Rasterförmiger wärmeempfindlicher Strahlendetektor
Die Erfindung betrifft einen rasterförmigen wärmeempfindlichen Strahlendetektor, bei dem die einzelnen Rasterzellen thermoelektrische Elemente sind, zum koordinatenmässigen Orten des Bildes eines strahlenden Körpers im Detektor-Bildfeld.
Der Bau eines rasterförmigen Strahlendetektors für Ortungszwecke ist vor allem ein technologisches Problem. Man verlangt von einem derartigen Strahlendetektor ein hohes Bildauflösungsvermögen, die einzelnen Rasterzellen müssen dementsprechend klein sein. Es sind bereits Strahlendetektoren auf photoelektrischer Basis mit Tausenden von Rasterzellen pro Quadratzentimeter bekannt. Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Strahlendetektors mit thermoelektrischen Rasterzellen ebenso geringer Ausdehnung.
Bei einer bekannten Ausführung eines thermoelektrischen Strahlendetektors sind die thermoelektrischen Elemente längs einer Kante einer dünnen Isolierplatte angeordnet, wobei die thermoaktiven Pole durch beidseitig der Isolierplatte aufgebrachte Beläge gebildet werden, die an der gegenüberliegenden Kante der Isolierplatte enden. Durch Stapeln einer Vielzahl derartiger Isolierplatten mit isolierenden Zwischenlagen ergibt sich ein Flächenraster. Ein auf diese Weise gebauter Strahlendetektor ist jedoch für den mit der Erfindung beabsichtigten Zweck nicht geeignet, da zur elektrischen Abtastung jede Rasterzelle wenigstens einen Anschlussdraht aufweisen muss.
Es fehlen aber die Mittel, um auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern die einzelnen Raster zellen, deren Ausdehnung weniger als etwa 50, um betragen kann, zum Anschluss von Leitungen zu präparieren und dann erst noch diese Leitungen mit den vorbereiteten Stellen zu verbinden, beispielsweise zu verlöten.
Aus diesem Grunde müssen die Anschlussdrähte in geeigneter Weise in die Technologie der Thermoelemente einbezogen werden. Beim Strahlen detektor nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der eine thermoaktive Pol jedes thermoelektrischen Elementes ein Einzeldraht eines aus vielen gegeneinander isolierten Einzeldrähten bestehenden Drahtbündels ist, dass ferner der andere thermoaktive Pol für sämtliche, den Raster bildenden thermoelektrischen Elemente gemeinsam ist und dass dieser gemeinsame Pol aus einer elektrisch leitenden, thermisch möglichst wenig leitenden Schicht besteht.
Durch die Wahl verschiedener Leitermaterialien für mindestens einen Pol der thermoelektrischen Elemente oder durch geeignete Anordnung der Elemente, indem ihre gegenseitigen Abstände oder ihre Flächeninhalte der wärmeempfindlichen Flächen (künftig aktive Flächen genannt) oder Abstände und Flächeninhalte der aktiven Flächen verschieden gross gewählt werden, kann die Empfindungsschärfe über einen derartigen Raster willkürlich beeinflusst werden, wodurch sich beispielsweise die Rastermitte scharf, der Rasterrand weniger scharf einstellen lässt. Dies kann beispielsweise zur Ortung von bewegten Körpern von Bedeutung sein, indem der Körper am Rasterrand nur relativ ungenau geortet wird, und je mehr er sich der Rastermitte nähert, desto genauer kann er koordinatenmässig erfasst werden.
Auf diese Weise lassen sich eine grosse Anzahl thermoelektrischer Elemente ersparen, ohne dass die frühzeitige Erfassung eines bewegten Körpers im Bildfeld des Rasters eingebüsst werden muss. Gleichzeitig lässt sich eine Anzahl der allfällig notwendigen Verstärkungskanäle der thermoelektrischen Elemente den eingesparten Elementen entsprechend verringern.
Anhand der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen rasterförmigen Strahlendetektors näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 die Elementarform eines derartigen Strahlendetektors im Grundriss, wobei sämtliche thermoelektrischen Elemente einen Pol gemeinsam haben,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Strahlendetektors gemäss der Fig. 1,
Fig. 3 und
Fig. 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele, bei denen wiederum sämtliche thermoelektrischen Elemente einen Pol gemeinsam haben.
Ein Raster gemäss den Fig. 1 und 2 besteht aus einer aus Isoliermaterial bestehenden Rasterplatte 1, in die Löcher beispielsweise eingeätzt sind, die zur Aufnahme dünner Metalldrähte 2, (von höchstens 1 mm Durchmesser, vorzugsweise aber Durchmesser zwischen ....... 100), beispielsweise aus Wismut, dienen. Zur Fixierung der in die Rasterplatte 1 gesteckten Metalldrähte 2 ist auf derjenigen Seite des Rasters, auf der sich die langen freien Enden der Metalldrähte 2 befinden, die jeweils den einen Pol des thermoelektrischen Elementes bilden, eine isolierende Schicht 3 gespritzt. Über die blanken, auf der Gegenseite der Rasterplatte vorstehenden Enden der Metalldrähte 2 ist die Gegenpolschicht 4, beispielsweise aus Antimon, aufgedampft.
Darüber ist eine bestimmte Strahlen durchlassende Filter- und Schutzschicht 5 angebracht.
Ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemässen Rasters ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei wird ein Drahtbündel, dessen Einzeldrähte 7 gegeneinander isoliert sind, in einem aus zwei Hälften bestehenden Isolierplättchen 6 festgeklemmt. Nachdem die über das Isolierplättchen 6 vorstehenden blanken Drahtenden durch geeignete Weise auf eine Ebene gebracht worden sind, wird wie beim erstbeschriebenen Beispiel die Gegenpolschicht und darüber die Filter- und Schutzschicht angebracht. Bei einem nach den oben beschriebenen Beispielen gefertigten Raster bildet jeder einzelne Draht zusammen mit der Gegenpolschicht ein thermoelektrisches Element kleinster Abmessungen.
Ist es notwendig, dass die aktiven Flächen der thermoelektrischen Elemente gegeneinander besser wärmeisoliert sein müssen, so besteht beispielsweise die Möglichkeit, den Raster gemäss Fig. 4 auszuführen. Der prinzipielle Aufbau des Rasters ist gleich wie derjenige gemäss den Fig. 1 und 2. Der Unterschied besteht darin, dass der in die Rasterplatte 8 gesteckte Metalldraht 9 mit seinem oberen freien Ende 9a durch die Gegenpolschicht 10 hindurchstösst.
Da die Strahlen auf die Stirnseite des freien Endes 9a auftreffen und die dabei dort entstandene Wärme über das freie Ende 9a zum aktiven Teil 13 des thermoelektrischen Elementes führen, wird eine bessere gegenseitige Wärmeisolierung der einzelnen thermoelektrischen Elemente gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungsarten erzielt. Dabei ist aber die der Länge des freien Endes 9a entsprechende Zeitkonstante für die Wärmeableitung zum aktiven Teil 13 des thermoelektrischen Elementes zu berücksichtigen.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Rasters sei nachfolgend kurz beschrieben.
Die von einem Körper ausgesendeten Strahlen werden mittels eines optischen Systems auf der Oberfläche des Rasters, an der Stelle, die der Lage des Körpers im Bildfeld des Rasters entspricht, gesammelt. Dabei entsteht an diesem Teil des Rasters eine der Intensität der Strahlung entsprechende örtliche Erwärmung, die in dem unter der Filter- und Schutzschicht an dieser Stelle sich befindlichen thermoelektrischen Element eine Spannung erzeugt, die zur augenblicklichen koordinatenmässigen Bestimmung des obenerwähnten Körpers dient.
Grid-shaped heat-sensitive radiation detector
The invention relates to a grid-shaped, heat-sensitive radiation detector, in which the individual grid cells are thermoelectric elements, for the coordinate location of the image of a radiating body in the detector image field.
The construction of a grid-shaped radiation detector for location purposes is primarily a technological problem. A radiation detector of this type is required to have a high image resolution, and the individual grid cells must be correspondingly small. Radiation detectors based on photoelectric technology with thousands of grid cells per square centimeter are already known. The purpose of the invention is to create a radiation detector with thermoelectric grid cells that are also small in size.
In a known embodiment of a thermoelectric radiation detector, the thermoelectric elements are arranged along an edge of a thin insulating plate, the thermoactive poles being formed by coatings applied to both sides of the insulating plate, which end at the opposite edge of the insulating plate. Stacking a large number of such insulating panels with insulating intermediate layers results in a surface grid. A radiation detector constructed in this way, however, is not suitable for the purpose intended by the invention, since each raster cell must have at least one connecting wire for electrical scanning.
However, there is a lack of means to prepare the individual grid cells, the size of which can be less than about 50 μm, on an area of a few square centimeters to connect lines and then to connect these lines to the prepared locations, for example to solder.
For this reason, the connection wires must be incorporated into the technology of the thermocouples in a suitable manner. In the radiation detector according to the invention, this object is achieved in that the one thermoactive pole of each thermoelectric element is a single wire of a wire bundle consisting of many individual wires isolated from one another, that the other thermoactive pole is also common for all thermoelectric elements forming the grid and that this common pole consists of an electrically conductive, thermally as little conductive layer as possible.
The sharpness of sensation can be selected by choosing different conductor materials for at least one pole of the thermoelectric elements or by suitably arranging the elements, in that their mutual distances or their surface areas of the heat-sensitive surfaces (hereinafter referred to as active surfaces) or distances and surface areas of the active surfaces are selected to be different can be arbitrarily influenced via such a grid, as a result of which, for example, the grid center can be set sharp and the grid edge less sharp. This can be important for locating moving bodies, for example, in that the body is only located relatively imprecisely at the edge of the grid, and the closer it approaches the center of the grid, the more precisely it can be recorded in terms of coordinates.
In this way, a large number of thermoelectric elements can be saved without having to forfeit the early detection of a moving body in the image field of the grid. At the same time, a number of the possibly necessary reinforcement channels of the thermoelectric elements can be reduced in accordance with the saved elements.
Exemplary embodiments of the grid-shaped radiation detector according to the invention are explained in more detail with the aid of the accompanying drawing. Show:
1 shows the elementary form of such a radiation detector in plan, with all thermoelectric elements having one pole in common,
FIG. 2 shows a section through part of the radiation detector according to FIG. 1,
Fig. 3 and
4 shows two further exemplary embodiments in which all thermoelectric elements have one pole in common.
A grid according to FIGS. 1 and 2 consists of a grid plate 1 made of insulating material, into which holes are etched, for example, to accommodate thin metal wires 2 (of at most 1 mm diameter, but preferably diameter between ....... 100), for example made of bismuth, are used. To fix the metal wires 2 inserted into the grid plate 1, an insulating layer 3 is sprayed on that side of the grid on which the long free ends of the metal wires 2 are located, each of which forms one pole of the thermoelectric element. The opposite pole layer 4, for example made of antimony, is vapor deposited over the bare ends of the metal wires 2 protruding on the opposite side of the grid plate.
A filter and protective layer 5 that allows certain rays to pass through is applied above this.
Another example of a grid according to the invention is shown in FIG. A wire bundle, the individual wires 7 of which are insulated from one another, is clamped in an insulating plate 6 consisting of two halves. After the bare wire ends protruding beyond the insulating plate 6 have been brought to a level in a suitable manner, the opposite pole layer is applied as in the first example described and the filter and protective layer above it. In a grid manufactured according to the examples described above, each individual wire together with the opposite pole layer forms a thermoelectric element of the smallest dimensions.
If it is necessary that the active surfaces of the thermoelectric elements must be better thermally insulated from one another, it is possible, for example, to implement the grid according to FIG. 4. The basic structure of the grid is the same as that according to FIGS. 1 and 2. The difference is that the metal wire 9 inserted into the grid plate 8 pushes through the opposing pole layer 10 with its upper free end 9a.
Since the rays impinge on the face of the free end 9a and the heat generated there lead via the free end 9a to the active part 13 of the thermoelectric element, better mutual thermal insulation of the individual thermoelectric elements is achieved compared to the previously described embodiments. In this case, however, the time constant corresponding to the length of the free end 9a for heat dissipation to the active part 13 of the thermoelectric element must be taken into account.
The mode of operation of the grid according to the invention is briefly described below.
The rays emitted by a body are collected by means of an optical system on the surface of the grid at the point that corresponds to the position of the body in the image field of the grid. Local heating corresponding to the intensity of the radiation occurs at this part of the grid, which generates a voltage in the thermoelectric element located under the filter and protective layer at this point, which is used for the instantaneous coordinate determination of the above-mentioned body.