Messanordnung mit einem supraleitenden Bolometer
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung mit einem im Übergangsbereich zwischen Supraleitfähigkeit und Normalleitfähigkeit arbeitenden Bolometer. Ein Bolometer ist bekanntlich meist ein dünner Draht oder Metallstreifen, der die auftreffende Strahlung absorbiert und sich dabei je nach der Intensität der Strahlung mehr oder weniger erwärmt. Diese Erwärmung äussert sich als Sinde- rung seines elektrischen Widerstandes, die dann als Mass für die auftreffende Strahlungsenergie dient.
Bei den bisher üblichen Strahlungsempfängern, wie z. B. auch den zur Messung infraroter Strahlung gebräuchlichen Thermoelementen, tritt nun immer die Schwierigkeit auf, dass diese Empfänger auf die auftreffende Strahlung nur mit sehr schwachen elektrischen Signalen (Messspannungen oder Widerstands änderungen) reagieren. Da zudem bei den bekannten Messanordnungen der Störspiegel sehr hoch liegt, stellt eine genaue Strahlungsmessung stets ein erhebliches messtechnisches Problem dar. Ausserdem sind die gebräuchlichen Empfänger meist recht träge, was bei vielen Anwendungen stört.
Es ist nun seit langem bekannt, dass der elektrische Widerstand einer ganzen Anzahl von Metallen ganz plötzlich stark absinkt, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert. Es hat sich gezeigt, dass ein solcher Supraleiters einfach nur bis zu einem gewissen Punkt einen nennenswerten elektrischen Widerstand besitzt. Im supraleitenden Zustand ist der spezifische Widerstand nur noch höchstens von der Grössenordnung von 10-20 Qlcm.
In diesem supraleitenden Zustand bietet solch ein Metall also praktisch keinen elektrischen Widerstand.
Man weiss von wenigstens einundzwanzig metallischen Elementen, dass sie Supraleiter sind. Dazu kommen noch zahlreiche Legierungen und intermetallische Verbindungen, die ebenfalls Supraleitfähigkeit zeigen.
Man hat auch schon seit langem erkannt, dass die Eigenschaft eines Materials, supraleitend zu sein, beseitigt wird, wenn der Supraleiter einem hinreichend starken magnetischen Feld ausgesetzt wird.
Man hat ursprünglich gedacht, dass diese Aufhebung der Supraleitfähigkeit durch ein magnetisches Feld ein irreversibles Phänomen sei, aber später hat man doch gefunden, dass die Supraleitfähigkeit wiederhergestellt wird, sobald das magnetische Feld wieder beseitigt oder hinreichend geschwächt wird.
Die Stärke oder Dichte des kritischen oder Schwell-Magnetfeldes wächst mit absinkender Temperatur und hängt mit der Temperatur nach einer etwa parabelförmigen Funktion zusammen. Es wird deutlich, dass die typischen Schwell-Magnetfelddarstellungen für supraleitende Metalle, von denen einige in Fig. 1 dargestellt sind, den Dampfdruck Temperatur-Kurven für eine Flüssigkeit analog sind: Bei Temperaturen und Magnetfeldern, welche Punkten unterhalb der Schwellkurven entsprechen, tritt Supraleitung auf, während für höhere Temperaturen und stärkere Magnetfelder die normale Leitfähigkeit des Metalles überwiegt.
Wenn man nun die Temperatur eines solchen Materials auf einem Punkt halten kann, wo sich das Material etwa in der Mitte zwischen seinem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand befindet, dann erzeugen schon geringfügige Temperturänderungen innerhalb dieser Übergangszone schon ausserordentlich hohe Widerstandsänderungen des Supraleiters. Die Steigung der Temperatur-Widerstandskurve hat ein Maximum und die Beziehung ist über einen beachtlichen Widerstandsbereich linear.
In den letzten Jahren sind verschiedene Bolometer entwickelt worden, welche diese Eigenschaft aus nützen. So ist z. B. in der Zeitschrift Journal of the Optical Society Band 31, Nr. 10 vom Oktober 1948 auf Seite 854 ein Bolometer aus Niobiumnitrid (NbN) beschrieben, das mit flüssigem Wasserstoff gekühlt wird und dessen Übergangs-Temperatur- bereich bei etwa 1 5o K, also dicht unterhalb des Tripelpunktes von Wasserstoff liegt.
Es ist nun sehr schwierig, bei den bekannten Messanordnungen die Temperatur des Bolometers stets so genau zu regeln, dass sein Arbeitspunkt immer gerade auf einen ganz bestimmten Punkt des Übergangsbereiches zu liegen kommt.
Es ist schon vorgeschlagen worden, dass das Bolometer zum Einstellen auf einen bestimmten Arbeitspunkt des Übergangsbereiches in einem Magnetfeld angeordnet ist. Dadurch soll die Temperatur des Bolometers geändert werden.
Demgegenüber besteht die Erfindung in einer Messanordnung mit einem im Übergangsbereich zwl- schen Supraleitfähigkeit und Normalleitfähigkeit arbeitenden Bolometer, das zum Einstellen. auf einen bestimmten Arbeitspunkt des Übergangsbereiches in einem Magnetfeld angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Bolometerkreises derart regelbar ist, dass der bestimmte Arbeitspunkt des Übergangsbereiches auf eine Temperatur gebracht wird, die von der Temperatur eines das Bolometer umgebenden Kühlmittels abhängt.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele und einiger graphischer Darstellungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung in Abhängigkeit von der Temperatur diejenige Feldstärke, bei welcher der Widerstand einer Anzahl als supraleitend bekannter Metalle gerade vom supraleitenden Zustand in den normal leitenden Zustand übergeht.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung eines typischen supraleitenden Bolometers in Abhängigkeit von der Temperatur.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Messanordnung mit einem supraleitenden durch einen Cryostat gekühlten und im Magnetfeld einer Helm holtz-Spulen anordnung liegenden Bolometer.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Übergangsbereichskurven eines supraleitenden Metalles bei mehreren Werten der magnetischen Kraftfluss dichte.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, während
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der er findungsgemässen Messanordnung in schematischer Darstellung zeigt.
Aus der in der Fig. 2 gezeigten graphischen Darstellung der Temperatur-Widerstands-Kurve eines aus Niobiumnitrid (NbN) bestehenden Bolometers erkennt man deutlich, dass innerhalb des Ubergangs- bereiches des Bolometers eine geringfügige Temperaturänderung eine relativ sehr grosse Änderung des Widerstandes bewirkt. Der oben angeführte Artikel beschreibt auch einen Kälteregler (Cryostat), der unter Verwendung flüssigen Wasserstoffes dazu Anwendung finden kann, das Bolometer auf supraleitenden Zustand abzukühlen.
Es ist jedoch nicht erforderlich, diese besondere Art eines Kältereglers zu verwenden, da flüssiges Helium in den benötigten Mengen handelsmässig zur Verfügung steht und an Stelle von flüssigem Wasserstoff verwendet werden kann, um insbesondere dort die Möglichkeit einer Explosion auszuschliessen, wo diese Gefahr durch die besonderen Bedingungen der Umgebung gegeben ist.
Ein supraleitendes Bolometer wird durch das Zusammenwirken von Kühlmittel und einer veränderlichen magnetischen Kraftflussquelle, die zusammen mit dem Bolometer im Magnetfeld liegen, auf einen Punkt gehalten, wo sich das Bolometer etwa in der Mitte zwischen seinem normalleitenden und seinem supraleitenden Zustand befindet.
Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung, die aus einem Kälteregler 10 und einem Bolometer 11 gebildet wird, wobei diese Anordnung so getroffen ist, dass das Bolometer 11 im Magnetfeld eines Helmholtz Spulenpaares 12 liegt. Die Helmholtz-Spulen sind durch eine Verbindung 13 miteinander verbunden, und über ein Leitungspaar 14 sind sie an einer nicht dargestellten steuerbaren elektrischen Energiequelle angeschlossen.
Die Abbildung zeigt die Spulen 12 im Schnitt, um so die Lage des in dem von den Spulen erzeugten magnetischen Feld liegenden Bolometers deutlicher erkennen zu lassen. Das Bolometer 11 ist so angeordnet, dass es die Strahlungsenergie durch ein Fenster 16 empfängt und kann über die Leitungen 15 mit zur Messung der Anderungen seines Widerstandes geeigneten Stromkreisen verbunden werden.
Ein supraleitendes Bolometer sei durch einen Kälteregler oder durch andere geeignete Mittel auf eine Temperatur abgekühlt, die innerhalb seines normalen supraleitenden Bereiches liegt; durch ein magnetisches Feld mit geeigneter Feldstärke wird der Arbeitspunkt des Bolometers in die Mitte der Übergangszone zwischen normaler Leitfähigkeit und Supraleitfähigkeit gebracht. Dies wird, wie in der Fig. 4 dargestellt, erreicht, wenn ein Bolometer aus Blei (Pb) auf eine Temperatur von etwa 3 K abgekühlt wird und in einem magnetischen Feld von
100 Oersted liegt.
Betrachtet man die Ordinate des in der Fig. 4 wiedergegebenen Diagrammes, dann erkennt man, dass innerhalb dieses Bereiches bei unverändertem Magnetfeld, eine geringfügige Temperaturänderung eine starke Anderung des Widerstandes des Bolometers vom effektiven Nullwert auf seinen normalen Widerstandswert bewirkt. Bei Magnetfeldern grösserer Feldstärke muss das Bolometer auf niedrigere Temperaturen abgekühlt werden, wenn man das Bolometer in den Übergangsbereich seiner Supraleitfähigkeit bringen will.
In der Fig. 4 werden diese Verhältnisse für Jeden Typ eines Bolometers mit Supraleitfähigkeit an Hand einer Kurvenschar dargestellt.
Man verwendet die Änderung des Widerstandes des Bolometers dazu, das Magnetfeld zu regeln, um auf diese Weise das Bolometer auf einen Arbeitspunkt etwa in der Mitte der Übergangszone zwischen normaler Leitfähigkeit und Supraleitfähigkeit zu halten. Es wird deshalb ein geschlossener Regelkreis vorgesehen, bei dem die zur Einregelung des Bolometers auf einen vorbestimmten Punkt seiner Über- gangsbereichscharakteristik erforderliche Anderung des magnetischen Feldes als Mass für die Temperatur des Bolometers dient.
Das in der Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt eine Messanordnung, bei der ein Bolometer 20 verwendet wird, das in einen elektrischen Stromkreis geschaltet ist, durch den die Widerstandsänderungen des Bolometers gemessen werden können. Das besondere in der Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt ein Bolometer 20, das in den einen Zweig einer symmetrisch abgeglichenen aus vier Zweigen gebildeten Widerstandsbrücke 24 geschaltet ist. Ausser dem Bolometer 20 sind die Widerstandselemente 21, 22 und 23, die sämtliche gleiche elektrische Werte haben, in den Stromkreis der Brücke 24 geschaltet. Eine elektrische Spannung wird an zwei symmetrischen Punkten 25 an die Brücke 24 gelegt. Das Bolometer 20 ist dabei so angeordnet, dass die auftreffende Strahlungsenergie, z. B. die infraroten Strahlen von ihm absorbiert wird.
Die durch die auftreffende Strahlung hervorgerufene Temperaturänderung des Bolometers bewirkt eine Änderung des Widerstandes des Bolometers und in Abhängigkeit davon eine Änderung der Spannung, die in dem Zweig der Brücke 24 erzeugt wird, in den das Bolometer geschaltet ist. Durch die Spannung, die sich in dem Bolometer-Bräckenzweig entwickelt, wenn diese mit den in den anderen Brückenzweigen entwickelten Spannungen nicht abgeglichen ist, wird eine Restspannung an zwei symmetrischen Punkten der Brücke erzeugt, die einem Vorverstärker 26 zugeleitet wird.
Die durch den Vorverstärker 26 verstärkte Bolometer-Ausgangsspannung wird über zwei Filter, und zwar ein Tiefpassfilter 27 und ein Hochpassfilter 28 geleitet. Dabei lässt das Tiefpassfilter 27 nur die sich relativ langsam ändernden elektrischen Signale durch, die durch langsame Anderungen der durch das Bolometer 20 erzeugten Spannung hervorgerufen werden und z. B. auf Spannungsschwankungen oder solche Faktoren, wie allmählich sich ändernde Umgebungstemperatur, zurückzuführen sind. Diese sich langsam ändernden elektrischen Signale, die von dem Tiefpassfilter 27 durchgelassen werden, werden einem Endverstärker 29 zugeführt, dessen Ausgang wieder mit der das Magnetfeld erzeugenden Spule 30 verbunden ist, das mit dem Bolometer 20 im Magnetfeld liegt.
Ein geschlossener Regelkreis wird deshalb vom Bolometerzweig der abgeglichenen Brücke 24 über den Vorverstärker 26, das Tiefpassfilter 27 und den Endverstärker 29 gebildet, um automatisch eingeregelte Werte des magnetischen Kraftflusses zu erhalten, die auf das Bolometer 20 einwirken, und so dieses in dem Übergangsbereich etwa in der Mitte zwischen seinem normalleitenden und seinem supraleitenden Zustand zu halten. Die Messanordnung ist so vorgesehen und ausgeführt, dass diese automatische Einregelung innerhalb zweckmässiger Grenzen unabhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen, unter denen die Anordnung betrieben wird, stattfindet.
Dem Hochpassfilter 28 wird ebenfalls die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 26 zugeführt und mit Ausnahme eines schmalen Frequenzbandes im Bereiche der Frequenz, mit der die intermittierende infrarote auf das Bolometer 20 auftreffende Strahlungsenergie unterbrochen wird, werden alle übrigen Frequenzen vom Hochpassfilter 28 ausgesiebt. Auf diese Weise erreichen nur die elektrischen Signale, die durch Widerstandsänderungen des supraleitenden Bolometers 20 bei der Unterbrecherfrequenz auftreten, einen Demodulator 31, der so in den Stromkreis geschaltet ist, dass er die Ausgangsspannung des Hochpassfilters 28 empfängt. Der Demodulator 31 hat die Aufgabe, derartige Schwankungen genau zu messen und ein diesen Schwankungen proportionales elektrisches Signal zu erzeugen.
Trifft nun eine Strahlung mit zwei verschiedenen Intensitäten abwechselnd auf das Bolometer, dann zeigt die Amplitude des demodulierten elektrischen Signals die Differenz zwischen den beiden Strahlungspegeln an, während man aus der Phase erkennt, welcher Strahlungspegel die grössere Intensität besitzt. Ein Registriergerät 32 ist mit dem Ausgang des Demodulators 31 verbunden und dient dazu, diese elektrischen Signale aufzuzeichnen, die durch die auf das supraleitende Bolometer 20 auftreffende intermittierende Strahlungsenergie erzeugt werden. Das Registriergerät 32 kann dabei so angeordnet werden, dass derartige elektrische Signale in Abhängigkeit von einer beliebigen zu diesen in Beziehung stehenden variablen Grösse aufgezeichnet werden.
Die Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein supraleitendes Bolometer 40 in einen Zweig eines abgeglichenen Brükkenstromkreises 44 geschaltet und so angeordnet, dass es die vorzugsweise intermittierende oder zwischen zwei Pegeln bekannter bzw. bestimmbarer Frequenz wechselnde Strahlungsenergie empfängt.
Die übrigen im Stromkreis der Brücke 44 liegenden Widerstände 41, 42 und 43 haben gleiche elektrische Werte. Eine elektrische Spannung wird an zwei symmetrischen Punkten 45 der Brücke 44 angelegt. In ähnlicher Weise, wie bei der in der Fig. 5 dargestellten Messanordnung, wird durch eine Widerstandsänderung des Bolometers 40 in der Brücke 44 eine Spannung erzeugt, die einem Vor verstärker 46 zugeführt wird. Von diesem Punkt an unterscheidet sich die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Messanordnung vom vorher beschriebenen. Die durch die Widerstandsänderungen des supraleitenden Bolometers 40 in der Brücke 44 erzeugten elektrischen Spannungen werden hier direkt einem Endverstärker 47 zugeführt. Der Endverstärker 47 liefert dabei in Abhängigkeit der eigenen Spannunsaufnahme einen elektrischen Strom an eine ein magnetisches Feld erzeugende Spule 48.
Die Mess- anordnung ist so ausgebildet, dass diese Strommenge automatisch so geregelt wird, dass das supraleitende Bolometer 40 etwa in der Mitte des Übergangsbereiches zwischen seinem normalleitenden und seinem supraleitenden Zustand gehalten wird.
Der elektrische Strom, der durch die das Magnetfeld erzeugende Spule 48 fliesst, wird einem Hochpassfilter 49 zugeführt, das mit Ausnahme eines schmalen Frequenzbandes, das etwa der Unterbrecherfrequenz der Strahlungsenergie entspricht, alle übrigen Frequenzen aussiebt. Die elektrischen Ströme, die das Hochpassfilter 49 durchlässt, werden nun einem Demodulator 50 zugeführt, der die elektrischen Signale der Unterbrecherfrequenz aufnimmt und ein Ausgangssignal erzeugt, das der Amplitude der aufgenommenen elektrischen Signale proportional ist.
Die Demodulator-Ausgangsspannung wird nun ihrerseits wieder einer Registriereinrichtung zugeführt.
Mit Hilfe dieser Einrichtung kann man nun eine ständige Registrierung der Momentanamplitude der auf das supraleitende Bolometer 40 auftreffenden Strahlungsenergie, z. B. in Abhängigkeit von der Zeit oder einer anderen zu dieser in Beziehung stehenden variablen Grösse vornehmen.
Aus den entsprechenden Abbildungen erkennt man, dass sowohl bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel, sowie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, ein geschlossener Regelkreis vorgesehen ist. Dieser Regelkreis wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, ausgehend vom Bolometer 40 über den Vorverstärker 46, den Endverstärker 47 und der Magnetspule 48 geschlossen, die das supraleitende Bolometer 40 in der Weise steuert und auf es einwirkt, dass dieses konstant in der Mitte seines Übergangsbereiches zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand gehalten wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich in seiner Anordnung insofern von dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, dass bei der Messanordnung nach Fig. 6 langsame und schnelle Widerstandsänderungen des supraleitenden Bolometers benutzt werden, um entsprechende Änderungen des Magnetfeldes zu bewirken, in dem das Bolometer angeordnet ist. Die aufgenommenen elektrischen Signale dieses Systems bewirken jedoch keine Widerstandsänderung des supraleitenden Bolometers in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, da nur die relativ schnellen Änderungen der Unterbrecherfrequenz als registrierbares elektrisches Signal aufgenommen wird, das als Messwert für die Momentanintensität der auf das supraleitende Bolometer auftreffenden Strahlungsenergie dient.
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden im vorangegangenen beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufnahme und Messung von infraroter Strahlung erläutert. Aus dem Vorhergesagten ist es ohne weiteres einleuchtend, dass jede in einem B olometer hervorgerufene Temperaturänderung durch die erfindungsgemässe Anordnung gemessen werden kann. Hochfrequente Energie sei ein Beispiel einer Strahlungsenergie, die Temperaturänderungen in einem Bolometerelement mit supraleitenden Eigenschaften hervorrufen kann und ist deshalb geeignet, genaue Messwerte bei Verwendung der erfindungsgemässen Anordnung zu liefern.
Die bedeutendsten Vorteile der vorliegenden Erfindung sind darin zu sehen, dass bereits äusserst geringfügige Temperaturänderungen in direkt messbare änderungen elektrischer Grössen übertragen werden, und dass die beschriebene Anordnung so getroffen ist, dass Anderungen der Umgebungstemperatur automatisch aufgehoben werden.
Werden elektromagnetische, ein Magnetfeld erzeugende Mittel verwendet, dann kann die Änderung des durch ein derartiges, ein Magnetfeld erzeugendes elektromagnetisches Mittel fliessenden elektrischen Stromes direkt in Beziehung zu den Änderungen der Strahlungsenergie gesetzt werden, und es ist einleuchtend, dass die Messung eines solchen Stromes, der zum Ausgleich der Wirkung einer Temperaturänderung benutzt wird, viel bequemer und mit grösserer Genauigkeit durchgeführt werden kann, als dies bei der Messung von elektrischen Signalen der Fall ist, die durch eine direkte Umwandlung der Änderungen der Strahlungsenergie erzeugt werden. Als weiterer beachtlicher Vorteil der erfindungsgemässen Messanordnung kommt hinzu, dass bei solchen Strommessungen der bei bisher üblichen Strahlungsempfängern, wie z. B. den gebräuchlichen Thermoelementen, vorhandene sehr hohe Störspiegel fortfällt.
Measurement setup with a superconducting bolometer
The invention relates to a measuring arrangement with a bolometer operating in the transition area between superconductivity and normal conductivity. As is well known, a bolometer is usually a thin wire or metal strip that absorbs the incident radiation and heats up to a greater or lesser extent depending on the intensity of the radiation. This warming manifests itself as a reduction in its electrical resistance, which then serves as a measure of the incident radiation energy.
In the previously common radiation receivers such. B. also the thermocouples commonly used to measure infrared radiation, the problem arises that these receivers only react to the incident radiation with very weak electrical signals (measurement voltages or changes in resistance). Since the interference mirror is also very high in the known measuring arrangements, an accurate radiation measurement always represents a considerable measurement problem. In addition, the usual receivers are usually quite sluggish, which is a problem in many applications.
It has long been known that the electrical resistance of a number of metals suddenly drops sharply when the temperature approaches absolute zero. It has been shown that such a superconductor simply has an appreciable electrical resistance up to a certain point. In the superconducting state, the specific resistance is only on the order of 10-20 Ωcm at the most.
In this superconducting state, such a metal offers practically no electrical resistance.
At least twenty-one metallic elements are known to be superconductors. There are also numerous alloys and intermetallic compounds that also show superconductivity.
It has also long been recognized that the property of a material to be superconducting is eliminated when the superconductor is exposed to a sufficiently strong magnetic field.
It was originally thought that this removal of superconductivity by a magnetic field was an irreversible phenomenon, but it was later found that the superconductivity is restored as soon as the magnetic field is removed or sufficiently weakened.
The strength or density of the critical or threshold magnetic field increases as the temperature drops and is related to the temperature according to an approximately parabolic function. It becomes clear that the typical threshold magnetic field representations for superconducting metals, some of which are shown in FIG. 1, are analogous to the vapor pressure temperature curves for a liquid: Superconductivity occurs at temperatures and magnetic fields which correspond to points below the threshold curves , while for higher temperatures and stronger magnetic fields, the normal conductivity of the metal predominates.
If the temperature of such a material can now be kept at a point where the material is roughly in the middle between its normally conducting and superconducting state, then even slight temperature changes within this transition zone produce extremely high changes in resistance of the superconductor. The slope of the temperature-resistance curve has a maximum and the relationship is linear over a considerable range of resistance.
In recent years, various bolometers have been developed which take advantage of this property. So is z. B. in the journal Journal of the Optical Society Volume 31, No. 10 of October 1948 on page 854 a bolometer made of niobium nitride (NbN) is described, which is cooled with liquid hydrogen and whose transition temperature range is around 15o K, so lies just below the triple point of hydrogen.
With the known measuring arrangements, it is now very difficult to always control the temperature of the bolometer so precisely that its operating point always comes to lie on a very specific point in the transition area.
It has already been proposed that the bolometer be arranged in a magnetic field for adjustment to a specific working point of the transition area. This is to change the temperature of the bolometer.
In contrast, the invention consists in a measuring arrangement with a bolometer operating in the transition area between superconductivity and normal conductivity, which is used for setting. is arranged at a certain working point of the transition area in a magnetic field, characterized in that the magnetic field can be regulated as a function of the output voltage of the bolometer circuit in such a way that the certain working point of the transition area is brought to a temperature that is dependent on the temperature of a coolant surrounding the bolometer depends.
The invention is explained in more detail below on the basis of two schematically illustrated exemplary embodiments and some graphic representations.
Fig. 1 shows in graphical representation, as a function of the temperature, that field strength at which the resistance of a number of metals known to be superconducting just changes from the superconducting state to the normally conducting state.
Figure 2 is a graph of the change in resistance of a typical superconducting bolometer as a function of temperature.
Fig. 3 is a schematic representation of the measuring arrangement with a superconducting bolometer cooled by a cryostat and located in the magnetic field of a Helmholtz coil arrangement.
4 shows a graphic representation of the transition region curves of a superconducting metal at several values of the magnetic force flux density.
Fig. 5 is a schematic representation of an embodiment of the present invention while
6 shows a further exemplary embodiment of the measuring arrangement according to the invention in a schematic representation.
From the graphic representation of the temperature-resistance curve of a niobium nitride (NbN) bolometer shown in FIG. 2, it can be clearly seen that a slight change in temperature causes a relatively large change in resistance within the transition area of the bolometer. The article cited above also describes a cryostat which, using liquid hydrogen, can be used to cool the bolometer to a superconducting state.
However, it is not necessary to use this special type of refrigeration controller, since liquid helium is commercially available in the required quantities and can be used in place of liquid hydrogen in order to exclude the possibility of an explosion in particular where this danger is caused by the special Conditions of the environment is given.
A superconducting bolometer is held by the interaction of coolant and a variable source of magnetic flux, which are together with the bolometer in the magnetic field, at a point where the bolometer is approximately in the middle between its normally conducting and its superconducting state.
3 shows a schematic representation of an arrangement which is formed from a cold regulator 10 and a bolometer 11, this arrangement being such that the bolometer 11 lies in the magnetic field of a Helmholtz coil pair 12. The Helmholtz coils are connected to one another by a connection 13, and via a line pair 14 they are connected to a controllable electrical energy source (not shown).
The figure shows the coils 12 in section, so that the position of the bolometer lying in the magnetic field generated by the coils can be seen more clearly. The bolometer 11 is arranged in such a way that it receives the radiant energy through a window 16 and can be connected via the lines 15 to circuits suitable for measuring the changes in its resistance.
Suppose a superconducting bolometer is cooled by a refrigeration controller or other suitable means to a temperature within its normal superconducting range; A magnetic field with a suitable field strength brings the bolometer's working point to the middle of the transition zone between normal conductivity and superconductivity. As shown in FIG. 4, this is achieved when a bolometer made of lead (Pb) is cooled to a temperature of about 3 K and in a magnetic field of
100 oersted lies.
If one looks at the ordinate of the diagram shown in FIG. 4, one recognizes that within this range, with an unchanged magnetic field, a slight temperature change causes a strong change in the resistance of the bolometer from the effective zero value to its normal resistance value. In the case of magnetic fields with a greater field strength, the bolometer must be cooled to lower temperatures if the bolometer is to be brought into the transition area of its superconductivity.
In FIG. 4, these relationships are shown for each type of bolometer with superconductivity using a set of curves.
The change in the resistance of the bolometer is used to regulate the magnetic field in order to keep the bolometer at an operating point approximately in the middle of the transition zone between normal conductivity and superconductivity. A closed control loop is therefore provided in which the change in the magnetic field required to adjust the bolometer to a predetermined point of its transition range characteristic serves as a measure for the temperature of the bolometer.
The exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 5 shows a measuring arrangement in which a bolometer 20 is used which is connected into an electrical circuit by means of which the changes in resistance of the bolometer can be measured. The particular embodiment shown in FIG. 5 shows a bolometer 20 which is connected to one branch of a symmetrically balanced resistance bridge 24 formed from four branches. In addition to the bolometer 20, the resistance elements 21, 22 and 23, which all have the same electrical values, are connected to the circuit of the bridge 24. An electrical voltage is applied to the bridge 24 at two symmetrical points 25. The bolometer 20 is arranged so that the incident radiation energy, e.g. B. the infrared rays is absorbed by it.
The change in temperature of the bolometer caused by the incident radiation causes a change in the resistance of the bolometer and, as a function thereof, a change in the voltage which is generated in the branch of the bridge 24 into which the bolometer is connected. The voltage that develops in the bolometer bridge branch when this is not balanced with the voltages developed in the other bridge branches, a residual voltage is generated at two symmetrical points of the bridge, which is fed to a preamplifier 26.
The bolometer output voltage amplified by the preamplifier 26 is passed through two filters, namely a low-pass filter 27 and a high-pass filter 28. In this case, the low-pass filter 27 only lets through the relatively slowly changing electrical signals that are caused by slow changes in the voltage generated by the bolometer 20 and e.g. B. due to voltage fluctuations or such factors as gradually changing ambient temperature. These slowly changing electrical signals, which are let through by the low-pass filter 27, are fed to an output amplifier 29, the output of which is again connected to the coil 30 which generates the magnetic field and which is in the magnetic field with the bolometer 20.
A closed control loop is therefore formed by the bolometer branch of the balanced bridge 24 via the preamplifier 26, the low-pass filter 27 and the output amplifier 29 in order to obtain automatically regulated values of the magnetic flux that act on the bolometer 20, and so this in the transition area approximately in to keep the middle between its normally conducting and its superconducting state. The measuring arrangement is provided and designed in such a way that this automatic adjustment takes place within practical limits regardless of the respective environmental conditions under which the arrangement is operated.
The output voltage of the preamplifier 26 is also fed to the high-pass filter 28 and, with the exception of a narrow frequency band in the range of the frequency with which the intermittent infrared radiation energy incident on the bolometer 20 is interrupted, all other frequencies are filtered out by the high-pass filter 28. In this way, only the electrical signals that occur as a result of changes in the resistance of the superconducting bolometer 20 at the interrupter frequency reach a demodulator 31 which is connected in the circuit in such a way that it receives the output voltage of the high-pass filter 28. The demodulator 31 has the task of precisely measuring such fluctuations and generating an electrical signal proportional to these fluctuations.
If radiation with two different intensities hits the bolometer alternately, then the amplitude of the demodulated electrical signal indicates the difference between the two radiation levels, while the phase shows which radiation level has the greater intensity. A recording device 32 is connected to the output of the demodulator 31 and is used to record these electrical signals which are generated by the intermittent radiation energy impinging on the superconducting bolometer 20. The recording device 32 can be arranged in such a way that such electrical signals are recorded as a function of any variable quantity related to them.
6 shows a further exemplary embodiment of the invention in a schematic representation. In this exemplary embodiment, a superconducting bolometer 40 is connected to a branch of a balanced bridge circuit 44 and is arranged in such a way that it receives the radiation energy, preferably intermittent or alternating between two levels of known or determinable frequency.
The other resistors 41, 42 and 43 in the circuit of bridge 44 have the same electrical values. An electrical voltage is applied to two symmetrical points 45 of the bridge 44. In a similar way to the measuring arrangement shown in FIG. 5, a change in resistance of the bolometer 40 in the bridge 44 generates a voltage which is fed to a pre-amplifier 46. From this point on, the mode of operation of this exemplary embodiment of the measuring arrangement according to the invention differs from that previously described. The electrical voltages generated by the changes in resistance of the superconducting bolometer 40 in the bridge 44 are fed directly to an output amplifier 47 here. The output amplifier 47 supplies an electric current to a coil 48 which generates a magnetic field, depending on its own voltage consumption.
The measuring arrangement is designed in such a way that this amount of current is automatically regulated in such a way that the superconducting bolometer 40 is held approximately in the middle of the transition area between its normally conducting and its superconducting state.
The electric current flowing through the coil 48 generating the magnetic field is fed to a high-pass filter 49 which filters out all other frequencies with the exception of a narrow frequency band which corresponds approximately to the interruption frequency of the radiant energy. The electrical currents that the high-pass filter 49 lets through are now fed to a demodulator 50 which receives the electrical signals of the interruption frequency and generates an output signal which is proportional to the amplitude of the electrical signals received.
The demodulator output voltage is in turn fed back to a registration device.
With the help of this device one can now continuously register the instantaneous amplitude of the radiation energy incident on the superconducting bolometer 40, e.g. B. depending on the time or another related to this variable size.
It can be seen from the corresponding figures that a closed control loop is provided both in the exemplary embodiment shown in FIG. 6 and in the exemplary embodiment according to FIG. 5. This control loop is closed in the embodiment according to FIG. 6, starting from the bolometer 40 via the preamplifier 46, the output amplifier 47 and the magnetic coil 48, which controls the superconducting bolometer 40 in such a way and acts on it that this is constantly in the middle of its Transition area between normally conducting and superconducting state is kept.
The embodiment according to FIG. 6 differs in its arrangement from the embodiment shown in FIG. 5 in that, in the measurement arrangement according to FIG. 6, slow and rapid changes in resistance of the superconducting bolometer are used in order to bring about corresponding changes in the magnetic field the bolometer is arranged. However, the electrical signals recorded by this system do not change the resistance of the superconducting bolometer as a function of ambient conditions, since only the relatively rapid changes in the interrupter frequency are recorded as a recordable electrical signal that serves as a measured value for the instantaneous intensity of the radiation energy hitting the superconducting bolometer.
The exemplary embodiments of the present invention shown in the drawings were explained above, for example, in connection with the recording and measurement of infrared radiation. From the foregoing, it is readily apparent that any temperature change caused in a bolometer can be measured by the arrangement according to the invention. High-frequency energy is an example of radiation energy that can cause temperature changes in a bolometer element with superconducting properties and is therefore suitable for providing precise measured values when using the arrangement according to the invention.
The most important advantages of the present invention are to be seen in the fact that even extremely slight temperature changes are converted into directly measurable changes in electrical quantities, and that the arrangement described is made such that changes in the ambient temperature are automatically canceled.
If electromagnetic means generating a magnetic field are used, then the change in the electric current flowing through such an electromagnetic means generating a magnetic field can be directly related to the changes in the radiant energy, and it is evident that the measurement of such a current, the is used to compensate for the effect of a change in temperature, can be carried out much more conveniently and with greater accuracy than is the case with the measurement of electrical signals which are generated by a direct conversion of the changes in radiant energy. Another notable advantage of the measuring arrangement according to the invention is that, in such current measurements, the radiation receivers customary in the past, such as e.g. B. the common thermocouples, existing very high glitch is omitted.