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Die Erfindung betrifft einen Tisch mit einer Tischplatte, insbesondere einen optischen Tisch zur Ausführung von Experimenten im kryogenen Ambiente.
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In vielen hochpräzisen und entsprechend hochempfindlichen optischen Experimenten wie beispielsweise denen der höchstauflösenden und mithin höchst störungsanfälligen Super Resolution Optical Microscopy oder auch der Quantenoptik werden auf Tischen komplexe Messaufbauten aus einer Vielzahl von optischen Komponenten arrangiert. Die Messgenauigkeit wird durch Umgebungseinflüsse wie Vibrationen, thermische Effekte oder elektromagnetisches Rauschen begrenzt. Daher werden viele solcher Experimente unter am Ort einer zu vermessenden Probe möglichst vibrationsarmen und auch kryogenen Bedingungen durchgeführt. Im Stand der Technik werden Kältemaschinen wie Kryostate oberhalb oder auf dem Tisch angeordnet.
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Ferner ist aus der
US 8,746,008 B1 ein „low vibration cryocooled system for low temperature microscopy and spectroscopy applications” bekannt, das Vibrationen für die Untersuchung von Proben reduziert.
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Die Erfindung stellt sich der Aufgabe, einen Tisch, insbesondere einen optischen Tisch zu schaffen, auf dem in flexibler und einfacher Weise vielfältig ausgestaltete optische Experimente mit höchster Auflösung durchgeführt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst von einem Tisch mit einer Tischplatte, die beispielsweise von einer Anzahl von Tischbeinen getragen wird. Der Tisch umfasst eine Kältemaschine, wobei zumindest ein Abschnitt der Tischplatte mit der Kältemaschine in thermischem Kontakt steht und durch diese kühlbar ist. Ferner umfasst er eine abpumpbare obere Vakuumkammer zur thermischen Isolierung des thermischen Kontakts von der Umgebung des Tisches. Die obere Vakuumkammer verbindet eine der Tischplatte zugewandte Oberseite der Kältemaschine und den zu kühlenden Abschnitt. Die obere Vakuumkammer umfasst zumindest einen flexiblen oberen Kammerabschnitt. Desgleichen weist der Tisch eine abpumpbare untere Vakuumkammer auf, die mit einer der Tischplatte abgewandten Unterseite der Kältemaschine verbunden ist, mit zumindest einem flexiblen unteren Kammerabschnitt. Darüber hinaus weist der Tisch eine starre Versteifungsstruktur auf, die jeweils über den flexiblen oberen Kammerabschnitt und den flexiblen unteren Kammerabschnitt mit der Kältemaschine verbunden ist, mithin mittelbar mit der Kältemaschine verbunden ist.
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Die Adjektive „obere” und „untere” exemplifizieren den Fall der bevorzugten weil auf der Tischoberfläche platzsparenden erfindungsgemäßen Ausführungsform, dass die Kältemaschine unterhalb der Tischplatte angeordnet ist. Ist gemäß einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform die Kältemaschine oberhalb der Tischplatte angeordnet, so sind die Adjektive „obere” und „untere” sinngemäß gegeneinander zu vertauschen. Denkbar sind auch weitere äquivalente Ausführungsformen, bei denen die Kühlmaschine seitlich (entlang einer Raumachse in der Ebene der Tischoberfläche) mit der Tischplatte verbunden ist. Daher sind die Adjektive „obere” und „untere” im weitesten Sinne als der Tischplatte „zugewandte” respektive „abgewandte” Seite der Kältemaschine zu verstehen, wobei die zugewandte und abgewandte Seite bezüglich einer Raumachse entgegengesetzte Seiten der Kältemaschine bezeichnen.
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Ein Tisch, insbesondere ein optischer Tisch dient der stabilen und vibrationsarmen mechanischen Halterung von Objekten, aus denen ein optisches System aufgebaut ist. Diese Objekte können etwa optische Elemente wie Spiegel, Linsen, Laserquellen oder Probenhalter sein. Als Tisch werden bevorzugt auch „Kryogene Untersuchungsstationen” (cryogenic probe station) verstanden.
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Die Tischplatte zeichnet sich durch große Steifigkeit aus und hat eine ebene Tischoberfläche. Die Tischplatte ist mit einem Unterbau mit integrierter Dämpfungseinrichtung verbunden. Die Befestigungsmittel zur Befestigung der Objekte kann ein insbesondere regelmäßiges Muster von Gewindelöchern zur Aufnahme von Pratzen der Objekte oder von in der Tischplatte integrierten Magneten zur Fixierung von Magnetfüßen der Objekte oder aber Klebstoff sein. Befestigungsmittel können sowohl in der Tischplatte als auch auf der oberen Plattenoberfläche der kryogenen Platte vorgesehen sein.
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Der Unterbau kann aus einem, zwei, drei, vier oder mehr Tischbeinen bestehen. Die Tischbeine können höhenverstellbar ausgestaltet sein, um die Tischoberfläche horizontal auszurichten, selbst, wenn der Tisch auf einem unebenen Boden steht. Die Tischbeine können eine gemeinsame oder jeweils eine Dämpfungseinrichtung zur Vibrationsdämmung der Tischplatte, auf deren Oberfläche sensible optische Experimente durchgeführt werden sollen, umfassen. Eine Dämpfungseinrichtung ist ein System zur Dämpfung von mechanischen Schwingungen wie Vibrationen, Erschütterungen und Stößen, der meist Bewegungsenergie in Wärmeenergie umwandeln kann. In der Tischoberfläche der Tischplatte können Befestigungsmittel zur Befestigung von Objekten vorgesehen sein. Die Tischbeine sind mit einer Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Vibrationen ausgestattet. Der Tisch verfügt ferner über eine integrierte Kühlung. Dazu ist eine Kältemaschine zur Kühlung einer kryogenen Platte unter der Tischplatte vorgesehen, wobei die kryogene Platte mit der Kältemaschine in thermischem Kontakt steht und durch diese kühlbar ist. Ferner ist eine Versteifungsstruktur zwischen der Kältemaschine und mindestens einem Tischbein vorgesehen, wobei die Versteifungsstruktur unterhalb der Dämpfungseinrichtung mit den Tischbeinen starr verbunden ist, so dass die Dämpfungseinrichtung die Tischplatte gegenüber der Kältemaschine und den Bereichen, mit denen die Tischbeine am Boden stehen dämpfen kann. Die Kältemaschine stützt sich auf der Versteifungsstruktur ab und ist mit dieser verbunden. Eine Durchbrechung in der Tischplatte ist oberhalb der Kältemaschine vorgesehen. In dieser Durchbrechung ist die kryogene Platte – insbesondere formschlüssig – angeordnet.
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Es können Dämpfungseinrichtungen vorzugsweise zwischen Tischbeinen und Tischplatte vorgesehen sein. Eine Dämpfungseinrichtung kann beispielsweise eine Reibungsbremse und/oder resonante Systeme umfassen.
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Sie kann beispielsweise eine Matte aus elastischem Material wir Gummi oder aber eine Federeinrichtung, eine hydraulische Federung, eine aktive piezoelektrische Dämpfungsregelungseinheit, welche beispielsweise zeit- und richtungsaufgelöst die auf den Tisch wirkenden Kräfte piezoelektrisch detektiert und mittels einer Regelungseinheit mit ebenfalls durch auf den Tisch wirkende piezoelektrische Aktuatoren erzeugte Gegenkräften kompensiert, der Tischbewegung Kräfte oder eine Druckluftlagerung oder eine Kombination daraus sein.
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Der erfindungsgemäße Tisch verfügt ferner über eine integrierte Kältemaschine zur Kühlung z. B. einer kryogenen Platte unter der Tischplatte. Die Kältemaschine kann ein Aufbau von Kühlanlagen und einem Pumpstand sein. Die Kühlanlagen bestehen beispielsweise aus Absorptionskälteanlagen, Adsorptionskälteanlagen, Diffusionsabsorptionskältemaschinen, Kompressionskälteanlagen, Dampfstrahlkälteanlage, Joule-Thomson-Effekt, Gifford-MaMahon (GM) Kühler, Pulsröhrenkühler, Ionengetterpumpen, Peltier-Elementen, magnetischen Kühlelementen, Vedunstungskühlern und/oder Kryostaten. Der Pumpstand kann ein Aufbau von bewegten Pumpen wie Turbopumpen und Membranpumpen sowie unbewegten Pumpen wie Ionengetterpumpen oder Kryopumpen sein. Vorteilhafterweise sind diese Bestandteile der Kältemaschine vibrationsarm ausgelegt und/oder mechanisch von der Tischplatte entkoppelt. Der thermische Kontakt kann beispielsweise eine Struktur aus Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit sein, die die Kältemaschine und den zu kühlenden Abschnitt der Tischplatte mechanisch und thermisch verbindet. Insbesondere kann der thermische Kontakt eine flexible Kupferlitze, Aluminiumlitze oder ein Kupferdraht, Aluminiumdraht oder ein Silberdraht oder Silberdrahtgeflecht sein.
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Eine Vakuumkammer ist ein Behältnis, das ein Volumen allseits und hermetisch von einer Umgebung abschließt, so dass durch Abpumpen von Gasen aus dem Vakuumkammer mittels eines Pumpstandes innerhalb der Vakuumkammer ein niedrigerer Druck als der Umgebungsdruck erzeugt und aufrechterhalten werden kann. Sie bestehen üblicherweise aus Stahl und tragen zum Anschluss an andere Bauteile wie den Tisch vorzugsweise normierte Flansche (z. B. einen ISO 100 mm-Flansch). Die obere und untere Vakuumkammer umfassen je mindestens einen flexiblen oberen respektive unteren Kammerabschnitt. Diese Kammerabschnitte können beispielsweise vakuumtaugliche Bälge (flexible bellows) oder Schläuche aus Stahl sein, die an der oberen und unteren je mit einem Verbindungsflansch abgeschlossen sein können, und die zumindest der Länge nach auseinanderziehbar und/oder stauchbar sind.
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Die erfindungsgemäße Versteifungsstruktur, die jeweils über den oberen Kammerabschnitt und den unteren Kammerabschnitt flexibel mit der Kältemaschine verbunden ist, ist starr und vorzugsweise auch jeweils starr an starren Kammerabschnitten der oberen Vakuumkammer und unteren Vakuumkammer verbunden. Durch diese starre mechanische Kopplung wirkt eine auf die eine Vakuumkammer wirkende Kraft über die Versteifungsstruktur auch auf die andere Vakuumkammer. Ein Volumen einer Vakuumkammer ist tendenziell umso leichter und effizient auf einem geringen Unterdruck (z. B. etwa 10–8 mbar) gegenüber dem Umgebungsdruck zu halten, je kleiner das abzupumpende Volumen und die es umgebende Fläche ist. Deshalb ist die Versteifungsstruktur vorzugsweise umgebungsseitig, nicht vakuumseitig, mit der oberen und unteren Vakuumkammer verbunden. Die Versteifungsstruktur kann aus einem oder zur besseren Verteilung der Kraft und Stabilisierung aus mehreren Bauteilen bestehen. Beispielsweise kann die Versteifungsstruktur aus zwei oder drei vorzugsweise längenverstellbaren Stahlträgern bestehen, die jeweils – z. B. parallel der Ebene der Tischoberfläche winkelgleichverteilt – mit der oberen und unteren Vakuumkammer verbunden sind. Die Verbindung kann beispielsweise eine lösbare Verbindung wie eine Schraubverbindung sein, was eine einfachere und flexiblere Montage erlaubt.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen des Tisches umfassen die Merkmale einer oder mehrerer der folgenden Ausgestaltungen.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind der obere Kammerabschnitt und untere Kammerabschnitt zumindest entlang der gleichen Raumachse, zum Beispiel der Normalen der Tischoberfläche, flexibel. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass sich die auf die obere und untere Vakuumkammer wirkenden Kräfte, die insbesondere durch das Evakuieren wirken, entlang der einen Raumachse ausgeglichen werden können, wobei der Gesamtaufbau des Tisches ansonsten bezüglich anderer komplementärer Raumachsen starr und damit stabiler ausgeführt werden kann.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind der obere Kammerabschnitt und untere Kammerabschnitt zumindest entlang einer Normalen einer Tischoberfläche der Tischplatte flexibel und ansonsten starr, so dass ein unteres Vakuumvolumen der unteren Vakuumkammer und ein oberes Vakuumvolumen der oberen Vakuumkammer variabel sind. Bewegliche Vakuumteile sind meist teuer und fehleranfällig. Diese Ausgestaltung hat beispielsweise den Vorteil, dass die Flexibilität der oberen und unteren Vakuumkammer durch je nur einen flexiblen Kammerabschnitt realisiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Versteifungsstruktur jeweils starr mit der oberen Vakuumkammer und der unteren Vakuumkammer verbunden.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind das obere Vakuumvolumen und das untere Vakuumvolumen durch die Kältemaschine und/oder einen externen Pumpstand oder verschiedene externe Pumpstände beispielsweise über entsprechende Pumpleitungen abpumpbar. Ein Pumpstand kann aus mehreren in Flussrichtung des abgepumpten Gases seriell oder parallel angeordneten Pumpen bestehen. Beispielsweise können Vorpumpen wie Membranpumpen, die zwar nur einen Vorvakuumdruck (z. B. etwa 10–4 mbar) erzeugen können aber eine Gasflusslast tragen können, Hochvakuumpumpen wie Turbopumpen oder Ionengetterpumpen in Flussrichtung nachgeordnet sein. Die Pumpleitungen können beispielsweise flexible Balgschläuche mit endseitigen Flanschen sein. Dies hat den Vorteil, dass der Tisch von den Vibrationen der Pumpen entkoppelt wird.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist eine Druckregulierungseinrichtung zur Einstellung eines oberen Drucks in und/oder oberen Gasstroms aus der oberen Vakuumkammer und eines unteren Drucks in und/oder unteren Gasstroms aus der oberen Vakuumkammer vorgesehen. Die Druckregulierungseinrichtung kann im einfachsten Fall eine fluide Verbindung zwischen dem oberen und unteren Vakuumvolumen der oberen respektive unteren Vakuumkammer sein. Dadurch stellt sich im oberen und unteren Vakuumvolumen derselbe Druck ein. Je nach Gaslast und Länge der fluiden Verbindung ist ein minimaler Querschnitt der fluiden Verbindung hinreichend großflächig auszulegen, damit der Druckausgleich nach Maßgabe der Anwendung hinreichend schnell erfolgen kann. Die Druckregulierungseinrichtung kann auch ein elektronisches Regelungssystem von Pumpen und/oder steuerbaren Ventilen von externen Gaszufuhren der oberen und unteren Vakuumkammer sein, über die der Gasstrom in oder aus der oberen und/oder unteren Vakuumkammer regulierbar ist.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Druckregulierungseinrichtung eine fluide Verbindung zwischen der oberen Vakuumkammer und der unteren Vakuumkammer, so dass der obere Druck und/oder obere Gasstroms mit dem unteren Druck respektive den unteren Gasstrom ausgleichbar sind. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass eine aufwendige elektronische Steuerung zum Druckausgleich entbehrlich wird.
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Gemäß einer besonders einfachen erfindungsgemäßen Ausgestaltung haben eine obere Grundfläche des oberen Vakuumvolumens und eine untere Grundfläche des unteren Vakuumvolumens, die parallel zur Tischoberfläche ausgerichtet sind, im Wesentlichen die gleiche Fläche, so dass sich eine obere Kraft und eine untere Kraft, die durch Abpumpung der oberen Vakuumkammer respektive unteren Vakuumkammer entlang der Normalen der Tischoberfläche erzeugbar sind, zumindest teilweise kompensieren.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Druckregulierungseinrichtung ein Hohlraum in der Versteifungsstruktur, der jeweils in die obere Vakuumkammer und die untere Vakuumkammer mündet. Die Versteifungsstruktur fungiert dann als erfindungsgemäße fluide Verbindung. Sie kann jeweils über Vakuumflansche an Gegenflansche der oberen und unteren Vakuumkammer angeschlossen werden, so dass der Hohlraum das obere und untere Vakuumvolumen fluide verbindet und gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst die Druckregulierungseinrichtung eine Regelungseinheit zur abstimmbaren Regelung des oberen Druck und/oder des oberen Gasstroms sowie des unteren Drucks respektive unteren Gasstroms, so dass sich eine obere Kraft und eine untere Kraft, die durch Abpumpung der oberen Vakuumkammer respektive unteren Vakuumkammer entlang der Normalen der Tischoberfläche erzeugbar sind, zumindest teilweise kompensierbar sind.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der durch die Kältemaschine kühlbare Abschnitt zumindest eine in der Tischplatte gehalterte kryogene Platte. Die kryogene Platte ist vorzugsweise demontierbar und vom restlichen Tisch thermisch entkoppelt, beispielsweise durch Halterungen aus einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Keramiken oder Kunststoffe. Auf der der Kältemaschine entgegengesetzten Seite der Kältemaschine bzw. der kryogenen Platte kann eine zu vermessende und zu diesem Zweck zu kühlende Probe angeordnet werden. Zur thermischen Isolierung der Probe gegenüber der Umgebung des Tisches, die üblicherweise Raumtemperatur und Atmosphärendruck aufweist, kann eine Haube auf einem Teilbereich der kryogenen Platte derart vorgesehen sein, so dass ein evakuierbares Volumen um die Probe definiert ist. In der Haube können um die Probe definiert ist. In der Haube können vakuumdichte optische Fenster, Manipulatoren, elektrische Durchführungen und Messsonden angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Kältemaschine an mindestens einem Tischbein des Tisches, an der Tischplatte und/oder auf einem Boden abgestützt.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann zusätzlich eine Haube mit mindestens einem optischen Fenster, Pumpzuleitungen, vorzugsweise vakuumdichten Durchleitungen für elektrische Kabel oder mechanische Vorrichtungen wie Manipulatoren für die Objekte und/oder auch optische Shutter vorgesehen sein. Insbesondere kann die auf der kryogenen Platte montierte Haube einen Hohlraum der zumindest durch eine Teilfläche der oberen Plattenoberfläche der kryogenen Platte begrenzt ist, allseits umschließen, so dass ein evakuierbarer Raum entsteht.
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Die Haube kann insbesondere eine vakuumtaugliche Kammer sein, an deren offener Unterseite entsprechende Gegenflansche zu den Flanschen der kryogenen Platte vorgesehen sind, so dass ein Teilbereich der oberen Plattenoberfläche zusammen mit der Innenfläche der Haube einen abgeschlossenen und evakuierbaren Raum bilden.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine Dämpfungssteuerung vorgesehen sein, die mit der Dämpfungseinrichtung in Wirkverbindung steht und die Dämpfungseinrichtung in Abhängigkeit detektierter Vibrationen ansteuert, so dass die Tischplatte und ihre Tischoberfläche von Vibrationen freigehalten wird. Insbesondere kann die Druckregulierungseinrichtung in einen Regelkreis der Dämpfungssteuerung eingebunden sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur mechanischen Entkopplung einer Tischplatte eines Tisches und einer Kältemaschine, die an einer der Tischplatte zugewandten Oberseite mit der Tischplatte über eine flexible obere Kammer, und die an einer der Tischplatte abgewandten Unterseite mit einer unteren Kammer verbunden ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Druckregulierungseinrichtung ein oberer Druck in und/oder ein oberer Gasstrom aus der oberen Vakuumkammer sowie ein unterer Druck in und/oder ein unterer Gasstrom aus der unteren Vakuumkammer derart abgestimmt geregelt werden, dass sich eine obere Kraft und eine untere Kraft, die durch Abpumpen der oberen Vakuumkammer respektive der unteren Vakuumkammer entlang einer Normalen einer Tischoberfläche der Tischplatte wirken, zumindest teilweise kompensieren.
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Der Erfindung unterliegt die Grundidee, den oberen Druck im oberen Vakuumvolumen und den unteren Druck im unteren Vakuumvolumen derart zu regeln, dass die durch Evakuierung der oberen Vakuumkammer wirkende obere Kraft die durch Evakuierung der unteren Vakuumkammer wirkende untere Kraft nach Maßgabe des auf dem Tisch auszuführenden Experiments hinreichend kompensiert. Entlang der Raumachse, in der die obere und untere Vakuumkammer flexibel sind, können die obere und untere Kraft eine Bewegung bewirken. Die obere/untere Kraft ergibt sich im Wesentlichen aus dem Quotienten von oberem/unterem Druck und der effektiven Grundfläche der oberen/unteren Vakuumkammer. Die effektive Grundfläche bezieht sich auf die Ebene, deren Normale parallel zur vorgenannten Raumachse ist. Bei gleichen Grundflächen kann der Kräfteausgleich, beispielsweise durch eine fluide Verbindung zwischen oberer und unterer Kammer, durch Druckausgleich bewirkt werden. In diesem Fall könnten die obere und die untere Vakuumkammer durch denselben Pumpstand abgepumpt werden.
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Denkbar ist auch ein Kräfteausgleich, indem die untere Grundfläche (z. B. zehnmal) größer als die obere Grundfläche ausgelegt ist und der untere Druck (z. B. etwa 10–4 mbar) entsprechend niedriger als der obere Druck (z. B. etwa 10–5 mbar) eingestellt wird. Im Detail wird der Druck in den Kammern P1 und P2 bei den Flächen A1 und A2 bei dem Umgebungsdruck P nach der Beziehung (P – P1)A1 = (P – P2)A2 bestimmt werden können.
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Dies hat den Vorteil, dass das obere Vakuumvolumen abgeschlossen bleibt, so dass ein möglichst tiefes Vakuum unaufwendiger erzeugt werden kann, so dass der thermische Kontakt möglichst gut thermisch isoliert wird und die auf den zu kühlenden Abschnitt des Tisches wirkende Kühlleistung optimiert wird. Zudem ist ein Pumpstand zur Erzeugung eines höheren Drucks tendenziell billiger und wartungsärmer. Das bezüglich der Einstellung des oberen und unteren Drucks gesagte ist analog auch für die Einstellung des oberen und unteren Gasflusses in oder aus der oberen respektive unteren Vakuumkammer anzuwenden. Denn ein Druckausgleich zwischen unterer und oberer Vakuumkammer erfolgt nicht instantan. Vielmehr beanspruchen die druckausgleichenden Gasflüsse Zeit. Während dieser Zeit sind die obere und untere Kraft nicht im Gleichgewicht, so dass Bewegungen, wie Vibrationen, im Tisch erzeugt werden, welche die störungsanfälligen Messungen auf der Tischplatte kompromittieren können. Vorteilhafterweise wird durch die Kompensation der unteren und oberen Kraft, die zumindest mittelbar auf den Tisch wirken, eine Deformation mechanischer Stress auf die Tischplatte vermieden.
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Die Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen werden in den beigefügten Figuren beispielhaft veranschaulicht. Gleiche und gleichwirkende Merkmale sind nur teilweise mit Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tisches;
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2 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tisches;
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3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tisches;
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4 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tisches;
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5 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Tisches; und
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6 eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Tisch mit einer montierten Haube.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tisches 1, hier einen optischen Tisch 1. Eine Tischplatte 9 mit einer oben liegenden Tischplattenoberfläche 2 wird von Tischbeinen 4 getragen. Zwischen jedem Tischbein 4 und der Tischplatte 9 ist je eine Dämpfungseinrichtung 5 angeordnet. In einer (oder mehreren) Durchbrechung 3 in der Tischplatte 9 ist (je) eine kryogene Platte 10 durch Verbindungselemente starr befestigt, so dass eine obere Plattenoberfläche mit der Tischoberfläche 2 fluchtet. Ein Flansch (nicht dargestellt) eines flexiblen oberen Kammerabschnitts einer oberen Vakuumkammer 50 ist mit einer Oberseite 26 einer Kältemaschine 20 in mechanischer und/oder fluider Verbindung.
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Weiterhin ist die untere Plattenoberfläche über ein flexibles Element 22 aus einem wärmeleitfähigen Material wie Kupfer, das einen zur effizienten Kühlung der kryogenen Platte 10 ausgelegten Wärmestrom tragen kann, in mechanischer und thermischer Verbindung. Dadurch sind die Kältemaschine 20 und die kryogene Platte 10 mechanisch nicht starr verbunden und mithin zumindest orthogonal zur Tischebene gegeneinander beweglich und voneinander vibrationsisoliert bzw. vibrationsgedämmt. Die Unterseite 27 der Kältemaschine 20 ist mit einem Flansch (nicht dargestellt) eines flexiblen Kammerabschnitts 61 einer unteren Vakuumkammer 60 in mechanischer und fluider Verbindung. Die obere Vakuumkammer 50 und die untere Vakuumkammer 60 liegen bezüglich einer Normale 70 einer Tischoberfläche 2 der Tischplatte 9 auf entgegengesetzten Seiten der Kältemaschine. Ein oberes/unteres Vakuumvolumen 52/62 der oberen/unteren Vakuumkammer 50/60 kann durch einen Pumpstand (nicht dargestellt) der Kältemaschine 20 oder über eine externe Pumpleitung 81 durch einen externen Pumpstandes (80) auf einen oberen/unteren Druck 50P/60P evakuiert werden. Eine Versteifungsstruktur 30 verbindet seitens der Umgebung 100 und starr die obere Vakuumkammer 50 mit der unteren Vakuumkammer 60, wobei die Verbindung oberhalb des oberen flexiblen Kammerabschnitts 51 und unterhalb des unteren flexiblen Kammerabschnitts 61 ansetzt.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tisches 1 wie bereits in 1 beschrieben. Der flexible obere Kammerabschnitt 51 und der flexible untere Kammerabschnitt 61 sind entlang der Normalen 70 stauchbar und auseinanderziehbar. Durch den oberen/unteren Druck 50P/60P, der auf die zur Normalen 70 orthogonalen oberen/unteren Grundfläche 53/63 wirkt, entstehen eine obere Kraft 50K und eine untere Kraft 60K, die entlang der Normalen 70 in entgegengesetzte Richtungen auf die Kältemaschine 20 wirken. Ist die untere Kraft 60K gleich der oberen Kraft 50K, wird die Kältemaschine 20 nicht gegen die Tischplatte 9 bewegt. Diese derart unterdrückte Bewegung könnten beispielsweise vibratorische Störungen für die auf der Tischplatte 9 stattfindenden Experimente (experimenteller Aufbau nicht dargestellt) induzieren. Die obere Kraft 50K ist gleich der unteren Kraft 60K, wenn der Quotient der Differenz des Umgebungsdrucks P und dem unteren Druck 60P P2 und der Differenz des Umgebungsdrucks P und dem oberen Druck 50P P1 gleich ist dem Quotienten aus oberer Grundfläche 53 A1 und unterer Grundfläche 63 A2, A1/A2 = (P – P2)/(P – P1).
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3 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tisches 1. Die Versteifungsstruktur 30 fungiert als Druckregulierungseinrichtung 90, um den oberen Druck 50P und den unteren Druck 60P auszugleichen. Ein Hohlraum 31 der Versteifungsstruktur hat jeweils Mündungen 32 in die obere Vakuumkammer 50 und die untere Vakuumkammer 60. Dieser Hohlraum 31 fungiert als fluide Verbindung 91 für einen oberen Gasfluss 50F aus der oberen Vakuumkammer 50 und ein unteren Gasfluss 60F aus der unteren Vakuumkammer 60 zu einem externen Pumpstand 80 oder alternativ zu einem Pumpstand (nicht dargestellt) der Kältemaschine 20. Denkbar ist auch, die Druckregulierungseinrichtung 90 als von der Versteifungseinrichtung 30 separates Bauteil auszugestalten, beispielsweise als einen flexiblen Balgschlauch.
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4 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tisches 1. Auf einer Durchbrechung 3 in der Tischplatte 9 ist eine kryogene Platte 10 angeordnet, an der die obere Vakuumkammer 50 von unten angeflanscht ist. Der flexible obere Kammerabschnitt 51 ist von oben an die Kältemaschine 20 angeflanscht. In dieser Ausführungsform ist die Kältemaschine 20 in einem starren Rahmen 28, der auf dem Boden 82 steht, abgestützt. Von unten ist ein flexibler unterer Kammerabschnitt 61 einer unteren Vakuumkammer 60 an die Kältemaschine 20 bzw. an den mit ihr starr verbundenen Rahmen 28 angeflanscht. Der flexible obere Kammerabschnitt 51 und der flexible untere Kammerabschnitt 61 kann beispielsweise als flexibler Balg (flexible bellows) mit endseitig jeweils angeschweißtem ringförmigen Anschlussflanschen ausgestaltet sein. Die Anschlussflansche können beispielsweise einen Außendurchmesser von 6'' OD (ca. 152 mm) sowie einen Innendurchmesser der freien Öffnung 5'' ID (127 mm) 4'' ID (101,6 mm) oder 3,5'' ID (89 mm) aufweisen. Bei typischer Einstellung des oberen/unteren Drucks 50P/60P in der oberen/unteren Vakuumkammer 50/60 wirkt aufgrund des Atmosphärendrucks (meist 1 bar) der Umgebung 100 eine obere Kraft 50K und eine untere Kraft 60K mit gleichem Betrag in entgegengesetzte Richtung, so dass sie sich kompensieren und den unteren und oberen flexiblen Balg stauchen. Für eine obere/untere Grundfläche 53/63, die dem freien Innendurchmesser der Abschlussflansche der Balge entspricht, von 101 (127) mm beträgt dann die obere/untere Kraft 50K/60K 80 (127) Newton.
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5 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Tisches 1. In Abwandlung der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Rahmen 28 über eine Anzahl von Dämpfungseinrichtungen 5 mit der Tischplatte 9 verbunden.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Tisch 1 mit Tischbeinen 4, einer Tischplatte 9 sowie einer montierten Haube 40 zur Aufnahme beispielsweise einer zu untersuchenden Probe (nicht dargestellt). Die Kältemaschine ist in einem Gehäuse 25 unter dem Tisch angeordnet. Im oberen Bereich trägt die Haube 40 ein Sichtfenster 46 sowie weitere Sichtfenster 41 im Seitenbereich zur Inaugenscheinnahme ihres Inneren durch einen Experimentator. Die Haube 40 definiert zusammen mit der sie begrenzenden Tischplatte 9 ein Volumen, das evakuierbar ist, insbesondere über einen externen Pumpstand 80. Die Haube 40 ist über einen Flansch 44 auf der Oberfläche 2 des Tisches befestigt. Innerhalb der Haube 40 kann eine Probe über die Fenster 41, 46 untersucht werden, wobei die Probe in einer kryogenen Atmosphäre gehalten werden kann.
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Dem Fachmann wird durch die hier offenbarte Erfindung auch, soweit technisch möglich, zur Kombination von Merkmalen, die im Kontext verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungsformen beschrieben sind, angeregt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tisch
- 2
- Tischoberfläche
- 3
- Durchbrechung
- 4
- Tischbeine
- 5
- Dämpfungseinrichtung
- 7
- Befestigungsmittel
- 9
- Tischplatte
- 10
- Kryogene Platte
- 20
- Kältemaschine
- 22
- Thermischer Kontakt
- 26
- Oberseite
- 27
- Unterseite
- 28
- Rahmen
- 30
- Versteifungsstruktur
- 31
- Hohlraum
- 32
- Mündung
- 40
- Haube
- 41
- Fenster
- 42
- Hohlraum
- 44
- Raumtemperaturgegenflansch
- 45
- Kryogener Gegenflansch
- 46
- Sichtfenster
- 50
- Obere Vakuumkammer
- 50F
- Oberer Gasstrom
- 50K
- Obere Kraft
- 50P
- Oberer Druck
- 51
- Flexibler oberer Kammerabschnitt
- 52
- Oberes Vakuumvolumen
- 53
- Obere Grundfläche
- 60
- Untere Vakuumkammer
- 60F
- Unterer Gasstrom
- 60K
- Untere Kraft
- 60P
- Unterer Druck
- 61
- Flexibler unterer Kammerabschnitt
- 62
- Unteres Vakuumvolumen
- 63
- Untere Grundfläche
- 70
- Raumachse, Normale
- 80
- Externer Pumpstand
- 81
- Externe Pumpleitung
- 82
- Boden
- 90
- Druckregulierungseinrichtung
- 91
- Fluide Verbindung
- 100
- Umgebung
