DD293890A5 - RADIATION SENSOR - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation. Sie ist anwendbar zur Bewertung von strahlungsinduzierter Waermeentwicklung bzw. Temperaturaenderung und/oder deren Folgeprozesse. Der erfindungsgemaesze Strahlungssensor besteht aus einem Schwingquarz-Sensorelement, welches eine temperaturabhaengige Frequenz aufweist und einer Empfaengerflaeche die unmittelbar auf diesem angeordnet ist. Der Strahlungssensor ist einfach aufgebaut, weist eine geringe statische und dynamische Buerde auf und liefert durch die unmittelbare Gewinnung von digitalen Signalen Meszwerte, die frei von stoerenden und verfaelschenden Einfluessen sind.{Strahlungssensor; strahlungsinduzierte Dissipation; Waermeentwicklung; Temperaturaenderung; Folgeprozesse; Schwingquarz-Sensorelement; temperaturabhaengige Frequenz; Empfaengerflaeche; Meszwerte}The invention relates to a radiation sensor for detecting radiation-induced dissipation. It is applicable for the evaluation of radiation-induced heat development or temperature change and / or their subsequent processes. The radiation sensor according to the invention consists of an oscillating quartz sensor element which has a temperature-dependent frequency and a receiver surface which is arranged directly on it. The radiation sensor is simple in design, has low static and dynamic burdens, and provides gain values free from disturbing and distorting influences by directly obtaining digital signals. radiation-induced dissipation; heat development; to temperature change; Follow-up processes; Quartz crystal sensor element; temperature-dependent frequency; Empfaengerflaeche; Meszwerte}
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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.The invention relates to a radiation sensor for detecting radiation-induced dissipation. The field of application extends to all areas of science and technology in which the evaluation of radiation by a qualitative or quantitative detection of radiation-induced heat development or temperature change and / or subsequent processes of heat generation or temperature changes. The radiation sensor according to the invention can be used in particular in the fields of optics, optoelectronics, laser technology and device construction for the detection or evaluation of radiation. The radiation sensor according to the invention is particularly suitable for applications in the infrared spectral range and / or for the detection or evaluation of intense laser radiation.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
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 Zustendsgröße 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.Energy conversion processes are associated with dissipation. A dynamic system with few degrees of freedom transfers energy to a dissipative system with many degrees of freedom (heat bath). The dissipated, d. H. Heat converted energy changes the thermal response temperature of the dissipative system, which is a function of the energy of the system and its interaction with the environment. Thus, radiation-induced dissipative processes can be detected by means of temperature measurement.
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.In order to arrive at quantified statements about the temperature, one can use any readily measurable physical property of a substance, which is a definite function of temperature, but for a general temperature scale a substance-independent property has to be chosen.
Nichtselektive (thermischs) Detektoren für elektromagnetische Strahlung sind im wesentlichen Thermometer, die sich im unmittelbaren Kontakt mit einer Empfängerfläche befinden, in der die einfallende Strahlung über Absorptionsprozese dissipiert.Non-selective (thermal) electromagnetic radiation detectors are essentially thermometers that are in direct contact with a receiver surface in which the incident radiation dissipates via absorption processes.
Die dabei registrierte Temperaturänderung repräsentiert im Gleichgewicht ein Maß für den einfallenden Strahlungsfluß.The recorded temperature change represents in equilibrium a measure of the incident radiation flux.
Strahlungsthermometer (Pyrometer) können nach den verwendeten Thermometertypen klassifiziert werden. Die gegenwärtig hauptsächlich eingesetzten thermischen Oetektortypen 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 Originalschrifttum detailliert ausgeführt (2.B. H. Neumann und K. Stecker, Temperaturmessung, Akademie-Verlag Berlin, 1983;Radiation thermometers (pyrometers) can be classified according to the thermometer types used. The currently mainly used types of thermal detectors are: bolometers, thermocouples and Golay cells, which are based on thermometer types: resistance thermometers, thermocouple thermometers and gas thermometers. These and other temperature measuring methods for the detection of radiation are detailed in a comprehensive standard and original typeface (2.B.H. Neumann and 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, lliffe Books Ltd., London, 1968). Verschiedene Ausführungsformen von Strahlungsdetektoren sind z.B. in den Schriften DE 3709201, GB 8211219, EP 0285961 beschrieben.F. Lieneweg, Handbook of Technical Temperature Measurement, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Brunswick, 1976; A. Vasko, Infrared Radiation, lliffe Books Ltd., London, 1968). Various embodiments of radiation detectors are known e.g. in DE 3709201, GB 8211219, EP 0285961.
Die Strahlungseinflüsse, die mit derartigen Detektoren zu messen sind, können sehr klein sein (bis < 10"9W), 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-Franzschen Gesetz verbundene Problem hinzu, daß gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind. Somit ist die thermische Leitfähigkeit der thermoelektrischen Wandler einschließlich Zuiö.wngen eine weitere statische und dynamische Bürde.The radiation effects to be measured with such detectors can be very small (up to <10 " 9 W), so that maximum sensitivity is required Further demands relate to the fastest possible response, which limits the heat capacity of the measuring system, in particular due to the dynamic load The problem with the use of thermoelectric transducers which is common in known thermal detectors is the problem associated with Wiedemann-Franz's law that good electrical conductors are also good conductors of heat.Therefore, the thermal conductivity of the thermoelectric converters, including Zuiö.wngen another static and dynamic burden.
Ein sehr genaues und elegantes digitalos Temperaturmeßverfahren beruht auf der Eigenschaft eines Quarzkristalls, seine auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Schwingungsfrequenz in Ab-A very accurate and elegant digitalos temperature measuring method is based on the property of a quartz crystal, its vibration frequency based on the piezoelectric effect in
Bernjaminson, Linear Quartz Thermometer, Instruments & Control Sytems Vol. 38 No. 10 (1965) 115-119; P. Schöltzel, Temperaturmessung mit Quarzsensoren, VDI-Z112 (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.Bernjaminson, Linear Quartz Thermometer, Instruments & Control Sytems Vol. 10 (1965) 115-119; P. Schöltzel, Temperature Measurement with Quartz Sensors, VDI-Z112 (1970) 14-18; H. Ziegler, temperature measurement with quartz crystals, Technical fairs 54 (1987) 124-129 or special issue sensors 88, (1988) 119-124]. However, applications of this temperature measuring method in radiation sensors have hitherto not become known.
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 efektromechanischer Oszillator mit einer temperaturabhängigen Frequenz, wobei die Temperaturabhängigkeit vom Schnittwinkel des Quarzes abhängig ist.Oscillating crystals are thin platelets made of trigonal crystalline α-quartz which are provided with electrodes and which can be given a thickness oscillation by applying an electrical voltage as a result of the piezoelectric effect. By electronic feedback creates an efektromechanischer oscillator with a temperature-dependent frequency, the temperature dependence of the intersection angle of the quartz is dependent.
Der Tei neraturgang des linearen Temperaturkoeffizienten α hat in Abhängigkeit vom Schnittwinkel Θ beim sogenannten AT-Schnitt eine Nullstelle, so daß die Frequenz des Quarzes f(T) = f0 (1 + aT) 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 technischenThe Tei neraturgang of the linear temperature coefficient α has a function of the intersection angle Θ in the so-called AT-section a zero point, so that the frequency of the quartz f (T) = f 0 (1 + aT) practically no longer depends on the temperature (R Bechmann, AD Ballato, TJ Lukaszek, Higher-order temperature coefficients of the elastic stiffness and compliances of alpha quartz, Proc. IRE 50 [1962] 1812-1822). This cutting angle is therefore today in almost all technical
Schwingquarzanwendunnen eingesetzt, wie z.B. bei der hochgenauen digitalen Zeitmessung oder der Schwingquarzmonitorierung von Schichtdicken in Beschichtungsprozessen. Für Temperaturmeßquarze ist dagegen der HT-Schicht 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 + aT ßT2 + ΓΤ3). Mit den für den HT-Schnitt typischen Temperaturkoeffizienten α = 90 · 10"6K"', β = 60· 10"9K"1, Γ = 30· 10'12K"1 ist die Nichtlinearität β/α kleiner 10"3; sie kannz. 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.Schwingquarzanwendunnen used, such as in the high-precision digital time measurement or quartz crystal monitoring of layer thicknesses in coating processes. The HT-layer, however, is advantageous for Temperaturmeßquarze because he α 1 provides a maximum linear temperature coefficient of about +90 x 10 "6 K""which corresponds to a frequency change of 0.001% per Kelvin in the application interval of 10 ..770 K. Although this is a small measuring effect, it can be easily evaluated with purely digital methods because of the high stability and precision of the quartz crystal An exact analysis of the temperature dependence of the resonance frequency yields weak, systematic terms of higher order according to f (T) = f 0 (1 + aT ßT 2 + ΓΤ 3). with typical for the HT-sectional temperature coefficient α = 90 × 10 "6 K"', β = 60 x 10 "9 K" 1, Γ = 30 x 10 "12 K" 1 the nonlinearity β / α is smaller than 10 " 3 and can be easily corrected with microprocessor systems, for example, so that an HT quartz crystal whose resonance frequency is almost linearly dependent on temperature is excellently suited as a temperature sensor calibrated sensors can be expected with an error of 0.002 K; Relative temperature measurements are even more accurate.
Über die o.g. Anwendungen hinaus sind durch die Schrift US 3164004 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 3531663).About the o.g. Applications also have become known by the document US 3164004 arrangements with quartz crystals, in which the chemical interaction of quartz crystals was used with ambient media for the selective detection of chemical processes. Furthermore, a quartz resonator with integrated heating element for measuring electrical quantities has been known (US 3531663).
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.However, the applicability of quartz crystal temperature sensors for the detection of radiation are contrary to the previously known embodiments, which in o.g. Literature are hermetically encapsulated sensor elements, wherein protective gases (eg helium) are used for the heat conduction from the capsule to the quartz crystal. As a result, known quartz crystal temperature sensors are exclusively touch sensors whose dynamic load results from the heat capacity of the actual sensor and the housing, ie. H. at any temperature change, this part must be heated or cooled. The application options are limited by the required immersion of the quartz crystal thermal sensor into the medium to be measured.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The aim of the invention is a sensitive and fast radiation sensor for detecting radiation-induced dissipation, in particular the universality and flexibility is to be increased. The radiation sensor should be simple in design and deliver measured values free from disturbing and distorting influences.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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.The invention has for its object to develop a radiation sensor for the detection of radiation-induced dissipation, which has a reduced static and dynamic burden by avoiding thermoelectric transducers and a reduced heat capacity. By immediate acquisition of digital signals, the forwarding and processing of the measured values should be free from disturbing or distorting influences.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strahlungssensor 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 Vegleichsschwingquarz-Sensorelement oder Kalibrierungen eingesetzt werden können. Prinzipiell unterliegt die Art der Strahlung keinerlei Einschränkungen. Besonders zweckmäßig ist der erfindungsgemäße Strahlungssensorjedochfürden Nachweis elektromagnetischer Strahlung.This object is achieved with a radiation sensor for detecting radiation-induced dissipation consisting of receiver surface and thermal detector in that the thermal detector is a quartz crystal sensor element having a temperature-dependent frequency and that the receiver surface is disposed directly on this. Arrangement and configuration of the receiver surface are generally not limited. It is also of secondary importance whether the oscillating quartz sensor element is so-called thickness oscillator or bending oscillator. It is essential only a maximum dependence of the oscillating crystal frequency of the temperature, which can be achieved, for example, in quartz quartz with the so-called HT section. If it comes to dissipative processes by irradiation of the receiver surface, the temperature change of the receiver surface due to the contact with the quartz crystal sensor element is transmitted to the quartz crystal and then detected as a frequency change. Thus, both a qualitative detection of the radiation-induced dissipation and / or a quantification of the heat or temperature change is possible, to which depending on the specific task relative measurements may also be used to a comparison oscillating quartz sensor element or calibrations. In principle, the type of radiation is subject to no restrictions. However, the radiation sensor according to the invention is particularly expedient for the detection of electromagnetic radiation.
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.Both for total radiation sensors and for selective sensors, it is advantageous if the receiver surface is an absorber layer which has a high absorption capacity in a broad spectral range. This absorber layer can be arranged on an electrode and / or the quartz crystal of the quartz crystal sensor element. Effectively effective absorber layers can be produced in a manner known per se from carbon and / or metal oxides and / or metals. The use of so-called metal sponges (eg platinum sponge) of highly dispersed metals is particularly favorable.
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 Absorberschiclit 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.Selective radiation sensors can be realized in a simple manner if the absorber layer further and / or downstream layers or layer systems are stored. It is expedient if the Absorberschiclit is part of an interference layer system, which is a resonance system in particularly favorable embodiments. With the radiation sensor according to the invention, a sensitive and rapid detection of radiation succeeds, whereby the universality and flexibility of the application have been extended. The radiation sensor is simple in design and allows the immediate acquisition of digital signals that can be forwarded and processed free of disturbing or distorting influences. By avoiding thermoelectric transducers and a reduced heat capacity, the static and dynamic load is significantly reduced. The reduction of the heat capacity is achieved by the radiation-induced dissipation takes place in or on a low-mass layered receiver surface on the quartz crystal temperature sensor. It is in principle conceivable that also subsequent processes of radiation-induced dissipation (for example change of the thermoelastic properties) or radiation (eg swelling) can be used for the detection and / or evaluation of the radiation.
Ausführungsbeispieleembodiments
Die Erfindung soll anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näherterläutert werden. Es zeigtThe invention will be closer exemplified with reference to the embodiment shown in the drawing. It shows
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.1: a schematic representation of the front (a) and side view (b) of the radiation sensor according to the invention on the basis of the detection of radiation-induced dissipation by means of quartz crystal sensor element in the form of a thickness oscillator preferably for the evaluation of CO 2 laser radiation.
Die in Fig. 1 dargestellten 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 Einfallsrichtung des Laserstrahls ist in Fig. 1 durch die Pfeilrichtung angegeben. In einer speziellen Ausführungsform wird die Strahlung eines CO2-Lasers mit der Wellenlänge 10,6Mm verwendet, die hinsichtlich der Energie- bzw. Leitungsflächendichte 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 Temperaturkoeffizent der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes maximiert ist, was z. B. durch den sogenannten HT-Schnitt realisiert werden kann.The illustrated in Fig. 1 embodiment of the radiation sensor according to the invention comprises a quartz crystal vibrating plate 1 with vibrationally located on opposite sides of the quartz crystal plate 1 electrodes 2, which have the configuration shown in Fig. 1, also common in conventional quartz crystal sensor elements configuration. According to the receiver surface 3 is arranged on one side of the quartz crystal plate 1 on an electrode 2, which is in a specific embodiment, an absorber layer, for example, gold or platinum sponge. The direction of incidence of the laser beam is indicated in Fig. 1 by the arrow direction. In a specific embodiment, the radiation of a CO 2 laser is used with the wavelength of 10.6mm, which is to be evaluated in terms of energy and line area density. The quartz crystal plate 1 is made of synthetic α-quartz and supported with elements not shown, which may be electrical supplies simultaneously. The realization of the quartz crystal sensor element is generally subject to no restrictions. However, for the sensitivity of the radiation sensor is essential that the linear temperature coefficient of the resonant frequency of the quartz crystal is maximized, which z. B. can be realized by the so-called HT-cut.
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/orier 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 Anliegen 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 + aT) ändert sich dabei im Anwendungsintervall von 10...770K mit dem für den HT-Schnitt charakteristischen linearen Temperaturkoeffizienten α von rund +90 · 10~eK~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 5T der Empfängerfläche 3, so kommt es auch im Quarzkristallplättchen 1 durch Wärmetransfer zu einer Temperaturänderung δΤ, die mit einer hohen Präzision und Stabilität durch elektronische Einheiten als Frequenzänderung ?5f = fo(1 + αδΤ) nachgewiesen werden kann. Bei entsprechender Kalibrierung des Schwingquarz-Sensorelementes beispielweise mit amtlich geeichten Platinwiderständen, können auch die entsprechenden Temperaturen mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden. Mit den so gewonnen 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, empfindflich ur.d stabil nachzuweisen, wobei die Realisierung von GesamtstrahUingssensoren der 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 eilindungsgemäße Strahlungssensor ist inbesondere für den infraroten Spektralbereich als IR-Detektor, Laserkalorimeter u.dgl. einsetzbar.However, if, in basically conceivable radiation sensors, subsequent processes of radiation or radiation-induced dissipation are to be used to detect and / or evaluate the radiation, it is also possible to use quartz crystals having a temperature-independent frequency which, for example, have the so-called AT section. As electrodes 2 are vapor-deposited and / orier burned metal coatings of silver, gold or other precious metals. These electrodes 2 are connected via not shown electrical connecting elements with electronic units, also not shown, which are used to supply an excitation voltage, the Meßsignalgewinnung and the compensation of systematic errors. The receiver surface 3 can be used as absorber layer by means of known coating methods, such as. B. vapor deposition or sputtering in compliance with the required for the respective layer-forming substance or for the absorption properties deposition conditions are produced. It is particularly expedient if, by known variation of the deposition conditions, one of the electrodes 2 and the receiver surface 3 are produced in a single process step, for example, by the transition from gold to gold sponge. Adhesion promoters between the gold electrode and the quartz crystal plate may be appropriate. By the electrode arrangement shown in Fig. 1 is achieved when applying oscillating voltages with reference values of a few volts that the quartz crystal plate 1 is caused due to the piezoelectric effect in a thickness-shear vibration. The temperature response of this frequency has a maximum in the so-called HT cut. The frequency of the quartz f (T) = f 0 (1 + aT) changes in the application interval of 10 ... 770K with the linear temperature coefficient α of about +90 · 10 ~ e K ~ 1 characteristic of the HT-cut about 0.001% per Kelvin. If, due to irradiation of the receiver surface 3, for example due to intense CO 2 laser radiation (continuous wave or pulse) due to absorption processes to a temperature change 5T of the receiver surface 3, it comes in the quartz crystal wafer 1 by heat transfer to a temperature change δΤ, with a high Precision and stability by electronic units as a frequency change? 5f = fo (1 + αδΤ) can be detected. With appropriate calibration of the quartz crystal sensor element, for example, with officially calibrated platinum resistors, the corresponding temperatures can be determined with high accuracy. With the measured quantities thus obtained, properties of the radiation, for example the energy and power area density can be determined. With the radiation sensor according to the invention succeeds in an experimentally and methodically simple way to detect radiation qualitatively and quantitatively fast, sensitive ur.d stable, the realization of GesamtstrahUingssensoren the selective radiation sensors in a simple manner with easy signal interpretation is possible. Since the type of radiation is generally subject to no restrictions, there is a high degree of universality and flexibility of the application. Thanks to the immediate acquisition of digital signals, the measured values obtained can be processed and forwarded free of disturbing or distorting influences. The static and dynamic properties of the radiation sensor are improved in particular by avoiding thermoelectric transducers and by reducing the thermal capacity of the sensor. The Eilindungsgemäße radiation sensor is in particular for the infrared spectral range as an IR detector, laser calorimeter and the like. used.
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