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Verfahren zur Temperaturmessung an Ultrazentrifugen Der mit der Erfindung
verfolgte Zweck ist die Temperaturmessung in sehr schnell konstant rotierenden Körpern,
vorzugsweise in Rotoren von analytischen Ultrazentrifugen, bei denen am Meßort ein
startes Zentrifugalfeld wirkt und bei denen aus diesem oder anderen Gründen eine
direkte oder indirekte mechanische oder elektrische Verbindung mit einer Meßapparatur
unmöglich ist und wo die Temperatur durch Strahlung nicht hinreichend genau gemessen
werden kann.
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Die Temperaturmessung in schnell rotierenden Körpern ist gegenwärtig
bei Rotoren von analytischen Ultrazentrifugen von besonderer Bedeutung, da die Temperatur
in der Sedimentationszelle von direktem Einfluß auf den Sedimentationsvorgang und
somit entscheidend für die Auswertung der Messung ist. Ein direktes Meßverfahren
für die Temperatur am Ort der Sedimentationszelle gibt es noch nicht. Die Temperatur
wird vielmehr an entfernten Stellen, z. B. an den Lagerzapfen und außerhalb des
Rotors, gemessen. Mit Hilfe eines aufrechterhaltenen Temperaturgleichgewichts im
aus Rotor, ihn umgebender Atmosphäre und abschließenden Gehäuse bestehenden System
wird die Temperatur der Sedimentationszelle auf Grund der Messungen abgeschätzt.
Die einzige mit dem Rotor verbundene Temperaturmeßstelle befindet sich, wie erwähnt,
nach Fig. I am Zapfen I des nach dem
Vorbild von Sv e d berg gebauten
Rotors 2, der bei 3 und 4 Bohrungen zur Aufnahme der Sedimentations- bzw. Balancezelle
hat. Am Zapfen 1 wird dabei eine thermomagnetisch arbeitende Meßeinrichtung magnetisch
angekoppelt. Ihre Meßwerte werden indessen durch ein in unmittelbarer Nähe der Meßeinrichtung
befindliches, Reibungswärme erzeugendes Dämpfungslager verfälscht. Ferner ist der
Zusammenhang zwischen der am Zapfen I gemessenen und der tatsächlichen Temperatur
der in der Bohrung 3 bzw. 4 befindlichen Sedimentationszelle unbekannt. Daher ist
bei der Bestimmung der Sedimentationskonstaaiten der größte Ungenauigkeitsfaktor
zur Zeit die Ermittlung der genauen Temperatur in der Sedimentationszelle und ein
Verfahren zur direkten Messung derselben von großem Interesse.
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Die Aufgabe besteht darin, eine geeignete Substanz mit der Sedimentationszelle
- oder unter Ausnutzung der Symmetrieverhältnisse mit einer entsprechenden anderen
Stelle des rotierenden Körpers - in Wärmekontakt zu bringen und ihre temperaturabhängige
physikalische Eigenschaft in geeigneter Weise der außerhalb gelegenen Beobachtungsstelle
zugänglich zu machen. Als temperaturabhängige Eigenschaft hat sich der Brechungsindex
von Substanzen geeigneter Dichte, vorzugsweise von Flüssigkeiten und Festkörpern,
erwiesen und dementsprechend das Licht als Verbindung von Meß- und Beobachtungsstelle.
Die Verbindung ist, da der Körper rotiert, eine stroboskopische. Die Meßsubstanz
ist infolge der Rotation einem starken Zentrifugalfeld an der Meßstelle ausgesetzt.
Dadurch entsteht in ihr eine starke Druckschichtung und dementsprechend, da der
Brechungsindex außer von der Temperatur noch vom Druck abhängig ist, ein Brechungsgefälle.
Da aber die Drehfrequenz des Rotors als konstant vorausgesetzt ist - und eine Konstanz
von 10/ovo wird zur Zeit ohne weiteres erreicht -, bleibt das Druckgefälle konstant,
und es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Brechungsindex und Temperatur
von Schichten gleichen Druckes der Meßsubstanz. Um symmetrische Verhältnisse zu
bekommen, bringt man die Meßsubstanz in analoger Weise wie das zu zentrifugierende
Präparat unter, z. B. in einer Kammer mit dem Querschnitt 6 (Fig. 2) und einer Längsausdehnung
parallel zur Drehachse 5 des Rotors 2. An der Stelle 6a herrscht der UberdruckO,
an der Stelle der volle Wert desselben. Zur Bestimmung des Brechungsindex haben
sich interferometrische Verfahren als besonders geeignet erwiesen.
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Das Interferometerprinzip besteht darin, daß zwei kohärente Lichtbündel
7 und 8 (Fig. 3) je eine mit Substanz gefüllte Kammer 9 und I0 durchsetzen und anschließend
miteinander interferieren.
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Das Interferenzbild wird dabei durch den Gangunterschied d - beeinflußt,
den die Bündel 7 und 8 beim Passieren der Kammern erfahren. Es gilt: d = Ito 9 19
49 = = Länge der Kammer Io 19 = Länge der Kammer g fllO = Brechungsindex der in
der KammerIo befindlichen Substanz nlo = Brechungsindex der in der Kammer g befindlichen
Substanz Zur Messung der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex einer Substanz
bringt man diese, in eine 4er Kammern g oder 10 gefüllt, auf die gewünschte Temperatur,
während man die mit der gleichen Substanz gefüllte andere Kammer auf einer festen
Bezugstemperatur hält. Die beiden Kammern können dabei räumlich nach Maßgabe der
verwendeten Interferenzapparatur getrennt sein. Dementsprechend bringt man zur Temperaturmessung
die eine Kammer in Wärmekontakt mit dem Objekt und hält die andere außerhalb derselben
auf einer Vergleichstemperatur. Ein Zahlenbeispiel für passende Werte ist: Kammerlänge
. . . 19 = 110 = IOrnm Substanz ....... Alkohol, Brechungsindex n = I,36I (200 C)
k=7 dn dt = =4-Io-4(°C-l) Hierbei ist k die Anderung des Gangunterschiedes in Einheiten
der Lichtwellenlänge (NaD = 589 m) pro Grad Temperaturänderung. Die Empfindlichkeit
ist also sehr groß. Daher kann die Meßzelle auch als Differenzzelle ausgebildet
werden, indem die Kammern g und 10 mit verschiedenen Substanzen von verschieden
stark temperaturabhängigem Brechungsindex gefüllt und, was optisch vorteilhaft ist,
in einer Doppelzelle zusammengefaßt werden (Fig. 4). Eine Anderung der Temperatur
der Zelle als Ganzen bewirkt auch hier in Differenzwirkung der Kammern 9 und 10
eine Änderung des Gangunterschiedes der interferierenden Bündel 7 und 8.
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Bei den betrachteten Fällen überlagert sich dem temperaturabhängigen
Gangunterschied noch ein statischer, der von der Verschiedenheit der Kammern oder
der Fülisubstanzen herrührt. Im allgemeinen ist es nötig, durch Einschaltung eines
Kompensators in einen der Strahlengänge 7 und 8, diesen Gangunterschied auszugleichen.
Die Kompensationswirkung kann in bekannter Weise variiert und somit noch in meßbarer
Weise auf den temperaturabhängigen Anteil des Gangunterschiedes ausgedehnt werden.
Dadurch kann z. B. die temperaturbedingte Verschiebung des Interferenzstreifensystems
rückgängig gemacht und der Kompensator direkt in Temperaturgraden geeicht werden.
Unter weiterem Verzicht auf Empfindlichkeit können die verschiedenen Substanzen
in der eben erwähnten Differenzzelle so ausgewählt werden, daß sich ihre B rechungsfndex-Temperatur-Diagramme
bei
einer bestimmten Bezugstemperatur, z. B. zo0 C, schneiden. Dadurch entfällt die
Kompensation des statischen Anteils des Gangunterschiedes.
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Die Varianten der Meßanordnung nach Fig. 3 sind indessen nicht auf
durchgehendes Licht beschränkt. Das Licht kann hinter den Zellen reflektiert und
zum zweiten Male durch diese geschickt werden. Als Interferenzverfahren werden die
mit Amplitudenaufspaltung arbeitenden von Kamin, Mach-Zehnder und Michlelson genannt
sowie das mit Aperturspaltung arbeitende Rayleighsche Doppelspaltinterferometer.
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Wird nun die Meßzelle im Rotor untergebracht, z. B. als Teil der
Sedimentationszelle oder der symmetrisch gegenüberliegenden Balancezelle, so entsteht
in der Füllung derselben das erwähnte Brechungsgefälle. Infolgedessen lassen sich
die erwähnten und schon lange bekannten Interferenzverfahren nicht in ihrer üblichen
Form anwenden, da sie die räumliche Konstanz des Brechungsindex voraussetzen. Die
Interferenzstreifen werden durch das Brechungsgefälle völlig veraschen oder verschwinden
ganz. Auch bei spezieller Bündelführung durch Schichten von gleichem Brechungsindex
sind die Interferenzverfahren wegen der hierbei bestehenden großen Justierempfindlichkeit
bezüglich Objekt und optischem System praktisch unbraucbar.
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Die Erfindung bezieht sich nun darauf, die als »Schlierenverfahren«
ebenfalls für alle genannten Interferometertypen seit langem bekannte Zuordnung
von Objektstelle und zugehörigem Brechungsindex auf das vorliegende Problem der
Temperaturmessung anzuwenden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß sich in der
Meßsubstanz ein nicht durch die Temperatur, sondern durch andere bekannte Einflüsse
erzeugtes Brechungsgefälle befindet. Erfindungsgemäß wird deshalb der temperatur-und
druckabhängige Brechungsindex einer Substanz innerhalb des Rotors mit dem einer
anderen Substanz verglichen. Die Zuordnung verhütet das obengenannte Verschwinden
der Interferenzstreifen und bewirkt eine entsprechende Verformung derselben auf
Grund des Anteils des Brechungsgefälles am Gangunterschied der interferierenden
Bündel.
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Fig. 5 zeigt in einem Beispiel schematisch die Wirkung eines durch
Druck erzeugten eindimensionales Brechungsgefälle auf die sonst exakt gerade verlaufenden
Streifen nach Fig. 6. Zu jedem Druck kann die temperaturbedingte Wanderung des Streifensystems
ermittelt werden. Das Schema der Fig. 5 gilt auch für die Temperaturmeßzelle im
Rotor.
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Dem Druck 0 entspricht die Stelle 6a (Fig. 2), dem Druck I0 die Stelle
6b der Zelle. Praktisch fällt die Krümmung der Streifen oft nicht ins Gewicht.
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Vorzugsweise wird die Streifenverschiebung beim DruclO abgelesen,
da sie sich so direkt auf die bekannte Normalbedingung des Überdrucks O im Laboratorium
zurückführen läßt.
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Die Zuordnung, wie bemerkt das wesentliche Kennzeichen eines »Schlierenverfahrens«,
geschieht allgemein durch gleichzeitige Abbildung des Objektes mit der Interferenzerscheinung.
Das Objekt ist hier die Meßzelle im Rotor. Da das Brechungsgefälle in dieser als
eindimensional, als radial verlaufend angesehen werden kann, so genügt grundsätzlich
auch eine eindimensionale Zuordnung.
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Außer den Interferometern von Jamin, Mach-Zehnder und Michelson, die
eine zweidimensionale Zuordnung gestatten, kommt daher auch das Rayleigh-Interferometer
in Frage, das nur eine eindimensionale Zuordnung gestattet.
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Hinsichtlich der Anwendung des Verfahrens bei Ultrazentrifugen wird
beim Arbeiten mit reflektiertem Licht die Beobachtung, des Vorganges in der Sedimentationszelle,
die ihrerseits stroboskopisch im durchgehenden Licht mit einer der Beobachtung dienenden
Schlierenoptik (z. B. nach Toep.ler) verbunden ist, nicht gestört. Beim Arbeiten
mit durchgehendem Licht indessen muß eines der beiden optischen Systeme mit gesteuertem
Wechsellicht betrieben werden. Diese Einrichtung ist bereits bei der Verwendung
von »Mehrfach-Zellenrotoren«. üblich und in diesem Zusammen hang keine Extrabedingung.
Verwendet man für die Beobachtung der Sedimentation kein auf Lichtablenkung (Toepler)
beruhendes, dx messendes Schlierenverfahren, sondern ein »(x) messendes Interferenzschlierenverfahren,
so kann man dieses mit der Temperaturmessung direkt verbinden,-indem man die Sedimentationszelle,
die in diesem Falle ebenfalls als Doppelzelle ausgebildet ist, in eine Temperaturmeßzelle
und eine eigentliche Sedimentationszelle unterteilt (Fig. 7). 11a und 1 1b sind
dabei die Kammern zur Temperaturmessung, 12a z. B. die Kammer für die zu zentrifugierende
Probe, I2b die Kammer für die erforderliche Vergleichssubstanz. Infolge der Zuordnung
erscheint das Interferenzfeld entsprechend in eine obere und eine untere Hälfte
geteilt. Im oberen Bild, das, da es nur auf die Feststellung von Streifenverschiebungen
ankommt, sehr niedrig gehalten werden kann, ist ein Maß für die Temperatur vorhanden,
im unteren Bild ist das zum Sedimentationsvorgang gehörige Interferenzbild. Beide
Systeme lassen sich auf diese Weise zusammen photographieren, so daß zu jeder Aufnahme
des Sedimentationsvorganges ein Temperaturmaß vorhanden ist. Objektive Interferenzerscheinungen,
d. h. solche mit Maximum-Minimum-Struktur, sind nur mit monochromatischem Licht
zu erhalten, so daß zur Markierung der Oten Ordnung besondere Maßnahmen getroffen
werden müssen. Im Falle der Temperaturmessung innerhalb kleiner Bereiche kann dies
umgangen werden, indem die Streifen durch optische Mittel so weit auseinandergezogen
werden, daß ihr Abstand größer wird als die Verschiebung, die der maximalen Temperaturänderung
entspricht. Fig. 8 zeigt ein schematisches Beispiel für ein unterteiltes Gesichtsfeld.
Die Strecken A-B und B-C entsprechen denen der Fig. 8. Im GebietA-B ist das zur
Temperaturmessung gehörige Streifensystem, im Gebiet B-C das zu einem Sedimentationsvorgang
gehörige, mit einer Brechungsgrenzschicht um D.
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Das Temperaturmeßsystem kann auch subjektiv beobachtet werden, wobei
sich Glühlicht, weniger ein monochromatisches Gemisch, als besonders vorteilhaft
zur Ermittlung der Oten Ordnung erweist, da diese farblos ist. Da der zur Sedimentation
gehörige optische Teil mit monochromatischem Licht arbeitet, so kann derart verfahren
werden, daß als Lichtquelle zwar gemischt monochromatisches oder Glühlicht genommen
wird, das den Teil B-C der Zelle durchsetzende Licht indessen durch ein Filter geleitet
wird.
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Fig. g zeigt das Schema einer mit reflektiertem Licht arbeitenden
Vorrichtung, eine Variante des Michelson-Interferometers. Die Temperaturmeß -zelle
Z als Differenzzelle \ ist hierbei symmetrisch zur Sedimentationszelle gelagert
und arbeitet von dieser getrennt. F1 und F2 sind Fenster, welche die mit Meßsubstanz
gefüllten Kammern 9 und 10 abschließen. F2 trägt einen Spiegelbelag Sp. P ist eine
planparallele Glasplatte, die das einfallende Bündel E in die kohärenten Bündel
7 und 8 aufteilt, die nach (durch die Reflexion am Spiegels bedingten) zweimaligem
Durchgang durch die Kammern g und 10 zum austretenden Bündel G überlagert werden
und so zur Interferenz kommen.
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Ebenfalls getrennt oder, wie in Fig. 7 und 8 gezeigt, mit der eigentlichen
Sedimentationszelle verbunden, mit ihrem oder zusätzlichen Licht betrieben usw.,
arbeitet die Doppelzelle in Verbindung mit dem Rayleigh-Interferometer. Dies sei
wegen seiner Bedeutung als Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
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Das Prinzip des Rayleigh-Interferometers zeigt Fig. 10. Die Lichtquelle
13 beleuchtet den Eingangsspalt 14 in der Brennebene der Linse 15. Die zwischen
der Linse 15 und der Linse I7 verlaufenden. parallelen kohärenten Bündel beleuchten
den Doppelspalt I6 und erzeugen in der Brennebene I8 der Linse 17 ein Beugungsbild
des Spaltes 14. Innerhalb desselben befindet sich das eigentliche, durch den Doppelspalt
I6 erzeugte Interferenzbild, das bei -Verwendung von monochromatischem Licht aus
feinen schwarzen, der Spaltlänge parallelen Streifen auf hellem Grund besteht. Das
Interferenzbild in I8 wird durch eine Zylinderlinse 19 mit zur Spaltlänge paralleler
Achse in der Ebene 21 abgebildet, in der sie endgültig beobachtet oder photographiert
wird. Diese Abbildung geschieht nur in zur Zylinderachse senkrechter, hier also
horizontaler Richtung. Für diese wirkt die Zylinderlinse 20 mit horizontaler Achse
nur wie eine planparallele Platte. Diese Linse 20 bildet nun zusammen mit der Linse
I7 die Vertikalkoordinate einer zur optischen Achse 23 senkrechten Ebene der vor
der LinseI7 befindlichen DoppelzelleZ in der Ebene 21 ab. Bei dieser Abbildung wiederum
wirkt die Linse 19 wie ein Fenster. Somit besteht eine gleichzeitige Abbildung der
Interferenzerscheinung und der Vertikalkoordinate des Objekts, hier der Doppelzelle
Z, und damit eine Zuordnung, wie sie bereits besprochen wurde. Diese astigmatische
Abbildung ist in ihrer Wirkung als Schlierendarstellung bereits I896 von Rayleigh
erkannt und beschrieben worden. Unregelmäßigkeiten des Brechungsindex der Substanz
in einer der beiden Kammern in vertikaler Richtung bewirkt eine Verformung der Interferenzstreifen
an entsprechend zugeordneter Stelle, wie es in Fig. 5 und 6 angedeutet ist.
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Die Orientierung der Spalte erfolgt in radialer Richtung, wenn die
Doppelzelle Z wie beschrieben als Temperaturmeßzelle in deh Rotor eingesetzt ist.
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Die Platten 22 sind eine bekannte Ausführungsform des erwähnten Kompensators.
Der zusätzliche Gangunterschied wird durch Kippung der Platten gegeneinander erzeugt.
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Unter Verzicht auf die Zuordnung kann die hinter der Ebene I8 befindliche
Anordnung durch ein einfaches sphärisches Okular oder Kameraobjektiv ersetzt werden,
womit die Interferenzerscheinung in der Ebene I8 direkt auf die Netzhaut des Auges
oder die photographische Platte abgebildet wird.
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Zur Umgehung des Brechungsgefälles in Richtung der Längsausdehnung
des Doppelspaltes muß die Anordnung dabei so justiert werden, daß die Spalte zur
Radialrichtung senkrecht stehen. Dies gilt auch für die Meßzelle. Jetzt macht sich
der Druckgradient jedoch durch große Justierempfindlichkeit bemerkbar, die die praktische
Anwendung des Verfahrens unmöglich macht. An dieser Stelle ist nochmals die Grundidee
der Erfindung zu ersehen, welche die durch den Druckgradienten auftretenden Schwierigkeiten,
die die normalen Interferenzmethoden nicht zur Geltung kommen lassen, durch gleichzeitiges
Miterfassen des durch den Druck erzeugten Brechungsgefälles löst.
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Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, die Temperatur in der
Sedimentationszelle von Ultrazentrifugen während des Betriebes genau zu messen.
Das Verfahren ist aber nicht auf Ultrazentrifugen beschränkt. Es kann überall da
verwendet werden, wo eine Verbindung von Objekt und Meßort nur optisch möglich ist
und wo das Bestehen starker mechanischer Spannungen im Meßkörper die Anwendung herkömmlicher
Verfahren unmöglich macht.