DE2335504A1

DE2335504A1 - Pyroelektrische einrichtung

Info

Publication number: DE2335504A1
Application number: DE19732335504
Authority: DE
Inventors: Gordon Robert Jones; Worcestershire Malvern; Norman Shaw; Anthony Vere
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1972-07-12
Filing date: 1973-07-12
Publication date: 1974-01-31
Also published as: JPS4985597A; GB1375780A; US3831029A; FR2192301A1; FR2192301B1; NL7309754A

Description

Dipf.-Fng. R. B E: E T Z sen» DlpJ-l-in. Κ'. LAMPRSCHT

Dr.-lr.r-. 'ν, υ _. ': r \z Jr. «MlnthtnU Sieinedorfitr. It

293-21.O8OP(21.O8lH) 12. 7. 1973

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, LONDON, S.W.I., Großbritannien

Pyroelektrisehe Einrichtung

Die Erfindung betrifft pyroelektrisGhe Einrichtungen.

Der pyroelektrisehe Effekt 1ε£ ein Effekt, bei dem eine Änderung in der elektrischen Polarisierung eines speziellen Materials, die zu einer Änderung in der Größe der Oberflächenladung des Materials führt, durch Änderung der Materialtemperatur hervorgerufen werden kann. Die Hauptanwendungen des pyroelektrischen Effekts sind Einrichtungen, die Infrarot-Strahlung erfassen. Es sind bereits verschiedene derartige Einrichtungen entwickelt worden. Der pyroelektrisehe Effekt ist bereits seit längerer Zeit bekannt, jedoch ist seine Anwendung erst in den letzten Jahren interessant geworden. Dies ist vor allem auf die Entwicklung von neuen pyroelektrischen

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Materialien zurückzuführen, insbesondere Triglycinsulfat (TGS) und dessen Abkömmlinge.

Pyroelektrische Detektoren haben jedoch noch nicht dieselbe Leistungsfähigkeit wie gekühlte Fotoleiter-Detektoren erreicht, obwohl sie beträchtliche vorteile gegenüber Potoleiter-Einrichtungen aufweisen. Pyroelektrische Einrichtungen scheinen immer mehr dort verwendet zu werden, wo ein einfacher, aber empfindlicher Detektor innerhalb eines breiten Spektralbereichs erforderlich ist.

Es ist schwierig, einen einzelnen Gütefaktor für den Vergleich der pyroelektrischen Materialien zu definieren, jedoch gibt es einen allgemeinen Satz von Materialerfordernissen, bei deren Befolgung ein brauchbarer ßinrichtungsbetrleb erhalten werden kann. Zu diesen Erfordernissen gehören ein hoher pyroelektrischer Koeffizient, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und ein niedriger dielektrischer Verlust. Diesen Erfordernissen entsprechen am besten zur Zeit TGS und dessen Abkömmlinge. Diese Familie von Verbindungen unterliegt jedoch einer Anzahl von Beschränkungen, wozu insbesondere eine hohe Wasserlöslichkeit und eine niedrige ferroelektrische Curie-Temperatur gehören.

Durch die Erfindung wird eine pyroelektrische Einrichtung mit einem Stück Bleigermanat, Pb₁-Ge η ^ und einem damit elektrisch verbundenen Detektor geschaffen, um die pyroelektrische Ladung zu erfassen, die auf dem Stück erzeugt wird, wenn das Stück einer Temperaturänderung ausgesetzt wird. Die Temper spuränderung kann auf Infrarot-Strahlung oder auch auf eine änderung der Temperatur des Systems zurückzuführen sein, die überwacht werden soll. In beiden Fällen ist der Detektor derselbe.

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Das Stück kann ein Plättchen aus einem Einkristall oder keramischem Bleigermanat sein.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung zu sehen sind. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt und ein Blockschaltbild eines pyroelektrischen Einelement-Infrarotdetektors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer pyroelektrischen Bildaufnahmeröhre gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 und 4 Blockschaltbilder von wahlweisen Laserdetektoren.

Bleigermanat hat einen Kongruenzschmelzpunkt von 7^0 C, und Kristalle aus diesem Material mit guter optischer Qualität können durch irgendein übliches Züchten oder Ziehen aus der Schmelze hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Czochralski-Technik angewendet werden. Eine Schmelze wird bereitet durch Mischen und anschließendes Erhitzen in einem Platin- oder Gold-Tiegel der richtigen Gewichtsverhältnisse von Bleioxid und Germaniumdioxid, um die folgende Reaktion zu ergeben:

5PbO + 3 Ge O₂ —^ Pb₅ Ge 0_χι·

Die Reaktion kann in einer Atmosphäre von Luft, Sauer- ■ stoff oder Argon ablaufen, wenn ein Goldtiegel verwendet wird. Sauerstoff darf nicht beteiligt sein, wenn ein Platintiegel verwendet wird, da sonst schwarze Einschlüsse im wachsenden Kristall auftreten. Eine Züchtungs(Zieh)-Geschwindigkeit von zirka 1 mm^/h und ein Flüssigkeits -'Feststoff-Grenzflächen-Temperaturgradient von zirka 20 ⁰G/mm haben sich als geeignet

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erwiesen.

Ein Einkristallzüchten von Pb_c Ge., O₁. kann auch erreicht werden mittels der Stockbarger-Technik unter Verwendung eines Goldtiegels, einer Züchtungsgeschwindigkeit von zirka 5 mmM und einem Flüssigkeits/Feststoff-Grenzflächen-Temperaturgradienten von zirka 5 ⁰C

Einkristall-Bleigermanat hat eine gelbbraune Färbung und einen Durchlässigkeitsbereich von 0,45 /um - 5»0 /um für eine Probe mit einer Dicke von zirka 1 mm.

Wahlweise können keramische Proben von Bleigermanat hergestellt werden durch Kaltpressen bei einem Druck von etwa 10 tsi, worauf ein Sintern bei 700 ⁰C für etwa 12 h folgt. Die Mikrostruktur dieses Materials zeigt eine mittlere Korngröße von 15 - 20 ₇um und eine Porosität von etwa 1 Volumen-Prozent.

Warmpreß-Techniken können verwendet werden, um die Mikrostruktur des keramischen Bleigermanats zu verbessern. Zum Beispiel ergibt ein einachsiges Warmpressen bei 680 ⁰C mit einem Druck von 2 tsi (t'in^) Korngrößen von weniger als 10 /um bei ebenfalls verringerter Porosität.

Für ein Einkristall-Präparat mit einer Dicke von 63 /um und einer Fläche von 3,14 · 10 m wurden folgende für den Betrieb als pyroelektrische Einrichtung einschlägigen Parameter gemessen:

pyroelektrischer Koeffizient: 0,95 · 10"⁸C cm^{2 0}K"¹

Dielektrizitätskonstante bei 1590 Hz : 50

Tangens des Verlustwinkels bei 1590 Hz : 0,000^2

spezifischer Widerstand bei 1590 Hz : 7,0 · 1O¹⁰JfX - cm.

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0,5	• 10	-⁸C	cm"	⁰K	-1
1590	Hz	: 38
1590	Hz	: 0,	0024
1590	Hz	: Is	2 ·	10	10

Für eine keramische Probe mit einer Dicke von 72 /um und einer Fläche von j5,3.4 · 10" m wurden die folgenden Parameter gemessen:

pyr©elektrischer Koeffizient:
Dielektrizitätskonstante bei
Tangens des VerlustwinkeIs bei
spezifischer Widerstand bei

Außerdem wurde die Curie-Temperatur von Bleigermanat als 178 ⁰C ermittelt.

Diese Ergebnisse deuten an, daß Bleigermanat sowohl in Einkristall- als auch in Keramikform ein vorteilhaftes pyroelektrisches Material ist.

Wenn das Material gerade hergestellt worden ist, enthält es pyroelektrische Bezirke oder Bereiche, die zufällig ausgerichtet sind und nur eine kleine elektrische Polarisierung insgesamt ergeben.

Ebenso wie manche pyroelektrischen Materialien muß Bleigermanat "gepolt" werden, bevor es in einer Einrichtung verwendet werden kann. Das Polen umfaßt das Einwirken eines hohen (zwischen 10 und etwa 30 kV/cm großen)stationären elektrischen Felds am Material, so daß die Bezirke ausgerichtet werden können, um äne relativ große elektrische Polarisation zu ergeben.

Fig. 1 zeigt teilweise in Schnittansicht und teilweise als Blockschaltbild einen pyroelektrischen Einelement-Infrarotdetektor gemäß der Erfindung. Der Detektor hat eine Scheibe 1 aus entweder Einkristall- oder keramischem Bleigermanat mit einer Dicke von weniger als 100 /Um. (Wenn die Scheibe 1

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ein Einkristall ist, ist sie so geschnitten, daß ihre Ebene senkrecht zur trigonalen "C"-Achse oder Polarisationsachse des Materials verläuft). Die Scheibe 1 liegt zwischen einer lichtundurchlässigen Elektrode 3 (die eine kleinere Fläche als die Scheibe 1 aufweist) und einer infrarotdurchlässigen Elektrode 5. Die Elektrode 5 steht in Kontakt mit einem leitenden Halter 7, der eine Kreisöffnung 9 konzentrisch zur Elektrode j5 hat. Die Elektrode 5 und die Elektrode 5 können z.B. aus Chromnickel (was halbdurchlässig ist) bzw. Gold bestehen, und zwar aufgedampft auf den entsprechenden Flächen der Scheibe 1. Eine Signalleitung 11 ist an der Elektrode j5 und eine Signalleitung 1J5 an der Elektrode 5 befestigt.

Bei Einfall von Infrarot-Strahlung über die Elektrode auf die Scheibe 1 tritt eine Änderung in der Oberflächenladung auf der Scheibe 1 infolge des pyroelektrischen Effekts auf. Die Ladung wird durch die Leitungen 11 und IJ> als Spannung oder Strom mittels eines Verstärkers 15 erfaßt. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird von einer herkömmlichen Signalverarbeitungsschaltung 17 verarbeitet, die das Nutzsignal vom Rauschen abtrennt. Das Ausgangssignal der Schaltung 17 wird durch eine übliche Aufzeichnungseinrichtung 19 aufgezeichnet.

Der Verstärker 15 hat zur Verbesserung der Empfindlichkeit einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) als seine erste Stufe. (Zum Beispiel einen Texas Instruments BF 8OO JFET, der besonders für pyroelektrische Detektoren entwickelt worden ist.) Das elektrische Signal, das durch die Aufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet wird, kann benutzt werden, um ein Maß der Intensität oder der Modulationsfrequenz der erfaßten Strahlung zu ergeben. Wahlweise kann es in ein optisches Signal (im sichtbaren Bereich) durch ein geeignetes ^elektrolumineszentes

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Medium für eine Sichtanzeige umgesetzt werden.

Ein Detektor, der dem anhand von Pig. I beschriebenen ähnlich ist, kann als Temperaturfühler in jedem System eingesetzt werden, dessen Temperatur sehr genau überwacht werden muß.

Pyroelektrische Einrichtungen können auf verschiedene Weise benutzt werden, um Wärmeabbildungssysteme zu ergeben. Zum Beispiel kann ein einzelner Detektor verwendet werden, wobei das Bild aufgebaut wird durch Abtasten des Infrarotbilds mit einem herkömmlichen zweidimensionalen mechanischen Abtastsystem. Bei einer derartigen Anordnung sollte der Detektor eine hohe Empfindlichkeit und eine große Frequenzbandbreite aufweisen, wenn eine angemessen schnelle Bildwechselfrequenz erforderlich ist. Ein anderes Beispiel eines Wärmeabbildungssystems benutzt eine Zeile von Detektoren, die eine eindimensionale Pernsehzeile bilden. Das Bild wird mit einer herkömmlichen eindimensionalen mechanischen Abtastung aufgebaut. Die Detektorbandbreite ist geringer als beim ersten Ausführungsbeispiel, und zwar um einen Faktor gleich der Anzahl der in eher Zeile verwendeten Detektorbauelemente. Ein drittes AusfUhrungsbeispiel benutzt eine zweidimensionale Zeilen- und Spalt-Anordnung von Detektoren, so daß keine mechanische Abtastung notwendig ist. In diesem Fall ist die Bandbreite wiederum um einen Faktor eingeengt, der gleich der Anzahl der Zeilen der verwendeten Bauelemente ist.

Beim ersten Ausführungsbeispiel kann das Element grundsätzlich wie anhand von Fig. 1 beschrieben aufgebaut sein, d.h. Bleigermanat als pyroelektrisehen Detektor aufweisen. Bei den anderen beiden Ausführungsbeispielen können mehrere Elemente gemäß Fig. 1 benutzt werden. Auf jeden Fall ist je-

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doch jedem Element oder jedem der Elemente zweckmäßigerweise ein einzelner Verstärker und eine Signalverarbeitungsschaltung sowie ein Elektrolumineszenzmedium zum Umsetzen des durch dieses Element erzeugten elektrischen Signals in ein anzuzeigendes optisches Signal nachgeschaltet.

Der pyroelektrische Effekt findet eine weitere Anwendung bei einer pyroelektrischen Bildaufnahme- oder Kameraröhre. Eine pyroelektrische Bildaufnahmeröhre entspricht grundsätzlich einer herkömmlichen Fernseh-Bildaufnahmeröhre, wobei jedoch das Potoleitermaterial der Fotokathode durch pyroelektrisches Material ersetzt ist, das auf Infrarotanstatt auf sichtbare Strahlung anspricht. Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine pyroelektrische Bildaufnahmeröhre gemäß der Erfindung. Die Kamera besteht in der Hauptsache aus einer Vakuumröhre 21 mit einer Kathode 23, einer Fotokathode 25, einer Gitterelektrode 27, die im wesentlichen gleichachsig zur Röhre 21 angeordnet ist, und einer Maschengitterelektrode 29 vor der Fotokathode 25. Ein Ablenksystem 31 und ein herkömmliches Elektronenfokussiersystem 33 sind an der Außenseite der Röhre 21 vorhanden. Die Fotokathode 25 besteht aus einer Scheibe 35 von entweder Einkristall- oder Keramik-Bleigermanat, die elektrisch mit einer Schicht 37 aus einem elektrischen Leiter (wie Chromnickel) verbunden ist. Der Umfang der Schicht 37 ist an dem Schirmträger der Röhre 21 befestigt, der aus einer Schicht 39 von infrarotdurchlässigem Glas besteht. Wahlweise kann die Schicht 37 audi die Schirmträgerschicht 39 sein, und die Scheibe 35 kann damit elektrisch entweder direkt oder über eine Zwischenverbindung (nicht gezeigt) verbunden sein.

Die Schicht 37 wird durch einen Kontakt 4l an einer Seite auf konstantem Potential gegenüber dem Potential der Kathode

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gehalten. An der anderen Seite ist die Schicht 37 an einem Kontakt 43 befestigt, der ein Ausgangssignal abgibt. Die Kathode 23 erzeugt einen Elektronenstrahl 45, der abtastend über die Oberfläche der Scheibe 35 geführt wird. Infrarot-Strahlung IR, die durch einen Zerhacker (nicht gezeigt) moduliert wird, fällt (von einer gegebenen Szene) über die Schicht 39 und die Schicht 37 auf die Scheibe 35. Bei jeder Bestrahlung der Schicht 35 tritt der pyroelektrische Effekt in einem Maß auf, wie es durch die Strahlungsintensität bestimmt ist. Elektrische Ladungen werden auf der Oberfläche der Scheibe 35 erzeugt. Die Oberflächenladung wird gelöscht, wenn der Elektronenstrahl 46 die Oberfläche der Schicht 35 abtastet. Die Ladung fließt dann in den Stromkreis mit der Schicht 37 und den Kontakten 4l und 43 und kann als Signal am Kontakt 43 abgenommen werden, das durch herkömmliche Signalverarbeitungsschaltungen (nicht gezeigt) verarbeitet und in an sich bekannter Weise angezeigt wird.

Eine andere Anwendung des pyroelektrischen Effekts ist die Erfassung von Laserstrahlung, insbesondere von einem Kohlendioxid-Laser bei 10,6 /um. Fig. 3 zeigt schematisch das Blockschaltbild eines Detektors für einen Impulslaserstrahl. Ein Laser 5I (wie ein Kohlendioxid-Laser) wird durch einen Q-Schalter 53 gesteuert. Das Ausgangssignal des Lasers 51 ist ein Strahl 55 in Form einer Folge von Impulsen. Der Strahl 55 fällt auf ein pyroelektrisches Detektorelement 57 ähnlich dem in Fig. 1 beschriebenen, das also als pyroelektrisches Material Bleigermanat enthält. Das vom Element 57 erzeugte pyroelektrische Signal wird durch einen Verstärker ähnlich dem Verstärker 15 von Fig. 1 verstärkt. Das Signal wird dann vom Rauschen in einer herkömmlichen Signalverarbeitung sschaltung 6l abgetrennt, und das Ausgangssignal der Schaltung 6l wird einem herkömmlichen Zeitgeber 63 zugeführt, um die

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Zeitdauer der vom Element erfaßten Laserimpulse zu messen. Das Ausgangssignal des Zeitgebers 63 kann durch ein Kathodenstrahlröhren-Sichtgerät 65 angezeigt werden (wobei die Größe der erfaßten Impulse sichtbar gemacht werden kann).

Die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Einrichtung kann einen hinreichend schnellen und mäßig empfindlichen Detektor zur Messung der Impulslänge des Laserstrahls 55 darstellen. Wahlweise bei Verwendung eines Strahlteilers (nicht gezeigt) auf dem Weg des Strahls 55, wobei die beiden resultierenden Strahlen sich auf verschiedenen Wegen fortpflanzen, kann die Einrichtung zur Messung der Differenz der Laufzeit auf den beiden Wegen benutzt werden. Die beiden Strahlen können sowohl durch das Element 57 als auch durch den Verstärker 59 erfaßt werden. Wahlweise kann ein Strahl

der

durch das Element 57 und den Verstärker 59 und/andere durch einen gesonderten (aber ähnlichen) Detektor und den Verstärker 59 erfaßt werden. In beiden Fällen wird jedoch das Ausgangssignal des Zeitgebers 63 verwendet, um die Erfassungszeit von entsprechenden Impulsen beider Strahlen zu vergleichen.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines alternativen Laserdetektorelements gemäß der Erfindung in einem Überlagerungsdetektor. Strahlung von einem Laser 67 fällt auf einen optischen Mischkristall 69. Die Strahlung von einem Überlagerungsoszillatorlaser 71 fällt ebenfalls über einen Strahlvereiniger 73 auf den Kristall 69. Die Strahlung von beiden Lasern wird im Kristall 69 gemischt, und die dort erzeugte Differenzfrequenz wird durch ein optisches Filter 65 ausgewählt, das nur Frequenzen im Bereich der Differenzfrequenz durchläßt. Das optische Ausgangssignal des Filters fällt auf ein pyroelektriseh.es Detektorelement 77, das dem von Fig. 1 ähnlich ist (d.h. eine Scheibe aus pyroelektrischem Bleigermanat enthält). Das Ausgangssignal des Elements

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wird durch einen Verstärker 79 ähnlich dem Verstärker 15 von Fig. 1 verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6l wird durch eine herkömmliche Signalverarbeitungsschaltung 8l verarbeitet, durch die das verstärkte °ignal vom Rauschen abgetrennt wird, und das Ausgangssignal der Schaltung 8l wird zu einer herkömmlichen Aufzeichnungseinrichtung 83 weitergeleitet. ■

Ein Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen den Frequenzen der Strahlen von den Lasern 67 und 71 wird durch den Kristall 69 und das Filter 75 abgetrennt, durch das Element 77* den Verstärker 79 und die Schaltung 8l erfaßt und durch die Aufzeichnungseinrichtung 83 aufgezeichnet. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß der Laser &J und der Laser 71 vom gleichen Lasertyp sind, dabei jedoch der Laser 67 frequenzmoduliert ist, so daß die Einrichtung die Modulationsfrequenz erfaßt.

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Claims

Patentansprüche

1J Pyroelektrische Einrichtung mit einem Stück aus pyroelektrischem Material und mit einem an das Stück elektrisch angeschlossenen Detektor zum Erfassen der pyroelektrischen Ladung, die auf dem Stück erzeugt wird, wenn dieses einer Temperaturänderung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet , daß das pyroelektrische Material Bleigermanat ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück (1) ein dünnes Plättchen aus Bleigermanat ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück (1) ein Einkristall von Bleigermanat ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück (1) ein Stück von polykristallinem Keramik-Bleigermanat ist.
5. Pyroelektrisches Abbildungssystem mit einem pyroelektrischen Detektor und einer Einrichtung zur Abtastung eines Infrarotbilds auf unterschiedlichen Teilen des Detektors, dadurch gekennzeichnet , daß der Detektor eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
6. Pyroelektrisches Abbildungssystem mit einer Reihen- und Spalten-Matrix von pyroelektrischen Detektoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 ist.

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7· Pyroelektrisehes Laser-Abbildungs- und Detektor-System mit einem Laser, dessen Ausgangsstrahl im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegt, und mit einem pyroelektrisehen Detektor zur Erfassung des Laserausgangsstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der pyroelektrische Detektor eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 ist.
8. Pyroelektrisehes Laser-Überlagerungs-Abbildungs- und Detektor-System mit einem ersten Laser, einem zweiten Laser anderer Frequenz, einer Einrichtung, die aus den Ausgangsstrahlen der Laser ein Signal mit einer Frequenz gleich der Differenzfrequenz der beiden Ausgangsstrahlen gewinnt, und einem Detektor zur Erfassung des Differenzfrequenzsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (77) eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 ist.
9. Pyroelektrisch^ Bildaufnahmeröhre mit einem pyroelektrisehen Detektor und einer Einrichtung zum Abtasten des pyroelektrischen Detektors mittels eines Elektronenstrahls, um die auf der pyroelektrischen Fotokathode des Detektors erzeugte pyroelektrisehe Ladung elektrisch auszulesen, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 ist.

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