DE3119570A1

DE3119570A1 - Fluoreszierendes material enthaltender strahlungssensor

Info

Publication number: DE3119570A1
Application number: DE19813119570
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl.-Ing. 7080 Aalen Kreuttner; Gerhard Prof. Dr. Müller
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1981-05-16
Filing date: 1981-05-16
Publication date: 1982-12-02
Also published as: US4467208A

Description

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	FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)
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1.0	1 Fluoreszierendes Material
	enthaltender Strahlungssensor	...
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35	1 P 911 1 G 1072

Fluoreszierendes Material enthaltender Strahlungssensor

Die Erfindung betrifft einen fluoreszierendes Material enthaltenden Strahlungssensor, in dem die nachzuweisende Strahlung absorbiert und das erzeugte Fluoreszenzlicht auf die photoempfindliche Fläche des Detektors geleitet wird, ' :

Beim Bau von Sensoren für den kurzwelligen Spektralbereich (UV) macht es sich nachteilig bemerkbar, daß einerseits der Quantenwirkungsgrad gängiger Detektoren mit kurzer werdender Wellenlänge immer mehr abnimmt und es gleichzeitig immer schwieriger wird, geeignete Materialien zur Bündelung bzw. Fokussierung der Strahlung zu finden.

Es ist bekannt, daß man die in Richtung zu_kurzen Wellenlängen sich verschlechternde Quantenausbeute von Strahlungssensoren auf Halbleiterbasis verbessern kann, indem man vor dem eigentlichen photoelektrischen Detektor eine fluoreszierendes Material enthaltende Schicht anordnet, die von der nachzuweisenden Strahlung angeregt wird. Das dabei entstehende Fluoreszenzlicht wird dann von dem auf die Fluoreszenzwellenlänge sensibili— sierten Detektor nachgewiesen. Ein röntgenempfindlicher Sensor, der diesen Aufbau besitzt, ist beispielsweise in der DE-OS 20 41 523 beschrieben. ■ :

Der Durchmesser des detektierten Strahlungskegels wird bei dem bekannten Sensor von der Fläche des photoempfindlichen Bereiches des Detektors bestimmt. Ein vorheriges Sammeln bzw. Konzentrieren der nachzuweisenden Strahlung vor dem Auftreffen auf den Detektor findet nicht statt.

Aus der Solartechnik sind Sammler zur Konzentration des Sonnenlichtes in Form von Kunststoffplatten bekannt, in die fluoreszierende Farbstoffe eingelagert sind. In diesen Platten wird die durch das Sonnenlicht angeregte Fluoreszenzstrahlung teilweise durch innere Totolreflektion an den" Plattenober- bzw. Unterseiten zu den Stirnseiten geleitet, die teils verspiegelt sind oder an denen Solarzellen zur Wandlung der Fluoreszenzstrahlung in elektrischen Strom angebracht sind.

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Dadurch kann eine gewisse Konzentration des auf die Plattenoberflächen einfallenden Sonnenlichtes etwa im Verhältnis Plattenoberfläche/Stirnfläche erreicht werden. Trotz dieser Reduktion des DJurchmessers des empfangenen Strahlenbündels benötigt man für die Wandlung in Elektrizität S noch relativ großflächige Detektoren, mit denen mindestens eine der Stirnflächen abgedeckt werden muß. Für sensorische Anwendungen¹sind derartige im übrigen starre und unhandliche Platten daher ungeeignet.

Ausgehend von einem Strahlungssensor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches ist es die Aufga.be der vorliegenden Erfindung, die Empfindlichkeit des eingangs genannten Sensors durch Optimierung des Verhältnisses der Oberflächen des fluoreszierenden Kollektors bzw. des photoelektrischen Detektors zu steigern und damit eine möglichst hohe Strahlungsdichte am Ort des Detektors zu.erzielen. , H . '

■'.■'■■-': .■ ■ "' > ' Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß der Sensor aus einem Kollektor in Form eines langgestreckten Zylinders besteht, der mit einem Mantel aus für die nachzuweisende Strahlung transparentem Material versehen ist, und dessen Kern das fluoreszierende Material enthält, sowie aus mindestens einem Detektor für die ,Fluoreszenzstrahlung, der an mindestens eines der Enden des Zylinders angekoppelt ist.

Der so aufgebaute Sensor besitzt folgende Wirkungsweise: Die nachzuweisende Strahlung tritt ungehindert durch den für sie transparenten Fasermantel in den Kern des zylindrischen Kollektors ein und regt diesen zur Fluoreszenz an. Ein großer Teil der in allen Richtungen gleichmäßig ausgestrahlten Fluoreszenzstrahlung wird an der Innerfseite des Mantels totälreflektiert und so auf den bzw. die Detektoren an den Enden'der Faser 3Q geleitet. Der Sensor kommt also mit einem sehr kleinfläphigen Detektor aus, dessen lichtempfindliche Fläche lediglich den Durchmesser des Zylinderkernes besitzen muß. Da der Zylinder sehr lang gemacht werden kann, wenn im Kernmaterial keine nennenswerte Absorption des Fluoreszenzlichtes stattfindet, kann ein nahezu beliebig großer Bündelquerschnitt der nachzuweisenden Strahlung abgedeckt werden. Im Detektor entsteht also eine relativ hohe Strahlungsdichte, sodaß der aus Kollektor und Detektor be-

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eignet ist, die;_;	S : - ' * -- . "f - ' ~^: - zum empfindlichen Nachweis] auch diffuser fStrahlung ge-
kann."'.,	nich-li durch; Linsen- oder; Spiegeloptik fokussiert werden

Dabei dient die Ummantelung des Kerns dazu, den''Austritt von Fluores- . -zenzstrahlung infolge von Verschmutzungen der Oberfläche des Kollektros auszuschalten und den Eintritt von unerwünschtem Streulicht zu verhindern. ."..""--' *'" . '

Vorteilhaft ist, es; den zylindrischen Kolligktor. als Glas- oder Kunststoff-Paser bzw. ,als Kapillare auszubilden,-da der dann flexible Kollektor abhängig Von der gewünschten Applikation zu beliebiger Form aufgewickelt werden kann. Als Kernmdterial für die Kunststoff-Fasern-und die Kapillare kommen fluoreszierende organische Farbstoffe in Frage;:die in einem thermoplastischen Trägermaterial bzw. in:einem. Lösungsmittel^fenthalten sind. Die Glasfaser kann dagegen'beispielsweise^unter Verwendung von Uranylqder Neodymgläsern als Kernmaterial ausgezogen werden. ; .

Der erfindungsgemäße Sensor kann unter anderem zur Überwachung von Ver-^: 2G brennungs- oder Zündvorgängen eingesetzt werden, bei denen UV-Emmxssioh auftritt', beispielsweise in Kraftwerken, ■ Turbinen bzw. Flugzeugtriebwerken. Eine weitere, besonders vorteilhafte Verwendung des Kondensors ist die'zur berührungslosen Übertragung ,von Energie bzw. Signalen auf.optischem Wege zwischen zwei gegeneinander bfeweg'ten Teilen, wobei dann einer der Teile eine kurzwe.llig emittierende. Energie bzw. Signalquelle trägt ,und der Sensor am zweiten Teil sich in.Bewegungsrichtung erstreckend so 'angeordnet i^t, daß stets ein Teil des Kollektors von der Strahlungsquelle beaufschlagt wird. " -;, ':, __ "" """"." *** * "'*

Ausgestaltungen^des Sensors werden im folgenden anhand der Figurgen 1 bis

5 der beigefügten Zeichnungen erläutert. ".'■_" · . -^;

_t Fig. 1 skizziert den..prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors;

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Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung

Fig. 3 zeigt eine zweite .Ausführungsform des Sensors noch der" Erfin-.,,,dung; ,.■_.;':■■_ .- Λ^:"ί'., ". '"''. ■'-

Fig. 4' zeigt eine dritte Ausführungsform des Senso.rs nach'der Erfindung; ...,.„...., .· ' V. \'

Fig. 5 skizziert die Verwendung des Sensors als optischen Schleifring.

Der in Fig. 1 dargestellte Strahlungssensor besteht aus einem Kollektor und einem Detektor 10.-Der zylindrische Kollektor1';besitzt einejy Mantel 3 aus Glas, das für die nachzuweisende Strahlung 4 transparent ist. Der von dem Mantel 3 umschlossene Kern 2 enthält einen fluoreszenzföhigen Stoff, der im Wellenlängenbereich der nachzuweisenden Strahlung 4 absorbiert, ₍die immitierte Fluoreszenzstrahlung jedojbh nLcht-bzww nur sehr wenig dämpft. Da der Ker,n«2 einen höheren'.Brechungsindex·'als der Mantel 3 besitzt, wird die im Kern'.erzeugte Fluoreszenzstrahlung teilweise durch Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel zu den Enden des Kollektors 1 geführt. Da eine Seite des Kollektors mit einer Spiegelschicht 9 versehen ist, gelangt das im Kern geführte Fluoreszenzlicht 5,6 auf die photoempfindliche Schicht 26 des am anderen Ende 7,auf die Stirnfläche aufgesetzten Detektors 10. Natürlich tritt auch ein Teil des Fluoreszenzlichtes aus dem Kern 2 Jaus, wenn es unter einem stumpferen Winkel als den durch die Brechzahl der beiden Medien 2 und 3 vorgegebenen Grenzwinkel für Totalreflektiön auf die Grenzfläche auftrifft. //

Fig." 2 zeigt ein nach dem in Fig. 1 dargestellten Pr.inzip arbeitenden Sensor 11, dessen die Dicke einer Faser besitzender Kollektor.auf einen Träger .8 in Form einer Kugel aufgewickelt ist. Die. Enden 12 und 13 der

■■-*■--. -,,' ' -··'' Faser sind an zwei auf die Fluoreszenzwellenlänge des Kernmaterials sen—

3Q sibilisierte Detektoren 15 und 14 angekoppelt. Der Sensor besitzt keine Vorzugsrichtung und ist zum Nachweis diffuser Strahlung besonders geeignet. : ■

Dagegen besitzt der in Fig. 3 skizzierte Sensor in Form ein^r'auf die Innenseite eines Konus 17 gewickelten Spirale 16 Richtwirkung., Diese ist

umso ausgeprägter, je kleiner

der Konuswinkel isti Die Lichteintrittsöff-

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nung des Sensors ist durch ein Filter 32 abgedeckt, das den Sensor auf die Wellenlänge der nachzuweisenden Strahlung sensibilisiert und unerwünschtes Fremdlicht fernhält.

Fig. 4 zeigt einen Sensor, dessen Kollektor aus mehreren, mäanderförmig auf einer Platte 27 angeordneten, bifilar gewickelten Einzelfasern 28a-d besteht. Die Faserenden sind an den Taperstellen 29a-d gruppenweise und danach Ober den Taper 30 insgesamt miteinander verbunden und an den Detektor 31 angekoppelt. Durch die Parallelschaltung mehrerer Fasern können die Einzelfasern kurz gehalten werden. Das ist besonders von Vorteil, wem das Kernmaterial auf der Fluoreszenzwellenlänge eine gewisse Restabsorption zeigt, so daß das Hinausgehen über eine bestimmte Länge der Faser keine zusätzliche Intensität an den Enden mehr bewirkt. Zweckmäßigerweise bestehen die Faserstücke zwischen den Tapern 29 und dem Detektor 31 dann aus einer Faser, deren Kern das dämpfende, fluoreszierende Material nicht enthält.

In Fig. 5 ist skizziert, wie der erfindungsgemäße Sensor zur Übertragung von Licht zwischen zwei gegeneinander bewegten Teilen eingesetzt werden kann. Zur Übertragung von Signalen aus dem feststehenden Teil 21 in das drehbar darin geführte Rohr 22 dient eine mit der zu übertragenden Information modulierte Lampe 23, die das drehbare Rohr 22 beleuchtet. In dem beleuchteten Bereich ist der als mehrlagiger zylindrischer Wickel um das Rohr 22 gelegte Kollektor 24 des erfindungsgemäßen Sensors angeordnet. Der auf seine Enden aufgesetzte Detektor 25 liefert daher permanent und unabhängig vom Drehwinkel des Rohres 22 ein der abgestrahlten Lichtleistung der Lampe 23 proportionales Signal. Eine solche Anordnung wird man zum Beispiel wählen, wenn ein direkter elektrischer Kontakt über einen leitenden Schleifring wegen der Gefahr von Funkenbildung in explosionsgeschützten Räumen nicht in Frage kommt.

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Claims

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Patentansprüche

[O Strahlungssensor, enthaltend fluoreszierendes Material, in dem die nachzuweisende Strahlung absorbiert und das erzeugte Fluoreszenzlicht auf die photoempfindliche Fläche des Detektors geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Kollektor (1) in Form eines langgestreckten Zylinders mit einem Mantel (3) aus für die nachzuweisende Strahlung (4) transparentem Material und mit einem das fluoreszierende Material enthaltenden Kern (2), sowie aus mindestens einem Detektor (10) für die Fluoreszenzstrahlung besteht, der an mindestens eines der Enden (7) des Zylinders angekoppölt ist.
2. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor als Kapillare ausgeführt ist, deren Hohlraum mit fluoreszierender Flüssigkeit gefüllt ist.
3. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor als Kunststoff-Faser ausgeführt ist und der Kern einen fluoreszierenden organischen Farbstoff enthält.
4. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (1) als Glasfaser ausgeführt ist und der Kern (2) der Faser mit fluoreszenzfähigen Metallverbindungen dotiert ist.

κ.
5. Strahlungssensor nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der .Kollektor als mehrlagiger Faserwickel (11,16,24) ausgebildet ist.
6. Strahlungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

Faser (28) bifilar gewickelt ist und beide Faserenden an den Detektor (31) angekoppelt sind.
7. Strahlungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel aus mehreren, parallel geschalteten Fasern (28a-d) besteht, die an einen gemeinsamen Detektor (31) angekoppelt sind.
8. Strahlungssensor nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der

Kollektor·(16) von einem Filter (32) abgedeckt ist.
9. Strohlungssensor nach Anspruch 1 - 8, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Übertragung von Strahlung-zwischen relativ zueinander bewegten Teilen (21,22), indem eines (21) der beiden bewegten Teile eine^Strahlungsquelle (23) trägt und am anderen Teil '(22) der Sensor (24, 25) sich in Bewegungsrichtung erstreckend so angeordnet ist, daß stets ein Teil des Kollektors (24) von der Strahlungsquelle (23) beaufschlagt wird. ■ " -
10. Strahlungssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (24) um eine relativ zur Strahlungsquelle (23) drehbare Welle (22) gelegt ist.