1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 162<br />
322 6.3 Thermische Photosensoren (Bolometer) 6.4 Photokathoden und -multiplier 323<br />
sors, wie z.B. seinen Widerstand, ändert. Dabei kann <strong>die</strong> Energieaufnahme durch <strong>die</strong> Erzeugung<br />
Joulescher Wärme (Band 11, Abschnitt 1.1.6) erfolgen, aber auch aufgrund anderer<br />
Mechanismen, wie z.B. dadurch, daß optisch angeregte Elektronen nichtstrahlend<br />
rekombinieren, indem sie ihre Energie an das Festkörpergitter abgeben.<br />
Die zeitliche Änderung der Temperatur T bei Aufnahme der Strahlungsleistung P<br />
wird durch <strong>die</strong> bereits (3.3.4-11) behandelte Differentialgleichung mit der Lösung<br />
(3.3.4-12) beschrieben:<br />
Dabei bezeichnet T u <strong>die</strong> Umgebungstemperatur, G th =1/R th ist der Wärmeableitungskoeffizient,<br />
C th <strong>die</strong> Wärmekapazität und τ th <strong>die</strong> thermische Zeitkonstante. Schnelle<br />
thermische Sensoren erfordern also nach (2b) niedrige Wärmekapazitäten (z.B. durch<br />
Verwendung sehr kleiner oder dünner Sensoren) und hohe Wärmeableitungskoeffizienten<br />
(Verwendung stark wärmeleitender Substrate). Große Temperaturerhöhungen und<br />
damit große Empfindlichkeiten lassen sich hingegen nach (2a) mit kleinen Wärmeableitungskoeffizienten<br />
erzeugen, so daß bei thermischen Photosensoren ein Kompromiß<br />
zwischen Empfindlichkeit und Ansprechzeit gefunden werden muß.<br />
Die Messung (Auslesung) der Temperaturerhöhung ist besonders empfindlich bei<br />
Sensoren mit einer Ausgangsgröße x, <strong>die</strong> mit einem hohen Temperaturkoeffizienten<br />
nach (3.1-2)<br />
Bei Bolometern mit Thermoelementen werden Werkstoffkombinationen mit hoher<br />
Thermospannung (Abschnitt 3.2.2) bevorzugt. Die Optimierung auf Empfindlichkeit<br />
ergibt Werte von 5 bis 25 V/W bei Ansprechzeiten von 10 bis 100 ms. Die Verwendung<br />
sehr dünner (0,1µm) Folien aus Silber und Wismut auf einem Berylliumsubstrat<br />
hoher Wärmeleitung führt zwar zu niedrigen Empfindlichkeiten (5·10 -4 V/W),<br />
aber Ansprechzeiten mit weniger als 15ns [6.7]. Ein empfindlicher Sensor mit Halbleiter-Thermoelementen<br />
wurde in Bild 3.2.2-2 beschrieben.<br />
In resistiven Bolometern werden vor allem Werkstoffe mit besonders großem TC R<br />
eingesetzt. Hierfür eignen sich Heiß- und Kaltleiter (Abschnitt 3.3.4), <strong>die</strong> sich auf relativ<br />
einfache Weise (Sintertechnik) mit geringen Wärmekapazitäten herstellen lassen. Noch<br />
weit höhere Temperaturkoeffizienten und damit Sensorempfindlichkeiten ergeben sich<br />
in der Umgebung der Sprungtemperatur vom supra- in den normalleitenden Zustand von<br />
Supraleitern (Band 1, Bild 4.2.1-9), <strong>die</strong>se erfordern aber eine Kühlung auf sehr niedrige<br />
Temperaturen. Die Anwendung keramischer Hochtemperatursupraleiter (Band 1, Bild<br />
4.2.1-12) wird in der Zukunft den Meßaufwand bei supraleitenden Bolometern wesentlich<br />
vereinfachen, Sensorempfindlichkeiten von 10 3 V/W sind bereits berichtet worden<br />
[6.8].<br />
Neben einer Vielzahl weiterer spezieller Ausführungsformen sei hier der Putley-Detektor<br />
erwähnt: Bei sehr niedrigen Temperaturen (4K) führt in Indiumantimonid <strong>die</strong><br />
Absorption thermischer Energie zur Bildung angeregter (heißer) Elektronen im Leitungsband,<br />
deren Leitfähigkeit auf <strong>die</strong>se Weise vergrößert wird. Hierdurch erhält man<br />
eine quadratische Abweichung vom ohmschen Gesetz [6.2]:<br />
<strong>die</strong> sich gezielt auswerten läßt. Der Einsatzbereich <strong>die</strong>ser Sensoren liegt bevorzugt oberhalb<br />
von 100µm Wellenlänge.<br />
verbunden ist. Charakteristisch für thermische Sensoren ist eine wellenlängenunabhängige<br />
Empfindlichkeit (thermischer Zähler in Bild 6.2-2). Sie werden bevorzugt in<br />
solchen Wellenlängenbereichen eingesetzt, in denen der Aufbau geeigneter Quantendetektoren<br />
(<strong>die</strong> im allgemeinen empfindlicher sind) einen zu großen Aufwand erfordert<br />
oder praktisch kaum durchführbar ist, z.B. im Bereich des fernen Infrarotlichts oder der<br />
Submillimeterwellen.<br />
Zu den thermischen Sensoren zählen auch <strong>die</strong> im Abschnitt 3.5 behandelten pyroelektrischen<br />
Sensoren. Weitere Ausführungsformen ergeben sich bei Anwendung von<br />
Thermoelementen, sowie generell von temperaturabhängigen Widerständen.<br />
6.4 Photokathoden und -multiplier<br />
Bei Photozellen wird der in Bild 6.1-2b beschriebene äußere Photoeffekt ausgenutzt<br />
(Bild 6.4-1).<br />
Eine Photoemission in das Vakuum wird dadurch erreicht, daß <strong>die</strong> Elektronen im Werkstoff<br />
der Photokathode durch eine Absorption der Photonenenergie so stark angeregt<br />
werden, daß sie anschließend ein Energieniveau oberhalb der Vakuumenergie besetzen<br />
(Bild 6.4-2).<br />
Durch eine starke Absenkung der Vakuumenergie an der Oberfläche kann bei NEA-<br />
Kathoden (Bild 6.4-2d) erreicht werden, daß im Prinzip alle optisch generierten Lei-