DE10260058A1

DE10260058A1 - Apparatus for positioning a sample to be examined wherein the sample is contained in a cylindrical sample holder

Info

Publication number: DE10260058A1
Application number: DE2002160058
Authority: DE
Inventors: Lothar Holitzner; Rolf Prof. Dr. Hempelmann; Joel Dr. Mesot; Stefan Dr. Janssen
Original assignee: Scherrer Paul Institut; Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Scherrer Paul Institut; Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15

Abstract

The apparatus includes a sample holder (2). The sample can be fastened to the sample holder (2) and the intersection point of the central axes of two cylindrical parts of the sample holder which are rotatable about their middle axes. The cylinders have different radii and their central axes do not run parallel to each other in a plane. Preferably, the central axes are perpendicular to each other.

Description

Eine derartige Vorrichtung ist dem Erfinder bekannt. Bei der bekannten Lösung erfolgt eine Rotation des Probekörpers, bei der dieser auch translatorisch bewegt wird.Such a device is Known inventor. In the known solution there is a rotation the test specimen, in which this is also moved translationally.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Rotation einer Probe so zu realisieren, dass diese möglichst ohne translatorische Bewegung erfolgen kann.Object of the present invention is to realize the rotation of a sample so that it is as possible can be done without translational movement.

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.This object is achieved according to the invention 1 solved, after which the sample on a sample holder at the intersection of the central axes two cylindrical parts of the sample holder which can be rotated about their central axes can be fastened, the cylinders having different radii and their central axes are not parallel to each other in one Level.

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.This can achieve that allows the sample to rotate becomes independent at which the sample is rotatable from one another about two axes lying in one plane. Independently from each other means that when rotating around an axis the Sample unaffected with respect to the rotation around the other axis remains. Furthermore, the sample does not become translational during this rotation emotional.

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.Because of the different radii the two can be cylindrical Arrange parts "one above the other" in the direction of the z-axis, whereby a center of rotation as the intersection of the two axes of the cylinders realizable, the center of rotation still being translationally immobile remains.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 2 stehen die Mittelachsen senkrecht aufeinander.When designing the device according to claim 2, the central axes are perpendicular to each other.

Damit entspricht die Anordnung der Achsen, um die die Probe drehbar ist, einem karthesischen Koordinatensystem.The arrangement thus corresponds to Axes around which the sample can be rotated, a Cartesian coordinate system.

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.According to the more general wording according to claim 1, however, is a different arrangement of the axes to each other possible. So that can For example, special sample holders are provided for Investigation of special lattice shapes in solid state physics as well as physical chemistry.

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.When designing the device according to claim 3, the cylindrical parts are at least segments the cylinder, the cylindrical parts being rotatable, by lining up the cylinder jacket surfaces of a precisely fitting counter bearing can be moved by rotating it the central axis of the cylinder.

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.The possibility arises a certain twist around the axes, depending on the size of the segments depends. It is advantageous that no full cylinders are stored Need to become but only the cylinder segments.

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.When designing the device according to claim 4, the cylindrical parts are resilient held in a defined angular position, the angular position is clearly defined by the position of the drive.

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.Through an adjustment in a row Force against the elastic holding force can thus stable positioning of the sample. The respective angular position is clearly defined by the respective position of the drive.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 5 sind die Winkelstellung der zylinderförmigen Teile und die Position des Antriebes proportional übersetzt.When designing the device according to claim 5 are the angular position of the cylindrical parts and the position of the drive is translated proportionally.

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.This makes it easy to define a defined angle to reach. The translation can be implemented, for example, so that a movement of the drive a change of 1mm the angular position by 1 °.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist die definierte Stellung bei minimaler Haltekraft eine Extremstellung der Winkellage.In the design according to claim 6, the defined position with a minimal holding force is an extreme position the angular position.

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.The setting of all other positions except this one extreme angular position only requires an enlargement of the Holding force. This allows advantageously achieve that only a single restoring force for the angular drive needed becomes. The drive is therefore free of play.

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.When designing the device According to claim 7, at least one of the cylinder jacket surfaces is movable, by an element that can be loaded at least under pressure is attached to the cylinder jacket surface , this element being at least substantially tangent to away from the cylinder surface extends and there in its longitudinal direction are movable.

Dadurch wird in einfacher Weise die Verdrehbarkeit des zylinderförmigen Teils realisiert.This will easily Rotatability of the cylindrical Partly realized.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 8 weist der Antrieb einen Übertragungspunkt auf, der in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung verschiebbar ist.When designing the device according to claim 8, the drive has a transmission point which in a plane perpendicular to the longitudinal direction is movable.

Dadurch wird vorteilhaft der Antrieb für die Drehung um die eine Achse von einer Drehung um die andere Achse entkoppelt.This makes the drive advantageous for the rotation around one axis decoupled from rotation around the other axis.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist der Antrieb um 90° umgelenkt.In the design according to claim 9 the drive is deflected by 90 °.

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.This allows the means to drive Outside have to be moved are advantageously guided out of the sample holder that they go up. This is particularly evident in the Area of test execution as advantageous at low temperatures, because then no lateral bushings required by cryogenic vessels become.

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.In the design according to claim 10, at least one of the cylinder jacket surfaces is movable by at least one component that can withstand tensile loads is attached to the cylinder surface is, this component at least partially tangential the cylinder surface abuts and essentially radially away from the cylinder surface guided is and there in its longitudinal direction is movable.

Dies erweist sich ebenfalls als vergleichsweise einfacher und robuster Antrieb.This also proves to be comparative simple and robust drive.

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.In the device according to claim 11 there is another component, which is also attached to the cylinder surface is, with this component by means of a spring element Cylinder surface is movable into a defined position.

Die Verstelleinrichtung hat dabei ein eigenes federelastisches Element, so dass einfach eine definierte Position einstellbar ist.The adjustment device has its own spring-elastic element, so that simply a defined one Position is adjustable.

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.Leave with the above configuration especially for the implementation of measurements at low temperatures samples easily and defined position. The device is not only suitable for the area lower temperatures but is rather over a very wide temperature range (for example a few degrees Kelvin up to 300 ° Kelvin) used. The possibility of perform the adjustment defined from the outside by the drives from the outside actuated can be. The sample together with the sample holder can remain in the cryo-vessel.

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.The overall arrangement is advantageous still rotatable about an axis that is not in the plane of the central axes the cylindrical Parts lies. The arrangement of the axes can be defined so that the two central axes of the cylindrical parts perpendicular to each other stand. The third axis can be arranged so that it perpendicular to the plane spanned by the two central axes lies.

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.So it is possible to have a comparatively small one Material sample (dimension typically 30mm diameter × 60mm length) in Sample room of a cryostat with the corresponding installation space stationary to keep and remote controlled at different temperatures to everyone Set time in its three-dimensional angular orientation can. The sample holder is intended, among other things, to align the grid a crystal sample can be used in a neutron scattering experiment.

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.It has been shown that with the present invention despite the tightness of the installation space and despite of the comparatively large Temperature range the setting can be made. In particular there is no jamming of the drives due to the material expansion and contractions due to temperature changes.

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.With the present invention thus a rotation of the specimen possible around three axes, where the turning center is stationary. By arranging the sample a translatory movement of the Sample avoided during rotation. This is particularly evident also an advantage if the sample is shot at (e.g. using neutrons or X-rays), to carry out scattering experiments.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:An embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows:

1: die Grundanordnung einer Probenhalterung in einem Kryostaten, 1 : the basic arrangement of a sample holder in a cryostat,

2: ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Antrieb zur Rotation um eine der Achsen, 2 : a first embodiment for a drive for rotation about one of the axes,

3: ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Antrieb zur Rotation um eine der Achsen, 3 : Another embodiment for a drive for rotation about one of the axes,

4: eine Ansicht der Probenhalterung von unten und 4 : a view of the sample holder from below and

5, 6: weitere Ansichten der Probenhalterung . 5 . 6 : further views of the sample holder.

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. 1 shows the basic arrangement of a sample holder in a cryostat 1 , It is the sample holder 2 with the sample 3 to see. The axes around which rotation is to be made possible are also designated.

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. 2 shows a first embodiment for a drive for rotation about one of the axes. In the example shown, this is the y-axis. This drive can be referred to as a "tongue drive". This is a sheet metal strip 201 under axial pressure (in the axial direction of the metal strip 201 ) elastically bent into a cylindrical path. The slideway of the metal strip 201 runs along the lateral surface of the y-cylinder segment in the azimuthal direction, the sheet metal strip nestling into the cylinder guide in a form-fitting manner. The cylinder guide is a radial slide bearing. This means that a proportional ratio of a linear drive movement of the sheet metal strip 201 into a rotational movement causing the sample to rotate. The metal strip 201 is on one side by a pen 202 driven. The other side of the metal strip 201 is attached to the cylinder surface, which is pulled into the stop by means of a spring force. The pencil 202 who the sheet metal strip 201 and thus the cylinder segment 203 of the sample holder presses against a spring, acts parallel to the x-axis.

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.This pen is advantageous 202 driven by a plate that is oriented normal to the x-axis. As a result, the rotation around the x-axis is decoupled from the rotation around the y-axis, since the pin 202 can slide along the surface of the plate.

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.It can also be seen that the drive of the sheet metal strip 201 is deflected by 90 ° ( 204 ). This can be achieved by means of a wedge gear. As a result, the drive is aligned along the z-axis. A drive element that the plate 205 Moved in the direction of the x-axis, this advantageously leads upwards out of the cryostat.

Insgesamt ergibt sich bei diesem Antrieb also die Möglichkeit einer mechanischen Fernsteuerung des Winkelantriebes beispielsweise durch eine Zugstange unter Verwendung eines handelsüblichen präzisen Linearantriebs.Overall this results in So drive the possibility a mechanical remote control of the angle drive, for example by means of a pull rod using a commercially available precise linear drive.

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. 3 shows a further embodiment for rotation about one of the axes. In the picture th embodiment is the x-axis. This drive can be described as a "traction mechanism gearbox". This consists of two steel cables 301 . 302 that on a rotatable cylinder segment 303 are attached. The end of one rope 301 is by means of a pulley 304 pulled towards the z-axis while the rope 302 due to the spring-elastic bearing 305 the cylinder segment 306 holds frictionally in its respective angular position.

Es ist ersichtlich, dass dieses Zugmittelgetriebe wiederum auch durch den beschriebenen Zungenantrieb ersetzt werden kann.It can be seen that this traction mechanism again be replaced by the tongue drive described can.

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.To realize the rotation of the Sample around the z-axis is the sample holder with a commercially available precise Rotary union rotated as a whole relative to the cryostat. The rotary union takes not only the tube (sample rod) to which the sample holder is attached but is also the linear drive for rotation around the x-axis or the y-axis. The tie rods of the linear drives run inside the tube mentioned.

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. 4 shows a view of the sample holder from below. There are spring elements 401 . 402 to see with which the position of the sample is held in a defined position.

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. 5 and 6 show further views of the sample holder, in which the spring elements can also be seen on the outside, which are already in connection with 4 have been explained.

Claims

Device for positioning a sample to be examined, characterized in that the sample on a sample holder ( 2 ) at the intersection of the central axes of two cylindrical parts rotatable about their central axes ( 203 . 306 ) the sample holder ( 2 ) can be fastened, the cylinders having different radii and their central axes not running parallel to one another in one plane (xy).

Device according to claim 1, characterized in that the central axes are perpendicular to each other (x-y).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the cylindrical parts ( 203 . 306 ) are at least segments of the cylinders, the cylindrical parts ( 203 . 306 ) are rotatable in that the cylinder jacket surfaces are movable along a precisely fitting counter bearing by rotation about the central axis of the cylinder.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cylindrical parts ( 203 . 306 ) be held in a defined angular position by elastic means ( 305 . 401 . 402 ), whereby the angular position is clearly defined by the position of the drive.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the angular position of the cylindrical parts ( 203 . 306 ) and the position of the drive are translated proportionally.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the defined position with minimum holding force is an extreme position the angular position is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the cylinder jacket surfaces can be moved by an element which can be loaded at least under pressure ( 201 ) is attached to the cylinder surface, this element ( 201 ) is at least partially tangential to the cylinder jacket surface and runs essentially radially away from the cylinder jacket surface and can be moved there in its longitudinal direction ( 202 ).

Apparatus according to claim 7, characterized in that the drive is a transfer point has, which is displaceable in a plane perpendicular to the longitudinal direction.

Device according to claim 7 or 8, characterized in that the drive is deflected by 90 ° ( 204 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the cylinder jacket surfaces can be moved by a component which can be loaded at least under tension ( 301 ) is attached to the cylinder surface, this component ( 301 ) is at least partially tangential to the cylinder jacket surface and is guided essentially radially away from the cylinder jacket surface ( 304 ) and is movable there in its longitudinal direction.

Apparatus according to claim 10, characterized in that a further component ( 302 ) is present, which is also attached to the surface of the cylinder, with this component using a spring element ( 305 ) the cylindrical surface can be moved into a defined position.