DD204776A1

DD204776A1 - Reflektorsystem zur konzentration elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DD204776A1
Application number: DD23776982A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Pfeiffer
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-03-01
Filing date: 1982-03-01
Publication date: 1983-12-07

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar zur Konzentration der Pumpstrahlung fuer Laser, zum Schmelzen von Kristallen sowie zur Bestrahlung langgestreckter Materialien. Ziel der Erfindung ist eine Erhoehung der Bestrahlungsstaerke durch verkleinernde Abbildung der Strahlungsquelle im Bestrahlungsort. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Doppelrotationsellipsoids zu schaffen, bei dem von ringfoermigen oder ringfoermig angeordneten Strahlungsquellen die Strahlung mit einem hohen Wirkungsgrad in einem nahezu punktfoermigen Gebiet konzentriert wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der Doppelrotationsellipsoid aus 2 sich schneidenden Ellipsenteilen entsteht, wobei die Rotationsachse des Doppelrotationsellipsoids durch die Schnittpunkte der beiden sich schneidenden Ellipsen verlaeuft und sowohl der gemeinsame innere Brennpunkt als auch die ringfoermige aeussere Brennlinie innerhalb dieses Rotationskoerpers liegen.

Description

ή —

Wilfried Pfeiffer Berlin, 04« 02. 1982

Zustellungebevollmächtigts

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro .

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 6

Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Doppelrotationsellipsoids und ist anwendbar zur Konzentration der Pumpstrahlung für Laser, zum Schmelzen von Kristallen sowie zur Bestrahlung (Wärmebehandlung) langgestreckter Materialien wie ζ® B® synthetischer Textilfaser^ Drähten oder Plüssigkeitsstrahlen zur Erzielung gewünschter Eigenschaften«

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den bekannten, als Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung verwendeten Doppelrotationsellipsoiden wird die Strahlung einer Ringlampe oder von ringförmig angeordneten Strahlungsquellen auf nahezu einen Punkt konzentriert (DE-OS 2 261 I3I, H 01 S, 3/09). Die Schnittdarstellung zeigt, daß zwei Ellipsen so angeordnet sind, daß die Strahlung in jeder der miteinander verbundenen Teilellipsen zum gemeinsamen zweiten Brennpunkt reflektiert wird, wobei die Abbildung der Strahlungsquelle vorwiegend vergrößernd erfolgt.

Bei einer einfachen elliptischen Abbildung liegt eine stete Veränderung des Abbildungsmaßstabes vor. Er verändert sich

von	P	- (a +	e)	: (a -	β)	vergrößernde	Abbildung	Abbildung
über		= a :	a			Abbildung 1:	1
zu	/β	- (a -	e)	j (a +	β)	verkleinernde

Da der Strahlungsfluß in einem Reflektoreystem immer konstant bleibt (von Reflexionsverlusten abgesehen), obwohl man den Brennfleck vergrößern oder verkleinern kann, wirken sich Maßnahmen zur Konzentration der Strahlung nur auf die Bestrahlungsstärke aus. Die Erhöhung der Bestrahlungsstärke ist aber entscheidend für die technische Anwendung eines Reflektorsystems (z. B. zum Schmelzen oder Verdampfen von Substanzen).

Bei den bekannten, als Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung verwendeten Doppelrotationsellipsoiden erfolgt auf Grund der geometrischen Verhältnisse eine Verkleinerung der Bestrahlungsstärke, da die Strahlungsquelle von den beiden Ellipsoidschalen vorwiegend vergrößert abgebildet wird«

Es sind schon Reflektoranordnungen mit elliptischen Reflektoren bekannt, bei denen eine verkleinernde Abbildung der Strahlungsquelle und damit eine Erhöhung der Bestrah-

lungsstärke erfolgt (DE-AS 1 946 6?8; DB-OS 1 946 679, B 01 J₉ 17/10)o

Der Nachteil bei diesen Anordnungen besteht darin, daß nur punktförmige Strahlungsquelle^ verwendbar sind_s deren Bestrahlungsstärke daher relativ gering ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung der Bestrahlungsstärke durch verkleinernde Abbildung der Strahlungsquelle im Bestrahlungsort«,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Doppelrotationsellipsoids zu schaffen, bei dem von ringförmigen oder ringförmig angeordneten Strahlungsquellen die Strahlung mit einem hohen Wirkungsgrad in einem nahezu punktförmigen Gebiet konzentriert wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Doppelrotationsellipsoid aus zwei sich schneidenden Ellipsenteilen entsteht, wobei die Rotationsachse des Doppelrotationsellipeoids durch die Schnittpunkte der beiden sich schneidenden Ellipsen verläuft und sowohl der gemeinsame innere Brennpunkt als auch die ringförmige äußere Brennlinie innerhalb dieses Rotationskörpers liegen« Bei dem erfindungsgemäßen Reflektorsystem werden als Reflektoren nur jeweils die Mantelflächen des Doppelrotationsellipsoids verwendet, die eine verkleinernde Abbildung der Strahlungsquelle und damit eine Erhöhung der Bestrahlungsstärke im Bestrahlungsort bewirken. Durch dieses Reflektor-Bystera in Verbindung mit ringförmigen oder ringförmig in der äußeren Brennlinie angeordneten Strahlungsquellen wird

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erreicht, daß die Strahlung gleichmäßig von allen Seiten auf den Bestrahlungsort gerichtet ist.

Da durch die Mantelfläche des erfindungsgemäßen Reflektorsystems nur etwa die Hälfte der emittierten Strahlung auf den gemeinsamen inneren Brennpunkt reflektiert wird, ist durch weitere Ausgestaltung der Erfindung eine Verringerung bzw. Verhinderung von Verluststrahlung vorgesehen. Eine Maßnahme hierzu ist die teilweise Verspiegelung der Wandung der Strahlungsquelle. Hierzu wird die Wandung der Strahlungsquelle an der der anliegenden Mantelfläche des Doppelrotationsellipsoids zugewandten Seite so weit verspiegelt, daß die Strahlung aus der ringförmigen Strahlungsquelle nur in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Mantelfläche ausgestrahlt werden kann, von der sie dann zum gemeinsamen inneren Brennpunkt reflektiert wird. Damit wird verhindert, daß Strahlung von der Strahlungsquelle zur jeweils anliegenden Mantelfläche des Rotationskörpers gelangt, von der entsprechend den vorgegebenen geometrischen Bedingungen keine direkte Reflexion zum gemeinsamen inneren Brennpunkt erfolgen kann. Eine der teilweisen Verspiegelung der Strahlungsquelle analoge Maßnahme ist die Anordnung von Reflektorteilen hinter der ringförmigen Strahlungsquelle in der Weise, daß die in Richtung der jeweils anliegenden Mantelfläche emittierte Strahlung zur Strahlungsquelle zurückgeworfen, die Strahlungsquelle also teilweise in sich abgebildet wird. Erfindungsgemäß wird hierzu in der Äquatorialebene des Doppelrotationsellipsoids ein umlaufender halbtorusförmiger Reflektorteil eingesetzt, wobei der Mittelpunkt des den Torus erzeugenden Kreisbogens auf der äußeren Brennlinie liegt.

Um auch die Strahlung mitzuerfassen, die nicht genau auf den Bestrahlungsort gerichtet ist, wird als weitere Maßnahme zur Konzentration der Strahlung auf den im gemeinsamen Brennpunkt liegenden Bestrahlungsort eine brechende Kugel verwendet, deren Mittelpunkt im gemeinsamen Brennpunkt liegt. Diese Kugel muß für.die verwendete Strahlung

transparent sein und die Strahlung zum Brennpunkt hin brechen« Pur das Hindurchführen des Bestrahlungsgutes durch den Bestrahlungsort weist diese Kugel eine entsprechende Bohrung auf«

Durch das erfindungsgemäße-Reflektorsystem erfolgt eine hohe Konzentration der Strahlung im Bestrahlungsort bei gleichzeitiger Vergrößerung der Bestrahlungsstärke durch verkleinernde Abbildung der Strahlungsquelle.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert« Es zeigen;

Fig« 1: Die Darstellung der geometrischen Verhältnisse am Schnitt bild des erfindungsgemäßen Doppelrotationsellipsoids,

Pig. 2: schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Doppelrotationsellipsoid 1 entsteht aus zwei sich schneidenden Ellipsenteilen zweier Ellipsen E₁ und E₂ mit den großen Halbachsen a, den kleinen Halbachsen b und der Exzentrizität e· Die beiden sich schneidenden Ellipsen E₁ und E₂ besitzen einen gemeinsamen Brennpunkt Pg₁/P₂₂ und die einzelnen Brennpunkte P₁₁ (Ellipse E₁) und P₁₂ (Ellipse E₂). Da bei jeder Ellipse die Exzentrizität e den Abstand zwischen dem Mittelpunkt und den beiden Brennpunkten darstellt, müssen im vorliegenden Pail der Mittelpunkt O₁ der Ellipse E₁ sowie der Mitte.lpunkt O₂ der Ellipse E₂ jeweils den Abstand e vom Brennpunkt ^₂i/Ppp aufweisen als Bedingung für einen gemeinsamen inneren Brennpunkte Analog hierzu kann diese Bedingung auch lauten; O₁ O₂ = 2 e, Aus Pig« 1 ist ersichtlich;, daß P₁₁ P₁₂ = 4 e ist.

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Dieser Abstand ist gleichzeitig der Durchmesser der im Doppelrotationaellipsoid 1 verwendeten ringförmigen Strahlungsquelle 2. Da zur Realisierung des erforderlichen Strahlenganges im erfindungsgemäßen Doppelrotationsellipsoid 1 die Brennpunkte P₁₁ und P₁₂ (als Schnittpunkte der äußeren Brennlinie) innerhalb dieses Rotationskörpers liegen müssen, beträgt der Durchmesser desselben mindestens 4 e. Bezogen auf die große Halbachse a der Ellipsen E₁ und Ep lautet diese Bedingung: a > 3 e. Die Rotationsachse des aus den sich schneidenden Teilen der beiden Ellipsen E₁ und E₂ entstehenden Doppelrotationsellipsoids 1 geht durch den gemeinsamen Brennpunkt ^21/^22 und die Schnittpunkte der Ellipsen E₁ und E₂. Der entstehende Rotationskörper kann daher auch als die um ihre senkrechte Mittellinie rotierende Schnittfläche der beiden Ellipsen E₁ und E₂ verstanden werden.

In Pig. 2 ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Reflektorsystems zur Wärmebehandlung fadenförmigen Materials gezeigt. Im Doppelrotationsellipsoid 1 ist in der äußeren Brennlinie (Schnittpunkte P₁₁ und P₁₂ in der Zeichnung) die ringförmige Strahlungsquelle 2 angeordnet. Als Strahlungsquelle 2 können beispielsweise Entladungslampen, Halogenlampen oder Silitstäbe verwendet werden. Die aus der inneren Wandung der Strahlungsquelle 2 austretende Strahlung wird an der gegenüberliegenden Mantelfläche des Doppelrotationsellipsoids 1 zum gemeinsamen Brennpunkt P₂₁/P₂₂ reflektiert. Die in Richtung der jeweils anliegenden Mantelfläche des Doppelrotationsellipsoids 1 von der Strahlungsquelle 2 emittierte Strahlung wird durch einen halbtorusförmigen Reflektorteil 3 zur Strahlungsquelle 2 zurückgeworfen. Dieser Reflektorteil 3 ist in der Äquatorialebene des Doppelrotationsellipsoids 1 in dessen Mantelfläche eingesetzt. Damit wird erreicht, daß die wirksame Strahlung der Strahlungsquelle 2 auf die jeweils gegenüberliegende Mantelfläche des Doppelrotationsellipsoids 1 gerichtet ist.

Zur Erfassung auch des Teiles der Strahlung, der nicht exakt auf den gemeinsamen Brennpunkt ^₂I/^22 g^ericn"^fce'^t ist j wird eine brechende strahlungsdurchlässige Kugel 4 so angeordnet, üaß ihr Mittelpunkt mit dem gemeinsamen Brennpunkt ^₂I/^22 ^zusammenfällto Von der Kugel 4 wird die erfaßte nichtfokale Strahlung zum gemeinsamen Brennpunkt Fpi/^F22 kⁱⁿ gebrochene Dieser gemeinsame Brennpunkt ^21/^22 """^s* ^a*^^s ®^r^ höchster Bestrahlungsstärke der Bestrahlungsort für die Behandlung der vorgesehenen Materialien. Das fadenförmige Material 5 (synthetische Textilfasern₉ Draht oder dgl») wird durch diesen Bestrahlungsort gleichmäßig hindurchbewegt und dabei gleichmäßig erwärmt. Die brechende Kugel 4 weist für das Hindurchführen des fadenförmigen Materials 5 eine entsprechende durchgehende Bohrung auf«, Das fadenförmige Material 5 wird von einer Vorratsrolle 6 abgezogen und nach erfolgter Wärmebehandlung auf die Rolle 7 aufgewickelt ο Soll in Verbindung mit der Wärmebehandlung des fadenförmigen Materials 5 eine Dehnung desselben erfolgen^ so sind die Umfangsgeschwindigkeiten von Rolle 6 zu Rolle 7 entsprechend aufeinander abzustimmen«.

Das Hindurchführen des fadenförmigen Materials 5 durch den Doppelacfcationsellipsoid 1 muß im möglichst flachen Winkel gegen die horizontal angeordnete Strahlungsquelle 2 erfolgen, um den Strahlengang nicht zu stören_e Durch die gegebenen geometrischen Verhältnisse im Doppelrotationsellipsoid 1 verlaufen alle von der Strahlungsquelle 2 ausgehenden Strahlen durch die senkrechte Achse (Rotationsachse) desselben. Ein senkrechter Verlauf der Padenführungsachse würde daher den gesamten Strahlengang im Doppelrotationsellipsoid 1 unterbrechen und die erfindungsgemäße Reflektoranordnung wirkungslos machen«.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Reflektorsystem zur Konzentration elektromagnetischer Strahlung, bestehend aus einem Doppelrotationsellipsoid, dessen innere Mantelfläche als Reflektor dient und einer im Rotationskörper fokal angeordneten Ringlampe bzw. einer analogen Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelrotationsellipsoid (1) aus zwei sich schneidenden Ellipsenteilen entsteht, wobei die Rotationsachse des Doppelrotationsellipsoids (1) durch die Schnittpunkte der beiden sich schneidenden Ellipsen (E₁; E₂) verläuft und sowohl der gemeinsame innere Brennpunkt (P₂₁/P₂₂) als auch die ringförmige äußere Brennlinie (P....; P₁₂) innerhalb dieses Rotationskörpers (1) liegen.

2. Reflektorsystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Strahlungsquelle (2) an der der anliegenden Mantelfläche des Doppelrotationsellipsoids (1) zugewandten Seite verspiegelt ist.

Reflektorsystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Äquatorialebene des Doppelrotationsellipsoids (1) ein umlaufender halbtorusförmiger Reflektorteil (3) eingesetzt ist, wobei der Mittelpunkt des den Torus erzeugenden Kreisbogens auf der äußeren Brennlinie (P₁₁I P₁₂) liegt.

Reflektorsystem nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im gemeinsamen Brennpunkt (F₂₁ZP₂^) befindliche Bestrahlungsort innerhalb einer brechenden durchbohrten Kugel (4) liegt.