DE1473250A1 - Infrared radiation detector - Google Patents
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Description
infrarotstrahlungsdetektor Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung für Infrarotstrahlung, d e sich im wesentlichen dadurch kennzeichnet, dass eine Feldeffektvorrichtung mit einent tusseren photoleitenden Detektor verbunden ist und wie dieser ei niedriger Temperatur arbeitet.infrared radiation detector The invention relates to a detector circuit for infrared radiation, which is essentially characterized by the fact that a Field effect device is connected to a tusseren photoconductive detector and how it works at a low temperature.
Die Vorteile, welche die (uantendetektoren, insbesondere die äusserenPhotoleiter gegenüber Wärmedetektroen aufweisen, sind allgemein bekannt: Man kann insbesondere inr schnelleres Ansprechen und ihre bessere Empfindlichkeit nennen. Damit aber eine maximale Wirksamkeit dieser Zellen erhalten wird, muss vermieden werden, dass die Wärmebewegung des Gitters nitrit zu gross wird, und dementsprechend muss der Detektor auf eine Temperatur gekünlt werden, die umso niedriger ist, je kleiner die Differenz zwischen dem Storstoffniveau und dem Niveau des Valenzbaudes bzw., je nach der Art der angewen-@eten Dotierung, des @eitf@@igkeitsbaudes ist.The advantages that the (uantdetectors, especially the outer photoconductors have against heat detectors are generally known: You can in particular inr faster response and their better sensitivity. But with that one To obtain maximum effectiveness of these cells, that must be avoided Thermal movement of the grating nitrite becomes too great, and accordingly the detector must be cooled to a temperature that is lower, the smaller the difference between the level of interfering substances and the level of the valence structure or, depending on the type the applied funding, the @ eitf @@ igkeitsbaudes is.
@un @ Nun können aber gerade urnso grössere Wellenlängen festgestellt erden, je kleiner diese Differenz iat. Deshalb mitssen diese Zellen bei Temperaturen betrieben werden, die beispielsweise in der Grössenordnung von 20°K liegen.@un @ But now all the greater wavelengths can be used the smaller this difference iat. This is why these cells are also feeding be operated at temperatures, for example in the order of magnitude of 20 ° K.
Natürlich dürfen durch die an die Detektorzelle angeschlossene Verstärkerschaltung deren vorteilhafte Eigenschaften nicht zerstört werden.Of course, through the amplifier circuit connected to the detector cell whose advantageous properties are not destroyed.
Daa Problem, das hinsichtlich der mit den photoleitenden Detektorzellen verbundenen Schaltungen besteht, ist schwierig zu lössen.Damit die Zelle auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten wird, muss sie im Innern eines Cryostaten angeordnet werden1 dessen Kältequelle aus einem Vorrat von verflüssigten Gas (H2 Be, N.... ) besteht.Die Felle ist dahor üblicherweise in beträchtlicher Entfernung von ihrer Verstärkeranordnung angeordnet, und die Verbindung wird mit Hilfe verhältnismässig langer Kabel gebildet, die wegen des hohen Wertes der Ausgangsimpedanz des Detektors (0,1 bis 1 M@@) die Gefahr einer beträchtlichen Dämpfung mit sich bringen.Daa problem related to the photoconductive detector cells connected circuits is difficult to solve. So that the cell on a If the temperature is kept very low, it must be placed inside a cryostat are1 its cold source from a supply of liquefied gas (H2 Be, N .... The pelts are usually at a considerable distance from theirs Amplifier arrangement arranged, and the connection is relatively with the help long cable is formed because of the high value of the output impedance of the detector (0.1 to 1 M @@) involve the risk of considerable attenuation.
Erfindungsgemäss erfolgt die Vorverstärkung des Ausgangssignals des Infrarotstrahlungsdetektors durch eine Peldeffektvorrichtung, die im Innern desCryostaten eng mit der Detektorzelle verbunden ist und wie diese bei niedriger Temperatur arbeitet.According to the invention, the preamplification of the output signal takes place Infrared radiation detector by a pelde effect device, which is inside the cryostat closely related to the detector cell and how it works at low temperature.
Eine solche anordnung ermöglicht die @@zielung einer @usgangsimpedanz, welche mit der Verwendung langer Label hinter dem Verstärker ohne Gefahr einer @@@pfung vcreinbar ist.Such an arrangement enables the targeting of an output impedance, which with the use of long labels behind the amplifier without the risk of a @@@ pfung is compatible.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielslalber beschrieben. Darin zeige : : Fig. 1 eine Schnittansicht einer Detcktoranordnung , bei welcher die Detektorzelle und die Vorverstärkerstufe beide im innern eines Cryostaten @ngeordnet sind, und Fig.2 das Schaltbild der Anordnung von Fig. 1.The invention is described below by way of example with reference to the drawing described. 1 shows a sectional view of a detector arrangement , in which the detector cell and the preamplifier stage both inside one Cryostats are arranged, and FIG. 2 shows the circuit diagram of the arrangement of FIG. 1.
Fig.1 zeigt im Schnitt einen Cryostaten, in welchem eine Infrarotstrahlungsdetektorzelle 1 aus mit @uecksilber Dotiertem Germanium angeordnet ist.1 shows in section a cryostat in which an infrared radiation detector cell 1 from germanium doped with mercury is arranged.
Der Cryostat besitzt einen @ussoren Mantel 4, in dessen einer @and ein Germaniumfenster 3 angebrac@t ist , und einen B@nälter 5, er flüssigen Wasserstoff enth@lt. i)as photoleitende Element 1 ist so ange rdnet, dass es die durch das Fenster 3 hindurchgenende Infrarotstrahlung r empfängt, und es ist elektrisch von dem Behälter 5 isoliert, mit dem es ber über einen Sapnir 6, der diese beiden Aufgaben allein rfüllt, in gutein Wärmekontakt st@@@. @in Wärmeschirm 7, vor-@@gsweise aus Aluminium, gewährleistet @urch Reflexion e@ne @usreichende thermische Isolierung der von dem Behälter @ @ de der K@ltofldssigkeit und des Belle 1 gebildeten Anordnung. dient n0leici tl' ii::ltesc, iL'1. bOr -&rweschir--', der @en@lter @ und die Zelle 1 sind in dem vom Mantel 4 ab-@eschlossenen evakuierten Rau@ e@thalten. wie bereits zu@o@ e@@@nnt wurde, ist es erw@nscht, die @@nge der Verbindungskabel zwischen der Detektorzelle und der zuge @@igen Verstärkeranerdnung möglichst weist weit zu - i. --u.. Ler:<. G-rnid if.i, Ih liinc-rn des zuvor beschriebenen gekü@lkten @@@ @@s eine @1 @tte 2 angeordnet, die on Stützen 9 und 10 getragen wird. Auf dieser Platte ist Cti1C oiw'£.tärk( LL1-LC 11 L ,cbr-icl-It, die iin wesentlichen @s einer @@lbleiter-Feldeffektvorr@chtung besteht. Diese Vorrichtung befindet sich somit auf der gleichen Temperatur @ie die Detektor@@lle.The cryostat has a @ussoren jacket 4, in one of which @and a germanium window 3 is attached, and a container 5, he liquid hydrogen contains i) The photoconductive element 1 is arranged so that it passes through the window 3 receives transmitted infrared radiation r, and it is electrical from the container 5 isolated, with which there is about a Sapnir 6, which does these two tasks alone fills, in good heat contact st @@@. @in heat shield 7, in front - @@ gwp made of aluminum, ensures sufficient thermal insulation of the from the Container @ @ de the cold liquid and the Belle 1 formed Arrangement. serves n0leici tl 'ii :: ltesc, iL'1. bOr - & rweschir-- ', the @ en @ lter @ and the cell 1 are in the evacuated room closed by the jacket 4. as already became @ o @ e @@@ nnt, it is desirable to include the @@ nge of the connecting cables as far as possible between the detector cell and the associated amplifier grounding far to - i. --u .. Ler: <. G-rnid if.i, Ih liinc-rn of the previously described kü @ lkten @@@ @@ s arranged a @ 1 @tte 2, which is supported on supports 9 and 10. On this Plate is Cti1C oiw' £ .tärk (LL1-LC11L, cbr-icl-It, which iin essential @s a @@ conductor field effect device exists. This device is thus located at the same temperature @ie the detector @@ lle.
Diese @@ss@@hme 5.st auf Grund der folgenden Eigenschaften Dcldffc&tör.ic$tunüCt1 10:. ici: 1 @Der @@@verlust @@@ser Vorrichtungen ist schr klein, so dass dadurch @@@@ über ssiger Verbrauch an verflüssigtem @@s vorursacht wird. Beispielsweise liegt der Wärmeverlust einer solchen Vorrichtung in der Grössenordnung von einigen @illiwatt, @@@@@end eine den gleichen Zweck erfüllende Vakuumr@@re einen @@@@everlust von ei@igen Watt hätte.This @@ ss @@ hme 5.st due to the following properties Dcldffc & tör.ic $ tunüCt1 10 :. ici: 1 @The @@@ loss @@@ ser devices is very small, so that @@@@ is caused by the consumption of liquefied @@ s. For example the heat loss of such a device is of the order of a few @illiwatt, @@@@@ end a vacuum serving the same purpose @@ re a @@@@ loss of a single watt.
2.Die @in@@ @@s@@@@ed@u@ der @eldeffektvorrichtung ist gross; sie Liegt in des gleichen Gr@ssenordnung wie die Ausgangsimpedanz der Dete@torzelle, so dass die Verwendung eines ip odr.-.-- . - das Verstärkerelement ein Transistor wäre.2. The @ in @@ @@ s @@@@ ed @ u @ of the field effect device is large; it is in the same order of magnitude as the output impedance of the detector cell, so that the use of an ip or.-.--. - the amplifier element would be a transistor.
@. @@ Gegensatz zu Transis-toren arbeitet die @eldeffektvorrichtung auch bei niedrigen Temp raturen einwandfrei.@. @@ In contrast to transistors, the @field effect device works perfect even at low temperatures.
4.ber Raumbedarf einer Feldeffekt- Verstärkerschaltung ist verhältmismässig kLein, so dass eine solche Schaltung sehr gut in dem iifi Innern de3 Cryostaten verfügbaren Raum unter-@ebracht werden kann; die Abmess@ngen dieses Raums werden stets möglichst klein gehalten, damit eine zu grosse thermische @elastung vermieden wird, die zu einer holmen Verbrauch an verflüssigtem Gas führen : urde.4. The space required by a field effect amplifier circuit is moderate small, so that such a circuit works very well in the iifi interior of the cryostat available space can be accommodated; the dimensions of this space will be always kept as small as possible to avoid excessive thermal stress that lead to a holm consumption of liquefied gas: urde.
5. Schliesslich ist der Rauschfaktor der Feldeffektvorrichtungen besser als derjenige von Transistoren, was einen nicht zu @@nachlassigenden Vorteil bei einer Schaltung darstellt, be welcher jede Rauschquelle sorgfältig vermieden werden muss.5. Finally, the noise factor of the field effect devices is better than that of transistors, which is not a negligible advantage represents a circuit in which any source of noise is carefully avoided got to.
Fig.2 zeigt die von der Detektorzelle und der Vorverstärker--tufe dargestellte Schaltung, deren beide Bestandteile bei @@ ed@ ger Temperatur arbei en.Fig. 2 shows the detector cell and the preamplifier stage The circuit shown, the two components of which work at @@ ed @ ger temperature en.
Die Zeichung zeigt die Detektorzelle 21 mit eine Lastwiderstand @@@@ @@@omversorgung erfolgt von einer Spannungsquelle 23 @ber eine @ntkopplungskap@@ität 24 und einen Sieb- und Stabili -sireungswiderstand 25, der den Zweck ha@, die gegebenenfalls VO tl von @@@ @tr@@versorgung hervorger@@enen @@@@s@@@@ungen möglichst stark u dampfen.The drawing shows the detector cell 21 with a load resistance @@@@ @@@ The supply comes from a voltage source 23 via a @ ntkopplungskap @@ ität 24 and a sieve and stabilization resistor 25, which has the purpose, if necessary VO tl from @@@ @ tr @@ supply vorger @@ enen @@@@ s @@@@ ungen if possible strong u steam.
Be@@ Auftreffen einer Lufrarotstrahlung auf die @elle 21 @ndert sien deren @nnenwiderstand, und diese Anderung dr@c@t sich an Punkt A In einer @otentia änderung aus.Be @@ impact of air red radiation on the @elle 21 @ changes sien their internal resistance, and this change occurs at point A in a @otentia change off.
Diese Spannung wird der Steuerelektrode 19 der Teldeffektvorric@tung 26 über eine @@-Schaltung aus einem Kondensator 2@ und einem @iderstand 2u zugeführt. Das @usga@gssignal wird über ein Kabel 29 an den Klemmen des Lastwiderstands 30 der @uelle 1@ der Vorrichtung 26 abgenommen. Ein mit dem Abfluss 17 der @eldeffektvorrichtung verbundener, Widerstand 31 ermöglicht es, am Punkt B eine Spannung aufzuprägen, die iu Phase mit der Eingangsspannung ist und den gleichen wert wie diese hat, dalilit das nutzbare Frequensband durch Kompensation der zwiswchen de-u Abfluss und der teuerelektrode der Vorrichtung 26 bestehenden Streukapazität verbreitert wird.This voltage is the control electrode 19 of the Teldeffektvorric @ device 26 is supplied via a @@ circuit made up of a capacitor 2 @ and a @iderstand 2u. The @ usga @ gssignal is connected to the terminals of the load resistor 30 via a cable 29 the @ source 1 @ the device 26 removed. One with the drain 17 of the field effect device connected, resistor 31 makes it possible to impress a voltage at point B, the iu phase is with the input voltage and has the same value as this, dalilit the usable frequency band by compensating the between de-u outflow and the expensive electrode of the device 26 existing stray capacitance is widened.
Die Ausga@gsimpedanz einer Feldeffekt@orrichtung in de in Fig.2 da@gestellten Schaltung mit nachgeregelter uelle liegt in der Nähe des Kehrwerts der St@ilheit der Feldeffketvorrichtung.The output impedance of a field effect device is shown in Fig. 2 Switching with a readjusted source is close to the reciprocal of the steadiness the field effect device.
Beim gegenwärtigen Stand der Technik kann be@ solchen Vorrichtungen eine Steilneit in der Grössenordnung von 0,3 bis 1 mA/V erreicht werden. Die Ausgangsimpedanz wird dadurch auf einen Wert gebracht, der zwischen 1060 und 3000 Ohm liegt, wodurch es möglich wird, lange Kabel am Ausgang der beschriebenen Schaltung Schaltung ohne D@mpfung zu verwenden.With the current state of the art, such devices a steepness in the order of magnitude of 0.3 to 1 mA / V can be achieved. The output impedance is thereby brought to a value between 1060 and 3000 ohms, whereby it becomes possible to use long cables at the output of the circuit described circuit to be used without attenuation.
Die folgenzen Verstürkerstufe@ @@onen dann @@@ne Nacht@il verhältnis @ sig weit vom Cryost@ten entfernt sein.The following amplifier stage @ @@ onen then @@@ ne night @ il relationship Be @ sig far from the Cryost @ ten.
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