DE3642275C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einlaßsystem mit 180° Bildwinkel aus lichtdurchlässigem Materiaö für Strahlungsdetektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts sowie auf einen damit versehenen Strahlungsdetektor.

Strahlungsdetektoren für unterschiedliche Wellen­ längenbereiche des Sollenlichts sind kommerziell erhältlich, wie z. B. ein Gerät der Firma Eppley Laboratories, bei dem eine Anordnung von Photo­ diode, Interferenzfilter und Blende durch eine ebene Streuscheibe abgeschlossen wird. Für luft­ chemische Untersuchung ist ein solches Gerät wegen seiner Richtungsunabhängigkeit nur bedingt brauchbar.

Man kennt daher bereits Anordnungen mit einem "Fisheye-Objektiv", die einen Bildwinkel von 160° haben. Diese Geräte nehmen zwar von allen Seiten bis zu einem Bildwinkel von 160° Licht auf, jedoch ist ihre Empfindlichkeit nicht homogen. Ferner sind solche Objektive nur begrenzt verfüg­ bar, insbesondere bestehen Probleme für den Bereich des ultravioletten Lichts, wofür Quarzglas- Objektive benötigt werden.

Aus der DE-AS 27 49 232 ist ein photoelektrischer Meßwertgeber für Sonnenstrahlung bekannt, bei dem ein kompakter Streukörper aus gleichförmig getrübtem, insbesondere weiß eingefärbtem durch­ scheinendem Material, speziell Kunststoff, in Form einer durch einen Zylinderteil verlängerten Halbkugel mit einem Lichtleiter verbunden ist, dessen entgegengesetzte Ausgangsfläche über ein- oder mehreren lichtelektrischen Wandlern angeordnet ist.

Aufgrund kaum zu vermeidender Schwankungen in Material und Kontur ist die Abhängigkeit der Meßwert­ erfassung vom Einfallswinkel des Lichts erheblich und ferner muß mit einer unerwünschten Absorption der UV-Strahlung gerechnet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungs­ detektor für Sonnenlicht bzw. ein Einlaßsystem zu schaffen, das den Nachweis von Licht aus einem Bildwinkel von 180° mit praktisch einheitlicher Empfindlichkeit ermöglicht und das einfach aufgebaut ist.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Einlaßsystem aus lichtdurchlässigem Material ist gekennzeichnet durch eine Halbkugelschale, die durch ein Rohr verlängert ist, in das ein in mindestens drei Stufen endender Körper einge­ schoben ist, der mit seinem stufenförmigen Ende ein gekörntes Streumedium in der Halbkugelschale abschließt und der mit dem Verlängerungsrohr der Halbkugelschale verbunden ist.

Mit einem solchen, relativ einfach aufgebauten und insbesondere leicht zu justierenden Gerät kann die aus unterschiedlichen Richtungen in einem Bildwinkel von 180° auftreffende Strahlung mit einheitlicher Empfindlichkeit aufgenommen ( ±5%) und zu einem Detektor geleitet werden (unter Umwandlung in ein im wesentlichen parallel zur Längsachse des Systems abgegebenen Strahlen­ bündel), wobei durch Justierung die Winkelab­ hängigkeit nachfolgender optischer Bauteile wie Interferenzfilter und Photodetektor (Photo­ kathode, Halbleiterkristall, etc.) kompensiert werden können.

Das Einlaßsystem kann aus beliebigen lichtdurch­ lässigen Materialien wie Glas oder Kunstglas bestehen. Durch Ausführung in der Quarzglas kann Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 300 nm (ggf. 180 nm) vom Detektor empfangen werden. Auf diese realisierte Ausführung wird nachfolgend vornehmlich Bezug genommen.

Der dabei als Streumedium verwendete Quarzsand füllt den Raum zwischen der Halbkugelschale und dem Stufenkörper aus und wird in diesem Raum durch das Ende des Stufenkörpers festgehalten, der durch einen dicken Quarzstab mit entsprechend stufenförmig geschliffenem Ende gebildet werden kann, insbesondere aber aus konzentrischen Quarzrohren mit einem mittleren dünnen Stab besteht, mit denen sich die Justierung der Anordnung besonders einfach gestaltet.

Der Quarzsand darf nicht so fein sein, daß Körner durch bzw. in den (wenn auch geringen) Spalt zwischen den ineinander geschobenen Rohren fallen können. Zu grobe Sandkörner verschlechtern die Statistik und werden daher auch nicht bevorzugt. Zweckmäßigerweise liegt die Korngröße im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm.

Die "Stufenkörper" bildenden konzentrischen Rohre sind möglichst rotationssymmetrisch und ausgesucht und haben zweckmäßigerweise Wandstärken von etwa 1 bis 2 mm und bilden Luftspalte von maximal 0,1 mm. Auf diese Weise können Körper mit etwa 4 bis 5 Stufen von ungefähr 12 mm Durchmesser gebildet werden. Die Stufengröße ist auf die Korngröße des Streumediums abgestimmt und möglichst klein, wobei die Breite jedoch mindestens gleich dem Vierfachen des Korndurchmessers sein soll.

Die Stufen zwischen den konzentrischen aber nicht längengleichen Rohren werden bei der Montage justiert, indem die übergreifende durch ein Rohr verlängerte Halbkugelschale nach oben offen mit einer gewissen Sandmenge (umgeben von Luft bzw. einem Medium mit vom Kornmaterial verschiedenen Brechungsindex) gefüllt wird, woraufhin die gegeneinander verschiebbaren Rohre eingeschoben werden. Diese Anordnung wird zur Justierung der Stufenhöhe mittels einer in etwa 0,5 m Abstand befindlichen und über einen Raumwinkel von 180° beweglichen Lampe justiert. Bei der einmal justierten Anordnung werden dann die zunächst gegeneinander verschieblichen Rohre miteinander verschweißt und das Ende fein geschliffen zum Anschluß an eine Blendenanordnung bzw. ein nachfolgendes Interferenzfilter mit Detektor.

Die Halbkugelschale des vorstehend beschriebenen Einlaßsystems wird vorzugsweise durch eine analog gestaltete durchsichtige Kappe abgedeckt, die in die Justierung mit einbezogen wird und dann mit dem System lösbar verbunden bleibt. Diese Kappe ist insbesondere innen mattiert, vorzugsweise sandgestrahlt, was eine zusätzliche Egalisierung der räumlichen Lichterfassung mit sich bringt. Diese Kappe dient gleichzeitig als Schutz. Im Falle einer äußeren Beschädigung dieser Kappe kann diese einfach ausgewechselt werden. Eine gewisse Nachjustierung zur Kompensation räumlicher Inhomogenitäten der Kappe erweist sich beim Austausch als zweckmäßig.

Der Ausgang des Lichteinlaßsystems kann unmittelbar oder unter Zwischenschaltung von Lichtleitern, Blenden, Filtern, etc. mit der Eingangsfläche des Photodetektors verbunden sein. Besonders zweckmäßig ist die Montage auf einem Photodetektor mit Interferenzfilter, wobei dann ein Bündel innen geschwärzter Rohre als Anpassungsblende an den geringen Öffnungswinkel des Filters vorgesehen wird, wenn eine handliche Bauweise mit möglichst geringem Lichtverlust und exakter Arbeitsweise angestrebt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen; es zeigen schematisch:

Fig. 1 den wesentlichen Aufbau eines Strahlungsdetektors in auseinandergenommener Form; und

Fig. 2 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Einlaßsystems.

Der in Fig. 1 dargestellte Strahlungsdetektor umfaßt ein Einlaßsystem 1 mit einer abschirmenden innen mattierten Quarzglaskappe 2, eine daran anschließende Blende 3, ein nachfolgendes Interferenzfilter 4 sowie einen Photomultiplier 5, dessen Versorgung und Anschlüsse nicht dargestellt sind.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Einlaßsystems mehr im Einzelnen dargestellt:

Die durch das Verlängerungsrohr 6 verlängerte Halbkugelschale 7 nimmt eine gewisse Menge Streumedium (Quarzsand) 8 auf, das durch den Stufenkörper 9 abgeschlossen wird. Dieser besteht aus drei in das Verlängerungsrohr 6 eingepaßten konzentrischen Rohren 10 mit einem mittleren Stab 11.

Zur Justierung wird der Detektor nach unten weisend aufgehängt, wobei dann die Rohre 10 mit Glasstab 11 im Quarzsand 8 stehen und keine weitere Fixierung benötigen. Die Justierung erfolgt nun mit Hilfe einer in mindestens 50 cm Abstand befindlichen Punktlichtquelle durch Verschiebung der Elemente des Stufenkörpers gegeneinander solange, bis die lokalen Abweichungen vom Mittelwert geringer als ±5% sind.

In dieser Position werden die Rohre 10 und der Stab 11 am Ende miteinander verschmolzen und die Enden abgeschliffen. Ein weiterer aufgesetzter Glasring 12 ermöglicht es, das Verlängerungsrohr 6 mit dem Stufenkörper 9 federbelastet zu verbinden, so daß das Einlaßsystem in jeder beliebigen Einbaurichtung bzw. Lage im Raum betrieben werden kann.

Mit einer äußeren, innen mattierten Quarzglaskappe 2 kann die Empfindlichkeitskurve auf besser als ±5% justiert werden.

Diese zur Verbesserung der Streueigenschaften auf der Innenseite sandgestrahlte Kappe 2 dient ferner dem Schutz des inneren Systems. Diese äußeren Kappen 2 können für unterschiedliche Einlaßsystemgrößen gleich groß gewählt und einheitlich hergestellt werden, so daß ihre Auswechselung bei geringer äußerer Beschädigung problemlos ist.

Die Wellenlängenabhängigkeit des kompletten Detektors wird z. B. durch die Kombination von Interferenzfiltern und angepaßten Photokathoden der verwendeten lichtempfindlichen Einheit (z. B. aus Photomultiplier der Photodiode) erhalten. Eine solche Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt.

Für luftchemische Messungen am Erdboden reicht ein solcher Detektor aus, der alles Licht aus einem Bildwinkel von 180° gleich gut sehen kann. Für Messungen in größerer Höhe über dem Erdboden müssen zwei von diesen Detektoren verwendet werden, wenn alles Licht nachgewiesen werden soll. Eine solche Anordnung hat dann den Vorteil, daß zwischen direkt einfallendem Licht unterschieden werden kann, so daß Messungen der Reflektivität des Bodens möglich sind.

Claims (10)

1. Einlaßsystem mit 180°-Bildwinkel aus lichtdurch­ lässigem Material für Strahlungsdetektoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnen­ lichts, gekennzeichnet durch eine Halbkugelschale (7), die durch ein Rohr (6) verlängert ist, in das ein in mindestens drei Stufen endender Körper (9) eingeschoben ist, der mit seinem stufenförmigen Ende ein gekörntes Streumedium (8) in der Halbkugelschale (7) abschließt und der mit dem Verlängerungsrohr (6) der Halbkugelschale (7) verbunden ist.

2. Einlaßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Streumedium (8) abschließende Stufen­ körper (9) durch ineinandergepaßte konzentrische Rohre (10) und durch einen axialen Stab (11) gebildet ist, die nach dem Justieren miteinander verbunden worden sind.

3. Einlaßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rohre (10) mit 1 bis 2 mm Wandstärke und einen Luftspalt zwischen den Rohren von höchstens 0,1 mm.

4. Einlaßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Streumedium (8) ausgesiebt ist und eine Korngröße von 0,2 bis 0,5 mm aufweist.

5. Einlaßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stufen gleich oder größer dem Vierfachen des Korndurchmessers des Streu­ mediums (8) ist.

6. Einlaßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Halbkugelschale (7) eine auswechsel­ bare äußere kugelförmige Kappe (2) aus lichtdurch­ lässigem Material angeordnet ist.

7. Einlaßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kappe (2) innen mattiert ist.

8. Einlaßsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kappe (2), die Halbkugelschale (7), der Stufenkörper (9) und das Streumedium (8) aus Quarz bestehen.

9. Strahlungsdetektor für Sonnenlicht, gekennzeichnet durch ein Einlaßsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, das optisch an ein lichtempfindliches Element (5) angeschlossen ist.

10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Blende (3) zwischen dem Ausgang des Einlaß­ systems und dem Eingang des lichtempfindlichen Elements (5) in Form eines Bündels von innen geschwärzten Rohren, durch die der jeweilige Öffnungwinkel der auf den Eingang des lichtempfind­ lichen Elements (5) auftreffenden Strahlungsanteile begrenzt ist.