WO2013072319A1 - Miniature dilatometer for measuring thermal expansion and magnetostriction, for use inside a multi-functional insert of a ppms device - Google Patents
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Classifications
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- G01B7/22—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in capacitance
Definitions
- the present invention relates to a novel miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer can be arranged within a device for measuring physical properties.
- the miniature dilatometer has a body which has a measuring cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g.
- the present invention relates to a method for producing a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer within a device for measuring physical properties can be arranged.
- T temperature
- B magnetic field
- ⁇ _ external dimensions
- dilatometry offers great advantages, in particular in that - in contrast to the otherwise often performed measurement of specific heat - the possibility of measuring anisotropies of monocrystalline samples exists.
- a high resolution of the measurement (AL / L). This depends strongly on the type of method for determining the change in length AL. X-ray measurements enable resolutions in the range of 10 "5.
- Optical measurements permit a slightly higher resolution up to a range of about 10 " 7 .
- capacitive measuring techniques such as are provided in the miniature dilatometer according to the invention
- higher measurement resolutions can be realized.
- Capacitive dilatometers are already known from the prior art
- the document AT 502 515 B1 discloses a capacitive dilatometer in which interference signals impinging on the sample, for example in the form of a torque generated by a magnetic field, are detected and detected
- the device described in AT 502 515 B1 is designed such that at least one capacitor plate or a carrier connected to this capacitor plate is overlapped by a tendon , which outside of the edge of the capacitor plate with adjustable holding force against egg n the other capacitor plate supporting element is pressed.
- Another special feature of this dilatometer is that the capacitor plate overlapped by the tendon is connected by means of only one tension-resistant pin connected to the movable support, in particular a threaded pin.
- capacitive miniature dilatometers are also the subject of some review articles.
- a miniature capacitance dilatometer for thermal expansion and Magnetostriction Rotter, M., Müller, H. and Gratz, E. in Rev. Sei Instrum., Vol.69, No. 7, July 1998, pp. 2742-2746 describes a miniaturized miniature capacitive dilatometer as far as possible.
- this material because it is electrically non-conductive, further constructive advantages. For example, an electrical insulation of the capacitor plates can be dispensed with.
- miniaturized dilatometers are especially known for cryogenic measurements.
- a dilatometer is shown in FIGS. 1 and 2 and will be explained in more detail in connection with the corresponding description of the figures.
- a sample is placed between a mobile and a fixed cell frame. Bound cell part arranged, which can be moved by means of an adjusting screw so that the sample is fixed. A change in the length of the sample leads to a displacement of a capacitor plate connected to it, which allows a resulting change in capacitance between it and a second capacitor plate to be measured.
- a particular difficulty with this design is the exact parallel alignment of the capacitor plates.
- the object of the present invention is to provide a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer within a device for measuring physical properties can be arranged is to provide.
- the increased thermal relaxation time and the associated greater temperature sensitivity of the cell make it necessary to stabilize the temperature by means of an external device. For example, even at 300 K it is still necessary to stabilize the temperature of the cell and the sample to ⁇ 0.01 K. It is therefore another object of the invention to provide a method for producing a miniature dilatometer and in particular a measuring cell for such a dilatometer with a cell material that provides the necessary high thermal conductivity and preferably a low coefficient of thermal expansion.
- a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer can be arranged within a device for measuring physical properties, which is characterized in that it has a body which has a measuring cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g.
- the body of the miniature dilatometer consists of a material with a thermal conductivity> 200 Wm "1 K " 1 and a thermal expansion coefficient ⁇ 17 10 "6 K '1 ..
- the miniature dilatometer is adapted to the temperature of a measuring cell of the miniature dilatometer and the sample at least in the range of 5 K - 200 K, preferably in the range of 10 mK - 300 K to ⁇ 0.01 K to stabilize and at least in this temperature range measurements of thermal expansion with a maximum sensitivity of AL / L of 10 "8 to 10 " 10 , preferably AL / L of 10 "9 to 0 "10 and / or measurements of the magnetostriction of up to 10 Tesla or more, preferably 20 Tesla or more, in this regard, it should be understood that this e sensitivity can be achieved with such a miniature dilatometer, but not inevitably must be achieved with each measurement.
- the dilatometer can thus be used with a sensitivity of up to AL / L of 10 "9 to 10 " 10 in a wide temperature range in which it and the sample can be stabilized in a short time to ⁇ 0.01 K.
- a dilatometer can be dimensioned so small that it can be arranged within a multifunctional insert of a device for measuring physical properties, such as, for example, a physical property measurement system (PPMS) from Quantum Design (see FIG. 7 right, left).
- PPMS physical property measurement system
- Such PPMS devices are widely used in research institutes, so that, for example, by using a miniature dilatometer according to the invention in combination with such a PPMS device, it is possible, for example, to measure changes in the length of samples with a high degree of accuracy and reproducibility.
- the miniature dilatometer of the present invention can be manufactured at comparatively low manufacturing costs as compared to the dilatometers known from the prior art.
- the achievable sensitivity of a dilatometer is limited, among other things, by the size of the capacitor plates, their distance from each other and their plane-parallel alignment.
- the maximum sizes of the capacitor plates are limited in a miniature dilatometer, which is to be used in a PPMS device with predetermined maximum measuring cell dimensions. There is therefore a particular difficulty in enabling a high maximum sensitivity (AL / L) of .gtoreq.10.sup.- 8 , preferably even 10.sup.- 9 with a particularly small dimension of the measuring cell diameter of less than 50 mm.
- an outer surface of the body of the measuring cell preferably has essentially a shape of a straight cylinder, wherein a lateral surface of the straight cylinder has at least two plane-parallel regions and the body on at least one base or top surface extending in the direction of the height axis of the cylinder first recess having at least partially circular cross-section, which forms a carcass interior.
- a lateral surface of the straight cylinder has at least two plane-parallel regions and the body on at least one base or top surface extending in the direction of the height axis of the cylinder first recess having at least partially circular cross-section, which forms a carcass interior.
- a substantially circular base surface is preferably provided with two mutually oppositely disposed, parallel circular chords which in the respective region represent the outer boundaries of the base surface.
- the base area corresponds in this case to a circle which is reduced on two opposite sides by, preferably equal, circular segments.
- the body of the measuring cell has at least one first passage opening, preferably with a rectangular cross section, which is arranged in a first outer wall section of the straight cylinder and starting from this first outer wall section perpendicular to the height of the straight cylinder in the direction of the first recess , Preferably up to a second outer wall portion opposite the first outer wall portion, preferably parallel to the plane-parallel portions of the outer wall extends.
- the induction currents occurring in the case of a time-varying magnetic field in the measurement of the magnetostriction in the cell material can lead to the formation of a magnetic moment which, in interaction with the external magnetic field, exerts a torque on the moving parts of the measuring cell.
- This torque can cause the capacitor plates to move relative to one another, e.g. tilt, which can result in a distortion of the measurement signal. It is therefore desirable to make the measuring cell for the dilatometer of a cell material of lower conductivity in order to make it possible to keep said induction currents as small as possible.
- the magnetostriction coefficient of the material should be as low as possible in order to prevent undesired cell effects caused by magnetostriction of the cell material from dominating the measured values.
- a particularly suitable material for use in a measuring cell of a miniature dilatometer copper-beryllium alloys have shown. Therefore, an embodiment of the miniature dilatometer in which the measuring cell of the miniature dilatometer is at least partially a copper-beryllium alloy having a beryllium content is preferred from 0.5 to 5 wt .-%, preferably 1 to 2.5 wt .-%, particularly preferably from 1, 5 to 2 wt .-%, particularly preferably from 1, 84 wt .-%. This alloy has proven to be particularly suitable to be temperature stabilized by external devices.
- this alloy offers advantages since its temperature can be stabilized particularly well by an external device despite the increased thermal relaxation time and the associated greater temperature sensitivity of the cell.
- a measuring cell made of the mentioned copper-beryllium alloy With a measurement at 300 K, it is possible for a measuring cell made of the mentioned copper-beryllium alloy to stabilize the cell and sample to ⁇ 0.01 K.
- changes in length of the sample to be measured, arranged in the miniature dilatometer can be determined via a change in the electrical capacitance between the sample and at least one capacitor plate, preferably by means of a precision capacitance measuring bridge.
- the body of the measuring cell is formed in a preferred embodiment of less than 8, preferably less than 5, preferably less than 3 parts, more preferably only one piece. This makes a more compact design possible.
- the part (s) is / are preferably shaped so that it is / are preferably producible by milling and / or spark erosion.
- the body of the measuring cell By manufacturing the body of the measuring cell from a few, more preferably from a single part instead of from several parts as known from the prior art, there is the advantage that fewer errors can occur during production. For several parts, there is a certain deviation from the nominal dimensions for each part. Even if the respective fault tolerance is low, with a large number of components, the respective incorrect error to a comparatively large error or a large deviation from the setpoint. Thus, in the manufacturing method of the present invention, it is possible to reduce the error tolerances. Consequently, according to the new method, it is possible to manufacture a cell or a body with particularly small deviations from the desired geometry. In such a body it is therefore possible to align the capacitor plates exactly (ie with a smaller error) in parallel.
- the cell of the present invention offers the possibility for magnetostriction measurements to select suitable materials from a particularly wide variety of materials.
- particularly suitable materials e.g. the mentioned Cu loading
- Alloy can be achieved that the resolution in magnetostriction measurements is as good as that of measurements of thermal expansion.
- increased noise occurs during magnetic field sweeps, which can be regarded as the result.
- the miniature dilatometer in which in the body ring springs, preferably leaf springs, are integrated, which are preferably integrally formed together with the body.
- This one-piece design makes it possible for the temperature of the springs to be adapted quickly to the measuring temperature. A significantly delayed adjustment of the temperature of the spring can be avoided because due to the one-piece embodiment, there is no barrier for temperature compensation between the body and spring, for example in the form of a gap or a material boundary.
- the use of a miniature dilatometer in a PPMS device offers advantages. For this, however, it is necessary that the miniature dilatometer has particularly small outside dimensions, which allows integration into a designated space within the PPMS device.
- the measuring cell of the miniature dilatometer therefore preferably has a cell diameter of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, particularly preferably 26 mm or less, preferably a construction height of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably of 21 mm or less and more preferably a width of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably 20 mm or less.
- the measuring cell which has been reduced to a minimum in size and mass by the new production method, has great advantages in terms of its application in comparison with the measuring cells known from the prior art. In particular, the extreme miniaturization, the installation of the dilatometer even with limited space available.
- the entire mass of the measuring cell can be significantly reduced by the described miniaturization compared to known from the prior art dilatometer. Despite the reduction of the outer dimensions, it is possible to keep the width of the capacitor plates and thus inevitably also the associated resolution power comparatively large. Due to the reduced cell mass and the reduction to a few individual parts, the thermal equilibrium state can be set much faster than in measuring cells known from the prior art. Among other things, this results from the reduction of the number of material transitions (eg gaps) arising between the individual components, which impede unimpeded heat transfer over the entire measuring cell. The speed of setting a homogeneous temperature within the measuring cell is largely determined by the thermal conductivity of the measuring cell and their mass.
- the measuring cell of the miniature dilatometer has a weight of less than 75 g, preferably less than 50 g, particularly preferably 42 g or less.
- the cell of the invention is therefore even suitable for measurements of thermal expansion, even if the preferred copper-beryllium alloy has a lower thermal conductivity than, for example, silver or copper , as used in other apparatus for such measurements. Due to its intrinsic properties, the copper-beryllium alloy used is particularly suitable for measurements of magnetostriction.
- a dilatometer it is possible for the first time to carry out measurements of the magnetostriction as well as of the thermal expansion in the abovementioned resolution in one device.
- the measurement resolution is significantly dependent on the size of the capacitor plates, as their Radius in the second power is included in the calculation of the capacity.
- the miniature dilatometer can be used in a capacity range which includes a capacity range of 1 to 250 pF, preferably of 5 to 50 pF, preferably of 20 to 25 pF.
- the capacitor plates can be connected in various ways with the body. Alternatively, for screwing, for example, a bonding is possible. But all other types of connections are theoretically conceivable. By gluing the capacitor plates, the background of the respective measurements can be further reduced and thus the calibration of the cell even easier and more accurate.
- AUL of 10 " 8-10 " 10 and preferably even 10 " 9-10 10 is another positive aspect of the present invention, which is determined by the distance of the capacitor plates from each other and the diameter of the respective capacitor plate Due to the new manufacturing process, it is possible that the width of the cell is determined almost exclusively by the width of the capacitor plate.Thus, based on the capacitive measuring method is currently at a given maximum measuring cell size (eg by the dimension of the corresponding rum in a PPMS device ) no higher resolution achievable.
- the resolution depends on the adjustable measuring capacity. In particular, it is proportional to the square of the measurement capacity.
- the measuring cell of the present invention may be operated at a measuring capacity of approximately 25 pF.
- the resolution is 625/25, which is about 40 times better than that of a measuring cell operated at a capacitance of 5 pF.
- the measuring cell of the miniature dilatometer can be integrated in standardized measuring systems, in particular in a Physical Property Measurement System® , the company Quantum Design. This is a particularly accurate attitude, upright tion and change of the measuring conditions as well as an exact recording of the measuring results.
- thermocouple can be integrated into the body of the measuring cell or that it can be arranged in the interior of the device for measuring physical properties in the immediate vicinity of the body of the measuring cell.
- a thermocouple is integrated into the body of the measuring cell, a particularly good temperature transition between the sample and the thermocouple is possible, so that ren with a very small number of Barrie- that would prevent a uniform temperature distribution, the temperature the sample can be recorded and recorded directly in the measuring system and during the measurement.
- Preferred temperature sensors in the miniature dilatometer are sensors with response times ⁇ 50 ms, preferably ⁇ 25 ms, preferably ⁇ 15 ms, preferably ⁇ 10 ms, preferably ⁇ 5 ms, preferably ⁇ 2.5 ms, particularly preferably about 1 , 5 ms or less at 4 K and ⁇ 150 ms, preferably ⁇ 100 ms, preferably ⁇ 75 ms, more preferably used by about 50 ms or less above a temperature of 77 K.
- These fast response times allow a particularly accurate detection and, if necessary, adjustment of the temperature. It is preferred that the variations in temperature control (e.g., by the above-described measures) be less than 1 mK even at high temperatures (e.g.,> 50K).
- thermometer In addition to the sensor's fast response time already mentioned above, it is useful for a sensor, e.g. a sensor of a thermocouple, which is used in such an apparatus, advantageous if the deterioration of the sensor by external magnetic fields is low. Preferably, the impairment is so low that possibly resulting measurement errors are negligible. If these o.g. Conditions are met, a thermometer is particularly well suited for both temperature and magnetic field sweeps.
- a miniature dilatometer is used according to one of the embodiments described above for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample.
- making such a miniature dilatometer can be extremely difficult. It is therefore also an object of the invention to provide a method for producing a miniature dilatometer.
- This object is achieved by a method of manufacturing a miniature dilatometer in which the body of the measuring cell of the miniature dilatometer is composed of less than 5 individual parts, which are produced by milling and / or spark erosion.
- the process for the production of the body requires special process steps which make the production more difficult compared to processes known from the prior art. Especially due to the additional miniaturization special care is necessary.
- a great difficulty is e.g. to clamp and guide the erosion wire in such a way that all slots and recesses in the body can be created according to the requirements.
- a method for producing a miniature dilatometer in which a piece of material from which the body of the measuring cell of the miniature dilatometer or the parts of the body of the measuring cell of the miniature dilatometer is / are prepared before milling and / or the spark erosion over a period of 0.5 - 48 hours at temperatures of 100 - 750 ° C, preferably over a period of 1 - 5 hours at temperatures of 250 - 500 ° C, more preferably over a period of 2 - 4 hours at temperatures of 300 - 350 ° C, annealed / are.
- Fig. 1 a dilatometer according to the prior art
- FIG. 2 shows further views of the dilatometer shown in FIG. 1 in a side view (left) and exploded view (right);
- FIG. 3 shows an illustration of a measuring cell which has been reduced in height compared with the prior art (left) and an embodiment of a measuring cell (right) consisting of particularly few individual parts;
- FIG. 4 shows a schematic representation of a capacitor arrangement with inhomogeneities at the edges of the capacitor plates
- FIG. 5 shows an illustration of a measurement setup for the function test (left) and a comparison of determined measured values with calculated values (right);
- Fig. 6 Results of the determination of the spring constant of the dilatometer (left) and the determined force acting on the sample at working capacities of 20 - 25 pF (right);
- FIG. 7 shows a schematic representation of a PPMS device (left) and a measurement setup with dilatometer insert and measuring computer (right);
- Fig. 8 a dipstick for insertion into a PPMS device with Dilatometerdominated, thermally conductive springs for thermal coupling to the PPMS device and measuring connections for capacitance and temperature measurements (below) and a section of the dipstick with a cell of the Dilatometermbies including Temperature sensor (highlighted by white rectangle) (top); 9 shows a comparison between measured values of the relative expansion AL / L and literature values of the relative extent AL / L of a copper sample;
- FIG. 14 is a perspective view of a body of a measuring cell
- FIG. 15 shows perspective views of a body of a measuring cell (top right and bottom right) and schematic plan views and / or sectional drawings of a body of a measuring cell;
- a miniaturized dilatometer known from the prior art is shown specifically for cryogenic measurements in various views.
- a sample 104 is placed between a platform of the movable cell part 106 and a punch 102 connected to a cell frame 103.
- This can be moved by means of an adjusting screw 101, whereby the sample can be fixed.
- the movable part of the cell shifts by the amount of this change in length, whereby the upper capacitor plate 107 connected thereto is also displaced. This leads to a change in the distance of this upper capacitor plate 107 with respect to the fixedly mounted on the cell frame lower capacitor plate 108.
- the movable part with two annular springs 105 with the cell frame connected In order to ensure a parallel alignment of these opposite the lower capacitor plate 108 during the displacement of the capacitor plates 107, the movable part with two annular springs 105 with the cell frame connected.
- the capacitor plates 107, 108 themselves are electrically insulating fitted in their respective frame pieces.
- the cell frame can be separated. This allows alignment of the plates 107, 108 relative to their frame pieces.
- a uniform surface plane of the capacitor plate 107, 108 and frame 103 is created so that the capacitor plates 107, 108 are in a plane-parallel position after assembly of the cell.
- the cell shown in Fig. 1 is designed to achieve 0.25 mm plate spacing in the relaxed state, which corresponds to an "empty capacity" (capacity without sample introduction) of 5.4 pF.
- an "empty capacity" capacity without sample introduction
- the plate spacing is reduced by means of the adjusting screw 101 to a working capacity of 20 pF. Changes in this working capacity - and thus changes in length of the sample to be measured - can then be detected in the course of a measurement.
- a resolution of approximately 10.sup.- 7 pF is possible (for example with a measuring bridge AH 2450 from Messrs. Andeen Hagerling)
- An analogous method for determining changes in length is described by Pott and Schefzyk in J. Phys E: Instrum. , Vol. 16, 1983.
- the body of the cell e.g. in the dilatometer shown in the prior art and shown in Figs. 1 and 2 is composed of at least 8 individual parts, in the subject of the present invention is preferably formed from a single piece, as shown in Fig. 3 (right).
- the body 50 in this case contains the movable cell part, the ring springs, as well as a part of the cell frame (see Fig. 2, all parts in each case within the white rectangle).
- the ring springs are already included, which makes it necessary to anneal the CuBe block prior to fabrication.
- the Vickers hardness of the material by a factor between 1, 5 and 5, preferably increased by about a factor of 3, whereby the necessary stability while ensuring high elasticity of the necessary for a parallel vertical displacement of the movable member relative to the cell frame springs become.
- the size of the cell is significantly reduced. In particular, it is possible to reduce the cell width 16, thereby enabling the incorporation of such a cell into a multifunctional insert of a PPMS device.
- FIG. 4 shows a schematic representation of a capacitor arrangement 60 with inhomogeneities at the edges of the capacitor plates 61 and 62. These represent a possible source of error in the measurement data determination. In an ideal plate capacitor of the area A and the plate spacing d, the capacity applies
- Ad [1 CT 6 cm] -1, 3898 x 10 5 pF * (C-C 0 ) / (C * C 0 ) (2.3)
- the minus sign arises as the plate spacing d decreases as the sample expands.
- the capacitance measured in the experiment is typically a few tens pikfarad.
- Equation 2.2 only applies to ideal plate capacitors.
- the absolute value of the capacitance changes due to distortions of the electric field at the edge of the capacitor plates.
- the resulting relative capacity deviation is according to Maxwell
- Ad eoP ⁇ C - C 0 ) / (C ⁇ C 0 ) (1-OC 0 / C max 2 ) (2.6)
- C ma 2 indicates a short-circuit capacity which has been determined experimentally for the cell according to the invention. In combination with the working capacity C 0 of ⁇ 20 pF, this results in an additional error of approx. 2.2%. In order to obtain a particularly good resolution, the working capacity C 0 should not be chosen too small, since the resolution capacity of the measuring cell, ie the measurable change in capacitance for a given change in length
- equation 2.2 can be used below to calculate the actual change in length.
- the maximum capacity can be approximately checked by carefully tightening the adjusting screw until the short-circuit is reached. The highest capacity reached before is recorded. This approach is in some ways arbitrary, since the plate spacing can be adjusted with only limited accuracy. However, to measure the short-circuit capacitance, an infinitesimal plate spacing must be set. The C max value determined for this method was 130 pF, confirming the value of 150 pF determined by the simple bump test.
- the springs preferably leaf springs of the movable part of the cell, exercise during clamping a force on the sample, which can lead to an influence on the measurement parameters. For example, this can lead to a shift in the TP phase diagram. It is therefore necessary to determine the force constant of the leaf springs used in the cell construction.
- the movable cell frame is loaded with weights of up to 150 g and the resulting displacement of the mobile cell part is estimated from the resulting change in capacitance.
- the elastic modulus of copper alloys changes only slightly. Therefore, this value can also be assumed for later operation in the cryostat.
- a device for measuring physical properties such as a Quantum Design Physical Property Measurement System (PPMS).
- PPMS Quantum Design Physical Property Measurement System
- This system is specifically designed for the automated flow of measuring Process designed equipment with which, for example, continuous temperature weeps in the range of 5 to 400 K are possible.
- the lowest non-continuously attainable temperature of this system is 2 K.
- field strengths of more than 5 T, preferably more than 7 T, preferably more than 8 T, particularly preferably up to 9 T and more can be achieved ,
- the exemplary apparatus consists of an outer layer of superinsulating material. Inside it is followed by a layer of liquid nitrogen. This is followed by a vacuum zone, which encloses an internal helium tank and thermally insulates. Inside the helium tank is a cooling ring chamber.
- thermocouple e.g. a heater
- the temperature of the flowing helium is adjustable.
- the helium it is possible to adjust the sample to the desired temperature.
- the manufacturing method according to the invention it is possible to make the inner region of the measuring cell, in which the sample and the capacitor plates are arranged, particularly large at given external dimensions.
- this makes it possible to design the capacitor plates larger than known from the prior art for such systems that can be integrated into measuring apparatuses.
- a significant increase in the resolution by a factor> 10 is possible.
- the space-saving design of the body of the measuring cell offers the possibility of integrating a thermocouple (eg a thermometer, a temperature-sensitive measuring cell or similar) into the measuring cell or arranging it in the immediate vicinity of the measuring cell.
- thermocouple is in direct contact with the measuring cell or even the sample, so that the Temperature of the sample can be determined very accurately. Furthermore, the thermal balance can be adjusted quickly. In dilators of the prior art, which are also designed for the arrangement within a multifunctional use of a PPMS device, this is not possible. In practice, therefore, these measuring cells result in inconsistencies in the calibration and the reproducibility of the results.
- the present invention has succeeded in providing a dilatometry measuring station with a PPMS system as a cooling unit. Due to the particularly small dimensions of the measuring cell according to the invention, these could be arranged within a commercially available multifunctional insert.
- Fig. 8 shows a dipstick for insertion into a PPMS instrument with dilatometer insert, thermally conductive springs for thermal coupling to the PPMS instrument and measuring connections for capacity and temperature measurements (bottom) and a section of the dipstick in which the cell of the dilatometer insert inclusive of the temperature sensor (highlighted by white rectangle) (top).
- the measuring cell 50 can be arranged in the measuring rod 70.
- the capacitor plates are each connected via a coaxial line to the measuring bridge, wherein for efficient shielding of the signal, the outer conductor with the ground -. the cell body - are connected. In order to avoid an earth loop, the connection from the plates to the measuring bridge takes place only directly and thus without further contact.
- an upper part of the insert was made of plastic and thus electrically isolated from the rest of the cryostat.
- a lower portion or lower part of the rod has special recesses, by means of which it can engage in specially provided pins in the sample space, which ensures an improved thermal coupling to the bath or the surrounding medium.
- both high demands are placed on the thermometry and on the thermalization of the sample directly installed in the dilatometer.
- Gold-plated springs 71 which are arranged with the aid of a copper block at a small distance above the cell inside the multifunctional insert (FIG. 8, top), contact an inner wall of the cooling ring channel and thus additionally support the thermal coupling of the cell 50 Placing the rod further springs 72 placed above the insert.
- coaxial cables e.g., leading from top to the measuring cell
- the temperature is determined over the entire measuring range, e.g. by means of a single thermometer or thermocouple or a corresponding thermo-measuring cell.
- This may be, for example, a Cernox resistance thermometer from LakeShore or similar devices. As shown in Fig. 8 in the upper part, this is arranged in a preferred embodiment directly on the head of the cell in a designated bulge in close proximity to the sample. Cernox thermometers are particularly preferred since they can be used in a temperature range from 100 mK to 420 K. Thus, they can be used for many measurement applications in a very wide temperature range.
- a dilatometer In addition to the materials already mentioned, further different materials are used in a dilatometer according to the invention.
- the combination of different materials leads to a background effect for the measuring cell, which can influence the measurement results.
- the other materials used are selected so that the expected influence is as small as possible.
- sapphire washers are preferably used.
- polyimides such as Vespel ® are preferred. These are particularly suitable for extreme thermal, electrical and mechanical loads. However, other materials are conceivable as long as they can cope with the required loads.
- the background effect for the measuring cell (cell effect, cell background) caused by the material combinations mentioned above is determined for the entire temperature range.
- the measured change in length AL gem sample is the difference between the actual change in length of the sample AL sample and the change in length of the cell AL Zel, e .
- the material for determining the cell effect is selected as the material for determining the cell effect.
- loading Preferred is highly pure copper with at least 99.9% purity, preferably at least 99.99% purity, more preferably at least 99.999% purity.
- the cell effect can be determined by comparison with the known from the literature change in length of copper in the temperature range considered.
- the cell effect was measured by means of a calibration sample in the form of a high-purity (99.999%) copper cylinder with a length of 4 mm. After cooling, the cell was thermalized for at least three hours at a temperature of 5K. Subsequently, the sample was slowly warmed up and cooled while continuously measuring the change in length. A particularly suitable rate for the temperature change proved to be a rate of 0.3 K / min. No hysteresis was observed at this temperature change rate, indicating that the sample was in thermal equilibrium with its environment at all times. By repeating the measurements with several cycles of warming up and cooling down several times, the reproducibility of the data could be confirmed.
- FIG. 11 shows a comparison between measured values and literature values of the thermal expansion coefficient. Again, the good match is the
- a (AL / L 0 ) 10 "7 and thus are more than an order of magnitude smaller than the length changes considered.
- Fig. 13 illustrates the high resolving power by means of the test measurement of copper
- the change in length AL (T) of the sample is included low temperatures (in this example ⁇ 10 K), in which metals show a very low and linear expansion behavior, which is why the scattering of the measured values solution of the cell can be assessed. Based on the indicated error channel, a deviation of the order of 0.1 ⁇ results.
- the body (50) for a measuring cell according to the invention from various viewing angles (top right and bottom right) and schematic detail drawings.
- the body (50) is made of a single part, preferably milled and / or eroded.
- the detailed representations in the middle region of the right-hand half of the image represent enlarged representations of the representations shown on the left.
- the representations marked AA and BB correspond to sections along the lines marked AA or BB in the second illustration of FIG at the top of the left half of the picture.
- the reference numerals 1 - 33 indicate dimensions and angles, which can be adapted to the requirements. Depending on the device in which the measuring cell is to be integrated, these values can be adapted.
- the distances indicated by the reference numerals 1, 3, 6, 7 and 17 are independently of each other preferably between 5 and 15 mm long.
- the distances indicated by the reference numeral 8 are independently of each other preferably between 7.5 and 20 mm long.
- the distances indicated by the reference numerals 4, 20, 22, and 23 are independently of each other preferably between 2.5 and 7.5 mm long.
- the distances indicated by reference numerals 5, 15, 18, 19, 21, and 25 are independently of each other preferably between 0.05 and 1.5 mm long.
- the width of the body is indicated by the reference numeral 16 and represents a significant size to be considered for integration into existing equipment.
- the width is smaller than 50 mm, in the example shown, it is 20 mm.
- the base surface geometry of the body whose outer surfaces (as can be seen from the illustration on the top right) essentially represent a straight cylinder, is not circular (the body is therefore no straight circular cylinder) but deviates from the circular shape.
- the base surface is essentially circular, it has two mutually opposite, parallel circular chords, which in the respective region represent the outer boundaries of the base surface.
- the base area corresponds in this case to a circle which is reduced on two opposite sides by, preferably equal, circular segments.
- the reference numerals 2, 10, 12, and 29 designate substantially circular recesses with independently selectable diameters between 1 and 5 mm.
- the reference numerals 9, 11, 30, 31 and 32 indicate recesses with independently selectable diameters between 7.5 and 30 mm.
- the indicated by the reference numerals 9, 1 1, 30 and 31 diameter are independently of each other preferably between 15 and 25 mm.
- Reference numerals 13, 14, 26, 27, 28 and 33 indicate angles.
- the angles 13, 14, 26 and 27 are independently between 25 and 115 °, the angles 26 and 27 independently preferably between 45 and 75 °.
- the angles 28 and 33 are independently between 90 and 150 °.
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Abstract
The invention relates to a novel miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and/or the magnetostriction of a sample which can be arranged inside a device for measuring physical properties.
To this end, the miniature dilatometer comprises a carcass which has a measurement cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g, and preferably consists of a material with a thermal conductivity of > 200 Wm-1K-1 and a thermal expansion coefficient of < 17 10-6 K-1. In addition, the invention relates to a method for producing such a miniature dilatometer, and to the use of same.
Description
Miniatur-Dilatometer für die Messungen der thermischen Ausdehnung und der Magnetostriktion zur Verwendung innerhalb eines Multifunktionseinsatzes eines PPMS-Gerätes Miniature dilatometer for measurements of thermal expansion and magnetostriction for use within a multifunctional insert of a PPMS instrument
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Miniatur-Dilatometer zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe, welche innerhalb einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers anordenbar ist, wobei das Miniatur-Dilatometer innerhalb eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften anordenbar ist. Dazu weist das Miniatur-Dilatometer einen Korpus auf, welcher einen Messzelldurchmesser von unter 50 mm und eine Masse von unter 100 g aufweist. The present invention relates to a novel miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer can be arranged within a device for measuring physical properties. For this purpose, the miniature dilatometer has a body which has a measuring cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur- Dilatometers zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe, welche innerhalb einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers anordenbar ist, wobei das Miniatur-Dilatometer innerhalb eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften anordenbar ist. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Veränderung der Temperatur (T) bzw. des Magnetfeldes (B) an einem Festkörper in nahezu allen Fällen eine Veränderung seiner äußeren Abmessungen (ΔΙ_) bewirkt. Dabei wird zwischen einer temperaturabhängigen Längenänderungen und feldabhängigen Längenänderungen unterschieden. Erstere werden als thermische Ausdehnung, letztere als Magnetostriktion bezeichnet.
Messungen dieser Längenänderung ΔΙ_ (Τ,Β), welche auch als dilatometrische Messungen bezeichnet werden, können zur Klärung einer Vielzahl physikalischer Fragestellungen beitragen. Anwendungsbereiche liegen z.B. in der Materialwissenschaft, da dort häufig das Interesse besteht, mittels einer thermodynamischen Methode Phasengrenzlinien von unter- schiedlichsten Materialien in Temperatur-Feld-Phasendiagrammen zu verfolgen. Dabei bietet die Dilatometrie große Vorteile, insbesondere dadurch, dass - im Gegensatz zur ansonsten oft durchgeführten Messung der spezifischen Wärme - die Möglichkeit der Messbarkeit von Anisotropien einkristalliner Proben besteht. Besonders wichtig für präzise Messungen ist eine hohe Auflösung der Messung (AL/L). Diese hängt stark von der Art der Methode zur Bestimmung der Längenänderung AL ab. Rönt- genmessungen ermöglichen Auflösungen im Bereich von 10"5. Optische Messungen erlauben eine etwas höhere Auflösung bis in einen Bereich von etwa 10"7. Demgegenüber sind bei kapazitiven Messtechniken wie sie bei dem erfindungsgemäßen Miniatur-Dilatometer vorgesehen sind, höhere Messauflösungen realisierbar. Wie im Folgenden noch näher beschrieben ist, sind typische Werte für Messauflösungen, die mit dem erfindungsgemäßen Miniatur-Dilatometer erreicht werden können, Änderungen der Länge einer Probe um 0.05 A (0.05 x 10"10 m) bei einer Probenlänge von L = 5 mm. Kapazitive Dilatometer sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Beispielsweise ist durch die Druckschrift AT 502 515 B1 ein kapazitives Dilatometer offenbart, bei welchem Störsignale, welche auf die Probe, z.B. in Form eines (durch ein Magnetfeld erzeugten) Drehmomentes, auftreffen, erkannt und eliminiert werden können. Zur Sicherstellung, dass der zu vermessende Festkörper im Magnetfeld sich nicht in unerwünschter Weise bewegt, ist die in AT 502 515 B1 beschriebene Vorrichtung so ausgebildet, dass wenigstens eine Kondensatorplatte bzw. ein mit dieser Kondensatorplatte verbundener Träger von einem Spannglied übergriffen ist, welches außerhalb des Randes der Kondensatorplatte mit einstellbarer Haltekraft gegen ein die andere Kondensatorplatte abstützendes Element pressbar ist. Als weitere Besonderheit ist bei diesem Dilatometer vorgesehen, dass die vom Spannglied übergriffene Kondensatorplatte über lediglich einen zugfesten mit dem beweglichen Träger verbundenen Stift, insbesondere einem Gewindestift, verbunden ist. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer within a device for measuring physical properties can be arranged. It is known from the prior art that a change in the temperature (T) or the magnetic field (B) on a solid causes a change in its external dimensions (ΔΙ_) in almost all cases. It is distinguished between a temperature-dependent changes in length and field-dependent changes in length. The former are referred to as thermal expansion, the latter as magnetostriction. Measurements of this change in length ΔΙ_ (Τ, Β), which are also referred to as dilatometric measurements, can help clarify a variety of physical issues. Areas of application lie, for example, in materials science, since there is often the interest in using a thermodynamic method to track phase boundary lines of a wide variety of materials in temperature-field phase diagrams. Here, dilatometry offers great advantages, in particular in that - in contrast to the otherwise often performed measurement of specific heat - the possibility of measuring anisotropies of monocrystalline samples exists. Especially important for precise measurements is a high resolution of the measurement (AL / L). This depends strongly on the type of method for determining the change in length AL. X-ray measurements enable resolutions in the range of 10 "5. Optical measurements permit a slightly higher resolution up to a range of about 10 " 7 . By contrast, in the case of capacitive measuring techniques such as are provided in the miniature dilatometer according to the invention, higher measurement resolutions can be realized. As described in more detail below, are typical values for measurement resolution that can be achieved with the inventive miniature dilatometer, changes in the length of a sample at 0.05 A (0.05 x 10 "10 m) at a sample length of L = 5 mm. Capacitive dilatometers are already known from the prior art For example, the document AT 502 515 B1 discloses a capacitive dilatometer in which interference signals impinging on the sample, for example in the form of a torque generated by a magnetic field, are detected and detected To ensure that the solid to be measured in the magnetic field does not move in an undesired manner, the device described in AT 502 515 B1 is designed such that at least one capacitor plate or a carrier connected to this capacitor plate is overlapped by a tendon , which outside of the edge of the capacitor plate with adjustable holding force against egg n the other capacitor plate supporting element is pressed. Another special feature of this dilatometer is that the capacitor plate overlapped by the tendon is connected by means of only one tension-resistant pin connected to the movable support, in particular a threaded pin.
Weiterhin sind kapazitive Miniatur-Dilatometer auch Gegenstand von einigen Übersichtsartikeln. So ist beispielsweise in "A miniature capacitance dilatometer for thermal expansion and
magnetostriction", Rotter, M.; Müller, H. und Gratz, E. in Rev. Sei. Instrum., Vol.69, No. 7, July 1998, S. 2742-2746 ein weitestgehend miniaturisiertes kapazitives Miniatur-Dilatometer beschrieben. Bei dem darin beschriebenen Dilatometer sind zwei Kondensatorplatten bzw. zwei einander gegenüber liegende Träger für Kondensatorplatten um einen Schwenkpunkt bzw. eine Schwenkachse schwenkbar aneinander angelenkt und mittels eines federnden Zugelements gegeneinander gespannt. Um hinreichend große Kondensatorplatten auch bei besonders klein ausgelegten Konstruktionen zu ermöglichen, ist dieses Zugelement nahe der Schwenkachse angeordnet, was die zum Verschwenken der Platten entgegenwirkende Kraft stark einschränkt. Darüber hinaus ist ein Nachteil des beschriebenen Dilatometers, dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass bei hohen angelegten Magnetfeldern ein auf die Probe ausgeübtes Drehmoment bzw. eine auf die Probe ausgeübte Kraft zu einem Störsignal führt. Furthermore, capacitive miniature dilatometers are also the subject of some review articles. For example, in "A miniature capacitance dilatometer for thermal expansion and Magnetostriction ", Rotter, M., Müller, H. and Gratz, E. in Rev. Sei Instrum., Vol.69, No. 7, July 1998, pp. 2742-2746 describes a miniaturized miniature capacitive dilatometer as far as possible. In the dilatometer described therein, two capacitor plates or two mutually opposite carriers for capacitor plates are pivoted to one another about a pivot point or a pivot axis and tensioned against each other by means of a resilient tension element Moreover, a disadvantage of the described dilatometer is that it can not be ruled out that at high applied magnetic fields a torque exerted on the sample or a force exerted on the sample can be excluded Force leads to a disturbing signal.
Ein weiterer Übersichtsartikel ist von J. J. Neumeier, R. K. Bollinger, G. E. Timmins, C. R. Lane, R. D. Krogstad et al. in„Capacitive-based dilatometer cell construeted of fused quartz for measuring the thermal expansion of solids", Rev. Sei. Instrum. 79, 033903 (2008); doi: 10.1063/1.2884193 veröffentlicht worden. Das darin beschriebene Dilatometer ist ebenfalls ein kapazitives Miniatur-Dilatometer, welches sich insbesondere durch den besonders großen Temperaturbereich auszeichnet, in welchem es eingesetzt werden kann. Dieser liegt zwischen 5 K und 350 K. Als wesentlich wird bei diesem Dilatometer herausgestellt, dass die Längenänderung der Probe durch Kapazitätsänderungen ermittelt wird, die aus der relativen Expansion von Zelle und Probe ermittelt wird. Um die relative Expansion zwischen Probe und Messzelle möglichst groß zu halten, ist die Messzelle bei dem beschriebenen Dilatometer vollständig aus Quarzglas (fused quarz, silica) gefertigt. Dieses Material weist mit a = 0,5 x 10" 6 K" (bei 20 °C) einen der geringsten für Feststoffe bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass sich bei einer Längenänderung der Probe eine besonders große relative Expansion zwischen Probe und Messzelle ergibt. Darüber hinaus bietet dieses Material dadurch, dass es elektrisch nicht leitend ist, weitere konstruktive Vorteile. So kann beispielsweise auf eine elektrische Isolierung der Kondensatorplatten verzichtet werden. Another review article is by JJ Neumeier, RK Bollinger, GE Timmins, CR Lane, RD Krogstad et al. in "Capacitive-based dilatometer cell construed of fused quartz for measuring the thermal expansion of solids", Rev. Sei Instrum 79, 033903 (2008), doi: 10.1063 / 1.2884193 The dilatometer described therein is also a capacitive miniature This is between 5 K and 350 K. The essential feature of this dilatometer is that the change in length of the sample is determined by capacitance changes resulting from the In order to keep the relative expansion between the sample and the measuring cell as large as possible, the measuring cell in the described dilatometer is made entirely of fused quartz (silica) material with a = 0.5 × 10 "6 K " (at 20 ° C) one of the lowest known for solids thermal expansion coefficient, so that When a change in length of the sample results in a particularly large relative expansion between the sample and the measuring cell. In addition, this material, because it is electrically non-conductive, further constructive advantages. For example, an electrical insulation of the capacitor plates can be dispensed with.
Darüber hinaus sind miniaturisierte Dilatometer speziell für Tieftemperaturmessungen bekannt. Ein solches Dilatometer ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt und wird im Zusammenhang mit den entsprechenden Figurenbeschreibungen näher erläutert. Bei einem solchen Dilatometer wird eine Probe zwischen einem beweglichen und einem fest mit dem Zellrahmen ver-
bundenen Zellteil angeordnet, welcher mittels einer Einstellschraube so bewegt werden kann, dass die Probe fixiert ist. Eine Längenänderung der Probe führt zu einem Verschieben einer mit ihr verbundenen Kondensatorplatte, was ermöglicht, dass eine daraus resultierende Kapazitätsänderung zwischen dieser und einer zweiten Kondensatorplatten gemessen wer- den kann. Eine besondere Schwierigkeit bei dieser Konstruktion besteht in der genau parallelen Ausrichtung der Kondensatorplatten. Dazu ist eine Vielzahl von Führungselementen vorgesehen, die jedoch zu einem vierteiligen und komplexen Aufbau des Dilatometers führen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Miniatur-Dilatometer zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe, welche innerhalb einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers anordenbar ist, wobei das Miniatur- Dilatometer innerhalb eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften anordenbar ist, bereitzustellen. In addition, miniaturized dilatometers are especially known for cryogenic measurements. Such a dilatometer is shown in FIGS. 1 and 2 and will be explained in more detail in connection with the corresponding description of the figures. In such a dilatometer, a sample is placed between a mobile and a fixed cell frame. Bound cell part arranged, which can be moved by means of an adjusting screw so that the sample is fixed. A change in the length of the sample leads to a displacement of a capacitor plate connected to it, which allows a resulting change in capacitance between it and a second capacitor plate to be measured. A particular difficulty with this design is the exact parallel alignment of the capacitor plates. For this purpose, a plurality of guide elements is provided, which, however, lead to a four-part and complex construction of the dilatometer. The object of the present invention is to provide a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer within a device for measuring physical properties can be arranged is to provide.
Zur Messung der thermischen Ausdehnung bei höheren Temperaturen (T > 30 K) ist es durch die erhöhte thermische Relaxationszeit und der damit verbundenen stärkeren Temperaturempfindlichkeit der Zelle notwendig, die Temperatur durch eine externe Einrichtung zu stabilisieren. So ist es beispielsweise auch bei 300 K noch notwendig, die Temperatur der Zelle und der Probe auf ± 0,01 K zu stabilisieren. Es ist daher weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers und insbesondere einer Messzelle für ein solches Dilatometer mit einem Zellenmaterial bereitzustellen, dass die notwendige hohe thermische Leitfähigkeit und bevorzugt einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bietet. To measure the thermal expansion at higher temperatures (T> 30 K), the increased thermal relaxation time and the associated greater temperature sensitivity of the cell make it necessary to stabilize the temperature by means of an external device. For example, even at 300 K it is still necessary to stabilize the temperature of the cell and the sample to ± 0.01 K. It is therefore another object of the invention to provide a method for producing a miniature dilatometer and in particular a measuring cell for such a dilatometer with a cell material that provides the necessary high thermal conductivity and preferably a low coefficient of thermal expansion.
Diese Aufgabe wird durch ein Miniatur-Dilatometer zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe, welche innerhalb einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers anordenbar ist, wobei das Miniatur-Dilatometer innerhalb eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften anordenbar ist, gelöst, welches sich da- durch auszeichnet, dass es einen Korpus aufweist, der einen Messzelldurchmesser von unter 50 mm und eine Masse von unter 100 g aufweist.
Bevorzugt besteht der Korpus des Miniatur-Dilatometers aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit > 200 Wm"1K"1 und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten < 17 10" 6 K' 1.. Durch die geringe Größe und die geringe Masse des Korpus und/oder die große thermische Leitfähigkeit und/oder den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist es bevorzugt möglich, dass das Miniatur-Dilatometer dazu geeignet ist, die Temperatur einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers und der Probe mindestens im Bereich von 5 K - 200 K, bevorzugt im Bereich von 10 mK - 300 K auf ± 0,01 K stabilisierbar zu machen und in mindestens die- sem Temperaturbereich Messungen der thermischen Ausdehnung mit einer maximalen Empfindlichkeit von AL/L von 10"8 bis 10"10, bevorzugt AL/L von 10"9 bis 0"10 und/oder Messungen der Magnetostriktion bis zu 10 Tesla oder mehr, bevorzugt 20 Tesla oder mehr, zu ermöglichen. Als maximale Empfindlichkeit soll diesbezüglich verstanden werden, dass diese Empfindlichkeit mit einem solchen Miniatur-Dilatometer erreichbar ist, jedoch nicht bei jeder Messung zwangsläufig erreicht werden muss. Selbstverständlich können mit einem Miniatur- Dilatometer auch Messungen einer geringeren Empfindlichkeit durchgeführt werden. Beispielsweise kann bei extrem schnellen Temperaturveränderungen, trotz der geringen Masse des Miniatur-Dilatometers die Temperierung der Probe leicht zeitverzögert erfolgen, so dass die Messgenauigkeit bzw. die Empfindlichkeit nicht den maximal möglichen Wert annimmt. Ebenso könnten auch andere Faktoren wie z.B. Schwankungen des Magnetfeldes, die fehlerhafte Probenvorbereitung oder andere Einflüsse dazu führen, dass die maximale Empfindlichkeit bei einer bestimmten Messung nicht erreicht wird. This object is achieved by a miniature dilatometer for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, wherein the miniature dilatometer can be arranged within a device for measuring physical properties, which is characterized in that it has a body which has a measuring cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g. Preferably, the body of the miniature dilatometer consists of a material with a thermal conductivity> 200 Wm "1 K " 1 and a thermal expansion coefficient <17 10 "6 K '1 .. Due to the small size and low mass of the body and / or the large thermal conductivity and / or the low coefficient of thermal expansion, it is preferably possible that the miniature dilatometer is adapted to the temperature of a measuring cell of the miniature dilatometer and the sample at least in the range of 5 K - 200 K, preferably in the range of 10 mK - 300 K to ± 0.01 K to stabilize and at least in this temperature range measurements of thermal expansion with a maximum sensitivity of AL / L of 10 "8 to 10 " 10 , preferably AL / L of 10 "9 to 0 "10 and / or measurements of the magnetostriction of up to 10 Tesla or more, preferably 20 Tesla or more, in this regard, it should be understood that this e sensitivity can be achieved with such a miniature dilatometer, but not inevitably must be achieved with each measurement. Of course, with a miniature dilatometer measurements of lower sensitivity can be made. For example, with extremely rapid temperature changes, despite the low mass of the miniature dilatometer, the temperature of the sample can easily be delayed, so that the measurement accuracy or the sensitivity does not reach the maximum possible value. Likewise, other factors such as variations in the magnetic field, faulty sample preparation, or other influences could result in the maximum sensitivity not being reached for a particular measurement.
Das Dilatometer ist somit mit einer Empfindlichkeit von bis zu AL/L von 10"9 bis 10"10 in einem großen Temperaturbereich einsetzbar, in welchem es und die Probe in kurzer Zeit auf ± 0,01 K stabilisierbar sind. The dilatometer can thus be used with a sensitivity of up to AL / L of 10 "9 to 10 " 10 in a wide temperature range in which it and the sample can be stabilized in a short time to ± 0.01 K.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Dilatometers ist, dass es so klein dimensionierbar ist, dass es innerhalb eines Multifunktionseinsatzes eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften wie z.B eines Physical Property Measurement System (PPMS)-Gerätes der Firma Quantum Design, angeordnet werden kann (siehe Abb. 7 rechts, links). Derartige PPMS-Geräte sind in Forschungsinstituten weit verbreitet, so dass durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Miniatur-Dilatometers in Kombination mit einem solchen PPMS- Gerät z.B. Längenänderungsmessungen von Proben in einer hohen Genauigkeit und ausge-
zeichneter Reproduzierbarkeit ermöglicht werden. Darüber hinaus ist das Miniatur- Dilatometer der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Dilatometern zu vergleichsweise niedrigen Fertigungskosten herstellbar. Die erreichbare Empfindlichkeit eines Dilatometers wird unter anderem durch die Größe der Kondensatorplatten, deren Abstand zueinander und deren planparalleler Ausrichtung limitiert. Die maximalen Größen der Kondensatorplatten sind in einem Miniatur-Dilatometer, das in einem PPMS-Gerät mit vorgegebenen maximalen Messzellendimensionen eingesetzt werden soll, beschränkt. Es ergibt sich daher eine besondere Schwierigkeit, eine hohe ma- ximale Empfindlichkeit (AL/L) von = 10"8, bevorzugt sogar = 10"9 bei einer besonders geringen Dimension des Messzelldurchmessers von unter 50 mm zu ermöglichen. An essential advantage of such a dilatometer is that it can be dimensioned so small that it can be arranged within a multifunctional insert of a device for measuring physical properties, such as, for example, a physical property measurement system (PPMS) from Quantum Design (see FIG. 7 right, left). Such PPMS devices are widely used in research institutes, so that, for example, by using a miniature dilatometer according to the invention in combination with such a PPMS device, it is possible, for example, to measure changes in the length of samples with a high degree of accuracy and reproducibility. In addition, the miniature dilatometer of the present invention can be manufactured at comparatively low manufacturing costs as compared to the dilatometers known from the prior art. The achievable sensitivity of a dilatometer is limited, among other things, by the size of the capacitor plates, their distance from each other and their plane-parallel alignment. The maximum sizes of the capacitor plates are limited in a miniature dilatometer, which is to be used in a PPMS device with predetermined maximum measuring cell dimensions. There is therefore a particular difficulty in enabling a high maximum sensitivity (AL / L) of .gtoreq.10.sup.- 8 , preferably even 10.sup.- 9 with a particularly small dimension of the measuring cell diameter of less than 50 mm.
Um den zur Verfügung stehenden Raum im Inneren eines PPMS-Geräts möglichst optimal auszunutzen, weist bei einem Miniatur-Dilatometer eine Außenfläche des Korpus der Mess- zelle bevorzugt im wesentlichen eine Form eines geraden Zylinders auf, wobei eine Mantelfläche des geraden Zylinders mindestens zwei planparallele Bereiche aufweist und der Korpus auf mindestens einer Grund- oder Deckfläche eine sich in Richtung der Höhenachse des Zylinders erstreckende erste Ausnehmung mit zumindest abschnittsweise kreisförmigem Querschnitt aufweist, welche einen Korpusinnenraum ausbildet. In Bezug auf die Außenflä- che des Korpus in Form eines geraden Zylinders wird angemerkt, dass diese nicht auf die Form eines geraden Kreiszylinders eingeschränkt ist, sondern der Zylinder jede geeignete Grundflächengeometrie aufweisen kann. Bevorzugt ist - wie aus dem oben beschrieben hervorgeht - eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche mit zwei einander gegenüberlier genden, parallel verlaufenden Kreissehnen, die in dem jeweiligen Bereich die äußeren Be- grenzungen der Grundfläche darstellen. Die Grundfläche entspricht in diesem Fall einem Kreis, welcher an zwei gegenüberliegenden Seiten um, bevorzugt gleichgroße, Kreissegmente verkleinert ist. In order to optimally utilize the available space inside a PPMS device, in a miniature dilatometer an outer surface of the body of the measuring cell preferably has essentially a shape of a straight cylinder, wherein a lateral surface of the straight cylinder has at least two plane-parallel regions and the body on at least one base or top surface extending in the direction of the height axis of the cylinder first recess having at least partially circular cross-section, which forms a carcass interior. With respect to the outer surface of the body in the form of a straight cylinder is noted that this is not limited to the shape of a right circular cylinder, but the cylinder may have any suitable surface geometry. As is apparent from the above-described description, a substantially circular base surface is preferably provided with two mutually oppositely disposed, parallel circular chords which in the respective region represent the outer boundaries of the base surface. The base area corresponds in this case to a circle which is reduced on two opposite sides by, preferably equal, circular segments.
Durch diese Ausführungsform ist es möglich, den Korpusinnenraum mit zumindest ab- schnittsweise kreisförmigem Querschnitt besonders groß auszuführen und so einerseits einen besonders großen Probenraum zu schaffen und gleichzeitig die Materialmenge der Messzelle auf ein besonders geringes Maß zu reduzieren.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Korpus der Messzelle mindestens eine erste Durchtrittsöffnung, bevorzugt mit einen rechteckigen Querschnitt, aufweist, welche in einem ersten Außenwandungsabschnitt des geraden Zylinders angeordnet ist und sich von diesem ersten Außenwandungsabschnitt ausgehend senkrecht zur Höhe des geraden Zylinders in Richtung der ersten Ausnehmung, bevorzugt bis zu einem dem ersten Außenwandungsabschnitt gegenüberliegenden zweiten Außenwandungsabschnitt, bevorzugt parallel zu den planparallelen Bereichen der Außenwandung, erstreckt. Dadurch ist eine weitere Material- und damit Gewichtseinsprung möglich und gleichzeitig auch die Möglichkeit gegeben, seitlich in das Innere des Probenraums zu gelangen. By means of this embodiment, it is possible to make the interior of the carcass with an at least partially circular cross-section particularly large and on the one hand to create a particularly large sample space and at the same time to reduce the amount of material of the measuring cell to a particularly low level. Furthermore, it is preferred that the body of the measuring cell has at least one first passage opening, preferably with a rectangular cross section, which is arranged in a first outer wall section of the straight cylinder and starting from this first outer wall section perpendicular to the height of the straight cylinder in the direction of the first recess , Preferably up to a second outer wall portion opposite the first outer wall portion, preferably parallel to the plane-parallel portions of the outer wall extends. Thereby, a further material and thus weight entry is possible and at the same time given the opportunity to get laterally into the interior of the sample space.
Durch den weiten Temperatur- und Magnetfeldbereich, in dem das Miniatur-Dilatometer einsetzbar sein soll, ist die Materialauswahl sehr eingeschränkt, da sich dadurch spezielle Materialanforderungen an die Zelle ergeben. Daraus resultieren wiederum auch spezielle Anforderungen an ein Verfahren zur Herstellung einer Messzelle für ein derartiges Dilatometer. Es ist daher weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Dilatometers mit besonders geringen Fertigungstoleranzen bereitzustellen. Due to the wide temperature and magnetic field range in which the miniature dilatometer should be used, the choice of materials is very limited, as this results in special material requirements for the cell. This in turn also results in special requirements for a method for producing a measuring cell for such a dilatometer. It is therefore a further object of the invention to provide a method for producing a dilatometer with particularly low manufacturing tolerances.
Darüber hinaus können die bei einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld auftretenden Induktionsströme bei der Messung der Magnetostriktion im Zellmaterial zur Ausbildung eines magnetischen Moments führen, welches in Wechselwirkung mit dem äußeren Magnetfeld ein Drehmoment auf die beweglichen Teile der Messzelle ausübt. Dieses Drehmoment kann dazu führen, dass sich die Kondensatorplatten relativ zueinander bewegen, z.B. verkippen, was in einer Verfälschung des Messsignals resultieren kann. Es ist daher wünschenswert, die Messzelle für das Dilatometer aus einem Zellenmaterial geringerer Leitfähigkeit herzu- stellen, um zu ermöglichen, die genannten Induktionsströme so klein wie möglich zu halten. In addition, the induction currents occurring in the case of a time-varying magnetic field in the measurement of the magnetostriction in the cell material can lead to the formation of a magnetic moment which, in interaction with the external magnetic field, exerts a torque on the moving parts of the measuring cell. This torque can cause the capacitor plates to move relative to one another, e.g. tilt, which can result in a distortion of the measurement signal. It is therefore desirable to make the measuring cell for the dilatometer of a cell material of lower conductivity in order to make it possible to keep said induction currents as small as possible.
Außerdem sollte der Magnetostriktionskoeffizient des Materials möglichst gering sein, um zu verhindern, dass durch eine Magnetostriktion des Zellmaterials hervorgerufene unerwünschte Zelleffekte die Messwerte dominieren. In addition, the magnetostriction coefficient of the material should be as low as possible in order to prevent undesired cell effects caused by magnetostriction of the cell material from dominating the measured values.
Als besonders geeignetes Material zur Verwendung in einer Messzelle eines Miniatur- Dilatometers haben sich Kupfer-Beryllium-Legierungen gezeigt. Bevorzugt ist daher eine Ausführungsform des Miniatur-Dilatometers, bei welchem die Messzelle des Miniatur- Dilatometers zumindest teilweise eine Kupfer-Beryllium-Legierung mit einem Beryllium-Anteil
von 0,5 - 5 Gew.-%, bevorzugt 1 - 2,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 ,5 - 2 Gew.-%, insbesondere bevorzugt von 1 ,84 Gew.-% aufweist. Diese Legierung hat sich als besonders geeignet erwiesen, durch externe Einrichtungen temperaturstabilisierbar zu sein. Insbesondere bei höheren Temperaturen (T > 30 K) ergeben sich durch diese Legierung Vorteile, da deren Temperatur trotz der erhöhten thermische Relaxationszeit und der damit verbundenen stärkeren Temperaturempfindlichkeit der Zelle besonders gut durch eine externe Einrichtung zu stabilisieren ist. Bei einer Messung bei 300 K ist es bei einer Messzelle aus der genannten Kupfer-Beryllium-Legierung möglich, Zelle und Probe auf ± 0,01 K zu stabilisieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Miniatur-Dilatometers sind Längenänderungen der zu vermessenden, im Miniatur-Dilatometer angeordneten Probe über eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen der Probe und mindestens einer Kondensatorplatte, bevorzugt mittels einer Präzisionskapazitätsmessbrücke, bestimmbar. Dadurch können die bereits oben genannten besonders hohen maximalen Empfindlichkeiten AL/L von 10" 8 bis 10"10, bevorzugt von 10"9 bis 10"10erreicht werden. A particularly suitable material for use in a measuring cell of a miniature dilatometer copper-beryllium alloys have shown. Therefore, an embodiment of the miniature dilatometer in which the measuring cell of the miniature dilatometer is at least partially a copper-beryllium alloy having a beryllium content is preferred from 0.5 to 5 wt .-%, preferably 1 to 2.5 wt .-%, particularly preferably from 1, 5 to 2 wt .-%, particularly preferably from 1, 84 wt .-%. This alloy has proven to be particularly suitable to be temperature stabilized by external devices. In particular at higher temperatures (T> 30 K), this alloy offers advantages since its temperature can be stabilized particularly well by an external device despite the increased thermal relaxation time and the associated greater temperature sensitivity of the cell. With a measurement at 300 K, it is possible for a measuring cell made of the mentioned copper-beryllium alloy to stabilize the cell and sample to ± 0.01 K. In a further preferred embodiment of the miniature dilatometer, changes in length of the sample to be measured, arranged in the miniature dilatometer, can be determined via a change in the electrical capacitance between the sample and at least one capacitor plate, preferably by means of a precision capacitance measuring bridge. Thereby, the above-mentioned particularly high maximum sensitivities AL / L of 10 "8 to 10" 10, preferably are "9 to 10" by 10 reaches 10th
Um die Temperaturstabilität und insbesondere die Temperaturverteilung im Inneren der Messzelle (insbesondere während einer Messung) möglichst gleichmäßig einzustellen und/oder zu halten ist es vorteilhaft, die Messzelle in möglichst wenige Abschnitte zu unter- teilen, zwischen denen ein Temperaturausgleich erschwert wird. Grenzen zwischen einzelnen Abschnitten können beispielsweise Zwischenräume zwischen einzelnen Bauteilen oder veränderte Materialzusammensetzungen zwischen einzelnen Abschnitten sein. Um daraus resultierende Temperaturgradienten innerhalb der Messzelle zu reduzieren oder möglichst auszuschließen, ist der Korpus der Messzelle in einer bevorzugten Ausführungsform aus weniger als 8, bevorzugt weniger als 5, bevorzugt weniger als 3 Einzelteilen ausgebildet, besonders bevorzugt lediglich einteilig. Dadurch ist eine nochmals kompaktere Bauweise möglich. Das Teil/die Einzelteile ist/sind dabei bevorzugt so geformt, dass es/sie bevorzugt durch Fräsen und/oder Funken-Erosion herstellbar ist/sind. Durch die Fertigung des Korpus der Messzelle aus wenigen, besonders bevorzugt aus einem einzelnen Teil anstatt aus mehreren Teilen wie aus dem Stand der Technik bekannt, ergibt sich der Vorteil, dass bei der Fertigung weniger Fehler auftreten können. Bei mehreren Teilen ergibt sich für jedes Teil eine bestimmte Abweichung von den Sollmaßen. Auch wenn die jeweilige Fehlertoleranz gering ist, können sich bei einer Vielzahl von Bauteilen die jewei-
ligen Fehler zu einem vergleichsweise großen Fehler bzw. einer großen Abweichung vom Sollwert addieren. Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es demnach möglich die Fehlertoleranzen zu reduzieren. Demzufolge ist es möglich nach dem neuen Verfahren eine Zelle, bzw. einen Korpus mit besonders geringen Abweichungen von der Sollgeometrie zu fertigen. In einem solchen Korpus ist es daher möglich, die Kondensatorplatten exakt (d.h. mit einem geringeren Fehler) parallel auszurichten. In order to set and / or maintain the temperature stability and in particular the temperature distribution in the interior of the measuring cell as uniformly as possible (in particular during a measurement), it is advantageous to subdivide the measuring cell into as few sections as possible, between which temperature equalization is made more difficult. Boundaries between individual sections can be, for example, intermediate spaces between individual components or changed material compositions between individual sections. In order to reduce or exclude resulting temperature gradients within the measuring cell, the body of the measuring cell is formed in a preferred embodiment of less than 8, preferably less than 5, preferably less than 3 parts, more preferably only one piece. This makes a more compact design possible. The part (s) is / are preferably shaped so that it is / are preferably producible by milling and / or spark erosion. By manufacturing the body of the measuring cell from a few, more preferably from a single part instead of from several parts as known from the prior art, there is the advantage that fewer errors can occur during production. For several parts, there is a certain deviation from the nominal dimensions for each part. Even if the respective fault tolerance is low, with a large number of components, the respective incorrect error to a comparatively large error or a large deviation from the setpoint. Thus, in the manufacturing method of the present invention, it is possible to reduce the error tolerances. Consequently, according to the new method, it is possible to manufacture a cell or a body with particularly small deviations from the desired geometry. In such a body it is therefore possible to align the capacitor plates exactly (ie with a smaller error) in parallel.
Weiterhin bietet die Zelle der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit für Magnetostriktions- messungen geeignete Materialien aus einer besonders breiten Materialvielfalt auszuwählen. Durch die Auswahl besonders geeigneter Materialien wie z.B. der erwähnten Cu-Be-Furthermore, the cell of the present invention offers the possibility for magnetostriction measurements to select suitable materials from a particularly wide variety of materials. By selecting particularly suitable materials, e.g. the mentioned Cu loading
Legierung kann erreicht werden, dass die Auflösung bei Magnetostriktionsmessungen genauso gut wie die bei Messungen der thermischen Ausdehnung ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Messzellen, die beispielsweise zumindest teilweise aus Silber bestehen, tritt hingegen bei Magnetfeldsweeps vermehrt Rauschen auf, was die Ergebnisse Verfalsehen kann. Alloy can be achieved that the resolution in magnetostriction measurements is as good as that of measurements of thermal expansion. In the case of measuring cells known from the prior art, which are made, for example, at least partially of silver, on the other hand, increased noise occurs during magnetic field sweeps, which can be regarded as the result.
Weiter bevorzug ist eine Ausführungsform des Miniatur-Dilatometers bei dem in den Korpus Ringfedern, bevorzugt Blattfedern, integriert sind, welche bevorzugt gemeinsam mit dem Korpus einteilig ausgebildet sind. Durch diese einteilige Ausführung ist es möglich, dass auch die Temperatur der Federn schnell auf die Messtemperatur angepasst werden kann. Eine signifikant verzögerte Anpassung der Temperatur der Feder kann vermieden werden, da aufgrund der einstückigen Ausführungsform keine Barriere für einen Temperaturausgleich zwischen Korpus und Feder z.B. in Form eines Spalts oder einer Materialgrenze besteht. Wie bereits beschrieben bietet die Verwendung eines Miniatur-Dilatometers in einem PPMS- Gerät Vorteile. Dazu ist es jedoch notwendig, dass das Miniatur-Dilatometer besonders geringe Außenmaße aufweist, die eine Integration in einen dafür vorgesehenen Raum innerhalb des PPMS-Gerätes ermöglicht. Die Messzelle des Miniatur-Dilatometers weist daher bevorzugt einem Zellendurchmesser von unter 50 mm, bevorzugt unter 30 mm, besonders bevorzugt von 26 mm oder weniger auf, bevorzugt eine Bauhöhe von unter 50 mm, bevorzugt unter 30 mm, bevorzugt unter 25 mm, besonders bevorzugt von 21 mm oder weniger auf und weiter bevorzugt eine Breite von unter 50 mm, bevorzugt unter 30 mm, bevorzugt unter 25 mm, besonders bevorzugt von 20 mm oder weniger auf.
Die durch das neue Herstellungsverfahren in der Größe und der Masse auf ein Minimum reduzierte Messzelle weist in der Anwendung große Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Messzellen auf. Insbesondere ist durch die extreme Miniaturisierung, die Montage des Dilatometers auch bei begrenztem Raumangebot möglich. Die gesamte Masse der Messzelle kann durch die beschriebene Miniaturisierung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Dilatometern deutlich reduziert werden. Trotz der Reduzierung der Außenmaße ist es möglich, die Breite der Kondensatorplatten und somit zwangsläufig auch das damit verbundene Auflösungsvermögen vergleichsweise groß zu halten. Aufgrund der reduzierten Zellmasse und der Reduzierung auf wenige Einzelteile kann sich der thermi- sehe Gleichgewichtszustand deutlich schneller einstellen als in aus dem Stand der Technik bekannten Messzellen. Dies resultiert unter anderem aus der Verringerung der Anzahl von zwischen den einzelnen Bauteilen entstehenden Materialübergänge (z.B. Spalten), die einen ungehinderten Wärmetransport über die gesamte Messzelle behindern. Die Geschwindigkeit der Einstellung einer homogenen Temperatur innerhalb der Messzelle ist maßgeblich durch die Wärmeleitfähigkeit der Messzelle sowie deren Masse bestimmt. Wie bereits oben beschrieben wurde, sind gut wärmeleitfähige Materialien für dje Messzelle, wie z.B. die erwähnten Kupfer-Beryllium-Legierungen, bevorzugt. Zur besonders schnellen Einstellung einer homogenen Temperatur innerhalb der Messzelle ist weiter bevorzugt, dass die Messzelle besonders leicht ausgebildet ist, d.h. eine besonders geringe Masse aufweist. Bevorzugt ist daher, dass die Messzelle des Miniatur-Dilatometers ein Gewicht von weniger als 75 g, bevorzugt weniger als 50 g, besonders bevorzugt 42 g oder weniger aufweist. Next Favor is an embodiment of the miniature dilatometer in which in the body ring springs, preferably leaf springs, are integrated, which are preferably integrally formed together with the body. This one-piece design makes it possible for the temperature of the springs to be adapted quickly to the measuring temperature. A significantly delayed adjustment of the temperature of the spring can be avoided because due to the one-piece embodiment, there is no barrier for temperature compensation between the body and spring, for example in the form of a gap or a material boundary. As already described, the use of a miniature dilatometer in a PPMS device offers advantages. For this, however, it is necessary that the miniature dilatometer has particularly small outside dimensions, which allows integration into a designated space within the PPMS device. The measuring cell of the miniature dilatometer therefore preferably has a cell diameter of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, particularly preferably 26 mm or less, preferably a construction height of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably of 21 mm or less and more preferably a width of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably 20 mm or less. The measuring cell, which has been reduced to a minimum in size and mass by the new production method, has great advantages in terms of its application in comparison with the measuring cells known from the prior art. In particular, the extreme miniaturization, the installation of the dilatometer even with limited space available. The entire mass of the measuring cell can be significantly reduced by the described miniaturization compared to known from the prior art dilatometer. Despite the reduction of the outer dimensions, it is possible to keep the width of the capacitor plates and thus inevitably also the associated resolution power comparatively large. Due to the reduced cell mass and the reduction to a few individual parts, the thermal equilibrium state can be set much faster than in measuring cells known from the prior art. Among other things, this results from the reduction of the number of material transitions (eg gaps) arising between the individual components, which impede unimpeded heat transfer over the entire measuring cell. The speed of setting a homogeneous temperature within the measuring cell is largely determined by the thermal conductivity of the measuring cell and their mass. As already described above, highly thermally conductive materials for the measuring cell, such as the copper-beryllium alloys mentioned, are preferred. For particularly rapid adjustment of a homogeneous temperature within the measuring cell is further preferred that the measuring cell is particularly easily formed, that has a particularly low mass. It is therefore preferred that the measuring cell of the miniature dilatometer has a weight of less than 75 g, preferably less than 50 g, particularly preferably 42 g or less.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Apparaturen aus thermisch gut leitenden Materialien eignet sich die erfindungsgemäße Zelle daher sogar auch für Messungen der thermischen Ausdehnung, auch wenn die bevorzugt verwendete Kupfer-Beryllium- Legierung eine geringere thermische Leitfähigkeit als z.B. Silber oder Kupfer besitzt, wie es in anderen Apparaturen für derartige Messungen zum Einsatz kommt. Aufgrund der materialinhärenten Eigenschaften ist die verwendete Kupfer-Beryllium- Legierung für Messungen der Magnetostriktion besonders geeignet. Somit ist es mit einem solchen Dilatometer erstmals möglich, sowohl Messungen der Magnetostriktion als auch der thermischen Ausdehnung in der oben genannten Auflösung in einem Gerät durchzuführen. Die Messauflösung ist wesentlich von der Größe der Kondensatorplatten abhängig, da deren
Radius in zweiter Potenz in die Berechnung der Kapazität einfließt. Da durch das neue Herstellungsverfahren bei besonders geringen Außenmaßen der Messzelle ein vergleichsweise großer Innenraum geschaffen werden kann, sind die außerordentlich hohen Auflösungen von AUL von 10~8 - 10"10 oder sogar 10"9 - 10"10 realisierbar. Wie im Folgenden beschrieben ist, sind typische Werte für die mit einer Messzelle der vorliegenden Erfindung gemessenen Längenänderungen einer Probe 0.05 A (0.05 x 10"10m) bei einer Probengröße von L = 5 mm. In contrast to the known from the prior art apparatuses of thermally highly conductive materials, the cell of the invention is therefore even suitable for measurements of thermal expansion, even if the preferred copper-beryllium alloy has a lower thermal conductivity than, for example, silver or copper , as used in other apparatus for such measurements. Due to its intrinsic properties, the copper-beryllium alloy used is particularly suitable for measurements of magnetostriction. Thus, with such a dilatometer, it is possible for the first time to carry out measurements of the magnetostriction as well as of the thermal expansion in the abovementioned resolution in one device. The measurement resolution is significantly dependent on the size of the capacitor plates, as their Radius in the second power is included in the calculation of the capacity. Since a comparatively large internal space can be created by the new production method with particularly small external dimensions of the measuring cell, the extraordinarily high resolutions of AUL of 10 8 - 10 10 or even 10 9 - 10 10 can be realized, as described below , typical values for the measured with a measuring cell of the present invention, changes in length of a sample of 0.05 a (0.05 x 10 "10 m) at a sample size of L = 5 mm.
Bevorzugt ist das Miniatur-Dilatometer in einem Kapazitätsbereich nutzbar, welcher einen Kapazitätsbereich 1 - 250 pF, bevorzugt von 5 - 50 pF, bevorzugt von 20 - 25 pF ein- schließt. Die Kondensatorplatten können dabei auf verschiedene Arten mit dem Korpus verbunden sein. Alternativ zum Verschrauben ist beispielsweise auch ein Verkleben möglich. Aber auch alle anderen Arten von Verbindungen sind theoretisch denkbar. Durch das Einkleben der Kondensatorplatten kann der Hintergrund der jeweiligen Messungen weiter reduziert werden und somit die Kalibrierung der Zelle noch einfacher und genauer durchgeführt werden. Preferably, the miniature dilatometer can be used in a capacity range which includes a capacity range of 1 to 250 pF, preferably of 5 to 50 pF, preferably of 20 to 25 pF. The capacitor plates can be connected in various ways with the body. Alternatively, for screwing, for example, a bonding is possible. But all other types of connections are theoretically conceivable. By gluing the capacitor plates, the background of the respective measurements can be further reduced and thus the calibration of the cell even easier and more accurate.
Die besonders hohe Auflösung von AUL von 10"8 - 10"10 und bevorzugt sogar 10"9 - 10'10 ist ein weiterer positiver Aspekt der vorliegenden Erfindung. Sie wird maßgeblich durch den Abstand der Kondensatorplatten voneinander und den Durchmesser der jeweiligen Konden- satorplatte bestimmt. Durch das neue Herstellungsverfahren ist es möglich, dass die Breite der Zelle fast ausschließlich durch die Breite der Kondensatorplatte bestimmt wird. Somit ist basierend auf der kapazitiven Messmethode derzeit bei vorgegebener maximaler Messzellengröße (z.B. durch die Dimension des entsprechenden Rums in einem PPMS-Gerät) keine höhere Auflösung erreichbar. The particularly high resolution of AUL of 10 " 8-10 " 10 and preferably even 10 " 9-10 10 is another positive aspect of the present invention, which is determined by the distance of the capacitor plates from each other and the diameter of the respective capacitor plate Due to the new manufacturing process, it is possible that the width of the cell is determined almost exclusively by the width of the capacitor plate.Thus, based on the capacitive measuring method is currently at a given maximum measuring cell size (eg by the dimension of the corresponding rum in a PPMS device ) no higher resolution achievable.
Die Auflösung ist abhängig von der einstellbaren Messkapazität. Insbesondere ist sie proportional zum Quadrat der Messkapazität. Die Messzelle der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise bei einer Messkapazität von ungefähr 25 pF betrieben werden. Dadurch ist beispielsweise bei einer Messkapazität von 25 pF die Auflösung 625/25, also ungefähr um den Faktor 40 besser als bei einer Messzelle, die bei einer Kapazität von 5 pF betrieben wird. The resolution depends on the adjustable measuring capacity. In particular, it is proportional to the square of the measurement capacity. For example, the measuring cell of the present invention may be operated at a measuring capacity of approximately 25 pF. Thus, for example, with a measuring capacity of 25 pF, the resolution is 625/25, which is about 40 times better than that of a measuring cell operated at a capacitance of 5 pF.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Messzelle des Miniatur-Dilatometers in standardisierte Messsysteme integrierbar ist, insbesondere in ein Physical Property Measurement System®, der Firma Quantum Design. Dadurch ist eine besonders genaue Einstellung, Aufrechterhai-
tung und Veränderung der Messbedingungen sowie eine genaue Erfassung der Messergebnisse möglich. Furthermore, it is preferred that the measuring cell of the miniature dilatometer can be integrated in standardized measuring systems, in particular in a Physical Property Measurement System® , the company Quantum Design. This is a particularly accurate attitude, upright tion and change of the measuring conditions as well as an exact recording of the measuring results.
Zur genauen Temperaturüberwachung ist weiter bevorzugt, dass in den Korpus der Messzel- le ein Thermoelement integrierbar ist oder dieses im Inneren des Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften in unmittelbarer Nähe zum Korpus der Messzelle anordenbar ist. Insbesondere durch die Ausführungsform bei der ein Thermoelement in den Korpus der Messzelle integrierbar ist, ist ein besonders guter Temperaturübergang zwischen der Probe und dem Thermoelement möglich, so dass mit einer besonders geringen Anzahl von Barrie- ren, die einer gleichmäßigen Temperaturverteilung entgegenstehen würden, die Temperatur der Probe direkt im Messsystem und während der Messung erfasst und aufgezeichnet werden kann. For precise temperature monitoring, it is further preferred that a thermocouple can be integrated into the body of the measuring cell or that it can be arranged in the interior of the device for measuring physical properties in the immediate vicinity of the body of the measuring cell. In particular, by the embodiment in which a thermocouple is integrated into the body of the measuring cell, a particularly good temperature transition between the sample and the thermocouple is possible, so that ren with a very small number of Barrie- that would prevent a uniform temperature distribution, the temperature the sample can be recorded and recorded directly in the measuring system and during the measurement.
Bevorzugt werden als Temperatursensoren in dem Miniatur-Dilatometer Sensoren mit Res- ponsezeiten < 50 ms, bevorzugt < 25 ms, bevorzugt < 15 ms, bevorzugt < 10 ms, bevorzugt < 5 ms, bevorzugt < 2,5 ms, besonders bevorzugt bei ungefähr 1 ,5 ms oder weniger bei 4 K und < 150 ms, bevorzugt < 100 ms, bevorzugt < 75 ms, besonders bevorzugt von ungefähr 50 ms oder weniger oberhalb einer Temperatur von 77 K verwendet. Diese schnellen Res- ponsezeiten erlauben eine besonders akkurate Erfassung und ggf. Anpassung der Tempera- tur. Bevorzugt ist, dass die Schwankungen in der Temperaturregelung (z.B. durch die oben beschriebenen Maßnahmen) selbst bei hohen Temperaturen (z.B. > 50 K) weniger als 1 mK betragen. Preferred temperature sensors in the miniature dilatometer are sensors with response times <50 ms, preferably <25 ms, preferably <15 ms, preferably <10 ms, preferably <5 ms, preferably <2.5 ms, particularly preferably about 1 , 5 ms or less at 4 K and <150 ms, preferably <100 ms, preferably <75 ms, more preferably used by about 50 ms or less above a temperature of 77 K. These fast response times allow a particularly accurate detection and, if necessary, adjustment of the temperature. It is preferred that the variations in temperature control (e.g., by the above-described measures) be less than 1 mK even at high temperatures (e.g.,> 50K).
Neben der bereits oben erwähnten schnellen Responsezeit des Sensors ist es für einen Sensor, z.B. ein Sensor eines Thermoelements, welcher in einer derartigen Apparatur verwendet wird, vorteilhaft, wenn die Beeinträchtigung des Sensors durch äußere Magnetfelder gering ist. Bevorzugt ist die Beeinträchtigung so gering, dass daraus möglicherweise entstehende Messfehler vernachlässigbar sind. Wenn diese o.g. Bedingungen gemeinsam erfüllt sind, ist ein Thermometer sowohl für Temperatur- als auch für Magnetfeldsweeps besonders gut geeignet. In addition to the sensor's fast response time already mentioned above, it is useful for a sensor, e.g. a sensor of a thermocouple, which is used in such an apparatus, advantageous if the deterioration of the sensor by external magnetic fields is low. Preferably, the impairment is so low that possibly resulting measurement errors are negligible. If these o.g. Conditions are met, a thermometer is particularly well suited for both temperature and magnetic field sweeps.
Bevorzugt wird ein Miniatur-Dilatometers nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe verwendet.
Wie aus den oben beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich ist, kann es sich äußerst schwierig gestalten, ein solches Miniatur-Dilatometer herzustellen. Es ist daher auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers bereitzu- stellen. Preferably, a miniature dilatometer is used according to one of the embodiments described above for the capacitive measurement of the thermal expansion and / or the magnetostriction of a sample. As can be seen from the embodiments described above, making such a miniature dilatometer can be extremely difficult. It is therefore also an object of the invention to provide a method for producing a miniature dilatometer.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers gelöst, bei dem der Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers aus weniger als 5 Einzelteilen zusammengesetzt wird, welche durch Fräsen und/oder Funken-Erosion hergestellt werden. This object is achieved by a method of manufacturing a miniature dilatometer in which the body of the measuring cell of the miniature dilatometer is composed of less than 5 individual parts, which are produced by milling and / or spark erosion.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers, bei dem der Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers aus einem einzigen Teil besteht, welcher durch Fräsen und/oder Funken-Erosion hergestellt wird. Das Verfahren zur Herstellung des Korpus erfordert besondere Verfahrensschritte, die die Fertigung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erschweren. Insbesondere aufgrund der zusätzlichen Miniaturisierung ist besondere Sorgfalt notwendig. Eine große Schwierigkeit besteht z.B. darin den Erodierdraht derart einzuspannen und zu führen, dass alle Schlitze und Aussparungen im Korpus den Anforderungen entsprechend erstellt werden können. Preferred is a method for producing a miniature dilatometer, wherein the body of the measuring cell of the miniature dilatometer consists of a single part, which is produced by milling and / or spark erosion. The process for the production of the body requires special process steps which make the production more difficult compared to processes known from the prior art. Especially due to the additional miniaturization special care is necessary. A great difficulty is e.g. to clamp and guide the erosion wire in such a way that all slots and recesses in the body can be created according to the requirements.
Um das genaue Materialabtragen durch Fräsen und/oder Funken-Erosion bei den verwendeten Materialien in der nötigen Präzision zu ermöglichen, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers bevorzugt, bei dem ein Materialstück, aus welchem der Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers oder die Teile des Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers hergestellt wird/werden vor dem Fräsen und/oder der Funken-Erosion über einen Zeitraum von 0,5 - 48 Stunden bei Temperaturen von 100 - 750°C, bevorzugt über einen Zeitraum von 1 - 5 Stunden bei Temperaturen von 250 - 500°C, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von 2 - 4 Stunden bei Temperaturen von 300 - 350°C, getempert wird/werden. In order to allow the exact removal of material by milling and / or spark erosion of the materials used in the necessary precision, a method for producing a miniature dilatometer is preferred in which a piece of material from which the body of the measuring cell of the miniature dilatometer or the parts of the body of the measuring cell of the miniature dilatometer is / are prepared before milling and / or the spark erosion over a period of 0.5 - 48 hours at temperatures of 100 - 750 ° C, preferably over a period of 1 - 5 hours at temperatures of 250 - 500 ° C, more preferably over a period of 2 - 4 hours at temperatures of 300 - 350 ° C, annealed / are.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft ein Miniatur- Dilatometer dargestellt ist. Bauteile des Miniatur-Dilatometers, welche in den Figuren wenigs-
tens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen. Further advantages, objects and features of the present invention will be explained with reference to the following description of the appended drawing, in which an example of a miniature dilatometer is shown. Components of the miniature dilatometer, which in the figures At least substantially coincide in terms of their function, this can be characterized by the same reference numerals, these components need not be quantified and explained in all figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 : ein Dilatometer nach dem Stand der Technik; Fig. 1: a dilatometer according to the prior art;
Fig. 2: weitere Darstellungen des in Fig. 1 dargestellten Dilatometers in einer Seitenansicht (links) und Explosionsdarstellung (rechts); 2 shows further views of the dilatometer shown in FIG. 1 in a side view (left) and exploded view (right);
Fig. 3: eine Darstellung einer gegenüber dem Stand der Technik in der Bauhöhe verringerten Messzelle (links) und eine Ausführungsform einer aus besonders wenigen Einzelteilen bestehenden Messzelle (rechts); 3 shows an illustration of a measuring cell which has been reduced in height compared with the prior art (left) and an embodiment of a measuring cell (right) consisting of particularly few individual parts;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung mit Inhomogenitäten an den Rändern der Kondensatorplatten; 4 shows a schematic representation of a capacitor arrangement with inhomogeneities at the edges of the capacitor plates;
Fig. 5: eine Darstellung eines Messaufbaus zum Funktionstest (links) und einen Vergleich von ermittelten Messwerten mit berechneten Werten (rechts); 5 shows an illustration of a measurement setup for the function test (left) and a comparison of determined measured values with calculated values (right);
Fig. 6: Ergebnisse der Bestimmung der Federkonstanten des Dilatometers (links) und die ermittelte bei Arbeitskapazitäten von 20 - 25 pF auf die Probe wirkende Kraft (rechts); Fig. 6: Results of the determination of the spring constant of the dilatometer (left) and the determined force acting on the sample at working capacities of 20 - 25 pF (right);
Fig. 7: eine schematische Darstellung eines PPMS-Gerätes (links) und einen Messaufbau mit Dilatometereinsatz und Messcomputer (rechts); 7 shows a schematic representation of a PPMS device (left) and a measurement setup with dilatometer insert and measuring computer (right);
Fig. 8: einen Messstab zur Einführung in ein PPMS-Gerät mit Dilatometereinsatz, thermisch leitenden Federn zur thermischen Ankopplung an das PPMS-Gerät und Messanschlüssen für Kapazitäts- und Temperaturmessungen (unten) und einen Ausschnitt aus dem Messstab mit einer Zelle des Dilatometereinsatzes einschließlich des Temperatursensors (durch weißes Rechteck hervorgehoben) (oben);
Fig. 9: einen Vergleich zwischen Messwerten der relativen Ausdehnung AL/L und Literaturwerten der relativen Ausdehnung AL/L einer Kupferprobe; Fig. 8: a dipstick for insertion into a PPMS device with Dilatometereinsatz, thermally conductive springs for thermal coupling to the PPMS device and measuring connections for capacitance and temperature measurements (below) and a section of the dipstick with a cell of the Dilatometereinsatzes including Temperature sensor (highlighted by white rectangle) (top); 9 shows a comparison between measured values of the relative expansion AL / L and literature values of the relative extent AL / L of a copper sample;
Fig. 10: einen Vergleich zwischen Messwerten der relativen Ausdehnung AL/L und Literaturwerten der relativen Ausdehnung AL/L einer Silberprobe; 10 shows a comparison between measured values of the relative expansion AL / L and literature values of the relative extension AL / L of a silver sample;
Fig. 11 : einen Vergleich des Ausdehnungskoeffizienten a zwischen Messwerten und Literaturwerten der relativen Ausdehnung einer Silberprobe; 11 shows a comparison of the expansion coefficient a between measured values and literature values of the relative extent of a silver sample;
Fig. 12: eine Darstellung des relativen Fehlers zwischen Messwerten und Literaturwerten der relativen Ausdehnung AL/L einer Silberprobe (links) und des Ausdehnungskoeffizienten a (rechts); 12 shows a representation of the relative error between measured values and literature values of the relative extension AL / L of a silver sample (left) and of the expansion coefficient a (right);
Fig. 13: eine Darstellung der Ergebnisse einer Messung der Ausdehnung AL einer Kupferprobe im Temperaturbereich von 9,5 - 10 K; 13 shows a representation of the results of a measurement of the extent AL of a copper sample in the temperature range from 9.5 to 10 K;
Fig. 14: eine perspektivische Darstellung eines Korpus einer Messzelle; und FIG. 14 is a perspective view of a body of a measuring cell; FIG. and
Fig. 15: perspektivische Darstellungen eines Korpus einer Messzelle (rechts oben und rechts unten) sowie schematische Aufsichten und/oder Schnittzeichnungen eines Korpus einer Messzelle; FIG. 15 shows perspective views of a body of a measuring cell (top right and bottom right) and schematic plan views and / or sectional drawings of a body of a measuring cell; FIG.
In den Fig. 1 und 2 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes miniaturisiertes Dilatometer speziell für Tieftemperaturmessungen in verschiedenen Ansichten dargestellt. Bei einem derartigen Dilatometer wird eine Probe 104 zwischen einer Plattform des beweglichen Zellteils 106 und einem mit einem Zellrahmen 103 verbundenen Stempel 102 angeordnet. Dieser kann mittels einer Einstellschraube 101 bewegt werden, wodurch die Probe fixiert werden kann. Bei einer Änderung der Länge der Probe verschiebt sich der bewegliche Teil der Zelle um den Betrag dieser Längenänderung, wodurch auch die damit verbundene obere Kondensatorplatte 107 verschoben wird. Dies führt zu einer Abstandsänderung dieser oberen Kondensatorplatte 107 gegenüber der fest am Zellrahmen montierten unteren Kondensatorplatte 108. Um auch während des Verschiebens der Kondensatorplatten 107 eine parallele Ausrichtung dieser gegenüber der unteren Kondensatorplatte 108 zu gewährleisten, ist der bewegliche Teil mit zwei Ringfedern 105 mit dem Zellrahmen verbunden. Durch die Parallel-
geometrie soll es möglich sein, dass sich der Rahmen in vertikaler Richtung bewegen, jedoch möglichst nicht verkippen bzw. sich neigen kann. Die Kondensatorplatten 107, 108 selbst sind elektrisch isolierend in ihre jeweiligen Rahmenstücke eingepasst. Auf Höhe der unteren Kondensatorplatte 108 kann der Zellrahmen getrennt werden. Dies erlaubt eine Aus- richtung der Platten 107, 108 relativ zu ihren Rahmenstücken. Durch Läppen der in den Rahmenstücken eingebauten Platten 107, 108 wird eine einheitliche Oberflächenebene von Kondensatorplatte 107, 108 und Rahmen 103 geschaffen, so dass sich die Kondensatorplatten 107, 108 nach dem Zusammenbau der Zelle in einer möglichst planparallelen Position befinden. Referring to Figures 1 and 2, a miniaturized dilatometer known from the prior art is shown specifically for cryogenic measurements in various views. In such a dilatometer, a sample 104 is placed between a platform of the movable cell part 106 and a punch 102 connected to a cell frame 103. This can be moved by means of an adjusting screw 101, whereby the sample can be fixed. When changing the length of the sample, the movable part of the cell shifts by the amount of this change in length, whereby the upper capacitor plate 107 connected thereto is also displaced. This leads to a change in the distance of this upper capacitor plate 107 with respect to the fixedly mounted on the cell frame lower capacitor plate 108. In order to ensure a parallel alignment of these opposite the lower capacitor plate 108 during the displacement of the capacitor plates 107, the movable part with two annular springs 105 with the cell frame connected. Through the parallel geometry, it should be possible for the frame to move in the vertical direction, but preferably not to tilt or tilt. The capacitor plates 107, 108 themselves are electrically insulating fitted in their respective frame pieces. At the level of the lower capacitor plate 108, the cell frame can be separated. This allows alignment of the plates 107, 108 relative to their frame pieces. By lapping the plates 107, 108 installed in the frame pieces, a uniform surface plane of the capacitor plate 107, 108 and frame 103 is created so that the capacitor plates 107, 108 are in a plane-parallel position after assembly of the cell.
Die in Fig. 1 gezeigte Zelle ist so konstruiert, dass im entspannten Zustand ein Plattenabstand von 0,25 mm erzielt wird, was einer "Leerkapazität" (Kapazität ohne das Einbringen eine Probe) von 5,4 pF entspricht. Für einen Probeneinbau ist es notwendig, dass mittels der Einstellschraube 101 der Plattenabstand soweit verringert wird, dass man eine Arbeitskapa- zität von 20 pF erhält. Änderungen dieser Arbeitskapazität - und somit Längenänderungen der zu vermessenden Probe - können dann im Verlauf einer Messung detektiert werden. Im gezeigten Beispiel ist (z.B. mit einer Messbrücke AH 2450 der Fa. Andeen Hagerling) eine Auflösung von etwa 10"7 pF möglich. Ein analoges Verfahren zur Bestimmung von Längenänderungen ist von Pott und Schefzyk in J. Phys. E: Sei. Instrum., Vol. 16, 1983 angedacht. The cell shown in Fig. 1 is designed to achieve 0.25 mm plate spacing in the relaxed state, which corresponds to an "empty capacity" (capacity without sample introduction) of 5.4 pF. For a sample installation, it is necessary that the plate spacing is reduced by means of the adjusting screw 101 to a working capacity of 20 pF. Changes in this working capacity - and thus changes in length of the sample to be measured - can then be detected in the course of a measurement. In the example shown, a resolution of approximately 10.sup.- 7 pF is possible (for example with a measuring bridge AH 2450 from Messrs. Andeen Hagerling) An analogous method for determining changes in length is described by Pott and Schefzyk in J. Phys E: Instrum. , Vol. 16, 1983.
Der Korpus der Zelle, der z.B. bei dem aus dem Stand der Technik und in Fig. 1 und 2 gezeigten Dilatometer aus mindestens 8 Einzelteilen zusammengesetzt ist, ist bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung bevorzugt aus einem einzigen Stück ausgebildet, wie in Fig. 3 (rechts) dargestellt ist. Dadurch ist eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kompaktere Bauweise möglich. Der Korpus 50 beinhaltet hierbei den beweglichen Zellteil, die Ringfedern, sowie einen Teil des Zellrahmens (vgl. Fig. 2, alle Teile jeweils innerhalb des weißen Rechtecks). The body of the cell, e.g. in the dilatometer shown in the prior art and shown in Figs. 1 and 2 is composed of at least 8 individual parts, in the subject of the present invention is preferably formed from a single piece, as shown in Fig. 3 (right). As a result, a significantly more compact compared to the prior art construction is possible. The body 50 in this case contains the movable cell part, the ring springs, as well as a part of the cell frame (see Fig. 2, all parts in each case within the white rectangle).
Insbesondere sind in dem gefertigten Korpus 50 die Ringfedern bereits mit enthalten, was es erforderlich macht, den CuBe-Block vor der Fertigung zu tempern. Dadurch kann die Vi- ckershärte des Materials um einen Faktor zwischen 1 ,5 und 5, bevorzugt etwa um den Faktor 3 erhöht werden, wodurch die notwendige Stabilität bei gleichzeitiger hoher Elastizität der für eine parallele vertikale Verschiebung des beweglichen Teils gegenüber dem Zellrahmen notwendigen Federn gewährleistet werden.
Im Vergleich zur einer aus dem Stand der Technik bekannten Zelle, wie sie in Fig. 3 links gezeigt ist, kann man erkennen, dass die Größe der Zelle deutlich reduziert ist. Insbesondere ist es möglich, die Zellbreite 16 zu reduzieren, wodurch der Einbau einer solchen Zelle in einen Multifunktionseinsatz eines PPMS-Gerätes ermöglicht wird. Bei einem Zellendurchmesser von 26 mm konnte eine Bauhöhe 8 von 21 mm und eine Breite 16 von 20 mm realisiert werden. Dabei war es möglich, trotz dieser Reduzierung der Abmessungen, eine Stabilität und Funktionalität der im Korpus 50 enthaltenen Federn zu gewährleisten, die für die Funktion der Messzelle notwendig sind. In particular, in the fabricated body 50, the ring springs are already included, which makes it necessary to anneal the CuBe block prior to fabrication. As a result, the Vickers hardness of the material by a factor between 1, 5 and 5, preferably increased by about a factor of 3, whereby the necessary stability while ensuring high elasticity of the necessary for a parallel vertical displacement of the movable member relative to the cell frame springs become. Compared to a cell known from the prior art, as shown on the left in FIG. 3, it can be seen that the size of the cell is significantly reduced. In particular, it is possible to reduce the cell width 16, thereby enabling the incorporation of such a cell into a multifunctional insert of a PPMS device. With a cell diameter of 26 mm, a height 8 of 21 mm and a width 16 of 20 mm could be realized. It was possible, despite this reduction in dimensions, to ensure stability and functionality of the springs contained in the body 50, which are necessary for the function of the measuring cell.
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung 60 mit Inhomogenitäten an den Rändern der Kondensatorplatten 61 und 62 gezeigt. Diese stellen eine mögliche Fehlerquelle bei der Messdatenermittlung dar. In einem idealen Plattenkondensator der Fläche A und des Plattenabstandes d gilt für die Kapazität FIG. 4 shows a schematic representation of a capacitor arrangement 60 with inhomogeneities at the edges of the capacitor plates 61 and 62. These represent a possible source of error in the measurement data determination. In an ideal plate capacitor of the area A and the plate spacing d, the capacity applies
C = e^A/d (2. 1 ) mit der elektrischen Feldkonstante θο = 8,8562 x 10"12 F/m, er als Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten befindlichen Mediums, A der Kondensatorfläche und d der Distanz zwischen den Kondensatorplatten 61 und 62. Im Kryostaten (Kontikryostaten) wird das Dila- tometer im Vakuum betrieben, so dass e^ = 1 gilt. Da an trockener Luft bei Raumtemperatur und einem Druck von 1 atm (1 ,0133 · 105 N/m2, 1 ,0133 bar) e^ einen Wert von 1.0006 besitzt, kann auch für Messungen außerhalb des Vakuums die oben genannte Gleichung herange- zogen werden. Im PPMS dient ein geringer Teil Helium mit einem Gasdruck von ca. 1 mbar als Austauschgas zur besseren thermischen Ankopplung der Probe. Auch in diesem Fall kann für er näherungsweise ein Wert von 1 angenommen werden, da sich die Korrekturen zu diesem Wert im gesamten Temperaturbereich von 2 - 300 K in der Größenordnung von 10"9 bewegen. C = e ^ A / d (2. 1) with the electric field constant θο = 8.8562 x 10 "12 F / m, he as the dielectric constant of the medium between the plates, A of the capacitor surface and d the distance between the capacitor plates 61 and 62. In the cryostat (continuous cryostat), the dilatometer is operated under vacuum so that e ^ = 1. In dry air at room temperature and a pressure of 1 atm (1, 0133 · 10 5 N / m 2 , 1 , 0133 bar) e ^ has a value of 1,0006, the above-mentioned equation can also be used for measurements outside of the vacuum In the PPMS, a small amount of helium with a gas pressure of about 1 mbar serves as replacement gas for better thermal coupling of the In this case, too, it can be assumed to be approximately a value of 1, since the corrections to this value are in the order of 10 "9 over the entire temperature range of 2 - 300 K.
Bei einer Dimensionierung der oberen, bevorzugt kleineren Kondensatorplatte 61 mit einem Radius (r) von bevorzugt weniger als 15 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, beispielsweise von 7 mm ergibt sich bei einer Änderung der Kapazität gegenüber dem Startwert C0 auf den Wert C eine Änderung des Abstandes um
Ad = ebp r2(C - C0)/(C - Co) (2.2) bzw. (mit zusammengefassten Konstanten) When dimensioning the upper, preferably smaller, capacitor plate 61 with a radius (r) of preferably less than 15 mm, preferably less than 10 mm, for example 7 mm, the capacitance changes from the starting value C 0 to the value C a Change of the distance around Ad = ebp r 2 (C - C 0 ) / (C - Co) (2.2) or (with combined constants)
Ad [1 CT6 cm] = -1 ,3898 · 105 pF · (C - C0)/(C · C0) (2.3) Ad [1 CT 6 cm] = -1, 3898 x 10 5 pF * (C-C 0 ) / (C * C 0 ) (2.3)
Das Minuszeichen entsteht, da sich der Plattenabstand d verringert, wenn sich die Probe ausdehnt. Die im Experiment gemessene Kapazität beträgt typischerweise einige zehn Piko- farad. The minus sign arises as the plate spacing d decreases as the sample expands. The capacitance measured in the experiment is typically a few tens pikfarad.
Die Gleichung 2.2 gilt nur für ideale Plattenkondensatoren. Für die real entwickelte Zelle der vorliegenden Erfindung ist es notwendig zusätzliche Korrekturfaktoren einzufügen, die Abweichungen vom idealen Verhalten ausgleichen. So ist es beispielsweise möglich, dass sich der Absolutwert der Kapazität durch Verzerrungen des elektrischen Feldes am Rande der Kondensatorplatten ändert. Die dadurch entstehende relative Kapazitätsabweichung beträgt nach Maxwell Equation 2.2 only applies to ideal plate capacitors. For the real developed cell of the present invention, it is necessary to include additional correction factors that compensate for deviations from ideal behavior. For example, it is possible that the absolute value of the capacitance changes due to distortions of the electric field at the edge of the capacitor plates. The resulting relative capacity deviation is according to Maxwell
AC/Co = w/r · d/(d + 0,22w) (2.4) wobei w den Abstand zwischen der oberen Platte und dem Schutzring darstellt (wie in Fig. 4 dargestellt). Mit einem Radius der oberen Platte von r = 7 mm, dem Abstand zwischen Führung und Plattenrand w = 0.05 mm und dem ermittelten Arbeitsabstand der Platten von z.B. d = 50 pm folgt daraus eine Abweichung AC/C0 von ca. 0,5%. Diese kann näherungsweise für den gesamten Temperaturbereich als konstant angenommen werden. AC / Co = w / r · d / (d + 0.22w) (2.4) where w represents the distance between the top plate and the guard ring (as shown in Fig. 4). With a radius of the upper plate of r = 7 mm, the distance between guide and plate edge w = 0.05 mm and the determined working distance of the plates of eg d = 50 pm, this results in a deviation AC / C 0 of about 0.5%. This can be assumed to be constant for the entire temperature range.
Des Weiteren können Korrekturen notwendig werden, die berücksichtigen, dass sich der Plattenradius r mit der Temperatur ändern könnte. Als korrekte Beziehung zur Ermittlung der Ausdehnung ergibt sich Furthermore, corrections may be necessary, taking into account that the plate radius r could change with temperature. The correct relationship for the determination of the expansion results
Ad = eop ^((C - C0)/(C · C)-(2 Ar/(r0 · C)) (2.5), mit ΔΓ/Γ0 als die aus der Literatur bekannte thermischen Ausdehnung des Plattenmaterials CuBe, bezogen auf 5 K. demnach ergibt sich für den maximalen Fehler über den gesamten Temperaturbereich ein Wert von ca. 1 %.
Den größten Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses haben minimale Fehlstellungen der in 2.2 als absolut parallel angenommenen Kondensatorplatten. Aufgrund der Abhängigkeit von 1/d in 2.1 ist bei gegenüber einander verkippten Kondensatorplatten die reale Längenänderung der Probe geringer als durch 2.2 berechnet. Die korrekte Beziehung lautet daher Ad = eop ^ ((C-C 0 ) / (C · C) - (2 Ar / (r 0 · C)) (2.5), with ΔΓ / Γ 0 as the thermal expansion of the plate material CuBe known from the literature, based on 5 K. Accordingly, results for the maximum error over the entire temperature range, a value of about 1%. The greatest influence on the accuracy of the measurement result has minimal misalignments of the capacitor plates assumed to be absolutely parallel in 2.2. Due to the dependence of 1 / d in 2.1, the real change in length of the sample is smaller than calculated by 2.2 in the case of capacitor plates tilted with respect to one another. The correct relationship is therefore
Ad = eoP^C - C0)/(C · C0)(1- OC0/Cmax 2) (2.6) Ad = eoP ^ C - C 0 ) / (C · C 0 ) (1-OC 0 / C max 2 ) (2.6)
Cma 2 kennzeichnet dabei eine Kurzschlusskapazität welche für die erfindungsgemäße Zelle experimentell ermittelt wurde. In Kombination mit der Arbeitskapazität C0 von ~ 20 pF, ergibt sich ein zusätzlicher Fehler von ca. 2,2 %. Um eine besonders gute Auflösung zu erhalten sollte die Arbeitskapazität C0 nicht zu klein gewählt werden, da das Auflösungsvermögen der Messzelle, d.h. die messbare Kapazitätsänderung bei gegebener Längenänderung C ma 2 indicates a short-circuit capacity which has been determined experimentally for the cell according to the invention. In combination with the working capacity C 0 of ~ 20 pF, this results in an additional error of approx. 2.2%. In order to obtain a particularly good resolution, the working capacity C 0 should not be chosen too small, since the resolution capacity of the measuring cell, ie the measurable change in capacitance for a given change in length
AC ~ AL'C0 2 quadratisch mit der Grundkapazität C0 wächst. Ein sehr groß gewähltes C0 würde wiederum einen größeren systematischen Fehler durch den Einfluss der Plattenver- kippung verursachen. Ein Wert für C0 in Höhe von etwa 20 pF hat sich in den durchgeführten Experimenten als geeigneter Kompromiss erwiesen. AC ~ AL'C 0 2 grows quadratically with the basic capacity C 0 . In turn, a very large C 0 would cause a larger systematic error due to the influence of plate tilting. A value for C 0 of about 20 pF has proved to be a suitable compromise in the experiments carried out.
Da die oben beschriebenen Fehler vergleichsweise klein und systematischer Natur sind, können sie durch eine Kalibrierung kompensiert werden und daher kann im Folgenden zur Berechnung der tatsächlichen Längenänderung die Gleichung 2.2 herangezogen werden. Since the errors described above are comparatively small and systematic in nature, they can be compensated for by a calibration, and therefore equation 2.2 can be used below to calculate the actual change in length.
Um die korrekte Funktionsweise des erfindungsgemäßen Dilatometers zu überprüfen, wurde zunächst unter Vernachlässigung von Effekten an den Plattenrändern die Gültigkeit von Beziehung 2.6 überprüft. Für die Messung der Längenänderung wurde eine handelsübliche Messuhr mit einer Auflösung von 1/ 00 mm verwendet. Wie in Fig. 5 links gezeigt, ist bei dem Messaufbau der Taster der Messuhr senkrecht auf der Oberseite des beweglichen Rahmenteils aufgesetzt. Beim Anziehen der Messschraube wird so die vertikale Verschiebung des beweglichen Teils der Zelle, inklusive der hiermit verbundenen oberen Kondensatorplatte, gemessen. Gleichzeitig kann die Änderung der Kapazität an der angeschlossenen Messbrücke beobachtet werden. Die Fig. 5 zeigt rechts den Vergleich dieser Messung und der aus Gleichung 2.6 berechneten Werte für unterschiedliche Kurzschlusskapazitäten. Wie der Figur zu entnehmen ist, stimmen die experimentell ermittelten Werte im Rahmen der Messgenauigkeit mit den für cmax = 150 pF berechneten Werten überein. Zwar ist die Ab-
lesegenauigkeit an der Messuhr mit bestenfalls 5 μιτι als relativ gering zu beurteilen, jedoch zeigt das Experiment, dass die gemessene Längenänderung bis auf ca. 3 % exakt ist. In order to check the correct functioning of the dilatometer according to the invention, the validity of relationship 2.6 was initially checked, neglecting effects on the plate edges. For measuring the change in length, a commercially available dial gauge with a resolution of 1/00 mm was used. As shown on the left in FIG. 5, the probe of the dial gauge is placed vertically on the upper side of the movable frame part in the measurement setup. When tightening the micrometer so the vertical displacement of the moving part of the cell, including the associated upper capacitor plate, measured. At the same time the change of the capacity at the connected measuring bridge can be observed. 5 shows on the right the comparison of this measurement and the values calculated from equation 2.6 for different short-circuit capacities. As can be seen from the figure, the experimentally determined values within the measurement accuracy agree with the values calculated for c max = 150 pF. Although the Reading accuracy of the dial gauge with 5 μιτι at best to assess as relatively low, however, the experiment shows that the measured change in length is accurate to about 3%.
Die Maximalkapazität kann zusätzlich näherungsweise überprüft werden, indem die Einstell- schraube vorsichtig bis zum Erreichen des Kurzschlusses angezogen wird. Die höchste davor erreichte Kapazität wird dabei notiert. Diese Vorgehensweise ist in gewisser Hinsicht willkürlich, da der Plattenabstand so nur mit begrenzter Genauigkeit eingestellt werden kann. Für die Messung der Kurzschlusskapazität muss jedoch ein infinitesimal kleiner Plattenabstand eingestellt werden. Der im Rahmen dieser Methode bestimmte Wert für Cmax betrug 130 pF, was den durch den einfachen Funktionstest ermittelten Wert von 150 pF bekräftigt. In addition, the maximum capacity can be approximately checked by carefully tightening the adjusting screw until the short-circuit is reached. The highest capacity reached before is recorded. This approach is in some ways arbitrary, since the plate spacing can be adjusted with only limited accuracy. However, to measure the short-circuit capacitance, an infinitesimal plate spacing must be set. The C max value determined for this method was 130 pF, confirming the value of 150 pF determined by the simple bump test.
Die Federn, bevorzugt Blattfedern des beweglichen Teils der Zelle, üben beim Einspannen eine Kraft auf die Probe aus, die zu einer Beeinflussung der Messparameter führen kann. Beispielsweise kann dies zu einer Verschiebung im T-P- Phasendiagramm führen. Es ist daher notwendig, die Kraftkonstante, der in der Zellkonstruktion verwendeten Blattfedern zu bestimmen. Dazu wird der bewegliche Zellrahmen mit Gewichten bis 150 g belastet und die dadurch hervorgerufene Verschiebung des beweglichen Zellteils anhand der resultierenden Kapazitätsänderung abgeschätzt. In Fig. 6 ist im linken Bereich die ermittelte lineare Beziehung zwischen der Längenänderung und der wirkenden Kraft dargestellt, aus welcher sich die Federkonstante von in diesem Beispiel D = 24291 Nm"' ergibt. Bei tiefen Temperaturen ändert sich der Elastizitätsmodul von Kupferlegierungen nur wenig. Daher kann dieser Wert auch für den späteren Betrieb im Kryostaten angenommen werden. The springs, preferably leaf springs of the movable part of the cell, exercise during clamping a force on the sample, which can lead to an influence on the measurement parameters. For example, this can lead to a shift in the TP phase diagram. It is therefore necessary to determine the force constant of the leaf springs used in the cell construction. For this purpose, the movable cell frame is loaded with weights of up to 150 g and the resulting displacement of the mobile cell part is estimated from the resulting change in capacitance. In FIG. 6, the left side of the determined linear relationship between the change in length and the acting force is shown, from which the spring constant of, in this example D = yields 24291 Nm " '. At low temperatures, the elastic modulus of copper alloys changes only slightly. Therefore, this value can also be assumed for later operation in the cryostat.
Im rechten Teil der Fig. 6 ist der Zusammenhang zwischen der eingestellten Kapazität und dem vorliegenden Plattenabstand bzw. der resultierenden Kraft dargestellt. Für den Arbeitsbereich der Zelle bieten sich Kapazitäten von 5 - 50 pF, bevorzugt beispielsweise von 20 - 25 pF an. 20 - 25 pF entsprechen einem Plattenabstand von 50 - 31 pm und einer Federkraft auf die Probe von ca. 3 N. Ein Aspekt der Erfindung ist die Möglichkeit, die Messzelle in standardisierte Messsysteme integrieren zu können. So bietet die Messzelle der vorliegenden Erfindung beispielsweise die Möglichkeit, in ein Gerät zur Messung physikalischer Eigenschaften wie z.B. ein Physical Property Measurement System (PPMS) der Firma Quantum Design integrierbar zu sein. Bei diesem System handelt es sich um eine speziell auf den automatisierten Ablauf von Mess-
Prozessen ausgelegte Apparatur, mit welcher beispielsweise kontinuierliche Temperaturs- weeps im Bereich von 5 bis 400 K möglich sind. Die tiefste, nicht kontinuierlich erreichbare Temperatur dieses Systems beträgt 2 K. Mittels eines supraleitenden Magneten können außerdem Feldstärken von bis über 5 T, bevorzugt bis über 7 T, bevorzugt bis über 8 T, be- sonders bevorzugt bis zu 9 T und mehr erreicht werden. In the right part of Fig. 6, the relationship between the set capacity and the present plate spacing or the resultant force is shown. Capacities of 5 to 50 pF, preferably for example 20 to 25 pF, are suitable for the working area of the cell. 20 - 25 pF correspond to a plate spacing of 50 - 31 pm and a spring force on the sample of approx. 3 N. One aspect of the invention is the possibility of being able to integrate the measuring cell into standardized measuring systems. For example, the measuring cell of the present invention offers the possibility of being able to be integrated into a device for measuring physical properties, such as a Quantum Design Physical Property Measurement System (PPMS). This system is specifically designed for the automated flow of measuring Process designed equipment with which, for example, continuous temperature weeps in the range of 5 to 400 K are possible. The lowest non-continuously attainable temperature of this system is 2 K. By means of a superconducting magnet, field strengths of more than 5 T, preferably more than 7 T, preferably more than 8 T, particularly preferably up to 9 T and more can be achieved ,
Wie in Fig. 7 links schematisch gezeigt ist, besteht die exemplarisch genannte Apparatur aus einer äußeren Schicht von superisolierendem Material. Innen schließt sich daran eine Schicht aus flüssigem Stickstoff an. Darauf folgt ein Vakuumbereich, welcher einen innenlie- genden Heliumtank umschließt und thermisch isoliert. Im Inneren des Heliumtanks befindet sich eine Kühlungsringkammer. As shown schematically on the left in FIG. 7, the exemplary apparatus consists of an outer layer of superinsulating material. Inside it is followed by a layer of liquid nitrogen. This is followed by a vacuum zone, which encloses an internal helium tank and thermally insulates. Inside the helium tank is a cooling ring chamber.
Im unteren Teil der Kühlungsringkammer ist eine Impedanz angeordnet, durch welche Helium gepumpt wird. Mittels eines Thermoelements, z.B. eines Heizers, ist die Temperatur des strömenden Heliums regelbar. Dadurch bzw. durch das Helium ist es möglich, die Probe auf die gewünschte Temperatur einzustellen. In the lower part of the Kühlringringkammer an impedance is arranged, through which helium is pumped. By means of a thermocouple, e.g. a heater, the temperature of the flowing helium is adjustable. As a result, or by the helium, it is possible to adjust the sample to the desired temperature.
Kommerziell ist eine Vielzahl von Messapplikationen für derartige Apparaturen wie z.B. das PPMS erhältlich. So sind bspw. bereits kalibrierte und einsatzfähige Einsätze zur Messung des Widerstandes und der spezifischen Wärme bekannt. Aufgrund der geringen Dimension des Bereiches, in dem eine Messzelle innerhalb einer derartigen Apparatur angeordnet werden kann und weiterer komplexer technischer Schwierigkeiten, ist kein Funktionseinsatz zur Messung der thermischen Ausdehnung und Magnetostriktion für eine derartige Apparatur, insbesondere für das o.g. PPMS-System bekannt, welcher die Auflösung ΔΙ_/Ι_ von Commercially, a variety of measurement applications for such apparatus, such as e.g. the PPMS available. Thus, for example, already calibrated and operational inserts for measuring the resistance and the specific heat are known. Due to the small dimension of the area in which a measuring cell can be arranged within such an apparatus and other complex technical difficulties, is not a functional use for measuring the thermal expansion and magnetostriction for such an apparatus, in particular for the o.g. PPMS system known which the resolution ΔΙ_ / Ι_ of
10"8 - 10"10 erreicht. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist es möglich, den inneren Bereich der Messzelle, in dem die Probe und die Kondensatorplatten angeordnet sind, bei vorgegebenen Außenmaßen besonders groß auszuführen. Insbesondere ist es dadurch möglich, die Kondensatorplatten größer als aus dem Stand der Technik für derartige in Messapparaturen integrierbare Systeme bekannt auszuführen. Dadurch ist eine wesentli- che Steigerung der Auflösung um einen Faktor > 10 möglich. Darüber hinaus bietet die platzsparende Ausführung des Korpus der Messzelle die Möglichkeit ein Thermoelement (z.B. ein Thermometer, eine Temperaturempfindliche Messzelle o.ä.) mit in die Messzelle zu integrieren, oder dieses in unmittelbarer Nähe zur Messzelle anzuordnen. Bevorzugt steht das Thermoelement direkt in Kontakt mit der Messzelle oder sogar der Probe, so dass die
Temperatur der Probe sehr genau bestimmt werden kann. Weiterhin kann sich das thermische Gleichgewicht dadurch schnell einstellen. Bei Dilatometern aus dem Stand der Technik, welche auch für die Anordnung innerhalb eines Multifunktionseinsatzes eines PPMS-Gerätes ausgelegt sind, ist dies nicht möglich. In der Praxis resultieren bei diesen Messzellen daher Unstimmigkeiten bei der Kalibration und der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. 10 "8 - 10 " 10 reached. By the manufacturing method according to the invention, it is possible to make the inner region of the measuring cell, in which the sample and the capacitor plates are arranged, particularly large at given external dimensions. In particular, this makes it possible to design the capacitor plates larger than known from the prior art for such systems that can be integrated into measuring apparatuses. As a result, a significant increase in the resolution by a factor> 10 is possible. In addition, the space-saving design of the body of the measuring cell offers the possibility of integrating a thermocouple (eg a thermometer, a temperature-sensitive measuring cell or similar) into the measuring cell or arranging it in the immediate vicinity of the measuring cell. Preferably, the thermocouple is in direct contact with the measuring cell or even the sample, so that the Temperature of the sample can be determined very accurately. Furthermore, the thermal balance can be adjusted quickly. In dilators of the prior art, which are also designed for the arrangement within a multifunctional use of a PPMS device, this is not possible. In practice, therefore, these measuring cells result in inconsistencies in the calibration and the reproducibility of the results.
Wie in Fig. 7 rechts gezeigt, ist es mit der vorliegenden Erfindung gelungen, einen Messplatz zur Dilatometrie mit einem PPMS-System als Kühleinheit bereitzustellen. Durch die besonders geringen Dimensionen der erfindungsgemäßen Messzelle konnte diese innerhalb eines käuflich erhältlichen Multifunktionseinsatzes angeordnet werden. As shown on the right in FIG. 7, the present invention has succeeded in providing a dilatometry measuring station with a PPMS system as a cooling unit. Due to the particularly small dimensions of the measuring cell according to the invention, these could be arranged within a commercially available multifunctional insert.
Fig. 8 zeigt einen Messstab zur Einführung in ein PPMS-Gerät mit Dilatometereinsatz, thermisch leitenden Federn zur thermischen Ankopplung an das PPMS-Gerät und Messanschlüssen für Kapazitäts- und Temperaturmessungen (unten) und einen Ausschnitt aus dem Messstab in dem die Zelle des Dilatometereinsatzes einschließlich des Temperatursensors (durch weißes Rechteck hervorgehoben) angeordnet ist (oben). Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist die Messzelle 50 im Messstab 70 anordenbar. Die Kondensatorplatten sind über je eine Koaxialleitung mit der Messbrücke verbunden, wobei zur effizienten Schirmung des Signals die Außenleiter mit der Masse - d.h. dem Zellkörper - verbunden sind. Um eine Erd- schleife zu vermeiden, erfolgt die Verbindung von den Platten zur Messbrücke nur direkt und damit ohne weiteren Kontakt. Aus diesem Grund wurde ein oberer Teil des Einsatzes aus Kunststoff gefertigt und so elektrisch vom Rest des Kryostaten isoliert. Ein unterer Abschnitt bzw. unterer Teil des Stabes weist spezielle Aussparungen auf, mittels welcher er in speziell dafür vorgesehene Pins im Probenraum einrasten kann, was eine verbesserte thermische Ankopplung an das Bad bzw. das umgebende Medium sicherstellt. Fig. 8 shows a dipstick for insertion into a PPMS instrument with dilatometer insert, thermally conductive springs for thermal coupling to the PPMS instrument and measuring connections for capacity and temperature measurements (bottom) and a section of the dipstick in which the cell of the dilatometer insert inclusive of the temperature sensor (highlighted by white rectangle) (top). As can be seen from this figure, the measuring cell 50 can be arranged in the measuring rod 70. The capacitor plates are each connected via a coaxial line to the measuring bridge, wherein for efficient shielding of the signal, the outer conductor with the ground -. the cell body - are connected. In order to avoid an earth loop, the connection from the plates to the measuring bridge takes place only directly and thus without further contact. For this reason, an upper part of the insert was made of plastic and thus electrically isolated from the rest of the cryostat. A lower portion or lower part of the rod has special recesses, by means of which it can engage in specially provided pins in the sample space, which ensures an improved thermal coupling to the bath or the surrounding medium.
Bei einer differentiellen Messmethode, wie z.B. der thermischen Ausdehnung, werden sowohl hohe Anforderungen an die Thermometrie als auch an die Thermalisierung der direkt ins Dilatometer eingebauten Probe gestellt. Vergoldete Federn 71 , die mit Hilfe eines Kup- ferblocks in geringem Abstand oberhalb der Zelle innerhalb des Multifunktionseinsatzes angeordnet sind (Fig. 8 oben), kontaktieren eine innere Wandung des Kühlringkanals und unterstützen damit zusätzlich die thermische Ankopplung der Zelle 50. Zusätzlich sind an mehreren Stellen des Stabes weitere Federn 72 oberhalb des Einsatzes platziert. Durch dieses ist es möglich, den Temperaturgradienten zwischen dem oberen Abschnitt des Stabes und
den Pins in gewünschter Weise zu beeinflussen. Insbesondere ist es möglich, den Temperaturgradienten vom Kopf des Stabes zu den Pins sukzessive abzuschwächen. In a differential measurement method, such as the thermal expansion, both high demands are placed on the thermometry and on the thermalization of the sample directly installed in the dilatometer. Gold-plated springs 71, which are arranged with the aid of a copper block at a small distance above the cell inside the multifunctional insert (FIG. 8, top), contact an inner wall of the cooling ring channel and thus additionally support the thermal coupling of the cell 50 Placing the rod further springs 72 placed above the insert. By this it is possible to measure the temperature gradient between the upper section of the bar and to affect the pins in the desired manner. In particular, it is possible to successively attenuate the temperature gradient from the head of the rod to the pins.
Zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Wärmeeinträgen durch die (z.B. von oben zur Messzelle führenden) Koaxialkabel wurden diese mehrmals um den Stab gewickelt. To avoid or at least reduce heat input through the coaxial cables (e.g., leading from top to the measuring cell), they were wound several times around the rod.
Die Temperaturbestimmung erfolgt im gesamten Messbereich z.B. mittels eines einzigen Thermometers bzw. Thermoelements oder einer entsprechenden Thermo-Messzelle. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Cernox-Widerstandsthermometer der Firma LakeShore oder ähnliche Geräte handeln. Wie in Fig. 8 im oberen Teil gezeigt, ist dieses in einer bevorzugten Ausführungsform direkt auf dem Kopf der Zelle in einer dafür vorgesehenen Ausbuchtung in unmittelbarer Nähe zur Probe angeordnet. Cernox-Thermometer sind besonders bevorzugt, da sie in einem Temperaturbereich von 100 mK bis 420 K einsetzbar sind. Somit sind sie für viele Messanwendungen in einem sehr großen Temperaturbereich einsetzbar. The temperature is determined over the entire measuring range, e.g. by means of a single thermometer or thermocouple or a corresponding thermo-measuring cell. This may be, for example, a Cernox resistance thermometer from LakeShore or similar devices. As shown in Fig. 8 in the upper part, this is arranged in a preferred embodiment directly on the head of the cell in a designated bulge in close proximity to the sample. Cernox thermometers are particularly preferred since they can be used in a temperature range from 100 mK to 420 K. Thus, they can be used for many measurement applications in a very wide temperature range.
Neben den bereits genannten Materialien kommen in einem erfindungsgemäßen Dilatometer weitere unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz. Die Kombination verschiedener Materialien führt zu einem Hintergrundeffekt für die Messzelle, welcher die Messergebnisse beeinflussen kann. Um diese Beeinflussung möglichst gering zu halten, werden die weiteren verwendeten Materialien so ausgewählt, dass die zu erwartende Beeinflussung möglichst gering ist. Bevorzugt werden beispielsweise Unterlegscheiben aus Saphir verwendet. Als Material für Isolationshüllen sind z.B. Polyimide wie z.B. Vespel® bevorzugt. Diese sind besonders für extreme thermische, elektrische und mechanische Belastungen geeignet. Es sind jedoch auch andere Materialien denkbar, sofern sie den erforderlichen Belastungen gewachsen sind. In addition to the materials already mentioned, further different materials are used in a dilatometer according to the invention. The combination of different materials leads to a background effect for the measuring cell, which can influence the measurement results. In order to keep this influence as low as possible, the other materials used are selected so that the expected influence is as small as possible. For example, sapphire washers are preferably used. As a material for insulation sheaths, for example, polyimides such as Vespel ® are preferred. These are particularly suitable for extreme thermal, electrical and mechanical loads. However, other materials are conceivable as long as they can cope with the required loads.
Der u.a. durch die o.g. Materialkombinationen hervorgerufene Hintergrundeffekt für die Messzelle (Zelleffekt, Zellhintergrund) wird für den gesamten Temperaturbereich bestimmt. Die gemessene Längenänderung ALgem Probe ist die Differenz aus der tatsächlichen Längenänderung der Probe ALProbe und der Längenänderung der Zelle ALZel,e. The background effect for the measuring cell (cell effect, cell background) caused by the material combinations mentioned above is determined for the entire temperature range. The measured change in length AL gem sample is the difference between the actual change in length of the sample AL sample and the change in length of the cell AL Zel, e .
ALgem Probe = ALProbe - ALZelle (2.7) AL gem sample = AL sample - AL cell (2.7)
Da die Längenänderung von Kupfer sehr eingehend untersucht wurde und aus der Literatur bekannt ist, wurde Kupfer als Material für eine Bestimmung des Zelleffekts ausgewählt. Be-
vorzugt ist hochreines Kupfer mit mindestens 99,9% Reinheit, bevorzugt mindestens 99,99% Reinheit, besonders bevorzugt mindestens 99,999% Reinheit. Mit einer Eichprobe bzw. Kalibrierprobe, bevorzugt aus Kupfer wie oben beschrieben, kann der Zelleffekt durch Vergleich mit der aus der Literatur bekannten Längenänderung von Kupfer im betrachteten Temperaturbereich bestimmt werden. Since the change in length of copper has been studied extensively and is known from the literature, copper was selected as the material for determining the cell effect. loading Preferred is highly pure copper with at least 99.9% purity, preferably at least 99.99% purity, more preferably at least 99.999% purity. With a calibration sample or calibration sample, preferably of copper as described above, the cell effect can be determined by comparison with the known from the literature change in length of copper in the temperature range considered.
ALZelle = ALLit Cu - ALgem Cu (2.8) Die tatsächliche Probenausdehnung läßt sich demnach berechnen durch AL cell = AL Lit Cu - AL gem Cu (2.8) The actual sample expansion can therefore be calculated by
ALProbe = A|_gemProbe . ^Cu + ^ Cu ( 2 g ) AL sample = A | _ according sample. ^ Cu + ^ Cu (2 g)
Nach Normierung auf die Probenlänge bei Raumtemperatur L0 ergibt sich zur Bestimmung der relativen Ausdehnung der Probe After normalization to the sample length at room temperature L 0 results in determining the relative extent of the sample
(AL/L0)Probe = (1/Lo) (ALgem Probe - ALgem Cu) + (ALc L0)Li, (2.10) (AL / L 0 ) sample = (1 / Lo) (AL according to sample - AL according to Cu ) + (AL c L 0 ) Li , (2.10)
Der relative Zelleffekt, d.h. der auf die Probenlänge normierte Zelleffekt, ist damit gegeben durch The relative cell effect, i. the normalized to the sample length cell effect is thus given by
(AL/Lo = - (1/Lo) ALgem Cu + (ALc L0)Lit (2.1 1 ) (AL / Lo = - (1 / Lo) AL gem Cu + (AL c L 0 ) Lit (2.1 1)
Der Zelleffekt wurde mittels einer Kalibrierprobe bzw. Eichprobe in Form eines hochreinen (99.999%) Kupferzylinders mit einer Länge von 4 mm gemessen. Nach dem Abkühlen wurde die Zelle mindestens drei Stunden bei einer Temperatur von 5 K thermalisiert. Anschließend wurde die Probe langsam aufgewärmt sowie abgekühlt und dabei die Längenänderung kontinuierlich gemessen. Als besonders geeignete Geschwindigkeit für die Temperaturänderung erwies sich eine Rate von 0.3 K/min. Bei dieser Temperaturänderungsrate wurde keine Hysterese beobachtet, was dafür spricht, dass sich die Probe zu jeder Zeit im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befand. Durch mehrfaches Wiederholen der Messungen mit mehreren Zyklen aus Aufwärmen und Abkühlen konnte die Reproduzierbarkeit ermittelten der Daten bestätigt werden. Aus ALgem ist es nach Formel 2.1 1 möglich den relativen Zelleffekt (AL/L0)Zeiie zu berechnen.
Wie in Fig. 9 gezeigt, sind die Zelleigenschaften bzw. der Zelleffekt über einen großen Bereich stetig. Der abgebildete Verlauf weist demnach keine (oder zumindest keine starken) Knicke auf. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für genaue und reproduzierbare Messergebnisse. Anhand der ermittelten Temperaturabhängigkeit des Zelleffektes kann im Folgen- den mittels Formel 2.10 die Längenänderung neuer Proben bestimmt werden. The cell effect was measured by means of a calibration sample in the form of a high-purity (99.999%) copper cylinder with a length of 4 mm. After cooling, the cell was thermalized for at least three hours at a temperature of 5K. Subsequently, the sample was slowly warmed up and cooled while continuously measuring the change in length. A particularly suitable rate for the temperature change proved to be a rate of 0.3 K / min. No hysteresis was observed at this temperature change rate, indicating that the sample was in thermal equilibrium with its environment at all times. By repeating the measurements with several cycles of warming up and cooling down several times, the reproducibility of the data could be confirmed. From AL ge m, it is possible according to formula 2.1 1 relative cell effect (AL / L 0) Ze iie to calculate. As shown in Fig. 9, cell characteristics are continuous over a large area. The course shown therefore has no (or at least no strong) kinks. This is an important prerequisite for accurate and reproducible measurement results. On the basis of the determined temperature dependence of the cell effect, the change in length of new samples can be determined in the following by means of formula 2.10.
Aufschluss über die Genauigkeit der Messergebnisse gibt eine Testmessung an einer Silberprobe. In Fig. 10 ist die Längenänderung eines 4 mm langen Silberzylinders (99.999% Reinheit) über den gesamten Temperaturbereich im Vergleich zu einer Ausgleichskurve auf Basis von Literaturwerten von Silber gezeigt. Das Inset zeigt einen Ausschnitt des Temperaturbereichs von 5 - 50 K. Wie man sieht, stimmen die ermittelten Messwerte sehr gut mit den Literaturwerten überein. Die jeweiligen Kurven überlagern sich weitgehend. Information about the accuracy of the measurement results is given by a test measurement on a silver sample. In Fig. 10, the change in length of a 4 mm long silver cylinder (99.999% purity) over the entire temperature range is shown in comparison to a compensation curve based on literature values of silver. The inset shows a section of the temperature range of 5 - 50 K. As you can see, the measured values agree very well with the literature values. The respective curves largely overlap.
In Fig. 11 ist ein Vergleich zwischen gemessenen Werten und Literaturwerten des thermi- sehen Ausdehnungskoeffizienten gezeigt. Auch hier ist die gute Übereinstimmung derFIG. 11 shows a comparison between measured values and literature values of the thermal expansion coefficient. Again, the good match is the
Messwerte mit der Literaturkurve im gesamten Temperaturbereich erkennbar. Auch bei tiefen Temperaturen ergibt sich eine maximale Abweichung der Absolutwerte in der Größenordnung Δα = 10"8 K" . Aufgrund der sehr geringen Ausdehnung gewöhnlicher Metalle wie Kupfer und Silber bei tiefen Temperaturen befindet man sich im Bereich von weniger als 30 K an der Grenze der sehr gut auflösbaren Längenänderung. Measurements with the literature curve can be recognized throughout the entire temperature range. Even at low temperatures results in a maximum deviation of the absolute values in the order Δα = 10 "8 K " . Due to the very low expansion of ordinary metals such as copper and silver at low temperatures, the range of less than 30 K is at the limit of the very easily dissolvable change in length.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung des relativen Fehlers zwischen Messwerten und Literaturwerten der relativen Ausdehnung AL/L einer Silberprobe (links) und des Ausdehnungskoeffizienten a (rechts). Wie zu sehen ist, sind diese gering. Im Bereich von Raumtemperatur bis zu 25 K beträgt der relative Fehler maximal 3 %. Auch die Fehler von maximal 35% bei tieferen Temperaturen (< 20 K) bewegt sich in Absolutwerten in der Größenordnung von 12 shows a representation of the relative error between measured values and literature values of the relative extension AL / L of a silver sample (left) and of the expansion coefficient a (right). As you can see, these are low. In the range of room temperature up to 25 K the relative error is max. 3%. Also, the maximum error of 35% at lower temperatures (<20 K) is in absolute values of the order of magnitude of
A(AL/L0) = 10"7 und sind damit mehr als eine Größenordnung kleiner als die betrachteten Längenänderungen. Fig. 13 verdeutlicht das hohe Auflösungsvermögen anhand der Testmessung von Kupfer. Im gezeigten Diagramm ist die Längenänderung AL(T) der Probe bei tiefen Temperaturen (in diesem Beispiel von < 10 K) dargestellt. In diesem Bereich zeigen Metalle ein sehr geringes und lineares Ausdehnungsverhalten, weshalb anhand der Streuung der Messwerte die Auf-
lösung der Zelle beurteilt werden kann. Anhand des eingezeichneten Fehlerkanals ergibt sich eine Abweichung in der Größenordnung von 0,1 Ä. A (AL / L 0 ) = 10 "7 and thus are more than an order of magnitude smaller than the length changes considered. <br/> Fig. 13 illustrates the high resolving power by means of the test measurement of copper In the diagram shown, the change in length AL (T) of the sample is included low temperatures (in this example <10 K), in which metals show a very low and linear expansion behavior, which is why the scattering of the measured values solution of the cell can be assessed. Based on the indicated error channel, a deviation of the order of 0.1 Å results.
Fig. 15 zeigt einen Korpus (50) für eine erfindungsgemäße Messzelle aus verschiedenen Betrachtungswinkeln (recht oben und rechts unten) sowie schematische Detailzeichnungen. Der Korpus (50) ist aus einem einzigen Teil gefertigt, bevorzugt gefräst und/oder erodiert. Die Detaildarstellungen im mittleren Bereich der rechten Bildhälfte stellen dabei, wie in der Figur angegeben, vergrößerte Darstellungen der links gezeigten Darstellungen dar. Die mit A-A bzw. B-B gekennzeichneten Darstellungen entsprechen Schnitten entlang der mit A-A bzw. B-B gekennzeichneten Linien in der 2. Darstellung von oben in der linken Bildhälfte. Die Bezugszeichen 1 - 33 kennzeichnen dabei Abmessungen und Winkel, die jeweils den Anforderungen angepasst werden können. Je nach Apparat, in den die Messzelle integriert werden soll, können diese Werte angepasst werden. Die mit den Bezugszeichen 1 , 3, 6, 7 und 17 gekennzeichneten Strecken sind unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 5 und 15 mm lang. Die mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichneten Strecken sind unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 7,5 und 20 mm lang. Die mit den Bezugszeichen 4, 20, 22, und 23 gekennzeichneten Strecken sind unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 2,5 und 7,5 mm lang. Die mit den Bezugszeichen 5, 15, 18, 19, 21 , und 25 gekennzeichneten Strecken sind unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 0,05 und 1 ,5 mm lang. 15 shows a body (50) for a measuring cell according to the invention from various viewing angles (top right and bottom right) and schematic detail drawings. The body (50) is made of a single part, preferably milled and / or eroded. As shown in the figure, the detailed representations in the middle region of the right-hand half of the image represent enlarged representations of the representations shown on the left. The representations marked AA and BB correspond to sections along the lines marked AA or BB in the second illustration of FIG at the top of the left half of the picture. The reference numerals 1 - 33 indicate dimensions and angles, which can be adapted to the requirements. Depending on the device in which the measuring cell is to be integrated, these values can be adapted. The distances indicated by the reference numerals 1, 3, 6, 7 and 17 are independently of each other preferably between 5 and 15 mm long. The distances indicated by the reference numeral 8 are independently of each other preferably between 7.5 and 20 mm long. The distances indicated by the reference numerals 4, 20, 22, and 23 are independently of each other preferably between 2.5 and 7.5 mm long. The distances indicated by reference numerals 5, 15, 18, 19, 21, and 25 are independently of each other preferably between 0.05 and 1.5 mm long.
Die Breite des Korpus ist mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet und stellt eine wesentliche Größe dar, die zur Integration in vorhandene Apparaturen zu beachten ist. Bevorzugt ist die Breite kleiner als 50 mm, im gezeigten Beispiel beträgt sie 20 mm. Wie insbesondere in der 2. Abbildung von oben auf der linken Seite zu erkennen ist, ist die Grundflächengeometrie des Korpus, dessen (wie aus der Abb. rechts oben zu erkennen ist) Außenflächen im Wesentlichen einen geraden Zylinder darstellen, nicht kreisförmig (der Korpus ist demnach kein gerader Kreiszylinder) sondern weicht von der Kreisform ab. Die Grundfläche ist zwar im Wesentlichen kreisförmig, weist jedoch zwei einander gegenüberlie- gende, parallel verlaufende Kreissehnen auf, die in dem jeweiligen Bereich die äußeren Begrenzungen der Grundfläche darstellen. Die Grundfläche entspricht in diesem Fall einem Kreis, welcher an zwei gegenüberliegenden Seiten um, bevorzugt gleichgroße, Kreissegmente verkleinert ist.
Die Bezugszeichen 2, 10, 12, und 29 kennzeichnen im Wesentlichen kreisförmige Vertiefungen mit unabhängig voneinander wählbaren Durchmessern zwischen 1 und 5 mm. Die Bezugszeichen 9, 11 , 30, 31 und 32 kennzeichnen Vertiefungen mit unabhängig voneinander wählbaren Durchmessern zwischen 7,5 und 30 mm. Die mit den Bezugszeichen 9, 1 1 , 30 und 31 gekennzeichneten Durchmesser betragen unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 15 und 25 mm. Die Bezugszeichen 13, 14, 26, 27, 28 und 33 kennzeichnen Winkel. Die Winkel 13, 14, 26 und 27 betragen unabhängig voneinander zwischen 25 und 115°, die Winkel 26 und 27 unabhängig voneinander bevorzugt zwischen 45 und 75°. Die Winkel 28 und 33 betragen unabhängig voneinander zwischen 90 und 150°.
The width of the body is indicated by the reference numeral 16 and represents a significant size to be considered for integration into existing equipment. Preferably, the width is smaller than 50 mm, in the example shown, it is 20 mm. As can be seen in particular from the second illustration from the top on the left side, the base surface geometry of the body, whose outer surfaces (as can be seen from the illustration on the top right) essentially represent a straight cylinder, is not circular (the body is therefore no straight circular cylinder) but deviates from the circular shape. Although the base surface is essentially circular, it has two mutually opposite, parallel circular chords, which in the respective region represent the outer boundaries of the base surface. The base area corresponds in this case to a circle which is reduced on two opposite sides by, preferably equal, circular segments. The reference numerals 2, 10, 12, and 29 designate substantially circular recesses with independently selectable diameters between 1 and 5 mm. The reference numerals 9, 11, 30, 31 and 32 indicate recesses with independently selectable diameters between 7.5 and 30 mm. The indicated by the reference numerals 9, 1 1, 30 and 31 diameter are independently of each other preferably between 15 and 25 mm. Reference numerals 13, 14, 26, 27, 28 and 33 indicate angles. The angles 13, 14, 26 and 27 are independently between 25 and 115 °, the angles 26 and 27 independently preferably between 45 and 75 °. The angles 28 and 33 are independently between 90 and 150 °.
Claims
Miniatur-Dilatometer zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe, welche innerhalb einer Messzelle des Miniatur- Dilatometers anordenbar ist, wobei das Miniatur-Dilatometer innerhalb eines Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften anordenbar ist, Miniature dilatometer for capacitive measurement of the thermal expansion and/or the magnetostriction of a sample, which can be arranged within a measuring cell of the miniature dilatometer, the miniature dilatometer being able to be arranged within a device for measuring physical properties,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Miniatur-Dilatometer einen Korpus aufweist, welcher einen Messzellendurchmesser von unter 50 mm und eine Masse von unter 100 g aufweist. the miniature dilatometer has a body which has a measuring cell diameter of less than 50 mm and a mass of less than 100 g.
Miniatur-Dilatometer nach Anspruch 1 , Miniature dilatometer according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Korpus des Miniatur-Dilatometers aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit > 200 Wm'1K"1 und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten the body of the miniature dilatometer made of a material with a thermal conductivity > 200 Wm '1 K "1 and a thermal expansion coefficient
< 1710"6K"1 besteht. < 1710 "6 K "1 exists.
Miniatur-Dilatometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, Miniature dilatometer according to claim 1 or claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
durch die geringe Größe und die geringe Masse des Korpus und/oder die große thermische Leitfähigkeit und/oder den geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten das Miniatur-Dilatometer geeignet ist, die Temperatur einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers und der Probe mindestens im Bereich von 5 K - 200 K, bevorzugt im Bereich von 10 mK - 300 K auf ± 0,01 K stabilisierbar zu machen und in mindestens diesem Temperaturbereich Messungen der thermischen Ausdehnung mit einer maximalen Empfindlichkeit von AL/L von 0"8 bis 10"10, bevorzugt AL/L von 10"9 bis 10"10 und/oder Messungen der Magnetostriktion bis zu 10 Tesla oder mehr, bevorzugt 20 Tesla oder mehr, zu ermöglichen.
Due to the small size and low mass of the body and/or the high thermal conductivity and/or the low coefficient of thermal expansion, the miniature dilatometer is suitable, the temperature of a measuring cell of the miniature dilatometer and the sample is at least in the range of 5 K - 200 K, preferably in the range of 10 mK - 300 K to be stabilized to ± 0.01 K and in at least this temperature range measurements of thermal expansion with a maximum sensitivity of AL/L from 0 "8 to 10 "10 , preferably AL/L from 10 "9 to 10 "10 and / or measurements of magnetostriction up to 10 Tesla or more, preferably 20 Tesla or more.
4. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims, characterized in that
eine Außenfläche des Korpus der Messzelle im Wesentlichen eine Form eines geraden Zylinders aufweist, wobei eine Mantelfläche des geraden Zylinders mindestens zwei planparallele Bereiche aufweist und der Korpus auf mindestens einer Grundoder Deckfläche eine sich in Richtung der Höhenachse des Zylinders erstreckende erste Ausnehmung mit zumindest abschnittsweise kreisförmigem Querschnitt aufweist, welche einen Korpusinnenraum ausbildet. an outer surface of the body of the measuring cell essentially has the shape of a straight cylinder, wherein a lateral surface of the straight cylinder has at least two plane-parallel regions and the body has a first recess on at least one base or top surface extending in the direction of the height axis of the cylinder and having a circular cross-section at least in sections which forms a body interior.
5. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 5. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Korpus der Messzelle mindestens eine erste Durchtrittsöffnung, bevorzugt mit einem rechteckigen Querschnitt, aufweist, welche in einem ersten Außenwandungsabschnitt des geraden Zylinders angeordnet ist und sich von diesem ersten Außenwandungsabschnitt ausgehend senkrecht zur Höhe des geraden Zylinders in Richtung der ersten Ausnehmung, bevorzugt bis zu einem dem ersten Außenwandungsabschnitt gegenüberliegenden zweiten Außenwandungsabschnitt, bevorzugt parallel zu den planparallelen Bereichen der Außenwandung, erstreckt. the body of the measuring cell has at least one first passage opening, preferably with a rectangular cross section, which is arranged in a first outer wall section of the straight cylinder and, starting from this first outer wall section, extends perpendicular to the height of the straight cylinder in the direction of the first recess, preferably up to a second outer wall section opposite the first outer wall section, preferably parallel to the plane-parallel regions of the outer wall.
6. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 6. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Messzelle des Miniatur-Dilatometers zumindest teilweise eine Kupfer-Beryllium- Legierung mit einem Beryllium-Anteil von 0,5 - 5 Gew.-%, bevorzugt 1 - 2,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1,5-2 Gew.-%, insbesondere bevorzugt von 1,84 Gew.-% aufweist. the measuring cell of the miniature dilatometer is at least partially a copper-beryllium alloy with a beryllium content of 0.5-5% by weight, preferably 1-2.5% by weight, particularly preferably 1.5-2% by weight .-%, particularly preferably 1.84% by weight.
7. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 7. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
Längenänderungen der zu vermessenden, im Miniatur-Dilatometer angeordneten Probe über eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen zwei Kondensatorplatten, bevorzugt mittels einer Präzisionskapazitätsmessbrücke, bestimmbar sind. Changes in length of the sample to be measured, arranged in the miniature dilatometer, can be determined via a change in the electrical capacitance between two capacitor plates, preferably by means of a precision capacitance measuring bridge.
8. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 8. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Korpus der Messzelle aus weniger als 8, bevorzugt weniger als 5, bevorzugt we-
niger als 3 Einzelteilen ausgebildet ist, besonders bevorzugt lediglich einteilig ist und das Teil/die Einzelteile bevorzugt durch Fräsen und/oder Funken-Erosion herstellbar ist/sind. the body of the measuring cell consists of less than 8, preferably less than 5, preferably more nger than 3 individual parts, particularly preferably only in one piece and the part / the individual parts can preferably be produced by milling and / or spark erosion.
9. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 9. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in den Korpus Ringfedern, bevorzugt Blattfedern, integriert sind, welche bevorzugt gemeinsam mit dem Korpus einteilig ausgebildet sind. Ring springs, preferably leaf springs, are integrated into the body, which are preferably formed in one piece together with the body.
10. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 10. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Messzelle des Miniatur-Dilatometers einen Zellendurchmesser von unter 30 mm, besonders bevorzugt von 26 mm oder weniger aufweist; bevorzugt eine Bauhöhe von unter 50 mm, bevorzugt unter 30 mm, bevorzugt unter 25 mm, besonders bevorzugt von 21 mm oder weniger aufweist und weiter bevorzugt eine Breite von unter 50 mm, bevorzugt unter 30 mm, bevorzugt unter 25 mm, besonders bevorzugt von 20 mm oder weniger aufweist. the measuring cell of the miniature dilatometer has a cell diameter of less than 30 mm, particularly preferably 26 mm or less; preferably has a height of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably 21 mm or less and more preferably a width of less than 50 mm, preferably less than 30 mm, preferably less than 25 mm, particularly preferably 20 mm or less.
1 . Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 1 . Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Messzelle des Miniatur-Dilatometers ein Gewicht von weniger als 75 g, bevorzugt weniger als 50 g, besonders bevorzugt 42 g oder weniger aufweist. the measuring cell of the miniature dilatometer has a weight of less than 75 g, preferably less than 50 g, particularly preferably 42 g or less.
12. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 12. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Miniatur-Dilatometer in einem Kapazitätsbereich nutzbar ist, welcher einen Kapazitätsbereich 1 - 250 pF, bevorzugt von 5-50 pF, bevorzugt von 20 - 25 pF einschließt. the miniature dilatometer can be used in a capacity range which includes a capacity range of 1 - 250 pF, preferably 5-50 pF, preferably 20 - 25 pF.
13. Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 13. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Messzelle des Miniatur-Dilatometers in standardisierte Messsysteme integrierbar ist, insbesondere in ein Physical Property Measurement System® der Firma Quantum Design.
Miniatur-Dilatometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, the measuring cell of the miniature dilatometer can be integrated into standardized measuring systems, in particular into a Physical Property Measurement System ® from Quantum Design. Miniature dilatometer according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
in den Korpus der Messzelle ein Thermoelement integrierbar ist oder dieses im Inneren des Gerätes zur Messung physikalischer Eigenschaften in unmittelbarer Nähe zum Korpus der Messzelle anordenbar ist. a thermocouple can be integrated into the body of the measuring cell or this can be arranged inside the device for measuring physical properties in the immediate vicinity of the body of the measuring cell.
Verwendung eines Miniatur-Dilatometers nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur kapazitiven Messung der thermischen Ausdehnung und/oder der Magnetostriktion einer Probe. Use of a miniature dilatometer according to one of the preceding claims for capacitive measurement of the thermal expansion and/or the magnetostriction of a sample.
Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers, Method for producing a miniature dilatometer,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Korpus einer Messzelle des Miniatur-Dilatometers aus weniger als 5 Einzelteilen zusammengesetzt wird, welche durch Fräsen und/oder Funken-Erosion hergestellt werden. the body of a measuring cell of the miniature dilatometer is composed of fewer than 5 individual parts, which are manufactured by milling and/or spark erosion.
Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Method for producing a miniature dilatometer according to claim 16, characterized in that
der Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers aus einem einzigen Teil besteht welcher durch Fräsen und/oder Funken-Erosion hergestellt wird. the body of the measuring cell of the miniature dilatometer consists of a single part which is manufactured by milling and/or spark erosion.
Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Dilatometers nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Method for producing a miniature dilatometer according to claim 16 or 17, characterized in that
ein Materialstück, aus welchem der Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers oder die Teile des Korpus der Messzelle des Miniatur-Dilatometers hergestellt wird/werden vor dem Fräsen und/oder der Funken-Erosion über einen Zeitraum von 0,5 - 48 Stunden bei Temperaturen von 100 - 750°C, bevorzugt über einen Zeitraum von 1 - 5 Stunden bei Temperaturen von 250 - 500°C, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von 2-4 Stunden bei Temperaturen von 300 - 350°C, getempert werden.
a piece of material from which the body of the measuring cell of the miniature dilatometer or the parts of the body of the measuring cell of the miniature dilatometer is/are made before milling and/or spark erosion over a period of 0.5 - 48 hours at temperatures from 100 - 750 ° C, preferably over a period of 1 - 5 hours at temperatures of 250 - 500 ° C, particularly preferably over a period of 2-4 hours at temperatures of 300 - 350 ° C.
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