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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Konstruktion und Fertigung eines erweiterten Messpfades für das Ultrapräzisionsinterferometer

01.12.2011


Das PTB-Ultrapräzisionsinterferometer der Arbeitsgruppe „Interferometrie an prismatischen Körpern“ sollte im Rahmen eines ESA-Projektes mit einem erweiterten Messpfad ausgestattet werden, um Messungen der absoluten Länge Endmaß-ähnlicher Probekörper in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis hinunter zu 10 K zu ermöglichen . Dieser erweiterte Messpfad wurde im „Wissenschaftlichen Gerätebau“ der PTB konstruiert und gefertigt. Der erweiterte Messpfad besteht zunächst aus einem massiven Gehäuse (Spiegelkammer), das an das Ultrapräzisionsinterferometer montiert wird. Der Flansch ist so gebaut, dass er eine spezielle Quarzplatte aufnehmen kann, die das Volumen des Ultrapräzisionsinterferometers von dem in der Spiegelkammer trennt, d.h. die Platte gewährleistet die Dichtheit des Vakuums in beide Richtungen. In der Spiegelkammer ist ein Umlenkspiegel untergebracht, der zur Justage des Strahls benutzt wird.

Ein an die Spiegelkammer angeschlossenes Edelstahlrohr wurde so gefertigt, dass es am oberen Ende eine Wandstärke von 2 mm aufweist, zum unteren Ende jedoch eine Wandstärke von < 0.5 mm besitzt. Dies gewährleistet einerseits eine hohe mechanische Steifigkeit am Flansch, andererseits wird die Wärmeleitung im unteren Bereich und damit die thermische Last deutlich reduziert. Das Edelstahlrohr besteht aus austenitischen Edelstahl (DIN1.4301); die Schweißverbindungen sind unter Schutzgas gefertigt worden. An das untere Ende des Edelstahlrohres wird eine Probenkammer angeflanscht, die aus Cu-OFE (Reinstkupfer) gefertigt wurde. Die notwendigen Lötverbindungen zwischen den Kupferbauteilen und den Stahl-Kupferverbindungen sind im Vakuumlötofen mit Kupfersilberlot (LAg-78) gelötet worden. Vakuumbauteile, innerhalb des Edelstahlrohres sind elektropoliert worden, um eine geringe Gasanhaftung zu erreichen. Zunächst wurde ein Prototyp gefertigt, der für Messungen bis zu Temperaturen 77 K vorgesehen war. Hierbei dienten in Flüssigstickstoff eingetauchte Kupferstäbe für die „Kälteübertragung“ zur Probenkammer.

In der endgültigen Version des erweiterten Messpfades dient ein zweistufiger Pulsrohrkühler-Kryostat (TransMIT) zur Kühlung der Probenkammer auf Temperaturen kleiner 10 K. Um dieses zu erreichen, muss das Edelstahlrohr mit Probenkammer von einer vakuumdichten, thermisch isolierten Umgebung umschlossen werden. Diese wurde so konstruiert und gefertigt, dass beide Kühlstufen optimal thermisch ankoppeln. Flanschverbindungen, die sich im Kältebereich von bis zu < 10 K befinden, sind als CF-Verbindung mit Kupferdichtung ausgeführt worden. Die Dichtungen zwischen den Kupferbauteilen bestehen aus Indiumdraht und Indiumfolie. Die übrigen Flanschverbindungen sind ISO-Flansche mit Vitondichtung.

Zum Wechseln der Probekörper kann der Boden der Probenkammer, in dem auch die elektrischen Durchführungen für die Temperaturmessungen untergebracht sind, entfernt werden.


Bild 1: Erweiterter Messpfad am Ultrapräzisionsinterferometer
1. Kammer mit Ultrapräzisionsinterferometer, 2. Spiegelkammer, 3. Pulsrohrkühler, 4. Rotationsventil, 5. He-Anschluss, 6. 55 K- Kühlstufe, 7. Kupferlitzen, 8. 4  K- Kühlstufe, 9. Endplatte, 10. Endmaß-ähnlicher Körper, 11. Temperatursensoren, 12. Abschirmung gegen Wärmestrahlung, 13. Laserstrahl. Turbomolekularpumpstände zur Erzeugung der Vakua sind nicht dargestellt.

 

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