DE3631648A1 - Ringlaserkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringlaserkreisel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Getterkörper bestehen aus einer reinen Metallegierung, beispielsweise einer Titan/Zirkon-Legierung, und werden unter Verwendung von Graphit gesintert, um die erforderliche Gasdurchlässigkeit zu erzielen. Sie werden im Block von Ringlaserkreiseln angeordnet, so daß sie mit der im Block ausgebildeten Resonanzkammer kommunizieren und unerwünschte Nichtedelgase während der Lagerung und des Betriebes der Ringlaserkreisel aus der Resonanzkammer desorbiert werden und sich mit der gesinterten Metallegierung kombinieren. Die Getterkörper sind erforderlich, weil die Evakuierung der Resonanzkammer der Ringlaserkreisel keine bleibende Reinheit des Lasergases gewährleistet und es im Hinblick auf eine lange Lebensdauer der Ringlaserkreisel von Bedeutung ist, daß während ihres Betriebes ihre Resonanzkammer ausschließlich mit Edelgasen gefüllt bleibt.

Die Getterkörper oxydieren bei der Handhabung etwas. Sie müssen zur Aktivierung auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, beispielsweise 1 oder 2 Minuten lang auf eine Temperatur von 900°C. Diese Behandlung im Vakuum, welche als Zünden bezeichnet wird, bewirkt, daß Verunreinigungen an der Oberfläche jedes Korns des Getterkörpers ins Innere diffundieren. Weiterhin wird etwa infolge von Berührung mit Wasserdampf absorbierter Wasserstoff freigesetzt. Es findet also eine Oberflächenreinigung und -reaktivierung statt, so daß die Oberfläche mehr verunreinigende Gasmoleküle absorbieren kann. Diese Absorption ist gewöhnlich bei Raumtemperatur ausreichend schnell, kann jedoch gewünschtenfalls dadurch beschleunigt werden, daß man die Getterkörper geringfügig erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C.

Die Getterkörper werden als nicht verdampfend bezeichnet, weil bei der Erwärmung auf Aktivierungstemperatur kein Material verdampft wird.

Da der Getterkörper eines Ringlaserkreisels innerhalb des dicht verschlossenen Blocks desselben angeordnet werden muß und die Heizenergiequelle sich in der Regel außerhalb des Blocks befindet, müssen Wege gefunden werden, um die Heizenergie in das Blockinnere übertragen zu können. Dieses geschieht nach dem Stande der Technik auf unterschiedliche Art und Weise.

So ist es bekannt, den Getterkörper ringförmig auszubilden sowie innerhalb der Resonanzkammer des zugehörigen Ringlaserkreisels anzuordnen und außerhalb der Resonanzkammer eine zum Getterkörper koaxiale HF-Spule vorzusehen. Elektrische HF-Schwingungen in der Spule erzeugen ein oszillierendes Magnetfeld, welches seinerseits im elektrisch leitenden Getterkörper elektrische HF-Schwingungen induziert, so daß er sich aufgrund des darin fließenden Stromes auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Nachteiligerweise heizt die HF-Spule jedoch alle in ihrem Wirkungsbereich befindlichen metallischen Objekte auf, und zwar je nach deren Größe und Gestalt mehr oder weniger. Es kann geschehen, daß Federn oder andere zur Halterung des Getterkörpers verwendete Elemente bis auf ihre Weichglühtemperatur erhitzt werden, so daß ihre für die sichere Halterung des Getterkörpers erforderliche Vorspannung verloren geht. Auch ist zu berücksichtigen, daß die Vakuumdichtungen eines Ringlaserkreisels besonders dazu neigen, bei HF-Erregung auszufallen, weil sie üblicherweise aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt werden.

Weiterhin ist es bekannt, die Getterkörper von Ringlaserkreiseln zur Aktivierung mittels einer eingebetteten elektrischen Heizspule zu erhitzen, welche üblicherweise aus Wolfram oder Kanthal besteht und zur elektrischen Isolierung vom elektrisch leitenden Getterkörper mit Tonerde oder Magnesia beschichtet ist. Den für das Heizen erforderlichen elektrischen Strom liefert eine außerhalb des Blocks der Ringlaserkreisel angeordnete Stromquelle. Er wird mit Hilfe von glasisolierten Durchführungen in das Blockinnere geleitet, mit denen die Heizspule elektrisch leitend verschweißt ist. Diese Getterkörper werden als elektrisch gezündete Getterkörper bezeichnet, weil die zur Erwärmung erforderliche Heizenergie in Form eines elektrischen Stromes in den Block des zugehörigen Ringlaserkreisels eingeführt wird.

Die elektrisch gezündeten Getterkörper werden lediglich durch die mit den zugehörigen Durchführungen verbundenen Drähte ihrer elektrischen Heizspule im Block des betreffenden Ringlaserkreisels gehalten, um zu verhindern, daß sie im erwärmten Zustand die benachbarten Blockwandungen berühren. Diese Anbringung ist im Hinblick auf die hohen Beanspruchungen problematisch, welche bei Ringlaserkreiseln im Betrieb häufig auftreten. Die Drähte der Heizspule und ihre Befestigungen an den zugehörigen Durchführungen sind flexibel und neigen zum Bruch. Auf die Heizspule einwirkende mechanische Kräfte können die Tonerde- bzw. Magnesia-Isolierung verlagern, so daß die Gefahr eines Heizspulenkurzschlusses besteht. Beschleunigungskräfte können zum Bruch des Wolframdrahtes führen, welcher zur Versprödung infolge der großen Hitze beim Zünden neigt. Auch können Beschleunigungskräfte dazu führen, daß der jeweilige Getterkörper aufgrund der Nachgiebigkeit der tragenden Drähte vibriert. Wenn dieses mit der Eigenfrequenz geschieht, dann kann sich eine derart heftige Bewegung ergeben, daß der Getterkörper sich losreißt oder sich Teilchen vom Getterkörper lösen und weggeschleudert werden. Jedes abgebrochene Getterkörperteilchen stört den Betrieb des zugehörigen Ringlaserkreisels, selbst wenn es nur mikroskopisch klein ist.

Ein elektrisch gezündeter Getterkörper eines Ringlaserkreisels muß im Hinblick auf die Beschleunigungen und Vibrationen, denen ein Ringlaserkreisel häufig ausgesetzt ist, derart abgestützt werden, daß die Eigenfrequenz deutlich höher als 2 kHz ist. Außerdem muß die Abstützung so erfolgen, daß sie bei der Erwärmung des Getterkörpers auf die Aktivierungstemperatur von beispielsweise 900°C nicht als Wärmesenke wirkt, ebenso wie sie nicht ihre Vorspannung aufgrund der Berührung mit dem auf Aktivierungstemperatur befindlichen Getterkörper verlieren darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die geschilderten Nachteile der bekannten Anbringung elektrisch gezündeter Getterkörper im Resonanzkammer-Block von Ringlaserkreiseln zu vermeiden und einen Ringlaserkreisel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, dessen elektrisch gezündeter Getterkörper sicher und zuverlässig gehalten ist, ohne daß der erwärmte Getterkörper merklich Wärme verliert und die Haltekraft sich zum Zünden merklich verringert.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ringlaserkreisels sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Ringlaserkreisel ist der elektrisch gezündete Getterkörper im wesentlichen unbeweglich am Resonanzkammer-Block angebracht, wobei er vorzugsweise mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Block gedrückt wird, welche den Getterkörper stärker als die beim Betrieb des Ringlaserkreisels auf den Getterkörper einwirkenden Kräfte belastet, die abgefangen werden sollen. Vorteilhafterweise wird der Getterkörper mittels einer Feder gegen den Block gedrückt, welche die besagte Kraft vermittelt, und zwar vorzugsweise auch dann, wenn der Getterkörper beim Zünden auf seine Aktivierungstemperatur erwärmt wird. Dazu kann die Feder einen besonderen Abschnitt zur Federenergiespeicherung aufweisen, welcher gegenüber dem Getterkörper wenigstens teilweise wärmeisoliert ist, wozu der Federenergiespeicherabschnitt im Abstand vom Getterkörper angeordnet werden kann. Dabei wird die Feder vorteilhafterweise mit einem vom Federenergiespeicherabschnitt abstehenden Arm versehen, welcher am Getterkörper anliegt und zur Übertragung der gespeicherten Federenergie bzw. der entsprechenden Federkraft auf den Getterkörper dient. Die Feder kann so ausgestattet sein, daß der Federenergiespeicherabschnitt im wesentlichen die gesamte Energie der Feder speichert. Mit Vorteil ist zwischen dem Getterkörper und dem Block eine Linienberührung vorgesehen, so daß die Wärmeleitung zwischen dem Getterkörper und dem Block entsprechend gering ist und der erwärmte Getterkörper entsprechend wenig Wärme verliert, selbst dann, wenn er beim Zünden auf seine Aktivierungstemperatur erwärmt wird. Zu diesem Zweck kann der Getterkörper zylindrisch ausgebildet und in einer Nut des Blocks aufgenommen sein.

Als besonders günstig hat sich ein zylindrischer Getterkörper herausgestellt, welcher in einer Nut mit V-förmigem Querschnitt des Blocks aufgenommen ist und mittels einer Mausefallenfeder gegen die beiden Seitenflanken der Nut gedrückt wird. Die beiden koaxialen Wendelabschnitte der Mausefallenfeder, welche in erster Linie deren Federenergie speichern und also deren Federenergiespeicherabschnitt darstellen, werden durch die Erwärmung des Getterkörpers beim Zünden auf seine Aktivierungstemperatur von beispielsweise 900°C nicht weichgeglüht oder sonstwie beeinträchtigt, so daß die Vorbelastung des Getterkörpers konstant bleibt und weit größer als jede beim Betrieb des Ringlaserkreisels etwa zu erwartende Beschleunigungskraft sein kann. Der sich entlang der in den Block eingeschnittenen Nut erstreckende zylindrische Getterkörper berührt deren Seitenflanken nur entlang zweier Linien, was im Vakuum einen äußerst niedrigen Wärmeübergang zwischen dem Getterkörper und dem Block zur Folge hat und es somit erlaubt, den Getterkörper fest gegen den Block bzw. die Seitenflanken von dessen Nut zu drücken, ohne dadurch die Aktivierung des Getterkörpers zu beeinträchtigen. Die Mausefallenfeder kann mittels eines Jochs am Block angebracht werden, welches sich durch die beiden Wendelabschnitte erstreckt und an den beiden Enden am Block befestigt ist, beispielsweise mittels Punktschweißung.

Der Getterkörper kann an einer Scheibe angebracht werden, welche eine mit der Resonanzkammer kommunizierende Bohrung des Blocks dicht verschließt und am Block befestigt ist, ebenso wie die den Getterkörper belastende Feder und die glasisolierten Durchführungen für die elektrische Heizspule des Getterkörpers an der Scheibe angebracht werden können. Letztere kann auf der dem Block zugewandten Seite mit einer Umfangsausnehmung zur Aufnahme der äußeren Bohrungsmündung versehen sein, ferner unter Zwischenschaltung eines Indiumdrahtes als Kompressionsdichtung am Block befestigt werden.

Grundsätzlich kann der Getterkörper in irgendeinem inneren Hohlraum des Blocks des Ringlaserkreisels angeordnet werden, welcher mit der im Block ausgebildeten Resonanzkammer des Ringlaserkreisels kommuniziert und dessen Lasergas enthält, ebenso wie der Getterkörper an jeder Innenfläche eines solchen Hohlraums angebracht werden kann, unabhängig davon, ob sie am Block selbst oder einem damit festverbundenen Bauteil, wie der erwähnten Scheibe, ausgebildet ist.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ringlaserkreisels anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt der Anordnung zur Anbringung des elektrisch gezündeten Getterkörpers an dem Resonanzkammer-Block des Ringlaserkreisels;

Fig. 2 den Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1; und

Fig. 3 die Ansicht in Richtung des Pfeils III in Fig. 1, wobei der Block weggelassen ist.

Der Ringlaserkreisel weist einen dreieckigen Block 10 auf, in welchem die mit Lasergas gefüllte Resonanzkammer ausgebildet ist. Mit letzterer kommuniziert eine kreisrunde Bohrung 12 des Blocks 10, welche gegenüber dem Äußeren 14 des Blocks 10 hermetisch verschlossen ist, und zwar mittels einer wie ein Stopfen in die äußere Bohrungsmündung 15 eingesetzten kreisrunden Scheibe 16, die am Umfang abgestuft und auf der dem Block 10 zugewandten Seite mit einer Umfangsausnehmung 17 zur Aufnahme der äußeren Bohrungsmündung 15 versehen ist, um teilweise in die Bohrung 12 zu ragen und teilweise den Block 10 zu übergreifen, und zwar letzteres unter Zwischenschaltung eines Indiumdrahtes 18, welcher bei der Befestigung der Scheibe 16 am Block 10 zusammengedrückt wird, so daß er eine hermetisch abdichtende Kompressionsdichtung bildet, wie bekannt (US-PS 41 59 075).

Innerhalb der Bohrung 12 des Blocks 10 ist ein elektrisch gezündeter Getterkörper 20 mit einer eingebetteten Heizspule angeordnet, deren beide axial vom zylindrisch ausgebildeten Getterkörper 20 abstehenden Drahtenden 22 und 23 jeweils mit einer glasisolierten Durchführung 24 bzw. 25 verschweißt sind, so daß die Heizspule von einer äußeren, im Bereich 14 vorgesehenen Stromquelle her mit elektrischem Strom beaufschlagt werden kann, um den Getterkörper 20 zu erwärmen. Der nicht verdampfende Getterkörper 20 kann aus einer Zirkon/Titan-Legierung bestehen und ist porös, wozu er im Wege des Sinters unter Verwendung von Graphit hergestellt wird. Die nicht dargestellte Heizspule kann aus einem Wolfram- oder Kanthaldraht bestehen und zur elektrischen Isolierung mit Tonerde oder Magnesia beschichtet sein.

Der Getterkörper 20 ist in einer Nut 26 mit V-förmigem Querschnitt aufgenommen, welche auf der der Bohrung 12 zugewandten Seite in die Scheibe 16 eingeschnitten ist, jedoch auch von inneren Vorsprüngen der Scheibe 16 gebildet sein kann, ebenso wie sie eine andere Querschnittsgestalt aufweisen kann. Der sich entlang der Nut 26 erstreckende Getterkörper 20 ist in der Nut 26 starr abgestützt, ohne daß jedoch die beim Zünden auftretende Wärmeausdehnung behindert wäre. Die Berührungsfläche zwischen dem Getterkörper 20 und der Scheibe 16 ist äußerst gering, weil der zylindrische Getterkröper 20 die beiden Seitenflanken der Nut 26 mit V-förmigem Querschnitt jeweils nur entlang einer zu seiner Längsachse parallelen Linie berührt, so daß also die Wärmeleitung vom Getterkörper 20 in die Scheibe 16 entsprechend gering ist und Wärme vom Getterkörper 20 zur Scheibe 16 allenfalls im Wege der Wärmestrahlung übergeht. Es hat sich gezeigt, daß bei schneller Erwärmung des Getterkörpers 20 in wenigen Sekunden auf eine Temperatur von 900°C die Scheibe 16 eine Temperatur von lediglich annähernd 80°C annimmt, wenn sie von ruhender Luft umgeben ist.

Der Getterkörper 20 ist auf die Scheibe 16 zu vorbelastet und wird durch eine Feder 28 gegen die Scheibe 16 bzw. die beiden Seitenflanken von deren Nut 26 gedrückt, welche als Mausefallenfeder ausgebildet ist und zwei koaxiale, entgegengesetzt gewickelte und im Abstand voneinander angeordnete Wendelabschnitte 30 und 31 aufweist, die einerseits durch einen seitlich abstehenden sowie senkrecht zu ihrer gemeinsamen Längsachse verlaufenden U-förmigen Arm 32 miteinander verbunden und andererseits an den beiden äußeren Enden jeweils mit einem L-förmigen Arm 33 versehen sind, wobei die beiden Arme 33 sich auf der dem Arm 32 angewandten Seite von den Wendelabschnitten 30 und 31 weg erstrecken, und zwar ebenfalls senkrecht zu deren gemeinsamer Längsachse, so daß ihre abgebogenen Enden einander gegenüberliegen. Das freie Ende des mittleren Arms 32 der Feder 28 ist um einen Winkel von etwa 90° eingebogen, um den Getterkörper 20 sicher zu umgreifen. Die Feder 28 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, wie beispielsweise einem kaltgezogenen Draht aus korrosionsfestem Stahl der Reihe 300. Wesentlich ist, daß sie eine konstante Vorbelastung für den Getterkörper 20 vermittelt, welche größer als diejenigen Beschleunigungskräfte ist, denen er beim Betrieb des Ringlaserkreisels ausgesetzt ist.

Zur Befestigung der Feder 28 an der Scheibe 16 dient ein dünnes Joch 34, welches sich durch die beiden Wendelabschnitte 30 und 31 erstreckt und an den beiden Enden bei 36 bzw. 38 mit der Scheibe 16 punktverschweißt ist, also beiderseits der beiden Wendelabschnitte 30 und 31. Das Joch 34 hält die beiden Wendelabschnitte 30 und 31 an der Innenfläche der Scheibe 16, wobei der mittlere Arm 32 und die beiden äußeren Arme 33 der Feder 28 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Wendelabschnitte 30 und 31 gegen den Getterkörper 20 bzw. die Scheibe 16 drücken.

Die Ausbildung der Feder 28 als Mausefallenfeder vermittelt insbesondere den Vorteil, daß die Feder 28 dadurch weitgehend immun gegen Weichglühen infolge der im Getterkörper 20 während des Zündens erzeugten Wärme wird. Der hohen Temperatur des Getterkörpers 20 ist lediglich der mittlere Arm 32 der Feder 28 ausgesetzt, welcher nur zur Übertragung der in den Wendelabschnitten 30 und 31 gespeicherten Federenergie bzw. der entsprechenden Kraft der Feder 28 auf den Getterkörper 20 dient und weichgeglüht werden kann, ohne die Wirkung der Feder 28 zu beeinträchtigen. Dagegen sind die Wendelabschnitte 30 und 31, welche den größten Teil der Energie der Feder 28 speichern, im Abstand vom Getterkörper 20 angeordnet, so daß sie dessen hoher Temperatur nicht ausgesetzt sind. Darüberhinaus berühren sie benachbarte Metallteile, welche als Wärmesenke wirken und jegliche etwa zu den Wendelabschnitten 30 und 31 gelangende Wärme abziehen.

Mit der dargestellten und geschilderten Anordnung wurden Zündversuche und Vibrationsversuche mit unterschiedlichen Beschleunigungen bis zu 10 g in drei verschiedenen, zueinander senkrechten Richtungen durchgeführt. Weder vom Getterkörper 20 noch von der Heizspule bzw. deren Drahtenden 22 und 23 sowie den Verbindungen derselben mit den Durchführungen 24 und 25 haben sich Teilchen gelöst. Auch konnte keinerlei Resonanz beobachtet werden.

Abwandlungen von der dargestellten und geschilderten Ausführungsform sind möglich. Beispielsweise muß die Feder 28 nicht unbedingt als Mausefallenfeder ausgebildet werden, sondern kann auch eine anders gestaltete Feder 28 verwendet werden, wenn sie nur die erläuterten Funktionen erfüllt. Auch muß nicht unbedingt der erwähnte Federwerkstoff verwendet werden. Die Scheibe 16 muß nicht unbedingt einen abgestuften Umfang aufweisen, ebenso wie es möglich ist, den Getterkörper 20 an einem Bauteil anzubringen, welches nicht scheibenförmig ausgebildet ist, oder aber unmittelbar an einer Innenfläche des Blocks 10, wobei es sich auch um diejenige der Resonanzkammer des Blocks 10 handeln kann.

Claims (15)

1. Ringlaserkreisel mit einer in einem Block ausgebildeten, mit einem Lasergas gefüllten Resonanzkammer, wobei im Block ein elektrisch gezündeter Getterkörper zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Lasergas angeordnet ist, dessen Heizspule über Durchführungen mit einer äußeren Stromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterkörper (20) im wesentlichen unbeweglich am Block (10) angebracht ist.

2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterkörper (20) an einer Scheibe (16) angebracht ist, welche eine mit der Resonanzkammer kommunizierende Bohrung (12) des Blocks (10) dicht verschließt und am Block (10) befestigt ist.

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16) auf der dem Block (10) zugewandten Seite mit einer Umfangsausnehmung (17) zur Aufnahme der äußeren Bohrungsmündung (13) versehen ist.

4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16) unter Zwischenschaltung eines Indiumdrahtes (18) als Kompressionsdichtung am Block (10) befestigt ist.

5. Ringlaserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterkörper (20) mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Block (10) bzw. die Scheibe (16) gedrückt ist.

6. Ringlaserkreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterkörper (20) mittels einer Feder (28) gegen den Block (10) bzw. die Scheibe (16) gedrückt ist.

7. Ringlaserkreisel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (28) einen Federenergiespeicherabschnitt (30, 31) aufweist, welcher gegenüber dem Getterkörper (20) wenigstens teilweise wärmeisoliert ist.

8. Ringlaserkreisel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Federenergiespeicherabschnitt (30, 31) im Abstand vom Getterkörper (20) angeordnet ist.

9. Ringlaserkreisel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Federenergiespeicherabschnitt (30, 31) ein Arm (32) absteht, mit welchem die Feder (28) am Getterkörper (20) anliegt.

10. Ringlaserkreisel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (28) als Mausefallenfeder ausgebildet ist.

11. Ringlaserkreisel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (28) mittels eines Jochs (34) am Block (10) bzw. an der Scheibe (16) angebracht ist, welches sich durch die beiden koaxialen Wendelabschnitte (30, 31) der Feder (28) erstreckt und an den beiden Enden am Block (10) bzw. an der Scheibe (16) befestigt ist.

12. Ringlaserkreisel nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Federenergiespeicherabschnitt bzw. die Wendelabschnitte (30, 31) im wesentlichen die gesamte Energie der Feder (28) speichert bzw. speichern.

13. Ringlaserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Getterkörper (20) und dem Block (10) bzw. der Scheibe (16) eine Linienberührung vorgesehen ist.

14. Ringlaserkreisel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterkörper (20) zylindrisch ausgebildet und in einer Nut (26) des Blocks (10) bzw. der Scheibe (16) aufgenommen ist.

15. Ringlaserkreisel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (26) einen V-förmigen Querschnitt aufweist.