DE2820343A1 - Strahlungsdetektor und dessen verwendung - Google Patents

Strahlungsdetektor und dessen verwendung

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DE2820343A1 DE19782820343 DE2820343A DE2820343A1 DE 2820343 A1 DE2820343 A1 DE 2820343A1 DE 19782820343 DE19782820343 DE 19782820343 DE 2820343 A DE2820343 A DE 2820343A DE 2820343 A1 DE2820343 A1 DE 2820343A1
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Description

PATENTANWÄLTE
Reg.-Nr. 125 627
H. Bartels Dipl.-Chem. Dr. Brandes Dr.-Ing. Held Dipl.-Phys. Wolff
D - 7 Stuttgart 1, Lange Straße Tel. (0711) 29 6310 u. 29 72 Telex 07 22312 (patwo d) Telegrammadresse: tlx 07 22312 wolff Stuttgart PA Dr. Brandes: Sitz München
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Bürozeit:
9-11.30 Uhr, 13.30-16 Uhr außer samstags
8.5.1978
CERBERUS AG, Männedorf (Schweiz)
Strahlungsdetektor und dessen Verwendung
Gegenstand der Erfindung ist ein Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahlungsempfindlichen Element, das ein der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entsprechendes elektrisches Signal abgibt, und die Verwendung dieses Strahlungsdetektors zum Nachweis der Eigenstrahlung eines Gegenstandes, beispielsweise in passiven Infrarot-Einbruchdetektoren oder Flammenmeldern.
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Telefonische Auskünfte und Aufträge sind nur nach schriftlicher Bestätigung verbindlich
Solche Strahlungsdetektoren dienen zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung im optischen,infraroten oder ultravioletten Bereich in elektrische Signale. Diese Umwandlung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch den inneren photoelektrischen Effekt von Halbleitermaterialien bei Photowiderständen, Photo dioden, Photoelementen oder Phototransistoren, oder durch die sekundäre Wirkung der durch absorbierte Strahlung im Element entstehenden Wärme, wobei dann zur Umwandlung der Erwärmung in ein elektrisches Signal beispielsweise die Widerstandsänderung eines Thermistors ausgenützt wird oder die Ladungsverschiebungen in einem polarisierten, pyroelektrischen Kristall oder Kunststoff verwendet werden kann. Solche Strahlungsdetektoren sind in zahlreichen Ausführungen bekannt und werden in grossem Umfang verwendet.
Ein Nachteil dieser vorbekannten Strahlungsdetektoren ist es, dass das elektrische Ausgangssignal von einem Rauschsignal überlagert ist, welches für die Strahlungsdetektion eine untere Grenze setzt. Besonders verhängnisvoll wirkt sich dieses Rauschsignal aus, wenn das nachzuweisende Strahlungssignal einen ähnlichen Verlauf hat, beispielsweise, wenn einzelne Strahlungsimpulse in gewissen Abständen nachzuweisen sind, die vom Rauschsignal nicht unterscheidbar sind. Bei der Verwendung solcher Strahlungsdetektoren in passiven Infrarot-Einbruchdetektoren oder in optischen Flammenmeldern kann daher durch das unvermeidbare Rauschsignal ein Alarmsignal vorgetäuscht
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werden, obwohl keine Alarmursache vorliegt. Die Empfindlichkeit solcher Geräte kann daher nicht unbeschränkt verbessert werden, sondern muss so gewählt werden, dass nur Strahlung detektiert wird, welche wesentlich intensiver ist als das Rauschsignal.
Um diesen Nachteil zu vermeiden ist bereits versucht worden, zwei getrennte, aber gleichartige Strahlungsdetektoren mit getrennten Verstärkern und Schwellenwertschaltern zu verwenden, welche so verbunden werden, dass ein Ausgangssignal nur auftritt, wenn beide Kanäle gleichzeitig ein Signal aufweisen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass beide Kanäle gleichzeitig ein identisches Rauchsignal abgeben, sehr gering ist. Nachteilig ist hierbei, dass die beiden Strahlungsdetektoren nicht immer die gleiche Strahlung erhalten, d.h. dass deren Ausgangssignale einen leicht verschiedenen Verlauf haben. Daher kann es geschehen, dass bei einer solchen Kombination zweier getrennter Strahlungsdetektoren zwar fehlerhafte Alarme weitgehend unterdrückt werden können, jedoch andererseits in gewissen Fällen trotz Vorliegen einer Alarmursache überhaupt kein Ausgangssignal gegeben wird. Abgesehen davon muss bei einer solchen Kombination der gesamte Schaltungsaufwand mehr als verdoppelt werden, was für viele Anwendungen nicht tragbar ist.
Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Strahlungsdetektors, bei dem die Wir-
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kung der Rauschsignale weitgehen eliminiert ist, ohne die Nachweissicherheit zu beeinträchtigen und ohne den Schaltungsaufwand und die Zahl der Komponenten wesentlich zu vergrössern, wobei weiterhin die Nachweisempfindlichkeit erhöht ist. Ein solcher Strahlungsdetektor soll sich insbesondere zur Verwendung in passiven Infrarot-Detektoren zum Nachweis der Strahlung
einersich in einem geschützten Raum oder Bereich bewegende Person, z.B. eines Einbrechers, oder zur Verwendung in einem Brandmelder zum Nachweis der Strahlung brennender Gegenstände oder von Flammen eignen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das oder die strahlungsempfindlichen Elemente mehr als zwei elektrische Anschlüsse aufweisen und dass eine Einrichtung zur Multiplikation von mindestens zwei zwischen jeweils zwei der
Anschlüsse auftretenden, gegebenenfalls verstärkten Teilsignalen vorgesehen ist. Die Verstärkung kann dabei linear oder auch nichtlinear erfolgt sein.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass durch die Multiplikation der Teilsignale zwischen jeweils zwei Detektorelement-Anschlüssen entstehende Produkt A = Τχ - T2 · ... · Tn nur dann von Null verschieden ist, wenn alle Teilsignale von Null verschieden sind, d.h. wenn in allen Teilsignalen gleichzeitig ein Rauschimpuls auftritt. Diese Wahrscheinlichkeit ist jedoch äusserst gering. Wird jedoch der Detektor gleichmässig mit Strahlung beaufschlagt, so werden alle Teilsignale gleichzeitig von Null verschieden sein und somit auch das Ausgangs-
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Die Figuren 1 - 7 zeigen vier verschiedene Möglichkeiten der Anordnung der Kontakte für die Anschlösse an einem flächenhaften Detektorelement.
Figur 8 zeigt eine mögliche Anordnung an einem körperhaften Detektorelement.
Figur 9 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Strahlungsdetektors.
Figur 10 zeigt ein Beispiel einer Schaltung eines solchen Strahlungsdetektors im Detail.
In Figur 1 ist ein Beispiel einer möglichen Anordnung von Kontakten für die Anschlüsse auf einem flächenhaften7 strahlungsempfindlichen Element, z.B. einem dünnen Plättchen S aus photoleitendem oder wärmeempfindlichen Material,dargestellt. An den vier Ecken des quadratischen Elementes S sind dazu kleine metallisierte Flächen Κχ, %2r K 3 und K4 aufgebracht, von denen die Anschlüsse abgehen und zwischen denen das strahlungsempfindliche Material liegt.
Die Anschlüsse vom Detektorelement S werden, wie in Fig. 9 dargestellt, an eine Multiplikations-Einrichtung M geführt, welche, eventuell nach geeigneter Verstärkung der Teilsignale,
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das Produkt der Teilsignale zwischen bestimmten Korabinationen von je zwei Anschlüssen K^ .-- K1n bildet. Vorteilhaft kann es dabei sein, nicht alle möglichen Kombinationen oder Teilsignale zur Auswertung heranzuziehen, sondern nur diejenigen, deren Rauschsignale möglichst unabhängig voneinander sind. So können beispielsweise bei der Kontaktanordnung nach Figur 1 die beiden Teilsignale T^ (K , K.) und T_ (K , K) verwendet werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass die nachzuweisende Strahlung beide Teilsignale T1 und T fast in gleicher Weise beeinflusst, während das Rauschsignal verschieden ist. Stattdessen können jedoch auch die beiden Signale T3 (K-, K_) und T4(K3, K.) vom Multiplikator M ausgewertet werden. Falls ein etwas komplizierterer Multiplikator in Kauf genommen werden kann, können aber auch alle 6 möglichen Kombinationen oder Teilsignale verwendet werden. Ein Strahlungsdetektor-Element nach Figur 1 kann mit besonderen» Vorteil dort eingesetzt werden, wo die nachzuweisende Strahlung nur einen geringen Querschnitt hat und die Empfängerfläche daher möglichst klein sein muss. Die Form des strahlungsempfindlichen Elementes braucht jedoch nicht quadratisch zu sein. Figur 2 zeigt ein Beispiel eines runden, kreisförmigen Elementes S, an dessen Rand die vier Kontakte K1 ---K, vorgesehen sind.
Figur 3 zeigt ein dreieckiges Element S mit je einem Anschluss K,, K_, K3 in den drei Ecken. Zur Auswertung können dabei z.B. die Teilsignale T1 (K1, K3) und T_ (K„, K_) dienen.
Figur 4 zeigt eine andere mögliche Anordnung der drei Anschlusskontakte K1, K„, K auf einer quadratischen, strahlungsempfindlichen Fläche S. In diesem Fall sind zwei der Kontakte K1 und K3 an den beiden Seiten der Elementfläche S angeordnet, während der Kontakt K2 als in die Fläche -S-hineinragenöea? Mittel--streifen ausgeführt ist. Als Teilsignale können hier beispielsweise die Signale T1 (K1, K2) und T2 (K2, K3) zur Auswertung verwendet werden kann. Der Mittelstreifen kann dabei, wie Figur 5 zeigt, auch ganz durchgehend ausgeführt sein, so dass zwei getrennte strahlungserapfindliche Flächen S1, S_ auf dem gleichen strahlungsempfindlichen Material entstehen, je nach
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Länge oder Grosse des Mittelkontaktes ergibt sich eine unterschiedliche Abhängigkeit der Ausgangssignale und Rauschsignale voneinander.
Bei der in Figur 6 dargestellten Anordnung sind auf einer streifenförmigen, strahlungsempfindlichen Fläche S mehrere Kontakte in Form von Parallelstreifen K1, K2, K3, K4 und K5 angeordnet. In diesem Fall können als Teilsignale die Signale zwischen jeweils zwei benachbarten Kontakten benützt werden, d.h. T1 (K1, K2), T2 (K2, K3), T3 (K3, K4) und T4 (K4, K5). Bei einer solchen Anordnung kann das strahlungsempfindliche Element aus einer durchgehenden strahlungsempfindlichen Schicht bestehen, auf die die einzelnen Kontaktstreifen parallel zueinander in gewissen Abständen aufgebracht sind, oder aus einzelnen Teilen Sl, S2, S3 und S4 aus dem gleichen Material, die durch Metallschichten K_, K3 und K. getrennt werden.
Bei der Anordnung nach Figur 7 sind ebenso wie in Figur 1 an den Ecken einer quadratischen strahlungsempfindlichen Fläche S Anschlusskontakte K1, K2, K3 und K4 vorgesehen. Zusätzlich wird die Fläche S durch einen kreuzförmigen Anschlusskontakt Ko in vier Sektoren geteilt. In diesem Fall ist es zweckmässig, als Teilsignale die Signale T1 (Kq, K1), T2 (Kq, K2), T3 (Kq, K3) und T4 (Kq, K4) zu verwenden.
Figur 8 zeigt ein Beispiel einer möglichen Anordnung von Anschlusskontakten an einem körperhaften Detektorelement, beispielsweise einem Sperrschichtdetektor oder einem pyroelektrischen Detektor. Dabei ist vorteilhafterweise ein gemeinsamer Grundkontakt Kq auf der Unterseite des Elementes ange-
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bracht und mehrere Kontakte Κχ, K 2 auf der Oberseite. Die Sperrschicht J des Detektorelementes liegt in diesem Fall zwischen der Unterseite und Oberseite des Elementkörpers. Als Teilsignale ist es dabei zweckmässig, T-^ (Kq, K-^) und T 2 (Kg» K2) zu verwenden.
Es sei bemerkt, dass in jedem Fall auch andere Anordnungen von Anschlusskontakten auf oder an Strahlungsdetektor-Elementen vorgesehen sein können und eine beliebige Anzahl von Kontakten gewählt werden kann, solange mindestens zwei von nicht identischen Kontakten herrührende Signale entnommen werden können.
Figur 9 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Strahlungsdetektors. Dabei liefert ein Strahlungsdetektor-Element, welches beispielsweise nach einer der Figuren 1-4 ausgebildet sein kann, eine Anzahl von Teilsignalen T^1 T2,-.-Tn an eine Multiplikations-Einrichtung M,an deren Ausgang das Produkt A = Τχ · T2 - ... · Tn auftritt, welches einer nachgeschalteten, nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zugeführt wird, welche bei Vorliegen bestimmter Kriterien ein Signal abgibt.
Figur 10 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung im Detail, wobei das in Fiq. 4 oder 5 darqestellte strahlunasemufindliche Element S mit den Anschlüssen K-^, K^ und K3 sowie den strahlungsempfindlichen Flächen Si und S2 verwendet wird. Diese beiden
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strahlungsempfindlichen Widerstandsstrecken Si und S~ liegen jeweils mit einem Widerstand Ri und R2 zwischen zwei Leitungen mit positiver und negativer Versorgungsspannung, während der Mittelabschnitt K2 auf Nullpotential liegt. Die an den Anschlüssen Ki und K3 auftretenden Signale werden über die Kondensatoren C1 und C2 dem Xi~und dem Yi-Eingang einer Multiplikationsschaltung M zugeführt. Als Multiplikator kann z.B. eine handelsübliche integrierte Schaltung vom Typ MC 1595 (Motorola) oder ein äquivalentes Erzeugnis dienen. Der X2- und Y2-Eingang des Multiplikators M liegt auf Nullpotential also auf dem gleichen Potential wie der Mittelabgriff K2, sodass am Ausgang des Multiplikators das Ausgangssignal A = (Yi - Y2) · (Xi - X2) = Ti · T2 erscheint. Dieses Ausgangssignal A ist also gleich Null, solange über die Kondensatoren Ci und C2 kein Signal zugeführt wird. A ist dann, und nur dann von Null verschieden, wenn gleichzeitig Signale an den Eingängen Yi und Xi zugeführt werden, d.h. wenn beide Teilspannungen Ti (Ki, K2) und T2 (K2 , K3) gleichzeitij von Null verschieden sind. Es sei noch bemerkt, dass es zweckmässig ist, die Eingänge Xi und Yi sowie die Ausgänge Ai und A2 des Multiplikators M durch entsprechende Widerstände R3, R4, R5 und Rö zu stabilisieren.
Es sei bemerkt, dass die Multiplikation der Teilsignale grundsätzlich auf beliebige Art erfolgen kann. Dazu geeignete Schaltungen sind in grosser Zahl bekannt als Multiplikatorschaltungen, nichtlineare Verstärker, Modulatoren oder Produktdetektoren. Unter einer solchen Einrichtung zur Multiplikation
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von Signalen werden im Sinne der Erfindung auch solche Schaltungen verstanden, bei denen keine reine Multiplikation stattfindet, jedoch das Ausgangssignal wenigstens teilweise eine multiplikative Verknüpfung der Eingangssignale enthält. So können z.B. die Teilsignale mit logarithmischen oder teilweise oder angenähert logarithmischen oder begrenzenden Verstärkern verarbeitet werden, deren Ausgangssignale sodann addiert werden. Dabei ist das Ausgangssignal der Logarithmus oder angenähert der Logarithmus des Produktes. Die im Sinne der Erfindung als Multiplikationseinrichtung bezeichnete Schaltung kann jedoch als Ausgangssignal auch eine andere, mathematische Funktion des Produktes haben oder eine Funktion mit äquivalenten Eigenschaften, bei welcher der Wert des Ausgangssignales zunimmt, wenn der Wert eines beliebigen Eingangssignales zunimmt, und welches verschwindet, wenn eines der Eingangssignale Null ist. Der Weitebereich für die Eingangssignale, in welchem der Multiplikator ein eindeutiges Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Produkt der Eingangssignale liefert, kann dabei sowohl nach oben als auch nach unten begrenzt oder eingeschränkt sein, was bei handelsüblichen Multiplikatoren ohnehin stets der Fall ist. Die Anzahl der Eingangssignale ist ebenso nicht auf zwei beschränkt, wie im Schaltungsbeispiel nach Figur 7 dargestellt, sondern kann auch grosser als zwei sein, entsprechend der Zahl der zur Verfügung stehenden Anschlusskontakte des strahlungsempfindlichen Elementes.
Solche vorstehend beschriebenen Strahlungsdetektoren, bei welchen Detektorelemente mit mehr als zwei Anschlüssen an eine
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derartige Multiplikationseinrichtung angeschlossen sind, eignen sich besonders für die Verwendung zum Nachweis der Eigenstrahlung eines Objektes, beispielsweise der Infrarotstrahlung eines Einbrechers, dessen Körperstrahlung mittels geeigneter optischer Mittel auf den Strahlungsdetektor gerichtet wird. Dabei ist die Optik, wie beispielsweise in den deutschen Gebrauchsmustern 76 15724, 76 16715, 76 36763 oder 76 36764 beschrieben, so ausgebildet und angeordnet, dass diskrete Empfangszonen oder -richtungen entstehen und bei einer Bewegung des Einbrechers die auf den Strahlungsempfänger auftreffende Strahlung moduliert wird. Eine andere Verwendung ist die Benützung als Brandmelder, wobei die flackernde Flammenstrahlung brennender Gegenstände aufgenommen wird. In beiden Fällen lassen sich Störungen durch Rauschsignale in der beschriebenen Weise eliminieren, so dass die Empfindlichkeit ohne wesentliche Vergrösserung des Aufwandes erhöht werden kann.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜECHE
    !1y Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahlungsempfindlichen Element, das ein der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entsprechendes elektrisches Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die strahlungsempfindlichen Elemente mehr als zwei elektrische Anschlüsse aufweisen, und dass eine Einrichtung zur Multiplikation von mindestens zwei zwischen jeweils zwei der Anschlüsse auftretenden, gegebenenfalls verstärkten Teilsignalen vorgesehen ist.
    2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element eine strahlungsempfindliche Schicht aufweist, an dessen Rand die Anschlusskontakte vorgesehen sind.
    3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht eine viereckige Form hat, wobei die Anschlusskontakte aus an den vier Ecken angebrachten Metallschichten bestehen.
    4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht Kreisform besitzt und die Anschlusskontakte am Kreisrand vorgesehen sind.
    5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht Dreieck-fonn besitzt und die Anschlusskontakte an den drei Ecken vorgesehen sind.
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    ■6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element eine strahlungsempfind liehe Schicht aufweist, auf welcher die Anschlusskontakte in Form von wenigstens angenähert paralleler Streifen angebracht sind.
    7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsignale die Signale zwischen benachbarten Anschlusskontakten sind.
    8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht das photoelektrische Halbleitermaterial eines Photowiderstandes ist.
    9. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht als Thermistor ausgebildet ist.
    10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element ein strahlungsempfindlicher Körper mit einer Sperrschicht ist, wobei die Anschlusskontakte auf der Oberfläche des Elementes auf beiden Seiten der Sperrschicht angeordnet sind.
    11. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element ein pyroelektrischer Körper ist. 8O9882/oeu
    12. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Multiplikation von mindestens zwei Teilsignalen so ausgebildet ist, dass am Ausgang das gegebenenfalls verstärkte Produkt der Teilsignale auftritt.
    13. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Multiplikation der Teilsignale so ausgebildet ist, dass am Ausgang eine mathematische Funktion des Produktes der Teilsignale auftritt. ·
    14. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Multiplikation der Teilsignale so ausgebildet ist, dass am Ausgang der Logarithmus des Produktes der Teilsignale auftritt.
    15. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Multiplikation eingerichtet ist, ein vom Produkt der Eingangssignale in eindeutiger Weise abhängiges Ausgangssignal zu liefern, wenn beide Eingangssignale jeweils zwischen einem unteren und oberen Grenzwert liegen.
    16. Verwendung des Strahlungsdetektors nach Anspruch 1, zum Nachweis der Eigenstrahlung eines Gegenstandes.
    17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Körperstrahlung einer Person nachgewiesen wird.
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    18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Körperstrahlung bei Bewegung der Person mittels einer Optik mit diskreten Empfangsbereichen moduliert auf den Strahlungsdetektor geleitet wird.
    19. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flaitmenstrahlung eines brennenden Objektes nachgewiesen wird.
    809882/0644
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