Optische Hochtemperaturmesstechnik für die Thermometrie, Radiometrie und Photometrie

Abstract:
Die Temperaturmessung über die emittierte Wärmestrahlung ist seit über hundert Jahren ein innovatives Feld der Messtechnik und der Grundlagenphysik. Ein erster Höhepunkt war Gustav Kirchhoffs theoretisches Prinzip eines Schwarzen Körpers mit idealen - von Material und Form unabhängigen - Emissionseigenschaften für Wärmestrahlung. Diese frühen Entwicklungen gipfelten in Max Planck’s berühmtem Strahlungsgesetz, das die Emission von Wärmestrahlung exakt beschreibt und den Beginn der modernen Quantenphysik einleitet. Die quantitative Messung von Wärmestrahlung erfordert die Kenntnis von Quellen- und Detektoreigenschaften. Im Bereich der Erzeugung von Wärmestrahlung werden noch heute die gleichen Prinzipien benutzt wie zu Zeiten Plancks, d. h. es werden technologisch weiter entwickelte Hohlraumstrahler zur Realisierung Schwarzer Körper eingesetzt. Im Bereich der Detektion von Wärmestrahlung haben sich jedoch durch die Entwicklung der Halbleitertechnik grundsätzlich andere physikalische Prinzipien durchgesetzt. Während zu Plancks Zeiten thermische Empfänger eingesetzt wurden, finden im Hochtemperaturbereich heute - neben thermischen Empfängern - fast ausschließlich photoelektrische Empfänger Anwendung. Einen weiteren entscheidenden Schritt in Richtung höchster Genauigkeit bedeutete die Entwicklung eines elektrischen Substitutionsradiometers bei sehr tiefen Temperaturen, des so genannten Kryoradiometers. Die Erfindung des Kryoradiometers als primärer Detektorstandard Ende der 1970er Jahre ermöglichte die Messung optischer Strahlungsleistung mit einer relativen Unsicherheit von unter 10^-4. Basierend auf diese Strahlungsleistungsmessung ist heute die Kalibrierung der spektrale Empfindlichkeit von Detektoren mit relativen Unsicherheiten bis zu 10^-4 möglich. Moderne Halbleiterempfänger liefern einen strahlungsleistungsproportionalen Photostrom. Zur Messung der Wärmestrahlung über einen weiten Temperatur- und Wellenlängenbereich müssen Photoströme von fA bis mA mit kleinster Unsicherheit bestimmt werden. Das stellt hohe experimentelle Anforderungen an die elektrische, geometrische und optische Messtechnik. Der Beitrag beschreibt kurz die historische Entwicklung der optischen Temperaturmessung über die ausgesandte Wärmestrahlung und geht dann auf die experimentellen und physikalischen Grundlagen dieser Methode ein. Abschließend werden Möglichkeiten zur Implementierung der im Metrologielabor erreichbaren niedrigen Messunsicherheiten in den praktischen messtechnischen Alltag vorgestellt.