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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet
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Das
Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft elektrooptische Strahlungsquellen
und ein Verfahren zur Herstellung einer speziell abgeglichenen Strahlungsquelle.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine neuartige Glühfadenkonstruktion
in einem in einem Gehäuse
angeordneten Strahlungsquellen-Gerät, das so konfiguriert ist,
dass es ein Bauteil in einer Instrumentierungs-Anwendung ist. Die
beschriebene spezielle Anwendung und Ausführungsform ist eine Infrarot-Strahlungsquelle
zur Verwendung in verschiedenen Eich-, Referenz- und Messinstrumenten,
doch können
der Glühfaden-Bestandteil
und das Verfahren zum Wellenlängenabgleich
dieses Bestandteils in dem Herstellungsvorgang in weitem Umfang
auf eine Vielzahl anderer Strahlungsemissions-Anforderungen angewandt
werden.
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Hintergrund
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Die
Kompromisse und Anforderungen an Strahlungsquellen für elektromagnetische
und optische Strahlungsquellen und insbesondere die Verwendung von
umschlossenen elektrisch angeregten Glühfäden bilden den Gegenstand einer
Entwicklung über
mehr als 100 Jahre. Die Entwicklung in Richtung auf Anforderungen
hinsichtlich einer schmaleren und bestimmbaren Strahlung für eine kontrollierte
Wellenlängenemission aus
Gründen
der Genauigkeit und Präzision,
auf Anforderungen hinsichtlich der Leistungseffizienz aus wirtschaftlichen
Gründen,
der Verlustverringerung und der Temperatursteuerung macht die bei
der Konstruktion und Herstellung von geeigneten Strahlungsquellen
auftretenden Probleme entsprechend komplizierter.
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Eine
spezielle Anwendungsumgebung, die in großem Umfang untersucht wurde,
ist das Gebiet der Infrarotstrahlung, die in einer Vielzahl von
Mess- und Detektions-Instrumenten
in effizienter Weise brauchbar und erforderlich ist. Viele derartige
Anwendungen sind hinsichtlich der Leistung, des Raumbedarfs und
der Kühlmöglichkeiten
beschränkt
und erfordern eine effiziente Abstrahlung innerhalb eines begrenzten
Spektralbandes. Einige Erwägungen
in diesem Umfeld und Schwierigkeiten der Emitter-Konstruktion sind
in dem US-Patent 3 875 413 auf den Namen von Bridgham für eine Infrarot-Strahlungsquelle
erläutert,
wobei speziell die Schwierigkeit der Erzielung einer Stabilität und Kontrolle
der Temperatur und der Emissionswellenlänge in einem dünnen, flachen,
elektrisch geheizten Strahler betrachtet werden. Die vorliegende
Erfindung ist auf eine neuartige Lösung für die Emitterelement-Konstruktion
gerichtet, die ein bisher nicht erzielbares Ausmaß an Wellenlängenbestimmung
zur Erzielung größerer Wirkungsgrade
hinsichtlich der Ausgangsstrahlung, des Leistungsverbrauchs und
der Verlustleistungsbegrenzung ergibt. Obwohl die Verbesserung der
Anwendung in der Infrarot-Instrumentierungsumgebung
der Grund ist, der zu dieser Erfindung führt, kann die beschriebene Konfigurationsauslegung
und das Herstellungsverfahren in vielen anderen Anwendungen angewandt
werden, die sehr effiziente und gesteuerte elektromagnetische und
optische Emissionen erfordern.
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Die
Temperaturstabilität
war ein spezielles Ziel bei der Entwicklung traditioneller Infrarotquellen
für Eich-
und Messanwendungen, die auf der Erwärmung eines Objektes im stabilen
Zustand mit einer relativ großen
thermischen Masse beruhen. Dies erfordert andererseits eine lange
Einschalt- und Einschwingzeit für
einen stabilen Betrieb und erzeugt eine große Menge an Verlustwärme. Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung bestand in der Schaffung einer kompakten
miniaturisierten Infrarot-Bezugsquelle, um eine störende Erwärmung der
zugehörigen
Optik in einem System mit sehr scharfen Größen-, Gewichts- und Verlustleistungs-Anforderungen
zu einem Minimum zu machen. Die vorliegende Erfindung erreicht dieses
Ziel durch die Schaffung einer Infrarotquelle, die eine Echtzeit-Rückführung und
Regelung zur Aufrechterhaltung einer Temperaturstabilität einschließt.
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Die
Temperaturregelung erfordert es, dass die Temperatur der Quelle Änderungen
der Eingangsleistung mit ausreichender Geschwindigkeit folgt. In
der Praxis bedeutet dies, dass die Quelle in einem Strahlungsgleichgewicht
sein muss, wobei die Eingangs-Speiseleistung gleich der abgestrahlten
Leistung ist. Während sie
sich auf Temperatur befindet, muss die Quelle die Temperatur um
einen Betrag, der für
die Messung von Bedeutung ist, auf einer Zeitskala ändern, die
lose durch die elektrische Abtastzeit für den Ansteuerimpuls auf dem
schnellen Ende begrenzt ist und die schart durch die charakteristische
Ansprechzeit für
den Infrarot-Detektor auf dem langsamen Ende begrenzt ist, wobei
dieses Steuerkriterium als eine Temperatur-Nachführrate ausgedrückt wird.
Für eine
Anwendung, die die Entwicklung veranlasste, musste die Quelle eine
Stabilität
von 0,5°K
für ein
Infrarot-System mit einer 1 ms Abtastzeit aufrechterhalten, wobei
eine Steuerschaltung verwendet wurde, die für eine 50 μs Abtastzeit geeignet war. Dies
erforderte die Erzielung von Nachführgeschwindigkeiten von ungefähr 500–10000°K/s.
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Weil
das Bauteil in einem Strahlungsgleichgewicht arbeitet, strahlt das
Bauteil Wärme
mit einer Rate ab, die proportional zu seinem Emissionsvermögen und
der Oberfläche
ist. Temperaturänderungen
werden dann durch die Wärmemenge
bestimmt, die in dem Bauteil pro Grad und pro Einheitsfläche gespeichert
wird, die für
die Strahlung verfügbar
ist. Die gesamte gespeicherte Wärme
pro Grad ergibt sich aus AtCr (worin A die Einheitfläche, t die
Dicke, C die spezifische Wärme
und r die Massendichte ist) wobei die pro Grad und pro Einheitsfläche gespeicherte
Wärme somit
tCr ist. Somit ist:
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Für die texturierten
Titanquellen, die als das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
beschrieben werden, liegt die abschließende erzielte Quellendicke
im Bereich von 2–10 μm. Für eine Quelle,
die bei 950°K
betrieben wird, kann eine Temperaturnachführrate berechnet werden: unter
Verwendung einer spezifischen Wärme
von 0,523 Jg–1K–1,
eine Emissivität
von 1 und eine Materialdichte von 4,5 g/cm3 sagt
dies eine Temperatur-Nachführgeschwindigkeit
in dem Bereich von 2 × 103°Ksec–1 bis
104°Ksec–1 voraus,
das heißt
gut innerhalb des gewünschten
Bereiches.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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Wie
dies aus der folgenden Beschreibung zu sehen ist, kann die vorliegende
Erfindung in vorteilhafter Weise als eine Verbesserung gegenüber vielen
bisherigen Strahlungsquellen betrachtet werden und könnte in nützlicher
Weise solche Bezugs-Emissionsquellen,
wie Draht-Glühfäden-Lampen,
Leuchtdioden, Bleisalz-Laser und seltene Erden-Oxidlinienemitter
in Messanwendungen ersetzen. Obwohl diese Schmalband-Emitter eine
isolierte linienförmige
Strahlung erzeugen, können
sie lediglich schwierig und nur über
schmale Bereiche abgeglichen werden. Glühlampenquellen erzeugen typischerweise
ein Strahlungsspektrum, wie dies durch die Planck-Kurve beschrieben
ist, wobei nur sehr wenig der Gesamtstrahlung in dem gewünschten
Band für
eine bestimmte Messung liegt. Speziell schließen wiederum auf dem Infrarot-Gebiet
Quellen nach dem Stand der Technik Entwicklungen wie z. B. impulsförmig betriebene
Strahlungsquellen unter Verwendung eines dünnen, plattenförmigen Strahlungs-Glühfadens
ein.
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Der
Stand der Technik lehrt allgemein die Notwendigkeit eines dünnen plattenförmigen Elementes
für die
Strahlungskühlung;
das '413-Patent,
das oben genannte wurde, gibt beispielsweise 1–2 μm an. Das US-Patent 5 220 173
auf den Namen von Kanstad mit dem Titel „Pulsating Infrared Radiation
Source" schlägt eine
Formel für
die erforderliche Dünnheit
vor. '173 schlägt vor,
dass dünne
plattenförmige
Elemente effizient in den Infrarotbereich abstrahlen, weil die geringe
Masse des dünnen
Materials mehr Wärme
abstrahlt, als die gespeicherte Energie, die von einer impulsförmig gesteuerten
Ansteuerschaltung geliefert wird, und sagt voraus, dass es erforderlich
ist, dass zur Erzeugung dieses Effektes die Dicke bis herunter in
dem 1–2 μm-Bereich liegen
muss. Weil das Hauptaugenmerk des Standes der Technik auf eine geringen
Stärke
der Strahlungsquelle für
einen Kühleffekt
gerichtet wurde, hat man sich nicht mit Problemen des Emissionsvermögens, der
Wellenlängensteuerung
und der Wiederstandssteuerung befasst.
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Die
US-5 152 870 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lampen-Glühfäden mit
Oberflächenmerkmalen,
die den Strahlungswirkungsgrad des Glühfadens vergrößern.
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Die
zu der vorliegenden Erfindung führenden
Untersuchungen waren auf die Überprüfung dieser
technologischen Entwicklung und eine praktische Realisierung einer
verbesserten Infrarotquelle gerichtet. Eine neue Lösung für die Herstellung
eines fadenförmigen
Emitters war erforderlich, weil die Herstellung des beim Stand der
Technik beschriebenen Emitters sich als problematisch erwiesen hat,
weil die flache plattenförmige Konfiguration
des Emitters nicht in zuverlässiger
Weise so hergestellt werden konnte, dass sie den gewünschten
Strahlungs-Wellenbereich abstrahlte oder Strahlung außerhalb
des gewünschten
Wellenlängenspektrums erzeugte,
wodurch Leistung wenig effizient verbraucht wurde. Ein verbessertes
Verfahren zur Temperatur- und Wellenlängensteuerung wurde gesucht,
und es wurde ein anderer Weg als die einfache Festlegung der Dicke des
Materials gegangen, das für
den Emitter verwendet wurde, wobei das verbesserte Verfahren hauptsächlich die
präzise
Texturierung der Oberfläche
des Glühfaden-Materials
beinhaltet, um eine im mikroskopischen Bereich liegende Topografie
auf der Strahlungsoberfläche
zu erzeugen, die die Strahlung verbessert und gleichzeitig eine
präzise
Steuerung der Quellentemperatur und der Emissionswellenlängen ergibt.
Weil die Oberflächentextur
hauptsächlich
die wirkungsvollsten Verbesserungen der Emissivität, der Strahlungsoberfläche und
der Wellenlängensteuerung
ergibt, hängt
die vorliegende Erfindung nicht wie beim Stand der Technik von den
natürlichen
Eigenschaften des Materials des Quellenelementes ab, um die gewünschten
optischen Effekte zu erzielen, und es sind auch keine Beschichtungen
erforderlich, die in unerwünschter
Weise die Masse des Strahlers vergrößern.
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Die
Konstruktion des erfindungsgemäßen Strahlungs-Glühfadens
ist auf die Verbesserung oder die Beseitigung von Nachteilen des
Standes der Technik in der Hinsicht gerichtet, dass übliche eine
geringe thermische Masse aufweisende Glühfadenquellen, unter Einschluss
von Metallbändern,
dünnen
flachen Platten und Drahtspulen, die anderenfalls zur Verwendung
als Glühfaden
wünschenswert
sein könnten,
an einem niedrigen Emissionsvermögen
und einem geringen elektrischen Widerstand leiden, was es schwierig
macht, sicherzustellen, dass die Ansteuerleistung das Strahlungselement
und nicht die Leitungen und Kontakte erwärmt. Durch gleichzeitiges Verbessern
des Emissionsvermögens
durch Verringern der Dicke der Quelle und durch Vergrößern des
elektrischen Widerstandes überwindet
die Erfindung beide Probleme.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Hauptziel der vorliegenden Erfindung bei seiner Entwicklung war
die Schaffung eines praktisch ausführbaren Verfahrens zur Konstruktion
und Herstellung eines Glühfaden-Strahlungselementes,
das spektral so abgestimmt ist, dass es ein hohes Emissionsvermögen innerhalb
eines schmalen Spektralbandes hat. Insbesondere wurde ein Infrarot-Strahlungsquelle
gesucht, die mit einer Effizienz nahe an der eines idealen Körpers in
dem gewünschten
Emissionsband emittiert, jedoch eine niedrige Emission außerhalb
dieses Bandes hat. Dies wurde durch die Steuerung der Oberflächentopografie
der Quelle in einem Mikrometer-Maßstab erreicht.
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Eine
weiteres wichtiges Ziel bestand in der Verwendung vorhandener, jedoch
nicht getesteter Technologien zur Herstellung eines Strahlungs-Glühfadens,
der für
bestimmte Wellenlängenemissionen
ausgelegt ist.
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Eine
weiters Ziel bestand in der Schaffung einer Strahlungsemissionsquelle,
die stabil, im Wesentlichen selbstkorrigierend und mechanisch einfach
sein würde.
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Ein
spezielles Anwendungsziel war die Entwicklung einer eine große Helligkeit
aufweisenden präzise gesteuerten
Infrarotspektrum-Emitterquelle, die ohne bewegliche Teile in einem
Gehäuse
angeordnet und in rauen Umgebungen verwendet werden kann.
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Diese
und andere Ziele wurden durch die Entwicklung von Techniken zur
Modifikation der Oberflächencharakteristiken
des Strahlungs-Glühfadens
erreicht und praktisch ausgeführt.
Durch Erzeugen einer zufälligen
Verteilung von Merkmalen mit kontrollierter Größe wurden Oberflächen mit
einem hohen Emissionsvermögen
für kurze
Wellenlängen
und niedrigen Emissionsvermögen
für lange
Wellenlängen
erzeugt. Dadurch, dass die Größe der Merkmale
sehr gleichförmig
gemacht wurde, wurden Oberflächen-Emissionsvermögen-Spektren
in Probenmaterialien erzeugt, die eine scharfe Grenzwellenlänge auf
der langwelligen Seite aufwiesen, und Verbesserungen der Merkmalsgröße ergaben
Einstellungen der exakten Wellenlänge der Grenzwellenlänge.
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Eine
Oberfläche,
die mit einer mikroskopischen Merkmalstopologie erzeugt werden kann,
die so bemessen ist, dass spezielle emittierte Frequenzen bei einer
elektrischen Anregung erzeugt werden, erwies sich als praktisch,
während
verschiedene Texturierungsverfahren, mechanisch, chemisch, elektrochemisch
und Teilchenbombardierung, untersucht wurden. Für irgendeine Materialauswahl
wurden unterschiedliche Merkmalsmuster mit einer Vielzahl von Texturierungsverfahren
und Variablen erzeugt, die bei der Anwendung dieser Verfahren verwendet
wurden, wie dies insbesondere weiter in der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wird. Eine Texturierung durch irgendeine dieser Maßnahme erzeugt
ein Muster mit relativ langen „Fingern" oder Spitzen und
Tälern,
die nicht nur in merklicher Weise die abstrahlende Oberfläche vergrößern, sondern
auch Interferenzen und Verstärkungen
in den Zwischenräumen
hervorrufen, die ein hohes Emissionsvermögen bei Wellenlängen ergeben,
die mit der Größe der Oberflächenmerkmale
vergleichbar ist.
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Die
von der texturierten Materialoberfläche bei einer Stimulation erzeugten
Emissionen weisen eine Grenzfrequenz an dem langwelligen Ende des
gewünschten
Messbandes auf. Somit wird eine reproduzierbare Probe von Material,
das mit eingestellten Prozessvariablen texturiert ist, erzielt,
und sie ist durch den optimalen Texturierungsprozess definiert,
der das gewünschte
Strahlungsspektrum erzeugt. Obwohl die erste Ausführungsform
für den
Infrarot-Anwendungsbereich konstruiert war, würden in ähnlicher Weise vorgegebene
Texturierungsprozesse für
eine bestimmte Oberflächenmerkmals-Dichte
das gleiche kontrollierte Emissionsvermögen für irgendeine gewünschte Wellenlänge in einer
berechneten Beziehung zwischen der Oberflächenmerkmals-Dichte und der
gewünschten
Strahlungswellenlänge
ergeben. Es ist bekannt, dass verschiedene Oberflächenmodifikationstechniken
einen Bereich von Merkmalsdichten erzeugen, die zu den Variablen
der Material-Oberflächenbehandlungen
in Beziehung stehen und üblicherweise
dazu verwendet werden können, die
berechneten Wellenlängenemissionen
in dem hier erläuterten
Material hervorzurufen.
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Wie
die Diskussion der bevorzugten Ausführungsform zeigt, besteht eine
praktische Verfahrensweise zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
in der Verwendung eines Prozesses mit gerichteter Energie in Form
eines Ionenstrahlfräsverfahrens
zum Texturieren der Oberfläche
einer rohen Materialscheibe auf die Oberflächentopologie, die präzise die
gewünschten
Wellenlängen
und nur wenig andere Wellenlängen
abstrahlt. Diese Technik verringert weiterhin in nützlicher
Weise die thermische Masse des Materials, während es texturiert wird.
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Es
könnten
jedoch auch andere Texturierungsmaßnahmen in brauchbarer Weise
verwendet werden, oder alternative Texturierungsmaßnahmen
verwendet werden, die Oberflächeneffekte
hervorrufen, die bei anderen Maßnahmen
nicht erzielbar sind. Derartige Alternativen schließen chemische
Bäder,
ein elektrochemisches Tauchverfahren und verschiedene Verbesserungen
der Energiestrahl-Bombardierungsverfahren
sowie ein mechanisches Abschleifen ein. Obwohl die folgende Beschreibung
hauptsächlich
die Ionenstrahl-Bombardierung erläutert, bedingt dies keine Beschränkung des
Herstellungsverfahrens, weil viele Möglichkeiten zur Texturierung
modifizierte Emissionscharakteristiken in einer geeigneten Materialprobe
hervorrufen. In ähnlicher
Weise können,
obwohl die Untersuchung, die die bevorzugte Ausführungsform für die Infrarotanwendung ergab,
eine Titaniumfolie als geeignetes Glühfadenmaterial angibt, viele
andere Metallfolien, dünne
nicht metallische und Halbleiter-Materialien und Gläser in brauchbarer
Weise unter Verwendung dieser Verfahren texturiert werden, um deren
Emissionseigenschaften zu modifizieren und zu steuern. Es wurde
festgestellt, dass Metallfolien besonders für die hier beschriebenen Techniken
der Ionenstrahl-Texturierung
geeignet sind, weil die Folien als selbsttragende Glühfäden mit
einer Dicke in der Größenordnung
von wenigen Mikrometern gebildet werden können, so dass sich die Temperatur
des Glühfadenmaterials
sehr schnell in Abhängigkeit
von Änderungen
der Eingangsleistung ändert.
Diese Temperaturansprechgeschwindigkeit ermöglicht es in brauchbarer Weise,
eine Echtzeit-Rückführung und
Regelung der Quellentemperatur zu erzielen, was besonders bei Anwendungen
nützlich
ist, die Echtzeit-Bezugsinformationen für die Infrarot-Intensität erfordern.
Somit ist es unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Techniken
möglich,
eine dramatisch verbesserte Infrarot-Strahlungseinrichtung unter
Einschluss einer präzisen
spektralen Bemessung und einer kurzen Aufwärmzeit zu erzeugen, wobei störende Wärme, die
die optische Kette, das Instrumentengehäuse und den Detektor erwärmt und
eine thermische Drift und resultierende Verluste an Präzision hervorruft,
im Wesentlichen beseitigt wird.
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Weil
das texturierte Metallfolienmaterial so dünn ist, und weil es auf einen
gefalteten serpentinenförmigen
Pfad geformt ist, weist der so gebildete Glühfaden einen hohen Widerstand
verglichen mit dem immer vorhandenen Widerstand der Befestigung
und der Ansteuerschaltung auf, was sicherstellt, dass die Ansteuerleistung
die Strahlungsquelle und nicht die Leitungen und Kontakte erwärmt. Die
Serpentinenform ist insbesondere zur Vergrößerung des elektrischen Widerstandes
und der für
die Abstrahlung zur Verfügung
stehenden Oberfläche
in einem Widerstands-Bandformat nützlich, ohne dass örtliche
Temperaturungleichförmigkeiten
(„heiße Punkte") oder scharfe Ecken
eingeführt
werden, die Beanspruchungsbrüche
fördern
könnten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine auseinandergezogene
Ansicht des Strahlungsemitters, die die Anordnung des texturierten
Glühfadens
zeigt;
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2 ist eine Draufsicht auf
einen dünnen
Materialrohling und zeigt ein vorgesehenes Schneidmuster für die Erzeugung
von serpentinenförmigen
Glühfäden;
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3 ist ein Schaltbild zur
Zuführung
von Leistung an das Strahlungs-Glühfadenbauteil,
wobei eine Rückführungsschleife
für eine
präzise
Temperaturregelung und Stabilität
gezeigt ist;
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4 zwei Elektronenmikrofotografien
zeigt, die Oberflächenmerkmale
der Metallfolie nach der Texturierung zeigen;
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4B ist eine Darstellung
der Emissionsfrequenzen, die sich bei jedem der Beispiele von texturierten Oberflächen ergeben;
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5 ist eine repräsentative
Ansicht einer Ionenstrahl-Bombardierungsquelle und Verarbeitungskammer.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen 1 eine auseinandergezogene Ansicht
der kompakten Konfiguration des Strahlungsemitter-Bauteils zeigt, wie
es für
eine einfache Verwendung durch Befestigen in einem Instrument oder
auf einer Leiterplatte angepasst ist. Ein zylindrisches hülsenförmiges Gehäuse 1 enthält ein eng
eingepasstes Fenster 2 aus einem Material, das in geeigneter
Weise für das
gewünschte
Strahlungsspektrum des Instrumentes transparent oder durchlässig ist.
Weil ein Instrument, das zum Betrieb im Infrarot-Frequenzbereich bestimmt ist, hier erläutert wird,
wurde das Fenstermaterial aus einem Saphirmaterial gebildet, das
nicht nur für
Infrarot-Strahlung transparent ist, sondern auch ausreichend haltbar
in schwierigen Umgebungen ist, in denen das Instrument installiert
sein kann. Der Strahlungs-Glühfaden 3 ist
in dem Gehäuse
auf zwei aufrecht stehenden Stiften 4 befestigt, wobei
jeder Stift weiter verlängert ist,
um elektrische Leitungen 6 zu bilden, die durch einen Gehäuseboden 7 hindurch
eingesetzt sind. Der Glühfaden
wird in sicherer Weise in dem Gehäuse befestigt, wobei er auf
die Höhe
festlegenden Schultern auf den Stiften ruht und durch Beilagscheiben 5 befestigt
ist, wie z. B. Iconel-Klemmbeilagscheiben, die weiterhin ein Laserschweißen ermöglichen.
Die Gehäusekonfiguration
kann in geeigneter Weise durch Verschweißen an der Grenzfläche des
Gehäuseoberteils
und des Bodens und eine Dichtung um das Fenster herum abgedichtet und
mit einem inerten Gas gefüllt
werden, wenn dies erwünscht
ist, um eine Korrosion des Glühfadens
zu verzögern.
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2 zeigt, dass der Glühfaden aus
einer Bahn oder einem Rohling 10 aus geeignetem Material,
wie z. B. einer dünnen
Metallfolie, hergestellt werden kann, wobei bei der Infrarot-Anwendung
Titan-Folie geeignet ist, um einen Abgleich auf den anwendbaren
Frequenzbereich zu erzielen. Der Rohling weist quadratische Abmessungen
von 5 cm (2 Zoll) auf, und viele Glühfaden-Formen können auf
einem Gittermuster 11 ausgelegt werden, wobei jeder Glühfaden als
ebene Form ausgelegt wird, die eine große Vielzahl von Konstruktionen
für spezielle
Ziele haben kann, wie z. B. eine gefaltete Bandlänge zur Vergrößerung des
Widerstandpfades und abgerundete, mit engem Abstand voneinander
angeordnete Kurven, um eine Steifigkeit und eine gleichförmige elektrische
Erwärmung
ohne heiße
Punkte zu erzielen, und die Form kann weiterhin Konstruktionseinzelheiten wie
z. B. genau bemessene Haltestift-Passstücke an den Enden des Glühfadens 3 aufweisen,
wie dies in 1 gezeigt
ist. Die serpentinenförmige
oder mehrfach gefaltete Kurvenform des gezeigten Glühfadens
ist so ausgelegt, dass alle diese Kriterien für diese Anwendung erfüllt werden.
Nach der Texturierung des gesamten Rohlings in der nachfolgend beschriebenen
Weise, beispielsweise durch Ionenstrahl-Bombardierung, werden die einzelnen
Glühfäden aus
dem Rohling durch Stanzen oder durch Präzisionsschneiden ausgeschnitten, wie
z. B. ein Computer gesteuertes Draht-EDM-Verfahren.
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Wie
dies viele bekannte Geräte
gezeigt haben, ist ein impulsförmiger
Strom wünschenswert,
um die Emission auf die minimal erforderliche Zeit zu begrenzen,
um die Wärme
in den Abschaltzyklus abzugeben und um eine Übereinstimmung mit der Instrumentenfunktions-Zeitsteuerung
zu erzielen, und die hohe Temperaturnachführrate (für die Steuerung erforderlich)
ermöglicht
diesen impulsförmigen
Betrieb. Weiterhin kann eine Leistungsschaltung auch eine Rückführungsschleife
einschließen,
um eine Temperaturstabilität
beispielsweise durch Einstellen der Ansteuerleistung sicherzustellen,
damit Änderungen
der Emittertemperatur aufgefangen werden können, die Temperatur- und Wellenlängendrift
hervorrufen könnten.
Eine typische Rückführungs-Leistungsregelschaltung
ist in 3 gezeigt und
verwirklicht eine Steuerstrategie zur Ausnutzung der hohen Temperaturnachführgeschwindigkeit,
die bei der Strahlungsquelle gemäß dieser
Erfindung verfügbar ist,
indem das elektrische Ansteuersignal überwacht wird, entweder durch
Messen des Stromes durch das Strahlungselement oder des Spannungsabfalls
längs des
Elementes, oder beides. In dieser Schaltung steuert ein im Handel
verfügbarer
PIC-Mikrokontroller einen 12-Bit-D/A-Wandler an, damit dieser ein
Spannungssignal abgibt, das proportional zu dem gewünschten
Strom durch die Quelle ist, und ein rauscharmer Präzisions-Operationsverstärker stellt
kontinuierlich die Gate-Spannung eines Leistungs-MOSFET ein, um
diesen Strom durch das Bauteil zu erzielen. In Abhängigkeit
von der gewünschten
Temperatur liegt der Strom durch das Bauteil in der Größenordnung
von einigen hundert mA (beispielsweise 200 mA bei 500°K) während dies
Bauteil eingeschaltet ist. Bei 500°K ist die Rate der Temperaturänderung
mit dem Strom ungefähr
0,8 mA/°K,
so dass der dynamische 12-Bit-Bereich des A-/D-Wandlers mehr als
ausreichend ist, um diese festgelegte Stabilität zu erzielen.
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Der
Strombedarf bei der Glühfaden-Konfiguration
der vorliegenden Erfindung ist geringer, weil die Unterdrückung einer
Wellenlängen-Abstrahlung
außerhalb
des Ziel-Spektrums
eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich des Umwandlungswirkungsgrades
verglichen mit nicht texturierten Glühfäden ergibt. Das texturierte
Material des Glühfadens
ermöglicht
die aktive Rückführungsregelung
der Quellentemperatur, die mit der dargestellten Schaltung erreicht
wird, weil die thermische Masse klein genug ist, damit die Quelle
ein Strahlungsgleichgewicht sehr schnell erreicht (auf einer Zeitskala
von 100 μs/°K), so dass
verfügbare A-/D-Chip-Schaltungselemente
dem Bauteil ohne weiteres folgen können.
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Weil
die Texturierung des Glühfadens
als kritischer Gesichtspunkt der Erfindung identifiziert wurde,
ist diese Texturierung in physikalischen Abmessungen in dem Abtastelektronenmikroskop
nach 4A gezeigt, wobei
diese Figur von Proben von Legierungsfolien gewonnen wurde, die
für diesen
Zweck mit einem Ionenstrahl bombardiert wurden. Es ist klar in diesen
zwei Abtastelektronenmikroskop-(SEM-) Darstellungen zu erkennen,
dass sich die Oberflächenmerkmalsgrößen und
Eigenheiten nicht nur dramatisch von einer Probe zur anderen ändern, sondern
dass sie innerhalb jeder Probe in bemerkenswerter Weise gleichförmig sind.
Wenn Variablen des Bearbeitungsgerätes eingestellt werden, werden
unterschiedliche Merkmalsabmessungen und Abstände erzielt, wie z. B. die
sichtbaren Unterschiede zwischen der oberen dargestellten Probe
und der unteren Probe. Beide Proben wurden auf eine Dicke von ungefähr 5 Mikrometer
bearbeitet, wobei sich die resultierenden vertikalen „Finger" von der unteren
Oberfläche
aus nach oben über
einen großen
Teil dieser Höhe erstrecken,
wobei Täler
und Abstände
sichtbar sind, die größere Zwischenräume in der
oberen Probe und ein eingeres Muster in der unteren Probe bilden.
Es ist klar aus den Texturierungsmustern zu erkennen, dass die auf
diese Weise gebildete emittierende Oberfläche des Glühfadens um mehrere Vielfache
größer als
bei einem glatten Material-Rohling ist, und dass über die
gesamte Oberfläche
hinweg das Emissionsspektrum eine regelmäßige Form in Form von Mustern
von Interferenzen und Verstärkungen
aufweisen würde.
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Zwei
derartige Proben (nicht notwendigerweise die gleichen Proben, wie
sie in den SEM-Fotografien nach 4A gezeigt
sind), wurden getestet, um die Frequenzemissionscharakteristiken
zu bestimmen, die in der Kurve nach 4B gezeigt
sind, wobei die emittierte Wellenlänge für jede Probe gegenüber dem
Emissionsvermögen
aufgetragen ist und ein primärer
Bereich von ungefähr
5–15 Mikrometer
für eine
Probe und 10–20
Mikrometern für
die andere zu erkennen ist. Man kann sich darauf verlassen, dass
jede dieser Proben das gleiche kontrollierte Ansprechverhalten aufweist,
weil sie aus den gleichen Materialien texturiert sind, wobei für die Bearbeitung
verschiedene Bedingungen verwendet wurden. Eine genaue Überprüfung der
SEM-Fotografien ergibt eine Messung der Merkmalsdichte, die zu den
Strahlungsfrequenzen in Korrelation steht, derart, dass die Grenzwellenlänge bei
ungefähr
dem 2p-fachen der mittleren Merkmalsdichte auftritt. Selbstverständlich führen Feineinstellungen
der Ionenbombardierung oder andere Texturierverfahren zu Feineinstellungen
der resultierenden Merkmalsdichte, und damit zu einem Feinabgleich
des Strahlungswellenlängenbereiches.
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Der
bevorzugte Ionenstrahl-Texturierungsprozess ist in der schematischen
Darstellung nach 5 gezeigt,
die eine Plasmaquelle zeigt, die als Ionenstrahl-Fräseinrichtung 20 in
repräsentativer
Form verwendet wird. Die Probe 22, beispielsweise der Rohling
nach 2, wird von einem
Probenhalter 23 gehalten. Ein Vakuum wird in der Prozesskammer 29 mit
einer geeigneten Pumpe 24 und einer Ionenlehre 25 erzeugt.
Der Ionenstrahl, der in einem Plasma entsteht, das durch ein Magnetron 33 über einen
Koppler 32, einen Wellenleiter 31, einen Permanentmagneten 28 gebildet
ist, durchläuft
typischerweise ein Extraktionsgitter 26 auf den Weg zum
Objektpunkt, an dem die Probentexturierung durch Auftreffen des
Strahls unter einem kontrollierten Winkel und mit einer kontrollierten
Stärke
erfolgt. Ein weiterer variabler Effekt wird durch die Ionenstrahl-Fräseinrichtungskonfiguration
als Wechselstromfeld hervorgerufen, was ebenfalls die Ionenextraktion
steuert, weil es den Rohling und die Keim-Quelle umgibt. Ein weiterer
Effekt kann durch die Einführung
einer Gleichvorspannung erzielt werden, die als Steuermechanismus
der Ionenextraktion verwendet werden kann, die ihrerseits die Texturierung
beeinflusst. Ein inertes Gasplasma, wie z. B. Argon, kann als Hüllmedium
innerhalb der Fräseinrichtung
verwendet werden.
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Eine
Anzahl von Variablen und zusätzlichen
Techniken kann den Texturierungseffekt verändern, der von der Ionenstrahl-Fräseinrichtung
hervorgerufen wird. Beispielsweise können Verunreinigungen in die
Probe durch den Einschluss eines Impfsiebes eingeführt werden,
und bei der Anwendung der bevorzugten Ausführungsform wurde festgestellt,
dass das Einfügen
eines Tantal-Siebes wünschenswerte
Texturierungseffekte in dem Ionenstrahl-Fräsprozess erzeugte und dass
die Effekte durch einen Abgleich durch Anlegen einer veränderbaren
Vorspannung an das Sieb geändert
werden konnten. Der Strahlstrom und die Keimraten-Variablen beeinflussen
ebenfalls die Oberflächen-Endbearbeitung.
Eine Steuerung der Oberflächentemperatur
des Rohlings, oder ein Regeln des Sauerstoff-Teildruckes in der
Vakuumkammer während
des Bombardierens beeinflusst die resultierende Merkmalsgröße. Weiterhin
wurden andere Ionenquellen in dem Fräsverfahren verwendet, wie z.
B. ein Ionenstrahl-Zerstäubungssystem
vom Kaufmann-Typ, das ähnliche
nützliche
Texturierungseffekte hervorrufen kann.
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Obwohl
die Funktionsweise des Ionen-Fräsverfahrens
für eine
Vielzahl von Zwecken unter Einschluss der Metalltexturierung gut
bekannt ist, ist die Anwendung dieses leistungsfähigen Prozesses mit gerichteter Energie
zur Herstellung von präzise
abgestimmten Strahlungsemittern in unerwarteter Weise wirkungsvoll
und löst
die Probleme des Standes der Technik, die im vorstehenden Hintergrund
des Standes der Technik umrissen wurden. In ähnlicher Weise könnte die
Texturierung in dem gleichen iterativen Probenabgleichverfahren mit
Hilfe anderer Verfahren durchgeführt
werden, wie z. B. chemisches Ätzen,
elektrochemische Tauchverfahren oder andere Formen eines Energiestrahl-Fräsens.
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Das
Verfahren zur Texturierung des Rohlings durch irgendein Verfahren,
jedoch insbesondere durch eine Ionenstrahl-Bombardierung, texturiert
nicht nur die Probe sondern verringert in wünschenswerter Weise die Masse
und Dicke in erheblichem Ausmaß in
dem Verfahren um 50% oder mehr gegenüber der anfänglichen untexturierten Masse.
Beispielsweise wurde die Titanfolie der bevorzugten Ausführungsform
von 12 Mikrometern auf 6 Mikrometer dünner gemacht, während es
auf das Ziel-Emissionsspektrum abgeglichen wurde. Es sei jedoch
bemerkt, dass die Dicke nicht der bestimmende Faktor zur Erzielung
des Emissionswellen-längen-Abgleichs ist, und
obwohl dies nützlich
ist, ist die Verringerung der Masse nicht kritisch, weil der Abgleich hauptsächlich eine
Funktion der Oberflächentextur
ist.
