Supplement 1.8: Stralingsdetectoren      (1/5)

Thermische detectoren

Bolometer

De bolometer is een weerstandsthermometer. De door warmte veroor­zaakte verandering in temperatuur leidt tot een verandering in de elektrische weerstand. De sensor bestaat in de oorspronkelijke versie uit een metalen draad of band van platina vanwege de goed reproduceerbare weerstands­veranderingen. Zoals bij elke detector moet de gevoeligheid, d.w.z. de relatie tussen geabsorbeerd optisch vermogen en gegenereerd elektrisch signaal, bekend zijn of door kalibratie worden bepaald. Bolometers hebben een spectraal zeer brede en vlakke gevoeligheid en zijn geschikt voor het zichtbare en infrarode spectrum tot in het microgolfbereik. Ze kunnen worden gebruikt voor het meten van constante en variabele, bijvoorbeeld gepulseerde straling.

Nieuwere ontwikkelingen maken gebruik van halfgeleiders, waarvan de verandering in elektrische weerstand veel groter is dan bij metalen. Sinds de jaren 80 zijn er microbolometers van ongeveer 12 μm beschikbaar, die worden gebruikt als elementen van arrays in warmtebeeldcamera's. Hier is de gevoeligheid afhankelijk van de gebruikte halfgeleider en wordt deze vaak met optische filters doelgericht beperkt tot de gewenste spectrale bereiken.

Een beeldsensor van het bedrijf Honeywell, VS, bestaande uit een reeks microbolometers, voor toepassingen in een warmtebeeldcamera.

Pyro-elektrische detectoren

Een pyro-elektrische detector model 420 van het bedrijf ELTEC Instruments, VS.

De sensor van een pyro-elektrische detector bestaat uit een pyro-elektrisch kristal van enkele micrometers dik, dat bij een temperatuur­verandering een elektrische spanning op twee tegenover elkaar liggende oppervlakken genereert. De spanning wordt afgetapt met elektroden. Aangezien alleen temperatuurveranderingen dergelijke span­nin­gen genereren, is deze detector geschikt voor het meten van gepulseerde straling met pulsherhalingsfrequenties tot enkele kHz, maar niet voor constante straling. Deze detectoren worden ook gebruikt voor bewegingsmelders, waarbij het gaat om het detecteren van bewegende personen, d.w.z. veranderende temperaturen.

De hierboven afgebeelde detector heeft een sensor van 2,7×2,7 mm² van lithiumtantaal, die is geïntegreerd in een transistorbehuizing met een diameter van 9,2 mm. De spectrale gevoeligheid varieert van 100 nm tot 1000 μm. Hij wordt gebruikt voor het controleren van het vermogen van pulslasers, waarvan een zeer klein deel van de straling met een straalsplitser op de detector wordt gericht.

Thermo-elektrische detectoren

Voor hogere laservermogens zijn er detectoren die gebruikmaken van het thermo-elektrische effect, ook wel bekend als het Seebeck-effect. Hierbij worden twee draden of platen van verschillende metalen, zoals koper en ijzer, met elkaar in contact gebracht. Bij verschillende temperaturen van het contactpunt en de niet-contactzijden ontstaat een thermische spanning. Meerdere van dergelijke opstellingen kunnen worden gecascadeerd tot een thermische kolom om het effect te versterken. De geschiktheid voor hoge laservermogens vloeit voort uit de betere thermische belastbaarheid van de relatief grotere metalen componenten waaruit de sensor bestaat. Deze detectoren zijn geschikt voor het meten van constante en gepulseerde straling.

Het omgekeerde effect wordt het Peltier-effect genoemd: bij Peltier-elementen wordt met een stroom een temperatuurverschil gecreëerd om koeling of verwarming te bereiken.

Een thermo-elektrische detector model LMP5 van het bedrijf Coherent, VS. Links op de foto is de opschroefbare beschermkap te zien.

Het gevoelige oppervlak van de hier getoonde detector, herkenbaar aan een ring, heeft een diameter van 25 mm. Hij is geschikt voor pulsenergieën tot enkele joules. Het zwartgeblak­erde oppervlak heeft al enigszins te lijden gehad onder de hoge laser­prestaties.

Voor metingen van het daglicht buitenshuis zijn er tegen weersinvloeden beschermde detectoren beschikbaar, die pyranometers worden genoemd. Ook hier worden met een thermische kolom voldoende signalen gegenereerd bij weinig licht. Omdat ze zijn geoptimaliseerd voor daglicht, zijn ze niet geschikt voor toepassingen met pulslasers: de responstijd is ongeveer 10 s. Met een gezichtsveld van 180° zijn ze bijna ideale cosinusdetectoren. De spectrale gevoeligheid is zeer vlak in het bereik van het zonnespectrum, met grensgolflengten (50% afname) in het UV bij 285 nm en in het IR bij 2800 nm.

Een thermo-elektrische detector van de fabrikant Kipp & Zonen, Duitsland.. Het oppervlak van de detector wordt door een glazen kap tegen weersinvloeden beschermd. De in hoofdstuk 3 weergegeven maandelijkse stralingsintensiteiten zijn met dit type detector gemeten.