DE19833904C2 - Verstelleinrichtung für die Positionierung eines Probentisches - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelleinrichtung für die Positionierung eines Probentisches mit mehreren kombinierten, aus ortsfesten und ortsbeweglichen Abschnitten aufgebauten Positioniereinheiten, die spannungs­ abhängig in ihrer Länge nm-genau einstellbar sind, und einer zugeordneten Regeleinrichtung für die Positionierung. Derartige Verstelleinrichtungen werden für Probentische in der Mikro- und Nanotechnologie eingesetzt. Insbesondere für hochempfindliche Untersuchungsverfahren kann eine Raumpositionierung der Probe mit Präzisionsbewegungen im Nanometerbereich erforderlich sein.

In großen Versuchsaufbauten, beispielsweise für die Neutronenbestrahlung einkristalliner Proben, mit Massen im Bereich von 500 kg und mehr, die mit tiefen Temperaturen bis in den Bereich 4,2 K und/oder sehr großen Magnetfeldern mit Feldstärken im Bereich von 14 T (Kryostat, Kryomagnet) arbeiten, ist oft noch ein Verkippen der bereits eingebrachten einkristallinen Probe erforderlich, um eine Bestrahlung mit Neutronen in exakt einer Ebene zu ermöglichen. Ein Öffnen der Anlage wäre viel zu aufwändig, so dass die Probenlage im fertigen Versuchsaufbau ferngelenkt korrigiert werden muss. Ein Verkippen des Kryomagneten selbst kann dabei nur in äußerst beschränktem Maße erfolgen. Die Verwendung von eingebauten, im Aufbau relativ aufwändigen Goniometerköpfen als elektrisch angetriebene mecha­ nische Wiegen zum Verkippen der Probe um zwei Achsen ist jedoch äußerst problematisch, da deren Antriebsmotoren auf das starke Magnetfeld reagieren oder deren Gestänge magnetisierbar sind. Magnetische oder magnetisierbare Einrichtungen können deshalb in derartig starken Magnetfeldern nur unter Inkaufnahme wesentlicher Nachteile eingesetzt werden. Außerdem besteht eine starke Empfindlichkeit gegenüber großen Temperaturschwankungen und Strahlungseinflüssen. Piezoelektrische Verstelleinrichtungen sind zwar unempfindlich gegen magnetische und strahlungsbedingte Einflüsse, ihr spannungsabhängiges Dehnungsverhalten ist jedoch auch stark temperatur­ abhängig. Ein weiteres Problem in solchen Versuchsaufbauten stellt das Platzproblem dar.

Thermoelektrische Hubelemente sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen und Anwendungen bekannt. Beispielsweise wird in der DE 30 28 532 A1 ein als Hubelement ausgeführter Stellantrieb beschrieben, bei dem ein geringes Verdampfungsvolumen für das Arbeitsmedium und ein Faltenbalg als hydraulische Übersetzung eingesetzt werden, um eine schnelle Stellwegverstellung, d. h. eine geringe Ansprechträgheit zu bewirken. Als Weiterbildung davon ist aus der DE 33 40 548 A1 ein elektrothermischer Stellantrieb bekannt, bei dem zur Vermeidung von plötzlicher Kondensation und damit zur Erzeugung von stetigen Rückstellkräften ein von außen druckbeaufschlagter Faltenbalg eingesetzt wird. Ein derartiges Hubelement weist ebenfalls eine geringe Ansprechträgheit auf und ist außerdem noch frei von Hystereseverhalten durch Reibungskräfte. Ein anderes thermisches Hubelement wird in der DE 36 15 631 A1 offenbart, bei dem die Ausgestaltung und Anordnung der Heizeinrichtung ebenfalls zur Erreichung eines schnelles Ansprechverhaltens variiert werden.

Das zuletzt beschriebene thermische Hubelement nimmt Bezug auf ein aus der DE 35 32 376 A1 bekanntes thermisches Hubelement mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, das als Arbeitsmedium über eine zur Schaumbildung fähige Flüssigkeit verfügt, damit bei der elektrischen Erwärmung große Gasblasen, die zu einem unkontrollierten Verhalten des Hubelements führen können, vermieden werden und relativ wenig Wärmeenergie benötigt wird.

Allen genannten Hubelementen ist gemeinsam, dass sie über eine möglichst geringe Ansprechträgheit verfügen sollen. Sie eignen sich daher besonders für bekannte Anwendungen in Stellklappen, Fenstern oder auch für Schlösser von Sicherheitsgurten. Sie werden allgemein als Betätigungselemente eingesetzt, die möglichst schnell einen Öffnungs- oder auch Schließvorgang ausführen sollen. Über die Genauigkeit der ausführbaren Hubbewegungen in solchen Positioniereinheiten, bei denen es weniger auf die Ansprechgeschwindigkeit als vielmehr auf die Ansprechgenauigkeit ankommt, wird keine Aussage gemacht oder ein Hinweis gegeben. Weiterhin ist den genannten Druckschriften zu entnehmen, dass die beschriebenen Hubelemente in der Regel bei normalen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der DE 38 22 504 A1 offenbart, in der ein Mikromanipulator als Verstelleinrichtung für die Positionierung eines Probentisches beschrieben wird. Der Mikromani­ pulator besteht aus vier kombinierten Positioniereinheiten mit jeweils einem ortsfesten und einem ortsbeweglichen Abschnitt. Eine Ortsverschiebung des ortsbeweglichen Abschnitts wird bei dem bekannten Mikromanipulator durch eine Längenänderung des ortsfesten Abschnitts erreicht, der als Piezokristall ausgebildet ist. Über die an den Piezokristall angelegte Steuerspannung einer zugeordneten Regeleinrichtung können Langenänderungen im nm-Bereich eingestellt werden. Dabei erfolgt die Einstellung ausschließlich über die bekannte Kennlinie des Piezokristalls, sodass jeweils eine Einstellkontrolle durchgeführt werden muss, die zu Nachregelvorgängen führen kann. Dies ist insbesondere auch deshalb erforderlich, da die Kennlinie stark temperatur­ abhängig ist und der Piezokristall nicht nur spannungsabhängig, sondern auch abhängig von der Umgebungstemperatur reagiert. Insbesondere bei tiefen Temperaturen treten zusätzlich Reibungsprobleme auf.

Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es daher, eine Verstelleinrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass die Positionierungen im nm-Bereich unter direkter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, die auch sehr tiefe Werte annehmen können soll, und ohne Nachregelvorgänge automatisch vorgenommen werden können. Dabei soll der Aufbau der Verstelleinrichtung sowohl einfach und unempfindlich als auch besonders klein und kompakt sein.

Als Lösung für diese Aufgabe ist bei der Erfindung vorgesehen, dass jede Positioniereinheit ein thermoelektrisches Hubelement aufweist, das mit einem seinen Aggregatzustand temperaturabhängig ändernden Arbeitsmedium gefüllt ist, in das eine regelbare elektrische Heizeinrichtung hineinreicht, und dass die Regeleinrichtung zur Messung einer Längenänderung des thermoelektrischen Hubelements einen in seiner Überdeckung veränderlichen Kondensator mit einer variablen Kapazität aufweist, der von einer mit dem beweglichen Abschnitt der Positioniereinheit verbundenen und parallel dazu abgewinkelten Blechlasche und einer mit dem ortsfesten Abschnitt der Positioniereinheit verbundenen zusätzlichen Blechlasche gebildet wird.

Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ist eine thermoelektrische Verstell­ einrichtung. Das verwendete Hubelement ist äußerst robust und einfach in seinem Aufbau. Die Verstelleinheit ist neutronenresistent und unempfindlich gegenüber großen Temperaturschwankungen und magnetischen Einflüssen. Die Auslenkungen des Hubelements werden reversibel durch die thermische Beeinflussung des Arbeitsmediums erreicht, das stets den Zustand des Phasengleichgewichts zwischen flüssiger (selten : fester) und gasförmiger Phase anstrebt. Bei Wärmezufuhr verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der gasförmigen Phase mit einer damit verbundenen Volumenzunahme im System. Bei Wärmeentzug verringert sich das Gasvolumen und das Hubelement fährt entsprechend wieder ein. Die Ansteuerung erfolgt in einfacher Weise über die regelbare elektrische Heizeinrichtung, die beispielsweise als gewendelter Widerstandsdraht oder als Heizplatte ausgeführt sein kann. Auch bei tiefen Temperaturen können mit der erfindungsgemäßen Verstelleinheit Kippungen im Bereich < 5° und Stellwege zwischen 1 µm und 10 µm direkt in einem Kryostaten realisiert werden. Da die Hubelemente sehr klein ausgeführt werden können, ist auch das Volumen für das Arbeitsmedium und damit die erforderliche Heizleistung sehr gering. Die zusätzliche Belastung der Kühlleistung in einem Kryostaten ist damit ebenfalls gering. Die Temperaturstabilität ist sicher gewährleistet. Die gleichzeitige Erreichung der genannten Eigenschaften ist dabei noch ein zusätzlicher Vorteil.

Bei der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ist darüber hinaus der Regelkreis über die Heizungseinrichtung besonders einfach aufgebaut. Die bewirkten Längenänderungen werden kapazitiv gemessen. Der messende Kondensator ist dazu in seiner Überdeckung veränderlich ausgebildet und weist eine variable Kapazität auf. Das Maß der Überdeckung wird von der Längenänderung des thermoelektrischen Hubelements bestimmt. Durch die Verschiebung zwischen dem ortsfesten und dem beweglichen Abschnitt des Kondensators wird die eine Platte des Kondensators entsprechend zur anderen positioniert. Die dadurch hervorgerufene Änderung der Kapazität ist dann das Maß für die bewirkte Längenänderung der Positioniereinheit. Andere Ausbildungen des Kondensators, beispielsweise als Doppelplatte mit dazwischenliegender zweiter Platte oder als Rohr mit hineinreichendem Stift sind ebenfalls möglich.

Eine Platzersparnis in Zusammenhang mit einem robusten Aufbau erhält man, wenn nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das thermo­ elektrische Hubelement als Druckkolben mit einem druckdicht daran anschließenden Wellschlauch ausgebildet ist. Die Anordnung kann dabei so erfolgen, dass der Druckkolben senkrecht positioniert und von dem Wellschlauch an seinem unteren Ende abgeschlossen ist. Die Heizeinrichtung kann im Bereich der ortsfesten Bodenplatte des Druckkolbens in das Innere durchgeführt sein. Am vom Druckkolben abgewandten Ende des Well­ schlauches kann eine Abschlussplatte vorgesehen sein, die mit der Oberseite des Probentischs verbunden ist. Dieser kann gegenüber einem festen Drehgelenk durch eine derartige Anordnung bereits in einer Diagonalen verkippt werden.

Eine weitere Platzverringerung für jede Positioniereinheit ergibt sich, wenn nach einer nächsten erfindungsgemäßen Ausgestaltung das thermoelektrische Hubelement als Metallfaltenbalg ausgebildet ist. Derartige Faltenbälge sind in bereits sehr kleinen Dimensionierungen auf dem Markt verfügbar und besonders unempfindlich und preiswert. Sie sind auch für höhere Innendrücke ausgezeichnet geeignet und altern kaum, so dass die Genauigkeit der Auslenkungen auch auf der mechanischen Seite gesichert ist. Die Metallausführung macht sie unempfindlich gegen tiefen Temperaturen. Eine Teileverbindung zwischen einem ortsfesten und einem beweglichen Teil entfällt, die Auslenkungen werden gleichmäßig über die gesamte Länge des Faltenbalgs erreicht. Eine Anordnung an einem Probentisch kann wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform erfolgen. Dabei können beispielsweise drei Druckkolben einer Kreisfläche von 20 mm Durchmesser angeordnet werden.

Der Einsatz von metallischen Faltenbälgen empfiehlt sich besonders, wenn in der Arbeitsumgebung tiefe Temperaturen herrschen. Deshalb ist es nach einer weiteren Erfindungsausgestaltung vorteilhaft, wenn für einen Einsatz der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung in einem Kryomagneten oder Kryostaten hoher Masse das Arbeitsmedium bei tiefen Temperaturen verflüssigbar ist. Der Phasenübergangspunkt muss im Temperatur­ arbeitsbereich des Probentisches liegen. Für besonders tiefe Temperaturen eignet sich besonders flüssiger Stickstoff, aber auch Sauerstoff und Wasserstoff sowie die Edelgase Argon und Neon sind auch einsatzbezogen geeignete Arbeitsmittel. Andere Gase, wie beispielsweise Helium, eignen sich dagegen nicht so sehr, da sie unterhalb von 4,2 K supraleitend werden und eine Eigendynamik entwickeln.

Die Kombinationsmöglichkeiten der Positioniereinheiten mit den Hubelementen sind vielfältig und abhängig von dem Einsatz der Verstelleinrichtung. Kipp-, Dreh- und x-, y-Tische können nm-genau verstellt werden. Von Vorteil ist es insbesondere nach einer Fortführung der Erfindung, wenn drei identische, einzeln ansteuerbare Positioniereinheiten auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks an einem als Kipptisch ausgeführten Probentisch angeordnet sind. Der Kipptisch kann durch unterschiedliche und unabhängige Auslenkungen aller drei Positioniereinheiten beliebig in seiner Oberflächenlage zur Normalen eingestellt werden. Es ist nach einer anderen Ausgestaltung aber auch möglich, dass vier identische Positioniereinheiten im Quadrat unter einem als Kipptisch ausgeführten Probentisch angeordnet sind und jeweils die beiden diagonal gegenüberliegenden Positioniereinheiten antiparallel bewegbar sind. Jeweils die beiden diagonal gegenüberliegenden Positioniereinheiten können thermoelektrisch antiparallel bewegt werden, während die jeweils anderen beiden anderen beiden Positioniereinheiten als Gelenke dienen. Der Kipptisch kann dadurch definiert um zwei verschiedene Diagonalen aus der x, y-Ebene gekippt werden.

Damit wird mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung ein Kipptisch realisiert wie er aus dem Stand der Technik nur mit einer Ausrüstung mit Goniometern bekannt ist. Nunmehr kann der Kipptisch jedoch auch bei besonders starken Magnetfeldern und unter Strahlungseinfluss eingesetzt werden, ohne dass die Kippgenauigkeit unerwünscht eingeschränkt wird. Deshalb kann es realisiert werden, dass die erfindungsgemäße thermoelektrische Verstelleinrichtung in ihrer Grundform oder mit einer oder mehreren Ausgestaltungen in einem Kryomagneten oder Kryostaten hoher Masse eingesetzt wird für einen Kipptisch zur winkelrichtigen Positionierung einer einkristallinen Probe für eine anschließende Untersuchung unter Neutronenbestrahlung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen:

Fig. 1 ein thermoelektrisches Hubelement einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung mit einem Druckkolben und einem Wellschlauch,

Fig. 2 ein thermoelektrisches Hubelement einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung mit einem Metallfaltenbalg und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Verstelleinrichtung mit einer Anordnung von drei Positioniereinheiten an einem Kipptisch in einem Kryomagneten.

Die Fig. 1 zeigt eine Positioniereinheit 1 mit einem thermoelektrischen Hubelement 2 schematisch im Querschnitt. Das Hubelement 2 ist ca. 10 mm hoch und weist als ortsfesten Abschnitt einen Druckkolben 3 und als beweglichen Abschnitt einen Wellschlauch 4 auf. Beide sind druckdicht miteinander verbunden. Das Hubelement 2 ist in einem Innenraum 5 mit einem Arbeitsmedium 6 gefüllt, das abhängig von der Prozesstemperatur T seinen Aggregatzustand ändert, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff N₂ bei -180°C. Der Innendruck P im Hubelement 2 liegt im Bereich von 1 bar. Der Druckkolben 3 ist senkrecht positioniert. Durch eine Bodenplatte 7 ist eine regelbare elektrische Heizeinrichtung 8 in den mit dem Arbeitsmedium 6 gefüllten Innenraum 5 geführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen einfachen gewendelten Widerstandsdraht, an den eine veränderbare Gleichspannung ΔU angelegt ist.

Der den beweglichen Abschnitt bildende Wellschlauch 4 im unteren Teil des Hubelements 2 weist einen Ansatz 9 auf, über den er mit einem hier nicht weiter dargestellten Probentisch verbunden werden kann. Durch geregelte Zufuhr einer Wärmemenge Q verschiebt sich das Phasengleichgewicht im Innenraum 5 in Richtung der Gasphase. Die Volumenvergrößerung bewirkt eine nm-genaue Längenänderung ΔL des Hubelements 2 im Bereich von einigen nm bis einigen µm oder sogar mm. Dieser Vorgang ist kontrollierbar reversibel. Die Umkehrung erfolgt durch entsprechend geregelte Wärmeabfuhr, beispielsweise über in der Fig. 1 nicht weiter dargestellte Kühlbleche.

Zur kapazitiven Messung der Längenänderung ΔL ist mit dem beweglichen Wellschlauch 4 der Positioniereinheit 1 eine parallel dazu abgewinkelte Blech­ lasche 10 verbunden, die zusammen mit einer mit dem ortsfesten Druckkolben 3 der Positioniereinheit 1 verbundenen zusätzlichen Blechlasche 11 einen in seiner Überdeckung veränderlichen Kondensator 12 bildet.

In der Fig. 2 ist eine Positioniereinheit 20 im Querschnitt dargestellt, deren thermoelektrisches Hubelement 21 als Metallfaltenbalg 22 ausgebildet ist. Dieser hat eine Höhe von ca. 40 mm, einen Durchmesser von ca. 20 mm und ist in seinem Innenraum 23 mit einem Arbeitsmedium 24 gefüllt. In einem Zwischenteil 25 sind zwei eingelötete Durchführungen 26, 27 angeordnet, durch die jeweils elektrische Leitungen 28, 29 zu einer Heizplatte 30 geführt sind. Druckdicht abgeschlossen wird der Metallfaltenbalg 22 an seiner Unterseite durch einen Deckel 31. Eine reversible Längenänderung ΔL wird durch eine nm-genaue Längsdehnung oder -zusammenziehung des Metall­ faltenbalgs 22 aufgrund einer Wärmezu- oder -abfuhr Q über die Heizplatte 30 bzw. gegebenenfalls vorhandene Kühleinrichtungen und einer entsprechenden Verdampfung bzw. Kondensation des Arbeitsmediums 24 erreicht. Die Größe der Längenänderung ΔL kann auch bei dem Metallfaltenbalg 22 über eine in der Fig. 2 nicht weiter dargestellte variable Kapazität C gemessen werden.

In der Fig. 3 ist eine Verstelleinrichtung 40 für die Positionierung eines Kipptisches 41 in einem Kryomagneten 42 hoher Masse M (< 500 kg) zur winkelrichtigen Positionierung einer einkristallinen Probe 43 für eine anschließende Untersuchung unter Neutronenbestrahlung dargestellt. Gezeigt ist eine Anordnung von drei identischen, unter einem Winkel von 120° zueinander angeordneten thermoelektrischen Positioniereinheiten 44, 45, 46, die senkrecht positioniert und über ihre ortsfesten Abschnitte 47 festgelegt sind. Der Kipptisch 41 kann durch unterschiedlich geregelte Längenänderun­ gen ΔL jeder Positioniereinheit 44, 45, 46 in nahezu jeder Raumstellung fixiert werden. Er kann in einem Winkelbereich < 5° trotz der herrschenden Tieftemperaturen (Abkühlung beispielsweise auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs) im geschlossenen Versuchsaufbau hochgenau im nm-Bereich positioniert werden. Die extremen Umgebungsbedingungen beeinträchtigen die thermoelektrische Verstelleinrichtung 40 nicht.

Bezugszeichenliste

1

Positioniereinheit

2

Hubelement

3

Druckkolben

4

Wellschlauch

5

Innenraum

6

Arbeitsmedium

7

Bodenplatte

8

elektrische Heizeinrichtung

9

Ansatz

10

Blechlasche

11

zusätzliche Blechlasche

12

Kondensator

20

Positioniereinheit

21

Hubelement

22

Metallfaltenbalg

23

Innenraum

24

Arbeitsmedium

25

Zwischenteil

26

,

27

Durchführung

28

,

29

elektrische Leitung

30

Heizplatte

31

Deckel

40

Verstelleinrichtung

41

Kipptisch

42

Kryomagnet

43

einkristalline Probe

44

,

45

,

46

Positioniereinheit

47

ortsfester Abschnitt

Claims (6)

1. Verstelleinrichtung für die Positionierung eines Probentisches mit mehreren kombinierten, aus ortsfesten und ortsbeweglichen Abschnitten aufgebauten Positioniereinheiten, die spannungsabhängig in ihrer Länge nm-genau einstell­ bar sind, und einer zugeordneten Regeleinrichtung für die Positionierung, dadurch gekennzeichnet, dass jede Positioniereinheit (1; 20; 44, 45, 46) ein thermoelektrisches Hubelement (2; 21) aufweist, das mit einem seinen Aggregatzustand temperaturabhängig (T) ändernden Arbeitsmedium (6; 24) gefüllt ist, in das eine regelbare elek­ trische Heizeinrichtung (8; 30) hineinreicht, und dass die Regeleinrichtung zur Messung einer Längenänderung (ΔL) des thermoelektrischen Hubelements (2; 21) einen in seiner Überdeckung veränderlichen Kondensator (12) mit einer variablen Kapazität (C) aufweist, der von einer mit dem beweglichen Abschnitt der Positioniereinheit (1; 20; 44, 45, 46) verbundenen und parallel dazu abgewinkelten Blechlasche (10) und einer mit dem ortsfesten Abschnitt (47) der Positioniereinheit (1; 20; 44, 45, 46) verbundenen zusätzlichen Blechlasche (11) gebildet wird.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Hubelement (2) als Druckkolben (3) mit einem druckdicht daran anschließenden Wellschlauch (4) ausgebildet ist.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Hubelement (21) als Metallfaltenbalg (22) ausgebildet ist.

4. Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für deren Einsatz in einem Kryomagneten (42) oder Kryostaten hoher Masse (M) das Arbeitsmedium (6; 24) bei tiefen Temperaturen (T) verflüssigbar ist.

5. Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass drei identische, einzeln ansteuerbare Positioniereinheiten (44, 45, 46) auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks an einem als Kipptisch (41) ausgeführten Probentisch angeordnet sind.

6. Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier identische Positioniereinheiten (1; 20; 44, 45, 46) im Quadrat unter einem als Kipptisch (41) ausgeführten Probentisch angeordnet sind und jeweils die beiden diagonal gegenüberliegenden Positioniereinheiten (1; 20; 44, 45, 46) antiparallel bewegbar sind.