CZ36961U1 - Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka - Google Patents

Description

Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka

Oblast techniky

Technické řešení se týká sestavy optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka, s jedním nebo dvěma optickými moduly. Každý optický modul obsahuje jeden svazek reflexních zrcadel, jejichž počet závisí na požadovaných parametrech optického systému. Optická zrcadla jsou rovinná, mají shodný pravoúhlý tvar nebo shodný tvar výseče mezikruží a mají funkční odrazové plochy, vymezené hloubkou ve směru optické osy a šířkou ve směru kolmém na optickou osu. Optická zrcadla jsou zhotovena z křemíkových nebo skleněných plátků shodné tloušťky. Optická zrcadla jsou sbíhavě nebo rovnoběžně uspořádána ve směru své hloubky sbíhavosti optických zrcadel.

Dosavadní stav techniky

Račí oko je druhem optiky pro rentgenové záření. Existují dva základní koncepty račího oka - Schmidtův a Angelův. Název „račí oko“ je více příhodný pro Angelův systém, který je tvořen pravoúhlými kanálky. Toto odpovídá stavbě oka raků, humrů a některých další živočichů z řádu desetinožců (Decapoda). Termín „račí oko“ je vžitý a používaný technický termín v češtině. V angličtině se používá termín „lobster eye“, v překladu „humří oko“.

Schmidtův systém se skládá z jednoho nebo dvou kolmo na sebe uspořádaných svazků rovinných optických zrcadel.

Časopis EkonTech.cz vydaný 21.03.2017 v článku „České račí oko míří do vesmíru“ [1], uvádí že myšlenka využití račího oka v astronomii je ve světě známa už od 70 let 20. století. Navrhli jej s odlišným řešením nezávisle na sobě americký astronom R. Angel a Němec W.K.H. Schmidt. Dlouho ale jejich koncepty zůstávaly jen na papíře. Dotáhnout je do funkční podoby se daří teprve v posledních letech. Tým vědců z Leicesterské university pracuje na konstrukci rentgenového dalekohledu se zrcadlovými kanálky o čtvercovém průměru. Čeští experti zvolili namísto čtvercových kanálků, které se špatně vyrábějí, jednodušší, ale funkčně rovnocenný Schmidtův koncept. Je založený na modulech vějířovitého tvaru, které jsou vůči sobě kolmo uspořádány. Skládají se z tenkých substrátů, které jsou mimořádné odolné vůči deformacím. Tento typ optiky v České republice studovalo v době vydání článku už 25 let v rámci konsorcia více subjektů, z nichž k hlavním patří Astronomický ústav AV ČR, FEI, ČVUT, FJFI ČVUT a společnost Rigaku Innovative Technologies Europe. Optika „račího oka“ je sice méně citlivá než složitá zrcadla velkých rentgenových družic, ale oproti nim má mnohem širší zorné pole: teoreticky může sledovat celou oblohu. Hlavním problémem je technická a finanční náročnost rentgenových zrcadel.

W.K.H. Schmidt [2] již v roce 1975 uvádí navrhované rentgenové zaostřovací zařízení se širokým zorným polem pro použití v rentgenové astronomii. Publikace uvádí též teoretické schematické zobrazení navrhovaného vějířovitého uspořádání zrcadel včetně teoretických rovnic a propočtů.

Technologické aspekty vývoje a výroby optických prvků pro rentgenové záření uvádí v dizertační práci Adolf Inneman [3] ČVUT Praha, 2001 na 137 stranách. Anotace uvádí, že rentgenové reflexní fólie a pravoúhlé zrcadlové kanálky jsou základní optické prvky potřebné ke konstrukci jedno a dvoudimenzionální rentgenové optiky typu „račí oko“. Práce se 64 citovanými odkazy velmi podrobně shrnuje problematiku po teoretické stránce, včetně návrhu a konstrukce prototypu „račího oka“ - širokoúhlé rentgenové optiky z tenkých foliových zlacených skel a testování prototypu „račího oka“ (str. 69, 115). Je zmíněno zhotovení dvojdimenzionálního rentgenového objektivu typu račího oka Schmidtova typu, kdy do dvou skleněných rámečků byla postupně sestavena oboustranná zrcadla s distančními klínky. Pro prototyp tohoto objektivu byla zvolena oboustranně pozlacená tenká rovinná skla DESAG. Lze předpokládat, že dva skleněné rámečky

- 1 CZ 36961 U1 mohou být křehké na uchycení a že pouze klínky pravděpodobně nezajistí stabilní uchycení optických zrcadel po delší dobu.

Způsob výroby optických zrcadlových členů uvádí CS 207427 B1 [4] s prioritou 11.06.1979, autorů Hudec R. a další, CZ. V příkladu 2 je uveden druh optiky, a to rentgenový zrcadlový objektiv typu paraboloid, hyperboloid. Podstata vynálezu spočívá v tom, že se na negativní matrici nanese kovová funkční povrchová vrstva, na niž se za sníženého tlaku nanese plněná termoaktivní pryskyřice, která se pak i s uvedenou funkční povrchovou vrstvou sejme z matrice. Řešení není vhodné pro kosmický program.

ČVUT Praha a VŠCHT Praha v CZ 304312 B6 [5] s prioritou 12.01.2017, autorů Míka M, Pína L., Hudec R. a další, popisuje tepelně tvarované křemíkové plátky pro přesnou rentgenovou optiku s předpokládaným možným využitím, m.j. v astrofýzice, která je silně závislá na výkonnějších kosmických rentgenových teleskopech (průmyslová využitelnost, ř. 19, 21.). Vytvarovaný křemíkový plátek má požadovaný optický tvar s funkčním odrazovým povrchem s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 pm a optickou kvalitu se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra pod 1,0 nm, s výhodou 0,2 až 0,4 nm. Výsledný křemíkový plátek má tvar válcovitý, kulovitý, parabolický či paraboloidní, hyperbolický či hyperboloidní, eliptický či elipsoidní nebo kuželovitý.

Způsob výroby těchto plátků je popsán v CZ 304298 B6 [6] s prioritou 12.01.2018 týchž majitelů i autorů.

Rentgenový optický systém je popsán v CZ 306934 B6 [7] s prioritou 17.05.2011, majitele Rigaku Innovation Technologies Europe s.r.o., původců Inneman A., Maršíková M, Pína L., Hudec R. Je uvedeno, že tento rentgenový optický systém lze využít jako kondenzor pro EUV/rtg záření pro litografii, která se používá pro průmyslovou výrobu čipů; nebo pro fokusaci částic, např. neutronů a elektronů; nebo pro zvýšení účinnosti kosmických rtg dalekohledů, pro zobrazení astrofyzikálních objektů. Rentgenový optický systém obsahuje dva sub-moduly z tenkých reflexních fólií vůči sobě v optické ose pootočených o 90°, je složený minimálně z 5 segmentů, přičemž segment je tvořen z minimálně jednoho modulu a úhlopříčky všech modulů v segmentu jsou vždy rovnoběžné s osou souměrnosti segmentu. Přitom segment je kruhová výseč se středovým úhlem od 18 do 72°, v jejíž nejužší části je nefunkční zóna.

Jednotlivé moduly rtg optického systému jsou typu Schmidt.

CN 102200640 A [8] s prioritou 05.07.2011 popisuje rentgenové aktivní zobrazovací zařízení typu „humřího oka“. Zařízení obsahuje podélnou skupinu křemíkových plátků a příčnou skupinu křemíkových plátků navzájem oddělených. Podélná skupina křemíkových plátků je vytvořena spojením podélného spojovacího kusu křemíkového plátku s množstvím podélných křemíkových plátků. Příčná skupina křemíkových plátků je vytvořena spojením příčného spojovacího kusu křemíkového plátku s množstvím příčných křemíkových plátků. Křemíkové plátky jsou jednotlivě od sebe odděleny a odsazeny od sebe. Povrchy každého podélného křemíkového plátku a každého příčného křemíkového plátku jsou roviny. Jako výhoda je uvedeno, že příčná skupina křemíkových plátků a podélná skupina křemíkových plátků jsou od sebe odděleny, aby se zabránilo řezání montážních otvorů na křemíkových plátcích. Nevýhodou může být spojení křemíkových plátků dalším spojovacím kusem křemíkového plátku z hlediska pevného spojení všech křemíkových plátků při využití v kosmickém prostoru, kde dochází k vibracím optického zařízení.

CN 104819828 A [9] s prioritou 01.04.2015 se týká zařízení pro sestavení čočky předmětu s rentgenovým humřím okem a jeho aplikace. Montážní zařízení je založeno na disperzní konfokální detekci a obsahuje jednotku pro montáž čočky, jednotku pro snímání posunutí a jednotku pro broušení podložky. Jednotka pro montáž čoček obsahuje základnu objektivu pro umístění čočky, která se má sestavit, a šestirozměrné elektrické ovládání, posuvná plošina pohání vertikální pohyb základny objektivu zleva doprava a zepředu dozadu. Jednotka pro snímání posunutí obsahuje jednorozměrnou nastavovací platformu, polohovací podpěru snímače posunutí

- 2 CZ 36961 U1 spojenou s jednorozměrnou nastavovací plošinou a disperzní konfokální snímač posunutí upnutý na polohovací podpěře snímače posunutí. Brusná jednotka obsahuje podpěru ve tvaru písmene U, vzduchovou flotační hřídel uspořádanou na podpěře ve tvaru U a brusnou hlavu spojenou s flotační hřídelí. Zařízení zahrnuje brusnou jednotku poměrně složité konstrukce, takže opracování se provádí zdlouhavým broušením.

Optický systém zahrnuje jedno nebo dvoudimenzionální rentgenovou optiku, to jest obsahující jeden nebo dva optické moduly. Každý optický modul obsahuje sadu optických zrcadel. Počet těchto zrcadel v sadě je jedním z parametrů optického systému a závisí na výsledných požadovaných optických parametrech optického systému. Obvykle je cílem maximalizovat efektivní sběrnou plochu optického systému nebo jeho zisk (gain). Počet zrcadel společně s dalšími parametry systému ovlivňují efektivní sběrnou plochu i zisk složitým způsobem. Matematickým popisem této závislosti a nalezením optimálních parametrů se zabývá mnoho publikací [např. 2, 3, 10]. Optická zrcadla jsou rovinná a mají shodný pravoúhlý tvar nebo tvar výseče mezikruží funkční odrazové plochy, která je vymezena hloubkou (rozměr ve směru optické osy) a šířkou (rozměr ve směru kolmém k optické ose). Optická zrcadla jsou zhotovena z křemíkových nebo skleněných plátků shodné tloušťky. Optická zrcadla v každém modulu jsou sbíhavě uspořádána ve směru své hloubky. Ohnisko optického modulu leží v polovině mezi středem sbíhavosti optických zrcadel a geometrickým středem modulu. Pro některé aplikace mohou být optická zrcadla uspořádána rovnoběžně; a střed sbíhavosti pak teoreticky leží v nekonečnu. Dvojdimenzionální systém, tedy systém složený ze dvou modulů, je upořádaný tak, že ohniska jednotlivých modulů leží na stejném místě optické osy systému.

Seznam citovaných dokumentů

[1] Eva VLČKOVÁ: České račí oko míří do vesmíru. EkonTech.cz: časopis pro studenty techniky a ekonomie, Praha, Česká studentská unie, ISSN 2336-307X- elektronická verze, 21.3.2017.

[2] SCHMIDT, W.K.H.: A PROPOSED X-RAY FOCUSING DEVICE WITH FIELD OF VIEW FOR USE IN X-RAY ASTRONOMY, NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHOD 127 (1975), str. 285 až 292.

[3] INNEMAN, Adolf: Technologické aspekty vývoje a výroby optických prvků pro rentgenové záření, Praha 2001, Doktorská dizertační práce, ČVUT Praha - České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, obor Přesná mechanika a optika, Školitel prof Ing Karel Studenovský, CSc.

[4] CS 207427 B1, CS PV 4013-79, priorita 11.06.1979.

[5] CZ 304312 B6, CZ PV 2012-17, priorita 12.01.2017.

[6] CZ 304298 B6, CZ PV 2012-18, priorita 12.01.2018.

[7] CZ 306934 B6, CZ PV 2011-297, priorita 17.05.2011.

[8] CN 102200640 A, priorita 05.07.2011.

[9] CN 104819828 A, priorita 01.04.2015.

[10] TICHÝ, V., BARBERA, M., HUDEC, R., WILINGALE, R.: Experimental Astronomy 47 (2019), strany 161 až 175.

[11] TICHÝ, V.; BUROWS, D. N.; PRIESKOM, Z.; HUDEC, R.: Optics for Nano-Satellite X-Ray Monitor, Balt. Astr. 24 (2015) 242 až 250.

- 3 CZ 36961 U1

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatné omezí u sestavy optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle předvýznaku nároku 1. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že optický modul zahrnuje pravoúhlý nosný rám se čtyřmi obvodovými stěnami, kde dvě protilehle uspořádané stěny jsou opatřeny protilehlými drážkami pro uložení svazku optických zrcadel. Každé optické zrcadlo je uloženo ve dvojici protilehle uspořádaných drážek. Každé optické zrcadlo je na obou svých koncích šířky fixováno v drážkách přídržným prvkem a/nebo adhezivním materiálem.

Hlavní výhodou tohoto technického řešení je, že optický systém má široké zorné pole, jeho výroba je relativně snadná a levná, přitom jednotlivé komponenty jsou komerčně dostupné a vyrobitelné, v případě potřeby s přesností řádově i v mikrometrech. Nosný rám, který je pravoúhlý se čtyřmi obvodovými stěnami, je vhodný pro ukládání pravoúhlých optických zrcadel a jeho výroba je snadná. Uložení každého optického zrcadla v protilehle orientovaných drážkách, které jsou sbíhavě nebo rovnoběžně uspořádány, tak vymezují polohu optického zrcadla. Drážky mohou být rovnoběžně uspořádány, pokud jsou součástí optického modulu, který slouží k zobrazení nebo fokusaci záření přicházejícího ze zdroje ležícího ve stejné vzdálenosti, jako je vzdálenost, do které má být záření fokusováno nebo zobrazováno. V ostatních případech jsou drážky uspořádány sbíhavě (konvergentně).

Pro uložení optického zrcadla slouží drážky, které jsou vytvořeny v nosném rámu. Každá drážka je vymezena dnem, navazujícím na dosedací plochu a protilehle uspořádanou opěrnou plochu, přičemž každá drážka je situována mezi dvojicí sousedních výstupků. Drážka je tedy uspořádána mezi výstupky, vyčnívající z obvodových protilehlých stěn nosného rámu. Pro přesné uložení optického zrcadla je zásadní, aby dosedací plocha byla zhotovena s maximální možnou přesností (pro obvyklé rozměry račího oka je nutná přesnost řádu mikrometrů). Výhodou tohoto přístupu je, že pokud se drážky zhotoví na jedno upnutí na drátové pile, je přesnost uložení zrcadel závislá jen na přesnosti drátové pily. Při výrobě tak nedochází ke kumulaci výrobních odchylek.

Pro optimální uložení optického zrcadla je každé optické zrcadlo na svých protilehlých koncích šířky uloženo v protilehlých drážkách na dosedací ploše protilehlých drážek s vůlí ode dna drážek, a může být fixováno jednak přídržným prvkem k opěrné ploše drážky, přitom přídržný prvek je fixován s vůlí ode dna drážky a k dosedací ploše protilehlých drážek s vůlí ode dna drážek, a současně je fixováno v prostoru za přídržným prvkem také adhezním materiálem k opěrné ploše drážky nejméně v jednom místě nebo po celé ploše přivrácené k opěrné ploše. Přídržný prvek zajišťuje bezpečné uložení optického zrcadla v drážce na obou koncích s vůlí ode dna drážky, aby při případných vibracích nedocházelo k poškození optického zrcadla. Vůle je též důležitá, aby byly umožněny mírné pohyby zrcadla v případě změn teploty v důsledku různých koeficientů teplotní roztažnosti optického zrcadla a nosného rámu. Přídržný prvek je zhotoven z pružného materiálu a zajišťuje mírné přitlačování skla k dosedací ploše drážky. Tím je zaručeno, že geometrie modulu bude zachována i v případě, že se bude měnit teplota a optická zrcadla budou mít odlišný koeficient teplotní roztažnosti než nosný rám. Pro stabilní uložení optického zrcadla je dále možné výhodné provedení, kdy každé optické zrcadlo je na svých protilehlých koncích šířky uloženo v protilehlých drážkách na dosedací ploše protilehlých drážek s vůlí ode dna drážek, přičemž je fixováno adhezním materiálem k opěrné ploše drážky nejméně v jednom místě nebo po celé ploše přivrácené k opěrné ploše. Jedná se o další prvek, který zajišťuje bezpečné uložení optického zrcadla v drážce na obou koncích s vůlí ode dna drážky, aby při případných vibracích nedocházelo k poškození optického zrcadla. Adhezním materiálem je například lepidlo nebo tmel. Výhodou použití adhezního materiálu je, že zajišťuje skla a přídržný prvek proti uvolnění. Toto uvolnění by mohlo nastat například vlivem vibrací. Přídržný prvek zajišťuje mírné přitlačování optického zrcadla k dosedací ploše drážky, zatímco adhezní materiál zajišťuje, že nedojde k uvolnění optického zrcadla nebo přídržného prvku například v důsledku vibrací. Pokud adhezní materiál zajišťuje

- 4 CZ 36961 U1 i mírné přitlačování optického zrcadla k dosedací ploše drážky, není přídržný prvek nutný, případně může být použit jen při montáži a poté vyjmut. Tento koncept umožňuje, že při střídání teplot nebude docházet k deformaci optického zrcadla v důsledku různých koeficientů teplotní roztažnosti optického zrcadla a nosného rámu. Adhezní materiál nesmí být ve styku se dnem drážky, jednak aby nedošlo k přilepení. Dále přítomnost dalšího materiálu nebo tělesa (například nečistot) mezi dosedací plochou a optickým zrcadlem by způsobila, že by optické zrcadlo neleželo přesně v dané poloze, ale bylo by vlivem přítomnosti tohoto materiálu nebo tělesa odchýleno ze stanovené polohy.

Je rovněž výhodné, když nosný rám je zhotoven z materiálu jako je nerezová ocel, Al, Ti nebo slitiny Al, Ti. Tyto materiály jsou vhodné pro vakuum. Nosný rám lze tedy zhotovit z běžně užívaných materiálů.

Dále je pro optický systém výhodné, když optická zrcadla jsou zhotovena z křemíkových nebo skleněných plátků, tedy z materiálu vhodného pro vakuum. Jako materiál pro optická zrcadla lze tedy použít například komerčně dostupná skla, jako jsou skla pro výrobu displejů počítačů a mobilních zařízení nebo křemíkové plátky, tzv. wafery, určené pro výrobu čipů pro mikroelektroniku. Toto činí realizaci optického systému typu račího oka i relativně levnou.

Objasnění výkresů

Technické řešení je podobně popsáno dále na neomezujícím příkladném provedení sestavy optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka, podle tohoto technického řešení a je objasněno na výkresech, na nichž schematicky znázorňuje:

obr. 1 principiální uspořádání pouze dvou svazků optických zrcadel a jejich uložení ve dvou neznázorněných optických modulech, a to jednoho svazku optických zrcadel, k němuž je kolmo uspořádán druhý svazek optických zrcadel;

obr. 2 pohled shora na optické zrcadlo obdélníkového tvaru;

obr. 3 pohled shora na alternativní tvar optického zrcadla tvaru částečné výseče mezikruží;

obr. 4 axonometrický pohled s částečným řezem na jeden optický modul, zahrnující svazek optických zrcadel, uspořádaných v nosném rámu se sbíhavými drážkami, s optickými zrcadly a s přídržnými prvky;

obr. 5 detail C v perspektivním pohledu na tři drážky z obr. 4 s uloženými optickými zrcadly, přídržnými prvky a adhezivním materiálem;

obr. 6 detail D z obr. 4 v částečném řezu, se znázorněným nosným rámem, s jednou drážkou, v níž je uloženo optické zrcadlo fixované přídržným prvkem a adhezivním materiálem;

obr. 7 průchod rentgenových paprsků optickými zrcadly optického systému; a obr. 8 celkový perspektivní pohled na jeden optický modul.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1 (obr. 1 až 8)

Dále je popsáno a na obr. 1 až 8 schematicky vyobrazeno jedno z možných příkladných provedení sestavy optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle tohoto technického

- 5 CZ 36961 U1 řešení, u něhož se předpokládá možné využití pro astrofyziku.

Obr. 1 schematicky znázorňuje teoretické dvoudimenzionální rentgenové uspořádání dvou optických modulů 1 typu račího oka podle Schmidta, a to dva svazky I, II, optických zrcadel 2, které jsou uspořádány tak, že první svazek I optických zrcadel 2 je uspořádán svými funkčními plochami optických zrcadel 2 kolmo k optické ose OA, a kolmo k prvnímu svazku I je na společné optické ose OA uspořádaný druhý svazek II optických zrcadel 2. Ohniska F obou svazků I, II optických zrcadel 2 jsou totožná, respektive prochází stejným bodem, jak je vysvětleno dále na obr. 7.

Obr. 2 představuje pohled shora na obdélníkový tvar zrcadla 2a. Tvar zrcadla 2 může být též např. čtvercový.

Obr. 3 představuje pohled shora na alternativní tvar zrcadla 2b tvaru výseče mezikruží.

V konkrétním provedení na obr. 2 a 3 je šířka w větší než hloubka h. Je však možné i jiné řešení, a to, že tomu bude naopak, tj. šířka w může být menší než hloubka h, nebo shodná.

Obr. 4 ukazuje perspektivní pohled na jeden optický modul 1 kde nosný rám 3 je pro lepší názornost vyobrazen v pravé části v částečném řezu. Nosný rám 3 obsahuje čtyři obvodové stěny A1, A2, B1, B2, přičemž navzájem protilehle jsou situovány dvojice stěn A1, A2 a dvojice stěn B1, B2. Stěny A1 a A2 jsou na svých vnitřních plochách opatřeny protilehle uspořádanými drážkami 4 pro uložení optických zrcadel 2, 2a. Konkrétní příkladné provedení je zobrazeno pro obdélníkovitá optická zrcadla 2a. Každé optické zrcadlo 2a je uloženo ve dvojici protilehle uspořádaných drážek 4 se shodným středem C (viz obr. 7) sbíhavostí optických zrcadel 2a.

Obecně každý opticky modul 1 obsahuje jeden svazek I nebo II oboustranně reflexních optických zrcadel 2a, jejichž počet n závisí na požadovaných parametrech optického systému. Optická zrcadla 2, 2a, 2b mohou být podle požadavků na optický systém reflexní jednostranně i oboustranně.

Optická zrcadla 2a jsou rovinná a mají shodný pravoúhlý tvar pro optické zrcadlo 2a znázorněný na obr. 2, nebo optické zrcadlo 2b má tvar výseče mezikruží znázorněný na obr. 3. Obecně má každé optické zrcadlo 2a, 2b jednostranné nebo oboustranné funkční odrazové plochy, vymezené hloubkou h ve směru optické osy OA a šířkou w ve směru kolmém na optickou osu OA.

Na obr. 4 je v levé části nosného rámu 3 zobrazen v pravé části stěny A1 detail C v perspektivním pohledu na tři drážky 4 mezi výstupky 7 z obr. 4 s uloženými optickými zrcadly 2a, přídržnými prvky 5 a adhezivním materiálem 6_. Zvětšený detail C je vyobrazen na obr. 5. Na obr. 5 jsou pro větší názornost jednotlivé prvky odlišně vyšrafovány. V tomto příkladném provedení je ukázáno fixování optických zrcadel 2a v drážkách 4 jak přídržným prvkem 5, tak adhezním materiálem 6.

V pravé části obr. 4 je vyobrazen detail D, který je zvětšený v částečném řezu na obr. 6 pro názornost pro jednu drážku 4. Toto vyobrazení názorně ukazuje v částečném řezu konkrétní příkladné provedení uložení jednoho optického zrcadla 2a na svém konci ve stěně A2, a to v drážce 4 se dnem 73, dosedací plochou 71 a opěrnou plochou 72. Z obrázku je patrné uložení optického zrcadla 2a s vůli ke dnu 73 drážky 4 a přitom těsně dosedajícím na dosedací plochu 71.Optické zrcadlo 2a je v tomto provedení fixováno přídržným prvkem 5 opřeným o opěrnou plochu 72 drážky 4 a s vůlí ke dnu 73 drážky 4. Přídržným prvkem 5 v tomto provedení je pružné vlákno. Za přídržným prvkem 5 je situován adhezní materiál 6 například ve formě vhodného tmelu. V příkladném provedení byl použit jako adhezivní materiál 6 např. tmel CV-2566. Protilehle uspořádané výstupky 7 vytvářející drážky 4 jsou zrcadlově uspořádány podél vnitřních ploch stěn A1 a A2.

Optické zrcadlo 2 je zajištěno adhezivním prostředkem 6, např. vhodným tmelem, který je nanesen z té strany, kde je vložen přídržný prvek 5, např. pružné vlákno. Tmel lze nanést v celé šířce

- 6 CZ 36961 U1 zrcadla 2 nebo jen v několika bodech. Po zajištění optického zrcadla 2 tmelem je možné pružné vlákno před použitím vyjmout. V konkrétním příkladném provedení je každé optické zrcadlo 2 z jedné strany v těsném kontaktu s dosedací plochou 71 výstupku 7 drážky 4 a z druhé strany je k protilehlé opěrné ploše 72 výstupku 7 drážky 4 tlačeno přídržným prvkem 5. Materiálem pro pružné vlákno může být např. křemíkové vlákno. Délka vlákna odpovídá délce drážky 4 ve stěnách A1, A2 optického nosného rámu 3. Je vhodné, aby v drážce uložené optické zrcadlo 2 mělo volný prostor vzhledem ke dnu 73 drážky 4 a v tomto prostoru by neměl být žádný adhezivní materiál 6 ani přídržný prvek 5. Je vhodné, aby optické zrcadlo 2 mělo v drážce 4 určitou vůli.

K opěrné ploše 72 je optické zrcadlo 2 navíc fixováno adhezivním prostředkem 6, který vyplňuje prostor, vymezený přídržným prvkem 5, opěrnou plochou 72 výstupku 7 a přivrácenou plochou optického zrcadla 2.

Pro jiné využití, ne tak náročné jako využití v kosmu, je také možné, že každé optické zrcadlo 2 je nejprve vloženo do drážky 4, z jedné strany přitom v drážce 4 volně leží. Z opačné strany je do drážky 4 vtlačen přídržný prvek 5, např. pružné vlákno. Tím je optické zrcadlo 2 přitlačeno k té straně drážky 4, kde volně leží a je tak zajištěno jeho správné umístění.

Nosný rám 3 může mít též čtvercový tvar.

Obr. 7 ukazuje pro bližší vysvětlení optického modulu 1 známé schematické znázornění průchodu rentgenových paprsků p jedním optickým modulem 1 pro názornost se čtyřmi optickými zrcadly 2. Na obr. 7 je znázorněna optická osa OA optického modulu 1. Schematicky zprava vstupují paprsky p, v tomto konkrétním příkladném provedení rentgenové paprsky p, z „nekonečna“, např. z kosmu. V příkladném a vyobrazeném provedení optická zrcadla 2 jsou od sebe uspořádána v rozestupu a, mají tloušťku t, podélnou hloubku h, ohniskovou vzdálenost f a stejný bod C sbíhavosti. V alternativním neznázorněném uspořádání mohou být optická zrcadla 2 uspořádána vzájemně rovnoběžně (podle nároku 1), pokud jsou součástí optického modulu 1, který slouží k zobrazení nebo fokusaci záření přicházejícího ze zdroje ležícího ve stejné vzdálenosti, jako je vzdálenost, do které má být záření fokusováno nebo zobrazováno.

Drážky 4 jsou sbíhavě (konvergentně) uspořádány ve směru své hloubky h. Střed sbíhavosti optických zrcadel 2 je označen C, tento bod C je současně středem myšleného válce, po jehož obvodu jsou rozmístěna optická zrcadla 2. Optická zrcadla 2 v každém ze svazků I, II jsou rozmístěna po obvodu myšleného válce. Má-li tento válec poloměr r, pak je rentgenové záření přicházející z nekonečna fokusováno do ohniskové vzdálenosti f = r/2 [3]. V alternativním rovnoběžném uspořádání optických zrcadel 2 je poloměr r teoreticky nekonečný. Bod F je ohniskem optického modulu 1 a leží v polovině vzdálenosti mezi bodem C a geometrickým středem optického modulu 1.

Pro některé aplikace stačí použít jen jeden optický modul 1, který se chová obdobně jako cylindrická čočka a záření přicházející z nekonečna nefokusuje do bodu, ale do úsečky o šířce stejné, jako je neznázorněná šířka opticky aktivní části svazku I. Úsečka na obr. 7 se nachází v ohnisku F a na obr. 7 není znázorněna, protože vyobrazení je v řezu. Úsečka je kolmá na rovinu řezu.

Obr. 8 odpovídá popsanému příkladu provedení na obr. 4 s tím, že jeden optický modul 1 je zobrazen v perspektivním pohledu bez částečného řezu.

Jelikož se předpokládá aplikace optické jednotky 1 neznázorněné optické soustavy ve vesmíru, materiál nosného rámu 3 musí být vhodný pro vakuum. Takovým materiálem je zejména nerezová ocel, hliník, titan nebo slitiny Al nebo Ti. Výhodou je, pokud koeficient teplotní roztažnosti zrcadel a nosného rámu 3 je blízký, pak při změnách teploty nebude docházet k pnutí, případně deformacím optických zrcadel 2.

- 7 CZ 36961 U1

V dalším možném případě je použití tenkých skleněných plátků běžně používaných jako skla do mobilů, typu Gorilla Corning.

Pro předpokládanou funkcionalitu zejména v rentgenové oblasti je nutné pokovení skel, podle požadované oblasti použití (energie rentgenových fotonů) se použije obvykle některý z prvků Au, Ni, Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, Os. Někdy může být výhodné vytvořit více vrstev pokovení, kdy každá vrstva je provedena jiným prvkem. Podle oblasti použití se provede pokovení jedno nebo oboustranné. Křemíkové plátky (wafery) odrážejí nízkoenergetické rentgenové záření, pokud mají vyleštěný povrch. I u nich lze v závislosti na oblasti použití (energie rentgenových fotonů) provést pokovení. Pokovení se provede známými metodami.

Příklad 2

Způsob přípravy optického modulu 1 podle tohoto technického řešení se provádí v několika technologických krocích. Nosný rám 3 se zhotoví obráběním z materiálu vhodného pro nosný rám 3 na obráběcím CNC stroji na jedno upnutí pro integrální získání nosného rámu 3 s výstupky 7 a s drážkami 4. Poté se získaný nosný rám 3, optická zrcadla 2, 2a, 2b a přídržný prvek 5 zbaví nečistot v čistém prostoru podle třídy ISO 6 normy ECSS-Q-ST-70-01C s kontrolovaným obsahem prachových částic. Následně se vloží, v čistém prostoru podle uvedené normy ISO 6, první optické zrcadlo 2, 2a, 2b na obou svých koncích po šířce w do protilehlé první dvojice drážek 4 nejprve těsně na dosedací plochu 71 drážek 4 s vůlí ke dnu 73 drážky 4. A poté se, v čistém prostoru podle uvedené normy ISO 6, oba protilehlé konce optického zrcadla 2, 2a, 2b po šířce w zafixují k opěrné ploše 72 první drážky 4 s vůlí ke dnu 73 drážky 4 přídržným prvkem 5 a/nebo adhezním materiálem 6. Poslední dva technologické kroky se opakují až jsou všechna optická zrcadla 2, 2a, 2b fixována ve všech drážkách 4 nosného rámu 3, čímž se připraví jeden optický modul 1 se svazkem I, II optických zrcadel 2, 2a, 2b, kde počet n optických zrcadel 2, 2a, 2b a počet n drážek 4 závisí na požadovaných parametrech optického modulu 1.

V dvoudimenzionální rentgenové optice se dvěma optickými moduly 1, se jeden optický modul 1 se svazkem I optických zrcadel 2, 2a, 2b v jednom směru napojí v odstupu kolmo na druhý optický modul 1 s druhým svazkem II optických zrcadel 2, 2a, 2b, takže optická zrcadla 2, 2a, 2b v obou optických modulech 1 jsou orientována navzájem kolmo, tedy v příčném a podélném směru. Oba optické moduly 1 mají jednu společnou optickou osu OA.

Podrobněji.

Nosný rám 3 se výhodně zhotoví na obráběcím CNC stroji, například drátové pile vcelku, tj. přednostně na jedno upnutí, při němž se vyhotoví v jednom celku stěny A1, A2, B1, B2 nosného rámu s integrálními výstupky 7 a drážkami 4. To umožňuje zhotovit celý nosný rám 3 s přesností v řádu mikrometrů. Přesnou výrobou nosného rámu 3 při jednom upnutí v CNC stroji se zajistí i přesná protilehlá poloha proti sobě ležících drážek 4 ve stěnách A1, A2 a tím se předem zajistí i správná poloha optických zrcadel 2.

Takto získaný nosný rám 3 se zbaví nečistot, zejména prachu a roztoků, které se při obrábění používají.

Před uložením optických zrcadel 2 do nosného rámu se vyčistí i optická zrcadla 2.

Vyčištění nosného rámu 3 a optických zrcadel 2 se provádí v čistém prostoru, daným třídou ISO 6 normy ECSS-Q-ST-70-01C z 15.11. 2008 (Cleanlinness and contamination control - Kontrola čistoty a kontaminace), která stanovuje technický termín „čistý prostor“ s kontrolovaným obsahem prachových částic a nečistot různého ve vzduchu ve stupních ISO Class 1 až ISO Class 9 pro částice 0,1 až 5 pm. Nečistoty mezi optickým zrcadlem 2 a dosedací plochou 71 drážky nosného rámu 3 jsou nežádoucí, neboť mohou způsobovat, že by zrcadlo 2 neleželo přesně na dosedací ploše 71. Nečistota na odrazných plochých zrcadlech 2 je též nežádoucí, protože může způsobovat rozptyl

- 8 CZ 36961 U1 nebo pohlcení rentgenového záření a snižovat tak zisk optiky. Svazek zrcadel 2 optické jednotky typu račího oka po sestavení není možné dále seřizovat.

Příklad 3

Konkrétním příkladným provedením je také navržený systém určený pro experimentální let na satelitu typu CubeSat. Tyto satelity se skládají ze základních jednotek velikosti cca. 10x10x10 cm a je možné používat násobky této základní jednotky. Hlavní výhodou satelitů CubeSat je, že jejich vypuštění do kosmického prostoru je výrazně levnější než vypouštění satelitů jiného typu. Pro tento let byla zvolena sada 72 optických zrcadel 2 v každém modulu 1, kde hloubka h každého optického zrcadla 2 je 24 mm, tloušťka t je 280 mikrometrů a šířka w je 90 mm. Tloušťka 280 mikrometrů byla zvolena jako kompromisní mezi více faktory. Do úvahy bylo vzato, že skla této tloušťky t jsou komerčně dostupná, dodává je například, výrobce Desag. Pro dosažení optimálních parametrů je výhodné, pokud tloušťka t je co nejmenší, neboť stěna optického zrcadla 2 vymezená jeho tloušťkou t a šířkou w fakticky představuje clonu, která snižuje množství záření dopadajícího do optického systému. Dodávají se sice i skla o tloušťce 100 mikrometrů nebo ještě tenčí, u nich ovšem bylo na základě počítačových simulací zjištěno, že by pravděpodobně došlo k jejich destrukci v důsledku vibrací při vzletu do vesmíru. Šířka w 90 mm byla zvolena jako šířka základní jednotky satelitu CubeSat s rezervou pro realizaci vnějších stěn nosného rámu 3. Ohnisková vzdálenost f byla zvolena 300 mm, aby hloubka satelitu odpovídala třem jednotkám. Při nižším počtu jednotek a následně kratší ohniskové vzdálenosti f by rentgenové záření dopadalo na optická zrcadla 2 při příliš velkých úhlech a efektivita odrazu by byla nízká. Při vyšším počtu jednotek a následně delší ohniskové vzdálenosti f by zbytečně vzrostla cena za vypuštění satelitu, která se odvíjí od počtu použitých jednotek. Počet 72 optických zrcadel 2 byl vypočten numerickými simulacemi jako optimální pro dosažení maximální efektivní sběrné plochy pro záření o energii 1 keV. Pro tuto energii byla zvolena optická zrcadla 2 oboustranné pokovená zlatém, přičemž zlato má právě na 1 keV při úhlech dopadu použitých v tomto systému vysokou odrazivost přes 90 %. Oblast 1 keV byla zvolena po diskusích s astronomy jako vědecky zajímavá a současně výhodná pro využití optického systému typu račího oka, neboť je při předpokládané geometrii realizace na satelitu CubeSat možno realizovat optická zrcadla 2 s vysokou odrazivostí. Tento design byl publikován [11] bez uvedení způsobu realizace optického systému.

Průmyslová využitelnost

Hlavní uplatnění se předpokládá pro konstrukci rentgenových teleskopů pro výzkum kosmických rentgenových zdrojů.

- 9 CZ 36961 U1

Claims (6)

1. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka s jedním nebo dvěma optickými moduly (1), kde každý optický modul (1) obsahuje jeden svazek (I, II) reflexních optických zrcadel (2, 2a, 2b), jejichž počet (n) závisí na požadovaných parametrech optického systému, přičemž optická zrcadla (2, 2a, 2b)

- jsou rovinná, mají shodný pravoúhlý tvar nebo shodný tvar výseče mezikruží a funkční odrazové plochy, vymezené hloubkou (h) ve směru optické osy (OA) a šířkou (w) ve směru kolmém na optickou osu (OA);

- jsou zhotovena z křemíkových nebo skleněných plátků shodné tloušťky (t); a

- jsou sbíhavě uspořádána ve směru své hloubky (h) optických zrcadel (2, 2a, 2b) nebo jsou uspořádána navzájem rovnoběžně, vyznačující se tím, že

a) optický modul (1) zahrnuje pravoúhlý nosný rám (3) se čtyřmi obvodovými stěnami (A1, A2; B1, B2) a dvě protilehle upořádané stěny (A1, A2) jsou opatřeny protilehlými drážkami (4) pro uložení svazku (I, II) optických zrcadel (2, 2a, 2b);

b) každé optické zrcadlo ( 2, 2a, 2b) je uloženo ve dvojici protilehle uspořádaných drážek (4); a

c) každé optické zrcadlo (2, 2a, 2b) je na obou svých koncích šířky (w) fixováno v drážkách (4) přídržným prvkem (5) a/nebo adhezivním materiálem (6).

2. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle nároku 1, vyznačující se tím, že každá drážka (4) je vymezena dnem (73), navazujícím na dosedací plochu (71) a protilehle uspořádanou opěrnou plochu (72), přičemž každá drážka (4) je situována mezi dvojicí sousedních výstupků (7).

3. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle nároku 1, vyznačující se tím, že každé optické zrcadlo (2, 2a, 2b) na svých protilehlých koncích šířky (w) je

d) uloženo v protilehlých drážkách (4) na dosedací ploše (71) protilehlých drážek (4) s vůlí ode dna (73) drážek (4); a

e) fixováno přídržným prvkem (5) k opěrné ploše (72) drážky (4), přitom přídržný prvek (5) je fixován s vůlí ode dna (73) drážky (4).

4. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle nároku 1, vyznačující se tím, že každé optické zrcadlo (2, 2a, 2b) na svých protilehlých koncích šířky (w) je

f) uloženo v protilehlých drážkách (4) na dosedací ploše (71) protilehlých drážek (4) s vůlí ode dna (73) drážek (4); a

g) fixováno adhezním materiálem (6) k opěrné ploše (72) drážky (4) nejméně v jednom místě nebo po celé ploše přivrácené k opěrné ploše (72).

5. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle nároku 1, vyznačující se tím, že každé optické zrcadlo (2, 2a, 2b) na svých protilehlých koncích šířky (w) je

h) uloženo v protilehlých drážkách (4) na dosedací ploše (71) protilehlých drážek (4) s vůlí ode dna (73) drážek (4);

- 10 CZ 36961 U1

i) fixováno přídržným prvkem (5) k opěrné ploše (72) drážky (4), přitom přídržný prvek (5) je fixován s vůlí ode dna (73) drážky (4) a k dosedací ploše (71) protilehlých drážek (4) s vůlí ode dna (73) drážek (4); a

j) fixováno v prostoru za přídržným prvkem (5) také adhezním materiálem (6) k opěrné ploše (72) 5 drážky (4) nejméně v jednom místě nebo po celé ploše přivrácené k opěrné ploše (72).

6. Sestava optického modulu pro optický systém, zejména typu račího oka podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosný rám (3) je zhotoven z materiálu vhodného pro vakuum, jako je nerezová ocel, AI, Ti nebo slitiny Al, Ti.