RU2711563C1 - Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements - Google Patents
Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2711563C1 RU2711563C1 RU2018137715A RU2018137715A RU2711563C1 RU 2711563 C1 RU2711563 C1 RU 2711563C1 RU 2018137715 A RU2018137715 A RU 2018137715A RU 2018137715 A RU2018137715 A RU 2018137715A RU 2711563 C1 RU2711563 C1 RU 2711563C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- housing
- nanocalorimetric
- base
- cooling system
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- 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
-
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к научному приборостроению и представляет собой устройство, которое может быть использовано для сочетания методов нанокалориметрии и рентгеновской дифракции и проведения комбинированных in-situ исследований структуры и теплофизических свойств материалов различного типа в широком температурном интервале, в т.ч. и при отрицательных температурах. В заявляемом решении реализованы конструкционные особенности, позволяющие использовать нанокалориметрические сенсоры нового поколения с двумя активными областями, одна из которых предназначена для исследуемого образца. Модифицированное термостатирующее устройство позволяет создавать контролируемую атмосферу вокруг нанокалориметрического сенсора, что позволяет реализовать сложные нанокалориметрические эксперименты, ранее недоступные научному сообществу.The invention relates to scientific instrumentation and is a device that can be used to combine methods of nanocalorimetry and x-ray diffraction and conducting combined in-situ studies of the structure and thermophysical properties of materials of various types in a wide temperature range, including and at low temperatures. The claimed solution implements structural features that allow the use of a new generation of nanocalorimetric sensors with two active areas, one of which is intended for the sample under study. The modified thermostatic device allows you to create a controlled atmosphere around the nanocalorimetric sensor, which allows you to implement complex nanocalorimetric experiments, previously inaccessible to the scientific community.
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». Также известен патент RU 2620028 C1 «Термостатирующее устройство для нанокалориметрических измерений на чипе со сверхбыстрыми скоростями нагрева и охлаждения», в котором описано наиболее близкое решение к заявляемому устройству.The prior art devices are described in US Pat. No. 5,288,147 A, “Thermocouple Based Differential Thermal Analyzer Sensor” and US Pat. No. 5,788,373 A, “Method and Device for Differential Thermal Analysis”. These patents underlie the Mettler Toledo Flash DSC1 commercial device. Also known patent RU 2620028 C1 "Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on a chip with ultrafast heating and cooling speeds", which describes the closest solution to 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 последовательно соединенных термопар. Контакты измерительных термопар расположены равномерно как вокруг измерительной области, так и вокруг аналогичной области для образца сравнения (эталонной). Дифференциальный термоаналитический датчик может быть использован, например, для дифференциальных измерений тепловых потоков ячейки с исследуемым образцом и эталонной (т.е. пустой) ячейки, при этом измерение разности тепловых потоков реализуется на основе 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 arranged uniformly both around the measuring region and around a similar region for the reference sample (reference). A differential thermoanalytic sensor can be used, for example, for differential measurements of heat fluxes of a cell with a test sample and a reference (i.e. empty) cell, while measuring the difference in heat fluxes is based on the principle of power compensation.
В патенте US 5788373 A описаны метод и устройство для проведения дифференциальных термоаналитических экспериментов с использованием исследуемого 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. Термоаналитические кривые исследуемого образца и эталонного образца сравниваются для определения разности температур, при этом ошибка измерения сильно зависит от положения обоих образцов по отношению к нагревательным элементам.US Pat. No. 5,788,373 A describes a method and apparatus for conducting differential thermoanalytical experiments using a test 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. The thermoanalytical curves of the test sample and the reference sample are compared to determine the temperature difference, while the measurement error strongly depends on the position of both samples with respect to the heating elements.
Из уровня техники известно устройство «Термостатирующее устройство для нанокалориметрических измерений на чипе со сверхбыстрыми скоростями нагрева и охлаждения» (патент RU 2620028 C1), выбранное в качестве прототипа. Термостатирующее устройство содержит корпус, выполненный с возможностью подключения к коннектору, для соединения с блоком электроники, и размещенные в корпусе нанокалориметрический сенсор, элемент Пельтье, выполненный в виде пластины, электронную плату, предназначенную для передачи сигнала с сенсора на коннектор, систему жидкостного охлаждения элемента Пельтье, при этом в корпусе выполнены соосные рентгенопрозрачные окна для прохождения излучения, система жидкостного охлаждения выполнена в качестве отдельного блока, изготовленного из медной пластины, а активная область сенсора для исследуемого образца расположена в проекции упомянутых отверстий. Использование данного устройства возможно в различных измерительных системах, включающих, как правило, платы цифро-аналогового преобразователя и усилителей сигналов, подаваемых на нанокалориметрические сенсоры и снимаемых с нанокалориметрических сенсоров, а также контролирующее программное обеспечение, позволяющее 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 достаточной точности измерений в режиме относительно низких скоростей нагрева / охлаждения. В свою очередь, в DC-режиме возможно достичь скорости нагрева активной области нанокалориметрического сенсора до 1000000°С/сек, а скорость охлаждения - до 5000°С/сек за счет герметичности устройства и наличия специальной системы охлаждения. Также в данном устройстве реализована возможность использования дополнительного (эталонного) нанокалориметрического сенсора для проведения дифференциальных нанокалориметрических измерений.The prior art device is known “Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on a chip with ultrafast heating and cooling speeds” (patent RU 2620028 C1), selected as a prototype. The thermostatic device comprises a housing configured to connect to a connector for connection to an electronics unit, and a nanocalorimetric sensor placed in the housing, a Peltier element made in the form of a plate, an electronic board designed to transmit a signal from the sensor to the connector, a liquid cooling system of the Peltier element moreover, coaxial x-ray transparent windows for radiation transmission are made in the housing, the liquid cooling system is made as a separate unit made from a copper plate, and the active region of the sensor for the test sample is located in the projection of the aforementioned holes. The use of this device is possible in various measuring systems, including, as a rule, boards of a digital-to-analog converter and signal amplifiers supplied to nanocalorimetric sensors and taken from nanocalorimetric sensors, as well as monitoring software that allows nanocalorimetric measurements not only in linear heating modes ( so-called DC calorimetry), but also in temperature modulation modes (AC calorimetry). The possibility of temperature modulation allows to achieve sufficient accuracy in the mode of relatively low heating / cooling speeds. In turn, in the DC mode, it is possible to achieve a heating rate of the active region of the nanocalorimetric sensor to 1,000,000 ° C / s, and a cooling rate of up to 5,000 ° C / s due to the tightness of the device and the presence of a special cooling system. Also in this device the possibility of using an additional (reference) nanocalorimetric sensor for differential nanocalorimetric measurements is implemented.
Однако прототип имеет ряд недостатков, один из которых - относительно большая толщина прибора в активной области. Это обусловлено наличием системы жидкостного охлаждения выполненной в качестве отдельного блока, наличием керамических тепловых экранов и воздушных прослоек между окнами и внутренними элементами устройства. Существенным недостатком также является необходимость использования двух нанокалориметрических сенсоров, из-за чего усложняется процесс синхронного считывания сигналов с сенсоров, а полученные экспериментальные данные сильно зависят от положения этих сенсоров на элементе Пельтье. При работе в области отрицательных температур устройство-прототип имеет недостаток, связанный с конденсацией влаги на мембранах, закрывающих конструкционные корпусные отверстия. Данная влага препятствует проведению экспериментов с использованием оптической микроскопии или рентгеновской дифракции. Раскрытие изобретенияHowever, the prototype has several disadvantages, one of which is the relatively large thickness of the device in the active region. This is due to the presence of a liquid cooling system made as a separate unit, the presence of ceramic thermal screens and air gaps between the windows and the internal elements of the device. A significant drawback is the need to use two nanocalorimetric sensors, which complicates the process of synchronous reading of signals from sensors, and the obtained experimental data strongly depend on the position of these sensors on the Peltier element. When working in the field of negative temperatures, the prototype device has the disadvantage associated with moisture condensation on the membranes that cover structural housing openings. This moisture impedes experiments using optical microscopy or X-ray diffraction. Disclosure of Invention
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением является разработка термостатирующего устройства с малой толщиной в зоне активной области сенсора для возможности интеграции с микро- и нанофокусной линией рентгеновской дифракции на синхротроне. Устройство должно быть выполнено в виде отдельного блока с возможностью размещения нескольких типов нанокалориметрических сенсоров (в корпусах типа XEN-40014, FlashDSC и др., выпускаемые компанией Xensor Integration), а также с возможностью регулирования температуры сенсора. Устройство может быть интегрировано в экспериментальное оборудование для измерения теплофизических и структурных параметров образцов.The technical problem solved by the present invention is the development of a thermostatic device with a small thickness in the area of the active region of the sensor for integration with the micro- and nanofocus line of X-ray diffraction at the synchrotron. The device should be made in the form of a separate unit with the ability to accommodate several types of nanocalorimetric sensors (in XEN-40014, FlashDSC, and other cases manufactured by Xensor Integration), as well as with the ability to control the sensor temperature. The device can be integrated into experimental equipment for measuring the thermophysical and structural parameters of samples.
Техническим результатом является повышение качества проводимых исследований за счет создания конструкции термостатирующего устройства со ступенчатым профилем для уменьшения его толщины в зоне активной области сенсора, позволяющем его размещать в современном нанокалориметрическом оборудовании и проводить исследования физико-химических параметров образца с реализацией возможности нагрева образца до 450°С и охлаждения образца до -20°С, а также за счет создания электронной платы для осуществления связи с коннектором. Кроме того, конструкция устройства позволяет использовать нанокалориметрические сенсоры нового поколения, имеющие две активные зоны, одну из которых можно использовать в качестве эталонной ячейки.The technical result is to improve the quality of the research by creating the design of a thermostatic device with a stepped profile to reduce its thickness in the zone of the active region of the sensor, allowing it to be placed in modern nanocalorimetric equipment and to study the physicochemical parameters of the sample with the possibility of heating the sample to 450 ° C and cooling the sample to -20 ° C, as well as by creating an electronic board for communication with the connector. In addition, the design of the device allows the use of new generation nanocalorimetric sensors having two active zones, one of which can be used as a reference cell.
Технический результат достигается тем, что заявляемое устройство включает корпус, содержащий основание и крышку, выполненный с возможностью подключения к коннектору контрольно-измерительного блока нанокалориметра, и снабженный рентгенопрозрачными окнами - мембранами из рентгенопрозрачного материала, закрывающими конструкционные отверстия. В данном корпусе предусмотрена возможность размещения нанокалориметрического сенсора с двумя активными областями, одна из которых предназначена для исследуемого образца, элемента Пельтье прямоугольной формы, системы жидкостного охлаждения и теплоотводящей пластины. Последняя изготовлена из материала с высокой теплопроводностью (например, со значением коэффициента теплопроводности не менее 350 Вт/(м⋅К)) и снабжена сквозным отверстием для беспрепятственного прохождения излучения, используемого при изучении образцов методами рентгеновской дифракции или оптической микроскопии. В корпус встроены две электронные платы для возможности подключения различных нанокалориметрических сенсоров, одна из которых предназначена для передачи сигнала с сенсора на коннектор, а вторая снабжена отверстием для прохождения излучения и пружинными контактами для передачи сигнала с сенсора на первую электронную плату и расположена между крышкой и сенсором. Устройство выполнено с разделением его объема на три зоны по длине, где первая зона предназначена для размещения первой электронной платы, вторая - для размещения системы жидкостного охлаждения, третья - является рабочей, предназначенной для размещения сенсора, при этом корпус (и основание) имеет меньшую толщину в рабочей зоне (например, от 5 мм до 10 мм), например за счет выполнения основания со ступенчатым профилем в поперечном сечении. Конструкция устройства выполнена таким образом, что вне зависимости от типа сенсора, его активная область располагается непосредственно в проекции отверстия теплоотводящей пластины. Для подключения нанокалориметрических сенсоров XEN-40014 или FlashDSC используются пружинные контакты с золотым покрытием, а для остальных типов сенсоров предусмотрен соответствующий коннектор. Вторая электронная плата представляет собой пластину, изготовленную из двустороннего фольгированного стеклотекстолита с пружинными контактами и проводящими дорожками, при этом часть пружинных контактов расположена по окружности вокруг отверстия, а оставшаяся часть - с противоположной стороны платы с возможностью подключения к контактным площадкам первой платы.The technical result is achieved by the fact that the claimed device includes a housing containing a base and a cover made with the possibility of connecting to the connector of a control and measuring unit of a nanocalorimeter, and equipped with radiolucent windows - membranes made of radiolucent material covering the structural holes. In this case, it is possible to place a nanocalorimetric sensor with two active areas, one of which is designed for the test sample, a rectangular Peltier element, a liquid cooling system and a heat sink plate. The latter is made of a material with high thermal conductivity (for example, with a thermal conductivity of at least 350 W / (m⋅K)) and is equipped with a through hole for the unhindered passage of radiation used in the study of samples by X-ray diffraction or optical microscopy. Two electronic boards are built into the case for the possibility of connecting various nanocalorimetric sensors, one of which is designed to transmit the signal from the sensor to the connector, and the second is equipped with a hole for transmitting radiation and spring contacts for transmitting the signal from the sensor to the first electronic board and is located between the cover and the sensor . The device is made with the division of its volume into three zones along the length, where the first zone is designed to accommodate the first electronic circuit board, the second to place the liquid cooling system, the third is the working one, designed to accommodate the sensor, while the case (and base) has a smaller thickness in the working area (for example, from 5 mm to 10 mm), for example due to the implementation of the base with a stepped profile in cross section. The device is designed in such a way that, regardless of the type of sensor, its active region is located directly in the projection of the hole of the heat-removing plate. For connecting XEN-40014 or FlashDSC nanocalorimetric sensors, gold-plated spring contacts are used, and for the other types of sensors an appropriate connector is provided. The second electronic board is a plate made of double-sided foil fiberglass with spring contacts and conductive paths, with some of the spring contacts located around the hole around the circumference, and the remaining part on the opposite side of the board with the ability to connect to the contact pads of the first board.
Система жидкостного охлаждения может быть выполнена в виде каналов в основании корпуса для прохождения охлаждающей среды или в виде выреза в форме меандра в нижней части корпуса устройства. Над данным вырезом размещается элемент Пельтье и уплотняется по периметру специальной прокладкой, прижим которой осуществляется с помощью медного теплоотвода, необходимого для теплового контакта между нанокалориметрическим сенсором и системой охлаждения.The liquid cooling system can be made in the form of channels in the base of the housing for the passage of the cooling medium or in the form of a cutout in the form of a meander in the lower part of the device. Above this cutout, a Peltier element is placed and sealed around the perimeter with a special gasket, which is clamped using a copper heat sink, which is necessary for thermal contact between the nanocalorimetric sensor and the cooling system.
Таким образом, поставленная задача решается размещением в корпусе модуля охлаждения, состоящего из системы жидкостного охлаждения (7), элемента Пельтье (5) и теплоотводящей пластины (4). Система жидкостного охлаждения нужна для отвода тепла, генерируемого элементом Пельтье. В конструкции корпуса устройства имеются держатели для сенсоров различной геометрии. Для обеспечения возможности проведения исследований с использованием методов оптической микроскопии и рентгеновской дифракции, в корпус и крышку устройства встроены мембраны из нитрида кремния.Thus, the problem is solved by placing a cooling module in the casing, consisting of a liquid cooling system (7), a Peltier element (5) and a heat sink plate (4). A liquid cooling system is needed to remove the heat generated by the Peltier element. In the design of the device housing there are holders for sensors of various geometries. To enable research using optical microscopy and X-ray diffraction methods, membranes made of silicon nitride are built into the body and cover of the device.
Заявляемое устройство имеет ряд преимуществ перед прототипом, из которых наиболее важным является возможность проведения экспериментов с использованием нанокалориметрических сенсоров нового поколения. Это особенно актуально в связи с развитием технологий, используемых в области нанокалориметрии и выходом на коммерческий рынок нового типа нанокалориметрических сенсоров. Кроме того, превосходством предлагаемого термостатирующего устройства является компактность конструкции и эргономичность в процессе эксплуатации. Небольшие размеры термостатирующего блока упрощают адаптацию устройства к различным лабораторным условиям, что ускоряет процесс калибровки устройства и его интегрирования в различные экспериментальные установки. В устройстве, выбранном за прототип, система жидкостного охлаждения выполнена в качестве отдельного блока, изготовленного из медной пластины, в то время как в заявляемом устройстве система жидкостного охлаждения располагается непосредственно в корпусе, благодаря чему достигается максимально возможная компактность прибора, а ступенчатый профиль устройства в поперечном сечении обеспечивает минимальную толщину прибора в рабочей зоне. Также, геометрия отверстия в термостатирующем устройстве обеспечивает возможность проведения экспериментов по МУРР (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей) и ШУРР (широкоугловое рассеяние рентгеновских лучей) как в геометрии на просвет, так и с использованием отраженного скользящего пучка рентгеновских лучей.The inventive device has several advantages over the prototype, of which the most important is the ability to conduct experiments using nanocalorimetric sensors of a new generation. This is especially true in connection with the development of technologies used in the field of nanocalorimetry and the entry into the commercial market of a new type of nanocalorimetric sensors. In addition, the superiority of the proposed thermostatic device is its compact design and ergonomics during operation. The small size of the thermostatic unit simplifies the adaptation of the device to various laboratory conditions, which accelerates the process of calibration of the device and its integration into various experimental plants. In the device selected for the prototype, the liquid cooling system is made as a separate unit made of a copper plate, while in the inventive device, the liquid cooling system is located directly in the housing, thereby achieving the maximum possible compactness of the device, and a stepped profile of the device in the transverse cross-section provides the minimum thickness of the device in the working area. Also, the geometry of the hole in the thermostatic device makes it possible to carry out experiments on SAXS (small-angle scattering of X-rays) and SURR (wide-angle scattering of X-rays) both in the geometry of the light and with the use of a reflected sliding x-ray beam.
Значительным преимуществом также является отсутствие необходимости использования дополнительного эталонного нанокалориметрического сенсора, так как в заявляемом устройстве предусмотрена возможность работы со специальными дифференциальными сенсорами с измерительной и эталонной ячейками. Стоит отметить, что при работе в области отрицательных температур устройство-прототип имеет недостаток, связанный с конденсацией влаги на мембранах, закрывающих конструкционные корпусные отверстия. В заявляемом изобретении данная проблема решается за счет размещения в непосредственной близости к мембранам специальных отверстий, через которые производится обдув инертным газом.A significant advantage is also the absence of the need to use an additional reference nanocalorimetric sensor, since the inventive device provides the ability to work with special differential sensors with measuring and reference cells. It is worth noting that when working in the field of negative temperatures, the prototype device has the disadvantage associated with moisture condensation on the membranes that cover structural housing openings. In the claimed invention, this problem is solved by placing special holes in the immediate vicinity of the membranes through which inert gas is blown.
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 вышеупомянутых 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 that combine two or more of the above methods.
При монтаже заявляемого устройства в экспериментальную установку для измерения структурных параметров образца необходимо учитывать высокую чувствительность нанокалориметрического сенсора к любым побочным электрическим сигналам. 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 контрольно-измерительным блоком нанокалориметра, лучше 0.05°. В предлагаемом устройстве реализована стабильная передача аналогового сигнала, получаемого нанокалориметрическими сенсорами до контрольно-измерительного блока нанокалориметра без каких-либо потерь интенсивности сигнала и без внесения дополнительных шумов благодаря использованию электрической платы (2) с покрытием контактных площадок иммерсионным золотом.When installing the inventive device in an experimental installation for measuring the structural parameters of the sample, it is necessary to take into account the high sensitivity of the nanocalorimetric sensor to any secondary electrical signals. 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 the sample provided by the control and measuring unit of the nanocalorimeter is better than 0.05 °. The proposed device implements stable transmission of the analog signal received by nanocalorimetric sensors to the control and measuring unit of the nanocalorimeter without any loss of signal intensity and without introducing additional noise due to the use of an electric board (2) coated with electronic immersion gold.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлен вид устройства с разнесенными конструктивными элементами.In FIG. 1 shows a view of a device with spaced structural elements.
На фиг. 2 изображен общий вид термостатирующего устройства с размещенным внутри сенсором типа XEN-40014.In FIG. 2 shows a general view of a thermostatic device with an XEN-40014 type sensor located inside.
На фиг. 3 изображен общий вид электронной платы с пружинными контактами.In FIG. 3 shows a general view of an electronic circuit board with spring contacts.
На фиг. 4 представлена разводка электронных печатных плат.In FIG. 4 shows the layout of electronic printed circuit boards.
На фиг. 5 изображена электрическая схема соединений.In FIG. 5 shows an electrical diagram of the connections.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - крышка, 2 - электронная плата с пружинными контактами (вторая электронная плата), 3 - нанокалориметрический сенсор, 4 - теплоотводящая пластина, 5 - модуль Пельтье, 6 - основание корпуса, 7 - каналы жидкостного охлаждения, 8 - электронная плата с коннектором (первая электронная плата), 9 - штуцеры для подвода или отвода сред, 10 - рентгенопрозрачные окна, 11 - пружинные контакты, 12 - коннектор.The positions in the drawings indicate: 1 - cover, 2 - electronic board with spring contacts (second electronic board), 3 - nanocalorimetric sensor, 4 - heat sink plate, 5 - Peltier module, 6 - housing base, 7 - liquid cooling channels, 8 - an electronic board with a connector (the first electronic board), 9 - fittings for supplying or discharging media, 10 - radiolucent windows, 11 - spring contacts, 12 - connector.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Ниже представлено более подробное описание заявляемого устройства, не ограничивающее сущность, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность реализации назначения с достижением заявленного технического результата.Below is a more detailed description of the claimed device, not limiting the essence presented in the independent claim, but only demonstrating the possibility of realizing the assignment with the achievement of the claimed technical result.
Заявляемое устройство имеет конфигурацию, обеспечивающую его размещение в приборах для проведения исследований методами оптической микроскопии, дифракции рентгеновских лучей или сканирующей зондовой микроскопии. В частности, термостатирующее устройство совместимо с линиями МФРД и НФРД синхротрона ESRF (Гренобль, Франция). Для использования устройства на данных линиях особенно важна минимальная толщина в зоне активной области (т.е. в зоне размещения исследуемого образца), это связано с особенностями фокусировки рентгеновских лучей для получения пучка заданного размера, - фокусное расстояние в таких системах составляет несколько миллиметров и толщина устройства, которая составляет от 5 до 10 мм, соответствует данному требованию. Плоская конструкция устройства позволяет размещать его практически под любым оптическим микроскопом.The inventive device has a configuration that ensures its placement in devices for research by optical microscopy, x-ray diffraction or scanning probe microscopy. In particular, the thermostatic device is compatible with the MFRD and NFRD lines of the ESRF synchrotron (Grenoble, France). To use the device on these lines, the minimum thickness in the active region (i.e., in the area of the sample under study) is especially important, this is due to the peculiarities of focusing x-rays to obtain a beam of a given size - the focal length in such systems is several millimeters and the thickness a device that is 5 to 10 mm in length meets this requirement. The flat design of the device allows you to place it under almost any optical microscope.
Устройство в сборке представляет собой прочный корпус (6) из дюрали. Внутри корпуса расположена система охлаждения, представленная вырезом в форме меандра (7), элементом Пельтье (5) и теплоотводящей пластиной (4) с отверстием для прохождения, например, рентгеновского пучка. Нанокалориметрический сенсор (3) подключается к электронной плате (8) с помощью дополнительной электронной платы (2) с золочеными пружинными контактами. Особое внимание уделено расположению активной области нанокалориметрических сенсоров с исследуемым образцом, положение ее строго инвариантно вне зависимости от типа применяемого сенсора. Активная область сенсора лежит на одной оси с отверстием в теплоотводящей пластине (4) для прохождения излучения. Сверху основная часть корпуса (6) крышкой (1), выполненной с вырезом для размещения мембраны из материала, прозрачного для рентгеновских и оптических лучей, что позволяет проводить in-situ измерения с использованием, в частности, методов рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. По бокам устройства расположены резьбовые отверстия (9) для установки штуцеров, предназначенных для подачи охлаждающей жидкости и различных газов. При помощи коннектора micro-d-21 основная плата (8) соединена с контрольно-измерительным блоком нанокалориметра, представляющим собой электронный контроллер, состоящий из платы усилителей сигналов и цифро-аналогового преобразователя, помещенных в прочный стальной экранирующий корпус. Электронный блок нанокалориметра соединен с ПК при помощи USB-коннектора.The device in the assembly is a solid case (6) made of duralumin. Inside the case there is a cooling system, represented by a cutout in the shape of a meander (7), a Peltier element (5) and a heat-removing plate (4) with an opening for passing, for example, an X-ray beam. The nanocalorimetric sensor (3) is connected to the electronic board (8) using an additional electronic board (2) with gilded spring contacts. Particular attention is paid to the location of the active region of nanocalorimetric sensors with the sample under study; its position is strictly invariant, regardless of the type of sensor used. The active area of the sensor lies on the same axis with the hole in the heat sink plate (4) for the passage of radiation. On top of the main part of the housing (6), the cover (1) is made with a cutout to accommodate a membrane made of a material transparent to x-rays and optical rays, which allows in-situ measurements using, in particular, X-ray diffraction and optical microscopy methods. On the sides of the device are threaded holes (9) for installing fittings designed to supply coolant and various gases. Using the micro-d-21 connector, the main board (8) is connected to the control and measuring unit of the nanocalorimeter, which is an electronic controller consisting of a signal amplifier board and a digital-to-analog converter placed in a durable steel shielding case. The electronic unit of the nanocalorimeter is connected to a PC using a USB connector.
Ниже представлено описание работы системы для нанокалориметрических измерений с используемым заявляемым термостатическим устройством.The following is a description of the operation of the system for nanocalorimetric measurements using the claimed thermostatic device.
Рабочий цикл начинается с задания температурной программы для контрольно-измерительного блока нанокалориметра, где производится автоматический пересчет ее параметров из температуры в напряжение, подаваемое на термопары и нагреватели нанокалориметрического сенсора. Если собственного температурного диапазона нанокалориметрических сенсоров недостаточно, то программа подключает охлаждение или нагрев термостатирующего устройства. Для этого через элемент Пельтье пропускается ток необходимого значения (5). Элемент Пельтье представляет собой полупроводниковое устройство, в котором градиент температур на нижней и верхней поверхностях создается за счет проходящего электрического тока. Для дополнительного охлаждения системы и вывода избыточного тепла из термостатируемой камеры нижняя поверхность элемента Пельтье (5) охлаждается путем прокачки охлаждающей жидкости через контур жидкостного охлаждения (7) сразу после подачи сигнала на включение насоса. При этом для нагрева исследуемого образца, размещенного в активной области сенсора достаточно подать на элемент Пельтье (5) обратное напряжение. После достижения теплового равновесия внутри термостатируемого объема программа передает рассчитанные параметры подаваемого напряжения цифро-аналоговому преобразователю контрольно-измерительного блока нанокалориметра через USB-соединение. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) генерирует выходной сигнал, который попадает в плату усилителей, и затем передается на соответствующие нагревательные элементы сенсора; одновременно начинается параллельный прием входящего сигнала от термопар сенсора. Анализируемый сигнал поступает с нанокалориметрического сенсора (3) на основную электронную плату (8), либо напрямую, либо в обход через электронную плату (2). Далее основная электрическая плата передает сигнал при помощи коннектора на плату усилителей контрольно-измерительного блока нанокалориметра. 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 базовой линии и производить визуализацию в разных системах координат.The work cycle begins with setting the temperature program for the control unit of the nanocalorimeter, where its parameters are automatically converted from temperature to voltage supplied to thermocouples and heaters of the nanocalorimeter sensor. If the intrinsic temperature range of the nanocalorimetric sensors is not enough, then the program connects the cooling or heating of the thermostatic device. To do this, a current of the required value (5) is passed through the Peltier element. The Peltier element is a semiconductor device in which a temperature gradient on the lower and upper surfaces is created due to the passing electric current. For additional cooling of the system and the removal of excess heat from the thermostatically controlled chamber, the lower surface of the Peltier element (5) is cooled by pumping coolant through the liquid cooling circuit (7) immediately after the signal to turn on the pump. In this case, 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 (5). After reaching thermal equilibrium inside the thermostatically controlled volume, the program transmits the calculated parameters of the applied voltage to the digital-to-analog converter of the control and measuring unit of the nanocalorimeter via a USB connection. The digital-to-analog converter (DAC) generates an output signal, which gets into the amplifier board, and then is transmitted to the corresponding heating elements of the sensor; at the same time, parallel reception of the incoming signal from the thermocouples of the sensor begins. The analyzed signal comes from the nanocalorimetric sensor (3) to the main electronic board (8), either directly or bypassing through the electronic board (2). Further, the main electric board transmits a signal using a connector to the amplifier board of the control and measuring unit of the nanocalorimeter. 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 operations with them, for example, subtracting the baseline and visualizing in different coordinate systems.
Для реализации заявляемого устройства были выбраны нанокалориметрические сенсоры в корпусах XEN-40014 и FlashDSC, выпускаемые компанией Xensor Integration. Данные сенсоры обладают оптимальными характеристиками для проведения теплофизических исследований различных материалов в широком спектре температур с использованием высоких скоростей нагрева (до 1000000°С/с).For the implementation of the inventive device, nanocalorimetric sensors in XEN-40014 and FlashDSC housings manufactured by Xensor Integration were selected. These sensors have optimal characteristics for conducting thermophysical studies of various materials in a wide range of temperatures using high heating rates (up to 1,000,000 ° C / s).
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°С. При этом используя модуль Пельтье в качестве системы нагрева, можно контролируемо увеличивать температуру нанокалорриметрического сенсора на дополнительные 100°С. Объем термостатируемой области пространства составляет 55 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 the Peltier module as a heating system, it is possible to increase the temperature of the nanocalorimetric sensor by an additional 100 ° C in a controlled manner. The volume of thermostatic area of space is 55 ml, which is enough to accommodate all the necessary structural elements of the device.
Опытный образец устройства был испытан на линии МФРД синхротрона ESRF (Гренобль, Франция) при проведении in situ эксперимента дифракции рентгеновских лучей и нанокалориметрии. Устройство располагалось вертикально на XYZ столике, за счет чего обеспечивался доступ ко всем штуцерам и коннектору для подключения к контрольно-измерительному блоку. Крышка с платой с пружинными контактами надежно фиксировала нанокалориметрический сенсор. Благодаря малой толщине корпуса в зоне активной области сенсора удалось подвести фокусирующую апертуру на расстояние 3 мм до образца, - это позволило сфокусировать рентгеновский пучок до диаметра в 12 мкм. За счет золотых пружинных контактов и экранированных проводов удалось обеспечить стабильную передачу аналогового сигнала с нанокалориметрического сенсора. В качестве исследуемого образца был взят изотактический полипропилен. Несколько микрограмм вещества размещали на активной области нанокалориметрического сенсора XEN-40014. Сенсор размещался на теплопроводящей пластине с последующим ее охлаждением до температуры -22°C с помощью системы охлаждения, при такой температуре образец переходил в стеклообразное состояние. Внутренняя камера устройства обдувалась сухим азотом. Выходом для газа служили отверстия для обдува окон, благодаря чему решалась проблема с конденсацией влаги на них. Нагрев образца до температуры плавления осуществлялся с помощью нанокалориметрического сенсора со скоростью 1000 К/с. Одновременно с нагревом производилась непрерывная съемка рентгеновским детектором каждые 1,5 мс. Весь эксперимент занял около 220 мс, после чего можно было сопоставлять данные рентгеновской дифракции и нанокалориметрии.A prototype device was tested on the MPRD line of the ESRF synchrotron (Grenoble, France) during an in situ experiment of x-ray diffraction and nanocalorimetry. The device was located vertically on the XYZ table, due to which access was provided to all fittings and the connector for connection to the control and measuring unit. The cover with a spring-loaded circuit board reliably fixed the nanocalorimetric sensor. Due to the small thickness of the body in the zone of the active region of the sensor, it was possible to bring the focusing aperture to a distance of 3 mm from the sample — this made it possible to focus the X-ray beam to a diameter of 12 μm. Due to the gold spring contacts and shielded wires, it was possible to ensure stable transmission of the analog signal from the nanocalorimetric sensor. Isotactic polypropylene was taken as the test sample. A few micrograms of the substance were placed on the active region of the XEN-40014 nanocalorimetric sensor. The sensor was placed on a heat-conducting plate with its subsequent cooling to a temperature of -22 ° C using a cooling system; at this temperature, the sample passed into a glassy state. The internal chamber of the device was blown with dry nitrogen. The gas outlet served as openings for blowing windows, thereby solving the problem of moisture condensation on them. The sample was heated to the melting temperature using a nanocalorimetric sensor at a speed of 1000 K / s. Simultaneously with heating, a continuous X-ray detector was shot every 1.5 ms. The whole experiment took about 220 ms, after which it was possible to compare the data of X-ray diffraction and nanocalorimetry.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137715A RU2711563C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137715A RU2711563C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2711563C1 true RU2711563C1 (en) | 2020-01-17 |
Family
ID=69171365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018137715A RU2711563C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2711563C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| US20130344612A1 (en) * | 2012-06-20 | 2013-12-26 | The Research Foundation Of State University Of New York | Ultrasensitive, superfast, and microliter-volume differential scanning nanocalorimeter for direct charactization of biomolecular interactions |
| RU2620028C1 (en) * | 2015-12-31 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates |
| FR3065073A1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-10-12 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | CALORIMETER |
-
2018
- 2018-10-25 RU RU2018137715A patent/RU2711563C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| EP1314012A1 (en) * | 2000-07-21 | 2003-05-28 | 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 |
| US20130344612A1 (en) * | 2012-06-20 | 2013-12-26 | The Research Foundation Of State University Of New York | Ultrasensitive, superfast, and microliter-volume differential scanning nanocalorimeter for direct charactization of biomolecular interactions |
| RU2620028C1 (en) * | 2015-12-31 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates |
| FR3065073A1 (en) * | 2017-04-07 | 2018-10-12 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | CALORIMETER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102339537B1 (en) | Apparatus for clamping and temperature control of flat samples for X-ray diffraction analysis | |
| US9459219B2 (en) | Temperature control chamber for compact X-ray machine | |
| WO1987007018A1 (en) | Oxygen measurement using visible radiation | |
| EP0018390A1 (en) | Photometer apparatus. | |
| JP2007033460A (en) | Polarimeter | |
| US20110241711A1 (en) | Method for verifying a test substrate in a prober under defined thermal conditions | |
| RU2620028C1 (en) | Thermostatic device for nanocalorimetric measurements on chip with ultra-high heating and cooling rates | |
| US20060140822A1 (en) | Device for thermostatting of a measuring cell | |
| US10753889B2 (en) | Cell for X-ray analysis and X-ray analysis apparatus | |
| RU2711563C1 (en) | Thermostating device for carrying out nanocalorimetric measurements | |
| RU2707665C1 (en) | Thermostating device for conducting nano-calorimetric measurements in a controlled atmosphere | |
| CN107976467B (en) | Thermal power measuring device with Raman spectrum measuring function | |
| GB2156974A (en) | Combined thermal analysis and X-ray diffractometry | |
| US2514382A (en) | High temperature device for X-ray diffraction | |
| US10890523B2 (en) | Multi-temperature optical spectrometer modules, systems and methods of using the same | |
| CN114729908A (en) | Isothermal calorimeter | |
| Wang et al. | Real sample temperature: a critical issue in the experiments of nuclear resonant vibrational spectroscopy on biological samples | |
| CN208888121U (en) | Alternating temperature UV, visible light examination of infrared spectrum specimen holder in situ | |
| RU2620029C1 (en) | Holder unit for nanocalorimetric sensors for measuring thermophysical and structural parameters of sample | |
| US7808620B2 (en) | Microchip testing device | |
| JPH09222404A (en) | Method and device for measuring specific heat capacity | |
| US20190391014A1 (en) | Optical spectrometer modules, systems and methods for optical analysis with multiple light beams | |
| RU191202U1 (en) | Device for measuring the thermophysical properties of modified soils | |
| GB1604482A (en) | Apparatus for thermogravimetric measurements of materials | |
| JP3669615B2 (en) | Sample heating / cooling device and thermal analysis device |