DE2338481A1

DE2338481A1 - Vorrichtung fuer die messung von strahlungswinkelabhaengigkeiten

Info

Publication number: DE2338481A1
Application number: DE19732338481
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Phys Dr Moser
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1973-07-28
Filing date: 1973-07-28
Publication date: 1975-02-13
Also published as: DE2338481C2; US3932762A

Description

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KERNFORSCHUNG ίΧΙΙ »ff ^^he' ^ά'"^{η l0}· ^Juli

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Vorrichtung für die Messung von Strahlungsvinkelabhängi gkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung von Strahlungswinkelabhängigkeiten mit einer Zeitauflösung von bis r.u Nanosekunden.

Es ist eine Vorrichtung zur Messung von StreulichtvLnkelabhängigkeiten an kleinen Partikeln bekannt (J. Chem. Phys. 51, 193.1 (1969» Bei ihr wird ein Laserstrahl im konstanten Winkel auf einen Clusterstrahl gerichtet und mit einem Detektor, der auf einem um das Streuvolumen schwenkbaren Arm befestigt ist, die Winkelcxbhängigkeit der Streustrahlung aufgenommen. Mittels dieser Winkelabhängigkeit kann dann rechnerisch die Größe der im Streuvolumen enthaltenen Teilchen bestimmt werden.

Im Hinblick darauf, daß z.Z. die Streulichtwinkelabhängigkeit. kleiner Partikel als Punktion schnell veränderlicher Parameter oder während sehr kurzer Zeitintervalle aufgenommen werden soll, ist es jedoch notwendig, eine schnelle Methode zu besitzen. Mit

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einer kommerziellen Vorrichtung der o.g. Art dauert die Messung der Winkelabhängigkeit der Streulichtintensität z.B. von einer Suspension etwa 1 min. Eine Beschleunigung der Messung durch Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit des Detektors um das Streuvolumen um einige Größenordnungen ist aber zumindest aus Festigkeitsgründen auszuschließen.

Viele technische Anwendungsbereiche fordern jedoch verstärkt ein Verfahren, das sehr viel schneller arbeiten kann, z.B. für die Messung der zeitlichen Änderung der Tröpfchengröße bei der Nebelbildung oder der Abhängigkeit der Clustergröße von den Einlaßparametern, die Fertigungsüberwachung bei der Produktion von Fasern, Farben oder Kolloiden, die Untersuchung von Emulsifikations- und Koagulationsprozessen, die Aufzeichnung der örtlichen und/oder zeitlichen Variation der Größe von Aerosolpartikeln in der Luft, die Autoabgaskontrolle, die Untersuchung von Bakterien oder deren schnelle Reihenanalyse, die Analyse der ausgestoßenen Materie bei Kolloid-Triebwerken und für die Messung der Größenänderung von Clustsrn in Plasmen. Gerade diese letztgenannten Messungen der zeitlichen Änderung erfordern sogar ein Verfahren, welches Messungen im Nanosekundenbereich ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung.besteht nunmehr darin, einen Apparat zu bieten, der es gestattet,in möglichst kurzen Zeitintervallen eine vollständige Lichtwinkelabhängigkeit aufzunehmen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß optische Elemente die divergent von einem strahlenden Volumen ausgehende Strahlung auf eine strahlungsempfindliche Fläche eines ortsauflösenden Strahlungsdetektors derart abbilden, daß eine eindeutige Zuordnung von Strahlungswinkel und Ort auf der Fläche entsteht. Die Zeitauflösung kann entweder durch Pulsen der Strahlungsquelle oder durch Betätigung eines elektronischen Verschlusses im ortsauflösenden Strahlungsdetektor erreicht werden. Dabei kann ein

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Parabolspiegel, dessen Brennpunkt mit dem Ort des Streuvolumenn zusammenfällt, verwendet werden, der das Streuvolumen um einen Winkel von ca. 180° umgibt, wobei der Parabolspiegel das Streulicht in ein Parallelbündel transformiert, während ein Linsensystem dieses Parallelbündel auf die strahlungsempfindliche Fläche abbildet.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, daß eine zylindrische Fläche, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Ort des Streuvolumens zusammenfällt, das Streuvolumen um einen Winkel von ca. 180 umgibt, daß an die Fläche einzelne Strahlungsleiterfasern angeschlossen sind, die die zylindrische Fläche auf eine Ebene transformieren, und daß ein Linsensystem das von der Ebene ausgehende Parallelbündel auf die strahlenempfindliche Fläche abbildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Strahlungsleiterfasern Lichtleiterfasern und z.B. der Strahl zur Anregung des Streulichtes ein Laserstrahl sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Ein wesentlicher· Bauteil der Vorrichtung zur Messung insbesondere der Streulichtv/inkelabhängigkeit mit Parabolspiegel 1 und optischem Vielkanalanalysator 2 ist der in der Figur 1 dargestellte Vielkanalanalysator 2 als ortsauflösender Strahlungsdetektor. Es handelt sich um eine Vidicon-Röhre, deren lichtempfindliche Fläche 3 nicht homogen sensitiv ist, sondern in ca. 500 parallel nebeneinanderliegende, spaltförmige Flächenelemente aufgeteilt ist.

2 Auf diese ebene Fläche von ca. 12,5 auf 9 mm wird der Ausgang eines Spektralapparates (wird noch beschrieben) abgebildet und somit in 500 Intervalle aufgelöst. Die Umsetzung der gespeicherten Information geschieht v/ie üblich durch Abtasten mit einem Elektronenstrahl. Die dabei entstehenden Stromstöße werden von einer nicht näher dargestellten entsprechenden Elektronik verarbeitet.

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Bei den mittels der Erfindung durchgeführten Lichtstreumessungen fällt die Information als Energiestromdichte I ( θ ) in Abhängigkeit vom Streuwinkel θ an. I (Θ) könnte auch von Detektoren, die auf einem Zylindermantel angeordnet sind, gemessen werden. Da
die Vidicon-Röhre jedoch eben ist, muß mit einer geeigneten optischen Anordnung die Transformation von der Zylinderfläche auf eine Ebene durchgeführt werden. Eine mögliche Lösung ist die in der Figur 1 dargestellte.

Das streuende Medium S, z.B. ein Volumen bestimmter Größe mit
kleinen Teilchen, welche in einem Gefäß oder als Bestandteil
eines strömenden Teilchenstrahles enthalten sein können, wird
von einem feststehenden Laserstrahl 4 beleuchtet. Das vom Streuvolumen S divergent ausgehende Streulicht (z.B. die Teilstrahlen 5 und 6) wird von dem Parabolspiegel 1, dessen Brennpunkt mit
dem Ort des Streuvolumens S zusammenfällt, in ein Parallelbündel 7 transformiert. Der Radius dieses Lichtbündels 7 wird durch ein Teleskop 8 mit den optischen Linsen 9 und 10 den Abmessungen des Bildfensters 3 des Vidicons 2 angeglichen. Die Blende 11 schirmt das direkt, d.h. ohne Reflexion am Parabolspiegel 1, zum Vidicon. 2 laufende Streulicht ab. Die Größe der Öffnung 12 der Blende 11 bestimmt außerdem, zusammen mit dem Laserstrahl 4 und dem Streuer die Größe des Streuvolumens S. Zwischen dem Parabolspiegel 1 und der optischen Linse 9 ist eine weitere Blende 13, z.B. eine Schlitzblende, angeordnet, welche in der Brennebene vor der Linse 9 steht. Die Blende 11 steht von der Linse 9 um deren Brennweite f 1 und von der Linse 10 um deren Brennweite f 2 entfernt. Die Linse IO selbst ist wieder vom Sichtfenster 3 des Vidicons 2 um die Brennweite
f 2 entfernt. Der Winkel (Θ) wird durch die Richtung des Laserstrahls 4 bestimmt. So ist θ = 180° oben und θ = 0° diametral zum Streuvolumen S festgelegt. Der Winkel θ wird jeweils von einem
Teilstrahl 5 oder 6 und dem Laserstrahl 4 eingeschlossen.

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Unter Benutzung der Scheitelgleichung einer Parabel, insbesondere der Parabel 1, folgt für den Zusammenhang zwischen dem Streuwinkel θ und einer linearen Koordinate s

s ~ OC. ρ · (1-sin Θ) / cos θ (Gl. 1)

Dabei ist ρ der Halbparameter der Parabel 1 und oi (o C oc ^ 1) der Verkleinerungsfaktor des Teleskops 8. Die Funktion s (Θ) ist nicht linear, jedoch kann dies, besonders bei Auswertung mit einem Computer, leicht korrigiert werden. Sie ist streng monoton, woraus folgt, daß einem Ort s auf dem Fenster 3 des Vidicons 2 eindeutig ein Winkel θ entspricht.

Das reziproke Auflösungsvermögen ist gegeben durch

de/ J₁ = (de/ds) ds/ J (Gl. 2)

Durch Differentiation der Gleichung 1 nach s folgt mit l=Breite des Fensters 3

dö/ds = - (1 + sind θ)/1 (Gl. 3)

Mit der Gleichung 2 ergibt sich das reziproke Auflösungsvermögen zu

de/ γ - - /~(1 + sind Θ)/ 1 If J -ds (Gl. 4)

Diese Funktion ist erwartungsgemäß symmetrisch bezüglich θ = 90 und variiert insgesamt um einen Faktor 2. Der Wert von dö/Γ* wird bestimmt durch die Vidicon-Eigenschaft 1/ds =" Zahl der Kanäle. Er ist ein Minimalwert in dem Sinne, daß das effektive reziproke Auflösungsvermögen, in das auch noch der Durchmesser der Öffnung 12 der Blende 10 und die Geometrie der Streuanordnung eingehen, nicht kleiner werden kann.

In der Figur 2 ist die weitere mögliche Vorrichtung zur Messung der Streulichtwinkelabhängigkext mit Bildleiter und optischem Vielkanalanalysator 2 dargestellt. Die Anordnung des Vidicons 2 mit seinem Bildfenster 3 sowie des Teleskops 8 und des Parallelbündels 7 entspricht der, die in Figur 1 bereits beschrieben ist.

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Die Wirkung der Blende 11 entspricht ebenfalls der der Blende 11 nach Figur 1. Auch wird der Streuer im Streuvolumen S wiederum von dem Laserstrahl 4 angeregt, dessen Strahlrichtung die Winkelrichtung θ = 0 bis 180 festlegt. Ebenfalls werden wieder zwei spezielle Teilstrahlen 5 und 6 herausgegriffen, welche mit der Richtung des Laserstrahls 4 den Winkel Θ einschließen.

Die Transformation der Energiestromdichte ϊ (θ) wird hier jedoch mit einem faseroptischen Bildleiter 14 durchgeführt. Das Streuvolumen S ist von einer zylindrischen Fläche 15 umgeben, in deren Mittelpunkt es liegt. Von dieser Zylinderfläche 15 gehen dann einzelne Lichtleiterfasern 16 aus, die auf bzw. an einer ebenen Fläche 17 enden. Diese Flächerl7 entspricht in etwa dem Querschnitt des Strahlbündels 7, der auf das Sichtfenster 3 des Vidicons 2 abgebildet wird. Das Lichtleiterbündel 14 mit den einzelnen Lichtleiterfasern 16 ist derart zusammengefügt, daß eine Faser, die bei θ beginnt am Ort S = r (- H/2 -F- θ) endet. Die Intensitätsverteilung auf der ebenen Fläche 17 entspricht genau der Abwicklung der Intensitätsverteilung auf der zylindrischen Fläche 15; die Transformation ist linear. Die weitere Übertragung des Parallelbündels 7 erfolgt analog zu der in der Figur 1 beschriebenen.

Der Hauptvorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtungen liegt in der Verwendung des Vidicon-Vielkanalgerätes. Es kann fast beliebig kurze Ereignisse aufnehmen, vorausgesetzt, daß die Anzahl der Lichtquanten pro Kanal ausreichend groß ist. Die Zeitauflösung kann durch die Dauer des Primärlichtblitzes d.h. die Dauer des Lichtstrahles 4, oder durch elektrisches Gating eines in das Vidicon 2 integrierten Bildverstärkerteils vorgegeben werden.

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Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 11. Juli 1973

KERNFORSCHUNG MBH VLh 73/33 Ga/sz

Patentansprüche;

[ IyVorrichtung für die Messung von Strahlungswinkelabhängigkeiten mit einer Zeitauflösung von bis zu Nanosekunden, dadurch gekennzeichnet, daß optische Elemente (1, 15, 16'und 8) die divergent vom strahlenden Volumen (S) · ausgehende Strahlung (5, 6) auf eine strahlungsempfindliche Fläche (3) eines ortsauflösenden Strahlungsdetektors (2) derart abbilden, daß eine eindeutige Zuordnung von Strahlungswinkel (Θ) und Ort auf der Fläche (3) entsteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitauflösung entweder durch Pulsen des strahlenden Volumens (S) oder durch Betätigung eines elektronischen Verschlusses im ortsauflösenden Strahlungsdetektors (2) erreichbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parabolspiegel (1), dessen Brennpunkt mit dem Ort des Volumens (S) zusammenfällt, das Volumen (S) um einen Winkel von ca. 180° umgibt, daß der Parabolspiegel (1) die Strahlung (5,

6) in ein Parallelbündel (7) transformiert, und daß ein Linsensystem (8) dieses Parallelbündel (7) auf die strahlungsempfindliche Fläche (3) abbildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Fläche (15), deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Ort des Volumens (S) zusammenfällt, das Volumen (S) um einen Winkel von ca. 180 umgibt, daß an die Fläche (15) einzelne Strahlungsleiterfasern (16) angeschlossen sind, die die zylindrische Fläche (15) auf eine Ebene (17) transformieren, und daß ein Linsensystem (8) das von der Ebene (17) ausgehende Parallelbündel (7) auf die strahlenempfindliche Fläche (3) abbildet.

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5s- Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleiterfasern (16) Lichtleiterfasern sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen (S) mit einem Laserstrahl (4) anregbar ist.

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