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Temperaturaufsatz für Zählrohrgoniometer Die Erfindung befaßt sich
mit einem Temperaturaufsatz für Zählrohrgoniometer für röntgenografische Kristallstrukturuntersuchung.
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Es ist bereits hekannt, röntgenografische Kristallstrukturuntersuchungen
bei hohen und niedrigen Temperaturen mittels eines Zählrohrgoniometers auszuführen.
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Durch die Erfindung wird ein gegenüber den bekannten Einrichtungen
besonders geeignetes Temperaturaufsatzgerät vorgeschlagen, das sich in der Praxis
hervorragend bewährt hat und die nachfolgend aufgeführten Vorteile bietet.
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Gegenstand der Erfindung ist einTemperaturaufsatz fürZählrohrgoniometer
für röntgenografische Kristallstrukturuntersuchung, wobei das Neue darin gesehen
wird, daß derselbe aus zwei in der Ebene des einfallenden Röntgenstrahles lösbar
miteinander verbundenen Heizkammerhälften besteht, wovon eine jede eine in einem
Isolationskörper auf der Oberfläche einer Halbkugel angeordnete Heizwicklung enthält,
so daß ein Hohlkugelraum entsteht, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Probe
zusammenfällt, und daß ein mit einer Berylliumfolie verschlossener Spalt für den
Eintritt des Röntgenstrahles in demselben angeordnet ist.
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Durch die Erfindung werden insbesondere folgende Vorzüge erzielbar:
1. Das hohe Auflösungsvermögen der Fokussierungsanordnung nach Bragg-Brentano kann
jetzt auch bei Hoch- und Tieftemperatur-Aufnahmen ausgenützt werden. Auch die Bestimmung
der Intensität der Interferenzen ist nunmehr frei von bisher auftretenden Ungenauigkeiten.
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2. Während der Untersuchung können die Proben auf unter - 500 C gekühlt
bzw. auf etwa 14000 C erhitzt werden.Wegen der hohenAufheizgeschwindigkeit des Hochtemperaturaufsatzes
und der selbsttätigen Programmsteuerung, die auf die Umlaufgeschwindigkeit des Zählrohres
nach Belieben abgestimmt werden kann, ist es nunmehr möglich, thermische Phasenumwandlungen
unter beliebigen Temperatur/Zeit-Bedingungen kontinuierlich röntgenografisch zu
verfolgen.
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In der Zeichnung sind zweckmäßige Ausführungsbeispiele von Aufsätzen
von Zählrohrgoniometern zur Ausführung des Verfahrens dargestellt. Eine Gruppe der
Zeichnung zeigt eine Aufheizeinrichtung und die andere Gruppe eine Tiefkühleinrichtung.
Aus der Beschreibung und den Zeichnungen sind weitere Merkmale der Erfindung ersichtlich.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Hochtemperatureinrichtung im Schnitt, Fig.
2 dieselbe in der Aufsicht, Fig. 3 dieselbe in Vorderansicht,
Fig. 4 bis 7 einzelne
Teile dieses Aufsatzes, Fig. 8 das Schaltschema, Fig. 9 einen Tieftemperaturaufsatz.
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Aus der Konstruktion des Zählrohrgoniometers und dem angestrebten
Verwendungszweck ergeben sich folgende Bedingungen für den Aufbau des Gerätes: 1.
Offene Bauweise, damit entsprechend der Bragg-Brentanoschen Fokussierungsbedingung
Primärstrahl und abgebeugte Interferenzen auf einem Kreissegment von 1800 ungehindert
ein- und austreten können.
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2. Zimmertemperatur derAußenwände des Aufsatzes, um schädliche Erwärmung
des Goniometers zu vermeiden.
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3. Hohe Aufheizungsgeschwindigkeit.
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4. Gute Temperaturkonstanz.
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5. Exakte Probenhalterung und einfache Justiermöglichkeit, zwecks
genauer Einhaltung der Fokussierungsbedingungen.
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6. Automatische Arbeitsweise bei größter Betriebssicherheit.
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7. Ausreichender Strahlenschutz.
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Der Hochtemperaturaufsatz besteht aus dem Kühlmantel, dem Isolationskörper,
der Heizwicklung, dem Probenhalter mit Justiervorrichtung und der Regel-und Meßeinrichtung.
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Der Kühlmantel 1 (Fig. 1, 2, 3) besteht aus zwei doppelwandigen,
einseitig offenen Aluminiumzylindern, an denen außen die Schlauchanschlüsse2 für
die
Kühlwasserzufuhr angebracht sind. Der untere Zylinder enthält
am Boden eine zentrische Bohrung3, die die Goniometerwelle aufnimmt. Außerdem enthalten
die Seitenwände der Zylinder je zwei gegen den Kühlraum durchRohre abgeschlossene
Bohrungen 4, die die Stromzuführungen aufnehmen.
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Auf die offenen Seiten der Zylinder wird eine Überwurfmutter 5 aufgeschraubt,
die außen einen Stahlbolzen 6 bzw. eine entsprechende Bohrung trägt, durch welche
mittels einer Klemmschraube 7 die mechanische Verbindung der beiden Zylinder herheigeführt
wird. Außerdem dienen die Überwurfmuttern zur Befestigung der beiden Hälften des
Isolationskörpers 8.
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Der Isolationskörper besteht aus zwei einseitig offenen Zylindern
aus feuerfestem Werkstoff. In den unteren Zylindern ist axial mit der Goniometerwelle
die zvlindrische Führung9 des Probenhalters angebracht. Unterer Isolationszylinder
und Probehalterfiihrung sind aus einem Stück gedreht, z. B. aus einer preßkeramischen,
bearbeitbaren Masse. Der Mantel des oberen Isolationszylinders ist an der offenen
Seite auf einem Kreisbogen von 1850 so weit gekürzt, daß zwischen den beiden Zylindern
beim Aufeinandersetzell ein entsprechend hoher Spalt für den Eintritt des Röntgenstrallles
freibleibt.
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Zwei scher Kiihlkammer und Isolationskörper befin-(legt sich ein
freier RaumlO, der mit einem pulverförmigen Isolationsmaterial gefüllt ist, z. B.
mit NlgO oder ähnlichem.
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In den Isolationskörpern ist die Heizwicklung 11 angebracht. Die
Heizwicklung ist so ausgehildet, daß sie einer Kugelscllale entspricht, deren Mittelpunkt
mit dem LIittelpunkt der Probe zusammenfällt. Durch diese Anordnung der Wicklung
wird trotz der offenen Bauweise des Aufsatzes eine hohe Probentemperatur infolge
Konzentration der Wärmestrahlung auf den Probenmittelpunkt erreicht. Die Wicklung
ist in einen feinliörnigen Pyrozement von entsprechender Temperaturbeständigkeit
eingebettet. Bis zu einer Maximaltemperatur von 12500 C kann als Wicklungsmaterial
ein Widerstandsdraht bekannter Zusammensetzung verwendet werden, bis 14000 C Platin
oder Rhodium.
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Die im oberen l>zw. unteren Isolationszylinder angebrachten Hälften
der Heizwicklung werden von je zwei Anschlüssen 12 mit der erforderlichen Niederspannung
gespeist; sie sind in Serie geschaltet. Die Anschlüsse wurden als zweiteilige, mit
Gewinde versehene Bolzen 12a ausgeführt, an die auf der Innenseite des Aufsatzes
die Heizwicklung angeschweißt wird. Die beiden Teile der Anschlußbolzen besitzen
je eine Anschlagfläche 12b, durch welche nach Zusammenschrauben die aus Speckstein
bestehenden Isolatoren 13 mechanisch befestigt werden. Der aus dem Kühlmantel nach
außen ragende Teil der Anschlußbolzen besitzt ein Gewinde zum Anschrauben der Kabelanschlüsse.
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In die Bohrung der im unteren Teil des Isolationskörpers befindlichen
zylindrischen Führung 9 wird der Probenhalter 14 eingesetzt. Der Probenhalter besteht
aus einer Bodenplatte 14a mit Nut und zylindrischem Ansatz, dem in der Nut senkrecht
zum Primärstrahl beweglichen Schlitten 14b, in welchen die tablettenförmige Probe
eingesetzt wird, und der Führungsspindel 14c, die auf der Überwurfmutter 5 gelagert
ist. Die gesamte Probenhalterung ist aus Nickel ausgeführt. Die Führungsspindel
14c tritt durch eine im Isolationskörper angebrachte Bohrung in den Ofenraum ein.
Durch diese Bohrung wird ebenfalls das Schutzrohr für die beiden Thermoelemente
15 einge-
führt. Je ein Thermoelement dient zur Temperaturregelung bzw. Temperaturregistrierung.
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In die Zberwurfmuttern sind Nuten eingedreht, in welche eine Berylliumfolie
16 eingesetzt wird. Die für Röntgenstrahlung praktisch völlig durchlässige Berylliumfolie
verschließt den offenen Spalt zwischen den Isolationskörpern. Sie dient zur Abschirmung
des Zählrohres gegen schädliche Wärmestrahlung und zur Unterbindung von Konvektionsströmungen
im Ofenraum.
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Die Schalt- und Regeleinrichtung besteht aus dem Niederspannungstransformator
17, der stufenlos regelbar ist, dem Programmregler 18, dem Temperatschreiber 19,
einem System variabler VorwiderständiF 20, dem Wasserdruckschalter 21 und dem Amperemeter
22.
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Die zum Betrieb des Hochtemperaturaufsatzes erforderliche Niederspannung
wird durch einen stufenlos regelbaren Niederspannungstransformator erzeugt.
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Der Niederspamlungstrafo wird primärseitig durch einen Programmreglerl8
geschaltet. Die für die gewünschten Temperaturstufen erforderliche Stromstärke wird
entweder von Zeit zu Zeit von Hand am Trafo 17 eingestellt oder aber, beim automatischen
Betrieb, mittels eines Synchronmotors und eines Programmgetriebes, die auf die Welle
des Regeltrafos wirken, entsprechend dem erforderlichen Temperatur-Zeit-Programm
selbsttätig verändert. Zur Verringerung der beim Ein- und Ausschalten des Programmreglers
auftretenden Temperaturschwankungen wurde der Schalter des Reglers durch variable
Vorwiderstände 20 überbrückt. Für Handbetätigung können Serie geschaltete Festwiderstände
verwendet werden. die je nach der Stärke des Heizstromes variiert werden können,
so daß beim Öffnen des Regelkontaktes ein den jeweiligen Temperaturverhältnissen
angepaßter Mindeststrom weiterfließt.
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Für automatischen Betrieb wird ein Drehwiderstand verwendet, der
durch ein Programmgetriebe entsprechend dem jeweiligen Aufheizprogramm variiert
wird. Ein Überbrückungsschalter 23 dient zur Kontrolle des Gesamtstromes bei geöffnetem
Regelkontakt bzw. zur Aufheizung unabhängig vom Programmregler.
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Die Thermoelemente 15 sind so angebracht, daß sie die Probentablette
berühren oder in eie Bohrung in derselben eingedrückt werden kön~Ein Thermoelement
ist an den Programmregler angeschlossen. das zweite an einen Temperaturschreiberl9.
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In die Kühlwasserabflußleitung ist ein Wasserdruckschalter 21 eingebaut,
der beim Versagen der Wasserzufuhr die gesamte Anlage automatisch abschaltet.
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Ein Amperemeter22 im Primärkreis mißt den aufgenommenen Gesamtstrom.
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Zur röntgenografischen Untersuchung flüssiger Stoffe mit dem Zählrohrgoniometer
dient die nachstehend beschriebene Anordnung eines Tieftemperaturaufsatzes (Fig.
9).
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Der die Heizwicklung tragende Isolationskörper 8 des Hochtemperaturaufsatzes
wird nach Lösen der Überwurfmuttern 5 und der Stromzuführungen 12 herausgenommen.
An seine Stelle wird die Kühlkammehr 24 gesetzt, die wie folgt gebaut ist.
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Die Kühlkammer setzt sich aus zwei zylindrischen Ilohlkörpern zusammen.
Der untere der beiden Hohlkörper ist auf einem Kreisbogen von 1900 so gekürzt, daß
zwischen den beiden aufeinanderstehenden Teilen der Kühlkammer der Primärstrahl
und die abgebeugten Interferenzen auf einem Halbkreis ungehindert
ein-
bzw. austreten können. Die beiden Teile der Kühlkammer besitzen am Boden je eine
Spiralfeder 25, die gegen den oberen und unteren Boden des Kühlmantels 1 drückt.
Durch die Spiralfedern und seitlich angebrachte Ringe aus Kunststoff26, in welche
die Überwurfmuttern 5 eingreifen, wird die Kühlkammer befestigt.
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Im Inneren der beiden Teile der Kühlkammer sind, zwecks Vermeidung
von Wärmestauungen und Zirkulationsstörungen der Kühlflüssigkeit, spiralförmig von
innen nach außen gewundene Lamellen 27 angebracht.
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Die Kühlmittelzufuhr erfolgt durch die Rohre28, die so angesetzt sind,
daß durch die Bohrungen im äußeren Kühlmantel 4, die bei dem Hochtemperaturaufsatz
für die Stromzuführungen vorgesehen sind, die Schlauchanschlußstücke des Kühlmittelbehälters
eingeführt und angeschraubt werden können.
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Im oberen und unteren Teil der Kühlkammer sind rechteckige Ausnehmungen
angebracht, in welche der Probenhalter 28 eingesetzt wird, und zwar so, daß die
Vorderfläche des Probenhalters mit der Goniometerachse zusammenfällt. Der Probenhalter
wird im unteren Teil der Kühlkammer durch seitliche Klemmfedern oder eine Schwalbenschwanzführung
an der Rückseite befestigt. Der Probenhalter besteht aus einem quaderförmigen Leichtmetallblock,
der eine rechteckige Vertiefung trägt, in welche die flüssige Probe eingegossen
wird. Der Probenhalter wird bis zum Erstarren der Flüssigkeit in Trockeneis gekühlt,
in das Unterteil der Kühlkammer eingesetzt und dann das Oberteil aufgesetzt. Der
zwischen dem oberen und unteren Teil des Tieftemperaturaufsatzes für die ein-bzw.
austretende Röntgenstrahlung vorgesehene Spalt wird auf einem Kreissegment von 1900
durch zwei Berylliumfolien 29 verschlossen. Der hinter dem unteren Teil der Kühlkammer
bis zum äußeren Kühlmantel freibleibende Spalt, der einem Kreissegment von 1700
entspricht, wird mit einer Isolationsplatte 30 aus Schaumkunststoff ausgefüllt.
Diese Isolationsplatte und der untere Teil der Kühlkammer besitzen eine Bohrung,
durch die das Kontrollthermometer 31 eingeführt wird.
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Der freie Raum 32 zwischen Kühlkammer 24 und äußerem Kühlmantel 1
wird mit einer geeigneten Isolierfüllung (Korkmehl usw.) versehen.
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Zur Erzeugung tiefer Temperaturen werden die innere Kühlkammer 24
und der äußere Kühlmantel 1 mit tiefgekühltem Alkohol, Methanol oder Äther durchspült.
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Der Kühlmittelumlauf wird durch einen handelsüblichen Thermostaten
bewerkstelligt, dem ein mit Trockeneis gefüllter Kältespeicher vorgeschaltet ist.
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Mit Thermostaten handelsüblicher Bauart können auf diese Weise Temperaturen
bis zu 600 C erreicht werden.
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Zur Vermeidung von Eisbelag auf der Probe und den Wandungen des Tieftemperaturaufsatzes
wird das Goniometer mit einer Haube aus Kunststoff, die auf entsprechend geformten
Bügeln ruht, überdeckt und mit leichtem Druck trockener Stickstoff eingeblasen.
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PATENTANSPRtJCHE 1. Temperaturaufsatz für Zählrohrgoniometer für
röntgenografischeKristallstrukturuntersuchung, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe
aus zwei in der Ebene des einfallenden Röntgenstrahles lösbar miteinander verbundenen
Heizkammerhälften be-
steht, wovon eine jede eine in einem Isolationskörper auf der
Oberfläche einer Halbkugel angeordnete Heizwicklung enthält, so daß ein Hohlkugelraum
entsteht, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Probe zusammenfällt, und daß
ein mit einer Berylliumfolie verschlossener Spalt für den Eintritt des Röntgenstrahles
in demselben angeordnet ist.