DE2338481C2

DE2338481C2 - Vorrichtung zur schnellen Messung der zeitlichen Änderung der Strahlungsintensität

Info

Publication number: DE2338481C2
Application number: DE2338481A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Phys. Dr. 7501 Leopoldshafen Moser
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1973-07-28
Filing date: 1973-07-28
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DE2338481A1; US3932762A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung fuer die Messung von Strahlungswinkelabhaengigkeiten mit einer Zeitaufloesung von bis zu Nanosekunden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente die divergent vom strahlenden Volumen ausgehende Strahlung auf eine strahlungsempfindliche Flaeche eines ortsaufloesenden Strahlungsdetektors derart abbilden, dass eine eindeutige Zuordnung von Strahlungswinkel und Ort auf der Flaeche entsteht. Hiermit ist eine Vorrichtung geschaffen, mit der die Messung der zeitlichen Aenderung der Troepfchengroesse bei der Nebelbildung oder der Abhaengigkeit der Clustergroesse von den Einlassparametern, die Fertigungsueberwachung bei der Produktion von Fasern, Farben oder Kolloiden, die Untersuchung von Emulsifikations- und Koagulationsprozessen, die Aufzeichnung der oertlichen und/oder zeitlichen Variation der Groesse von Aerosolpartikeln in der Luft, die Autoabgaskontrolle, die Untersuchung von Bakterien oder deren schnelle Reihenanalyse, die Analyse der ausgestossenen Materie bei Kolloid-Triebwerken und die Messung der Groessenaenderung von Clustern in Plasmen ermoeglicht wird. ...U.S.W

Description

a) es ist ein in sich ortsauflösender, schnell abfragbarcr oplischer Strahlungsdetektor (2) vorgesehen.

b) es ist ein optisches System (!, 8—1.3; 14—17, 8—11) vorgesehen, das die Strahlung (5, 6) aus verschiedenen Richtungen in einer Entfernung vom Strahler (S) erfaßt und derart zur strahlungsempfindlichen Fläche (3) des Detektors (2) leitet, daß eine eindeutige Zuordnung von Strahlungswinkel (<9) und Ort auf der Fläche (3) entsjtJt-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitauflösung entweder durch Pulsen des Strahlers (S) oder durch Betätigung eines elektronischen Verschlusses im Strahlungsdetektor

(2) erreichbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parabolspiegel (1), dessen Brennpunkt mit dem Ort des den Strahler ß? bildenden Volumens zusammenfällt, das Volumen in einem Winkel vor. -a. 180° umgibt, daß der Parabolspiegel (1) die Strahlung (5,6) in ein Parallelbündel (7) transformiert, und daß ein Linsensystem (8) dieses Parallelbündel (7) aul die strahlung empfindliche Fläche

(3) abbildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Fläche (15), deren Krümmungsmittelpunkt mit dem des den Strahler (S) bildenden Volumens zusammenfällt, das Volumen in einem Winkel von ca. 180° umgibt, daß an die Fläche (15) einzelne Strahlungsleiterfasern (16) angeschlossen sind, die die zylindrische Fläuie (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.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen Messung der zeitlichen Änderung der Strahlungsintensität eines räumlich begrenzten Strahlers unter Erfassung der Winkelabhängigkeit.

Es ist eine Vorrichtung bekannt (DE-PS 12 06 169), bei welcher für die Messung an großen atmosphärischen Volumina das Luftvolumen sehr kurzen Lichtimpulsen ausgesetzt und ein Multidetektor verwendet wird. Mit dieser Vorrichtung wird jedoch keine Winkelauflösung erzielt, da jeder Einzeldetektor nur Streulicht, das zu vielen verschiedenen Streuwinkeln gehört, aufnehmen kann.

Es ist auch eine Vorrichtung zur Messung von Streulichtwinkelabhängigkeilen an kleinen Partikeln bekannt (J. Chem. Phys. 51, 1931 [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 Winkelabhangigkeit 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 Funktion schnell veränderlicher Parameter oder während sehr kurzer Zeitintervalle aufgenommen werden soll, ist es jr-doch notwendig, eine schnelle Methode zu besitzen. Mit einer

ίο kommerziellen Vorrichtung der o.g. Art dauert die Messung der Winkelabhängigkeil der Slreulichiiniensi lät /. B. von einer Suspension elwa I min. Kino Ikschleunigung der Messung durch Krhcihung der I liuhnif geschwindigkeit des Detektors um das Slreuvolunicn

ι. um einige Größenordnungen isi aber zumindesi aus Icstigkcilsgründen 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 Ciusiergröße von den Einiaßparametern, 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 Aerosolpartikel.ι in der Luft, die Autoabgaskontrolie, die Untersuchung von Bakterien oder deren schnelle Reihenanalyse, die Analyse der ausgestoßenen Materie bei Kolloid-Triebwerken und die Messung der GröSenänderung von Clustern in Piasmen. Gerade diese letztgenannten Messungen der zeitlichen Änderung erfordern sogar ein Verfahren, welches Messungen im Nanosekundenbereich ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin.

eine Vorrichtung der e. g. Art derart zu verbessern, daß sie es gestattet, in möglichst kurzen Zeitintervallen, insbesondere im Nanosekundenbereich, eine vollständige Lichtwinkelabhängigkeit aufzunehmen. Die Lösung dieser Aufgabe ist e.iindungsgemäß im Kennzeichendes Anspruches 1 beschrieben.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wiedergegeben.

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

Ein wesentlicher Bauteil der Vorrichtung zur Messung insbesondere der Streulichtwinkelabhängigkeit mit Parabolspiegel 1 und optischem Vielkanalanalysator 2 ist der in der Fig. 1 dargeste.ic 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 Flachenelemente aufgeteilt ist. Auf diese ebene Fläche von ca. 12,5 auf 9 mm² wird der Ausgang eines Spektralapparates (wird noch beschrieben) abgebildet und somit in 500 Intervalle aufgelöst. Die Umsetzung der gi-spcichcrten Information geschieht wie üblich durch Abtasten mit einem Elektronenstrahl. Die dabei entstehenden Stromstöße werden von einer nicht näher dargestellten entsprechenden Elektronik verarbeitet.

Bei den mittels der Erfindung durchgeführten Lichtstreumessungen fällt die Information als Energiestromdichte /(0) in. Abhängigkeit vom Streuwinkel θαη. 1(0) 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 Zylinderfiäche auf eine Ebene durchgeführt werden. Eine mögliche Lösung ist die in der F i g. 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 '^leuchtet Das vom Streuvoluraen 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 It 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 Sircüvölümens S. Zwischen dem Parabolspiegel 1 und der optischen Linse 9 ist ebe weitere Blende 13. z. B. eine Schlitzblende, angeordnet, welche in der Brennebene vor der Linse 9 steht. Die Biende 11 steht von der Linse 9 um deren Brennweite /1 und von der Linse 10 um deren Brennweite /2 entfernt Die Linse 10 selbst ist wieder vom Sichtfenster 3 des Vidicons 2 um die Brennweite /2 entfernt Der Winkel (Θ) wird durch die Richtung des Laserstrahls 4 bestimmt So ist 0=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.

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

In der F i g. 2 ist die weitere mögliche Vorrichtung der Messung der Streulichtwinkelabhängigkeit mit Bildieiter 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 F i g. 1 bereits beschrieben ist Die Wirkung der Blende 11 entspricht ebenfalls der der Blende 11 nach F i g. 1. Auch wird der Streuer im Streuvolumen 5 wiederum von dem Laserstrahl 4 angeregt, dessen

ίο Strahirichtung die Winkelrichtung θ = 0° bis 180° fest-■egt 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 Ι(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 b7vy. an einer ebenen Fläche 17 enden. Diese Fläche 17 en-spricht in etwa dem Querschnitt des Strahlbündels 7, der aur 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 Ori

s = nc ■ ρ ■ (1 — sin 6^/cos θ

dßlds = -(I +sin (1(9)//

Mit der Gleichung 2 ergibt sich das reziproke Auflösungsvermögen /u

= -[(1 tsin d&)/lsr] ■ ds

5= γ(-

(Gl. 1)

Dabei ist ρ der Halbparameter der Parabel 1 und λ (0<λ< 1) der Verkleinerungsfaktor des Teleskops 8. Die Funktion 5 (0) 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_n auf dem Fenster 3 des Vidicons 2 eindeutig ein Winkel 6Ό entspricht.

Das reziproke Auflösungsvermögen ist gegeben durch

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 F i g. 1 beschriebenen. Der Hauptvorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 ZeitaufiösL-ng kann durch die Dauer des Primärlichtblitzes, d.h. die Dauer des Lichtstrahles 4, oder durch elektrisches Gating eines in djS Vidicon 2 integrierten Bildverstärkerteils vorgegeben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

(Gl. 2)

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

(Gl. 3)

(Gl. 4)

Diese Funktion ist erwartungsgemäß symmetrisch bezüglich θ = 90° und variiert insgesamt um einen Faktor 2. Der Wert von &ΘΙπ wird bestimmt durch die Vidicon-Eigensehfit lids s 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 einge'ien, nicht kleiner werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur schnellen Messung der zeitlichen Änderung der Strahlungsintensität eines räumlich begrenzten Strahlers unter Erfassung der Winkelabhängigkeit, gekennzeichnet durch die Kombination der an sich bekannten Merkmale: