CN1070608C - 红外光源 - Google Patents
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Abstract
一种红外光源，用于红外分光和付里叶变换红外分光镜(FTIR)等。该红外光源由一个经烧结的氮化硅板的面板、一个埋置在面板中的金属加热元件和一对供电给加热元件的导电线路组成。这种红外光源面板平坦表面均匀地发射出红外光。相比之下，现有技术采用金属灯丝的红外光源发射出的红外光不均匀。为防止红外光源的性能在使用初期发生变化，最好在面板表面形成氧化硅层。
Description
本发明涉及一种能产生可用于经外分光计、付里叶变换红外分光镜(FTIR)等光学仪器的红外光的光源。
传统的红外光源采用卷绕金属(通常为堪塔尔铬铝钴耐热钢)灯丝。但白炽卷绕灯丝发出的光不均匀，因而使能量密度总的说来低，从而使光源的总功率小。若将分光计的缝隙放在将光源的光会聚的一个反射镜的焦点处，则缝隙上就映出卷绕灯丝清晰的影像。因此为减少红外光发射的不均匀性，通常将缝隙安置在稍微偏离焦点的位置，但这会劣化光源的能量利用率。卷绕灯丝的另一个缺点是使用过程中往往逐步变形，从而进一步降低发射密度并缩短使用寿命。
本发明为解决上述问题，提供一种新的红外光源，它的发射功率高、具有改进的发射均匀性及较长的使用寿命。
本发明红外光源的特征在于，它包括：一由经烧结的氮化硅(Si3N4)制成、并具有平表面的面板，以及由金属制成的并在面板中的加热元件。
本发明的一个特点是，平板中还埋置着一对导线用以将电流加到加热元件上使其产生焦耳热。在此情况下，加热元件是一维的，埋置在面板中的加热元件应较长。在其中一个实例中，将加热元件折成梳状。
本发明的另一个特点是，加热元件用安置在平板外的感应加热设备加热。在此情况下，加热元件是二维的。
加热元件在面板中通过电流或感应加热时热量就传到面板上，于是面板就从其平坦的表面发出均匀的红外光。由于红外光是从面板的平坦表面均匀发射出来的，因而红外光源的像能正好聚焦到分光计或类似的采用缝隙的器件的缝隙上。这样能给分析部分提供更强的红外光，从而以较高的S/N(信噪)比来改善红外分析过程。
氮化硅即使在高达大约1350℃的温度下其化学性能和机械性能也是稳定的。就是说，本发明红外光源的氮化硅板在该温度下既不分解也不变形。因此用本发明的红外光源，加热元件可以加热到高的温度，可以提高发光率。
氮化硅是黑的，因而面板表面的发射率高，就是说，本发明红外光源的能量利用率高。
面板在使用之前，其平坦表面最好涂上氧化硅层。开始时若面板表面没有氧化硅层，则面板在使用过程中受热时，氧化硅会聚集在面板表面，从而改变面板表面发射的辐射光谱。相反，当面板表面一开始就有氧化硅层时，氮化硅板即使在使用初期也能发射出光谱稳定的辐射。
形成氧化硅层的一个办法是将硅酸盐溶液涂在氮化硅面板表面然后烘干。烘干后最好将氮化硅面板通电使其老化，使氧化层稳定下来。
下面就本发明的一个实施例进行说明，从该说明中可以了解到本发明的其它特点和其它细节。
图1是本发明一个实施例红外光源的透视图。
图2示出了图1红外光源的结构。
图3是本发明一个实施例红外光源发射出的红外光的功率谱曲线(1)和传统采用堪塔尔灯丝的红外光源的相应曲线(2)。
图4是面板表面经处理后发射出的红外光的功率谱曲线。
图5是未经处理的面板发出的红外光的功率谱曲线。
图1和图2说明本发明一个实施例的红外光源，其中光源10由面板11、加热元件12、一对引线插脚13和一对引线14构成。
加热元件12由高溶点金属制成，例如钨、钼或它们的合金。面板11由一对氮化硅板11a和11b构成，两氮化硅板之间安置着加热元件12和引线14。
本实施例的红外光源10的制造过程如下。首先，制备一对氮化硅生坯板11a和11b。在其中一个氮化硅生坯板11a上印制加热器金属，并将引线14和引线插脚安置到板上。加热器12以一维形式在两引线14之间形成，且印制在氮化硅板11a和11b一端的一个小部位上。例如，在图1的情况下，加热元件安置在4.7毫米×54.6毫米氮化硅板一端的3.6毫米×10毫米的部位。为提高生成的热量，线性加热元件12取梳状。
加热器12、引线14和引线插脚13夹在一对氮化硅生坯板11a和11b之间之后，将它们烧结。烧结氮化硅板有种种方法。其中一种方法是热压法，即将各部件夹好的生坯板11a和11b在大约235公斤/平方厘米的压力和大约1850℃的温度下在氮(N2)气氛中加热大约0.5～2小时。另一种方法是常压法，即将生坯板11a和11b在常压(1大气压)下在大约1650℃下在氮气氛中加热大约4小时。也可以将上述两种方法混合使用。本发明也可以使用其它烧结方法。生坯板烧结过之后，将加热元件12完全密封在平板11中。
使用红外光源10时，电流从引线插脚13通过引线14加热到元件12上，于是加热元件产生焦耳热。热量传到面板11，这时面板11从其下面埋置着加热元件12的表面发射出红外光。由于面板11表面平坦而且几乎是均匀受热的，因而红外光从面板表面几乎是均匀发射的。
图3对比了本实施例的红外光源10发射出的红外光的功率谱曲线和采用堪塔尔灯丝的红外光源的相应曲线。本发明实施例加热元件12的温度取1200℃，传统加热元件则取1100℃。从图3中可以看出，本实施例红外光源10的发光率使发射的红外光远比传统红外光源的强得多。
由于发光表面有较高的发光率和均匀性，因而通过分光计缝隙的红外光增强了，从而使各种红外分析可以在高信/噪比下进行。
寿命试验表明，本实施例红外光源10的寿命在加热元件12采用1200℃时大于5000小时。这远比传统红外光源一般堪塔尔灯丝的寿命长，该寿命在使用温度为1200℃时约为2000小时。
若采用氮化硅的红外光源开始时不经过氧化，则加热到上述高温时氮化硅表面逐步形成氧化层。由于氧化层的形成速度慢，因而氮化硅板11表面形成稳定的氧化层要经过较长的时间。因此，另一方面，面板11发射出的红外光谱不稳定。所以最好事先对面板11进行处理，在其表面形成薄而稳定的氧化硅层。
形成这种稳定氧化硅层最容易的方法是将硅酸盐(例如硅酸钠)溶液涂在经烧结的面板表面上然后烘焙。采用硅酸钠时，烘焙条件是将其在大约400℃下在正常气氛中加热1小时左右。如此处理使红外光源10面板11上的氧化硅层相当稳定。氧化层的厚度以3～20微米为宜，但最好大于10微米。
比较一下图4和图5可以看出表面处理的作用。图4是表面处理过的面板发射出的红外光的功率谱曲线，图5为未经处理面板的相应曲线，图中还给有未经处理面板的初始功率谱曲线，以便于比较。功率谱是在红外光源通电之后每小时在各种不同的时间获取的。从图5可以看到，在面板未经处理的情况下，波数在850～900厘米-1附近的氮化硅其吸收带的变化非常之大，而在如图面板表面经处理的情况下，功率谱稳定。
在面板表面经处理的情况下，如图4中所示，相对发光率因氮化硅集中在1050～1100厘米-1波数附近吸收带而下降的情况在面板通电大约一天之后看得很清楚，但这之后，功率谱稳定下来。这是因为面板11表面的氧化层已全面形成，因而虽然开始时面板表面有许多针孔或厚度不均匀，但经过一天老化之后再也不让氧气通过所致。在面板未经处理的情况下，如图5中所示，发射出的功率谱仍然不稳定，这主要是在氮化硅和氧化硅的吸收带下在通电500小时之后出现的。比较的结果显示，面板11经过表面处理可以使红外光源的功率谱从开始使用时就稳定。
Claims (7)
1．一种红外光源，包括：
一个面板，由经烧结的氮化硅制成，其表面平坦，供发射红外光用，该面板的平坦表面上形成有氧化硅层，其厚度在3-20微米范围内；
一个加热元件，由金属制成，埋置在面板的平坦表面底下；以及
一对导电线路，用以将电流传送给加热元件。
2．如权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述加热元件由取梳状的金属线制成。
3．制造红外光源的一种方法，包括下列步骤：
制取一个组合件，即将一个金属加热元件和一对导电线路安置在一对氮化硅生坯板之间；
将组合件烧结，制取红外光源的面板；
在经烧结的面板的平坦表面上涂上硅酸盐溶液；和
将面板烘焙使硅酸盐溶液干燥。
4．如权利要求3所述的制造红外光源的方法，其特征在于，它还包括在经烧结的面板的平坦表面上形成氧化硅层的步骤。
5．如权利要求4所述的制造红外光源的方法，其特征在于，它还包括将面板通电对面板平坦表面上的氧化硅层进行老化的步骤。
6．如权利要求4所述的制造红外光源的方法，其特征在于，所述硅酸盐溶液为硅酸钠溶液。
7．如权利要求6所述的制造红外光源的方法，其特征在于，它还包括将面板通电对面板平坦表面上的氧化硅层进行老化的步骤。
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