DE719641C

DE719641C - Verfahren und Einrichtung zur Anzeige oder Messung von elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE719641C
Application number: DEN36770D
Authority: DE
Original assignee: Julius Pintsch AG
Current assignee: Julius Pintsch AG
Priority date: 1932-04-22
Filing date: 1934-05-19
Publication date: 1942-04-13
Also published as: DE672963C; FR45495E; GB407197A; NL33702C; NL45458C; NL40095C; FR753011A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Anzeige oder Messung von elektromagnetischer Strahlung Es ist bei Thermoelement,en, Bolometern, Wärmeausdebnungskörpern zur Betätigung von irgendwelchen Schaltvorrichtungen u. dgl. bekannt, den strahlungsabsorbierenden Körper zwecks Verhinderung der Wärmeabgabe an die Umgebung durch Leitung im Vakuum unterzubringen. Man hat den Absorptionskörper dabei meist geschwärzt, da die Auffassung bestand, daß der Körper sich dann am stärksten erwärmt. Nicht berücksichtigt wurde dabei jedoch, daß ein geschwärzter Körper auch schon dann, wenn sich seine Temperatur nur wenig oberhalb der Umgebungstemperatur befindet, ein außerordentlich starkes Strahlungsvermögen besitzt, und zwar für die praktisch in Frage kommenden Temperaturen bei einer Wellenlänge von rund 8 y. Die Energie, die der Absorptionskörper etwa als Lichtstrahlung z. B. von einer Wellenlänge von 4 bis 5 ,es zugestrahlt bekommt, wird hiernach zum erheblichen Teil als langweIlige Strahlung von 8 ,ez wieder ausgestrahlt und geht für die Aufheizung des Körpers verloren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil vennieden und beine im Vergleich zu einem schwarzen Körper stärkere Aufheizung des Absorptionskörpers dadurch erzielt, daß bei den bekannten Verfahren zur Strahlungsabsorption ein solcher im Vakuum anzuordnender Stoff gewählt bzw. der Körper an seiner Oberfläche mit einem solchen Stoff versehen wird, welcher an der Stelle bzw. in der Umgebung des Maximums der Energieverteilungskurve der einfallenden Strahlung ein möglichst großes Absorptionsvermögen besitzt, in dem Spektralbereich größter Emission eines schwarzen Körpers von gleicher Temperatur wie der Strahlungsempfänger dagegen möglichst wenig absorbiert.
Der Erfindung liegen die folgenden Überlegungen zugrunde: Hat ein im Vakuum eingeschlossener Körper, bei dem also die Wärmeabgabe durch Wärmeleitung weitgehend unterbunden ist, eine um einige Grade höhere Temperatur als die Umgebung, so überwiegt die vom Körper ausgehende Temperaturstrahlung die Temperatureinstrahlung, die er von der Umgebung erfährt. Handelt es sich dabei um einen schwarzen Körper, so hat die Differenzstrahlung, d. h. der Überschuß der Ausstrahlung über die Einstrahlung bei den praktisch in Frage kommenden Temperaturen, wie schon erwähnt, in der Nähe der Wellenlänge von 8 u ein Maximum, das sowohl nach größeren als auch nach kleineren Wellenlängen verhältnismäßig stark abfällt. Wird nun gemäß der Erfindung durch entsprechende Wahl des Werkstoffes dafür Sorge getragen, daß der Absorptionskörper gerade an der Stelle dieses Maximums möglichst stark reflektiert und wegen der Geltung des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes also auch möglichst wenig emittiert, so heizt der Körper sich bei einer Einstrahlung von Energie kürzerer Wellenlänge stärker auf als ein schwarzer Körper, wenn der (selektiv-absorbierende) Strahlungsempfänger dabei an der Stelle bnv. in der Umgebung des Maximums der Energieverteilungskurve der aufzunehmenden Strahlung ein möglichst hohes Absorptionsvermögen besitzt, damit er im Stande ist, die angebotene Strahlung auch tatsächlich aufzunehmen.
An sich ist es aus mathematischen Untersuchungen bereits bekannt, daß die Gleichgewichtstemperatur, die ein Körper in einem Strahlungsfeld annimmt, je nach der spektralen Verteilung seines .Xbsorptionskoeffizienten höher oder tiefer sein kann als die eines schwarzen Körpers im gleichen Strahlungsfeld. Es handelt sich bei diesen l ntersuchungen jedoch um rein theoretische Überlegungen, die keinen Hinweis auf die technische Ausgestaltung der Erfindung geben, und nvar schon deshalb nicht, weil sie davon ausgehen, daß der benutzte Absorptionskörper eine nur sehr schmale Absorptionsbande be sitzt und ferner auch die angebotene Energie dieser betreffenden Wellenlänge vollkommen zu absorbieren vermag. Diese Eigenschaften liegen aber bei technisch in Frage kommenden Absorptionsstoffen gerade nicht vor. Hier erstreckt sich die Absorptionsbande bzw. die Banden über einen verhältnismäßig großen Teil des Spektrums, und demgemäß wird die Möglichkeit des Energieverlustes durch Ausstrahlung wieder vergrößert. Andererseits vermögen die zur Verfügung stehenden selektivabsorbierenden Stoffe praktisch nur einen Teil der angebotenen Strahlung (von den in Frage kommenden Wellenlängen) aufzunehmen, was sich auch wieder nachteilig auf die Höhe der Aufheizungstemperatur auswirken muß. Daß aber trotzdem die Verwendung selelçtiv-absorbierender Stoffe als Strahlungsempfänger gegenüber schwarzen Körpern wesentliche Vorteile besitzt, wenn nur ihre Wärmeabgabe durch Leitung verhindert wird, haben erst die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche ergeben.
Soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Anzeige oder Messung von Licht benutzt werden, so erfolgt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß bei Strahlungsempfängern für Lichtstrahlen solche Stoffe als strahlungsabsorbierende Körper verwendet werden, die im Gebiet des sichtbaren Spektrums, insbesondere im Gebiet des Maximums der spektralen Energieverteilungskurve, eine möglichst hohe, bei Wellenlängen oberhalb dieses Gebietes dagegen eine möglichst geringe Absorption besitzen.
Als selektiv-absorbierende Stoffe, die die gewünschte Wirkung der Erfindung ergeben. kommen eine große Reihe von chemischen Verbindungen und auch von Elementen in Frage, z. B. zeigt die SiO2-Gruppe in allen Verbindungen ein verhältnismäßig starkes Reflexionsvermögen in der Nähe des obenerwähnten Maximums von 2 t. Noch günstiger verhalten sich gewisse Metalle, unter diesen am günstigsten Wolfram, Kupfer und Gold. Diese Metalle sind vorzügliche Leiter und haben infolgedessen im langwelligen (ultraroten) Gebiet ein nahe an 1 gelegenes Reflexionsvermögen. Dieses Reflexionsvermögen fällt im sichtbaren Gebiet ab, wie schon aus der Farbe von Kupfer und Gold ohne weiteres zu ersehen ist. Sowohl die gelbe Farbe des Goldes als auch die rötliche Farbe des Kupfers sind Zeichen dafür, daß nach blau und violett gelegene Wellenlängen nicht mehr zurückgeworfen, sondern absorbiert werden.
In der beiliegenden Abbildung sind einige Kurven dargestellt, welche das Reflexionsvermögen verschiedener Metalle, und zwar von Silber, Gold, Kupfer, Nickel und Platin, bei Zimmertemperatur angeben in Rbhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Man erkennt, daß z. B. die Metalle Silber, Gold und Kupfer im langwelligen Gebiet ein nahezu Ioooloiges Reflexionsvermögen aufweisen und sich dadurch in bezug auf die Sekundärstrahlung von dem schwarzen Körper vorteilhaft unterscheiden.
Man erkennt weiterhin, daß das Reflexionsvermögen von Silber erst jenseits des sichtbaren Spektrums merklich abnimmt, so daß dieser Stoff für Messungen der Sonnenstrahlung längst nicht so geeignet ist wie Gold und Kupfer, welche bereits innerhalb des sichtbaren Spektrums eine außerordentlich starke Abnahme der Reflexion und damit eine beträchtliche Zunahme der Absorption aufweisen.
Wegen der oben angeführten vorteilhaften Eigenschaften wird daher eine weitere Ausgestaltung der Erfindung durch die Verwendung von Gold, Kupfer und Wolfram als Strahlungsempfänger erreicht. Es ergeben sich mit im Hochvakuum befindlichen und der Umgebung gegenüber wärmeisolierten Körpern bei Einstrahlungen sichtbaren Lichtes außerordentlich hohe iJbertemperaturelj, wenn die Oberfläche dieser Körper hochglanzverkupfert oder hochglanzvergoldet ist.
Der Einschluß der Körper in das Vakuum ist, wie schon erwähnt, sehr wichflg, da die in Frage kommenden Stoffe, insbesondere die Metalle, alle gute Wärmeleiter sind. Für Thermometer, Bolometer u. dgl. ist die Unterbringung der Strahlungsempfänger im Vakuum ohne weiteres möglich. Schwierigere Verhältnisse liegen dagegen vor, wenn es sich um eine Einrichtung mit einem in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung' aufzuheizenden Ausdehnungskörper handelt, der (außerhalb des Vakuums angeordnete) Schaltvorrichtungen betätigen soll. In diesem Falle kann man, wie bereits anderweitig vorgeschlagen ist, so vorgehen, daß der strahlungsabsorbierende Ausdehnungskörper in ein strahlungsdurchlässiges Vakuumgefäß mit federnder Wandung eingeschmolzen wird. Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Ausdehnungskörper als Strahlungsempfänger erhält man eine weitere Verbesserung der Erfindung dadurch, daß der Ausdehnungskörper, der die außerhalb des Vakuums liegende Schalteinrichtung (z. B. ein Gasventil oder einen elektrischen Kontakt) in Abhängigkeit von der Einstrahlung betätigt, von dem eigentlichen Absorptionskörper getrennt, außerhalb des Vakuums angeordnet und von einem evakuierten, vorzugsweise zylindrischen Hohlmantel umgebien wird, dessen äußerer Zylinder strahlungsdurchlässig ausgebildet ist, während der innere Zylinder aus dem strahlungsabsorbierenden Stoff besteht bzw. auf seiner im Vakuum liegenden Oberfläche mit diesem Stoff überzogen ist. Die Übertragung der Wärme des Absorptionskörpers auf den eigentlichenAusdehnungskörper erfolgt dabei durch Wärmeleitung.
PATENTANSPRSCHE: I. Verfahren zur Anzeige und Messung elektromagnetischer Strahlung, insbiesondere sichtbarer Strahlung, oder zur Betätigung von Schaltvorrichtungen, b!ei dem ein in Vakuum befindlicher Körper infolge der Absorption der Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Intensität aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsabsorbierender Körper ein Stoff gewählt bzw. der Körper an seiner Oberfläche mit einem Stoff versehen wird, welcher an der Stelle bzw. in der Umgebung des Maximums der Energieverteilungskurve der einfallenden Strahlung ein möglichst großes Absorptionsvermögen besitzt, in dem Spektralbereich größter Emission eines schwarzen Körpers von gleicher Temperatur wie der Strahlungsempfänger dagegen möglichst wenig absorbiert.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch I zur Anzeigte oder. Messung von Lichtstrahlung oder zur Bletätigung von Schaltvorrichtungen in Abhängigkeit von der Intensität der Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlungsabsorbierendeKörper Stoffe verwendet werden, welche im Gebiet des sichtbaren Spektrums, insbesondere im Gebiet des Maximums der spektralen Energieverteilungskurve, eine möglichst hohe, bei Wellenlängen oberhalb dieses Gebietes dagegen eine möglichst geringe Absorption besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Gold als strahlungsabsorbierenden Stoff.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wolfram als strahlungsabsorbierenden Stoff.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kupfer als strablungsabsorbierenden Stoff.

6. Einrichtung zur Betätigung von Schaltvorrichtungen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 unter Ausnutzung der verschiedenen Ausdehnung wärmeempfindlicher Körper, von denen der eine durch Wärmeleitung von dem strahlungsabsorbierenden Körper aufgeheizt wird und sich ausdehnt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Ausdehnungskörper außerhalb des Vakuums angeordnet und von einem evakuierten, vorzugsweise zylindrischen Hohlmantel umgeben ist, dessen äußerer Zylinder strahlungsdurchlässigist, während der innere Zylinder aus dem strahlungsabsorbierenden Stoff besteht bzw. auf seiner im Vakuum liegenden Oberfläche mit diesem Stoff überzogen ist.