JP3110456B2 - Rapidly cooled cryostat for large infrared focal plane arrays - Google Patents

Rapidly cooled cryostat for large infrared focal plane arrays

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JP3110456B2
JP3110456B2 JP04800017A JP80001792A JP3110456B2 JP 3110456 B2 JP3110456 B2 JP 3110456B2 JP 04800017 A JP04800017 A JP 04800017A JP 80001792 A JP80001792 A JP 80001792A JP 3110456 B2 JP3110456 B2 JP 3110456B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は性能を向上した赤外線検知器組立体に係り、
より詳細には大規模赤外線焦点面アレイの急速冷却を実
現するための性能向上した低温維持装置すなわちクライ
オスタットを具備する赤外線検知器組立体に関する。
The present invention relates to an infrared detector assembly with improved performance,
More particularly, the present invention relates to an infrared detector assembly having an improved cryostat or cryostat for providing rapid cooling of a large-scale infrared focal plane array.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

赤外線検知装置は、4乃至16マイクロメートルの波長
範囲の電磁放射を検知するための軍用装備及び暗視装置
に関連してしばしば使用される。多くのこのような装置
は、焦点面アレイ(FPA)と通常称せられていて低温(c
ryogenic temperature)で作動される場合に一般に最
も高感度となる赤外線検知器アレイを具備するから、低
温動作温度を作り出し維持する冷却装置を必要とする。
その上、温度の変動が検知器の感度に直接影響し、その
結果望ましくない電子的不安定状態及び電子的雑音を生
ずる。それ故に、検知装置作動時の不安定状態及び雑音
を排除するために、冷却された検知器を一定の温度に維
持することが望ましい。
Infrared detectors are often used in connection with military equipment and night vision equipment for detecting electromagnetic radiation in the wavelength range of 4 to 16 micrometers. Many such devices are commonly referred to as focal plane arrays (FPAs) and operate at low temperatures (c
Since it has an infrared detector array that is generally most sensitive when operated at ryogenic temperatures, it requires a cooling device to create and maintain a low operating temperature.
Moreover, temperature fluctuations directly affect the sensitivity of the detector, resulting in undesirable electronic instability and electronic noise. Therefore, it is desirable to maintain the cooled detector at a constant temperature to eliminate instability and noise when operating the detector.

【0003】 一般的には、低温冷却装置(cryogenic cooling sy
stem)は、高圧気体から低温液体への転換を利用するジ
ュール−トムソン・クライオスタット或いは閉サイクル
冷却装置を有するスターリング クライオエンジンの形
態をとる。冷却装置は、電磁波検知器アレイが内部に配
置される真空断熱デュアーと共に使用される。検知器ア
レイを取り巻く領域を占める熱伝導性気体を除去するた
めにデュアーは排気され、対流及び伝導による可能な熱
損失は最小にされる。更に、排気されたデュアーは検知
器アレイに水分が凝結することも防ぐ。
[0003] Generally, a cryogenic cooling system (cryogenic cooling system) is used.
The stem takes the form of a Joule-Thomson cryostat utilizing a conversion of a high pressure gas to a cryogenic liquid or a Stirling cryo engine with a closed cycle cooling system. The cooling device is used with a vacuum insulated dewar in which the electromagnetic wave detector array is located. The dewar is evacuated to remove the thermally conductive gas occupying the area surrounding the detector array, and possible heat losses due to convection and conduction are minimized. In addition, the evacuated dewar also prevents moisture from condensing on the detector array.

【0004】 デュアーの凹形領域(indented region)(「コール
ドウェル」)を低温冷却装置の膨脹チャンバー(「エキ
スパンダー」)に接触させて配置することによって、デ
ュアーが冷却される。通常、エキスパンダーは焦点面の
台座(プラットフォーム)を支持する冷端(cold en
d)、すなわち検知器アレイ及び関連構成部品が載置さ
れる「ヒートシンク」、を備える円筒状の管(コールド
フィンガー)を具備する。別の方法では、デュアーはコ
ールドフィンガーを欠いて構成され、検知器アレイが焦
点面台座によって機械的に直接支持されることもある。
いずれの場合においても、低温冷却装置に熱伝導的に連
接するヒートシンクを経て検知器アレイから熱エネルギ
ーが取り去られる。
[0004] The dewar is cooled by placing the indented region of the dewar ("coldwell") in contact with the expansion chamber ("expander") of the cryogenic cooler. Typically, the expander is a cold end (cold en) supporting a pedestal (platform) in the focal plane.
d), ie, a cylindrical tube (cold finger) with a "heat sink" on which the detector array and related components are mounted. Alternatively, the dewar may be configured lacking cold fingers and the detector array may be mechanically directly supported by the focal plane pedestal.
In either case, thermal energy is removed from the detector array via a heat sink thermally conductively connected to the cryogenic cooling device.

【0005】 低温冷却装置はヒートシンクと熱的に連接状態にある
から、コールドウェル内の高圧気体(すなわちアルゴ
ン、窒素)の膨脹によって検知器アレイから熱エネルギ
ーが吸収され、電子構成部品は最も有効な温度で作動で
きるようになる。更に、電子雑音を減少させ且つ背景シ
ーンを改善するために検知器アレイを取り囲むコールド
シールドを同時冷却することが望ましい。
[0005] Since the cryogenic cooling device is in thermal communication with the heat sink, the expansion of the high pressure gas (ie, argon, nitrogen) in the cold well absorbs thermal energy from the detector array, and the electronic components are most efficient. It can operate at temperature. Furthermore, it is desirable to simultaneously cool the cold shield surrounding the detector array to reduce electronic noise and improve background scenes.

【0006】 電磁波検出器アレイ及びコールドシールドからの熱エ
ネルギーの効率的な伝導性吸収を生起させるには、それ
らが載置される焦点面台座は特定の冶金的特性を所有す
る材料又は材料構成で製作される必要がある。理想的に
は、これらの特性には高強度、高弾性係数及び高熱伝導
率が含まれる。更に、検知器故障の早発を最低限に抑え
るために焦点面台座は低い熱的歪特性を備える必要があ
る。
To produce efficient conductive absorption of thermal energy from electromagnetic wave detector arrays and cold shields, the focal plane pedestal on which they are mounted is made of a material or material composition that possesses certain metallurgical properties. Need to be made. Ideally, these properties include high strength, high modulus and high thermal conductivity. In addition, the focal plane pedestal must have low thermal distortion characteristics to minimize premature detector failure.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

焦点面台座の設計に影響を与える多数の設計上の制約
が存在する。焦点面台座は構造的支持部材であるから、
台座は電磁波検出器の機械的偏向を最小にするだけの十
分な曲げ剛性(スティフネス)を有する必要がある。こ
のような必要性は、強い振動及びブースト段階の高レベ
ルの加速度を受ける弾薬システムの一部として赤外線シ
ーカ組立体が使用される場合に特に重要になる。別の重
要な設計パラメータは熱が焦点面台座に伝達される程度
である。より詳細には、焦点面台座に載置された赤外線
検知器アレイ組立体の冷端構成部品の冷却時間が予め定
められた最大所定時間以下であることが非常に重要であ
る。赤外線シーカは消耗性の弾薬に組み込まれて使用さ
れ、弾薬発射の直後(又は直前)に目標を確認しなけれ
ばならないことがしばしばであるから、冷却時間は主要
な設計パラメータである。
There are a number of design constraints that affect the design of the focal plane pedestal. Because the focal plane pedestal is a structural support member,
The pedestal must have sufficient bending stiffness to minimize the mechanical deflection of the electromagnetic wave detector. Such a need becomes particularly important where the infrared seeker assembly is used as part of a munitions system that experiences high levels of vibration and high levels of acceleration in the boost phase. Another important design parameter is the degree to which heat is transferred to the focal plane pedestal. More specifically, it is very important that the cooling time of the cold end component of the infrared detector array assembly mounted on the focal plane pedestal be less than or equal to a predetermined maximum predetermined time. Cooling time is a key design parameter, as infrared seekers are used in consumable ammunition and the target must often be confirmed shortly after (or shortly before) the ammunition is fired.

【0008】 最も近代的な用途においては、大規模なステアリング
型(staring type)のハイブリッド化焦点面アレイ(F
PA)を使用するから、厚さを増した焦点面台座又は熱シ
ンクを使用する必要がある。台座の厚さが増せば、優れ
たハイブリッドの信頼性を向上し、かつ検知器故障に関
連する熱疲労を減少させる。残念なことに、厚い焦点面
台座を使用すれば、装置のジュール負荷が増大し、それ
に比例してクライオスタットの冷却所要も増大する。現
在のところ、大面積FPA、シリコン読出しチップ、及び
大型コールドシールを使用する赤外線検知装置では、慣
用のジュール−トムソン・クライオスタットを具備した
場合で、約10乃至12秒の最小冷却時間を得ることが可能
である。しかしながら、大抵の近代的弾薬用途において
は、約5秒の冷却時間が最大許容所要時間として規定さ
れる。
[0008] In most modern applications, large scale staring type hybrid focal plane arrays (F)
The use of PA) necessitates the use of a thicker focal plane pedestal or heat sink. Increasing the pedestal thickness improves the reliability of a good hybrid and reduces thermal fatigue associated with detector failure. Unfortunately, the use of a thick focal plane pedestal increases the joule loading of the device, and proportionally increases the cryostat cooling requirements. At present, infrared detectors using large area FPAs, silicon readout chips, and large cold seals can achieve a minimum cooling time of about 10 to 12 seconds with a conventional Joule-Thomson cryostat. It is possible. However, in most modern ammunition applications, a cooling time of about 5 seconds is defined as the maximum allowable duration.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

上述の問題点に鑑みて、本発明の目的は、比較的大面
積の検知器アレイを冷却するための急速冷却能力を特徴
とする性能向上したクライオスタット組立体を提供する
ことである。本発明によれば、検知器組立体のコールド
ウェル内に配置された2つの同心的に整列したクライオ
スタットからなる二重ジュール−トムソン・クライオス
タット組立体が提供される。該クライオスタットの各々
が、コールドウェル内に放出される高圧気体の供給源に
連通される。高圧気体が比較的高い流出速度で冷却すべ
き構成部品に向かって送られ、境膜係数を比較的高くし
て熱伝達を最大にする。二重クライオスタット組立体の
内側及び外側のクライオスタットの両方が電磁波検知器
に高圧気体を送るように設計される。更に、内側クライ
オスタットは高圧気体を外側クライオスタットに送って
外側クライオスタットを予備冷却する。また、外側クラ
イオスタットは検知器を取り囲むコールドシールドを冷
却するために高圧気体を送るように設計される。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide an improved cryostat assembly featuring a rapid cooling capacity for cooling a relatively large area detector array. In accordance with the present invention, there is provided a dual Joule-Thomson cryostat assembly comprising two concentrically aligned cryostats located within a cold well of a detector assembly. Each of the cryostats is in communication with a source of high pressure gas released into the coldwell. The high-pressure gas is directed at the component to be cooled at a relatively high outflow rate to provide a relatively high film coefficient to maximize heat transfer. Both the inner and outer cryostats of the dual cryostat assembly are designed to deliver high pressure gas to the electromagnetic wave detector. Further, the inner cryostat sends high pressure gas to the outer cryostat to pre-cool the outer cryostat. The outer cryostat is also designed to deliver high pressure gas to cool the cold shield surrounding the detector.

【0010】 本発明のその他の利点及び効果は、添付の図面を参照
して次の実施例及び特許請求の範囲を理解することによ
って、当業界の技術者には明らかとなる。
[0010] Other advantages and advantages of the present invention will become apparent to one skilled in the art from a reading of the following examples and claims, taken in conjunction with the accompanying drawings.

【0011】[0011]

【実施例】【Example】

慣用のジュール−トムソン・クライオスタット冷却装
置の冷却能力は、冷却すべき検知器/デュアーのジュー
ル負荷及び最大許容冷却所要時間に直接関連する。現在
のところ、赤外線検知装置に対する技術的要求には、大
面積の検知器アレイ(FPA)を少なくとも約80゜K(ケル
ビン)までに、かつ周囲のコールドシールドを少なくと
も約200゜Kまでに、10以内に同時に冷却する能力が含ま
ている。更に詳しくは、軍事用途に対する技術的要求で
は、FPA及びコールドシールドを、それぞれ、作動温度7
7゜K及び150゜Kに約5秒以内に冷却することが規定され
ている。上述のように、慣用のジュール−トムソン・ク
ライオスタットは、現在のところ、ハイブリッド検知器
アレイ及びコールドシールドを規定された低温の作動温
度に少なくとも約10乃至12秒の最小時間で冷却できるの
みである。その上、ヒートシンクの厚さが増すと、所望
の急速冷却速度を与え得る冷却装置の開発において考慮
すべき付加的ジュール負荷所要が生ずる。
The cooling capacity of a conventional Joule-Thomson cryostat cooler is directly related to the Joule load of the detector / Dur to be cooled and the maximum allowable cooling time. At present, the technical requirements for infrared detectors include large area detector arrays (FPAs) of at least about 80 K (Kelvin) and surrounding cold shields of at least about 200 K, The ability to cool within simultaneously is included. More specifically, technical requirements for military applications require that FPA and cold shield be operated at operating temperatures of 7
It is stipulated that cooling to 7 に K and 150 ゜ K is performed within about 5 seconds. As noted above, conventional Joule-Thomson cryostats are currently only able to cool the hybrid detector array and cold shield to a defined cold operating temperature in a minimum time of at least about 10 to 12 seconds. In addition, the increased thickness of the heat sink creates additional joule loading requirements that must be considered in the development of a cooling system that can provide the desired rapid cooling rate.

【0012】 内側クライオスタットと外側クライオシタットとから
なる二重クライオスタット組立体を使用することは公知
であるが、従来は内側クライオスタットは主として外側
クライオスタットを予冷するために用いられていた。内
側クライオスタット冷却能力の比較的微小部が外側クラ
イオスタットエンドキャップを介して熱伝導的にFPAに
結合される。ヒートシンク、コールドシールド、及び焦
点面アレイ(FPA)を低温化するための冷却は、従来
は、主として外側クライオスタットによって行われてい
た。
Although it is known to use a dual cryostat assembly consisting of an inner cryostat and an outer cryostat, in the past the inner cryostat was primarily used for pre-cooling the outer cryostat. A relatively small portion of the inner cryostat cooling capacity is thermally conductively coupled to the FPA via the outer cryostat end cap. Traditionally, cooling to cool the heat sink, cold shield, and focal plane array (FPA) was primarily provided by an outer cryostat.

【0013】 図面を参照すると、本発明の典型的実施例による急速
冷却低温維持装置すなわちクライオスタット組立体10が
示してある。図1は、急速冷却クライオスタット組立体
10が内部に効果的に配設された赤外線シーカ(seeker)
組立体のような検知器組立体12を示す。検知器組立体12
は、取付けフランジ16の穴14を通って延びる複数の固定
具(図示せず)によって支持構造体に固定される。デュ
アーハウジング18が検知器組立体12の前端を密閉し、赤
外窓材22で覆われた中央開口20を備える。窓材22は所望
の透過帯を生ずるように、好ましくはゲルマニウム又は
セレン化亜鉛から、製作されて、入射赤外線放射を検知
器に透過するために使用される。デュアーハウジング18
の内側の内部空洞25内に漏出する放出ガスを吸収するた
めにゲッター24が配設される。
Referring to the drawings, there is shown a rapid cooling cryostat or cryostat assembly 10 according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a rapid cooling cryostat assembly.
Infrared seeker (seeker) 10 effectively arranged inside
1 shows a detector assembly 12, such as an assembly. Detector assembly 12
Is secured to the support structure by a plurality of fasteners (not shown) extending through holes 14 in mounting flange 16. A dewar housing 18 seals the front end of the detector assembly 12 and has a central opening 20 covered by an infrared window 22. The window 22 is made, preferably from germanium or zinc selenide, to produce the desired transmission band and is used to transmit incident infrared radiation to the detector. Deer housing 18
A getter 24 is provided to absorb the outgassed gas leaking into an internal cavity 25 inside the interior.

【0014】 検知器組立体12は、赤外線放射を受感し応答電気信号
を発生する検知装置26を具備する。好ましくは、検知装
置すなわち検知器26は、集積回路読出しボード30に電気
的に相互接続される光電検知素子焦点面アレイ28を具備
する。ハイブリッド検知器26は「ヒートシンク」すなわ
ち焦点面台座32に熱伝導性接着剤によって固定され、こ
れによって検知器26からの熱エネルギーの移流を可能に
する。好ましくは、接着化合物は、低ガラス転移温度を
有するシリコンベース、室温、加硫タイプからなるもの
とし、熱応力を抑止する。焦点面台座32は、ハイブリッ
ド信頼性を増すために低温冷却状態時の表面の平坦性を
維持するように調整された低歪部材である。優れたハイ
ブリッド信頼性を増進するための性能向上した焦点面台
座32の典型的例示は、本発明の共通譲受人に譲渡された
1989年8月23日出願、米国特許出願第07/397,808号、
「低歪焦点面台座(LOW DISTORTION FOCAL PLANE P
LATFORM)」に開示されており、ここに援用することに
よりその全開示は本明細書に明らかに包含される。この
ようにして、焦点面台座32が比較的応力の無い支持構造
体を提供し、その上に検知器26が取り付けられる。しか
し、焦点面台座の構造は単に具体的な例示として示され
るものであり、本発明の特許請求の範囲を限定するもの
ではないことを認識すべきである。
The detector assembly 12 includes a detector 26 that receives the infrared radiation and generates a response electrical signal. Preferably, the sensing device or detector 26 comprises a photoelectric sensing element focal plane array 28 that is electrically interconnected to the integrated circuit readout board 30. The hybrid detector 26 is secured to the “heat sink” or focal plane pedestal 32 by a thermally conductive adhesive, thereby allowing advection of thermal energy from the detector 26. Preferably, the adhesive compound is of a silicon-based, room temperature, vulcanized type having a low glass transition temperature and suppresses thermal stress. The focal plane pedestal 32 is a low-distortion member adjusted to maintain the flatness of the surface in a low-temperature cooling state in order to increase hybrid reliability. A typical illustration of an enhanced focal plane pedestal 32 to enhance good hybrid reliability is assigned to the common assignee of the present invention.
U.S. Patent Application No. 07 / 397,808 filed August 23, 1989,
"LOW DISTORTION FOCAL PLANE P
LATFORM) ", the entire disclosure of which is expressly incorporated herein by reference. In this way, the focal plane pedestal 32 provides a relatively stress-free support structure on which the detector 26 is mounted. It should be recognized, however, that the structure of the focal plane pedestal is provided by way of example only and does not limit the scope of the invention.

【0015】 焦点面台座32は、エンドキャップ部材34及び通常「母
板」と呼ばれる低歪取付板36を具備する。エンドキャッ
プ34は円盤状であり、比較的小さな熱容量を有するが、
比較的大きな熱伝導度を有する。エンドキャップ34は第
1及び第2の表面それぞれ38及び40を有する。第1の表
面38は実質的には平面である。図示の実施例では、第2
の表面40はコールドフィンガーチューブ42を密閉して気
密シールするように構成され、クライオスタット組立体
10の内部の「膨脹」チャンバーを画定する。コールドフ
ィンガーチューブ42は下方デュアーハウジング組立体44
内にあって軸向きに配置される。好ましくは、コールド
フィンガーチューブ42は、冷端(cold end)46及び温
端(warm end)48(使用時のそれぞれの温度に照らし
て)を有する比較的薄い隔壁の直円筒状部材である。冷
端46はエンドキャップ34の第2の表面40によって密閉さ
れる。コールドフィンガーチューブ42の冷端46とエンド
キャップ34の第2の表面40との間の接合面には熱的に安
定な気密シールが施される。更に、コールドフィンガー
チューブ42は片持支持部材であるから、焦点面台座32及
び、ひいては検知器26の偏向を制御するために十分な曲
げ剛性を有する必要がある。
The focal plane pedestal 32 includes an end cap member 34 and a low distortion mounting plate 36 commonly referred to as a “base plate”. The end cap 34 is disk-shaped and has a relatively small heat capacity,
Has relatively high thermal conductivity. End cap 34 has first and second surfaces 38 and 40, respectively. First surface 38 is substantially planar. In the illustrated embodiment, the second
The surface 40 of the cryostat assembly is configured to hermetically and hermetically seal the cold finger tube 42.
Defines an internal "expansion" chamber. Cold finger tube 42 has lower Dewar housing assembly 44
Inside and arranged axially. Preferably, the cold finger tube 42 is a relatively thin septum straight cylindrical member having a cold end 46 and a warm end 48 (in view of the respective temperature in use). The cold end 46 is sealed by the second surface 40 of the end cap 34. The interface between the cold end 46 of the cold finger tube 42 and the second surface 40 of the end cap 34 is provided with a thermally stable hermetic seal. Furthermore, since the cold finger tube 42 is a cantilevered support member, it must have sufficient bending rigidity to control the deflection of the focal plane pedestal 32 and thus the detector 26.

【0016】 取付板36は、エンドキャップ34よりも大きな断面領域
をもつ円盤状の形状を帯びている。好ましくは、取付板
36は、セラミックのような材料で作られ、比較的応力の
無い台座を形成して、その上に検知器26が載置される。
取付板36はエンドキャップ34の第1の表面38に熱伝導性
接着剤を用いて固定される。
The mounting plate 36 has a disk shape having a larger cross-sectional area than the end cap 34. Preferably, the mounting plate
36 is made of a material such as ceramic and forms a relatively stress-free pedestal on which the detector 26 is mounted.
The mounting plate 36 is fixed to the first surface 38 of the end cap 34 using a thermally conductive adhesive.

【0017】 最適検知器性能をもたらすために検知器26から熱エネ
ルギーを吸収するように、急速冷却クライオスタット組
立体10がコールドフィンガーチューブ42の「膨脹」チャ
ンバー内部にあって軸向きに配置され固定される。コー
ルドフィンガーチューブ42は、検知器26から低温液体へ
向かう熱伝達過程によって検知器26を冷却するための冷
却機構(クライオスタット組立体10)を収容している。
当該技術で公知のように、ジュール−トムソン・クライ
オスタットは、クライオスタットの膨脹チャンバーの冷
端に放出される高圧気体を使用する。その後、気体は膨
脹し液化して検知器から熱を吸収する。次いで、液化し
た気体は蒸発すなわち「気化」して熱伝達サイクルを完
結するために使用される。ジュール−トムソン・クライ
オスタットに用いられて所望の冷却特性を生ずる任意の
高圧気体(すなわちアルゴン、窒素、ヘリウム)、又は
それらの組合わせが、本発明における用途に適している
と考えられる。コールドフィンガーチューブ42の冷端46
内での気体の膨脹によって、熱エネルギーが焦点面台座
32から吸収され、それによって検知器26を冷却する。
The rapidly cooled cryostat assembly 10 is axially positioned and secured within the “expansion” chamber of the cold finger tube 42 to absorb thermal energy from the detector 26 to provide optimal detector performance. You. The cold finger tube 42 houses a cooling mechanism (the cryostat assembly 10) for cooling the detector 26 by a heat transfer process from the detector 26 to the low-temperature liquid.
As is known in the art, Joule-Thomson cryostats use high pressure gas that is released to the cold end of the cryostat's expansion chamber. Thereafter, the gas expands and liquefies and absorbs heat from the detector. The liquefied gas is then evaporated or "vaporized" and used to complete the heat transfer cycle. Any high pressure gas (i.e., argon, nitrogen, helium), or combinations thereof, used in a Joule-Thomson cryostat to produce the desired cooling characteristics is considered suitable for use in the present invention. Cold end 46 of cold finger tube 42
The expansion of the gas within the chamber causes thermal energy to
Absorbed from 32, thereby cooling detector 26.

【0018】 シーン以外の熱源から検知器26へ送り込まれる熱放射
量を最小にするために、一般的には検知器26を覆って中
央部に配設されるコールドシールド(coldshield)50が
設けられる。コールドシールド50は接着固定されて取付
板36の前面52に接着により固定され、検知器26との関係
において半径方向外側に且つ共軸に配置される。コール
ドシールド50は、検知器26が受光すべき外界からの赤外
線放射の光路を妨害しないように形成された開口54を有
する。コールドシールド50は、コールドフィンガーチュ
ーブ42の外周壁表面と取付板36の背面側表面58との間に
固定され離れて取り付けられた(off−mounted)円錐支
持部材56に支持されかつそれから熱伝導性の熱伝達を受
けるようになっている。コールドシールド50は薄壁構造
を有し、比較的良好な熱伝導性の材料から作られる。コ
ールドシールド50は所要冷却時間を減少するために、好
ましくは、比較的小さな熱容量を有する。大抵の近代的
赤外線シーカの用途では、検知器26を約80゜Kに冷却す
ると同時にコールドシールド50を少なくとも約200゜Kに
冷却することが要求される。更に詳細に述べれば、少な
くとも約150゜Kに約5秒で冷却され得る材料でコールド
シールド50を作ることが望ましい。コールドシールド50
は6061−T6アルミニウムで作れるが、他の適当な材料を
使用することも可能である。コールドシールド50の急速
冷却は、電子雑音を低減し背景シーンを改善することに
よって検知器感度を増大するために有用である。
In order to minimize the amount of heat radiation sent to the detector 26 from heat sources other than the scene, a cold shield 50 is typically provided over the detector 26 and disposed centrally. . The cold shield 50 is bonded and fixed to the front surface 52 of the mounting plate 36 by bonding, and is disposed radially outward and coaxial with respect to the detector 26. The cold shield 50 has an opening 54 formed so as not to obstruct the optical path of infrared radiation from the outside that the detector 26 should receive. The cold shield 50 is supported by a fixed off-mounted conical support member 56 between the outer peripheral wall surface of the cold finger tube 42 and the rear surface 58 of the mounting plate 36 and is then thermally conductive. Heat transfer. The cold shield 50 has a thin wall structure and is made of a material with relatively good thermal conductivity. The cold shield 50 preferably has a relatively small heat capacity to reduce the required cooling time. Most modern infrared seeker applications require cooling the detector 26 to about 80 ° K while cooling the cold shield 50 to at least about 200 ° K. More specifically, it is desirable to make cold shield 50 of a material that can be cooled to at least about 150 ° K in about 5 seconds. Cold shield 50
Can be made of 6061-T6 aluminum, but other suitable materials can be used. Rapid cooling of the cold shield 50 is useful for increasing detector sensitivity by reducing electronic noise and improving background scenes.

【0019】 検知器26と外部電子機器との間の電気的連絡を可能に
するために、検知器26に関連する配線が取付フランジ16
のフィードスルーポート60を貫通する。さて、図3を参
照すると、検知器26からフィードスルーポート60に電気
信号を導く手段が一層詳細に示してある。一般に、赤外
線検知器26が載置された平面は「金属被覆」されて、導
電性の連絡経路を形成する。特に、取付板36の前面52の
表面には、検知器26取付前に複数の金線62からなる予め
定められたパターンが蒸着される。金線62は検知器26に
比較的近接した位置から取付板36の外周付近の複数の位
置に向かって半径方向に放射状に延びる。更に詳細に
は、金線パターン62は、集積回路読出しボード30の2つ
の対向縁部から約3.17mm(約1/8″)の距離を隔てて始
まり、取付板36の外周に沿って配置された複数の導電性
パッド64に達する。金線62の一端は導線66を介して集積
回路読出しボード30に接続される。導線66は、ワイヤボ
ンディングによって取り付けられ、低温作動中の熱的及
び機械的な歪及び振動に耐え得る導電路を形成する。導
電性パッド64も導線68を経て、フィードスルーポート60
を貫通して延びるフィードスルーピン70にワイヤボンデ
ィングされる。このようにして、検知器26が発生した電
気信号は外部の制御電子回路(図示せず)に送出され、
結果的には検知器の疲労故障の早発を最低限に抑制す
る。
To enable electrical communication between the detector 26 and external electronics, the wiring associated with the detector 26 is attached to the mounting flange 16.
Through the feed-through port 60. Referring now to FIG. 3, the means for directing an electrical signal from detector 26 to feedthrough port 60 is shown in more detail. In general, the plane on which the infrared detector 26 rests is "metallized" to form a conductive communication path. In particular, a predetermined pattern of a plurality of gold wires 62 is deposited on the front surface 52 of the mounting plate 36 before the detector 26 is mounted. The gold wire 62 extends radially from a position relatively close to the detector 26 to a plurality of positions near the outer periphery of the mounting plate 36. More specifically, the gold wire patterns 62 are spaced along the outer perimeter of the mounting plate 36, beginning at a distance of about 3.17 mm (about 1/8 ") from the two opposing edges of the integrated circuit readout board 30. A plurality of conductive pads 64. One end of the gold wire 62 is connected to the integrated circuit readout board 30 via a wire 66. The wire 66 is attached by wire bonding and is thermally and mechanically operated during cold operation. The conductive pad 64 is also connected to the feedthrough port 60 via the conductive wire 68.
Is wire-bonded to a feedthrough pin 70 extending through the wire. In this way, the electrical signal generated by the detector 26 is sent to an external control electronic circuit (not shown),
As a result, the premature occurrence of fatigue failure of the detector is suppressed to a minimum.

【0020】 本発明によれば、急速冷却クライオスタット組立体10
は、内側クライオスタット100と外側クライオスタット1
02とを具備する二重ジュール−トムソン・クライオスタ
ット組立体である。内側クライオスタット100は外側ク
ライオスタット102の内部に同軸に配置され、外側クラ
イオスタット102は、更に、コールドフィンガーチュー
ブ42の内部に同軸に配置される。内側クライオスタット
100は、比較的低い熱伝導特性を有する材料で作られた
剛体構造部材からなる第1の延伸筒状マンドレル104を
具備する。低熱伝導度の材料の使用が第1のマンドレル
104の冷却速度を遅らせ、その結果、冷却すべき構成部
品を一層冷却するようになる。内側クライオスタット10
0は、半径方向に延びるフィン108を表面に備えて第1の
フィン付きチューブ組立体110を構成する管材106を更に
具備する。第1のフィン付きチューブ組立体110が第1
のマンドレル104の外周壁面112の周りに螺旋状に巻かれ
る。第1のフィン付きチューブ組立体110は高圧気体の
遠隔供給源(図示せず)と流体的に連通状態にあり、第
1の熱交換回路を画定する。第1の熱交換回路は高圧気
体を複数の端末吐出オリフィスに連続的に供給するよう
になっているが、その目的及び機能については以下に詳
細に規定する。第1のマンドレル104の冷端114は第1の
クライオスタットエンドキャップ116で密閉される。好
ましくは、第1のマンドレル104の冷端114は第1のクラ
イオスタットエンドキャップ116に接着され、第1の長
い気密チャンバー117を画定する。更に、第1のクライ
オスタットエンドキャップ116は、比較的大きな熱伝導
度を有する材料で作られる。
According to the present invention, a rapid cooling cryostat assembly 10
Is the inner cryostat 100 and the outer cryostat 1
02 with a double Joule-Thomson cryostat assembly. The inner cryostat 100 is coaxially arranged inside the outer cryostat 102, and the outer cryostat 102 is further coaxially arranged inside the cold finger tube 42. Inside cryostat
100 comprises a first elongated tubular mandrel 104 made of a rigid structural member made of a material having relatively low heat transfer properties. Use of low thermal conductivity material is the first mandrel
The cooling rate of 104 is slowed, resulting in more cooling of the component to be cooled. Inner cryostat 10
0 further comprises a tubing 106 having a radially extending fin 108 on its surface to form a first finned tube assembly 110. The first finned tube assembly 110 is the first
Is wound spirally around the outer peripheral wall surface 112 of the mandrel 104. The first finned tube assembly 110 is in fluid communication with a remote source of high pressure gas (not shown) and defines a first heat exchange circuit. The first heat exchange circuit is adapted to continuously supply high pressure gas to a plurality of terminal discharge orifices, the purpose and function of which are defined in detail below. The cold end 114 of the first mandrel 104 is sealed with a first cryostat end cap 116. Preferably, the cold end 114 of the first mandrel 104 is adhered to the first cryostat end cap 116 and defines a first long airtight chamber 117. Further, the first cryostat end cap 116 is made of a material having a relatively high thermal conductivity.

【0021】 外側クライオスタット102は、第2の延伸筒状マンド
レル118を具備し、マンドレル118の内側筒状壁面120は
第1のフィン付きチューブ組立体110のフィン108の半径
方向最外部に沿って接線方向で接触する程度の大きさを
有する。この場合も、第1のマンドレル104の説明にお
いて述べたのと同じ理由から、第2のマンドレル118は
低熱伝導度を有する材料で作られる。外側クライオスタ
ット102も、表面に半径方向に延びるフィン124を備えた
管材122を具備する。管材122は第2のマンドレル118の
外周壁面に螺旋状に巻かれ、第2のフィン付きチューブ
組立体126を構成する。コールドフィンガーチューブ42
にフィン124が直接接触しないように熱的に隔離するた
めに、第2のフィン付きチューブ組立体126の周りには
絶縁性の糸、例えばナイロン、が密に巻かれる。第2の
フィン付きチューブ組立体126は高圧気体の第2の遠隔
供給源(図示せず)と流体的に連通し、第2の熱交換回
路を画定する。第2のフィン付きチューブ組立体126は
複数の吐出オリフィスを有し、以下に詳述するように、
検知器26及びコールドシールド50からの熱吸収量を最大
にする目的を持つ。
The outer cryostat 102 comprises a second elongated cylindrical mandrel 118, the inner cylindrical wall 120 of which is tangential along the radially outermost of the fins 108 of the first finned tube assembly 110. It has a size that makes contact in the direction. Again, for the same reasons as described in the description of the first mandrel 104, the second mandrel 118 is made of a material having low thermal conductivity. The outer cryostat 102 also includes a tubing 122 with radially extending fins 124 on the surface. The tube material 122 is spirally wound around the outer peripheral wall surface of the second mandrel 118 to form a second finned tube assembly 126. Cold finger tube 42
An insulating thread, such as nylon, is tightly wound around the second finned tube assembly 126 to thermally isolate the fins 124 from direct contact. The second finned tube assembly 126 is in fluid communication with a second remote source of high pressure gas (not shown) and defines a second heat exchange circuit. The second finned tube assembly 126 has a plurality of discharge orifices and, as described in more detail below,
The purpose is to maximize the amount of heat absorbed from the detector 26 and the cold shield 50.

【0022】 外側クライオスタット102の冷端128には、第2のクラ
イオスタットエンドキャップ130が配設される。好まし
くは、第2のクライオスタットエンドキャップ130は、
比較的高い熱伝導度を有する材料で作られ、クライオス
タット組立体10の熱伝達特性を最大にする。第2のクラ
イオスタットエンドキャップ130用として選ばれる典型
的な材料は銅又はタングステンである。第2のマンドレ
ル118は第2のクライオスタットエンドキャップ130に密
封接合されて、第2の延伸気密チャンバー131を画定
し、その内部に内側クライオスタット100が作動可能に
配置される。好ましくは、第2のクライオスタットエン
ドキャップ130の前面132の一部分は熱伝導性接着剤によ
ってエンドキャップ34の下面40に接着接合される。この
ような熱伝導性接着剤の使用によって、熱エネルギーが
直接検知器26から焦点面台座32を通って急速冷却クライ
オスタット組立体10へ効率良く直接流れるようになり、
検知器26及びコールドシールド44を効率的に冷却する。
より詳細には、第2のクライオスタットエンドキャップ
130の前面132は段付き形状にされ中央の隆起部分を提供
し、その中央の隆起部分が焦点面台座32のエンドキャッ
プ34に接着接合される。第2のクライオスタットエンド
キャップ130の前面132の外周部分(中央隆起部分を取り
囲む部分)は、第2のクライオスタットエンドキャップ
130と焦点面台座のエンドキャップ34の第2の表面40と
の間の第1の環状空隙134を膨脹チャンバーの冷端46に
画定するように構成される。同様に、外側クライオスタ
ット102の冷端128には、第1のクライオスタットエンド
キャップ116の前面138と第2のクライオスタットエンド
キャプ130の背面139との間に第2の環状空隙136が画定
される。
At the cold end 128 of the outer cryostat 102, a second cryostat end cap 130 is provided. Preferably, the second cryostat end cap 130 is
Made of a material having a relatively high thermal conductivity to maximize the heat transfer characteristics of the cryostat assembly 10. Typical materials chosen for the second cryostat end cap 130 are copper or tungsten. The second mandrel 118 is sealingly joined to the second cryostat end cap 130 to define a second elongate hermetic chamber 131 within which the inner cryostat 100 is operably disposed. Preferably, a portion of the front surface 132 of the second cryostat end cap 130 is adhesively bonded to the lower surface 40 of the end cap 34 by a thermally conductive adhesive. The use of such a thermally conductive adhesive allows thermal energy to flow efficiently directly from the detector 26 through the focal plane pedestal 32 to the rapid cooling cryostat assembly 10,
The detector 26 and the cold shield 44 are efficiently cooled.
More specifically, the second cryostat end cap
The front face 132 of 130 is stepped to provide a central ridge, the central ridge being adhesively bonded to the end cap 34 of the focal plane pedestal 32. The outer peripheral portion (the portion surrounding the central raised portion) of the front surface 132 of the second cryostat end cap 130 is the second cryostat end cap.
A first annular cavity 134 between 130 and the second surface 40 of the focal plane pedestal end cap 34 is configured to define a cold end 46 of the expansion chamber. Similarly, at the cold end 128 of the outer cryostat 102, a second annular gap 136 is defined between the front surface 138 of the first cryostat end cap 116 and the back surface 139 of the second cryostat end cap 130.

【0023】 内側クライオスタット100の第1のフィン付きチュー
ブ組立体110は少なくとも1本の縦方向に向けられた吐
出オリフィス140で終わって、第2のクライオスタット
エンドキャップ130の中央隆起部分の背面139に向かって
内部を流れてきた高圧気体を放出する。このようにし
て、第2の環状空隙136内に放出された気体は、焦点面
台座32に直接接触した第2のクライオスタットエンドキ
ャップ130に向かって膨脹する。従って、内側クライオ
スタット100は焦点面台座32の直接冷却を行うようにな
っている。更に、内側クライオスタット100の第1のフ
ィン付きチューブ組立体110は、第1のマンドレル104の
外周壁に沿って且つ外側クライオスタット102の冷端128
に近接して配置された複数の半径方向に向けられた吐出
オリフィス142を具備する。このようにして、外側クラ
イオスタット102の冷端128を「予冷する」ために、半径
方向に向けられた吐出オリフィス142は第2のクライオ
スタットエンドキャップ130に指向される。吐出オリフ
ィス142は、該オリフィスから放出される気体の流出速
度によって比較的高い境膜係数を得ようとするものであ
る。
The first finned tube assembly 110 of the inner cryostat 100 terminates in at least one longitudinally oriented discharge orifice 140 and toward the back 139 of the central raised portion of the second cryostat end cap 130. To release the high-pressure gas flowing inside. In this manner, the gas released into the second annular gap 136 expands toward the second cryostat end cap 130 that is in direct contact with the focal plane pedestal 32. Accordingly, the inner cryostat 100 provides direct cooling of the focal plane pedestal 32. In addition, the first finned tube assembly 110 of the inner cryostat 100 extends along the outer peripheral wall of the first mandrel 104 and the cold end 128 of the outer cryostat 102.
A plurality of radially oriented discharge orifices 142 disposed in close proximity to the orifices. In this manner, the radially oriented discharge orifice 142 is directed toward the second cryostat end cap 130 to “pre-cool” the cold end 128 of the outer cryostat 102. The discharge orifice 142 seeks to obtain a relatively high film coefficient by the outflow velocity of the gas discharged from the orifice.

【0024】 外側クライオスタット102の第2のフィン付きチュー
ブ組立体126は、第2のクライオスタットエンドキャッ
プ130の中央隆起部分を全体として取り囲む複数の縦方
向に向けられた吐出オリフィス144で終わる。吐出オリ
フィス144は第1の環状空隙134内に設けられて焦点面台
座32を直接冷却する。更に、第2のフィン付きチューブ
組立体126は、第2のマンドレル118外周面を取り囲み且
つコールドフィンガーチューブ42の冷端46に近接して配
置された複数の半径方向に向けられた吐出オリフィス14
6を具備する。更に詳しくは、半径方向に向けられた吐
出オリフィス146は離れて取り付けられた円錐支持部材5
6に近接して配置されかつその円錐支持部材56を直接冷
却するようになっていて、コールドシールド50を伝導冷
却する。吐出オリフィス146から噴出する高圧気体の高
流出速度が高い境膜係数をもたらし、円錐支持部材56を
介したコールドシールド50からの熱伝達を最大にする。
このようにして、円錐支持部材56に向かって半径方向に
向けられたオリフィス146を指向することによってコー
ルドシールド50の急速冷却が達成される。
The second finned tube assembly 126 of the outer cryostat 102 terminates in a plurality of longitudinally directed discharge orifices 144 that generally surround the central raised portion of the second cryostat end cap 130. A discharge orifice 144 is provided within the first annular gap 134 to directly cool the focal plane pedestal 32. In addition, a second finned tube assembly 126 surrounds the outer periphery of the second mandrel 118 and is disposed adjacent the cold end 46 of the cold finger tube 42 with a plurality of radially directed discharge orifices 14.
6 is provided. More specifically, the radially oriented discharge orifice 146 is a remotely mounted conical support member 5.
6 and is adapted to directly cool its conical support member 56 to conduct cooling of the cold shield 50. The high outflow velocity of the high pressure gas ejected from the discharge orifice 146 provides a high film coefficient and maximizes heat transfer from the cold shield 50 via the conical support member 56.
In this way, rapid cooling of the cold shield 50 is achieved by directing the orifices 146 radially directed toward the conical support member 56.

【0025】 明らかに、検知器26を冷却するために、第1及び第2
の熱交換回路の両方が焦点面台座32に向けて高圧気体を
放出する。スペーサーキャップ部材150及びリング152は
急速冷却クライオスタット組立体10の温端42と連係し
て、内側クライオスタット100と外側クライオスタット1
02との間の、及び環状空隙134及び136の相対位置を規定
し維持する。図示のように、吸収性材料、例えばフェル
ト160、が環状空隙134及び136内に充填される。フェル
ト160は、気体の膨脹の結果、それぞれのクライオスタ
ットエンドキャップ116及び130並びに台座のエンドキャ
ップ34付近に生ずる液体の低温流体(クライオゲン)を
保留し、フェルト160内で液体の低温流体が気化するこ
とによって比較的安定な冷却環境を生ずるようにする。
フェルト160の使用は温度の変動範囲を狭め、従って、
検知器26の温度変化率を小さくする。更に、フェルト16
0の使用は、強い冷却能力を最も必要とする検知器26及
び焦点面台座32に近接して液体の低温流体を保留するこ
とによって、冷却すべき領域での蒸気圧の低減をもたら
す。こうして、強い低温冷却能力を必要とする場所に高
圧気体が導かれて膨脹する。このようにして、膨脹チャ
ンバー内で最も効率的に冷却されるべき構造的位置で放
出される高圧気体によって、比較的大面積にわたる急速
低温冷却が実現される。低温流体は有用な冷却を行う領
域を通過した後、管材106及び122の内部の流入する高圧
気体と逆流熱交換関係にある内側及び外側のクライオス
タットのそれぞれのフィン108及び124を通って後退す
る。
Obviously, to cool the detector 26, the first and second
Both heat exchange circuits emit high-pressure gas toward the focal plane pedestal 32. The spacer cap member 150 and the ring 152 cooperate with the warm end 42 of the rapid cooling cryostat assembly 10 to form the inner cryostat 100 and the outer cryostat 1.
02 and relative positions of the annular gaps 134 and 136 are defined and maintained. As shown, an absorbent material, such as felt 160, fills the annular voids 134 and 136. The felt 160 retains liquid cryogenic fluid (cryogen) generated near the respective cryostat end caps 116 and 130 and the pedestal end cap 34 as a result of gas expansion, and the liquid cryogenic fluid evaporates within the felt 160. To provide a relatively stable cooling environment.
The use of felt 160 narrows the range of temperature fluctuations and therefore
The temperature change rate of the detector 26 is reduced. In addition, felt 16
The use of zero results in a reduction in vapor pressure in the area to be cooled by retaining the liquid cryogenic fluid in proximity to the detector 26 and focal plane pedestal 32 that require the most cooling capacity. In this way, the high-pressure gas is guided to a place requiring a strong low-temperature cooling capacity and expanded. In this way, rapid cryogenic cooling over a relatively large area is achieved by the high pressure gas released at the structural location to be cooled most efficiently in the expansion chamber. After passing through the area providing useful cooling, the cryogenic fluid retreats through the fins 108 and 124 of the inner and outer cryostats, respectively, in countercurrent heat exchange with the incoming high pressure gas inside the tubing 106 and 122.

【0026】 本発明は、慣用のクライオスタット組立体よりも実質
的に短い冷却時間で高ジュール負荷検知器及びデュアー
組立体を所望の温度に冷却するために、二重ジュール−
トムソン急速冷却クライオスタット組立体10を使用す
る。こうして、焦点面台座32及び検知器26の一層効率的
な低温冷却が起こる。その上、外側クライオスタット10
2の端末オリフィスから噴出する気体の高流出速度が比
較的高い境膜係数をもたらして支持部材56を直接冷却す
るから、コールドシールド50は従来知られていたものよ
りもずっと急速に冷却する。
The present invention provides a dual joule load for cooling a high joule load detector and dewar assembly to a desired temperature with substantially less cooling time than conventional cryostat assemblies.
A Thomson rapid cooling cryostat assembly 10 is used. Thus, more efficient cold cooling of the focal plane pedestal 32 and the detector 26 occurs. In addition, the outer cryostat 10
The cold shield 50 cools much more rapidly than previously known because the high outflow velocity of the gas emanating from the second terminal orifice results in a relatively high film coefficient to directly cool the support member 56.

【0027】 別の実施例としては、外側クライオスタット102の第
2のクライオスタットエンドキャップ130を改修して、
エンドキャップ34の第2の表面42を通って延びる開口を
設けることが考えられる。こうすれば、第2の環状空隙
136内における内側クライオスタット100によってもたら
される低温冷却が焦点面台座32に直接熱伝達される。
In another embodiment, the second cryostat end cap 130 of the outer cryostat 102 is modified
It is conceivable to provide an opening extending through the second surface 42 of the end cap 34. In this case, the second annular gap
The low temperature cooling provided by the inner cryostat 100 in 136 is directly transferred to the focal plane pedestal 32.

【0028】 本発明の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲を理解
すれば、本発明の使用によって別の利点が得られるこ
と、及び本発明の真の趣旨から逸脱することなく改修が
可能であることは当業界の技術者には明らかである。 図面の簡単な説明
With the understanding of the detailed description, drawings and claims of the present invention, it is possible to obtain other advantages by using the present invention, and to make modifications without departing from the true spirit of the present invention. Something is obvious to those skilled in the art. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

【図1】 種々の構成部品の作動の関連性を示す性能向上急速冷却
クライオスタットを具備した赤外線シーカ組立体縦断面
図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an infrared seeker assembly with an enhanced performance rapid cooling cryostat showing the relevance of the operation of various components.

【図2】 図1の性能向上クライオスタット組立体の冷端の拡大図
である。
FIG. 2 is an enlarged view of a cold end of the performance improving cryostat assembly of FIG. 1;

【図3】 構成部品の電気的接続を示すためにデュアーハウジング
及びコールドシールドを取り去った図1の平面図であ
る。
FIG. 3 is a plan view of FIG. 1 with the dewar housing and cold shield removed to show the electrical connection of the components.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10……急速冷却クライオスタット組立体 12……検知器組立体、14……穴 16……取付けフランジ、18……デュアーハウジング 20……中央開口、22……赤外窓材 24……ゲッター、25……内部空洞 26……検知器デバイス、30……集積回路読出しボード 32……焦点面台座、34……エンドキャップ 36……取付板、42……コールドフィンガーチューブ 50……コールドシールド、54……開口 56……オフマウント円錐支持部材 10 Rapid cooling cryostat assembly 12 Detector assembly 14 Hole 16 Mounting flange 18 Deer housing 20 Central opening 22 Infrared window material 24 Getter 25 … Internal cavity 26 Detector device 30 Integrated circuit readout board 32 Focal plane pedestal 34 End cap 36 Mounting plate 42 Cold finger tube 50 Cold shield 54 … Opening 56 …… Off-mount conical support member

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−180691(JP,A) 特開 平2−236125(JP,A) 実開 平2−148427(JP,U) 実開 平2−107041(JP,U) 実開 平2−107040(JP,U) 米国特許4954708(US,A) 米国特許4918312(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 1/02 G01J 5/02 G01J 5/48 G01V 9/04 Continuation of the front page (56) References JP-A-5-180691 (JP, A) JP-A-2-236125 (JP, A) JP-A-2-148427 (JP, U) JP-A-2-107041 (JP) U.S. Pat. No. 2,107,040 (JP, U) U.S. Pat. No. 4,954,708 (US, A) U.S. Pat. No. 4,918,312 (US, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01J 5/02 G01J 5/48 G01V 9/04

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】焦点面台座に支持された検知器及びコール
ドシールドを同時に冷却するための真空デュアーを備
え、前記焦点面が検知器組立体内で膨脹チャンバーを画
定するためのコールドフィンガーチューブの冷端部分と
熱的に連通する形式の前記検知器組立体に使用されるク
ライオスタット装置であって、 第1の筒状マンドレルと前記第1のマンドレルを閉包す
るように形成された第1のエンドキャップとを有し、前
記コールドフィンガーチューブの軸方向に配列される外
側クライオスタットと、 前記第1のマンドレルの外周壁の周囲に巻かれていて、
前記焦点面台座に隣接しかつ前記コールドフィンガーチ
ューブの前記冷端に近接して配置された第1の領域を冷
却するための加圧された低温流体を供給する第1の供給
管と、 前記第1の領域内で前記加圧された低温流体を放出して
前記焦点面台座及び検知器を冷却するために前記第1の
供給管と協同する第1のオリフィス手段と、 前記加圧された低温流体を放出して前記コールドシール
ドを冷却するために前記第1の供給管と協同する第2の
オリフィス手段と、 第2の筒状マンドレルと前記第2のマンドレルを閉包す
るように形成された第2のエンドキャップとを有し、前
記第2のエンドキャップが前記第1のエンドキャップか
ら変位されて第2の冷却される領域を画定する、前記第
1のマンドレル内で軸方向に配列された内側クライオス
タットと、 前記第2のマンドレルの外周壁の周囲に巻かれていて、
前記第2の冷却される領域に加圧された低温流体を供給
する第2の供給管と、 前記第2の領域内で前記加圧された低温流体を放出して
前記焦点面台座及び前記検知器を冷却するために前記第
2の供給管と協同する第3のオリフィス手段と、 前記加圧された低温流体を放出して前記外側クライオス
タットを冷却するために前記第2の供給管と協同する第
4のオリフィス手段と、 を具備することを特徴とするクライオスタット装置。
The cold end of a cold finger tube for providing a vacuum dewar for simultaneously cooling a detector and a cold shield supported on a focal plane pedestal, said focal plane defining an expansion chamber within the detector assembly. A cryostat device for use in the detector assembly of the type that is in thermal communication with a portion, comprising: a first tubular mandrel and a first end cap formed to enclose the first mandrel. An outer cryostat arranged in the axial direction of the cold finger tube, and wound around an outer peripheral wall of the first mandrel,
A first supply pipe for supplying a pressurized cryogenic fluid for cooling a first region located adjacent to the focal plane pedestal and proximate to the cold end of the cold finger tube; First orifice means cooperating with the first supply pipe to discharge the pressurized cryogen in one area to cool the focal plane pedestal and detector; and A second orifice means cooperating with the first supply pipe to release fluid and cool the cold shield; a second orifice formed to enclose the second cylindrical mandrel and the second mandrel. Two end caps, the second end caps being displaced from the first end caps and defining a second cooled region, axially arranged within the first mandrel. Inside cryos And Tsu DOO, be wound around the outer peripheral wall of said second mandrel,
A second supply pipe for supplying a pressurized low-temperature fluid to the second cooled area; releasing the pressurized low-temperature fluid in the second area to release the focal plane pedestal and the detection; Third orifice means cooperating with the second supply pipe to cool the vessel, and cooperating with the second supply pipe to discharge the pressurized cryogen and cool the outer cryostat. And a fourth orifice means.
【請求項2】コールドフィンガーチューブの冷端とコー
ルドシールドとの間に固定された支持部材を更に具備
し、前記支持部材が比較的高い熱伝導率の材料で製作さ
れかつ前記コールドシールドに近接して配置されて、前
記クライオスタット装置と前記コールドシールドとの間
に比較的良好な熱伝導経路を形成する請求項1記載のク
ライオスタット装置。
2. The apparatus of claim 2, further comprising a support member fixed between the cold end of the cold finger tube and the cold shield, wherein the support member is made of a material having a relatively high thermal conductivity and is close to the cold shield. The cryostat device according to claim 1, wherein the cryostat device is disposed so as to form a relatively good heat conduction path between the cryostat device and the cold shield.
【請求項3】前記第1及び第2のマンドレルが比較的低
い熱伝導率の材料で作られ、かつ前記第1及び第2のエ
ンドキャップが比較的高い熱伝導率の材料で作られる請
求項1記載のクライオスタット装置。
3. The first and second mandrels are made of a relatively low thermal conductivity material, and the first and second end caps are made of a relatively high thermal conductivity material. The cryostat device according to 1.
【請求項4】請求項2記載のクライオスタット装置であ
って、前記第1の供給管がその表面に第1のフィンを有
し、コールドフィンガー冷端及び前記第1の領域から流
れ去る低温流体が前記第1のフィンを覆って通過して前
記第1の供給管内を前記第1及び第2のオリフィス手段
に向けて流れる前記加圧された低温流体を冷却し、更
に、前記第2の供給管がその表面に第2のフィンを有
し、前記第2の領域内の前記第1のエンドキャップから
流れ去る低温流体が前記第2のフィンを覆って通過して
前記第2の供給管内を前記第3及び第4のオリフィス手
段に向かって流れる前記加圧された低温流体を冷却する
クライオスタット装置。
4. The cryostat device according to claim 2, wherein the first supply pipe has a first fin on a surface thereof, and the cold fluid flowing from the cold finger cold end and the first area is supplied to the first supply pipe. Cooling the pressurized cryogenic fluid that passes over the first fin and flows through the first supply tube toward the first and second orifice means; Has a second fin on a surface thereof, and a cryogen flowing from the first end cap in the second area passes over the second fin and passes through the second supply pipe. A cryostat device for cooling the pressurized cryogenic fluid flowing toward third and fourth orifice means.
【請求項5】前記第1及び第2の冷却される領域がそれ
ぞれ第1及び第2の環状空隙を形成し、前記第1及び第
2の環状空隙がその内部に充填された吸収性材料を有
し、前記吸収性材料が比較的低い熱容量を有していて前
記加圧された低温流体の前記第1及び第2の環状空隙で
の膨脹中において比較的一定な冷却を助長する請求項4
記載のクライオスタット装置。
5. The first and second cooled regions form first and second annular gaps, respectively, and the first and second annular gaps contain an absorbent material filled therein. 5. The method of claim 4, wherein the absorbent material has a relatively low heat capacity to facilitate relatively constant cooling during expansion of the pressurized cryogenic fluid in the first and second annular voids.
The cryostat device as described.
【請求項6】前記第1のオリフィス手段が前記第1の供
給管を通って延びる第1の吐出オリフィスを具備し、そ
の第1の吐出オリフィスが前記焦点面台座を直接冷却し
て前記検知器から熱を吸収するように加圧された低温流
体を前記第1の環状空隙内に排出するように向けられて
いる請求項5記載のクライオスタット装置。
6. The first orifice means includes a first discharge orifice extending through the first supply tube, the first discharge orifice directly cooling the focal plane pedestal and providing the detector with the first orifice. The cryostat device of claim 5, wherein the cryostat device is directed to discharge a cryogenic fluid pressurized to absorb heat from the first annular cavity.
【請求項7】前記第2のオリフィス手段が、前記支持部
材を直接冷却するために、前記第1のマンドレルの周縁
に沿って配置される前記第1の供給管を通って延びる第
2の吐出オリフィスを具備して、前記コールドシールド
を所望の極低温まで冷却するに要する冷却時間を低減さ
せる請求項6記載のクライオスタット装置。
7. A second discharge means extending through said first supply tube disposed along a periphery of said first mandrel for directly cooling said support member. 7. The cryostat device according to claim 6, further comprising an orifice to reduce a cooling time required to cool the cold shield to a desired cryogenic temperature.
【請求項8】前記第3のオリフィス手段が前記第2の供
給管を通って延びる第3の吐出オリフィスを具備し、前
記第3の吐出オリフィスが前記第1のエンドキャップを
冷却するために、加圧された低温流体を前記第2の環状
空隙内に放出するように向けられ、前記第1のエンドキ
ャップの一部分が焦点面台座に接触するように形成され
て、前記第3のオリフィスが焦点面台座を直接冷却し
て、前記検知器から熱を吸収する請求項7記載のクライ
オスタット装置。
8. The third orifice means includes a third discharge orifice extending through the second supply pipe, the third discharge orifice cooling the first end cap. The third orifice is configured to direct pressurized cryogenic fluid into the second annular cavity, wherein a portion of the first end cap is configured to contact a focal plane pedestal. The cryostat device according to claim 7, wherein the surface pedestal is directly cooled to absorb heat from the detector.
【請求項9】前記第4のオリフィス手段が、前記第2の
マンドレルの周縁に沿って配置される前記第2の供給管
を通って延びかつ前記外側クライオスタットを予備冷却
するように向けられた第4の吐出オリフィスを具備する
請求項8記載のクライオスタット装置。
9. The fourth orifice means extends through the second supply tube located along the periphery of the second mandrel and is directed to pre-cool the outer cryostat. 9. The cryostat according to claim 8, further comprising a discharge orifice.
【請求項10】前記検知器を少なくとも約80゜Kに、及
び前記コールドシールドを少なくとも約200゜Kに、約10
秒以内の時間で同時に冷却するように作動する請求項9
記載のクライオスタット装置。
10. The method according to claim 10, wherein said detector is at least about 80 K and said cold shield is at least about 200 K.
10. Operate to cool at the same time in less than seconds.
The cryostat device as described.
【請求項11】真空空洞を構成するデュアーハウジング
と、 前記真空空洞内の焦点面台座と、 前記焦点面台座の第1の面に取り付けられた検知器と、 前記検知器を同心的に取り囲み、かつ前記焦点面台座の
前記第1の面に取り付けられたコールドシールドと、 前記焦点面台座の第2の面に気密シールされていて冷端
を限定する終端を有し、前記冷端が前記焦点面座と熱的
に連通するコールドフィンガーチューブと、 前記冷端と前記コールドシールドとの間に比較的高い熱
伝導路を形成するための熱伝導性の支持部材と、 前記検知器と前記コールドシールドとをそれぞれの低温
温度まで予め定められた時間内に同時に冷却するための
冷却手段であって、前記冷却手段が前記コールドフィン
ガーに同心的に配置された内側クライオスタットと外側
クライオスタットとを有する冷却手段とを備え、 前記内側クライオスタットが、前記コールドフィンガー
チューブの前記冷端へ加圧された低温流体を給送するた
めの第1の供給手段と、前記加圧された低温流体を放出
するように向けられた第1のオリフィス手段とを具備
し、前記焦点面台座及び前記検知器を冷却すると同時に
前記外側クライオスタットを予備冷却し、 前記外側クライオスタットが、前記コールドフィンガー
チューブの前記冷端へ加圧された低温流体を給送するた
めの第2の供給手段と、前記加圧された低温流体を放出
するように向けられた第2のオリフィス手段とを具備
し、前記焦点面台座及び前記検知器を冷却すると同時に
前記コールドシールドを冷却することを特徴とする検知
器組立体。
11. A dewar housing defining a vacuum cavity, a focal plane pedestal in the vacuum cavity, a detector mounted on a first surface of the focal plane pedestal, concentrically surrounding the detector, And a cold shield attached to the first surface of the focal plane pedestal; and an end hermetically sealed to a second surface of the focal plane pedestal to define a cold end, wherein the cold end is the focal point. A cold finger tube in thermal communication with the seat, a thermally conductive support member for forming a relatively high heat conduction path between the cold end and the cold shield, the detector and the cold shield And cooling means for simultaneously cooling to a respective low temperature within a predetermined time, wherein the cooling means comprises an inner cryostat concentrically arranged on the cold finger. Cooling means having a side cryostat, wherein the inner cryostat is provided with first supply means for feeding a pressurized cryogen to the cold end of the cold finger tube; and First orifice means oriented to discharge a fluid, and pre-cooling the outer cryostat while cooling the focal plane pedestal and the detector, wherein the outer cryostat is mounted on the cold finger tube. A second supply means for delivering a pressurized cryogen to a cold end; and a second orifice means oriented to discharge the pressurized cryogen, the focal plane A detector assembly for cooling the cold shield simultaneously with cooling the pedestal and the detector.
【請求項12】前記熱伝導性の支持部材が前記コールド
フィンガーチューブの外側表面と前記焦点面台座の前記
第2の面との間に固定され、前記支持部材が前記コール
ドシールドに近接して配置される請求項11記載の検知器
組立体。
12. The heat conductive support member is fixed between an outer surface of the cold finger tube and the second surface of the focal plane pedestal, and the support member is disposed proximate to the cold shield. 12. The detector assembly according to claim 11, wherein
【請求項13】検知器組立体の真空デュアー内におい
て、コールドフィンガーチューブに熱伝導的に結合され
た焦点面台座にいずれも取り付けられた電磁波検知器及
びコールドシールドを同時に冷却する方法であって、 加圧された低温流体の第1の供給源に連通する内側クラ
イオスタットと、加圧された低温流体の第2の供給源に
連通する外側クライオスタットとを具備し、内側及び外
側クライオスタットが前記コールドフィンガー内に同心
的に配置された二重ジュール−トムソン・クライオスタ
ット組立体を前記コールドフィンガーチューブ内に挿入
することと、 相互の比較的高い熱伝導性連通を付与するために支持部
材を前記コールドフィンガーチューブに近接して配置し
て前記コールドフィンガーチューブと前記焦点面台座と
の間に前記支持部材を固定することと、 内部に支持された前記検知器を冷却するために前記第2
の供給源からの加圧された低温流体を前記焦点面台座に
向けて放出することと、 前記コールドシールドを冷却するために前記第2の供給
源からの加圧された低温流体を前記支持部材に向けて放
出することと、 前記検知器支持具を冷却するために前記第1の供給源か
らの加圧された低温流体を前記焦点面台座に向けて放出
することと、 前記外側クライオスタットを予備冷却するために前記第
1の供給源からの加圧された低温流体を前記焦点面台座
に向けて放出することと、 を含むことを特徴とする検知器組立体を冷却する方法。
13. A method for simultaneously cooling an electromagnetic wave detector and a cold shield both mounted on a focal plane pedestal thermally conductively coupled to a cold finger tube in a vacuum dewar of the detector assembly, An inner cryostat in communication with a first source of pressurized cryogen and an outer cryostat in communication with a second source of pressurized cryogen, wherein the inner and outer cryostats are within the cold finger. Inserting a double Joule-Thomson cryostat assembly concentrically disposed within said cold finger tube; and providing a support member to said cold finger tube to provide relatively high thermal conductivity communication between each other. Closely arranged between the cold finger tube and the focal plane pedestal And securing the serial support member, the second in order to cool the detector supported within
Discharging a pressurized cryogen from the source to the focal plane pedestal; and pressing the pressurized cryogen from the second source to cool the cold shield to the support member. Discharging a pressurized cryogenic fluid from the first source toward the focal plane pedestal to cool the detector support; and preparatory to the outer cryostat. Discharging a pressurized cryogenic fluid from the first source toward the focal plane pedestal for cooling.
【請求項14】前記内側クライオスタットが、第1の筒
状マンドレルと、前記コールドフィンガーチューブの冷
端に近接して配置された前記第1のマンドレルの端末を
閉包する第1のエンドキャップ部材とを具備し、前記冷
端が前記焦点面台座と熱的に連通し、前記第1のマンド
レルが比較的低い熱伝導度の材料で作られ、かつ前記第
1のエンドキャップが比較的高い熱伝導度の材料で作ら
れる請求項13記載の検知器組立体を冷却する方法。
14. The inner cryostat includes a first cylindrical mandrel and a first end cap member that closes a terminal of the first mandrel disposed near a cold end of the cold finger tube. Wherein the cold end is in thermal communication with the focal plane pedestal, the first mandrel is made of a material having a relatively low thermal conductivity, and the first end cap has a relatively high thermal conductivity. 14. The method of cooling a detector assembly according to claim 13, wherein the detector assembly is made of the following materials.
【請求項15】前記外側クライオスタットが、第2の筒
状マンドレルと、前記コールドフィンガーチューブの冷
端に近接して配置された前記第2のマンドレルの端末を
閉包する第2のエンドキャップ部材とを具備し、前記冷
端が前記焦点面台座と熱的に連通し、前記第2のマンド
レルが比較的低い熱伝導度の材料で作られ、前記第1の
エンドキャップが比較的高い熱伝導度の材料で作られ、
かつ前記第2エンドキャップが前記焦点面台座に接触す
る部分を有するように形成された請求項14記載の検知器
組立体を冷却する方法。
15. The outer cryostat includes a second cylindrical mandrel and a second end cap member that closes a terminal of the second mandrel disposed near a cold end of the cold finger tube. Wherein the cold end is in thermal communication with the focal plane pedestal, the second mandrel is made of a material having a relatively low thermal conductivity, and the first end cap has a relatively high thermal conductivity. Made of material,
15. The method of cooling a detector assembly according to claim 14, wherein said second end cap is formed to have a portion that contacts said focal plane pedestal.
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