DE102015013026B4 - Polarization-maintaining vacuum cell for the application or measurement of electromagnetic waves in a vacuum, processes for their production and their use - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer polarisationserhaltenden Vakuum-Zelle (1) zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen, wobei die Doppelbrechung Δn < 10-6beträgt und die Herstellung der Vakuum-Zelle (1) durch das Fügen von mindestens vier Seitenfenstern (2) und einem Abschlussstück (8) auf eine Trägerplatte (3) mit einem Verbindungsmaterial erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial einen Klebstoff aus Epoxydharz beinhaltet.Process for the production of a polarization-maintaining vacuum cell (1) for the application or measurement of electromagnetic waves, the birefringence Δn <10-6 and the production of the vacuum cell (1) by joining at least four side windows (2) and an end piece ( 8) is carried out on a carrier plate (3) with a connecting material, characterized in that the connecting material contains an adhesive made of epoxy resin.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und die Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung einer polarisationserhaltende Vakuum Zelle zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen, wobei die Doppelbrechung Δn < 10-6 beträgt und die Vakuum-Zelle durch das Fügen von mindestens vier Seitenfenstern und einem Abschlussstück auf eine Trägerplatte mit einem Verbindungsmaterial hergestellt ist.The invention relates to a method, a device and the use of a device for producing a polarization-maintaining vacuum cell for the application or measurement of electromagnetic waves, the birefringence Δn <10 -6 and the vacuum cell by joining at least four side windows and an end piece is made on a carrier plate with a connecting material.
Vakuum-kompatible Messzellen sind bereits integraler Bestandteil vieler Experimente der Quantenoptik, beispielsweise im Bereich Präzisionsmessungen und Quanteninformation mit kalten Atomen oder Ionen. Diese Messungen müssen in einer Ultrahochvakuum-Umgebung durchgeführt werden um Stöße mit Luftmolekülen zu vermeiden. Des Weiteren benötigen diese Experimente guten optischen Zugang für zahlreiche Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen zur Kontrolle der Atome/Ionen sowie für Messungen des ausgesandten Lichtes und zur Abbildung der Atome/Ionen. Viele Experimente in der Quantenoptik setzen eine genaue Steuerung der Polarisation von Laserstrahlen voraus. Beispielsweise wird bei Protokollen zur physikalisch sicheren Übertragung von Information in der Quantenkryptographie die Information im Polarisationszustand von Licht kodiert. Bei Atomuhren mit gefangenen kalten Atomen bestimmt die Reinheit und Stabilität der Polarisation der zum Fangen der Atome verwendeten Laserstrahlen die Ganggenauigkeit. Bei Quantensimulatoren mit neutralen Atomen in optischen Gittern bestimmt die Güte der Kontrolle der Polarisation der für das optische Gitter verwendeten Laserstrahlen die Leistungsfähigkeit des Quantensimulators. Die genannten Beispiele stehen bereits im Übergang zur technischen Anwendung.Vacuum-compatible measuring cells are already an integral part of many experiments in quantum optics, for example in the area of precision measurements and quantum information with cold atoms or ions. These measurements must be carried out in an ultra-high vacuum environment in order to avoid collisions with air molecules. Furthermore, these experiments require good optical access for numerous laser beams from different directions to control the atoms / ions as well as to measure the emitted light and to image the atoms / ions. Many experiments in quantum optics require precise control of the polarization of laser beams. For example, in protocols for the physically secure transmission of information in quantum cryptography, the information is encoded in the polarization state of light. In the case of atomic clocks with trapped cold atoms, the purity and stability of the polarization of the laser beams used to trap the atoms determine the accuracy. In the case of quantum simulators with neutral atoms in optical lattices, the quality of the control of the polarization of the laser beams used for the optical lattice determines the performance of the quantum simulator. The examples mentioned are already in the transition to technical application.
Der optische Zugang von Laserstrahlen in Bereiche von Vakuumapparaturen erfolgt im Stand der Technik über eingebaute Vakuum-Fenster (Schaugläser) oder die Ausführung eines Teils der Vakuumapparatur als Vakuum-Glaszelle (Küvette). Vakuum-Zellen ermöglichen hierbei einen wesentlich kompakteren Aufbau der Vakuumapparatur als herkömmliche metallische Vakuumkammern, die mit optischen Zugängen in Form von Vakuum-Fenstern ausgestattet sind. Die Doppelbrechung der Fensterelemente verzerrt jedoch die Polarisation transmittierter Laserstrahlen (oder anderer elektromagnetischer Wellen wie infraroter Strahlung), wobei die Stärke der Doppelbrechung Δn das Ausmaß der Polarisationsverzerrungen bestimmt.In the state of the art, the optical access of laser beams into the areas of vacuum apparatus takes place via built-in vacuum windows (sight glasses) or part of the vacuum apparatus is designed as a vacuum glass cell (cuvette). Vacuum cells enable a much more compact construction of the vacuum apparatus than conventional metallic vacuum chambers, which are equipped with optical access in the form of vacuum windows. However, the birefringence of the window elements distorts the polarization of transmitted laser beams (or other electromagnetic waves such as infrared radiation), the strength of the birefringence Δn determining the extent of the polarization distortion.
Die Doppelbrechung kann eine intrinsische Eigenschaft des Fenstermaterials sein, oder sie kann über den spannungsoptischen Koeffizienten des Fenstermaterials von mechanischen Spannungen induziert werden, welche aufgrund der Montage des Fensters bzw. der Zelle und aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Außenluft und Vakuum auftreten. Eine Doppelbrechung Δn < 10-6 zu erreichen erfordert spezielle Aufmerksamkeit bei der Montage einer Vakuum-Zelle oder eines Fensters. Eine noch kleinere Doppelbrechung und damit eine noch geringere Polarisationsverzerrung sind mit herkömmlichen Vakuum-Fenstern, Schaugläsern, Viewports oder Vakuum-Zellen nicht erreichbar.The birefringence can be an intrinsic property of the window material, or it can be induced by the stress-optical coefficients of the window material from mechanical stresses which occur due to the installation of the window or the cell and due to the pressure difference between outside air and vacuum. Achieving a birefringence Δn <10 -6 requires special attention when installing a vacuum cell or a window. Even smaller birefringence and thus even less polarization distortion cannot be achieved with conventional vacuum windows, sight glasses, viewports or vacuum cells.
So ist beispielsweise aus der
Ferner ist aus der
Weiterhin offenbart
Zudem ist in
In der
Aus der
Die
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vakuum-Zelle für Messungen im Vakuum mit polarisierten elektromagnetischer Wellen bereitzustellen, welche den Effekt spannungsinduzierter Doppelbrechung und damit der Änderung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung beim Durchtritt durch die Zelle weitestgehend unterdrückt, wobei eine hochdichte Verbindung der Einzelfenster der Vakuumzelle zu einer Trägerplatte gewährleistet werden kann und parallel ein Anschluss für Vakuum-Pumpen generiert wird.The present invention is based on the object of providing a vacuum cell for measurements in a vacuum with polarized electromagnetic waves, which largely suppresses the effect of stress-induced birefringence and thus the change in the polarization state of electromagnetic radiation when passing through the cell, with a high-density connection of the individual windows of the vacuum cell can be guaranteed to a carrier plate and a connection for vacuum pumps is generated in parallel.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und 9 gelöst.The object of the invention is achieved according to the invention by the features of
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vakuum-Zelle durch Fügen von mindestens vier Seitenfenstern in einer Halterung mittels eines Verbindungsmaterials erfolgt, wobei die auftretende Spannung bei dem Fügevorgang der Einzelfenster so gering wie möglich gehalten wird. Dazu werden die einzelnen Seitenfenster in eine Halterung gegeben und durch Auftragung des Verbindungsmaterials auf Teilbereiche der Seitenflächen der einzelnen Seitenfenster miteinander verbunden. Nach der jeweiligen Verbindung der Seitenfenster schließt sich ein Aushärtungsvorgang an, d.h. es werden die Seitenfenster in der Halterung zunächst über ca. 1h auf die gewünschte Aushärtungstemperatur gebracht. Bei der Verwendung von Klebstoff als Verbindungsmaterial, insbesondere Epoxydharz liegt die Aushärtungstemperatur in einem Bereich von 140-180°C. Nach ca. 3 bis 4 h wird der Abkühlungsvorgang mit einer Temperaturänderung von ca. 0.5°C/min eingeleitet. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis eine durch die Verbindung der Seitenfenster entstandene Struktur vorhanden ist, die eine hohlzylindrische Form aufweist. Zum Schluss wird die hohlzylindrische Struktur einen- und anderenends mit axialen Begrenzungen, wie beispielsweise einem Abschlussstück oder einem Bodenglas beaufschlagt, um die Herstellung des Vakuum-Zellen-Körpers abzuschließen, wobei die Fügung der axialen Begrenzungen analog zu den voranstehenden Verfahrensschritten erfolgt. Alternativ ist auch möglich eine Verbindung der Seitenfenster durch ein Metall oder eine Metalllegierung vorzunehmen, insbesondere mit Hilfe von Indium, wobei die Verbindung der Seitenfenster und/oder der axialen Begrenzungen durch einen Lötvorgang oder durch Druck erfolgen kann.According to the invention it is provided that a vacuum cell takes place by joining at least four side windows in a holder by means of a connecting material, the stress occurring during the joining process of the individual windows being kept as low as possible. For this purpose, the individual side windows are placed in a holder and connected to one another by applying the connecting material to partial areas of the side surfaces of the individual side windows. After the respective connection of the side windows, a curing process follows, i.e. the side windows in the holder are first brought to the desired curing temperature over approx. 1 hour. When using adhesive as the connecting material, in particular epoxy resin, the curing temperature is in a range of 140-180 ° C. After approx. 3 to 4 hours, the cooling process is initiated with a temperature change of approx. 0.5 ° C / min. This process is repeated until a structure created by the connection of the side windows is present, which has a hollow cylindrical shape. Finally, the hollow cylindrical structure is acted upon with axial delimitations, such as an end piece or a bottom glass, at one end and the other, in order to complete the production of the vacuum cell body, the joining of the axial delimitations being carried out analogously to the preceding process steps. Alternatively, it is also possible to connect the side windows with a metal or a metal alloy, in particular with the aid of indium, whereby the connection of the side windows and / or the axial boundaries can be made by a soldering process or by pressure.
Eine geringe Doppelbrechung von Δn < 10-6 der Seitenfenster wird jedoch nur erreicht, wenn es zu einer vollständigen und gleichmäßigen Benetzung von den Seitenflächen bei der Herstellung der Struktur kommt, d.h. dass die Teilbereiche von mindestens zwei Seitenfenstern durch das Verbindungsmaterial vollständig benetzt werden. Ein Austreten von Verbindungsmaterial an den Teilbereichen der Seitenfenster, d.h. den Kontaktflächen könnte sonst zur Tropfenbildung und somit zu einer inhomogenen Spannungsverteilung im Glas führen. Um dies zu verhindern kann mit einer motorisierten Auftragung gearbeitet werden, die beispielsweise einen linearen Verschiebetisch im Falle der Verbindung der Seitenfenster oder einen rotierenden Verschiebetisch im Falle der Verbindung des Abschlussstücks oder der Trägerplatte umfasst wobei eine Menge von etwa 45mm3 des Verbindungsmaterials in Form von Klebstoff durch eine Spritze auf die Kontaktflächen der Seitenfenster aufgetragen wird.A low birefringence of Δn <10 -6 of the side windows is only achieved if there is complete and uniform wetting of the side surfaces during the production of the structure, ie the partial areas of at least two side windows are completely wetted by the connecting material. A leakage of connecting material at the partial areas of the side windows, ie the contact surfaces, could otherwise lead to the formation of drops and thus to an inhomogeneous stress distribution in the glass. To prevent this, a motorized application can be used, which includes, for example, a linear displacement table in the case of connecting the side windows or a rotating displacement table in the case of connecting the end piece or the carrier plate, with an amount of about 45mm 3 of the connecting material in the form of adhesive is applied by syringe to the contact surfaces of the side windows.
Der Klebstoff kann mittels eines Drucks von 8hPa durch eine Nadel mit einem Durchmesser von 0.9 mm gedrückt und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 4mm/s auf eine Kontaktfläche aufgetragen werden. Dabei entsteht eine ca. 1mm breite und 0,3 mm hohe Linie, welche sich beim Kontaktieren mindestens zweier Seitenfenster auf die gesamte Fläche ausbreitet und auf diese Weise eine vollständige und dichte Verbindung der Seitenfenster gewährleistet. Die Menge des aufgetragenen Verbindungsmaterials auf die Kontaktflächen der Seitenfenster beträgt in der Regel 0,2 bis 0,4 g/cm, wobei die Menge in Abhängigkeit der Länge und Breite der Seitenfenster variieren kann.The adhesive can be pressed through a needle with a diameter of 0.9 mm using a pressure of 8 hPa and applied to a contact surface at a feed rate of 4 mm / s. This creates an approx. 1 mm wide and 0.3 mm high line, which spreads over the entire surface when at least two side windows are contacted and in this way a complete and tight connection of the Side window guaranteed. The amount of connecting material applied to the contact surfaces of the side windows is generally 0.2 to 0.4 g / cm, the amount being able to vary depending on the length and width of the side windows.
Nach dem Fügen der radialen Seitenfenster werden an beiden Enden der entstandenen Struktur die axialen Seitenflächen zur Herstellung der Vakuum-Zelle angesetzt und mit den Seitenfenstern verbunden. Dies kann einenends beispielsweise ein Deckglas sein. Anderenends der hergestellten Struktur kann eine Trägerplatte als axiale Seitenfläche dienen. Die Trägerplatte kann dabei als Bodenglas und/oder als metallischer Flansch-Anschluss ausgebildet sein. Falls die Trägerplatte als Bodenglas ausgebildet ist, kann das Bodenglas mit einem metallischen Flansch verbunden werden. Die Verbindung erfolgt mit Verbindungsmaterial, das entweder Klebstoff, insbesondere Epoxydharz oder eine metallische Verbindung, insbesondere Indium beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass das Bodenglas zumindest in Teilbereichen einen flanschartigen-Anschluss aufweist, um einen direkten Vakuum-Pumpe-Anschluss an die Vakuum-Zelle zu gewährleisten.After the radial side windows have been joined, the axial side surfaces for producing the vacuum cell are attached to both ends of the resulting structure and connected to the side windows. At one end, this can be a cover slip, for example. At the other end of the structure produced, a carrier plate can serve as an axial side surface. The carrier plate can be designed as a bottom glass and / or as a metallic flange connection. If the carrier plate is designed as a bottom glass, the bottom glass can be connected to a metallic flange. The connection is made with connection material that either contains adhesive, in particular epoxy resin, or a metallic compound, in particular indium. However, it is also possible for the bottom glass to have a flange-like connection at least in partial areas in order to ensure a direct vacuum pump connection to the vacuum cell.
Auch ist es möglich die Trägerplatte, die als metallische Flansch ausgestaltet sein kann, direkt mit den Einzelfenstern zu verbinden, wobei insbesondere Titan und/oder Tantal als Bestandteil des flanschartigen Anschlusses enthalten sein können. Titan und Tantal sind durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders als Bestandteile der metallischen, flanschartigen Trägerplatte bevorzugte Werkstoffe, da durch ihre Korrosions- und Temperaturbeständigkeit (Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6-8 × 10-6/K die vergleichbar mit den Ausdehnungskoeffizienten der Einzelfenster ist) eine gute Verbindung der Einzelfenster zur Trägerplatte gewährleistet werden kann und die Anschlüsse für die metallische flanschartige Trägerplatte an Vakuum-Pumpen standardisiert sind. Im Besonderen bietet Tantal beispielsweise in Form einer dünne Tantal-Lippe aufgrund ihrer leichten Verformbarkeit den Vorteil auftretende Deformationen des Metallflansches bei der Montage kompensieren zu können und somit Verspannungen im Glas zu minimieren.It is also possible to connect the carrier plate, which can be designed as a metallic flange, directly to the individual windows, with titanium and / or tantalum in particular being able to be included as part of the flange-like connection. Due to their chemical and physical properties, titanium and tantalum are particularly preferred materials as components of the metallic, flange-like carrier plate, since their corrosion and temperature resistance (expansion coefficients in the range of 6-8 × 10 -6 / K is comparable to the expansion coefficients of the individual windows ) a good connection of the individual windows to the carrier plate can be guaranteed and the connections for the metallic flange-like carrier plate on vacuum pumps are standardized. In particular, tantalum in the form of a thin tantalum lip, due to its easy deformability, offers the advantage of being able to compensate for deformations of the metal flange that occur during assembly and thus minimize tension in the glass.
Die Art und die Ausgestaltung der Trägerplatte richten sich nach den jeweiligen Anforderungen an die Vakuum-Zelle und deren Anschlüsse, sowie der geplanten Anwendung beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle. So kann es erforderlich sein, die Trägerplatte als direktes Verbindungsstück, d.h. als flanschartiges Bodenglas oder flanschartige metallische Trägerplatte oder auch indirektes Verbindungsstück, d.h. Bodenglas ohne Flansch mit dem eine flanschartige metallische Trägerplatte oder mit dem ein Saugglasflansch als Trägerplatte verbunden werden kann, auszugestalten. Für den Fall der Ausgestaltung der Trägerplatte als direktes oder indirektes Verbindungsstück, wird die entstandene Struktur der verbundenen Einzelfenster analog zu den voranstehenden Verfahrensweisen einem nachfolgenden Aushärtungsvorgang unterzogen.The type and configuration of the carrier plate depend on the respective requirements for the vacuum cell and its connections, as well as the planned application when operating the vacuum cell according to the invention. It may be necessary to design the carrier plate as a direct connection piece, i.e. as a flange-like floor glass or flange-like metallic carrier plate or also as an indirect connection piece, i.e. floor glass without a flange to which a flange-like metallic carrier plate or to which a suction glass flange can be connected as a carrier plate. In the event that the carrier plate is designed as a direct or indirect connecting piece, the resulting structure of the connected individual windows is subjected to a subsequent hardening process analogous to the above procedures.
Für die Verbindung der Seitenfenster ist ein Verbindungsmaterial vorgesehen, das den Anforderungen an Dichtigkeit bzw. Leckage und der Verhinderung einer inhomogenen Spannungsverteilung der Einzelfenster in der Vakuum-Zelle Rechnung trägt. Dafür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass entweder ein Metall, insbesondere Indium als weiches Metall mit einem geringen Schmelzpunkt verwendet wird oder ein Klebstoff, der einen hohen Schmelzpunkt aufweist und nur geringe Menge an Gasen bindet bzw. solche schnell wieder ausgast. Es wurde erfindungsgemäß als Verbindungsmaterial insbesondere als Klebstoff ein Epoxydklebstoff gefunden, insbesondere der Epoxydklebstoff H77 von Epoxy Technologies Inc., der kleine Partikel im Bereich < 50µm enthält. Eswurde der Nachweis erbracht, dass durch diesen gefüllten Klebstoff nur geringe Spannungen im Glas während des Klebevorgangs erzeugt werden Nach Zusammenfügen von den jeweiligen Epoxyklebstoff-Komponenten werden diese zunächst in einem Exsikkator evakuiert, um Gaseinschlüsse zu entfernen, die beim Mischen der zwei Komponenten des Klebers entstanden sind. Der Vorgang der Evakuierung wird ca. 2min durchgeführt und nach Umfüllen in eine Spritze nochmals wiederholt um auch eventuelle Gaseinschlüsse, die beim Umfüllen entstanden sind, zu entfernen. Es wurde bei nachfolgenden Messungen eine sehr geringe Leckage-Rate ermittelt. Die Leckage-Rate beträgt für die erfindungsgemäße Vakuum-Zelle in Bezug auf Helium weniger als 8×10-11 mbar/s.For the connection of the side windows, a connection material is provided which takes into account the requirements for tightness or leakage and the prevention of an inhomogeneous stress distribution of the individual windows in the vacuum cell. For this purpose, it is provided according to the invention that either a metal, in particular indium, is used as the soft metal with a low melting point or an adhesive which has a high melting point and only binds a small amount of gases or outgasses them again quickly. According to the invention, an epoxy adhesive, in particular the epoxy adhesive H77 from Epoxy Technologies Inc., which contains small particles in the range <50 μm, has been found as the connecting material, in particular as the adhesive. Evidence was provided that this filled adhesive only generates low stresses in the glass during the gluing process.After joining the respective epoxy adhesive components, they are first evacuated in a desiccator in order to remove gas inclusions that were created when the two components of the adhesive were mixed are. The evacuation process is carried out for approx. 2 minutes and is repeated again after transferring it into a syringe in order to remove any gas inclusions that may have arisen during transferring. The following measurements showed a very low leakage rate. The leakage rate for the vacuum cell according to the invention in relation to helium is less than 8 × 10 -11 mbar / s.
Erfindungsgemäß ist in einer besonderen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Seitenfenster aus einem Glas mit einem geringen spannungsoptischen Koeffizienten, besonders bevorzugt aus Flint-Glas bestehen. Die Verwendung von Glas mit einem geringen spannungsoptischen Koeffizienten hat den Vorteil, dass nur eine geringe spanungsinduzierte Doppelbrechung auftritt und dadurch Veränderungen der Polarisation von elektromagnetischer Strahlung bei Transmission in die Vakuum-Zelle durch die einzelnen Seitenfenster minimiert werden. Dieses gewährleistet die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der durchzuführenden Messungen.According to the invention, it is provided in a special embodiment that the side windows consist of a glass with a low stress-optical coefficient, particularly preferably of flint glass. The use of glass with a low stress-optical coefficient has the advantage that only a low stress-induced birefringence occurs and changes in the polarization of electromagnetic radiation when transmitted into the vacuum cell through the individual side windows are minimized. This ensures the accuracy and reproducibility of the measurements to be carried out.
Zur Gewährleistung der Form der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle ist vorgesehen, dass eine Halterung mit Anschlag während des Fügeprozesses eingesetzt wird. Dies erfolgt deswegen, damit die Struktur und nachfolgend die Stabilität bei und Dichtigkeit der Vakuum-Zelle nach der Herstellung gewährleistet bleibt. Die Halterung besteht in der Regel aus einem polygonalen Corpus aus Aluminium mit axialen Auflageflächen, die einenends und anderenends des Corpus vorhanden sind und auf die Einzelfenster aufgelegt werden. Je nachdem wie viele Seitenfenster zu einer Vakuum-Zelle gefügt werden sollen, weist der Korpus vier und mehr Auflageflächen auf. Begrenzt wird die Halterung einenends durch einen Anschlag, der die Einzelfenster mit der Halterung fixiert.To ensure the shape of the vacuum cell according to the invention, it is provided that a holder with a stop is used during the joining process. This is done so that the structure and subsequently the stability and tightness of the vacuum cell remains guaranteed after manufacture. The bracket usually consists of a polygonal body made of aluminum with axial bearing surfaces, which are present at one end and the other end of the corpus and are placed on the individual windows. Depending on how many side windows are to be joined to form a vacuum cell, the body has four or more contact surfaces. The bracket is limited at one end by a stop that fixes the individual windows with the bracket.
Im proximalen Bereich der Auflageflächen sind zumindest in Teilbereichen in den Korpus axial verlaufende Aussparungen eingelassen. Die Aussparungen könnten nutähnlich oder auch konkav ausgestaltet sein. Die Aussparungen verlaufen in axialer Richtung zumindest in Teilbereichen entlang des proximalen Bereichs der Halterung und setzen sich im Bereich der radialen Begrenzung der Halterung bzw. des Anschlags als Durchbrüche fort. Dies hat den Vorteil, dass ein Austritt des Verbindungsmaterials in Richtung der Halterung und eine Verbindung zwischen der Halterung und den Einzelfenstern im Bereich der Kontaktflächen der Einzelfenster verhindert wird. Eventuell überschüssiges Verbindungsmaterial kann durch die Aussparungen oder Durchbrüche entfernt werden und steht nicht zur Verbindung der Einzelfenster mit der Halterung oder dem Anschlag zur Verfügung.In the proximal area of the bearing surfaces, axially extending recesses are let into the body at least in partial areas. The recesses could be designed like a groove or also concave. The recesses run in the axial direction at least in partial areas along the proximal area of the holder and continue as openings in the area of the radial delimitation of the holder or the stop. This has the advantage that an exit of the connection material in the direction of the holder and a connection between the holder and the individual windows in the area of the contact surfaces of the individual windows is prevented. Any excess connecting material can be removed through the recesses or openings and is not available for connecting the individual windows to the bracket or the stop.
In einer besonderen Ausgestaltung der Vakuum-Zelle und ihrer Herstellung ist vorgesehen, dass die Vakuum-Zelle einen polygonalen Aufbau mit mindestens vier, insbesondere zwölf Seitenfenstern aufweist. Der polygonale Aufbau mit mindestens vier, insbesondere zwölf Seitenfenstern hat den Vorteil, dass eine annähernd spannungsfreie Verbindung der Einzelfenster untereinander gewährleistet wird, so dass sich die auftretenden Kräfte über den gesamten hohlzylindrischen Bereich verteilen können. Auch ist durch eine erhöhte Anzahl an Seitenfenstern ein weitgehend senkrechter Durchtritt elektromagnetischer Strahlung ohne Änderung der Polarisation durch viele Seitenfenster in alle radialen und die beiden axialen Richtungen der Vakuumzelle möglich. Da jedoch die gesamte Querschnittsfläche aller Verbindungen, die je nach Zellengeometrie und -Abmessungen sowie des zu erreichenden Drucks einschließlich der zur Verfügung stehenden Pumprate zusammen die Leckagerate bestimmen, sollte eine Querschnittsfläche von geschätzten 2cm2 nicht überschritten werden.In a particular embodiment of the vacuum cell and its production, it is provided that the vacuum cell has a polygonal structure with at least four, in particular twelve side windows. The polygonal structure with at least four, in particular twelve, side windows has the advantage that an almost tension-free connection between the individual windows is guaranteed, so that the forces that occur can be distributed over the entire hollow cylindrical area. An increased number of side windows also enables electromagnetic radiation to pass through a large number of side windows in a largely vertical direction without changing the polarization in all radial and both axial directions of the vacuum cell. However, since the total cross-sectional area of all connections, which together determine the leakage rate depending on the cell geometry and dimensions as well as the pressure to be achieved including the available pumping rate, a cross-sectional area of an estimated 2cm 2 should not be exceeded.
Um die Funktionalität der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle zu gewährleisten, muss eine Leckage vermieden, jedoch ein möglichst großer brechungsfreier, transparenter Bereich erhalten werden und die Doppelbrechung induzierter oder emittierter elektromagnetischer Strahlung sehr gering sein soll. So wurde in Messungen nachgewiesen, dass der Wert der Doppelbrechung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vakuum-Zelle einen Wert von Δn < 10-7 annimmt. Grund dafür sind die durch das Herstellungsverfahren gewährleisteten geringen Spannungen innerhalb der Zelle und die Verwendung von Glas mit geringen spannungsoptischen Koeffizienten, der sich erfindungsgemäß insbesondere in einem Bereich um 2×10-8mm2/N bewegt.In order to ensure the functionality of the vacuum cell according to the invention, leakage must be avoided, but the largest possible non-refractive, transparent area must be obtained and the birefringence of induced or emitted electromagnetic radiation should be very low. Measurements have shown that the value of the birefringence of the vacuum cell produced by the method according to the invention assumes a value of Δn <10 -7. This is due to the protection provided by the manufacturing method of low stresses within the cell and the use of glass with low stress-optical coefficient, which moves according to the invention particularly in a range of 2 × 10 8 mm 2 / N.
Besonders vorteilhaft hat sich erfindungsgemäß, eine trapezförmige Ausgestaltung der Seitenfenster der Vakuum-Zelle herausgestellt. Durch die trapezförmige Ausgestaltung der Seitenfenster sind die Vakuum-Zellen intrinsisch stabil bei äußerem Druck und können bei Messungen eingesetzt werden, bei denen elektromagnetische Strahlung insbesondere Laser-Licht im Vakuum benötigt wird. Durch die Wahl der Ausgestaltung der Seitenfenster können die apparativen Voraussetzungen an die Anwendung angepasst werden. Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt die Gläser optisch zu polieren und/oder anti-reflexiv zu beschichten.According to the invention, a trapezoidal configuration of the side windows of the vacuum cell has proven to be particularly advantageous. Due to the trapezoidal design of the side windows, the vacuum cells are intrinsically stable under external pressure and can be used for measurements in which electromagnetic radiation, in particular laser light, is required in a vacuum. By choosing the design of the side windows, the equipment requirements can be adapted to the application. It has also proven to be advantageous to optically polish the glasses and / or to coat them in an anti-reflective manner.
Ferner ist erfindungsgemäß, die Verwendung einer polarisationserhaltenden Vakuum Zelle zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen vorgesehen, wobei die Doppelbrechung der Vakuum Zelle Δn < 10-6 beträgt. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle mit polygonalem Aufbau und mit mehr als vier Seitenfenstern auf einer Trägerplatte und ein Abschlussstück erfolgt in der physikalischen Präzisionsmesstechnik, insbesondere zur Messung in Atomuhren, der Spektroskopie, Magnetometrie, Quantentechnologie und Quantenkryptographie. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt Seitenfenster mit einem Doppelbrechungsindex von Δn < 10-7 zu verwenden, um die Präzision der Messungen ein- und ausfallender elektromagnetischer Strahlung zu verbessern.Furthermore, according to the invention, the use of a polarization-maintaining vacuum cell for the application or measurement of electromagnetic waves is provided, the birefringence of the vacuum cell being Δn <10 -6 . The use of the vacuum cell according to the invention with a polygonal structure and with more than four side windows on a carrier plate and an end piece takes place in physical precision measurement technology, in particular for measurement in atomic clocks, spectroscopy, magnetometry, quantum technology and quantum cryptography. It has proven particularly advantageous to use side windows with a birefringence index of Δn <10 -7 in order to improve the precision of the measurements of incoming and outgoing electromagnetic radiation.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Abbildungen nochmals erläutert:
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Zelle 1 aus mehreren Seitenfenstern2 besteht, die einenendsvon einem Abschlussstück 8 und anderenends von einerTrägerplatte 3 begrenzt sind.Die Trägerplatte 3 kann in einer besonderen Ausführungsform wie vorliegend dargestelltmit einem Tantalring 4 verbunden werden. Dieser kann wiederummit einem Flansch 9 verbunden werden, der als Anschlussstück für eine externe Vakuumpumpe dient (nicht dargestellt), andie der Flansch 9 mit Schrauben12 (nicht dargestellt) über Bohrungen11 fixiert werden kann. Ferner sind lateral anden Seitenflächen 2 Seitenflächen 13 zu erkennen, auf die das Verbindungsmaterial zur Herstellung einer Verbindung der Seitenfenster2 aufgetragen werden kann. - In
Zelle 1 in einer vertikalen Aufsicht dargestellt. Im vorderen Bereich der Vakuum-Zelle 1 ist ein Flansch 9 mit Bohrungen 11 für Schrauben12 (nicht dargestellt) angeordnet, an die sich in distalerRichtung ein Tantalring 4 mit Trägerplatte 3 anschließt. Andiese Trägerplatte 3 sind axial miteinander verbundene Seitenfenster2 befestigt, diedurch ein Abschlussstück 8 beaufschlagt sind. Man erkennt, dass dieVakuumzelle 1 im inneren eine annähernd hohlzylindrische Form aufweist, die durch die lateral angeordneten Seitenfenster2 begrenzt ist. -
1 in einer vertikalen Explosionszeichnung dar. Die lateral miteinander verbindbaren Seitenfenster2 weisen eine annähernd trapezförmige Form auf.Die Seitenfenster 2 werden axialdurch das Abschlussstück 8 und dieTrägerplatte 3 begrenztEs schließt sich axial andie Trägerplatte 3 ein Tantalring 4 an, dermit einem Flansch 9 mit Bohrungen 11 über Schrauben12 (nicht dargestellt) mit einer externen Vakuumpumpe verbunden werden kann. - In
Zelle 1 in einer horizontalen Schnittzeichnung. Die Vakuum-Zelle 1 ist ineine Halterung 5 eingebettet, die während der Herstellung der Vakuum-Zelle 1 den Seitenfenstern 2 beim Verbinden die notwendige Struktur und den notwendigen Halt gibt. Unterhalb der Kontaktflächen der Seitenfenster2 befinden sichAussparungen 7 , die axial verlaufen, wobei nutförmige oder konkave Vertiefungen zumindest in Teilbereichen imCorpus der Halterung 5 zu erkennen ist.Die Aussparungen 7 dienen als Hohlraum, um zu verhindern, dass eventuell überschüssiges Verbindungsmaterial bei der Verbindung der Seitenfenster2 miteinander andie Halterung 5 gelangt und eine Verbindung der Halterung5 mit den Seitenfenstern 2 erfolgt. -
Zelle 1 nebst Halterung 5 und einemAnschlag 6 .Die einzelnen Seitenfenster 2 sind lateral an ihren Seitenflächen miteinander verbunden. In axialer Richtung sind in derHalterung 5 zumindest teilweise nutförmige oder konkave Aussparungen zu erkennen, die eine Verbindung der Seitenfenster2 mit der Halterung 5 unterbinden sollen, indem etwaiges überschüssiges Verbindungsmaterial bei der Herstellung der Vakuum-Zelle 1 inden Aussparungen 7 entfernt werden kann.Die Aussparungen 7 verlaufen in axialer Richtung zumindest in Teilbereichen entlang des lateralen Bereichs der Halterung5 und setzen sich im Bereich der radialen Seitenfläche des Anschlags6 als Durchbrüche fort. Man erkennt, dass derAnschlag 6 mit Senkkopfschrauben 10 andie Halterung 5 verbunden ist.
-
vacuum cell 1 fromseveral side windows 2 consists of one end of a terminator8th and at the other end from acarrier plate 3 are limited. Thecarrier plate 3 can in a special embodiment as shown here with a tantalum ring4th get connected. This can in turn with aflange 9 be connected, which serves as a connection piece for an external vacuum pump (not shown) to which theflange 9 with screws12th (not shown) viaholes 11 can be fixed. Furthermore, are laterally on the side surfaces2 Side faces13th to recognize on which the connecting material to produce a connection of theside windows 2 can be applied. - In
vacuum cell 1 shown in a vertical plan view. In the front area of thevacuum cell 1 is aflange 9 withholes 11 for screws12th (not shown) arranged on which a tantalum ring is attached in the distal direction4th withsupport plate 3 connects. To thiscarrier plate 3 are axiallyinterconnected side windows 2 attached by a terminator8th are acted upon. You can see that thevacuum cell 1 has an approximately hollow cylindrical shape on the inside, which is defined by the laterally arrangedside windows 2 is limited. -
invention 1 in a vertical exploded view. The laterallyinterconnectable side windows 2 have an approximately trapezoidal shape. Theside windows 2 are axially through the end piece8th and thecarrier plate 3 It closes axially on the carrier plate3 a tantalum ring4th at that with aflange 9 withholes 11 about screws12th (not shown) can be connected to an external vacuum pump. - In
invention 1 in a horizontal sectional drawing. Thevacuum cell 1 is in aholder 5 embedded during the manufacture of thevacuum cell 1 theside windows 2 gives the necessary structure and support when connecting. Below the contact surfaces of theside windows 2 there are recesses7th which run axially, with groove-shaped or concave depressions at least in partial areas in the body of theholder 5 can be seen. The recesses7th serve as a cavity to prevent any excess connecting material when connecting theside windows 2 together on thebracket 5 arrives and a connection of thebracket 5 with theside windows 2 he follows. -
vacuum cell 1 includingbracket 5 and a stop6th . Theindividual side windows 2 are laterally connected to one another on their side surfaces. In the axial direction are in theholder 5 to recognize at least partially groove-shaped or concave recesses that connect theside windows 2 with thebracket 5 intended to prevent by removing any excess connecting material during the manufacture of thevacuum cell 1 in the recesses7th can be removed. The recesses7th run in the axial direction at least in partial areas along the lateral area of theholder 5 and settle in the area of the radial side surface of the stop6th continued as breakthroughs. You can see that the stop6th with countersunkscrews 10 to thebracket 5 connected is.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1 -1 -
- VakuumzelleVacuum cell
- 2 -2 -
- Seitenfenstersidewindow
- 3 -3 -
- TrägerplatteCarrier plate
- 4 -4 -
- TantalringTantalum ring
- 5 -5 -
- Halterungbracket
- 6 -6 -
- Anschlagattack
- 7 -7 -
- AussparungenRecesses
- 8 -8th -
- AbschlussstückEnd piece
- 9 -9 -
- Flanschflange
- 1010
- - Senkkopfschrauben- Countersunk screws
- 1111
- - Bohrungen- holes
- 1212th
- - Schrauben- screws
- 1313th
- - Seitenfläche- side face
Claims (8)
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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- 2016-10-07 WO PCT/DE2016/100467 patent/WO2017059847A1/en active Application Filing
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Also Published As
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