DE102011102415A1 - Device for determining radiation energy of pulse source in e.g. far infrared region, has cone-shaped shell including beam inlet opening that lies opposite to cone tip, and thermal sensor arranged with absorber layer at shell inside - Google Patents

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Abstract

The device has a cone-shaped shell formed as a carrier for a photon detector and including a beam inlet opening that lies opposite to a cone tip. A thermal sensor i.e. pyroelectric detector, is arranged with an absorber layer at an inner side of the shell, which is formed from two symmetrical metallic carrier elements. Sensor films are respectively arranged on inner sides of the carrier elements and conductively connected with the carrier elements over an entire surface. The carrier elements are in electrical contact with each other inside the shell. The thermal sensor is designed as a wattmeter and a flexible heat flux plate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsenergie von Impulsquellen, insbesondere im langwelligen Spektralbereich, mindestens aufweisend einen Kegelmantel, der als Träger für einen Strahlungsempfänger ausgebildet ist.The invention relates to a device for determining the radiation energy of pulse sources, in particular in the long-wave spectral range, at least comprising a cone sheath, which is designed as a carrier for a radiation receiver.

Dem Stand der Technik nach sind eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen von thermischen Strahlungsempfängern im sichtbaren und IR/FIR-Spektralbereich bekannt.The prior art discloses a variety of different types of thermal radiation receivers in the visible and IR / FIR spectral range.

Diese Detektoren bestehen oftmals aus ebenen Einzelsensoren; es gibt aber auch Lösungen, bei denen zwei ebene Sensoren zu einer keilförmigen Strahlenfalle kombiniert sind (s. http://www.polytec.com/de/produkte/laser-und-zubehoer/laser-leistungs-und-energiemessgeraete/energiemesskoepfe/ gelesen am 20.05.2011), so dass der reflektierte Strahlteil mehrfach auf den jeweils anderen Sensor trifft, um eine mehrfache – und damit höhere – Absorption zu erreichen.These detectors often consist of planar individual sensors; But there are also solutions in which two planar sensors are combined into a wedge-shaped radiation trap (s. http://www.polytec.com/de/produkte/laser-und-zubehoer/laser-leistungs-und-energiemessgeraete/energiemesskoepfe/ read on 20.05.2011), so that the reflected beam part hits the other sensor several times to achieve a multiple - and therefore higher - absorption.

Die einfachste Art einer derartigen keilförmigen Anordnung wird erreicht, wenn ein ebener Strahlungsempfänger unter kleinem Winkel zu einem breitbandigen Spiegel angeordnet wird (s http://www.genteceo.com/products/thz-detectors gelesen am 20.05.2011).The simplest type of such a wedge-shaped arrangement is achieved when a planar radiation receiver is arranged at a small angle to a broadband mirror (s http://www.genteceo.com/products/thz-detectors read on 20.05.2011).

Für die genannten Anordnungen sind entweder zwei Sensoren mit identischen Empfindlichkeiten notwendig bzw. im Falle eines Sensors und eines Spiegels muss das Reflexionsvermögen des Spiegel für den gesamten Spektralbereich 100% betragen.For the arrangements mentioned, either two sensors with identical sensitivities are necessary or, in the case of a sensor and a mirror, the reflectivity of the mirror must be 100% for the entire spectral range.

Auch bei der aus DE 10 2009 039 198 B3 bekannten Anordnung für einen THz-Empfänger wird eine Mehrfachabsorption realisiert, wobei drei Sensoren derart angeordnet werden, dass der vom ersten Sensor reflektierte Strahlungsanteil den zweiten Sensor trifft und der von dort reflektierte Anteil senkrecht auf einen dritten Sensor trifft, der den reflektierten Anteil an die beiden vorgenannten Sensoren zurückleitet. Diese Anordnung löst zwar das Problem der Polarisationsunabhängigkeit, es sind aber großflächige Sensoren notwendig, denn durch die Kippung der Sensoren ist die wirksame Empfängerfläche deutlich verkleinert.Even with the out DE 10 2009 039 198 B3 a known arrangement for a THz receiver, a multiple absorption is realized, wherein three sensors are arranged such that the radiation reflected from the first sensor radiation component hits the second sensor and the reflected from there proportion hits perpendicular to a third sensor, the reflected portion of the two returns the aforementioned sensors. Although this arrangement solves the problem of polarization independence, but large-area sensors are necessary, because by the tilting of the sensors, the effective receiver surface is significantly reduced.

Alle diese Sensoren basieren auf dem Prinzip der Strahlfalle und damit auf einer Mehrfachabsorption, so dass extrem geringe Verluste durch Reflexion erreicht werden. Dadurch wird auch im IR- und FIR-Gebiet eine hohe Absorption erreicht, obwohl es bis heute keine effektiven Absorber für diesen Spektralbereich gibt. Durch die Notwendigkeit mehrerer Sensorelemente bzw. von Sensor und ein Spiegel ist damit der Strahlungsempfänger relativ groß und teuer und erfasst durch die Schrägstellung der Sensoren dennoch nur geringe Strahlquerschnitte.All these sensors are based on the principle of the beam trap and thus on a multiple absorption, so that extremely low losses are achieved by reflection. As a result, high absorption is also achieved in the IR and FIR regions, although to date there are no effective absorbers for this spectral range. Due to the necessity of multiple sensor elements or of the sensor and a mirror so that the radiation receiver is relatively large and expensive and detected by the inclination of the sensors yet only small beam cross-sections.

Aus der Offenlegungsschrift DE 29 14 365 ist ein auf Infrarotstrahlung ansprechendes Bauelement bekannt, bei dem ein Kegelmantel auf der äußeren Mantelfläche einen pyroelektrischen Sensor trägt. Bei einer derartigen Anordnung ist die Strahlungsaufnahmeoberfläche konvex gekrümmt. Diese Anordnung ist insbesondere für Bewegungsüberwachungen im großen Raumwinkel interessant; eine messtechnische Anwendung ist nicht bekannt.From the publication DE 29 14 365 is a responsive to infrared radiation device, in which a cone shell on the outer surface carries a pyroelectric sensor. In such an arrangement, the radiation-receiving surface is convexly curved. This arrangement is particularly interesting for motion monitoring in the large solid angle; a metrological application is not known.

Bei den dem Stand der Technik nach bekannten keilförmigen Anordnungen mehrerer Sensoren hat die Polarisation der Strahlung Einfluss auf den Wechselwirkungsprozess. Dieser Einfluss ist umso stärker, je unvollständiger die Absorption ist und kann damit im FIR-Bereich zu Problemen führen.In the prior art known wedge-shaped arrangements of multiple sensors, the polarization of the radiation has an influence on the interaction process. This influence is the stronger, the more imperfect the absorption is and can thus lead to problems in the FIR area.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsenergie von Impulsquellen insbesondere im langwelligen Spektralbereich anzugeben, mit der sowohl eine mehrfache Absorption als auch ein großer Eingangsquerschnitt realisierbar ist und die polarisationsunabhängig arbeitet.The object of the invention is therefore to provide a device for determining the radiation energy of pulse sources, in particular in the long-wave spectral range, with both a multiple absorption and a large input cross-section can be realized and operates independently polarization.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß der Kegelmantel aus metallischem Material gebildet ist und eine Strahleintrittsöffnung gegenüber der Spitze des Kegels aufweist und auf der Innenseite des metallischen Kegelmantels ein thermischer Sensor mit einer Absorberschicht angeordnet ist.This object is achieved by a device of the type mentioned above in that according to the invention the cone sheath is formed of metallic material and has a jet entry opening opposite the tip of the cone and on the inside of the metallic cone sheath a thermal sensor with an absorber layer is arranged.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint sowohl die Vorteile der bekannten Trap-Anordnung – die mehrfache Absorption und damit die Anwendbarkeit im FIR Gebiet – als auch die eines Einzelsensors mit großem Eingangsquerschnitt. Die Detektoreigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind polarisationsunabhängig.The inventive device combines both the advantages of the known trap arrangement - the multiple absorption and thus the applicability in the FIR area - as well as a single sensor with a large input cross-section. The detector properties of the device according to the invention are polarization-independent.

Der erfindungsgemäße Strahlungsempfänger ist insbesondere für den langwelligen Spektralbereich, d. h. IR- und FIR-Bereich, geeignet.The radiation receiver according to the invention is particularly for the long-wavelength spectral range, d. H. IR and FIR range, suitable.

In einer Ausführungsform ist der thermische Sensor ein pyroelektrischer Detektor.In one embodiment, the thermal sensor is a pyroelectric detector.

In einer anderen Ausführungsform ist der Kegelmantel aus zwei symmetrischen Trägerelementen gebildet, auf deren Innenseite eine Sensorfolie angeordnet ist, die leitfähig mit den metallischen Trägerelementen ganzflächig verbunden ist, und die beiden Trägerelemente im Kegelmantelinneren miteinander elektrisch kontaktiert sind. Dabei kann die Sensorfolie bereits die Absorberschicht tragen oder diese Schicht wird erst nach der Montage der beiden symmetrischen Trägerelemente aufgebracht.In another embodiment, the conical surface of two symmetrical support elements is formed on the inside of which a sensor film is arranged, which is conductively connected to the entire surface of the metallic support elements, and the two support elements in the conical inner shell are electrically contacted with each other. The sensor film can already carry the absorber layer or these Layer is applied only after the assembly of the two symmetrical support elements.

Die leitfähig mit den metallischen Trägerelementen ganzflächig verbundene Sensorfolie ist in einer weiteren Ausführungsform geklebt.The sensor film which is conductively connected to the metal carrier elements over the whole area is glued in a further embodiment.

Es ist von Vorteil, wenn die Sensorfolie eine polarisierte PVDF-Folie ist.It is advantageous if the sensor film is a polarized PVDF film.

Bei einer konkreten Ausführungsform weist der metallische kegelförmige Träger eine Strahleintrittsöffnung von 20 bis 50 mm und eine Länge des Kegels von 40 bis 80 mm auf.In a specific embodiment, the metallic conical carrier has a beam entry opening of 20 to 50 mm and a length of the cone of 40 to 80 mm.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der thermische Sensor als Leistungsmesser ausgebildet und eine flexible Wärmflussplatte ist.Another embodiment provides that the thermal sensor is designed as a power meter and is a flexible heat flow plate.

Im Folgenden soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.In the following, the invention will be explained using an exemplary embodiment.

Ein metallischer Träger (beispielsweise aus Messing oder Aluminium) in der Form eines Kegelmantels, bestehend aus zwei verschraubbaren Hälften mit einer Länge von 55 mm, weist gegenüber der Spitze des Kegels eine Strahleintrittsöffnung mit einem Durchmesser von 30 mm auf. Die beiden Trägerelemente sind symmetrisch ausgebildet. In diese Trägerelemente wird unter Zuhilfenahme eines Gegenstückes beidseitig eine Sensorfolie (z. B. polarisierte PVDF-Folie) mit einer Dicke von 12 μm faltenfrei eingeklebt. Dabei kann die Sensorfolie bereits die Absorberschicht (beispielsweise organischer Mattlack) tragen oder diese Schicht wird erst nach der Montage der beiden Trägerelemente aufgebracht. In der Mitte zwischen den beiden Trägerelementen wird gegenüber der Eintrittsöffnung eine Kontaktierung der beiden Innenseiten der Folie angebracht. Damit ist ein kegelförmiger pyroelektrischer Sensor entstanden, wobei die beiden elektrisch verbundenen Innenseiten der Folie den einen Anschluss bilden und das metallische Trägerelement den anderen Anschluss bildet.A metallic support (for example made of brass or aluminum) in the form of a conical jacket, consisting of two screw-fastened halves with a length of 55 mm, has a jet inlet opening with a diameter of 30 mm opposite the tip of the cone. The two support elements are symmetrical. With the aid of a counterpart, a sensor film (eg, polarized PVDF film) with a thickness of 12 μm is glued without creases on both sides into these carrier elements. In this case, the sensor film can already carry the absorber layer (for example, organic matt lacquer) or this layer is applied only after the assembly of the two carrier elements. In the middle between the two support elements, a contacting of the two inner sides of the film is mounted opposite the inlet opening. This results in a conical pyroelectric sensor, wherein the two electrically connected inner sides of the film form the one connection and the metallic carrier element forms the other connection.

Zur Realisierung eines Leistungsmessers wird die pyroelektrische Folie durch eine flexible Wärmeflussfolie ersetzt.To realize a power meter, the pyroelectric film is replaced by a flexible heat flow film.

Ein auf die Innenseite des Kegels fallender Strahlungsimpuls führt nach ein- oder mehrfacher Absorption zu einer Erwärmung des Sensormaterials, die wiederum ein Signal an den beiden Anschlüssen bewirkt. Dieses Signal kann hoch- oder niederohmig erfasst werden und wird der weiteren Auswertung zugeführt.A radiation pulse falling on the inside of the cone leads, after single or multiple absorption, to a heating of the sensor material, which in turn causes a signal at the two terminals. This signal can be detected with high or low impedance and is sent for further evaluation.

Hat der oben beschriebene Kegelmantel einen Öffnungswinkel von 30°, so kann man durch eine einfache Konstruktion veranschaulichen, dass es 180/30 = 6 Auftreffpunkte im Kegelmantelinneren gibt, bevor die Strahlung das Kegelmantelinnere wieder verlassen würde. Auch bei einer extrem schlechten Absorption von nur 50% würden nach 6-maliger Wechselwirkung mit dem Absorber nur 0,56 = 1,5% den Kegel verlassen. Bei einer Grundabsorption von 60% sind es dann sogar nur weniger als 0,5% der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann damit die Wahrscheinlichkeit, dass Strahlung nicht erfasst wird und aus dem Kegelmantelinneren entkommen kann, stark verringert.If the conical shell described above has an opening angle of 30 °, it can be illustrated by a simple construction that there are 180/30 = 6 points of impact in the conical jacket interior, before the radiation would leave the conical shell interior again. Even with an extremely poor absorption of only 50%, only 0.5 6 = 1.5% would leave the cone after 6 interactions with the absorber. With a basic absorption of 60%, it is then even less than 0.5% of the device according to the invention can greatly reduce the probability that radiation is not detected and can escape from the conical interior.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 2914365 A [0008] DE 2914365 A [0008]

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Claims (7)

Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsenergie von Impulsquellen, mindestens aufweisend einen Kegelmantel, der als Träger für einen Strahlungsempfänger ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel aus metallischem Material gebildet ist und eine Strahleintrittsöffnung gegenüber der Spitze des Kegels aufweist und auf der Innenseite des metallischen Kegelmantels ein thermischer Sensor mit einer Absorberschicht angeordnet ist.Device for determining the radiation energy of pulse sources, comprising at least a cone sheath, which is designed as a support for a radiation receiver, characterized in that the conical surface is formed of metallic material and has a jet entry opening with respect to the tip of the cone and on the inside of the metallic cone sheath a thermal sensor is arranged with an absorber layer. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Sensor ein pyroelektrischer Detektor ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the thermal sensor is a pyroelectric detector. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel aus zwei symmetrischen Trägerelementen gebildet ist, auf deren Innenseite je eine Sensorfolie angeordnet ist, die leitfähig mit den metallischen Trägerelementen ganzflächig verbunden ist, und die beiden Trägerelemente im Kegelmantelinneren miteinander elektrisch kontaktiert sind.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the conical surface is formed of two symmetrical support elements, on the inside of each a sensor film is arranged, which is conductively connected to the metal carrier elements over the entire surface, and the two support elements are electrically contacted with each other in Kegelmantelinneren. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähig mit den metallischen Trägerelementen ganzflächig verbundene Sensorfolie geklebt ist.Device according to claim 3, characterized in that the sensor foil which is conductively connected to the metallic carrier elements over the whole area is glued. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfolie eine polarisierte PVDF-Folie ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that the sensor film is a polarized PVDF film. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische kegelförmige Träger eine Strahleintrittsöffnung von 20 bis 50 mm und eine Länge des Kegels von 40 bis 80 mm aufweist.Apparatus according to claim 2 and 3, characterized in that the metallic conical carrier has a beam entry opening of 20 to 50 mm and a length of the cone of 40 to 80 mm. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Sensor als Leistungsmesser ausgebildet und eine flexible Wärmflussplatte ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the thermal sensor is designed as a power meter and is a flexible heat flow plate.
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