DE1075862B

DE1075862B - Measurement arrangement with a bolometer operating in the transition area between superconductivity and normal conductivity

Info

Publication number: DE1075862B
Application number: DENDAT1075862D
Authority: DE
Inventors: G Atwood Danen Ccnn John (V St A)
Original assignee: The Perkm Eimer Corporation Norwalk Conn (V St A)
Publication date: 1960-02-18

Description

Meßanordnung mit einem im Ubergangsbereich zwischen Supraleitfähigkeit und Normalleitfähigkeit arbeitenden Bolometer Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung mit einem 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 Änderung 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 Widerstandsänderungen) 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. Measuring arrangement with one in the transition area between superconductivity and normal conductivity bolometer The invention relates to a Measurement arrangement with a bolometer. As is well known, a bolometer is usually a thin one Wire or metal strip that absorbs the incident radiation and is thereby depending on the intensity of the radiation more or less heated. This warming manifests itself as a change in its electrical resistance, which is then used as a measure of the incident radiation energy is used. With the previously usual radiation receivers, such as B. also the thermocouples commonly used to measure infrared radiation, the difficulty now always arises that these recipients on the impinging Radiation only with very weak electrical signals (measuring voltages or changes in resistance) react. Since the interference mirror is also very high in the known measuring arrangements, an accurate radiation measurement always poses a considerable metrological problem In addition, the usual recipients are usually quite sluggish, which is what many Applications.

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 »Supraleiter« 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=2° Q/cm. In diesem supraleitenden Zustand bietet solch ein Metall also praktisch keinen elektrischen Widerstand. It has long been known that the electrical resistance of a Whole number of metals suddenly drops sharply when the temperature approaches absolute zero. It has been shown that such a "superconductor" just a significant electrical resistance up to a point owns. In the superconducting state, the specific resistance is only at most of the order of 10 = 2 ° Q / cm. In this superconducting state such a metal thus practically no electrical resistance.

Man weiß von wenigstens einundzwanzig metallischen Elementen, daß sie Supraleiter sind. Dazu kommen noch zahlreiche Legierungen und intermetallische Verbindungen, die ebenfalls Supraleitfähigkeit zeigen. We know of at least twenty-one metallic elements that they are superconductors. There are also numerous alloys and intermetallic ones Compounds that also show superconductivity.

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 wächstmitabsinkender-Temperatur und hängt mit der Temperatur nach einer etwa parabelförmigen Funktion zusammen. Es wird deutlich, daß die typischen Schwell-Magnetfelddarstellungen für für supraleitende Metalle, von denen einige in Fig. 1 dargestellt sind, den Dampfdruck-Temperatur-Kurven für eine Flüssigkeit analog sind. Bei Temperaturen und Magnet- feldern, welche Punkten unterhalb der Schwellkurven entsprechen, tritt Supraleitung auf, während für höhere Temperaturen und- stärkere Magnetfelder die normale Leitfähigkeit des Metalls überwiegt. It has long been recognized that the property of a Material to be superconducting is eliminated when the superconductor is sufficient for one strong magnetic field. It was originally thought that this Abolition of superconductivity by a magnetic field is an irreversible phenomenon but later it was found that the superconductivity was restored as soon as the magnetic field is removed or sufficiently weakened. The strength or density of the critical or threshold magnetic field increases with decreasing temperature and is related to the temperature according to an approximately parabolic function. It becomes clear that the typical threshold magnetic field representations for for superconducting Metals, some of which are shown in Fig. 1, the vapor pressure-temperature curves are analogous for a liquid. At temperatures and magnetic fields which points correspond to below the threshold curves, superconductivity occurs, while for higher ones Temperatures and stronger magnetic fields outweigh the normal conductivity of the metal.

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 Temperaturänderungen innerhalb dieser Übergangszone außerordentlich hohe Widerstandsänderungen des Supraleiters. If you now consider the temperature of such a material at one point can hold where the material is roughly in the middle between its normal conducting and the superconducting state, then produce even slight temperature changes extremely high changes in resistance of the superconductor within this transition zone.

Die Steigung der Temperatur-Widerstands-Kurve hat ein Maximum, und die Beziehung ist über einen beachtlichen Widerstandsbereich linear.The slope of the temperature-resistance curve has a maximum, and the relationship is linear over a considerable range of resistance.

In den letzten Jahren sind verschiedene Bolometer entwickelt worden, welche diese Eigenschaft ausnutzen. So ist z. B. in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society«, Bd. 31, Nr. 10 vom Oktober 1948 auf S. 854 ein Bolometer aus Niobiumnitrid (NbN) beschrieben, das mit flüssigem Wasserstoff gekühlt wird und dessen Übergangs-Temperaturbereich bei etwa 150K, also dicht unterhalb des Tripelpunktes von Wasserstoff, liegt. Various bolometers have been developed in recent years, who take advantage of this property. So is z. B. in the journal »Journal of the Optical Society ", Vol. 31, No. 10 of October 1948 at p. 854 a bolometer Niobium nitride (NbN) described, which is cooled with liquid hydrogen and its transition temperature range at around 150K, i.e. just below the triple point of hydrogen.

Es ist nun sehr schwierig, bei den bekannten Meßanordnungen die Temperatur des Bolometers stets so genau zu regeln, daß sein Arbeitspunkt immer auf einen ganz bestimmten Punkt des Übergangsbereiches zu liegen kommt. It is now very difficult to measure the temperature with the known measuring arrangements of the bolometer so precisely that its working point is always on one certain point of the transition area comes to lie.

Es ist eine Meßanordnung mit einem im Ubergangsbereich zwischen Supraleitfähigkeit und Normalleitfähigkeit arbeitenden Bolometer bekannt, das zum Einstellen auf einen bestimmten Arbeitspunkt des Übergangsbereiches in einem Magnetfeld angeordnet ist. It is a measuring arrangement with one in the transition area between superconductivity and normal conductivity working bolometer known, which can be adjusted to a certain working point of the transition area is arranged in a magnetic field.

Es bietet naturgemäß Schwierigkeiten, eine Temperatur von wenigen Kelvingraden mit der erforderlichen Genauigkeit konstant zu halten. Die Erfindung sieht daher vor, daß das Magnetfeld in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Bolometers derart geregelt wird, daß der bestimmte Arbeitspunkt des übergangsbereiches auf die durch ein Kühlmittel festgelegte Temperatur des Bolometers fällt. Es braucht dann die Temperatur des Bolometers nur sehr grob geregelt zu werden, während der Feinabgleich durch Verschiebung des Arbeitspunktes auf die jeweilige Temperatur des Bolometers erfolgt Diese Verschiebung läßt sich unter Ausnutzung des oben geschilderten Effektes leichter und mit größerer Genauigkeit bewerkstelligen als eine Regelung der Temperatur. It naturally presents difficulties, a temperature of a few To keep Kelving degrees constant with the required accuracy. The invention therefore provides that the magnetic field as a function of the output voltage of the Bolometer is controlled in such a way that the specific working point of the transition area drops to the temperature of the bolometer set by a coolant. It takes then the temperature of the bolometer can only be roughly regulated during the Fine adjustment by shifting the operating point to the respective temperature of the bolometer takes place. This shift can be made using the above Accomplish the effect more easily and with greater accuracy than a regulation the temperature.

Es kann dazu durch das Magnetfeld der Arbeitspunkt des Bolometers etwa in die Mitte der Übergangszone zwischen normaler Leitfähigkeit und Supraleitfähigkeit gehalten werden, wobei zweckmäßigerweise die das Magnetfeld regelnde, vorzugsweise durch einen Vorverstärker verstärkte Bolometer-Ausgangsspannung in bekannter Weise über ein Tiefpaßfilter geleitet wird, so daß durch das Magnetfeld alle langsamen Widerstandsänderungen heraus geregelt werden und nur die schnellen Widerstandsänderungen als Meßwerte erscheinen. Eine solche Meßanordnung eignet sich besonders als Empfänger - für eine Strahlung, die in bekannter Weise mit einer über dem Durchlaßbereich des Tiefpaßfilters liegenden Frequenz moduliert ist. In diesem Falle wird man die Bolometer-Ausgangsspannung gleichzeitig über ein in bekannter Weise auf die Modulationsfrequenz abgestimmtes Hochpaßfilter und einen Demodulator einer Anzeige- oder Registrieranordnung zuführen. The working point of the bolometer can be achieved by the magnetic field roughly in the middle of the transition zone between normal conductivity and superconductivity are held, with expediently the one regulating the magnetic field, preferably Bolometer output voltage amplified by a preamplifier in a known manner is passed through a low-pass filter, so that all slow through the magnetic field Resistance changes are regulated out and only the rapid resistance changes appear as measured values. Such a measuring arrangement is particularly suitable as a receiver - For radiation that is known in a known manner with one above the transmission range of the low-pass filter lying frequency is modulated. In this case one becomes the Bolometer output voltage simultaneously over a known manner to the modulation frequency matched high-pass filter and a demodulator of a display or registration arrangement respectively.

Man arbeitet dann also in dem steil ansteigenden Übergangsbereich der Temperatur-Widerstands-Kurve. Eine geringfügige Änderung der Temperatur bewirkt eine starke Änderung des Widerstandes. You then work in the steeply rising transition area the temperature-resistance curve. Caused a slight change in temperature a sharp change in resistance.

Man kann aber auch dafür sorgen, daß das Magnetfeld den Bolometerwiderstand ständig auf einem konstanten Wert hält, wobei die Stärke der Magnetfelder oder des Erregerstromes als Maß für die auf das Bolometer einwirkende Energie dient. Dann wird man den Erregerstrom des Magnetfeldes über ein T-Iochpaßfilter und einen Demodulator einer Anzeige-oder Registriervorrichtung zuführen. But you can also ensure that the magnetic field increases the resistance of the bolometer constantly at a constant value, the strength of the magnetic fields or the Excitation current is used as a measure of the energy acting on the bolometer. then the excitation current of the magnetic field is passed through a T-Iochpass filter and a demodulator to a display or registration device.

Mit einer solchen Anordnung arbeitet man auf dem steilen Stück der in Fig 1 dargestellten Temperatur-Schwell-Magnetfeld-Kurve. Eine geringe Änderung der Temperatur bewirkt eine relativ große Änderung des zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Widerstandswertes erforderlichen Magnetfeldes, das sehr empfindlich einzustellen und bequem genau zu messen ist. With such an arrangement one works on the steep part of the temperature threshold magnetic field curve shown in FIG. A minor change the temperature causes a relatively large change in the maintenance of a given resistance value required magnetic field, which is very sensitive can be adjusted and conveniently measured accurately.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele und einiger graphischer Darstellungen näher erläutert. The invention is shown schematically below with reference to two Embodiments and some graphic representations explained in more detail.

Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung in Abhängigvon von der Temperatur diejenige Feldstärke, bei welcher der Widerstand einer Anzahl als supraleitend bekannter Metalle gerade vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand übergeht; Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung eines typischen supraleitenden Bolometer in Abhängigkeit von der Temperatur; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Meßanordnung mit einem supraleiten den, durch einen Cryostat gekühlten und im Magnetfeld einer Helmholtz-Spulenanordnung liegenden Bolometer; Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Übergangsbereichsknrven eines supraleitenden Metalls bei mehreren Werten der magnetischen Kraftflußdichte; Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, während Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß en Meß anordnung in schematischer Darstellung zeigt. Fig. 1 shows a graph as a function of temperature that field strength at which is the resistance of a number known as superconducting Metals just transitioning from the superconducting state to the normal conducting state; Fig. 2 is a graph showing the change in resistance of a typical superconducting one Bolometer as a function of temperature; Fig. 3 is a schematic illustration the measuring arrangement according to the invention with a superconductor, by a cryostat cooled bolometer lying in the magnetic field of a Helmholtz coil arrangement; Fig. 4 shows a graphical representation of the transition region curves of a superconducting Metal at several values of the magnetic flux density; Fig. 5 is a schematic Representation of an embodiment of the present invention, while Fig. 6 a further embodiment of the inventive measuring arrangement in a schematic Illustration shows.

Aus der in der Fig. 2 gezeigten graphischen Darstellung der Temperatur-Widefstands-Kurne eines aus Niobiumnitrid (NbN) bestehenden Bolometers erkennt man deutlich, daß innerhalb des Ubergangsbereiches des Bolometers eine geringfügige Temperaturänderung eine relativ sehr große Anderung 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. From the graphical representation of the temperature range curves shown in FIG of a bolometer made of niobium nitride (NbN) can clearly be seen that within of the transition area of the bolometer a slight change in temperature causes a relatively very large change in resistance. The above article also describes a cryostat that operates using liquid hydrogen can be used to cool the bolometer to a superconducting state. However, it is not necessary to use this particular type of refrigeration controller, because liquid helium is commercially available in the required quantities and can be used in place of liquid hydrogen, in particular there to exclude the possibility of an explosion where this hazard is due to the particular Conditions of the environment is given.

Erfindungsgemäß wird ein supraleitendes Bolometer durch das Zusammenwirken von Kühlmittel und einer veränderlichen magnetischen Kraftflußquelle, die zusammen mit dem Bolometer im Magnetfeld liegen, auf einem Punkt gehalten, wo sich das Bolometer etwa in der Mitte zwischen seinem normalleitenden und seinem supraleitenden Zustand befindet. According to the invention, a superconducting bolometer is created by the interaction of coolant and a variable magnetic flux source, which together with the bolometer in the magnetic field, held at a point where the bolometer is roughly in the middle between its normally conducting and its superconducting state is located.

Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Anordnung, die aus einem Kälteregler 10 und einem Bolometer 11 gebildet wird, wobei diese Anordnung so getroffen ist, daß das Bolometer i 11 im Magnetfeld eines Helmholtz-Spulenpaares 12 liegt. Die Helmholtz-Spulen sind durch eine Verbindung 13 miteinander verbunden, und über ein Leitungspaar 13 sind sie an einer nicht dargestellten steuerbaren elektrischen Energiequelle angeschlossen. 3 shows a schematic representation of a device according to the invention Arrangement which is formed from a cold regulator 10 and a bolometer 11, wherein this arrangement is made so that the bolometer i 11 in the magnetic field of a Helmholtz coil pair 12 lies. The Helmholtz coils are connected to one another by a connection 13, and via a pair of lines 13 they are connected to a controllable electrical circuit (not shown) Energy source connected.

Die Figur 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 Änderungen seines Widerstandes geeigneten Stromkreisen verbunden werden.The figure shows the coils 12 in section, so the position of the in the the magnetic field generated by the coils allow. The bolometer 11 is arranged so that it passes the radiant energy a window 16 receives and can use the lines 15 to measure the changes appropriate circuits of its resistance.

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 30K abgekühlt wird und in -einem magnetischen Feld von 100 Orsted liegt. Betrachtet man die Ordinate des in der Abb. 4 wiedergegebenen Diagramms, dann erkennt man, daß innerhalb dieses Bereiches bei unverändertem Magnetfeld eine geringfügige Temperaturänderung eine starke Änderung 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 Ubergangsbereich seiner Supraleitfähigkeit bringen will. A superconducting bolometer is said to be through a cold regulator or through other suitable means are cooled to a temperature that is within its normal superconducting region; by a magnetic field with a suitable field strength the working point of the bolometer is in the middle of the transition zone between normal Conductivity and superconductivity brought. This is, as shown in Fig. 4, achieved, when a lead (Pb) bolometer is cooled to a temperature of about 30K and is in a magnetic field of 100 Orsted. Looking at the ordinate of the diagram shown in Fig. 4, then it can be seen that within this Area with an unchanged magnetic field a slight temperature change strong change in the resistance of the bolometer from the effective zero value to its causes normal resistance value. In the case of magnetic fields with a greater field strength, this must be the case Bolometer can be cooled to lower temperatures when the bolometer is in wants to bring the transition area of its superconductivity.

In der Fig. 4 werden diese Verhältnisse für jeden Typ eines Bolometers mit Supraleitfähigkeit an Hand einer Kurvenschar dargestellt. In Fig. 4 these relationships are shown for each type of bolometer with superconductivity shown on the basis of a set of curves.

Erfindungsgemäß verwendet man 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. Erfindungsgemäß wird deshalb ein geschlossener Regelkreis vorgesehen, bei dem die zur Einregelung des Bolometers auf einen vorbestimmten Punkt seiner Übergangs bereichs charakteristik erfor--derliche Änderung des magnetischen Feldes als Maß fiir die Temperatur des Bolometers dient. According to the invention, the change in the resistance of the bolometer is used to regulate the magnetic field in order to bring the bolometer to an operating point roughly in the middle of the transition zone between normal conductivity and superconductivity to keep. According to the invention, a closed control loop is therefore provided, in which the adjustment of the bolometer to a predetermined point of its Transition area characteristic required change of the magnetic field serves as a measure of the temperature of the bolometer.

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 erfindungsgemäße Ausfahrungsbeispiel 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 2t, 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 infraroter Strahlen, von ihm absorbiert wird. The embodiment shown in FIG. 5 of the present Invention shows a measuring arrangement in which a bolometer 20 is used, the is switched into an electrical circuit through which the resistance changes of the bolometer can be measured. The special, shown in Fig. 5 according to the invention The embodiment shows a bolometer 20, which is symmetrical in one branch balanced resistor bridge 24 formed from four branches is connected. Except for the bolometer 20, the resistance elements 2t, 22 and 23 are all have the same electrical values, connected in the circuit of the bridge 24. One electrical voltage is applied to the bridge 24 at two symmetrical points 25. The bolometer 20 is arranged so that the incident radiation energy, z. B. the infrared rays, is absorbed by it.

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-Brückenzweig 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.The temperature change caused by the incident radiation of the bolometer causes a change in the resistance of the bolometer and in dependence thereof a change in the voltage generated in the branch of the bridge 24 in that the bolometer is switched on. The tension in the bolometer bridge branch develops when this is compared with the tensions developed in the other branches of the bridge is not balanced, there will be a residual voltage at two symmetrical points of the Bridge generated, which is fed to a preamplifier 26.

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 Änderungen der durch das Bolometer 20 erzeugten Spannung hervorgerufen werden und z. B. auf Spannungsschwankungen oder solche Faktoren, wie allmählich sich ändernde Umgebungs--temperatur, zurückzuführen sind. Diese sich langsam ändernden elektrischen Signale, die von dem Tiefpaß -filter 27 durchgelassen werden, werden einem End verstärker 29 zugeführt, dessen Ausgang wieder mit der das Magnetfeld erzeugenden Spule 30 verbunden ist, das mit dem Bolometer 20 im Magnetfeld liegt. 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. The low-pass filter 27 only allows the relatively slowly changing electrical Signals through the slow changes generated by the bolometer 20 Tension are caused and z. B. on voltage fluctuations or such factors, how gradually changing ambient temperature can be attributed. This yourself slowly changing electrical signals passed by the low-pass filter 27 are fed to an end amplifier 29, the output of which is again with the that Magnetic field generating coil 30 is connected to the bolometer 20 in the magnetic field lies.

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 erfindungsgemäße 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.A closed control loop is therefore the balanced one from the bolometer branch Bridge 24 over the preamplifier 26, the low-pass filter 27 and the output amplifier 29 formed in order to automatically regulate the values of the magnetic flux obtained that act on the bolometer 20, and so this in the transition area roughly in the middle between its normally conducting and its superconducting state to keep. The measuring arrangement according to the invention is provided and designed so that this automatic adjustment within appropriate limits regardless of the respective environmental conditions under which the arrangement is operated takes place.

Dem Hochpaßfilter 28 wird ebenfalls die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 26 zugeführt, und mit Ausnahme eines schmalen Frequenzbandes im Bereich 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 er kennt, welcher Strahlungspegel die größere Intensität besitzt. Ein Registriergerät 32 ist mit dem Ausgang -des Demodulators 31 verbunden und dient dazu, diese elektrische 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. The output voltage of the preamplifier is also fed to the high-pass filter 28 26, and with the exception of a narrow frequency band in the range of the frequency, with the intermittent infrared radiation energy impinging 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 reach through resistance changes of the superconducting bolometer 20 occur at the interrupter frequency, a demodulator 31, which is connected in the circuit that it the output voltage of the high-pass filter 28 receives. The demodulator 31 has the task of accurately measuring such fluctuations measure and generate an electrical signal proportional to these fluctuations. If a radiation with two different intensities hits the Bolometer, then the amplitude of the demodulated electrical signal shows the difference between the two radiation levels, while one knows from the phase which one Radiation level has the greater intensity. A registration device 32 is with the The output of the demodulator 31 is connected and is used to generate these electrical signals record the intermittent by the impinging on the superconducting bolometer 20 Radiant energy are generated. The registration device 32 can be arranged in this way be that such electrical signals depending on any to these related variable quantities are recorded.

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 Brückenstromkreises 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 Vorverstärker 46 zugeführt wird. 6 shows a further exemplary embodiment in a schematic representation the invention. In this exemplary embodiment, 40 is a superconducting bolometer connected in a branch of a balanced bridge circuit 44 and arranged so that it is the preferably intermittent or between two levels known resp. receives a determinable frequency of changing radiant energy. The rest in the circuit of the bridge 44 lying resistors 41, 42 and 43 have the same electrical values. An electrical voltage is applied to two symmetrical points 45 of the bridge 44. In a manner similar to that of the measuring arrangement shown in FIG a change in resistance of bolometer 40 in bridge 44 generates a voltage, which is fed to a preamplifier 46.

Von diesem Punkt an unterscheidet sich die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Meßanordnung. 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 Spannungsaufnahme einen elektrischen Strom an eine ein magnetisches Feld erzeugende Spule 48.From this point on, the mode of operation of the embodiment differs the measuring arrangement according to the invention. The changes in resistance of the superconducting Bolometers 40 in the bridge 44 generated electrical voltages are here directly a power amplifier 47 is supplied. The output amplifier 47 delivers as a function the own voltage consumption an electric current to a magnetic one Field Generating Coil 48.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist so ausgebildet, daß diese Strommenge automatisch so geregelt wird, daß das supraleitende Bolometer 40 etwa in der Mitte des Ühergaugsbereiches zwischen seinem nofmalleitenden und seinem supraleitenden Zustand gehalten wird. The measuring arrangement according to the invention is designed so that this amount of current is automatically controlled so that the superconducting bolometer 40 approximately in the middle of the Ühergaug area between its normal conducting and its superconducting State is maintained.

Der elektrische Strom, der durch die das Magnetfeld erzeugende Spule 48 fließt, wird einem Hochpaß filter 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. The electric current passing through the coil that creates the magnetic field 48 flows, a high-pass filter 49 is fed, with the exception of a narrow one Frequency band which corresponds approximately to the interruption frequency of the radiant energy, sifts out all other frequencies. The electrical currents that pass the high-pass filter 49 passes, are now fed to a demodulator 50, which receives the electrical signals picks up the chopper frequency and generates an output signal that corresponds to the amplitude is proportional to the electrical signals picked up.

Die Demodulator-Ausgangsspannung wird nun ihrerseits wieder einer Registriereinrichtung 51 zugeführt. The demodulator output voltage in turn becomes one again Registration device 51 supplied.

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. With the help of this facility one can now have a permanent registration the instantaneous amplitude of the radiation energy impinging on the superconducting bolometer 40 z. B. as a function of time or another related to this make variable size.

Aus den entsprechenden Figuren erkennt man, daß sowohl bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel als auch 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. From the corresponding figures it can be seen that both in the embodiment shown in FIG. 6 as well as in the embodiment 5, a closed control loop is provided. This control loop is in the exemplary embodiment according to FIG. 6, starting from the bolometer 40 via the preamplifier 46, the power amplifier 47 and the solenoid 48 closed, which are the superconducting Bolometer 40 controls and acts on it that this constant in the Middle of its transition area between normally conducting and superconducting state is held. The embodiment according to FIG. 6 differs in its arrangement to the extent that of the embodiment shown in FIG. 5, that in the measuring arrangement 6 slow and fast changes in resistance of the superconducting bolometer be used to cause corresponding changes in the magnetic field in which the bolometer is arranged. The recorded electrical signals of this system however, do not change the resistance of the superconducting bolometer in dependence of environmental conditions, since only the relatively rapid changes in the interrupter frequency is recorded as a registerable electrical signal, which is used as a measured value for the Instantaneous intensity of the radiation energy hitting the superconducting bolometer serves.

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 vorher Gesagten ist es ohne weiteres einleuchtend, daß jede in einem Bolometer hervorgerufene Temperaturänderung durch die erfindungsgemäße Anordnung gemessen werden kann. The exemplary embodiments of the present invention shown in the drawings Invention were in the foregoing, for example, in connection with the inclusion and measurement of infrared radiation. From what has been said before it is without It is also evident that every change in temperature produced in a bolometer can be measured by the arrangement according to the invention.

Hochfrequente Energie sei ein Beispiel einer Strahlungsenergie, die Temperaturänderungen in einem Bolometerelement mit supraleitenden Eigenschaften -hervorrufen kann, und es ist deshalb geeignet, genaue Meßwerte bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zu liefern. High-frequency energy is an example of radiation energy that Temperature changes in a bolometer element with superconducting properties -can produce, and it is therefore suitable to obtain accurate readings when using the to deliver arrangement according to the invention.

- Die bedeutendsten Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind darin zu sehen, daß bereits äußerst geringfügige Temperaturänderungen in direkt meßbare Änderungen des magnetischen Kraffflusses übertragen werden und daß die erfindungsgemäße Anordnung so getroffen ist, daß Änderungen der Umgebungstemperatur automatisch aufgehoben werden.. - The most significant advantages and features of the present invention can be seen in the fact that even extremely slight temperature changes in direct measurable Changes in the magnetic force flux are transmitted and that the invention Arrangement is made so that changes in the ambient temperature are automatically canceled will..

Werden elektromagnetische, ein Magnetfeld erzeugende Mittel verwendet, dann kann die Anderung des durch ein derartiges, ein Magnetfeld erzeugendes. elektromagnetisches Mittel fließenden elektrischen Stroms direkt in Beziehung zu den Änderungen der-Strahlungsenergie gesetzt werden, und es ist einleuchtend, daß die Messung eines solchen Stromes, der erfindungsgemäß 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.If electromagnetic means generating a magnetic field are used, then the change of the generated by such a magnetic field. electromagnetic Means flowing electric current directly related to the changes in radiant energy and it is evident that the measurement of such a current which is used according to the invention to compensate for the effect of a temperature change, can be done much more conveniently and with greater accuracy than at the measurement of electrical signals is done through a direct conversion the changes in radiant energy are generated.

Als weiterer beachtlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung kommt hinzu, daß bei solchen Strommessungen der bei bisher üblichen Strahlung empfängern, wie z. B. den gebräuchlichen Thermoelementen, vorhandene sehr hohe Störspiegel fortfällt.Another notable advantage of the measuring arrangement according to the invention there is also the fact that with such current measurements the receivers of the radiation that were usual up to now, such as B. the common thermocouples, existing very high glitch is omitted.

PATENTANSPRSCHE: 1. Meßanordnung mit einem im Übergangsbereich zwischen 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 Bolometers derart geregelt wird, daß der bestimmte Arbeitspunkt des Übergangsbereiches auf die durch ein Kühlmittel festgelegte Temperatur des Bolometers fällt. PATENT CLAIMS: 1. Measuring arrangement with one in the transition area between Superconductivity and normal conductivity working bolometer that is used for setting arranged on a certain working point of the transition area in a magnetic field is, characterized in that the magnetic field as a function of the output voltage of the bolometer is controlled in such a way that the specific operating point of the transition area drops to the temperature of the bolometer set by a coolant.

Claims

2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that by the magnetic field of the working point of the bolometer approximately in the middle of the transition zone is kept between normal conductivity and superconductivity.

3. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that it is arranged in a manner known per se in a bridge circuit and as an output voltage the voltage on the bridge diagonal is used to regulate the magnetic field.

4. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the The bolometer output voltage regulating the magnetic field, preferably amplified by a preamplifier is passed in a known manner through a low-pass filter, so that through the Magnetic field all slow changes in resistance are regulated out and only those rapid changes in resistance appear as a measured value.

5. Measuring arrangement according to claim 4, characterized by its use as a receiver for radiation in a manner known per se with an over the pass band of the low-pass filter is modulated frequency.

6. Measuring arrangement according to claim 5, characterized in that the Bolometer output voltage simultaneously in a known manner on the modulation frequency matched high-pass filter and a demodulator of a display or registration arrangement is fed.

7. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the Magnetic field keeps the bolometer resistance constantly at a constant value and that the strength of the magnetic field or the excitation current as a measure for the energy acting on the bolometer serves 8. measuring arrangement according to claim 7, characterized in that the excitation current of the magnetic field is known per se Way via a high-pass filter and a demodulator of a display or registration device is fed.

Documents considered: German Patent No. 713 831; Annalen der Physik, 6th part, 16 (1955), pp. 59 to 67; Journal for Nature Research, 10a (1955), pp. 401 to 412; Ko r a u s c h, "Practical Physics", 1951, p. 315.