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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarot-Bildwandler.
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Es sind bereits eine Reihe von Methoden zum Nachweis infraroter Strahlung
bzw. infraroter Impulse bekannt. Als Empfänger werden dabei beispielsweise- Bolometer,
Thermoelemente und Fotozellen verwendet. Die erstgenannten Geräte weisen jedoch
den Nachteil auf, daß ihr thermodynamischer Wirkungsgrad äußerst klein ist. Außerdem
wird die Halbwertszeit dieser Nachweisgeräte um so größer, je empfindlicher sie
sind. Es ist daher nicht möglich, mit derartigen Aufnahmegeräten schnelle Impulsfolgen
für Meßzwecke oder zur Darstellung eines sichtbaren Bildes aufzunehmen. Die Fotozellen,
die diese Nachteile nicht aufweisen, sind dagegen nur in einem Wellenlängenbereich
bis zu etwa 4 fm verwendbar,. da bei größeren Wellenlängen die Elektronenaustrittsarbeit
größer ist als die Energie der eingestrählten infraroten Lichtquanten.
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Es ist ferner bekannt, daß zur Herstellung sogenannter Negativbetrachtungsgeräte
die Eigenschaft bestimmter phosphoreszierender Substanzen verwendet wird, bei denen
durch UV- bzw. Elektronenbestrahlung angeregte Moleküle durch IR-Quanten ihre Energie
durch Ausleuchtung verlieren. Außerdem ist bekannt, daß phosphoreszierende Stoffe
durch Wärme- bzw. Infrarotstrahlung ausgeleuchtet werden können. Diese Eigenschaft
ist bereits zum Nachweis infraroter Strahlung benutzt worden. Dabei leuchten die
phosphoreszierenden Stoffe unter Abstrahlung der gespeicherten Lichtenergie kurz
auf und erscheinen nach dem Aufleuchten an den bestrahlten Stellen dunkler als die
übrigen Teile der Substanzen. Weiterhin ist die »Thermolumineszenz« genannte Eigenschaft
bestimmter Substanzen, insbesondere von Kristallen, wie beispielsweise Flußspat,
bekannt.
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In der Zeitschrift »Science«, Bd. 117, ist in einem Aufsatz mit dem
Titel »Thermoluminescence as a Research Tool« auf den Seiten 343 bis 349 der Begriff
-der Thermolumineszenz erläutert. In diesem Aufsatz sind auch bereits verschiedene
Anwendungsbeispiele beschrieben. Unter anderem ist dort ein Verfahren angegeben,
das unter Ausnutzung der Thermolumineszenz den Nachweis radioaktiver Strahlen ermöglicht.
Dieses Verfahren hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem bei den vorstehend beschriebenen
Negativbetrachtungsgeräten angewendeten Verfahren. .
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Infrarot-Bildwandler,
beidem die Thermolumineszenz genannte Eigenschaft ausgenutzt wird. Der Infrarot-Bildwandler,
der infrarote Strahlung in sichtbare Strahlung umwandelt, - ist dadurch gekennzeichnet,
daß eine bis zu einigen Mikrometern dicke Schicht aus einer thermolumineszierenden
Substanz als Auffangvorrichtung für die infrarote Strahlung vorgesehen ist und daß
eine radioaktive Strahlungsquelle derart im Bereich der thermolumineszierenden Schicht
angeordnet ist, daß durch die radioaktive Strahlung die thermolumineszierende Schicht
in einen angeregten Zustand versetzt wird.
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Der Infrarot-Bildwandler kann erfindungsgemäß auch mit einem nachgeschalteten
Bildverstärker ausgerüstet sein, -der dadurch gekennzeichnet ist, daß a) in einem
hochevakuierten Gefäß mit einem für .infrarote Strahlung durchlässigen Fenster ein
Träger mit darauf aufgebrachter thermolumineszierender Schicht angeordnet ist, b)
innerhalb oder außerhalb des Gefäßes eine radioaktive Strahlenquelle vorgesehen
ist, deren Strahlung die thermolumineszierende Schicht in einen angeregten Zustand
versetzt, und daß c) auf der der thermolummeszierenden Schicht abgewandten Seite
des Trägers eine fotoelektrische Schicht mit äußerem Fotoeffekt aufgebracht ist,
deren Elektronenstrahlung in an sich bekannter Weise auf einem Leuchtschirm ein
sichtbares Bild erzeugt.
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Es kann vorteilhaft sein, sowohl dem vorstehend beschriebenen Infrarot
Bildwandler oder dem mit einem Bildverstärker ausgerüsteten Infrarot-Bildwandlerein.
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Fernsehübertragungsgerät nachzuschalten. Als thermolumineszierende
Substanzen sind vorzugsweise Ionen-Kristalle zu verwenden.
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Die radioaktive Strahlenquelle wird vorzugsweise als durchsichtige
dünne Schicht vor und/oder hinter der thermolumineszierenden Schicht angeordnet;
wenn es sich um dauernde Bestrahlung handeln soll. Man kann in diesem Fall auch
die radioaktive Substanz in die thermolumineszierende Schicht einbetten.
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Man kann die radioaktive sowie die thermolumineszierende Substanz
in an sich bekannter Weise nacheinander oder gleichzeitig auf einem geeigneten Träger
aufdampfen. Man kann die Substanzen aber auch durch Elektrolyse, Sedimentation,
auf chemischem Wege oder durch Ausnutzung von Oberflächenkräften wie im Langmuirschen
Trog auf den Träger aufbringen.
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Man kann die aus der fotoelektrischen Schicht austretenden Elektronen
auf eine weitere Kathode mit hoher Sekundärelektronenausbeute abbilden, wobei die
Sekundärelektronen gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung an weiteren Sekundärelektronenkathoden
zur Abbildung auf einem Leuchtschirm benutzt werden. Es ist selbstverständlich möglich,
das Elektronenbild auf eine Fernsehaufnahmeröhre abzubilden, um auf diese Weise
eine drahtlose übertragung des durch den Bildwandler aufgefangenen Bildes zu gewährleisten.
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Es ist zweckmäßig, als radioaktive Substanz einen reinen Gamma-Strahler
zu benutzen, da die meisten lichtempfindlichen Substanzen für Gamma -Strahlung unempfindlich
sind.
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Es ist zweckmäßig, durch Anordnung reflexmindernder Schichten bzw.
von Infrarotfiltern die Durchlässigkeit und Empfindlichkeit der einzelnen Schichten
zu erhöhen.
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Es empfiehlt sich, durch an sich bekannte technische Maßnahmen den
Träger und die auf ihm aufgebrachten-Schichten zu kühlen.
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Wie bereits oben erwähnt, liegt der Erfindung die an sich bekannte
Thermolumineszenz bestimmter Substanzen zugrunde. Der Mechanismus der Thermolumineszenz
ist an sich noch nicht genau bekannt. Man kann sich den Vorgang jedoch etwa folgendermaßen
vorstellen: In der F i g. 1 ist ein Termschema dargestellt, das zu einer thermolumineszierenden
Substanz gehören soll. Dabei bedeutet V das Valenzband, L das Leitfähigkeitsband
und T ein angeregtes Energieniveau, ein sogenanntes »Trap«.
In einer
derartigen Substanz ist normalerweise das angeregte Niveau T nur mit wenigen Elektronen
besetzt. Durch Einstrahlung von beispielsweise Gamma-Strahlung kann dieses Niveau,
das sich etwas unter dem Leitfähigkeitsband befindet, weitgehendst besetzt werden.
Bei der Einstrahlung von infraroten Lichtquenten mit einer Energie, die in Elektronenvolt
ausgedrückt, gleich oder größer als d E ist, können daher Elektronen beispielsweise
in das Leitfähigkeitsband gehoben werden, wonach sie unter Ausstrahlung sichtbaren
Lichtes in das Valenzband zurückfallen. Das sichtbare Licht weist dann eine Energie
auf, die der Energiedifferenz zwischen Valenzband und Leitfähigkeitsband entspricht.
Aus diesem Termschema ist ersichtlich, daß infrarote Lichtquanten, deren Energie
in keinem Fall ausreichen würde, um ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitfähigkeitsband
zu heben, sehr wohl eine Lichtstrahlung anregen können, wenn nur dafür gesorgt ist,
daß das mit T bezeichnete Energieniveau dauernd besetzt ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei diesem Effekt um einen
Quanteneffekt handelt. Die Absorption der Infrarot-Lichtquanten führt also nicht
zu einer Erwärmung der Thermolumineszenzschicht, sondern die Absorption bewirkt
unmittelbar die Anhebung des angeregten Elektrons in das Leitfähigkeitsband. In
Versuchen wurden Relaxationszeiten von 10-4 Sekunden gemessen.
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Maßgebend für die tatsächliche Lichtausbeute ist selbstverständlich
der Wirkungsquerschnitt und damit die Impulsübertragungsfunktion sowie das Maß der
Impulsfortleitung. Vom Beispiel des bereits erwähnten CaF.- Kristalls ist jedoch
bekannt, daß bereits bei einer Temperatur von etwa 150° C, die ungefähr einer in
Elektronenvolt ausgedrückten Energie von 0,012 eV entspricht, die Thermolumineszenz
wirksam wird. Damit sind aber nur Energien erforderlich, die- in der -Größenordnung
der Energien von Lichtquanten liegen, die einer Wellenlänge von 1 bis 50 p,m zugehören.
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In der Zeichnung sind einige Beispiele für Anordnungen nach der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 2 die einfachste Form eines Infrarot-Bildwandlers,
F i g. 3 einen Infrarot-Bildwandler mit nachgeschaltetem Bildverstärker nach der
Erfindung, F i g. 4 eine spezielle Abwandlung des Infrarot-Bildverstärkers nach
F i g. 3, F i g. 5 einen Infrarot-Bildverstärker mit zusätzlicher Sekundärelektronenkathode
und F i g. 6 -eine Ausführungsform der Bildverstärker nach den Fi,g. 3 bis 5 unter
zusätzlicher Verwendung von Interferenzschichten.
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In F i g. 2 ist auf einem transparenten Träger 1 eine thermolumineszierende
Schicht 2 aufgebracht. Auf der dem Träger abgewandten Seite der Schicht 2 ist eine
radioaktive Strahlenquelle 3 vorgesehen. Die nachzuweisende Infrarotstrahlung fällt
in Richtung der Pfeile 4 auf die thermolumineszierende Schicht 2. Die angeregte
Thermolumineszenz kann dann beobachtet werden.
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In der F i g. 3 ist ein Bildwandler dargestellt, bei dem in einem
hochevakuierten Gefäß 5 in der Gefäßwand ein. für infrarote Strahlung durchlässiges
Objektiv 6 angeordnet ist. In der Bildebene des Objektivs 6 ist auf einem Träger
1 eine thermolumineszierende Schicht 2 angeordnet. Zwischen dem Objektiv 6 und dem
Träger 1 ist eine radioaktive Strahlenquelle 3 vorgesehen. Auf der dem Objektiv
6 abgewandten Seite des Trägers 1 ist eine zumindest teildurchlässige, elektrisch
leitende Schicht 7 und auf dieser eine fotoelektrische Schicht 8 aufgebracht. Der
fotoelektrischen Schicht 8 gegenüber ist ein Leuchtschirm 9 vorgesehen, auf dem
die emittierten Elektronen mit Hilfe von elektronenoptischen Mitteln 10
abgebildet
werden. Die Wirkungsweise des Bildwandlers ist folgende: Durch radioaktive Bestrahlung.
aus der Strahlenquelle 3 wird die thermolumineszierende Substanz 2 so angeregt,
daß, wie bereits oben geschildert, Energieniveaus nahe unterhalb des Leitfähigkeitsbandes
möglichst dicht mit Elektronen besetzt sind. Die mittels des Objektivs 6 auf die
Schicht 2 abgebildete infrarote Strahlenquelle verursacht entsprechend der Intensitätsverteilung
ein Anheben der Elektronen aus dem Trap in das Leitfähigkeitsband, wodurch unter
Anwendung sichtbaren Lichtes die durch die infrarote Strahlung in das Leitfähigkeitsband
gehobenen Elektronen in das Valenzband zurückfallen. Die auf diese Weise der Intensitätsverteilung
der ursprünglichen Infrarotstrahlung entsprechende Lichtenergie verursacht in -der
unmittelbar anschließenden fotoelektrischen Schicht die Auslösung von Elektronen,
so daß auf dem Leuchtschirm ein der Intensitätsverteilung der Infrarotstrahlung
entsprechendes sichtbares Bild entsteht. Wie aus der vorstehend geschilderten Wirkungsweise
zu entnehmen ist, ist lediglich dafür zu sorgen, daß die angewandten Schichtdicken
so klein gehalten werden, daß die Konturenschärfe möglichst erhalten bleibt.
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Der Bildwandler nach F i g. 4 unterscheidet sich von dem nach der
F i g. 3 lediglich dadurch, daß die radioaktive Strahlenquelle in Form von zwei
dünnen durchsichtigen Schichten 3 a und 3 b vor und hinter der thermolumineszierenden
Schicht 2 angeordnet ist.
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In der F i g. 5 ist ein Bildwandler dargestellt, bei dem die radioaktive
Substanz feinverteilt in der thermolumineszierenden Schicht 2 angeordnet ist. Die
von der fotoelektrischen Schicht 8 emittierten Primärelektronen werden mittels einer
elektronenoptischen Linse 10 auf eine Sekundärelektronenkathode 11 abgebildet. Die
aus der Sekundärelektronenkathode 11 austretenden Elektronen werden durch elektronenoptische
Mittel 12 auf den Leuchtschirm 9 abgebildet. Zur Umlenkung der Primär- bzw. Sekundärelektronen
auf die Sekundärelektronenkathode 11
bzw. auf den Leuchtschirm 9 ist ein magnetisches
Umlenkfeld 11 a vorgesehen.
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Bei der Ausbildung der Erfindung nach F i g. 6 ist auf dem Träger
leine Interferenzschicht 13, darauf die thermolumineszierende Schicht 2, darauf
eine Interferenzschicht 14 angeordnet. Auf der anderen Seite des Trägers 1 befinden
sich eine mindestens teildurchlässige Kathodenschicht 7 und eine fotoelektrische
Schicht B. Die Interferenzschicht 14 ist so ausgebildet, wie man sie von den sogenannten
»Kaltspiegeln« her kennt. Sie hat den Zweck, die einfallenden Infrarotlichtquanten
möglichst ungehindert durchzulassen, jedoch das in der thermolumineszierenden Schicht
2 ausgelöste sichtbare Licht möglichst vollkommen zu spiegeln.
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Die gesamte Ausbeute steigt dadurch etwa um den Faktor 2. In der Schicht
2 ist wiederum, wie bereits
in der P' i g. 5 gezeigt, die radioaktive
Substanz enthalten. Die Interferenzschicht 13 hat den Zweck, den Lichtübergang aus
der thermolumineszierenden Schicht 2 in die fotoelektrische Schicht 8 günstiger
zu gestalten. Bei dieser Interferenzschicht 13 ist natürlich der Träger 1 sowie
die Kathodenschicht 7 zu berücksichtigen.
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Die Verwendung von Interferenzschichten hat auch den Vorteil, daß
man die Vorrichtung beispielsweise für ein bestimmtes Infrarotband besonders empfindlich
machen kann. Die für die Ausbildung der entsprechenden Interferenzschicht geltenden
Bedingungen sind bekannt.
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Es ist vorteilhaft, die thermolumineszierende Schicht aus. mehreren
Substanzen aufzubauen, die bei verschiedenen Anregungsenergien thermolumineszieren.
Die Schicht kann dabei durch gleichzeitiges Aufdampfen der in. Frage kommenden Substanzen,
gegebenenfalls zusammen mit der radioaktiven Substanz, hergestellt werden. Die hierfür
geltenden Bedingungen sind gleichfalls bekannt.
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Die ausschließliche Verwendung von reinen Gamma-Stfahlern als radioaktive
Substanz empfiehlt sich deswegen, weil die fotoelektrischen Schichten praktisch
keinen Wirkungsquerschnitt für Gamma-Strahlen haben. Daß man die fotoelektrische
Schicht so wählt, -daß sie bei der Lumineszenz einen besonders hohen Wirkungsgrad
aufweist, ist selbstverständlich. Allerdings ist dabei auch zu berücksichtigen,
daß eine Verfärbung der verschiedenen Schichten durch die dauernde Bestrahlung mit
harten Gamma-Strahlen erfolgen kann. Bei der Verwendung von *-Strahlern kann beispielsweise
die geringe Reichweite der Strahlung ein besonderer Vorteil sein.
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Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
ist darin zu sehen, daß sie wegen der extrem kurzen Reaktionszeit der Trap-Anregung
und Rekombinatiön des Elektrons mit dem Valenzband auch sehr schnell bewegte Objekte
darstellen bzw. messen kann. Sie ist daher besonders für alle möglichen Steuerzwecke,
insbesondere auch zur Nachsteuerung von Raketen aller Art, geeignet.