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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen
einer Kühlkammer
für Mikrotome,
insbesondere Ultramikrotome, mit wenigstens zwei verschiedenen Temperatur-Regelkreisen
für die
Temperaturen des Objektes und des Messers.
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Das
Schneiden weicher, elastischer oder zäher Proben, bzw. ganz allgemein
von Materialien, welche bei Raumtemperatur keine schneidfähige Konsistenz
aufweisen (z.B. wässrige
Suspensionen, Lacke), macht ein Abkühlen auf Temperaturen nötig, welche
teilweise erheblich unter der Raumtemperatur liegen. Für die mikroskopische,
insbesondere elektronen-mikroskopische Untersuchung bedient man
sich hierbei spezieller Kühlkammern,
die im Verein mit geeigneten Mikrotomen bzw. Ultramikrotomen die
Abnahme hinreichend dünner
Schnitte ermöglichen
(vgl. hierzu u.a. H. Sitte, Ultramikrotomie, in: mta-journal extra
Nr. 10, Umschau-Verlag, Breidenstein GmbH, Frankfurt/Main, 1983).
Der Temperaturbereich derartiger Kühlkammern liegt zwischen Raumtemperatur
und etwa –180°C wobei die
Temperaturen des Objektes und des Messers, in vielen Fällen auch
des Kammergases getrennt regelbar sind. Diese gesonderte Regelung
der drei wesentlichen Temperaturen erschien bislang vorteilhaft,
weil dadurch alle den Schneidevorgang beeinflussenden thermischen
Parameter gesondert optimiert werden konnten. Als Kühlmedium
(„Kryogen") wurde in den meisten
Fällen
entweder kaltes Stickstoffgas (N2g) aus einem mit Flüssigstickstoff
(N2fl) gefüllten
Dewargefäß oder N2fl
zur direkten Kühlung
verwendet. Das in der Kühlkammer
vorhandene, Messer und Präparat
umspülende,
Gas besteht in diesen Fällen aus
reinem N2g.
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Die
vorgewählten
Temperaturen von Objekt, Messer und Kammergas wurden in technisch
bekannter Weise durch elektronische Regelkreise erreicht und konstant
gehalten, welche jeweils einen Temperatursensor (z.B. Pt 100 Platinwiderstand
oder Mikro-Thermo-Element) und ein Heizelement (z.B. Heizwiderstand)
aufweisen. Einstellelemente ermöglichten
die Vorwahl der gewünschten
Temperaturen, Temperaturanzeigen die Überprüfung der jeweils erreichten
Werte. Berücksichtigt
man, daß die
Messertemperatur z.B. für
den Einsatz bestimmter Abschwimmflüssigkeiten (z.B. DMSO/H20)
maßgeblich ist,
wogegen die Objekttemperatur die Konsistenz des Präparates
(z.B. spröde
oder zäh-elastisch,
bzw. flüssig
oder fest) bestimmt, so wird verständlich, daß man diese Art der gesonderten
Temperatursteuerung der drei wesentlichen Temperaturen durchwegs
als optimal empfand, und daß Kühlkammern
der verschiedensten Konstruktionen und Hersteller durchgehend mit
der beschriebenen getrennten Temperatursteuerung für Objekt
und Messer, teilweise auch für
das Kammergas ausgestattet waren.
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In
der täglichen
Praxis weist dieses Prinzip jedoch erhebliche Nachteile und Mängel auf,
welche vorzugsweise in den technischen Möglichkeiten einer präzisen Temperaturmessung
kleinster Bereiche begründet
liegen. Es ist zunächst
technisch unmöglich, die
wesentlichen Temperaturen korrekt zu messen. Auch die kleinsten
und dadurch fast trägheitsfrei
arbeitenden Temperatursensoren (z.B. Mikro-Thermo-Elemente) können nicht
in die äußersten
Oberflächenschichten
des Objektes integriert werden. Zwangsläufig mißt man stets die Objekttemperatur
in einer tieferen Lage, die beispielsweise 0,5 bis 1 mm von der
Objektoberfläche
und damit dem Ort des Schneideprozesses entfernt ist. Gleiches gilt
für die Messerschneide.
Weder bei den heute in der Ultramikrotomie vorzugsweise verwendeten
Diamantmessern, noch bei den billigeren Metall- oder Glasklingen können Sensoren
an der eigentlichen Schneide angebracht werden. Aus praktischen
Gründen
verlegt man diese Sensoren vielmehr in die kompakten Metallhalterungen
des Objektes und Messers, um den häufigen Austausch von Messer
und Präparat
auf einfache und rasche Weise zu ermöglichen. Die an diesen Elementen
angeordneten Sensoren geben in vielen Fällen Temperaturwerte wieder,
welche von der Realität
weit entfernt sind. Dadurch wird ein Reproduzieren der Temperaturen
fast unmöglich,
insbesondere, wenn man an Kühlkammern
unterschiedlicher Konstruktionen bzw. Hersteller arbeitet.
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Besonders
problematisch wird die Situation, wenn man für Objekt, Messer und Kammergas
unterschiedliche Temperaturen vorwählt. So kühlt bekanntlich ein kaltes
Kammergas die Oberflächen
von Messer und Präparat
weit unter die vorgewählten bzw.
angezeigten Werte ab. Umgekehrt bewirkt die Wärmestrahlung des wärmeren Messers
auf das kältere
Präparat
ein beträchtliches
Aufwärmen
der oberflächlichen
Präparatschichten.
Aussagen darüber,
in welchem Umfang die realen Temperaturen gegenüber den Anzeigen verfälscht werden,
sind kaum möglich
und man befindet sich stets in einem Zustand großer Unsicherheit. Zu dieser
Unsicherheit treten noch die dynamischen Phänomene, die man angesichts
der sich oft langsam einstellenden Fließgleichgewichte erwarten muß. In der
Praxis ist es schließlich
ein fast hoffnungsloses Unterfangen, durch systematisches Ändern der
drei genannten Temperaturen zu optimalen Ergebnissen zu gelangen,
weil die Kombinatorik praktisch unendlich viele Kombinationen ermöglicht.
Abgesehen davon ist eine einmal ermittelte optimale Temperaturkombination
auf andere Kühlkammern
nicht ohne weiteres übertragbar
und daher in den meisten Fällen
nur von sehr geringem methodischen Wert.
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Abgesehen
von diesen prinzipiellen Problemen muß man zumindest zwei, meist
drei oder in speziellen Fällen
noch mehr – Einstellvorgänge durchführen, um
die jeweils gewünschten
Temperaturen vorzuwählen.
Ebenso muß man
sich jeweils davon überzeugen,
daß alle
vorgewählten
Werte tatsächlich
erreicht sind, bevor man nach der Temperaturvorwahl oder nach einer
Temperaturänderung
die Schnittpräparation
aufnimmt oder nach einem Wechsel der Werte neuerlich fortsetzt.
Alles in allem ergibt sich dadurch bei der überwiegenden Zahl der Schnittpräparationen
bei reduzierter Temperatur eine nicht unerhebliche Verzögerung der
praktischen Arbeit.
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Aus
der
DE 1 922 740 U ist
ein Mikrotom mit einem Messer und einem Gestelltisch bekannt. Sowohl
das Messer als auch der Gestelltisch sind jeweils mit einem thermoelektrischen
Kühl- und
Heizelement ausgestattet. Die Temperatur am Gestelltisch lässt sich
unabhängig
von der Temperatur des Messers regeln.
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Aus
der
DE 1 962 263 U ist
eine gekühlte
geschlossene Kammer zur Aufnahme eines Mikrotoms mit einem Messer
und einem Objektträger
bekannt. Bei dieser Einrichtung lassen sich sowohl der Innenraum
der Kammer als auch das Messer sowie der Objektträger unabhängig voneinander
regeln.
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Die
DE 1 622 996 C beschreibt
eine Kühlkammer
zur Aufnahme eines Ultramikrotoms. Zur Kühlung wird flüssiger Stickstoff
in die Kammer eingefüllt.
Ferner ist eine Einrichtung zur Temperaturregelung des Messers und
des Objekthalters vorgesehen, wobei die Temperaturreglereinrichtung
eine elektrische Widerstandsheizvorrichtung aufweist. Eine unabhängige Regelung
der Temperatur des Messers beziehungsweise des Objekthalters ist
hier nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 196 40 044
A1 ist ein Kryostatmikrotom mit einer Kryostatkammer bekannt.
In der Kryostatkammer ist ein Mikrotom mit einem Präparathalter
und einem Messerhalter angeordnet. Die Temperatur des Präparathalters
sowie die Temperatur des Messerhalters lassen sich unabhängig voneinander
einstellen, wobei jeweils eine separate Kühl- und Heizeinrichtung für den Messerhalter
und den Präparathalter
vorgesehen sind. Ein gemeinsames Einstellelement zur Regelung der
Temperaturen am Präparathalter
und am Messerhalter ist hier nicht vorgesehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine einfachere Temperaturregelung zu
realisieren, die in der täglichen
Praxis auch dann zu reproduzierbaren Ergebnissen führt, wenn
unterschiedlich aufgebaute Kühlkammern
unterschiedlicher Hersteller verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß (zumindest)
der Regelkreis für
die Temperatur des Objektes und der Regelkreis für die Temperatur des Messers
ein gemeinsames Einstellelement aufweisen, durch das die Regelkreise
auf eine identische Temperatur als Sollwert programmierbar sind. Es
können
auch weitere für
den Betrieb der Kühlkammer
vorgesehene Regelkreise, beispielsweise für das im Kammerraum, insbesondere
im Objekt-Messerbereich befindliche Kammergas, in die gemeinsame
Temperaturvorwahl durch das Einstellelement einbezogen sein. Damit
werden durch ein gemeinsames Regelelement – beispielsweise durch den
Regler für
die vor allem wesentliche Objekttemperatur – alle relevanten Regelkreise
auf die gleiche Temperatur programmiert. Dies hat zur Folge, daß die nach dem
Stand der Technik getrennten Regelkreise die Temperaturen jeweils
auf den gleichen Wert zusteuern, der hierdurch in einer minimalen
Zeit erreicht wird. Abgesehen davon, daß hierdurch die Einstellung
vereinfacht wird, erreicht man unabhängig von der jeweils gegebenen
Konstruktion der verwendeten Kühlkammer
und ihrer entscheidenden Elemente eine sehr weitgehende Reproduzierbarkeit
der Werte, weil gleichartige Temperaturen der verschiedenen Elemente
automatisch Aufheiz- oder Abkühleffekte unterschiedlich
warmer Teilelemente der Kühlkammer
ausschließen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß eine akustische
und/oder optische Signalanzeige vorgesehen ist, die anspricht, wenn
zumindest Objekt und Messer, vorzugsweise auch das Kammergas, den
vorgewählten
gemeinsamen Sollwert der Temperatur wenigstens annähernd erreicht haben.
Diese Signalanzeige zeigt also die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung
an, d.h. das Erreichen eines Gleichgewichtszustandes („steady
state"). Dies bedeutet,
daß z.B.
bei einer Vorwahl einer Temperatur von –90°C für das Objekt ein Signal das
Erreichen des vorgewählten
und angestrebten Zustandes anzeigt, wenn Objekt, Messer und Kammergas
diese Temperatur annähernd
erreicht haben.
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Eine
weitere mögliche
Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die akustische und/oder optische
Signalanzeige auch dann anspricht, wenn die Istwerte der einzelnen
Temperaturen vom gemeinsamen Sollwert um Beträge abweichen, die kleiner als
die durch ein Einstellelement vorgewählte Toleranzbreite sind. Auf
diese Weise ist es beispielsweise möglich, bei Arbeiten mit wenig
sensiblen Objekten, welche ihre Schneidekonsistenz in einem Bereich
von +/–5°C kaum verändern, diese
Spanne in die Elektronik in technisch bekannter Weise mittels eines
analogen oder digitalen Einstellelementes einzugeben und damit rascher
zum Signal zu gelangen, das die Schnittpräparation freigibt, als bei
einem kritischeren Präparat,
für das
man beispielsweise eine Toleranzbreite von +/–1 °C verwenden muß und vorwählt.
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Das
gemeinsame Einstellelement für
den identischen Sollwert der Temperatur mehrerer Regelkreise kann
das einzige Temperatur-Einstellelement der
Vorrichtung sein. Die Vorrichtung kann aber auch gesonderte Einstellelemente
für einzelne
Regelkreise aufweisen, um – wenn
in einem speziellen Fall eine einheitliche Temperaturwahl für alle Regelkreise nicht
opportun ist – eine
gesonderte Temperaturregelung der einzelnen Regelkreise (wie an
sich bekannt) durchgeführt
werden kann. Beispielsweise kann neben dem Einstellelement für die Objekttemperatur, das
auch das gemeinsame Einstellelement sowohl für die Objekttemperatur als
auch die Messertemperatur (und gegebenenfalls der Kammergastemperatur)
sein kann, noch ein extra Einstellelement für die Messertemperatur (und
gegebenenfalls für
die Kammergastemperatur) vorhanden sein. Dann kann man von der Verwendung
einheitlicher Temperaturen bei Bedarf auf einfachste Weise dadurch
abgehen, daß man
nach der Vorwahl der Objekttemperatur die vorhandenen Einstellelemente
für die
Messer- und/oder Kammergastemperatur betätigt und damit die einheitliche
Steuerung außer
Kraft setzt. Damit wird bewußt
wieder die bislang übliche,
komplexere Einzelregelung in einzelnen speziellen Fällen wieder
hergestellt und das System trotz der möglichen Vereinfachung universell
einsetzbar.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand eines bevorzugten Beispieles in der beiliegenden
Zeichnung, welche in grobschematisch vereinfachter Darstellung eine
an einem Mikrotom/Ultramikrotom befestigte Kühlkammer samt Schalttafel des
Steuergerätes
zeigt.
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Das
in der beiliegenden Zeichnung dargestellte Mikrotom/Ultramikrotom
ist im wesentlichen herkömmlicher
Bauart (vgl. auch hier H. Sitte, 1983, 1.c. sowie H. Sitte und K.
Neumann, Ultramikrotome und apparative Hilfsmittel der Ultramikrotomie,
in: G. Schimmel und W. Vogell, Methodensammlung der Elektronenmikroskopie,
Wissenschaftliche Verlags-GmbH, Stuttgart 1983).
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Am
Messersupport 1 des Mikrotoms/Ultramikrotoms 2 ist
die Kühlkammer 3 befestigt.
Am Boden der Kühlkammer 3 ist
die Messerhalterung 4 montiert.
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Durch
die hintere Wandung der Kühlkammer 3 ist
der Präparatträgerstab 5 eingeführt, der
während
der Schnittpräparation
um das Lager 6 eine schwingende Auf/Ab-Bewegung ausführt. Am
freien Ende des Stabes 5 ist der Präparathalter 7 mit
dem Präparat 8 befestigt,
das im Rahmen der Schneidebewegung (Doppelpfeil) an der Schneide
des Messers 9 vorbeigeführt
wird. Miteinander kommunizierende Tank 10, 11 erden
von außen
mit N2fl (Flüssigstickstoff) 12 gefüllt, aus
dem in den Kammerraum laufend N2g (Stickstoffgas) absiedet. Ein
Teil dieses N2g wird durch ein Rohr 13 in den Objekt-Messer-Bereich
geleitet. Der Messerhalter 4 ist durch den Metallstab 14,
die Präparathalterung 7 durch
das Metallprofil 15 mit dem N2fl 12 im Tankabschnitt 10 thermisch
verbunden. Die Temperaturregelung erfolgt durch die Elektronik des
Steuergerätes 16,
auf dessen Paneel (Schalttafel) z.B. jeweils drei Wipptaster 17/18/19 zur
Temperatureinstellung, sowie Digitalanzeigen 20/21/22 der
Istwerte bzw. 23/24/25 die vorgewählten Sollwerte
für Objekt,
Messer und N2g angeordnet sind. Im Objekthalter 7 sind
ein Temperatursensor 26 und ein Heizwiderstand 27 zur
Temperaturregelung und -anzeige angeordnet. Analoge Elemente 28/29 befinden
sich im Messerhalter 4. Direkt neben der Schneide des Messers 9 befindet
sich frei im Kammergas der Sensor 30 für die N2g-Temperatur, welche
durch das Heizelement 31 im Metallblock 32 variiert
werden kann, der die Röhre 13 umfaßt.
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Bei
einer solchen Vorrichtung kann die Erfindung dadurch verwirklicht
werden, daß mittels
einer geeigneten Software in technisch bekannter Weise die Temperaturvorwahl
zumindest für
die Objekt- und Messertemperatur, gegebenenfalls auch für die N2g-Temperatur
durch ausschließliches
Betätigen des
Einstellelementes 17 für
das Objekt vollzogen wird. Die Sollwert-Anzeigen 23/24/25 weisen
danach identische Werte (z.B. 90°C)
für alle
drei Regelkreise auf und die Istwert-Anzeigen 20/21/22 streben
diesem einheitlichen Sollwert zu.
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Die
Vorrichtung kann auch eine optische und/oder akustische Signalanzeige,
beispielsweise einen im Steuergerät 16 angeordneten
Summer 33 oder ein am Paneel des Steuergerätes 16 angeordnetes
Kontrollicht (z.B. LED) 34, aufweisen, wodurch das Erreichen
der Sollwerte der gleichgeschalteten Regelkreise für das Objekt,
das Messer und gegebenenfalls die N2g-Temperatur durch ein akustisches oder
optisches Signal angezeigt wird. Eine sinnvolle Ausgestaltung kann
auch in einer Kombination beider Signale, z.B. einen kurzen Signalton
des Summers 33 bei gleichzeitigem dauernden Aufleuchten eines
Kontrollichtes 34, bestehen.
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Eine
weitere Ausgestaltung kann in einer gezielten und variablen Festlegung
der Toleranzgrenzen für
das Erreichen der Sollwerte bestehen. Während im vorangehenden Beispiel
das Erreichen der Sollwerte beispielsweise erst dann durch ein Signal angezeigt
wird, wenn die Istwerte innerhalb der Meßgenauigkeit des Systemes den
Sollwerten entsprechen, kann hierbei in vorteilhafter Weise das
Signal, welches die Schneidebereitschaft des Systemes anzeigt, bereits
ausgelöst
werden, wenn die Istwerte sich innerhalb einer vorwählbaren
Toleranzgrenze den Sollwerten angenähert haben. Diese Toleranzgrenze
kann z.B. durch einen am Paneel des Steuergerätes 16 angeordneten
analogen Drehknopf 35 auf Werte zwischen +/–1 und +/–10°C eingestellt
und damit den speziellen Erfordernissen der jeweiligen Schnittpräparation
angepaßt
werden.
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Das
System kann in Anpassung an die unterschiedlichen Konstruktionen
von Kühlkammern
für normale
Mikrotome oder Ultramikrotome sowie an den unterschiedlichen Bedarf
in den speziellen Arbeitsgebieten in verschiedenen Kombinationen
und mit verschiedenen Konstruktionselementen verwirklicht werden.
Dies gilt insbesondere für
die Ausbildung der Regelkreise und die hierfür verwendeten digitalen oder
analogen Anzeigen und Einstellvorrichtungen. Unerheblich ist insbesondere
die Genauigkeit der Einstellungen und Anzeigen, die im wesentlichen
nach den Erfordernissen der Praxis auszurichten sind. Unerheblich
ist darüber
hinaus, ob das System bei einfacheren Kühlkammern ausschließlich, d.h.
ohne die Möglichkeit
einer gesonderten unterschiedlichen Einstellung der Objekt- und
Messertemperatur, realisiert wird, sowie ob und in welchem Ausmaß andere
Temperaturregelkreise, wie z.B. jener für die N2g-Temperatur oder für eine Schnittpresse in das
Gesamtsystem einbezogen werden.