DE1202529B - Strahlungsmessgeraet mit Widerstandsfolie - Google Patents

Strahlungsmessgeraet mit Widerstandsfolie

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DE1202529B
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DE
Germany
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radiation measuring
lens
thermistor
radiation
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DEB58441A
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English (en)
Inventor
Eric Max Wormser
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Barnes Engineering Co
Original Assignee
Barnes Engineering Co
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

  • 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.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Strahlungsmeßgerät mit einer auf die zu messende Strahlung ansprechenden Widerstandsfolie, die mit einem relativ dickwandigen Schutzfenster in Berührung steht, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schutzfenster zur Verwendung als Wärmesenke aus einem hochwärmeleitfähigen Material besteht.
  2. 2. Strahlungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolie in an sich bekannter Weise aus einem Thermistormaterial besteht.
  3. 3. Strahlungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzfenster die Form einer Linse besitzt, die aus einem Material mit großer Brechzahl besteht und daß der wärmeempfindliche Widerstand mit dieser Linse wärmeleitend verbunden ist.
  4. 4. Strahlungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Germanium besteht.
  5. 5. Strahlungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus Silizium besteht.
  6. 6. Strahlungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen der Widerstandsfolie und dem Schutzfenster eine dünne Isolierschicht angeordnet ist, und daß diese eine niedere Wärmeleitfähigkeit besitzt.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Patentschrift Nr. 974 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; USA.-Patentschriften Nr. 2 036 457, 2 055 017, 2114591, 2 516 873, 2 839 645; belgische Patentschrift Nr. 526 433; Journal of Scientific Instruments, 1955, vgl.
    S. 142; Journal of Opt. Soc. Am., 1946, vgl. S. 518.
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