DE2333178B2 - Spiegel und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spiegel mit einem metallischen Grundkörper, dessen Oberfläche
entsprechend der gewünschten Form der reflektierenden Spiegelfläche geformt ist, mit einer metallischen
Zwischenschicht, die mit der Oberfläche des Grundkörpers innig verbunden ist und mit einer reflektierenden
Oberflächenschicht.
Ein derartiger, aus der deutschen Offcnlegungsschrift 52 65b bekannter Spiegel besitzt als Zwischenschicht
einen aus Metall gefertigten Wabenkörper, welcher die Temperaturverteilung im Spiegel vergleichmäßigt und
eine gleichförmige Verteilung der Kräfte /wischen dem Grundkörper und der reflektierenden Oberschicht
bewirkt.
Auf bestimmten Gebieten werden jedoch Spiegel benötigt, die einer ganz außerordentlich hohen Energiekonzentration
an ihrer reflektierenden Spiegelfläche standhalten müssen, was mit der bekannten Spiegelkonstruktion
nicht möglich ist. Zum besseren Verständnis
lü der Erfindung seien nachfolgend kurz Beispiele für
solche besonderen Anwendungsfälle betrachtet.
Es ist bekannt, daß sogenannte »konfokale« Spiegelsysteme viele erwünschte Eigenschaften gleichzeitig
aufweisen. Solche konfokalen Spiegelsysteme enthalten reflektierende Oberflächen, welche der gekrümmten
Fläche entsprechen, die durch Nutation ausgewählter quadratischer Kegelschnitte um eine Spiegelachse
erzeugt wird. Die so erzeugten reflektierenden Oberflächen besitzen kennzeichnenderweise statt eines einzigen
Bildpunktes Bildpunkte, die auf einem Kreisbogen oder auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt auf
einer Achse liegt. Es ist deshalb durch sorgfältige Auswahl besonderer Kegelschnitte zur Erzeugung der
reflektierenden Oberfläche der Elemente eines Spiegelsystems möglich, ein Spiegelsystem mit begrenzter
Beugung und mit einer extrem großen öffnung aufzubauen. Daraus folgt, daß die Brennweite f einer
solchen Spiegelanordnung viel kleiner als 1 sein kann.
Diese Eigenschaft wiederum bedeutet, daß die von einer Punktquelle einfallende Energie innerhalb eines
kleinen Streukreises fokussiert werden kann; diese Fokussierung kann tatsächlich innerhalb eines Streukreises
stattfinden, dessen Durchmesser in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der einfallenden
Energie liegt. Da bei solchen Spiegelsystemen nur sehr geringe Beugungserseheinungen auftreten, kann andererseits
die Energie, welche von einer Punktquelle einfällt, zu einem fast perfekt kollimierten Energiestrahl
geformt werden.
Diese konfokalen Spiegelsysteme eignen sich offensichtlich besonders für Anwendungen, bei welchen die
herkömmlichen Systeme aus Brechungslinsen aus dem einen oder dem anderen Grund nicht befriedigend
arbeiten. Wenn z. B. die zu fokussierende oder zu bündelnde Strahlungsenergie in einem einzigen intensiven
Strahl konzentriert ist, wie es bei einem Mochleistungslaser der Fall ist, wird ein beachtlicher
Betrag dieser Energie von den Brechungslinsen absorbiert (obwohl sie aus Glas, Glimmer oder einem
anderen festen Material bestehen, welches normalerweise als völlig transparent angesehen wird), wodurch
die Linsen unzulässig erwärmt werden, so daß sie verzerrt oder sogar zerstört werden. Bei Spiegelsystemen
besteht keine Gefahr der Beschädigung durch zu starke Erwärmung, weil die durchlaufende Energie fast
vollständig von den Spiegelflächen der Spiegellinsen reflektiert wird; jeder Spiegel absorbiert aber auch
einen kleinen Teil der einfallenden Energie und erwärmt sich dadurch. Deshalb können auch Spiegeilinsensystemc
unzulässig erwärmt werden, wenn die Strahlenbündel von mehreren I lochlcistungslasern vereinigt werden
müssen. Rs ist kein Verfahren zur Herstellung von Spiegeln für Spiegelsystcme bekannt, deren reflektierende
Oberflächen der enormen Konzentration von Energie, die man bei Verwendung mehrerer Hochlcistungslaser
erhält, sicher widerstehen. Ferner müssen bei beliebigen Spiegelsystemen, die nicht nach dem
konfokalen Prinzip aufgebaut sind, beträchtliche Off-
iiungsabschatlungen in Kauf genommen werden, damn
die Spiegel in richtiger Position relativ zueinander angeordnet werden können.
Es isi vorgeschlagen worden, thermische Kernfusion durch Kombination der Strahlen einer Anzahl von
Huchlchtungslascrn derart durchzuführen, daß die
Energie aller Strahlen auf ein kleines Ziel fokussiert wird. Bei einem solchen System kann man im
Zielbcreich Flußdiehten erhalten, welche zur Auslösung
der Kernverschmelzung ausreichen. Das heißt, man kann eine Hußdichte in der Größenordnung von ΙΟ14 bis
10lbWcm 2 erreichen. Wenn eine solche Energicflußdichte
erreicht wird wird gleichzeitig ein Lichtdruck erzeugt, welcher in der Größenordnung liegt, die
erforderlich ist, um das bei der Kernreaktion entstehende, sich ausdehnende Plasma zusammenzuhalten. Um
das sich ausdehnende Plasma einer realen Probe, welche dem Vcrschmelzungsvorgang unterworfen wird, erfolgreich
zusammenzuhalten, muß der Lichtdruck offenbar über einen kontinuierlichen, begrenzten Bereich angewendet
werden. Das heißt, jede Linsenanordnung oder Spiegelanordnung, die zu diesem Zweck geeignet sein
soll, muß eine »optische Flasche« formen können.
Ein anderes Gebiet für die Verwendung von Spiegeln der hier betrachteten Art ist die Konstruktion optischer
Radaranlagen. Hier ist es erwünscht, die Strahlen von mehreren Lasern zu einem Strahl zusammenzusetzen,
um dadurch den Wirkungsbereich des Systems zu vergrößern. Auch für eine solche Anwendung sind
herkömmliche Spiegelanordnungcn nicht geeignet, weil es fast unmöglich isl, Energie von mehr als einer Quelle
zu einem einzigen Strahl zu bündeln. Bei Verwendung herkömmlicher Linsenelemente, deren Brennpunkt auf
der Linsenachse liegt, kann jedes Linsensystem lediglich einen Laserstrahl bündeln.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spiegel, insbesondere zur Verwendung in Spicgelsystemen, zu
schaffen, der ohne Beeinträchtigung seiner optischen Eigenschaften sehr hohen Energieflußdichten standhält,
der sich in gleicher Weise für die Verwendung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums
eignet und dessen Oberfläche auch bei den hohen Energickonzentrationcn nicht matt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spiegel der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß
der Grundkörpcr aus einer 35% NicKel und Eisen enthaltenden Legierung und die Zwischenschicht aus
Wolframkarbid im wesentlichen mit Kobalt als Bindemittel besteht.
Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Spiegels vorgeschlagen.
Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der anliegenden Ansprüche,
auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. 5s
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die
Figur zeigt in vereinfachter Form und nicht maßstabsgerecht einen Querschnitt durch einen fertigen Spiegel.
In der Figur sieht man, daß der fertige Spiegel einen f,o
Grundkörper Il und eine Spiegelfäche 1.3 aulweist,
welche von Zwischenschichten 15, 17 und 19 getragen wird. Der Grundkörper 11 ist aus einer Legierung
»Ni-Kesist-I'e(5)« so gegossen, daß er eine Oberfläche erhält, welche etwa in gleicher Weise wie der fertige (,«,
Spiegel gekrümmt ist. Die Legierung »Ni-Resist-Fe(ü)«
weist die folgende Zusammensetzung auf, wobei die /.!ihlen in Gewichtsprozenten angegeben sind:
Nickel
Kohlenstoff
Silizium
Mangan
Chrom
der Rest ist Eisen
34-3b%
2.40°/»
1-2%
0.40-0,80% 0,17%
2.40°/»
1-2%
0.40-0,80% 0,17%
Nach dem Gießen wird die Oberfläche des Grundkörpers 11 in herkömmlicher Weise so bearbeitet, daß
dieser einen Spiegelrohiing bildet. Dabei wird die Oberfläche so bearbeite!, dall ihre Krümmung der
Krümmung des fertigen Spiegels entspricht, wobei die Dicke der Zwischenschichten 15: 17 und 19 und der
Spiegeloberfläche 13 berücksichtigt wird (falls der fertige Spiegel gekrümmt sein soll). Die Oberfläche des
Grundkörpers 11 wird in einem Plasmaspritzverfahrcn mil einer relativ dicken Schicht überzogen, die aus
Wolframcarbid mit einem Kobaltbindemittel besteht. Bei diesem Prozeß wird eine Elektrode (die z. B. von der
Union Carbide Corporation, New York, N. Y., aus 85 Gewichts-% Wolframcarbid und 15 Gc-wichts-%
Kobaltbindemittel besteht und die Bezeichnung LW-1N40 trägt) zentral in einer röhrenförmigen,
wassergekühlten Düse (nicht dargestellt) angeordnet, welche an der Spitze einen kleineren Durchmesser
aufweist. Wenn ein Gas, ζ. B. Acetylen, in die Düse eingeführt und eine Gleichspannung von z.B. 250V
zwischen dem Grundkörper 11 (als Anode) und der Wolframeleklrode (als Kathode) angelegt wird, kann
ein Bogen zwischen dem Grundkörper 11 und der Wolframclektrode geschlagen werden, welcher Ionen
des Elektrodenmaterial enthält. Durch geeignete Einstellung des Weges der Düse, entweder durch
Bewegung des Grundkörpers 11 oder durch Bewegung der Düse über der Oberfläche des Grundkörpers 11,
können die Ionen der Elektrode in dem Bogen so über der Oberfläche des Grundkörpers 11 verteilt weiden,
daß sie eine Schicht aus Elektrodenmaterial bilden, welche etwa dei erwünschten ersten Zwischenschicht
15 entspricht. Man hat festgestellt, daß die Ionen des Plasmastroms zunächst in die Oberfläche des Grundkörpers
U eindringen und dann, während der Plasmastrom relativ zum Grundkörper 11 bewegt wird,
bis zu einer Dicke von etwa 0,025 bis 0,038 cm aufgebaut werden. Dabei wird offenbar ein solch inniger Kontakt
erzeugt, daß die erste Zwischenschicht 15 fest mit dem Grundkörpcr 11 verbunden wird. Deshalb wird im
Betrieb auch dann, wenn der thermische Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials der Zwischenschicht 15 wesentlich von dem des Materials des Grundkörpers 11
abweicht, der Temperaturgradient durch die erste Zwischenschicht 15 zu dem Grundkörper 11 auf einen
unwesentlichen Betrag reduziert. Infolgedessen werden thermisch hervorgerufene Spannungen zwischen dem
Grundkörper 11 und der ersten Zwischenschicht Ii so
gut wie vollständig eliminiert. Die erste Zwischenschicht 15 (welche die Bearbeitungseigenschaften von Wolframcarbid
hat) kann in gewünschter Weise zu der erforderlichen Form geschliffen werden (wobei die
übrigen Zwischenschichten und die reflektierende Oberfläche mit berücksichtigt wird).
Die Zwischenschicht 17 wird durch elektrostatische Ablagerung von Kupfer auf tier ersten Zwischenschicht
15 hergestellt. Die Krümmung der freien Oberfläche der Zwischenschicht 17 folgt der Krümmung der ersten
Zwischenschicht 15. Die Zwischenschicht 17 eliminiert, wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer,
praktisch alle thermisch bedingten Scherkräfte zwi-
sehen der Zwischenschicht 15 und der tatsächlich reflektierenden Oberfläche.
Wenn der fertige Spiegel zur Reflexion optischer Energie im infraroten Bereich des elektromagnetischen
Spektrums verwendet werden soll, wird vorzugsweise eine Spiegelfläche 13 aus Gold verwendet. Um eine
Materialwanderung zwischen dem Kupfer der Zwischenschicht 17 und dem Gold einer solchen Spiegelobcrfläche
zu verhindern, wird die freie Oberfläche der Zwischenschicht 17 mit einer Silberschicht 17 bedampft,
welche eine Zwischenschicht 19 bildet. Die Spiegelfläche 13 wird dann, in herkömmlicher Weise, durch
Ablagern von Gold auf die freie Oberfläche der Zwischenschicht 19 gebildet.
Es ist offenbar, daß nach Verbindung der ersten Zwischenschicht 15 mit dem Grundkörper 11 und nach
der erforderlichen Formung dieser Zwischenschicht 15 verschiedene Variationen zur Bildung der Elemente
vorgenommen werden können, entsprechend den beabsichtigten Verwendungszwecken. Falls bei der
beabsichtigten Verwendung des fertigen Spiegels Wärmeschocks nicht zu erwarten sind, ist die Zwischenschicht
17 nicht unbedingt erforderlich. Falls der fertige Spiegel zur Reflexion optischer Energie im sichtbaren
Bereich verwendet werden soll, kann für die Spicgelfläehe
statt Gold auch Rhodium, Silber, Aluminium oder Beryllium verwendet werden.
Der Grundkörpcr 11 kann aus einem massiven Gußstück bestehen, vorzugsweise ist er jedoch wabenförmig
aufgebaut. Dieser Aufbau reduziert das Gewicht des fertigen Spiegels ohne seine strukturelle Vollständigkeit
und Festigkeil schädlich zu beeinflussen.
Ferner kann in dem Grundkörper 1 eine Zwangskühlung eingebaut werden. So kann /.. B. ein Umwälzer 21
(als Kompressor oder als Kondensator) so angeschlossen werden, daß er ein Kühlmittel durch einer
Verdampfer (im Ausführungsbeispiel eine Kühlschlange ohne Bezugszeichen) leitet, der im Grundkörpcr 11
eingebettet ist. Alternativ kann der Grundkörper 31 Löcher aufweisen, welche mit einem stark wärmeleiter
dem Material, wie Kupfer, gefüllt sind, damit Wärme de;
Grundkörpers 11 zu einer Wärmesenke 23 abgeleite wird.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daf Spiegel mit anderen Formen und Abmessungen in der
Schutzbereich der Erfindung fallen.
Auf die erste Zwischenschicht können statt de reflektierenden Schichten auch Intcrfcrcnzschichtet
aufgebracht werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Spiegel mit einem metallischen Grundkörper. dessen Oberfläche entsprechend der gev. hten
Form der reflektierenden Spiegelfläche gi mt ist
und mit einer metallischen Zwischenschichi, die mit der Oberfläche des Grundkörpers innig verbunden
ist und mit einer reflektierenden Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper
(11) aus einer 35% Nickel und Eisen enthaltenden Legierung und die Zwischenschicht
(15) aus Wolframkarbid im wesentlichen mit Kobalt als Bindemittel besteht.
2. Spiegel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite, elektrolytisch auf der erstgenannten
Zwischenschicht (15) abgelagerte Zwischenschichi (17) aus Kupfer und durch eine auf die zweite
Zwischenschicht aufgebrachte dritte Schicht (19) aus Silber.
3. Spiegel nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf die dritte Schicht (19) aufgebrachte vierte
Schicht (13) aus Gold.
4. Spiegel nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (11)
wabenartig aufgebaut ist.
5. Spiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Zellen des wabenartigen
Grundkörpers (11) mit Kupfer gefüllt sind.
6. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur
Leitung eines Kühlmittels durch den Grundkörper (11) bzw. durch wenigstens einen Teil der Zellen des
wabenartigen Grundkörpers vorgesehen sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Spiegels nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundkörper aus einer 35% Nickel und Eisen enthaltenden Legierung gegossen wird, daß
die Oberfläche des Grundkörpers dann so bearbeitet wird, daß sie der gewünschten Krümmung des
Spiegels entspricht, daß mit einem Plasmastrahl eine Schicht aus Wolframkarbid auf die bearbeitete
Fläche des Grundkörpers aufgespritzt wird und daß diese Schicht so geschliffen wird, daß sie der
gewünschten Krümmung des Spiegels entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schicht aus Kupfer elektrolytisch auf die Wolframkarbidschicht aufgebracht wird, daß
danach eine Silberschicht abgelagert, insbesondere aufgedampft und daß auf diese eine reflektierende
Goldschicht als reflektierende Oberflächenschicht aufgebracht wird.
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