DE19839669C1

DE19839669C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung

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Publication number: DE19839669C1
Application number: DE1998139669
Authority: DE
Inventors: Leo Baumann; Tanja Baumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: AU5972499A; WO2000013000A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung soll die Simulation genauer und zuverlässiger durchgeführt werden. In einem ersten Schritt wird die mittlere Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung pro Zeiteinheit für eine vorgegebene Fläche an einem vorgegebenen geographischen Ort ermittelt. In einem zweiten Schritt wird mit Hilfe einer Bestrahlungsvorrichtung ultraviolette Strahlung auf eine Materialprobe gestrahlt und die mittlere, von der ultravioletten Strahlung auf die Oberfläche der Materialprobe übertragene Energie pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit so eingestellt, daß die auf die Materialprobe übertragene Energiemenge während der Bestrahlungsdauer im wesentlichen der Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung während einer vorgegebenen Zeitdauer entspricht, wobei die Bestrahlungsdauer kleiner als die vorgegebene Zeitdauer ist. Hierzu sind DOLLAR A - eine Strahlungsquelle (2), die elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich erzeugt, DOLLAR A - ein Reflektor (4), der einen Teil der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung fokussierend reflektiert, DOLLAR A - ein Filter (8, 20), der im wesentlichen nur für den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung durchlässig oder undurchlässig ist, und DOLLAR A - eine Halterung (14) zum Positionieren der Materialprobe (16) mit einem variablen Abstand von der Strahlungsquelle (2), wobei die Halterung (14) im ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simula tion der Belastung von Materialien durch solare, ultravio lette Strahlung sowie eine Vorrichtung zur Bestrahlung einer Materialprobe mit ultravioletter Strahlung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Die von der Sonne ausgehende Strahlung wirkt auf die auf der Erde befindlichen organischen und anorganischen Materialien, wobei insbesondere Einflüsse auf die Oberflächen der Mate rialien feststellbar sind. Diese Veränderungen, die in der Regel erst nach langen Zeiträumen von mehreren Jahren auf treten, werden durch die Kombination von Strahlungsbelastung unter Anwesenheit von chemischen Stoffen aus der Atmosphäre und der Umwelt hervorgerufen, wobei die Photooxidation eine wesentliche Rolle spielt.

Das Problem einer technischen Erfassung durch eine Simula tion derartiger Vorgänge besteht insbesondere in den langen Zeitdauern, die regelmäßig in Laborversuchen aber nicht zur Verfügung stehen. Daher ist es erforderlich, reproduzierbare Versuchs bedingungen, die sich insbesondere an den natürlichen Strah lungsbegebenheiten orientieren, zu erlangen. Im Stand der Technik sind dazu beispielsweise Vorrichtungen bekannt, in denen Gegenstände, deren Materialien auf die Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung getestet werden sollen, gleichmäßig mit UV-Strahlung bestrahlt werden. Jedoch findet dabei keine Korrelation mit den natürlichen Gegebenheiten statt, insbe sondere keine Normierung auf die natürliche solare UV-Bela stung.

Aus der US 3,675,477 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen des Ausbleichverhaltens von Textil stoffen unter Einwirkung von solarer ultravioletter Strah lung bekannt. Das Ausbleichen der Textilstoffe soll vorran gig durch ultraviolette Strahlung in einem Wellenlängenbe reich von 0,3 bis 0,4 µm hervorgerufen werden. Hiervon aus gehend wurde dort vorgeschlagen zwischen dem zu testenden Textilstoff und der Strahlungsquelle einen Filter vorzuse hen, der nur ultraviolette Strahlung im gewünschten Wellen längenbereich passieren läßt. Hierdurch konnte auch das Problem gelöst werden, dass eine Aufheizung des zu testenden Textilstoff, der durch Strahlung außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs aufgeheizt wird, vermieden wurde. Die Strahlungsintensität in der Testvorrichtung konnte somit erhöht werden. Auch ist vorgesehen, um die Strahlungsinten sität weiter erhöhen zu können, das Filterelement zusätzlich zu kühlen. Als Filtermedium wird eine umgewälzte und gekühl te Flüssigkeit verwendet.

Um eine Optimierung der Testergebnisse zu erreichen, ist die chemische Zusammensetzung des Filtermediums so gewählt, dass die aus dem Filter heraustretende Strahlung an das natürli che Strahlungsspektrum der Sonne angepasst ist. In der dor tigen Fig. 3 ist gezeigt, dass das Strahlungsspektrum der aus dem Filter heraustretenden Strahlung näherungsweise mit dem Strahlungsspektrum der Sonnenstrahlung der Mittagssom mersonne in Chicago korreliert. Die Strahlungsintensität der aus dem Filter heraustretenden Strahlung entspricht hier etwa der 200-fachen natürlichen Sonnenstrahlung. Auch soll es möglich sein, aus der Verweilzeit des Textilstoffes in der Testvorrichtung auf die Verweilzeit unter Einwirkung natürlicher Sonnenstrahlung zu schließen.

Des weiteren ist aus der DE 196 32 349 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaftsänderungen einer Probe aus einem polymeren Werkstoff, die in einem der Sonnenstrahlung entsprechenden Strahlungsspektrum bestrahlt wird, bekannt. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle auf, deren Strahlung mit ultraviolettem Strahlungsanteil über einen Reflektor fokussierend refelektiert wird. Über ein nachgeschaltetes System aus Linsen und Filtern wird die Strahlung auf die Probe geleitet. Die Filter sind vorrangig nur für ultraviolette Strahlung durchgängig. Die Probe ist in einer ortsfesten Halterung hinter dem System aus Linsen und Filtern eingespannt. Die erzielbare Bestrahlungstärke soll das 10-fache der natürlichen Sonnenstrahlung betragen.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren und die entsprechende Vor richtung derart auszugestalten und weiterzubilden, daß die Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultra violette Strahlung genauer und zuverlässiger durchgeführt werden kann.

Dieses zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungs gemäß zunächst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß in einem ersten Schritt zunächst die mittlere Energiemenge der solaren ul travioletten Strahlung pro Zeiteinheit für eine vorgegebene Fläche an einem vorgegebenen geographischen Ort ermittelt wird. Dadurch wird eine Renngröße erzeugt, die den wahren Umgebungsbedingungen entspricht. Anhand dieser Renngröße ist dann die Energiemenge pro Zeiteinheit zu bemessen, die durch eine künstlich erzeugte Bestrahlung auf eine Materialprobe pro Zeiteinheit abgegeben wird. Dadurch ist es möglich, die Bestrahlungsdauer mit künstlicher UV-Strahlung in Relation mit einer Zeitdauer der Belastung mit solarer UV-Strahlung zu setzen. Dazu wird in einem zweiten Schritt während des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe einer Bestrahlungs vorrichtung ultraviolette Strahlung auf eine Materialprobe gestrahlt. Die mittlere, von der ultravioletten Strahlung auf die Oberfläche der Materialprobe übertragene Energie pro Zeiteinheit wird so eingestellt, daß die auf die Material probe übertragene Energiemenge während der Bestrahlungsdauer im wesentlichen der Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung während einer vorgegebenen Zeitdauer entspricht. Dabei ist die Bestrahlungsdauer kleiner als die vorgegebene Zeitspanne, um eine Simulation der Belastung von Materialien in vernünftigen Labormaßstäben durchführen zu können.

Zur Bestimmung der mittleren Energiemenge der solaren ul travioletten Strahlung pro Zeiteinheit für eine vorgebene Fläche an einem vorgegebenen geographischen Ort wird in be vorzugter Weise für eine waagerecht ausgerichtete Fläche be stimmt. Dazu wird der durchschnittliche Einfallswinkel der Sonnenstrahlung an dem jeweils ausgewählten geographischen Ort über den Jahresverlauf durch Mittelung berechnet, woraus der wirksame Anteil des Energieflusses der solaren Strahlung auf der waagerecht ausgerichteten Fläche berechnet wird. Die Annahme einer waagerecht ausgerichteten Fläche ist dabei eine gute Näherung an die tatsächlich vorhandenen Begeben heiten von Körpern, deren Seitenflächen nicht waagerecht ausgerichtet sind und daher während eines Tagesverlaufes nur zeitweise beschienen werden. Zudem wird in bevorzugter Weise auch die Wetterabhängigkeit des Energieflusses der solaren ultravioletten Strahlung an dem jeweiligen geographischen Ort bestimmt, wozu in der Regel auf Daten aus Wetterbeob achtungen zurückgegriffen werden kann. Dabei wird insbeson dere für die beiden Wellenlängenbereiche UV-A und UV-B der wetterabhängige Energiefluß getrennt bestimmt.

Wird dann der wirksame Anteil, der sich aus dem durch schnittlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung an dem geo graphischen Ort ergeben hat, des wellenlängenabhängigen und wetterabhängigen Energieflusses bestimmt, so ergeben sich Kenngrößen für die Belastung der Materialien durch solare ultraviolette Strahlung, die für die Bestrahlungsdauer mit künstlich erzeugter ultravioletter Strahlung maßgebend sind.

In bevorzugter Weise wird in der Bestrahlungsvorrichtung si chergestellt, daß die wellenlängenabhängige Energievertei lung der von der Bestrahlungsvorrichtung erzeugten ultravio letten Strahlung im wesentlichen der wellenlängenabhängigen Energieverteilung der solaren Strahlung im UV-A- und im UV- B-Bereich entspricht. Somit lassen sich annäherungsweise die natürlichen Begebenheiten der UV-Strahlung simulieren, wobei dann lediglich die höhere Intensität, also die größere Ener gieübertragung pro Zeiteinheit, bei der Durchführung des Verfahrens berücksichtigt werden muß.

Beispielsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine vorgegebene Zeitdauer von 10 Jahren einer Belastung des Ma terials durch solare ultraviolette Strahlung in der Simula tion mit einer Bestrahlungsdauer von ungefähr 1 Stunde bis hin zu 30 Tagen durchgeführt werden. Denn die in der Be strahlungsvorrichtung erzeugte Intensität, die insbesondere durch eine Fokussierung der von einer Strahlungsquelle aus gehenden ultraviolette Strahlung konzentriert werden kann, ist um die für diese Verkürzungen der Bestrahlungsdauern notwendigen Faktoren höher als die Intensität der solaren ultravioletten Strahlung.

In bevorzugter Weise wird in der Bestrahlungsvorrichtung die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit auf die Materialprobe aufgestrahlte Energiemenge durch eine Änderung des Abstandes der Materialprobe zur Bestrahlungsquelle eingestellt. Ebenso ist es möglich, durch eine unterschiedliche Ansteuerung einer Lichtquelle bzw. durch eine Verwendung unterschiedli cher Lichtquellen die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit auf die Materialprobe aufgestrahlte Energiemenge zu variie ren.

Das oben aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst, mit der eine Materialprobe mit ultravioletter Strahlung zur Durch führung des zuvor dargestellten Verfahrens bestrahlt werden kann.

Diese Vorrichtung weist neben einer Strahlungsquelle zur Er zeugung von elektromagnetischer Strahlung im UV-Bereich einen Reflektor auf, der einen Teil, vorzugsweise annähernd die Hälfte, der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung reflektiert, wobei der Reflektor die reflektierte Strahlung in einem Fokus bündelt. Weiterhin ist ein Filter vorgesehen, der im wesentlichen nur für den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung durchlässig ist. Dadurch wird sichergestellt, daß nur ultraviolette Strahlung einer vorgegebenen Intensität auf die Material probe auftrifft, während andere Spektralbereiche nicht durchgelassen werden. Somit können Einflüsse auf das Materi al simuliert werden, die ausschließlich auf das Einwirken von ultravioletter Strahlung zurückzuführen sind. Schließ lich ist eine Halterung vorgesehen, die eine Materialprobe aufnimmt und mit einem variablen Abstand von der Strahlungs quelle positioniert. Dabei ist die Halterung im Strahlengang hinter dem Filter angeordnet. Durch die Einstellung des Abstandes zwischen der Halterung und somit der Materialprobe und der Strahlungsquelle wird aufgrund der ortsabhängigen Energiedichte der auf die Materialprobe auftreffenden ul travioletten Strahlung der Energiefluß pro Flächeneinheit eingestellt.

In bevorzugter Weise ist der Filter als Spiegelfilter ausge bildet, der entweder den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung durchläßt oder reflek tiert. Dazu ist in weiter bevorzugter Weise der Filter unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse des Reflek tors, vorzugsweise unter 45°, angeordnet. Der reflektierte Anteil der Strahlung wird dann von der optischen Achse weg gerichtet reflektiert, so daß es zu einer Trennung zwischen dem ultravioletten Anteil und dem nicht-ultravioletten An teil der Strahlung kommt.

Schließlich ist in bevorzugter Weise ein Spektralfilter im Strahlengang vorgesehen, der durch eine wellenlängenselekti ve Filterung der UV-Strahlung das Verhältnis zwischen den Energieverteilungen des UV-A- und des UV-B-Anteils an das Verhältnis der Energieverteilungen beider Bereiche in der solaren Strahlung anpaßt. Somit wird sichergestellt, daß dann, wenn der oben beschriebene Filter bzw. Spiegelfilter nicht bereits eine solche wellenlängenselektive Eigenschaft aufweist, die spektrale Energieverteilung einer ultraviolet ten Strahlung an die Energieverteilung in der solaren Strah lung angepaßt wird. Dadurch wird die Simulation der Bela stung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung verbessert.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausfüh rungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwenden den Bauteile unterliegen ihrer Größe, Formgestaltung, Mate rialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - bei spielhaft - bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemä ßen Bestrahlungvorrichtung dargestellt sind. In der Zeich nung zeigen

Fig. 1. ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Vorrichtung mit einem Spiegelfilter, der den ultravioletten Anteil der von der Strahlungs quelle erzeugten Strahlung durchläßt, in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Vorrichtung, bei der der Spiegelfilter den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung reflektiert, und

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Berechnung des durchschnittlichen Einfallswinkels der Sonnenein strahlung an einem vorgegebenen geographischen Ort.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestrahlung einer Materialprobe mit ultravioletter Strahlung zur Durchführung eines Verfah rens zur Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle 2 auf, die elektromagnetische Strahlung mit einem spezifischen Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen abgibt, wobei jedenfalls der ultraviolette spektrale Bereich von der erzeugten elektromagnetischen Strahlung abgedeckt wird. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Reflektor 4 auf, der im vorliegenden Ausführungsbei spiel als hohlkugelförmiger Reflektor ausgebildet ist. Dabei ist die Strahlungsquelle 2 mit einem Abstand, der geringer als der Radius der Hohlkugel ist, relativ zum Reflektor 4 angeordnet, so daß die von der Strahlungsquelle ausgehende, in Richtung des Reflektors verlaufende Strahlung in einem Brennpunkt 6 fokussiert wird. Diese fokussierte Strahlung wird der in Richtung des Fokus 6 von der Strahlungsquelle 2 abgestrahlten Strahlung überlagert. Insgesamt ergibt sich dabei eine vom Abstand zur Strahlungsquelle 2 abhängige Energiedichte des Strahlungsfeldes. Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Spiegelfilter 8 im Strahlengang angeordnet, wobei die Ebene des Spiegelfilters 8 einen Win kel von ungefähr 45° der optischen Achse 10 des Reflektors einnimmt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei spiel läßt der Spiegelfilter den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle 2 erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch, während der nicht-ultraviolette Anteil der Strahlung, in Fig. 1 nach oben, reflektiert wird und in einem zweiten Brennpunkt 12 zusammenläuft. Diese nicht-ul traviolette Strahlung wird zur Simulation nicht benötigt und wird daher in geeigneter Weise durch eine Abschirmung aufge fangen, die jedoch nicht in Fig. 1 dargestellt ist.

Weiterhin ist eine Halterung 14 zum Positionieren der Mate rialprobe 16 im Strahlengang hinter dem Spiegelfilter 8 angeordnet. Dabei ist die Halterung 14 hin- und herbewegbar entlang der optischen Achse 10 angeordnet, so daß der rela tive Abstand der Materialprobe 16 von der Strahlungsquelle 2 bzw. vom Reflektor 4 eingestellt werden kann.

Weiterhin ist im Strahlengang der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen dem Spiegelfilter 8 und der Halterung 14 ein Spektralfilter 18 vorgesehen, der durch eine wellenlängenselektive Filterung der UV-Strahlung das Verhältnis zwischen den Energieverteilungen des UV-A- und des UV-B-Anteils an das Verhältnis in der solaren Strah lung anpaßt. Dadurch wird gewährleistet, daß die auf die Materialprobe aufgestrahlte spektrale Energieverteilung der ultravioletten Strahlung der natürlichen spektralen Energie verteilung der solaren UV-Strahlung entspricht.

Durch eine Veränderung des Abstandes der Materialprobe 16 von der Strahlungsquelle 2 wird die Energiedichte der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestrahlten Fläche auf der Oberfläche der Materialprobe verändert. Dabei sind zwei Anteile der von der Strahlungsquelle 2 erzeugten Strahlung zu berücksichtigen, zum einen handelt es sich um die direkt von der Strahlungsquelle 2 in Richtung der Materialprobe ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung und zum anderen handelt es sich um die vom Reflektor 4 in Richtung der Mate rialprobe 16 fokussierend reflektierte Strahlung. Da jedoch aufgrund der gewählten Geometrie der Anteil der Strahlung, die auf der bestrahlten Fläche der Materialprobe 16 einge strahlt wird, hauptsächlich von der von dem Reflektor 4 reflektierten Strahlung herrührt, da nur ein geringer Anteil direkt von der Strahlungsquelle 2 auf die bestrahlte Fläche auftrifft, nimmt die Energiedichte mit einer Annäherung der bestrahlten Oberfläche der Materialprobe 16 an den Brenn punkt 6 zu. Damit läßt sich innerhalb weiter Grenzen die Energiedichte und somit die pro Zeitintervall auf die Mate rialprobe 16 aufgestrahlte Energiemenge der ultravioletten Strahlung variieren. Ein genaues Zahlenbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiter unten angegeben.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei dem eine Strah lungsquelle 2, ein Reflektor 4 und ein Spiegelfilter 20 vorgesehen sind. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeipiel reflektiert der Spiegelfilter 20 den ultravioletten Anteil des von der Strahlungsquelle 2 erzeug ten Strahlungsfeldes, so daß die ultraviolette Strahlung seitlich von der optischen Achse 10 weggerichtet in einem Brennpunkt 22 zusammenläuft. Im Strahlengang kurz hinter dem Brennpunkt 22 ist eine Abschirmung 24 vorgesehen, die eine Öffnung 26 für den Durchtritt der vom Spiegelfilter 20 re flektierten ultravioletten Strahlung aufweist. Im Strahlen gang hinter der Abschirmung 24 ist die Halterung 14 für die Materialprobe 16 angeordnet, die entlang der in Fig. 2 senk recht nach unten verlaufenden, am Spiegelfilter 20 gespie gelten optischen Achse 28 hin- und herbewegbar angeordnet ist. Dieses ist durch einen Doppelpfeil in Fig. 2 darge stellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gilt, daß bei einer Ännäherung der Materialprobe an den Brennpunkt 22 die Energiedichte des auf die Oberfläche der Materialprobe 16 auftretenden Strahlungsfeldes zunimmt. Dabei bedeutet eine Annäherung an den Brennpunkt 22 bei diesem Ausführungsbei spiel, daß die Materialprobe sich auch der Strahlungsquelle 2 entlang der optischen Achsen 28 und 10 annähert, da sich die Materialprobe 16 im Strahlengang hinter dem Brennpunkt 22 befindet, und nicht, wie in Fig. 1 dargestellt ist, die Oberfläche der Materialprobe zwischen dem Brennpunkt 6 und der Strahlungsquelle 2 angeordnet ist.

Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, ist für eine Ab schirmung der nicht-ultravioletten Strahlung, die vom Spie gelfilter 20 durchgelassen worden ist, eine Abschirmung 30 vorgesehen, die mit einer Mehrzahl von Kühlflächen 32 ver sehen ist. Dadurch wird auch die in dem nicht-ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle 2 erzeugten Strahlung enthaltenen Infrarot- bzw. Wärmestrahlung in geeigneter Weise abgeleitet. Zusätzlich können, in der Fig. 2 nicht dargestellte, Ventilatoren vorgesehen sein, die eine Abküh lung der Abschirmung 30 und der Kühlflächen 32 unterstützen.

Im folgenden wird ein rechnerisches Beispiel für die Durch führung des Verfahrens und für die Betriebsweise der erfin dungsgemäßen Vorrichtung angegeben.

Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mittlere Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung pro Zeiteinheit für eine vorgegebene Fläche an einem vor gegebenen geographischen Ort ermittelt. Dazu muß der Stand der Sonne nach Tages- und Jahreszeit berücksichtigt werden. Dazu wird die geographische Länge des Sonnenbildpunktes, also des Punktes auf der Erdoberfläche, über dem die Sonne senkrecht zu sehen ist, nach folgender Gleichung berechnet:

λ_Sonne = 2.π/24.t - π (1)

mit der Zeit t in Stunden und
dem Winkel λ in Bogenmaß.

Entsprechend berechnet sich die geographische Breite des Bildpunktes mit

ϕ_Sonne = nWK.sin(2.π/365/24.t - π/2) (2)

mit der Zeit t in Stunden,
dem Winkel ϕ in Bogenmaß und
dem Breitenwinkel nWK des Wendekreises von etwa 23,5 Grad.

Der Cosinus des Großkreiswinkels e im Erdmittelpunkt zwi schen dem Bildpunkt der Sonne auf der Oberfläche und der horizontal ausgerichteten Fläche berechnet sich nach

cos(e) = sin(ϕ_Ebene).sin(ϕ_Sonne) + cos(ϕ_Ebene).cos(ϕ_Sonne).cos(λ_Sonne - λ_Ebene) (3)

Zur Erläuterung wird auf die Fig. 3 verwiesen.

Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, entspricht dabei der Winkel e dem Einfallswinkel der Strahlung zum flächennormalen Vek tor der waagerecht ausgerichteten Fläche. Hat diese Fläche eine Größe A, ergibt sich der aus Richtung der Sonne sicht bare Teil dieser Fläche mit der Größe

A_ebene,wirk = A_ebene.cos(e) (4)

Dabei bedeutet A_ebene,wirk den Teil der Oberfläche der Ebene, der im rechten Winkel vom Strahlenfluß Φ der Sonne durch flutet wird. Mit der Zeitabhängigkeit der geographischen Koordinaten des Sonnenbildpunktes ergibt sich auch eine Zeitabhängigkeit dieser wirksamen Fläche. Über ein Jahr betrachtet ergeben sich relative Maxima für cos(e) zur Mit tagszeit und ein absolutes Maximum gegen Mittag des längsten Tages des Jahres.

Die auf die ebene Fläche einfallende Strahlungsenergie W berechnet sich als Summe aller infinitesimalen Energiemengen als Funktion der Zeit.

E_{mittel,senkrecht} ist die aus der Richtung der Sonne einfallende wetterabhängige mittlere Bestrahlungsstärke. Die mittlere Strahlungsenergie für eine Stunde ergibt sich dann aus

Damit folgt mit Zusammenfügen der Gleichungen (1), (2), (3) und (5a) die auf die Ebene eingestrahlte, über ein Jahr gemittelte Energie in einer Stunde aus

Dabei wird die Integration beispielsweise numerisch nach einem angepaßten Simpson-Algorithmus mit den geographischen Koordinaten eines ausgewählten Ortes durchgeführt. Bei spielsweise werden die geographischen Koordinaten von Offen bach in Deutschland verwendet, wobei für diesen Ort die weiter unten angegebenen wetterabhängigen Meßwerte aufgenom men worden sind. Die Koordinaten lauten λ_Ebene = 8,766° Ost und Φ_Ebene = 50,1° Nord.

Das mit den konkreten Zahlenwerten berechnete Integral er gibt eine Anzahl von ca. 1.826 Stunden, wobei diese Anzahl von Stunden bedeutet, daß von den 8.760 Stunden eines Jahres die Sonne die betrachtete waagerechte Fläche 1.826 Stunden senkrecht bestrahlt hat. Die auf die waagerecht angeordnete Fläche eingestrahlte Energie ist demnach gleich dem Bruch teil von 1.826/8.760 = 0,21 der aus der Richtung der Sonne einfallenden wetterabhängigen mittleren Bestrahlungsstärke E_{mittel,senkrecht}. Das bedeutet, daß etwa 20% der aus der Sonnen richtung einfallenden Energie an den angegebenen geographi schen Daten auf die waagerecht ausgerichtete Fläche wirken.

Weiterhin muß die Energie im UV-Bereich an der Erdoberfläche bestimmt werden. Dazu werden im vorliegenden Beispiel stati stisch ermittelte, veröffentlichte Meßwerte der Meßstation Offenbach verwendet. Dabei ergibt sich für die Summe der Tagesdosen über das Jahr 1997 für die beiden Bereiche UV-A und UV-B des ultravioletten Strahlungsanteiles einen Wert von 214.722 Wh/m² für den UV-A-Bereich und 8.594 Wh/m² für den UV-B-Bereich. Dabei beziehen sich diese akkumulierten Meßwerte auf eine feststehende horizontale Fläche an den obengenannten angegebenen geographischen Koordinaten.

Unter Berücksichtigung des oben dargestellten Ergebnisses der Berechnung nach Gleichung 6, daß also etwa 20% der aus der Sonnenrichtung einfallenden Energie auf die horizontal angeordnete Fläche wirken, ergeben sich für den UV-A-Bereich der Strahlung eine mittlere Bestrahlungsstärke E_{mittel, senkrecht, UV-A} von ca. 118 W/m² und für den UV-B-Bereich eine mittlere Bestrahlungsstärke E_{mittel,senkrecht,UV-B} von ca. 4,71 W/m².

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die für die Meßstation Offenbach ermittelten Meßwerte am stärksten von den jeweils vorliegenden Wetterverhältnissen abhängen, wobei sich die Änderungen aufgrund verschiedener geographischer Koordinaten nur gering ausnehmen.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen die zuvor berechneten Bestrahlungsstärken reproduzierbar verstärkt durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt werden. Denn in der Nähe des jeweils maßgebenden Brennpunktes 6 bzw. 22 in den Fig. 1 und 2 kann die UV- Strahlung mit einer hohen Strahlungsleistungsdichte erzeugt werden.

Im Abstand r von der Strahlungsquelle stellt sich durch die direkte Bestrahlung eine Bestrahlungsstärke von

E = Φ/(4.π.r²) (7)

ein. Andererseits ist die Bestrahlungsstärke durch den im Reflektor gespiegelten Anteil, dem in den Fig. 1 und 2 in die linke Raumhälfte abgestrahlten Strahlungsfeld, gegeben durch

E = Φ/2.q/A(r) (8)

mit der bestrahlten Fläche

A = π.D²/4

A = π.(2.h)²/4

A = π.(2.r.tan(α))²/4

vom Brennpunkt aus gemessen, jedoch für die in Fig. 1 darge stellte Ausgestaltung der Vorrichtung. Rechnet man r als Abstand von der Strahlungsquelle 2, so ergibt sich

A = π.[(f - r).tan(α)]² (9)

Die Gesamtbestrahlungsstärke im Abstand r von der Strahlungsquelle 2 ist dann gegeben durch

E(r) = Φ/(2.π).{1/(2.r²) + q/[(f - r).tan(α)]²}.τ_S.τ_UV (10)

mit der Brennweite F und
dem Wirkungsgrad q des Reflektors.

Für die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform, bei dem der kurzwellige Strahlenteil aus dem Strahlengang durch den Spiegelfilter 20 herausgespiegelt wird, berechnet sich die Gesamtbestrahlungsstärke nach

E(r) = Φ/(2.π).{1/2/(f + r²) + q/[r.tan(α)]²}.τ_S.τ_UV (11)

Dabei bedeuten τ_S der Transmissionskoeffizient entsprechend der Dämpfung der durchgelassenen UV-Anteils durch den Spie gelfilter sowie τ_UV den Transmissionskoeffizienten des UV-An teils durch den Spektralfilter. Diese sind unterschiedlich für die beiden UV-A- und UV-B-Bereiche.

Dabei ist - wie bereits oben ausgeführt wurde - der Spek tralfilter so zu wählen, daß die auf die Materialprobe auf treffende spektrale Energieverteilung des UV-Strahlungsfel des der Energieverteilung der natürlichen solaren Strahlung entspricht.

Wie sich aus den Gleichungen 10 und 11 ergibt, kann durch eine Veränderung des Abstandes der Materialprobe 16 von der Strahlungsquelle 2 bzw. vom Reflektor 4 die Gesamtbestrah lungsstärke innerhalb weiter Grenzen verändern. Dadurch sind beispielsweise Gesamtbestrahlungsstärken erreichbar, die bei einer gegebenen Bestrahlungsquelle bis zu 3.000 mal größer als die natürliche solare Bestrahlungsstärke sind. Daher lassen sich mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrich tung auch Zeitabstände von im Bereich 10 Jahren innerhalb von 30 Stunden simulieren.

Bezugszeichenliste

2

Strahlungsquelle

4

Reflektor

6

Brennpunkt

8

Spiegelfilter

10

optische Achse

12

seitlicher Brennpunkt

14

Halterung

16

Materialprobe

18

Spektralfilter

20

Spiegelfilter

22

Brennpunkt

24

Abschirmung

26

Öffnung

28

optische Achse

30

Abschirmung

32

Kühlfächen

Claims

1. Verfahren zur Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung,

- bei dem in einem ersten Schritt die wetterabhängi ge und somit mittlere Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung pro Zeiteinheit für eine vorgegebene Fläche an einem vorgegebenen geogra phischen Ort ermittelt wird,
- bei dem in einem zweitem Schritt mit Hilfe einer Bestrahlungsvorrichtung ultraviolette Strahlung auf eine Materialprobe gestrahlt wird, und die mittlere, von der ultravioletten Strahlung auf die Oberfläche der Materialprobe übertragene Energie pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit so einge stellt wird, daß die auf die Materialprobe über tragene Energiemenge während der Bestrahlungsdauer im wesentlichen der Energiemenge der solaren ul travioletten Strahlung während einer vorgegebenen Zeitdauer entspricht, wobei die Bestrahlungsdauer kleiner als die vorgegebene Zeitdauer ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im ersten Schritt die mittlere Energiemenge der solaren ultravioletten Strahlung pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit für eine waagerecht ausgerichtete Fläche bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem aus dem über den Jahresverlauf gemittelten durchschnittlichen Einfalls winkel der Sonnenstrahlung an dem geographischen Ort der wirksame Anteil des Energieflusses der solaren ultravioletten Strahlung auf der waagerecht ausgerich teten Fläche berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der wetterabhängige Energiefluß der solaren ultravioletten Strahlung an dem geographischen Ort für die beiden Wellenlängenbereiche UV-A und UV-B getrennt bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die wellenlängen abhängige Energieverteilung der von der Bestrahlungs vorrichtung erzeugten ultravioletten Strahlung im we sentlichen der wellenlängenabhängigen Energieverteilung der solaren Strahlung im UV-A- und im UV-B-Bereich entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die vorgegebene Zeitdauer von 10 Jahren einer Bestrahlungs dauer von ungefähr 1 Stunde bis zu einem Tag ent spricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die vorgegebene Zeitdauer von 10 Jahren einer Bestrahlungs dauer von ungefähr einem Tag bis zu 10 Tagen ent spricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die vorgegebene Zeitdauer von 10 Jahren einer Bestrahlungs dauer von ungefähr 10 bis zu 30 Tagen entspricht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die vorgegebene Zeitdauer von 10 Jahren einer Bestrahlungs dauer von größer als 30 Tagen entspricht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit auf die Materi alprobe aufgestrahlte Energiemenge durch eine Änderung des Abstandes der Materialprobe zur Bestrahlungsquelle eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit auf die Materi alprobe aufgestrahlte Energiemenge durch eine Änderung der von der Lichtquelle abgestrahlten Energiemenge eingestellt wird.

12. Vorrichtung zur Bestrahlung einer Materialprobe mit ul travioletter Strahlung zur Durchführung eines Verfah rens zur Simulation der Belastung von Materialien durch solare ultraviolette Strahlung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

- mit einer Strahlungsquelle (2), die elektromagne tische Strahlung im UV-Bereich erzeugt,
- mit einem Reflektor (4), der einen Teil der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung fo kussierend reflektiert,
- mit einem Filter (8, 20), der im wesentlichen nur für den ultravioletten Anteil der von der Strah lungsquelle erzeugten Strahlung durchlässig oder undurchlässig ist,
- mit einer Halterung (14) zum Positionieren der Materialprobe (16) mit einem variablen Abstand von der Strahlungsquelle (2), wobei die Halterung (14) im UV-Strahlengang nach dem Filter (8, 20) ange ordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) als Hohlspiegel ausgebildet ist, dessen Oberfläche teilkugelförmig oder als elliptischer Paraboloid ausgestattet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Filter als Spiegelfilter (8) ausge bildet ist und den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung durchläßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Filter als Spiegelfilter (20) ausge bildet ist und den ultravioletten Anteil der von der Strahlungsquelle (2) erzeugten Strahlung reflektiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (20) unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse des Reflektors (4), vorzugsweise unter 45° angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spektralfilter (18) im Strah lengang vorgesehen ist, der durch eine wellenlängense lektive Filterung der UV-Strahlung das Verhältnis zwi schen den Energieverteilungen des UV-A- und des UV-B- Anteils an das Verhältnis in der solaren Strahlung anpaßt.