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Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für die Messung von
Strahlungsdichte, insbesondere im Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis zum fernen
Ultrarot, zur Erzeugung eines Signals, dessen Mittelwert der zu messenden Größe
proportional ist, mit einer Thermosäule aus Thermoelementen, deren Verbindungsstellen
abwechselnd und symmetrisch beiderseits einer Mittellinie in zwei Halbfiächen angeordnet
sind, wobei die Thermoelemente aus auf eine frei tragende Isolierfolie aufgedampften
oder aufgestäubten, sich überlappenden, mäanderförmigen Metallschichten bestehen.
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Bekanntlich verlieren die Strahlungsdetektoren, die auf dem photoelektrischen
Effekt oder der Lumineszenz beruhen, ihre Empfindlichkeit im Infrarotbereich bei
Wellenlängen über 7 Z praktisch vollständig. In der Praxis sind sie in dem jenseits
liegenden Spektralbereich nicht mehr verwendbar.
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Die großen Wellenlängen sind jedoch zur Feststellung von Quellen
mit geringer Temperatur von Interesse, weshalb man nichtselektive Detektoren zu
verwenden sucht, deren Empfindlichkeit in einem ausreichend breiten Band des Spektrums
konstant bleibt, beispielsweise thermische Detektoren, die auf der Umwandlung der
Infrarotstrahlungsenergie in Wärmeenergie beruhen und von denen die auf diesem Gebiet
der Technik am weitesten verbreiteten die Thermobatterien und die Bolometer sind.
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Da die Bolometer im allgemeinen in einer Brückenschaltung verwendet
werden, ist die Empfindlichkeit der Messung direkt dem Strom proportional, der durch
den Widerstand fließt, der sich in Abhängigkeit von der Strahlung ändert, welcher
er ausgesetzt ist.
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Da es praktisch unmöglich ist, diesen Strom über einige Milliampere
hinaus zu erhöhen, ohne eine Erwärmung des Widerstands hervorzurufen, hängt die
mit diesen Geräten erreichbare Empfindlichkeit vor allen Dingen vom Temperaturkoeffizient
des verwendeten Widerstands ab.
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Dagegen erfolgt die Messung der an den Klemmen einer Thermobatterie
erzeugten elektromotorischen Kraft meistens nach einer Nullpotentiometermethode,
und die Empfindlichkeit kann dadurch verbessert werden, daß die Zahl der in Serie
geschalteten Thermoelemente vergrößert wird, ohne daß die Widerstandsänderung des
Detektors von Einfluß auf die Genauigkeit der Potentiometermessung ist.
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Es ist ein Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt,
bei welchem die warmen Verbindungsstellen von den kalten Verbindungsstellen durch
strahlungsabsorbierende bzw. strahlungsreflektierende Überzüge unterschieden sind.
Dieser bekannte Strahlungsdetektor liefert ein Gleichspanuungssignal, welches sich
infolge der geringen Amplituden nur schwierig verarbeiten läßt.
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Erfindungsgemäß wird dieser bekannte Strahlungsdetektor dadurch verbessert,
daß die gesamte Fläche des Detektors mit einer Schicht aus einem Werkstoff mit hohem
Absorptionskoeffizienten überzogen ist und jede der Halbflächen beiderseits der
Mittellinie nach dem an sich bekannten Wechsellichtverfahren mittels eines Verschlusses
oder eines Umschalters gegenüber der einfallenden Strahlung periodisch abdeckbar
bzw. freilegbar ist, so daß der Detektor eine Wechselspannung liefert.
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Das erfindungsgemäß erzielte Wechselspannungssignal ist wesentlich
einfacher zu verarbeiten als die bekannten Gleichspannungssignale. Die Verwendung
eines
Verschlusses bzw. eines optischen Umschalters wird durch die Einfachhheit und Sicherheit
der elektronischen Verarbeitung des Signals mehr als ausgeglichen.
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Es ist hervorzuheben, daß das Wechselspannungssignal nicht etwa auf
dem üblichen Weg des Zerhackens gebildet ist. Die Strahlung fällt vielmehr ständig
auf den Detektor, dessen beide Halbflächen gleich aufgebaut sind und abwechselnd
der Strahlung ausgesetzt werden. Jede Halbfläche spielt dabei abwechselnd die Rolle
der heißen bzw. der kalten Verbindungsstellen.
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Im Gegensatz zu bekannten Pyrometern mit Thermoelementen, bei welchen
die einfallende Strahlung periodisch zerhackt wird, um ein Wechselspannungssignal
ohne Vorzeichenänderung zu erhalten, handelt es sich beim erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor
um einen echten Belichtungswechsel mit Vorzeichenänderung, wobei die Strahlung erst
auf die eine und dann auf die andere Gruppe von Verbindungsstellen fällt. Stets
wird jedoch eine Hälfte des Detektors bestrahlt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht und eine Profilansicht
einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors, F i g. 2 einen Querschnitt
nach der Linie B-B und einen Längsschnitt nach der Linie A-A durch einen einen solchen
Detektor enthaltenden Kolben, F i g. 3 den bestrahlten Teil des Detektors, F i g.
4 das Schema einer zweiten Ausführungsform des Detektors, bei welcher mit einem
modulierten Strom gearbeitet wird, Fig. 5 das entsprechende elektrische Signal und
F i g. 6 den Gesamtaufbau eines solchen Detektors.
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Fig. 1 zeigt einen isolierenden Träger 10, der beispielsweise aus
einer PETP-Folie von 111 Dicke besteht, die zwischen zwei Isolierstäben 11 und 12
ausgespannt ist. Auf diesem Träger ist, vorzugsweise durch Aufdampfen im Vakuum
oder durch kathodische Zerstäubung entsprechend dem dargestellten Verlauf eine dünne
Schicht in der Größenordnung von 0,05 bis 0,1 y aus zwei Legierungen 13 und 14 aufgebracht,
die zusammen Thermoelemente mit hohem thermoelektrischem Potential bilden. Diese
beiden Legierungen überdecken sich teilweise so, daß zu beiden Seiten einer die
Oberfläche des Detektors in zwei gleiche Teile teilenden Mittellinie die kalten
Verbindungsstellen 15 und die warmen Verbindungsstellen 16 der in Serie geschalteten
Thermoelemente gebildet werden, welche in der oberen Hälfte bzw. in der unteren
Hälfte zusammengefaßt sind. Die Stange 12 ist an ihren Enden mit einem Goldfilm
überzogen, welcher die Ausgangsklemmen 17, 18 des Detektors bildet. Die obere Hälfte
des Trägers 10, welche die kalten Verbindungsstellen 15 enthält und die die warmen
Verbindungsstellen 16 tragende untere Hälfte auf der bestrahlten Seite sind mit
einer dünnen Schicht 19 bzw. 20 aus einer Substanz mit großem Absorptionskoeffizient
für die Strahlung bedeckt, beispielsweise Platinschwarz oder Goldschwarz.
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Die Strahlung wird durch entsprechende optische Einrichtungen auf
die rechteckige Fläche 25 (F i g. 3 a) bzw. kreisrunde Fläche 26 (F i g. 3 b) des
isolierenden Trägers 10 konzentriert, in deren Innerem die Thermobatterie enthalten
ist. Ein kleines Dunkelintervall 27 trennt die beiden Zonen mit unterschiedlichen
Absorptionskoeffizienten. Dieses Intervall wird
mit Hilfe eines
Schirms 21 erhalten, der die auftreffende Strahlung in einem Bereich von 1 bis 2
mm Breite abfängt.
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Der Detektor kann im freien Raum arbeiten, aber zum Schutz der verschiedenen
Aufträge gegen Oxydation wird der Detektor vorzugsweise in einem dichten Kolben
untergebracht, wie in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Die Stangen 11, 12 werden
in dem Metallkolben 22 von zylindrischer Form befestigt, der ein Fenster 23 enthält,
das für die Infrarotstrahlung in dem interessierenden Bereich durchlässig ist, und
der mit einem inerten Gas unter geringem Druck gefüllt ist. Kühlflügel 24 sind so
angebracht, daß die vom Detektor aufgenommene sowie die vom Gas absorbierte Wärme
abgeführt wird, wodurch eine kleine Ansprechzeit gewährleistet ist.
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Zur leichteren Verstärkung des Signals und zur Vereinfachung der
Meß- oder Verbrauchergeräte ist es erwünscht, ein Signal in Form einer Wechselspannung
zu erhalten. Da es durch einfache Modulation des auftreffenden Strahlungsstroms
nicht möglich ist, eine periodische Änderung des Vorzeichens der vom Detektor abgegebenen
elektromotorischen Kraft zu erzielen, sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Detektors Maßnahmen vorgesehen, welche diese Betriebsart ermöglichen. Zu diesem
Zweck ist der Detektor auf den beiden die warmen bzw. die kalten Verbindungsstellen
enthaltenden Hälften vollständig mit Platinschwarz oder Goldschwarz bedeckt, und
der auf die geschwärzte Seite des Detektors treffende Strahlungsstrom wird periodisch
derart unterbrochen, daß abwechselnd die eine und die andere Hälfte des Detektors
der Strahlung ausgesetzt werden.
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In F i g. 4 ist schematisch der Detektor auf seinem Träger 10 dargestellt,
der von einem ankommenden Strahl über eine Linse 30 bestrahlt wird, welche für Infrarotstrahlung
durchlässig ist. Dieser Strahl wird durch einen Verschluß moduliert, der durch einen
Flügel 31 gebildet wird, welcher von einem Antriebsorgan 32 um eine senkrecht zur
optischen Achse der Anordnung liegende Achse in Drehung versetzt wird.
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Die Länge dieses Flügels ist so groß bemessen, daß die ) Öffnungs-
und Unterbrechungszeiten einer Hälfte des Strahls vernachlässigbar gegen die Zeitdauer
der Bestrahlung bzw. der Abdeckung jeder der Hälften des Detektors sind. Somit wird
jede dieser Hälften des Detektors abwechselnd abgedeckt und der Strahlung ausgesetzt;
dies erfolgt mit einer Frequenz, welche der Drehzahl des Flügels 31 entspricht.
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Die Anordnung arbeitet dann in folgender Weise: Während einer halben
Periode der Drehung des Flügels ist die der Strahlung ausgesetzte Hälfte des Detektors
»warm«, während die abgedeckte Hälfte .kalte ist; während der folgenden halben Periode
sind die Verhältnisse umgekehrt. Dies ergibt einen periodischen Wechsel der Polarität
der Thermobatterie und dementsprechend die Erzeugung einer Wechselspannung an ihren
Klemmen. Die Anordnung arbeitet im dynamischen Betrieb, und wenn die Zeitkonstante
des Detektors kleiner als die Dauer der Bestrahlung einer Hälfte seiner Oberfläche
ist, ändert sich diese Wechselspannung als Funktion der Zeit im wesentlichen entsprechend
der Kurve von F i g. 5, in welcher mit T die Periode und mit EM die maximale elektromotorische
Kraft bezeichnet wird.
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In diesem Fall ist der Meßwert dann der Effektivwert der vom Detektor
gelieferten Wechselspannung;
dieser Effektivwert ist der Stromdichte proportional
und unabhängig von der Umgebungstemperatur.
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In bestimmten Fällen ist es durch entsprechende Führung der bei der
Drehung des Verschlußbügels verdrängten Luft allein möglich, den Detektor oder den
ihn enthaltenden Kolben ausreichend zu kühlen.
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Eine andere Lösung besteht darin, den Kolben durch einen Luftstrom
zu kühlen, der von einem Lüfterrad geliefert wird, welches sich um die gleiche Achse
wie der Flügel dreht und vom gleichen Motor angetrieben wird, wie in F i g. 6 schematisch
dargestellt ist. Der Detektor ist auf seinem Träger 10 in einem Kolben 22 der zuvor
angegebenen Art untergebracht, der jedoch nicht mit Kühlflügeln versehen ist. Der
Flügel 31 ist fest mit zwei Lüfterrädern 35, 35' verbunden, die an seinen beiden
Seiten angeordnet sind, und die ganze Anordnung wird durch einen Motor in Drehung
versetzt, von dem in der Zeichnung nur die Welle 36 dargestellt ist. Die von den
Lüfterrädern 35, 35' angesaugte Luft wird in einen ringförmigen Kanal 34 gedrückt,
der den Kolben 22 des Detektors umgibt und dadurch dessen Fremdkühlung bewirkt.
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Die bestrahlte Seite des Detektors kann die Seite sein, auf der die
Legierungen der Thermoelemente aufgetragen sind, aber es ist auch möglich, diese
Aufträge sowie die absorbierenden Substanzen auf der gleichen Seite des Detektors
anzubringen. Ferner kann auch eine andere Art von Verschluß zur abwechselnden Bestrahlung
jeder Hälfte des Detektors beim Betrieb mit moduliertem Strahlungsstrom verwendet
werden, beispielsweise dadurch, daß der ankommende Strahl mit Hilfe eines von einem
Elektromotor oder einem Elektromagneten betätigten Schwingspiegels abwechselnd auf
den einen und auf den anderen Bereich gelenkt wird. Die Thermoelemente können auch
nach irgendeinem anderen Verfahren zum Aufbringen metallischer Überzüge in dünnen
Schichten auf einem isolierenden Träger von anderer Beschaffenheit gebildet werden,
und der Träger kann zur Kühlung durch Wärmeleitung auch dicker ausgeführt werden.