CH683880A5 - Photozelle, insbesondere zur Feststellung von UV-Strahlung. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Photozelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie sie aus der CH-PS 425 014 bekannt ist.

Eine solche Photozelle bildet ein photoelektronisches Bauelement, und zwar im allgemeinen eine Elektronenröhre, in der die Ladungsträgererzeugung wesentlich durch Elektronen beeinflusst wird, sogenannte Photoelektronen, die aus der Photokathode durch Bestrahlung befreit werden.

Unter Voraussetzung einiger idealisierender Annahmen sind die an der Kathode erzeugten Photoelektronen der Strahlungsleistung einer auf die Kathode auftreffenden monochromatischen Strahlung proportional, ferner auch der wirksamen Fläche der Photokathode, wobei dann eine konstante Strahlungsleistung vorausgesetzt wird. Man unterscheidet Vakuum-Photozellen und Gas-Photozellen. Bei beiden Arten werden die Photoelektronen durch ein zwischen Anode und Kathode bestehendes Feld von der Kathode zur Anode hin beschleunigt. Es versteht sich, dass das sich aus Kathode und Anode zusammensetzende Elektrodensystem einer solchen Photozelle aus elektrisch leitfähigem Material bestehen muss.

Bei Vakuum-Photozellen ist der Ladungsträgerstrom mit dem Photoelektronenstrom identisch. Die Photoelektronen werden an der Anode absorbiert.

Bei Gas-Photozellen Ionisieren die Photoelektronen das vorhandene Gas und erzeugen positive und negative Ladungsträger. Der Ladungsträgerstrom setzt sich aus den negativen, zur Anode hin beschleunigten Ladungsträgern und den positiven, zur Kathode hin beschleunigten Ladungsträgern zusammen.

Bei Gas-Photozellen, wie sie in UV-Detektoren zur Flammenüberwachung eingesetzt werden, leiten die durch die Photoelektronen generierten Ladungsträger Prozesse ein, die zu einer selbstständigen Entladung führen. Diese ist dadurch charakterisiert, dass der Ladungsträgerstrom nun unabhängig von den Photoelektronen und damit von der, diese Photoelektronen erzeugenden, Strahlung ist. Die Anzahl der an der Kathode zur Verfügung gestellten Photoelektronen bestimmt in diesem Anwendungsfall die Zeit, nach welcher, nach Anlegen einer Spannung, die das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode errichtet, die Photozelle vom stromlosen in den stromführenden und selbstständigen Entladungszustand übergeht.

In jedem Fall signalisiert der hervorgerufene Ladungsträgerstrom das Vorhandensein einer Strahlung, insbesondere einer ultravioletten Strahlung (UV-Strahlung).

Aufgrund der technischen Entwicklung auf dem Gebiet der UV-Detektoren zur Flammenüberwachung werden an die in solchen Detektoren verwendeten Photozellen stetig höhere Ansprüche hinsichtlich ihrer UV-Empfindlichkeit gestellt. Da andererseits die Hersteller solcher Detektoren natürlich bestrebt sind, die Typenvielfalt der von ihnen verwendeten Photozellen einzuschränken und den wirtschaftlichen Aufwand für neue, empfindlichere Photozellen möglichst gering zu halten, sind weitere Verbesserungen nur schwierig zu erzielen.

Eine bevorzugte Möglichkeit, die Empfindlichkeit einer UV-Photozelle zu steigern, besteht darin, die Wahrscheinlichkeit für das Auslösen eines Elektrons aus der Kathode zu erhöhen, was durch eine Ver-grösserung der Kathodenfläche erreichbar ist. Gerade aus diesem Grund verwendet man bereits seit längerer Zeit auch sogenannte Plattenelektroden, die aus Blech gestanzt sind. Wie sich herausgestellt hat, lässt sich dabei der grössere Aufwand für eine Plattenelektrode auf die Kathode beschränken, wie sich aus der DE-PS 3 715 924 der Anmelderin ergibt. Im erstgenannten Fall weist dabei die Fläche der Plattenkathode einen Neigungswinkel von 45° gegenüber der Längsachse der Photozelle auf.

Was die Käuferseite beziehungsweise die Hersteller der UV-Detektoren angeht, wünschen diese ausserdem noch die Beibehaltung der Belegung der Kontaktstifte hinsichtlich der Anschlüsse der Kathode und der Anode und die im wesentlichen unveränderte Beibehaltung des technisch genutzten Bereiches der räumlichen Verteilung der Strahlungsempfindlichkeit der von ihnen verwendeten Photozelle, da sie ihre Detektoren, in denen die neuen Photozellen Verwendung finden sollen, nicht ändern wollen.

Auf der Seite des Herstellers sollen etwa erforderliche Kostensteigerungen wirtschaftlich vertretbar sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird demnach darin gesehen, eine Photozelle der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Bauart zu schaffen, die eine grössere Empfindlichkeit gegenüber ultravioletter Strahlung aufweist bei gleicher Belegung der Kontaktstifte und ohne wesentliche Änderung der räumlichen Verteilungscharakteristik der Strahlungsempfindlichkeit, und zwar mit geringem technischem Aufwand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einer Photozelle mit zwei Drahtelektroden, deren effektive Bereiche aus im wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Abschnitten der beiden Drähte bestehen, mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei versteht es sich, dass die der Strahlung ausgesetzte Seite massgebend ist; die Pressung zwischen zwei flachen, zueinander planparallelen Stempeln wird jedoch bevorzugt, da am einfachsten, und ergibt zueinander planparallele Flächen im Bereich der resultierenden Verbreiterung und entsprechenden Ausdünnung durch das Pressen des die effektive Elektrode darstellenden Abschnittes des Elektrodendrahtes.

Durch diese Umformung derjenigen effektiven Elektrode, die als Kathode verwendet wird, ergibt sich allein durch die hervorgerufene Flächenver-grösserung eine grössere Empfindlichkeit gegen Strahlung, insbesondere UV-Strahlung. Da die Umformung lediglich die Elektrode betrifft, ist eine Änderung der Belegung der zugehörigen Kontaktstifte der Photozelle nicht erforderlich. Ferner ist der erfindungsgemäss erforderliche Pressvorgang fertigungstechnisch sehr einfach und wirtschaftlich unaufwendig.

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Die Grosse der durch die Umformung erzielten Fläche wird durch die gewünschte Stabilität des Elektrodensystemes einerseits und durch die unerwünschte Abweichung von der ursprünglichen Empfindlichkeitsverteilung andererseits bestimmt. Als geeignet hat sich eine Kathodenfläche von 7 mm2 (bei 1 mm Breite und 7 mm Länge) erwiesen.

Die durch Planpressung entstandene Kathodenfläche muss derart in einem Winkel zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte gedreht werden, dass einerseits die Charakteristik der Strahlungsempfindlichkeit weitestgehend unverändert bleibt, andererseits die Verzerrung des zwischen Anode und Kathode bestehenden elektrischen Feldes möglichst gering ist.

Die geringste Verzerrung des elektrischen Feldes ist gegeben, wenn die Kathodenfläche senkrecht zu der Ebene steht, die die Elektrodenabschnitte gemeinsam haben. Eine solche Lage ändert aber die Charakteristik der Strahlungsempfindlichkeit wesentlich. Unter Berücksichtigung beider Forderungen wird die durch die Planpressung entstandene Fläche unter einem Winkel von etwa 45° zur gemeinsamen Ebene der beiden Abschnitte geneigt angeordnet, zum Unterschied vom Stand der Technik gemäss DE-PS 3 715 924, bei dem, wie ausgeführt, eine Neigung lediglich gegenüber der Längsachse der Photozelle vorhanden ist. Der Erfindung entsprechende Überlegungen gelten auch bei zwei einander gegenüberliegend angeordneten Elektrodenflächen.

Eine Ausführung der erfindungsgemässen Photozelle mit einer plangepressten Kathode und einer üblichen Drahtanode bietet sich naturgemäss für den Gleichstrombetrieb an. Für den Betrieb mit Wechselstrom hingegen, bei dem die beiden Elektroden abwechselnd jeweils als Anode und Kathode dienen, ist es vorteilhaft, beide die effektiven Elektroden bildenden Abschnitt der Drähte planzupressen und die dabei entstandenen, einander zugekehrten Flächen derart anzuordnen, dass sie zwischen sich einen Winkel ß von etwa 90° einschlies-sen. In diesem Fall ist ein Strahlungseinfall in Richtung der Winkelhalbierenden natürlich am günstigsten, bei welchem ein Strahlungseinfall unter jeweils 45° zu den Flächen beider effektiven Elektroden gewährleistet ist.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen sind im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen im Vergleich mit dem Stand der Technik näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. I A bis Fig. 1 C Prinzipskizzen von verschiedenen Drahtelektrodenformen nach dem Stand der Technik in Schrägansicht:

Fig. II eine räumliche Empfindlichkeitsverteilung der Photozelle nach Fig. I A und Fig, III im Gleichstrombetrieb;

Fig. III eine das Elektrodensystem nach Fig. I A verwendende Photozelle in Seitenansicht;

Fig. IV die räumliche Empfindlichkeitsverteilung einer Photozelle nach Fig. V A bis V C;

Fig. V A bis Fig. V C eine erste Ausführungsform der Erfindung für Gleichstrombetrieb in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht mit zur Längsachse B geneigter Elektrodenanordnung:

Fig. VI A bis Fig. VI C eine im wesentlichen Fig. V A bis Fig. V C entsprechende Ausführungsform für Wechselstrombetrieb;

Fig. VII A bis Fig. VII C eine zweite Ausführungsform der Photozelle für Gleichstrombetrieb in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht mit zur Längsachse B paralleler Elektrodenanordnung;

Fig. Vili A bis Fig. Vili C eine Fig. VII A bis Fig. VII C entsprechende Ausführungsform der Photozelle für Wechselstrombetrieb;

Fig. IX A bis Fig. IX C eine dritte Ausführungsform der Photozelle für Gleichstrombetrieb wiederum in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht mit zur Längsachse B senkrechter Elektrodenanordnung;

Fig. X A bis Fig. X C eine Fig. IX A bis Fig. IX C entsprechende Ausführungsform der Photozelle für Wechselstrombetrieb.

Die in den Fig. I A, I B und I C schematisch gezeigten Elektrodensysteme bestehen jeweils aus vier Leitungsdrähten, nämlich 1, 2, 3 und 4, wobei jeweils die Drähte 1 und 2 einerseits und 3 und 4 andererseits einer Drahtelektrode 6 und 5 beziehungsweise 6a und 5a beziehungsweise 6b und 5b zugeordnet sind. Es handelt sich hier im wesentlichen um perspektivische Prinzipskizzen. Die diese Elektrodensysteme jeweils umgebende Hülle ist der Übersichtlichkeit halber in diesen Figuren weggelassen worden. Im übrigen sind im folgenden gleiche Teile immer mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die drei Ausführungsformen nach dem Stand der Technik gemäss Fig. I A bis Fig. I C unterscheiden sich voneinander hinsichtlich der Anordnung der effektiven Elektroden beziehungsweise der im wesentlichen zueinander parallel angeordneten Abschnitte 7, 8 beziehungsweise 7a, 8a, beziehungsweise 7b, 8b. Nur diese zueinander im wesentlichen parallelen Abschnitte der Elektroden sind wirksam beziehungsweise «effektiv» und bestimmen die Funktion und Empfindlichkeit der Photozelle.

Fig. III zeigt in schematischer Darstellung eine tatsächliche Ausführung einer Photozelle 11 nach Fig. I A in Seitenansicht, wobei lediglich zwei der vier sich nach unten durch den Boden 13 der für die Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, durchlässigen Hülle 14 dieser Photozelle 11 hindurch erstreckenden Kontaktstifte 3 und 4 sichtbar sind, die zwei weitere Kontaktstifte (1 und 2) verdecken, wie auch die Elektrode 5 die Elektrode 6 hier verdeckt. Die Fig. III stellt somit eine Seitenansicht in Pfeilrichtung A in Fig. I A dar.

Da diese Photozelle gemäss den Fig. I A und III mit Gleichspannung betrieben wird, somit stets dieselbe Elektrode als Kathode dient, ist die räumliche Empfindlichkeitsverteilung asymmetrisch. Fig. II zeigt eine solche Empfindlichkeitsverteilung. Die Kathode des in Fig. II in Draufsicht dargestellten Elektrodenpaares ist mit dem Buchstaben K, die Anode mit dem Buchstaben A gekennzeichnet.

Die Fig. V A, V B und V C zeigen nun eine erste Ausführungsform der Photozelle nach der Erfin-

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dung, die in ihrem Aufbau demjenigen der bekannten Photozelle nach den Fig. I A und III entspricht. Dies wird aus einem Vergleich von Fig. III mit Fig. V B besonders deutlich.

Der erfindungsgemässe Unterschied besteht nun darin, dass bei dieser für Gleichstrom bestimmten Ausführungsform einer der beiden Abschnitte 9, 9' der Drahtelektroden, nämlich der Abschnitt 9 der Drahtelektrode 5c, an seiner der Strahlung ausgesetzten Seite eine unter Verbreiterung des Drahtes plangepresste Fläche 10 aufweist. Diese Drahtelektrode 5c ist somit die Kathode, und zwar mit verbreiterter Kathodenfläche (Fläche 10), wohingegen die Elektrode 6c in üblicher Ausbildung als Anode dient. Die Bezeichnungen 13 für den Boden und 14 für die Hülle (zum Beispiel aus Quarzglas) wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen, zumal sie sich bei sämtlichen Ausführungsformen wiederholen würden. Es versteht sich, dass die jeweiligen Kontaktstifte 1 bis 4 in die jeweiligen Böden 13 (Fig. III) eingeschmolzen sind. Mit dem Bezugszeichen 12 ist der jeweilige Pumpstengel bezeichnet, durch den evakuiert beziehungsweise mit Gas gefüllt wird.

Es versteht sich, dass in Fig. V B die Elektrode 5c mit der Fläche 10 als Kathode vor der Elektrode 6c als Anode liegt, und diese aus Symmetriegründen verdeckt.

Die Photozelle gemäss den Fig. VI A, VI B und VI C entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen demjenigen der Photozelle nach den Fig. V A, V B und V C, jene Figuren zeigen die Ausführung für Wechselstrom, weshalb sowohl die Drahtelektrode 5c' als auch die Drahtelektrode 6c' eine durch Pressung zustandegekommene, verbreiterte Fläche 10 beziehungsweise 10' aufweisen. Fig. VI B zeigt die Rückseite des durch Pressung verbreiterten Abschnittes 10 der Elektrode 5c'. Es versteht sich, dass diese Ausführungsform für Wechselstrom bestimmt sein muss, da ja hier Anode und Kathode jeweils wechseln, weshalb die Verbreiterung der Kathodenfläche nur dadurch gewährleistet werden kann, dass beide effektiven Elektroden durch Pressung verbreiterte Abschnitte 10 beziehungsweise 10' erhalten.

Die Ausführungsform gemäss den Fig. VII A, VII B und VII C ist wiederum für Gleichstrom bestimmt, während die im Aufbau entsprechende Ausführungsform nach den Fig. Vili A, Vili B und VIII C wiederum für Wechselstrom bestimmt ist. Da bei diesen beiden Ausführungsformen die Anordnung in Anlehnung an den Stand der Technik gemäss Fig. I B getroffen worden ist, kann man die bevorzugte Anordnung der Kathodenflächen aus den Fig. VII C und Fig. Vili C besonders deutlich erkennen, da die effektiven Elektroden beziehungsweise Abschnitte 7a, 8a, hier parallel zur Zeichenebene angeordnet sind. Erfindungsgemäss sind auch hier plangepresste Abschnitte 10 beziehungsweise 10' vorhanden, welche die eingangs erläuterten vorteilhaften Wirkungen entfalten. Im Falle der Ausführungsform gemäss Fig. Vili A, Vili B und VIII C für Wechselstrom ergibt sich aus Fig. Vili C die bevorzugte Anordnung der beiden plangepres-sten Abschnitte 10 und 10' im Falle einer für

Wechselstrom geeigneten Photozelle 11, nämlich insofern, als die einander zugekehrten Flächen zwischen sich einen Winkel ß von etwa 90° einschlies-sen. Es versteht sich, dass diese 90°-Anordnung auch für die Wechselstrom-Ausführung nach den Fig. VI A, VI B und VI C zutrifft, auch wenn dies dort im Hinblick auf die Schräganordnung der Elektroden zur Zeichenebene nicht sichtbar wird.

Den Ausgestaltungen nach den Fig. IX A, IX B und IX C für Gleichstrom einerseits und den Fig. X A, X B und X C für Wechselstrom andererseits entspricht die bekannte Anordnung nach Fig. I C, wobei aus Fig. IX B die Anordnung der Fläche 10 unter dem Winkel (siehe auch Fig. VII C) gleich 45° und aus Fig. X B die Anordnung der beiden Flächen 10 und 10' unter dem Winkel ß gleich 90° hervorgehen.

Die erfindungsgemässen Ausgestaltungen richten sich in der Anordnung im Raum nach den in Fig. I A, I B und I C eingezeichneten Haupteinfallsrichtungen C, D, bzw. E der Strahlung, wobei diese Haupteinfallsrichtungen jeweils senkrecht zur Ebene der beiden effektiven Elektroden bzw. Abschnitte 7, 8 beziehungsweise 7a, 8a beziehungsweise 7b, 8b verlaufen. Für die Ausrichtung der plangepressten Elektroden gilt dann der oben aufgezeigte Zusammenhang.

Die Anordnung der plangepressten Elektroden gewährleistet weiterhin, dass in den Haupteinfallsrichtungen die Kathode nicht durch die Anode abgeschattet wird.

Fig. IV zeigt ein der Fig. II entsprechendes Empfindlichkeitsdiagramm für die Ausführung nach der Erfindung gemäss Fig. V A, V B und V C. Wie ein Vergleich der räumlichen Empfindlichkeitsverteilung, dargestellt in Fig. II, mit der in Fig. IV dargestellten zeigt, wird durch die Erfindung eine deutlich höhere Empfindlichkeit erzielt, und dies unter Beibehaltung der Charakteristik.

Wenn im Hinblick auf die Fig. I A, 1 B und I C von den jeweiligen Haupteinfallsrichtungen der Strahlung gemäss Pfeilen C, D und E die Rede war, so ändert dies natürlich nichts daran, dass die tatsächlich einfallende Strahlung bis zu 45° hiervon abweichen kann, wie weiter oben erläutert wurde. Dies ist beispielsweise in Fig. III, siehe den Pfeil F, der eine mögliche Einfallsrichtung für die Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäss Fig. I A und auch die Ausführungsform nach der Erfindung gemäss Fig. V A, V B und V C entsprechend Fig. IV zeigt.

Claims (2)

Patentansprüche

1. Photozelle (11), insbesondere zur Feststellung von UV-Strahlung mit zwei Drahtelektroden (5c, 6c; 5c', 6c), deren effektive Bereiche aus zwei im wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Abschnitten (9, 9') der beiden Drähte bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Abschnitte (9, 9') zumindest an seiner der Strahlung ausgesetzten Seite eine unter Verbreiterung des Drahtes plangepresste Fläche (10, 10') aufweist, und dass diese Fläche (10, 10') mit einem Winkel a von etwa 45° zur gemeinsamen

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Ebene der beiden Abschnitte (9, 9') geneigt angeordnet ist.

2. Photozelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abschnitte (9, 9') beidseitig plangepresst sind und die dabei entstandenen, einander zugekehrten Flächen (10, 10') zwischen sich einen Winkel ß von etwa 90° einschliessen.

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