DE1773016B2 - Vorrichtung zur ueberwachung und kontrolle eines in einem geschlossenen unterdruckbehaelter unter sehr niedrigem druck ablaufenden vorgangs, der die emission einer strahlung hervorruft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung und Kontrolle eines in einem geschlossenen Unterdruckbehälter unter sehr niedrigem Druck ablaufenden Vorgangs, z. B. einer thermischen Behandlung, der die Emission einer Strahlung hervorruft, welche von einem an der äußersten Stirnseite einer dem Unterdruckbehälter zugeordneten unter schwachem Gasdruck siehenden Hilfskammer angeordneten strahiungsempfindlichen Element nach Durchdringung einer Scheidewand, in der eine öffnung zur Herstellung einer räumlichen Verbindung zwischen Unterdruckbehälter und Hilfskammer vorgesehen ist, empfangen wird.

Es sind Vorrichtungen zur Behandlung von Stoffen im Vakuum bei höheren Temperaturen bekannt, bei denen die Beobachtung von außen, sei es visuell durch das menschliche Auge, oder aber mittels eines für die

ίο emittierte Strahlung empfindlichen Elementes von außen durch ein Fenster hindurch erfolgen muß. Der Ausdruck Fenster ist in diesem Fall in weiterem Sinne als ein Teil der Wandung zu verstehen, der für die betreffende Strahlung — z. B. auch eine Röntgen- oder eine Elektronenstrahlung — durchlässig ist. Vorrichtungen solcher Art weisen den Mißstand auf, daß das Beobachtungsfenster leicht von Dämpfen des zu behandelnden Materials, insbesondere wenn die Behandlung bei höheren Temperaturen und bei hohem Vakuum erfolgt, beschlagen wird und dadurch die Durchlässigkeit für die Strahlung allmählich verliert, womit also die Beobachtung bzw. Kontrolle beeinträchtigt wird.
Zur Behebung dieses Mißstandes sind mehrere Einrichtungen bekanntgeworden, die im Prinzip darauf beruhen, das Beobachtungsfenster durch einen darauf gerichteten Spülgasstrom freizuhalten oder auch von Zeit zu Zeit freizuspülen. Bei einer solchen Vorrichtung, z.B. nach der GB-PS 8 05 812, ist der Spülgasstrom unmittelbar senkrecht auf die Fläche des Fensters gerichtet. Solche Einrichtungen haben den erheblichen betriebstechnischen Nachteil, daß sie die Aufrechterhaltung eines höheren Vakuums durch das Spülgas nicht mehr zulassen, oder aber unangemessen große aufwendige Vakuumpumpen zur Erzeugung eines ausreichend hohen Vakuums benötigen.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, bei denen dem Unterdruckbehälter mindestens eine Hilfskammer zugeordnet ist, deren Trennwand zum Unterdruckbehälter eine öffnung und deren entgegengesetzte Wand das Beobachtungsfenster aufweist. In die Kammer wird — möglichst in Nähe des Beobachtungsfensters — Gas unter ausreichendem Druck eingeführt, um das Anfliegen von Dampfmolekülen auf das Fenster zu verhindern. Auch diese Vorrichtungen benötigen zu ihrer Funktion verhältnismäßig viel Spülgas und verschlechtern deshalb das Vakuum bzw. benötigen entsprechend bemessene Vakuumerzeugungsanlagen. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DT-AS 11 92 158 beschrieben. Sie dient zur optischen Lriassung von Vorgängen über ein Weitwinkel-Linsensy.stem, und besteht im wesentlichen aus einem Schaurohr mit engen Kanälen, das von einem Beobachtungsfenster in den Unterdruckbehälter gerichtet ist, und einer Einrichtung zum Zuführen von Gas in das fensterseitige Ende der Kanäle, wobei die Kanäle durch zwei konzentrisch ineinander angeordnete konische Tuben mit in Richtung zur Unterdruckkammer sich erweiterndem Querschnitt gebildet sind. Dadurch wird ein ringförmiger Sehspalt geschaffen, der ein zentrales Rohr konzentrisch umgibt, durch welches das Gas aus dem Teil der Hilfskammer vor der Optik in den Unterdruckbehälter einströmt. Durch diese Anordnung mit dem ringförmigen Sehspalt soll erreicht werden, daß zwar ein ausreichend großes

^fi5 Gesichtsfeld zur Verfügung steht, dennoch aber keine Gefahr des Beschlagens der Optik zu besorgen ist. Obwohl die besprochene Anordnung dieser vorbekannten Vorrichtung nach den Ausführungen der Auslege-

schrift verhindern soll, daß überhaupt Dampfmoleküle das Beobachtungsfenster anfliegen können, ist doch anzunehmen, daß dieser Effekt nur bei Zuführung beträchtlicher Spülgasmengen eintreten wird. Bei Reduzierung der Spülgasmenge tritt dieser erwartete bffekt nicht ein und die Vorrichtung sieht demgemäß folgerichtig auch vor, daß der Spülg.isstrom das Beobachtungsfenster unmittelbar vo-. der Seite her bespült, um zu bewirken, daß ein gebildeter Beschlag durch Luft- oder Gasspülung wieder beseitigt werden kann.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs dargelegten Art mit einer dem Unterdruckbehälter zugeordneten unter schwachem Gasdruck stehenden Hilfskammer, die das Beobachtungsfenster bzw. das strahlungssensible Element trägt, derart auszubilden, daß eine fühlbare, die Beobachtung der Messung beeinträchtigende Niederschlagsbildung auf dem Beobachtungsfenster bzw. straMungsempfindüchen Element mit Sicherheit vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil der Hilfskammer mit der Scheidewand im Inneren des Unterdruckbehälters angeordnet ist, daß der Querschnitt der öffnung in der Scheidewand so klein ist, daß die Gasabgabe aus der Hilfskammer zum Unterdruckbehälter nur einen geringen Bruchteil der Pumpenleistung beträgt, und daß der Abstand zwischen der öffnung in der Scheidewand und dem strahlungsempfindlichen Element größer ist als die mittlere freie Weglänge der Dampfmoleküle in der Hilfskammer unter Berücksichtigung des in ihr herrschenden Druckes. Durch diese Kombination von Maßnahmen wird erreicht, daß nur ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil der aus dem Unterdruckbehälter in die Hilfskammer eintretenden Gasmoleküle das strahlungsempfindliche Element erreichen kann. Durch die Wahl des Öffnungsquerschnitts unter Berücksichtigung der Leistung der Vakuumeinrichtung, sowie durch die Wahl des Abstands zwischen öffnung und strahlungsempfind-Iichem Element unter Berücksichtigung des Restdrucks in der Hilfskammer und der freien Weglänge der Dampfmolekü'e bei diesem Restdruck sind dem Fachmann die notwendigen Elemente für Konstruktion und Betriebsweise der Vorrichtung anhand gegeben.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann die Hilfskammer gänzlich im Inneren des Unterdruckbehälters untergebracht sein. Diese Maßnahme empfiehlt sich insbesondere dann, wenn es sich aus Gründen erleichterter Beobachtung bzw. Kontrolle empfiehlt, das strahlungsempfindliche Element, gegebenenfalls das Auge, möglichst nahe an das emittierende Objekt heran zu bringen.

Das strahlungsempfindliche Element kann unmittelbar ein Teil eines Untersuchungsgerätes sein, mit welchem die Hilfskammer ausgerüstet ist. So ist, z. B. gemäß der Erfindung, vorgesehen, daß das Untersuchungsgerät ein Röntgenstrahlen-Spektrograph ist, der in einer Verlängerung der Hilfskammer installiert isf und mit der Hilfskammer über eine Durchtrittsöffnung in Verbindung steht, deren Querschnitt von gleicher Größenordnung wie der der öffnung in der Scheidewand ist.

Um bei größeren zu beobachtenden bzw. zu kontrollierenden Objekten, einen entsprechenden Ob- κ jektbereich für die Beobachtung unter Beibehaltung eines insgesamt geringen Querschnitts der öffnung zur Verfügung zu haben, ist weiterhin vorgesehen, daß die

Scheidewand mit einer Mehrzahl von im einzelnen entsprechend klein bemessenen Durchtrittsöffnungen versehen ist.

In Fällen, in denen ein sehr niedriger Unterdruck verlangt wird, also die Spülgaszuführung weitgehend gedrosselt werden muß, und bzw. oder in Fällen, in denen die zu beobachtende Substanz bei der Arbeitstemperatur eine relativ hohe Dampftension besitzt, ist es zweckmäßig, eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Blenden vorzusehen, deren offene Querschnitte in Richtung von der Scheidewand zur Stirnwand der Hilfskammer wachsen. Durch die Blenden wird die Menge der durchtretenden Dampfmoleküle, vergleichsweise zu einer Vorrichtung mit nur einer Durchtrittsöffnung ungemein verringert.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert: In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematisierter Darstellungsweise:

Fig. i eine erste einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine zweite einfache Aiisführungsform in gleicher Darstellung,

Fig. 3 die Ausführungsform gemäß F i g. 1 mit zusätzlich in den Strahlengang eingeschalteten I.ochblenden, in gleicher Darstellungsweise

Fig. 4 die Ausführungsform gemäß F i g. 2 mit zusätzlichen Lochblenden in übereinstimmender Darstellungsweise,

Fig. 5 eine weitere mit einer Steuereinrichtung zur abhängigen Steuerung des Bearbeitungsvorgangs ausgestattete Ausführungsform,

F i g. 6 eine sechste Ausführungsform unter Einbeziehung der Einrichtungen zur Erzeugung des Vakuums im Teilschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 19 besitzt ein am Ende einer länglichen Hilfskammer 21 angeordnetes strahlungsempfindliches Element 20.

Die durch eine Wand 22 von zylindrischer Form begrenzte Hilfskammer 21 ist mit einem unter Vakuum stehenden, d. h. bei Unterdruck arbeitenden Behälter 26, in welchem sich eine zu behandelnde Substanz — nicht dargestellt — befindet, absolut dicht verbunden. Die Längsachse der Hilfskammer 21 ist auf diese Substanz ausgerichtet. Die dem strahlungsempfindlichen Element

20 gegenüberliegende Trennwand 23 der Hilfskammer

21 weist eine öffnung 24 geringen Durchmessers auf. In den Innenraum 28 der Hilfskammer ?1 führt eine Zuleitung 25, mit deren Hilfe im Innenraum ein Druck aufrechterhalten wird, der ausreicht, damit nur ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil der von der Substanz in dem unter Vakuum stehenden Unterdruckbehälter 26 abgegebenen Moleküle kondensierbaren Dampfes das strahlungsempfindliche Element 20 am Ende der Hilfskammer 21 erreichen kann.

Das durch die Zuleitung 25 zugefüiirte Gas sollte gegebenenfalls inert sein, hinsichtlich der im Behälter 26 behandelten Substanz und sollte die zu analysierende Strahlung, z. B. die von der in Behandlung befindlichen Substanz stammende Strahlung, wenig oder gar nicht absorbieren.

Der Gasdruck in der Hilfskammer 21 ist so zu wählen, daß der durchschnittliche freie Weg der durch die Öffnung 24 in die Kammer 21 eintretenden Dampfmoleküle im Sinne der kinetischen Theorie der Gase geringer ist als der Abstand zwischen dieser öffnung und dem strahlungsempfindlichen Element 20. Die Anzahl von

Dampfmolekülen, die das strahlungsempfindliche Element, bzw. allgemein den Rezeptor der Strahlung erreichen, wird dadurch so erheblich verringert, daß das Andrängen der Dampfmoleküle praktisch ohne Einfluß bleibt auf die Genauigkeit und Strahlungsemfpindlichkeit des Elements in bezug auf die von der in Behandlung befindlichen Substanz emittierten Strahlung. Unter diesen Umständen vermittelt das am Austritt 27 des strahlungsempfindlichen Elements 20 abgegebene Signal eine genaue Information über die durch die öffnung 24 in die Kammer 21 eindringende Strahlung, wobei der störende Einfluß des ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen sich verdichtenden Dampfes ausgeschaltet ist

Aufgrund der sehr geringen lichten Weite der öffnung 24 kann die Hilfskammer 21 die Rolle einer Dunkelzelle spielen und auf dem strahlungsempfindlichen Element die Entstehung eines Bildes durch die Strahlung einer Probe im Verlauf einer Behandlung oder eines Teils derselben ermöglichen.

Ebenfalls aufgrund der sehr geringen lichten Weite der öffnung 24_: durch welche die Strahlung ihren Weg nimmt, reichen auch die für einen Behälter ohne erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehenen Pumpeinrichtungen aus, um den für die Behandlung erforderlichen Unterdruck im Behälter aufrechtzuerhalten. In gewissen Fällen kann man zusätzliche Maßnahmen vorsehen, um das von der Hilfskammer her in den Unterdruckbehälter eindringende Gas zu entfernen.

In einer praktischen Verwirklichung dieser Ausführungsform, die gute Ergebnisse gezeitigt hat, mit einem Unterdruckbehälter 26, in dessen Innern ein Druck von 10-⁵mm QS herrschte, wies die Hilfskammer 21 eine Länge von 70 mm auf; die Öffnung hatte einen Durchmesser von 0,3 mm und der Druck im Innern der Kammer betrug 10-² mm QS.

Die Vorrichtung kann zu verschiedenen Zwecken verwendet werden je nach der Art des verwendeten strahlungsempfindlichen Elementes 20. Dieses kann,. z. B. eine Thermobatterie sein oder aus photoelektrisehen Zellen, Photodioden, Thermistoren oder etwa einer Drucksonde mit kapazitivem Ausgang bestehen, oder auch aus einem Diffraktionskristall oder einer photographischen Platte.

Die Hilfskammer 21 kann gemäß F i g. 2 auch vollkommen im Innern des Behälters liegen. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 liegt der Teil der Kammer 21 mit der öffnung 24 im Innern des Behälters und der andere Teil mit dem Rezeptor der Strahlung außerhalb, wobei der Durchgang der Kammer 21 durch die Wand des Unterdruckbehälters völlig dicht ist. Bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung hingegen liegt die Hilfskammer 21 gänzlich im Innern des Behälters, wo sie durch einen (nicht gezeigten) Träger in der Nähe einer Strahlungsquelle S gehalten wird, die z. B. aus einem auf hohe Temperatur erhitzten Metall besteht; der Einfluß des kondensierbaren Dampfes oder irgendeines anderen Dampfes auf die Ausbreitungsbedingungen der Strahlung zwischen der Quelle S und der öffnung für den Strahlungseintritt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher außerordentlich reduziert Das strahlungsempfindliche Element kann z. B. in diesem Falle das Objektiv einer Fernsehkamera sein, die auf Abstand das Bild einer behandelten Substanz wiedergibt

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sind zwischen die Strahleneintrittsöffnung 24 in die Hilfskammer 21 und dem strahlungsempfindiichen Eiemem^.

20 mehrere Blenden 30, 31, 32 zwischengeschaltet. Die Blendenöffnungen 34, 35, 36 können einen sich vergrößernden Durchmesser von der der öffnung 24 am nächsten liegenden Blende bis zu der beim strahlungsempfindlichen Element liegenden Blende aufweisen. Diese Blenden wirken den vielfachen Stoßen entgegen, denen die Dampfmoleküle seitens der in der Hilfskammer enthaltenen Gasmoleküle ausgesetzt sind und die die Dampfmoleküle bis zum strahlungsempfindlichen Element bringen könnten. Die Blenden tragen somit zum Schutz des strahlungsempfindlichen Elements gegenüber den aus dem Behälter kommenden Molekülen kondensierbaren Dampfes bei.

Eine ähnliche Anordnung zeigt Fig.4, wobei sich jedoch die Hilfskammer 21 übereinstimmend mit der in F i g. 2 dargestellten Einrichtung völlig im Innern des Behälters 26 befindet Die Wanddurchführungen 37 und 38 der den Ausgang des strahlungsempfindlichen Elementes darstellenden Drähte sind völlig dicht, wie auch die Wanddurchführung 41 der Gaszuleitung 25, die zwecks Aufrechterhaltung des Druckes in der Hilfskammer vorgesehen ist

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 ist der Austritt der Hilfskammer mit einem strahlungsempfindlichen Element 100 versehen, das die von der Ouelle S abgegebene Strahlung aufnimmt und nach Durchführung durch einen Verstärker 101, zu einer Einstellvorrichtung 102 führt Diese (102) regelt die von einer elektrischen Stromquelle 103 an einen im Innern des Unterdruckbehälters 105 liegenden Apparat 104 gelieferte Energie, deren Aktion die Strahlung der Quelle S hervorbringt Der Apparat 104, der gegebenenfalls auch außerhalb des Unterdruckbehälters angeordnet sein kann, besteht z. B. aus einer Elektronenkanone, deren Elektronenbündel für die Durchführung einer Schweißung zwischen zwei Metallteilen verwendet wird. So ist es möglich, den ordnungsgemäßen Ablauf eines Schweißvorganges zu kontrollieren, z. B. die Temperatur der Schweißzone in der gewünschten Höhe zu halten.

Eine ähnliche Installation kann auch für die Bereitung einer Legierung verwendet werden. Die hierfür erforderliche Temperatur kann mit Hilfe einer Elektronenkanone oder eines anderen Mittels hervorgebracht werden. Unter Verwendung der beschriebenen Ausführungsform kann z. B. auch eine abhängige Steuerung verwirklicht werden, die ein Metallbad auf konstantem Niveau hält

In F i g. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt Das strahlungsempfindliche Element 110 ist auf der Rückwand 111 der Hilfskammer 112 angeordnet, deren in der Unterdruckkammer 119 befindliche Scheidewand 113 eine Vielzahl von öffnungen 114,115, 116 von sehr geringem Durchmesser aufweist. Zwei Blenden 117, 118 mit hinsichtlich ihrer Anordnung entsprechenden öffnungen sind zwischen dem strahlungsempfindlichen Element 110 und der Scheidewand 113 angeordnet Das strahlungsempfindliche Element 110 kann also die von mehreren Punkten der im Behälter 119 liegenden Quelle S kommende Strahlungsenergie aufnehmen.

Das Vakuum im Innern des Behälters 119 wird durch eine Hauptpumpe 120 und eine Nebenpumpe 121 in bekannter Weise aufrechterhalten. Der im Innern der Kammer 112 erforderliche Gasdruck wird durch die Verbindung der Kammer über ein Rohr 122 mit einer Einrichtung 123 zur Regelung der Gaszufuhr sie

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

i7 73 0 16 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung und Kontrolle eines in einem geschlossenen Unterdruckbehälter unter sehr niedrigem Druck ablaufenden Vorgangs, z. B. einer thermischen Behandlung, der die Emission einer Strahlung hervorruft, welche von einem an der äußersten Stirnseite einer dem Unterdruckbehälter zugeordneten, unter schwachem Gasdruck stehenden Hilfskammer angeordneten strahlungsempfindlichen Element nach Durchdringung einer Scheidewand, in der eine öffnung zur Herstellung einer räumlichen Verbindung zwischen Unterdruckbehälter und Hilfskammer vorgesehen ist, empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Hilfskammer (21, 73, 112) mit der Scheidewand (23, 113) im Innern des Unterdruckbehälters (2fi, 119) angeordnet ist, daß der Querschnitt der öffnung (24, 114/115/116) in der Scheidewand so klein ist, daß die Gasabgabe aus der Hilfskammer in Richtung zum Unterdruckbehälter nur einen geringen Bruchteil der Pumpenleistung beträgt, und daß der Abstand zwischen der öffnung und dem strahlungsempfindlichen Element (20, 110) größer ist, als die mittlere freie Weglänge der Dampfmoleküle in der Hilfskammer unter Berücksichtigung des in ihr herrschenden Druckes, so daß nur ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil der aus dem Unterdruckbehälter in die Hilfskammer eintretenden Gasmoleküle das strahluügsempfindliche Element erreichen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskammer gän.ilich im Innern des Behälters (26) untergebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Element Teil eines Untersuchungsgerätes ist, mit welchem die Hilfskammer ausgerüstet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsgerät ein Röntgenstrahlen-Spektrograph (71) ist, der in einer Verlängerung der Hilfskammer (73) installiert ist und mit der Hilfskammer über eine Durchtrittsöffnung (77) in Verbindung steht, deren Querschnitt von der gleichen Größenordnung ist, wie der Querschnitt der öffnung (75) in der Scheidewand (74).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand (113) mit einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen (114, 115, 116) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (112) zwischen der das strahlungsempfindliche Element (110) tragenden Stirnwand (111) und der Scheidewand (113) eine Mehrzahl von Blenden (117, 118) vorgesehen ist, deren Durchtrittsöffnungen in Richtung von der Scheidewand zur Stirnwand wachsenden Querschnitt besitzen.