Detektor für infrarote Strahlen
Die Erfindung betrifft einen Detektor für infrarote Strahlen, bei dem die zu detektierende Strahlung von mindestens einem absorbierenden Körper aufgefangen wird, der in einer mit Gas gefüllten Kammer angeordnet ist, so dass die Strahlungsintensität den Gasdruck in der Kammer bestimmt.
Ein derartiger Detektor ist an sich bekannt. Bei der bekannten Ausführung ist an die Kammer ein Druckmesser angeschlossen, so dass aus dem gemessenen Druck die Strahlungsintensität bestimmt werden kann. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Empfindlichkeit des Druckmessers zu gering ist, um sehr schwache Strahlungen detektieren zu können.
Die Erfindung hat den Zweck, diesen Nachteil zu beseitigen und einen Detektor der oben erwähnten Art zu schaffen, mit dem sehr schwache infrarote Strahlungen detektiert und gemessen werden können.
Gemäss der Erfindung steht die genannte Kammer über eine Düse mit exponentiell abnehmendem Querschnitt mit einer geschlossenen zweiten Kammer in Verbindung und ist in der Bahn des die Düse durchströmenden Gases zumindest ein in einen Messkreis aufgenommener Mikrothermistor angeordnet.
Die von einer schwachen infraroten Strahlunghervorgerufenen winzigen Druckänderungen werden dadurch in Gasströmungen umgesetzt, welche die Temperatur des Mikrothennistors beeinflussen, so dass messbare Widerstandsänderungen entstehen.
Eine rezente Entwicklung hat es ermöglicht, annähernd kugelförmige Thermistoren mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikron herzustellen.
Diese Thermistoren, die eine sehr grosse Empfind lichkeit und eine äusserst geringe Wärmeträgheit aufweisen, werden in dem Detektor gemäss der Erfindung vorzugsweise verwendet.
Bei einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung ist die Düse in einer zwischen den Kammern liegenden Wand ausgespart und sind die Zufuhrleitungen eines Thermistors derart an der der zweiten Kammer zugekehrten Seite dieser Wand befestigt, dass der Thermistor in der Ausmündungs ebene der Düse liegt.
Es empfiehlt sich, die zu detektierende Strahlung periodisch zu unterbrechen, damit zwischen den Kammern eine hin und her gehende Gasströmung entsteht, so dass die Temperatur des Mikrothermistors periodisch geändert wird. Eine solche periodische Änderung kann nämlich leichter verstärkt und gemessen werden. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Fall erhalten, wenn die Unterbrechungsfrequenz der Eigenfrequenz des von den Kammern und der Düse gebildeten Raumes für das verwendete Gas entspricht, so dass das Gas in Resonanz versetzt wird.
Als Gas wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der eine sehr gute Wärmeleitung aufweist, so dass der wärmeabsorbierende Körper seine Temperatur leicht auf das Gas übertragen kann.
Bei Anwendung von Mikrothermistoren mit sehr geringen Abmessungen können auch die Abmessungen der Kammern auf einen Mindestwert herabgesetzt werden, so dass die Strahlung eine maximale Temperatursteigerung des Gases hervorruft. Die Konstruktion des wärmeabsorbierenden Körpers, der die Strahlung auffängt, bildet bei solchen geringen Abmessungen jedoch lein Problem. Üblicherweise bestehen die absorbierenden Körper aus Gittern, die in solcher Weise hintereinander angeordnet sind, dass die Maschen gegeneinander versetzt sind; man erhält in dieser Weise eine sehr innige Berührung zwischen dem Gas und den Gitterdrähten. Bei äusserst geringen Abmessungen ergeben die Herstellung und die Montage solcher Gitter jedoch Schwierigkeiten.
Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass als absorbierender Körper ein Polgewebe verwendet wird, dessen der Einfallsrichtung der Strahlung zugekehrte Polfäden mit einem Metall, insbesondere mit Gold, bespritzt worden sind.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Detektor gemäss der Erfindung in Querschnitt.
Fig. 2 zeigt eine Einzelheit dieses Detektors.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der in der Fig. 2 dargestellten Teile.
Fig. 4 zeigt ein als wärmeabsorbierenden Körper verwendetes Polgewebe.
Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält eine Absorptionskammer 1, in der sich einige wärmeabsorbierende Körper 2 zum Auffangen der zu detektierenden Strahlung befindet. Die Körper 2 können als hintereinander angeordnete Gitter mit versetzten Maschen oder als hintereinander angeordnete Metallfolien ausgebildet sein. Die wirksame Oberfläche der absorbierenden Körper 2 soll möglichst gross sein, damit eine gute Wärmeabgabe gewährleistet ist.
Die der einfallenden Strahlung zugekehrte Seite der Kammer 1 ist durch ein Fenster 3 abgeschlossen, das für infrarote Strahlen durchlässig ist. Die Kammer 1 ist weiterhin über eine Düse 4 mit exponentiell abnehmendem Querschnitt mit einer zweiten Kammer 5 verbunden, in welcher gegenüber der Ausmündung der Düse ein Mikrothermistor 6 angeordnet ist.
Der Durchmesser des Mikrothermistors 6 ist vorzugsweise kleiner als 10 Mikron. Mittels durch die Wand der Kammer 5 hindurchgeführter Leitungen ist der Thermistor 6 mit Anschlussklemmen 7 verbunden, an welche ein Messkreis üblicher Ausführung angeschlossen ist. Erwünschtenfalls kann man auch zwei Thermistoren verwenden, die in eine Brückenschaltung aufgenommen sind.
Die Düse 4 ist in einer zwischen den Kammern 1 und 5 liegenden Wand ausgespart. Wie in den Fig. 2 und 3 angegeben wird, sind die zugespitzten Elektroden 8 des Thermistors 6 mittels Kunststoffperlen 9 an der der Kammer 5 zugekehrten Seite der Zwischenwand befestigt, und zwar derart, dass der Thermistor 6 in der Ausmündungsebene der Düse 4 liegt. Es wird dadurch eine maximale Beeinflussung des Thermistors durch die Gasströmung gewährleistet.
Die Kammern 1 und 5 und die zwischenliegende Düse 4 sind mit einem Gas gefüllt, das eine gute Wärmoleitung aufweist; vorzugsweise wird zu diesem Zweck Wasserstoff verwendet. Wird von den wärmeabsorbierenden Körpern 2 eine infrarote Strahlung aufgefangen, so wird die dadurch herbeigeführte Temperatursteigerung auf das Gas übertragen, so dass der Gasdruck in der Kammer 1 zunimmt. Infolgedessen fliesst durch die Düse 4 ein Gasstrom, der die Temperatur des Thermistors 6 beeinflusst; die Temperaturänderung des Thermistors kann mittels des an die Klemmen 7 angeschlossenen Messkreises beobachtet werden.
Vor dem Fenster 3 ist in der Bahn der zu detektierenden Strahlung ein Unterbrecher 10 angeordnet, der beispielsweise als ein rotierender Flügel oder als eine rotierende perforierte Scheibe ausgebildet sein kann. Die einfallende Strahlung wird dadurch periodisch unterbrochen, so dass in der Düse 4 eine hin und her gehende Gasströmung herbeigeführt wird. Der Widerstand des Thermistors 6 ändert sich demnach periodisch, wobei die Amplitude der Änderungen von der Strahlungsintensität abhängig ist. Vorzugsweise wird die Unterbrechungsfrequenz der Eigenfrequenz angeglichen, die der von den Kammern 1 und 5 und der Düse 4 gebildete Raum für das verwendete Gas aufweist, so dass das Gas in Resonanz versetzt wird. Man erhält in dieser Weise eine besonders kräftige Beeinflussung des Thermistors 6.
Gemäss der Fig. 4 kann als wärmeabsorbierender Körper in der Kammer 1 ein Polgewebe 11 verwendet werden, dessen der Einfallsrichtung der Strahlung zugekehrten Polfäden 12 mit Gold bespritzt worden sind. Man erhält dadurch eine sehr grosse wirksame Oberfläche, insbesondere weil das aufgespritzte Gold Verzweigungen der Polfäden 12 bildet. Das Polge- webe kann beispielsweise aus schwarzem Samt bestehen.
Infrared ray detector
The invention relates to a detector for infrared rays, in which the radiation to be detected is captured by at least one absorbent body which is arranged in a chamber filled with gas, so that the radiation intensity determines the gas pressure in the chamber.
Such a detector is known per se. In the known embodiment, a pressure gauge is connected to the chamber so that the radiation intensity can be determined from the measured pressure. This method has the disadvantage that the sensitivity of the pressure gauge is too low to be able to detect very weak radiation.
The invention has the purpose of eliminating this disadvantage and of creating a detector of the type mentioned above with which very weak infrared radiation can be detected and measured.
According to the invention, said chamber is connected to a closed second chamber via a nozzle with an exponentially decreasing cross section and at least one microthermistor included in a measuring circuit is arranged in the path of the gas flowing through the nozzle.
The tiny pressure changes caused by weak infrared radiation are converted into gas flows, which influence the temperature of the microthennistor, so that measurable changes in resistance arise.
Recent development has made it possible to fabricate nearly spherical thermistors less than 10 microns in diameter.
These thermistors, which have a very high sensitivity and extremely low thermal inertia, are preferably used in the detector according to the invention.
In an expedient embodiment of the invention, the nozzle is recessed in a wall lying between the chambers and the supply lines of a thermistor are attached to the side of this wall facing the second chamber in such a way that the thermistor lies in the outlet plane of the nozzle.
It is advisable to interrupt the radiation to be detected periodically so that a gas flow going back and forth is created between the chambers, so that the temperature of the microthermistor is changed periodically. This is because such a periodic change can be amplified and measured more easily. Particularly good results are obtained in this case if the interruption frequency corresponds to the natural frequency of the space formed by the chambers and the nozzle for the gas used, so that the gas is set into resonance.
The gas used is preferably hydrogen, which has very good heat conduction, so that the heat-absorbing body can easily transfer its temperature to the gas.
When using microthermistors with very small dimensions, the dimensions of the chambers can also be reduced to a minimum value, so that the radiation causes a maximum temperature increase in the gas. However, the construction of the heat-absorbing body which intercepts the radiation poses no problem with such small dimensions. The absorbent bodies usually consist of grids which are arranged one behind the other in such a way that the meshes are offset from one another; in this way a very intimate contact is obtained between the gas and the grid wires. With extremely small dimensions, however, the manufacture and assembly of such grids result in difficulties.
This problem can be solved in that a pile fabric is used as the absorbent body, the pile threads of which facing the direction of incidence of the radiation have been sprayed with a metal, in particular with gold.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which an embodiment is shown.
Fig. 1 shows a detector according to the invention in cross section.
Fig. 2 shows a detail of this detector.
FIG. 3 shows a side view of the parts shown in FIG.
Fig. 4 shows a pile fabric used as a heat-absorbing body.
The device shown in FIG. 1 contains an absorption chamber 1 in which there are some heat-absorbing bodies 2 for collecting the radiation to be detected. The bodies 2 can be configured as grids arranged one behind the other with staggered meshes or as metal foils arranged one behind the other. The effective surface of the absorbent body 2 should be as large as possible so that good heat dissipation is guaranteed.
The side of the chamber 1 facing the incident radiation is closed off by a window 3 which is transparent to infrared rays. The chamber 1 is also connected via a nozzle 4 with an exponentially decreasing cross-section to a second chamber 5 in which a microthermistor 6 is arranged opposite the opening of the nozzle.
The diameter of the microthermistor 6 is preferably less than 10 microns. By means of lines passed through the wall of the chamber 5, the thermistor 6 is connected to connecting terminals 7 to which a measuring circuit of the usual design is connected. If desired, it is also possible to use two thermistors incorporated into a bridge circuit.
The nozzle 4 is recessed in a wall lying between the chambers 1 and 5. As indicated in FIGS. 2 and 3, the pointed electrodes 8 of the thermistor 6 are attached by means of plastic beads 9 to the side of the partition wall facing the chamber 5, in such a way that the thermistor 6 lies in the opening plane of the nozzle 4. This ensures that the gas flow has a maximum influence on the thermistor.
The chambers 1 and 5 and the intermediate nozzle 4 are filled with a gas which has good heat conduction; hydrogen is preferably used for this purpose. If infrared radiation is picked up by the heat-absorbing bodies 2, the temperature increase brought about by this is transmitted to the gas, so that the gas pressure in the chamber 1 increases. As a result, a gas stream flows through the nozzle 4 and influences the temperature of the thermistor 6; the change in temperature of the thermistor can be observed using the measuring circuit connected to terminals 7.
In front of the window 3, in the path of the radiation to be detected, an interrupter 10 is arranged, which can be designed, for example, as a rotating wing or as a rotating perforated disk. The incident radiation is thereby periodically interrupted, so that a gas flow going back and forth is brought about in the nozzle 4. The resistance of the thermistor 6 accordingly changes periodically, the amplitude of the changes being dependent on the radiation intensity. The interruption frequency is preferably matched to the natural frequency which the space formed by the chambers 1 and 5 and the nozzle 4 has for the gas used, so that the gas is set into resonance. In this way, a particularly strong influence on the thermistor 6 is obtained.
According to FIG. 4, a pile fabric 11 can be used as a heat-absorbing body in the chamber 1, the pile threads 12 of which facing the direction of incidence of the radiation have been sprayed with gold. This gives a very large effective surface, in particular because the sprayed-on gold forms branches in the pile threads 12. The pile fabric can consist of black velvet, for example.