DE836410C - Optisches Durchstrahlungsverfahren fuer stark absorbierende Medien - Google Patents

Description

• Optisches Durchstrahlungsverfahren für stark absorbierende Medien Die Aufgabe, optisch sehr stark absorbierende Niedien zu durchleuchten liegt vor bei optischer Kontrolle voll Werkstoffen schlechter Transparenz, bei der Übertragung optischer Signale durch atmosphärischen Dunst oder Nebel auf Entfernungen einer der optischen Sichtweite sowie bei der Signalisierung unter Wasser, z. ]J. vom Taucher zum Schiff.
• Slaii hat versucht, eiiierseits die Lichtquellen mehr und mehr zu verstärken, andererseits als Empfänger empfindliche Photozellengeräte einzusetzen. Eine erhebliche Steiggerung gewann das Verfahren durch Einsetzung modulierten Leichtes als Strahlungsquelle und Verwendung von Wechselspannungsverstärken hinter der Photozelle zur Aufnahme des lichtes hinter dein absorbierenden Medium. Iu der Praxis gelangen Durchleuchtungen von Absorptionen bis etwa Ios unter Ausnutzung der genannten technischen Hilfsmittel zur Anwendung.
• Der Gedanke der Erfindung ist, als Lichtquelle einen besonderen elektrischen Funken zu verwenden, dessen Leuchtdichte mehrere Zehnerpotenzen über den bisher bekannten Lichtquellen liegt. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Selbstinduktion des Entladungskreises so dimensioniertwird, daß der entstehende elektrische Funke größer oder gleich dem aperiodischen Grenzwiderstand des Kondensatorentladungskreises ist.
• Fig. I zeigt das Prinzipschaltbild eines Funkenentladungskreises. Der auf Hochspannung aufgeladene Kondensator I liegt an den Elektroden 2 und 3 eines Entladungsgefäßes 4; zusätzlich dient eine entweder konzentrisch oder als seitlicher Zündstift angeordnete Hilfselektrode 5 zur Auslösung der Entladung, indem an sie ein Hochspannungsstoß gelegt wird. Der Induktivität der Zuleitungen 6 des Kondensators I zu den Elektroden 2 und 3 kommt nach den wissenschaftlichen Arbeiten des Erfinders eine ausschlaggebende Bedeutung zu. Nach Toepler ist der Widerstand des elektrischen Funkens RF = k.l.p/C.U .
• Darin ist k die Toeplersche Funkenkonstante, in der Praxis etwa 0,2 . 10 - 3, l die Länge des Funkens in Zentimeter, p der Druck im Entladungsraum in Atmosphären, C die Größe des Kondensators in Farad, U die Ladespannung des Kondensators in Volt.
• Der Erfinder betrachtet erstmalig den Funkenwiderstand als Verbraucherwiderstand in einem elektrischen Schwingungskreis. Ein elektrischer Schwingungskreis mit der Selbstinduktion L und der Kapazität C sei durch den Serienwiderstand R gedämpft. Der aperiodische Grenzfall der Entladung liegt vor. wenn ist. I)er aperiodische Grenzfall ist die Form der Umwandlung potentieller Energie in eine andere Energieform, bei der zur Umwandlung die kürzestmögliche Zeit benötigt wird. Elektrisch wird also der Funke in einem Entladungskreis dann die größte momentane Leistung verarbeiten, wenn sein Widerstand gleich dem aperiodischen Grenzwiderstand des aus Kondensator und Selbstinduktion gebildeten Entladungskreises ist. Es muß hierzu werden: R.
• Bei Verwendung von Edelgas ist k = 0,2 10-1.
• Für eine technische Ausführung wurde für die anderen Größen gewählt: 1 = I cm, p = 6 atm, C = 0,1 . 10-6 F, U = 104 V.
• I)ie geforderte Größe der optimalen Selbstinduktion 1 ist dann: 4L ~klp k212p2 C CU ausgerechnet: L = o,o36 ion H.
• Mit einem Entladungsgefäß und einer elektrischen Anordnung, die nach diesen Werten gebaut ist, erreichte der Erfinder momentane Spitzenleuchtdichten von 108 Hefner-Kerzen pro Quadratzentimeter. I)er elektrische Funke hat dabei einen Durchmesser von einigen Millimetern bei einer Länge von etwa 10 mm, so daß es möglich ist, einen technischen Parabolspiegel von 35 cm # auszuleuchten.
• Bei einer wirksamen Spiegelfläche von I000 cm2 erreichte die Anordnung eine Scheinwerferhelligkeit von momentan 1011 HK. Der zeitliche Verlauf derartig intensiver Funken ist in Fig. 2 dargestellt. Als Ordinate ist die relative Intensität aufgetragen, als Abszisse die Zeit.
• Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Impulslampe voll ausnutzen zu können, muß ein hierfür geeigneter Empfänger verwendet werden. Es wird daher eine Hochvakuumphotozelle oder ein photoelektrischer Vervielfacher benutzt, eine Anordnung also, die die optischen auftreffenden Strahlungsimpulse in gleichartige elektrische verwandelt. Es wird nun ebenfalls erfindungsgemäß ein nachfolgender Widerstandsverstärker verwendet, dessen Bandbreite so errechnet ist, daß alle Frequenzen, die sich aus der Fourierschen Zerlegung der Kurve nach Fig. 2 ergeben und deren Amplitude größer als 0,I der maxi malen Amplitude ist, in dem Verstärker voll verarbeitet werden. Für einen Kurvenlauf gemäß Fig. 2 ist eine Bandbreite von I00 000 bis 2 000 ooo Hz erforderlich. Bei Verwendung eines Photovervielfachers mit einer Verstärkungsziffer von I04 und einem Widerstandsverstärker mit der Verstärkungsziffer von 104 bei einer Bandbreite von 0,1 bis 2 Mhz sind die dem Stande der Technik entsprechenden Möglichkeiten erschöpft, eine weitere Steigerung der Verstärkung sowohl auf der Vervielfacherseite wie auch auf der Verstärkerseite, erhöhen Signal und Widerstandsrauschen der Anordnung in gleicher Weise. Hinter dem Verstärker können technisch gebräuchliche Indikatoren, z. B.
• Kippschaltungen mit Thyratrons oder Oszillatorröhren, betrieben werden.
• Mit der vorbeschriebenen Anordnung, gekennzeichnet durch die Verwendung des hochgezüchteten elektrischen Funkens auf der Senderseite und des auf den zeitlichen Verlauf des Funkens abgestimmten Verstärkers auf der Empfangsseite, verbunden mit einer spektral richtig dimensionierten Photozelle, gelingt die Durchleuchtung sehr starker Absorptionen von etwa 1015. Eine weitere Steigerung kann man erfindungsgemäß dadurch erhalten, daß man eine Photozelle mit einer Photokathode verwendet, die ihr Empfindlichkeitsmaximum im Maximum der Impulsstrahlung der Kondensatorentladungslampe hat. Bei Verwendung von Argon als Füllgas liegt dieses Strahlungsmaximum nach Messungen des Erfinders in Spektralgebiet zwischen 45(H350 m tt. In diesem Spektralbereich hat die Cäsium-Antimon-Photokathode die beste Quantenausbeute. Erfidnungsgemäß wird daher vorgeschlagen, eine Cäsium-Antimon-Kathode zur Aufnahine des Funkenlichtes zu verwenden.
• Um die eingangs erwähnte sehr kleine Induktivität vqn 0,036 10-6 JJ für den gesamten Entladungskreis konstruktiv zu schaffen, muß ein extrem induktionsarmer Kondensator verwendet werden. Desgleichen muß bei der Leitungsführung zu den Elektroden auf äußerst kleine Induktivität geachtet werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den einen Pol des Kondensators unmittelbar mit der einen Elektrode des Entladungsgefäßes zu verbinden, den anderen an der entgegengesetzten Kondensatorseite herausgeführten dagegen mittels eines käfigartig den Kondensator und das Entladungsgefäß umschließenden Leitersystems zu der zweiten Elektrode zu führen. Die käfigartige Struktur hat dabei die Aufgabe, durch die Maschen des Käfigs mit nur sehr geringem Verlust das Licht hindurchzulassen, für die Stromleitung jedoch den Charakter eines konzentrischen Leitungssystems zu wahren. In einfachen Fällen reicht es aus, die mechanischen Haltebolzen, die das Entladungsgefäß mechanisch zusammenspannen, als käfigartige .Stromleitung zu benutzen.
• Bereits bei Atmosphärendruck ergibt Edelgas hohe Lichtausbeute bei Funkenentladungen. Nach Messungen des Erfinders steigt die Spitzenleuchtdichte im Augenlilick der intensivstenLichtemission etwa linear mit dem Druck des Füllgases an. Ertindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, als Füllmedium für die zur Ausübung des Verfahrens benötigten Impulslichtquellen Edelgase von mehr als einer Atmosphäre Druck zu verwenden.
• Wie eingangs erwähnt, hat man nur dann Aussicht, den Funkenwiderstand gleich dem aperiodischen Grenzwiderstand des Entladungskreises zu machen, wenn die Induktivität des Entladungskreises extrem klein, z. 13. 0,036 µH ist. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Induktivität des gesamten Entladungskreises kleiner als io-7 H zu maclieii. Häufig gestellt das iledürfuis, unmittell>ar tlurch den gezündeten elektrischen Funken der Impulslichtquelle ein Oszillographensystem auszulösen, das zur Nlessung der Laufzeit des Lichtstrahles, z. B. für Messung von Entfernungen oder Kontrolle der Lichtgeschwindigkeit, geeignet ist.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen solchen Auslöseimpuls mittelbar oder unmittelbar von einem stromdurchflossenen Leiterteil der Impulslichtquelle abzunehmen, so daß eine automatische Synchronisation zwischen Oszillograph und Impulslichtquelle gegeben ist.

Claims (7)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Optisches l)urchstrahlungsverfahren für stark absorlierende SIedien, bei dem als Lichtquelle ein elektrischer Funke verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstinduktion des Entladungskreises so dimensioniert ist, daß der entstehende elektrische Funke größer oder gleich dem aperiodischen Grenzwiderstand des Kondensatorentladungskreises ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Funkenlichtes ein photoelektrischer Lichtempfänger mit nachfolgendem Verstärker verwendet wird mit einer solchen Bandbreite, daß die dem zeitlichen Verlauf des Funkenlichtes entsprechenden elektrischen Frequenzen verarbeitet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung des Entladungsgefäßes ein extrem induktionsarmer Kondensator verwendet wird, dessen einer Beleg mit einer Elektrode des Entladungsgefäßes kürzestmöglich verbunden ist und dessen anderer Beleg mittels einer käfigartig das Entladungsgefäß umschließenden Zuleitung zu der zweiten Elektrode desselben geführt ist, dergestalt, daß die optische Strahlung des elektrischen Funkens durch die Fenster des Käfigs nach außen gelangt.
4. 4. Verfahren zur Ausübung des Anspruchs I, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß mit Edelgas von mehr als I atm Druck gefüllt ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des gesamten Entladungskreises kleiner als I0- H ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für automatische oder auf Zeitmessungen die Auslösung des elektrischen Funkens gemäß Anspruch 1 mittelbar oder unmittelbar durch das elektrisch verzögerte Empfangssignal des Verfahrens nach Anspruch 2 erfolgt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch I und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumphotozelle des Empfängers eine Photokathode hat, die ihr spektrales Empfindlichkeitsmaximum im Strahlungsmaximum. des Funkenlichtes hat, vorzugsweise zwischen 300 und 500 m,t4.