NO312860B1 - Metode for utforming og innfesting av et tynt, pulsvarmet legeme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver utforming av et legeme fremstilt av et elektrisk ledende materiale og en fremgangsmåte til montering, innfesting og elektrisk tilkopling for legemet. Både utforming og fremgangsmåte vil være særlig anvendelige når det ledende materialet er en tynn metallfolie som varmes opp ved at det ledes elektrisk strøm gjennom den. Metallfolien kan for eksempel benyttes som stråiingskilde for pulset infrarød stråling, bl.a. til anvendelse i en infrarød gassanalysator. Oppfinnelsen gjør det mulig å lokalisere oppvarmingen til et ønsket område på legemet, unngå brekkasje ved gjentatte oppvarminger og oppnå stabilitet i stråling, mekanisk montering og elektrisk tilkopling for strålingskilden.

Norsk patent nr 170366 beskriver en strålingskjølt infrarød stråiingskilde, som har den egenskapen at den kan sende ut kraftige pulser av infrarød stråling ved at den varmes opp av elektriske strømpulser og avkjøles mellom hver puls ved termisk stråling. For at dette skal la seg teknisk gjennomføre, må den termiske energi som lagres i kilden ved oppvarming være mindre enn den energi som stråles ut fra kilden i løpet av en strømpuls. Dette stiller visse betingelser til tykkelsen av strålingskilden, som fremgår av nevnte norske patent. For aktuelle pulser og pulsfrekvenser vil typiske tykkelser være av størrelsesorden mikrometer. Strålingskjølte IR-kilder vil derfor i alminnelighet fremstilles av folieformede materialer, hvorav folier av enkelte metaller og metall-legeringer har vist seg spesielt anvendelige.

For at strålingskilden enkelt skal la seg varme opp, må den ha en passende elektrisk motstand. Denne er bestemt av formen på kilden samt materialets resistivitet og foliens tykkelse. Selv de beste motstandslegeringer har resistivitet som ikke er vesentlig større enn 100 uQcm, hvilket for en kvadratisk kilde på f.eks. 1 mm2 laget av en 5 um tykk folie gir en elektrisk motstand på kun 0,2 Q. Samtidig vil kilden kreve en strømstyrke av str.orden 1 A for å varmes opp til aktuelle temperaturer i området 1.000 K. Dette lar seg ikke uten videre realisere med vanlige elektriske drivekretser med mindre kilden har en form som gjør lengden vesentlig større enn bredden, slik at den elektriske motstanden som et minimum ligger i området 1 - 3 Q. Kilden vil da være typisk 10 ganger lengre enn den er bred, og skal varmes fra kald tilstand til gløding i hver puls uten at dette skaper problemer av noen art hverken for kildens egen funksjon eller for de formål hvor den inngår. Tidligere konstruksjoner av IR-kilder vil da være beheftet med en rekke svakheter i forhold til de krav som stilles for en strålingskjølt kilde.

For det første vil kilden utvide seg relativt kraftig for hver puls. Er den da flatt utstrakt og fastspent i hver ende vil utvidelsen føre til at kilden bukler seg, med brekkasje som et uunngåelig resultat etter kort tid. For det annet vil en jevnt oppvarmet, glødende kilde tape mye varme til festepunktene, som kan bli så sterkt oppvarmet at mange metoder for innfesting ikke vil være holdbare og stabile over tid. For det tredje vil en kilde utformet i et smalt lengdeformat lett kunne vri og bende seg ikke bare pga termisk utvidelse men også fordi en smal innspenning for et tynt, langstrakt legeme ikke tilfredsstiller vanlige krav for mekanisk stabilitet; dette vil da gi varierende strålingsdiagram og IR-signaler fra kilden og fører til degradering av anvendelser hvor kilden inngår. Og for det fjerde vil selv små avvik i bredde og/eller parallellitet mellom sidekantene i kilden gi dårlig lokalisering av varmeste kildepunkt og fare for aksellererende overoppheting med skader eller avbrenning som mulig resultat.

Oppfinnelsen anviser løsning på alle slike problemer, ved at kilden utformes og oppspennes slik det er anført i krav 1. Her skal oppfinnelsen beskrives nærmere under henvisning til figurene, idet alle former og utførelser for øvrig som er vist kan være fortegnet og kun skal forstås som ledd i å beskrive oppfinnelsen og hvor figur 1 viser kildens utforming og figur 2 viser oppspenning og montering av kilden, og hvor A angir en mekanisk innfestingsenhet, B er den tynne folieformede IR-kilden, C er en bunnplate av et elektrisk isolerende materiale som også kan inngå som del av et eventuelt omsluttende, lukket og alternativt gassfylt hus, D er nedre del av innfestings-enheten med tilkoplinger for elektriske ledninger og strømtilførsel, og E anfører det eventuelt omsluttende huset med en åpning eller et vindu for transmisjon av IR-strålingen fra kilden.

Løsningen ligger i at kilden oppspennes som en kurveformet bro mellom de to festepunktene, samt gis form av et "timeglass" hvor bredden av kilden er jevnt avsmalnende fra hver ende og inn mot det området som skal varmes opp til de aktuelle temperaturer - som oftest midt mellom festepunktene. Slik det er vist i figur 1 bør da kilden være vesentlig bredere i endene enn i det sentrale området, hvilket entydig og bevisst vil lokalisere strålingskildens faktiske geometriske posisjon til det området hvor legemet er smalest. For en jevntykk folie vil den lokale elektriske motstanden - og derved også den lokalt deponerte elektriske energi - øke omvendt proporsjonalt med bredden, samtidig som det volumet som skal varmes opp lokalt øker lineært med bredden. Dette gir en omvendt kvadratisk avhengighet mellom bredde og oppvarming. Er for eksempel endene tre ganger bredere enn midten, vil midtpartiet varmes opp 9 ganger mer enn endene. Temperaturen i festepunktene vil da aldri komme over 100°C, hvilket gjør at både liming, lodding og mekanisk feste m.v. vil være stabile over tid og ikke gi opphav til termisk genererte aldringsproblemer i materialer, feste, elektrisk motstand el.a.

Tilsvarende effekt kan i noen grad oppnås ved å la tykkelsen av folien variere, idet det tynneste partiet da må falle sammen med området hvor legemet er smalest. De brede endeflatene tjener i tillegg til å gi en solid mekanisk definering av kildens geometriske posisjon i rommet, også for den smaleste delen, slik at kilden ikke vil ha noen tendens til å vri og bende på seg og strålingsdiagrammet blir stasjonært både under pulsen og fra puls til puls.

Som vist i figur 2 er kilden oppspent i en kurveformet bro. Med en symmetrisk oppspenning og form som vist vil da det varmeste området, som utgjør sentrum i strålingskilden, falle sammen med det høyeste punktet i banen. Når kilden utvider seg som følge av oppvarmingen, vil dette skje ved at broen blir noe lengre. Siden festene står fast vil utvidelsen føre til at midtpartiet på broen beveger seg svakt i retning vinkelrett på den emitterende flaten. For en 10 - 20 mm lang kilde vil dette kun gi noen få mikrometer bevegelse i aksial retning. Dette skjer uten at det dannes mekaniske spenninger i materialet, slik det ville være ved en rettlinjet oppspenning. Risiko for mekanisk brudd som følge av oppvarmingen er da eliminert. Samtidig vil deteksjon og annen bruk av strålingen normalt skje i avstander fra noen mm til titalls cm i aksial retning fra kilden. Den mikroskopiske bevegelsen av kilden langs overflatenormalen som følge av oppvarmingen vil da ha en helt forsvinnende virkning på kildens strålingskarakteristikk, som vil være essensielt konstant med veldefinert, støvfri og forutsigbar IR-stråling som resultat.

Takket være denne spesielle utforming og oppspenning av IR-kilden vil den følgelig fremstå som fullstendig stabil både i elektrisk, mekanisk og IR-optisk sammenheng. Oppfinnelsen vil på denne måten bidra til å muliggjøre pulsede, strålingskjølte IR-kilder med sterke, stabile og reproduserbare signaler under hver puls såvel som over tid, og med lang levetid for kilden både i elektrisk og mekanisk henseende.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fastspenning og utforming av et legeme som fremstilles av et tynt elektrisk ledende materiale eller folie og anvendes som strålingskilde i infrarødt, karakterisert ved at nevnte legeme utformes som et timeglass eller annen alternativ form som gir legemet en monoton reduksjon av dets bredde fra et innspenningspunkt og inn mot et minimum hvoretter bredden økes monotont på tilsvarende måte mot et annet oppspenningspunkt, ved at legemets tykkelse holdes konstant eller gis sitt tynneste område der hvor legemet er smalest, og ved at legemet oppspennes som en kurveformet bro mellom to faste oppspenningspunkter.