Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vakuumanlage mit einer Vakuumkammer und einer Detektionseinrichtung sowie eine Detektionseinrichtung für eine Vakuumanlage.

Bei der Detektion von Wellen oder Teilchen kommen Detektionseinrichtungen mit Detektionselementen zur Detektion von Wellen und/oder Teilchen zum Einsatz. Ein Detektionselement ist ein Gegenstand, der mit Wellen und/oder Teilchen interagiert und auf diese Weise die Detektion der Wellen bzw. Teilchen ermöglicht. Das Detektionselement kann einen Festkörper oder eine Flüssigkeit umfassen, beispielsweise im Falle eines Szintillators. Das Detektionselement kann einen Gasbehälter umfassen, in dem ein Gas oder Gasgemisch zur Detektion der Wellen oder Teilchen angeordnet werden kann. Es ist eine Vakuumkammer vorhanden, durch welche die zu detektierenden Wellen oder Teilchen ungestört zur Detektionseinrichtung gelangen können.

Beispielsweise sind zur Detektion von Neutronen Vakuumanlagen wie das Instrument SEQUOIA and der Strahlquelle SNS in den USA, das Instrument LET an der Strahlquelle ISIS in Großbritannien, das Instrument NEAT am HZB in Berlin oder das im Bau befindliche Instrument T-REX an der ESS in Schweden bekannt. Diese enthalten eine Vakuumkammer und eine Detektionseinrichtung mit einem Gasbehälter zur Aufnahme eines Gases oder Gasgemischs zur Detektion von Neutronen. In der Vakuumkammer kann eine Probe angeordnet werden. Neutronen aus einer Neutronenquelle fliegen zur Probe und von dort durch das Vakuum zur Detektionseinrichtung, die sich in der Vakuumkammer befindet. Es kann eine Probenumgebung und/oder ein Gate-Valve (Verschlussbehälter) vorhanden sein.

Figur 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Vakuumanlage 1 mit einer Vakuumkammer 10, die von einer Außenwand 12 begrenzt ist. Im Inneren der Vakuumkammer 10 befindet sich eine Detektionseinrichtung 20 mit einem Detektionselement, welches einen oder mehrere Gasbehälter 22 enthält. Die emittierten bzw. gestreuten oder abgelenkten Wellen oder Teilchen gelangen durch die Vakuumkammer 10 ins Innere des Gasbehälters 22 der Detektionseinrichtung. In den Gasbehältern 22 befindliches Gas oder Gasgemisch interagiert mit den emittierten Wellen oder Teilchen, um diese zu detektieren. Die Außenwand 12 der Detektionseinrichtung 20 ist an allen schematisch dargestellten Seiten 25 so ausgestaltet, dass sie dem Vakuum mechanisch standhält. Die Außenwand 12 der Detektionseinrichtung 20 kann dabei gleichzeitig die den Gasbehälter 22 begrenzende Wand sein.

Ein Leitungspaket 27 verläuft von der Detektionseinrichtung 22 durch das zu evakuierenden Volumen 15 hindurch und durchquert die Außenwand 12 der Vakuumkammer 10. Auf diese Weise können beispielsweise Signale und/oder ein Kühlmedium zwischen der Detektionseinrichtung 20 und der außerhalb der Vakuumkammer 10 befindlichen Umgebung ausgetauscht werden. Nicht dargestellt, aber üblicherweise dennoch im Inneren der Vakuumkammer 10 vorhanden ist eine Probenumgebung, in welcher eine Probe positioniert werden kann, um Wellen und/oder Teilchen zu emittieren. Genauer gesagt streut die Probe die Wellen und/oder Teilchen bzw. lenkt sie ab, nachdem sie damit beschossen bzw. bestrahlt worden ist. Emittieren meint also auch ein Aussenden, bei dem vorhandene Wellen und/oder Teilchen lediglich gestreut und/oder abgelenkt werden. Dies kann etwa der Fall sein, wenn Neutronen genutzt und detektiert werden.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Vakuumanlage 1 mit einer Vakuumkammer 10, die ein von einer Außenwand 12 begrenztes zu evakuierendes Volumen 15 enthält. In der Vakuumkammer 10 sind zehn Detektionseinrichtungen 20 angeordnet. Jede der Detektionseinrichtungen 20 umfasst einen Gasbehälter 22 und eine Verarbeitungseinheit 26. Über entsprechende vakuumfeste Leitungen sind die jeweiligen Verarbeitungseinheiten 26 mit der außerhalb der Vakuumkammer 10 befindlichen Umgebung verbunden.

Ferner sind Teile einer Strahlkonditionierungseinrichtung 40, ein gegenüber der Strahlkonditionierungseinrichtung 40 angeordneter Strahlfänger 42 (engl.: beam stop) zum Fangen der Primärstrahlen sowie die im Strahlengang befindliche Probenumgebung 30 gezeigt. Zudem ist eine Tür 34 vorhanden, durch welche Benutzer die Vakuumkammer 10 betreten können, beispielsweise zur Wartung der Detektionseinrichtungen 20. Diese Vakuumanlagen sind technisch aufwändig.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vakuumanlage sowie eine Detektionseinrichtung für eine solche zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, den technischen Aufwand bei einer hohen Qualität der Detektion zu verringern.

Zur Lösung der Aufgabe dienen eine Vakuumanlage gemäß Anspruch 1 sowie eine Detektionseinrichtung für eine Vakuumanlage gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine Vakuumanlage dient der Lösung der Aufgabe. Die Vakuumanlage umfasst eine Vakuumkammer mit einer Außenwand, die ein Volumen einschließt, welches evakuiert werden kann. Die Vakuumanlage umfasst ferner eine Detektionseinrichtung mit einem Detektionselement zur Detektion von Wellen und/oder Teilchen. Die Detektionseinrichtung ist außerhalb der Vakuumkammer angeordnet.

Die Detektionseinrichtung ist wesentlich einfacher, von außen zugänglich. Daher kann das Vakuum aufrechterhalten werden und die Vakuumkammer muss nicht geöffnet oder betreten werden, um zu der Detektionseinrichtung zu gelangen. Dadurch wird der technische Aufwand verringert. Darüber hinaus kann das Volumen der Vakuumkammer verringert werden, so dass der Materialaufwand für die Vakuumanlage verringert wird. Zudem kann die Detektionseinrichtung zumindest in weiten Teilen mit einer deutlich verringerten Wandstärke hergestellt werden, da die Außenwände zumindest zum Großteil nicht dem Vakuum standhalten müssen, sondern lediglich dem außerhalb der Vakuumkammer herrschenden Druck. Somit werden der technische Aufwand und die Kosten verringert.

Die Vakuumkammer ist durch die Außenwand begrenzt und zur Erzeugung eines Vakuums geeignet. Insbesondere weist die Außenwand wenigstens eine Evakuierungsöffnung zum Anschluss einer Vakuumquelle auf. Auf diese Weise kann in der Vakuumkammer ein Vakuum erzeugt werden, das Volumen also evakuiert werden. Die Evakuierungsöffnung ist zum Volumen hin geöffnet. Die Evakuierungsöffnung verläuft durch die Außenwand hindurch. Die Evakuierungsöffnung kann mit einer Vakuumquelle, beispielsweise einer Vakuumpumpe verbunden werden. Auf diese Weise kann das Volumen evakuiert werden. Die Außenwand kann gebogen ausgeführt sein und/oder Rippen aufweisen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Die Vakuumanlage kann die Vakuumquelle umfassen. Die Vakuumkammer oder deren Außenwand kann aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt sein. Die Vakuumkammer kann eine Beschichtung oder Auskleidung aufweisen, beispielsweise aus Cadmium. Das Volumen kann der Durchstrahlung mittels Teilchen und/oder Wellen dienen. Das Volumen kann der Aufnahme einer Probe dienen. In diesem Fall kann innerhalb des Volumens eine Probenumgebung vorhanden sein, in bzw. auf welcher eine Probe positioniert werden kann. Alternativ kann die Probenumgebung in einem weiteren Bauteil vorhanden sein, welches sich benachbart zu dem Volumen befindet.

Die Detektionseinrichtung ist eine Einrichtung zur Detektion von Wellen und/oder Teilchen. Sie enthält ein Detektionselement, welches mit den Wellen und/oder Teilchen interagiert und sie auf diese Weise erfassbar macht. Die Wellen und/oder Teilchen werden typischerweise von einer in einer Probenumgebung befindlichen Probe emittiert bzw. abgelenkt. So können Erkenntnisse über die Probe und/oder über die Wellen bzw. Teilchen gewonnen werden. Das Detektionselement enthält ein Material, welches mit den Wellen und/oder Teilchen interagiert oder ist zur Aufnahme eines solchen Materials eingerichtet. Eine Detektionseinrichtung kann eine Vielzahl von Detektionselementen aufweisen. Die Detektionseinrichtung kann als sogenannter Multi-Grid-Detektor ausgestaltet sein. In diesem Fall umfasst sie eine Vielzahl gesteckter Bleche und/oder gespannter Drähte. Ein Detektionselement kann als Szintillator ausgestaltet sein.

In einer Ausführungsform weist die Detektionseinrichtung ein oder mehrere Kabel zur Übertragung von Daten zu einer Auswerteinheit auf. Aufgrund der Anordnung der Detektionseinrichtung außerhalb der Vakuumkammer müssen die Kabel nicht durch das Vakuum verlaufen. Dies verringert den technischen Aufwand.

Die Vakuumanlage kann mit einer Strahlenquelle Zusammenwirken, die eine in der Probenumgebung aufgenommene Probe mit Strahlung beschießen kann, sodass die Probe Teilchen und/oder Wellen emittiert. Beispielsweise kann die Strahlenquelle einen Strahl aus Neutronen, Elektronen oder Protonen erzeugen. Die Strahlenquelle ist typischerweise außerhalb der Vakuumkammer und/oder außerhalb eines etwaig vorhandenen Probenaufnahmemoduls angeordnet, insbesondere in einer Entfernung von mehr als 100 m. Die Vakuumanlage kann die Strahlenquelle umfassen.

In einer Ausgestaltung umfasst die Detektionseinrichtung einen Gasbehälter zur Aufnahme eines Gases oder Gasgemischs. Ein Gasbehälter ist ein Behälter zur Aufnahme eines Gases oder Gasgemischs. Es kann eine dauerhafte Aufnahme gemeint sein, bei der das Gas oder Gasgemisch über Zeiträume von Stunden bis Monaten hinsichtlich Masse, Druck und Zusammensetzung im Wesentlichen unverändert bleibt. Es kann alternativ eine temporäre bzw. kurzzeitige Aufnahme gemeint sein. Insbesondere ist der Gasbehälter im Wesentlichen hermetisch. Der Gasbehälter ist außerhalb der Vakuumkammer angeordnet.

Im Inneren des Detektionselements, also in dieser Ausgestaltung in dem Gas oder Gasgemisch, können Interaktionen zwischen zu detektierenden Teilchen und/oder Wellen und Gasteilchen des Detektionselements stattfinden. Im Inneren des Detektionselements kann ein Draht und/oder Blech vorhanden sein. Durch die Kollisionen können Teilchen ausgelöst werden, deren elektrische Ladung durch den Draht und/oder das Blech abgeleitet und auf diese Weise lokalisiert werden können. Die Interaktionen werden auf diese Weise durch die Detektionseinrichtung detektiert.

Das Gas oder Gasgemisch dient der Interaktion mit den Wellen und/oder Teilchen. Das Detektionselement kann erfindungsgemäß der Gasbehälter sein, in den zur Detektion der Wellen und/oder Teilchen ein Gas eingebracht werden kann. Das Gas oder Gasgemisch selbst muss also nicht notwendigerweise schon in Gasbehälter angeordnet sein, um eine erfindungsgemäße Vakuumanlage zu erhalten.

Auf diese Weise wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Zum einen kann das Volumen der Vakuumkammer signifikant verringert werden, da Gasbehälter typischerweise sehr groß sind und nun nicht mehr innerhalb der Vakuumkammer vorhanden sind. Die so erzielbare Volumenreduktion kann im Bereich von 50% liegen, sodass ein wesentlich geringerer Materialaufwand für die Vakuumanlage als mit herkömmlicher Bauweise möglich wird. Ferner wird die Dichtheit der Anlage verbessert. Es kann kein oder signifikant weniger Gas aus dem Gasbehälter in die Vakuumkammer gelangen. Bei der herkömmlichen Anordnung des Gasbehälters in der Vakuumkammer gelangt immer Gas aus dem Gasbehälter in das übrige Volumen der Vakuumkammer, da eine 100%ige Dichtheit technisch nicht erreichbar ist. Dies stört das Vakuum, bedingt Gasverluste und erhöht den Aufwand zur Evakuierung. Dagegen wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die Leckagerate deutlich verringert und so die Qualität des Vakuums erhöht bzw. der Pumpaufwand verringert. In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung zur Detektion von Neutronen eingerichtet. In dieser Ausgestaltung dient das Volumen der Durchstrahlung mittels Neutronen. Für eine ungestörte Flugbahn der Neutronen sind Kollisionen mit Gasteilchen zu verhindern. Die Neutronen sollen sich also ungestört bewegen, um anschließend an einer Detektionseinrichtung detektiert zu werden. Dies wird durch das evakuierte Volumen erreicht. Die Detektionseinrichtung umfasst den Gasbehälter. Insbesondere basiert die Detektion darauf, dass Interaktionen der Neutronen mit Gasteilchen im Gasbehälter detektiert werden. Beispielsweise können derartige Interaktionen elektrische Signale hervorrufen, die auf geeignete Weise detektiert werden können. Beispielsweise werden durch Kollisionen der elektrisch neutralen Neutronen mit Teilchen des Gases oder Gasgemischs geladene Teilchen ausgelöst, deren elektrische Ladung dann erfasst werden kann. Beispielsweise können die elektrischen Ladungen über Drähte abgeleitet werden. Über den Laufweg des Stroms kann die Position der Kollision ermittelt werden. Insbesondere wird jeder Draht einzeln ausgelesen, um eine hohe Ortsauflösung in der Detektionseinrichtung zu erhalten. Es können mehr als 1000 Drähte und/oder Bleche vorhanden sein, also mehr als 1000 Messkanäle, um eine hochaufgelöste Detektion zu ermöglichen. Die Vakuumanlage kann als Teil einer Neutronenstreuungsanlage und/oder zur Neutronenspektroskopie vorgesehen sein. Alternativ kann die Detektionseinrichtung zur Detektion von Elektronen oder Protonen ausgebildet sein.

In einer Ausgestaltung weist die Detektionseinrichtung eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung detektierter Signale auf. Die Verarbeitungseinheit ist außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Beispielsweise kann die Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung, beispielsweise Verstärkung und/oder Weiterleitung elektrischer Signale eingerichtet sein. Die Signale können durch Interaktionen von Neutronen mit Gasteilchen im Gasbehälter hervorgerufen werden. Die Verarbeitungseinheit kann elektronische Bauteile enthalten. Die Verarbeitungseinheit ist außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und muss daher nicht gekapselt ausgeführt sein.

Insbesondere enthält die Detektionseinrichtung ferner eine Schnittstelle zur Übertragung der Signale zu einer Auswerteinheit. Dies ist insbesondere eine kabelgebundene Übertragung. Eine kabellose Übertragung ist allerdings grundsätzlich auch möglich. In einer Ausgestaltung ist die Verarbeitungseinheit mittels eines Kühlmediums kühlbar. Das Kühlmedium kann gasförmig oder flüssig sein. Es kann sich um ein Kühlgas oder Kühlgasgemisch wie beispielsweise Kühlluft handeln. Es kann sich um eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Kühlwasser handeln. Insbesondere enthält die Verarbeitungseinheit wenigstens einen Kanal und typischerweise mehrere Kanäle, durch die das Kühlmedium strömen kann. Auf diese Weise kann die Verarbeitungseinheit mittels des Kühlmediums gekühlt werden. Die Verarbeitungseinheit kann ein Gebläse zur Realisierung eines Kühlgasstroms umfassen.

Die Detektionseinrichtung kann eine oder mehrere Leitungen zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlmediums umfassen. Die Leitung oder Leitungen zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlmediums verlaufen in herkömmlichen Systemen durch die Vakuumkammer hindurch, was erfindungsgemäß nicht notwendig ist. So kann eine Beeinträchtigung des Vakuums ausgeschlossen werden und eine etwaig notwendige Wartung ist durch die bessere Zugänglichkeit deutlich vereinfacht. Auch der technische Aufwand für die Leitungen ist reduziert.

In einer Ausführungsform grenzt der Gasbehälter unmittelbar an die Vakuumkammer an.

In einer Ausgestaltung weist die Vakuumkammer in der Außenwand wenigstens eine Öffnung auf und die Detektionseinrichtung grenzt derart an die Öffnung an, dass zumindest ein Abschnitt einer Wandung der Detektionseinrichtung das Volumen der Vakuumkammer begrenzt.

Die Detektionseinrichtung umfasst eine Wandung. Insbesondere ist eine äußere Wandung gemeint, die die Detektionseinrichtung nach außen hin begrenzt. Typischerweise ist die Wandung an einer Seite gemeint, die die Detektionseinrichtung zu dieser Seite hin begrenzt. Die Öffnung der Vakuumkammer ist typischerweise eine Durchgangsöffnung. Die Detektionseinrichtung ist typischerweise so angeordnet, dass ein Bereich der Wandung der Detektionseinrichtung die Öffnung verschließt. Insbesondere verschließt eine Seite der Detektionseinrichtung die Öffnung. Dabei liegen insbesondere äußere Bereiche der Wandung an der die Öffnung umgebenden Außenwand der Vakuumkammer an. In einer Ausführungsform ist die Detektionseinrichtung so ausgestaltet und angeordnet, dass zwischen dem zu evakuierenden Volumen und dem Gas oder Gasgemisch nur eine Wand vorhanden ist. Dies verringert die Abschwächung zu detektierender Wellen bzw. Teilchen, etwa Neutronen, und führt zu einer besseren Detektion. Es können im Bereich der Öffnung mehrere Gasbehälter vorhanden sein.

Der Bereich der Wandung der Detektionseinrichtung, der die Öffnung verschließt, ist insbesondere eine Außenwand des Gasbehälters. In dieser Ausgestaltung kann die Wandung der Detektionseinrichtung gleichzeitig als Außenwand des Gasbehälters und als Außenwand der Vakuumkammer dienen. Es muss nun nur noch diese eine Seite des Gasbehälters vakuumfest ausgestaltet sein und dem Vakuum standhalten. Die übrigen beispielsweise fünf Seiten müssen lediglich dem außerhalb herrschenden Druck standhalten. Die Wandung der Detektionseinrichtung kann teilweise oder vollständig aus Aluminium hergestellt sein.

Insbesondere ist zwischen dem die Öffnung begrenzenden Rand der Außenwand der Vakuumkammer und der Detektionseinrichtung eine Dichtung angeordnet. Eine Dichtung kann an der Detektionseinrichtung und/oder an der Außenwand der Vakuumkammer angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Eindringen von Luft in die Vakuumkammer im evakuierten Zustand verhindert werden.

In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung so ausgestaltet und angeordnet, dass sie die Außenwand an einer Oberseite der Vakuumkammer gegen eine durch das Vakuum hervorgerufene, nach unten gerichtete Kraft abstützt. Mit anderen Worten ist die Detektionseinrichtung als tragende Wand der Vakuumkammer ausgeführt. Sie stützt die Oberseite ab, die durch das Vakuum nach unten gezogen wird. Sie dient damit der mechanischen Stabilität bzw. Steifigkeit der Vakuumkammer. Die Detektionseinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch so ausgestaltet und angeordnet sein, dass sie die Außenwand an einer Unterseite der Vakuumkammer gegen eine durch das Vakuum hervorgerufene, nach oben gerichtete Kraft abstützt und/oder dass sie die Außenwand an einer radial nach außen weisenden Mantelseite der Vakuumkammer gegen eine durch das Vakuum hervorgerufene, nach innen gerichtete Kraft abstützt.

In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung mechanisch lösbar an der Außenwand der Vakuumkammer befestigt. Die Detektionseinrichtung kann somit entfernt werden, beispielsweise für einen Austausch der Detektionseinrichtung. Insbesondere ist ein zerstörungsfreies, reversibles Lösen gemeint. Die lösbare mechanische Befestigung kann beispielsweise Schrauben umfassen. Alternativ oder ergänzend kann ein Haltesystem, beispielsweise umfassend einen oder mehrere Haltebügel, angeordnet sein. Das Haltesystem kann die Detektionseinrichtung an der Öffnung der Vakuumkammer halten.

In einer Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung zweiteilig aufgebaut und umfasst ein Wandungselement und ein Außenelement. Das Wandungselement der Detektionseinrichtung ist an der Außenwand befestigt oder kann daran befestigt werden. Das Außenelement der Detektionseinrichtung ist mechanisch lösbar am Wandungselement befestigt oder kann mechanisch lösbar daran befestigt werden. Das Wandungselement befindet sich radial innen und das Außenelement befindet sich radial außen. Das Wandungselement verschließt die Vakuumkammer. Das Außenelement kann den Gasbehälter enthalten. Auf diese Weise kann der Gasbehälter und/oder ein oder mehrere Detektionselemente entnommen werden, beispielsweise für eine Wartung. Diese Ausgestaltung ist insbesondere im Falle mehrerer Detektionseinrichtungen vorteilhaft, da auch dann ein Vakuum erzeugt werden kann, wenn nicht alle Detektionseinrichtungen vorhanden sind.

In einer Ausgestaltung umfasst die Vakuumanlage eine Vielzahl an Detektionseinrichtungen. Die Detektionseinrichtungen sind insbesondere auf einer Kugelfläche, typischerweise auf einem Kreisbogen und bevorzugt in einer Halbkreisform angeordnet. So weisen alle Detektionseinrichtungen denselben Abstand zur Probe auf. Die Detektionseinrichtungen können gleichartig ausgebildet sein.

Mit anderen Worten sind außerhalb des Volumens mehrere Detektionseinrichtungen angeordnet. Auf diese Weise können beispielsweise Neutronen detektiert werden, die in unterschiedlichen Winkeln von einer Probe emittiert werden. Mit Detektionseinrichtungen, die beispielsweise in einem Halbkreis angeordnet sind, kann ein Messwinkel von 180° abgedeckt werden.

In einer Ausgestaltung ist die Vakuumkammer im Wesentlichen halbkreisförmig. Die Vakuumkammer weist eine in etwa halbkreisförmige Grundform auf. Geringfügige Abweichungen von der Halbkreisform sind mit umfasst. In einer Ausgestaltung weist die Vakuumkammer eine maximale Erstreckung zwischen 3 m und 20 m auf. Insbesondere beträgt die maximale Erstreckung zwischen 4 m und 10 m. Die maximale Erstreckung wird in Draufsicht entlang der längsten Geraden gemessen, die durch die Vakuumkammer verläuft. Im Falle einer halbkreisförmigen Vakuumkammer kann dies der Durchmesser des Halbkreises sein. Insbesondere beträgt die maximale Erstreckung zwischen 5 m und 7 m. Der Radius kann beispielsweise 3 m betragen. Die Höhe kann beispielsweise 2,5 m betragen.

In einer Ausgestaltung weist die Vakuumkammer eine maximale Erstreckung zwischen 1 m und 20 m auf. Typischerweise weist die Flugbahn, beispielsweise für Neutronen, dann eine Erstreckung auf, die der Hälfte dieses Werts entspricht, also zwischen 0,5 m und 10 m.

In einer Ausgestaltung enthält die Vakuumkammer keinen Zugang, durch welchen wenigstens eine Person in das Volumen gelangen kann. Zwar ist die Vakuumkammer beispielsweise aufgrund der notwendigen Flugstrecken typischerweise so groß, dass eine oder mehrere Personen das Volumen betreten könnten. Dies ist allerdings aufgrund der außen angeordneten Detektionseinrichtungen nicht mehr notwendig, sodass eine Tür oder dergleichen entfallen kann. Auf diese Weise wird der konstruktive Aufwand deutlich verringert. Dennoch ist nicht ausgeschlossen, dass eine Person bei Wegnahme einer Detektionseinrichtung das Volumen betreten kann. Dies kann beispielsweise bei einer initialen Auskleidung der Vakuumkammer mit Cadmium der Fall sein.

In einer Ausgestaltung weist die Vakuumanlage ferner ein von der Vakuumkammer separates Probenaufnahmemodul auf. Das Probenaufnahmemodul hat eine Probenumgebung zur Aufnahme einer Probe. Das Probenaufnahmemodul ist mechanisch an der Vakuumkammer befestigt.

Mit anderen Worten wird die Probe, die Wellen oder Teilchen emittiert, in einem separaten Modul angeordnet und nicht, wie bei herkömmlichen Systemen, in der Vakuumkammer selbst. Separat bedeutet, dass das Probenaufnahmemodul nicht einstückig mit der Vakuumkammer ausgeführt ist. Das Probenaufnahmemodul befindet sich in dieser Ausgestaltung außerhalb der Vakuumkammer. Insbesondere ist das Probenaufnahmemodul mechanisch lösbar an der Vakuumkammer befestigt. Eine Befestigung an der Vakuumkammer kann beispielsweise durch Befestigung an der Außenwand der Vakuumkammer erfolgen. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen modularen Aufbau, bei dem das Probenaufnahmemodul mechanisch gelöst und beispielsweise ausgetauscht werden kann. Auf diese Weise können für unterschiedliche Untersuchungen unterschiedliche Probenaufnahmemodule genutzt werden. Das Probenaufnahmemodul kann dadurch auch problemlos aus einem anderen Material gefertigt werden, als die eigentliche Vakuumkammer. So kann beispielsweise das das Probenaufnahmemodul aus Aluminium hergestellt sein, das sich nicht magnetisieren lässt. Die Vakuumkammer kann aus günstigerem und besser verarbeitbarem Edelstahl hergestellt sein. Die Modularität ermöglicht außerdem Anpassungen an zukünftige Anforderungen ohne die ganze Kammer austauschen zu müssen.

Insbesondere ist das Probenaufnahmemodul so angeordnet, dass von einer in der Probenumgebung angeordneten Probe emittierte Wellen oder Teilchen aus dem Probenaufnahmemodul in die Vakuumkammer gelangen können, um von der Vakuumkammer weiter zu der Detektionseinrichtung zu gelangen.

Insbesondere enthält das Probenaufnahmemodul eine Außenwand. Zwischen der Außenwand des Probenaufnahmemoduls und der Außenwand der Vakuumkammer ist typischerweise eine Dichtung angeordnet. Auf diese Weise kann das Eindringen von Luft in die Vakuumkammer im evakuierten Zustand verhindert werden. Beispielsweise kann es sich um eine aufblasbare Dichtung handeln.

Insbesondere enthält die Außenwand des Probenaufnahmemoduls und/oder die Außenwand der Vakuumkammer eine Öffnung, wobei die Öffnung jeweils so angeordnet ist, dass sich von der Probe emittierte Wellen oder Teilchen durch die Öffnung in Richtung der Detektionseinrichtung bewegen. Im Falle einer Öffnung in der Außenwand der Vakuumkammer kann das Probenaufnahmemodul ähnlich der Detektionseinrichtung der Begrenzung der Vakuumkammer dienen. Im Falle zweier einander überlappender Öffnungen in der Außenwand des Probenaufnahmemoduls sowie der Außenwand der Vakuumkammer wird das Probenaufnahmemodul Teil des zu evakuierenden Raums. Hierbei können die emittierten Teilchen bzw. Wellen frei vom Probenaufnahmemodul in die Vakuumkammer gelangen.

Das Probenaufnahmemodul enthält typischerweise eine Probenumgebung, in welcher eine Probe angeordnet werden kann, die Wellen bzw. Teilchen emittieren soll. Die Probenumgebung enthält insbesondere eine Probenaufnahme, in bzw. auf der die Probe positioniert wird. Die Probenumgebung ist typischerweise zum Konditionieren der Probe eingerichtet. Sie kann zum Beispiel eine gewünschte Temperatur und/oder ein gewünschtes Magnetfeld bereitstellen, dem bzw. der die Probe ausgesetzt wird, wenn sie in der Probenaufnahme positioniert ist. Beispielsweise kann die Probenumgebung tiefkalt (kryogen) oder stark magnetisch sein. Dementsprechend kann das Probenaufnahmemodul einen Kryostaten oder einen starken Magneten umfassen. Die Probenaufnahme kann austauschbar in der Probenumgebung angeordnet sein.

In einer Ausgestaltung ist der Gasbehälter zur Aufnahme des Gases oder Gasgemischs geschlossen. Mit anderen Worten ist das Gas oder Gasgemisch dauerhaft im Gasbehälter angeordnet. Dem steht nicht entgegen, dass eine verschließbare Öffnung vorhanden sein kann, durch die das Gas oder Gasgemisch in den Gasbehälter hinein- oder aus diesem herausgeleitet werden kann. Insbesondere kann als Gas oder Gasgemisch in dieser Ausführungsform Helium-3 verwendet werden. Hierbei ist die Detektionseinrichtung als Helium-3-Detektor ausgestaltet. In diesem Fall umfasst sie typischerweise eine Vielzahl an Gasbehältern.

In einer Ausgestaltung ist der Gasbehälter zur Aufnahme des Gases oder Gasgemischs offen. Insbesondere ist der Gasbehälter mit einer Zuleitung und/oder einer Ableitung zum Zuleiten und/oder Ableiten des Gases oder Gasgemischs verbunden.

In dieser Ausgestaltung dient der Gasbehälter der temporären Aufnahme des Gases oder Gasgemischs. Das Gas oder Gasgemisch kann in einer Ausführungsform den Gasbehälter lediglich durchströmen, ohne dass eine wesentliche Aufenthaltszeit im Gasbehälter realisiert wird. Insbesondere findet eine kontinuierliche Spülung statt.

Die Zuleitung dient dem Hineinleiten des Gases oder Gasgemischs in den Gasbehälter. Die Ableitung dient dem Hinausleiten des Gases oder Gasgemischs aus dem Gasbehälter heraus. Insbesondere umfasst die Vakuumanlage ferner eine Gasströmungseinheit, die eine Gasströmung durch die Zuleitung, den Gasbehälter und die Ableitung erzeugt. Insbesondere kann als Gas oder Gasgemisch in dieser Ausführungsform ein Gemisch aus Argon und Kohlenstoffdioxid verwendet werden. Die Detektionseinrichtung kann einen oder mehrere Gasbehälter aufweisen. Bei mehreren Gasbehältern können diese miteinander verbunden sein oder einzeln vorliegen. Mehrere Gasbehälter können unmittelbar aneinander angrenzen oder voneinander beabstandet sein. Ein oder mehrere Gasbehälter der Detektionseinrichtung können mit Gas oder Gasgemisch befüllbar oder befüllt sein, das im Wesentlichen oder genau Atmosphärendruck aufweist. Dies ist unabhängig von der offenen oder geschlossenen Ausführung des Gasbehälters

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Detektionseinrichtung für eine Vakuumanlage. Insbesondere ist die Detektionseinrichtung eine Detektionseinrichtung für eine Vakuumanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Detektionseinrichtung umfasst ein Detektionselement zur Detektion von Wellen und/oder Teilchen. Das Detektionselement ist insbesondere ein Gasbehälter zur Aufnahme eines Gases oder Gasgemischs. Die Detektionseinrichtung weist wenigstens an einer Seite der Detektionseinrichtung eine Wandung auf, welche nicht dazu eingerichtet ist, in einem Vakuum angeordnet zu werden. Anders ausgedrückt ist die Wandung so dimensioniert, dass sie einem Vakuum nicht standhält. Insbesondere ist die Wandung nicht dazu eingerichtet, in einem außerhalb der Detektionseinrichtung befindlichen Vakuum angeordnet zu werden. Die Verwendung der Detektionseinrichtung in einem Vakuum ist also nicht vorgesehen und/oder nicht möglich. Vakuum meint in diesem Zusammenhang ein Vakuum, das zum planmäßigen Betrieb der Vakuumanlage notwendig ist.

Die Wandung an der Seite ist typischerweise so dimensioniert, dass sie dem Atmosphärendruck standhält, nicht jedoch einem Vakuum. Dies gilt insbesondere bei dem gegebenen Gasdruck im Inneren des Gasbehälters unter den Betriebsbedingungen der Detektionseinrichtung.

Alle Merkmale, Vorteile und Wirkungen der eingangs beschriebenen Vakuumanlage und ihrer Teile, insbesondere der Detektionseinrichtung, gelten entsprechend für diesen Aspekt der Erfindung und umgekehrt.

Die Wandung ist insbesondere eine den Gasbehälter begrenzende Wandung. Sie ist insbesondere an einer ersten Seite der Detektionseinrichtung angeordnet und begrenzt die Detektionseinrichtung auf dieser Seite. Insbesondere ist die Wandung an mehreren, bevorzugt an fünf, Seiten der Detektionseinrichtung nicht vakuumfest dimensioniert.

Die Wandung kann an einer anderen Seite so dimensioniert sein, dass sie einem Vakuum standhält. Diese Seite kann eine Öffnung in der Außenwand der Vakuumkammer verschließen. Die übrigen beispielsweise fünf Seiten müssen lediglich dem außerhalb der Vakuumkammer herrschenden Druck standhalten. Dieser beträgt insbesondere etwa dem Atmosphärendruck.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale der Ausführungsbeispiele können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges angegeben ist. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vakuumanlage,

Figur 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vakuumanlage,

Figur 3: eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Vakuumanlage von oben, sowie

Figur 4: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vakuumanlage.

Auf die Figuren 1 und 3 wurde bereits im Zuge der Würdigung des Standes der Technik eingegangen.

Figur 2 zeigt schematisch eine Vakuumanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vakuumanlage 1 umfasst eine Vakuumkammer 10, die von einer Außenwand 12 begrenzt ist. Außerhalb der Vakuumkammer 10 befindet sich eine Detektionseinrichtung 20. Die Detektionseinrichtung 20 grenzt unmittelbar an die Vakuumkammer 10 an.

Nicht dargestellt, aber üblicherweise dennoch der Vakuumkammer 10 vorhanden, ist eine Probenumgebung, in welcher eine Probe positioniert werden kann, um Wellen und/oder Teilchen zu emittieren. Beispielsweise kann die Probe zu diesem Zweck mittels einer Strahlenquelle mit Neutronen beschossen werden. Die auf diese Weise emittierten Wellen oder Teilchen, beispielsweise Neutronen, gelangen durch die Vakuumkammer 10 ins Innere des Gasbehälters 22 der Detektionseinrichtung. Das nicht mit einem eigenen Bezugszeichen versehene Detektionselement ist in den hier gezeigten Figuren der Gasbehälter 22. In dem Gasbehälter 22 befindliches Gas oder Gasgemisch interagiert mit den emittierten Wellen oder Teilchen, um diese zu detektieren. Die vertikalen Linien deuten Drähte und/oder Bleche an, die im Gasbehälter vorhanden sind und die der Ableitung elektrischer Signale von durch Kollisionen ausgelösten elektrisch geladenen Teilchen dienen. Auf diese Weise können die Neutronen detektiert werden.

Die Vakuumkammer 10 weist im Bereich der Detektionseinrichtung eine durchgehende Öffnung 17 auf. Die Außenwand der Detektionseinrichtung 20 ist an der links dargestellten Seite 25 so ausgestaltet, dass sie dem Vakuum mechanisch standhält. Die Außenwand der Detektionseinrichtung 20 an der Seite 25 kann dabei gleichzeitig die den Gasbehälter 22 begrenzende Wand sein oder diese umfassen. Die Außenwand 12 der Detektionseinrichtung 20 ist an den übrigen Seiten 24 nicht so ausgestaltet, dass sie einem Vakuum standhält. Sie ist hinsichtlich ihrer Steifigkeit und ihres Materialeinsatzes entsprechend geringer dimensioniert. Dies ist möglich, da ausschließlich die links dargestellte Seite 25 mit dem Vakuum im Inneren der Vakuumkammer 10 in Kontakt kommt.

Ein Leitungspaket 27 verläuft von der Detektionseinrichtung 22 weg. Das Leitungspaket kann dazu dienen, Signale von der Detektionseinrichtung 20 zu einer Auswerteinrichtung zu leiten. Das Leitungspaket kann dazu dienen, Signale von einer Steuereinheit zu der Detektionseinrichtung 20 zu leiten. Das Leitungspaket kann dazu dienen, ein Kühlmedium zu der Detektionseinrichtung 20 hin und von diesem weg zu führen. Im Bereich der Detektionseinrichtung 20 führt das Leitungspaket 27 insbesondere zu einer Verarbeitungseinheit der Detektionseinrichtung 20, die der Verarbeitung und Weiterleitung detektierter Signale dient.

Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, dass das Leitungspaket 27 durch die Vakuumkammer 10 verläuft oder die Außenwand 12 der Vakuumkammer 10 durchquert. Auf diese Weise kann der konstruktive Aufwand für das Leitungspaket 27 signifikant verringert werden.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Vakuumanlage 1 mit einer Vakuumkammer 10, die ein von einer Außenwand 12 begrenztes, zu evakuierendes Volumen 15 enthält. Die Vakuumkammer 10 ist etwa halbkreisförmig aufgebaut. Das Volumen 15 hat eine maximale Erstreckung von 6 m. Die maximale Erstreckung entspricht dem Durchmesser des Halbkreises. Im Vergleich dazu benötigt die in Figur 3 gezeigte herkömmliche Vakuumanlage eine maximale Erstreckung des das Volumens von 9 m, wobei die Abstände zwischen der Probenumgebung 30 und den Detektionseinrichtungen 20 beider Vakuumanlagen gleich sind. Hier wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine wesentliche Reduktion des Materialeinsatzes möglich ist.

Die Vakuumkammer 10 enthält in ihrer Außenwand 12 mehrere Öffnungen 17. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 17 als Durchgangsöffnungen ausgestaltet. Es sind zehn Durchgangsöffnungen vorhanden, die beispielsweise gleichmäßig verteilt über den Halbkreisbogen angeordnet sind.

Außerhalb der Vakuumkammer 10 und unmittelbar angrenzend an die Außenwand 12 der Vakuumkammer 10 sind Detektionseinrichtungen 20 angeordnet. Jede Detektionseinrichtung 20 überdeckt eine Öffnung 17 in der Außenwand 12. Auf diese Weise begrenzt ein Abschnitt der Wandung der Detektionseinrichtung 20 das Volumen 15 der Vakuumkammer 10. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Vakuumanlage 1 sind zehn Detektionseinrichtungen 20 vorgesehen, von denen allerdings nur acht Detektionseinrichtungen 20 dargestellt sind. Im unteren Bereich des Bildes sind zur Verdeutlichung zwei Detektionseinrichtungen 20 ausgelassen, sodass die entsprechenden Öffnungen 17 in der Vakuumkammer 10 sichtbar sind. Diese können als Zugang zur Vakuumkammer 10 genutzt werden.

Um das Volumen 15 zu evakuieren, müssen sämtliche Öffnungen 17 verschlossen sein. Jede Öffnung 17 kann mit einer Detektionseinrichtung 20 verschlossen sein. In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind die Detektionseinrichtungen zweiteilig aufgebaut und enthalten ein innen liegendes Wandungselement und ein außen liegendes Außenelement. Das Außenelement kann mechanisch vom Wandungselement gelöst werden. So können eine oder mehrere Öffnungen 17 mit jeweils einem Wandungselement verschlossen werden, ohne dass das Außenelement gleichzeitig vorhanden sein muss. Die Verarbeitungseinheit 26 ist am Außenelement angeordnet.

Die Detektionseinrichtungen 20 und insbesondere auch die Wandungselemente sind als tragende Elemente ausgestaltet. Sie stützen die Außenwand 12 an der Oberseite 13 der Vakuumkammer 10 ab. Das Vakuum erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft in der Oberseite 13, die zumindest anteilig durch die Detektionseinrichtungen 20 bzw. die Wandungselemente aufgenommen wird. Auf diese Weise können die zwischen den Öffnungen 17 befindlichen Stege der Außenwand 12 kleiner dimensioniert werden. Die Detektionseinrichtungen 20 stützen auf dieselbe Weise die Unterseite nach unten ab und die radialen Außenwände nach innen hin ab. Sie versteifen auf diese Weise die gesamte Konstruktion der Vakuumkammer.

Eine Detektionseinrichtung 20 ist typischerweise mit Schrauben an der Außenwand 12 befestigt. Zusätzlich können ein oder mehrere Haltebügel 38 vorhanden sein, die die Detektionseinrichtung 20 in Position halten und/oder an die Außenwand 12 andrücken. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Vakuumkammer 10 nicht evakuiert ist. Sobald die Vakuumkammer 10 evakuiert ist, werden die Detektionseinrichtungen 20 und/oder Wandungselemente durch den außerhalb der Vakuumkammer 10 herrschenden Atmosphärendruck an die Außenwand 12 gepresst und dadurch in Position gehalten.

Jede der Detektionseinrichtungen 20 enthält einen Gasbehälter 22 und eine Verarbeitungseinheit 26. Das Funktionsprinzip Detektionseinrichtungen 20 wurde oben bereits beschrieben. Jede Detektionseinrichtung 20 enthält ferner eine Verarbeitungseinheit 26, in welcher detektierte Signale verarbeitet und/oder zu einer Auswerteinheit übertragen werden. An die dargestellte Verarbeitungseinheit 26 können Kabel zur Übertragung der Daten angeschlossen werden. Diese müssen nicht durch das Vakuum verlaufen, da die Verarbeitungseinheiten 26 auf einfache Weise von außen zugänglich sind.

Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit 26 mittels eines Kühlmediums gekühlt werden. Aufgrund der äußeren Anordnung der Verarbeitungseinheit 26 kann besonders einfach eine Luftkühlung realisiert werden, indem ein Kühlluftstrom durch die Verarbeitungseinheit 26 realisiert wird. Dazu kann beispielsweise ein Gebläse der Verarbeitungseinheit 26 vorhanden sein. Ebenso ist eine Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium möglich. Hierzu kann die Verarbeitungseinheit entsprechende Kanäle aufweisen, an die geeignete Leitungen für das Kühlmedium angeschlossen werden können. Die Probenumgebung ist in der hier gezeigten Vakuumanlage 1 mittig in einem von der Vakuumkammer 10 separaten Probenaufnahmemodul 32 angeordnet. Dieses befindet sich im Zentrum des Halbkreises und ist insbesondere mechanisch lösbar mit der Vakuumkammer 10 verbunden. Das Probenaufnahmemodul 32 weist eine kreiszylindrische Grundform auf und enthält in seiner Mantelfläche eine Öffnung 36. Die Öffnung 36 erstreckt sich über etwa 180°und überlappt mit der halbkreisförmigen Vakuumkammer 10. Auf diese Weise können emittierte Wellen und/oder Teilchen in einem Winkel von etwa 180° detektiert werden.

In einer Ausführungsform ersetzt die halbkreisförmige Vakuumanlage 1 aus Figur 4 die Vakuumanlage 1 aus Figur 3. Dementsprechend können dann auch die Strahlkonditionierungseinrichtung 40 und/oder der Strahlfänger 42 bei der erfindungsgemäßen Vakuumanlage 1 vorhanden sein. Selbstverständlich ist die Tür 34 bei der erfindungsgemäßen Vakuumanlage 1 auch in einer solchen Konfiguration nicht notwendig.

Bezugszeichenliste

Vakuumanlage 1

Vakuumkammer 10

Außenwand 12

Oberseite 13

Volumen 15

Öffnung 17

Detektionseinrichtung 20

Gasbehälter 22

Seite 24

Seite 25

Verarbeitungseinheit 26

Leitungspaket 27

Probenumgebung 30

Probenaufnahmemodul 32

Tür 34

Öffnung 36

Haltebügel 38 Strahlkonditionierungseinrichtung 40

Strahlfänger 42