DE4432819A1 - Thermische Lichtquelle in Metallgehäuse - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik, insbesondere der Infrarot- Spektroskopie. Sie betrifft eine Lichtquelle, die sich für den Betrieb von optischen Geräten, vor allem für infrarot-spektroskopische Detektoren, eignet.

Es stehen heute unkonventionelle licht-emittierende Elemente, wie Laser und lichtemittierende Dioden (LED), zur Verfügung. Solche Lichtquellen, welche im sichtbaren Bereich arbeiten sind kostengünstig und recht lei­ stungsstark. Trotzdem werden klassische, insbesondere thermische Licht­ quellen, für Anwendungen im Sichtbaren und im mittleren Infrarot (2 µm-20 µm) 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 Strahlungsmaxi­ mum allein durch die Temperatur der Strahlungsquelle gegeben. Das Strah­ lungsmaximum für sichtbares Licht wird bei einer Temperatur um die 3700°C erreicht. Zur Erzielung einer effizienten thermischen Lichtquelle für das Sichtbar ist daher eine möglichst hohe Strahlertemperatur erforderlich. Es ist daher nicht verwunderlich, daß sich das höchstschmelzende Metall, nämlich Wolfram (Schmelzpunkt 3410°C), für Glühkörper sehr gut eignet.

Zur Erreichung einer großen Strahleroberfläche und eines für die Beschal­ tung hinreichend großen elektrischen Widerstands wird der Strahler vor­ nehmlich 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 wendelför­ miger Strahlergeometrie kann die thermische Trägheit sehr niedrig gehal­ ten werden. Die Wendelgeometrie bedeutet aber, daß als Strahler fast ausschließlich ein mechanisch gut bearbeitbares, hochschmelzendes Ma­ terial, also ein Metall verwendet werden kann.

Wolfram eignet sich nicht nur wegen des hohen Schmelzpunkts. Dieses Ma­ terial besitzt auch einen überaus niedrigen Dampfdruck. (Der Siedepunkt von Wolfram beträgt 5660°C). Diese Größe ist maßgebend für die Lebens­ dauer der Strahlungsquelle, da die Alterung der Wendel vor allem durch Abdampfen des Wendelmaterials bedingt ist.

Trotz seines breiten Anwendungsgebiets hat Wolfram einige sehr wesentli­ che Nachteile:
Wolfram besitzt ein niedriges Licht-Emissionsvermögen. Dasselbe beträgt bei 1000°C: ε = 0.15, bei 1500°C: ε = 0.23 und bei einer Temperatur von 2000°C: ε = 0.28.

Wolfram verträgt als höchstschmelzendes Metall wohl eine sehr hohe Tem­ peratur. 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 kürzerster Zeit von der beheizten Fläche an die kühle Oberfläche des Lampengehäuses transportiert.

Zur Erreichung der erforderlichen Wasser-Freiheit wird die Wolfram-Glüh­ wendel in der Regel in ein verschmolzenes Lampengehäuse aus Glas einge­ schlossen und während des Evakuierungsprozesses zusammen mit dem Lam­ pengehäuse auf einer Temperatur von über 400°C gehalten. Kunststoffver­ kittungen sind völlig ungeeignet, da die verlangte Ausheiztemperatur nicht vertragen. Weiter ist eine hinreichende Wasserverdämmung nicht gewähr­ leistet und zudem besteht die Gefahr, daß bei der thermischen oder photo­ chemischen Zersetzung des Kunststoffes Sauerstoff und Wasserstoff, resp. Wasser freigesetzt werden.

Die Technologie des Einschmelzens einer Wolframwendel in ein Glasgehäu­ se ist derart ausgereift, daß entsprechende Lampen bekanntlich zu einem äußerst günstigen Preis hergestellt werden können.

Für Anwendungen in der Infrarot-Spektroskopie, insbesondere in der Gas­ analytik, sind hingegen Lampen mit Wolframwendeln nicht optimal geeig­ net:
Einerseits ist keine hohe Temperaturverträglichkeit gefordert, denn das Intensitätsmaximum der infraroten Schwarzkörperstrahlung einer Wellen­ länge im Bereich 2 µm-20 µm wird bei einer Temperatur unterhalb 2000° C erreicht. Beispielsweise liegt das Emissionsmaximum der 4.25 µm-Strah­ lung, die zur optischen Detektion des CO₂-Gases meistens verwendet wird, bei einer Temperatur von 1000°C. Andererseits ist Glas im mittleren In­ frarot nicht durchsichtig, so daß auf andere Fenstermaterialien, wie Saphir, ausgewichen werden muß. Solche Materialien lassen sich aber mit Glas wegen der Verschiedenheit der Ausdehnungskoeffizienten nur schwer ver­ schmelzen.

Es existieren Metalle, welche an der Luft ohne Schaden zu nehmen, beheizt werden können. Es handelt sich um die sog. Heißleiter, welche beispiels­ weise unter der Bezeichnung "Kanthal" bekannt sind. Dieselben bestehen meist aus einer Eisen-Chrom-, Eisen-Aluminium-Chrom-, oder Eisen-Nic­ kel-Chrom-Legierung. Beim Beheizen diffundiert das Chrom an die Metall­ oberfläche und bildet dabei unter der Wirkung des Luftsauerstoffs eine schützende Oxidschicht. Der Nachteil bei diesen Legierungen ist einerseits die beschränkte Temperaturbeständigkeit von ca. 1000°C, wobei bei sehr dünnen Drähten die maximal Betriebstemperatur niedriger liegt. Beispiels­ weise dürfen nach eigenen Untersuchungen Wendeln aus 0.03 mm-Draht (Modulationstiefe 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 Spek­ tralbereich ein gutes Emissionsvermögen von 0.3 bis 0.8, wobei der große Variationsbereich durch die unterschiedliche Beschaffenheit der Oxidober­ fläche 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. ε = 0.2. Hingegen liegt das Emissionsvermögen von oberflächlich oxidierten Metallen viel höher, nämlich typischerweise bei ε = 0.6.-0.8. Im Gegensatz aber zum leicht sublimierbaren Wolfram­ oxid 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, so daß auf eine Glasverschmelzung gegebenenfalls verzichtet werden kann.

Das Umgehen einer Saphir-Glasverschmelzung hat folgende Vorteile:

• - Reduktion der Herstellungskosten,
• - leichtere Handhabung der Komponenten (Metall- statt Glas-Technolo­ gie)
• - 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 auf­ gebrachtem Fenster die Lichtführung bedeutend einfacher ist, als unter der Auflage eines in Glas eingeschmolzenen Strahlers.

Die gute Führbarkeit des Lichtes, insbesondere eine effiziente Fokussie­ rung, 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 Kanthal, wie be­ reits erwähnt worden ist, bedeutend weniger temperaturbeständig als jene aus einem hochschmelzenden Material wie Wolfram.

Für Arbeiten im Spektralbereich unter 7 µm 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 Lichtquel­ lenfensters durch ein optisches Filter, insbesondere durch ein Interferenz­ filter. Die Doppelfunktion des Fensters als optisches Filter führt zu einer konstruktiven Vereinfachung. Weiter wird bei geeigneter Reflektorgeome­ trie und Strahleranordnung das nicht aus dem Reflektor austretende Licht auf den Strahler zurückgeworfen, was zu einer Erhöhung der Lampeneffi­ zienz 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 Strah­ lungsintensität seitwärts ausgekoppelt und einem am Lampengehäuse ange­ flanschten Lichtdetektor zugeführt werden kann. Ebenfalls ist das Anbrin­ gen eines metallenen Abpumpstutzens und dessen Verschlusses bei einem Metall-Lampengehäuse einfach zu realisieren.

Die zur Verfügung stehenden Lampenkonstruktionen, insbesondere die Glas­ ausführung 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 Hauptan­ spruchs aufgeführten Vorrichtung.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das Lampengehäuse aus Me­ tall, insbesondere Anticorodal, besteht und das vorbehandelte Fenster durch eine Weichlötung auf dem Lampengehäuse befestigt ist.

Die Methode der Verlötung von Metalloxiden, wie Aluminiumoxid-, Silizi­ umoxid-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 94089, 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 ist. 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 Oberflächen­ benetzung des Oxids zustande kommt. Versuche, Saphir mit Aluminium zu verbinden, waren daher nicht erfolgreich. Die höchste für Aluminium er­ laubte Temperatur von ca. 600°C führte wohl zu einem Aufschmelzen des Lotes, nicht aber zu einer Benetzung der Saphiroberfläche. Bei Kupfer, das eine Temperatur von 1000°C aushält, ist eine Saphir-Metall-Verlötung hingegen möglich. Es sei in diesem Zusammenhang etwa auf das Werk "Ver­ bundwerkstoffe und Werkstoffverbunde", Hrsg. G. Leonhardt, G. Ondracek S. 385 (1993) hingewiesen.

Versuche, einen Lampenkörper aus Kupfer mit polierter optischer Oberflä­ che 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 opti­ sche 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 Ausdehnungskoeffizien­ ten von Kupfer und Saphir. So wurden Fehler in der Metall-Saphir-Verbin­ dung beobachtet, welche sich auf das Langzeitverhalten der Lampe nach­ teilig auswirken können. Es ist allerdings festzuhalten, daß vakuumdicht Kupfer-Saphirverbindungen sich bei geeigneter Geometrie der Verbindung durchaus schaffen lassen, wie aus dem oben erwähnten Zitat von A. Satir 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 Verspiegelung 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 geeig­ neten Vorbehandlung unterzogen wird. Diese Vorbehandlung kann im An­ bringen einer metallisierten Berandung der Fensterfläche, beispielsweise durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung, oder durch Aktivlot-Verbin­ dung des Fenstermaterials mit einem Hartlot geschaffen werden. Als näch­ ster Schritt wird das Fenster mit der Vergütungsschicht oder der Teilver­ spiegelung, resp der Filterschicht versehen. Schließlich wird das vorbehan­ delte Fenster mittels eines Weichlots mit dem Metall des Lampengehäuses verbunden. Gegebenenfalls hat das Weichlot auch Aktivlot-Eigenschaften. In diesem Fall kann im Vakuum auch ohne Verwendung eines Flußmittels gearbeitet werden.

Die hohe Duktilität des Weichlots gestattet einen Ausgleich der Verschiedenheit der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fenstermate­ rial und Lampengehäuse, was sich auf die Qualität und Beständigkeit der Metall-Fenster-Verbindung günstig auswirkt.

Herstellungstechnisch wichtig ist ferner, daß alle Verlötungen, insbesonde­ re diejenige des Fensters oder der Fenster, das Aufbringen des Durchfüh­ rungssockels mit dem Strahler und des Absaugstutzens gleichzeitig vorge­ nommen 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 beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle mit parabolischem Reflektor, einem Infra­ rotfenster mit Gegenreflektor, einem Strahler und einem photo­ akustischen Detektor und

Fig. 2 zeigt eine zu Fig. 1 analoge Konstruktion mit elliptischem Re­ flektor, 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 be­ stehenden Lampengehäuses 2 ist. Im Gegensatz zu einer Glaskonstruktion ist in diesem Falle die Parallelisierung, resp. die Fokussierung des Lichtes günstig, da eine sehr genaue Bearbeitung und Justierung der Optik, beste­ hend 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 ei­ nem Mikroskop, genau zu justieren. Anschließend wird der Durchführungs­ sockel 13 mit Hilfe eines Anschlags durch eine Weichlötung in das Lampen­ gehäuse eingefügt.

Besonders wichtig ist die gute Fokussierbarkeit, wenn die Strahlung in einer miniaturisierten 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 Eigen­ schaft, daß ein Teil des Lichtes leicht zur Überwachung der Strahlungs­ intensität 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 Anbrin­ gen eines Metall-Abpumpstutzens 16 am Metall-Lampengehäuse 2 und des­ sen 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 des­ sen Brennpunkt 14′ angebracht ist. Falls das Licht fokussiert werden soll ist eine Fokussieroptik 17 erforderlich. Zur Einengung des austretenden Licht­ 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 Erhö­ hung der Strahlintensität erreicht werden, wie in der europäischen Patent­ schrift Nr. 0 112 237 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′′ fo­ kussiert. Das Fenster 12 kann ebenfalls zusätzlich mit einem Gegenreflek­ tor 12′′ mit zentralem Durchlaßbereich versehen sein. Wie ebenfalls in der europäischen Patentschrift Nr. 0 112 237 festgehalten ist, ergibt sich bei dieser Konstruktion eine effiziente Lichtsammlung, falls der Gegenreflek­ tor 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 Strah­ lers 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 gegebe­ nenfalls monochromatische Strahlung durch das Fenster 28′′′ in einen pho­ tothermischen Detektor 28 eingekoppelt und die Temperaturschwankungen, welche bei der Strahlungsabsorption auftreten, beispielsweise über die Ver­ stimmung 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 ther­ mischen Strahlers kann durch Anbringen eines optischen Filters 19, bei­ spielsweise eines Schmalbandfilters in Form eines Interferenzfilters, im Lichtstrahl zwischen Lichtquelle 1, 2 und Detektor 18, 28 auf den erforder­ lichen 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 re­ flektierte 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 Wellen­ länge bei Verwendung eines Interferenzfilters als optisches Filter 19 von der Temperatur des Lampengehäuses, resp. von der Temperatur des Inter­ ferenzfilters abhängt, ist es bei präzisen Messungen unumgänglich, sowohl die Temperatur des Lampengehäuses 2 als auch diejenige des Interferenz­ filters 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 Lam­ pengehäuse 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 Tem­ peraturkontrolle schwieriger zu realisieren, abgesehen davon, daß das In­ terferenzfilter nicht direkt auf das Lampengehäuse aufgeschmolzen werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Strahler
2 Lampengehäuse
3, 3′ Stromdurchführungen
4 Reflektor
12 Fenster
12′ seitliches Fenster
12′′ Gegenreflektor mit zentralem Durchlaßbereich
12′′′ Vergütung des Fensters
13 Durchführungssockel
14 parabolischer Reflektor
14′ Brennpunkt des Parabol-Reflektors
15 Licht-Detektor
16 Abpumpstutzen
17 Fokussieroptik
18 photoakustischer Detektor
18′ Mikrophon
19 optisches Filter
19′ Beschichtung in Form eines optischen Filters
24 elliptischer Reflektor
24′, 24′′ Brennpunkte des elliptischen Reflektors
28 photothermischer Detektor
28′, 28′′ Ultraschallwandler
29 Heiz- und/oder Kühl-Vorrichtung

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Licht-, insbesondere Infrarot­ strahlung, 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 seinerseits mit in einem Durchführungssockel (13) angeordneten Durchführungen (3,3′) versehen ist und min­ destens ein Fenster (12, 12′) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Fenster zur Verlötung durch eine metallisierte Berandung (11, 11′) vorbehandelt und durch eine Weichlot-Ver­ bindung 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 und gegebenen­ falls zusätzlich eine Aktivlotkomponente, wie Ti-, Zr-, Hf-, V-, Nb- oder Ta- enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Aktivverlötung 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 ange­ bracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestes eines der Fenster (12, 12′) mit einer die Reflexion reduzierende Vergütungsschicht (12′′′) und/oder mit einer Beschichtung mit der Eigenschaft eines optischen Filters (19′, 19′′), insbesondere eines Schmalbandfilters, und/oder mit einem Gegenreflektor (12′′) mit zentralem Durchlaß versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Reflektor (14, 24) ausgebildete Lampengehäuse (2) mit dem zusätzlichen Fenster (12′) mit einem Lichtdetektor (15) verse­ hen ist, der mit dem Strahler (1) in optischer Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reflektor (4) ein parabolischer Reflektor (14) ist, der Strahler (1) in der Nähe dessen Brennpunkts (14′) ange­ ordnet ist, das Fenster (12) gegebenenfalls mit einem Gegen­ reflektor (12′′) mit zentralem Durchlaßbereich beschichtet und gegebenenfalls im Strahlengang des durch das Fenster (12) aus­ tretende Licht eine Fokussieroptik (17) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 beschich­ tet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich im Strahlengang des 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), der seinerseits zur Detektion eines absorp­ tions-bedingten Temperatursignals der Hohlraum eines Ul­ traschallresonators ist, der aus zwei einander gegenüber angeordneten Ultraschallwandlern (28′, 28′′) gebildet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 Lichtquelle, insbesondere einer Infrarotlichtquelle, bestehend aus einem Strahler (1), der inner­ halb eines Lampengehäuses (2) angebracht ist und seinerseits mit in einem Durchführungssockel (13) angeordneten Durchfüh­ rungen (3,3′) versehen ist und mindestens ein Fenster (12, 12′) enthält, das gegebenenfalls mit einer Vergütungs-Beschichtung (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 Beschichtungen (12′′, 12′′′, 19′) versehen wird und schließlich durch eine Weichlot-Verbindung am Lam­ pengehäuse (2) angefügt wird.