DE4125638C2 - Photozelle, insbesondere zur Feststellung von UV-Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Photozelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie sie aus der CH-PS 4 25 014 bekannt ist.

Eine solche Photozelle bildet ein photoelektronisches Bauelement, und zwar im allgemeinen eine Elektronenröhre, in der die Ladungs­ trägererzeugung wesentlich durch Elektronen beeinflußt wird, soge­ nannte Photoelektronen, die aus der Photokathode durch Bestrahlung befreit werden.

Unter Voraussetzung einiger idealisierender Annahmen sind die an der Kathode erzeugten Photoelektronen der Strahlungsleistung einer auf die Kathode auftreffenden monochromatischen Strahlung propor­ tional, ferner auch der wirksamen Fläche der Photokathode. Man un­ terscheidet Vakuum-Photozellen und Gas-Photozellen. Bei beiden Ar­ ten werden die Photoelektronen durch ein zwischen Anode und Katho­ de bestehendes elektrisches Feld von der Kathode zur Anode hin beschleunigt. Es versteht sich, daß das sich aus Kathode und Anode zusammen­ setzende Elektrodensystem einer solchen Photozelle aus elektrisch leitfähigem Material bestehen muß.

Bei Vakuum-Photozellen ist der Ladungsträgerstrom mit dem Photo­ elektronenstrom identisch. Die Photoelektronen werden an der Anode absorbiert.

Bei Gas-Photozellen ionisieren die Photoelektronen das vorhandene Gas und erzeugen positive und negative Ladungsträger. Der Ladungs­ trägerstrom setzt sich aus den negativen, zur Anode hin beschleu­ nigten Ladungsträgern und den positiven, zur Kathode hin beschleu­ nigten Ladungsträgern zusammen.

Bei Gas-Photozellen, wie sie in UV-Detektoren zur Flammenüber­ wachung eingesetzt werden, leiten die durch die Photoelektronen generierten Ladungsträger Prozesse ein, die zu einer selbststän­ digen Entladung führen. Diese ist dadurch charakterisiert, daß der Ladungsträgerstrom nun unabhängig von den Photoelektronen und da­ mit von der, diese Photoelektronen erzeugenden, Strahlung ist. Die Anzahl der an der Kathode zur Verfügung gestellten Photoelektronen bestimmt in diesem Anwendungsfall die Zeit, nach welcher, nach An­ legen einer Spannung, die das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode errichtet, die Photozelle vom stromlosen in den stromführenden und selbständigen Entladungszustand übergeht.

In jedem Fall signalisiert der hervorgerufene Ladungsträgerstrom das Vorhandensein einer Strahlung, insbesondere einer ultravio­ letten Strahlung (UV-Strahlung).

Aufgrund der technischen Entwicklung auf dem Gebiet der UV- Detektoren zur Flammenüberwachung werden an die in solchen Detek­ toren verwendeten Photozellen stetig höhere Ansprüche hinsichtlich ihrer UV-Empfindlichkeit gestellt. Da andererseits die Hersteller solcher Detektoren natürlich bestrebt sind, die Typenvielfalt der von ihnen verwendeten Photozellen einzuschränken und den wirtschaftlichen Aufwand für neue, empfindlichere Photozellen möglichst gering zu halten, sind weitere Verbesserun­ gen nur schwierig zu erzielen.

Eine bevorzugte Möglichkeit, die Empfindlichkeit einer UV- Photozelle zu steigern, besteht darin, die Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Elektrons aus der Kathode zu erhöhen, was durch eine Vergrößerung der Kathodenfläche erreichbar ist. Gerade aus diesem Grunde verwendet man bereits seit längerer Zeit auch soge­ nannte Plattenelektroden, die aus Blech gestanzt sind. Wie sich herausgestellt hat, läßt sich dabei der größere Aufwand für eine Plattenelektrode auf die Kathode beschränken, wie sich aus der DE-PS 37 15 924 und der JP 58-164 136 ergibt. Im erstgenannten Fall weist dabei die Fläche der Plattenkathode einen Neigungswinkel von 45° gegenüber der Längsachse der Photozelle auf.

Was die Käuferseite beziehungsweise die Hersteller der UV- Detektoren angeht, wünschen diese außerdem noch die Beibehaltung der Belegung der Kontaktstifte hinsichtlich der Anschlüsse der Ka­ thode und der Anode und die im wesentlichen unveränderte Beibehal­ tung des technisch genutzten Bereiches der räumlichen Verteilung der Strahlungsempfindlichkeit der von ihnen verwendeten Photozelle, da sie ihre Detektoren, in denen die neuen Photozellen Verwendung finden sollen, nicht ändern wollen.

Auf der Seite des Herstellers sollen etwa erforderliche Kosten­ steigerungen wirtschaftlich vertretbar sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird demnach darin ge­ sehen, eine Photozelle der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Bauart zu schaffen, die eine größere Empfindlichkeit ge­ genüber ultravioletter Strahlung aufweist bei vorgegebener Belegung der Kontaktstifte und ohne wesentliche Änderung der räumlichen Verteilungscharakteristik der Strahlungsempfindlichkeit, und zwar mit geringem technischen Aufwand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Photozelle mit zwei Drahtelektroden, deren effektive Bereiche aus im wesentlichen zu­ einander parallel verlaufenden Abschnitten der beiden Drähte be­ stehen, dadurch gelöst, daß zumindest einer der beiden Abschnitte zumindest an seiner der Strahlung ausgesetzten Seite eine unter Verbreiterung des Drahtes plangepreßte Fläche aufweist, und daß diese Fläche mit eiinem Winkel α von etwa 45° zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte geneigt angeordnet ist.

Dabei versteht es sich, daß die der Strahlung ausgesetzte Seite maßgebend ist; die Pressung zwischen zwei flachen, zueinander planparallelen Stempeln wird jedoch bevorzugt, da am einfachsten, und ergibt zueinander planparallele Flächen im Bereich der resultierenden Verbreiterung und entsprechenden Ausdünnung durch das Pressen des die effektive Elektrode darstellenden Abschnittes des Elektrodendrahtes.

Durch diese Umformung derjenigen effektiven Elektrode, die als Ka­ thode verwendet wird, ergibt sich allein durch die hervorgerufene Flächenvergrößerung eine größere Empfindlichkeit gegen Strahlung, insbesondere UV-Strahlung. Da die Umformung lediglich die Elektro­ de betrifft, ist eine Änderung der Belegung der zugehörigen Kon­ taktstifte der Photozelle nicht erforderlich. Ferner ist der erfindungsgemäß erforderliche Preßvorgang fertigungstechnisch sehr einfach und wirtschaftlich unaufwendig.

Die Größe der durch die Umformung erzielten Fläche wird durch die gewünschte Stabilität des Elektrodensystemes einerseits und durch die unerwünschte Abweichung von der ursprünglichen Empfindlich­ keitsverteilung andererseits bestimmt. Als geeignet hat sich eine Kathodenfläche von 7 mm² (bei 1 mm Breite und 7 mm Länge) erwiesen.

Die durch Planpressung entstandene Kathodenfläche muß derart in einem Winkel zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte gedreht werden, daß einerseits die Charakteristik der Strahlungsempfind­ lichkeit weitestgehend unverändert bleibt, andererseits die Ver­ zerrung des zwischen Anode und Kathode bestehenden elektrischen Feldes möglichst gering ist.

Die geringste Verzerrung des elektrischen Feldes ist gegeben, wenn die Kathodenfläche senkrecht zu der Ebene steht, die die Elektro­ denabschnitte gemeinsam haben. Eine solche Lage ändert aber die Charakteristik der Strahlungsempfindlichkeit wesentlich. Unter Be­ rücksichtigung beider Forderungen wird die durch die Planpressung entstandene Fläche unter einem Winkel von etwa 45° zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte geneigt angeordnet, zum Unterschied vom Stand der Technik gemäß DE-PS 37 15 924, bei dem, wie ausgeführt, eine Neigung lediglich gegenüber der Längsachse der Photozelle vorhanden ist. Der Erfindung entsprechende Überlegungen gelten auch bei zwei einander gegen­ überliegend angeordneten Elektrodenflächen.

Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Photozelle mit einer plangepreßten Kathode und einer üblichen Drahtanode bietet sich naturgemäß für den Gleichstrombetrieb an. Für den Betrieb mit Wechselstrom hingegen, bei dem die beiden Elektroden abwechselnd als jeweils Anode und Kathode dienen, ist es vorteilhaft, beide die effektiven Elektroden bildenden Abschnitte der Drähte plan­ zupressen und die dabei entstandenen, einander zugekehrten Flächen derart anzuordnen, daß sie zwischen sich einen Winkel β von etwa 90° einschließen. In diesem Fall ist ein Strahlungseinfall in Richtung der Winkelhalbierenden natürlich am günstigsten, bei wel­ chem ein Strahlungseinfall unter jeweils 45° zu den Flächen beider effektiven Elektroden gewährleistet ist.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen sind im fol­ genden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen im Vergleich mit dem Stand der Technik näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. IA bis Fig. IC Prinzipskizzen von verschiedenen Drahtelektrodenformen nach dem Stand der Technik in Schrägansicht;

Fig. II eine räumliche Empfindlichkeits­ verteilung der Photozelle nach Fig. IA und Fig. III im Gleichstrombetrieb;

Fig. III eine das Elektrodensystem nach Fig. IA verwendende Photozelle in Seitenansicht;

Fig. IV die räumliche Empfindlichkeits­ verteilung einer Photozelle nach Fig. VA bis VC;

Fig. VA bis Fig. VC eine erste Ausführungsform der Er­ findung für Gleichstrombetrieb in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht mit zur Längsachse B ge­ neigter Elektrodenanordnung;

Fig. VIA bis Fig. VIC eine im wesentlichen Fig. VA bis Fig. VC entsprechende Ausführungs­ form für Wechselstrombetrieb;

Fig. VIIA bis Fig. VIIC eine zweite Ausführungsform der Photozelle für Gleichstrombetrieb in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht mit zur Längsachse B pa­ ralleler Elektrodenanordnung;

Fig. VIIIA bis Fig. VIIIC eine Fig. VIIA bis Fig. VIIC entsprechende Ausführungsform der Photozelle für Wechselstrombetrieb;

Fig. IXA bis Fig. IXC eine dritte Ausführungsform der Photozelle für Gleichstrombetrieb wiederum in Vorderansicht, Seitenan­ sicht und Draufsicht mit zur Längs­ achse B senkrechter Elektroden­ anordnung;

Fig. XA bis Fig. XC eine Fig. IXA bis Fig. IXC ent­ sprechende Ausführungsform der Photozelle für Wechselstrombetrieb.

Die in den Figuren IA, IB und IC schematisch gezeigten Elektrodensysteme bestehen jeweils aus vier Leitungsdrähten näm­ lich 1, 2, 3 und 4, wobei jeweils die Drähte 1 und 2 einerseits und 3 und 4 andererseits einer Drahtelektrode 6 und 5 beziehungs­ weise 6a und 5a beziehungsweise 6b und 5b zugeordnet sind. Es handelt sich hier im wesentlichen um perspektivische Prinzipskizzen. Die diese Elektrodensysteme jeweils umgebende Hül­ le ist der Übersichtlichkeit halber in diesen Figuren weggelassen worden. Im übrigen sind im folgenden gleiche Teile immer mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Die drei Ausführungsformen nach dem Stand der Technik gemäß Fig. I A bis Fig. IC unterscheiden sich voneinander hinsichtlich der An­ ordnung der effektiven Elektroden, beziehungsweise der im wesent­ lichen zueinander parallel angeordneten Abschnitte 7, 8, bezie­ hungsweise 7a, 8a, beziehungsweise 7b, 8b. Nur diese zueinan­ der im wesentlichen parallelen Abschnitte der Elektroden sind wirksam beziehungsweise "effektiv" und bestimmen die Funktion und Empfindlichkeit der Photozelle.

Fig. III zeigt in schematischer Darstellung eine tatsächliche Aus­ führung einer Photozelle 11 nach Fig. IA in Seitenansicht, wobei lediglich zwei der vier sich nach unten durch den Boden 13 der für die Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, durchlässigen Hülle 14 dieser Photozelle 11 hindurch erstreckenden Kontaktstifte 3 und 4 sichtbar sind, die zwei weitere Kontaktstifte (1 und 2) verdecken, wie auch die Elektrode 5 die Elektrode 6 hier verdeckt. Die Fig. III stellt somit eine Seitenansicht in Pfeilrichtung A in Fig. IA dar.

Da diese Photozelle gemäß den Fig. IA und III mit Gleichspannung betrieben wird, somit stets dieselbe Elektrode als Kathode dient, ist die räumliche Empfindlichkeitsverteilung asymmetrisch. Fig. II zeigt eine solche Empfindlichkeitsverteilung. Die Kathode des in Fig. II in Draufsicht dargestellten Elektrodenpaares ist mit dem Buchstaben K, die Anode mit dem Buchstaben A gekennzeichnet.

Die Fig. VA, VB und VC zeigen nun eine erste Ausführungsform der Photozelle nach der Erfindung, die in ihrem Aufbau demjenigen der bekannten Photozelle nach den Fig. IA und III entspricht. Dies wird aus einem Vergleich von Fig. III mit Fig. VB besonders deutlich.

Der erfindungsgemäße Unterschied besteht nun darin, daß bei dieser für Gleichstrom bestimmten Ausführungsform einer der beiden Ab­ schnitte 9, 9′ der Drahtelektroden, nämlich der Abschnitt 9 der Drahtelektrode 5c, an seiner der Strahlung ausgesetzten Seite ei­ ne unter Verbreiterung des Drahtes plangepreßte Fläche 10 auf­ weist. Diese Drahtelektrode 5c ist somit die Kathode, und zwar mit verbreiterter Kathodenfläche (Fläche 10), wohingegen die Elek­ trode 6c in üblicher Ausbildung als Anode dient. Die Bezeichnun­ gen 13 für den Boden und 14 für die Hülle (zum Beispiel aus Quarz­ glas) wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen, zumal sie sich bei sämtlichen Ausführungsformen wiederholen wür­ den. Es versteht sich, daß die jeweiligen Kontaktstifte 1 bis 4 in die jeweiligen Böden 13 (Fig. III) eingeschmolzen sind. Mit dem Bezugszeichen 12 ist der jeweilige Pumpstengel bezeichnet, durch den evakuiert beziehungsweise mit Gas gefüllt wird.

Es versteht sich, daß in Fig. VB die Elektrode 5c mit der Fläche 10 als Kathode vor der Elektrode 6c als Anode liegt, und diese aus Symmetriegründen verdeckt.

Die Photozelle gemäß den Fig. VIA, VIB und VIC entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen demjenigen der Photozelle nach den Fig. VA, VB und VC, jene Figuren zeigen die Ausführung für Wechselstrom, weshalb sowohl die Drahtelektrode 5c′ als auch die Drahtelektrode 6c′ eine durch Pressung zustandegekommene, verbreiterte Fläche 10 beziehungsweise 10′ aufweisen. Fig. VIB zeigt die Rückseite des durch Pressung verbreiterten Abschnittes 10 der Elektrode 5c′. Es versteht sich, daß diese Ausführungs­ form für Wechselstrom bestimmt sein muß, da ja hier Anode und Ka­ thode jeweils wechseln, weshalb die Verbreiterung der Kathodenfläche nur dadurch gewährleistet werden kann, daß beide effektiven Elektroden durch Pressung verbreiterte Abschnitte 10 beziehungsweise 10′ erhalten.

Die Ausführungsform gemäß den Fig. VIIA, VIIB und VIIC ist wie­ derum für Gleichstrom bestimmt, während die im Aufbau entsprechen­ de Ausführungsform nach den Fig. VIIIA, VIIIB und VIIIC wieder­ um für Wechselstrom bestimmt ist. Da bei diesen beiden Ausfüh­ rungsformen die Anordnung in Anlehnung an den Stand der Technik gemäß Fig. IB getroffen worden ist, kann man die be­ vorzugte Anordnung der Kathodenflächen aus den Fig. VIIC und Fig. VIIIC besonders deutlich erkennen, da die effektiven Elektroden beziehungsweise Abschnitte 7a, 8a, hier parallel zur Zeichenebe­ ne angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind auch hier plangepreßte Abschnitte 10 beziehungsweise 10′ vorhanden, welche die eingangs erläuterten vorteilhaften Wirkungen entfalten. Im Falle der Aus­ führungsform gemäß Fig. VIIIA, VIIIB und VIIIC für Wechselstrom ergibt sich aus Fig. VIIIC die bevorzugte Anordnung der beiden plangepreßten Abschnitte 10 und 10′ im Falle einer für Wechsel­ strom geeigneten Photozelle 11, nämlich insofern, als die einander zugekehrten Flächen zwischen sich einen Winkel β, von etwa 90° einschließen. Es versteht sich, daß diese 90°-Anordnung auch für die Wechselstrom-Ausführung nach den Fig. VIA, VIB und VIC zu­ trifft, auch wenn dies dort im Hinblick auf die Schräganordnung der Elektroden zur Zeichenebene nicht sichtbar wird.

Den Ausgestaltungen nach den Fig. IXA, IXB und IXC für Gleich­ strom einerseits und den Fig. XA, XB und XC für Wechselstrom andererseits entspricht die bekannte Anordnung nach Fig. IC, wo­ bei aus Fig. IXB die Anordnung der Fläche 10 unter dem Winkel α (siehe auch Fig. VIIC) gleich 45° und aus Fig. XB die Anordnung der beiden Flächen 10 und 10′ unter dem Winkel β gleich 90° her­ vorgehen.

Die erfindungsmäßigen Ausgestaltungen richten sich in der Anord­ nung im Raum nach den in Fig. IA, IB und IC eingezeichneten Haupt­ einfallsrichtungen C, D, bzw. E der Strahlung, wobei diese Haupt­ , einfallsrichtungen jeweils senkrecht zur Ebene der beiden effekti­ ven Elektroden bzw. Abschnitte 7, 8 beziehungsweise 7a, 8a bezie­ hungsweise 7b, 8b verlaufen. Für die Ausrichtung der plangepreßten Elektroden gilt dann der oben aufgezeigte Zusammenhang.

Die Anordnung der plangepreßten Elektroden gewährleistet weiter­ hin, daß in den Haupteinfallsrichtungen die Kathode nicht durch die Anode abgeschattet wird.

Fig. IV zeigt ein der Fig. II entsprechendes Empfindlichkeits­ diagramm für die Ausführung nach der Erfindung gemäß Fig. VA, VB und VC. Wie ein Vergleich der räumlichen Empfindlichkeitsver­ teilung, dargestellt in Fig. II, mit der in Fig. IV dargestellten zeigt, wird durch die Erfindung eine deutlich höhere Empfind­ lichkeit erzielt, und dies unter Beibehaltung der Charakteristik.

Wenn im Hinblick auf die Fig. IA, IB und IC von den jeweiligen Haupteinfallsrichtungen der Strahlung gemäß Pfeilen C, D und E die Rede war, so ändert dies natürlich nichts daran, daß die tatsäch­ lich einfallende Strahlung bis zu 45° hiervon abweichen kann, wie weiter oben erläutert wurde. Dies ist beispielsweise in Fig. III, siehe den Pfeil F, der eine mögliche Einfallsrichtung für die Aus­ führungsform nach dem Stand der Technik gemäß Fig. IA und auch die Ausführungsform nach der Erfindung gemäß Fig. VA, VB und VC entsprechend Fig. IV zeigt.

Claims (2)

1. Photozelle (11), insbesondere zur Feststellung von UV-Strahlung mit zwei Drahtelektroden (5c, 6c; 5c′, 6c′), deren effektive Bereiche aus zwei im wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Abschnitten (9, 9′) der beiden Drähte bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Abschnitte (9, 9′) zumindest an seiner der Strahlung ausgesetzten Seite eine unter Verbreiterung des Drahtes plangepreßte Fläche (10, 10′) aufweist, und daß diese Fläche (10, 10′) mit einem Winkel α von etwa 45° zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte (9, 9′) geneigt angeordnet ist.

2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abschnitte (9, 9′ beidseitig plangepreßt sind und die dabei entstandenen, einander zugekehrten Flächen (10, 10′) zwischen sich einen Winkel β von etwa 90° einschließen.