Ergänzung 1.7: Strahlungsgrößen und Radiometrie      (1/7)

In den SEOS-Lerneinheiten werden vielfach ähnlich lautende Strahlungs­größen wie etwa die Bestrahlungsstärke, die Strahldichte oder die Strahl­stärke genutzt. Ihre unterschiedliche Bedeutung ist nicht immer ganz offensichtlich. Dies gilt auch für die Methoden ihrer Messung, die sogenannte Radiometrie. Manche Größen werden etwa in der Astronomie oder Kern­physik anders bezeichnet als in der physikalischen Optik, an der wir uns hier orientieren.

Hinzu kommt, dass manche Größen - sehr verwirrend - in verschiedenen Sprachen ähnlich heißen, aber nicht das Gleiche bedeuten. So entspricht die intensity im Englischen einer Strahlungsleistung (Watt) in einem Raumwinkel (Steradiant), aber das deutsche Wort Intensität ist physikalisch gar nicht definiert und wird nur umgangssprachlich genutzt; die intensity ist auf deutsch die Strahlstärke. Hier werden daher die wichtigsten Größen auch mit den englischen Bezeichnungen dargestellt.

Die Strahlungsleistung (engl.: radiant flux oder radiant power)

Die Strahlungsleistung, auch als Strahlungsfluss bezeich­net, entspricht der in allen Richtungen vorhandenen Leistung elektro­magnetischer Wellen oder Photonen. Dies kann die Emission eines Strahlers sein, die auf ein Objekt fallende Strahlung, oder auch die an einer bestimmten Stelle im Raum vorhandene Strahlung entfernter Quellen.

Formelzeichen: $\Phi$ oder P; wir verwenden $\Phi$
Maßeinheit: Watt, $\left[\Phi \right]=\text{W}$

Beispiele

• Die Strahlungsleistung einer LED-Leuchte, die 9 W elektrische Leistung aufnimmt, ist etwa 4 W. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 40 bis 50%; viel höher als der Wirkungsgrad einer Glühlampe, der nur etwa 5% beträgt, da Glühlampen allem im Infrarot emittieren.
• Die an einem wolkenfreien Sommertag mittags bei uns ankommende Strahlung der Sonne ist beeindruckende 1000 W/m².
• Die Gesamtstrahlung der Sonne in den Weltraum hat die Leistung 387,5·10²⁴ W.

Messung der Strahlungsleistung

Benötigt wird ein Sensor mit einer bekannten Empfindlichkeit, die meist als elektrisches Ausgangssignal (Ampere oder Volt) pro Strahlungsleistung (Watt) angegeben wird. Beispiel: eine Halbleiterfotodiode hat 0,5 A/W Empfindlichkeit für Strahlung einer bestimmten Wellenlänge. Der Sensor hat eine bekannte Größe der empfindlichen Fläche. Das elektrische Signal wird durch die Empfindlichkeit geteilt, woraus die auf die Sensorfläche fallende Strahlungsleistung folgt, und mit der Sensorfläche multipliziert. Dies ergibt die auf den Sensor fallende Strahlungsleistung.

Mit thermischen Detektoren kann die Strahlungsleistung spektral breiter Lichtquellen gemessen werden, da die Empfindlichkeit dieser Detektoren nicht (oder nur unwesentlich) von der Wellenlänge abhängt. Die Absorption auf einer geschwärzten Fläche ist von der Wellenlänge unabhängig und lässt sich daher für diesen Zweck vorteilhaft nutzen. Hier kommt das Wellenmodell des Lichts zum Tragen, bei dem die Wellenlänge für die Strahlungsleistung keine Rolle spielt. Die durch Absorption entstehende Wärme ändert die Eigenschaften des Detektors, zum Beispiel seinen elektrischen Widerstand, woraus die Strahlungsleistung berechnet wird. In einer weiteren Ergänzung finden Sie mehr Informationen über thermische Detektoren.

Bei Quantendetektoren, zu denen beispielsweise die Halbleiter-Fotodioden oder die Fotoelektronenvervielfacher (engl.: Photomultiplier, PMT) gehören, ist die Photonenenergie und damit auch die Wellenlänge für den Mess­vorgang entscheidend und muss bei der Messung von Strahlungsleistungen berücksichtigt werden. Für die Leistungsmessung schmalbandiger Strahler wie z.B. Laser oder einfarbige LED wird die spektrale Empfindlichkeit des Detektors dem Datenblatt entnommen. Für Präzisionsmessungen kann ein Detektor mit einem Lichtstandard kalibriert werden. Bei breitbandigen Strahlungsquellen muss wegen der variablen Empfindlichkeit des Detektors das gesamte Spektrum mit einem spektral kalibrierten Spektrometer gemessen und dann über alle Wellenlängen integriert werden; hier sind spektral unabhängige thermische Detektoren sehr von Vorteil.

Mit beiden Detektortypen kann man auch die Temperatur schwarzer Strahler messen. Sie werden dann als Pyrometer bezeichnet.

Diese Sensoren werden in der Ergänzung 1.10: Strahlungsdetektoren ausführlich vorgestellt.