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Die Erfindung betrifft einen Detektor für elektromagnetische Wellen und
insbesondere einen Detektor für Infrarotstrahlung.
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Bekannterweise und sehr häufig arbeiten die Infrarot-Detektoren bei niedriger
Temperatur, d. h. typischerweise bei Temperaturen zwischen 50 und 200 Kelvin.
Tatsächlich ist die eigentliche Detektoreinrichtung im allgemeinen mit einer kryostatischen
Einfassung (Kryostat) verbunden, die es je nach Verwendungstemperatur des Detektors
ermöglicht, den Detektor mittels eines kalten Stabes bzw. Finger abzukühlen, der
entweder mit flüssigem Helium, flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff oder auch durch
eine Tiefsttemperatureinrichtung gespeist wird.
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Nachfolgend wird der technische Aspekt der Erfindung in Verbindung mit Fig.
1, die einen Infrarot-Detektor gemäß dem Stand der Technik darstellt, beschrieben.
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Der Wärmeaustausch zwischen dem eigentlichen Detektor und dem Kryostat
findet im allgemeinen über einen in direktem Kontakt mit der kälteerzeugenden Quelle
stehenden kalten Stab (1) statt, dessen Ende hermetisch abgedichtet ist und an dessen
Kontakt eine kalte Fläche bzw. Kühlfläche (2) befestigt ist, welche im allgemeinen
durch ein metallisches oder keramisches Teil gebildet wird, das durch Verkleben oder
Löten an dem kalten Stab befestigt wird.
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In eineigen Fällen gewährleistet die kalte Fläche (2) selbst die Dichtigkeit des
kalten Stabes (1). Diese kalte Fläche hat die Aufgabe, den Detektionsblock
aufzunehmen, d. h. die Einheit, die einerseits von mindestens einer elektrischen
Detektorenschaltung (4) für elektromagnetische Wellen gebildet wird, die in bekannter Weise
elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandelt, verbunden mit einer
Ableseschaltung (3), die dazu geeignet ist, die von der Detektionsschaltung (4) abgegebenen
elektrischen Signale umzuwandeln, insbesondere durch Verstärkung, um sie für eine
spätere Bearbeitung vorzubereiten. Die kalte Fläche (2) gewährleistet außerdem den
Wärmeausstausch zwischen dem kalten Stab (1) des Kryostats und dem
Erfassungsblock.
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Bei den meisten heute verwendeten Infrarot-Detektoren ist die
Detektionsschaltung (4) mit der Ableseschaltung (3) hybridmäßig ausgelegt, z. B. durch Mikrokugeln
aus Indium. Ebenso kann es mehrere Detektionsschaltungen auf einer Ableseschaltung
geben. Weiterhin können in anderen Anwendungsbereichen auch mehrere
Ableseschaltungen und mehrere Detektionsschaltungen vorgesehen sein, die durch Hybridisierung
mittels eines unter den Detektions- und Ableseschaltungen liegenden elektrischen
Verbindungsnetzes miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungsnetz metallisierte
Steckstellen oder Streifen aufweist, um die elektrische Leitung zwischen den genannten
Schaltungen sicherzustellen.
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In den meisten Fällen ist der Detektionsblock (3, 4) mechanisch mit einer
Anschlußschaltung (7) verbunden, die eine als Fokaleinheit bezeichnete Einheit bildet,
wobei die Anschlußschaltung selbst durch eine aus einem isolierenden Material
bestehende Platte gebildet wird, welche an ihrer oberen Fläche, die mit dem Detektionsblock
in Kontakt kommen soll, metallische Streifen und Steckstellen (5) aufweist, um auch die
Verschweißung von Mikrodrähten (6) zu ermöglichen. Diese Anschlußschaltung (7)
dient dazu, die Übertragung von elektrischen Signalen von der Ableseschaltung (3) zum
eigentlichen internen Anschluß des Kryostats sicherzustellen, wobei dieser selbst mit
einem Verbindungsstück verbunden ist, das in bekannter Weise aus einem Teil gebildet
wird, welches die Übertragung von elektrischen Signalen außerhalb des Kryostats
ermöglicht, wobei die Dichtigkeit des inneren Teils des Kryostats nach außen hin
gewährleistet wird. Die Herstellungsverfahren dieser Verbindungsteile sind vielfältig und
hinlänglich bekannt, sie sind beispielsweise in den Dokumenten DE-A-33 44 713 und
US-A-3 259 865 beschrieben.
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Unter Berücksichtigung der Anschlußart, insbesondere zwischen dem
Detektionsblock (3, 4) bzw. der Fokaleinheit (3, 4, 7) und dem Verbindungsstück, ist jedem
Detektortyp ein Kryostat zugeordnet, dessen Geometrie unmittelbar von der Geometrie der
Komponenten abhängt, die es bildet.
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Genauer gesagt, weist das Verbindungsteil des Kryostats, dessen Aufgabe es ist,
die elektrischen Signale zum Äußeren des Kryostats zu übertragen, ohne dessen
Dichtigkeit zu verändern, und das darüberhinaus die Verwertung der elektrischen Signale
außerhalb des Kryostats insbesondere mittels Spindeln bzw. Stiften ermöglicht, weist
Abmessungen und eine Ausbildung (Anzahl, Positionierung der Spindeln etc.) auf, die
direkt in Verbindung mit denen des Detektors stehen. Tatsächlich verursacht die
Gestaltung von spezifischen Verbindungsteilen für jeden eingesetzten Detektortyp
erhebli
che Mehrkosten und einen nicht zu vernachlässigenden Zeitaufwand. In dem Dokument
EP-A-0 395 487 wurde beispielsweise eine derartige Vorrichtung beschrieben, bei der
ein Deckel mit Leiterbahnen bestückt wurde, die mit den Verbindungssteckstellen der
Ableseschaltung in Kontakt treten sollten und weiterhin mit diesen Bahnen in Kontakt
kommende, elastische bzw. flexible Verbindungselemente aufwiesen, die zur
Gewährleistung der Übertragung der Signale auf das Äußere des Kryostats bestimmt waren.
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Daher erschien es wünschenswert, die Abmessungen des Verbindungsteiles zu
standardisieren und in jedem Fall zu vereinheitlichen, unabhängig von der Geometrie
des verwendeten Detektors, und folglich die elektrischen Schnittstellen von
Verbindungsteil - Kryostat zu standardisieren. In anderen Worten, für eine feste Geometrie des
Verbindungsteiles ist es wünschenswert, daß alle Typen des den Detektionsblock oder
die Fokaleinheit bildenden Bauteiles in verschiedenen Abmessungen und insbesondere
von Detektoren mit großen Abmessungen verbindbar sind und außerdem die
elektrischen Verbindungen zwischen dem Detektor und dem Verbindungsteil leicht ermöglicht
werden.
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Die Verbindung des Detektorblocks (3, 4) bzw. der Fokaleinheit (3, 4, 7) mit dem
inneren Anschluß des Kryostats erfordert häufig den Einsatz von biegsamen Leitungen
als elektrischen Leitern, deren Verwendung kompliziert ist und den großen Nachteil hat,
daß dadurch erhebliche Vakuumausgasungserscheinungen bewirkt werden, wodurch
sich die wartungsfreie Verwendungszeit verschlechtert. Darüberhinaus führen derartige
biegsame Leitungen nach ihrer Montage zu erheblichen Verschiebungen, wodurch die
Befestigung eines Wärme- bzw. Optikschildes behindert wird, welches sich im Rahmen
der Optimierung der durch eine derartige Vorrichtung bewirkte Maßnahmen und
Detektionen als unerläßlich erweisen kann.
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Folglich ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Erfassungseinrichtung für
elektromagnetische Strahlungen und insbesondere Infrarotstrahlungen vorzuschlagen, die
nicht mit den genannten Nachteilen behaftet ist, und insbesondere für eine feste
Geometrie und Ausbildung der Verbindungsteile, insbesondere einen vorbestimmten
Abstand zwischen den Stiften und einen vorbestimmten Durchmesser, ein Bauteil mit
variablen Abmessungen und insbesondere mit großen Abmessungen vorzuschlagen, das
sogar die Abmessungen des Verbindungsteiles übertrifft.
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Diese bei niedriger Temperatur arbeitende Detektionseinrichtung für
elektromagnetische Wellen und insbesondere für Infrarotstrahlung umfaßt folgende Teile:
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einen Kryostat mit einem kalten Stab, der den Wärmeaustausch mit einer
Kältequelle gewährleistet;
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eine kalte Fläche, die im allgemeinen senkrecht zu dem kalten Stab angeordnet ist
und mechanisch befestigt ist und in Wärmeaustausch mit diesem steht;
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einen Detektionsblock, der wenigstens eine für die zu erfassende,
elektromagnetische Strahlung empfindliche, eigentliche Detektionsschaltung sowie eine Ablese-
und Betriebsschaltung umfaßt, die elektrisch mit der Detektionsschaltung
verbunden ist, wobei der Detektionsblock mechanisch und thermisch mit einer
Anschlußschaltung verbunden ist, die wiederum mit der kalten Fläche verbunden ist,
und wobei die Anschlußschaltung die Wärmeleitung zwischen der kalten Fläche
und dem Detektionsblock gewährleistet und außerdem den Transfer der vom
Detektionsblock ausgegebenen, elektrischen Signale zu dem inneren Anschluß des
Kryostats gewährleisten soll, insbesondere auf der Ebene eines Verbindungsteiles,
das in bekannter Weise dazu bestimmt ist, den dichten Durchgang der elektrischen
Verbindungsteile an der Außenseite des Kryostats zu gewährleisten,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Fläche mindestens einer
Bearbeitung in Form einer Senkung bzw. Absenkung unterzogen wurde, die sich
zwischen einem ihrer Umfangsränder in Richtung auf die Mitte der kalten Fläche auf
Höhe einer Durchgangsöffnung erstreckt, die sich zur Außenseite des kalten
Stabes hin öffnet, während sich die kalte Fläche am Ende des kalten Stabes befindet,
und daß die Senkung ein Relaisverbindungselement aufnimmt, das durch Einbau
und Verkleben auf Höhe desselben befestigt wird, wobei das Verbindungselement
elektrisch über Verbindungsoragene, die durch diese Durchgangsöffnung
hindurchgehen, mit dem Verbindungsteil des Kryostats verbindbar ist, und wobei die
elektrischen Verbindungen zwischen dem Element und der mit dem
Detektionsblock verbundenen Anschlußschaltung auf Höhe des freien Umfangsendes des
Elementes ausgeführt sind.
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In anderen Worten ausgedrückt, besteht die Erfindung darin, eine kalte Fläche
vorzuschlagen, die derart bearbeitet ist, daß sie ein zusätzliches, als Relais dienendes
Verbindungselement aufnimmt, wobei eine der Abmessungen dieses
Verbindungselementes variierbar ist, um die Anpassung der kalten Fläche an jeden beliebigen Typ eines
Detektionsblocks und folglich von Detektoren zu ermöglichen. In der Tat ist dieses
Verbindungselement einfach einzubauen und wird durch Verkleben in der Mitte der auf
Höhe der kalten Fläche ausgeführten Bearbeitung derart gehalten, daß
Verbindungselemente unterschiedlicher Längen abhängig von den Abmessungen des Detektionsblocks
oder der Fokaleinheit vorgesehen werden können.
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Vorteilhafterweise bestehen diese Verbindungselemente aus Keramik und
enthalten metallisierte Leiterstreifen, die sich parallel über ihre gesamte Länge erstrecken und
folglich auch radial in Bezug auf die Mitte der kalten Fläche.
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In dem folgenden, nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel in Verbindung mit
den anliegenden Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung sowie die
daraus resultierenden Vorteile deutlich gemacht.
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Fig. 1 zeigt eine Infrarot-Detektionseinrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung in Teilperspektive einer
erfindungsgemäßen Infrarot-Detektionseinrichtung mit Detektionsblock.
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Fig. 3 entspricht Fig. 2, jedoch wurde der Detektionsblock in dieser Figur nicht
dargestellt, um die Erfindung besser zu verdeutlichen.
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Fig. 4 ist eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus Fig. 2.
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In den Fig. 2, 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung
dargestellt. Diese Infrarot-Detektionseinrichtung besteht zunächst aus einem Kryostat mit
doppelter, koaxialer Zylinderverkleidung, beziehungsweise aus der Außenverkleidung,
die im allgemeinen als Fensterteil (10) dient, und der durch den kalten Stab (1)
gebildeten Innenverkleidung. Das Fenster ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen (11) versehen.
Der in direktem Kontakt mit einer Tiefsttemperatur erzeugenden Quelle stehende, kalte
Stab (1) ist zum Beispiel durch die kalte Fläche (2) hermetisch abgeschlossen, die
typischerweise aus einer durch Verkleben an dem oberen Ende des kalten Stabes befestigten
Keramikplatte besteht und den Wärmeaustausch mit der Fokaleinheit über ihre
Oberfläche sicherstellt.
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Diese Fokaleinheit besteht einerseits aus einer Detektionsschaltung (4) im
eigentlichen Sinn, die typischerweise aus Stegen oder Matrizen von Photodioden gebildet
wird, die durch Hybridisierung insbesondere mittels Mikrokugeln aus Indium mit der
Ableseschaltung (3) verbunden sind, wobei letztere mechanisch oder thermisch, im
allgemeinen durch Verkleben, an einer Anschlußschaltung (7) befestigt ist. Diese
Anschlußschaltung besteht aus einem isolierenden Material und enthält auf ihrer
Oberflä
che, d. h.
der Fläche, die mit der Ableseschaltung (3) in Kontakt kommen soll,
metallische Streifen und Steckstellen zur Gewährleistung der elektrischen Leitung.
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Diese Anschlußschaltung (7) ist mechanisch an der kalten Fläche (2) angebracht
und steht im Wärmeaustausch mit dieser, wobei die Befestigung auf herkömmliche
Weise durch Verkleben, z. B. mit Epoxyharz, erfolgt.
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Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung weist die kalte Fläche (2) mindestens
eine Bearbeitung in Form einer Senkung auf und im beschriebenen Beispiel zwei
Senkungen (16), die in der verwendeten Ausführungsform zueinander symmetrisch
dargestellt sind. Die Senkungen (16) erstrecken sich jeweils von den zwei, der kalten Fläche
gegenüberliegenden Rändern in Richtung auf deren Mitte und öffnen sich jeweils auf
Höhe einer Durchgangsöffnung (15), wobei jede der Öffnungen (15) aus dem Äußeren
des kalten Stabes (1) kommt, d. h. auf Höhe eines Durchmessers, der größer ist als der
des kalten Stabes, wie dies außerdem aus Fig. 4 zu entnehmen ist.
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Diese Senkungen (16) sind zur Aufnahme der Relaisverbindungselemente (13)
bestimmt, die auf ihrer Höhe einbaubar sind, wobei ihre mechanische Befestigung durch
Verkleben, z. B. mit Epoxyharz, sichergestellt wird. Diese Relaisverbindungselemente
(13) bilden ebenfalls ein Hauptmerkmal der Erfindung.
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Die Relaisverbindungselemente (13) werden aus einem Isoliermaterial hergestellt,
beispielsweise aus keramischen Stoffen, die eine Vielzahl von sich über die gesamte
Länge erstreckenden, metallisierten Leiterstreifen (18) enthalten.
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Unter Berücksichtigung des Baukastenprinzips der Relaisverbindungslemente (13)
ist es möglich, in Abhängigkeit der Abmessungen oder des verwendeten Detektortyps
die kalte Fläche selbst zu modulieren, indem ein oder mehrere, an diese Abmessungen
oder diesen Detektortyp angepaßte Verbindungselemente (13) eingebaut und verklebt
werden.
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Diese als Leitungsrelais dienenden Verbindungselemente (13) sind elektrisch mit
der Anschlußschaltung (7) verbunden, insbesondere durch Mikrogoldfäden (12) mit
einem Durchmesser von 25 um, die durch Ultraschall auf der Höhe ihres Umfangsrandes
verschweißt sind.
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Parallel dazu sind
die Verbindüngselemente (13) auch mit dem Verbindungsteil
(8) mittels Mikrogoldfäden (14), z. B. mit einem Durchmesser von 25 um, verbunden
sowie durch Ultraschall verschweißt und sind an den Verbindungsteilen (13) auf Höhe
ihres Innenrandes befestigt, wobei sie auf Höhe eines Verbindungsblocks (19) in
Verbindung kommen, indem sie durch die Durchgangsöffnungen (15) gehen, und wobei der
Verbindungsblock (19) in bekannter Weise entweder direkt mit dem Verbindungsteil (8)
und seinen äußeren Spindeln (9) verbunden ist oder in dessen Mitte integriert ist.
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Im Hinblick auf den Einbau der Relaisverbindungselemente (13) in der Mitte der
in der kalten Fläche (2) vorgesehenen Senkungen (16) und darüberhinaus auf die
Tatsache, daß die Tiefe der Senkungen (16) größer ist als die Dicke des Keramikwerkstoffs
der Relaisverbindung (13), stehen die Schleifen (14)der Verbindungsmikrofäden nicht
über die durch die Schnittstelle von kalter Fläche (2) - Anschlußschaltung (7) gebildete
Klebefläche hinaus und folglich wird die Montage der Fokaleinheit auf der kalten
Fläche nicht behindert. Tatsächlich ist die höhergelegene Fläche der Keramikrelais (13)
niedriger als die höhergelegene Ebene der kalten Fläche (2).
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In bekannter Weise umfaßt das Verbindungsteil (8) gleichmäßig verteilte
Verbindungsspindeln (9), und ermöglicht somit die Steuerung der elektrischen Signale, die auf
der Höhe eines außen am Kryostat angebrachten Betriebssystems aus dem
Verbindungsblock (19) kommen.
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Aufgrund der vorstehend beschriebenen Bauweise ist es nicht mehr notwendig,
nur eine einzige Verbindungsschablone anzuordnen, und somit diese Schablone zu
vereinheitlichen und zu standardisieren. Tatsächlich kann man aus einem großen
Abmessungsbereich von Keramikrelais (13) auswählen, um eine Einheit von
Kryostat-Verbindungsteil an eine große Anzahl von Detektoren oder Fokaleinheiten anzupassen.
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Außerdem erweist sich der Einsatz der Erfindung im Hinblick auf die
Vereinfachung des Anschlusses als einfach, wobei die Zuverlässigkeit der somit erhaltenen
Erfassungseinrichtungen auf diese Weise optimiert wird.
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Schließlich werden auch die Kosten verringert, einerseits im Hinblick auf die
Standardisierung des Verbindungsteils oder der Einheit von Kryostat-Verbindungsteil
und andererseits im Hinblick darauf, daß es in Zukunft überflüssig sein wird, biegsame
Leitungen zu benutzen, deren Einsatz sich Anbetracht ihrer Anfälligkeit, ihrer relativ
hohen, einen regelmäßigen Austausch erfordernden Zerbrechlichkeit, aber auch in
Anbetracht einer klar niedrigen Anschlußleistung als teuer erweist.