DE10349893B3

DE10349893B3 - Kühlvorrichtung und Verfahren zum Kühlen eines Detektors

Info

Publication number: DE10349893B3
Application number: DE2003149893
Authority: DE
Inventors: Pierre-Yves Guittet; Harald Dr. Bloeß
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-25
Filing date: 2003-10-25
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-10-26

Abstract

Eine Kühlvorrichtung für einen Detektor (30) umfasst einen Behälter (10) zum Aufnehmen eines Kühlmittels, ein Peltier-Element (32), dessen eine Seite wärmeleitend mit dem Innenraum (18) des Behälters (10) verbunden ist, und dessen andere Seite wärmeleitend mit dem Detektor (30) verbindbar ist, eine steuerbare Stromquelle (56) zum Treiben eines steuerbaren Stroms durch das Peltier-Element (32), eine Temperatur-Erfassungseinrichtung (50) zum Erfassen der Temperatur des Detektors und eine Temperatur-Regeleinrichtung (58) zum Steuern der Stromquelle (56), abhängig von einer Abweichung der Temperatur des Detektors (30) von einer Soll-Temperatur des Detektors.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren sind aus der DE3314576A1 bekannt.

Für zahlreiche Anwendungen werden Detektoren auf Temperaturen unterhalb oder weit unterhalb der Raumtemperatur gekühlt, um beispielsweise thermisches Rauschen oder Dunkelströme zu verringern. Weit verbreitet ist das Kühlen mit flüssigem Stickstoff N₂ (lN₂; lN₂ = liquid N₂), dessen Siedepunkt bei Atmosphärendruck bei 77 K liegt. Der flüssige Stickstoff wird in einem vakuumisolierten Behälter, einem so genannten Dewar, aufbewahrt und ist wärmeleitend, beispielsweise über einen Kühlfinger aus Kupfer, mit dem Detektor verbunden.

Von der Umgebung insbesondere über Infrarotstrahlung und andere elektromagnetische Strahlung dem Detektor zugeführte Wärme wird an den flüssigen Stickstoff abgeleitet und hat zur Folge, dass dieser (langsam) verdampft. Die sich dabei einstellende Temperatur des Detektors ist von zahlreichen Parametern abhängig, beispielsweise von der auf den Detektor eingestrahlten elektromagnetischen Leistung, vom Füllstand des Dewars, von dessen Entlüftung und vom Umgebungsluftdruck. Obwohl die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs bei gegebenem Umgebungsdruck sehr scharf definiert ist, kann die Temperatur des Detektors deshalb um einige K variieren. Jede Veränderung der Temperatur des Detektors hat jedoch auch eine Veränderung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR; SNR = Signal/Noise Ratio) und je nach Detektortyp auch der Kalibrierung und weiterer Parameter zur Folge.

Ein Beispiel für einen lN₂-gekühlten Detektors ist der Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektor (MCT-Detektor; MCT = Mercury Cadmium Telluride) für Infrarotstrahlung. Der MCT-Detektor wird beispielsweise in der Halbleiterfertigung in Fourier-Transform-Spektrometern zur reflektometrischen oder ellipsometrischen Vermessung und Charakterisierung von Halbleiterschichten verwendet. Bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff weist der MCT-Detektor ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf und stellt einen äußerst sensitiven Infrarotdetektor dar.

Bei der Implementierung von MCT-Detektoren in Infrarot-Metrologie-Tools bzw. -Werkzeugen beispielsweise innerhalb einer Produktionslinie für 200 mm-Wafer wurde jedoch eine Instabilität in Form einer Drift der Messdaten beobachtet, die insbesondere von einer Instabilität des Infrarot-Detektionssystems herrührt.

Das spektrale Ansprechverhalten der verwendeten MCT-Detektoren hängt von der Lebenszeit t der Elektronen im aktiven Bereich des Kristalls ab, die wiederum von der Betriebstemperatur abhängt. Das spektrale Ansprechverhalten des MCT-Detektors wird folglich durch Temperaturänderungen stark beeinflusst. Wenn aufgrund von Temperaturänderungen das spektrale Ansprechverhalten zu stark variiert, wirkt dies auf das resultierende gemessene Signal, und es werden instabile Daten erzeugt.

Der bei der Kühlung des Detektors verdampfte flüssige Stickstoff wird in regelmäßigen Abständen von beispielsweise 4 Stunden nachgefüllt bzw. ergänzt (Cooling Shots), um die Temperatur des Detektors auf einem niedrigen Temperaturniveau in der Gegend der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs zu halten. Neben diesen lN₂-Ergänzungszyklen beeinflusst eine wechselnde thermische Belastung des Detektors aus der Umgebung, insbesondere eine wechselnde eingestrahlte elektromagnetische Leistung, die Temperatur des Detektors. Beides zu sammen hat nach jedem Nachfüllen von flüssigem Stickstoff eine Drift der Messdaten zur Folge.

In dem beschriebenen Zusammenhang der Charakterisierung und Vermessung von Halbleiterschichten wurden die Risiken und Nachteile der oben beschriebenen Drift der Messdaten für verschiedene spezielle Anwendungen untersucht. Eine lN₂-Ergänzungsperiode von 4 Stunden ist nur für eine Reihe von Anwendungen geeignet, bei denen die Schichtdicken und andere Dimensionen über einem bestimmten Wert liegen. Wenn eine epitaktisch abgeschiedene Siliciumschicht als Referenz genommen wird, liegt das Infrarot-Metrologie-Tool mit dem lN₂-gekühlten Detektor bei einer Schichtdicke oberhalb von etwa 100 nm innerhalb seiner Spezifikationen. Für Anwendungen bei Schichtdicken zwischen 20 nm und 100 nm ist die Drift der Messdaten zu groß, und das Infrarot-Metrologie-Tool entspricht nicht mehr den eigenen Spezifikationen. Außerdem liegt der Anteil der verfügbaren Betriebszeit nur noch bei ca. 60% – nach dem Ergänzen des flüssigen Stickstoffs muss zunächst ca. 1,5 Stunden gewartet werden, während die Messdaten driften, bis der Detektor sich stabilisiert hat. Danach verbleiben ca. 2,5 Stunden verfügbare Betriebszeit bis zum nächsten Nachfüllen von flüssigem Stickstoff.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Detektors zu schaffen, die eine stabilere Temperatur des Detektors bereitstellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung für einen Detektor, die einen Behälter zum Aufnehmen eines Kühl mittels und ein Peltier-Element, dessen eine Seite wärmeleitend mit dem Innenraum des Behälters verbunden ist, und dessen andere Seite wärmeleitend mit dem Detektor verbindbar ist, umfasst. Die Kühlvorrichtung umfasst ferner eine steuerbare Stromquelle zum Treiben eines steuerbaren Stroms durch das Peltier-Element, eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des Detektors und eine Temperatur-Regeleinrichtung zum Steuern der Stromquelle abhängig von einer Abweichung der Temperatur des Detektors von einer Soll-Temperatur des Detektors.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Kühlen eines Detektors, der wärmeleitend mit einer Seite eines Peltier-Elements verbunden ist, dessen andere Seite wärmeleitend mit einem Kühlmittel verbunden ist, auf eine vorbestimmte Soll-Temperatur. Die Temperatur des Detektors wird durch einen Temperatursensor erfasst und durch Steuern eines Stroms, der durch das Peltier-Element getrieben wird, auf die vorbestimmte Soll-Temperatur geregelt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, die Kühlung eines Detektors mit einem Kühlmittel, beispielsweise flüssigem Stickstoff, mit einem Peltier-Element zu kombinieren und die Temperatur des Detektors durch eine Steuerung des Peltier-Elements bzw. des durch dasselbe getriebenen Stroms zu regeln. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch das Peltier-Element und dessen Steuerung eine sehr genaue Regelung der Temperatur des Detektors auf eine Temperatur innerhalb eines engen Temperaturintervalls erfolgt. Damit ist die Temperatur des Detektors insbesondere wesentlich genauer definiert als bei der herkömmlichen ungeregelten Kühlung durch flüssigen Stickstoff. Insbesondere werden ohne weiteres Einflüsse des Nachfüllens von flüssigem Stickstoff, der Umgebungstemperatur und der auf den Detektor eingestrahlten Leistung ausgeregelt. Die gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich genauer definierte Temperatur hat einen Entfall oder eine wesentliche Verringerung der Drift der Messdaten insbesondere nach dem Nachfüllen von flüssigem Stickstoff zur Folge. Die Drift der Messdaten wird ohne weiteres so stark reduziert, dass auch unmittelbar nach dem Nachfüllen von flüssigem Stickstoff genaue Messungen durchgeführt werden können und somit der Anteil der verfügbaren Betriebszeit auf nahezu 100 ansteigt.

Vorzugsweise liegt die Soll-Temperatur des Detektors höher als die Siede-Temperatur des flüssigen Stickstoffs, und das Peltier-Element wird so betrieben, dass es Wärme von dem flüssigen Stickstoff zu dem Detektor überträgt und damit den Detektor heizt.

Gemäß der Erfindung werden weiterhin der von der Regeleinrichtung gesteuerte und von der Stromquelle durch das Peltier-Element getriebene Strom und dessen Zeitverlauf durch eine Analyseeinrichtung erfasst, die aus dem Zeitverlauf des Stroms einen Ergänzungs-Zeitpunkt bestimmt, zu dem das Kühlmittel in dem Behälter zu ergänzen ist. Der Ergänzungs-Zeitpunkt wird vorzugsweise aus einer Extrapolation des Zeitverlaufs des Stroms bestimmt. Je weniger flüssiger Stickstoff in dem Behälter vorliegt, desto geringer ist in der Regel die Kühlwirkung bzw. Kühlleistung. Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Detektors ist deshalb ein immer geringerer Strom durch das Peltier-Element erforderlich. Zur Bestimmung des Ergänzungs-Zeitpunkts wird deshalb vorzugsweise der Rückgang des Stroms beobachtet. Aus dem Zeitverlauf des Stroms, insbesondere seinem Rückgang, wird der Ergänzungs-Zeitpunkt durch Extrapolation bestimmt. Alternativ wird der Ergänzungs-Zeitpunkt instantan beispielsweise als der Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Temperatur des Detektors bei einer vorbestimmten Heizleistung eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.

Ein Vorteil dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Ergänzungs-Zeitpunkt nach dem tatsächlichen Bedarf bestimmt wird. Das Kühlmittel muss deshalb seltener ergänzt werden, und es entstehen daraus geringere Kosten. Ferner ist die Ergänzung des Kühlmittels zu dem bestimmten Ergänzungs-Zeitpunkt ohne weiteres automatisch möglich, wodurch Arbeitszeit und Personalkosten eingespart werden.

Vorzugsweise ist das Regelverhalten des Regelkreises Temperatursensor – Temperatur-Regeleinrichtung – Stromquelle – Peltier-Elemente – Temperatursensor so eingestellt, dass Oszillationen des durch die Temperatur-Regeleinrichtung gesteuerten und von der Stromquelle durch das Peltier-Element getriebenen Stroms sowie der Temperatur des Detektors resultieren. Diese Oszillationen, insbesondere ihre Amplitude, ihre Maximal- und Minimal-Werte und ihre Periode sind ebenfalls abhängig vom Pegel des flüssigen Stickstoffs in dem Behälter: Diese Parameter gehören deshalb zu den Eigenschaften des Zeitverlaufs des Stroms, aus denen der Ergänzungs-Zeitpunkt bestimmt werden kann.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1A, 1B schematische Ansichten eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus zwei Richtungen, und
2 ein schematisches Zeit-Diagramm.
1A und 1B zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Schnittdarstellungen entlang zweier Schnittebenen. Die Kühlvorrichtung umfasst einen inneren vakuumisolierten Behälter 10 und einen äußeren vakuumisolierten Behälter 12. Der innere vakuumisolierte Behälter 10 ist vollständig im Innenraum des äußeren vakuumisolierten Behälters 12 angeordnet, so dass ein Zwischenraum 14 zwischen einer Innenwand des äußeren Behälters 12 und einer Außenwand des inneren Behälters 10 ver bleibt. Der innere Behälter 10 ist durch Stützen 16, die eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, mit dem äußeren Behälter 12 mechanisch verbunden. Alternativ weisen der innere Behälter 10 und der äußere Behälter einen gemeinsamen Boden auf bzw. liegen im unteren Bereich aneinander an. Ein Innenraum 18 des inneren Behälters 10 und der Zwischenraum 14 zwischen dem inneren Behälter 10 und dem äußeren Behälter 12 können unabhängig voneinander über Öffnungen, Rohre oder andere Befüllungseinrichtungen 20, 22 mit Kühlmitteln befüllt werden.
Im Innenraum 18 des inneren Behälters 10 sind ein Detektor 30 und ein Peltier-Element 32 angeordnet. Eine Seite des Peltier-Elements 32 ist wärmeleitend mit dem Innenraum 18 des inneren Behälters 10 verbunden, die andere Seite des Peltier-Elements 32 ist wärmeleitend mit dem Detektor 30 verbunden. Der Detektor 30 ist vorzugsweise ein MCT-Detektor zur Erfassung von Infrarotstrahlung.
Vorteilhaft ist ferner eine in den 1A und 1B nicht dargestellte Isolier- oder Trenn-Einrichtung vorgesehen, welche zumindest einen direkten Kontakt und vorzugsweise darüber hinaus einen direkten Wärmeübergang von dem Detektor 30 auf ein in dem Innenraum 18 des inneren Behälters 10 angeordnetes Kühlmittel verhindert. Zu dem selben Zweck ist der Detektor alternativ abweichend von der Darstellung in 1A nicht im Inneren 18 des inneren Behälters 10 angeordnet sondern außerhalb des inneren Behälters 10 oder auch außerhalb des äußeren Behälters 12 und nur über das Peltier-Element 32 sowie ggf. Kühlfinger mit dem Inneren 18 des inneren Behälters 10 verbunden.
In der Nähe des Detektors 30 weisen der innere Behälter 10 und der äußere Behälter 12 Fenster 40, 42 auf, welche für Infrarotstrahlung, die der Detektor 30 erfassen soll, transparent sind. Infrarotstrahlung kann deshalb entlang der durch die Linie 44 gekennzeichneten Richtung durch die Fenster 42, 40 auf den Detektor 30 fallen und von diesem erfasst werden. An oder in dem Detektor 30 ist ein Temperatursensor 50 angeordnet, mit dem die Temperatur des Detektors 30 erfasst wird. Nahe den Befüllungseinrichtungen 20, 22 sind Pegelsensoren 52, 54 zum Erfassen des Pegels des Kühlmittels im Innenraum 18 des inneren Behälters bzw. im Zwischenraum 14 angeordnet. Diese Pegelsensoren werden vorzugsweise nur zur Steuerung des Befüllungsvorgangs verwendet, wobei der Befüllvorgang beendet wird, wenn der Pegel des Kühlmittels den jeweiligen Pegelsensor erreicht hat.
Der äußere Behälter 12 und ein im Zwischenraum 14 befindliches Kühlmittel tragen den Hauptanteil der thermischen Last bzw. thermischen Leistung, die aus der Umgebung auf die Kühlvorrichtung einwirkt. Ein im Innenraum 18 des inneren Behälters 10 befindliches Kühlmittel führt im Wesentlichen nur die durch Strahlung durch die Fenster 40, 42 auf den Detektor 50 einwirkende thermische Leistung ab. Durch diese ineinander geschachtelte Anordnung zweier vakuumisolierter Behälter wird die Temperatur des Detektors innerhalb des inneren Behälters bereits wesentlich besser konstant gehalten als bei einer Anordnung mit einem einzelnen vakuumisolierten Behälter. Insbesondere weist der innere Behälter 10 eine geringere Abdampfrate des Kühlmittels auf, wodurch längere Auffüllperioden für den inneren Behälter 10 realisierbar sind.
Der Temperatursensor 50 ist vorzugsweise so an oder in dem Detektor 30 angeordnet, dass er eine für den kritischen Bereich innerhalb des Detektors 30 repräsentative Temperatur misst.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie im Gegensatz zu einer herkömmlichen mechanischen Erfassung des lN₂-Pegels (beispielsweise mittels eines Schwimmers) keinerlei bewegliche Teile aufweist und deshalb mechanisch robust ist.
Dieser Vorteil tritt insbesondere im Vergleich zu einem Nachfüllen bzw. Ergänzen des Kühlmittels in festen Zyklen besonders vorteilhaft hervor. Da die thermische Belastung des Detektors nicht oder nur schwer und ungenau vorhersagbar ist, müsste die feste Zyklusdauer aus Sicherheitsgründen sehr kurz gewählt werden, um ein vollständiges Aufbrauchen des Kühlmittels und ein resultierendes Erwärmen des Detektors mit Sicherheit zu verhindern.
Um die Konstanz der Temperatur des Detektors 30 weiter zu verbessern, sind das Peltier-Element 32 und der Temperatursensor 50 vorgesehen. Das Peltier-Element 32 ist mit einer steuerbaren Stromquelle 56 zum Treiben eines steuerbaren Stroms durch das Peltier-Element 32 verbunden. Eine Temperatur-Regeleinrichtung 58 ist mit dem Temperatursensor 50 und der steuerbaren Stromquelle 56 verbunden. Die Temperatur-Regeleinrichtung 58 empfängt von dem Temperatursensor 50 ein Signal, das die Temperatur des Detektors 30 anzeigt und steuert abhängig von dieser Temperatur den von der steuerbaren Stromquelle 56 erzeugten und durch das Peltier-Element 32 getriebenen Strom.
Vorzugsweise ist die Temperatur-Regeleinrichtung 58 ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler). Die Temperatur-Regeleinrichtung 58 bildet bzw. berechnet auf analoge oder digitale Weise eine Differenz zwischen der durch den Temperatursensor 50 erfassten Temperatur des Detektors 30 und einer Soll-Temperatur sowie ein Zeitintegral dieser Differenz. Durch Bewertung der Differenz und des Zeitintegrals der Differenz mit vorbestimmten Wichtungsfaktoren bzw. durch eine Linearkombination der Differenz und des Zeitintegrals der Differenz bildet die Temperatur-Regeleinrichtung 58 ein Steuersignal für die steuerbare Stromquelle 56.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Detektors 30 durch die Temperatur-Regeleinrichtung 58, die steuerbare Stromquelle 56 und das Peltier-Element 32 auf eine Soll-Temperatur geregelt, die etwas höher als die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K) liegt, beispielsweise bei 78 K. Dazu wird der steuerbare Strom so durch das Peltier-Element 32 getrieben, dass Wärme von dem Kühlmittel im Innenraum 18 des inneren Behälters 10 zu dem Detektor 30 übertragen wird. Eine Soll-Temperatur deren Abstand von der Siedetemperatur des Kühlmittels einige wenige Kelvin beträgt, vorzugsweise zwischen 0.5 K und 5 K, bietet einen Regelungs-Spielraum, ist aber andererseits immer noch so niedrig, dass sie das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors nicht wesentlich beeinflusst.
Im Wesentlichen wird der Detektor bei Temperaturen zwischen 77 K und 79 K oder vorzugsweise zwischen 77,5 K und 78,5 K betrieben. Diese kleinen Temperaturänderungen können nur schwer vermieden werden, haben aber auch nur sehr geringen Einfluss auf den Detektor 30. Das Peltier-Element 32 hat beispielsweise eine minimale Leistung von 10 a.u. und eine maximale Leistung von 200 a.u. Bei der minimalen Leistung wird der Detektor 30 nur leicht erwärmt, bei der maximalen Leistung wird er stark erwärmt.
Eine Analyseeinrichtung 60 erfasst den durch die Temperatur-Regeleinrichtung 58 gesteuerten und durch die steuerbare Stromquelle 56 getriebenen Strom durch das Peltier-Element 32. Diese Erfassung des Stroms geschieht entweder direkt über eine Strommessung oder indirekt, wie in 1A dargestellt, durch Erfassung des von der Temperatur-Regeleinrichtung 58 erzeugten Steuersignals.
Die Kombination eines Peltier-Elements 32 mit einer schnellen Temperatur-Regeleinrichtung 58 ermöglicht eine Überbrückung von Zeiten, in denen der Kühleffekt wegen einer geringen thermischen Leitfähigkeit verzögert ist, durch Anpassen der dem Detektor 30 durch das Peltier-Element 32 zugeführten Heizleistung. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ermöglicht eine Kombination mit der Analyseeinrichtung 60 darüber hinaus eine Bestimmung bzw. Prognose des richtigen Nachfüll- bzw. Ergänzungszeitpunkts des Kühlmittels unter Verwendung von Daten, die durch die Rückkoppelschleife aus dem Temperatursensor 50, der Temperatur-Regeleinrichtung 58, der steuerbaren Stromquelle 56 und dem Peltier-Element 32 erfasst oder erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Temperatur-Regeleinrichtung dazu so eingestellt, dass Oszillationen der Temperatur und der Heizleistung des Peltier-Elements 32 auftreten. Diese Oszillationen sind von der Menge des verbliebenen Kühlmittels abhängig.
2 ist ein schematisches Diagramm, in dem beispielhaft die Zeitverläufe der Temperatur des Detektors 30 und des Stroms durch das Peltier-Element 32 bzw. der Peltier-Leistung als Funktion der Zeit dargestellt sind. Der Abszisse ist die Zeit in willkürlichen Einheiten (a.u.; a.u. = arbitrary units) zugeordnet. Der linken Ordinate ist die Temperatur des Detektors 30 in K (Kelvin) zugeordnet. Der rechten Ordinate ist die Peltier-Leistung in a.u. zugeordnet. Es sind drei verschiedene Phasen unterscheidbar.
Zunächst werden die ursprünglich leeren Behälter 10, 12 mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur des Detektors 30 von Raumtemperatur (ca. 300 K) ausgehend mit einem definierten Zeitverlauf bis nahe der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) absinkt. Wenn die Temperatur des Detektors 30 sich der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs nähert, beispielsweise bei 77,5 K oder auch, wie in 2 gezeigt, bereits bei höheren Temperaturen, beginnt die Peltier-Leistung anzusteigen, und der Detector 30 wird geheizt.
Etwa ab dem Zeitpunkt 8 a.u. kann bereits davon ausgegangen werden, dass die Temperatur des Detektors 30 hinreichend stabil ist, um mit dem Detektor 30 Messungen durchzuführen. Im folgenden Zeitintervall bis ca. zu dem Zeitpunkt 26 a.u. wird die Temperatur des Detektors 30 durch die Temperatur-Regeleinrichtung innerhalb eines vorbestimmten Temperaturinter valls, beispielsweise zwischen ca. 77,5 K und ca. 78,5 K oder zwischen ca. 78 K und ca. 78.8 K, gehalten. Dabei oszillieren die Temperatur des Detektors 30 und die Peltier-Leistung mit abnehmender Amplitude und abnehmender Periode. Die Peltier-Leistung weist Maxima auf, deren Höhen abnehmen. Auch die über eine Oszillationsperiode Bemittelte Peltier-Leistung nimmt ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kühlwirkung des flüssigen Stickstoffs aufgrund eines sinkenden Pegels abnimmt. In 2 ist eine Zeitverzögerung zwischen der Peltier-Leistung und ihrer Wirkung (Temperatur des Detektors) erkennbar, die von der endlichen Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Peltier-Element und dem Detektor herrührt.
Aus dem Zeitverlauf der Peltier-Leistung berechnet bzw. prognostiziert die Analyseeinrichtung 60 einen Ergänzungszeitpunkt (bei ca. 26 a.u.), zu dem der flüssige Stickstoff zu ergänzen ist. Alternativ wird dieser Ergänzungs-Zeitpunkt nicht prospektiv bestimmt sondern instantan festgestellt, wenn die Temperatur des Detektors 30 bei einer minimalen Peltier-Leistung (beispielsweise 10 a.u. oder 85 a. u.) eine bestimmte Schwelle (beispielsweise 79 K) überschreitet.
Zu dem Ergänzungs-Zeitpunkt sendet die Analyseeinrichtung 60 einen Befehl an eine (Mikro-)Pumpe oder eine entsprechende Steuereinrichtung, der dieser anzeigt, dass der flüssige Stickstoff zu ergänzen ist. Nun werden beispielsweise beide Behälter 10, 12, d.h. der Innenraum 18 des Behälters 10 und der Zwischenraum 14 zwischen dem inneren Behälter 10 und dem äußeren Behälter 12; gleichzeitig befüllt. Die Füllvorgänge werden gesteuert durch die Pegelsensoren 52, 54 beendet. Anschließend wiederholt sich näherungsweise der zwischen den Zeitpunkten 8 a.u. und 26 a.u. bereits aufgetretene Zeitverlauf der Temperatur des Detektors 30 und der Peltier-Leistung bis zu einem weiteren Ergänzungs-Zeitpunkt.
Alternativ zu einer gleichzeitigen Befüllung des Innenraums 18 des inneren Behälters 10 und des Zwischenraums 14 zwischen dem inneren Behälter 10 und dem äußeren Behälter 12 werden diese einzeln nach Bedarf neu befüllt. Der Ergänzungs-Zeitpunkt für den Innenraum 18 des inneren Behälters 10 ist dabei in erster Linie wie oben beschrieben aus der Temperatur des Detektors 30 bzw. deren Zeitverlauf bestimmbar.
In beiden Fällen erfolgt das Befüllen bzw. das Ergänzen des flüssigen Stickstoffs vorzugsweise automatisch, d.h. Pumpen oder Ventile oder andere Steuereinrichtungen werden direkt oder indirekt von einem Ausgangssignal der Analyseeinrichtung 60 gesteuert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden somit durch die Temperatur-Regeleinrichtung 58 und die Analyseeinrichtung 60, die auch in eine einzige Einrichtung integriert sein können, vorzugsweise mehrere Parameter überwacht und/oder gesteuert: die Temperatur des Detektors 30, die (Heiz-)Leistung des Peltier-Elements 32, die Zykluszeit und die Zyklusamplitude der Peltier-Leistung. Aus diesen Parametern kann der richtige Zeitpunkt für ein Nachfüllen bzw. Ergänzen des Kühlmittels genau bestimmt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es einen Datenaustausch zwischen dem Temperatursensor 50, der Temperatur-Regeleinrichtung 58 und den Pegelsensoren 52, 54 einerseits und der Mikro-Pumpe oder einer anderen Steuerung des Nachfüllvorgangs andererseits.
Zu dem obigen Ausführungsbeispiel sind zahlreiche Varianten möglich. Beispielsweise kann anstelle des flüssigen Stickstoffs ein anderes flüssiges (beispielsweise He) oder festes (beispielsweise CO₂) Kühlmittel verwendet werden, oder es können auch für den Innenraum 18 des inneren Behälters 10 und den Zwischenraum 14 zwischen dem inneren Behälter 10 und dem äußeren Behälter 12 verschiedene Kühlmittel verwendet werden. Die Auswahl des Kühlmittels und die Festlegung der Soll-Temperatur des Detektors 30 erfolgen dabei so, dass die Soll-Temperatur des Detektors 30 in der Nähe eines Phasenübergangs erster Ordnung (Klassifikation nach Ehrenfest) bzw. in der Nähe eines Phasenübergangs mit latenter Wärme liegt. Die Temperatur des Phasenübergangs kann in der Regel durch Veränderung des Drucks, beispielsweise durch Abpumpen des Dampfes bzw. durch Druckverringerung, beeinflusst (meist verringert) werden.
Vorzugsweise liegt die Soll-Temperatur des Detektors 30 (wie oben beschrieben) über der Temperatur des Phasenübergangs, wobei das Peltier-Element 32 Wärme von dem Kühlmittel zum Detektor 30 überträgt und diesen dadurch heizt. Alternativ liegt die Soll-Temperatur des Detektors 30 unter der Temperatur des Phasenübergangs oder auch (genau) bei derselben, wobei das Peltier-Element so betrieben wird, dass Wärme von dem Detektor 30 zum Kühlmittel bzw. abhängig von der tatsächlichen Temperatur des Detektors 30 in beiden Richtungen übertragen wird.
Insbesondere, wenn die Soll-Temperatur über der Temperatur des Phasenübergangs liegt, umfasst die vorliegende Erfindung eine Sicherheitsoption, die eine Verlängerung der Messzeit des Detektors 30 ermöglicht. Dazu wird bei unerwarteten Ereignissen, die zu einer verstärkten Übertragung von Wärme auf den Detektor führen und damit einen Temperaturanstieg erzwingen könnten, das Peltier-Element auch zum Kühlen des Detektors verwendet. Zum Kühlen wird der Strom durch das Peltier-Element umgekehrt, so dass Wärme von dem Detektor zu dem Kühlmittel übertragen wird. Die Temperatur des Detektors kann auf diese Weise stabil gehalten werden, und Messungen können fortgesetzt werden, auch wenn durch ein unerwartetes Ereignis verstärkt. Wärme auf den Detektor übertragen wird. Beispielsweise kann eine Verzögerung der Ergänzung des Kühlmittels und ein resultierendes Unterschreiten des Mindest-Kühlmittelpegels über eine gewisse Zeit kompensiert werden. Diese Zeit kann dann vorteilhaft genutzt werden, um Messungen fortzusetzen oder ordnungsgemäß abzuschließen. Vorzugsweise kühlt das Peltier-Element den Detektor jedoch nur möglichst kurzfristig, da dabei der Kühlmittelverbrauch ansteigt.
Alternativ zu der in 1A dargestellten Anordnung des Detektors 30 im Innenraum oder am Rand des Innenraums des inneren Behälters 10 und alternativ zu den direkten wärmeleitenden Verbindungen zwischen dem Innenraum 18 des inneren Behälters 10 bzw. dem darin befindlichen Kühlmittel einerseits und der einen Seite des Peltier-Elements andererseits sowie zwischen der anderen Seite des Peltier-Elements und dem Detektor 30 sind diese wärmeleitenden Verbindungen durch Kühlfinger oder ähnliche Einrichtungen realisiert. Neben dem oben beschriebenen MCT-Detektor ist die vorliegende Erfindung ebenso für andere Detektoren für Infrarotstrahlung oder auch andere elektromagnetische Strahlung oder auch für Detektoren zum Erfassen anderer Messparameter vorteilhaft verwendbar.
Teil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist dabei allgemein eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des Detektors. Diese Temperaturerfassungseinrichtung umfasst entweder, wie im oben dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, einen Temperatursensor oder aber lediglich einen elektrischen, optischen, digitalen, analogen oder anderen Eingang zum Empfangen eines Signals von einem entsprechenden Temperatursensor.
Die Temperatur-Regeleinrichtung ist vorzugsweise ein PI-Regler und alternativ ein Proportional-Regler, ein Proportional-Integral-Differential-Regler, ein Zweipunkt- oder ein beliebiger anderer Regler.

10: innerer vakuumisolierter Behälter
12: äußerer vakuumisolierter Behälter
14: Zwischenraum
16: Stütze
18: Innenraum des inneren Behälters
20, 22: Befüllungseinrichtungen
30: Detektor
32: Peltier-Element
40, 42: Fenster
44: Linie
50: Temperatursensor
52, 54: Pegelsensoren
56: steuerbare Stromquelle
58: Temperatur-Regeleinrichtung
60: Analyseeinrichtung

Claims

Kühlvorrichtung für einen Detektor (30), mit: einem Behälter zum Aufnehmen eines Kühlmittels; einem thermoelektrischen Element (32), dessen eine Seite wärmeleitend mit dem Innenraum (18) des Behälters (10) verbunden ist, und dessen andere Seite wärmeleitend mit dem Detektor (30) verbindbar ist; einer steuerbaren Stromquelle (56) zum Treiben eines steuerbaren Stroms durch das thermoelektrische Element (32); einer Temperaturerfassungseinrichtung (50) zum Erfassen der Temperatur des Detektors (30); und einer Temperatur-Regeleinrichtung (58) zum Steuern der Stromquelle (56) abhängig von einer Abweichung der Temperatur des Detektors (30) von einer Soll-Temperatur des Detektors (30), dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (32) ein Peltier-Element (32) ist und dass eine Analyseeinrichtung (60) zum Erfassen des von der Temperatur-Regeleinrichtung (58) gesteuerten und von der Stromquelle (56) durch das Peltier-Element (32) getriebenen Stroms und zum Bestimmen eines Ergänzungs-Zeitpunkts aus dem Strom oder aus dem Zeitverlauf des Stroms, vorgesehen ist, zu dem das Kühlmittel in dem Behälter (10) zu ergänzen ist
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Analyseeinrichtung (60) aufgebaut ist, um den Ergänzungs-Zeitpunkt aus einer Extrapolation des Zeitverlaufs des Stroms zu bestimmen.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Temperatur-Regeleinrichtung (58) ein Proportional-Integral-Regler ist.
Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Soll-Temperatur des Detektors (30) höher ist als die Temperatur eines Phasenübergangs erster Ordnung des Kühlmittels, und bei der die steuerbare Stromquelle (56) und das Peltier-Element (32) ausgebildet sind, um Wärme von dem Kühlmittel zu dem Detektor (30) zu übertragen.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei dem das Kühlmittel eine Kühlflüssigkeit und der Phasenübergang erster Ordnung ein Übergang zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand sind.
Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei dem das Kühlmittel ein festes Kühlmittel und der Phasenübergang erster Ordnung ein Übergang zwischen dem festen und dem flüssigen oder gasförmigen Zustand ist.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit einem weiteren Behälter (12) mit einem Innenraum, in dem der Behälter (10) angeordnet ist, wobei ein Zwischenraum (14) zwischen einer Innenwand des weiteren Behälters (12) und einer Außenwand des Behälters (10) zum Aufnehmen des Kühlmittels oder eines weiteren Kühlmittels vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Behälter (10) vakuumisoliert ist, und bei dem das Kühlmittel ein kryogenes Kühlmittel ist.
Verfahren zum Kühlen eines Detektors (30), der wärmeleitend mit einer Seite eines thermoelektrischen Elements (32) verbunden ist, dessen andere Seite wärmeleitend mit einem Kühlmittel verbunden ist, auf eine vorbestimmte Soll-Temperatur, mit folgenden Schritten: Erfassen der Temperatur des Detektors (30) durch einen Temperatursensor (50); und Regeln der Temperatur des Detektors (30) auf die vorbe stimmte Soll-Temperatur durch Steuern eines Stroms, der durch das thermoelektrische Element (32) getrieben wird mit folgenden Schritten: Erfassen des durch das Peltier-Element (32) getriebenen Stroms oder des Zeitverlaufs des Stroms; dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (32) ein Peltier-Element (32) ist und folgende weitere Schritte vorgesehen sind: Bestimmen eines Ergänzungs-Zeitpunkts, zu dem das Kühlmittel in dem Behälter (10) zu ergänzen ist, aus dem Strom oder dem Zeitverlauf des Stroms; und Ergänzen des Kühlmittels zu dem bestimmten Ergänzungs-Zeitpunkt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem beim Schritt des Bestimmens des Ergänzungs-Zeitpunkts der Ergänzungs-Zeitpunkt aus einer Extrapolation des Zeitverlaufs des Stroms bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt des Regelns folgende Schritte umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen der durch den Temperatursensor (50) erfassten Temperatur des Detektors (30) und der Soll-Temperatur; Bestimmen eines Zeitintegrals der Differenz; und Bestimmen des durch das Peltier-Element (32) zu treibenden Stroms aus der Differenz und dem Zeitintegral der Differenz.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Soll-Temperatur höher ist als die Siede-Temperatur der Kühlflüssigkeit, und bei dem durch das Peltier-Element (32) Wärme von dem Kühlmittel zu dem Detektor (30) übertragen wird.