DE1259118B - Optisches Fenster hoher Lichtdurchlaessigkeit fuer Behaelter, Druckbehaelter und Simulationskammern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G02b

Deutsche KL: 42 h - 34/08

H 57249 IX a/42 h 23. September 1965 18. Januar 1968

Es ist seit einiger Zeit üblich, die Bedingungen, denen Raumkapseln in der Stratosphäre unterliegen, bei der Prüfung der Kapseln und der notwendigen Meßgeräte in entsprechenden Raumkammern zu simulieren. Diese Simulationskammern stehen hierbei nicht nur unter einem sehr hohen Vakuum, vielmehr müssen auch die Strahlungsbedingungen simuliert werden, denen eine Raumkapsel durch die Sonnenbestrahlung und durch andere Strahlungseinflüsse unterworfen ist.

Die gebräuchlichen Kammern zur Weltraumsimulation weisen Abschlußfenster unterschiedlicher Abmessungen aus einem temperatur- und druckbeständigen Werkstoff auf, der für eine dem Sonnenspektrum weitgehend ähnliche, auch kurzwellige Anteile enthaltende Strahlung durchlässig sein muß. Eine dem Sonnenspektrum angeglichene Strahlung wird meist durch außerhalb der Simulationskammer angeordnete Xenon-Hoch- und Höchstdrucklampen erzeugt und enthält neben dem sichtbaren Anteil gleichzeitig nicht unbeträchtliche Anteile an kurzwelligen UV-Strahlen und an langwelligen IR-Strahlen. Wesentlich ist dabei, daß die Emission dieser Lampen möglichst ohne Verlust in die Kammer eingestrahlt wird.

In vislen Fällen wurde das durch relativ kleine Quarzglasfenster eingestrahlte Licht durch Spiegelung innerhalb der Kammer gleichmäßig verteilt, insbesondere auf das zu testende Objekt. Hierfür genügen an sich Fenster kleiner Abmessungen; es treten jedoch besonders durch Mehrfachreflexion im Innern erhebliche Lichtverluste auf, die durch direkte Einstrahlung durch ein größeres Fenster vermieden werden könnten, sofern die Eigenabsorption des Fensters besonders im UV- und IR-Gebiet klein zu halten wäre.

Als Werkstoff für die Abschlußfenster wird im allgemeinen wegen seiner für diesen Verwendungszweck günstigen Eigenschaften Quarzglas verwendet. Um nun möglichst viel Strahlung in die Kammer hineinzubekommen, müssen entsprechend große Einstrahlöffnungen und somit große Abschlußfenster verwendet werden. Dhs hat jedoch zur Folge, daß mit zunehmender Größe der Einlaßöffnung wegen der damit gleichzeitig anwachsenden Beanspruchung des Abschlußfensters dessen Plattendicke ebenfalls zunehmen muß. So ist beispielsweise für ein Abschlußfenster von etwa 500 mm lichter Weite eine Quarzglasplatte mit einer Dicke von etwa 50 mm erforderlich, während bei einem Abschlußfenster von 900 bis 1000 mm lichter Weite die Quarzglasplatte schon 70 bis 80 mm dick sein müßte, um den Anforderungen zu genügen. Derartige Schichtdicken wurden bisher allgemein vermieden, man wählte statt dessen kleine Abschluß-Optisches Fenster hoher Lichtdurchlässigkeit für Behälter, Druckbehälter und Simulationskammern

Anmelder:

HERAEUS-SCHOTT QUARZSCHMELZE

Gesellschaft mit beschränkter Haftung, 6450 Hanau, Rohrstr. 8

Als Erfinder benannt:

Dr. Heinrich Mohn, 6462 Hailer

fenster und verteilte die Strahlung auf das Objekt im Innern der Kammer durch Spiegelung.

Nicht nur die hohen Kosten großer Quarzglasplatten von etwa 500 bis 1000 mm Durchmesser schränkten ihre bisherige Verwendung ein, sondern auch der mit der Plattenstärke einhergehende Nachteil der beträchtlichen Absorption sowohl der UV-Strahlen als auch der IR-Strahlen. Die hohen Kosten zwar durch Verwendung von Quarzglas mittlerer Qualität gesenkt werden, doch tritt bei diesen Quarzglassorten eine noch stärkere Absorption von Strahlen auf, wenn Schichtdicken der Quarzglasplatten von 50 bis 80 mm notwendig werden. Es mußte also bisher stets ein Kompromiß in Kauf genommen werden, indem entweder kleine Abschlußfenster mit einem Durchmesser von 100 bis 150 mm und einer Plattenstärke von etwa 5 bis 10 mm gewählt wurden, die infolge der erforderlichen Vielzahl der Fenster mit dem weiteren Nachteil zahlreicher Dichtungsstellen und Schattenzonen behaftet waren, oder indem große Abschlußfenster mit entsprechend hoher Plattenstärke gewählt wurden, die eine dementsprechend hohe Absorption der Strahlung aufweisen.

Das Maß der möglichen Absorption der Strahlung geht aus den in der Zeichnung dargestellten Kurvenbildern hervor. In Fig. 1 ist die Durchlässigkeit von Platten aus im Handel erhältlichem Quarzglas natürlicher Herkunft für UV- und IR-Strahlen dar-

709 719/204

gestellt, und zwar für die drei unterschiedlichen Schichtdicken von 4, 50 und 80 mm in einem Wellenlängenbereich der Strahlung zwischen 180 ηαμ und 4,5 μ. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei Schichtdicken von 50 und 80 mm zwischen 180 und 260 πιμ nahezu völlige Absorption eintritt und auch im IR-Bereich zwischen 2,5 und 4,5 μ nur ein kleiner Teil der Strahlung hindurchgelassen wird im Gegensatz zu einer Quarzglasplatte, die nur 4 mm dick ist.

Ähnliche Verhältnisse zeigt F i g. 2 für ein synthetisches Quarzglas von Industriequalität, bei dem die UV-Durchlässigkeit bei einer Schichtdicke von 4 mm noch als befriedigend angesehen werden kann, während bei Schichtdicken von 50 und 80 mm die Absorption bereits erheblich ist.

Günstiger verhalten sich in bezug auf die UV-Durchlässigkeit die hochwertigen synthetischen Quarzglassorten, deren Absorption im kurzwelligen Bereich außerordentlich gering ist selbst bei Schichtdicken von 50 und 80 mm und erst unterhalb 190 πιμ zunimmt. Allerdings zeigen diese Quarzglassorten im IR-Bereich eine stärkere, allerdings in dünner Schicht wiederum sehr geringe Absorption. Diese Verhältnisse sind der Fig. 3 zu entnehmen.

Die in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Quarzgläser sind an sich bekannt.

Bei allen Quarzglastypen zeigt es sich, wie auch aus den soeben erwähnten Kurvenbildern hervorgeht, daß bei Quarzglasplatten geringer Schichtdicke von beispielsweise 4 mm die sowohl im UV- als auch im IR-Bereich auftretende Absorption der Strahlung praktisch zu vernachlässigen ist. Die Verwendung von dünnen Quarzglasplatten für die optischen Fenster von Simulationskammern müßte somit auf jeden Fall angestrebt werden, wenn nicht damit gleichzeitig die bereits obenerwähnten Nachteile der zahlreichen Dichtungsstellen und Schattenzonen bei den kleinen Fenstern bisher möglicher Abmessung verbunden waren.

Hier bringt nun die vorliegende Erfindung entscheidende Verbesserungen und einen ganz erheblichen technischen Fortschritt. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß die geschilderten Nachteile vermieden und Platten großen Durchmessers und geringer Schichtdicke verwendet werden können, wenn das Abschlußfenster ein Zellensystem als Träger aufweist, mit dem die dünne Platte aus Quarzglas verbunden ist.

Das neue optische Fenster für Behälter, Druckbehälter und Simulationskammern besteht erfindungsgemäß aus einer an sich bekannten Platte aus natürlichem oder synthetischem Quarzglas in einer keine oder nur geringe Absorption im UV- und IR-Bereich einer dem Sonnenspektrum angeglichenen Strahlung hervorrufenden Schichtdicke und einem mit dieser Platte verbundenen Zellensystem als Träger.

Das tragende Zellensystem besteht aus einer vorzugsweise opaken Quarzglasplatte, die mit Bohrungslöchern gleichen und/oder verschiedenen Durchmessers versehen ist. Zweckmäßig, insbesondere im Hinblick auf die maximale Lichtdurchlässigkeit des optischen Fensters, ist es, den mit Bohrungslöchern gleichen Durchmessers versehenen Träger an den Schnittpunkten der verbleibenden Stege ebenfalls zu durchbohren, um auf diese Weise Materialanhäufungen bei den verbleibenden tragenden Elementen des Stützsystems weiter zu reduzieren. Besonders günstig hat sich die nachstehende und in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellte Anordnung der Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers bewährt.

	Durchmesser	Durchmesser	Geringste	mm
	der großen	der kleinen	verbleibende	4,5 bis 5,0
	Öffnungen	Öffnungen	Wandstärke	4,5 bis 5,0
	mm	mm	mm	etwa 5,0
1	50	etwa 20	3,0 bis 3,5	etwa 6,0
2	60	18 bis 22	3,0 bis 3,5	etwa 6,0
3	70	24 bis 28	3,5 bis 4,0
4	80	28 bis 32	4,0 bis 4,5
5	90	30 bis 35	4,0 bis 4,5

Um für bestimmte Prüfungen innerhalb der Kammer gewisse Wellenlängen oder auch Wellenlängenbereiche der eingesetzten Strahlung ausschalten oder speziell nur diese durch das Fenster hindurchtreten lassen zu können, kann die von dem Zellensystem

ao getragene Platte aus optischem Quarzglas mit einer Filterschicht belegt sein, die die unerwünschten Wellenlängen selektiv absorbiert bzw. die erwünschten Wellenlängen durchläßt. Besonders zweckmäßig sind diese Filterschichten in an sich bekannter Weise durch Aufdampfen geeigneter Metalle oder Metallverbindungen im Vakuum herzustellen.

Beim Aufschmelzen der Quarzglasplatte auf das tragende Zellensystem kann in einfacher Weise ein geringes Durchsacken an den Bohrungslöchern erfolgen, so daß eine schwache Linsenwirkung entsteht. Hierdurch wird in Verbindung mit der Reflexion der Zellenwände eine zusätzliche Lichtlenkung in den einzelnen Zellen erreicht; auf diese Weise kann von außen eingestrahltes Licht parallelisiert werden, was für bestimmte Anordnungen erwünscht sein kann.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, für die tragende Gerüstplatte Quarzglas zu verwenden, sondern diese könnte auch aus dem billigeren Quarzgut bestehen, so daß das ganze System erheblich billiger wird. Im allgemeinen wird man jedoch dem durchsichtigen Quarzglas für das Stützgerüst den Vorzug geben wegen der höheren Durchlässigkeit im Vergleich zum Quarzgut. Selbst wenn infolge der großen Schichtdicke des Traggerüstes von beispielsweise 50 bis 80 mm im UV- und IR-Bereich eine höhere Absorption vorhanden ist, so kann doch der übrige Teil des Spektrums ungehindert auch durch die Rippen hindurchgehen. Beispielsweise beträgt der freie Durchgang bei unterschiedlichen Bohrungen gemäß F i g. 4 mit Durchmesser von 80 und 32 mm insgesamt 80% der Fläche, und nur 20% des Lichtes passiert die verbleibende Rippenstruktur. Wird somit für das Traggerüst durchsichtiges Material, wenn auch mit geringerer Durchlässigkeit verwendet, so kann man sagen, daß insgesamt mindestens 90% der eingestrahlten UV- und IR-Strahlung durch das ganze System hindurchgehen.

Ein weiterer Vorteil des optischen Fensters gemäß der Erfindung besteht darin, daß der gewichtsmäßige Anteil des hochwertigen Quarzglases nur 8 bis 10% des für eine massive Platte erforderlichen Quarzglasgewichtes beträgt. Dies ist eine außergewöhnliche Einsparung und ein Gewinn an durchgelassener Intensität im UV- und IR-Bereich der Strahlung.
Selbstverständlich kann die Struktur des optischen Fensters auch in anderer Weise modifiziert werden, beispielsweise durch Anbringen von Öffnungen mit sechseckigem oder auch rechteckigem Querschnitt, wobei Öffnungsweiten und Rippenstärken den jewei-

ligen mechanischen Bedingungen angepaßt sind. Hierbei ist eine möglichst große Weite der Öffnung anzustreben unter Berücksichtigung einer minimalen Stärke der aufgeschmolzenen Quarzglasplatte. Beispielsweise entspricht einer lichten Öffnung zwischen den parallelen Seiten eines Sechseckes von etwa 70 mm eine Rippenstärke von etwa 4 bis 5 mm des Zellensystems. Solche Öffnungen erlauben aus statischen Gründen noch das Aufschmelzen einer Platte bis herunter zu 4 mm Dicke. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei quadratischen oder auch in Polygonform angeordneten Öffnungen.

Ein weiterer erheblicher Vorteil des optischen Fensters gemäß der Erfindung ist das geringe Gewicht. Dieses beträgt bis zu einem Viertel und weniger des Gewichts eines entsprechenden massiven Fensters.

Das tragende Zellensystem kann sowohl durch Ausbohren der massiven Platte als auch Ausblasen mittels eines Sandstrahlgebläses oder auch durch Ausbohren mittels Ultraschall hergestellt werden. Ein materialsparendes Herstellungsverfahren ist aber auch das direkte Heißformen, Heißsintern und Schmelzen des Zellengerüstes. Eine weitere Möglichkeit der Fertigung besteht im Zusammenschweißen oder Verschmelzen der einzelnen Rippen, insbesondere bei einem Zellensystem mit quadratischen und rechteckigen Öffnungen.

Das optische Fenster gemäß der Erfindung vereinigt in sich somit im Ganzen gesehen die Vorteile des geringen Gewichts, der hohen Elastizität und vor allem der besonders hohen Strahlungsdurchlässigkeit auch bei Verwendung von Quarzglassorten geringerer Qualität bzw. solchen, die bei ausgezeichneter UV-Durchlässigkeit im allgemeinen eine höhere IR-Absorption besitzen.

Die Verwendung solcher Abschlußfenster ist nicht nur bei Kammern zur Simulierung der Weltraumbedingungen interessant, sondern auch allgemein für Behälter und Kessel zweckmäßig, in denen die Abschlußfenster nur unter geringen Druckunterschieden stehen, oder auch bei solchen Behältern, bei denen praktisch kein Druckunterschied zwischen innen und außen herrscht, wo aber allein schon aus Stabilitätsgründen bei großen Öffnungen eine Wandstärke, die mindestens 20 mm beträgt, vorgesehen werden muß.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optische Fenster hoher Lichtdurchlässigkeit für Behälter, Druckbehälter und Simulationskammern, bestehend aus einer an sich bekannten Platte aus natürlichem oder synthetischem Quarzglas in einer keine oder nur geringe Absorption im UV- und IR-Bereich einer dem Sonnenspektrum angeglichenen Strahlung hervorrufenden Schichtdicke und einem mit dieser Platte verbundenen Zellensystem als Träger.

2. Optisches Fenster nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß das Zellensystem aus einer vorzugsweise opaken Quarzglasplatte besteht, die mit Bohrungslöchern gleichen und/oder verschiedenen Durchmessers versehen ist, auf die die Fensterplatte geringer Schichtdicke aus optischem Quarzglas aufgeschmolzen ist.

3. Optisches Fenster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungslöcher gleichen Durchmessers aufweisende Träger aus einer vorzugsweise opaken Quarzglasplatte an den Schnittpunkten der verbleibenden Stege noch mit Bohrungen geringeren Durchmessers versehen ist.

4. Optisches Fenster nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellensystem aus Quarzgut besteht, auf dem die Platte aus optischem Quarzglas aufgeschmolzen ist.

5. Optisches Fenster nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellensystem Bohrungen bzw. Öffnungen mit rechteckigem oder sechseckigem Querschnitt aufweist.

6. Optisches Fenster nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Zellensystem getragene Platte aus optischem Quarzglas eine Filterschicht aufweist, die bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der Strahlung selektiv absorbiert oder durchläßt.

7. Optisches Fenster nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quarzglasplatte einen Durchmesser von 500 bis 1000 mm hat und 4 mm dick ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 719/204 1.68 © Bundesdruckerei Berlin