DE2135101B2 - Detektormaterial für einen pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor - Google Patents
Detektormaterial für einen pyroelektrisch arbeitenden StrahlungsdetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Auswahl und Verwendung eines speziellen Materials als Detektormaterid in einem
pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor.
Ein pyroelektrisch arbeitender Strahlungsdetektor ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 34 80 777
bekannt. Bei dem bekannten Strahlungsdetektor besteht das Detektormaterial aus einem pyroelektrischen
kristallinen Material, an dessen Ober- und Unterseite Metallelektroden anliegen, die mit einem Verstärker
verbunden sind. Als geeignete Detektormaterialien werden namentlich Triglyzinsulfat (TGS), Kalium-Natrium-Tartrat,
Lithiumsulfat und Bariumtitanat genannt. Diese Materialien müssen in Form von Einkristallen
eingesetzt werden, was teilweise aufwendig ist und gewisse Einschränkungen in der Anwendung zur Folge
hat. Weiterhin wird lediglich in allgemeiner Form angegeben, daß auch andere Materialien, welche eine
pyroelektrische Wirkung aufweisen, als Detektormaterialien brauchbar seien.
Ausweislich dem Stichwort »Pyroelektrizität« in H. Franke, Lexikon der Physik (3. Auflage, Seite 1314)
unterscheidet die Fachwelt zwischen falscher und wahrer Pyroelektrizität. Die wahre Pyroelektrizität
beruht auf Änderungen des permanenten elektrischen Moments eines Körpers bei einer Temperaturänderung,
wodurch Änderungen der Oberflächenladung unmittelbar durch eine Temperaturänderung hervorgerufen
werden. Bei manchen Materialien kann eine solche Temperaturänderung mechanische Spannungen hervorrufen,
die ihrerseits Änderungen der Oberflächenladung zur Folge haben können; die letztere Eigenschaft wird
auch als falsche Pyroelektrizität bezeichnet, wäre jedoch korrekt als Piezoelektrizität zu bezeichnen. Bei
einem bekannten Elektreten wie dem Turmalinkristall beruhen 80 bis 90% der bei Temperaturänderung
auftretenden Oberflächenladung auf der Piezoelektrizität. Die typischen Eigenschaften eines Elektreten
müssen daher nicht notwendigerweise auf wahrer Pyroelektrizität beruhen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 19 61 504 ist
die Verwendung von Polyvinylidenfluorid als Elektret bekannt. Da jedoch die elektrischen Isoliereigenschaften
von Polyvinylidenfluorid im Vergleich zu anderen für Elektrete herangezogenen Materialien vergleichsweise
gering ist und auch der Glasübergangspunkt unterhalb der Normaltemperatur liegt, hat ein Elektret
aus Polyvinylidenfluorid im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der elektrischen Ladung nicht immer befriedigt.
Mit dieser Offenlegungsschrift wird deshalb vorgeschlagen, zur Herstellung eines verbesserten Elektreten
Polyvinylidenfluorid mit Polymethylmethacrylat zu mischen.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Detektormaterial für pyroelektrisch arbeitende Strahlungsdetektoren
der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach zugänglich ist, nicht in einkristalliner
Form eingesetzt werden muß und hohe Wirksamkeit gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Verwendung von Polyvinylidenfluorid
als Detektormaterial in einem pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor, wozu an dem
Detektormaterial Metallelektroden anliegen, und wenigstens eine Elektrode mit einer ein Signal liefernden
Einrichtung verbunden ist.
Polyvinylidenfluorid kann beispielsweise in Form von Folien aus halbkristallinem Material als Detektormaterial
in pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektoren eingesetzt werden; damit entfällt die bislang übliche
aufwendige Herstellung von Einkristallen.
Polyvinylidenfluorid gewährleistet wegen seines hohen pyroelektrischen Koeffizienten von angenähert
2 · 10-9 Coulomb/cm2 · 0C eine hohe Wirksamkeit bei
der Verwendung als Detektormaterial in pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektoren.
Für die Fachwelt erweist sich diese besonders vorteilhafte Eignung von Polyvinylidenfluorid als
Detektormaterial in pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektoren als ein überraschendes, nicht vorhersehbares
Ergebnis. So ist von anderen Forschern auf der Suche nach pyroelektrischen Materialien Polyvinylchlorid
untersucht worden (vgl. den Beitrag Nr. 28 175 j in CA.69, 2638 [1968]), dessen pyroelektrischer Koeffi-
jo zient lediglich angenähert 2 ■ 10-" Coulomb/cm2 ■ 0C
beträgt, so daß dieses Material für die Verwendung als Detektormaterial in pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektoren
praktisch nicht in Frage kommt. Weiterhin sind von wiederum anderen Forschern die
j5 piezoelektrischen Eigenschaften von Polyvinylidenfluorid
untersucht worden (vgl. Japan. J. Appl. Phy., 8, 975/976 [1969]), ohne daß diese Forscher den besonders
hoh'.n pyroelektrischen Koeffizienten von Polyvinylfluoriden festgestellt oder gar dessen hervorragende
Eignung als Detektormaterial in pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektoren erkannt hätten.
Polyvinylidenfluorid —(CH2—CF2fe~ weist wegen
der hohen Elektronegativitätsdifferenz zwischen Kohlenstoff und Fluor, sowie wegen der asymetrischen
4> Verteilung der Fluoratome ein hohes Gesamtdipolmoment
auf. Der pyroelektrische Effekt erfordert eine Ausrichtung der Dipolmomente. Dies kann durch
Anlegen eines elektrischen Feldes, in der Regel eines Gleichstromfeldes, geeigneter Stärke erreicht werden.
Vorzugsweise kann eine solche Ausrichtung oder Polung »eingefroren« werden, so daß das Material
remanente Polarisation zeigt, und das Feld während des Betriebs nicht aufrechterhalten zu werden braucht.
Andererseits kann bei bestimmten Betriebstemperaturen eine remanente Polarisation nicht auftreten, so daß
dann das Anlegen eines elektrischen Feldes erforderlich ist. Es wurde experimentell festgestellt, daß geeignete
Proben eine gewisse dipolare Relaxation während der Verwendung zeigen, so daß das Anlegen eines Feldes an
ein Material, welches remanente Polarisation zeigt, zu einer Verstärkung bzw. Erhöhung der Empfindlichkeit
bzw. des Ansprechens führen kann.
Für das erfindungsgemäß als Detektormaterial für pyroelektrisch arbeitende Vorrichtungen zu verwendende
Polyvinylidenfluorid ist eine kristalline Ordnung wünschenswert. Ein hoher Kristallförmigkeitsgrad von
wenigstens 10% auf der üblichen Basis, wie in »X-ray Properties of Polymers« von Alexander Wiley, 1969
(Kapitel 3) beschrieben ist, ist zweckmäßig. Eine solche kristallographische Orientierung kann bei üblichen
Folien leicht durch biaxiales Recken erzielt werden. Eine kurzzeitige oder ständige Polung erfordert das
Anlegen eines relativ hohen Feldes, das gewöhnlich eine Feldstärke in der Größenordnung von wenigstens
300 kV/cm haben muß; bei einer üblichen Folie mit einer Dicke von etwa 20 μΐη kann ein Feld von 600 V
ausreichen. Wie bei herkömmlichen ferroelektrischen Stoffen erlaubt eine Temperaturerhöhung eine Verringerung
der polarisierenden Felder. Eine anfängliche Polarisation bzw. Polung wird üblicherweise unter
Erwärmung des Materials bis nahe an dessen Schmelzpunkt durchgeführt; das Feld wird in der Regel
aufrechterhalten, wenn die Temperatur gesenkt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Polyvinylidenfluorid kann der Detektor so gedämpft sein, daß
er bei Frequenzen an den und oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenzen anspricht. Bei einer anderen
Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz benutzt, um den Frequenzbereich bzw. das Ansprechen des
pyroelektrischen Detektormaterials auf den Resonanzfrequenzen entsprechende Modulationsfrequenzen zu
erweitern; d. h., die Dämpfung wird vermieden.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 die erfindungsgemäße Verwendung von Polyvinylidenfluorid
in Verbindung mit zwei verschiedenen Ausführungsformen eines Strahlungsdetektors erläutert.
Der in Fig. 1 gezeigte Detektor 10 besteht aus einer Folie 11, die mit den Elektroden 12 und 13 belegt ist,
welche jeweils über Leitungen 14 und 15 mit einer Ausgabeeinrichtung 16 verbunden sind. Auftreffende
Strahlung 17 kann moduliert sein und ferner irgendeine Wellenlänge besitzen, welche von der Folie 11
absorbiert werden kann. Die Absorption kann innerhalb des natürlichen Absorptionsbereichs des Materials
liegen oder kann — alternativ — das Ergebnis einer äußeren Einwirkung, z. B. durch eine undurchlässige
Außenschicht oder ein beigemischtes absorbierendes Material sein. Die Elektroden 12 und 13 sind in der
Regel Flächenelektroden und können beispielsweise als Schichten aus einem haftfähigen Material wie etwa
einer Silberpaste ausgebildet sein. Die Elektrode 13 kann zusätzlich die Funktion haben, die pyroelektrische
Folie 11 in der Weise an einem Rahmen 18 anzubringen, daß vom piezoelektrischen Effekt herrührende mechanische
Vibrationen minimalisiert werden.
Für den dargestellten Detektor ist die Richtung des Gesamt-Dipolmoments durch die Dickenrichtung der
Folie 11 zwischen den Elektroden 12 und 13 gegeben. Sofern die Folie 11 remanente Polarisation bei der
Betriebstemperatur aufweist, wird dieses Gesamtmoment durch Kurzzeitpolung hervorgerufen, und eine
Aufrechterhaltung des elektrischen Feldes während des Betriebes ist nicht erforderlich. Unter anderen Umständen
kann jedoch ein solches Feld zweckmäßig sein. Das Feld kann entweder ein Gleichstrom- oder ein
Wechselstromfeld sein; in dem zuletzt genannten Fall ist die Frequenz des Feldes von der in Betracht stehenden
Modulations- oder Zwischenträgerfrequenz getrennt und kann an die Elektroden 12 und 13 angelegt werden.
In diesem Fall kann die ein Signal liefernde Einrichtung -, 16 mit einer elektrischen Schaltung ausgestattet sein,
welche zwischen dem festen »Polarisations«-Feld und dem Signal unterscheidet. Eine solche Diskriminatoreinrichtung
kann als Oszillatorschwingkreis oder, analog hierzu, als Quarzschwinger ausgebildet sein.
ίο Der Detektor 10 nach F i g. 2 ist ähnlich zum Detektor
11 nach Fi g. 1 ausgebildet und weist ebenfalls eine Folie
21 aus pyroelektrischem Material auf, deren Oberflächen mit Elektroden 22 und 23 aus leitendem Material
überzogen sind. An die Elektroden 22 und 23 sind Leitungen 24 und 25 angeschlossen, welche die
Elektroden mit der Signal liefernden Einrichtung 26 verbinden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Folie 21 zwischen den Rahmen 27 und 28 verspannt. Dieser Aufbau gewährleistet, daß die beim Empfang
einlaufende Strahlung aufgrund des piezoelektrischen Ansprechens auf Volumenvergrößerung oder -kontraktion
auftretende mechanische Resonanz verstärkt anstatt gedämpft wird.
In den oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Strahlungsdetektoren wurde als Detektormaterial
beispielsweise eine handelsüblich zugängliche Polyvinylidenfluorid-Folie verwendet, welche durch
biaxiale Reckung vorbereitet worden war. Das Folienmaterial war zu etwa 50% kristallin, was durch seine
jo Dichte und/oder durch Röntgenuntersuchungen festgestellt
wurde; die Foliendicke betrug angenähert 19 μπι.
Auf gegenüberliegenden Flächen der Folie waren Elektroden aus Aluminium aufgedampft. Zur Polarisierung
wurde ein elektrisches Feld von 1500V angelegt, das vom Beginn der Behandlung bei 1200C bis zur
Abkühlung auf Zimmertemperatur aufrechterhalten wurde. Die Vorderseite des Detektormaterials bestand
aus einer teildurchlässigen Aluminiumschicht. Das Detektormaterial wurde von einem Dauerstrich-CO2-Laser
bestrahlt, der bei einer Wellenlänge von etwa 10,6 μΐη mit einer Leistung von wenigen Milliwatt
betrieben wurde. Die Laser-Ausgangsstrahlung wurde auf ein Gebiet fokussiert, welches angenähert mit der
Fläche von 2x2 mm auf dem Detektormaterial
4> übereinstimmte. Das Laser-Ausgangssignal wurde moduliert,
um entweder Einzelimpulse oder Impulszüge mit Impulsfolgefrequenzen von 1 bis 1000 Hz zu erzeugen.
Die Spannungs-Ansprechempfindlichkeit auf einen Impulszug von etwa 100 Hz betrug etwa 17 V/W. Die
Ansprechempfindlichkeit nahm mit dem Reziprokwert der ersten Potenz der Frequenz ab. Es wurde gefunden,
daß die auf einem Schirm wiedergegebene Detektorantwort die Form eines Eingangsimpulses mit einer
Anstiegszeit von etwa 50 Nanosekunden getreu wiedergab.
Die oben beschriebenen Strahlungsdetektoren können somit als Lichtdetektoren, beispielsweise in
Laser-Nachrichtenübermittlungssystemen, verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verwendung von Polyvinylidenfluorid als Detektormaterial in einem pyroelektrisch arbeitenden Strahlungsdetektor, wozu an dem Detektormaterial Metallelektroden anliegen, und wenigstens eine Elektrode mit einer ein Signal liefernden Einrichtung verbunden ist.
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