FR2754637A1

FR2754637A1 - Optical detector with protection against electromagnetic pulse

Info

Publication number: FR2754637A1
Application number: FR9103308A
Authority: FR
Inventors: Bernard Grancoin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1998-04-17
Also published as: ITTO920161A1; ITTO920161A0; IT1283986B1; GB2323715A; GB2323715B; DE4208526A1; GB9205329D0

Abstract

The photodetector (1) is placed in a chamber (4) such as a Dewar flask which together with the window (1) forms a continuous electrical enclosure. A fine conducting film (9) is deposited on at least one of the transparent plates (5, 6) to bring points far from the edge to the same electrical potential and to promote the increase in the field on arrival of the pulse. The film is radial and is made in material which is sufficiently resistive to promote a rapid ionisation of the gas. The window is a glass specific to the transmission range and the gas is a chemically inert gas such as neon, krypton or argon..

Description

Système de détection optique protégé contre
les impulsions électromagnétiques
L'invention se rapporte au domaine de l'optronique et plus particulièrement à la protection des systèmes optroniques par mise en place d'un système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques.Optical detection system protected against
electromagnetic pulses
The invention relates to the field of optronics and more particularly to the protection of optronic systems by setting up an optical detection system protected against electromagnetic pulses.

Dans le domaine des systèmes optroniques, les photodétecteurs utilisés dans les bandes spectrales allant de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain sont en général constitués de diodes photovoltaïques ou de diodes Schottky associées à des circuits de lecture silicium, MOSFET, C MOS, CCD etc. Ces détecteurs sont placés sur le plan de focalisation de systèmes optiques qui, dans le cas général, ne peuvent être réalisés en matériau conducteur de l'électricité et qui donc ne permettent pas d'assurer le blindage électromagnétique des détecteurs. In the field of optronic systems, the photodetectors used in the spectral bands going from the ultraviolet to the far infrared generally consist of photovoltaic diodes or Schottky diodes associated with silicon, MOSFET, C MOS, CCD reading circuits, etc. . These detectors are placed on the focusing plane of optical systems which, in the general case, cannot be made of electrically conductive material and which therefore do not make it possible to ensure the electromagnetic shielding of the detectors.

Lors de manifestations telles que le foudroiement ou l'explosion nucléaire, à haute ou basse altitude pour les équipements embarqués sur avion, les équipements optroniques sont frappés par une impulsion électromagnétique (I.E.M) dont les champs électriques, concentrés par les structures optiques, peuvent atteindre plusieurs centaines de kilovolts par mètre. During events such as lightning strikes or nuclear explosions, at high or low altitude for equipment on board aircraft, optronic equipment is struck by an electromagnetic pulse (EMI) whose electric fields, concentrated by optical structures, can reach several hundred kilovolts per meter.

De même, le concept d"'arme hyperfréquence" repose sur l'émission d'impulsions électromagnétiques de plusieurs centaines de kilovolts par mètre, à des fréquences de plusieurs gigahertz. Dans ce cadre le blindage est encore plus critique que pour une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire car la longueur d'onde est beaucoup plus petite. Or les photodiodes de détection claquent dans ces conditions pour des énergies reçues inférieures à lJ/cm2
Dans le domaine du blindage électromagnétique, il est connu d'utiliser des grilles de blindage. Mais compte tenu des longueurs d'onde considérées, l'utilisation d'une simple grille de blindage sur les systèmes optiques conduirait à réaliser de véritables nids d'abeille profonds pour blinder efficacement le photodétecteur.Similarly, the concept of "microwave weapon" is based on the emission of electromagnetic pulses of several hundred kilovolts per meter, at frequencies of several gigahertz. In this context, the shielding is even more critical than for an electromagnetic pulse of nuclear origin because the wavelength is much smaller. However, the detection photodiodes flap under these conditions for energies received of less than 1J / cm2
In the field of electromagnetic shielding, it is known to use shielding grids. But taking into account the wavelengths considered, the use of a simple shielding grid on the optical systems would lead to real veritable deep honeycombs to effectively shield the photodetector.

Un tel dispositif n'est pas compatible avec les champs et les ouvertures optiques nécessaires à de tels systèmes. Such a device is not compatible with the fields and the optical apertures necessary for such systems.

L'invention a pour objet un système de détection optique protégé contre l'impulsion électromagnétique de manière efficace, sans perturber le champ ou l'ouverture optique du système. The invention relates to an optical detection system effectively protected against the electromagnetic pulse, without disturbing the field or the optical aperture of the system.

Pour cela, un blindage est réalisé directement au niveau de la fenêtre du détecteur, sous la forme d'une lame de gaz raréfié, normalement transparente dans la bande spectrale du détecteur, et qui s'ionise avec l'apparition d'un champ électrique important. Cette lame fonctionne alors comme un éclateur à gaz ultra rapide et court-circuite l'onde incidente refermant ainsi l'enveloppe de blindage. For this, shielding is carried out directly at the level of the window of the detector, in the form of a blade of rarefied gas, normally transparent in the spectral band of the detector, and which ionizes with the appearance of an electric field. important. This blade then functions as an ultra-fast gas spark gap and short-circuits the incident wave thus closing the shielding envelope.

Selon l'invention, un système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques comportant un photodétecteur sensible à la gamme de longueurs d'onde à détecter, est caractérisé en ce que le photodétecteur est placé dans une enceinte électriquement continue à l'exception d'un hublot par lequel le rayonnement optique à détecter est transmis au photodétecteur, et en ce que le hublot est constitué de deux lames parallèles espacées transparentes au rayonnement optique à détecter, l'espace délimité par les faces parallèles des lames espacées et par le bord de l'enceinte conductrice sur laquelle sont montées les lames étant occupé par un gaz raréfié, également transparent au rayonnement optique à détecter en fonctionnement normal et ionisable en cas d'impulsion électromagnétique pour former alors une enceinte électriquement continue autour du photodétecteur. According to the invention, an optical detection system protected against electromagnetic pulses comprising a photodetector sensitive to the range of wavelengths to be detected, is characterized in that the photodetector is placed in an electrically continuous enclosure with the exception of a window through which the optical radiation to be detected is transmitted to the photodetector, and in that the window consists of two spaced parallel blades transparent to the optical radiation to be detected, the space defined by the parallel faces of the spaced blades and by the edge of the conductive enclosure on which the blades are mounted being occupied by a rarefied gas, also transparent to optical radiation to be detected in normal operation and ionizable in the event of an electromagnetic pulse to then form an electrically continuous enclosure around the photodetector.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. The invention will be better understood and other characteristics will appear from the following description with reference to the appended figures.

- La figure 1 est un schéma de la tête de détection optique protégé contre l'impulsion électromagnétique selon l'invention, en coupe longitudinale
- La figure 2 est une représentation en plan d'un mode de réalisation des lames de la fenêtre d'entrée enfermant le gaz raréfié
- La figure 3 est le schéma d'un système de détection protégé contre l'IEM, selon l'invention.- Figure 1 is a diagram of the optical detection head protected against the electromagnetic pulse according to the invention, in longitudinal section
- Figure 2 is a plan view of an embodiment of the blades of the inlet window enclosing the rarefied gas
- Figure 3 is the diagram of a detection system protected against EMI, according to the invention.

La description qui suit est donnée en référence à un exemple appliqué à un photodétecteur infrarouge, mais le même système est applicable à un autre photodétecteur, même si la forme du boîtier varie ainsi que sa pression interne. The following description is given with reference to an example applied to an infrared photodetector, but the same system is applicable to another photodetector, even if the shape of the housing varies as well as its internal pressure.

Comme représenté sur la figure 1, la tête de détection optique comporte un photodétecteur infrarouge 1 monté dans un boîtier qui, selon la technique courante, constitue un vase type "Dewar" évacué c'est-à-dire un vase isolant à double paroi, l'espace entre les parois étant sous vide, et la partie centrale étant refroidie par une sonde cryogénique non représentée. Le photodétecteur infrarouge 1 est donc placé à l'intérieur du vase, contre la partie refroidie interne, cette partie centrale 2 étant refroidie par la sonde cryogénique. Les connexions 3 du détecteur traversent l'espace évacué, et sortent vers l'arrière de l'ensemble, sur les bords du vase "Dewar". As shown in FIG. 1, the optical detection head comprises an infrared photodetector 1 mounted in a housing which, according to current technique, constitutes an evacuated "Dewar" type vessel, that is to say a double-walled insulating vessel, the space between the walls being under vacuum, and the central part being cooled by a cryogenic probe not shown. The infrared photodetector 1 is therefore placed inside the vessel, against the internal cooled part, this central part 2 being cooled by the cryogenic probe. The connections 3 of the detector cross the evacuated space, and exit towards the rear of the assembly, on the edges of the "Dewar" vase.

Le corps extérieur 4 du vase Dewar est réalisé dans un matériau bon conducteur de l'électricité, et ce corps extérieur est relié électriquement et d'une manière géométriquement continue (sans trou) avec le reste du blindage extérieur de l'équipement situé vers l'arrière. Ce corps extérieur constitue donc un bon blindage du détecteur et des connexions, sauf côté avant où se situe le hublot, ou fenêtre optique, de passage du rayonnement à détecter. The outer body 4 of the Dewar vase is made of a material that is a good conductor of electricity, and this outer body is electrically connected and in a geometrically continuous manner (without hole) with the rest of the external shielding of the equipment located towards 'back. This external body therefore constitutes good shielding of the detector and of the connections, except on the front side where the porthole, or optical window, is located for the passage of the radiation to be detected.

L'invention a particulièrement pour objet la constitution d'un hublot spécifique qui permet de réaliser un blindage continu dans les cas où cela est nécessaire, c'est-à-dire en cas d'impulsion électromagnétique. The invention particularly relates to the constitution of a specific window which allows for continuous shielding in cases where this is necessary, that is to say in the event of an electromagnetic pulse.

Selon l'invention le hublot 10 est réalisé à partir de deux lames 5 et 6 constituées d'un matériau transparent dans la bande spectrale du détecteur, par exemple constituées de germanium pour un système photodétecteur infrarouge. Pour un photodétecteur dans le domaine visible ou proche infrarouge, les deux lames 5 et 6 de matériau transparent à la bande spectrale correspondante pourront être constituées d'un verre spécifique, adapté aux longueurs d'ondes à transmettre. According to the invention the window 10 is made from two blades 5 and 6 made of a transparent material in the spectral band of the detector, for example made of germanium for an infrared photodetector system. For a photodetector in the visible or near infrared range, the two plates 5 and 6 of material transparent to the corresponding spectral band may be made of a specific glass, adapted to the wavelengths to be transmitted.

Ces deux lames sont séparées par un espace 7 rempli d'un gaz raréfié tel que ceux utilisés habituellement pour les éclateurs para-foudre. Plusieurs gaz conviennent. On choisira de préférence des gaz inertes chimiquement tels que le Néon, l'Argon, le Krypton, etc. Cet espace rempli de gaz raréfié est bordé extérieurement par un matériau bon conducteur, en contact électrique avec le corps extérieur du boîtier, 4. Sur la figure 1 a été représenté un joint 8 en contact avec le corps extérieur 4 d'une part et avec le gaz raréfié d'autre part et dans lequel sont maintenues de manière étanche, pour former un
Joint étanche, les lames transparentes 5 et 6 délimitant l'espace de gaz.These two blades are separated by a space 7 filled with a rarefied gas such as those usually used for lightning arrester. Several gases are suitable. Preferably choose chemically inert gases such as Neon, Argon, Krypton, etc. This space filled with rarefied gas is bordered on the outside by a good conductive material, in electrical contact with the outer body of the housing, 4. In FIG. 1 is shown a seal 8 in contact with the outer body 4 on the one hand and with the rarefied gas on the other hand and in which are kept tightly, to form a
Watertight seal, the transparent blades 5 and 6 delimiting the gas space.

La figure 3 illustre un système de détection infrarouge protégé qui comporte, en plus de la tête de détection optique telle que décrite ci-dessus un ensemble optique d'entrée 20, une sonde cryogénique, 30, des circuits de traitement électriques 40, et l'enveloppe 50 de l'ensemble de traitement formant avec le corps extérieur 4 de la tête de détection une enveloppe électriquement continue en cas d'IEM. FIG. 3 illustrates a protected infrared detection system which comprises, in addition to the optical detection head as described above, an optical input assembly 20, a cryogenic probe, 30, electrical processing circuits 40, and l envelope 50 of the treatment assembly forming with the external body 4 of the detection head an electrically continuous envelope in the event of EMI.

Le système photodétecteur décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante : lorsqu'une impulsion électromagnétique,
IEM, arrive sur le hublot, le champ électrique très grand et très soudain Ionise le gaz raréfié contenu dans l'espace 7. Ce gaz devient donc très bon conducteur et referme ainsi le blindage constitué par le corps 4, enfermant le photodétecteur dans une enceinte continue. The photodetector system described above operates as follows: when an electromagnetic pulse,
IEM, arrives on the window, the very large and very sudden electric field Ionizes the rarefied gas contained in space 7. This gas therefore becomes very good conductor and thus closes the shielding formed by the body 4, enclosing the photodetector in an enclosure keep on going.

- Pour que la protection du détecteur soit efficace, il est indispensable que le champ électrique crée par l'IEM n'atteigne pas le détecteur optique, et donc que l'ionisation du gaz soit très rapide pour former une enceinte électriquement continue dans laquelle le détecteur optique est protégé, l'espace de gaz formant court-circuit. - For the protection of the detector to be effective, it is essential that the electric field created by the IEM does not reach the optical detector, and therefore that the ionization of the gas is very rapid to form an electrically continuous enclosure in which the optical detector is protected, the gas space forming a short circuit.

La rapidité du phénomène d'ionisation et de décharge dans le gaz raréfié dépend d'un certain nombre de paramètres nature du gaz, pression, distance entre les équipotentielles, et présence d'atomes déjà ionisés dans le gaz, au moment de l'arrivée de l'impulsion électromagnétique. The speed of the ionization and discharge phenomenon in the rarefied gas depends on a certain number of parameters: nature of the gas, pressure, distance between the equipotentials, and presence of atoms already ionized in the gas, at the time of arrival. of the electromagnetic pulse.

Les paramètres liés au gaz et aux caractères géométriques du système peuvent être optimisés pour rendre l'ionisation aussi rapide que possible. De plus, des caractéristiques complemen tares peuvent être prévus pour accélérer la décharge dans le gaz. The parameters related to the gas and the geometric characteristics of the system can be optimized to make ionization as fast as possible. In addition, additional characteristics can be provided to accelerate the discharge into the gas.

Un premier moyen d'accélérer la décharge dans le gaz et d'augmenter ainsi l'efficacité de la protection du photodétecteur consiste à disposer à proximité de l'espace 7 ou dans cet espace, quelques traces d'un corps radioactif émetteur de rayons gamma dont le rôle ionisant sur le gaz permet de conserver toujours un nombre suffisant d'ions et d'électrons libres pour que l'avalanche se déclenche très rapidement. A first means of accelerating the discharge in the gas and thus increasing the efficiency of the protection of the photodetector consists in placing near the space 7 or in this space, some traces of a radioactive body emitting gamma rays. whose ionizing role on the gas always keeps a sufficient number of ions and free electrons so that the avalanche is triggered very quickly.

Un autre moyen, dans la mesure où le hublot est situé assez loin du plan de focalisation optique, c'est-à-dire du plan du photodétecteur 1, consiste à déposer des fines bandes conductrices 9 sur les lames 5 et 6 sur leurs faces en contact avec le gaz, comme représenté sur la figure 2 permettent de favoriser localement l'élévation du champ électrique au moment de l'arrivée de l'impulsion électromagnétique. Ces fines bandes conductrices, qui constituent des surfaces équipotentielles doivent avoir des points assez rapprochés pour favoriser localement cette élévation de champ électrique au moment de l'arrivée de L'ITEM afin d'amorcer rapidement la décharge. Si le plan de focalisation est proche de la fenêtre d'entrée, l'image des bandes détectrices formée sur le photodétecteur perturbe l'image résultante, en fonctionnement normal. Another means, insofar as the window is located far enough from the optical focusing plane, that is to say from the plane of the photodetector 1, consists in depositing thin conductive strips 9 on the plates 5 and 6 on their faces in contact with the gas, as shown in Figure 2 can locally promote the rise of the electric field at the time of the arrival of the electromagnetic pulse. These fine conductive strips, which constitute equipotential surfaces must have points close enough to favor locally this elevation of electric field at the time of the arrival of the ITEM in order to quickly initiate the discharge. If the focusing plane is close to the input window, the image of the detector bands formed on the photodetector disturbs the resulting image, in normal operation.

Les bandes représentées sur la figure 2 ont été disposées suivant des rayons des lames 5 et 6 formant le hublot, mais ces fines bandes peuvent avoir d'autres configurations leur rôle restant le même. The strips shown in Figure 2 were arranged along the radii of the blades 5 and 6 forming the window, but these thin strips can have other configurations their role remaining the same.

Pour éviter une usure prématurée des bandes conductrices 9, en cas d'impulsions électromagnétiques répétées, ces bandes seront fabriquées avec un matériau assez résistif qui provoquera l'extension rapide de l'ionisation dans le gaz raréfié, lequel conduit ainsi le maximum du courant de court-circuit. To avoid premature wear of the conductive strips 9, in the event of repeated electromagnetic pulses, these strips will be manufactured with a fairly resistive material which will cause the rapid extension of the ionization in the rarefied gas, which thus conducts the maximum of the current. short circuit.

D'autres perfectionnements ou modifications de structures peuvent être envisagés tout en restant dans le cadre de 1 'inven- tion telle que décrite ci-dessus. En particulier, le corps extérieur 4 du boîtier et le hublot ionisable peuvent ne pas faire partie de l'ensemble détecteur directement: ils peuvent être situés plus avant dans l'ensemble optique d'entrée sans changer le principe de l'invention, pourvu que l'espace contenant du gaz raréfié situé entre les deux lames transparentes forme en cas de ionisation une surface continue avec d'autres éléments conducteurs entourant le photodétecteur optique. Other improvements or modifications of structures can be envisaged while remaining within the scope of the invention as described above. In particular, the outer body 4 of the housing and the ionizable window may not be part of the detector assembly directly: they may be located further in the input optical assembly without changing the principle of the invention, provided that the space containing rarefied gas located between the two transparent plates forms in the event of ionization a continuous surface with other conducting elements surrounding the optical photodetector.

Ainsi, une protection contre les impulsions électromagnétiques violentes d'origines diverses est obtenue pour un système photo détecteur, déclenché par l'impulsion électromagnétique elle-même, le gaz raréfié servant d'éclateur. Thus, protection against violent electromagnetic pulses of various origins is obtained for a photodetector system, triggered by the electromagnetic pulse itself, the rarefied gas serving as a spark gap.

L'invention s'applique particulièrement aux caméras infrarouges et de télévision, mais un système de détection optique susceptible d'être détruit par l'impulsion électromagnétique peut être équipé, suivant le même principe, d'une fenêtre d'entrée optique constituée de deux lames transparentes au rayonnement à transmettre fermant un espace contenant du gaz raréfié servant d'éclateur pour refermer une surface conductrice entourant la zone à protéger lors d'impulsions électromagnétiques. The invention applies particularly to infrared and television cameras, but an optical detection system capable of being destroyed by the electromagnetic pulse can be equipped, according to the same principle, with an optical input window consisting of two slides transparent to the radiation to be transmitted closing a space containing rarefied gas serving as a spark gap to close a conductive surface surrounding the area to be protected during electromagnetic pulses.

Claims

1. Optical detection system protected against electromagnetic pulses comprising a photodetector (1) sensitive to the range of wavelengths to be detected, characterized in that the photodetector is placed in an electrically continuous enclosure with the exception of a porthole (10) by which the optical radiation to be detected is transmitted to the photodetector, and in that the window consists of two spaced parallel blades (5, 6) transparent to the optical radiation to be detected, the space (7) delimited by the faces parallel to the spaced blades and by the edge of the conductive enclosure on which the blades are mounted being occupied by a rarefied gas, also transparent to the optical radiation to be detected in normal operation and ionizable in the event of an electromagnetic pulse to then form a electrically continuous enclosure around the photodetector.

2. System according to claim 1, characterized in that the rarefied gas contains ionized atoms.

3. System according to one of claims 1 and 2, characterized in that traces of a radioactive body emitting gamma rays are arranged in or near the rarefied gas, to accelerate the initiation of the ionization of the gas in case electromagnetic pulse.

4. System according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one fine conductive strip (9) is deposited on at least one face of the transparent blades (5, 6) in contact with the gas, to carry points distant from the edges of the conductive enclosure at the same potential and favor the rise of the electric field during an electromagnetic pulse to initiate the discharge in the gas.

5. System according to claim 4, characterized in that thin conductive strips (5) in contact with the edge of the enclosure are arranged on the transparent blades according to rays.

6. System according to one of claims 4 and 5, characterized in that the thin conductive strips are made with a fairly resistive material, to cause the rapid extension of the ionization in the gas during an electromagnetic pulse.

7. System according to claim 1, characterized in that the rarefied gas is a chemically inert gas.