DE1934764C2 - Pyroelektrischer Detektor - Google Patents

Description

Sr, .,BaJ₁Nb₂O₆

mit χ zwischen 0,25 und 0,75 besteht

5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die polare Richtung des Körpers (1) im jo wesentlichen parallel zur beabsichtigten Strahleinfallsrichtung (4) verläuft und daß die Elektroden (6,

9) so angeordnet sind; daß C.t in Strahleinfallsrichtung entwickelte Polari:ät gemessen wird (F i g. 1).

6. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Plättchen ist, dessen Dickendimension in der Strahleinfallsrichtung liegt und bei dem die Elektroden (18 bis 22) an zwei gegenüberliegenden Kanten angeordnet sind (F ig. 2).

Die Erfindung bezieht sich auf einen pyroelektrischen Detektor der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Die Feststellung infraroter elektromagnetischer Strahlung, d. h. einer Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 700 nm, war immer etwas schwieriger als die vo Feststellung von Strahlung mit kürzerer Wellenlänge. Üblicherweise wurde hierzu die Energie in Wärmeenergie umgesetzt, die dann zu einer physikalischen Änderung in einem ausgewählten Material einfach infolge eines Temperaturanstieges führte. Ein Beispiel hieifür ist die Golay-Zelle, die die Ausdehnung eines begrenzten Gasvolumens mißt, das für eine Absorption der Inffarotenergie ausgelegt ist

Es leuchtet ein, daß die Verwendung solcher Aufheizeffekte zu Detektoren führt, die sowohl in ihrem Frequenzgang als auch in ihrer Empfindlichkeit begrenzt sind. Während Verbesserungen im Laufe der Zeit zu Vorrichtungen führten, die Energien bis zu χ ΙΟ-⁷ mW Hz-"² herab festeilen können, erlaubt das typische Modulationsfrequenz-Ansprechverhalten eine Anzeige nur bei Frequenzen, die nicht größer sind als einige wenige kHz.

Der Mangel von Infrarotdetektoren wurde durch die

Entwicklung des Lasers noch verstärkt Die meisten Laser und alle im Dauerstrich betriebenen Laser arbeiten bei Frequenzen des infraroten oder nahezu infraroten Spektralbereichs, Beispielsweise arbeitet ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat, der derzeii der erfolgversprechendste Festkörperlaser ist, kennzeichnenderweise bei 1064 nm.

Naturgemäß findet die durch Laser-Schwingung erzeugte kohärente Strahlung beim NachricT.tenübertragungsfachmann Beachtung, da hiermit eine weitere Ausdehnung der verfügbaren nutzbaren Trägerfrequenzen gegeben ist So wurde viel Arbeit auf die Entwicklung der verschiedenen Schaltungselemente, wie Modulatoren, Oszillatoren usw., die in solchen Übertragungssystemen erforderlich sind, verwendet Der Vorteil der nunmehr verfügbaren höheren Trägerfrequenzen ist eine vergrößerte Bandbreite. Modulatoren und gewisse andere Schaltungselemente sind bereits bei etwa einem Gigahertz betrieben worden, und es scheint deshalb einigermaßen aussichtsreich zu sein, daß Laser-Trägersysteme entwickelt werden.

Ein Hauptmangel in einem solchen Übertragungssystem ist der Detektor. Ein brauchbarer Detektor müßte in der Lage sein, bei der gleichen Größenordnung der Frequenz wie die anderen Schaltungselemente arbeiten zu können. Die einzigen Anordnungen, von welchen berichtet wurde, d»8 sie bei Frequenzen des infraroten Spektralbereichs arbeiten können, erfordern für ihren Betrieb sehr tiefe Temperaturen (Temperatur des flüssigen Heliums). Die beste dieser bekannten Vorrichtungen ist mit Kupfer dotiertes Germanium. Es besteht deshalb ein Bedürfnis für einen Infrarot-Detektor, der sich für Hochfrequenzbetrieb und für einen Betrieb bei normaler Umgebungstemperatur eignet

Einige Untersuchungen richteten sich auf eine Klasse von Detektoren, die bei flüssigem Stickstoff und höheren Temperaturen arbeiten und auf der pyroelektrischen Spannung infolge einer Änderung der spontanen Polarisation beruhen, die das Ergebnis der durch die Absorption der Infrarotstrahlung entwickelten Wärme ist Entsprechend der einschlägigen Literatur kann man sagen, daß Triglycinsulfat das beste bisher bekannte Material für solche pyroelektrische Detektoren ist, siehe Japanese Journal of Applied Physiks 6 (1967) 120. Die Grenzfrequenz dieser Detektoren ist jedoch bestenfalls 10 oder 100 kHz.

Ersichtlich ist das Ansprechverhalten eines pyroelektrischen Detektors durch die Polarisationsänderung mit

der Temperatur,—jy\ bestimmt, und unter gewissen

Umständen auch durch die elektronische Leitfähigkeit Die bisher herrschende Auffassung, daß solche Detektoren nicht bei hohen Frequenzen wirksam

arbeiten werden, wird durch die gemessenen Werte von

—-£· unterstützt Bisher untersuchte Materialien gaben

dem Fachmann keinen Anlaß dafür, daß sie sich bei Frequenzen oberhalb 100 kHz bei vernünftigen Energiewerten betreiben lassen.

Die bisher fehlende Aktivität auf dem Feld pyroelektrischer Methoden rührt auch von einer weiteren Beschränkung im Frequenzbetrieb her. In Japanese Journal of Applied Physics a.a.O. ist angemerkt, daß Hochfrequenzbetrieb wegen einer bei etwa 1OkHz einsetzenden piezoelektrischen Schwingung ausgeschlossen war. Tatsächlich waren die Materialien mit

den größten Werten von —*-, zumindest bisher,

α Γ

ferroelektrisch und wurden unterhalb ihrsr Curie-Punkte betrieben. Von allen diesen Materialien wurde dither erwartet, daß sie stark piezoelektrisch sind. Eine durch Strablabsorption erzeugte lokale Erhitzung fährt naturgemäß zu Volumschwingungen des Kristalls, die notwendigerweise eine begleitende piezoelektrische Schwingung erzeugen. Die niedrigste Grundschwingungsform begrenzt deshalb den brauchbaren Frequenzbereich nach oben. Diese Frequenz, die ihrerseits von der Kristallkonfiguration abhängt, wird deshalb ι ο regelmäßig weit unterhalb eines Megahertz für auf Detektordimensionen bemessene Kristallabschnitte liegen.

V In Ceramic Bulletin, 46 (1967) 737-740 sind eine Reihe Materialien zur Verwendung bei pyrof.lektrischen Detektoren der eingangs genannten Art bsschrieben. Im einzelnen werden Triglycinsulfat, Trigiycinfluorberyllat Lithiumsulfat, Rochelle Salz, Bariumtitanat und Bleizirkonattitanat genannt Die dort speziell an ν Triglycinsulfat gemachten Versuche zeigen, daß die > Nachweisbarkeit von Infrarotstrahlung stark oberhalb 100 Hz abfällt, und zwar hauptsächlich wegen Rauschef-J fekten von Detektor und nachgeschaltetem Verstärker. Siehe die dortige Fig. 5. Die maximale Nachweisbarkeit der untersuchten Materialien Hegt zwischen iir und - i 10⁸ cm χ Hz^I/2/Watt wobei letzterer Wert für Triglycinsulfat gilt

Auch in Journal Scientific Instruments, 44 (1967) 694-696 sind eine Reihe Materialien für pyroelektrische Detektoren beschrieben, so neben den vorgenannten Materialien noch Thurmalin. Es wird dort versucht, die obere Frequenzgrenze dadurch höherzutreiben, daß ein frequenzkompensierter Verstärker benutzt wird. Hierdurch läßt sich die obere Grenzfrequenz bis auf 100 kHz hochschieben, was eine Beschränkung der effektiven Ansprechzeit auf 2 Mikrosekunden entspricht Die obere Frequenzgrenze rührt von einer mechanischen Resonanz (Detektorrauschen) als Folge des Wärrneschocks bei der Infraroteinstrahlung her.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen pyroelektrisch«™ Detektor der einleitend beschriebenen Art bereitzustellen, dessen obere Grenzfrequenz weit oberhalb von 1 Megahertz liegt

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen pyroelc:!arischen Detektor bleiben Kristallresonanzen infolge piezoelektrischer Schwingungen, die durch die periodische Gitterausdehnung auf die von der Strahlung erzeugten Temperaturänderungen hin entsteher., unterdrückt und schließen praktisch jeglichen beobachtbaren piezoelektrischen Effekt aus.

Bevorzugt hat der Körper eine akustische Dämpfung von zumindest 5db pro cm bei einer Frequenz von 100 MHz. Ebenfalls bevorzugt ist der Körper aus einem ferroelek frischen Material mit einem Curie-Punkt, der maximal um 50" C höher als die Betriebstemperatur gelegen ist Vorteilhaft besteht dann der Körper im wesentlichen aus Sn-^Ba₁Nb₂Oe mit χ zwischen 0,25 und 0,75.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

Fi g. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Detektors und

F i g. 2 eine Draufsicht teilweise geschnitten, auf

15

20

JO

•13

60 einen Detektor mit einem Mosaik von pyroelektrischen Körpern, der beispielsweise für Bildreproduktion und Strahlpositic-nierunK brauchbar ist.

Der Detektor nach F i g, 1 weist den pyroelektrischen Kristall i auf, dessen polare Achse durch den Pfeil 2 angedeutet ist Der Kristall 1 ist in einem Gehäuse 3 zum Empfang von Strahlung 4 in der dargestellten Lage montiert Die Fläche des Kristalls 1, auf weichen die Strahlung auffällt, ist geschwärzt, beispielsweise mit einer aufgedampften Goldschicht Lichtundurchlässige Beschichtungen werden zweckmäßig angewandt, wenn die festzustellende Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10 Mikrometer oder darunter hat Bei größeren Wellenlängen sind Materialien wie die Barium-Strontium-Niobat-Zusammensetzungen ausreichend absorbierend, so daß eine absorbierende Beschichtung nicht nötig ist Elektrischer Kontakt ist zu den gegenüberliegenden flachen Oberflächen des Kristalls 1 mit Hilfe Elektroden 6 und 7 hergestellt, wobei die Elektrode 6 mit dem Gehäuse 3 geerdet ist und die Elektrode 7 zu einem zentralen Koaxialanschlußstück 8 führt Der Detektor nach F i g. 1 wurde zum Erhaii einiger der hier berichteten Versuchsergebnisse benutzt

Der Detektor nach F i g. 2 ist ein einfaches Mosaik, das beispielsweise bei der Feststellung und Zentrierung eines gepulsten oder anderweitig modulierten Infrarotstrahls brauchbar ist Die Justierung eines kohärenten Laser-Ausgangstrahls ist ein Beispiel, für das ein solcher Detektor verwendet werden kann. Das Mosaik ist aus vier pyroelektrischen kristallinen Abschnitten 10,11,12 und 13 aufgebaut Die polaren Achsen sind sämtlich parallel, wie dieses grafisch durch die Pfeile 14 bis 17 dargestellt ist Die Polarität ist jedoch innerhalb jedes der Paare 10-11 und 12-13 gegensinnig, wie dieses gleichfalls dargestellt ist An den Kanten sind elektrische Anschlüsse über eine gemeinsame Elektrode 18 zusammen mit einzelnen Elektroden 19, 20, 21 und 22 vorgesehen. Während der Detektor für einfache Intensitätsmessungen unter gegenseitiger Verbindung der Elektroden 19 bis 22 verwendet werden kann, kann er auch zur Strahljustierung eingesetzt werden, wobei man die entgegengesetzten Polarisationen der Abschnitte eines oder beider der beiden Paare ausnutzt Da die Richtung der momentan beispielsweise bei 19 und 20 entwickelten Spannung für eine gegebene Richtung der Temperaturänderung entgegengesetzt ist, werden sich diese Spannungen nur exakt ausgleichen, wenn die Temperaturänderung in den Abschnitten 10 und 11 identisch ist Dieses wiederum tritt für eine Strahlposition auf, bei welcher das Strahlauftreffgebiet gleich aufgeteilt ist Das Justieren kann deshalb durch eine Null-Anzeige bewerkstelligt werden. Gleichzeitiges Justieren in der K-Richtung kann bewerkstelligt werden durch Verbinden der Elektroden 19 und 21 und/oder 20 und 22 mit gegenüberliegenden Anschlüssen eines Differenzverstärkers.

Die vorliegenden Detektoren beruhen üuf der Änderung der spontanen Polarisation P₁ mit der Temperatur T. Um eine teilweise Auslöschung des entwickelten Signals zu vermeiden, ist daher ein Material mit einem einzigen ferroelektrischen Bezirk (im Folgenden kurz Einbezirksmateria! genannt) not= wendig. Da die hier betroffenen Materialien ferroelektrisch sind, kann Sättigung durch übliche ferroelektrische Polung bewerkstelligt werden. Bekanntlich muß hierzu lediglich ein elektrisches Feld einer bestimmten Größe angelegt werden. Die erforderliche Feldstärke kann dabei stark erniedrigt werden, wenn die Tempera-

tur des Materials auf Werte, die sich dem ferroelektrischen Curie-Punkt nähern, erhöht wird. Ein übliches Verfahren ist, das Material auf oder oberhalb seines Curie-Punktes zu erhitzen und es in Gegenwart eines elektrischen Feldes der Abkühlung zu überlassen. >

Der größte Wirkungsgrad für die entwickelte Spannung wird durch Verwendung gepolter Einkristalle erhalten. Wie jedoch erläutert werden wird, fordert die Optimalisierung des Detektors eine abnehmende Dicke des pyroelektrischen Mediums. Diese Erwägung diktiert κι schließlich, daß extrem dünne Schichtkörper vorzuziehen sind, die nur unter Verwendung von unterstützenden Unterlagen hergestellt werden können. Solche Beschichtungen können durch Niederschlagen hergestellt werden. Sie können zwar vernünftig auf r, Einkristallen oder amorphen Unterlagen epitaktisch niedergeschlagen werden, aber einfacher sind polykristalline Schichten ohne Rücksicht auf Orientierung und Gitterparameter der Unterlage herEestellbar und nach Polung ebenfalls recht brauchbar. 21 ·

Die von einem pyroelektrischen Detektor entwickelte Spannung Δ Vhat den folgenden Wert:

AV = AR

UP,

(I)

Hierin bedeuten

A die Fläche der Elektrode senkrecht zur Polarisations-Achsrichtung,

R den Lastwiderstand, an welchem das Signal

entwickelt wird, und jo

—jr den pyroelektrischen Koeffizienten.

Gleichung 1 ist anwendbar, wenn die Modulationsfrequenz ω{2ηί) kleiner ist als die /?C-Zeitkonstante der kombinierten Kristall-Last-Schaltung und R kleiner ist als der Leckstromwiderstand R' des pyroelektrischen Materials. Der erwünschte Zusammensetzungsbereich im bevorzugten Bariumstrontiumniobat-System ist oben angegeben. Während die oben angegebenen Grenzen für χ wurden weitgehend auf der Basis der gewünschten Betriebstemperatur ausgewählt Diese Grenzen können überschritten werden, solange die Zusammensetzung ihre im wesentlichen tetragonale Wolfram-Bronze-Struktur beibehält, da es diese Kristallstruktur ist, die die großen pyroelektrischen Koeffizienten zeigt.

Innerhalb der Bariumstrontiumniobat-Reihe nimmt mit zunehmendem Bariumanteil die ferroelektrische Durie-Temperatur zu. Da der pyroelektrische Koeffizient zunimmt, wenn die Temperatur des pyroelektrisehen Materials der Curie-Temperatur angenähert wird, können spezielle Anwendungsfälle höhere Betriebstemperaturen für maximale Betriebsempfindlichkeit erfordern. Versuche wurden an Bariumstrontiumniobat-Materialien mit Curie-Temperaturen von 313 bis 378" K ausgeführt Die pyroelektrischen Koeffizienten bei 300° K der Materialien lagen zwischen 031 und 0,06 Mikrocoulomb pro cm² und " K. Die Proben hatten eine Zusammensetzung entsprechend der oben angegebenen Formel, wobei χ etwa von 0,25 bis 0,5 ging. Zu eo Vergleichszwecken sei erwähnt, daß das beste bisher bekannte pyroelektrische Material, Triglycinsulfat, einen pyroelektrischen Koeffizienten von etwa 0,02 bei 300°K hat

Bezüglich weiterer Konstruktionseinzelheiten sei auf t>5 das nachstehende Beispiel verwiesen.

Ein Detektor wurde aus Bariumstrontiumniobat der angenäherten Zusammensetzung Bao33Sroj67Nb20e und einem Curie-Punkt von etwa 333° K aufgebaut. Der pyroelektrische Koeffizient bei 300° K betrug 0,11 in den oben angegebenen Einheiten. Ein Abschnitt mit einer Fläche von 0,05 cm² und einer Dicke von 0,0! cm wurde aus einem gepolten Einkristall unter einer solchen Richtung geschnitten, daß die polare Achse, die c-Achse, senkrecht zur Ebene des Plättchens orientiert war. Auf den Plättchenflächen wurden Goldelektroden galvanisch niedergeschlagen, und eine dünne Goldschwärzung wurde auf die Elektrode auf der Strahlungsempfangsfläche aufgedampft. Das Kristallplättchen wurde in einen Detektor der in Fig. I dargestellten Art eingesetzt. Die geschwärzte Oberfläche wurde mit einer 10,6 Mikrometer-Stahlung eines Ogeschalteten CO2-Lasers bestrahlt. Die Eingangsimpedanz des Signalverstärkers betrug 50 Ohm und die tfC-Zeitkonstante des Detektorstromkreises war weniger als 10" Sekunden. Der Impulszug des (^-geschalteten Lasers hatte eine Impulswiederholungsfrequenz von 10 Megahertz. Die Detektorkennlinie zeigte eine Anstiegszeit von weniger als 30 Nanosekunden. Der Impulszug wurde also aufgelöst. Der Betrieb erfolgte bei etwa 300°K, d.h. etwa bei Raumtemperatur.

Der diesem Beispiel zu Grunde liegende Detektor war bezüglich des Ansprechverhaltens oder bezüglich des Signal/Rausch-Verhältnisses nicht optimalisiert. Die optimalen Bedingungen sind nachstehend beschrieben. Das Apsprechvermögen eines pyroelektrischen Detektors, das an Hand der an einer Last entwickelten Spannung pro Watt einfallender Strahlleistung gemessen werden kann, ist direkt proportional zur wirksamen Fläche des pyroelektrischen Detektors und umgekehrt proportional zu den Funktionen der Verstärkereingangskapazität (einschließlich der Kapazität des pyroelektrischen Detektors) und zu der thermischen Kapazität und thermischen Leitfähigkeit des pyroelektrischen Detektors. Für Bariumstrontiumniobat mit χ gleich etwa 033 für eine Detektorfläche von 1 cm² und einer Dicke von 2xl0-³cm sowie bei vorgesehenen Flächenelektroden beträgt das Ansprechvermögen bei 1 Hertz etwa 50 Volt pro Watt Mit Elektroden auf den Plättchenkanten beträgt das Ansprechvermögen etwa 25 000 Volt pro Watt Mit dieser letzten Anordnung ist das Ansprechvermögen umgekehrt proportional der Kristalldicke.

Das Ansprechvermögen des pyroelektrischen Mediums nimmt mit zunehmender Modulationsfrequenz ab. Beispielhafte Werte für die feststellbare Minimalleistung für Grundbandbetrieb H^₀ (Bandbreite gleich modulierter Frequenz) und für die feststellbare Minimalenergie für 1 Hertz Bandbreite (W_m) sir Λ die folgenden:

Modulierte W_m^ W_n^

Frequenz in Hz

106	1,5	X	ΙΟ"4	3,6	X	ΙΟ"7
107	4,5	X	ΙΟ"3	3,6	X	1O-6
10"	1,5	X	ίο-1	3,6	X	ΙΟ"5
10'	4,5			3,6	X	ίο-4

Die vorstehend angegebenen Werte beruhen auf gemessenen Wechselstromleitfähigkeitswerten für die angegebenen Zusammensetzungen und für tatsächliche Verstärkeirauschwerte für Grandbandbetrieb in einem typischen Triodenverstärker. Die feststellbare Minimalleistung für einen idealen Aufbau bei 1 Hz und für eine

pyroelektrische Detektordicke größer als 20 Mikrometer beträgt etwa 4XI0-¹· Watt pro Zentimeter pro Hz-"². Die feststellbare Minimalleistung kann für dünnere pyroelektrische Detektoren noch weiter reduziert werden, wie diese beispielsweise durch Niederschlagen auf eine unterstützende Unterlage erzeugt werden können. Die vorstehend angegebenen Detektr-TeEultate liegen im Ansprechverhalten um etwa zw?i Größenordnungen besser als bei anderen pyroelektrischen Detektoren. Die auffälligste Beobachtung ist die offensichtliche Freiheit von piezoelektrischen Schwingungen, die den besten vorbekannten pyroelektrischen Detektor (Triglycinsulfat) begrenzt haben. Es wurde beobachtet, daß die Materialien innerhalb des Bariumstrontiumniobat-Systems ausreichend akustische Dämpfung besitzen, um eine Feststellung piezoelektrischer Effekte mit üblichen Meßapparaten zu verhindern. Diese akustische Dämpfung stellt daher einen wesentlichen Unterschied zu früheren Detektoren dar. Das Fehlen einer piezoelektrischen Resonanz erlaubt theoretisch einen Betrieb bis zur oberen Frequenzgrenze von etwa 10" Hz, wo die Polarisationsfluktuationen von der gleichen Größenordnung wie die Polarisation selbst sind.

Der Umstand, daß der vorliegende Detektor auf der Temperaturänderungsgeschwindigkeit und nicht auf der Temperatur selbst beruht, läßt schnelle Änderungen zu, daß das Ansprechverhalten nicht davon abhängt, daß das pyroelektrische Medium das thermische Gleichgewicht mit der Strahlung erreicht. Dieser Mechanismus bedtrifι. jedoch eine Nichtlinearität des festgestellten Signals. Auch eine maximale Vergrößerung von

—z-durch einen Betrieb nahe der Curie-Temperatur

führt, während die Empfindlichkeit zunimmt, notwendigerweise zu einem nicht-linearen Betrieb. Eine Anwendung des Detektors auf lineare Systeme wird daher Korrektur-Schaltungen zur Kompensation der verschiedenen Ursachen der Nichtlinearität erfordern. Andererseits ist die Pulscodemodulation-iPCMJ-Nachrichtenübertragung ein Anwendungsgebiet, wo diese Nichtlinearitäten nichts ausmachen.

Um die Minimalleistungswerte, die in der vorstehenden Tabelle angegeben sind, in sinnvolle Ausdrücke für einen PCM-Betrieb umzusetzen, sind gewisse Annahmen notwendig. In der Nachrichtenübertragungstechnik verwendet man 32 Abtastwerte, um eine adequate Video- oder andere Signaldefinition für viele Zwecke zu erhalten. Für digitalen Betrieb erfordert dieses fünf Impulse (2⁵ = 32). Da die Kennzeichnung eines Zyklus zwei Bit erfordert, ist die in der Tabelle angegebene Frequenzbandbreite 5x2 oder eine Größenordnung größer als die äquivalente lineare Bandbreite.

Wie dargelegt, ist die Beobachtung, daß pyroelektrische Detektoren mit Frequenzbandbreiten von mehr als 1 MHz arbeiten können, ein prinzipieller Unterschied zum Bekannten, und das hier in Frage kommende Material kann dementsprechend allgemein beschrieben werden. Die zum Erhalt eines derartigen Frequenzganges erforderlichen Materialien müssen einen pyroelek- trischen Koeffizienten von zumindest etwa 0,01 Mikrocoulomb pro cm² pro Grad K und müssen, was ebenso wichtig ist, ausreichend akustische Dämpfung besitzen, um piezoelektrische Schwingungen auszuschließen. Es ist auch eine Forderung, daß das Material

ι "> ferroelektrisch ist, und es wird für viele Materialien beobachtet, daß die erforderlichen pyroelektrischen

Koeffizienten nur bei einem Betrieb innerhalb etwa

50⁰K, vom Curie-Punkt aus gerechnet, erhalten werden.

Bezüglich des Detektoraufbaus und -betriebs sind

zahlreiche Variationen möglich. Es wurde beobachtet, daß die vorliegenden Detektoren in ihrem Ansprechverhalten bei Zimmertemperatur einzigartig sind. Jedoch kann eine Auswahl von Materialien mit entsprechenden Curie-Temperaturen derart, daß ein Tieftemperaturbetrieb ermöglicht wird, zu noch weiter verbessertem Ansprechverhalten führen. Gewisse Zusammensetzungen des Kaliumtantalatniobat-Systems werden für einen solchen Betrieb als geeignet betrachtet.

Andere Anwendungsfälle des pyroelektrischen Detektors als die oben beschriebenen sind Schalter und Speichereinrichtungen allgemein. Ein besonders vielversprechender Anwendungsfall ist das Curiepunkt-Einschreiben, d. h. das Schalten wird in beispielsweise durch

Γ) einen Laserstrahl lokal erhitzten Gebieten bewerkstelligt unter Verwendung elektrischer Feldwerte, die zu klein sind, um ein Umschalten bei der sonstigen Betriebstemperatur zu bewerkstelligen. Das Auslesen erfolgt dann anhand der Polarität der entwickelten

4f) Spannung auf eine kleine Temperaturänderung hin.

Die vorliegenden Detektoren sind bei Trägerwellenlängen im gesamten Infrarotbereich brauchbar betrieben worden. Die meisten der obigen Detektoren sind auf den Wellenlängenbereich von etwa 0,7 bis etwa 140

4Ί Mikrometer anwendbar. Oberhalb 140 Mikrometer ist der beispielsweise bei dem Tief temperatur-Germanium-Kupfer-Detektor benutzte Photoleitungsmechanismus nicht länger wirksam. Die vorliegenden pyroelektrischen Detektoren können auch weit über 140

w Mikrometer Wellenlänge hinaus bis zum Millimeterwellenlängenbereich wirksam arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Pjiroelelctrischer Detektor zum Nachweis von Infrarotstrahlung mit einem Körper aus ferroelektrischem Material mit im wesentlichen einem einzigen ferroelektrischen Bezirk, bei dem der Körper mit Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Körpers (1) im wesentlichen ein Material mit einer so hohen ι ο akustischen Dämpfung ist, daß keine piezoelektrischen Schwingungen auftreten, und daß er einen pyroelektrischen Koeffizienten von zumindest 0,01 Mikrocoulomb pro cm² pro Grad K hat

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- u zeichnet, daß der Körper eine akustische Dämpfung von zumindest 5db pro Zentimeter bei einer Frequenz von 100 MHz besitzt

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einem ferroelektri- sehen Material mit einem Curie-Punkt besteht, der maximal um 50⁰C höher als die Betriebstemperatur gelegen ist.

4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im wesentlichen aus