DE1772492A1

DE1772492A1 - Verfahren zur Korrektion optischer System durch Bestrahlung und durch Bestrahlung korrigiertes optisches System

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Publication number: DE1772492A1
Application number: DE19681772492
Authority: DE
Inventors: Philippe Sinai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-05-31
Filing date: 1968-05-24
Publication date: 1972-02-10
Also published as: CH492990A; US3634219A; IL30077A0; IL30077A; GB1223888A

Description

PATENTANWALT

β MONOHEN a, OTTOSTRASSE 1« TELEFON

DP 15 AM
S-36-P-1/611

Philippe Sinai München, 2 k. Mai 1968

112 quai louis Blferlot
Paria I6e/Frankreich

Terfahren zur Korrektion optischer Systeme durch Bestrahlung und durch Bestrahlung korrigiertes optisches System

Optische Systeme besitzen bekanntlich eine Anzahl von Fehlern, die mit ihrem Aufbau und ihrer Struktur selbst zusammenhängen und ihr Anwendungsgebiet begrenzen.

Zu diesen Fehlern zählen in erster Linie die unter der allgemeinen Bezeichnung Aberrationen bekannten Fehler.

Die geometrischen Aberrationen ergeben sich dadurch, dad die verschiedenen Wellen/lachen nicht mehr sphärisch sind, keinA*. ■fftigaatIsmus »ehr vorhanden ist und das Bild eines Punktes nicht mehr ein Punkt ist, wenn die öffnung oder neigung eines

Strahlenbündel* zur Achse eines optischen Systems mit diesem

als einen solchen Winkel bildet, daß ein und arc nicht mehl/zusammen-

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ORIGINAL INSPECTED

angesehen
fallend /werden können. Ba die Form dieser Wellenflächen eine komplexe Funktion des Brechungsindex des verwendeten optischen Materials oder Glases und der Krümmungsradien der das optische System bildenden strahlenbrechenden Elemente ist, bestanden die bisher bekannten Korrektux-en dieser Aberrationen darin, die Krümmung bestimmter, das cptieche System bildender strahlenbrechender Elemente geringfügig zu verändern sowie letzteres aus einer zuweilen großen Zahl von Linsen herzustellen, die jeweils voneinander verschiedene BreChungsindices besitzen. Im besonderen Fall dünner Linsen sind bekanntlich beispielsweise die Sammellinsen an ihren Rändern zu stark konvergent, und die Zerstreuungslinsen im Gegensatz dazu an ihren Rändern zu diver» gent. Dieser Fehler führt insbesondere zur den Optikern wohl bekannten sphärischen Hatfptlberration, mit der im übrigen größtenteils die anderen Aberrationen zusammenhängen. Die Veränderungen des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts sind die Ursache einer anderen Gruppe von Aberrationen, der sogenannten chromatischen Aberrationen, die man in einem bestimmten Ausmaß mit Hilfe achromatischer oder apochromatlecher Systeme begrenzen kann, ohne dafi es jedoch stets möglich wäre, diese Fehler auf eine für alle Verwendungszwecke annehmbar· Höhe zu begrenzen.

Schließlich zeigen dieoptischen Systeme auSer den Aberrationen noch andere, auf die Wellennatur des Lichts zurückzuführende Fehler, die. mit den Beugungserscheinungen zusammenhingen. Bas Bild eines hellen Punktes ist beispielsweise von einer Reihe Beugungsringen umgeben, welche die Wahrnehmung eines benachbarten, weniger hellen Bildes behindern und infolgedessen das Auf-

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lösungsvermögen herabsetzen.

Andererseits ist bekannt, daß energiereiche korpuskulare oder elektromagnetische Strahlungen bei den optischen Eigenschaften von Materialien, die ihnen ausgesetzt werden, tiefgreifende physikalische Veränderungen bewirken. Diejenigen mit einem hohen Yerdrängüngsqaerochnitt, insbesondere die Neutronen, die Protonen und Ionen, verändern den Brechungsindex, der je .. nach dem Fall erheblich erliöht oder verringert wird. Dagsgen verändern die Strahlen mit einem hohen Wirkungsquerschnitt gegenüber der Elektronenhülle, beispielsweise die Elektronen-V - oder Röntgenstrahlen, die Durchlässigkeit, die verringert wird. Was die Veränderungen des Brechungsindez angeht, so rühren diese insbesondere von Atomverschiebungen her, die durch KernzueamtnenstöSe beim Beschießen mit unmittelbar oder mittelbar erzeugten energiereichen schweren feilchen stattfinden. Diese Verschiebungen führen tatsächlich zur Bildung von Lücken zwischen den Atomen, indem einige der letzteren aus ihren ursprünglichen Gitterplätzen herausgedrängt werden und infolgedessen auch Atome auf den Zwischengitterplätcen vorhanden sind.

Ein erster Gegenstand der Erfindung beuteht nun in der Ausnutzung dieser Veränderungen dee Brechungsindex unter der Wirkung be» stlmmter Strahlungen zum Zweck einer Korrektur der Aberrationen optischer Systeme, indem nicht mehr, wie bisher allein, die Krümmungen der strahlenbrechenden Elemente sondern auch der Brechungsindex der Gläser oder optischen Materialien, welche die verschiedenen Linsen oder strahlenbrechenden Anordnungen des Systems bilden, verändert wtH indejn man *it Hilfe einer zunehmenden Bestrahlung eine kontinuierliche örtliche Verände-

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rung des Brechungsindez mindestens einer zum optischen System gehörenden Linse oder atrahlenbrechenden Anordnung von der Achse bis zum Rand erzeugt.

Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist alo neues Produkt eine optische Linoe odor eine strahlenbrechende Anordnung aus einen Material, deaaen Brechungeindex eich kontinuierlich in ;} ed fsm Punkt vom Mittelpunkt bis zvm Rand verändert.

w Ein dritter Gegenstand der Erfindung lot als neues Produkt ein zentriertes strahlenbrechendes »System, das aus Linsen oder strahlanbrechenden Anordnungen aufgebaut ist» von denen Binde atoms einige auch einen von Mittelpunkt bis zum Rand kontinuier lich veränderten Brechungsindex besitzen.

Ein vjer1er Gegenstand dor Erfindung besteht in der Ausnutzung der in optiochen Materialien unter der Wirkung von Bestrahlungen, inabenonder« ß~, y -, Röntgen- cfier Elektronenstrahüungen, ereeuffton V,>₇ Mndermyjen der Durcbiüsoigieit rur Herstellung von Filter;; n>it von einem Punkt zum eiileren kontinuierlich veriinder-

Bin fünfter ßegeuotand der Erfindung ißt ale neues Produkt ein Bololier Filter auo optischem Material »it von einem Punkt euns anderen kontinuierlich veränderter Purchläealgkelt.

Ιικϊο« rc d«n Optikern die MOgHchlitlt gepeben wird, in kontinuierlicher Wcipo don evriten der beiden die optischen Eigenschaften <·ν".ν Hi rtf.fi t< bi'ntinraenden r'orarie^er , »Haüich KrUmravmgeredten

1 0 Π Π Π 7 / Ο ^rj f) 3

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und Brechungsindices.zu verändern, eröffnet die Erfindung neue sehr bedeutsame Möglichkeiten zur Herstellung derartiger optischer Systeme, die hinsichtlich der Aberrationen korrigiert sind. Sie ermöglicht insbesondere, bei einer äquivalenten Zahl von Linsen eine bisher unerreichte Präzision zu erreichen oder mit einer geringeren Zahl von Linsen ein zentriertes System mit optischen Eigenschaften herzustellen, welche mit denen vergleich·= bar sind, die man bisher nur mit Hilfe eines komplizierten Satzes von Linsen mit je einem homogenen Brechungsindex erreichen konnte.

Zum Korrigieren der chromatischen Aberrationen in optischen , Systemen verwendet man insbesondere Apochromate, in denen man die zwei oder drei verschiedenen Wellenlängen entsprechenden HOfe (Binge) sueajomenf allen läßt und den PriBÄrreat der chromatischen Aberration korrigiert. Dasu mufi man aber leider starke Krümmungen der strahlenbrechenden Elemente verwenden, was bei den sphärischen Linsen zu starken geometrischen Aberrationen führt. Man 1st daher auf geringe öffnungen begrenst. Bei den ( erfindungsgemäflen Linsen mit veränderlichen Brechungeindex ist ·■ dagegen möglich, diese starken Krümmungen der strablenbrechenden Oberflächen mit den korrigierten geometrischen und chromatic sohen Aberrationen zu vereinbaren. Die Größenordnungen der erhaltenen Brechungsindexveränderungen gehen vonΌ,01 (Siliziumdioxidgläser) bis 0,08 (Quarts), was die Korrektion von linsen mit entsprechenden öffnungen ermöglicht.

Von den erfindungsgemäS am häufigsten verwendbaren Strahlungen seien erwähnt die von einem Kernreaktor ausgesandten schnellen

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oder thermischen Neutronen. Im Pail der Verwendung schneller neutronen wirken diese unmittelbar auf die Atome des verwendeten Glases oder optischen Materials ein. Venn man dagegen thermische Neutronen benutzt, muß man erflndungsgemäB ein Glas (oder optisches Material) verwenden, das einen bestimmten Anteilen einem Element, wie Bor 10 oder Lithium 6, enthalt, daa unter der Wirkung von Neutronen schnelle Teilchen erzeugen kann. Die Reaktion (n, o*.) findet am Bor 10 oder Lithium 6 im Inneren dee

L· Glases selbst statt, dessen Brechungsindex man verändern will, und es sind die so erzeugten (X »Teilchen, dl· in diesem Fall die Eernzusammenstufie bewirken, welche zu einer bestimmten Zahl von Verdrängungen der getroffenen Atome führen. Bei dieser Bestrahlungsart ist die Zuführung eines geringen Prosentgehalts an einem Element mit groSem EeaktIonsquerschnitt (s.B. Bor 10) notwendig, um eine ausreichende Zahl von Verdrängungen zu erzeugen. Schließlich ermöglicht die Verwendung der Reaktion (n, A) die Begrenzung der Diffusion und die einfach· Lokalisierung der Veränderungen, was mit schnellen Neutronen schwieriger ist, da

' dies· durch elastische Zusammenstoß· gebremst werden. Dl· Wegllngen der #. »Teilchen sind kurz, In der Größenordnung von Mikron.

Die Wlrkungsquerschnitte der Verdrängung sind viel grOfier bei thermischen Neutronen als bei schnellen Neutronen. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion des Bors 10 nimmt von 4000 Barns für thermische Neutronen auf einen Streuquerschnltt von 4 Barns JfUr schnelle Neutronen ab. Beispielsweise betragt der eesamtwirkungsquerschnitt des Silicium« (Reaktion und Streuung) nur 2,5 Barns für Neutronen mit einer Energie zwischen 0,01 eV und 3 keV. Die

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schnellen Heutronen sind von umoo geringerer Bedeutung, ale die thermischen leutronen in den Spektren der verwendeten Atomreaktoren, insbesondere der Schwinimbadreaktoren, deutlich überwiegen .

Eine der erfindungsgemsß als optisches Material bevorzugten Zusammensetzungen entspricht einnm tuchniuohen Glas auf der Grundlage von Silizitimdioxid mit einerc Gehalt von 0,7?£ Bor 10 in Form von BgO* (I2_t5?£). 3)'»β Naturbor (Geinisch von Bor 10 und Bor 11) enthält selbst 18,ί'3?ί Bor 10. Der Reaktionswirlnmgnqufir ä schnitt dieses Glases betrügt etwa 28 Barne (0,7# ▼on 4000), sein Gtreuquerechnitt ist etwa P Barns» also gering. Der Proeent« anteil von Bor 10 oder Lithium kann hol den benutzten Gläsern innerhalb erheblicher Grenzen in der Größenordnung von 0,1 biß 1^ schwanken.

Der lfachteil der Verwendung thermischer Neutronen liegt darun, daß sie bei den gewöhnlich'·» Bor oder Li thiumkonssentrat ionon

geochUoht GchwHrliutiff·

der Gläser rasch / werden. Di«oe 7 ^dee thenninolM ώ

Heutronenflusses führt ru einer V^ründerung önr Volumendicht« mit dor Durchdringung d«»r Dtrahlung. Dao führt ?u Sohrurapfun^on

baw. Spannungen, und in beatiiretej· >»11»·η i^rivlarBUs pin« tellige Doppolbrect ung foj₍m. Vfrm· van alao thormieohe Neutronen verwendet, darf der Bortmteil nlultt; dl(R fichwell«> übereteigen, die »it den für die Biaennioneu d«>r in Hetracht k-owaendfn optischen Teile ffuiaeeigon Spannunn^f>i> ^v' "einher sind. Dieaor lf>irhteil tritt dagegen nicht auf, wnn die orfindungngernHBe Bttrah lung von Gl'ioern laittela n^hneller neutronen vor^enonmuti wird.

innnn ?/05β? bad original

Ee eind auch noch welter· Vorsichtsmaßnahmen zu beachten bei der Auswahl dee zur erflndungegemäßen Behandlung beetlaanten optischen Materials und zwar muß man, allgemein gesagt, die Folgen der Bestrahlung bedenken einerseits hinsichtlich der vom Material bei dieser Behandlung erworbenen Aktivität und andererseits der daraus folgenden Verfärbung. Der Hauptbeetandtell von Gläsern, Siliziumdioxid (mit etwa 60# in den üblichen optischen Gläsern) stört unter diesem Gesichtspunkt nicht. Die Halbwertszeit des Siliziumdioxide, genauer des Sl , des eineigen ver~ hältnismäSig stabilen Isotops des Si, beträgt 2,6 Std. Die Sicherheitsschwelle von 2,5 mr/h wird rasch erreicht, für ein mit 10¹⁸ n_th/cm² bestrahltes Siliziumdioxidglas, das beim Austritt aus dem Kernreaktor eine Aktivität von 1 r/h besitzt, liegt die Zeit bis sum Erreichen dieser Schwelle bei etwa 22 Std. für eine Linse üblicher Abmessungen (3 cm Durchmesser).

Bei den anderen Glasbestandteilen klingen die Aktivitäten der Elemente mit sehr verschiedenen Halbwertszeiten ab, so daß man bestimmte Verunreinigungen zulassen kann, andere dagegen nicht. Antimon und Elsen haben Isotope, deren Induzierte Aktivitäten

lange Halbwertszeiten aufweisen (⁵⁵Pe «2,94 Jahre und

Sb μ 2,7 Jahre) und deren Größenordnung recht erheblich 1st.

Diese sind insbesondere tür die üblichen Anwendungezwecke auszuschalten. In der Praxis können bei einem gegebenen Glas die für die BadIoaktiv!tat verantwortlichen stabilen Verunreinigungen spektrometrisch identifiziert werden, um für ihre Beseitigung zu sorgen. In jedem einzelnen Fall kann die zulässige Reetaktiritat je nach den beabsichtigten Anwendungen verschieden sein.

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Schließlich let es wichtig zu bemerken, daß die Aktivität der Produkte der Reaktion (n, OL ) sofort abnimmt, was nicht der Fall ist bei der durch schnelle leutronen erzeugten Aktivierung.

Außerdem führt die Beetrahlungebehandlung nach dem erfindungs-

gemäßen Verfahren im allgemeinen zu einer Verfärbung der Gläser, die man durch Wärmebehandlung beseitigt, wie im folgenden erläutert. Se ist daher erforderlich, daß das zu behandelnde Glas keine Elemente enthält, die zu einer Verfärbung führen können, | welche thermisch ebenso stabil wie die Veränderung des Brechunga·» index ist. Aus diesem Grund sind ganz allgemein die Alkalimetalle (außer Lithium) und insbesondere ihre Halogenide bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrene zu vermeiden·

Um erfindungsgemäß eine kontinuierlich· Veränderung der Bestrahlung und damit des Brechungsindex des optischen Materials von der Achse dee Systems bis zum Band jeder Linse su erhalten, wird eine Sohwächungsvorrichtung verwendet, die aus jeden neutronen» absorbierenden Material bestehen kann. Sie muß, wie die das zentrierte System bildenden Linsen, eine Drehsymmetrie um die Achse des Systems besitzen. Palis die Strahlung ein Fluß thermischer Meutronen ist, kann die Schwächungsvorriohtung vorteilhafterweise aus einem Glaskörper aus mit einem thermischen Meutronen absorbierenden Element, wie Lithium, Bor oder Cadmium, dotierten Glas bestehen. Das Profil des Glaskörpers wird berechnet itt Abhängigkeit vom Gesetz der Bestrahlung, die Ban erhalten will, um die kontinuierliche Veränderung des Brechungeindez entsprechend dem Abstand von der Aohe« zu erreichen. D«r Sohwaohungekörper

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kann, falle das aus Gründen seiner leichteren Herstellung erforderlich ist, selbst aus mehreren nebeneinandergestellten Elementen bestehen, deren Schwächungswirkungen sich addieren, wobei jedes Element ein verschiedenes Absorptionsvermögen besitzen kann. Nachdem das Profil des Schwächungekurpers einmal theoretisch berechnet ist, kann es durch Autoradiographie einer Metallfolie aus beispielsweise Gold oder Kupfer experimentell überprüft und nötigenfalls nachgearbeitet wurden. Dasu wird die Metallfolie durch den SohwächungskOrper hinduroh alt dem Weutronenfluß bestrahlt, und ihre Aktivität ermöglicht die Feststellung, ob die in Abhängigkeit von der Entfernung von der Achse empfangenen Dosis genau dem berechneten notwendigen Betrag entspricht.

Gemäß einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrene kann man die Bestrahlung ohne Sohwäohungskurper mit der gewünschten Dosis an jedem Punkt der das su korrigierende zentriert· optische System bildenden Linsen erreichen. Bei dieser Ausführungsform wird die Oberfläche Jeder lins· von einem Strahlenbüeohel oder -mantel unter Relativbewegung der linse besüglioh des auf sie wirkenden Strahlenflusses nach allen möglichen technischen Verfahren der Relativbewegung überstrichen. Im Ergebnis «oll jeder Punkt der Lins· am Ende der Behandlung genau die naoh der Berechnung sur Erslelung der gewünschten Korrektor erforderlich· Meutronendosis erhalten haben. Man kann beispielsweise die Linse um ihre Achse drehen, um ein· Drehverteilung der integrierten Dosis BU ersielen, und sie länge «Ines Meridiane eineteIlen. Man kann auch die beiden angegebenen Methoden kombinieren und ein·

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Drehung des mit seinen Schwächungskurpern versehenen StUekee um «eine Achse vornehmen. Bas besitzt den Vorteil, die Bestrahlung über die Kreise hinweg auszugleichen, wenn die Flüsse nicht hoaogen sind· Man kann dann die Dosis auf einen Meridian einstellen.

Schließlich erfordert die Durchführung des erfindungsgemäflen Verfahrens noch eine Stufe der Entfärbung der behandelten Gläser, die In allgemeinen unter den folgenden Bedingungen etattfindet. λ In den meisten Fällen führt die Bestrahlung eu einer Verfärbung der Gläser, die ihre Lichtdurchläseigkeit verlieren und in dieser Hinsicht regeneriert werden müssen. ErflndungegemfiS ist das ein«» faohste Mittel sur Vornahme dieser Regenerierung das Erwärmen des eu entfärbenden Glasstückes während einer bestimmten Zelt und bei einer solchen Temperatur, daß die Schwelle der Rückgängig« maohung (Heilung) des Brechungsindex nicht erreicht wird. Ee ist tatsächlich bemerkenswert und eines der wichtigen Merkmale des erflndungegemäden Verfahrens, dafl bei bestimmten Gläsern der

Temperaturbereich, in welchen die Rückgängigmachung (Hellung) (

der der Verfärbung erfolgt, niedriger als/oder höchstens angrensend an den Temperaturbereich liegt, in den die Rückgängigmachung der duroh Bestrahlung erhaltenen Brechungsindexveränderungen erfolgt. Diese Feststellung ist sehr wichtig, da man so die Verfärbung beseitigen kann, ohne die Veränderungen des Brechungsindex su ge· fährden. Tür Siliciundioxidgläser insbesondere erfolgt die Ver~ färbungebeseitigung in einem Teaperaturbereich von 100° G bis 320° C, während die BUcIe; . »igmachung des Brechungsindex bei Temperaturen von im allgemeinen zwischen 320 und 1500° C statt«

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findet. Sin Erwärmen von einigen IO Stunden im Mittel im angegebenen Temperaturbereich genügt, um die Verfärbung des Glases vollständig auszulöschen. Man kann auch die Entfärbung des Glases durch Einwirkung von Licht (das eine selektive Wirkung auf die Farbzentren besitzt) und insbesondere ultravioletten Licht durchführen oder beschleunigen. Schließlich sei bemerkt, daß die Blei oder Ceroxid enthaltenden Gläser selbst für hohe ffeutronendosen eine gute Beständigkeit gegen Verfärbung zeigen.

Gemäß einem anderen Merkmal des erfindungegemäßen Verfahrens kann der zur Bestrahlung verwendete Neutronenfluß falls erforderlich durch einen aus einem neutronenabsorbierenden Material hergestellten Kollimator ausgerichtet und gleichförmig gestaltet werden. Das ist Insbesondere notwendig, wenn man als Quelle thermischer neutronen einen Schwimmbadreaktor verwendet, dessen Flu0 in der lfähe des Beaktorkerne im wesentlichen isotop ist.

Außerdem kann bekanntlich die Einwirkung energiereicher Strahlen auf das optische Material im Inneren des Materials selbst Veränderungen der Volumendichte hervorrufen, die meist su nicht zu vernachlässigenden Volumenveränderungen führen. Wenn die Bestrahlung des oder der optischen Materialien, die zur Herstel* lung der das zu korrigierende strahlenbrechende System bildenden Lineen verwendet werden, vor dem Schleifen der Linsen erfolgt, hat diese physikalische Erscheinung keine merklichen Auewirkungen, wem; dagegen die verschiedenen,das optische System bildenden Lineen nach dem Schleifen behandelt werden, kennen daraus Volumenveränderungen folgen, die zu Veränderungen der Krümmungen und

nicht infolgedessen eu mit dem gewünschten Ergebnis/zu vereinbarenden

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* Wellenflächen führen. Im letzteren Fall 1st es nach dem er« findungsgemäßen Verfahren gelegentlich notwendig, die während der Bestrahlungsbehandlung aufgetretenen Veränderungen der Linsenkrümmungen durch eine zusätzliche Schleif» bzw. PdfcLerbehandlung zu korrigieren.

Hinsichtlich der auf die Beugung zurückzuführenden Fehler optischer Systeme ist insbesondere bekannt, daß eine die öffnung

des Bündels beim Eintritt begrenzende Blende (Eintrittsblende) | zu Beugungsringen um den die Abbildung eines Punktes bildenden brillianten Lichtfledr führt. Das ist in Fig. 7 gezeigt, welche die Veränderung der Amplitude der Lichtschwingung A in Abhängig« keit von der Entfernung Z vom Mittelpunkt für die Abbildung eines leuchtenden Punktes in der Bildebene darstellt. Die gestrich-elte Kurve 19 zeigt die besondere bekannte Form der Helligkeitsverteilung dieser Beugungsringe. Man erkennt darin den Mittelfleek20, der einem brillianten Lichtfleck als Abbildung eines Punktes durch das durch die Eintrittsblende begrenzte optische System entspricht, und die beiden ersten konzentrischen Lichtringe 21 und 22. In der Fachsprache sagt man, daß die Beugungsfigur einen "Körper" besitzt, in welchem der grüßte Teil der Lichtenergie konzentriert ist, und wesentlich lichtschwächere "Füße". Es ist leicht ersichtlich, daß, wenn das optische System

(Helligkeit) zwei benachbarte Bilder mit sehr verschiedener Brlllianz/liefert, das schwächere Bild in die Beugungsringe des brillianteren eingebettet sein kann. AuQerdem führt bekanntlich das Auftreten von "Füßen" der Beugungefigur zusätzlich zur Verringerung der Kontraste in den Abbildungen ausgedehnter Objekte.

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H -

Man erkennt also, daß es aus allen diesen Gründen wünschenswert wäre, die Lichtstärke der "PUJSe" stark zu verringern, indem nan sie unterdrückt. Es ist theoretisch bekannt, daß nan ein solches Ergebnis ohne Veränderung der Kontur der öffnung der Eintrittsbler de des optischen Systems erreichen kann, indem man die Torte Hung der Amplitude der Lichtschwingung in der öffnungsebene Terändert. Die Berechnung zeigt, daß diese Verteilung erhalten werden kann, indem man vor der öffnung der Eintritteblende des Systems einen Abeorptionsfliter anordnet, dessen Durchlässigkeit von einem Punkt zu einem anderen Punkt des Filtere gemäß einer Funktion F(x.y) veränderlich ist. Das führt zu der Beleuchtungekurve 23 der Fig. 7, die nur noch den brillianten mittleren Lichtfleck 20 enthält. Ein solcher "Unterdrückungefilter" mit variabler Durch» läaaigkeit konnte bisher wegen Herstellungsschwierlgkeiten nicht genau hergestellt werden.

Dae erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektion eines optischen Systems durch Bestrahlung bietet nun genau diese Möglichkeit, indem man die geläufigen optischen Materialien, wie Glas (oder Kunststoffe), beispielsweise mit Elektronen oder elektromagnetischen. ^* ~ oder Röntgenstrahlen bestrahlt, um solche Filter mit variabler Durchlässigkeit herzustellen» welche die von einem optischen System gegebenen Beugungsfiguren "begradigen" (die Füße unterdrücken) oder umgekehrt die Kontraste erhöhen können.

Wie bei den Veränderungen des Brechungsindez erhält man tine

variable Durchlässigkeit nach dem mathematischen Gesetz: , das in jedem besonderen Fall in bekannter Weise berechnet wird, indem

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san das den Filter bildende optische Material mit einer von einem Funkt zu einem anderen kontinuierlich veränderten Bestrahlungsdosis bestrahlt. Die dazu verwendbaren Strahlungen sind diejenigen, welche auf die Stabilität der Elektronenhtille einwirken, weshalb man dazu vorzugsweise beispielsweise fl - oder Röntgenstrahlen oder schnelle Elektronen benutzt. Die Y - oder Röntgenstrahlen wirken im übrigen selbst, indem sie im Inneren des festen Körpers selbst Elektronen erzeugen. -^uflerdem hat die Verwendung dieser Strahlungen den Vorteil, keine Radioaktivität zu induzieren.

Wie im Pail der Veränderung des Brechungsindex kann die Bestrahlung entweder statisch stattfinden, indem man das zu bestrahlende Material dem Strahlenfluß unter Vorschaltung eines Schwächungen körpers und gegebenenfalls eines Kollimators aussetzt, oder durch Überstreichen des feststehend angenommenen optischen Stücks durch den FIuB selbst. Für den letzteren Fall ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, das Überstreichen dadurch zu bewirken, daß man die geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen* Xonea) durch ein elektromagnetisches Feld ablenkt und diese Ablenkung so steuert, daß man das gewünschte mathematische Gesetz der Integration des Flusses an jedem Punkt erhält. Das Überstreichen kann beispielsweise drehend erfolgen.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäBen Filter mit variabler Durchlässigkeit verwendeten optischen Materialien bestehen vor» zugsweise aus Gläsern m* ' rem Gehalt an Blei, das eine schwarze g verleiht, und/oder einem erheblichen Anteil (über

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an Alkalimetallen, die zu einer ziemlich beetandigen Färbung führen.

Man kann im Rahmen des erfindungagemäOen Verfahrene mit Vorteil die instabilen gefärbten Zentren vor der Benutzung der Filter beseitigen. Das kann leicht durch eine begrenzte Wärmebehandlung (thermische Ausheilung) erfolgen,, beispielsweise ein etwa einstündiges Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 125° C.

Am Ende der Verfahrenssehritte wird die erhaltene veränderliche Durchlässigkeit unmittelbar mit dem Densitometer Überprüft, und nötigenfalls durch Kacharbeiten verbessert.

Im allgemeinen besitzen die "Unterdrückungsfilter¹¹ eine vom Hittelpunkt zum Rand hin abnehmende Durchlässigkeit.

Umgekehrt verwendet man bei einer ebenfalls sehr interessanten Anwendungeform der erfindungegemäflen Pilter mit veränderlicher Durchlässigkeit zum schärferen Herausbringen des Beugungsmittel flecfcund zur Erhöhung der Trennschärfe des optischen Systems bei punktförmigen Quellen den Komplementärfilter zu dem zum "Begradigen" der Beugungsfigur benutzten "Unterdrückungefliter".

Die verschiedenen angegebenen Merkmale werden erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungeform. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

109887/0583 BAD

Pig. 1 die Kurve der Veränderung des Brechungsindex/eines Boro-Silikatglases vom Typ "Pyrex" in Abhängigkeit von der

empfangenen Dosis thermischer Neutronen; Fig. 2 eine zu korrigierende plankonvexe Linse; Flg. 3 die Neutrcnendosisj^welche die Linse der Fig. 2 in jeden

Funkt in Abhängigkeit vom Abstand h zur Achse erhalten muß,

um die Korrektur der sphärischen Hauptaberration zu

erreichen;
Fig. 4 das Profil des Schwächungskttrpers aus Glas, den nah in den

Weg eines gleichförmigen Neutronenflusses einschalten muß,

um das in Fig. 3 gezeigte Verteilungegesetz zu erhalten; Fig. 5 eine besondere Ausführungsform des SchwäohungskSrpers, der hier aus zwei gegeneinandergelegten Teilen zusammengesetzt

ist;
Fig. 6 im axialen Schnitt einen Kollimator der Art, wie man ihn zur 6leichmä8iggestaltung eines iso&pen Neutronenflusses verwenden kann, um eine Bestrahlung nach dem erfindungs-

gemäßen Verfahren vorzunehmen;
Flg. 7, wie oben erwähnt, die Veränderung der Amplitude der (

Liohtsohwlngung A des Bildes eines Lichtpunktes in der Bildebene in Abhängigkeit vom Abstand Z vom Mittelpunkt.

Die Kurve der Flg. 1 zeigt JLn Abhängigkeit von der empfangenen Dosis thermischer Neutronen die Veränderungen des Brechungsindex eines Borosilikatglases vom Typ "Pyrex"-Glas von folgender Zusammensetzung: SiO₂ (80,10*); B₃O₃ (12,75*); Al₂O₃ (2,25*); Na₂O (2,9*); MgO (1*); CeO₂ (1*).

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Für dieses besondere Glas mit einem Gehalt an Bor 10 von 0,*>£ ist, wie ersichtlich,die Veränderung des Brechungsindex mit der Keutronendosis bis 10 n/cm und für Temperaturen bis 100 0 praktisch linear. Die Veränderung des in Abwesenheit des Flusses 1,477 betragenden Index beträgt. 0,007 für eine Dosis τοη nahezu 10¹⁸ n/cm , was bereits die Korrektur von Linsen mit recht erheblichen öffnungen ermöglicht. Xm beschriebenen Beispiel soll die sphärische Hauptaberration einer plankonvexen Linse, wie in Fig. 2 gezeigt, unterdrückt werden. Die Planfläche 2 dieser Linse ist dem einfallenden Licht zugewandt. Der KrilMnungsradiU' der konvexen Fläche 4 beträgt R » 152,10 mm; der Radius r der Linse ist 15 mm. Die Dicke: der Linse in der Mitte ist gering, in der Gröö-enordnung von 2,5 mm, um die Schwächung des Flusses während der Bestrahlung infolge der Anwesenheit von Bor 10 im Glas zu vermeiden.

Die Durchführung des erfindungsgemäBen Verfahrens erfordert zunächst die Berechnung der Korrektur des Brechungsindex, die an jedem Punkt der Linse in Abhängigkeit vom Abstand zur Achse vorzunehmen ist, und dementsprechend der Veutronendosis, die von jedem dieser Punkte empfangen werden muß, um die gewünschte Korrektur zu erhalten.

Diese Berechnung gescheht wie folgt:

Für das betrachtete Glas ist der Brechungsindex/eine mit der empfangenen Dosis thermischer Neutronen wachsende Funktion und kann für den geradlinigen Teil der Kurve 1 der Fig. 1 durch die folgende Formel wiedergegeben wendent

η ■· η. + b

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worin n^ der ursprüngliche Brecb-ungsIndex des Glases vor jeder Bestrahlung, 0 die im Abstand h von der Achse empfangene Dosis thermischer Neutronen und b eine Konstante ist.

Die sphärische Hauptabweichung /± f einer dünnen Linse 1st durch

τ 2
den bekannten Ausdrück Af(4Q gegeben, worin r der Radius der Linse, f die Brennweite und A eine Konstante ist. Indem man diese Aberration gleichsetzt mit der Veränderung der Brennweite, die sich aus der Veränderung der Konvergenz der Linse vom λ Mittelpunkt zum Rand ergibt, kann man schreiben:

'T\2

(2) Δ* « Af (f)

Außerdem besteht eine aus der klassischenOptik bekannte Beziehung zwischen der relativen Veränderung des Brechungsindex und der relativen Veränderung der Brennweite, nämlich»

Δ f _ Δ

Die Vereinigung der Gleichungen (2) und (3) führt zur Formel: U) Aa_T„w_A(|)2 _oder 4 ²

(worin a eine Konstante ist), welche die Veränderung des Brechungsindex wiedergibt die an dem im Abstand h von der Achse gelegenen Funkt M der Linse erhalten werden muß, um eine Brennweitenveränderung zu bringen, die genau die auf diesem Funkt zurückzuführende sphärische Hauptaberration korrigiert (Fig. 2).

Durch Vereinigung der Gleichungen (1) und (4) kann man, unter der Voraussetzung, daß man sick etetn auf dem geradlinigen Teil der Kurve 1 ii£. 1 hält, Schreibens

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η ■ η-°η_ο * °ah ^n₁ + \>f6~n_Q , wobei n_Q der Brechungsindex in der Achse ist,

für h »0, η β n_Qt 0 » 0_Q ( wobei 0_O die in der Achse empfangene Dosis istjfolgtt

0 « η. + h0_Q - n_Q und

-ah ~ n, + n. -ah + b0 a «

Wenn der verwendete Schächungakörper aus einem Material mit einem W Absorptionskoefflzienten k und einer Dicke y besteht, kann man nach (5) unter der Annahme, daß er sich in einem einfallenden FIuS 0, befindet, schreiben:

lc\ M rl «"ky Λί ^aVi

man beiopielsweise die Zusatsbedingung einführt, daß die Dicke des Schwächungekurpers in der Achse 0 sein soll, erhält man, indem man in Gleichung(6) gleichseitig y « 0 und h ** 0 setzt:

0_± ■ 0_O t woraus

ν *.²

^jJCT . 1 - Ig*. oder flchließlich

^ 2

y - -|iog_e (1

was endlich der gewünschte mathematische Ausdruck let, der die Dicke y des Schwächungskttrpers mit dem Abstand h von der Achse verbindet. Xm beschriebenen besonderen Beispiel selgt das Glas eine starke Erhöhung des Brechungsindex mit der Dosis thermischer Neutronen, und die Gleichung (1) lautet:

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η - 1,478 + 8,35.10"²V
Für 0 m 10¹⁷ Feutronen/cm² ist n ■ 1,479 Pur 0 β 7,10 Neutronen/cm ist η * 1,484 Die Gleichung(4) lautet η - -2,28.10°⁵ h² Pur das betrachtete Glas gilt b « 8,35.10"²¹, k « 4,207, 0_Q m 7#10¹⁷ n/cm² und die Gleichung(7) lautet dannj

(7) y - i_fl_ö Iog_e (1 ~ 0,39h²).

y - i_fl_ö Iog_e

Dieses führt zu dem durch Kurve 5 der Pig. 4 wiedergegebenen

Profil des Schwächungskörpers im Pail eines gleichförmigen und parallelen Flusses. Pig. 3 zeigt die Form der Kurve des integrierten Flusses in Abhängigkeit vom Abstand von der Achse, und Pig. 4 zeigt im Halbechnitt gemäß einem Meridian das entsprechend' Profil des Schwächungskörpers, der angenommen aus *Pyrexⁿ«Gles mit Bor 10-Dosierung besteht.

Fig. 5 zeigt im gleichen Maßstab eine mögliche abgewandelte Aus« führungsform des Schwächungskörpers der Fig. 4» wobei letzterer aus- zwei Stücken (6 und 7) veränderlicher Dicke und mit einem bestimmten Borgehalt in jedem Stück besteht. Diese besondere Ausführungsform kann Eweckmäßig sein, insbesondere zur Vereinfachung der Herstellung aus einfachen Profilen. ν

•V

Man kann den Körper in den Kanal eines Kernreaktors bringen, um einen Richtungseffekt zu erhalten» jedoch auch ebenso einen Kollimator im Inneren eines Schwimmbadreaktors verwenden, um hohe Flüsse zu erreichen.

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Im Fall des beschriebenen Beispiels war die verwendete Quelle thermischer Neutronen ein Schwimmbadkernreaktor mit einem im wesentlichen isotropen Fluß. In diesem Fall verwendet man nach dem e?flndung8gemäßen Verfahren zur Gleichförmiggestaltung dieses Flusses einen Kollimator, wie er in Fig. 6 dargestellt 1st. Letzterer besitzt ein äußeres zylindrisches Gehäuse 8 aus Aluminium, das durch einen oder zwei ebenfalls aus Aluminium bestehende Stopfen 9 und 10 verschlossen ist, die an den eigentlichen Wänden des Gehäuses 8 durch Ziehen ausgebildet, eingesetzt oder unter Argon eingeschweißt sind. Ein Kollimator 11 aus Cadmium deckt innen die Seitenwände und den Boden des Gehäuses ab und läßt nur die öffnung 12 für den Durchgang des Neutronenflueses frei. Der Schwächungskörper 13 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Weg des schematisch durch die Pfeile F angegebenen, von der öffnung 12 z,u der zu korrigierenden Linee 3 hin gerichteten Neutronenflusses gebracht. Hinter dieser Linee sind von einem Aluminiumhalter gehalten zwei Detektoren 15 und. 16 aus Nickel und Kobalt angeordnet, um den empfangenen schnellen bzw. thermischen Fluß zu messen. Eine Kupfer« oder Goldfolie 17 kann zwischen dem Schwächlingskörper 13 und der Linse 3 angeordnet sein, um durch Aktivierung eine Aufzeichnung der von jedem Punkt der Linse empfangenen Gesamtneutronendosie zu erhalten und so das Gesetz der Veränderung des Flusses überprüfen zu können. Zu dieser Überprüfung kann außerdem die Bestrahlung von.Jroreer

Dauer sein. Die Gesamtanordnung wird im Genaue· 8 duroh^inen

Schwächungs-Alumlniumkeil 18 gehalten, der den /[Körper 13 und die Linse 3 am Boden des Geräts eingespannt hält. Der Einfluß des Kollimators auf die Gestaltung des Flusses, der tatsächlich die

.Ir . ^

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Linse erreicht, kann berechnet werden. Es sseigt sich, daß für einen kreisförmigen Kollimator mit dem Radius r und der Länge L das Verhältnis g= der in einem Abstand h vom Mittelpunkt des

"o
Kollimatorbodens und vom Hittelpunkt aufgenommenen Flüsee durch

die folgende Formel wiedergegeben wird:

v² + 1?

im beschriebenen Beispiel:

L β 5 cm

h zwischen O und 1,5 cm wechselnd, r * 1,5 cm

Die verschiedenen Werte des obigen Verhältnisses w-k an jedem Punkt der Linse müssen bei der Berechnung des Dämpfungs= körperprofils nach Formel (7) in Betracht gesogen werden, die dann durch folgende Gleichung ausgedruckt wird:

Pur einen ausgeblendeten FIuB an Hittelpunkt des Kollimatorboden von 10 -'n/cm /s muß die Bestrahlung im betrachteten Beispiel 7.1O⁴ Sek. lang, d.h. ein wenig unter 20 Std. erfolgen, um eine Dosis in der Größenordnung von 7.10 n/cm su erhalten.

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Nach Beendigung der Bestrahlungebehandlung kann man durch 24-stundiges Erhitzen auf etwa 260° C die Entfärbung erreichen. Gegebenenfalle wird die thermische Entfärbung durch gleich» zeitige oder nachfolgende optische Entfärbungen mittele ultra» violettem Licht vervollntandigt. Die Linsen werden am Ende der Behandlung nachpoliert. Nach etwa 1-monatiger Aufbewahrung zum Abklingen der Radioaktivität wird die Wellenfläche der ao korrigierten Linse nach der Interferenzmethode zur Kontrolle überprüft.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung eines korrigierten optischen Systems» dadurch gekennzeichnet, daß dieses mit Hilfe von Linsen oder strahlenbrechenden Anordnungen hergestellt wird, von denen die Materialien mindestens einiger bestimmter zuvor eine Bestrahlung mit einer längs des Radfcus von der Achse bis zum Rand kontinuierlich veränderten Bestrahlungsdosis empfangen haben, um ebenfalls kontinuierliche Veränderungen des Brechungsindex gemäß einem zu einer Korrektur der Aberrationen des Systems M führenden Gesetz zu erhalten, worauf die bestrahlten linsen einer Wärmebehandlung zur Entfärbung bei einer unterhalb der zur Ausheilung des Brechungsindex (Rückführung auf seinen ursprünglichen Wert) ausreichenden Temperatur ausgesetzt werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von vor der Bestrahlung geschliffenen Linsen die im Verlauf der Bestrahlung aufgetretenen Volumenveränderungen durch eine zusätzliche Schleif- und Polierbehandlung korrigiert werden.

3.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn» zeichnet, daß die längs des Radius der Linsen veränderliche Bestrahlungsdosis aus einem drehsymmetrischen Fluß mit bekannter radialer Verteilung mit Hilfe eines drehsymmetrlachen in der Linsenachse zentrierten Schwächungskörpers erhaltexftrird, der aus einem die verwendeten Strahlungen absorbierenden Material hergestellt ist und dessen Profil so festgelegt wurde, daß man das gewünschte Gesetz der radialen Verteilung des Flusses erhält.

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4.) Verfahren nach einem der Anbrüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die länge des Radius jeder Linse veränderliche Bestrahlungsdosis durch Relativverschiebung der Linse bezüglich eines Strahlungsflusses gemäß einem bestimmten Gesetz erhalten wird, um an jedem Funkt durch Überstreichen der Oberfläche die notwendige Bestrahlungsdosis zu erhalten.

^•'Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, * daß die längs des Radius der Linsen veränderliche Bestrahlungsdosis durch gemeinsame Wirkung eines Schwächungskörpers und ei^^r Überatreichung der Oberfläche durch den Strahlungsfluß erhalten wird.

6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfärbungs-Wärmebehandlung durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht beschleunigt wird.

7.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ' Entfärbungs-Wärmebehandlung durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht bewirkt wird.

8.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Strahlungsfluß ein Fluß thermischer Neutronen ist, wobei das die Linsen bildende Glas Bor 10 enthält.

9.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Strahlungsfluß ein Fluß thermischer neutronen ist, wobei das die Linsen bildende Olas Lithium 6 enthält«

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10.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 hie 7» dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Fluß ein Pluß schneller Neutronen ist

11.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ,dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Strahlungefluß ein Pluß schneller Zonen ist.

12.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete StrahlungsfluÖ ein Protonenfluß iat.

13.) Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsfluß praktisch gleichförmig ist.

14.) Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,dadurch gekennzeichnet ₅ daß der Strahlungefluß von beliebiger Gestalt durch Verwendung eines Strahlungsdichten Kollimators verändert wird, der zu einem fttr die gewünschte Bestrahlung verwendbaren Strahlung! f.Tuß mit bestimmter geometriacher Gestalt führt.

15.) Optische Linse, dadurch gekerntelehnet, daß der Brechungsindex des Materials, aus dem eie beoteht, aifcb in kontinuierlicher Weise vom Mittelpunkt zum Band hin verändert.

16.) Zentriertes strahlenbrechendea System, dadurch gekennzeichnet, daß es aus linsen besteht, von denen mindestens bestimmte »inen von Zontrum bis sub Band hin kontinuierlich veränderten Brechungsindex besitzen.

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17») Verfahren but Herstellung eines optischen filteret dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter aus einem optischen Material mit einer Elektronen-, Röntgen» oder Y -Strahlung mit kontinuierlich von einem Funkt cum nächsten veränderlichen Dosen bestrahlt wird, 30 daß er eine variable Durchlässigkeit erhält, die but Unterdrückung der "Füße¹¹ der Beugungsfiguren eines gegebenen optischen Systems geeignet ist, worauf durch eine begrenzte Wärmebehandlung und gegebenenfalls eine damit verbundene Ultraviolettbestrahlung die instabilen Farbzentren beseitigt (geheilt) werden.

18.) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Bestrahlungsdosis mit Hilfe eines Schwäohungskurpers mit variablem Profil, der gegebenenfalls mit einem Kollimator verbunden ist, erhalten wird.

19.) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Bestrahlungsdosis durch Relatiwerschlebung des Filters im Strahlenfluß erhalten wird.

20.) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Bestrahlungsdosis durch überstreichen des feststehenden Filters mittels eines von einem durch ein elektromagnetisches Ablenkungefeld gesteuerten Strahlungsfluß erhalten wird.

21.) Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, daduroh gekennzeichnet, daß das den Filter bildende Material «in bleihaltiges Glas ist.

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22.) Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das den Filter bildende optische Material ein mehr als 10£ Alkalimetalle enthaltendes Glas ist.

23.) Unterdrückungsfilter, gekennzeichnet durch seine von Punkt eu Punkt kontinuierlich veränderte Durchlässigkeit» das nach dea Verfahren eines der Ansprüche 17 his 22 erhalten wurde.

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