DE2352817A1

DE2352817A1 - Messgeraet zur messung von bestrahlungsstaerken im optischen bereich

Info

Publication number: DE2352817A1
Application number: DE19732352817
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Albrecht; Rudolf Dipl Ing Maly; Eberhard Dipl Ing Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-20
Filing date: 1973-10-20
Publication date: 1975-04-30
Also published as: DE2352817B2

Description

Dr.-Iiig. Hans Albrecht 73/7741

705 Waibliiigen, Eichenweg 20

Heßgerät zur Messung von Bestrahlungsstärken im optischen Bereich '

Die Erfindung "betrifft ein Meldgerät zur Messung von Bestrahlungsstärken innerhalb- diskreter Spektralbereiche der optischen Strahlung, vorzugsweise im ultravioletten Gebiet. Die genaue Bestimmung von Bestrahlungsstärken ist überall dort erforderlich, wo ultraviolette Strahlen zur Erzielung "bestimmter Wirkungen eingesetzt werden, z.B. in der Eeprotechnik, Lacktrockung, Medizin und Kosmetik. Das Gebiet der ultravioletten Strahlen schlieft sich dem "blauen Teil des Sichtbaren an. Es wird in folgende Wellenlängenbereiche unterteilt:

UV-A 315 bis 380 nm '

UV-B 280 bis 315 nm - ·

UV-C 100 bis 280 nm. ■

Man hat bei der Festlegung dieser Grenzen sich ganz grob an den biologischen Wirkungen der Strahlung orientiert. Zur Beurteilung von Strahlungsquellen hinsichtlich ihrer Wirkung ist daher die quantitative Erfassung der Bestrahlungsstärke in den entsprechenden Spektralbereichen von Interesse. Insbesondere macht es die steigende Verbreitung künstlicher Strahlungsquellen (z.B. in sogenannten Bestrahlungsanlagen) erforderlich, die emittierten Strahlungsintensitäten zu kontrollieren, um Strahlenschädigungen zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein universell verwendbares, handliches und leicht bedienbares Meßgerät, das die Aufgabe erfüllt, Bestrahlungsstärken vorzugsweise in den angegebenen, relativ eng begrenzten UV-Bereichen zu messen.-

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Es ist "bekannt, daiä man Bestrahlungsstärken in vorgegebenen Spektralbereichen aus dem Spektrum einer Quelle ermitteln kann, das mittels Monochromator en oder äquivalenter Laborgeräte (Spektrometer) gemessen wird. Diese Methode scheidet in den meisten Fällen aus, weil es aufwendig, unnandlioh in der Bedienung und nur von geschultem Personal durchfuhr "bar ist.

Laßt man die G-esamtheit aller Wellenlängen einer Strahlenquelle direkt auf einen phot.oelektrisch.en Empfänger ,einwirken, so ergibt sich ein elektrisches Ausgangssignal, das die spektrale Verteilung der Bestrahlungsstärke entsprechend der individuellen spektralen Etnpfindlichkeitsverteilung des Empfängers "bewertet. Die spektrale Breite dieses Bereiches ist im allgemeinen größer als es für die Beurteilung hinsichtlich "bestimmter Strahlenwirkungen erwünscht ist. Durch Vorschalten optischer Bereichsfilter vor den photoelektrischen Empfänger wird der Empfindlichkeitsbereich entsprechend dessen Durchlässigkeit eingegrenzt, Für die Messung in dem vom menschlichen Auge sichtbaren Bereich stimmt man die spektrale Durchlässigkeit des Filters so ab, daß sich zusammen mit der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers eine Gesamtempfindlichkeit ergibt, die eine Bewertung von einfallender Strahlung gemäß -der Augenempfindlichkeit ermöglicht (s, Luxmeter). In analoger Weise ist daher die Anwendung ähnlicher Bereichsfilter für die definierten engen UV-Bereiche möglich, wobei für eine physikalische Messung ein rechteckiger Empfindlichkeitsverlauf der Idealfall wäre, der bei der praktischen Realisierung nur angenähert werden kann. Schmale Durchlässigkeitsbereiche zeigen Interferenzfilter. Sie sind jedoch recht teuer und erfordern parallelen Strahleneinfall, was meistens zusätzlichen Aufwand mit optischer Abbildung verlangt.

Ohne diese Nachteile und billiger sind UV-durchlässige Bereichsfilter aus Glas (Schwarzgläser). Die Zahl der verfügbaren Sypen ist beschränkt, und ihr Durchlässigkeitsverhalten

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ist im allgemeinen nicht unmittelbar den erwähnten UV-Bereichen angepaßt. Außerdem zeigen diese G-läser meistens eine geringe Durchlässigkeit im nahen Infrarot. Ferner gi"bt es sogenannte Langkantenfilter, die unterhalb ihrer Wellenlängenkante undurchlässig, jedoch oberhalb in weiten Bereichen gleichmäßig transparent sind. Es giTot eine große Zahl mit feinen Abstufungen hinsichtlich der Kantenlage.

Danach besteht das Meßgerät erfindungsgemäß für jeweils einen Spektralbereich aus mindestens 'einem fotoelektrischen Empfänger und zwei "bekannten vorgeschalteten Filtern, bestehend aus einem Bereichsfilter und einem Langkantenfilter sowie einer naengeschalteten Meßeinrichtung, in der die Bestrahlungsstärken durch Differenzbildung der fotoelektrischen Signale gemessen werden. .

Das Meßgerät sei anhand von Fig. 1-erläutert. Die Transmission des Bereichsfilters 1 liegt hauptsächlich im ultravioletten Bereich und hat meistens einen geringen Anteil im Infraroten. Symbolhaft sei die in den definierten Bereichen durchgelassene Strahlung mit folgender Abkürzung geschrieben: (B+A+IR). Kombiniert man dieses Bereichsfilter 1 mit dem Langkantenfilter 3, so liegt die Durchlässigkeit der Kombination im W- A und IR: -(A+IR). Durch Differenzbildung ergibt sich die Durchlässigkeit im UV- B-Bereich. Kombiniert man das Bereichsfilter 2 mit dem Langkantenfilter 4» so liegt die Durchlässigkeit der Kombination im UV-B+A+IR. Durch Differenzbildung mit der durch das Bereichsfilter 2 durchgelassenen Strahlung (JJV-C+B+A+IR) ergibt· sich die Durchlässigkeit im UV-C-Bereich.

Ordnet man hinter den Filtern bzw. Filterkombinationen gleichartige photoelektrische Empfänger an, deren photoelektrische Ausgangssignale direkt proportional der einfallenden Strahlungsleistung sind, so ergibt sich aus der Differenz der Signale ein Signal, das der Strahlungsleistung in dem dazwischen liegenden Bereich proportional ist, z*B»
(C+B+A+IR) - (B+A+IR) = (C)

oder (B+A+IR) - (A+IR) = (B)

oder (A+IR) - (IR) = (A).

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Der schematische Aufbau der Meßeinrichtung wird anhand des Blockschaltbildes I¹Ig. 2 näher erläutert. Die durch die jeweiligen Filterkombinationen 5 transmittierte Strahlung fällt auf den oder die photοelektrischen Empfänger 6. Zweckmäßigerweise liegt der Meßbereichsumschalter 7 unmittelbar dahinter, weil damit für jeden Meßbereich eine individuelle Anpassung des Arbeitswiderstandes an den Innenwiderstand des Empfängers erzielt werden kann. Das der einfallenden Strahlung proportionale elektrische Signal wird mit einer Zerhackereinrichtung 8 in ein Wechselsignal verwandelt, so daß auch geringe Signale drift- und weitgehend störungsfrei wechselstrommäßig weiter verstärkt werden können. Dazu dient der nachfolgende elektronische Verstärker 9» der eine getrennte Einstellung der Verstärkung für verschiedene Bereiche ermöglicht, um so Empfindlichkeitsunterschiede der Detektoren (FiIterkombination + photoel.Empfanger). zu kompensieren. Ein Wahlschalter 10 führt die für den gewünschten Spektralloereich erforderlichen Signale einem Differenzverstärker 11 zu. Das verstärkte Differenzsignal wird dem Gleichrichter 12 und dem Anzeigeinstrument 13 zugeführt. Zur Komplettierung kann die Meßeinrichtung durch eine zeitlich integrierende Vorrichtung ergänzt werden, so daß ein Dosismesser 14 (Strahlungsleistung χ "Zeit) entsteht, der vorteilhaft bei automatischen Steuerungs- oder Regelixngsvorgängen eingesetzt werden kann. Der Zerhacker 8 kann "beispielsweise ein elektronischer^Zerhacker sein, der von einem Generator 15 angesteuert wird. Es ist auch ein "bekannter mechanischer Zerhacker denkbar, indem z.B. die verschiedenen Langkantenfilter sich mittels einer rotierenden Scheibe zwischen Bereichsfilter und photoelektrischem Empfänger bewegen und die einfallende Strahlung periodisch unterbrechen. Eine phasenrichtige Verstärkung ermöglicht dann ebenfalls die Anzeige in den gewünschten Bereichen.

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Ebenso ist eine Bereichswahl durch mechanisches Verschieben der Langkantenfilter und elektrische Zwischenspeicherung Tor der Differenzbildung möglich. Ferner kann der Verstärker 9 als Logarithmierverstärker ausgebildet werden, so daß dann nach Summen- bzw. Differenzbildung und anschließender Entlogarithmierung das Produkt oder der Quotient der Strahlungsleistungen in den jeweiligen Bereichen angezeigt wird. -·

Die Energiequelle 16 zur Stromversorgung kann aus einer Batterie mit entsprechender Batteriekontrollmöglichkeit,.einem Netzteil oder auch einem kombinierten Batterienetzteil bestehen. Die detaillierte Ausführung des Heßbereichschalters 7 und des Verstärker s 9) damit ein linearer Zusammenhang zwischen einfallender Strahlungsleistung und Signal erreicht wird,"hängt von der Art des gewählten photoelektrischen Empfängers ab. Speziell bei Batteriebetrieb eignen sich besonders halbleitende Photoempfänger (innerer Photoeffekt)■ z.B. Photodiode oder Photoelement. Bei derartigen Empfängersist der Kurzschlußstrom der einfallenden Strahlungsleistung direkt proportional. Die Leerlaufspannung dagegen ist ungefähr proportional dem Logarithmus aus der Strahlungsleistung. U¹Ur eine lineare Anzeige muß in diesem Fall für eine geeignete "Entzerrung" gesorgt werden. Außerdem hat diese W Metiiode den Nachteil, daß der Temperatureinfluß auf die Leerlaufspannung viel stärker ist als auf den Kurzschlußstrom. Man muß zu dessen Messung daher darauf achten, daß der Eingangswiderstand der Meßschaltung kleiner ist als der Innenwiderstand des Photoelements. Da dieser mit steigender Strahlungsleistung sinkt, ist eine laeßbereichsabhängige Anpassung vorteilhaft.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es möglich, daß nur die Strahlungsmessung in einem oder zwei Bereichen verlangt ist. Dann können geringfügige Abänderungen die Geräteausführung vereinfachen. So kann auf eine gesonderte Berücksichtigung des IR-Einflusses verzichtet werden, wenn z.B. der gesamte Strahlungsdetektor dort nur sehr schwach empfindlich ist -und ausgeschlossen werden kann, daß Strahlungsquellen .mit besonders hoher oder ausschließlicher Infrarotemission gemessen werden sollen.

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Solch vereinfachtes Ausführungs"beispiel wird im folgenden anhand einer Schaltung in Jig. 3 und eines Bildes Fig. 4 beschrieben. Die Strahlungsdetektoren 17 und 18 sind "beispielsweise S el en-Pho to elemente mitjlen Eilt erkom"binat ionen, so dai3 einmal eine Empfindlichkeit im TJV-A + TJV-Ü und das anderemal , nur eine Empfindlichkeit im UY-A erzielt wird. Für die Auswahl verschiedener Meßbereiche sorgen die Wahlschalter iy und 20, die mechanisch gekoppelt sind. Die "bei Strahlungseinfall an den Meßwiderständen entstehenden G-Ieichspannungssignale werden mit dem Zerhacker 21 in ein Wechselsignal verwandelt. Die Feldeffekttransistoren des Zerhackers werden von einem astabilen Multivibrator- 22 periodisch angesteuert. Die eigentlichen Verstärker 23 und 24 sind kapazitiv angekoppelt und verstärken Wechselsignale. Die Verstärkung ist jeweils getrennt mit den Rückkopplungswiderständen einstellbar. Die verstärkten Signale werden über einen Spektralbereichsschalter 25 einem Summierer (Differenzverstärker) 26 zugeführt, so dai3 am Ausgang entweder ein der UV-A-Strahlung oder ein der UV-B-Strahlung proportinales Signal anliegt. Dieses Signal wird einem Brückengleichrichter 27 zugeführt, in" dessen mittlerem Zweig ein Drehspulinstrument 28 liegt, das den Mittelwert anzeigt.

Wie aus Fig. 4, die eine Ausführung der Vorrichtung nach__der Erfindung zeigt, zu entnehmen ist, ermöglicht eine sorgfältige handgerechte Anordnung der Bedienungs- und Ableselemente die Bedienung mit einer Hand,

Werden in dieser Ausführung beispielsweise Filter von SCHOTT ' (Mains) des Typs UG- 11 (3 mm dick) und WGr 320 (3 mm dick) sowie Selen-Photoelemente von ELECIROCELL (Berlin) des Typs G-P (25 mm 0) verwendet, ergeben sich für den ganzen Detektor 'die in Fig. 5 dargestellten relativen Smpfindlichkeitskurven. Der in realen :Fällen nie erreichbare Idealfall rechteckförmiger Empfindlichkeitskurven ist optimal angenähert. Trotzdem empfiehlt es sich, die Bestrahlungsstärke in Skalenteilen abzulesen und das Ergebnis mit Korrekturfaktoren k zu multiplizieren, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Strahlungsquellentyp geringfügig schwanken} z.B.

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_Δ (Ultravitalux) = 2,9 A¹

~ -— ^T" f ο

^UV-A C^-^^orinal) =2,9 ii¥/cm .Skt.

_B (Ultravitalux) = 3,9 ^W/cm².Skt.

ρ (UV-Hormal) =4,7

Schräg einfallende" Strahlung bis zu Einfallswinkeln von + 30 gegenüloer der Senkrecliten wird proportJmal dem Cosinus des Winkels angezeigt.. Durch eine auf steckbare Vorrichtung in Form.einer opaken Quarzscheibe oder einer Ulbricht-Kugel kann die "cos-Treue" über den ganzen Halbraum erzielt werden, was besonders bei der Messung der Himmelsstrahlung oder anderer ausgedehnter Quellen von Bedeutung ist.

Es ist auch möglich, zum nachweis beispielsweise von UV-O- Strahlung einen luminophor zu verwenden, der die einfallende kurzwellige Strahlung in langwellige transformiert. Durch eine sinngemäße Differenzmessung können dann UV-C-Bestrahlungsstärken bestimmt werden.

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Claims

Dr.-Ing. Hans Altaecli» 73/7741 £ ^ & 2 8 1

Patentansprüche

ι 1 .yMetögerät zur Messting von Bestrahlungsstärken im optischen ^"^^ Bereich (Λ ^. 800 mm), insbesondere im Bereich unterhalb von 380 nm, mit einer der Meßeinrichtung vorgeschalteten . Filterkombination,

dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils einen Spektralbereich mindestens ein fotoelektrischer Empfänger und zwei vorgeschaltete bekannte Filter bestehend aus einem Bereichsfilter und einem Langkantenfilter _f vorgesehen sind und daß eine Me id einrichtung nachgeschaltet ist, in der die Bestrahlungsstärke durch Differenzbildung der fotoelektrischen Signale gemessen wird..

2. Meßgerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, .daß das Bereichsfilter (1), das zwischen 380 und 280 nm transparent ist, mit dem Langkantenfilter (3) mit einer Kantenlage bei etwa 320 nm zusammenarbeitet, so, daß der UV-A- und der UV-B-Bereich durch Differenzbildung getrennt meßbar sind bzw. daß das Bereichsfilter (2), das zwischen 220 und 380 nm transparent ist, mit dem Langkantenfilter (4-) mit einer Kantenlage bei etwa 280 nm zusammenarbeitet, so, daß der UV-A+B- und der langwellige UV-G-Bereich getrennt meßbar sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des UY-G-Bereichs ein Lichtwandler in Form eines Luminophores vorgesehen ist,dessen Absorption im UV-G-Bereich und dessen Emission im UV-A+B-Bereich liegt.

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4. Meßgerät nach. Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dau die Me 13einrichtung aus fotoelektrischen Empfangern mit dein .Filter und einem nachfolgenden Schalter zur Bereichsumschaltung und einem Wählschalter zur Üelektierung des gewünschten Spektral~bereichs und einem Strommeügerät als Anzeigeeinrichtung "besteht.

^lj. new ge rat nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem pliotoelektrischen Empfänger (6), einer Einrichtung zur Bereiciiswahl und Anpassung (7), einem Zernacker (8)·, der von einem Generator (15) angesteuert ist, einem elektronischen Verstärker (9)» einem Wahlschalter (10) zur Üel&tierung des gewünschten Spektralbereichs, einem elektronischen Differenzverstärker (11), einem Brückengleicnrichter (1^) und einer üinergiequeile C16J (Batterie + Kontrolle) "besteht, . >

6. Fleijgerät nach Anspruch 1 bis 5» ·

dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte, die Bestrahlungsstärke über die Zeit integrierende Einrichtung (14) (Dosis-messer) nacligesehaltet ist»

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