DE2950996C2 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Intensität elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Mikrowellen- und infraroten Spektralbereich - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Messung der Intensität elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Mikrowellen- und infraroten SpektralbereichInfo
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Abstract
Eine quantitative Erfassung einzelner Strahlungsquanten war im Wellenlaengenbereich ueber 10 micro - 10 cm bisher praktisch nicht moeglich. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Atome eines vorgegebenen Anregungszustand so hoher Energie gebracht werden, dass sie die zu messende Strahlung zu absorbieren vermoegen, ohne dabei ionisiert zu werden; dass die durch die absorbierte Strahlung zusaetzlich angeregten Atome einem elektrischen Feld solcher Feldstaerke ausgesetzt werden, dass es die zusaetzlich angeregten Atome, nicht jedoch die Atome im vorgegebenen Anregungszustand zu ionisieren vermag, und dass die bei der Ionisierung entstehenden Ladungstraeger unter Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals erfasst werden. Die Feldionisation ist quantitativ und da auch jedes bei der Ionisation entstehende Ion bzw. Elektron nachgewiesen werden kann, ist es im optimalen Falle moeglich, jedes einzelne einfallende Photon nachzuweisen. et werden. Anwendungsgebiet: Bei manchen kern- und plasmaphysi
Description
a) daß die Atome als freie Atome im Hochvakuum in einen Anregungszustand gebracht werden,
dessen Energieniveau um einen Betrag, der grö- 1-3 ßer als die Energie hv der zu messenden Strahlung,
unter der Ionisationsenergie der Atome liegt
b) daß die so angeregten Atome der zu messenden Strahlung ausgesetzt werden,
c) daß die Atome dann einem elektrischen Feld
solcher Feldstärke ausgesetzt werden, daß es Atome, die durch die Absorption der zu messenden
Strahlung zusätzlich angeregt worden sind, nicht jedoch die Atome, die sich in dem
ersterwähnten Anregungszustand befinden, zu ionisieren vermag, und
d) daß Ladungsträger, die bei der durch das elektrische Feld bewirkten Ionisierung der zusätzlich
angeregten Atome entstehen, zur Erzeugung des elektrischen Ausgangsignals verwendet
wer Jen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atome gemäP- Verfahrensschritt a)
einen im Hochvakuum verlaufenden Atomstrahl bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungszustand gemäß
Verfahrensschritt a) durch mindestens zwei aufeinanderfolgende Anregungsprozesse erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zweite Anregungsprazeß
in einer Anregung durch Laserstrahlung besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anregungsprozeß
durch eine Entladung, durch Elektronenstoßanregung, durch Ladungsaustauschprozesse oder einen
anderen teilchenselektiven Anregungsprozeß be- so wirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2,3,4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet daß die Atome durch den ersten Anregungsprozeß in einen metastabilen Anregungszustand
gebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung des Atomstrahls und
der Bereich bis zur Feldionisation auf eine Temperatur unter minus 1500C gekühlt werden.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnet durch
b) eine Vorrichtung zum Einwirkenlassen der nachzuweisenden Strahlung auf die so angeregten
Atome,
c) eine Anordnung (18) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, das diejenigen Atome zu ionisieren
vermag, die die nachzuweisende Strahlung absorbiert haben, nicht jedoch die durch
die Vorrichtung (10,14) gemäß Merkmal a) angeregten Atome und
d) eine Vorrichtung zum Erfassen von Ladungsträgern,
die bei der Ionisierung der durch die nachzuweisende Strahlung zusätzlich angeregten
Atome entstehen.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen der angeregten
Atome gemäß Merkmal a) eine Atomstrahlquelle (10) enthält
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen
der angeregten Atome gemäß Merkmal a) mindestens einen abstimmbaren Laser enthält
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß die Vorrichtung
zum Erzeugen der angeregten Atome gemäß Merkmal a) eine Anordnung (14a, 14Z^ zur mehrstufigen
Anregung der Atome enthält.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung (14a, 14ty zur mehrstufigen Anregung eine erste, mit einem teilselektiven
Anregungsprozeß arbeitende Anregungsanordnung, wie eine mit Elektronenstoß oder Ladungsaustausch
oder Stößen zweiter Art arbeitende Anordnung enthält.
13. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Atome Edelgasatome, Erdalkaiiatome
oder Atome eines der Elemente Zn, Cd, Hg, Mn, Eu und Wasserstoff sind bzw. Alkalimetallatome,
deren Resonanzzustände gut zu besetzen sind.
14. Enrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet daß sie eine Vakuumkammer mit gekühlten Wänden aufweist
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Erzeugen
eines zusätzlichen elektrischen und/oder magnetischen Feldes zur zusätzlichen Verschiebung
der Energieniveaus der Atome.
a) eine Vorrichtung (10, 14) zum Erzeugen von Atomen in einem Anregungszustand, dessen
Energieniveau um einen Betrag, der größer ist als die Energie der zu messenden Strahlung, unter
der Ionisationsenergie der Atome liegt, im Hochvakuum.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
Der Nachweis und die Messung der Intensität von langwelliger elektromagnetischer Strahlung, insbesondere
im mittleren und fernen Infrarot- sowie im Mikrowellenbereich ist bei niedrigen Strahlungsleistungen
wegen der niedrigen Energie der Strahlungsquanten schwierig. Eine quantitative Erfassung einzelner Strahlungsquanten
war bisher im Wellenlängenbereich über etwa 10 μπι bis 10 cm praktisch nicht möglich.
Aus der GB-PS 15 23 003 ist eine Einrichtung zur Messung der Intensität von MikrowellenstraMung bekannt,
welche ein Halbleiterbauelement mit einem stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand enthält,
das durch die zu messende Mikrowellenstrahlung er-
wärmt wird. Einrichtungen dieser Art sind unbrauchbar, wenn die Intensität der zu messenden Strahlung für eine
ausreichende Erwärmung des Halbleiterbauelements zu klein ist
Aus der FR-PS 8 11 164 ist eine Ionisationskammer
bekannt, die zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, denen jeweils eine Funkenstrecke parallel geschaltet ist,
enthält Einrichtungen dieser Art können bekanntlich nur zum Nachweis kurzwelliger Strahlung verwendet
werden, deren Quanten eine für die Ionisierung der Gasfüllung der Ionisationskammer ausreichende Energie
haben.
Es ist ferner bekannt, radioaktive Strahlen durch Geiger-MülIer-Zählrohre
nachzuweisen (FUNKSCHAU 1958, Heft 15, S. 353,354). Ein solches Zählrohr enthält
im allgemeinen eine Füllung aus Edelgs und einem Halogen als Löschsubstanz. Um solche Zählrohre verwenden
zu können, muß die nachzuweisende Strahlung eine Quantenenergie haben, die mindestens gleich der Ionisierungsenergie
des in der Füllung enthaltenen Edelgases ist. Für Strahlung im Infrarot- und Mikrowellenbereich
sind solche Zählrohre also ebenfalls nicht geeignet
Aus der US-PS 28 77 417 ist eine Einrichtung zum Nachweis von elektromagnetischen Schwingungen im
Mikrowellenbereich bekannt, die eine edelgasgefüllte Gasentladungsröhre mit einer Kathode, einer Anode
und einem nahe bei der Anode angeordneten Gitter enthält In der Gasentladungsröhre wird mitteis einer
Gleichspannung eine Gasentladung erzeugt Die zu messende Mikrowellenleistung wird zwischen das Gitter
und die Anode eingekoppelt Durch die zusätzlich eingekoppelte Mikrowellenleistung wird die zur Aufrechterhaltung
der Gasentladung erforderliche Gleichspannung verringert und der Betrag der Vemngerung
der Gleichspannung dient als Maß für die eingekoppelte
Mikrowellenleistung. Mit dieser bekannten Einrichtung sollen sich Mikrowellenleistungen in der Größenordnung
von 10 Mikrowatt messen lassen, die eine Spannungsherabsetzung von 3xlO~3 Volt bewirken. Für
noch kleinere Mikrowellenleistungen bis herab zur Erfassung einzelner Strahlungsquanten ist die bekannte
Einrichtung jedoch schon wegen des starken Rauschens einer Gasentladung nicht geeignet
Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem aus der US-PS 28 77 417 bekannten Stand der
Technik, die Aufgabe-zugrunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Messung der Intensität elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Mikrowellen-
und infraroten Spektralbereich anzugeben, die sich auch für sehr kleine Strahlungsintensitäten eignen und praktisch
einzelne Strahlungsquanten nachzuweisen gestatten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafte
Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Mikrowellen- bzw. Infrarot-Übergänge zwischen hochangeregten
atomaren Energiezuständen von Atomen ausgenutzt, die durch die nachzuweisende Strahlung induziert
werden. Die Wahrscheinlichkeit für solche Übergänge ist der vierten Potenz der Hauptquantenzahl der
Energiezustände proportional, zwischen denen der betreffende Übergang stattfindet. Man kann daher bei
Atomen, die genügend hpdi angeregt sind, erreichen, daß jedes eingestrahlte Photon oder Strahlungsquant
einen Übergang hervorruft. Die hierdurch bewirkte Energieänderung des angeregten Atoms läßt sich dadurch
nachweisen, daß das Atom durch ein äußeres elektrisches Feld ionisiert wird. Eine solche Feldionisation
ist bei hochangeregten Zuständen mit relativ kleinen Feldstärken möglich, die in der Praxis in der Größenordnung
von einigen 100 V/cm liegen. Da die lonisationsenergie von der Energie des angeregten Zustandes,
in dem sich das betreffende Atom befindet abhängt, kann die das Feld erzeugende Spannung so eingestellt
werden, daß zwar die durch die nachzuweisende Strahlung zusätzlich angeregten Atome ionisiert werden,
nicht jedoch die Atome in dem angeregten Ausgangszustand vor Absorption der nachzuweisenden Strahlung.
Die Feldionisation ist quantitativ und da auch jedes bei der Ionisation entstehende Ion bzw. Elektron nachgewiesen
werden kann, ist es im optimalen Falle möglich, jedes einzelne einfallende Photon nachzuweisen.
Die Absorption der Photonen durch das sich im hochangeregten Aüsgangszustand befindliche Atom ist zwar
selektiv, da im Atom nur diskrete C^rgänge möglich sind. Die Abstände liegen jedoch bei hc;hangeregten
Atomen sehr dicht, außerdem kann man durch zusätzliche äußere elektrische oder magnetische Felder noch
eine zusätzliche Verschiebung oder Aufspaltung des atomares Energieniveaus erreichen, so daß ein weitgehend
kontinuierlicher Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich für die nachzuweisende Strahlung erreicht werden
kann.
Da die hochangeregten Atomzustäncre durch Stöße zerstört werden, müßten freie Atome im Hochvakuum
verwendet werden, vorzugsweise in Form eines Atomstrahles. Ferner soll die Umgebung der hochangeregten
Atome auf möglichst tiefe Temperaturen gekühlt sein, um den Einfluß der thermischen Strahlung auszuschalten.
Da die Lebensdauer der hochangeregten Zustände von der dritten Potenz der Hauptquantenzahl abhängt,
haben diese Zustände eine lange Lebensdauer, sis daß
die Bereiche, wo die nachzuweisende Strahlung eingestrahlt wird und wo der Nachweis der Übergänge erfolgt,
voneinander getrennt werden können.
Die Anregung der hochangeregten Zustände erfolgt zweckmäßigerweise über einen metastabilen Zustand.
Geeignet hierfür ist z. B. 22Si/j-Zustand des Wasserstoffs.
Andere Atome, die ebenfalls geeignete metastabile Zustände aufweisen, sind z. B. die Atome der Edelgase,
der Erdalkalimetalle, der Elemente der zweiten Nebengruppe (Zn, Cd, Hg) des Periodensystems, sowie
der Elemente Mn und Eu.
Die hochangeregt'jn Ausgangszustände lassen sich auf verschiedene Weise erzeugen, vorzugsweise in einem
zweistufigen Prozeß-.
In einer ersten Stufe werden die Atome durch einen teilselektiven Anregungsprozeß, wie Elektronenstoß, eine
Entladung in Teilchenstrahl oder Ladungsäustausch mit Ionen anderer Elemente oder Stöße zweiter Art
angeregt. In einer zweiten Stufe wird dann der hochangeregte Ausgangszi'stand besetzt, von dem die nachzuweisende
Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung absorbiert wird, vorteilhafterweise mit einem kontinuierlich
frequenzveränderlichen Laser, z. B. einem Farbstofflaser. Selbstverständlich kann der hochangeregte Ausgangszsutand
auch durch einen einstufigen Anregungsprozeß erzeugt werd .n, wozu wiederum Laser entsprechender
Strahlungsfrequenz geeignet sind.
Zum Nachweis der durch die absorbierte, nachzuweisende Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung zusätzlich
angeregten Atome werden jiese durch ein elektrisches
Feld ionisiert, das zwar die Atome zu ionisieren vermag, die durch die Absorption eines Quants der nachzuweisenden
Strahlung zusätzlich angeregt worden sind, nicht jedoch die Atome, die sich in dem hochangeregten, für
die nachzuweisende Strahlung absorptionsfähigen Zustand befinden. Bei der Feldionisation entsteht pro ionisiertes
Atom ein Elektron und ein Ion, deren Ladung jeweils erfaßt werden kann. Vorzugsweise werden die
Elektronen erfaßt, in dem sie in einem Sekundärelektronenvervielfacher, z. B. einem Channeltron (Kanalvervielfacher)
verstärkt werden. Es können jedoch auch die entstehenden Ionen nachgewiesen werden.
Bezüglich der Feldionisation sei noch bemerkt, daß sie über die Quantenzahlen der besetzten Zustände beeinflußt
werden kann. So ist es z. B. möglich, durch geeignete Wahl der Polarisation der den hochangeregten
Ausgangszustand erzeugenden Laserstrahlung bzw. der nachzuweisenden Strahlung eine zusätzliche Diskriminierung
des Endzustandes zu erreichen. Ferner lassen sich Atome mit bestimmten End-Anregungszuständen
(also nach Absorption der nachzuweisenden Strahlung) durch eine Kombination von inhomogenen, elektrischen
und magnetischen Feldern fokussieren und dadurch im Atomstrahl selektiv nachweisen. Hierdurch wird noch
eine zusätzliche Selektion des durch die nachzuweisende
Strahlung erreichten Endzustandes möglich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung schematisch dargestellt:
Die schematisch dargestellte Einrichtung enthält eine Atomstrahlquelle 10, die in bekannter Weise ausgebildet
ist und einen Atomstrahl 12 mit thermischer Energieverteilung liefert. Dabei kann es sich z. B. um einen
Strahl aus Wasserstoffatomen, Alkalirnetallatomen, wie Na, deren Resonanzzustände gut zu besetzen sind oder
irgendeiner anderen geeigneten Atomart (siehe oben) handeln. Die Atome des Atomstrahl 12 werden durch
eine Vorrichtung 14. die zwei Stufen 14a und 146 enthalten kann, in einen hochangeregten Zustand gebracht,
z. B. im Falle von Wasserstoffatomen zunächst in den Zustand 22Su2. Dann erfolgt die Laseranregung. Anschließend
läßt man die nachzuweisende Strahlung 16 von den hochangeregten Atomen absorbieren, wie
durch einen Pfeil 16 schematisch dargestellt ist. Im Absorptionsbereich oder in Strahlrichtung kurz hinter diesem
ist eine durch zwei Kondensatorplatten versinnbildlichte Anordnung 18 angeordnet, die auf den Atomstrahl
ein elektrisches Feld zur Einwirkung bringt, das eine solche Größe hat, daß zwar die Atome, die durch
Absorption der nachzuweisenden Strahlung 16 zusätzlich angeregt wurden, durch das Feld ionisiert werden,
nichi jedoch die hochangeregten Atome des Atomstrahls, die keine Strahlung 16 absorbiert haben. Die bei
der Ionisierung entstehenden Ladungsträger werden auf geeignete Weise nachgewiesen, beispielsweise indem
man die positive »Kondensatorplatte« als Eingangselektrode eines Sekundärelektronenvervielfachers
20 ausbildet, der an einer Ausgangsklemme 22 für jedes bei der Ionisierung erzeugte und zu seiner Eingangselektrode
abgesaugte Elektron einen Ausgangsimpuls an einer AusgangsWemme 22 liefert. Es können
auch die entstehenden Ionen nachgewiesen werden.
Die beschriebene Anordnung befindet sich in einem nur schema tisch dargestellten Vakuumgefäß 24, das auf
Hochvakuum evakuiert ist. Zumindest die vorn Atomstrahl
12 aus sichtbaren Wandbereiche oder eine den Atomstrahl umgebende getrennte Abschirmung (nicht
dargestellt) werden auf eine möglichst liefe Temperatur, insbesondere die Temperatur des flüssigen Stickstoffs
oder vorteilhafterweise des flüssigen Wasserstoffs oder flüssigen Heliums gekühlt, um den Einfluß der ihermisehen
Hintergrundstrahlung auf die hochangeregten Atomzustände möglichst klein zu halten.
Die Brandbreite der optisch-elektrischen Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung ist durch die Absorptionsbandbreite
der hochangeregten Atome im Ausgangszustand gegeben. Wird ein gut kollimierter Atomstrahl
benützt, so ist die Rest-Dopplerbreite des Strahles gering, zumal die den Übergängen entsprechende
Frequenz im Mikrowellen- bzw. Infrarotfrequenzbereich liegt. Die Absorptionsbandbreite hängt dann im
wesentlichen von der Wechselwirkung der nachzuweisenden Strahlung mit den hochangeregten Atomen ab
und wird in der Praxis etwa 100 kHz betragen. Hierdurch ergibt sich grundsätzlich die Möglichkeit eines
schmalbandigen Strahlungsnachweises. Die Bandbreite kann jedoch auch durch eine Verbreiterung der Zustände
durch ein äußeres inhomogenes Magnetfeld den jeweiligen Anfordernissen angepaßt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zur Messung der Intensität elektromagnetischer
Strahlung mit einer Wellenlänge ν im Mikrowellen- und infraroten Spektralbereich, bei
welchem die Strahlung durch Atome vorgegebener lonisierungsenergie absorbiert und ein entsprechendes
elektrisches Ausgangssignal erzeugt sowie einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird, dadurch
gekennzeichnet,
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