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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Erweiterung der Lebensdauer eines dreiachsigen Kreisels.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist eine Begrenzung der Lebensdauer eines Laser-Kreisels direkt mit der Betriebszeit der Kathode verknüpft. Diese Betriebszeit wird begrenzt durch die Zerstäubung der Oxydschicht, die auf der Kathode abgelagert ist. Für eine betrachtete Kathoden-Geometrie ist die Lebensdauer hauptsächlich von der Stromdichte abhängig, die von der Kathode benötigt wird.
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Zunächst werden die Hauptmerkmale eines dreiachsigen Kreisels betrachtet. Die aktuelle Konfiguration eines solchen Kreisels (1) verwendet ein System von Plasma-Entladungen, das von einer einzelnen Kathode (CA) ausgeht, und dann durch den Übergang auf drei Verknüpfungs-Kapillaren (C1 bis C3) aufgeteilt wird, die in die Gas-Reserven, B bzw. C bzw. D bezeichnet, münden. Zur Vereinfachung der Zeichnung von 1 bis 4 sind die Kathoden nicht dargestellt, aber der Anfang der entsprechenden Kapillaren, die mit diesen Kathoden verknüpfen. Von jeder Gas-Reserve gehen dann dort zwei Plasma-Leitungs-Kapillaren aus, die die Anoden versorgen. Um die Zeichnung zu vereinfachen, zeigt 2 nur den Fall der Gas-Reserve für den Spiegel D, wobei die Konfiguration der Elemente in Bezug auf die anderen Gas-Reserven die gleiche ist wie für D. Diese Reserve ist über die Kapillaren CD1 und CD2 mit den Anoden A1 und A2 verbunden, die Teile der Kavitäten formen, die von den Spiegeln (A, D, F, F) und (F, C, D, E) und den Kapillaren, die sie verknüpfen, begrenzt werden. Die Kathode CA ist dafür mit den sechs Anoden (A1 bis A6) verknüpft. Dieser Aufbau macht es möglich, eine symmetrische Konfiguration zu wahren, die zwei Anoden für jede Kavität verwendet.
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Ein dreiachsiger Laser-Kreisel gemäß dem Stand der Technik, wie oben erwähnt, zum Beispiel der PIXYZ®-Kreisel, hat folgende Merkmale:
- – Dreiachsiger Laser-Kreisel, drei Laser-Kavitäten enthaltend, die zueinander paarweise orthogonal sind (siehe 1 und 2). Diese drei Kavitäten sind in ein und demselben Block aus Zérodur® inkorporiert, welches durch eine sehr geringe thermische Ausdehnung gekennzeichnet ist.
- – Der dreiachsige Aufbau enthält sechs Spiegel (drei Übertragungs-Spiegel und drei piezoelektrisch gehalterte, ortsverschiebbare Spiegel, nachstehend „Piezo-Spiegel” genannt).
- – Der Gewinn, der den Laser-Effekt ergibt, wird durch die elektrischen Entladungen in einem He-Ne-Plasma zwischen einer Kathode und verschiedenen Anoden (vorzugsweise sechs) erzielt.
- – Der optische Block besitzt ein mit ihm verbundenes Aktivierungs-System, das auf einer der „Trisektrizen” des Blocks platziert ist (eine Trisektrix ist wie folgt definiert: wenn die sechs Spiegel A bis F je auf einem der Mittelpunkte der Seitenflächen eines Würfels zu legen wären, dann wäre jede Trisektrix eine Achse, die zwei gegenüberliegende Ecken dieses Würfels verbindet). Dieses mechanische System bietet eine Möglichkeit zur Überwindung des so genannten „Blind-Bereich”-Effekts.
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Wenn wir insbesondere eine Kavität betrachten, so ist die Kavität von vier Spiegeln umschlossen. Zwei werden als „Piezo-Spiegel” (Spiegel mit Servogesteuerter Stellung) verwendet, was es ermöglicht, die Kavitäts-Länge auf eine ganze Anzahl von Wellenlängen einzustellen. Die anderen beiden sind teilweise reflektierende Spiegel. Einer dieser Spiegel trägt ein Lese-System, welches es ermöglicht, nachdem die beiden Strahlen CW und CCW (gegenläufige Strahlen) der Laser-Kavität wieder zusammengeführt wurden, ein Interferenz-Muster zu erhalten. Wenn die Kavität rotiert, läuft dieses Muster an der Vorderseite zweier photoelektrischer Zellen vorbei, die in Phasenquadratur angeordnet sind. Die von den Zellen erfasste Frequenz hängt von der Winkelgeschwindigkeit des optischen Blocks um die empfindliche Achse der Kavität ab. Die Phase zwischen den beiden Signalen, die von den Zellen empfangen werden, hängt von der Rotationsrichtung der Kavität ab.
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Eine Membran ermöglicht es, die Hauptmode TEM00 des Lasers auszuwählen und höhere Moden zu unterdrücken. Für jede Kavität wird eine Membran verwendet.
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Wie in
FR 2 759 160 A1 beschrieben, zieht die Leistungsoptimierung des Kreisels insbesondere mit sich:
- – Die Verwendung von zwei elektrischen Entladungen für jede Kavität. Jede Entladung wird zwischen der gemeinsamen Kathode und einer Anode aufgebaut. Die beiden Anoden sind in der Ebene der Kavität platziert. Diese symmetrische Definition ermöglicht es, die Gasströmungs-Effekte in der Kavität (Fizeau-Effekt) zu überwinden.
- – Die Verwendung einer Aktivierung, deren empfindliche Achse mit der „Kathoden”-Achse kombiniert ist (Achse 1, die in 1 durch die Kathode CA hindurch geht).
- – Die vertikale Platzierung dieser Aktivierungs-Achse im Träger, so dass die Wärmeabführung des Blocks symmetrisch gemacht wird.
- – Die Verwendung von Ausgleichskapillaren zwischen den Anoden, so dass die Einschalt-Effekte des Kreisels reduziert werden (siehe französische Patentanmeldung FR 2 730 561 A1). ).
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In einem dreiachsigen Kreisel, wie oben beschrieben, beträgt der von der Kathode benötigte Strom das Sechsfache des Betriebsstromes des Kreisels. Für eine Anwendung, die eine sehr hohe Lebensdauer erfordert, ist diese Konfiguration durch den Umstand der hohen Stromdichte, die von der Kathode benötigt wird, begrenzt.
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Aus der
US 5 371 589 A ist ein Laser-Kreisel vom Typ mit einem optischen Block bekannt, der drei miteinander kommunizierende optische Resonanz-Kavitäten enthält und der drei Kathoden aufweist, die jede mit zwei von drei Kavitäten verknüpft ist, wobei diese beiden Kavitäten jedes Mal in ringförmiger Permutation verwendet werden. Die Art der Verknüpfung ist jedoch nachteilig.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur Erweiterung der Lebensdauer eines dreiachsigen Kreisels in möglichst einfacher und kostengünstiger Weise.
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Der Kreisel gemäß der Erfindung ist ein Laser-Kreisel von der Art enthaltend einen optischen Block, der drei kommunizierende, optische Resonanz-Kavitäten enthält, die ein reguläres Achtflach formen, der acht dreieckige Seitenflächen besitzt, wobei jede der Kavitäten vier kapillare Segmente vorweist, die ein Quadrat rechtwinklig zu einer entsprechenden, empfindlichen Achse bilden, wobei diese Kavitäten derart angeordnet sind, dass jeder der Winkel von einer Kavität mit dem Winkel einer anderen Kavität zusammenfällt und mit ihr kommuniziert, einen Spiegel, der jedem zusammenfallenden Winkel-Paar zugeordnet ist und so ausgerichtet ist, dass er von den beiden Kavitäten verwendet wird, die das genannte Paar bilden, wobei jede Kavität vier Spiegel verwendet, von denen zwei durchlässig sind, wobei einer von ihnen ein Lese-Spiegel ist, und wobei die anderen beiden Kavitäts-Längen-Servo-Spiegel sind, wobei der genannte Kreisel ferner einen Aktivierungs-Mechanismus enthält, um den Block gemäß einer hin- und hergehenden Rotations-Bewegung um eine Aktivierungs-Achse anzutreiben, und dadurch gekennzeichnet ist, dass er drei Kathoden enthält, die jeweils mit zwei von drei Kavitäten verbunden sind, wobei diese beiden Kavitäten jeweils in ringförmiger Permutation verwendet werden.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist jede Kathode mit einer Gas-Reserve verknüpft, der ein Spiegel zugeordnet ist, wobei diese Reserve ihrerseits mit zwei Kavitäts-Kapillaren verknüpft ist, die zu zwei verschiedenen Kavitäten gehören.
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Die vorliegende Erfindung wird besser durch Lesen der detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform verstanden werden, die als nicht-beschränkendes Beispiel genommen wird und in der angehängten Zeichnung dargestellt wird, in der:
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1 eine perspektivische Ansicht auf einen optischen Blocks eines Kreisels gemäß dem Stand der Technik ist, der den Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung liefert,
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2 eine perspektivische Ansicht auf den optischen Block des Kreisels aus 1 ist, der aus einem anderen Winkel betrachtet wird und detaillierter die Gas-Reserve zeigt, der ein Spiegel zugeordnet ist,
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3 und 4 perspektivische Ansichten auf einen optischen Block eines Kreisels gemäß der Erfindung aus verschiedenen Betrachtungswinkeln sind, wobei 4 detaillierter die Gas-Reserve zeigt, der ein Spiegel zugeordnet ist,
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5 ein Diagramm eines beispielhaften, elektrischen Energieversorgungs-Schaltkreises für den optischen Block des erfinderischen Kreisels ist,
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6 ein Diagramm eines beispielhaften Schaltkreises zum Ermöglichen des Überprüfens einer guten Zündung für den erfinderischen Kreisel ist, und
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7 ein Diagramm eines anderen beispielhaften, elektrischen Energieversorgungs-Schaltkreises für den optischen Block des erfinderischen Kreisels ist.
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Eines der Haupt-Merkmale des erfinderischen Kreisels ist, dass er drei Kathoden enthält, wobei jede zwei Anoden versorgt, um so die Stromdichte, die jede Kathode durchdringt, sehr bedeutend zu reduzieren. Folglich bringt diese Konfiguration die Modifikation der Stromregelung und der Zündfolge des Kreisels mit sich. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Kreisel gemäß dem Stand der Technik, wie in 1 und 2 dargestellt, für die Teile, die er mit dem erfinderischen Kreisel gemein hat, und nur die neuartigen Elemente des letzteren werden detailliert beschrieben.
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Im erfinderischen Kreisel mit optischem Block mit drei Kathoden ist jede Kathode (K1 bis K3) über eine Kapillare (beziehungsweise CAP1 bis CAP3) mit einer der drei Gas-Reserven verknüpft, der die Spiegel B, C, D zugeordnet sind, wie in 3 und 4 gezeigt. Von jeder Gas-Reserve führen, wie im Kreisel gemäß dem Stand der Technik, zwei Kapillaren zu zwei Anoden. Demnach, wie in 4 gezeigt, versorgt die Kathode K1 die Plasmen der Anoden A11 und A12. Gleichermaßen versorgt die Kathode K2 A21 und A22, und die Kathode K3 versorgt A31 und A32. Diese Teile mit Plasma, zwischen Reserve und Anoden, werden zur Bereitstellung des Gewinns des Lasers verwendet.
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Die Achse von jeder Kathode ist vorzugsweise auf einer der Trisektrizen des Blocks platziert. Die vierte Trisektrix entspricht der Aktivierungs-Achse. Diese Konfiguration macht es möglich, die Rotations-Symmetrie auf 120° vom optischen Block des Kreisels zu wahren.
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Es wird erkannt werden, dass nun im erfinderischen Gerät jede Kathode jetzt nur zwei Anoden mit Strom zu versorgen hat. Daher ein Faktor von 3 auf die Stromdichte, die der Kathode abverlangt wird. Wenn die experimentellen Kathoden-Alterungsgesetze von der Form: Lebensdauer = k·j–n mit: j = Kathoden-Stromdichte und n: zwischen 2,5 und 3
sind, kann leicht berechnet werden, dass der erwartete Gewinn an Lebensdauer in der Größenordnung von 20 liegt, und das natürlich für den Fall, in dem der dreiachsige Kreisel mit drei Kathoden die selbe Kathoden-Geometrie wahrt wie der Einzel-Kathoden-Kreisel gemäß dem Stand der Technik.
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Hinsichtlich der Leistungsfähigkeitswerte bezuglich Fehlerhafter Nullpunkt (auch Bias genannt), der Empfindlichkeit für thermische Abweichungen und des Einschalt-Prozesses von jeder Kavität wird vermerkt, dass der gesamte Block mit einer Symmetrie von 120° verbleibt, mit der Achse, auf der die Aktivierungs-Achse platziert ist, als Symmetrie-Achse. Die Konfiguration mit drei Kathoden wahrt die folgenden Eigenschaften:
- – Verwendung von zwei Anoden für jede Kavität, wobei die sechs Anoden alle 60° platziert werden können,
- – Anoden in der Ebene von jeweiliger Kavität,
- – Symmetrie von lokaler Heizung der Kathoden bezüglich der Aktivierungs-Achse.
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Das Ergebnis ist, dass die Leistungsmerkmale, die mit der Temperatur und der geometrischen Symmetrie der Kapillaren verknüpft sind, beibehalten werden.
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Es folgt nun eine Beschreibung eines elektronischen Gerätes für die Zündung eines dreiachsigen Kreisels mit drei Kathoden sowie den zugeordneten Stromregelungs-Schaltkreisen.
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Im Betrieb des Laser-Kreisels ist es wichtig, die Plasma-Entladungen hinsichtlich des Betriebs-Stromes symmetrisch zu machen, um die Instabilitäten des Fehlerhaften Nullpunktes zu reduzieren. Diese Funktion wird erzielt durch Steuerung der Zündfolge, um alle diese Entladungs-Zweige korrekt zu zünden, und dann durch Stromregelung, damit alle diese Zweige den gleichen Betriebs-Strom erhalten.
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In der beispielhaften Ausführungsform von 5 wird die Zündung des Kreisels durch Anlegen einer Spannung von einigen kV (typischerweise 3 kV bis 5 kV) an jede Kathode erreicht, während der Kreisel aus ist. Nach der Zündung wird der Wert der Kathoden-Spannung auf einen Erhaltungs-Wert von einigen 100 V (typischerweise zwischen 500 und 900 V) reduziert. Dieser symmetrische Zünd-Schaltkreis verwendet eine einzelne Hochspannungs-Energiequelle (HV), der eine einzelne Energiequelle mit sehr hoher Spannung (VHV) zugeordnet ist. Die Spannungen werden dann über ein Netzwerk von Widerständen und Dioden an die Kathoden verteilt. Jede Kathode ist über eine Diode (D1 bis D3), die als Schalter dient, mit der HV verknüpft, und ebenso über einen hochohmigen Widerstand (R1 bis R3) mit der VHV verknüpft, der es ermöglicht, die VHV der HV solange zu überlagern, wie die Kathode keinen Strom zieht. Ein typischer Widerstand zum Anlegen der VHV beträgt 100 MΩ.
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Der Wert des verwendeten Widerstands hängt von der Erzeugung der VHV ab. Wenn letztere durch einen Impuls-Transformator erzielt wird, hängt der Wert des Widerstands von der Impuls-Wiederholungsfrequenz ab. Es ist in der Tat notwendig, dass die VHV bis zur Zündung der Zweige, die mit der als letzte gezündeten Kathode verknüpft sind, ausreichend bleibt (in der Größenordnung einiger kV), auch wenn eine der Kathoden vor den anderen gezündet wurde.
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Eine solche Konfiguration eines Zündungs-Schaltkreises bleibt gültig unter Verwendung von drei Impuls-Transformatoren, die jeweils über ein R-C-Netzwerk mit einer Kathode verknüpft sind, oder unter Verwendung einer Energie-Quelle mit einer kontinuierlichen VHV. Diese Schaltkreise ermöglichen es, die Widerstände auf niedrigere Werte (einige 100 KΩ) zu reduzieren.
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Eine andere Konfiguration kann auch darin bestehen, drei „HV + VHV”-Energiequellen mit elektrischer Isolation untereinander zu verwenden 7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Schaltkreises. Dieser Schaltkreis enthält für jede Kathode K1 bis K3 einen Impuls-Transformator (T1 bis T3), dessen Sekundärseite Hochspannung (HV1 bis HV3) und sehr hohe Spannung (VHV1 bis VHV3) für die jeweilige Kathode bereitstellt. Der Impuls, der die sehr hohe Spannung erzeugt, wird über einen Steuerungs-Transistor (Q1 bis Q3), der von den Steuerungen (CDAM1 bis CDAM3) im Puls-Modus betrieben wird, an die Primärseite von jedem Transformator (T1 bis T3) gesendet. Die Primärseite dieser Transformatoren wird ferner mit einer mittleren Spannung (MV1 bis MV3) versorgt, etwa zwischen 100 und 300 V. Auf der Sekundärseite von jedem Transformator wird die sehr hohe Spannung von den Netzwerken (D1A, C1) bis (D3A, C3) bereinigt und gefiltert. Die Spannungen werden dann durch ein Netzwerk von Widerständen und Dioden, die die Elemente D1 bis D3 und R1 bis R3 enthalten, an jede der Kathoden verteilt. Jede Kathode (K1 bis K3) ist über eine Diode (D1 bis D3), die als Schalter dient, mit der HV verknüpft, und ist auch mit der VHV verknüpft über einen Widerstand (R1 bis R3) von hohem Wert (etwa zwischen 3 und 10 MΩ), der es ermöglicht, die VHV der HV zu überlagern, solange die Kathode keinen Strom zieht. Um den Aufbau zu ergänzen, sind die Stromregelungs-Energiequellen (angelegt an die entsprechenden Primärseiten von T1 bis T3) ebenfalls von den hohen und sehr hohen Spannungen (angelegt an die entsprechenden Sekundärseiten von T1 bis T3) isoliert. Die kalten Punkte (0 Volt) der Niedrigspannungs-Energiequellen (±V1 bis ±V3) sind entsprechend mit den kalten Punkten der Hochspannungs-Energiequellen (HV1 bis HV3) verknüpft. Auf diese Weise wird jede Gefahr einer Überbrückung zwischen den Anoden vermieden.
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In Kreiseln entsprechend dem Stand der Technik wurde die Überprüfung der korrekten Zündung sofort gestartet, nachdem eine der Entladungen initialisiert wurde (das heißt, dass ein Plasma-Strom für mindestens eine Anode existiert).
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Für die Anwendung auf den Kreisel mit drei Kathoden berücksichtigt die Erfindung die Tatsache, dass mindestens ein Zweig jeder Kathode gezündet wird, bevor die korrekte Zündung überprüft wird. 6 zeigt einen beispielhaften Schaltkreis, der es ermöglicht, den Aufbau der Ströme zwischen jeder der drei Kathoden und mindestens einer der beiden Anoden, die in Verbindung mit diesen Kathoden stehen, zu überprüfen. Dazu sind sechs Strom-Sensoren (nicht in der Zeichnung gezeigt) in den entsprechenden Zweigen der sechs Anoden, die von den drei Kathoden ausgehen, angeordnet. Die Signal-Ausgänge (Strom anwesend oder abwesend) dieser Sensoren werden paarweise für jede der entsprechenden Kathoden genommen, und mit den Eingängen von drei logischen ODER-Schaltkreisen (OR-1 bis OR-3 bezeichnet) verknüpft, deren Ausgänge mit einem UND-Schaltkreis verknüpft sind. Der Ausgang dieses UND-Schaltkreises liefert ein Signal, das es ermöglicht, die korrekte Zündung zu überprüfen.
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Dieses weitere Merkmal der Erfindung ermöglicht es, die Zünd-Konfiguration der Kathoden bei jeder Zündung auf Null zurückzusetzen. Folglich werden, bei einer unvollständigen Zündung in den sechs Zweigen (zum Beispiel zeitlich unpassende Zündung auf der steigenden Flanke der HV), beim nächsten Versuch unterschiedliche Konfigurationen für Plasma auf Kathodenebene und für Elektrik vermieden. In der Praxis ist die Ansprechzeit der Kathode, neben anderen Effekten, abhängig vom Ruhezustand des Plasmas, und somit von der Aus-Zeit, die der Kreisel seit dem letzten gezündeten Zustand gesehen hat.
