RU2620028C1 - Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates - Google Patents
Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620028C1 RU2620028C1 RU2015157145A RU2015157145A RU2620028C1 RU 2620028 C1 RU2620028 C1 RU 2620028C1 RU 2015157145 A RU2015157145 A RU 2015157145A RU 2015157145 A RU2015157145 A RU 2015157145A RU 2620028 C1 RU2620028 C1 RU 2620028C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- peltier element
- nanocalorimetric
- thermostatic device
- sensor
- cooling system
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K17/00—Measuring quantity of heat
- G01K17/006—Microcalorimeters, e.g. using silicon microstructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/48—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
- G01N25/4846—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample
- G01N25/4866—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample by using a differential method
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K2211/00—Thermometers based on nanotechnology
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к научному приборостроению и представляет собой устройство, позволяющее термостатировать нанокалориметрические сенсоры при различных, в том числе низких температурах, и проводить комбинированные in-situ исследования структуры и теплофизических свойств материалов различного типа. Термостатирующее устройство может быть использовано в установках, предназначенных для измерения параметров образцов, которые могут сочетать методы нанокалориметрии и рентгеновской дифракции.The invention relates to scientific instrumentation and is a device that allows thermostating nanocalorimetric sensors at various, including low temperatures, and conduct combined in-situ studies of the structure and thermophysical properties of materials of various types. The thermostatic device can be used in installations designed to measure the parameters of samples, which can combine the methods of nanocalorimetry and x-ray diffraction.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известны устройства, описанные в патентах US 5288147 A «Датчик дифференциального термического анализатора на основе термопар» и US 5788373 A «Способ и устройство для дифференциального термического анализа». Указанные патенты лежат в основе коммерческого прибора компании Mettler Toledo «Flash DSC1», являющегося аналогом заявляемого устройства.The prior art devices are described in US Pat. Nos. 5,288,147 A, “Thermocouple Based Differential Thermal Analyzer Sensor” and US 5,788,373 A, “Method and Device for Differential Thermal Analysis”. These patents are the basis of the commercial device of the company Mettler Toledo "Flash DSC1", which is an analogue of the claimed device.
В патенте US 5288147 A представлен дифференциальный датчик для термического анализа, состоящий из двух низкоомных дифференциальных термоэлектрических батарей. Каждая термобатарея состоит из серии термопар, соединенных последовательно. Контакты измерительных термопар расположены равномерно вокруг измерительной области, кроме того, серии термопар расположены равномерно вокруг аналогичной референсной области. Дифференциальный термоаналитический датчик может быть использован, например, для дифференциальных измерений теплового потока, используя образец против эталонной (т.е. пустой) ячейки, при этом измерения разности тепловых потоков проводятся с использованием принципа компенсации мощности.US 5,288,147 A discloses a differential sensor for thermal analysis consisting of two low-resistance differential thermoelectric batteries. Each thermopile consists of a series of thermocouples connected in series. The contacts of the measuring thermocouples are evenly spaced around the measuring region, in addition, the series of thermocouples are evenly spaced around a similar reference region. A differential thermoanalytical sensor can be used, for example, for differential measurements of heat flux using a sample against a reference (i.e., empty) cell, while the difference in heat fluxes is measured using the principle of power compensation.
Однако в данном решении температура нанокалориметрического сенсора ограничивается пределами подаваемого напряжения на нагревательные термопары, с одной стороны, и температурой окружающей среды, с другой. Основные методы, изложенные в известном решении, не предполагают использование термостата для изменения рабочей температуры нанокалориметрического сенсора и расширения рабочего температурного диапазона устройства, особенно в область низких температур.However, in this solution, the temperature of the nanocalorimetric sensor is limited by the limits of the applied voltage to the heating thermocouples, on the one hand, and the ambient temperature, on the other. The main methods described in the known solution do not involve the use of a thermostat to change the operating temperature of the nanocalorimetric sensor and to expand the operating temperature range of the device, especially in the low temperature region.
В патенте US 5788373 A описываются метод и устройство для проведения дифференциальных термоаналитических экспериментов с использованием измеряемого образца и образца сравнения. Образец сравнения может быть представлен, например, пустым тиглем с известным весом, либо может заменяться расчетами с использованием математической модели, принимающей во внимание реальное поведение теплофизического устройства. При этом важно, чтобы измеряемый образец находился в том же месте печи, что и образец или тигель сравнения. Термоаналитические кривые исследуемого образца и эталонного образца сравниваются для определения разности температур.US Pat. No. 5,788,373 A describes a method and apparatus for conducting differential thermoanalytical experiments using a measured sample and a comparison sample. The comparison sample can be represented, for example, by an empty crucible with a known weight, or it can be replaced by calculations using a mathematical model that takes into account the actual behavior of the thermophysical device. It is important that the measured sample is in the same place in the furnace as the sample or reference crucible. The thermoanalytical curves of the test sample and the reference sample are compared to determine the temperature difference.
Из уровня техники известно устройство Flash DSC1 компании Mettler-Toledo Gmbh, выбранное за прототип. Данное устройство способно исследовать образцы массой от 10 нг до 1000 нг, развивать скорости нагрева активной области калориметрического сенсора от 0,5°C/с до 40000°C/с и скорости охлаждения от 0,1°C/с до 4000°C/с. Благодаря конструкции устройства достигнута высокая скорость теплообмена с окружающей средой, что в сочетании с простотой смены сенсоров сокращает время, затрачиваемое на подготовку эксперимента. Тем не менее, конструкция прибора представляет собой единый блок с размещенным в нем микроскопом, платами цифроаналогового преобразователя, элементами крепления сенсоров и предусматривает только линейные нагревы исследуемых образцов без дополнительного охлаждения, что сужает спектр используемых рабочих температур и возможность совмещения нанокалориметрических исследований с другими видами физико-химического анализа.Mettler-Toledo Gmbh Flash DSC1 selected for the prototype is known in the art. This device is capable of examining samples weighing from 10 ng to 1000 ng, developing heating rates of the active region of the calorimetric sensor from 0.5 ° C / s to 40,000 ° C / s and cooling rates from 0.1 ° C / s to 4000 ° C / from. Due to the design of the device, a high rate of heat exchange with the environment has been achieved, which, combined with the ease of changing the sensors, reduces the time spent on the preparation of the experiment. Nevertheless, the design of the device is a single unit with a microscope placed in it, boards of a digital-to-analog converter, sensor mounting elements and provides only linear heating of the samples under study without additional cooling, which narrows the range of operating temperatures and the possibility of combining nanocalorimetric studies with other types of physical chemical analysis.
Заявляемое устройство имеет ряд преимуществ перед прототипом. Одним из таких преимуществ предлагаемого устройства является возможность его использования в различных измерительных системах, включающих, как правило, платы цифроаналогового преобразователя и платы усилителей сигналов, подаваемых на нанокалориметрические сенсоры и снимаемых с нанокалориметрических сенсоров, а также контролирующее программное обеспечение, которые позволяют проводить нанокалориметрические измерения не только в режимах линейных нагревов (так называемая DC-калориметрия), но и в режимах температурной модуляции (АС-калориметрия). Возможность температурной модуляции позволяет достигнуть большей точности измерений, что особенно важно при наблюдении ряда основополагающих явлений структурообразования в полимерных системах. Возможная достигаемая скорость нагрева активной области нанокалориметрического сенсора в DC-режимах составляет до 1000000°C /с, контролируемая скорость охлаждения - до 5000°C /с за счет использования в заявляемом термостатическом устройстве системы охлаждения и герметичного корпуса устройства. Превосходством предлагаемого термостатирующего устройства является компактность конструкции блока сенсоров и тот факт, что блок сенсоров размещен в отдельном корпусе - в корпусе термостатического устройства, отдельно от корпуса, в котором размещен электронный контроллер. Последнее обстоятельство важно для обеспечения совмещения нанокалориметрических и рентгеноструктурных или оптических измерений с целью проведения in-situ экспериментов. Небольшие размеры термостатирующего блока упрощают адаптацию устройства к различным лабораторным условиям, что ускоряет процесс калибровки устройства.The inventive device has several advantages over the prototype. One of the advantages of the proposed device is the possibility of its use in various measuring systems, including, as a rule, boards of a digital-to-analog converter and amplifier boards of signals supplied to nanocalorimetric sensors and taken from nanocalorimetric sensors, as well as monitoring software that allows nanocalorimetric measurements not only in linear heating modes (the so-called DC calorimetry), but also in temperature modulation modes (AC cal orientometry). The possibility of temperature modulation allows to achieve greater measurement accuracy, which is especially important when observing a number of fundamental phenomena of structure formation in polymer systems. The possible achievable heating rate of the active region of the nanocalorimeter sensor in DC modes is up to 1,000,000 ° C / s, the controlled cooling rate is up to 5,000 ° C / s due to the use of a cooling system and a sealed device case in the claimed thermostatic device. The superiority of the proposed thermostatic device is the compact design of the sensor unit and the fact that the sensor unit is located in a separate housing - in the housing of the thermostatic device, separately from the housing in which the electronic controller is located. The latter circumstance is important for ensuring the combination of nanocalorimetric and X-ray structural or optical measurements in order to conduct in-situ experiments. The small size of the thermostatic unit simplifies the adaptation of the device to various laboratory conditions, which speeds up the calibration process of the device.
Заявляемое устройство является универсальным, его конструкция позволяет использовать прибор в любых устройствах, основанных на использовании как отдельных методов исследования материалов, например нанокалориметрических методов, оптической микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, рентгеновской дифракции, так и приборах, совмещающих два и более из упомянутых методов.The inventive device is universal, its design allows the device to be used in any devices based on the use of separate methods for studying materials, for example, nanocalorimetric methods, optical microscopy, scanning probe microscopy, X-ray diffraction, and devices combining two or more of the above methods.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является создание термостатирующего устройства в виде отдельного блока с возможностью размещения двух нанокалориметрических сенсоров (эталонный сенсор и сенсор с исследуемым образцом). Устройство может быть интегрировано в приборы для измерения теплофизических и структурных параметров образцов.The objective of the invention is the creation of a thermostatic device in the form of a separate unit with the possibility of placing two nanocalorimetric sensors (reference sensor and sensor with the test sample). The device can be integrated into instruments for measuring the thermophysical and structural parameters of samples.
Техническим результатом является расширение возможности применения методов исследования физико-химических параметров образца за счет реализации возможности нагрева образца до 450°C и охлаждения образца до -20°C. Кроме того, в изобретении обеспечивается надежная фиксация нанокалориметрического сенсора с исследуемым образцом (12) в заявляемом блоке в необходимом положении образца с обеспечением высокого пространственного разрешения устройства, используемого для измерения параметров образца, и использования дополнительного нанокалориметрического сенсора в качестве эталонного (референсного) (3).The technical result is the expansion of the application of methods for studying the physicochemical parameters of the sample by realizing the possibility of heating the sample to 450 ° C and cooling the sample to -20 ° C. In addition, the invention provides reliable fixation of the nanocalorimetric sensor with the test sample (12) in the inventive block in the required position of the sample with high spatial resolution of the device used to measure the parameters of the sample and the use of an additional nanocalorimetric sensor as a reference (reference) (3) .
Поставленная задача решается тем, что термостатирующее устройство для нанокалориметра включает корпус, выполненный с возможностью подключения к коннектору и снабженный верхней и нижней крышками, в котором размещены два нанокалориметрических сенсора, один из которых является эталонным, второй - с исследуемым образцом, элемент Пельтье, выполненный в виде пластины, система жидкостного охлаждения элемента Пельтье, по крайней мере, два тепловых экрана, один из которых выполнен с возможностью изоляции элемента Пельтье от нижней крышки, а второй - изоляции элемента Пельтье от коннектора, при этом элемент Пельтье, верхняя и нижняя крышки снабжены соосным отверстием для прохождения излучения, а сенсор с исследуемым образцом расположен на элементе Пельтье с обеспечением размещения активной части сенсора в проекции отверстия элемента Пельтье, сенсоры выполнены с возможностью подключения к коннектору, нижняя крышка выполнена из сплава, имеющего коэффициент термического расширения не более 1,2⋅10-6°C-1.The problem is solved in that the thermostatic device for the nanocalorimeter includes a housing configured to connect to the connector and provided with upper and lower covers, in which two nanocalorimetric sensors are placed, one of which is the reference one, the second with the test sample, the Peltier element made in in the form of a plate, a liquid cooling system of the Peltier element, at least two heat shields, one of which is made with the possibility of isolating the Peltier element from the bottom cover, and the second a swarm - isolating the Peltier element from the connector, while the Peltier element, the upper and lower covers are equipped with a coaxial hole for the passage of radiation, and the sensor with the test sample is located on the Peltier element to ensure that the active part of the sensor is placed in the projection of the hole of the Peltier element, the sensors are configured to connect to the connector, the bottom cover is made of alloy having a thermal expansion coefficient of not more than 1.2⋅10 -6 ° C -1 .
Система жидкостного охлаждения может быть выполнена в виде трубки, расположенной в корпусе между нижней крышкой и элементом Пельтье в плоскости, параллельной плоскости элемента Пельтье; оба конца трубки выведены в боковой части корпуса устройства через предназначенные для них конструкционные отверстия. Тепловой экран, предназначенный для изоляции элемента Пельтье от нижней крышки, выполнен из керамического материала и расположен между нижней крышкой и системой жидкостного охлаждения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения сенсоры расположены в одной плоскости в контакте с элементом Пельтье без обеспечения контакта между собой, а элемент Пельтье расположен в плоскости, параллельной плоскости расположения крышек корпуса. Верхняя крышка снабжена съемным диском с окном, расположенным в проекции отверстия крышки, при этом диаметр окна составляет 0,5-1,5 мм.The liquid cooling system can be made in the form of a tube located in the housing between the bottom cover and the Peltier element in a plane parallel to the plane of the Peltier element; both ends of the tube are brought out to the side of the device through the structural holes intended for them. The heat shield designed to isolate the Peltier element from the bottom cover is made of ceramic material and is located between the bottom cover and the liquid cooling system. In a preferred embodiment of the invention, the sensors are located in the same plane in contact with the Peltier element without providing contact with each other, and the Peltier element is located in a plane parallel to the plane of the housing covers. The top cover is equipped with a removable disk with a window located in the projection of the opening of the cover, while the diameter of the window is 0.5-1.5 mm.
Таким образом, поставленная задача решается размещением в корпусе модуля охлаждения, состоящего из трубчатой системы жидкостного охлаждения (4) и элемента Пельтье (8). Система охлаждения нужна для отвода тепла, генерируемого элементом Пельтье. Система жидкостного охлаждения неподвижно закреплена на нижней крышке устройства (6) с использованием спейсеров из сплава invar, имеющего коэффициент линейного термического расширения не более 1,2⋅10-6°C-1. Благодаря такой фиксации достигается жесткое крепление исследуемого образца, исключающее влияние термического расширения элементов конструкции, что особенно важно при проведении структурных исследований.Thus, the task is solved by placing a cooling module in the casing, consisting of a tubular liquid cooling system (4) and a Peltier element (8). The cooling system is needed to remove the heat generated by the Peltier element. The liquid cooling system is fixedly mounted on the bottom cover of the device (6) using invar alloy spacers having a linear thermal expansion coefficient of not more than 1.2⋅10 -6 ° C -1 . Thanks to this fixation, a rigid fastening of the test sample is achieved, eliminating the influence of thermal expansion of structural elements, which is especially important when conducting structural studies.
Заявляемое устройство обеспечивает стабильную передачу аналогового сигнала от нанокалориметрического сенсора до аналого-цифрового преобразователя, размещенного в электронном контроллере; обеспечивает жесткое закрепление нанокалориметрического сенсора с образцом (12) в активной области, например дифрактометра или любого другого прибора по исследованию структурных характеристик образца, а также позволяет использовать при измерениях дополнительный (эталонный) нанокалориметрический сенсор (3) для снятия базовой линии эксперимента, используемой при дальнейшей обработке полученных экспериментальных данных.The inventive device provides a stable transmission of an analog signal from a nanocalorimetric sensor to an analog-to-digital converter located in an electronic controller; it provides rigid fixation of the nanocalorimetric sensor with the sample (12) in the active region, for example, a diffractometer or any other device for studying the structural characteristics of the sample, and also allows the use of an additional (reference) nanocalorimetric sensor (3) to remove the baseline of the experiment used for further processing the obtained experimental data.
Жесткая фиксация нанокалориметрического сенсора необходима, чтобы ось пучка излучения дифрактометра или любого другого прибора по исследованию структуры образца проходила через центр активной области нанокалориметрического сенсора, размер которой составляет 100 мкм × 100 км. Пучок рентгеновских (или других) лучей, точка его фокуса и центр активной области нанокалориметрического сенсора должны лежать строго на одной оси, перпендикулярной плоскости рентгеновского детектора. Данная геометрия достигается благодаря жесткой фиксации системы охлаждения вместе с нанокалориметрическими сенсорами (3, 12).Rigid fixation of the nanocalorimetric sensor is necessary so that the axis of the radiation beam of a diffractometer or any other instrument for studying the structure of the sample passes through the center of the active region of the nanocalorimetric sensor, the size of which is 100 μm × 100 km. The beam of x-ray (or other) rays, the point of its focus and the center of the active region of the nanocalorimetric sensor must lie strictly on one axis perpendicular to the plane of the x-ray detector. This geometry is achieved due to the rigid fixation of the cooling system together with nanocalorimetric sensors (3, 12).
При установке заявляемого блока в устройстве для измерения параметров образца учитывается высокая чувствительность нанокалориметрического сенсора к электрическому сигналу. Так, в экспериментах может использоваться широкий диапазон частот модуляции температуры - от 1,0 Гц до 40 кГц, при этом точность измерения фазового смещения температурного отклика образца, обеспечиваемого электронным контроллером, лучше 0,05°. В предлагаемом устройстве реализована стабильная передача аналогового сигнала, получаемого нанокалориметрическими сенсорами до блока управления без каких-либо потерь интенсивности сигнала и без внесения дополнительных шумов благодаря использованию электрической схемы подключения (9).When installing the inventive unit in the device for measuring the parameters of the sample, the high sensitivity of the nanocalorimetric sensor to the electrical signal is taken into account. Thus, a wide range of temperature modulation frequencies can be used in experiments - from 1.0 Hz to 40 kHz, while the accuracy of measuring the phase shift of the temperature response of a sample provided by an electronic controller is better than 0.05 °. The proposed device implements stable transmission of the analog signal received by nanocalorimetric sensors to the control unit without any loss of signal intensity and without introducing additional noise due to the use of the electrical connection circuit (9).
Кроме того, заявленное устройство обладает компактными размерами и небольшой толщиной для возможности использования различных высокоточных шаговых двигателей, присутствующих в конструкции дифрактометров и других различных приборов по изучению структуры образцов. Также, геометрия отверстия в термостатирующем устройстве обеспечивает возможность работы в геометрии SAXS (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей - small-angle X-ray scattering), WAXS (рассеяние рентгеновских лучей под большими углами - wide-angle X-ray scattering), GSAXS (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей в скользящем пучке - Grazing-Incidence Small-Angle X-ray scattering) и GWAXS (большеугловое рассеяние рентгеновских лучей в скользящем пучке - Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering).In addition, the claimed device has compact dimensions and small thickness for the possibility of using various high-precision stepper motors present in the design of diffractometers and other various devices for studying the structure of samples. Also, the hole geometry in the thermostatic device provides the ability to work in the SAXS (small-angle X-ray scattering), WAXS (wide-angle X-ray scattering), GSAXS (small-angle scattering) geometry X-rays in a moving beam - Grazing-Incidence Small-Angle X-ray scattering) and GWAXS (high-angle X-ray scattering in a moving beam - Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray scattering).
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена блок-схема контроллера (нанокалориметра) с нанокалориметрическим сенсором, подсоединенных к персональному компьютеру (ПК).In FIG. 1 shows a block diagram of a controller (nanocalorimeter) with a nanocalorimetric sensor connected to a personal computer (PC).
На фиг. 2 изображен общий вид термостатирующего устройства.In FIG. 2 shows a general view of a thermostatic device.
На фиг. 3 представлена схема размещения нанокалориметрических сенсоров в термостатирующем устройстве.In FIG. Figure 3 shows the layout of nanocalorimetric sensors in a thermostatic device.
На фиг. 4 изображен общий вид термостатирующего устройства в сборе.In FIG. 4 shows a general view of a thermostatic assembly.
На фиг. 5 изображена электрическая схема контактов, используемая при изготовлении электронной платы держателя нанокалориметрического сенсора для образца (вид снизу).In FIG. 5 shows the electrical circuit of the contacts used in the manufacture of the electronic board of the holder of the nanocalorimetric sensor for the sample (bottom view).
На фиг. 6 изображена электрическая схема контактов, используемая при изготовлении электронной платы держателя нанокалориметрического сенсора для образца (вид сверху).In FIG. Figure 6 shows the electrical circuit of the contacts used in the manufacture of the electronic board of the holder of the nanocalorimetric sensor for the sample (top view).
На фиг. 7 изображена электрическая печатная плата держателя эталонного нанокалориметрического сенсора (вид снизу).In FIG. 7 shows an electric printed circuit board of a holder of a reference nanocalorimetric sensor (bottom view).
На фиг. 8 изображена электрическая печатная плата держателя эталонного нанокалориметрического сенсора (вид снизу).In FIG. Figure 8 shows the electric printed circuit board of the holder of the reference nanocalorimetric sensor (bottom view).
На фиг. 9 представлены нанокалориметрические кривые, полученные до вычитания сигнала эталонного сенсора, или базовой линии, (сверху) и после вычитания базовой линии (снизу).In FIG. Figure 9 shows the nanocalorimetric curves obtained before subtracting the signal of the reference sensor or baseline (above) and after subtracting the baseline (bottom).
На фиг. 10 изображена трубчатая жидкостная система охлаждения.In FIG. 10 shows a tubular liquid cooling system.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - съемным диск с окном, 2 - верхняя крышка термостатирующего устройства, 3 - эталонный нанокалориметрический сенсор, 4 - трубки жидкостного охлаждения, 5, 10 - керамические тепловые экраны, 6 - нижняя крышка из сплава invar, 7 - сапфировые шарики, 8 - элемент Пельтье с отверстием для прохождения в частности рентгеновского пучка, 9 - электрическая схема подключения эталонного нанокалориметрического сенсора, 11 - боковой фланец с основной электрической платой, 12 - нанокалориметрический сенсор с исследуемым образцом, 13 -корпус термостатирующего устройства.The positions in the drawings indicate: 1 - a removable disk with a window, 2 - the top cover of the thermostatic device, 3 - the reference nanocalorimetric sensor, 4 - liquid cooling tubes, 5, 10 - ceramic thermal screens, 6 - the lower cover of invar alloy, 7 - sapphire balls, 8 - Peltier element with a hole for passing in particular an X-ray beam, 9 - electrical circuit for connecting a reference nanocalorimetric sensor, 11 - side flange with a main electric circuit board, 12 - nanocalorimetric sensor with a test sample, 13 housing thermostatic device.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Устройство в сборке представляет собой прочный корпус (13) из стали с низким коэффициентом термического расширения. Снизу корпус закрывается крышкой (6) изготовленной из особого сплава invar с коэффициентом термического расширения не более 1,2⋅10-6°C-1. На нижней крышке размещены отверстия для крепления к корпусу, отверстие для прохождения излучения, используемого для исследования образца, а также сапфировые шарики (7) для фиксации системы охлаждения и керамический тепловой экран (5), представляющий собой, например, керамическую втулку, размещенную соосно с отверстием для прохождения излучения. Внутри корпуса расположена система охлаждения, представленная трубчатой системой жидкостного охлаждения (4) и элементом Пельтье (8) с отверстием для прохождения, например, рентгеновского пучка, который вместе с трубчатой системой охлаждения (4) прочно и неподвижно закреплены на нижней крышке корпуса (6) с использованием вставок из сплава invar. Трубчатая система охлаждения представляет собой (фиг. 10) медную пластину толщиной 5 мм, в теле которой выполнены каналы для прохождения охлаждающей жидкости диаметром от 2 до 3 мм, при этом подача и отвод охлаждающей жидкости осуществляют посредством медных трубок системы охлаждения (4). В одном из вариантов осуществления трубчатой системы охлаждения каналы выполняют со стороны верхней поверхности медной пластины, которые затем закрывают медной крышкой с обеспечением герметичности системы. На элементе Пельтье (8) размещены два нанокалориметрических сенсора: эталонный нанокалориметрический сенсор (3) и нанокалориметрический сенсор с исследуемым образцом (12). Положение сенсоров строго параллельно плоскости элемента Пельтье (8). Особое внимание уделено расположению нанокалориметрического сенсора с исследуемым образцом (12), положение которого строго инвариантно. Активная область сенсора (12) лежит на одной оси с отверстием в нижней крышке корпуса (6) для прохождения излучения и тепловым керамическим экраном (5), а также с отверстием в элементе Пельтье (8). Сверху основная часть корпуса (13) закрывается верхней крышкой (2), выполненной с отверстием для размещения съемного диска с окном (1). Окно является прозрачным в рентгеновском и оптическом диапазоне, что позволяет проводить in-situ измерения с использованием, в частности, методов рентгеноструктурного анализа. В одном из торцов корпуса (13) имеются 2 специальных отверстия, в которые вмонтированы трубки жидкостного охлаждения (4). Эталонный нанокалориметрический сенсор (3) при помощи электрической схемы подключения эталонного нанокалориметрического сенсора (9) соединен с основной электрической платой, расположенной в боковом фланце (11). В торце корпуса (13) имеется специальное отверстие, которое частично закрыто тепловым экраном (10) и соединяет основную часть корпуса и боковой фланец (11). Важно отметить, что нанокалориметрический сенсор с исследуемым образцом (12) соединен непосредственно с электрической платой в боковом фланце (11) без посредников, что увеличивает полезное выходное соотношение уровня сигнала к уровню шума. При помощи коннектора основная плата в боковом фланце (11) соединена с блоком нанокалориметра, представляющим собой электронный контроллер, состоящий из платы усилителей сигналов и цифроаналогового преобразователя, помещенных в прочный стальной экранирующий корпус. Электронный блок нанокалориметра соединен с ПК при помощи USB-коннектора. Подробная схема подключения заявляемого термостатирующего устройства к электронному контроллеру представлена на фиг. 1.The device in the assembly is a robust housing (13) made of steel with a low coefficient of thermal expansion. The case is closed from below by a cover (6) made of a special invar alloy with a coefficient of thermal expansion of not more than 1.2⋅10 -6 ° C -1 . On the bottom cover there are holes for attaching to the body, a hole for the passage of radiation used to study the sample, as well as sapphire balls (7) for fixing the cooling system and a ceramic heat shield (5), which is, for example, a ceramic sleeve placed coaxially with hole for the passage of radiation. Inside the housing there is a cooling system, represented by a tubular liquid cooling system (4) and a Peltier element (8) with an opening for passing, for example, an X-ray beam, which, together with the tubular cooling system (4), are firmly and motionlessly fixed to the lower case cover (6) using invar alloy inserts. The tubular cooling system is (Fig. 10) a
Ниже представлено описание работы системы для нанокалориметрических измерений с используемым заявляемым термостатическим устройством. Подробная схема системы представлена на фиг. 1.The following is a description of the operation of the system for nanocalorimetric measurements using the claimed thermostatic device. A detailed system diagram is shown in FIG. one.
Рабочий цикл начинается с задания программы для электронного блока нанокалориметра в специальной программной среде, в которой задается температурный профиль нагрева и производится автоматический пересчет его параметров из температуры в напряжение, подаваемое на термопары-нагреватели, являющиеся конструктивными элементами нанокалориметрических сенсоров (3, 12). Если собственного температурного диапазона нанокалориметрических сенсоров недостаточно, то программа подключает охлаждение или нагрев термостатирующего устройства. Для этого пропускается ток через элемент Пельтье (8). Элемент Пельтье представляет собой полупроводниковое устройство, в котором ток создает градиент температур. Также подается сигнал на включение насоса, который прокачивает жидкость через трубки жидкостного охлаждения (4) элемента Пельтье, охлаждая нагреваемую сторону, таким образом, снижая температуру охлаждающей стороны элемента Пельтье еще сильнее и выводя тепло из термостатируемой камеры. Жидкость проходит по трубчатой системе (4), охлаждая нижнюю сторону элемента Пельтье (8), согласно расчетам для достижения максимальной эффективности элемента. При этом для нагрева исследуемого образца, размещенного в активной области сенсора, достаточно подать на элемент Пельтье (8) обратное напряжение. Далее контролирующая программа выжидает достаточное количество времени, необходимое для достижения теплового равновесия внутри термостатируемого объема. После чего программа через USB-соединение передает рассчитанные параметры подаваемого напряжения цифроаналоговому преобразователю блока нанокалориметра. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) генерирует 2 идентичных выходных сигнала, которые попадают в плату усилителей, и затем передаются на соответствующие нагреватели сенсора соответствующих нанокалориметрических сенсоров. После начала процедуры передачи сигнала ЦАП начинает параллельный прием входящего сигнала с нанокалориметрических сенсоров. Анализируемый сигнал поступает с эталонного нанокалориметрического сенсора (3) через электрическую схему подключения эталонного нанокалориметрического сенсора (9) на основную электрическую плату, расположенную в боковом фланце (11). Одновременно измеряемый сигнал с нанокалориметрического сенсора с исследуемым образцом (12) поступает на основную электрическую плату, расположенную в боковом фланце (11). Далее основная электрическая плата, расположенная в боковом фланце (11), передает сигнал при помощи коннектора на плату усилителей блока нанокалориметра. Плата усилителей имеет отдельные усилительные каскады для эталонного сигнала, снятого с эталонного нанокалориметрического сенсора (3), и сигнала исследуемого образца, снятого с нанокалориметрического сенсора с исследуемым образцом (12). Проходя через различные модули и усилительные каскады платы усилителей, сигнал попадает в ЦАП, откуда при помощи USB-коннектора передается на ПК, где регистрируется и записывается программой. Программа позволяет рассматривать как отдельные сигналы, так и производить простейшие действия с ними, например вычитание.The work cycle begins with the task of the program for the electronic unit of the nanocalorimeter in a special software environment in which the temperature profile of heating is set and its parameters are automatically converted from temperature to voltage supplied to thermocouple-heaters, which are the structural elements of nanocalorimetric sensors (3, 12). If the intrinsic temperature range of the nanocalorimetric sensors is not enough, then the program connects the cooling or heating of the thermostatic device. For this, current is passed through the Peltier element (8). The Peltier element is a semiconductor device in which current creates a temperature gradient. A signal is also sent to turn on the pump, which pumps liquid through the liquid cooling tubes (4) of the Peltier element, cooling the heated side, thereby lowering the temperature of the cooling side of the Peltier element even more and removing heat from the thermostatically controlled chamber. The fluid passes through the tubular system (4), cooling the lower side of the Peltier element (8), according to calculations to achieve maximum element efficiency. At the same time, to heat the test sample placed in the active region of the sensor, it is sufficient to apply a reverse voltage to the Peltier element (8). Further, the control program waits for a sufficient amount of time necessary to achieve thermal equilibrium inside the thermostatically controlled volume. After that, the program transfers the calculated parameters of the supplied voltage via a USB connection to the digital-to-analog converter of the nanocalorimeter block. The digital-to-analog converter (DAC) generates 2 identical output signals, which fall on the amplifier board, and then are transmitted to the corresponding sensor heaters of the corresponding nanocalorimetric sensors. After the start of the signal transmission procedure, the DAC starts parallel reception of the incoming signal from nanocalorimetric sensors. The analyzed signal arrives from the reference nanocalorimetric sensor (3) through the electrical circuit for connecting the reference nanocalorimetric sensor (9) to the main circuit board located in the side flange (11). At the same time, the measured signal from the nanocalorimetric sensor with the test sample (12) is supplied to the main electric board located in the side flange (11). Next, the main electric circuit board, located in the side flange (11), transmits a signal via a connector to the amplifier board of the nanocalorimeter unit. The amplifier board has separate amplification stages for the reference signal taken from the reference nanocalorimetric sensor (3) and the signal of the test sample taken from the nanocalorimetric sensor with the test sample (12). Passing through various modules and amplifier stages of the amplifier board, the signal enters the DAC, from where it is transmitted via a USB connector to a PC, where it is recorded and recorded by the program. The program allows you to consider both individual signals and perform simple actions with them, for example, subtraction.
Для предлагаемой модели реализации данного устройства были выбраны нанокалориметрические сенсоры Xensor 39392 компании Xensor Integration. Данные сенсоры обладают оптимальными характеристиками для проведения теплофизических исследований на широком спектре материалов. При этом рабочий температурный диапазон данных чипов, обусловленный используемыми в конструкции материалами, является достаточно широким для оценки эффективности работы на высоких скоростях.For the proposed implementation model of this device, Xensor 39392 nanocaloric sensors from Xensor Integration were selected. These sensors have optimal characteristics for conducting thermophysical studies on a wide range of materials. At the same time, the operating temperature range of these chips, due to the materials used in the design, is wide enough to evaluate the efficiency at high speeds.
Использование сплава invar в конструкции представляемого устройства является ключевым фактором в прочной фиксации в статическом состоянии и сохранении инвариантного положения охлаждающего элемента в корпусе термостатирующего устройства. Данный сплав не только обладает коэффициентом термического расширения 1,2⋅10-6°C-1, но и высокой прочностью, износостойкостью, превосходными показателями устойчивости к коррозионным и радиационным воздействиям. Это позволяет помещать термостатирующее устройство в различные агрессивные и неблагоприятные среды, что часто востребовано в различных экспериментах.The use of invar alloy in the design of the device presented is a key factor in strong fixation in a static state and maintaining the invariant position of the cooling element in the body of the thermostatic device. This alloy not only has a thermal expansion coefficient of 1.2⋅10 -6 ° C -1 , but also high strength, wear resistance, and excellent resistance to corrosion and radiation. This allows you to place the thermostatic device in various aggressive and adverse environments, which is often in demand in various experiments.
Представляемое устройство адаптировано для использования воды в качестве жидкого компонента системы охлаждения. Используемый элемент Пельтье в представляемом устройстве способен развивать и поддерживать постоянную отрицательную температуру до -20°C. При этом используя различные системы нагрева, можно контролируемо увеличивать температуру окружающей среды до 100°C за счет конструкции заявляемого термостатирующего устройства. Объем термостатируемой области пространства составляет 100 мл, что достаточно для размещения всех необходимых конструкционных элементов устройства.The presented device is adapted for using water as a liquid component of the cooling system. The used Peltier element in the present device is able to develop and maintain a constant negative temperature up to -20 ° C. Moreover, using various heating systems, it is possible to increase the ambient temperature in a controlled manner to 100 ° C due to the design of the inventive thermostatic device. The volume of the thermostatically controlled area of space is 100 ml, which is enough to accommodate all the necessary structural elements of the device.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015157145A RU2620028C1 (en) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015157145A RU2620028C1 (en) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2620028C1 true RU2620028C1 (en) | 2017-05-22 |
Family
ID=58881257
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015157145A RU2620028C1 (en) | 2015-12-31 | 2015-12-31 | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2620028C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU191202U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Device for measuring the thermophysical properties of modified soils |
| RU2707665C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostating device for conducting nano-calorimetric measurements in a controlled atmosphere |
| RU2711563C1 (en) * | 2018-10-25 | 2020-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1247687A1 (en) * | 1984-08-03 | 1986-07-30 | Отделение ордена Ленина института химической физики АН СССР | Calorimeter |
| US5288147A (en) * | 1992-11-09 | 1994-02-22 | Ta Instruments, Inc. | Thermopile differential thermal analysis sensor |
| US6079873A (en) * | 1997-10-20 | 2000-06-27 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Micron-scale differential scanning calorimeter on a chip |
| WO2002008710A1 (en) * | 2000-07-21 | 2002-01-31 | Point Of Care Ab | A micro-calorimeter apparatus |
| WO2012103601A1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-09 | Katholieke Universiteit Leuven | Differential adiabatic scanning calorimeter |
| US8393785B2 (en) * | 2009-05-14 | 2013-03-12 | Palo Alto Research Center Incorporated | Nanocalorimeter based on thermal probes |
-
2015
- 2015-12-31 RU RU2015157145A patent/RU2620028C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1247687A1 (en) * | 1984-08-03 | 1986-07-30 | Отделение ордена Ленина института химической физики АН СССР | Calorimeter |
| US5288147A (en) * | 1992-11-09 | 1994-02-22 | Ta Instruments, Inc. | Thermopile differential thermal analysis sensor |
| US6079873A (en) * | 1997-10-20 | 2000-06-27 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Micron-scale differential scanning calorimeter on a chip |
| WO2002008710A1 (en) * | 2000-07-21 | 2002-01-31 | Point Of Care Ab | A micro-calorimeter apparatus |
| US8393785B2 (en) * | 2009-05-14 | 2013-03-12 | Palo Alto Research Center Incorporated | Nanocalorimeter based on thermal probes |
| WO2012103601A1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-09 | Katholieke Universiteit Leuven | Differential adiabatic scanning calorimeter |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2711563C1 (en) * | 2018-10-25 | 2020-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements |
| RU2707665C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostating device for conducting nano-calorimetric measurements in a controlled atmosphere |
| RU191202U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-07-29 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Device for measuring the thermophysical properties of modified soils |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Suurkuusk et al. | A multichannel microcalorimetric system: The third-generation Thermal Activity Monitor (TAM III) | |
| US5141331A (en) | Ultrasonic temperature measurement and uses in optical spectroscopy and calorimetry | |
| RU2620028C1 (en) | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates | |
| US9459219B2 (en) | Temperature control chamber for compact X-ray machine | |
| US7539587B2 (en) | Rate-based sensors for advanced real-time analysis and diagnostics | |
| Dixon et al. | A differential AC calorimeter for biophysical studies | |
| US3527081A (en) | Differential scanning calorimeter | |
| JP2019090672A (en) | Cell for x-ray analysis, and x-ray analysis device | |
| JPH09502551A (en) | Method and device for constant temperature | |
| US2514382A (en) | High temperature device for X-ray diffraction | |
| US10139292B2 (en) | Calorimeter with stabilized temperature | |
| RU2620029C1 (en) | Holder unit for nanocalorimetric sensors for measuring thermophysical and structural parameters of sample | |
| JPH09222404A (en) | Method and device for measuring specific heat capacity | |
| RU2711563C1 (en) | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements | |
| RU2707665C1 (en) | Thermostating device for conducting nano-calorimetric measurements in a controlled atmosphere | |
| US3572092A (en) | Pulsed hot wire system | |
| JP3669615B2 (en) | Sample heating / cooling device and thermal analysis device | |
| JPS6119935B2 (en) | ||
| Karthik et al. | Measurement of thermal conductivity of fluids using 3-ω method in a suspended micro wire | |
| JP5143897B2 (en) | DSC measuring device for large array type differential scanning calorimeter | |
| Zapf | Ultrasonic calorimeter for beam power measurement | |
| RU191202U1 (en) | Device for measuring the thermophysical properties of modified soils | |
| US20020012379A1 (en) | Thermal analysis apparatus | |
| Haacke et al. | Method for thermal conductivity measurements on solids | |
| ITMI990996A1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE THERMAL CONDUCTIVITY OF A FLUID |