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

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. авт. св. 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 ~ 77 К 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 вакуумированный криостат (сосуд Дьюара), в котором внутренний цилиндр криостата используется как держатель кристаллла с ФЧЭ (см. заявку 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.

Известен выбранный за прототип приемник ИК излучения, содержащий установленный в корпусе, закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара, снабженный входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен кристаллл 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 улучшение теплофизических характеристик прибора: снижение охлаждаемой массы, уменьшение времени выхода на рабочий режим и др.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого больше, чем теплопроводность подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10^-4 мм рт. ст. В частном случае радиатор может быть выполнен в виде пластины.

Заполнение полости вокруг держателя газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10^-4 мм рт. ст., исключает конвективный теплообмен, так как при рабочей температуре происходит кристаллизация газа на радиаторе. При этом в полости образуется разреженная атмосфера, то есть фактически при рабочей температуре полость вакуумируется до 10^-4 мм рт. ст., что способствует снижению теплопритока к элементам конструкции.

Выбор газа, при котором давление насыщенных паров над твердой фазой газа при рабочей температуре приемника не превышает 10^-4 мм рт. ст., обусловлен тем, что при таком вакууме полностью прекращается конвективный теплообмен и теплопроводность по газовой среде и происходит переход к теплообмену излучательному.

Предложенная конструкция также обеспечивает длительный срок хранения и увеличивает срок службы и надежность работы приемника, так как в нерабочем состоянии газ в полости находится при атмосферном давлении, что практически исключает возможность натекания, десорбции газов со стенок и другие нежелательные явления, существующие при длительной эксплуатации и хранении вакуумированных конструкций криостата.

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 установленный на подложку 6 кристалл 7 с фоточувствительными элементами. Торец держателя 5 снабжен радиатором 8, а полость вокруг него, образованная внутренним входным окном, стенкой сосуда Дьюара, оправой и основанием, заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10^-4 мм рт. ст. Подложка 6 может быть выполнена как в виде пластины, так и виде элемента крепления более сложной формы в зависимости от типа ФЧЭ или других особенностей, например, П-образной формы или скоб.

В процессе работы прибора происходит охлаждение кристалла до криогенных температур, причем самая холодная зона находится в торце держателя, на котором закреплен радиатор. Поскольку температура кристаллизации газа выше рабочей температуры прибора, происходит кристаллизация находящегося в полости газа на радиаторе, охлаждающемся в первую очередь, так как теплопроводность материала, из которого он сделан, выше теплопроводности подложки, на которой установлен кристалл. При этом в полости образуется вакуум, прекращается конвективный теплообмен между охлаждаемым держателем и внутренней стенкой сосуда Дьюара, что позволяет снизить нагрузку на систему охлаждения и уменьшить время выхода прибора на рабочий температурный режим.

Предложенная конструкция разработана для приемников ИК излучения с матрицами ФЧЭ из силицида платины, рабочая температура которого ~80 К. Стеклянный сосуд Дьюара с сапфировыми окнами герметично приварен к металлической оправе, которая также герметично присоединена к основанию держателя. В торце охлаждаемого держателя цилиндрической формы с ⊘ 6 мм установлены радиатор, выполненный в виде пластины из алюмооксидной керамики, например, ВК94-1, и кристалл Si с матрицей ФЧЭ, установленный на подложку П-образной формы из сплава "ковар", при рабочей температуре теплопроводности алюмооксидной керамики и ковара равны 8-10 и 1300-1500 Вт/м•К соответственно. Герметичная полость вокруг держателя заполнена осушенным углекислым газом, температура кристаллизации которого при атмосферном давлении равна 195 К, а давление его насыщенных паров над твердой фазой при рабочей температуре - 5•10^-5 мм рт. ст.

Таким образом, предложенная конструкция совмещает в себе преимущества вакуумных криостатов: низкие теплопритоки, небольшое время выхода на рабочий режим; и газонаполненных криостатов: надежность, длительные сроки службы и хранения приборов.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения. Приемник содержит закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого больше, чем теплопроводность подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10^-4 мм рт.ст. При рабочей температуре полость вакуумируется до 10^-4 мм рт.ст., что способствует снижению теплопритока к элементам конструкции, так как именно при таком вакууме происходит качественный переход от конвективного теплообмена к излучательному. Техническим результатом изобретения является улучшение теплофизических характеристик прибора: снижение охлаждаемой массы, уменьшение времени выхода на рабочий режим. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Приемник инфракрасного излучения, содержащий закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого при рабочей температуре больше, чем теплопроводность материала подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10^-4 мм рт.ст. 2. Приемник инфракрасного излучения по п.1, в котором радиатор выполнен в виде пластины.