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Empfindlichkeit und natrliche Nachweisgrenze beim Nickelbolometer.

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Empfindfichkeitund naturfiche Nach weissgrenze
beim NickelboIometer I)
Von G e r h a r d B a r t h 2 ) und W i l h e l m M w i e r 3 )
X i t 11 Abbildungen
Inhaltsiibersieht
Die Arbeit befaBt sich mit Metallbolometern, die zur Messung kleineter
Strahlungsintensitiiten beniitzt werden. Um die Theorie der Bolometerempfindlichkeit und der natiirlichen Nachweisgrenze experimentell zu priifen,
wurde eine umfangreiche Apparatur gebaut, die es ermoglicht, die Abhangigkeit der Bolometerempfindlichkeit von siimtlichen Parametern zu untersuchen. Messungen an speziell zu diesem Zweck hergestellten Nickelholometern zeigen, daB alle diese Einfliisse tatsachlich mel3technisch erfaBbar sind
und in bester quantitativer Ubereinstimmung mit der Theorie stehen. Rauschmessungen mit einer neuartigen MeBmethode bei verschiedenen Frequenzen
und Temperaturen ergeben ein Rauschen, das bei niedrigen Betriebstemperaturen des Bolometers in Ubereinstimmung mit der Theorie ist. Bei hohen
Temperaturen iibersteigt es jedoch den t heoretischen Wert um ein mehrfaches.
Eine Deutung dieser Erscheinung wird in einem lockeren Kristallgefiige cles
elektrolytischen Nickelniederschlages gesucht . Die Messung der natiirlichen
Nachweisgrenze kann mit einer Genauigkeit durchgefiihrt werden, wie sie
bisher noch nicht erreicht wurde. Der Vergleich mit, der Theorie ergibt eine
sehr gute Ubereinstimmung. Zum SchluB werden in einer zusammenfassenden
Ubersicht die Nickelbolometer mit den iibrigen zur Zeit bekannten hesten
thermischen Strahlungsempfanger nach einheitlichen Gesichtspunkten verglichen.
-~
~
A. Einleitung
Die Leistungsfiihigkeit der Empfanger fiir Lltrarotstrahlung ist in den
letzten beiden Jahrzehnten soweit gesteigert worden, daB die besten von ihnen
heute bereits in der Niihe der theoretisch erreichbaren Grenze liegen: die durch
die thermodynamischen Schwanhngserscheinungen gegeben ist4). Fur die
Giite eines derart hochempfiiidlichen Empfangers ist nicht nur die Empfindlichkeit maBgebend, sondern vor allem seine ,,Naturliche Nachweisgrenze",
d. h. diejenige Bestrahlungsstarke (Watt/cm2), die am Empfangsorgan eine
meBbare Verilnderung hervorruft , welche dieselbe GroBe h a t wie der nnver-
1)
2)
3)
4)
Experimenteller Teil einer Dissertation: G . B a r t h , Freiburg i. Br. 1967.
Rrma Carl Zein, Obcrkochen.
Institut f. Physikalische Chemie der Univcrsitiit FreiburgIBr.
R. C'. J o n e s , J. opt. Sor. -4mer. 37, 897 (1947); 39, 327 (1949);39, 344 (1949).
meidbare natiirliche Storpegel. Speziell fur den relativ einfachen Fall des
Metallbolometers lassen sich Empfindlichkeit und naturliche Nachweisgrenze bei Kenntnis gewisser GroBen berechnen4)6) 6, ') 8 , 9). tTm zu klaren,
\vie weit die Theorie die Eigenschaften realer Metallbolometer richtig vorauszusagen gestattet, wurden ausgedehnte Untersuchungen an Nickelbolometern
durchgefiihrt, iiber die im folgenden berichtet werden soll. Eine ahnliche Aufgabe hatten sich schon M. Czerny8) und G. C. MonchlO) gestellt. Allerdings
beschrankten sie sich auf die Verhaltnisse bei relativ groBen Einstrahlungsintensitaten und deuteten ihre MeBergebnisse zu einem groBen Teil nur qualitativ. Wir werden dariiber hinausgehend in allen Einzelheiten quantitative
Vergleiche zwischen Theorie und Experiment anstellen und aul3erdem die
wichtige GroBe der naturlichen Nachweisgrenze mit einbeziehen, wobei wir
vor allem das gegenwartig in der Praxis allgemein benutzte Wechselstrahlungsverfahren beriicksichtigen. Fur die Bewaltigung dieser Aufgabe waren sehr
gtnaue Messungen erforderlich, fur welche eine umfangreiche Apparatur aufgebaut wurde. Einzelheiten derselben, insbesondere iiber die neu entwickelten
elektrischen Regel- und MeDeinrichtungen, werden an anderer Stelle mitgeteilt11)12). In einer weiteren Veroffentlichungs) wird eine Darstellung der
Theoric. des in einer Wechselstrombrucke hefindlichen Metallbolometers als
Strahlungsempfanger gegeben, die wir im folgenden zum Vergleich mit den
esperimentellen Ergebnissen laufend heranziehen werden.
B. Herstellung von Nickelbolometern
Fiir die oben geiiannten Untersuchungen wurde eine freitragende Bolometerkonstruktion mit Nickel als Bolometermetall gewahlt. Hierfiir waren
folgeiitle vier Griinde mal3gebend : Erstens die beziiglich Wiirmeableitung usw.
theoretisch relativ durchsichtigen Verhaltnisse bei freitragenden Schichten,
zweitens die Moglichkeit, verhaltnisrniifiig hohe Bolometertemperaturen ZUxulassen, drittens der hohe Temperaturkoeffizient des Ni und viertens die
Tatsache, daB ein gut durchentwiclteltes Verfahren bekannt ist, nach welchem
cliinne, freitragende Nickelfolien bis herab zii einer Dicke von 0,l /A angefertigt
werden konnen (F. G. Brockman13)).
Der Herstellungsgang, der im AnschluB a n B r o c k m a n in einigen Punkten
verhessert und verfeinert wurde, ist kiirz folgender :
Kupferfolien von 20 ,u Dicke aus reinem Elektrolytkupfer werden zunachst
in Pyrophosphorsaure elektrolytisch poliert, um eine moglichst ebene Kupferoberflache zii erhalten, welche frei ist von Rillen und iihnlichen, die mechanische Festigkeit der spateren Nickelfolien beeintrachtigenden Oberflachenstrukturen. AnschlieBend an diese Oberflachenbehandlung kommen die auf
Xupfertrager gespannten Kupferfolien nach mehrmaligem Eintaucheii in
- -
_ _ ~
G. B a r t h , Optik 15, G9.2 (1968).
6, G. B a u e r , Physik. Z. 43, 301 (1942).
;) It. P. c ' h a s ma r , W. H. Mitchell and A . Rr nn ie , J. opt. SOC.
Amcr. 4G, 469 (1956).
A[. C'zerny, W. K o f i n k u. W. L i p p e r t , Ann. Physilc S, 66 (1960).
9, P. B. F c l l g e t t , J. opt. SOC.
Amer. 39, 970 (1949).
lo) C:. ( I . M d n c h , G.W i c r h e r t u. 0. B i i t t g e r , Ann. Physik 10, 183 (1953).
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l 2 ) (i.
Bart11 11. H. Plrssr, Zei~~-Mittrilurijirri
1, 166 (1968).
1 3 ) IT. (;. Uroclrrnan, J. opt. SOC.
Amrr. 36, 32 (1946).
5)
262
Anrcalen der P h p i k . 7. Folge. Bond 3. 1959
verschiedene Entfettungsbader als Kathoden in ein Nickelbad folgender Zusammeiisetzung :
120 g NiSO, . (i H,O
15 g NH,Cl
15 g H,BO,
in
1 1 H,O.
An die Reinheit des Elektrolyteii sincl extrem hohe Anforderungen zu
stellen, da die geringsten Verunreinigungen sich in einer Verkleinerung des
Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Nickelniederschlages bemerkbar
machen. Der pa-Wert des Bades ist auf 6,O eingestellt. Die Badtemperatur
betragt 20" C. Die Kupferfolie wird bei einer Stromdichte von etwa 3 mL4/cm2
vernickelt . Der Niederschlag sol1 moglichst gleichmaBig erfolgen. Daher wird
der Elektrolyt durch eiii langsames Riihrwerk in kreisender Rewegung gehalten. J e nach der gewiinschten Schichtdiclce wird die Elektrolyse zwischen
etwa zwei und zehn Minuten heendet. Die Dicke wird mit einem Interferenzmikroskop gemessen.
Nach der Vernicklung werden die Kupferfolien in Streifen von 4-10 mm
Lange und 0,2-0,5 mm Breite geschnitten. Sie diirfen hierbei keinerlei Spannung erhalten. Es wurde daher eine besondere Schneidevorrichtung geschaffen,
bei der die diinnen Streifen wahrend des Schervorganges zwischen zwei
Kunststoffbacken festgehalten werden, welche keine Mogiichkeit zur Kriimmung der Folien lassen. Das Abscheren erfolgt senkrecht zur Oberflache.
Die Streifen werden darauf als Doppelbolometer zu je zweien in einen Halter
aus Platindraht weich eingelotet . Diese Lotung ist von ganz entscheidendem
EinfluB auf die Giite des spateren Bolometers. Nine mangelhafte Lotstelle
hat ein Kontaktrauschen zur Folge, welches das normsle Rauschen um mehrere
Zehnerpotenzen iibertreffen kann. Vorteilhaft erweisen sich Speziallote fur
Nickel. Aber auch hier ist eine einwandfreie Lotung nicht von vornherein gesichert, so dalJ die fertigen Bolometer auf Kontaktrauschen gepriift uiid die
schlechten unter ihnen ausgeschieden werden miissen. Nach dem Einloten
wird das Cu in einem xtzbatl aus gesattigter Zyankali-Losung bei etwa 50"
entfernt. Der beim Atzvorgang entstehende Wasserstoff wird durch das Platin
von der Nickeloberfliiche fercgehalten. Das Ende der Kupferauflosung wird
durch die Beendigung der Wasserstoffentwicklung itngezeigt.
Die zuruckbleibende diinne Nickelfolie von 0 , l ,u bis 0 , 3 p Dicke wird in
destilliertem Wasser untl in Bldern, welche das noch an der Nickeloberflache
haftende Zyankali neutralisieren, mehrmals gespiilt. Um ein ZerreiBen zu
vermeiden, leistet der Zusatz von oberflarhenspannungsvermindernden Mitteln
zii den Neutralisierungsbadern gute Dienste.
Das Bolometer wird anschlieflend geschwarzt . Nach den Methoden von
A. H. Pfund14) und 1,. H a r r i ~ 1 5 - 1 ~werden
)
sehr gute Erfolge erzielt, wie die
spateren Messungen zeigen .
-___
14)
15)
16)
A. H. P f u n d , J. opt. Sor. Amcr. 13, 375 (1933).
L. H a r r i s , J. opt. Soc. &4mer.46, 100 (1956).
I,. Harris, R. T. A l c U i n n i c s and J3. M. S i e g e ] , J. opt. Soc. Anirr. 35, 682
(1946).
L. H a r r i s tinct A. 1,.
I , o c b b ,
.J. opt. Soc. Amer. 43,1114 (19153).
G. Barlh
U.
H'. Mazer:
263
EmpJiarEliehkeil uiid -Vciehirei.ypm:e h e h .VickelOoloineler
AbschlieBend wird das fertige Bolometer in ein Glasgehause mit UR-durchlassigem Fenster aus KRS-5 eingesetzt, das auf den gewiinscht,en Luftdruck
evakuiert und dann abgeschmolzen wird.
Abb. 1 zeigt eine Aufnahme des fertigen
Bolometers bei abgenommener KRS-5Scheibe, auf welcher der Rolometerhalter
mit den drei Platinzuleitungen, sowie die
beiden 5 mm langen und 0,3 mm breiten
geschwarzten Bolometerstreifen zu erkennen sind.
C. Nellmethode und Apparatur
1. NeDmethode
1st A N die auf die Bolometerflachen auffallende Bestrahlungsstarke (in Watt/cm2)
~Abb. 1. Doppclbolomrter
und A U , die von der Wechselstrombrucke
abgegebene Nutzspannung, so verstehen
wir unter der ,.Bolometerempfindlichkeit" das Verhaltnis A U , / A N . Um die
Theorie des Metallbolometers zu prufen, sind Messungen der Bolometerempfindlichkeit in Abhiingigkeit von verschiedenen Parametern amzufiihren.
AuBerdem iat die natiirliche Nachweisgrenze experimente!l moglichst genau
zu bestimmen. Die fur diese Untersuchungen angewandte Menmethode sei a n
Hand des Blockschaltbilds
der Abb. 2 kurz erlautert.
Das Bolometer befindet
sich wie iiblich in einer
Bruckenschaltung.
Die
Briickenspannung wird von
einem Tongenerator TG
mit, einer Frequenz von
5000 Hz geliefert. Die eine
Rolometerfliiche R, wird
der zu messenden Strahlung ausgesetzt, die durch
die Modulationsscheibe iM
moduliert
wird.
Am
Briickenausgang tritt dann
eine
5000-Hz-Spannung
Abb. 2. Blockschaltbild der Apparatur. M Strahlungsauf, welche mit der Fre- modulation;
Ph Photozelle; Rl,R, Rolometerfliichen;
quenz der Strahlungsunter- TG Tongenerator ; V,, V,, V , Verstiirker ;GZ,,GZ, lineare
brechung moduliert ist. Gleichrichter;I Anzeigeinstrument ; RM Rauschmesser
Diese Spannung wird iiber
einen tfbertrager dem Verstiirker V, zugefiihrt, dort verstarkt und in
der linearen Gleichrichterschaltung GI, demoduliert. Die hierfiir benotigte
Hilfsspannung wird in richtiger Phase dem Tongenerator entnommen. Am
Eingaiig des zweiten Verstarkers V , verbleibt eine Wechselspannung, welche
die Frequenz der Strahlungsmodulation besitzt,. Sie wird weiter verstarkt,
im Gleichrichter G12linear gleichgerichtet und dem MeBinstrument I zugefiihrt.
~
I
-
264
Annnlon der Plgsik. 7 . Fdrje. Beid 3. 1959
Die zur Gleichrichtung in GI, henotigte Hilfsspannung wird einer Photozelle
Ph hinter der Strahlungsunterbrecherscheibeentnommen und in einem Verstarker V, auf den erforderlichen Wert verstarkt. Dieses Tragerfrequenzverfahren, das bei Bolometern als erster H. Plessel8) angewendet hat, vermeidet wesentliche Nachteile anderer Verfahren. Dafur erfordert es einen
relativ grofien elektrischen Aufwand.
Fur genaue Messungen des Rauschens untl der naturlichen Nachweisgrenze
wird an Stelle des Instrumentes I ein Rauschmesser R M henutzt, der eigens
fur diesen Zweck entwickelt wurde und an anderer Stelle beschrieben ist la).
11. Ayparatur
Die wichtigsten Eigenschaften der Apparatur sollen im folgenden kurz
angegeben werden. Genauere Einzelheiten finden sich in der Dissertation
von G. B a r t h l s ) .
Als S t r a h l u n g s q u e l l e dient ein schwarzer Korper, dessen Strahlungsdichte sich berechnen lafit. Er besitzt eine durch Blenden zwischen 10 und
100 mm2 variierbare kreisrunde offnung. Seine Temperatur (20' his 500" C)
wird mittels ejnes Thermoelementes gemessen. Geschwarzte Rohre von 50 mm
Durchmesser mit zahlreichen Blenden zwischen schwarzem Korper und Bolometer schirmen alle Storstrahlungen ah unrl legen den ~ffnungswinkeldes
zur Messung benutzten Strahlenbiindels fest. Fiir relative Messungen. die
keine Kenntnis der Strahlungsleistung voraussetzen, kann auch einfach eine
Gluhlampe als Strahlungsquelle verwendet werden.
Die R e c h t e c k - M o d u l a t i o n der schwarzen Strahlung erfolgt dnrch eine
rotierende Flugelscheibe mi t vier gleichgrofien, abwechselnd durchlassigen
und undurchliissigen Sektoren. Die Motlulationsfrequenz kann kontinuierlich
awischen 2 und 120 H z variiert werden und ist auf 1%konstant. Nehen der
rechteckformigen Unterbrechung ist in bestimmten Fallen auch eine sinusforniige Strahlungsmodulation eines von einer Lampe entworfenen parallelen
Lichtbundels notwendig. Die Verfahren hicrzu sind mehrfach angegeben
worden20)21).
Die B o l o m e t e r b r u c k e mu0 auBerordentlich stabil aufgebaut sein, da
im Estremfall relative Widerstandsanderuiigen von der GroI3e d R/R = lops gemessen werden sollen. Samtliche Zuleitungen sind daher starr aufgebaut, um
kapazitive Schwankungen zu vermeiden. AuBerdem ist Eur aul3erste Sauberkeit der Kontakte und sorgfaltige elektrische Abschirmung Sorge getragen.
An die B r u c k e n s p a n n u n g ist die Fortlerung einer kurzzeitig sehr hoheii
Konstanz zii stellen und zwar aus folgmdem Grunde: Da die beiden NiFolien des Doppelbolometers heziiglich des Temperaturkoeffizienten, der
Warmekapazitat, der Warmeubergangszahl und anderer Faktoren niemals
vollig gleich sind, hat eine kurzzeitige Schwankung der Bruckenspannung
ungleiche Anderungen in der Aufheizung tler heiden Bolometerflachen zur
Folge und fiihrt damit zu Schwankungen der $nzeige, die schon bei verhaltnislb)
H. l'lesse , Wilrmepcilgerilt der Firma C'arl ZeiO, in1 3lanuskript gedruckt,
Jenn 1944.
19) G. B a r t h , Dissertation, Prriburg i. 13r. 1957.
2 0 ) W. K o f i n k , Diis 1 A i t 14, 108 (1911).
2') G . C. M i i n c h , Optik 10. 365 (19.53).
D. Barth
11.
W . Maier: Empfiiidlichkeil
ti nd
266
Nacltzueisgreiise beini Nickelbolometer
miiBig kleinen Spannungsschwankungen das Rauschen iiberdecken konnen.
Bei der zur Bestimmung der natiirlichen Nachweisgrenze benutzten hochempfindlichen MeBeinrichtung, die eine kleinste relative Widerstandsiinderung von
oder bei Nickelbolometern eine Temperaturanderung in der
GroBenordnung von lo-' "C bei einer Bandbreite von 1Hz zu erkennen gestattet, mu0 die Konstanz der Speisequelle nach unseren Messungen besser
als etwa
sein. Da die bekannten stabilsten Tongeneratoren in ihrer
des Sollwertes zeigen, muBte ein
Amplitude Schwankungen von etwa 5 .
Generator hiiherer Stabilitat entwickelt werden. Durch Verwendung sehr
starker Gegenkopplungen und geeigneter Regelglieder wurde bei Netzbetrieb
erzielt.
eine Konstanz der Amplitude von besser als
Die V e r s t a r k e r der Apparatur sind innerhalb 0,2% linear, besitzen einen
rauscharmen Eingang (EF 40) und sind in dem benutzten Frequenzbereich
nahezu frequenzunabhangig. Der Verstiirker V , zeigt bei den tiefsten Frequenzen einen Verstarkungsriickgang, der bei der Auswertung der MeBergebnisse ohne aeiteres beriicksichtigt werden kann.
Die G l e i c h r i c h t e r bestehen aus einer RingmodulatorschaltungZ2)
(Lock-In),deren Kennlinie bei geeigneter Dimensionierung von der Linearitiit
um weniger als O , l % abweicht. Eine derartige Schaltung besitzt den groBen
Vorteil, da13 fur die Bandbreite der gesamten MeBeinrichtung fast ausschlieBlich
die Zeitkonstante des hinter der Gleichrichtung liegenden Anzeigeinstrumentes
maBgebend ist. Daher ist es moglich, mit geringem Aufwand nahezu beliebige
kleine Bandbreiten zu realisieren.
D. MeBergebnisse und Diskussion
I. Der Temperaturkoeffirient der Nickelbolometer
Die Empfindlichkeit eines Bolometers geht proportional zu dem TemARIR
T seines elektrischen Widerstandes. Wir
peraturkoeffizienten (TK) a = 2
haben daher dessen Abhiingigkeit von der Vernicklungsstromdichte, von der
Schichtdicke, sowie von der Bolometertemperatur niiher untersncht. Der T K
wurde aus Widerstandsmessungen des 5.10- Bolometers in einer Briicke bei den
Temperaturen 0" C und 100" C ermittelt.
Hierbei war die Bruckenspannung so 4'10-3 klein gewkhlt, daB keine Aufheizung des
Bolometers gegeniiber seiner Umgebung 3.1,,-3
eintrat. Die MeSgenauigkeit war f 1%.
I n Abb. 3 ist der TK in AbhiingigStmmdidrte (mA/cmV
keit von der Vernicklungsstromdichte 270-3, ; *
'
'
*
3
5
7
9
aufgetragen. Jeder Punkt
den Ahb. 3. Temperaturkoeffizient der
gemessenen a-Wert eines eigens d a f ~ Nickelschichten als Funktion der Verhergestellten Bolometers dar. Es ergibt
nicklungsstromdichte
sich eine verhaltnismiiBig starke Abhangigkeit des Temperaturkoeffizienten von der Vernicklungsstromdichte. Bei
b
z2)
W. Geyger, ATM-Blatt Z 52-8
Ann. Phssik. 7. Folge, Bd. 3
I
I
(1948).
18a
266
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 1959
kleiner Stromdichte steigen die TK-Werte steil an, um sich dann asymptotisch einem Endwert von etwas iiber 5 . lop3 (grad-') zu nilhern. Eine Vernicklungsstromdichte von etwa 3 mA/cm2 ist a19 optimal anzusehen, da hier
der maximale Temperaturkoe f fizient nahezu erreicht ist und bei hoheren
Dichten die Vernicklungszeiten fur 0 , l bis 0,3 ,u dicke Nickelniederschliige
so kurz werden (unter 100 sec), daB andere nachteilige Erscheinungen auftreten.
Brockman13) h a t in einem Bad derselben Zusammensetzung schon bei
einer Stromdichte von nur 1,0 mAlcm2 TK-Werte von etwa 5 . 10-3 erhalten.
Da er die Stromdichte nicht variiert hat, ist nicht festzustellen, ob er bei
groBeren Stromdichten zu noch hoheren Werten fiir den Temperaturkoeffizienten gekommen ware. Derselbe betragt namlich fur reines Nickel nach den
Tabellen von D ' A n s - L a x 6,7.
Da13 wir diesen Wert nicht erreichen, kann
entweder - wie auch B r o c k m a n vermutet - auf Spuren noch vorhandener
Verunreinigungen des Nickelbades zuriickgefuhrt werden, oder aber auf eine
vom kompakten Nickel abweichende Struktur des Kristallgefuges des Nickelniederschlages, eine Annahme, die durch unsere Rauschmessungen sehr wahrscheinlich gemacht wird (vgl. Kap. D, VI).
Abb. 3 zeigt weiterhin eine zum Teil erheblich uber der MeBgenauigkeit
liegende Streuung bei Bolometern, welche mit derselben Vernicklungsstromdichte hergestellt wurden. Woher diese Unterschiede kommen, laBt sich nicht
mit Sicherheit sagen. Da die Vernicklungen zeitlich unmittelbar nacheinander
vorgenommen wurden, kann eine b d e r u n g der Konzentration oder der aul3erst
geringen Verunreinigungen nicht die Ursache sein. Wahrscheinlich sind Unterschiede in den elektrolytisch polierten Kupferoberflachen verantwortlich zu
machen, die verschiedene KorngroBen und verschiedene Texturen der Nickelschichten zur Folge haben. Tatsachlich ergab sich auch durch mikroskopische
Untersuchungen, daB einem gr6Beren Korn ein hoherer Temperaturkoeffizient
entspricht.
Eine Abhangigkeit des T K von der Schichtdicke konnte in ubereinstimmung mit F. G . B r o c k m a n bei den hier untersuchten Dicken (0,l ,u bis 0,3 ,u)
nicht festgestellt werden. Der Temperaturkoeffizient der Nickelbolometer
ist auBerdem in dem fur die Empfindlichkeitsmessungen interessierenden Temperaturbereich zwischen Zimmertemperatur und etwa 150" C nach unseren
Messungen vollig konstant. Das erleichtert den Vergleich zwischen Theorie
und Experiment in weitem MaBe und schafft wesentlich einfachere Verhiiltnisse, als sie z. B. bei den aufgedampften Wismutbolometern M. Czernyss)
vorlagen.
Es sei noch erwahnt, daB der aus Widerstands- und Schichtdickenmessungen
bestimmte spezifische Widerstand der Nickelbolometer mit 7 bis 8 1W6
(Ohm. em) nur wenig uber dem Tabellenwert des kompakten Nickels liegt
(6 .
;D'Ans Lax). Unsere elektrolytischen Nickelschichten besitzen somit
noch ungefiihr die normalen Materialeigenschaften des kompakten Nickels.
IT. Sohwiirzung und Absorptionsvermtigen der Bolometer
Nach W. W ~ l t e r s d o r f f gibt
~ ~ ) es fur Metalle eine bestimmte Schichtdicke, bei der langwellige Strahlung ( A
Dicke) maximal absorbiert wird
>>
~~
~
e3) W. Woltersdorff, Z. Physik 91, 230 (1934).
G . Barth
ti.
8'.Mtrier: Empfindlichkeit und Machuieisgrenze beim ATickelbolorneler
267
und zwar zu 50% ,wahrend je 25% reflektiert bzw. durchgelassen werden. Diese
Schichtdicke berechnet sich fur Nickel zu d = 3 .
cm. Die Schichtdicken unserer Bolometer (etwa 2 . 10-6 cm) sind um den Faktor lo3 hoher.
Bei ungeschwarzten Bolometern wiirde daher im Ultraroten nahezu vollstandige Reflexion und nur sehr geringe Absorption eintreten. Die Bolometer
mussen also mit einer Schwiirzungsschicht versehen werden, welche einerseits
die einfallende Strahlung moglichst vollstiindig absorbiert, andererseits aber
die Triigheit der Bolometer nicht allzusehr vergroaert.
Diesbezugliche Untersuchmgen wurden durch Bedampfen eines Bolometers mit Gold (,,Goldschwarz") in Stickstoffatmosphare bei einem Druck
von 1mm Hg und einer Verdampfungsgeschwindigkeit von 1-2
g/sec
durchaefiihrt. Abb. 4 zeigt, die
Empfindlichkeit des Bolometers
in willkiirlichen Einheiten bei 20
verschiedenen
Schwiirzungsgraden (als Parameter) in Abhangigkeit von der Modulationsfrequenz (Rechteckmodulation).
Die unterste Kurve gibt die ErI
gebnisse fur das blanke Bolometer wieder. Dariiber liegen
die Empfindlichkeiten nach der
ersten, zweiten, dritten und
FlVm(fiL
vierten Bedampfung mit Gold- l l
;
;
&
,
Eine Fortsetzung der Abb. 4. Empfindlichkeitssteigerung durch SchwarSchwarzung
bringt
keine zung. Dicke der Ni-Folie: 0,12 p. Flache eines
nesentliche Steigerung der Bolometerstreifens: 4,O x 0,3 mma. Temperatur
des schwanen Strahlers: 600" K
Empfindlichkeit mehr ; weitere
gemessene Kurven sind daher
nicht mitangefuhrt. Wie man aus Abb. 4 entnimmt, ruft die maximale
Schwiirzung bei 2 Hz eine Empfindlichkeitssteigerung von 6,3, bei 40 Hz eine
solche von 4,4 hervor. Ein Vergleich der Halbwertsfrequenzen 1aBt erkennen,
daB die Warmekapaaitat des blanken Bolometers durch die Schwarzungsschicht etwa verdoppelt wird (vgl. Abschnitt V). Eine Verringermg der
Schichtdicke des Bolometers unter etwa 0,l p hiitte also, die Moglichkeit hierfur
vorausgesetzt, bezuglich der Tragheitsvermindermg keinen Sinn, weil unterhalb dieser Schichtdicke die Tragheit des Empfangers hauptsachlich durch
die Warmekapazitat der Schwarzungsschicht bestimmt ware. Ob und inwieweit man letztere herabsetzen kann, ist eine noch offene Frage. Es sei
noch erwahnt, daB durch die Schwarzungsschicht der Widerstand der Bolometer nicht in mel3barer Weise beeinfluBt wird.
-
~~,~$($~h.~en,
d;
i0 i0 &,
Zur Bestimmung des Absorptionsvermogens wurde Strahlung bekannter
Leistung auf die Bolometer gestrahlt und der durch sie hervorgerufene Ausschlag mit demjenigen verglichen, der sich einstellte, wenn dieselbe Leistung
dem Bolometer durch Stromheizung zugefiihrt m r d e . Bei einmandfreier
Schwarzung ergab sich ein Absorptionsvermogen von ungef iihr 95%. Durch
weitere Messungen wurde festgestellt, daB dasselbe im Bereich von 200 mp
bis 10 p wellenliingenunabhangig ist.
18*
268
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 7959
HI. Wiirmeubergangszahl
Die Wiirmeiibergangszahl W , errechnet sich (vgl. 7) aus
- TI)
w..= L/2 F -T -oT(T4
o
AuBer der BolometerfliicheP miissen zu ihrer Bestimmung also noch die durch
den Bruckenstrom in das Bolometer gesteckte Leistung L, die Bolometertemperatur T und die Zimmertemperatur Tobekannt sein. (T ist die StefanBoltzmannsche Konstante. Die Leistung L ergibt sich aus L = Ua/4 R,
wobei U die Briickenspannung und R der Bolometerwiderstand ist. Die Obertemperatur wird nach T - To= (l/oc) . In (R/Ro)mit vorher bestimmten
Temperaturkoeffizienten a aus den Bolometerwiderstanden R (bei T) md Ro
(bei To)ermittelt. R und Ro erhalt man am einfachsten durch Substitutionsmessungen in der Bolometerbriicke selbst.
Es sei noch erwiihnt, daD die auf diese Weise ermittelte Temperatur der
Bolometerfliiche ein integraler Wert ist. Wie aus spateren Messungen hervorgeht, besitzen die Bolometerenden infolge der Wiirmeableitung durch die Zuleitungen eine etwas niedrigere Temperatur als die Bolometermitte. Die
Genauigkeit der im folgenden beschriebenen Messungen ist, hierdurch jedoch
nicht beeintrachtigt.
760
6
1
094
1,46 * 10"
1,24 * 104
8,76 . lo4
5,60.10-3
innerhalb
2% liegt. Die Wiirmeiibergangszahl ist besonders in dem
Bereich zwischen 0,l und 5mm Hk
sehr stark druckabhhgig. Oberhalb
G'. Bailh u. W . Maier: EmpJiwdliclikri/
i i d
.~rrcbcc.aiagr~a:ebeim .V;~lirlboloiw/w
269
der Abstand des KRS-5-Fensters voxi der Bolometerflache eineri EinfluB auf
die Warmeiibergangszahl.
Die hier festgestellte Abhangigkeit der Warmeiibergangszahl vom Luftdrnck ist wesentlich groBer, als die von M. Czern y an Wismutbolometern
gemessene8). Der Unterschied ist trotz der Verschiedenheit der Bolometerkonstruktion nicht ohne weiteres erklarbar. Man konnte zunachst denken,
da13 bei den auf ein Zaponlackhautchen aufgedampften Wismutbolometern die
Warmesbleitung durch die Bolometerenden uiid die Zaponlackfolie eineri
grd3ercii Beitrag zur Warmeiibergangszahl liefert, als die druckabhangige
Warmeleit~ng durch das Gas. Dann miiliten jedoch die von C z e r n y geniessenen W,-Werte allgemein hoher liegen, als die unsrigen, wahrend das Umgekehrte der Fall ist. Vielleicht 1aBt sich die Diskrepanz darauf zuriickfiihren,
tlal3 die Brstimmung der Bolometerteniperatur bei VC7ismutbolometernwegen
tles stark temperaturabhangigen Temperaturkoeffizienten mit wesentlich
grol3erer Unsicherheit behaftet ist als bei den Nickelbolometern.
2 . A b h a ng i g ke i t d e r W a r me ii be r g a n g s z a h 1 v on d e r B ol o me t e r temperatur
Die Messung geschah an dem unter 1. beschriebenen Bolometer. Aus
Tab. 2 ist zu ersehen, daB die Warmeiibergangszahl his zu den verhaltnismaBig hohen ffbertemperaturen von 100" C unabhangig von der tfbertemperatur ist. Der Ansatz der Bolometertheorie, der von dieser Unabhiingigkeit
ausgeht, ist daher fur die vorliegenden Bolometer voll giiltig.
Tabellc 2
Warmeubergangszahl in AbhiLngigkeit
yon der Ubcrteniperatur bei variablem Luftdruck
-~
~~
T - To("C)
k i c k (mm Hg)
760
22,7"
1,46 10-2
1,24 10-2
8,76 loa
6,60. 10-3
2 , i o . 10-3
-
1
I
44,6O
I
70,7"
99,6"
I
- 10-2
1,42
1,27
8,96 *
6,46
2,Ol
10"
loa
- lo4
10-8
I
1,46 * 10-2
1,26 * 10-%
8,80.10-3
6,40.10-3
2~3.10-3
836 6,66 loa
1,46 lov2
1,23.10-2
*
2,08 *
loa
3. O p t i m a l e W a r m e i i b e r g a n g s z a h l
Nach der Theories) 18) existiert bei vorgegebener Warmekapazitat K fur
jccle Modulationsfrequenz v eine optimale Warmeiibergangszahl :
Um diese theoretische Voraussage quantitativ zu priifen, wurden die folgenden
Messungen durchgefiihrt. Das hierfiir benutzte Bolometer war ungeschwarzt
uiid besali bei einer Fliiche von 3,5 0,25 mm2eine Warmekapazitat von 1,4
(W s
. grad-l). Es wurde mit konstanter Intensitat bestrahlt und dabei
die Empfindlichkeit in Abhangigkeit von der Modulationsfrequenz und der
Warmeiibergangszahl gemessen. Die konstante Ubertemperatur betrug 28" C.
Abb. 5 zeigt die Meliergebnisse. Mit steigender Modulationsfrequenz verschiebt sich das Maximum der Empfindlichkeit nach Werten hoherer Wiirmea
-
+
370
Annalen der Physik. Y. Folge. Band 3. 1959
ableitung. Das Uberschneiden der Kurven bei hohen Wiirmeiibergangszahlen
ist auf den Frequenzgang des Verstarkers V , zuriickzufuhren, der hier nicht.
rechnerisch eliminiert wurde, da er bei den jetzigen Betrachtungen keine Rolle
spielt. Vergleicht man die aus Abb. 5 sich ergebenden optimalen Warmeubergangszahlen mit den theoretisch
Emyt%d!i&keit
,
berechneten (nach (2)), so ergibt sich
(wi lkurlrdre Emheiten)
500eine gute tfbereinstimmung (vgl.
Tab. 3).
'
Tabelle 3
Optimale Warmeiibergangszahl
Optimale
Wiirmeiibergangsmhl
((W
Mo-
- - om-81 l#F1'
eorie
B
Messung
%HZ
Abb. 6. Optimale Warmeubergangszahl bei
verschiedenen Modulationsfrequenzen
-
12
16
I
:!:%
I
1016.10-3
14,l
Wir erhalten hier gleichzeitig eine Bestatigung fiir die Richtigkeit der
Bolometerkonstruktion: Mit ihrer Warmekapazitat von etwa 1,5 . 10"' erlauben unsere Bolometer die optimale M7armeubergangszahl fur jede der in
der Praxis ublichen Modulationsfrequenzen zmischen etwa 4 Hz und 16 Hz
durch einfache Variation des Luftdrucks einzustellen (Tab. 2).
IV. Bolometorempfindliohkeit
0
Wird ein Bolometer einer sinusformig mit der Frequenz v = modu2n
lierten Strahlung mit einer Bestrahlungsstarke AN (Watt/cm2) ausgesetzt,
so ergibt die Theories) folgenden Ausdruck fur die Empfindlichkeit A UJAN
(vollstandige Absorption vorausgesetzt) :
Die Gultigkeit dieser Gleichung sol1 nun im folgenden unter verschiedenen
Bedingungen gepruft merden.
1. A b h a n g i g k e i t d e r E m p f i n d l i c h k e i t v o n d e r M o d u l a t i o n s f r e q u e n z
und d e r Warmeubergangszahl bei k o n s t a nte r tf b e r te mp e ra tu r
Abb. 6 zeigt die theoretisch nach G1. (3) sich ergebende Abhangigkeit der
Bolometerempfindlichkeit von der Modulationsfrequenz mit verschiedenen
Wiirmeubergangszahlen W , als Parameter. Man erkennt folgende Zusammenhange : Erstens ein Anwachsen der Empfindlichkeit mit tiefer werdender
Frequenz, zweitens ein Abnehmen der Halbwertsfrequenz mit sinkender
Warmeubergangszahl und drittens ein Uberschneiden der Kurven in der
Weise, da13 es zu jeder Modulat,ionsfrequenz eine optimale Wiirmeubergangszahl gibt.
G . Barlh u. W . Maier: Empfindliehteil und Naehweisgrenze beim Nickelbolometer
Zur experimentellen Nachprufung dieser Zusammenhiinge
wurde ein Bolometer bekannter
Wiirmekapazitat ( K = 1,35.
W s cm-2 . grad-1) mit
der sinusformig modulierten
Strahlung
(Verfahren von
G. Monch21) einer Gliihlampe
bestrahlt und seine Empfindlichkeit in Abhangigkeit von
der Modulationsfrequenz v
durch den Galvanometerausschlag in willkiirlichen Einheiten gemessen. Die Wiirmeiibergangszahl W d wurde mittels des Luftdrucks im Bolometer variiert, wobei die Ubertemperatur T-To durch Variation der Briickenspannung
bei allen Drucken konstant auf
19,2" C gehalten werden konnte.
Abb. 7 bringt die Ergebnisse.
Die ausgezogenen Kurven sind
die theoretischen Kurven der
Abb. 6, die zur Erhohung der
Ubersichtlichkeit urn willkiirliche Betrage in Ordinatenrichtung
auseinandergeschoben
sind. Der unbekannte Proportionalitiitsfaktor der Empfindlichkeits-Skala wurde durch
Angleichung der theoretischen
und experimentellen Werte bei
W , = 5,50 * 1 0 d ~ =d 2Hz
~
eliminiert. Wie man sieht,
liegen bei den drei niedrigaten
Wiirmeubergangszahlen
die
MeBpunkte sehr gut auf den
theoretischen Kurven. Dagegen
treten bei hoherenwiirmeubergangszahlen (groBere Drucke)
Abweichungen ein ; diese sind
in erster Linie darauf zuruckzufuhren, daB bei der Berechnung der theoretischen Empfindlichkeitswerte fur die hoheren
Wiirmeubergangszahlen
derselbe Warmekapazitatswert
K = 1,35. lo4 benutzt wurde,
t
271
Empfindlikhkeit
(wilikuriiche Einheiten)
-
I
I
I
I
l
l
Frpsueyz (@)b
.I
2
4 6810
203040
Abb. 6. Theoretische Frequenzabhiingigkeit der
Bolometerempfindlichkeit bei verschiedenen
Wiirmeubergangszahlen
Abb. 7. Frequenzabhiingigkeit der Bolometerempfindlichkeit bei verschiedenen Wtirmeiibergangszahlen. Die hfel3punkte sind durch Kreise
gekennzeichnet. Die ausgezogenen Kurven sind
theoretischer IIerkunft. Der Ordinatenmahtab
ist fur die einzelnen Kurven verschieden
272
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 1959
wie er bei den niederen Wb-Werten gultig ist. I n Wirklichlichkeit mu13 aber
K mit wachsendem Druek im Bolometer zunehmen, da daa um die Bolometerfolien liegende Luftpolster einen merklichen Anted an der Wamekapazitat hat. Dieses Ansteigen des K-Wertes wird offenbar erst oberhalb etwa 5 mm H g merklich (entspricht W , = 1,24 lo", vgl. Tab. 1).
Aus den von dem theoretischen Verlauf abweichenden experimentellen
und W , = 1,45 .
lassen sich nun die HalbKurven fur W, = 1,24 .
wertsfrequenzen entnehmen und hieraus die Wiirmekapazitiiten berechnen
(vgl. Tab. 4). Setzt man diese Werte in die Gleichung fur die Bolometerempfindlichkeit ein, so erhiilt man zwei neue Kurven, die mit den MeSpunkten
zwar besser, aber doch noch nicht vollstandig iibereinstimmen. Die verbleibende Diskrepanz fuhren wir darauf zuriick, da13 die zusiitzliche Wiirmekapazitat des Luftpolsters frequenzabhiingig ist, und da13 die daram reaultierende Frequenzabhangigkeit von K bei Drucken oberhalb 5 mm Hg eine
merkliche Rolle spielt.
Diese Ergebnisse sind in Obereinstimmung mit den von M.Czerny*)
durchgefiihrten Untersuchungen. Whhrend jedoch dort die MeBergebnisse
lediglich in qualitativer Hinsicht diskutiert werden konnten, sind wir hier in
der Lage, durch den Vergleich mit der Theorie genaue Angaben iiber den
Gultigkeitsbereich und die Genauigkeit der das Bolometerverhalten beschreibenden Differentialgleichung (vgl. 6)) zu gewinnen. Es ist ersichtlich, daB
dieselbe trotz der in ihr enthaltenen Vereinfachunge? die experimentellen
Daten fur Drucke unterhalb b mm Hg sehr gut wiedergibt.
2. Abhangigkeit der Empfindlichkeit von d e r a b e r t e m p e r a t u r
Nach G1. (3) gibt es fur jedes Bolometer eine bestimmte Temperatur T,
bei welcher es einen Maximalwert seiner Empfindlichkeit erreicht. Wie man
sich durch Einsetzen der Zahlenwerte leicht iiberzeugt, liegt diese Temperatur
bei unseren Bolometern weit oberhalb 200" C, kann also gar nicht realisiert
werden, da die Lotstellen iiuBerstensfalls Temperaturen von etwa 180" C
zulassen. Dies- ist jedoch kein Nachteil,
wed - wie die Theorie zeigtb) - die hin€mptiiidlio?keit
(wilkudi& EtnhGten)
sichtlich der natiirlichen Nachweisgrenze
yw
optimalen Betriebstemperaturen bei unseren
Bolometern zwischen 90" und 180" CJ liegen.
Bei kleinen Obertemperaturen des Bolometers sind nun die Strahlungsverlmte
noch klein gegeniiber den durch direkten
Wiirmeiibergang vemrsachten, so daB man
in G1. (3) die Strahlungsverluste im Ziihler
und Nenner vernachlbsigen kann ; man
erhalt fur diesen Fall:
Abb. 8. Bolometerempfindlichkeit
2 R P We (T- To)
ah Funktion der Wurzel aus der
5% N
tfbertemperatur bei vewchiedenen
Modulationsfrequenzen. To = 23' C
AN
w:v
W:+oaKZ
(4)
m constVT - To.
Diese Beziehung wurde experimentell nachgepriift. Um moglichst kleine
Abstrahlung zu haben, wurde ein ungeschwarztes Bolometer verwendet. Die
bei Rechteckmodulation und einem I)ruck von 0,4mm Hg erhaltenen Er-
G. Barlh u. W . Maier: EmpJindtichkcit and Sachueiagrenze bein, Wickelbdottictcr
27s
gebnisse zeigt Abb. 8. T wurde nach der in Abschiiitt III angegebenen Methode bestimmt. Wie man sieht, liegen die MeBpunkte auf Geraden, wie e s
theorebisch zu erwarten ist. Die Extrapolationen iiach T - To = 0 fiihren
durch den Ursprung des Koordhatensystems. Es besteht somit eine gute
Ubereinstimmung mit der Theorie. Die geringen Abweichungen sind vorwiegend in Fehlern der Temperaturbestimmung zu suchen.
3. E m p f i n d l i c h k e i t s v e r t e i l u n g l a n g s e i n e s B o l o m e t e r s t r e i f e n s
Um die Warmeableitung durch die Bolometerenden zu priifen, wurde eine
Messung durchgefuhrt, bei welcher ein senkrecht zur Bolometerachse liegendes,
im Verhiiltnis zur Bolometerlange schmales Bild eines beleuchteten Spaltes
iiber das Bolometer in dessen Liingsrichtung hinweggefuhrt wird. Das Bolometer war geschwarzt, besaB eine
4~
Schichtdicke von 0,25 ,u und eine Fliiche
von 3,8 x 0,3mm2. Das Spaltbild besaB eine Breite von O,l5 mm.
Abb. 9 zeigt die auf diese Weise
erhaltene
Empfindlichkeitsverteilung
langs des Bolometerstreifens. Es liegt
ein mittlerer Bereich konstanter Empfindlichkeit vor, wahrend nach den
1 ~ beiden Bolometerenden hin ein von der
Warmeableitung herriihrender Empfind lichkeitsabfall zu verzeichnen ist. Die
geringe Unsmmetrie
des purvenverAbb. 9.
Empfindlichkeitsverteilung
laufs ist durch eine Oberflachenkrumlangs eines Bolometerstreifens
mung der Bolometerflache verursaeht.
Die diinnen Folien neigen nlmlich dazu, sich in Querrichtung dachrinnenformig durchzubiegen. Bei nicht vollig gleichmaBigem Verlauf dieser Kriimmung langs des Bolometers kann die gemessene Unsymmetrie auftreten.
Die Auswertung der Kurve ergibt einen integralen Empfindlichkeitsverltmt
\-on 30 % gegenuber den optimalen Verhaltnissen hei verschwindend kleiner
Warmea bleitimg durch die Bolometerenden.
Wie H.Plessel8) durch eine Rechnung gezeigt hat, gibt die auf diese
Weise ermittelte Kurve gleichzeitig genau die Temperaturverteilung liings der
Bolometerflache wieder, wenn dieselbe in ein ausgedehntes homogenes Strahlungsfeld gebracht wird.
V. Halbwertsirequenz, Zeitkonstante und Wiirmekapazitiit
Aus den Frequenzkurven der Abb. 7 lassen sich die Halbwertsfrequenzen
vl/, fur die verschiedenen Warmeubergangszahlen entnehmen. Daraus konnen
die Zeitkonstanten t berechn$ werden. Es gilt (vgl. 6)) :
Die Warmekapazitat ergibt sich dann nach folgender Gleichung :
K=t(W,+4oT3).
Ann. Physik. 7. Folge, Bd. 3
(6)
18b
274
Annalen der Phgsik. 7 . Folge. Band 3. 1559
Eine Zusammenstellung dieser Werte fiir unsere Bolometer ist in Tab. 4
gegeben.
Tabellc 4
Halbwertsfrequenz v,, , Xeitlionstantc t und Wiirmekapazitiit K
I
Wie zu erwarten ist, nimmt die Zeitkonstante im allgemeinen mit fallendem
Luftdruck zu. Eine Ausnahme von diesem Verhalten zeigt sich bei einem
Druck von 760 mm Hg. Die hier ,,anomal" vergroBerte Zeitkonstante fiihren
wir auf die Ausbildung eines die Ni-Folien umhullenden Warmepolsters zuriick.
Die auf 1 em2 entfallende Warmekapazitat ist bei niedrigeren Drucken eine
W .s .
. grad-1. Diesen Wert
Konstante und betragt K = 1,35 .
haben wir in Abschnitt I V benutzt. Bei 750 mm Hg steigt die Warmekapazitat
infolge des Luftpolsters auf etwa den doppelten Wert an.
Die Warmekapazitat der Ni-Folien laBt sich auch rechnerisch aus ihren
Abmessungen und den Materialkonstanten ermitteln. Mitt einer Dichte von
einer spezifischen Warme von c = 0,445 (W. s g-l grad-')
y = 8,8 (g .
und einer Schichtdicke von d = l , 6 .
cm ergibt sich fur die Wilrmckapazitat pro cm2 folgender Wert :
-
A
=c
. y . a = (i,25.10-5.
Dieser Wert, welcher fur das ungeschwarzte Bolometer gilt, ist in Ubereinstimmung mit der gemessenen Wiirmekapazitat, wenn man beriicksichtigt,
daB nach den Schwarzungsmessungen des Abschnitt I1 durch die Schwarzungsschicht die Kapazitat des blanken Bolometers etwa verdoppelt wird,
und daB aul3erdem noch eine kleine Zusatzkapazitat durch die Lotstellen an
den Bolometerenden hinzutritt. Sowohl die Dichte unserer Ni-Folien wie auch
ihre spezifische Warme scheinen also auch hiernash etwa dieselben Werte \vie
das kompakte Material zu besitzen.
VI. Rausehen der Rickelbulometer
I n Abb. 10 sind f i i n f Anfnahmen von Oszillographenbildeni zusammengestellt, wie sie am Ausgang der MeBeinrichtung auftreten, und zwar erstens
bei kurzgeschlossenem Verstarkereingang, zweitens bei Festwiderstanden in
der Briicke an Stelle der beiden Bolometerflachen mit denselben Widerstandswerten wie die Bolometer, drittens bis fiinftens hei einem Bolometer von
niedriger, mittlerer und hoher Ubertemperatur.
Zuniichst ist rein qualitativ ersichtlich, daB die Briiclre a n den Tonverstarker gut angepaBt wurde. Deiin das Rauschen mit angeschlossener Bolometerbrucke ist etwa 7- bis 8mal so grol3 wie das Riihrenrauschen. n-elches bei
kurzgeschlossenem Eingaiig allein in Erscheinung tritt. Ferner laBt sich aus
den Oszillogrammen erkennen, cfafl das Bolometer bei geringer Ubertemperatur im wesentlichen dasselbe Rauschen zeigt, wie ein gleichgrofler Festwiderstand. Daraus kann man schlieflen, dafl
das Bolometer kontaktmaBig in Ordnung ist.
Ein Vorhandensein von Kontaktrauschen wurde
sich namlich in einzelnen unregelmafligen
Rauschspitzen auflern, die sich dem ubrigeii
Rauschen uberlagern und dasselbe teilweise
um mehrere Zehnerpotenzen ubertreffen. Weiter
ist zu ersehen, daB das Bolometer bei mittlerer Ubertemperatur ein gegeniiber einem
Festwiderstand leicht erhohtes Rauschen zeigt.
welches sich bei hoher Ubertemperatur noch
vergroBert. Es liegt hier also ein zusatzliches
Rauschen vor, das temperaturabhangig ist.
Um dieses Rauschen nun auch quantitativ
zu untersuchen und um es mit der Theorie vergleichen zu konnen, haben wir es mit einem
speziell hierfur entwickelten Rauschmesser12)
gemessen. Letzterer hat eine Genauigkeit von
& 2%. Mit diesem &rat haben wir das Rauschen unserer Bolometer bei verschiedenen
Temperaturen T (eingestellt mittels der Bruckenspannung) und verschiedenen Modulationsfrequenzen v gemessen. Diese Messungen lieferten die Rauschsparinung in einem schmalen
Frequenzband Av, das durch die Ringmodulatorschaltung des Gleichrichters C, auf 1Hz
festgelegt war und dessen Zentrum durch die
Modulationsfrequenz gegeben war.
Tab. 5 bringt die an einem guten Bolometer
Abb. 10. Hauschen
erhaltenen Ergebnisse. Das Rauschen ist in
willkurlichen Einheiten (Skalenteile des Rauschmessers) angegeben. Die Tabelle enthiilt weiterhin auch die theoretischen
Werte des Rauschens, wie sie sich aus dem reinen Widerstandsrauschen
nnd dem reinen Temperaturrauschen
tinter der Annahme, daB zwischen beiden keine Korrelation bestehe, nach
berechneii ( ~ g l . ~ )Die
) . hierfur benotigten Daten waren: F = 4,4 0,3 mm2,
= 3,O.
grad-l,
W , = 9,2
W . ern2 grad-l,
K = 1,3 lo4
W s . emu2 grad-l, R2.2 c = 8,2Q, Av = 1Hz. Der unbekannte Eich-
-
cy
1
-
a
a
Anrralrn d w P h p i k . 7 . Folgr. Band 3. 1959
276
faktor des Rauschspannuiigsmessers wurde durch Angleichen des theoretischen
Wertes an den experimentellen bei Y = 10 Hz und T - To= 15,5' eliminiert.
Dies war erlaubt, nachdem sich gezeigt hatte. daB das Rauschen des Bolometers bei dieser niederen Temperatur innerhalb der Genauigkeit des Rauschspannnngsmessers gleich dem eines guten Drahtwiderstandes war, der an die
Stelle des Bolometers gesetzt wurde und denselben Ohmwert hatte und weil
bei dieser geringen Ubertemperatur A U $
AUK ist, so daB die Unterschiede im Temperaturrauschen keine Rolle spielen.
<
4
6
8
12
16
26
25
I
1
2b
25
I
107,O
I theor.
exp.
26,6
36,5
42
86
72
34
32
44
40
30
30
SO
40
Ubertemperatur ("C!) bei To= 22" C!
71,4
18,5
exp. 1 theor.
26
25
25
27
97
75
6.5
40
32,b
28,5
Wie man aus Tab. 6 entnimmt, stimmt tlas beohachtete Itauschen nur bei
der niedersten Temperatur in seiner Freyuenzabhangigkeit mit dem theoreti schen Verlauf iiberein. Bei hoheren Temperaturen zeigen sich in wachsendem
MaRe Diskrepanzen, indem die gemessene Rauschspannung nach tieferen
Frequenzen hin sehr vie1 starker aristeigt, als der Theorie entsprechen wiirde :
oder, mit anderen Worten : Wahrend tlas Rauschen unserer Bolometer hei
40 Hz im Temperatiirbereich von 20" his etwa 90" C den theoretischen fiir
reines Wirlerstands- und Temperaturrauschen geforderten Wert hat, zeigt es
nicht nur bei hoheren Temperaturen, sontiern vor allem auch bei tieferen Frequenzen (hier schon bei Temperaturen von etwa 40 bis 50") wesentlich hohere
Werte. Dieser Diskrepanz wegen ist es z. B. nicht miiglich, das bisher nur
theoretisch vorausgesagte Temperaturrauschen12)R) experimentell nachzuweisen.
Es sei noch bemerkt, (la13 die in Tab. 5 angegebrnen Werte sich in ahnlicher
Weise bei zahlreichen von uns untersuchten Nickelbolometern ergeben haben.
Die bei hohen Rolometertemperaturen beobachteten zusatzlichen Schwankungserscheinungen 1;onnen nicht etwa auf Storungen durch die das Bolometer umgehende Luft zuriickgefiihrt werden ; denn es zeigte sich, daB das
Rauschen nicht vom Gasdruck, sondern allein von der Ubertemperatur abhiingig ist. Lediglich bei Drncken iiber etwa 10 mm Hg treten zusatzliche
Schwankungen ein, welche sicherlich von Konvektionsstromungen herriihreii.
Auch das Stromrauschen24)kann nicht die Vrsache sein ; denn es besteht lrein
Zusammenhang zwischen dem Rauschen und Clem Briickenstrom. Die Schwarzungsschicht kann ebenfalls nicht verantwortlich gemacht werden, da durch
24)
H. B i t t e l
11.
I<. Schcidhnuer, %. nngew. I'hys. S, 417 (1956).
Messungen festgestellt wurde, daB sich das Hauschen tler geschwarzten und
der ungeschwiirzten Bolometer nicht unterscheidet.
Als wahrscheinlichste Ursache vermuten wir, dali hei uiiseren elektrolytisch
hergestellten diinnen Nickelschichten von etwa 0, l ,u das Kristallgefiige eben
doch etwas lockerer ist als dasjenige des kompakten Nickels, so daB hier ein
ubergangszustand zu den diinnen Schichten realisiert ist. Eine derartige
Gefiigelockerung mag sich am deutlichsten in dem von der Gefiigestruktur
stark abhangigen Rauschen anBern. Vermutlich wird durch Schwankungen
des tfbergangswiderstandes zwischen den einzelnen Nickelkristallen ein
solches Rauschen hervorgerufen, welches mit zunehmender Temperatur
gr6Ber wird und vor allem im sehr niederfrequenten Gebiet in Erscheinung
tritt.
In diese Vorstellung des Uberganyszustandes vom kompakten Nickel zu
den sich elektrisch anders verhaltenden ,,diinnen Schichten" pant auch der
zii niedrig gemessene Temperaturkoeffizient und der etwas zu hoch liegende
spezifische Widerstand der Nickelbolometer (siehe Abschnitt I). Rauschmessungen a n verschieden diinnen Schichten und an Nickelniederschliigen
mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten und KorngroBen konnten hier
vielleicht weitere Klarung bringen. Es sei aber betont, daB wir uns rnit unseren
0 , l ,u dicken Schichten keinesweps schon im eipentlichen Bereich der ,,diinnen
Schichten" befinden. Tatsachlich haben alle Materialkonstanten im wesentlichen ja doch noch nahezu die Werte des kompakten Nickels.
VIT. Natiirliche R'aclineisgrenze
Um die natiirliche Nachweisgrenze unserer Bolometer zii bestimmen,
mulite diejenige Bestrahlungsstarke gemessen werden, die den Ausschlag des
Xauschmessers von dem durch das Rauschen verursachten Wert auf das
Doppelte erhohte. Derart.ige Messungen wurden bei den Modulationsfrequenzen
4, 8, 12 und 16 Hz ausgefiihrt. Dabei wurde jeweils die optimale Warmeiibergangszahl mittels des Luftdrucks im Bolometer eingestellt. Da das Rauschen der Nickelbolometer gegeniiber der Theorie mit wachsender Ubertemperatur zu stark ansteigt, durfte zur Erreichung einer moglichst niedrigen
natiirlichen Nachweisgrenze nicht bei der theoretisch giinstigsten Temperatur gemessen werden. Die praktisch optimale Temperatur ergab sich aus
tler Daten der Tab. 5 tmter Beriicksichtigung der theoretischen Temperaturahhiingigkeit der natiirlichen Nachweisgrenze.
M e Daten des untcrsuchtm Bolometers waren: F = 4 . 5 . 0,3 mm2, d =
1,5 . 10-5 cm, a = 4,O . 10-3 grad-', K = 1,36. 10-4 W 8 . cm-2 grad-1.
Als Strahlungsquelle diente der schwarze Korper mit einer Temperatur T,
von 590" K. Die Strahlungsmodulation war rechteckformig. Die am Ort des
Bolometers herrschende Bestrahlungsstarke AN konnte durch Anderung der
wirksamen offnung des schwarzen Korpers F, und seines Abstandes 11 vom
Bolometer variiert werden. Ihre Berechnung erfolgte nach der Gleichung
-
-
Tab. ci enthalt die MeBergebnisse. Die Warmeubergangszahl IY,, die if bertemperatur T- To,sowie die Zeitkonstante t wurden nach den friiher beschriebenen Verfahren bestimmt.
278
Annulen der Physik. 7. Folge. Burid 3. 19S9
Tsbelle G
Satiirliche Xaehweisgrenze (AV = 1Hz)
I
I
I
(Hz)
w@'103
(W-crn-z
4
8
12
16
3,39
6,80
10,2
13,6
v
.grad-')
'
i]
T-T,
t
("')
(ms)
20
30
40
40
38
19
14
9,6
Natiirliche Nachweisgrenzc AXm,,,.lo8
(W em-2)
Experiin.
Thcorie
I
sin. 1 rechteck
mit
rechteck
Verlust
-
1,92
2,28
2,49
2,87
11
,
1,61
1,79
1,96
2,26
1
1
1
!
3,65
4,35
4,90
6,16
1
3,41
4,38
4,62
4,80
Zum Vergleich mit den M e h e r t e n der Spalte 8 sind in Spalte 7 die nach
cler Theorie zu erwartenden Werte angefiihrt. Letztere w-urden zunachst fur
sinusformige Einstrahlung nach 5,
8
AN,,, = 2 *
v-
(10)
oe K 2
1
k T h ( W u t 4 ~ T ' ) W ' ~ + ~ U T ' + E, +u ~ ~ + ~ 2 T [ W u ( T - T ~ ) + ~ ( T ' - T ? ) ]
~
2P[Wu(T-T0)
+u(T~-T~)]
berechnet (Spalte ?5) und dann auf Rechteckmodulation timgerechnets)
(Spalte 6). Die Werte der Spalte 7 folgen daraus durch Berucksichtigung
folgender Verlustfaktoren, die rein experimentell untl unabhangig von obigen
Messungen ermittelt wurden : Erstens die Reflexionsverluste am KRS-5-Fenster
mit 33 %, zweitens die Verluste infolge der Warmeableitung durch die Bolometerenden, welche fiir die vorliegendeii Folien etwa 15(yobetragen, drittens
die Verluste von etwa 5 % durch unvollstandige Absorption in der Schwarzungsschicht, viertens die Verluste in der Eingangsschaltung des Verstarkers von
etwa 1 0 % und fiinftens das a m Tab. 5 bei den betreffenden Ubertemperaturen
und Freyuenzen sich ergebende erhohte Rauschen.
Die Werte der Spalte 7 sind somit zwar theoretischen Ursprungs, beruvksichtigen jedoch die an unseren Rolometern experimentell festgestellten Verluste, damit ein direkter Vergleich mit den MeBwerten der Spalte 8 erfolgeii
kann. Dabei zeigt sich eine recht gute Ubereinstimmung ; die Unterschiede
betragen weniger als 8 %. Diese Differenzen liegen noch innerhalb der Fehlergrenzen, die durch die Abschatzung der Strahlungsverluste und durch die
Unsicherheit in der Berechnung der Strahlungsintensitat des schwarzen
Korpers gegeben sind. Wir haben damit also auch beziiglich de natiirlichen
Nachweisgrenze eine gute experimentelle Bestiitigung der Theorie erhalten.
u b e r die Moglichkeiten, die naturliche Nachweisgrenze der Nickelbolometer zu verbessern, liiBt sich folgendes sagen: Als erstes ist eine Verminderung
des bei hoher Temperatkir auftretenden Rauschens anzustreben, damit das
Bolometer bei der theoretisch optimaleri Temperatur betrieben werden kann.
Ferner lassen sich die Strahlungsverluste im Eingangsfenster clurch Wahl
anderer Materialien oder durch Auf bringen reflexverminderiider Schichten
herabsetzen. Man konnte dadurch insgesamt etwa den Faktor 2 gewinnen.
Grundsatzlich la13t sich schlieBlich eine Leistungssteigerung durch Verringerung
der Warmekapazitat des Bolometers erzielen. Vorliiufig ist jedoch hierfiir
keine Moglichkeit vorhanden, da die Schwarzungsschicht bereits einen zu
groBen Kapazitatsanteil liefert und eiii dunnerer, kapazitatsiirmerer Schwarzungsbelag sich bisher stets nachteilig auf das Absorptionsvermogen auswirlrte.
Weitere Verbesserungen lassen sich nur noch durch Wahl eines geeigneteren Materials, als es Ni darstellt, erzielen. Dieses miiste einen so hohen
Temperaturkoeffizienten besitzen, daB die natiirliche Nachweisgrenze schon
bei Zimmertemperatur lediglich durch das Temperaturrauschen bestimmt
wird. Damit ware dann die thermodynamisch gesetzte endgiiltige Grenze
fur das Bolometer als Strahlungsempfiinger erreicht.
VIII. Rickelbolometer irn Vergleich rnit anderen thermischen Empfangern
E s ist von Interesse, die vorliegenden Nickelbolometer mit den iibrigen
bekannten thermischen Empfangern zu vergleichen. In den letzten zehn bis
fiinfzehn Jahren wurde die Empfindlichkeit derselben so weit gesteigert, daB
die besten von ihnen heute alle in der Nahe der von R. H a v e n s % ) theoretisch angegebenen Grenze liegen. NaturgemaB erschienen im gleichen Zeitraum zahlreiche Arbeiten, welche sich speziell mit der erreichbaren natiirlichen Nachweisgrenze befaI3ten. Gleichzeitig versuchte man, Empfanger verschiedener Konstruktion und Funktionsweise hinsichtlich ihrer Leistungsfahigkeit miteinander zu vergleichen. Neben einigen Ansiitzen anderer
Autoren26-2*) haben hier vor allem die grundlegenden Arbeiten von R. C.
J o n e s 4 ) Klarheit geschaffen. J o n e s fordert, daB fur einen Leistungsvergleich der verschiedenen Empfangertypen die Messwig der natiirlichen
Nachweisgrenze unter der sogenannten ,,Bezugs-Bedingung" (reference
condition) geschehen muB, welche in folgender Weise definiert ist :
Der Empfanger sol1 eine empfindliche Fliiche von 1mm2 besitzen und mit
konstanter Intensitat bestrahlt werden. Weiterhin mu13 der zur Messung benutzte Verstarker frequenzunabhangig sein mit Ausnahme eines einzigen
R-C-Siebes, welches die hohen Frequenzen beschneidet und eine Zeitkonstante RC besitzt, die gleich ist der Zeitkonstanten des Empfiingers.
Die unter diesen Bedingungen gemesscne natiirliche Nachweisgrenze ist
ein exaktes MaD fiir die Gute des Empfangers unter Beriicksichtigung seiner
Zeitkonstante. Dadurch ist die Moglichkeit gegeben, die verschiedensten
Strahlungsempfiinger quantitativ miteinander zu vergleichen. Im allgemeinen
liegen jedoch bei der Messung der natiirlichen Nachweisgrenze andere Verhaltnisse vor, als die Bezugsbedingungen fordern. Es 1aBt sich aber bei therinischen Empfangern unter Vernachlassigung der Frequenzabhangigkeit des
Temperaturrauschens zeigen, da13 der unter beliebigen Bedingungen gemessene
Wert auf die Bezugs-Bedingungen umzurechnen ist, wenn folgende GroBen
bekannt ~ i n d *: ~ )
_ _
~
25)
26)
17)
28)
29)
R. H a v e n s , J. opt. SOC. Ainer. 36, 355 (1946).
C. H. Cartwright, Z. Physik 95, 153 (1934).
M. Czerny u. H. Rijder, Erg. exakt. Naturw. 17, 70 (1938).
H. T h e i s s i n g , Physik. Z. 3S, 557 (1937).
S. F u s o n , J. opt. Sor. Amcr. 38, 84.5 (1948).
280
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 1969
die strahlungsempfindliche Empfangerflache F (cma),
die Zeitkonstante t des Empfangers (s),
die Frequenz v der Strahlungsmodulation (Hz),
. die durch die MeDeinrichtung gegebene Bandbreite Av (Hz),
die unter diesen Bedingungen gemessene Natiirliche Nachweisgrenze
ANmi,(W cm-2).
Bezeichnet man den bei den Bezugs-Bedingungen geltenden Wert. mit
A N m i , (normiert), so gilt:
Tragt man nach R. C. Jones4) fur die verschiedenen Empfiinger die auf
diese Weise ermittelten Werte iiber der Zeitkonstanten als Abszisse auf und
zeichnet noch die von Havens25) berechneten theoretischen Optimalwerte
( , , H a v e n s-Grenze") sowie die dem reinen Temperaturrauschen entsprechenden ,,thermodynamischen Grenzwerte" ein, so erkennt man, welches zur
Zeit die besten Empfanger sind und wo sich noch Moglichkeiten der Weiterentwicklung bieten.
M e oben angegebene Umrechnung setzt eigentlich ein frequenzunabhangiges Rauschen voraus. Solange man sich nur dafiir interessiert, was ein bestimmter thermischer Empfanger im Vergleich mit anderen Empfangern bei
praktisch vorliegenden MeBbedingungen leistet, kann man sie jedoch ohne
groBe Bedenken auch auf Bolometer mit frequenzabhangigem Rauschen, also
auch auf unsere Ni-Bolometer anwenden. Die iiber der Zeitkonstanten aufgetragenen Werte der normierten natiirlichen Nachweisgrenze liegen dann
natiirlich im allgemeinen nicht
auf einer Geraden parallel zur
Havens-Grenze, wie es bei frequenzunabhangigem Rauschen fiir
Bolometer desselben Typs, die sich
nur in der Zeitkonstanten unter06
-09
scheiden, der Fall sein miiBte.
f
In Tab. 7 vergleichen wir nun
unsere Ni-Bolometer mit verschietlenen anderen thermischen Empfangern, worunter sich auch die
besten zur Zeit bekannten befinden. Die Daten sind den Arbeiten von M. Czerny8). L.
Geiling30), H. Kortum31), R. C.
J o n e s 4 ) , G. C. Miinchlo) und
H . P1e s s e le) entnommen . Die
Daten der Thermoelemente Nr. 11
und Nr. 13 wurden von uns selbst
gemessen. I n Abb. 11 sind die
Abb. 11.Leistungsvergleich therrnischcr Strahlungsempfilnger. Uezuglich der einzelncn Werte der Tab. 7 fur die normierte
natiirliche Nachweisgrenze iiber
Empfinger vgl. Tab. 7
'1
. -
~-
L.G e i l i n g , Z. anpcw. l'hysik 3, 1167 (1951).
H. K o r t u m , Jcnaer Rdxchnu H. 1: 8 (1956); H.'1, 36, 01 (1957); H. 3, 6 i (1967).
G . B arlh u. W . Maier: Empfindlichkeit und Nachweisgrenze beim Nickelbolometer
281
der Zeitkonstante aufgetragen. Gleichzeitig sind die Havens -Grenze und
die thermodynamische Grenze f i i r 300°K eingezeichnet. Ein MaD fur die
Leistungsfiihigkeit eines Empfiingers ist nach J o n e s der Abstand des ihm
in Abb. 11 entsprechenden Punktes von der Havens-Grenze. Damit liiBt
sich eine Giitezahl M (,,factor of merit") definieren, die gleich dem reziproken Verhiiltnis der normierten natiirlichen Nachweisgrenze des Empfiingers
zu der bei dessen Zeitkonstanten vorliegenden H a v e n s -Grenze ist. Die
so erhaltenen Gutezahlen sind in die Tab. 7 mit aufgenommen worden und
lassen direkte Vergleiche zwischen den Empfangern ZU.
Tabelle 7
Normierte natiirliche Nachweisgrenze und Giitefaktor von versohiedenen thermischen
Strahlungsempfiingern
Nr.
.
1
2
3
4
6
6
7
8
9
10
11
12
13
14
16
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Hersteller
Aiken
Baird
Baird
Becker
Bemis
Billings
Qerny
Golay
Elhrris-Buck
Harris-Scholp
Hehnn
Kortum
Perkin-Elmer
Perkin-Elmer
Perkin-Elmer
Perkin-Elmer
Perkin-Elmer
Plase
Schwarz
Wiechert
Verfasser
Verfaatjer
Verfmmr
Verfwr
F
TYP
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
pneum.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Th. El.
Bol.
Th. El.
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
Bol.
:mm')
398
491
60
1,27
21,2
396
70
690
13,3
134
30
30
14
17
21
46
68
6
20
110
956
14
19
38
Nmin(norm.) Giitezahl
10'0
111
(W cm-1)
-
.
27,6
022
396
0,62
17,2
4,6
40
7,o
11,o
210
16,O
LOO.
106
3,Ol
36,3
10
1,28
498
9,28
494
290
10,o
3,47
7,46
2,13
2,66
220
16,6
22,l
20,7
16,O
13,4
7,37
0,63
190
094
0,4
094
094
094
9
4,o
16
1,36
1,36
1,36
1,36
60,P
0,038
0,467
0,600
0,226
0,469
0,236
0,04
(4369)
0,046
0,024
0,23
0,61 .
0,216
0,608
0,186
0,313
0,196
0,023
0,096
0,014
0,166
0,136
0,116
0,110
An dieser Stelle mu0 noch auf die berechtigte Kritik von H. Kortum31)
hingewiesen werden, der bei einigen der angefiihrten thermischen Empfanger
starke Zweifel an der Richtigkeit der von den Autoren angegebenen natiirlichen
Nachweisgrenze hegt. Soweit es moglich war, a d e n m t e r Benutzung der
Kortumschen Arbeit die entsprechenden Angaben der Autoren berichtigt.
Bei einigen weiteren in die Tabelle aufgenommenen hochempfindlichen Bolometern und Thermoelementen, deren Messmg schon liingere Zeit zuriickliegt,
ist jedoch eine derartige Korrektur nicht ohne weiteres moglich, so da13
deren Gutezahlen nicht in demselben Grade gesichert sind wie die der in neuerer
Zeit gemessenen Empfiinger.
Unsere Nickelbolometer sind in Abb. 11 durch kleine Quadrate gekennzeichnet. Sie liegen verhiiltnismli13igdicht bei den empfindlichsten thermischen
Empflingern, so daB ihre Leistungsfiihigkeit als gut bezeichnet werden kann.
Ann. Phyaik. 7. Folge, Bd. 3
19
282
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 3. 1959
Die vorliegende Arbeit wurde bei der Firma Carl ZeiB, Oberkochen, ausgefuhrt, der wir fur die grol3ziigigZUT Verfugung gestellten Hilfsmitteln sehr zu
Dank verpflichtet sind. Insbesondere gilt unser herzlicher Dank dem Leiter
des Elektrotechnischen Laboratoriums der Firma ZeiB, Herrn Dr. H. Please,
fur viele fruchtbare Diskussionen, sowie Herrn H. E l s t fur die ausdauernde
Hilfe bei der Herstellung der Bolometer.
F r e i b u r g/Br., Institut fur Physikalische Chemie der Universitat.
Bei der Redaktion eingegangen am 1. Oktober 1968.
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