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Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Strahlungsenergie Die Erfindung
bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Nachweis von Strahlungsenergie,
insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Ändern oder Modulieren der Größe
eines elektrischen Stromes in Abahängigkeit von gleichförmiger oder schwankender
Strahlungsenergie, wie beispielsweise Licht- oder ÄVärmeenergie.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, elektrische Energie entsprechend
den Änderungen einer bestimmten Strahlungsenergie mit einer Empfindlichkeit zu steuern,
die um mehrere Größenordnungen höher ist als die Empfindlichkeit, die sich mit den
zur Zeit bekannten Verfahren und Vorrichtungen erzielen läßt. Die Erfindung kann
man dazu anwenden, die Gegenwart von Strahlungsenergie dadurch anzuzeigen, daß in
dem Widerstand eines Leiters, auf den die Strahlungsenergie auffällt, eine außerordentlich
starke Zunahme erfolgt. Weiterhin kann man die erfindungsgemäße Anordnung dazu verwenden,
einen elektrischen Strom zu modulieren, der durch einen derartigen Leiter fließt,
da sich der Widerstand dieses Leiters mit der Stärke der auffallenden Strahlungsenergie
ändert.
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Der Widerstand eines Drahtes oder eines andersartigen Leiters nimmt
mit abnehmender Temperatur ab und nimmt bei einer kritischen Sprungtemperatur plötzlich
den Wert Null an. Diese Sprungtemperatur ist für die verschiedenen Metalle verschieden
und liegt in der Nähe des absoluten Nullpunktes. Der Übergang von der normalen Leitfähigkeit
zu der sog. Supraleitfähigkeit findet in einem Temperaturbereich statt, der nur
einige Hundertstel oder einige Tausendstel eines Grades beträgt. Der Übergangsbereich
(Sprungbereich) hängt von dem speziellen
Leitermaterial ab. Änederungen
der Temperatur in der angegebenen Größenordnung, die durch die Strahlungsenergie
in geeigneten -Leitern erzeugt werden rufen demnach beträchtliche Widerstandsänderungen
hervorinsbesondere deshalb. da die spezifische Wärme bei Temperaturen in der Nähe
des absoluten Nullpunktes außerordentlich klein wird, so daß ein gegebener Betrag
einer absorbierten Energie eine viel größere Temperaturzunahme hervorruft als bei
normalen Temperaturen.
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Die Strahlungsenergie, die auf einen Supra leiter von der Form eines
kleinen Metall streifens oder -films auffällt. d. h. auf einen Streifen, dessen
Temperatur unmittelbar unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei welcher der Streifenwiderstand
gleich Null wird, kann die Temperatur des Streifens um einen kleinen Bruchteil eines
Grades erhöhen.
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Diese geringe Temperaturzunahme ruft einen Widerstand des Streifens
hervor, der einen sehr großen Wert von beispielsweise iooo Ohm hat. Infolgedessen
ändert sich die Größe eines durch den Streifen fließenden Stromes über einen großen
Bereich in Abhängigkeit von der Temperatur, die der Leiter unter dem Einfluß der
Strahlungsenergie angenommen hat. Diese Stromänderungen können nullmehr AIeß- oder
Steueranordnungen betätigen. Es sind Verfahren zum Nachweis gleichförmiger oder
schwankender Strahlungsenergie durch Widerstandsänderung eines Leiters bekannt,
dessen Temperatur durch die auf ihn gelenkte Strahlungsenergie geändert wird. Die
Erfindung besteht gemäß den obigen Ausführungen darin, daß bei einem Verfahren der
eben genannten bekannten Gattung die Leitertemperatur bis zu der Sprungtemperatur
in der Nähe des absoluten Nullpunktes erniedrigt wird, bei rrelcher der Leiter innerhalb
weniger Tausendstel eines Grades von der normalen Leitfähigkeit zur Supraleitfähigkeit
übergeht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Leiter,
auf den die Strahlungsenergie gelenkt wird, auf einer Temperatur unmittelbar unter
der Sprungtemperatur gehalten, so daß der Leiter bei der getingsten Temperaturerhöhung
die Supraleitfähigkeit verliert.
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Eine außerordentlich große Empfindlichkeit kann man dadurch erhalten,
daß man die erhitzende Wirkung der aufgenommenen Strahlungsenergie durch einen relativ
starken Ruhestrom unterstützt, der durch den Streifen fließt. Solange die Temperatur
des Streifens unterhalb der Sprungtemperatur liegt, übt dieser Ruhestrom iiberhaupt
keinen Erhitzungseffekt auf diesen Streifen aus. Wenn dagegen der Streifen eine
Temperatur annimmt, die genau der Sprungtemperatur benachbart ist, ruft eine Zunahme
der Temperatur eines kleinen Teiles des Streifens, die durch die aufgenommene Strahlungsenergie
erzeugt wird, für den Streifen einen bestimmten Widerstand hervor, so daß der Rubestrom
nunmehr den Streifen weiter erhitzen I;ann, so daß die Temperatur noch weiter steigt
und somit eine weitere Widerstandszunahme des Streifens erreicht wird. Die Empfindlichkeit,
die sich auf diese Weise erreichen läßt, ist so groß, daß bei geeigneter Bemessung
des Streifens bereits eine Energie von dem Betrage weniger Energiepllanten nachgewiesen
werden kann. Es ist daher möglich, mit einem solchen Verfahren winzige Beträge strahlender
Energie nachzuweisen und zu messen und außerordeiitlieh kleine Schwankungen des
Betrages der strahlenden Energie zur Älodulation elektriseiler .trc,me auszunutzen.
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Der Streifen, der zur Aufnahme der Strahiungsenergie dient, wird
vorteilllaf. mit Hilfe eines verflüssigten Gases, wie z. B. flüssiges Helium, auf
der notwendigen niedreiben Temperatur gehalten. wobei das verflüssigte Gas in Wärmeaustausch
mit den Streifen steht. Um die Temperatur auf den höchstmöglichen Wert zu bringen
oder die gewünschte Empfindlichkeit zu erreichen, d. h. auf einen Wert, der unmittelbar
unter der Sprungtemperatur liegt, kann der Druck des verflüssigten Gases geändert
werden dadurch daß der Stromfluß durch den Streifen oder durch einen Hilfsstreifen,
der mit dem ersten Streifen in Wärmeaustausch steht, geändert wird, oder dadurch,
daß der Streifen der Wirkung eines magnetischen Feldes lusgesetzt wird, wobei der
kühlende Einfluß eines magnetisehen Feldes auf Stoffe mit Temperaturen in der Nähe
des absoluten Nullpunktes ausgenutzt wird.
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Die Erfindung hat sich also die Aufgabe gestellt, außerordentlich
verbesserte Verfahren und Apparate zur Steuerung von elelifrischer Energie in Abhängigkeit
von der Stärke strahlender Energie zu schaffen. Weiterhin ermöglichen diese Verfahren
und Anordnungen zur Erzeugung von elektrischen Stromschwankungen Reproduktionen
dieser Schwankungen in einem außerordentlich großen Ausmaß. Insbesondere besteht
die Aufgabe der Erfindung darin, elektrische Steuervorrichtungen zu schaffen, die
einen elektrischen Leiter enthalten, eine Kühlanordnung, um den Leiter auf einer
Temperatur zu halten, die unmittelbar unter der Sprungtemperatur liegt, einen Stromkreis
für den leitenden Streifen. der aus einer Stromquelle und einem Meßgerät oder anderen
Ausgangselementen besteht und Anordnungen,
die dazu dienen, die
Strahlungsenergie auf den leitenden Streifen zu richten.
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Die Erfindung wird nun an den Figuren näher erläutert.
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Fig. I ist eine graphische Darstellung, in welcher die Widerstandsänderung
verschiedener Leiter in der Umgebung ihrer Sprungtemperatur dargestellt ist.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung, die die Merkmale der Erfindung
zum Ausdruck bringt.
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In Fig. 3 wird perspektivisch eine Anordnung dargestellt, die mehrere
leitende Streifen enthält.
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In Fig. 4 wird ein Querschnitt durch den endgültigen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.
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Die Ordinaten für die Kurven in Fig. I sind die Verhältnisse der
Widerstände zu dem Widerstand bei 4,2°K, während dieAbszissen auf der unteren Seite
der graphischen Darstellung den lleliumdruck in Millimeter Quecksilber und auf der
oberen Seite in Graden der absoluten Temperatur angeben. Die Kurve I entspricht
dem Widerstandsverlauf einer Probe aus reinem unikristallinem Zinn.
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Die Kurve 2 entspricht dem Widerstandsverlauf einer Probe von vielkristallinem
Zinn, während die Kurve 3 dem Widerstandsverlauf einer Probe von vielkristallinem
Zinn mit Verunreinigungen entspricht. Die scharfen Knicke in den Kurven entsprechen
den kritischen Sprungtemperaturen der einzelnen Stoffe. Die Probe, die durch die
Kurve I gekennzeichnet ist, weist eine außerordentlich scharfe Biegung in der Übergangsstelle
auf.
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Mit einem derartigen Material kann man infolgedessen einen Leiter
herstellen mit einer außerordentlich großen Empfindlichkeit, da bei einer äußerst
geringen Temperaturzunahme eine außerordentlich große Widerstandszunahme erzielt
wird. Mit einem Leiter, der aus der Probe 3 hergestellt ist, läßt sich nicht eine
so große Empfindlichkeit erreichen wie -.nit der Probe der Kurve 1. Wenn man aber
die Konstanten des Leiters so wählt, daß der Temperaturbereich im Betriebe nur die
geradlinigen Teile der Kurve in der Nähe von 3,730 K umfaßt, erhält man eine Widerstandsänderung,
die der auffallenden Energie proportional ist.
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Bei der Anordnung, die schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, bedeutet
10 den leitenden Streifen, der auf einer Quarzplatte 11 angebracht ist. Dieser Streifen
10 besteht aus einem geeigneten Leitermaterial, wie bei spielsweise Zinn. Er kann
etwa 0,I mm breit, 1 cm lang und o,oI.mm dick sein. An Stelle von Zinn können auch
andere geeignete Stoffe, wie beispielsweise Blei, mit einer kritischen Temperatur
von 70 K, Aluminium mit 10 K, Niobium mit 9 K und Niobiumcarbid mit 100 K verwendet
werden.
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Der leitende Streifen, der von der Strahlung beeinflußt werden soll,
wird in einem gasdichten Gefäß 12 untergebracht, das vor--teilhaft aus Glas besteht
und durch die Röhren I3 und 14 mit einer Kühlapparatur 15 verbunden ist, die das
Innere des Gefäßes 12 unter die Sprungtemperatur des leitenden Streifens ablçühlt.
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Die Polschuhe 16 und I7 eines Elektromagneten sind auf jeder Seite
des Gefäßes I2 derart angebracht, daß ein magnetisches Feld um den leitenden Streifen
erzeugt wird, um seine Temperatur genauer einstellen zu können.
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Die eingeführten Leiter 18 und 19 verbinden den leitenden Streifen
mit einer äußeren Schaltung, die eine Stromquelle 20, einen veränderlichen Widerstand
21 und cia Meßgerät, z. B. ein Milliamperemeter 22, aufweist. Eine Steuerapparatur
23 ist in diesem Kreis parallel zu dem leitenden Streifen eingeschaltet. Diese Apparatur
23 kann eine Elektronenverstärkerröhre enthalten, die die Potentialveränderungen
längs des leitenden Streifens verstärkt.
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Ein lgondensor- oder Linsensystem 24 kann dazu verwendet werden,
die Strahlungsenergie, die nachgewiesen werden soll, auf den leitenden Streifen
zu konzentrieren.
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Bei dem Aufbau der Fig. 3 werden leitende Streifen 30, 3I und 32
mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen auf einer Quarzplatte 33 angebracht und
über geeignete Schaltungselemente (variable Widerstände 34, 35 und 36 und Milliamperemeter
37, 38 und 39) mit der Stromquelle 40 verbunden. Die Steuerapparatur 41 ist parallel
zu dem leitenden Streifen 31 geschaltet, der durch die auftretende Strahlungsenergie
beeinflußt werden soll. einer dieser Streifen 30 oder 32 oder, falls erforderlich,
beide dieser Streifen können dazu verwendet werden, die Temperatur der Anordnung
durch geeignetes Einstellen des Stromes, der durch sie hindurchtließt, zu steuern.
Wenn nur einer der beiden Streifen für die Einstellung der richtigen Temperatur
verwendet wird, kann der andere Streifen dazu verwendet werden, die Temperatur dadurch
zu bestimmen, daß der Strom für geeignete Einstellungen des veränderlichen Widerstandes
gemessen und nach einer vorher aufgenommenen Eichkurve beurteilt wird.
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Vorteilhaft werden die beiden Streifen 30 und 32 aus einem leitenden
Alaterial hergestellt. daß eine Sprungtemperatur hat, die unter der Sprungtemperatur
des leitenden Streifens 3 r liegt, so daß diese Streifen unter den angegebenen Betriebsverhältnissen
oberhalb ihrer eigenen Sprungtemperatur arbeiten. und
zwar in einem
Bereich, in welchem der Widerstand sich gleichförmig mit der Temperatur ändert.
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Die Anordnung der Fig. 4 besteht aus einem Aufbau 50 mit leitenden
Streifen, 1er dem Aufbau der Fig. 3 entspricht. Diese Anordnung 50 ist in einem
Dewargefäß 51 mit evakuierten Gl aswänden untergebracht, welches in der Mitte eingeschnürt
ist und auf diese Weise eine untere und eine obere- Kammer 53 und 52 bildet. Die
Zuführungsleiter, die zu den leitenden Streifen führen, werden in eingeschliffenen
Glasstopfen 54 und 55 befestigt. Der Stopfen 54 ist mit einer Röhre 56 versehen,
die zu einem Behälter mit Helium zur Vakuumpumpe und zum Manometer führt, die nicht
dargestellt sind. Das Gefäß 5I ist in einem zweiten Dewargefäß j7 untergebracht,
das durch einen Korkstopfen 58 verschlossen ist, durch den das ZuF führungskabel
59 und dIe Röhre 56 durch geführt sind.
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Um die Vorrichtung in Tätigkeit zu setzen, wird die in dem Gefäß
jI enthaltene Luft durch Helium ersetzt und der Druck in dem Gefäß auf ungefähr
0,1 mm erniedrigt. Sodann wird in die Kammer 52 flüssiges Helium 60 eingefüllt und
wird unter einen solchen Druck gebracht, daß die Siedetemperatur unmittelbar unter
der Sprungtemperatur des strahlungsempfindlichen Streifens liegt.
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Die äußeren Stromkreise, die zu der Steueranordnung, zu der Meßeinrichtung
und zu den Stromquellen führen, können ebenso wie in Fig. 3 ausgeführt werden.
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Es ergibt sich, daß die Erfindung in Verfahren schafft, nach welchem
sich winzige tt.eträge strahlender Energie nachweisen lassen und wodurch ein elektrischer
Strom durch äußerst geringe Schwankungen strahlen der Energie moduliert werden kann.
Da die Empfindlichkeit des Verfahrens und der Anordnung sich nicht auf die Strahlungsenergie
gewisser Wellenlängen beschränkt, wie es etwa bei Photozellen der Fall ist, läßt
sich die Erfindung besonders auch für den Nachweis und für die Messung geringer
infraroter Strahlungsenergien verwenden, obwohl sich die Erfindung nicht auf eine
derartige Strahlung beschränkt, sondern für jede Strahlung geeignet ist, durch die
die Temperatur des leitenden Streifens beeinflußt wird.