Anwendungen, kann der Elektromagnet dann ausreichend weit von diesen elektromagnetischen Feldern angeordnet sein, um eine Störung der Felder zu vermeiden. Preferably, the magnetic or magnetizable element is connected to the piston via a non-magnetic guide element. Due to the non-magnetic guide element, the location of the force generation, d. H. the electromagnet is located some distance from the sample container. In practice, the guide element requires little more space than a hydraulic line, but avoids the problems described above in terms of the compressibility of the working medium and the need to provide a membrane. By the guide member, the solenoid can also be accommodated in a place where there is enough space available. For example, in applications involving samples subject to static or alternating electromagnetic fields, such as in NMR applications, the electromagnet may be located sufficiently far from these electromagnetic fields to avoid field disturbance.
Vorzugsweise sind der Elektromagnet und der magnetische oder magnetisierbare Abschnitt von einer elektromagnetischen Abschirmung umgeben, insbesondere einer Abschirmung, die ein Abschirmvlies, Abschirmfolien, oder Abschirmverbundplatten aus einer Ni-Fe-Legierung oder einer funktionsähnlichen Legierung umfasst. Die Ni-Fe-Legierung kann weitere Bestandteile in geringeren Konzentrationen enthalten, beispielsweise Cu und Mo. Dadurch können EMV-Probleme vermieden werden. Durch eine solche Abschirmung kann beispielsweise erreicht werden, dass der Elektromagnet und der magnetische oder magnetisierbare Abschnitt das NMR-Magnetfeld im Bereich der Probe nicht in einer die Funktion beeinträchtigenden Weise stören. Preferably, the electromagnet and the magnetic or magnetizable portion are surrounded by an electromagnetic shield, in particular a shield comprising a shielding fleece, shielding foils, or shielding composite plates of a Ni-Fe alloy or a functionally similar alloy. The Ni-Fe alloy may contain other components in lower concentrations, such as Cu and Mo. This can avoid EMC problems. By means of such a shield, it can be achieved, for example, that the electromagnet and the magnetic or magnetizable section do not disturb the NMR magnetic field in the region of the sample in a function-impairing manner.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hochdruck-NMR-Spektrometers mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken nach einer Weiterbildung der Erfindung. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 shows a schematic representation of a high-pressure NMR spectrometer with a device for generating pressures according to a development of the invention.
Fig. 2 zeigt eine schematische Längsschnittsansicht eines Abschnittes eine Probenbehälters, der von einem Kolben und einem Dichtring verschlossen ist. Fig. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of a portion of a sample container, which is closed by a piston and a sealing ring.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Längsschnittsansicht wie Fig. 2, bei der jedoch zusätzlich ein axial wirkendes und ein radial wirkendes Piezoelement vorgesehen ist. Fig. 3 shows a similar longitudinal sectional view as Fig. 2, but in which, in addition, an axially acting and a radially acting piezoelectric element is provided.
Fig. 4 zeigt einen Elektromagneten und ein magnetisierbares Element zur Verwendung in der Druckerzeugungsvorrichtung von Fig. 1. FIG. 4 shows an electromagnet and a magnetizable element for use in the pressure generating device of FIG. 1. FIG.
Fig. 5 zeigt einen Elektromagneten und ein magnetisches Element zur Verwendung in der Druckerzeugungsvorrichtung von Fig. 1. Fig. 6 zeigt eine alternative Abdichtung des Probenbehälters mithilfe einer Membran, die durch piezoelektrische Aktivierung unterstützt wird. Fig. 5 shows an electromagnet and a magnetic element for use in the pressure generating device of Fig. 1. Fig. 6 shows an alternative sealing of the sample container by means of a membrane which is supported by piezoelectric activation.
Fig. 7 zeigt eine weitere alternative Abdichtung des Probenbehälters mithilfe einer Membran, die durch piezoelektrische Aktivierung unterstützt wird Fig. 7 shows a further alternative sealing of the sample container by means of a membrane which is supported by piezoelectric activation
BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von Komponenten eines Hochdruck-NMR- Spektrometers 10 gezeigt. Das NMR-Spektrometer 10 umfasst einen Probenbehälter 12 mit einem Innenraum 14, der mit einem Probenfluid befüllbar ist. Der Probenbehälter befindet sich in einem starken statischen Magnetfeld, welches von schematisch dargestellten NMR- Spulen 16 erzeugt wird. Der Probenbehälter wird durch einen Kolben 18 verschlossen, der mit einem Dichtring 20 zusammenwirkt. Wie in der vergrößerten und etwas detaillierteren Darstellung von Fig. 2 gezeigt ist, hat der Kolben 18 einen länglichen Abschnitt 22, der in den Innenraum 14 des Probenbehälters 12 hineinragt. Der Kolben 18 ist in Axialrichtung des Probenbehälters 12 verschiebbar, sodass er unterschiedlich weit in den Innenraum 14 des Probenbehälters 12 hineinragt und dadurch das im Probenbehälter 12 eingeschlossene Volumen beim Verschieben des Kolbens ändert. Die axiale Verschiebungsrichtung ist in Fig. 2 durch einen Pfeil 25 gekennzeichnet. FIG. 1 shows a schematic representation of components of a high-pressure NMR spectrometer 10. The NMR spectrometer 10 comprises a sample container 12 with an interior space 14 which can be filled with a sample fluid. The sample container is in a strong static magnetic field, which is generated by schematically illustrated NMR coils 16. The sample container is closed by a piston 18, which cooperates with a sealing ring 20. As shown in the enlarged and somewhat more detailed illustration of FIG. 2, the piston 18 has an elongated portion 22 which projects into the interior 14 of the sample container 12. The piston 18 is displaceable in the axial direction of the sample container 12, so that it protrudes different distances in the interior 14 of the sample container 12 and thereby changes the volume enclosed in the sample container 12 when moving the piston. The axial displacement direction is indicated by an arrow 25 in FIG.
Wie Fig. 2 ferner zu entnehmen ist, hat der Dichtring 20 einen länglichen ovalen Querschnitt, dessen Durchmesser in Richtung parallel zur Verschiebungsrichtung 25 größer ist als in Richtung quer hierzu. Der Kolben 18, der Dichtring 20 und der Probenbehälter 12 wirken so zu- sammen, dass der Zwischenraum zwischen Kolben 18 und Behälter 12 auf der gesamten Hubstrecke des Kolbens 18, die zur Druckerzeugung benötigt wird, abgedichtet wird. Dies wird durch den ovalen Querschnitt des Dichtrings 20 begünstigt. 2, the sealing ring 20 has an elongate oval cross-section, the diameter of which is greater in the direction parallel to the displacement direction 25 than in the direction transverse thereto. The piston 18, the sealing ring 20 and the sample container 12 cooperate in such a way that the gap between the piston 18 and the container 12 is sealed over the entire stroke length of the piston 18, which is required for pressure generation. This is favored by the oval cross section of the sealing ring 20.
Wie in Fig. 2 genauer zu sehen ist, hat der Innenraum 14 des Probenbehälters 12 eine stufen- förmige Erweiterung, die in der Darstellung von Fig. 2 eine horizontale ringförmige Auflagefläche 24 und eine vertikale Umfangsfläche 26 umfasst. Der Dichtring 20 liegt mit seiner dem Probenbehälter 12 zugewandten Seite auf der ringförmigen Auflagefläche 24 auf und liegt mit seiner radial äußeren Seite an der nach radial innen weisenden Umfangsfläche 26 an. Ferner liegt der Dichtring 20 mit seiner radial inneren Seite an dem länglichen Kolbenabschnitt 22 und mit seiner dem Probenbehälter 12 abgewandten Seite an einer der ringförmigen Auflagefläche 24 gegenüberliegenden Fläche 28 des Kolbens 18 an. Der Dichtring 20 wird umso stärker zwischen den genannten vier Flächen eingezwängt, je weiter der Kolben 18 in Richtung auf den Probenbehälter 12 verschoben wird. Dies bedeutet, dass die Dichtwirkung zweckmäßigerweise zunimmt, je höher der durch den Kolben 18 erzeugte Druck im Innen- räum 14 des Probenbehälters 12 ist. As can be seen in more detail in FIG. 2, the interior 14 of the sample container 12 has a step-shaped enlargement, which in the representation of FIG. 2 comprises a horizontal annular support surface 24 and a vertical peripheral surface 26. The sealing ring 20 rests with its side facing the sample container 12 on the annular bearing surface 24 and is located with its radially outer side of the radially inwardly facing peripheral surface 26 at. Furthermore, the sealing ring 20 lies with its radially inner side on the elongated piston portion 22 and with its side facing away from the sample container 12 at one of the annular bearing surface 24 opposite surface 28 of the piston 18 at. The sealing ring 20 is constrained more strongly between the four surfaces mentioned, the further the piston 18 is displaced in the direction of the sample container 12. This means that the sealing effect expediently increases, the higher the pressure generated by the piston 18 in the inner space 14 of the sample container 12.
Unter Bezugnahme wiederum auf Fig. 2 schließt an den Kolben 18 ein nicht-magnetischer Führungsstab 30 an, der beispielsweise aus Kunststoff gebildet ist. Der Führungsstab 30 ist in schematisch dargestellten Führungen 32 axial verschiebbar gelagert. An dem dem Probenbe- hälter abgewandten Ende des Führungsstabes 30 ist in Fig. 1 ein magnetisierbarer oder magnetischer Abschnitt 34 angeordnet, der in der schematischen Ansicht von Fig. 1 durch gepunktete Füllung gekennzeichnet ist. In der Nähe des magnetischen oder magnetisierbaren Abschnitts 34 ist eine Elektromagnet 36 angeordnet. Der Elektromagnet 36 umfasst einen stabförmigen ferromagnetischen Kern 38, der von einer Spule 40 umgeben ist. Der ferromagnetische Kern 38 ist koaxial mit dem magnetischen oder magnetisierbaren Abschnitt 34 angeordnet. Die Spule 40 bzw. deren Stromversorgung (nicht gezeigt) ist über eine Steuereinrichtung 42 bipolar ansteuerbar. Bei der Steuereinrichtung 42 kann es sich beispielsweise um einen PC handeln, auf dem ein entsprechendes Steuerprogramm gespeichert ist. Referring again to Fig. 2, the piston 18 is followed by a non-magnetic guide rod 30 formed of plastic, for example. The guide rod 30 is mounted axially displaceably in schematically illustrated guides 32. At the 1, a magnetizable or magnetic section 34, which is marked in the schematic view of FIG. 1 by dotted filling, is arranged in the FIG. 1 end of the guide rod 30. In the vicinity of the magnetic or magnetizable portion 34, an electromagnet 36 is arranged. The electromagnet 36 comprises a rod-shaped ferromagnetic core 38, which is surrounded by a coil 40. The ferromagnetic core 38 is disposed coaxially with the magnetic or magnetizable portion 34. The coil 40 or its power supply (not shown) can be controlled bipolar via a control device 42. The control device 42 may be, for example, a PC on which a corresponding control program is stored.
Fig. 4 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau des Elektromagneten 36 und des Ab- Schnitts 34, bei dem es sich in diesem Fall um einen magnetisierbaren Abschnitt handelt. Genauer zeigt Fig. 4 eine schematische Darstellung der Spule 40, die den ferromagnetischen Spulenkern 38 umgibt. Der magnetisierbare Abschnitt 34 wird hier ebenfalls von einem ferromagnetischen Kern gebildet, der an dem dem Probenbehälter 12 (siehe Fig. 1) entfernten Ende des nicht-magnetischen Führungsstabes 30 angeordnet ist. In Fig. 4 ist ein Gehäuse 44 aus Kunststoff oder einem anderen festen, nicht magnetischen Material gezeigt, in dem der Spulenkern 38 feststehend und der Führungsstab 30 mit dem magnetisierbaren Abschnitt 34 verschiebbar gelagert ist, wie durch den Pfeil 46 angezeigt ist. Der magnetisierbare Abschnitt 34 wird durch eine Spule 48 mit einer Polarisation magnetisiert, die derjenigen des Elektromagneten 36 entgegengesetzt ist. 4 shows by way of example a schematic structure of the electromagnet 36 and the section 34, which in this case is a magnetizable section. 4 shows a schematic representation of the coil 40 surrounding the ferromagnetic coil core 38. The magnetizable section 34 is also here formed by a ferromagnetic core, which is arranged at the end of the non-magnetic guide rod 30 remote from the sample container 12 (see FIG. 1). In Fig. 4, a housing 44 made of plastic or other solid, non-magnetic material is shown, in which the spool core 38 fixed and the guide rod 30 is slidably mounted with the magnetizable portion 34, as indicated by the arrow 46. The magnetizable portion 34 is magnetized by a coil 48 having a polarization opposite to that of the electromagnet 36.
Anstelle eines magnetisierbaren Abschnitts 34 kann jedoch auch ein Permanentmagnet 50 als magnetisches Element vorgesehen sein, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall kann die Spule 48 von Fig. 4 entfallen. Der Rest von Fig. 5 stimmt mit Fig. 4 überein und wird daher nicht erneut beschrieben. Instead of a magnetizable portion 34, however, a permanent magnet 50 may be provided as a magnetic element, as shown in Fig. 5. In this case, the coil 48 of Fig. 4 can be omitted. The remainder of FIG. 5 is consistent with FIG. 4 and will therefore not be described again.
Der Elektromagnet 36 und der magnetisierbare Abschnitt 34 bzw. Permanentmagnet 50 sind in der Darstellung von Fig. 4 und Fig. 5 durch eine elektromagnetische Abschirmung 52 umgeben, die durch eine gestrichelte Linie repräsentiert ist. Diese Abschirmung besteht aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die auch als Mu-Metall bekannt ist. Neben den Hauptbestandteilen Nickel und Eisen können auch andere Bestandteile vorgesehen sein, beispielsweise Cu und Mo. Ein Mu-Metall besitzt eine hohe Permeabilität, die bewirkt, dass sich der magnetische Fluss niederfrequenter Magnetfelder im Material konzentriert. Die Abschirmung 52 kann in Form eines Abschirmvlieses, Abschirmfolien oder Abschirmverbundplatten ausgeführt sein. Die Abschirmung 52 ist wichtig, damit das Magnetfeld im NMR-Spektrometer 10 nicht durch den Elektromagneten 36 und den magnetisierbaren Abschnitt 34 bzw. den Permanentmagneten 50 gestört wird. The electromagnet 36 and the magnetizable portion 34 and permanent magnet 50 are surrounded in the illustration of Fig. 4 and Fig. 5 by an electromagnetic shield 52, which is represented by a dashed line. This shield consists of a nickel-iron alloy, also known as mu-metal. In addition to the main components Nickel and iron may also be other constituents such as Cu and Mo. Mu metal has a high permeability which causes the magnetic flux of low frequency magnetic fields to concentrate in the material. The shield 52 may be in the form of a Abschirmvlieses, shielding or Abschirmverbundplatten. The shield 52 is important so that the magnetic field in the NMR spectrometer 10 is not disturbed by the electromagnet 36 and the magnetizable portion 34 and the permanent magnet 50.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken beschrieben. Durch Anlegen eines geeigneten Stroms an der Spule 40 des Elektromagneten 36 wird eine axiale Kraft auf den magnetisierten Abschnitt 34 bzw. den Permanentmagneten 50 ausgeübt, durch die der Kolben 18 über die Führungsstange 30 in Richtung auf den Probenbehälter 12 geschoben wird. Dabei dringt der längliche Abschnitt 22 des Kolbens 18 in den Innenraum 14 des Probenbehälters 12 ein und verringert somit das Volumen des Innenraums 14, wodurch der Druck darin erhöht wird. Der Druck ist dabei proportional zur Schubkraft, d. h. proportional zum Strom in der Spule 40 des Elektromagneten 36 und zur magnetischen Flussdichte im Abschnitt 34, die im Fall der Ausführungsform von Fig. 4 ihrerseits proportional zum Stromfluss durch die Spule 48 ist. Durch Steuern des Stroms in der Spule 40 des Elektromagneten 36 und gegebenenfalls in der Spule 48 zur Magnetisierung des magnetisierbaren Elements 34 kann daher der in dem Probenbehälter 12 erzeugte Druck einfach gesteuert werden. The following describes the operation of the pressure generating device. By applying a suitable current to the coil 40 of the electromagnet 36, an axial force is exerted on the magnetized portion 34 and the permanent magnet 50, respectively, by which the piston 18 is pushed over the guide rod 30 in the direction of the sample container 12. In this case, the elongated portion 22 of the piston 18 penetrates into the interior 14 of the sample container 12 and thus reduces the volume of the inner space 14, whereby the pressure is increased therein. The pressure is proportional to the thrust, d. H. proportional to the current in the coil 40 of the electromagnet 36 and to the magnetic flux density in the section 34 which, in the case of the embodiment of FIG. 4, is in turn proportional to the flow of current through the coil 48. By controlling the current in the coil 40 of the electromagnet 36 and optionally in the coil 48 for magnetizing the magnetizable element 34, therefore, the pressure generated in the sample container 12 can be easily controlled.
Die Steuerung geschieht über die Steuereinheit 42, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass sich durch eine einfache Steuerung des Spulenstroms bzw. der Spulenströme ein praktisch beliebig wählbarer vorbestimmter zeitlicher Druckverlauf erzeugt werden kann. Dieser vorbestimmte zeitliche Druckverlauf kann sowohl einen auf einem präzisen Wert gehaltenen konstanten Druck als auch die Erzeugung vorbestimmter Drucksprünge im Millisekundenbereich umfassen. Der limitierende Faktor für die Kürze der Drucksprünge ist die Zeitkonstante τ des Elektromagneten, die dem Quotienten aus der Selbstinduktivität und dem Widerstand R der Spule entspricht, d. h. τ = μμ0η2— , The control is done via the control unit 42, which is shown schematically in Fig. 1. A special feature of the invention is that can be generated by a simple control of the coil current or the coil currents a virtually arbitrary predetermined time pressure curve. This predetermined temporal pressure curve may comprise both a constant pressure maintained at a precise value and the generation of predetermined pressure jumps in the millisecond range. The limiting factor for the shortness of the pressure jumps is the time constant τ of the electromagnet, which corresponds to the quotient of the self-inductance and the resistance R of the coil, ie τ = μμ 0 η 2 -,
IR  IR
wobei μ die Permeabilität und A die Polfläche des Spulenkerns 38 ist, n der Windungszahl und / der Spulenlänge entspricht. Bei einer Spulenlänge / = 10 cm, einem Kernradius r von 3 cm, n = 1000 Windungen und einer Permeabilität μ = 1000 lassen sich ohne weiteres Zeitkonstanten von weniger als 50 ms, vorzugsweise weniger als 10 ms erzeugen. Bevorzugte Werte für den Widerstand der Spule sind 500 bis 1000 Ω. where μ is the permeability and A is the pole face of the spool core 38, n corresponds to the number of turns and / of the coil length. With a coil length / = 10 cm, a core radius r of 3 cm, n = 1000 turns and a permeability μ = 1000, time constants of less than 50 ms, preferably less than 10 ms, can easily be generated. Preferred values for the resistance of the coil are 500 to 1000 Ω.
Ferner lassen sich mit dem Aufbau von Fig. 4 bei Strömen von unter 1 A ohne weiteres Schubkräfte von 200 N oder mehr erzeugen. Dies bedeutet, dass bei einer Querschnittsfläche der von dem Kolben 18 verschlossenen Öffnung des Probenbehälters 12 von beispielsweise 1 mm Drücke von 200 MPa oder mehr erzeugt werden können. Bei Verwendung eines ferro- magnetischen Spulenkerns mit höherer Permeabilität oder einer Spule mit mehr Windungen kann der Druck in dem Probenbehälter 12 auch 400 MPa oder sogar über 600 MPa betragen. Dabei lassen sich Drucksprünge mit einer Rate von 10 MPa/ms und bei höheren Strömen auch Raten von über 50 MPa/ms erreichen, und zwar sowohl positive Drucksprünge als auch negative, für die die Polarität an der Spule 40 des Elektromagneten 36 umgekehrt wird, sodass der Kolben 18 aktiv zurückgezogen wird. Furthermore, with the construction of FIG. 4, currents of less than 1 A can readily produce thrust forces of 200 N or more. This means that with a cross-sectional area of the opening of the sample container 12 closed by the piston 18, for example 1 mm, pressures of 200 MPa or more can be produced. When using a ferromagnetic higher-permeability coil core or a more-coil coil, the pressure in the sample container 12 may also be 400 MPa or even more than 600 MPa. In this case, pressure jumps at a rate of 10 MPa / ms and at higher currents rates of over 50 MPa / ms can be achieved, both positive pressure jumps and negative, for which the polarity is reversed at the coil 40 of the electromagnet 36, so the piston 18 is actively retracted.
Die beschriebene Vorrichtung hat eine Reihe besonderer Vorteile. Der durch die Vorrichtung gebildete Druckgenerator ist äußerst klein und kompakt und lässt sich daher leicht in Spektroskopieeinrichtungen oder anderen Prüf- oder Analyseeinrichtungen integrieren. Er gestattet die Erzeugung elektronisch steuerbarer Druckprofile von nahezu beliebig wählbarer Form, beschränkt lediglich durch Maximaldrücke im Bereich von mehreren 100 MPa und Druckänderungsraten im Bereich von mehreren 10 MPa/ms. Dadurch ist die Druckerzeugungsvorrichtung insbesondere auf ideale Weise für die Hochdruck-NMR-Spektroskopie geeignet. Durch die räumliche Trennung von Elektromagnet 36 und Kolben 18 können EMV-Probleme im Bereich der Probe weitestgehend vermieden werden, insbesondere wenn die beschriebene Abschirmung 52 verwendet wird. Anders als bei einer herkömmlichen Anordnung mit einem Hydraulikmedium kann die Kraft des elektromagnetischen Stellgliedes mechanisch auf das Probenfluid übertragen werden, und der Hub des Stellgliedes wird daher nicht durch die Kompressibilität eines Hydraulikmediums beschränkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bei Hydraulikanwendungen üblicherweise verwendeten Membranen entbehrlich werden. Da die Membranen insbesondere bei hohen Drücken üblicherweise eine Schwachstelle darstellen, stellt dies einen wesentlichen konstruktiven Vorteil im Hinblick auf die Erzeugung sehr hoher Drücke dar. Mit der Vorrichtung lässt sich ein Hub des Kolbens 18 von mehreren Millimetern erreichen, mit dem sich bei Proben mit Flüssigkeitsvolumina von einem oder wenigen Millilitern Drücke von mehreren 100 MPa erzeugen lassen, selbst wenn die Probe beispielsweise die Kompres- sibilität von Wasser aufweist. Die Anordnung des Dichtrings 20 zwischen den Flächen 24, 26, 28 und dem Außenumfang des länglichen Abschnitts 22 des Kolbens 18 gestattet dabei eine sichere Abdichtung über den gesamten Hubweg des Kolbens 18. Von besonderem Vorteil ist, dass die Dichtungswirkung zunimmt, je tiefer der längliche Abschnitt 22 des Kolbens 18 in den Innenraum 14 des Probenbehälters 12 eingeschoben wird, d. h. je höher der Druck im Probenbehälter 12 ist. The device described has a number of particular advantages. The pressure generator formed by the device is extremely small and compact and therefore can be easily integrated into spectroscopy devices or other testing or analysis devices. It allows the production of electronically controlled pressure profiles of almost arbitrary shape, limited only by maximum pressures in the range of several 100 MPa and pressure change rates in the range of several 10 MPa / ms. As a result, the pressure generating device is particularly ideally suited for high pressure NMR spectroscopy. Due to the spatial separation of solenoid 36 and piston 18 EMC problems in the sample area can be largely avoided, especially when the shield 52 described is used. Unlike a conventional arrangement with a hydraulic medium, the force of the electromagnetic actuator can be mechanically transferred to the sample fluid, and the stroke of the actuator is therefore not limited by the compressibility of a hydraulic medium. Another advantage is that the membranes commonly used in hydraulic applications can be dispensed with. Since the membranes usually represent a weak point, especially at high pressures, this represents a significant design advantage with regard to the generation of very high pressures. With the device, a stroke of the piston 18 of several millimeters can be achieved, with which it is possible to produce pressures of several 100 MPa for samples with liquid volumes of one or a few milliliters, even if the sample has, for example, the compressibility of water. The arrangement of the sealing ring 20 between the surfaces 24, 26, 28 and the outer periphery of the elongated portion 22 of the piston 18 allows a secure seal over the entire stroke of the piston 18. Of particular advantage is that the sealing effect increases, the deeper the elongated Section 22 of the piston 18 is inserted into the interior 14 of the sample container 12, that is, the higher the pressure in the sample container 12.
Die beschriebene Druckerzeugungsvorrichtung ist speziell für die Hochdruck-NMR- Spektroskopie und optische Analysemethoden wie Fouriertransformations- Infrarotspektroskopie oder UV-Spektroskopie einsetzbar. Eine weitere vorteilhafte Verwen- dung liegt im Bereich der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatografie. Die Verwendung der Vorrichtung ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt, sondern es sind eine Vielzahl von Anwendungen denkbar, bei denen die Erzeugung präzise gesteuerter Druckprofile von Bedeutung ist. Ein Beispiel wäre ein mobiler Druckgenerator mit einstellbarem Druck zur Kalibrierung von Drucksensoren. Neben einer Kalibrierung mit einem möglichst konstanten Ausgangsdruck gestattet es der Druckgenerator vorbestimmte Druckprofile bzw. Drucksprünge zu erzeugen, wodurch die dynamische Charakteristik von Drucksensoren überprüft werden könnte. The pressure generating device described can be used especially for high-pressure NMR spectroscopy and optical analysis methods such as Fourier transform infrared spectroscopy or UV spectroscopy. A further advantageous use is in the field of high-pressure liquid chromatography. However, the use of the device is not limited to these applications, but a variety of applications are conceivable in which the production of precisely controlled pressure profiles is of importance. An example would be a mobile pressure generator with adjustable pressure for calibration of pressure sensors. In addition to a calibration with a constant output pressure as possible, the pressure generator allows to generate predetermined pressure profiles or pressure jumps, whereby the dynamic characteristics of pressure sensors could be checked.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 3 zeigt eine ähnliche Schnittansicht des Kolbens 18 und eines Abschnitts des Probenbehälters 12 wie Fig. 2, und die einander entsprechenden Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu der Ausführung von Fig. 2 besteht darin, dass der längliche Abschnitt 22 des Kolbens 18 aus einem radial wirkenden Piezoelement 54 und einem axial wirkenden Piezoelement 56 gebildet ist. Das radial wirkend Piezoelement 54 kann über eine schematisch dargestellte Steuerleitung 58 von der Steuereinrichtung 42 so angesteuert werden, dass es sich in einer Richtung quer zur Kolbenachse ausdehnt und dadurch einen Abschnitt des Dichtrings 20 nach radial außen gegen die nach radial innen weisende Umfangs- fläche 26 drückt. Dadurch wird die Dichtwirkung des Dichtrings 20 weiter verstärkt. Der Begriff eines„radial wirkenden" Piezoelements 54 soll hierbei lediglich daraufhinweisen, dass die Ausdehnungsrichtung des Piezoelements 54 zumindest eine radiale Komponente aufweist, nicht jedoch dass diese Ausdehnung einzig in radialer Richtung stattfinden würde. Jede Ausdehnung quer zur Axialrichtung des Kolbens hat eine radiale Komponente, und diese radiale Komponente ist bei der zusätzlichen Abdichtungswirkung wirksam. An advantageous development of the invention is shown in FIG. Fig. 3 shows a similar sectional view of the piston 18 and a portion of the sample container 12 as in Fig. 2, and the corresponding components are denoted by the same reference numerals. The essential difference from the embodiment of FIG. 2 is that the elongate portion 22 of the piston 18 is formed of a radially acting piezoelectric element 54 and an axially acting piezoelectric element 56. The radially acting piezoelectric element 54 can be controlled via a schematically illustrated control line 58 by the control device 42 so that it expands in a direction transverse to the piston axis and thereby a portion of the sealing ring 20 radially outward against the radially inwardly facing circumferential surface 26th suppressed. As a result, the sealing effect of the sealing ring 20 is further enhanced. The term "radially acting" piezoelectric element 54 is intended to indicate that the expansion direction of the piezoelectric element 54 has at least one radial component, but that this expansion would take place only in the radial direction. and this radial component is effective in the additional sealing effect.
Das axial wirkende Piezoelement 56 bewirkt, dass sich der Kolben 18, nämlich dessen länglicher Abschnitt 22 in Axialrichtung verlängert bzw. verkürzt, wodurch der Druck im Innenraum 14 des Probenbehälters 12 zusätzlich moduliert werden kann. Dadurch kann bei gleichem (im Wesentlichen durch die Dichtungswirkung des Dichtringes 20 begrenzten) mechanischen Hub ein größerer effektiver Hub erzeugt werden. Auch ist es möglich, einen durch den Elektromagneten 36 bereits voreingestellten Druck mit dem axial wirkenden Piezoelement 56 zu modulieren, beispielsweise zur Feineinstellung eines Druckes oder um noch größere Drucksprünge und Modulationsfrequenzen zu erzeugen, als mit dem Elektromagneten 36 allein möglich sind. The axially acting piezoelectric element 56 causes the piston 18, namely its elongated section 22, to be lengthened or shortened in the axial direction, as a result of which the pressure in the interior 14 of the sample container 12 can additionally be modulated. As a result, with the same mechanical stroke (essentially limited by the sealing effect of the sealing ring 20), a greater effective stroke can be generated. It is also possible to modulate a pre-set by the solenoid 36 pressure with the axially acting piezoelectric element 56, for example, to fine tune a pressure or to produce even greater pressure jumps and modulation frequencies than are possible with the solenoid 36 alone.
Eine Signalleitung 60 zum Ansteuern des axial wirkenden Piezoelements 56 ist schematisch unter Bezugszeichen 60 gezeigt. Man beachte, dass das axial wirkende Piezoelement 56 nicht nur zur Erzeugung eines Drucks, sondern auch zur Messung des anliegenden Drucks verwen- det werden kann. Daher ist es vorteilhaft, wenn über die Signalleitung 60 auch die an dem axial wirkenden Piezoelement 56 anliegende elektrische Spannung bzw. piezoelektrische Ladung als aktueller Druckwert an die Steuereinrichtung 42 übertragen werden kann. Somit kann ein mit Hilfe des Elektromagneten 36 erzeugter Vordruck mit Hilfe des axial wirkenden Piezoelementes 56 gemessen und in Antwort auf die Messung präzise eingestellt werden. Da- nach lässt sich das axial wirkende Piezoelement 56 als Aktor schalten, um mit Hilfe des in- versen Piezoeffekts, d. h. einer Deformation in Folge einer angelegten elektrischen Spannung eine Modulation des Vordruckes zu erzeugen. Diese piezoelektrische Druckmodulation kann im Mikrosekundenbereich durchgeführt werden. A signal line 60 for driving the axially acting piezoelectric element 56 is shown schematically under reference numeral 60. It should be noted that the axially acting piezoelectric element 56 can be used not only to generate a pressure but also to measure the applied pressure. Therefore, it is advantageous if, via the signal line 60, the electrical voltage or piezoelectric charge applied to the axially acting piezoelectric element 56 can also be transmitted to the control device 42 as the current pressure value. Thus, a pre-pressure generated by means of the electromagnet 36 can be measured by means of the axially acting piezo element 56 and precisely adjusted in response to the measurement. After that, the axially acting piezo element 56 can be switched as an actuator in order to use the inverse piezo effect, i. H. a deformation due to an applied electrical voltage to generate a modulation of the form. This piezoelectric pressure modulation can be performed in the microsecond range.
Wie eingangs erwähnt, lässt sich der aktuelle Druck in der Flüssigkeit auch direkt anhand der mechanischen Deformation des Piezoelements messen, insbesondere kontaktlos, z. B. über optische Abstandsensorik. Alternativ könnte in dem Probenbehälter ein zusätzliches Piezoelement oder ein anderes drucksensitives Element als Drucksensor vorgesehen sein. In der Ausfuhrungsform von Fig. 3 ist die Steuerungseinrichtung 42 zweckmäßigerweise dieselbe Steuerungseinrichtung wie diejenige zur Ansteuerung des Elektromagneten 36. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung nach der eingangs erwähnten zweiten Ausfuhrungsform, in der der Probenbehälter 12 durch eine Membran 62 abgedichtet ist. In Fig. 6 sind gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wie in den vorherigen Figuren 1 bis 5. As mentioned above, the current pressure in the liquid can be measured directly on the basis of the mechanical deformation of the piezoelectric element, in particular contactless, z. B. via optical distance sensors. Alternatively, an additional piezoelectric element or another pressure-sensitive element could be provided as a pressure sensor in the sample container. In the embodiment of FIG. 3, the control device 42 is expediently the same control device as that for controlling the electromagnet 36. However, this is not absolutely necessary. Fig. 6 shows a schematic representation of a part of a device according to the above-mentioned second embodiment, in which the sample container 12 is sealed by a membrane 62. In FIG. 6, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals as in the previous FIGS. 1 to 5.
Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, ist der Probenbehälter 12 an seinem oberen Ende durch eine Membran 62 verschlossen. Fig. 6 zeigt mit durchgezogenen Linien den Kolben 18 in einer zurückgezogenen Stellung, in der er keinen Druck auf die Membran und das Fluid im Innenraum des Probenbehälters 12 ausübt. Der Kolben 18 umfasst ähnlich wie oben beschrieben sowohl ein axial wirkendes Piezoelement 56 zur Druckmodulation als auch ein radial wirkendes Piezoelement 54, dessen Funktion im Zusammenhang mit der Membran 62 im Folgenden beschrieben wird. As can be seen in Fig. 6, the sample container 12 is closed at its upper end by a membrane 62. 6 shows in solid lines the piston 18 in a retracted position in which it exerts no pressure on the membrane and the fluid in the interior of the sample container 12. The piston 18 comprises, as described above, both an axially acting piezoelectric element 56 for pressure modulation and a radially acting piezoelectric element 54, the function of which in connection with the diaphragm 62 will be described below.
Fig. 6 zeigt außerdem in gestrichelter Darstellung auf schematische Weise einen Zustand, in dem der Kolben 18 in Richtung auf den Probenbehälter 12 verschoben und in dessen Innen- räum eingedrungen ist, um einen Druck im Innenraum zu erzeugen. Wie in der gestrichelten Darstellung zu erkennen ist, wird in diesem Fall die Membran 62 gedehnt. Dabei würden üblicherweise - insbesondere an den in der Darstellung von Fig. 6 vertikalen Abschnitten der Membran 62 - erhebliche Zugbelastungen und Belastungen durch den Flüssigkeitsdruck im Spalt zwischen dem Kolben 18 und der Wand des Probenbehälters 12 auftreten. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 6 wird jedoch das radial wirkende Piezoelement 54 in dem Zustand maximalen Vorschubs des Kolbens 18 derart aktiviert, dass es sich radial ausdehnt und dadurch den vertikalen Abschnitt der Membran 62 gegen die Innenwand des Probenbehälters 12 drückt. Dadurch wird die Membran, und insbesondere deren in der Darstellung der Fig. 6 vertikalen Abschnitte entlastet, und die Abdichtung verbessert. Durch diese piezoelektrisch unterstützte Abdichtung sind höhere Drücke und Druckraten erreichbar, als mit einer einfachen Membran. Fig. 6 also shows in a dashed line in a schematic manner a state in which the piston 18 has been displaced in the direction of the sample container 12 and penetrated into the inner space thereof to generate a pressure in the interior. As can be seen in the dashed representation, in this case, the membrane 62 is stretched. In this case, considerable tensile loads and loads due to the fluid pressure in the gap between the piston 18 and the wall of the sample container 12 would usually occur - in particular on the vertical sections of the diaphragm 62 in the illustration of FIG. 6. However, according to the embodiment of FIG. 6, the radially acting piezoelectric element 54 is activated in the state of maximum advancement of the piston 18 so as to expand radially, thereby pressing the vertical portion of the diaphragm 62 against the inner wall of the sample container 12. This relieves the diaphragm, and in particular its vertical sections in the illustration of FIG. 6, and improves the seal. This piezoelectrically assisted sealing makes higher pressures and pressure rates achievable than with a simple membrane.
Wesentlich bei dieser Ausführungsform ist selbstverständlich, dass das radial wirkende Piezoelement 54 zum richtigen Zeitpunkt zum Einzwängen der Membran angesteuert wird. Diese Ansteuerung wird vorzugsweise ebenfalls durch dieselbe Steuereinrichtung 52 übernommen, die in den vorherigen Zeichnungen gezeigt wurde. Dadurch lassen sich der Vorschub des Kolbens, die axiale Modulation der Kolbenlänge über das axial wirkende Piezoelement 56 und das Einklemmen der Membran zwischen dem radial wirkenden Piezoelement 54 und dem Probenbehälter 12 einfach synchronisieren. It is of course essential in this embodiment that the radially acting piezoelectric element 54 is driven at the right time for crimping the membrane. These Control is also preferably adopted by the same controller 52 shown in the previous drawings. This allows the feed of the piston, the axial modulation of the piston length over the axially acting piezoelectric element 56 and the pinching of the membrane between the radially acting piezoelectric element 54 and the sample container 12 can be easily synchronized.
Eine weitere Ausführungsform mit einer Membran 62 zum Abdichten des Probevolumens 14 ist in Fig. 7 gezeigt. Die Membran 62 ist mit einem Befestigungsring 66 am Probenbehälter 12 festgeklemmt. Die Membran wird durch Betätigung des Kolbens 18 nach unten gedrückt, um dadurch das Probenfluid mit Druck zu beaufschlagen. Zur besseren Abdichtung des Innenraums 14 des Probenbehälters 12 ist ein ringförmiges, axial wirkendes Piezoelement 64 vorgesehen, welches auf der der Probe abgewandten Seite der Membran 62 angeordnet ist. Der radial innere Rand des ringförmigen piezoelektrischen Elements 64 stimmt etwa mit dem radial äußeren Rand des Innenraums 14 des Probenbehälters 12 überein. Wenn der Kolben 18 zum Druckaufbau nach unten gedrückt wird, wird das ringförmige piezoelektrische Element 64 so betätigt, dass es sich in axialer Richtung ausdehnt, am Befestigungsring 66 abstützt und damit eine dichte Verbindung zwischen dem Probenbehälter 12 und der Membran 62 um die Probenflüssigkeit herum gewährleistet. Durch das ringförmige piezoelektrische Element 64 kann eine sehr gute Abdichtung zwischen der Membran 62 und dem Probenbehälter 12 auch dann gewährleistet werden, wenn aneinander angrenzende Oberflächen der Membran 62 einerseits und des Probenbehälters 12 andererseits nicht perfekt eben sind bzw. der Befestigungsring 66 nicht perfekt parallel zu der Oberfläche des Probenbehälters 12 angeordnet ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Betäti- gung des Kolbens 18 extrem hohe Drücke hergestellt werden, die ein Entweichen der Probenflüssigkeit auch durch kleinste Spalte oder Durchgänge hervorrufen würden. Durch die lokale Druckkraft entlang des ringförmigen Piezoelementes 64 wird jedoch eine sichere Abdichtung gewährleistet. Wie weiter in Fig. 7 gezeigt ist, ist ein Flansch 68 vorgesehen, an dem sich eine lediglich symbolisch dargestellte Feder 70 abstützt, mit der der Kolben 18 in Richtung auf den Probenbehälter 12 vorgespannt ist. Durch die Vorspannung wird die Kraft, die der Elektromagnet 36 (in Fig. 7 nicht gezeigt) auf den Kolben 18 zur Erzeugung eines vorbestimmten Druckes auf- bringen muss, um die Vorspannkraft der Feder 70 verringert. Auf diese Weise können bei gleicher Leistung des Elektromagneten größere Druckspitzen erreicht werden. Another embodiment with a membrane 62 for sealing the sample volume 14 is shown in FIG. The membrane 62 is clamped with a mounting ring 66 on the sample container 12. The diaphragm is pushed down by operation of the piston 18 to thereby pressurize the sample fluid. For better sealing of the interior 14 of the sample container 12, an annular, axially acting piezoelectric element 64 is provided, which is arranged on the side facing away from the sample of the membrane 62. The radially inner edge of the annular piezoelectric element 64 approximately coincides with the radially outer edge of the inner space 14 of the sample container 12. When the plunger 18 is pushed down to pressurize, the annular piezoelectric element 64 is actuated to expand in the axial direction, to support the attachment ring 66, thereby ensuring a tight connection between the sample container 12 and the membrane 62 around the sample liquid , By the annular piezoelectric element 64, a very good seal between the membrane 62 and the sample container 12 can be ensured even if adjacent surfaces of the membrane 62 on the one hand and the sample container 12 on the other hand are not perfectly flat or the mounting ring 66 is not perfectly parallel to the surface of the sample container 12 is arranged. It should be noted that upon actuation of the piston 18 extremely high pressures are produced which would cause escape of the sample liquid even through the smallest gaps or passages. Due to the local pressure force along the annular piezoelectric element 64, however, a secure seal is ensured. As further shown in FIG. 7, a flange 68 is provided, on which a spring 70, which is shown only symbolically, is supported, with which the piston 18 is biased in the direction of the sample container 12. The bias causes the force applied to the piston 18 by the solenoid 36 (not shown in FIG. 7) to produce a predetermined pressure. bring to the biasing force of the spring 70 is reduced. In this way, larger pressure peaks can be achieved with the same power of the electromagnet.
Ferner ist am Flansch 68 ein optischer Abstandssensor 72 vorgesehen, mit dem der Abstand zwischen dem Flansch 68 und dem Kolben 18 gemessen werden kann. Dadurch kann die Auslenkung des Kolbens 18 bestimmt werden, aus der wiederum, ggf. unter Bezugnahme auf Referenzmessungen, der Druck im Probenbehälter 12 ermittelt werden kann. Der Abstandsensor 72 kann daher als einfache und präzise Einrichtung zur Ermittlung des Drucks im Innenraum 14 des Probenbehälters 12 verwendet werden. Further, an optical distance sensor 72 is provided on the flange 68, with which the distance between the flange 68 and the piston 18 can be measured. As a result, the deflection of the piston 18 can be determined, from which in turn, if necessary with reference to reference measurements, the pressure in the sample container 12 can be determined. The distance sensor 72 can therefore be used as a simple and precise means for determining the pressure in the interior 14 of the sample container 12.
Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird daraufhingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Although preferred embodiments have been shown and described in detail in the drawings and foregoing description, this should be considered as illustrative and not restrictive of the invention. It should be understood that only the preferred embodiments are shown and described and all changes and modifications that are presently and in the future within the scope of the invention should be protected.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Hochdruck-NMR-Spektrometer 10 high-pressure NMR spectrometers
12 Probenbehälter  12 sample containers
14 Innenraum des Probenbehälters 12 14 Interior of the sample container 12
16 Spulen zur Erzeugung des NMR-Magnetfeldes 16 coils for generating the NMR magnetic field
18 Kolben 18 pistons
20 Dichtring  20 sealing ring
22 länglicher Abschnitt des Kolbens 18  22 elongated portion of the piston 18th
24 ringförmige Auflagefläche 24 annular bearing surface
25 Verschiebungsrichtung  25 displacement direction
26 nach radial innen weisende Umfangsfläche  26 radially inwardly facing peripheral surface
28 der ringförmigen Fläche 24 gegenüberliegende Fläche 28 of the annular surface 24 opposite surface
30 Führungsstange 30 guide bar
32 Führung für Führungsstange 30 32 Guide for guide rod 30
34 magnetischer oder magnetisierbarer Abschnitt 34 magnetic or magnetizable section
36 Elektromagnet 36 electromagnet
38 Spulenkern  38 spool core
40 Spule  40 coil
42 Steuereinrichtung 42 control device
44 Führung  44 leadership
46 Verschiebungsrichtung des Kolbens  46 Displacement direction of the piston
48 Spule  48 coil
50 Permanentmagnet  50 permanent magnet
52 Abschirmung 52 shielding
54 radial wirkendes Piezoelement  54 radially acting piezoelectric element
56 axial wirkendes Piezoelement  56 axially acting piezoelectric element
58 Signalleitung  58 signal line
60 Signalleitung  60 signal line
62 Membran 62 membrane
64 ringförmiges, axial wirkendes Piezoelement  64 annular, axially acting piezoelectric element
66 Befestigungsring  66 fixing ring
68 Flansch  68 flange
70 Feder  70 spring
72 Abstandssensor 72 distance sensor

Claims

Ansprüche  claims
Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken in einem Fluid in einem Probenbehälter (12), insbesondere einem Probenbehälter (12) zur Verwendung in der Hochdruck- Spektroskopie, umfassend: Device for generating pressures in a fluid in a sample container (12), in particular a sample container (12) for use in high-pressure spectroscopy, comprising:
einen Probenbehälter (12) zur Aufnahme des Fluids, a sample container (12) for receiving the fluid,
einen Kolben (18), der relativ zum Probenbehälter (12) derart verschiebbar gelagert ist, dass sich das im Probenbehälter (12) eingeschlossene Volumen beim Verschieben des Kolbens (18) ändert, wobei a piston (18) slidably mounted relative to the sample container (12) such that the volume trapped in the sample container (12) changes upon displacement of the piston (18);
der Kolben (18) kraftschlüssig mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Element (34, 50) verbunden ist, the piston (18) is non-positively connected to a magnetic or magnetizable element (34, 50),
einen Elektromagnet (36), der in der Nähe des magnetischen oder magnetisierbaren Elementes (34, 50) so angeordnet ist, dass durch sein Magnetfeld über das magnetische oder magnetisierbare Element (34, 50) eine Kraft auf den Kolben (18) ausübbar ist, durch die der Kolben relativ zum Probenbehälter (12) bewegbar ist, um in dem Probenbehälter (12) einen Druck zu erzeugen, und an electromagnet (36) which is arranged in the vicinity of the magnetic or magnetizable element (34, 50) such that a force can be exerted on the piston (18) through its magnetic field via the magnetic or magnetizable element (34, 50), by which the piston is movable relative to the sample container (12) to generate pressure in the sample container (12), and
eine Steuereinrichtung (42) zum Ansteuern des Elektromagneten (36) derart, dass in dem Probenbehälter (12) ein vorbestimmter zeitlicher Druckverlauf erzeugt wird. a control device (42) for activating the electromagnet (36) in such a way that a predetermined chronological pressure profile is generated in the sample container (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Probenbehälter (12) durch einen Kolben (18) und ein mit dem Kolben (18) zusammenwirkendes Dichtmittel (20) verschließbar ist. Apparatus according to claim 1, wherein the sample container (12) by a piston (18) and a cooperating with the piston (18) sealing means (20) is closable.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Dichtmittel durch einen Dichtring (20) gebildet wird, der zwischen einem Abschnitt des Kolbens (18) und einem Abschnitt des Probenbehälters (12) angeordnet ist. Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the sealing means is formed by a sealing ring (20) disposed between a portion of the piston (18) and a portion of the sample container (12).
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Dichtring (20) einen länglich ovalen Querschnitt hat, dessen Durchmesser in einer ersten Richtung größer ist als in einer zweiten Richtung, wobei die erste Richtung parallel zur Verschiebungsrichtung des Kolbens (18) ist. Apparatus according to claim 3, wherein the sealing ring (20) has an elongated oval cross-section whose diameter is greater in a first direction than in a second direction, the first direction being parallel to the direction of displacement of the piston (18).
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der der Probenbehälter (12) eine ringförmige Auflagefläche (24) aufweist, auf der der Dichtring (20) mit seiner dem Probenbehälter (12) zugewandten Seite aufliegt, und eine nach radial innen weisende Umfangsfläche (26) aufweist, die an die ringförmige Auflagefläche (24) angrenzt und an der der Dichtring (20) mit seiner radial äußeren Seite anliegt. Apparatus according to claim 3 or 4, wherein the sample container (12) has an annular bearing surface (24) on which the sealing ring (20) with its the sample container (12) facing side rests, and having a radially inwardly facing peripheral surface (26) adjacent to the annular bearing surface (24) and against which the sealing ring (20) bears with its radially outer side.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Dichtring (20) einen Abschnitt (22) des Kolbens (18) umgibt, sodass der Dichtring mit seiner radial inneren Seite an dem Abschnitt (22) des Kolbens 18 anliegt, Apparatus according to claim 5, wherein the sealing ring (20) surrounds a portion (22) of the piston (18), so that the sealing ring rests with its radially inner side on the portion (22) of the piston 18,
wobei an dem Kolben (18) eine der ringförmigen Auflagefläche (24) gegenüberliegende Fläche (28) ausgebildet ist, an der der Dichtring (20) mit seiner dem Probenbehälter (12) abgewandten Seite anliegt. wherein on the piston (18) one of the annular bearing surface (24) opposite surface (28) is formed, against which the sealing ring (20) abuts with its side facing away from the sample container (12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der der Kolben (18) im Bereich des von dem Dichtring (22) umgebenen Abschnittes ein radial wirkendes Piezoelement (54) aufweist, durch dessen Betätigung zumindest ein Abschnitt des Dichtrings (20) gegen die nach radial innen weisende Umfangsfläche des Probenbehälters (12) drückbar ist. Device according to one of Claims 3 to 6, in which the piston (18) has a radially acting piezoelement (54) in the region of the section surrounded by the sealing ring (22), by the actuation of which at least a portion of the sealing ring (20) is in contact with the radially inwardly facing peripheral surface of the sample container (12) can be pressed.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Probenbehälter (12) durch eine elastischeApparatus according to claim 1, wherein the sample container (12) by an elastic
Membran (62) verschlossen ist und Membrane (62) is closed and
der Kolben ein radial wirkendes Piezoelement (54) aufweist, durch dessen Betätigung ein Abschnitt der Membran (62), der sich zwischen einem in den Probenbehälter (12) eingeführten Abschnitt des Kolbens (18) und einer Wand des Probenbehälters (12) befindet, gegen die Wand des Probenbehälters (12) gedrückt werden kann, oder  the piston has a radially acting piezoelectric element (54), by the actuation of which a portion of the membrane (62) located between a portion of the piston (18) inserted into the sample container (12) and a wall of the sample container (12) abuts the wall of the sample container (12) can be pressed, or
ein ringförmiges, axial wirkendes Piezoelement (64) vorgesehen ist, welches die durch die Membran (62) bedeckte Öffnung des Innenraumes (14) des Probenbehälters (12) radial außen umgibt und durch dessen Betätigung die Membran gegen den Probenbehälter (12) gedrückt werden kann.  an annular, axially acting piezoelectric element (64) is provided which surrounds the opening of the inner space (14) of the sample container (12) covered by the membrane (62) radially on the outside and by actuation of which the membrane can be pressed against the sample container (12) ,
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kolben (18) und dem magnetischen oder magnetisierbaren Element (34, 50) eine mechanische Kopplung ohne Zwischenschaltung eines hydraulischen Mediums ist. Device according to one of the preceding claims, wherein the frictional connection between the piston (18) and the magnetic or magnetizable element (34, 50) is a mechanical coupling without the interposition of a hydraulic medium.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (42) so zur Ansteuerung des Elektromagneten (36) programmiert ist, dass in dem Fluid Drucksprünge um 10 MPa/ms oder mehr und/oder maximale Drücke von 100 MPa oder mehr, vorzugsweise 400 MPa oder mehr erzeugt werden. 10. Device according to one of the preceding claims, wherein the control means (42) is programmed to control the electromagnet (36) that in the fluid pressure jumps by 10 MPa / ms or more and / or maximum pressures of 100 MPa or more, preferably 400 MPa or more are generated.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Querschnittsfläche einer Öffnung des Probenbehälters (12), die durch den Kolben (18) verschlossen wird, oder in die der Kolben eindringt, weniger als 3 mm 2 , vorzugsweise weni *ger als 1 ,5 mm 2 beträgt und/oder das Volumen des Probenbehälters weniger als 5 ml, vorzugsweise weniger als 3 ml beträgt. 11. Device according to one of the preceding claims, wherein the cross-sectional area of an opening of the sample container (12), which is closed by the piston (18), or into which the piston penetrates, less than 3 mm 2, preferably LESS than 1 5 mm 2 and / or the volume of the sample container is less than 5 ml, preferably less than 3 ml.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kraft, die von dem Elektromagneten (36) über das magnetische oder magnetisierbare Element (34, 50) auf den Kolben (18) ausübbar ist, mehr als 100 N, vorzugsweise mehr als 400 N beträgt. 12. Device according to one of the preceding claims, wherein the force exerted by the electromagnet (36) via the magnetic or magnetizable element (34, 50) on the piston (18), more than 100 N, preferably more than 400 N is.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der für die Kraft F die vom Elektromagneten 36 über das magnetische oder magnetisierbare Element (34, 50) auf den Kolben (18) ausübbar ist, und die Querschnittsfläche Aq einer Öffnung des Pro-13. Device according to one of the preceding claims, in which for the force F from the electromagnet 36 via the magnetic or magnetizable element (34, 50) on the piston (18) is exercisable, and the cross-sectional area A q of an opening of Pro
F F
benbehälters (12), die durch den Kolben (18) verschlossen wird gilt:— > \00MPa ,  container (12), which is closed by the piston (18) applies: -> \ 00MPa,
F F
vorzugsweise— > 400 Pa .  preferably-> 400 Pa.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kolben (18) ein axial wirkendes Piezoelement (56) aufweist, durch dessen Betätigung der Kolben (18) in Axialrichtung verlänger- bzw. verkürzbar ist. 14. Device according to one of the preceding claims, wherein the piston (18) has an axially acting piezoelectric element (56), by the actuation of the piston (18) in the axial direction can be extended or shortened.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das axial wirkende Piezoelement (56) von der Steuereinrichtung (42) ansteuerbar ist, um einen mit Hilfe des Elektromagneten (36) voreingestellten Druck zu modulieren , und insbesondere derart, dass Ultraschallwellen in dem Probenmedium erzeugt werden. 15. The apparatus of claim 14, wherein the axially acting piezoelectric element (56) from the control device (42) is controllable to modulate a by means of the electromagnet (36) preset pressure, and in particular such that ultrasonic waves are generated in the sample medium ,
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der Mittel vorgesehen sind, um die an dem axial wirkenden Piezoelement (56) anliegende Spannung als aktuellen Druckwert an die Steuereinrichtung (42) zu übertragen. 16. The apparatus of claim 15, wherein means are provided to transmit the applied voltage to the axially acting piezoelectric element (56) as the current pressure value to the control device (42).
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Elektromagnet (36) einen stabfbrmigen ferromagnetischen Spulenkern (38) umfasst, der koaxial mit dem magnetischen oder magnetisierbaren Element (34, 50) angeordnet ist. 17. Device according to one of the preceding claims, wherein the electromagnet (36) comprises a stabfbrmigen ferromagnetic coil core (38) which is arranged coaxially with the magnetic or magnetizable element (34, 50).
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Elektromagnet (36) bipolar ansteuerbar ist. 18. Device according to one of the preceding claims, wherein the electromagnet (36) is bipolar actuated.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der der Spulenkern (38) eine Polfläche A und eine magnetische Permeabilität μ aufweist und von einer Spule mit einer Länge 1, n Windungen und mit einem elektrischen Widerstand R umgeben ist, wobei für die Zeit-19. The apparatus of claim 17 or 18, wherein the coil core (38) has a pole face A and a magnetic permeability μ and is surrounded by a coil having a length 1, n turns and with an electrical resistance R, wherein for the time
7 A 7 A
konstante τ des Elektromagneten gilt: τ - μμ0η — 100ms , vorzugsweise < 50ms . constant τ of the electromagnet applies: τ - μμ 0 η - 100ms, preferably <50ms.
1R  1R
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das magnetisierbare Element (34) durch einen ferromagnetischen Kern gebildet wird, der von einer Spule (48) umgeben ist. 20. Device according to one of the preceding claims, wherein the magnetizable element (34) is formed by a ferromagnetic core, which is surrounded by a coil (48).
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das magnetische Element durch einen Permanentmagnet (50) gebildet wird. 21. Device according to one of the preceding claims, wherein the magnetic element is formed by a permanent magnet (50).
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das magnetische oder magnetisierbare Element (34, 50) über ein nicht-magnetisches Führungselement (30) mit dem Kolben (18) verbunden ist. 22. Device according to one of the preceding claims, wherein the magnetic or magnetizable element (34, 50) via a non-magnetic guide element (30) with the piston (18) is connected.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Elektromagnet (36) und der magnetische oder magnetisierbare Abschnitt (34, 50) von einer elektromagnetischen Abschirmung (52) umgeben ist, insbesondere eine Abschirmung (52), die ein Abschirmvlies, Abschirmfolien oder Abschirmverbundplatten aus einer Ni-Fe- Legierung oder einer funktionsähnlichen Legierung umfasst. 23. Device according to one of the preceding claims, wherein the electromagnet (36) and the magnetic or magnetizable portion (34, 50) of an electromagnetic shield (52) is surrounded, in particular a shield (52) comprising a Abschirmvlies, Abschirmfolien or Shielding composite plates of a Ni-Fe alloy or a function-like alloy comprises.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Federelement (70) vorgesehen ist, welches den Kolben (18) in Richtung auf den Probenbehälter (12) vorspannt. 24. Device according to one of the preceding claims, wherein a spring element (70) is provided, which biases the piston (18) in the direction of the sample container (12).
25. Einrichtung (10) zur Untersuchung von Probenfluiden mittels Hochdruck- Spektroskopie, insbesondere mittels Hochdruck-NMR-Spektroskopie bei Drücken oberhalb von 100 MPa, vorzugsweise oberhalb von 400 MPa, umfassend 25. Device (10) for the examination of sample fluids by high-pressure spectroscopy, in particular by high-pressure NMR spectroscopy at pressures above 100 MPa, preferably above 400 MPa, comprising
eine Spektroskopieeinrichtung, insbesondere ein NMR-Spektrometer, die zur Aufnahme eines Probenbehälters (12) geeignet ist, und  a spectroscopic device, in particular an NMR spectrometer, which is suitable for receiving a sample container (12), and
eine Vorrichtung zum Erzeugen von Drücken in einem Fluid in dem Probenbehälter (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 23.  a device for generating pressures in a fluid in the sample container (12) according to one of claims 1 to 23.
26. Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung, insbesondere NMR-Spektroskopie- Untersuchung einer Probe, mit folgenden Schritten: 26. A method for spectroscopic examination, in particular NMR spectroscopy examination of a sample, comprising the following steps:
- Einfüllen eines Probenfluids in einen Probenbehälter (12),  Filling a sample fluid into a sample container (12),
- Verschließen des Probenbehälters (12) mit einem Kolben (18) und einem Dichtmittel (20), das mit dem Kolben (18) zusammenwirkt, wobei der Kolben (18) relativ zum Probenbehälter (12) derart verschiebbar gelagert ist, dass sich das im Probenbehälter eingeschlossene Volumen beim Verschieben des Kolbens (18) unter Beibehaltung der Abdichtung durch das Dichtmittel (20) ändert, - Closing of the sample container (12) having a piston (18) and a sealing means (20) which cooperates with the piston (18), wherein the piston (18) relative to the sample container (12) is mounted so displaceable that in Sample container enclosed volume during displacement of the piston (18) while maintaining the seal by the sealant (20) changes,
- Ansteuern eines Elektromagneten (36), der in der Nähe eines mit dem Kolben (18) kraftschlüssig verbundenen magnetischen oder magnetisierbaren Elementes (34, 50) angeordnet ist, um den Kolben (18) relativ zum Probenbehälter (12) zu verschieben, sodass in dem Probenbehälter (12) ein Druck erzeugt wird, der einem vorbestimmten zeitlichen Druckverlauf entspricht, und - Controlling an electromagnet (36) which is arranged in the vicinity of a non-positively connected to the piston (18) magnetic or magnetizable element (34, 50) to move the piston (18) relative to the sample container (12), so in the sample container (12) a pressure is generated, which corresponds to a predetermined temporal pressure curve, and
- Ermitteln von Spektren, insbesondere NMR-Spektren, während das Probenfluid dem vorbestimmten zeitlichen Druckverlauf ausgesetzt ist.  - Determining spectra, in particular NMR spectra, while the sample fluid is exposed to the predetermined temporal pressure curve.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Elektromagnet so angesteuert wird, dass in dem Fluid Drucksprünge um 10 MPa/ms oder mehr und/oder maximale Drücke von 100 MPa oder mehr, vorzugsweise 400 MPa oder mehr erzeugt werden. 27. The method of claim 26, wherein the solenoid is controlled so that in the fluid pressure jumps by 10 MPa / ms or more and / or maximum pressures of 100 MPa or more, preferably 400 MPa or more are generated.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem mithilfe eines Piezoelementes, welches im Bereich des probenseitigen Endes des Kolbens angeordnet ist, Ultraschallwellen in dem Probenmedium erzeugt werden, insbesondere Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 MHz. 28. The method of claim 26 or 27, wherein by means of a piezoelectric element, which is arranged in the region of the sample-side end of the piston, ultrasonic waves in the sample medium are generated, in particular ultrasonic waves in the frequency range of 10 kHz to 1 MHz.
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