DK167316B1 - Integreret infraroeddetektor- og kryogenerator - Google Patents

Description

DK 167316 Bl i

Opfindelsen angår en integreret infrarøddetektor- og kryogenerator.

Infrarød-detektorer anvendes ofte i forbindelse med missiler og natsynssystemer til afføling af tilste-5 deværelsen af elektromagnetisk stråling, der har en bølgelængde på 1-15 pm. Da mange af dem er mest følsomme, når de arbejder ved ca. 77°K, kræver infrarød-detektorer fremstillet af kviksølv-kadmiumtellurid ofte en kryogeneratorenhed for at frembringe og opretholde 10 den fornødne arbejdstemperatur. Sådanne kryogenerator-enheder anvendes typisk i forbindelse med et evakueret Dewarkar, hvori infrarød-detektoren er anbragt.

I et fra eksempelvis US-A-3.999.403 kendt arrangement er koldstaven på en kryogenerator lagt ind i 15 en kuldebrønd i Dewarkarret under anvendelse af et mekanisk og termisk overgangsstykke, hvorved detektoren kan holdes afkølet. Et sådant arrangement kræver et evakueret Dewarkar for at isolere detektoren mod varmetab via koldstaven og kuldebrønden. Dewarkarret eva-20 kueres for at fjerne gasser, der ellers ville optage det område, der omgiver detektoren, således at det potentielle varmetab ved konvention og ledning minimeres. Dewarkarret køles ved at sætte en forsænket del, "kuldebrønden" , af dette i forbindelse med et ekspansions-25 kammer, "ekspanderen", i kryogeneratoren, der forsynes med et kølefluidum, såsom helium. Til forsyning af ekspanderen med kølevæske har kryogeneratoren en kompressor, der leveret fluidet til ekspanderen ved hjælp af en overføringsledning. Når fluidet udvider sig i eks-30 panderen, opsuger det varmeenergi fra både ekspanderen og Dewarkarret, hvilket bevirker køling af detektoren.

Da ekspanderens temperatur står i forhold til mængden af fluid, der leveres af kompressoren, kan temperaturdetektoren styres ved at variere kompressorhastigheden.

35 Medens de ovenfor beskrevne infrarøddetektorer er i stand til at frembringe og opretholde de tempera- 2 DK 167316 B1 turniveauer, der kræves for følsom funktion af kvik-sølv-kadmium-tellurid-detektorer fremtvinger udformningen ofte begrænsede materialevalg, fabrikationsmetoder og aflukningsteknikker. For at holde vacuumet i Dewar-5 karret, må de materialer, som Dewarkarret er fremstillet af, være forholdsvis fri for vacuumutætheder og have lav diffus ions evne med hensyn til omgivende gasser. Materialerne må også være modstandsdygtige overfor ud-gasning, ved hvilken omgivelsesgasser frigøres fra ma-10 terialerne, når Dewarkarret evakueres. Efter det behørige valg af materialer skal Dewarkarret fremstilles under anvendelse af teknikker, der ikke reducerer materialernes diffusionsmodstandsegenskaber eller giver vacuumutætheder. Endvidere er brugen af de nødvendige 15 lukningsteknikker, der kræves for at sikre at vacuumet i Dewarkarret opretholdes, ofte dyrere og kræver almindeligvis anvendelse af vacuumpumper, lækdetektorer og indretninger til restgasanalyse. Foruden de udformningsmæssige begrænsninger forekommer der ofte termofo-20 niske og mikrofoniske vanskeligheder ved de ovenfor beskrevne infrarøddetektorer.

Fra US-A-3.356.846 kender man et arrangement med et Dewarkar, hvori infrarørdetektoren er lagt ind i en plastskumisolation. Dette arrangement lige som det tid-25 ligere nævnte arrangement opererer ved en forholdsvis høj temperatur. Der kræves dog evakuering af Dewarkarret før det igen kan fyldes med tør, inert gas under et tryk på 1 atm.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe et 30 infrarøddetektorapparat, der ikke kræver evakuering for at fungere, og som i en konstruktivt enkel udformning med bestanddele, der nemt kan samles, giver mulighed for direkte montering af detektoren på et tilhørende ekspanderlegeme.

35 Med henblik herpå er et apparat til montering af en detektorindretning for infrarøde signaler, hvilket 3 DK 167316 B1 apparat indbefatter: et hus af Dewar-type indrettet til at rumme detektoren, et i huset anbragt ekspanderlegeme, der har en kold ende og som er indrettet til ved tilførsel af et fluidum efterfulgt af ekspansion af 5 fluidet at køle detektoren, midler til at forsyne ekspanderlegemet med fluidet, temperaturfølere til af føling af detektorens temperatur, hvilke temperaturfølere er indrettede til at reagere overfor temperaturen i et område af den kolde ende ved detektoren, en fyldning af 10 isolationsmateriale mellem ekspanderlegemet og huset, ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at detektoren er således fastgjort til den kolde ende af ekspanderlegemet, at dette legeme understøtter detektoren mekanisk, at temperaturfølerne er indrettede til at frembringe et 15 elektrisk signal til brug i en styreenhed, at isolationsmaterialet fylder hele rummet mellem ekspanderlegemet og huset undtagen et hulrum for overførsel af ankommende infrarødsignaler til detektoren, og at isolationsmaterialet er således udformet, at detektoren kan 20 operere uden behov for evakuering af huset.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken fig. l i perspektiv viser et eksploderet billede af kablingssammenbygningen og detektorarraysammenbyg-25 ningen ifølge opfindelsen, fig. 2 i perspektiv ekspandersammenbygningen, der viser orienteringen af ekspanderen i forhold til kuldeskjoldet og kablingssammenbygningen, fig. 3 et eksploderet billede af ekspandersam-30 menbygningen, der i perspektiv viser orienteringen af det ydre hus, isolator, linsecelle, optikfatning, vindue, og komponenterne, der danner grænseflade til grovkablingssammenbygningen , fig. 4 i perspektiv den samlede infrarøddetek-35 torsammenbygning, fig. 5 et snit gennem den i fig. 4 viste infra-røddetektorsammenbygning langs linien 5-5, 4 DK 167316 B1 fig. 6 i større målestok et snit gennem den kolde ende af den i fig. 5 viste ekspander, og fig. 7 i større målestok den kolde ende af ekspanderen set fra enden langs linien 7-7 i fig. 6.

5 Til modtagelse af signaler fra en infrarød kilde er der tilvejebragt et infrarøddetektorarray 10, der er anbragt i en infrarøddetektorenhed 12. Infrarøddetektor arrayet lo kan fremstilles af et lag af kvik-sølv-kadmium-tellurid på et safirunderlag. Andre typer 10 infrarøddetektorer, der kræver køling for at fungere rigtigt, kan også anvendes, f.eks. brændplansarrays fremstillet af kviksølv-kadmium-tellurid. Til understøtning af infrarøddetektorarrayet 10 er der anvendt en ekspanderenhed 13, der har et ekspanderlegeme 14 15 og en bunddel 16. Infrarøddetektorarrayet 10 er centralt monteret på den kolde ende af ekspanderlegemet 14, og er fastgjort til dette ved hjælp af et klæbemid del. For at køle detektorarrayet 10 modtager ekspanderlegemet 14 kølevæske fra en kryogenerator gennem en 20 overføringsledning 19 og et forbindelsesstykke 20.

Ved ekspandering af væsken inde i ekspanderen 14 tages termisk energi fra ekspanderen 14, som derved køler detektorarrayet 10. Kryogeneratoren omfatter en kompressor 21, der er en del af en Stirling-kølemaski-25 ne med delt cyklus, men andre egnede kryogeneratorer kan anvendes.

For at måle infrarøddetektorarrayet 10's temperatur er to termofølere 23 og 24 anbragt stødende op til detektorarrayet 10 på ekspanderen 14's kolde en-30 de 17. Hver af termofølerne 23 og 24 kan være en 1N914 skiftediode, men andre passende temperaturfølere, der er følsomme for temperaturvariationer i det påkrævede område kan også anvendes. For at holde termofølerne 23 og 24 på ekspanderen 14's kolde ende 17 er 35 der anvendt en termofølerbærer 26, på hvilken termofø-leren 23 og 24 er fastgjort ved hjælp af ledende klæ- 5 DK 167316 B1 bemiddel. Termofølerbæreren 26 kan være fremstillet af keramik og er fastgjort til ekspanderens ende ved hjælp af klæbemiddel.

Til ledning af signaler, der frembringes af in-5 frarøddetektorarrayet 10, er dette koblet til et ledningsnet 28, der har endedele 30, støttedele 32 og en cirkulær overgangsplade 34. Ledningsnettet 28 omfatter et efter ætseteknik udformet, bøjeligt kabel, med kobberledere anbragt mellem lag af polymidbaseret 10 dielektrisk materiale, der er fastgjort ved hjælp af en acryllim. Hver af lederne i ledningsnettet 28 er anbragt i en afstand større end 0,25 mm fra ledningsnettet 28's langsgående kanter og har en jævnstrømsmodstand, der ikke overskrider 0,50 ohm. For at forbinde 15 ledningsnettet 28's endedele 30 til detektorarrayet 10 har enderne 35 af lederne ved denne endedel belagt en guldbelægning i tykkelse på 50-100 μ. Enderne 35 af lederne kobles derpå til terminaler på detektorarrayet 10 ved hjælp af guldlednings tråde 36 som 20 vist i fig. 7. For at skabe elektrisk overgang til ledningsnettet 28 har den cirkulære overgangsplade 34 et antal loddeøer 38 med tin/blybelægning. Den cirkulære plade 34's loddeøer 38 anvendes til elektrisk at stå i forbindelse med en ledning med terminaler på 25 ydersiden af infrarøddetektorenheden 12. Ledningsnettet 28's cirkulære plade 34 har en central åbning 39 med tilstrækkelig diameter til at optage ekspanderen 14. For at fastgøre ledningsnettet 28's støttedele 32 til ekspanderen 14 findes der et antal kabel-30 holdere 40, der er viklet om ekspanderen 14 og støttedelene 32. Kabelholderne 40 kan bestå af f.eks. polymid.

For udefra infrarøddetektorenheden 12 at give adgang til de signaler, der frembringes af infrarødde-35 tektorarrayet 10, er der anvendt et andet ledningsnet 42, der har en cirkulær overgangsplade 44, en støtte- 6 DK 167316 B1 del 46 og en rektangulær del 48. Dette ledningsnet 42 omfatter et efter ætseteknik udformet, bøjeligt kabel, der har flerlags-kobberledere, som er anbragt mellem to lag af et polymidbaseret dielektrisk materiale, 5 der er fastgjort ved hjælp af acryllim. Ledningsnettet 42's cirkulære overgangsplade 44 har en central åbning 50 af tilstrækkelig diameter til at optage ekspanderen 14. For at forbinde det ene ledningsnet 42's cirkulære overgangsplade 44 med det andet ledningsnet 10 28's cirkulære overgangsplade 34, har den cirkulære plade 44 et antal loddeøer 52, fig. 1, der passer med den cirkulære plade 34's tilsvarende loddeøer 38.

For elektrisk at koble loddeøerne 52 på ene ene plade 44 til loddeøerne 38 på den anden plade 34 er et 15 antal rørnitter 54 anbragt i huller i loddeøerne 52 og loddeøerne 38. Rørnitterne 34 fastgøres til loddeøerne 38 og 52 ved mekanisk deformation af den ene ende af hver rørnitte 54 og efterfølgende lodning af hver ende af rørnitterne 54. For at jorde radiofre-20 kvensforstyrrelser, der vandrer over ledningsnettet 42's ydre, er der på en del af ledningsnettet 42 anbragt en muffe 56, der er dækket med en ikke vist kobberstrimmel. Muffen 56 er fastgjort til det ikke viste elektronikhus, der indeholder elektronikken til be-25 handling af signalerne fra detektorarrayet 10, og jorder derfor radiofrekvensforstyrrelser, der udbredes på overfladen af ledningsnettet 42, før de træder ind i elektronikhuset. Muffen 56 kan fremstilles af en messinglegering og derefter overtrækkes med kobber, men 30 andre passende materialer kan også anvendes.

For elektrisk at isolere de to ledningsnetdele 28 og 42 fra ekspanderenheden 13 er der anvendt to isolerende skiver 58 og 60. Den isolerende skive 58 er placeret mellem den cirkulære plade 34 og ekspan-35 derenheden 13's bund 16, og den isolerende skive 60 er anbragt på den overflade af den cirkulære plade 44, 7 DK 167316 B1 der ikke støder op til den anden plade> 34 ; De isolerende skiver 58 og 60 kan fremstilles af f.eks. poly-midfilm.

For at holde temperaturen af ekspanderlegemet 5 14's kolde ende 17 inden for et passende arbejdstem- peraturområde er et kuldeskjold 62 anbragt centralt over ekspanderen 14's kolde ende 17 og fastgjort til denne med et klæbemiddel. Kuldeskjoldet 62 har en åbning 64, der skaber uhindret passage for infrarødstrø-10 ling fra omgivelserne til detektorarrayet 10. Kuldeskjoldet 62 kan eksempelvis være fremstillet af rustfrit stål.

Detektorarrayet 10 og ekspanderlegemet 14 er anbragt i et hus 66, udformet med to flangedele 68 og 15 70 og en åbning 72, gennem hvilken infrarøde signaler kan føres. Flangedelen 68 anvendes til at fastgøre ekspanderenheden 13's bund 16 til huset 66 ved hjælp af skruer 73. Den anden flangedel 70 omfatter huller 74, der gør det muligt at montere huset 66 på 20 en ikke vist gyrooptikenhed. Huset 66 kan eksempelvis fremstilles af 6061-T6 aluminiumlegering.

For at koncentrere de ankommende infrarøde signaler på detektorarrayet 10, er en linse 78, der grænser op til en optikbærer 76, monteret over huset 25 66's åbning 72. Linsen 78 anvendes til fokusering af de indkommende infrarøde signaler på detektorarrayet 10, f.eks. en linse fremstillet af germanium og zinksulfid for at give den ønskede farvekorrektion. For at tillade uhindret passage for infrarød stråling gennem 30 huset til detektorarrayet er et vindue/båndpasfilter 80 monteret på huset 66's åbning 72.

For termisk at isolere ekspanderlegemet 14 er der anbragt et isolationsmateriale 82 mellem ekspanderlegemet 14 og huset 66. Isolationsmaterialet 82 35 har i hovedsagen samme form som inderfladen i huset 66 og er udformet med en cylindrisk åbning 84, igennem 8 DK 167316 B1 hvilken ekspanderlegemet 14 kan føres ind. Ved at placere det isolerende materiale 82 mellem ekspanderlegemet 14 og huset 66 kan detektorarrayet 10' s temperatur opretholdes, uden at der kræves evakuering 5 af det område, der ellers optages af det isolerende materiale 82. Det isolerende materiale 82 har fortrinsvis form af en muffe af polymerskum, såsom ekspanderet polystyren.

For at danne elektrisk forbindelse til lednings-10 nettet 42's rektangulære del 48 er der anvendt en efter ætseteknik udformet konnektor 86, fig. 3 og 4, der har et antal loddeøer 88, der geometrisk svarer til et antal loddeøer 90 på den rektangulære del 48. Kon-nektoren 86 har på sin overflade en række ikke viste, 15 efter ætseteknik frembragte, ætsede ledere, der fører strøm fra loddeøerne 88 til et passende interfaceele-ment 92. Andre egnede konnektortyper kan anvendes.

For at føre den fornødne spænding til detektorarrayet 10 er et modstandsnetværk 94 placeret på 20 konnektoren 86. Modstandsnetværket 94's terminaler strækker sig gennem konnektoren 86's loddeøer 88 og den rektangulære del 48's loddeøer 90 og skaber elektrisk forbindelse mellem dem. Modstandsnetværket 94 virker som en spændingsdeler således, at de fornød-25 ne spændinger leveres til detektorarrayet I0rs terminaler over de to ledningsnetdele 28 og 42. For elektrisk at isolere forbindelserne mellem den rektangulære del 48, konnektoren 86 og modstandsnetværket 94 er der anvendt to isolerende underlag 96 og 98. Det iso-30 lerende underlag 98 er placeret ovenpå modstandsnetværket 94, medens det isolerende underlag 96 er placeret stødende op til den overflade af den rektangulære del 48, der er loddet. Isoleringsunderlagene 96 og 98 kan eksempelvis være fremstillet af cellulært elasto-35 mermateriale.

Claims (13)

1. Apparat til montering af en detektorindretning (10) for infrarøde signaler, hvilket apparat indbefatter: - et hus (66, 68, 70) af Dewar-type indrettet 5 til at rumme detektoren, - et i huset anbragt ekspanderlegeme (14), der har en kold ende (17) og som er indrettet til ved tilførsel af et fluidum efterfulgt af ekspansion af fluidet at køle detektoren, 10. midler (19, 21) til at forsyne ekspanderlege met med fluidet, - temper atur følere (23, 24) til af føling af detektorens (10) temperatur, hvilke temperatur følere er indrettede til at reagere overfor temperaturen i et om- 15 råde af den kolde ende (17) ved detektoren, - en fyldning af isolationsmateriale (82) mellem ekspanderlegemet og huset, kendetegnet ved - at detektoren (10) er således fastgjort til den kolde ende af ekspanderlegemet (14), at dette lege- 20 me understøtter detektoren (10) mekanisk, - at temperaturfølerne (23, 24) er indrettede til at frembringe et elektrisk signal til brug i en styreenhed, - at isolationsmaterialet (82) fylder hele rum- 25 met mellem ekspanderlegemet (14) og huset (66, 68, 70) undtagen et hulrum for overførsel af ankommende infrarødsignaler til detektoren (10), og - at isolationsmaterialet (82) er således udformet, at detektoren (10) kan operere uden behov for eva- 30 kuering af huset (66, 68, 70).

2. Apparat ifølge krav l, kendetegnet ved, at isolationsmaterialet (82) er formet som en muffe, hvormed detektorens (10) temperatur kan holdes inden for et givet værdiområde.

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at isolationsmaterialet består af polymerskum. DK 167316 B1

4. Apparat ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at temperaturfølerne (23, 24. omfatter mindst én diode, der for en forud fastlagt forspændingsstrøm udvider i lederetningen en spænding, 5 som er afhængig af temperaturen i det til detektoren (10) stødende område af koldenden (17).

5. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at detektoren (10) er fastgjort til ekspanderlegemets (14) koldende (17) ved hjælp af et klæbemiddel.

6. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at midlerne til at forsyne ekspander legemet med fluidet omfatter en kompressor (21) og en tilhørende overføringsledning (19) til ekspanderlegemet (14).

7. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet 15 ved, at detektoren (10) er koblet til et elektronikhus via et modstandsnetværk (94), indrettet til at forsyne detektorens terminaler med passende spænding.

8. Apparat ifølge krav 7, kendetegnet ved, at modstandsnetværket (94) er elektrisk forbundet 20 med detektoren (10) via et ledningsnet (28, 42) i ætset-kredsløbs-form.

9. Apparat ifølge krab 8, kendetegnet ved, at der på en del af ledningsnettet (42) findes en muffe (56) til jording af radiofrekvente forstyrrelses- 25 signaler, der udbredes over ledningsnettet (42) og som indvirker forstyrrende på detektorens funktion.

10. Apparat ifølge krav 9, kendetegnet ved, at ledningsnettet er delt op i to dele, hvoraf den ene del (28) har terminaler (35) til elektrisk forbin- 30 delse med detektoren (10) og til overførsel af strøm fra detektoren til en på nævnte del (28) anbragt cirkulær overgangsplade (34), og hvoraf den andel del (42) har terminaler (48) til elektrisk forbindelse med modstandsnetværket (94) og til overførsel af strøm derfra 35 til en på nævnte andel del (42) anbragt cirkulær overgangsplade (44), og at nævnte overgangsplader kan sættes i strømforbindelse med hinanden. DK 167316 B1

11. Apparatet ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den elektriske forbindelse mellem overgangspladerne (34, 44) er skabt af rørnitter (54).

12. Apparat ifølge krav 11, kendeteg-5 net ved, at det indbefatter en linse (78) til fokusering af infrarøde signaler på detektoren (10), hvilken linse er udformet med lag af germanium og zinksulfid.

13. Apparat ifølge krav 12, kendeteg-10 net ved et til ekspanderlegemet (14) fastgjort kuldeskjold (62) indrettet til at overføre infrarødstråling til detektoren (10) og til at mindske varmeover-førsien til detektoren.