CH688291A5 - Thermische Lichtquelle, insbesondere zur Erzeugung von Infrarotstrahlung in einem Lampengehaeuse ausMetall oder Keramik - Google Patents
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Description
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CH 688 291 A5
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Beschreibung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik, insbesondere der Infrarot-Spektroskopie. Sie betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1, die sich für den Betrieb von optischen Geräten, vor allem für infrarot-spektroskopische Detektoren, eignet.
Es stehen heute unkonventionelle licht-emittieren-de Elemente, wie Laser und lichtemittierende Dioden (LED), zur Verfügung. Solche Lichtquellen, welche im sichtbaren Bereich arbeiten sind kostengünstig und recht leistungsstark. Trotzdem werden klassische, insbesondere thermische Lichtquellen, für Anwendungen im Sichtbaren und im mittleren Infrarot (2 nm-20 um) noch sehr oft verwendet. Der Grund ist in der grossen Bandbreite, der Zuverlässigkeit, der Robustheit, der einfachen Handhabung und dem relativ niedrigen Preis dieser Lichtquellen zu suchen.
Thermische Strahler lassen sich durch das Planck'sche Gesetz beschreiben. Danach ist das Abstrahlungsspektrum und damit auch das Strahlungsmaximum allein durch die Temperatur der Strahlungsquelle gegeben. Das Strahlungsmaximum für sichtbares Licht wird bei einer Temperatur um die 3700°C erreicht. Zur Erzielung einer effizienten thermischen Lichtquelle für den sichtbaren Spektralbereich ist daher eine möglichst hohe Strahlertemperatur erforderlich. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sich das höchstschmelzende Metall, nämlich Wolfram (Schmelzpunkt 3410-0), für Glühkörper sehr gut eignet. Zur Erreichung einer grossen Strahleroberfläche und eines für die Beschaltung hinreichend grossen elektrischen Widerstands wird der Strahler vornehmlich in Wendel- oder Doppelwendelform hergestellt. Wichtig ist diese Formgebung insbesondere dann, wenn die Strahlung thermisch durch Ein- und Ausschalten der Stromversorgung moduliert werden soll. Bei wendeiförmiger Strahlergeometrie kann die thermische Trägheit sehr niedrig gehalten werden. Die Wendelgeometrie bedeutet aber, dass als Strahler fast ausschliesslich ein mechanisch gut bearbeitbares, hochschmelzendes Material, also ein Metall verwendet werden kann.
Wolfram eignet sich nicht nur wegen des hohen Schmelzpunkts. Dieses Material besitzt auch einen überaus niedrigen Dampfdruck. (Der Siedepunkt von Wolfram beträgt 5660°C). Diese Grösse ist massgebend für die Lebensdauer der Strahlungsquelle, da die Alterung der Wendel vor allem durch Abdampfen des Wendelmaterials bedingt ist.
Trotz seines breiten Anwendungsgebiets hat Wolfram einige sehr wesentliche Nachteile:
Wolfram besitzt ein niedriges Licht-Emissionsver-mögen. Dasselbe beträgt bei 1000°C: e = 0.15, bei 1500°C: e = 0.23 und bei einer Temperatur von 2000°C: e = 0.28.
Wolfram verträgt als höchstschmelzendes Metall wohl eine sehr hohe Temperatur. Allerdings muss dieses Material in absolut wasserfreier Umgebung betrieben werden, denn bei Anwesenheit von Wasserdampf bildet sich auf der beheizten Wolframoberfläche unter Dissoziation des Wassers ein
Oxid, das sehr leicht sublimiert. Die Sublimationstemperatur dieses Oxids liegt bei 800-900°C. Das sublimierte Wolframoxid kondensiert an der kalten Oberfläche des Lampengehäuses. Dieses Oxid ist aber nicht stabil; es wird durch den bei der Wasserdissoziation gebildeten Wasserstoff unter Bildung von Wasser reduziert. Das Wasser gelangt wiederum an die Wendel, wobei sich von neuem Wolframoxid bildet usw. Auf diese Weise wird das Wolfram bei Anwesenheit kleinster Wasserspuren aufgrund des sog. Langmuir'schen Kreisprozesses innert kürzester Zeit von der beheizten Fläche an die kühle Oberfläche des Lampengehäuses transportiert.
Zur Erreichung der erforderlichen Wasser-Freiheit wird die Wolfram-Glühwendel in der Regel in ein verschmolzenes Lampengehäuse aus Glas eingeschlossen und während des Evakuierungsprozesses zusammen mit dem Lampengehäuse auf einer Temperatur von über 400°C gehalten. Kunststoff-verkittungen sind völlig ungeeignet, da sie die verlangte Ausheiztemperatur nicht vertragen. Weiter ist eine hinreichende Wasserverdämmung nicht gewährleistet und zudem besteht die Gefahr, dass bei der thermischen oder photochemischen Zersetzung des Kunststoffes Sauerstoff und Wasserstoff, resp. Wasser freigesetzt werden.
Die Technologie des Einschmelzens einer Wolframwendel in ein Glasgehäuse ist derart ausgereift, dass entsprechende Lampen bekanntlich zu einem äusserst günstigen Preis hergestellt werden können.
Für Anwendungen in der Infrarot-Spektroskopie, insbesondere in der Gasanalytik, sind hingegen Lampen mit Wolframwendeln nicht optimal geeignet:
Einerseits ist keine hohe Temperaturverträglichkeit gefordert, denn das Intensitätsmaximum der infraroten Schwarzkörperstrahlung einer Wellenlänge im Bereich 2 nm-20 um wird bei einer Temperatur unterhalb 2000°C erreicht. Beispielsweise liegt das Emissionsmaximum der 4.25 nm-Strahlung, die zur optischen Detektion des CO2-Gases meistens verwendet wird, bei einer Temperatur von 1000°C. Andererseits ist Glas im mittleren Infrarot nicht durchsichtig, sodass auf andere Fenstermaterialien, wie Saphir, ausgewichen werden muss. Solche Materialien lassen sich aber mit Glas wegen der Verschiedenheit der Ausdehnungskoeffizienten nur schwer verschmelzen.
Es existieren Metalle, welche an der Luft ohne Schaden zu nehmen, beheizt werden können. Es handelt sich um die sog. Heissleiter, welche beispielsweise unter der Bezeichnung «Kanthai» bekannt sind. Dieselben bestehen mçist aus einer Eisen-Chrom-, Eisen-Aluminium-Chrom-, oder Eisen-Nickel-Chrom-Legierung. Beim Beheizen diffundiert das Chrom an die Metalloberfläche und bildet dabei unter der Wirkung des Luftsauerstoffs eine schützende Oxidschicht. Der Nachteil bei diesen Legierung ist einerseits die beschränkte Temperaturbeständigkeit von ca. 1000°C, wobei bei sehr dünnen Drähten die maximal Betriebstemperatur niedriger liegt. Beispielsweise dürfen nach eigenen Untersuchungen Wendeln aus 0.03 mm-Draht (Modulati5
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onstiefe bei 10 Hz: 30%), ohne eine erhebliche Einschränkung der Lebenszeit in Kauf nehmen zu müssen, nur bei einer Maximaltemperatur von 820°C beheizt werden. Offenbar steht bei sehr dünnem Material zu wenig Chrom zur Bildung einer hinreichend schützenden Oberflächenschicht zur Verfügung.
Heissleiter besitzen wegen ihrer oxidierten Oberfläche im infraroten Spektralbereich ein gutes Emissionsvermögen von 0.3 bis 0.8, wobei der grosse Variationsbereich durch die unterschiedliche Beschaffenheit der Oxidoberfläche bedingt ist.
Die Anwesenheit von Sauerstoff ist bei diesen Leitern unumgänglich, da sonst die Oberflächenschicht unkontrolliert abgebaut wird, wobei sich Strahlungsfluktuationen ergeben.
Mit Ausnahme der Edelmetalle ist es bei Metallwendeln erforderlich, dass sie im Vakuum oder unter Schutzatmosphäre betrieben werden.
Im infraroten Spektralbereich besitzen reine Metalle typischerweise ein Emissionsvermögen von ca. e = 0.2. Hingegen liegt das Emissionsvermögen von oberflächlich oxidierten Metallen viel höher, nämlich typischerweise bei e = 0.6.-0.8. Im Gegensatz aber zum leicht sublimierbaren Wolframoxid und dessen Reduktion in Anwesenheit von Wasserstoff auf der kühlen Gehäuseoberfläche, existieren andere sehr stabile Metalloxide.
Diese Stabilität des Oxids auf dem beheizten Strahler bringt es mit sich, dass die Hochvakuumanforderungen, welche an die Metalldurchführungen und Materialverbindungen gestellt werden müssen, geringer gehalten wer den können, sodass auf eine Glasverschmelzung gegebenenfalls verzichtet werden kann.
Das Umgehen einer Saphir-Glasverschmelzung hat folgende Vorteile:
- Reduktion der Herstellungskosten,
- leichtere Handhabung der Komponenten (Metallstatt Glas-Technologie)
- gute Wärmeableitung vom Reflektor auf die Umgebung, was bei einer thermisch modulierten Strahlungsquelle eine grosse Modulationstiefe bedeutet,
- präzise Bearbeitbarkeit des Reflektors und genaue Justierbarkeit der Stahler-Reflektor-Geometrie.
Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung eines Metallreflektors mit aufgebrachtem Fenster die Lichtführung bedeutend einfacher ist, als unter der Auflage eines in Glas eingeschmolzenen Strahlers.
Die gute Führbarkeit des Lichtes, insbesondere eine effiziente Fokussierung, ist heute wegen der zunehmenden Miniaturisierung der Gassensoren besonders wichtig. Entsprechende Konstruktionen existieren zwar (es sei etwa auf den Artikel von O. Oehler, S. Kunz and J. Wieland in Helv. Phys. Acta, 65, 834 (1992) hingewiesen), doch sind Wendeln aus Kanthai, wie bereits erwähnt worden ist, bedeutend weniger temperaturbeständig als jene aus einem hochschmelzenden Material wie Wolfram.
Für Arbeiten im Spektalbereich unter 7 (im ist Saphir als Fenstermaterial nicht mehr geeignet, da seine Transparenz zu klein ist. Andere Materialien,
wie etwa Silizium, oder ionische Einkristallgläser lassen sich aber mit Glas kaum verschmelzen.
Ein weiteres Problem stellt die Oberflächenbehandlung der Fenster dar. Vor allem bei Fenstermaterialien mit hohem Brechungsindex, wie Silizium, ist eine Vergütung der Fensteroberfläche durch eine Antireflexionsschicht sehr empfehlenswert. Ebenfalls von Interesse ist der Ersatz des Lichtquellenfensters durch ein optisches Filter, insbesondere durch ein Interferenzfilter. Die Doppelfunktion des Fensters als optisches Filter führt zu einer konstruktiven Vereinfachung. Weiter wird bei geeigneter Reflektorgeometrie und Strahleranordnung das nicht aus dem Reflektor austretende Licht auf den Strahler zurückgeworfen, was zu einer Erhöhung der Lampeneffizienz führt.
Eine interessante Lampenkonstruktion beruht auf dem Anbringen eines Gegenreflektors mit zentralem Durchlassbereich auf der Fensteroberfläche. Solche Vorrichtungen werden im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 eingehend erörtert.
Eine Metall-Konstruktion bietet zudem gegenüber einer Glaskonstruktion den Vorteil, dass ein Teil des Lichtes leicht zur Überwachung der Strahlungsintensität seitwärts ausgekoppelt und einem am Lampengehäuse angeflanschten Lichtdetektor zugeführt werden kann. Ebenfalls ist das Anbringen eines metallenen Abpumpstutzens und dessen Verschlusses bei einem Metall-Lampengehäuse einfach zu realisieren.
Die zur Verfügung stehenden Lampenkonstruktionen, insbesondere die Glasausführung mit aufgeschmolzenem Saphirfenster sind, wie die vorgängigen Betrachtungen zeigen, mit erheblichen Nachteilen behaftet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine thermische Lichtquelle zu schaffen, welche die obigen Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst mittels der im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufgeführten Vorrichtung.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das Lampengehäuse aus Metall, insbesondere Anti-corodal, besteht und das vorbehandelte Fenster durch eine Weichlötung auf dem Lampengehäuse befestigt ist.
Die Methode der Verlötung von Metalloxiden, wie Aluminiumoxid-, Siliziumoxid-Keramiken oder Saphir mit einem Metall ist wohlbekannt. Es sei in diesem Zusammenhang etwa auf die «Cermax»-Xenon-Lampe der Firma ILC Technology, Sunnyvale, CA 94 089, USA, hingewiesen. Die Verlötung beruht in der Regel auf einer Benetzung der Oxidoberfläche mit einem aktiven Metall wie Ti, Zr, Hf, V, Nb oder Ta, wobei diese zu einem kleinen Anteil im Hartlot vorhanden sind. Obwohl das Hartlot an sich eine relativ niedrige Schmelztemperatur um 600°C aufweist, ist trotzdem eine Löttemperatur von ca. 900°C erforderlich, da nur bei hoher Temperatur die Oberflächenbenetzung des Oxids zustande kommt. Versuche, Saphir mit Aluminium zu verbinden, waren daher nicht erfolgreich. Die höchste für Aluminium erlaubte Temperatur von ca. 600°C führte wohl zu einem Aufschmelzen des Lotes, nicht aber zu einer Benetzung der Saphiroberfläche. Bei Kupfer,
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das eine Temperatur von 1000°C aushält, ist eine Saphir-Metall-Verlötung hingegen möglich. Es sei in diesem Zusammenhang etwa auf das Werk «Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde», Hrsg. G. Leonhardt, G. Ondracek S. 385 (1993) hingewiesen.
Versuche, einen Lampenkörper aus Kupfer mit polierter optischer Oberfläche durch Aktivverlötung zu verbinden, erwiesen sich als nicht einfach. Offenbar infolge der hohen Temperatur wurde die Qualität der optischen Oberfläche beeinträchtigt. Ebenfalls erwiesen sich die Versuche, die optische Oberfläche durch eine Vergoldung zu schützen, nicht als erfolgreich. Trotz einer Diffusionssperre aus Titan oder Nickel konnte nicht verhindert werden, dass das Gold in das Kupfer des Lampengehäuses eindrang und mit dem Kupfer eine Legierung einging.
Ein weiteres Problem bieten die sehr verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Saphir. So wurden Fehler in der Metall-Saphir-Verbin-dung beobachtet, welche sich auf das Langzeitverhalten der Lampe nachteilig auswirken können. Es ist allerdings festzuhalten, dass vakuumdichte Kupfer-Saphir-Verbindungen sich bei geeigneter Geometrie der Verbindung durchaus schaffen lassen, wie aus dem Artikel «Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde», A. Satir-Kolorz, T. Lüthi, H. Schwe-da, 1993, S. 385/92, hervorgeht. Im vorliegenden Fall eines ebenen Saphirfensters sind hingegen die konstruktiven Freiheiten eingeschränkt.
Eine weitere Schwierigkeit bietet die hohe Temperatur der Aktivverlötung. Die erwähnten Metalloxide, wie auch gewisse Halbleitermaterialien, halten zwar eine Löttemperatur von 900°C aus. Hingegen sind die erwähnten Antireflexions-Vergütungen oder Beschichtungen mit Filtereigenschaften, beispielsweise Interferenzfilter, nicht gegen eine Temperatur von 900°C beständig. Ebenfalls wird eine Verspie-gelung des Fensters, beispielsweise eine partielle Vergoldung, durch die hohe Temperatur beeinträchtigt. Es wurde eine wesentliche Reduktion des Reflexionsvermögens beobachtet.
Verspiegelungen, Vergütung und optische Filter sind hingegen gegenüber Temperaturen, wie sie beim Weichlöten auftreten (unter 400°C) durchaus beständig.
Das Prinzip der Verbindung des Metall-Lampenkörpers mit dem Fenster beruht darauf, dass zunächst das Fenster einer für eine Weichlötung geeigneten Vorbehandlung unterzogen wird. Diese Vorbehandlung wird erfindungsgemäss im Anbringen einer metallisierten Berandung der Fensterfläche, beispielsweise durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung, oder durch Aktivlot-Verbindung des Fenstermaterials mit einem Hartlot geschaffen. Als nächster Schritt wird das Fenster mit der Vergütungsschicht oder der Teilverspiegelung, resp. der Filterschicht versehen. Schliesslich wird das vorbehandelte Fenster mittels eines Weichlots mit dem Metall des Lampengehäuses verbunden.
Die hohe Duktilität des Weichlots gestattet einen Ausgleich der Verschiedenheit der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fenstermaterial und Lampengehäuse, was sich auf die Qualität und Beständigkeit der Metall-Fenster-Verbindung günstig auswirkt.
Herstellungstechnisch wichtig ist ferner, dass alle Verlötungen, insbesondere diejenige des Fensters oder der Fenster, diejenige des Sockels für die elektrischen Durchführungen, an welchem letzteren der Strahler befestigt ist, und diejenige für den Absaugstutzen gleichzeitig vorgenommen werden können. Ferner ist von Vorteil, dass das Auswechseln von Komponenten, beispielsweise der Glühwendel oder des Fensters mit dem optischen Filter, nachträglich leicht vorgenommen werden kann.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle mit parabolischem Reflektor, einem Infrarotfenster mit Gegenreflektor, einem Strahler und einer photoakustischen Detektor und
Fig. 2 zeigt eine zu Fig. 1 analoge Konstruktion mit elliptischem Reflektor, wobei zusätzlich ein Infrarotdetektor zur Überwachung der emittierten Strahlung angebracht ist und die Strahlung einem photothermischen Detektor zugeführt wird.
Fig. 1 zeigt als Beispiel die Darstellung einer Infrarotquelle, bei welcher der Reflektor 4 gleichzeitig Bestandteil des aus Metall oder Keramik bestehenden Lampengehäuses 2 ist. Im Gegensatz zu einer Glaskonstruktion ist in diesem Falle die Parallelisie-rung, resp. die Fokussierung des Lichtes günstig, da eine sehr genaue Bearbeitung und Justierung der Optik, bestehend aus dem Strahler 1, dem Reflektor 14 und dem Fenster 12 möglich ist. Die Durchführungen 3, 3' mit dem Strahler 1 sind vorteilhafterweise in einem Durchführungssockel 13 befestigt. Damit ist es möglich, den Strahler vor dem Einbau in das Lampengehäuse 2, beispielsweise unter einem Mikroskop, genau zu justieren. Anschliessend wird der Durchführungssockel 13 mit Hilfe eines Anschlags durch eine Weichlötung in das Lampengehäuse eingefügt.
Besonders wichtig ist die gute Fokussierbarkeit, wenn die Strahlung in einer miniaturisierte Detektorzelle, beispielsweise in einen photoakustischen Detektor 18 (Fig. 1), oder in einen photothermischen Detektor 28 (Fig. 2) eingekoppelt werden soll.
Die in Fig. 1 beschriebene Konstruktion hat zudem die günstige Eigenschaft, dass ein Teil des Lichtes leicht zur Überwachung der Strahlungsintensität durch ein seitliches Fenster 12' ausgekoppelt und einem genau positionierten, angeflanschten Lichtdetektor 15 zugeführt werden kann. Es wird somit auf einfache Weise eine optische Verbindung zwischen dem Strahler 1 und dem Lichtdetektor 15 geschaffen. Ebenfalls sind das Anbringen eines Metall-Abpumpstutzens 16 am Metall-Lampengehäuse 2 und dessen Verschlusses nach der Evakuierung, resp. nach der Schutzgasfüllung, unproblematisch.
Der in Fig. 1 abgebildete Reflektor 4 ist von parabolischer Form 14. Das austretende Licht ist damit weitgehend parallel, falls der Strahler bei dessen Brennpunkt 14' angebracht ist. Falls das Licht fokussiert werden soll ist eine Fokussieroptik 17 erforderlich. Zur Einengung des austretenden Licht
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strahls kann das Fenster 12 mit einem Gegenreflektor 12' mit zentralem Durchlassbereich versehen sein. Falls der Glühkörper teilweise transparent ist, was bei einer Glühwendel beispielsweise der Fall ist, kann eine Erhöhung der Strahlintensität erreicht werden, wie in der europäischen Patentschrift Nr. 0 112 347 nachzulesen ist.
Eine weitere Ausführungsform des Reflektors ist in Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich um einen elliptischen Reflektor 24. In diesem Fall wird die Strahlung vom Strahler 1, welcher in der Nähe des inneren Brennpunkts 24' des Ellipsoid- Reflektors 24 angebracht ist, im äusseren Brennpunkt 24" fokus-siert. Das Fenster 12 kann ebenfalls zusätzlich mit einem Gegenreflektor 12" mit zentralem Durchlassbereich versehen sein. Wie ebenfalls in der europäischen Patentschrift Nr. 0 112 347 festgehalten ist, ergibt sich bei dieser Konstruktion eine effiziente Lichtsammlung, falls der Gegenreflektor 12" in der mittelhalbierenden Ebene der beiden Brennpunkte 24', 24" des Ellipsoidreflektors 24 angebracht ist.
Die gesammelte Strahlung des Strahlers 1 kann beispielsweise durch Ein- und Ausschalten des Stromes, der über die Stromdurchführungen 3, 3' dem Strahler 1 zugeführt wird, moduliert werden. Das Infrarotlicht des Strahlers 1, kann, wie Fig. 1 zeigt, zur Detektion eines Gases durch ein Fenster 18" einem photoakustischen Detektor 18 zugeführt werden. Bei Absorption des intensitätsmodulierten Lichtes durch das zu untersuchende Medium entsteht im photoakustischen Detektor 18 ein Schallsignal, das mit Hilfe eines Mikrophons 18' erfasst werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zur Detektion eines gasförmigen Mediums besteht darin, dass anstelle des absorptions-bedingten alternierenden Drucksignals, die periodische Erwärmung des Mediums gemessen wird. Zu diesem Zweck wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die intensitäts-modulierte und gegebenenfalls monochromatische Strahlung durch das Fenster 28'" in einen photothermischen Detektor 28 eingekoppelt und die Temperaturschwankungen, welche bei der Strahlungsabsorption auftreten, beispielsweise über die Verstimmung eines Ultraschallresonators, der aus zwei einander gegenüber angeordneten Ultraschallwandlern 28', 28" gebildet wird, erfasst. Es sei in diesem Zusammenhang auf die europäische Patentschrift Nr. 0 362 307 hingewiesen.
Zur Erreichung der Selektivität ist vornehmlich monochromatische Strahlung erforderlich. Das an sich breite Emissionsspektrum eines thermischen Strahlers kann durch Anbringen eines optischen Filters 19, beispielsweise eines Schmalbandfilters in Form eines Interferenzfilters, im Lichtstrahl zwischen Lichtquelle 1, 2 und Detektor 18, 28 auf den erforderlichen Bereich spektral eingeengt werden. Gegebenenfalls kann das optische Filter direkt als Beschichtung 19' auf dem Fenster 12 der Lichtquelle und/oder gegebenenfalls auf dem seitlichen Fenster 12' als Beschichtung 19" aufgebracht sein. Die Anordnung der Filterbeschichtung 19' auf dem Fenster 12 ist unter Verwendung eines parabolischen Reflektors 14, oder eines elliptischen Reflektors 24
besonders günstig, da die vom Filter reflektierte Strahlung auf den beim Brennpunkt 14', resp. 24' angebrachten Strahler 1 zurückgeworfen wird.
Da sowohl die Modulationstiefe der abgestrahlten Lichtintensität, also das Verhältnis der Intensitäts-Amplitude zum Mittelwert, als auch die Wellenlänge bei Verwendung eines Interferenzfilters als optisches Filter 19 von der Temperatur des Lampengehäuses, resp. von der Temperatur des Interferenzfilters abhängt, ist es bei präzisen Messungen unumgänglich, sowohl die Temperatur des Lampengehäuses 2 als auch diejenige des Interferenzfilters 19' auf konstanter Temperatur zu halten. Dank der Ganzmetall- oder Keramik-Konstruktion des Lampengehäuses 2 und den aufgelöteten Fenstern 12, 12', was durch das vorgängige Anbringen einer metallisierten Berandung 11, resp. 11' auf den Fensterflächen möglich ist, besteht eine hohe Wärmeübertragung auf das Lampengehäuse und die Fenster. Das Lampengehäuse 2 und die Fenster mit den Interferenzfilter-Schichten 19', 19" können durch eine Heiz- und/oder Kühl-Vorrichtung 29, beispielsweise in Form eines Peltier-Elements, leicht auf konstanter Temperatur gehalten werden. Bei einer Glaskonstruktion mit internem Reflektor wäre die Temperaturkontrolle schwieriger zu realisieren, abgesehen davon, dass das Interferenzfilter nicht direkt auf das Lampengehäuse aufgeschmolzen werden kann.
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Licht-, insbesondere Infrarotstrahlung, bestehend aus einem Strahler (1), der innerhalb eines aus Metall oder Keramik bestehenden Lampengehäuses (2), das gleichzeitig die Funktion eines Reflektors (4, 14, 24) besitzt, angebracht ist und welches Lampengehäuse seinerseits mit in einem Durchführungssockel (13) angeordneten Durchführungen (3, 3') und mindestens einem Fenster (12, 12') versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Fenster zur Verlötung durch eine metallisierte Berandung (11, 11') vorbehandelt und durch eine Weichlot-Verbindung an das Lampengehäuse angefügt ist/sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot eine Sn und/oder Ag und/oder Cd und/oder Sb und/oder Zn und/oder Pb enthaltende Legierung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Berandung (11, 11') der Fenster durch eine Aktivlot-Beschichtung aufgebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivlot-Beschichtung ein Ti-, Zr-, Hf-, V-, Nb- oder Ta- dotiertes Hartlot ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Berandung (11, 11') der Fenster durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung angebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Fenster (12, 12') mit einer die Reflexion reduzierenden Vergütungsschicht (12'") und/oder mit einer Beschichtung mit der Eigenschaft eines optischen Filters
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(19', 19"), beispielsweise eines Interferenzfilters, und/oder mit einem Gegenreflektor (12") mit zentralem Durchlassbereich versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Reflektor (14, 24) ausgebildete Lampengehäuse (2) mit einem zusätzlichen Fenster (12') mit einem Lichtdetektor (15) versehen ist, der mit dem Strahler (1) in optischer Verbindung steht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) ein parabolischer Reflektor (14) ist, der Strahler (1) in der Nähe dessen Brennpunkts (14') angeordnet ist, das Fenster (12) gegebenenfalls mit einem Gegenreflektor (12") mit zentralem Durchlassbereich beschichtet und gegebenenfalls im Strahlengang des durch das Fenster (12) austretenden Lichtes eine Fokussieroptik (17) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) ein elliptischer Reflektor (24) ist, der Strahler (1) in der Nähe des inneren Brennpunkts (24') des Reflektors (24) angeordnet ist und dass das Fenster (12), das gegebenenfalls bei der Mittelnormalebene der beiden Ellipsoid-Brennpunkte (24', 24") angeordnet ist, gegebenenfalls mit einem Gegenreflektor (12") mit zentralem Durchlassbereich beschichtet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Strahlengang der gegebenenfalls durch ein optisches Filter (19, 19') spektral eingeengten Strahlung
- ein mit einem Fenster (18") versehener photoakustischer Detektor (18) befindet, der seinerseits zur Detektion eines absorptions-bedingten Schallsignals mit einem Mikrophon (18') versehen ist, oder
- ein mit einem Fenster (28'") versehener photothermischer Detektor (28) befindet, der seinerseits zur Detektion eines absorptions-bedingten Temperatursignals der Hohlraum eines Ultraschallresonators ist, der aus zwei einander gegenüber angeordneten Ultraschallwandlern (28', 28") gebildet wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lampengehäuse (2) mit einer Heiz-/Kühl-Vorrichtung (29) derart verbunden ist, dass das Lampengehäuse (2) mit dem aufgelöteten Fenster (12), insbesondere mit einem aufgebrachten optischen Filter (19') auf konstanter Temperatur gehalten werden kann.
12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 als Lichtquelle, insbesondere als Infrarotlichtquelle, bestehend aus einem Strahler (1), der innerhalb eines Lampengehäuses (2) angebracht ist und seinerseits mit in einem Durchführungssockel (13) angeordneten Durchführungen (3, 3') versehen ist und welches Lampengehäuse mindestens ein Fenster (12, 12') enthält, das mit einer Vergütung (12'"), einer als optisches Filter (19') wirkenden Beschichtung und/oder einem Gegenreflektor (12") mit zentralem Durchlassbereich versehen ist, sowie einer Reflektorvorrichtung (14, 24), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mindestens ein Fenster (12, 12') mittels eines Aktivlots belotet wird, anschliessend mit einer oder mehreren Be-schichtungen (12", 12'", 19') versehen wird und schliesslich durch eine Weichlot-Verbindung am Lampengehäuse (2) angefügt wird.
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