CH387326A - Widerstandsbolometer - Google Patents

Description

  
 



  Widerstandsbolometer
Die Erfindung betrifft ein Widerstandsbolometer, das einen als Folie   ausgebildeten    im infraroten Strahlenbereich absorbierenden temperaturempfindlichen Widerstand aufweist, der mit einer vorgeschalteten, strahlungsabsorbierenden Schicht in wärmeleitendem Kontakt steht.



   Sogenannte   Widlerstandsbolometer    oder Thermistor-Bolometer werden unter anderen als Detektoren im   langwelligen    Infraroten verwendet. Die   tempern-    turempfindlichen Widerstände dieser Bolometer sind im allgemeinen dünne Folien aus Metalloxyden, z. B. den Oxyden des Nickels, Mangans und Kobalts.



   An diesen Widerständen liegen geeignete Vorspannungen. Die Empfindlichkeit im Infraroten ist durch die unterschiedliche Erwärmung der Widerstände bedingt, die die Folge von unterschiedlich grossen absorbierten Energiemengen der   einfallen-    den Strahlung ist. Bei nicht selektiv absorbierenden Bolometern wird die Empfindlichkeit durch Aufbringung eines schwarzen Überzugs auf den wärmeempfindlichen Widerstand erhöht.



   Es ist ein Verfahren zur Anzeige und Messung von elektromagnetischer Strahlung bekannt, bei dem ein im Vakuum befindlicher Körper infolge der Absorption der Strahlung in Abhängigkeit von deren Intensität aufgeheizt wird und bei dem als strahlungsabsorbierender Körper ein Stoff gewählt oder der   strahlungsabsorbierende    Körper an seiner Oberfläche mit einem Stoff überzogen ist, der in einem bestimmten Bereich der einfallenden Strahlung ein maximales Absorptionsvermögen besitzt. Als strahlungsabsorbierender Körper wird dabei Platin verwendet, das mit einer Russschicht überzogen wird.



  Bei diesem bekannten Verfahren findet die Energieabsorption der zu messenden Strahlung in dem wärmeempfindlichen Widerstand, das heisst im Platin selbst, statt. Der Russüberzug soll nur ein für die Erwärmung des Widerstandes besonders günstiges Verhältnis von absorbierter zurückgestrahlter Energie gewährleisten. Mit diesen bekannten Massnahmen ist es deshalb nicht möglich, ein Infrarotbolometer mit streng selektiver Empfindlichkeit zu konstruieren.



   Es wurde auch schon versucht,   Widefstands-    bolometer für bestimmte Wellenlängen oder   Wellen-      längenbereiche    unter Zuhilfenahme von   Trennfiltern    zu sensibilisieren. Dieser Verfahrensmassnahme stösst jedoch auf grosse   Schwierigkegten,    die durch die   Eigenalbsorptionseigenschaften    der Metalloxydwiderstände bedingt sind. Selektiv empfindliche Widerstandsbolometer besitzen deshalb in der Technik nur geringe Bedeutung. Es wurden andere selektiv empfindliche Infrarotdetektoren, z. B. Gaszellen, eingesetzt. Diese Detektoren besitzen jedoch nicht die sonstigen Vorteile der Thermistorbolometer, z. B.    deren hobv e Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und die    Möglichkeit, kleinere Geräte zu bauen.



   Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandsbolometer unter Verwendung von im Infraroten absorbierenden, tem  peraturabhängigen      Widerstandsfolien    zu schaffen, das in ganz bestimmten Wellenlängenbereichen des Infraroten eine grosse Empfindlichkeit besitzt.



   Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim Widerstandsbolometer gemäss der Erfindung die dem temperaturempfindlichen   Widlerstand    vorgeschaltete,   strahlungsabsorbierende    Schicht aus selektiv im Infraroten absorbierenden Material besteht und eine dünne Spiegelschicht zwischen dem Widerstand und der selektiv absorbierenden Schicht angeordnet ist, welche die gesamte von der selektiv absorbierenden Schicht durchgelassene Strahlung reflektiert.  



   Bei einem erfindungsgemässen Bolometer wird demnach der temperaturabhängige Widerstand nicht durch die   Eigen ab sorption    der infraroten Strahlung erwärmt, sondern es wird durch die unmittelbar vorgeschaltete Spiegelschicht verhindert, dass die infrarote Strahlung den temperaturabhängigen Widerstand überhaupt erreicht. Durch die selektive Absorption, in der der Spiegel schicht vorgeschalteten, strahlungsabsorbierenden Schicht wird diese erwärmt, und da der temperaturempfindliche Widerstand mit dieser strahlungsabsorbierenden Schicht in Wärmekontakt steht, wird er lediglich durch die auf ihn infolge Wärmeleitung übertragene Wärme erwärmt.



  Die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes ist deshalb von seiner Absorptionscharakteristik unabhängig.



   Die Verwendung von reflektierenden Schichten oder Spiegelschichten in Bolometern ist an und für sich bekannt. Diese bekannten Spiegelschichten wurden jedoch in Richtung der einfallenden Strahlung dem temperaturabhängigen Widerstand nachgeschaltet. Damit soll erreicht werden, dass der temperaturabhängige Widerstand von der durch ihn in Einfallsrichtung hindurchgehenden Strahlung noch einmal durchgesetzt wird, um so die   Strahlungsaus-    beute zu vergrössern. Die Anordnung der Spiegelschicht beim Bolometer nach der Erfindung unterscheidet sich von der bekannten Anordnung dadurch, dass sie in Einfallsrichtung der Strahlung gesehen nicht hinter, sondern vor dem temperaturempfindlichen Widerstand angeordnet ist und diesen von der einfallenden Strahlung abschirmt.



   Die Erfindung wird nachstehend in bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:
Fig. 1 ist ein stark vergrösserter Querschnitt eines einfachen Thermistor-Bolometers gemäss der Erfindung.



   Fig. 2 ist ein ähnlicher Querschnitt eines verfeinerten Bolometers.



   Fig. 3 ist eine   graphische    Darstellung der rela  tiven    Empfindlichkeit eines Bolometers nach Fig. 1 unter Verwendung von Talkum als absorbierendes Material und
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der relatir ven Empfindlichkeit eines Bolometers nach Fig. 2.



   In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 eines   Thermi;stor-    Bolometers mit einem Fenster 2 dargestellt. Durch das Fenster einfallende Infrarotstrahlen treffen auf einen selektiven Detektor mit einer absorbierenden Schicht 5 aus Talkum oder einer Talkumsuspension in einem Kunststoff einer Spiegelschicht 6, beispielsweise einen Goldfilm, einem Thermistor 7, zwei äusserst dünnen elektrischen Isolierschichten 8 zu beiden Seiten des Thermistors und einem als Wärmesenke dienenden Metallstützblock 9. Der Thermistor ist über Drähte mit üblichen Steckern 10 verbunden. Ein in Fig. 1 nicht sichtbarer zweiter Thermistor von gleicher Form und Stärke wie der dargestellte Thermistor ist ebenfalls durch eine elektrische Isolierschicht von dem Metallstützblock 9 getrennt angeordnet. Auch dieser Thermistor ist mit zwei Steckern verbunden.

   Der zweite, von der   Strahlung    abgeschirmte Thermistor ermöglicht in üblicher Weise die Anwendung einer Brückenschaltung, so dass die Anzeige des Bolometers von der Temperatur der Umgebung unabhängig wird, da letztere beide Thermistoren in gleichem Masse beeinflusst und damit die Wirkung der Umgebungstemperatur auskompensiert   wird'.    Der Kompensations Thermistor ist allgemein üblich und bildet als solcher keinen Teil der vorliegenden Erfindung.



   Die auf das Bolometer auffallende Strahlung tritt durch die Talkumschicht 5 hindurch, worin eine starke Absorption in dem Absorptionsbereich von Talkum erfolgt. Die durchgelassene Strahlung wird dann von dem Goldspiegel 6 reflektiert und gelangt erneut in das absorbierende Material unter weiterer Absorption in dem gewünschten Spektral' bereich. Die übrige Strahlung wird zurück- und herausreflektiert und beeinflusst den Thermistor nicht. Durch die beschriebene Strahlungsabsorption entsteht in der Schicht 5 Wärme, die durch Wärmeleitung durch die eine dünne Isolierschicht 8 hindurch an den Thermistor 7 übertragen wird. Durch die zweite dünne Isolierschicht 8 hindurch wird dann die Wärme an den als Wärmesenke dienenden Metallblock 9 durch Wärmeleitung abgeführt.



   Die relative Empfindlichkeit des beschriebenen Bolometers ist in Fig. 3 auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Wellenlänge, die auf der Abszisse in Mikron aufgetragen ist, dargestellt. Es liegen    zwei starke Absorptionsbänder bei 9,6 und 15 ll    vor, weshalb das Bolometer hauptsächlich auf Strahlung in diesen beiden Bändern anspricht.



   In Fig. 2 ist ein verfeinertes   Thermistor-Bolon    meter mit den gleichen Elementen, welche die gleichen Bezugsziffern tragen, dargestellt. In diesem Fall gelangt die Infrarotstrahlung durch das Fenster 2, das aus Glimmer besteht, und fällt auf einen Block aus   Magnesiumoxyd    3 mit einer schrägen Fläche auf. Der Block ist so stalrk, dass praktisch die gesamte Infrarotstrahlung angrenzender Bereiche absorbiert wird. Nur die die   Messstrahlung      enthaW    tende Reststrahlung wird durch die Fläche 4 des Blockes 3 auf einen selektiven Detektor der in Fig. 1 dargestellten Art reflektiert. Der Detektor ist selbstverständlich rechtwinklig zur Richtung der Reststrahlung angeordnet.

   Im Gehäuse 1 ist gemäss Fig. 2 noch ein zweiter Thermistor 7' vorhanden, der von der Strahlung nicht getroffen wird und zur Temperaturkompensation dient, wie bereits mit Bezug auf das erste Beispiel erläutert wurde. Der zweite Thermistor   7' ist    mittels einer äusserst dünnen elektrischen Isolierschicht 8' ebenfalls auf einem als Wärmesenke dienenden Metallstützblock   9' angeord-    net. Die Anschlussdrähte des Thermistors   7' stehen    mit Steckern   10' in    Verbindung.



   Auf Grund der Eigenschaften von Magnesiumoxyd wird an der   Fläche    4 des Blockes 3 eine Rest  strahlung erzeugt, die praktisch keine Strahlung unter   1 31z    enthält. Von dieser Wellenlänge steigt die Strahlung rasch auf ein hochliegendes Maximum    zwischen 14 und 15 st an und bleibt innerhalb eines    ausgedehnten Bereichs im entfernten Infrarot bei einem hohen Wert und fällt dann allmählich ab.



  Das Glimmerfenster 2 ist für Infrarotstrahlung mit guter Wirkung bis zu einer Wellenlänge bis zu etwa 15   it    durchlässig; danach beginnt es ziemlich scharf    abzusperren, wobei die Sperrung von 17,5u u an    nahezu vollständig ist. Die Kombination der Absorptionswirkungen des Blockes 3 und des Glimmerfensters 2 führt zu der in Fig. 4 dargestellten relativen Empfindlichkeit.



   Es ist klar, dass sich die Art der absorbierenden Schicht 5 nach den Erfordernissen des jeweiligen Verwendungszweckes richtet. Soll   dlas    Bolometer z. B. auf die Infrarotstrahlung eines Kohlendioxyd enthaltenden Thermometers ansprechen, so wird als absorbierende Schicht ein Breitbandfilter verwen   det, das Strahlungen im Bereich von 9,7 b absor-    biert. Solche Breitbandfilter sind nicht zu   yerwech-    seln mit scharfen Frequenzbereichfiltern, die zur Ausbildung eines Detektors erforderlich sind, dessen Empfindlichkeit allein auf Filtern beruht. Während scharfe Frequenzbereichfilter im Infrarotgebiet grosse Schwierigkeiten bieten und nicht zufriedenstellend sind, sind Breitbandfilter für viele Wellenlängenbereiche allgemein bekannt und nicht mit irgendwelchen Schwierigkeiten verbunden.



   Das erfindungsgemässe Bolometer kann auch für Vergleichsdetektoren angewandt werden, beispielsweise dann, wenn es erwünscht ist, die Temperatur eines Kunststoffs während des Strangpressens oder sonstigen Auspressens aus einer Matrize zu überwachen. Bekanntlich emittieren Substanzen im Infrarot nur in dem Gebiet, worin sie absorbieren, so dass bei Verwendung eines Films des gleichen Kunststoffs als selektiv absorbierende Schicht eine starke Absorption nur der Infrarotstrahlung der Absorptionsbänder auftritt, da der Kunststoff ausserhalb dieser Bänder praktisch nicht emittiert. Auf diese Weise ist ein sehr genauer Vergleich möglich und bei Verwendung eines derartigen Thermistor-Bolometers eine ausserordentlich empfindliche und zuverlässige Temperatursteuerung erzielbar.



   Eine andere Anwendung mit einander entspreder Strahlungsquelle und absorbierender Substanz ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der chemischen Zusammensetzung eines Kunststoffilms oder anderer   Kunststoffgegenstände.    In diesem Fall besteht die absorbierende Schicht in dem Bolometer wiederum aus einer Schicht des Kunststoffs der gewünschten chemischen Zusammensetzung. Ein schwarzer Infrarotstrahler mit eingestellter   Tempera    tur wird hinter dem zu   überwachen den    Kunststoff angebracht, beispielsweise hinter dem sich bewegenden Kunststoffilm.

   Wenn die chemische Zusammensetzung des Films die gleiche ist, wie die des absorbierenden Materials, dann wird nur die   Infraroten    strahlung aus dem schwarzen Körper absorbiert, und deshalb trifft nur eine geringe oder gar keine Infrarotstrahlung dieser speziellen Wellenlängen auf die absorbierende Schicht des Bolometers auf. Durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung des Films wird sein   Infrarotabsorptionsspektrum    verändert, und bereits geringe Änderungen oder Verunreinigungen führen zu einem sehr deutlichen Ansprechen des selektiven Detektors.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Widerstandsbolometer, das einen als Folie ausgebildeten, im infraroten StraKenbereich absorbierenden, temperaturempfindlichen Widerstand auf weist, der mit einer vorgeschalteten, strahlungsabsorbierenden Schicht in wärmeleitendem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schicht (5) aus selektiv im Infraroten absorbierendem Material besteht und eine dünne Spiegelschicht (6) zwischen dem Widerstand (7) und der selektiv absorbierenden Schicht angeordnet ist, welche die gesamte von der selektiv absorbierenden Schicht durchgelassene Strahlung reflektiert.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Widerstandsbolometer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturempfindliche Widerstand mit einer Wärmesenke (9), die eine grosse Wärmeleitfähigkeit besitzt, im Wärme aus tauschkontakt steht.

   2. Widerstandsbolometer nach P atentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der einfallenden Strahlung gesehen der im Infraroten selektiv absorbierenden Schicht (5) ein die R andbereiche der Messstrahlung absorbieren der Block (3) vorgeschaltet ist, dessen Oberfläche (4) die die Messstrahiung enthaltende Reststrahlung auf die selektiv absorbierende Schicht reflektiert.