Bestrahlungsapparat Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Herstellung
einer nahezu gleichförmigen Strahlungsintensität, die durch Einstrahlung eines Bündels
von weniger als einigen Grad gegenüber einem exakt parallelen Bündel hervorgerufen
wird, in mehreren in der Tiefe hintereinanderliegenden Ebenen. Diese Strahlung wird
z.B. für sogenannte solare Simulatoren benötigt, die, wie der Name sagt, bei der
Prüfung künstlicher Satelliten die Sonnenstrahlung nachbilden, während diese in
Prüfkammern auf der Erde den Bedingungen im Weltraum unterworfen werden. Im Idealfalle
soll die Strahlung eines _ solaren Simulators als Bündel von nur etwa 114o entsprechend
der Bündelung der natürlichen Sonnenstrahlung vorliegen, aber mit Ausnahme von Strahlen
geringen Querschnitts ist solch eine genaue Nachbildung im Augenblick nicht durchführbar,
und man muß einen größeren Winkel hinnehmen. Manchmal sind Winkel bis zu +
100. annehmbar, je kleiner jedoch der Winkel ist, desto zweckdienlicher sind
im allgemeinen die Prüfungsergebnisse infbesondere bei Satelliten von komplizierter
Gestalt. Hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Intensität können Schwankungen von
+ 5% hingenommen werden; aber auch in diesem Falle führen wieder geringere Abweichungen
zu besseren Prüfergebnissen. Verschiedene Formen der solaren Simulatoren, die diese
genannten Erfordernisse möglichst gut erfüllen, sind bereits vorgeschlagen worden;
aber im allgemeinen sind sie ziemlich kompliziert. Ziel der Erfindung ist daher
ein Strahlungssimulator,
der die Sonnenstrahlung unter annehmbarer
Genauigkeit und im selben Grade iLe die bekannten Systeme nachbilden kann, der aber
in seinem Aufbau, seiner Arbeitsweise und seiner Einstellung viel einfacher ist.
Mit dem Strahlungssimulator gemäß der Erfindung kann auch andere Strahlung, z. B.
die Wärmestrahlung oder das von der Erde reflektierte Sonnenlicht nachgebildet werden.
Gemäß der Erfindung sind in einem Strahlungssimulator einer Anordnung von Strahlungsquellen
(z. B. im Falle der Nachbildung der Sonnenstrahlung von Bogenlampen mit Reflektoren)
entsprechende optische Systeme zugeordnet, die die von den Quellen kommenden Strahlen
mit etwa gleichförmiger Intensität in eine Brennebene werfen, in der sie eine scharf
begrenzte, vorgegebene Querschnittsform aufweisen, wobei sie entsprechend gestaltete,
einzelne Flächen bestrahlen, die durch eine gegenseitige Überlappung einen zusammengesetzten
Strahlungsbereich bilden; auf diese Weise können sich dreieckige, rechteckige und
sechseckige Formen überschneiden. Um die gewünschte Wirkung zu erreichen, enthält
das der jeweiligen-Strahlungsquelle zugeordnete optische System eine den Strahl
formende Anordnung mit einer Öffnung, die die gewünschte Querschnittsform des Strahls
begrenzt, (diese Öffnung liegt dabei in bezug auf die Strahlungsquelle an einer
Stelle, an der sie nahezu gleichförmig von dieser beleuchtet wird), und ein Projektionssystem
zur Abbildung der Öffnungin der Brennebene. Die den Strahl formende Anordnung kann
aus einer Blende mit einer Öffnung von der notwendigen Gestalt oder aus einer Feldlinse
bestehen, an der die gewünschte Gestalt der Öffnung ausgebildet oder abgedeckt ist.
In den Ebenen jenseits der Brennebene ergibt die Ausbreitung der einzelnen Strahlen
eine Bestrahlung eines zusammengesetzten Bereiches, in dem die einzeln bestrahlten
Flächen nicht mehr so scharf begrenzt sind, weil die Strahlungsintensität
im
jeweiligen Strahl in._Riehtung der Ränder der von diesem Strahl erfaßten.Fläche
abfällt. Mit:Ausnahme am äußeren Umfang des-zusammengesetzten Bereiches wird.die..dem
jeweiligen-Strahl zukommende Intensitätsabnahme durch den . Zusammenfall mit einem
sich ausbreitenden benachbarten-Strahl kompensiert; während in der Brennebene die
einzelnen Strahlquerschnittsflächen aneinander anstoßen öder sich nur etwas überlappen,
ergibt die Ausbreitung der Strahlen jenseits der Brennebene eine bedeutsame Überlappung
der einzelnen Bereiche, wodurch.sich in den überlappenden Randbereichen die Intensität.gegenseitig
kompensiert. Infolge dieser Kompensation bleibt-die Gesamtintensität nahezu gleichförmig
mit Ausnahme in--der Nähe der äußeren-Ränder des zusammengesetz.t bestrahlten Bereiches,
an denen kein benachbarter Strahl -cl.en Intensitätsabfall der Strahlen kompensiert,
die in die .am Umfang liegenden-Flächen einfallen. Nun seien. die einzeln durchstrahlten
i#uerschnittsflächen in. der Brennebene betrachtet; wenn die am Umfang liegenden
Flächen völlig dieselbe zueinander passende Gestalt wie die übrigen Bereiche hätten,,
(nämlich völlig dreieckig, rechteckig oder sechseckig wären), würde der sich ergebende
zusammengesetzte Bereich eine entsprechend unregelmäßige, äußere Grenze besitzen.
Im allgemeinen soll ein-zu bestrahlender Präfbere.ich-jedoch einen regelmäßigen,
meistens kreisrunden oder ovalen Umriß aufi:eisen. Ein weiteres lvierkmal des Strahlungssimulators
gemäß der Erfindung besteht darin, daß die inmindestens einige am Umfang .liegende
?lächen einfallenden Strahleneine Gestalt erhalten, die sich besser an den gewünschten.UmriB_des
Prüfbereiches anpaßt, wozu die wixksamen Öffnungen in den betreffenden, den Strahl
formenden Anordnungen entsprechend gestaltet werden; darüberhinaus_ wird etwas,_-Strahlung"
die sonst auf diese. den Strahl formenden -AnQrdnung-en einfallen, und, von ihnen
blockiert werden würde., eingefangen und--durch die Öffnungen .(-inf_olge:Reflexion
oder
Brechung) zurückgeleitet, um die Strahlungsintensität in den
Randpartien des zusammengesetzten Strahlungsbereiches zu ergänzen und dadurch dem
zuvor erwähnten Abfall der Intensität in der Nähe dieser-Ränder in den--Ebenen jenseits
der Brennebene entgegenzuwirken. Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden-Abbildungen
ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden
Einzelheiten oder Merlmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung. bei .ragen
können und mit dem Willen zur Patentierung in die-Anmeldung aufgenommen wurden.
Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine Satellitenprüfkammer, die mit dem erfindungsgemäßen
Strahlungssimulator versehen ist. Figur 2 zeigt im vergrößerten Malistab einen Ausschnitt
aus dem Muster der einzelnen in der Brennebene durchstr;flten auerschnittsflächen.
Figur 3 gibt die Strahlungsstärke an., die den b@3nuclih;:r t cti Strahlen längs
einer Linie III-III (Figur 2) in Lict@ A (Figur 1) und einer Ebene B (Figur 1 )
hinter der breriiic i,oi;r zukommt. Figur 4 stellt im stärker vergrößerten. Maßstab
zwei benachbarte Strahlungsquellen mit ihrem zugehörigen optischen System dar, von
dem eine am Umfang liegende Fläche des zusammengesetzten Musters bestrahlt wird.-
_ -Figur 5 zeigt in weiterer Vergrößerung einen eingefaßten Ausschnitt aus der Figur
4. Figur 6 stellt _eine..andersartige Anordnung der Figur 5..-dar.. In Figur .1
ist-eine Anordnung. von Strahlungsquellen .1, .,1'
mit ihrem zugehörigen
optischen System 2, 2' zu sehen, aus dem ein Strahl 3, 3' durch ein Fenster 4 austritt
und eine Satellitenprüfkammer 5 gelangen: Die optischen Systeme 2, 21 besitzen innerhalb
der Kammer eine gemeinsame Brennebene A und erteilen dem jeweiligen Strahl eine
im Querschnitt nahezu gleichförmige Intensität und eine vorgegebene, z. B: sechseckige
Querschnittsform. Innerhalb der Prüfkammer ist ein gedachter (kugelförmiger) Prüfraum
6 angenommen, in dem ein zu untersuchender Satellit ? von beliebiger r'orm untergebracht
ist. Die vollständige Anordnung der Quellen 1 wird von zahlreichen parallelen Rei#en
gebilaet, in denen diese dreiecksartig.versetzt sind, damit ihre Strahlen durch
ihr netreffendes optisches System in die Ebene A fallen, in der sich einander anstoßende
secnseckige Flächen a,-b und c (Figur 2) einschließlich der Randflächen c etwas
überlappen. Durch die Wahl der Abstände und Brennweiten in den optischen Systemen
ist die Brennebene A, wie in Figur 1 angegeben ist, neben die Grenze des Prüfraumes
gelegt, an der sie dem Simulator am nächsten liegt. Der Grund hierfür ist dadurch
gegeben, daß in den dem Simulator näher als die Brennebene A gelegenen Ebenen Räume
zwischen den benachbarten Strahlen bestehen; wenn sich also die Ebene A näher am
Mittelpunkt des Prüfraumes befinden würde, wären@bei der Bestrahlung der Satellitenoberfläche
Löcher in denjenigen Ebenen vorhanden, die näher am Simulator gelegen sind. Die
Intensität längs einer Linie III-II.I (Figur 2) in der Brennebene A ist als Figur
3A graphisch aufgetragen. Da die in die Flächen a, b und c einfallenden Strahlen
in dieser Ebene mit einem ziemlich scharfen Rand versehen sind und aneinander anstoßen,
ist eine Strahlungsintensität i ziemlich gleichförmig. In einer Ebene B (Figur 1)
hinter der Brennebene haben die Strahlen an den Rändern ihre Schärfe verloren und
sind in einem solchen Maße verbreitert, daß sie sich nun überlappen.-Die längs einen
der Linie III=III entsprechenden
Linie in der Ebene B abgeänderte
Intensität in Querschnittsflächen a', b' und c'l die den Flächen a, b und c entsprechen,
ist in Figur 3B wiedergegeben. In den sich überlappenden Abschnitten der benachbarten
Flächen a' und b' ergänzen die Strahlintensitäten sich gegenseitig, damit eine nahezu
gleichförmige Intensität i' beibehalten wird. Am äußeren Rand der am Umfang liegenden
Fläche c' fehlt 'jedoch ein benachbarter Strahl, der den Intensitätsabfall am Rande
(Neigung x) ergänzt. In Figur 2 gibt eine strichpunktierte Linie T die Grenze des
Prüfraumes 6 (Figur 1) wieder, der auf die Brennebene A projiziert ist. Wenn der
Strahl, der die Fläche c durchquert, wie angenommen, dieselbe Querschnittsform wie
diejenigen Strahlen besitzt, die in die Flächen a und b fallen, dann tritt der Anteil
des Strahls, der dem schraffierten Teil der Fläche centspricht, nutzlos au:s dem
Prüfraum heraus. Wenn man diese nutzlose Strahlung in die Raumkammer eintreten läßt,
sucht sie unnötigerweise die Temperatur derjenigen Fläche zu erhöhen, auf die sie
einfällt, und ruft dadurch eine unerwünschte zusätzliche-Belastung des-Kühlsystems
der Raumkammer hervor. Die am Umfang erscheinenden Strahlen, die z. B. auf die bestrahlte
Fläche c fallen,können daher mit Vorteil in eine Gestalt gebracht werden, die besser
der projizierten Prüfraumgrenze T angepaßt ist. Dann. tritt noch ein Intensitätsabfall
neben dein äußeren Rändern dieser Strahlen auf, (der als Neigung x' in Figur 3 angegeben
ist); diesem kann dadurch entgegengewirkt werden, daß etwas Strahlung aus den weggefallenen
Teilen der am Umfang erscheinenden Strahlen,(also aus denjenigen Teilen, die sonst
aus dem Prüfraum herausfallen-würden), eingefangen und zurückgelenkt wird, um eine
Randintensität z zu ergänzen. Die Art und Weise, wie dieses geschieht, sei in Verbindung
mit den Figuren 5 und°6 beschrieben.
In Figur 4 sind die typischen
Strahlungsquellen '1 und 1t zusehen, die ihr Licht durch ihr-optisches System 2
bzw. 2' auf die entsprechende Fläche b bzw.-c in der Brennebene werfen. Die Quelle
1 wird von"einer kompakten Xenon-Bögenlampe 10 oder einer sonstigen hampe-von starker
Helligkeit gebildet,-deren spektrale Zusammensetzung für die nachzubildende Strahlung
charakteristisch ist. Sie-ist auf der Achse eines Re= flektors 11 angeordnet, dessen
beispielsweise elliptische Gestalt eine nahezu gleichförmige Bestrahlung der wirksamen
Öffnung eines den Strahl formenden Gerätes 21 zugehörigen optischen System 2 bewirkt.
Dieses ist als doppeltkonvexe Feldlinse wiedergegeben, deren Formsechseckig ist,
oder die sechseckig abgedeckt ist. Ihre von der Quelle 1 gleichförmig bestrahlte,
wirksame,sechseckige Öffnung wird von einer doppeltkonvexen Projektionslinse 22
scharf in der Brennebene abgebildet; diese Linse arbeitet ähnlich wie ein Kinoprojektor
oder Linsenscheinwerfer. Für die-Quelle 1', die z: B. die am Umfang liegende Fläche
c bestrahlt`, ist eine Feldlinse 21' im zugehörigen optischen -System 2' mit einer
Blende 23 (Figur 5) versehen, die den austretenden Strahl dicht an der äußeren Randpartie
der Prüffläche abschneidet, wie bereits erklärt ist. Zwischen der Blende 23 und
der Strahlungsquelle
11 ist ein Reflektor 24 (Figuren 4 und 5), auch ein
Brechungsprisma 25 (Figur 6) oder ein linsenabschnitt angeordnet, von-dem die auf
ihn einfallende Strahlung, die sonst von der Blende 23 blockiert würde, durch die
Feldlinse 21' als Strahl 26 umgelenkt wird, um die Strahlungsintensität am der bestrahlten
Fläche zu ergänzen. Die dadurch hinsichtlich der tichtintensität.bewirkte Korrektur
wird (durch eine ents=prechende Wahl: der Größe, Gestalt und -Orientierung des-
Reflektors 24., oder Prismas 25-Y in bezüg auf eine spezielle Ebene im= Prüfraum.
vorgegeben; was -von der ,Form' des zu prüfenden Satelliten :. - r
abhängt;
es ist diejenige Ebene, in der die Oberfläche des Satelliten den korrigierten Teil
des Strahls schneidet.
| Wenn ein Teil der abgeblendeten Strahlen durch die Feldlinse
21' |
| umgelenkt wird, muß eine Projektionslinse 22' etwas größer
als |
| notwendig sein, um das Bild der Feldlnsenöffnung aufzunehm.ena |
| Anstatt Feldlinsen 21 und 21' können auch Blenden angewendet' |
| werden, deren Öffnungsgestalt der gewünschten Querschnittsform |
| des Strahls entsiricht; dabei ist es gleichgültig, ob dieser |
| völlig sechseckig wie im Falle der Quelle 1 (Fläche b) oder
nur . |
| teilweise sechseckig wie im Falle der Quelle 1° (Fläche c)
ist. |
| .Anstatt nur eine Feld- und Projektionslinse für jeden Strahl
zu |
| benutzen, kann ein System Verwendung finden, das für jeden
Strahl |
| eine Matrix aus Feldlinsen und Projektionslinsen enthält, die |
| die Strahlung in unterschiedlichen Teilen des Strahls beeinflus- |
| en und in einem. ge@:lein.amen Bereich der Brennebene fokussieren. |
| Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine Gruppe von sqiben |
| Strahlen mit sich überla.penden sechseckigen Querschnittsflächen |
| für jeden Punkt in der Brennebene oder in der zu beleuchtenden |
| PLüfebene angeordnet sein. |