ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01J5/02 H01L31/24 

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

Известен приемник ИК излучения, содержащий вакуумированный криостат (сосуд Дьюара) и газовую криогенную машину (ГКМ), причем внутренний цилиндр криостата используется как держатель кристалла с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) и одновременно служит как холодный палец ГКМ (так называемая интегральная стыковка криостата и ГКМ) (см. з. ЕР 0339836 А2, МПК 4 F 25 В 9/00, 1989 г.). При этом обеспечивается хорошая теплоизоляция между охлаждаемым внутренним цилиндром и внешней стенкой криостата за счет наличия между ними вакуумированной полости, однако, поскольку криостат выполняется металлическим, со временем из-за дегазации и натекания вакуум ухудшается, что приводит к выходу из строя всего прибора. Кроме того, такая конструкция подвержена влиянию вибрации и электромагнитных наводок, которые передаются по холодному пальцу при работе ГКМ и могут существенно ухудшить выходные параметры приемника.

Известен приемник ИК излучения, содержащий 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 более высокую надежность прибора, однако не устраняет вибрации и электромагнитные наводки. Кроме того, при охлаждении прибора ГКМ часть мощности непроизводительно расходуется на охлаждение держателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение фотоэлектрических параметров приемника за счет уменьшения вибрации и устранения электромагнитных наводок.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем криостат, выполненный в виде закрепленного в оправе и снабженного внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара, и газовую криогенную машину, холодный палец которой размещен в отверстии фланца, присоединенного к оправе, и установлен внутри криостата в полости, заполненной осушенным газом, причем кристалл с фоточувствительными элементами расположен в газонаполненной полости и установлен в непосредственной близости от холодного пальца. В частных случаях выполнения полость вокруг холодного пальца может быть дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом, а кристалл с фоточувствительными элементами закреплен на внутреннем входном окне сосуда Дьюара или на теплоизоляционном материале. Между внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара может быть расположена диафрагма, установленная на внутреннем входном окне.

Кристалл с ФЧЭ расположен в газонаполненной полости, установлен в непосредственной близости от холодного пальца и при этом не связан с ним ни механически, ни электрически как в случае закрепления его на внутреннем входном окне сосуда Дьюара, так и при закреплении на теплоизоляционном материале, что из-за наличия массивного фланца практически полностью исключает вибрационное и электромагнитное воздействие при работе ГКМ.

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

Расположение диафрагмы между входными окнами сосуда Дьюара в вакуумированном объеме делает возможным размещение внутреннего входного окна в непосредственной близости от кристалла с ФЧЭ, что позволяет уменьшить газонаполненный объем и длину внутренней стенки сосуда Дьюара, охлаждаемой до температуры криостатирования. При этом уменьшается охлаждаемая масса, нагрузка на охлаждающую систему и в конечном счете время выхода на заданный режим охлаждения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 представлена схема заявленного устройства, в которой кристалл с ФЧЭ закреплен на внутреннем входном окне сосуда Дьюара, на фиг.2 - установлен на теплоизоляционном материале.

Приемник ИК излучения состоит из закрепленного в оправе 1 вакуумированного сосуда Дьюара 2, снабженного наружным и внутренним входными окнами 3 и 4 соответственно. К оправе 1 присоединен фланец 5, в отверстии которого размещен холодный палец 6 газовой криогенной машины 7, полость вокруг которого внутри криостата заполнена осушенным газом. В частных случаях выполнения полость может быть дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом 8. Кристалл с ФЧЭ 9 расположен в газонаполненной полости, установлен в непосредственной близости от холодного пальца и закреплен на внутреннем входном окне 4 сосуда Дьюара (см. фиг.1) или на теплоизоляционном материале (см. фиг. 2). Кроме того, между внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара может быть расположена диафрагма 10, установленная на внутреннем входном окне 4.

В процессе работы прибора происходит охлаждение до криогенных температур кристалла газовой криогенной машиной. При этом из-за движения поршня-вытеснителя в тонкостенном холодном пальце и работы электропривода компрессора в известных устройствах на кристалл через палец передаются вибрации и электромагнитные наводки, которые ухудшают фотоэлектрические параметры прибора. В предложенной конструкции кристалл с ФЧЭ не связан ни механически, ни электрически с холодным пальцем из-за наличия массивного фланца, который устраняет нежелательное воздействие от работы ГКМ и тем самым улучшает выходные характеристики приемника.

При использовании в конструкции теплоизоляционного материала произойдет 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 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 фланцу. Холодный палец ГКМ ⊘ 6 мм и толщиной стенки ~ 0,1 мм установлен в отверстии фланца толщиной ~ 2 мм, причем это соединение может быть выполнено через упругий элемент, например сильфон. Кристалл с матрицей ФЧЭ приклеен к внутреннему окну сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара вакуумирован до 10^-6 мм рт. ст., а расстояние между кристаллом и холодным пальцем составляет ~ 1 мм, что обусловлено в основном технологическими возможностями. Герметичная полость вокруг холодного пальца заполнена осушенным азотом и пористой (~ 95 %) стеклокерамикой, например, марки ТЗМК. Размещение кристалла на теплоизоляционном материале может осуществляться как непосредственно приклеиванием на него, так и через шайбы или другие крепежные детали, удобные для сборки или юстировки прибора.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения. Техническим результатом изобретения является улучшение фотоэлектрических параметров приемника за счет уменьшения вибрации и устранения электромагнитных наводок, который достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем криостат, выполненный в виде закрепленного в оправе и снабженного внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара, и газовую криогенную машину, холодильный палец которой размещен в отверстии фланца, присоединенного к оправе, и установлен внутри криостата в полости, заполненной осушенным газом, причем кристалл с фоточувствительными элементами расположен в газонаполненной полости и установлен в непосредственной близости от холодного пальца. В частных случаях выполнения полость вокруг холодного пальца может быть дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом, а кристалл с фоточувствительными элементами закреплен на внутреннем входном окне сосуда Дьюара или на теплоизоляционном материале. Между внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара может быть расположена диафрагма, установленная на внутреннем входном окне. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Приемник ИК излучения, содержащий криостат, выполненный в виде закрепленного в оправе и снабженного внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара, и газовую криогенную машину, холодный палец которой размещен в отверстии фланца, присоединенного к оправе, и установлен внутри криостата в полости, заполненной осушенным газом, причем кристалл с фоточувствительными элементами расположен в газонаполненной полости и установлен в непосредственной близости от холодного пальца. 2. Приемник ИК излучения по п. 1, в котором кристалл с фоточувствительными элементами закреплен на внутреннем входном окне сосуда Дьюара. 3. Приемник ИК излучения по п. 1 или 2, в котором полость дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом. 4. Приемник ИК излучения по п. 1, в котором полость дополнительно заполнена теплоизоляционным материалом, на котором закреплен кристалл с фоточувствительными элементами. 5. Приемник ИК излучения по п. 1, или 2, или 3, или 4, в котором между внешним и внутренним входными окнами вакуумированного сосуда Дьюара расположена диафрагма, установленная на внутреннем входном окне.