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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine auf die Temperatur ansprechende
bewegliche Abschirmvorrichtung zwischen einer Getterpumpe und einer
Turbopumpe in einer Reihenanordnung, geeignet für Hochvakuumsysteme.
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Es
ist bekannt, daß der
Betrieb der Getterpumpen auf der chemischen Sorption von reaktionsfähigen gasförmigen Spezies,
wie z. B. O2, H2,
Wasser und Kohlenstoffoxiden, mittels Systemen, die mit nichtverdampfbaren
Gettermaterialien (in dem Fachgebiet als NEG bekannt) hergestellt
sind, gewöhnlich in
Kombination mit anderen Pumpen zum Erzeugen und Aufrechterhalten
von Hochvakuum in einer geschlossenen Kammer, basiert. Während der
erste Schritt des Hochdruckpumpens gewöhnlich mittels mechanischer
Pumpen (z. B. Drehkolbenpumpen) durchgeführt wird, können hohe Grade an Vakuum mittels
Getterpumpen in Kombination mit Ionen-, Kryo- oder Turbopumpen erzielt
werden. Die Kombination Getterpumpe/Turbopumpe, die hinsichtlich
der Atmosphärengase
oder gleichwohl Gasen, die entfernt werden sollen, eine Kombination
von verschiedenem Verhalten zeigt, ist besonders vorteilhaft. Insbesondere
weist die Getterpumpe, die bei Raumtemperatur benutzt wird, ein
sehr gutes Sorptionsvermögen
für Wasserstoff
auf, welches das durch die Turbopumpe am schwierigsten zu entfernende
Gas ist. Eine derartige Kombination ist besonders nützlich, wenn
eine Arbeitskammer, die für
Hochvakuumvorgänge
benutzt wird, wie z. B. ein Teilchenbeschleuniger oder eine Kammer
einer Fertigungsmaschine in der Halbleiterindustrie, evakuiert werden
soll.
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Es
ist auch bekannt, daß diese
Vorteile durch Anordnen dieser beiden Pumpen in Reihe zueinander,
wobei die Getterpumpe der Turbopumpe vorgeschaltet und koaxial zu
dieser ist, den höchsten
Grad erreichen könnten.
Eine derartige Anordnung hat jedoch zu einigen Nachteilen geführt, von
denen der bedeutendste sich aus der Tatsache ergibt, daß das nichtverdampfbare
Gettermaterial mittels Erwärmen durch
Strahlung aus dem Inneren oder durch das Fließen von elektrischem Strom
in den Getterelementen bei Temperaturen von etwa 500 bis 600°C aktiviert
werden muß.
Zudem wird das Gettermaterial in bestimmten Anwendungen auf Temperaturen
von etwa 200 bis 300°C
gehalten (wenn hingegen bezweckt wird, die größte Sorption von Wasserstoff
zu erzielen, wird, wie oben angegeben, das Gettermaterial veranlaßt, bei
Raumtemperatur zu arbeiten). Das Erwärmen der Getterpumpe hat ein
indirektes Erwärmen
(hauptsächlich
durch Strahlung bedingt) auch der Turbopumpe zur Folge. Dies verursachte,
daß sich
die Blätter
der letzteren bis jenseits der für
einen guten Betrieb der Pumpe selbst zulässigen Toleranzen (obwohl geringfügig) ausdehnten.
Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, gab es die Möglichkeit, den
Abstand zwischen den beiden Pumpen zu vergrößern, ortsfeste Wärmeabschirmungen
zwischen diese einzubringen oder die Pumpen in einer nichtkoaxialen
Weise durch ein ellenbogenförmiges
Element miteinander zu verbinden. Alle diese Lösungen führten jedoch zu einer unerwünschten
Verringerung der Gasstromleitfähigkeit,
wobei die beiden Pumpen gewöhnlich
mittels Flanschen an zwei verschiedenen Öffnungen der zu evakuierenden
Kammer angebracht wurden, was ohne die Vorteile erfolgte, die sich
aus dem Anordnen der beiden Pumpen direkt in Reihe und koaxial zueinander
ergeben.
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Mit
WO 98/58 173, im Namen desselben Anmelders, wurde ein Versuch unternommen,
die obigen Schwierigkeiten mittels einer Getterpumpe zu bewältigen,
die einer Turbopumpe vorgeschaltet und in deren Nähe koaxial
zu dieser angebracht wurde und eine solche Struktur aufwies, um
das direkte Erwärmen
der Turbopumpe zu minimieren, die bei einer sehr kleinen Verringerung
der Leitfähigkeit
gleichzeitig den möglichen
Verlust von Teilchen durch die NEG-Pumpe verringerte. Die Pumpenstruktur
jedoch, gebildet aus einem verlängerten
Metallelement als ein zickzackförmiger
Draht mit porösem,
nichtverdampfbarem Gettermaterial, das durch Sintern darauf abgeschieden
ist und eine solche Konfiguration aufweist, daß es eine kranzförmige periphere
Zone einer zylindrischen Kartusche einnimmt, die den Träger der
Getterpumpe bildet, hat es erforderlich gemacht, eine besondere
Getterpumpe eigens herzustellen, wo doch ihre kombinierte Benutzung
mit einer Turbopumpe erwartet wurde, somit die Benutzung von NEG-Pumpen
aus der normalen Produktion ausgeschlossen, die weniger kostspielig
und wahrscheinlich effizienter sind, jedoch für die spezielle Benutzung für den Betrieb
in Kombination mit Turbopumpen, nicht ausgelegt sind.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bewegliche
Abschirmvorrichtung zum Einfügen
in Hochvakuumsystemen zwischen Getterpumpe und Turbopumpe bereitzustellen,
die in der Lage ist, die Verbindung zwischen den beiden Pumpen in
Reihe ohne die oben erwähnten
Schwierigkeiten zu ermöglichen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine bewegliche Abschirmvorrichtung
zwischen NEG-Pumpe und Turbopumpe, in Reihe angeordnet, bereitzustellen,
die in der Lage ist, selbsttätig aus
einer völlig
abschirmenden Konfiguration in eine Konfiguration überzugehen,
die den Querschnittsbereich des Durchgangs zwischen den beiden Pumpen in
Abhängigkeit
von der Temperatur, die von der Strahlung von der Getterpumpe in
Richtung auf die Turbopumpe hin herrührt, bei größter Leitfähigkeit im wesentlichen freiläßt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Abschirmvorrichtung
vom erwähnten Typ
bereitzustellen, mit der es möglich
ist, eine NEG-Pumpe jeglichen handelsüblichen Typs, der nicht notwendigerweise
für diesen
Zweck konstruiert ist, in direkter Kopplung mit einer Turbopumpe
zu benutzen.
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Diese
Aufgaben sind mit einer beweglichen Abschirmvorrichtung gelöst, die
an einem Verbindungsflansch zwischen NEG-Pumpe und Turbopumpe angebracht
ist und mehrere abschirmende Metallbauteile umfaßt, die in der Lage sind, ihre
Form oder Ausrichtung selbsttätig
entsprechend der Temperatur der Vorrichtung selbst zwischen zwei
verschiedenen Konfigurationen zu ändern, wobei in einer ersten
die abschirmenden Bauteile im wesentlichen in derselben Ebene liegen
und eine im wesentlichen kontinuierliche Abschirmung zwischen NEG-Pumpe und Turbopumpe
bilden, während
die Bauteile in der zweiten Konfiguration in dem Querschnittsbereich des
Durchgangs zwischen den beiden Pumpen für die geringstmögliche Behinderung
sorgen, wodurch die größte Leitfähigkeit
sichergestellt ist, wobei die abschirmenden Bauteile Elemente aus
einem Material bekannten Typs umfassen, das mit einem Formgedächtnis versehen
ist, die auf die Temperatur zum Übergehen
von einer ersten Form, die in einem Betriebstemperaturbereich des
Formgedächtnismaterials
einer höheren
Temperatur entspricht und mit der ersten Konfiguration der abschirmenden
Bauteile verbunden ist, in eine zweite Form, die in demselben Temperaturbereich
einer niedrigeren Temperatur entspricht und mit der zweiten Konfiguration
der abschirmenden Bauteile verbunden ist, ansprechen.
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Diese
und andere Aufgaben, Vorteile und Kennzeichen der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung
werden durch die folgende ausführliche
Beschreibung einiger ihrer bevorzugten Ausführungsformen deutlicher, die
unter Bezugnahme auf die angefügten
Zeichnungen als nichteinschränkendes
Beispiel gegeben werden, in denen
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die 1 eine Prinzipskizze im
Längsschnitt ist,
wobei die Teile einer Einheit, die von einer Getterpumpe (NEG) und
einer Turbopumpe mit einer zwischen diesen eingefügten erfindungsgemäßen beweglichen
Abschirmvorrichtung gebildet wird, in einer Stellung des Schließens auseinandergenommen sind,
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die 1a eine Querschnittsansicht
wie in der 1 der Abschirmvorrichtung
allein in einem geöffneten
Zustand ist,
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die 2 und 2a in einer perspektivischen Teilansicht
einige abschirmende Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in derselben
Ausführungsform
der 1 und 1a in der geöffneten
bzw. geschlossenen Stellung zeigen,
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die 3 und 3a, nach wie vor in einer perspektivischen
Teilansicht, nur drei abschirmende Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer alternativen Ausführungsform
in einer geöffneten
bzw. geschlossenen Stellung zeigen, in beiden Fällen mit einer vergrößerten Einzelheit.
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Die
Abschirmungen der Erfindung sind aus Bauteilen gebildet, die ganz
oder teilweise aus Materialien hergestellt sind, die mit einem Formgedächtnis versehen
sind. Diese Materialien sind bereits in verschiedenen Anwendungen
bekannt und weisen das Kennzeichen auf, daß Gegenstände, die daraus hergestellt
sind, infolge einer Temperaturänderung
in einer sehr kurzen Zeit und ohne dazwischenliegende Gleichgewichtsstellungen
von einer Form zu einer anderen wechseln können, die beide während ihrer Herstellung
vordefiniert und vorbestimmt werden. Die Abschirmungen der Erfindung
sind derart, daß,
wenn sie erwärmt
werden, im wesentlichen durch Strahlung, wenn die Getterpumpe auf
Temperaturen von bis zu 500 bis 600°C erwärmt wird, sie die „geschlossene" Form annehmen, wodurch
der optische Weg zwischen der Getterpumpe und der Turbopumpe blockiert
wird, so daß sie
letztere vor Erwärmung
schützen.
Wenn die Getterpumpe kalt ist, kühlen
die Abschirmungen der Erfindung wiederum ab und nehmen die „geöffnete" Form an, in der
die Bauteile, welche die Abschirmungen bilden, in der Richtung des optischen
Weges zwischen den beiden Pumpen die geringstmögliche Oberfläche bieten
und so für
Gas in Richtung auf die Turbopumpe die größte Leitfähigkeit sicherstellen.
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Die
Formgedächtnismaterialien
umfassen eine erste Klasse von Materialien, bei denen der Übergang
zwischen einer ersten und einer zweiten vordefinierten Form bedingt
durch eine Temperaturänderung
erfolgt, während
die umgekehrte Formveränderung,
zwischen der zweiten und der ersten Form, einen Eingriff von außen unter
Anwendung einer mechanischen Kraft erfordert. Für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind die Materialien, die zu einer zweiten Klasse gehören, welche
den sogenannten „Zweiweg-Formgedächtnis"-Mechanismus zeigen,
wobei sowohl die direkte als auch die umgekehrte Umwandlung durch
Temperaturänderung
erfolgen. Es wird angenommen, daß diese Materialien durch Übergehen
von einem martensitischen Typ, der bei niedrigeren Temperaturen
stabil ist, in einen austenitischen Typ, der bei höheren Temperaturen
stabil ist, und umgekehrt ihre mikrokristalline Struktur ändern. Der Übergang
zwischen den beiden Strukturen findet entsprechend einem Zyklus statt, ähnlich einem
Hysteresezyklus, der durch vier Temperaturstufen gekennzeichnet
ist: Während
des Erwärmens,
ausgehend von einer niedrigen Temperatur, bei der die martensitische
Phase stabil ist, wird eine Temperatur As erreicht,
bei der die Umwandlung in die austenitische Phase beginnt, und dann
eine Temperatur Af, die der Vervollständigung
der Umwandlung in Austenit entspricht; beim Abkühlen, ausgehend von dem Temperaturbereich,
in dem die austenitische Phase stabil ist, wird zunächst eine
Temperatur Ms erreicht, bei welcher der Übergang
in die martensitische Phase beginnt, und dann eine Temperatur Mf, bei der ein solcher Übergang zu Ende kommt. Die
tatsächlichen
Temperaturen der oben erwähnten Übergänge variieren
mit dem Typ von Material und dem Verfahren, mit dem es hergestellt
wird, jedoch sind diese Temperaturen für jedes Material immer in der
Reihenfolge Mf < Ms < As < Af.
Die für
die Zwecke der Erfindung wichtigsten Parameter beim Bewerten der
Zweiweg-Formgedächtnis-Materialien sind
die Temperaturen Mf und Af.
Da die Turbopumpen betrieben werden können, solange die Temperatur
der sich bewegenden Teile Werte von etwa 120°C nicht übersteigt, wird das benutzte
Formgedächtnismaterial
einen Wert von Af aufweisen, der diese Temperatur
nicht übersteigt
und vorzugsweise nicht größer als
etwa 100°C
ist, so daß der Übergang
mit sich daraus ergebender Änderung
der Konfiguration und Schließen
der Abschirmung abgeschlossen ist, wenn die Temperatur Werte erreicht,
die für
die Turbopumpe kritisch wären.
Die Temperatur Mf, bei der die Wärmeabschirmung
ganz geöffnet
ist, könnte
eine beliebige sein, ist jedoch vorzugsweise höher als die Raumtemperatur.
Dies ermöglicht,
das Öffnen
der Abschirmung durch bloßes
natürliches
Abkühlen
der Abschirmung selbst infolge des Abkühlens der Getterpumpe zu erreichen,
ohne auf geeignete Kühlhilfsmittel
zurückgreifen
zu müssen.
Materialien, die Übergangstemperaturen
aufweisen, die für
die Zwecke der Erfindung nützlich
sind, sind hauptsächlich die
Ni-Ti-Legierungen,
insbesondere diejenigen, die Ni zu 54 bis 56 Gew.-% enthalten, wobei
der Rest Titan ist. Besonders bevorzugt sind die Legierungen mit
der Zusammensetzung Ni 55,1 bis 55,5%, Rest Titan. Diese Legierungen
zeigen für
Af Werte, die zwischen etwa 90 und 115°C liegen,
und für
Mf Werte zwischen etwa 50 und 80°C. Ternäre Legierungen von
Kupfer können
ebenfalls benutzt werden, wie z. B. Cu-Al-Ni-Legierungen oder vorzugsweise Cu-Al-Zn-Legierungen,
die zwischen etwa 70 und 77 Gew.-% Kupfer, zwischen etwa 5 und 8
Gew.-% Aluminium und zwischen etwa 15 und 25 Gew.-% Zink enthalten.
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In
der 1 ist eine bevorzugte
Ausführungsform
einer wärmeabschirmenden
Vorrichtung 10 gezeigt, die mit einer Getterpumpe GP mit
nichtverdampfbarem Getter und einer Turbopumpe TMP zusammengestellt
ist, um eine Baugruppe zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Hochvakuum
in einer Kammer, z. B. der einer Fertigungsmaschine in der Halbleiterindustrie,
zu bilden. Während
die abschirmenden Bauteile 11 im folgenden genauer beschrieben
werden, ist der Hochvakuumflansch 13 sichtbar, an dem sie
angebracht sind. Der Flansch 13 ist zu seiner Befestigung
durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) in entsprechenden peripheren
Löchern,
die an den angrenzenden Enden der beiden Pumpen gebildet sind, mit
peripheren Durchgangslöchern 12, 12a versehen.
Die GP-Pumpe ist zu ihrer Befestigung an der zu evakuierenden Kammer
an dem gegenüberliegenden
Ende außerdem
mit einem weiteren Satz von Durchgangslöchern versehen.
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Der
Flansch 13 ist vom normalen Vakuumtyp aus Spezialstahl
mit Doppeldichtung, der gewöhnlich mit
Vakuumdichtungen aus Kupfer benutzt wird. Es sei angemerkt, daß die Getterpumpe,
die in der Zeichnung gezeigt ist, von dem Typ ist, der einen Stapel
von Scheiben nichtverdampfbaren Gettermaterials auf einem zentralen
Träger
umfaßt;
wie jedoch oben bereits angegeben, könnte sie auch von einem beliebigen
anderen Typ sein, wobei es für
die Benutzung in Reihe mit einer Turbopumpe überhaupt keine Einschränkungen
gibt, wenn eine dazwischen befindliche erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung 10 eingesetzt
wird.
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Es
sollte beachtet werden, daß die
abschirmenden Bauteile 11 in der 1 schematisch so dargestellt worden sind,
daß sie
im Schließzustand
eine V-Form aufweisen, um so jedweden optischen Weg zwischen der
GP- und TMP-Pumpe zu blockieren, wodurch auf dieselbe Weise jeglicher
Wärmefluß zwischen
den beiden Pumpen und insbesondere von der Getterpumpe in Richtung
auf die Turbopumpe blockiert wird.
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Dieselbe
erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist
in der 1a stattdessen,
nach wie vor schematisch, mit den Bauteilen 11 nicht in
der im Querschnitt V-förmigen
Konfiguration dargestellt worden, so daß zur Wärmeisolierung zwischen den
beiden Pumpen GP und TMP ein Fischgrätmuster gebildet wird, sondern
in einer geöffneten
Konfiguration, alle parallel zueinander, so daß sie in dem Querschnitt des Durchgangs,
der dem inneren Bereich des Flansches 13 entspricht, die
geringstmögliche
Behinderung bieten, die nur durch ihre verringerte Dicke verursacht wird.
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In
den 2 und 2a ist eine bevorzugte Ausführungsform
der abschirmenden Bauteile 11, 11', 11'',
... 11n deutlicher dargestellt,
die ganz aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt sind, bzw. sind diese in einem geöffneten Zustand der Abschirmung veranschaulicht,
wobei alle Bauteile 11, 11', ... eine ebene Konfiguration
aufweisen und in einer Richtung, die sich im rechten Winkel zu dem
Querschnittsbereich des Durchgangs zwischen den beiden Pumpen GP
und TMP der 1 befindet,
parallel zueinander sind. Jedes Bauteil ist durch mechanische Befestigungsmittel,
wie z. B. Schrauben und Bolzen, oder durch Schweißpunkte
an einem Metallband 14, 14', 14'',
... 14n befestigt. Diese Bänder, hergestellt
aus einem Metall ohne Formgedächtnis,
wie z. B. Stahl, bilden den Träger
der abschirmenden Bauteile und die Achsen, um die sie sich drehen,
um die „geschlossene" oder „V"-förmige Konfiguration anzunehmen,
die in der 2a dargestellt
ist. Alle Bänder 14,
... sind an ihren Enden an dem Tragflansch 13 befestigt,
in den 2 und 2a nicht gezeigt, jedoch
schematisch dargestellt in der 2 durch
eine bogenförmige
unterbrochene Linie, die schematisch seine Spur zeigt. Die beiden
zentralen und parallelen unterbrochenen Linien für jedes Bauteil 11 stellen
nicht nur die Spur des Tragbandes dar, sondern auch die beiden Linien,
entlang derer die Bauteile während
der Formänderung
sich zu falten aufgefordert werden, wie in der 2a besser erkannt werden kann, welche
die abschirmenden Bauteile in ihrer V-Form zeigt, schematisch bereits
in der 1 dargestellt,
bis zu dem Paar zentraler Bauteile, die sich über den vollen inneren Durchmesser
des Flansches 13 erstrecken, wobei die V-Öffnung zu entgegengesetzten
Seiten gerichtet ist und auf demselben Tragband 14n angebracht
ist. In einer derartigen Konfiguration ist der optische Weg zwischen
der Getterpumpe GP und der TMP-Pumpe völlig blockiert.
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Eine
alternative Ausführungsform
abschirmender Bauteile für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ist in den beiden Konfigurationen des Öffnens und des Schließens in
der 3 bzw. 3a gezeigt. In diesem Fall
sind die abschirmenden Bauteile 31, 31', 31'' nicht gänzlich aus Formgedächtnismaterial
hergestellt, sondern aus einem Metallband 32, 32', 32'', ... gebildet, dessen Enden jeweils
mit einem Element fest verbunden sind, das aus einer Formgedächtnislegierung
(33, 33a) hergestellt ist. Jedes Element 33, 33a ist
geeignet, wie vorher angegeben, entsprechend der Temperatur entlang
einer zentralen Achse, die als eine strichpunktierte Linie dargestellt
ist, gefaltet zu werden. Eine derartige zentrale Faltungslinie definiert
in jedem Bauteil 33, 33a zwei Abschnitte 34, 35,
von denen der erste an dem Flansch 13 (auch hier nicht
gezeigt, jedoch mittels einer elliptischen unterbrochenen Linie
schematisch durch seine Spur dargestellt) z. B. durch einen Schweißpunkt oder
ein Befestigungsmittel 34' befestigt
ist. Der andere Abschnitt 35 jedes Bauteiles 33, 33a ist
an dem Band 32, 32',
... des entsprechenden abschirmenden Bauteiles 31, 31', ... wiederum
mittels eines Schweißpunktes
oder Befestigungselementes 35' befestigt. Wenn die Elemente 33, 33a ihre
Konfiguration durch einen Temperaturanstieg von der im wesentlichen L-förmigen der 3 zu der im wesentlichen
ebenen der 3a ändern, wird
die sich daraus ergebende gleichzeitige Drehung aller abschirmenden
Bauteile erhalten, die somit die geschlossene Konfiguration der 3a annehmen, wobei sich
die Kanten der Bauteile, die in derselben Ebene liegen, überlappen, um
den Durchgang zwischen den beiden Pumpen völlig abzuschirmen. Die Bänder 32, 32', ... sind vorzugsweise
aus Stahl hergestellt. Es sollte beachtet werden, daß die winkelförmige Konfiguration
der Formgedächtniselemente
in diesem Fall der Stellung der geöffneten Abschirmung entspricht
und somit einer Temperatur, die niedriger als diejenige ist, bei
der sie eine ebene Konfiguration zeigen und die Abschirmung im wesentlichen
geschlossen ist, im Gegensatz zu dem, was bei der Ausführungsform
der vorhergehenden Figuren geschah.