DE1773069A1

DE1773069A1 - Verfahren zum Detektieren einer Strahlungsintensitaet und dazu geeignetes Strahlungsmessgeraet

Info

Publication number: DE1773069A1
Application number: DE19681773069
Authority: DE
Inventors: Cary Henry H
Original assignee: Cary Instruments
Current assignee: Cary Instruments
Priority date: 1967-03-29
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1971-08-26
Also published as: GB1196703A; FR1557579A; US3457412A

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER °4 P1 D DIPL-INa KLAUS BERNHARDT

D-S MÜNCHEN 23 MAINZER STRASSE ö

CARY INSTRUMENTS Monrovia / California T. St. von Amerika

Verfahren zum Detektieren einer Strahlungsintensität und dazu geeignetes Strahlungameßgerät

Priorität ι 29 März I967, Vereinigte Staaten von Amerika Serial No. 626,872

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen, zur Messung der Intensi- ™ tat von elektromagnetischer Strahlung, und insbesondere einen Detektor, der zur Messung der Intensität von Infrarotstrahlung verwendet wird, beispielsweise in Infrarot-Spektrofotoaetern und derartigen Instrumenten.

Aufgabe eines Detektors dieser Art ist es, ein elektrisches Signal zu liefern, dass die auftreffende Strahlung repräsentiert. Ee ist jedoch für solche detektoren typisch, ein Ausgangesignal zu liefern, das mit unerwünschtem statistischen Rauschen behaftet 1st* Dieses Rauschen ent-

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hält gewöhnlich Komponenten, die sich über ein breites Frequenzband erstrecken, ia Unterschied zua Signal, das normalerweise nur ein schmales Frequenzband umfasst. Dementsprechend werden gewöhnlich elektrische Filter in Verbindung mit solchen Betektoren rerwendet, die solche Kennlinien haben, das· das gewünschte Signal mit nur geringer Dämpfung durchgelassen wird, und Frequenzen ausserhalb des Signalfrequenzbandes stark gedämpft werden. Es ist auch üblich, die endgültige Empfindlichkeit solcher Detektoren in der Weise anzugeben, dass der Betrag an auftreffender Strahlungsleistung genannt wird, der ein Ausgangssignal liefert, dessen quadratischer Mittelwert gleich dem des Rauschens in einer Bandbreite Ton einem Hertz ist. Dieser Betrag wird äquiralente Bausohleistung ■ (noise equiralent power - NEP) genannt. Je kleiner die IEP, um so besser ist der Detektor.

Alle Detektoren sind in ihrem NEP-Yerbalten durch thermisches Austauschrauschen begrenzt, das sich durch das statistische Ankommen und Abgeben ron Photonen an der die Strahlung aufnehmenden Oberfläch· des Detektors ergibt. Allgemein gesagt ist das Betriebsrerhalten bekannter thermischer Detektoren nicht duroh das thermische Austausohrausohen begrenzt, sondern duroh stärkere Rauschquellen» die im Detektor selbst enthalten sind. Beispielsweise sind Detektoren wie Thermoelemente oder Bolometer in ihren Betriebseigenschaften duroh da· Wärmerauechen (naoh Johnson) begrenzt, das in den elektrischen Widerständen der Elemente entsteht. Das Arbeitsprinzip soloher Geräte wie Thermoelemente und bolometer beruht auf einer Änderung in einer elektrischen Eigenschaft eines die

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Strahlung aufnehmenden Mediums, wenn dieses Medium durch auftreffende Strahlung erwärmt wird.

Der erfindungsgemaVsse detektor gehört jedoch in eine Klasse, bei der der femperaturanstieg des Strahlungsempfängers eine Änderung in seinen Mechanischen Eigenschaften bewirkt, die wiederum in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. In dieser Beziehung ist der erfindungsgemäsee Detektor entfernt mit dem Golay-Detektor verwandt (Review of Scientific A Instruments, Band 20, Seiten 616 - 820, 1949), bei dem die lärme dafür sorgt, daßs sieh ein Gas ausdehnt und eine Membran bewegt, und diese Bewegung wird mittels eines optisches Hebels und einer Fotozelle detektiert. Terwandt ist auch der Detektor τοη R. Y. Jones,(Proceedings of the Boyal Society, Band 249a, Seiten 100-113 (1959), bei dem der Empfänger ein geschwärzter Metallstreifen ist, der sich bei steigender Temperatur dehnt und dafür sorgt, dass sich/auf einer empfindlichen Aufhängung montierter Spiegel üb einen Winkel dreht, und dabei ein Detektorsystem mit optischen Hebel betätigt. Ein weiterer verwandter Detektor ist der τοη JDingee, (Review of Scientific Instruments, Band 3» Seiten 80 - 84 (1932), ™ bei dea der Empfänger die Form einer gewölbten Membran hat, die eine Platte eines Kondensators bildet. Eine schwere Metallplatte mit passender Kontur bildet die zweite Kondensatorplatte. Wenn die Membran erwärmt wird, dehnt sie sich, und damit ergibt eioh eine inderung in der elektrischen Kapazität zwischen den beiden Platten, und diese wird durch eine geeignete elektrische Hilfsschaltung detektiert.

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Alle diese bekannten Detektoren beruhen auf der thermischen Dehnung» die ihrerseits auf der Wärme roh der auftreffenden Strahlung beruht» um eine Bewegung herrorsürufen* die anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, theoretisch haben diese Detektoren ein Untergrundraue chen, das auf einer fundamentalen drehst basiert, die sich durch die Wärmebewegung oder "Brownsche Bewegung" des dehnbaren Elementes ergibt. In der Praxis wird bei den Detektoren nach Dingee and Jone·, diese fundamentale Grenze Selten erreicht, weil sich eine wesentliche stärkere Quelle für UntergrundrauSchen in Form τοη akustischen und mechanischen Tibrationen ergibt, die τοη der unmittelbaren Umgebung des Detektors auf das dehnbare Element übertragen werden. Beim Golay-Detektor ist die Empfindlichkeit für diese "Mikrophonie" erheblich herabgesetzt worden« und zwar durch spezielle Konstruktionsmerkmale, die in dem ursprünglichen Aufsatz τοη Golay besprochen sind, dadurch ist in der Praxis die Mikrophonie kein ernsthaftes Problem. Die Grundkonstruktion des Golayschen Gerätes ist jedoch so gewählt, dass Effekte der Brownechen Molekular-W bewegung stark vergrößert auftreten , verglichen mit einem erfindungsgemässen Detektor. Ein wesentlicher Vorteil dieses erfindungsgemässen Detektors beruht auf der Feststellung, dass die Empfindlichkeit für Mikrophonie-Yibrationen stark herabgesetzt wird, wenn da· dehnbare Element mit seinen Stützen auf eine unveränderliche Dimension beschränkt ist, und eine Änderung der Spannung des Elementes festgestellt wird, statt eine Dehnung. Bei einer speziellen Ausführungsform die··· Prinzips ist das Detektorelement so angeordnet, dass eine Inderung der Spannung eine Änderung in der natürlichen Vibrationsfre^uens ergibt,

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und eine elektrische Hilfsschaltung ist so angeordnet, dass sie auf diese Änderung der natürlichen Vibrationsperiode anspricht.

Durch die Erfindung soll ein Infrarotdetektor Terfügbar gemacht werden, dessen Empfindlichkeit nahe an der natürlichen Grenze liegt, die durch die statistischen Fluktuationen gegeben ist, die bei» luftreffen und der Reemisaion τοη Photonen ron den Empfangeelementen gegeben sind, und der· relativ frei von Quellen für Untergrundrauechen ist, die im Detektor ^ selbst enthalten sind oder akustisch oder mechanisch τοη der unmittelbaren Umgebung auf diesen übertragen «erden. Grundsätzlich besteht ein erfindungsgemäßer Detektor aus einer *'olie oder einem Streifen, der die auftreffende Strahlung absorbieren kann, wobei dieser Streifen mit geeigneten Einrichtungen an seinen Enden unter Spannung gehalten wird, so dass er in einem Zustand gehalten wird, in dem er mit seiner charakteristischen Frequenz Tibrieren kann. Die Xnderung der Temperatur des Streifens durch die Absorbtion der auftreffenden Strahlung bewirkt eine Änderung dieser Spannung, und dadurch wird ββine natürliche Frequen* geändert. Um dl« ä WärmeTerluste Tom Streifen zu Terringern und eine Dämpfung der Tibration su beseitigen, wird der Streifen in ein· Takuumkammer montiert, die ein für die auftreffende Strahlung transparentes Fenster hat· Ss sind ferner Einrichtungen τοrgesehen, mit denen der Streifen 1» Vibration τβτ-setst werden kann, und dritte Einrichtungen, mit denen die Vibration des Streifens detektiert werden kann. Typischerweise ist die Spannung des Streifen· langsam mittels einer Tierten Einrichtung einstellbar, «ad diese Spannung wird so kontrolliert, da·· ein· lenn-Betriebsfrequen» •ingehalten wird, wie noch beschrieben wird*

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Bezüglich der Effekte τοη akustischen und mechanischen Vibrationen auf den Detektor ist ein zutreffender Ausdruck für das Verhalten des Detektors bezüglich Mikrophonien das Verhältnis einer Spannungsänderung des Streifens aufgrund einer spezifizierten Querbeschleunigung zur Spannungsänderung des Streifens aufgrund einer spezifizierten Temperaturänderung. Der Zähler dieses Verhältnisses, d.h. die Änderung der Streifenspannung aufgrund einer Querbesohleunigung ändert sich linear mit der Größe der Beschleunigung, so dass das Verhältnis bei vernachlässigbar kleinen Beschleunigungen vernachlässigbar wird. Ferner ist festzustellen, dass sioh das Verhältnis umgekehrt alt dem Quadrat der Spannung im Streifen ändert, so dass, wenn dies· Spannung groß wird, das Mikrophoniererhalten , des Detektors verkleinert wird, ohne dass die Spannungeänderung aufgrund der Temperatur sich entsprechend verringert. Dementsprechend kann ein solcher Detektor wesentlich weniger empfindlich gegen Wkrophonie-Effekte gemacht werden als bekannte Detektoren, beispielsweise das Oerät nach Jones.

Bei den üblichen Anwendungen für Infrarotdetektoren ist es erwünscht, dass der Detektor auf sich schnell ändernde auftreffend· Strahlung reagiert. Um zum Beispiel gegen unerwünschte thermische Iin»trahlung iu diskriminieren, ist es üblich, die auftreffend· Strahlung» die gemessen wurden soll, mit einer niedrigen ?r«qn«ns SD unterbrechen, beispielsweise mit 10 Hertz. Sin brauchbarer Detektor muß also in der Lag« sein, mit gutem Wirkungsgrad auf eine schnell fluktuierende auftreffende Strahlung anzusprechen. Durch die Erfindung soll also weiterhin ein Detektor verfüg-

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bar gemacht werden, dessen thermische Kapazität so niedrig ist und dessen Ansprechgeschwindigkeit so groß ist, dass dieser Forderung geäugt wird.

Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sowie Einzelheiten von speziellen Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigern

Fig. 1 einen Tertikaischnitt durch eine Ausführungsfora eines erfindungs-

gemässen Betektorsj

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1| Pig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1| Fig. 4 einen Schnitt durch eine Folienhaltereinrichtungj Fig. 5 ein -Blockschaltbild einer Schaltung eines erfindungsgenäseen

Detektorsι Fig. 5» eine abgeänderte Ausftihrungsform eines Teile der Schaltung

nach Fig. 5j Fig. 5b eine Weitere Ausführungeform eines Teils der Schaltung nach

fig. 5t Fig. 5c noch eine andere Ausführungeform eines Teils der Schaltung

nach Fig. 5J und Fig. 6 «ine scheaatiecht Barstellung einer Anordnung car Messung der

Spektraleigenschaften τοη chemischen Proben mit einem S trab, lungs-

■eßeyatem nach der Erfindung.

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In der Zeichnung ist die Folie 10 in Fora eines dünnen, rechteckigen Streifens dargestellt, sie kann jedoch auch andere Formen haben.

Das *Olienmaterial soll zunächst einen hohen thermischen Dehnungekoeffizienten haben, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmekapazität, geringe Dichte und hohen Xoungschen Modul. Je günstiger diese Eigenschäften in einem speziellen Werkstoff sind, um so höher ist die Spannungeänderung aufgrund einer Xnderung im auftreffenden Spannungspegel, und um so höher ist im allgemeinen die Empfindlichkeit. Die Detektorempfindlichkeit soll genügend hoch sein, so dass die begrenzende Rauschspannung im Detektor entsteht und nicht im Torrerstärker.

Für günstigstes Betriebeverhalten soll die Folie so dünn wie möglich sein, um ihre Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zu verringern. Wenn der Detektor durch thermisches Austauschrauschen begrenzt werden soll, dürfen Energieverluste vom Streifen nur durch Strahlung erfolgen. Der ψ Streifen soll in ein evakuiertes Gehäuse montiert werden, um Konvektionsverluet zu verhindern} Konduktioneverluste zur Trageinrichtung sind unvermeidbar, können jedoch gemäss obigem vernachlässigbar gemacht werden.

Verfahren, um ungestützte dünne *ilme von 0,2 Mikron (2 ζ 10***»*) Stärke oder dünner herzustellen, sind folgendeι

a Niederschlag des Werkstoffee aus dem Vakuum auf einen polierten Träger wie NaCl, der anschließend vom Film dadurch getrennt werden kann, dass der Kristall in Wasser gelöst wird)

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- 9 b Niederschlag des Werkstoffes aus dem Vakuum auf einen Film aus Kollodium, das leicht in Äther gelöst wird?

c mechanisches Walzen des Materials zur gewünschten Stärke; d Elektropolieren des Werkstoffes auf einen elektrisch leitenden

Träger, der später weggelöst wird; und e Ätzen eines "dicken" Filmes auf die gewünschte Stärke.

Es gibt einige Werkstoffe, die ausgezeichnete Eigenschaften haben, die M jedoch nur schwierig zu ultradünnen Filmen bearbeitet werden können. Beryllium hat beispielsweise sehr günstige -Eigenschaften in der Masse, aufgedampfte dünne Fume sind jedooh sehr spröde, weil sich während des Aufdampfens ein großer Prozentsatz Berylliueoxyd bildet. Nickel hat günstige Eigenschaften in der Masae und bildet während der Verarbeitung zu dünnen Filmen nicht leicht Oxyde, und gewisse Legierungen, besonders Nickellegierungen werden als brauchbar für den Empfängerstreifen betrachtet. Se kann sein, dass alle reinen Metalle für diesen Zweck nicht gut geeignet sind, weil diejenigen, die unter gewissen Gesichtspunkten die besten sind, ein· hohe Wärmeleitfähigkeit haben - mit Ausnahme eines ™ Spezialfalles, der später betrachtet wird.

Ee ist üblich, Strahlungsempfänger mit einem Werkstoff niedriger Wärmekapazität unter Verdampfungsbedingungen zu beschichten, die zur bildung einer stark absorbierenden Schicht niedriger volumetrisoher dichte führen. Es ergibt sich.dadurch ein Anstieg in der absorbierten Strahlung um etwa einen Faktor τοη 20. Im i'alle einer Nickellegierungs-Folie wird Nickel-

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'"schwarz" in etwa der gleichen Menge Material pro Flächeneinheit wie der Empfänger selbst in einer Argonatmosphäre auf die Empfängerfolie aufgedampft, und zwar unter -^rucken etwa i« Bereich von 1-10 Torr.

Eine brauchbare Form für einen Empfänger ist beispielsweise eine Nickellegierungs-Folie von 0,2 Mikron Stärke, die mit Nickel-"schwarz" in der gleichen äquivalenten Masse wie die Folie beschichtet ist, d. h. ein ■* System von etwa von 0,4 Mikron Gesamtstärke»

Es wird auch eine *'olie in Betracht gezogen, die dünn genug ist, um der Eigenimpedanz des freien ^aumes angepasst xu werden, es würde sich dadurch eine *olie ergeben, die die Fähigkeit zeigt, 25$ oder mehr zu absorbieren, ohne geschwärzt zu werden, so dass eich ein sehr wirksamer Energieübergang zur Folie ergibt. Eine ungestützte Folie dieser stärke (etwa 0,003 - 0,03 Mikron) würde sehr empfindlieh sein, das Betriebeverhalten eines solchen Detektors würde jedoch sehr nahe an der theorefc tischen Grenze liegen, die durch das thermische Austauechr&uschen gegeben ist. Weiter könnte in diesem Spezialfall die hohe Wärmeleitfähigkeit eines reinen Metall ausreichend durch den kleinen Wärmeleitungequerschnitt des dünnen Streifens ausgeglichen werden.

Erfindungsgemäss ist eine ""inrichtung vorgesehen, mit der die Folie unter Spannung gehalten wird, so dass die 'olle in einem Zustand gehalten wird, in dem sie mit einer charakteristischen Frequenz vibrieren kann, und diese Frequenz int sowohl von der °pannung als auch von anderen Eigenschaften

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der Kolie abhängig, Eine Änderung der Temperatur der Folie durch die Absorbtion auftreffender Strahlung sorgt für eine Änderung der Olie»- spannung, so dass ihre charakteristische oder natürliche Vibrationsfrequenz verändert wird. Sine ungewöhnlich vorteilhafte Konstruktion einer solchen Halteeinrichtung besteht.aus isolierenden -Blocks 11 und 12 (Fig. 1 und 2), beispielsweise aus Phenolharz, die an beiden ^Wen eines festen Elementes, beispielsweise eines Aluminiumstabes 13» angeordnet sind, der einen erwünschten thermischen DehnungBkoeffizienten aufweist und die Kraft überträgt, die dazu dient, die Folie in Spannung zu halten. Klemmen 14 und 15» die einstellbar bei 16 und 17 an den -Blöcken befestigt sind, greifen die Folienenden 18 und 19» 80 dass die Folie zwischen den Klemmen in Spannung gehalten wird, wie am besten in Fig. 4 erkennbar ist. Von den Klemmen verläuft die Folie üblicherweise über zylindrische Träger 50, mit denen die *olienrichtung leicht geändert wird, wie dargestellt ist.

Erfindungsgemäss wird weiter eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Temperatur des festen Stabes 13 geregelt wird, und zwar in dem Sinne, dass die die Kraft übertragende Abmessung des Stabes 13 nachgestellt wird, üb so die Jf'o Ii en spannung zu regeln. Eine solche """emperaturregeleinrichtung besteht aus einer Heizspule oder einem Widerstandsdraht 20, der in der dargestellten Weise ua den Stab 13 gewickelt ist, so dass ^wärme auf den Stah übertragen wird, so dass sich dieser dehnt oder »ueamiienstieht, je nach den Änderungen in der Wärmeübertragun/s-sg-schwindigkeit. Die Heiz-

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leistung für die Spule 20 kann in der Weise geregelt, «erden, dass eine auegewählte Nenn-Betriebsfrequeni der *olie aufrechterhalten wird, tie noch erläutert wird.

Die Folienribration bei einer charakteristischen oder natürlichen Frequenz wird nit einer geeigneten Einrichtung herbeigeführt, beispielsweise einer -"'olienantriebselektrode 21, deren Wechselstromeingang nit. 40

W bezeichnet ist. Zusätzlich bildet eine dritte Einrichtung, beispielsweise eine Aufnehmerelektrode 22, bei 41 einen Auegang, der der Frequenz der Folienvibration entspricht. Die Elektrode 21 ist typischerweise ao angeordnet, dass sie eine elektrostatisch induzierte Vibration der Folie hervorruft, und die Elektrode 22 kann einen kapazitiren Aufnehaer bilden, so dass sie für die *olienquerlage empfindlich ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Elektroden 21 und 22 der Folie gegenüberstehende Flächen, die etwa jeweils den halben Raue unterhalb der Folie erfassen. Andere Elektrodenlagen mit Bezug auf die Folie können rerwen-

k det werden, sofern die Elektroden in der Lage sind, die Folie su Vibrationen anzutreiben und ihre Vibrationen abzufühlen.

Im dargestellten System muß eine Polarieatione-Gleichspannung über die Aufnehmer- und Antriebselektroden gelegt werden, wenn die zugehörige Schaltung auf der Grundfrequens der Folie arbeiten soll, file aelbstrorspannenden Eigenschaften eines FET-Folgere 23, der noch beschrieben wird« sorgen für die polarisierende Gleichspannung bezüglioh der Elektrode 22.

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Die notwendige Gleichspannung für die Antriebselektrode 21 wird über eine Gleichstromquelle 110 und einen Widerstand 111 geliefert, die gemäss Fig. 5 angeschlossen sind, wobei im Weg 40 noch ein -Blookkondensator 112 angeordnet ist. Statt des elektro-statischen Aufnehmers und Antriebes, oder in Kombination damit, können magnetische Aufnehmer und Antriebe und/oder optische Aufnehmer ebenso gut verwendet werden.

Eine Änderung in der Strahlung, die momentan auf die Folie auffällt, ändert momentan die Foliespannung und damit deren Resonanzfrequenz, wobei die Zeitkonstante des Trägerstabhaltsystems zu groß ist, um eine sofortige Auelöschung der ^pannungaänderung durch die geänderte Strahlung zu erlauben. Diese Frequenzänderungen in der Folienvibration werden kontinuierlich überwacht und dazu ausgenutzt, ein Au·gangssignal zu liefern, das proportional der momentan auf die Folie auftreffenden Strahlungsmenge zu liefern.

Das elektrische System, mit dem die Folienpoaition abgefühlt wird und I die Folie in Tibration unter ihrer eigenen Begonanzfrequenz gehalten wird, iat achematiech in Fig. 5 dargestellt. Der vibrierende Streifen 10 und dit stationäre Aufnehmerelektrode 22 bilden eine sich periodisch ändernde Kapazität. Der vibrierende Streifen iit geerdet, und die Aufnehmerelektrode iat elektrisch mit einem Feldeffekttransistor 23 verbunden, der al· Quellenfolger arbeitet, d.h. die Tariation 4er Kapazität mit .der Frequenz der Vibration de· Streifen· induziert einen Weohaeletrom in

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Gatter dee sich selbst vorspannenden Feldeffekttransistors. Der Wechselstrom wird in 24 verstärkt und in 26 auf einen vorgegebenen Pegel begrenzt. Ein Teil des reduzierenden Signals wird bei 40 zur Treibelektrode 21 geführt, der voreingestellte Pegel ist dabei so ausgewählt, dass eine passende Amplitude der Streifenvibration erreicht wird. Der Rest des verstärkten Signals wird in einer bei 27 auftretenden Ausgangsspannung umgewandelt, die proportional der Folienvibrationsfrequenzänderung ist, die durch die Änderung der auftreffenden Strahlungsintensität bewirkt wurde. Diese Umwandlung wird üblicherweise mit Schaltungeelementen durchgeführt, die bei 27 eine Gleichspannung erzeugen, deren Amplitude sich entsprechend der Frequenzänderung ändert, dazu gehören ein Verstärker 2Θ und ein Diskriminator 31.

In praktisch arbeitenden Infrarotspektrophotometern wird die auftreffende Energie, bei Fig. 1 mit 33 bezeichnet, periodisch bei 34 zerhackt oder unterbrochen, beispielsweise mechanisch mit rotierenden Flügeln, und die erwähnten Signale ändern sich periodisch mit der Zerhackeretellung. Der Ausgang bei 35 gemäß Fig. 5 besteht also aus einer Wechselstromkemponente mit der Zerhaokerfrequena, die ein ablesbare« Sifa«! tat, das die auftreffende Strahlumgaenergie anzeigt, zusammen mit einer Gleichstromkomponente, die die natttrliohe Kennfrequena «steigt.

Sie Uleichatromkomponente de· Ausgang« 27 «ir** *«i 36 mit einer regelbaren Bezugsepaaaumg 37 verfHohen, und da« aioh bat 3· ergebend· Signal steuert das Heiaarelement 20, wie oben erwähnt, um au gevährlelaten,

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dass die *'olie in einem Frequenzbereich vibriert, der für günstigen Diskriminatorbetrieb ausgewählt worden ist.

lie oben in Terbindung mit Fig. 5 erläutert worden ist, hat das ium FET-Folger 23 gelieferte Signal die Frequenz der Streifenvibration, wenn die Aufnehmerelektrode 22 mit einer Gleichspannung rorgespannt ist. Es ergeben sich jedoch Torteile, wenn eine hochfrequente Wechselspannung femäss Fig. 5a. verwendet wird. Bei dieser ^Ausführungsfora wird die Elek- ™ trode 22 gleichstrommässig auf Erdpotential gehalten, wird jedoch mit einem Hochfrequenzsignal vorgespannt, dss von einem Hochfrequenzoszillator 29 stammt, der lose mit dem Hochfrequenzresonanzkreis 42 gekoppelt ist. Sie sich ändernde Kapazität zwischen der Elektrode 22 und dem Streifen sorgt dafür, dass die Amplitude der Hochfrequenzschwingung auf der Elektrode 22 Sich ändert, und dieses modulierte Hochfrequenzsignal wird zum Hochfrequenzverstärker 44 und Demodulator 45 übertragen. Der Ausgang des Demodulators hat eine Wechselkomponente mit einer 'requenz gleich d*r Vibrationsfrequenz des Streifens, und diese kann weiter im ^verstärker * 24 verstärkt und so weiter verarbeitet werden, wie im Rest der Schaltung nach Fig. 5 dargestellt ist.

4* ergeben sich mehrere Yorteile, wenn eine hochfrequente Vorspannung für die Elektrode 22 verwendet wird, wie eben beschrieben worden ist. Sie Impedanz der Kapazität »wischen der Elektrode 22 unter dem Streifen 10 ist sehr viel kleiner bei der Frequenz des Hochfrequenzoszillators Hie bei der natürlichen Tibrationsfrequen des Streifens. Dadurch wird

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es leichter, den Verstärker für das Signal auf der Elektrode 22 bo zu konstruieren, dass es vermieden wird, störendes elektrisches Rauschen einzuführen. Weiter haben Weohselstromsignale mit der Vibrationsfrequenz des Streifens, die auf dem Anschluß 40 und der Elektrode 21 erscheinen, keinen Effekt auf den Hochfrequenzverstärker 44 , und damit führen Streukapazitäten zwischen den Elektroden 21 und 22 nicht zu einem Signal-

fe übergang zwischen diesen Elektroden, der unabhängig von der Streifenvibration ist. Tatsächlich isoliert die Verwendung einer Hochfrequenzvorspannung auf der Elektrode 22 so stark gegenÜbersprechen zwischen den Signalen auf dem Anschluß 40 und dem im Hochfrequenzverstärker 44 verarbeitenden Signalen, dass es möglich wird, die Elektroden 21 und zu kombinieren, wodurch eine der Elektroden vermieden werden kann. In diesem Falle, der in Fig. 5b dargestellt ist, würde der Resonanzkreis 42 nicht mit Erde verbunden werden, wie dargestellt, sondern statt dessen mit den Anschluß 40 verbunden, und die Verbindung von 40 zur Elektrode entfällt. Der Kondensator 43 wird in die Schaltung eingeschlossen, so

~ dass Hochfrequenzsignale zum Verstärker 44 übertragen werden, es wird jedoch vermieden, diese niedrigen Frequenzen, die vom Anschluß 40 zur Elektrode 22 geliefert werden, kurz zu schließen.

Bei der *usführungsform nach Fig. 5 kann ein üblicher Frequenzdiskriminator 31 verwendet werden, der ein Frequenzen diskriminierendes Element enthält. Biese letztere kann z.B. eine Foster-Seeley-Schaltung sein, und in diesem Falle besteht das Frequenzen diskriminierende Element aus einer Spule und einem Kondensator. Als Alternative zu der dargestellten Aue-

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führungsform kann die -"olie 10 (mit der zugehörigen Antriebs- und Aufnehmerelektronik)^aefn Diskriminatorelement verwendet werden, das mit einem Oszillator fester Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz angetrieben wird; in diesem, in Fig. 5c illustrierten Falle, schwingt die Folie nicht mit ihrer Resonanzfrequenz, sondern wird gezwungen, mit der Antriebsfrequeaz des Festfrequenzoszillators 30 zu schwingen. Die Amplitude der Folienschwingungen steigt oder fällt, je naoh dem, wie Tem- * peraturänderungen die Resonanzfrequenz der Folien mehr an die Frequenz des Festfrequenzoszillators heranbringen bzw. von dieser entfernen. Diese festen Frequenzen mit sich ändernder Amplitude können dann bei 60 demoduliert werden, ua die gleichen Arten von Signalen 27a zu erhalten, wie sie am Ausgang 27 des Diskriminators 31 gemäss Fig. 5 auftreten.

Ea gibt jedoch noch weitere mögliche Ausführungeformen für einen erfindungsgesaäseen Detektor. Beispielsweise kann die Folie mit ihrer charakteristischen Resonanzfrequenz vibrieren, wie in der anfänglich besproohenen Ausführungsform, und ihr elektrisches Ausgangssignal mit dieser Frequenz kann mit dem Ausgang eines Festfrequenzoszillators au Schwebungen überlagert werden. Die Schwebungsfrequenz kann dann überwacht werden, und aus dieser kann eine extrem empfindliche Funktion der Resonanzfrequenz der Folie abgeleitet werden, und damit für die auf dies· auftreffende Wärmeenergie.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Folie mit der Haltevorrichtung

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in eine geschlossene Kammer 45 eingebaut, die wenigstens teilweise evakuiert ist, beispielsweise mit einer Pumpe 46, um die Urzeugung von Rauschen durch Gaskontakte mit der *'olie zu verringern. Sie Kammer enthält ein Fenster 47, das auf die Folie auftreffende Strahlung durchläßt.

Wie bereits erwähnt worden ist, litten die Detektoren von Dingee

und Jones unter Hikrophonieeffekten. Das ist besondere auf die ge-P ringen Druckkräfte zurückzuführen, die im Detektor nach Dingee verwendet werden, und die niedrige Spannung in dem Detektor nach Jones. Erfindungsgemäss werden ziemlich hohe Kräfte verwendet, die in der Nähe der Bruchlast der Folie liegen. Diese liegt einige Größenordnungen höher als die bei den Konstruktionen nach Dingee oder Jones auftretenden Kräfte; Mikrophonieeffekte sind dementsprechend auf ein vernachlässig' barea Niveau herabgesetzt.

Weiter beruht der erfindungsgemässe Detektor nicht auf einer elektrischen t Leitung durch die aktiven Elemente, und es treten deshalb die Rauschgrenzen nicht auf, die in Thermoelementen und Bolometeraystemen anzutreffen sind} es ergibt sich ein· 20 mal niedriger* äquivalente Rauschleistung.

Eine typische Vorrichtung, in der das beschrieben· Strahlungern·Bsystem zweckmäßigerweise verwendet wird, ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Infrarotquelle 120 richtet Infrarotstrahlung bei 12? auf einen rotierenden, in Sektoren unterteilten Spiegel 34b, der von einem Motor 123b angetrieben wird. Der rotierend· Spiegel richtet abwechselnd di· Strahlung

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über Wege 128a und 128b auf einen zweiten rotierenden, in Sektoren unterteilten Spiegel 34a, der mit einem Motor 123a angetrieben wird. Wenn die Strahlung den Weg 128 durchläuft, wird sie von einem stationären ebenen Spiegel 121a abgelenkt, so dass sie durch eine Probe 122 läuft, deren optische Absorbtionseigenschaften bestimmt werden sollen. Während sie den leg 128b durchquert, wird die Strahlung von einem Spiegel 121b abgelenkt.

Der rotierende Spiegel 34& liefert einen rekombinierten Strahl 1291 der aus Strahlungsimpulsen besteht, die gerade durch eine Probe 122 gelaufen sind und die mit Strahlungsimpulsen abwechseln, die nicht durch die Probe 122 gelaufen sind. Der Strahl 129 tritt in einen Monochromator 124 ein, der ein schmales Strahlungsband des Strahls 129 auswählt, üb es bei 130 in ein Strahlungsmeßsystem 125 zu übertragen. Das letztere kann irgendeines der Syateme nach Fig. 5 - 5c sein. Die elektrischen Signale vom Strahlungsmeßsystem 125 werden 131 in eine Verarbeitungs- und Ableseeinrichtung 126 geschickt, in der die abwechselnden gepulsten elektrischen Signale I3I in üblicher V/eise verarbeitet werden, um das Verhältnis der beiden jeweiligen Impulshöhen zu erhalten. Da diese ImpulshShen die die Wege 128a bzw. 128b durchquerende Strahlung repräsentieren, stellt dieses Verhältnis das ^¥erhältnia zwischen der Strahlungsintensität dar, die die Probe 122 verläßt, und der Strahlung, die in die Probe 122 eintritt. Dieses Verhältnis wird automatisch von einem Schreiber ausgegeben, einem Anzeigeinstrument, einer Ziffernanzeige oder dergleichen. Diese Wellenlänge der StraV.ang 130, die vom Mono-

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chromator 124 ausgewählt wird, wird durch Einstelleinrichtung 152 festgelegt, die auch die Verarbeitungs- und Ableseeinrichtung 126 steuert, um dasjerwähnte Terhältnis mit der Wellenlänge zu korrelieren. Die sich so ergebende sichtbare Information stellt die spektrale Durchlaßcharakteristik: der Probe 122 dar.

In der beschriebenen Vorrichtung besteht die Verarbeitung- und Anzeigeeinrichtung 126 aus einem elektrischen Nullbalance-System. Bei anderen typischen Vorrichtungen wird eine optische Nullbalance-Anordnung verwendet, die aus einem optischen Teil oder einem anderen, nicht dargestellten veränderlichen Dämpfer im ersten Zweig des Weges 126b besteht; in diesem Falle enthält der Verarbeitungs- und Daretellungsblock 126 eine elektronische Vergleichsschaltung, deren Ausgangespannung dazu geeignet ist, den veränderlichen Dämpfer so einzustellen, dass die beiden Impulshöhen im Strahl 129 gleich werden.

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Claims

P1

Patentansprüche

1. Verfahren zum Detektieren von Strahlungsintensitäten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streifen vorgegebener Länge gespannt gehalten und in Vibrationen versetzt wird, ein Teil des Streifens bestrahlt wird, und eine Änderung in der Streifenspannung detektiert wird, während ' gleichzeitig die gespannte Länge des Streifens im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung in der Vibrationsfrequenz detektiert wird*

3. Strahlungsaeßgerät zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie derart in einer Spanneinrichtung angeordnet ist, dass sie die zu messende Strahlung em-

. pfangen kann, und dass ein Aufnehmer vorgesehen ist, mit dem Änderungen in der Spannung gemessen werden, die vom Auftreffen der Strahlung herrühren.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die Folie in Vibration versetzt wird, und da·« der Aufnehmer und die zugehörige Schaltung dazu geeignet ist, Änderungen in einer Charakteristik der Vibrationen zu detektieren.

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5· Gerät nach Anspruch 4 zur durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit ihrer natürlichen Resonanzfrequenz ribriert und dass die Charakteristik diese Frequenz ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz in der Nähe ihrer natürlichen Resonanzfrequenz vibriert, und dass die Charakteristik die Amplitude P der Vibrationen ist.

7· Gerät nach Anspruch 4» 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungseinrichtung eine Elektrode aufweist, mit der eine veränderliche elektrostatische Kraft angelegt wird.

β. Gerät nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungseinrichtung eine Quelle für Schwingungen fester Frequenz aufweist, die elektrisch mit der Antriebselektrode verbunden ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 4 - Θ, daduroh gekennzeichnet, dass der Aufnehmer ein kapazitiver Aufnehmer ist.

10. Gerät nach Anspruch 7 oder 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, das· eine einzige Elektrode sowohl als Antriebselektrode al· auch als kapazitiver

Aufnehmer dient.

11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer eine Hoohfrequenz-Träger-Quelle aufweist, die elektrisch alt

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dem kapazitiven Aufnehmer verbunden ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 4-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung den zeitlich gemittelten Wert der Charakteristik auf einem vorgewählten Wert hält.

13* Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung aus eine« Bauteil besteht, dessen Dimension in Richtung parallel ™ zu der Spannung veränderlich ist, und einer auf den zeitlichen Mittelwert der Charakteristik ansprechenden Einrichtung, mit der die Veränderung des Elementes geregelt wird.

14. Gerät naoh einem der Ansprüche 3-13» dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus einer Nickellegierung besteht.

15. Gerät naoh einem der Ansprüche 5 - 14, dadurch gt ennzeichnet, dass

die *olie in einer wenigstens teilweise evakuierten Kammer angeordnet g ist, und dass die Kammer ein für infrarote Strahlung transparentes Fenster aufweist, so dass diese auf die Folie fallen kann.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 3-15» dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechungeeinrichtung vorgesehen iflt, mit der die auf die Folie auftreffende Strahlung zyklisch unterbrochen wird.

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