DE1931581A1

DE1931581A1 - Kryostatdetektor

Info

Publication number: DE1931581A1
Application number: DE19691931581
Authority: DE
Inventors: Cacheux Jean Antoine
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-06-21
Filing date: 1969-06-21
Publication date: 1970-12-23
Also published as: JPS4821906B1; US3609992A

Description

"Kryostatdetektor".
Die Erfindung betrifft ein Luftdicht verschlossenes Gehäuse zum vakuumdichten Unterbringen einer Halbleitervorrichtung, insbesondere eine Strahlungsdetektors @us lithium-kompensiertem Germanium oder Silicium, welches Gehäuse die Vorrichtung auf einer sehr niedrigen Temperatur in Verbindung mit der Kältequelle eines Kryostaten halten soll.
Bestimmte Haibleitervorrichtungen müssen im Vakuum auf sehr niedriger Temperatur betrieben und sogar aufbewahrt werden Zu diesem Zweck ist bekannt, sie irn Vakuum in einem luftdichtem Gehäuse unterzubringen, dessen Volumen nur sehr wenig grasser ist als das dor Vorrichtung und dessen Wand mindestens eine isolierte Durchführung autweist. Man erhält auf diese Weise "Umhüllte" Detektoren.
Das Gehäuse wird in einem Kryostaten mit einer Kältequelle und mit einer Kälteleitung bis zur Vorrichtung angebracht.
Diese Anordnung hat zahlreiche Nachteile unter anderem bei einem Strahlungsdetektor, beiden zwei absorbierende Metallwände in der Bahn der einfallenden Strahlung liegen, welche Wände das Eintrittsfenster des Detektors bilden. Da das Gehäuse ausserdem keine Entlüftungsmittel enthält, luss vor den vakuuidichten Verschluss die Vorrichtung und auch d. Gehäuse uur Desorption erhitzt werden, im fangen durch die Wände zu verhüten, welche Heizung die Vorrichtung leicht beschädigen kann. Um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, wird ein anderes Anbringungsverfahren duchgeführt, das darin besteht, dass die Vorrichtung ohne Gehäuse in einem Kryostatraum in Verbindung mit Entluftmagsmitteln untergebracht wird, die ein hohes Vakuum erzeugen können, wobei eine Kälteleitung bis in ein Reservoir mit einer Kälte erzeugenden Flüssigkeit geführt wird. In diesem Falle wird die Vorrichtung am Ende dieser Leitung angebracht und von dieser gehalten.
Bei diesen Anordnung stehen der Vakuumraum der Vorrichtung und der Isolierraum des Kryostaten miteinander in Verbindung. Im Falle eines Detektors ergibt diese Anordnung eine minimale Dicke des Eintrittsfensters, aber die Montage ist endgültig, da die Vorrichtung nicht mehr zugänglich oder austauschbar ist. Vor der endgültigen Montage kann keine Prüfung durchgeführt werden, während nachher keine thermische Behandlung möglich ist, so dass es nicht möglich istj einen Detektor aufs neue einzustellen durch ein sogenannt'es @clean up". Beim Fehlen des Detektors muss das ganze kryogene"- Gebitide demontiert werden. Ausserdem ist bei voluminösen, immer mehr benutzten und erwünschten Detektoren das Gewicht sehr gross, während die den Detektor haltend-Xäiteleitung des Kryostaten, die an sich im allgemeinen von einem Satz langer, dünner Rohre minimaler th?rmischer Leitfähigkeit abgestützt wird, ausserordentlich grossen Kräften unterworfen ist. Die Lage des Detektors ist nicht genau bestimmt in bezug auf die Befestigungsfläche des Kryostaten.
Die Erfindung bezweckt, die Möglichkeiten und Vorteile der Umhüllung einer solchen Vorrichtung und der Unterbringung in einem Kryostaten miteinander zu vereinen, während die Nachteile der erwähnten Verfahren verringert werden.
Um die bedenkliche Erhitzung einer Vorrichtung vor dem Unterbringen im Vakuum zu vermeiden, muss das Gehäuse Entlüftungsmittel oder wenigstens Mittel zum Verbessern des Vakuums und zum Aufrechterhalten des erzielten Hochvakuums besitzen. Die Unabhängigkeit der Vorrichtungen von dem die Vorrichtung kühlenden Kryostaten erfordert jedoch.
einen bewegbaren, thermischen Kontakt zwischen der Vorrichtung und der Kälteleitung des Kryostaten und die Austauschbarkeit verschiedener Vorrichtungen bringt die Notwelldigkeit mit sich, diesen Kontakt an verschiedene Kryostaten anpassbar zu machen.
Nach der Erfindung wird das Luftdichte Gehäuse, in dem eine Halbleitcrvorrichtung, insbesondere ein Strahlungsdetektor aus lithium-kompensiertem Germanium oder Silicium im Vakuum untergebracht ist und das die Vorrichtung auf einer sehr niedrigen Temperatur in Verbindung mit der Kältequelle eines Kryostaten halten soll, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zum Verbessern und zum Aufrechterhalten des Vakuums und gegebenenfalls mit der Vorrichtung verbundene elektronische Elemente enthält, welche Vorrichtung einerseits mit dem Kryostaten durch eine biegsame Leitung verbunden ist, welche die Wand des Gehäuses mittels einer leitenden, thermisch und mechanisch isolierten Durchführung durchquert und deren äusseres Ende mit einem an die Kälteleitung des Kryostaten anpassbaren Verbindungsgliod versehen ist, welche Vorrichtung andererseits von einen Rohr gehalten wird, das die erwähnte Kälteleitung umgibt und thermisch und elektrisch gegen das Gehäuse isoliert ist.
J>as Gehäuse nach der Erfindung lässt sich an verschiedene Arten von Kryostaten anpassen. Ein Fehlen der Vorrichtung erfordert nicht die vollständige Demontage des kryogenen Gebildes. Es ist möglich, die Vorrichtung auf einem Kryostaten oder sogar auf einem einfachen Dewargefäss vor der endgültigen Montage auf einem Kryostaten zu prüfen, ohne dass es notwendig ist, ein vollständiges kryogenes Gebilde aufzubauen. Es ist nicht notwendig, die Vorrichtung vor oder nach der Anbringung aufs neuc zu erhitzen, da das Vakuum durch Mittel verbessert wird, die in dem Gehäuse untergebracht sind. Die Vorrichtung kann geprüft werden und die elektronischen Elemente der Vorrichtung und des Zubehöre lassen sich von aussen her ausserhalb des in normalen Betrieb benutzten Kryostaten regeln. Das Gehäuse kann mit telbar in einem Beschleunigungsraum mit irgendeinem Kälteübertragungsmittel angebracht werden, das sogar nicht geschützt zu werden braucht.
Die auf den Detektor fallende Strahlung braucht nur durch eine einzige Metallwand zu dringen; der Detektor liegt in einem Abstand von den grössten Metallmassen des Kryostaten oder der Grundplatte das Gehäuses, welche Massen eine Rückaustrahlung hervorrufen könnten.
Der im Gehäuse nach der Erfindung untergebrachte Detektor kann ein sehr grosses Volumen haben, da das Gewicht von einei Element aufgenommen wird, das von dem Kältekreis getrennt und hinreichend stelf ist, um nicht abzubiegen und eine feste Lage des Detektors in bezug auf Ergendeine Referenzfläche zu sichern.
Die thermischen Verluste des Gehäuses nach der Erfindung sind annKhernd gleich denen der üblichen Anordnungen mit Kryostaten und der Verbrauch an iryogener Flüssigkeit ist sehr gering, In einer bevorzugten Ausführungsform des Gehäuses nach der Erfindung bestehen die Mittel zum Verbessern und Aufrechterhalten des Vakuums im Gehäuse aus einem Filament aus Titan oder einem anderen hitzebeständige Metall, das verdampft werden kann und die elektronischen, mit der Vorrichtung verbundenen Elemente sind im Gehäuse insbesonelere in der Form gesonderter Einzelteile und dünner Schichten auf einem isolierenden Substrat untergebracht.
Diese Ausführungsform des Gehäuses hat den Vorteil der Möglichkeit einer Regelung des gesamten Detektors mit elektronischen Elementen unabhängig von dem Kryostaten in einem sehr guten Vakuum, das nach einer ersten Entluftung und nach Abschluss des Gehäuses durch einig schnelle Verdampfungszyklen des Titans leicht erhalten werden kann, Die Prüfung ist schnell durchführbar, was besonders vorteilhaft ist, wenn die thermische Verbindung zwischen dem Detektor und der Kältequelle des Kryostaten eine hohe Trägheit aufweist.
In einer anderen Ausführungsform des (; it.e.s nach der Erfindung ist das an die Kältoleitung des Kryostaten anpassbare Verbindungsglied konisch ausgebildet, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der ineinander passenden Teile dieses Glieds derart gewählt werden, dass während der Abkühlung ein klemmender Kontakt zwischen den betreffenden Flächen sichergestellt ist.
Die Erfindung wird an hand beiliegender Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt im Schnitt ein Gehäuse nach der Erfindung, das einen Detektor aus lithium-kompensiertem germanium enthält. Der Detektor ist mit 1 bezeichnet. Er ist auf bekannte Weise auf einer Platte 2 mittels eines Deckels 3 mittels Schrauben 4 befestigt. Der Deckel besteht gewöhnlich aus einem thermo-erhärtenden Material mit einer bestimmten Elastizität, das elektrisch isolierend ist und aus Elementen mit geringer Atommasse besteht, so dass keine Strahlung absorbiert wird und keine @Rückausstrahlung auftritt. Die Einfallsfläche des Detektors ist die Fläche 5 gegenüber der Platte 2.
Die Platte 2, vorzugsweise aus Aluminium, ist aui einem Rohr 6 mit dünner Wand angebracht, das an sich von ilakn 7 aüs einem isoLierenden, elastischen Material z.I3.
Polytetrafluoräthylen abgestützt wird, die auf der Grundplatte des Gehäuses 8 befestigt sind. Eine Kappe 9 wird über die Grundplatte 8 gestülpt, mit der sie durch eine Luftdichte Verbindung 10, z.B. aus Indium verbunden ist, die durch einen Kragen 11 und Schrauben 12 eingeklemmt wird.
Die Kappe 9 hat eine minimale Dicke. über die ganze Fläche 13, die das Eintrittsfenster der Vorrichtung bildot. Jliose Fläche 13 ist vorzugsweise konvex, wodurch die minimale I)icke gewählt werden kann, die noch mit dem aufzunehmenden Druckunterschied, mit dem minimalen Abstand zwischen Fenster und Detektor und mit der zulässigen Abbiegung vereinigbar ist. Es ist auch möglich, diese Fläche aus einem anderen Material als die Kappe zu verwenden; sie kann z.D aus Beryllium bestehen und auf der Kappe festgelötet werden.
Der Kältekreis des Gehäuses enthält von der Platte 2 her einen metallenen Flechtdraht 14 vorzugsweise aus Aluminium, der einerseits an der Platte 2 und andererseits an dem Rohrende 15 eines Flansches 16 festgeschweisst oder durch Druck im kalten Zustand befestigt ist, welcher Flansch andererseits in einem weiteren Rohrteil 17 vorzugsweise aus Kupfer endet.
Der Flansch 16 hat einen vorstehenden, konischen Teil 18, der mit dem versenkten konischen Teil eines Teiles 19 zusammenwirkt, der das Ende der Kälteleitung des Kryostaten (nicht dargestellt) bildet.
Der Flansch 16 ist mit der Grundplatte 8 durch ein geschwreisstes, luftdichtes Gebilde-von zwei koaxialen Rohren 20 und 21 und mittels einer Unterlegscheibe 22 veibunden. Das Rohr 21 hat einen balgenförmigen Teil 23, wodurch der Flansch 16 eine gewisse Bewegungsfreiheit in Bezug auf das Gehäuse hat. Die Rohre 20 und 21 sind dünn und haben eine grosse Länge und bestehen aus einem Material niedrigen thermischer Leitfähigkeit z.B. aus rostfreiem Stahl einer Dicke von 0,2 mm.
Der Raum zwischen der Kappe 9 und der Grundplatte 8 kann mit primären Entlüftungsmitteln durch Durchgänge 25 in dem Flansch 16 und durch das Rohr 17 verbunden werden, welches letztere als Entlüftungsröhrchen wirksam ist. Wem ein Vakuum der Grössenordnung von 10-4 Torr im Raum erreicht ist, wird das Rohr 17 bei 24 durch Zukneifen abgeschlossen. Das Vakuum wird darauf bis zu 10 oder 10 7 Torr durch Verdampfung und Getterwirkung des Filamentes 26 erhöht, das zwischen isolierten Klemmen 27 gehalten wird und durch das Rohr 6 verläuft, ohne mit diesem in Berührung zu kommen. Um eine äquivalente Entlüftungsgeschwindigkeit für unterschiedliciie Gase zu erzielen, ist es vorteilhaft, ein oder mehrere zusammengesetzte Filamente aus Wolfram, Molybdän und Titan vorzt ellen, Die Filamente können im Laufe der Zeit gezündet werden, um etwaige Vakuumverluste auszugleichen.
Zum Verbessern der thermischen Isolierung zwischen dem Detektor und der Grundplatte und der Entlüftungsgeschwindigkeit ist das Rohr 6 mit einer Anzahl von Oeffnungen versehen. Die Anzahl und die Grösse dieser Oeffnungen werden in Richtung auf die Platte 2 geringer, während der Teil 32 nicht durchbohrt ist, um die Getterwirkung über die ganze Oberfläche beizubehalten und Ablagerungen auf dem Detektor oder dem ßintrittsfenster zu vermeiden.
Das Innenvolumen des Rohrs 6 erlaubt, die elektronischen Elemente des Detektors 1 darin unterzubringen, nicht nur den Feldeffekt-Transistor gewöhnlich im Vervenstärkerkreis, der bei einer sehr niedrigen Temperatur \ rken soll, sondern auch andere elektronische Einzeiteile, die in Form dünner Schichten angebracht werden können. I)el Feldeffekt-Transistor ist z.B. auf einem Glassubstrat angebracht, das bei 34 auf dem Rohr 32 befestigt ist Der Detektor 1 und die elektronischen Elemente des Verstärkerkreises in dem Raum werden durch nicht dargestellte Drähte miteinanderund mit den äusseren Vorrichtungen über eine Klemme 30 mit verschiedenen isolierten Stift ten 31 verbunden j Das vorstehend beschriebene Gehäuse kann an einen Kryostaten angepasst werden, wobei die Grundplatte 8 mit ihrer Fläche 33 auf einem Bügel des Kryostaten unter Zwischenfügung einer abnehmbaren luftdichten Verbindung z.B.
aus Indium angebracht wird, während der Flansch 6 mit dem Ende der Kälteleitung des Kryostaten zusammenwirkt" Nötigesifalls wird ein Anpassungsglied zwischen der Grundplatte und dem Bügel angebracht. Zum Durchführen von Prüfungen oder Me sungen, die ausserhalb des Betriebs auf einem Kryostaten O'tmacht werden können, kann das Gehäuse einfach mit einem Reservoir von Kühlflüssigkeit mittels eines Tauchstiftes als Verlängerung des Teiles 19 verbunden werden.
Das Gehäuse nach der Erfindung kann besonders vor teilhaft benutzt werden bei Anbringung auf einem Kryostaten nach der Patentanmeldung PV 148,735 der Anmelderin vom 19, April 1968: "Kryostat insbesondere für Halbleiterdetektoren.
In diesem Falle betragen die thermischen Verluste infolge des Gehäuses und des Detektors z.B. etwa 0,40 w einschliessLich der elektronischen -Einzelteile <les Verstärkerkreises, was einem Verbrauch des Kryostaten von etwa 0,8 Liter flüssigen Stickstoffes pro Tag entspricht.
Die Leistungen eines in einem Gehäuse nach der Erfindung untergebrachten Detektors sind besser als die eines auf übliche Weise angebrachten Detektors. Da der Detektor von einem von der Kälteleitung unabhängigen Rohr abgestützt wird, das durch Haken aus Polytetrafluoräthylen oder einem ähnlichen Material mit dem Gehäuse verbunden ist, wird insbesondere die Uebertragung von Schwingungen hoher Frequenz auf den Detektor verhütet, welche den Detektor beschädigen können, während gleichzeitig Mikrophongerausch unterdrückt wird, das insbesondere durch das Kochen der Kälteflüssigkeit oder durch den Kontakt der in der Erdverbindung vorhandenen Thermoelemente hervorgerufen wird.
Selbstverständlich lassen sich die vorstehend beschriebenen Ausführungsforlen auf verschiedene Weise abändern innerhalb des Rahmens der Erfindung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Luftdicht verschlossenes Gehäuse zum Unterbringen einer iia3bleitervorrichtung im Vakuum, insbesondere eines Strahlungsdetektors aus lithium kompensiertem Germanium oder Silizium, welches Gehäuse die Vorrichtung auf einer sehr niedrigen Temperatur in Verbindung mit der WEStequelle eines Kryostaten halten soll, dadurch gekennzeichnet , da',. 5 es Mittel zum Verbessern und zum Aufrechterhalten des Vakuums und gegebenenfalls elektronische mit der Vorrichtung verbundene Elemente enthält, welche Vor-' richtung einerseits mit dem Kryostaten durch eine biegsäme Leitung verbunden ist,' die durch die Wand des Gehäuses durch einen leitenden, thermisch und mechanisch isolierten Durchgang gei'ührt ist und deren äusseres Ende mit einem an die Kälteleitung des Kryostaten anpassbaren Verbindungsglied versehen ist und welche Vorrichtung andererseits ton einem die Kälteleitung umgebenden Rohr abgestütt wird, dass thermisch und elektrisch gegen das Gehäuse isoliert ist..
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

net, dass: a) ein Filament aus hitzebeständigen Metallmit Mitteln zur Verdampfung desselben zum Verbessern und Auirechterhalten des Vakuum vorgesehen ist, b) dieses Filament aus Titan, Molybdän und Wolfram zusammengesetzt ist, c) elektrische Elemente in-Form von dünnen, abgelagerten Schichten auf einem isolierten Substrat mit der Vorrichstung verbunden sind, d) das Substrat auf der Stütze der Vorrichtung befestigt ist, e) das an die Kälteleitung anpassbare Verbindungsglied konisch ausgebildet ist, wobei die Ausdehnungskoeffizienten der ineinander passenden Teile dieses Gliedes derart gewählt sind, dass bei der Abkühlung eine klemmende Verbindung erhalten wird, f) das die Vorrichtung abstützende Rohr auf der Grundplålto des Gehäuses mittels Haken aus Polytetrafluoräthylen befestigt ist, g) die die auffallende Strahlung durchlassende Fläche des Gehäuses konvex ausgebildet ist, h) das Gehäuse eine Kappe enthält, die auf der Grundplatte mittels einer luftdichten tndiumverbindung befestigt ist, i) die biegsame Leitung durch einen Flechtdraht aus Aluminium gebildet wird und mit der Grundplatte durch ein balSenförmigesRohr und lange, dünne koaxiale Rohre aus einem Material geringer thermischer Leitfähigkeit verbunden ist.