-
Strahlungsmeßgerät mit Widerstandsfolie Die Erfindung betrifft ein
Strahlungsmeßgerät mit einer auf die zu messende Strahlung ansprechenden Widerstandsfolie,
die mit einem relativ dickwandigen Schutzfenster in Berührung steht.
-
Schutzfenster wurden bereits lichtelektrischen Zellen vorgeschaltet.
In einem Fall (belgische Patentschrift 526433) dient das Schutzfenster als selektiv
absorbierende Schicht und in anderen Fällen (USA-Patentschriften 2036457 und 2 114591)
wird das Schutzfenster verwendet, um durch am Rande des Schutzfensters angesetzte
Klammern einen Druck auf die Ränder des lichtelektrischen Elements übertragen zu
können, so daß diese Ränder mit den Klammern in elektrisch gut leitender Verbindung
stehen.
-
Widerstandsbolometer, die für schnell wechselnde Impulse, die beispielsweise
durch eine zerhackte Infrarotstrahlung erzeugt werden, empfindlich sind, haben in
letzter Zeit in Suchgeräten und Meßgeräten erheblich an Bedeutung gewonnen. Die
von diesen Bolometem erzeugten Signale lassen sich leicht verstärken und in elektronischen
Reproduktionsschaltungen auswerten.
-
Die wesentlichen Bauelemente bekannter Widerstandsbolometer sind:
Ein Schutzfenster, durch das die Meßstrahlung einfällt, das wahlweise als Filter
ausgebildet sein kann oder nicht; eine temperaturempfindliche Widerstandsfolie (Thermistor),
an die eine Vorspannung angelegt ist; ein hinter der Folie angeordneter Block, der
eine große Wänmeleitfähigkeit besitzt, so daß der temperaturempfindliche Widerstand
während der Zeitdauer der Unterbrechungen der auf ihn fallenden Strahlung gekühlt
wird; und ein diese Teile zusammenhaltendes Gehäuse. Meistens ist noch eine zweite
Widerstandsfolie der gleichen Art, die gegen die einfallende Strahlung abgeschirmt
ist, und als Vergleichsnormal dient, mit der die unterschiedlichen Umgebungstemperaturen
kompensiert werden können, vorgesehen.
-
Diese bekannten Bolometer erfordern einen sehr großen Herstellungsaufwand,
und es liegt deshalb ein dringendes Bedürfnis vor, diesen Aufwand zu verringern.
Die Vereinfachung dieser Bolometer zur Verringerung des großen Herstellungsaufwandes
und zur Verringerung der möglichen Fehlerquellen ist die wichtigste Aufgabe dieser
Erfindung.
-
Diese Aufgabe wird gelöst, indem gemäß der Erfindung das Schutzfenster
zur Verwendung als Wärme senke aus einem hochwärmeleitfähigen Material besteht.
Der Vorteil der Erfindung besteht demnach darin, daß das Schutzfenster zugleich
die Funktion als Wärmesenke ausübt, für die bisher ein eigenes
Element an der Rückseite
des Strahlungsempfangselements benutzt wurde.
-
Die erfindungsgemäße Konstruktion, mit der eines der Bauelemente
eliminiert wird, das bisher erforderlich war, ist leicht herzustellen. Die Wärmeabfuhr
kann ebenso wirksam durch das Schutzfenster erfolgen wie sie bisher durch einen
hinter der Widerstandsfolie angeordneten Block erfolgte. Ein in Richtung der einfallenden
Strahlung hinter der Widerstandsfolie aufgebrachter Schwärzungsüberzug kann auf
der hinteren Oberfläche aufgebracht werden. Die Bolometer nach der vorliegenden
Erfindung können genauso billig und mit derselben Genauigkeit wie bisher hergestellt
werden.
-
Für ein Bolometer nach der vorliegenden Erfindung bestehen zwei Bedingungen.
Die erste ist, daß das Fenster aus einem Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, hergestellt sein muß, da es sonst nicht als Wärmesenke geeignet ist. Durch
diese Bedingung werden für Bolometer mit maximaler Empfindlichkeit einige Materialien
ausgeschieden, die bisher für Fenster verwendet wurden, z. B. dicke Kunststoffe
und sogar Glas. Es gibt jedoch eine ausreichende Anzahl von Materialien, die eine
hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die zweite Bedingung ist die, daß das wärmeableitende
Material, um als Fenster geeignet zu sein, für das jeweils erforderliche Wellenlängenband
durchlässig sein muß. Durch diese Bedingungen sind einige Einschränkungen in der
Wahl von wärmeableitenden Materialien auferlegt. Zum Beispiel haben einige Metalle,
wie Kupfer, Aluminium und Gold in den Stärken, die notwendig wären, um eine wirksame
Wärmesenke zu bilden, normalerweise nicht mehr die erforderlichen Durchlässigkeitseigenschaften,
beispielsweise
im infraroten Spektralbereich. Diese Metalle sind
deshalb nicht für den Zweck der vorliegenden Erfindung geeignet.
-
Es gibt eine große Anzahl von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
die die erforderliche Durchlässigkeit in verschiedenen Spektralbereichen besitzen,
z. B. glasig geschmolzenes Aluminiumoxyd, das ungenau als Saphir bezeichnet wird,
weil es denselben chemischen Bau besitzt, und Quarz. Andererseits gibt es unter
den Dielektrika viele Halbleiter, die sowohl für das Fenster als auch für die Wärmeableitung
nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Unter diesen Materialien sind die
zwei wichtigsten Germanium und Silizium. Natürlich muß, wenn das wärmeableitende
Fenster aus einem Material besteht, das eine beträchtliche elektrische Leitfähigkeit
besitzt, eine dünne isolierende Schicht zwischen dem Thermistor und dem wärmeableitenden
Fenster eingebracht werden. Dies ist jedoch keine ins Gewicht fallende Einschränkung,
da genau die gleiche Forderung besteht, wenn der normalerweise hinter der Folie
angeordnete Block aus einem Metall hergestellt ist. Es können dünne isolierende
Schichten, wie z. B. eine sehr dünne Schicht aus Selen oder modifiziertem Selenglas
einfach und billig dazwischen gelegt werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Fenster
in Form einer Linse herzustellen. Die ebene hintere Fläche des wärmeableitenden
linsenförmigen Fensters kann entweder durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen
Fläche hindurchgehen oder in dessen Nähe angeordnet sein. In jedem Fall muß der
Thermistor, der direkt an die Rückseite des wärmeableitenden linsenförmigen Fensters
angefügt wird, im Strahlengang liegen.
-
Die optisch richtig eingebetteten Thermistor-Detektoren nach der
vorliegenden Erfindung haben ganz ausgezeichnete Eigenschaften. Mit diesen werden
nicht nur in manchen Fällen Abbildungsoptiken außerhalb des Thermistor-Bolometers
vermieden, sondern es wird auch eine sehr große Empfindlichkeitssteigerung des Bolometers
erreicht. Theoretisch nimmt die Empfindlichkeit eines eingebetteten Detektors mit
der Brechzahl des Materials, aus dem die Linse besteht, zu. Im Falle, daß Germanium
verwendet wird, kann mit dessen enorm großer Brechzahl von 4 bei einem Immersionsbolometer
theoretisch eine Erhöhung der Empfindlichkeit um den Faktor 4 erhalten werden. Mit
Silizium, das eine Brechzahl zwischen 3 und 4 besitzt, wird ebenfalls eine große
theoretische Verbesserung erreicht. Praktisch können die Empfindlichkeiten von Thermistor-Bolometern
nicht vollständig den theoretischen Werten entsprechend verbessert werden. Wenn
die Linsen stark gekrümmt sind, entsteht ein beträchtlicher Reflexionsverlust infolge
der Grenzflächen zwischen Luft und Linse auf Grund der hohen Brechzahlen von Germanium
und Silizium. Dies kann jedoch weitgehend verringert werden durch einen reflexvermindernden
Überzug, jedoch wird die volle theoretische Empfindlichkeitszunahme selten erreicht
werden. Die Empfindlichkeitszunahme wird dennoch groß sein, obgleich sie normalerweise
etwas unter dem theoretischen Maximalwert zurückbleibt.
-
Wenn das wärmeableitende Fenster in Form einer Linse ausgebildet
ist, übt es eine zusätzliche optische Funktion aus, und es werden damit neue Ergebnisse
geschaffen, die bisher nicht für möglich gehalten wurden. Dies ist ein weiterer
wichtiger technischer Fort-
schritt, der mit der vorliegenden Erfindung geschaffen
wird.
-
An Hand der Figuren soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert
werden.
-
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Thermistor-Bolometer nach
der vorliegenden Erfindung, in dem ein flaches Fenster verwendet wird.
-
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Thermistor-Bolometer, wobei
der temperaturabhängige Widerstand an einer Linse angeordnet ist.
-
Wie in F i g. 1 dargestellt ist, weist das Bolometer ein Gehäuse
1, das meistens aus Metall besteht, eine isolierte Rückwand 2, durch die Steckkontakte
3 vorspringen, ein Fenster 4, das aus einem in hohem Maße wärmeleitfähigen Material
besteht und einen Thermistor 5 auf. Der Thermistor ist mit den zwei Anschlußsteckkontakten
durch Drähte 6 in üblicher Weise verbunden. Der Schnitt durch das Bolometer in F
i g. 1 ist durch einen Thermistor gelegt. Die meisten Bolometer besitzen einen zweiten
Thermistor, der mit dem ersten in Reihe geschaltet und gegen Strahlung abgeschirmt
ist und der dazu dient, die Unterschiede der Umgebungstemperatur zu kompensieren.
Da dieser Teil des Bolometers von der üblichen Bauart nicht unterschiedlich ist,
wurde er nicht dargestellt. Das gesamte Bolometer hat dann vier Steckkontakte, von
welchen zwei für die Anschlüsse der Kompensations-Thermistor-Folie vorgesehen sind.
-
Die Arbeitsweise des Bolometers ist normal. Eine Infrarotstrahlung
fällt durch das Fenster 4, heizt den Thermistor auf, und wenn das Strahlenbündel
unterbrochen wird, bewirkt die hohe Leitfähigkeit des Fensters eine Wärmeableitung
mit derselben Wirkung wie ein üblicherweise hinter der Folie angeordneter Block.
-
Der Thermistor kühlt ab und wird wieder erwärmt, wenn das Strahlenbündel
wiederum auf ihn fällt. Das Fenster dient gegebenenfalls als Filter, das beispielsweise
die infrarote Strahlung der Wellenlängen, für die es transparent ist, durchläßt.
Der Thermistor ist auf seiner hinteren Oberfläche geschwärzt, jedoch, da dies nicht
neu ist, wurde die geschwärzte Schicht nicht dargestellt.
-
Fig.2 zeigt einen verfeinerten Typ eines Thermistor-Bolometers nach
der vorliegenden Erfindung.
-
Nur ein Teil des Bolometers ist dargestellt, da das Gehäuse, die Anschlüsse
usw. die gleichen wie in Fig. 1 sind.
-
Das Bolometergehäuse 1 ist gebrochen dargestellt.
-
Es weist ein Germaniumfenster 7 auf, das in Form einer Halbkugel dargestellt
ist, obgleich, wie weiter oben ausgeführt wurde, es auch ein Kugelabschnitt oder
eine Halbkugel mit zylindrischem Ansatz sein kann. Der Thermistor 5 ist von der
Germaniumlinse durch eine dünne Isolierschicht 8 aus Selen oder modifiziertem Selenglas
getrennt. Die vertikalen Maße der isolierenden Schicht und des Thermistors sind
aus Gründen der Klarheit sehr stark übertrieben dargestellt. In Wirklichkeit sind
sie nur wenige Mikron dick. Selen wird verwendet, da dessen Brechzahl, obgleich
nicht ganz so groß wie die des Germaniums, noch größer ist als die meisten anderen
isolierenden Substanzen. Deshalb wird das theoretische Maximum, das durch die Einbettung
in der Germaniumlinse erhalten werden kann, nicht merklich verringert. Es ist also
möglich, Bolometer herzustellen mit genau eingestellten Zeitkonstanten, in denen
die Dicke der Selenschicht, die eine relativ kleine Wärmeleitfähigkeit besitzt,
variiert wird. Dies ermöglicht, Therrnistorbolometer
herzustellen
mit optimalen Zeitkonstanten für irgendeinen bestimmten Zweck. Obgleich theoretisch
die Dicke der Selenschicht nicht begrenzt ist, stellt normalerweise eine Schicht
von 50 u die längste Zeitkonstante, die üblicherweise verwendet wird, dar.
-
Es wird betont, daß infolge der Einbettung die Thermistorfolie viel
kleiner ausgeführt werden kann, theoretisch um einen Faktor 4 vergleichsweise zu
einem uneingebetteten Thermistor und eine Zunahme der Empfangsempfindlichkeit von
nahezu um den Faktor 4 erreicht wird.
-
Die Arbeitsweise der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung entspricht
genau der in F i g. 1 dargestellten.
-
Die einfallende Strahlung wird auf der sehr dünnen Thermistorfolie
gesammelt, erwärmt die Folie und, wenn die Strahlung unterbrochen wird, wirkt die
Germaniumlinse als eine wärmeableitende Kühlung für den Thermistor. Die Isolationsschicht
regelt die Geschwindigkeit, mit der der Thermistor abkühlt und bestimmt die Zeitkonstante
des Bolometers. Die Rückseite des Thermistors ist ebenso wie in Fig. 1 geschwärzt.