DE4208526A1 - Gegen elektromagnetische Impulse geschütztes optisches Detektionssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Optoelektronik und insbesondere auf den Schutz optoelektronischer Systeme durch Verwenden eines optischen Detektionssystems, das gegen elektromagnetische Impulse geschützt ist.

Auf dem Gebiet optoelektronischer Systeme sind die in den Spektralbändern, die von Ultraviolett bis zum fernen Infrarot reichen, verwendeten Photodetektoren allgemein von photovol­ taischen Dioden oder von Schottky-Dioden gebildet, die Lese­ schaltungen aus Silicium vom Typ MOSFET, C MOS, CCD usw. zu­ geordnet sind. Diese Detektoren sind in der Brennebene opti­ scher Systeme angeordnet, die im allgemeinen Fall nicht aus einem elektrisch leitenden Material gebildet werden können und die somit nicht ermöglichen, die elektromagnetische Ab­ schirmung der Detektoren zu gewährleisten.

Bei Ereignissen wie dem Blitzschlag oder einer nuklearen Explosion in großer oder niedriger Höhe bei an Bord von Flug­ zeugen mitgeführten Ausrüstungen werden die elektronischen Anlagen von einem elektromagnetischen Impuls (EMP) getroffen, dessen elektrische Felder, die von optischen Strukturen kon­ zentriert werden, mehrere hunderte Kilovolt pro Meter errei­ chen können.

Außerdem beruht das Konzept der Höchstfrequenzwaffen auf der Aussendung elektromagnetischer Impulse mit mehreren hundert Kilovolt pro Meter bei Frequenzen von mehreren Gigahertz. In diesem Rahmen ist die Abschirmung noch kritischer als bei einem elektromagnetischen Impuls nuklearen Ursprungs, da die Wellenlänge viel kleiner ist. Die zur Detektion verwendeten Photodioden schlagen unter diesen Bedingungen bei empfangenen Energiewerten unter 1 µJ/cm² durch.

Auf dem Gebiet der elektromagnetischen Abschirmung ist es bekannt, Abschirmungsgitter zu verwenden. Unter Berücksich­ tigung der betrachteten Wellenlängen führt die Verwendung eines einfachen Abschirmgitters an optischen Systemen zur Verwirklichung richtiger tiefer Bienenwaben zum wirksamen Ab­ schirmen des Photodetektors.

Eine solche Vorrichtung paßt jedoch nicht mit den Gesichts­ feldern und optischen Öffnungen zusammen, die für solche Systeme benötigt werden.

Mit Hilfe der Erfindung soll ein optisches Detektionssystem geschaffen werden, das in wirksamer Weise gegen elektromagne­ tische Impulse geschützt ist, ohne daß das Gesichtsfeld oder die optische Öffnung des Systems gestört werden.

Zu diesem Zweck wird eine Abschirmung direkt am Fenster des Detektors in Form einer Schicht eines dünnen Gases gebildet, das normalerweise in dem Spektralband des Detektors durchläs­ sig ist, mit dem Auftreten eines großen elektrischen Feldes jedoch in einen ionisierten Zustand übergeht. Diese Schicht wirkt somit wie eine Funkenstrecke mit einem sehr schnellen Gas, und sie schließt die einfallende Welle kurz, so daß auf diese Weise die Abschirmhülle geschlossen wird.

Nach der Erfindung ist ein gegen elektrische Impulse ge­ schütztes optisches Detektionssystem mit einem Photodetektor, der für den Bereich der zu erfassenden Wellenlängen empfind­ lich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor in einer Umhüllung untergebracht ist, die mit Ausnahme eines Fensters, durch das die zu erfassende optische Strahlung auf den Photodetektor übertragen wird, elektrisch kontinuierlich ist, und daß das Fenster von zwei parallelen, im Abstand von­ einander liegenden Platten gebildet ist, die für die zu er­ fassende optische Strahlung durchlässig sind, wobei der von den parallelen Flächen der im Abstand voneinander liegenden Platten und vom Rand der leitenden Umhüllung, an dem die Platten befestigt sind, begrenzte Raum von einem dünnen Gas eingenommen wird, das für die zu erfassende optische Strah­ lung im Normalbetrieb durchlässig ist und im Falle eines elektromagnetischen Impulses ionisierbar ist, so daß auf die­ se Weise eine elektrisch durchgehende Umhüllung um den Photo­ detektor gebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des gegen elektromagne­ tische Impulse geschützten optischen Detektionskopfs nach der Erfindung in einem Längsschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Platten des das dünne Gas einschließenden Eintrittsfensters und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines gegen elektroma­ gnetische Impulse geschützten Detektionssystems nach der Erfindung.

Die anschließende Beschreibung nimmt auf eine Anwendung bei einem Infrarot-Photodetektor Bezug, jedoch kann das gleiche System auch bei einem anderen Photodetektor angewendet wer­ den, sogar dann, wenn sich die Gehäuseform oder der im Inne­ ren herrschende Druck ändern.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält der optische Detektionskopf einen Infrarot-Photodetektor 1, der in einem Gehäuse befestigt ist, das entsprechend der üblichen Technik von einem evakuierten Dewar-Gefäß gebildet ist, d. h. einem isolierten Gefäß mit Doppelwand, wobei der Raum zwischen den Wänden unter Vakuum steht, während der zentrale Teil mittels einer nicht darge­ stellten Tiefsttemperatursonde gekühlt wird. Der Infrarot- Photodetektor 1 ist dabei im Inneren des Gefäßes an dem innen gekühlten Teil angebracht, wobei dieser zentrale Teil 2 durch die Tiefsttemperatursonde gekühlt wird. Die Verbindungen 3 des Detektors durchlaufen den evakuierten Raum und verlassen diesen Raum nach vorne hin an den Rändern des Dewar-Gefäßes.

Der Außenkörper 4 des Dewar-Gefäßes besteht aus einem Mate­ rial mit guter elektrischer Leitfähigkeit; dieser Außenkörper ist elektrisch und geometrisch kontinuierlich (ohne Öffnung) mit dem Rest der äußeren Abschirmung der Anordnung verbunden, der sich vorne befindet. Der Außenkörper bildet somit eine gute Abschirmung des Detektors und der Anschlüsse mit Ausnah­ me der Vorderseite, an der sich das optische Durchlaßfenster für die zu erfassende Strahlung befindet.

Mittels des hier zu beschreibenden Systems soll ein besonde­ res Fenster geschaffen werden, mit dessen Hilfe eine durchge­ hende Abschirmung verwirklicht wird, falls diese benötigt wird, also beispielsweise beim Auftreten elektromagnetischer Impulse.

Das Fenster 10 besteht zum Teil aus zwei Platten 5 und 6, die aus einem im Spektralbereich des Detektors durchlässigen Ma­ terial gebildet sind, beispielsweise bei einem Infrarot-Pho­ todetektorsystem aus Germanium. Bei einem Photodetektor für den sichtbaren Bereich oder den nahen Infrarotbereich könnten die zwei Platten 5 und 6 aus einem speziellen Glas gebildet sein, das an die durchzulassenden Wellenlängen angepaßt ist.

Die zwei Platten sind durch einen Raum 7 voneinander ge­ trennt, der mit einem dünnen Gas gefüllt ist, wie es übli­ cherweise für Überspannungsableiter verwendet wird. Mehrere Gase sind hierfür geeignet. Vorzugsweise werden chemisch inerte Gase wie Neon, Argon, Krypton usw. ausgewählt. Dieser mit dem dünnen Gas gefüllte Raum ist außen von einem gut lei­ tenden Material umgeben, das mit dem Außenkörper 4 des Gehäu­ ses elektrisch in Kontakt steht. In Fig. 1 ist eine Verbin­ dung 8 dargestellt, die mit dem Außenkörper 4 einerseits und mit dem dünnen Gas andererseits in Verbindung steht und in dem zur Bildung einer dichten Verbindung die den mit dem Gas gefüllten Raum begrenzenden durchlässigen Platten 5 und 6 abgedichtet festgehalten sind.

In Fig. 3 ist ein geschütztes Infrarot-Detektionssystem dar­ gestellt, das zusätzlich zu dem oben beschriebenen optischen Detektionskopf eine Eingangsoptik 20, eine Tiefsttemperatur­ sonde 30, elektrische Verarbeitungsschaltungen 40 und eine Umhüllung 50 der Gesamtanordnung aufweist, wobei die Umhül­ lung 50 mit dem Außenkörper 4 des Detektionskopfs eine für den Fall eines elektromagnetischen Impulses elektrisch konti­ nuierliche Umhüllung bildet.

Das beschriebene Photodetektorsystem arbeitet wie folgt: Wenn ein elektromagnetischer Impuls am Fenster ankommt, bewirkt das sehr große und sehr plötzlich auftretende elektrische Feld die Ionisierung des in dem Raum 7 enthaltenen dünnen Gases. Dieses Gas wird dadurch zu einem sehr guten Leiter und schließt auf diese Weise die von dem Körper 4 gebildete Ab­ schirmung, so daß der Photodetektor in einer durchgehenden Umhüllung eingeschlossen wird.

Damit der Schutz des Detektors wirksam wird, darf das durch den elektromagnetischen Impuls erzeugte elektrische Feld den optischen Detektor nicht erreichen, und die Ionisierung des Gases muß sehr schnell erfolgen, damit eine elektrisch konti­ nuierliche Umhüllung entsteht, in der der optische Detektor geschützt ist, wobei der Gasraum einen Kurzschluß bildet.

Die Geschwindigkeit des Ionisierungsphänomens und der Entla­ dung in dem dünnen Gas hängt von einer gewissen Anzahl von Parametern ab, nämlich von der Art des Gases, vom Druck, vom Abstand zwischen den Äquipotentialflächen und von der Anwe­ senheit bereits ionisierter Atome in dem Gas im Augenblick der Ankunft des elektromagnetischen Impulses.

Die mit dem Gas und den geometrischen Eigenschaften des Systems verbundenen Parameter können optimiert werden, um die Ionisation so schnell wie möglich zu machen. Außerdem können zusätzliche Merkmale vorgesehen werden, um die Entladung in dem Gas zu beschleunigen.

Ein erstes Mittel zum Beschleunigen der Entladung in dem Gas und zur Erhöhung der Schutzwirksamkeit des Photodetektors besteht darin, nahe des Raums 7 oder in diesem Raum einige Spuren eines radioaktiven Körpers anzubringen, der Gamma­ strahlen abgibt, die eine ionisierende Wirkung auf das Gas ausüben und dafür sorgen, daß immer eine genügende Anzahl von Ionen und freien Elektronen vorhanden ist, damit sich ein Lawineneffekt sehr schnell ausbreitet.

Für den Fall, daß sich das Fenster genügend nahe bei der optischen Brennebene, d. h. der Ebene des Photodetektors l befindet, besteht ein weiteres Mittel darin, dünne leitende Bänder 9 auf den Platten 5 und 6 an ihren mit dem Gas in Kontakt stehenden Flächen anzubringen, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist; dies begünstigt eine lokale Erhöhung des elektri­ schen Feldes im Zeitpunkt der Ankunft des elektromagnetischen Impulses. Diese dünnen leitenden Bänder, die Äquipotential­ flächen bilden, müssen genügend aneinander angenäherte Punkte aufweisen, um diese örtliche Erhöhung des elektromagnetischen Feldes im Augenblick der Ankunft eines elektromagnetischen Impulses zum schnellen Zünden der Entladung zu begünstigen. Wenn die Brennebene nahe beim Eintrittsfenster liegt, stört das Abbild der leitenden Bänder auf dem Photodetektor im Nor­ malbetrieb das resultierende Bild.

Die in Fig. 2 dargestellten Bänder sind längs Radien der Platten 5 und 6 angeordnet, die das Fenster bilden, jedoch können die Bänder auch andere Konfigurationen haben, wobei ihre Rolle unverändert bleibt.

Zur Vermeidung eines vorzeitigen Abbrandes der leitenden Bänder 9 im Falle wiederholter elektromagnetischer Impulse werden diese Bänder aus einem Material mit genügend hohem Widerstand hergestellt, das die schnelle Ausbreitung der Ionisation in dem dünnen Gas bewirkt, das dann auf diese Weise den maximalen Kurzschlußstrom leitet.

Weitere Verbesserungen oder Abwandlungen der beschriebenen Strukturen können im Rahmen der Erfindung durchgeführt wer­ den. Insbesondere müssen der äußere Körper 4 des Gehäuses und das ionisierbare Fenster nicht direkt ein Teil der Detektor­ anordnung sein; sie können ohne Änderung des beschriebenen Prinzips in der optischen Eintrittsanordnung weiter vorne angeordnet sein, vorausgesetzt, daß der das dünne Gas enthal­ tende Raum zwischen den zwei durchlässigen Platten im Falle der Ionisierung mit den anderen leitenden Elementen, die den optischen Photodetektor umgeben, eine kontinuierliche Fläche bildet.

Auf diese Weise wird ein Schutz gegen heftige elektromagneti­ sche Impulse unterschiedlichen Ursprungs durch ein Photode­ tektorsystem erzielt, das durch den elektromagnetischen Im­ puls selbst ausgelöst wird, wobei das dünne Gas als Funken­ strecke dient.

Das hier beschriebene System eignet sich insbesondere für Infrarotkameras oder für Fernsehkameras, jedoch kann ein optisches Detektionssystem, das durch elektromagnetische Impulse zerstört werden kann, unter Anwendung des gleichen Prinzips mit einem optischen Eintrittsfenster ausgestattet werden, das von zwei für die zu übertragende Strahlung strah­ lendurchlässigen Platten gebildet ist, die einen ein dünnes Gas enthaltenden Raum einschließen, wobei das Gas als Funken­ strecke wirkt, um die leitende Fläche zu schließen, die die beim Auftreten elektromagnetischer Impulse zu schützende Zone umgibt.

Claims (7)

1. Gegen elektrische Impulse geschütztes optisches Detek­ tionssystem mit einem Photodetektor (1), der für den Bereich der zu erfassenden Wellenlängen empfindlich ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Photodetektor in einer Umhüllung unter­ gebracht ist, die mit Ausnahme eines Fensters (10), durch das die zu erfassende optische Strahlung auf den Photodetektor übertragen wird, elektrisch kontinuierlich ist, und daß das Fenster von zwei parallelen, im Abstand voneinander liegenden Platten (5, 6) gebildet ist, die für die zu erfassende opti­ sche Strahlung durchlässig sind, wobei der von den parallelen Flächen der im Abstand voneinander liegenden Platten und vom Rand der leitenden Umhüllung, an dem die Platten befestigt sind, begrenzte Raum (7) von einem dünnen Gas eingenommen wird, das für die zu erfassende optische Strahlung im Normal­ betrieb durchlässig ist und im Falle eines elektromagneti­ schen Impulses ionisierbar ist, so daß auf diese Weise eine elektrisch durchgehende Umhüllung um den Photodetektor gebil­ det wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Gas ionisierte Atome enthält.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in oder in der Nähe des dünnen Gases Spuren eines Gammastrah­ len aussendenden radioaktiven Körpers angebracht sind, um die Auslösung der Ionisierung des Gases im Falle eines elektro­ magnetischen Impulses zu beschleunigen.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf wenigstens einer Fläche der durchlässigen Platten (5, 6), die mit dem Gas in Kontakt steht, ein dünnes leitendes Band (9) angebracht ist, um von den Rändern der leitenden Umhüllung entfernt liegende Punkte auf ein gleiches Potential zu bringen und die Erhöhung des elektrischen Feldes bei einem elektromagnetischen Impuls zum Zünden der Entladung in dem Gas zu begünstigen.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen leitenden Bänder (9), die mit dem Rand der Umhüllung in Kontakt stehen, längs Radien auf den durchlässigen Platten angebracht sind.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen leitenden Bänder aus einem Material hergestellt sind, das einen ausreichenden Widerstand hat, um die rasche Ausbreitung der Ionisierung in dem Gas bei einem elektro­ magnetischen Impuls hervorzurufen.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Gas ein chemisch inertes Gas ist.