DE4114039A1 - Verfahren und vorrichtung zur erwaermung eines schwebenden koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Erwärmung eines schwebenden Körpers, die für einen Mikroschwerkraftmaterial-Herstellungstest an­ wendbar sind zur Herstellung von Materialien wie Halb­ leitermaterial und Legierungsmaterial unter Weltraum­ bedingungen.

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer bekannten elek­ trostatischen Schwebe-Heizvorrichtung vom Ringelektro­ dentyp, die in der US-PS 45 21 854 vom 4. Juni 1985 offenbart ist. In dieser Darstellung sind konkav nach unten gewölbte Elektroden 1 in einander gegenüber­ stehender Anordnung, ein zwischen den Elektroden 1 be­ findlicher Prüfling 2, eine CCD-Kamera 3 zur Messung der Lage des Schwerpunktes des Prüflings 2, eine mit der CCD-Kamera 3 gekoppelte Steuerschaltung 4 und eine mit den Elektroden 1 und der Steuerschaltung 4 verbun­ dene Hochspannungsleistungsquelle 5 vorgesehen.

Die bekannte elektrostatische Schwebe-Heizvorrichtung vom Ringelektrodentyp der gezeigten Ausbildung hält den Prüfling 2 durch elektrostatische Kräfte im Schwebezustand. Die zum Erwärmen des Prüflings dienende Heizanordnung ist großen Beschränkungen aus­ gesetzt, da maximale Wirkungen z. B. durch Vermeiden von Konvektion und gleichförmige Diffusion unter der Mikroschwerkraft angestrebt werden. Beispielsweise bewirken eine Elektronenstrahlerwärmung oder eine Induktionserwärmung eine Interferenz mit dem elektro­ statischen Feld, die Induktionserwärmung kann nicht zum Erwärmen leitender Materialien eingesetzt werden, und ein Laser hat eine Vergrößerung der Vorrichtung zur Folge mit dem gleichzeitigen Ergebnis, daß nur ein Bereich der Oberfläche des Prüflings 2 erwärmt wird. In gleicher Weise können eine Halogenlampe oder eine Xenonlampe den Prüfling 2 nicht gleichförmig er­ wärmen und sie haben eine extrem kurze Lebensdauer von etwa einhundert Stunden. Aufgrund der vorgenannten Probleme sind alle bekannten Heizanordnungen ungeeig­ net für die elektrostatische Schwebe-Heizvorrichtung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung eines schwebenden Körpers anzugeben, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Prüflings bewirken, die Marangoni-Konvektion unterdrücken und eine gleichförmige Diffusion sicherstellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei dem Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruches 1 und bei der Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 2 oder 3 angege­ benen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung hat eine im ersten Brennpunkt eines elliptischen Spiegels placierte Plasmalampe eine kugelförmige Abstrahlung, so daß das von dieser emittierte Licht kugelförmig auf den im zweiten Brenn­ punkt des Spiegels angeordneten Prüfling verdichtet wird, wodurch dieser erwärmt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrostatische Schwebe-Heizvorrichtung vom Ringelektroden-Typ gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig 2a und 2B die Beziehung zwischen einer Ringelektrode und einem Prüfling,

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit der Anordnung eines Positionsdetektors, einer Steuerschaltung und einer Hochspannungsleistungsquelle,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung des Schwe­ bens des Prüflings,

Fig. 5 die Anordnung einer Plasmalampe,

Fig. 6 die Darstellung einer Simulation der fokussie­ renden Eigenschaften infolge eines ellipti­ schen Spiegelzylinders,

Fig. 7 eine Darstellung der Meßwerte der Temperatur­ verteilung in der Nähe eines zweiten Brenn­ punktes,

Fig. 8 die Testdaten der Wärmeauflösung,

Fig. 9 eine elektrostatische Schwebe-Heizvorrich­ tung vom Ringelektroden-Typ gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 10 eine bekannte elektrostatische Schwebe-Heiz­ vorrichtung vom Ringelektroden-Typ.

In Fig. 1 entsprechen ein Prüfling 2 und eine Hoch­ spannungsleistungsquelle 5 denen in der bekannten Vorrichtung nach Fig. 10. Weiterhin sind ein ellip­ tischer Spiegel 6, der auf der Innenseite eine ellip­ tische Reflexionsfläche mit einem ersten und einem zweiten Brennpunkt aufweist, und eine Plasmalampe 7, die aus der Anordnung einer hohlen Kugel aus trans­ parentem Material wie Glas und verschiedenen darin eingeschlossenen Elementen besteht, vorgesehen. Eine Haltevorrichtung 8 trägt die Plasmalampe 7. Eine scheibenförmige, Funkwellen abschirmende Platte 9 ist so angeordnet, daß ihre Umfangskante in Kontakt mit der inneren Oberfläche des elliptischen Spiegels 6 in dessen auf der Seite des ersten Brennpunktes lie­ genden Endbereich steht. Ein Hohlresonator 10 wird von der Funkwellen abschirmenden Platte 9 und dem elliptischen Spiegel 6 gebildet. Ein Hochfrequenz­ generator 11 überträgt einen Hochfrequenzstrom in den Hohlresonator 10 zur Aufnahme der Plasmalampe 7. Ein Paar ringförmiger Elektroden 12 ist jeweils befestigt an einem Prüfrohr 16 derart, daß sie einander gegen­ überliegen und jede von ihnen aus zwei Ringen aus leitenden Drahtnetzen oder transparentem Metall (ein dünner metallischer Film, der durch Niederschlagen von Indium-Zinn-Oxid (ITO) auf einem Quarz gebildet ist und der eine ausgezeichnete Leitfähigkeit besitzt) besteht. Ein Positionsdetektor 13 mißt die Lage des Prüflings 2 durch ein Beobachtungsfenster 14 im elliptischen Spiegel 6, das dem Prüfling 2 gegenüber­ liegt. Im Positionsdetektor 13 kann beispielsweise eine CCD-Kamera und Siliziumplatte Anwendung finden. Eine Steuerschaltung 15 ist sowohl mit dem Positions­ detektor 13 als auch mit der Hochspannungsleistungs­ quelle 15 verbunden.

Die Fig. 2A und 2B illustrieren die Beziehung zwischen den ringförmigen Elektroden 12 und dem Prüfling 2, wo­ bei zwei Paare von Elektrodenringen 12a bis 12d in das Prüfrohr 16 eingebettet sind derart, daß sie in dessen zentralen Bereichen in in bezug auf den Prüfling 2 ein­ ander gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind. Der Prüfling 2 wird zwischen den beiden Paaren von Elektroden 12a bis 12d im Schwebezustand gehalten, und das Prüfrohr 16 ist transparent und hohlzylindrisch ausgebildet und besteht aus Quarz, Saphir od. dgl.

Das Blockdiagramm nach Fig. 3 zeigt die Anordnung von Positionsdetektor 13 und Steuerschaltung 15. Die zuge­ ordnete Beschreibung bezieht sich auf den Fall, daß ein positionsempfindlicher Detektor verwendet wird. Von zwei Seiten des plattenförmigen Positionsdetektors 13, dessen Abmessungen fünf Zentimeter im Quadrat be­ tragen und der eine pn-Übergangsstruktur in einem Siliziumhalbleiter aufweist, wird jeweils ein Positions­ signal in X-Richtung und in Y-Richtung zu einer Posi­ tionserfassungsschaltung 15a gegeben. Dieses Positions­ signal wird über eine Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle 15b zu einem Rechner 15c geliefert.

Bei der so ausgebildeten elektrostatischen Schwebe- Heizvorrichtung vom Ringelektroden-Typ wird eine Hochspannung von der Hochspannungsleistungsquelle 5 zu den ringförmigen Elektroden 12 geführt, so daß der Prüfling 2 unter einem elektrostatischen Feld im Schwebezustand gehalten wird. Das heißt, wie in Fig. 4 dargestellt ist, daß die transparenten ringförmigen Elektroden 12 ein talförmiges elektrisches Feld er­ zeugen, worin der Prüfling 2 mittels Coulombscher Kräfte in der Schwebe gehalten wird, und die Lage des Prüflings 2 wird stabil gesteuert durch entspre­ chende Einstellung der Stärke des elektrischen Feldes. Abhängig von der Schwebelage des Prüflings 2 erzeugt der Positionsdetektor 13 ein Analogsignal, das zur Steuerschaltung 15 übertragen wird, welche ihrerseits eine Berechnung durchführt zur Bestimmung eines zur Hochspannungsleistungsquelle 5 zu liefernden Steuer­ signals, wodurch eine mit hoher Geschwindigkeit durch­ geführte Lagesteuerung erfolgt.

Durch ein Kopplungsfenster 18 in Fig. 5 wird eine Funkwelle in den Hohlresonator 10 eingeführt, so daß in diesem eine Resonanz auftritt, wodurch eine elektro­ magnetische Energie auf ein Gas in der Plasmalampe 7 einwirkt und diese erregt. Licht von der Plasmalampe 7 mit einer kugelförmigen Gestalt wird auf dem ellip­ tischen Spiegel 6 verdichtet, so daß es auf der Seite des zweiten Brennpunktes kugelförmig fokussiert wird. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Obwohl Fig. 6 ein rechnererzeugtes Simulationsergebnis für den Fokussie­ rungszustand ergibt, ist ersichtlich, daß das Licht so fokussiert ist, daß es auf der Seite des zweiten Brennpunktes eine im wesentlichen kugelförmige Kon­ figuration besitzt. Der Prüfling 2 wird hierin placiert, um erwärmt zu werden. In dieser Zeit wird die Oberfläche des Prüflings 2 gleichförmig durch das Licht bestrahlt, und daher ist die Temperatur dieser Oberfläche gleichmäßig. Zusätzlich ist es mög­ lich, den Prüfling mit dem Licht einer Wellenlänge zu erwärmen, die den optischen Eigenschaften des Prüf­ lings angepaßt ist. Beispielsweise kann die Auflösung von Glas für die Herstellung von Faserkabeln, die mit Infrarotstrahlung nicht möglich ist, mittels ultra­ violetter Strahlung erreicht werden. Hierdurch kann ein reines Glas ohne Verwendung eines Behälters er­ halten werden, und es kann weiterhin eine Faser mit extrem niedrigen Verlusten hergestellt werden.

Fig. 7 gibt Testdaten wieder, die den gleichförmigen Erwärmungszustand zeigen. Im Vergleich mit einer herkömmlichen Halogenlampe ist die Lichtverteilung am zweiten Brennpunkt weitgestreut, und die Temperatur­ veränderung ist gering. Fig. 8 zeigt die Testergebnisse für den Fall, daß der Prüfling aus einer Aluminium­ kugel von 5 cm ⌀ besteht, die erwärmt und aufgelöst wird unter den Bedingungen, daß eine elektrische Hoch­ frequenzleistung von etwa 300 W der Plasmalampe zuge­ führt wird und die Wellenlänge des Lichtes 0,76 µm in der Nähe des Infrarotbereiches beträgt. Durch die­ sen Test ist ersichtlich, daß der Prüfling bis zur Auflösung erwärmt werden kann mit einer Wirksamkeit, die der einer konventionellen Lampe gleichartig ist.

Obwohl die Verwendung eines einzelnen elliptischen Spiegels 6 beschrieben wurde, ist es auch zweckmäßig, daß, wie in Fig. 9 dargestellt, ein zweiter ellipti­ scher Spiegel 17 vorgesehen derart, daß dessen zwei­ ter Brennpunkt in Längsrichtung mit dem zweiten Brenn­ punkt des elliptischen Spiegels 6 zusammenfällt und daß zusätzlich eine Plasmalampe 7, eine Haltevorrich­ tung 8 und eine Funkwellen abschirmende Platte 9 an einem Endbereich des zweiten Spiegels 17 befestigt sind. Die gesamte Oberfläche des Prüflings 2 wird gleichmäßig und leistungsstark mit Licht bestrahlt, das von beiden Plasmalampen 7 emittiert wird, wo­ durch es möglich ist, eine höhere Wirkung zu erzie­ len, da eine gleichmäßigere Erwärmung bei einer höheren Temperatur stattfindet.

Wie vorbeschrieben ist, kann durch die Erfindung, da die Erwärmung des Prüflings während des Schwebe­ zustandes gleichmäßiger erfolgt, die mögliche Störung unter der Bedingung der Mikroschwerkraft gering gehalten werden, wodurch der Vorgang effektiv durchgeführt wird. Dies ist sehr wichtig für den Mikroschwerkraft-Test. Zusätzlich kann die Erwärmung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, z. B. ultra­ violettem Licht erfolgen, und daher ist es möglich, ein Material ohne Verwendung eines Behälters zu be­ arbeiten, was bisher unmöglich war, um z. B. Glas­ fasern, ein superleitendes Material aus einer Schmelzlösung, eine Schaumlegierung, eine kombinier­ te Legierung u. dgl. herzustellen. Die vorbenannten Wirkungen werden durch den Text und die Analyse be­ stätigt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erwärmung eines schwebenden Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß ein elliptischer Spiegel verwendet wird, der auf seiner inneren Oberfläche eine elliptische Reflexions­ fläche aufweist, um einen ersten und einen zweiten Brennpunkt zu bilden, daß eine kugelförmige Lampe in der Position des ersten Brennpunktes angeordnet wird, wodurch von dieser emittiertes Licht am zweiten Brenn­ punkt verdichtet wird, und daß ein Körper in der Position des zweiten Brennpunktes mittels eines durch Anlegen einer Spannung an einander gegenüberliegende Elektroden erzeugten elektrischen Feldes im Schwebe­ zustand gehalten wird, wobei der Körper durch das auf den zweiten Brennpunkt verdichtete Licht erwärmt wird.

2. Vorrichtung zur Erwärmung eines schwebenden Körpers, gekennzeichnet durch:
einen elliptischen Spiegel (6), der auf seiner inneren Oberfläche mit einer elliptischen Reflexionsfläche mit einem ersten und einem zweiten Brennpunkt ausgestattet ist;
eine im ersten Brennpunkt des elliptischen Spiegels (6) angeordnete Plasmalampe (7);
einen die Plasmalampe (7) einschließenden Hohlresonator (10), der durch die Kombination aus einer Funkwellen abschirmenden Platte (9) und dem elliptischen Spiegel (6) in dessen auf der Seite des ersten Brennpunktes gelegenen Endbereich gebildet ist;
einen Hochfrequenzerzeuger (11) zur Übertragung eines Hochfrequenzstroms zu dem Hohlresonator (10); ein am zweiten Brennpunkt des elliptischen Spiegels (6) angeordnetes Rohr (16);
zwei Paare von Elektrodenringen (12a bis 12d) in der Nähe der Mitte des Rohres (16), die einander gegenüberliegen und von denen jeder durch ein lei­ tendes Drahtnetz oder ein transparentes Metall ge­ bildet ist; und
eine mit den Elektrodenringen (12a bis 12d) verbundene Hochspannungsleistungsquelle (5).

3. Vorrichtung zur Erwärmung eines schwebenden Körpers, gekennzeichnet durch:
einen ersten elliptischen Spiegel (6), der auf seiner inneren Oberfläche mit einer elliptischen Reflexions­ fläche mit einem ersten und einem zweiten Brennpunkt ausgestattet ist;
einen zweiten elliptischen Spiegel (17) mit einem ersten und einem zweiten Brennpunkt, der so angeordnet ist, daß sein zweiter Brennpunkt mit dem zweiten Brennpunkt des ersten elliptischen Spiegels (6) zusammenfällt;
jeweils im ersten Brennpunkt des ersten und des zweiten elliptischen Spiegels (6, 17) angeordnete Plasmalampen (7);
jeweils die Plasmalampen (7) einschließende Hohl­ resonatoren (10), die mittels Funkwellen abschirmenden Platten (9) und dem ersten und dem zweiten elliptischen Spiegel (6, 17) in deren jeweils auf der Seite des ersten Brennpunktes gelegenen Endbereich gebildet ist;
einen Hochfrequenzerzeuger (11) zur Übertragung eines Hochfrequenzstroms zu den Hohlresonatoren (10);
ein am zweiten Brennpunkt des ersten und des zweiten elliptischen Spiegels (6, 17) angeordnetes Rohr (16);
zwei Paare von Elektrodenringen (12a bis 12d) in der Nähe der Mitte des Rohres (16), die einander gegenüber­ liegen und von denen jeder durch ein leitendes Draht­ netz oder ein transparentes Metall gebildet ist; und eine mit den Elektrodenringen (12a bis 12d) verbundene Hochspannungsleistungsquelle (5).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beobachtungsfenster (14) im elliptischen Spiegel (6) vorgesehen ist zur Beobachtung des Körpers (2) von außen, und daß der Körper (2) im mittleren Bereich des Rohres (16) an­ geordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beobachtungsfenster in wenigstens einem der elliptischen Spiegel (6, 17) vorgesehen ist zur Beobachtung des Körpers (2) von außen, und daß der Körper (2) im mittleren Bereich des Rohres (16) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Positions­ detektor (13) und eine Steuerschaltung (15) vorge­ sehen sind, und daß der Positionsdetektor (13) dem Beobachtungsfenster (14) gegenüberliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Positions­ detektor (13) und eine Steuerschaltung (15) vorge­ sehen sind, und daß der Positionsdetektor (13) dem Beobachtungsfenster (14) gegenüberliegt.