Ergänzung 1.10: Strahlungsdetektoren (1/5)
Thermische Detektoren
Bolometer
Das Bolometer ist ein Widerstandsthermometer. Die durch Wärme entstehende Änderung der Temperatur ergibt eine Änderung des elektrischen Widerstands. Der Sensor besteht in der ursprünglichen Version aus einem metallischen Draht oder Band aus Platin wegen dessen gut reproduzierbarer Widerstandsänderungen. Wie bei jedem Detektor muss die Empfindlichkeit, d.h. der Zusammenhang zwischen absorbierter optischer Leistung und erzeugtem elektrischem Signal, bekannt sein oder durch eine Kalibrierung bestimmt werden. Bolometer haben eine spektral sehr breite und flache Empfindlichkeit und sind für das Sichtbare und Infrarot bis in den Mikrowellenbereich geeignet. Sie können für die Messung konstanter und veränderlicher, z.B. gepulster Strahlung genutzt werden.
Neuere Entwicklungen nutzen Halbleiter, deren Änderung des elektrischen Widerstands sehr viel größer als bei Metallen ist. Seit den 1980er Jahren sind etwa 12 μm kleine Mikrobolometer verfügbar, die als Elemente von Arrays in Wärmebildkameras Anwendung finden. Hier ist die Empfindlichkeit vom verwendeten Halbleiter abhängig und wird oft mit optischen Filtern gezielt auf gewünschte Spektralbereiche beschränkt. Die Temperaturbilder im Kapitel über Temperaturstrahlung wurden am Boden mit Mikrobolometern und vom Flugzeug aus mit diskreten Bolometern aufgenommen.
Pyroelektrische Detektoren
Der Sensor eines pyroelektrischen Detektors besteht aus einem wenige Mikrometer dünnen pyroelektrischen Kristall, der bei einer Temperaturänderung eine elektrische Spannung auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen erzeugt. Die Spannung wird mit Elektroden abgegriffen. Da nur Temperaturänderungen solche Spannungen erzeugen, eignet er sich für die Messung gepulster Strahlung mit Pulswiederholraten bis einige kHz, aber nicht für konstante Strahlung. Diese Detektoren werden auch für Bewegungsmelder genutzt, bei denen es um die Erkennung sich bewegender Personen, d.h. veränderlicher Temperaturen geht.
Der hier gezeigte Detektor besitzt einen 2,7×2,7 mm² großen Sensor aus Litiumtantalat, der in ein Transistorgehäuse mit 9,2 mm Durchmesser integriert ist. Die spektrale Empfindlichkeit reicht von 100 nm bis 1000 μm. Er dient der Leistungskontrolle von Pulslasern, von deren Strahlung ein sehr kleiner Teil mit einem Strahlteiler auf den Detektor gerichtet wird.
Auf der Seite zu Internet-Links finden sich weitere Informationen über die Grundlagen und Beschaltung pyroelektrischer Detektoren, über die elektronischen Eigenschaften und über mit abstimmbaren Fabry-Perot-Filtern spektral abstimmbare Detektoren.
Thermoelektrische Detektoren
Für höhere Laserleistungen gibt es Detektoren, die den auch als Seebeck-Effekt bekannten thermoelektrischen Effekt nutzen. Hierbei werden zwei Drähte oder Platten aus unterschiedlichen Metallen wie z.B. Kupfer und Eisen kontaktiert. Bei unterschiedlichen Temperaturen der Kontaktstelle und der nicht kontaktierten Seiten entsteht eine Thermospannung. Mehrere solche Anordnungen können zu einer Thermosäule kaskadiert werden, um den Effekt zu verstärken. Die Eignung für hohe Laserleistungen ergibt sich aus der besseren thermischen Belastbarkeit der vergleichsweise größeren Metallkomponenten, aus denen der Sensor besteht. Diese Detektoren eignen sich für die Messung konstanter und gepulster Strahlung.
Der umgekehrte Effekt wird als Peltier-Effekt bezeichnet: bei Peltier-Elementen wird mit einem Strom eine Temperaturdifferenz erzeugt, um eine Kühlung oder Heizung zu erreichen.
Die empfindliche Fläche des rechts dargestellten Detektors, die durch einen Ring eingegrenzt ist, hat 25 mm Durchmesser. Er eignet sich für Pulsenergien bis zu einigen Joule. Seine geschwärzte Fläche hat durch hohe auftreffende Laserleistung bereits etwas gelitten.
Für Messungen des Tageslichts im Freien sind gegen die Witterung geschützte Detektoren verfügbar, die als Pyranometer bezeichnet werden. Mit einer Thermosäule werden auch hier ausreichende Signale bei geringer Beleuchtung erzeugt. Da sie für Tageslicht optimiert sind, eignen sie sich nicht für Anwendungen mit Pulslasern: die Ansprechzeit ist etwa 10 s. Mit einem Gesichtsfeld von 180° sind sie fast ideale Kosinus-Detektoren. Die spektrale Empfindlichkeit ist im Bereich des Sonnenspektrums sehr flach, mit Grenzwellenlängen (50% Abfall) im UV bei 285 nm und im IR bei 2800 nm.
Auf der Seite der Internet-Links findet sich ein Artikel über einen Vergleich pyroelektrischer Detektoren und Thermosäulen.
Fotowiderstände
Quelle: Wikimedia.
Dieser Sensortyp sei der Vollständigkeit wegen genannt, da Fotowiderstände heute nicht mehr eingesetzt werden. Das für die lichtempfindliche Schicht verwendete Cadmium ist toxisch und seit 2009 nicht mehr zugelassen. In alten Dämmerungsschaltern und Belichtungsmessern finden sich noch solche Bauteile.
Der im Bild gezeigte Widerstand nutzt eine dünne Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS) auf einem Keramikträger. Die spektrale Empfindlichkeit liegt im sichtbaren Bereich. Die Kontaktierung besteht aus zwei kammartig ineinander greifenden Leiterbahnen, zwischen denen die Stromleitung durch die CdS-Schicht stattfindet. Der Widerstand der CdS-Schicht nimmt von Dunkelheit bis Tageslicht um mehrere Größenordnungen ab. Der Sensor ist daher sehr lichtempfindlich, was die elektronische Signalverarbeitung sehr erleichtert. Die Zeitkonstante beträgt einige Millisekunden bis Sekunden. Fotowiderstände wurden daher insbesondere für Gleichlichtmessungen genutzt.
