ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01J5/02 H01L31/24 

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения.

Известен приемник ИК-излучения, содержащий криостат, образованный внешним корпусом с входным окном и размещенным внутри него сосудом Дьюара, внутренняя оболочка которого охлаждается и соединена с внешней оболочкой упругим теплопроводом, а фоточувствительный элемент (ФЧЭ) приемника излучения установлен внутри заполненного газом корпуса на внешней оболочке сосуда Дьюара (см. а.с. 453539, МКИ 5 Н 01 L 23/24). При этом обеспечивается хорошая теплоизоляция между охлаждаемой внутренней оболочкой сосуда Дьюара и корпусом криостата за счет наличия вакуумированной полости, однако при рабочей температуре прибора ~77К из-за хорошей теплопроводности газа происходит охлаждение входного окна и конденсация на нем газа, находящегося между корпусом и внешней оболочкой сосуда Дьюара, что приводит к ухудшению характеристик и, возможно, неработоспособности приемника излучения.

Известен приемник ИК-излучения, содержащий установленный в корпусе закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара, снабженный входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен кристалл с фоточувствительными элементами, и диафрагму, а герметичная полость, образованная держателем, сосудом Дьюара и оправой, заполнена осушенным газом (см. свид. на полезную модель РФ 14666, МКИ 7 G 01 J 5/02).

Такая конструкция обеспечивает высокую надежность прибора, однако имеет значительное время выхода на режим при охлаждении до рабочей температуры ~77 К, обусловленное конвективным теплопереносом внутри заполненной газом полости, за счет которого происходит непреднамеренное охлаждение внутренней стенки сосуда Дьюара, то есть фактическое увеличение охлаждаемой массы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение времени выхода прибора на требуемый температурный режим.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК-излучения, содержащем закрепленный в оправе и снабженный внешним и внутренним входными окнами вакуумированный сосуд Дьюара, охлаждаемый держатель с расположенными на нем кристаллом с фоточувствительными элементами и диафрагму, причем основание держателя соединено с оправой, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, диафрагма расположена между входными окнами сосуда Дьюара и установлена на внутреннем входном окне, которое размещено в непосредственной близости от кристалла с фоточувствительными элементами. В частном случае выполнения предложенной конструкции полость вокруг держателя может быть заполнена теплоизолирующим материалом.

Расположение диафрагмы между входными окнами сосуда Дьюара в вакуумированном объеме исключает ее вклад в конвективный теплообмен, проходящий в газонаполненной области при охлаждении держателя. Одновременно с этим становится возможным размещение внутреннего входного окна в непосредственной близости от кристалла с ФЧЭ, что позволяет уменьшить газонаполненный объем и длину внутренней стенки сосуда Дьюара. При этом уменьшается охлаждаемая масса, нагрузка на охлаждающую систему и, в конечном счете, время выхода на заданный режим охлаждения.

Заполнение полости вокруг держателя теплоизолирующим материалом, например пористой стеклокерамикой, подавляет конвективный теплообмен, что способствует снижению теплопритока к охлаждаемым элементам конструкции и дальнейшему уменьшению времени выхода на заданный режим охлаждения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявленного устройства.

Приемник ИК-излучения состоит из закрепленного в оправе 1 вакуумированного сосуда Дьюара 2, снабженного наружным и внутренним входными окнами, 3 и 4 соответственно. На охлаждаемом держателе 5, основание которого соединено с оправой 1, расположен кристалл с фоточувствительными элементами 6. Диафрагма 7 установлена на внутреннем входном окне сосуда Дьюара 4 и размещена в вакуумированном пространстве напротив внешнего входного окна 3. Полость вокруг держателя 5, образованная внутренним входным окном, внутренней стенкой сосуда Дьюара, оправой и основанием, заполнена осушенным газом. В частном случае выполнения в полости вокруг держателя может быть размещен теплоизолирующий материал 8.

В процессе работы прибора происходит охлаждение до криогенных температур кристалла и закрепленной на том же держателе диафрагмы. В предложенной конструкции уменьшены газонаполненный объем, длина внутренней стенки сосуда Дьюара и соответственно охлаждаемая масса прибора. Диафрагма также не участвует в теплопереносе, что существенно уменьшает теплоприток к охлаждаемым элементам конструкции. Это позволяет снизить нагрузку на систему охлаждения и уменьшить время выхода прибора на рабочий температурный режим.

При использовании в конструкции теплоизоляционного материала произойдет дополнительное снижение теплопритока к охлаждаемым элементам, так как в этом случае он будет обусловлен не конвективным теплопереносом, а теплопроводностью системы осушенный газ - теплоизоляционный материал, которая определяется в основном теплопроводностью осушенного газа. Поэтому будет получен дополнительный выигрыш во времени выхода на требуемый температурный режим.

Предложенная конструкция разработана для приемников ИК-излучения с матрицами ФЧЭ из силицида платины. Стеклянный сосуд Дьюара с сапфировыми окнами герметично приварен к металлической оправе, которая также герметично присоединена к основанию держателя. На охлаждаемом держателе цилиндрической формы с ⊘6 мм установлен кристалл с матрицей ФЧЭ, а диафрагма припаяна к внутреннему окну сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара вакуумирован до 10^-6 мм рт.ст., а расстояние между кристаллом и окном составляет ~1 мм, что обусловлено, в основном, технологическими возможностями. Герметичная полость вокруг держателя заполнена осушенным азотом и пористой (~95%) стеклокерамикой, например, марки ТЗМК.

Разработанная конструкция позволила уменьшить длину внутренней стенки сосуда Дьюара с 93 до 70 мм, что при ее ⊘16 мм в конечном счете привело к уменьшению охлаждаемой массы, приведенной к Cu с 9,5 до 5 г, и уменьшению времени выхода на температурный режим ~77К на 1,5 мин (~40%).

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности, к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения. Приемник ИК-излучения содержит закрепленный в оправе и снабженный внешним и внутренним входными окнами вакуумированный сосуд Дьюара, охлаждаемый держатель с расположенными на нем кристаллом с фоточувствительными элементами и диафрагму, причем основание держателя соединено с оправой, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом. Новым в предложенной конструкции является то, что диафрагма расположена между входными окнами сосуда Дьюара и установлена на внутреннем входном окне, которое размещено в непосредственной близости от кристалла с фоточувствительными элементами. В частном случае выполнения предложенной конструкции полость вокруг держателя может быть заполнена теплоизолирующим материалом. Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является уменьшение времени выхода прибора на требуемый температурный режим. Уменьшение времени выхода происходит за счет уменьшения охлаждаемой массы сокращением длины внутренней стенки сосуда Дьюара и снижения теплопритока к охлаждаемым элементам путем исключения влияния диафрагмы и уменьшения теплопереноса в газонаполненном объеме. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Приемник ИК-излучения, содержащий закрепленный в оправе и снабженный внешним и внутренним входными окнами вакуумированный сосуд Дьюара, охлаждаемый держатель с расположенным на нем кристаллом с фоточувствительными элементами и диафрагму, причем основание держателя соединено с оправой, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, отличающийся тем, что диафрагма расположена между входными окнами сосуда Дьюара и установлена на внутреннем входном окне, которое размещено в непосредственной близости от кристалла с фоточувствительными элементами. 2. Приемник ИК-излучения по п. 1, отличающийся тем, что полость вокруг держателя дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом.