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Resonator offener Bauart Die Erfindung betrifft einen Resonator,
insbesondere einen Resonator offener Bauart für quasioptische Wege.
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Die Erfindung ist bestimmt zur Benutzung in einem weiten Wellenlängenbereich
als Wellenmesser, Interferenzfilter mit veränderlicher Güte sowie zum Untersuchen
der dielektrischen Kenndaten verschiedener Stoffproben (Substanzproben) u. a.
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Es sind Resonatoren offener Bauart vom Typ des Fabry Perot-Interferometers
für quasioptische Wege bekannt.
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Beim Resonator dieser Art sind als Reflektoren zweidimensionale metallische
Gitter benutzt, von denen das eine
längs der optischen Achse des
Interferometers durch eine Mikrometerspindel versetzt (verschoben) werden kann.
Die Reflektoren sind mit Justierschrauben verstehen, durch die sie senkrecht zur
optischen Achse des Gerätes eingestellt werden Die beschriebenen Resonatoren offener
Bauart weisen jedoch wesentliche Mängel auf.
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Erstens eine geringe Größe der möglichen Verschiebung des Reflektors.
Der Resonator kann im Zusammenhang damit nur in den unteren Interferenzordnungen
eingesetzt werden, insbesondere im Millimeterwellenbereich.
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Zweitens eine stetige (stufenlose) Abstimmung des Resonators (bei
konstanter Wellenlänge) in einem weiten Güteänderbereich ist undurchführbar.
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Drittens die Auswechslung eines der Reflektoren durch einen Vollspiegel,
z. B. einen Kugelspiegel, ist nicht vorgesehen, wodurch hohe Gütewerte nicht zu
erhalten sind.
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Außerdem ist die Auswechslung der Gitterreflektoren erschwert, und
die Anordnung von Stoffproben (Substanzproben) im Inneren des Resonators zur Messung
so wichtiger Kenndaten, wie Durchsichtigkeit und die durch diese Stoffproben verursachte
Phasenverschiebung, ist nicht vorgesehen.
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Ferner wird die den Reflektor verschiebende Mikrometerspindel nur
von Hand betätigt, wodurch die Messungen nicht automatisiert werden können und der
Versuchsdurchführende (Experimentator) der Gefahr einer unerwünschten Hochfrequenzbestrahlung
ausgesetzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der erwähnten
Mängel ene Resonator offener Bauart zu entwlckeln, der es ermöglicht, Proben harter
Dielektrika in einem weiten Wellenlängenbereich und in einem weiten Bereich der
Güteänderungen des Resonators selbst zu untersuchen, und der eine automatische Registrierung
von Meßergebnissen sowie eine hohe Betriebsbereitschaft gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird bei einem Resonator offener Bauart, der mindestens
durch zwei Reflektoren in Fassungen gebildet ist, die in einstellbaren Rahmen sitzen,
die auf Stativen montiert sind, von denen das eine durch eine Mikrometerspindel
längs der optischen Achse verschiebbar ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Reflektoren, deren Fassungen aus ferromagnetischem Werkstoff gefertigt sind,
in Drehringen mittels auf letzteren befestigten Dauermagneten sitzen, daß die Drehringe
ihrerseits um ihre optische Achse drehbar in justierbaren Rahmen eingebaut sind,
die auch auf den Stativen angeordnet sind, wobei die Stative selbst in Führungen
stehen (laufen) und das zweite Stativ ebenfalls mit einer Mikrometerspindel versehen
ist, und daß die Mikrometerspindel eines der Stative mit einem Motor über ein Untersetzungsgetriebe
mit variablem Untersetzungsverhältnis gekuppelt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Resonators offener Bauart für quasioptische Wege; und
Fig.
2 einen Längsschnitt eines Kopfes mit einem Vollflächenreflektor am erfindungsgemäßen
Resonator.
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Der Resonator offener Bauart (Fig. 1) enthält zwei Re-Reflektoren:
einen Vorderrellektor 1 und einen Hinterreflektor 2, Als Vorderreflektor 1 wird
ein Gitterglied benutzt.
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Für den Hinterreflektor 2 kann sowohl ein Gitterglied als auch ein
flacher oder konkaver Vollspiegel, z. B. ein Kugel spiegel, genommen werden. Dadurch
kann die Güte des Resonators dank Verminderung von Diffraktionsverlusten (Bewegungsverlusten)
erhöht werden.
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Das Gitterglied ist eine Fassung 3, z. B. eine ringförmige Fassung,
mit parallel gespannten Leitern. Die Fassungen 3 werden aus ferromagnetischem Werkstoff
gefertigt.
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Zur Verringerung der Beugungsverluste wird für den Durchmesser der
Fassung 3 ein Wert genommen, der größer als die maximale Wellenlänge des gewählten
Bereiches ist.
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Je größer das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Fassung 3 und
der Wellenlänge ist, desto höher ist der Wert der erreichbaren Resonatorgüte.
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Zur Verminderung von Verlusten, die mit dem Widerstand der Gittergliedleiter
verbunden sind, und zur Erhöhung der Güte und Amplitude von Resonanzschwingungen
ist es erwünscht, für die Leiter einen Werkstoff hoher Leitfähigkeit zu benutzen
oder Überzüge aus einem solchen Werkstoff anzuwenden.
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Im letzteren Fall sollte die Dicke der Überzugsschicht nicht kleiner
als die Skineffektschicht im gewählten Bereich sein.
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Der Abstand zwischen den Leitern sollte kleiner als die
maximale
Wellenlänge des gewählten Bereiches genommen werden.
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Je größer die Verhältnisse A und d sind ( A = Wellenlänge, 1 = Abstand
zwischen den Leitern, d = Leiterbreite in der Fassungsebene), desto höher ist die
Güte des Resonators. Das gilt jedoch nur solange, bis die mit dem Widerstand der
Leiter verbundenen Verluste einen übertreffenden Wert erreichen.
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Die Reflektoren 1 und 2 werden mit ihren Fassungen 3 in Drehringe
4 mittels auf denselben Ringen befestigten Dauermagneten 5 eingesetzt.
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Die Drehringe 4 sind in einstellbare (justierbare) Rahmen 6 eingebaut
und mit Schneckenpaaren 7 versehen. Die einstellbaren Rahmen sind mit JustierSchrauben
8 versehen und in Gehäusen 9 untergebracht. Die Gehäuse 9 sind mit Tragstücken 10
verbunden, die ihrerseits mit Justierschrauben 11 und Überwurfmuttern 12 ausgestattet
sind. Durch die Stellung dieser Muttern wird die Verschiebung der Reflektoren 1
und 2 in bezug auf die optische Achse NN bestimmt, die Justierschrauben 8 und 11
aber gewährleisten das Einstellen der Reflektoren 1 und 2 senkrecht zur optischen
Achse NN.
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Die ganze Baugruppe, die den Reflektor 1 oder 2, den Drehring 4,
den einstellbaren Rahmen 6, das Gehäuse 9 und das Tragstück 10 enthält, bildet einen
abnehmbaren Kopf, der durch sein Tragstück 10 auf einem Stativ angeordnet wird.
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Die Stative enthalten Büchsen 13, Flachstücke 14 und
Schlitten
15. Der Oberteil der Schlitten 15 ist in Gestalt von Querführungen, in denen die
Flachstücke laufen, ausgefuhrt. Die Flachstücke 14 werden mit den Schlitten 15 durch
Stellschrauben ló srerbundenO Durch die Stellung dieser Schrauben wird die Lage
der Reflektoren 1 und 2 in Querrichtung in bezug auf die optische Achse bestimmt.
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Die Schlitten 17 selbst sitzen in Führungen 17. Als die Führungen
17 wird eine optische Bank oder eine beliebige andere Einrichtung, die eine stufenlose
geradlinige Verschiebung der Schlitzen 15 gewährleistet, benutzt.
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In den unteren Teilen de Schlitten 15 sind zweiteilige Muttern 19
befestigt, die eine Verbindung ohne Spiel der Schlitten 15 mit Mikrometerbpindeln
19 gewährleisten.
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Die Führungen 17 und Schlitten 15 sind mit Ablesevorrichtung versehen:
Auf den Führungen 17 sind Lineale 20, auf den Schlitten 15 aber Noniusse 21 befestigt.
Diese Ablesevorrichtungen ermöglichen es, die Verschiebungen der Reflektoren 1 und
2 grob zu messen.
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Die Mikrometerspindeln 19 werden in Lagern 22, die festsitzend in
den Führungen 17 angeordnet sind, befestigt.
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Die Mikrometerspindel 19 an der Stütze des Vorderreflektors 1 weist
am Ende ein Handrad 23 auf. Die Mikrometerspindel 19 am Stativ des Hinterreflektors
2 hat ebenfalls am Ende ein Handrad 2. Dieses Handrad 24 ist jedoch mit einem Meßkreis
25 versehen, an dessen Seite in den Führungen 17 ein Nonius 26 zum genauen Ablesen
der Verschiebung des Reflektors 2 in den Führungen 17 befestigt ist. Die Mikrometerspindel
19 des Hinterreflektors 2 ist außerdem
mit einem Elektromotor 27
über ein Untersetzungsgetriebe 28 und ein Zahnradgetriebe 29 verbunden, Das Ubersetzungsverhältnis
des Untersetzungsgetriebes 28 kann um einige Größen ordnungen geändert werden.
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Die Betätigung des Motors 27 und die Änderung des Übersetzungsverhältnisses
des Getriebes 28 erfolgen von einem außenliegenden Pult 30 für Resonatorregelung.
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Der Resonator offerer Bauart wird mit einem zusätzlichen abnehmbaren
Kopf (Fig. 2) ausgestattet, der für Untersuchungen von Hartdielektrikumproben bestimmt
istX Dieser Kopf unterscheidet sich von dem oben beschriebenen dadurch, daß hier
als Hinterreflektor 2 ein Flachspiegel 32 benutzt wird. Der Kopf ist außerdem mit
einer abgefederten Andrückvorrichtung 33 und einer Raste 34 versehen, die beide
das Befestigen von zu untersuchenden Proben 31 dicht am Reflektor 32 ermöglichen.
Durch in der Raste 34 angeordneten auswechselbare Ringe 35 können Proben 31 verschiedener
Durchmesser untersucht werden.
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Wird die Einrichtung mit zusätzlichen Vorrichtungen ausgerüstet,
so kann sie zur Untersuchung von flüssigen und gasförmigen Substanzen benutzt werden.
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Der Betrieb der Einrichtung verläuft in folgender Weise: Elektromagnetische
Strahlung von einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Quelle wird in ein flachparalleles
Bündel
geformt und parallel den Führungen 17 des Resonators ausgerichtet. Durch die Muttern
12 und das Schraubengetriebe 16 wird die optische Achse NN des Resonators mit der
Achse des elektromagnetischen Strahlungsbündels in Deckung gebracht. Die Reflektoren
1 und 2 werden dabei durch die Schneckentriebe 7 so eingestellt, daß die diese Reflektoren
bildenden Leiter (für den Fall der Benutzung von Gittergliedern) parallel dem elektrischen
Vektor E der auf diese Leiter gerichteten Strahlung stehen. Die Reflektorebenen
werden durch die Justierschrauben 8 und 11 senkrecht zur gerichteten Strahlung eingestellt.
Ein Teil des auf den Reflektor 1 gerichteten elektromagnetischen Energiestromes
wird reflektiert, der andere Teil aber gerät in das Innere des Resonators und läuft
durch den Reflektor 2 nach außen.
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Die Einstellung der Reflektoren erfolgt nach dem Maximum des Strahlungsdurchgangs
im Resonator, was mit dem Gütemaximum des Resonators übereinstimmt.
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Die Durchlässigkeit des Resonators nimmt seinen Maximalwert bei Abstimmung
des Resonators auf die Resonanz der Frequenz der auf den Resonator gerichteten Strahlung
an.
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Durch die Auswahl der Kenndaten für die Reflektoren und des Abstandes
zwischen ihnen kann ein Durchlaßfaktor gewährleistet werden, der in einem weitgehenden
Frequenzbereich (mehrere Oktaven) den Wert von ca. 1 aufweist.
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Die Güte des Resonators kann stufenlos geändert werden, indem die
Lage eines der Reflektoren 1 und 2 durch den Schneckentrieb 7 so geändert wird,
daß der Winkel zwischen den Leitern des Vorderreflektors 1 und des Hinterreflektors
2 (der Gitterglieder) sich ändert.
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Durch Vergrößerung des Abstandes zwischen den Reflektoren 1 und 2
kann der Übergang zu höheren Interferenz-Größenordnungen, die höheren Gütewerten
entsprechenD ausgeführt werden.
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Die Auswahl der Interferenz-Größenordnung erfolgt durch Verschiebung
des Reflektors.
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Die Güte Q des Resonators wird bekanntlich bei festgehaltener (festgelegter)
Strahlungsfrequenz aus folgender Gleichung ermittelt: Q = L/#L mit L= Abstand zwischen
den Peflektoren, der mit der Resomanz bei angenommener Interferenz-Grrößenordnung
übereinstimmt; #L = Reflektor-Verschlebung, die der Breite der Resonator-Resonanzkurve
beim Regelwert 0,5 der maximalen Durchgangsleisnung entspricht.
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Es ist besonders reicht,dis Gät meszung bei Selbstregistrierung der
Resonsnzkurmer duret imgendein Registriergerät vorzunehmen. Dabei selits der Reflektor
2 durch die Mikrometerspindel 19, die vom Elektremener 27 über das Untersetzungsgetriebe
28 und den Schneckentrieb 29 betätigt wird, gleichmäßig länge der optischen Achse
NH verschoben werden. Die Verschiebegeschwindigkeit des Reflektors 2 wird in Abhängigkeit
von erforderlichen Maßstab der auszuführenden Registrierung der Resonanzkurven gewählt.
In diesem Fall können die den Größen L und #L proportionalen Werte an den
registrierenden
Kurven durcli ein Maßstablineal genau genug gemessen werden.
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Bei Benutzung des Resonators als Wellenmesser wird durch die Verschiebu
eines der Reflektoren 1 und 2 der Resonator auf die Resonanz mit der Strahlungsfrequenz
abbestimmt und die Ste@lung des Reflektors 2 nach der Skala 20 und dem Meßkreis
(limbus) 25 abgelesen. Dann wird der Hinterreflektor 2 durch Handbetätigung oder
mittels des Motors 27 bis zur Abstimmung des Resonators auf die Resonanz der nächstfolgenden
Interferenzerdnung verschoben und die neue Stellung des Reflektors 7 abgelesen.
Der Abstand, um den der Reflektor ^ versetzt ist, wird gerade gleich der Hälfte
der Strahlungswellenlänge sein.
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Die Meßgenaulgkeit der Wellenlänge kann erheblich erhöht werden,
wed: d.r Redacktor @ nicht um eine, sondern um einige Interferenzotdrungen verschoben
wird.
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Der Resonanz kan: @@ Interferenzfilter in einem breiter Wellen ig
@@@ tebereich benutzt werden.
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Der Resonanz @@ sttelung der Phasenverschiebungs-Durchlaß @@ ektrikumbartproben
apeziell eingerichtet @ wird die Proben mit einem bis 60 % betragerß @@ reßfakter
zu untersuchen.
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Dazu wird e@hr@@ entveder an die Ebene des hinter@ollreile @1@ angepreßt
oder in einem Sonderrahmen im Inrer @ schtors angeordnet.
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nach der Andenung der Regenatorgüte Können die Verluste
berechnet
werden, die durch die Proben verursacht wurden, und entsprechend auch der Absorptionsfaktor
der Probe. Auf diese Weise können Proben mit einer relativen -4 Absorption bis zu
Werten kleiner als 10 4 untersucht werden. Nach der gemessenen Verschiebung der
Resonanzfrequenz des Resonators oder nach der Verschiebung des einen der Reflektoren,
die zur Wiederherstellung der Resonanz bei der Anordnung der zu untersuchenden Probe
im Resonator erforderlich ist, können der Phasenverschiebungswinkel, der durch diese
Probe verursacht ist, und der Brechungskoeffizient der zu untersuchenden Probe ermittelt
werden.
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Der erfindungsgemäße Resonator ermöglicht es, Untersuchungen in einem
weiten Wellenlängenbereich durchzuführen. Die Benutzung des Resonators ist besonders
wirksam im Wellenlängenbereich von 200 /um bis 4 mm. Der Betrieb kann unter hohen
Interferenzordnungen - bis mehrere hundert - geführt werden.
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Der maximale Gütewert des Resonators kann 105 übertreffen.
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Die Reproduzierbarkeit der Wellenmessungen liegt im Bereich der GröBenordnung
10 5.
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Mit dem Resonator können Substanzproben mit einem Absorptionskoeffizient
bis zu einem Wert kleiner als 10 untersucht werden.
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Der Fehler, den der Resonator bei Messungen des Brechungskoeffizienten
der
zu untersuchenden Substanzproben zuläßt, ist kleiner als 1 Wird der Resonator mit
zusätzlichen Vorrichtungen ausgestattet, so kann er zur Untersuchung von flüssigen
und gasförmigen Substanzproben benutzt werden.