[发明专利]热分析仪

说明书

本发明涉及利用增强的热通量模式的热分析仪以及操作该仪器的方法。

热分析仪一般地用于测量暴露于温度变化和/或温度程序的样本的不同特征和属性。

这种热分析仪公知的例子是量热仪，特别是差示扫描量热仪(differentialscanning calorimeter，DSC)。DSC用来记录样本或样本材料物理或化学特征与温度有关的变化。例如，这些为与放热或吸热事件有关的热流测量，其中该放热或吸热事件伴随受温度变化影响样本(sample)中的相变和其他效应。对样本内的变化相对于参考来进行确定，该参考可以是空参考位置或适当的参考材料。根据DSC的类型，参考材料或样本材料可以直接置于相应的测量位置，或者，其可以置于适当的坩埚(crucible)中，然后将该坩埚置于相应的测量位置上——样本位置或参考位置。

开发了芯片式量热仪用来分析极薄膜以及质量在微克甚至纳克范围的粒子，这通常基于硅技术。对这些芯片式量热仪(例如高速DSC)不同用途的综述，在下文中给出：A.W.van Herwaarden，“Overview of CalorimeterChips for Various Applications”，Thermochimica Acta，432(2005)，192-201。

热分析仪的两种主要的控制规则或模式是公知的，它们是热通量和功率补偿。

通过控制加热功率或者通过在样本位置放置额外的加热器(通常称为补偿加热器)并对其进行单独控制，功率补偿通常在热分析仪中实现。样本位置、参考位置以及置于所述测量位置之一的任何材料将受温度程序(temperature program)的影响，该温度程序由相应加热器(heaer)施加给相应的测量位置。样本加热器仅仅是模拟参考加热器传递的加热功率。所述补偿加热器用于传递任何额外的加热样本所需的功率，使其发生相变，而样本位置和参考位置之间的温度差受到控制以保持基本为零。

热通量规则通常在热分析仪(例如量热仪)中实现，其具有包括样本位置和参考位置的共同的保持器(holder)。保持器与共同的加热器相关联，该共同的加热器的加热功率由参考位置的温度来控制。加热器与样本位置和参考位置之间的热传导路径得到确切的限定，可以对根据样本和参考的温度信号计算出的热流进行定量分析。

在热通量模式中，参考位置和样本位置的加热功率根据温度程序由参考位置处的实际温度来控制。不幸的是，当样本经历热事件和/或从热事件弛豫(relax)时，特别是当弛豫相对较慢时，样本温度会从设置的程序温度实质地偏移，并且样本温度会关于时间实质上成非线性。另外，为了确定样本净热流，所有热属性都需要高度准确地知道，因为该确定一般地对任何这些属性中的不准确性非常敏感。这些缺点会导致例如错误的测量结果。

因此，开发热分析仪，特别是热分析热通量仪将是有益的，其克服前面描述的热通量规则的缺点，并提供具有更高可再现性和准确性的结果。

该热分析仪的开发无法在经典热通量规则的框架内实现。术语“经典”热通量规则是指已知规则。参考图1，一般地描述了当在受控条件下例如在采用热通量的热分析仪内对参考位置和样本位置进行加热时关于热流的基本规则。参考位置和样本位置也称为“测量位置”。

图1示出了样本位置1和参考位置2的示意性表示，该样本位置1和参考位置2或者与共同的加热器13相关联，或者与单独的加热器(这里未示出)相关联。样本6置于样本位置1上，参考位置2优选是空的。对于该情形，进入和来自参考位置2的所有热流累加成一个净热流进入样本位置1的净热流由表示。参考位置2处和样本位置1处的温度为T_R和T_S，它们在相应的测量位置假定是均匀的。

样本位置1处的能量平衡要求：