DE1254378B

DE1254378B - Bolometer mit einem Messelement aus duennem, aussen isoliertem Draht

Info

Publication number: DE1254378B
Application number: DEW36449A
Authority: DE
Inventors: Robert M Baker
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1963-04-10
Filing date: 1964-03-24
Publication date: 1967-11-16
Also published as: US3282100A; CH421557A

Description

DEUTSCHES #fW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 42 i-7/50

Nummer: 1 254 378

Aktenzeichen: W 36449IX b/42 i

j[ 254 378 Anmeldetag: 24.März 1964

Auslegetag: 16. November 1967

Die Erfindung betrifft ein Bolometer mit einem Meßelement aus dünnem, außen isoliertem Draht.

Mit dem Aufkommen des Lasers entstand die Aufgabe, seine charakteristischen Größen zu bestimmen und seine Eigenschaften messend zu erfassen, einschließlich seiner Leistungsabgabe. Ein dazu geeignetes Gerät ist das Kalorimeter, das die Energie in Form von Wärme mißt, welche durch Umwandlung der optischen Energie in Wärmeenergie erzeugt wird. Bei gebräuchlichen Kalorimetern wird die Energie in einer kleinen Flüssigkeitsmenge oder in einem kleinen Stück eines Festkörpers absorbiert und die dabei auftretende Temperaturerhöhung mit Hilfe eines Thermoelementes gemessen. Wenn die Wärmekapazität des absorbierenden Materials bekannt ist, dann ist die Temperaturerhöhung ein Maß für die absorbierte Energie. Natürlich bestehen dabei wie üblich die Schwierigkeiten darin, einen möglichst großen Bruchteil der einfallenden Energie zu absorbieren und zu bestimmen, welcher BruchteU der Gesamtenergie absorbiert wurde.

Diese Schwierigkeiten können durch verfeinerte Meßmethoden überwunden werden, aber eine grundsätzliche Schwierigkeit bleibt. Es ist nämlich nötig, eine gleichmäßige Temperaturverteilung herzustellen, bevor die Temperaturerhöhung gemessen werden kann. Im Falle eines flüssigen Absorbers ist dazu Rühren erforderlich, im Falle eines festen Absorbers muß man den Temperaturausgleich, der durch die Wärmeleitung zustande kommt, abwarten. In jedem Falle geht eine bestimmte Wärmemenge verloren, bevor der Gleichgewichtszustand erreicht ist, und dadurch ist die Bestimmung der absorbierten Energie mit einem Fehler behaftet.

Ferner sind zur Messung der abgestrahlten Energie von Wärmestrahlern Bolometer bekannt, deren Meßelemente aus dünnem, außen isoliertem Draht oder aus schmalen Metallstreifen bestehen. Zur Energiemessung wird bei diesen Bolometern die infolge der Bestrahlung auftretende Widerstandserhöhung des Meßelementes ausgenutzt. Die Drähte oder Bänder der Meßelemente dieser bekannten Bolometer sind geometrisch streng geordnet und verlaufen im wesentlichen in einer Ebene. Zum Ersatz der erwähnten Flüssigkeits- und Festkörperkalorimeter zur Messung von starken Strahlungsenergien, insbesondere bei Lasern, sind die bekannten Bolometer nicht geeignet, da auch bei ihnen zur Energiemessung die Einstellung eines Strahlungsgleichgewichts mit der Umgebung abgewartet werden muß und sie außerdem zur Absorption der starken, in Laserstrahlen auftretenden Energien nicht ausreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bolometer zu schaffen, das zur Messung sehr hoher, stark gebündel-Bolometer mit einem Meßelement aus dünnem,
außen isoliertem Draht

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Robert M. Baker, Catonsville, Md. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. April 1963 (272111)

ter, gegebenenfalls nur kurzzeitig auftretender Strahlungsenergien aus dem sichtbaren Gebiet oder den benachbarten Gebieten des elektromagnetischen Strahlungsspektrums, also insbesondere zur Messung der Strahlungsenergie von Lasern, geeignet ist und als Meßgerät nicht die Nachteile der bisher verwendeten Kalorimeter aufweist, sondern eine sofortige Messung der Energie der einfallenden Strahlung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Bolometer mit einem Meßelement aus dünnem, außen isoliertem Draht erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Draht zu einem regellosen Haufwerk zusammengeballt ist.

Bei diesem Bolometer, dessen Meßelement vorzugsweise aus einem dichten Bündel von isoliertem, regellos in einen isolierten Behälter gepacktem Kupferdraht besteht, wird die zu messende Strahlungsenergie in einem Drahthaufwerk absorbiert und die dadurch bewirkte Widerstandserhöhung des Drahtes gemessen. Durch die Isolierung des Drahtes wird dafür gesorgt, daß innerhalb des Drahthaufwerkes keine elektrischen Kurzschlüsse auftreten.

Mit dem Bolometer kann die Leistungsabgabe sowohl eines gepulsten Lasers als auch einer kontinuierlichen Energiequelle, beispielsweise eines kontinuierlich strahlenden Lasers, gemessen werden. Die Meßanordnung zeigt dabei die in einem gewählten kurzen Zeitintervall absorbierte Energie an.

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Die Änderung des Widerstandes des erfindungsgemäßen Bolometers ist proportional zur absorbierten Energie und praktisch unabhängig von der Verteilung der Energie innerhalb des Drahthaufwerks. Das Bolometer ist vorzugsweise in einen Zweig einer üblichen Wheatstone-Brücke eingeschaltet, und die Energie des Strahles wird beispielsweise durch den Ausschlag eines Galvanometers gemessen. Es ist nicht mehr wie bei den bekannten Kalorimetern notwendig, zu rühren oder auf eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur zu warten. Das regellose Drahthaufwerk wirkt für die einfallende Energie gleichzeitig als Streuer und als Absorber. Durch geeignete geometrische Anordnung und Packung hat man die Möglichkeit, den Bruchteil der Gesamtenergie, welcher im Draht absorbiert wird, zu kontrollieren und die Verluste an den Außenraum vernachlässigbar klein zu machen.

An Hand einiger Figuren werden im folgenden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bolometers näher erläutert.

F i g. 1 bis 4 zeigen verschiedene schematische Ausführungsbeispiele des Bolometers gemäß der Erfindung;

F i g. 5 zeigt eine schematische Darstellung der bevorzugten Anordnung mit einem Bolometer gemäß der Erfindung;

F i g. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine andere Anwendung der Anordnung;

F i g. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, welches zeigt, wie das Bolometer als Eicheinrichtung angewendet werden kann.

Zunächst wird F i g. 1 beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel eines Bolometers gemäß der Erfindung darstellt. In großen Zügen kann das Bolometer 10 folgendermaßen beschrieben werden: Ein regellos zusammengeballtes Bündel von dünnem, emailliertem Kupferdraht ist in einen Behälter gepackt, der eine Öffnung besitzt, damit die von einer Quelle kommende Lichtenergie, beispielsweise ein Laserstrahl, durch diese Öffnung ins Innere des Behälters eintreten und in dem Drahthaufwerk absorbiert werden kann. Dadurch wird der Draht erwärmt, womit eine entsprechende Änderung des Widerstandes des Drahtes verbunden ist. Die Enden des Drahtes sind aus dem Behälter herausgeführt und mit flexiblen Bändern verbunden. Über dem offenen Ende des Behälters ist ein flaches, für die zu messende Strahlung durchlässiges Glasfenster angebracht, um die störenden Einflüsse von Luftströmungen möglichst klein zu halten.

Im einzelnen besteht das Bolometer 10 aus einem zylindrischen Behälter 25, der aus einem Material, wie beispielsweise Glas, gefertigt ist und im wesentlichen auf der gesamten Innenfläche einen gut versilberten Überzug 23 trägt. Der Glasbehälter 25 ist mit einer Schicht von wärmeisolierendem Material 31 umgeben, um die Einwirkungen von Änderungen der Außentemperatur klein zu halten. Innerhalb des Behälters 25 befindet sich ein regellos zu einem Haufwerk 16 zusammengeballtes Stück eines elektrisch leitenden Drahtes von bestimmter Länge, das einen isolierenden Überzug besitzt. Das Drahtstück 16 besitzt an beiden Enden Klemmen 20 und 21 und ist an die Außenseite des Behälters 25 herausgeführt. Eine öffnung mit einem Fenster 18 ist vorgesehen, so daß die Lichtenergie, die von einer optischen Quelle in Form eines Lichtstrahles 14 ausgeht, durch das Fenster 18 eintreten und das Drahthaufwerk 16 durchdringen kann.

Die Lichtenergie des Strahles 14 wird in dem Drahthaufwerk 16 absorbiert, und dieses wird dabei erhitzt. Diejenigen Strahlen des Lichtstrahls 14, die nicht beim ersten Durchgang im Drahthaufwerk 16 absorbiert werden, werden an der stark reflektierenden Oberfläche 23 reflektiert und auf dem Rückweg zum Fenster 18 absorbiert. Auf diese Weise wird im wesentlichen die gesamte Energie, die durch das Fenster 18 eintritt, in dem Drahthaufwerk 16 absorbiert.

Das Haufwerk 16 aus dem dünnen isolierten Draht kann beispielsweise aus einem etwa 305 m langen Stück eines emaillierten Kupferdrahtes mit einem Durchmesser von etwa 0,08 mm (No. 40 B & S gauge) bestehen. Dieses Drahtstück hat einen elektrischen Widerstand von etwa 980 Ohm.

Um darzustellen, wie das Bolometer zur Messung der in Form eines Lichtstrahles einfallenden Energie benutzt werden kann, muß im folgenden die kalorimetrische Gleichung betrachtet werden. Wenn z. B. die Energie einer optischen Quelle, wie beispielsweise eines Lasers, gemessen werden soll, sind folgende Überlegungen zu beachten: Ein typischer Impuls eines Rubinlaser hat eine Länge von 5 · IO^-4 Sekunden und eine Gesamtenergie von 10 Joule, was mehr oder weniger von den Arbeitsbedingungen abhängen kann. Wenn ein Impuls in das Bolometer 10, das in F i g. 1 dargestellt ist, eingeschossen wird, dann wird der Strahl durch die einzelnen Windungen des Drahthaufwerks 16 nach und nach gestreut und absorbiert, bis im wesentlichen die gesamte Energie absorbiert ist und als Temperaturerhöhung im Draht erscheint.

Wenn ein einzelner kurzer Abschnitt des Drahtes den Widerstandii₀' besitzt, bevor der Impuls in das Bolometer eingeschossen wird, dann wird sein Widerstand R' nach dem Einschießen des Impulses

R' = R₀'{I+ cc A t) Ohm (1)

sein, wobei α der Temperaturkoeffizient des Widerstandes und At die Temperaturerhöhung ist. Die Widerstandsänderung ist folglich

AR' = R₀' -x At Obm. (2)

Wenn dieser kurze Drahtabschnitt eine Energie von E' Joule absorbiert und eine Masse von M' Gramm und eine spezifische Wärme c besitzt, wird er

eine Temperaturerhöhung A t entsprechend folgender Gleichung erfahren:

Durch Zusammenfassung der Formeln (2) und (3) kann die Widerstandsänderung eines einzelnen Drahtabschnitts angegeben werden als

Die gesamte Widerstandsänderung des Bolometers ist einfach die Summe der einzelnen Widerstandsänderungen A R' über die gesamte Länge des Drahtes, der das in den Behälter eingeschlossene Haufwerk bildet. Wenn der Draht von gleichmäßigem Querschnitt ist, dann verhalten sich Widerstand R₀' und Masse M' eines einzelnen Drahtabschnittes zueinander

wie Widerstand R₀ und Masse M des gesamten Drahtes. Es gilt

_ -ftp " M'~ ~ M '

Wenn man weiterhin annimmt, daß * und c konstant sind, d. h. unabhängig von der Temperatur, erhält man für die gesamte Widerstandsänderung im Bolometer

^AR= ΛτΓ- Σ^£' = -jS- Ohm, (5)
4,19 Mc 4,19 Mc

wobei E die gesamte absorbierte Energie bedeutet. Diese Formel zeigt, daß die Widerstandsänderung Δ R direkt proportional zur gesamten absorbierten Energie und unabhängig von der Energieverteilung im Draht ist, vorausgesetzt, daß erstens der Draht einen gleichförmigen Querschnitt besitzt und daß zweitens der Temperaturkoeffizient des Widerstandes χ und die spezifische Wärme c des Drahtes temperaturunabhängig sind. Dies sind wirklichkeitsnahe Annahmen, wenn die Temperaturerhöhung des Drahtes nicht zu groß ist.

Da das Bolometer zur Messung der Energie benutzt werden soll, wird die Gleichung (5) folgendermaßen umgeformt

„ 4,19 Mc . _ _ ,

E = ——- · Δ R Joule . (6)

Wenn man die Werte von , c und oc für No. 40-

B & S-Kupferdraht, der als Beispiel benutzt wurde, einsetzt, erhält man aus Gleichung (6)

E= 1,40 ΔR Joule. (7)

Dies ist die kalorimetrische Grundgleichung, an der jedoch eine Anzahl von Korrekturfaktoren angebracht werden müssen. Die Dicke der Lackisolierung, die Reflexion des einfallenden Lichtes an dem Fenster und die Rückstreuung durch den Draht müssen in Betracht gezogen werden. Der erwähnte Kupferdraht No. 40 B & S, der als typisches Beispiel benutzt wird, hat als Isolation eine 0,0076 mm dicke Lackschicht, diese besitzt eine spezifische Wärme von 0,40 cal/g · Grad und eine Dichte von 1,4 g/cm³. Diese Isolationsschicht erhöht die Wärmekapazität eines jeden Abschnitts der Drahtlänge um 29 %· Das Fenster reflektiert 8 % der senkrecht einfallenden Strahlenenergie, und die gemessene Rückstreuung durch den Draht beträgt ungefähr 18 %. Wenn man diese Korrekturen an der kalorimetrischen Grundgleichung anbringt, erhält man

E = 2,38 Δ R Joule . (8)

Es ist anzumerken, daß die vorstehende Rechnung als Beispiel gedacht ist und nicht in einem begrenzenden Sinn betrachtet werden kann. Ein Fachmann kann jederzeit einen Draht anderer Größe und anderer Länge verwenden und dementsprechend einen anderen Proportionalitätsfaktor für die Messung der Energie erzielen. Wesentlich für das Bolometer ist jedoch die Tatsache, daß ein Stück eines isolierten Drahtes von bestimmter Länge, das einen bekannten Widerstand besitzt, verwendet werden kann, um Lichtenergie zu absorbieren und damit durch die Änderung seines Widerstandes ein Maß für die absorbierte Lichtenergie

zu liefern. Es wurde nämlich gezeigt, daß die Widerstandsänderung direkt proportional zur absorbierten Energie und unabhängig davon ist, wie die Energie im Draht verteilt wird.
Bei der Messung der Ausgangsenergie oder der Leistungsabgabe, beispielsweise eines Lasers, wird der Strahl auf das Bolometer 10 gerichtet, so daß im wesentlichen der ganze Strahl oder ein vorher bestimmter Teil davon auf das Bolometer gerichtet ist.

ίο Letzteres ist der Fall, wenn ein Teil des Strahles abgespaltet wird. Die Widerstandsänderung, die auf der Absorption der optischen Energie in dem regellos gepackten Drahthaufwerk beruht, wird in einem Wheatstone-Brückenkreis gemessen und die Energie entsprechend berechnet.

Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Bolometer in optimaler Weise arbeitet, wenn das oben beschriebene Bolometer 10 zusammen mit einem Element benutzt wird, welches die mittlere Temperatur kompensiert und einen Widerstand enthält, der sich wie der Widerstand des Drahtes im Bolometer mit der Temperatur verändert. Das Element, das die mittlere Temperatur kompensiert, hat den Zweck, Energieverschiebungen in der Meßbrücke möglichst klein zu halten, die von Änderungen der Umgebungstemperatur herrühren. Beispielsweise kann als Kompensationselement ein anderes, dem oben beschriebenen ähnliches Bolometer dienen, das als Phantombolometer in einem Widerstandszweig der Wheatstone-Brücke benutzt wird.

Eine erste Bolometeranordnung 19 a, die ein Kompensationselement enthält, ist in F i g. 2 dargestellt. Dort sind ein aktives Bolometer 10 und ein Phantombolometer 10' gezeigt. Letzteres ist in ziemlich gutem Wärmekontakt mit dem Bolometer 10 in einem Behälter 29 angeordnet, der eine Wärmeisolation 31 besitzt. Die Bolometer 10 und 10' sind in der Weise angeordnet, daß das aktive Bolometer 10 die optische Energie des Strahles 14 aufnehmen kann, während das Phantombolometer 10' von der einfallenden Energie nicht getroffen werden kann. Wie gezeigt, sind die Bolometer 10 und 10' so angeordnet, daß ihre Rückseiten in thermischem Kontakt miteinander stehen. Zusätzlich enthält die Bolometeranordnung 19 a ein Fenster 18 am Behälter 29, so daß die optische Energie des Laserstrahles 14 in die Anordnung eindringen und auf das aktive Bolometer 10 auftreffen kann. Das Drahthaufwerk des Phantombolometers ist mit 16', die Drahtenden sind mit 20' und 21' bezeichnet.

Eine andere Ausführung einer Bolometeranordnung mit einem Kompensationselement ist in F i g. 3 dargestellt. Diese Ausführung 19 b ist der in F i g. 2 gezeigten ähnlich mit der Ausnahme, daß die Anordnung optische Mittel zur Fokussierung der zu messenden Strahlung auf das Haufwerk des Bolometers 10 einschließt, die aus einer ersten Linse 54 und einer zweiten Linse 56 bestehen. Dabei dient die erste Linse 54 zur Zerstreuung des einfallenden Strahls 14, während die zweite Linse 56 den so zerstreuten Strahl auf das aktive Bolometer 10 richtet, so daß die Lichtenergie eine vergrößerte Fläche des Drahthaufwerks 16 beleuchtet.

Eine dritte Ausführung 19 c einer Bolometeranordnung, die von einem aktiven und einem Phantombolometer Gebrauch macht, ist in F i g. 4 dargestellt. Diese Ausführung ist derjenigen ähnlich, die in F i g. 3 dargestellt ist, mit der Ausnahme, daß die zweite optische Linse durch eine Lichtröhre 58 ersetzt ist. Bei dieser

Ausführung wird der einfallende Strahl 14 durch die Linse 54 zerstreut und tritt in die Lichtröhre 58 ein, welche die Lichtenergie auf das Drahthaufwerk 16 des Bolometers 10 richtet. Die Lichtröhre 58 kann aus einem beliebig gewählten zylindrischen Reflektor bestehen. Diese Ausführung ist eine Verbesserung der in F i g. 3 gezeigten Ausführung, da die Bedingungen für die Justierung der Anordnung, derart, daß der Lichtstrahl in das Bolometer 10 eintreten kann, weniger kritisch sind. Wenn die optische Anordnung nicht ganz genau justiert ist, wird ein Teil des Strahles die Wände des zylindrischen Reflektors berühren, aber dennoch in das Drahtbündel des aktiven Bolometers 10 gerichtet werden.

Es ist zu bemerken, daß die in F i g. 2, 3 und 4 dargestellten Bolometeranordnungen nur als Beispiele gedacht sind und daß verschiedene Kombinationen der optischen Elemente vorgenommen werden können.

Die gezeigten Anordnungen können auch zerlegbar sein. Es ist eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, das Phantombolometer 10', das als Kompensationselement für die mittlere Temperatur dient, durch ein Stück eines emaillierten elektrisch leitenden Drahtes von bestimmter Länge, ähnlich dem Draht des Haufwerks 16 von F i g. 1, zu ersetzen, das sich nicht in einem getrennten Behälter befindet, sondern nur um die Außenseite des Behälters 25 herumgewickelt ist.

In F i g. 5 ist gezeigt, in welcher Weise das oben beschriebene Bolometer 10 verwendet wird, um die gewünschte Messung der Leistungsabgabe einer optischen Quelle, wie beispielsweise eines Lasers, auszuführen. Es ist die Kombination eines Bolometers 10 und eines Kompensationselementes 15 für die mittlere eingeschaltet, daß eine Seite mit dem gemeinsamen Punkt zwischen den Anschlüssen 21 und 22 verbunden ist, während die andere Seite mit dem Punkt 33 verbunden ist. Weiterhin ist in F i g. 4 eine Laseranordnung 12 dargestellt, die einen Lichtstrahl 14 in Richtung zum aktiven Bolometer 10 ausstrahlt.

Zur Messung der Energieabgabe der Laseranordnung 12 werden die Widerstände 36 und 38 so gewählt oder so eingestellt, daß ein Brückenabgleich erreicht

ίο wird, wenn das aktive Bolometer 10 und das Kompensationselement 15 sich im gleichen Ruhezustand befinden, d. h., wenn keine optische Energie vom Laser 12 in das aktive Bolometer 10 eingestrahlt wird. Unter Brückenabgleich soll verstanden werden, daß die elekirische Potentialdifferenz zwischen dem Punkt 33 und dem gemeinsamen Punkt zwischen den Anschlüssen 21 und 22 im wesentlichen Null ist. Falls die Brücke abgeglichen ist, ist es sehr einfach, die Leistungsabgabe des Laserstrahls zu bestimmen, indem der Strahl 14 in das aktive Bolometer 10 gerichtet wird und die dabei auftretende Widerstandsänderung durch die Abweichung des Brückenkreises vom abgeglichenen Zustand bestimmt wird, die durch das Galvanometer 40 angegeben wird. Die Gleichung

£"=2,38 Δ R Joule

legt nahe, den Widerstand des aktiven Bolometers 10 vor und nach der Bestrahlung mit dem Lichtstrahl 14 zu messen und aus der Widerstandsänderung die Energie des Strahles zu bestimmen. In WirkUchkeit ist es günstiger und auch genauer, einfach den Galvanometerausschlag zu beobachten, der auf die Meßzeit oder auf den Impuls folgt, je nachdem, welcher Fall

Temperatur in einer Brückenschaltung mit einem 35 vorliegt. Indem man einen bekannten kleinen Wider-

Widerstand 36 und einem Widerstand 38 dargestellt Das Kompensationselement 15 kann beispielsweise ein Phantombolometer 10' sein. Es können zwei identische Einheiten, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind, oder es kann eine Kombination eines Paares von Bolometern in einem einzigen Behälter verwendet werden, v/ie in F i g. 2 bis 4 dargestellt ist. Auf jeden Fall wird als Kompensationselement ein Widerstand verwendet, der im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat wie das Drahthaufwerk. Das Bolometer 10 und das Kornpensationselement 15 sind mit den Widerständen 36 und 38 in der Weise verbunden, daß der Anschluß 20 des aktiven Bolometers mit der einen Seite des Widerstandes 36 verbunden ist, während der Anschluß 21 mit dem Anschluß 22 des Kompensationselementes 15 verbunden ist. Der Anschluß 24 ist mit einem Anschluß des Widerstandes 38 verbunden, und die anderen Enden der Widerstände 36 und 38 sind an der Stelle 33 miteinander verbunden.

Zwischen die Anschlüsse 20 und 24 ist eine hier als Gleichstrombatterie dargestellte elektrische Energiequelle 34 geschaltet, die den erforderlichen elektrischen Strom für den Brückenkreis liefert, der durch die Widerstände 36 und 38, das Bolometer 10 und das stand in den aktiven Bolometerzweig einschaltet, kann man einen Faktor

N =

AR

Skalenteile pro Ohm

(9)

bestimmen, wobei d die Ablenkung des Galvanometers in Skalenteilen und Δ R den bekannten in den aktiven Bolometerzweig eingeschalteten Widerstand bedeutet.

Gleichung (8) kann nun folgendermaßen umgeformt werden:

E=^^d Joule. (10)

In dieser Gleichung ist die Strahlenenergie durch die Galvanometerablenkung ausgedrückt. Als typisches Beispiel kann angenommen werden, daß für das Galvanometer N= 1,90 mm/Ohm ist. Die Gleichung erhält damit die Form

E = 0,0126 dJoule.

Eine Energie von 0,01 Joule entspricht einer Ablenkung von etwa 1 mm und ist daher leicht meßbar.

Kompensationselement 15 gebildet wird. Dieser Kreis 60 Dies entspricht der Arbeitsweise, in welcher das

ist ein Wheatstone-Brückenkreis, und die Widerstände 36 und 38 werden gewöhnlich als Verzweigungswiderstände bezeichnet, während das Element 15 als Vergleichswiderstand bekannt ist. In die Brücke ist ein Galvanometer 40 eingeschaltet, welches in bekannter Weise zur Messung des Abgleichs oder Nichtabgleichs der Brücke bei einer elektrischen Messung verwendet wird. Das Galvanometer 40 ist so in den Brückenkreis

65 Gerät zur Zeit benutzt wird, die Empfindlichkeit kann aber beträchtlich erhöht werden, wie im folgenden beschrieben werden soll. Die Regeln für den Gebrauch des Gegenstandes der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:

1. Die Brücke ist so abzugleichen, daß das Galvanometer 40 eine passende Zeigerstellung hat.

Claims

2. Ein bekannter Widerstand von beispielsweise 0,1 Ohm ist in den aktiven Bolometerzweig der Brücke einzuschalten, und der Galvanometerausschlag ist zur Bestimmung der Skalenteile pro Ohm (N) festzustellen.

3. N ist in die Gleichung

E = Arfⁱ- d Joule

In F i g. 6 ist dargestellt, wie das erfindungsgemäße Bolometer neben der unmittelbaren Messung der Leistungsabgabe einer optischen Quelle beispielsweise zur Eichung einer aus einem Streudraht und einer Fotozelle bestehenden Anordnung zur Messung von Leistung oder Energie verwendet werden kann. Der Laser 12 sendet einen Impuls durch die Zerstreuungslinse 54 und die Sammellinse 56 direkt in das aktive so Bolometer 10. Ein dünner Draht 50 ist im Strahlengang des vom Laser 12 ausgehenden Strahles 14 angeordnet und streut einen vernachlässigbar kleinen Bruchteil 14' der Strahlenenergie auf die (nicht gezeigte) Fotokathode des Fotoelements 48, dessen Ausgangsgröße auf dem Bildschirm eines Kathodenstrahloszillographen 57 als nach der Zeit aufgelöste Leistungskurve dargestellt und fotografiert wird. Die Eichung der Fotozellenanordnung 48 wird vorgenommen, indem die Fläche unter der Kurve, die sich durch Auftragung der Energie gegen die Zeit ergibt, mit der gesamten Impulsenergie verglichen wird, die durch das Bolometer gemessen wird. Die Integration kann im Ausgangskreis des Fotoelementes 48 elektrisch vorgenommen werden, so daß zum Vergleich mit dem Bolometer die gesamte Impulsenergie als eine stufen- oder treppenfunktionsartige Veränderung der Oszillographenkurve dargestellt wird. Es wurde) bereits bemerkt, daß der Streudraht 50 als Sonde dient. Sobald die Fotozellen-Streudraht-Kombination einmal mit Hilfe des Bolometers geeicht ist, kann sie zur Messung der ausgesandten Strahlung dienen, wenn die Bolometeranordnung durch eine andere Anordnung ersetzt ist. Der Streudraht 50 erfüllt zwei nützliche Funktionen: er versorgt erstens die Fotozelle mit einem zum Hauptstrahl proportionalen Teilstrahl mit geeignet niedriger Intensität und läßt zweitens den Hauptstrahl im wesentlichen unverändert, so daß dieser zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht.

Der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Bolometers wird weiter vergrößert, wenn es auch mit einer Sonde, wie beispielsweise einem Strahlenteiler in Form einer Glasplatte, verwendet wird, die einen bekannten Bruchteil der auf sie einfallenden Energie reflektiert, während sie den Rest des Strahles durchläßt. Ein derartiges Beispiel ist in F i g. 7 dargestellt. In dieser Figur ist eine Glasplatte 52 gezeigt, die im Strahlengang des Laserstrahls 14 angeordnet ist, der von der Laseranordnung 12 ausgesucht wird. Der Hauptteil der Energie durchdringt die Platte 52 in Form eines engen gebündelten Strahles 14' und kann in einem Element 42 weiter verwendet werden, während ein kleiner Bruchteil 14' des Strahles (etwa 8 %) in das aktive Bolometer 10 reflektiert wird.

Bei der Eichung der ebenen Platte 52 zur Bestimmung desjenigen Anteils der Gesamtenergie, der von ihr reflektiert wird, kann das erfindungsgemäße Bolometer ebenso benutzt werden wie zur Messung der

absoluten Energie des reflektierten Strahles 14'. Wenn der Bruchteil der Gesamtenergie, der von der Platte reflektiert wird, bekannt ist, kann die Leistungsabgabe des Lasers leicht bestimmt werden. Die fest mit der Sonde verbundene Bolometeranordnung wird in der gleichen Weise geeicht wie die Streudraht-Fotozellen-Kombination. Wenn das Bolometer mit einer Sonde einmal geeicht ist, bildet es ein tragbares Instrument, das in jeden Laserstrahl zur Messung der Energie des Strahles eingebracht werden kann. Zusätzlich ist in F i g. 7 eine Einrichtung zur Benutzung einer empfindlicheren Galvanometeranordnung gezeigt. In dieser Figur wurde das Galvanometer40, das in Fig. 5 gezeigt ist, durch eine empfindliche Anzeigeeinrichtung 44 ersetzt, beispielsweise durch ein Röhrenvoltmeter oder durch einen Kathodenstrahloszillographen und ferner durch eine Registriereinrichtung 46, wie beispielsweise ein fotografisches Registriergerät.

Zur Ablesung der von einem gepulsten Laser gelieferten Energie erwies sich eine Empfindlichkeit von 0,01 Joule pro Millimeter als ausreichend, auch wenn das Bolometer mit einer Plattensonde verwendet wird. Die Anwendung eines schnelleren Anzeigegerätes, wie beispielsweise eines Kathodenstrahloszillographen mit fotografischer Registrierung, hat offensichtlich Vorteile. Sie verkürzt die Wartezeit zwischen einzelnen Ablesungen und ermöglicht eine dauernde Registrierung. Es könnte angenommen werden, daß das erfindungsgemäße Bolometer vorwiegend zur Eichung von fotoelektrischen Anordnungen benutzt wird. Tatsächlich kann es jedoch weitgehende Anwendung bei allgemeinen Messungen im optischen Gebiet des elektromagnetischen Spektrums finden, da es im Aufbau sehr einfach und verhältnismäßig unabhängig von Frequenz oder Wellenlänge ist und eine ausreichende Empfindlichkeit besitzt.

Patentansprüche:

1. Bolometer mit einem Meßelement aus dünnem, außen isoliertem Draht, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht zu einem regellosen Haufwerk zusammengeballt ist.

2. Bolometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu einem Haufwerk zusammengeballte Draht in einen mit einer Öffnung zum Einlaß der zu messenden Strahlung versehenen Behälter gepackt ist und daß die beiden Enden des Drahtes aus dem Behälter herausgeführt sind.

3. Bolometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine die einfallende Strahlung gut reflektierende Innenfläche besitzt.

4. Bolometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß über der Öffnung des Behälters ein flaches, für die zu messende Strahlung durchlässiges Fenster angebracht ist.

5. Bolometer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter gegen den Außenraum wärmeisoliert ist.

6. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß optische Mittel zur Fokussierung der zu messenden Strahlung auf das Haufwerk vorgesehen sind.

7. Bolometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Behälteröffnung eine Zerstreuungs- und eine Sammellinse vorgesehen sind, derart, daß die Sammellinse zwischen Zerstreuungslinse und Behälteröffnung angeordnet ist.

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