DE4109399A1 - Strahlungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle Gebiete von Wissenschaft und Technik, in denen es um die Bewertung von Strahlung durch einen qualitativen oder quantitativen Nachweis von strahlungsinduzierter Wärmeentwicklung bzw. Temperaturänderung und/oder Folgeprozessen von Wärmeentwicklung bzw. Temperaturänderungen geht. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor kann insbesondere auf den Gebieten Optik, Optoelektronik, Lasertechnik und Gerätebau zum Nachweis oder zur Bewertung von Strahlung eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor eignet sich besonders für Anwendungen im infraroten Spektralbereich und/oder zum Nachweis bzw. zur Bewertung von intensiver Laserstrahlung.

Energiewandlungsprozesse sind mit Dissipation verbunden. Dabei gibt ein dynamisches System mit wenigen Freiheitsgraden Energie an ein dissipatives System mit vielen Freiheitsgraden (Wärmebad) ab. Die dissipierte, d. h. in Wärme umgewandelte Energie verändert die thermische Zustandsgröße Temperatur des dissipativen Systems, die eine Funktion der Energie des Systems und seiner Wechselwirkung mit der Umgebung ist. Somit sind auch strahlungsinduzierte dissipative Prozesse mittels Temperaturmessung nachweisbar.

Um zu quantifizierten Aussagen über die Temperatur zu kommen, kann man sich einer beliebigen, leicht meßbaren physikalischen Eigenschaft einer Substanz bedienen, die eine eindeutige Funktion der Temperatur ist, wobei jedoch für eine allgemeingültige Temperaturskala eine substanzunabhängige Eigenschaft zu wählen ist.

Nichtselektive (thermische) Detektoren für elektromagnetische Strahlung sind im wesentlichen Thermometer, die sich im unmittelbaren Kontakt mit einer Empfängerfläche befinden, in der die einfallende Strahlung über Absorptionsprozesse dissipiert. Die dabei registrierte Temperaturänderung repräsentiert im Gleichgewicht ein Maß für den einfallenden Strahlungsfluß.

Strahlungsthermometer (Pyrometer) können nach den verwendeten Thermometertypen klassifiziert werden. Die gegenwärtig hauptsächlich eingesetzten thermischen Detektortypen sind: Bolometer, Thermopaare und Golay-Zellen, die auf den Thermometertypen: Widerstandsthermometer, Thermopaar-Thermometer und Gasthermometer beruhen. Diese und weitere Temperaturmeßverfahren zum Nachweis von Strahlung sind in einem in umfangreichen Maße vorhandenen Standard- und Orignalschrifttum detailliert ausgeführt [z. B. H. Neumann und K. Stecker, Temperaturmessung, Akademie-Verlag Berlin, 1983; F. Lieneweg, Handbuch der technischen Temperaturmessung, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, 1976; A. Vasko, Infra-red Radiation, Iliffe Books Ltd., London, 1968]. Verschiedene Ausführungsformen von Strahlungsdetektoren sind z. B. in den Schriften DE 37 09 201, GB 82 11 219, EP 02 85 961 beschrieben.

Die Strahlungsflüsse, die mit derartigen Detektoren zu messen sind, können sehr klein sein (bis < 10^-9 W), so daß eine maximale Empfindlichkeit gefordert ist. Weitere Forderungen betreffen einen möglichst schnellen Response, der insbesondere durch die dynamische Bürde Wärmekapazität des Meßsystems begrenzt wird. Durch die in bekannten thermischen Detektoren übliche Verwendung von thermoelektrischen Wandlern kommt das mit dem Wiedemann-Franz'schen Gesetz verbundene Problem hinzu, daß gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind. Somit ist die thermische Leitfähigkeit der thermoelektrischen Wandler einschließlich Zuleitungen eine weitere statische und dynamische Bürde.

Ein sehr genaues und elegantes digitales Temperaturmeßverfahren beruht auf der Eigenschaft eines Quarzkristalls, seine auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur zu verändern [D. L. Hammond, A. Bernjaminson, Linear Quartz Thermometer, Instruments & Control Systems, Vol. 38 No. 10 (1965) 115-119; P. Schöltzel, Temperaturmessung mit Quarzsensoren, VDI-Z 112 (1970) 14-18; H. Ziegler, Temperaturmessung mit Schwingquarzen, Technische Messen 54 (1987) 124-129 bzw. Sonderheft Sensoren '88, (1988) 119-124]. Anwendungen dieses Temperaturmeßverfahrens in Strahlungssensoren sind jedoch bislang nicht bekannt geworden.

Schwingquarze sind dünne, mit Elektroden versehene Plättchen aus trigonalem kristallinem α-Quarz, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung infolge des piezoelektrischen Effektes in eine Dicken-Schwingung versetzt werden können. Durch elektronische Rückkopplung entsteht ein elektromechanischer Oszillator mit einer temperaturabhängigen Frequenz, wobei die Temperaturabhängigkeit vom Schnittwinkel des Quarzes abhängig ist.

Der Temperaturgang des linearen Temperaturkoeffizienten α hat in Abhängigkeit vom Schnittwinkel R beim sogenannten AT-Schnitt eine Nullstelle, so daß die Frequenz des Quarzes f(T) = f₀(1+αT) praktisch nicht mehr von der Temperatur abhängt [R. Bechmann, A. D. Ballato, T. J. Lukaszek, Higher-order temperature coefficients of the elastic stiffness and compliances of alpha quartz, Proc. IRE 50 (1962 1812-1822]. Dieser Schnittwinkel wird deshalb heute bei fast allen technischen Schwingquarzanwendungen eingesetzt, wie z. B. bei der hochgenauen digitalen Zeitmessung oder der Schwingquarzmonitorierung von Schichtdicken in Beschichtungsprozessoren. Für Temperaturmeßquarze ist dagegen der HT-Schnitt vorteilhaft, da er einen maximalen linearen Temperaturkoeffizienten α von rund +90 · 10^-6K^-1 liefert, was eine Frequenzänderung von 0,001% pro Kelvin im Anwendungsintervall von 10 . . . 770 K entspricht. Dies ist zwar ein kleiner Meßeffekt, der aber wegen der hohen Stabilität und Präzision der Schwingquarze mit rein digitalen Methoden problemlos auswertbar ist. Eine exakte Analyse der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz ergibt schwache, systematische Terme höherer Ordnung gemäß f(T) = f₀(1+αT+βT²+ΓT³). Mit den für den HT-Schnitt typischen Temperaturkoeffizienten α = 90 · 10^-6K^-1, β = 60 · 10^-9K^-1, Γ = 30 · 10^-12K^-1 ist die Nichtlinearität β/α kleiner 10^-3; sie kann z. B. mit Mikroprozessorsystemen problemlos korrigiert werden. Damit ist ein Schwingquarz mit HT-Schnitt, dessen Resonanzfrequenz fast nur noch linear von der Temperatur abhängt, als Temperatursensor vorzüglich geeignet. Bei kalibrierten Sensoren kann man mit einem Fehler von 0,002 K rechnen; relative Temperaturmessungen sind noch genauer ausführbar.

Über die o. g. Anwendungen hinaus sind durch die Schrift US 31 64 004 Anordnungen mit Schwingquarzen bekannt geworden, bei denen die chemische Wechselwirkung von Schwingquarzen mit Umgebungsmedien zum selektiven Nachweis von chemischen Prozessen genutzt wurde. Weiterhin wurde ein Schwingquarz mit integriertem Heizelement zur Messung elektrischer Größen bekannt (US 35 31 663).

Der Anwendbarkeit von Schwingquarz-Temperatursensoren für den Nachweis von Strahlung stehen jedoch die bisher bekannten Ausführungsformen entgegen, die im o. g. Schrifttum hermetisch gekapselte Sensorelemente sind, wobei zur Wärmeleitung von der Kapsel zum Schwingquarz Schutzgase (z. B. Helium) verwendet werden. Dadurch sind bekannte Schwingquarz-Temperatursensoren ausschließlich Berührungssensoren, deren dynamische Bürde sich aus der Wärmekapazität des eigentlichen Sensors und des Gehäuses ergibt, d. h. bei jeder Temperaturänderung muß dieses Teil mit erwärmt bzw. abgekühlt werden. Die Applikationsmöglichkeiten sind durch die erforderliche Immersion des Schwingquarz-Thermosensors in das zu messende Medium eingeschränkt.

Ziel der Erfindung ist ein empfindlicher und schneller Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation, wobei insbesondere die Universalität und Flexibilität erhöht werden soll. Der Strahlungssensor soll einfach aufgebaut sein und Meßwerte, frei von störenden und verfälschenden Einflüssen, liefern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation zu entwickeln, der durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und eine reduzierte Wärmekapazität eine verringerte statische und dynamische Bürde aufweist. Durch sofortige Gewinnung von digitalen Signalen soll die Weiterleitung und Verarbeitung der Meßwerte frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen gestaltbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strahlunssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation bestehend aus Empfängerfläche und thermischem Detektor dadurch gelöst, daß der thermische Detektor ein Schwingquarz-Sensorelement ist, welches eine temperaturabhängige Frequenz aufweist und daß die Empfängerfläche unmittelbar auf diesem angeordnet ist.

Anordnung und Konfiguration der Empfängerfläche unterliegen im allgemeinen keinen Einschränkungen. Ebenfalls ist es von untergeordneter Bedeutung, ob es sich bei dem Schwingquarz-Sensorelement um sogenannte Dickenschwinger oder Biegeschwinger handelt. Wesentlich ist nur eine maximale Abhängigkeit der Schwingquarzfrequenz von der Temperatur, die beispielsweise bei Schwingquarzen mit dem sogenannten HT-Schnitt erreicht werden kann.

Kommt es durch Bestrahlung der Empfängerfläche zu dissipativen Prozessen, so wird die Temperaturänderung der Empfängerfläche infolge des Kontaktes mit dem Schwingquarz-Sensorelement auf den Schwingquarz übertragen und dann als Frequenzänderung nachgewiesen. Damit ist sowohl ein qualitativer Nachweis der strahlungsinduzierten Dissipation und/oder eine Quantifizierung der Wärme- oder Temperaturänderung möglich, wozu in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabe Relativmessungen ggf. auch zu einem Vergleichsschwingquarz-Sensorelement oder Kalibrierungen eingesetzt werden können. Prinzipiell unterliegt die Art der Strahlung keinerlei Einschränkungen. Besonders zweckmäßig ist der erfindungsgemäße Strahlungssensor jedoch für den Nachweis elektromagnetischer Strahlung.

Sowohl für Gesamtstrahlungssensoren als auch für selektive Sensoren ist es von Vorteil, wenn die Empfängerfläche eine Absorberschicht ist, die in einem breiten Spektralbereich ein hohes Absorptionsvermögen besitzt. Diese Absorberschicht kann auf einer Elektrode und/oder dem Schwingquarz des Schwingquarz-Sensorelementes angeordnet sein.

Effektiv wirkende Absorberschichten lassen sich auf an sich bekannte Art und Weise aus Kohlenstoff und/oder Metalloxiden und/oder Metallen herstellen. Besonders günstig ist die Verwendung von sogenannten Metallschwämmen (z. B. Platinschwamm) aus hochdispersen Metallen.

Selektiv wirkende Strahlungssensoren lassen sich auf einfache Art und Weise realisieren, wenn der Absorberschicht weitere Schichten bzw. Schichtsysteme vor- und/oder nachgelagert sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Absorberschicht ein Bestandteil eines Interferenzschichtsystems ist, das in besonders günstigen Ausführungsformen ein Resonanzsystem ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor gelingt ein empfindlicher und schneller Nachweis von Strahlung, wobei Universalität und Flexibilität der Applikation erweitert wurden. Der Strahlungssensor ist einfach aufgebaut und gestattet die sofortige Gewinnung von digitalen Signalen, die frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen weitergeleitet und verarbeitet werden können. Durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und eine reduzierte Wärmekapazität wird die statische und dynamische Bürde erheblich verringert. Die Reduzierung der Wärmekapazität gelingt, indem die strahlungsinduzierte Dissipation in oder an einer massearmen schichtförmigen Empfängerfläche auf dem Schwingquarz-Temperatursensor erfolgt. Es ist prinzipiell denkbar, daß auch Folgeprozesse von strahlungsinduzierter Dissipation (z. B. Änderung der thermoelastischen Eigenschaften) oder Strahlung (z. B. Swelling) zum Nachweis und/oder zur Bewertung der Strahlung herangezogen werden können.

Die Erfindung soll anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorder- (a) und Seitenansicht (b) des erfindungsgemäßen Strahlungssensors auf der Grundlage des Nachweises von strahlungsinduzierter Dissipation mittels Schwingquarz-Sensorelement in Form eines Dickenschwingers vorzugsweise zur Bewertung von CO₂-Laserstrahlung.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors umfaßt ein dickenschwingungsfähiges Quarzkristallplättchen 1 mit auf gegenüberliegenden Seiten des Quarzkristallplättchen 1 befindlichen Elektroden 2, die die in Fig. 1 dargestellte, auch bei herkömmlichen Schwingquarz-Sensorelementen übliche Konfiguration aufweisen. Erfindungsgemäß ist auf einer Seite des Quarzkristallplättchens 1 auf einer Elektrode 2 die Empfängerfläche 3 angeordnet, die in einem speziellen Ausführungsbeispiel eine Absorberschicht beispielsweise aus Gold- oder Platinschwamm ist. Die Einfallrichtung des Laserstrahls ist in Fig. 1 durch die Pfeilrichtung angegeben. In einer speziellen Ausführungsform wird die Strahlung eines CO₂-Lasers mit der Wellenlänge 10,6 µm verwendet, die hinsichtlich der Energie- bzw. Leistungsflächendichte bewertet werden soll. Das Quarzkristallplättchen 1 wird aus synthetischem α-Quarz hergestellt und mit nicht dargestellten Elementen, die gleichzeitig elektrische Zuführungen sein können, gehaltert. Die Realisierung des Schwingquarz-Sensorelementes unterliegt im allgemeinen keinen Einschränkungen. Für die Empfindlichkeit des Strahlungssensors ist jedoch wesentlich, daß der lineare Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes maximiert ist, was z. B. durch den sogenannten HT-Schnitt realisiert werden kann.

Sollen jedoch in prinzipiell denkbaren Strahlungssensoren Folgeprozesse von Strahlung oder strahlungsinduzierter Dissipation zum Nachweis und/oder zur Bewertung der Strahlung herangezogen werden, so können auch eine temperaturunabhängige Frequenz aufweisende Schwingquarze verwendet werden, die z. B. den sogenannten AT-Schnitt besitzen.

Als Elektroden 2 dienen aufgedampfte und/oder eingebrannte Metallbeläge aus Silber, Gold oder anderen Edelmetallen. Diese Elektroden 2 sind über nicht dargestellte elektrische Verbindungselemente mit ebenfalls nicht dargestellten elektronischen Einheiten verbunden, die der Versorgung mit einer Anregungsspannung, der Meßsignalgewinnung sowie der Kompensation von systematischen Fehlern dienen. Die Empfängerfläche 3 kann als Absorberschicht mit Hilfe von bekannten Beschichtungsverfahren, wie z. B. Aufdampfen oder Sputtern unter Einhaltung der für die jeweilige schichtbildende Substanz bzw. für die Absorptionseigenschaften erforderlichen Depositionsbedingungen hergestellt werden. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn durch an sich bekannte Variation der Depositionsbedingungen eine der Elektroden 2 und die Empfängerfläche 3 in einem einzigen Verfahrensgang beispielsweise durch Übergang von Gold in Goldschwamm hergestellt werden. Haftvermittler zwischen der Goldelektrode und dem Quarzkristallplättchen können zweckmäßig sein.

Durch die in Fig. 1 dargestellte Elektrodenanordnung wird beim Anlegen oszillierender Spannungen mit Richtwerten von einigen Volt erreicht, daß das Quarzkristallplättchen 1 aufgrund des piezoelektrischen Effektes in eine Dicken-Scherschwingung versetzt wird. Der Temperaturgang dieser Frequenz hat bei dem sogenannten HT-Schnitt ein Maximum. Die Frequenz des Quarzes f(T) = f₀(1+αT) ändert sich dabei im Anwendungsintervall von 10 . . . 770 K mit dem für den HT-Schnitt charakteristischen linearen Temperaturkoeffizienten α von rund +90 · 10^-6K^-1 um ca. 0,001% pro Kelvin.

Kommt es nun aufgrund von Bestrahlung der Empfängerfläche 3 beispielsweise durch intensive CO₂-Laserstrahlung (Dauerstrich oder Impuls) infolge von Absorptionsprozessen zu einer Temperaturänderung δT′ der Empfängerfläche 3, so kommt es auch im Quarzkristallplättchen 1 durch Wärmetransfer zu einer Temperaturänderung δT, die mit einer hohen Präzision und Stabilität durch elektronische Einheiten als Frequenzänderung δf = f₀(1+αδT) nachgewiesen werden kann. Bei entsprechender Kalibrierung des Schwingquarz-Sensorelementes beispielsweise mit amtlich geeichten Platinwiderständen, können auch die entsprechenden Temperaturen mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden. Mit den so gewonnenen Meßgrößen können Eigenschaften der Strahlung, beispielsweise die Energie- und Leistungsflächendichte ermittelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor gelingt es auf eine experimentell und methodisch einfache Art und Weise, Strahlung qualitativ und quantitativ schnell, empfindlich und stabil nachzuweisen, wobei die Realisierung von Gesamtstrahlungssensoren oder selektiven Strahlungssensoren auf einfache Art und Weise mit leichter Signalinterpretation möglich ist. Da die Art der Strahlung im allgemeinen keinerlei Einschränkungen unterliegt, ist eine hohe Universalität und Flexibilität der Applikation gegeben. Durch die sofortige Gewinnung von digitalen Signalen können die gewonnenen Meßwerte frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen verarbeitet und weitergeleitet werden. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des Strahlungssensors werden insbesondere durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und durch Reduzierung der Wärmekapazität des Sensors verbessert. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor ist insbesondere für den infraroten Spektralbereich als IR-Detektor, Laserkalorimeter u. dgl. einsetzbar.

Claims (4)

1. Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation bestehend aus Empfängerfläche und thermischen Detektor, dadurch gekennzeichnet,
daß der thermische Detektor ein Schwingungsquarz-Sensorelement ist, welches eine temperaturabhängige Frequenz aufweist
und daß die Empfängerfläche unmittelbar auf diesem angeordnet ist.

2. Strahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerfläche eine Absorberschicht ist.

3. Strahlungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberschicht weitere Schichten oder Schichtsysteme vor- und/oder nachgelagert sind.

4. Strahlungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht aus Kohlenstoff und/oder Metalloxiden und/oder Metallen besteht.