DE2417004C3 - Thermoelektrische Einrichtung zum Nachwels von Strahlung und Anwendungen hiervon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Einrichtung zum Nachweis von Strahlung in Form kurzzeitiger Strahlungsimpulse durch direkte Umsetzung von Strahlungsenergie in elektrische Spannung.

Übliche Strahlungsdetektoren oder Strahlungsempfänger arbeiten meist mit dem inneren oder dem äußeren Photoeffekt. Auffallende Strahlungsenergie löst Leitungselektroden aus ihrem Verband und setzt sie frei. Bei Photoelemcnten können die freien Elektronen in ein Vakuum austreten und durch eingeschmolzene Elektroden für den äußeren Stromkreis gesammelt werden. Bei Pholowiderständen ändert sich die Leitfähigkeit der Einrichtung, weshalb immer eine äußere Spannungsquelle erforderlich ist. Die meisten dieser Einrichtungen verwenden Halbleitermaterialien, und manche von ihnen können nur bei tiefen Temperaturen arbeiten, weshalb sie mit aufwendigen Kühleinrichtungen versehen sein müssen. Auch ist oft ihr arbeitsfähiger Spektralbereich stark begrenzt.

Aus der deutschen Auslegeschrift 15 39 281 ist eine thermoelektrische Einrichtung mit einem eine anisotrope Thermokraft in zueinander senkrechten kristallographischen Achsen aufweisenden Einkristall bekannt, um die transversale Thermospannung auszunutzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Maßnahmen zur Ausnutzung thermoelekmscher Effekte anzugeben, um außerordentlich einfach aufgebaute thermoelektrische Einrichtungen zum Nachweis von Strahlung in Form kurzzeitiger Strahlungsimpulse zu erhalten. Diese Einrichtungen sollen keine äußeren Spannungsquellen brauchen, kein Vakuum benutzen und nicht nur bei außerordentlich tiefen Temperaturen arbeitsfähig sein. Sie sollen vielmehr in weiten Spektralbereichen und außerdem in außerordentlich großen Temperaturbereichen günstig zu arbeiten vermögen.

Gemäß der Erfindung ist eine thermoelektrische Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dünne dauernd oder zeitweilig thermoelektrisch anisotrope Metallschicht vorgesehen ist, die zur Einfallsrichtung der Strahlung so orientiert ist, daß mindestens eine Komponente der Strahlung in der Normalenrichtung der Schicht wirksam ist und daß mindestens zwei Elektroden mit der Metallschicht verbunden sind, an welche Auswerteeinrichtungen für die aufgrund eines strahlungsinduzierten thermoelektrischen Effektes auftretende transversale Thermospannung anschließbar sind.

Dadurch daß keine besonderen Anforderungen an die erfindungsgemäße thermoelektrische Einrichtung hinsichtlich kristalliner Eigenschaften wie bei bekannten Anordnungen zu stellen bzw. zu beachten sind, lassen sich Herstellung und Betrieb Einrichtung nach der Erfindung besonders einfach gestalten. Dies nicht zuletzt auch dank der einfach anzubringenden Anschlüsse zur Entnahme der Thermospannung. Die Einrichtung nach der oben genannten deutschen Auslegeschrift ist demgegenüber jedenfalls wesentlich aufwendiger bzw. komplizierter.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

• Ptnäß der Erfindung vorgesehene Einrichtung ?e£ schnell ansprechenden Detektor elektrotellt ^einc Energie dar, der sich z. B. mit anderen [»ag"^eUSC" _etektoren ^ _kombinieren ,_äßl^ _{daß ein} ¹ Metz von Strahlungsdetektoren der erfindungs- < ^!anZ-^eLn Art zur Verfügung steht Die erfindungsgemäß ^?em Hldele Einrichtung zieht dabei ihre:·. Vorteil aus in "^Metallschicht entweder dauernd oder kurzzeitig & .^!!"hermoelektrischen Anisotropie. Hierbei läßt *uZ.Polarität der Ausgangsgröße in einfacher Webe ,

j h umkehren daß die Einfallsrichtung der auf die Älschicht einwirkenden Strahlungsenergie umge-

^keo^rt Einrichtung gemäß der Erfindung bietet also den ν κ il d aß "Te !ich einfach herstellen und betreiben S da Raumtemperatur anwendbar ist was gegenüber ΐ Maßnahmen nach der genannten deutschen den M^dU, _f J5 39 281 ebenfalls eine wesentliche

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v nn auch bereits bei ihrem Vakuumniederschlag selbst «nommen sein. In einem bevorzugten Ausführungs-

t°?oie°der Erfindung, nämlich bei Verwendung e.nes

Setallschicht tragenden Substrats, ist der Ausgangsnk im Ansprechen auf einen Lasenmpuls sehr viel

^imP«Ir aTs der bei einer Metallschicht ohne Substrat. So ⁶RR für eine Metallschicht mit induzierter Tnisotrop.e und ohne Substrat die Dicke mindestens i/S worin « die optische Absorptionslänge in cm-' 1/« se η wo ^_f ^^ _die,_{eklrischen Substrat}

beschlagene Metallschicht verstärkt das Substrat ü Temoeraturgradienten, wobei die Substratd.ckc S sowoh nach⁸ ihren thermischen Eigenschaften als

uch nach denen des Metalls richtet. Für d.e freie Metallschicht muß die Impulsbreite Werner sein als _J5

JSr DVK. worin Ddie Dicke der Metallschicht und Ss thermische Diffusionsvermögen der Metallschicht

^'vorteilhafter Weise werden zum Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung keine Betnebsspan-

pn henötißt wobei außer Raumtemperatur auch Se und Sfere Umgebungstemperaturen ohne weiteres zulässig sind. Gegenüber bisherigen Strah-Γ !ImnSnRern ergeben sich bei Verwendung des erSung gemäßen Strahlungsempfängers re.ativ hohe A«s_Pe_gel über einen weiteren P.ere.ch des ^magnetischen Spektrums als bisher.

De Fifmdung wird anschließend anhand von _Aü3ührun_gsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung naher

πΐ'ίA zeigt schematisch als Schnittdarstellung eine Metallschicht mit induzierter Anisotropie, u.e be.sp.elsh einen Laserimpuls angeregt w.rd. eine

Schicht einfällt. Ein Oszilloskop Ausgangsimpedanz geschaltet, und eine Wellenform mit einem negativ gerichteten Impuls erscheint auf dem Bildschirm, wie rechts in der Figur angedeutet ist

Fig2B zeigt eine ähnliche Anordnung wie in Fig.2A, jedoch ist hier die Lage der gleitenden Kontakte vertauscht Die erhaltene Wellenform zeigt einen impuls mit umgekehrter Polarität;

Fig2C und 2D zeigen ähnliche Anordnungen, jedoch sind hier die Kontakte in einer Lage die um einen rechten Winkel verdreht ist gegenüber der Lage in den Fig.2A und 2B. Auf dem Bildschirm erscheint keine Ausgangsspannung; .

F i g 2E zeigt eine Anordnung ähnlich der in H g- -a, jedoch sind hier die Kontakte um 45° verdreht angeordnet. Die erhaltene Ausgangsspannung is von gleicher Polarität wie in F i g. 2A. jedoch die Amplitude ist erheblich verkleinert; . _9R

F i g. 2F zeigt eine Anordnung ähnlich der in F ig./« jedoch ist hier die Lage der Kontakte um 45 v^rtre Die erhaltene Ausgangsspannung ist \ Poiarität wie in Fig. 2B, jedoch die A erheblich verringere ^^ ^

skopf voi Ausgangsspannungen wieder, die von eine, ,80? Ä starken, auf einen Saph.r aufgedamph.n Molvbdänsch.cht erhalten wurden, welche durch n,n Laser angeregt wurde. Der anregende Laserpuls h^c „ne Wellenlänge von etwa 4600 A und eme Pukbruu von etwa 5 Nanosekunden (nsec) F ι g. 3A ze ig d.u Auswngssignal für eine normal ^r ^M^ omflllcrTde Strahlung. F , g. 3B zeigt das Ausgangss.gna für eine von der Rückseite her durch das Subsuai hindurch einfallende Strahlung;

F i s 4A und 4B zeigen Tcmperaturprofile fui d.e ,oka.e^g Erwärmung UbL die U^bungstempera ur

kurz nach dem Ende des Impulses.

in Fi ε .Α ist eine Metallschicht 1 dargestellt aus einem nocnichmdzendcn Metal, wie Mo ybdan_ROde Wolfram. Die Metallschicht 1 .st nur an .hrem Ranoc durch ein dielektrisches Substrat 2 getragen, das aus

, von Elektroden oder Kontakten 3, 4 angebrächt t durch den Pfeil 5 angedeuteter Laserpuls fall au! dx

Ferromagncusmus der Sch,cht abhängt

Wenn ein ^^crP^uli ck rade^ 4 cmc Spannung,

Impulsform aufrechtzuerhalten, kann eine (nicht dargestellte) Anpassungsimpedanz parallel zu den Elektroden 3, 4 geschaltet werden. Die Anwesenheit eines auf der Schicht 1 einfallenden Laserpulses kann dann nachgewiesen werden durch Beobachten der induzierten Spannung auf dem Schirm eines Oszilloskops, das parallel zur Impedanz geschaltet ist.

In F i g. 1B ist eine Anordnung ähnlich der in F i g. 1A gezeigten dargestellt, mit der Ausnahme, daß hier die Schicht 1 überall von einem dielektrischen Substrat 2 getragen ist. In der Anordnung nach Fig. IB wird eine Ausgangsspannung an den Elektroden 3, 4 erzeugt, welche eine erheblich größere Amplitude aufweist als die Ausgangsspannung an den Elektroden 3, 4 der Anordnung nach Fig. 1A. Wegen dieser Eigenschaften ist die Anordnung gemäß Fig. IB ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. In beiden dargestellten Einrichtungen entsteht ein Temperaturgradient in einer Richtung normal zur Ebene der Schicht 1, und zwar entweder in der Schicht 1 wie in der Einrichtung nach F i g. 1A, oder sowohl in der Schicht 1 als auch im Substrat 2 wie in der Einrichtung nach Fig. IB. Es ist dieser Temperaturgradient, der in Verbindung mit der induzierten thermoelektrischen Anisotropie das unerwartete Ergebnis zeigt, daß ein elektrisches Signal als Antwort auf einen einfallenden Impuls von Laserlicht entsteht. Obwohl ein Gradient auch in der freitragenden Schicht 1 gemäß der Fig. IA entstehen kann, ist dieser Gradient jedoch verhältnismäßig klein infolge der geringen Materialstärke der Schicht 1. Als Ergebnis dieses kleinen Gradienten entsteht nur eine geringe Ausgangsspannung an den Elektroden 3, 4. Dieser Temperaturgradient kann jedoch wesentlich vergrößert werden durch Benutzung eines gut wärmeleitenden Substrats wie in der Anordnung nach Fig. IB. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Substrats 2 hat auch einen großen Temperaturgradienten als Antwort auf einen in Normalenrichlung einfallenden Laserpuls zur Folge. Je größer der Temperaturgradient ist, um so größer ist die Spannung des Ausgangssignals an den Elektroden 3, 4. vorausgesetzt, daß für die Anregung eine Strahlungsquelle mit hoher Leistungsdichte wie ein Laser verwendet wird.

Die Schicht 1 muß eine induzierte thermoelektrische Anisotropie aufweisen, um eine elektrische Spannung an den Elektroden 3, 4 gemäß den Fig. IA. IB entwickeln zu können. Wenn die Schicht 1 keine induzierte Anisotropie aufweist, entsteht auch keine Spannung an ihren Anschlußkontakten, selbst wenn ein Temperaturgradient in der Schicht vorhanden ist. Wenn beispielsweise eine Schicht aus Wolfram oder Molybdän im Vakuum bei hoher Temperatur aufgedampft wird, dann findet in dieser so niedergeschlagenen Schicht ein selbsttätiges Tempern und damit ein Abbau der inneren mechanischen Spannungen statt Wenn bei sonst gleichbleibenden Bedingungen die Aufdampfung im Vakuum von Wolfram oder Molybdän bei der geringst möglichen Substrattemperatur und gleichzeitig mit guter Adhäsion erfolgt, dann bewirkt die Anwendang eines Laserpulses in Richtung normal zur Ebene der Schicht eine Ausgangsspannung an den Elektroden 3,4. Es ist deshalb ein notwendiges Erfordernis, daß die Schicht induzierte thermoelektrische Anisotropie aufweist die beispielsweise durch innere mechanische Spannungen in der Schicht 1 während ihres Niederschlages bei oder in der Nähe der Raumtemperatur erzeugt wird. Unter den genannten Bedingungen zeigt die Schicht 1 eine permanente induzierte Anisotropie. Anisotropie muß jedoch nicht permanent sein, sondern kann auch in einer Schicht mit abgebauten inneren mechanischen Spannungen momentan erzeugt werden durch die Anwendung eines äußeren magnetischen Feldes, beispielsweise in ferromagnetischen dünnen Schichten. Hier isl mechanische innere Spannung nicht notwendig, weil bereits das magnetische Feld die Elektroden zwingt, anisotrop zu fließen infolge der Lorentz-Kraft, die durch das Vektorprodukt der Eletronengeschwindigkeit und der magnetischen FeIdstärke (V χ Hjdefiniert ist. Eine zusätzliche Anisotropie mag davon herrühren, daß viele magnetische Schichten, so wie sie hergestellt sind, eine anisotrope Magnetisierung besitzen.

Die an den Elektroden 3,4 abnehmbare Spannung ist

is bei gleichbleibender Laserimpulsform direkt proportional zur einfallenden Lascrleistung, sie ist leicht abhängig von dem Material des verwendeten Substrates, und sie ist unabhängig von der Polarisation des einfallenden Laserstrahles. Die Spannung ist eine Funktion der Materialstärke der Schicht 1 insoweit, als die Schichtdikke einen Einfluß auf den sich einstellenden Temperaturgradienten in Richtung normal zur Schichtebene hat. Es wurden Schichten mit Materialstärken im Bereich von 500 bis 2700 Ä untersucht.

2S Die Ansprechzeit der Schicht 1 ist abhängig von der Breite des Laserpulses. Für einen 5 nsec Laserpuls ist die Anstiegszeit in der Größenordnung von 3-4 nsec, und die Abfallzeit beträgt etwa 5 nsec. Kürzere Laserpulse bewirken Anstiegszeiten etwa gleich der Impulsbreite.

ίο Innerhalb der Schicht 1 wird in jeder der durch die Kontaktspitzen der Anschlüsse 3,4 gegebenen Richtungen bei der Umsetzung des Strahlungsimpulses keine Änderung der erzeugten Spannung beobachtet. Für die freitragende Schicht 1 gemäß Fig. IA sollte die Materialstärke mindestens 1/« betragen, wobei λ die optische Absorptionslänge, gemessen in (cm-¹), bedeutet. Die Impulsbreite eines einfallenden Laserpulses sollte nicht so groß sein, daß eine lokale Verdampfung der Schicht auftritt. Für eine freitragenden Schicht 1 sollte die Impulsbreite < D¹IK sein, wobei D die Schichtdicke bedeutet und K die thermische Diffusionskonstante der Metallschicht 1 ist. In der Anordnung nach Fig. IB, mit einer durch ein Substrat getragenen Schicht, zeigt dieses Substrat den erwünschten Tempels raturgradienten. Auch in diesem Falle sollte die Impulsbreite nicht so groß sein, daß die Schicht verdampft wird. Bei der Anordnung nach Fig. 1B ist die Impulsbreite bestimmt durch die thermischen Eigenschaften von sowohl der Schicht t als auch dem Substrat

Die Schicht 1 kann auf irgendeine bekannte Weise durch Aufdampfen im Vakuum erzeugt worden sein, vorzugsweise im Bereich der Raumtemperatur (20° C). Die Schicht 1 kann von irgendeinem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt hergestellt sein, das bei gewissen Wellenlängen Strahlung absorbiert Für Anordnungen nach Fig. IA sind die Ubergangsmetalle hervorragend geeignet wie Titan, Vanadium, Chrom, Kobalt Nickel, Tantal. Wolfram, Uran, Osmium, Iridium, Platin und Molybdän. Im allgemeinen kann jedes Metall oder jede Legierung mit einer hohen Schmelztemperatur verwendet werden, welches induzierte Anisotropie aufweist

Das Substrat 2 kann aus jeder elektrisch isolierenden Substanz mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. So

können beispielsweise Glas, Quarz, Korund oder andere dielektrische Materialien verwendet werden. Die Elektroden 3, 4 nach den Fig. IA, IB können an die Oberfläche der Schicht 1 thermisch gebunden sein oder

auf eine andere Weise angebracht, wie beispielsweise mittels einer Silberpaste oder einem Lot. Jedes gebräuchliche Bindemittel kann für die Elektroden verwendet werden, solange es nur genügend an der Schicht 1 anhaftet.

In dem schematischen Diagramm der I- i g. 2A bedeutet 1 die Schicht mit induzierter Anisotropie, welcher mit den beiden Kontakten 3, 4 versehen ist. Eine Impedanz 6 von etwa 50 Ohm ist an die Kontakte angeschlossen. Parallel zur Impedanz 6 ist ein Oszilloskop 7 geschaltet, das in der Figur als Kreis angedeutet ist. Die Kontakte 3,4 sind relativ zum Film 1 bewegliche Schleifkontakte. Wenn man einen Laserpuls normal zur Schichtebene einwirken läßt, entsteht eine Spannung an der Impedanz 6 und ein Ausgangssignal 8, wie auf der rechten Seite schematisch angedeutet, ist auf dem Schirm des Oszilloskops 7 zu sehen. Das Signal 8 ist eine idealisierte Darstellung der Wellenform, um nur die Polarität und Amplitude des Signals anzudeuten. (Wirkliche Wellenformen sind in den F i g. 3A, 3B dargestellt.) In Fig. 2A hat das Ausgangssignal 8 eine negative Polarität mit einer Amplitude vom Betrage I Vl, welches man erhalten kann, wenn man die Kontakte auf der Fläche der Schicht 1 entsprechend einstellt. Durch entweder Vertauschen der Kontakte 3,4 oder Umkehrung der Orientierungsrichtung der Schicht 1 um 180° erhält man als Ausgangssignal die Wellenform 9 nach Fig. 2B. Das Ausgangssignal 9 besitzt eine positive Polarität und ebenfalls eine Amplitude des Wertes vom Betrag IVl. Wegen der induzierten Anisotropie der Schicht 1 wird eine Thermospannung mit definierter Polarität erzeugt. Man kann also die Schicht 1, wenn ein einfallender Laserpuls einen Temperaturgradienten in Normalenrichtung in der Schicht 1 und Substrat 2 erzeugt, mit einer Stromquelle, wie beispielsweise einer Batterie, insofern vergleichen, als das Vertauschen der Anschlußklemmen oder das Umkehren der Batterie selbst eine Umkehr der Stromrichtung in einer Belastung bewirkt, die an solch eine Batterie angeschlossen ist. Durch Verdrehen der Kontakte 3, 4 gemäß F i g. 2A um einen rechten Winkel im einen oder anderen Sinne erhält man die Anordnungen nach Fig. 2C bzw. 2D. Wenn jetzt ein Laserpuls auf die Schicht gerichtet wird, ist keine Ausgangsspannung an den Kontakten zu messen. Dies ist in den Fig. 2C. 2D durch die eingezeichnete Zeitachse 10 angedeutet. Durch eine Verdrehung der Kontakte 3, 4 um 45° im einen oder anderen Sinne aus der Lage gemäß Fig. 2A bzw. 2B erhält man die Anordnungen gemäß den Fig. 2E und 2F. Die Anordnung nach F i g. 2E liefert ein Ausgangssignal der Wellenform 11, das verglichen mit Fig.2A die gleiche Polarität jedoch eine geringere Amplitude aufweist. In gleicher Weise liefert die Anordnung gemäß F i g. 2F ein Ausgangssignal der Wellenform 12 mit der gleichen Polarität wie die Wellenform 9 der F i g. 2B. jedoch mit erheblich veringerter Amplitude (~ 0,7 IV I ).

Damit ist gezeigt daß bei gleichbleibenden Laserpulsbedingungen unterschiedliche Ausgangssignale mit verschiedenen Amplituden und Polaritäten erzeugt werden können, je nachdem wie die Kontaktspitzen mit Bezug auf die quer zur Strahlrichtung innerhalb der dünnen Schicht auftretende Spannung orientiert sind Die erhaltene Thermospannung ist eine Funktion des Vorhandenseins von induzierter Anisotropie, in diesem Falle bewirkt durch mechanische Eigenspannungen innerhalb der Schicht 1.

w«. «hen erwähnt kann induzierte Anisotropie auch von externen Quellen herrühren wie beispielsweise einem magnetischen Feld. Wenn sie durch mechanische Eigenspannungen bedingt ist, kann sie auch durch eine Wärmebehandlung in ihrer Wirkung verstärkt werden, wenn die Schicht 1 und das Substrat 2 aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Man kann beispielsweise eine Molybdänschicht, die bei Raumtemperatur auf ein Substrat aus Quarzglas niedergeschlagen wurde, auf

ίο eine Temperatur von etwa 600⁰C erhitzen und wieder abkühlen lassen. Nach einer solchen Behandlung erzeugt ein gleichartiger Laserpuls ein Ausgangssignal, dessen Amplitude etwa viermal größer ist als vor der Wärmebehandlung. Der Spannungsausgleich in der Art eines selbsttätigen Temperns oder Alterns kann durch diese Wärmebehandlung verhindert werden, wenn der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten nur groß genug ist. um beim Abkühlen bleibende Eigenspannungen innerhalb der Schicht 1 zu erzeugen. Bei der Anwendung äußerer Quellen zur Erzeugung der induzierten Anisotropie kann beispielsweise ein Magnetfeld durch einen Permanentmagneten oder auch einen Elektromagneten aufgebracht werden. Durch die Ausrichtung der magnetischen Spins in der Metalles schicht wird eine Anisotropie induziert, welche eine Grundbedingung dafür ist, daß in der mit Strahlungsenergie beaufschlagten dünnen Metallschicht eine gerichtete Thermospannung auftritt.

In den Fig. 3A und 3B sind Versuchsergebnisse dargestellt, wobei Laserlicht auf eine Molybdänschicht gerichtet wurde, die auf ein Saphirsubstrat aufgedampft war. F i g. 3A zeigt das Ausgangssignal für Beleuchtung von der Schichtseite her, F i g. 3B zeigt das Ausgangssignal für Beleuchtung von der Substratseite her. Die

Schichtdicke betrug etwa 1800 Ä. der Laserpuls hatte eine Impulsbreite von etwa 5 nsec bei einer Wellenlänge von etwa 4600 Ä. Der Darstellungsmaßstab beträgt bei F i g. 3A 0,2 V/cm in Ordinatenrichtung und 5 nsec/cm in der Abszisse. Die Koordinatenteilung der F i g. 3B ist 0.1 V/cm bzw. 5 nsec/cm. Der verwendete Meßverstärker hatte eine Spannungsverstärkung von 100.

Die Fig. 3A und 3B zeigen in Verlauf und Polarität typische Ausgangssignale für metallische Schichten mit induzierter Anisotropie. So zeigt die Fig. 3A ein Ausgangssignal für Licht, das von der Seite des Metalls her einfällt, während F i g. 3B für durch das Saphiersubstrat einfallendes Licht gilt. Beachtenswerte Einzelheiten sind daher die Umkehr der Polarität der Spannung in Abhängigkeit von der Richtung des Lichteinfalles.

und in Fig. 3B der langsame Abfall oberhalb der Zeitlinie nach der Beendigung des Laserpulses. Eine Erklärung für diese Eigenheiten und auch eine mehr allgemeine Beschreibung kann mit Hilfe der auf die Temperatur bezogene Thermokraft erfolgen. Für die Stromdichte / ist die entsprechende Lösung der Boltzmannschen Leitungsgleichung

J₁ = K,jEj +Κ,/ V Tj.

Hier bedeuten die K₉ und K₁J Matrixelemente eines Tensors zweiter Stufe, (der für kubische Symmetrie und isotrope Medien ein Skalar wird), E ist die elektrische Feldstärke und T die Temperatur. (Es wird über die Doppelindizes aufsummiert) Mit der Annäherung / = 0 und im Falle der Leerlaufspannung werden die Ausdrücke für die transversale Spannung V,,, in der

Ebene der Schicht folgende:

^K₁J' V Tjdy.

12) CM

Die Integration erfolgt über den Bereich zwischen den Elektroden. K~' ■ K'\sl das Negative des absoluten Thermokrafttensors. Für einen kreissymmetrischen Strahl ist VT, die einzige Komponente des Temperaturgradienten, die zur transversalen Spannung V_v._, beiträgt. Aus diesen Gleichungen (1) bis (3) ist ersichtlich, daß eine Umkehr der Polarität der Spannung erfolgt, wenn die Richtung der einfallenden Strahlung von der Vorderseite zur Hinterseite wechselt (F ig. 3A und 3B). Um weitere Einzelheiten der beobachteten Signale interpretieren zu können, müssen die zeitabhängigen Temperaturprofile betrachtet werden.

Die Fig.4A und 4B zeigen in allgemeiner Form Ergebnisse von Berechnungen mit der dreidimensionalen Wärmeleitungsgleichung für Schichtstrukturen, wie sie oben in den Figuren mit der Metallschicht 1 und dem Substrat 2 angedeutet sind. Beide Figuren zeigen für Anregung mit Laserpulsen der Impulsbreite 5 nsec die :.s über der Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen in Abhängigkeit von der Längenkoordinate ζ in Strahlrichtung. Die Fig. 4A gilt für Strahlungseinfall von der Frontseite, die F i g. 4B für Strahlungseinfall von der Rückseite durch das Substrat hindurch. Eingezeich- ya net sind die Temperaturprofile für den Zeitpunkt Ti kurz nach Beginn des Laserpulses, den Zeitpunki Tl kurz vor Beendigung des Laserpulscs. und für den Zeitpunkt T3 kurz nach Beendigung de? Laserpulses.

In Fig.4A sind während der Einwirkung des Laserpulses (Kurven Tt und T2) sowohl die Temperatur als auch der Temperaturgradient monotone Funktionen. Nach Beendigung des Laserpulses (Kurve 73) fallen sowohl Temperatur als auch der Temperaturgradient mit der Zeit ab, während die Schicht 1 und das -to Substrat 2 letzten Endes durch radiale thermische Diffusion abkühlen.

Fig. 4B zeigt die für rückwärtigen Lichteinfall resultierenden Temperaturprotile, wenn die Strahlung durch das durchscheinende Saphirsubstrat 2 hindurch einfällt und ein Ausgangssignal gemäß Fig. 3B hervorruft. Für Schichten, die dicker als die reziproke optische Absorptionslänge sind, erscheint ein Temperaturmaximum links der Grenzfläche Schicht/Substrat. Wenn der .Strahlungsimpuls langer andauert, wandert dieses Maximum gegen die Vorderseite (freie Oberfläche) der Schicht 1. Für kurze Strahlungsimpulse existieren daher zwei Temperaturgradienten mit entgegengesetzten Vorzeichen innerhalb der Metallschicht, wie beispiels weise bei Ti gezeigt. Der resultierende mittlere Gradient hat im Vergleich mit F i g. 4A den entgegengesetzten Richtungssinn, folglich hat auch die entstehende Spannung die umgekehrte Polarität im Vergleich zu dem Ausgangssignal, was man bei Einstrahlung von der freien Oberfläche des Films her erhält. Nach Beendi- fco gung des Strahlungsimpulses zeigt die Kurve 7"3 eine Vorzeichenumkehr des Gradienten im Vergleich zu dem in Kurve 7*1 vorherrschenden mittleren Gradienten, was gut mit dem Teil des Ausgangssignals zu korrelieren ist der in F i g. 3B oberhalb der Zeitbasislinie erscheint Wenn die Strahlung durch das Saphirsubstrat 2 hindurch einfällt, kann man ein um etwa 10% vergrößertes Ausgangssignal beobachten, wenn auf der freien Oberfläche der Schicht 1 ein Tropfen Wasser aufgebracht wird. Eine Vergrößerung des Signales ist zu erwarten, weil der anfängliche Effekt ein solcher ist, der den negativen Temperaturgradienten (7"I in Fig.4B)in der Schicht 1 vergrößert. Für langer als etwa 10 nsec andauernde Impulse nimmt der durchschnittliche Temperaturgradient in der Schicht ab. mit zunehmender Impulslänge sowohl für Einstrahlungseinrichtung von der Vorderseite als auch von der Rückseite her. Anregungen mit längeren Laserpulsen tendieren daher dazu, Spannungssignale hervorzurufen, die kürzer als die Laserimpulse sind. Für Laserpulse mit etwa 300 nsec Halbwertsbreite zeigen die abgefühlten thermoelektrischen Spannungsimpulse Halbwertsbreiten von etwa 200 nsec.

Die nichtskalare oder anisotrope Natur des Thermokrafttensors K,j und KJ kann mit mechanischen Eigenspannungen der Schicht in Verbindung gesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die Literaturstelle »Intrinsic Stress in Evaporated Metal Films« von E. K I ο k h ο 1 m und B. S. B e r r y im Journal of Electrochemical Society, 115, 823 (1968) aufmerksam gemacht. Dieser Artikel bezieht sich auf Messungen der inneren Eigenspannungen in situ einer Anzahl von auf Glassubstrate niedergeschlagenen Schichten.

Für Zugspannungen gleicher Art sind die Matrixelemente des Spannungstensors 6 in dünnen Schichten:

T₁1 = (T₂₂ = (T .

Die anisotrope Verformung oder Dehnung (ε) in Form der elastischen Konstanten <i,·, wird damit:

' χ = (S₁₁ 4- S₁₂) σ. Iy = (S₁₂ - S_n) σ.

<_-=2S_]2,T.

Die Gleichungen (4) sagen eine Verzerrung der Isotropie der Schicht voraus und damit die tensiorelle Natur der Thermokraft mit Κ,,Κ,;. Was ursprünglich die Richtung des Größtwertes der transversalen Spannung I Vmax I in der Schichtebene festlegt, ist bis jetzt noch nicht klar verstanden und mag beispielsweise der Richtung des Kristallwachstums in der Schicht in solchen Fällen zugeschrieben werden, wo kein magnetisches Feld gebraucht wurde.

Um eine Korrelation zwischen mechanischer Eigenspannung und Größe der Thermospannung zu ermitteln, wurde eine Reihe von dünnen Schichten etwa gleicher Stärke bei zwei verschiedenen Temperaturea 15O⁰C und 450⁰C, aufgedampft Bei auf Saphirsubstrat aufgedampften Molybdänschichten ergaben die bei der höheren Temperatur niedergeschlagenen Schichten ein etwa um den Faktor von 5- bis JOmal geringeres Ausgangssignal als Schichten, welche bei 150⁰C auf dem Substrat niedergeschlagen wurden. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit der Theorie in dem oben zitierten Artikel, worin vorausgesagt wird, daß die mechanischen Eigenspannungen in der Schicht kleiner werden in dem Bereich, wo das Verhältnis TJ T_m größer als 1/4 ist T₅ bedeutet die absolute Substrattemperatur während des Niederschlages, und T_n, ist die absolute Schmelztemperatur der Metallschicht Ein Vergleich der durch Strahlungseinwirkung erzeugten elektrischen

Spannungen wurde ebenfalls angestellt /wischen einer 1800Ä starken, bei 150"C auf ein Saphirsubstrat aufgedampften Wolframschicht, und einer 1000 Λ starken, auf einem Saphirsubstrat epitaktisch aufgewachsenen Schicht mit geringen Eigcnspannungen. Die in der letztgenannten Anordnung erzeugten Spannungen waren etwa fünfmal geringer

Der Einfluß höherer Temperaturen auf die Arbeitsweise der Einrichtungen zum Nachweis von Strahlung wurde bis hinauf zu 250⁰C untersucht. Es wird ein praktisch linearer Anstieg des Ausgangssignales beobachtet, wobei absolut gesehen, die Ausgangsspannung bei 250°C etwa 15% größer ist als bei Raumtemperatur. Diese Vergrößerung entspricht etwa einer linearen Abhängigkeit der durch Strahlung erzeugten Spannung von der mechanischen Spannung. Die Zugspannung wächst mit der Temperatur etwa wie die thermische Ausdehnung an.

Andere Versuchsreihen wurden mit Molybdänschichten auf Quarzglas gemacht. Hier sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallschicht und Substrat merklich voneinander verschieden. Es ist möglich, größere Ausgangssignalspannungen zu erhalten, wenn man die Metallschicht zunächst bei Raumtemperatur niederschlägt, dann einer Wärmebehandlung bis etwa 600⁰C unterwirft, und anschließend auf Raumtemperatur abkühlen läßt. Andererseits scheint ein Aufheizen auf 800°C im Vakuum einen thermischen Spannungsausgleich herbeizuführen, wodurch der Effekt der Spannungserzeugung durch einfallende Strahlung wieder vermindert wird.

Ober weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums sind reflcxionsvermindcrndc Schichten oder Reläge im allgemeinen nicht erforderlich. Beim Arbeiten im nahen Infrarot oder besonders im fernen Infrarot über 3 Mikron Wellenlänge ist es jedoch zweckmäßig, solche Schichten vorzusehen. Als günstig haben sich Vicrtelwellenlängcnschichien aus Germanium oder l.iihiumfluorid beispielsweise bewahrt. Andererseits können auch dünne absorbierende Schichten verwende! weiden. Dieses Mittel ist zweckmäßig, weil Metalle iir infraroten Bereich stark reflektierend sind.

Metallische dünne Schichten nut induzierter Anisu tropie sind als seht schnell ansprechende Einrichtungei /um Nachweis von Strahlung geeignet. Sie sind in einen weiten Temperaturbereich arbeitsfähig. Auch kann mal die Einrichtung zur Untersuchung von mcchanischci Spannungen in dünnen Schichten verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Einrichtung zum Nachweis von Strahlung in Form kurzzeitiger Strahlungsimpulse durch direkte Umsetzung von Strahlungsenergie in elektrische Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dünne dauernd oder zeitweilig thermoelektrisch anisotrope Metallschicht (1) vorgesehen ist, die Einfallsrichtung der Strahlung (5) so orientiert ist, daß mindestens eine Komponente der Strahlung (5) in der Normalenrichtung der Schicht (1) wirksam ist, und daß mindestens zwei Elektroden (3, 4) mit der Metallschicht (1) verbunden sind, an welche Auswertteinrichtungen (6, 7) für die aufgrund eines itrahlungsinduzierten thermoelektrischen Effektes auftretende transversale Thermospannung anschließbar sind.

2. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anisotropie der Metallschicht (1) durch mechanische Spannungen induziert ist.

3. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anisotropie der Metallschicht (1) durch ein äußeres Magnetfeld induziert ist.

4. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine freitragende cünne Metallschicht (1) verwendet ist (Fig. la).

5. Thermoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch ein Substrat (2) getragene dünne Metallschicht (1) verwendet ist (Fig. Ib).

6. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Reflexion vermindernde .dusätzliche Schicht verwendet ist.

7. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Absorption erhöhende zusätzliche Schicht verwendet ist.

8. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) für Strahlung durchlässig ist.

9. Thermoelektrische Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Metallschicht (1) aus einem Übergangsmetall mit hohem Schmelzpunkt besteht.

10. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch

9, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Metall- .so kchicht (1) aus einem Metall der Gruppe Titan, Vanadium. Chrom Kobalt, Nickel, Eisen, Tantal, Wolfram, Uran, Osmium, Iridium, Platin oder Molybdän besteht.

11. Thermoelektrische Einrichtung nach den Ansprüchen 8 und 10, dudurch gekennzeichnet, daß tine dünne Metallschicht (1) aus Molybdän auf einem Substrat (2) aus Quarzglas vorgesehen ist.

12. Thermoelektrische Einrichtung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von auf der '» Metallschicht verschiebbaren Spitzenkontakten vorgesehen ist.

13. Anwendung der thermoelektrischen Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12 zum Nachweis der Strahlungsenergie eines Lasers. <^

14. Anwendung der ihermoelektrischcn Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, zum Nachweis der Strahlungsenergie einer Elektronenstrahlquelle.

15. Anwendung der thermoelektrischen Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12 zum Nachweis der Strahlungsenergie einer Korpuskularstrahlungsquelle.