DE102022130836B3

DE102022130836B3 - Antriebssystem für exzentrisch anzutreibende Drehachsen in einer Vakuumkammer mit mindestens einer Durchführung

Info

Publication number: DE102022130836B3
Application number: DE102022130836.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Eggenstein
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2042-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für exzentrisch anzutreibende Drehachsen in einer Vakuumkammer (6), welche mindestens eine Durchführung (3) umfasst. Das Antriebssystem umfasst dabei zunächst mindestens einen Faltenbalg (2) mit zwei Enden, wobei ein erstes Ende offen ist und vakuumdicht anordenbar in einer Durchführung (3) einer Vakuumkammer (6) ist und wobei der Faltenbalg (2) mindestens in einer Achse faltbar ist und wobei der Faltenbalg (2) an einem zweiten Ende geschlossen ist. Des Weiteren umfasst ist ein Motor (5) der mittel- oder unmittelbar eine Schraubenmutter (4) dreht und eine Gewindespindel (1) welche parallel angeordnet ist zur Faltachse des Faltenbalgs (2) und an einer ersten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalgs (2) mit dem Faltenbalg (2) verknüpft ist und wobei die Schraubenmutter (4) auf der Gewindespindel (1) angeordnet ist. Außerdem umfasst ist eine Koppelstange (8), welche mit einem ersten Ende an einer zweiten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalges (6) verknüpft ist und wobei die Koppelstange mit einem zweiten Ende mit einer exzentrisch anzutreibenden Drehachse (9) verknüpfbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für die Drehung von Optiken im Vakuum, wie ein solches z.B. für Monochromatoren für Röntgenstrahlung an Synchrotronstrahlungsquellen zum Einsatz kommt.
Stand der Technik
Die Optiken, die von der Erfindung betroffenen Antriebssystemen gedreht werden, betreffen insbesondere solche, die in Monochromatoren, wie z.B. Plangittermonochromatoren verwendet werden und aus dem Stand der Technik bekannt sind, zum Beispiel aus dem Aufsatz 1 von F. Senf et al. (A plane-grating monochromator beamline for the PTB undulators at BESSY II; Journal of Synchrotron Radiation Vol. 5, 1998, S. 780-782). In den Monochromatoren wird mittels eines Plangitters oder Kristalls zur Beugung, das Licht bzw. die Röntgenstrahlung gebeugt, wodurch eine Monochromatisierung erzielt wird. Unter Monochromatisierung ist hier eine Einschränkung in der spektralen Breite Δλ um eine bestimmte Wellenlänge λ, für die die Beugungsbedingungen am Plangitter erfüllt sind, zu verstehen. Die Güte der Monochromatisierung hängt unter anderem von der erzielbaren spektralen Breite des gebeugten Röntgenstrahls ab. Durch die Strichdichte N (Linien/mm) des Plangitters oder die Gitterabstände in einem Kristall ist eine bestimmte Wellenlänge λ, bei Einstellung eines entsprechenden Gesamtablenkwinkel 2θ am Spiegel oder Kristall und bei Plangittermonochromatoren zusätzlich durch Änderung des Beugungswinkels β des einfallenden Strahls auswählbar, wodurch dieser Strahl im weiteren Strahlengang für eine Beugungsordnung „m“ monochromatisiert ist. $λ = (sin (2 θ - β) - sin (β)) \frac{1}{N * m} = 2 cos (θ) sin (θ - β) \frac{1}{N * m}$
Durch die Verwendung eines Planspiegels wird das Licht im weiteren Strahlengang in der Höhe versetzt.
Die Monochromatoren sind üblicherweise in einem evakuierbaren Gehäuse mit Eintritts- und Austrittsfenstern bzw. -spalt, für die Strahlung untergebracht und jeweils mit Antriebssystemen versehen, mit denen sie um eine Achse, die senkrecht zum einfallenden Strahl angeordnet ist und in der Ebene des Plangitters bzw. auch parallel versetzt zum Planspiegel liegt, drehbar sind. Zur Erfassung aktuell eingestellter Winkel der Antriebe, sind diese mit Winkeldekodierern ausgestattet, die auch mit absoluten Skalen versehen sein können. Die Drehung der Drehachsen der insbesondere gattungsgemäß von der Erfindung betroffenen Monochromatoren erfolgt dabei exzentrisch und die Drehung erfolgt üblicherweise in einem Winkelbereich, der keine ganze Drehungen, gewöhnlich nur einige Grad, umfasst.
Neben der Ausrichtung bzw. Justierung des Plangitters und des Planspiegels zueinander sowie zum Strahl und möglicher weiterer Optiken im Strahlengang oder Zielorten sowie der zu erreichenden Auflösung, ist entscheidend für die Güte der Monochromatisierung außerdem die Genauigkeit (auch als Richtigkeit ansprechbar) der Winkeleinstellungen mit der ein Gesamtablenkwinkel 2θ durch den Spiegel bzw. ein bestimmter Beugungswinkel β durch das Plangitter, zur Einstellung einer bestimmten Wellenlänge der Monochromatisierung, am Plangitter und am Planspiegel einstellbar ist. Im Betrieb wird dabei einer Motorposition eines Antriebs von Plangitter oder Planspiegel ein Wert für den Beugungswinkel und damit über die Gittergleichung (1) eine bestimmte Wellenlänge bzw. Energie durch Kalibration zugewiesen. Die Genauigkeit ist dann der Grad der Übereinstimmung zwischen angezeigtem (ausgelesenem) und „richtigem Wert“. Zusätzlich zur Genauigkeit ist auch die Reproduzierbarkeit und die erreichbare Auflösung der Positionssteuerung entscheidend für die Güte eines Monochromators.
Antriebssysteme für die Drehung von Optiken im Vakuum sind ebenfalls aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt.
Bei O. Müller et. al (Quick scanning monochromator for millisecond in situ and in operando X-ray absorption spectroscopy, Review of Scientific Instruments, Vol. 86, 2015, S. 093905-1 - 8) ist ein Antriebssystem für die Drehung der Optiken eines Monochromators vorgestellt, in dem der Antrieb eines Motors, der außerhalb der Vakuumkammer des Monochromators angeordnet ist durch eine Koax-Drehdurchführung, mit innerer und äußerer Welle, in die Vakuumkammer und auf die Drehachse des Monochromators übertragen wird, wobei es sich um eine Ausführung mit Ferrofluiden handelt. Diese Art der Durchführung ist bekannt dafür, für Ultrahochvakuumbereiche p ≤ 10^-9 mbar nicht geeignet zu sein, da diese das Vakuum manchmal brechen, was unerwünscht ist. Die Optiken des Monochromators, hier Kristallpaare, werden dabei gemeinsam an einer Achse gedreht.
Eine andere Art des Antriebs für die Drehung der Optiken eines Monochromators ist bei S. Narayanan et al. (Initial Characterization and Design of an UHV-Compatible Artificial Channel-Cut Monochromator, AlP Conference Proceedings, Vol. 879, 2007, S. 911 - 914) vorgestellt, in dem die Drehbewegung der Achse, die Kristallpaare als Optiken des Monochromators dreht, durch Linearantriebe, die eine Drehwelle (Rotationswelle) antreiben, erzeugt wird. Hier sind die Komponenten des Antriebs zum größten Teil in der Vakuumkammer des Monochromators mit untergebracht, was eine ungünstig große Dimensionierung der Kammer bedingt.
In M. Ramanathan et al. (Multipurpose monochromator for the Basic Energy Science Synchrotron Radiation Center Collaborative Access Team beamlines at the Advanced Photon Source x-ray facility, Review of Scientific Instruments, Vol. 66, 1995, S. 2191-2194) wird die Drehachse der Optiken des Monochromators direkt von einem Antrieb zur Drehung einer Achse in Form eines Goniometers angetrieben, welcher in einer verbundenen Vakuumkammer angeordnet ist.
Nachteilig ist bei dem, zur Drehung direkt auf eine Achse angreifenden Motor auch die geringe Auflösung der Drehwinkel Δθ und Δβ und die damit zusammenhängenden Auflösung der monochromatisierbaren Wellenlängen, wie sich anhand von $Δ λ = \sqrt{(\frac{δ λ}{δ β}) * Δ β^{2} + {(\frac{δ λ}{δ θ})}^{2} * Δ θ^{2}}$
ermessen lässt.
(Ergibt sich aus der Beziehung für die Auflösung „R“: $R = \frac{λ}{Δ λ} = \frac{2 cos (θ) sin (θ - β)}{\sqrt{{(2 cos (θ) cos (β - θ))}^{2} * Δ β^{2} + {((2 * cos (2 θ - β))}^{2} * Δ θ^{2}}}$
Alle Formeln sind detailliert erläutert und hergeleitet in dem Aufsatz von F. Eggenstein et. al „New UHV angle encoder for high resolution monochromators, a modern spare part for the Heidenhain UHV RON 905" (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A, 2021, 165645 1-8).
Eine Lösung für einen Antrieb der Drehung der Optiken eines Monochromators ebenfalls mit Linearantrieb, der hier auf die Drehachse (Rotationsachse) einwirkt, ist von M. R. Howells (Plane Grating Monochromators for Synchrotron Radiation, Nuclear Instruments and Methods, Vol. 177, 1980, S. 127-139) aufgezeigt.
Eine weitere alternative Methode für einen Antrieb zur Drehung der Optiken eines Monochromators ist es, mit einem Linearantrieb die Halterung einer Optik exzentrisch auszulenken und so die Optik um eine Achse zu rotieren, wie es z.B. bei O. Schwarzkopf et al. (High-resolution constant length Rowland circle monochromator at BESSY, Review of Scientific Instruments, Vol. 69, 1998, S. 3789 - 3793) offenbart ist.
In der DE 10 2014 103 949 A1 ist eine Spiegeleinrichtung mit einem Spiegelkörper für intensive Röntgenstrahlung offenbart, welche in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Zur Versorgung mit Kühlmitteln und für die Übertragung von mechanischen Kräften sind Durchführungen in der Kammerwand vorgesehen. Die Anpassung des Spiegelkörpers erfolgt hier über einen Biegemechanismus, der unter anderem über Seilzüge realisiert ist. Dazu ist auch eine Hebelvorrichtung vorgesehen, die sich durch die Wand der Vakuumkammer erstreckt.
Eine Messvorrichtung für optische Elemente im EUV-Bereich ist in der DE 10 2015 220 817 A1 offenbart. Die Vorrichtung ist dabei insbesondere in einer Vakuumkammer angeordnet und umfasst ein optisches Element, insbesondere einen Spiegel. Der Spiegel wird durch einen Drehantrieb verkippt. Der Drehantrieb ist dabei auf einer Aufnahme angeordnet, welche wiederum auf einem Manipulator gelagert ist. Der Manipulator ist auf der Achse eines als zylindrischem Luftlagerrotor ausgebildeten Oberteil eines Luftlagers angeordnet. Die Achse durchtritt dabei eine kreisförmige Öffnung in einer Absaugplatte, wobei über die Absaugplatte verschiedene Druckniveaus für das Luftlager realisiert werden, ohne das Vakuum in der Kammer zu brechen. Zur Partikelabschirmung sind in die Kammer durchgeführte Stangen hier mit Faltenbälgen eingefasst, welche auch nach außen führen.
Ein Monochromator, der insbesondere mit einem Antriebssystem der Erfindung gattungsgemäßen Art auszustatten wäre, ist in der DE 30 45 931 A1 offenbart. Es ist ein mit streifendem Einfall arbeitender Plangitter-Monochromator offenbart, der mit einem ebenen Beugungsgitter, einem ebenen Vorspiegel, der ein Bündel einer spektral zu zerlegenden Wellenstrahlung mit streifendem Einfall auf das Beugungsgitter wirft, einem Austrittsspalt, einem Hohlspiegel zum Fokussieren der vom Beugungsgitter zerlegten Strahlung auf den Austrittsspalt und einem mit dem Vorspiegel und dem Beugungsgitter gekoppelten Verstellmechanismus, der eine vorgegebene Verstellung des Einfalls- und Ausfallswinkels der Strahlung bezüglich der Ebene des Beugungsgitters in Abhängigkeit von der Wellenlänge der durch den Hohlspiegel auf den Austrittsspalt fokussierten, zerlegten Strahlung, eine im wesentlichen monochromatische Strahlung bewirkt.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Antrieb für die exzentrische Drehung der Drehachsen der Optiken eines Monochromators in einer Vakuumkammer mit mindestens einer Durchführung anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik einen verminderten Raumbedarf hat, bei gleichzeitiger hoher Präzision, Genauigkeit und Auflösung sowie guter UHV-Kompatibilität und erhöhter Drehgeschwindigkeit.
Die Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem für exzentrisch anzutreibende Drehachsen in einer Vakuumkammer mit mindestens einer Durchführung ist dabei wie folgt in seinen Merkmalen zu beschreiben.
Als Vakuumkammern, die im Sinne der Erfindung für die Anwendung der Erfindung in Betracht kommen, sind alle Kammern umfasst, die abpumbar, d.h. evakuierbar sind und die insbesondere auch bis in den Ultrahochvakuumbereich (Drücke < 10^-9 mbar) evakuierbar sind. Derartige Vakuumkammern sind mit speziellen Durchführungen versehen, die z.B. zur Kontaktierung zwischen innen und außen aber auch z.B. für von außerhalb zu bedienender Manipulatoren und ähnliches im inneren der Kammer vorsehbar sind. Die Durchführungen sind dabei gewöhnlich als sogenannter „Flansch“ ausgeführt, was eine Anbringung von funktionalen Bauteilen mit gleichzeitiger Dichtung erleichtert. Ein Flansch ist dabei meistens als ein Rohr, das z.B. auf einer Vakuumkammer zur Bildung der Durchführung angeordnet ist, gegeben und weist am offenen Ende einen Ring auf, der zumeist direkt mit Bohrungen zur Verschraubung versehen ist. Der Ring dient zum Anflanschen von Bauteilen, die über ein Gegenstück zum Ring verfügen. Dichtungen zwischen den Ringen dienen der Abdichtung der Vakuumkammer.
Das Antriebssystem umfasst zunächst einen Faltenbalg. Ein Faltenbalg ist im Sinne der Erfindung ein elastischer, sich ziehharmonikaartig zusammenfaltbarer Schlauch, wobei die Faltung entlang der Achse des Schlauchs erfolgt. Der Faltenbalg ist für die Anwendung in der Erfindung insbesondere aus ultrahochvakuumtauglichem Edelstahl gefertigt. Der Faltenbalg als Schlauch verfügt zudem über zwei Enden, von denen ein erstes Ende offen ist und das zweite geschlossen. Das geschlossene Ende weist insbesondere ein Bauteil auf, das auch zum Abschluss des Faltenbalgs selbst vorgesehen sein kann und das insbesondere Mittel zur Befestigung umfasst, die von einer ersten und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite aus verfügbar sind. Die als erste Seite des geschlossenen zweiten Endes des Faltenbalgs anzusprechende Seite liegt dabei im inneren des Faltenbalgs (d.h. des Schlauches) und die zweite Seite liegt auf der äußeren Seite des geschlossenen zweiten Endes des Faltenbalgs. Das offene erste Ende des Schlauches ist in einer Durchführung einer Vakuumkammer anordenbar. Dafür ist der Faltenbalg an dem offenen ersten Ende mit einem Verbindungsmittel auszustatten, das zur Verbindung des Faltenbalgs in der Durchführung mit der Vakuumkammer dient. Üblicherweise sind solche Verbindungsmittel Mittel, die mit der Ausgestaltung einer Durchführung zusammenwirken wie bei der Verwendung von O-Ringen oder anderen Dichtungen und dazu vorgesehener Flansche (z.B. KF-Flansche mit Außen- oder Innenzentrierring, Kammerflansche, Festflansche, sogenannte CF-Flansche für die Anwendung im UHV mit Kupferflachdichtung und ähnliches) oder anderer Mittel. Der Faltenbalg schließt, wenn in einer Durchführung mit seinem offenen Ende angeordnet, die Durchführung durch sein geschlossenes Ende ab, wobei das geschlossene Ende durch die ziehharmonikaartige Faltung entlang der Faltenachse bewegbar ist.
Weiterhin umfasst das Antriebssystem einen Rundtisch mit koaxialer Bohrung in der eine Spindel- oder Schraubenmutter nebst Gewindestange aufgenommen und so die Schraubenmutter gedreht werden kann. Ein Elektromotor kann hier mittel- oder unmittelbar auch die Rotation mittels eines Ritzels oder über ein Stirnradgetriebe auf den Rundtisch und damit auf die Spindelmutter übertragen. Wie einer Ausführungsform entsprechend, kann der gesamte Rundtisch nebst Motor auf vorteilhafte Weise von einem Hohlwellentorquemotor realisiert sein.
Die Schraubenmutter wird über den Rundtisch entlang einer Gewindestange gedreht, welche an ihrer eigenen Drehung gehindert und so nur translatorisch bewegbar ist.
Die Übertragung als Drehbewegung an einem Spiegel, Gitter oder Kristall erfolgt z.B. durch einen Sinusantrieb, wobei die Schraubenmutter fest mit dem Rundtisch verbunden ist oder z.B. der Rundtisch die Funktion der Schraubenmutter übernimmt. Andere mittelbare und unmittelbare Übertragungen der Drehbewegung sind möglich. Der Rundtisch ist dabei in vorteilhafter Weise direkt an der Durchführung, an der auch der Faltenbalg angeordnet ist, angeordnet, so dass eine Gewindespindel, welche parallel angeordnet ist zur Faltachse des Faltenbalgs und an einer ersten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalgs in seinem Inneren mit dem Faltenbalg verknüpft ist, mit der Drehachse des Rundtisches idealerweise zusammenfällt. Durch den Umstand, dass der Rundtisch bzw. die Schraubenmutter, welche auf der Gewindespindel angeordnet ist, von dem Motor gedreht wird, wird die Gewindespindel lediglich translatiert, d.h. wird in einer Linearbewegung ohne Drehung geführt, welcher der Faltenbalg entlang seiner Faltachse, die idealerweise mit der Gewindespindel zusammenfällt, folgt. In Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rundtisches bzw. der Spindelmutter, wird die Gewindespindel in den Faltenbalg hinein bewegt oder hinaus und falls das Antriebssystem an einer Vakuumkammer erfindungsgemäß angeordnet ist, erfolgt die Linearbewegung der Gewindespindel zusammen mit dem Faltenbalg in die Vakuumkammer hinein oder heraus.
Eine Koppelstange, welche mit einer zweiten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalges verknüpft ist, überträgt dann die Linearbewegung der Gewindespindel auf eine exzentrisch zu drehende Drehachse, wobei die Koppelstange mit einer Drehachse exzentrisch verknüpfbar ist.
Die Bauteile, welche bei Anordnung an einer Vakuumkammer in die Kammer hineinragen, wie der Faltenbalg, ein Abschluss des Faltenbalgs und die Koppelstange bzw. Gelenkstange (siehe unten) sowie eventuelle benötigte Verbindungselemente sind unter dem Aspekt der Vakuum- bzw. UHV-Tauglichkeit auszuwählen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems liegt zum einen in der möglichen platzsparenden Anordnung von Gewindestange und Schraubenmutter am Rundtisch mit Motor welche direkt mittels Faltenbalg eine lineare Durchführung in eine Vakuumkammer ermöglicht. Des Weiteren ist die Übertragung der Bewegung, hier die Linearbewegung, in eine Vakuumkammer möglich ohne, dass z.B. Drehlager oder ähnliches benötigt werden, sondern eine Durchführung in einer Vakuumkammer durch den Faltenbalg des Antriebssystems abschließbar ist, was für die Evakuierung der Vakuumkammer von großem Vorteil ist. Über eine geringe Steigung des Spindelgewindes lässt sich die Genauigkeit im Antrieb erhöhen und mit der Kombination eines Torquemotors wird eine hohe Kraftübertragung und eine hohe lineare Geschwindigkeit ermöglicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist ein Winkelbereich der exzentrischen Drehung einer Achse die mehr als 25° umfasst möglich, was gegenüber den herkömmlichen Systemen eine weitere Verbesserung darstellt.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Koppelstange gebildet aus einer Gelenkstange (auch als Getriebestange anzusprechen). Die Gelenkstange umfasst an beiden Enden, idealerweise symmetrisch, jeweils kardanische Gelenke bzw. Gelenke in kardanischer Anordnung. Ein erstes Ende der Gelenkstange ist wie im Falle der Koppelstange mit der zweiten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalges verknüpft und ein zweites Ende mit einer exzentrisch anzutreibenden Drehachse verknüpfbar. Die Gelenkstange umfasst zudem mindestens eine Stellschraube, idealerweise mit zwei Gewinden mit gegensätzlichem Drehsinn, zur Längenanpassung. Die kardanische Aufhängung, die durch die Kardangelenke der Gelenkstange gegeben ist und die Möglichkeit der Längenanpassung der Gelenkstange ermöglicht, diese nahezu spielfrei zu montieren und auch zu bewegen. Wenn, wie in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, zudem die Gelenke der Kardangelenke mit Kreuzfedergelenken ausgestattet sind, wird die nahezu spielfreie Montage auch im Bewegungsfall weiter verbessert. Die Präzision der einstellbaren Winkel ist dadurch erhöht.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von vier Figuren näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:

1: Schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer ersten Winkelstellung von 25°;
2: Schematische Darstellung eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Antriebssystem in einer zweiten Winkelstellung von 3°;
3: Schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels für eine Gelenkstange in zwei verschiedenen Ansichten: 1. Ansicht a) und zweite Ansicht b) welche 90° um die Achse der Gelenkstange gedreht ist zu a);
4: Schematische Darstellung eines Querschnitts des Ausführungsbeispiels für einen Motor mit Spindelstange und Faltenbalg montiert auf einem Flansch einer Vakuumkammer.

In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für exzentrisch anzutreibende Drehachsen 9 in einer Hochvakuumkammer 6 mit mindestens einer Durchführung 3 in zwei unterschiedlichen Winkelstellungen der Drehung einer exzentrisch zu drehenden Drehachse 9 (1: 25° und 2: 3°) gezeigt. Die Darstellung erfolgt anhand eines Querschnitts durch das verbaute Antriebssystem. Neben dem Antriebssystem ist auch ein Teil der Wandung einer Hochvakuumkammer 6 gezeigt, welche eine Durchführung in Form eines Flansches 3 aufweist, in dem das Antriebssystem angeordnet ist. Ebenfalls gezeigt ist ein Teilstück einer exzentrisch zu drehenden Drehachse 9 in der Vakuumkammer 6, wobei es sich bei dem Teilstück um den an der Drehachse zur exzentrischen Drehung angeordneten Ausleger 9 handelt. Die Vakuumkammer ist im Ausführungsbeispiel eine Hochvakuumkammer eines Plangittermonochromators. Die exzentrisch zu drehende Drehachse 9 betrifft die Drehachse des Spiegels (nicht gezeigt) des Monochromators. Ein baugleiches Antriebssystem wie im Ausführungsbeispiel ist für die Drehung des Plangitters des Plangittermonochromators ebenfalls vorzusehen (nicht gezeigt). Der Flansch 3 und die Vakuumkammer 6 sind aus gängigen, käuflich zu erwerbenden CF Bauteilen (Edelstahl) gefertigt. Der erfindungsgemäß vorgesehene Faltenbalg 2, ebenfalls aus Edelstahl gefertigt, ragt in den Flansch und damit in die Vakuumkammer 6 hinein. Der Faltenbalg 2 weist ein offenes Ende auf, welches an den Flansch 3 von innen (in Bezug auf die Vakuumkammer) mit einem Dichtungsring vakuumdicht angeflanscht ist. Der Faltenbalg 2 weist des Weiteren ein zweites Ende auf, welches durch einen Blindflansch 7' (siehe 4 für Details) geschlossen ist. Durch die Anordnung des Faltenbalgs 2 in dem Flansch 3 ist die Vakuumkammer an dieser Durchführung vakuumdicht geschlossen. Die als erste Seite des geschlossenen zweiten Endes des Faltenbalgs anzusprechende Seite liegt dabei im inneren des Faltenbalgs 2 (d.h. des Schlauches) und die zweite Seite liegt auf der äußeren Seite des geschlossenen zweiten Endes des Faltenbalgs 2. An diesem geschlossenen, zweiten Ende ist eine Öse 7 auf der zweiten, äußeren Seite angeordnet, über die eine Gelenkstange 8 (als Koppelstange) mit einem ersten Ende mit dem Faltenbalg gekoppelt ist. An dem geschlossenen, zweiten Ende des Faltenbalgs 2 ist auf der ersten, inneren Seite eine Gewindestange 1 mit dem Faltenbalg 2 gekoppelt. Die Gelenkstange 8 wiederum ist mit einem zweiten Ende an den Ausleger der exzentrisch zu drehenden Drehachse 9 gekoppelt. An den Flansch 3, als Durchführung der Vakuumkammer 6, ist von außen (in Bezug auf die Vakuumkammer) ein Rundtisch 5 angeordnet, der von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird. Diese Form der Anbringung, die die Erfindung ermöglicht, bietet den Vorteil, platzsparend zu sein. Der Motor ist im Ausführungsbeispiel ein Torquemotor. Der Rundtisch 5 ist mit einer Schraubenmutter 4 fest verbunden, so dass bei Drehung des Rundtisches 5 durch den Motor auch die Schraubenmutter 4 gedreht wird. Die Schraubenmutter 4 ist auf der Gewindestange 1 angeordnet. Bei Drehung der Schraubenmutter 4 wird die Gelenkstange entlang ihrer Achse translatiert, wobei besonders zu bemerken ist, dass diese Translation ohne Drehbewegung der Gewindestange 1 selbst erfolgt. Die Translation der Gewindestange 1 bewirkt für den Faltenbalg 2 eine Ausdehnung entlang der Faltenachse des Faltenbalgs 2 oder ein Zusammenziehen. Die Translation der Gewindestange 1 wird als Bewegung ohne Übersetzung direkt auf die Gelenkstange 8 übertragen, welche wiederum mit der Drehachse exzentrisch gekoppelt ist 9, so dass die Drehung des Rundtisches 5 auf die Drehachse in einer exzentrischen Drehung derselben wirkt. Diese Wirkverbindung erfolgt dabei über den geschlossenen Faltenbalg 3 ohne jeglichen Angriff des Vakuums in der Vakuumkammer, was einen besonderen Vorteil der Erfindung bedeutet. Im Ausführungsbeispiel ist die Gewindestange 1 ausgeführt mit einem Gewinde mit einer Steigung von mp = 1 mm. Die Schraubenmutter 4 ist zu dem Gewinde passend gewählt. Der Tourquemotor im Ausführungsbeispiel hat folgende Kennzahlen: Drehzahlω = 240/min, Beschleunigung a = 240/min/0.3 s = 13.3/s² = 48000/min², Stellgenauigkeit dφ = 360°/1945600 = 0.66" und Drehmoment M = 3.4 Nm. Die Axialkraft F_a an der Gewindestange ist bei einem Wirkungsgrad von 0.85: F_a = 3.4 Nm*2π*0.85/1 mm = 18 kN. Ein 110 mm Hub mittels Sinustrieb über den Motor ermöglicht eine Drehung am Spiegel von 27°. Die Stellgenauigkeit Δθ am Spiegel folgt somit zu: $Δ θ = ((27 °) / (110 mm) \cdot 1 mm/ (360 °)) \cdot 0.66 " = 0,00045 "$
woraus eine Winkelgeschwindigkeit ω_θ am Spiegel von $ω_{θ} = (27 ° / (110 / 240) min) \cdot 1 min / 60 s = 0.98 ° / s$
folgt und eine Winkelbeschleunigung α_θ von $α_{θ} = (0.98 ° / s) / 0,3 s = 3,27 ° / s^{2} .$
In der 3 ist die Gelenkstange 8 des Ausführungsbeispiels detailliert gezeigt. Die Gelenkstange 8 ist an beiden Enden mit jeweils einem Paar Gelenke 8a, 8a', 8b, 8b' ausgestattet, die kardanisch zueinander arrangiert sind. Die Gelenke 8a, 8a', 8b, 8b' sind jeweils mit Kreuzfedergelenken ausgestattet. Zusätzlich ist in der Mitte der Gelenkstange eine Stellschraube 8c mit zwei Gewinden 8c', 8c'' mit gegensätzlichem Drehsinn, zur Längenanpassung angeordnet. Diese Ausführung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine nahezu spielfreie Anordnung der Gelenkstange, die insbesondere durch die Kreuzfedergelenke auch im Bewegungsfall erhalten bleibt.
In der 4 ist eine Detailansicht der Anordnung des Federbalgs 2 und des Rundtisches 5 im bzw. am Flansch 3 (hier nicht gezeigt, siehe 1) gezeigt. Zur Anordnung des Federbalgs 2 dienen zwei Dichtelemente 3', 3''. Der Rundtisch 5 ist mit zwei Dichtungen 5', 5'' von jeweils einer Seite abgedichtet. Auch das geschlossene, zweite Ende des Faltenbalgs 2 ist mit einem Blindflansch 7' geschlossen, auf dem die Öse 7 zu Kopplung der Gelenkstange angeordnet ist. Die Gewindestange 2 nebst der Schraubenmutter 4 sind mitgezeigt.

Claims

Antriebssystem für exzentrisch anzutreibende Drehachsen in einer Vakuumkammer (6) mit mindestens einer Durchführung (3) mindestens umfassend a. einen Faltenbalg (2) mit zwei Enden, wobei ein erstes Ende offen ist und vakuumdicht anordenbar in einer Durchführung (3) einer Vakuumkammer (6) ist und wobei der Faltenbalg (2) mindestens in einer Achse faltbar ist und wobei der Faltenbalg (2) an einem zweiten Ende geschlossen ist und b. einen Motor (5) der mittel- oder unmittelbar eine Schraubenmutter (4) dreht und c. eine Gewindespindel (1) welche parallel angeordnet ist zur Faltachse des Faltenbalgs (2) und an einer ersten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalgs (2) mit dem Faltenbalg (2) verknüpft ist und wobei die Schraubenmutter (4) auf der Gewindespindel (1) angeordnet ist und d. eine Koppelstange (8), welche mit einem ersten Ende an einer zweiten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalges (6) verknüpft ist und wobei die Koppelstange mit einem zweiten Ende mit einer exzentrisch anzutreibenden Drehachse (9) verknüpfbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstange (8) durch eine Gelenkstange (8) gegeben ist und die Gelenkstange (8) an beiden Enden symmetrisch jeweils kardanische Gelenke (8a, 8a', 8b, 8b') umfasst, wovon ein erstes Ende mit der zweiten Seite des geschlossenen Endes des Faltenbalges (2) verknüpft ist und ein zweites Ende mit einer exzentrisch anzutreibenden Drehachse (9) verknüpfbar ist und die Gelenkstange (8) mindestens eine Stellschraube (8c) zur Längenanpassung umfasst.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kardanischen Gelenke (8a, 8a', 8b, 8b') der Gelenkstange mit Kreuzfedergelenken ausgestattet sind.