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Eine derartige Vorrichtung ist dem
Erfinder bekannt. Bei der bekannten Lösung erfolgt eine Rotation
des Probekörpers,
bei der dieser auch translatorisch bewegt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Rotation einer Probe so zu realisieren, dass diese möglichst
ohne translatorische Bewegung erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch
1 gelöst,
wonach die Probe an einer Probenhalterung im Schnittpunkt der Mittelachsen
zweier um ihre Mittelachsen drehbarer, zylinderförmiger Teile der Probenhalterung
befestigbar ist, wobei die Zylinder unterschiedliche Radien aufweisen
und wobei deren Mittelachsen nicht parallel zueinander in einer
Ebene verlaufen.
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Dadurch kann erreicht werden, dass
eine Rotation der Probe ermöglicht
wird, bei der die Probe unabhängig
voneinander um zwei in einer Ebene liegende Achsen drehbar ist.
Unabhängig
voneinander bedeutet dabei, dass bei der Rotation um eine Achse die
Probe hinsichtlich der Rotation um die andere Achse unbeeinflusst
bleibt. Weiterhin wird bei dieser Rotation die Probe nicht translatorisch
bewegt.
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Durch die unterschiedlichen Radien
lassen sich die beiden zylinderförmigen
Teile in Richtung der z-Achse "übereinander" anordnen, wobei
ein Drehzentrum als Schnittpunkt der beiden Achsen der Zylinder
realisierbar, wobei weiterhin das Drehzentrum translatorisch unbewegt
bleibt.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 2 stehen die Mittelachsen senkrecht aufeinander.
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Damit entspricht die Anordnung der
Achsen, um die die Probe drehbar ist, einem karthesischen Koordinatensystem.
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Entsprechend der allgemeineren Formulierung
nach Anspruch 1 ist allerdings auch eine andere Anordnung der Achsen
zueinander möglich.
Damit können
beispielsweise spezielle Probenhalterungen vorgesehen werden zur
Untersuchung spezieller Gitterformen in der Festkörperphysik
sowie der physikalischen Chemie.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 3 sind die zylinderförmigen Teile zumindest Segmente
der Zylinder, wobei die zylinderförmigen Teile drehbar sind,
indem die Zylindermantelflächen entlang
eines passgenauen Gegenlagers bewegbar sind durch eine Drehung um
die Mittelachse des Zylinders.
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Es ergibt sich dabei die Möglichkeit
einer bestimmten Verdrehung um die Achsen, die von der Größe der Segmente
abhängt.
Vorteilhaft zeigt sich dabei, dass keine vollen Zylinder gelagert
werden müssen
sondern lediglich die Zylindersegmente.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 4 werden die zylinderförmigen Teile federelastisch
in einer definierten Winkelstellung gehalten, wobei die Winkelstellung
eindeutig durch die Position des Antriebs definiert ist.
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Durch eine Verstellung in Folge einer
Krafteinwirkung gegen die federelastische Haltekraft kann somit
eine stabile Positionierung der Probe erfolgen. Die jeweilige Winkelstellung
ist eindeutig durch die jeweilige Position des Antriebes definiert.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 5 sind die Winkelstellung der zylinderförmigen Teile
und die Position des Antriebes proportional übersetzt.
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Dadurch lässt sich einfach eine definierte Winkelstellung
erreichen. Die Übersetzung
kann beispielsweise so realisiert sein, dass eine Bewegung des Antriebes
um 1mm eine Änderung
der Winkelstellung um 1° bewirkt.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
6 ist die definierte Stellung bei minimaler Haltekraft eine Extremstellung
der Winkellage.
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Die Einstellung aller anderen Positionen
außer
dieser einen extremen Winkellage erfordert lediglich eine Vergrößerung der
Haltekraft. Dadurch lässt sich
vorteilhaft erreichen, dass nur eine einzige rückstellende Kraft für den Winkelantrieb
benötigt
wird. Der Antrieb ist damit spielfrei.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 7 ist zumindest eine der Zylindermantelflächen bewegbar,
indem ein zumindest auf Druck belastbares Element an der Zylindermantelfläche befestigt
ist, wobei dieses Element zumindest im wesentlichen tangential von
der Zylindermantelfläche weg
verläuft
und dort in seiner Längsrichtung
bewegbar sind.
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Dadurch wird in einfacher Weise die
Verdrehbarkeit des zylinderförmigen
Teils realisiert.
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Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung
nach Anspruch 8 weist der Antrieb einen Übertragungspunkt auf, der in
einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung
verschiebbar ist.
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Dadurch wird vorteilhaft der Antrieb
für die Drehung
um die eine Achse von einer Drehung um die andere Achse entkoppelt.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
9 ist der Antrieb um 90° umgelenkt.
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Dadurch können die Mittel, die zum Antrieb von
außen
bewegt werden müssen
vorteilhaft so aus der Probenhalterung heraus geführt werden,
dass diese nach oben verlaufen. Dies erweist sich insbesondere im
Bereich der Versuchsdurchführung
bei tiefen Temperaturen als vorteilhaft, weil dann keine seitlichen
Durchführungen
durch Kryo-Gefäße notwendig
werden.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch
10 ist zumindest eine der Zylindermantelflächen bewegbar, indem ein zumindest
auf Zug belastbares Bauteil an der Zylindermantelfläche befestigt
ist, wobei dieses Bauteil zumindest bereichsweise tangential an
der Zylindermantelfläche
anliegt und im wesentlichen radial von der Zylindermantelfläche weg
geführt
ist und dort in seiner Längsrichtung
bewegbar ist.
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Dies erweist sich ebenfalls als vergleichsweise
einfacher und robuster Antrieb.
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Bei der Vorrichtung nach Anspruch
11 ist ein weiteres Bauteil vorhanden, das ebenfalls an der Zylindermantelfläche befestigt
ist, wobei durch dieses Bauteil mittels eines Federelementes die
Zylindermantelfläche
in eine definierte Position bewegbar ist.
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Die Verstelleinrichtung hat dabei
ein eigenes federelastisches Element, so dass einfach eine definierte
Position einstellbar ist.
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Mit der vorstehend genannten Ausgestaltung lassen
sich insbesondere für
die Durchführung
von Messungen bei tiefen Temperaturen Proben einfach und definiert
positionieren. Die Vorrichtung eignet sich nicht nur für den Bereich
tiefer Temperaturen sondern ist vielmehr über einen sehr weiten Temperaturbereich
(von beispielsweise einigen °Kelvin
bis zu 300 °Kelvin)
einsetzbar. Es ergibt sich dabei weiterhin vorteilhaft die Möglichkeit,
die Verstellung definiert von außen durchzuführen, indem
die Antriebe von außen
betätigt
werden können.
Die Probe mitsamt der Probenhalterung kann dabei in dem Kryo-Gefäß verbleiben.
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Vorteilhaft ist die Gesamtanordnung
weiterhin um eine Achse drehbar, die nicht in der Ebene der Mittelachsen
der zylinderförmigen
Teile liegt. Die Anordnung der Achsen kann dabei so definiert sein, dass
die beiden Mittelachsen der zylinderförmigen Teile senkrecht aufeinander
stehen. Die dritte Achse kann dabei so angeordnet werden, dass sie
senkrecht auf der durch die beiden Mittelachsen aufgespannten Ebene
liegt.
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Es ist also möglich, eine vergleichsweise kleine
Materialprobe (Dimension typischer Weise 30mm Durchmesser × 60mm Länge) im
Probenraum eines Kryostaten mit entsprechendem Einbauraum ortsfest
zu halten und bei verschiedenen Temperaturen ferngesteuert zu jeder
Zeit in seiner dreidimensionalen Winkelorientierung einstellen zu
können.
Der Probenhalter soll unter anderem zur Ausrichtung des Gitters
einer Kristallprobe bei einem Neutronenstreuexperiment benutzt werden.
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Es hat sich gezeigt, dass mit der
vorliegenden Erfindung trotz der Enge des Einbauraumes und trotz
des vergleichsweise großen
Temperaturbereiches die Einstellung vorgenommen werden kann. Insbesondere
kommt es nicht zu einem Verklemmen der Antriebe aufgrund der Materialausdehnungen und
-kontraktionen in Folge der Temperaturänderungen.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist
also eine Rotation des Probenkörpers
um drei Achsen möglich,
bei der das Drehzentrum ortsfest ist. Durch die Anordnung der Probe
in diesem Drehzentrum wird also eine translatorische Bewegung der
Probe bei der Rotation vermieden. Dies erweist sich insbesondere
auch dann als Vorteil, wenn die Probe beschossen wird (beispielsweise
mittels Neutronen oder Röntgenstrahlen),
um Streuexperimente durchzuführen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:
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1:
die Grundanordnung einer Probenhalterung in einem Kryostaten,
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2:
ein erstes Ausführungsbeispiel
für einen
Antrieb zur Rotation um eine der Achsen,
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3:
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Antrieb zur Rotation um eine der Achsen,
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4:
eine Ansicht der Probenhalterung von unten und
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5, 6: weitere Ansichten der
Probenhalterung .
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1 zeigt
die Grundanordnung einer Probenhalterung in einem Kryostaten 1.
Es ist der Probenhalter 2 mit der Probe 3 zu sehen.
Ebenso sind die Achsen bezeichnet, um die eine Rotation ermöglicht werden
soll.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für einen
Antrieb zur Rotation um eine der Achsen. Dies ist in dem dargestellten
Beispiel die y-Achse. Dieser Antrieb kann als "Zungenantrieb" bezeichnet werden. Dabei wird ein Blechstreifen 201 unter
axialem Druck (in axialer Richtung des Blechstreifens 201)
elastisch gebogen in eine zylindrische Bahn geschmiegt. Die Gleitbahn
des Blechstreifens 201 verläuft entlang der Mantelfläche des
y-Zylindersegmentes
in azimutaler Richtung, wobei sich der Blechstreifen in die Zylinderführung formschlüssig einschmiegt. Die
Zylinderführung
stellt ein Radialgleitlager dar. Damit wird eine proportionale Übersetzung
von einer linearen Antriebsbewegung des Blechstreifens 201 in eine
die Drehung der Probe bewirkende Rotationsbewegung ermöglicht.
Der Blechstreifen 201 wird auf seiner einen Seite von einem
Stift 202 angetrieben. Die andere Seite des Blechstreifens 201 ist
an der Zylindermantelfläche
befestigt, die mittels einer Federkraft in den Anschlag gezogen
wird. Der Stift 202, der den Blechstreifen 201 und
damit das Zylindersegment 203 des Probenhalters gegen eine
Feder drückt,
wirkt parallel zur x-Achse.
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Vorteilhaft wird dieser Stift 202 über eine Platte
angetrieben, die normal zur x-Achse orientiert ist. Dadurch ist
dann die Rotation um die x-Achse von der Rotation um die y-Achse
entkoppelt, da der Stift 202 auf der Plattenfläche entlang
gleiten kann.
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Weiterhin ist zu sehen, dass der
Antrieb des Blechstreifens 201 um 90° umgelenkt ist (204).
Dies kann mittels eines Keilgetriebes realisiert sein. Dadurch wird
eine Ausrichtung des Antriebs entlang der z-Achse erreicht. Ein
Antriebselement, das die Platte 205 in Richtung der x-Achse
bewegt, wird dadurch vorteilhaft nach oben aus dem Kryostaten heraus
geführt.
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Insgesamt ergibt sich bei diesem
Antrieb also die Möglichkeit
einer mechanischen Fernsteuerung des Winkelantriebes beispielsweise
durch eine Zugstange unter Verwendung eines handelsüblichen präzisen Linearantriebs.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel zur
Rotation um eine der Achsen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist dies die x-Achse. Dieser Antrieb lässt sich als "Zugmittelgetriebe" bezeichnen. Dieses
besteht aus zwei Stahlseilen 301, 302, die an einem
drehbaren Zylindersegment 303 befestigt sind. Das Ende
des einen Seiles 301 wird mittels einer Umlenkrolle 304 in
Richtung der z-Achse gezogen, während
das Seil 302 durch die federelastische Lagerung 305 das
Zylindersegment 306 kraftschlüssig in seiner jeweiligen Winkelposition
hält.
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Es ist ersichtlich, dass dieses Zugmittelgetriebe
wiederum auch durch den beschriebenen Zungenantrieb ersetzt werden
kann.
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Zur Realisierung der Rotation der
Probe um die z-Achse wird der Probenhalter mit einer handelsüblichen
präzisen
Drehdurchführung
als Ganzes relativ zum Kryostaten gedreht. Die Drehdurchführung nimmt
nicht nur das Rohr (Probenstab) auf, an dem der Probenhalter befestigt
ist sondern auch die Linear-Antriebe für die Rotation um die x-Achse
bzw. die y-Achse.
Die Zugstangen der Linearantriebe verlaufen im Innern des erwähnten Rohres.
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4 zeigt
eine Ansicht der Probenhalterung von unten. Dabei sind Federelemente 401, 402 zu
sehen, mit denen die Position der Probe in einer definierten Stellung
gehalten wir.
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5 und 6 zeigen weitere Ansichten
der Probenhalterung, bei denen ebenfalls an der Außenseite
die Federelemente zu sehen sind, die bereits im Zusammenhang mit 4 erläutert wurden.