DE2658691A1

DE2658691A1 - SELECTIVE RADIATION ABSORPTION DEVICE FOR HEAT GENERATION

Info

Publication number: DE2658691A1
Application number: DE19762658691
Authority: DE
Inventors: Robert R Austin; Roy C Bastien
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1976-01-02
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5294537A; GB1517439A; JPS5911828B2

Description

Selektive Strahlungsabsorptionsvorrichtung Selective radiation absorption device

zur Wärmeerzeugung. for heat generation.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Strahlungsabsorption zum Zweck der Wärmeerzeugung. Insbesondere ist die Erfindung ein selektiver Absorber zum Absorbieren eines breiten Strahlungsbandes oder eines bestimmten Strahlungsbandes, etwa der Solarstrahlung, die dadurch in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Vorrichtung eignet sich besonders, um unter rauhen Bedingungen in der luft oder einem Vakuum, beispielsweise in einem Raumfahrzeug, in dem die Umgebung Temperaturen bis zu 450°C erreichen kann, eine gute mechanische Pestigkeit und Strahlungestabilität zu bieten.The invention relates to a device for selective radiation absorption for the purpose of generating heat. In particular, the invention is a selective absorber to absorb a broad band of radiation or a specific band of radiation, solar radiation, for example, which is then converted into thermal energy. The device is particularly suitable for use in harsh conditions in the air or in a vacuum, for example in a spacecraft in which the ambient temperature can reach 450 ° C can achieve good mechanical strength and radiation stability.

Bekannte selektive Absorber, die zur Absorption der Solarstrahlung verwendet werden, z.B. für Solarheizer oder Sonnenenergie-"formen", zerfallen in drei Haupttypen: Pestkörpersorrichtungen, Vorrichtungen mit mikroporösen Oberflächen und Mehrschicht-Interferenzvorrichtungen.Known selective absorber that absorbs solar radiation be used, e.g. for solar heaters or solar energy "forms", disintegrate into three main types: plague body devices, devices with microporous surfaces and multilayer interference devices.

Der Festkörpertyp besteht aus einem dielektrischen oder Ralbleiter-Film, etwa einer Germanium- oder Siliziumschicht, über einer stark reflektierenden Metalloberfläche, etwa Gold oder Silber. Die dielektrische oder Halbleitersohicht absorbiert bei unsichtbaren Wellenlängen, läßt aber Infrarot strahlung bis zu Wellenlängen durch, bei denen man ein hohes Reflexns- -vermögen und ein niedriges Strahlungsvermögen haben möchte.The solid-state type consists of a dielectric or conductor film, for example a germanium or silicon layer over a highly reflective metal surface, like gold or silver. The dielectric or semiconductor layer absorbs when invisible Wavelengths, but lets infrared radiation through up to wavelengths at which one would like to have a high reflectivity and a low emissivity.

Die Vorrichtung mit mikroporöser Oberfläche besteht aus feinen Poren, löchern, Rillen, Linien oder Rissen in der Oberfläche eines Materials geringer Abstrahlung, etwa Kupfer. Die Abmessungen der Oberflächenrauhigkeit sind klein gemacht im Vergleich zu der Wellenlänge der ausgestrahlten Energie; dadurch wird die von den kürzeren Wellenlängen gesehene Oberfläche vergrößert und folglich die Absorption bei diesen Wellenlängen verbessert, ohne daß das Strahlungsvermögen bei den längeren Wellenlängen erhöht wird.The device with a microporous surface consists of fine pores, holes, grooves, lines or cracks in the surface of a material with low radiation, about copper. The dimensions of the surface roughness are made small in comparison to the wavelength of the emitted energy; this is what the shorter ones The surface area seen in the wavelengths increases and consequently the absorption at these Wavelengths improved without reducing the emissivity at the longer wavelengths is increased.

Der dritte generelle Typ, nämlich der mehrschichtige Interferenzabsorber, ist vielleicht der derzeit für die Absorption der Solarstrahlung interessanteste; er besteht aus übereinanderliegenden Schichten dielektrischer und halbdurchlässiger metallischer Filme auf einem reflektierenden Metallsubstrat.The third general type, namely the multilayer interference absorber, is perhaps currently the most interesting for the absorption of solar radiation; it consists of superimposed layers of dielectric and semi-permeable metallic films on a reflective metal substrate.

Die Wellenlängenabhängigkeit der Mehrschichtvorrichtungen bei sichtbaren Wellenlängen ist ähnlich dem Verhalten mehrschichtiger Antireflexbeläge und Glas substrat en. Diese Vorrichtungen sind eventuell nützlich, um bei den Wellenlängen der Solarstrahlung hohe Absorptionswerte zu liefern und einen gesteuerten Übergang zwischen den Bereichen hoher Absorption und hoher Reflexion zu ermöglichen. Ihre Brauchbarkeit wird Jedoch etwas dadurch eingeschränkt, daß sie bei der Herstellung Schwierigkeiten bieten, insbesondere in Vorrichtungen, bei denen viele Schichten verwendet werden, um einen nützlichen Absorptionsbereich und gesteuerten Übergang vorzusehen, und außerdem dadurch, daß sie sich nicht besonders für eine Verwendung unter rauhen Umweltbedingungen eignen oder dort, wo man auf ihre lange Nutzlebensdauer angewiescl ist, etwa im Weltraum, aufgrund der mechanischen Instabilität der Schichtkonatruktion bei einer merklichen Belastung.The wavelength dependence of the multilayer devices in the case of visible Wavelength is similar to the behavior of multi-layer anti-reflective coverings and glass substrate en. These devices may be useful to help with wavelengths to deliver high absorption values of solar radiation and a controlled transition between the areas of high absorption and high reflection. Her However, usefulness becomes something restricted by the fact that they offer difficulties in manufacture, especially in devices in which many layers are used to provide a useful absorption area and controlled Transition, and also in that they are not particularly suitable for one Suitable for use under harsh environmental conditions or wherever you have to last for a long time Useful life is dependent, for example in space, due to the mechanical instability the layer construction with a noticeable load.

Die Erfindung will einen selektiven Absorber schaffen, der über einen breiten Wellenlängenbereich, etwa über die den Wellenlängenbereich der Solarstrahlung umfassenden Wellenlängen, einen hohen Absorptions-zu-Emissionskoeffizienten hat.The invention wants to create a selective absorber that has a broad wavelength range, approximately over the wavelength range of solar radiation comprehensive wavelengths, has a high absorption-to-emission coefficient.

Die Erfindung ist ferner auf einen selektiven Strahlungsabsorber gerichtet, der seine spektralen Eigenschaften über einen breiten'Bereich von-Einfallswinkeln auf seine Oberfläche auftreffenden Strahlung beibehält.The invention is also directed to a selective radiation absorber, its spectral properties over a wide range of angles of incidence retains radiation incident on its surface.

Die Erfindung bezweckt ferner, einen Absorber vorzusehen dessen Konstruktion ihn geeignet macht, seine mechanische und Strahlungsstabilität unter rauhen Umweltbedingungen, einschlieS lich hoher Temperaturen in der Größenordnung von 4500C in einem Vakuum oder in Luft, beizubehalten. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Strahlungsabsorber, der relativ einfach und kostensparend in verachiedenen Modifikationen herstellbar ist, die spezifische angestrebte spektrale und physikalische Eigenschaften haben.Another object of the invention is to provide an absorber of its construction makes it suitable for its mechanical and radiation stability under harsh environmental conditions, including high temperatures on the order of 4500C in a vacuum or in air, to maintain. Another object of the invention is a radiation absorber, which can be produced relatively easily and cost-effectively in various modifications that have specific spectral and physical properties sought after.

Dies wird durch einen selektiven Strahlungsabsorber nach der Erfindung erreicht, der im wesentlichen aus einem Film oder einer Schicht von Metallpartikeln in einem transparenten dielektrischen Material besteht, deren relative Konzentration ohne irgendwelche dazwLschenliegende Grenzen allmählich von einem Hauptanteil, bis zu 100 % Metall, an der einen Grenze zu einem Hauptanteil, bis zu 100 ffi Diele'trikua, an der entgegengesetzten Grenze übergeht. Die Vorrichtung wird zw eckmäßigerweise dadurch geformt, daß gleichzeitig Metall und Dielektrikum auf einem Substrat z.3. durch Aufdampfen oder thermische Verdampfung abgesetzt wird und das Verhältnis von Metall zu Dielektrikum verändert wird, während sich die Zusammensetzung auf dem Substrat aufbaut.This is achieved by a selective radiation absorber according to the invention achieved, which consists essentially of a film or a layer of metal particles consists in a transparent dielectric material, their relative concentration without any intermediate limits gradually from a major portion to 100% metal, on the one edge to a major extent, up to 100 ffi Diele'trikua, passes over on the opposite border. The device is zw eckweise formed by the fact that metal and dielectric at the same time on a substrate z.3. is deposited by vapor deposition or thermal evaporation and the metal to dielectric ratio is changed as the composition changes builds on the substrate.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, bedeutet ntransparentn, bezogen auf das dielektrische Material, daß das dielektrische Material wenig steins für Strahlung über dem Spektralbereich, bei dem die Vorrichtung arbeiten soll, durchlässig ist, wogegen das Metall Strahlung absorbiert und reflektiert0 Das dielektrische Material kann gelegentlich eines sein, das selbst ein gewisses Ab sorptionsvermögen hat, doch ist dies nicht notwendig oder besonders nützlich.In connection with the present invention as described herein is, ntransparentn, based on the dielectric material, means that the dielectric Material little stones for radiation over the spectral range at which the device is supposed to work, is permeable, whereas the metal absorbs and reflects radiation0 The dielectric material may at times be one that is itself a certain one Has absorbency, but this is not necessary or particularly useful.

Die einzigen tatsächlichen Beschränkungen bei den Metallen und dielektrischen Materialien, die für die Erfindung geeignet sind, sind mögliche praktische Grenzen, etwa für rationelle Techniken zum Pormen spezieller Metalle und dielektrischer Materialien zu einem Film oder einer Schicht, die die mechanische Festigkeit und/oder chemische Stabilität hat, um den Temperaturen oder Belastungen oder chemischen Einwirkungen stand zu halten, denen sie in einer speziellen Umgebung, in der die Vor richtung arbeiten soll, ausgesetzt ist.The only real limitations with the metals and dielectric Materials suitable for the invention are possible practical limits for example for efficient techniques for pormening special metals and dielectric materials to a film or layer that has the mechanical strength and / or chemical Stability has to do with temperatures or stresses or chemical effects to withstand them in a special environment in which the device is supposed to work.

Die Hilfsmittel, um das gewünschte Spektralverhalten vorzusehen, sind, daß der Film oder die Schicht, die die Vorrichtung bildet, an einer Grenze im wesentlichen reflektierend ist dadurch, daß an dieser Grenze der Hauptteil der Zusammensetzung Metall ist, und daß sie einen allmählichen Übergang ohne daswischenliegende Grenzflächen von dem Reflexionsvermögen zur Durchlässigkeit (Durchsichtigkeit) durch die Dicke der Schicht hindurch zur entgegengesetzten Grenze hat, wo Strahlung in die Vorrichtung eintritt, wobei es keine dazwischenliegenden Grenzflächen gibt.The tools to provide the desired spectral behavior are, that the film or layer forming the device is essentially at one boundary is reflective in that the main part of the composition is at this limit Metal and that it has a gradual transition without the intervening interfaces from reflectivity to transmittance (translucency) through thickness the layer through to the opposite boundary where radiation enters the device occurs with no intervening interfaces gives.

Wenn Strahlung absorbiert wird, entwickelt sich in dem Film oder der Schicht Wärme und diese Wärme wird auf geeignete Weise abgeführt, um genutzt oder gespeichert zu werden, mit Hilfe einer passenden Wärmettbertragungseinrichtung, etwa einem Wärmeaustauschfluid, z.B. Wasser, das durch eine Leitung fließt, die so nahe an dem Pilm oder der Schicht liegt, daß sie mit dieser in thermischem Kontakt ist.When radiation is absorbed, it develops in the film or the Layer heat and this heat is appropriately dissipated in order to be used or to be stored with the help of a suitable heat transfer device, such as a heat exchange fluid, e.g., water, flowing through a conduit which is so close to the pilm or layer that it is in thermal contact with it is.

Im Vergleich zu Mehrschichtenabsorptionsvorrichtungen, die aus abwechselnden Schichten eines trsnBparenten dielektrischen Naterials und eines halbdurchlässigen Netallfilms auf einem reflektierenden Substrat bestehen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet, einen breiteren Spektralbereich zu absorbieren; außerdem ist sie wesentlich einfacher und mit geringeren Kosten herstellbar. Zudem ist, da die erfindungsgemäße Vorrichtung keine Interferenzeinrichtung ist wie die bekannten Mehrachichtenabsorptionseinrichtungen, ihre Funktionsfähigkeit über ihren spektralen Arbeitsbereich nicht auf einem schmalen Bereich von Einfallswinkeln der auftreffenden Strahlung beschränkt.Compared to multilayer absorbers that consist of alternating Layers of a transparent dielectric material and a semi-transparent one Netallfilms exist on a reflective substrate, is the invention Device capable of absorbing a wider spectral range; moreover is they can be produced much more easily and at lower costs. In addition, since the The device according to the invention is not an interference device like the known ones Multi-layer absorption devices, their functionality via their spectral Working area not on a narrow range of angles of incidence of the incident Radiation restricted.

Ein bevorzugt er Erfindungsgedanke liegt in einer Vorrichtung zur Absorption ausgewählter Wellenlängen einer Strahlung, etwa der Sonnenstrahlung, zum Zweck der Erzeugung von Wärmeenergie, die im wesentlichen aus einem einzigen. Film oder einer einzigen Schicht eines Gemisches aus Metailpartikeln und einem dielektrischen Material besteht, die auf einem tragenden Substrat aus Metall oder Glas aufgebracht ist. Die Konzentration des Metalls und des dielektrischen Materials ändert sich in einem allmählichen Übergang von einem Hauptanteil, bis zu 100 %, Metall an einer Grenzfläche bis zu einem Hauptanteil, bis zu 100 %, dielektrischen Materials an der anderen Grenzfläche.A preferred idea of the invention lies in a device for Absorption of selected wavelengths of radiation, e.g. solar radiation, for the purpose of generating thermal energy, consisting essentially of a single. Film or a single layer of a mixture of metal particles and a dielectric Material is applied to a supporting substrate made of metal or glass is. The concentration of the metal and the dielectric material changes in a gradual transition from a major part, up to 100%, of metal to one Interface up to a major proportion, up to 100%, of dielectric material the other interface.

Dabei gibt es keine inneren Grenzen in dem Film. Die Filmzusammensetzung ist zwischen den Grenzflächen inhomogen und in zu den- Grenzfläche annähernd parallelen Ebenen im wesentlichen homogen. Die dielektrischen Materialien und Metalle sind in solchen Kombinationen gewählt, die geeignet sind, Solarstrahlung über einen breiten Wellenlängenbereich in der Größenordnung von 0,35 bis 1,5 pm zu absorbieren, während sie die längeren Wellenlängen reflektieren, und die ferner geeignet sind, eine gute mechanische Festigkeit und Strahlungsstabilität bei hohen Temperaturen bis zu Temperaturen in der Größenordnung von 4500C in Luft oder in einem vakuum zu bieten. Die durch die Strahlungsabsorption in dem Film entstehende Wärme wird zur Nutzung oder Speicherung mit Hilfe einer Wärmedbertragungseinrichtung, etwa eines Wärmeaustauschfluids abgeführt, das durch eine Leitung fließt, die mit dem Film oder mit dem Substrat, auf dem der Film aufgebracht ist, in thermischem gontakt steht.There are no inner boundaries in the film. The film composition is inhomogeneous between the interfaces and approximately parallel to the interface Levels essentially homogeneous. The dielectric materials and Metals are chosen in those combinations that are suitable for solar radiation over a wide range of wavelengths on the order of 0.35 to 1.5 pm absorb while reflecting the longer wavelengths, and further are suitable, good mechanical strength and radiation stability at high Temperatures up to temperatures on the order of 4500C in air or in to offer a vacuum. The one created by the absorption of radiation in the film Heat is used or stored with the help of a heat transfer device, dissipated about a heat exchange fluid that flows through a line that with the film or with the substrate on which the film is applied in thermal is in contact.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfffhrungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen: Fig.1 einen Schnitt durch einen Film oder eine Schicht gemäß der Erfindung, die selektiv Strahlung absorbiert, auf einem stützenden Substrat angebracht; Fig.2 ein Diagramm des Reflexionsvermögens über einen Wellenlängenbereich für eine erfindungsgemäße Schicht und für eine übliche Form eines bisherigen selektiven Mehrechichten-Interferenasbaorbers.Further features, details and advantages of the invention result from the following description of an exemplary embodiment based on the attached Drawings. These show: FIG. 1 a section through a film or a layer according to the invention which selectively absorbs radiation on a supporting substrate appropriate; Fig. 2 is a graph of reflectivity over a range of wavelengths for a layer according to the invention and for a customary form of a previous selective one Multipurpose Interferenasbaorbers.

Eine selektive Absorptionsvorrichtung gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Pilm oder einer Schicht 10, die ein Gemisch von Partikeln aus Metall 11 und einem dielektischen Material 12 ist, das wenigstens für Strahlung über dem Spektralbereich, bei dem die Absorptionsvorrichtung arbeiten soll, transparent ist. Der Film 10 kann auf einem stUtzenden Substrat 14 angebracht sein, das aus einem geeigneten Material ist, etwa aus Glas oder Metall.There is a selective absorption device according to the invention essentially of a pilm or layer 10, which is a mixture of particles of metal 11 and a dielectric material 12, at least for radiation transparent over the spectral range in which the absorption device is to operate is. The film 10 may be mounted on a supporting substrate 14 made up of a suitable material, such as glass or metal.

Wenn sich aufgrund der Absorption von Strahlung in dem Film oder der Schicht 10 Wärme entwickelt, wird diese kontinuierlich abgezogen und zu einem anderen Ort geleitet, um genutzt oder gespeichert zu werden. Dies kann mit Hilfe irgend einer geeigneten Wärmeübertragungseinrichtung, etwa Wasser oder einem anderen Wärmeaustauschfluid, geschehen, das durch eine Leitung nachst dem Film fließt. Fig.1 veranschaulicht ein WårmeUber£thrungssystem, das aus einer Leitung 20 besteht, die in dem Substrat 14 eingebettet ist und von einem Wärmeaustauachfluid, beispielsweise Wasser, in Richtung der Pfeile 21 durchflossen wird.If due to the absorption of radiation in the film or the Layer 10 develops heat, this is continuously withdrawn and transferred to another Location to be used or stored. This can be done with the help of any a suitable heat transfer device, such as water or another heat exchange fluid, happen that flows through a line after the film. Fig.1 illustrates a heat suppression system consisting of a conduit 20 inserted into the substrate 14 is embedded and from a heat exchange fluid, such as water, in Direction of arrows 21 flows through.

Wie in Fig.1 angedeutet, ändert sich die Konzentration der Metallpartikel 11 und des dielektrischen Materials 12 durch die Dicke des Films 10 von einem HauptanteilF bis zu 100 %, Metall an einer Grenze 15 (welche in der Zeichnung die untere Grenze darstellt) bis zu einem Hauptanteil, bis zu 100 %, dielektrischen Materials an der entgegengesetzten Grenze 16.As indicated in Figure 1, the concentration of the metal particles changes 11 and dielectric material 12 through the thickness of film 10 by a major portion F. up to 100%, metal at a limit 15 (which in the drawing is the lower limit represents) up to a major proportion, up to 100%, of dielectric material in the opposite limit 16.

Der Übergang von dem Teil mit der höchsten Metallkonzentration an der einen Grenze 15 zu dem Teil mit der hochsten Dielektrikum-Konzentration an der anderen Grenze 16 erfolgt allmählich durch die Dicke des Films 10 und wird in geeigneter Weise durch gesteuerte Ablagerung von fortlauiend sich ändernden Anteilverhältnissen der Metallpartikel und des dielektrischen Materials auf dem Substrat 14 bei dem Aufbau des Films vorgesehen.The transition from the part with the highest metal concentration the one boundary 15 to the part with the highest dielectric concentration on the other boundary 16 occurs gradually through the thickness of the film 10 and becomes more appropriate Way through the controlled deposit of continuously changing proportions the metal particles and dielectric material on substrate 14 in the Structure of the film provided.

Geeignete Verfahren für diese Absetzung der Metallpartikel und des dielektrischen Materials sind Bedampfen und thermisches Bedampfen im Vakuum. Die Methode der Absetzung oder Pormung des Films ist Je doch nicht wesentlich für die hierin erklärt Erfindung.Appropriate methods for this deposition of the metal particles and des dielectric material are vapor deposition and thermal vapor deposition in a vacuum. the However, the method of deposition or shaping of the film is not essential for the herein explained invention.

FUr eine brauchbare Funktion der erfindungsgemäßen Absorptionsvorrichtung ist der Übergang von einem Hauptanteil des Metalls an der einen Grenze zu einem Hauptanteil des dielektrischen Materials an der anderen Grenze allmählich und vorzugsweise solcher Art, daß die Neigung des Konzentrationsprofils durch die gesamte Dicke des Films 10 von Punkt zu Punkt möglichst gleichmäßig ist. In der Praxis haben jedoch merkliche Schwankungen in der Anderung der relativen Konzentrationen des Metalls und des dielektrischen Materials an aufeinanderfolgenden Punkten durch den Film einen vernachlässigbaren Effekt auf die Spektralempfindlichkeit der Vorrichtung und können daher normalerweise toleriert werden. Es kann sich jedoch als zweckmäßig erweisen (beispielsweise sum Variieren der Spektralempfindlichkeit der Vorrichtung in deren Arbeitsbereich), die relativen Konzentrationen von einer praktisch linearen linderungsrate durch irgendeine vorgegebene mathematische Funktion, etwa eine logarithmische, abweichen zu lassen.For a useful function of the absorption device according to the invention is the transition from a major part of the metal on one border to one Majority of the dielectric material at the other boundary gradually and preferentially such that the slope of the concentration profile through the entire thickness of the Films 10 from point to point if possible is even. In practice however, have marked fluctuations in the change in relative concentrations of the metal and dielectric material at successive points the film has a negligible effect on the spectral sensitivity of the device and can therefore normally be tolerated. However, it may prove to be useful prove (for example, by varying the spectral sensitivity of the device in their working range), the relative concentrations of a practically linear one relief rate by some given mathematical function, such as a logarithmic, to deviate.

Aus Vorstehendem wird deutlich, daß der Film 10 keine inneren Grenzen hat, so daß keine inneren Interferenzeffekte entstehen, und daß der Film 10 in Richtung durch seine Dicke zwischen den Grenzen 15 und 16 inhomogen ist, während er in einer zu den Grenzen praktisch parallelen Ebene im wesentlichen homogen ist.From the foregoing, it can be seen that the film 10 has no internal limits has, so that no internal interference effects arise, and that the film 10 in the direction is inhomogeneous by its thickness between the boundaries 15 and 16, while in a is substantially homogeneous to the plane practically parallel to the boundaries.

Die Dicke des Films 10 zwischen den Grenzen 15 und 16 bestimmt seinen Wellenlängenbereich der Spektralempfindlichkeit und seine Dicke muß natürlich wenigstens gleich der halben längsten Wellenlänge in dem Strahlungsband, das absorbiert werden soll, sein.The thickness of the film 10 between the boundaries 15 and 16 determines its The wavelength range of the spectral sensitivity and its thickness must of course at least equal to half the longest wavelength in the radiation band that will be absorbed should be.

PUr den Betrieb der Vorrichtung ist es nur notwendig, daß die zu der Grenze, an welcher die Strahlung eintritt, entgegengesetzte Grenze die auf sie fallende Strahlung' reflektiert und daß der Übergang von der höchsten Metallkonzentration an der reflektierenden Grenze zur höchsten Konzentration des dielektrischen Materials an der entgegengesetzten Grenze (d.i.For the operation of the device it is only necessary that the to the The limit at which the radiation enters, the opposite limit is the limit that falls on it Radiation 'reflects and that the transition from the highest metal concentration at the reflective boundary to the highest concentration of the dielectric material on the opposite border (i.e.

am Strahleneintritt) allmählich verläuft, vorzugsweise möglicht gleichmäßig. Das Reflexionsvermögen an der einen Grenze kann dadurch vorgesehen werden, daß an dieser Grenze eine 100%ige Metallkonzentration vorhanden ist oder daß die Metallkonzentration an dieser Grenze etwas unter 100 ffi liegt und eine angrenzende Bläche 17 des Substrats 14 geeiet reflektierend ist. Das Substrat 14 oder seine Oberfläche braucht nicht reflektierend zu sein, wenn durch die Metallonzentration an der Grenze 15 des Films 10 bereits für eine vollst&dige Reflexion gesorgt ist. Wenn die reflektierende Grenze die Grenzfläche des Films selbst ist, dient ein vorgesehenes Substrat lediglich zur Stützung und kann daher aus Jedem geeigneten Material sein.at the beam entrance) gradually, preferably as evenly as possible. The reflectivity at one boundary can be provided by an this limit there is a 100% metal concentration or that the metal concentration at this limit is slightly below 100 ffi and an adjacent surface 17 of the substrate 14 suitable reflective is. The substrate 14 or its surface does not need to be reflective when due to the metal concentration at the limit 15 of the film 10 is already provided for a complete reflection. If the reflective border is the interface of the film itself, serves a provided Substrate for support purposes only and can therefore be made of any suitable material.

In einer alternativen Ausftihrungsform wird auf einem Substrat aus einem Material, etwa Glas, dessen Durchaichtigkeit mit der Transparenz des dielektrischen Materials übereinstimmt, der Film 10 in der Weise aufgebracht, daß der Teil mit der höchsten Metallkonzentration als letzter abgelagert wird, der somit die reflektierende Grenze bildet. In diesem Beispiel betritt die einfallende Strahlung die Vorrichtung durch das transparente Substrat 14 und geht durch den Film 10 zur reflektierenden Grenze.In an alternative embodiment, on a substrate a material such as glass, its transparency with the transparency of the dielectric Material matches, the film 10 is applied in such a way that the part with the highest metal concentration is deposited last, which is the reflective Border forms. In this example, the incident radiation enters the device through the transparent substrate 14 and goes through the film 10 to the reflective Border.

Wie schon erwähnt, sind das spezielle Metall und die ap¢ziellen dielektrischen Materialien, die verwendet werden, nicht kritisch; ihre Wahl wird hauptsächlich durch die geforderte mechanische und chemische Stabilität, die günstige Herstellung und die Materialkosten bestimmt. Als Material für Absorber,.As already mentioned, the special metal and the ap ¢ cial are dielectric Materials that are used are not critical; their choice becomes main due to the required mechanical and chemical stability, the inexpensive production and determines the material cost. As a material for absorbers.

die im Weltraum unter rauhen Umgebungabedingungen in Luft oder einem Vakuum arbeiten, wo das Material starken Stößen, Belastungen und Vibrationen und Temperaturen bis zu 450°C ausgesetzt sein kann, eignen sich, ;jedoch nicht ausschließlich, Metalle wie Chrom, Molybdän, Nickel, Tantal und Titan; zu geeigneten dielektrischen Materialien gehören. u.a. Zerfluorid, Magnesiumfluorid, Magnesiumoxid, Neodymoxid und Yttriumoxid in Jeder beliebigen Kombination.those in space under harsh environmental conditions in air or a Work where the material is subjected to strong shocks, loads and vibrations and vacuum Temperatures of up to 450 ° C are suitable, but not exclusively, Metals such as chromium, molybdenum, nickel, tantalum, and titanium; to suitable dielectric Materials belong. including cerium fluoride, magnesium fluoride, magnesium oxide, neodymium oxide and yttria in any combination.

Für einen Solarabsorber, der einen relativ dünnen Film von beispielsweise größenordnungsmäßig 1 gm Dicke verwendet, ist es zur Verbesserung der effektiven Absorptionsfähigkeit wünschenswert, ein Metall mit starken sichtbaren Absorptionseigenscha£-ten zu verwenden, wie etwa Titan; doch haben diese Metalle im allgemeinen ein relativ geringes Reflexionsvermögen im nahen Infrarot. Daher ist es günstig, ein solches Metall für die in dem Film 10 dispergierten Metallpartikel zu verwenden, aber ein Metall mit gutem Reflexionsvermögen im Infrarotbereich, wie etwa Gold oder Aluminium, für die reflektierende Schicht an der Grenze 15 zu haben. Diese Il-reflektierende Schicht an der Grenze 15 kann dadurch torgeseheo werden, daß der Film selbst an der Grenze 15 100 ffi des Metalls enthält oder daß der Film als Belag auf einer Substratoberfläche 17 angebracht wird, die mit einem IR-reflektierenden Material überzogen ist oder sonst wie aus einer reflektierenden Fläche eines IR-reflektierenden Materials besteht.For a solar absorber that has a relatively thin film of, for example Used on the order of 1 gm thickness, it is effective to improve Absorbency desirable, a metal with strong visible absorption properties to use such as titanium; but these metals have im general a relatively low reflectivity in the near infrared. Therefore it is favorable to use such a metal for the metal particles dispersed in the film 10, but a metal with good infrared reflectivity such as gold or Aluminum, available for the reflective layer at border 15. This Il-reflective Layer at the boundary 15 can be torgeseheo that the film itself is on the limit 15 100 ffi of the metal or that the film as a coating on a Substrate surface 17 is attached, which is covered with an IR reflective material is coated or otherwise made of a reflective surface of an IR-reflective Material.

Pig.2 ist ein Diagramm, das die Änderung des Reflexionsvermögens mit der Wellenlänge von 0,2 pm bis 10 pm für einen erfindungsgemäßen Film 10 zeigt, der aus einem Gemisch von Titan und Magnesiumoxid, aufgebracht auf einem Aluminiumsubstrat, besteht, und im Vergleich dazu das Reflexionsvermögen über den gleichen Wellenlängenbereich für eine bisherige Mehrschichten-Interferenzvorrichtung, die aus abwechselnden Lagen von Aluminium, Siliziummonoxid, bzw. Chrom und Siliziummonotid besteht, die eine vierschichtige Vorrichtung bilden. Wie aus Pig.2 ersichtlich, gibt es im Spektralbereich von 0,4 bis 1,1 pm nur einen geringen Unterschied zwischen den durchschnittlichen Reflexionswerten und damit zwischen dem mittleren Absorptionswert für die beiden Filme. Weiter sieht man, daß bei den längeren Wellenlängen auch nur ein sehr geringer Unterschied zwischen den beiden Kurven vorhanden ist und die Werte des Reflexionsvermögens bei Wellenlängen Jenseits vo 5,0 pm praktisch gleich sind. Bei Wellenlängen unter etwa 0,4 pm nimmt Jedoch das Reflexionsvermögen der bisherigen Mehrschichten-Vorrichtung steil zu, wogegen das Reflexionsvermögen des Films 10 annähernd gleich bleibt. Erhöht man die Dicke des Films 10, so verschiebt sich der steile Anstieg der Reflexionskurve der Fig.2 nach außen zu längeren Wellenlängen, d.i. in Fig.2 nach rechts, wogegen der Spektralbereich der bisher gebräuchlichen Mehrschichtenvorrichtung, die eine Interferenzeinrichtung ist, nicht so verbreitert werden kann.Pig.2 is a graph showing the change in reflectivity with shows the wavelength from 0.2 pm to 10 pm for a film 10 according to the invention, made of a mixture of titanium and magnesium oxide, applied to an aluminum substrate, and, by comparison, the reflectivity over the same range of wavelengths for a previous multilayer interference device consisting of alternating layers of aluminum, silicon monoxide, or chromium and silicon monotide, the one form four-layer device. As can be seen from Pig. 2, there is in the spectral range from 0.4 to 1.1 pm only a small difference between the average Reflection values and thus between the mean absorption value for the two Movies. You can also see that with the longer wavelengths only a very small one There is difference between the two curves and the values of reflectivity are practically the same for wavelengths beyond 5.0 pm. At wavelengths below However, the reflectivity of the previous multilayer device decreases by about 0.4 pm steeply, whereas the reflectivity of the film 10 remains approximately the same. Elevated the thickness of the film 10 shifts the steep slope of the reflection curve 2 outwards to longer wavelengths, i.e. in Fig. 2 to the right, whereas the spectral range of the previously used multilayer device, the one Interference device is not so can be widened.

Wenn die Spektralempfindlichkeit des Films 10 am längerwelligen Ende des Bereichs erhöht wirdsdurch Erhöhen der Dicke des Films, bleibt das kurzwellige Ende des Bereichs fest, so daß der Gesamtbereich proportional vergrößert wird, wenn der Film dicker gemacht wird.When the spectral sensitivity of film 10 is at the longer wavelength end of the area is increased by increasing the thickness of the film, the short wave remains End of range so that the total range is proportionally enlarged if the film is made thicker.

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Claims

A n p r u c h e 1. Device for generating thermal energy by Absorption of selected wavelengths of radiation, characterized by a single film (10) that borders on opposite sides in its thickness direction (15, 16) has, but that between has no limits, and that is essentially out a mixture of metal particles (11) and a transparent dielectric material (12), the relative concentrations of metal and dielectric Material is in a transition from a main proportion of metal on one boundary (15) to a major proportion of dielectric material at the other boundary (16) change and the first-mentioned limit (15) is made of a material that is suitable for the selected radiation wavelengths is substantially reflective, and further the mixture inhomogeneous in the direction through the pilm between the two boundaries and at any given distance from the boundary is practically homogeneous and where the Thickness of the film (10) at least equal to half the longest wavelength of the chosen one Wavelengths, and through a heat transfer device (20) next one Limit (15) for dissipating the heat generated in the film.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the transition the relative concentrations from point to point through the pilm progressing from the one to the other border changes practically evenly.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the concentration of the metal (11) and the dielectric material (12) in a transition from practically 100% metal at one of the borders to practically 100 ffi dielectric material changes at the other boundary.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the metal (11) from the chromium, molybdenum, nickel, tantalum and titanium comprising Group and the dielectric material from the Zerflu.orid, Magnesiumfluorid, Magnesium oxide, neodymofid and yttrium oxide group.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the film (10) is applied to a substrate (14) as a coating.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the one Boundary (15) of the film (10) at which the concentration of the metal particles (11) on HDchsten is on the surface (17) of the substrate (14) and that this surface (17) is a metallic reflective surface.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the metal particles (11) absorb mainly visible wavelengths in the film (10) and that the Surface (17) of the substrate (14) is a reflective surface of a material which is essentially reflective in the infrared wavelength range.

8. Apparatus according to claim 5, characterized in that the substrate (14) has the same transparency as the transparent dielectric material and that the film is applied to the substrate in such a way that the boundary of the film which has the highest concentration of dielectric material on the substrate is located.