DE68915264T2

DE68915264T2 - Gerät für kristallografische Untersuchungen unter hohem Druck.

Info

Publication number: DE68915264T2
Application number: DE68915264T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu Ishida; Kazuo Kitagawa; Kaoru Takano; Katsufumi Urabe; Masao Wakatsuki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2009-12-13
Also published as: EP0385035A3; EP0385035A2; DE68915264D1; EP0385035B1; US5082635A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät, um Kristalle von Substanzen unter einem hohen Druck zu beobachten, und insbesondere auf ein kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät z. B. zum Beobachten der Kristallformen und physikalischen Veränderungen einschließlich von Prozessen eines Wachstums sowie einer Extinktion von Kristallen und zum Messen des Fusionsdrucks eines Festkörpers durch Druckänderung bei einer konstanten Temperatur.
Eine Erklärung der Kristallformen und physikalischen Veränderungen einschließlich der Prozesse eines Wachstums und einer Extinktion von Kristallen unter Druck ist von hoher Bedeutung für die Herstellung oder Verwendung von chemischen Substanzen unter Druck.
Beispielsweise ist die Kenntnis solcher physikalischen Veränderungen von Kristallen eine unerläßliche Voraussetzung des Druck-Kristallisationsverfahrens, das eine bemerkenswerte Technik zur Abtrennung einer bestimmten Substanz von einem Gemisch und zur Reinigung der bestimmten Substanz gewesen ist, weil der Druck-Kristallisationsprozeß ein Trenn- und Reinigungsprozeß zur Herstellung einer bestimmten Substanz von hoher Reinheit ist, indem die bestimmte Substanz durch Kristallisation von einem Flüssigkeits- oder Aufschlämmungsgemisch mit Hilfe eines hohen Drucks getrennt wird. Demzufolge ist es notwendig, im voraus den für die Abtrennung und das Kristallwachstum notwendigen Druck und eine Druckbedingung für eine zufriedenstellende Kristallisation zu kennen.
Kristalle werden unter Druck beobachtet, um Werte zu erhalten, die die physikalischen Veränderungen der Kristalle unter Druck kennzeichnen.
In Fig. 6 ist ein typisches, herkömmliches kristallographisches Untersuchungsgerät für die Beobachtung von Kristallen unter Druck gezeigt. Dieses kristallographische Untersuchungsgerät umfaßt ein Druckgefäß 3, das mit einander gegenüberliegenden transparenten Beobachtungsfensterblöcken 1 und 2, die aus einem transparenten Material gebildet sind, versehen ist, und eine Druckerzeugungsvorrichtung, um den Innendruck des Druckgefäßes 3 zu erhöhen. Ein Leitungsrohr 5 ist an die Druckerzeugungsvorrichtung 4 angeschlossen, um eine zu beobachtende Probe in die Druckerzeugungsvorrichtung 4 zu injizieren. Durch ein Druckrohr 6 ist die Druckerzeugungsvorrichtung 4 mit dem Druckgefäß 3 verbunden. Der Innendruck des Druckgefäßes 3 wird durch ein Manometer 19 eines wahlfreien Typs, das mit dem Druckrohr 6 verbunden ist, gemessen.
Dieses kristallographische Untersuchungsgerät wird für die Beobachtung von Kristallen in der folgenden Weise betrieben. Durch das Leitungsrohr 5 wird eine Probe in die Druckerzeugungsvorrichtung 4 injiziert. Die Druckerzeugungsvorrichtung 4 führt die Probe durch das Druckrohr 6 in die Probenkammer 7 des Druckgefäßes ein, und dann wird die in die Probenkammer 7 eingefüllte Probe durch den transparenten Beobachtungsfensterblock 2 hindurch von einer Lichtquelle 8 beleuchtet, um die Beobachtung der Probe mit einem Mikroskop durch den transparenten Beobachtungsfensterblock 1 hindurch zu ermöglichen.
Dann erhöht die Druckerzeugungsvorrichtung 4 den Innendruck des Druckgefäßes 3, um die die Probenkammer 7 füllende Probe unter Druck zu setzen. Wenn der Innendruck erhöht wird, schreitet eine Kristallisation voran. Die Kristallform und der Wachstumsprozeß der Kristalle werden beobachtet, während der Innendruck der Probenkammer 7 erhöht wird. Der Extinktionsprozeß der Kristalle wird beobachtet, wenn der Innendruck der Probenkammer vermindert wird.
Dieses herkömmliche kristallographische Untersuchungsgerät weist jedoch die folgenden Nachteile auf.
Eine vergleichsweise große Probenmenge ist notwendig, um die Probenkammer des Druckgefäßes anzufüllen, indem die Probe in die Druckerzeugungsvorrichtung injiziert und die Probe durch das Druckrohr der Probenkammer zugeführt wird, weil die Druckerzeugungsvorrichtung und das Druckrohr ebenso wie die Probenkammer mit der Probe gefüllt werden müssen.
In den meisten Fällen ist selbstverständlich die zu beobachtende Probe eine neue Substanz, und es ist schwierig, eine große Menge einer solchen neuen Substanz zu präparieren. In manchen Fällen ist lediglich eine kleine Menge der Probe verfügbar, selbst wenn die Probe keine neue Substanz ist. Demzufolge ist das Erfordernis für eine große Probenmenge ein erheblicher Nachteil.
Ein Rohr mit einem sehr kleinen Innendurchmesser wird als das Druckrohr insbesondere verwendet, wenn das kristallographische Untersuchungsgerät der Beobachtung unter einem hohen Druck dient. Deshalb ist es nicht möglich, eine feste Probe in die Probenkammer einzuführen. Es ist vor allem schwierig, eine breiige Substanz, die unlösliche Feststoffpartikel enthält, in die Probenkammer wegen der hohen Viskosität der breiigen Probe einzuführen.
Vor allem neigt eine flüssige Probe einer Substanz mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt dazu, innerhalb des Druckrohrs auch bei einer geringen Verminderung in der Temperatur oder bei einem Anstieg im Druck verfestigt zu werden, während die flüssige Probe durch das Druckrohr injiziert wird, und häufig verstopft das Druckrohr. Folglich ist die Druckerzeugungsvorrichtung nicht imstande, den Innendruck der Probenkammer auf einen vorbestimmten Druck zu erhöhen. Das Festwerden der flüssigen Probe kann durch Erwärmen des Druckrohrs vermieden werden, was jedoch möglicherweise eine übermäßige Erhitzung der flüssigen Probe nach sich zieht. Demzufolge muß das Druckrohr für diesen Zweck unter einer strengen Temperaturregelung erhitzt werden, was sehr schwierig ist. Ein Erwarmen des Druckrohrs führt auch zu einer Erwärmung des Manometers, wodurch eine genaue Druckmessung unmöglich gemacht wird.
Das Innere der Druckerzeugungsvorrichtung, des Druckgefäßes und des Druckrohrs müssen nach der Beendigung der Beobachtung einer Probe vor der Zufuhr einer anderen Probe in die Probenkammer des Druckgefäßes perfekt gewaschen werden, was viel Zeit beansprucht, weil viele Teile gewaschen werden müssen. Ein Waschen insbesondere des Inneren des Druckrohrs ist sehr schwierig und erfordert viel Zeit, weil das Druckrohr einen sehr kleinen Innendurchmesser hat. Ein Fertigwaschen unter Verwendung der nächsten Probe erfordert eine zusätzliche Probenmenge für das Waschen.
Ferner sind, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die transparenten Beobachtungsfensterblöcke des herkömmlichen kristallographischen Untersuchungsgeräts zylindrisch und ist jeder transparente Beobachtungsfensterblock auf einen ebenen Sitz aufgesetzt,weshalb folglich die Dicke der transparenten Beobachtungsfensterblöcke vergleichsweise groß sein muß, um eine ausreichende Festigkeit gegen Druck zu gewährleisten. Demzufolge wird das Objektiv des Mikroskops unvermeidlich in einer vergleichsweise großen Entfernung von der Probe angeordnet, so daß das Mikroskop nicht auf eine hohe Vergrößerung fokussiert werden kann und folglich die Probe nicht zufriedenstellend für eine Beobachtung vergrößert werden kann.
Der Fusionsdruck von Kristallen ist ein weiterer sehr wichtiger Wert für die Verwendung und Herstellung eines durch Kristallisation erhaltenen Festkörpers.
In Fig. 7 ist ein wesentlicher Teil eines anderen herkömmlichen kristallographischen Beobachtungsgeräts gezeigt, das imstande ist, den Fusionsdruck zu messen. Dieses kristallographische Untersuchungsgerät umfaßt als hauptsächliche Bauteile ein Druckgefäß 17 mit einer Probenkammer 18, einen in die Probenkammer 18 eingepaßten Kolben 16, nicht gezeigte Druckmeßeinrichtungen, um den Innendruck der Probenkammer 18 zu messen, und nicht gezeigte Druckeinrichtungen, um Druck auf den Kolben 16 auszuüben.
Zum Messen des Fusionsdrucks durch das kristallographische Untersuchungsgerät wird eine flüssige Probe in die Probenkammer 18 gegossen, wird die flüssige Probe durch den Kolben 16 für eine Verfestigung komprimiert, und wird dann der Innendruck der Probenkammer 18 herabgesetzt, und gleichzeitig werden die Volumenänderung ΔV der Probenkammer 18 sowie der Innendruck P der Probenkammer 18 gemessen, um die Beziehung zwischen ΔV und P zu bestimmen. Der Wert von P, der einem Punkt auf der ΔV-P-Kurve entspricht, an dem sich das Volumen der Probenkammer abrupt ändert, d.h. ein unstetiger Punkt auf der ΔV-P-Kurve, stimmt mit dem Schmelzdruck überein.
Dieses herkömmliche kristallographische Untersuchungsgerät weist jedoch die folgenden Nachteile auf.
Ein indirektes Messes des Schmelzdrucks aus der ΔV-P-Beziehung, weshalb das kristallographische Untersuchungsgerät unfähig ist, den Fusionsdruck genau zu bestimmen, und folglich besitzt dieses kristallographische Untersuchungsgerät ein grundlegendes Problem, daß die Meßgenauigkeit nicht hoch genug ist. Theoretisch zeigt sich ein unstetiger Punkt auf der ΔV-P-Kurve bei dem Fusionsdruck, jedoch ändert sich praktisch die Neigung der ΔV-P-Kurve in der Nachbarschaft des Fusionsdrucks allmählich statt in einer scharfen Anderung, und im schlechtesten Fall kommt es bei manchen Substanzen vor, daß die Bestimmung des Fusionsdrucks gänzlich unmöglich ist.
Es wird auf Review of Scientific Instruments, Vol 59, No 9, September 1988, New York, USA: M Spitzer, "Compact, transportable, and multipurpose high-pressure unit for UV-VIS spectroscopic measurements at pressures of up to 200 MPa" , Seiten 2092-2093 Bezug genommen, was eine Vorrichtung beschreibt, die aus einem Hochdruck-Untersuchungsgerät mit einem Druckgefäß besteht, das einen mit wenigstens einem transparenten Beobachtungsfensterblock ausgestatteten Hohlraum hat. Druckerzeugungseinrichtungen sind vorgesehen, um den Hohlraum unter Druck zu setzen.
Die Französische Patentschrift Nr. 2 566 903 offenbart eine Vorrichtung für die Analyse von Proben, die in einer Umhüllung enthalten sind.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine kristallographische Untersuchung in vorteilhafter Weise unter hohem Druck ausgeführt werden kann, wenn die Probe in das Druckgefäß in einem kleinen elastischen Behälter eingebracht wird.
Gemäß der Erfindung wird ein kristallographisches Hochdruck- Untersuchungsgerät geschaffen, das umfaßt: ein einen Hohlraum besitzendes sowie mit einem transparenten Beobachtungsfensterblock in der Gefäßwand versehenes Druckgefäß; und eine Druckerzeugungseinrichtung, um den Hohlraum des Druckgefäßes unter Druck zu setzen; gekennzeichnet durch einen Zufuhrkanal in der Gefäßwand, der die genannte Druckerzeugungseinrichtung mit dem besagten Gefäßhohlraum verbindet, sowie eine kleine, elastische, innerhalb des Hohlraums des Druckgefäßes abgeschlossene Probenaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme einer Probe.
Eine Verwendung des Geräts der Erfindung macht es möglich, daß für die Beobachtung eine relative kleine Probenmenge erforderlich ist. Das Gerät ist imstande, mit der Probe vergleichsweise mühelos und in einer kurzen Zeit beschickt zu werden, ist fähig, konstant den Druck der Probe auf einen Sollwert einzuregeln, beseitigt die Notwendigkeit einer Erwärmung des Druckrohrs, ist geeignet, um die Probe auf einer Solltemperatur zu halten, und läßt zu, vergleichsweise leicht perfekt gewaschen zu werden.
Ein weiterer Vorteil ist, daß das Gerät imstande ist, den Fusionsdruck einer Substanz unter Verwendung einer vergleichsweise kleinen Probenmenge exakt zu messen, selbst wenn die Substanz keinen ausgeprägten Punkt einer Untetigkeit auf der ΔV-P-Kurve hat.
Die Druckerhöhungseinrichtung kann eingerichtet werden, um ein Druckmedium durch ein Druckrohr zum Hohlraum des Druckgefäßes zu fördern, und kann das Druckmedium auf einen Solldruck bringen, um den kleinen elastischen Behälter unter Druck zu setzen, so daß der Innendruck der Probenkammer erhöht wird, um den Solldruck auf die in der Probenkammer enthaltene Probe aufzubringen. In gleichartiger Weise kann ein Solldruck auf die Probe aufgebracht werden, indem der Innendruck des Hohlraums auf den Solldruck vermindert wird, nachdem der Innendruck auf einen höheren Solldruck erhöht wurde.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt dieser Erfindung umfaßt ein kristallographisches Untersuchungsgerät ein Druckgefäß, das einen Hohlraum besitzt und mit transparenten Beobachtungsfensterblöcken in jeweils gegenüberliegenden Wänden von diesem ausgestattet ist, einen kleinen elastischen Behälter, der zusammen mit einem der transparenten Beobachtungsfensterblöcke eine Probenkammer in dem Hohlraum bestimmt, um eine Probe in einer druckdichten Weise abzuschließen, und Druckerzeugungseinrichtungen, um den Innendruck des Hohlraumes des Druckgefäßes zu erhöhen.
Die Probe kann von der Außenseite der Probenkammer her durch den die Probenkammer abgrenzenden transparenten Beobachtungsfensterblock beleuchtet werden. Wenn der elastische Behälter aus einem transparenten Material gebildet oder mit einem transparenten Fenster ausgestattet ist, kann die Probe durch einen der transparenten Beobachtungsfensterblöcke hindurch beleuchtet und durch den anderen transparenten Beobachtungsfensterblock hindurch betrachtet werden.
Weil die Probe in einer druckdichten Weise in der Probenkammer abgeschlossen ist, wird die Probe durch das Druckmedium nicht kontaminiert und kann die Reinheit der Probe auf der ursprünglichen Reinheit gehalten werden.
Da das Volumen der Probenkammer weit kleiner als dasjenige des Hohlraums des Druckgefäßes gemacht werden kann, der der Probenkammer des Druckgefäßes des herkömmlichen kristallographischen Untersuchungsgeräts entspricht, benötigt das kristallographische Untersuchungsgerät lediglich eine sehr kleine Menge einer Probe zur Untersuchung.
Der kleine elastische Behälter, der die Probe enthält, wird bei einem Beschicken des Druckgefäßes mit der Probe im Hohlraum des Druckgefäßes angeordnet. Demzufolge können selbst feste Proben und breiige Proben, die schwierig durch das Druckrohr in die Probenkammer einzubringen sind, ohne weiteres in einer kurzen Zeit in zu flüssigen gleichartiger Weise in der Probenkammer angeordnet werden. Diese Art des Plazierens einer Probe in der Probenkammer löst ein Problem, daß eine einen hohen Schmelzpunkt aufweisende Probe im Druckrohr sich verfestigen und das Druckrohr verstopfen kann, um die Anwendung eines Prüfdrucks auf die Probe unmöglich zu machen, weil die Probe im voraus in der Probenkammer enthalten ist und ein schwerlich sich verfestigendes Druckmedium verwendet werden kann. Demzufolge braucht das Druckrohr nicht erwärmt zu werden und besteht die geringste Befürchtung, daß die physikalischen Eigenschaften der Probe durch Erwärmung verändert werden und die Genauigkeit des Manometers durch Wärme verschlechtert wird, so daß der auf die Probe wirkende Druck genau gemessen werden kann.
Da die Probe in der durch den transparenten Beobachtungsfensterblock und den kleinen elastischen Behälter bestimmten Probenkammer abgeschlossen ist, brauchen lediglich der transparente Beobachtungsfensterblock und der kleine elastische Behälter gewaschen zu werden, oder wird ein anderer kleiner elastischer Behälter verwendet und nur der transparente Beobachtungsfensterblock für die Untersuchung einer anderen Probe gewaschen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt dieser Erfindung umfaßt ein kristallographisches Untersuchungsgerät ein Druckgefäß, das einen Hohlraum besitzt und mit einem transparenten Beobachtungsfensterblock in einer Seitenwand von diesem ausgestattet ist, eine kleine, abgeschlossene elastische Kapsel zur Aufnahme einer Probe, welche mit einem transparenten Fenster in wenigstens ihrer dem transparenten Beobachtungsfensterblock zugewandten Seitenwand versehen und im Hohlraum des Druckgefäßes anzuordnen ist, und eine Druckerzeugungseinrichtung, um den Hohlraum des Druckgefäßes unter Druck zu setzen. Demzufolge muß lediglich die kleine, abgeschlossene elastische Kapsel gewaschen werden oder wird für die Beobachtung einer anderen Probe eine andere kleine, abgeschlossene elastische Kapsel verwendet. Die Probe wird durch den transparenten Beobachtungsfensterblock und die transparente Wand der kleinen, abgeschlossenen elastischen Kapsel für eine Untersuchung beleuchtet. Das Druckgefäß kann mit einem anderen transparenten Beobachtungsfensterblock in einer Wand versehen sein, die der Wand gegenüberliegt, in welcher der vorher genannte transparente Beobachtungsfensterblock enthalten ist. In einem solchen Fall wird die kleine, abgeschlossene elastische Kapsel aus einem transparenten Material gebildet oder werden die beiden Seitenwände, die jeweils den transparenten Beobachtungsfensterblöcken zugewandt sind, aus einem transparenten Material gefertigt. Eine solche kleine, abgeschlossene elastische Kapsel ermöglicht die Beleuchtung der Probe durch einen der transparenten Beobachtungsfensterblöcke und die Beobachtung der Probe durch den anderen transparenten Beobachtungsfensterblock hindurch.
Die transparenten Beobachtungsfensterblöcke können aus irgendeinem Material in irgendeiner Gestalt unter der Voraussetzung gebildet sein, daß eine ausreichend hohe Durchlässigkeit und eine ausreichende Festigkeit gewährleistet sind. Die transparenten Beobachtungsfensterblöcke sind beispielsweise halbkugelförmige oder zylindrische Blöcke aus Saphir, einem harten optischen Glas oder einem harten optischen Kunststoff. Vorzugsweise sind die transparenten Beobachtungsfensterblöcke halbkugelförmige Blöcke, die in dem Druckgefäß mit ihren planen Kreisflächen an der Innenseite des Druckgefäßes angeordnet sind. Die Dicke eines solchen halbkugelförmigen transparenten Beobachtungsfensterblocks, damit die Festigkeit des transparenten Beobachtungsfensterblocks gewährleistet ist, um einem Arbeitsdruck standzuhalten, ist vergleichsweise gering, so daß das Mikroskop mit seinem Objektiv in einer vergleichsweise kleinen Entfernung von der Probe angeordnet und folglich das Mikroskop auf eine hohe Vergrößerung fokussiert werden kann, um die Probe mit einer ausreichend hohen Vergrößerung zu beobachten.
Die kleine elastische Kapsel muß nicht gänzlich aus einem elastischen Material gebildet sein, sondern kann derart sein, daß sie ein elastisches Teil besitzt, das sich elastisch ausdehnt oder zusammenzieht, um das Volumen der kleinen elastischen Kapsel zu verändern. In Fig. 2 ist eine Probenkammer gezeigt, die durch einen zylindrischen transparenten Fensterblock 16 und einen kleinen, unten geschlossenen zylindrischen Behälter, der durch Verbinden eines transparenten Bodentei ls 18 mit einem elastischen zylindrischen Element 17 gebildet ist, abgegrenzt ist. Das elastische zylindrische Element 17 expandiert oder kontrahiert in Übereinstimmung mit dem darauf wirkenden Druck. Das Bodenteil 18 muß nicht notwendigerweise aus einem transparenten Material gebildet sein.
Die kleine elastische Kapsel muß elastisch und transparent sein. Jedoch braucht die kleine elastische Kapsel nicht gänzlich aus einem transparenten Material gebildet zu sein. Beispielsweise kann die in Fig. 4 gezeigte kleine Kapsel verwendet werden. Diese kleine Kapsel umfaßt ein zylindrisches elastisches Element 17, ein mit dem unteren Ende des zylindrischen elastischen Elements 17 verbundenes Bodenteil 18 und eine mit dem oberen Ende des zylindrischen elastischen Elements 17 verbundene transparente Scheibe 20. Das zylindrische elastische Element 17 und das Bodenteil 18 können entweder transparent oder undurchlässig sein.
Der elastische Teil der kleinen elastischen Kapsel kann beispielsweise aus Silikonkautschuk oder einem Polyäthylenharz gebildet sein. Es besteht keine besondere Einschränkung für das Material des elastischen Teils, vorausgesetzt das Material ist elastisch. Die Gestalt des elastischen Behälters kann ein rechtwinkliges Parallelepiped oder eine Halbkugel, die mit einem Flansch versehen ist, sein. Der elastische Behälter kann teilweise mit einem Faltenbalg ausgestaltet sein. Die Gestalt der elastischen Kapsel kann ein rechtwinkliges Parallelepiped oder eine Kugel sein. Jedoch besteht keine spezielle Beschränkung auf die Formen des elastischen Behälters und der elastischen Kapsel.
Zum Messen des Fusionsdrucks der Probe wird der Innendruck des Druckgefäßes erhöht, um die Probe zu verfestigen, und dann wird die Probe beobachtet, während der Innendruck des Druckgefäßes allmählich vermindert wird. Auf diese Weise kann ein Druck bei der Beendigung einer Fusion der verfestigten Probe, d.h. der Fusionsdruck, sicher mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden, selbst wenn die ΔV-P-Kurve der Probe keinen scharfen Punkt einer Unstetigkeit hat.
Obgleich die Probe mit dem Auge betrachtet werden kann, wird erwünschterweise das kristallographische Untersuchungsgerät mit Photographieeinrichtungen, wie einer Fernsehkamera, und einer Anzeigeeinrichtung, wie einem Fernsehmonitor, ausgestattet, die imstande sind, die Abbildung der Probe und numerische Daten, die die Temperatur und den Druck innerhalb des Druckgefäßes angeben, darzustellen, um die Beobachtung der Probe zu erleichtern und die Untersuchung der Probe mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit zu erzielen. Solche Einrichtungen vergrößern die Probe und ermöglichen die Beobachtung in einer bequemen Position.
Das kristallographische Untersuchungsgerät wird erwünschterweise mit einer Aufzeichnungseinrichtung, wie einem Magnetband-Videoaufzeichnungsgerät, ausgestattet, um die Abbildung der Probe aufzuzeichnen. Die Aufzeichnung ermöglicht die Überprüfung der Untersuchungsergebnisse und das automatische Messen des Fusionsdrucks.
Da sich die Durchlässigkeit der Probe abrupt ändert, wenn die Probe von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase übergeht, kann der Fusionsdruck aus der Messung des Innendrucks, bei welchem sich die Durchlässigkeit der Probe abrupt ändert, bestimmt werden. Deshalb kann das kristallographische Untersuchungsgerät nahe einem der transparenten Beobachtungsfensterblöcke mit einer die Durchlässigkeit messenden Einrichtung versehen werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die obigen und weitere Ziele, die Merkmale sowie Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegebenen Beschreibung deutlicher.
In den Zeichnungen ist:
Figur 1 eine Schnittdarstellung eines kristallographischen Beobachtungsgeräts in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines elastischen Behälters, der bei dem kristallographischen Untersuchungsgerät der Figur 1 angewendet werden kann;
Figur 3 eine Schnittdarstellung eines kristallographischen Untersuchungsgeräts in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Figur 4 eine Schnittdarstellung einer kleinen elastischen Kapsel, die bei dem kristallographischen Untersuchungsgerät der Figur 3 angewendet werden kann;
Figur 5 eine Schnittdarstellung eines kristallographischen Untersuchungsgeräts in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Figur 6 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen kristallographischen Untersuchungsgeräts;
Figur 7 eine Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils eines weiteren herkömmlichen kristallographischen Untersuchungsgeräts.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Erste Ausführungsform (Figuren 1, 2)
Unter Bezugnahme auf die Figur 1 umfaßt ein kristallographisches Untersuchungsgerät ein Druckgefäß 3 in Gestalt eines Blocks mit einem Hohlraum 7, eine Druckerzeugungsvorrichtung 4, um das Druckgefäß 3 unter Druck zusetzen, und ein die Druckerzeugungsvorrichtung 4 mit dem Druckgefäß 3 verbindendes Druckrohr 6. An die Druckerzeugungsvorrichtung 4 ist ein Leitungsrohr 5 angeschlossen, um der Druckerzeugungsvorrichtung 4 ein Druckmedium 15 zuzuführen.
Das Druckgefäß 3 ist mit einem ersten halbkugelförmigen Beobachtungsfensterblock 1 und einem zweiten halbkugelförmigen Beobachtungsfensterblock 2 ausgestattet, die jeweils in der oberen bzw. unteren Seitenwand von diesem angeordnet sind. Der erste und zweite Beobachtungsfensterblock 1 und 2 sind aus Saphir gebildet und werden durch Beobachtungsfensterblock-Halteglieder 12 mit ihren planen Kreisflächen dem Hohlraum 7 des Druckgefäßes 3 zugewandt am Platz gehalten. Die Beobachtungsfensterblock-Halteglieder 12 sind in das Druckgefäß 3 eingeschraubt. Um die Grenzflächen zwischen den Beobachtungsfensterblock-Haltegliedern 12 und dem Druckgefäß 3 abzudichten, sind O-Ring-13 vorgesehen. Die zentralen Teile der Kugelflächen des ersten und zweiten Beobachtungsfensterblocks und 2 sind abgeplattet, um die genaue Beobachtung einer Probe zu ermöglichen.
Ein kleiner, transparenter elastischer Behälter 10 ist gänzlich aus Silikonkautschuk gebildet. Der Flansch des elastischen Behälters 10 wird fest gegen die Peripherie der planen Kreisfläche des ersten Beobachtungsfensterblocks 1 und die untere Stirnseite des Beobachtungsfensterblock-Halteglieds 12 durch einen Befestigungsring 11 gedrückt, der auf den unteren Teil des Beobachtungsfensterblock-Halteglieds 12 geschraubt wird, um eine druckdichte Probenkammer 9 zu bilden, die von dem ersten Beobachtungsfensterblock 1 und dem elastischen Behälter 10 bestimmt wird. Die Probe ist in der Probenkammer abgeschlossen. Die Druckerzeugungsvorrichtung 4 ist durch ein Druckrohr 6 und einen Kanal in der Gefäßwand mit dem Inneren des Druckgefäßes 3 verbunden, und ein Dehnungsmeßstreifen-Druckfühler 19 ist am Druckrohr 6 vorgesehen.
Der Kristallisationsprozeß einer flüssigen Probe wurde durch das kristallographische Untersuchungsgerät beobachtet. Bei der Beobachtung des Kristallisationsprozesses der flüssigen Probe wurde das Druckmedium 15 durch die Druckerzeugungsvorrichtung 4 dem Druckgefäß 3 zugeführt, um den Hohlraum 7 zu füllen. Die flüssige Probe wurde durch eine Lichtquelle 8 durch den zweiten Beobachtungsfensterblock 2 hindurch für eine Beobachtung durch ein nicht gezeigtes Lichtmikroskop, das außenseitig des Druckgefäßes 3 nahe dem ersten Beobachtungsfensterblock 1 angeordnet war, beleuchtet. Dann wurde der Hohlraum 7 durch Erhöhung des Drucks des in den Hohlraum 7 gefüllten Druckmediums 15 durch die Druckerzeugungsvorrichtung 4 unter Druck gesetzt, um den ansteigenden Druck auf die flüssige Probe aufzubringen. Mit dem Anstieg des Innendrucks im Hohlraum 7 wurde der elastische Behälter zum allmählichen Kontrahieren gebracht, und in der flüssigen Probe begannen Kristalle sich zu bilden, wenn der Innendruck des Hohlraums den Kristallisationsdruck erreichte. Der durch das kristallographische Untersuchungsgerät gemessene Kristallisationsdruck war gleich demjenigen, der durch das herkömmliche kristallographische Untersuchungsgerät gemessen wurde.
Eine Probe mit einem Fusionsdruck, dessen genauer Wert bekannt ist (im folgenden als "Bezugswert" bezeichnet), wurde der Messung des Fusionsdrucks durch das kristallographische Untersuchungsgerät unterzogen. Das Druckmedium 15 wurde mittels der Druckerzeugungsvorrichtung 4 durch das Druckrohr 6 dem Druckgefäß 3 zugeführt, um den Hohlraum 7 des Druckgefäßes 3 mit dem Druckmedium 15 anzufüllen, und die Probe wurde mittels der Lichtquelle 8 durch den zweiten Beobachtungsfensterblock 2 hindurch beleuchtet. Der Zustand der Probe wurde durch den ersten Beobachtungsfensterblock 1 hindurch beobachtet.
Dann wurde durch die Druckerzeugungsvorrichtung 4 allmählich der Druck des in den Hohlraum 7 gefüllten Druckmediums 15 erhöht, um Druck auf die Probe aufzubringen. Mit dem Erhöhen des Drucks des Druckmediums 15 zog sich der elastische Behälter 10 allmählich zusammen. Der Innendruck der Probenkammer 9 wurde mit Hilfe des am Druckrohr 6 befindlichen Dehnungsmeßstreifen-Druckfühlers 19 gemessen. Der Innendruck der Probenkammer 9 wurde auf ein Niveau erhöht, bei dem die Probe verfestigt wurde, und dann wurde der Innendruck der Probenkammer 9 allmählich vermindert. Während der Innendruck der Probenkammer 9 herabgesetzt wurde, wurde der Innendruck der Probenkammer kontinuierlich durch den Dehnungsmeßstreifen-Druckfühler 19 gemessen und der Zustand der Probe beobachtet. Der gemessene Fusionsdruck, der auf diese Weise bestimmt wurde, war um lediglich 0,2 % des Bezugswerts höher als der Bezugswert. Dieser gemessene Fusionsdruck ist sehr genau im Vergleich mit dem durch das herkömmliche kristallographische Untersuchungsgerät gemessenen Druck, der um 2,5 % des Bezugswerts höher als der Bezugswert ist.

Zweite Ausführungsform

Ein kristallographisches Untersuchungsgerät in einer zweiten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung ist in der Konstruktion und Funktion im wesentlichen dasselbe wie das kristallographische Untersuchungsgerät in der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß ein bei der zweiten Ausführungsform verwendetes Druckgefäß mit lediglich einem Beobachtungsfensterblock 1 versehen ist und ein undurchsichtiges elastisches Gefäß 10 zur Anwendung kommt. Das kristallographische Untersuchungsgerät in der zweiten Ausführungsform verwendet anstatt eines Lichtdurchstrahlungsmikroskops für die Beobachtung der Probe ein Lichtreflexionsmikroskop. Die Leistung dieses kristallographischen Untersuchungsgeräts war die gleiche wie diejenige des vorhergehenden kristallographischen Untersuchungsgeräts in der ersten Ausführungsform.

Dritte Ausführungsform (Fig. 3)

Ein kristallographisches Untersuchungsgerät in einer dritten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung ist in der Konstruktion und Funktion im wesentlichen dasselbe wie das kristallographische Untersuchungsgerät in der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß ein bei der dritten Ausführungsform verwendetes Druckgefäß 3 mit nur einem Beobachtungsfensterblock 1 versehen ist und eine kleine, transparente elastische Kapsel zur Aufnahme einer Probe zum Einsatz gelangt. Das kristallographische Untersuchungsgerät in der dritten Ausführungsform verwendet anstatt eines Lichtdurchstrahlungsmikroskops für die Beobachtung der Probe ein Lichtreflexionsmikroskop. Die obere Wand der elastischen Kapsel 10, die dem Beobachtungsfensterblock 1 zugewandt ist, ist aus einem transparenten Material gebildet, während der Rest der Wände aus einem undurchsichtigen elastischen Material gefertigt ist.
Die zufriedenstellende Leistungsfähigkeit des kristallographischen Untersuchungsgeräts bei der Beobachtung der Probe und bei der Messung des Fusionsdrucks der Probe war die gleiche wie diejenige des kristallographischen Untersuchungsgeräts der ersten Ausführungsform.

Vierte Ausführungsform (Fig. 5)

Gemäß der Fig. 5 umfaßt ein kristallographisches Untersuchungsgerät in einer vierten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung ein Druckgefäß 3 mit einem Hohlraum 7 und eine mit dem Druckgefäß 3 unmittelbar verbundene Druckerzeugungsvorrichtung 4. Das Druckgefäß 3 ist in seiner Konstruktion und Ausgestaltung im wesentlichen dasselbe wie dasjenige des kristallographischen Untersuchungsgeräts der dritten Ausführungsform, und deshalb wird dessen Beschreibung unterlassen, um eine Wiederholung zu vermeiden.
Die Druckerzeugungsvorrichtung 4 enthält einen Kolben 17, der in ein in der einen Seitenwand 14 des Druckgefäßes 3 ausgebildetes Durchgangsloch 16, das mit dem Hohlraum 7 des Druckgefäßes 3 in Verbindung steht, eingesetzt ist, und einen Antriebsmechanismus 20, um den Kolben 17 zu betätigen. Mit 24 ist ein druckdichtes Abdichtelement bezeichnet.
Der Antriebsmechanismus 20 umfaßt einen Elektromotor 23, ein Schneckenuntersetzungsgetriebe 22 mit einer fest an der Abtriebswelle des Elektromotors 23 montierten Schnecke sowie einem mit der Schnecke kämmenden und fest an einem Ende einer treibenden Welle angebrachten Schneckenrad,und einen Spindelmutter-Preßmechanismus, der ein Innengewinde-Drehelement 21, das am anderen Ende der treibenden Welle angebracht ist, sowie einen Gewindeschaft 18, der mit dem Innengewinde 25 des Drehelements 21 in Eingriff sowie mit dem Kolben 17 verbunden ist, enthält. Der Kolben 17 wird über das Schnekkenuntersetzungsgetriebe 22 und den Spindelmutter-Preßmechanismus vom Elektromotor 23 für eine Bewegung zum Hohlraum 7 und von diesem weg betrieben, um auf ein den Hohlraum 7 und das Durchgangsloch 16 füllendes Druckmedium 15 Druck aufzubringen oder von diesem Druck zu entlasten.
Eine kleine elastische Kapsel 10 zur Aufnahme einer Probe ist gänzlich aus transparentem Silikonkautschuk gebildet. In der Probenkammer 9 der elastischen Kapsel 10 ist eine Probe enthalten.
Für die Beobachtung des Zustandes der Probe, die in der elastischen, in den Hohlraum 7 des Druckgefäßes 3 eingebrachten Kapsel 10 enthalten ist, wird die Probe von einer Lichtquelle 8 durch den Beobachtungsfensterblock 1 hindurch beleuchtet, wird das Druckmedium 15 in den Hohlraum 7 sowie das Durchgangsloch 16 gefüllt, und wird der Kolben 17 durch den Elektromotor 23 vorgeschoben, um auf die in der Probenkammer 9 der elastischen Kapsel 10 enthaltene Probe Druck aufzubringen, indem das in den Hohlraum 7 und das Durchgangsloch 16 eingefüllte Druckmedium 15 unter Druck gesetzt wird. Der Zustand der Probe unter Druck wird mittels eines nicht gezeigten Lichtmikroskops durch den Beobachtungsfensterblock 1 hindurch beobachtet.
Zur Bestimmung des Kristallisationsdrucks und des Fusionsdrucks der Probe wird ein Druck, bei welchem eine Kristallisation auftritt, festgelegt, während der Druck im Hohlraum 4 auf ein hohes Druckniveau, bei welchem die Probe verfestigt wird, erhöht wird, und der Fusionsdruck wird bestimmt, während der Druck von dem hohen Druckniveau allmählich vermindert wird.
Der praktische Betrieb des kristallographischen Untersuchungsgeräts zeigte, daß die Leistungsfähigkeit des kristallographischen Untersuchungsgeräts in der vierten Ausführungsform zur Bestimmung des Kristallisationsdrucks und des Fusionsdrucks dieselbe wie diejenige der vorhergehenden Ausführungsformen ist.
Das Schneckenuntersetzungsgetriebe 22 kann anstatt durch den Elektromotor 23 durch einen manuellen Antriebsmechanismus betrieben werden. Jedoch macht die Verwendung des Elektromotors 23 zum Betreiben des Schneckenuntersetzungsgetriebes 22 eine wahlfreie Druckregelung, eine Druckerzeugung mit einer konstanten Geschwindigkeit und einen Einsatz eines Computers für eine komplizierte Druckregelung möglich.
Dieses kristallographische Untersuchungsgerät benötigt eine vergleichsweise kleine Menge eines Druckmediums, die zum Füllen von lediglich dem Hohlraum 7 und dem Durchgangsloch 16 notwendig ist, so daß die Druckerzeugungsvorrichtung 4 von vergleichsweise kleiner Leistung sein oder das Druckmedium in einer vergleichsweise kurzen Zeit unter Druck gesetzt oder der auf das Druckmedium aufgebrachte Druck in einer vergleichsweise kurzen Zeit vermindert werden kann.
Da die Druckerzeugungsvorrichtung 4 unter Weglassen eines Druckrohrs unmittelbar mit dem Druckgefäß 3 verbunden und das den Kolben 17 verwendende Druckerzeugungssystem schon an sich gegen die Leckage des Druckmediums widerstandsfähig ist, besteht die geringste Wahrscheinlichkeit einer Leckage des Druckmediums.
Weil die Druckerzeugungsvorrichtung 4 direkt mit dem Druckgefäß 3 ohne die Verwendung irgendeines Rohrs verbunden ist, weil der Kolben 17 in das in der Seitenwand 14 des Druckgefäßes 3 ausgebildete Durchgangsloch 16 eingesetzt ist und weil lediglich der Antriebsmechanismus außenseitig des Druckgefäßes 3 angeordnet ist, kann das die Druckerzeugungsvorrichtung einschließende kristallographische Untersuchungsgerät in einer kompakten Konstruktion ausgebildet werden.
Wie aus der vorausgehenden Beschreibung deutlich wird, erfordert das kristallographische Untersuchungsgerät in übereinstimmung mit dieser Erfindung eine vergleichsweise kleine Probenmenge, erleichtert es das Einbringen der Probe in den Hohlraum des Druckgefäßes, ermöglicht es das Einsetzen der Probe in den Hohlraum des Druckgefäßes in einer vergleichsweise kurzen Zeit, ist es imstande, den auf die Probe aufgebrachten Druck exakt zu regeln, schl ießt es eine Beheizung der Probe bei Einführen der Probe in den Druckgefäß-Hohlraum aus, läßt es ein vergleichsweise einfaches Waschen für die folgende Beobachtung der nächsten Probe zu und bietet es die Möglichkeit, daß das Mikroskop mit seinem Objektiv in einer vergleichsweise kurzen Entfernung von der Probe für die Beobachtung der Probe mit einer hohen Vergrößerung anzuordnen ist.

Claims

1. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät, das umfaßt:

- ein einen Hohlraum (7) besitzendes sowie mit einem transparenten Beobachtungsfensterblock (1) in der Gefäßwand versehenes Druckgefäß (3); und

- eine Druckerzeugungseinrichtung (4), um den Hohlraum des Druckgefäßes unter Druck zu setzen;

- gekennzeichnet durch einen Zufuhrkanal in der Gefäßwand, der die genannte Druckerzeugungseinrichtung mit dem besagten Gefäßhohlraum verbindet,

- sowie eine kleine, elastische, innerhalb des Hohlraumes (7) des Druckgefäßes (3) abgeschlossene Probenaufnahmeeinrichtung (10) zur Aufnahme einer Probe.

2. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß mit transparenten Beobachtungsfensterblöcken (1,2) in jeweils einander entgegengesetzten Wänden von diesem ausgestattet ist.

3. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fensterblöcke (1,2) in einander gegenüberliegenden Wänden des Hohlraumes (7) vorhanden sind und die kleine, elastische Probenaufnahmeeinrichtung transparent oder mit zwei zugehörigen transparenten Fenstern versehen ist sowie photometrische Mittel nahe einem der Fensterblöcke vorgesehen sind, um die durch die Probe von einer an dem anderen Fensterblock befindlichen Lichtquelle durchgelassene Lichtintensität zu messen.

4. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß mit einem transparenten Beobachtungsfensterblock in der einen Seite versehen ist.

5. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte kleine, elastische Probenaufnahmeeinrichtung mit einem transparenten Fenster in ihrer Wand, die dem transparenten Beobachtungsfensterblock des besagten Druckgefäßes gegenüberliegt, versehen ist.

6. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Probenaufnahmeeinrichtung die Probenkammer zusammen mit einem der transparenten Fensterblöcke begrenzt.

7. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Probenaufnahmeeinrichtung eine die Probe gänzlich einschließende Kapsel ist.

8. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Druckmeßeinrichtungen (i9), um den auf die in der kleinen, elastischen Probeaufnahmeeinrichtung enthaltene Probe wirkenden Druck zu messen.

9. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder transparente Beobachtungsfensterblock eine halbkugelförmige Gestalt hat und mit seiner planen Kreisfläche in Gegenüberlage zum Hohlraum des Druckgefäßes angeordnet ist.

10. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Druckerzeugungseinrichtung einen in eine in der Seitenwand des besagten Druckgefäßes derart ausgebildete Durchgangsbohrung, daß diese mit dem Hohlraum in Verbindung steht, eingesetzten Kolben und eine Antriebseinrichtung, um den Kolben für eine axiale Bewegung zum Hohlraum hin und von diesem weg anzutreiben, umfaßt.

11. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine nahe dem transparenten Beobachtungsfensterblock angeordnete Bildaufnahmeeinrichtung, durch eine die von der Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommene Abbildung der Probe darstellende Wiedergabeeinrichtung und durch eine Anzeigeeinrichtung, um numerische, den auf die Probe wirkenden Druck sowie die Temperatur der Probe darstellende Daten an der Wiedergabeeinrichtung anzuzeigen.

12. Kristallographisches Hochdruck-Untersuchungsgerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Aufzeichnungsmittel, um die von der genannten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommene Abbildung der Probe aufzuzeichnen.