DE69911612T2

DE69911612T2 - Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE69911612T2
Application number: DE69911612T
Authority: DE
Inventors: Steinar Lind
Original assignee: Simrad Optronics ASA
Current assignee: SIMTRONICS ASA, OSLO, NO
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: EP1097360B1; NO307392B1; NO983251L; EP1097360A2; US6573521B1; NO983251D0; DE69911612D1; WO2000004350A2; WO2000004350A3; AU5657899A; ATE250753T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle zum Emittieren von Strahlen in Impulsen mit einer Dauer und in Intervallen innerhalb gewählter Bereiche, umfassend wenigstens ein plattenförmiges Strahlungselement und wenigstens zwei mit dem/den Strahlungselementen) gekoppelte elektrische Leiter.
Infrarotstrahlung, z. B. für die Verwendung in Gasanalysegeräten, wird gewöhnlich mit einer Wärmestrahlungsquelle erzeugt, deren Oberfläche auf eine solche Temperatur erhitzt wird, dass die Oberfläche gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz und dem Spektralemissionsvermögen der Oberfläche die gewünschte Strahlungsleistung bei den mit dem Gasanalysegerät gemessenen Wellenlängen ausstrahlt.
Es ist eine Reihe von Emittern dieses Typs bekannt, die so gestaltet sind, dass sie pulsierte oder kontinuierliche Schwarz- oder Graukörperstrahlung emittieren. Beispiele können den folgenden Patentanmeldungen entnommen werden: EP 692.702 , EP 729.016 , NO 149.679, PCT/GB95/02446, PCT/NO96/00216, US 4.644.141 und US 5.220.173 .
In der EP 692.702 ist eine Quelle beschrieben, in der das Strahlungselement von einem Isoliermaterial umgeben ist, um Wärmeverluste minimal zu halten. Die Quelle ist nicht zum Pulsieren geeignet.
Ein Problem in Verbindung mit pulsierten Infrarotsendern ist die Notwendigkeit für eine effektive Kühlung der Quelle, um einen ausreichenden Kontrast zwischen Strahlung in den Impulsen und während der Intervalle zu erhalten. Gleichzeitig muss die Wärmeleitung gering genug sein, damit die Quelle während des Impulses die benötigte Temperatur erreichen kann.
Die EP 729.016 beschreibt eine pulsierte Infrarotquelle mit Fäden, die von einem elektrischen Strom erhitzt werden. Die Fäden werden in einem gewählten Abstand von einer Oberfläche positioniert, und dieser Abstand ist von der benötigten Kühlung der Fäden abhängig.
Die PCT/GB95/02446 zeigt eine Infrarot-Emissionsvorrichtung, die eine Folie umfasst, die mit Widerstandselementen ausgestattet ist, die von einem elektrischen Strom erhitzt werden. Die Vorrichtung wird durch Strahlung gekühlt und muss daher dünn sein.
Ein Problem in Verbindung mit der Verwendung von Fäden und dünnen Folien ist deren relativ kurze Lebensdauer, da sie empfindlich sind und infolge von Überhitzung oder mechanischem Schock leicht brechen.
Eine in der PCT/NO96/00216 und der NO 149.679 erörterte Lösung umfasst elektrisch leitende, planate Oberflächen, die so gestaltet sind, dass sie Infrarotstrahlung emittieren. Der Emitter ist auf einem Substrat montiert, das den Emitter trägt und überschüssige Wärme ableitet. Ein Problem mit dieser Lösung besteht darin, dass die Wärme transversal durch das Substrat zur Umgebung abgeleitet wird, was große dynamische Temperaturdifferenzen und eine entsprechende Wärmebelastung des Materials zur Folge hat, so dass die Lebensdauer der Quelle unvorhersehbar wird oder die Temperaturen begrenzt werden, die an der Quelle angewendet werden können.
Die US 5.220.173 ist ein weiteres Beispiel, das eine strahlungsgekühle Quelle zeigt, die dünn genug ist, um mehr Energie während des Impulses auszustrahlen, als in dem Element gespeichert wird. Dies ist jedoch keine praktische Lösung, da es schwer ist, eine ausreichend dünne Membran zu erzeugen, die die hohe Temperatur der Quelle beim Strahlen und die mechanische Belastung der Membran bei raschen Temperaturänderungen aushalten kann. Ebenso wird das Material, wenn die Membran dünn genug ist, transparent, wodurch die Fähigkeit zum Strahlen der zugeführten Energie reduziert oder zerstört wird. Eine ähnliche Lösung stellt die US 4.644.141 dar, in der ein eine Widerstandsschicht umfassender Radiator auf einem dünnen Substrat angeordnet ist.
Die benötigte Temperatur der Quelle wird gewöhnlich erzielt, indem der zugeführte elektrische Strom in der Quelle eingestellt wird, was ein System verlangt, das den Strom durch die Quelle justieren kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine pulsierte Strahlungsquelle mit ausreichendem Strahlungskontrast zwischen Erregungs- und Entspannungsperioden bereitzustellen. Dies ist besonders dann wichtig, wenn das System in Gaserkennungsinstrumenten mit zwei oder mehr pulsierten Strahlungselementen eingesetzt wird, die mit verschiedenen Wellenlängen strahlen, deren Strahlung zeitlich so getrennt ist, dass die Strahlung von den verschiedenen Quellen in ihren Entspannungsperioden die Strahlung von der Emissionsquelle nicht stört.
Es ist ebenso eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlungsquelle bereitzustellen, die die Temperatur und somit die emittierte Wellenlänge der Quelle auf einfache Weise regeln kann.
Das Dokument "A dynamic RAM imaging display technology utilizing silicon black body emitters" von Larry Burriesci, SPIE, Bd. 763, offenbart auf den Seiten 112–122 eine dynamische Infrarotquelle, die gekühlt wird.
Die EP-A-729 016 offenbart eine Doppelstrahlungsquellenbaugruppe.
Die Aufgaben der Erfindung werden mit einer Strahlungsquelle gemäß Definition in Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Ausgestaltung der Erfindung von oben;
2 zeigt einen Querschnitt der in 1 gezeigten Ausgestaltung;
3 zeigt eine ausführlichere Ansicht einer Ausgestaltung der Erfindung;
4 zeigt einen Querschnitt der in 3 gezeigten Ausgestaltung.
Das platten- oder membranförmige Strahlungselement 1 der Quelle umfasst auf eine an sich bekannte Weise eine Widerstandsschicht, die mit einem elektrischen Strom gespeist wird. Das Material, aus dem das Strahlungselement hergestellt ist, ist vorzugsweise Silicium oder ein anderes Material, das für eine maschinelle Feinstbearbeitung geeignet ist. Die Widerstandsschicht sowie die elektrischen Leiter 4 (siehe 3 und 4), die den elektrischen Strom liefern, können durch Dotieren des Siliciums hergestellt werden, so dass ein einfaches Herstellungsverfahren mit nur wenigen separaten Teilen entsteht. Somit ist die Produktion der Quelle einfach und kostenarm und erfordert lediglich hinlänglich bekannte Technologie.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist der, dass das Strahlungselement 1 von einem plattenförmigen wärmeleitfähigen Element umgeben ist. Das wärmeleitfähige Element 2 hat eine Breite L.
In der Zeichnung ist das wärmeleitfähige Element thermisch mit einer Kühlvorrichtung 3 gekoppelt. Dies kann eine Wärmesenke oder aktive Kühlvorrichtung eines beliebigen Typs sein, die die vom Strahlungselement geleitete Wärme abführt, wie z. B. ein Peltier-Element. Die Kühlvorrichtung bildet vorzugsweise einfach das Gehäuse der Quelle und wird somit von der Umgebung gekühlt.
Während eines Impulses wird ein elektrischer Strom für eine gewählte Zeitperiode durch das Strahlungselement gesendet, so dass es auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, um eine Strahlung mit einem gewählten Effekt zu erzielen. Die in dem Strahlungselement während des Impulses gespeicherte Wärme wird während des Intervalls zwischen den Perioden durch Wärmediffusion durch das wärmeleitfähige Element 2 abgeleitet, in der der elektrische Strom durch das Strahlungselement geleitet wird. Der Wert von L wird somit in Abhängigkeit von der Verwendung des Strahlungselementes, der Impulsfrequenz und der Länge der Intervalle zwischen den Impulsen gewählt.
Das genaue Volumen von L kann experimentell gewählt oder beispielsweise anhand der folgenden Formel errechnet werden, in der δT₀(r₀, t₀) die Anfangstemperaturdifferenz ist, die aus einem Impuls mit Energie Q zum Zeitpunkt t = 0 im Punkt r = 0 sich aufgrund thermischer Diffusion auf δT(r, t) ändert:
wobei ρ die Dichtigkeit und C spezifische Wärme ist.
Die Wärmediffusionszeit für das Material um eine Distanz r von r₀ ist proportional zum Quadrat der Distanz
Die Wärmediffusionslänge für das Material während der Zeit t ist somit r = √6κt
Wenn das wärmeleitfähige Element aus Silicium besteht, das eine Wärmediffusionskonstante κ = 0,9 cm²/s hat, dann beträgt die Diffusionslänge r 2 mm bei 7 ms.
Um eine effektive Erhitzung der Membran zu bewirken, wird die Breite L so gewählt, dass eine Diffusionszeit t₁ entsteht, die länger ist als der emittierte Impuls.
Wie oben erwähnt, muss das Strahlungselement 1 ausreichend gekühlt werden, um mit der relevanten Wellenlänge insignifikant zu strahlen. Die Zeit zwischen den Impulsen muss daher länger sein als die Diffusionszeit t₂, wobei t₂ die Diffusionszeit von der Mitte des Strahlungselementes 1 bis zum äußeren Rand des wärmeleitfähigen Elementes 2 ist. Auf diese Weise wird der mittlere Teil des Strahlungselementes effektiv gekühlt.
Wenn zwei oder mehr Strahlungselemente verwendet werden, die mit unterschiedlichen maximalen Wellenlängen emittieren, dann muss das Intervall zwischen den Impulsen von den verschiedenen Elementen wenigstens lang genug sein, um die Strahlung von dem vorherigen Strahlungselement mit der maximalen Wellenlänge des nächsten Strahlungselementes insignifikant sein zu lassen.
Das das Strahlungselement 1 im Wesentlichen umgebende wärmeleitfähige Element 2 maximiert den Wärmetransport zur Kühlvorrichtung 3, so dass das System wirksam gekühlt wird. In einigen Fällen wird jedoch möglicherweise bevorzugt, ein wärmeleitfähiges Element 2 bereitzustellen, das das Strahlungselement nicht vollständig umgibt, z. B. um die Fähigkeit der Membran zu reduzieren, die Wärme in gewählten Richtungen wegzuleiten, z. B. um eine bestimmte Emitterform zu erzielen oder um die Kühlzeit zu verlängern.
Die mit dem Strahlungselement erhaltene Temperatur ist von zwei Parametern abhängig, dem durch die Widerstandsschicht geleiteten Strom und der Zeit, während der der elektrische Strom zugeführt wird. Die Temperatur kann somit durch Regeln der Dauer des zugeführten elektrischen Stroms justiert werden. Somit kann die Temperatur mit hinlänglich bekannter Technologie geregelt werden, indem die Dauer eines elektrischen Impulses gesteuert wird, ohne dass komplizierte, den elektrischen Strom regelnde Stromversorgungen notwendig wären. Die Temperatur kann direkt oder durch Messen des Spektrums der emittierten Strahlung gemessen werden.
2 zeigt den Querschnitt der in 1 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung. Die Diffusionszeit ist von der Dicke der Membran und der durch das Strahlungselement erhaltenen Temperatur unabhängig. Somit kann die Membran mit der benötigten Dicke erzeugt werden, damit sie eine lange Lebenszeit hat und die hohen mechanischen Belastungen aushält, die bei raschen Änderungen der Temperatur der Membran entstehen.
In 2 hat die Kühlvorrichtung 3 ein relativ großes Volumen, vorzugsweise mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, so dass eine effektive Wärmesenke mit einer im Wesentlichen konstanten Temperatur entsteht. Die Kühlvorrichtung 3 kann mit dem Gehäuse der Quelle thermisch gekoppelt werden.
Die 3 und 4 illustrieren ausführlicher, wie eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle aufgebaut sein kann.
Zusätzlich zum Strahlungselement 1, dem wärmeleitfähigen Element 2 und der Kühlvorrichtung 3 sind elektrisch leitende Bereiche 4 dargestellt. Die illustrierten elektrisch leitenden Bereiche 4 werden, wie oben erwähnt, vorzugsweise durch Dotieren des Membranmaterials hergestellt, aber es sind auch andere Lösungen möglich, wie z. B. auf der Oberfläche gedämpfte dünne Metallschichten. Es ist jedoch wichtig, dass die elektrisch leitenden Bereiche die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Elementes 2 nicht in einem erheblichen Ausmaß beeinträchtigen.
Elektrische Leiter 5 sind zum Zuführen von Leistung zum Transducer auf die elektrisch leitenden Bereiche gebondet und auf hinlänglich bekannte Weise mit erhältlichen Stromversorgungen verbunden. Die elektrischen Leiter 5 können von einem beliebigen geeigneten Typ sein, der auf die elektrisch leitenden Bereiche 4 gebondet sein kann. Es ist auch möglich, eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle zu konstruieren, in der die elektrischen Leiter direkt mit dem Strahlungselement 1 verbunden sind, wodurch die elektrisch leitenden Bereiche 4 wegfallen.
In 4, die einen Querschnitt einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt, ist die Membran mit einer Konstruktion 6 zum Verbessern der Strahlungscharakteristiken der Quelle versehen. Die Konstruktion kann auf an sich bekannte Weisen so gestaltet sein, dass der emittierte Strahl gestaltet wird, oder sie kann als Filter ausgeführt sein, der mit einem gewählten Bereich von Wellenlängen sendet. Die Konstruktion 6 kann eine mehrlagige Struktur sein, die als eine Mehrzahl von Lagen aufgebaut ist, um die mechanischen, optischen und elektrischen Charakteristiken der Quelle zu optimieren. Die Konstruktion kann auch Beugungskonstruktionen wie z. B. lineare oder kreisförmige Gitter oder holografische Konstruktionen und Gitter zum Gestalten des emittierten Strahls umfassen, die auch eine Filterung des Strahls ermöglichen.
4 zeigt auch die Kühlvorrichtung 3, die im äußeren Teil der Membran enthalten ist, und ein dickeres Substrat.
Wie oben erwähnt, zeigen die Figuren eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung. Weitere Ausgestaltungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß Definition in den Ansprüchen möglich. So ist beispielsweise die Form des Strahlungselementes 1 zwar in den Zeichnungen rechteckig, aber es sind auch andere Formen möglich, wie z. B. kreisförmig.
Die in der Membran verwendeten Materialien, die das Strahlungselement 1, das wärmeleitfähige Element 2 und wenigstens einen Teil des Kühlelementes umfassen, können aus einer breiten Palette von Materialien mit anderen Techniken als maschinelle Feinstbearbeitung hergestellt sein.

Claims

Strahlungsquelle zum Emittieren von Strahlen in Impulsen mit einer Dauer und in Intervallen innerhalb gewählter Bereiche, umfassend wenigstens ein Strahlungselement (1) und wenigstens zwei mit dem/den Strahlungselementen) gekoppelte elektrische Leiter, und ferner umfassend wenigstens ein plattenförmiges, umgebendes, thermisch leitendes Element (2), das an seiner Innenkante thermisch mit einem Strahlungselement gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungselement (1) plattenförmig ist und das thermisch leitende Element (2) an seiner Außenkante thermisch mit einer Kühlvorrichtung (3) verbunden ist und der Abstand zwischen der Mitte des Strahlungselementes (1) und der Kühlvorrichtung (3) so gewählt wird, dass eine Thermodiffusionszeit über den genannten Abstand entsteht, die geringer ist als das Zeitintervall zwischen den Impulsen.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermodiffusionszeit über das genannte thermisch leitende Element, je nach der Breite L des genannten Elementes, die Dauer jedes der Impulse überschreitet.
Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Kühlelement das Gehäuse der Strahlungsquelle ist.
Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Struktur (6) auf der Oberfläche des Strahlungselementes (1) umfasst.
Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine diffraktive Struktur (6) wie z. B. ein Gitter ist, dessen Aufgabe es ist, den emittierten Strahl zu gestalten und/oder zu filtern.
Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (6) eine mehrlagige Struktur ist, die einen Filter bildet, der einen gewählten optischen Frequenzbereich durchlässt.
Strahlungsquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuerschaltung umfasst, die elektrisch mit dem/den Strahlungselementen) gekoppelt ist, um die Impulslänge und somit die emittierten Wellenlängen der Quelle sowie die Impulsintervalle zu regeln.
Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehr Strahlungselemente umfasst, die jeweils thermisch mit einem thermisch leitenden Element (2) gekoppelt und separat mit der genannten Steuerschaltung für eine individuelle Regelung der emittierten Wellenlängen und Impulsintervalle gekoppelt sind.