DE3213076A1

DE3213076A1 - Sekundaerspiegel-kippvorrichtung fuer ein spiegelteleskop

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Publication number: DE3213076A1
Application number: DE3213076A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 6901 Wiesenbach Bellemann; Franz 6909 Walldorf Flock; Klaus 6908 Baiertal Haussecker; Alfred 4432 Gronau Krabbe; Dietrich Dr. 6900 Heidelberg Lemke; Klaus Dr. 5210 Troisdorf Proetel
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1983-10-20
Also published as: FR2527345B1; FR2527345A1; US4613203A; JPS58189607A; GB2119953B; GB2119953A

Description

• ··

·..·.:.. 321307

-7-

6. April 1982
11223 Dr.v.B/Schä

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e*V.,
Bunsenstrasse 10, 3400 Göttingen

Sekundärspiegel-rKippvorrichtung für
ein Spiegelteleskop

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sekundärspiegel-Kippvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das periodische Kippen des Sekundärspiegels eines Spiegelteleskops ermöglicht es, bei photometrischen Messungen den Einfluß der Hintergrundstrahlung der Erdatmosphäre und des Teleskops dadurch zu reduzieren, daß die Strahlung aus nahe benachbarten Feldern des Himmels differenziell gemessen wird. Die Sekundärspiegel-Kippvorrichtung eines Spiegelteleskops muß erschütterungsfrei arbeiten und soll möglichst wenig Leistung verbrauchen. Dies gilt vor allem, wenn das Spiegelteleskop für Messungen im Infrarot verwendet werden soll und hierzu auf tiefe Temperaturen, z.B. 10 K, gekühlt werden muß, und wenn es für einen Einsatz im Weltraum bestimmt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine drehimpulskompensierte Sekundärspiegel-Kippvorrichtung für ein Spiegelteleskop, insbesondere ein gekühltes, im Weltraum zu betreibendes Spiegelteleskop, anzugeben, das ein Minimum an Leistung verbraucht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Sekundärspiegel-Kippvorrichtung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sekundärspiegel-Kippvorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Sekundärspiegel- Kippvorrichtung gemäß der Erfindung verbraucht infolge der speziellen Art der Lagerung der beweglichen Bauteile und der Ausgestaltung der elektrischen Steuervorrichtung nur ein Minimum an elektrischer Leistung, so daß auch bei Kühlung auf Kryotemperaturen relativ wenig Kühlleistung benötigt wird.

Die erfindungsgemäße Sekundärspiegel- Kippvorrichtung weist u.a. die folgenden vorteilhaften Eigenschaften auf:

1) Der Sekundärspiegel und die Kompensationsplatte schwingen zwischen den Endlagen nur mit ihrer Eigenfrequenz ( verlustleistungsarm). Die Steuerung der Arbeits-(Lagewechsel-) Frequenz wird durch unterschiedlich langes "Festhalten" des Sekundärspiegels und der Kompensationsplatte in den Endlagen erreicht.

2) Dadurch, daß die Ströme aus zwei aufeinander abgestimmten, hochkonstanten, schnell schaltbaren Stromquellen und aus einem Kondensator zeitlich exakt auf die magne-

tischen Antriebsspulen geschaltet werden, kann auf eine aktive Lagemessung und -Regelung verzichtet werden.

3) Der Verzicht auf die aktive Lagemessung mit- einem Wegaufnehmer verringert drastisch die Anforderungen an die elektrischen Zuleitungen und damit die Wärmeeinleitung in den bei Kühlung in einem Kryostaten untergebrachten "Teil der Vorrichtung.

4) Durch die Verwendung eines nahezu geschlossenen
Magnetkreises mit sehr engen Luftspalten (Breite - entsprechend einem Kippwinkelbereich bis etwa 10 Bogenminuten ~ z.B. bis 300 μπι) zwischen den Kernen der Antriebsmagneten und den Jochteilen am Spiegel und der Kompensationsplatte lassen sich wegen der starken Kraft/Weg-Abhängigkeit der Magnetkräfte (proportional Λ/χ²) große
Kräfte mit geringen elektrischen Leistungen erzielen.

5) Ein symmetrisch zu d$n Antriebsspulen geschalteter Kondensator speichert die Feldenergie nach dem Abschalten der jeweiligen Antriebsspulen. Neben der Energieeinsparung für den folgenden Schaltzyklus bewirkt der Kondensator auch eine Symmetrierung der beiden Kippphasen, die für den praktischen Betrieb sehr wichtig ist.

6) Für die Magnetspulen wird ein spezielles Kupfermaterial verwendet, das einen Widerstand von Zimmertemperatur bis 4 K um den Faktor 200 verringert. Dadurch sinkt der Anteil der ohmschen Verlustleistung im Magentspulensystem von beispielsweise etwa 340 mW bei 290 K auf 1,7 mW bei 4 K.

7) Durch eine spezielle Bemessung der FederrUckstellkraft und der magnetischen Antriebskraft kann auf mechanische Anschläge zur Festlegung der Endlagen des Spiegels und der Kompensationsplatte verzichtet werden, so daß die Nachteile solcher mechanischer Anschläge (Prellen, Verschleiß) entfallen. Die Endlagenstabilität wird durch ein Gleichgewicht zwiscnen mechanischen Federkräften und entgegengesetzt wirkenden elektromagnetischen Kräften bewirkt. Dieser stabile Zustand ist nur für

10einen beschränkten Luftspaltbereich erreichbar.

8) Die Verwendung von Kreuzfedergelenken als Lager für den Spiegel und die Kompensationsplatte_ erlaubt einen extrem reibungsarmen, verschleißfreien Betrieb im Hochvakuum und bei Kryotemperaturen.

9) Die Kompensationsplatte und der Sekundärspiegel werden exakt gegenphasig bewegt. Außerdem sind beide Teile in ihren jeweiligen Schwerpunkten gelagert. Hierdurch wird nicht nur ein sehr geringes Restmoment, sondern auch eine geringere Antriebsleistung erreicht.

10) Die Eigenfrequenz des den Spiegel und die Kompensationsplatte enthaltenden mechanischen Schwingungssystems wird durch spezielle Kupfer-Beryllium-Federn, deren Federkonstante weitgehend temperaturunabhängig ist, bestimmt. Dadurch hat der Spiegel auch beim Ausschalten oder Ausfall der Steuerung eine definierte Nullposition. Die Nullposition und die Endlagen im geschwenkten Zustand sind unabhängig von der Betriebslage der Schwenkvorrichtung im Teleskop.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher· erläutert.

-11-
-j Es zeigen: '

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Sekundärspiegel-Eippvorrich/tung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die; Sekundärspiegel-Kippvorrichti. richtung gemäß Fig. 1 ohne Kompensationsplatte;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. |1 um 90° gedrehte Seitenansicht der Sekundärspiejjel- Kippvorrichtung gemäß ^Fi9* ^{1 und} 2; '

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Lagerung für den SeKundärsgiegel bzw. die Kömpensationsplatte;

Fig. 4b eine genauere Darstellung einer Rückstellfederanordnung für die Sektmdärspiegel-Kippvorrich-

tung gemäß Fig. 1 bi.s 3i

Fig. 5 eine graphische , Darjs teilung der Abhängigkeit

der Magnet- und I Federkräfte" von der Breite

eines Luftspalts im/Magnetsystem der S.ekundärspiegel-Kippvorrichtung ;·

Fig. 6 ein Schaltbild des Atitriebsystems der Sekundärspiegel-Schwenkvorrichtuhg gemäß Fig. 1 bis 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Bewegungen und Strömen, auf. die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Sekundärspiegel-Kippvorrichtung Bezug genommen wird;

Fig. 8 eine schematische Datfsteilung der Arbeitsweise der Sekundärspiegel- Kippvorrichtung und

; , BAD ORIGINAL

Fig. 9 eine Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Sekundärspieglei-Kippvorrichtung gemäß der Erfindung.

Der mechanische Aufbau der im folgenden beschriebenen bevorzugten AusiührungsforT der Erfindung ist aus den Figuren 1 bis 4 ersichtlich. Die Sekundärspiegel-Kippvorrichtung ■ enthält einen ringförmigen Außenmantel 10, in dem ein Spulenträger 12 angeordnet ist, der die eigentliche Halterungsstruktur (Rahmen) der Vorrichtung bildet. Am Spulenträger 12 sind zwei Paare von Magnetspulen 14a, 14b bzw. 16a, 16b über stirnseitige

Endplatten 18 befestigt. Die Magnetspulen enthalten jeweils einen stafoförnnigen Magnetkern 20.

An entgegengesetzten Seiten des Spulenträgers 12 sind ferner Halterung&bügel -22 und 24 befestigt, die zur Lagerung eines Spiegelteleskop-Sekundärspiegels 26 bzw. einer als Spiegelgegenmasse dienenden Kompensationsplatte 28 dienen. Bei dem Spiegelteleskop kann es sich beispielsweise um ein Cassegrain-Teleskop vom Ritchey-Chretien-Typ handeln. Die Spiegel einschließlich des Sekundärspiegels 26 bestehen vorzugsweise aus Glaskeramik (Zerodur).

An den den Magnetspulen 14, 16 zugewandten Seiten des Sekundärspiegels 26 und der Korapensationsplatte 28 sind Magnetanker 30 befestigt, z.B. angeklebt, welche die Form von im Querschnitt quadratischen Stäben haben und den Magnetkernen 20 eines Magnetspulenpaares 14a, b oder 16a, b gegenüberliegen, wie aus Fig. 1 und Fig. 3 ersichtlich ist. Die Endplatten 18 sind gegenüber den Magnetankern mit rechteckigen Vertiefungen 32 versehen, in die die Stirnflächen der Magnetkerne 20 hineinragen können, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

BAD ORIGINAL

Der Sekundärspiegel 26 und die Kompensationsplatte 28 sind um Achsen 34 bzw. 36 drehbar gelagert, die durch den Schwerpunkt der Spiegel-Magnetanker-Anordnung bzw. Kompensationsplatte—Magnetanker-Anordnung gehen.

Die Lagerung erfolgt jeweils durch sogenannte Kreuzfedergelenke 38, die an den Halterungsbügeln 22 bzw. 24 gelagert sind, wie es in Fig. 4a für eine der zwei Lagerungen des Sekundärspiegels genauer dargestellt ist. Um zu ermöglichen, daß die Drehachse durch den Schwerpunkt des Sekundärspiegels 26 bzw. der Kompensationsplatte. 28 geht, sind diese Bauelemente jeweils mit einer nutartigen Aussparung 40 versehen, die die Drehlagerung mit dem zugehörigen Kreuzfedergelenk 38 aufnimmt. Fig. 4a zeigt wie das Kreuzfedergelenk 38 mit einem Bügel 42 zur Befestigung am Spiegel (bzw. der Kompensationsplatte) und dem Bügel 22 zur Befestigung am Spulenträger 12 versehen ist.

Wie die Fig. 2 und 4b zeigeil, sind an diametral entgegengesetzten Stellen am Außenmantel to zwischen den spulen 14a, 14b bzw. 16a, 16b jedes Paares Führungsmuffen 44 befestigt, die eine axial| Bohrung haben, in denen
ein Führungsstift 46 einer Rückstellfederanordnung 48 fest oder gleitend oder bei einer Rückstellfederanordnung fest und bei der anderen gleitend gelagert ist.

₂c Die Rückstellfederanordnung 48_r die in Fig.. 4b genauer dargestellt ist, enthält lerner zwei Federn 50, 52, die zwischen dem Führungsstift 46 und der Kompensationsplatte 28 bzw» dem FUhrungsätift 46 und dem Sekundärspiegel 26 angeordnet sind. Die Federn 50, 52 bestehen

^₀ aus einer Kupfer-Berylliumlegierung, die gewährleistet, daß die Federkostante weitgehend temperaturunabhängig ist. Das dem Führungsstift 46 abgewandte Ende der Feder 52 liegt über ein Pun&tlafer, das eine kleine Kugel enthält, am Boden eines das Ende dieser Feder mit Abstand umgebenden Sackloclies 54 im Sekundärspiegel 26 an. Das dem Führungsstift 46 abgewandte Ende der Feder 50 liegt über ein entsprechendes Punktlager

BAD ORfQIfSiAL

56 an einem tellerförmigen Ende einer Federeinstellschraube 58 an, die wie au« Fig. 4b ersichtlich ist, in eine ein entsprechendes Innengewinde aufweisende Buchse 60 eingeschraubt ist, welche; mit einer Mutter 62 in einer zur Feder 50 hin erweiterten Bohrung der Kompensationsplatte 28 befestigt ist. Die Federeinstellschrauben 58 ermöglichen es, die Ruhelage des Sekundärspiegels und der Kompensationsplatte sowie die bei Auslenkung dieser Bauelemente aus der Ruhelage entstehende Rückstellkraft einzustellen, Wenn der FUhrungSstift fest gelagert ist, sind zwei Einstellschrauben pro Rlickstellfederanordnung vorgesehen.

Die gleichzeitige, gegerisinnige Drehung des Sekundärspiegels 26 und der Komp4nsationsplatte 28 erfolgt durch alternierende Erregung der Spulenpaare I4a, "I4b bzw. ^16a, 16b, deren Spulen jeweils in Reihe geschaltet sein können. Eine bevorzugte Schaltung zum Erregen der Spulenpaare 14, 16 ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung enthält eine mit dem ersten Spulenpaar 14 über einen ersten Umschalter SU verbundene erste Stromquelle 64 und eine mit dem zweiten Spulenpaar 16 über einen zweiten Umschalter S21 verbundene zweite Stromquelle 66. Die Stromquellen 64, 66, sind Konstantstromquellen mit hohem Innenwiderstand.

Die nichtgeerdeten Klemmen der Spulenpaare 14, 16 sind ferner über einen Schjalter S12 bzw. S22 mit einem Speicherkondensatqr 68 kuppelbar.

Gemäß einer vorteilhaften, jedoch nicht notwendigen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 sind die nicht an Masse liegenden Klemmen der Spulenpaare 14 und 16 außerdem über einen Kopplungskondensator 70 bzw. 72, an dessen Stelle auch ein Kopplungstransformator treten könnte, mit jeweils einem festen Kontaktstück eines Umschalters S3 gekoppelt, dessen bewegliches Kontaktstück an den Eingang eines Reglers 76 angeschlossen

BAD ORfGiNAL

-] ist. Der Ausgang des Reglers 76 ist, wie Fig. 6 zeigt, mit einem zweiten festen Kon tafctst tick der Umschalter S11 bzw. S21 koppelbar, s,o daß also die nichtgeerdete Klemme der Magnetspulenpaare 14 oder 16 wahlweise an die zugehörige Stromquelle 64 bzw. 66 oder den Ausgang des Reglers 76 angeschlossen werden kann.

Die .!chatter Su⁵... S3 sind vorzugsweise impulsgesteuerte

eiektromechanische Relais und werden durch eine "Steuereinheit IQ 78, die einen geeigneten programmierten Mikroprozessor enthalten kann, gesteuert, wie noch unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert werden wird.

Die Wicklungen der Magnetspulen 14a...16b bestehön
vorzugsweise aus einem Kupfermaterial, dessen widerstand

mit sinkender Temperatur stark abnimmt, z.B. aus 0,2 mm CuL • Draht aus relativ unreinem·Kupfer.

Der maximale Drehwinkel des Sekundärspiegeis und der Kompensationsplatte wird bei der vorliegenden Vorrichtung durch ein Gleichgewicht von elektromagnetischer Kraft F_el der Antriebsspulen und mechanischer Gegenkraft F der Rucksteilfederanordnung bestimmt:

N² I²A

" rr (υ

(1/y + 4(b_o - Ab)T

^Fme - " ^Dme " ^Ab (2)

BAD ORIGINAL

Dabei sind:

μ₀ Permeabilitätskonstante

N Anzahl der Spulenwindungen

I Spulenstrom

Α Kernquerschnitt, Luftspaltquerschnitt

1 Länge des magnetischen Kreises

μ Permeabilität des Kernmaterials

b₀ Ruheluftspalt

Ab Federweg, Änderung des Luftspaltes bei Spiegle laus lenkung

D Federkonstante
me

Bei einem vorgegebenen Schwenkwinkel (vorgegebener Luftspaltbreite) stellt sich ein stabiles Gleichgewicht ein, wenn die folgende Bedingung' erfüllt ist:

^dFme _ ^{d F}el . _L dJL_ > ₀ (3)

dAb

15Diese Verhältnisse sind in Fig. 5 graphisch dargestellt, in der längs der Ordinate die Kraft F und längs der Abszisse der Kippwinkel (der in erster Näherung der Luftspaltbreite umgekehrt proportional ist) aufgetragen sind. Üie Kurven M₁, M₂ und M- zeigen den Verlauf der magne-

20tischen Kraft in Abhängigkeit vom Kippwinkel für verschiedene Antriebsströme; die Kurven Ro und R1 den Verlauf der mechanischen Federrückstellkraft für zwei verschiedene Einstellungen der Ruheluftspalte bei gleicher Federkonstante. Eine stabile Endlage ergibt sich nur für

25die Luftspalteinstellung entsprechend R1 bei El während die Einstellung Ro bei EO in keiner stabilen Endlage

resultiert, d.h. Spiegel —

BAD ORIGINAL

-17- .

ι und Kompensationsplatte würden sich in diesem Falle bis zum Anschlag des Magnetankers 30 an den Magnetkernen 20 drehen. Bei der anderen Einstellung ist dagegen eine stabile Endlage ohne mechanischen Anschlag gewährleistet, was für ein erschütterungsfreies Arbeiten der Schwenkvorrichtung sehr vorteilhaft ist und
es außerdem ermöglicht,' den Spiegelhub (maximalen Schwenkwinkel) elektrisch, verstellen zu können. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser Art der Endlagenfi-

TO xierung besteht darin, daß auch kein elektrischer Wegaufnehmer zur Regelung; der Endlage benötigt wird. Solche Wegaufnehmer erfordern nämlich abgeschirmte Zuleitungen, die eine Wärmigbrütcke zu der sich im Betrieb auf tiefen Temperaturen befindenden Schwenkvorrichtung bilden und dadurch den KUhlmittelbedarf erhöhen.

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise der beschriebenen Sekundärspiegel-Schwenkvorrichtung unter Bezugnahme auf die Figuren 6, 7 und 8 erläutert werden, wobei in Fig. 6 vorerst der Schaltungsteil mit den Kopplungskondensatoren 70, 72, dem Schalter S3 und dem Regler 76 außer Betracht gelassen wird,.

Wenn sich die Schaltvorrichtungen S11, S12, S21 und S22 in der in Fig. 6 dargestellten Stellung befinden, liefert die . erste Stromquelle 64 einen geregelten, konstanten Strom an das .Magnetspulenpaar 14,. so daß dieses Spulenpaar die zugehörigen Magnetanker 30 anzieht. Der Sekundärspiegel 26 und die Kompensationsplatte 28 nehmen dann die in Fig. 8 links dargestellte Endlage ein, die durch das oben erwähnte Zusammenspiel von elektromagnetischer Anziehungskraft und mechanischer Federrückstellkraft eindeutig definiert ist. Die Verhältnisse sind so, wie es in Fig, , 7 bei to dargestellt ist. ^Λ

BAD ORIGINAL

-18-T Wenn der Spiegel in die in Fig.' 8 rechte Endlage ge-

schver.lci verier, sell, vird i~ I e-_-.:: uns; t :' ii~ \erbir.i..r.c • zwischen den Spulenpaar 14 und der ersten Stromquelle 64 durch Öffnen des Schalters S11 unterbrochen. Gleichzeitig oder kurz vorher wird der Schalter S12 geschlossen. Der durch das Zusammenbrechen des magnetischen Feldes im Spulenpaar 14 induzierte Strom kann nun durch den geschlossenen Schalter S12 in den Speicherkondensator 68 fließen und den Kondensator

TO 68 aufladen. Wenn der dabei durch das Spulenpaar 14 fließende Strom 11 ganz oder nahezu auf null abgefallen ist, wird der Schalter S12 im Zeitpunkt t2 wieder geöffnet. Beim Öffnen des Schalters S12 im Zeitpunkt ti beginnt der Spiegel mit der durch sein Drehmoment

T5 und die Rückstellfederkraft bestimmten Eigenfrequenz in die Ruhelage und über diese hinaus in die rechte Endlage zu schwingen. Kurz vor Erreichen der rechten Endlage wird der Schalter 522 geschlossen, so daß sich die im Kondensator 68 gespeicherte Energie durch

2Q das Spulenpaar 16 entladen kann. Der Spulenstrom 12, der in Fig. 7 von der Nullachse nach unten aufgetragen ist, beginnt dadurch in Richtung auf seinen Endwert anzusteigen, der der rechten Endlage entspricht. Wenn der Spiegel seine rechte Endlage erreicht, wird der Schalter S22 wieder geöffnet und der Schalter S21 wird geschlossen, so daß nun die zweite Stromquelle 66 einen stationären "Haltestrom" durch, das Spulenpaar 16 schickt, der die rechte Endlage stabilisiert. Wenn zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt t5 der Spiegel wieder in die linke Endlage geschwenkt werden soll, wird der Schalter S21 geöffnet und der Schalter S 2-2 geschlossen. Der Spulenstrom 12 klingt dann ab,' die im Spulenpaar 16 gespeicherter magnetische Energie wird über den geschlossenen Schalter S22 in den Speicherkondensator übertragen und der Spiegel beginnt eine harmonische Halbschwingung in die linke Endlage auszuführen

BAD ORIGINAL

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Wenn der Strom 12 im Zeitpunkt t6 den Wert null erreicht, wird der Schalter S22 wieder geöffnet. Kurz vor dem Erreichen der linken Endlage wird im Zeitpunkt t7 der Schalter S12 geschlossen, um die im Speicherkondensator 68 gespeicherte Energie in das Magnetspulenpaar 14 zu übertragen. Im Zeitpunkt t8 erreicht der Spiegel seine linke Endlage, der Schalter Sl2 wird geöffnet und der Schalter S11 geschlossen, so daß die erst·:"' Stromquelle 64 nun wieder den die linke Endlage bestimmenden Strom Π an dar. Magnetspulenpaar 14 liefert.

Bei der beschriebenen Schwenkvorrichtung verläuft der Lagewechsel des Spiegels mit einer harmonischen Halbschwingung der Eigenfrequenz, die Arbeitsfrequenz, d.h. die Folge der Lagewechsel hängt dagegen ausschließlieh von der beschriebenen Betätigung der Schalter-SU und S21 ab, sie kann also durch einfache Programmierung geändert werden. Der Spiegelhub,· d.h. der Schwenkwinkel zwischen der linken und der rechten Endlage des Spiegels läßt sich ' andererseits leicht durch Wahl der Ströme T1 und 12 bestimmen.

Der Speicherkondensator 68 dient nicht nur zur Nutzbarmachung der in den Magnetspulen gespeicherten Energie, sondern auch zur Symmetrierung der Modulationsfunktion.

Wegen der außerordentlich hohen Güte des den Sekundärspiegel sowie ' die Kompensationsplatte enthaltenden mechanischen Schwingungssystems können beim Lagewechsel gewisse Einschwingvorgänge auftreten, insbesondere wenn die Arbeitsfrequenz der Schwenkvorrichtung und die Eigenfrequenz des mechanischen Systems in einem harmonischen Verhältnis zueinander stehen. Diese Einschwingvorgänge und andere, z.B. durch Erschütterungen verursachte Störschwingungen können durch die Regelein-

BAD ORIGINAL

-] richtung mit den Komponenten 70, 72, 76, den Umschalter-SS und den zusätzlichen festen Kontaktstücken der Schalter Si 1 und S21 weitestgehend unterdrückt werden, wie im folgenden erläutert werden soll:

Jede Lageänderung des Magnetankers 30 bezüglich der Magnetkerne 20 eines erregten Spulenpaares verändert die Luftspaltbreite und damit die magnetische Induktion, so daß an.der Stromquelle eine entsprechende Spannungsänderung auftritt. Bei der in Fig. 6 dargestellten Stellung der verschiedenen Schalter werden solche Spannungsänderungen über den Kopplungskondensator 70 und den Umschalter S3 an den Eingang des Reglers 76 geliefert. Dieser Regler ist vorzugsweise ein PD-Regler, dessen Ausgang über den Schalter S21 einen Kompensationsstrom an das andere Spulenpaar 16 liefert, der die Störschwingungen dämpft, ■■"::-;· das Eingangssignal für den Regler
induziert hatten. Durch diese wega'jfnehmerlose Regel:;chaltung wird die Kippvorrichtung praktisch c hne Erhöhung der Antriebs- und Verlustleistung so bedämpft, daß für alle Frequenzen eine Endlagegenauigkeit von 1 % und besser erreicht werden kann.

In Fig. 9 ist eine Dämpfungsanordnung dargestellt, die sich insbesondere zur Bedämpfung kleiner, zufällig induzierter Störungen eignet, die wegen der hohen Güte der mechanischen Schwingur.gssysteme nur langsam abklingen. Die Dämpfungsvorrichtung gemäß Fig. 9, die in Fig. 9a vereinfacht in Richtung der Drehachsen 34, 36 und in Fig. 9b senkrecht zu diesen dargestellt ist, arbeitet nach dem Prinzip einer Wirbels t rombrerr r. <?. Sie enthält einen elektromagnetischen Kreis mit /'w·-: näherungsweise U-förmigen Magnetkernen 80, deren Schenkel

BAD ORIGINAL

mit ihren Stirnflächen einander zugewandt, sind und zwei Luftspalte bilden. In den Luftspalten sind Kupferplättchen 82 frei beweqlich angeordnet, welche mit dem Sekundärspiegel 26 bzw. der Kompensationsplatte 28 verbunden sind. Zur Bedämpfung von Störungen in den Endlagen von Spiegel und Kompensationsplatte werden Spulen 84, die auf den Magnetkernen 82 angeordnet sind, durch einen Strom erregt, der gleichzeitig mit den Spulenströmen 11 und 12 der Magnetspulenpaare 14 und 16 ein- und ausgeschaltet wird. Die magnetische Feldenergie der Spulen 84 kann beim Abschalten des Spulenstromes während des Lagewechsels des Spiegels und der Kompensationsplatte in einem Kondensator zwischengespeichert werden, wie es anhand der Figur 6 beschrieben worden ist, so daß auch die Verlustleistung der Dämpfungseinrichtung gemäß Fig. 9 klein gehalten werden kann.

Die Dämpfungseinrichtung gemäß Fig. 9 arbeitet vorzugsweise mit kritischer Dämpfung. Das logarithmische Dekrement der Schwingungsamplitude, der Dämpfungsfaktor, berechnet sich nach der folgenden Formel:

BAD OFBGINAL

Y =

μ² _ο Ν² I² D a² L²
(d + 1/μ)² 4P · 2Θ

IS~ Dabei bedeuten:

μ : Permoabilitätskonstante

N : Anzahl der Spulenwindungen

I : Strom durch die Spule

D : Kupferplättchendicke insgesamt

a² : Kernquerschnittsfläche

L : Abstand Spiegeldrehachse Angriffspunkt der Dämpfung

d : Breite des gesamten Luftspaltes

1 : Länge des magnetischen Kreises

Ii : Permeabilität des Kernmaterials

ρ : Spezifischer Widerstand von Cu

Θ : Spiogelträgheitsmoment

15 Ein praktisches Ausführungsbeispiel der anhand . der Fig. 1 bis 8 beschriebenen Sekundärspiegel-Schwenkvorrichtung hatte folgende Merkmale:
1) Sekundärspiegeldurchmesser 10 cm

. 50 Hz .
bspw. bei

10 Hz mit &C^C-:

Endlagen 0 ...600 arc sec

d.h. für kleine Kippwinkel

2) Arbeitsfrequenzbereich 0 . 3) Quasi-Rechteckmodulation, Endlagenzeit

4) Kippwinkel zwischen den frei wählbar

5) Endlagengenauigkeit < 2%, hohe Absolutgenauigkeit

6) Zuverlässiger Betrieb bei Kryo- und Zimmer-Temperatur

7) Zuverlässiger Betrieb im Hochvakuum (Weltraumbedingungen)

8) Sehr geringe thermische Verlustleistung bei Kryotemperaturen (< 5mW bei 4K)

30 9) Minimale Kabelzahl, da Verzicht auf Wegaufnehmer

10) Unterdrückung des beim Betrieb auftretenden Dreh impulses bis auf ein (bei der Betriebsfrequenz gemessenes;

Restmoment von ca. 0,002 g cm" (g Erdbeschleunigung.)

BAD QRK3INAL

-Zh-

Leerseite

Claims

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TELEFON 069/4 70 60 06 TELEX 522638 TELECRAMM SOMBEZ

6. April i98k 11223 Dr.v.B/Sch

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e.V., Bunsenstrasse 10,3400 Göttingen

Sekundärspiegel-Kippvorrichtung für ein Spiegelteleskop

Patentansprüche

1. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung teleskop, mit

für ein .Spiegel

einer um eine Achse (34) drehbar gelagerten Spiegelanordnung (26, 30), die einen optischen Spiegel (26) und zwei Magnetanker (30), welche auf entgegengesetzten Seiten der Drehachse angeordnet sind, enthält,

einer um eine Achse drehbar gelagerten Kompensationsplattenanordnung (28, 30), die eine Kompensationsplatte
(28) sowie zwei Magnetanker (30), welche auf entgegen-

•j gesetzten Seiten der Drehachse angeordnet sind, enthält und das gleiche Trägheitsmoment hat wie die Spiegelanordnung,

einem elektromagnetischen Antriebssystem, das symmetrisch zwischen der Spiegelanordnung und der Kompensationsplatte angeordnet ist, zwei Magnetspulensysteme (14,16) mit Magnetkernen (20) enthält, welche mit den Magnetankern Luftspalte bilden, deren Größe vom Drehwinkel der TO Spiegelanordnung bzw. Kompensationsplattenanordnung abhängt,

einer Rückstellfedernanordnung (48), die bei einer Drehung der Spiegelanordnung und der Kompensationsplattenanordnung aus einer Ruhelage eine Rückstellkraft erzeugt, und

einer Stromversorungsschaltung zum Speisen der Magnetspulensysteme ( 14, 16) mit einem Antriebsstrom,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Stromversorgungsschaltung (Fig. 6) an die beiden Magnetspulensysteme (14, 16) alternierend einen im' wesentlichen konstanten Antriebsstrom' (11, 12) liefert und daß die Magnetspulensysteme (14, 16) bezüglich der RUckstellfederanordnung (48) so bemessen .sind, daß die' mechanische Rückstellkraft der RUckstellfederanordnung bei Annäherung des Drehwinkels an einen vorgegebenen Endwert schneller zunimmt als die magnetische Anziehungskraft mit der Verkleinerung des Luftspaltes.

2. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung gemäß Anspruch -1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Achsen (34, 36) jeweils durch den Schwerpunkt der Spiegelanordnung (26,30) bzw. der Kompensationsplattenanordnung (28, 30) gehen.

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-3-

3. Sekundärspiegel- Kippvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiegelanordnung und die Kompensationsplattenanordnung jeweils durch eine reibungsfreie Torsionsfederanordnung, insbesondere durch ein Kreuzfedergelenk (38) gelagert sind.

4. Sekundärspiegel-* Kippvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch¹ ge.ken nzeich-

η e t, daß die Lagerung der Sekundärspiegelanordnung sowie der KompensationSiplattenanordnung jeweils in einer den Magnetsystemen zugewandten Nut (40) des Spiegels (26) bzw. der Kompensationsplatte (28) angeordnet

. sind.

i .

5. Sekundärspiegel-Kippvqrrichitiwg nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadu.rch gekennzei chn e t, daß die Stromv^rsorguftgsschaltung eine erste und eine zweite Konstant Stromquelle (64 bzw. 66), einen Energiespeicherkonden$ator (;68), eine Schalteranord-

nung (SiT, S21, S12, S22) und eine· Schalter-Steuereinheit
(78) enthält, welche die Schalteranordnung derart steuert, daß die erste Konstantstromqüelle (64) während einer ersten Zeitspanne Ct8 bis ti) einen Steuerstrom an das eine Magnetspulensystem (14) liefert, der finergiespeicherkondensator (68) während ^iner zweiten Zeitspanne

• (ti bis t2), die sich im wesentlichen an die' erste Zeitspanne anschließt, dem einen Magnetspulensystem

(14) parallelgeschaltet wird, bis der aus diesem Magnetspulensystem in den En'ergiespeicherkondensator fließende Strom im wesentlichen auf null abgesunken ist; der Energiespeicherkondensator (68) dem anderen Magnetspulensystem (16) während einer dritten Zeitspanne (t3) bis t4) parallelgeschaltet wird, die eine der zweiten Zeitspanne im wesentlichen gleiche Dauer hat und im wesentlichen eine Halbperiode (ti bis t4) des aus der Spiegelanordnung bzw. der KompQris.ationsplattenanordnung

und der RUckstellfederanordnung bestehenden schwingungsfähigen Systems nach dem Ende der ersten Zeitspanne endet; die zweite Konstantstromquelle (66) während einer vierten Zeitspanne (t4 bis t5), die sich im wesentlichen an die dritte Zeitspanne (t3 bis t4) anschließt, einen konstanten Antriebsstrom an das andere Magnetspulensystem (16) liefert;' den Energiespeicherkondensator (68} während einer fünften Zeitspanne, die sich im wesentlichen an die vierte Zeitspanne anschließt und eine der zweiten Zeitspanne gleiche Dauer hat, dem anderen Magnetspulensystem (16) parallelgeschaltet wird; und der Energiespeicherkondensator während einer sechsten Zeitspanne (t7 bis t8), die eine der zweiten Zeitspanne gleiche Dauer hat und

T5 eine Halbschwingung des erwähnten mechanischen Systems nach Beendigung der vierten Zeitspanne endet, der einen Magnetspulenanordnung (14) parallelgeschaltet wird.

6. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der von den Konstantstromquellen (64,66) gelieferten Ströme einstellbar ist.

7· Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennze ich η et, daß die Dauer der ersten und der vierten Zeitspanne (t8 bis ti ; t4 bis t5) steuerbar ist.

8.Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geke nnzeichnet, daß die Stromversorgungsschaltung eine Konstantstromquellenanordnung (64, 66) zum alternierenden Speisen der Magnetspulensysteme (14,. 16) mit einem im wesentlichen konstanten Strom enthält; und daß ein Regler (76) mit Ein- und Ausgang sowie eine Schaltvorrichtung (S11, S21 , S3) vorgesehen ist, welche

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den Eingang des Reglers jeweils mit dem'Magnetspulensystem koppelt, welches von der Konstantstromquellenanordnung (64,66) mit einem konstanten Strom gespeist wird, und den Ausgang des Reglers (76) mit dem anderen Magnetspulensystem koppelt, wobei der Regler an das andere Magnespulensystem einen Strom liefert, welcher Lageschwankungen der Spiegel- und ,der Kompensationsplattenanordnung, die Spannungsschwankungen an dem mit den konstanten Strom gespeisten Magnetspulensystem verursachen, kompensiert.

9. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wirlbelstrcmdämpfungsvorrichtjncj

(80, 82, 84) für die Spiegel- und Kompensationsplattenan-Ordnung, mit einem Elektromagnetsystem (80,84), das mit elektrisch leitenden Wirbelstrombremselementen (82) zusamenwirkt, die am Spiegel (26) bzw. der Kampensationsplatte (28) angebracht sind, und mit einer Stromversorgungsschaltung für das Elektromagnetsystem, welche einen Strom an das Elektromagnetsystem im wesentlichen während der Zeitspannen liefert, in denen die Spiegelanordnung und die Kompensätionsplattenanordnung stationäre, geschwenkte Stellungen einnehmen.

10. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungsschaltung für das Elektromagnetsystem einen Speicherkondensator 2ur Speicherung der elektromagnetischen Energie des Elektromagnetsystems während eines Lagewechsels der Spiegel- und Kompensationsplattenanordnung enthält.

- 11. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die in e: nem geküh:ten Teil der Schaltung angeordneten Schaltvorrichtingen (S12, S22) aus impulsgesteuerten eletctromechanis rhen Relais bestehen.

12. Sekundärspiegel-Kippvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endlagenwechsel des Spiegels und der Kompensationsplatte mit der mechanischen Eigenfrequenz erfolgt.