Infrarot und Glas: Auswahl der richtigen Quarzqualitäten für IR-Fenster und -Heizungen

Das Verhältnis zwischen Infrarot und Glas wird durch die Wellenlänge bestimmt, nicht dadurch, wie klar das Teil auf der Werkbank aussieht. Vor einigen Jahren schickte uns ein Kunde eine Zeichnung für eine Quarzglasscheibe mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Dicke von 5 mm, damit wir vor einer Wärmebildkamera sitzen und eine 900 °C heiße Ofenkammer beobachten konnten. Jede Dimension stimmte. Das Material war falsch. Im von der Kamera verwendeten 8- bis 14-Mikrometer-Band ist Quarzglas überhaupt kein Fenster; es ist eine Wand. Die Kamera hätte die Oberflächenemission der Scheibe sowie ein Spiegelbild der dahinter liegenden Werkstatt gesehen, und der Ofen wäre hinter einem perfekt bearbeiteten Rohling unsichtbar geblieben.

Diese Angebotsanfrage fasst Infrarot und Glas besser zusammen als jedes Lehrbuchkapitel. Glas ist für Infrarot nicht unbedingt transparent oder undurchsichtig. Es ist über einen definierten Bereich hinweg transparent, außerhalb dieses Bereichs blind und die Ränder des Bereichs verändern sich je nach Zusammensetzung, Hydroxylgehalt und Dicke. Wenn Sie die richtige Wahl treffen, wird Quarzglas zu einem der nützlichsten Materialien in einem Infrarotsystem: Es übersteht 1.100 °C im Dauerbetrieb, übersteht Thermoschocks und lässt den Großteil der Strahlung eines Mittelwellenheizgeräts durch. Wenn Sie die falsche Wahl treffen, besitzen Sie eine teure Deko-Scheibe.

Dieser Artikel richtet sich an die Personen, die diesen Anruf tatsächlich tätigen müssen: Prozessingenieure, die eine Heizhülle spezifizieren, Instrumentendesigner, die ein Fenster auswählen, Wartungsteams, die Fehler an einem Pyrometer beheben, und Einkaufsmitarbeiter, die Angebote eines Quarzglasherstellers vergleichen. Wir bauen jede Woche Quarzrohre, -stäbe, -platten, -fenster, -tiegel und Infrarot-Heizelemente, daher stammen die folgenden Beispiele aus echten Bestellungen und nicht aus einem Physik-Lehrplan.

Die Kurzversion: Passen Sie das Glas an das Band an

Wenn Sie sich nur an eines erinnern, denken Sie daran: Quarzglas ist ein Material im nahen und kurzwelligen Infrarot. Hochreines Quarzglas lässt Licht von etwa 180 Nanometern im ultravioletten Bereich bis zu etwa 2,5 Mikrometern durch, und Qualitäten mit niedrigem Hydroxylgehalt erhöhen die nutzbare Transmission auf etwa 3,5 Mikrometer. Ab etwa 4 Mikrometern steigt die Absorption steil an. Zwischen etwa 8 und 10 Mikrometern absorbiert das Silizium-Sauerstoff-Netzwerk so stark, dass ein 3-mm-Fenster praktisch schwarz ist.

Diese einzelne Tatsache ordnet fast jede Anfrage, die wir erhalten, einer von drei Kategorien zu:

• 1 bis 3 Mikrometer. Quarzglas ist die Standardauswahl. Hier leben Infrarotlampen, Kohlefaserstrahler, 2-Mikrometer-Faserlaser, Gassensorik, Feuchtigkeitsmessung, Wiedererwärmung von Kunststoffvorformlingen und die meisten industriellen Trocknungsprozesse.
• 3 bis 5 Mikrometer. Sie befinden sich auf der Schulter der Kurve. Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt funktioniert immer noch, aber die Dicke ist enorm wichtig, der Hydroxylgehalt muss angegeben und nicht angenommen werden, und jeder zusätzliche Millimeter kostet ein echtes Signal.
• 8 bis 14 Mikrometer. Quarz kann Ihnen nicht helfen. Wärmebildtechnik, die meisten Pyrometer und die Langwellenradiometrie benötigen Germanium, Zinkselenid, Zinksulfid, Silizium für das kürzere Ende oder ein Chalkogenidglas. Ein Quarzfenster in einer Langwellenkamera ist ein Filter, kein Fenster.

Bei allem anderen in diesem Artikel handelt es sich um Details, die an diesem Rahmen hängen: wie Hydroxyl absorbiert, wie die Dicke das Problem verschärft, wie Beschichtungen die Zahlen verschieben und wie man eine Einkaufsspezifikation schreibt, die ein Lieferant tatsächlich erfüllen kann.

Warum Kieselsäure Nahinfrarot durchlässt, aber thermisches Infrarot blockiert

Transparenz ist keine abstrakte Eigenschaft eines Materials; es handelt sich um eine Lücke zwischen zwei Absorptionsmechanismen. Auf der kurzwelligen Seite transportieren Photonen schließlich genug Energie, um Elektronen über die Bandlücke des Glases zu befördern, weshalb Quarzglas unterhalb von etwa 180 Nanometern undurchsichtig wird. Auf der langwelligen Seite tragen Photonen schließlich die richtige Energie, um Schwingungen des Silizium-Sauerstoff-Netzwerks selbst anzuregen. Diese Schwingungsabsorptionen liegen im thermischen Infrarot und sind stark.

Die praktische Konsequenz ist ein Übertragungsfenster mit einer weichen statt einer harten Kante. Quarzglas ist bei 1 Mikrometer ausgezeichnet, bei 2 Mikrometern gut, bei 3 Mikrometern in der richtigen Qualität brauchbar, bei 4 Mikrometern grenzwertig und bei 9 Mikrometern hoffnungslos. Gewöhnliches Kalk-Natron-Floatglas stößt viel früher an seine Grenzen, weil Eisenoxidverunreinigungen im nahen Infrarotbereich stark absorbieren. Genau deshalb fühlt sich dickes Fensterglas in der Sommersonne warm an: Das sichtbare Licht dringt ein und die Nahinfrarotenergie wird im Inneren der Scheibe in Wärme umgewandelt.

Die drei Infrarotbänder im Klartext

Nahes und kurzwelliges Infrarot, etwa 0,7 bis 2,5 Mikrometer. Dabei handelt es sich um den Bereich der lampenbasierten Heizung, der Glasfaserkommunikation, der spektroskopischen Feuchtemessung und der Kurzwellen-Infrarot-Inspektionskameras. Hier dominiert Quarzglas und bedarf kaum einer Erklärung.

Mittelwelliges Infrarot, etwa 3 bis 5 Mikrometer. Dies ist der Bereich der Heißobjekt-Thermometrie, der Verbrennungsgasanalyse, einiger militärischer Optiken und einer wachsenden Zahl von Gassensoren. Quarzglas mit niedrigem OH-Gehalt kann die untere Hälfte dieses Bandes bedienen, wenn der optische Weg kurz ist. Über 4 Mikrometer sollten Sie andere Materialien ehrlich bewerten.

Langwelliges Infrarot, etwa 8 bis 14 Mikrometer. Hier kommen Wärmebildkameras zum Einsatz, denn dort strahlen Objekte mit Raumtemperatur stark. Glas ist fast über das gesamte Band undurchsichtig, weshalb eine auf ein Fenster gerichtete Wärmebildkamera die Oberflächentemperatur des Fensters und eine Reflexion dessen, was sich hinter der Kamera befindet, erkennt.

Was Hydroxyl im Glas bewirkt

Wasser, das beim Schmelzen in das Silica-Netzwerk eingearbeitet wird, hinterlässt Hydroxylgruppen, und diese Gruppen weisen ihre eigenen Schwingungsabsorptionen bei etwa 1,38, 2,22 und 2,73 Mikrometern auf. Ein Quarzglas in UV-Qualität mit 800 bis 1.200 Teilen pro Million Hydroxyl ist unter 2 Mikrometer hervorragend und bei 2,7 Mikrometer ganz normal. Ein Material in Infrarotqualität mit einem Hydroxylgehalt von weniger als 10 Teilen pro Million entfernt den größten Teil dieser Absorption und verschafft Ihnen einen zusätzlichen Mikrometer Arbeitsbereich.

Dies ist die häufigste Spezifikationslücke, die wir sehen. Ein Käufer verlangt „Quarzglas, 3 mm dick, hohe Transmission“ und erhält ein fachmännisch gefertigtes UV-Fenster, das bei 2,7 Mikrometern fast die Hälfte seines Signals verliert. Nichts war defekt. Die Note wurde einfach nie angegeben.

Eine Vergleichstabelle von Glasfamilien im Infrarot

Die folgende Tabelle fasst das Verhalten der Glasfamilien zusammen, nach denen wir am häufigsten gefragt werden. Bei den Bereichen handelt es sich um typische nutzbare Transmissionswerte für normale Dicken, nicht um garantierte Grenzwerte für jede Schmelze, da Dotierstoffe, Eisengehalt und Hydroxylgehalt alle die Kanten verschieben.

Lesen Sie die Tabelle als Filter, nicht als Rangfolge. JGS1 ist nicht besser als JGS3; Es ist für ein anderes Ende des Spektrums optimiert. Ein Lieferant, der für jeden Infrarotauftrag eine einzige Sorte angibt, hat die Anfrage entweder falsch verstanden oder hofft, dass Sie es nicht bemerken.

Unter den Zahlen befinden sich zwei praktische Hinweise. Erstens sagt die sichtbare Transparenz fast nichts über die Infrarotleistung aus, eine visuelle Inspektion eines gelieferten Fensters sagt also nur sehr wenig aus. Zweitens weist ein Glas, das in dicken Abschnitten leicht grau oder grün aussieht, normalerweise einen Eisengehalt auf, der in einem Schauglas harmlos und in einem Nahinfrarotfenster nicht akzeptabel ist.

Durchlässigkeit bei 3 Mikrometern: Wo sich die Stufen trennen

Die folgende Tabelle vergleicht die indikative interne Durchlässigkeit bei 3 Mikrometern über einen 10-mm-Weg für vier gängige Materialien. Der Fokus liegt bewusst auf dieser Wellenlänge, da bei 3 Mikrometern der Hydroxylgehalt und nicht die Dicke oder der Glanz das Ergebnis dominiert.

Drei Dinge fallen auf. Der Unterschied zwischen den beiden Silica-Qualitäten ist auf die Breite des Hydroxylbandes zurückzuführen und stellt keinen Unterschied in der Reinheit oder Verarbeitung dar. Aus diesem Grund handelt es sich bei der Reparatur eher um einen Sortenwechsel als um einen Polierwechsel. Borosilikat ist in dieser Region nicht einfach „ein bisschen schlechter“; Es handelt sich um eine andere Materialklasse und sollte bei Lieferengpässen nicht ohne erneute optische Überprüfung ausgetauscht werden. Und die Natronkalkzahl erklärt, warum gewöhnliches Glas als Infrarotfenster nutzlos ist, selbst wenn es vollkommen klar aussieht.

Aus diesem Grund bewahren wir für unsere eigenen Infrarotarbeiten Platten- und Röhrenmaterialien mit niedrigem Hydroxylgehalt getrennt von UV-Produkten auf und vermerken die Nummern der Schmelzchargen auf der Packliste. Aus diesem Grund fragen wir unsere Kunden vor der Angebotserstellung nach einer Zielwellenlänge und nicht erst danach. Wenn die Auftragung bei 2 Mikrometern liegt, wird ein Standard-UV-Fenster eine gute Leistung erbringen und Geld sparen. Wenn es bei 3,2 Mikrometern liegt, halbiert dasselbe Fenster das Signal und der Kunde wird die Beschichtung, die Politur oder die Ausrichtung dafür verantwortlich machen, bevor irgendjemand das Glas vermutet.

Die Dicke verstärkt den Effekt eher exponentiell als linear, sodass ein 5-mm-Fenster nicht einfach „etwas dunkler“ ist als ein 3-mm-Fenster am Rand des Bandes. Wenn Sie in der Praxis nahe an der Hell-Dunkel-Grenze arbeiten müssen, geben Sie das dünnste Fenster an, das die mechanische Konstruktion toleriert, und geben Sie die Ersparnis für eine bessere Sorte aus.

Infrarotstrahler: Warum die Quarzhülle kein Filter ist

Die größte industrielle Anwendung der Infrarot-Glas-Paarung ist die Quarz-Infrarot-Heizröhre, und sie funktioniert, weil die Hülle für die darin eingeschlossene Strahlung transparent ist. Ein Kohlenstofffaserfilament, das bei etwa 1.200 K läuft, strahlt nach dem Wiener Verschiebungsgesetz in der Nähe von 2,4 Mikrometern am stärksten. Ein Nickel-Chrom-Element verhält sich bei einer ähnlichen Temperatur vergleichbar. Ein Wolframfaden in einer mit Halogen gefüllten Röhre wird heißer, etwa 2.800 K, und erreicht eine Spitzentemperatur von etwa 1 Mikrometer. Alle drei sitzen bequem im Transmissionsfenster der Quarzhülle, sodass die Röhrenwand nur sehr wenig der von ihr erzeugten Energie absorbiert.

Das ist kein triviales Detail. Wenn die Hülle ihre eigene Leistung absorbieren würde, würde sich das Rohr selbst und nicht das Werkstück erwärmen, die Effizienz würde zusammenbrechen und die Wand würde weicher. Quarz vermeidet alle drei Fehlerarten auf einmal und fügt einen Erweichungspunkt über 1.600 °C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,55 × 10⁻⁶ pro Kelvin hinzu, weshalb eine Heizung in einer Produktionslinie mit kaltem Wasser bespritzt werden kann, ohne zu zerbrechen.

Transparente Quarz-Infrarot-Heizrohre Transparente Quarzröhre bietet direkte Infrarotübertragung für gezielte Erwärmung, schnelle Reaktion und Temperaturwechselbeständigkeit; nützlich, wenn es auf ein dichtes Filamentbild und eine hohe Effizienz ankommt. Produkt anzeigen →

Transparente, milchige und dotierte Umschläge

Transparenter Quarz bietet die höchste direkte Transmission und ein dichtes Filamentbild, was sich für gezieltes Erhitzen, Thermoformen und die schnelle thermische Verarbeitung von Halbleitern eignet. Milchiger oder undurchsichtiger Quarz streut die Strahlung, mildert heiße Stellen und erzeugt eine gleichmäßigere Verteilung über ein breites Ziel, was normalerweise zum Trocknen von Öfen, zum Aushärten von Farben und zum Erwärmen von Speisen vorzuziehen ist.

Dotierte Quarzrohre bieten eine dritte Option, indem sie die Absorptionsstelle der Hülle verschieben. Eine zur Reduzierung der ultravioletten Emission dotierte Röhre reduziert die Ozonbildung und schützt wärmeempfindliche Produkte, während die bekannten roten oder rubinroten Röhren kurze Wellenlängen sichtbar filtern, ohne die Infrarot-Ausgabe zu blockieren. Für Lampenhersteller ist dies oft der Unterschied zwischen dem Bestehen oder Nichtbestehen einer Emissionsspezifikation.

Passender Emitter zur Last

Die Wellenlängenanpassung ist wichtiger, als die meisten Käufer erwarten. Wasserbasierte Beschichtungen, Papier und Textilien absorbieren rund 3 Mikrometer stark, sodass mittelwellige Kohlenstoffstrahler die Wärme effizient übertragen. Dünne Polymerfolien und PET-Vorformen absorbieren gut im Bereich von 1 bis 2 Mikrometern, was kurzwellige Halogenlampen begünstigt. Klare Kunststoffe, die für das Auge transparent aussehen, können im nahen Infrarotbereich immer noch stark absorbieren, weshalb Infrarotschweißen und Schrumpfen überhaupt funktionieren.

Normalerweise stellen wir drei Fragen, bevor wir einen Umschlag empfehlen: Was ist das Zielmaterial, welche Temperatur muss es erreichen und wie gleichmäßig muss das Ergebnis sein. Diese drei Antworten schränken die Auswahl an Emitter, Rohrdurchmesser, Wandstärke und Oberflächenbeschaffenheit viel schneller ein, als es ein Datenblatt tun würde.

Infrarotfenster und Schaugläser für heiße Prozesse

Ein Fenster, das in eine 1.000 °C heiße Kammer blickt, muss drei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: bei der Betriebswellenlänge transparent bleiben, den Temperaturgradienten überstehen und die Prozessatmosphäre dort halten, wo sie hingehört. Quarz beherrscht alle drei besser als die meisten Alternativen, allerdings nur, wenn das mechanische Design dies unterstützt.

Betrachten Sie ein typisches Ofenschauglas. Die Prozessseite liegt bei 900 °C, die Außenfläche bei 60 °C und die Kamera oder das Pyrometer blickt auf 1,5 Mikrometer durch. Eine 5-mm-Quarzscheibe mit niedrigem OH-Gehalt erfüllt die optischen Anforderungen problemlos. Der Fehlermodus ist fast nie die Übertragung; es steigt. Wenn das Fenster an beiden Seiten fest eingespannt ist, kann es durch die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem Quarz und einem Edelstahlflansch zu Rissen kommen, da sich Quarz viel weniger ausdehnt als das Metall um ihn herum. Wir empfehlen eine weiche Dichtung, einen schwimmenden Sitz und eine klare Angabe, welche Seite heiß ist.

Das Spülen ist die zweite Entwurfsentscheidung. Ein Quarzfenster in einer rußbeladenen oder kondensierenden Atmosphäre verliert die Transmission durch Oberflächenablagerungen, lange bevor das Glas selbst zerfällt. Eine tangentiale Luft- oder Stickstoffspülung über die Prozessfläche hält die Oberfläche frei und kühlt sie zusätzlich. Wenn kein Spülgas verfügbar ist, führt ein leichter Überdruck im Inneren des Gehäuses oft zum gleichen Ergebnis.

Hochreine Quarzfenster für optische und thermische Anwendungen Hochreines Quarzfenster eignet sich für die thermisch stabile optische Betrachtung bei hohen Temperaturen; Berücksichtigen Sie den Bedarf an Spülung und Breitband-Antireflexion, wenn Übertragungsverluste eine Rolle spielen. Produkt anzeigen →

Dicke, Beschichtungen und Oberflächenqualität

Unbeschichtetes Quarzglas verliert etwa 3 bis 4 Prozent pro Oberfläche durch Fresnel-Reflexion im nahen Infrarot. Zwei Oberflächen, vier Prozent und ein weiterer Verlust im Inneren des Materials: Ein nominell hervorragendes Fenster kann 90 Prozent statt 96 Prozent liefern, bevor der Prozess überhaupt beginnt. Antireflexionsbeschichtungen stellen den größten Teil davon wieder her, allerdings nur über das Band, für das sie entwickelt wurden. Daher ist eine Breitbandspezifikation wichtig, wenn der Sensor die Wellenlänge abtastet.

Auch Maßtoleranzen sind explizit anzugeben. Ein Fenster mit einer Dicke von ±0,05 mm und einer Oberflächengüte von 40/20 kostet mehr als ein Allzweckrohling mit ±0,2 mm, und für die meisten Schauglasanwendungen ist die strengere Qualität nicht erforderlich. Umgekehrt leidet ein Laserfenster, das stillschweigend eine handelsübliche Politur durch eine Laseroberfläche ersetzt, unter Streuung und bei hoher Leistung unter lokaler Erwärmung.

Die Kantenqualität verdient eine Erwähnung, da hier die meisten Brüche entstehen. Eine geschliffene und abgeschrägte Kante verhindert ein Absplittern während der Handhabung und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sich bei Temperaturwechselbelastung ein Riss in die Öffnung ausbreitet.

Optischer Infrarot-Quarz: Was Sie mit JGS3 kaufen und was es kostet

Quarzglas in Infrarotqualität, üblicherweise unter der Bezeichnung JGS3 bezeichnet, ist das, was wir liefern, wenn ein Kunde eine brauchbare Übertragung bis zu etwa 3,5 Mikrometern benötigt. Der Hydroxylgehalt wird unter etwa 10 Teilen pro Million gehalten, wodurch die 2,73-Mikrometer-Absorptionsbande entfernt wird, die UV-geeignetes Material einschränkt.

JGS3 optische Quarzplatten in Infrarotqualität Die optische Quarzplatte JGS3 deckt 0,26–3,5 µm ab und vermeidet die 2,7 µm Hydroxyl-Absorptionsbande; Nützlich für die Infrarotübertragung, bei der der UV-Bereich weniger kritisch ist. Produkt anzeigen →

Es lohnt sich, die Kompromisse zu verstehen, bevor Sie sie spezifizieren. Durch die Entfernung von Hydroxyl verschiebt sich der UV-Grenzwert zu längeren Wellenlängen, typischerweise über 250 Nanometer, sodass ein Infrarot-Typ für eine UV-Lampenhülle eine schlechte Wahl ist. Es kostet außerdem mehr als UV-Material, da der Schmelz- und Konsolidierungsprozess anspruchsvoller ist und es empfindlicher in dem Sinne ist, dass ein Lieferant den Hydroxylgehalt tatsächlich messen muss, anstatt davon auszugehen.

Wir sehen, dass JGS3 seinen Preis verdient: optische Fenster für 2 bis 3 Mikrometer-Faserlaser, Gasabsorptionszellen für die Methan- und Wasserdampferkennung, Schutzfenster über gekühlten Mittelwellendetektoren und Referenzoptiken, die bei Feuchtigkeitsaufnahme nicht driften dürfen. Wo es verschwendet wird: Fenster mit sichtbarem Licht, UV-Härtungsgeräte und allgemeine Ofenbeobachtung bei 1 Mikrometer, wo eine billigere Qualität die gleiche Leistung erbringt.

Qualitätsmerkmale, die genauso wichtig sind wie die Übertragung

Ein optischer Infrarotpfad wird nicht nur durch die Transmissionskurve beeinflusst. Blasen und feste Einschlüsse streuen das Licht und wirken bei hoher Leistung als Hot Spots, die Schäden verursachen können. Schlieren, die schwache Zusammensetzungsstreifenbildung, die beim Schmelzen entsteht, verzerren Wellenfronten und Materie enorm für die Bildgebung oder Interferometrie, aber kaum für eine einfache Strahlungstransfermessung. Die Indexhomogenität spielt bei großen Aperturen eine Rolle, bei einer 10-mm-Scheibe kaum.

Unser Rat ist, den Antrag und nicht die allgemeine Anforderung „beste Qualität“ anzugeben. Ein Lieferant kann dann eine Blasenklasse, eine Schlierenklasse und eine Oberflächenspezifikation vorschlagen, die zur Aufgabe passen, und Sie vermeiden die Kosten für interferometrische Homogenität in einem Teil, das nur Wärme in eine Kammer leiten muss.

Wenn Glas die falsche Antwort ist: Wärmebild durch ein Fenster

Wärmebildkameras sind die häufigste Ursache für Infrarot- und Glasverwechslungen, und die ehrliche Antwort lautet: Quarz kann das Problem nicht lösen. Eine Langwellen-Wärmekamera, die zwischen 8 und 14 Mikrometern arbeitet, erkennt Glas als undurchsichtige Oberfläche mit einem Emissionsgrad von etwa 0,9 und meldet daher die Temperatur des Glases, korrigiert um die Reflexion des Glases. In einer Werkstatt handelt es sich bei dieser Reflexion um Menschen und Licht, weshalb Wärmebilder von Fenstern wie Spiegel aussehen.

Die üblichen Korrekturen sind alle legitim und bei keiner davon handelt es sich um Quarz:

• Öffnen Sie eine freie Öffnung und messen Sie durch das Loch, wobei Sie den damit verbundenen Luftstrom akzeptieren.
• Verwenden Sie ein Fenstermaterial, das tatsächlich im 8- bis 14-Mikrometer-Band durchlässt, wie etwa Germanium, Zinkselenid oder ein Chalkogenidglas, und nehmen Sie dessen Kosten und thermische Einschränkungen in Kauf.
• Verwenden Sie stattdessen eine Kurzwellen-Infrarotkamera, die zwischen etwa 0,9 und 1,7 Mikrometer arbeitet, wo Quarz transparent ist und Hochtemperaturmessungen noch möglich sind.
• Messen Sie die Außenfläche mit einem Kontaktsensor oder einem Pyrometer mit korrekter Emissionsgradkorrektur, das bei einer kürzeren Wellenlänge arbeitet.

Die Kurzwellenoption wird am häufigsten übersehen. Für Ofen- und Ofenarbeiten über 700 °C kann eine Kurzwellenkamera hinter einem Quarzfenster eine bessere technische Lösung sein als eine teure Langwellenkamera hinter einem exotischen Fenster, da die kürzere Wellenlänge auch die Empfindlichkeit gegenüber Emissionsgradfehlern und Oberflächenverunreinigungen verringert.

Glas vor einer Kamera ist nicht automatisch eine schlechte Idee; Glas für das falsche Band gewählt ist. Wenn Sie einem Quarzglaslieferanten die Messung beschreiben, geben Sie das Spektralband der Kamera und nicht das Wort „thermisch“ an, da „thermisch“ allein einen verantwortungsbewussten Lieferanten auf das falsche Material hinweist.

Spezifikationsfehler, die wir immer wieder sehen

Die meisten Probleme mit Infrarotglas werden bei der Bestellung gelöst, Monate bevor etwas geliefert wird. Dies sind die wiederkehrenden Ereignisse, grob nach Häufigkeit geordnet.

1. Angabe einer Sorte namentlich ohne Wellenlänge. „Quarzglas“ beschreibt eine Familie, keine Leistungsstufe. Geben Sie das Betriebsband und die akzeptable Übertragung in diesem Band an.
2. Den Hydroxylgehalt vergessen. Jede Anforderung über 2,5 Mikrometer sollte einen OH-Grenzwert angeben, beispielsweise unter 10 ppm, und fragen, wie dieser überprüft wird.
3. Dicke ignorieren. Die Transmission in der Nähe der Bandkante weist eine exponentielle Dicke auf. Zwei Lieferanten, die dieselbe Sorte mit unterschiedlichen Dicken anbieten, geben unterschiedliche Leistungen an.
4. Vorausgesetzt, eine Beschichtung hilft immer. Eine auf 1 Mikrometer optimierte Antireflexionsbeschichtung schadet bei 3 Mikrometern. Geben Sie das Beschichtungsband an oder lassen Sie es weg.
5. Entwerfen einer starren Halterung. Quarz dehnt sich etwa ein Fünftel so schnell aus wie Edelstahl; Irgendwo muss der Unterschied liegen. Verwenden Sie konforme Sitzgelegenheiten.
6. Mit Blick auf die Säuberung. Ein perfekt spezifiziertes Fenster in einer schmutzigen Atmosphäre wird im Laufe einer Schicht unbrauchbar. Planen Sie den Gasfluss bereits in der Entwurfsphase.
7. Qualität nach Augenmaß beurteilen. Ein Teil, das makellos aussieht, hat möglicherweise die falsche Qualität und ein Teil mit einer sichtbaren Blase ist möglicherweise für eine Strahlungsheizungsanwendung völlig akzeptabel. Prüfen Sie anhand der Spezifikation, nicht anhand Ihrer Intuition.

Jedes dieser Probleme ist in der Angebotsphase kostengünstig zu beheben und nach der Lieferung teuer. Ein fünfminütiges Gespräch über Wellenlänge, Dicke, Temperatur und Atmosphäre verhindert fast alle.

So kaufen Sie: Was Ihnen ein Quarzglashersteller sagen sollte

Der Kauf von Infrarotquarz ist nicht kompliziert, aber es belohnt einen Lieferanten, der Fragen mit Maßen statt mit Adjektiven beantwortet. Unabhängig davon, ob Sie es direkt mit einem Hersteller, einem regionalen Lieferanten oder einem Großhändler mit mehreren Produktlinien zu tun haben, sollten in der technischen Antwort dieselben zehn Punkte auftauchen.

1. Eine gemessene Transmissionskurve Für die angebotene Sorte in der angebotenen Dicke handelt es sich nicht um eine aus einem generischen Datenblatt kopierte Katalogzahl. Eine Fourier-Transformations-Infrarotmessung dauert nur wenige Minuten und klärt die meisten Argumente.
2. Eine angegebene Hydroxylzahl und die Methode, mit der es gewonnen wird, normalerweise aus der Absorptionsbande nahe 2,73 Mikrometern.
3. Blasen- und Inklusionskurs in einem anerkannten Bewertungssystem ausgedrückt und nicht als „hohe Qualität“.
4. Informationen zu Schlieren und Homogenität wenn es um Bildgebung oder Interferometrie geht.
5. Maßtoleranzen für Dicke, Durchmesser, Ebenheit und Parallelität sowie die Messmethode.
6. Oberflächenspezifikation in Scratch-Dig-Begriffen, mit dem Namen der Politursorte.
7. Beschichtungsdetails , einschließlich Designwellenlänge, Bandbreite, Einfallswinkel und erwartetem Übertragungsgewinn.
8. Thermische Grenzen und empfohlene Rampenraten , einschließlich der maximalen Steigung über das Teil.
9. Verpackung und Rückverfolgbarkeit Denn ein abgebrochenes 300-mm-Fenster ist unabhängig von der optischen Qualität ein Totalschaden.
10. Muster- und Lieferzeitrichtlinien , insbesondere für einen ersten Artikel, der in der tatsächlichen Vorrichtung getestet werden muss.

Es ist auch hilfreich zu wissen, was ein Lieferant Sie fragen sollte. Wenn ein Angebot ohne eine einzige Frage zu Wellenlänge, Dicke oder Temperatur eingeht, basiert der Preis wahrscheinlich auf einer Schätzung. Unser eigenes Anfrageformular fragt bewusst zuerst nach dem Betriebsband, denn es bestimmt, ob wir eine UV-Röhre, eine Infrarot-Platte oder einen milchigen Umschlag anbieten.

Sondergrößen, Kleinserien und Nachbestellungen

Die meisten Infrarotprojekte beginnen einmalig und werden zu einem geplanten Teil. Erkundigen Sie sich frühzeitig, ob der Lieferant eine Schmelzcharge für Nachbestellungen bereithalten kann, ob die Zeichnung mit der beigefügten Messübertragung archiviert wird und wie ein Sortenwechsel kommuniziert wird. Diese Antworten sind auf der ersten Rechnung um mehr als ein paar Prozent von Bedeutung, wenn Sie sechs Monate in Produktion sind und sich eine neue Charge etwas anders verhält.

Für kundenspezifische Anfertigungen, sei es ein abgestuftes Fenster, eine gebohrte Lochplatte, eine gewölbte Hülle oder eine geflanschte Sichtöffnung, besteht der praktische Weg darin, eine Zeichnung mit der darauf vermerkten optischen Anforderung einzusenden. Abmessungen allein geben selten Auskunft darüber, was das Teil tatsächlich leisten muss.

Wo diese Produkte in unserem Sortiment stehen

Zwei Einstiegspunkte decken den Großteil der oben beschriebenen Infrarotarbeiten ab. Der erste ist unser maßgeschneiderter Fensterfertigungsservice, der Öffnungen, gebohrte Platten, Stufenprofile und die Koordination von Antireflexionsbeschichtungen für Schaugläser und Instrumentenfenster übernimmt. Das zweite ist das Infrarotstrahler-Sortiment, das transparente, milchige und Kohlefaser-Elementkonstruktionen für industrielle Heizgeräte umfasst.

Beide Seiten stehen neben dem breiteren Katalog von Rohren, Stäben, Platten, Tiegeln und Laborartikeln, sodass eine einzige Anfrage in der Regel eine ganze Baugruppe und nicht nur eine einzelne Komponente abdecken kann.

FAQ: Infrarot und Glas

Geht Infrarot durch Glas?

Bei einigen davon ist dies der Fall, und die Menge hängt vollständig von der Wellenlänge ab. Gewöhnliches Fensterglas lässt Nahinfrarotlicht unter etwa 2,5 Mikrometer einigermaßen gut durch und blockiert fast alles über 5 Mikrometer. Quarzglas erweitert die nutzbare Transmission bei Qualitäten mit niedrigem Hydroxylgehalt auf etwa 3,5 Mikrometer. Im Wärmeband von 8 bis 14 Mikrometern ist herkömmliches Glas praktisch undurchsichtig.

Warum kann eine Wärmebildkamera nicht durch ein Fenster sehen?

Denn die Kamera arbeitet im langwelligen Infrarotbereich, wo Glas eher absorbiert als durchlässt. Die Kamera erfasst also die Glasoberfläche selbst, die stark strahlt und auch die Umgebung reflektiert. Wenn man eine Wärmebildkamera auf ein Fenster richtet, erzeugt man normalerweise ein Bild der vom Kameramann reflektierten eigenen Wärme.

Ist Quarzglas dasselbe wie Infrarotglas?

Nicht ganz. Quarzglas ist eine Familie von Quarzglasprodukten, und nur einige Mitglieder dieser Familie sind für Infrarotarbeiten optimiert. Infrarot-Material zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Hydroxylgehalt aus, wodurch Absorptionsbanden entfernt werden, die UV-Silica auf über 2,5 Mikrometer beschränken.

Welche Sorte sollte ich für einen 2- bis 3-Mikrometer-Prozess wählen?

Unterhalb von 2,5 Mikrometern ist ein standardmäßiges UV-Quarzglas im Allgemeinen gut leistungsfähig und kostengünstiger. Geben Sie zwischen 2,5 und 3,5 Mikrometern eine Infrarotqualität mit niedrigem Hydroxylgehalt und einem Hydroxylgehalt unter etwa 10 Teilen pro Million an und halten Sie das Fenster so dünn, wie es die mechanische Konstruktion zulässt.

Blockiert ein dickeres Fenster mehr Infrarot?

Ja, und der Effekt ist eher exponentiell als proportional, insbesondere am Rand des Übertragungsfensters. Ein Fenster, das bei 3 mm eine akzeptable Leistung erbringt, kann bei 8 mm und derselben Wellenlänge einen großen Teil seines Signals verlieren. Die Dicke ist eine optische Größe, nicht nur eine mechanische.

Können Beschichtungen die Infrarotübertragung verbessern?

Antireflexionsbeschichtungen können den größten Teil der etwa 3 bis 4 Prozent, die an jeder unbeschichteten Oberfläche verloren gehen, wiederherstellen, allerdings nur innerhalb des Bereichs, für den sie entwickelt wurden. Eine für sichtbares Licht optimierte Beschichtung verschlechtert normalerweise die Leistung bei 3 Mikrometern, daher muss die Designwellenlänge in der Zeichnung angegeben werden.

Was ist die höchste Temperatur, die ein Quarzfenster aushalten kann?

Quarzglas erweicht oberhalb von 1.600 °C und wird routinemäßig bei etwa 1.100 °C dauerhaft verwendet. Die praktische Grenze für ein Fenster ist jedoch normalerweise der Wärmegradient darüber und die Montagemethode und nicht der Erweichungspunkt des Materials. Allmähliches Erhitzen, nachgiebiges Sitzen und gleichmäßiges Klemmen sind wichtiger als die Gesamtzahl.

Infrarot und Glas gehören zu den Themen, bei denen ein wenig Präzision zu Beginn viel Kosten spart. Die Physik ist stabil, die Materialoptionen sind gut verstanden und die Fehlerarten sind fast alle vorhersehbar: eine Qualität, die nach Gewohnheit und nicht nach Wellenlänge ausgewählt wird, ein Fenster, das ohne nachgiebige Halterung entworfen wurde, eine Heizhülle, die ohne Rücksicht darauf festgelegt wurde, wie gleichmäßig die Wärme auftreffen muss, oder eine Wärmekamera, die durch ein Material schauen soll, das genau das Band absorbiert, von dem es abhängt.

Wenn Sie gerade dabei sind, ein Teil zu skizzieren, statt es zu bestellen, ist es am nützlichsten, den Prozess in einfachen Worten zu beschreiben: Was wird erhitzt oder gemessen, bei welcher Temperatur, bei welcher Wellenlänge, in welcher Atmosphäre und wie lange muss das Teil halten. Diese fünf Antworten schränken die Auswahl an Güteklasse, Dicke, Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtung schneller ein als jede Spezifikationstabelle, und sie geben einem Hersteller genug Zeit, um etwas anzubieten, das auch in einem Jahr in der Werkstatt noch funktioniert.