KR20160130294A - 냉각 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
냉각 검출 디바이스
적외 방사선을 검출하기 위한 디바이스는 적어도 하나의 광검출기를 구비한 적외 방사선을 검출하기 위한 회로 (1) 를 포함한다. 판독 회로 (2) 는 검출 회로 (1) 에 전기적으로 연결되고 검출 회로 (1) 에 의해 방출되는 신호를 프로세싱하도록 구성된다. 주울-톰슨 냉각기는 검출 회로 (1) 및 판독 회로 (2) 에 열적으로 그리고 기계적으로 연결된 냉각 테이블 (3) 을 냉각시킨다. 냉각 테이블 (3) 은 가스 혼합물이 공급되는 내부 공동 (7) 을 포함한다. 가스 혼합물을 확장시키기 위한 오리피스 (5) 가 내부 공동 (7) 의 입구에 배치된다. 압축기 (6) 의 출구는 확장 오리피스 (5) 에 가스 혼합물을 공급한다. 압축기 (6) 의 입구는 내부 공동 (7) 의 출구로부터 나오는 확장된 가스 혼합물을 수신한다.
적외 방사선을 검출하기 위한 디바이스는 적어도 하나의 광검출기를 구비한 적외 방사선을 검출하기 위한 회로 (1) 를 포함한다. 판독 회로 (2) 는 검출 회로 (1) 에 전기적으로 연결되고 검출 회로 (1) 에 의해 방출되는 신호를 프로세싱하도록 구성된다. 주울-톰슨 냉각기는 검출 회로 (1) 및 판독 회로 (2) 에 열적으로 그리고 기계적으로 연결된 냉각 테이블 (3) 을 냉각시킨다. 냉각 테이블 (3) 은 가스 혼합물이 공급되는 내부 공동 (7) 을 포함한다. 가스 혼합물을 확장시키기 위한 오리피스 (5) 가 내부 공동 (7) 의 입구에 배치된다. 압축기 (6) 의 출구는 확장 오리피스 (5) 에 가스 혼합물을 공급한다. 압축기 (6) 의 입구는 내부 공동 (7) 의 출구로부터 나오는 확장된 가스 혼합물을 수신한다.
Description
본 발명은 냉각 검출 디바이스에 관한 것이다.
검출 디바이스들의 분야에서는, 판독 회로와 연관된 광검출기가 흔하다. 광검출기는 관측된 장면을 나타내는 신호를 제공하고, 이러한 신호는 판독 회로에 의해 프로세싱된다.
광검출기의 바이어싱은 광검출기의 제 1 단자에 제공되는 기판 전위에 의해 그리고 광검출기의 제 2 단자에 제공되는 기준 전위에 의해 획득된다. 기준 전위는, 예를 들어, 정전용량 트랜스임피던스 증폭기 타입의 판독 디바이스에 의해 제공된다.
의미 있는 검출 성능을 획득하기 위해, 예를 들어, 수은 (Mercury), 카드뮴 (Cadnium), 텔루륨 (Tellurium) 에 기반한 특정 기판들을 이용하고 이를 낮은 온도에서 동작시키는 것이 바람직하다. 낮은 온도의 이용은 광 신호의 전기 신호로의 변환 중에 표류 전기 간섭을 제한하는 것을 가능하게 한다.
종래에, 검출 회로는 열기의 배기를 수행하는 냉각 디바이스에 열적으로 커플링되어 있다. 그러나, 이러한 설계는 구현하기 어렵고, 디바이스의 최종 성능이 이론적 관점에서 예상되는 것보다 덜하다. 현재 이용되는 측정된 냉각기들의 효율은 대략 8% 내지 10% 이며, 이는 검출 디바이스를 적절히 냉각하기 위해 상당한 양의 에너지를 이용할 필요가 있게 한다.
더 적은 에너지를 소비하는 냉각 검출 디바이스를 제공할 필요가 있다.
이러한 요구사항은:
- 적어도 하나의 광검출기가 제공되는 적외 방사선에 대한 검출 회로,
- 검출 회로에 전기적으로 연결되고 검출 회로로부터 방출된 전기 신호를 프로세싱하도록 구성된 판독 회로,
- 주울-톰슨 (Joule-Thomson) 냉각기로서,
를 포함하는 디바이스에 의해 충족되는 경향이 있다.
다른 이점들 및 피쳐들은 비제한적인 예들로서 주어지고 첨부된 도면들에서 나타내어진 본 발명의 특정 실시형태들의 다음의 설명에서 보다 자명해질 것이며, 여기서 도 1 은 전자기 방사선 검출 디바이스의 단면을 개략적으로 도시한다.
검출 디바이스는 검출 회로 (1) 및 판독 회로 (2) 를 포함한다. 판독 회로 (2) 및 검출부 (1) 는 판독 회로 (2) 가 검출 회로 (1) 에 의해 출력되는 정보를 프로세싱하는 방식으로 전기적으로 연결된다.
후자와 결합될 수도 있는 특정 실시형태에서, 향상된 검출 특성들 및 판독 회로 (2) 의 향상된 성능을 획득하기 위해, 검출 회로 (1) 는 제 1 반도체 기판 상에 형성되고 판독 회로 (2) 는 제 2 반도체 기판 상에 형성된다. 2 개의 기판들은 상이한 재료들로 형성되고 바람직하게는 하이브리드 컴포넌트를 형성하도록 하이브리딩된다. 이러한 특정 구성은 간편한 시스템이 획득되는 것을 가능하게 한다. 2 개의 기판들의 하이브리드화는 2 개의 기판들 사이에 배열되는 전기 전도성 재료의 하나 이상의 비드 (bead) 들에 의해 우선적으로 이행된다. 2 개의 기판들은 용융 비드들에 의해 서로 기계적으로 붙게 된다.
검출 회로 (1) 는 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 적어도 하나의 광검출기를 포함한다. 검출 회로는 적어도 하나의 광검출기에 의해 미리 결정된 파장 범위에서 전자기 방사선에 감응하도록 구성된다. 바람직하게는, 검출 회로는 복수의 광검출기들을 포함한다.
예를 들어, 광검출기는 광다이오드, 양자 샘 (quantum well), 또는 다수의 양자 디바이스이다. 바람직한 실시형태에서, 광검출기는 적외선 필드에서의 검출을 수행한다. 예를 들어, 검출 회로 기판은, 예를 들어, HgCdTe 에 기반하는 기판 II-VI 이고 판독 회로의 기판은 실리콘 기반 기판이다. 유리하게, 광검출기는 범위 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 내의 방사선을 검출하도록 구성된다.
검출 디바이스는 "냉각" 디바이스인데, 다시 말해, 이는 주위 온도에서 동작하는 디바이스와 비교하여 향상된 기술적 특성들을 전달하기 위해 주위 온도보다 낮은 온도에서 동작하고자 한다. 유리하게, 검출 디바이스는 범위 77k 내지 200K 내에서, 좀더 유리하게는 120k 와 200K 사이에서 작동하고자 한다. 예를 들어, HgCdTe 재료에 기반한 N 기판에서의 P-타입 광다이오드는 약 120K 에서 작동할 수 있다. GaSb/AlSbAs/InAsSb 의 합금들로 실현되는 " XBn " 타입 광검출기를 이용하는 것이 또한 가능하다.
냉각 디바이스를 획득하기 위해, 검출 회로 (1) 는 방출되는 칼로리들을 캡쳐하여 검출 회로 (1) 를 냉각시킬 냉각 소스 (4) 에 열적으로 연결된다.
바람직한 실시형태에서, 냉각 소스 (4) 는 낮은 온도로 어셈블리를 동작하게 하도록 검출 회로 (1) 에, 그리고 바람직하게는 판독 회로 (2) 에 연결된다. 이전의 실시형태들과 결합될 수 있는 특정 실시형태에서, 냉각 소스 (4) 는 냉각 테이블 (3) 을 통해서 검출 회로 (1) 에 연결된다. 검출 회로 (1) 및 판독 회로 (2) 는 냉각 테이블 (3) 에 기계적으로 연결된다. 검출 회로 (1) 는 판독 회로 (2) 를 통해서 냉각 테이블 (3) 에 고정된다.
도 1 에 도시된 특정 실시형태에서, 냉각 소스 (4) 는 판독 회로 (2) 를 통해서 그리고 냉각 테이블 (3) 을 통해서 검출 회로 (1) 에 열적으로 연결된다.
냉각 소스 (4) 는 주울-톰슨 냉각기이고 좀더 특히 폐쇄된 루프에서의 주울-톰슨 냉각기이다.
주울-톰슨 냉각기는 주울-톰슨 릴렉세이션 (relaxation) 을 이용하고 냉각기에 존재하는 순수한 가스 또는 가스 혼합물의 층류 및 고정 릴렉세이션을 수행한다. 이러한 릴렉세이션은 릴리프 포트 (5) 를 통해서 가스 흐름을 지나가게 함으로써 달성된다. 릴렉세이션은 정엔탈피 (isenthalpic) 릴렉세이션을 획득하기 위해 단열된 환경에서 달성된다. 노즐이라고도 불리는 릴리프 포트 (5) 를 통해서 지나가게 되는 경우, 압력의 변화가 있다.
주울-톰슨 릴렉세이션 중에, 가스의 온도에서의 변동, 특히 액화점까지 후자의 온도에서의 감소에 의해 가스의 팽창이 수반된다.
검출 디바이스의 냉각을 달성하기 위해 스털링 (Stirling) 타입 기계를 이용하는 선행 기술에 따른 디바이스와 비교하여, 폐쇄된 루프에서 주울-톰슨 냉각기의 이용은 냉각 모듈의 에너지 소비를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
예로서, 순수한 질소를 이용하는 주울-톰슨 냉각기는 질소의 액화 온도, 즉, 77K 에서 작동할 수 있다. 이용되는 가스가 아르곤이면, 냉각기의 작동 온도는 82K 와 같다. 작동 온도는 고체상과 액체상 사이의 최소 평형 온도에 대응한다.
순수한 가스를 가스들의 혼합물로 대체함으로써, 저압 회로와 고압 회로 사이에서 압력기에 의해 생성되는 압력 구배를 감소시키는 것이 가능하다. 유리하게, 혼합물은 또한 검출 시스템의 요구들에 적합한 작동 온도에서 주울-톰슨 냉각기를 동작시키도록 선택된다.
특히 유리하게, 이용되는 가스 혼합물은 쿨러가 낮은 압력 구배로, 통상적으로 15 bar 또는 15.105Pa 이하인, 압축기의 업스트림 부분들과 다운스트림 부분들 사이의 압력 구배로 작동하는 것을 가능하게 한다.
예를 들어, 120K 내지 200K 의 범위에서 냉각기의 작동 온도를 전개하기 위해, 가스 혼합물은 에탄 (ethane), 이소부탄 (isobutane), 메탄 (methane), 크립톤 (krypton), 프로판 (propane), 펜탄 (pentane), 에틸렌 (ethylene), 및 부텐 (butane) 중에서 선택된 적어도 하나의 가스를 포함한다.
냉각기의 동작 범위를 증가시키기 위해 가스들의 혼합물에 HFE 타입의 첨가물 (하이드로플루오로에테르 (hydrofluoroether)) 을 추가하는 것이 또한 유리하다. 그러면, 범위 -40℃ 내지 +71℃ 에서 냉각기를 동작시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 40% 의 1-메톡시 (methoxy)-1,1,2,2,3,3,4,4-노나플루오로 부탄 (nonafluorobutane), 및 60% 의 1-메톡시-2-트리플루오로메틸(trifluoromethyl)-1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로판(hexafluoropropane) 을 포함하는 HFE-7100 을 이용하는 것이 가능하다. 그러한 첨가물의 이용은 주위 온도로부터 냉각기를 동작시키는 것을 가능하게 한다. 첨가물은 가스 혼합물을 냉각시키고 그 다음에 보다 낮은 온도들에서 냉각이 일어나는 주울-톰슨 효과가 주위 온도에서 시작되게 하는 것을 가능하게 한다. 이러한 구성에서, 사전-냉각 모듈을 이용할 필요가 없다.
혼합된 가스들이 이용된다면, 액화된 혼합물의 화합물들의 추진을 향상시키는 것을 가능하게 하는, 압축기 (6) 의 가스상 업스트림 및 다운스트림을 갖기 위해 냉각기의 동작 온도에서 액화가능하지 않은 가스를 추가하는 것이 유리하다. 예를 들어, 냉각기가 120K 와 200K 사이의 작동 온도를 가지면, 질소 및/또는 아르곤을 추가하는 것이 유리하다.
냉각 시스템은 저 압력 부분 및 고 압력 부분을 포함한다.
릴렉싱된 혼합물은 저 압력 부분과 고-압력 부분 사이의 분리를 달성하는 적어도 하나의 압축기 (6) 에 의해 압축된다. 압축기 (6) 에서, 혼합물은 저 압력 부분으로부터 도입되어 고-압력 부분으로 주입된다.
유리하게, 압축기 (6) 는 2 bar 와 15 bar 사이의 압력 구배를 보장하도록 구성된다. 압력 구배는 고-압력 부분과 저 압력 부분 사이에 존재하는 압력 차이에 대응한다.
상이한 기술들이 이용되어 압축기 (6) 를 형성할 수 있다. 예를 들어, 압축기 (6) 는 막의 변형을 이용하는, 막을 갖는 압축기이다. 반대 페이즈에서 동작하는 2 개의 피스톤들 또는 하나의 간단한 피스톤을 갖춘 압축기를 이용하는 것이 또한 가능하다. 스크롤 압축기라고도 불리는 나선형 압축기를 이용하는 것이 또한 가능하다. 베인 (vane) 압축기를 이용하는 것이 또한 가능하다.
압축기 (6) 의 출력 후에, 가스는 릴리프 포트 (5) 로 전송된다. 릴리프 포트 (5) 는 고-압력 부분과 저 압력 부분 사이에 다른 분리체를 전송한다. 주울-톰슨 릴렉세이션이 릴리프 포트 (5) 에서 일어난다. 유리하게, 릴리프 포트는 고정된 섹션을 가지나, 가변 포트 섹션이 또한 가능하다.
가스의 릴렉세이션은 냉각 테이블 (3) 의 내부에 있는 공동 내에서 이루어진다. 이러한 방식으로, 내부 공동 (7) 에서의 가스의 팽창은 바람직하게는 가스 또는 가스들의 액화 온도까지 가스의 온도 및 냉각 테이블 (3) 의 온도에서의 감소를 초래한다. 검출 회로 (1) 가 냉각 테이블 (3) 에 열적으로 연결됨에 따라, 내부 공동 (7) 에서의 가스의 팽창은 검출 회로 (1) 의 냉각을 초래한다.
냉각 테이블은 일체식 엘리먼트일 수 있다. 그러나, 설계를 증진시키기 위해, 지지부를 형성하고 적어도 부분적으로 내부 공동을 규정할 커버를 추가하는 것이 유리하다. 브라켓은 검출 회로와 커버를 분리한다.
릴렉세이션 중에, 온도를 낮추기 때문에 혼합물의 적어도 일부분이 가스상으로부터 액상으로 되는 것이 가능하다. 내부 공동 (7) 은 유리하게는 보다 좋은 냉각을 보장하기 위해 검출 회로와 열 접촉하는 증발기를 포함한다. 증발기는 액상으로부터 가스상으로 상 (phase) 변화를 달성하는 것을 가능하게 한다. 증발을 개선시키기 위해, 검출 회로의 부근에서 최대 열 교환을 갖기 위해 기리고 따라서 최대 냉각을 갖기 위해, 공동의 내부 표면을 그리고 검출 회로에 가장 가까운 우선적으로 공동 부분을 텍스쳐링하는 것이 유리하다.
릴렉싱된 혼합물은 증발기를 통해서 지나가고 그 다음에 압축기 (6) 의 입구로 전송되어 고-압력 부분으로 주입된다. 냉각기 가스는 폐쇄된 회로의 내부를 순환하며, 이는 보다 적은 용적을 차지하면서도 장기간들에 걸친 동작을 가능하게 한다.
진동 유발된 현상들을 크게 감소시키는, 압축기와 검출 회로를 기계적으로 디커플링하는 것을 가능하게 하기 때문에 이러한 구성은 특히 유리하다.
유리하게, 냉각기는 고-압력 부분에서의 순환 가스를 저 압력 부분에서의 순환 가스와 열적으로 연결하는 교환기 (8) 를 여전히 포함한다. 교환기 (8) 는 릴렉싱됨으로써 사전-쿨링된 가스가 고-압력 부분에 존재하거나 냉각 가스가 저 압력 부분에서 발견되도록 구성된다. 교환기 (8) 는 유리하게 릴리프 포트에서 혼합물의 액화의 효과를 증가시키는 것을 가능하게 하는 역류 교환기이다. 역류 교환기에서, 뜨거운 가스의 흐름은 차가운 가스의 흐름의 반대 방향으로 간다.
역류 교환기는, 예를 들어, 교환의 표면 영역을 증가시키는 동심 금속 튜브들 또는 병렬 플레이트들에 의해 상이한 방식들로 달성될 수 있다. 금속 튜브들은 평활할 수 있다. 변형예에서, 금속 튜브들은 접촉 표면을 증가시키도록 텍스쳐링된다. 예를 들어, 금속 튜브들은 블레이드들로 커버되거나 물결 모양이 될 수 있다. 동심 튜브들에 대해 수행된 것은 병렬 플레이트들에 또한 적용될 수 있다.
교환기 (8) 는 금속으로 제조될 수 있으나, 교환기는 또한 보다 작은 치수의 구현을 용이하게 하는 실리콘이나 유리로 제조될 수 있는데, 마이크로전자기술 또는 나노기술에서 고전적으로 이용되는 기술들로 마이크로-머시닝에 의해 교환기를 제작하는 것이 가능하기 때문이다.
소정의 실시형태들에서, 여러 개의 교환기들 (8) 이 혼합물의 흐름 방향으로 병렬로 장착될 수 있다.
여러 개의 교환기들 (8) 을 직렬로 장착하는 것이 또한 가능하다. 이러한 구성에서 유리하게, 상 분리기들이 교환기들에 또는 교환기들 사이에 장착된다. 상 분리기들은 저압 회로를 통합시키기 위해 액체들이 고압 회로를 떠나도록 가스와 액체들을 분리하도록 구성된다. 나가는 것이 혼합물 가스/액체가 아니라 대부분이 가스이기 때문에 이러한 실시형태는 특히 효과적이다.
도 1 에 도시된 특정 실시형태에서, 도 1 에서 나타내어지는 주울-톰슨 냉각기는 외부 엔벨로프를 포함하는 듀어 (Dewar) (9) 와 결합된다. 검출 회로는 유리하게 듀어 (9) 에서 진공 하에 배치된다. 진공 하에 내부 공동 (7), 교환기 (8), 및 포트 (5) 를 배치하는 것이 또한 유리하다.
나타내어지지 않은 특정 실시형태에서, 냉각 테이블 (3) 은 판독 회로 (2) 의 기판에 의해 이송되며, 이는 낮은 온도에서 재료의 전체 질량을 제한하고 따라서 검출 시스템의 열 관성 및 기계 관성을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
관측의 영역을 규정하기 위해서 그리고 이러한 관측의 영역 바깥쪽의 외부 방사선 간섭으로부터 검출 회로 (1) 를 보호하기 위해, 검출 디바이스는 우선적으로 냉각 차폐 (10) 및 바람직하게는 렌즈를 포함한다.
냉각 차폐 (10) 는 검출 회로에 의해 검출될 방사선에 대한 불투명 재료로 구현된다. 냉각 차폐 (10) 는 우선적으로 적어도 내부 면에서 코팅함으로써 커버되어 입사 방사선의 반사 간섭을 감소시킨다.
냉각 차폐 (10) 는 관측의 영역을 따라서 다른 곳에서 입사되는 방사선의 유입을 가능한 한 많이 제한하기 위해 적정한 형태를 보이며 검출 회로를 둘러싼다.
Claims (8)
- 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스로서,
- 적어도 하나의 광 검출기를 구비한 상기 적외 방사선의 검출 회로 (1),
- 상기 검출 회로 (1) 에 전기적으로 연결되고 상기 검출 회로 (1) 에 의해 방출된 전기 신호를 프로세싱하도록 구성된 판독 회로 (2),
- 주울-톰슨 냉각기로서,
상기 검출 회로 (1) 및 상기 판독 회로 (2) 에 열적으로 그리고 기계적으로 연결된 냉각 테이블 (3) 로서, 상기 냉각 테이블 (3) 은 내부 공동 (7) 을 포함하는, 상기 냉각 테이블 (3),
상기 내부 공동 (7) 의 입구에 배열된 릴리프 포트 (5),
상기 릴리프 포트 (5) 에 가스를 공급하는 배출구 및 상기 내부 공동 (7) 의 출구로부터 릴렉싱된 가스를 수신하는 입구를 갖는 압축기 (6) 를 갖춘, 상기 주울-톰슨 냉각기
를 포함하는, 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 내부 공동 (7) 의 출구에서 릴렉싱된 가스에 의해 상기 압축기 (6) 배출구에서의 가스를 냉각시키도록 구성된 교환기 (8) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 2 항에 있어서,
상기 교환기 (8) 는 역류 교환기인 것을 특징으로 하는 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기 (6) 는 2 bar 내지 15 bar 사이의 압력 구배를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
사전-냉각 모듈이 없는 것을 특징으로 하는 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 가스는 에탄, 이소부탄, 메탄, 크립톤, 프로판, 펜탄, 에틸렌, 및 부텐 중에서 선택된 적어도 하나의 가스를 포함하는 혼합물인, 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 5 항에 있어서,
가스 혼합물은 상기 압축기 (6) 의 가스상 업스트림 및 다운스트림을 갖기 위해 상기 냉각기의 동작 온도에서 적어도 하나의 액화가능하지 않은 가스를 포함하는, 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스. - 제 5 항 및 제 6 항에 있어서,
가스 혼합물은 하이드로플루오로에테르 타입의 적어도 하나의 첨가물을 포함하는, 적외 방사선의 검출을 위한 디바이스.
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