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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transferieren eines Probenhalters von einer Transportvorrichtung zu einer Scanvorrichtung.
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Wissenschaftliche Anwendungen, beispielsweise die Spektroskopie individueller Moleküle, Nanopartikel oder Proteine erfordern den Einsatz von Mikroskopen unter extremen Bedingungen, beispielsweise in Kryostaten bei sehr niedrigen Temperaturen oder auch im Ultrahochvakuum. Um Proben in solche Kryostaten oder Kältekammern bzw. Vakuumkammern einzubringen und die Proben dann innerhalb der Kältekammern bzw. Vakuumkammern zu bewegen, sind spezielle Transportvorrichtungen erforderlich. Problematisch ist dabei die Übergabe von der Transportvorrichtung auf eine Scanvorrichtung eines Mikroskops, da innerhalb der Kältekammer, die beispielsweise mit flüssigem Helium gefüllt ist, oder auch innerhalb einer Hochvakuumkammer, extreme Temperaturen herrschen können, bei denen mechanische Haltevorrichtungen nur unzuverlässig arbeiten, da sie einfrieren. Auch Federn halten in der Regel bei extremer Kälte nicht dauerhaft Stand oder frieren ein.
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Um eine Probe scannen zu können, muss die Probe an der Scanvorrichtung montiert werden. Es ist dabei bekannt, die Probe an einem Probenhalter zu befestigen und den Probenhalter vor dem Einführen in den Kryostaten an einer Scanvorrichtung zu befestigen. Die Probe wird zusammen mit dem Probenhalter und der Scanvorrichtung dann in den Kryostaten eingeführt und heruntergekühlt. Das Herunterkühlen innerhalb des Kryostaten dauert dann sehr lange, so dass ein schneller Probenwechsel nicht möglich ist. Auch kommt es, je nach Beschaffenheit der Probe selbst, durch die lange Verweildauer innerhalb der kalten und trockenen Umgebung des Kryostaten zu Artefakten.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2006/0081468 A1 ist eine magnetische Haltevorrichtung zum Halten von Substraten an einer rotierenden Plattform bekannt, wobei die Plattform oberhalb einer Beschichtungsquelle in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Die magnetische Haltevorrichtung weist einen Permanentmagneten auf, der zwischen einer Verriegelungsposition, in der der Permanentmagnet innerhalb eines magnetischen Kreises angeordnet ist, und einer Freigabeposition, in der der Permanentmagnet aus dem magnetischen Kreis herausgedreht ist, bewegt werden kann.
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Aus der US-Patentschrift
US 5 214 342 A ist eine Scanvorrichtung für ein Mikroskop bekannt, bei der ein Probenhalter mittels eines Permanentmagneten an der Scanvorrichtung befestigt ist. Die Scanvorrichtung weist Röhren aus piezoelektrischem Material auf, mit denen dann der Probenhalter bewegt werden kann.
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Mit der Erfindung soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transferieren eines Probenhalters von einer Transportvorrichtung zu einer Scanvorrichtung verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist hierzu eine Vorrichtung zum Transferieren eines Probenhalters von einer Transportvorrichtung zu einer Scanvorrichtung vorgesehen, bei der an der Transportvorrichtung und/oder am Probenhalter wenigstens ein erster Magnet vorgesehen ist, um den Probenhalter mittels des wenigstens einen ersten Magneten an der Transportvorrichtung zu halten, und bei der an der Scanvorrichtung und/oder am Probenhalter wenigstens ein zweiter Magnet vorgesehen ist, um den Probenhalter mittels des wenigstens einen zweiten Magneten an der Scanvorrichtung zu halten.
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Erfindungsgemäß kann der Probenhalter somit ohne mechanische Greifvorrichtungen von der Transportvorrichtung an die Scanvorrichtung übergeben werden, da der Probenhalter sowohl an der Transportvorrichtung als auch an der Scanvorrichtung mittels magnetischer Kräfte gehalten ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt somit ohne Federn, Greifer oder sonstige mechanische Haltevorrichtungen für den Probenhalter aus, so dass nicht zu befürchten ist, dass aufgrund extremer Temperaturen, beispielsweise in einem mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten, ein mechanischer Ausfall solcher Haltevorrichtungen auftritt. Überraschenderweise kann der Probenhalter mittels des wenigstens einen zweiten Magneten sicher an der Scanvorrichtung gehalten werden und auch eine Übergabe von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung ist schnell und sicher möglich. Dadurch können Proben in dem Probenhalter schnell gewechselt werden und insbesondere kann der Probenhalter so wenig Masse aufweisen, dass er auch ungekühlt an die Scanvorrichtung übergeben werden kann und dadurch die Bildung von Artefakten durch eine lange Vorkühlzeit an den Proben selbst vermieden werden kann. Als Magnete können dabei Permanentmagnete und/oder Elektromagnete zum Einsatz kommen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Scanvorrichtung ausgebildet, den Probenhalter senkrecht zu einem Magnetfeld des ersten Magneten zu bewegen.
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Auf diese Weise kann mittels einer Bewegung des Probenhalters durch die Scanvorrichtung der Probenhalter problemlos von der Transportvorrichtung gelöst werden. Denn bekanntermaßen ist die Haltekraft eines Magneten senkrecht zu seinem Magnetfeld wesentlich geringer als parallel zu seinem Magnetfeld. Der wenigstens eine zweite Magnet, der den Probenhalter an der Scanvorrichtung hält, muss dadurch nicht stärker sein als der wenigstens eine erste Magnet, der den Probenhalter an der Transportvorrichtung hält. Es genügt vielmehr, dass der zweite Magnet parallel zu dem von ihm erzeugten Magnetfeld eine größere Haltekraft zwischen Scanvorrichtung und Probenhalter erzeugt als der wenigstens eine erste Magnet senkrecht zu seinem Magnetfeld zwischen der Transportvorrichtung und dem Probenhalter. In umgekehrter Richtung lässt sich der Probenhalter dann ebenfalls problemlos von der Scanvorrichtung lösen, wenn mittels der Transportvorrichtung der Probenhalter dann senkrecht zu dem Magnetfeld des wenigstens einen zweiten Magneten bewegt wird, der den Probenhalter an der Scanvorrichtung hält. Auf diese Weise gelingt es überraschenderweise, eine Übergabe des Probenhalters von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung zu realisieren, ohne dass die Magnetfelder, die von dem wenigstens einen ersten Magneten zwischen der Transportvorrichtung und dem Probenhalter bzw. durch den wenigstens einen zweiten Magneten zwischen der Scanvorrichtung und dem Probenhalter erzeugt werden, während der Übergabe durch an- oder abschalten von Elektromagneten oder mechanisches Verdrehen von Permanentmagneten verändern zu müssen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der wenigstens eine erste Magnet und der wenigstens eine zweite Magnet so angeordnet und ausgebildet, dass ein mittels des ersten Magneten erzeugtes Magnetfeld zwischen der Transportvorrichtung und dem Probenhalter und ein mittels des zweiten Magneten erzeugtes Magnetfeld zwischen der Scanvorrichtung und dem Probenhalter wenigstens zum Zeitpunkt der Übergabe des Probenhalters von der Transportvorrichtung an die Scanvorrichtung senkrecht aufeinander stehen.
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Auf diese Weise kann der Probenhalter von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung mittels einfacher linearer Bewegungen übergeben werden. Da die Magnetfelder des wenigstens einen ersten Magneten und des wenigstens einen zweiten Magneten bei der Übergabe senkrecht zueinander stehen, ist die Übergabe von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung und umgekehrt auch bei gleich starken ersten und zweiten Magneten jeweils problemlos möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Verbindung zwischen Transportvorrichtung und Probenhalter mittels einer Nut/Federverbindung.
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Mittels einer Nut/Federverbindung kann zusammen mit der von dem wenigstens einen ersten Magneten erzeugten Haltekraft ein zuverlässiger Halt des Probenhalters an der Transportvorrichtung sichergestellt werden. Vorteilhafterweise wird ein von dem wenigstens einen ersten Magneten erzeugtes Magnetfeld im Bereich der Nut/Federverbindung senkrecht zu einer Längsrichtung der Nut bzw. Feder ausgerichtet, so dass sich der Probenhalter von der Transportvorrichtung durch eine lineare Bewegung parallel zur Längsrichtung der Nut bzw. der Feder trennen lässt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der wenigstens eine erste Magnet an einem Grund der Nut und/oder an einer Stirnseite der Feder angeordnet.
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Gerade bei der Anordnung von Permanentmagneten lässt sich dadurch eine sehr vorteilhafte Anordnung des wenigstens einen ersten Magneten erreichen, nämlich geschützt am Grund der Nut und, insbesondere bei stangenförmig ausgebildeter Transportvorrichtung und Probenhalter kann das Magnetfeld dann problemlos senkrecht zur Längsrichtung der Nut/Federverbindung ausgerichtet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Scanvorrichtung ausgebildet, den Probenhalter zum Lösen des Probenhalters von der Transportvorrichtung relativ zur Transportvorrichtung in Längsrichtung der Nut zu bewegen.
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Auf diese Weise kann eine Relativbewegung zwischen Probenhalter und Transportvorrichtung senkrecht zu einem von dem wenigstens einen ersten Magneten erzeugten Magnetfeld erfolgen und die Übergabe des Probenhalters von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung und umgekehrt ist auch mit gleich starken ersten und zweiten Magneten möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Scanvorrichtung innerhalb einer Kältekammer angeordnet, wobei die Kältekammer eine Durchgangsöffnung zum wenigstens abschnittsweisen Einführen der Transportvorrichtung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in besonderer Weise für den Einsatz in Kältekammern oder Hochvakuumkammern geeignet, da zum Übergeben des Probenhalters von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung und umgekehrt keine mechanisch bewegten Greifer oder sonstigen Halteeinrichtungen benötigt werden. Auch bei extrem niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise in flüssigem Helium, funktioniert die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch problemlos. Im Falle einer Vakuumkammer wird der Probenhalter durch eine Schleuse hindurch auf der Transportvorrichtung montiert.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der Probenhalter und die Transportvorrichtung stangenförmig ausgebildet.
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Auf diese Weise kann der Probenhalter mittels der Transportvorrichtung durch eine kleine Öffnung in die Kältekammer eingeschoben und auch wieder aus dieser herausgenommen werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die stangenförmige Transportvorrichtung einen gegenüber der Durchgangsöffnung geringfügig kleineren Querschnitt auf und der ebenfalls stangenförmige Probenhalter weist einen gegenüber der Transportvorrichtung geringfügig kleineren Querschnitt auf.
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Auf diese Weise kann der Probenhalter durch die Durchgangsöffnung eingeführt werden, ohne dass der Probenhalter die Berandung der Durchgangsöffnung berührt. Auch empfindliche Proben in dem Probenhalter können dadurch sicher und ohne Beschädigung transportiert werden.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Verfahren zum Transferieren eines Probenhalters von einer Transportvorrichtung zu einer Scanvorrichtung und umgekehrt gelöst, bei der die Schritte des Haltens eines Probenhalters mittels wenigstens eines ersten Magneten an der Transportvorrichtung, des Bewegens des Probenhalters zusammen mit der Transportvorrichtung, bis der Probenhalter mittels wenigstens eines zweiten Magneten an der Scanvorrichtung gehalten ist und des Bewegens des Probenhalters relativ zur Transportvorrichtung, so dass der Probenhalter vollständig von der Transportvorrichtung gelöst wird, vorgesehen sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine rein magnetische Befestigung des Probenhalters sowohl an der Transportvorrichtung als auch an der Scanvorrichtung realisiert werden und speziell ist eine sichere Übergabe von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung auch innerhalb einer Kältekammer oder Ultrahochvakuumkammer möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Bewegen des Probenhalters relativ zur Transportvorrichtung, um den Probenhalter von der Transportvorrichtung zu lösen, im Wesentlichen senkrecht zu einem von dem wenigstens einen ersten Magneten erzeugten Magnetfeld zwischen Transportvorrichtung und Probenhalter.
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Auf diese Weise können der wenigstens eine erste Magnet und der wenigstens eine zweite Magnet auch gleich stark ausgebildet werden und sowohl die Übergabe von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung als auch die Übergabe des Probenhalters von der Scanvorrichtung auf die Transportvorrichtung ist ohne Zuhilfenahme mechanischer Greifvorrichtungen oder geschalteter Elektromagneten möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Scanvorrichtung in einer Kältekammer angeordnet und das Halten des Probenhalters mittels der Transportvorrichtung, das Einführen des Probenhalters mittels der Transportvorrichtung in eine Kältekammer und das Übergeben des Probenhalters innerhalb der Kältekammer von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung sind vorgesehen.
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Auf diese Weise kann der Probenhalter außerhalb der Kältekammer mit der Probe versehen werden und die Probe kann dann, je nach Bedarf, sehr schnell in die Kältekammer eingeführt und an die Scanvorrichtung übergeben werden. Auch das Vorkühlen des Probenhalters ist dabei selbstverständlich möglich, da die Übergabe von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung zügig innerhalb der Kältekammer erfolgen kann. Unter dem Begriff Kältekammer wird im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine Ultahochvakuumkammer oder ein gekühlter Raum, beispielsweise ein Kryostat, verstanden.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Einführen des Probenhalters mittels der Transportvorrichtung in eine mit flüssigem Gas, insbesondere flüssigem Helium, gefüllte Kältekammer.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind in besonderer Weise für den Einsatz in Kryostaten geeignet, wie sie beispielsweise bei der Spektralanalyse mit Mikroskopen verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine abschnittsweise Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb eines teilweise und geschnitten dargestellten Kryostaten,
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2 die erfindungsgemäße Vorrichtung der 1 in einem ersten Zustand beim Übergeben eines Probenhalters von einer Transportvorrichtung auf eine Scanvorrichtung,
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3 die Vorrichtung der 2 in einem zweiten Zustand,
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4 die Vorrichtung der 2 in einem dritten Zustand,
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5 die Vorrichtung der 2 in einem vierten Zustand nach vollständiger Übergabe des Probenhalters von der Transportvorrichtung auf die Scanvorrichtung,
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6 die in den 2 bis 5 dargestellten Zustände zur Verdeutlichung des Bewegungsablaufs nebeneinander angeordnet und
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7 eine abschnittsweise Schnittansicht der Transportvorrichtung, des Probenhalters und der Scanvorrichtung im Zustand der 2.
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Die Darstellung der 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Transferieren eines Probenhalters 12 von einer in 1 lediglich abschnittsweise dargestellten Transportvorrichtung 14 in Form einer Haltestange zu einer Scanvorrichtung 16. Die Scanvorrichtung 16 weist mehrere Bauelemente auf, nämlich einen Halter 18 für den Probenhalter 12 und mehrere Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24 und 26, die eine Bewegung der Halterung 18 in und entgegen der x-, y- und z-Richtung ermöglichen. Zusätzlich zu einer Transportbewegung in x- und y-Richtung ist mit den Piezoscannern über jeweils 30nm eine nanometergenaue Rasterbewegung in x-, y- und z-Richtung möglich. Mit der Scanvorrichtung 16 sollen der Probenhalter 12 und die daran angeordnete Probe 28 in den Beobachtungsbereich eines Mikroskopobjektivs 30 bewegt werden. Das Mikroskopobjektiv 30 ist wiederum auf einem Verschiebetisch 32 montiert, mit dem das Objektiv 30 in und entgegen der z-Richtung bewegt werden kann, um die Probe 28 fokussieren zu können. Mittels der Scanvorrichtung 16 kann die Probe 28 vor dem Mikroskopobjektiv 30 bewegt werden, um die Probe 28 abscannen zu können. Lediglich schematisch ist eine Steuereinheit 27 dargestellt, mit der die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24, 26 und gegebenenfalls ein nicht dargestellter Linearantrieb für die Transportvorrichtung angesteuert werden können. Eine Übergabe des Probenhalters 12 von der Transportvorrichtung 14 auf die Scanvorrichtung 16 und umgekehrt kann dadurch, falls gewünscht, automatisch unter Steuerung der Steuereinheit 27 erfolgen.
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Die Scanvorrichtung 16 und das Mikroskopobjektiv 30 mit dem Verschiebetisch 32 sind innerhalb eines Haltekäfig 34 angeordnet, der eine etwa kreiszylindrische Grundform aufweist. Der Haltekäfig 34 ist in einen ebenfalls kreiszylindrischen Kryostaten 36 mit kreiszylindrischer Form eingesetzt, wobei lediglich die innerste Wandung des Kryostaten 36 dargestellt ist und weitere, zur Isolation vorgesehene Wandungen nicht dargestellt sind. Der Kryostat 36 weist im Bereich des Mikroskopobjektivs 30 Fensteröffnungen 38, 40 auf, um den Durchtritt von Lichtstrahlung, insbesondere Laserlichtstrahlung, zum Mikroskopobjektiv 30 und zu bzw. durch die Probe 28 zu ermöglichen.
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Die dargestellte Vorrichtung 10 kann beispielsweise für einen Mikroskopaufbau verwendet werden, der für die Spektroskopie von einzelnen Molekülen, Nanopartikeln oder Proteinen mittels Laserlicht vorgesehen ist. Für eine solche Anwendung wird der Kryostat 36 mit flüssigem Helium gefüllt und der Haltekäfig 34 mit der darin angeordneten Scanvorrichtung 16, der Transportvorrichtung 14 sowie dem Mikroskopobjektiv 30 und dem Verschiebetisch 32 sind dann von flüssigem Helium umgeben. Die Transportvorrichtung 14 wird zusammen mit dem Probenhalter 12 aus dem Kryostat 36 herausbewegt oder in diesen eingeschoben, um eine an dem Probenhalter 12 befestigte Probe 28 vor dem Mikroskopobjektiv 30 zu platzieren bzw. wieder aus dem Kryostaten 36 zu entfernen.
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Die Transportvorrichtung 14 weist eine kreiszylindrische Transportstange 15 auf und kann durch eine lediglich schematisch dargestellte Durchgangsöffnung 42 in einem Deckel des Kryostaten 36 in diesen eingeschoben und wieder aus diesem entnommen werden. Die Transportstange 15 weist dabei einen geringfügig geringeren Querschnitt als die Durchgangsöffnung 42 auf. Die Durchgangsöffnung 42 kann dabei mittels eines nicht dargestellten Kugelventils realisiert werden, um die Durchgangsöffnung 42 lediglich dann freigeben zu müssen, wenn die Transportstange 15 eingeschoben oder entnommen wird.
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Die Transportstange 15 ist an ihrem, in 1 im Kryostaten 36 angeordneten Ende mit einer Nut 44 versehen, die passend zu einer Feder 46 oder einem Vorsprung am Probenhalter 12 ausgebildet ist. Sowohl die Nut 44 als auch die Feder 46 haben einen rechteckförmigen Querschnitt. In einem Grund der Nut ist ein in 1 nicht erkennbarer Permanentmagnet 48 angeordnet und gegenüberliegend ist in der Oberseite der Feder 46 ein weiterer Permanentmagnet 50 angeordnet. Die Permanentmagneten 48, 50 sind so angeordnet, dass sie sich anziehen. Wenn die Transportstange 15 ausgehend von der in 1 dargestellten Position also weiter nach unten bewegt wird, bis die Feder 46 vollständig in der Nut 44 aufgenommen ist, wird der Probenhalter 12 dadurch an der Transportstange 15 durch die Anziehungskraft der beiden Permanentmagnete 48, 50 gehalten.
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Wenn der Probenhalter 12 in dieser Weise an der Transportstange 15 befestigt ist, kann der Probenhalter somit in der 1 in und entgegen der Längsrichtung der Transportstange 15, in der 1 also nach unten bzw. nach oben zusammen mit der Haltevorrichtung 14 bewegt werden und zusammen mit der Transportstange 15 kann der Probenhalter 12 auf diese Weise auch aus dem Kryostaten 36 entfernt bzw. wieder in diesen eingeführt werden. Die mögliche Bewegung der Transportstange 15 kann in und entgegen der y-Richtung in 1 erfolgen.
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In dem in 1 dargestellten Zustand ist der Probenhalter 12 von der Transportstange 15 getrennt und stattdessen an dem Halter 18 der Scanvorrichtung 16 befestigt. Der Halter 18 weist eine Halteplatte 52 und einen Haltekeil 54 auf, wobei die Halteplatte 52 den Haltekeil 54 mit dem Piezoverschiebeelement 20 verbindet, das wiederum über die Piezo-Verschiebeelemente 22, 24 und 26 mit dem Haltekäfig 34 verbunden ist. Der Haltekeil 54 ist an der Halteplatte 52 befestigt und ist mit zwei, in der 1 nicht erkennbaren Permanentmagneten versehen, die mit zwei weiteren, in 1 ebenfalls nicht zu erkennenden und in dem Probenhalter 12 angeordneten Permanentmagneten wechselwirken, siehe 7. Mittels dieser zweiten Magneten wird der Probenhalter 12 in dem in 1 dargestellten Zustand zuverlässig an dem Haltekeil 54 des Halters 18 gehalten. Mittels der Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24, 26 kann der Probenhalter 12 mit der daran befestigen Probe 28 dadurch vor dem Mikroskopobjektiv 30 platziert und in der gewünschten Weise vor dem Mikroskopobjektiv 30 bewegt werden. Während einer solchen Bewegung des Probenhalters 12 und der Probe 28 mittels der Scanvorrichtung 16 ist der Probenhalter dabei ausschließlich an dem Haltekeil 54 und der Halteplatte 52 gehalten.
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Ausgehend von der in 1 dargestellten Position des Probenhalters 12 wird dieser noch in Richtung des Mikroskopobjektivs 30 entgegen der y-Richtung bewegt und löst sich dadurch von einer Führungsplatte 56, die in der Darstellung der 1 den Probenhalter 12 abschnittsweise umgibt und die über Befestigungsstangen 58 mit dem Piezo-Verschiebeelement 26 verbunden ist. Mit dem Piezo-Verschiebeelement 26 kann eine Verschiebung der Führungsplatte 56 in und entgegen der x-Richtung erzielt werden, wobei die Führungsplatte 56 während der Übergabe des Probenhalters 12 von der Transportvorrichtung 14 auf die Scanvorrichtung 16 parallel zur x-Richtung bewegt wird und dafür vorgesehen ist, ein Drehmoment bei einer solchen Verschiebung des Probenhalters 12, verursacht durch die Haltekraft der Permanentmagneten 48, 50, aufzunehmen und dadurch die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24 zu entlasten und vor zu großen Kräften zu schützen. Dies wird im Zusammenhang mit den 2 bis 6 noch detailliert erläutert.
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Die Führungsplatte 56 weist eine in 1 nicht erkennbare, kreisrunde Durchgangsöffnung auf, in die der Probenhalter 12 durch eine entsprechende Bewegung des Halters 18 eingeschoben und auch wieder aus dieser herausgezogen werden kann.
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Die Darstellung der 2 zeigt die Scanvorrichtung 16 und die Transportstange 15 abschnittsweise. Ebenfalls dargestellt sind der Probenhalter 12, das Mikroskopobjektiv 30 und abschnittsweise der Verschiebetisch 32.
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In dem in 2 dargestellten Zustand ist die Feder 46 des Probenhalters 12 vollständig in der Nut 44 der Transportstange 15 aufgenommen. Da der Probenhalter 12 einen etwas geringeren Querschnitt aufweist als die Transportstange 15, ist die Feder 46 in der Darstellung der 2 nicht zu erkennen. Das obere Ende des Probenhalters 12, das sich unmittelbar an die Feder 46 anschließt, ist innerhalb einer Durchgangsöffnung 58 der Führungsplatte 56 mit geringem Spiel aufgenommen. Bei einer Bewegung der Führungsplatte 56 im oder entgegen der x-Richtung kann sich der Probenhalter 12 dadurch an der Führungsplatte 56 abstützen.
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Der Probenhalter 12 ist mit zwei zueinander parallelen Querbohrungen 60 versehen, in denen jeweils ein Permanentmagnet 62, 64 aufgenommen ist. Fluchtend zu den Querbohrungen 60 sind auch in dem Haltekeil 54 Querbohrungen angeordnet, siehe 7, in denen ebenfalls Permanentmagnete angeordnet sind. Die Permanentmagnete 62, 64 und die Permanentmagnete in dem Haltekeil 54 sind so angeordnet, dass sie einander anziehen, so dass in der in 2 dargestellten Position der Probenhalter 12 über die Haltekraft der Permanentmagnete 62, 64 an dem Haltekeil 54 und somit dem Halter 18 gehalten ist.
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In dem in 2 dargestellten Zustand ist der Probenhalter 12 somit sowohl an der Transportstange 15 über die Haltekräfte der ersten Magneten 48, 50 als auch an dem Halter 18 über die Haltekräfte der zweiten Magneten 62, 64 befestigt.
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Ausgehend von dem Zustand der 2 wird der Probenhalter 12 nun mittels der Scanvorrichtung 16 in x-Richtung bewegt, um den Probenhalter 12 von der Transportstange 15 zu lösen. Eine solche Bewegung in x-Richtung erfolgt mittels des Piezo-Verschiebeelements 26, siehe 1. Die Führungsplatte 56 wird, siehe 1, mittels des Piezo-Verschiebeelements 26 gleichförmig zu der Halteplatte 52 des Halters 18 bewegt.
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Die Darstellung der 3 zeigt den in x-Richtung seitlich verschobenen Zustand des Probenhalters 12. Die Feder 46 des Probenhalters 12 ist parallel zur Längsrichtung der Nut 44 der Transportstange 15 nun fast vollständig aus der Nut 44 herausbewegt worden. In dem in 3 dargestellten Zustand sind die Permanentmagneten 48, 50 in dieser Lage dadurch nicht mehr fluchtend zueinander angeordnet, so dass die Haltekräfte zwischen den Permanentmagneten 48, 50 dadurch stark reduziert und im Wesentlichen nicht mehr vorhanden sind. Ausgehend von dem in 3 dargestellten Zustand kann der Probenhalter 12 dadurch nun problemlos entgegen der y-Richtung nach unten bewegt werden und wird während dieser Bewegung zuverlässig an dem Halter 18 mittels der zweiten Permanentmagneten 62, 64 gehalten.
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Während der Bewegung des Probenhalters 12 in x-Richtung, also von dem Zustand in 2 zu dem Zustand der 3, stützt sich der Probenhalter 12 an der Innenwandung der Durchgangsöffnung 58 in der Führungsplatte 56 ab, die dadurch den Großteil der Verschiebekräfte aufnimmt, die benötigt werden, um die ersten Permanentmagneten 48, 50 voneinander zu trennen. Da die Führungsplatte 56 mittels der Befestigungsstangen 58 unmittelbar mit dem Piezo-Verschiebeelement 26 verbunden ist, werden diese Verschiebekräfte auch ausschließlich in das Piezo-Verschiebeelement 26 eingeleitet, nur zu einem extrem geringen Teil in den Halter 18 und damit in die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22 und 24, siehe 1. Die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24 werden für eine Bewegung des Probenhalters 12 während des Abscannens der Probe 28 vor dem Mikroskopobjektiv 30 benötigt und sind dadurch zum einen hochpräzise, dürfen zum anderen aber auch nicht mit großen Haltekräften belastet werden. Typischerweise dürfen die Piezo-Verschiebeelemente 20 und 22 mit einer Kraft von maximal 5 N belastet werden. Indem nun die Verschiebekraft und ein Drehmoment beim Lösen des Probenhalters 12 von der Transportvorrichtung 14 zum größten Teil von der Führungsplatte 56 und dadurch von dem Piezo-Verschiebeelement 26 aufgenommen werden, kann sichergestellt werden, dass die empfindlichen Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24 gegen zu große Haltekräfte geschützt sind. Das Piezo-Verschiebeelement 26 dahingegen wird während der Scan-Bewegung des Probenhalters 12 nicht benötigt und kann dadurch wesentlich stabiler ausgelegt werden.
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Ausgehend von der Darstellung der 3 kann der Probenhalter 12 nun entgegen der y-Richtung bewegt werden, wobei dieser Zustand dann in 4 dargestellt ist.
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Im Zustand der 4 ist der Probenhalter 12 mittels des Piezo-Verschiebeelements 24 entgegen der y-Richtung, in der 4 also nach unten, bewegt worden. In diesem Zustand befindet sich der Probenhalter 12 nicht mehr in der Durchgangsöffnung 58 der Führungsplatte 56 und kann dadurch unabhängig von der Führungsplatte 56 frei bewegt werden. In dem in 4 dargestellten Zustand ist der Probenhalter 12 nun ausschließlich mittels der zweiten Permanentmagneten 62, 64 und der gegenüberliegenden Permanentmagneten im Haltekeil 54 an dem Halter 18 gehalten.
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Wie in 4 zu erkennen ist, verändert die Transportstange 15 ihre Position nicht.
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In dem Zustand der 4 ist der Probenhalter 12 nun sowohl von der Transportstange 15 als auch der Führungsplatte 56 getrennt und die in einem Probenhaltering 66 im Probenhalter 12 angeordnete Probe 28 kann nun vor die Lichtaustrittsöffnung 68 des Mikroskopobjektivs 30 gebracht werden, um die Probe 28 untersuchen zu können.
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Dieser Zustand ist in der Darstellung der 5 dargestellt. Die Probe 28 ist zusammen mit dem Probenhalter 12 ausgehend von der in 4 dargestellten Position entgegen der x-Richtung verschoben worden. Der Probenhalter 12 ist nun wieder fluchtend zur Transportstange 15 angeordnet, die Feder 46 des Probenhalters 12 und der darin angeordnete Permanentmagnet 50 sind aber so weit von der Nut 44 und dem darin angeordneten Permanentmagneten 48 der Transportstange 15 entfernt, dass die Anziehungskräfte der beiden Permanentmagneten 48, 50 verschwindend gering sind und die Scanbewegung des Probenhalters 12 nicht beeinflussen. Die Führungsplatte 56 ist in dem Zustand der 5 mit ihrer Durchgangsöffnung 58 fluchtend zu der Transportstange 15 und dem Probenhalter 12 angeordnet.
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Die Probe 28 kann nun gemeinsam mit dem Probenhalter 12 mittels der Piezo-Verschiebeelemente 20, 22 und 24 nun vor dem Mikroskopobjektiv 30 bewegt werden, um ein Abscannen der Probe 28 zu ermöglichen. Das Mikroskopobjektiv 30 kann mittels des Verschiebetischs 32 in und entgegen der z-Richtung verschoben werden.
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Wenn die Probe 28 vollständig abgescannt ist und der Probenhalter 12 aus dem Kryostaten 36, siehe 1, entfernt werden soll, wird der Probenhalter 12 mittels des Piezo-Verschiebeelements 20 dann in y-Richtung nach oben bewegt, bis die Feder 46 des Probenhalters 12 wieder vollständig in der Nut 44 der Transportvorrichtung 14 angeordnet ist und somit der Zustand der 2 erreicht ist. In dem Zustand der 2 ist das Magnetfeld der ersten Permanentmagneten 48, 50 dann senkrecht zu dem Magnetfeld der zweiten Permanentmagneten 62, 64 angeordnet und dann, wenn die Transportstange 15 in y-Richtung bewegt wird, kann der Probenhalter 12 relativ zu dem Halter 18 bewegt werden, da die Haltekraft der zweiten Permanentmagneten 62, 64 in y-Richtung geringer ist als die Haltekraft der ersten Permanentmagneten 48, 50. Die Haltekraft der Permanentmagneten 48, 50 einerseits und die Haltekraft der Permanentmagneten 62, 64 und der gegenüber im Haltekeil 54 angeordneten Permanentmagneten muss dabei aufeinander abgestimmt sein, es ist aber nicht erforderlich, dass diese Haltekräfte exakt gleich groß sind. Dies deshalb, da die Magneten in einer Richtung senkrecht zu ihrem Magnetfeld vergleichsweise leicht voneinander gelöst werden können.
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Ausgehend von dem Zustand der 2 kann der Probenhalter 12 dann zusammen mit der Transportstange 15 aus dem Kryostaten 36 entnommen werden, indem die Transportstange 15 zusammen mit dem Probenhalter 12 aus der Durchgangsöffnung 42 herausgezogen wird.
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Die Darstellung der 6 zeigt die Darstellungen der 2, 3, 4 und 5 noch einmal nebeneinander, wobei mit Pfeilen 70, 72, 74, 76 jeweils die Bewegungsrichtung des Probenhalters 12 angedeutet ist, um diesen in die nächste, dargestellte Position zu bringen. Der Pfeil 76 deutet dabei an, dass die Transportstange 15 nun entfernt werden kann, da der Probehalter 12 sich in der vorgesehenen Position befindet.
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Die Darstellung der 7 zeigt eine Ansicht auf die Schnittebene VII-VII in 2, wobei der Übersichtlichkeit halber die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22 und 24 sowie auch das Mikroskopobjektiv 30 und der Verschiebetisch 32 nicht dargestellt sind.
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Die Feder 46 des Probenhalters 12 ist im Zustand der 7 vollständig in der Nut 44 der Transportstange 15 aufgenommen und der Permanentmagnet 48 am Grund der Nut 44 der Transportstange 15 berührt mit seiner Stirnseite den Permanentmagnet 50 in der Stirnseite der Feder 46 des Probenhalters 12. Die beiden ersten Magneten 48, 50 halten dadurch den Probenhalter 12 zuverlässig an der Transportstange 15. Das obere, sich an die Feder 46 anschließende Ende des Probenhalters 12 ist mit geringem Spiel in der Durchgangsöffnung 58 der Führungsplatte 56 aufgenommen. Die Haltestangen 58, die die Führungsplatte 56 mit dem Piezo-Verschiebeelement 26 verbinden, siehe 1, sind lediglich abschnittsweise dargestellt.
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In dem Zustand der 7 wird der Probenhalter 12 gleichzeitig mittels der beiden zweiten Permanentmagneten 62, 64 an dem Halter 18 gehalten. Der Haltekeil 54 ist mit zwei Querbohrungen 78 versehen, die zu den Querbohrungen 60 im Probenhalter 12 fluchten und an deren, dem Probenhalter 12 zugewandten Ende jeweils ein Permanentmagnet 80, 82 angeordnet ist. Die Permanentmagneten 62, 64, 80, 82 bilden die zweiten Magneten, mit denen der Probenhalter 12 am Halter 18 gehalten wird. Im Zustand der 7 berühren sich die Permanentmagnete 62 und 80 sowie 62 und 82, so dass die maximal mögliche Anziehungskraft erreicht ist. Wie 7 ohne Weiteres zu entnehmen ist, ist das Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten 48, 50, die die ersten Magneten bilden, senkrecht zu dem Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten 62, 64, 80, 82, die die zweiten Magneten bilden, angeordnet. Der Probenhalter 12 kann dadurch ausgehend von dem Zustand der 7 mittels des Piezo-Verschiebeelements 26, siehe 1, in und entgegen der x-Richtung bewegt werden, ohne dass zu befürchten ist, dass die Verbindung des Probenhalters 12 mit dem Halter 18, die durch die Haltekraft der Permanentmagneten 62, 64, 80, 82 sichergestellt ist, sich löst. Wie ausgeführt wurde, wird ein dabei entstehendes Drehmoment auf die Halteplatte 52, das zu einer Überbelastung der mit der Halteplatte 52 verbundenen Piezo-Verschiebeelement 20, 22, 24 führen könnte, dabei durch die Führungsplatte 56 aufgenommen und über die Haltestangen 58 auf das Piezo-Verschiebeelement 26 übertragen, so dass die Piezo-Verschiebeelemente 20, 22, 24 entlastet sind.
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Umgekehrt kann bei einem Lösen des Probenhalters 12 von dem Halter 18 die Transportstange 15 in y-Richtung bewegt werden. Da die Magnetfelder zwischen Transportstange 15 und Probenhalter 12 einerseits und zwischen Probenhalter 12 und Halter 18 andererseits senkrecht zueinander angeordnet sind, kann mittels einer Bewegung der Transportstange 15 in y-Richtung der Probenhalter 12 problemlos und zuverlässig von dem Halter 18 bzw. dem Haltekeil 54 mit den Permanentmagneten 80, 82 gelöst werden.
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Die Erfindung ermöglicht demnach eine zuverlässige Übergabe des Probenhalters 12 von der Transportstange 15 der Transportvorrichtung 14 auf den Halter 18 bzw. die Scanvorrichtung 16, siehe 1, ohne dass hierzu mechanische Greifer benötigt werden. Auch bei extrem geringen Temperaturen, beispielsweise dann, wenn der Kryostat 36 mit flüssigem Helium gefüllt ist oder wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 innerhalb einer Hochvakuumkammer angeordnet ist, muss dadurch nicht befürchtet werden, dass mechanische Vorrichtungen einfrieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung in der dargestellten Ausführungsform kann dabei mit Permanentmagneten realisiert werden, d.h., es ist keine Steuerung der Haltekräfte der Magneten erforderlich. Alternativ können anstelle der Permanentmagneten aber auch Elektromagneten zum Einsatz kommen gegebenenfalls gesteuert bzw. geschaltet durch die Steuereinheit 27, siehe 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das anhand der vorstehenden Figuren gleichfalls beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Transferieren eines Probenhalters von der Transportvorrichtung 14 zu der Scanvorrichtung 16 ermöglichen dadurch eine schnelle und zuverlässige Übergabe des Probenhalters 12 auch unter extremen Bedingungen, beispielsweise innerhalb eines mit flüssigem Helium gefüllten Kryostaten.
