Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer und theoretische Auslegungen der Ergebnisse li

Von G. C . Monch, G. W i c h e r t und 0. Bottger

(Mit 52 Abbildungen)

Inhaltsiibersich t An Wismutbolometern, hergestellt durch Metallverdampfung im Hochvakuum

und Kondensation des Wismutdampfes auf Zelluloidhautchen, wurden rnit dem Tragerfrequenzverfahren unter Benutzung eines Kathodenstrahloszillographen als Anzeigeinstrument Messungen ausgefuhrt. Die Bestrahlung der Bolometer, in ungeschwarztem und beruotem Zustand, erfolgte mit Gleich- und Wechsel- licht, und zwar mit Rechteckimpulsen, die durch Rotation von Blenden vor einem engen Spalt entstanden. Auch der Verlauf einer einmaligen kurzzeitigen Be- strahlung bei verschieden langen Lichtblitzen wurde untersucht. Die Messungen geben die Amplituden des Oszillographenstrahles (MeBausschlag) in Abhangigkeit von der Dicke der (Zelluloid-)Tragerfolien und der Wismutschicht, von dem Druck des das Bolometer umgebenden Gases und von der Frequenz des Wechsellichtes fur Bolometer mit blanken und geschwarzten Oberflachen an. Die fur die Zeit- konstante gefundenen Abhangigkeiten vom Gasdruck, Tragerfoliendicke und Metallschichtdicke lassen sich theoretisch verstandlich machen. Die Absolut- empfindlichkeit des Wismutbolometers der benutzten Bauart wird mit der anderer Strahlungsempfanger verglichen.

I. Allgemeine theoretische Grundlagen A. Energiebilanz am Bolometer

Ein Bolometer wird durch Strahlun.gsabsorption um den Temperaturbetrag AT erwarmt und dadurch sein elektrischer Widerstand verandert. Diese Widerstands- anderung kann als Ma13 der einfallenden Strahlung in einer Briickenschaltung ge- messen werdeu. Wahlen wir bei der Aufstellung der Energiebilanz in Uberein- stimmung mit Cze rny die Bezeichnung W , fur die Warmekapazitat (Watt sek cm-2 grad-') des Bolometers pro Flacheneinheit pro Grad Ubertemperatur und We (Watt ern-2 grad-') fur den spezifischen Warmeverluststrom, d. h. den gesamten Warmeverlust pro Flacheneinheit, pro Grad Ubertemperatur und Zeiteinheit gegen- uber der Umgebung, so la& sich niit Q ( t ) als Einstrahlungsfunktion schreibenz) :

*kdT! dt + J[T,dT = & ( t ) . (1) 1) 3. Mitteilung iiher Strahlungsempfanger. 2) Vgl. M. Czerny, W. Kofink u. W. Lippert , Ann. Physik 8, 65 (1950). Siehe

auch J. AI. W. Milatz u. H. A. v a n der Velden, Physica 10, 369 (1943); R. Clark Jones, J. Opt. SOC. Amer. 37, 880 (1947).

184 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

Wir wollen einen Schritt weiter gehen und die GroBen W , und W,, die abhangig von der Art und dem Druck des Fullgases sind, noch zerlegen, wobei nunmehr fur W , die Bezeichnung wk und diese als folgende Summe geschrieben wird.

- W k = + W k g' (2)

Mit W,, wird der Anteil der W%rmekapazit,at bezeichnet, der allein durch die Konstruktion des Empfangers bedingt ist, wit: z. B. die Form des Bolometers, Dicke und Art der Metallschicht und deren Unterlage, gegebenenfalls noch die der Schwarzungsschicht. W k o ist der druckabhangige Anteil des den Bolometer- streifen umgebenden Gasmantels an der Warmekapazitat.

Fur den Warmeverluststrom W, kann man ahnlich vorgehen. Man zerlegt ihn in einen Strahlungsanteil W,,, und einen Leitungsanteil WVz. Die den Warme- verlust durch Leitung angebende GrijBe W,, 1aBt sich darstellen a's Summe von W,,, dem konstruktionsbedingten Verlust durch Leitung innerhalb der Bolometer- sowie Tragerschicht, und von W,,, dem dumb Leitung und Kon- vektion des umgebenden Gases bestimmten Anteil. Es ist aim:

- W, = IV,, + w,, = w,, + ?VVk + wvg.

S, = LT (011 + 01,) (T4- !Pi),

(3)

(4 )

Fur den gesamten Strahlungsverlust 8, pro Flachen- und Zeiteinheit erhalt man :

dabei bedeuten B dje S te fan -Bo l t zmannsche Konst,ante, a1 den Emissions- koeffizienten der Vorderseitc, OL, den der Ruckseite, T die Temperatur des strah- lenden Bolometers und To die Temperatur des umgebenden GefaBes. Fur T er- halt man :

Dabei ist T, die Temperaturerhohung, die durch die Aufheizung des Bolometers hervorgerufen wird, und A T die Temperaturerhohung, die durch die Einstrahlung bedingt ist.

T = T , + T , + A T . (5)

Setzt man diesen Ausdruck (5) in die Formel (4) ein, so ergibt sich:

8, = fs (a1 + Lyz ) [(To + Tu + = B (01, + 01,) [(To + T,J4 + 4 (To + T$dT + 6 (To + Tu)2dT2 ( 6 )

Selbst in ungunstigen Fallen, wenn To + Tii etwa 100" K und AT etwa l / l O O O o K betragt, ist das in AT lineare Glied immer noch wesent,lich3) grol3er als die Glieder, die d T in hoherer Potenz enthalten, daher konnen letztere vernachlassigt werden. Der von AT unabhangige Anteil des Strahlungsverlustes geht in die Differential- gleichung nicht mit ein, da diese Leistung durch die Aufheizung des Bolometers vom Heizstrom aufgebracht wird.

Dadurch lautet der Strahlungsanteil des spezifischen Warmeverluststromes:

+ 4 (To + Ti') AT3 + dT4- T:] .

w,, = 4 0 (% + a*) (To + T d 3 W, = L,f7, + 4 LT ( 0 1 ~ + az) (To + T J 3 .

(7 )

(8)

und der gesamte Warmeverluststrom pro Grad Temperaturerhohung 4, : -

3) Fur die angegebenen Zahlenwerte ist das lineare Glied e twa lo4 ma1 groder als das

4) Bei kleinem T, kann in (8) der Strahlungsanteil mit guter Naherung durcb in A T quadratische.

4 0 (a, + a,) Ti angegeben werden.

Mcnch, Wichert u. Boltger: Experimentelle Unlersuchungen am Wismutbolometer 185

Man hat also in erster Naherung durch den linearen Ansatz fur den Warmever- luststrom auch den Strahlungsanteil rnit erfal3t.

Aus der Formel (8) ist zu ersehen, daB bei grol3em Tii der Strahlungsanteil bei Verringerung des Druckes schon wesentlich eher eine Rolle zu spielen be- ginnt gegeniiber dem Leitungsanteil als bei kleinem T,.

Die Differentialgleichung lautet also :

wobei fur den einfachsten Fall Q (t) = const. gesetzt sei. - Der erste Term d ( W k __- AT) ist die zeitliche Anderung des Energieinhaltes des

Bolometers. Der zweite Term wvdT ist die vom Bolometer pro Zeit- und Flacheneinheit

an die Umgebung abgegebene Energie. Q ( t ) ist der vom Bolometer genutzte Anteil der Einstrahlungsfunktion. Er

wird beeinfluat von dem ,,Wirkungsgrad", mit dem sich die einfallende Strahlung in Warme unisetzt, der wiederum durch das Absorptionsvermogen des Bolometers wesentlich mit bestimmt ist. Man mu13 also anstreben, das Absorptionsvermogen auf ein Maximum zu steigern. Dazu ist folgendes zu bemerken: Das Absorptionsver- mogen eines oberflachlich nicht geschwarzten Metalles ist im Falle geniigend lang- welliger Strahlung allein durch die elektrische Leitfahigkeit gegeben6). Es hat fur ein dunnes lichtdurchlassiges Metallhautchen dann ein Maximum, wenn 50% hin- durchgelassen werden. Bur diesen Fall nimmt der Quadratwiderstand l /(x d ) [ x = spez. Leitfahigkeit] numerisch den Wert 188,50 Ohm an, wenn damit der Widerstand einer quadratischen Metallfolie der Dicke d bezeichnet wird, die parallel zu einem Paar der sie begrenzenden Seitenlinien und senkrecht zur Dickenrichtung durchflossen wird. Andererseits 1aBt sich das Absorptionsvermogen des Bolo- meters durch Schwarzung bis nahe an 100% bringen. Dieser Fall bietet aber fur die Diskussion von (9) nichts Wesentlich Neues. Es ist nur zu bedenken, daB r,, ansteigt wegen der mit der Schwarzung verbundenen Verbesserung des Strah- lungsvermogens.

Bei unbestrahltem Bolometer, also vor Versuchsbeginn fur t < 0 ist Q(t) = 0, nach Versuchsbeginn fur t > 0 unterscheiden a i r drei Hauptfalle fur Q:

a) Konstante Einstrahlung

at

Q ( t ) = const. b) Einstrahlung mit sinusformig moduliertem Licht (der Kreisfrequenz o) :

Q Q(t) = 2- * (1 + cos w t ) . c) Allgemeinste Form der periodischen Lichteinstrahlung :

Q ( t ) = heliebige periodische Funktion. Insbesondere sol1 spater im Falle c) die Einstrahlung mit periodischen Recht-

eckirnpulsen behandelt werden.

6, Siehe W. Woltersdorf, Z. Physik 91, 230 (1934).

186 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

B. Die Warmekapazitat Ek den die einzelnen Faktoren des Empfangers zur Warme-

kapazitat wYR und zum spezifischen Warmeverluststrom ww beitragen, lassen sich nun weitere Betrachtungen und Versuche anstellen. Einen Beitrag sowohl fur wk als auch fur w,, soweit es sich hierbei um die Warmeleitung bzw. Konvektion handelt, leisten

Uber den Anteil,

a) die Bolometerschicht selbst, b) die Tragerschicht des Bolometers, c) die Schwarzungsschicht des Bolometers, d ) die Gasart und der Gasdruck in der Umgebung des Bolometers.

e) die Strahlung der Bolometeroberflache. Hierzu kommt als weiterer Anteil fur den Warmeverluststrom allein

Es ergeben sich Beziehungen der Empfindlichkeit der Messung zur Frequenz des Wechsellichtes und zur Ubertemperatur des durch die Stromwarme aufgeheizten Bolometerstreifens.

Auch lassen sich Aussagen fur den Grenzfall einer Wechsellichtbestrahlung der Frequenz o = 0, also fur Dauerlichtbestrahlung und zu Punkt d) fur den weiteren Grenzfall des Hochvakuums machen.

Ohm - 7ooop C. Der Warmeverluststrom w,, Der Warmeverluststrom ist die Summe der schon unter I R

Y aufgefuhrten Warrneabgaben a) $ bis e). P Von diesen funf Anteilen ver- $ schwinden mit fallendem Druck

19.5 $ die durch das Fiillgas (d) be- Y * dingte Warmeleitung und Kon- e 9 vektion. Da das Bolometer durch

% den Briickenstrom aufgeheizt P 5 wird, 1aBt sich uber den Warme- B I

785 ' 8 verluststrom folgendes sagen: FlieDt durch einen Bolometer-

sich seine Temperatur gegenuber der der Umgebung. 1st 1'" seine Temperatur vor dern Stromdurch-

0 00 60 G C gang, T diejrnige wahrend des Iemoerotu r Stromdurchganges, so nimmt er

Abb. 1. Widerstand ( R ) und Temperaturkoeffizient also die Ubertemperatur T, = des Widerstandes ( p ) einer Wismutfolie nach T- T, an. Abb. 1 ist C z e r n y s Czerny. R Widerstand (bei To = 293" K, R, = Arbeit entnommen und gibt den 206,40 Ohm), j3 = - - differentieller Tempe- Verlauf des Widerstandes R einer

Wismutfolic, iur die der Wider-

*) Inzwischen liegen eigene Messungen des Widerstandes in Abhangigkeit von der Temperatur vor. Die Abweichung von der in Abb. 1 angegebenen Widerstanrlskurre ist unwesentlich. Bei der Probe, die bei 20" C einen Widerstand von 208 Ohm zeigte, wurde fur 80C der Widerstand zu 183Ohm gemessen.

3 205

b

? zweig ein Strom i, so erhoht

7 75

1 dR R dT

raturkoeffizient *)

Monch, Wichert u. Bottger: Exparimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer 187

stand (bai !.Po = 293" K) R,, = 206,4 Ohm betrug, und den Temperaturkoeffizienten des Widerstarides /? = - - , h i d e in Abhangigkeit von ihrer Temperatur T wieder. Der Temperaturkoeffizient ist nega,tiv (der Widerstand fallt mit wachsender

1 dR H dT

T e m p e r a t u ) m d scin Absoliit- wert. halb so grol3 wie der des massivcn Netalles. Die Abb. 2 ist ebcnfalls C z e r i i y s Arbeit ent- iiomrnen und gibt mit R,, = 2 206,4 Ohm und 4'" == 293" I< die Abhkngigkeit des absoluten Be- 8 t,rages der relativen Widerstarids- $

R-I? R Y lnderung - o = 2 von der g 805- Ubertemperatur T, an, wobei R 5 d e r Widerstand des elektrisch &' erwarmten Bolometers ist.

- RU R

?' 075

2 010

R R

50 roo *c Uberfempe r arur Der aufgeheizte Rolometer-

Warme ab. Die Starke dieser snderung - ~ nach Czerny. Ro =20G,4 Ohm

Warmeverluststrom pro cm2 und fur To = '293" K. 2 = - . , T,, = T - To H R pro Grad bestimmt. Wenn V die Heizspannung und F die Flache des Bolometers bedouten, ist dit: pro cm2 der Schicht zugefiihrte elektrische Heizleistung

streifen gibt an seine Umgebung Abb. 2. Absolutwert der relativen Widerstands- R - Ro R

Wiirmeabgahe wird durch den R R-Ro

1st T,, die durch die Strombelastung verursachte und durch die relative Wider- standsanderung - R, bestimmte, aus Abb. 2 entnehmbare Ubertemperatur, so ljiIjt

R sich der spezifisehe Warmeverluststrom wv errechnen aus der Beziehunge) :

- kVv * T, = L . (11)

L ist daher auch gleichzeitig die Starke des Warmeverluststromes pro cme. Aus Formel (10) und (11) folgt, w e n i, den Strom durch das Bolometer be-

1 d R deutet wegen = -- R dT) 1- ~

iB+l/"=l'!LEc R R * (12) (

Liegt das Bolometer i n einern Zweig einer W h e a t s t o n e s c h e n Briicke und ist die Briicke auf Null abgeglichen, d . h. der Briickenstrom i(; = 0, so bewirkt die Ein- strahlung der Energie Q pro Flachen- und Zeiteinheit einen Strom im Galvano-

6 , Diese Gleichunggiltfiirbeliebige T, solange man sich aufDrucke hohcr als 10-2Torr beschrankt. Wenn man die Gleichung auch fur kleinere Drucke anwenden will, rnuB man sich auf kleine T,(T,, < To) beschranken. Uber die Berechtigurig dnzu vgl. Fu13- note 3, (analog A T ) .

188 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

meter der GroBe ') :

Fur T, = const. ist -@ R = const. und man erhalt wegen (11) VT ic = const,. = const. E.

Bei konstanter Ubertemperritur wird also mit abnehmendem spez. Wiirmeverlust- qtrom i;3 in demselben MaBe groBer wie w, abnimmt, und somit mu13 auch c2

Druck Abb. 3. Abhangigkeit des Galvano- meterstromes i, vom Druck fur Tu = konst. und L = konst. (Heizleistung

am Bolometer)

zuruck und lassen ietzt Ta variabel.

anstejgen, wenn E die Skalenteile des den Strom anzeigenden Galvanometers be- deutet.

Die obere Kurve der Abb. 3, die fur T, = const. bestimmt wurde, zeigt ein derartiges Absinken des spez. Warme- verluststromes zwischen 10-l und 10-3 Torr beim Evakuieren. Die Hohe des Sprunges (Ausschlagsdifferenz zwischen den Werten fur 100 und 10-4 Torr in Abb. 3) wird bei h d e r u n g der Heizleistung verschieden groB ausfallen.

Fur die praktische Anwendung des Bolometers taucht die Frage nach der gunstigsten GroBe der Heizleistung bei groBtmoglicher Empfindlichkeit auf. Fur diese Betrachtungen gehen wir auf (13) Setzt man in (13) T, nach (11) ein und -

formt nach (10) urn, so erhalt man fur Q = const,.: - V2 V

W" ig = const. fEp = const. = p .

VZ RF Bei der unteren Kurve der Abb. 3 gilt wegen L = - : const. (p sei wegen der

geringen Anderung ebenfalls konstant gesetzt) ic= const. V T, (nach (11)), dar- aus lafit sich folgern, daB in demselben RlaBe seiner Anderung der Warmeverlust- strom klejner und T, groBer wird. Der steilere Anstiog der unteren Kurve der Abb. 3 beruht somit auf einer starkeren Erhitzung des Streifens, entsprechend steigt aber auch der Storausschlag.

7, Es gilt nach F. K o h l r a u s c h , Praktische Physik S. 47 (1950): io = const. iB AR,

da AR = ,9 RAT wird mit (12)

(12b) .i,/w F Ta io = const. L p RAT, R

da anlog zu (11) AT = Q/Fv ist, mit Q = const., ergibt sich

Hiinch , Wichert u. Rottger: Experimentelle Untersuchungen a m Wismutbolometer 189

Bei mittleren Drucken (um 1,5 Torr Luft) ist der Warmeverluststrom nach den Messungen von Czerny und Mitarbeiterns) konstant und wird hauptsachlich durch die Warmeleitung und -konvektion bedingt. In diesem Gebiet steigt daher nach (15) der Galvanometerstrom und damit die Empfindlichkeit fast 9, linear mit der Heizspannung an. uberwiegen die Strahlungsverluste, so gelten auch die Gln. (11) und (15) nicht mehr, denn der Warmeverluststrom steigt dann theoretisch nach dem Stefan-Bol tzmannschen Geset.z in erster Naherung mit (To + Ta)3 an. Damit wachst in der (15) entsprechenden Gleichung der Nenner starker als der Zahler und die Empfindlichkeit nimmt mit steigendem Warmeverluststrom be- dingt durch steigende Heizspannung ab.

Durch diese uberlegungen wird auch der fur alle Bolometer charakteristische Verlauf der Empfindlichkeit in Abhangigkeit von der Heizspannung erklart. Bei sehr kleiner Heizspannung wird der Warmeverluststrom in der Hauptsache von der Warmeleitung und der Konvektion getragen, wahrend er bei groeer Heiz- leistung und damit groBem T , in der Hauptsache von der Strahlung herruhrt (vgl. (8)). Bei kleiner Heizspannung steigt daher die Empfindlichkeit fast linear mit ihr an, um nach Erreichung eines Maximums bei weiterer Steigerung der Heizspannung wieder abzufallen.

Um die groBte Empfindlichkeitssteigerung oder anders ausgedruckt, den groBeren Vakuumfaktor zu erhalten, wird es zweckmail3ig sein, die Heizleistung L zu verkleineren. Dies ist aber nur moglich, wenn es sich um Versuche handelt, die keine hesonders kurze Einstellzeit benotigen, so daB man im Hochvakuum arbeiten kann. Es lassen sich dann noch Strahlungen nachweisen, die Temperatur- crhohungen bis an die Grenze der stat,istischen Schwankungen hervorrufen.

Der Vakuumfaktor vergroBert sich mit der Verkleinerung der Auffangfllche (vgl. (28)). Dies ist verstandlich, da bei 760 Torr der Warmeverluststrom, der sich hier hauptsachlich aus der Warmeleitung und der Warmekonvektion zusammen- setzt, nach W a r b u r g 10) nur wenig von der GroBe der duffanggflache abhangig ist - sofern die GefaBdimensionen groB genug sind -, wahrend er irn Hoch- vakuum, wo die Warmestrahlung uberwiegt, annahernd zu ihr proportional ist.

Ferner folgt aus (13), daB fur Bolometer, die bei verschieden groBer FlLche P gleiche Wertc von R besitzen, die Empfindlichkeit im Strahlungsfeld proportional zu anwachst. Versuche zur Kliirung von Fragen uber den EinfluIJ von GroBe .und geometzischer Form des Streifens wurden nicht angestellt.

1m folgenden wird iiber Gleichstrommessungen mit dem Galvanometer he- richtet, die bei Dauerbelichtung ausgefuhrt murden, und iiber Wechsellichtmes- sungen niit Rechteckimpulsen an geschwarzten Wismutbolometern.

11. Bestrahlung mit Gleichlicht A. Bauart des Bolometers

Das benutzte Bolometer wurde durch Aufdampfen von Wismut auf eine Zelluloidfolie hergestellt. Als Halter der Folie dienten drei wie in Abb. 4 ange- ordnete und auf einen glasernen Objekttrager aufgekittete Messingstreifen M , bis M3. Die Streifen Ml bis N , sind gleichzeitig die Zuleitungselektroden fur die

M. Czerny u. a., a. a. O., Tabelle 1, S. 71. @) Die Linearitat wird gestort durch die Abnahme von j3 rnit steigender Temperatur. lo) E. Warburg, G. Leithauser II. Ed. Johannsen, Ann. Physik 24, 25 (1907).

190 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

beiden Bolometerzweige. Durch Verwendung einer Blende der Gestalt der Abb. 5a entst,anden durch einen Aufdampfprozefi dic beiden Bolometerzweige B, und B,. Nach Uberlagerung einer zweiten streifenformigen Blende BZ (Abb. 5 b) wurde noch einrnal Wismut aufgedampft, dabei aber nur die Schichtdicke der Elektroden El bis E, verstarkt. Da vor dcm Aufdampfvorgang die auBeren Rander von M , bis M , von der Zelluloidschicht des Tragerhautchens durch 'Schaben ent - fernt worden waren, standen nunmehr die Schichten El bis E, in nietallischem Kontakt mit M , bis M,.

a b Abb. 5. Blenden zur Herstellung der Bolo- meter durch Aufdampfen. El, E,, E, Elek- trodenfelder (grol3er Schichtdicken), B,, B,

Abb. 4. Aufsicht (a) und Querschnitt Bolometerfelder (kleiner Schichtdicken). (b) des Bolometerhalters. M,, M,, M , a Blende zur Herstellung der Felder E,, E,, Elektrodenzuleitungen, B,, B2 13010- E,, B, und B,; b Blende zur Schichtdicken-

meterzweige verstarkung von El, E, und E3

MJ

a

Bereits in dieser Form konnten die auf Objekttragern befestigten Bolometer verwendet und untersucht werden. 1943144 wurden einige zum Einbau in eine Rohre auf neue Sockel ubertragen. Der Sockel bestand aus einem Glasrohr G (Abb. 6) mit plangeschliffenem Flansch F und aufgekitteten Messingelektroden N l bis M , (Abb. 7).

Vor dem Aufsetzen der metallbedampften Zelluloidhaut auf die Elektroden MI bis M , wurden diese mit alkoholversetztem Wasser angefeuchtet. Nach dem Trock- nen hafteten die metallbedampften Zelluloidfl~chen fest auf den Elektroden bei gleichzeitiger Herstellung elektrischer Kontakte. Das nunmehr mit dem Rolo- meter versehene Glasrohr G (iibb. 6) konnte jetzt in den Glaskolben K mit Flansch FZ (Abb. 8) eingefiihrt werden, an dessen Innenwand es durch die eingepal3ten Federringe R (Abb. 6) fest anlag. Fur die Ableitungsdrahte des Bolometers waren in dem Boden des Kolbens K drei offnungen vorgesehen, die nach Durchfiihrung der Drahte zugekittet oder zugeschmolzen wurden. Ein aufgesetzter, uber den Boden des Kolbens geschobencr Metallring Ri, der mit keramischem Sockelkitt vollgegossen wurde, und ein auf den Flansch F1 aufgekittetes ultrarotdurch- lassiges Fenster vervollstandigten mit der aul3eren Schwarzlackierung des gesamten Rohrenkolbens das Bolometerrohr.

Die nach obiger Bcschreibung hergestellten Bolometerzweige B, und R, waren im allgemeinen nicht mit einem Frcmdabsorber wie RuIj uberzogen. An einigen Exemplaren vorgenommene zusatzliche Schwarzung erfolgte durch Uberspannen einer niit aufgedampftem Wismutrufi versehenen Zelluloidhaut oder durch unmittel- bares ilufdampfen des Rufies auf die Zelluloidhaut, die bereits auf der Riicliseite die Bolometerzweige trug.

Monch, Wichert u. Biittger: Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer 19 1

Soweit es sich urn dieversuche von 1943144 handelte ll), hatten die hergestellten Bolometer alle eine Empfangerflache von F a = 0,17 - 0,3 cma = 0,05 cm2. Fur die in den letzten Jahren ausgefuhrten Versuche betrug die Empfangerflache F , =: 0,4 .0,4 cmz = 0,16 cm2.

Die Tragerfolie aus Zelluloid war nach der bekannten Methode aus Zapon- lack gewonnen. Ihre Dicke wurde mit Hilfe eines Kostersschen Interferenz- prisnias gemessen l2).

Aus der Zeit der ersten Messungen (1943/44) lag eine Skala fur die Interferenz- farben der Zelluloidhautchen in Abhangigkeit von der Dicke vor, so da5 bei den neuen Messungen die Tragerschichtdicke auf Grund ihrer Farbe abpeschatzt werden konnte. Fur die letzten Versuche betrug die Tragerschicht meist 40 m,u-

Zwei ubereinandergelegte gleichstarke Hautchen bildeten durch Ansprengen sofort eine einheitliche doppelt so starke Schicht. Ihre Farbe entsprach der dop-

Ri 6 FI F

M,

Abb. 6. Bolometer- Abb. 7. hfetallelek- Abb. 8. Glaskolben K zur Kapselung halter. G Glasrohr mit Flansch F, R Gummi- Aufkitten auf den Ri Metallring

troden M , - H, zum des Bolometers. FI Flansch,

ringe Flansch F

pelten Dicke. Vor dem Aufdampfen waren die Hautchen glatt, nach dem Auf- dampfen bildeten sich auf den mit Wismut bedampften Teilen jemeils senkrecht zu den Randern kleine Falten.

Zur Schwarzung erhielten die Bolometer eine Ru5aufdampfung aus Wismut, die nach Angaben von 'fund1:) bei 0,25 Torr durchgefuhrt wurden. Dieser Druck muIJte genau eingehalten werden. da sich bereits bei wenig geringerem Druck eine metallisch glanzende Ru5schicht niederschlug, dagegen bei nur wenig hoherem Druck kein Niederschlag erfolgte. Beim Schwarzen wurde der Empfanger 4 cm iiber dem Schiffchen aufgehangt, gerade so hoch, da5 die Tragerfolie keinen Schaden durch die Hitzeeinwirkung erlitt und andererseits die gasbeladenen Wismut- atome diese noch erreichten.

Erfahrungsgema5 erhohte sich der Bolometerwiderstand durch Sammel- kristallisation des Wismuts, und zwar in den ersten auf die Bedampfung folgenden Tagen bis zu 10% und in den folgenden Wochen weniger schnell aber fortlaufend. Diese Alterserscheinungen bedingen die zeitlich begrenzte Brauchbarkeit des Bi- Bolometers 14) . T7ielleicht lie5e sich dem Ubelstand durch geeignete Warmebe- handlung abhelfen. In den ersten zwei Monatm sind die mit demselben Empfanger durchgefuhrten Messungen innerhalb einer Woche mit einem Fehler von 1 yo reproduzierbar.

~~

11) Die genaue Breite quer zur Stromrichtung lag zwischen 0,165 und 0,170 cm.

12) G. C. Monch, Optik 8, 550 (1951); 9, 75 (1952); U. Zorll, Optik 9, 449 (1952). 13) A. H. P f u n d , Rev. sci. Instrum. 1,397 (1930); J. Opt. SOC. Amer. 28,375 (1933).

Fa = Falt , F,, = Fneu.

192 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

8. Mefianordnung und MeBvorgang 1. S c h a l t u n g des Bo lomete r s

Abb. 9 zeigt die Schaltung mit den Bolometern B, und B,. Diese entsprechen den Bolometerstreifen B , und B, mit den Elektroden M , bis M, in Abb. 4a und 5a. Den Bruckenzweigen mit den Bolometern B, und B, liegen die Festwiderstande

W , und W , gegeniiber. Als Strom- meBinstrument stand (1944) ein Spiegelgalvanometer von Hartmann u. Braun zur Verfugung [Empfind- lichkeit: 1 Skt. = 2,15 . 10-6 Volt bei 100 Ohm innerem Widerstand] und a b 1948 ein schnellschwingendes Spiegel- galvanometer mit einer Empfindlich- keit von 2.10-6 Volt/mm .m bei einem

Abb. 9. Schaltung der Rolometerzweige Bl Eigenwiderstand von 22 Ohm. und 13,. W,, TV, Pestwiderstande, W , variabler Zum Abgleich der Briickenzweige

Elektroden der Bolometer, U Batterie, G Gal- Null) diente der veranderliche Wider- vanometer, V Voltmeter stand W,. Die Batterie U lieferte die

Briickenspannung, die durch den Spannungsteiler W , verandert und durch das Volt- meter V gemessen werden konnte. Wird die Briicke bei niedriger Spannung V abgeglichen und diese dann allmahlich erhoht, so ist mit Beginn der Briickenver- stimmung (Ausschlag des Galvanometers ( G ) ) der Spannungswert feststellbar, von dem an der durch die Bolometer B, und B, flieBende Strom diese wegen der Unsymmetrie meist unterschiedlich aufzuheizen beginnt.

Widerstand$ M6 Potentiometer, E ~ , E~ @instellung des Galvanometers G auf

2. S t r a h 1 u n g s q u e 1 1 e n Zur Absolutmessung wurde eine Hefnerlampe mit Blenden der GroBe 1,4 ma1

5,O cmz in 10 em Entfernung von der Flammenmitte (nach Gerlach15)) verwendet, fur die Relativmessun.gen hiufig 8' El eine Gliihlampe mit Wendel oder der aus 1 cm2 schwarzer Fliche der Temperatur 100" C bestehende und in der Ent- fernung von 100 em stehende Normalstrahler. In erster Nahe- rung wurde er realisiert durch

Abb. 10. UR-Strahlungsquelle. 0 elektrischer Ofen, eine mit TerpentinruB &e- M schwarze strahlende Flache des Metallblockes B, schwarzte Messingflache &[, \vie 8 Metallstab zur Aufheizung von B durchwarme- in Abb. 10. l)ie Aufheizung leitung, T Kontaktthermometer, BZ Blende von 1 cm2 lichter Offnung, E Empfanger. Im Bild ist der F1ache erfolgte durch der Stab S aus dem Ofen 0 herausgezogen ge- Warmeleitung iiber einen senk-

zeichnet recht zur abstrahlenden Flache angesetzten Messingstab S,

dessen Temperatur von dem ihn umgebenden elektrischen Ofen 0 erhoht wurde. Ein Kontaktthermometer T zeigte die Temperatur des Metallblockes B mit der

' 'ma

l4) H. M e i s ~ n e r , Z. angew. Physik 4, 69 (1952). 16) W. Gerlach, Physik. Z. 14, 577 (1913); 21, 299 (1920).

Monch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchunge?i am Wismutbolometer 193

Flache 31 dicht unt.er der Oberflache an und schaltcke mit Hilfe eines Reglers die Stromstarke des elektrischen Ofens auf einen kleiiieren Wert, wenn die Tem- peratur 100" C iiberstieg. Bei Absinken der Temperat,iit unter 100" C wurde der ursprungliche Stromwert wiederhergestellt. Um dic: GroSe der abstrahlenden Flache auf 1 cm2 zu begrenzen, wurde die Blende BZ \-orgesetzt, die aus 4 Einzel- platten mit je einem Loch von 1 crnz Grol3e bestand. Die erste dem Ofen zuge- wandte Platte bestand aus Pappe (schlechter Warmelei1 or), die nachste aus Messing (guter Warmeleiter), dann folgte eine Papp- und sctilieBlich noch eine Messing- platte. Durch diese Anordnung wurde abwechselnd 1 lie Warme zuriickgehalten und verteilt.

Da die FlLche von 1 cm2 bei 100" C in 1 m Ahstatid eine Energie ausstrahlt, die von einem Bolometer nur mit einem nicht imtnw zur Verfiigung stehenden Galvanometer hochster Empfindlichkcit festgestellt w i ~ d e n kann, wurde gelegent- lich eine bedeutend gro13ere Einheit benutzt. Diesr Strahlungsquelle groSerer Energie bildete die geschwarzte, als Teil einer Holilliugel von 50 mm Radius ausgebildete Flache M i n Abb. 10 von 100" C und 54 iilm Durchmesser. Die Ernp- fanger wurden in den Mittelpunkt der Kugelschale cestellt. Da die GroSe der Elemente zwischen 1 und 10 nim liegt, war die Bediiiqung, daB die Ausdehnung des Bolometers gegeniiber dem Radius vernachlassig! werden kann, hinreichend erfiillt. Fur Relativrnessungen wurde auch einfach c,ine kleine Gluhlampe ver- wendet .

C. Theoretische Ergiinzungcw Das Bolometer wird fur eine Zeit der Dauer t' i i i i t gleichbleibender Energie

Fur diesen Fall geht die Beziehung (9) uber in ( I 6) mit den Losungen (17) bestrahlt .

bis (19). Q = const. fu r ( 1 C ) = O f i i r t ; o u n d t ' < t s c c

t 5 t' - II', ag + EJT = Q

oder ausneschrieben :

und

Hierin bedeuten C die Abkiirzung fur

und

Zeitkonstante t und Einstellzeit z, sind nach der Bwiehung (17) definiert. Vnter Einstellzeit z, wird die Zeit verstanden, in der sich 1'1 ne Temperaturerhohung AT

Ann. Physik. 6 . Folge. Bd. 12 13 A

194 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

des Bolometers bzw. ein Ausschlag beobachten la&, der von der Endeinstellung

(AT),, d. i. AT fur t 4 00 um - (AT), entfernt ist 16). erreicht und wird die Einstrahlung nunmehr unter-

brochen, dann sinkt die Temperatur wieder. Fur diesen Abklingvorgang ist die

Z e i t k o n s t a n t e t = z als die Zeit definiert, in der der Vollausschlag auf - seines Wertes gesunken ist 1'). Zwischen diesen GroBen t, und t besteht also die Beziehung :

1 e2

1st der Endwert

1

Fur Messungen, bei denen ein zeitlich konstanter Energiestrom auf das Bolometer fallt, kann man solange warten, bis der Endausschlag

mit geniigender Annaherung erreicht ist. In diesem Pall erhil t man bei moglichst gering aufgeheiztem Bolometer (T,, -+ 0) die grofite Temperaturerhohung AT,, denn dann hat der Warmeverluststrom HrVt + 4 o (a1 + a2) (To + T,)3 bei sonst gleichen Bedingungen seinen kleinsten Wert. Das bedeutet aber nicht, daB auch der Ausschlag des Galvanometers in der Brucke bei T, 4 0 ein Maximum ,F3zzflj A T p m - - - - $ 0

1-eT I -

--_ e p I- +

_-- -- 0 7-

Zeit - =e f e l t -'z a b

Abb. 11. Exponentieller Anstieg (a) bzw. Abfall (b) der Bolometererwarmung bei bzw. nach der Einstrahlung. t, Einstellzeit, t Zeitkonstante, e Basis des naturlichen Log-

arithmus

zeigt, denn der Galvanometerausschlag ist noch der Heizspannung proportional, daher hat der Ausschlag des Briickengalvanometers bei endlichem kleinem T,, cinen maximalen Wert.

Die Abb. 11 zeigt den zeitlichen Anstieg der Bolometertemperatur bei kon- stanter Einstrahlung und den Abfall der Temperatur bei Einstellung der Be-

16) Fur digsen Fall gilt nach (17) und (21) wegen t = 2 n t die Beziehung AT = 2 (1 -A) , d. h. bis zur Zeit t = t, ist die Einstelh~ng bis auf 99,8% des Endwertes (AT) , = =- (fur t + co) gestiegen (s. Abb. 11).

1') Fur t = t geht (17) uber i n AT = = 1 -- , d. h. um diesen Betrag AT ist die

Einstellung gesunken und hat den e-ten Tell des ursprunglichen Vollanschlages erreicht. ( s . Abb. 11).

W V

Q .. W W

W? Q ( 3

Jfonch, Wichert u. Eottger: Experimentelle Untersuchungen ain Wismutbobmder 195

&ahlung. Der OrdinatenmaDstab ist so gewahlt, i la13 bei unendlich langer

konstanter Einstrahlung der Endausschlag -= == 1 wirtl . Die Steilheit des Kurven-

anstieges wird (nach (16)) durch den Ausdruck

Q W

(23)

(24)

Q -W, AT ctg oc = - Wk

ctg (x = = bestimmt.

oder an der StelIi: t = 0

Q w,

Die ausgezogene Kurve umrandet die Flache F der Grofle:

D. MeBergebnisse 1. A b s o l u t e E m p f i n d l i c h 1 ; e i t

Die Empfindlichkeit des Bolometers ohne Schwarzung hat fur Schichtdicken mit einem Quadratwiderstand von rund 190 Ohm wie eingangs ausgefuhrt ein Maximum. Das belegen die in Abb. 12 zusammengetra- genen Messungen an den Bolo- metern B 1 bis B 5, B 10 bis B 14 und B I bis B VI, deren Konstruktionsdaten die Ta- belle 1 enthalt. Bei der hier vorliegenden Gleichlichtbe- strahlung ist die Empfindlich- keit nicht von der Dicke der Tragerfolie fur die Wismut- schicht abhangig. Die Ab- nahme der Empfindlichkeit bei Wismutschichten mit kleine- Fen Quadratwiderstanden als 190 Ohm ist durch die erhohte Durchlassigkeit, beim Qua- dratwiderstand groBer als 190 Ohm durch gesteigertes Reflexionsvermogen bedingt.

In den hier vorkommen- den Grenzen hat die Dicke selbst- also etwa die Warme- kapazitat der Metallschicht - bei Gleichlichtbestrahlung ge- nau so wenig einen EinfluB auf die Empfindlichkeit, wie

&

Widerstand Abb. 12, EmpfindlichLeit E in Skalenteilen des be- nutzten Galvanometer. bei konstanter Dauerbeleuch- tung bei 10-4Torr in Aljhangigkeit vom Widerstand R in Ohm der einzelnen I :olometer. Die durch schrag gestellte Kreuze gekeii iizeichneten Bolometer waren geschwarzt, alle andci 1.n hatten eine blanke Ober- flache*). Is bis VIs sind die beruSten Bolometer

I his VI

verschieden starke Tragerfolien. Dieser Tatsache enthpricht auch die in (17) an- gegebene Losung; nach genugend langer Zeit ist dss Glied mit der e-Funktion

* ) Die nicht naher bezeichneten in Abb. 12 aufgefuhrtm Bolometer hatten alle eine Tragerschicht von 0,04 y Dicke und blanke Oberflachen. Sie unterscheiden sicb nur in ihren Widersttinden. B 1 und B 11 sind identisch.

13

196 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

k i t in Ska-

2 I ) 1 )fur Td= * ' bei ,, GO 78 62 74 ,, 1 79 , 100 I 73 89

Tabelle 1 Zusammenstellung der Daten der verwendeten Bolometer (alle Bolometer hatten eine Empfangerflache von 0,4 x 0,1 cm2). Die in Klammern stehenden Werte fur B I11

sind aus MeBwerten fur B 1 durch Multiplikation mit 87/79 berechnet worden

27 - I - (30) 48

62 1 73 60 39 1 - 30 (66)' 115 81 I 82 79 1 44 [ 49 1 40 1 87 1 143

1 B 1 1 B 2 1 B.71 B 4 1 B 5 1 B 1 0 I \ iderstand der Bi- '

i n 1.1 . . . . . . . 3: rechnetewarmekapa-

/ i ta t la) der gesamten Schicht in

- _ _ _ ~

0 1 vrflache I ungeschwarzt E iipfindlichkeit in Ska-

Ic.nteilen (vgl. 2 UI) I ur T,, = 4" C bei

-

10-4T~rr . . . . . 63 I 97 87 I 69 ~ 63 1 37

B 11 1 B 12 1 B 13 I B 14 iB I l I ~ B I I I -L

El 271 ~ 376 1 439 I 200 1 189 I-- -__- I---

geschwarzt

121 ~ 118 ~ 143

15,l 1 14,3 13,5 1 13,l ~ 15,5 I 24 .- ____

I B I 1 B I1 1 BIII 1 B I V I B V 1 R V I I B Is I BIls (BIIIs /R IVsl BVs (B VIs

abgeklungen, und der Ausschlag wird nur noch durch die eingestrahlte Energie und den spez. Warmeverluststrom bestimmt. Das lafit sich auch experimentell heim BeruDen der Bolometer, die hier durch Aufdampfen \;on WismutruD unmittel- bar auf die Wismutschicht vorgenornmen wurde, erkennen. Nach Berufiung steigt die Absorptionsfahigkeit der Bolometerstreifen und damit die Empfindlichkeit (Abb. 12) um mindestens 50%. Das Ahximum hei 190 Ohm ist fur berufite Strahlungsempfanger verschwunden.

Bei den hier (Abb. 12) durchgefuhrten Messungen betrug die auffallende Energie pro cmz und pro sec 16,2 HK (in 1 ni Abstand) = 15,3 + lO3erg/sec cmz, der Luft- druck p = 10-4 Torr, die Heizleistung L = 1,89 . 10-3 Watt/cm2. Die Galvano- meterausschlage E sind die Ausschllge eines Schnellschn~ingers mit einer Emp- findlichkeit von 2 + 10-6 Volt/mm - m und einem Eigenwiderstand von 22 Ohm.

Is) Die Warmekapazitat wurde aus den von C z e r n y und Mitarbeitern (a. a. 0.) angegebenen spezifischen Warmen berechnet, dabei die des Wismuts zu 0,12 Wattsec/g Grad und die der Tragerschicht zu 2,O Wattsec/g Grad, angenommen.

1 9 ) geschwarzt.

Miinch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchunge% am CVis~nutbolometer 197

Die absolute Empfindlichkeit des Bolometers B 111s fur 10-4 Torr bei Be- strahlung mit einer Hefnerlampe ergab sich umgerechnet und unter der Annahme einer 6Oproz. Absorption der Strahlung durch Glas und Luft fur L = 1,89 . lop3 Watt/cmZ, was einer Aufheizung von T,i, = 4" C Ubertemperatur entspricht, zu 2,25 pVolt/,uWatt (bei einer Aufheizung auf gleiche Ubertempetatur - das entspricht einer Heizleistung von 2,16 . 10-2 Watt,/cmz - und 760 Torr betragt die Empfindlichkeit 0,68pVolt/ pWatt).

Die kleinste nachweisbare Strah- lungsdichte, bei der sich Nutz- zu Storausschlag wie 3 : 1 verhalten, wurde mit dem Zernicke-Galvano- meter Zb, das bei einem inneren Widerstand von 10 Ohm, einen auBe- reni Widerstand von 50 Ohm und einer Schwingungsdauer von 3 sec eine Abb. 13. Reziproker Wert des Galvanometer- Empfindlichkeit 15.10-8 Volt/mm ausschlages & in Skalenteilen in Abhangigkeit

voni Quadrat der Entfernung r der Licht-

Bolometer B 111s bei einer Heiz- schwgrztes Bolometer) bei 10-4 Torr und leistung von 2,16 . Watt/cm2 und T,, = 4" C bei einem Druck von 760 Torr (T,' = 4" C) 18,4 erg/sec cmz. Hieraus ergibt sich bei lO-4Torr und 1,89 . 10-3 Watt/cm2 (Tqi = 4" C) eine Strahlungsdichte von 5,6 erg/sec cmz.

Dabei war die Proportionalitat des Galvanometerausschlages mit der einge- strdilten Energie gewahrleistet, wie Abb. 13 zeigt. Die GroBe der Energie wurde bei dem Versuch durch den Abstand einer Gluhlampe von dem Empfanger einge- stellt.

2 . D r u c k a b h a n g i g k e i t Die Empfindlichkeit in Abhangigkeit vom Druck am gleichen geschwarzten

Bolometer gemessen sowohl fur T , = konst. als auch fur L = konst. zeigt Abb. 14. Mit abnehmendem Druck steigt der MeBausschlag des Anzeigegerates und

somit die Empfindlichkeit des Bolometers. Das Bolometer stellt bei diesem Versuch gewissermafien ein Pirani-Manometer vor und die Druckabhiingigkeits- kurve entspricht der Eichkurve dieses Hitzdrahtmanometers. Bei der Aufnahme der Kurve kann nun mit verschiedenen Druckeinst,ellungen entweder die uber - temperatur des Bolometers TZi konstant gehalten werden oder die Heizleistung L = wird auf gleiche Wert,e eingestellt. J e nach der Vorbedingung = konst. oder L = konst. ergibt sich die eine oder die andere Kurve in Abb. 14, und zwar fur Ti' = 4" C und L = 1,89 - 10-3 Watt/cm2.

Die Konstanthaltung der Uberternperatur wurde hierbei folgendermaRen erreicht : Einer bestimmten Heizleistung bei einem bestimrnten Druck entspricht eine bestimmte Widerstandsgnderung des Wismutstreifens und dieser einer aus Abb. 2 ersehbaren Ubertemperaturzo). Bei der Veranderung des Druckes mu13 nun

* m besitzt, gernessen. beim quelle in cm. Versuchsobjekt: n 111s (ge-

82 R F

20) Da die Abb. 2 die Czernyschen Messungen wiedergibt. ist es durchaus moglich, da13 die MatErialkonstanten fur die hier benutzten Bolometer nicht gultig sind und dem- zufolge die Ubertemperatur nicht genau 4" C betrug. Dieser Umstand ise unwesentlich, da es nur darauf ankam, in allen Fallen T,, konstant zu halten.

Ann. Physik. 6. Folge, Bd. 12 13 B

198 Annalen deT Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

die Heizleistung SO groB gewahlt werden, da13 die ihr entsprechende Widerstands- anderung konstant bleibt,.

Die Empfindlichkeit steigt mit abnehmendem Druck in der Zahlenfolge der 'Tahelle 2 . Diese steigerung der Empfindlichkeit niit der Evakuierung wird hervor-

1'2

Watt

L = - i n ' - L

10-2

R F Iv --in Watt 1 0 - 4 T - ! 2 - T u cm grad

Druch Abb. 14. Empfindlichkeit (Galvanometer- ausschlag) E in Skalenteilen bei kon- stanter ubertemperatur Te = 4" C und bei konstanter Heizleistung L .= 1,89 * lop3 Watt/cm2 in Abhangigkeit voni Druck p des umgebenden Gases in Tom. Versuchsobjekt: B 111s (geschwarztes

Bolometer)

0 277 w - w - >.--? k -

gerufen durch die Abnahme des Warme- verluststromes, wie Formel (18) verlangt.

Kach den oben angefuhrten Messun- gen CzernysZL) wird der Warmeverlust- strom bei mittleren und hoheren Drucken hauptsachlich von der Warmeleitung und -konvektion des Gases getragen, wahrend bei niedrigen Drucken die Warmestrahlung dominiert. Eine ent- sprechende MeBreihe, fur konstante Uber- temperatur (T?' = 4" C) am geschwarzten Bolometer B 111s durchgefuhrt, besta- tigte obige Schlusse (Tabelle 2 ) .

Man ersieht somit aus der oheren Kurve und der Tabelle 2 die durch Eva- kuierung erreichbare Empfindlichkeits- steigerung bei gleicher Storanfalligkeit (T, = const.). Sie betragt in diesem Falle etwa das 3.2fache.

Tabelle 2 Heizleistung und Warmeverluststrom wv und Empfindlichkeit fur das geschwarzte

Bolometer B 1116 und T, = 4' C in Abhangigkeit vom Druck

760 100 10 1

10-1 10-2 10-4

0,81 0,s 0 , m 0,72 0,G2 0,3 0,24

I

2,16 54 291 52,5 2,06 1 50,2

42,5 lt7 1.26 31.5 0.296 714 0,189 I 4,73

Wa ttsec. C r n Z ~ & l

187 69 54 53 52 52 52

Empfindlich- keit E (Gal- vanometer- ausschlag in

sec.)

45 45 45,2 48 58

114,2 143

Der F L ~ ~ ; v, mit dern man die bei 760 Torr gemessene Tempex,hrerhohung AT,,, multiplizieren muo, um die Temperaturerhohung d 5"vak bei gleicher Ein- strahlung zu bekommen, sol1 mit Vakuumfaktor bezeichnet werden. Dieser

21) hf. Czernj u. Mitarbeiter a. a. 0 na) Wegen v,, siehe 111 C.

NoncA, Wichert u. Bottyer: Experimentelle Untersuchunqen arn Vismutbolomder 199

Faktor ist definiert durch:

Fur das Vakuuin kann W,, vernachlassigt werden, die anderen GroBen unter- scheiden sich nicht von don entsprechenden bei 760 Torr. Man bekommt also:

In den Formelri (27) und (28) wurdc 1st der Warrneverluststromanteil W,;k, der durch die Konstrukt.ion bedingt ist,

gegenuber W,, groB oder von gleicher GrGBenordnung, so wird 7 in der Groaen- ordniing von 1-2 liegen. Dieser Fall tr i t t ein bei dicken Trager- und Metall- schichten sowie in solchen Fallen, bei denen die be1euchtet.e Stelle des Strah- lungsempfangers sehr dicht an einer Elektrode liegt., so da13 dadurch W,, sehr groB wird.

Sind dagegen Trager- und Metallschicht sehr diisn, oder besteht die empfind- liclie Schicht aus einem sehr schlecht wiirmeleit.enden Material, so kann ( W,,),,, gegeniiber Wiuk sehr groB werden (10-100).

Diese Zunahme der Temperaturerhohung dTv,k bei Vakuuniempfangern ist nicht gleichbedeutend rnit einer gleichen Zunahme der Empfindlichkeit. Viel- mehr ist nach (13) die Empfindlichkeit eines Bolometers proport,ional 1/ l/W, und damit bei konstanter Einstrahlung Q proportional m. Bei Thermo- elenienten ist die Empfindlichkeit proportional AT, so daB man hier einen groBeren ,,Vakuumfaktor fur die Empfindlichkeit" zii erwarten hat. (Vgl. 2. Mit- tei1un.g iiber Stiahlungsempfanger S. 175.)

Ini allgemeinen wird eine VergroBcrung der Ernpfindlichkeit durch Ver- grol3ern von 7 auch niit einer VergroQerung der Tragheit des Empfangers parallel gehen, von einer Leistungssteigerung ka,nn dann n u r bedingt gesprochen werden.

Es ist angebracht, den Bolometerstreifen nur soweit aufzuheizen, wie die Stor- anfalligkeit. des Instrumentes noch hinreichend klein bleibt. Die Storanfilligkeit kann bei kleineni T,ii in erster Annaherung als linear mit der Ubertemperatur wachsend angesetzt werden.

= a2 = 1 gesetzt.

,---.-

111. Bestrahlung mit Rechteckimpulsen A. Bsuart des Bolometers

Die fiir die Wechsellichtversuche benutzten Bolometer hatten den gleichen wie unter I1 A beschriebenen Aufbau, nur daIj die Bolometerstreifen stets eine ErnpBngerflache von F = 0,4 .0,4 cm2 = 0,16 cma aufwiesen.

B. MeSsnordnung 1. Me Bvorr i c h t un g

Das Bolometer befand sich wie bei den Versuchen mit Dauerbelichtung in einer Briicke, deren Schaltung Abb. 9 zeigt.

Als MeBinstrument diente ein AEG-Kathodenstrahloszillograph. Zur Er- zeugung der notwendipen ilblenkspannung muBte die am mittleren Bruckenzweig

200 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

liegende Spannung um etwa das 1O6-fache verstarkt werden. Um eine frequenz- unabhangige Verstarkung zu erhalten, wurde an die Briicke eine Wechselspannung gelegt und dazu die Spannungsquelle U (Abb. 9) durch einen Tongenerator er- setzt. Die Frequenz der Wechselspannung - die Tragerfrequenz - war gegen- uber der Wechsellichtfrequenz hinreichend groB, aber auch nur so grol3, dal3 in der Briicke durch Selbstinduktion keine merkliche Phasenverschiebung auftrat. Sie lag etwa zwischen 100 Hz und 1200 Hz.

An die vertikalen Ablenkplatten der Braunschen Rohre wurde die am mitt- leren Briickenzweig liegende verstarkte Spannung angelegt, an die waagerechten Platten irgendeine geeignete Kippschwingung. Die Abweichung der Vertikal- ablenkung des Kathodenstrahls von der Linearitat lie6 sich ermitteln und bei der Auswertung beriicksichtigen .

2. We c h s e 11 i c h t e r z e 11 g u n g Das auf den Strahlungsempfanger fallende Licht kam von einer Wolfram-

Bandlampe und wurde fortlaufend in Rechteckimpulse vom Tastverhaltnis 1 : 1 zerlegt. Das besorgte eine Scheibe mit ausgeschnittenen Sektoren, die hinter einem Spalt den Strahlengang unter- brach. Die Drehgeschwindigkeit des Motors lie13 sich im Verhaltnis 1 : 10 regeln.

Abb. 15. Renutzte Sektorenscheiben zur Das benotigte Frequenzspektrum er- Erzeugung von Wechsellicht mit den Ab- streckte sich von 3 Hz bis 200 Hz. Es blendungen 1 , 4 und 12 je Urndrehung wurden drei Scheiben mit 1 ,4und 12 Sek-

toren angefertigt (Abb. 15). Die Rand- steilheit der Rechteckimpulse nahm mit wachsender Sektorenzahl etwas ab, was sich jedoch nicht storend bemerkbar machte. Abb. 16 zeigt cinen mit der 12-Sek- torenscheibe hergestellten 50 Hz-Impuls, aufgenommen rnit einer bis zu etwa

10000 Hz tragheitslos arbeitenden gas- gefiillten Photozelle und aufgezeichnet au f einem Kathodenstrahloszillographen. Da die Bandlampe am Wechselstromnetz lag, ergah sich eine auf Abb. 16 (oberer Kur- venteil) als voller Schwingungszug erkenn- bare leichte Welligkeit der abgegebenen Lichtintensitat, die jedoch im Verhaltnis zu der im Mittel ausgestrahlten Intensitat klein war. Die Welligkeit einer Bandlampe ist erheblich kleiner ah die einer gewohn-

A,,,,. 16. Aufnahrne einer nechteck- impulskurve auf dem Pluoreszenzschirm einer Kathodenstrahl- Oszillographen- lichen Gluhlampe 23).

rohre

3. MeBverfahren

Solange das Bolometer noch nicht bestrahlt aber die Brucke abgeglichen ist, erscheint auf dem Fluoreszenzschirm der B r a unschen Rohre ein waagerechter Strich (Nullage) des durch die Kippfrequenz seitlich abgelenkten Kathoden- strahles. Nach Bestrahlung des Bolometers mit konstanter Energie weicht der

'9 Vgl. G. C . Monch, Optik, im Erscheinen.

Mcnch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Wntersuchungen am Wismutbolmeter 201

Kathodenstrahl von dieser Nullage in beiden Richtungen ab und gibt so den Me13- ausschlag an. Die nach beiden Seiten gleichgrol3en Ausschlage bilden zwei neue Linien, die gleichzeitig die umhullenden Geraden zu den Kurvenziigen der Trager- frequenz sind, deren Amplitude gleich den1 Ausschlag (vgl. Abb. 49) ist. Bei allen Versuchen wurde durch Regulierung der Intensitat der Einstrahlung die Amplitude gleich groS gewahlt und das Bild des Leuchtschirmes zur Auswertung photographisch festgehalten.

C. Theoretisohe Erglnzungen Fur den Fall des abgehackten Wechsellichtes mit gleichlanger Belichtungs-

zeit und Bclichtungspause mu13 die .Differentialgleichung (9) in folgender Form geschrieben werden :

- d A T - W r T + W v A T = O f i i r t

202 Aiinalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

Fur den rein periodischen Fall bei Einstrahlung mit Licht sinusfbrmigen Intensitatsverlaufes geht die Beziehuag (33) uber in

- (Formel 11 bei Czerny). (34) e ( ( l ) )=- - Q 1

2 1/ /--.w"rt.; w; , (Dam mu6 in (33) statt (2%-1) w die Frequenz CD gesetzt und die

2 -- - = -'c gebildet werden. Wird in (33) nur das erste Glied n = 1 ge- 03 7 (-1)- 2 n - l 4 71 = 1

nommen, dann ergibt sich (34) aber mit der

Die Halbwertsfrequenz vlil = *?' berechnet sich nun nach dem Ansatz 2 R (35)

(d. i. der halbe Wert von 6 fur R ) , = 0, wenn O(0) die dmplitude (MeBausschlag) fur o),, : 2 iz v,, = 0 ist), aus der Beziehung

e (0) 6(0l , ) = -- 2 i P

cbc r die Berechtigung, diese Beziehung auch fur Rechteckimpulse anzuwenden, vg1. FiiBnote *9) und 1V.

'7 10'~orr L

Abb. 17. Abhangigkeit der Tempe- raturschwankungsainplitude 0 (0) von der rechteckig inodulierten Wechsellichtfrequenz Y = 0 1 2 R i n Hz bei verschiedenen Drucken. Ver- suchsobjekt: B 1 = B 11 (urige- schwarztes nolometer) bei T, = 4' (1. Bolometerflache 0,4 x 0,4 = 0,16 cniz

D. MeSergebnisse 1. En ip f ind l i chke i t und Wechse l l i ch t - Fr e q u e n z a b h a ng i g ke i t u n g e s c ti w a r z t e r

Bo lomete r

Die Empfindlichkeiten der ungeschwarzten Bolometer B 1 bis U 5 , B 10 bis B 14 und H I his B V I fur v = 0 enthalt Tabelle 1 und Sbb. 12. Dabei sind die Bolometer B 1 bis B 5 durch die Dicke der Tragerfolie, B 10 bis B 14 und B I bis B V I durch die Dicke der Metallschicht entsprechend den Angaben in Tabelle 1 unterschieden. Die charakteri- stische Abhangigkeit des MeBausschlages (Ka- thodenstrahlamplitude) sowohl von der Fre- quenz des Wechsellichtes als auch von vier rerschiedenen Drucken fur B 1 gibt Abb. 17 wieder .

Die weiteren Messungen iiber die Abhangig- keit der Amplitude von der Wechsellicht- frequenz wurden alle relativ zu dem Ampli- tudenwert 100 fur v = 0 bezogen und als Kurvenziige in den Abb. 18 bis 24 fur fiinf verschiedene Bolometer B 1 bis B 5 mit

Monch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer 203

unterschiedlichen Tragerfoliendicken und fur sieben verschiedene Drucke ab- gebildet.

Das Elektroneiistrahlbild auf dem Leuchtschirm des Oszillographen bei einer Lichtfrequenz von 12,5 Hz zeigt Abb. 25, fur 48 Hz Abb. 26.

Die Abb. 27 bis 30 erganzen das Kurvenmaterial fur die Bolometer B 10 bis B 14 mit gleichstarker Tragerfolie aber verschiedener Wismutschichtdicke, iiber deren Konstruktionsdaten gleichfalls die Tabelle 1 Auskunft gibt.

Eiir Wechsellicht hleibt auch die bei Gleichlicht durch Beleuchtung mit einer Gluhlarnpe erhaltene lineare Abhangigkeit des MelJausschlages von der einfallenden Energie (-4bb. 13) erhalten, solange die Frequenz konstant bleibt.

V ~ H ~ I - - v [Hzl - Abb. 18

>+, \r, - 1 3 125

vlHzl---

Abb. 19

Abb. 20 Abb. 21

204 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

: I

L"H2J- vlHzl - VCHZl- Abb. 22 Abb. 23 Abb. 24

Abb. 18 bis 24. Abhangigkeit der relativen Temperaturschwankungsamplitude 8 ( o ) / O (0) von der rechteckig rnodulierten Weehsellichtfrequenz v = w/2 n bei konstanter Uber- ternperatur Td = 1 O C fur die funf ungeschwarzten Bolometer I3 1 bis B 5 mit verschieden starker Tragerfolie bei den angegebenen Drucken. Bolometerflache 0,4 x 0,1 - 0,16 cm*.

0 B 3 mit 160 m p Tragerfoliendicke

+ B 1 mit 40 m p Tragerfoliendicke X B 2 mit 80 m p Tragerfoliendicke

A B 4 mit 240 m p Tragerfoliendicke R 5 mit 320 rnp Tragerfoliendicke

gleiche Metallschichtdicke R = 210-220 f.2 I

Abb. 25. Verlauf der Ternperaturschwan- Abb. 26. Verlauf der Ternperaturschwan- kungsarnplitude 8 (0) bei Bestrahlung mit kungsarnplitude bei Bestrahlung rnit recht- rechteckig irn Tastverhaltnis 1 : 1 rnodulier- eckig irn Tastverhaltnis 1 : 1 moduliertem tem Wechsellicht der Frequenz 12,h Hx. Wechsellicht der Frequenz 48 Hz. Ver- Versuchsobjekt: B 1 bei p = 10 Torr und suchsobjekt: B 1 bei p = 10 Torr und

T, = 4" C T, = 1 O c

2. A b s o 1 u t e E m p f i n d li c h k e i t 11 n d We c h s e 11 i c h t - Fr e q u e nz a b h a n g i g k e i t geschwarz te r B o l o m e t e r

Die absoluten Empfindlichkeiten der geschwarzten Bolomet,er B Is bis B IVs fur v = 0 bei lo-' Torr sind aus Tahelle 1 und Ahb. 12 211 entnehmen. Das Bolo- meter B 111, als geschwarztes mit B 111s bezeichnet, wurde auf seine Frequenz- abhangigkeit und in Abhangigkeit vom Druck untersucht. In Abb. 31 sind die Ausschlage des Elektronenstrahles in Abhangigkeit von der Wechselfrequenz des Lichtes fur vier verschiedene Drucke aufgezeichnet. Aus ihr ist zu entnehmen, daO

iwonch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolmeter 20 5

es auch hier bei vorgegebener Frequenz stets einen Druck gibt, bei dem der Aus- schlag a m groBten wird.

Den Vergleich der Empfindlichkeit eines Bolometers vor (B 111) und nach der Schwarzung (B 111s) fur verschiedene Frequenzen der Wechselbelichtung bringt Abb. 32 in allen Fallen auf den Ausschlag 100 fur Y = 0 bezogen.

v ~ H z J - Abb. 2 i

101

35

51

25

G

VO

I I 25 50 1

Abb. 28

i v IH2

vIHzl-- Abb. 30

Abb. 27 bis 30. Abhangigkeit der relativen Temperaturschwankungsan~plitude 0 (w)/6 (0) von der rechteckig modulierten T~7echsellichtfrequenz Y = w / 2 n bei konstanter Uber- temperatur T, = 4' C fur die funf ungeschwarzten Bolometer B 10 bis B 14 mit verschieden starker Wismutschichtdicke bei den angegebenen Drucken. nolometerflache 0,4 x 0,4 =

O , l 6 cm2.

0 B 12 Metallschichtdicke 271 D

x B 10 Rletallschichtdicke 177 SZ + B 11 Metallschichtdicke 222 D B 13 Metallschichtdicke 376 SZ v B 14 Xetallschichtdicke 439 Q

gleiche Tragerfoliendicke 40 mp

206 Annalen

25 50 v l

Zer PhysiL. 6. Folge. Band 12. 1953

1 zl - Abb. 31. Abhangigkeit der Temperatur- schwankungsamplitude 8 ( w ) von der rechteckig modulierten Wechaellicht- frequenz Y = wj2 n in Hz bei verschie- denen Drucken. Die Ordinatenwerte wurden in ubereinstimmung mit Abb. 14 gewahlt. Versuchsobjekte: B 111s (ge- schwarztes Bolometer) bei T, = konst. = 4' C. Bolometerflache 0,4 x 0,4 = 0,16 em2. C Torr

0 v [HzJ-

Abb. 32. Abhangigkeit der relativen Tem- peraturschwankungsamplitude 8 ( w ) p (0) von der rechteckig modulierten Wechsel- lichtfrequenz v = wj2 n in Hz bei ver- schiedenen Drucken, aber bei konstanter obertemperatur T, = 4" C. Versuchs- objekt: B I11 (ungeschwarzt) und B 111s (geschwarzt) mit durch Schwarzung ver- groaerter Warmekapazitat. Bolometer-

flache 0,4x 0,4 = 0,16 em2. R 111s n I11 0 Torr Torr 0 10-lTorr 0 10-1 Torr v 10 Torr x 760Torr + 760Torr A 10 Torr

T

Tragerschfchtdf cke Abb. 33. Die absolute Empfindlichkeit F Abb. 34. Die absolute Empfindlichkeit C in willkiirlichen Einheiten (MeDausschlag) in willkiirlichen Einheiten (MeBausschlag) in Abhangigkeit von der Wechsellicht- in Abhangigkeit von der Tragerfoliendicke frequenz (Y) und der Tragerschichtdicke (Bolometer B 1 bis B 5) und gleichstarker (Bolometer B 1 bis B 5) fur konstante Wismutschichtdicke bei 25 Hz Wechsel- Wismutschichtdicke und bei 10 Torr, lichtfrequenzfiirdrei VerschiedeneDrucke. T,, = konst. = 4C. I n der durch die T, = konst. = 4" C Linie fur 25 Hz gelegten Ebene liegt die

Kurve fur 10 Torr in Abb. 34

Nonch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer 207

3. E m p f i n d l i c h k e i t u n d Sch ich td i cke a) Tragerschichten

Die Bolometer B 1 bis B 5 unterscheiden sich bei moglichst gleicher Dicke des Bolometerstreifens in der Starke des Tragerhautchens (Tabelle 1). Die Absolut- empfindlichkeit wird bei der Frequenz v = 0 in erster Naherung wohl durch den Druck aber nicht durch die Dicke der Tragerschicht beeinflul3t z*). Aus den Ab- bildungen 18 bis 24 kann fur eine Wechsellichtfrequenz zwischen 0 und 100 Hz die relative Empfindlichkeit (bezogen auf ~ (O) - - 100 fur v = 0) des Bolo- meters verschiedener Tragerschichtdicke entnommen werden. Die Bolometer- streifen hatten eine konstante Ubertemperatur von 4" C.

Um uns nun ein Bild von dem EinfluB der Tragerfoliendicke zu machen, be- trachten wir Abb. 20 und denken uns die Kurven fur B 1 bis B 5 (fur 10 Torr) hintereinander im Abstand ihrer Tragerfoliendicken als dritte Koordinate anpe- ordnet. Dies ergibt ein raumliches Bild wie in Abb. 33. Fur v = 0 ist in allen Fallen die Amplitude gleich, der Abfall jedoch mit steigender Frequenz verschieden. Wird durch dieses Gebirge langs der 25-Hertz-Geraden eine senkrechte Ebene gelegt, so schneidet sie die Oberflache des abfallenden Gebirges in einer Linie, die den MeBausschlag bei 25 Hertz Wechsellichtfrequenz und 10 Torr in Abhangigkeit von der Tragerschichtdicke des Bolometers wiedergibt. Derartige Kurvenzuge konnen aus dem graphisch-raumlichen Bild der Art der Abb. 33 fur beliebig zwischen 0 bis 100 Hertz liegende Lichtfrequenzen entnommer, werden u ~ i d aus gleich- artigen Darstellungen auch fur andere Drucke als 10 Ton. Wenn diese Abhangig- keit des MeBausschlages als Funktion der Tragerfolienstarke mit dem Druck (bei unverandert starker Wismutschicht) als Parameter aufgetragen wird, ergeben sich Kurven wie in Abb. 3426).

Diese Kurven in Abb. 34 sind nur Beispiele der moglichen aus Abb. 18 bis 24 zu entnehmenden Aussagen. Was hier fur 25 Hz aufgetragen ist, la& sich auch fur andere Wechsellichtfrequenzen ausfuhren und damit das Anschauungsmaterial uber die Empfindlichkeit des Bolometers bei Bestrahlung mit rechteckigen Licht - impulsen verschiedener Frequenzen in Abhangigkeit von der Starke der Zelluloid- tragerfolie erweitern, wobei diese Aussagen entsprechend den sieben Kurvenscharen fur sieben verschiedene Drucke gemacht werden konnen.

Zu der Neigung der Kurven in Abb. 34 ist noch folgendes zu bemerken: Langs der Abszisse whhs t die Schichtdicke und damit die Warmekapazitat, desto groBer wird die Tragheit des Bolometers, sofern der Warmeverluststrom vv als unveranderlich angesehen wird, wie das bei unveranderlichem Druck anzunehmen ist. Bei dunnerer Tragerfolie (z. B. 40 mp) kann allerdings durch VergroDerung von W,, durch den um das Bolometer liegenden Gasmantel also bei grol3en Drucken (z. B. 760 Torr) ein W,-Wert entstehen wie bei dickerer Tragerfolie (z. B. 220 mp) aber tiefen Drucken (z. B. 10 Torr). So kommt es, daB fur 40 mp und 760 Torr die gleiche Amplitude zu beobachten ist wie etwa bei 190 mp und 10-1 Tom.

(0)

24) Deswegen wurden fur vergleichende Zusammenstellungen immer die Werte fur die Gleichlichtempfindlichkeit des am besten durchgemessenen Bolometers B TIIS verwendet.

25)-Die Ordinatenwerte der Abb. 34 und 35 gewannen wir dabei auf folgende Art: Die aus Abb. 18 bis 24 bzw. 27 bis 30 entnommenen relativen Empfindlichlreiten wurden mit der Gleichlichtempfindlichkeit des Bolometers I3 111s multipliziert, nachdem diesc so normiert worden war, daB sie fiir lo-* Torr 100 betrug (vgl. auch2*)).

3oa Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

Die Amplitude sinkt niit zunehmender Warmekapazitat (Tragerschichtdicke), steigt aber wieder nlit zunehmendem Warmeverluststrom z. B. infolge grofierer Warmeleitung des Gases, also bei hoheren Drucken. Die Wirkung der Schicht- dickenzunahme auf die Verkleinerung der Amplitude kann geradezu durch die zunehmende Warmeleitung des Gases uberkompensiert werden. Das sieht man ausgehend vom Punkt fur 80 m,u bei 10 und 10-1 Torr in Abb. 34. So ist z. B. bei 310 m,u Zelluloidstarke und 10 Torr die Amplitude etwa gleich der bei 240 mp und 10-1Torr. Die gleiche Betrachtung ist bei dem gemeinsamen Punkt fur 240 m,u, der den Kurven fur 10-1 und 760 Torr angehort, moglich.

Bei ganz dunner Schicht (40 m,u) uberwiegt aber der EinfluB der geringeren Warmekapazitat (verglichen mit der von etwa 80 m,u) auf die Amplitude gegeniiber dem DruckeinfluB. Hier ist die Empfindlichkeit (Ausschlag) bei lo-' Torr groBer als bei 10 Torr.

Die hier gezogenen Folgerungen werden bei Betrachtung der aus Tabelle 2 hervorgegangenen Abb. 5 1 anschaulicher .

b) Metallschicht I n der gleichen Art wurden die Bolometer B 10 bis B 14 mit verschieden dicken

Wismutschichten bei stets gleichstarker Tragerfolie von etwa 40 mp hergestellt

I . I J

MefollsCni&t&cke I wlderstond I Abb. 35. Die absolute Empfindlich- keit Z in willkurlichen Einheiten (Me& ausschlag) in Abhangigkeit von der Metallschichtdicke (in Ohm gemessen) der Bolometer B 10 bis B 15 bei gleich- starker Tragerfolienstarke (40 mp) und 25 Hz Wechsellichtfrequeriz fur drei verschiedene I h c k e . T, =

konst. = 4" C

;I4 wo BllJ j40 LA* JP ;rLPm

und ausgemessen, wie es die Kurven der Abb. 27 bis 30 wiedergeben. Den Einflufi der Metallschichtdicke auf die Empfind- lichkeit bei einer Wechselfrequenz von 25 Hz gibt Abb. 3526) an, wobei als MaB der Schichtdicke der Widerstand des Rolometer- streifens aufgetragen wurde:

c ) Rupschicht Die in Tabelle 1 enthaltenen MeSergeb-

nisse und die ilbb. 12 ergaben die Fest- stellung eines Empfindlichkeitsmaximums fur blanke Bolometer mit dem Widerstand um 190 Ohm und die Unabhangigkeit der Empfindlichkeit vom Widerstand fur ge- schwarzte Bolometer bei gleichzeitiger griiljerer Empfindlichkeit der beruBten Empfanger. Der EinfluB dcr Beruljung mit Wisniutschwarz unmittelbar auf die blanke Wismutoberflache des Bolometers ist aus Tabelle 1 an den Bolometern B I bis B VI.

die nach der BeruBung mit 3 Is bis R VIs bezeichnet wurden, als schwache Widerstandsverminderung zu erkennen.

Als Ergebnis der Ausfuhrungen in den Abschnitten I11 D 3a und 3b kann in Ubereinstimmung mit den YeBergebnsisen ron M. Czerny und Mitarbeitern *')

2e) Die Ordinatenwerte der Abb. 34 und 35 gewannen wir dabei auf folgende Art: Die aus Abb. 18 bis 24 baw. 27 bis 30 entnommenen relativen Empfindlichkeiten wurden mit der Gleichlichtempfindlichkeit des Bolometers B 111s multipliziert, nachdem diese so normiert worden mar. daO sie fur 10-4 Torr 100 betrug (vgl. auch 24)).

27) M. Czerny u. Mitarb., a. a. 0.

Nonch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen ant Wismutbolometzr 209

der dominierende EinfluB der Tragerschicht und der geringe EinfluS der Dicke der Metallschicht festgestellt werden.

Die Abb. 32 zeigt den Unterschied der Oszillographenausschlage des unbe- ruBten und des beruBten Bolometers B 111 und B 111s bei verschiedenen Drucken und Wechsellichtfrequenzen. Ein Vergleich der Abb. 32 mit den Abb. 18 bis 24 zeigt, daB sich ein EinfluB der BeruDung etwa ebenso bemerkbar macht wie die Dickenzunahme der Tragerschicht bei den Bolometern B 1 bis B 3. Diese Tat- sache ist nur zu erklaren aus der groBen Anzahl der Gasmolekule, die mit dem WismutruB niedergeschlagen und in der Schicht gebunden sind, und so die Warmekapazitat mehr vergroBern als eine der RuBschicht entsprechende metalli- sche Wismutschicht.

4. D r u c k a b h a n g i g k e i t Fur den Fall v = 0 sind auf der Ordinaten des Koordinatensvstems in Abb. 31

die aus Abb. 14 fur T, = konst. vier P 0 I -2 -3 - A

Abb. 36. Die absolute Empfindlichkeit E in willkiirlichen Einheiten (MeBausschlag) in Abhangigkeit von der Wechsellicht- frequenz (Y) und dem Druck bei gleicher Metall- und Tragerfolien-Schichtdicke. Versuchsobjekt: B 111s (geschwarztes Bolometer) der Flache 0,4X0,4=0,16cm2. Tii = konst. = 4 O C . In der durch die Linie fur 25 Hz gelegten Ebene liegt

die Kurve fur B 111s in Abb. 37

Werte fur 760, 10, 16-l und Torr

3 2 I 0 -1 logp D ru ck

Abb. 37. Die absolute Empfindlichkeit E in willkiirlichen Einheiten (MeBausschlag) in Abhiingigkeit von dem Vakuum fur fiinf verschiedene Bolometer (B 1 bis B 5) mit verschieden starker Tragerfolie aber gleichstarker Wismutschicht bei 25 Hz Wechsellichtfrequenz. T,, = konst. = 4" C

eingetragen. Mit steigender Wechselfrequenz fallt nun der MeBausschlag je nach GroBe des Druckes verschieden schnell (nach (34) ' 8 ) ) .

Werden diese vier Kurven der Abb. 31 wiederum entsprechend den Abstanden ihrer logarithmisch aufgetragenen Drucke hintereinandergestellt (Abb. 36), so

2*) Siehe FuSnote 2s).

Ann. Phgsik. 6. Folge, Bd. 12 14 A

210 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

ergibt ein Schnitt durch das Gebirge bei 25 Hertz einen Kurvenzug, der den Me134 ausschlag in Abhangigkeit von dem Druck darstellt, wobei der Parameter entweder die Tragerfoliendicke bei konstanter Wismutschichtdicke (Abb. 371 oder die Metall-

t I

-I togp

Abb. 38. Die absolute Empfindlichkeit E i n willkurlichen Einheiten (MeBaus- schlag) in Abhangigkeit von dem Va- kuum fur funf verschiedene Bolometer (B 10 bis B 14) mit verschiedenstarken Wismutschichtdicken (inohm gemessen) aber gleichstarker Tragerfolie (40 mp) bei 25 Hz Wechsellichtfrequenz. T,, =

konst. = 4" C

starke bei gleichstarker Zelluloidfolie (Abb. 38) ist. Aus den so erhaltenen Kurven, die in Abb. 37 fur die funf Bolo- meter B 1 bis B 5 mit verschieden starker Tragerschicht (Tabelle 1) gezeichnet sind, la& sich entnehmen, daB fur jedes Bolo- meter der durch verschiedene Trager- schichtdicken voneinander abweichenden Systeme B 1 bis B 5 nicht nur die Empfind- lichkeiten voneinander abweichen, sondern auch ihre maximalen Empfindlichkeiten bei verschiedenen Drucken liegen. Die Aussagen der Abb. 37 und 38 gelten bei 25 Hertz, fur andere Frequenzen konnen entsprechende aus Abb. 18-24 entnommen und aufgezeichnet werden.

Fur die Werte der Bolometer rnit ver- schiedenen Metallschichten (Abb. 27 bis 30) lassen sich gleiche Zusammenstellungen machen. So zeigt Abb. 38 die Druckab- hangigkeit der Empfindlichkeit fur die Bolometer B 10 bis B 14, die zwar gleiche Tragerfolienstarke besitzen aber ungleich starke Wismutschichten erhielten. B 14 hat von dem System B10 bis B 1 4 die diinnste, B 10 die dickste Metallschicht. Die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Bolometern B 10 bis B 14 sind ent- sprechend dem geringen EinfluD der ver-

schieden starken Metallschichten bedeutend geringer als die der Bolometer rnit ungleich starken Tragerschichten (Abb. 37).

5. Ze i t kons t a n t e n (Ha 1 b w e r t s f r e qu e n z en) Die Halbwertsfrequenz ist die Wechsellichtfrequenz, fur die der Kathoden-

strahloszillograph nur 50% des Ausschlages zeigt, die er fur Y = 0 aufweist. Die Werte fur die Halbwertsfrequenzen der Bolometer B 1 bis B 5 und B 10 bis B 14 lassen sich aus den Abb. 18 bis 24 und 27 bis 30 als Abszissenwerte des Schnitt- punktes der durch __ = 50% gelegten Horizontalen mit den KurveGsten ab- lesen. Eine Zusammenstellung bringt Tabelle 3.

Diese Halbwertsfrequenzen lassen sich uber der Dicke der Tragerfolie (Bolo- meter B 1 bis B 5 ) oder uber dem Widerstand der verschieden starken Wismut- schichten (Bolometer B 10 bis B 14) auftragen, urn so die Abhangigkeit der Halb- wertsfrequenzen von den Schichtdicken zu erfassen. ErfahrungsgemaB ist aber die Halbwertsfrequenz Y,/, weit weniger anschaulich als die Zeitkonstante t,

0 (4 0 (0)

Bonch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen am Wisrnutbolometer 21 1

10

34,5

Bolometer

13,51 14

3 7 9 41 _ - _ _ _ -

Ralbwerts- frequenz vl ls insec-lfur T, = 4C bei

Tabelle 3 Halbwertsfrequenzen der verschiedenen Bolometer

760 Torr 100 ,, 10 ,, 1 9 1

lo-' ,, 10-2 ,,

s o - 4 ,,

- B 1

13,5 31

37,5 34 26 6 5 4

-

23,51 26 I - -

3,5, 4

B 2 1 B 3 ( B 4

27

5 -

5 8 1 ii

B 14 1 B I I I (BIIIs 1 2 5 13,5i 8 55 37,5 26 - _ -

d. i. die Zeit, in der nach Bestrahlungsunterbrechung der MeSausschlag auf den e-ten Teil abgeklungen ist. Zwischen PI/, und z besteht die Beziehung2Q):

mit deren Hilfe die aus den Abbil- dungen 18 bis 24 und 27 bis 30 ge- wonnenen vlln-Werte in z-Werte um- gerechnet werden konnen.

Den Verlauf der Zeitkonstanten rnit der Tragerschichtdicke und gleich- starker Wismutschicht zeigt Abb. 39, in Abhangigkeit von der Dicke der Wismutbelegung aufgetragen in Ohm bei unveranderter Tragerfolienstarke Abb. 40 und fur einen groBeren Unterschied an Metallschichtdicke auch Abb. 41.

Es gilt fur die Zeitkonstante:

Danach miil3te die Zeitkonstante der Tragerschichtdicke proportional sein. Da dies, wie Abb. 39 zeigt, nicht erfullt ist, sondern t besonders bei kleinen Drucken starker als linear mit der Schichtdicke ansteigt,, scheint

zQ) Die Beziehungen (34) und (37) gel- ten der Ableitung nach nur fur Bestrah-

eh

320 240 160 80 40mp Trogerschichrdiche

Abb. 39. Die Zeitkonstante T = 1/3 : (2 7c vIl?), gemesuen an den Bolometern B 1 bis B 5, in Abhangigkeit von der Tragerfolienstarke bei gleichdicker Wismutschicht fur funf verschie- dene Drucke. Bolometerflache 0,4 x 0,4 =

0,16 om2, T, = konst. = 4" C

lung mit sinusformigem Intensitatsverlauf, in aller Strenge sicher nicht fur die hier ver- wendeten Rechteckimpulse. Da13 sie in Naherung anwendbar ist, folgt aus Formel (31), denn dau Glied fur n = 1 bestreitet entsprechend dem Koeffizienten 2 bereits 78,5% des Anteiles der Fourierglieder, aus der die Rechteckkurve zusammengesetzt ist. Eine experimentelle Nachpriifung der Berechtigung, die Beziehung (37) auch fur Rechteck- impulse anzuwenden, bringt Abechnitt IV.

4

14*

212 Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

\& ty 00s PI < c c3 w r - ' . \bx 760 Torr

lo-' Torr

10 Torr a-x

---- 5 a02 *--I

x - L x

810 1 811 1 El2 I I 813 1 814

X-X-

0 '

nur folgende Deutung angangig zu sein : Die Warmekapazitat steigt linear mit der Schichtdicke an. Andererseits wird wegen der starkeren Absorption der dickeren Tragerschichten die Emissionstemperatur der Ruckseite des Bolometers verkleinert. Das bedeutet eine Abnahme des Warmeverluststromes, denn dieset wird bei kleineren Drucken zum grol3en Teil von der Strshlung getragen.

Die Abbildungen 39 und 40 enthalten als Parameter die verschiedenen Drucke. Werden nun entsprechend der Darstellung in Abb. 36 die Drucke als dritte Koor- dinate aufgetragen, d. h. die Kurven von Abb. 39 und 40 hintereinander angeordnet, dann entsteht ein Gebirge mit einem tiefen Tal (Abb. 42). Die Oberflache dieses

Geb j rges dur c h schnei det nun

aufgestellt wird in der Form der Kurve B 1 in Abb. 43. Gleiche Vorgange fiihren zu den Kurven fur B 2 bis B 5 in Abb. 43 und B 10 bis B 14 in Abb. 44. Auf der Suche nach den Bedin-

sek

P 8 0060 B

0050

- seh eine senkrechte Ebene, die an

i der Stelle der Werte fur B 1 4081 1

gungen fur die kleinste Zeitkonstante mu13 auf der dreidimensionalen Flache mit den Grundflachenkoordinaten Schichtdicke der Tragerfolie (bei unveranderter Metallschichtdicke), Druck und der Hohenkoordinate z der kleinste Wert fur z, d. h. die tiefste Stelle der Mulde gesucht werden. Er liegt in Abb. 43 oder 44 bei etwa 10 Torr und moglichst geringer Schichtdicke sowohl der Tragerfolie wie des Wismutbandes, wobei der EinfluB des letzteren geringer als der der Zelluloid- folie ist.

IV. Einstellzeit bei einmaliger kurzzeitiger Bestrahlung Wird die bei t = 0 begonnene Bestrahlung des Bolometers bei t = t' wieder

unterbrochen, so fallt fur die Zeitdauer t' ein einmaliger rechteckiger Strahlungs- impuls auf den Empfanger. Ein derartiger Rechteckimpuls wurde durch ein kurzzeitiges Offnen eines Zentralverschlusses bei steiler Abblendung erzeugt. Fur diese Versuche stand das Bolometer I3 111s zur Verfugung, das auf T, = 4" C bei 10 Torr aufgeheizt war. Die am Bolometer liegende Wechselfrequenz betrug

Monch, Wichert u. Bottger: Experimentelk Untersuchungen am Wismutbolometer 2 13

1000 Hz. Die Abbildungen 45 bis 49 zeigen die bei den einzelnen VerschluBzeiten t = 1/200, 1/111, 1/62, 1/34,5 und l / O sec auf der B r a u n s c h e n Rohre ent- standenen Bilder. Es zeichnen sich die aus (17) und (19) resultierenden Expo-

VerschluB- zeit t sec

nentialkurven ab. In Ta- belle 4 sind in der ersten Spalte die VerschluBzeiten, in der zweiten die aus den Abbildungen 45 bis 49 entnommenen in Prozenten der Amplitude fur t = KJ angegebenen Amplituden fur Belichtungen der Zeit t = t aufgezeichnet ; in der dritten wurde das Produkt tv aus (17) und (34) f u r die i n Spalte 2 der Tabelle 4 aufgefuhrten Amplituden nach folgendem Verfahren berechnet :

Es ist nach (17)

Amplitude z. 1 ~ e i t t = tsecl i ~ $ ~ ~ ~ ~ ~ - berechnet gemeeaen

Produkt t Y Produkt t Y

t = m

(39) und hiermit ist nach dem einmaligen Belichtungsvor- gang fur die i n Spalte 1 der Tabelle 4 stehende Zeit

rv?J t = t das Verhaltnis = IV,

durch den Quotienten

( A Tkn den Zahlen in Spalte 2 Tabelle 4 dividiert durch 100 ist.

Parallel zu diesem Ver- such mit kurzzeitiger Gleichlichtbestrahlung gibt es nun bei sinusformigen Wechsellichtimpulsen eine Frequenz o = 2n v, fur

zur Amplitude fur o = 0,

-

.~ ( A T ) f bestimmt, der gleich

1/2oo 1/111 1/62 1/34,5 m

Abb. 42. Die Zeitkonstante t = 1/s :(2 n Y,,~), gemessen an den Bolometern B 1 bis B 5, in Abhangigkeit von der Trigerschichtdicke bei gleichstarker Wismutschicht und dem Druck. To = konst. = 4 C. Bolometerflache 0,4 x 0,4 = 0,16 cm2. Die an der Stelle der Trager- schichtdicke fur B 4 hindurchgelegte Ebene enthalt als Schnittspur die Kurve fur B 4,in Abb. 43. Zur tfber- sichtlichkeit wurde das Modell langs der z-Achse an der Stelle 10 Torr nach links und rechts aufgeklappt

gezeichnet

Tabelle 4

33,8 1 020 020 60,7 0,19 0,17

0,16 0,17 91,6 0,17 775 I 0,18

100 - -

11200 I 33.8 I 020 030 l j l l l

1/34,5 m

60,7 0,17

91,6 1 I 0,18 - die sich eine Amplitude beobachten lafit, die sich

d. i. t = 00 genau so wie __ (AT)t verhalt. Es gilt (4 1)w

Ann. Physik. 6. Folge. Bd. 12 14 B

214 Annalen der Physik. 6 . Folge. Rand 12. 1953

also hierfur :

Dieses Verhaltnis errechnet sich fur sinusformiges Wechsellicht aus (34) zu

3 2 I 0 -1 -2 -3 -4 logp Druck

Abb. 43. Die Zeitkonstante T = 1/2 :(2 TC v,,!), gemessen an den Bolometern B 1 bis B 5 in Abhangigkeit vom Druck bei gleichdicker U'ismutschicht fur funf verschiedene Drucke. Bolometerflache 0,4 x 0,4 = 0,lG cm2, Ti( =

konst. := 4" C

Druck

Abb. 44. Die Zeitkonstante t = 1/? :(2 n v1,*), gemessen an den Bolometern B 10 bis B 14 in Abhangigkeit von der Wismutschichtdicke (in Ohm gemessen) bei gleichstarker T&gerfolie (40mp) in Abhangigkeit vom Druck. Bolo-

meterflache 0,4 X 0,4 = 0,16 om2

oder t' 11' na-h (41) zu

(42) Dieser nach (42) aus den Daten

der Spalte 2 in Tabelle 4 errechnete Wert fur t' v' steht in Spalte 3 fur verschiedene GroI3en von t' und lafit sich rriit dem gemessenen t' v' vergleichen, worin t' durch die Werte in Spalte 1, v' aus der Kurve in Abb. 32 fur B 111s bei 10 Torr entnommen werden kann, wobei v' als die Frequenz festzu- stellen ist, fur die eine Amplitude der Gro13e der in Spalte 2 (Ta- belle 4) stehenden Werte auftritt.

Interpoliert man in Spalte 2 der Tabelle 4 auf den Amplitudenwert (l-l/e).lOO, so ergibt sich 6' = z = 11106 see = 9,4 msec. Nach Tabelle 3 betragt die zu B 111s bei 10 Torr gehorige Halbwerts- frequenz vl/, = 26 Hz, so daI3 sich flier fur t YI/* der experimentell er- mittelte Wert 0,244 etwas ab- weichend von dem theoretisch (nach (37)) ermittelten 0,277ergibt.

Die Ubereinstimmung der Werte t' v' in den beiden letzten Spalten in der Tabelle 4 und der Werte z v ~ / , ist relativ gut, wenn man bedenkt, wieviel Vereinfachungen durch die Postulierung der Konstanz der Werte fur Wq, und Ffi im Ansatz

(9) und durch das Reclinen mit den Formeln (17) und (34), die nicht recht- eckig, sondern sinusformig modulierte Intensitatsverteilung voraussetzen, ge-

Monch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen a.m Wismutbolometer 2 15

macht werden. Wir erhalten somit nachtraglich eine Rechtfertigung, die Formeln (17) und (34) und speziell die Beziehung (37) t YI/, = v3/2n auch fur Recht- eckimpulse anzuwenden.

Wie man nach (25) zu erwarten hat te , ist die voni Kathodenstrahl uberstrichene Flache der Irnpulsdauer t direkt proportional.

Abb. 45 bis -19. lhotographien von Elektronenstrahlbildern auf dem Leuchtschirm einer Oszillographenrohre. Verlauf der Temperaturerhahung bei Restrahlung mit einem Recht- eckimpuls der Uauer t = 1/200, 1/111, 1/62, 1/31,5, lj0 sec. Versuchsobjekt: B 111s (ge-

schwarztes Bolometer) bei 10 Torr

V. Bedeutung, Bestimmungsrnethoden und Grolle von e, und kk Nach der Differentialgleichung (9) ist der Ablauf der Erscheimingen a m he-

strahlten Bolometer durch die Werte des spezifischen Warmeverluststromes p,, und der Warmekapazitat Fk bestimmt. Durch einige der vorstehenden Bezie-

216 Annalen der Physik. 6. Folge. Band 12. 1953

hungen ist es moglich, w, Die G1. (37) verkniipft die dem Verhaltnis CVv/lV, in

- _ und m, aus den angegebenen MeBdaten zu errechnen. Zeitkonstante z oder die Halbmertsfrequenz vlll mit

der Art -

1 / 3 w, I V V Vlj3 = - - - -0 ,277=. 2n W , JVk (37)

Weiterhin ist nach (11):

(11) 2, Td ' woraus sick1 W, zusammen mit (37) ergibt zu

- . L ]I/ =-

0 2 7 7 L - - ]G'-- .W V i i -2- - V I / * Tu v - , - 2 ?l v,,,

Auch (23) und (24) lassen aus Gleichstrommessungen 20) die Bestirnmung von - W , und w, zu. Es folgt aus (24)

aorin o( der nach Abb. 11 angegebene Winkel fur den Wert t = 0 ist,. An einer be- liebigcn Stelle fur t wird hingegen durch a nach (23) w,) bestimmt zu

.? 2 I 0 - I -2 -3 - 4 logp Druck

Abb. 50. 17,- und $k-\Verte in Abhangigkeit voni Druck. p, (Wi), (1%) eigene Werte, TVU (Cz), W , (C,z) von Czerny und Mitarbeitern angegebene

Werte

Aus den rorstehenden Messungen ergeben die For- meln (11) und (37) die GriiBen fur wv und lTk. Die fur das geschwarzte Bolometer B 111s bei einer fjberternperatur T,= 4" C errechneten Werte sind in Tabelle 2 in Abhangigkeit vom Druck zusammengestellt.

Resondere Aufinerksam- keit verdienen die GroBen wv und E, in Abhangigkeit v o ~ n Druck. Graphisch iiber dem Druck aufgetragen ergeben die Werte in den entspre- chenden Spalten der Tahelle 2 die Kurven IC; (1%) und ?Irk (Wi) in Abb. 50.

Zum Vergleich sind die zugehdrigen GroBen aus Ta- belle 2 der Arbeit von Cze rny und Mitarbeitern eingetragen, die hier mit w, (Cz) und @, (Cz) bezeichnet sind.

-

.. . ~

3O) Zu diesen Bestimmungen ist der Oszillograph zu eichen, so darj aus den An- und Abklingkurven (vgl. Abb. 11) der Winkel a entnommen werden kann.

Monch, Wichert u. Blittger: Experimntelle UntersuAngen am Wismutholometer 2 17

Allerdings liegen unsere Werte fur @, und wk hoher. Das hier verwendete Bolometer hatte eine kleinere Empfangerflache als das von Cze rny benutzte und war geschwarzt. Sieht man von der Warmestrahlung ab, so steigt der Warme- verluststrom schwacher als linear mit der FlachengroBe an 31). Der spez. Warme- verluststrom p, wird sich somit bei groljer werdender Flache verringern. Die Konstanz von w, in Abhangigkeit von der Starke der Aufheizung des Bolometers, also von der Ubertemperatur, wurde bereits fur mittlere Drucke von Cze rny nachgewiesen und gilt wohl auch fur hiihere Drucke; die starkere Aufheizung des Bolometers bei Czern y bei niedrigen Drucken fa11t wegen des geringfiigigen An- teils an Warmestrahlung nicht sehr ins Gewicht. Nach Tabelle 1 ergibt sich fur B 111s ein errechneter Wert fur die Wiirmekapazitat von 24 . 10-6 Wattsec/cmz . grad, nach Tabelle 2 ein gemessener von 52 . 10-6 Wattsec/cmz grad. Dalj der gemessene Wert groBer ist als der errechnete, liegt daran, dalj auch die an die Empfangerflache angrenzenden Teile mit erwarmt werden und so einen Beitrag zur Warmekapazitat liefern. Der Unterschied zwischen den gemessenen Werten fur die Warmekapazitat in der Arbeit von Cze rny und hier liegt einmal darin, dalj hier die auf die Flacheneinheit entfallende Warmekapazitat von B 111s wegen des geringeren Widerstandes der Wismutschicht und vor allem wegen der zusatzlich aufgebrachten Schwarzung groBer ist, auBerdem macht sich die Warmekapazitat der Elektroden usw. starker bemerkbar, da bei uns, wie oben schon berichtet, die Empfangerflache kleiner war als bei Cze r n y und Mitarbeitern. Ferner lie& der gemessene in Tabelle 4 bei Czerny aufgefuhrte Wert etwas nied- riger als der nach seinen Angaben errechnete.

Nach dem oben uber den EinfluB der FlachengroBe auf den spezifischen Warme- verluststrom Gesagten wird verstandlich, dalj sich der spezifische Warmeverlust- strorn bei Czerny und bei uns urn einen Faktor unterscheidet. Man erhalt namlich:

n7,(Wi) = S v ( C e ) . 1,5. Ein entsprechender Vergleich der Warmekapazit,aten fuhrt zu der Feststellung, daB

LVk (Wi) = wk (Cz) + 40

-

-

ist. Der Unterschied der Warmekapazitaten urn eine additive Grolje (40 Ein- heiten) ist bedingt durch die unterschiedliche Konstruktion. Die nach dieser Rechenregel aus gk(Cz) und W u ( C z ) gewonnenen Werte liegen leicht streuend auf den vk (mi)- und JK (1%-Kurven.

Die Druckabhangigkeit von Wv und laljt unter Benut.ziing der A4bb. 51 alle wesentlichen Schlusse zu.

Es ist der gemessene Wiirmeverluststrom ww in logarithrniscliem RlaBstah iiber dem Logarithmus des Druckes aufgetragen worden. m, setzt sich bei 10-3 bis Torr aus den Warmeverlusten durch Strahlung ( WZs) und dem Teil der Warmeleitung zusarnmen, der durch die Leitung der Schicht bedingt ist ( W'7,A.), wlhrend der bei groBeren Drucken hinzutretcnde Anteil durch die WLrme- leitung des Gases bestimmt ist.

Subt,rahiert man die Ordinatenwerte dieser Kurve von einer vorlaufig noch unbestimmten Konstanten, die die GroBe log (2 darstellen soll, so erhilt man wegen

-

31) E. Warburg u. a,, a. a. 0.

218

der logarithmischen Auftragung nach (17) Q/Fv = AT,, d. h. die Temperatur- erhohung. Andererseits laBt sich AT, &us den experimentell gewonnenen MeB- ausschlagen ( E in Tabelle 2 ) herechnen. Dazu wird aus (13) und (17) die Propor- t,ionalitat zwischen 8 und benutzt. I n den beiden Bestimrnungsverfahren fur AT, ist im ersten Fall noch log Q, in1 zweiten Falle noch eine Proportionali- tatskonstante unbestimmt. Beide konnen, da die Ordinatenwerte logarithmisch

Annalen der Physik. 6 . Folge. Band 12. 1953

Druch

Abb. 51. Xur Leistungsfahigkeit des Bolometers 13 IJIs bei 1; = 4 C . Es sind aufgetragen die experinlentell bestimmten GroBen wv [lop4 Watt crn-2grad-ll z [Centi- sek.], Q/rF,, (aus Cleichlichtmessungen Kurve x - E) und die berechneten Werte Q/fTv (Kurve O O G ) , - LITk

Watt sec cmP2 grad-] (errechnet aus IV,,/t, A2 (Quadrat der Lejstu ngsfahigkeit), Q willkurliche kon-

stante Einstrahlung

aufgetragen sind, nur eine Verschiebung der Kurven langs der Ordinate be- wirken. I)a hier nur die Abhangigkeit vom Druck betrachtet werden soll, braucht auf die absolute GroBe, die rnit der Ein- strahlung veriindert werden kann, kein Wert gelegt zu werden. Um die Kurven besser vergleichen eu kon- nen, wahlt man entweder log Q oder den Propor- tionalitatsfaktor so, daB die Kurven fur einenDruck (z. 13. 10 Torr) gleiche Ordinatenwerte haben. AUS der verhaltnismaflig guten cbereinstimmung der beiden Kiirven kann die Berechtigung zu den vor- genommenen Ansgtzen und Vereinfachungen herge- leitet werden.

Weiterhin ist in Abb. 51 die aus

1 3 (37) z= ~- 2 n Y,,,

berechnet,e Zeitkonstante z in Zentisekunden einge-

tragen worclen. Auffallig ist das breite Minimum bei etwa 10 Torr. Wegen

kann durch Addition der Ordinaten der Fv- und z-Kurve die Warmekapazitat, als Funktion des Druckes bestimmt werden. Die erhaltene Kurve Kk gliedert sich in zwei Abschnitte, einen konstanten Teil iinterhalb 10 Torr und einen fur groBere

Monch, Wichert u. Bottger: Experimentelle Untersuchungen am Wismutbolometer 219

Die Abb. 51 gestattet noch eine Abschatzung uber die Leistungsfihigkeit eines Bolometers in den verschiedenen Druckgebieten bei konstantem T,. Es gilt fur die Leistungsfahigkeit 32) A (vgl. VI):

dabei ist c: der MeBausschlag, cmin der Storausschlag, t , die MeBdauer und J der auffallende Energiestrom. Nach (12b) ist der MeBausschlag fur d T ,

c: = c .@ v m . AT, (45) mit

J w o

AT,- =, 117)

- W, fur t,, = t ist d T prop. AT,, so daB sich nur die Konstante c andert. Mit t = = W V

erhalt man : 1 F * T * R

A2 = const. 8 - * - . f m l n w, (47)

In unserem Falle, wo es sich um dieselbe Bolometcrart bei konstantem T, handelt, erhalt man :

A2 = const. =-. (48) 1

w, Die Formel (44) gestatkt auBerdem noch Bolometer verschiedener Metall-

folien miteinander zu vergleichen. Wenn es sich dabei um die gleiche Bauart handelt, kann &in als konst,ant angesehen werden.

Die GroBe A2 1aBt sich in Abb. 51 leicht durch Spiegelung der fk -Kurve an einer beliebigen Horizontalen veranschaulichen. Man findet fur Drucke kleiner als 10 Torr, daB die Leistungsfahigkeit eines Bolometers in diesem Druckgebiet konstant bleibt.

VI. Vergleich von Strahlungsempftingern Mit den StrahlungsmeBgeraben wie Bolometer, Thermoelemente, Radiometer

und Mikroradiometer sollen hauptsachlich zwei Aufgaben gelost werden : A) Die Messung der Bestrahlungsdichte, d. h. der Strahlung, die pro sec und

cm2 auf ein Flachenelement bestimmter Richtung fallt. B) Der energetische Vergleich der Strahlung verschiedener Wellenlange, wie

sie z. B. einen Monochromator verlaBt. Im Fall A) befindet sich der Empfanger in einem gleichmaBigen Strahlungs-

feld; er wird hier desto mehr Energie in erg/sec om2 herausgreifen, je groder seine Oberflache ist. Im Fall B) steht dagegen ein bestimmtes Energiequantum in erg/sec zur Verfiigung, eine VergroBerung der Oberflache bedeutet keine zusatz- liche Energieaufnahme, wenn man die im Ultraroten nur bedingt gegebene Mog- lichkeit voraussetzt, Strahlung beliebig zu konzentrieren.

s2) W. Dahlke u. G. Hettner, Z. Physik 117, 74 (1941).

220 Annalcs der Physik. 6. Polge. Band 12. 1953

Es sollen nur einige Strahlungsempfanger miteinander verglichen werden. Sie konnen sich unterscheiden in den nachfolgenden drei GroSen

1. Empf ind l i chke i t , , d. i. der Quotient aus MeSausschlag E und auffallendem Energiestrom J in erg/sec em2.

2. Mit t l e re S c h w a n k u n g ihres Ausschlages. Uei kleiner werdendern Energie- strom J erreicht der MeBausschlag E einen Wert von der GroDe des durch spontane Temperatur- und Energieschwankungen hervorgerufenen Schwankungsausschlages

3. MeBdauer t,. Da der mittlere Fehler des Mittelwertes aus n Einzelmes- sungen I n ma1 kleiner ist als der einer Einzelmessung und da die in einer gegebenen Zeit mogliche Zahl von Messungen proportional zu litm ist, geht bei einem Vergleich zwischcn Instrumenten mit verschiedener MeDdauer diese als Wurzel ein.

Somit erhalt man als Ma13 fur die Leistungsfahigkeit eines Gerates den Ausdruck

Emin.

_ _

(44)

Ferner spielen praktische Erwagungen eine Rolle, d a man gern groDeren Auf-

Czerny33) wies nach, daD die Leistung des Thermoelernentes, des Mikro- radiometers und des Radiometers eine fur alle ,,Warmekraftmaschinen" gleiche untere Grenze hat; D a h l k e und Hettner34) bestktigten diesen Nachweis und dehnten ihn auf das Bolometer, ein sog. ,,Steuergerat" aus. Theissing35) unter- suchte Empfindlichkeit und Leistungsfahigkeit verschiedener Strahlungsinstru- mente experimentell.

Der im folgenden n x h der Aufstellung in Tabelle 5 gezogene Vergleich sol1 sich nur auf Bolometer erstrecken, die gewisse Ahnlichkeiten in der Bauart haben.

wand vermeidet.

I l l

b -4 -4 I

Abb. 52. Kon- struktion und Ab- niessungen des ZeiBschen Dop-

pelbolometers

Die Abschatzung der Vor- und Nachteile gegenuber anderen Konstruktionen bleiht einerri Vergleich mit den Angaben T h ei s s i n g s 35) und Rose n t h a Is 36) iiberlassen.

Abb. 52 zeigt die Form und die MaDe des Doppelbolo-

Zu den in Tabelle 5 zusammengestellten Ergebnissen 1aSt sich sagen, daD erst ein unmittelbarer Vergleich der einzelnen Konstruktionen unter genau gleichen Bedingungen Auskunft iiber die Berechtigung der Bevorzugungen des einen vor dem anderen geben wiirde. I n allen Fallen ist wegen der xhnlich- keit der Konstruktionen keine grundsatzlich andere GroSen- ordnung der Empfindlichkeit zu erwar