DK162165B - Hermetisk forsegling af vindue samt vindue, navnlig til en infraroed detektor - Google Patents

Description

i

DK 162165 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fastgøring af et vindue af letsmuldrende materiale i enden af et rør for effektivt at forhindre utæthed under temperaturcykl ing.

Opfindelsen angår endvidere et vindue af let smuldrende keramisk 5 materiale, siddende i enden af et metal rør, således at der ikke forekommer nogen utæthed i samlingen mellem vinduet og røret.

Der er hidtil udstedt et antal patenter på fremgangsmåder i henhold til hvilke, der skabes egnede forseglinger mellem to materialer, som er vanskelige at forene. US patentskrift nr. 2.820.534 er et sådant skrift, 10 som beskriver, hvorledes en hermetisk forseglet keramik-metal konstruktion kan skabes. Omend en sådan fremgangsmåde gør det muligt at binde aluminium eller magnesium til et keramisk materiale, fører den ikke til et resultat, som kan holde til store temperatursvingninger, og det er heller ikke en egnet fremgangsmåde for visse keramik-metalsammenføjnin-15 ger.

US patentskrift nr. 3.414.964 vedrører problemet med at frembringe en loddet sammenføjning mellem metaller og keramik gennem brug af sølvfolie; men heller ikke dette skrift anviser en metode, som, når den udøves i forbindelse med visse ikke-metalliske materialer, sætter sammen-20 føjningen i stand til at tåle svær temperaturcykling.

US patent nr. 3.616.523 beskriver ligeledes en fremgangsmåde til forsegling af et elektrisk ikke-1edende optisk vindue til et elektrisk ikke-ledende hylster på en elektronudladningsindretning gennem brug af et elektrisk ledende forseglingsmateriale, som tilføres varme samt en 25 høj ensrettet spænding, så der bevirkes en hærdning heraf. Men denne fremgangsmåde ville imidlertid heller ikke tillade store temperaturudsving uden tendens til at der forekommer lækage.

Det var for at forbedre disse kendte fremgangsmåder, at den foreliggende opfindelse blev udviklet.

30 Visse infrarøde detektorer skal holdes i et omhyggeligt kontrolleret miljø, f.eks. hermetisk indkapslet i et metalrør, hvor der kan holdes et stærkt vacuum. I enden af røret må der anbringes et vindue, som er gennemskinneligt for den ønskede frekvens, og zink-selenid anvendes ofte som vinduesmateriale af flere grunde, bla. dets evne til at tåle 35 høje temperaturer.

Hidtil er zinkselenidet blevet belagt med et tyndt lag krom, kobber og guld og derpå loddet ind i et rør af rustfrit stål for at danne et vindue, som er ideelt til brug med en infrarød detektor. Samlingen mel 2

DK 162165 B

lem vinduet og røret har imidlertid ofte vist sig ude af stand til at tåle temperaturcykling mellem -40°C og +105°C uden at miste sin tæthed.

Fejl undersøgel ser har fastslået at lækage-vejen er mellem zinkseleniden og de pådampede metaller. Zinkselenid er uheldigvis et keramisk materia-5 le med lav trækstyrke og tilbøjelighed til at smuldre.

Et forsøg på at løse problemet med den manglende hæftning af de pådampede metaller på zinkselenidet har omfattet forslag til forstærkning af bindingen og fortykning af de bløde, loddede sammenføjninger for at frembringe et mere smidigt materiale. Selvom forøgelse af tykkelsen 10 af 1 oddesammenføjningen ser ud til at frembringe en forbedring, kunne der ikke opnås en pålidelig samling, især når forbindelsen skulle udsættes for omfattende temperaturcykling.

Efter en større undersøgelse er der omsider opdaget en virkelig tilfredsstillende løsning omfattende brug af pådampet metal omkring vin-15 duets omkreds, fulgt af påsætning af en ring, der er under trækspænding omkring det pådampede metal, således at metallaget på zinkselenidet alene er udsat for tryk under hele temperaturcyklingen. Som det ses i det følgende, foretrækkes anvendelse af en nikkel plettering under trækspænding til at danne ringen omkring det pådampede metal med det resultat, 20 at der skabes en særdeles tilfredsstillende samling.

Det er derfor et primært formål ved opfindelsen at tilvejebringe en effektiv tætning mellem et keramisk materiale med lav trækstyrke og enden af røret, hvori det keramiske materiale skal monteres, således at der kan ske evakuering af røret og omfattende temperaturcykling uden 25 svigt af tætningen.

Det er et videre formål af opfindelsen at udnytte en særdeles tilfredsstillende fremgangsmåde til indsætning af et zinkselenidvindue i enden af et rør efter der er påført pådampet metal omkring vinduets omkreds, idet forbedringen omfatter anbringelse af en nikkel plettering un-30 der trækspænding over de pådampede metaller, således at zinkselenid vinduet udsættes for uafbrudt kompression, og vinduet derigennem sættes i stand til at tåle omfattende termisk cykling, uden at der forekommer u-tæthed mellem vinduet og røret..

Det er et videre formål ved opfindelsen at tilvejebringe en ny me-35 tode til fastgørelse af et vindue af let smuldrende materiale i enden af et rør, udført på en sådan måde, at der ikke forekommer utæthed selv ved omfattende temperaturcykling.

Formålene opfyldes med de i krav l's kendetegnende del angivne mid- 3

DK 162165 B

ler, hhv. ved de i krav 9's kendetegnende del angivne foranstaltninger.

Figurerne viser:

Fig. 1 et tværsnit i skala omtrent 2%:1 omtrent langs midterlinien 5 af et rør, hvor et vindue er indsat i enden af røret på en lækagetæt måde ifølge opfindelsen.

Fig. 2 et skematisk billede af et vindue i enden af røret, indsat ifølge den hidtil kendte teknik, og

Fig. 3 et billede svarende til Fig.2, men visende vinduet indsat i 10 henhold til opfindelsen.

I Fig. 1 ses illustreret en del af et rør 10, hvor der i enden er fastgjort et vindue 12 af i almindelighed cirkulær form og af let smuldrende materiale på en sådan måde, at der kan opretholdes et stærkt vacu-15 um inden i røret 10. Det let-smuldrende materiale kan være keramik og mere specielt zinkselenid, og fremgangsmåden, hvormed vinduet 12 fastgøres i enden af røret på en tæt måde, beskrives nærmere i det følgende.

Rørdelen 10 er på en tæt måde fastgjort til en længere rørdel 14 med samme diameter, og disse rørdele kan f.eks. være af rustfri stål rør, 20 type 300, belagt med 1,2-2,5 /tm, (50-100 mikroinches) af all-sulphmate nikkel ifølge MIL-P-27418. Dette følges af 0,018-0,025 mm (0,0007-0,0010") af 99,99% ren forgyldning i henhold til MIL-G-45204, 111. Delene vacuumbages derpå ved 670eC + 10°C i 15 + 3 minutter. Disse sidste detaljer, står ikke i nær sammenhæng med opfindelsen og nævnes kun som 25 eksempel.

I enden af røret 10 kan der være en reces med en dybde på omtrent 6.35 mm (1/4") for at danne en lille ansats, som zinkselenidvinduet 12 hviler imod. Vinduet 12 kan f.eks. være 12,5 mm (1/2") i diameter og 6.35 mm (1/4") tykt og passer inden i rørets ende med et meget lille 30 spillerum. Som det tydeligt fremgår i Fig. 1 er dette vindue noget kileformet, set i tværsnit. Langs det indre af rørene 10 og 14 over det meste af deres længde, forløber et rør 16 af noget mindre diameter, hvori der findes midler for køling til en lav temperatur af detektoren 18, som er monteret på den kolde spids 20 og beskyttet ved et koldt filter 19.

35 Den bestemte detektor, som anvendes, er på ingen måde del af opfindelsen.

I Fig. 2 ses, at zinkselenidvinduet 12 i henhold til den kendte teknik monteres i enden af røret. Før det monteres i røret, påføres 4

DK 162165 B

imidlertid på omkredsen tynde filmlag af chrom, kobber og guld. Derpå har det været sædvane at fastgøre vinduet på plads med blødt loddemetal 24. Det er imidlertid konstateret, at når det omhyggeligt forbehandlede vindue var monteret i rørenden gennem anvendelsen af disse sædvanlige 5 fremgangsmåder svigtede tætheden, når der udførtes temperaturcykl ings-prøver med -40°C og +105eC.

Fejl undersøge!se har fastlagt, at lækagevejen er imellem zinkse-lenidet og de pådampede metaller. Som det er kendt, er zinkselenid et keramisk materiale med lav trækstyrke. Fortykning af 1 oddesaml ingen 24 10 medfører en mærkbar forbedring; men der kan stadig ikke opnås en fuldt pålidelig samling, hvilket skønnes i det mindste delvis at skyldes, at zinkselenidet og det rustfri stålrør har vidt forskellig termiske udvidel seskoeffi ci enter.

I Fig. 3 ses, at en ring 26 af nikkel plettering under trækspænding 15 er pålagt omkring den metalliserede omkreds af zinkselenidvinduet 12 ifølge opfindelsen, således at vinduet under temperaturcyklingen udelukkende er udsat for kompression. Derpå er der anvendt loddemetal, fortrinsvis blødt loddemetal, til at fæstne vinduet inden i enden af røret.

Som resultat er samlingen ifølge opfindelsen tilstrækkelig effektiv til 20 at muliggøre opretholdelse af et stærkt vacuum inden i rørene 10 og 14 selv under meget omfattende temperaturcyklingsprøver.

En foretrukken fremgangsmåde til udøvelse af opfindelsen er mere specifikt, som følger: 1. Der skabes spillerum mellem omkredsen af vinduet og det indre af 25 røret på omtrent 0,032-0,19 mm (0,0125-0,0075") efter vinduets omkreds er blevet pletteret.

2. Zinksulfidets antirefleksbelægning fjernes fra omkredsen ved let slibning.

3. Chrom-kobber-guld eller wolfram-kobber-guld pådampes i vacuum 30 omkring omkredsen af zinkselenidvinduet.

4. Der påsættes en ring af nikkel plettering under trækspænding over tynd-film metalliseringen.

5. Den aktiverede nikkelplettering beskyttes med en flashplettering af guld.

35 6. Zinkselenidvinduet og det sintrede, pletterede (nikkel-guld) rør fortinnes og sammenloddes.

I de typiske tilfælde pådampes der først chrom omkring zinkselenid-vinduets omkreds, som det hæfter godt på. Dette følges af pådampning af

DK 162165 B

s kobber på chromet, idet der pålægges guld på kobberet for at beskytte det mod oxidering. Disse metaller kan pådampes successivt i en enkelt arbejdsgang, som udføres i et vacuumkammer.

Hvad angår påføringen af nikkelplettering på tyndfilmmetalliserin-5 gen foretrækkes det i dette tilfælde, selvom det normalt er ønskeligt at anvende et pletteringsbad, som er fri for kontamineringer for at undgå at skabe spændinger i det pletterede materiale, i dette tilfælde at spormetaller, såsom kobber, zink eller chrom forbliver i badet for med forsæt at danne en nikkelplettering, som er udsat for en betydelig træk-10 spænding.

Et stressometer er et mekanisk måleapparat, der kan købes i handelen, og dette apparat fungerer efterhånden som en pletteringsoperation skrider frem til at vise omfanget af spændinger, som kan være til stede under pålægning af nikkel på en komponent. Selvom spændinger betydeligt 15 større end 7,585 MPa (1,100 pund per square inch) ikke ville skade dette vindue, søges ifølge opfindelsen opnået mindste spændinger på omtrent 6,895 MPa til 7,585 MPa (1.000 psi til 1.100 psi), for at der er tilstrækkelig stor mængde trækspænding til stede til at afholde zink-selenidvinduet fra at udvikle en lækagevej, efter det er blevet loddet 20 ind i enden af det rustfri stål rør. Tykkelsen af det spændte nikkellag kan være af størrelsen 0,025 mm (0,001").

Efter vinduet er taget op af nikkel pletteringsbadet fortinnes vinduets omkreds og enden af røret 10, hvor vinduet skal indsættes, fortinnes ligeledes. Efter vinduet er loddet ind i sin rette position i enden 25 af røret, er lækageveje derpå effektivt forhindret, og der kan effektivt opretholdes et stærkt vacuum i rør 10.

Medens der med de hidtil kendte metoder kun kunne opnås et udbytte på 10%, kan der gennem anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen regelmæssigt opnås udbytter på 90% til 95%. Det er klart, at opfindelsen 30 ikke er begrænset til en bestemt type metallisering omkring vinduet, og det kan f.eks. være ønskeligt at pålægge wolfram-kobber-guld omkring omkredsen i stedet for chrom-kobber-guld.

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til fastgøring af et vindue (12) af letsmuld-rende materiale i enden af et rør (10) for effektivt at forhindre utæt- 5 hed under temperaturcykling, KENDETEGNET ved at omfatte følgende trin: Udvælgelse af et vindue (12) med et lille spillerum, når det er anbragt inden i enden af røret (10), fjernelse af eventuelle urenheder fra vinduets (12) omkreds, pådampning omkring vinduets (12) omkreds af et tyndt metallisk lag 10 (22), som vil modtage nikkel plettering, anbringelse af en ring (26) af nikkel plettering under trækspænding over det tynde lag, og efterfølgende sammenlodning af vinduet og røret ved til føring af passende mængder loddemetal (24) og varme, idet ringen (26) af nikkel 15 tjener til at holde vinduet under uafbrudt kompression, så utæthed mellem vinduet og røret effektivt forhindres.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at vinduet er af keramisk materiale. 20

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at vinduet (12) er et i almindelighed cirkulært keramisk vindue i enden af et metalrør (10), og at det lille spillerum er omtrent mellem 0,032 og 0,19 mm (0,00125 og 0,0075"), og at der påføres loddemetal (24) på både omkred- 25 sen af vinduet 12 og det indre af røret 10 ved dets ende.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2 eller 3, KENDETEGNET ved, at det keramiske materiale er zinkselenid.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 3, KENDETEGNET ved, at det tynde metalliske lag (22) omfatter chrom, kobber og guld, påført i den nævnte rækkefølge.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 3, KENDETEGNET ved, at det 35 tynde metalliske lag (22) omfatter wolfram, kobber og guld, påført i den nævnte rækkefølge.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 3, KENDETEGNET ved, at rin- DK 162165 B gen (26) af nikkel under trækspænding er omtrent 0,025 mm (0,001") tyk.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 3, KENDETEGNET ved, at ringen (26) af nikkel under trækspænding opnår en mindste trækspænding 5 på omtrent 6.900 MPa (1.000 psi).

9. Vindue (12) af let smuldrende keramisk materiale, siddende i enden af et metal rør (10), således at der ikke forekommer nogen utæthed i samlingen mellem vinduet (12) og røret (10), KENDETEGNET ved et cirku-10 lært vindue (12) med en diameter, som er lidt mindre end den indvendige diameter af røret, idet vinduet (12) har en tynd belægning af metal (22) omkring sin omkreds og der omkring belægningen findes en ring (26) af nikkel under trækspænding, idet vinduet (12), når det er omhyggeligt loddet i enden af røret (10), effektivt modvirker utæthed af samlingen, 15 selv under svær temperaturcykling.

10. Vindue ifølge krav 9, KENDETEGNET ved, at det keramiske materiale er af zinkselenid, og AT ringen (26) af nikkel under trækspænding er omtrent 0,025 mm (0,001") tyk og har en mindste trækspænding på om- 20 trent 6.900 MPa (1.000 psi).