Supplement 1.8: Stralingsdetectoren      (1/5)

Thermische detectoren

Bolometer

De bolometer is een weerstandsthermometer. De door warmte veroor­zaakte verandering in temperatuur leidt tot een verandering in de elektrische weerstand. De sensor bestaat in de oorspronkelijke versie uit een metalen draad of band van platina vanwege de goed reproduceerbare weerstands­veranderingen. Zoals bij elke detector moet de gevoeligheid, d.w.z. de relatie tussen geabsorbeerd optisch vermogen en gegenereerd elektrisch signaal, bekend zijn of door kalibratie worden bepaald. Bolometers hebben een spectraal zeer brede en vlakke gevoeligheid en zijn geschikt voor het zichtbare en infrarode spectrum tot in het microgolfbereik. Ze kunnen worden gebruikt voor het meten van constante en variabele, bijvoorbeeld gepulseerde straling.

Nieuwere ontwikkelingen maken gebruik van halfgeleiders, waarvan de verandering in elektrische weerstand veel groter is dan bij metalen. Sinds de jaren 80 zijn er microbolometers van ongeveer 12 μm beschikbaar, die worden gebruikt als elementen van arrays in warmtebeeldcamera's. Hier is de gevoeligheid afhankelijk van de gebruikte halfgeleider en wordt deze vaak met optische filters doelgericht beperkt tot de gewenste spectrale bereiken.

Een beeldsensor van het bedrijf Honeywell, VS, bestaande uit een reeks microbolometers, voor toepassingen in een warmtebeeldcamera.

Pyro-elektrische detectoren

De sensor van een pyro-elektrische detector bestaat uit een pyro-elektrisch kristal van enkele micrometers dik, dat bij een temperatuur­verandering een elektrische spanning op twee tegenover elkaar liggende oppervlakken genereert. De spanning wordt afgetapt met elektroden. Aangezien alleen temperatuurveranderingen dergelijke spanningen genereren, is deze detector geschikt voor het meten van gepulseerde straling met pulsherhalingsfrequenties tot enkele kHz, maar niet voor constante straling. Deze detectoren worden ook gebruikt voor bewegingsmelders, waarbij het gaat om het detecteren van bewegende personen, d.w.z. veranderende temperaturen.

Een pyro-elektrische detector model 420 van het bedrijf ELTEC Instruments, VS.

De hierboven afgebeelde detector heeft een sensor van 2,7×2,7 mm² van lithiumtantaal, die is geïntegreerd in een transistorbehuizing met een diameter van 9,2 mm. De spectrale gevoeligheid varieert van 100 nm tot 1000 μm. Hij wordt gebruikt voor het controleren van het vermogen van pulslasers, waarvan een zeer klein deel van de straling met een straalsplitser op de detector wordt gericht.

Thermo-elektrische detectoren

Voor hogere laservermogens zijn er detectoren die gebruikmaken van het thermo-elektrische effect, ook wel bekend als het Seebeck-effect. Hierbij worden twee draden of platen van verschillende metalen, zoals koper en ijzer, met elkaar in contact gebracht. Bij verschillende temperaturen van het contactpunt en de niet-contactzijden ontstaat een thermische spanning. Meerdere van dergelijke opstellingen kunnen worden gecascadeerd tot een thermische kolom om het effect te versterken. De geschiktheid voor hoge laservermogens vloeit voort uit de betere thermische belastbaarheid van de relatief grotere metalen componenten waaruit de sensor bestaat. Deze detectoren zijn geschikt voor het meten van constante en gepulseerde straling.

Het omgekeerde effect wordt het Peltier-effect genoemd: bij Peltier-elementen wordt met een stroom een temperatuurverschil gecreëerd om koeling of verwarming te bereiken.

Een thermo-elektrische detector model LMP5 van het bedrijf Coherent, VS. Links op de foto is de opschroefbare beschermkap te zien.

Het actieve oppervlak van de hier getoonde detector, herkenbaar aan een ring, heeft een diameter van 25 mm. Hij is geschikt voor pulsenergieën tot enkele joules. Het zwartgeblakerde oppervlak heeft al enigszins te lijden gehad onder de hoge laserprestaties.