Герметичный корпус

Полезная модель может быть использована при изготовлении герметичного ввода лазерного излучения в рабочий объем технологических установок, осуществляющих обработку материалов в вакууме или в среде инертных газов, а также в экспериментальных установках для исследования плоских ударных волн в твердых телах, возникающих при абляции материала с их поверхности.
Известен облучатель, в котором окно выполнено из лейкосапфира. Патент Российской Федерации на полезную модель №5346, МПК A61N 5/06, 16.11.1997.
Известен герметичный корпус с входным окном из лейкосапфира, у которого герметичный корпус выполнен из алюмокерамики, а стенка герметичного корпуса через алюминиевую прокладку с двухсторонней отбортовкой соединена по всему периметру с входным окном из лейкосапфира диффузной сваркой. Патент Российской Федерации на полезную модель №128780, МПК H01J 17/00, 27.05.2013.
Недостатком перечисленных аналогов является низкая функциональная возможность входного окна, представляющего собой плоскопараллельную пластину. Во многих электрофизических установках и приборах требуется не только пропускать управляющее (воздействующее) лазерное излучение, но и фокусировать его. С этой целью дополнительно используют фокусирующие линзы, что усложняет конструкцию установок или приборов и увеличивает потери на отражение излучения.
Известен герметичный корпус из алюмокерамики, в котором стенка корпуса через прокладку с двухсторонней отбортовкой соединена по всему периметру с входным окном из лейкосапфира, причем прокладка с двухсторонней отбортовкой выполнена из титана, а с обеих сторон прокладки расположена алюминиевая фольга. Патент Российской Федерации на полезную модель №138893, МПК H01J 17/00, 27.03.2014.
Известен также герметичный корпус, включающий стенку корпуса, которая через прокладку, выполненную из титана, с двухсторонней отбортовкой, снабженную с обеих сторон алюминиевой фольгой, соединена по всему периметру с входным окном из лейкосапфира, выполненным в виде плоско-выпуклой фокусирующей линзы, плоская поверхность которой обращена к прокладке. Патент Российской Федерации на полезную модель №156784, МПК H01J 17/00, 20.11.2015.
Известен также герметичный корпус с входным окном для ввода лазерного излучения в установку для обработки материалов в вакууме или среде инертных газов, состоящий из стенки корпуса, прокладки с двухсторонней отбортовкой, выполненной из титана и снабженной с обеих сторон алюминиевой фольгой, причем входное окно выполнено из прозрачного в заданном оптическом диапазоне материала, при этом стенка через прокладку соединена по всему периметру с входным окном, которое выполнено с пирамидально-цилиндро-сферической формой, причем пирамидальная поверхность входного окна обращена навстречу лазерному пучку и имеет количество боковых граней, равное требуемому количеству точек фокусировки, а сферическая поверхность обращена внутрь герметичного корпуса. Патент Российской Федерации на полезную модель №171263, МПК В23К 26/067, H01J 17/00, 26.05.2017. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа, как и аналогов, является низкая функциональная возможность полезной модели, обусловленная тем, что лазерное излучение фокусируется в несколько точек, лежащих на окружности. В технологических установках лазерной обработки материалов может возникать потребность в фокусировке лазерного излучения в несколько точек, лежащих на одной прямой.
Техническим результатом полезной модели является расширение ее функциональных возможностей за счет фокусировки лазерного излучения в три точки, лежащие на прямой линии.
Технический результат достигается тем, что в герметичном корпусе с входным окном для ввода лазерного излучения в установку для обработки материалов в вакууме или среде инертных газов, состоящем из стенки корпуса, прокладки с двухсторонней отбортовкой, выполненной из титана и снабженной с обеих сторон алюминиевой фольгой, причем входное окно выполнено из прозрачного в заданном оптическом диапазоне материала, при этом стенка через прокладку соединена по всему периметру с входным окном, которое имеет цилиндро-сферическую форму, причем сферическая поверхность обращена внутрь герметичного корпуса, поверхность, обращенная навстречу лазерному пучку, является выпуклой и образована тремя гранями, первая грань выполнена по нормали к боковой поверхности прямого цилиндра, а углы наклона второй и третьей граней к нормали к боковой поверхности прямого цилиндра определяют по уравнению
i
где α - угол наклона i-той грани к нормали к боковой поверхности прямого цилиндра;
i=2, 3, - целые положительные числа;
n - показатель преломления материала входного окна;
- расстояние от фокуса линзы, образованной сферической поверхностью входного окна, до i-той точки фокусировки;
ƒ - фокусное расстояние указанной линзы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично представлено сечение герметичного корпуса и вид на него сверху, где: 1 - стенка корпуса, 2 - титановая прокладка с двухсторонней отбортовкой, 3 - алюминиевая фольга, 4 - входное окно, выполненное из материала, прозрачного в заданном оптическом диапазоне.
Верхняя часть окна 4 представляет собой выпуклую фигуру, образованную боковой поверхностью прямого цилиндра и тремя гранями. Причем одна грань расположена по нормали к боковой поверхности цилиндра, а вторая и третья грани имеет угол наклона к нормали к боковой поверхности больше, чем предыдущая. Средняя часть входного окна 4 - прямой цилиндр. Нижняя часть входного окна 4 - плоско-выпуклая сферическая линза.
Лазерный пучок тремя гранями разделяется на 3 пучка. Первый пучок сохраняет первоначальное направление распространения. Второй и третий пучки отклоняется от первоначального направления на углы
i
где α - угол наклона i-той грани к нормали к боковой поверхности прямого цилиндра;
i=2, 3 - целое положительное число.
n - показатель преломления материала входного окна.
Далее лазерные пучки, пройдя цилиндрическую часть входного окна, плоско-выпуклой сферической линзой фокусируются в ее фокальной плоскости F в 3 точки, расположенные на прямой линии. Первый пучок фокусируется в фокусе линзы. Расстояние в фокальной плоскости линзы от фокуса до второй и третьей точек фокусировки определяют по уравнению
где ƒ - фокусное расстояние линзы, образованной сферической поверхностью входного окна 4.
Используя уравнения (1) и (2), найдем требуемые углы между нормалью к боковой поверхности цилиндра и второй и третьей гранями
На рисунке также показан ход лучей А, В, С, D, Е и G лазерного пучка, показывающий возможность фокусировки трех лазерных пучков в 3 точки, расположенные в фокальной плоскости F на одной линии.
2
3
Например, необходимо получить три точки фокусировки лазерного излучения на одной линии, одна точка должна быть в фокусе линзы, вторая - на расстоянии 1 см от фокуса, третья - на расстоянии 2,5 см от фокуса. Фокусное расстояние линзы 50 см, показатель преломления материала линзы равен 1,5. Для этого необходимо на поверхности правильного цилиндра, обращенной навстречу лазерному излучению изготовить три грани. Первая грань изготавливается по нормали к боковой поверхности цилиндра, вторая грань имеет угол наклона α=3,44 градуса, третья грань имеет угол наклона α=8,58 градусов.
1
2
3
Входное окно 4 может быть изготовлено следующим образом. Берут цилиндрическую заготовку диаметром, равным внешнему диаметру герметичного корпуса 1, и при помощи шлифовки формируют на торцах два цилиндра диаметром несколько меньше внутреннего диаметра герметичного корпуса 1 для образования посадочного кольца 5. затем на одном торце цилиндра при помощи шлифовки и полировки формируют сферическую поверхность. На втором торце цилиндра при помощи шлифовки и полировки последовательно формируют три грани с углами наклона к нормали к боковой поверхности цилиндра, равными α=0 градусов, α=3,44 градуса, α=8,58 градусов.
-7
Изготовление герметичного корпуса осуществляют следующим образом. Собранное изделие, в котором на стенке корпуса 1 установлена титановая прокладка 2 с двухсторонней отбортовкой, алюминиевая фольга 3 с обеих сторон прокладки 2 и входное окно 4 помещают в рабочую камеру установки диффузной сварки. Проводят откачку в рабочей камере до давления ≈10 Торр. Затем проводят активацию алюминия через окисную пленку на поверхности алюминиевой фольги 3 путем выдержки изделия при температуре 520-660°С в течение 60-90 минут без силового воздействия. Затем при осевом силовом воздействии более 350 Н изделие выдерживают при температуре 400-580°С в течение 30-60 минут. При физическом контакте происходят диффузные процессы стенки корпуса 1 и окна 4 с алюминиевой фольгой 3, как по поверхности алюминиевой фольги 3, так и по поверхности титановой прокладки 2. Затем соединяют свариваемые поверхности при силовом воздействии 40-200 Н при температуре 500-600°С в течение 40-70 минут.
Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается от прототипа наличием новых признаков, взаимным расположением и формой выполнения, которые придают объекту новые свойства, проявляющиеся в техническом результате.