1 Überblick über die Sensorik

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