DE2121835A1

DE2121835A1 - Pyroelektrische Einrichtung

Info

Publication number: DE2121835A1
Application number: DE19712121835
Authority: DE
Inventors: Richard Lee Morris Township; Glass Alastair Malcolm Murray Hill; N.J. Abrams (V.St.A.). P
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-05-07
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-11-18
Also published as: JPS5228016B1; NO131219C; SE376798B; BE766807A; NO131219B; NL7106013A; JPS466295A; DE2121835B2; DE2121835C3; CA999958B; US3813550A; GB1333870A

Description

Western Electric Company Incorporated Abrams 1-2 New York

Pyroelektrisohe Einrichtung

Die Erfindung befaßt sich mit Detektoren für elektromagnetische Strahlung, die nach einem pyroelektrischen Prinzip arbeiten» Typische Einrichtungen zeigen einen Frequenzgang von vielen Megahertz auf einen einfallenden Strahl mit infraroten !Trägerfrequenzen bei einer Leistung von weniger als ein Watt.

Die Bestimmung von infraroter elektromagnetischer Strahlung, d, h. Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 7000 i war stets etwas schwieriger als die Bestimmung von Strahlung kürzerer Wellenlänge. Üblicherweise wandelt man derartige Energie in Wärmeenergie um, welche daraufhin einfach aufgrund eines Temperaturanstiegs eine physikalische Änderung in einem ausgewählten Material ergibt. Ein Beispiel hierfür ist die Golay-Zelle, welche die Expansion eines die infrarote Energie absorbierenden begrenzten Körpers «ißt.

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Es liegt auf der Hand, daß die Ausnutzung derartiger Wärmeeffekte zu Detektoren führt, welche sowohl bezüglich ihres Modulationsfrequenzganges als auch ihrer Empfindlichkeit begrenzt sind. Obwohl im Zuge der Entwicklung erreichte Verbesserungen zu Einrichtungen führten, welche Leistungen bis herunter zu 3 x 10 ' Milli-

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watt Hz ' messen können, erlaubt ein typischer Modulationsfrequenzgang die Bestimmung bei Frequenzen, die nicht höher als etwa einige Kilohertz sind.

Die Mängel von Infrarotdetektoren wurden durch die Ent- · wicklung des Lasers besonders schwerwiegend. Die meisten Laser und alle kontinuierlich arbeitenden Pestkörperlaser arbeiten bei Frequenzen im Infrarot- oder im Infrarot-nahen-Bereich. So arbeitet z. B. der COg-Laser, der derzeit der leistungsstärkste Graslaser ist, bei 10,6 Mikron.

Die Nachrichten-Techniker sehen selbstverständlich die durch den Laserbetrieb hervorgerufene kohärente Strahlung als weitere Ausdehnung der verfügbaren Trägerfrequenzen an. Ein Schwerpunkt der Forschung wurde auf die Entwicklung verschiedener Schaltelemente, wie Modulatoren, Oszillatoren usw. gelegt, die bei einem solchen Nachrichtensystem erforderlich sind. Der Vorteil der Verwendung von inzwischen verfügbaren Trägern höherer

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Frequenz liegt in der vergrößerten Bandbreite. Modulatoren und gewisse andere Schaltungselemente wurden bereits bei Frequenzen in der Nähe von einem Gigahertz betrieben, und es besteht demzufolge die Aussicht, daß Laser-Trägersysteme mit großer Bandbreite entwickelt werden.

Ein Hauptmangel bei einem solchen Nachrichten-(Übertragungs-) System besteht im Detektor. Ein brauchbarer Detektor muß in der Lage sein, bei Frequenzen gleicher Größenordnung wie die anderen&chaltungselemente zu arbeiten. Die einzigen bekannten Ausführungen für infrarote Frequenzen arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen (flüssiges Helium) Das beste bekannte Bauelement dieser Art ist kupferdotiertes Germanium. Gebraucht wird jedoch ein infraroter Detektor, der bei hohen Frequenzen arbeitet und bei normalen Betriebstemperaturen betrieben werden kann.

Eine andere Gruppe von Detektoren, die einige Beachtung gefunden hat, beruht auf der aufgrund des pyroelektrischen Effekts entwickelten Spannung. Der pyroelektrische Effekt begleitet die Polarisationsänderung, die sich durch die Erwärmung aufgrund von Strahlungsabsorption ergibt. Eine umfangreiche Gruppe von Stoffen ist pyroelektrisch, und viele von ihnen sind ziemlich empfindlich. Bis vor kurzem ging man davon aus, daß der Frequenzgang

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von pyroelektrischen Kristallen nicht größer als 10 oder 100 Kilohertz ist. Dieser Stand der Technik ergibt sich beispielsweise aus Japanese Journal of Applied Physics, Band 6, 120 (1967), worin ein derartiger Detektor unter Verwendung von Triglycinsulfat beschrieben ist.

Es wurde zu jener Zeit beobachtet, daß der Frequenzgang eines pyroelektrischen Detektors durch die Änderung der Polyrisation mit der Zeit dPVdT und unter gewissen Umständen auch durch die elektrische Leitfähigkeit bestimmt ist. Die Annahme, daß die Einrichtungen bei hohen Frequenzen nicht ordnungsgemäß arbeiten, wurde durch die gemessenen Werte von dP /dT gestützt.

Wie aus Band 13, Applied Physics Letters, 147 (1968) hervorgeht, wurde in jüngster Zeit festgestellt, daß eine Gruppe von ferroelektrischen Stoffen, z. B. Mischkristalle aus Barium-Strontiumniobat bei Einbeziehung in pyroelektrischen Detektoren zu einem beträchtlich höheren Frequenzgang führt. Es wurde gefunden, daß diese Stoffe beträchtlich höhere akustische Verluste als die früher entdeckten pyroelektrischen Materialien haben. Gestützt auf diese Arbeit wurde vorausgesetzt, daß eine beträchtliche Beschränkung des Frequenzganges durch schlechte akustische Eigenschaften vermieden wird. Aufgrund dieser Annahme wurden nachteilige akustische Resonanzen aufgrund piezoelektrischer Kopplung mit durch thermische Expansion und

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Eontraktion, hervorgerufenen Volumenänderungen vermieden. Die Berücksichtigung früher gewonnener Daten für andere Stoffe zeigt tatsächlich eine Frequenzbeschränkung, welche piezoelektrischem "Klingeln" (ringing) zugeschrieben werden könnte.

Umfangreiche Arbeiten wurden mit Barium-Strontiumniobat durchgeführt; dieses Material und hierauf bezogene Materialien werden für Messungen im infraroten Bereich als sehr vielversprechend angesehen. Die Gruppe von Materialien mit der benötigten hohen akustischen Dämpfung sowie der den erforderlichen pyroelektrischen Charakteristiken scheint jedoch nicht umfangreich zu sein.

Im besonderen hat die Reihe von Barium-Strontiumniobatverbindungen gewisse beachtliche Charakteristiken, so z. B. eine hohe Dielektrizitätskonstante, welche Schaltungsauslegungen Beschränkungen unterwirft.

Mit der Erfindung wurde gefunden, daß eine geeignete Halterung, ζ. B. unter Verwendung von Klebstoffen und/ oder Klemmen einen genügend großen akustischen Verlust bzw. eine akustische Dämpfung einführen kann, um den frequenz-beschränkenden Effekt mechanischer Resonanz auszuschalten. Tatsächlich kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre diese Beschränkung des Frequenzgangs bei jedem beliebigen pyroelektrischen Material

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vermieden werden. Obwohl vorteilhafte Ausführungsformen in gewissen Anwendungsfällen nicht notwendigerweise eine Verbesserung gegenüber Barium-Strontiumniobat-Zusammensetzungen darstellen, ist die erfindungsgemäß ermöglichte freie Materialwahl wertvoll. So hat z. B. Lithium-Iantalat, IiTaO^» das aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften sowohl als piezoelektrischer Wandler als auch als elektrooptisches Element ein hochentwickeltes Material ist, eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante und ermöglicht gewisse Ausführungsformen, die mit Barium-Strontiumniobat nicht erreichbar sind. Sein hoher Widerstand und seine niedrige Dielektrizitätskonstante erlauben die Verwendung von Flächenelektroden und demgemäß die Herstellung großflächiger Detektoren, die zur Ermittlung schwacher Signale besonders zweckmäßig sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten gedämpften Detektors;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer experimentellen Anordnung, die zur Erzeugung von Daten, wie diejenigen gemäß den Fig. 4A und 4B verwendet wurde;

Fig. 3 eine Schnitbansicht einer alternativen Ausführungsform, bei welcher eine andere Dämpfungsart Verwendung findet; und

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Pig. 4A

und 4B auf Koordinaten der ermittelten Signalstärke in Volt und der Zeit in Mikrosekunden Kurvenverläufe, welche das Ansprechen eines frei hängenden bzw. eines akustisch gedämpften pyroelektrischen Detektors hoher akustischer Güte auf einen Lichtimpuls zeigen.

1. Figuren

Die Beschreibung der Figuren 1, 2, 4A und 4B betrifft ein besonderes Ausführungsbeispiel. Verschiedene Parameter, wie das Detektormaterial, die Lichtquelle usw. sind nur als illustrativ anzusehen. Die Beschreibung wird in einem nachfolgenden Abschnitt verallgemeinert.

Da die Anordnung gemäß Fig. 2 von der Klemmanordnung gemäß Fig. 1 Gebrauch macht und zu Meßergebnissen in der in Fig. 4B gezeigten Form führt, werden diese Figuren zusammen behandelt. Die in Fig. 4A gezeigten Daten ergeben sich für einen frei aufgehängten Detektor bei Verwendung einer Klemmanordnung gemäß der Erfindung.

Das Kristallmaterial des Detektors 10 ist bei dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel ferroelektrisches Lithium-Tantalat, LiTaCK. Das kristalline Plättchen ist eine c-Achsen-Platte (die c-Achse ist die Polarachse). Die Abmessungen des Plättchens sind 1,5 mm χ 1,5 mm χ 0,02 mm. Der kristalline Abschnitt 1 ist mittels einer leitenden Epoxidschicht

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auf einer Glasscheibe 2 angebracht. Eine Elektrode 4 ist an der freiliegenden Oberfläche der Platte befestigt. Diese Elektrode kann je nach der zu ermittelnden Wellenlänge und der Absorptionsfähigkeit des kristallinen Materials aus durchlässigem oder absorbierenden Material hergestellt sein. Mit in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungs- oder Strommeßgeräten verbundene Leitungen 5 und 6 stellen den elektrischen Kontakt mit der Epoxidschicht 3 und der Elektrode 4 her. Die genaue Ausbildung der Ausführungsform nach Pig. 1 ist beispielhaft für Bauformen, wie sie zur Verwendung als pyroelektrischer Detektor 10 gemäß Fig. 2 geeignet sind.

Im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Lichtquelle 11 bei dem Aufbau gemäß Pig. ein Q-Schaltungs-COp-Laser vorgesehen, der bei 10,6 Mikron betrieben wird. Der aus der Lichtquelle austretende kohärente Strahl 12 wird durch eine Linse 13 fokussiert, die bei der oben angegebenen infraroten Wellenlänge aus Germanium hergestellt ist. Die Brennweite der Linse ist so gewählt, daß die Strahlenergie auf den Detektor 10 fokussiert wird. Ein Gehäuse 14 kann ausschließlich als mechanischer Halter dienen, oder es kann so ausgebildet und angeordnet sein, daß es als Resonator für die zu messende elektromagnetische Strahlung wirkt, wodurch eine Empfindlichkeit szunahme erreicht wird.

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Bei einem "besonderen Experiment wurde von einem Q-Schaltungs-CC^-Laser ein Impuls von 200 Nanosekunden Dauer und einer Spitzenleistung von etwa 100 Watt erzeugt.

Fig. 4B zeigt, aufgetragen auf den Koordinaten in Volt und MikroSekunden, die Form des tatsächlich gemessenen bzw. bestimmten Impulses, die den Laserimpuls, wie zu sehen ist, getreu wiedergibt. Ähnliche, die in Fig. 2 gezeigte Anordnung verwendende Experimente führten zu einer getreuen Messung bzw. Bestimmung von Laserimpulsen von nur 20 Nanosekunden Dauer. Die Anstiegszeit des verwendeten besonderen Detektors wurde mit 5 Nanosekunden gemessen.

Die Darstellung gemäß Fig. 4A zeigt mit Bezug auf dieselben Koordinaten (Volt und MikroSekunden) die aus einem ähnlichen Experiment gewonnenen Daten, wobei der Detektor frei hängend angeordnet war. Ohne eine Dämpfung, wie sie beispielsweise durch die Epoxidschicht 3 der Ausführung nach Fig. 1 geschaffen wird, kann die Impulsform zwar, wie zu sehen ist, bestimmt werden, sie ist jedoch von zwei Schwingungsmustern begleitet, welche die beiden Resonanzmoden für den Kristall darstellen. Die beiden Kurven, welche die Transversal- und Longitudinally den zeigen, lassen deutlich zwei Schwingungssignale erkennen, die zusätzlich zum Grundimpuls auftreten. Bei dem besonderen verwendeten

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2 1 2 1 B 3 - ίο -

Detektor lagen die transversalen und longitudinalen Signale bei Frequenzen von 3 MHz und b40 kHz, welche den Grundschwingungen des Detektors entsprachen. Beide Kurven "befanden sich in guter Übe reins timmung mit deijDetektorabmessungen und der gemessenen Schallgeschwindigkeit in LiTa(K. Der Rauschabstand für den frei hängend angeordneten Detektor ist angenäherte zu 1, während der Rauschabstand für den gedämpften Detektor, wie aus der Kurve gemäß Fig. 4B zu sehen ist, einige Größenordnungen höher liegt.

Der Detektor nach Fig. 3 stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei der ein pyroelektrisches Kristallplättchen 30, auf dessen einer Oberfläche eine .Elektrode 31 und auf dessen anderer Oberfläche eine Elektrode 32 angeordnet ist, in einem geeigneten transparenten Medium

33 eingebettet ist. Für infrarote Wellenlänge, z.-D. die durch den COp-Laser erzeugte Y/ellenlange, gibt es viele geeignete ßinkapselungsmaterialien, die alle die erforderlichen Durchlässigkeits- und Dämpfungseigenschaften ' besitzen. Beispiele für solche Materialien sind thermoplastische Polymere, z. B. Polyäthylen. Durch Leitungen

34 und 35, welche mit den Elektroden 32 bzw. 31 verbunden sind, werden die elektrischen Anschlüsse hergestellt. Die dargestellte orthogonale Elektrodenanordnung wurde gewählt, um die Kapazität möglichst klein zu halten und den Aufbau zu vereinfachen.

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2. Geeignete Detektormaterialien

Durch die Erfindung kann generell der Frequenzgang irgendeines pyroelektrischen Materials verbessert werden. Bevorzugte Charakteristiken werden jedoch durch praktische Erwägungen bestimmt. Es wurde Lithium-Tantalat wegen seiner hohen pyroelektrischen Güte ^fyY^tgS (numerisch gleich 0,04ö Mikrocoulomb/cm /⁰C) gewählt, wobei λ,der pyroelektrische Koeffizient, d. h. die pro Temperatureinheit entwickelte Ladung, £die Dielektrizitätskonstante und tg5 der Verlustfaktor ist. Diese besondere Güte ist in erster Linie zweckmäßig bei einem großflächigen Detektor mit Flächenelektroden. In der Praxis bedeutet eine große Fläche bei 10 cm dicken Detektoren eine Plättchenfläche in der Größenordnung von wenigstens 1/2 Millimeter auf einer Seite. Der Wert für λ/γ £tg£ sollte wenigstens bei etwa 10~' und vorzugsweise bei 10~ Coulomb/cm / C liegen. Illustrative Materialien, welche diese Eigenschaft zeigen, sind Triglycinsulfat und Triglycinselenat und LiTaO^.

Die oben angegebenen Materialeigenschaften sind für eine bevorzugte Gruppe in Bezug auf die Empfindlichkeit repräsentativ. Wenn die Stärke des einfallenden Signals unter-

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halb von 10 ^J Watt liegt, sollte eine entsprechende Wahl getroffen werden. Für viele Anwendungsfalle, bei denen die Empfindlichkeit nicht von erstrangiger Bedeutung ist, können erfolgreich Stoffe mit geringeren Güten Verwendung finden. Unter diesen Umständen können die Stoffe nach

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Verfügbarkeit, Züchtung und allgemeinen physikalischen und elektrischen Eigenschaften ausgewählt werden.

' 3. Dämpfung

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß für jedes vorgegebene pyroelektrische Material und für jede vorgegebene Ausbildung der Einrichtung der Frequenzgang durch Dämpfung auf einen Wert oberhalb der niedrigsten Eigenschwingung bzw. Grundresonanz des Detektorelements erhöht wird. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, der erforderlichen Dämpfungsgröße bauliche Beschränkungen aufzuerlegen. Dies läßt sich zweckmäßig durch den akustischen Verlust der Gesamtanordnung einschließlich des pyroelektrischen Elements und der daran befestigten Bauteile ausdrücken. Der erforderliche Dämpfungsgrad hängt von der Zahl der Parameter^ d. h. den Kristall abmessungen, der Schallgeschwindigkeit usw. ab. Allgemein ausgedrückt, ergibt sich ein verbesserter Frequenzgang, wenn die niedrigste Resonanzfrequenz des Detektorelements als beschränkendes Element für den Frequenzgang ausgeschaltet wird. Für einen noch höheren Frequenzgang werden die höherfrequenten Grundschwingungen und auch Harmonische eliminiert. Eine größere Verbesserung bezüglich des Frequenzganges erfordert bei einem vorgegebenen Detektor eine entsprechend vergrößerte Dämpfung. Dies ergibt sich daraus, daß jede nachfolgende Resonanz innerhalb der jeweils entsprechend der Wellenlänge der höheren Resonanz kürzeren

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- 13 Periode herausgedämpft werden muß.

Die obige Bedingung kann wie folgt ausgedrückt werdeni Es ist eine Minimaldämpfung von 6f db/s erforderlich, wobei s die höchste zu dämpfende Resonanzfrequenz ist. Daraus folgt, daß Materialien, mit denen sich die Erfindung vorteilhafterweise befaßt, einen geringeren Verlust als frei hängende zeigen. Ein bevorzugter Maximalverlust beträgt unter Verwendung der obigen Ausdrücke bei frei hängendem Element 5f db/s.

Bei einem zweckmäßig kleinen Detektor in der Größenordnung von 1 Quadratmillimeter bei einer Dicke von 10 Mikron mit einer typischen Schallgeschwindigkeit von angenähert 5 χ 10 cm/s beträgt die erforderliche Dämpfung bzw. der Verlust 20 db/MikroSekunden für einen Betrieb oberhalb der Frequenz der niedrigsten Eigenschwingung von etwa 3,5 MHz.

Da bekannte freihängend angeordnete pyroelektrische Detektoren manohmal einen Frequenzgang in der Größenordnung von 10 oder 100 kHz hatten, kann eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem höheren Frequenzgang, ζ. B. 1 MHz und eine noch verbesserte Ausführungsform mit einem Frequenzgang bei einem typischen Signalpegel in der Größenordnung von 1 UHz definiert werden. Bei typischen Materialien betragen die minimal erforderlichen Verluste, die durch die erfindungsgemäße gedämpfte Aus-

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bildung eingeführt werden, 6 db/MikroSekunden und 6 db/ NanoSekunden für die 1 MHz und 1 UHz Grenzen.

Allgemein sind die sich, auf die Verbindungsmedien sowie die Substratmaterialien beziehenden Anforderungen unkritisch. Allgemein wird die Wahl der Materialien für die Haftungs- und Übertragungseigenschaften nach der zu messenden Wellenlänge getroffen. Allgemein sind Bindemittel, welche zu einer engen und festen Verbindung führen, geeignet. Beispiele für solche Materialien sind die warmhärtbaren Harze, z. B. verschiedene Epoxidharze, Polyurethane, Gummi usw. und thermopiatische Stoffe wie Polymethylmetacrylat, Polyäthylen usw.

4. Andere Überlegungen

Pyroelektrische Detektoren sind in erster Linie bei infraroten Frequenzen von Interesse, wo viele andere Detektorausführungen, insbesondere die bei Zimmertemperatur arbeitenden Detektoren, zu unempfindlich sind. Es ist jedoch bekannt, daß pyroelektrische Detektoren sowohl oberhalb als auch unterhalb dieses Bereiches verwendbar sind und zur Bestimmung bzw. Messung von Millimeterwellen wie auch von Lichtwellen im sichtbaren Spektrum benutzt werden können. Die erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtungen sind bei jeder Wellenlänge mit Erfolg verwendbar, bei der der Detektor empfindlich ist oder empfindlich gemacht werden

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kann, wie ζ. B. durch Beschichtung zur Erhöhung des Modulationsfrequenzganges. Bei der obigen Diskussion wurde allgemein von einem sinusförmig modulierten Signal ausgegangen. Für den Konstrukteur ist es ohne weiteres möglich, diese erfindungsgemäße Lehre auf irgendein System, z. B. mit Impulszahlmodulatxon oder auf ein Analogsystem, ob sinusförmig oder n* "-lit-sinusförmig, zu übertragen.

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Claims

rn Electric Company Incorporated Abrams 1-2

New York

Patentansprüche

M J Pyroelektrische Einrichtung mit einem kristallinen Körper aus einem pyroelektrischen Medium und einer Fühlervorrichtung zum Feststellen eines pyroelektrischen Ansprechens auf einfallende Strahlung, wobei der Körper einen maximalen akustischen Verlust von 4f db pro Sekunde bei einer Frequenz zeigt, die einer Resonanzfrequenz dieses Körpers bei freier Aufhängung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper derart befestigt bzw. festgeklemmt ist, daß sein akustischer Verlust auf einen Wert von wenigstens 6f db pro Sekunde bei dieser Frequenz ansteigt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die pyroelektrische Güte \/"l£tg£ , mit Λ= pyroelektrischer Koeffizient, £ = Dielektrizitätskonstante und tgi β dielektrischer Verlustfaktor, wenigstens 10 Coulomb/cm /C ist, wobei der Körper blattförmig ausgebildet ist und zwei Hauptflächen aufweist, und wobei die Fühlervorrichtung an diese Hauptflächen angeschlossene Elektroden aufweist.

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3. Einrichtung nach Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine dieser Elektroden ein leitendes Klebemittel ist, das auch zum Festhalten des Körpers dient.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper im wesentlichen aus LiTaOo besteht.
5 ο Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

—8 zeichnet , daß die Güte wenigstens 10" beträgt.

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