LU87754A1 - Bolometer zur strahlungsmessung - Google Patents

Description

BOLOMETER

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bolometer mit einer der zu messenden Strahlung ausgesetzten Absorberfolie, die thermisch mit einem hochohmigen und temperaturabhängigen Meßwiderstand gekoppelt ist, mit einer Widerstandsmeßbrücke, in der der Meßwiderstand einen Brückenwiderstand bildet, und mit einem Meßkreis für die Brückenspannung, der das Bolometerausgangs-signal liefert.

Solche Bolometer werden für die breitbandige Strahlungsmessung beispielsweise in der Plasmaphysik verwendet. Sie messen integral die auf eine Absorberfolie fallende Strahlungsleistung, indem sie dessen Erwärmung erfassen. Hierzu wird ein tempera-turabhangiger Widerstand thermisch mit der Absorberfolie gekoppelt, und die Veränderung des Widerstandswerts wird in einer Widerstandsmeßbrücke ausgewertet.

Ein solches Bolometer ist z.B. aus der DE 34 08 724 C2 be-kannt. Wichtig bei derartigen Messungen ist ein hoher Signal-Rausch-Abstand, und zwar auch in einer Umgebung mit hohem Neutronen- oder Gammafluß, mit hohen zeitlich veränderlichen Magnetfeldern und mit zeitveränderlichen Wärmestrahlungsfel-dern.

Bei dem bekannten Bolometer haben sich folgende Nachteile herausgesteilt: a) die Nullpunktkorrektur, die durch Addition einer Wechsel-spannung mit zusätzlicher Phasenkorrektur der Meßbrücke er-folgt, ist technisch aufwendig und bestimmt das Rauschen und die Drift des Meßkanals; b) die thermischen Zeitkonstanten X der Absorberfolie, auf der sich der Meßwiderstand befindet, und einer in der Brücke symmetrisch liegenden, aber von der Strahlung nicht getroffenen Referenzfolie mit einem Bezugswiderstand unterscheiden sich um bis zu 10%. Durch Absorption von Neutronen in der Meß-und Referenzfolie entsteht ein Störsignal, das die Höhe des Meßsignals annehmen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Bolometer der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich auf einfache Weise eine Nullpunktkorrektur der Brücke erzielen läßt und daß die unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten der Meß- und Referenzfolie die Meßgenauigkeit deutlich weniger beeinflus-sen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß zumin-dest dem Meßwiderstand der Brücke eine steuerbare Wärmequelle zugeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann gezielt die Tempera-tur der Absorberfolie so verandert werden, daß sich eine Null-punktkorrektor für die zu messende Strahlung ergibt und daß die Zeitkonstanten der Meß- und Referenzfolie einander ange-glichen werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß An-spruch 2 wird die Temperatur des Meßwiderstands derjenigen des dazu bezüglich der Speiseanschlüsse der Brücke symmetrischen Brückenwiderstands angeglichen. Vorzugsweise ist die Warme- · quelle ein Heizwiderstand, der thermisch mit dem zugeordneten Brückenwiderstand gekoppelt ist. Man kann aber auch eine Warmes trahlungsquelle , wie z.B. eine UV-Lampe oder eine licht-emittierende Diode oder einen Laserstrahl auf den zugeordneten Brückenwiderstand richten. Schließlich ist es auch möglich, falls das Bolometer im Vakuum betrieben wird, einen Teilchen-strahl, insbesondere einen Elektronenstrahl, auf den zugeordneten Brückenwiderstand zu richten, um diesen gezielt zu er-wärmen.

Bezüglich von Merkmalen weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen naher erläutert.

Figur 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemä-ßen Bolometers mit nur einem Meßwiderstand in thermischer Kopplung mit der der Strahlung unterliegenden Absorberfolie.

Figur 2 zeigt ein entsprechendes Schaltbild für den Fall, daß zwei überkreuz einander gegenüberliegende Widerstände der Brücke auf der gemeinsamen Absorberfolie angeordnet sind.

Figur 3 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform der Meß-brücke und der zugeordneten Heizwiderstände für das Schaltbild gemäß Figur 2.

In Figur 1 ist eine Widerstandsmeßbrücke mit vier Widerständen dargestellt, die mit einer sinusförmigen Wechselspannung erd-symmetrisch gespeist wird. Symmetrisch zu den Speiseanschlüs-sen 1 und 2 der Brücke sind im oberen Teil zwei Festwiderstën-de 3 und 4 und im unteren Teil zwei temperaturabhängige Wider-stënde 5 und 6 vorgesehen, von denen der erstere der Meßwider-stand 5 und der letztere ein Bezugswiderstand 6 ist. Der Meß-widerstand 5 ist thermisch mit einer Absorberfolie (nicht dargestellt) gekoppelt, auf die die zu messende Strahlung auftrifft, während der Bezugswiderstand 6, der ebenfalls mit einer identischen Folie thermisch gekoppelt ist, dieser Strahlung entzogen ist. In der Brückendiagonale ist an den Verbin-dungspunkten der Widerstände 3 und 5 einerseits (Anschluß 7) und der Widerstände 4 und 6 andererseits (Anschluß 8) über ein Meßkabel 9 ein Meßkreis 10 angeschlossen, der im wesentlichen einen Differentialverstërker 11 und einen Demodulator 12 ent- halt.

Am Ausgang 13 dieses Demodulators ist ein Signal zu entnehmen, das ein Maß für das Brückenungleichgewicht ist. Die Brücke ist im Gleichgewicht, wenn der Spannungsabfall am Meßwiderstand 5 dem am Bezugswiderstand 6 gleicht. Fällt eine Strahlung auf die Absorberfolie, auf der der Meßwiderstand 5 sitzt, dann erwärmt sich diese, und die Widerstandsveränderung führt zu einem Meßsignal am Ausgang 13.

Erfindungsgemäß wird dem Meßwiderstand 5 und dem Bezugswiderstand 6 Warmeenergie zugeführt, und zwar über einen mit dem jeweiligen Brückenwiderstand 5 bzw. 6 thermisch gekoppelten Heizwiderstand 14 bzw. 15. Die Heizenergie hängt vom Bolome-terausgangssignal ab. Die dem Meßwiderstand 5 zugeführte Heizenergie wird in einer Rückkopplungsschleife definiert, die ausgehend vom Bolometerausgangssignal ein Tiefpaßfilter 16 und einen Regelverstärker 17 enthält. Die Rückkopplungsschleife für den Heizwiderstand 15 enthält ebenfalls das Tiefpaßfilter 16 und einen weiteren Regelverstärker 18. Die im Widerstand 14 erzeugte Warmeenergie besteht aus einem stationären Sockel-betrag abzüglich eines vom Bolometerausgangssignal abhängigen Betrags, während die im Widerstand 15 erzeugte Heizleistung ebenfalls aus einem Sockelbetrag und einem dazu additiven vom Bolometerausgangssignal abhângigen Betrag besteht. Die Regel-verstärker 17 und 18 sind so ausgebildet, daß die Temperatur des Meßwiderstands 5 der des Bezugswiderstands 6 stets annä-hernd gleicht. Um eine Kopplung zwischen der Speisefrequenz der Brücke f^ und der Rückkopplung zu vermeiden, wird das Tiefpaßfilter 16 so eingestellt, daß die Frequenz fQ (von z.B. 50 kHz) sicher unterdrückt wird.

Aufgrund der Tatsache, daß der Meßwiderstand und der Bezugswiderstand durch den Regelkreis stets auf gleiche Temperatur gebracht werden, ergibt sich ein einfacher Nullpunktabgleich der Brücke unabhängig von äußeren Störeinflüssen, wie z.B. einer störenden Gammastrahlung, die auf die Absorberfolie einwirkt. Dies gilt, wenn die Brückenwiderstände 5 und 6 ein-ander gleich sind und für ein ideales Bolometer. Die Herstel-lungstoleranzen ergeben jedoch eine geringe Temperaturdif-ferenz, die durch die Brückenabstimmung kompensiert werden kann.

Außerdem verringert die Temperatur-Nachführung deutlich den Unterschied der thermischen Zeitkonstanten zwischen der Meßfo-lie mit Widerstand 5 und der Referenzfolie mit Bezugswider-stand 6. Damit ergibt sich eine verbesserte Unterdrückung von neutroneninduzierten Storsignalen. Die Stôrunterdrückung ist dynamisch, d.h. sie wirkt auch bei zeitabhängigen Storsignalen.

In Figur 2 ist eine Variante zu Figur 1 dargestellt, die sich nur dadurch unterscheidet, daß die bisherigen Festwiderstände 3 und 4 ebenfalls als temperaturabhängige Widerstände 3' und 4' ausgebildet und überkreuz auf der Absorberfolie bzw. der Referenzfolie für den Bezugswiderstand 6 angeordnet sind. Dementsprechend wird auch diesen Widerständen über Heizwider-stände 19 und 20 Wärmeenergie in der gleichen Art und Menge zugeführt wie den Widerständen 5 und 6 über die Heizwiderstan-de 15 bzw. 14 in der Ausführungsform gemäß Figur 1. Die Heiz-widerstände 19 und 20 können auch mit den Heizwiderständen 15 und 14 zusammenfallen, wenn diese thermisch jeweils mit den überkreuz liegenden Brückenwiderstanden gekoppelt sind. Dieser Fall ist in Figur 3 berücksichtigt, die eine Draufsicht auf eine gedruckte Folie 21 zeigt. Im linken Teil A der Figur befinden sich die Leiterzüge der Widerstände 4', 5 und 14, die der zu messenden Strahlung unterworfen sind, und im rechten Teil B die Leiterzüge, die den Bezugswiderständen 6 und 3' sowie dem diesen gemeinsamen Heizwiderstand 15 entsprechen.

Die Leiterzüge sind maanderförmig, wobei jeweils der Leiterzug des Heizwiderstands 14 bzw. 15 zwischen den Leiterzügen der beiden Brückenwiderstände 4' und 5 bzw. 3' und 6 verläuft. Die Folie 21 ist elektrisch isolierend, aber thermisch gut gekop-pelt auf einer Goldfolie angebracht, deren Rückseite im linken Teil A der Figur 3 der zu messenden Strahlung ausgesetzt ist.

Die Erfindung ist nicht im einzelnen auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschrënkt. So kann im Rahmen der Erfindung die Brücke auch von Gleichstrom gespeist werden, und es kann Wërmeenergie auch nur dem Meßwiderstand oder nur dem Bezugswiderstand zugeführt werden. Es kann sich in der Praxis auch als günstig erweisen, nicht auf konstante Temperatur der Meß- und Bezugswiderstande zu regeln, sondern die zugeführte Heizleistung ganz oder teilweise von anderen Größen als der Bolometerausgangsspannung abhangig zu machen, z.B. von Meßgrö-ßen irgendwelcher Störfelder, derart, daß diese Störfelder die Meßgenauigkeit des Bolometers nicht mehr beeinflussen.

Die in den Figuren dargestellten Erdanschlüsse können auch zu einem gemeinsamen erdfreien Rückleitersystem gehören.

Die Wërmeenergie kann auch in anderer Form als durch ohmsche Leistung an die Brückenwiderstande herangebracht werden, z.B. durch elektromagnetische Strahlung oder durch einen Teilchen-strahl. Im Fall einer ohmschen Heizung kann der Heizstrom, wie in Figur 3 gezeigt, durch separate Leiter fließen, die elektrisch von den Brückenwiderstënden isoliert sind, oder auch durch die Brückenwiderstënde selbst, wobei dann die Trennung zwischen den Speiseströmen der Brücke und den Heizströmen über Frequenzweichen erfolgt. Der Heizstrom kann auch unmittelbar durch Bereiche der Absorberfolie bzw, des Trägers für die Bezugswiderstande geführt werden. Es ist auch denkbar, diese Absorberfolien und diesen Trager selbst als Heizwiderstand auszubilden, auf dem die Brückenwiderstënde in geeigneter Form angebracht sind. Auch anders als mëanderförmig gestaltete

Leiter und anders thermisch gekoppelte Widerstände als durch Verschachtelung, wie in Figur 3 gezeigt, sind denkbar.

Durch mathematische Analyse der Rückkopplungsschleifen können die das Zeitverhalten der Regelung und die Regelsteilheit des Regelverstärkers bestimmenden Parameter optimiert werden.

Durch die erfindungsgemäße steuer- und regelbare Wärmezufuhr zu den Brückenwiderstanden des Bolometers wird es möglich, den Nullabgleich der Brücke sehr genau und mit einfachen Mitteln sicherzustellen. Die Kalibrierung des ganzen Systems kann ohne Hilfsmessungen und Korrekturrechnungen am fertigen Gerat er-folgen. Im Rückkopplungszweig ergibt sich eine Trennung von niederfrequenten, unmittelbare bolometerrelevanten Signalkom-ponenten unterhalb der Filter-Grenzfrequenz und hochfrequenten Signalkomponenten entsprechend der Brückenspeisefrequenz. Der Rückkopplungszweig wirkt praktisch als Tiefpaß für Signale, die der zu messenden Strahlung entsprechen. Die in der Rückkopplungsschleif e auftretenden Frequenzen liegen weit von der Brückenspeisefrequenz entfernt, so daß sich eine gute Trennung von Brückenschaltung und Rückkopplung und ein hoher Signal-Rausch-Abstand ergeben.

Claims (14)

1. Bolometer mit einer der zu messenden Strahlung ausgesetzten Absorberfolie, die thermisch mit einem hochohmigen und tempe-raturabhängigen Meßwiderstand gekoppelt ist, mit einer Wider-standsmeßbrücke, in der der Meßwiderstand einen Brückenwider-stand bildet, und mit einem Meßkreis für die Brückenspannung, der das Bolometerausgangssignal liefert, dadurch gekennzeich-net, daß zumindest dem Meßwiderstand (5) der Brücke eine steu-erbare Wärmequelle (14) zugeordnet ist.

2. Bolometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Wärmequelle (14) in einem Regelkreis liegt, derart, daß ihre Steuergröße vom Bolometerausgangssignal (13) abgelei-tet wird, wobei der Regelkreis (16-18) so ausgebildet ist, daß die Temperatur des der Wärmequelle zugeordneten temperaturab-hängigen Brückenwiderstands (5) derjenigen des dazu bezüglich der Speiseanschlüsse der Brücke symmetrischen Brückenwiderstands (6) i.w. gleicht.

3. Bolometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein Heizwiderstand (14, 15) ist, der thermisch mit dem zugeordneten Brückenwiderstand gekoppelt ist.

4. Bolometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Wärmestrahlungsquelle ist, deren Strahlungsenergie auf den zugeordneten Brückenwiderstand ge-richtet ist.

5. Bolometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle einen Teilchenstrahi, insbesondere Elek-tronenstrahl, auf den zugeordneten Brückenwiderstand richtet.

6. Bolometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenwiderstände (5, 6), die bezüg- lich der Speiseanschlüsse der Brücke symmetrisch liegen, je einer steuerbaren Wärmequelle (14, 15) zugeordnet sind, die in unterschiedlichen, vom Bolometerausgangssignal ausgehenden Regelschleifen (16, 17 bzw. 16, 18) liegen.

7. Bolometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei überkreuz liegende Widerstände (4', 5) der Meßbrücke thermisch mit der der zu messenden Strahlung ausgesetzten Absorberfolie gekoppelt und einer gemeinsamen Wärmequelle (14) zugeordnet sind.

8. Bolometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden restlichen Brückenwiderstände (3', 6) als Referenzwi-derstände wirken und ebenfalls thermisch einer gemeinsamen steuerbaren Wërmequelle (15) zugeordnet sind.

9. Bolometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsmeßbrücke mit Wechselstrom einer ersten Frequenz gespeist wird und daß das Regelsignal für die den Brückenwiderstanden zugeordneten Wärmequellen (14, 15) aus dem Bolometerausgangssignal (13) über ein Tiefpaßfil-ter (16) abgeleitet wird, dessen Grenzfrequenz deutlich unter der Frequenz liegt, mit der die Brücke gespeist wird.

10. Bolometer nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brückenwiderstände (4', 5), die thermisch mit der der Strahlung ausgesetzten Absorberfolie gekoppelt sind, als Mäanderleiter ausgebildet sind, die ineinander verschach-telt sind, und daß diesen beiden Widerstände ein gemeinsamer Heizwiderstand (14) zugeordnet ist, der sich ebenfalls als Mäander zwischen den Mäanderwindungen der beiden Brückenwider-stände erstreckt.

11. Bolometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden restlichen Brückenwiderstände (3', 6) und ein die- sen zugeordneter gemeinsamer Heizwiderstand (15) auf einem der zu messenden Strahlung nicht ausgesetzten Träger ebenso mäan-derförmig aufgebaut sind wie die Meßwiderstände (4', 5) und der diesen zugeordnete Heizwiderstand (14) auf der Absorber-folie.

12. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge-kennzeichnet, daß die der Strahlung ausgesetzte Absorberfolie und/oder die nicht der Strahlung ausgesetzte Referenzfolie als Heizwiderstand ausgebildet ist.

13. Bolometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge-kennzeichnet, daß die Meß- und/oder die Referenzfolie auf einen Trager aufgebracht ist, der als Heizwiderstand ausgebildet ist.

14. Bolometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und/oder die Referenzwiderstände selbst als Heizwider-stände dienen, indem ihnen ein Heizstrom einer von der Brük-kenspeisespannung deutlich unterschiedlichen Frequenz über Frequenzweichen zugeführt wird.