NL193780C - Inrichting voor het detecteren van ultraviolette straling. - Google Patents

Description

Inrichting voor het detecteren van ultraviolette straling 1 193780 i ! i

Oe uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het detecteren van ultraviolette straling, voorzien van detectiemiddelen en van middelen om ten minste straling binnen een bepaald gebied van golflengten tot de 5 detectiemiddelen toe te laten.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.971.943. De bekende inrichting is bedoeld als monitor ten gebruike door personen bij het bepalen van voor de menselijke huid toelaatbare hoeveelheden straling en omvat een fotodiode, die de straling die wordt gedetecteerd omzet in een elektrisch signaal. Een optisch filter zorgt voor het bevoordelen van responsie in een gewenst golflengte-10 gebied.

Ultraviolet-detectoren kunnen ook toegepast worden in bewakingssystemen, bijvoorbeeld een waarschuwingssysteem voor naderende raketten. Bestaande, in het luchtruim opgestelde waarschuwingssystemen voor naderende raketten hebben een betrekkelijk korte detectie-afstand en/of vertonen problemen met betrekking tot ruisonderdrukking.

15 De uitvinding heeft tot doel een inrichting voor het detecteren van ultraviolette straling te verschaffen die doelmatig kan worden toegepast als bewakingssysteem en die niet de nadelen van bestaande bewakingssystemen vertoont.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een inrichting die is uitgevoerd als bewakingsstelsel voor het detecteren van straling met een golflengte binnen de ultraviolet-absorptieband van ozon tussen 232 nm 20 en 275 nm, waarbij het stelsel een fotobuis omvat met een positie die een venster bepaalt voor het alleen tot de fotobuis toelaten van straling met een golflengte boven 232 nm en een kathode die binnen de fotobuis is opgesteld voor het opvangen van straling die door het venster tot de fotobuis is toegelaten en slechts elektroden opwekt in responsie op componenten van de straling met golflengten beneden 275 nm en organen voor het detecteren van de opgewekte elektronen om de stralling te detecteren.

25 Volgens de uitvinding wordt aldus een bewakingssysteem verschaft dat in staat is straling te detecteren waarvan de golflengte zich binnen de ultraviolet-absorptieband van ozon bevindt.

In de ultraviolet-spectraalband vindt ten gevolge van atmosferische ozon sterke absorptie plaats, die bestaat uit enkele diffusiebanden gevolgd door een zeer sterk continuum dat zich uitstrekt van 200 nm tot 300 nm. Beneden 300 nm is de helderheid van de atmosfeer verwaarloosbaar in vergelijking met van de 30 zon afkomstige straling.

Op zeeniveau is de ozonconcentratie een orde van grootte lager dan op hoogten tussen 15 en 20 km, en daardoor is de helderheid van de zon op zeeniveau aanzienlijk verminderd. Als daarom het ozoncontinuum op zeeniveau een redelijke inbandtransmissie toestaat, zou een detectiesysteem tegen een schijnbaar zwarte foton-achtergrond kunnen werken, zodat ruisonderdrukking geen belangrijk probleem zou zijn.

35 Voor golflengten tussen 232 en 275 nm is op zeeniveau de van de zon afkomstige spectrale fotonstraling per oppervlakte-eenheid minder dan 1 foton/sec/m2/nm. Dienovereenkomstig zal een systeem met een halve bolvormig kijkveld en een verzamelopening van 1 m2, in deze golflengteband minder dan 1 foton per seconde van de zon ontvangen. Als het detectiesysteem helemaal zonneblind moet zijn, dan moet het zijn voorzien van een filter dat tot een stopband afrolt met een onderdrukking die beter is dan 10"18 bij 315 nm. 40 Zoals opgemerkt is het systeem ingericht om straling te detecteren waarvan de golflengte zich in het gebied van 232 nm tot 275 nm bevindt. Binnen deze golflengteband kunnen lijn-emissies van de uitlaat-pluimen van raketten worden gedetecteerd.

Opgemerkt wordt dat een detector voor ultraviolette straling, die uitsluitend gevoelig is in het spectrale gebied van 230 tot 280 nm op zichzelf bekend is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.493.114. Deze 45 bekende detector is er een voor communicatie-doeleinden en is niet ingericht als bewakingsstelsel.

De van de zon afkomstige straling per oppervlakte-eenheid hangt op elke hoogte af van de optische weglengte. Omdat de belangrijkste ozonconcentratie zich tussen 10 en 25 km bevindt, zullen de optische weglengten niet noemenswaardig veranderen totdat de ontvanger een hoogte van 10 km overschrijdt.

Daarom zal de van de zon afkomstige straling per oppervlakte-eenheid niet noemenswaardig veranderen 50 totdat de ontvanger een hoogte van 10 km overschrijdt, en zal boven deze hoogte exponentieel stijgen. Daarom zal een werkplafond voor een UV-detectiesysteem ongeveer 10 km zijn.

Een UV-band-detectiesysteem zal gevoeliger zijn voor drijfgasconcentratie dan een zichtbaar-licht of infra-rood-systeem. Dit is een fysisch gevolg van toenemende verstrooiing met kortere golflengten. Bij hoogten boven zee-niveau en tot 10 km (waar de atmosfeer schoner is) zal de detectie-afstand toenemen.

55 Boven 10 km echter neemt de ozonconcentratie snel toe en zal transmissie dalen tot onder de waarde bij zeeniveau.

Bij het ontwerpen van elk detectiesysteem moet men rekening houden met de magnitude van de 193780 2 emitterende bronnen welke het systeem moet kunnen detecteren. De primaire bron voor straling in deze UV-golflengteband zal gevormd worden door de hete verbrandingsproducten die zich in uitlaatpluimen van raketten bevinden. De straling hiervan is primair van moleculaire oorsprong; er zijn echter aangeslagen elektronenniveaus en deze veroorzaken een zwakkere emissie in het zichtbare en ultra-violet gebied.

5 Omgekeerd kan het reactiegebied van een uitlaatvlam hoge concentraties van elektronisch aangeslagen, in het midden-UV-gebied actieve elementen bevatten.

Het is belangrijk een scherpe afsnijding te verschaffen zodat alleen straling in een voorafbepaalde golflengteband wordt gedetecteerd, anders zou het systeem overstemd worden door zonnestraling. Bij voorkeur omvat het systeem daarom filterorganen die een scherpe afsnijding aan elk uiteinde van een 10 uitgekozen golflengteband verzekeren. De filterorganen kunnen een ingangsvenster omvatten, bijvoorbeeld een ingangsvenster dat vervaardigd is van een stof op polymeerbasis die werkzaam is om een afsnijfilter te verschaffen voor korte golflengten.

In het hiernavolgende zal een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding onder verwijzing naar de 15 tekening, welke een schematische voorstelling van een bewakingssysteem toont, worden beschreven.

Een in zijn algemeenheid met het verwijzingscijfer 10 aangegeven bewakingssysteem omvat een aftast-spiegel 12 die met een aandrijfmotor 14 is verbonden zodat deze in evelatie en azimuth kan aftasten, een telescopisch systeem 16 en een fotobuis 18. De fotobuis 18 omvat een wolfraam kathode 20 en een anode 20 22 in een geëvacueerde kamer. Een kleine hoeveelheid van een inert gas kan aan de kamer worden toegevoerd teneinde versterking te verschaffen. Het fotogedeelte 24 van de fotodiode 18 is vervaardigd van een kwartsglas, teneinde een venster te vormen dat alleen straling zal doorlaten waarvan de golflengte groter is dan een uitgekozen waarde, bijvoorbeeld 232 nm.

De wolfraam kathode reageert op straling waarvan de golflengte kleiner is dan een uitgekozen waarde, 25 bijvoorbeeld 275 nm, zodat het systeem 10 werkzaam is in de ultra-violet golflengteband van 232 nm tot 275 nm. Tijdens het gebruik, wanneer tussen de kathode 20 en de anode 22 een potentiaal is aangelegd en wanneer ultra-violet straling met deze golflengte op de kathode 20 invalt, bijvoorbeeld als resultaat van lijnemissies van uitlaalpluimen van een raket, worden van de kathode 20 elektronen geëmitteerd en bewegen deze zich naar de anode 22 waardoor een signaal wordt verschaft dat wordt doorgegeven aan 30 niet-weergegeven signaalverwerkende componenten.

Door ionisatie van het inerte gas vindt versterking plaats van de initiële foto-stroom. Bij de juiste elektrode-afstand en gasdruk wordt lawine-ionisatie veroorzaakt door de emissie van een enkel elektron; de buis kan aldus worden uitgevoerd met een grote versterkingsfactor.

De spectrale responsie bij korte golflengten hangt af van de keuze van het venstermateriaal voor de 35 fotobuis. Veel kleurstoffen, polymeren en kwartsglazen vertonen een snelle verandering in absorptielengte met de golflengte.

De spectrale responsie van de inrichting bij lange golflengten is afhankelijk van de werkfunctie van het metaal dat de fotokathode vormt. De mate waarmee de responsie afneemt bij toenemende golflengte is afhankelijk van de verdeling van valentie-elektronen over de energieniveaus van het metaal. Bij het absolute 40 nulpunt zullen de elektronen die niveaus tot het Fermi-niveau bezetten. In dit geval zal een elektron niet van het oppervlak worden geëmitteerd tenzij een invallend foton een golflengte heeft die korter is dan de afsnijgolflengte. Wolfraam en koper, met afsnij-golflengten van 273 nm respectievelijk 281 nm, worden beschouwd als zijnde de meest geschikte kathodemetalen voor deze doorlaatband. Factoren die bij het ontwerpen van de kathode in overweging genomen moeten worden, zijn onder andere de invloed van de 45 temperatuur op de spectrale respons, en de quantum-opbrengst ervan.

Een bewakingssysteem van dit type kan gebruikt worden in een vliegend waarschuwingssysteem voor naderende raketten teneinde een naar beneden over het slagveld kijkende mogelijkheid te verschaffen, en zal niet worden ondermijnd door ruis aangezien van de zon afkomstige bronnen van ultra-violet straling in de werkzame golflengteband door de ozonlaag geabsorbeerd zullen zijn. Dit systeem biedt daarom 50 voordelen ten opzichte van voor dit doel gebruikte infra-rood systemen, waarin thermische ruis een belangrijk probleem is.

Een bewakingssysteem volgens de onderhavige uitvinding kan voorzien zijn van een naar beneden kijkende UV-sensor en een naar boven kijkende infrarood-sensor.

Claims (4)

1. Inrichting voor het detecteren van ultraviolette straling, voorzien van detectiemiddelen en van middelen om ten minste straling binnen een bepaald gebied van golflengten tot de detectiemiddelen toe te laten, met 5 het kenmerk, dat de inrichting die is uitgevoerd als bewakingsstelsel voor het detecteren van straling met een golflengte binnen de ultraviolet-absorptieband van ozon tussen 232 nm en 275 nm, waarbij het stelsel een fotobuis (18) omvat met een positie die een venster (24) bepaalt voor het alleen tot de fotobuis (18) toelaten van straling met een golflengte boven 232 nm en een kathode (20) die binnen de fotobuis (18) is opgesteld voor het opvangen van straling die door het venster (24) tot de fotobuis (18) is toegelaten en 10 slechts elektroden opwekt in responsie op componenten van de straling met golflengten beneden 275 nm en organen (22) voor het detecteren van de opgewekte elektronen om de stralling te detecteren.

2. Bewakingsstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het venster (24) is vervaardigd uit een materiaal op polymeerbasis.

3. Bewakingsstelsel volgens één der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de kathode is vervaardigd van 15 wolfraam.

3 193780

4. Bewakingsstelsel volgens één der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de kathode is vervaardigd van koper. Hierbij 1 blad tekening /