DE3789380T2

DE3789380T2 - Kryogenischer motor mit dewargefäss und integriertem detektor.

Info

Publication number: DE3789380T2
Application number: DE3789380T
Authority: DE
Inventors: Fred J Neitzel; Leonard E Peck Jr; Richard M Rall
Original assignee: Santa Barbara Research Center
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-11-21
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2007-10-09
Also published as: DE3789380D1; JPH01502134A; EP0290517A1; WO1988004037A1; EP0290517B1; JPH0695046B2

Description

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Infrarot-Abtastung und insbesondere einen kryogenischen Motor mit Dewargefäß und integriertem Detektor.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Infrarot-Detektoren werden oft in Verbindung mit Flugkörpern und Nachtsichtsystemen verwendet, um das Vorhandensein einer elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge von 1 bis 15 um zu erfassen. Da sie oft am empfindlichsten sind, wenn sie bei annähernd 77ºK arbeiten, benötigen Infrarot-Detektoren wie beispielsweise diejenigen, welche aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid hergestellt sind, oft eine Anordnung mit einem kryogenischen Motor, um die benötigte Betriebstemperatur zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Solche Anordnungen mit einem kryogenischen Motor werden typischerweise in Verbindung mit einem evakuierten Dewar verwendet, in welchem der Infrarot-Detektor angeordnet ist. Der Dewar wird evakuiert, um thermisch leitfähige Gase zu entfernen, welche sonst den Bereich um den Detektor herum einnehmen würden. Der Dewar wird dadurch gekühlt, daß er in einem vertieften Bereich ("Kältesenke") des Dewars in Kontakt mit einer Expansionskammer ("Expander") der Anordnung mit kryogenischem Motor angeordnet wird, welche mit einem Kühlfluid wie Helium versorgt wird. Die Kältesenke und der Expander sind durch einen Spalt getrennt, um Änderungen in den Abmessungen des Dewars und des Expanders zu erlauben, sowie Unterschiede in deren thermischen Ausdehnungscharakteristiken aufzunehmen.
Um den Expander mit dem Kühlfluid zu versorgen, beinhaltet die Anordnung mit kryogenischen Motor oft einen Kompressor, der das Fluid über eine Übertragungsleitung dem Expander zuführt. Wenn sich das Fluid im Expander ausdehnt, nimmt es thermische Energie sowohl von dem Expander als auch dem Dewar auf, und bewirkt, daß der Detektor gekühlt wird. Da die Temperatur des Expanders von der Fluidmenge abhängt, welche von dem Kompressor geliefert wird, kann die Temperatur des Detektors durch Änderung der Kompressorgeschwindigkeit gesteuert werden.
Obgleich die Infrarot-Detektoranordnungen gemäß obiger Beschreibung in der Lage sind, die Temperaturpegel, welche für einen empfindlichen Betrieb der Quecksilber-Cadmium- Tellurid-Detektoren nötig sind zu erzeugen und aufrecht zuerhalten, haben sie oft mehrere Nachteile bezüglich der thermischen Leitfähigkeit zwischen dem Expander und der Umgebung. Da der Dewar und der Expander von der Struktur her voneinander unabhängig sind, wirkt der Spalt zwischen dem Expander und dem Dewar als Isolator, der eine optimale Leitung zwischen dem Expander und dem Detektor verhindert. Zusätzlich umfaßt die Querschnittsfläche, durch welche Kälteverlust auftritt nicht nur die Querschnittsfläche des Expanders, sondern auch die Wände des Dewars, welche benachbart dem Expander sind. Diese beiden Merkmale bedingen notwendigerweise, daß die Kapazität des kryogenischen Motors etwas größer als eigentlich sonst nötig sein muß.
Die EP-A-0 115 698 beschreibt eine Kältestrahlungs-Detektoranordnung mit einer Kältesenke mit einem Detektor an einem Ende, welche an dem anderen Ende von einem Gehäuse gestützt ist. Das Gehäuse umfaßt einen äußeren Behälter und einen Verbinder, wobei der Verbinder mit dem Detektor über ein flexibles Bandkabel verbunden ist, welches durch den Freiraum zwischen der Kältesenke und dem äußeren Behälter läuft.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung geschaffen zur Erkennung von elektromagnetischer Strahlung, wie sie im nachfolgenden Anspruch 1 angegeben ist.
Verschiedene Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Durchschnittsfachmann beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung und durch Bezug auf die Zeichnung, in der:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung des kryogenischen Motors mit Dewargefäß und integriertem Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des kryogenischen Motors mit integriertem Detektor gemäß Fig. 1 ist.
In der Zeichnung ist ein kryogenischer Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der kryogenische Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor beinhaltet einen Infrarot-Detektor 12 zum Empfang von Infrarot-Strahlung und zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale. Obgleich der Detektor 12 aus einer Schicht von Quecksilber-Cadmium-Tellurid auf einem Saphir-Substratmaterial gemacht sein kann, können auch andere geeignete Materialien verwendet werden, wie beispielsweise CdTe und CdSe. Der Detektor 12 ist auf einer Detektorplattform 14 mittels eines thermisch leitfähigen Klebers festgelegt, der es erlaubt, daß thermische Energie von dem Detektor 12 abfließt. Obgleich die Detektorplattform 14 aus Beryllium hergestellt sein kann, können auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
Um thermische Energie von dem Detektor 12 zu entfernen, um so einen optimalen Detektorbetrieb zu ermöglichen, weist der kryogenische Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor weiterhin eine Expansionsanordnung 16 auf (siehe Fig. 2). Die Expansionsanordnung 16 umfaßt eine Expansionsendkappe 18, welche mechanisch mit der Detektorplattform 14 in Verbindung steht, so daß thermische Energie von der Detektorplattform 14 zu der Expansionsendkappe 18 fließen kann. Die Detektorplattform 14 ist zwischen zwei von vier Vorsprüngen angeordnet, welche auf der Expansionendkappe 18 angeordnet sind und ist an der Expansionsendkappe 18 mittels eines thermisch leitfähigen Klebers festgelegt. Die Expansionsendkappe 18 ist scheibenförmig, um eine geringe thermische Masse und eine hohe thermische Leitfähigkeit zu haben. Die Expansionsendkappe 18 ist bevorzugt aus Beryllium hergestellt, um einen relativ hohen Grad von thermischer Leitfähigkeit zu haben, obgleich zu verstehen ist, daß andere geeignete Materialien verwendet werden können.
Die Expansionsanordnung 16 beinhaltet auch eine Expansionsröhre 20, welche an der Expansionendkappe 18 angelötet ist. Die Expansionsröhre 20 nimmt den Kühlmechanismus zum Kühlen des Detektors 12 auf und erhält ein Kühlfluid wie Helium von einem (nicht dargestellten) Kompressor. Durch eine Ausdehnung des Fluides innerhalb der Expansionsröhre 20 wird thermische Energie von der Expansionsendkappe 18 abgezogen, wodurch der Detektor 12 gekühlt wird. Die Expansionsröhre 20 ist bevorzugt aus Inconel gefertigt, um eine niedrige thermische Leitfähigkeit zu haben bei ausreichender Steifigkeit, um eine Detektorbewegung während des Betriebes zu minimieren. Um die Expansionsröhre 20 zu stützen, ist ein Expansionsgehäuse 22 vorgesehen. Das Expansionsgehäuse 22 ist an der Expansionsröhre 20 angelötet und mit dem (nicht dargestellten) Kompressor des kryogenischen Motors verbunden. Die Expansionsanordnung 16 beinhaltet auch einen Kabelstützer 24, der verwendet wird, um die weiter unten beschriebenen biegsamen Kabel zu stützen.
Um die Temperatur der Infrarot-Detektoranordnung zu überwachen, sind benachbart des Detektors 12 zwei Temperatursensoren 26 auf den weiter unten beschriebenen flexiblen Kabeln angeordnet. Die Ausgänge von den Temperatursensoren 26 werden verwendet, die Kompressorgeschwindigkeit zu steuern, was wiederum die Temperatur der Expansionsanordnung 16 steuert. Jeder der Temperatursensoren 26 kann eine Schaltdiode des Typs 2N2222 sein, obgleich zu verstehen ist, daß andere geeignete Temperatursensoren verwendet werden können, welche auf Temperaturänderungen in den benötigten Bereichen ansprechen. Um die Temperatursensoren 26 auf der Expansionsendkappe 18 zu befestigen, ist ein Temperatursensor-Träger 28 vorgesehen. Die Temperatursensoren 26 werden auf dem Temperatursensor-Träger 28 mittels eines thermisch leitfähigen Klebers festgelegt. Der Temperatursensor-Träger 28 kann aus einer Keramik hergestellt sein, obgleich andere geeignete Materialien verwendet werden können.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem Detektor 12 und einer externen Elektronik zu gestatten, sind zwei flexible Kabel 30 vorgesehen. Die flexiblen Kabel 30 erlauben, daß von dem Detektor 12 erzeugte Signale einer Verteiler-Leiterplatte 32 zugeführt werden können. Die flexiblen Kabel 30 sind mit einem Ende mit den leitfähigen Anschlußkissen des Detektors 12 über Golddrähte verbunden. Das andere Ende der flexiblen Kabel 30 ist mit der Verteiler-Leiterplatte 32 verbunden. Aus Gründen der Klarheit sind die flexiblen Kabel in Fig. 1 um 45º gedreht dargestellt. Die flexiblen Kabel 30 weisen einen flexiblen geätzten Schaltkreis mit metallischen Leitern auf, der zwischen Lagen eines dielektrischen Materials auf Polymidbasis angeordnet ist, welche mittels eines Acrylklebers angeordnet sind. Die Verteiler- Leiterplatte 32 weist eine Mehrzahl von internen Leitern auf, die so ausgerichtet sind, daß sie einen Zugang zu den elektrischen Signales gestatten, welche von den flexiblen Kabeln 30 von einer Seite der Verteiler-Leiterplatte her der gegenüberliegenden Seite der Verteiler-Leiterplatte 32 zugeführt werden. Eine Mehrzahl von Druckfedern 34 und Schrauben 36 ist vorgesehen, um die flexiblen Kabel 30 mit der Verteiler-Leiterplatte 32 zu verklemmen.
Um einen Zugriff auf die von den flexiblen Kabeln 30 der Verteiler-Leiterplatte 32 zugeführten elektrischen Signale zu haben, ist ein Verbinder 38 vorgesehen. Der Verbinder 38 empfängt die elektrischen Signale von der Verteiler-Leiterplatte 32 über eine Mehrzahl von leitfähigen Stiften 40. Die leitfähigen Stifte 40 erstrecken sich von der Verteiler-Leiterplatte 32 durch den Verbinder 38 zu einer Stellung oberhalb des Verbinders 38, wo sie zugänglich sind. Ein hochgezogener Rand 39 ist vorgesehen, um die Verteiler- Leiterplatte 32 von der Umgebung abzuschirmen. Um die Detektoren 12 geeignet vorspannen zu können, ist die Vorspannwiderstand-Leiterplatte 42 vorgesehen, welche elektrisch mit dem Verbinder 38 in Verbindung steht. Die Vorspannwiderstand-Leiterplatte 42 wirkt als Spannungsteiler, so daß die geeigneten Spannungen dem Detektor 12 zuführbar sind, um einen korrekten Betrieb sicherzustellen.
Um eine strukturelle Integrität des kryogenischen Motors 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor zu schaffen, weist der kryogenische Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor weiterhin ein Zusammenbaugehäuse 44 und eine Trägerplatte 46 auf. Das Zusammenbaugehäuse 44 wird verwendet, um eine strukturelle Stütze der Einzelteile des kryogenischen Motors 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor zu erzeugen und kann aus einer sich gering ausdehnenden Legierung hergestellt sein. Es versteht sich jedoch, daß andere geeignete Materialien ebenso verwendet werden können. Die Trägerplatte 46 wird verwendet, den kryogenischen Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor in einer korrekten Position festzulegen. Die Trägerplatte 46 steht mechanisch mit einer Basis-Einstellmutter 48 in Verbindung, welche eine Drehung der Trägerplatte 46 unabhängig von dem Expansionsgehäuse 22 erlaubt. Zwischen dem Expansionsgehäuse 22 und der Trägerplatte 46 ist ein O-Ring 50 angeordnet, um bei einer Drehung der Trägerplatte 46 eine Reibung zu erzeugen.
Um den Detektor 12 und die Expansionsendkappe 18 von der Umgebung zu isolieren, weist der kryogenische Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor weiterhin eine Abschottung 52 und eine Abschirmung 54 auf. Die Abschottung 52 ist an das Zusammenbaugehäuse 44 angelötet und steht mechanisch mit einer Evakuierröhre 56 in Verbindung. Die Evakuierröhre 56 wird verwendet, Gase aus dem kryogenischen Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor abzuziehen, um die thermische Isolation zu maximieren. Die Abschottung 52 steht auch mit zwei Getter-Durchführungen 58 in Verbindung, welche mit zwei Gettern 60 in Verbindung stehen. Die Getter 60 werden während des Evakuiervorganges verwendet, weitere Gase innerhalb des kryogenischen Motors 10 mit Dewargefäß und integrierten Detektor zu eliminieren. Die Abschottung 52 steht mechanisch mit der Abschirmung 54 und einem Rahmen 64 in Verbindung, um die Seiten der Vakuumkammer zu bilden. Ein Fenster 66 und ein Fenstergehäuse 68 sind vorgesehen, um die Oberseite der Vakuumkammer zu bilden. Das Fenster 66 ist aus Germanium oder Zink-Selenid hergestellt, um das gewünschte Übertragungsband zu erzeugen und wird verwendet, ankommende Infrarot-Strahlung auf den Detektor 12 zu übertragen. Das Fenstergehäuse 68 wird verwendet, das Fenster 66 zu stützen und es zu ermöglichen, den kryogenischen Motor 10 mit Dewargefäß und integriertem Detektor zu evakuieren.
Um die Menge von thermischer Strahlung zu minimieren, welche dem Detektor 12 von anderen Quellen als der Szenerie zugeführt wird, ist eine Kälteabschirmung 70 vorgesehen, welche mittig oberhalb des Detektors 12 angeordnet ist. Die Kälteabschirmung 70 ist mit zwei von vier Vorsprüngen auf der Expansionsendkappe 18 verbunden und hat eine Öffnung, welche einen ungestörten Pfad für Infrarot-Strahlung von der Umgebung her erzeugt, welche von dem Detektor 12 zu empfangen ist. Die Kälteabschirmung 70 hat eine dünne Wand und wird aus einem hoch leitfähigen Material hergestellt, um eine relativ niedrige thermische Masse zu haben, welche die Abkühlzeit verringert. Obgleich die Kälteabschirmung aus 6061-T6-Aluminium hergestellt sein kann, versteht sich, daß andere geeignete Materialien ebenfalls verwendet werden können.
Da der Detektor 12 in direkter thermischer Verbindung mit der Expansionsendkappe 18 steht, kann der Detektor 12 schneller abgekühlt werden, als es sonst möglich wäre. Da zusätzlich der Dewar und der Expander eine einstückige Einheit bilden, wird die Querschnittsfläche, durch welche Kälteverlust auftreten kann verringert. Es sollte daher festgehalten werden, daß diese Erfindung unter Bezug auf ein bestimmtes Beispiel hervon beschrieben wurde. Andere Abwandlungen ergeben sich dem Durchschnittsfachmann nach einem Studium der Beschreibung, der Zeichnung und der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

1. Eine Vorrichtung (10) zur Erkennung elektromagnetischer Strahlung, mit:

Erkennungsmitteln (12) zur Erkennung elektromagnetischer Strahlung;

Mitteln zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln mit einer Expansionsröhre (20);

wobei

die Expansionsröhre Kühlmittel beinhaltet, welche in mechanischen Kontakt mit einer Expansionsendkappe (18) sind;

die Erkennungsmittel und die Mittel zum Entfernen thermischer Energie von der Umgebung isoliert sind;

und wobei

die Mittel zum Isolieren der Erkennungsmittel und der Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln von der Umgebung einen Dewar aufweisen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin aufweist:

ein Expansionsgehäuse (22), welches die Expansionsröhre mechanisch trägt;

ein Zusammenbaugehäuse (44), welches die Expansionsröhre umgibt; und

eine Abschottung (52), welche mechanisch mit dem Zusammenbaugehäuse (44) in Verbindung steht;

und dadurch, daß

die Expansionsendkappe (18) in direktem oder indirektem mechanischen Kontakt mit den Erkennungsmittel ist; und daß die Expansionsröhre ein einstückiges Teil des Dewar bildet.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erkennungsmittel und die Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln durch Mittel von der Umgebung isoliert sind, welche eine Abschirmung (54) beinhalten, welche mechanisch mit der Abschottung (52) in Verbindung steht.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mittel zum Isolieren der Erkennungsmittel und der Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln von der Umgebung weiterhin einen Rahmen (64) aufweisen, der mechanisch mit der Abschirmung (54) in Verbindung steht.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Isolieren der Erkennungsmittel und der Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln von der Umgebung weiterhin eine Verteilerplatte (32) aufweisen, welche mechanisch mit dem Rahmen (54) in Verbindung steht.

5. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Mittel zum Isolieren der Erkennungsmittel und der Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln von der Umgebung weiterhin ein Fenstergehäuse (68) aufweisen, das mechanisch mit dem Zusammenbaugehäuse (44) in Verbindung steht.

6. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Mittel zum Isolieren der Erkennungsmittel und der Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln von der Umgebung weiterhin ein Fenster (66) aufweisen, das mechanisch mit dem Fenstergehäuse (68) in Verbindung steht.

7. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mittel zum Entfernen thermischer Energie von den Erkennungsmitteln eine Detektorträger (14) aufweisen, der an einer Expansionsendkappe (18) angeordnet ist, wobei die Erkennungsmittel (12) mechanisch mit dem Detektorträger (14) in Verbindung stehen.