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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen gepulsten Sonnensimulator,
speziell einen Sonnensimulator, der zur Vermessung von Solarzellen
wie Single-Junction-Solarzellen
und Multi-Junction-Solarzellen einsetzbar ist.
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Sonnensimulatoren
dienen dazu, das natürliche
Sonnenlicht zu simulieren, um die Auswirkungen des Sonnenlichts
auf bestimmte zu bestrahlende Objekte auch unter Laborbedingungen
untersuchen zu können.
Eine spezielle Anwendung ist die Untersuchung der Leistungsfähigkeit
von Solarzellen.
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Sonnensimulatoren
sind beispielsweise aus
US 4641227 bekannt.
Dort wird durch eine geeignete Anordnung und Filterung von zwei
unabhängigen Strahungsquellen
und eine anschließende Überlagerung
der von diesen Strahlungsquellen ausgehenden Strahlungen eine Simulation
des Sonnenlichts realisiert. Als Strahlungsquellen dienen hier jedoch
keine gepulsten Strahlungsquellen. Um diese Strahlungsquellen sind
bündelnde
Parabolspiegel mit einem Abstand so angeordnet, dass die Strahlungsquellen sich
jeweils im Fokus der Parabolspiegel befinden, um die Strahlung in
Richtung des zu bestrahlenden Zieles zu bündeln.
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DE 201 03 645 U1 beschreibt
einen gepulsten Sonnensimulator mit verschiebbarem Filter, wobei
das Spektrum einer Blitzlichtlampe durch geeignete, verschiebbare
Filter an das Spektrum der Sonne angepasst wird.
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EP 1 139 016 A2 beschreibt
einen gepulsten Sonnensimulator, bei dem mit Hilfe von ebenen Spiegelelementen,
die von einer gepulsten Strahlungsquelle beabstandet angeordnet
sind, und zwar in der Regel parabelförmig, wobei wiederum die Strahlungsquelle
im Fokus angeordnet ist, wodurch eine verbesserte Ausleuchtung des
zu bestrahlenden Zieles garantiert werden soll. Das Spektrum der
von den Spiegelelementen reflektierten Strahlenbündel kann auch mit Hilfe von
Filtern geeignet angepasst werden, um eine zusätzliche Bestrahlung des Zieles
in einem gewünschten
Wellenlängenbereich
zu erzielen.
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All
diese Möglichkeiten
aus dem Stand der Technik geben jedoch keinen Hinweis, wie eine
verbesserte Homogenität
der Bestrahlung des zu bestrahlenden Zieles erzielt werden kann.
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Das
Dokument
DE 19 10 505
U zeigt eine stabförmige
elektrische Entladungslampe, an der ein Reflektor vorgesehen ist,
der als Zündstreifen
für die Entladungslampe
verwendet werden kann.
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Die
Druckschrift
DE 19 48
399 U offenbart eine stabförmige Elektrodenblitz-Entladungslampe mit
einer Zündelektrode
aus metallisiertem Material, welche gegen die Außenfläche des Mantels der Lampe anliegt
und auf der anliegenden Fläche
als Spiegel ausgebildet ist.
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In
dem Dokument
DE 196
31 188 A1 ist eine Entladungslampenanordnung beschrieben,
bei der ein Lampengehäuse
einen sich längs
des Lampenkolbens erstreckenden Reflektor aufweist. Der Reflektor
umfasst eine metallische Zone, die als Zündhilfselektrode ausgebildet
ist.
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In
dem Dokument
DE 85
28 660 U1 ist eine Gasentladungslampe mit einem Glasrohr
gezeigt, welches im Bereich der Entladungsstrecke über einen
Teil seines Umfangs verspiegelt ist. Die Verspiegelung ist mit einer
Zündelektrode
verbunden und dient außer
zur Lichtreflexion auch zur Zündung
der Lampe.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten
Sonnensimulator-Anordnung mit verbesserter Homogenität, deren erzeugtes
Spektrum im Infrarot-Bereich eine verstärkte Intensität aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der
erfindungsgemäße Sonnensimulator, weist
folgendes auf:
- – eine gepulste Strahlungsquelle
zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung,
- – mindestens
ein im Bereich der Strahlungsquelle angeordneten Spiegelelement,
welches Anteile der Strahlung der Strahlungsquelle im wesentlichen
in Richtung der Abstrahlrichtung des Sonnensimulators reflektiert.
Das Spiegelelement kann dabei insbesondere senkrecht zur Abstrahlrichtung
angeordnet sein.
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Gemäß der Erfindung
ist nun vorgesehen, dass
- – das mindestens eine Spiegelelement
unmittelbar an die Strahlungsquelle angrenzend angeordnet ist,
- – das
mindestens eine Spiegelelement zumindest teilweise metallisch ausgebildet
ist und ein hochreflektierendes Material ganz oder teilweise aus Gold
oder eine hochreflektierende Beschichtung aufweist, die aus Gold
oder einer goldhaltigen Legierung besteht oder eine Halbleiterschicht
mit einer Oxidschicht oder eine Metallschicht mit einer Oxidschicht
aufweist, wodurch das resultierende Spektrum hin zu einer Verstärkung der
Intensität im
Infrarot-Bereich beeinflusst wird,
- – zumindest
ein Teil der Zündspannung
der gepulsten Strahlungsquelle an das Spiegelelement angelegt ist.
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Im
Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik ist also im Fall
der vorliegenden Erfindung das Spiegelelement nicht von der Strahlungsquelle
beabstandet angeordnet, sondern das Spiegelelement liegt direkt
an der Strahlungsquelle an. Es kann insbesondere eine Strahlungsquelle
mit einer spektralen Breite und/oder einer spektralen Intensitätsverteilung
verwendet werden, die weitgehend der spektralen Breite und/oder
der spektralen Intensitätsverteilung
des Sonnenlichts entspricht.
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Wird
nun wie im Fall der vorliegenden Erfindung das Spiegelelement zumindest
teilweise metallisch ausgebildet, dann kann eine Spannung an das Spiegelelement
angelegt werden. Es kann dabei insbesondere eine Unterbaugruppe
oder ein konstruktives Unterelement des Spiegelelements wie beispielsweise
ein Rahmen, eine Halterung oder die Spiegelfläche teilweise oder ganz metallisch
ausgebildet sein. Die angelegte Spannung unterstützt die gepulste Zündung der
Strahlungsquelle und verhilft dabei zu einer homogeneren Zündung der
Strahlungsquelle. Üblicherweise
werden als Strahlungsquellen gasgefüllte Röhren verwendet, an die über geeignet
angeordnete Elektroden eine Zündspannung
angelegt wird. Alternativ zu einer speziell für die Zündung verwendeten Zündspannung
oder zusätzlich
zu dieser Zündspannung
kann eine konstante Spannung an die Enden der gasgefüllten Röhre angelegt
werden. Bei solchen Strahlungsquellen pflanzt sich beim Zünden eine
Leuchtentladung von einer Elektrode durch die Röhre zur anderen Elektrode fort. Dieser
Vorgang führt
zu einer inhomogenen Strahlungswirkung. Das zusätzliche Anlegen einer Spannung
an das direkt an der Strahlungsquelle anliegende Spiegelelement
führt zu
einem deutlich schnelleren und homogeneren Zünden der Strahlungsquelle. Hierbei
ist das unmittelbare Anliegen des Spiegelelements an der Strahlungsquelle
entscheidend, da nur dann eine möglichst
gute Wirkung beim Zünden
und damit eine möglichst
gute Homogenität
erzielt werden kann.
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Zusätzlich bewirkt
das Spiegelelement eine Reflexion von Strahlungsanteilen der Strahlungsquelle,
die entgegengesetzt der gewünschten
Abstrahlrichtung des Sonnensimulators ausgestrahlt werden. Damit
wird einerseits der Wirkungsgrad der Strahlungsquelle erhöht, es wird
also insgesamt weniger Energie benötigt. Außerdem kann dadurch die Strahlungsquelle
mit geringerer Leistung betrieben werden, was zur Folge hat, dass
das Maximum des Abstrahlungsspektrums in den Infrarot-Bereich wandert.
Dies ist gerade ein enwünschter
und vorteilhafter Effekt, da übliche
Sonnensimulatoren gerade im Infrarot-Bereich eine im Vergleich zum
Sonnenspektrum zu geringe Strahlungsintensität aufweisen. Auch wird durch
die Reflexionswirkung der Spiegel elemente in Richtung der Abstrahlrichtung
des Sonnensimulators die Homogenität der Abstrahlung vorteilhaft
verbessert.
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Eine
erste Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das
mindestens eine Spiegelelement planar ausgebildet ist. Gerade hierdurch kann
eine sehr homogene Ausleuchtung des zu bestrahlenden Zieles erzielt
werden.
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Erfindungsgemäß wird erreicht,
dass das mindestens eine Spiegelelement, speziell die Spiegelfläche des
Spiegelelements, ein Material oder eine Beschichtung aufweist, welche
bzw. welches derart ausgebildet ist, dass die Reflexionswirkung des
Spiegelelements im Infrarot-Bereich deutlich höher ist als im UV-Bereich.
Insbesondere ist hierfür
ein hochreflektierendes Material oder eine hochreflektierende Beschichtung
geeignet, welches bzw. welche im Infrarot-Bereich eine Reflexionswirkung
größer als 60%,
bevorzugt größer als
70%, idealerweise größer als
90% aufweist. Somit kann durch die geeignete Wahl des Materials
oder der Beschichtung des Spiegelelements das resultierende Spektrum
in der gewünschten
Weise beeinflusst werden, nämlich
hin zu einer Verstärkung
der Intensität
im Infrarot-Bereich. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass
das mindestens eine Spiegelelement zumindest teilweise metallisch
ausgebildet ist und ein hochreflektierendes Material ganz oder teilweise
aus Gold oder eine hochreflektierende Beschichtung aufweist, die
aus Gold oder einer goldhaltigen Legierung besteht oder eine Halbleiterschicht
mit einer Oxidschicht oder eine Metallschicht mit einer Oxidschicht
aufweist, wodurch das resultierende Spektrum hin zu einer Verstärkung der
Intensität
im Infrarot-Bereich beeinflusst wird. Die Halbleiter-Oxidschicht kann
insbesondere als thermische Oxidschicht ausgebildet sein, wie sie in
einem thermischen Oxidationsprozess erzeugt wird. Man erhält dadurch
eine praktisch einkristalline Halbleiter-Oxidschicht, die eine sehr
genau definierte Grenzfläche
zum angrenzenden Halbleitermaterial aufweist. Auf die Oxidschicht
kann dann eine Metallschicht beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht
werden.
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Es
zeigt sich, dass sowohl Metalle wie Gold als auch Metalle mit Oxidschichten
wie insbesondere Leichtmetalle und auch Halbleiter mit Oxidschichten sehr
gute Reflexionseigenschaften gerade im Infrarot-Bereich aufweisen.
Diese Materialien werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft
eingesetzt.
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Eine
weitere Verbesserung der Homogenität der Abstrahlung des Sonnensimulators
kann dadurch erzielt werden, dass die Strahlungsquelle in ihrer Längsausdehnung
gekrümmt
ausgebildet ist. Durch eine gerade Ausdehnung der Strahlungsquelle,
wie sie beispielsweise die
EP
1 139 016 A2 vorsieht, kann eine ausreichende Homogenität nicht
erzielt werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass
die Strahlungsquelle ringförmig
oder schneckenförmig
ausgebildet ist.
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Die
Homogenität
der Abstrahlung kann sogar noch weiter dadurch erhöht werden,
dass die Strahlungsquelle von einem Gehäuse umgeben wird, welches in
Abstrahlrichtung im Wandbereich mehrere hintereinander angeordnete
Blendenelemente aufweist. Diese Blendenelemente fangen diejenigen Strahlungsanteile
der Strahlungsquelle ab, die nicht direkt oder nicht überwiegend
in Richtung der Abstrahlrichtung abgestrahlt werden. Diese Blendenelemente
können
bevorzugt zusätzlich
mit einer gering reflektierenden Beschichtung überzogen oder aus einem gering
reflektierenden Material hergestellt werden, um Streustrahlung weitgehend
zu unterbinden.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlungsquelle
und/oder das Spiegelelement über
Halterungen mit einer Trägerplatte
aus Granit verbunden ist. Die Oberfläche der Trägerplatte ist dabei entweder
glatt poliert oder mikroskopisch aufgeraut, um eine verringerte
Reflexionswirkung aufzuweisen. Eine solche Granitplatte hat sich
als ideale Trägerplatte
erwiesen, die eine hohe Stabilität,
insbesondere auch eine hohe Temperatur stabilität aufweist, andererseits auch
die erforderliche Stabilität
und Isolationswirkung gegenüber den
hohen Spannungen, die über
die Halterungen und leitenden Zuführungen an der Strahlungsquelle und/oder
dem mindestens einen Spiegelelement anliegen.
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Insbesondere
kann die Strahlungsquelle als Xenon-Blitzlichtlampe ausgebildet
sein. Es können weiter,
wie grundsätzlich
aus der
DE 201 03
645 U1 bekannt, zusätzliche
Filtermittel vorgesehen werden, um das Spektrum des Sonnensimulators
noch weiter in gewünschter
Weise zu beeinflussen. Um das in der Bestrahlungsebene auftreffende
Spektrum der Strahlung noch weiter variieren zu können, kann
vorgesehen werden, dass mindestens zwei Filter im wesentlichen senkrecht
zur Abstrahlrichtung verschiebbar angeordnet sind, wobei die Filter
derart ausgebildet sind, dass sie jeweils entweder gleiche oder
unterschiedliche Anteile der Strahlung unterdrücken. Damit ergibt sich als
Gesamtspektrum nun eine Überlagerung
der Strahlungsanteile, die kein Filter passiert haben, der Strahlungsanteile,
die das erste Filter passiert haben und der Strahlungsanteile, die
das zweite Filter oder gar noch weitere Filter passiert haben. Wenn
die Filter so angeordnet sind, dass sie übereinander geschoben werden
können,
ergeben sich zusätzlich
auch noch Strahlungsanteile, die zuerst ein erstes und dann ein
zweites Filter oder gar noch weitere Filter passiert haben.
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Für eine spezielle
Verwendung des Sonnensimulators zur Vermessung von Solarzellen kann
vorgesehen werden, dass in einer Bestrahlungsebene zu vermessende
Solarzellen angeordnet sind, wobei in der Bestrahlungsebene außerdem zusätzliche
Referenz-Solarzellen für
Vergleichsmessungen angeordnet werden können. Damit wirkt auf die Referenz-Solarzellen
in jedem Fall die gleiche Strahlung wie auf die zu vermessenden
Solarzellen. Es können dann
beispielsweise die zu vermessenden Solarzellen derart ausgebildet
sein, dass mindestens eine erste Solarzellenschicht über einer
zweiten Solarzellenschicht angeordnet ist, wobei die Solarzellenschichten
ein unterschiedliches Absorptionsverhalten aufweisen. Solche Solarzellen
sind auch als Multi-Junction-Solarzellen
bekannt. Die Referenz-Solarzellen werden dann zur Garantie einer
möglichst
eindeutigen Referenzmessung durch mindestens eine erste Referenz-Solarzellenschicht
mit einem Absorptionsverhalten, das der mindestens einen ersten
Solarzellenschicht entspricht sowie durch mindestens eine zweite,
der ersten Referenz-Solarzellenschicht benachbarte Referenz-Solarzellenschicht,
deren Absorptionsverhalten der zweiten Solarzellenschicht entspricht,
gebildet, wobei der zweiten Referenz-Solarzellenschicht ein Filter
vorgeschaltet ist, das dem Absorptionsverhalten der ersten Solarzellenschicht entspricht.
Analoges gilt für
mögliche
weitere Solarzellenschichten. Die Referenz-Solarzellenschichten sind
damit unabhängig
voneinander, aber sie simulieren dennoch die Gegebenheiten innerhalb
der übereinander
angeordneten Solarzellenschichten, die es zu vermessen gilt. Die
Anordnung kann natürlich auch
zur Vermessung von Single-Junction-Solarzellen, ebenfalls bevorzugt
mit Hilfe von Referenz-Solarzellen, verwendet werden.
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Ein
spezielles Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Sonnensimulator nach der vorliegenden Erfindung
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2:
Vergrößerte Detaildarstellung
der Strahlungsquelle des erfindungsgemäßen Sonnensimulators
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3:
Schematische Darstellung eines Querschnittes durch die Strahlungsquelle
nach 2
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4:
Sonnensimulator nach 1 mit zusätzlichen, verschiebbaren Filtern
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In 1 ist
schematisch ein Sonnensimulator nach der vorliegenden Erfindung
dargestellt, der eine Strahlungsquelle 1 in Form einer
Xenon-Blitzlichtlampe aufweist, an die unmittelbar ein oder mehrere
Spiegelelemente 7 angrenzen. Dies ist in 2 und 3 nochmals
deutlicher dargestellt. Die Spiegelelemente 7 liegen direkt
an dem Röhrenkörper der Xenon-Blitzlichtlampe 1 an.
Wie die Figuren zeigen, ist die Blitzlichtlampe schneckenförmig ausgebildet, um
eine möglichst
homogene Abstrahlung zu erzielen. Die Zahl und Form der Spiegelelemente 7 kann so
angepasst werden, dass möglichst über die
gesamte Längserstreckung
der Blitzlichtlampe 1 Spiegelelemente 7 unmittelbar
an deren Röhrenkörper anliegen.
In 2 ist dies exemplarisch für zwei Spiegelelemente 7 dargestellt.
Diese können
insbesondere über
entsprechende Halterungen 6 wie beispielsweise Klemmhalterungen
mit dem Röhrenkörper der
Blitzlichtlampe 1 verbunden sein, wobei diese Halterungen
vorzugsweise metallisch ausgebildet sind. Die Halterungen 6 sollen
hier als Teil der Spiegelelemente 7 verstanden werden.
Die Spiegelelemente 7 bestehen aus Aluminium und weisen
eine Gold-Beschichtung auf. Die Spiegelelemente 7 können aber
auch vollständig
aus Gold bestehen. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass das
Spiegelelement 7 eine Metallschicht mit einer Oxidschicht aufweist,
beispielsweise Aluminium. Alternativ kann aber auch das Spiegelelement
eine Halbleiterschicht, beispielsweise Silizium, mit einer Oxidschicht
aufweisen, wobei die Oxidschicht auch noch mit einer weiteren Beschichtung,
beispielsweise aus Aluminium, versehen sein kann. Die Halbleiter-Oxidschicht kann als
thermische Oxidschicht ausgebildet sein, wie sie in einem thermischen
Oxidationsprozess erzeugt wird. Auf die Oxidschicht kann dann die
Aluminiumschicht durch Aufdampfen aufgebracht werden. Im folgenden
soll von einem Spiegelelement 7 aus Aluminium mit einer
Goldbeschichtung ausgegangen werden.
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In 1 ist
die Strahlungsquelle 1 samt Spiegelelement 7 lediglich
zur Vereinfachung der Darstellung in der Papierebene dargestellt.
Tatsächlich
ist die Strahlungsquelle 1 wie auch das Spiegelelement 7 in
einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung 10 des Sonnensimulators
angeordnet.
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Wie 1 weiter
zeigt, liegt an Elektroden an den Enden der Blitzlichtlampe 1 eine
konstante Spannung an, die von einer Spannungsquelle 8 erzeugt
wird. Diese Spannung ist so ausgelegt, dass sie nicht zum Zünden der
Blitzlichtlampe 1 ausreicht, sie liegt also unter der Zündspannung.
Typischerweise können
durch die Spannungsquelle 8 einige Kilovolt erzeugt werden.
Weiterhin wird an die Spiegelelemente 7 und/oder die Halterungen 6 ein
Hochspannungspotential als Zündspannung
angelegt, wie die 1 und 2 zeigen.
Das an den Spiegelelementen 7 und/oder den Halterungen 6 anliegende
Hochspannungspotential kann beispielsweise übe eine Hochspannungsquelle 9 wie
beispielsweise eine Zündspule
erzeugt werden und beträgt
typischerweise einige zehn Kilovolt. Durch diese Zündspannung kann
nun eine gepulste Entladung in der Blitzlichtlampe 1 erzeugt
werden. Die Zündspannung
erzeugt letztlich lediglich ein elektrisches Feld im Bereich des Röhrenkörpers der
Blitzlichtlampe 1, es fließt jedoch praktisch kein Strom,
da die Spiegelelemente 7 und/oder die Halterungen 6 durch
den Röhrenkörper der
Blitzlichtlampe 1 isoliert sind.
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Wie
bereits erläutert,
verbessert die spezielle Art der Anordnung der Spiegelelemente 7 unmittelbar
angrenzend, also unmittelbar anliegend an den Röhrenkörper der Blitzlichtlampe 1 die
Homogenität der
Abstrahlung, einerseits durch die Reflexionswirkung der Spiegelelemente 7 (siehe 2),
die durch die Goldbeschichtung vorteilhaft vor allem im infrarot-Bereich
stattfindet, andererseits durch die Wirkung der Spiegelelemente 7 und/oder
der Halterungen 6 als Hochspannungs-Elektroden, die beim Zündvorgang
die Homogenität
der Entladung in der Blitzlichtlampe 1 garantieren.
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1 zeigt
weiterhin, dass die Blitzlichtlampe 1 und die Spiegelelemente 7 über Halterungen 11 mit
einer Granit-Trägerplatte 4 verbunden
sind. Diese Trägerplatte
weist die bereits eingangs genannten Vorteile auf. Weiterhin ist
die Anordnung aus Blitzlichtlampe 1 und Spiegelelementen 7 von
einem Gehäuse 2 umgeben,
welches in Richtung der Abstrahlrichtung 10 des Sonnensimulators
im Wand bereich mehrere nacheinander angeordnete Blendenelemente 3 aufweist.
Wird das Gehäuse
beispielsweise zylindrisch ausgebildet, so werden die Blendenelemente 3 als
nacheinander angeordnete, konzentrische Ringe ausgebildet. Weiterhin
sind zumindest die Blendenelemente 3, idealerweise aber
auch der gesamte Innenbereich des Gehäuses 2, mit einer
gering reflektierenden Beschichtung versehen oder aus einem gering
reflektierenden Material hergestellt, also einem Material, das Streustrahlung
nicht reflektiert, sondern idealerweise weitgehend absorbiert. Damit
wird erreicht, dass der Sonnensimulator weitgehend wie ein schwarzer
Körper
bzw. wie ein Hohlraumstrahler strahlt.
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Der
vorliegende Sonnensimulator kann auch entsprechend der
4 weitergebildet
werden, indem senkrecht zur Abstrahlungsrichtung
10 verschiebbare
Filter
5 angeordnet sind, die bevorzugt auch übereinander
geschoben werden können,
wie durch die gestrichelten Linien in
4 angedeutet. Solche
verschiebbaren Filter sind grundsätzlich aus
DE 201 03 645 U1 bekannt.
Die Filter
5 können
entweder gleiche oder unterschiedliche Anteile der elektromagnetischen
Strahlung der Blitzlichtlampe
1 unterdrücken, wie bereits eingangs
dargestellt wurde.